JP2008515366A - 電気機械の冷却装置 - Google Patents

Abstract

本発明は電気機械（１０）のための冷却装置（１、２）に関し、冷却装置（１、２）は少なくとも１つのロッド状熱伝導手段（３、４）を有し、ロッド状熱伝導手段（３、４）は電気機械（１０）との熱伝導結合のために用いられるようになっている。さらに本発明はハウジング（１８）及び固定子（１４）、又はそのいずれか一方を有する電気機械（１０）に関し、ハウジング（１８）及び固定子（１４）、又はそのいずれか一方は、電気機械（１０）に対し軸方向に延びるロッド状熱伝導手段（３、４）を有する冷却装置（１、２）を取り付けられるために用いられるようになっている。熱伝導手段（３、４）は、固定子（１４）内及びハウジング（１８）内、又はそのいずれか一方内に受け入れるために、ないし固定子（１４）上に及びハウジング（１８）上に、又はそのいずれか一方上に置くために用いられるようになっている。

Description

本発明は、電気機械のための冷却装置、電気機械自体、及び電気機械のための冷却システムに関する。

電気機械においては運転中に損失熱が生じるため、その損失熱は適合した冷却システムないし適合した冷却装置によって排出されなければならない。電気機械の冷却のためには、例えば、冷却風、冷却水又はヒートパイプによって働く冷却システムないし冷却装置を使用することができる。この種の冷却システムないし冷却装置は電気機械に組み込まれ、その際各電気機械はその電気機械用として設計された冷却装置を備える。

独国特許第4242132号明細書から例えば空冷式の電気機械が知られている。この種の電気機械においては、冷却装置が電気機械の使用場所における電気機械の熱負荷に依存することなく設計されているという不都合がある。電気機械の熱負荷は例えば電気機械の期待すべき作動状態に依存し、その際作動状態は例えばその写像をロードアプリケーションに見いだす。冷却装置は電気機械の問題のある運転事例に対し、電気機械の少なからず可能な臨界的ロードアプリケーションが電気機械の特定の使用に対しては必要ではないということを考慮せずに設計されている。

本発明の課題は、冷却性能を需要に応じて適合させ得る電気機械のための冷却装置を提供することにある。

この課題の解決は請求項１に従う特徴を持った冷却装置において達成される。本発明の別の解決法は、請求項６に従う特徴を持った電気機械ないし請求項９に従う特徴を持った冷却システムに基づいて得られる。従属請求項２〜５、８〜１０は対応する装置の有利な本発明の実施形態である。

電気機械のための冷却装置は少なくとも１つのロッド状熱伝導手段を有し、その際ロッド状熱伝導手段は電気機械との熱伝導結合のために用いられる。電気機械からの熱は、ロッド状熱伝導手段より冷却装置へ伝導可能である。冷却装置は、熱を排出するため例えば対流冷却のための冷却体を有し、または例えば液体のような冷却媒体もしくはガス状の冷却媒体としての空気への接続部を有し、又はさらにこれら両者を有することができる。このようにして電気機械は冷却される。ロッド状熱伝導手段は例えばヒートパイプ（熱伝導管）であり、ロッドは中実（従って中空ではない）の材料からなるか、又は内部に冷却媒体を誘導し得る中空のロッドであってもよい。

ロッド状熱伝導手段は従って、熱を例えば電気機械の固定子の熱い領域から軸方向に排出し、熱を冷却体又は冷却媒体に放出することができる。冷却体は例えば通風装置によって生じる気流により特に有効に冷却することができる。液体冷却（例えば水冷）を使用する場合には、例えば水を直接熱伝導素子内に通し、また元のところへ導き戻すようにすると有利である。

電気機械は、ロッド状熱伝導手段のための受入れチャネルを備えるように有利な形態に形成される。受入れチャネルは例えば電気機械の固定子積層体内にあるか、又は電気機械のハウジング内にあるか、又はそれら両者内に存在し、その際受入れチャネルは固定子の前面に向け開いている。受入れチャネルは固定子の軸方向広がりの大部分にわたって軸方向に延びているのが有利である。ロッド状熱伝導手段は受入れチャネルの大部分を満たすのが有利である。冷却装置が電気機械に取り付けられていると、冷却装置は電気機械の一部として見ることができる。

本発明の別の形態においては、電気機械が少なくとも２つの冷却装置に適合するように作り上げられ、電気機械が第１の冷却装置を受け入れるため並びに第２の冷却装置を受け入れるために用いられるように用意され且つ適するように電気機械が多数の受入れチャネルを有し、その際第１の冷却装置は第２の冷却装置とは異なる数のロッド状熱伝導手段を有する。電気機械の固定子及び電気機械のハウジング又はそのいずれか一方は従って種々の冷却装置のロッド状熱伝導手段の数を越え得る数の受入れチャネルを有する。従って、種々の冷却作用の冷却装置のモジュラー使用が電気機械の同じ固定子ないしハウジングに可能である。電気機械のためにその各使用分野において必要な冷却性能は、種々の冷却性能を有する種々の数ある冷却装置から特定の冷却装置の選択によって得られる。

種々の冷却性能はまた冷却装置における種々の冷却構想によっても達成することができる。冷却装置は例えば水冷式として、又は空冷式として構成することができる。電気機械の固定子及びハウジング又はそのいずれか一方はただロッド状熱伝導手段を受けることを保証しなければならないだけであるから、電気機械は種々の冷却構想を有する特定の構造様式で冷却可能である。

ロッド状熱伝導手段は、電気機械の固定子及びハウジング又はそのいずれか一方内の受入れチャネル内に受け入れるためのみに用いることを予定するものではない。電気機械の有利な実施形態においては、ロッド状熱伝導手段は電気機械の固定子及び／又はハウジングの外側に隣接する。ロッド状熱伝導手段が電気機械の固定子及び／又はハウジングに隣接するように用いられていると、電気機械の固定子ないしハウジング内の受入れチャネルを用いるか作る場合よりコストが安くなる。電気機械は回転式に作動するモータとして実施し得るのみならずリニアモータとしても形成することができる。リニアモータの場合にはロッド状熱伝導手段の方向付けを行ない得る回転軸は存在しない。この理由からリニアモータの場合にはロッド状熱伝導手段は例えば移動軸に沿って又は移動軸に垂直に整列される。

本発明は冷却の必要に応じた最適化という利点を持っている。このことは特に、空冷式のハウジング無しの電気機械に関係する。ハウジング無しの電気機械において、従来例えば電気機械の表面にわたる固有冷却は知られている。より改善された冷却のためには電気機械の冷却面を増大することが必要である。このことは電気機械の構造寸法を増大させ不利である。

別の有利な形態においては、ロッド状熱伝導手段は電気機械に対し軸方向整列が用いられる。回転式の電気機械においては軸方向整列の軸は回転軸である。従って電気機械の冷却装置が電気機械の取付場所ないし増設場所にある場合には、ロッド状熱伝導手段は特に回転式の電気機械である電気機械の軸にほぼ平行に整列されている。軸に対し十分に平行な整列は軸方向整列といわれる。軸方向整列を使用することによって、ロッド状熱伝導手段は電気機械の長手軸の広い範囲に達し得ることが可能となる。このことは、電気機械がその長手範囲全体にわたって極めて十分に熱伝導手段へ放熱し得る利点を持つ。

少なくとも１つの冷却装置を電気機械の軸受台の区域に取り付けるのが有利である。電気機械はさらに２つの冷却装置を有するように形成することもでき、その際それぞれ１つの冷却装置が回転式の電気機械の前面の区域に位置決めされている。

別の有利な形態においては、冷却装置は複数のロッド状熱伝導手段を有し、その際熱伝導手段は電気機械の回転軸に関して十分に対称的に分布されるのが有利である。十分に対称的な分布によって一様な熱搬出が達成される。

冷却装置の別の実施形態においては、ロッド状熱伝導手段は電気機械の固定子、電気機械のハウジング内、又は電気機械の外側面、又はそれらの任意の組み合わせの位置に取り付けることができる。電気機械の固定子ないしハウジング内に取り付ける場合も電気機械の外側面に取り付ける場合も、ロッド状熱伝導手段はこれらの相応する部分に接触を有する。この接触によって熱エネルギーの移送が可能になる。この移送は例えば熱伝導ペーストの使用によって改善可能である。そうするとロッド状熱伝導手段と電気機械の固定子ないしハウジングないし外側面との間に、有利な形態で熱伝導ペーストが存在する。電気機械の固定子、ハウジングないし外側面とロッド状熱伝導手段との間の接触面が大きいほど冷却性能は良好である。

別の有利な形態においてはロッド状熱伝導手段は中空状に仕上げられる。その空所内には例えば冷却風又は冷却液を導くことができる。これらの冷却媒体（冷却風ないし冷却液）を用いることによって、熱エネルギーを電気機械から排出可能である。別の有利な形態においては空所は例えば隔壁のような分離手段によって少なくとも２つの空所に分割され、その際空所は少なくとも部分的に互いに結合されている。このようにして冷却媒体に対しロッド状熱伝導手段の内部において順方向チャネル及び戻りチャネルを形成することができる。

別の有利な形態は、冷却装置が電気機械上に差し込み可能であるようにして生じる。差込可能な冷却装置は、比較的簡単に交換可能であるという利点を持つ。ロッド状熱伝導手段は、冷却装置と電気機械との間のプラグコネクションとして用いられると有利である。電気機械はそのため例えば電気機械の固定子やハウジング内に受入れチャネルを有する。受入れチャネル内へロッド状熱伝導手段は挿入可能である。

別の有利な形態においては、ロッド状熱伝導手段は円錐形の構造形態を有する。円錐形の構造形態によって、電気機械上への冷却装置の差込の過程が容易となる。ロッド状熱伝導手段が円錐形の構造形態の場合に、電気機械の固定子ないしハウジング内の受入れチャネルもロッド状熱伝導手段と逆にぴったり合う円錐形を有すると有利である。

本発明の課題の解決は、ハウジング及び／又は固定子を有する電気機械（特に回転式の電気機械）においても成就されるもので、その際ハウイジング及び／又は固定子は電気機械に対し軸方向に延びる熱伝導手段を有する冷却装置を取り付けるために用いられる。冷却装置を取り付けるために、熱伝導手段は固定子ないしハウジングの受入れチャネル内に埋め込むことができる。受入れチャネルは固定子ないしハウジングの範囲の大部分にわたって縦方向に延びているのが有利である。その縦方向は電気機械の回転軸によって定められる。電気機械は例えば多数のチャネルを有する。電気機械の用途に対し必要な冷却性能に依存して、種々の冷却装置を用いることができる。冷却装置は上述の実施形態に対応することができる。電気機械に対し種々の冷却装置を使用し得ることによって、冷却システムが形成される。

有利な形態においては、異なる様式の冷却装置も用いることができる。これから１つの冷却システムを組み立てることもできる。冷却装置を用いて冷却可能な電気機械のための冷却システムにおいては、電気機械と冷却装置との間に機械的なインタフェースが形成され、このインタフェースが種々の冷却作用や種々の冷却媒体を有する種々の冷却装置の利用を可能にする。冷却装置が例えば冷却のため冷却風を使用する場合には、冷却風の使用は電気機械の冷却のための有利な媒体である。より高い冷却性能は冷却液の使用によって可能となる。しかしながら冷却液の使用は、他方では漏れを生じる危険のため費用の増大を促進する結果を伴う。

電気機械の有利な形態においては、電気装置はロッド状熱伝導手段を受けるための多数のチャネルを備える。直接の冷却性能に依存して、さまざまな冷却装置を接続することができる。電気機械が例えば20のチャネルを有する場合には、例えば4、8、12、16、20又は1〜20の範囲でそれぞれ異なる数のロッド状熱伝導手段を有する冷却装置を使用することができる。ロッド状熱伝導手段は受入れチャネルに差し込まれる。ロッド状熱伝導手段の数が多いほど、冷却装置により排出可能な熱エネルギーは大きい。従って電気機械の冷却のための柔軟性のある冷却システムが提供され、その際電気機械と冷却装置との間の単一のインタフェースが異なる冷却性能を有する種々の冷却装置の使用を可能にする。

次に図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１に従い描かれたものは電気機械１０を示す。電気機械１０は、ハウジング無しの回転式電気機械であり軸１２を有する。電気機械１０はさらに軸１６及び固定子１４を有する。固定子１４内には受入れチャネル５が備えられている。受入れチャネル５はロッド状熱伝導手段３を受け入れるために用いられる。図１に従い描かれたものはさらに冷却装置１を示す。冷却装置１は接続部２４及び２５を有する。これらの接続部は例えば冷却液又は冷却風を受入れないし放出するために用いられる。さらに冷却装置１はロッド状熱伝導手段３を有する。ロッド状熱伝導手段３は、受入れチャネル５へ挿入し得るように形成されている。図１には示されていない別の形態においては、固定子１４がロッド状熱伝導手段３を有し、その際ロッド状熱伝導手段３は電気機械１０の前面１５から突出しており、冷却装置１はロッド状熱伝導手段３の突き出した部分上に置くことができる。

図１の電気機械１０は、従ってその前面１５上の適切な個所に軸方向の空所として受入れチャネル５を有する。適切な個所は特に、磁束を導くために設けられていないような個所である。例えば穴開けによって作ることができる軸方向の空所は、冷却なしの電気機械１０の通常の運転を妨げない。必要の場合には冷却装置１は電気機械の前面１５上に軸方向に置き、適切な方法で取り付けることができる。冷却装置１は空所の数及び形状に相応する数のロッド状熱伝導手段３を有し、その際この熱伝導手段は熱伝導ペーストを備え正確に空所中に浸されるのが有利である。

図２に従い描かれたものは固定子１４を切り欠いたものを示し、その固定子中にロッド状熱伝導手段３が存在する。ロッド状熱伝導手段は固定子１４の前面１５を越えて突出している。ロッド状熱伝導手段３の突出した部分上には冷却チャネル２０が置かれている。冷却チャネル２０は例えば冷却液を導くために設けられている。冷却液の可能な流れ方向２１は矢印で示されている。ロッド状熱伝導手段３は冷却チャネル２０内に突出し、その際冷却液によって還流可能であり、その結果それから熱排出を実現することができる。

図３に従い描かれたものは可能な熱排出の別の実施形態を示す。切り欠いて示される固定子１４内にはロッド状熱伝導手段３が存在する。ロッド状熱伝導手段３は固定子１４から突出している。ロッド状熱伝導手段３の突出した部分上には冷却体２２が置かれている。ロッド状熱伝導手段３から冷却体２２への熱導出は、熱伝導ペースト２３を使用することにより特に有利な仕方で達成される。

図４に従い描かれたものは固定子１４の冷却の別の可能性を示す。固定子１４内に管３５が取り付けられている。管３５はロッド状熱伝導手段の１つの可能な実施形態である。管３５上には冷却チャネル２０が差し込まれ、その結果この冷却チャネルを通して例えば直接冷却液を導くことができる。片側が閉じられた管３５及び冷却チャネル２０は分離手段２９によって分けられることにより、冷却媒体は冷却チャネル２０から管３５の第１の半部へ導かれ、管３５の底部４５において冷却媒体は管３５の第２の半部へ導かれる。分離手段２９は、管３５を第１の半部及び第２の半部へ分割する一種の壁であり、その際壁は冷却チャネル２０から管３５のほとんど底部４５にまで達している。第１の半部によってチャネル７０が形成され、第２の半部によってチャネル７１が形成される。底部４５は分離手段２９から距離を置かれている。例えば薄板から作られた分離手段２９は、冷却媒体が部分的に又は完全に管３５内へ導かれるように冷却チャネル２０内に配置されている。 図４に従い描かれたものにおいては、矢印２７によって冷却媒体の流れ方向が示され、その際チャネル７０により先駆部が形成され、チャネル７１により還流部が形成されている。管３５は冷却チャネル２０と結ばれて固定子１４内に差し込まれるか、又は固定子から分離され、その結果管３５の固定子１４への差込後続いて冷却チャネル２０が固定子１４の前面１５を越えて突出する管３５の部分上に差し込まれる。

図４に従い描かれたものはまた２つの断面Ｖ及びVIを示す。断面Ｖは図５に示され管３５の断面を示す。管３５は一種の壁として機能する分離手段２９によって２つのチャネル７０及び７１に分離されている。冷却媒体の流れ方向は円で示されている。図６に示される断面VIは平面図３７を示す。この断面VIには、分離手段２９が管３５の底部にまで達せず、その結果先駆部と還流部との間の結合が成立することが示されている。さらに、冷却チャネル２０の壁３３も示されている。

図７に従い描かれたものはロッド状熱伝導手段として固定子１４内に収納された管３５の別の実施形態を示す。管３５はここでは２つの分離手段２９及び３０を有し、その際分離手段は既に図４に示されるように隔壁として作り上げられている。管３５の接続は再び冷却チャネル２０によって行われる。管３５への冷却媒体の導入のために、クールジェット３９が用いられる。冷却媒体（ガス状又は液状）の流れ方向の経過は図７においても矢印２７によって示されている。

図８に従い描かれたものは注入管４１が挿入された管３５を示す。注入管４１は管３５の底部４５の範囲に通じている。注入管は管３５内にのみならず冷却チャネル２０内にも突出している。その際、冷却媒体の導入の範囲において注入管４１が冷却媒体を受け入れるように、注入管４１は冷却チャネル２０内に位置決めされている。注入管４１は冷却チャネル２０に対しパッキン４３によって密封されている。

図９に従い描かれたものは図示されていない電気機械のハウジング１８を示す。ハウジング１８にはロッド状熱伝導手段４が密接している。そのため電気機械のハウジング及び固定子又はそのいずれか一方の特に角が傾斜している。ロッド状熱伝導手段４のハウジング１８への固定は、例えばかみ合わせ４９を介して行われ、その際図示のかみ合わせはあり継ぎである。底部４６を有する熱伝導手段４は、この熱伝導手段がハウジング底部１９にまでは達しないように形成されている。このことは図１０に示され、その際図１０は図９の断面Ｘを示す。従って図１０に示されるように底部４６はハウジング端部１９の前で終わっている。さらに底部４６は固定手段４７へアクセスすることが容易になるように斜めに切られている。固定手段４７は例えば穿孔であり、ハウジング１８を基板上に固定するために用いられる。

図１１に従い描かれたものは冷却装置２の別の実施形態を示す。電気機械１０の固定子１４内にはロッド状熱伝導手段３が存在する。ロッド状熱伝導手段３は中実材料として実現され、従って空所を有しない。ロッド状熱伝導手段３は固定子１４から突出している。ロッド状熱伝導手段３上には冷却装置が置かれている。冷却装置は通風装置５１を有する。通風装置５１は通風装置モータ５５を有する。通風装置５１によって冷却風を吸い込むことができる。冷却風の経路は矢印２７によって示される。冷却風はチャネル７２を介してロッド状熱伝導手段３に導かれ、その際図８に従えばただ１つのロッド状熱伝導手段３が示されているが、複数のものを電気機械１０に設けることができる。ロッド状熱伝導手段３は図１２に示されている冷却格子７５上に置かれている。図１２は図１１に従う断面XIIを示す。図１２に示される冷却格子７５は冷却風チャネル５９及び冷却フィン５７を有する。ロッド状熱伝導手段３は熱を冷却フィン５７に放出するように冷却格子７５上に置かれ、その際冷却フィン５７を介して熱は、通風装置により生じ傍を通過する冷却風に伝えることができる。

図１３に従い描かれたものは一次部分６０と二次部分６２とを有するリニアモータ６４を示す。一次部分６０は受入れチャネル５を有する。受入れチャネル５は冷却装置１のロッド状熱伝導手段３を受けるために用いられる。図１３に従い描かれたものは、本発明に従う冷却装置が回転式の電気機械に使用できるのみならず、リニアモータにも使用し得ることを示す。さらに図１３から、ロッド状熱伝導手段３の軸方向整列がどんな場合にも必要ないし有利というわけではなく、従って他の整列も可能であること明らかである。

冷却装置を有する回転式電気機械を示す。 冷却装置の第１の型を示す。 冷却装置の別の型を示す。 隔壁を有する冷却装置の別の型を示す。 図４に従う冷却装置の断面図を示す。 図４に従う冷却装置の別の断面図を示す。 ２つの隔壁を有する冷却装置の別の型を示す。 管内管システムを有する冷却装置の別の型を示す。 電気機械のハウジングに接するロッド状熱伝導手段を有する冷却装置の別の型を示す。 図９に従う冷却装置の断面図を示す。 冷却装置の別の型を示す。 図１１に従う冷却装置の断面図を示す。 冷却装置を有するリニアモータを示す。

符号の説明

１、２ 冷却装置
３、４ ロッド状熱伝導手段
５ 受入れチャネル
１０ 電気機械
１２ 軸
１４ 固定子
１５ 前面
１６ 軸
１８ ハウジング
１９ ハウジング端部
２０ 冷却チャネル
２２ 冷却体
２３ 熱伝導ペースト
２４、２５ 接続部
２７ 矢印
２９、３０ 分離手段
３３ 壁部
３５ 管
３９ クールジェット
４１ 注入管
４３ パッキン
４５、４６ 管の底部
４７ 固定手段
４９ あや継ぎ
５１ 通風装置
５５ 通風装置モータ
５７ 冷却フィン
５９ 冷却風チャネル
６０ リニアモータの一次部分
６２ リニアモータの二次部分
６４ リニアモータ
７０、７１、７２ チャネル
７５ 冷却格子

Claims (10)

1. 冷却装置（１、２）が少なくとも１つのロッド状熱伝導手段（３、４）を有し、ロッド状熱伝導手段（３）は電気機械（１０）との熱伝導結合のために用いられるようになっていることを特徴とする電気機械のための冷却装置。
2. ロッド状熱伝導手段（３、４）が電気機械（１０）に対し軸方向整列に用いられるようになっていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. ロッド状熱伝導手段（３）が電気機械（１０）の固定子（１4）内に、及び／又は電気機械（１０）のハウジング（１８）内に、及び／又は電気機械（１０）の外表面に取り付け可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
4. ロッド状熱伝導手段（３）が中空状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の冷却装置。
5. 冷却装置（１、２）が電気機械（１０）上に差込可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の冷却装置。
6. ハウジング（１８）及び／又は固定子（１４）が冷却装置（１、２）を取り付けるために用いられ、冷却装置は電気機械に対し軸方向に延びる熱伝導手段（３、４）を有することを特徴とするハウジング及び／又は固定子を有する電気機械。
7. 電気機械（１０）が請求項１〜５のいずれか１つに記載の冷却装置（１、２）を有することを特徴とする請求項６記載の電気機械。
8. ハウジング（１８）及び／又は固定子（１４）が、冷却装置（１、２）の熱伝導手段（３、４）を受け入れるためのチャネル（５）を有することを特徴とする請求項６又は７記載の電気機械。
9. 電気機械（１０）と冷却装置（１、２）との間に機械的インタフェースが形成され、このインタフェースが種々の冷却作用及び／又は種々の冷却媒体を有する種々の冷却装置（１、２）の使用を可能にすることを特徴とする冷却装置によって冷却可能な電気機械のための冷却システム。
10. 冷却システムが、請求項１〜５のいずれか１つによる冷却装置（１、２）及び／又は請求項６〜８のいずれか１つによる電気機械（１０）を有することを特徴とする請求項９記載の冷却システム。

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