JP2009153375A - 誘導型内部冷却を有する電気モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 高い負荷がかかる場合でも故障に関して信頼性があり、また、均一温度制御で動作する小型の電気モータを提供する。
【解決手段】 本発明は、ロータ（２）と、ステータ（３）と、ロータ（２）とステータ（３）との間に延在する空隙（４）とを備える電気モータ又は発電機（１）であって、電気モータを冷却する少なくとも１つの導管（５）が、空隙（４）に対して閉じられ、ロータ（２）とステータ（３）との間に配置され、ロータ（２）に垂直なステータ（３）の少なくとも１つの断面領域（Ｂ；図１Ｂ）において、少なくとも１つの導管（５）は、ステータ（３）に接続されて固定され且つ熱を伝達する、電気モータを提供する。本発明により、小型であり故障しにくい電機モータ及び発電機が提供される。
【選択図】 図１Ｃ

Description

本発明は、請求項１に記載の電気モータに係る。

電気モータの様々な構成及びその用途が知られている。

特に、永続動作する又は超高速の電気モータの欠点は、機械的な摩擦又は高い電気負荷によって過熱してしまうことである。

この過熱は、今日まで、モータの負荷を低減する、又は、冷却リブの配置若しくは外側のステータ領域の水冷によって放熱を高めることにより対応されてきた。しかし、これらの冷却性能は、一部の用途では十分ではない。

したがって、本発明は、（例えば、永続動作又は高回転速度によって）高い負荷がかかる場合でも故障に関して信頼性があり、また、均一温度制御で動作する小型の電気モータを提供することを目的とする。

この目的は、請求項１に記載の電気モータにより実現される。

本発明の電気モータは、ロータ、ステータ、及び、ロータとステータとの間に延在する空隙を含む。更に、電気モータを冷却する少なくとも１つの導管が、空隙に対して閉じられ、また、ロータとステータとの間に配置されている。従って、少なくとも１つの導管は、ロータに垂直なステータの少なくとも１つの断面領域において、ステータに接続されて固定され且つ熱を伝達する。

本願では、「空隙」とは、実際の幾何学的な空隙であると理解するものとする。この空隙は、原則として、ロータ（ロータ磁石）及びステータ（例えば、ステータの巻線、ステータヨーク）の電気的又は磁気的にアクティブな領域の間の空隙より小さい。これは、本発明の冷却導管は、電気的又は磁気的にアクティブな部分の間に更に組み込まれ、通常の空隙のサイズを減少するからである。

少なくとも１つの導管を、ロータに垂直なステータの少なくとも１つの断面領域においてステータに接続することが考えられる。これは、この領域に導管を固定する役割を果たす。本実施形態は、空隙に対して「閉じている」導管の例であり、空隙自体の例ではない。更に、モータ（例えば、ステータ）から導管へ向けての放熱は、モータからの熱の流れが可能な限り多くなるように固定することによって可能となる。

本発明の「誘導型の空隙冷却」では、冷却は、巻線系（巻線ワイヤとステータの積層体）の内径と、ロータとの間で行われる。冷媒は、決められた方法で冷却導管の中を導かれる。具体的な利点は、冷却流体が空隙、電気的な部分、又は周辺部品と干渉しないということである。このようにすると、冷却に任意の媒体（例えば、気体又は流体）を使用することができ、費用又は熱的に好適なパラメータ（特定の熱容量、熱伝達係数）を考慮するだけでよくなる。従って、通常は用いられない、腐食性又は起爆性の媒体を用いることも可能である。導管系は、マシンツール（例えば、複合工作機械）内のツール又は対象物を冷却又は潤滑化するために冷却及び潤滑エマルジョンといった媒体を導くために用いてもよい。このようにすると、最初に駆動モータが冷却され、続けて、冷却が無ければ過熱してしまうツールも単一の冷却回路で冷却される。

基本的に、誘導型の空隙冷却を有するモータ（即ち、発電機として操作される本発明のモータ）は、特に、既知の永久磁石同期モータに適用されうる。しかし、精密工作機械を、特定の適用分野（ここでは、ロータ構成の小型構成と小さい慣性が、「冷たいシャフト（cold shaft）」（又は、一定に保たれる動作温度を有するシャフト）によってロータの長手方向の長さが減少されることにより可能）として推奨する。特定の適用分野は、高性能の発電機又はモータである。本発明によるモータは、常に、感熱プロセスにも適用され、例えば、感熱媒体（血液ポンプで用いられる）に適用されてもよい。従って、モータは、サイズと重量が特に重要である適用、また、高温度の適用（例えば、鋳造所）に適用される電気モータに適用される。

本発明の解決策によりモータ又は発電機全体の安価な冷却が実現される。（空隙を介する）ロータの冷却は、ロータシャフト（冷たいシャフト）の熱膨張を低減する。更に、これにより、ロータ上の接着接続（例えば、ロータシャフトの金属コアの周りにあるロータ磁石への金属コアの接続）の寿命を増加する。従来の空隙における冷却導管の配置により、両側におけるステータとロータとの間の熱の流れが抑制される。これは、（外部冷却のための）追加された内部冷却によってモータ全体又は発電機全体の電力を増加する。上述したように、モータ全体の軽量化、及び、構成サイズの小型化が、（導管自体も空間を占め重量を構成するにも関わらず）実現される。更に、本発明の冷却システムは、冷媒が閉回路内を導かれ、閉回路自体は不動部分を含むので、漏れに関しては比較的安全である。

更なる有利な構成は、従属項に記載する。

本発明の１つの更なる有利な構成では、少なくとも１つの導管は、ステータとともにキャスティングされる。この「キャスティング」は、プラスチック材料、特に、人工樹脂で行われてよい。これにより、まず、漏れに関して信頼性のある導管が固定され、これにより、一方で空隙から導管へと、他方でステータから導管への非常に良好な熱伝達がもたらされる。０．５乃至３Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有する一般的な人工樹脂を適用しうる。この人工樹脂は、ステータの巻線の密閉にも用いられる。ステータ巻線と冷却導管全体は、一緒にキャスティングされることが好適である。

１つの特に有利な更なる構成では、冷却導管は、ステータ及び／又はロータ磁石より短い又は長い長さに亘ってロータの軸方向に延在する。これにより、冷却力は増加し、冷却されるべき領域の長さは、必ずしもロータ又はステータの寸法に依存しなくなる。

更に有利な更なる構成では、共通の且つ調整された供給導管と排出導管とが、全導管に対して与えられる。これにより、導管内を導かれる流体又は気体は、回路内にも導かれる。更に、流体又は気体は、熱交換器に接続されてもよい。マルチステージ冷却も可能であり、これは、例えば、モータ内を延在する少なくとも１つの導管を、熱伝導しながら、冷却されるべき更なるコンポーネントに接続する。この更なるコンポーネントは、例えば、複合工作機械の機械加工ヘッドであってよい。

導管自体を、ロータの周りに様々に配置してもよい。

まず、「半径方向に囲む」変形が可能である。ここでは、導管は、ロータの周りを少なくとも１周りすることが有利である。これは、「スパイラル状」にも行うことができる。導管は、ステータの１つの軸端から開始して、ステータの反対の軸端で終端することが可能である。同じ軸端から開始して終端することも可能である。

スパイラル状の実施形態では、スパイラルの巻線は、互いに接触する、又は、導管間の距離が導管の外径（最小の断面）未満であるよう密であることが有利である。これにより、非常に大量の冷却流体が保持されうるので、最大限の冷却性能が可能となる。

冷却流体の過熱を検出し、冷却導管を用いることによるより早いスループット又は導管内を流れるより冷たい流体によってこの過熱を補償する調整も行われることが好適である。

更に有利な構成では、導管がロータの軸方向に本質的に並行に延在する。これにより、ロータに対して本質的に軸方向に配置される幾つかの導管が、ステータの表面（periphery）に亘って放射状に分布されることが可能である。これにより、距離も非常に小さくなるよう選択される。導管は、互いに接触するか、又は、例えば、その最小の直径領域における導管の外径未満の小さい距離を有する。「半径方向にオフセットされた」構成により更なる冷却面を導入してもよいが、この場合、ステータとロータとの間で制限される構成空間が考慮されるべきである。

導管は、全体的に周囲にキャスティングされることが好適であり、この結果、特に、漏れに対する安全性と良好な放熱が得られる。これらの導管は、空隙において本質的に「自由」であることも可能であるが、この場合、ステータへの適切な固定及び漏れに対する安全性が考慮されるべきである。

ロータと冷却導管との間にある空隙は、円筒状に設計されることが好適であり、また、これにより、比較的小さい空隙がもたらされ、この小さい空隙によりロータから冷却導管へ、高温の熱の伝達が可能となる。

更なる有利な構成では、ステータの断面積とロータ磁石の断面積の比（Ｖ_ＱＳ＝Ａ_{ｓｔａｔｏｒ}：Ａ_{ｒｏｔｏｒ ｍａｇｎｅｔ}）は、２乃至２００、好適には、１０乃至５０である。ここでは、どちらもステータ又はロータ磁石の電気的に有効なコンポーネントの「正味の断面積」を指定する。絶縁コンポーネント（例えば、導管、又は、そのキャスティング）、又は、電気的又は磁気的に有効ではないコンポーネントは、計算に含まれない。従って、ステータに関して、金属基部（例えば、銅巻線を含む）は、断面積に考慮されるが、非絶縁プラスチック以外の周囲環境は考慮されない。ロータ磁石に関して、ロータが異なる部分から構成される場合（この場合は、ロータ磁石の総面積を決定するために個々の表面が適宜加算される）でも、実際の磁気的に有効な表面のみが考慮される。上述の断面は、ロータの軸に垂直にあることが好適である。更に有利な更なる構成では、ステータの最小内径が、ロータの最大外径の１．１乃至１．４９、又は、８．０１乃至１５倍である。特に好適には、ステータの最小内径は、ロータ磁石の最大外径の１．５乃至８倍である。ここでも（上述したように）、ステータ又はロータ／ロータ磁石の電気的／磁気的に有効な構成要素だけが考慮される。

更に有利な構成は、残りの従属項に記載する。

本発明を、幾つかの図面を用いて以下に説明する。

本発明による電気モータ又は発電機の第１の実施形態を示す図である。 本発明による電気モータ又は発電機の第１の実施形態を示す断面図である。 本発明による電気モータ又は発電機の第１の実施形態を示す断面図である。

本発明による電気モータ又は発電機の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明による電気モータ又は発電機の第２の実施形態を示す断面図である。

図１Ａは、本発明による電気モータ又は発電機１を示す図である。図１Ｂは、線Ａ−Ａについての断面を示し、図１Ｃは、線Ｂ−Ｂについての断面を示す。本発明のモータは、ロータ２を有する。ロータ２は、図示しない方法で両側に取り付けられる。ロータは、金属で形成され、ロータ磁石８により囲まれる。ロータ及びロータ磁石は、ここでは、本質的に円筒状に又は環状円筒状に成形される。ロータ２に属するロータ磁石８は、円筒状の空隙４により囲まれる。この空隙は、本質的に環状円筒状に成形され、ここでは、０．２ｍｍの空隙幅を有する。このタイプのモータの最も好適な空隙幅は、最小限の空隙のときに実現される。環状円筒状ではない構成では、ロータを囲む最小の円は、ロータ磁石の最大外径であるとみなされる。

空隙４と外側とに接続する複数の導管５が設けられる。ここでは、互いに等距離に且つシャフトの中心軸から同じ距離に配置される１８の導管がある。導管５は、ロータの軸方向６（即ち、シャフトの中心軸の方向）に並行して延在する。導管同士の間の横方向距離は、ここでは、比較的小さくなるよう選択され、導管の外径未満である。全ての導管は、電気モータ又は発電機の両端で開放している。したがって、通常は周囲の空気である周囲媒体だけで既に冷却効果がある。

冷却効果は、これらの導管に意図的に流体（気体又は液体）を導くことにより高めることができる。

複数の導管をそれぞれ個別の供給導管として扱うことも可能であるが、幾つかの供給導管又は排出導管をまとめて、個々の導管間の温度補償を高め且つそれほど設計努力を必要としないようにすることが有利である。

ステータ３は、電気的に有効な構成要素によって外側と半径方向で直接的に接続する。本実施形態においては、電気的に有効な構成要素は、ヨークリングを有するステータコアの周りに配置されるステータ巻線である。

ここでは、導管５は、ステータにしっかりと接続するよう人工樹脂材料でキャスティングされ、ロータは更なる労力なしに依然として取り外し可能である。本実施形態におけるステータとの導管のキャスティング材料は、ステータ巻線のキャスティング材料と同じであるが、これは絶対不可欠ではない。

ここでは、ロータ２、ステータ３、及び、ロータ２とステータ３の間に延在する空隙４を含む電気モータ又は発電機を示す。電気モータを冷却するための少なくとも１つの導管５は、空隙に対して閉じられ、ロータ２とステータ３との間に配置され、ステータの少なくとも断面領域（図１Ｃの線Ｂ−Ｂについての断面図を参照）では、ロータ２に対して垂直にステータ３に接続されて固定され且つ熱を伝導する。

したがって、導管の固定は、モータの「中心」領域において行われる。即ち、導管を更に、内側にも外側にも軸方向において固定する必要がない。更に、導管をステータにキャスティングすることにより、導管からステータへの非常に良好な熱伝達が与えられる。更に、近くに位置する空隙４を介してもステータへの良好な熱伝達が可能である。

ここでは、電気モータ１は、永久磁石同期モータとして設計される。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、本発明による電気モータ又は発電機の更なる実施形態を示す図及び断面図である。

この更なる実施形態は、冷却導管５以外、上述した第１の実施形態について記載した詳細は全て同じである。従って、既に説明した特徴については、説明を繰り返さないために省略する。

図２Ａは、電気モータ又は発電機１の正面図を示し、更に、供給導管５ａが左側に示され、排出導管５ｂが右側に示される。供給導管５ａ及び排出導管５ｂは、熱交換器７に接続される。熱交換器は、供給導管と排出導管の間を循環する流体を連続的に冷却して、ロータ内の動作温度を一定にする。熱交換器７は更に、熱交換器への循環流体の入口温度を判断するセンサ手段を有してもよい。入口温度（及び操作者が望むロータ内の温度）に依存して熱交換器においてより多く又はより少なく流体が冷却される。

導管５は、ロータ２又はロータ磁石８を数回スパイラル状に取り囲む。したがって、本実施形態では、供給導管５ａと排出導管５ｂとの間をスパイラル状に延在する単一の導管のみが設けられる。スパイラル状の巻線は略接触又は接触するように互いに密に集められる。したがって、導管は、ロータ磁石よりも且つステータの電気的に有効な構成要素よりも大きい長さに亘って延在する（どちらも、ロータ２の軸方向６に見た場合）。すなわち、導管の長さ（ｌ_{ｃｏｎｄｕｉｔ}）は、図２Ｂにおけるステータの長さ（ｌ_{ｓｔａｔｏｒ}）又はロータの長さ（ｌ_{ｒｏｔｏｒ}）より大きい。

図１Ａ乃至図２Ｂに示す実施形態では、ステータ３の最小内径は、ロータ２の最大外径の１．０５乃至６倍大きい。これらの値は、上述したように、ロータ及びステータの電気的又は磁気的に有効な構成要素の実際の長さに応じてのみ決まる。

１ 電気モータ／発電機
２ ロータ
３ ステータ
４ 空隙
５ 導管
５ａ 供給導管
５ｂ 排出導管
６ ロータの軸方向
７ 熱交換器
８ ロータ磁石

Claims (16)

1. ロータ（２）と、
   ステータ（３）とを備え、
   前記ロータ（２）と前記ステータ（３）との間に空隙（４）が延在する電気モータ（１）であって、
   前記電気モータを冷却する少なくとも１つの導管（５）が、前記空隙（４）に対して閉じられ、前記ロータ（２）と前記ステータ（３）との間に配置され、
   前記ロータ（２）の軸方向に垂直な前記ステータ（３）の少なくとも１つの断面領域（Ｂ；図１Ｂ）において、前記少なくとも１つの導管（５）は、前記ステータ（３）に接続されて固定され且つ熱を伝達する、電気モータ（１）。
2. 前記少なくとも１つの導管（５）は、前記ステータ（３）とともにキャスティングされる、請求項１に記載の電気モータ。
3. 前記電気モータ（１）は、永久磁石同期モータである、請求項１又は２に記載の電気モータ。
4. 前記導管（５）の長さ（ｌ_{ｃｏｎｄｕｉｔ}）は、前記ロータ（２）の軸方向（６）において、前記ステータの長さ（ｌ_{ｓｔａｔｏｒ}）及び／又は前記ロータの磁石の長さ（ｌ_{ｒｏｔｏｒ}）に略等しい長さ（ｌ_{ｃｏｎｄｕｉｔ}）に亘って延在する、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
5. 共通の調整された供給導管（５ａ）及び排出導管（５ｂ）が、全導管（５）に対して与えられる、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
6. 前記導管（５）内を導かれる流体は、回路内に導かれる、及び／又は、熱交換器（７）に接続される、請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
7. 前記少なくとも１つの導管（５）は、前記ロータ（２）の周りを少なくとも１周する、請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
8. 前記少なくとも１つの導管（５）は、スパイラル状に延在する請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
9. 前記導管（５）は、前記ロータ（２）の前記軸方向（６）に並行に延在する、請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
10. 前記ロータ（２）に対して軸方向に配置される複数の導管（５）は、前記ステータの表面に亘って放射状に分布される、請求項９に記載の電気モータ。
11. 前記空隙（４）は、円筒状に設計される、請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
12. 前記ステータの断面積と、前記ロータの磁石の断面積の比（Ｖ_ＱＳ＝Ａ_{ｓｔａｔｏｒ}：Ａ_{ｒｏｔｏｒ ｍａｇｎｅｔ}）は、２乃至１００である、請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
13. 前記ステータの断面積と、前記ロータの磁石の断面積の比（Ｖ_ＱＳ＝Ａ_{ｓｔａｔｏｒ}：Ａ_{ｒｏｔｏｒ ｍａｇｎｅｔ}）は、１０乃至５０である、請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
14. 発電機として動作する請求項１から１３のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
15. 前記ステータ（３）の最小内径は、前記ロータ（２）の最大外径の１．１乃至１５倍である、請求項１乃至１４のうちいずれか一項に記載の電気モータ。
16. 請求項１乃至１５のうちいずれか一項に記載のモータまたは発電機を備え、
    前記モータまたは発電機（１）内を延在する前記少なくとも１つの導管（５）は、熱伝導するよう加熱又は冷却すべき更なるコンポーネントに接続される、機械。

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