JP2012507252A - モータの空気流冷却 - Google Patents
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Abstract
1つの考えられる例において、スピナーを通る空気流路であって、内部回転子と固定子との間の第1空気流路、外部回転子と固定子との間の第2空気流路、及び外部回転子の外面に沿った第3空気流路を含む空気流路を有する航空機用電気モータ冷却システムが提供される。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
本出願は、参考としてここに全体を援用する次の出願の利益を主張する。
2008年9月23日に出願されたDaboussi氏の“WINDING DESIGN FOR IRONLESS P.M.MOTOR”と題する米国仮特許出願第61/194,098号;
2008年9月23日に出願されたDaboussi氏等の“PROPELLER DRIVE UNIT FOR HALE UAV”と題する米国仮特許出願第61/194,099号;及び
2008年9月23日に出願されたHibbs氏の“FLUX CONCENTRATOR FOR IRONLESS MOTORS” と題する米国仮特許出願第61/194,056号。
また、本出願は、参考としてここに全体を援用する次の出願にも関連する。
2009年9月23日に出願されたDaboussi氏等の“COMPRESSED MOTOR WINDING”と題する米国特許出願;
2009年9月23日に出願されたDaboussi氏等の“STATOR WINDING HEAT SINK CONFIGURATION”と題する米国特許出願;及び
2009年9月23日に出願されたHibbs氏の“FLUX CONCENTRATOR FOR IRONLESS MOTORS”と題する米国特許出願。
2008年9月23日に出願されたDaboussi氏の“WINDING DESIGN FOR IRONLESS P.M.MOTOR”と題する米国仮特許出願第61/194,098号;
2008年9月23日に出願されたDaboussi氏等の“PROPELLER DRIVE UNIT FOR HALE UAV”と題する米国仮特許出願第61/194,099号;及び
2008年9月23日に出願されたHibbs氏の“FLUX CONCENTRATOR FOR IRONLESS MOTORS” と題する米国仮特許出願第61/194,056号。
また、本出願は、参考としてここに全体を援用する次の出願にも関連する。
2009年9月23日に出願されたDaboussi氏等の“COMPRESSED MOTOR WINDING”と題する米国特許出願;
2009年9月23日に出願されたDaboussi氏等の“STATOR WINDING HEAT SINK CONFIGURATION”と題する米国特許出願;及び
2009年9月23日に出願されたHibbs氏の“FLUX CONCENTRATOR FOR IRONLESS MOTORS”と題する米国特許出願。
[0001]乗物用の電気モータは、電力を保存するため高い効率であることが必要である。更に、無人航空機では、軽量で且つコンパクトな電気モータも要望される。従って、磁束方向変化による鉄損がないという利益をもたらす無鉄心モータがしばしば使用される。
[0002]モータは、通常、モータのピーク電力及び効率について定格付けされる。幾つかの用途では、マシンに部分負荷即ち15%又は他のパーセントの負荷が課せられたときに高い効率となる高部分負荷効率が要望される。
[0003]従って、効率の高いコンパクトなモータが必要とされる。
[0004]1つの考えられる実施形態においては、スピナーを通る空気流路であって、内部回転子と固定子との間の第1空気流路、外部回転子と固定子との間の第2空気流路、及び外部回転子の外面に沿った第3空気流路を含む空気流路を有する航空機用電気モータ冷却システムが提供される。
[0005]種々の実施形態において、第1空気流路は、内部回転子の磁石に沿って延び、及び/又は第2空気流路は、外部回転子の磁石に沿って延びる。種々の実施形態において、第1空気流路は、前部固定子ヨーク及び後部固定子ヨークに沿って延び、及び/又は第2空気流路は、前部固定子ヨーク及び後部固定子ヨークに沿って延びる。
[0006]種々の実施形態において、第2及び第3空気流路は、後部固定子のヒートシンクを通りエアストリーム路に沿って延びる。種々の実施形態において、スピナーを経て延びる空気流路は、前部固定子冷却フィンを通して延びる部分を含み、第2及び第3の部分は、その少なくとも一部分が前部固定子冷却フィンの部分から導出される。
[0007]他の実施形態も提供される。
[0008]本発明の特徴及び効果は、以下の説明、特許請求の範囲及び添付図面に関連して良く理解されるであろう。
[0008]本発明の特徴及び効果は、以下の説明、特許請求の範囲及び添付図面に関連して良く理解されるであろう。
[00014]図1は、軸線22に沿った規範的モータ10の簡単な分解斜視図である。固定子40は、ハウジング60に固定される。内部回転子50及び外部回転子30は、互いに固定され、固定子40を取り巻く。プロペラブレード70が装着される任意のプロペラハブ75は、内部回転子50に固定される。プロペラハブ75は、ベアリング16及び18でスピンドル65に回転可能に装着される。ベアリング16及び18は、リテーナ20、14及びカバー12によって保持される。
[00015]図2は、図1のモータ10の、長手軸線22に沿った簡単な断面側面図である。固定子40は、内部回転子50及び外部回転子30の磁石各々35と55との間に配置される。シャフト65は、カーボンファイバ又は他の適当な材料で作られる。
[00016]図3は、巻線45を有する固定子40の簡単な斜視図である。巻線45は、固定子40内に収容される。冷却フィン42及び44が、前方及び後方の固定子ヨーク部分43f及び43bに各々接合される。図3では、冷却フィン42及び44を通る1つの空気冷却流路が矢印301で示されている。
[00017]図4は、図2のモータ10の簡単な断面図である。巻線45は、圧縮された中央領域45cを有する。巻線45は、中央領域45cにおいて圧縮されて、磁石35と55との間に巻線45のより多くの導体材料を配置できると共に、回転子30及び50の磁石35及び55に接近してより多くの導体を配置して、巻線45に高い磁界強度を与えることができる。この実施形態では、巻線45の端45eも圧縮する必要はない。これは、巻線45の端45eが、回転子30及び50の磁石35と55との間を通らないからである。
[00018]種々の実施形態によれば、軸線方向及び半径方向の両方の無鉄心P.M.又は永久磁石マシンについて、巻線45は、I2R損を最小にするための高いパッキング密度と、渦電流損を最小にする構造とをもたねばならない。回転子40の磁石35及び55は、固定子巻線45の中央活性領域45cの上/下を通り、固定子巻線45の縁45eの上/下を通らない。従って、種々の実施形態では、巻線45の活性領域45cは、その活性領域45cの体積において可能であるのと同程度の導体、即ち銅を有していなければならない。
[00019]また、種々の実施形態では、巻線45は、それが撓んで磁石35又は55に接触しないように高い剛性を有すると共に、ターン間電圧及びそれに関連した力に充分耐えねばならない。巻線45は、エポキシのような適当な材料で包囲される。
[00020]例示のために大きく示されているが、磁石35及び55が巻線45に最大の磁界を与えるように、固定子40と磁石35及び55との間のエアギャップ49u及び49iは、小さなものである。しかしながら、固定子40と磁石35及び55とが接近することで、固定子40からギャップ49u及び49iを横切って磁石35及び55へ至る望ましからぬ熱伝達を促進する。過度な熱は磁石35及び55にダメージを及ぼすので、固定子40には、前部及び後部の冷却フィン42及び44が設けられる。
[00021]従って、巻線45は、冷却フィン42及び44への低熱インピーダンス路を有していなければならない。ほとんどの実施形態では、巻線45は、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、又は熱伝達を促進する他の材料のような熱伝導性フィラーを混合したエポキシで包囲される。
[00022]前部固定子ヨーク43fは、固定子40の前端40efをその3辺において取り巻き、固定子40から前部固定子ヨーク43fへの熱伝導に対してより大きな表面積を与える。同様に、後部ヨーク43bは、固定子の後端40ebの3辺を取り巻く。
[00023]冷却フィン42及び44は、アルミニウム又は他の適当な軽量の熱伝導材料で作ることができる。冷却フィン42及び44は、別々に形成されて、低熱インピーダンスの接着剤で固定子ヨーク43f及び43bに接合されてもよいし、或いはそれらと一体的に形成されてもよい。更に、ある実施形態では、固定子40の前端40ef及び後端ebを冷却フィン42及び44に各々直結することも考えられる。
[00024]前部冷却フィン42は、前部固定子ヨーク43fの前面43f1から前方に離れるように延びる。前部冷却フィン42は、軸線22(図2)に対して半径方向に方向付けされる。冷却フィン42の後面42bは、前部固定子ヨーク43fの前面32f1に接合される。前部冷却フィン42の前面42fは、一様(solid)であって、空気は、軸線22(図2)に対して前部冷却フィン42を通して半径方向外方に流れる。図示しない別の実施形態では、一様な前面42fは存在しない。図示しない更に別の実施形態では、前部フィンは、半径方向の空気流ではなく、空気がそれらの間を軸線方向に流れるように、半径方向に方向付けされる。また、他の構成も考えられる。
[00025]後部冷却フィン44は、後部固定子ヨーク43bを取り巻き、軸線22(図2)に対して半径方向に方向付けされる。後部冷却フィン44は、一様な外部リング44oにより取り巻かれる。各フィン44の折り返し部分である内面44iは、後部固定子ヨーク43bの上部外面43btに接合される。空気は、軸線22(図2)に平行な軸線に一般的に沿った方向に後部冷却フィン44を通して流れる。
[00026]空気流401は、任意のスピナー80及びカバー33を通して入る。空気流401の小部分401dは、ギャップ49iを経て内部磁石55と固定子40との間を通過し、内部磁石55及び固定子40、並びに前部ヨーク43f及び後部ヨーク43bの部分を対流により直接的に冷却する。この小部分401dは、後部固定子ヨーク43bのポート48(図2−4に示す)を通して放出される。空気流401の大部分は、空気流の矢印401aで示すように、前部冷却フィン42を通過する。前部冷却フィン42を通過した後に、空気流401aの小部分401bは、ギャップ49uを経て上部磁石35と固定子40との間を通過し、外部磁石35及び固定子40、並びに前部ヨーク43f及び後部ヨーク43bの部分を対流により直接的に冷却する。
[00027]空気流401bの大部分401cは、カバー33及びスピナー80により転向され、ポート38(図1及び2にも示す)を通過して、外部回転子30を経て流れる。実施形態にもよるが、空気流401の小部分401gが、前部冷却フィン42の前部に流れて、ポート38を経て放出されてもよい。大部分401cは、上部ギャップ49uからの空気流401bと合成されて、後部冷却フィン44を通して流れる(401f)と共に、スピナー80に隣接したエアストリームから直接入る空気流401eとも合成される。
[00028]一実施形態において、冷却フィンのサイズ及び配置と、ここに述べるコンポーネントにわたる及びコンポーネントを通る空気流との組み合わせは、磁石が約70℃より低い温度に維持され、且つ巻線が約80−90℃より低い温度に維持されるように行われる。
[00029]図5は、モータ10の簡単な前面図である。内部及び外部の回転子50及び30は、この実施形態では、環状カバー33(図2及び4)に保持される3つのブラケット32で一緒に保持される。前部冷却フィン42の空気流401aは、これら3つのブラケット32間の分離部を通して流れる。空気流401(図4)のオープン域は、利用可能な全域の約80%であり、残りの20%は、ブラケット32により塞がれる。次いで、空気流401は、ほとんどの空気流401aが前部冷却フィン42を経て流れるようにして、分離部を通して流れる。空気流401は、スピナー80(図2及び4)及びフィン42によって低速化されて、僅かな流れエネルギーが失われ、次いで、ポート38において自由空気流速度へと再加速される。
[00030]本発明の実施形態は、航空機に関して示したが、航空機に限定されない。更に、全ての実施形態において全ての部品が要求されるのではない。上述した装置、方法及びシステムは、UAV又は航空機に限定されない。種々の例及び/又は実施形態は、他のモータ用途、即ち自動車、工業、等も含む。更に、ある実施形態では、空気流は、発生されてもよいし、或いは装置又はシステムの動き、即ち飛行、走行、等の結果でもよい。
[00031]「一実施形態」又は「実施形態」とは、その実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造又は特性が、必要に応じて、実施形態に含まれてもよいことを意味していることは注目に値する。「一実施形態」という句が明細書の種々の場所に現れるが、必ずしも、全てが同じ実施形態を指しているのではない。
[00032]ここに取り上げた例示は、説明上のものであって、特許請求の範囲を限定するものではない。この開示は、本発明の原理を例示するものと考えるべきであって、本発明の精神及び範囲、及び/又は例示した実施形態の請求項を限定するためのものではない。
[00033]当業者であれば、本発明の特定の用途に対して本発明を変更することができよう。
[00034]ここに含まれた論議は、基礎的な説明として役立つものである。読者は、特定の論議が、考えられる全ての実施形態を明確に述べておらず、また、別の形態が暗示されることに気付くべきである。また、この論議は、本発明の一般的な本質を完全に説明しておらず、そして各特徴及び要素が、実際には、どのような代表的又は同等の要素であるか明確に示していない。また、これらは、この開示に暗示的に包含される。本発明が装置指向の用語で説明されたところでは、装置の各要素が機能を暗示的に遂行する。また、本発明の本質から逸脱せずに種々の変更がなされることも理解されたい。このような変更は、この説明にも暗示的に包含される。これらの変更は、依然、本発明の範囲内に入るものである。
[00035]更に、本発明の種々の要素及び請求項の各々は、種々の仕方で達成することができる。この開示は、そのような変更の各々、装置実施形態の変形、方法実施形態、又は単にそれらの要素の変形も包含することを理解されたい。特に、この開示が本発明の要素に係るときには、各要素の語は、機能又は結果が同じである場合にのみ同等の装置用語で表現されてもよいことを理解されたい。このような同等な用語、より広い用語、又はより一般的な用語は、各要素又はアクションの説明に包含されるとみなすべきである。このような用語は、必要に応じて、本発明が権利を得る暗示的に広い範囲を明確にするために、置き換えることができる。全てのアクションは、そのアクションを取り入れる手段として、又はそのアクションを引き起こす要素として表現されることを理解されたい。同様に、ここに開示する各物理的な要素は、その物理的な要素により促進されるアクションの開示を包含するものと理解すべきである。このような変更及び別の用語は、この説明に明確に包含されるものと理解されたい。
[00036]以上、幾つかの実施形態について本発明を説明したが、当業者であれば、今や、変更が確実に示唆されるであろう。ここに述べた実施形態は、限定を意図したものではなく、種々の構成や特徴の組み合わせが可能である。従って、本発明は、特許請求の範囲で要求されたものを除いて、ここに開示した実施形態に限定されない。
10・・・モータ、12・・・カバー、14、20・・・リテーナ、16、18・・・ベアリング、22・・・軸線、30・・・外部回転子、33・・・カバー、35、55・・・磁石、40・・・固定子、42・・・前部冷却フィン、43f・・・前部固定子ヨーク、43b・・・後部固定子ヨーク、44・・・後部冷却フィン、45・・・巻線、45c・・・中央部分、45e・・・端、49u、49i・・・エアギャップ、50・・・内部回転子、60・・・ハウジング、65・・・シャフト、70・・・プロペラブレード、75・・・プロペラハブ、80・・・スピナー、401・・・空気流
Claims (33)
- a)スピナーを通る空気流路を備え、
前記空気流路は、
i)内部回転子と固定子との間の第1空気流路と、
ii)外部回転子と前記固定子との間の第2空気流路と、
iii)前記外部回転子の外面に沿った第3空気流路と、
を含む、航空機用電気モータ冷却システム。 - 前記第1空気流路は、前記内部回転子の磁石に沿って延びる、請求項1に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- 前記第2空気流路は、前記外部回転子の磁石に沿って延びる、請求項2に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- 前記第1空気流路は、前部固定子ヨーク及び後部固定子ヨークに沿って延びる、請求項2に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- 前記第2空気流路は、前記外部回転子の磁石に沿って延びる、請求項1に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- 前記第2空気流路は、前部固定子ヨーク及び後部固定子ヨークに沿って延びる、請求項5に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- 前記第1空気流路、前記第2空気流路及び前記第3空気流路は、エアストリーム路へ戻る、請求項1に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- 前記第2空気流路及び前記第3空気流路は、エアストリーム路と共に後部固定子ヒートシンクを経て延びる、請求項7に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- 前記第2空気流路及び前記第3空気流路は、エアストリーム路と共に後部固定子ヒートシンクを経て延びる、請求項1に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- スピナーを通して延びる前記空気流路は、前部固定子冷却フィンを通して延びる部分を含み、第2の部分及び第3の部分は、その少なくとも一部分が前部固定子冷却フィンの部分から導出される、請求項9に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- スピナーを通る前記空気流路は、前部固定子冷却フィンを通して延びる部分を含み、第2の部分及び第3の部分は、その少なくとも一部分が前部固定子冷却フィンの部分から導出される、請求項1に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- 後部固定子ヒートシンクを通して延びるエアストリーム路を更に含む、請求項1に記載の航空機用電気モータ冷却システム。
- a)外部回転子に接続された内部回転子と、
b)前記内部回転子と前記外部回転子との間に配置された巻線を含む固定子と、
c)スピナーと、
d)冷却システムと、
を備え、
前記冷却システムは、
i)前記スピナーを通る空気流路を含み、該空気流路は、
(1)前記内部回転子と前記固定子との間の第1空気流路と、
(2)前記外部回転子と前記固定子との間の第2空気流路と
を含む、航空機用電気モータ。 - a)前記固定子の前部に熱結合された前部冷却フィンを更に備え、
b)前記スピナーを通る前記空気流路は、前記前部冷却フィンを経て延びる、
請求項13に記載の航空機用電気モータ。 - 前記前部冷却フィンは、前記スピナーに入る空気流をその前部冷却フィンを通して半径方向外方に向けるように方向付けされる、請求項14に記載の航空機用電気モータ。
- a)前記固定子の後部に熱結合された後部冷却フィンを更に備え、
b)前記スピナーを通る前記空気流路は、前記後部冷却フィンを経て延びる、
請求項14に記載の航空機用電気モータ。 - 前記固定子の後部に熱結合された後部冷却フィンを更に備え、この後部冷却フィンは、前記スピナーの外半径を越えて延びる、請求項14に記載の航空機用電気モータ。
- 前記固定子の後部に熱結合された後部冷却フィンを更に備え、この後部冷却フィンは、航空機のエアストリームへと延びるサイズにされる、請求項14に記載の航空機用電気モータ。
- 前記固定子の後部に熱結合された後部冷却フィンを更に備え、この後部冷却フィンは、航空機のエアストリームへと延びるサイズにされる、請求項13に記載の航空機用電気モータ。
- 前記第1空気流路は、前記内部回転子の磁石に沿って延び、前記第2空気流路は、前記外部回転子の磁石に沿って延びる、請求項13に記載の航空機用電気モータ。
- 前記第1空気流路は、前部固定子ヨーク及び後部固定子ヨークに沿って延びる、請求項13に記載の航空機用電気モータ。
- 前記第2空気流路は、前部固定子ヨーク及び後部固定子ヨークに沿って延びる、請求項13に記載の航空機用電気モータ。
- 航空機用の電気モータを空気冷却する方法において、
a)スピナーに空気流を通過させるステップと、
b)空気流の第1部分を、固定子と内部回転子との間に流すように向けるステップと、
c)空気流の第2部分を、前記固定子と外部回転子との間に流すように向けるステップと、
d)空気流の第3部分を、前記外部回転子の外面に沿って流すように向けるステップと、
を備える方法。 - 前記空気流の第1部分は、前記内部回転子の磁石に沿って流れる、請求項23に記載の方法。
- 前記空気流の第2部分は、前記外部回転子の磁石に沿って流れる、請求項24に記載の方法。
- 前記空気流の第1部分は、前部固定子ヨーク及び後部固定子ヨークに沿って流れる、請求項24に記載の方法。
- 前記空気流の第2部分は、外部回転子の磁石に沿って流れる、請求項23に記載の方法。
- 前記空気流の第2部分は、前部固定子ヨーク及び後部固定子ヨークに沿って流れる、請求項27に記載の方法。
- 前記空気流の第1部分、第2部分及び第3部分をエアストリームへ戻すステップを更に備える、請求項23に記載の方法。
- 前記空気流の第2部分及び第3部分をエアストリーム流と合成し、その合成された第2部分、第3部分及びエアストリーム流を後部固定子ヒートシンクに通過させるステップを更に備える、請求項29に記載の方法。
- 前記空気流の第2部分及び第3部分をエアストリーム流と合成し、その合成された第2部分、第3部分及びエアストリーム流を後部固定子ヒートシンクに通過させるステップを更に備える、請求項23に記載の方法。
- 前記空気流の前部冷却フィン部分を前部固定子冷却フィンに通すように向けるステップを更に備え、前記第2部分及び前記第3部分は、その少なくとも一部分が、前記スピナーを通る空気流の冷却フィン部分から導出される、請求項31に記載の方法。
- 前記空気流の前部冷却フィン部分を前部固定子冷却フィンに通すように向けるステップを更に備え、前記第2部分及び前記第3部分は、その少なくとも一部分が、前記スピナーを通る空気流の冷却フィン部分から導出される、請求項23に記載の方法。
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