JP2013158237A - Ｓｒモータの代替的冷却装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気機械の固定子積層およびコイルを冷却するためのシステムを提供する。
【解決手段】 モータ１０は、ローター１２と、固定子１４とを備える。固定子１４は、同軸にアライメントされた複数の積層２４を含む積層スタック２０であって、ローター１２を受容するようなサイズにされた中央ボア３２を規定し、少なくとも１つの冷却ボア５２を規定し、第１の端部および第２の端部を規定する、積層スタック２０と、積層スタック２０内に配置され、前記第１の端部および第２の端部から間隔を空けて配置される、流体入力プレート４４と、少なくとも１つの冷却ボア５２内に配置された冷却用流体と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本開示は、電気機械を冷却するためのシステムに関する。より詳細には、本開示は、前記電気機械の固定子積層およびコイルを冷却するためのシステムに関する。

電気機械（モータおよび発電機を含む）は、ローターを前記ローターを包囲する固定子に相対して回転させることにより、動作する。電気機械は、動作時において熱を生成する。前記熱は、前記固定子に対する前記ローターから半径方向に外側方向に外部ハウジングへ流れる。前記電気機械の冷却のために、空気または液体冷却剤を送るための経路として、例えば、前記外部ハウジング内に配置されたチャンネル、前記固定子の密閉積層内に配置された開口部または前記固定子のコイル間に配置されたチャンネルがある。

本開示は、電気機械を冷却するためのシステムを提供する。前記電気機械は、ローターと、固定子と、前記固定子を通じて延びる少なくとも１つの冷却管とを含む。前記電気機械の動作時において、流体が前記管内を流れ、前記機械によって生成された熱を取り去る。

本開示の実施形態によれば、電気機械が提供される。前記電気機械は、ローターと、固定子とを含む。前記固定子は、積層スタックを含む。前記積層スタックは、同軸にアライメントされた複数の積層を含む。前記積層スタックは、前記ローターを受容するようなサイズにされた中央ボアを規定し、少なくとも１つの冷却ボアを規定する。前記積層スタックは、第１の端部および第２の端部を規定する。流体入力プレートが前記積層スタック内に配置され、前記第１の端部および第２の端部から間隔を空けて配置される。冷却用流体が、前記少なくとも１つの冷却ボア内に配置される。

本開示の別の実施形態によれば、電気機械流体輸送装置が提供される。前記装置は、本体を含む。前記本体は、第１の側部および第２の側部を有する。流体入力が前記本体内に規定される。内部通路が前記本体内に規定され、前記入力へと流体接続される。第１の出力が前記第１の側部内に規定され、前記内部通路へと流体接続される。第２の出力が前記第２の側部内に規定され、前記内部通路へと流体接続される。

本開示のさらに別の実施形態によれば、モータ固定子と共に用いられるプレートが提供される。前記プレートは、本体を含む。前記本体は、前記モータ固定子の積層のスタックの積層と隣接するようなサイズおよび形状にされる。前記本体は、前記積層の流体導管アライメントされるように配置された第１の出力オリフィスと、前記第１の出力オリフィスから流体を受容するように前記第１の出力オリフィスに隣接して配置された第１のファセット（facet）とを含む。前記第１のファセットは、第１のファセット出力を含む。前記第１のファセットは、前記第１のファセットから前記第１のファセット出力を介して退出した流体が前記モータ固定子の巻線上に方向付けられるようなサイズ、形状および配置にされる。

本開示のさらに別の実施形態によれば、電気機械が提供される。前記機械は、ローターと、固定子とを含む。前記固定子は、少なくとも１つのコイルと、同軸にアライメントされた複数の積層を含む積層スタックとを含む。前記積層スタックは、前記ローターを受容するようなサイズにされた中央ボアを規定し、少なくとも１つの冷却ボアを規定する。前記積層スタックは、第１の端部および第２の端部を規定する。少なくとも１つの流体出口を有する末端部が、前記積層スタック中に規定される。前記少なくとも１つの流体出口は、スプレーノズルを含む。前記スプレーノズルは、前記積層スタック内からの流体を受容し、前記流体を前記少なくとも１つのコイル上へと方向付ける。

本開示の上記および他の特徴は明らかとなり、本開示そのものは、以下の本開示の実施形態の記載を添付図面と共に参照すれば、より深く理解される。
ローターおよび固定子を含むモータの実施形態の斜視図であり、前記モータ内を冷却経路が貫通する。 図１の固定子の平面図であり、固定子端部キャップが所定位置に配置されている。 図１の固定子の平面図であり、固定子端部キャップが取り外されている。 図１の固定子の模式断面図である。 図１の固定子の模式断面図であり、内部の流体移動を示す。 図１の固定子の入力プレートの平面図である。

これらの図において、対応する参照符号は、対応する部分を指す。本明細書中に記載される例示は、本発明の例示的実施形態を示すものであり、このような例示は、本発明の範囲をいかなる形態にも限定しないものとして理解される。

図１に示す例示的電気機械は、モータ１０の形態をしている。前記電気機械を本明細書中モータ１０として例示および記載するが、本開示の機械は、例えば発電機も含み得る。モータ１０は、ローター１２と、固定子１４と、任意選択的にハウジング（図示せず）とを含む。前記ハウジングは、固定子１４を包囲する。動作時において、電力がモータ１０へと供給されると、包囲する固定子１４に相対してローター１２が回転する。

固定子１４は、積層スタック２０およびコイル２２を含む。積層スタック２０は、複数の個々の積層２４を含む。これらの複数の個々の積層２４は、積層され、軸方向に共に固定される。積層スタック２０は、入力プレート４４および端部キャップ１６をさらに内部に含む。溶接ならびに接着剤、締結装置または別の適切な技術により、隣接する積層２４、入力プレート４４および端部キャップ１６を相互に固定することができる。

図３に示すように、各積層２４は円盤状の本体であり、電炉鋼または別の適切な強磁性材料によって構成される。積層２４は、外周２６と、中央開口部３０を規定する内周２８とを含む。積層２４が共に積層されると、隣接する中央開口部３０がアライメントされて、中央ボア３２を形成する。中央ボア３２は、積層スタック２０を通じて軸方向に延びる。中央ボア３２は、ローター１２（図１）を受容するようなサイズにされる。積層２４の内周２８はまた、複数の半径方向に間隔を空けて巻線歯部４０を含む。隣接する巻線歯部４０の間には、巻線溝部４２が規定される。

図２に示すように、積層スタック２０の各端部は、端部キャップ１６を含む。端部キャップ１６は、非強磁性の円盤状のピースであり、積層２４と実質的に同様な寸法である。よって、端部キャップ１６は、積層スタック２０の巻線溝部４２とアライメントされた巻線溝部４２を有する。端部キャップ１６のさらなる特徴について、以下に説明する。

積層２４が端部キャップ１６と共に積層されると、ワイヤ（例えば、絶縁銅ワイヤ）が巻線溝部４２を通じて延び、巻線歯部４０を包囲してコイル２２を形成する。積層２４の外周２６は、任意の数のアライメント機能（図示せず）を含み得る（例えば、圧入、突起および／またはマーキング）これにより、隣接する積層２４が適切にアライメントされた事が示される。

さらに図３を参照して、各積層２４はまた、複数の流れ開口部５０を含む。流れ開口部５０は、図３に示すように固定子１４の隣接するコイル２２間に配置される。図３において、流れ開口部５０を図示するために、端部キャップ１６は図示していない。隣接するコイル２２間に流れ開口部５０を配置することにより、コイル２２が（積層スタック２０を通じて間接的に冷却されるのではなく）直接的に冷却される。開口部５０に加えて、冷却管６０も隣接するコイル２２間に挿入され得、コイル２２に対して液圧成形され得る。この点について、米国特許出願第１２／２６２，７２１号（ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＣＯＯＬＩＮＧ ＣＨＡＮＮＥＬＳ ＩＮ ＳＴＡＴＯＲ ＬＡＭＩＮＡＴＩＯＮＳ（出願日：２００８年１０月３１日））明細書において、積層スタック２０の冷却ボア５２についての記載がある。本明細書中、同文献を参考のため明示的に援用する。

流れ開口部５０は、積層２４内に任意の適切な方法によって成形することができる。例えば、積層２４を金属シートからスタンプした後（またはスタンプしている間）、前記金属シートを切断するかまたは穿孔することにより、流れ開口部５０を形成することができる。別の例として、流れ開口部５０を成形プロセス時において形成することができる。流れ開口部５０は、円形、楕円形、三角形または別の適切な形状であり得る。図示の実施形態は、三角形開口部５０を含む。積層２４が共に積層されると、隣接する開口部５０は協調して、複数の冷却ボア５２を形成する。複数の冷却ボア５２は、積層スタック２０を通じて延びる。実施形態において、冷却ボア５２は、中央ボア３２に対して実質的に平行な方向において積層スタック２０を貫通して延びる。このような平行な配置構成は、隣接する流れ開口部５０を相互に積み重ねてアライメントすることにより、達成することができる。

本明細書中において、流れ開口部５０を積層２４によって規定されたものとして記載されてきたが、冷却管（図示せず）を流れ開口部５０内に配置することにより、冷却ボア５２が規定される。冷却管は、熱伝導性材料（例えば、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、）または別の適切な材料（例えば、スチールまたはスチール合金）によって構成され得る。冷却管が非鉄であるが熱伝導性である実施形態も想定される。

積層２４に加えて、固定子１４は、１つ以上の入力プレート４４も含む（図６）。図４および図６に示す実施形態において、入力プレート４４は、外周２６および内周２８について積層２４と同様のサイズにされる。しかし、入力プレート４４は、入力開口部４６を内部に規定しかつ入力開口部４６が非強磁性となるような、充分な厚さを有する。さらに、入力プレート４４を積層２４よりも大きな直径にすることも想定される。入力開口部４６は、多直径開口部であり、外周２６から冷却ボア５２の部位４８へと延びる。部位４８は、入力開口部４６と共に「Ｔ」字型形状を形成する。一実施形態において、入力開口部４６が各冷却ボア５２のために提供される。図６に示す別の実施形態において、単一の入力開口部４６が設けられ、入力プレート４４は、内部に円周通路５４を含む。円周通路５４は、入力開口部４６を全ての冷却ボア５２へと連結する。さらに、複数の入力開口部４６が設けられ、それぞれ１つよりも多くかつ全数ではない冷却ボア５２へと接続される実施形態が想定されることが理解されるべきである。単一の入力開口部４６が１つよりも多くの冷却ボア５２のために機能する実施形態において、円周経路５４が入力プレート４４内に設けられる。入力開口部４６の外側部４７は、ホースまたは他の導管を受容するようなサイズにされる。前記ホースまたは他の導管は、外側部４７を密閉して、冷却用油を外側部４７へと供給する。図４および図５においては単一の入力プレート４６を有する固定子１４を図示しているが、１つよりも多くの入力プレートが積層スタック２０内に配置される実施形態が想定される。さらに、図６において、入力プレート４４の片側の内部において冷却ボア５２の部分が規定されているが、他方側部の内部にも冷却ボア５２の部分が規定されることが理解されるべきである。

上述したように、エンドプレート１６は、積層２４と同様の寸法にされる。エンドプレートは、分配ファセット７２と、出力計量開口部７４とを有する。出力計量開口部７４は、冷却ボア５２とアライメントされる。出力計量開口部７４のサイズは、前記開口部が配置された固定子１４上の特定の位置の為の所望の流れ特性が得られるように、カスタマイズされる。分配ファセット７２は、肉厚領域であり、コイル２２の隣接するコイル端部巻線間において適合するようなサイズにされる。分配ファセット７２は、出力計量開口部７４からの冷却用油を受容し、前記冷却用油をコイル２２の隣接する端部巻線へと方向付けるようなサイズおよび形状にされる。モータ１０は、動作時において、重力に対して規定された方向を有する。そのため、分配ファセット７２はそれぞれ、各出力計量開口部７４がコイル２２および重力のために隣接する端部巻線に対して独自の関係を持つことが可能なように、カスタマイズされる。

前記冷却用流体を挙げると、例えば、油、水、水およびエチレングリコールの混合物、水およびプロピレングリコールの混合物、または別の適切な熱伝導流体がある。例示的な冷却用流体は、例えば空気よりもモータ１０から熱を取り去る能力が高い。図５に模式的に示すように、前記冷却用流体は、ソースタンクＳから（ポンプ７１およびフィルタを介して）入力プレート４４の入力開口部４６内へと部位４８内部へと移動し、冷却管６０（ただし、存在する場合）内を横方向に通過して積層スタック２０を通過し、その後、コイル２２の端部巻線（これは、ファセット７２に隣接する（図５中、図示せず））に沿って出力計量開口部７４から分配ファセット７２内へと移動し、最終的には目的タンクＤへと到達する。流体が流れる方向を矢印Ｆによって示す。モータ１０によって生成された熱は、積層スタック２０から冷却管６０（ただし、存在する場合）の壁部を通じて、内部を流動している冷却用流体中へと送られる。熱流動方向を矢印Ｈによって示す。目的タンクＤへと送達された加熱流体は、冷却された後、ソースタンクＳへと再循環され得る。

さらに図５を参照して、入力プレート４４の入力開口部４６は、流体ライン７０へと接続される。流体ライン７０は、例えば軟質ゴムチューブによって構成され得る。図５に模式的に示すように、流体ライン７０は、ソースタンクＳからの冷却用流体をポンプ７１を介して入力プレート４４の入力開口部４６へと方向付ける。本開示の例示的実施形態によれば、流体ライン７０は、ハウジングにも接続される。前記ハウジング内において、モータ１０が配置される。前記ハウジングに含まれる流体は、開口部７４から出力され、コイル２２の端部巻線（図２）にわたって流れる。

積層スタック２０の均等な冷却を促進するために、実質的に均等な流れが全冷却ボア５２において所望される。しかし、モータ１０および前記流体に重量が作用することが理解される。単一の入口開口部４６が１つよりも多くの冷却ボア５２に接続されている実施形態において、冷却ボア５２は、（異なる半径位置に起因して）異なる高さにおいて配置され得る。この理由のためまたは不均等な分配の原因となり得る他の任意の理由のため、出力計量開口部７４のサイズがカスタマイズされる。より多量の流体を内部に自然に収集する傾向のある任意の冷却ボア５２において、このような冷却ボア５２をより小型の出力計量開口部７４と共に設けることにより、冷却ボア５２および他の冷却ボア５２を通過する流れを均等にする。さらに、出力計量開口部７４のサイズは、所与の入力開口部４６に対する全出力計量開口部７４の収集出力と、１つ以上の出力計量開口部７４のために機能する入力開口部４６に対する入力である流体供給とが等しくなるようなサイズにされる。よって、ある冷却ボア５２が適切な冷却用流体を受容しているのに対し、他の冷却ボア５２は必要量よりも少量の冷却用流体を受容しているといった状況が回避される。

上記のカスタマイズは、均等な流れおよび均等な冷却が得られるためのものである。動作設計およびパラメータに起因してモータ１０中において不均等な熱発生が発生する場合、流れ特性を不均等な流れに合わせて調節することができることが理解されるべきである。

冷却用流体を出力計量開口部から退出させた後、前記流体は、分配ファセット７２に遭遇する。分配ファセット７２は、貯留管７３を規定する。貯留管７３はそれぞれ、リップ７５を有する。貯留管７３にはそれぞれ、流体が充填され、最終的には噴水と同様に貯留管７３から流体が溢れ出る。分配ファセット７２は、コイル２２の隣接する端部巻線上に流体を方向付けるようなサイズおよび形状にされる。多様なファセット７２の重力に相対する方向は既知であるため、ファセット７２は、コイル２２の隣接する端部巻線へと流体を異なる様態で方向付けるようなサイズおよび形状にされる。図２中に最も明確に示すように、垂直中心線７６のいずれかの側部上のファセット７２は相互の鏡像である。上部中央コイル２２のいずれかの側部上のファセット７２ａは、隣接するコイル２２双方上において流体が溢れ出るような形状にされる。ファセット７２のバランスは、下側の隣接コイル２２のより高い端部の近隣において流体が溢れ出るような形状にされる。その、コイル２２の端部巻線のより大きな部分の上の流れが増加を起こす重力を生成する。。

ファセット７２は、貯留管７３を定義するものとして図示および記載したが、ファセット７２から提供されたスプレーが流体の圧縮によって隣接コイル２２上に噴霧され得る実施形態が想定される。このような実施形態において、重力に起因して流体を下方に落下させるだけでなく、スプレーを隣接するコイル双方に付与することができる。

本発明について好適な設計を有するものとして記載してきたが、本開示の意図および範囲内において本発明をさらに改変することが可能である。よって、本出願は、一般的原理を用いた本発明の任意の変更、用途または適合を網羅するものとして意図される。さらに、本出願は、本発明が関連する分野の当業者の知識および添付の特許請求の範囲の制限内におさまるような本開示からの逸脱を網羅するものとして、意図される。

１０ モータ
１２ ローター
１４ 固定子
１６ 端部キャップ、エンドプレート
２０ 積層スタック
２２ コイル
２４ 積層
２６ 外周
２８ 内周
３０ 中央開口
３２ 中央ボア
４０ 巻線歯部
４２ 巻線溝部
４４ 入力プレート
５０ 流れ開口
５２ 冷却ボア
７２ 分配ファセット
７３ 貯留管

Claims (23)

1. 電気機械において、
   ローターと、
   同軸にアライメントされた複数の積層を含む積層スタックであって、前記ローターを受容するようなサイズにされた中央ボアを規定し、少なくとも１つの冷却ボアを規定し、第１の端部および第２の端部を規定する、積層スタック、
   前記積層スタック内に配置され、前記第１の端部および第２の端部から間隔を空けて配置される、流体入力プレート、および
   前記少なくとも１つの冷却ボア内に配置された冷却用流体、
   を含む固定子と、
   を備えた電気機械。
2. 前記積層スタック周囲において半径方向に間隔を空けて配置された複数の冷却ボアをさらに含む、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記流体入力プレートは非強磁性である、請求項１に記載の電気機械。
4. 前記流体入力プレートは、流体入力開口部と、少なくとも１つの流体出力開口部とを含む、請求項１に記載の電気機械。
5. 前記少なくとも１つの流体出力開口部は、前記少なくとも１つの冷却ボアとアライメントされて、両者間の流体の流れを可能とする。請求項４に記載の電気機械。
6. 前記固定子は、
   前記積層スタックの中央ボア内へと延びる複数の歯部と、
   前記複数の歯部を包囲する複数のコイルと、
   を含み、
   前記少なくとも１つの冷却ボアは、前記固定子の第１のコイルと第２のコイルとの間に及び前記第１のコイルおよび第２のコイルに隣接して配置される、
   請求項１に記載の電気機械。
7. 前記固定子は、
   前記少なくとも１つの冷却ボアとアライメントされた少なくとも１つの出力開口部を有するエンドプレート、
   を含む、請求項１に記載の電気機械。
8. 前記エンドプレートはファセットを含み、前記ファセットは、前記少なくとも１つの冷却ボアからの流体を隣接するコイル上へと方向付ける、請求項７に記載の電気機械。
9. 電気機械流体輸送装置であって、
   第１の側部および第２の側部を有する本体と、
   前記本体内に配置された流体入力と、
   前記本体内に規定されかつ前記入力へと流体接続された内部通路と、
   前記第１の側部内に規定されかつ前記内部通路へと流体接続された第１の出力と、
   前記第２の側部内に規定されかる前記内部通路へと流体接続された第２の出力と、
   を含む、電気機械流体輸送装置。
10. 前記本体は中央開口部を含み、前記中央開口部は、内部に電気モータローターを受容するようなサイズおよび形状にされる、請求項９に記載の装置。
11. 前記第１の側部および第２の側部は、平面状でありかつ平行である、請求項９に記載の装置。
12. 前記第１の出力および第２の出力は、前記第１の側部および第２の側部に対して垂直な方向においてアライメントされる、請求項１１に記載の装置。
13. 前記第１の出力および第２の出力は、モータ固定子の隣接するコイル間に適合するような形状を規定するサイズにされる、請求項９に記載の装置。
14. 前記第１の側部内に規定されかつ前記内部通路へ流体接続された第３の出力と、
    前記第２の側部内に規定されかつ前記内部通路へ流体接続された第４の出力と、
    をさらに含み、
    前記第３の出力および第４の出力は、前記第１の側部および第２の側部に対して垂直な方向においてアライメントされる、請求項９に記載の装置。
15. 前記本体は環状形状である、請求項９に記載の電気機械。
16. 前記出力を形成する前記本体の部分は、非強磁性である、請求項９に記載の電気機械。
17. モータ固定子と共に用いられるプレートにおいて、
    前記モータ固定子の積層のスタックの積層に隣接するようなサイズおよび形状にされた本体であって、
    前記積層の流体導管アライメントされるように配置された第１の出力オリフィスと、
    前記第１の出力オリフィスから流体を受容するように前記第１の出力オリフィスに隣接して配置された、第１のファセット出力を含む第１のファセットであって、前記第１のファセットから前記第１のファセット出力を介して退出した流体が前記モータ固定子の巻線上に方向付けられるようなサイズ、形状および配置にされる、第１のファセットと、
    を含む、本体、
    を備えた、プレート。
18. 第２の出力オリフィスおよび第２のファセットをさらに含み、前記第２の出力オリフィスは、前記積層の流体導管とアライメントされるように配置され、前記第２のファセットは、前記第２の出力オリフィスに隣接して前記第２の出力オリフィスからの流体を受容するように配置され、前記第２のファセットは第２のファセット出力を含み、前記第２のファセットは、前記第２のファセットから前記第２のファセット出力を介して退出した流体が前記モータ固定子の巻線上に方向付けられるようなサイズ、形状および配置にされる、請求項１７に記載のプレート。
19. 前記第１のファセットは、前記第１のファセットと形状が異なる、請求項１８に記載のプレート。
20. 前記第１の出力オリフィスは、前記第２の出力オリフィスとサイズが異なる、請求項１８に記載のプレート。
21. 前記本体は非強磁性である、請求項１７に記載のプレート。
22. 前記流体は、リップ上から溢れ出ることにより前記第１のファセット出力から退出する、請求項１７に記載のプレート。
23. 電気機械であって、
    ローターと、
    少なくとも１つのコイル、
    同軸にアライメントされた複数の積層を含む積層スタックであって、前記ローターを受容するようなサイズにされた中央ボアを規定し、少なくとも１つの冷却ボアを規定し、第１の端部および第２の端部を規定する、積層スタック、および
    前記積層スタック内から流体を受容し、前記流体を前記少なくとも１つのコイル上へと方向付けるスプレーノズルを含む少なくとも１つの流体出口が内部に規定された末端部、
    を含む、固定子と、
    を備えた、電気機械。

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