JP2013542707A - 軸方向磁束電気機器 - Google Patents

Abstract

軸方向磁束電気機器は，流体流路（２０）を形成している，実質的に封止されたハウジング（１０）と，この流体流路を流れる流体から別の流体へ熱エネルギーを移動させるための熱交換器（２２）と，ハウジング（１０）内に配置された固定子（１６）と，回転シャフト（１２）と，固定子（１６）に近接するようにハウジング（１０）内のシャフト（１２）に配置された，固定子（１６）に対して回転可能な回転子（１８）とを備え，この場合，流体流路は，固定子（１６）と回転子（１８）との間に延在している。

Description

本発明は，軸方向磁束電気機器に関する。

軸方向磁束電気機器は，高出力およびコンパクトな寸法を実現でき，望ましい高出力密度をもたらす。しかしながら，このような機器における強磁場および高電流密度は，重大な過熱問題を，特にこのような機器において使用される永久磁石に関してもたらす場合がある。

既存の軸方向磁束電気機器では，磁性部品および電気部品の空気流冷却（ａｉｒ ｆｌｏｗ ｃｏｏｌｉｎｇ）を行うために，開放型の筐体が使用されている。しかしながら，このような設計では，より高い出力の機器に必要とされるだけの冷却を実現できない。

したがって，特により高い出力の軸方向磁束電気機器において，過熱の問題を緩和することのできる軸方向磁束電気機器を実現することが望ましい。

本発明の一態様によれば，軸方向磁束電気機器であって，実質的に封止されているハウジングと，ハウジングに取り付けられ，かつハウジング内に配置されている固定子と，少なくとも一部がハウジング内に配置され，かつ固定子を貫通している回転シャフトと，固定子に近接してハウジング内のシャフトに配置されている回転子とを備え，回転子が，固定子に対して回転可能である。ここで，流体流路が，ハウジング内に形成されており，流体流路が，固定子および回転子の間に延在する第１の部分と，固定子およびハウジングの間に延在する第２の部分と，第１の部分および第２の部分をつなぐ第３の部分とを有し，第１の部分，第２の部分，および第３の部分が，ハウジング内に連続的な冷却経路を形成する，軸方向磁束電気機器が提供される。

このような電気機器は，ハウジング内に配置された第２の固定子をさらに備えてもよい。この場合，回転子は，第１の固定子および第２の固定子の間に配置され，第２の流体流路が，ハウジング内に形成され，第２の流体流路が，第２の固定子および回転子の間に延在する第１の部分と，第２の固定子およびハウジングの間に延在する第２の部分と，第１の部分および第２の部分をつなぐ第３の部分とを有し，第１の部分，第２の部分，および第３の部分が，ハウジング内に第２の連続的な冷却経路を形成する。

固定子または固定子のそれぞれには，固定子または固定子のそれぞれを貫通している流体流チャネル（ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）が形成されてもよく，この場合，流体流チャネルは，関連する固定子の外端領域から当該固定子の内端領域まで径方向に延在し，外端領域は，ハウジングの一部と近接し，かつハウジングの一部から離間され，内側領域は，シャフトと近接し，かつシャフトから離間され，流体流チャネルが，関連する流体流路の第３の部分の少なくとも一部を成す。

固定子または固定子のそれぞれは，ハウジングと熱接触していることが好ましい。

このような機器は，流体流路を流れる流体から別の流体へ熱エネルギーを移動させるための熱交換器をさらに備えてもよい。このような熱交換器は，ハウジング内に配置され，かつ流体流路を流れる流体と接触するように配置されている第１の部品と，ハウジングの外部にあり，かつ第１の部品と熱接触している第２の部品とを備えてもよい。熱交換器の第２の部品に，冷却用の空気または液体が供給されてもよい。

ハウジングは，気体，気体混合物，液体，および液体混合物から選択される冷却流体によって実質的に満たされていてもよい。

回転子には，機器が使用される際に流体流路または流体流路のそれぞれに沿って冷却流体を移動させるように構成された形状的特徴（ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｈａｐｅ）が備わっていてもよい。

回転子は，フレームと，フレームに取り付けられた複数の磁石とを備えてもよく，この場合，フレームは第１の軸方向厚さを有し，磁石は第２の軸方向厚さを有し，第２の軸方向厚さは第１の軸方向厚さよりも薄い。

本発明の別の態様によれば，軸方向磁束電気機器であって，実質的に封止されているハウジングと，ハウジング内に延在するシャフトと，ハウジング内のシャフトに取り付けられた回転子と，ハウジング内に取り付けられた固定子とを備える。ここで，ハウジング，回転子，および固定子が，ハウジング内に少なくとも１つの連続的な流体流路を形成しており，流体流路が，実質的に径方向の第１の部分と，実質的に軸方向の第２の部分と，第１の部分および第２の部分をつなぐ第３の部分とを有する，軸方向磁束電気機器が提供される。

本発明を実施している片側軸方向磁束電気機器の概略図である。 図１の電気機器の断面図である。 本発明を実施している両側軸方向磁束電気機器の概略図である。 図３の電気機器の断面図である。 図１，図２，図３，または図４に示されているような機器と共に使用するための第１の例示的な熱交換器を示す。 図１，図２，図３，または図４に示されているような機器と共に使用するための第１の例示的な熱交換器を示す。 図１，図２，図３，または図４に示されているような機器と共に使用するための第２の例示的な熱交換器を示す。 図１から図４に示されている機器において使用するのに適した回転子の図を示す。 図１から図４に示されている機器において使用するのに適した回転子の図を示す。

図１は，本発明を実施している片側軸方向磁束電気機器の概略図である。機器１は，ハウジング１０を備え，回転シャフト１２がハウジング１０を貫通しており，また，回転シャフト１２は，軸受（図１に図示せず）によって支持されている。シャフトは，図１に示されているように，ハウジング１０の両側から外へ延在していてもよいし，または，片側だけから外へ延在していてもよいことが理解されよう。シャフトの取り付けに関する正確な特徴は，本発明の実施形態に関する以下の説明では，重要ではない。

回転子１６は，シャフト１２に取り付けられており，ハウジングに対して回転可能である。固定子１８は，ハウジング１０内に備え付けられており，シャフト１２は，固定子を貫通している。シャフト１２および回転子１６は，固定子１８に対して回転可能である。

固定子には，冷却チャネル２０が設けられており，冷却チャネル２０は，固定子１８の径方向外面から，シャフト１２に近接している径方向内面（図１に図示せず）まで延在している。

図２は，図１の電気機器の部分断面図である。シャフト１２が，ハウジング１０を貫通しており，軸受１４によって支持されていることを見て取ることができる。回転子１６は，シャフト１２に取り付けられており，シャフト１２と共に回転する。固定子１８は，ハウジングの内面に取り付けられており，ハウジング１０の別の内面に近接しているが，これから離間されている径方向外面１９を有する。また，固定子１８は，シャフト１２に近接しているが，これから離間されている径方向内面２１を有する。冷却チャネル２０は，固定子の径方向外面１９および径方向内面２１をつないでいる。固定子１８は，ハウジングとの間で熱伝達が可能となるような方法で，ハウジングに取り付けられている。

使用の際，回転子１６は，ハウジング１０および固定子１８に対して回転し，回転子１６および固定子１８の径方向内側部分に低圧領域Ａを発生させる。また，回転子１６および固定子１８の径方向外側領域には，高圧領域Ｂが形成される。遠心ファンまたは遠心ポンプとして機能する回転子１６によって，圧力差が生じる。冷却チャネル２０が設けられているため，冷却流体（気体または液体）が，径方向外側領域から径方向内側領域に流れて，低圧領域Ａに戻ることが可能になっている。

したがって，冷却チャネル２０によって，ハウジング内に連続的な冷却流体経路が形成されている。冷却流体経路は，３つの連続した部分，すなわち，回転子１６と固定子１８との間に延在する第１の部分２２，固定子１８の冷却チャネル２０を通じて高圧領域Ｂから低圧領域Ａまで延在する第２の部分２４，および固定子１８とシャフト１２との間に延在する第３の部分から構成されている。

固定子１８は，ハウジング１０に取り付けられて，ハウジング１０と熱接触している。したがって，連続的な冷却流体経路２２，２４，２６を巡って圧送される冷却流体は，ハウジング１０と熱接触しているために機器の内部温度よりも冷たくなっている，固定子１８の部分を通過する。このようにして，冷却流体の流れは，回転子および固定子から熱を除去し，固定子が連結されているハウジング壁を介して熱を逃がすことができる。したがって，固定子１８およびハウジング１０は，冷却流体のための熱交換器として有効に機能する。

よって，回転子１８の回転によって生じる流体の流れは，流体の冷却，したがって，軸方向磁束機器の冷却を可能にするために使用される。

図３は，図１の片側機器と同様の構造をした両側軸方向磁束電気機器の概略図である。図３に示されている機器では，上記と同様に，ハウジング３０は，軸受によってシャフト３２を保持している。１つの回転子３６は，シャフトに取り付けられており，シャフトと共に回転する。第１の固定子３８および第２の固定子４２が用意され，ハウジング３０のそれぞれの内壁に取り付けられ，回転子３６の両側に配置されている。これによって，回転子３６は，２つの固定子３８，４２の間で回転可能になっている。図１および図２に示されている機器の場合のように，固定子３８，４２のそれぞれには，冷却チャネル４０，４４が設けられている。

図４に示されているように，冷却チャネル４０，４４により，２つの流体流路４６，４８，５０および５２，５４，５６を実現することができる。各流体流路は，ハウジングに熱的に取り付けられた固定子を通過しており，これによって，熱は，固定子からハウジングに流れて，周囲空気に放散されることが可能になっている。図４は，図３の機器の一部のみを示し，シャフト３２がハウジングの軸受３４によって支持されていることを示している。

図１から図４に示されている構造は，冷却流体が，機器のより熱い部品（すなわち，回転子および固定子）の周囲を流れること，および，流体流路または複数の流体流路を流れる流体から熱を移動させる有効な熱交換器を経由して流れることを可能にし，この結果，固定子および回転子の冷却を可能にする。冷却チャネル２０，４０，４４の幾何学的形状，サイズ，および間隔は，任意の適切なものであってもよいことが理解されよう。チャネルは，冷却流体から固定子１８／ハウジング１０への有効な熱伝達を実現するように選択される。

図５および図６は，それぞれ，ハウジングの外面に取り付けられ得る熱交換器の側面図および端面図を示している。この例示的な熱交換器は，ハウジング３０の端部から軸方向および径方向に延在する複数のフィンを備える。フィンは，機器の内部構造から伝達されてくる熱を放散することのできる大きな表面積を有する。このような構造は，フィンの大きな表面積によって，熱放散を改善している。フィンは，ハウジング１０に取り付けられてもよいし，または，ハウジング１０の鋳造または加工によって設けられてもよい。図５および図６に示されているフィンの形状および構成は，例示的であり，この形状および構成が適切な熱放散特性を実現するために変更されてもよいことは，容易に理解されよう。

図７は，ハウジング１０の外端面に取り付けられた水冷式熱交換器を示している。熱交換器６０は，入口６２および出口６４を有する水ジャケットを備える。空気，水，または油などの冷却流体は，入口連結部５２および出口連結部６４を通じて，ジャケット６０内へ，およびジャケット６０内から圧送され得る。

図８および図９は，それぞれ，上述した，図１から図４に示されているような機器において使用するのに適した回転子７０の端面図および部分側面図を示している。回転子７０は，シャフトへの取り付けのための取り付け領域７２を有するフレームを備える。また，フレームは，取り付け領域７２から径方向外側へ延在する複数の径方向アーム７４を備える。アーム７４は，図９に示されているように，軸方向厚さｚ_１を有する。

複数の永久磁石７６は，フレームの互いに隣接するアーム７４間に取り付けられている。磁石７６は，回転子７０ ５２内に配置されるように，アーム７４が成す形状的特徴に嵌め込まれ，一連の磁石５４は，フレーム５２によって保持される。さらに，フレームは，アーム７４間の，回転子７０の径方向外縁に延在する円弧部（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｏｒｔｉｏｎ）７５を含む。円弧部７５は，回転子７０の径方向において磁石７６を保持する働きをする。円弧部は，アームの軸方向厚さｚ_１よりも薄い軸方向厚さｚ_２を有する。磁石もまた，アームよりも薄い軸方向厚さを有する。このような厚さの相違が，流体流路または複数の流体流路を巡る冷却流体の流れを強くする，回転子７０の形状的特徴を形成している。円弧部の厚さがアームよりも薄くされていることによって，冷却流体は，回転子７０から外へ通過することができる。

さらに，フレームおよび磁石が成す段状の形状により，磁石から冷却流体への熱伝達が改善される。

本発明を実施している電気機器の一例では，ハウジング１０は封止されていて，窒素または空気などの気体または気体混合物によって満たされている。このような場合，固定子のチャネルは，所望の量の熱が，流体流路または複数の流体流路を巡り流れる気体または気体混合物から除去されるように設計される。

本発明を実施している電気機器の別の例では，ハウジング１０は同様に封止されていて，油などの冷却液体によって満たされており，また，冷却液体は，流体流路または複数の流体流路を巡り流れる。このような場合，固定子の冷却チャネルは，冷却流体から所望の量の熱が除去されるように設計される。

添付図面に示されている実施形態を参照しながら本発明の態様について説明してきたが，本発明が図示されているまさにその実施形態に限定されないこと，および，独創的な技能および努力をさらに必要とせずに，様々な変更例および修正例を実施することができることが理解されるべきである。

図に示されている実施形態および例は，一定の縮尺で描かれていないが，図面の明瞭性を高めるように描かれていることが理解されよう。

Claims (12)

1. 軸方向磁束電気機器であって，
   封止されているハウジングと，
   前記ハウジングに取り付けられ，かつ前記ハウジング内に配置されている固定子と，
   少なくとも一部が前記ハウジング内に配置されており，かつ前記固定子を貫通している回転シャフトと，
   前記固定子に近接して前記ハウジング内の前記シャフトに配置されている回転子であって，前記固定子に対して回転可能であるものと，
   を備え，
   流体流路が，前記ハウジング内に形成されており，前記流体流路が，前記固定子および前記回転子の間に延在する第１の部分と，前記固定子および前記ハウジングの間に延在する第２の部分と，前記第１の部分および前記第２の部分をつなぐ第３の部分とを有し，前記第１の部分，前記第２の部分，および前記第３の部分が，前記ハウジング内に連続的な冷却経路を形成する，
   軸方向磁束電気機器。
2. 請求項１に記載の電気機器であって，前記ハウジング内に配置された第２の固定子をさらに備え，前記回転子が，前記第１の固定子および前記第２の固定子の間に配置されており，第２の流体流路が，前記ハウジング内に形成されており，前記第２の流体流路が，前記第２の固定子および前記回転子の間に延在する第１の部分と，前記第２の固定子および前記ハウジングの間に延在する第２の部分と，前記第１の部分および前記第２の部分をつなぐ第３の部分とを有し，前記第１の部分，前記第２の部分，および前記第３の部分が，前記ハウジング内に第２の連続的な冷却経路を形成する，電気機器。
3. 請求項１または２に記載の電気機器であって，前記固定子または前記固定子のそれぞれには，前記固定子または前記固定子のそれぞれを貫通する流体流チャネルが形成されており，前記流体流チャネルが，関連する前記固定子の外端領域から前記固定子の内端領域まで径方向に延在しており，前記外端領域が，前記ハウジングの一部に近接しており，かつ前記ハウジングの一部から離間されており，前記内側領域が，前記シャフトに近接しており，かつ前記シャフトから離間されており，前記流体流チャネルが，関連する前記流体流路の前記第３の部分の少なくとも一部を成している，電気機器。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機器であって，前記固定子または前記固定子のそれぞれが，前記ハウジングと熱接触している，電気機器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電気機器であって，流体流路を流れる流体から別の流体へ熱エネルギーを移動させるための熱交換器をさらに備える，電気機器。
6. 請求項５に記載の電気機器であって，前記熱交換器が，前記ハウジング内に配置され，かつ前記流体流路を流れる流体と接触するように配置されている第１の部品と，前記ハウジングの外部にあり，かつ前記第１の部品と熱接触している第２の部品とを備える，電気機器。
7. 請求項６に記載の電気機器であって，前記熱交換器の前記第２の部品に，冷却用の空気または液体が供給される，電気機器。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の電気機器であって，前記ハウジングが，気体，気体混合物，液体，および液体混合物から選択される冷却流体によって満たされている，電気機器。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の電気機器であって，前記回転子には，前記機器が使用される際に前記流体流路または前記流体流路のそれぞれに沿って冷却流体を移動させるように構成された形状的特徴が備わっている，電気機器。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の電気機器であって，前記回転子が，フレームと，前記フレームに取り付けられた複数の磁石とを備え，前記フレームは第１の軸方向厚さを有し，前記磁石は第２の軸方向厚さを有し，前記第２の軸方向厚さは前記第１の軸方向厚さよりも薄い，電気機器。
11. 添付図面を参照しながら詳述され，および添付図面に示されているような軸方向磁束電気機器。
12. 軸方向磁束電気機器であって，封止されているハウジングと，前記ハウジング内に延在するシャフトと，前記ハウジング内の前記シャフトに取り付けられた回転子と，前記ハウジング内に取り付けられた固定子とを備え，前記ハウジング，前記回転子，および前記固定子が，前記ハウジング内に少なくとも１つの連続的な流体流路を形成しており，前記流体流路が，径方向の第１の部分と，軸方向の第２の部分と，前記第１の部分および前記第２の部分をつなぐ第３の部分とを有する，軸方向磁束電気機器。

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