JP2014220996A - 冷却ロータシャフトを有する電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ロータシャフトを有する電気機械を提供する。
【解決手段】冷却装置１２が、中空シャフト３を軸方向に貫通する固定冷却ランス１３を有する。冷却ランス１３は、冷媒用の入口１６及び出口１７と、冷却ランス１３を通じて冷媒を案内するための冷却ダクト１８とを有する。冷却ダクト１８は入口１６及び出口１７に接続され、且つ冷却ランス１３を軸方向に貫通する。冷却ランス１３は、オイル用の入口２４及び出口２５と、冷却ランス１３を通じてオイルを案内するためのオイルダクト２６とを有する。オイルダクト２６はオイル入口２４及びオイル出口２５に接続され、且つ冷却ランス１３を軸方向に貫通する。オイル用の出口２５は、冷却ランス１３とロータシャフト３との間に形成される環状空間２７に接続される。環状空間２７はオイル用の開口２８を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータシャフトとロータシャフトの冷却用装置とを有する電気機械であって、ロータシャフトが中空シャフトとして構成される電気機械に関する。

このタイプの電気機械は（特許文献１）により公知である。前記電気機械では、ロータシャフトがトランスミッションのトランスミッションオイルによって冷却される。トランスミッションの入力歯車はロータシャフトに固定的に接続され、従ってロータシャフトと共に回転する。トランスミッションオイルはクーラントとしてギヤボックスからロータシャフトに案内される。ロータシャフトからギヤボックスへと戻るトランスミッションオイルのリターンが行われる。

この設計の電気機械は、ロータシャフトの冷却がトランスミッションオイルの体積流量及び温度に依存すること、並びにトランスミッションオイルがロータシャフトを通過する間に加熱されることが欠点である。さらに、概して、トランスミッションオイルを案内するロータシャフト領域に関して、ロータシャフトの領域に特別なシールを提供する必要がある。

欧州特許出願公開第０ ６６０ ４９２ Ａ１号明細書

本発明の目的は、ロータシャフトの最適な冷却及びロータシャフトの領域における最適なオイル送給が、オイルが実質的に加熱されることなく確実となるように、冒頭に記載したタイプの電気機械を開発することである。

この目的は、冷却装置が、中空シャフトを軸方向に貫通する固定冷却ランスを有することによって実現される。冷却ランスは、冷媒用の入口及び出口と、冷却ランスを通じて冷媒を案内するための冷却ダクトとを有する。冷却ダクトは入口及び出口に接続しており、冷却ランスを軸方向に貫通する。冷却ランスは、オイル用の入口及び出口と、冷却ランスを通じてオイルを案内するためのオイルダクトとを有する。オイルダクトはオイル入口及びオイル出口に接続しており、且つ冷却ランスを軸方向に貫通する。この出口は、冷却ランスとロータシャフトとの間に形成される環状空間に接続される。環状空間はオイル用の開口を有する。

この電気機械の本発明に係る構成により、オイルがロータシャフトの領域における潤滑に役立ち、冷媒がロータの冷却に役立つ。詳細には、高温の積層ロータ（これはロータシャフトに支持される）からロータシャフトに伝達される熱を、ひいては冷媒を用いて放出することができる。従って、オイルは単にロータと冷媒との間の熱ブリッジの機能を有するに過ぎない。特に、これによりオイルの体積流量及び温度に依存しない冷却が可能となり、場合によってはロータシャフト領域のシールを省くことができる。詳細には、クーラントとして水、例えば電気機械の通常のステータ冷却水が提供される。

冷却ランスは、好ましくはトランスミッションハウジングに取り付けられる。前記トランスミッションハウジングは、詳細にはハウジングフィンを有し、このハウジングフィンの有するオイルダクトが、冷却ランスのオイル入口に接続される。

冷却ランスがトランスミッションハウジングを外側まで貫通し、冷却ダクト入口及び冷却ダクト出口をトランスミッションハウジングの外側に有する場合、特に好都合であると考えられる。これにより、冷却回路を冷却ランスと単純に接続することが可能となる。

冷却ダクトは、詳細には、ロータの軸の方向に配置された２つのダクト部を有するように設計される。冷却ランスの同じ端部の領域において、一方のダクト部が冷却ダクト入口を有し、他方のダクト部が冷却ダクト出口を有する。２つのダクト部は、それぞれ冷却ダクト入口及び冷却ダクト出口と反対側にあるそれらの端部の領域において、さらなるダクト部によって互いに接続される。従って冷媒は、冷却ダクト入口から、それに属するダクト部へと送られ、そこからさらなるダクト部に至り、そのさらなるダクト部から、冷却ダクト出口に属する他方の冷却ダクト部に至る。冷却ランスは固定的に取り付けられるため、冷却ダクト入口及び冷却ダクト出口の領域における冷媒のシールを単純な方法で実現することができる。

冷却ダクトは、好ましくは実質的に冷却ランスの全軸方向長さにわたり延在する。従って冷却ランスは実質的にその全軸方向長さにわたり冷媒によって冷却される。

ロータシャフトは、好ましくは一方の軸端の領域において閉鎖構造である。従って、ロータシャフトは一方の端部の領域のみ開放しており、前記端部から冷却ランスをロータシャフトに差し込むことができる。

冷却ランスは、好ましくはロータシャフトを実質的にその全軸方向長さにわたり貫通する。従って、一方が閉鎖された軸端を有するロータシャフト構造の場合、冷却ランスは前記端部に近接するところまで案内される。

冷却ランスは、シリンダ形状である場合には構造的に特に単純な設計となる。このタイプの冷却ランスには、特に単純な方法でオイルダクト及び冷却ダクトを導入することができる。当然ながら、他の断面形状の冷却ランス及び／又はオイル／冷却ダクトもまた可能である。例えば、流れ挙動及び／又は伝熱の点で冷却ランスの形を最適化することができる。

電気機械のロータシャフトは、概してトランスミッションの歯車と相互作用する。具体的には、ロータシャフトは、歯車を有するトランスミッションシャフトに接続される。詳細には、トランスミッションシャフトの回転軸がロータシャフトの回転軸と同じである。

冷却ランスは概して細長い構成部品であるため、それを一方の端部の領域で固定的な形で取り付ける、詳細にはそれをトランスミッションハウジングに取り付けるだけでなく、冷却ランスの他方の端部も支持することが有利である。このような背景から、冷却ランスが、固定的な取付け部又はトランスミッションハウジングと反対側のその端部の領域で軸受によってロータシャフトに取り付けられる場合、有利であると考えられる。

冷却ランスを貫通するオイルダクトは、好ましくは、ロータの軸方向に配置された冷却ダクトの２つのダクト部と平行に配置される。

オイル用の開口（環状空間が前記開口を有する）は、詳細には、環状空間からオイルを吐き出すための開口である。このオイル吐出用開口は、種々の方法で設計することができる。環状空間からのオイルの吐出開口が立ち上がり段差として構成される場合、特に有利であると考えられる。前記立ち上がり段差は、詳細には、環状空間から、トランスミッションシャフトを貫通するオイルダクトへの移行部、好ましくは軸受及び／又はラジアルシャフトシールの領域で開放しているオイルダクトへの移行部によって形成される。

記載される本発明に係る電気機械は、記載される前記電気機械の有利な発展形態を含めて、多数の利点を有する。
ハウジングに固定される冷却ランスが、トランスミッションからトランスミッション入力シャフトを経て／それを通って電気機械のロータに入り込むところまで延在する。ここで冷却ランスは、オイル送給用及び冷媒案内用の手段又は装置を有する。オイルはトランスミッションから冷却ランスを経て、電気機械の中空シャフトへと移送又はポンプ圧送される。これは、オイルポンプを用いるか、又は例えば飛沫潤滑の場合、対応するオイル送給によって行うことができる。立ち上がり段差及び／又は封止システム又はシールを用いることで、電気機械のロータと冷却ランスとの間の環状間隙がオイルで充填され、結果としてロータが冷却ランスに熱的に接続される。冷却ランスは中に冷媒、詳細には冷却液が流れるため、冷却される。ロータシャフトの回転運動により、立ち上がり段差がオイルディストリビュータ表面の（軸方向に見たとき）均一なオイル濡れをもたらす。従ってロータの熱を、環状オイル間隙、冷却ランス及び冷媒を介して放出させることができる。
また、オイルが主として伝熱に役立つ。ひいては放熱へのオイルの関与は、それぞれのオイル体積流量に従う部分的な関与である。
また、冷却ランスを介した熱輸送のため、オイル体積流量が低い場合であっても、冷却ランスがないシステムの場合と比べてロータ内部の油温を低いレベルに保つことができる。
また、ロータシャフトとトランスミッションとの接合面において、ロータから流れてくるオイルを電気機械及び／又はトランスミッションの構成部品の潤滑に用いることができる。ここで、ロータシャフトの温度より低い、比較的低い油温が有利である。
また、冷却ロータシャフトを有する公知の電気機械と比較すると、冷却システムにラジアルシャフトシールなどの回転用シールが不要である。
そして、公知の油圧式冷却システムでロータ内部の冷却に必要とされるとおりの、冷媒循環用シールを、なくすことができる。

本発明のさらなる特徴が、従属項、添付の図面及び図面に掲載される好ましい例示的実施形態の説明から導かれ、但しその例示的実施形態に限定されるものではない。

電気機械及びそれと相互作用するトランスミッションの領域の長手方向中心断面を示し、特に、電気機械のロータシャフト及び冷却ランスに沿った断面を示す。冷却ランスはトランスミッションハウジングに取り付けられ、且つ中空構造のロータシャフトを貫通する。 線Ａ−Ａの領域における冷却ランスに沿った断面を示す。

電気機械１の領域、及び電気機械１と直接相互作用するトランスミッション２の領域を図式的に示す。

電気機械１は、中空シャフトとして構成されるロータシャフト３を有する。ロータシャフト３は、互いに反対側の端部の領域で転がり軸受４及び５に取り付けられる。ロータシャフト３は転がり軸受４の領域において開放構造であり、転がり軸受５の領域において閉鎖構造である。開放端の領域で、ロータシャフト３はトランスミッションシャフト６に接続される。トランスミッションシャフト６は転がり軸受７及び８に取り付けられる。トランスミッション２のトランスミッションハウジング９は、ラジアルシャフトシール１０を用いて電気機械１に対して封止される。

さらに、電気機械１に関して積層ロータ１１が示される。積層ロータ１１は電気機械１の動作中に昇温し、ロータシャフト３に支持されている。従って、積層ロータ１１を介してロータシャフト３が昇温する。

電気機械１は、ロータシャフト３を冷却するための冷却装置１２を有する。冷却装置１２は冷却ランス１３を有する。冷却ランス１３は固定されており、具体的にはトランスミッションハウジング９に取り付けられ、この場合はトランスミッションハウジング９を貫通している。トランスミッションハウジング９の格納スペースと反対側で、少なくとも冷却ランス１３の領域において、トランスミッションハウジング９はハウジングフィン１４を有する。

冷却ランス１３はシリンダ形状であり、ロータシャフト３（中空シャフトとして構成される）を軸方向に貫通する。ここで冷却ランス１３は、冷却フィン１４と反対側の端部の領域において、軸受１５を用いてロータシャフト３に取り付けられる。

冷却ランス１３は冷媒用の入口１６と出口１７とを有し、前記冷媒は、詳細には冷却液である。前記冷却液は、例えば電気機械の通常のステータ冷却の場合に提供される水であってもよい。冷却ランス１３を軸方向に貫通する冷却ダクト１８が、入口１６及び出口１７に接続される。前記冷却ダクト１８は、冷却ランス１３を通じて冷媒を案内する働きをする。

具体的には、冷却ダクト１８は、ロータシャフト３及びトランスミッションシャフト６の軸１９の方向に配置される２つのダクト部２０及び２１と、さらに、さらなるダクト部２２とを有する。さらなるダクト部２２は、ダクト部２０及び２１を、それらがロータシャフト３の奥部２３に対面する端部領域で接続する。従って、それぞれのダクト部２０又は２１の長さとの関連で、冷却ダクト１８は実質的に冷却ランス１３の全軸方向長さにわたり延在する。冷却ランス１３はロータシャフト３を実質的にその全軸方向長さにわたり貫通する。

さらに、冷却ランス１３は、オイル用、特にトランスミッションオイル用の入口２４及び出口２５、並びに冷却ランス１３を通じてオイルを案内するオイルダクト２６を有する。オイルダクト２６はオイル入口２４及びオイル出口２５に接続され、且つ冷却ランス１３を貫通する。出口２５は、冷却ランス１３とロータシャフト３との間に形成される環状空間２７又は環状間隙に接続される。前記環状空間２７又は環状間隙は、オイル用の開口２８を有する。

ハウジングフィン１４はオイルダクト２９を有し、このオイルダクト２９は冷却ランス１３のオイル入口２４に接続する。

冷却ランス１３を貫通するオイルダクト２６は、ロータシャフト３の軸方向に配置された２つのダクト部２０及び２１と平行に配置される。ここで、図１の説明図にオイルダクト２６に対するダクト部２０及び２１の配置が示されるが、これは専ら、冷却装置を有する電気機械の機能に関する理解を向上させる観点に基づく。冷却ランス１３の断面に関して、２つの冷却部分２０及び２１とオイルダクト２６との正確な配置は、図２の説明図によりもたらされる。

開口２８（ここから環状空間２７のオイルが吐き出される）は、立ち上がり段差３０により形成される。具体的には、立ち上がり段差３０は、環状空間２７からオイルダクト３１への移行部によって形成される。オイルダクト３１はトランスミッションシャフト３を貫通し、且つ軸受の領域、ここでの場合には転がり軸受８及び／又はラジアルシャフトシールの領域で開放している。

従って冷却ランス１３は、オイル送給用及び冷媒又は冷却液案内用の手段又は装置を有する。オイルはトランスミッション２から冷却ランス１３を経て、電気機械１のロータシャフト３（このロータシャフト３は中空シャフトとして構成される）へと移送又はポンプ圧送される。これは、オイルポンプを用いるか、又は例えば飛沫潤滑の場合、対応するオイル送給によって行うことができる。立ち上がり段差３０及び／又はシール又は封止システムを用いることで、ロータシャフト３と冷却ランス１３との間の環状空間２７又は環状間隙がオイルで充填され、結果としてロータシャフト３が冷却ランス１３に熱的に接続される。冷却ランス１３は中に冷却液又は冷媒が流れるため、冷却される。従ってロータシャフト３の熱が、環状空間２７、冷却ランス１３及び冷却ランス１３の中を通って流れるクーラントを介して放出され得る。

従ってオイルは、主として伝熱に役立つ。放熱については、オイルはそれぞれのオイル体積流量に従い部分的に関与するのみである。冷却ランス１３を介した熱輸送のため、オイル体積流量が低い場合であっても、ロータシャフト３の内部の油温を低いレベルに保つことができる。オイルダクト３１を出るオイルは油温が比較的低く、電気機械及びトランスミッションの構成部品の潤滑に用いることができる。

矢印３２は冷媒の流路を示し、矢印３３はオイルの流路を示す。矢印３４は、冷却ランス１３及び冷媒による放熱（冷却）を明示する。

１ 電気機械
２ トランスミッション
３ ロータシャフト
４ 転がり軸受
５ 転がり軸受
６ トランスミッションシャフト
７ 転がり軸受
８ 転がり軸受
９ トランスミッションハウジング
１０ ラジアルシャフトシール
１１ 積層ロータ
１２ 冷却装置
１３ 冷却ランス
１４ ハウジングフィン
１５ 軸受
１６ 入口
１７ 出口
１８ 冷却ダクト
１９ 軸
２０ ダクト部
２１ ダクト部
２２ ダクト部
２３ 奥部
２４ 入口
２５ 出口
２６ オイルダクト
２７ 環状空間
２８ 開口
２９ オイルダクト
３０ 立ち上がり段差
３１ オイルダクト
３２ 冷媒の流路を示す矢印
３３ オイルの流路を示す矢印
３４ 放熱（冷却）を明示する矢印

Claims (15)

1. ロータシャフト（３）と、前記ロータシャフト（３）の冷却用装置（１２）とを有する電気機械（１）であって、前記ロータシャフトが中空シャフトとして構成される電気機械（１）において、前記冷却装置（１２）が、前記中空シャフト（３）を軸方向に貫通する固定冷却ランス（１３）を有し、前記冷却ランス（１３）が、冷媒用の入口（１６）及び出口（１７）と、前記冷却ランス（１３）を通じて前記冷媒を案内するための冷却ダクト（１８）とを有し、前記冷却ダクト（１８）は前記入口（１６）及び前記出口（１７）に接続され、且つ前記冷却ランス（１３）を軸方向に貫通し、前記冷却ランス（１３）が、オイル用の入口（２４）及び出口（２５）と、前記冷却ランス（１３）を通じて前記オイルを案内するためのオイルダクト（２６）とを有し、前記オイルダクト（２６）は前記オイル入口（２４）及び前記オイル出口（２５）に接続され、且つ前記冷却ランス（１３）を軸方向に貫通し、前記オイル用の前記出口（２５）が、前記冷却ランス（１３）と前記ロータシャフト（３）との間に形成される環状空間（２７）に接続され、前記環状空間（２７）が前記オイル用の開口（２８）を有することを特徴とする電気機械。
2. 前記冷却ランス（１３）がトランスミッションハウジング（９）に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
3. 前記トランスミッションハウジング（９）がハウジングフィン（１４）を有し、前記ハウジングフィン（１４）が、前記冷却ランス（１３）の前記オイル入口（２４）に接続するオイルダクト（２９）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械。
4. 前記冷却ランス（１３）が前記トランスミッションハウジング（９）を外側まで貫通し、且つ前記冷却ダクト入口（１６）及び前記冷却ダクト出口（１７）を前記トランスミッションハウジング（９）の外側に有することを特徴とする請求項２又は３に記載の電気機械。
5. 前記冷却ダクト（１８）が、前記ロータシャフト（３）の前記軸（１９）の方向に配置された２つのダクト部（２０、２１）を有し、前記冷却ランス（１３）の同じ端部の領域において、一方のダクト部（２０）が前記冷却ダクト入口（１６）を有し、他方のダクト部（２１）が前記冷却ダクト出口（１７）を有し、前記２つのダクト部（２０、２１）が、それぞれ前記冷却ダクト入口（１６）及び前記冷却ダクト出口（１７）と反対側にあるそれらの端部の領域において、さらなるダクト部（２２）によって互いに接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械。
6. 前記冷却ダクト（１８）が、実質的に前記冷却ランス（１３）の全軸方向長さにわたり延在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
7. 前記ロータシャフト（３）が一方の軸端の領域において閉鎖構造であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
8. 前記冷却ランス（１３）が前記ロータシャフト（３）を実質的にその全軸方向長さにわたり貫通することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気機械。
9. 前記冷却ランス（１３）がシリンダ形状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気機械。
10. 前記ロータシャフト（３）にトランスミッションシャフト（６）が接続され、前記トランスミッションシャフト（６）の回転軸（１９）が前記ロータシャフト（３）の回転軸と一致することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の電気機械。
11. 前記トランスミッションハウジング（９）に固定的に接続される前記冷却ランス（１３）が、前記トランスミッションハウジング（９）と反対側の端部の領域で軸受（１５）によって前記ロータシャフト（３）に取り付けられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気機械。
12. 前記冷却ランス（１３）を貫通する前記オイルダクト（２６）が、前記ロータシャフト（３）の軸方向に配置された前記２つのダクト部（２０、２１）と平行に配置されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気機械。
13. 前記オイル用の前記開口（２８）が、前記環状空間（２７）からオイルを吐き出すための開口（２８）であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電気機械。
14. 前記環状空間（２７）からの前記オイルの前記吐出開口（２８）が、立ち上がり段差として構成されることを特徴とする請求項１３に記載の電気機械。
15. 前記立ち上がり段差が、前記環状空間（２７）から、前記トランスミッションシャフト（６）を貫通するオイルダクト（３１）への移行部、詳細には軸受（８）及び／又はラジアルシャフトシールの領域で開放しているオイルダクトへの移行部によって形成されることを特徴とする請求項１４に記載の電気機械。

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