JP2015516138A - モジュール型ステータを有する電気デバイスを冷却するためのデバイスおよび方法 - Google Patents

モジュール型ステータを有する電気デバイスを冷却するためのデバイスおよび方法 Download PDF

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Abstract

環状ステータ組立体が複数のステータセグメントを有する。各ステータセグメントが、透磁性を有する複数のラミネートと、透磁性ラミネートの間に配置される複数の熱伝導性ラミネートと、ラミネートからの熱を冷却パイプを通って流れる冷却剤まで伝達するための、ラミネートを通って延在する冷却パイプとを有する。ステータセグメントが個別に構築される。コイルが各セグメント上に巻き付けられる。巻線コイルを備えるステータセグメントが環状ステータ組手体を形成するように実質的に構成される。【選択図】図7

Description

[0001]本発明は概して永久磁石モータに関する。より詳細には、本発明は永久磁石モータのモジュール型ステータセグメントの熱的挙動に関する。
[0002]永久磁石モータは、通常、中でロータが回転する巻線ステータ(wound stator)から構成される。ステータがモジュールまたはセグメントに分割され得、各セグメントが導電性コイルを有する。電流がセグメントコイル巻線を通過すると、磁場が形成され、磁場がトルクを発生させてロータを回転させる。
[0003]一態様によると、複数のステータセグメントを備える環状ステータ組立体が提供される。各ステータセグメントが、高い透磁性を有する複数のラミネートと、透磁性ラミネートの間に配置される複数の熱伝導性ラミネートと、ラミネートからの熱エネルギを冷却パイプを通って流れる冷却剤まで伝達するための、ラミネートに一体化される冷却パイプとを有する。一実施形態では、ステータセグメントが独立して構築され、コイルが各セグメントのところに巻かれる。一実施形態では、巻線コイルを備えるステータセグメントが環状ステータ組立体を形成するように構成される。したがって、ステータ組立体のモジュール型構成により製造関連の危険性が低減され得る。
[0004]別の態様では、積層スタックを有するコアを備えるステータセグメントが提供される。スタックが複数の透磁性ラミネートを備え、少なくとも1つの熱伝導性ラミネートが透磁性ラミネートの間に配置され、少なくとも1つの冷却通路が積層スタックに一体化されてその積層スタックを通って延在する。積層スタックを通って延在する少なくとも1つの冷却通路まで積層スタックを介して熱エネルギを運搬するための伝導性経路が形成される。
[0005]別の態様では、複数のステータセグメントを備える環状ステータ組立体が提供される。各ステータセグメントが、高い透磁性を有する複数のラミネートと、透磁性ラミネートの間に配置される複数の熱伝導性ラミネートと、ラミネートからの熱エネルギを冷却パイプを通って流れる冷却剤まで伝達するための、ラミネートに一体化される冷却パイプとを備えるコアを備える。
[0006]別の態様では、環状ステータ組立体を形成する方法が提供される。複数のステータセグメントが提供され、各ステータセグメントが、高い透磁性を有する複数のラミネートと、透磁性ラミネートの間に配置される複数の熱伝導性ラミネートと、ラミネートからの熱エネルギを冷却パイプまで伝達するための、ラミネートに一体化される冷却パイプとを備える積層スタックを有する。エンドキャップが各ステータセグメントの端部に取り付けられる。1つまたは複数のコイルが、後で組み立てられることになる完全なステータの小さい部分に直接に巻き付けられる。ステータセグメントがリング状となるように組み立てられ、ステータが形成される。
[0007]複数の図を通して同様の参照符号が同様の構造的要素または構造的特徴を示している添付図面と併せて以下の説明を参照することにより本発明の上記および別の利点をより良く理解することができる。図面は本発明の範囲を限定することを意図されない。分かり易いように、すべての図のすべての要素に参照符号が付されなくてもよい。図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、本発明の原理を示すために強調がなされる。
[0008]一実施形態によるステータを示す斜視図である。 [0009]図1Aのステータを示す分解図である。 [00010]一実施形態による、互いに接続される複数のステータセグメントを有する図1のステータの一領域を示す分解斜視図である。 [00011]一実施形態による、互いに接続される複数のステータセグメントを有する図1のステータの一領域を示す別の分解斜視図である。 [00012]一実施形態によるステータセグメントを示す斜視図である。 [00013]図4Aのステータセグメントを示す側面図である。 [00014]図4Aおよび4Bのステータセグメントを示す分解図である。 [00015]別の実施形態によるステータセグメントを示す斜視図である。 [00016]図6Aのステータセグメントを示す側面図である。 [00017]一実施形態による、複数のラミネートを有するステータセグメントコアを示す斜視図である。 [00018]一実施形態によるステータセグメントを示す正面断面図である。 [00019]一実施形態による互いに接続される複数のステータセグメントを示す正面断面図である。 [00020]図10Aは一実施形態によるステータセグメントエンドキャップを示す斜視図である。
[00021]図10Bは図10Aのステータセグメントエンドキャップを示す正面図である。
[00022]図10Cは図10Aおよび10Bのステータセグメントエンドキャップを示す側面図である。
[00023]図10Dは図10A〜10Cのステータセグメントエンドキャップを示す背面図である。
[00024]本発明は、複数のステータセグメントを有するように構築および構成される永久磁石モータなどの電気デバイスを提供する。各ステータセグメントが、熱伝導性を有する複数の第1のラミネートと、第1のラミネートより高い熱伝導性を有する複数の第2のラミネートとを有する。ステータラミネートスタックに一体化される少なくとも1つの液体冷却通路が提供される。一実施形態では、液体冷却チューブが熱エネルギを除去するためにラミネートを通って延在し、それにより、ステータコイルと冷却通路との間の熱伝達経路内の熱界面の数が減少する。
[00025]一実施形態では、1つまたは複数のコイルが、後で組み立てられることになる完全なステータの小さい部分に直接に巻き付けられる。これにより構築中に損傷する危険性が低減され、さらには、巻線およびコアの占積率が高い場合にはステータにコイルを挿入するのにスペースを割り当てる必要がなくなる。また、これによりコイルとコアとの間に絶縁体を挿入することが単純化される。個別のステータセグメントが絶縁され、巻き付けられ、コンパクト化され、樹脂で硬化され得、それにより絶縁体を介するコイルからコアおよび熱ラミネートまでの良好な熱経路が形成され、さらには、一体の冷却剤チューブおよび冷却剤までの直接の良好な熱経路が形成される。このように熱経路が単純化されることにより、コイルが追加の電流を受けることが可能となり、それにより、標準的な冷却手法で発生するトルクと比較して、モータがより大きいトルクを発生させることができるようになる。形成中、コイルはコンパクト化されて樹脂で硬化され得ることから、それにより高い熱伝導性の組立体が形成される。このようにコンパクト化することによりコイル内部に残る空気が排除され、すべての空隙が樹脂で充填され、熱伝導性が大幅に上がる。これによりコイルの種々の部品と積層コアとの間の接触領域の熱抵抗が高くなることが防止される。
[00026]一実施形態では、周囲領域の大部分を塞いでおよび/またはその端部に曲線状の表面を形成するようなプラスチック材料を追加することにより、コアのところにスロットが設置される。ここでは、エンドキャップと隣接する境界セクションとが一体にトリムを形成することができる。これによりコイルを定位置に巻き付けることが可能となる。別の実施液体では、個別に巻かれるコイルが設置される。
[00027]一実施形態では、複数のステータセグメントがリングの定位置にボルト留めされ、それによりステータが形成される。キーイングおよび/またはリテンションに関連する特徴が必要となる可能性もあり、また、これらはダブテール型スロットまたは別の構成上の特徴に置き換えられてもよい。
[00028]本発明の概念の態様によると、従来のステータよりも迅速に製造され得るステータが提供される。複数の実施形態によるステータの熱的挙動により、ステータを大幅に小型化することが可能となり、また、構成をセグメント化することにより、並列的に製造を行うこと(parallel manufacturing)が選択肢となる。組み立てプロセスの大部分で扱われる部品も大幅に小さく、必要となる設備が単純化される。ステータを修理することが必要となる場合、ステータ構成がセグメント化されていることにより、ステータの他の部分を維持しながら1つのセグメントを取り外して交換することが可能となる。同様のラミネートが任意の所与の直径および長さのステータを形成するのに使用され得ることから、最低限の磁気設計、分析および試験で新しい構成を作ることが可能となる。
[00029]図1Aは一実施形態によるステータ10の斜視図である。図1Bは図1Aのステータ10の分解図であり、ステータ本体14が、例えば環状構成の、複数のステータセグメント22の定位置にある構成16から分離されて示される。ロータ(図示せず)がステータ10内に配置され得、したがってステータセグメント22がロータを少なくとも部分的に囲む。ステータセグメント22がステータ10の円周内側表面周りで互いから等しく離間され得る。
[00030]図2は一実施形態による図1Aのステータ10の領域12の分解斜視図であり、ステータ領域12が互いに接続される複数のステータセグメント22を有する。図3は一実施形態による図1および2のステータ10の領域12’の分解斜視図であり、ステータ領域12’が、ワインディングワイヤ(winding wire)端子32を有する複数のステータセグメント22と、隣接するステータセグメント22の間に結合される冷却チューブ延在部34とを有する。
[00031]各ステータセグメント22に導電性ワインディングワイヤが巻き付けられる。絶縁テープなどで覆われてよい、巻線の端部分36が示される。複数の境界セクション44(後で詳細に説明する)がステータセグメント22の頂部領域および/または底部領域に取り付けられ得る。図3に示されるステータ領域12’の実施形態では、ワインディングワイヤの端部32が、ステータセグメント22から延在する端子の周りに巻かれ得る。冷却チューブ42がステータセグメント22を通って延在することができる。冷却チューブ延在部34が隣接する冷却チューブ42の間に結合され得、したがって、冷却剤が隣接するセグメント22の間で交換され得る。冷却剤は遠位側の冷却チューブ部分39のところで領域12’に入ったりそこから出たりすることができる。
[00032]図4Aは一実施形態によるステータセグメント22の斜視図である。図4Bは図4Aのステータセグメント22の側面図である。図5は図4Aおよび4Bのステータセグメント22の分解図である。図6Aは別の実施形態によるステータセグメントの斜視図である。図6Bは図6Aのステータセグメント22の側面図である。図4A、4B、6Aおよび6Bに示されるステータセグメント22はそれぞれ概略類似する。ステータセグメント22は図2の領域12の一部分または図3の領域12’の一部分であってよい。
[00033]ステータセグメント22がセグメントコア52を有する。ステータセグメントコア52は、図7に示されるように、高い透磁性を有する複数のラミネート66と、透磁性ラミネート66の間に配置される複数の熱伝導性ラミネート64とを有することができる。
[00034]ステータセグメントコア52が、近位側部分74と、遠位側部分76と、近位側部分74と遠位側部分76との間を延在する中央部分78とを有する。一実施形態では、近位側部分74および遠位側部分76の各々が中央部分78より広くなっている。こうすることにより、複数の巻線72が、ステータセグメントコア52の周りに導電性ワイヤを巻くことにより、それぞれ近位側部分74および遠位側部分76のところの突出部の間の中央部分78のところに形成される空洞58内に配置され得、それにより空洞58の少なくとも一部分が塞がれる。
[00035]冷却パイプ孔54がステータセグメント22の延在方向に沿ってセグメントコア52を通って延在する。冷却チューブ42が冷却パイプ孔54内に配置され得る。
[00036]設置孔62がステータセグメント22の延在方向に沿ってステータセグメント22の少なくとも一部分を通って延在し得る。構成16は、複数の結合機構38(図3参照)と、設置孔62内に挿入される複数のねじスタッド41とを有することができる。結合機構38は各スタッド41の各端部に取り付けられ得る。図1Bに示されるように、結合機構38は、複数の六角ナット39と、ワッシャ43と、スタッド41の一方の端部の周りに配置される第1のリング37の一部分と、スタッド41の反対側の端部にねじ込まれる第2のリング(図示せず)とを有することができる。第1および第2のリング37が環状構成16のところでスタータセグメント22を固定することができる。
[00037]ステータセグメント22が、ステータセグメントコア52の前方表面、後方表面および/または側方表面に取り付けられる外側組立体を有することができる。エンドキャップ46がステータセグメントコア52の前方および/または後方に取り付けられ得る。エンドキャップ46はプラスチックまたは当業者に既知の別の材料で形成され得る。エンドキャップ46が、ステータセグメントコア52の周りに巻線またはコイルを巻き付けるのを可能にする曲線状の表面を有することができる。1つまたは複数の位置合わせ孔52がステータセグメントコア52の前方表面および/または後方表面を通って少なくとも部分的に延在してよい。エンドキャップ46が、位置合わせ孔56のところに挿入されるための、エンドキャップ46から延在する1つまたは複数のピンを有することができる。
[00038]複数の境界セクション44がステータセグメントコア52の側方に沿って頂部領域および/または底部領域に取り付けられ得る。境界セクション44がエンドキャップ46に沿ってトリムを形成することができる。境界セクション44はプラスチックまたは当業者に既知の別の材料で形成され得る。境界セクション44は、本明細書で説明されるようにその後方が例えばナビン(nubbin)またはボスに接合されるように成形されるスロットを有する。巻線が、上側の境界セクション44と、対応する下側の境界セクション44との間で定位置に保持され得る。
[00039]絶縁材料のシート68が巻線のためのセグメントを作るようにステータセグメント内の空洞58内で位置決めされるように構築および構成され得、それによりステータコイルとステータコア52との間で電圧が適切に絶縁される。具体的には、絶縁材料68が、空洞58を形成するコア52の表面を覆おうことができる。シート68は、ポリアミド、アラミド、または、任意の別の標準的な絶縁材料から構築され得る。
[00040]図7に示されるように、ステータセグメントコア52は、高い透磁性を有する複数のラミネート66と、透磁性ラミネート66との間に配置される複数の熱伝導性ラミネート64とを有することができる。熱伝導性ラミネート64は、銅、アルミニウム、パイログラファイト、または、当業者に既知の別の熱伝導性材料で形成され得る。透磁性ラミネート66は、鋼、鉄、または関連材料で形成され得る。熱伝導性ラミネート64は1つまたは複数の透磁性ラミネート66の間で等しい間隔で挿置され得、例えば2つの透磁性ラミネート102が位置決めされた後で1つ熱伝導性ラミネート66が位置決めされる。形成中、熱伝導性ラミネート64および透磁性ラミネート66が互いの上に積層され、一体にプレス嵌合されるか、接着されるか、または、結合される。
[00041]熱伝導性ラミネート64は、好適には、透磁性ラミネート66より高い熱伝導性および関連特性を有し、それにより、ステータセグメント22がシンクとして機能するかまたはコイルから冷却チューブ42までより効率的に熱を誘導することが可能となる。
[00042]冷却パイプ孔54がステータセグメントコア52の延在方向に沿ってラミネート64、66を通って延在する。冷却チューブ42が冷却パイプ孔52内に配置され得る。したがって、冷却チューブはラミネートに熱接触されるように配置され、具体的には熱伝導性ラミネート64に熱接触されるように配置される。ラミネート64、66に直接に接触させるように冷却チューブを配置することにより、従来の冷却ハウジング構成と比較して巻線から冷却チューブまでの経路内での熱界面の数が減少する。
[00043]各ラミネート64、66は、側方表面のテーパ部分から延在する、ナビンまたはボスとも称される突出部48を有することができる。ラミネート64、66が一体に結合されるとき、ラミネート64、66のナビンが互いに位置合わせされ、それにより、ステータセグメントコア52の延在方向に沿って一つの連続するナビンが形成される。
[00044]図8に示されるように、複数の境界セクション44は、巻線72がステータセグメントコア52の周りでその位置からずれるのを防止するためにナビン48上で位置決めされるように構築および構成され得る。
[00045]複数のステータセグメントコア52は、上述したステータ領域12、12’に類似してよいステータ領域を形成するように構築および構成され得る。コア52は個別に構築および構成され、セグメント高さのところに巻線を配置することができる。また、コア52は隣接するコア52の間に十分な間隔を設けるように組み立てられ得、各コア52のところでのワインディングワイヤ72の占積率を高くすることができる。
[00046]図10Aは一実施形態によるステータセグメントエンドキャップ46の斜視図である。図10Bは図10Aのステータセグメントエンドキャップ46の正面図である。図10Cは図10Aおよび10Bのステータセグメントエンドキャップ46の側面図である。図10Dは図10A〜10Cのステータセグメントエンドキャップ46の背面図である。エンドキャップ46は例えば図4〜6に示されるようにステータセグメントに結合され得る。
[00047]一実施形態では、エンドキャップ46は、頂部分91と、中央部分92と、底部分93とを有する。1つまたは複数のピン94がエンドキャップ46の後方表面から突出してよい。各ピン94がステータセグメントコア52内の対応する位置合わせ孔56によって位置合わせされ得る。
[00048]一実施形態では、エンドキャップ46の中央部分92が二重テーパ構成を有する。第1のテーパtが図10Bに示され、つまり、テーパが第1の部分91と第3の部分93との間をy方向に延在する。ここでは、中央部分92が、y方向に対して垂直なx方向に第1の幅d’および第2の幅d’を有するように示される。図10Bに示されるように、第1の幅d’は第2の幅d’より大きい。
[00049]同様に、第2のテーパtが第1の部分91と第3の部分93との間で第1の中央部分92のy方向に延在する。ここでは、中央部分92が、y方向に対して垂直なz方向に第3の幅d”および第4の幅d”を有する。図10Cに示されるように、第3の幅d”は第2の幅d”より小さい。
[00050]図10Aに示されるように、第1のアーク長lが中央部分92の頂部領域に沿って延在する。第2のアーク長lが第2の部分92の底部領域に沿って延在し、これは第1のアーク長lと等しいかまたは同等である。第1のアーク長lと第2のアーク長lとを等しくするかまたは同等にすることを目的として、2つのテーパt、tを考慮して、中央部分92が第1のアーク長lから第2のアーク長lまで等しいかまたは同様のアーク長もしくは一様なアーク長を有するのを可能にするように、中央部分92が曲線状または放物形状とされる。これは、例えば上側のアーク長が下側のアーク長より大きくなるといったようにアーク長が異なるような従来の円錐形状構成とは異なる。第1の幅d’と第2の幅d’との幅の差および第3の幅d”と第4の幅d”との幅の差が、第1のアーク長lと第2のアーク長lとを同等の長さにするのに寄与することができる。
[00051]したがって、エンドキャップ46の頂部領域から底部領域まで一様なアーク長を有するエンドキャップ46の曲線状の表面により、例えば巻線の動作中に、巻線またはコイルの各々がエンドキャップ46の巻線位置およびステータセグメントコア52を維持することが可能となり、それにより動作中に巻線がその位置を変化させる可能性が低減され、例えば巻線の動作中またはその後でエンドキャップ46の底部領域まで摺動する可能性が低減される。
[00052]本発明では、新規のステータと、ステータセグメントを形成するための方法を提供してきた。本明細書において、その特定の実施形態を参照しながら本発明を示して説明してきたが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その形態および詳細の変形形態、変更形態、変化形態および均等物を作ることができるかまたは思い付くことができることを理解されたい。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲として評価されるべきである。

Claims (16)

  1. 複数の透磁性ラミネートと
    前記透磁性ラミネートの間に配置される少なくとも1つの熱伝導性ラミネートと、
    前記積層スタックに一体化されて前記積層スタックを通って延在する少なくとも1つの冷却通路であって、前記積層スタックを通って延在する少なくとも1つの冷却通路まで前記積層スタックを介して熱エネルギを運搬するための伝導性経路が形成される、少なくとも1つの冷却通路と
    を備える、積層スタックを備えるコア
    を備えるステータセグメント。
  2. 前記少なくとも1つの冷却通路が液体冷却通路を含む、請求項1に記載のステータセグメント。
  3. 二重テーパを有するエンドキャップをさらに備え、前記エンドキャップが前記エンドキャップの頂部領域から前記エンドキャップの底部領域までの一様なアーク長を有する、請求項1に記載のステータセグメント。
  4. 前記ステータセグメントから熱エネルギを除去するために前記少なくとも1つの冷却通路内に配置される液体冷却チューブをさらに備える、請求項1に記載のステータセグメント。
  5. 前記液体冷却チューブが冷却剤を有し、熱エネルギが前記積層スタックから、前記液体冷却チューブを通って流れる前記冷却剤まで伝達される、請求項5に記載のステータセグメント。
  6. 前記コアの周りに巻き付けられる1つまたは複数のコイルをさらに備える、請求項1に記載のステータセグメント。
  7. 前記1つまたは複数のコイルの前記巻線のための前記セグメントを作ることを目的として、および、前記1つまたは複数のコイルと前記コアとの間の電圧を適切に絶縁することを目的として、前記ステータセグメント内の空洞内に配置されるように構築および構成される絶縁材料のシートをさらに備える、請求項6に記載のステータセグメント。
  8. 高い透磁性を有する複数のラミネートと、前記透磁性ラミネートの間に配置される複数の熱伝導性ラミネートとを備えるコアと、
    前記ラミネートからの熱エネルギを冷却パイプを通って流れる冷却剤まで伝達するための、前記ラミネートに一体化される冷却パイプと
    を各ステータセグメントが備える、複数のステータセグメント
    を備える環状ステータ組立体。
  9. 前記ステータセグメントが互いに独立して構築され、1つまたは複数のコイルが各セグメントのところに巻き付けられ、前記巻線コイルが、前記環状ステータ組立体の1つまたは複数の伝導性経路を形成するように構成される、請求項8に記載のステータ組立体。
  10. コイルの巻線のための前記セグメントを作ることを目的として、および、前記コイルと前記コアとの間の電圧を適切に絶縁することを目的として、各ステータセグメント内の空洞内に配置されるように構築および構成される絶縁材料のシートをさらに備える、請求項9に記載のステータ組立体。
  11. 二重テーパを有するエンドキャップをさらに備え、前記エンドキャップが前記エンドキャップの頂部領域から前記エンドキャップの底部領域まで一様なアーク長を有する、請求項8に記載のステータ組立体。
  12. 環状ステータ組立体を形成する方法であって、
    高い透磁性を有する複数のラミネートおよび前記透磁性ラミネートの間に配置される複数の熱伝導性ラミネートと、前記ラミネートから冷却パイプまで熱エネルギを伝達するための、前記ラミネートに一体化される冷却パイプとを備える積層スタックを各々が有する複数のステータセグメントを提供するステップと、
    各ステータセグメントの端部にエンドキャップを取り付けるステップと、
    後で組み立てられることになる完全なステータの小さい部分に1つまたは複数のコイルを直接に巻き付けるステップと、
    ステータを形成するために前記ステータセグメントをリング状となるように組み立てるステップと
    を含む方法。
  13. 各ステータセグメントを絶縁するステップと、
    前記ステータ上に巻き付けられる前記1つまたは複数のコイル上に樹脂を提供するステップと
    をさらに含む、請求項12に記載の方法。
  14. 前記1つまたは複数のコイルをコンパクト化するステップと、
    前記1つまたは複数のコイルを樹脂で硬化するステップと、
    前記1つまたは複数のコイルをコンパクト化する前記ステップおよび前記1つまたは複数のコイルを樹脂で硬化する前記ステップに応じて熱伝導性が増す前記組立体を形成するステップと
    をさらに含む、請求項13に記載の方法。
  15. 前記エンドキャップが二重テーパを有し、前記エンドキャップが前記エンドキャップの頂部領域から前記エンドキャップの底部領域まで一様なアーク長を有する、請求項12に記載の方法。
  16. 前記冷却チューブが冷却剤を有し、熱エネルギが前記積層スタックから、前記冷却チューブを通って流れる前記冷却剤まで伝達される、請求項12に記載の方法。
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