JP2016146740A - 外部冷却装置と２つの別個の冷却回路とを備えた電気モータ - Google Patents

Abstract

【課題】電気モータの固定子及び回転子の冷却の効率性かつ簡潔性を許容する冷却回路を含む電気モータを提案する。【解決手段】外部冷却装置と２つの別個の冷却回路とを備えた電気モータである。このモータ１０は、回転子１４及び固定子１６を収容する内部容積を画定するフレーム１２と、フレーム１２の外部と流体連通する一次入口３２及び一次出口３４を含む少なくとも一つの冷却回路３０と、フレーム１２の外部において二次空気入口２２、二次空気出口２４及び導管２６を含む少なくとも一つの冷却装置２０と、一次回路３０とは別個の、回転子１４を横切りかつ冷却装置２０の二次入口及び二次出口と流体連通する少なくとも一つの二次冷却回路４０とを含む。二次冷却回路４０は、固定子１６にフレーム１２外部からのガス流体を供給する一次冷却回路３０のチャネル３６が横切る。【選択図】図１

Description

本発明は、固定子冷却用の一次冷却回路及び回転子用の二次冷却回路を含む電気モータに関する。

一次冷却回路は通常、当該一次冷却回路の中で周囲空気を循環させて固定子を冷却するべく、モータのフレーム外部と流体連通状態にある。二次回路は一般に、ほこり又は他の物質がモータの可動部分に詰まり又は汚すことがないように、電気モータのフレーム外部と流体連通状態にはない。したがって、二次回路は、モータの外部に延びる冷却装置に接続される。その結果、二次回路の閉回路の中を循環する流体ガスと外部空気との、当該冷却装置の壁を介しての熱交換が許容される。

かかる電気モータは、例えば特許文献１に記載される。

しかしながら、かかる電気モータのアーキテクチャは、回転子の二次冷却回路が、固定子の一次冷却回路を横切ることを意味する。双方の回路同士が交差することは、固定子の一次冷却回路の冷却効率を阻害する。二次冷却回路を通すべく一次冷却回路の総容積を制限しなければならないからである。

本発明の目的の一つは、電気モータの固定子及び回転子の冷却の効率性かつ簡潔性を許容する冷却回路を含む電気モータを提案することにある。

米国特許第６，８９１，２９０号明細書

この目的のため、本発明は、請求項１の電気モータを対象とする。

かかる電気モータの利点は多数あるが、以下に非網羅的にまとめられる。

固定子の一次冷却回路により、電気モータの固定子を効率的に冷却することができる。これにより、モータの寿命が増大し及び／又は高い仕事率での動作が許容される。二次冷却回路が通るように一次冷却回路に割り込む必要性がもはやなくなるからである。したがって、一次冷却回路の総容積が増大するので、冷却用ガス流体の量が多くなる。

本発明に係る一次回路によりさらに、モータのフレーム外部に延びる熱交換領域のほかに、外部空気と、二次冷却回路の中を循環するガス流体との第２の熱交換領域を与えることによって二次回路の冷却を改善することもできる。実際のところ、一次冷却回路の中を循環する外部空気と、二次冷却回路の中を循環するガス流体との熱交換が、二次冷却回路を横切る一次冷却回路のチャネルにおいて確立される。

有利なことに、本発明に係る電気モータは、従属項に係る特徴の一つ若しくはいくつかを単独で又は技術的に考えられる組み合わせで含み得る。

一例としてのみ与えられかつ図面を参照してなされる以下の説明を読むことにより、本発明が良好に理解される。

回転子の回転軸Ｘ−Ｘ’の方向に沿った部分断面図である。 図１の平面Ｂ−Ｂに沿った部分断面図である。

本発明の第１実施形態に係る電気モータ１０が図１及び２に例示される。電気モータ１０はフレーム１２を含む。フレーム１２は、モータ１０の内部において回転子１４及び固定子１６を収容する容積を画定する。回転子１４は、フレーム１２内部の回転シャフト１８にともに回転するように取り付けられ、かつ、回転軸Ｘ−Ｘ’まわりに固定子１６に対して回転可能に取り付けられる。固定子１６は、フレーム１２の内部において回転軸Ｘ−Ｘ’に平行に延びて回転子１４を取り囲む。回転子１４及び固定子１６は従来どおり、電気エネルギーを、回転子１４のシャフト１８により送達される機械エネルギーに変換することができる。

一実施形態によれば、一次冷却回路３０は、それぞれがフレーム１２の外部と流体連通する一次入口３２及び一次出口３４を含む。これは、周囲空気が一次入口３２を通って一次冷却回路３０内へと侵入し、かつ、一次出口３４を通って外部へ戻ることを意味する。一次入口３２と一次出口３４とは、固定子１６を横切って例えば、回転軸Ｘ−Ｘ’に実質的に平行に延びる少なくとも一つの一次導管３７を介して接続される。

一次冷却回路３０は、図１に例示されるように、フレーム１２の外部からのガス流体すなわち周囲空気が、一次入口３２内に突入することを許容する。外部ガス流体ＥＦは、フレーム１２の内部容積を通り、詳しくは固定子１６を通り、固定子１６を冷却するべく一次冷却回路３０によって案内される。一次導管３７は事実上、外部ガス流体ＥＦ及び固定子１６間の熱交換を許容する。一次出口３４は最終的に、加熱された外部ガス流体ＥＦがフレーム１２外部へと放出されることを許容する。それゆえ、フレーム１２及び固定子１６は、モータ１０を取り巻く周囲空気によって冷却される。

本記載において、「上流側」及び「下流側」との用語は、モータ１０におけるガス流体の流れが循環する方向に対して定義される。

二次冷却回路４０は、図１に例示されるように、少なくとも一つのトンネル２８を含む。このトンネル２８は、その両端が、冷却装置２０の入口２２及び出口２４への２つの径方向通路を介して接続される。トンネル２８は、回転軸Ｘ−Ｘ’に実質的に平行に延び、ひいては回転子１４を横切る少なくとも一つのアパチャを形成する。

回路４０は、一次冷却回路３０から隔離される。すなわち、一次冷却回路と二次冷却回路との間には流体連通が存在しない。内部ガス流体ＩＦが、二次冷却回路４０を満たす。このガス流体は、例えば空気であるが、周囲空気から隔離される。二次冷却回路とフレーム外部との間には流体連通が存在しないからである。

フレーム１２外部の冷却装置２０は、フレームの内部容積の中に延びる二次冷却回路へと、二次空気入口２２及び二次空気出口２４を介して接続される。二次空気入口２２と二次空気出口２４とは、互いに流体連通状態にあり、二次導管２６を介して接続される。

回転子１４のシャフト１８にはファン５０が設けられる。ファン５０は、内部ガス流体ＩＦが二次回路４０内部及び冷却装置２０を循環できるようにする少なくとも２つの二次ブレード５４を含む。ガス流体の循環を、二次ガス流と称する。二次ブレード５４は例えば、冷却装置２０の二次入口２２よりも上流側、かつ、冷却装置２０の二次出口２４よりも下流側に配置される。ファン５０は例えば、モータ１０のフレーム１２の内部容積の中に延びるラジアルファンである。それゆえ、内部ガス流体ＩＦを回転子１４から冷却装置２０へと、及び冷却装置２０から回転子１４へと導く内部ガス流が生成される。

二次冷却回路４０及び冷却装置２０間のガス流体の循環により、内部ガス流体ＩＦは、冷却装置２０において冷却装置２０内部と周囲空気との熱交換により冷却されるとともに、回転子１４内を循環して回転子１４を冷却する。回転子１４の少なくとも一つのトンネルの通過中に加熱された内部ガス流体ＩＦはその後、外部冷却装置２０へと送られる。外部冷却装置２０において内部ガス流体ＩＦは、冷却装置２０の二次導管２６の通過時に周囲空気との熱交換によって再び冷却される。それゆえ、回転子１４は内部ガス流体ＩＦによって冷却される。

一実施形態によれば、ファン５０はさらに、例えば、一次冷却回路３０の中を循環することが意図される一次ガス流を生成可能な少なくとも一つの一次ブレード５２によって、一次冷却回路の中の空気の循環を促進するように配列される。一次ブレード５２は例えば、一次入口３２よりも下流側、かつ、一次冷却回路３０の一次導管３７よりも上流側に配置される。それゆえ、ファン５０によって、一次冷却回路３０におけるガス流と二次冷却回路４０におけるガス流とを同時に生成することができる。

各二次ブレード５４は、一次ブレード５２よりも大きな直径を有する。それゆえ、二次冷却回路４０内部の圧力は、一次冷却回路３０内部の圧力よりも大きい。この場合、一次冷却回路３０及び二次冷却回路４０間の封止が保証されている。

本発明によれば、二次冷却回路４０は、固定子１６に外部ガス流体を供給する一次冷却回路３０のチャネル３６が横切る。チャネル３６は例えば、一次入口３２と、固定子１６を横切る導管３７との間に介在される。すなわち、チャネル３６は、一方では一次冷却回路３０の一次入口３２と、他方では固定子１６を横切る導管３７と流体連通状態にある。かかるチャネル３６により、二次冷却回路４０は、二次冷却回路４０の直径をブロック又は低減する必要性なしに一次冷却回路３０を横切ることができる。さらに、冷却装置２０の中に延びる熱交換領域のほかに、チャネル３６は、一次冷却回路３０の前記チャネル３６の中を循環する外部ガス流体ＥＦと、二次冷却回路４０の中を循環する内部ガス流体ＩＦとの付加的な熱交換領域を形成する。

記載の実施形態によれば、チャネル３６は、一次冷却回路３０の一次導管３７よりも大きな直径を有する。これにより、一次冷却回路３０のいくつかの一次導管３７に同時に外部ガス流体を供給することができる。一次導管３７の直径は例えば、１０〜５０ｍｍとされる。例えば、４０個の一次導管３７が、一次冷却回路３０のチャネル３６によって与えられる。

この場合、チャネル３６によって、モータ１０の固定子１６を効率的に冷却するのに十分な外部ガス流体の供給が得られる。

図２に例示されるように、チャネル３６は、内部ガス流体の流れを、それぞれがチャネル３６の一側を通過する２つの流れに分離するように、二次冷却回路４０を横切る。分離された双方の内部ガス流体の流れは、それゆえチャネル３６によって冷却される。

チャネル３６が二次冷却回路４０を横切るのは主に、モータ１０のシャフト１８の回転軸Ｘ−Ｘ’に実質的に平行な方向においてである。

チャネル３６は、一次入口３２よりも下流側、かつ、一次冷却回路の少なくとも一つの一次導管３７よりも上流側に配置される。それゆえ、チャネル３６を横切る外部ガス流体が、モータ１０の固定子１６によって再加熱されないことが保証される。この場合、外部ガス流体は、一次導管３７を介して内部ガス流体を冷却することができる。

チャネル３６は、二次冷却回路４０の容積を局所的に低減し、ひいては二次冷却回路４０にベンチュリ効果を生じさせる。この効果により、内部ガス流体ＩＦの流れは、チャネル３６の中で加速される。その加速により、チャネル３６及び内部ガス流体ＩＦ間の熱交換の増大が許容される。

一次冷却回路３０のチャネル３６は、二次冷却回路４０の冷却装置２０の上流側で二次冷却回路４０を横切る。これにより、チャネル３６を介しての二次冷却回路４０の内部ガス流体ＩＦの冷却が許容される。

一実施形態によれば、チャネル３６は、図２に例示されるように、二次冷却回路４０の内部ガス流体ＩＦの上流側部分に面して延びる頂点３８と、当該内部ガス流体ＩＦの下流側部分に面して延びる底面３９とを備えた円錐形状セクションを有する。それゆえ、チャネル３６によるガス流の摂動が低減される。チャネル３６の当該セクションは、例えば、二次冷却回路４０及び一次冷却回路３０間の熱交換を増大させ並びに／又は二次的な流れを修正するための様々な他の空力形状が考慮される。

図示されない第２実施形態において、いくつかの冷却装置２０は、モータ１０のフレーム１２まわりに配列される。各冷却装置２０は、前記又は一つの二次冷却回路４０と流体連通状態にある。すべての二次冷却回路４０は、モータ１０の回転子１４を横切る。それゆえ、モータ１０の冷却、特に回転子１４の冷却が増大する。これにより、モータ１０の性能レベルを増大させる一方で最適、効率的かつ簡潔な冷却を保証することができる。

一次冷却回路３０及び二次冷却回路４０によってもたらされるモータ１０の総冷却は、少なくとも１２ｋＷの仕事率を有する。

モータ１０のシャフト１８によって送達される機械的仕事率は少なくとも４００ｋＷである。

Claims (10)

1. 電気モータ（１０）であって、
   回転子（１４）及び固定子（１６）を収容する内部容積を画定するフレーム（１２）と、
   前記フレーム（１２）の外部と流体連通状態にある一次入口（３２）及び一次出口（３４）を含んで前記固定子（１６）を横切る少なくとも一つの一次冷却回路（３０）と、
   前記フレーム（１２）の外部において、前記フレーム（１２）の内部容積と流体連通状態にある二次空気入口（２２）及び二次空気出口（２４）、並びに前記二次空気入口と前記二次空気出口とを接続して前記フレーム（１２）の外部に少なくとも部分的に延びる導管（２６）を含む少なくとも一つの冷却装置（２０）と、
   前記一次冷却回路（３０）とは別個の、前記回転子（１４）を横切りかつ前記冷却装置（２０）の二次空気入口及び二次空気出口と流体連通状態にある少なくとも一つの二次冷却回路（４０）と
   を含み、
   前記一次入口を通り抜ける前記フレーム（１２）の外部からのガス流体が、前記一次冷却回路の中を循環して前記一次出口を通って前記一次冷却回路から出るように意図され、
   前記二次冷却回路（４０）の内部のガス流体が、前記二次冷却回路の中及び前記冷却装置の中を循環することが意図され、
   前記二次冷却回路（４０）は、前記固定子（１６）に前記フレーム（１２）の外部からのガス流体を供給する前記一次冷却回路（３０）のチャネル（３６）が横切る電気モータ（１０）。
2. 前記チャネル（３６）は、前記二次冷却回路の中を循環するガス流を、前記チャネル（３６）まわりを通過する２つの流れに分離するように、前記二次冷却回路（４０）を横切る請求項１の電気モータ（１０）。
3. 前記チャネル（３６）は主に、前記電気モータ（１０）のシャフト（１８）の回転軸（Ｘ−Ｘ’）と実質的に平行な方向において前記二次冷却回路（４０）を横切る請求項１又は２に記載の電気モータ（１０）。
4. 前記チャネル（３６）は、前記一次入口（３２）と、前記一次冷却回路（３０）が前記固定子（１６）を横切る部分との間に配列される請求項１から３のいずれか一項の電気モータ（１０）。
5. 前記チャネル（３６）は、前記空気流の上流側を向いた頂点（３８）と下流側を向いた底面（３９）とを備えた円錐形状のセクションを含む請求項１から４のいずれか一項の電気モータ（１０）。
6. 前記チャネル（３６）は１０〜５０ｍｍの直径を含む請求項１から５のいずれか一項の電気モータ（１０）。
7. 前記フレーム（１２）の外部にあるいくつかの冷却装置（２０）が前記フレームのまわりに配列される請求項１から６のいずれか一項の電気モータ（１０）。
8. 前記電気モータ（１０）のシャフト（１８）には、前記二次冷却回路（４０）の中のガス流を加速するラジアルファン（５０）が取り付けられる請求項１から７のいずれか一項の電気モータ（１０）。
9. 前記ラジアルファン（５０）により、前記一次冷却回路（３０）の中のガス流と、前記二次冷却回路（４０）の中のガス流とが同時に加速される請求項８の電気モータ（１０）。
10. 前記ファン（５０）は、前記一次冷却回路（３０）の中の圧力よりも高い圧力を前記二次冷却回路（４０）の中に生じさせるべく構成される請求項８又は９の電気モータ（１０）。
    

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