JP2017034977A - 押出成形筐体、電気モータ、電気モータのための押出成形筐体の製造方法、および電気モータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気モータのための押出成形筐体を提供する。【解決手段】 電気モータのための押出成形筐体１２は、モータの電気部品を保持するための押出成形円筒体と、円筒体の外側の周りに形成された押出成形軸方向フィン１８と、軸方向フィン１８を貫通して機械加工された放射状切り込み２０とを備える。【選択図】 図５

Description

本発明は、電気モータのための押出成形筐体と、電気モータ、たとえば、航空宇宙電気モータのための筐体を製造するための関連方法とに関する。

電気モータは、大まかに言えば、電気機械の回転子と固定子とを形成する、可動部と固定部とから成り、これらの部分は筐体内に入れられている。筐体は、可動部を保護するように動作し、加えて、モータによって作り出される熱を放散する機能を有することができる。熱の放散は、高性能モータ及び／またはモータの設置に必要な空間と向きとに対して制約がある場合に使用されるよう意図されたモータで、特に重要である。また、熱の放散は、モータを取り囲んでいる構造が熱に対して敏感である時、たとえば、複合材料から作られた構造がある場合も、特に重要である（往々にして、１２０°Ｃの最高温度を要する）。しばしば、これらの要因のすべてが、たとえば、航空宇宙利用のためのモータの場合には、当てはまる。

図１は、知られている「バケツ」型のモータ筐体１２を示しており、それは、一端に、モータの軸受を支えるための軸受サポート１４を含み、また、熱の放散のための多数の放射状フィン１６を、筐体の外側に有している。この例示的な先行技術デバイスでは、筐体１２の本体は、モータの回転部に効果的に合うように円形断面を有するが、放射状フィン１６は、空間を正方形断面で満たすように形成されている。これは、モータが、正方形の設置場所内に収まるように意図されているからである。図１の筐体１２は、熱放散に関して高性能であるが、放射状フィンを作成するために多くの機械加工時間が必要であることと、機械加工作業が相当な量の廃材を生成することとから、高価である。

代替的な、知られている配置が、図２に示されている。筐体１２を低コストで作成するために、筐体１２の円筒部は、押出成形されている。押出成形プロセスは、筐体１２の外側の周りの軸方向フィン１８の作成を含む。この種の押出成形筐体では、図１の機械加工筐体で見られるものと同様の熱伝達のための表面積を、著しく安いコストで作成することができる、ということが理解される。

米国特許出願公開第２０１２／０２７９０４０号明細書 米国特許第６１３８４８８号明細書

従って本発明は、性能とコストとにおいて著しい利点を有する、電気モータのための押出成形筐体を提供する。

第１の態様から見ると、本発明は、電気モータのための押出成形筐体を提供し、筐体は、モータの電気部品を保持するための押出成形円筒体と、円筒体の外側の周りに形成された押出成形軸方向フィンと、軸方向フィンを貫通して機械加工された放射状切り込みと、を備える。

発明者は、図２の押出生成配置が、図１に示した放射状フィンを有する機械加工筐体と比較して、コストにおいて著しい利点を提供するが、モータ筐体を水平配向で使用する必要がある時に著しい不利もある、ということに気付いた。軸方向フィンは、この向きでは、自然対流による熱放散において非常に非効率であることが分かっている。図３及び図４は、放射状フィン設計と軸方向フィン設計との熱性能の比較を示している。性能の違いは、予期され得るものよりもさらに大きい。放射状フィン筐体の温度は、１０５°Ｃでピークになり、一方で、軸方向フィン筐体は、さらに１１５°Ｃ上昇して２２０°Ｃのピークになる。放射状切り込みを押出成形の後の機械加工を介して組み込むと、軸方向フィンで失われる効率を回復させることができる。しがたって、発明者は、比較的単純な、押出成形後の機械加工プロセスが、驚くほど大きい性能の向上をもたらす、ということを発見した。性能向上は、追加の機械加工のコストから生じるいかなる不利をも、はるかに超えるものである。第１の態様における筐体の製造コストは、同様の熱性能の、完全に機械加工された筐体の製造のコストの約１０〜２５％になる。提案された筐体を、優れた熱性能を有して、垂直配向または水平配向のいずれかで使用することもできる。

押出成形と押出成形後の機械加工との組み合わせを使用するものを含む多くの種類のヒートシンクが、他の分野で、たとえば、計算応用のためのものが知られている。しかし、モータ筐体の円筒体と共に押出成形された軸方向フィンと、押出成形プロセスの後に機械加工された放射状切り込みとを組み込んだ円筒形モータ筐体を作成することは、以前には提案されていない。押出成形と押出成形後の機械加工との組み合わせを介して形成されたフィンを有する、知られているヒートシンク、たとえば、特許文献１または特許文献２のヒートシンクは、異なる、非関連分野のものであり、放射状切り込みを有する円筒要素の作成には不適合である方法で作成されている。

切り込みは、筐体の外周の全部または主要部の周りに伸び得る。したがって、それぞれが複数の軸方向フィンを貫通する複数の放射状切り込みがあり得、それぞれの放射状切り込みは、３つ以上などのフィンを貫通し、好適には軸方向フィンの大部分を貫通し、任意で筐体の外周の周りの軸方向フィンの全部を貫通する。

放射状切り込みは、押出成形部分を工作機械に対して回転させることによって形成された切り込みであり得る。その部分を、各放射状切り込みについて、少なくとも１８０°回転させ、または３６０°、またはその倍数回転させることができる。たとえば、切り込みを、旋盤上で、または円筒体のための回転台を有するフライス盤を使用して、機械加工することができる。筐体は、回転対称であり得る。放射状切り込みを回転対称な筐体に機械加工するプロセスは、大幅に向上した性能の筐体を、作成コストに関する著しい不利なしに、得ることを可能にする。１つの例示的な配置では、軸方向フィンは、正方形断面を有する空間を満たすように形成されている。

放射状切り込みは、５ｍｍと１５ｍｍとの間の幅、たとえば、５ｍｍから１０ｍｍの幅を有することができる。切り込みの間に残っている軸方向フィンの部分は、切り込みの幅と少なくとも同じ幅であり得、いくつかの実施例では、切り込みの幅よりも大きい。したがって、切り込み間のピッチは、切り込みの幅の２倍、またはそれよりも大きいことがある。典型的な実施例では、切り込み間のピッチは、５ｍｍから５０ｍｍの範囲にあり、たとえば、２０ｍｍから４０ｍｍのピッチである。１つの例示的な配置では、切り込みの幅は、約１０ｍｍであり、切り込み間のピッチは、約３０ｍｍである。

切り込みの幅及びピッチは、モータの大きさと押出成形軸方向フィンの間隔とによって変化し得る。たとえば、切り込み間に残っている軸方向フィンの部分は、軸方向フィン間の間隔とほぼ同じ幅、たとえば、軸方向フィン間の間隔の７５％から１２５％である幅を有することができる。軸方向フィン間の間隔は、たとえば、５ｍｍから４０ｍｍの範囲にあり得る。典型的なモータ径は、１００ｍｍから１５０ｍｍの範囲の直径を有する円筒体を必要とすることがあり、上記で説明した切り込みの幅とピッチとを、そのような円筒体に適用することができる。ピッチは、円筒体の直径の１０％から３０％であり得る。切り込みの幅は、円筒体の直径の２％から２０％であり得る。約１０ｍｍの切り込みの幅と約３０ｍｍのピッチとを有する例示的な配置では、モータ径は、上記の範囲内、たとえば、約１１５ｍｍの直径であり得る。

切り込みの幅及び／またはピッチは、円筒体の外周のまわりで、および、円筒体の長さに沿って、同一であり得る。これは、円筒体全体のまわりで最適化された熱伝達と気流とを可能にする。代替的に、いくつかの状況では、様々な幅及び／またはピッチを有することが有利であり、したがって、円筒体の外周の異なる部分で、及び／または円筒体の長さの異なる部分で、様々な熱伝達性能を可能にする。

筐体を、任意の適切な材料で形成することができ、たとえば、アルミニウム合金を使用することができる。

例示的な実施形態では、電気モータが、上記で説明した筐体を備える。電気モータは、航空宇宙モータであり得る。筐体は、モータの軸受要素を保持するための軸受サポートを、円筒体の一端に含むことができる。

第２の態様から見ると、本発明は、電気モータのための押出成形筐体を製造する方法を提供し、その方法は、モータの電気部品を保持するための円筒体を押出成形することであって、押出成形が、円筒体の外側の周りに形成された軸方向フィンを含む、押出成形することと、軸方向フィンを貫通する放射状切り込みを機械加工することと、を備える。

軸方向フィンを貫通する放射状切り込みを機械加工するステップは、円筒体を旋盤上で回転させることによって、または上記で説明したフライス盤を使用することによって、機械加工することを備えることができる。筐体とそのさまざまな部分とを、上記で説明した特徴を有して製造することができる。

この方法は、航空宇宙モータなどの電気モータを製造する方法であり、その方法は、上記の筐体を製造することと、その後、モータの電気部品を筐体内に設置することと、を備える。

ここで、本発明の特定の好適な実施形態を、実施例としてのみ、添付の図面を参照して説明する。

先行技術の電気モータ筐体の斜視図である。 先行技術の押出成形筐体の一部を示した図である。 図１の筐体の熱性能をモデル化した結果を示した図である。 図２の筐体の熱性能をモデル化した結果を示した図である。 放射状切り込みを有する押出成形モータ筐体の斜視図である。 図５の筐体の熱性能をモデル化した結果を示した図である。

図１と図２との先行技術の筐体、及び図３と図４とに示した熱性能は、上記で説明した。図５は、筐体１２の外面の周りに円周方向に伸びる放射状切り込み２０を有する軸方向フィン１８を有する、提案されている押出形成モータ筐体１２を示している。この押出形成モータ筐体１２を、図２の筐体１２に対して使用されるものと類似の押出成形プロセスによって形成し、その後、放射状切り込み２０を、旋盤または他の工作機械を使用して機械加工する機械加工ステップによって、形成することができる。旋盤の使用は、放射状切り込みを、モータ筐体１２などの回転対称構成要素に、迅速に効果的に機械加工することを可能にする。モータ筐体１２は、また、軸受サポート１４も含み、それは、別々に製造され、その後、筐体１２の円筒体に、適切な手段を介して、たとえば、摩擦嵌め、ろう付け、または溶接を介して、取り付けることができる。

図６に示した熱性能を、図３と図４とに示した熱性能と比較することによって見ることができる通り、放射状切り込みの追加は、筐体のピーク温度を、放射状切り込みの無い軸方向押出成形と比較して、大幅に低下させる。放射状切り込みを有して、筐体温度は、切り込みが存在しない時の２２０°Ｃの最高値と比較して、１１４°Ｃの最高値に達する。実際、筐体温度は、１０５°Ｃの最高温度に達する、機械加工された放射状フィンを有する、はるかに高価な設計に匹敵する。したがって、提案された設計は、図１と図２との先行技術と比較した時に、性能とコストとにおいて著しい利点を達成する。

１２…モータ筐体
１４…軸受サポート
１６…放射状フィン（radial fin）
１８…軸方向フィン（axial fin）
２０…放射状切り込み（radial cut）

Claims (16)

1. 電気モータのための押出成形筐体であって、前記モータの電気部品を保持するための押出成形円筒体と、前記円筒体の外側の周りに形成された押出成形軸方向フィンと、前記軸方向フィンを貫通して機械加工された放射状切り込みとを備える、押出成形筐体。
2. 前記放射状切り込みが、前記筐体の外周の全部または主要部の周りに伸びる、請求項１に記載の押出成形筐体。
3. 前記放射状切り込みが、押出成形部品を工作機械に対して回転させることによって形成された切り込みである、請求項１に記載の押出成形筐体。
4. 前記切り込みが、旋盤上で機械加工された切り込みである、請求項１、２、または３に記載の押出成形筐体。
5. 前記筐体が回転対称である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の押出成形筐体。
6. 前記放射状切り込みが、２ｍｍと１５ｍｍとの間の幅、たとえば、５ｍｍと１０ｍｍとの間の幅を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の押出成形筐体。
7. 前記切り込み間に残っている軸方向フィンの部分が、前記切り込みの幅と少なくとも同じ幅である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の押出成形筐体。
8. 前記切り込み間のピッチが、前記切り込みの幅の少なくとも２倍である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の押出成形筐体。
9. 前記切り込み間のピッチが、５ｍｍから５０ｍｍの範囲内、たとえば、２０ｍｍから４０ｍｍのピッチである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の押出成形筐体。
10. 前記切り込みの間に残っている軸方向フィンの部分が、それぞれ、前記軸方向フィンの各々の間の間隔とほぼ同じ幅、たとえば、軸方向フィン間の前記間隔の７５％から１２５％の幅を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の押出成形筐体。
11. 前記切り込み間のピッチが、前記円筒体の直径の１０％から３０％である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の押出成形筐体。
12. 前記放射状切り込みの幅が、前記円筒体の前記直径の２％から２０％である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の押出成形筐体。
13. 航空宇宙モータ用の、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の筐体を含む、電気モータ。
14. 電気モータのための押出成形筐体の製造方法であって、前記モータの電気部品を保持するための円筒体を押出成形することであって、前記押出成形が、前記円筒体の前記外側の周りに形成された軸方向フィンを含む、押出成形することと、前記軸方向フィンを貫通する放射状切り込みを機械加工することと、を備えた方法。
15. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の特徴を有する筐体を製造することを備えた、請求項１４に記載の方法。
16. 航空宇宙モータなどの電気モータの製造方法であって、請求項１４または１５に記載の筐体を製造することと、その後、前記モータの電気部品を前記筐体内に設置することと、を備えた方法。