JP2019092371A - 交換機および複数の冷却回路を含む電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率を向上した電動モータを提供する。【解決手段】電動モータ１０は、取り囲まれた内部空間１３を画定するフレーム１２と、回転子１４および磁気回路の一部を形成する固定子１６を有し、回転子および固定子は取り囲まれた内部空間中に収容されている。フレームの外側の少なくとも１つの交換機１８は、少なくとも１つの第１の管３０およびそれぞれの第１の管と熱的に接触する少なくとも１つの第２の管３２を含んでいる。第１の管のそれぞれには、通気装置６０が連結されている。固定子は、少なくとも１つの貫通冷却管を含み、モータは、吸入入口５０と排出出口５４とバイパス装置を含んでいる。【選択図】図１

Description

本発明は、
・取り囲まれた内部空間を画定するフレーム、
・回転子および磁気回路の一部を形成する固定子、この回転子および固定子は取り囲まれた内部空間内に収容されている、
・フレームの外側の少なくとも１つの交換機、この交換機は、少なくとも１つの第１の管および少なくとも１つの第２の管を含み、この少なくとも１つの第２の管は、第１の管もしくはそれぞれの第１の管と熱接触しており、第２の管は取り囲まれた内部空間と連結されていて、内部流体の循環のための第２の冷却回路を形成する、
・第１の管もしくはそれぞれの第１の管に連結されて、それぞれの第１の管を通して、それぞれがモータの外側と流体連結された、吸引入口と、少なくとも１つの排出出口との間で、外部冷却流体の循環をせしめる通気装置、
を含む種類の固定子および回転子を含む電動モータに関する。

モータは、内部領域を形成するフレームを含んでおり、内部領域中に回転子および固定子が収容されている。

そのようなモータが、特に米国特許第5,866,959号明細書中に記載されている。

一般的に、モータは第１の冷却回路および、第１の冷却回路から分離された、第２の冷却回路を含んでいる。

この第１の回路は、モータのフレームの外側と流体連結されていて、外部流体、例えば外側の空気、が第１の回路中を循環することを可能にする。外側の空気は、例えば、回転子の回転軸上に搭載された送風機によって、外側から第１の回路中に導かれる。この送風機は、回転子の回転軸と共に回転する。

第２の回路は、例えば、モータの内部領域中の要素を冷却するように構成される。第２の回路は、例えば、モータ内部の擦り傷を付けるまたは汚す要素からの粉塵を防止するために、フレームの外側と流体連結されてはいない。

モータは、更に熱交換器を含んでいる。第１の回路および第２の回路は、互いに分離されて、交換機を通過しており、外側の空気および第２の回路中を循環する流体の間の熱交換を可能にさせる。第２の回路中のこの流体は、次いで熱交換器によって、外側の空気で冷却される。

しかしながら、上記の冷却回路を含むモータは、モータの要素、特には固定子および回転子、の冷却効果に関しては完全に満足なものではなかった。

本発明の１つの目的は、従来技術よりも大きな効率を有する、第１の回路および第２の回路を含む電動モータを提供することである。

この目的のために、本発明は、固定子が少なくとも１つの貫通冷却管を含むモータに関し、そしてこのモータは、吸入入口および排出出口もしくはそれぞれの排出出口の間に、外部流体の一部のためのバイパス装置を含んでおり、外部流体の循環は、貫通冷却管を通してなされる。

本発明による電動モータは、単独で、または技術的に可能ないずれかの組み合わせであると考えられる以下の特徴の１つもしくは２つ以上を、更に含むことができる。
・フレームの外側に配置された通気装置。
・この通気装置は、モータの回転子の回転数とは異なる回転数で回転することができる。
・この通気装置は、モータの外側に配置された電源によって電気を供給される。
・交換機は、第２の管中に、交換器中の外部流体の循環方向に横断的に、配置された少なくとも１つの邪魔板を含んでいる。
・モータは、内部流体が、第１の管もしくはそれぞれの第１の管の外側流体の循環方向に反対の方向に沿って、交換機中で循環することを引き起こすように構成された、らせん体を含んでいる。
・このらせん体は、モータの外側と接触する外側表面を含んでいる。
・この外側表面は、フィンを含んでいる。
・交換機は、外側の冷却フィンを含む外壁を含んでいる。

本発明は、例示のためだけに提供され、そして添付の図面を参照してなされたた以下の説明を読むことによって、より良く理解されるであろう。

図１は、本発明による電動モータの長手方向の、第１の面に沿った、半断面図である。 図２は、図１のモータの第２の面に沿った半断面図であり、第２の面は第１の面に対して傾斜している。 図３は、図１および２のモータの第３の面ＩＩＩに沿った断面図である。 図４は、第４の面ＩＶに沿った断面図である。 図５は、本発明によるモータの第２の態様の、図４のものと同じ断面図である。

図１〜４は、本発明の第１の態様による電動モータ１０を示している。モータ１０は、例えば、永久磁石を備えた非同期電動機または同期電動機である。

モータ１０は、モータ１０の取り囲まれた内部空間１３を画定するフレーム１２、またはケース、ならびに取り囲まれた内部空間１３に収容された回転子１４および固定子１６を含んでいる。モータ１０は、特には回転子１４を冷却するために、モータ１０の内部で空気の密閉された回路中での循環を提供する第２の冷却回路２２に連結された、特には固定子１６を冷却するように外側の空気の循環を提供する第１の冷却回路２０に連結された、フレーム１２の外側の少なくとも１つの交換機１８を更に含んでいる。

回転子１４は、フレーム１２の内部の回転軸２４に、回転を確実にするように搭載される。フレーム１２は、フレーム１２および回転軸２４を連結するころがり軸受２５によって回転軸２４を支持している。

回転子１４は、固定子１６に対して回転軸Ｘ−Ｘ’の周りに回転するように搭載される。固定子１６は、フレーム１２の内側で回転軸Ｘ−Ｘ’に平行に回転子１４を取り囲み、そして回転子１４と同軸である。伝統的に、回転子１４および固定子１６は、電気を、回転子１４の回転軸２４によって供給される機械的エネルギーに変換することを可能にする。

固定子１６は、例えば、磁束を誘導するための磁気シートの積層体を含み、そして従ってモータ１０の磁気回路の一部を形成する。固定子１６は、外壁２６を含んでいる（特に、図１にみることができる）。

交換機１８は、第１の冷却回路２０（以下により詳細に記載されている）中を循環し、第１の冷却回路中を循環するガス状の外部流体ＦＥ（以下に詳細に記載されている）と、第２の冷却回路２２中を循環する内部のガス状流体ＦＩとの間での熱エネルギーの一部を交換するのに好適である。交換機１８は、例えば、フレーム１２の外側に配置されている。

交換機１８は、第１の管３０（以下に記載されている）が全体を通り抜ける管状の筐体２８を含んでいる。第１の管３０と筐体２８との間で範囲を定められる空間は、それぞれの末端において、フレーム１２の取り囲まれた領域に、２つのタッピング３３Ａ、３３Ｂによって連結された第２の管３２を形成する。

筐体２８は、例えば、矩形の断面を有し、そして図１および３に示されているように、軸Ｘ−Ｘ’に沿って全てが長手方向に延在している４つの外壁３４、３６、３８および４０を含んでいる。

外壁３４、３６、３８は、モータ１０の外側に向かって配置されており、一方で外壁４０は、モータ１０のフレーム１２に向かって配置されている。図１に示されているように、外壁４０は、固定子１６の外壁２６の少なくともプラット（prat）の向かいに配置されている。

外壁３４、３６、３８および４０はそれぞれ、外壁３４、３６、３８および４０に固定され、そして筐体２８の外側に向けられている、外側の冷却フィン４２を含んでいる。外壁３４、３６、３８および４０のそれぞれは、例えば、少なくとも３０の外側フィン４２を含んでいる。外壁３４、３６、３８および４０のそれぞれにには、外側フィン４２が互いに平行に配置されている。それぞれの外側のフィン４２は、軸Ｘ−Ｘ’に対して横方向に延在している。好ましくは、外側フィン４２は、軸Ｘ−Ｘ’に沿って、互いに対して約１センチメートルだけ間隔を空けられている。外側フィン４２は、例えば、アルミニウムで作られている。

外側フィン４２は、大きな表面積に亘って、交換機１８の中を循環する内部流体ＦＩと、交換機１８を取り囲む周囲空気との間の熱交換を提供することを可能にする。

モータ１０は、例えば、列車（示されてはいない）に設置される。例えば、モータ１０は、列車の牽引モータである。

交換機１８は、Ｎ個の第１の管３０を含み、Ｎは、１〜１０００の範囲の整数である。図３の例に示されているように、交換機１８は、例えば、１８個の第１の管３０を含んでいる。

それぞれの第１の管３０は、軸Ｘ−Ｘ’に沿って長手方向に延在しており、そして円形の断面を有している。言い換えれば、それぞれの第１の管３０は、軸Ｘ−Ｘ’に沿って長手方向に延在する円筒形の管を形成する。

第２の管３２は、例えば、外壁３４、３６、３８および４０によって範囲を定められている。典型的には、第２の管３２は、筐体２８の内部で、第１の管３０の間に延在している。

第１の管３０および第２の管３２は、例えば、第２の回路２２から、第１の回路２０に向かって熱伝導によって熱を伝達させるように構成された、第１の管３０の壁によって分離されている。

第１の回路２０は、固定子１６および交換機１８を冷却するのに好適である。

図１〜３に示されているように、第１の回路２０は、吸入入口５０、貫通冷却管５２、交換機１８の第１の管３０、ならびにそれぞれ第１の管３０および貫通冷却管５２に延びている２つの排出出口５４、５６によって形成されている。

吸入入口５０は、外側から来る外部流体ＦＥを第１の回路２０中に導くように構成された通気装置６０を含んでいる。

通気装置６０は、例えば、フレーム１２の外側に配置されている。通気装置６０は、外側の流体ＦＥを第１の回路２０中に導くように構成された、１つもしくは幾つかの送風機を含んでいる。

吸入入口５０は、フレーム１２の外側に配置されている。例えば、吸入入口５０は、回転軸２４から、固定子１６のそれぞれの部品と回転軸２４との間の距離よりも大きい距離を有する位置に配置されている。

図１に示されているように、それぞれの送風機は、通気モータ６２、通気モータ６２に連結された回転軸６４、および回転軸６４に取付けられた送風機の羽根６６を含んでいる。通気装置６０は、示されてはいないが、モータ１０の外側に配置された電源に、電気的に接続されている。この電源は、例えば、外部発電機または送電網であり、例えばカテナリー式架線を含んでいる。

通気装置６０は、モータ１０の運転とは独立して運転するように構成されている。言い換えれば、通気装置６０は、モータ１０の強制通気を行うように構成されている。典型的には、通気装置６０は、回転軸２４には固定されていない。

通気装置６０は、回転子１４の回転数とは異なる回転数で回転することができる。

第１の回路２０は、示されていないが、バイパス装置を更に含んでいる。第１の回路２０のこのバイパス装置は、一方は第１の管３０に、そして他方は貫通冷却管５２に現れれるタッピングである。

貫通冷却管５２は、吸入入口５０と排出出口５６の間を連結する。貫通冷却管５２は、例えば、軸Ｘ−Ｘ’に沿って長手方向に延在している。貫通冷却管５２は、固定子１６を貫通している。特には、図３に示されているように、貫通冷却管５２は、固定子１６の外壁２６を貫通している。

あるいは、示されてはいないが、排出出口５４および排出出口５６は、単一の排出出口を形成する。

第２の回路２２は、第１の回路２０とは分離されており、すなわち、第２の回路２２と第１の回路２０の間には流体連結はなく、そして第２の回路２２を循環する内部流体ＦＩは、第１の回路２０中を通過することができない。特には、第２の回路２２は、モータ１０の外側とは連絡していない。

第２の回路２２は、例えば軸Ｘ−Ｘ’に平行に、回転子１４を貫通する長手方向の管６７、モータ１０の内部領域６８、タッピング３３Ａ、第２の管３２、タッピング３３Ｂ、およびタッピング３３Ｂと長手方向の管６７を連結しているモータ１０の内部領域６９によって形成されている。

らせん体７０は、軸２４に固定されていて、第２の回路２２中の内部流体ＦＩを送る。らせん体７０は、回路２２中に内部羽根７２および外側表面７４上の円形の冷却フィン７８を含んでおり、周りの空気との熱交換を可能にする。

図１および２に矢印７６によって示されているように、例えば、外側の空気は外側表面７４と接触している。モータ１０は、人々を輸送する車両、例えば列車、に搭載されている場合には、列車の動きは、周囲空気の流れを創出して、外側表面７４と接触を引き起こす。

モータ１０の冷却の運転が、図１〜３を参照して、以下に説明される。

第１の回路２０の運転が、以下に説明される。

我々は、太い矢印を、第１の回路２０中を循環する外部流体ＦＥの流れを示すのに用いている。第１の回路２０の吸入入口５０は、モータ１０の外側から来るガス状の外部流体ＦＥ、例えば、モータ１０の外側に位置する周囲空気、を受容する。吸入入口５０に入る外部流体ＦＥは、典型的には−５０℃〜＋４５℃の範囲の温度を有している。

吸入入口５０の通気装置６０は、外側から来る外部流体ＦＥを第１の回路２０内に導く。通気装置６０の通気モータ６２は、外部流体ＦＥの第１の回路２０中の流れを生成させるために、回転軸６４の周りの回転羽根６６の回転を発生させる。通気装置６０は、示されてはいないが、電源によって電気を供給される。

通気装置６０は、モータ１０の運転とは独立して運転される。典型的には、通気装置６０は、回転子１４の回転数とは異なる回転数で回転する。

外部流体ＦＥは、第１の回路２０中で、バイパス装置によって、外部流体ＦＥの第１の部分および外部流体ＦＥの第２の部分に分離される。

外部流体ＦＥの第１の部分は、次いで交換機１８の第１の管３０中を循環し、そして熱エネルギーの一部を、第２の管３２中の循環する内部流体ＦＩと交換する。次いで、外部流体ＦＥの第１の部分は、排出出口５４を介して、モータ１０の外側に向けて流れ出る。

外部流体ＦＥの第２の部分は、固定子１６を貫通する貫通冷却管５２中を循環し、そして熱エネルギーの一部を、固定子１６と交換する。固定子１６は、特には貫通冷却管５２を循環する外部流体ＦＥによって冷却される。次いで、外部流体ＦＥの第２の部分は、排出出口５６を通ってモータ１０の外側に向かって流れ出る。

典型的には、外部流体ＦＥの温度は、第１の回路２０の出口５４、５６で、−３０℃〜＋６５℃の範囲である。例えば、外部流体ＦＥは、吸入入口５０と出口５４、５６との間で、約２０℃だけ加熱される。

第２の回路２２の運転が、以下に説明される。

我々は、細い矢印を、第２の回路２２中を循環する内部流体ＦＩの流れを示すのに用いている。内部流体ＦＩは、回転子１４を通過する長手方向の管６７を通過し、内部領域６８を通過し、そして次いで第２の管３２中のタッピング３３Ａを通過する。第２の管３２中の循環の間に、内部流体ＦＩは、第１の管３０中を循環する外部流体ＦＥによって冷却される。

内部流体ＦＩのタッピング３３Ａにおける温度は、典型的には、外部流体ＦＥの、第１の管３０中への入口における温度よりも高い。例えば、内部流体ＦＩのタッピング３３Ａにおける温度は、１００℃〜１２０℃の範囲であり、そして内部流体ＦＩのタッピング３３Ｂにおける温度は、８０℃〜９５℃の範囲である。

内部流体ＦＩは、次いでタッピング３３Ｂおよび内部領域６９を、長手方向の管６７に向けて通過する。

らせん体７０は、第２の回路２２内の内部流体ＦＩの循環を、内部の羽根７２を回転させることによって推進する。らせん体７０は、周囲空気と円形のフィン７８を含む外部表面７４との間の熱交換によって冷却される。

交換機１８の運転が、以下により詳細に説明される。

交換機１８は、第１の管３０中を循環する外部流体ＦＥと第２の管３２中を循環する内部流体ＦＩとの間で、熱エネルギーを交換する。

内部流体ＦＩの温度が、外部流体ＦＥの温度よりも高い場合には、熱エネルギーの一部が、内部流体ＦＩから外部流体ＦＥへと伝わる。熱エネルギーの一部の伝達は、例えば、熱伝導によって行われる。

特には、交換機１８中で、外部流体ＦＥは、第１の方向に循環し、そして内部流体ＦＩは、第２の方向に循環し、第１の方向は、第２の方向の反対である。第１の方向は、例えば、第２の方向と１８０度の角度を形成する。外部流体ＦＥと内部流体ＦＩの循環方向が反対であることで、交換機１８の効率を増加させることを可能にさせる。

図５は、本発明によるモータ１０の第２の態様を示している。

図示された例では、交換機１８は、第２の管３２内に配置された３つの邪魔板８０を含んでいる。例えば、それぞれの邪魔板８０は、筐体２８の外壁３４、３６、３８および４０に垂直に延在している。

それぞれの邪魔板の間の距離は、管３２の直径よりも小さい。邪魔板８０は、内部流体ＦＩを第２の管３２中に逸らせるように構成される。従って、外部流体ＦＥと内部流体ＦＩとの間の熱交換は、増加する。

Claims (9)

1. ・取り囲まれた内部空間（１３）を画定するフレーム（１２）、
   ・回転子（１４）および磁気回路の一部を形成する固定子（１６）、回転子（１４）および固定子（１６）は、取り囲まれた内部空間（１３）内に収容されている、
   ・フレーム（１２）の外側の少なくとも１つの交換機（１８）、交換機（１８）は、少なくとも１つの第１の管（３０）および第１の管（３０）と、もしくはそれぞれの第１の管（３０）と熱的に接触する少なくとも１つの第２の管（３２）を含んでおり、第２の管（３２）は、取り囲まれた内部空間（１３）に連結されており、内部流体（ＦＩ）を循環させるための第２の冷却回路（２２）を形成する、
   ・第１の管（３０）もしくはそれぞれの第１の管（３０）に連結されて、外部冷却流体（ＦＥ）の、それぞれの第１の管（３０）を通した、それぞれはモータ（１０）の外側と流体連結されている吸入入口（５０）と少なくとも１つの排出出口（５４、５６）の間の、循環をせしめる通気装置（６０）、
   を含む電動モータ（１０）であって、
   固定子（１６）は、少なくとも１つの貫通冷却管（５２）を含み、そして、
   モータ（１０）は、吸入入口（５０）と、排出出口（５４、５６）またはそれぞれの排出出口（５４、５６）との間に、外部流体（ＦＥ）の一部のためのバイパス装置を含み、その循環は、貫通冷却管（５２）を通してなされる、
   モータ（１０）。
2. 通気装置（６０）が、フレーム（１２）の外側に配置されている、請求項１記載のモータ（１０）。
3. 通気装置（６０）は、モータ（１０）の回転子（１４）の回転数とは異なる回転数で回転することができる、請求項１または２記載のモータ（１０）。
4. 通気装置（６０）が、モータ（１０）の外側に配置された電源によって電気を供給される、請求項１〜３のいずれか１項記載のモータ（１０）。
5. 交換機（１８）が、交換機（１８）内の外部流体（ＦＥ）の循環方向を横断するように第２の管（３２）中に配置された少なくとも１つの邪魔板（８０）を含む、請求項１〜４のいずれか１項記載のモータ（１０）。
6. モータ（１０）が、内部流体（ＦＩ）が、交換機（１８）中を、第１の管（３０）もしくはそれぞれの第１の管（３０）の外部流体（ＦＥ）の循環方向の反対の方向に沿って、循環するように構成されたらせん体（７０）を含む、請求項１〜５のいずれか１項記載のモータ（１０）。
7. らせん体（７０）が、モータ（１０）の外側と接触する外部表面（７４）を含む、請求項６記載のモータ（１０）。
8. 外部表面（７４）が、フィン（７８）を含む、請求項７記載のモータ（１０）。
9. 交換機（１８）が、外側の冷却フィン（４２）を含む外壁（３４、３６、３８、４０）を含む、請求項１〜８のいずれか１項記載のモータ（１０）。

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