JP2020014320A - 回転電気機械の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、回転電気機械の冷却構造を得る事にある。【解決手段】 スリーブ及び複数の主分流壁体を含み、そのうちスリーブは環状周面を備え、且つ環状周面は第一半環状周面及び第二半環状周面を含む。主分流壁体は、スリーブの環状周面上に互いに平行に設けられ、それにより複数の主通路が形成される。各主分流壁体は主開口を含み、そのうち２つの隣り合う主分流壁体の２つの主開口は、それぞれ第一半環状周面と第二半環状周面上に配置される。環状周面上に互い違いに配置された主分流壁体の主開口により、冷却媒体に互い違い式の経路による流れを提供し、これにより回転電気機械の放熱効率を向上させている。【選択図】 図１

Description

本発明は回転電気機械に係り、特に、回転電気機械の冷却構造に関する。

工業における自動化技術の急速な発展に伴い、様々な複合加工機で回転電気機械が広く使用され、高速回転による加工が行われている。回転電気機械は、ステータコアの鉄損やコイルの銅損によって熱が発生し、回転電気機械を工作機械の主軸を駆動に用いた場合には、高温によって熱変形を起こし、加工精度に重大な影響をもたらす。このため、モータハウジングには冷却通路が設計されており、現在の回転電気機械の放熱設計では、冷却液を通してハウジングと直接接触させて冷却するものが主流となっている。

従来の冷却通路は、互いに交差せず平行な複数の列が螺旋状に通路を形成するよう設計されており、長軸の両端部にはそれぞれ、入水口と放水口が設けられ、冷却媒体が入水口から流入し、螺旋状の通路を通過して放水口から流出して熱を奪うことで、放熱・冷却するという目的を達成している。しかし、このような螺旋状の通路設計は連続式の通路に属し、冷却経路の距離が長いため、圧力損失が増加することで冷却媒体の流速が入水口から放水口に向かって徐々に減少し、冷却効率の低減を招いてしまう。

このため、通路内の圧力損失が低減し、且つ冷却効率が向上するような冷却通路を如何に設計するかが、回転電気機械の冷却設計における大きな課題である。

このため、本発明は、環状周面上に互い違いに配置された主分流壁体の主開口により、冷却媒体に互い違い式の経路による流れを提供し、これにより回転電気機械の放熱効率を向上させるという回転電気機械の冷却構造を提供することを主な目的としている。また、主通路の入水孔から出水孔までの通路幅が徐々に減少する設計、及び各主通路の入水孔から出水孔における副通路数が相違する設計により、出口部の放熱効果を強化して、回転電気機械全体の放熱をより均一にさせている。さらに、主分流壁体及び副分流壁体の台形状外形構造によって放熱面積を拡大することにより、全体の放熱効果を強化させている。

上記目的を達成するために、本発明が提供する回転電気機械の冷却構造は、スリーブ及び複数の主分流壁体を含み、そのうちスリーブは環状周面を備え、且つ環状周面は第一半環状周面及び第二半環状周面を含む。主分流壁体は、スリーブの環状周面上に互いに平行に設けられ、それにより複数の主通路が形成される。各主分流壁体は主開口を含み、そのうち２つの隣り合う主分流壁体の２つの主開口は、それぞれ第一半環状周面と第二半環状周面上に配置される。

本発明の１つの実施例では、回転電気機械の冷却構造は、スリーブ上に套設されるケースをさらに含み、そのうちケースは入水孔及び出水孔を含み、入水孔及び出水孔はそれぞれケースの両端に設け、且つそれぞれ両端の主通路に対応させる。

本発明の１つの実施例では、入水孔に対応する主通路の幅は、出水孔に対応する主通路の幅よりも大きく、そのうち入水孔に対応する主通路の幅と出水孔に対応する主通路の幅の比率は２〜３倍の間である。

本発明の１つの実施例では、回転電気機械の冷却構造は、複数の副分流壁体をさらに含み、各主通路上に互いに平行に設けられることで、複数の副通路が形成され、そのうち各副分流壁体は、第一半環状周面及び第二半環状周面上にそれぞれ配置される２つの副開口を含む。

本発明の１つの実施例では、入水孔に対応する主通路の副通路の数は、出水孔に対応する主通路の副通路の数よりも多く、そのうち入水孔に対応する主通路の副通路の数と出水孔に対応する主通路の副通路の数の比率は２〜３倍の間である。

本発明の１つの実施例では、主分流壁体及び副分流壁体は、台形状外形を呈しており、そのうち各台形状外形の主分流壁体及び副分流壁体は、第一寸法を有する頂部及び第二寸法を有する底部を含み、且つ第一寸法は第二寸法よりも小さい。

本発明の１つの実施例では、第一寸法と第二寸法の比率は０．２〜０．８の間である。

要約すると、本発明の回転電気機械の冷却構造は、環状周面上に互い違いに配置された主分流壁体の主開口により、冷却媒体に互い違い式の経路による流れを提供し、これにより回転電気機械の放熱効率を向上させている。また、主通路の入水孔から出水孔までの通路幅が徐々に減少する設計、及び各主通路の入水孔から出水孔における副通路数が相違する設計により、出口部の放熱効果を強化して、回転電気機械全体の放熱をより均一にさせている。さらに、主分流壁体及び副分流壁体の台形状外形構造によって放熱面積を拡大することにより、全体の放熱効果を強化させている。

本発明の第１実施例の回転電気機械の冷却構造の分解図である。 本発明の第１実施例の回転電気機械の冷却構造中の第一幅と第二幅の比率及び圧力降下と温度の関係を示すグラフである。 本発明の第２実施例の回転電気機械の冷却構造の斜視図である。 本発明の第２実施例の回転電気機械の冷却構造の正面図である。 本発明の第３実施例の回転電気機械の冷却構造の正面図である。

最初に、図１を参照して、本発明の第１実施例が提供する回転電気機械の冷却構造は、スリーブ１０及び複数の主分流壁体２０を含む。スリーブ１０は環状周面１１を備え、且つ環状周面１１は第一半環状周面１２及び第二半環状周面１３を含み、そのうち第一半環状周面１２及び第二半環状周面１３の配置は対称を呈している。主分流壁体２０は、スリーブ１０の環状周面１１上に互いに平行に設けられる、それにより複数の主通路２１が形成される。

本実施例では、回転電気機械の冷却構造はさらにケースを含み、スリーブ１０上に套設され、そのうちケースは入水孔３１及び出水孔３２を含み、入水孔３１及び出水孔３２はそれぞれケースの両端に設け、且つそれぞれ両端の主通路２１に対応させる。

各主分流壁体２０は主開口２２を含み、そのうち２つの隣り合う主分流壁体の２つの主開口２２は、それぞれ第一半環状周面１２と第二半環状周面１３上に配置して、主分流壁体２０の主開口２２を環状周面１１上で互い違いに配置させる。また、入水孔３１に対応する主通路２１は第一幅Ｗ１を有し、出水孔３２に対応する主通路２１は第二幅Ｗ２を有し、そのうち第一幅Ｗ１は第二幅Ｗ２よりも大きい。さらに説明すると、入水孔３１に対応する主通路２１に隣接する別の主通路２１は第一幅Ｗ１よりも若干小さな通路幅を有しており、出水孔３２に対応する主通路２１に隣接する別の主通路２１は第二幅Ｗ２よりも若干大きな通路幅を有している。すなわち、各主通路２１の通路幅は、入水孔３１から出水孔３２の方向へ徐々に減少する設計となっているが、実際の通路幅は実際のスリーブ１０の全長に応じて調製し、図２の第一幅Ｗ１と第二幅Ｗ２の比率及び圧力降下と温度の関係を示すグラフを参照すると、第一幅Ｗ１と第二幅Ｗ２の比率が２〜３倍の間である場合には、全体の温度を効果的に低下させ、且つ顕著な圧力降下が得られているため、第一幅Ｗ１と第二幅Ｗ２の比率は２〜３倍の間とするのが設計原則である。

要約すると、本発明の第１実施例が提供する回転電気機械の冷却構造は、主分流壁体２０の主開口２２が環状周面１１上に互い違いに配置されることによって冷却媒体に互い違い式の経路による流れを提供するものであり、従来技術における連続式の通路設計と比べてより優れた放熱効率を有する。また、主通路２１の通路幅が徐々に減少する設計が入口部の流速を遅くして熱伝達係数を低くさせる一方で、出口部の流速を速めて熱伝達係数を高くさせており、それにより出口部の放熱効果が強化されて、回転電気機械全体の放熱がより均一となる。

図３及び図４を参照して、本発明の第２実施例が提供する回転電気機械の冷却構造は、第１実施例が提供する回転電気機械の冷却構造と比較すると、さらに複数の副分流壁体４０を含み、各主通路２１上に互いに平行に設けられることで、複数の副通路４１が形成される。各副分流壁体４０は、第一半環状周面及び第二半環状周面上にそれぞれ配置される２つの副開口４２を含む。また、入水孔３１に近接する副通路４１の数は出水孔３２に近接する副通路４１の数よりも多く、且つ比率は２〜３倍の間である。

このため、本発明の第２実施例が提供する回転電気機械の冷却構造は、各主通路２１中に複数の副通路４１を並列に配置し、且つ入水孔３１に近接する副通路４１の数が出水孔３２に近接する副通路４１の数よりも多くなるよう設計することによって、入水孔３１に近接する低温区域においては冷却媒体の流速を低下させ、一方で出水孔３２に近接する高温区域においては冷却媒体の流速を上昇させて、出口部の放熱効果を強化し、モータ全体の放熱をより均一にさせることができる。

図５を参照して、本発明の第３実施例が提供する回転電気機械の冷却構造と第１実施例が提供する回転電気機械の冷却構造との違いは、主分流壁体２０が台形状外形を呈することにある。主分流壁体２０は、頂部２３及び底部２４を含み、そのうち頂部２３は第一寸法Ｄ１を有し、且つ底部２４は第二寸法Ｄ２を有する。第一寸法Ｄ１は第二寸法Ｄ２よりも小さく、且つ第一寸法Ｄ１と第二寸法Ｄ２の比率は０．２〜０．８の間である。なお、本実施例は主分流壁体２０を例として説明しているが、この構造は第２実施例の副分流壁体４０にも適用可能であり、主分流壁体２０と副分流壁体４０のどちらも台形状外形の分流壁構造を備えるようにしてもよい。

本発明の第３実施例が提供する回転電気機械の冷却構造は、台形状外形の分流壁構造によって通路の総面積を拡大することで放熱面積を拡大し、それによって全体の放熱効果を強化させている。

上記の各実施例の通路構造設計に関する説明により、本発明の回転電気機械の冷却構造が達成することのできる主要な効果は以下のように要約される。

（１）従来技術における連続式の通路設計は、冷却経路の距離が長いため、圧力損失が増加することで冷却効率の低減を招いてしまうのに対し、本発明の回転電気機械の冷却構造は、主分流壁体２０の主開口２２が環状周面１１上に互い違いに配置されることによって冷却媒体に互い違い式の経路による流れを提供し、放熱効率を向上させている。

（２）本発明では、主通路２１の入水孔３１から出水孔３２までの通路幅が徐々に減少する設計、及び各主通路２１の入水孔３１から出水孔３２における副通路４１の数が相違する設計により、入水孔３１に近接する低温区域においては冷却媒体の流速を低下させ、一方で出水孔３２に近接する高温区域においては冷却媒体の流速を上昇させて、出口部の放熱効果を強化し、回転電気機械全体の放熱をより均一にさせることができる。

（３）本発明では、主分流壁体２０及び副分流壁体４０の台形状外形構造によって放熱面積を拡大することにより、全体の放熱効果を強化させている。

Claims (10)

1. 環状周面を備え、前記環状周面は第一半環状周面及び第二半環状周面を含む、スリーブと、
   前記スリーブの前記環状周面上に互いに平行に設けられることで、複数の主通路が形成される、複数の主分流壁体とを含み、且つ各前記主分流壁体は主開口を含み、そのうち２つの隣り合う前記主分流壁体の２つの前記主開口は、それぞれ前記第一半環状周面と前記第二半環状周面上に配置されることを特徴とする、回転電気機械の冷却構造。
2. さらに前記スリーブ上に套設されるケースを含み、そのうちケースは入水孔及び出水孔を含み、前記入水孔及び前記出水孔はそれぞれ前記ケースの両端に設け、且つそれぞれ両端の主通路２１に対応させることを特徴とする、請求項１に記載の回転電気機械の冷却構造。
3. 前記入水孔に対応する前記主通路の幅は前記出水孔に対応する前記主通路の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項２に記載の回転電気機械の冷却構造。
4. 前記入水孔に対応する前記主通路の幅と前記出水孔に対応する前記主通路の幅の比率は２〜３倍の間であることを特徴とする、請求項３に記載の回転電気機械の冷却構造。
5. 各前記主通路上に互いに平行に設けられることで、複数の副通路が形成される、複数の副分流壁体をさらに含み、そのうち各前記副分流壁体は、２つの副開口を含み、且つ２つの前記副開口は前記第一半環状周面及び前記第二半環状周面上にそれぞれ配置されることを特徴とする、請求項２に記載の回転電気機械の冷却構造。
6. 前記入水孔に対応する前記主通路の前記副通路の数は前記出水孔に対応する前記主通路の前記副通路の数よりも多いことを特徴とする、請求項２に記載の回転電気機械の冷却構造。
7. 前記入水孔に対応する前記主通路の前記副通路の数と前記出水孔に対応する前記主通路の前記副通路の数の比率は２〜３倍の間であることを特徴とする、請求項６に記載の回転電気機械の冷却構造。
8. 前記主分流壁体及び前記副分流壁体は台形状外形を呈することを特徴とする、請求項１又は４に記載の回転電気機械の冷却構造。
9. 各前記台形状外形の前記主分流壁体及び前記副分流壁体は、頂部及び底部を含み、前記頂部は第一寸法を有し、前記底部は第二寸法Ｄ２を有し、そのうち前記第一寸法は前記第二寸法よりも小さいことを特徴とする、請求項８に記載の回転電気機械の冷却構造。
10. 前記第一寸法と前記第二寸法の比率は０．２〜０．８の間であることを特徴とする、請求項９に記載の回転電気機械の冷却構造。