JP2024512777A - 冷却装置を備えた電気モータ - Google Patents

Abstract

本発明は、冷却装置（２）を備えた遠心ポンプを駆動するための電気モータ（１）に関する。冷却装置（２）は、ファンホイール（５）およびカバー（４）を備え、カバー（４）はチャンバ（１７）を囲んでいる。ガイド要素（３）がチャンバ内に配置される。

Description

本発明は、ファンインペラとファンインペラの周囲の空間を囲むシュラウドとを備える冷却装置を有する、遠心ポンプを駆動するための電気モータに関する。

遠心ポンプ装置は一般に、１つまたは複数の遠心ポンプ、１つまたは複数の電気モータ、および周波数変換による回転速度制御のための電力電子機器装置を含む。特に、電気モータおよび関連するモータ電子機器は、動作中に適切な冷却を必要とする。

この種の典型的な電気モータは一般に知られており、主に大量生産されている。ここで、電気モータは、モーターシャフトに回転結合して接続されたロータ、巻き付けられたステータコアを備えたステータ、外側に冷却フィンを備えたステータハウジング、両側に位置し、転がり軸受またはすべり軸受を備えたエンドシールドと、駆動側の反対側に位置するシャフト端でシャフトに回転結合して接続されたファンインペラで構成され、このファンインペラは、ステータハウジングに固定的に接続されたファンシュラウドによって囲まれている。

モータ電子機器のコンポーネントが取り付けられるボックス、いわゆる電子機器ハウジングは、通常、ステータハウジング上に配置される。一般に、モータ電子機器は、周波数コンバータ、電力コントローラおよび／または回転速度コントローラを備える。このような電子機器ハウジングは、電気モータの廃熱がモータ電子機器に影響を及ぼさず、モータファンによって生成される冷却空気流もモータ電子機器の冷却に利用できるように、台座上に配置されることがよくある。

ファンインペラから半径方向に出た冷却空気は、ファンシュラウドによって軸方向にステータハウジングの冷却フィンに導かれ、また、前記ファンシュラウドは、ファンインペラの入射流側に配置されたグリルによって異物の侵入を防止する。

独国公開特許第１０２００８０５１６５０Ａ１には、モータとモータ電子機器の共同冷却を備えた発明が開示され、この場合、モータと電子機器ハウジングを冷却する目的で、ファンインペラが空気流を駆動する前に、空気流がファンシュラウドの吸気グリルを通して引き込まれる。ここでの焦点は、モータの周囲に軸方向と半径方向の両方に構築された非常に大規模なモータ電子機器のセットを冷却することにある。

量産電気モータには、通常、双方向ファンインペラが装備されている。したがって、ファンを含むモータは時計回りと反時計回りの動作の両方で使用できる。ファンインペラのブレードは、回転方向に依存しない冷却性能を実現するために、純粋に半径方向に向けられている。これにより、冷却空気の非常に脈動的な流入と流出が発生する。この脈動状態により、渦が形成され、冷却空気流が分離し、冷却の有効性と効率が低下する。さらに、冷却空気の渦は騒音を発生し、周囲の人が不快に感じたり、騒音が比較的強い場合には健康に悪影響を与える可能性さえある。

さらに、低い回転速度で動作する電気モータの場合、冷却空気流はステータの廃熱とモータ電子機器の廃熱を同時に放熱するのに適切ではなくなる可能性がある。

特に、ファンインペラのカバーやファンシュラウドは、冷却空気流の誘導に関して十分に最適化されていない。単に冷却空気流の方向転換をするだけでなく、それらは、主にファン装置の回転部分への不注意による侵入を防ぐために役立つ。したがって、ファンシュラウドの設計は、騒音の発生に少なからず影響を及ぼす。

本発明の目的は、低速回転でも十分な冷却性能が得られるように冷却デバイスを備えた電気モータを設計することにある。ここでは、電気モータと冷却デバイスが騒音の発生を最小限に抑えて動作することが可能でなければならない。冷却デバイスはさらに、不注意なアクセスに対する保護を確保する必要がある。冷却デバイスを備えた電気モータの構造により、交換部品の交換が容易になるはずである。デバイスは製造が簡単で安価である必要がある。

前記目的は、本発明によれば、冷却装置を有する電気モータによって達成される。好ましい変形例は、従属請求項、説明および図面から明らかになる。

本発明によれば、ファンインペラおよびシュラウドを備える冷却装置を有する遠心ポンプを駆動するための電気モータ上に、ガイド要素がシュラウドによって囲まれた空間内に配置される。

理想的には、ガイド要素はブレード状の構成であり、半径方向の前縁と軸方向の後縁を有する。それらはファンのシュラウド内で静止するように配置されている。それらの目的は、ファンインペラから出てくる旋回流を、損失を最小限に抑えて、電気モータとモータ電子機器を冷却するための最小の旋回を持つ流れに方向転換することである。このようにして、空気流が熱が放熱される位置に向けられるため、電気モータの回転速度が低い場合でも冷却が非常に効果的であるという利点がある。

ブレード状のガイド要素は、主に多段ポンプでインペラーロータの下流に配置されるステータのガイドブレードと同様に設計されている。前記ガイド要素は、ファンインペラの周囲の半径方向空間内でファンインペラを取り囲む。冷却空気流は、ブレード状ガイド要素の半径方向前縁に衝突する。ファンインペラと丸いファンシュラウドの回転方向とは反対方向に曲率により、半径方向に配向された冷却空気流は、流れの分離や渦の形成なしに軸方向の冷却空気流に方向転換される。実質的に損失なく、特に効果的な方法で方向転換された冷却空気流は、ブレード状ガイド要素の軸方向の後縁で、前記冷却空気流は、ステータハウジングを冷却するために環状チャネルに入るという事実により、ブレード状のガイド要素から出る。

本発明によれば、ガイド要素は、シュラウドの内壁から中央に配置されたロータシャフトの方向に半径方向に延びる。ここで、ガイド要素は、大きくなるにつれて、ファンインペラの回転方向とは反対方向に徐々に増大する曲率半径を有する。このようにして、脈動状態、流れの分離、または渦の発生を伴うことなく、流れの方向転換を達成することが可能であることが好ましい。これにより、冷却装置の冷却性能が理想的に強化される。同時に、回転方向に依存しない冷却装置により、動作中の騒音の発生が大幅に低減される。

冷却装置のシュラウドは、ガイド要素と一体品として形成されている。したがって、シュラウドは、例えばプラスチック射出成形部品として経済的に製造することができる。本発明の別の変形例では、金属ベースのシュラウドも考えられる。

電子機器ハウジングは電気モータのステータハウジング上に設置され、熱を放熱するための要素、特に冷却フィンの高さだけ離間されている。ここで、電子機器ハウジングは、ステータハウジングと電子機器ハウジングとの間に熱を放熱するためのチャネルを形成する形状を有する。シュラウドは、細長い形状のガイド要素を有し、冷却空気流を前記冷却チャネルに効率的に方向転換し、したがって電気モータおよびモータ電子機器の廃熱を特に効果的に放熱できる突出部を有することが有利である。

本発明によれば、ガイド要素を備えたシュラウドによって形成される空間は、冷却装置のファンインペラを半径方向に完全に取り囲む。この設計ソリューションは、流れの分離や渦の形成を回避するために、冷却流の目標とする方向転換に特に理想的である。したがって、冷却装置の特に静かな動作が可能となる。

完全な冷却性能を発揮して効率的に冷却するには、方向付けられた冷却空気流が非常に重要である。理想的には、シュラウドは、シュラウドの円筒部分の内壁面と電気モータのハウジング、特に一体形成された冷却フィンを有するステータハウジングの外壁面との間に環状チャネルを形成する。ファンインペラによって引き込まれ生成された冷却空気流は、まずシュラウドのガイド要素によって、およびシュラウド自体の形状によって半径方向から軸方向に方向転換される。ブレード状のガイド要素の独創的な設計により、方向転換には渦の形成、流れの分離、または妨害となる騒音の放出が伴わない。シュラウドの円筒部分は、冷却空気流が注入される環状チャネルが形成されるようにステータハウジングに有利に隣接している。このようにして、冷却装置の冷却性能は、特に電気モータの回転速度が低い場合でも特に高い。

本発明の特に有利な一実施形態では、シュラウドは、渦を形成せずに冷却空気流の方向転換を促進する丸い部分を有する。この丸い移行部は、軸方向に配置された吸気グリルと、ステータハウジングに半径方向に隣接するシュラウドの円筒部分との間に配置される。丸い移行部は、ガイド要素の形状にも同様に影響を及ぼし、ガイド要素はシュラウドと一体品として形成されているため、シュラウドの内壁およびその丸い形状に継ぎ目なく隣接する。このようにして、冷却空気流は、流れの分離や騒音の発生を妨げることなく、ステータハウジング上の軸方向の流れに、またステータハウジングと電子機器ハウジングの間の冷却チャネルを通って方向転換をすることができる。冷却空気流はモータの冷却フィンに均一に向けられるだけでなく、電力電子機器用の電子機器ハウジングも同様に冷却する必要があるため、電子機器ハウジングの領域では冷却空気流の非対称分布が必要である。したがって、この実施形態では、ファンシュラウドは、円形から逸脱し、この領域での空気流の増加を可能にする非対称の突出部を有する。

ファンインペラは、ステータハウジングの外側で、ポンプから離れた側のエンドシールドのすぐ下流で、電気モータのロータシャフトに取り付けられている。したがって、ロータシャフトは、電気モータのそれぞれの回転速度でファンインペラを駆動する。冷却装置は、過度にかさばる構造により設置面積が不利に制限されないように、電気モータから最小限の間隔で配置されている。

本発明によれば、ファンインペラは回転方向後方に湾曲したブレードを有する。ファンインペラのキャリアディスクには、冷却空気流の吸気側にハブ突起が形成されており、このハブ突起にブレードが中心からオフセットして取り付けられている。ブレードは、キャリアディスクから吸気側の方向に突出しており、回転方向とは反対方向に湾曲した輪郭を有することが好ましい。特に、全てのブレードは同じ曲率を有することができる。

本発明の特に有利な実施形態では、ファンインペラはブレードと一体品として形成される。ここで、インペラおよび／またはブレードを金属材料または射出成形プラスチックから製造することが有利であることが証明されている。

理想的には、ファンインペラのキャリアディスクはトランペットベルの形状に構成され、キャリアディスクは吸気方向、特に吸気グリルの方向に先細になる。このトランペットベルの断面からは、一連の１つまたは複数の円弧と直線が得られる。この曲線輪郭は、双曲線の数学的形状によって再現できる。キャリアディスクのこの特殊な構造は、冷却空気流を特にスムーズに方向転換するため、渦の形成や騒音の発生を引き起こす流れの分離を回避する。

ファンインペラを使用した流れが最適化された冷却空気流の生成は、特にブレード配置によって実現される。ここで、ファンインペラのブレードは、回転方向とは反対方向に半径方向で湾曲している。それらは、トランペットのベルの形状の中心点の外側に取り付けられているため、キャリアディスク上で偏心した配置になっている。取り付け点は、キャリアディスクのトランペットベル上の仮想リングから始まる。このリングは、キャリアディスクの直径の約３分の１に相当する。

ブレード前縁とブレード後縁の間のブレード中心線の経路は、輪郭平均線と呼ばれる。多くの場合、円弧、あるいは放物線アーチ、Ｓベンド、またはその他の解析曲線によって記述される。

本発明によるファンインペラのブレードは、キャリアディスク上の取り付け点に丸い部分を有する。ブレードの輪郭平均線は丸い部分から伸び、正確にキャリアディスクの外縁で終わる。この有利な構造は、ファンインペラの流れが最適化された実施形態の一部であり、流れの分離や渦の形成を伴わずに冷却装置によって冷却空気流を生成することを可能にする。これにより、電気モータおよびモータ電子機器の廃熱を、騒音の発生を妨げることなく、特に効果的に放熱することができる。

本発明の特に有利な一変形例では、ファンインペラのブレードが円周方向に斜めに配置されている。このようにして、冷却空気流を特に静かに生成することができる。電気モータのロータ軸に対する傾斜角度は、好ましくは５°より大きく、特に１０°より大きく、好ましくは１５°より大きく、および／または好ましくは４５°より小さく、特に４０°より小さく、好ましくは３５°より小さい。ファンインペラは、容易に脱型可能な射出成形部品として製造されることが好ましいため、ブレード表面は、ファンインペラの回転軸の周りで適切な勾配でブレードの輪郭平均線が歪んだ結果として生じるねじ面として設計されている。

冷却装置の構造、特にシュラウドとファンインペラの構造は、特にメンテナンスが容易な設計によって特徴付けられている。ここで、部品は特に簡単に分解できるため、メンテナンスをより迅速に行うことができる。

本発明のさらなる特徴および利点は、図面に基づく例示的な実施形態の説明および図面自体から明らかになるであろう。

遠心ポンプを駆動するための冷却装置を備えた電気モータの断面図を示す。 電気モータの正面図を示す。 シュラウドが取り外された、冷却装置を備えた電気モータの斜視図を示す。 冷却装置の断面図を示す。 本発明によるファンインペラの斜視図を示す。

図１は、遠心ポンプを駆動するために設けられた電気モータ１の断面図を示す。ロータシャフト１２は、ポンプ側エンドシールド１１と、ステータハウジング１３と一体品として形成されたエンドシールドとによって、一体化された転がり軸受１６を介して支持され、回転可能に取り付けられている。ロータシャフト１２はロータ１４を有する。電気モータの原理により、ステータ１５の回転磁界がロータ１４を駆動する。

電子機器ハウジング８は、ステータハウジング１３上に設置され、電子機器ハウジング下部９と電子機器ハウジングカバー１０から形成される。モータ電子機器は、周波数コンバータ、電力コントローラ、および／または回転速度コントローラで構成され、電子機器ハウジング８内に配置される。放熱要素７は電子機器ハウジング下部９内に配置されている。この例示的な実施形態では、放熱要素７は冷却フィンとして構成されている。電気モータ１の熱はステータハウジング１３を介して伝達され、同時にモータ電子機器の熱は電子機器ハウジング下部９を介して放熱要素７に伝達される。

冷却装置２は、電気モータ１のポンプとは反対側に取り付けられる。前記冷却装置は、ファンインペラ５と、統合された開口部６を備えたシュラウド４とから構成される。ここで、シュラウド４は、ファンインペラ５の周りの半径方向空間１７を囲み、ガイド要素３が前記空間１７内に配置されている。ブレード状ガイド要素３は、半径方向前縁３１と軸方向後縁３０を有する。ファンインペラ５は、シュラウド４の開口部６を通って軸方向に空気流を引き込み、前記空気流を半径方向に空間１７内に方向転換する。それらの曲率がファンインペラ５の曲率と半径方向に反対であるため、ガイド要素３は、この例示的な実施形態ではブレード状の構成であり、シュラウド４と一体品として形成されており、前記空気流が放熱要素７および２０の上を通過するように空気流を軸方向に方向転換し、これらは、モータおよびモータ電子機器を効率的に冷却するために、ステータハウジング１３全体にわたって半径方向に配置されている。

図２は、遠心ポンプへの接続が行われる視点から見た電気モータ１の側面図を示す。電子機器ハウジング８はステータハウジング１３上に設置される。ここで、電子機器ハウジングは、電子機器ハウジング下部９と電子機器ハウジングカバー１０とを含む。放熱要素７は電子機器ハウジング下部９に取り付けられ、放熱要素２０はステータハウジング１３に取り付けられる。この例示的な実施形態では、放熱要素７および２０は両方とも冷却フィンとして構成される。シュラウド４は、放熱要素７および２０をちょうど取り囲む環状チャネル１９が形成されるように、放熱要素７および２０を備えたステータハウジング１３上に突出している。したがって、冷却空気流は、ステータハウジング１３とともに放熱要素７および２０によって形成されるチャネルに理想的な方法で導入され、冷却目的で流れることができるという利点がある。

図３は、冷却装置２を有する電気モータ１を示しており、シュラウド４は取り外された状態で示されている。シュラウド４は、吸気グリル６の開口部を有しており、この例示的な実施形態では、吸気グリル６はシュラウド４内のグリルの形態で構成されている。シュラウド４はさらに、放熱要素７、ステータハウジング１３、および電子機器ハウジング下部９によって形成されるチャネルに十分な量の冷却空気流を導くことを目的とした非対称の突出部２１を有する。したがって、電気モータ１によって発生する熱、および電子機器ハウジング８内に配置されたモータ電子機器によって発生する熱を有利に放熱することができる。シュラウド４は、開口部６から円筒部分２５までの丸い移行部２２を有する。したがって、半径方向の冷却空気流は、放熱要素２０およびステータハウジング３０から形成されるチャネルを通って流れるように、非常に有利に軸方向に方向転換される。この冷却空気流は、回転方向に後方に湾曲し、ベル形のキャリアディスク２６上に配置されたブレード２３を有するファンインペラ５によって生成される。ブレード２３は、その取り付け点において、その輪郭平均線上に丸い部分２７を有する。

図４は、冷却装置２の断面図を示す。冷却装置２の内部では、回転方向後方に湾曲したブレード２３を有するファンインペラ５が、開口部２４を介してロータシャフト１２（図示せず）上に配置されている。ファンインペラ５は、平面視の方向に開口部２４に向かって先細になるトランペットベル形状のキャリアディスク２６を有する。ブレード２３は、丸い部分２７を備えたキャリアディスク２６から始まっている。ブレード２３の取り付け点は、ファンインペラ５の直径の約３分の１に対応する仮想線上にある。したがって、ブレード２３の取り付け点は、開口部２４によってマークされる中心の外側にある。シュラウド４は、ファンインペラ５を半径方向に完全に取り囲む空間１７を取り囲んでいる。ガイド要素３は、この空間１７内に配置され、シュラウド４と一体品として形成される。ガイド要素３は、ファンインペラの曲率とは反対の半径方向の曲率を有し、半径方向の前縁３１を有する。シュラウド４はさらに、非対称の突出部２１を有し、ガイド要素３もまた、延長された形状で非対称の形状に適合される。

図５は、開口部２４に向かって先細になるトランペットベル形状のキャリアディスク２６を有するファンインペラ５の斜視図を示す。ブレード２３は回転方向後方に湾曲しており、さらに周方向に斜めに配向されている。ファンインペラ５の位置決め用の開口部２４から突出するロータシャフト１２（図示せず）に対する傾斜角度は、５°より大きく、好ましくは１０°より大きく、特に１５°より大きい、および／または４５°より小さい、好ましくは４０°より小さい、特に３５°より小さい。ブレード２３は、キャリアディスク２６上の取り付け点に丸い部分２７を有する。したがって、冷却空気流を特に静かに有利に生成することができる。

Claims (15)

1. 遠心ポンプを駆動するための電気モータ（１）であって、ファンインペラ（５）とシュラウド（４）とを備える冷却装置（２）を有し、前記シュラウド（４）は前記ファンインペラ（５）の周りの空間（１７）を囲んでいる、電気モータ（１）において、ガイド要素（３）が前記空間（１７）内に配置されていることを特徴とする、電気モータ（１）。
2. 前記ガイド要素（３）が半径方向前縁（３１）と軸方向後縁（３０）とを有することを特徴とする、請求項１に記載の電気モータ。
3. 前記ガイド要素（３）が、ロータシャフト（１３）の方向に前記シュラウド（４）から半径方向に延びることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気モータ。
4. 前記ガイド要素（３）が、大きくなるにつれて、前記ファンインペラ（５）の回転方向とは反対方向に徐々に増大する曲率半径を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気モータ。
5. 前記ガイド要素（３）が前記シュラウド（４）と一体品として形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気モータ。
6. 前記シュラウド（４）が、電子機器ハウジング（８）の放熱要素（７）へのチャネルを形成するための突出部（２１）を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の電気モータ。
7. 前記空間（１７）が、前記ファンインペラ（５）を半径方向に完全に取り囲むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の電気モータ。
8. 環状チャネル（１９）が前記シュラウド（４）の内壁面と前記電気モータ（１）の前記ハウジングの外壁面との間に形成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気モータ。
9. 前記シュラウド（４）が、吸気グリル（６）から円筒部分（２５）までの丸い移行部（２２）を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の電気モータ。
10. 前記ファンインペラ（５）は、回転方向後方に湾曲したブレード（２３）を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の電気モータ。
11. 前記ファンインペラ（５）の全ての前記ブレード（２３）が同じ曲率を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電気モータ。
12. 前記ファンインペラ（５）のキャリアディスク（２６）がトランペットベルの形状に構成され、前記キャリアディスク（２６）が開口部（２４）の方向に先細になることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気モータ。
13. 前記ファンインペラ（５）の前記ブレード（２３）が、前記キャリアディスク（２６）の中心点の外側で前記ベル形状のリングに取り付けられていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の電気モータ。
14. 全ての前記ブレード（２３）が、前記キャリアディスク（２６）上のそれらの取り付け点に丸い部分（２７）を有することを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の電気モータ。
15. 前記ファンインペラ（５）の前記ブレード（２３）が周方向に斜めに配置され、ロータシャフト（１２）に対する傾斜角度は、好ましくは５°より大きく、特に１０°より大きく、好ましくは１５°より大きく、および／または好ましくは４５°より小さく、特に４０°より小さく、好ましくは３５°より小さいことを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の電気モータ。