JP2820531B2 - 流体冷却式の電気機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求の範囲の前段すなわち要件（ａ）ない
し（ｆ）を備えた流体冷却式の電気機械に関する。

この種の電気機械、とくに回転型の電動機として知ら
れる電気機械は、仏国特許出願公開第517949号明細書の
第８図ないし第10図の実施例から公知である。この電動
機においては、冷却流体が、下部に設けられた補助中央
供給口から固定子の両面に沿って周方向に通流するとと
もに、固定子スロット内に通流する。これら周方向の３
つの冷却流体流は上部の周方向反対位置に設けられた補
助中央排出口で再び集約される。

本発明の目的は、特に効果的な方法で冷却を可能に
し、また製造上好ましい構造を持った固定子流体冷却手
段を備えた電気機械を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、 （ａ） 所定の方向に配列され、固定子巻線を巻装した
一連の固定子磁極を有する固定子と、 （ｂ） 固定子に対向し、それとの間に空隙を介在して
固定子との間に磁気作用を持つように配置され、固定子
磁極の配列方向に対応する方向に相対的に動くことがで
きる回転子と、 （ｃ） 固定子磁極の配列方向に直角な面で見て、空隙
とは反対側に位置する底壁とそれに連なって空隙側に向
かって延びる両側壁を含んでほぼＵ字形状をしており、
固定子磁極および固定子巻線を収納し、その空隙側に閉
鎖カバーを有する固定子支持部材と、 （ｄ） 固定子磁極と固定子支持部材の第１の側壁との
間に形成された第１の流体通流室、および固定子磁極と
固定子支持部材の第２の側壁との間に形成された第２の
流体通流室を有し、これら両通流室は冷却流体が固定子
巻線の少なくとも一部の領域に沿って流れるように固定
子磁極の配列方向に沿って延びている流体通流室と、 （ｅ） 固定子支持部材の底壁または固定子そのものに
設けられ、固定子磁極の配列方向に延びている第１の冷
却流体通流路と、 （ｆ） 固定子磁極内の少なくとも一部を通って延び、
流体通流室および第１の冷却流体通流路に連通する第２
の冷却流体通流路と を備えた流体冷却式の電気機械において、 （ｇ） 固定子巻線と閉鎖カバーとの間の空間の少なく
とも一部が、流体通流室およびそれに連通する第２の冷
却流体通流路に連通する流体接続路として構成され、 （ｈ） 全体として、冷却流体が第１に固定子磁極の配
列方向に沿って流体通流室に流れ、次に流体接続路およ
び固定子磁極内の第２の流体通流路を通って第１の冷却
流体通流路に流れるか、それとは逆の方向に流れるよう
に冷却流体通流経路が構成されていることを特徴とする
ものである。

仏国特許出願第1276717号明細書に開示されている電
気機械、具体的には回転型電動機においては、冷却流体
が、電動機の一方の軸方向端側の下方供給口から電動機
の他方の軸方向端側の周方向反対位置に設けられた上部
排出口へと通流し、その過程で冷却流体は固定子の両端
面に沿って流れる。冷却流体は固定子の一方の端面側か
ら他方の端面側へと、固定子巻線と固定子カバーとの間
に形成された軸方向に延びる接続流路を通して通流す
る。固定子磁極自体には内部通流路が形成されていな
い。

仏国特許出願公開第517949号明細書の図６および第７
の実施例は、固定子に軸方向および放射方向に延びる内
部通流路を有する電動機、とくに回転型の電動機を開示
している。冷却流体は、それぞれ外側の環状チャンネル
を通して固定子の両端面側に通流し、放射方向には外側
から内側に流れ、さらにそこから軸方向に内部通流路へ
と流れる。放射方向外側に向けて排出された冷却流体は
周方向に延びる排出部に集約される。すなわち、冷却流
体は固定子の両端面側から排出部に流れていく。

独国特許第337561号明細書は、冷却流体が機械の一方
の軸端側の下部供給口を通して通流し、軸方向中央上部
排出口を有する周方向に延びる外側排出部を通して排出
される構造の電気機械、とくに回転型の発電機を開示し
ている。冷却流体は機械の一方の軸端側から他方の軸端
側へと、固定子巻線と固定子溝の壁との間に配設された
軸方向に延びる流路を通して通流する。図１による実施
例では、冷却流体は機械の他方の軸端側から、機械の軸
芯に対して直角な平面内に位置する固定子セクション相
互間のスロットへと通流する。これとは異なり、図２に
よる実施例は、固定子内を軸方向に延びる内部通流路を
開示している。冷却流体は内部通流路を通して固定子溝
に組み込まれた流路に平行に流れる。そして、軸方向移
送開口手段によって冷却流体は機械の他方の軸端側から
排出部へと通流することができる。

周知のごとく、放散される熱は電気機械の中で主とし
て巻線および固定子鉄心に発生する。巻線に発生する熱
損失はしばしば「銅損」と称され、鉄心に発生する熱損
失はしばしば「鉄損」と称される。本発明による電気機
械においては、冷却流体は固定子巻線に沿って流れ、固
定子巻線の少なくとも一部の領域がそこを通流する冷却
流体によって直接に冷却され、それにより熱が効果的に
巻線から放出される。冷却流体は固定子巻線のすべての
部分に直接通流する訳ではないが、それにもかかわらず
冷却効果は非常に良好である。なぜならば、巻線は通
常、電気良導体であり、かつ熱の良導体である金属材料
でできているので、巻線中の熱は巻線導体を介して熱放
出部へ容易に伝達されていくからである。さらに、固定
子巻線は強磁性体からなる固定子鉄心に巻装されるの
で、固定子自体から放散される熱も巻線導体を通して熱
放出側へと流れていく。各隣接固定子歯相互間の溝状部
分から両側に突出する、いわゆる巻線端または巻線ヘッ
ドは、冷却流体によって直接冷却される。溝状部分の内
部から巻線ヘッドに至る熱伝導路は短い。しかしなが
ら、隣接固定子磁極の巻線コイル相互間の溝状部分にも
冷却流体の通流路のための十分な自由空間を備えること
は可能であり、それにより冷却流体が固定子巻線を全体
として直接冷却することが可能になる。

固定子巻線と、２つの通流空間の延長方向に直角に延
びる固定子支持部材の閉鎖カバーとの間に設けられる接
続流路は、隣接固定子磁極相互間のすべての場所に設け
たり、その一部にのみ設けたりすることができる。固定
子磁極の少なくとも一部、好ましくはすべてに設けられ
る内部通流路は固定子の直接内部冷却手段を提供する。
各固定子磁極の内部通流路は接続流路から固定子へと延
びる。

「電気機械」という用語は、元来、電動機と発電機の
両方を包含する用語であって、回転電機と同義の用語で
ある。「固定子」および「回転子」という用語に関して
は、固定子は静止しており、回転子は固定子に対して相
対的に回転する、または動くという意味を持っている。
回転子側に電機子が構成される電機機械は「回転電機子
型」と称され、逆の関係、すなわち、回転子側に界磁が
設けられる構造の電機機械は「回転界磁型」と称され
る。さらに、一般的には回転子が文字通り回転するが、
周知のごとく、同一原理の下に「回転子」が直線運動す
る、いわゆるリニアモータもあり得る。したがって、こ
の明細書において回転子という用語は、直線的に配置さ
れた固定子に沿って直線運動する「可動子」をも含むも
のとする。冷却に適した流体には液体または気体がある
が、大きな熱放出容量があるので液体の方が好ましい。
適切な冷却液としては、たとえば、変圧器の分野で知ら
れているものを流用することができる。

極度に強い冷却が必要な場合は、固定子巻線は、少な
くとも、冷却流体が直接そこを流れる特定の固定子磁極
の特定のコイルの場所に設け、巻線導体の間に冷却流体
が流れることの可能な自由空間を形成できるようにする
のがよい。最も極端な実施例では、個々の固定子磁極の
コイルは、よくあることであるが、「互いに密接に近接
して」巻きつけるのではなく、その間にモールド・コン
パウンドを充填する。しかし、導線は、たとえばスペー
サのような部品を使用して、互いに間隔をあけて巻きつ
け、冷却流体が、分離している導線のまわりを流れ得る
ようにすることができる。もちろん、導線のグループが
密接に接近して巻きつけられていたり、前述の自由空間
が導線グループの間に存在する中間的な形も可能であ
る。

本発明による冷却構造は、以下に述べる構造的な特徴
をもった電気機械として単独に、または組合せて用いる
ことができる。

まず電子的整流である。それ自体よく知られているの
で、ここでのさらに詳しい説明は省略する。

次に永久磁石を備えた回転子である。保磁力の高い永
久磁石またはエネルギー積の高い材質の永久磁石がこの
点で好ましい。このような永久磁石はそれ自体周知であ
り、とくにコバルトを含む１種以上の希土類元素をベー
スにした材料または鉄ネオジム材料をベースにした材料
で構成することができる。

磁束集中原理による回転子または可動子の構造。さら
に詳しくは以下に述べる通りであり、それは欧州特許出
願公開第0331180号明細書で知られているところであ
る。

固定子磁極巻線は、それぞれ１つの固定子磁極とだけ
結合しており、他の固定子磁極のコイルとは交差しな
い。このことは、冷却されるのに適した最も望ましい小
形の巻線ヘッドという結果につながる。

本発明による電気機械のいくつかの類似サブユニット
が、それぞれに独立してそれ自体が作動する多重原理に
よる電機機械の構造。これの一例は、特定数の固定子磁
極コイルが共通の電子インバータ手段に接続され、時間
と信号について正しい方法で分離したコイルの付勢と消
勢の切替え行う回転子と固定子の相対位置を検知する共
通のセンサに接続されるものである。この場合、合計し
ていくつかのこのようなサブユニットが存在するので、
これらのサブユニットのうちの１つが故障しても、出力
はいくぶん減少するが、電機機械としての動作は続ける
ことができる。

多くの場合、固定子磁極の配列の方向は、回転子と固
定子の相対運動の方向と正確に一致している。しかし、
それとは異なる実施例も同様に可能である。

本発明およびその展開を好ましい実施例を基にしてさ
らに詳しく説明する。図４による実施例のみが請求項１
に係る発明を実現するものである。しかしながら、図
１、図２および図３は本発明による電気機械の構造を理
解するのに有効なものである。図面において、 図１は、固定子磁極の配列方向に対て直角な断面で示
す説明のための電気機械の横断面図、 図２は、図１の電気機械を、図１の断面と直角な断面
すなわ固定子磁極の配列方向の断面で見た縦断面図、 図３は、図１の電機機械の変形例を、回転子を省略し
て示す横断面図、 図４は、本発明に係る電気機械を、回転子を省略して
示す横断面図である。

図１および図２は、電機機械２の下部の固定子４と上
部の回転子６を示している。ここで回転子６は、すでに
述べたようにリニアモータを考える場合は可動子と称す
る方が適切であるかもしれないが、あえて回転子と称す
ることになる。固定子４は、実質的に固定子支持部材
８、固定子磁極10、および固定子磁極10の各々に別々に
巻装されているコイル12から成っている。コイル12の集
合体が固定子巻線である。図１に見られるように、横断
面で見て、固定子支持部材８は、底壁14、およびその両
端に連なる両側壁16によりＵ字形に構成されている。こ
のＵ字形の固定子支持部材８の開放端は内部を通流する
流体が漏れないように閉鎖カバー18により閉鎖されてい
る。図２の縦断面図は、左から右へ互いに隣接配置され
ている固定子磁極10の列を示している。個々のコイル12
は、図１の上方から平面図として見たとき、角の丸い長
方形の形をしている。個々の固定子磁極10すなわち固定
子歯は、閉鎖カバー18から離れて面している側面で、固
定子磁極の底部が、それぞれ隣接する固定子磁極10ま
で、Ｕ字形に通っている磁路によって互いに連絡してい
る。各コイル12はその底部で磁路に達しているが、その
上部は閉鎖カバー18には達していない。

回転子６では、台形の永久磁石19が三角形の磁束導体
20と交互に配設されている。これとは逆に、永久磁石19
が三角形で、磁束導体20が台形であってもよい。永久磁
石19は、図２で見て、左から右の方向に磁化されてい
る。磁束導体20内で、永久磁石19によって生ずる磁束が
90゜偏向して、空隙22を経て、上向きの固定子磁極頭部
24に達する。図１および図２を上方から見た平面図で、
磁束導体20の磁束射出領域26は、特定の磁束導体20に近
接している永久磁石19の断面積の２個分（図１に見られ
るように）よりも小さいことが分かる。その結果、特定
の磁束導体20の特定の磁束射出領域26に磁束が集中す
る。磁束集中原理によって作動している電気機械は、前
に例を挙げたように特に高い出力密度を持っていること
が多く、したがって狭い空間での熱発生量も多い。本発
明による効果的冷却は、この見地から特に有利である。

図１を見れば、特定の固定子磁極10のコイル12と固定
子支持部材４の両側壁16との間に、第１流体通流室30が
左側に、第２流体通流室32が右側に冷却流体34を通流さ
せるために形成されていることが分かる。これらの両流
体通流室30,32は、固定子磁極10とそれに巻装されてい
るコイル12の列に沿って延びている。これら両流体通流
室30,32の中を流れる冷却流体34は、すべての個々のコ
イル12を冷却するように、左側と右側で、隣接する固定
子磁極10の間の固定子溝から広がっているこれらの部分
（図１において）に通流する。これらの部分は、通常、
巻線端または巻線ヘッドと称されている。冷却流体34
は、閉鎖カバー18に面した巻線端部分の上面と巻線のな
い固定子材料の横の側方部分にも流れる。

さらに、接続流路36が、個々のコイル12と閉鎖カバー
18の間に形成されており、図１では、左側から右側へ、
そして図２では、図面と直角に、第１流体通流室30と第
２流体通流室32の間に延びていることが分かる。接続流
路36を通って、冷却流体は、そこにあって閉鎖カバー18
に面しているコイル12の表面ならびにそこにある固定子
磁極部分10の部分を流れる。

閉鎖カバー18は、たとえばプラスチック材料のよう
な、磁気的および電気的に非伝導またはほとんど非伝導
の材料で構成される。

図２は回転子６が矢印28で示すように右から左へと、
静止状態にある固定子４に対し相対的に動くリニアーモ
ータの一部であると見ることができる。しかし、図２
は、直線的形状で表わすために展開した、回転子を有す
る回転型電動機の一部分を説明するものと見ることがで
きる。図２は図２の状態の電動機の回転軸に直角な断面
であり、図１は電動機の上半分の軸に沿った断面である
ということができる。

図１および図２による上述の構成と図３の構成との間
の主な相違は、固定子磁極10のおのおのが内部冷流体通
流路38を持っていることにある。この冷却流体通流路38
は一連の固定子磁極10の配列方向に延びており、特定の
固定子磁極10の一方の側の溝状部分とその特定の固定子
磁極10の他方の側の溝状部分とを互いに連通し、そこを
冷却流体34が流れるのに適するように作られている。図
３の断面では、冷却流体通流路38は、図３で水平に測定
して1mm以下の内幅の非常に狭い、まっすぐな直角形状
をしている。冷却流体34の入口と出口は、接続流路36に
よって影響される。

図４による実施例が図３のものと異なる点は、固定子
支持部材８の底壁14の中にくぼみがあって、それが、固
定子磁極10の配列方向に延びている冷却流体通流路40を
構成していることである。この通流路40は、それぞれの
固定子磁極10の内部通流路38と連通している。冷却流体
通流路40は底壁14の低い位置にあってもよいし、他の通
流路を経て冷却流体通流路38と接続されるようにしても
よい。

この実施例の流体的設計では、冷却流体を１つの場所
から両流体通流室30,32に供給し、流体通流室30,32に沿
って長い距離または短い距離に冷却流体を流し、次に接
続流路36および通流路38を通して、閉鎖カバー18の部分
から特定の固定子磁極の根元まで流し、通流路40に集め
て、固定子支持部材８の適切な場所から排出する。

冷却流体34が循環ポンプで、通流路30および32と接続
流路36が存在する場合は接続流路36、通流路38が存在す
る場合は通流路38ならびに通流路40がある場合は通流路
40を通して通流されるように、循環ポンプと外部の熱交
換器から成る冷却流体のための閉回路を設けるのが通常
のことであることを一般的に注意しなければならない。

さらに、固定子磁極10に適した材料は、第１に、薄い
強磁性鉄板を層状に重ねたもの、または分粒状強磁性体
をプラスチック材を用いて結合したものであることも一
般的に注意しなければならない。閉鎖カバー18は、固定
子支持部材８の内部の水路状の空間を冷却流体が漏れな
いように密閉する。

固定子磁極10のコイル12の全体を、本明細書の最初の
部分では固定子巻線と称していることは、すでに述べた
ところである。

それ自体性質のよく分かった技術手段を、固定子材料
や固定子巻線から冷却流体への熱伝導量を増強するため
に追加して用いてもよい。とくに冷却流体の流速を速く
したり、意識的に乱流の程度を上げたりすることもでき
る。

フロントページの続き (72)発明者 グリュントル，アンドレアス ドイツ連邦共和国ミュンヘン、70、バー ゼネイシュトラーセ、20 (56)参考文献 実開 昭57−7875（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−7876（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−168610（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭52−41898（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02K 9/00 - 9/28

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）所定の方向に配列され、固定子巻線
   （12）を巻装した一連の固定子磁極（10）を有する固定
   子（４）と、 （ｂ）固定子（４）に対向し、それとの間に空隙（22）
   を介在して固定子（４）との間に磁気作用を持つように
   配置され、固定子磁極（10）の配列方向（28）に対応す
   る方向に相対的に動くことができる回転子（６）と、 （ｃ）固定子磁極（10）の配列方向（28）に直角な面で
   見て、空隙（22）とは反対側に位置する底壁（14）とそ
   れに連なって空隙（22）側に向かって延びる両側壁（1
   6）を含んでほぼＵ字形状をしており、固定子磁極（1
   0）および固定子巻線（12）を収納し、その空隙（22）
   側に閉鎖カバー（18）を有する固定子支持部材（８）
   と、 （ｄ）固定子磁極（10）と固定子支持部材（８）の第１
   の側壁（16）との間に形成された第１の流体通流室（3
   0）、および固定子磁極（10）と固定子支持部材（８）
   の第２の側壁（16）との間に形成された第２の流体通流
   室（32）を有し、これら両通流室（30,32）は冷却流体
   が固定子巻線（12）の少なくとも一部の領域に沿って流
   れるように固定子磁極（10）の配列方向に沿って延びて
   いる流体通流室（30,32）と、 （ｅ）固定子支持部材（８）の底壁（14）または固定子
   そのものに設けられ、固定子磁極（10）の配列方向（2
   8）に延びている第１の冷却流体通流路（40）と、 （ｆ）固定子磁極（10）内の少なくとも一部を通って延
   び、流体通流室（30,32）および第１の冷却流体通流路
   （40）に連通する第２の冷却流体通流路（38）と を備えた流体冷却式の電気機械において、 （ｇ）固定子巻線（12）と閉鎖カバー（18）との間の空
   間の少なくとも一部が、流体通流室（30,32）およびそ
   れに連通する第２の冷却流体通流路（38）に連通する流
   体接続路（36）として構成され、 （ｈ）全体として、冷却流体（34）が第１に固定子磁極
   （10）の配列方向に沿って流体通流室（30,32）に流
   れ、次に流体接続路（36）および固定子磁極（10）内の
   第２の流体通流路（38）を通って第１の冷却流体通流路
   （40）に流れるか、それとは逆の方向に流れるように冷
   却流体通流経路が構成されていることを特徴とする流体
   冷却式の電気機械。
2. 【請求項２】請求項１に記載の電気機械において、固定
   子磁極（10）の少なくとも一部に、それぞれ冷却流体
   （34）を通流させるために素線間に自由空間を有する巻
   線コイル（12）が設けられていることを特徴とする電気
   機械。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の電気機械におい
   て、電子転流式電動機として構成されていることを特徴
   とする電気機械。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の電気
   機械において、回転子（６）が、永久磁石（19）を有す
   る励磁部として構成されていることを特徴とする電気機
   械。
5. 【請求項５】請求項４に記載の電気機械において、保磁
   力の高い永久磁石（19）が設けられていることを特徴と
   する電気機械。
6. 【請求項６】請求項４または５に記載の電気機械におい
   て、回転子（６）が磁束集中型に構成されており、一連
   の永久磁石（19）の配列方向に見て、配列方向に磁化さ
   れた永久磁石（19）と磁束を導く部材（20）とが交互に
   配置され、前記磁束を導く部材（20）は、一連の永久磁
   石の配列方向における空隙領域（22）上の磁束分布で見
   て、それぞれ永久磁石（19）の領域の２倍以下の長さの
   磁極領域を持っていることを特徴とする電気機械。
7. 【請求項７】請求項１ないし６のいずれかに記載の電気
   機械において、１つの固定子磁極（10）に１個の固定子
   コイル（12）が巻装されていることを特徴とする電気機
   械。