JP4188597B2 - 電気モータの水冷ステータ巻線 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、電気モータのステータの冷却に関する。
モータやジェネレータのような電気機械は使用中に、巻線において熱を発生するため、最適に作動し、かつ部品への損傷を回避するためには、一般に冷却を必要とする。
【０００２】
多数の電気機械が、ステータ巻線によって包囲されたロータアセンブリを有し、ステータ巻線はステータ巻線導体自体の中に形成された通路に冷却流体を通過させることにより冷却される。例えば、一般的に冷却水が、ステータの導体に設けられた通路を通って供給されてステータから熱を除去する。その後、熱水は、ステータにおいて再利用される前に熱交換器によって冷却される。
【０００３】
特定の用途においては、電気分解して固体の物質を堆積し、通路を閉塞させる可能性がある不純な流体（即ち、水などのイオンを有するもの）を使用した冷却が、ステータ内の高電界により妨げられる。さらに、流体中の不純物はイオン化して、不適当な電流を伝導することがある。
【０００４】
このため、従来のステータ冷却システムでは、天然水（水）の代わりにより高価な脱イオン水が使用される。脱イオン水を供給するためには一般に、処理装置が水の純度及び抵抗率を維持することを必要とする。
【０００５】
（発明の要約）
本発明は、互いに電気的に分離された巻線を有するステータを冷却するための、冷却装置に関する。
本発明の一般的な態様において冷却装置は、巻線の外面に熱的に接続され、その内部に延伸する少なくとも１つの通路を有して外部ソースから冷却材を受容する冷却部材を有する。
【０００６】
冷却材を受容する通路は、ステータの導体の内部に拡張するのではなく、冷却手段の内部に拡張するため、ステータを冷却するための冷却材として水を使用することが可能である。冷却手段は、電気絶縁の接地した壁面を介してステータ巻線に熱的に接続されている。水の使用を可能とすることは、脱イオン水が容易に入手可能でないか、或いはユーザが水の脱イオン装置の費用を負担することを望まない場合に顕著な利点を有する。例えば、従来の方法で冷却されるステータを備えた電気モータを有する船舶には、冷却のために脱イオン水を貯蔵することが必要とされる。本発明の外部から冷却される構成はこの必要性を排除する。
【０００７】
本発明の実施形態は、次の特徴の１つ以上を有し得る。
例えば、本発明の一実施形態において冷却部材は、通路を画定する少なくとも１本の螺旋形に巻回された管を有する。例えば、中空内面及び外面を有するステータにおいて、ある螺旋形に巻回された管が中空内面に熱的に接続され、第２の螺旋形に巻回された管は、ステータの外面に熱的に接続される。
【０００８】
特定の実施形態においてステータは、ステータ巻線がステータの長軸から径方向に離間され、かつ円周方向において互いに離間されるような構造であってもよい。交互の巻線は軸から径方向において遠位に拡張する端部領域をさらに有する。この構造は、三相ステータ巻線アセンブリを提供するために使用可能である。この用途では、冷却部材は、ステータ巻線の端部領域で螺旋形に巻回された管をさらに有する。この螺旋形に巻かれた管は、径方向に拡張する端部領域に熱的に接続される。螺旋形に巻回された管は、アルミニウム、又はステンレススチールなどの非磁性体から形成されてもよい。
【０００９】
本発明の他の実施形態において冷却部材は、積層構造の熱伝導部材を有し、個々の伝導部材は穴を有する。熱伝導部材は、穴が全体として通路を画定するように設けられる。個々の伝導部材は、好適には隣接した伝導部材から電気的に分離されることにより渦電流を減少させる。渦電流は部材の加熱を著しく増加させ得る。電気的な分離は、伝導部材と、ステータの隣接した巻線での対応する外面との間に絶縁材料を設けることにより提供される。
【００１０】
個々の伝導部材は、ステータの隣接した巻線の外面の間に設けられ、これらに熱的に接続されている径方向に拡張する部分を有する。径方向に拡張する部分は、伝導部材と巻線との間に、面の間により大きな接触を提供する。
【００１１】
特定の実施形態では、それぞれの巻線は第１の軸に巻回され、冷却部材は、第１の軸に直交する第２の軸の周りに螺旋形に巻回された管の形状をなす。
代替手段として冷却部材は、第１の軸の周りに同軸に巻回された管の形状をなす。この場合、第１の冷却部材が巻線の上面に設けられ、第１の軸の周りに同軸に巻回された管の形状をなす第２の冷却部材が巻線の下面に設けられる。同軸に巻回された管はレーストラック形状を有し、サドル形状であってもよい。
【００１２】
他の利点及び発明の特徴は次の解説及びクレームから明白になる。
（詳細な説明）
図１を参照する。三相ステータ１は、多相コイルアセンブリ８〜１３を有し、それらは位相コイルアセンブリの内部層１１，１２，１３、及び位相コイルアセンブリの外部層８，９，１０として配置される。外部層コイルアセンブリ８，９，１０は、隣接した内部の位相コイルの対応する端部領域から遠ざかるように拡張する端部領域８ａ，９ａ，１０ａを有する。各位相コイルアセンブリは、互いに絶縁されている同心のコイル巻線７を有する。尚、図１では外部層コイルアセンブリ８，９，１０の端部領域８ａ，９ａ，１０ａは誇張されているが、通常はステータの中心軸に対して垂直ではない（図３を参照）。以下により詳細に記載されるように、本発明は、ここでは水の冷却材をステータコイル内の高電圧に曝す程度を最小限にする冷却システムに関する。これにより、イオンを有する水の使用が可能とする。
【００１３】
個々の位相コイル巻線は、例えば銅、アルミニウムなどの任意の電気伝導性材料から形成される。典型的には、位相コイルは銅から形成される。位相コイルアセンブリは異なる方法を使用して形成することが可能である。
【００１４】
例えば図１に示される実施形態においてそれぞれの位相コイルアセンブリは、それぞれ絶縁された多数の同心に設けられたコイル巻線を有する。典型的には、各位相コイルアセンブリは、ステータモータのデザインに依存して、任意の数量の同心コイル巻線からなることが可能である。さらに、各同心コイル巻線は、その同心コイル巻線を形成するために、それぞれ絶縁され、一体に組み立てられたコイルからなることが可能である。各コイルは、コイル間の電圧に耐性を有すべく絶縁されて、同心コイル巻線を形成するように組み立てられ得る。各同心コイル巻線は次に、位相コイルアセンブリを形成すべく、組み立てられる。アセンブリは位相−位相、及び位相−グランドの電圧レベルに関して十分に絶縁される。
【００１５】
他の方法において導体には、適切な回転ごとの絶縁体を同軸に巻回して位相コイルアセンブリを形成する。完成した位相コイルアセンブリは、位相−位相、及び位相−グランドの電圧レベルに関して十分に絶縁される。これらのコイルにおける渦電流損を減少させるために、好適には一般に任意の完全に転位されたリッツ線が使用される。特定の用途では、ラザフォード型導体が使用される。ラザフォード型導体は、任意の位置にある導体が曝されるＡＣ電場を分離すべく十分に転位された多数のより小さなストランドからなる。ラザフォード導体はさらに、柔軟であるためコイル形成作業をより容易にする。全ての位相コイルアセンブリは、産業上許容可能な絶縁クラス（例えば、クラスＨ及びＦの絶縁）に絶縁される。この絶縁クラスが通常、導体を動作可能である最高温度を決定する。同様に、ラザフォード型導体は、ニューハンプシャー州リスボンのニューイングランドエレクトリックなどの多数の製造供給元から容易に入手可能である。
【００１６】
図２を参照する。冷却されたステータシステム１００は、ステータの中央穴２の中に受容されたステータ内部コイル１４と、ステータ１の外面に包囲された外部コイル１７と、ステータの端部１０３，１０４に巻回された端部コイル１０１，１０２とを有する。外部コイル１７は、位相コイルアセンブリ８，９，１０の外部層１０５，１０６を包囲する端部１１７，１１９と、全ての位相コイルアセンブリ８〜１３の内部層の中間部１０７を包囲する中央部１２０とを有する。内部コイル１４、外部コイル１７、及び端部コイル１０１，１０２のそれぞれは、入口１５，１８，１１０，ｌｌ２、及び出口１６，１９，１１１，１１３とそれぞれ流体連通する。
【００１７】
図３に示されるように、冷却されたステータシステム２００は、軸Ｌを有する非金属中空管１６２の周囲に包囲した位相コイル１を有する。冷却管１４，１０１，１０２，１７は位相コイル１に巻回され、芯部１６０に収容されている。芯部１６０は典型的に、約０．０５ｃｍ（０．０２インチ）の、例えば自動車工業において使用されるものなどの、厚い鉄の積層構造からなる鉄芯である。薄層構造は円状部材に切断され、ステータアセンブリ２００の周囲に組み立てられる。代替手段として、芯部１６０は高い透磁率を有する鉄線を巻回することにより形成される。芯部１６０は渦電流加熱を抑制するためにニスや酸化物によって絶縁される。図３に示される平坦な円筒状の外面１７０を形成するべく、このワイヤの層を十分に巻回することが可能である。
【００１８】
冷却されたステータシステム２００は、モータハウジング内部に挿入される。ステータとモータハウジングを含む、アセンブリ全体にエポキシ樹脂を含浸させて、一体構造を形成すべくステータの全部品を接着する。内部コイル１４は中空管１６２によりステータ１の内部に支持される。内部コイル１４、外部コイル１７、及び端部コイル１０１，１０２は、絶縁体１５０によってステータ１から電気的に分離される。絶縁体１５０はコイル１４，１７，１０１，１０２を接地電位に維持するため、イオンを有する水の使用を可能にさせる。絶縁体１５０は、動作電圧、及びステータ１によって生成された熱に耐性を有しうる任意の絶縁材料から形成される。一般に、絶縁体１５０は、動作電圧に耐性を有するような厚さを有する。絶縁体１５０の厚さは、材料の絶縁耐力（絶縁特性）によって決定される。例えば、高い絶縁耐力を有する絶縁材料の厚さは、低い絶縁耐力を有する絶縁材料の厚さより少なくなり得る。典型的には、絶縁体１５０は、約０．００２５ｃｍ〜０．２５ｃｍ（約０．００１〜０．１００インチ）の間の厚さを有する。絶縁材料の例には、エポキシ樹脂、マイカ、及びガラスが含まれるが、これらに限定されない。
【００１９】
動作において熱は、ステータの導体から絶縁体１５０を介して、冷却された水を有するコイル１４，１７，１０１，１０２へと伝導される。出口１６，１９，１１１，１１３よりも入口１５，１８，１１０，１１２において高い流体圧力を有することによって、冷却流体はコイル１４，１７，１０１，１０２の内部を流れる。従って、水に伝導された熱は、冷却されたステータシステムから除去される。ステータ１の冷却を改善するために、内部コイル１４が内部から熱を除去し、他の外部コイル１７、及び端部コイル１０１，１０２が外部から熱を除去する。図３Ａは、冷却管１７によって包囲された位相コイル８〜１３を示す。
【００２０】
図４を参照する。他の実施形態では、図１に示されるように、冷却されたステータシステム２００は熱伝導材料２４により包囲されたステータ１を有する。熱伝導材料２７，３７は、ステータ１の中間部１０７の周囲に一連のプレート２１を積層することにより形成される。位相コイル８，９，１０，１１，１２，１３は、中空管表面で互いに接触するように中空管１６２の周囲に組み立てられる。しかし、コイルの側部は、コイルアセンブリ７の外面において互いに分離されている。この間隙は、図６に示されるようにプレート２１の楔状部分３７（ここではアルミニウム）により充填される。アルミニウム楔状部分３７は、コイル側部７からの熱の除去を促進する。特定の用途では、アルミニウム楔状部分３７が渦電流損を減少させるために積層構造の形態に形成される。これらの積層構造は、冷却用水の通過に使用される穴２５をさらに有する。各位相コイル（８〜１３）にこれらの楔状部分を設け、位相コイルアセンブリにエポキシ樹脂を含浸させ、ステータアセンブリに組み込む前に電気的、及び熱的にテストすることも可能である。全ての位相アセンブリが組み立てられたときに、冷却楔状部分を備えたステータコイルアセンブリが図５に示されるアセンブリ１２を形成する。
【００２１】
プレート２１は熱伝導材料からなる。熱伝導材料の例には、例えば銅、鉄、アルミニウムなどの金属や、テネシー州ナッシュビルのユーシーエーアールインターナショナルインコーポレーテッド社（ＵＣＡＲ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．）の製品であるグラフォイル（Ｇｒａｆｏｉｌ、登録商標）などの柔軟なグラファイト材料が含まれる。グラフォイル（登録商標）は、銅の約１００倍の電気抵抗特性を有する一方で、銅の熱伝導率と同様な熱伝導率を有利に有する。典型的には、プレートは、例えば銅、アルミニウムなどの非磁性体から形成される。各プレート２１は主要部３２０、及びステータの中心軸に指向して径方向に延伸する楔状部分３７を有する。典型的には、各プレートからの通路２５が冷却管を取り付けるための外部中空２９を形成するように、ステータの端部１０３，１０４の間でプレート２１が位置合わせされる。外部中空２９は中心軸（Ｌ）に平行であり、水の流路として通路を提供する。各プレート２１は加熱を増加させる渦電流を減少させるために、隣接したプレートからも隔離されることが可能である。
【００２２】
図５は、ステータ１のコイル３０６、主要部３２０、及び歯部３７を含むプレート２１の平面図である。各プレートは、ステータ中間部１０７の周囲に等間隔にて離間して放射状に配置された通路２５を有することが可能である。例えば、各プレート２１は、ステータの各巻線の通路を有することが可能である。図６により詳細に示されるように、コイル３０６は、内部端部３２及び外部端部３４を有する隣接した巻線６，７を有する。歯部３７は隣接した巻線間に詰め込まれるため、巻線は、内部端部３２、即ち中空側で接触し、外部端部３４において離間される。内部主要部３７は、巻線と冷却材マニホールドとの間の伝熱にさらなる表面積を提供する。
【００２３】
代替の実施形態では、流体は連続する流体の流れのループを形成すべく、ある通路から別の通路へと転送されてもよい。例えば、図６では、流体が冷却システムから排出される前に通路２５から通路３６へと通過するように、通路２５は通路３６に連結されていてもよい。他の実施形態では、システム内に再び注入する前に熱交換器に通過させることにより、冷却システムからの温水を冷却してもよい。代替手段として、冷却システムへの水は主要な給水源から引き、使用後に廃棄することが可能である。
【００２４】
さらなる他の実施形態において、ステータ巻線アセンブリはステータ巻線自体に類似した形態を有するステータ冷却システムを使用して冷却される。
例えば図７〜９を参照する。三相ステータ１（図１参照）の位相コイルアセンブリ１１，１２，１３に類似したタイプのステータ巻線４００が、その隣接した位相コイルアセンブリから独立して示されている。この実施形態では冷却系４１０は、ステータ巻線４００の軸４１５に同心的に巻回され、かつステータ巻線４００と反対側に配置された１組の冷却管４１２，４１４を有する。尚、軸４１５は、図３に示される冷却されたステータシステム２００の実施形態の軸Ｌに直交する。より詳細には、冷却管４１２はそれぞれステータ巻線４００の内面及び外面と熱的に接触するように配置される。
【００２５】
上記の冷却管の場合と同様に、冷却管４１２，４１４は、アルミニウム又はステンレススチールなどの非磁性体から形成される。耐食性及び低渦電流損特性により、多数の用途においてステンレススチールが好適である。
【００２６】
図１〜６に関連して記載された実施形態と異なり、冷却管４１２，４１４は、ステータ巻線４００に類似したサドル形状のレーストラック形に同軸に巻回される。図８に示されるように、冷却管はステータ巻線の一般には湾曲した表面に一致するように巻回され、バイファイラ形式に巻回される。
【００２７】
「バイファイラ」とは、２つの長さの各冷却管が平行に、かつ一方の上方に他方があるように共に巻回される（緊密に巻回される）ことをいう。これにより、各冷却管４１２，４１４は、冷却管の外周からそれぞれ拡張する入口４１６，４１８、及び出口４２０，４２２を備えた螺旋形構造を有する。バイファイラ方式を使用して冷却管を巻回することは、入口及び出口が、巻回された冷却管に渡り後方に延伸する管の長さを必要とすることなく、互いに隣接して有利に配置されることを可能にする。さらに、冷却管自身が、ステータ巻線の磁界からの磁束に結合し、ステータ巻線を冷却するコイルを形成する。バイファイラ方式は、電圧、及び冷却管を通って流れる循環電流を減少させるため、渦電流損を減少させる。
【００２８】
冷却管４１２，４１４をバイファイラ形式に巻回するための１つのアプローチでは、Ｕ字型ベンド４２４（図７）を形成すべく、冷却管の一定の長さがその中間点にてそれ自体に折り重ねられる。その後、折り重ねられた長さの冷却管は外部に指向して、一方が他方を折り返すように同軸に巻回される。
【００２９】
複数のステータ巻線を有する多相のステータ（例えば図１の三相ステータアセンブリ）においては、冷却システム４１０の冷却管４１２，４１４はステータ巻線のそれぞれに個別に収容されるため、分離して、かつ独立して試験可能なサブシステムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 コイル巻線を有する単層の三相ステータを示す斜視図。
【図２】 外部螺旋形冷却管を含む図１のステータの分解斜視図。
【図３】 図２のステータ、及び冷却管を模式的に示す断面図。
【図３Ａ】 冷却管を備えたステータコイルの部分的なアセンブリを示す斜視図。
【図４】 代替実施形態のステータ冷却システムを示す断面図。
【図５】 冷却システムの端部を示す図４のＡ−Ａ面に沿った断面図。
【図６】 図５の冷却システムの部分Ａにおける拡大図。
【図７】 コイル巻線用ステータ冷却システムの代替の実施形態を示す斜視図。
【図８】 図７のステータ冷却システムの断面を示す斜視図。
【図９】 図７のステータ冷却システムの端面図。

Claims (14)

1. 各巻線が他の巻線から電気的に絶縁され、及びステータの軸の周りを軸に沿って巻回される複数の巻線を有するステータ冷却装置において、該装置は、前記巻線の外面に熱的に接続された冷却部材と、前記冷却部材は外部ソースから冷却材を受容すべく、その内部に延伸する少なくとも１つの通路を有することと、前記冷却部材は少なくとも前記ステータの中間部を複数回通るように前記ステータの軸の周りを巻回されていることとを有するステータ冷却装置。
2. 前記少なくとも１つの通路は、螺旋形に巻回された管として形成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記ステータの巻線は中空内面及び外面を画定するように形成され、前記冷却部材は複数の同心的に巻回された管を有し、前記同心的に巻回された管のうちの第１の管は前記中空内面に熱的に接続され、第２の管は外面に熱的に接続された請求項２に記載の装置。
4. 前記ステータの巻線はステータの長軸から径方向に離間され、かつ円周方向に互いに離間され、前記巻線は交互に前記軸から径方向において遠位に拡張する端部領域を有し、前記冷却部材は、前記径方向に拡張する端部領域に対して熱的に接続された端部領域を有する同心的に巻回された管を有する請求項３に記載の装置。
5. 同軸に巻回された単一の導線を有した少なくとも１つの位相コイルをさらに備える請求項１に記載の装置。
6. 同軸に巻回された複数のコイルを有した少なくとも１つの位相コイルをさらに備える請求項１に記載の装置。
7. 前記同心的に巻回された複数の管は、非磁性体から形成される請求項３に記載の装置。
8. 各巻線が他の巻線から電気的に絶縁されている複数の巻線を有するステータ冷却装置において、該装置は、前記巻線の外面に熱的に接続された冷却部材と、前記冷却部材は外部ソースから冷却材を受容すべく、その内部に延伸する少なくとも１つの通路を有することとを有し、それぞれの巻線は第１の軸の周りに巻回され、前記冷却部材はバイファイラ形式に巻回された管の形状をなし、前記バイファイラ形式に巻回された管は、一方の上方に他方があるようにステータ巻線の対向する面に配備されことによって前記少なくとも１つの通路を画定するとともに、前記第１の軸の周りに巻回される、ステータ冷却装置。
9. 前記冷却部材は前記巻線の上面に設けられ、前記装置は前記第１の軸の周りに同軸に巻回された管の形状をなす第２の冷却部材を有し、前記第２の冷却部材は前記巻線の下面に設けられた請求項８に記載の装置。
10. 前記バイファイラ形式に巻回された管はレーストラック形状を有する請求項８に記載の装置。
11. 前記バイファイラ形式に巻回された管はサドル形状を有する請求項８に記載の装置。
12. 前記バイファイラ形式に巻回された管は非磁性体から形成される請求項８に記載の装置。
13. 前記ステータの巻線は中空内面及び外面を画定するように形成され、前記冷却部材は複数のバイファイラ形式に巻回された管を有し、前記バイファイラ形式に巻回された管のうちの第１の管は前記中空内面に熱的に接続され、第２の管は外面に熱的に接続された請求項８に記載の装置。
14. 前記バイファイラ形式に巻回された管は同心的に巻回されている請求項８に記載の装置。

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