JP4654041B2 - 電動機用冷却装置 - Google Patents

Description

本開示は、電動機用冷却装置に関し、特に、電動機を冷却する液体用の冷却装置に関する。

従来より、電動機は、固定型の応用例で用いられてきた。このため、電動機の体積または大きさは、決定的な要素でなく、フィンの有無に関らず、空気、およびヒートシンクとして機能する大型の電動機ハウジングを用いて、電動機の十分な冷却を実現可能としていた。より最近では、電動機は、自動車または作業機械などの自動車用途に用いられてきている。自動車用途では、小型化と軽量化が優先されるため、このような電動機では、固定型の対応品よりも、電力密度が高く、それゆえに冷却し難くなっている。

電動機の大きさを小型化すればするほど、空気冷却だけでは、電動機の温度を許容可能なレベルに維持するのがしばしば不十分となる。さらに、電動機は、今や自動車に搭載されることも多くなってきているため、幅広い温度範囲や環境にさらされる。具体的には、空気がほこりをかぶったり、汚れたりすることがあり、あるいは、電動機に泥がこびりつくこともあり、そのため電動機を空気で冷却する能力が低減する。このような異なる環境での冷却に一貫性を持たせるため、液体冷却を用いた電動機が開発されてきている。

液体冷却による電動機の初期設計では、鋳造中に電動機ハウジングを通る流体通路を形成する手間を含んでいた。使用時には、ハウジングが当該ハウジング内の電動機構成部材から熱を引き出すため、熱は、ハウジング内の通路を強制排出された液体によってハウジングから引き出された。しかしながら、かかる通路をハウジングに鋳造するのは、困難でコスト高である。

加熱問題を解決する試みが、シュミット（Ｓｃｈｍｉｄｔ）らによる米国特許公報（特許文献１）に示されている。シュミットらは、エンジンから電力を受け取る電気機械式変速機を開示している。これは、外面に単一の環状チャネルを備え、ここでオイルが電動機装置内のステータに隣接して蓄積し得る。かかる単一のチャネルは、鋳造での内部通路の形成よりも製造が容易であるが、電動機にとって十分な冷却をもたらすものではなく、ステータに一貫性のない熱領域を生じ得る。

米国特許第５，９３１，７５７号明細書

そこで、本発明は、従来技術の１つ以上の欠点を解消することを目的とする。

本開示は、一形態として、電動機用冷却装置に関する。冷却装置は、冷却ジャケットと個別の構成部材の表面との間に形成された冷却ダクトを備え得る。個別の構成部材表面は、冷却ダクトの壁部の少なくとも一部を画定し得る。この冷却ダクトは、冷却液体を個別の構成部材表面の少なくとも一部に沿って方向付けて電動機から熱を引き出すように構成され得る。入口ポートが冷却ダクトと流体連通し得る。この入口ポートは、冷却液体を受け取って冷却液体を冷却ダクトに導入するように構成され得る。また、出口ポートが冷却ダクトと流体連通し得る。

本開示は、他の形態として、内面が少なくとも１つの冷却溝を有する冷却ジャケットを備える電動機に関する。ステータは、冷却ジャケット内に配置され、冷却ジャケットの内面の少なくとも一部と接触する外面を有し得る。冷却溝とステータの外面とは、冷却ダクトを形成し得る。冷却溝は、冷却ダクトが冷却液体を電動機の軸方向に少なくとも部分的に方向付けるように構成されるように、らせん状に配置し得る。

以下、本発明の実施形態について、添付図面に示した例を参照しながら詳細に説明する。なお、可能な限り、同一の参照番号は、同一または類似の部品を参照するのに全図面を通して用いるものとする。

図１に、電動機１００の一例示的実施形態を示す。電動機１００は、作業機械またはその他の車両などの自動車用途を含む電動機を必要とするあらゆる応用例で用いることができる。電動機１００は、ステータ１０２とロータ１０４と軸１０６とを備え得るものであり、これらが全て冷却ジャケット１０８内に収容されている。

ステータ１０２は、導電性材料から形成された翼に沿って、並列に配置された一連の薄い積層板から形成し得る。このステータ１０２は、内面１１０と外面１１２とを有する円筒形状をとり得る。ステータ１０２の各端部は、一連の巻回した導電性材料から形成された端部翼１１４を備え得る。

ロータ１０４は、ステータ１０２に収容し得る。このロータは、電動機用の典型的な材料から形成することができ、ステータ１０２内で回転してトルクを生じるように構成され得る。ロータ１０４は、円筒形に形成すると、軸１０６に取り付けるための開放した中央部を有し得る。

軸１０６は、ロータ１０４の中央を通って延び、電動機軸１１６を画定し得る。電動機軸１１６は、ステータ１０２、ロータ１０４、および冷却ジャケット１０８の軸となり得る。この軸１０６は、ロータ１０４が回転する際に軸１０６を駆動するように、ロータ１０４に固定し得る。同様に、軸１０６が回転すると、軸１０６は、ロータ１０４を駆動し得る。

冷却ジャケット１０８は、ステータ１０２用の円筒形ハウジングとなり得る。冷却ジャケットは、内面１１８と外面１２０とを備え、ステータ１０２に締まりばめになるように形成することができる。よって、冷却ジャケット１０８の内面１１８は、ステータ１０２の外面１１２に直接接触し得る。

端板１２２は、冷却ジャケット１０８の各端部に接続し、電動機１００の端部を密閉封止することができる。冷却ジャケット１０８の内面１１８は、端板１２２とともに、作動領域１２４を画定し得る。ステータ１０２、ロータ１０４、および軸１０６は、この作動領域１２４内に収容され得る。

冷却ジャケット１０８は、電動機１００の熱を減少させるための冷却装置１２６を備え得る。この冷却装置１２６は、溝機構１２７と流体射出機構１５２とを備え得る。図示した実施形態では、溝機構１２７は、冷却ジャケット１０８の内面１１８に形成された溝１２８を備える。溝１２８は、ステータ１０２と接触する領域で、冷却ジャケット１０８の内径周りを延びるように形成され得る。したがって、溝１２８は、ステータ１０２の外面１１２周りに延びるように形成し得る。一例示的実施形態では、この溝１２８は、当該溝が電動機１００に沿って少なくとも部分的に軸方向に延びるように、ステータ１０２の長さに沿ってらせん状に形成され得る。

入口ポート１３０および出口ポート１３２（図２に示した）は、冷却ジャケット１０８の外面１２０を通って延び得るものであり、溝１２８と流体連通することができる。入口ポート１３０は、オイルなどの冷却液体を溝１２８から進入可能とするとともに、出口ポート１３２は、溝１２８を通過した冷却液体用の出口通路を形成する。

溝１２８およびステータ１０２の外面１１２はともに、ダクト１３４を画定する。図１に示す例示的実施形態では、ダクト１３４は、ステータ１０２の外面１１２で形成された少なくとも１つの面を有する。ダクト１３４の外面は、冷却ジャケット１０８で形成される。ダクト１３４は、図示したように、長方形であっても良いし、あるいは、例えば、台形状または弓形状などの任意の形状をとっても良い。

ダクト１３４は、ステータ１０２周りで冷却液体を受け取って方向付けるように構成され得る。ダクト１３４は、部分的に溝１２８により形成されているため、ダクト１３４の一部が当該ダクト１３４の他の部分から軸方向にオフセットするようにステータ１０２に沿ってらせん状をとり得る。よって、ダクト１３４内の冷却液体は、周方向と同様に軸方向に流れ得る。ダクト１３４の大きさは、溝１２８の大きさにより画定され、これら溝は、所望の冷却能力を電動機１００に十分提供するような速度で冷却液体がダクト１３４を通して流れ得るように形成することができる。さらに、溝１２８のらせん状は、ステータ１０２の長さの少なくとも一部に沿って、均一に分配された冷却効果を提供し得る。らせん形状は、少数の接続点と直列して接続することができる。これにより、流体の速度を、背面圧力を最小にした状態で維持することができる。

溝１２８の間隙を表す溝幅１３６は、ステータ１０２に沿って軸方向に測られる。溝幅１３６は、ダクト１３４を通る冷却液体の所望の速度及び／又は所望の流量に基づいて選択し得る。一例示的実施形態では、溝１２８は、ランド幅１３８と実質的に同一な溝幅１３６を有するように形成し得る。本開示で用いられているように、「ランド幅」との用語は、隣接する溝１２８間における冷却ジャケット１０８の内面１１８の軸方向の距離である。実施形態によっては、ランド幅対溝幅の割合を２：３〜３：２の割合の範囲内とし得る。図示した一例示的実施形態では、ランド幅対溝幅の割合が約１対１である。ただし、溝１２８は、電動機の特定の設計に適するような、あらゆる異なったランド幅対溝幅の割合をとれるように形成することができる。

図２は、ダクトおよび冷却液体が通る循環パターンの一例を示している。本例示的実施形態では、ダクトは、入口ポート１３０から出口ポート１３２に延びる３つのらせん部１４０で形成されている。よって、冷却液体は、３種の矢印で示されるように、３つのらせん部１４０を通る。３種の矢印は、ダクトを通る流体の流れの方向を表しており、らせん状のダクト同士を区別するのに用いることができる。入口ポート１３０からは、加圧された冷却液体が実線の矢印で表した第１のダクト１４２に入り得る。冷却液体は、例えば、ステータ１０２周りを２回転半する程（図２には図示せず）の長さに亘って、第１のダクト１４２を通って循環され得る。第１のダクト１４２は、冷却装置１２６の一端にある第１の交差部１４６にて破線の矢印で示された第２のダクト１４４と合併し得る。冷却液体流は、第２のダクト１４４に入り、第１のダクト１４２における方向とは反対方向に流れ得る。

冷却液体は、例えば、ステータ１０２周りを２回転する程の長さに亘って、第２のダクト１４４を通って循環され得る。第２のダクト１４４は、冷却装置１２６の第２の端部にある第２の交差部１５０にて点線の矢印で示された第３のダクト１４８と合弁し得る。冷却液体流は、再び方向を逆転させ、第２のダクト１４４の方向とは反対方向に流れ得る。冷却液体は、例えば、ステータ１０２周りを２回転半する程の長さに亘って、第３のダクト１４８を通って循環され得る。出口ポート１３２は、第３のダクト１４８の一端に位置し、冷却装置１２６からの冷却液体を方向付けるように構成され得る。したがって、２つ以上の冷却ダクトがステータ１０２に沿って延びているが、ステータ１０２を冷却するのに、たった１つの入口ポートおよびたった１つの出口ポートだけが必要となる。

図３は、電動機１００の横断方向の断面図である。上記で説明したように、上述した例示的実施形態では、冷却ジャケット１０８とステータ１０２との間にダクト１３４を作り出すように冷却ジャケット１０８に形成された３つの溝１２８を備える。図示した実施形態では、３つの溝１２８がらせん状をなしており、１２０°離れて相殺されている。図１を参照して上記で説明したように、ランド幅１３８は、溝幅１３６と実質的に等価であり、これにより実質的に１対１の割合を提供し得る。３つの溝１２８は、締まりばめされた冷却ジャケット１０８によりステータ１０２に加えられた圧縮力を効果的に分散することができ、その結果、ステータ１０２を形成する積層板が内面１１０の形状を過度に動かしたりまたは変化させたりしなくなる。ただし、冷却ジャケット１０８は、４つ以上の溝、または３つ未満の溝を冷却装置１２６に含むと良い。

図１を参照するに、電動機１００の冷却装置１２６は、冷却液体をステータ１０２及び／又はロータ１０４上に噴霧するための流体射出機構１５２も備え得る。この流体射出機構１５２は、端板１２２に形成された環状リング１５４と、密閉板１５６と、ポート１５８とを含み得る。流体射出機構１５２は、端板１２２を通って延びるノズルとして機能する１つ以上の流体通路１６０をも含み得る。

端板１２２の環状リング１５４は、端板１２２の外部面１６２の電動機軸１１６周りに形成し得る。密閉板１５６は、端板１２２の外部面１６２に取り付け得るものであり、環状リング１５４に重なって適合してキャビティ１６４を形成するような大きさをとり得る。密閉板１５６は、キャビティ１６４内の冷却液体が少しも漏れないように端板１２２に押し付けて密閉され得る。ポート１５８は、キャビティ１６４に対する入口とすることができ、これにより、冷却液体をキャビティ１６４に導入可能となる。

流体通路１６０は、キャビティ１６４から端板１２２を通って延ばすことができ、これにより冷却液体を電動機１００の作動領域１２４まで通過させることができる。流体通路１６０は、比較的小径なものとすることができ、これにより、冷却液体を作動領域１２４内に運ぶノズルとして機能し得る。一実施形態では、流体通路１６０は、冷却液体をロータ１０４の端部に直接方向付ける。したがって、冷却液体を用いてロータ１０４の作動温度を許容可能なレベルに保持することができる。通路１６０は、冷却液体を作動領域１２４の任意の所望な領域または構成部材に運ぶような方向に端板１２２を通って延び得る。一例示的実施形態では、通路は、冷却液体をステータ１０２の端部翼１１４上に噴霧するように構成される。

他の例示的実施形態では、図４に示すように、第２の環状リング１７０が、ステータ１０２の端部翼１１４に対応する半径で端板１２２に形成され得る。本例示的実施形態では、この第２の環状リング１７０は、端板１２２の縁部１７２の溝に対応する半径で形成されている。第２の環状リング１７０は、冷却ジャケット１０８との間で密閉され、第２の環状キャビティを形成し得る。また、冷却液体を第２の環状リング１７０から作動領域１２４に通過させるための第２の通路１７４が、端板１２２を通して形成され得る。入口ポート１７６は、端板１２２に形成され、液体が第２の環状リング１７０内に第２の通路１７４を通して流れ込むのを可能にする。ステータ１０２の端部翼１１４は、電動機１００の作動中に高温を維持し得るため、通路は、冷却液体を端部翼１１４上に直接的に運ぶように配置されると良い。なお、本発明を参照して開示した通路１６０および１７４の何れも、冷却液体を環状リング１５４および１７０から作動領域１２４に方向付けるように配置されたノズルまたは挿入部分を備え得る。流体パイプ１６６は、冷却液体を環状リング１５４および１７０、及び／又は入口ポート１３０および１７６に方向付け得るものであり、冷却液体を加圧するためのポンプ（図示せず）に接続し得る。

図５および図６は、電動機１００の他の例示的な実施形態を示している。本例示的実施形態では、冷却ジャケット１０８は、冷却ジャケット１０８の内面１１８よりもむしろ外面１２０に形成された溝１２８を有する。本実施形態では、外部スリーブ２００が冷却ジャケット１０８の外面１２０周りに配置されている。冷却ジャケット１０８の外面１２０に形成された溝１２８は、外部スリーブ２００とともにダクト１３４を形成する。したがって、本実施形態では、ダクト１３４は、ステータ１０２に当接して形成されていないが、その代わりに外部スリーブ２００に当接して形成されている。

図１を参照して上述したように、溝１２８は、冷却ジャケット１０８周りをらせん状に形成され得る。入口ポートおよび出口ポート（図５および図６中に図示せず）は、ダクト１３４への流体の出入りを提供する。本例示的実施形態では、入口ポートは、冷却ジャケット１０８および外部スリーブ２００の中心領域を通って形成され、溝１２８への出入りを提供し得る。これら溝１２８は、冷却ジャケット１０８の外面１２０の中心領域から離れて、軸方向の反対方向にらせん状に分かれるように形成し得る。ダクト１３４をステータ１０２よりもむしろ外部スリーブ２００に形成する利点の１つは、破片または汚染物質が冷却液体を含む冷却ダクト１３４に進入した場合、外部スリーブ２００が容易に取り外しされ、洗浄用の溝１２８に手が届くであろうことである。さらに、冷却ジャケット１０８の外面１２０に形成された冷却溝１２８が冷却ジャケット１０８の内面１１８に形成された冷却溝１２８よりも形成が容易であるため、製造方法が簡略化される。

本例示的実施形態では、流体射出機構１５２が環状リング２０２および通路２０４を含み得る。環状リング２０２は、冷却ジャケット１０８と外部スリーブ２００との間に形成され得るものであり、冷却ダクト１３４の一端と流体連通し得る。通路２０４は、電動機１００の環状リング２０２と作動領域１２４との間で冷却ジャケット１０８を通して延び得る。これらの通路２０４は、冷却装置１２６の一部としてのノズルとして作動可能であり、冷却液体を作動領域１２４内の構成部材上に噴霧することができる。一実施形態では、通路２０４は、冷却流体をステータ１０２の端部翼１１４上に直接的に噴霧するように構成される。

図６に示すように、本例示的実施形態では、通路２０４の一端に形成された偏向部２０６を備え得る。偏向部２０６は、冷却ジャケット１０８、端板１２２、または電動機１００の他の部位から形成し得る。偏向部２０６は、通路２０４からパターン内に入る冷却液体の噴射を偏向し広げて、端部翼１１４の広範囲を冷却するように形成し得る。このように、冷却液体をステータ１０２の端部翼１１４上に偏向することにより、連続的で直接的な液体流によりステータ１０２上の腐食が発生する可能性を低減することができる。

使用時には、冷却液体は、ポンプ（図示せず）により加圧され、流体パイプ１６６を通して入口ポート１３０及び／又はポート１５８を通して方向付けられる。冷却液体は、ステータ１０２の外面１１２と冷却ジャケット１０８の溝１２８とにより、あるいは外部スリーブ２００と溝１２８とにより形成されたダクト１３４内に方向付けられる。溝１２８は、軸方向および半径方向の両方向にステータ１０２の長さに亘って通過するべく冷却液体を方向付けるように形成し得る。

一実施形態では、溝１２８は、冷却液体がステータ１０２の外面に沿って軸方向に前後して通過するように形成し得る。冷却液体は、出口ポート１３２からダクト１３４を退出し得る。

冷却ダクト１３４を用いて電動機１００を冷却するのに加えて、通路１６０および２０４は、ステータ１０２及び／又はロータ１０４の端部に直接的に冷却オイルを噴霧し得る。冷却液体は、ポンプにより加圧され、流体パイプ１６６を通して、端板１２２と密閉板１５６との間または外部スリーブ２００と冷却ジャケット１０８との間に形成された環状キャビティ１６４または環状リング２０２に流入され得る。この加圧された冷却液体は、通路１６０および２０４を通って電動機１００の作動領域１２４に入り得る。そして、冷却液体は、端部翼１１４が電動機１００の高温な構成部材の１つとなり得るため、ステータ１０２の端部翼１１４に直接射出し得る。ロータ１０４に噴霧された冷却液体は、ステータ１０２の端部翼１１４に向かって半径方向外方にはねたりまたは放出され、ロータ１０４だけでなく、ステータ１０２の端部翼１１４をも冷却することができる。こうして、作動領域１２４の冷却液体は、電動機１００の底部または端部にある油受内に排出され得る。

電動機を冷却する本装置は、任意の環境で任意の電動機を用いることができる。特に、本装置は、自動車または自動車用途に用いた電動機を冷却するには導電性のものとする。本冷却装置は、電動機の大きさまたは重さを増加することなく、電動機の冷却効果を高めるものである。

本開示の装置および方法において、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更および変形がなされることは、当業者にとって明らかであろう。また、本発明の他の実施形態は、本文で開示された本発明の明細書および実施を考慮することにより、当業者にとって明らかであろう。なお、明細書の記載および例は、あくまでも例示にすぎず、本発明の本来の範囲は、添付した請求の範囲およびこれらの等価物により示されることが意図されている。

本開示に係る電動機を示す図である。 ステータと冷却ジャケットとにより形成された冷却ダクトを示す図である。 電動機を示す断面図である。 図１の電動機の一部を示す拡大断面図である。 第２の実施形態に係る電動機を示す断面図である。 図５の電動機の一部を示す拡大断面図である。

符号の説明

１００ 電動機
１０２ ステータ
１０４ ロータ
１０６ 軸
１０８ 冷却ジャケット
１１０ ステータの内面
１１２ ステータの外面
１１４ 端部翼
１１６ 電動機軸
１１８ 冷却ジャケットの内面
１２０ 冷却ジャケットの外面
１２２ 端板
１２４ 作動領域
１２６ 冷却装置
１２７ 溝機構
１２８ 溝
１３０ 入口ポート
１３２ 出口ポート
１３４ ダクト
１３６ 溝幅
１３８ ランド幅
１４０ ３つのらせん部（一般例）
１４２ 第１のダクト（実線の矢印）
１４４ 第２のダクト（破線の矢印）
１４６ 第１の交差部
１４８ 第３のダクト（点線の矢印）
１５０ 第２の交差部
１５２ 流体射出機構
１５４ 端板の環状リング
１５６ 密閉板
１５８ ポート
１６０ 流体通路
１６２ 端板の外部面
１６４ キャビティ
１６６ 流体パイプ
１７０ 第２の環状リング
１７２ 端板の縁部
１７４ 第２の通路
１７６ 入口ポート
２００ 外部スリーブ
２０２ 環状リング
２０４ 通路
２０６ 偏向部

Claims (8)

1. 冷却ジャケットと冷却ダクトの壁部の少なくとも一部を画定する個別の構成部材の表面との間に形成され、冷却液体を個別の構成部材表面の少なくとも一部に沿って方向付けて電動機から熱を引き出すように構成された冷却ダクトと、
   冷却ダクトと流体連通し、冷却液体を受け取って冷却液体を冷却ダクトに導入するように構成された入口ポートと、
   冷却ダクトと流体連通する出口ポートとを備える電動機用冷却装置において、
   冷却ジャケットは、３つの冷却溝を含み、少なくとも１つの冷却溝が溝幅を有し、少なくとも１つの冷却溝の隣接する曲部間の距離がランド幅であり、溝幅対ランド幅の割合が２対３〜３対２の範囲の割合であり、
   冷却ジャケットは、締まりばめされていることを特徴とする電動機用冷却装置。
2. 個別の構成部材の表面は、冷却ジャケット内のステータの外面である請求項１に記載の冷却装置。
3. 個別の構成部材の表面は、冷却ジャケット周りに配置された外部スリーブである請求項１に記載の冷却装置。
4. 冷却ジャケットに形成された環状リングと、
   環状リングから冷却ジャケットにより少なくとも部分的に画定された作動領域まで延びる通路とをさらに備える請求項３に記載の冷却装置。
5. 通路は、ステータの端部翼に冷却液体を方向付けるように構成されている請求項４に記載の冷却装置。
6. 少なくとも１つの冷却溝を有する内面を備える冷却ジャケットと、
   冷却ジャケット内に配置され、冷却ジャケットの内面の少なくとも一部に接触する外面を有するステータとを備え、
   冷却溝とステータの外面とは、冷却ダクトを形成しており、
   冷却溝は、冷却ダクトが冷却液体を電動機の軸方向に少なくとも部分的に方向付けるべく構成されるように、らせん状に配置されている電動機において、
   冷却ジャケットは、３つの冷却溝を含み、少なくとも１つの冷却溝が溝幅を有し、少なくとも１つの冷却溝の隣接する曲部間の距離がランド幅であり、溝幅対ランド幅の割合が２対３〜３対２の範囲の割合であり、
   冷却ジャケットは、締まりばめされていることを特徴とする電動機。
7. 冷却溝は、交差部で接続されている請求項６に記載の電動機。
8. 冷却ジャケットの内面により少なくとも部分的に画定された作動領域に冷却液体を射出するように構成された少なくとも１つの流体通路をさらに備え、ステータがその作動領域内に配置される請求項６に記載の電動機。

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