JP4809349B2 - ステータコアにヒートパイプが埋め込まれた発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置のための冷却装置に関し、より詳細には、ステータコア要素内に冷却パイプが埋め込まれた装置に関する。

改良された電子制御システムおよびポータブル電源を備えた、自動車用の効率的な電動モータ駆動装置を開発することは、内燃機関の駆動装置の有益な代替物または附属物として次第に注目を集めている。例えばマスロフ外に付与された米国特許第6,492,756号およびマスロフ外に付与された米国特許第6,617,746号（いずれも本願と同じ出願人に付与されている）は、燃費が最小の状態でトルク出力能力を大きくし、従って、電気自動車の推進に適したモータ構造体を開示している。ステータの環状リング内に構成された、アイソレートされた透磁性構造体として電磁石が使用されており、図１は米国特許第6,492,756号に記載されているようなモータの平面図である。モータ部材２０は、円筒形バックプレート２４に沿って実質的に均一に分散された永久磁石２２を有する環状リング構造体となっている。永久磁石は環状リングの内周部に沿って磁気極性が交互に配置されたロータ極であり、ロータはステータ部材３０を囲み、ロータ部材とステータ部材とは、環状ラジアル空気ギャップにより分離されている。ステータ３０は、空気ギャップに沿って均一に分散され均一構造の複数の電磁コアセグメントを含む。各コアセグメントは、全体にＵ字形をした磁気コア３６を備える、この磁気コアは空気ギャップに向いた表面３２を有する２つの極を形成している。各コアセグメントの極は、モータの回転軸線に垂直な方向に整合している。極ペアの脚部には巻線３４が巻かれているが、極ペアをリンクする部分の上に形成された単一巻線を収納するようにコアセグメントを構成してもよい。各ステータの磁石コア構造体は、隣接するステータコア要素から分離しており、磁気的にもアイソレートされている。非透磁性支持構造体にはステータ要素３６が固定され、環状リング構造を形成している。

図２は、米国特許第6,617,746号に記載されているようなモータの三次元部分斜視図である。各コアセグメントの極３２は、回転軸線に平行な方向に整合している。ステータコアセグメントは、プレート４２に強固に固定されており、図にはプレートのうちの１つしか示されていない。これらプレートは、特に上記特許に記載されているように固定シャフト３８に固定されている。このように、環状リングは、ステータコアセグメントから形成されており、これらコアセグメントは、ロータから空気ギャップを横断する軸方向に同一平面内に整合している。ハウジング４０には環状ロータのバックプレートおよび取り付けられた永久磁石が固定されており、ハウジング４０は適当なブッシングおよびベアリングを貫通し、プレートの外側にてシャフトにジャーナル支持されている。

上記構造に永久磁石のグループをアイソレートしたことにより、磁束の損失を実質的に生じることなく、すなわち他の電磁部材に対するトランスの有害な干渉効果を生じることなく、電磁コアのグループ内で磁束を別々に密にすることが可能となっている。このようなセグメント化された電磁アーキテクチャから作動の利点が得られる。他の極グループからの別々の極ペアの磁気路をアイソレートしたことにより、極ペアの巻線の励磁を切り替えたときに、隣接グループに対するトランスの磁束効果が解消される。

上記特許に記載されているように、ステータまたはロータの構成部品のアーキテクチャ上の構造を改善することにより、装置のトルクおよびパワー密度を増加したいという大きな動機がある。これまで磁気質量部材の重量の大幅な低減を促進するだけでなく、磁気設計の形状ファクタの利得の改善を促進する磁気回路トポロジーがこれまで開発されている。「複数のスキューステータ極および／またはロータ極を有する回転電動モータ」を発明の名称とし、２００２年６月４日にソゴモニアンにより出願された、出願人が本願出願人と同一である継続中の関連米国特許出願第10/160257号は、モータ構造の三次元の特徴を利用することから得られる利点について述べている。種々の特徴的な形状に形成し易い軟透磁性媒体のような材料を使用することから利点が得られることが認識されている。例えばコア材料は軟磁性グレードのＦｅ、ＳｉＦｅ、ＳｉＦｅＣｏ、ＳｉＦｅＰ粉末材料から製造でき、これら材料の各々は、ユニークなパワー損失、透磁性および飽和レベルを有する。適当な公差を有するステータ要素のコアの幾何学的形状およびコアの寸法は、ラミネートを形成することなく製造できる。したがって、ロータ永久磁石とステータ電磁石の結合された極の間で生じる潜在的な磁気勾配を最適にできる。「軟磁性複合体」を発明の名称とし、２００４年１月２２日にソゴモニアンにより出願された、出願人が本願出願人と同じである継続中の米国特許出願第10/761305号は、軟透磁性材料の装置のコアを製造することを開示している。従って、この特許出願の開示内容を本明細書で参考例として援用する。

電気けん引システムは、低電圧の推進ユニットから大トルクを必要とする。低電圧の制限は、電池の数を最小にし、高電圧保護に必要とされる場合の余分な絶縁をなくすことにより、スペースを節約したいというニーズを満たす。低電圧電源から大トルクを引き出すためにはモータの巻線に大電流を流さなければならない。大電流での作動により、過剰な熱が発生することがあり、この過剰な熱は、効率的で連続的な作動を維持し、かつモータへの損傷を防止するには、除かなければならない。熱限度の範囲内で装置の作動を維持できる熱管理システムが必要とされる。かかるシステムは、軽量であり、かつ種々のモータトポロジーに設定できるものでなければならない。銅、ヒステリシスおよび過剰な渦電流の損失に関する古典的な問題は、新しい冷却方法が必要であることを定める。発電装置は一般に、可能な場合に液体冷却ダクトを備えた、外部ハウジング内に埋め込まれた冷却ジャケット、または内部に設置された熱交換器のいずれかを有する。ラミネート状のステータコアを備えた発電装置では、冷却路の形状を決定するための自由度はほとんどない。ダクトまたは冷却ジャケットを通って加圧冷却材をチャンネル流通させなければならない液体冷却システムは、固有のリスクを有する。すなわち過剰な圧力によって冷却流体のリークが生じることがあり、ジョイント部のシールが不良であれば、発電装置内で電気的なショートを生じさせるだけでなく、装置の要素の局部的な電気的腐食および侵食を生じさせ得る。

「熱交換器が埋め込まれた発電装置」を発明の名称とし、２００４年７月２２日にマーチン外により出願された、出願人が本願出願人と同じである継続中の米国特許出願第10/893,878号は、沈み込み可能な一体的シャフトポンプモータとして特に有効なモータ用冷却システムを開示している。このモータは、シールされたハウジング内に収納され、ハウジング内で１つ以上のシールされた容器に接触するための装置の部品を通過するように空気が循環できるようになっている。ヒートパイプとして知られるシールされた容器は、冷却媒体、例えば水を収納している。パイプは多孔質のウィック構造体によってライニングされており、このウィックは適当な量の作動流体により飽和状態にある。ヒートパイプ内の雰囲気は、液体と蒸気とが平衡状態にセットされている。熱がヒートパイプの蒸発部分に侵入するにつれ、この平衡状態が乱され、若干高い圧力で蒸気が発生する。この、より高い圧力の蒸気はヒートパイプの凝縮端部部分まで移動し、この部分で若干低い温度により蒸気は凝縮され、蒸発の潜熱を生じさせる。次に凝縮された流体は、ウィック構造体に生じた毛細力により蒸発器まで戻るようにポンピングされる。

上記継続中の米国特許出願第10/893,878号の発電装置のハウジング構造は、ステータ要素およびロータ要素を含む中心部分と、複数のヒートパイプが取り付けられている、中心部分に長手方向に隣接するキャビティとを含む。ヒートパイプは外部の端部までハウジングを通って延びており、外部の端部はヒートパイプから外部環境への伝熱を容易にするよう、冷却フィンに取り付けられている。これらヒートパイプは、モータを通過するように循環する空気からの伝熱を行う。蒸発部分で吸収された熱は流体を蒸気相まで沸騰させる。熱エネルギーは、凝縮部分にて冷却フィンまで解放され、冷却フィンはヒートパイプから熱を放散させる。

上記米国特許出願第10/893,878号に記載の利点は、例えば作動を満足させるのにＳＭＣ（表面実装）コアの熱管理が不可欠である自動車けん引ドライブにおいて、発電装置に対して有益となろう。かかる冷却システムは、発電装置の空間および重量を節約すると共に、熱発生源のすぐ近くに設置するのに容易に変更できるものでなければならない。

本発明は、回転軸線を中心として円周方向に分散した複数の軟磁性複合（ＳＭＣ）コアセグメントから少なくとも一部が形成されたステータを有する電動装置を熱管理する方法を提供することにより、少なくとも部分的に上記ニーズを満たすものである。装置の特定のアプリケーションのための少なくとも１つの基準に従い、ステータコアセグメントの構造を選択する。許容できる限度内のピーク励磁時における選択されたコアセグメント構造の温度を維持するのに必要な最小熱放散量を決定する。選択された構造に対応する構造を有するコアモデルを使ってピーク励磁時の熱分布を把握する。モデル内の把握された熱分布に基づき、コアから熱を除去するよう少なくとも１つのヒートパイプを設置するための、選択されたコアセグメント構造内のパターンを決定する。次に、決定されたパターンに従って設置された少なくとも１つのヒートパイプと共に、選択された構造に、軟磁性複合材料からコアセグメントを形成する。コア構造を選択するための基準を、コア内に形成すべき突極の数、特に軟磁性複合材料の特性、コアセグメントの数および装置の回転軸線に対するコアセグメントの配向に関連させることができる。励磁下のコアモデル内に生じた磁束ラインをマッピングすることにより、コアモデルの熱分布を確認することができ、次にマッピングされた磁束ラインに整合するようにヒートパイプの配向を設定することにより、パターンを決定する。これらヒートパイプは、確認された熱分布モデルに従ってコアセグメント内の高い熱ポイントに位置することが好ましい。最小熱放散量の決定に従い、コア内に設置すべきヒートパイプの数を選択できる。

本発明の特徴は、単一の強磁性突極のステータコアだけでなく、複数のアイソレートされたマルチ極コアセグメントを含む装置にも適用できる。ステータコア内に少なくとも部分的に埋め込まれた１つ以上のヒートパイプは、突極に形成された巻線のピーク励磁中に発生した熱を熱源から除去するように熱を伝達する。ステータコアはＳＭＣ材料から一部または全体を形成できる。ヒートパイプからの熱をステータコアから除去するように熱伝達するための、熱交換器に結合すべき強磁性ステータコアからヒートパイプの一部が突出することができる。これとは異なり、熱を発生する極の位置から離間した場所にて、ステータコア内に熱交換器を設けることもできる。

ステータコアは、回転軸線を中心に円周方向に分散した複数のマルチ極コアセグメントを含むことができ、この場合、各コアセグメントの内部には少なくとも１つのヒートパイプが埋め込まれている。このヒートパイプは、磁束分布に対する悪影響を防止するために、巻線の励磁中にコア内に形成される磁束ラインに整合するよう、ステータコア内に設けることが好ましい。ステータコアの各極の中心部分には１つのヒートパイプを設けることができ、このヒートパイプは軸線からラジアル方向に沿って延びることができる。かかるヒートパイプの構造は、軸線に垂直な方向に整合する極を有するステータコアセグメント内だけでなく、軸線に平行な方向に整合する極を有するステータコアセグメント内にも有利に構成できる。

ヒートパイプは、Ｔ字形の構造に形成できる。ラジアル方向に沿って、ステータコア内に第１部分の一部が埋め込まれ、ステータコアの外側に第２部分が位置し、第１部分と第２部分とは互いに一般に垂直である。本発明の別の特徴では、２極コアセグメントはＵ字形ヒートパイプを共用できる。ヒートパイプをコアセグメント内に完全に埋め込んでもよく、この場合、各脚部は隣接する各極の、熱を発生する中心部分内に延びる。脚部をリンクするヒートパイプ部分は極の面から遠方に位置する。

次の詳細な説明から、当業者には本発明の別の利点が容易に明らかとなろう。次の記載において、本発明を実施するための最良の形態を単に示すために、本発明の好ましい実施形態だけを示し、説明する。後に理解できるように、本発明は他の異なる実施形態も可能であり、それらのいくつかの細部は本発明から逸脱することなく、種々の自明な点において変更が可能である。従って、添付図面および次の説明は、単に説明のためのものであり、発明を制限するものでないと見なすべきである。

以下、添付図面において発明を限定するためではなく、例として本発明について示す。図中、同様な参照番号は同様な要素を示す。

流体ダイナミック計算（ＣＦＤ）モデルは、代表的な磁気設計において、磁気コアの巻線材料はピーク励磁下で極めて高い熱特性を呈することができることを確認した。銅またはアルミの巻線およびコアの熱容量および伝熱率に応じ、対流および伝達により熱放散を生じさせることができる。ＳＭＣ（表面実装技術）の開発により、本発明ではステータコアを局部的に冷却するためにヒートパイプを使用している。ラミネート状の鉄製コアとは対照的に、ＳＭＣ材料内にヒートパイプを埋め込むことが好ましく、ラミネート状の鉄製コアではかかる方法を効果的には実現できない。２つの方法のうちの１つ、例えばＳＭＣコア内に存在するキャビティ内にＳＭＣ部品を焼き嵌めまたは接合するかのいずれかにより、ＳＭＣ部品内にヒートパイプを埋め込むことができる。いずれの方法においても、ＳＭＣコアのバルク内に深いキャビティが形成される。このキャビティの直径はヒートパイプの外径に比例しており、キャビティの長さはコアシューの表面までずっと延びているわけではない。このキャビティは、部品のコンパクト化中にインサートロッドを使って軟磁性粉体ツール内に形成できる。粉体部品のツール形状によって、ダイキャビティ内に粉体を注入中にインサートロッドを導入することが可能となり、注入後、所定の圧密化圧力を加えながら、上方パンチャーおよび下方パンチャーによって粉体を圧密化する。圧密化サイクル後、インサートロッドを抽出し、形成されたキャビティのまわりに顕微鏡的大きさの割れを生じることなく、部品を放出する。次に、この部品を熱処理すると、すぐにヒートパイプを組み立てできる状態となる。

焼き嵌め方法では、組み立て中、部品を清浄で乾燥した、湿分のない雰囲気内で、約１００〜１１０℃まで若干加熱し、部品をわずかに、かつ均一に膨張させることができる。この時点において、膨張したキャビティ内にヒートパイプを挿入し、室温にて、部品と共に放置し、冷却する。この部品は、自然な収縮することによりヒートパイプを部品内の所定位置に固定し続けることができるようになる。接合方法では、組み立て中にヒートパイプに熱伝導性エポキシの薄い層を塗布し、その後、ＳＭＣ部品のキャビティ内に挿入する。この方法は、部品を予め加熱しなくてもよい。エポキシを室温で完全に硬化させる。いずれの方法を使用する場合でも、ヒートパイプの露出した端部は、このパイプの外側チューブに孔を明けたり、パイプを曲げたり、破損しないよう、注意深く取り扱わなければならない。このヒートパイプの外側チューブは、可撓性材料によって構成できる。巻線状のＳＭＣコアを組み立てる間、熱交換ブロック内にヒートパイプの露出したチューブを挿入し、所定の場所に接合できる。

熱伝達による熱交換は、熱伝導率が高いヒートパイプを使用することにより、コアから過剰な熱を除去する効果的な方法である。コアの中心または、コアの巻線との間のリセス状境界層のいずれかにヒートパイプを設置することにより、ヒートパイプは過剰な熱を捕捉し、伝達し、よって所望する温度にコアおよび励磁巻線を維持できる。ヒートパイプを設置する問題の１つは、必要とされる磁気路の束の分布との干渉を防止することである。従って、直角に、またはコア内の局部的な磁束の循環を生じさせ得る、より小さい角度に磁束路をカットしないよう路に沿ってヒートパイプを整合させることが重要である。

本発明によれば、発電装置の部品は、特定の装置に関連して適用できる必要なサイズ、質量、機能制限および容積制限に、形状および構造が一致するように選択される。これら部品は繰り返し可能な部分に対し、対称的な設計平面を識別するように別々に検討する。これら部分は、一体的なコアのアイソレートされたコアセグメントまたは部分とすることができる。各部分における磁束の所望するパターンを決定する。ヒートパイプに対する１つ以上のキャビティは磁束の有効路と整合される。これらキャビティは一般に励磁コイルの近くに位置する最大の磁束密度、すなわちＭＭＦ濃度を呈する領域に位置することが好ましい。個々の各部品だけでなく、全体の磁気回路のコアモデルでのＣＦＤ分析は、コンフィギュレーションの熱伝達および対流特性をピンポイントで定めることができる。プロトタイプの部品の分析に対応し、装置の部品には適当なウィック構造デザインを有する１つ以上のヒートパイプが埋め込まれる。

図３は、本発明に係わる冷却装置を有するステータコアセグメントの図である。コアセグメント３６は、ＳＭＣ材料から構成され、回転軸線に垂直な平面に沿った横断面として示されている。コアセグメントは、図１に示されるような複数のアイソレートされたコアセグメントのうちの１つでもよいし、空気ギャップのまわりに円周方向に分布した同様な部分を有する一体的なステータコアの部分でもよい。このコアは、リンク部分３３により接続された一対の極３２を含み、各極は空気ギャップに向いた部分およびその上に形成された巻線３４を有する。巻線の励磁により、極ペア内に磁束パターンが形成され、この結果、空気ギャップにおいて反対の磁極を有する極の磁化が生じる。装置の作動中、巻線の励磁は発熱を伴いながら、モータ（または発電機）の機能を奏するよう、高いレートで極性が反転する。

コアセグメント３６の下方部分には、多孔性部分４６を含む非磁性ヒートシンク構造体４４が接合されている。この多孔性部分は、フィン、セル状固体、カーボン発泡体または熱伝達を促進するかかる他の材料を含むことができる。各極３２には、円筒形ヒートパイプ４２が埋め込まれ、このヒートパイプは一方向の極表面直下の領域から、他方向の構造体４４まで延びる。このヒートパイプは極の中心に位置し、巻線が励磁状態にあるときに生じる磁束線の方向に整合する。構造体４４および多孔質部分４６は、高熱伝導性材料、例えばアルミニウムから形成されている。部分４６の多孔質の性質は、ヒートシンクの機能を高めるが、その代わりに部分４４および４６は所望すれば単一の一体的材料から製造してもよい。

装置の作動中、所定の磁気部分が励磁すると、ヒートパイプは巻線の近くに生じた熱を吸収し、ウィック構造体内の作動流体を蒸発させる。蒸気はパイプを通過し、蒸発部分での差圧によって凝縮する。ウィック構造体は、凝縮部分からの湿分を吸収する能力を提供している。凝縮部分では蒸発潜熱が除去され、ヒートシンク構造体４４で解放される。ウィックの全体の蒸発容量に到達するまでこの機構に続き、定常状態に達する。ヒートパイプおよびウィック構造体は、発電装置のピークおよび連続作動条件に対する安定な熱交換システムを実現するように選択される。

図４は、本発明に係わる別の冷却構造を有するステータコアセグメントの横断面図である。この構造では、隣接する極の各々には内部に同じ可撓性Ｕ字形ヒートパイプ４２の端部部分が埋め込まれている。ヒートパイプの端部部分は、コアセグメント外部にあるヒートシンク構造体４４内に接合されている。図３に示されるようなヒートシンク構造体は、熱伝達を促進する多孔質またはラティス構造体４６を含むことができる。

図５は、本発明に係わる更に別の冷却装置を有するステータコアセグメントの図である。極３２は、図２に示されるように回転軸線に平行な方向に整合した多数の極コアセグメントのうちの１つの極とすることができる。図５は、一体的なコアの複数の極のうちの１つである極３２、またはアイソレートされた極ペアセグメントも示す。後者の場合、横断面は回転軸線に平行な平面に沿った断面図である。ヒートパイプ４２は、Ｔ字形状に形成されており、円筒形脚部４３は、ラジアル方向に沿ってステータコア内に部分的に埋め込まれている。極部分４４は、ステータコアの外側に位置し、外部ヒートシンクを追加しなくても、コアの熱を適当に放散するのに十分な表面積を有することができる。必要であれば、図３および４に示されるような構造に類似するヒートシンク構造体を実現できる。

本明細書では、本発明の好ましい実施形態の数例しか示していない。本発明は他の種々の組み合わせおよび環境でも使用でき、本明細書に説明した発明の概念の範囲内で変形および変更が可能であると理解すべきである。例えばヒートパイプは、ＣＦＤ分析が追加冷却が好ましいと表示した場合に、装置の作動に重要でない磁束路の一に埋め込むことができる。一部の装置の用途は、コアセグメントの周辺またはコアと巻線との間にヒートパイプを設置するのとコンパーチブルにすることができる。本発明は種々のモータトポロジー、例えばラジアル構造、アキシャル構造で実施でき、この場合、ステータはロータに対して反転または非反転状態となる。特定のヒートパイプ構造だけでなく、種々の熱交換器の構造を使用することに対して種々のウィック構造を考え付くことができる。

アイソレートされた電磁ステータコアセグメントを有するモータの平面図であって、各コアセグメントの極はモータの回転軸線に垂直な方向に整合している。 アイソレートされた電磁ステータコアセグメントを有するモータの部分平面図であって、各コアセグメントの極は、モータの回転軸線に平行な方向に整合している。 本発明に係わる冷却装置を有するステータコアセグメントの図である。 本発明に係わる別の冷却装置を有するステータコアセグメントの図である。 本発明に係わる更に別の冷却装置を有するステータコアセグメントの図である。

符号の説明

３２ 極
３３ リンク部分
３４ 巻線
３６ コアセグメント
４２ ヒートパイプ
４３ 脚部
４４ ヒートシンク構造体
４６ 多孔性部分

Claims (1)

1. 強磁性突極ステータコアと、
   前記強磁性突極ステータコアの極に形成された巻線と、
   前記強磁性突極ステータコア内に少なくとも部分的に埋め込まれた少なくとも１つのヒートパイプと、を備え、
   前記巻線のピーク励磁中に生じた熱は前記ヒートパイプに伝達され、
   前記強磁性突極ステータコアは、複数のマルチ極コアセグメントを備え、各マルチ極コアセグメントの内部には少なくとも１つのヒートパイプが埋め込まれており、
   前記ヒートパイプは、ラジアル方向に沿って前記強磁性突極ステータコア内に一部が埋め込まれた第１部分と前記強磁性突極ステータコアの外側に位置する第２部分とを含むＴ字形構造となっており、前記第１部分と前記第２部分とは互いにほぼ垂直となっていることを特徴とする電動装置。

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