JP5121833B2 - 液体冷却式電気機械の固定子 - Google Patents

Description

本発明は液体冷却式電気機械特に無外被形電気機械の固定子並びにその固定子の製造方法に関する。

電動機や発電機のような電気機械を気相媒体や液相媒体で冷却することは古くから知られている。特に気相媒体として空気が、液相媒体として水が利用されている。空冷式の場合には、自己通風形電気機械あるいは強制通風形電気機械と呼ばれている。

液体冷却式の場合、冷却媒体として代表的には水が利用され、その水は例えば銅管や鋼管のような金属管（パイプ）を通して導かれる。その管は電気機械の固定子を通して蛇行して敷設される。そのためにそれぞれの冷却管は電気機械の両側端面において例えばＵ形管のような方向転換装置あるいは方向転換室に接続されている。また冷却水入口および冷却水出口も設けられている。その温まった冷却水は熱交換器や冷却器に導かれ、それによって電気機械の排熱の大部分が周囲に放出される。

電気機械の固定子は、通常、励磁の際に生ずるうず電流損を最小にするために積層板で構成されている。そのために固定子は多数の薄いダイナモ鋼板（けい素鋼板）を軸方向に積層した積層鋼板として形成されている。電気機械を冷却するために、特に固定子ダイナモ鋼板の鋼板部位に好適には打抜き孔の形の切欠き開口が設けられている。積層鋼板の構成後、その打抜き孔に応じて軸方向に延びる冷却路が形成され、この冷却路を通して例えば冷却用空気が導かれる。

電気機械の液体冷却式の場合、打抜き加工で形成した通路に金属管がぴったりはめ込まれ、その場合、通常断面円形の金属管の直径は、ダイナモ鋼板における対応した断面円形の打抜き孔の直径よりほんの僅かだけ小さく作られている。このようにして、積層鋼板と液体との良好な熱伝達を得ることが試みられている。

この方式は、特に軸方向に長い電気機械の場合、冷却管を固定子に挿入するためにかなりの組立経費がかかるという欠点がある。

液体冷却は特に、電気機械がその排出すべき熱損失出力が比較的大きくて出力限界近くで運転するようなときに採用される。かかる大きな熱損失の電気機械の電気接続負荷は代表的には５ｋＷより大きい。また液体冷却式電気機械は通風機が必要とされないために運転が静かである。しかし液体冷却式の技術的経費は空冷式に比べてかなり高い。

電気機械において冷却様式に応じて種々のハウジング（外被）が利用され、そのハウジングに冷却用手段が設けられている。無外被形電気機械の場合、両冷却方式ともダイナモ鋼板の適当な鋼板裁断によって形成される。即ち、液体冷却式の場合、好適には断面円形の冷却管が積層鋼板における対応した通路にはめ込まれる。

液体冷却式の場合、多くの冷却管端を液圧的意味で液密に接続するために多数の管継手が必要とされるという欠点がある。これは銅管の場合に例えばろう付け継手あるいはねじ継手によって行われる。かかる冷却装置の製造はこの結合に相応してコストがかかる。

無外被形電気機械を水冷するために、固定子の積層鋼板だけで十分な密封性が得られないので、冷却管やヒートパイプやクールジェットチューブがその積層鋼板を貫通して導かれねばならない。このために、冷却管と積層鋼板との間に冷却管の固定子への熱的結合を悪くする空隙が生ずる。なお不十分な密封性は特に電気機械の巻線装置に関してかなりの機能障害を生じさせる。

冷却管と固定子積層鋼板との間の空隙の最小化が、固定子の冷却路に冷却管を軸方向に圧入することによって行われるか、あるいは、熱的結合を改善するために、その空隙に熱伝導ペーストや含浸樹脂が封入される。

固定子積層鋼板内に配置され軸平行に延びる冷却管を備えた無外被形電気機械が特許文献１で知られている。その冷却管は硬く形成されているので、それを固定子積層鋼板の孔に挿入する際、特に冷却管と固定子積層鋼板との間に非常に小さな空隙しか存在しないようにしなければならないために困難が伴う。

特許文献２において電気機械の冷却式固定子が知られ、その場合、組立を容易にするために、冷却路に金属製の波形ホースが配置されている。

特許文献３において、積層鋼板の巻線装置とは反対の側で金属管が半開状の冷却路の中に圧入されている電気機械が知られている。

これらの既に公知の方式は、製造技術的に非常に経費がかかり、および／又は、熱的作用があまり良くない。

独国特許第１９７４２２５５号明細書 独国特許出願公開第１０１０３４４７号明細書 米国特許出願公開第２００４／００１２２７２号明細書

本発明の課題は、特に無外被形電気機械において効果的な冷却装置が得られる固定子を提供することにある。本発明のもう１つの課題は、冷却管と冷却路との十分な熱的結合を得ることにある。また、そのような固定子および電気機械の適切な製造方法を提供することにある。

この課題は、ほぼ軸方向に延び冷却管がはめ込まれる冷却路と、少なくとも区分的にて、冷却路の変形によって冷却管を冷却路の電気機械の熱源の側に押し付ける手段が、固定子に存在している特に無外被形電気機械における固定子によって解決される。

この冷却管が適切な手段によって固定子の冷却路に押し付けられる。その場合、有利には目標に向けられた外力作用によってその押し付けが行なわれる。特に冷却管の熱源の側において効果的な熱伝達が必要であり、この熱伝達は正にこの側における押し付けによって非常に効果的な熱伝達を生じさせ、従って優れた放熱を生じさせる。冷却管の熱源の側における部位が、積層鋼板の適当な手段、特に１個あるいは複数個の隆起部や窪み部により、積層鋼板の熱源の側における部位に押し付けられる。その熱源は主に巻線の抵抗損、鉄損およびうず電流損である。

冷却管の熱源とは反対の側は、良好な熱的結合の場合でも熱放出のために比較的僅かな割合でしか貢献しない。従って、積層鋼板と冷却管との隆起部や窪み部などによる少なくとも点接触は冷却装置の冷却作用にとって問題とならない。従って、固定子の積層鋼板が熱源とは反対の部位において冷却管と接触している必要はない。場合によってその部位に存在する空洞は熱伝導ペーストや含浸樹脂によって塞ぐことができる。

個々の鋼板におけるかかる隆起部や突起や窪み部は打抜き工具によって非常に簡単に製造できる。冷却路ごとの隆起部や窪み部や突起の数は円周方向でも軸方向でも制限されず、冷却管の熱源の側の部位における十分な押し付けが形成されるだけで足りる。

固定子の外側面における複数の部位をマーキングすることによって、適切な工具によって単純な様式で、それらの部位を内側に押圧し、これによって、冷却管を隆起部や突起や窪み部によって冷却路に永久的に押し付けることができる。

冷却作用は有利に、冷却管を追加的に変形して冷却管を冷却路の形状に適合させることにより一層高められる。これによって、冷却管と冷却路との間に点接触だけでなく面接触も存在する。

この原理は、鋼板製の固定子から焼結製の固定子にも勿論転用できる。その場合いずれにしても重要なことは、少なくとも冷却路の変形によってその中に存在する冷却管が特に熱源の側において冷却路に押し付けられることにある。

他の有利な実施態様において、隆起部や突起や窪み部などによる押圧によって冷却管の変形が行なわれ、これにより冷却路と冷却管との最良の形状適合がを生じる。

かかる固定子は特に、電気的にあるいは永久磁石で行われる励磁方式とは無関係に、リニアモータや回転モータなどあらゆる種類の電気機械に適用される。

以下図に示した実施例を参照して本発明およびその有利な実施態様を詳細に説明する。

原理的な電動機の概略斜視図。 他の形の電動機の横断面図。 固定子の冷却路変形加工前の詳細図。 固定子の冷却路変形加工後の詳細図。

図１は個々の複数の鋼板１０で構成された固定子２を有する無外被形の電気機械１を示している。打抜き加工された個々の複数の鋼板１０は、その冷却路が円形冷却路１３あるいは楕円形冷却路３として形成されるような打ち抜き開口で打抜かれ、その中に冷却路が積層順に順次配置されて軸方向に延びる冷却路を形成するように積層されている。

電気機械１の運転中に特に大きな熱源となる巻線系（図示せず）がスロット５に収納されている。その巻線系は巻歯コイルあるいは旧来見られる巻線系から成っている。ここで巻歯コイルとはそれぞれが唯一の巻歯しか有していないコイルを意味する。また図１には原理的に、多数の鋼板で構成され軸２０上に焼きばめられた回転子２２が示されている。

図２は、固定子２のスロット５のほぼ周りに配置された冷却装置を形成する冷却路１３が固定子２の角部にそれぞれ存在している無外被形電気機械を横断面図で示している。またここでは、その表面に永久磁石１１を有する回転子２２が示されている。その永久磁石１１は回転子２２にテーピングおよび／又は貼着によって位置決め固定されている。

図３は、図２に応じて形成された電気機械１におけるスロット５と角部および／又は表面に存在する冷却路３、１３について詳細に示している。それらの冷却路３、１３は特にスロット５とは反対の側に、即ち、熱源とは反対の側に、少なくとも１つの隆起部８、突起あるいは窪み部９を有しているが、それらは、固定子２のダイナモ鋼板の形状に基づいて冷却管４、６、７の容易な軸方向挿入を可能としている。その冷却管４、６、７は原理的に図示されているように種々の横断面形状にすることができる。同様に冷却路３、１３もその横断面形状は限定されない。

図３に原理的に図示された力作用Ｆによって、いまや隆起部８ないし窪み部９に半径方向内向きに力が加えられ、これによって、図４に示されているように、冷却路３、１３の変形が生ずる。この冷却路３、１３の変形によって、および場合によっては冷却管４、６、７の隆起部８の側の部位の変形によって、冷却管４、６、７が電気機械１の固定子２の空隙の側に押し付けられる。

これによって、固定子２の積層鋼板と冷却路３、１３内に存在する冷却管４、６、７との間の優れた熱伝達が得られる。特に冷却管の熱源の側の熱伝達について放熱等級に関する決定的に良い係数が得られるので、冷却管４、６、７の冷却路３、１３におけるこの方式の固定、位置取りおよび押し付けは非常に有利である。

電気機械１の有利な実施態様において、固定子２にわたって蛇行して延びる冷却ジャケットが、固定子２の両側端面における方向転換要素によって形成されている。

その方向転換要素は方向転換室としても形成でき、その方向転換室は少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口を有している。

１ 電気機械
２ 固定子
３ 冷却路
４ 冷却管
６ 冷却管
７ 冷却管
８ 隆起部
９ 窪み部
１３ 冷却路

Claims (9)

1. 軸方向に延び冷却管（４、６、７）がはめ込まれる冷却路（３、１３）と、少なくとも区分的にて、冷却路（３、１３）を形成する積層鋼板パッケージの変形によって前記冷却管（４、６、７）を冷却路（３、１３）内の電気機械（１）が発生する熱源の側に押し付ける手段とが存在している無外被形電気機械における固定子。
2. 前記手段が冷却路（３、１３）の隆起部（８）、突起あるいは窪み部（９）として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
3. 冷却路（３、１３）の隆起部（８）、突起あるいは窪み部（９）が、冷却路（３、１３）の変形によって冷却管（４、６、７）を電気機械（１）の空隙側で押し付けおよび／又は変形が生ずるように、電気機械（１）の空隙の方向に向けられていることを特徴とする請求項２に記載の固定子。
4. 冷却路（３、１３）が断面円形、断面丸み形、断面楕円形あるいは断面多角形に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の固定子。
5. 冷却管（４、６、７）は、この冷却管（４、６、７）が変形を要することなく軸方向に冷却路（３、１３）に挿入できるように、断面円形、断面丸み形、断面楕円形あるいは断面多角形に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の固定子。
6. 固定子（２）において、冷却路（３、１３）を変形するための力作用（Ｆ）を加える場所の近くに複数のマークが付けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の固定子。
7. 冷却管（４、６、７）内における冷却流の固定子（２）の両側端面での方向転換が方向転換要素によって行われ、これによって、固定子（２）の周りに冷却流の蛇行状経路が生じていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の固定子。
8. 冷却管（４、６、７）が固定子（２）から軸方向に突出し、これによって、冷却管（４、６、７）が方向転換要素で押圧でき、それによって、冷却回路の密封が生じさせられることを特徴とする請求項７に記載の固定子。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の固定子（２）を製造する方法であって、以下の工程を含むことを特徴とする方法。
   ダイナモ鋼板（１０）に冷却路（３、１３）と、隆起部（８）、突起および窪み部（９）の少なくとも１つの輪郭形状を打ち抜き加工する工程と、
   これらの多数の個別鋼板（１０）を冷却路（３、１３）が固定子（２）の軸方向に沿っ て延びるように積層する工程と、
   それぞれの冷却路（３、１３）に冷却管（４、６、７）を軸方向に挿入する工程と、
   固定子（２）の外側面に相応した力作用（Ｆ）を加えることによって冷却管（４、６、 ７）を電気機械（１）の熱源の側に押し付ける工程。

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