JP5460926B2 - 冷却チャネルとしてロータ磁束バリアを使用する同期リラクタンス機 - Google Patents

Description

本発明は、同期リラクタンス機（ＳｙｎＲＭ）内の温度分布を改善するためにＳｙｎＲＭの固有のロータ構造が利用されるＳｙｎＲＭの冷却に関する。

トルクを生成するために磁気抵抗原理のみを利用するＳｙｎＲＭは、ロータ中に１つもコンダクタを有しない。したがって、誘導機および磁界励起巻線を備える機械と比較するとＳｙｎＲＭのロータは損失が著しく低く、それにより、動作温度が低い。ＳｙｎＲＭはロータの冷却を必要としないことが従来から考察されているので、従来のＳｙｎＲＭは、機械ハウジング内に空気循環手段を備えていない。従来のＳｙｎＲＭのステータは、機械ハウジングの非駆動端部（Ｎ側）に外部ファンを設けることによって冷却される。外部ファンからの気流は、機械ハウジングのエンベロープ表面を辿るように方向づけられる。外部ファンは機械の一端にあり、外部ファンに近づくにつれて冷却効果が高くなるので、機械の駆動端部（Ｄ側）とＮ側との温度差は大きい。

米国特許第５，８３１，３６７号には、同期リラクタンス機のためのロータが開示されている。列６の３７〜４０行目に、フィンを備えるかご型リングを設けることによって空気循環を達成できることが述べられている。モータは磁気抵抗原理と誘導原理の両方を利用してトルクを生成するので、米国特許第５，８３１，３６７号に記載されたロータ中では冷却が必要である。それは、たいていロータを加熱するかご型導体バー中の誘導電流であり、したがって、必要な冷却に関する教示を、ロータ上に任意の導体を備えていない機械に直接あてはめることはできない。さらに、米国特許第５，８３１，３６７号には、機械ハウジング内でどのように空気を循環させるかに関する詳細については記載されていない。

従来のＳｙｎＲＭは機械ハウジング内に空気循環手段を備えていないので、機械ハウジングの内部は空気を循環させるための通路を備えていない。ＳｙｎＲＭの典型的なロータは、空気が流れることができる軸方向通路を備えているが、典型的なステータは、ステータを貫通する戻り流路またはステータの外部に径方向の戻り流路を有していないので、米国特許第５，８３１，３６７号に記載されたフィンを備えるロータの外側半径を提供しても、機械ハウジング内で効果的に空気を循環させることはない。したがって、空気を循環させるためには、従来のＳｙｎＲＭのステータまたはモータハウジングに対する修正が必要である。

ＵＳ２００６／０２２２５２８には、冷却チャネルとして磁束バリアを使用する同期リラクタンス機が開示されている。磁束バリアを通して一方向にガス状の冷媒が流される。
ＵＳ２００７／００２４１３０には、特に冷却を目的として設けられたチャネルを通してロータ内部で２つの対向する方向に冷却空気が流される非同期機が開示されている。
ＵＳ２００７／００２４１２９には、非同期機、より正確には、ロータおよびステータに機械の軸方向に延びる冷却チャネルが備わっている誘導機が開示されている。空気は、異なる冷却チャネル内を２つの対向する方向に流れ、その後、機械ハウジングの周囲に排気される。ロータおよびステータのチャネルは特に冷却目的で設けられており、機械の対向する軸方向端部間での不均一な冷却を防止するために、２つの方向に空気が流される。

本発明の１つの目的は、機械内の温度分布が改善されたＳｙｎＲＭを提供することである。

この目的は、添付の請求項１に記載されたデバイスによって達成される。

本発明は、従来、高温がＳｙｎＲＭに関する問題として考えられていない場合でも、機械の対向する端部間および個々のロータディスク内の温度を平衡化させることによって、大きな利点を得ることができるという認識に基づいている。ＳｙｎＲＭの固有のロータ構造は、単純な手段を用いてこの温度平衡化を達成することを可能にする。

本発明の第１の態様によれば、複数のロータディスクを有するロータを備える同期リラクタンス機が提供される。各ロータディスクは、ロータに異方性磁気構造を与えるように構成された複数の長手方向の磁束バリアを備える。磁束バリアがロータコアの軸方向に延びるチャネルを画定するように、ロータディスクを一緒に積層させてロータコアを形成する。これらのチャネルを通して空気が流される。これらのチャネルを通して空気を流すことによって、本機械内の温度分布が改善され、それにより、たとえば、本機械のより高温な端部におけるベアリング寿命を増大させ、個々のロータディスク内における張力および変形を減少させることにつながる。

本発明の１つの実施形態によれば、チャネルを通して２つの対向する軸方向に空気が流される。チャネルを通して両方向に空気を流すときに、空気循環を実装するさまざまな単純な方法を実施することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、１つのロータディスクの磁束バリアの一部を通して１つの軸方向に、かつ同じロータディスクの一部を通して反対側の軸方向に、空気が流される。ロータディスクの磁束バリアを通して両方向に、それにより、ロータコア全体を通して空気を流すことによって、追加の空気戻り流路は必要ない。

本発明の１つの実施形態によれば、ロータ極の１つの磁束バリアを通して１つの軸方向に、かつ同じロータ極の別の磁束バリアを通して反対側の軸方向に、空気が流される。ロータ極の磁束バリアを通して両方向空気を流すことによって、ロータディスクの異なる部分間の温度分布をより正確に調整することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、ロータの径方向の最も内側の磁束バリアを通して、本機械の温度の高い方の端部からの空気が流される。典型的には、ロータディスクの中央部分が最小限の冷却しか必要としないので、これらの部分を通して最も高温の空気を流し、最も冷却を必要とする部分を通して最も低温の空気を流すことが有利である。

本発明の１つの実施形態によれば、ロータコアは、共通軸上に連続して配置されて軸方向ギャップによって離隔される少なくとも２つの軸方向のロータセクションに分割され、軸方向のロータセクションの各々のチャネルを通して、軸方向ギャップを通して半径方向に空気が流される。これらの方策によって、本機械内の均一な温度分布を保証する流路および空気循環が達成される。

本発明の１つの実施形態によれば、軸方向ギャップ中にラジアルファンが配置される。この方策によって、空気循環を実装するための単純な手段が発生される。

本発明の１つの実施形態によれば、ラジアルファンは、空気流を方向づけるための開口部を備えるエンドプレートを備える。このように空気流を方向づけることによって、ロータディスクの異なる部分間の温度分布がさらにより正確に調整することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、ラジアルファンは湾曲したブレードを備える。湾曲したブレードを用いると、ファンによって発生される騒音を低レベルに保たれる。

本発明の１つの実施形態によれば、ロータの回転方向にかかわらずチャネルを通して空気が流される。典型的なＳｙｎＲＭが両方向に動作する際に、ロータの両方の回転方向で空気循環が起こるように設計することが有利である。

本発明の１つの実施形態によれば、ロータは、ロータ上に磁界を生成するように構成された導体であって、本機械が動作しているときに抵抗損失を生じさせる導体を備えていない。ロータ導体によって生じる抵抗損失が純粋なＳｙｎＲＭ中に存在せず、そのため、ロータの加熱が従来のＳｙｎＲＭに関連する問題として認識されていないとしても、本機械内の温度分布を改善することによって、上述した大きな利点をさらに達成することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、機械ハウジング内で空気を循環させ、機械ハウジングの内側と外側との間の空気の自由な交換を防止する。空気の自由な交換を防止することによって、機械ハウジング内の空気は、機械ハウジングの外側からの埃で汚染されにくくなる。

添付の図面を参照して、本発明についてより詳細に説明する。

ＳｙｎＲＭのロータを示す図である。 ウイングを備えるロータの一実施形態を示す図である。 ブレードおよびカバーを備えるロータの一実施形態を示す図である。 ファンを備えるロータの一実施形態を示す図である。 ファンの一実施形態を示すである。

図１を参照すると、ＳｙｎＲＭのロータは、複数のロータディスク１１０で構成されている。各ロータディスク１１０は、空気で満たされた開口部の形態の、磁束バリア１３０によって離隔された複数の長手方向の磁束通路１２０を有する。磁束バリア１３０は、一定数の磁気を帯びたロータ極を画定する異方性磁気構造をロータに与えるように構成される。図１の実施形態では、ロータ極の数は４つである。磁束通路１２０は、ディスク外周にある狭い正接リブ１３１によって互いに接続され、磁束通路１２０のうちいくつかはさらに、中間で磁束バリア１３０と交差している径方向のブリッジ１３２と接続している。ロータディスク１１０を一緒に積層させてロータコア１００を形成すると、磁束バリア１３０は、ロータコア１００の軸方向に延びるチャネル１４０を画定する。本発明によれば、この機械の対向する軸方向端部間の実質的に均一な温度分布を可能にするために、これらのチャネル１４０を通して空気が流される。

図２に、チャネル１４０を通して空気を流すための第１の手段を示す。ロータコア１００の１つの軸方向端面１６０は、径方向の最も内側のチャネル１４０．１を通して空気を押すウイング１５０を備えている。図２の実施形態では、径方向の最も内側のチャネル１４０．１だけがウイング１５０を備えているが、残りのチャネル１４０．２、１４０．３、１４０．４のうちのいずれかに対応するウイング１５０を提供することが可能である。ウイング１５０は全体的に、磁束バリア１３０の形状に従っており、それらは、ロータコア１００の軸方向端面１６０から高くなっている１つの縁部１５０．１を有する。ウイング１５０は、ロータが時計回りに回転するときには、高くなった縁部の一部が立上りエッジをとして機能し、ロータが反時計回りに回転するときには、高くなった縁部の残りの部分が立上りエッジとして機能するように構成される。

図２のロータがいずれかの方向に回転すると、ウイング１５０は、径方向の最も内側のチャネル１４０．１の第１のフランク１４０．１ａを通して空気を１つの軸方向に流し、径方向の最も内側のチャネル１４０．１の第２のフランク１４０．１ｂを含む残りのチャネル１４０．２、１４０．３、１４０．４を通して、反対側の軸方向に空気を戻す。ロータを反対方向に回転させると、対応する空気循環が起こる。それにより、機械のＮ側とＤ側との間で空気を循環させるが、この空気循環は、回転方向にかかわらず同様に効果的である。磁束バリア１３０の全長にわたって延びる１つのウイング１５０を有するのではなく、異なる回転方向に機能するウイング部分は、２つ以上の別個のウイング１５０として実装することができる。ロータが一方向にのみ回転するように設計された場合、ウイング１５０の一部を省略することができるか、または新たに、選択した回転方向で空気循環を引き起こすように構成することができる。

空気循環をより効率的にするために、ロータコア１００の軸方向端面１６０は両方とも、ウイング１５０を備えることができる。たとえば、ロータコア１００の１つの軸方向端面１６０は、ロータが時計回りに回転しているときに空気を循環させるウイング１５０を備えることができ、ロータコア１００の反対側の軸方向端面１６０は、ロータが反時計回りに回転しているときに空気を循環させる対応するウイング１５０を備えることができる。機械のＮ側とＤ側との間で空気を循環させるためのウイング１５０の任意の組合せを使用することができる。

ウイング１５０は、空気循環を引き起こすのに適した任意の形状とすることができる。特に、ウイング１５０を傾斜させる必要はないが、軸方向端面１６０に直交する直線縁部はまた、ウイング１５０を構成することができる。本発明の１つの実施形態では、ロータ１００は、その１つの軸方向端部に、ロータ極間の直線縁部を有する径方向スポークを備える５ｍｍ厚のエンドプレートを備え、これらスポークは、本開示の趣旨においてウイング１５０として機能している。

空気循環を達成するためには、ウイング１５０とウイング１５０の周囲の空気との間に速度差が存在することが必須である。明らかに、機械の動作中に必要な速度差を効果的に維持されるように、機械ハウジングの空気旋回は実質的に防止されなければならない。

また、個々のチャネル１４０を通る空気流の方向は有意性を有し得る。たとえば、機械が、機械のＮ側に外部ファンを有すると仮定することができる。したがって、Ｎ側はＤ側よりも低温である。一方、機械の動作中、径方向の最も外側の磁束通路１２０は、ロータディスク１１０の中央部分よりも高温になりやすい。これは、中央部分が、ロータシャフトに向かって放熱器として作用する大きい熱伝導区域を有し、残りの磁束通路１２０は、十分な熱伝導能力を提供しない正接リブ１３１または径方向のブリッジ１３２のみを介して、ロータシャフトに接続されているためである。したがって、径方向の最も外側の磁束通路１２０は、中央部分に比べて冷却を必要とし、したがって、径方向の最も内側のチャネル１４０．１を通してＤ側からの戻り流れを起こしながら、径方向の最も外側のチャネル１４０．２、１４０．３、１４０．４を通して、Ｎ側からのより低温の空気を流すことが有利である。ただし、本発明の全体的な目的は、対向する機械端部間の温度分布を平衡化することであり、流れの方向の影響は極めてわずかなままとなり得る。

上記から明らかなように、空気循環は、対向する機械端部間の温度分布を平衡化するだけでなく、個々のロータディスク１１０内の温度分布を平衡化する。結果として、ロータディスク１１０の機械張力および変形が低減され、より耐久性のあるロータが達成される。

図３に、チャネル１４０を通して空気を流すための第２の手段を示す。この第２の手段は、ロータコア１００の１つの端面１６０に径方向のブレード１７０とチャネル１４０の一部を覆う狭いカバー１８０の補助とともに遠心現象を利用する。回転しているロータのブレード１７０は、空気を外向きに押し、それによって空気を循環させる。図３の例では、ブレード１７０は、シャフト開口部１９０から半径方向に数えて２つ目のチャネル１４０．２を通して空気を引き出す。空気の一部は、３つ目のチャネル１４０．３と４つ目のチャネル１４０．４とを通って戻っているが、大部分はシャフト開口部１９０に最も近い１つ目のチャネル１４０．１を通って戻っている。最も冷却が必要な径方向の最も外側の磁束通路１２０である場合には、この例のブレード１７０は、機械のより高温な端部に載置しなければならない。

図３によれば、３つの径方向の最も外側の磁束バリア１３０だけを覆うのではなく、ブレード１７０およびカバー１８０は、ロータ極の４つのチャネル１４０すべてを囲むことができる。そのような場合、残りの極のチャネル１４０が空気のための戻り流路をとして機能するように、ロータ極のチャネル１４０のみを１つおきに覆うのが好ましい。

図４に、チャネル１４０を通して空気を流すための第３の手段を示す。ロータコア１００は、共通軸２１０上に連続して配置されて軸方向ギャップ２２０によって離隔される２つの軸方向ロータセクション２００ａと２００ｂとに分割される。２つの円形エンドプレート２５０間にあるラジアルファンブレード２４０の形態のラジアルファン２３０が軸方向ギャップ２２０中に配置される。ロータが回転しているとき、ファン２３０は、軸方向ギャップ２２０中の空気圧力を、シャフト開口部１９０から外向きに径方向に増大させる。エンドプレート２５０は、空気を、軸方向ギャップ２２０に沿ってファン２３０に向かって第１のチャネル１４０．１を通して、径方向外向きに、さらにファン２３０から離れるように残りのチャネル１４０．２、１４０．３、１４０．４を通して流すことを可能にするための好適なフロー開口部２６０を備えている。機械の対向する軸方向端部間の実質的に均一な温度分布は、機械のＮ側およびＤ側からの気流を軸方向ギャップ２２０中で混合させることによって達成される。

エンドプレート２５０にあるフロー開口部２６０は、さらに空気流を方向づけるために修正することができる。たとえば、第４のチャネル１４０．４にさらに多くの空気流を通すことが望ましい場合、エンドプレート２５０は、エンドプレート２５０に２つ目のチャネル１４０．２と３つ目のチャネル１４０．３とを完全に覆わせながら、これらの第４のチャネル１４０．４のみに戻り流れ開口部２６０を備えることができる。代替的には、ファン２３０から離れる空気流は、機械のステータを通るように、または、ステータと機械ハウジングとの間に方向づけることができる。そのような場合はまた、ステータは、径方向の流路を提供する軸方向ギャップを有する必要がある。その上、軸方向流路は、ステータを通って、またはステータの径方向の外側に提供されなければならない。

図４のファンブレード２４０は直線で示されているが、ファンブレード２４０は、軸方向ギャップ２２０中で径方向の外側に空気を流す任意の適切な形状をとることができる。湾曲したブレード形状は、ファン２３０によって引き起こされる雑音を減少させるので好ましい。ファン２３０は、ロータの回転方向にかかわらず同様に効果的な空気循環を引き起こすように構成されるのが好ましい。湾曲したブレード２７０を備える１つのそのようなファン構成を図５に示す。このファン２３０のエンドプレート２５０は、１対のブレード２７０ごとに１つのインレット開口部２８０を、１つのブレード２７０ごとに１つのアウトレット開口部２９０を有する。インレット開口部２８０はロータの回転方向にかかわらず同様に効果的であるが、同時に、回転方向によっては、ブレード２７０およびアウトレット開口部２９０のうちの２つのみが効果的である。

本発明は主に、機械ハウジングの内側と外側との間の空気の自由な交換が防止される、閉鎖した機械ハウジング内の温度分布を平衡化することを目的とする。ただし、機械ハウジングの外側から新しい空気を導入すること、または循環された空気をさらに冷却するために外部熱交換器を使用することを除外するものではない。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、もちろん、当業者は、それらの実施形態を、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内において複数の方法で修正することができよう。

Claims (10)

1. 複数のロータディスク（１１０）を有するロータを備えた同期リラクタンス機であって、各ロータディスク（１１０）が、前記ロータに異方性磁気構造を与えるように構成された複数の長手方向の磁束バリア（１３０）を備えており、前記ロータディスク（１１０）を積層させてロータコア（１００）を形成することにより、前記磁束バリア（１３０）によって前記ロータコア（１００）の軸方向に延びるチャネル（１４０）が画定されるもので、ロータ極の１つの磁束バリア（１３０）を通して１つの軸方向に、かつ前記同じロータ極の別の磁束バリア（１３０）を通して反対側の軸方向に、空気が流されることを特徴とする同期リラクタンス機。
2. 前記空気は、１つのロータディスク（１１０）の前記磁束バリア（１３０）の一部を通して１つの軸方向に、かつ前記１つのロータディスク（１１０）の前記磁束バリア（１３０）の一部を通して反対側の軸方向に、流される、請求項１に記載の同期リラクタンス機。
3. 前記機械の温度の高い方の端部である駆動側端部からの前記空気は、前記ロータの径方向の最も内側の磁束バリア（１３０）を通して流される、請求項１または２に記載の同期リラクタンス機。
4. 前記ロータコア（１００）が、共通軸（２１０）上に連続して配置されて軸方向ギャップ（２２０）によって離隔された少なくとも２つの軸方向のロータセクション（２００ａおよび２００ｂ）に分割されており、前記空気が、軸方向のロータセクション（２００ａおよび２００ｂ）の各々のチャネル（１４０）を通して、かつ軸方向ギャップ（２２０）を通して半径方向に、流される、請求項１から３のいずれか一項に記載の同期リラクタンス機。
5. 前記軸方向ギャップ（２２０）中にラジアルファン（２３０）が配置されている、請求項４に記載の同期リラクタンス機。
6. 前記ラジアルファン（２３０）が、空気流を方向づけるための開口部（２６０、２８０、２９０）を含むエンドプレート（２５０）を備えている、請求項５に記載の同期リラクタンス機。
7. 前記ラジアルファン（２３０）が湾曲したブレード（２７０）を備えている、請求項５または６に記載の同期リラクタンス機。
8. 前記空気は、前記ロータの回転方向にかかわらず前記チャネル（１４０）を通して流される、請求項１から７のいずれか一項に記載の同期リラクタンス機。
9. 前記ロータは、前記ロータ上に磁界を生成するように構成された導体であって、前記機械が動作しているときに抵抗損失を引き起こす導体を備えていない、請求項１から８のいずれか一項に記載の同期リラクタンス機。
10. 前記空気は機械ハウジング内で循環し、前記機械ハウジングの内側と外側との間の空気の自由な交換が防止されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の同期リラクタンス機。

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