JP6379160B2 - 電気機械の流体冷却のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

（相互参照）
本願は、米国特許出願第１２／８６８，７１２号（２０１０年８月２５日出願）、および米国特許出願第１２／９５８，３２１号（２０１０年１２月１日出願）の優先権を主張し、後者は、米国特許出願第１２／８６８，７１２号（２０１０年８月２５日出願）の一部継続出願であり、これらの出願のすべては、その全体が参照することにより本明細書に援用される。

電気機械には、内部構成要素の過熱による電力制限がある。従来のシステムでは、電気機械はしばしば、外部冷却を介して冷却される。例えば、ヒートシンクが、冷却を支援するように電気機械の外面上に提供されてもよい。いくつかの実施例では、流体が、電気機械の外側エンクロージャを通って、または機械の外面上で流れてもよい。例えば、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４を参照されたい。場合によっては、流体が、冷却を支援するように電気機械内で提供されてもよいが、機械内に含有されてもよい。例えば、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、特許文献５、および特許文献６を参照されたい。

内部構成要素の向上した冷却および潤滑により、従来の機械設計と比較して、さらに小型かつ低重量のパッケージで高い電力を産生するように、電気機械を設計することが可能である。向上した冷却および潤滑は、機械の動作電流および速度を増加させることを促進し、それは、直接的に、より高いトルク、より高い電力、および結果としてより高い電力密度に変わる。

したがって、冷却および潤滑のために電気機械を通って内部に流れ得る、流体を利用してもよい、改良型電気機械システムおよび方法の必要性が存在する。

米国特許第７，５５０，８８２号明細書 米国特許第５，９３９，８０８号明細書 米国特許第５，６７０，８３８号明細書 米国特許第４，７００，０９２号明細書 米国特許第４，６４４，２０２号明細書 米国特許第７，３５２，０９０号明細書

本発明は、強化型流体注入システムを有する高電力密度電気機械の冷却および潤滑のためのシステムおよび方法を提供する。本明細書で説明される本発明の種々の側面は、以下に記載される特定の用途のうちのいずれかに、または任意の他の種類の電気機械に適用されてもよい。本発明は、独立型システムまたは方法として、あるいは車両の中等の統合システムの一部として適用されてもよい。本発明の異なる側面は、個別に、集合的に、または相互と組み合わせて認識できることを理解されたい。

本発明の側面は、回転シャフトに固定され、１つ以上の軸受を用いて支持される回転子と、回転子と固定子との間に間隙を伴って、回転可能な回転子およびシャフトに対して静止している固定子と、機械の全体または一部を包囲する筐体と、少なくとも１つの入口、および少なくとも１つの出口と流体連通している機械内の複数の流体流動通路に至る複数の分配開口部を有する流体分配マニホールドとを備える、電気機械を対象としてもよい。いくつかの実施形態では、複数の流体流動通路は、固定子と筐体との間の固定子流体流路と、回転子および固定子に向かって回転シャフトに沿った回転子流体流路と、少なくとも１つの軸受に接触する、１つ以上の軸受流体流路とを含んでもよい。固定子流体流路は、流体が固定子の外側面に直接的に接触することを可能にし得る、１つ以上の流体流動通路を備えてもよい。１つ以上の溝または他の表面特徴が、固定子の外側面と筐体の内側面との間に通路を形成してもよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の流体流動通路は、少なくとも１つの出口と流体連通している、排出サンプと流体連通していてもよい。排出サンプは、流体流動通路から退出する流体が、出口を通って電気機械から退出する前にサンプ内で収集され得るように、構成されてもよい。いくつかの実施形態では、排出サンプは、熱交換器として機能し、それにより、サンプ内の流体を冷却する機会を提供してもよい。

本発明の別の側面は、回転シャフトに固定され、１つ以上の軸受を用いて支持される、回転子と、回転子と固定子との間に間隙を伴って、回転可能な回転子およびシャフトに対して静止している固定子と、回転子および固定子に向かって、回転シャフトに沿って流体を方向付け得る、流体注入器ノズルに至る少なくとも１つの流体流動通路とを備える、電気機械を提供してもよい。いくつかの実施形態では、流体注入器ノズルおよび／または回転シャフトは、流体の流動および分配を補助するように遠心ポンプを組み込み得る、特徴を含んでもよい。電気機械はまた、分岐点に至る流体流動通路を含んでもよく、流体流路は、軸受に接触するように、および回転子に接触するように分かれてもよい。加えて、電気機械は、軸受と回転子に至る流体流路との間に計量デバイスを含んでもよく、計量デバイスは、軸受へ流れる流体および回転子へ流れる流体の相対量を決定するように構成される。いくつかの実施形態では、機械が計量デバイスなしで操作されてもよく、計量デバイスが異なる構成の異なる計量デバイスと交換されてもよく、または計量デバイスが調整されてもよく、それにより、軸受へ流れる流体および回転子へ流れる流体の相対量を改変するように、計量デバイスは、取り外し可能、交換可能、および／または調整可能であってもよい。代替として、他の実施形態では、流体流路は、軸受と回転子との間で分かれなくてもよいが、代わりに、流体は、最初に軸受に接触し、軸受を通って流れ、次いで、後に回転子に接触するように流れるように、方向付けられてもよい。

本発明の別の側面によれば、電気機械を冷却するための方法が提供されてもよい。方法は、回転シャフトに固定される回転子を提供するステップと、回転子と固定子との間に間隙を伴って、回転可能な回転子およびシャフトに対して静止している固定子を提供するステップと、機械の全体または一部を包囲する筐体を提供するステップとを含んでもよい。方法はまた、固定子および回転子に流体を直接的に接触させ、固定子および回転子から流体へ熱を伝達する機会を提供し、それにより、固定子および回転子を冷却し得る、固定子と筐体との間の１つ以上の通路を通って流れるように、流体を方向付けるステップを含んでもよい。

本発明の付加的な側面は、電気機械を冷却するためのシステムを対象としてもよい。システムは、ポンプと流体連通している電気機械と、電気機械およびポンプと流体連通している熱交換器とを含んでもよい。電気機械は、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する流体的に密閉されたエンクロージャと、入口および出口と流体連通している１つ以上の流体流動通路と、機械内の圧力を所定の範囲内で維持し得る均圧デバイスとを有してもよい。いくつかの実施形態では、機械はまた、機械内の液面を決定するデバイスを含んでもよい。加えて、流体的に密閉されたエンクロージャと併せて、いくつかの実施形態は、電気機械の中に存在し得る同極流束によって生成される循環電流の悪影響に対抗し得る、接触シールを電気機械の回転シャフトの周囲に備えるために、導電性材料を利用してもよい。

本発明の他の目標および利点は、以下の説明および添付図面と併せて考慮した時に、さらに認識および理解されるであろう。以下の説明は、本発明の特定の実施形態を説明する具体的詳細を含有してもよいが、これは、本発明の範囲への制限としてではなく、むしろ好ましい実施形態の例示として解釈されるべきである。本発明の各側面について、当業者に公知である多くの変化例が、本明細書で提案されるように可能である。本発明の精神から逸脱することなく、その範囲内で種々の変更および修正を行うことができる。

（参照による援用）
本明細書で記述される全ての出版物、特許、および特許出願は、各個別出版物、特許、または特許出願が、参照することにより援用されるように特異的かつ個別に示された場合と同じ程度に、参照することにより本明細書に援用される。

本発明の新規の特徴は、添付の請求項で詳細に記載される。本発明が利用される例示的実施形態を記載する、以下の詳細な説明、および添付図面を参照することによって、本発明の特徴および利点のより良い理解が得られるであろう。

図１は、本発明の実施形態による、電気機械を示す。 図１Ａは、本発明の実施形態による、流体流動を有する電気機械の概念図を示す。 図１Ｂは、本発明の実施形態による、電気機械用の流体分配マニホールドの概念図を示す。 図１Ｃは、電気機械内に提供され得る流体流路の実施例図を示す。 図１Ｄは、電気機械内に提供され得る流体流路の代替実施例図を示す。 図１Ｅは、電気機械内に提供され得る流体流路の代替実施例図を示す。 図２は、本発明の実施形態による、軸受流体流路を示す。 図２Ａは、本発明の実施形態による、軸受流体流路および軸受アセンブリの拡大図を示す。 図３は、本発明の実施形態による、回転子流体流路を示す。 図４は、電気機械を通して流体を循環させるために使用され得るシステムの概念図を示す。 図５は、本発明の実施形態による、機械シャフトを示す。 図６は、本発明の実施形態による、流体的に密閉された機械エンクロージャを示す。 図７は、本発明の実施形態による、電気機械の分解図を示す。 図８は、電気機械の伝導性シャフトシール、および同極流束経路の概念図を示す。

本発明の好ましい実施形態が本明細書で示され、説明されているが、そのような実施形態は一例のみとして提供されていることが、当業者に明白となるであろう。本発明から逸脱することなく、多数の変化例、変更、および置換が、当業者に想起されるであろう。本明細書で説明される本発明の実施形態の種々の代替案が、本発明を実践する際に採用されてもよいことを理解されたい。

（Ｉ．流体注入システムの説明）
図１は、本発明の実施形態による電気機械を示す。本発明のいくつかの実施形態では、電気機械は、三相ＡＣ誘導モータ等のモータであってもよい。代替として、電気機械は、任意の種類のモータ、発電機、または何らかの形態の電気および機械接続を必要とし得る任意の種類の機械であってもよい。

電気機械はまた、流体冷却され得るか、またはその内部に任意の種類の流体を有し得る任意の機械であってもよい。いくつかの実施形態では、機械は、冷却および／循環のための流体を有してもよい。電気機械内の流体は、流れていてもよく、または実質的に静止していてもよい。いくつかの実施形態では、電気機械内の流体は、電気機械を通って循環してもよく、電気機械の外部の供給源に由来してもよい。いくつかの実施形態では、機械は、流体的に密閉または部分的に流体的に密閉されてもよい。

電気機械は、システムにおいて利用されてもよい。例えば、電気機械は、自動車、オートバイ、トラック、バン、バス、あるいは他の種類の乗用車、商用車、または工業用車両、列車または他の種類のレール型車両、船舶、航空機、あるいは任意の他の種類の車両等の車両、もしくは他の種類の商用または工業用機械または機器で使用されてもよい。本発明の実施形態による流体注入システムを組み込む電気機械は特に、機械の外部または内部の局所的冷却が不可能であるか、および／または密閉された機械エンクロージャが必要とされ得る、含有された、制御された、または過酷な環境内での用途に有用であってもよい。

電気機械は、高い電流レベルおよび高い回転速度で動作し得、同じサイズおよび重量の従来のモータよりもはるかに高い電力を産生し得る。流体注入システムは、内部熱源の直接冷却、および高速軸受の潤滑を可能にすることによって、この電力密度を可能にしてもよい。

図１Ａは、本発明の実施形態による、流体流動を有する電気機械の概念図を示す。外部供給源からの流体が、電気機械に進入し得る。流体は、１つ以上の入口を介して機械に進入し得る。電気機械内からの流体は、電気機械から退出し得る。流体は、１つ以上の出口を介して機械から退出してもよい。いくつかの実施形態では、流体は、新しい流体が電気機械内の流体を補充するために常に使用されているように、流体源から提供されてもよく、機械から退出してもよい。他の実施形態では、電気機械から退出する流体の少なくとも一部、または全てが、同じ電気機械に進入するよう循環させられるように、流体が循環してもよい。したがって、流体注入システムが、電気機械に適用されてもよい。

いくつかの実施形態では、新しい流体が、電気機械に継続的に進入していてもよく、および／または古い流体が、電気機械から継続的に退出していてもよい。他の実施形態では、新しい流体が追加されてもよく、および／または古い流体が除去されてもよく、次いで、ある期間後に、より多くの流体が追加されてもよく、および／または古い流体が除去されてもよいように、流体は、断続的に、またはまとめて電気機械の中に供給されてもよい。新しい流体は、古い流体が除去されるのと実質的に同じ速度で追加されてもよく、あるいは異なる様々な速度で、新しい流体が追加されてもよく、および／または古い流体が除去されてもよい。新しい流体および／または古い流体は、所望の程度の冷却および／または潤滑を提供するように、それぞれ所望の速度で追加および除去されてもよい。場合によっては、電気機械の冷却および／または潤滑を増加させるように流体の流速を増加させること、あるいは電気機械の冷却および／または潤滑を減少させるように流体の流速を減少させることが望ましくてもよい。

他の実施形態では、流体は、電気機械内に含有されてもよく、電気機械内で循環してもよい。いくつかの実施形態では、流体は、電気機械の特定の部品内に含有されてもよい一方で、他の部品の中では、流体は、電気機械の種々の部品の間で自由に流れてもよい。当技術分野で公知である種々の流体冷却電気機械のための任意の構成要素、特徴、特性、またはステップが利用されてもよい。例えば、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許出願第２００６／００６６１５９号、米国特許出願第２００４／０１１３５００号、米国特許第５，１８１，８３７号、米国特許第５，９９７，２６１号、米国特許第６，３５５，９９５号、米国特許第５，５７８，８７９号を参照されたい。

冷却および／または潤滑流体は、当技術分野で公知である任意の流体であってもよい。流体は、液体またはガス状流体を含んでもよい。いくつかの実施形態では、冷却および／または潤滑流体は、空気等の気体、あるいは水、油、または一種の液体誘電性流体等の液体、あるいは任意のそのような流体の蒸気または霧、あるいは任意の他の種類の流体であってもよい。当技術分野で公知である任意の種類の冷却剤および／または潤滑剤が利用されてもよい。例えば、オートマティックトランスミッション液（ＡＴＦ）等のトランスミッション液が使用されてもよい。流体は、所望の熱、電気、化学、または流動特性に従って選択されてもよい。例えば、流体は、所望の範囲内に入る比熱を有してもよく、あるいは所望の値を上回る抵抗率を有する導電性である流体であってもよく、あるいは電気機械を備える要素に対して化学的に不活性または反応性である流体であってもよく、あるいは高粘度または低粘度を有する流体であってもよい。

いくつかの実施形態では、流体の組み合わせが、電気機械内に提供されてもよい。例えば、冷却および／または潤滑流体は、ガス状流体をも含有する、機械内に提供される液体であってもよい。いくつかの実施形態では、電気機械は、液体流体で完全に満たされてもよく、液体流体で部分的に満たされてもよく、またはその中を流れる低い液面の液体流体を有してもよい。

電気機械に供給される流体は、加圧されてもされなくてもよい。場合によっては、流体は、ポンプまたは圧縮機等の陽圧源によって加圧されてもよい。陽圧源は、電気機械の外部に（例えば、電気機械の入口側に）あってもよく、または電気機械の一部であってもよい。他の実施形態では、流体は、真空等の陰圧源によって加圧されてもよい。陰圧源は、電気機械の外部に（例えば、電気機械の出口側に）あってもよく、または電気機械の一部であってもよい。場合によっては、圧力源は、電気機械と一体であってもよく、機械内の流体の流動を支援してもよい。流体流動を支援し得る任意の圧力差が生成されてもよい。他の実施形態では、重力、または機械内の可動部品に起因する力等の他の力が、流体流動を支援してもよい。

電気機械の全体または一部は、筐体によって包囲されてもよい。機械筐体は、格納、支持、および／または保護、あるいは任意の他の同様の機能の目的で、電気機械の全体または一部を包囲する任意の構造または構成要素を含んでもよい。構造または構成要素は、機械筐体として機能してもよく、または機械筐体の一部を備えてもよく、加えて、他の無関係な機能を果たしてもよい。筐体は、機械アセンブリの全体または一部を包囲してもよく、あるいは、固定子または回転子等の機械の個々の構成要素のうちのいずれかの全体または一部を包囲してもよい。機械の１つ以上の個々の構成要素の全体または一部を包囲する１つ以上の個々の構造または構成要素は、機械筐体として別々に機能してもよく、また、集合的に機械筐体を備えてもよい。本明細書で言及される機械筐体はまた、本明細書で提供される説明から逸脱することなく、機械ケーシング、フレーム、エンクロージャ、または他の同様の用語を含む、他の用語によって言及されてもよいことが、当業者に明白となるであろう。本明細書で言及されるような機械筐体は、電気機械または電気機械の個々の構成要素のうちのいずれかに対して、格納、支持、および／または保護、あるいは任意の他の同様の機能を果たし得る、ありとあらゆる個々の構造および／または構成要素（例えば、機械エンドベル）を集合的に含んでもよい。いくつかの実施形態では、機械筐体の全体または一部は、流体的に密閉されてもよい。

電気機械は、高電力電気接続を利用してもよい。確実な高電力接続は、許容電流密度を有する低抵抗電気接点を必要としてもよい。銅ＤＣ電力接続における一般的な最大電流密度は、約２．２×１０^６Ａ／ｍ^２であってもよい。これは、一般的には、４０℃以上の周囲温度において、接続の温度上昇を３０℃未満に制限し得る。例えば、ＡＮＳＩ Ｃ３７．２０Ｃ−１９７４、ＩＥＥＥ規格２７−１９７４を参照されたい。銅三相ＡＣ電力接続では、伝統的に、７×１０^６Ａ／ｍ^２の最大ピーク電流密度が、確実に電気機械で使用されている。本発明のいくつかの実施形態では、接続の信頼性を強化し得、かつ７×１０^６Ａ／ｍ^２の値を超えることを可能にし得る流体冷却が、１つ以上のコネクタ表面に導入されてもよい。

図１は、電気機械内の種々の通路の中に流体を供給する、本発明の実施形態を示す。流体は、加圧されてもされなくてもよい。流体は、流体分配マニホールド４２の入口ポート４１を通って機械に進入してもよく、場所１、２、および３において通路に分配され得る。これらの通路は、場所８にある１つ以上の軸受７へ、場所１０にある機械シャフト１１を包囲する１つ以上の注入器ノズル９へ、場所６にある筐体４と固定子アセンブリ５との間の１つ以上の空洞の中へ、流体を方向付け得る。したがって、マニホールドは、流体を、それぞれ、軸受流体流路、回転子流体流路、および固定子流体流路に分配し得る。

いくつかの実施形態では、場所１、２、および３にある通路は、機械の最上部付近に配向されてもよく、または他の実施形態では、これらの通路は、機械の底部付近に配向されてもよく、あるいは機械の任意の側面上の他の場所に配向されてもよい。場合によっては、場所１、２、および３にある通路はそれぞれ、実質的に同じ側面上に、または機械の周囲の同様の位置に配向されてもよく、他の場合においては、通路はそれぞれ、機械の周囲の任意の位置に個別に配向されてもよい。他の実施形態では、任意の数の通路が、機械の周囲の任意の位置に位置してもよい。

場所１、２、および３にある通路に進入する流体は、機械内の複数の経路に分割されてもよい。１つの経路は、軸受を潤滑および冷却し得る流体のうちの一部を、軸受７を通って流れるように方向付けてもよく（すなわち、軸受流体流路）、また、注入器ノズル９とシャフト１１との間の間隙１０を通り、回転子および固定子に向かって流れるよう流体のうちの一部を方向付けるように、分かれてもよく、そこで流体は、回転子および固定子を冷却してもよい（すなわち、回転子流体流路）。軸受流体流路および回転子流体流路を通って流れるように分割されている流体は、それぞれ、機械筐体４の主要内部空洞３７を通って排出通路２０へ流れ、および排出サンプ２２の中へ流れることによって、各経路を完成してもよい。これらの経路は、機械の各端部における２つの場所１、３で繰り返されてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、２つ以上の軸受流体流路および２つ以上の回転子流体流路が、機械内に提供されてもよい。

別の経路は、筐体４と場所６にある固定子積層５の外面との間で、固定子アセンブリ５の周囲に、および／またはそれに沿って流れるように、流体を方向付けてもよく、そこで流体は、固定子を冷却してもよく、また、回転子を冷却するように固定子から流出してもよい（すなわち、固定子流体流路）。したがって、いくつかの実施形態では、同じ流体が、固定子および回転子の両方に接触して冷却するように、固定子流体流路を通って流れてもよい。いくつかの実施形態では、流体は、固定子アセンブリの周囲に円周方向または周辺に方向付けられてもよい。流体は、代替として、または加えて、固定子アセンブリの長さに沿って方向付けられてもよい。場合によっては、流体は、任意の所望の角度で、固定子アセンブリの円周方向または周辺に、および／または固定子アセンブリの長さに沿って方向付けられてもよい。筐体４の内面は、固定子アセンブリ５の外側面と筐体４の内側面との間に１つ以上の空洞を形成し得る、１つ以上の円周または周辺溝を場所６に有してもよい。流体は、固定子５を冷却するように、これらの空洞のうちの１つ以上を通って流れてもよく、次いで、いくつかの実施形態では、流体は、１つ以上の排出通路２１を通って排出サンプ２２の中へ流れてもよい。代替として、または加えて、筐体４の内面および／または固定子アセンブリ５の外側面は、固定子アセンブリの外側面と筐体の内側面との間で、固定子アセンブリの長さに沿った１つ以上の通路を形成し得る、１つ以上の溝または他の表面特徴を有してもよい。流体は、固定子５を冷却するように、これらの通路のうちの１つ以上を通って流れてもよく、次いで、いくつかの実施形態では、流体は、固定子積層の縁において通路のうちの１つ以上のから退出してもよい。次いで、流体は、固定子の座巻および回転子の端絡環に接触して冷却するように流れてもよく、次いで、機械筐体の主要内部空洞３７を通って１つ以上の排出通路２０へ流れ、および排出サンプ２２の中へ流れてもよい。いくつかの実施形態では、１つの固定子流体流路が、機械内に提供されてもよい。代替として、他の実施形態では、２つ以上の固定子流体流路が提供されてもよい。

いくつかの実施形態では、固定子流体流路を通って流れた流体、回転子流体流路を通って流れた流体、および軸受流体流路を通って流れた流体は、全て排出サンプ２２の中に集合してもよく、そこで流体は、出口ポート４６を通って機械から退出してもよい。好ましくは、同じ流体が、機械内の流体流路の全てに使用されてもよい。他の実施形態では、異なる流体またはそれらの組み合わせが、異なる流体流路に使用されてもよい。

（Ａ．流体分配マニホールド）
前述のように、図１は、本発明の実施形態による、それを通って流体が電気機械に進入し得る入口ポート４１および流体分配マニホールド４２を示す。いくつかの実施形態では、入口ポートは、電気機械の側面上にあるように配向されてもよい。他の実施形態では、入口ポートは、電気機械の最上部または電気機械の底部からであるように配向されてもよい。場合によっては、入口ポートは、液体が流体分配マニホールドへ水平に流れるように配向されてもよい。代替として、入口ポートは、垂直に、または１０度の角度、１５度の角度、３０度の角度、４５度の角度、６０度の角度、７５度の角度、あるいは８０度の角度を含み得るが、それらに限定されない角度で、配向されてもよい。場合によっては、１つ、２つ、３つ、またはそれ以上の入口ポートが提供されてもよく、各入口ポートは、所望に応じて、任意の構成、場所、または配向を有してもよい。各入口ポートは、同じ流体分配マニホールドに接続してもよく、または代替として、相互と流体連通していてもしてなくてもよい異なるマニホールドに接続してもよい。各入口ポートは、同じ流体または異なる種類の流体を受け入れてもよい。入口ポートは、マニホールドの使用によって、またはよらずに、電気機械の筐体の任意の部分上に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、マニホールドは、電気機械の筐体の一部として提供されてもよく、および／または電気機械内に含有されてもよい。他の実施形態では、マニホールドは、別個の部品として提供され、電気機械の筐体に取り付けられてもよい。依然として他の実施形態では、マニホールドは、マニホールドの一部分が機械に取り付けられる別個の部分として提供され、マニホールドの別の部分が機械の一部として提供される、および／または機械内に含有されるように、提供されてもよい。

図１Ｂは、本発明の実施形態による、電気機械の流体分配マニホールドの概念図を示す。示されるように、流体は、１つ以上の入口からマニホールドに進入してもよい。流体分配マニホールドは、機械内の１つ以上の流体流動通路に至り得る、１つ以上の分配開口部を有してもよい。一実施例では、Ｉ、ＩＩＡ、ＩＩＢといった、３つの分配開口部および／または流体流動通路が提供されてもよい。他の実施形態では、１、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０以上の分配開口部および／または流体流動通路を含み得る、任意の数の分配開口部および／または流体流動通路が提供されてもよい。

場合によっては、同じ数の分配開口部および／または流体流動通路が提供されてもよい。代替として、異なる数の分配開口部および／または流体流動通路が提供されてもよい。例えば、複数の流体流動通路が、単一の分配開口部から、または他の流体流動通路から分岐してもよい。

流体分配マニホールドは、任意の形状または配向を有してもよい。場合によっては、マニホールドは、細長いまたは扁平な形状を有してもよい。例えば、マニホールドは、扁平な円形、正方形、長方形、三角形、六角形、八角形、または任意の他の形状を有してもよい。場合によっては、マニホールドは、最小寸法が垂直方向に延在するように水平に配向されてもよい。代替として、マニホールドは、最小寸法が水平方向に延在するように垂直に配向されてもよい。他の実施形態では、マニホールドは、ある角度で配向されてもよい。

分配開口部は、マニホールドに沿う任意の場所に位置してもよい。例えば、分配開口部は、マニホールドの底面上に位置してもよい。これは、重力が、開口を通して流体を流れさせるのに支援することを可能にしてもよい。他の実施形態では、分配開口部は、マニホールドの側面または最上部に位置してもよい。

図１は、本発明の実施形態では、流体が流体分配マニホールド４２の入口ポート４１を通って機械に進入してもよく、場所１、２、および３において通路に分配されてもよいことを示す。流体流動通路は、チャネル、封入空間、非封入空間、平坦な空間、管、パイプ、または任意の他の形状あるいは構成で形成されてもよい。以前に論議されたように、任意の数の流体流動通路が電気機械に提供されてもよい。

図１Ｃは、電気機械内に提供され得る流体流路の実施例図を示す。第１の流体流路Ｉは、固定子流体流路であってもよい。固定子流体流路は、電気機械の筐体と固定子アセンブリとの間に提供されてもよい。一実施形態では、１つの固定子流体流路が提供されてもよい。代替として、複数の固定子流体流路が、電気機械内に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、固定子流体流路は、流体が、機械の回転軸の周囲を、実質的に円筒形の電気機械の実質的に曲がっている面上を流れるようにさせてもよい。例えば、機械の回転可能な回転子およびシャフトの回転軸が地面と平行であるように、円筒形状の機械がその側面上に提供された場合、流体は、固定子アセンブリの実質的に円周方向に流れるように、円筒形の機械より上側から下向きに、円筒の曲面の周囲を流れてもよい。他の実施形態では、電気機械は、実質的に円筒形ではなくてもよく、それにより、固定子流体流路は、代替として、流体が任意の形状の固定子の周辺を流れてもよいように、任意の形状の表面または複数の表面の周囲に流体を流れさせてもよい。代替として、または加えて、他の実施形態では、流体は、固定子の周辺を任意の方向または複数の方向に流れてもよい。いくつかの実施形態では、固定子流体流路は、機械の回転軸と実質的に平行に、電気機械の長さに沿った固定子の表面上を流体が流れるようにさせてもよい。例えば、流体は、電気機械の回転可能な回転子およびシャフトの回転軸と実質的に平行に流れるように、固定子アセンブリの中心付近の通路から流れてもよく、固定子の長さに沿って外向きに流れてもよい。他の実施形態では、固定子流体流路は、固定子アセンブリに沿って、またはその周囲を、任意の角度または方向に流体を流れるようにさせてもよい。例えば、流体は、回転軸に対して約５度、約１０度、約１５度、約２０度、約３０度、約４５度、約６０度、約７５度、または約９０度で流れてもよい。

図１Ｃにも示されるように、付加的な流体流路が電気機械に提供されてもよい。例えば、回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢ、および軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢが提供されてもよい。回転子および固定子アセンブリに接触するように流体を方向付け得る回転子流体流路が提供されてもよい。流体を軸受アセンブリに接触させ得る、軸受流体流路が提供されてもよい。いくつかの実施形態では、１つ、２つ、またはそれ以上の回転子流体流路および／または軸受流体流路が提供されてもよい。いくつかの実施形態では、電気機械の反対側にそれぞれの１つを含んで、２つの回転子流体流路および２つの軸受流体流路が提供されてもよい。例えば、それらは、実質的に円筒形の電気機械の実質的に平坦な端部に沿って提供されてもよい。代替として、任意の数の回転子流体流路および軸受流体流路が、電気機械の周囲に提供されてもよい。例えば、電気機械が円形の断面形状を有する場合に、複数の回転子流体流路および複数の軸受流体流路が、電気機械の円周の種々の点の周囲に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、回転子流体流路および軸受流体流路は、同じ流体流動通路ＩＩＡ＋ＩＩＩＡ、ＩＩＢ＋ＩＩＩＢを起点としてもよく、別個の回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢ、および別個の軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢに分岐してもよい。

図１Ｄの流体流路の実施例図によって示されるような本発明の代替実施形態では、回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢ、および軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢは、同じ起点の流体流動通路を共有する必要がない。代わりに、回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢ、および軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢは、別個の個別の流体流動通路に至るマニホールドからの別個の個別の分配開口部を有してもよい。

図１Ｅの流体流路の実施例図によって示されるような他の代替実施形態では、回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢ、および軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢは、同じ流体流動通路ＩＩＡ＋ＩＩＩＡ、ＩＩＢ＋ＩＩＩＢを起点としてもよく、別個の回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢ、および別個の軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢに分岐しなくてもよい。代わりに、単一の流体流動通路ＩＩＡ＋ＩＩＩＡ、ＩＩＢ＋ＩＩＩＢが、軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢを通って、次いで、連続して回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢを通って順次流れるように、流体を方向付けてもよい。

いくつかの実施形態では、固定子流体流路は、流体流動通路の任意の部分を回転子流体流路および／または軸受流体流路と共有してもしなくてもよい。一実施形態によれば、電気機械は、１つの固定子流体流路、２つの回転子流体流路、および２つの軸受流体流路といった、５つの流体流路を有してもよい。

電気機械は、１つ以上の流体分配マニホールドを含んでもよい。各マニホールドは、同様の構成または様々な構成を有してもよい。場合によっては、各マニホールドは、流体流路のうちのそれぞれへの分配開口部を提供してもよい。代替として、種々のマニホールドは、異なる流体流路への分配開口部を提供してもよい。

（Ｂ．固定子流体流路）
いくつかの実施形態では、流体は、固定子流体流路を通って流れ得る。図１は、本発明の実施形態による、電気機械筐体４と固定子アセンブリ５との間を流れるように流体を送り得る冷却流体経路を示す。流体は、場所２において１つ以上の流体流動通路に進入してもよく、筐体４の内面上の円周溝または周囲溝によって形成される１つ以上の空洞６を通って流れてもよい。代替として、または加えて、流体は、筐体４の内面および／または固定子アセンブリ５の外側面上の溝または他の特徴によって形成される、固定子の長さに沿った１つ以上の通路を通って流れてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、流体は、固定子の円周または周囲の１つ以上の通路を通って流れ、および／または、任意の方向あるいは複数の方向の固定子の長さに沿った１つ以上の通路を通って流れてもよい。場合によっては、流体は、固定子積層の縁において固定子の長さに沿った通路のうちの１つ以上から退出してもよく、流体が固定子座巻の上で、および／またはそれを通って、回転子タンブリング上へ流れることを可能にする。したがって、固定子流体流路は、流体が固定子アセンブリ５の外側面、固定子座巻、および回転子端絡環に直接的に接触することを可能にし得る、１つ以上の流体流動通路を備えてもよい。本明細書で言及される固定子積層、固定子座巻、および回転子端絡環は、本明細書で説明される本発明から逸脱することなく、任意の種類の電気機械の中の任意の他の同様の構造または構成要素を含んでもよいことが明白になるであろう。

冷却流体と、固定子積層、固定子座巻、および回転子端絡環との間の直接的な接触は、固定子および回転子熱源から冷却流体への熱伝達を向上し得る。この流体流路は、機械エンクロージャの密閉構造によって可能にされてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、電気機械用の筐体が流体的に密閉されてもよく、または冷却流体と接触している筐体の一部分が流体的に密閉されてもよいが、いくつかの実施形態では、機械は流体的に密閉される必要がなくてもよい。

いくつかの実施形態では、場所２において流体流動通路に進入する流体は、空洞６を通って固定子アセンブリ５の円周または周囲全体に流れてもよく、次いで、通路２１を通って排出サンプ２２の中へ、空洞から退出してもよく、そこで流体は、流体出口ポート４６を通って機械から退出してもよい。他の実施形態では、場所２において流体流動通路に進入する流体は、空洞６を通って固定子アセンブリ５の円周または周囲の一部に流れてもよい。代替として、または加えて、場所２において流体流動通路に進入する流体は、固定子アセンブリ５の長さに沿った１つ以上の通路を通って流れてもよく、次いで、いくつかの実施形態では、流体は、固定子積層の縁において通路のうちの１つ以上から退出してもよい。次いで、固定子積層の縁において１つ以上の通路から退出する流体は、固定子座巻および回転子端絡環に接触するように流れてもよく、次いで、機械筐体の主要内部空洞３７を通って排出通路２０へ、および排出サンプ２２の中へ流れてもよく、そこで流体は、流体出口ポート４６を通って機械から退出してもよい。いくつかの実施形態では、流体は、機械の一端、または機械の両端にある１つ以上の場所において、固定子座巻および／または回転子端絡環に接触してもよい。

図７は、本発明の実施形態による、電気機械の分解図を示す。固定子アセンブリ５の斜視図が提供されている。流体は、固定子アセンブリ５の外面に沿って、および／または示される中心の湾曲領域の周囲を、またはそれに沿って流れてもよい。他の実施形態では、固定子アセンブリの外面は、湾曲している必要がなく、そのようなものとして、流体は、任意の形状の固定子表面または複数の固定子表面の周囲を、またはそれに沿って流れてもよい。いくつかの実施形態では、流体は、固定子アセンブリ５の円周全体で下向きに流れてもよく、場合によっては、固定子の下に位置し得る、排出サンプ２２によって収集されてもよい。他の実施形態では、流体は、固定子アセンブリ５の円周の一部に流れてもよい。いくつかの実施形態では、流体は、固定子アセンブリ５の長さに沿って流れてもよく、固定子の１つ以上の縁に向かって、固定子の中心から外向きの方向に流れてもよい。他の実施形態では、流体は、固定子の一方の縁から中心に向かって、および／または固定子の一方の縁から固定子の他方の縁へ、固定子の長さに沿って流れてもよい。場合によっては、固定子の縁に向かって通路の中で流れる流体は、固定子積層の縁において通路から退出し、機械の主要内部空洞に流入してもよい。固定子積層の縁において通路から退出した後、流体は、さらに、固定子座巻に接触するように流れてもよく、回転子端絡環に接触するように、固定子座巻の周囲で、および／またはそれを通って流れ続けてもよい。次いで、流体は、機械筐体の主要内部空洞を通って下向きに流れてもよく、場合によっては、固定子および回転子の下に位置し得る排出サンプ２２によって収集されてもよい。

いくつかの実施形態では、流体流路は、固定子５と筐体４との間の特定の領域に限定されてもよい。場合によっては、流体流路は、空洞、チャネル、チャンバ、ゾーン、または任意の他の流体閉じ込め構造内に限定されてもよい。１つまたは複数の限定された流体流動通路が提供されてもよい。他の実施形態では、流体は、固定子と筐体との間の空間の中の任意の場所を自由に流れてもよい。いくつかの実施形態では、流体は、固定子と筐体との間の任意の空間または空間の組み合わせの中で、任意の方向または複数の方向に流れてもよい。流体は、広い領域にわたって自由に流れてもよく、および／または１つ以上の特定経路に制限されてもよい。いくつかの実施形態では、流体は、１つの方向または複数の方向に流体を流れさせ得る経路の中に方向付けられてもよい。加えて、流体流路は、流体流動の方向を、任意の点で、かつ任意の回数で変更してもよい。いくつかの実施形態では、流体は、連続経路に沿って流れてもよく、または異なる経路に分岐してもよい。０、１、２、またはそれ以上の経路が、０、１、２、またはそれ以上の点から分岐してもよい。流体は、単一の規定経路に沿って流れてもよく、および／または並行して複数の経路に沿って流れてもよい。複数の流体流路が、相互に平行であってもなくてもよい。

固定子と筐体との間に流体流動を方向付けるように構成される１つ以上の通路を形成し得る１つ以上の特徴が、筐体の内側面および／または固定子アセンブリの外側面上に提供されてもよい。加えて、または代替として、これらの１つ以上の特徴は、固定子の外側面および／または筐体の内側面の露出表面積を増加させてもよく、それは、いずれか一方または両方の表面と流体との間の熱伝達に役立ってもよい。いくつかの実施形態では、筐体の内面は、１つ以上の溝、チャネル、隆起、突出、フィン、段差、圧入、パターン、型押表面、または任意の他の表面特徴を含んでもよい。場合によっては、これらの特徴は、固定子アセンブリの外側面と筐体の内側面との間で、固定子表面の周囲に、またはそれに沿って流体流動を方向付けるように構成される、１つ以上の通路を形成してもよい。加えて、または代替として、これらの特徴は、筐体の露出内部表面積を増加させてもよく、それは、流体と接触している１つ以上の流体流動通路の表面積の量を増加させてもよい。これは、流体と筐体表面との間で、さらなる程度の熱伝達を有利に可能にしてもよい。代替として、他の実施形態では、筐体の内面は、平滑または実質的に平滑であってもよい。いくつかの実施形態では、固定子アセンブリの外面は、１つ以上の溝、チャネル、隆起、突出、フィン、段差、圧入、パターン、型押表面、または任意の他の表面特徴を含んでもよい。場合によっては、これらの特徴は、固定子アセンブリの外側面と筐体の内側面との間で、固定子表面の周囲に、またはそれに沿って流体流動を方向付けるように構成される、１つ以上の通路を形成してもよい。加えて、または代替として、これらの特徴は、固定子の露出表面積を増加させてもよく、それは、流体と接触している１つ以上の流体流動通路の表面積の量を増加させてもよい。これは、固定子表面と流体との間で、さらなる程度の熱伝達を有利に可能にしてもよい。代替として、他の実施形態では、固定子表面は、平滑または実質的に平滑であってもよい。

場合によっては、流体は、固定子流体流路の全体または一部に沿って下向きに流れてもよく、流体流動は、重力によって駆動または支援されてもよい。他の場合において、固定子流体流路の全体または一部を通して所望の方式で活発に流体を強制的に流れさせるために、ポンプ、圧縮機、または他の機構が利用されてもよい。そのような強制流体流動は、流体が上向きに、下向きに、横向きに、または任意の角度で進むことを可能にすることを含み得、それは、流体が、固定子流体流路の周囲に、および／またはそれに沿って任意の方向に進むことを可能にし得る。したがって、流体は、重力、流体流路の開始部または流体流路に沿った何らかの点における陽圧、流体流路の端部または流体流路に沿った何らかの点における陰圧、あるいは電気機械の外部にあり得るか、または電気機械の一体部品となり得る、１つ以上の可動部品または他の機構のうちの１つ以上に起因して、固定子流体流路を通って流れてもよい。

（Ｃ．回転子流体流路）
流体流路が、回転する回転子（または電機子等の他の種類の電気機械の中の同様の動的構成要素）および静止固定子アセンブリを冷却するための実施形態が、この項で説明される。

図３は、電気機械の一部の拡大詳細を提供し、本発明の実施形態による回転子流体流路を示す。流体は、流体通路１から流体注入器ノズル９付近の空洞４５に流入し、注入器ノズル９と機械シャフト１１との間の間隙１０を通って流れ、次いで、注入器ノズル９と回転子３５の面との間の垂直間隙１６を通って流出し得る。回転子３５の面に隣接する注入器ノズル９の端部にある、より大きい直径の特徴は、回転する回転子３５の遠心力により、流体が間隙１６から退出するにつれて、流体に速度を増加させ得る。したがって、回転子の面に隣接する垂直要素を形成する、注入器ノズルの一部はまた、遠心ポンプディスク３４として機能してもよい。

いったん流体が間隙１６から放出されると、表面１７において回転子の端絡環１５に衝突してもよく、端絡環１５を冷却してもよい。回転子端絡環１５は、ケージ型回転子を有する誘導機の中の回転子バー用の短絡環、巻装回転子型機械の中の座巻、永久磁石型機械の中の回転子の末端構造、または任意の種類の電気機械の中の任意の同様の構造を表してもよい。

特に巻装またはケージ型機械上の回転子端絡環１５は、高導電性材料でできていてもよい。いくつかの実施形態では、端絡環はまた、高熱伝導性材料でできていてもよい。そのような熱伝導性材料のいくつかの実施例は、金属（銅、アルミニウム、真鍮、銀、金、鉄、鋼鉄、鉛）、ダイヤモンド、炭素、またはそれらの任意の合金、混合物、あるいは組み合わせを含んでもよいが、それらに限定されない。流体流動で端絡環１５を冷却することは、回転子の中心からの熱を、より低い温度の端絡環および流体への熱伝導によって除去させ得る。いくつかの実施形態では、導電性または非導電性のいずれか一方となり得る、熱伝導性材料またはデバイス（ヒートパイプ等）が、回転子アセンブリに追加されてもよく、熱伝達を向上させるように回転子構造および／または端絡環と熱的に連通していてもよい。

いったん流体が遠心力によって端絡環１５から放出されると、固定子座巻１８に向かって素早く進み、そこで付加的な冷却が起こり得る。固定子座巻は、高導電性および熱伝導性材料からなり得る、固定子アセンブリ５の巻線の端部であってもよく、したがって、固定子５の中心から流体へ効果的に熱を伝導してもよい。いくつかの実施形態では、固定子アセンブリの巻線は、銅、アルミニウム、または任意の他の高導電性材料で形成されてもよい。場合によっては、固定子アセンブリの巻線はまた、高熱伝導性材料で形成されてもよい。いくつかの種類の電気機械では、固定子アセンブリは、ブラシ付きユニバーサルモータ等のように、巻線よりもむしろ永久磁石を含有してもよい。いくつかの実施形態では、導電性または非導電性のいずれか一方となり得る熱伝導性材料またはデバイス（ヒートパイプ等）が、固定子アセンブリに追加されてもよく、熱伝達を向上させるために、固定子構造および／または座巻と熱的に連通していてもよい。

図１に示されるように、いったん流体が固定子座巻１８に衝突すると、重力の影響により、座巻から離れて、機械筐体４の主要内部空洞３７の排出通路２０に流れ得る。機械筐体、または冷却流体と接触している筐体の一部は、流体的に密閉されてもよく、それは、筐体から漏出することなく流体が流れることを可能にし得るが、機械は、いくつかの実施形態では、流体的に密閉される必要がなくてもよい。排出通路２０から、流体は、排出サンプ２２に流入し、流体出口ポート４６を通って機械から退出してもよい。

１つ以上の回転子流体流路が、電気機械内に提供されてもよい。例えば、図１Ｃに示されるように、２つの同様の流体流路ＩＩＡ＋ＩＩＩＡおよびＩＩＢ＋ＩＩＩＢが提供されてもよい。これら２つの同様の流体流路は、電気機械の対向端に提供されてもよい。他の実施形態では、任意の数の回転子流体流路があってもよく、それらは、電気機械内の任意の場所を有してもよい。

図３に示されるように、流体は、流体流動通路１から空洞４５へ流れてもよい。空洞は、流体のうちの一部が回転子流体流路に分岐し得て、流体のうちの一部が軸受流体流路に分岐し得る、分岐点であってもよい。空洞は、任意の数の流体流路に分岐する、任意の数の構成を有する分岐点であってもよい。代替として、空洞は、分岐点を形成する必要がないが、特定の経路に沿って流れるように流体の全てを方向付けてもよい。

流体は、注入器ノズル９と機械シャフト１１および回転子３５の面との間の通路に沿って、空洞４５から流れてもよい。流体は、回転子流体流路１０の第１部に沿って実質的に水平な方向に流れてもよく、回転子流体流路１６の第２部に沿って実質的に垂直な方向に流れてもよい。他の実施形態では、これらの流体流動通路は、角度を成そうと（例えば、５度、１５度、３０度、４５度、６０度、７５度、８５度）、水平であろうと、垂直であろうと、任意の配向を有してもよい。流体流路区分は、実質的に真っ直ぐであってもよく、あるいは屈曲または湾曲してもよい。場合によっては、回転子流体流路１０の第１部は、角度を成す、または湾曲し得る、中間セグメントを通って、回転子流体流路１６の第２部へ移行してもよい。他の場合において、流体流路の第１部は、いずれの中間セグメントも伴わずに流体流路の第２部へ直接移行してもよい。他の実施形態では、流体流路の第１部および第２部は、１つの通路に合併してもよい。

流体は、注入器ノズルと機械シャフトとの間の流体流動通路に沿って流れるために、圧力を必要としてもしなくてもよい。圧力は、ポンプ等の陽圧源、真空等の陰圧源、または任意の他の圧力差発生デバイスによって引き起こされてもよい。圧力は、外部供給源または機械と一体である供給源によって引き起こされてもよい。場合によっては、重力が、圧力を引き起こし、または圧力の一因となってもよい。

いくつかの実施形態では、注入器ノズル９と機械シャフト１１または回転子３５の面との間の間隙は、変化してもよい。例えば、場合によっては、注入器ノズルと回転子の面との間の間隙は、注入器ノズルと機械シャフトとの間の間隙よりも大きくてもよく、または逆も同様である。場合によっては、間隙は、約０．５から１．０ｍｍまでであってもよいが、間隙のサイズは、したがって、流体流量および圧力要件、流体の種類、および／または機械のサイズの関数として変化してもよい。

流体流動通路１６から退出する流体は、回転子端絡環１５に衝突してもよい。いくつかの実施形態では、回転子端絡環は、勾配付きであってもよく、または任意の他の形状を有してもよい。回転子端絡環は、水平であってもよく、または所望に応じて角度を成し、あるいは湾曲してもよい。これは、以下でさらに詳細に論議される。前述のように、流体は、随意で、固定子座巻１８に衝突し、座巻から離れるように流れてもよい。代替として、流体は、固定子および回転子付近の領域中に提供される、任意の他の表面に衝突してもよい。流体は、排出通路２０の重力の効果により、下向きに流れてもよい。流体は、固定子および回転子の付近にあるか、またはそれらに一体である任意の表面を下って流れてもよい。いくつかの実施形態では、流体を下向きに、および／または所望の場所へ方向付けることを支援し得る表面のうちのいずれかの上のチャネルまたは表面特徴であってもよい。代替として、表面は、実質的に平滑であってもよい。

図３に示されるように、回転子流体流路の付近に位置し得る他の構成要素は、電気機械用の筐体４を含んでもよい。空洞４５は、軸受外輪３１および軸受内輪３２によって適所に保持され得る、軸受７の付近に位置してもよい。これは、以下でさらに詳細に論議される。さらに、シャフトシール１３が提供されてもよい。

（Ｄ．軸受流体流路）
軸受流体流路もまた、本発明の実施形態に従って提供されてもよい。軸受への流体経路は、潤滑および冷却のために、流体が軸受を通って流れることを可能にしてもよい。これは、より高い動作速度、より長い連続動作、より高い機械耐久性および信頼性、およびより長い機械寿命を促進してもよい。増加した動作速度は、より高い電力を産生し、電気機械からより高い電力密度を達成することを実現する主要な要因であり得る。

図２Ａは、本発明の実施形態による、軸受流体流路および軸受アセンブリの拡大図を提供する。流体は、軸受７の片側にある空洞４５に流入し、次いで、計量デバイス２９を通って流れ、軸受アセンブリの中の間隙を通って流れ、軸受とシャフトシール１３との間の軸受７の反対側にある空洞１２に流入してもよい。

軸受７は、軸受アセンブリを備え得る、外輪３１および内輪３２によって支持されてもよい。流体は、軸受と輪のうちの１つ以上との間を流れてもよい。代替として、流体の一部または全ては、軸受と輪との間を進むことなく、軸受の周囲を流れてもよい。

図２は、排水通路１４が、流体が空洞１２から退出し、機械筐体４の主要内部空洞の中へ流出することを可能にしてもよいことを図示する。図１は、どのようにして流体が機械筐体４の主要内部空洞３７を通って排出通路２０へ流れ得るかを示す。排出通路２０から、流体は、排出サンプ２２へ方向付けられてもよく、そこで流体出口ポート４６を通って機械から退出してもよい。機械筐体、または冷却流体と接触している筐体の一部分は、流体的に密閉されてもよく、それは、筐体から漏出することなく流体が流れることを可能にしてもよいが、機械は、いくつかの実施形態では、流体的に密閉される必要がなくてもよい。

図８に示されるように、接触シール１３が、電気機械のシャフト１１の周囲に提供されてもよく、回転シャフト１１と機械筐体４との間の界面を通って流体が機械から退出することを防止してもよい。いくつかの実施形態では、シャフトシール１３は、回転子３５と固定子５との間の電気経路を完成し得る導電性材料から成ってもよい。従来の機械では、軸受は、電食による早期の軸受故障を引き起こし得る循環電流４３が軸受７を通って流れることを防止するために、機械筐体および回転子から電気的に絶縁される必要があり得る。伝導性シール１３を使用することによって、電流４３は、軸受７の代わりに、早期の軸受故障を防止する働きをし得る伝導性シール１３を通って流れてもよい。シャフトシール１３は、回転シャフト１１の一方または両方の端に、あるいはシャフトが機械筐体４を通って延在する任意の場所に提供されてもよい。したがって、１つ以上のシャフトシールは、導電性であってもよいが、シャフトシールは、いくつかの実施形態では、導電性である必要がなくてもよい。伝導性シールは、以下でさらに詳細に論議される。

１つ以上の軸受流体流路が電気機械内に提供されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、２つの軸受流体流路が、電気機械の対向端に提供されてもよい。場合によっては、軸受流体流路は、電気機械内に提供され得る１つ以上の流体通路から分岐してもよい。例えば、図１Ｃに示されるように、２つの同様の流体流路ＩＩＡ＋ＩＩＩＡおよびＩＩＢ＋ＩＩＩＢが提供されてもよい。これらの２つの同様の流体流路は、電気機械の対向端に提供されてもよい。軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢは、これら２つの流体流路から分岐してもよい。他の実施形態では、任意の数の軸受流体流路が、各流体流路から分岐してもよく、または軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢは、別の流体流路から分岐する必要はないが、図１Ｄに示されるような流体分配マニホールドに直接接続されてもよい。他の実施形態では、任意の数の軸受流体流路があってもよく、それらは、電気機械内の任意の場所を有してもよい。

（１．軸受潤滑および冷却のために流体流動を分割する方法）
図２Ａは、本発明の実施形態による、軸受流体流路の拡大図を示す。流体注入システムの軸受流体流路では、流体は、空洞４５の中へ方向付けられてもよく、そこで流体は、軸受７と流体注入器ノズル９との間で分割されてもよい。したがって、空洞４５は、流体が２つ以上の方向に分かれ得る、分岐点を形成してもよい。いくつかの実施形態では、流体流動は、軸受を潤滑および冷却するように軸受７を通して流体のうちの一部を方向付け得る、軸受流体流路と、回転子および固定子に向かって注入器ノズル９と機械シャフト１１との間の間隙１０を通して流体のうちの一部を同様に方向付け得る、回転子流体流路に分かれてもよい。

いくつかの実施形態では、注入器ノズル９は、流体注入システムが適正に稼働するために流体圧力を必要としてもしなくてもよいが、回転子および固定子に至る経路を通る流体流動の量に対比して、軸受７への流体流動の相対量を調節または計量することが所望されてもよい。これは、注入器ノズル９と、１つ以上の軸受７、軸受内輪３２、および軸受外輪３１を備え得る軸受アセンブリとの間で捕捉される、流量計量デバイス２９の使用によって達成されてもよい。軸受アセンブリ７、３１、３２および計量デバイス２９は、注入器ノズル９によって固定されてもよく、それは、計量デバイス２９を捕捉するとともに、それを適所に固定し、ならびに軸受アセンブリ７、３１、３２を締め付ける働きをしてもよい。適所に軸受アセンブリを締め付けることは、軸受アセンブリおよび材料と筐体材料との間の熱膨張特性の差により、機械筐体４の温度が上昇するにつれて、軸受アセンブリが偏移または回転することを防いでもよい。

上述の構成要素のうちのいずれかは、所望の特性の任意の材料で形成されてもよい。例えば、軸受は、何らかの他の種類の軸受よりも製造することが比較的安価となり得る、鋼鉄軸受であってもよい。鋼鉄が転動体軸受に好ましくてもよいが、他の金属、プラスチック、ガラス、および／またはセラミック、あるいはそれらの組み合わせもまた使用されてもよい。筐体は、アルミニウム、鋼鉄、鉄、銅、真鍮、銀、金、鉛、または任意の他の金属、あるいはプラスチック、ガラス、セラミック等の他の材料、あるいはそれらの任意の合金、混合物、または組み合わせから形成されてもよいが、それらに限定されない。

アルミニウム等の筐体４用の高熱伝導度材料の使用は、例えば、鋼鉄で形成され得る、軸受７、軸受内輪３２、および／または軸受外輪３１の材料に対して熱膨張不一致を生じる場合がある。軸受アセンブリ７、３１、３２が着座される、筐体孔３０は、温度上昇とともに、軸受アセンブリよりも速くサイズを拡大してもよく、それは、軸受アセンブリ７、３１、３２が筐体４の中で偏移または回転することを可能にしてもよい。この効果により、軸受アセンブリ７、３１、３２を適所に締め付けることが所望されてもよい。これは、その流体分配機能に加えて、軸受クランプとしての機能も果たし得る、注入器ノズル９を用いて達成されてもよく、余分なハードウェアが各機能を果たす必要性を排除する。

軸受７を通る流体流動を制御するために、計量デバイス２９は、軸受外輪３１に対して締め付けられてもよい。一実施形態では、注入器ノズル９の中への流体圧力を維持し、その上、軸受７を潤滑および冷却するのに十分な流体を提供するよう、軸受７を通る流体の流速を管理するために、計量デバイス２９と軸受内輪３２との間の小さい間隙３３が使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、計量デバイス２９は、流体が計量デバイスを通って計量デバイスの片側から反対側へ流れることを可能にし得る、穴、チャネル、または通路を有してもよく、あるいは穿孔、多孔性、透過性、または半透過性材料で構築されてもよい。そのような状況では、間隙３３は、計量デバイス２９に対して提供されてもされなくてもよい。代替として、計量デバイス２９は、中実であってもよく、穴、チャネル、または通路を内側に持たなくてもよい。計量デバイス２９は、それを通って流れ得る流体に対して不透過性、半透過性、または透過性となり得る、材料で形成されてもよい。いくつかの実施形態では、計量デバイスは、プレートであってもよく、あるいは任意の他の形状または構成を有してもよい。

いくつかの実施形態では、機械が計量デバイスなしで操作されてもよく、計量デバイスが異なるサイズおよび／または構成の異なる計量デバイスと交換されてもよく、あるいは計量デバイスが調整されてもよく、それにより、軸受７へ流れる流体および注入器ノズル９へ流れる流体の相対量を改変するように、計量デバイス２９は、取り外し可能、交換可能、および／または調整可能であってもよい。したがって、計量デバイス２９の使用は、流体通路の異なるサイズまたは構成をそれぞれ有する交換可能なデバイスが、所望の流体の流速に合致する、または異なる種類の流体の使用に適応することを可能にしてもよい。

例えば、小さい間隙３３または穴が、ガス流体に使用されてもよく、より大きい間隙３３または穴が、より高い粘度の液体に使用されてもよい。計量デバイスのサイズおよび／または構成はまた、軸受７へ流れる流体および注入器ノズル９へ流れる流体の相対量を決定するように調整されてもよい。例えば、比較的多くの流体が軸受流体流路に流入することが所望される場合、間隙３３または穴のサイズが増加させられてもよいように、計量デバイスのサイズまたは構成が調整されてもよく、それは、より多くの流体が計量デバイスを通って軸受流体流路に流入することを可能にしてもよい。

いくつかの実施形態では、計量デバイス２９は、調整可能であってもよい。例えば、計量デバイスのサイズは、調整可能であってもよく、間隙３３のサイズを変化させてもよい。代替として、計量デバイスを通る穴、チャネル、または経路の数またはサイズは、可変であってもよい。１つ以上の弁が提供されてもよい。異なる流体および／または流速に適応し得る、他の調整可能特徴が提供されてもよい。

計量デバイス２９は、実質的に垂直の構成を有してもよい。他の実施形態では、計量デバイスは、角度を成してもよい。計量デバイスは、所望の比率または割合の流体が軸受流体流路に流入することを可能にするために、所望の量で角度を成してもよい。

計量デバイス２９の使用は、同じ電気機械が異なる種類の流体とともに使用されることを有利に可能にしてもよい。異なる流体に適応するように、計量デバイスが交換されてもよく、および／または調整可能特徴が制御されてもよいが、他の変更が電気機械に行われる必要がなくてもよい。これは、異なる種類の流体に適応するために、全く異なる構成を必要とし得る、および／または完全に交換される必要があり得る、従来の電気機械設計とは対照的であってもよい。

（２．軸受潤滑／冷却および回転子冷却のための流体流動の代替的方法）
本発明の別の実施形態では、前述の方法と比較して、軸受流体流路および回転子流体流路のための流体流動の代替的方法が提供されてもよい。図１Ｅに示されるように、回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢ、および軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢは、同じ流体流動通路ＩＩＡ＋ＩＩＩＡ、ＩＩＢ＋ＩＩＩＢを起点としてもよく、別個の回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢ、および別個の軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢに分岐しなくてもよい。代わりに、単一の流体流動通路ＩＩＡ＋ＩＩＩＡ、ＩＩＢ＋ＩＩＩＢが、軸受流体流路ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢを通って、次いで、連続して回転子流体流路ＩＩＡ、ＩＩＢを通って順次に流れるように、流体を方向付けてもよい。この方法は、流体が潤滑および冷却のために１つ以上の軸受を通って流れることを可能にしてもよく、次いで、後に、流体が回転子および固定子アセンブリの冷却のために回転子流体流路を通って流れることを可能にしてもよい、独自の流体流路を提示する。この方法は、より大きい軸受が使用される時に、特に適用可能であってもよいが、随意で、任意のサイズの軸受とともに使用されてもよい。

図２は、本発明の一実施形態による、軸受流体流路の実施例を示す。代替実施形態では、流体は、最初に、図２Ａに示されるように、４５に位置する空洞の中よりもむしろ、１２に位置する空洞の中へ注入されてもよい。流体は、最初に、流体分配マニホールドに接続され得る１つ以上の流体流動通路を介して、１２に位置する空洞に流入してもよい。流体流動通路はまた、空洞１２に到達する前に、回転子流体流路に分岐してもしなくてもよい。好ましい実施形態では、流体流動通路は、別々に回転子流体流路に分岐しない。排水通路１４および／または計量デバイス２９は、この方法で排除されてもされなくてもよい。排水通路が排除される場合、軸受流路からの流体は、全て軸受７を通して方向付けられてもよい。

この流体流動の方法は、流体通路１が、シャフトシールと同じ軸受の側面上で１２に位置する空洞に進入してもよいことを除いて、前述の方法と同様であってもよく、排水通路１４が同様に排除されてもよい。流体は、１２に位置する空洞から軸受７を通って、４５に位置する空洞に流入してもよい。次いで、流体は、前述のように回転子端絡環１５および固定子座巻１８に接触するように、図３に示されるように、注入器ノズル９と機械シャフト１１との間の間隙１０を通って継続し、次いで、注入器ノズル９と回転子３５の面との間の垂直間隙１６を通って流出してもよい。したがって、軸受潤滑／冷却および回転子冷却のための流体流動のこの代替的方法を用いて、流体流路は、軸受７と注入器ノズル９との間で分かれなくてもよいが、代わりに、流体は、順次に軸受７を直接通り、次いで、注入器ノズル９と機械シャフト１１との間の間隙１０に流入してもよい。

この代替的方法では、流体は、軸受流体流路を通って流れ、次いで、連続して回転子流体流路を通って流れてもよい。これは、軸受および回転子が、以前の方法で規定されるように並行するよりもむしろ、順に冷却および／または潤滑されることを可能にしてもよい。したがって、説明される実施形態または変化例のうちのいずれかでは、特定の流体が最初に、１つ以上の軸受に接触し、１つまたは複数の軸受を通って流れ、次いで、回転子流体流路を通って流れてもよい。これは、流体が並行して軸受流体流路および回転子流体流路を通って流れてもよく、別個の流体が軸受および回転子に接触するように、流体流路が分岐し得る方法とは対照的であってもよい。

（ＩＩ．注入器ノズルからの流体の遠心送出）
図３は、本発明の実施形態による、回転子流体流路を示す。遠心ポンプディスク３４が、回転子３５の表面に隣接して提供されてもよい。遠心ポンプディスクは、注入器ノズル９から一体的に形成されてもよい。代替として、遠心ポンプディスクは、注入器ノズルから分離していてもよい。ポンプディスクおよび回転子は、回転子流体流路の一部となり得る間隙１６を形成してもよい。

流体注入システムの回転子流体流路について、回転する回転子３５に対して静止し得る、注入器ノズル９の出力上のより大きい直径の並列遠心ポンプディスク３４の使用は、ディスク３４と回転子３５の面との間の間隙１６を通して半径方向に流体を流し得、流体速度を増加させ得る。流体速度が増加するにつれて、流体の圧力が低下し得、ディスク３４が流体の流動および分配を補助するように遠心ポンプの役割を果たしてもよい。この方法は、機械設計の一体部品として遠心ポンプを有利に組み込み得、それは、機械内の流体流動を増加または強化してもよく、および／または本発明のいくつかの実施形態では、流体の外部送出の要求を排除または低減してもよい。

ベルヌーイの式から、
Ｐ＋１／２ρＶ^２＋ρｇｈ＝Ｋ
であり、ここで、
Ｐは、圧力であり、
ρは、密度であり、
Ｖは、流体速度であり、
ｇは、重力であり、
ｈは、高さの変化であり、
Ｋは、定数である。

一定の温度を仮定すると、流体速度Ｖが、回転子の回転作用により増加し、したがって、流体圧力Ｐを低下させる。この圧力効果は、注入器ノズルが遠心ポンプとして動作することを可能にし得る。

遠心ポンプディスク３４のサイズを増加させることは、ポンプ効果を増加させ得る。ディスク３４における実質的に平滑な表面の使用は、機械上の抗力損失を低減し得る。より優れたポンプ効果が必要とされる場合、回転する遠心ポンプディスク３４の表面上の羽根の追加が、流体速度の付加的な変化により、ポンプ圧力を増加させ得るが、動作するために機械からより多くの電力を必要とし得る。さらに、図５に図示されるように、機械シャフト１１上に羽根３６等の特徴を提供することによって、付加的な遠心ポンプ力が達成されてもよい。これらの羽根は、図３に図示されるように、シャフト１１と流体注入器ノズル９との間の間隙１０の領域中にあってもよい。これらの羽根３６は、間隙１０を通して流体を送出するように作用してもよい。羽根は、所望の方向に流体を方向付けることを支援するように角度を成してもよい。例えば、羽根は、流体が電気機械の中心に向かって（すなわち、第１の間隙１０を通り、次いで、第２の間隙１６に移行して）流れるように、角度を成してもよい。代替として、溝、隆起、チャネル、または任意の他の表面特徴が、流体を方向付け、ポンプ圧力に影響を及ぼすことを支援するように提供されてもよい。

遠心ポンプディスク３４は、ポンプ効果を支援するための所望の機械および／または表面特性を提供し得る、任意の材料で形成されてもよい。前述のように、遠心ポンプディスクの表面が実質的に平滑であることが望ましくてもよい。いくつかの他の実施形態では、遠心ポンプディスクは、ディスクに隣接する間隙１６を通る流体流動に影響を及ぼし得る型押表面、またはチャネル、隆起、圧入、あるいは羽根等の他の表面特徴を有してもよい。回転子３５の面に隣接するディスク表面は、垂直に配向されてもよく、所望の方式で流体を方向付け得る、何らかの角度を有してもよい。

付加的な流体流動が常に必要とされなくてもよいため、遠心ポンプを用いて流体流動を強化するこの方法は、付加的な冷却が最も必要とされる場合に、流体流動を増加させることを自動的に可能にしてもよい。機械の回転速度が増加するにつれて、機械の動力も増加し得、したがって、機械からの熱損失も増加し得る。統合遠心ポンプ方法は、機械の回転速度に対して流体の流速を比例的に増加させ得、それは同時に、高出力動作の時に、冷却システムの熱伝達率を増加させ得る。したがって、機械内の熱伝達の必要性が増加するにつれて、遠心ポンプ方法を用いて、増加した流体流動および熱伝達が提供されてもよい。

（ＩＩＩ．回転子端絡環上の流体流動および熱伝達を強化する方法）
従来の機械では、電気機械の回転子端絡環はしばしば、機械筐体の中で空気を循環させ、対流熱伝達を増加させるように、フィンを伴って作製される。

流体注入冷却機械では、熱伝達機構は、注入流体への伝導および／または対流を用い得る。図３に示されるように、注入流体は、間隙１６から退出し、回転子端絡環１５の内径上に噴射し、端絡環の上および周囲に流れて固定子座巻１８上に噴射し得る。

回転子端絡環１５は、流体注入器ノズル９（および／または遠心ポンプディスク３４）回転子３５の面との間の間隙１６の開口部から、所望の距離を置いて提供されてもよい。例えば、間隙１６の開口部と回転子端絡環１５との間の距離は、所望量の流体流動を提供するように、および／または流体流動の方向を制御するように、それに応じて調整されてもよい。加えて、いくつかの実施形態では、流体注入器ノズル９および／または遠心ポンプディスク３４は、間隙１６から退出する流体が、所望の方式で回転子端絡環１５に向かって方向付けられるように構成されてもよく、および／または特徴を含んでもよい。

回転子端絡環上の熱伝達および流体流動を強化するために、回転子端絡環は、間隙１６から退出した流体に暴露される表面積を増加させ得る、および／または回転子の表面上に、次いで、遠心力によって固定子に向かって流れるように流体を方向付けることを支援し得る１つ以上の特徴を含んでもよい。いくつかの実施形態では、回転子端絡環表面は、実質的に平坦であってもよく、または勾配付き特徴１７を含んでもよい。端絡環１５の内径上の勾配付き特徴１７の追加は、冷却流体に暴露される表面積を増加させてもよい。いくつかの実施形態では、回転子端絡環表面は、実質的に平滑であってもよく、あるいは、流体に暴露される表面積を増加させ得る、および／または端絡環上および周囲での流体の流動を強化し得る、チャネル、隆起、突出、羽根、圧入、または任意の他の特徴等の表面特徴を含んでもよい。特徴は、固定子座巻１８に向かって流体を噴射するように回転子端絡環１５の長さに沿った流体流動を促し得る方式で、整合させられてもよい。

勾配付き特徴１７はまた、遠心力の方向により、流体の流速を増加させてもよく、したがって、回転子端絡環１５から流体への熱伝達率を増加させてもよい。遠心力が軸方向速度成分を有するため、端絡環の内径上の勾配付き特徴１７の追加は、流体流動を強化してもよい。この特徴は、流体膜の厚さを低減してもよく、端絡環の表面を横断する流体速度を増加させてもよく、したがって、機械の中の風損失を最小限化しながら、熱伝達率を増加させる。

所望の程度の勾配は、任意の角度Ｎであってもよく、Ｎは、水平に対して０から９０までの間の数である。例えば、勾配付き特徴は、約１度、２度、３度、５度、７度、１０度、１２度、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、４０度、４５度、５０度、６０度、７０度、または約８０度以上あるいは以下であってもよい。

場合によっては、勾配付き表面は、実質的に平滑であってもよい。代替として、流体に暴露される表面積をさらに増加させ得る、回転子の表面上の流体流速をさらに強化し得る、および／または固定子に向かって回転子および環上へ流体流動を方向付けることに役立ち得る、任意の数の付加的な表面特徴が組み込まれてもよい。

（ＩＶ．導電性シールを用いて機械シャフトを密閉する）
図８は、電気機械の伝導性シャフトシール、ならびにＡＣインバータを用いて駆動される電気機械の中に存在し得る同極流束経路の説明図を示す。これらの流束経路は、回転子３５、固定子５、および筐体４の間に循環電流４３を生成してもよい。回転子が固定子および／または筐体から電気的に絶縁されない場合、これらの電流は、特に軸受が金属製、または別様に導電性であれば、機械軸受７を通って流れ得る。

いくつかの実施形態では、軸受は、玉またはころ軸受等の金属転動体軸受であってもよく、電流４３は、軸受の転動接点を通って流れてもよい。これらの転動接点は、点または線接点等の小さい表面積の接点であってもよく、そこに高い電流密度が生じてもよく、電気アーク放電が軸受レース３１、３２上にくぼみを生成してもよい。

軸受と軸受レースとの間の転動接点は、玉またはローラが高速で転がり得るように、断続的接点であってもよい。これらの断続的接点は、高電流密度と組み合わせると、軸受の１回転につき何度もアーク放電を生じさせる場合があり、最終的に軸受アセンブリ材料の表面上に破壊的な孔食を生じさせる場合がある。軸受アセンブリの表面上の孔食は、軸受の故障につながる場合があり、機械軸受の寿命を大幅に短縮する場合がある。

この問題の伝統的な解決法は、セラミック転動体を有する軸受等の特殊な電気的に絶縁された軸受、あるいは機械シャフト１１、軸受内輪３２、または軸受外輪３１上の電気絶縁体を使用することを含む。これらの解決法は、高価および／または不確実となり得る。

本発明の実施形態によれば、内部流体注入システムを有する機械は、機械からの流体の漏出を防止するために、機械シャフト１１に密閉方法を必要とし得る。これは、流体が機械シャフト１１と筐体１４との間の界面において機械から退出することを防止し得る接触シール１３を使用することによって達成されてもよい。いくつかの実施形態では、接触シールは、筐体および／または機械シャフトに接触し得る。接触シール１３が導電性材料でできている場合、シールはまた、機械シャフト１１と筐体４との間に電気接続を提供してもよい。

この新規の密閉する方法は、電流が伝導性シャフトシール１３を通って流れるための代替的な経路４３を提供し得、したがって、循環電流の問題の解決法を提示し得る。シール１３は、軸受よりもはるかに大きい表面積の接点を有し得、したがって、循環電流４３は、大部分がシール１３を通って流れ得る。したがって、軸受が軸受レースと断続的に接触するときに、シールが循環電流４３のための代替的な経路を提供し得るので、電気アーク放電が軸受と輪との間に起こり得ない。

いくつかの実施形態では、接触シール用の材料は、高電気伝導度を有するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、接触シールは、軸受および／または軸受レースに対して選択された材料よりも優れた電気伝導度を有する材料で形成されてもよい。例えば、接触シール１３がＥ１の第１の電気伝導度を有し、軸受７がＥ２の第２の電気伝導度を有する場合に、Ｅ１はＥ２より大きくてもよい。したがって、循環電流４３は、好ましくは、軸受７を通るよりもむしろ接触シール１３を通って流れてもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、シールが、実質的に点または線接触となり得る軸受の表面積接触に対して、はるかに大きい表面積接触を有し得るので、Ｅ１は、循環電流が好ましくは軸受を通るよりもむしろ接触シールを通って流れるためには、Ｅ２よりも大きくなる必要がなくあり得る。シールのより大きい表面積接触は、電気機械の中で動作する時に、シールの有効電気伝導度を、軸受および／または軸受レースの有効電気伝導度よりも大きくさせ得る。

接触シールに使用され得る材料のいくつかの実施例は、アルミニウム、銅、真鍮、ニッケル、チタン、黒鉛、炭素、銀、金、鉄、鋼鉄、あるいはそれらの任意の合金、混合物、または組み合わせを含んでもよいが、それらに限定されない。接触シールは、めっきされ、被覆加工され、あるいは元素金属を含む種々の材料の層または構成要素を含んでもよい。接触シールは、任意のプラスチックまたはエラストマー（ポリテトラフルオロエチレン）から形成されてもよく、伝導性材料で充填または部分的に充填されてもよい。接触シールは、元素金属、任意の他の伝導性材料、またはそれらの任意の組み合わせで形成されてもよく、またはそれを含んでもよい。

伝導性接触シール１３を使用することによって、循環電流４３は、軸受７を横断して流れることを防止または低減されてもよく、電気アーク放電により軸受レース３１、３２に起こる孔食による早期の軸受の故障の発生を伴わずに、より費用効率的な従来の金属軸受の使用を可能にしてもよい。したがって、筐体からの流体漏出を防止するために使用され得るシールを提供することによって、およびそのシールに伝導性材料を使用することによって、従来の費用効率的な金属軸受が、電気機械において確実に使用されてもよい。

（Ｖ．熱交換器としての排出サンプ）
図１は、本発明の実施形態による、電気機械の実施例を提供する。電気機械は、流体注入システムを含んでもよく、機械内で種々の流体流路を提供してもよい。流体は、電気機械の冷却および／または潤滑に使用されてもよい。流体温度は、機械の熱源からの熱伝達を通して上昇させられてもよく、その後に流体が機械の基部に集合してもよく、そこで図４に示されるような外部遠隔の熱交換器に送出されてもよい。

図１に示されるように、電気機械内の流体は、下向きに流れ、排出サンプ２２の中に収集されてもよい。ある体積の流体が排出サンプ２２の中に収集されてもよく、また、流体が機械から退出する前に、一部の時間の遅延があってもよいので、この場所において流体から熱を除去する機会があってもよい。したがって、排出サンプはまた、統合局所熱交換器として機能してもよい。

図１は、本発明の一実施形態による、電気機械の排出サンプ２２を示す。熱除去は、冷却フィン２３を排出サンプ２２に適用することによって達成されてもよく、それは、サンプから退出する前に付加的な冷却を流体に提供してもよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の外部ヒートシンクもまた、排出サンプの外面に適用されてもよい。代替として、冷却フィンおよび／または排出サンプと一体である他の特徴が、排出サンプの外部をヒートシンクとして機能させてもよい。冷却フィンおよび／またはヒートシンクは、排出サンプの外面上の表面積を増加し得る、および／または排出サンプからの熱伝達を強化し得る、任意の構成を有してもよい。冷却フィンおよび／またはヒートシンクは、高い熱伝導度を有する材料で形成されてもよい。

いくつかの実施形態では、熱は、冷却フィンおよび／またはヒートシンクから受動的に放散してもよい。他の実施形態では、能動的冷却に役立つように冷却フィンおよび／またはヒートシンクの表面上にガスを吹くために、ファン等のデバイスが使用されてもよい。他の実施形態では、その流体がガス状形態または液体形態を有するかどうかにかかわらず、別の流体が、冷却フィンおよび／またはヒートシンクの表面上に、排出サンプの任意の外面上に、または排出サンプの任意の部分を通って流れてもよい。他の流体は、ファン、ポンプ、圧縮機、または圧力差を生成する任意の他のデバイスであろうと、あるいは任意の他の能動的冷却機構であろうと、冷却表面上を活発に通過させられてもよい。他の流体は、局所熱交換器の一部として、および／または別の遠隔熱伝達システムの一部として運ばれてもよい。流体の種類に応じて、排出サンプは、気体・気体熱交換器、液体・気体熱交換器、気体・液体熱交換器、液体・液体熱交換器、あるいは任意の他の種類または構成の熱交換器として機能してもよい。

本発明のいくつかの実施形態によれば、排出サンプは、図１に示されるように、出口ポート４６を有してもよい。他の実施形態では、複数の出口ポートが提供されてもよい。代替として、いずれの出口ポートも提供されなくてもよく、流体が電気機械内で再循環させられてもよい。排出サンプは、１つ以上の出口に向かって流体を流し込むように成形されてもよい。例えば、サンプの底面は、流体が出口に向かって流出することを可能にするように傾斜してもよい。流体は、重力、圧力差、遠心力、または任意の他の力によって駆動されて、出口から退出してもよい。

排出サンプ２２が、ある体積の冷却流体を収集するように作用してもよいので（特に液体冷却剤が使用される場合）、流体がサンプ２２に進入する時間と、流体がサンプ２２から退出する時間との間に時間遅延があってもよい。場合によっては、サンプは、ある体積の流体がサンプから退出する前にサンプ内に収集されて得るように、流体貯留部の役割を果たしてもよい。ある体積の流体が常に存在してもよいか、またはサンプ内で収集されてもよいように、システムの中の液面が調整されてもよい。流体が実質的に同じまたは異なる速度でサンプに進入し、サンプから退出してもよいように、流体は、任意の速度でサンプに進入してもよく、任意の速度でサンプから退出してもよい。場合によっては、流体は、連続的にサンプから退出してもよいが、他の場合においては、流体は、ある期間にわたってサンプ内に集合し、次いで、種々の速度または間隔で退出してもよい。したがって、排出サンプ内で収集され得る流体は、排出サンプから退出する前に冷却されてもよい。

いくつかの実施形態では、流体が排出サンプ内で収集されてもよい時間は、図４に示されるように、熱伝達システムの残りの部分へ送出される前に、流体を予冷するために使用されてもよい。図４は、再循環ポンプ２５と流体連通している排出サンプを含んでもよい電気機械２４を示す。排出サンプ内の流体の予冷は、電気機械用の流体循環システムの中の再循環ポンプの動作温度要件を有利に低減してもよい。他の実施形態では、流体は、電気機械から除去されてもよく、再循環させられる必要がない。なおも他の実施形態では、流体は、電気機械内で再循環させられてもよく、機械から除去される必要がない。

（ＶＩ．全体的流体循環システム）
図４は、本発明の実施形態による、電気機械２４を通して流体を循環させるために使用され得るシステムの概念図を示す。電気機械２４は、ポンプ２５と流体連通しているように提供され得る。ポンプは、熱交換器２７と流体連通し得るフィルタ２６と流体連通し得る一方向逆止弁１９と流体連通していてもよい。熱交換器２７は、流体流動回路を完成するように電気機械２４と流体連通していてもよい。代替として、ポンプは、フィルタ２６と流体連通し得る熱交換器２７と流体連通し得る、一方向逆止弁１９と流体連通していてもよい。フィルタ２６は、流体流動回路を完成するように電気機械２４と流体連通していてもよい。他の代替実施形態では、流体循環システムの構成要素は、流体流動回路の中で任意の順序で配列されてもよい。さらに、複数の１つ以上の構成要素が、回路に含まれてもよく、および／または構成要素のうちの１つ以上が、回路から排除されてもよい。

図４に示されるような実施形態によれば、流体は、入口を通って電気機械２４に進入し、出口を通って電気機械２４から退出し得る。電気機械から退出した流体は、流体流動を駆動し得るポンプ２５を通過してもよい。流体は、流体が１つだけの方向にデバイスを通って流れることを可能にし得、かつ流体が逆方向に流れて電気機械の中へ戻ることを防止し得る一方向逆止弁１９を通過してもよい。流体は、熱交換器２７を通過する前にフィルタ２６を通過してもよい。熱交換器２７は、好ましくは、熱交換器から退出するときに、流体がより低い温度であるように、流体から熱を伝達してもよい。熱交換器２７から、流体は、電気機械２４の入口に進入してもよい。したがって、流体は、再循環ポンプによって駆動されて、システム内で再循環させられてもよい。流体は、電気機械を冷却および／または潤滑するために使用されてもよく、電気機械内にある間に加熱されてもよい。流体は、外部熱交換器を介して電気機械の外側で冷却されてもよく、したがって、電気機械に再進入する前に冷却されてもよい。

ポンプ２５は、任意の速度でシステムを通して所望量の流体を循環させ得るか、または任意の他の所望の特性を備え得る、当技術分野で公知である任意の種類のポンプであってもよい。例えば、ポンプは、遠心、ダイヤフラム、歯車、羽根、インペラ、可撓性裏地、注入、ピストン、進行空洞、蠕動、またはローブポンプ、あるいは任意の他の種類または構成のポンプであってもよい。さらに、ポンプは、機械から遠隔に位置付けられるか、機械に取り付けられるか、機械内に含有されてもよい。ポンプは、電気機械から分離しているか、または電気機械と一体であるデバイスであってもよく、機械から分離し得るか、または機械と同じであり得る任意の電源によって電力供給されてもよく、および／またはポンプは、機械から力を導出してもよい。

外部熱交換器２７は、液体・液体、気体・気体、または液体・気体熱交換器、あるいは当技術分野で公知である任意の他の種類の熱交換器であってもよい。例えば、流体は、熱交換器に進入してもよく、熱を別の流体に伝達してもよい。他の流体は、気体または液体であってもよい。熱交換器は、当技術分野で公知である任意の形態または構成を有してもよい。場合によっては、熱交換器は、プレート型構成を有してもよい。代替として、熱交換器は、シェルアンドチューブ型構成を有してもよい。

熱交換器の目的は、最終的に熱を周囲空気または他の流体へ伝達するよう、機械冷却流体から熱を抽出することであってもよい。機械冷却流体からの熱の除去は、より低い機械動作温度を提供してもよく、したがって、機械の信頼性を向上させてもよい。加えて、機械のより低い動作温度は、固定子および回転子の伝導材料のより低い電気抵抗値をもたらしてもよい。これは、機械において抵抗損失を効果的に低減してもよく、それは、向上した機械効率に変わってもよい。

（Ａ．熱膨張チャンバ、プレナム、および流体貯留部としての機械筐体を有する再循環ポンプ回路）
図４は、本発明の一実施形態に従って、再循環ポンプ２５が、電気機械２４の流体出口から、逆止弁１９を通し、フィルタデバイス２６を通し、熱交換器２７を通し、次いで、電気機械２４の流体入口へ流体を移動させてもよいことを示す。再循環ポンプは、システム内において流体流動を駆動してもよい。場合によっては、再循環ポンプは、流体の流速を変化させるように制御されてもよい。例えば、流体の流速は、再循環ポンプを制御することによって増加させられ、減少させられ、維持されてもよい。したがって、流体の流速は、制御可能な再循環ポンプに基づいて変化させられ、および／または維持されてもよい。流体の流速は、電気機械に提供される熱伝達率に影響を及ぼしてもよい。この再循環熱伝達回路では、機械筐体４は、図１に示されるように、流体を再循環させるための熱膨張チャンバ、プレナム、および／または貯留部の役割を果たしてもよい。

図１は、本発明の実施形態による電気機械を示す。流体を含有する電気機械は、一般的には、流体循環システムの中で（大気へ開いている）開回路として、または（大気に閉鎖されている）閉回路として構成されてもよい。閉回路機械構成は、一般的には、循環流体の熱膨張によるシステムからの流体の漏出を防止するために、別個の膨張チャンバを必要としてもよい。

本発明の実施形態による、部分的に流体で充填された機械は、機械に追加された１つ以上の均圧特徴によって、機械筐体４が熱膨張チャンバとして機能することを可能にし、機械筐体４の主要内部空洞３７が、プレナムの役割を果たすことを可能にしてもよい。均圧特徴は、以下でさらに詳細に説明されるように、均圧デバイス２８を含んでもよい。この方法は、外部膨張チャンバまたは流体貯留部を必要とすることなく、閉回路流体循環システムの使用を可能にし得る。圧力が機械筐体４内において上昇または低下するときに、均圧デバイスの使用は、機械および流体循環システム内における均圧化を可能にしてもよく、したがって、システムからの流体漏出を防止することに役立ってもよい。

システム温度が上昇するにつれて、機械内の流体は、温度を上昇させて膨張し得、機械内の圧力の上昇を引き起こす。機械内の圧力を均一にするために、機械筐体は、弁、ピストン、焼結金属通気孔、または拡張型ブラダ等の均圧デバイス２８を含んでもよい。均圧デバイスは、機械筐体が熱膨張チャンバおよびプレナムとして機能することを可能にしてもよく、機械内の流体の温度が変化するにつれて、流体的に密閉された機械内の圧力を外部周囲圧力と等しくする。均圧化は、機械筐体内の圧力を所定の範囲内に保ち得る。いくつかの実施形態では、所定の範囲は、１つ以上の閾値圧力以下および／または以上の任意の圧力であってもよい。場合によっては、閾値圧力は、周囲圧力であってもよい。したがって、均圧デバイス２８は、流体的に密閉されたエンクロージャの完全性を依然として維持しながら均圧化を可能にするように、電気機械２４上に提供されてもよい。１つ以上の均圧デバイスは、好ましくは、この均圧化を適正に促進する機械筐体上の任意の場所に位置してもよい。

本発明の実施形態による、部分的に流体で充填された機械は、機械筐体が流体貯留部として機能することを可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、電気機械は、ユーザまたは検査官が機械筐体の内側の液面を決定することを可能にし得る、１つ以上の液面デバイス４８を有してもよい。液面デバイスは、デバイスが機械内の液面に関してユーザまたは検査官にフィードバックを提供してもよいように、任意の種類の物理、機械、電気、電子、光学、空気圧、超音波、または無線周波数デバイス、あるいはそれらの任意の組み合わせ、あるいは当技術分野で公知であるか、または後に開発される任意の他の種類または構成の感知、測定、または指示デバイスであってもよい。

いくつかの実施形態では、電気機械は、機械内の液面に関する視覚フィードバックを提供し得る１つ以上の透明な窓を有してもよい。窓は、ユーザまたは検査官が電気機械内を視認して内側の液面を決定することを可能にしてもよい。窓は、透明材料で形成されてもよく、電気機械筐体が流体的に密閉された機械エンクロージャを維持することを依然として可能にしてもよい。窓は、任意の形状またはサイズであってもよく、ユーザまたは検査官が機械内の液面または液面の範囲を決定することを可能にしてもよい。１つ以上の窓が、機械筐体内の所望の液面を決定することに一致する場所で、電気機械の１つ以上の側面上に配置されてもよい。１つ以上の窓はまた、流体貯留部の一部としても機能し得る排出サンプ内の液面を視認するように、排出サンプの上または付近に配置されてもよい。

（Ｂ．流体的に密閉された機械エンクロージャ）
図６は、本発明の実施形態による、流体的に密閉された機械エンクロージャを示す。流体注入システムを実装するために、機械筐体４は、機械からの内部流体の漏出を防止するために、筐体特徴が全ての接合部および分岐点において密閉される密閉エンクロージャであってもよい。流体的に密閉された構造の使用は、一般的には、従来の機械には必要とされなくてもよいが、流体注入機械設計にとって重要な特徴であってもよい。

シールが、取外し可能エンドベル３８と筐体４との間、電力接点用の誘電絶縁体３９とエンドベル３８との間、電力接点４０と誘電絶縁体３９との間、ならびに回転機械シャフト１１とエンドベル３８および筐体４との間に導入されてもよい。

流体注入器ノズル９用の取付ハードウェアが、機械の外側からアクセスされ、設置され得るので、したがって、流体が注入器ノズル取付ハードウェアの場所から流れることを阻止するように、およびハードウェアインターフェースを通した流体漏出を防止するように、シールがまた、注入器ノズルと機械筐体４およびエンドベル３８との間の場所４７に実装されてもよい。流体注入器取付ハードウェアは、締結具が緩くなった場合に機械内の回転構成要素への損傷を防止するために、機械の外側から設置されてもよい。この設計の実施形態では、締結具は、締結具が係脱した場合に、内部回転構成要素から離れて、常に機械の外側にあってもよい。

密閉筐体４は、温度変化による内部流体の熱膨張に適応してもよい。流体熱膨張により、機械の内部圧力が過剰になることを防止するために、均圧化の方法が使用されてもよい。密閉筐体設計は、均圧化を可能にし得て、かつ上昇した圧力による機械からの流体漏出を防止し得る均圧デバイス２８を組み込んでもよい。より低い圧力は、シャフトシール１３に要求が少なくてもよく、費用効率的で、より低い密閉圧力の標準シャフトシールの使用を可能にしてもよい。

流体流動回路へのインターフェースを単純化するために、密閉筐体は、機械への単一の流体入口４１および機械からの単一の流体出口４６が達成されてもよい、図１に示されるように、流体分配マニホールド４２および排出サンプ２２を特色としてもよい。代替として、任意の数の流体入口または出口が提供されてもよい。マニホールド４２は、流体を機械内の１つ以上の流体流動通路に分配し得る内部プレナムを有する単一の流体入口接続を可能にしてもよい。同様に、排出サンプ２２は、排出通路２０および２１を通って機械内の流体流動通路から退出する流体を収集するために使用されてもよい。排出サンプ２２は、単一の出口ポート４６を通って機械から退出する前に、サンプ内のある体積の流体の収集を提供してもよい。

特定の実装が図示および説明されているが、種々の修正をそれらに行うことができ、本明細書で検討されることを、前述の内容から理解されたい。また、本発明が、本明細書内で提供される具体的実施例によって限定されることも意図されない。本発明は、前述の明細書を参照して説明されているが、本明細書の好ましい実施形態の説明および図示は、限定的な意味で解釈されるように意図されていない。さらに、本発明の全ての側面は、種々の条件および変数に依存する、本明細書に記載される具体的描写、構成、または相対的割合に限定されないことを理解されたい。本発明の実施形態の形態および詳細における種々の修正が、当業者に明白となるであろう。したがって、本発明はまた、任意のそのような修正、変化例、および同等物も対象とするものであることが検討される。

Claims (12)

1. 電気機械であって、
   回転シャフトに固定され１つ以上の軸受によって支持される回転子と、
   回転可能な前記回転子及びシャフトに対して静止する固定子であって、前記回転子と前記固定子との間に間隙を有する、固定子と、
   前記機械内の１つ以上の流体流動通路であって、前記１つ以上の流体流動通路は、分岐点に至り、流体流動は、前記１つ以上の軸受に接触する軸受流体流路と、前記回転子及び前記固定子に向かう回転子流体流路と、に分かれる、流体流動通路と、
   前記軸受流体流路と前記回転子流体流路との間の前記分岐点における流体流動計量デバイスであって、前記流体流動計量デバイスは、前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量を決定するように構成される、流体流動計量デバイスと、を備え、
   前記回転子流体流路は、流体注入器ノズルを備え、前記流体注入器ノズルは、前記回転シャフトを包囲し、前記流体注入器ノズルと前記回転シャフトとの間に間隙が形成され、
   流体が、前記回転シャフトに沿って、前記流体注入器ノズルと前記回転シャフトとの間の前記間隙を通り、前記回転子及び前記固定子に向かって流れるように方向付けられる、電気機械。
2. 前記流体流動計量デバイスは、前記機械が前記流体流動計量デバイスなしに操作された場合に前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量が改変されるように、取り外し可能とされている、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記流体流動計量デバイスは、前記流体流動計量デバイスが異なるサイズ及び／又は構成の１つ以上の異なる計量デバイスと交換された場合に前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量が改変されるように、交換可能とされている、請求項１に記載の電気機械。
4. 前記流体流動計量デバイスは、前記流体流動計量デバイスの構成又は位置が調整された場合に前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量が改変されるように、調整可能とされている、請求項１に記載の電気機械。
5. 前記流体流動計量デバイスは、前記流体注入器ノズルと前記１つ以上の軸受との間で捕捉され、
   前記流体流動計量デバイス及び前記１つ以上の軸受は、前記流体注入器ノズルによって適所に固定される、請求項１に記載の電気機械。
6. 前記流体流動計量デバイスは、前記１つ以上の軸受と前記回転子流体流路との間に間隙を形成するプレートを有し、これにより、前記間隙のサイズが前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量を決定する、請求項１に記載の電気機械。
7. 電気機械の内部冷却及び潤滑のために流体流動を調整する方法であって、
   回転シャフトに固定され１つ以上の軸受によって支持される回転子を提供することと、
   回転可能な前記回転子及びシャフトに対して静止する固定子を提供することであって、前記回転子と前記固定子との間に間隙を有している、ことと、
   前記機械内に１つ以上の流体流動通路を提供することであって、前記１つ以上の流体流動通路は、前記１つ以上の軸受の潤滑及び冷却のために前記１つ以上の軸受に流体を接触させるように流体を方向付ける１つ以上の流路を有する１つ以上の軸受流体流路と、前記回転子及び前記固定子の冷却のために前記回転シャフトに沿って前記回転子及び前記固定子に向かうように流体を方向付ける１つ以上の流路を有する１つ以上の回転子流体流路と、分岐点に至る導入流体流路と、を有し、前記導入流体流路では、前記流体流動は前記軸受流体流路と前記回転子流体流路とに分かれる、ことと、
   前記軸受流体流路と回転子流体流路との間の前記分岐点に流体流動計量デバイスを提供することであって、前記流体流動計量デバイスは、前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量を決定するように構成される、ことと、を含み、
   前記１つ以上の回転子流体流路は、流体注入器ノズルを備え、前記流体注入器ノズルは、前記回転シャフトを包囲し、前記流体注入器ノズルと前記回転シャフトとの間に間隙が形成され、
   流体が、前記回転シャフトに沿って、前記流体注入器ノズルと前記回転シャフトとの間の前記間隙を通り、前記回転子及び前記固定子に向かって流れるように方向付けられる、方法。
8. 前記流体流動計量デバイスなしに前記機械を操作することにより、前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量を改変することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記流体流動計量デバイスを異なるサイズ及び／又は構成の１つ以上の異なる計量デバイスと交換することにより、前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量を改変することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記流体流動計量デバイスの構成又は位置を調整することにより、前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量を改変することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記流体流動計量デバイスは、前記流体注入器ノズルと前記１つ以上の軸受との間で捕捉され、
    前記流体流動計量デバイス及び前記１つ以上の軸受は、前記流体注入器ノズルによって適所に固定される、請求項７に記載の方法。
12. 前記流体流動計量デバイスは、前記１つ以上の軸受と前記回転子流体流路との間に間隙を形成するプレートを有し、これにより、前記間隙のサイズが前記軸受流体流路に流れる流体と前記回転子流体流路に流れる流体との相対量を決定する、請求項７に記載の方法。