JP6420471B2 - 電気機械座巻冷却装置 - Google Patents

Description

本発明に係る実施形態の１つ以上の態様は、電気機械の冷却に関し、具体的には、電気機械の座巻を冷却するシステムに関する。

永久磁石（ＰＭ）ブラシレス直流機及び誘導機（ＩＭ）のようなブラシが付いていない機械(non-brushed machine)では、固定子は、積層鉄心スタックと巻線とからなり得る。そして、積層鉄心スタックは、複数のスロットを備える場合があり、複数のスロットは、軸線方向に配置され、その中に、巻線と称する構造体を形成するように導電体が配置される。スロット内に収容される巻線の一部は、「能動巻線(active winding)」と呼ばれるのに対し、鉄心の外側に位置する２つの端部は「座巻(end turns)」と呼ばれる。座巻は、能動巻線とともに電気回路を完成させる要素である。座巻自体はエネルギー変換又はトルク生成に寄与しないが、電流の二乗に比例し、したがって生成するトルクの二乗にほぼ比例する熱を発生させる。四極機では、それぞれの座巻は、総機械損失のおよそ１２％を占めることがある。

低性能機では、巻線電流密度は、４００Ａ／ｃｍ²未満であり得る。これらの機械の場合、能動巻線と座巻の両方において発生する熱は、比較的小さく、固定子の筐体の上へ向かう適度な気流であり、座巻は、十分に熱伝達を行い、温度を安全値に制限することができる。高性能機では、電流密度は１０００Ａ／ｃｍ²を超え、座巻の熱は能動巻線に流入することを余儀なくされ、能動巻線の温度を上昇させるとともに、座巻の温度も能動巻線の温度よりも十分に高く上昇させる。これによって、機械の故障が発生することがある。

したがって、座巻を冷却する効果的なシステムが必要である。

本発明の実施形態によれば、冷却構造体であって、複数の層を備え、複数の層の第１の層が、第１の流路の一部を形成する開口部を有し、電気機械の座巻を冷却するように構成された冷却構造体が提供される。

一実施形態において、層はそれぞれ、積層体、又は巻条の巻回部である。

一実施形態において、複数の層のうちのいずれかの層は、同じ大きさ及び形状であるとともに、層に沿って均一な間隔を置いて配置された、第１の開口部と、第２の開口部と、第３の開口部と、を有する。

一実施形態において、複数の層のいずれかの層は、第１の開口部と第２の開口部とを有し、第１の開口部の形状及び／又は大きさが第２の開口部とは異なる。

一実施形態において、第１の層は第１の開口部を有し、複数の層の第２の層は第２の開口部を有し、第１の開口部の形状及び／又は大きさが第２の開口部とは異なる。

一実施形態において、構造体は中空円筒であって、内側円筒面若しくは外側円筒面、及び／又は環状端面を有し、これらのうちのいずれか又は両方が座巻と熱接触している中空円筒である。

一実施形態において、構造体は、軸線方向間隙の電気機械の座巻を冷却するように構成される。

一実施形態において、複数の層は巻条を備え、それぞれの層が、巻条の複数の巻回部のうちの１つである。

一実施形態において、複数の層は、第１の巻条と第２の巻条とを備え、第２の巻条が第１の巻条と共巻きされ、それぞれの層が、第１の巻条又は第２の巻条の巻回部である。

一実施形態において、構造体は開口部を備え、さらに、複数の流路と流体連通しているマニホールド流路を有するマニホールドを備える。

一実施形態において、構造体は開口部を備え、さらに、流体流れを複数の流路の部分集合に導くか、又はこの部分集合から流体流れを受け入れるように構成された導流器を備える。

一実施形態において、複数の層は、種々の大きさの開口部を交互に複数備える。

一実施形態において、それぞれの開口部は、別の層の２つの開口部と重なる。

一実施形態において、構造体は開口部を備え、さらに、流体流れを複数の流路の部分集合に導くか、又はこの部分集合から流体流れを受け入れるように構成された導流器を備える。

一実施形態において、導流器は複数の層のうちの１つであり、第１の大きさの複数の開口部を有し、導流器の開口部のうちの１つが、複数の層のうちの１つの第１の大きさの開口部と並んで配置され、そして、複数の層のうちの１つの第１の大きさの別の開口部が、導流器のいかなる開口部とも並んで配置されない。

一実施形態において、構造体は、第１のマニホールド流路を有する第１のマニホールドと、第２のマニホールド流路を有する第２のマニホールドと、を備え、複数の層がそれぞれ複数の開口部を有し、複数の層の複数の開口部が、第１のマニホールド流路及び第２のマニホールド流路と流体連通している、実質的に方位角をなす(substantially azimuthal)複数の流路、並びに、第１のマニホールド流路及び第２のマニホールド流路と流体連通している、実質的に軸線方向の複数の流路、又は、第１のマニホールド流路及び第２のマニホールド流路と流体連通している、実質的に半径方向の複数の流路を形成し、実質的に方位角をなす流路がそれぞれ、実質的に軸線方向の１対の流路、又は実質的に半径方向の１対の流路と接続し、そして、第１のマニホールド流路及び第２のマニホールド流路と接続する少なくとも１つの流路には、実質的に方位角をなす流路が少なくとも１つ含まれる。

一実施形態において、構造体は、半径方向間隙の電気機械の座巻を冷却するように構成され、座巻が外側円筒面と内側円筒面とを有し、そして、構造体は、座巻の外側円筒面と熱接触している内側円筒面を有した外側冷却器と、座巻の内側円筒面と熱接触している外側円筒面を有した内側冷却器と、を備える。

一実施形態において、構造体は、第１のマニホールド流路を有する外側マニホールドと、第２のマニホールド流路を有する内側マニホールドと、を備え、第１のマニホールド流路が外側冷却器の流路と流体連通し、第２のマニホールド流路が内側冷却器の流路と流体連通している。

一実施形態において、第１の層の開口部は、第１の層の穴である。

一実施形態において、複数の層の第３の層は、第２の流路の一部を形成する第３の開口部を有し、第１の層と第３の層との間の空間は、第１の流路及び第２の流路と接続する第３の流路を形成し、第３の流路が、第１の層及び第３の層と実質的に平行である。

本発明の実施形態によれば、電気機械であって、約０．４Ｗ／ｍ／℃よりも高い熱伝導率を有するポッティング材によりポッティングされた(potted)座巻を有する固定子と、座巻と熱接触し複数の層を備えた冷却構造体と、を備え、複数の層の第１の層が、第１の流路の一部を形成する開口部を有した電気機械が提供される。

一実施形態において、電気機械は、座巻と複数の層の１つの層との間に誘電障壁を備える。

本発明の実施形態によれば、冷却構造体であって、第１の流路を有する熱伝達構造体を備え、軸を中心に回転するロータを有した電気機械の座巻を冷却するように構成され、第１の流路の一部が軸と平行でない冷却構造体が提供される。

一実施形態において、熱伝達構造体は、さらに、複数の第１の口部と、複数の第２の口部と、複数の第１の口部のうちの１つにおいて端部を有する第２の流路と、複数の第２の口部のうちの１つにおいて端部を有する第３の流路と、第２の流路及び第３の流路と接続する、複数の第４の流路と、有する。

一実施形態において、第４の流路は、内部空間(interior volume)、内面、及び２ｃｍ未満の長さを有し、第４の流路の内部空間のそれぞれの点では、第４の流路の内面の最も近い点までの距離が１ｍｍ未満である。

一実施形態において、構造体は、第１の口部それぞれに直接接続された第１のマニホールド流路を有する第１のマニホールドと、第２の口部それぞれに直接接続された第２のマニホールド流路を有する第２のマニホールドと、を備える。

本発明のこれらの特徴及び利点、並びに他の特徴及び利点は、明細書、特許請求の範囲及び添付図面を参照して、認識及び理解される。

本発明の実施形態に係る、座巻冷却システムを備えた電気機械固定子の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る層状冷却構造体の概略断面図である。 本発明の実施形態に係る、座巻冷却システムを備えた電気機械固定子の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る、ロータ、固定子及び座巻を冷却するシステムを備えた電気機械の断面図である。 本発明の実施形態に係る、共巻きされた２つの巻条の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る、座巻冷却システムを備えた電気機械固定子の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る、座巻冷却システムを備えた電気機械固定子の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る、座巻及び固定子鉄心を冷却するシステムを備えた、軸線方向間隙の機械の電気機械固定子の分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る、座巻を冷却する冷却構造体の斜視図である。

添付図面に関して以下に示す詳細な説明は、本発明に従って提供される、電気機械の座巻１０６の冷却装置の例示的な実施形態について説明するものであり、本発明を構成し又は利用することができる形態のみを表すものではない。この説明は、図示されている実施形態に関して、本発明の特徴を示す。ただし、発明の趣旨及び範囲内に包含するものとする種々の実施形態によっても、同一又は同等の機能及び構造を達成できることが理解される。本明細書の他の箇所に示されるように、要素の同様の符号は、同様の要素又は機構を示すものとする。

電気機械の連続電力定格は、重要な要素の温度上昇によって決定することができる。場合によっては、機械の座巻は、臨界温度上昇に達する最初の要素である。これらの例では、座巻の冷却が向上すると、機械の連続電力定格が向上し、これによって、経済的利益がもたらされ得る。図１を参照すると、一実施形態において、電気機械の固定子１０２は、座巻１０６を有する固定子巻線がその中で巻きつけられる固定子鉄心１０５を形成する、積み重ねられた複数の固定子積層体(a plurality of stacked stator lamination)１０４を備える。一部の実施形態において、固定子１０２は、積層体のスタックの代わりに、巻条として形成される。

それぞれの座巻１０６は、座巻１０６とマニホールドとの間に低い熱抵抗接触を確立するように加えられた、熱伝導性ポッティング材１０８（例えば、熱伝導性ポッティング材内部に埋め込まれた座巻１０６を表す図１において切り欠きにより示されている、酸化アルミニウム充填エポキシ又は他の樹脂のような熱伝導性ポッティング材）を備え得る。座巻１０６は、一部の関連技術の座巻１０６に存在する半径方向の隆起に対して、円筒状の外面を有するように形成することができる。熱伝導性ポッティング樹脂１０８は、巻線の能動部分と固定子鉄心１０５との間の熱抵抗を低減するのに有用であり得る能動スロット領域(active slot regions)内にも押し込まれるように、圧力下で塗布することができる。ポッティングされた座巻１０６は、外側円筒面１１０と環状端面１１２と内側円筒面１１４とを備えた、中空円筒又は管の形状を有している。冷却構造筐体１１８と複数の冷却積層体１２０とを備える冷却構造体１１６は、座巻１０６の外側円筒面１１０の上に嵌め込まれる。冷却構造体１１６は、座巻１０６と冷却構造体１１６との間の十分な熱接触を保証するように、座巻１０６と組み立てられる。例えば、冷却構造体１１６は、ポッティングされた座巻１０６の上に締り嵌めされていてもよいし、又は、座巻１０６は、ポッティング樹脂１０８が冷却構造体１１６と直接接するように、所定の位置において冷却構造体１１６によってポッティングされてもよい。他の実施形態において、放熱グリースは、十分な熱接触を提供するように、冷却構造筐体１１８と座巻１０６との間で用いられる。作動時には、熱は、座巻１０６の導体からポッティング樹脂１０８を介して冷却構造体１１６に流れる。冷却液は冷却構造体１１６を流れ、冷却構造体１１６を冷却し、そして、座巻１０６を冷却する。

冷却積層体１２０は４種類の環状要素であってもよく、これらは、Ａ型積層体１２０ａ、Ｂ型積層体１２０ｂ、Ｃ型積層体１２０ｃ、及び、Ｄ型積層体１２０ｄと称する（これらをまとめて冷却積層体１２０と称し、これらはともに冷却要素１２１を形成する。）。それぞれの積層体は、複数の口部を有している。それぞれのＡ型積層体は、複数の広い口部１２２（例えば、図１に示されている、１２の広い口部１２２）を有している。ウェブ１２９は、１対の広い口部１２２をそれぞれ分離している。それぞれの積層体は、位置合わせノッチ１２６であって、冷却積層体１２０の互いの方位角による位置合わせを維持するように、冷却構造筐体１１８の外側円筒壁の内面の対応する隆起部(ridge)に嵌め込まれる位置合わせノッチも有し得る。Ｂ型積層体は、複数の狭い口部１２８（例えば、図１に示されている、１２の狭い口部１２８）を有している。それぞれのＢ型積層体１２０ｂは、それぞれのＢ型積層体１２０ｂのそれぞれの口部が、隣接するＡ型積層体１２０ａの２つの口部と重なるように、隣接するＡ型積層体１２０ａのウェブ１２９をまたいでいる。Ｃ型積層体１２０ｃは狭い口部１２８を有し、その多くがＢ型積層体１２０ｂの半分である、狭い口部１２８を有し得る。同様に、Ｄ型積層体１２０ｄも狭い口部１２８を有し、その多くがＢ型積層体１２０ｂの半分である、狭い口部１２８を有し得る。Ｃ型積層体１２０ｃとＤ型積層体１２０ｄは、Ｄ型積層体１２０ｄがＣ型積層体１２０ｃの口部と並んで配置されないように、（例えば、それぞれの位置合わせノッチの配置により）方位角をなす異なる向きで配置されている。図１は、一実施形態による要素の相対的な配置を示し、一定の縮尺により描かれていない。それぞれの積層体は、外側筐体３０６（図３）の内径に締り嵌め(a tight fit or an interference fit)される外径と、内側筐体３０８（図３）の外径に締り嵌めされる内径と、を有し得る。そして、積層体は冷却構造筐体１１８内に押し込まれ、冷却構造筐体１１８内に固定され、さらに、例えば内側筐体壁３０８と積層体との間に十分な熱接触を形成することもできる。冷却構造筐体１１８内の１つ以上のレジスタ(register)（例えば、外側筐体壁３０６の内径における１つの段）は、組立て時に積層体のスタックが当接できる停止部として機能し、冷却構造筐体１１８内に積層体のスタックの軸線方向位置を確立することができる。積層体は、例えば、組立て前に、適切な接着剤を積層体の表面に塗布することによって、ともに接着することもできる。一実施形態において、冷却構造筐体１１８と積層体はともに、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される。

簡単にするために、図１には、Ａ型積層体１２０ａ及びＢ型積層体１２０ｂの２つのみが示されている。他の実施形態において、Ｃ型積層体１２０ｃとＤ型積層体１２０ｄとの間に、付加的な１対のＡ型積層体１２０ａとＢ型積層体１２０ｂとを交互に含めることができる。そして、Ｂ型積層体１２０ｂの口部１２８は、実質的に軸線方向の複数の流路（例えば、図１に示されている、１２の実質的に軸線方向の流路）を形成する。これらの実質的に軸線方向の流路は、ウェブ１２９によってそれぞれのＡ型積層体１２０ａにおいて部分的に塞がれ、Ｂ型積層体１２０ｂの口部１２８がウェブ１２９よりも著しく広い場合、容認できない損失水頭が生じることがない。隣接する２つの実質的に軸線方向の流路は、実質的に方位角をなす複数の流路によって接続され、これらの流路のそれぞれは、Ａ型積層体１２０ａの広い口部１２２のうちの１つによって形成されている。一実施形態において、固定子鉄心１０５とＤ型積層体１２０ｄとの間の間隙は、Ｄ型積層体１２０ｄの口部を介して流体を実質的に軸線方向の流路の半分（他のすべて）に供給する、第１の流路を形成する。このようにして、固定子鉄心１０５とＤ型積層体１２０ｄとの間の間隙は、（冷却構造筐体１１８の外壁及び内壁、固定子鉄心１０５の環状端面及びＤ型積層体１２０ｄによって画定された）入口マニホールドの流路を形成する。同じ間隙は、固定子鉄心１０５の入口マニホールドとしても機能し、さらに、固定子１０２を冷却する固定子鉄心１０５に流路を形成する口部（例えば、口部１０７）を備え得る。さらに、冷却構造筐体１１８は、Ｃ型積層体１２０ｃの口部を介して、これらの実質的に軸線方向の流路の半分（他のすべて）から流体を受け入れる、円周方向の第２の流路を備えている。流体は、半径方向筐体ポート１３０を通って冷却構造筐体１１８に流入し、冷却要素１２１を流れた後、２つの軸線方向端部ベルポート(axial end bell ports)１３２を介して冷却構造筐体１１８から流出し得る。電気機械の流れ回路を、更に詳しく以下に説明する。別の実施形態において、流体は反対方向に流れ、流体は、Ｄ型積層体１２０ｄの口部を介して実質的に軸線方向の流路に供給され、Ｃ型積層体１２０ｃの口部を介して実質的に軸線方向の流路から受け入れられる。他の実施形態において、冷却構造体１１６は、冷却液と冷却構造筐体１１８との間の熱インピーダンスを低減させるように、積層体１２０とは異なる機構を備え得る。例えば、緊密に間隔を置いて配置されたフィン又は「マイクロフィン」のようなフィンを用いて、冷却構造筐体１１８の内面領域を増加させてもよい。一部の実施形態において、冷却構造筐体１１８には付加的な内部機構はなく、冷却構造筐体１１８の（滑らかな）内面は、冷却液から冷却構造体１１６（この実施形態では、冷却構造筐体１１８のみからなる。）に熱が伝達される面として機能する。

図２は、一実施形態における冷却構造体１１６内の流れパターンを概略的に示している。図２の冷却構造体は、入口マニホールド２０２と、冷却要素１２１と、出口マニホールド２０６と、を備えている。冷却要素１２１は、実質的に軸線方向の流路２０４と実質的に方位角をなす流路１２２のネットワークを備えている（すなわち、実質的に方位角をなす流路は、広い口部１２２によって形成されている。）。Ｄ型積層体１２０ｄの口部１２８は、冷却要素１２１への入口ポートとして機能し、入口マニホールド２０２から、実質的に軸線方向の流路２０４の第１の部分集合（例えば、半分）に流れを導く。Ｃ型積層体１２０ｃの口部１２８は、冷却要素１２１からの出口ポートとして機能し、実質的に軸線方向の流路２０４の第２の部分集合（例えば、他の半分）から、出口マニホールド２０６に流れを導く。したがって、Ｃ型積層体１２０ｃとＤ型積層体１２０ｄはそれぞれ、導流器と称することができる。実質的に軸線方向の流路２０４のそれぞれが、入口マニホールド２０２又は出口マニホールド２０６のいずれかのみに直接接続されるため、入口マニホールド２０２から出口マニホールド２０６への流路は、実質的に軸線方向の流路２０４の第１の部分集合のうちの１つに沿う（図２に垂直部分として示されている）第１の実質的に軸線方向の部分、及び実質的に軸線方向の流路２０４の第２の部分集合のうちの１つに沿う（図２に垂直部分として示されている）第２の実質的に軸線方向の部分と接続する、実質的に方位角をなす流路１２２のうちの１つに沿って（すなわち、Ａ型積層体の広い口部１２２のうちの１つの口部内に）、（図２に水平部分として示されている）実質的に方位角をなす部分を備えている。

実質的に方位角をなす流路１２２は、小さな軸線方向寸法（例えば、約０．２ｍｍであり得る、ストリップの厚さにほぼ等しい軸線方向寸法）を有し得るため、実質的に方位角をなす流路１２２を通る流体の対応する流れによって、流体と積層体１２０との間に効果的な熱伝達がもたらされ得る。図示されているように、軸線方向流路２０４は、厳密に軸線方向である必要はなく、例えば螺旋状であってもよい。

実質的に方位角をなす流路の寸法は、冷却液と積層された冷却要素１２１との間の低い熱インピーダンスに関して選択することができる。冷却液の有限の熱伝導率によって、冷却通路の幅の減少（例えば、積層体の厚さの減少）に伴って減少する、この熱インピーダンスの第１の構成要素（冷却液を通る熱流に対応する。）が生じる。冷却液の有限の熱質量によって、熱インピーダンスの第２の構成要素が生じる。この第２の構成要素は流量に反比例し、一定の損失水頭のため、冷却通路の幅の減少（例えば、Ａ型積層体１２０ａの口部１２２の幅の減少）に伴って減少する。したがって、冷却通路の幅は、冷却液の圧力（損失水頭）、冷却通路の長さ、冷却液の粘度、冷却液の比熱、及び冷却液の熱伝導率の関数であるように、選択することができる。例えば、変圧器油又は自動変速機油（ＡＴＦ）のような低粘度の油が、約７０ｋＰａ（１０ｐｓｉ）の損失水頭を有する冷却液として用いられる場合、そして、冷却通路の長さが約１ｃｍである場合、０．１２ｍｍ〜０．５０ｍｍ（０．００５´´〜０．０２０´´）の範囲内の冷却通路の幅を用いてもよい。冷却要素１２１における積層体１２０の数の増加によって、所定の流量の損失水頭を低減させることができ（これは、このようにすることによって、あらゆる対の軸線方向通路間の並列流路を提供する方位角をなす通路の数が増加するためである。）、さらに、一定の冷却液流量であっても、流体と冷却要素１２１との間の熱インピーダンスも低減する。

図３を参照すると、一実施形態において、縁巻条(edge-wound strip)３０２は、積層体のスタックの代わりに、冷却要素１２１として用いられている。ここで、図面は一定の縮尺ではなく、例えば、積層体又は巻条（例えば、図３の巻条）の厚さとともに、座巻に対する冷却構造体の寸法は、明確にするために、図面中に強調され得る。縁巻条の巻回部３０４は、図１の対応する積層体の巻回部と同様の機能を果たし、積層体、又は巻条の巻回部のいずれかは、本明細書においてこれらの両方を包含する用語である「層」と称することができる。Ａ型巻回部３０４ａは、ウェブ１２９によって分離された広い口部１２２を有し、Ｂ型巻回部３０４ｂは狭い口部１２８を有し、これらの口部のそれぞれは２つのウェブ１２９をまたぎ、このようなウェブ１２９はそれぞれ、隣接する２つのＡ型巻回部３０４ａのうちのそれぞれの１つにある。Ｃ型巻回部３０４ｃ及びＤ型巻回部３０４ｄは、導流器として機能する。図３では、（図１の実施形態の冷却構造筐体１１８と同様であり得る）冷却構造筐体１１８の内部構造を見ることができる。冷却構造筐体１１８は、外側筐体壁３０６と、内側筐体壁３０８と、環状筐体端部壁３１０と、を備え得る。外側筐体壁３０６と内側筐体壁３０８は、固定子鉄心１０５の端面に当接し、ガスケットは、この界面において十分な流体封止を提供するように、冷却構造筐体１１８と固定子鉄心１０５との間に設置され得る。タイロッド（図示しない。）を用いて、２つの冷却構造筐体１１８をともに引き出し、封止を維持し、冷却構造筐体１１８を所定の位置に固定しやすくすることができる。

作動時に、冷却液を図１及び２の実施形態に類似させて流すことができる。流体は、第１の巻回部３０４ｄによって形成された入口導流器を通って、（Ｂ型回転巻回部３０４ｂの狭い口部１２８によって形成された）実質的に軸線方向の１組の流路の第１の部分集合へ流れ、そこから、実質的に方位角をなす複数の通路１２２を通って、実質的に軸線方向の１組の流路の第２の部分集合へ流れ、そして、最後の巻回部３０４ｃによって形成された出口導流器を通り得る。このようにして、巻条の巻回部は、図１及び２による実施形態の積層体に構造上類似し得る。

図４を参照すると、一実施形態において、冷却構造体は、座巻１０６の外側円筒面と内側円筒面をともに、そして座巻１０６の環状端面を冷却する。図４に示されているように、冷却構造体は、両方の座巻１０６を冷却するように、電気機械の両端部において利用することができる。外側冷却器４０１は、第１の冷却要素４０４を収容する、第１の冷却構造筐体４０２を備えている。外側冷却器４０１は、例えば図１の実施形態のものと同様に、座巻１０６の外側円筒面を冷却する。さらに、第１の冷却構造筐体４０２の第１のフランジ４０６は、半径方向内側にわたり延び、座巻１０６の環状端面と熱接触し、この端面を冷却する。内側冷却器４０７は、（図４に示されている）端部ベル(end bell)４０８であり得る（又はその一部であり得る）、第２の冷却構造筐体４０８を備えている。第２の冷却構造筐体４０８は、第２の冷却要素４１０であって、座巻１０６の内側円筒面を冷却し、半径方向外側にわたり延びる第２のフランジ４１２を備え得る、第２の冷却要素を収容し、第１のフランジの環状面と熱接触し、座巻１０６の環状端面を更に冷却する。

図４の電気機械は、（例えば、機械の前方に）１つの冷却液入口４１４と、（例えば、機械の後方に）１つの冷却液出口４１６と、を有し、これらのそれぞれは、２つの並列の冷却液回路に接続され得る。第１の回路は、固定子鉄心１０５を冷却する。固定子鉄心１０５は、狭い口部と広い口部とを交互に備えた複数の積層体を有し、それぞれの端部の１つの積層体は、導流器として機能し得る。この１組の積層体は、図１の冷却要素１２１の積層体に類似し得る。第２の並列回路では、冷却液は、機械の前方において、外側冷却器４０１を通って端部ベル４０８に流れ、内側冷却器４０７を通り、そして、ロータ４２５を通って機械の後方に流れ、内側冷却器４０７を通り、外側冷却器４０１を通って、冷却液出口４１６に流れる。流体は、ロータを流れるように、第１の回転式流体継手を通って、ロータ軸の第１の軸線方向穴４１９に流れ、ロータの冷却通路４２０を通って、ロータ軸の第２の軸線方向穴４２２に流れ、第２の回転式流体継手を通って、機械後方の端部ベルに流れる。ロータ４１５の冷却通路４２０は、固定子鉄心１０５の冷却通路、及び冷却要素４０４、４１０の冷却通路に類似し、すなわち、ロータの積層体に狭い口部と広い口部とを交互に配置することによって形成され得る。それぞれの回転式流体継手は、２つの回転式シール４２４を備え得る。上述したように、外側筐体壁の内面は、レジスタとして機能する段４２６を有していてもよく、その結果、冷却要素４０４の積層体が第１の冷却構造筐体４０２に圧入されると、積層体は、段４２６に当接することによって軸線方向に配置される。

他の実施形態において、ロータの積層体及び／又は固定子１０２の積層体は、図１の実施形態による積層体の代わりに図３の実施形態における巻条を用いるのに類似させて、狭い口部と広い口部１２２とを交互に有する巻条構造体と置き換えることができる。

図５を参照すると、一実施形態において、共巻きされた２つの巻条、狭い口部１２８を有する第１のストリップ５０２と、広い口部１２２を有する第２のストリップ５０４を、巻条の交互に配置された巻回部にそれぞれ狭い口部と広い口部とを備える単一の巻条に代わり用いて、冷却要素１２１を形成することができる。このような実施形態では、第１のストリップ５０２の端部における２つの巻回部は、その他の巻回部と同様に、少ない口部（例えば、多い口部の半分）を有していてもよく、その結果、第１のストリップの端部における２つの巻回部は、導流器として機能することができるか、又は、２つの別個の層、例えば環状積層体をストリップ５０２、５０４に追加し導流器として機能させることができる。別の実施形態において、第１のストリップ５０２は、その全長に沿って均一な間隔を置いて配置された口部を有し、第２のストリップ５０４よりも１つ多い巻回部を有していてもよく、その結果、共巻きされた１対の巻条５０２、５０４の両端部における巻回部は、第１のストリップ５０２の両方の巻回部である。第１のストリップ５０２の両端部において２つの巻回部にそれぞれ連結された２つのマニホールドは、口部の部分集合に延び、この部分集合を閉鎖する、ボス又は矩形支柱のような機構を有していてもよく、その結果、直接閉鎖されない口部からなる部分集合は、実質的に軸線方向の流路の部分集合に入る。そして、ストリップの端部における２つの巻回部と、流れを阻止する機構との組合せは、冷却要素１２１の２つの端部において導流器として機能する。

図６を参照すると、一実施形態において、図３に示されている巻条の外径は、外径が口部に入る点へ向かうに従い減少してもよく、すなわち、図３の実施形態において狭い口部１２８である開口部が、巻条の外縁部において切り欠いている開口部６０２になり、それぞれの開口部６０２は湾曲した矩形状であるか、又は、巻条の長さに沿った巻条の外径の減少は、開口部の幅に相当する。Ａ型巻回部６０４ａ（図３の実施形態における広い口部１２２を備えた巻回部３０４ａに対応する。）は、減少した外径を有し得る。これによって、１対のＢ型巻回部それぞれの間に空間が生じ、外側筐体壁３０６の内面とともに、図１及び２に類似する、実質的に方位角をなす１組の冷却通路が形成される。図６の実施形態において、実質的に軸線方向の冷却通路は、Ｂ型巻回部６０４ｂの狭い開口部６０２とともに、外側筐体壁３０６の内面によって形成される。６０４ｃ型及び６０４ｄ型の巻回部は、外側筐体壁３０６の内面とともに、図１の導流器１２０ｃ及び１２０ｄに類似する導流器として機能する。共巻きされた巻条による関連する実施形態において、図５の巻条と同様に、第１のストリップはその外径に開口部を有し、第２のストリップは、第１のストリップよりも小さな外径を有し得る。

他の類似する実施形態において、図３に示されている巻条の内径は、内径が口部に入る点へ向かうに従い増加してもよく、ウェブ１２９は省略されていてもよい。この例では、実質的に軸線方向の冷却通路は、口部である代わりに、巻条の内径において切り欠いている開口部によって形成され、実質的に軸線方向の流路は、（外側へ延びる代わりに）巻条の内側に沿って延びている。図６の実施形態のように、この実施形態では、１対のＢ型巻回部それぞれの間の空間は、外側筐体壁３０６の内面とともに、図１及び２に類似する、実質的に方位角をなす１組の冷却通路を形成する。類似する実施形態は、巻条の代わりに、積層された構造体によって構成されていてもよく、例えば、Ｂ型積層体は、その内径及び外径に狭い切り欠きを有していてもよく、そして、Ａ型積層体は、Ｂ型積層体よりも大きな内径又は小さな外径を有していてもよい。

図７を参照すると、一実施形態において、冷却要素１２１の積層体の一部は、減少した内径を有し、座巻１０６の環状端面を更に冷却し得る。例えば、積層体の第１の部分集合７０２は、座巻１０６の上に（例えば、座巻１０６を封入するポッティング樹脂１０８の上に）締り嵌めされる内径を有し、そして、積層体の第２の部分集合７０４は、内側筐体壁３０８の外面の上に締り嵌めされる内径を有していてもよい。そして、内側筐体壁３０８の内径は、座巻１０６、及び内側筐体壁３０８の環状端面、並びに積層体７０６の一部の内径と同じであり、座巻１０６の環状端面と重なり当接していてもよく、これによって、この環状端面を通る座巻１０６が冷却される。他の実施形態において、環状端面は、フランジ（図４の第１のフランジ４０６など）によって冷却され、冷却要素は、座巻１０６の端部を越えて軸線方向延びるように、十分な数の層を有していてもよく、これによって、フランジが更に冷却され、このため、座巻１０６の環状端面が冷却される。

図８を参照すると、一実施形態において、半径方向間隙の電気機械について上述したものに類似する冷却構造体は、軸線方向間隙の電気機械と併用することができる。軸線方向間隙の電気機械の固定子８０２は、固定子鉄心８０４であって、円筒状磁気積層体、又は対向磁気巻条(face-wound magnetic strip)から形成され、固定子巻線８０８の１つの面にスロット８０６を備える固定子鉄心を有し得る。固定子８０２の後部鉄(back iron)８１０は、図１及び２の実施形態について説明したものに類似させて冷却するように、狭い口部と広い口部とを交互に含有し得る。外側冷却要素８１２及び内側冷却要素８１４は、固定子鉄心８０４の後部鉄８１０の上に及び内側にそれぞれ締り嵌めされている。外側冷却要素８１２は分離して図示され、隠れている口部が見えるように解かれている。外側冷却要素８１２の層の１組の組合せと、固定子鉄心の後部鉄８１０と、内側冷却要素８１４とからなる層状冷却要素は、その中に延びる、狭い口部と広い口部とを交互に有し、その結果、例えば、外側冷却要素８１２の最も内側の層が狭い口部を有する場合、固定子鉄心の後部鉄８１０の最も外側の層は広い口部を有するか、又はその逆である。このため、全層状構造体は、図２に示されているものに対応する流路を提供し、実質的に半径方向の流路はそれぞれ、実質的に方位角をなす複数の流路によって、実質的に半径方向の隣接する流路に接続されている。冷却構造筐体８１６は、外側冷却要素８１２の外側に、第１の外側流路８１８と第２の外側流路８２０とを備え、これらの流路は２つの隔壁８２２よって分離され得る。第１の外側流路８１８は入口ポート８２４によって供給され、入口マニホールドの流路として機能し、第２の外側流路８２０は出口ポート８２６によって外に出され、出口マニホールドの流路として機能する。そして、層状冷却要素は、２つの半環状半部(semi-annular halves)、入口ポート８２４に接続される第１の半環状半部、及び出口ポート８２６に接続される第２の半環状半部として作動する。

図１及び２の導流器１２０ｃ及び１２０ｄに類似する構造体は、他の層よりも少ない口部を有する層によって形成され、例えば、外側冷却要素８１２の最外層８２８は、第１の半環状半部の入口導流器と、第２の半環状半部の出口導流器の両方として機能する。同様に、内側冷却要素８１４の最内層は、第１の半環状半部の出口導流器と、第２の半環状半部の入口導流器の両方として機能する。本明細書に用いられる「導流器(flow director)」は、軸線方向通路を有する構造体の軸線方向通路又は半径方向通路を有する構造体の半径方向通路のうちの一部であるがすべてではない通路に又はこの通路から流体を流すことができる構造体である。

図８の実施形態において、流体は、第１の半環状半部を通って、（冷却構造筐体８１６の内径において形成された）内側流路８３２の周りで、入口マニホールドから第２の半環状半部へ内側に流れ、そして、第２の半環状半部を通って外側へ流れる。具体的には、第１の半環状半部では、流体は、入口導流器（最外層８２８の半分）を通って、入口マニホールドから、層状冷却要素の第１の半環状半部における実質的に半径方向の流路の第１の部分集合（例えば、２分の１）へ流れる。そして、この流体は、実質的に方位角をなす複数の流路を通って、第１の半環状半部における実質的に半径方向の流路の第２の部分集合へ流れ、（第１の半環状半部の出口導流器として機能する）内側冷却要素８１４の最も内側の巻回部８３０を通って、内側流路８３２の周りで、第２の半環状半部の半径方向流路及び方位角をなす流路を通って、第２の外側流路８２０へ流れる。内側流路８３２は、層状冷却要素の第１の環状半部の出口マニホールド、及び第２の環状半部の入口マニホールドとして機能する。

図６の実施形態に類似する他の実施形態において、図８の層状冷却要素の層は、口部が、外側冷却要素８１２及び内側冷却要素８１４の対応する縁部を通り抜けるまで（そして、口部が、固定子鉄心の後部鉄８１０の後方に移動する場合）、外側冷却要素８１２の口部、固定子鉄心の後部鉄８１０、及び内側冷却要素８１４を、固定子の前方へ（すなわち、図８に示されているように左へ）、又は固定子の後方へ移動させることによって、変更してもよい。そして、狭い口部は、元々狭い口部を有する層（例えば、巻条の巻回部）の矩形条切り欠きである、狭い開口部になり、そして、元々広い口部を有する層は、（ウェブ１２９が省略されるか又は除去される場合）隣接する層よりも狭い層になる。そして、交互に配置された巻回部が狭いことに起因する狭い開口部を備えた隣接する層間の空間は、実質的に方位角をなす冷却通路を形成する。

図９を参照すると、一実施形態において、層状構造体と構造上に同等の冷却要素９０２は、３次元（３Ｄ）印刷のような方法を用いて形成される。このような構造体は、図１及び２による実施形態の口部に類似する（すなわち、図１及び２による実施形態の口部と同様に配置された）複数の空洞９０４を含有し、実質的に軸線方向の流路及び実質的に方位角をなす流路を形成し、実質的に軸線方向の流路はそれぞれ、図１による層状構造体の例のように、実質的に方位角をなす複数の流路によって、実質的に軸線方向の隣接する流路に接続され得る。同様に、実質的に半径方向の複数の流路を有する、３Ｄ印刷された構造体が形成されていてもよく、これらの流路はそれぞれ、実質的に方位角をなす複数の流路によって、実質的に半径方向の隣接する流路に接続される。３Ｄ印刷を用いて、種々の形状を有し種々の方向に延びる通路を備えた構造体を容易に製造することが可能である。このような構造体では、多くの小さな冷却通路（例えば、図１による実施形態の方位角をなす流路に相当する。）内に冷却液を流すことによって、本明細書に説明されている層状構造体の例のように、高い冷却効率の利点を実現することができる。層状構造体の例のように、比較的小さな横方向寸法を有し（流体を通る熱流により、熱インピーダンスの構成要素を低減し）、比較的短い長さを有する（冷却液の有限の熱質量により、熱インピーダンスの構成要素を低減する）冷却通路によって、十分な効率を達成することができる。

電気機械の座巻１０６の例示的な実施形態を本明細書において具体的に説明し、示してきたが、当業者であれば、多くの変更及び変形が明らかである。したがって、本発明の原理に従って構成された電気機械座巻冷却装置は、本明細書において具体的に説明した以外のものにより具現化され得ることが理解される。また、本発明は次の特許請求の範囲にも規定され、その等価物である。

Claims (20)

1. 複数の層を備え、
   前記複数の層の第１の層が、第１の流路の一部を形成する開口部を有し、
   電気機械の座巻を冷却するように構成された冷却構造体。
2. 層がそれぞれ、
   積層体、又は
   巻条の巻回部である、請求項１に記載の冷却構造体。
3. 前記複数の層のうちのいずれかの層が、
   同じ大きさ及び形状であるとともに、層に沿って均一な間隔を置いて配置された、
   第１の開口部と、
   第２の開口部と、
   第３の開口部と、を有する、請求項１に記載の冷却構造体。
4. 前記複数の層のいずれかの層が、第１の開口部と第２の開口部とを有し、前記第１の開口部の形状及び／又は大きさが前記第２の開口部とは異なる、
   請求項１に記載の冷却構造体。
5. 前記第１の層が第１の開口部を有し、前記複数の層の第２の層が第２の開口部を有し、前記第１の開口部の形状及び／又は大きさが前記第２の開口部とは異なる、
   請求項１に記載の冷却構造体。
6. 前記冷却構造体が中空円筒であって、
   内側円筒面若しくは外側円筒面、及び／又は環状端面を有し、これらのうちのいずれか又は両方が前記座巻と熱接触している前記中空円筒である、請求項１に記載の冷却構造体。
7. 軸線方向間隙の電気機械の座巻を冷却するように構成される、請求項１に記載の冷却構造体。
8. 前記複数の層が巻条を備え、それぞれの層が、前記巻条の複数の巻回部のうちの１つである、請求項１に記載の冷却構造体。
9. 前記複数の層が、第１の巻条と第２の巻条とを備え、該第２の巻条が前記第１の巻条と共巻きされ、
   それぞれの層が、前記第１の巻条又は前記第２の巻条の巻回部である、
   請求項１に記載の冷却構造体。
10. 開口部を備えた複数の流路を有し、さらに、前記複数の流路と流体連通しているマニホールド流路を有するマニホールドを備える、請求項１に記載の冷却構造体。
11. 開口部を備えた複数の流路を有し、さらに、流体流れを前記複数の流路の部分集合に導くか、又は前記部分集合から流体流れを受け入れるように構成された導流器を備える、請求項１に記載の冷却構造体。
12. 前記複数の層が、種々の大きさの開口部を交互に複数備える、
    請求項１に記載の冷却構造体。
13. 前記開口部のそれぞれが、別の層の２つの開口部と重なる、請求項１２に記載の冷却構造体。
14. 開口部を備えた複数の流路を有し、さらに、流体流れを前記複数の流路の部分集合に導くか、又は前記部分集合から流体流れを受け入れるように構成された導流器を備える、請求項１２に記載の冷却構造体。
15. 前記導流器が前記複数の層のうちの１つであり、第１の大きさの複数の開口部を有し、
    前記導流器の前記開口部のうちの１つが、前記複数の層のうちの１つの前記第１の大きさの開口部と並んで配置され、
    前記複数の層のうちの１つの前記第１の大きさの別の開口部が、前記導流器のいかなる開口部とも並んで配置されない、
    請求項１４に記載の冷却構造体。
16. さらに、第１のマニホールド流路を有する第１のマニホールドと、第２のマニホールド流路を有する第２のマニホールドと、を備え、
    前記複数の層がそれぞれ複数の開口部を有し、
    前記複数の層の前記複数の開口部が、
    前記第１のマニホールド流路及び前記第２のマニホールド流路と流体連通している、実質的に方位角をなす複数の流路、並びに、
    前記第１のマニホールド流路及び前記第２のマニホールド流路と流体連通している、実質的に軸線方向の複数の流路、又は、
    前記第１のマニホールド流路及び前記第２のマニホールド流路と流体連通している、実質的に半径方向の複数の流路
    を形成し、
    前記実質的に方位角をなす複数の流路がそれぞれ、
    実質的に軸線方向の１対の流路、又は、
    実質的に半径方向の１対の流路
    と接続し、
    前記第１のマニホールド流路及び前記第２のマニホールド流路と接続する少なくとも１つの流路には、前記実質的に方位角をなす複数の流路が少なくとも１つ含まれる、請求項１に記載の冷却構造体。
17. 前記冷却構造体が、電気機械の座巻を冷却するように構成され、前記座巻が外側円筒面と内側円筒面とを有し、
    前記冷却構造体が、
    前記座巻の前記外側円筒面と熱接触している内側円筒面を有した外側冷却器と、
    前記座巻の前記内側円筒面と熱接触している外側円筒面を有した内側冷却器と、
    を備える、
    請求項１に記載の冷却構造体。
18. 前記外側冷却器が複数の流路を有し、前記内側冷却器が複数の流路を有し、
    前記冷却構造体が、さらに、第１のマニホールド流路を有する外側マニホールドと、第２のマニホールド流路を有する内側マニホールドと、を備え、
    前記第１のマニホールド流路が前記外側冷却器の流路と流体連通し、
    前記第２のマニホールド流路が前記内側冷却器の流路と流体連通している、請求項１７に記載の冷却構造体。
19. 前記第１の層の前記開口部が、前記第１の層の穴である、請求項１に記載の冷却構造体。
20. 前記複数の層の第３の層が、第２の流路の一部を形成する第３の開口部を有し、
    前記第１の層と前記第３の層との間の空間が、前記第１の流路及び前記第２の流路と接続する第３の流路を形成し、前記第３の流路が、前記第１の層及び前記第３の層と実質的に平行である、
    請求項１に記載の冷却構造体。

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