JP6498669B2 - 電動機用の固定子および回転子 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、電動機または発電機に適した固定子および回転子に関する。より具体的には、本発明は、固定子および回転子の冷却に関する。

発明の背景
ブラシレス直流電動機などのような電動機に使用された回転子は、回転子の内部に保持された永久磁石を含む。回転磁界によってトルクが印加される。この回転磁界は、外側の固定子に取り付けられた固定コイルに電流、通常は別々の３相電流を印加することによって、生成される。固定子に供給される電流を電気的に転流するために必要とされた制御および電力エレクトロニクスの進歩によって、この種の電動機は、ますます普及している。このような装置は、多くの場合に電動機と呼ばれているが、電動機、発電機、または電動機／発電機として同様に使用されてもよい。

熱は、電動機の多くの機構から、主にコイル内の抵抗損失によってならびに磁場および電磁場用の高透磁率経路を提供するために使用された金属において（磁場の変動によって生じた電気渦電流による）誘導損失によって生成される。直流ブラシレス電動機などの電動機の定格電力および効率は、冷却の配慮ならびに過熱および溶融することなく電流を伝送するコイルの能力によって大きく制限される。

いくつかの既存の液体により冷却される電動機構造において、熱は、固定子コイルから、固定子コイルの周囲に設けられた金属ハウジングまたはジャケットに伝達され、その後金属ハウジングまたはジャケットと接触する冷却流体に伝達される。

発明の概要
本発明は、電動機用の固定子を提供する。固定子は、複数の固定子コイルと、コイルを電動機の回転子の周囲に保持するための支持体と、使用時に、コイルを流通する冷却流体と固定子内に配置された回転子との間に障壁を形成するために、支持体の径方向内側に取り付けられた円筒形スリーブとを備える。

このような構成によって、異なる流体を用いて、固定子および回転子をそれぞれ冷却することができる。好ましくは、液体を用いて、固定子を冷却する。たとえば、空気を用いて、回転子を冷却することができる。冷却流体が固定子コイルを直接に流通することができるため、コイルと流体との間に固定子支持体またはケーシングのような別の構成要素を設けることなく、著しく高い速度で熱をコイルから発散することができる。コイルから熱をより効率的に発散する能力は、より高い電流密度の使用を可能にし、所定の出力を得るために電動機をより小型にすることができる。

好ましい実施形態において、固定子を組立てる間に、スリーブは、適所に締り嵌められる。より具体的には、スリーブは、支持体の径方向内向き表面に締り嵌められてもよい。

支持体は、固定子のコアを含むことができる。
支持体には、コイルの巻線が延在する複数の内向き開放側を有するチャネルが形成されてもよく、スリーブは、チャネルの内向き開放側を塞いでもよい。電動機の動作中に、冷却流体は、チャネルを介してコイル巻線の上面に供給されてもよい。

スリーブに追加の支持を提供するために、２つのスリーブ端部支持部材は、スリーブの両端と各々係合するように設けられてもよい。スリーブは、好ましくは、炭素繊維またはケブラー（登録商標）強化材料のような繊維強化材料から形成される。スリーブの隣接する同心層内の繊維は、互いに逆方向の螺旋状に巻かれてもよい。

また、本発明は、電動機用の固定子を提供する。固定子は、複数の固定子コイルと、電動機の軸を中心に回転可能な電動機の回転子の周囲に、コイルを保持するための支持体と、固定子の周囲に延在するハウジングとを備える。支持体とハウジングとの間には、冷却流体を収容するための流体径路が形成され、流体径路は、実質的に軸方向に沿って支持体の全長に亘って延在する複数のセクションを含む。

これによって、固定子を含む電動機をより小型化にすることができる。流体径路が実質的に軸方向に平行する支持体の上面を流通するため、電動機を一体に固定するために使用された軸方向に延在するロッドまたはボルトは、電動機軸から同様の距離で、流体径路の隣接するセクションの間に周方向に沿って配置されることができる。このような構造は、既知の電動機構造とは対照的である。既知の電動機の構造において、流体経路が螺旋状で支持体上に延在するため、支持ボルトを冷却径路の径方向外側に設ける必要があり、電動機の全体の直径を増加する。

支持体には、支持体を固定子を含む電動機のハウジングに連結するための軸方向に延在するロッドまたはボルトを収容する孔を形成することができる。これらの孔は、組み立てられた電動機において、ロッドを軸方向に延在する流体径路の隣接セクションの間に位置させる。

コイルは、各々の素線またはコイル巻線を被覆する熱伝導性被覆材料を含むことができる。このような被覆材料は、コイルを保護するとともに、コイルからの熱の発散を支援するように機能する。

コイルは、コイル内の隣接する巻線の周囲および隣接する巻線の間の液体の流れを支援するように成形されてもよい。たとえば、コイル内側の巻線は、より大きな程度で冷却液体に曝されるように、コイル外側の巻線よりも緩く巻かれることができる。内側の巻線は、（回転子の磁石により近いため）、外側の巻線よりも高温になる可能性がある。よって、前述した構成は、この温度差に対する補償を図る。

さらに、本発明は、電気電動機用の回転子を提供する。回転子は、ハブと、複数の回転子セグメントと、複数の永久磁石とを備える。回転子セグメントは、ハブの周囲に環状に配置され、永久磁石は、回転子セグメントの間に配置され、環状体ハブの周囲に配置され、各磁石の径方向外向き露出面は、回転子セグメントにより形成された外側筒状面から径方向内側に離間されている。

いくつかの既知の回転子構造において、回転子セグメントと永久磁石とは、スリーブによってハブ上に保持される。しかしながら、このような構成は、回転子から発散された熱の伝導を妨げる。本発明の構成において、回転子は、各磁石の径方向外向き面が周囲の空気などの冷却流体と直接接触できるように露出される。また、各磁石の露出面は、回転子セグメントによって形成された外周から径方向内側に離間されている。これによって、露出面の近傍の冷却流体の循環が良くなり、磁石からの熱の吸収を増強する。

好ましい実施形態において、回転子のハブは、回転子セグメントに面する輪郭付き表面を有する径方向に延在するフランジを含む。表面は、フランジが回転子とともに回転するときにフランジ近傍の冷却流体を径方向外側に汲み出すように、輪郭付けられる。

このようにして、冷却流体は、回転子の中心から汲み出され、輪郭付きフランジによって径方向外側に圧送されることができる。その後、流体は、回転子の全長に沿って磁石のセットバック表面を流通することができる。

輪郭付き表面には、径方向に延在する複数の溝が形成されることができる。これらの溝は、径方向に沿って直線であってもよく曲線であってもよい。これらの溝は、フランジの平面におよび／またはフランジに垂直な平面に湾曲してもよい。

回転子セグメントの外向き表面には、軸方向に延在する溝を形成してもよい。これによって、冷却流体による磁石からの熱の吸収を支援する。各溝は、各回転子セグメントの外向き表面の（周方向の）ほぼ中央に配置されてもよい。

添付の概略図面を参照しながら、例示として、本発明の実施形態を説明する。

本発明を実現する電動機を示す側断面図である。 本発明を実現する電動機の固定子の上方の冷却流体の流れを示す側断面図である。 本発明を実現する固定子を示す横断面図およびその一部の拡大図である。 本発明を実現する固定子に使用された包み型の固定子コイルを示す斜視図である。 本発明を実現する固定子のスリーブを示す斜視図である。 本発明を実現する固定子を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る固定子の上面に冷却流体を循環させる系統を示す図である。 本発明の一実施形態に係る固定子の上面に冷却流体を循環させる系統を示す図である。 本発明の一実施形態に係る固定子の上面に冷却流体を循環させる系統を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電動機の固定子および回転子を示す横断面図およびその一部の拡大図である。 本発明を実現する別の回転子の構成を示す横断面図である。 本発明を実現する電動機の回転子周囲の冷却空気の流れを示す側断面図である。 別の電動機の回転子周囲の空気の流れを示す断面側面図である。 回転子端部フランジの実施形態を示す図である。 回転子端部フランジの実施形態を示す図である。 回転子端部フランジの実施形態を示す図である。

発明の詳細な説明
以下の説明には、いくつかの寸法が記載されている。理解すべきことは、これらの寸法は、単に関連する特徴の相対サイズおよび相対比例を例示するために与えられたものであり、異なる条件に合わせて変更するおよび／またはスケーリングすることができることである。

図１は、本発明の実施形態に係る固定子構造を含む電動機の縦断面図を示している。固定子２および回転子４は、電動機８の電動機ケーシング６内に配置されている。回転子は、中心軸１０の周りに回転する。

固定子コイル１２は、軸方向に細長いものであり、積層した固定子コアの周方向に各々離間した固定子セグメント１４の周囲に延在している。これらの固定子セグメントは、シリコン、またはコバルト鋼、または積層電動機に適した他の材料から形成されることができる。

複数の軸方向に延在するボルト１３は、端板の間に電動機組立体を一体に固定する。また、これらのボルトは、固定子セグメント１４からの反力トルクを電動機ケーシング６に伝達し、すべての固定子セグメントの回転可能な整列を維持する。

以下にさらに詳細に説明するように、スリーブ１６は、固定子の内周面に締り嵌め（interference fit）られている。

図２は、入口２０を介して電動機８に冷却液体の供給を模式的に示す図である。液体は、コイル１２と直接接触している固定子２の内部を通って、軸方向に沿って（単一の経路または複数の経路で）電動機の一端から他端に流通する。その後、液体が回流し、固定子の外表面を流通して、出口２２を介して電動機から流出する。液体は、単一の経路または複数の径路で一端から他端へ外表面を流通することができる。

図３は、本発明の実施形態に係る固定子を示す横断面図および固定子の一部の拡大図である。固定子は、支持体３０を含む。コイル１２は、支持体３０の上面と嵌合するように取付けられている。この支持体は、複数の平面状固定子環状体（３１、図１参照）を含んでもよく、固定子セグメント１４からなる環状体は、軸方向に沿ってこれらの平面状固定子環状体の間に設置されてもよい。スリーブ１６は、支持体内に締り嵌められ（interference fit）または摩擦嵌められ（friction fit）、固定子セグメントまたは固定子セグメントおよび固定子環状体の両方と係合する。

図３の拡大図から見られるように、コイルは、成形可能な熱伝導性材料に包まれている。カバーをコイル内に挿通することによって、図４に示された構成を有する「鉢詰めコイル」３８を形成する。これらのコイルは、軸方向に延在する薄い保持具３４によって所定の位置に保持される。各保持具の内向き面は、隣接する固定子コアの積層体により形成されたレッジ３６と係合している。これらの保持具は、コイルがスリーブ１６に任意の大きな負荷を与えることを防ぐように機能する。

保持具は、ガラス繊維系複合材料などの非導電性非磁性材料から形成されてもよい。
冷却流体を収容するための軸方向に延在するチャネル３３が、支持体３０と電動機ハウジング３５との間に形成されている。

図５は、スリーブ１６の斜視図を示している。スリーブは、円筒状の形状を有する。磁束の所謂空気間隔損失を最小限に抑え、したがって回転子と固定子との間のトルクカップリングを減少するために、好ましくは、スリーブは、径方向に沿って実施可能な限りに薄く形成される。図示の実施形態において、スリーブの厚さは、先進の複合材料を使用することによって最小化される。好ましくは、高曲げ剛性率を有する繊維強化エポキシ樹脂を用いる。スリーブは、ガラス繊維、ケブラー（登録商標）繊維または炭素繊維もしくは異なる繊維材料の組合せを含むことができる。炭素繊維は、高弾性率を有するため、好まれる。

スリーブは、複数の同心層を含み、隣接する層内の繊維は、好ましくは反対方向に螺旋状に巻かれる。たとえば、図５に示すように、１つの層において、軸方向に対して約２０度の角度で繊維を巻き回し、隣接する層において、軸に対して約２０度の角度で繊維を反対方向に巻き回してもよい。

図６の分解図からは、スリーブ１６が固定子支持体または固定子コア３０によって収容されることが分かる。また、端部支持部材４０および４２は、スリーブの両端とそれぞれ係合している。スリーブ１６を固定子支持３０内に確実に締り嵌めることによって、変位しないように内側締りに制限されたため、部品の強度を向上させる。代替的には、スリーブを固定子支持体に接着してもよい。

好ましくは、スリーブは、フィラメント巻き複合材から形成される。たとえば、スリーブは、約０．２〜０．４ｍｍの厚さを有し、スリーブ内の繊維は、軸方向に対して約２０〜４５度で正方向および負方向にそれぞれ螺旋状に巻き回されてもよい。比較的小さな巻き角度で形成された螺旋状構成は、好適である。その理由は、使用時に予想される主な負荷が径方向積層によってより良く分担されるが、螺旋状構成は、設置時に加えられる負荷および製造欠陥による負荷などに対応できるより堅牢な構造を提供するからである。

このようなスリーブによって、回転子に空気冷却を与えるとともに、固定子に液体冷却を与えることができる。気体の代わりに液体を用いて固定子を冷却することは、固定子から熱を吸収する速度を増加することができる一方、液体の代わりに気体を用いて回転子を冷却することは、冷却液体によって回転子に加えられた抗力を減少することができる。

好ましい構成において、冷却流体用の流体径路が、固定子の支持体と電動機のハウジングとの間に形成される。流体径路は、支持体の全長に亘って軸方向に延在する複数のセクションまたはチャネル３３（図３参照）を含む。

図７〜９は、例示として、上述した軸方向セクションを含み、固定子の内面および外面に冷却液体を導く系統を示している。この例において、冷却流体用のポンプ４０は、回転子によって直接駆動されるように、電動機と一体化される。代替的には、外部ポンプを用いて、冷却流体を搬送してもよい。

流通系統の全体は、図７に示されている。冷却剤は、入口２０から流れ込み、ポンプ４０を流通した後、コイル巻線および固定子支持体の内面に沿って流れる（４２）。その後、冷却流体は、固定子支持体の全長に亘って複数回に流通してから、出口２２を介して電動機から流出する。固定子の内面の流れは、図８により詳細に示されている。固定子の一端の冷却流体の分流（４４）は、コイルの各々を流通（４６）した後、固定子の他端で合流する（４８）。図９に示すように、合流した流れ（４８）は、固定子の外面と固定子を取り囲む電動機ケーシングとの間の１つ以上の経路に循環される。

冷却剤のポンプ４０は、直結により駆動されてもよく、電気により駆動されてもよい。ポンプ４０は、回転子ハブの内側に配置されてもよい。ポンプ４０は、たとえば遠心ポンプであってもよい。

図１０は、電動機の固定子支持体３０および回転子４の横断面を概略に示している。
高透磁率を有する材料（たとえば、シリコンまたはコバルト鋼など）から形成され、別々に積層された回転子セグメント５０は、回転子のハブの周囲に環状に配置される。各回転子セグメントの径方向最外側の部分は、突起またはリップ５２を形成する。突起またはリップ５２は、回転子セグメントの各側面５４を越えて周方向に沿って（約１ｍｍに）延在する。永久磁石５６は、各対の隣接する回転子セグメントの間に配置されている。これらの磁石は、一般的に「希土類」型であり、たとえば幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍおよび軸方向に沿って厚さ２５ｍｍの寸法を有してもよい。各磁石の外向き露出側面５８は、隣接する回転子セグメントのリップ５６の内向き表面と係合している。これらのリップは、各磁石の側面５８を横切って周方向に沿って部分的に延在する。このようにして、磁石は、回転子の外径から離れた位置に保持される。

回転子セグメントに形成されたリップによって磁石を保持することにより、スリーブを用いて回転子を包むことを回避することができる。これによって、回転子と周囲の固定子との間の空気間隔の幅を小さくすることができる。また、スリーブは、回転子からの熱の発散を阻害する傾向がある。リップ５２は、磁石を横切って部分的に延在するため、冷却空気と磁石表面との間の直接接触を促進する。これらの磁石が回転子セグメント５０の外側の円筒形状から離れて設置されているため、溝６０が各磁石の露出側面５８に隣接して形成され、磁石近くの空気流および空気乱流を促進するとともに、冷却作用を援助する。

図１１は、類似する回転子の実施形態を示している。この実施形態において、回転子ハブ７３の周囲に配置された回転子セグメント７２の外向き表面に溝７０をさらに形成する。これらの溝は、浅いＵ字型の断面形状を有する。これらの溝は、各回転子セグメントの外面に沿って軸方向に延在する。各回転子セグメントの外面の周方向の中央領域を通る磁束量が比較的少ないため、これらの溝は、好ましくはこの領域に設けられる。これによって、回転子と固定子との間の磁束結合が溝の形成により損われる程度を最小化する。溝は、たとえば約２〜５ｍｍの幅および約２〜５ｍｍの深さを有してもよい。これらの溝は、回転子セグメントからの熱を発散するために利用できる表面積を増加できることが分かる。

図１から視認できる（たとえば高張力鋼から形成され、約６ｍｍの直径および約７０ｍｍの長さを有する）保持ボルト７６をそれぞれ収容するために、各回転子セグメントには貫通孔７４が形成される。

図１２は、回転子の周囲の冷却空気の流れを概略的に示している。進入して来る空気は、回転子ハブ７３の内面に導かれる。回転子の他端では、空気は、回転子ハブとともに回転する端部フランジ８０の上面を流通する。その後、空気は、電動機の外に導かれる前に、回転子の外周面に回流する。空気は、回転子の外表面を流通する際に、一部の空気が回転子の外面に形成された溝６０を流通する。図１３に示すように、空気の循環を補助するためのファン８２は、回転子ハブ内に設置され、回転子によって直接に駆動されてもよい。代替的にまたは追加的には、電動機に連結した外部ファンを用いて、回転子の上面に冷却空気を循環させることができる。外部ファンは、たとえば電気により駆動されてもよい。

図１４〜１６は、２つの実施形態における端部フランジの構成を示している。図１４および図１５の実施形態において、端部フランジ８０は、回転子セグメントに面する表面に形成された複数の径方向に延在する溝９０を有する。これらの溝は、空気の径方向外側への流れ（９２）を促進し、回転子の中心から外表面に向かって空気を汲み出す。

図１６に示された端部フランジの実施形態において、フランジ１００は、その表面に形成された径方向に延在する溝１０２を有する。これらの溝のすべては、フランジの外周に近づくことに連れて、フランジの平面内で同一の周方向に沿って湾曲される。これによって、回転子上の空気の流れがさらに向上させられ、フランジが回転するときにフランジの外縁部における空気の方向をより緩やかに変更することができる。

Claims (15)

1. 電動機用の固定子であって、
   前記固定子は、
   複数の固定子コイルと、
   前記コイルを前記電動機の回転子の周囲に保持するための支持体と、
   使用時に、前記コイルを流通する冷却流体と前記固定子内に配置された回転子との間に障壁を形成するために、前記支持体の径方向内側に取り付けられた円筒形スリーブとを備え、
   前記コイル上方の流体の循環を援助するために、前記コイルの内側巻線は、前記コイルの外側巻線よりも緩く巻かれている、固定子。
2. 前記スリーブは、繊維強化材料から形成される、請求項１に記載の固定子。
3. 前記スリーブは、炭素繊維強化材料から形成される、請求項２に記載の固定子。
4. 前記材料は、少なくとも２つの隣接する層に逆の螺旋状に巻かれた繊維を含む、請求項２または３に記載の固定子。
5. 前記固定子は、前記スリーブの両端の内部にそれぞれ収容された２つのスリーブ端部支持部材を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の固定子。
6. 前記スリーブは、前記固定子内に締り嵌められている、請求項１から５のいずれか１項に記載の固定子。
7. 前記スリーブは、前記支持体の径方向内向き表面に締り嵌められている、請求項６に記載の固定子。
8. 前記支持体には、前記コイルの巻線が延在する複数の内向き開放側を有するチャネルが形成され、
   前記スリーブは、前記チャネルの前記内向き開放側を塞ぐ、請求項１から７のいずれか１項に記載の固定子。
9. 前記コイルは、熱伝導性被覆材料を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の固定子。
10. 前記固定子は、前記固定子の周囲に延在するハウジングを含み、
    前記支持体と前記ハウジングとの間には、冷却流体を収容するための流体径路が形成され、
    前記流体径路は、実質的に軸方向に沿って前記支持体の全長に亘って延在する複数のセクションを含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の固定子。
11. 前記支持体は、前記支持体を前記固定子を含む電動機のハウジングに連結するための軸方向に延在するロッドを収容するための孔を備え、
    前記孔は、組み立てられた電動機において、前記ロッドを軸方向に延在する前記流体径路の隣接セクションの間に位置させる、請求項１０に記載の固定子。
12. 前記冷却流体は、液体である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の固定子。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の固定子を含む電動機。
14. 前記電動機は、回転子を含み、
    前記コイルの上面に前記流体を圧送するためのポンプが、前記回転子の内部に配置される、請求項１３に記載の電動機。
15. 前記ポンプは、前記回転子の回転によって駆動される、請求項１４に記載の電動機。

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