JP6570734B2 - 電気機械用の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、電気機械、特に電動モータ、例えば非同期モータまたは同期モータ用の冷却システムに関する。

このような電気機械は、多様な駆動目的に必要とされると共に、その作動中の渦電流損失または銅損等の電気的な損失に基づき、損失熱を生じる。電気機械の場合、出力が制限される要因は、生じた損失熱の導出クオリティにある。特に電気機械内で熱負荷される部分が冷却媒体によって直接には冷却されない構成の場合には、投入された活動量の利用が、場合により最適ではなくなっている。電気機械内の熱の導出が問題になり得る特別なゾーンは、特に電気機械のステータ巻線ヘッドとロータである。

電気機械をガス状または液状の媒体によって冷却することは知られている。典型的には、ガス状の媒体としては空気が、液状の媒体としては水が用いられ、液体冷却の場合には、電気機械は大抵、冷却ジャケットを介して冷却される。電気機械はさらに、自己冷却式または外部冷却式であってもよい。

本発明の課題は、電気機械、特に電気機械の巻線ヘッドの冷却の改善を可能にする、冒頭で述べた形式の冷却システムを提供することにある。

この課題は、各独立特許請求項の記載に基づき解決される。有利な実施形態は、各従属請求項、以下の説明ならびに図面に記載されている。

請求項１記載の、本発明による電気機械用冷却システムは、少なくとも１つの軸受シールドと、少なくとも１つの冷却剤分配板とを有している。軸受シールドと冷却剤分配板とは、共に１つの冷却通路を形成するように設けられている。このために冷却通路は、それぞれ異なって延在する複数の冷却通路部分、つまり、電気機械の回転軸線に対して平行に延在する複数の水平方向冷却通路部分と、電気機械の回転軸線に対して垂直に延在する複数の垂直方向冷却通路部分と、電気機械の回転軸線の周りに延在する複数の半径方向冷却通路部分と、を有している。３つの異なる冷却通路部分は、冷却通路が少なくとも部分的に三次元的な蛇行状の延在部を有するように互いに接続している。

三次元的な蛇行状の延在部は、例えば以下の順序のそれぞれ異なる各冷却通路部分によって実現することができる。すなわち、第１の半径方向冷却部分は、例えば半径方向に見て、電気機械のロータの領域内で、回転軸線の周りに所定の距離だけ延び、半径方向外側に向かって例えばステータの巻線ヘッドの領域にまで延びる第１の垂直方向部分に移行し、第１の垂直方向部分は、例えば巻線ヘッドの軸方向に延びる第１の水平方向冷却部分に移行する。この水平方向部分は、第１の半径方向冷却部分に対して半径方向と軸方向とにずれて回転軸線の周りに所定の距離だけ延びる第２の半径方向冷却部分に移行し、第２の半径方向冷却部分は、第１の軸方向冷却部分に対して平行にかつ逆方向に延びる第２の軸方向冷却部分に移行する。第２の軸方向冷却部分は、第１の垂直方向冷却部分に対して平行にかつ逆方向に延びる第２の垂直方向冷却部分に移行する。これにより、三次元的な蛇行パターンの１つの区間または１つのループが形成されることになり、三次元的な蛇行パターンは、このような区間またはループを複数つなぎ合わせることによって形成することができる。このような蛇行パターンは、好適には全周にわたり、またはほぼ全周にわたり延びている、すなわち、冷却剤分配板と軸受シールドの組立状態では、複数の水平方向冷却通路部分、複数の垂直方向冷却通路部分および複数の半径方向冷却通路部分によって形成される、三次元的に半径方向を包囲する蛇行状の冷却通路が存在することになる。この冷却通路により、冷却媒体、例えばオイル、水またはグリコールを案内することができる。ただし、別の冷却フルードまたは冷却液の使用も想定される。

冷却通路の蛇行状の延在部に基づき、回転軸線に対して平行に、かつ回転軸線の周り、特に巻線ヘッドの周方向に作用する、ステータ巻線ヘッドの領域での冷却を生じさせることが可能である。本発明による冷却システムは特に、ステータ巻線ヘッドの領域にホットスポットとして生じる損失熱を、特に効率的に導出することを可能にする。つまり、臨界加熱点としてのホットスポットを、いわばその発生現場で冷却することができる。本発明による冷却システムが、ステータ巻線ヘッドおよびロータの領域からの的確な熱導出を可能にすることで、構成体積は変えずに、冷却されるべき機械の出力を上げることができる。

冷却通路は、軸受シールドと冷却剤分配板とを組み立てることによって形成可能なので、電気機械の組立て手間および製造手間を減らすことができる。冷却通路は、１つの作業工程、例えば金型鋳造で製造される必要はないため、特に大量生産に関して比較的廉価な製造方法、例えばダイカストおよび押出し成形を、例えば穿孔加工またはフライス切削加工等の後加工無しで使用することができる。さらに、冷却通路は、軸受シールドおよび冷却剤分配板の特に簡単な構造に基づくものであるが、それでもなお、巻線ヘッドまたは電気機械の最適な冷却を保証するので、より大きな電力出力を達成することができる。

１つの実施形態では、複数の垂直方向ウェブと複数の軸方向ウェブとが冷却通路内に突入していることが想定されている。この場合、垂直方向ウェブと軸方向ウェブとは、電気機械の回転軸線の周りに互いに間隔をあけて交互に配置されており、冷却通路内の冷却媒体を案内するように設けられている。換言すると、各ウェブは、冷却通路を通って流れる冷却媒体が、軸方向または垂直方向に変向されるように、冷却通路内に突入している。例えば、電気機械の組立状態において相応の通路案内と変向とを生じさせるために、軸受シールドが軸方向ウェブを有していると共に冷却剤分配板が軸方向ウェブを有していてもよいし、その逆であってもよい。

このようにして、例えば冷却通路内の冷却剤分配板の軸方向ウェブと、軸受シールドの垂直方向ウェブとにより、蛇行状の三次元的な冷却通路を形成することができる。軸方向ウェブと垂直方向ウェブとが、それぞれ冷却通路内に半径方向において交互に配置され、かつ半径方向に互いにずらされて配置されていることにより形成される通路では、冷却媒体は、冷却通路の第１の端部に設けられた流入接続部から、冷却通路の第１の端部とは反対の側に位置する第２の端部に設けられた流出接続部へと実質的に半径方向に流れ、各ウェブの端部においてその移動方向が約１８０°だけ変向される。

さらに、冷却剤分配板の軸方向ウェブは、軸受シールドの対応する窪みに係合することができ、その逆もあり得る。

さらに、冷却通路内には少なくとも１つの横方向リブが配置されていてよい。横方向リブは、冷却通路内の流れ横断面を狭める。これにより、冷却通路内の冷却媒体は横方向リブの領域でより速く流れることができると共に、より集中的に混じり合うことが可能になり、これは、プラントルの境界層の厚さ減少が可能になることに基づき、熱伝達を妨げる境界層にポジティブな影響を及ぼすことができる。さらに、横方向リブは、有利には潜在的な熱伝達交換面積を拡大する。

対流による熱伝達は、一般に流体の高温分子が表面に接近することにより行われる。このプロセスでは、熱交換を行うことができるようにするために、常に新しい分子が追従する必要がある。流体の移動が活発である程、対流による熱伝達量も、より多くなる。よって、対流により熱伝達を最適化する１つの目的は、層流を継続的な乱流に移行させることにある。あらゆる流れにおいて、流体粒子は壁に付着し続ける。これらの流体粒子に沿って別の粒子が移動するので、この流れ方向に対して横方向に粒子が熱を壁に供給することはない。この場合は純粋な層流である。熱伝達は、熱伝導によってのみ行われる。冷却通路内に複数のつまみまたは横方向リブを配置すると、気体粒子も動かずに壁に付着し続けるが、渦形成に応じて粒子も流れ方向に対して横方向に移動し、粒子が薄い境界層にもたらされて熱交換が生じることになる。この場合の流れは乱流であり、熱伝達量は、乱流度の上昇と共に増大する。

さらに、冷却通路内には少なくとも１つの長手方向リブが配置されていてよい。さらに、冷却通路は少なくとも部分的に粗面化された表面を有していてよい。これら２つの実施形態は、有利には潜在的な熱伝達交換面積の拡大を可能にする。

さらに、冷却剤分配板にはインバータケーシングが当て付けられていることが想定されている。冷却通路の各冷却通路部分内で冷却媒体を適宜に連通させることにより、軸受シールドおよびインバータケーシングの均一で効率的な冷却が達成される。冷却通路は、本発明に基づき三次元的に案内されているので、巻線ヘッドを取り囲むように、かつ軸受シールドと、ラジアルボール軸受および制御電子機器ならびに出力電子機器を備えるインバータケーシングとの間のインタフェースを大面積で冷却することができる。

１つの別の実施形態では、２つの軸受シールドと、２つの冷却剤分配板と、１つの冷却剤引渡し装置とが設けられており、各軸受シールドと各冷却剤分配板とはそれぞれ、電気機械の互いに反対の側に位置する軸方向側、つまり、電気機械の駆動側と出力側とに配置されており、冷却剤引渡し装置は、各冷却剤分配板間の冷却剤用の接続導管を形成している。電気機械の一方の側で軸受シールドと冷却剤分配板とインバータケーシングとが組み立てられ、かつ他方の側で軸受シールドと冷却材分配板とが組み立てられていると、三次元的に蛇行しかつそれぞれステータ巻線ヘッドを取り囲むように案内され得る、それぞれ１つの上述した冷却通路が形成されることになる。この冷却通路は三次元的に案内されているため、ステータ巻線ヘッドを取り囲むように、かつ軸受シールドとインバータケーシングとの間のインタフェースを面状に冷却することができる。

本発明による電気機械は、軸方向に突出した複数の巻線ヘッドを備えたコイル巻線が取り付けられているステータ積層鉄心を備えたステータと、ロータ軸に着座しているロータ積層鉄心を備えたロータと、本発明による上述した冷却システムとを有している。

本発明による電気機械の１つの実施形態では、複数の巻線ヘッドのうちの少なくとも１つが、コンタクト素子により包囲されていることが想定されている。コンタクト素子は、例えばギャップフィラーであってよい。この実施形態は、巻線ヘッドからの熱を、ヒートシンク、例えば能動的に冷却される軸受シールドへ導出することを可能にする。この場合、コンタクト素子、例えばギャップフィラーは、冷却システムに対するステータ巻線ヘッドの熱的な結合を引き受けることができる。軸受シールドの取付け後には、巻線ヘッドの半径方向外面と軸方向外面とはそれぞれ、軸受シールドの窪みにおいて、特に気泡の侵入無しで、遊び無く相接して位置することができる。これにより、有利には巻線ヘッドと、能動的に水冷される軸受シールドとの間の、特に良好な熱伝導性の移行部が可能になるので、巻線ヘッドにおける局所的なホットスポットの発生を大幅に減少させることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施例をより詳しく説明する。

本発明による冷却回路の１つの実施例を備えた電気機械の概略的な部分縦断面図である。 本発明による冷却システムの別の実施例を備えた別の電気機械の分解斜視図である。 図２に示した電気機械の構成部材を示す、代替的な分解斜視図である。 冷却通路が明確に示された、図３に示した構成部材の拡大斜視図である。 図２に示した電気機械の冷却剤分配板の斜視図である。 図２に示した電気機械の軸受シールドの側面図である。

図１には、ステータ積層鉄心３を備えるステータ２を有する電気機械１の上側部分が示されている。ステータ積層鉄心３には、軸方向に突出した複数の巻線ヘッド４を備えるコイル巻線が取り付けられている。さらに、ステータ２はロータ５を有しており、ロータ５は、ロータ軸６に着座しているロータ積層鉄心７を備えている。ロータ軸６は、図１の右側に示す電気機械１の駆動側で第１のロータ軸受８に支持されていると共に、図１の左側に示す電気機械１の出力側で第２のロータ軸受９に支持されている。第１のロータ軸受８は、第１の軸受シールド１０に不動に収容されており、第２のロータ軸受９は、第２の軸受シールド１１に不動に収容されている。第１の軸受シールド１０は、第１の冷却剤分配板１２と固く結合されており、第２の軸受シールド１１は、第２の冷却剤分配板１３と固く結合されている。

第１の軸受シールド１０と第１の冷却剤分配板１２ならびに第２の軸受シールド１１と第２の冷却剤分配板１３とはそれぞれ、共に１つの冷却通路１４を形成している。冷却通路１４は、それぞれ電気機械１の回転軸線Ｄに対して平行に延びる複数の水平方向冷却通路部分１５，１６と、電気機械１の回転軸線Ｄに対して垂直に延びる複数の垂直方向冷却通路部分１７と、電気機械１の回転軸線Ｄの周りに延びる複数の半径方向冷却通路部分（図１には図示せず）とを有しており、３つの異なる冷却通路部分１５〜１７は、冷却通路１４が三次元的な蛇行状の延在部を有するように、互いに接続している。

図１では、冷却通路１４毎にそれぞれ、複数の第１の水平方向冷却通路部分１５のうちの１つが見られ、この第１の水平方向冷却通路部分１５は、半径方向に見て、ロータ積層鉄心７の外側領域および巻線ヘッド４の内側領域に延在しており、巻線ヘッド４に沿って軸方向に延在している。さらに、図１では、冷却通路毎にそれぞれ、複数の第２の水平方向冷却通路部分１６のうちの１つが見られ、この第２の水平方向冷却通路部分１６は、半径方向に見て、第１の水平方向冷却通路部分１５よりもさらに外側に延在しており、巻線ヘッド４の外周面に沿って軸方向に延在している。第１および第２の冷却通路部分１５，１６は、軸方向において巻線ヘッド４に対して平行に、第１の軸受シールド１０に沿って延在しており、これにより第１の軸受シールドを介して間接的に、冷却通路内を流れる冷却媒体、例えば水、オイルまたはグリコールにより、巻線ヘッドの半径方向内側の領域と半径方向外側の領域の、軸方向における大部分を冷却できるようになっている。

さらに図１では、冷却通路１４毎にそれぞれ、複数の垂直方向冷却通路部分１７のうちの１つが見られ、この垂直方向冷却通路部分１７は、第１の水平方向冷却通路部分１５を第２の水平方向冷却通路部分１６につないでいる。第１の冷却剤分配板１２の軸方向に見て側方には、インバータ（図示せず）が収容されたインバータケーシング１８が配置されている。垂直方向冷却通路部分１７は、巻線ヘッドを半径方向で冷却すると共に、冷却剤分配板１２を介して間接的にインバータケーシング１８をも冷却することができるように延在している。巻線ヘッド４の周方向に配置された別の複数の冷却通路部分（図示せず）は、それぞれ互いに移行し合い、巻線ヘッド４の全周の大部分に沿って冷却通路１４の三次元的な蛇行状の形態を形成している。さらに、第１の冷却剤分配板１２と第２の冷却剤分配板１３との間には、冷却剤引渡し装置Ｋが配置されており、冷却剤分配板１２，１３の間の冷却剤用の接続導管を形成している。

図２〜図６には、図２の右側から左側に向かって示したインバータケーシング１８と、冷却剤分配板１２と、第１の軸受シールド１０と、ステータ２の巻線ヘッド４と、ステータ積層鉄心３と、第２の軸受シールド１１と、を備えた別の電気機械１が示されている。電気機械の組立状態で第１の軸受シールド１０と冷却剤分配板１２とによって形成された冷却通路には、複数の垂直方向ウェブ１９と複数の軸方向ウェブ２０とが突入している。垂直方向ウェブ１９と軸方向ウェブ２０とは、電気機械１の回転軸線Ｄの周りに互いに間隔をあけて交互に配置されており、かつ冷却通路内の冷却媒体を案内するように設けられている。

軸方向ウェブ２０は冷却剤分配板１２によって、および垂直方向ウェブ１９は第１の軸受シールド１０によって形成されており、蛇行状の三次元的な冷却通路の形成に寄与する。軸方向ウェブ２０と垂直方向ウェブ１９とは、それぞれ冷却通路内に半径方向において交互に配置されていると共に、半径方向において互いにずらされて配置されているため、冷却媒体が、冷却通路の第１の端部に設けられた流入接続部２１から、冷却通路の第１の端部とは反対の側に位置する第２の端部に設けられた流出接続部２２へと実質的に半径方向に流れ、かつウェブ１９，２０の端部においてその移動方向を約１８０°だけ変向される冷却通路が生じることになる。さらに、冷却剤分配板１２の軸方向ウェブ２０はそれぞれ、第１の軸受シールド１０の対応する窪み２３に係合することができるようになっている。

図４には、組立状態で第１の軸受シールド１０と冷却剤分配板１２とによって形成される、三次元的に蛇行して延びる冷却通路１４の延在部が破線矢印線で示されている。冷却通路１４は、異なる各冷却通路部分の以下で述べる反復順序を有している。

第１の半径方向冷却部分２４は、半径方向に見て、電気機械１のロータ（図２〜図６には図示せず）の領域内で、電気機械の回転軸線Ｄの周りに所定の距離だけ延び、半径方向外側に向かってステータ２の巻線ヘッド４の領域にまで延びる第１の垂直方向冷却通路部分２５に移行し、第１の垂直方向冷却通路部分２５は、例えば巻線ヘッド４の軸方向に延びる第１の水平方向冷却部分２６に移行する。この水平方向部分２６は、第１の半径方向冷却部分２４に対して半径方向と軸方向とにずれて回転軸線Ｄの周りに所定の距離だけ延びる第２の半径方向冷却部分２７に移行し、第２の半径方向冷却部分２７は、第１の軸方向冷却部分２６に対して平行にかつ逆方向に延びる第２の軸方向冷却部分２８に移行する。第２の軸方向冷却部分２８は、第１の垂直方向冷却部分２５に対して平行にかつ逆方向に延びる第２の垂直方向冷却部分２９に移行する。これにより、三次元的な蛇行パターンの１つの区間または１つのループが形成されることになり、三次元的な蛇行パターンは、このような区間またはループを複数つなぎ合わせることによって形成することができる。蛇行パターンは、周方向において流入接続部２１と流出接続部２２との間に延びている、すなわち、冷却剤分配板１２と第１の軸受シールド１０の組立状態では、水平方向冷却通路部分２６，２８、垂直方向冷却通路部分２５，２９、および半径方向冷却通路部分２４，２７によって形成される、三次元的に半径方向を包囲する蛇行状の冷却通路１４が存在していることになる。この冷却通路１４により、冷却媒体、例えばオイル、水またはグリコールを案内することができる。

Claims (9)

1. 電気機械（１）用の冷却システムであって、該冷却システムは、少なくとも１つの軸受シールド（１０，１１）と、少なくとも１つの冷却剤分配板（１２，１３）とを有しており、前記軸受シールド（１０，１１）と前記冷却剤分配板（１２，１３）とは、共に１つの冷却通路（１４）を形成するように設けられており、
   前記冷却通路（１４）は、
   前記電気機械（１）の回転軸線（Ｄ）に対して平行に延在する複数の水平方向冷却通路部分（１５，１６；２６，２８）と、
   前記電気機械（１）の前記回転軸線（Ｄ）に対して垂直に延在する複数の垂直方向冷却通路部分（１７；２５，２９）と、
   前記電気機械（１）の前記回転軸線（Ｄ）の周りに延在する複数の半径方向冷却通路部分（２４，２７）と、を有しており、
   ３つの異なる各前記冷却通路部分（１５，１６；２６，２８；１７；２５，２９；２４，２７）は、前記冷却通路（１４）が少なくとも部分的に三次元的な蛇行状の延在部を有するように互いに接続しており、
   前記複数の水平方向冷却通路部分（１５，１６；２６，２８）のうちの、第１の水平方向冷却通路部分（１５）は、半径方向に見て、前記電気機械（１）のロータ積層鉄心（７）の外側領域、かつ、前記電気機械（１）の巻線ヘッド（４）の内側領域に延在しており、前記巻線ヘッド（４）に沿って軸方向に延在しており、前記複数の水平方向冷却通路部分（１５，１６；２６，２８）のうちの第２の水平方向冷却通路部分（１６）は、半径方向に見て、前記第１の水平方向冷却通路部分（１５）よりもさらに外側に延在しており、前記巻線ヘッド（４）の外周面に沿って軸方向に延在している、冷却システム。
2. 前記冷却通路（１４）内には、複数の垂直方向ウェブ（１９）と複数の軸方向ウェブ（２０）とが突入しており、前記垂直方向ウェブ（１９）と前記軸方向ウェブ（２０）とは、前記電気機械（１）の前記回転軸線（Ｄ）の周りに互いに間隔をあけて交互に配置されており、かつ前記冷却通路（１４）内の冷却媒体を案内するように設けられている、請求項１記載の冷却システム。
3. 前記冷却通路（１４）内には、少なくとも１つの横方向リブが配置されている、請求項１または２記載の冷却システム。
4. 前記冷却通路（１４）内には、少なくとも１つの長手方向リブが配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の冷却システム。
5. 前記冷却通路（１４）は、少なくとも部分的に粗面化された表面を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の冷却システム。
6. 前記冷却剤分配板（１２）には、インバータケーシング（１８）が当て付けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の冷却システム。
7. ２つの軸受シールド（１０，１１）と、
   ２つの冷却剤分配板（１２，１３）と、
   １つの冷却剤引渡し装置（Ｋ）と、が設けられており、
   各前記軸受シールド（１０，１１）と各前記冷却剤分配板（１２，１３）とはそれぞれ、前記電気機械（１）の互いに反対の側に位置する軸方向側に配置されており、
   前記冷却剤引渡し装置（Ｋ）は、前記各冷却剤分配板（１２，１３）間の冷却剤用の接続導管を形成している、請求項１から６までのいずれか１項記載の冷却システム。
8. 電気機械（１）であって、
   軸方向に突出した複数の巻線ヘッド（４）を備えたコイル巻線が取り付けられているステータ積層鉄心（３）を備えたステータ（２）と、
   ロータ軸（６）に着座しているロータ積層鉄心（７）を備えたロータ（５）と、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の冷却システムと、
   を有する電気機械（１）。
9. 前記複数の巻線ヘッド（４）のうちの少なくとも１つが、コンタクト素子により包囲されている、請求項８記載の電気機械（１）。

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