JP6599985B2 - 流体冷却式の巻きストリップ構造 - Google Patents
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Description
この熱エネルギーは、その装置内の構成要素が過剰に高温にならないように、適切な効率で環境(例えば、空気)に伝達されるだろう。変換装置に関する平均熱発生率(熱出力)は、その装置の平均スルーパワー(average through−power)に概ね比例していることがある。
したがって、こうした装置の場合には、連続出力定格が、その装置内の熱拡散構成要素と外界環境との間の熱伝達の効率によって決定されるだろう。熱伝達が向上させられるのに応じて、連続定格が増大させられ、これによってその装置の有用性が増強させられるだろう。
したがって、熱伝達用途に関連した全般的な有用性を有し、且つ、特に電気機械と変圧器と他の磁気構成要素とに適用される、構造が必要とされている。
一実施形態では、変圧器油がその間隙の中を通って流れるように強制される、0.22mmの間隙によって隔てられている複数の金属ストリップを使用することによって、約2.5C/W−cm3の熱インピーダンス/体積積が、流動長1センチメートル当たりに35kPaの関連したヘッドロス(head loss)を伴って実現される。
したがって、冷却材の短い流動長と小さな間隙寸法とを維持することによって、非常に高い性能の冷却が実現されることが可能である。この着想は、積み重ね積層物又は巻きストリップのいずれかで構成されている磁気構成要素に適用されてもよい。
こうした用途では、熱伝達と電磁的機能との両方が、磁気材料自体によって同時に提供されるだろう。典型的な磁気的用途では、上述した間隙寸法に実質的に適合する0.2mmから0.3mmの範囲内の厚さ寸法を有する磁気材料が使用される。このことは、一方では、本明細書で示され且つ説明される構造を動機付ける。
ストリップ上のこれらの開口の寸法と配置が、ストリップが巻かれる時にこれらの開口が整合して、互いに交差する軸方向及び横断方向の(例えば、角柱状の)冷却材通路の網目構造を形成するように選択される。この示されている事例では、ストリップの各ターンが6つの開口を含む。1つのターンからの広幅の開口が、隣接するターンからの狭幅の開口に対向するように、広幅及び狭幅の開口がそれぞれに互い違いのターン上に存在している。
これに加えて、広幅の流体開口315は、隣接する軸方向通路139に連結する横断方向の通路257を形成する。例えば、ストリップが2n個のターンを有し、且つ、各ターンがm個の開口を有する場合には、合計でnm個のこうした軸方向通路139が形成される。流体は、幾つかの入口ポート280を有する流れ誘導装置1004として本明細書で言及されている構造を通って、通路139、257の網目構造の中に流れ込むだろうし、かつ、この流体は、幾つかの出口ポート282を有する別の流れ誘導装置1004の中を通って通路139、257の網目構造から流れ出るだろう。
各々の流れ誘導装置は(図1の実施形態の場合のように)巻きストリップの1つのターンであってもよく、又は、別個の構造であってもよい。流体は入口ポート280に供給されて、それぞれのマニホルド1006によって出口ポート282から受け入れられてもよい。入口ポート280の各々と、出口ポート282の各々は、軸方向通路139の1つと整合させられてもよく、かつ、軸方向通路139の個数よりも少ない、入口ポート280と出口ポート282が存在している。
特定の入口ポート280が特定の軸方向通路139と整合しており、且つ、出口ポートがその特定の軸方向通路139と整合していない場合には、入口ポート280の中を通って流れ込む流体は、1つ又は複数の横断方向通路257の中を通って、それぞれの出口ポート282に連結されている1つ又は複数の他の軸方向通路139に流れ、これらの出口ポート282を通ってその構造の外に出るだろう。横断方向通路は、小さい軸方向寸法(例えば、約0.2mmであってもよいストリップの厚さに概ね等しい軸方向寸法)を有し、かつ、横断方向通路257を通過する流体の対応する流れの結果として、流体とストリップとの間の効果的な熱伝達を生じさせるだろう。軸方向通路139は図示されているように厳密に軸方向である必要はなく、例えば螺旋状であってもよい。
1つのアプローチでは、上述したように、巻きストリップの最初と最後のターンが流れ誘導装置として作用してもよく、例えば、奇数番目の開口が最初のターンから削除され、且つ、偶数番目の開口が最後のターンから削除されてもよい。
第2のアプローチでは、選択された開口を有する輪(annulus)のような外側要素が、巻きストリップの面の各々に付加される。第3のアプローチでは、各々のマニホルドが、各面における適切な開口と連通する特定の流路を含む。
一実施形態では、これらの部分的な妨害物が、その構造の中を通る特定の流体流量に関するヘッドロスの大きな増大を回避するために十分なだけ小さい。
これとは逆のことが、360度の回転の後に生じ、即ち、巻きストリップに沿ってさらに遠くにある1つの完全なターンである移行部において生じるだろう。
例えば、磁石を含まない用途のような幾つかの用途の場合には、すべての開口が同一であり且つ分離がすべて等しい有用な設計が実現されてもよく、かつ、開口の幅は中央間隔に対するその開口の中心の半分よりも大きい。
巻きストリップ1002の端部は、環状流路の中に部分的に延びて、環状流路内の内部隆起に当接してもよい。他の実施形態では、各々の環状流路はストリップ1002よりも狭くてもよく、かつ、巻きストリップは、マニホルドの中に延びる代わりに、マニホルドに対して当接してもよい。図3A〜図3Cでは、隠線は示されておらず、かつ、巻きストップ1002の1つのターンだけが図3Bに示されている。
冷却開口は、「バックアイアン(back iron)」内に、即ち、例えば、歯を保持し且つその歯の中を通過する磁束線のための磁束戻り経路を形成するストリップの一部分内に、配置されてもよい。
このアプローチを使用することによって、ロータがステータと同心であり且つステータの内側に位置している、従来の又は「表を上にした(right−side out)」ラジアルギャップ型の電気機械のステータが、巻きストリップを形成するためにエッジ巻きされている図4のストリップのようなストリップから形成されてもよい。
ステータがロータの内側に位置している「裏返しの(inside−out)」ラジアルギャップ型の電気機械も形成されてもよい。
従来の巻き(winding)がどちらの場合にも使用されてよい。バックアイアンが相対的に厚いローポールカウント機械(low pole−count machine)の場合には、図4に示されているように、エッジ屈曲(edge−bending)を容易化するために、切れ目(cut)1012がバックアイアンの内径(I.D)部分に加えられてもよい。バックアイアンが比較的薄い場合には、ハイポールカウント機械(high pole−count machine)においてそうであるように、切れ目1012は必要ではないだろう。
この方法は、完成した構造の外側表面と、軸方向通路139と横断方向通路257とを形成する内側壁とに対して樹脂を塗布することを含む。圧力方法が、外側表面と内側壁との両方を封止するために使用されてもよい。
一実施形態では、通路から、および、または、巻きストリップの外に冷却材が漏出することを可能にすることが可能なターンの相互間のあらゆる空隙の中にシーラントを注入するために、適切な水圧下においてシーラントによって軸方向通路139と横断方向通路257とを満たすことによって、シーラントが施される。
その次に、満たされたシーラントが概ね排出され(即ち、空隙の中に入り、および、または、被覆として通路に付着したシーラントの一部分を除いて排出され)、過剰な(即ち、除去可能な)シーラントの除去が、空気を通路の中を通過させることによって促進させられる。水圧を使用することに加えて、又は、水圧の使用の代わりに、空気圧が、シーラントを空隙の中に強制的に送り込むために使用されてもよい。
最後に、適切な温度サイクルをシーラントに適用することによって、シーラントが硬化させられる。
一実施形態では、外側表面が、粉体被覆法を使用して封止される。
幾つかの実施形態では、巻きストリップは、1つ又は複数の巻きストリップと同心であり且つその外側に位置してもよい封止スリーブ1018内に位置していてもよく、かつ、幾つかの実施形態では、プレート1020がその構造の末端表面を封止してもよい。
巻きストリップ構造は、1つ又は複数の巻きストリップと同心状であり且つ内側に位置してもよい封止スリーブを有してもよく、又は、巻きストリップ構造は、2つの封止スリーブ、即ち、内側同心封止スリーブと外側同心封止スリーブとを有してもよい。封止スリーブ1018又はプレート1020は、さらに、例えば構成要素を冷却するための、熱インターフェースとして機能してもよい。
この場合に、内側巻きストリップ1022(図7Aに示されていない、内向き歯を伴って形成されてもよい)が、「トゥースアイアン(tooth iron)」の機能を提供してもよく、一方、外側巻きストリップ1002がバックアイアンとして機能してもよい。
アセンブリ時には、内側ストリップ1022が最初に巻かれ、その後に、外側コアが内側コアとの締まり嵌めとして取り付けられる。こうした部品が、熱収縮プロセスを使用してアセンブリされてもよい。例えば、外側巻きストリップ1002が、その内径が内側巻きストリップの外径よりも大きいように、十分に拡張するように加熱されてもよく、かつ、その次に、外側巻きストリップが内側巻きストリップの上に滑り載せされてもよい。
この2つの同心巻きストリップが、その一方又は他方のストリップのターンが互いに接着させられる前にアセンブリされる場合には、半径方向の拡張力又は圧縮力を受ける時の非接着の1つ又は複数の巻きストリップのコンプライアンスが、(例えば、外側巻きストリップ1002を加熱せずに)その2つの部品に損傷を与えることなしに、その2つの部品を一体状に押し付けることが可能であるように十分に大きいだろう。
トゥースアイアンの歯は内向き又は外向きに開いていてもよい。外向きに開く歯の場合には、外側(バックアイアン)ストリップは歯の末端に当接し、かつ、互いに隣接した歯の間に磁気回路の一部分を形成するだろう。この場合には、トゥースアイアンの歯の間のスロットが、バックアイアンとのアセンブリの前に、外向きであり、即ち、完全に開いたスロットであってもよく、かつ、ステータコイルの巻きが、スロットが内向きであり且つスロットの間隙が比較的に狭い従来のコアの場合よりも単純であるだろう。
この理由から、より高い詰め込み率がこうした設計によって実現可能である。この設計では、閉じたスロットがロータに面するだろうし、したがって磁気歯の先端の損失が減少させられるだろうが、ピークトルクも減少させられるだろう。
このアプローチでは、磁気ベクトルと粒子ベクトルとの間の概ねの整合が動作中に実現され、このことが、磁気(コア)損失の減少を可能にするだろう。さらに、方向性材料が、非方向性(等方性)材料よりも高い透磁率を有して、磁化電流の減少を結果的に生じさせるだろう。これらの利点が、さらに、方向性材料がバックアイアンのためだけに使用され、且つ、従来の非方向性材料がトゥースアイアンのために使用される場合に、ある程度は実現されるだろう。
図7Bを参照すると、別の実施形態では、同心巻きストリップ構造が、狭幅の開口325と広幅の開口315とをそれぞれに有する2つの相互巻きストリップ1014、1016と、これらの相互巻きストリップと同心状である第3のストリップとによって形成されている。第3のストリップは歯(図7Bには示されていない)を有してもよく、かつ、第3のストリップは、図7Bに示すように、(例えば、ステータの内側のロータを有するモーター内のステータコアとしての使用のために)他の2つのストリップの内側に位置してもよい。
一実施形態では、2つの異なる巻きストリップが同心状に配置されており、フェース巻きストリップがエッジ巻きストリップの内側に同心状に配置されているか、又は、エッジ巻きストリップがフェース巻きストリップの内側に同心状に配置されている。
第1及び第2のマニホルドはそれぞれに入口マニホルドと出口マニホルドであってもよく、又は、これとは逆であってもよい。別の実施形態では、半径方向の溝が、これらの溝とストリップ内の開口との間に冷却材通路が確立されるように、巻きストリップの第1の面の中に形成されている。巻きストリップの第1の面に配置されているマニホルドは、入口冷却材を第1の組の半径方向溝(例えば、奇数番目の半径方向溝)に方向付け、一方、第2の組の半径方向溝(例えば、偶数番目の半径方向溝)から冷却材流を受け入れる。
軸方向通路139に対する流体の供給と、軸方向通路139からの流体の受け入れとのこうした方法が、大半の流れ構成要素がストリップ長さに対して平行である冷却材流動経路を確立するのに十分であり、したがって、開口の整合が不揃いである極端な場合にさえも、高性能の熱伝導が実現される。
一実施形態では、こうした構造内のフェース巻きストリップの互い違いターンが広幅の流体開口315を有し、かつ、他の残りのターンは開口を持たない。
その次に、適切な巻回体(winding)1038が、例えば誘導子(図10A−図10B)又は変圧器(図11A−図11B)のような所望の磁気構成要素を完成させるためにトロイダルコアに付加されてもよい。巻回体の中で生じさせられる熱がそのコアに伝達され、かつ、コア材料内で生じさせられる熱と共に冷却流体に伝達される。
トゥースアイアンは、ブランクストリップ(即ち、開口のないストリップ)を巻いて接着することによって形成されてもよい。
その次に、完全に開いた半径方向溝1044が、巻回体スロットを提供するためにその巻回体の片方の面にフライス削りされるだろう。これらのスロットは、間隙から外方を向き、かつ、バックアイアンに面し、ステータ巻回体(stator winding)の容易な適用を可能にすると同時に、さらには、歯の先端の損失を減少させる働きをする。
バックアイアン要素の場合には、開口315、325は、最初にストリップ材料内に形成されてもよく、かつ、その後に、第2のストリップがフェース巻きされて、堅牢な要素を形成するために接着されてもよい。
その後に、半径方向溝が、開口に最も近い面に機械加工され、かつ、冷却材を適切なフライス削り溝に対して案内するか又はそのフライス削り溝から案内するマニホルドが付加されてもよい。
その次に、2つの巻きストリップ1040、1042が、完成した巻きステータを形成するために一体状に接着されてもよい。第2の巻きストリップ1042内の開口に相当する隠線は、図を明瞭にするために図12Aと図12Bとから省略されている。ロータコアが類似の仕方で形成されてもよい。
その次に、巻きスロット(winding slot)を提供するために、アンダーカット半径方向溝が1つの面の中に機械加工されてもよい。一実施形態では、追加の半径方向溝が、例えば上述したマニホルド構造を使用して、通路の中を通る冷却材の流れが配置されることが可能であるように、巻き面(winding face)とは反対側の面の中に機械加工されてもよい。軸方向ギャップ型の電気機械のロータコアが同様に製造されてもよい。
図6の実施形態の相互巻きストリップのような、互いに異なる幅の2つの相互巻きストリップで構成されている巻きストリップの内側表面が、別の当接表面に熱を伝導するために十分に滑らかであるより広幅のストリップ1015の内側表面の結果として、熱インターフェースとしての使用に適しているだろう。
幾つかの実施形態では、封止スリーブの表面(例えば、図6の封止スリーブ1018の外側表面)が、熱伝達に適している内側又は外側表面であってもよく、かつ、巻きストリップ構造が1つ又は複数の巻きストリップを含み、かつ、封止スリーブは熱伝達スリーブであってもよい。
このような用途では、エッジ巻きストリップが、例えば銅又はアルミニウムストリップのような、1つ又は複数の伝導性金属ストリップで作られていてもよい。幾つかの実施形態では、非金属のストリップが巻きストリップを形成するために使用される。
したがって、本発明の原理によって構成される流体冷却式巻きストリップ構造が、本明細書で詳細に説明したもの以外の形で具体化されてもよいということを理解されたい。本発明は、後述の特許請求項とその等価物とにおいて定義されている。
Claims (31)
- 第1のストリップを含む1つ又は複数のエッジ巻きのストリップを備える、電気モーター及び変圧器用の巻きストリップ構造であって、
前記1つ又は複数のストリップが複数の開口を有し、かつ、
前記第1のストリップは複数のターンを有し、かつ、
前記第1のストリップのターンの開口は、前記第1のストリップまたは別のストリップの隣接ターンの開口に重なって、流体流路の一部分を形成するとともに、
前記ターンと前記隣接ターンとは、重なった前記開口で互いに当接する、構造。 - 第1のストリップを含む1つ又は複数のフェース巻きのストリップを備える、巻きストリップ構造であって、
前記1つ又は複数のストリップが複数の開口を有し、かつ、
前記第1のストリップは複数のターンを有し、かつ、
前記第1のストリップのターンの開口は、前記第1のストリップまたは別のストリップの隣接ターンの開口に重なって、流体流路の一部分を形成するとともに、
該巻きストリップ構造の最外側のターンは、前記第1のストリップの入口開口または出口開口を塞ぐよう構成され、かつ、
前記最外側のターンに設けられた開口の数が、開口が重なって形成された複数の流体流路の数より少ない、構造。 - 前記第1のストリップは、同一の大きさと形状とを有し、且つ、前記第1のストリップに沿って等間隔に置かれている、第1の開口と、第2の開口と、第3の開口とを有する、請求項1または2に記載の構造。
- 前記第1のストリップは、第1の開口と第2の開口とを有し、かつ、
前記第1の開口は、前記第2の開口とは形状、および、または、大きさにおいて異なっている、請求項1または2に記載の構造。 - 前記1つ又は複数のストリップは、前記第1のストリップと共に相互に巻かれている第2のストリップを含み、かつ、
前記第2のストリップは複数のターンを有し、かつ、
前記第2のストリップのターンの開口が、前記第1のストリップの隣接するターンの開口に重なって、流体流路の一部分を画定する、請求項1または2に記載の構造。 - 前記第1のストリップは、前記第2のストリップの開口とは形状、および、または、大きさにおいて異なる開口を有する、請求項5に記載の構造。
- 前記1つ又は複数のストリップの少なくとも1つが、巻きを容易化するように構成されている複数のノッチを有する、請求項1に記載の構造。
- 複数の流体流路を有し、かつ、前記複数の流体流路に流体連通しているマニホルド流路を有するマニホルドをさらに含む、請求項1または2に記載の構造。
- 複数の流体流路を有し、かつ、
さらに、前記複数の流体流路のサブセットの中に流体流を案内するか、又は、前記複数の流体流路のサブセットから流体流を受け入れるように構成されている、流れ誘導装置を備える、請求項1または2に記載の構造。 - 前記流れ誘導装置は前記第1のストリップの第1のターンであり、該第1のターンは最外側のターンであり、かつ、
前記第1のターンに隣接したターンは、前記第1のターンの前記開口には整合していない開口を備える、請求項9に記載の構造。 - 前記複数の流体流路と流体連通しているマニホルド流路を有するマニホルドをさらに備え、かつ、前記流れ誘導装置は前記マニホルドに固定されているか又は前記マニホルドと一体状である、請求項9に記載の構造。
- 前記構造の内側表面又は外側表面を封止するように構成されている円筒形の封止スリーブをさらに備える、請求項1または2に記載の構造。
- 前記1つ又は複数のエッジ巻きストリップ又はフェース巻ストリップの少なくとも1つが非等方性の材料で作られている、請求項1または2に記載の構造。
- 前記第1のストリップと相互に巻かれている第2のストリップを備え、かつ、
前記第1のストリップは非等方性材料で作られている、
請求項1または2に記載の構造。 - 前記第1のストリップは強磁性材料で作られている、請求項1または2に記載の構造。
- 前記第1のストリップは誘電性材料で作られている、請求項1または2に記載の構造。
- 前記構造の第1のターンは第1の内径と第1の外径とを有し、かつ、
前記構造の第2のターンは第2の内径と第2の外径とを有し、かつ、
前記第2の内径は前記第1の内径とは異なっており、および、または、前記第2の外径は前記第1の外径とは異なっている、請求項1または2に記載の構造。 - 前記1つ又は複数のストリップは、前記第1のストリップ及び第2のストリップと同心状である第3のストリップを含み、かつ、
前記第1のストリップと前記第2のストリップと前記第3のストリップは、熱的結合、機械的結合、磁気的結合、電気的結合、又は、これらの組合せによって結合させられている、請求項17に記載の構造。 - 前記1つ又は複数のストリップは、前記第1のストリップと同心状である第2のストリップを含み、かつ、
前記第1のストリップと前記第2のストリップは、熱的結合、機械的結合、磁気的結合、電気的結合、又は、これらの組合せによって結合させられている、請求項1または2に記載の構造。 - 前記第1のストリップは、周囲画定属性ベクトルを有する非等方性材料で作られており、かつ、
前記第2のストリップは、半径方向画定属性ベクトルを有する非等方性材料で作られている、請求項19に記載の構造。 - 前記1つ又は複数のストリップは、前記第1のストリップに隣接しており且つ前記第1のストリップと同軸である第2のストリップを含み、かつ、
前記第1のストリップと前記第2のストリップは、熱的結合、機械的結合、磁気的結合、電気的結合、又は、これらの組合せによって結合させられている、請求項1または2に記載の構造。 - 互いに隣接するターンの間の隙間を通って流体が流体流路から漏出することを阻止するように構成されているシーラントをさらに備える、請求項1または2に記載の構造。
- 電気機械ステータ又はロータコアの一部分を形成するように構成されている、請求項1または2に記載の構造。
- 誘導子コアの一部分を形成するように構成されている、請求項1または2に記載の構造。
- 変圧器コアの一部分を形成するように構成されている、請求項1または2に記載の構造。
- 熱伝達スリーブの一部分を形成するように構成されており、且つ、熱インターフェースとして構成されている内側表面を有する、請求項1または2に記載の構造。
- プレートを備え、かつ、
前記熱伝達スリーブは中空円筒の形状を有し、かつ、
前記プレートは、容器を形成するように、前記中空円筒の一方の端部に固定されている、請求項26に記載の構造。 - 熱伝達スリーブの一部分を形成するように構成されており、且つ、熱インターフェースとして構成されている外側表面を有し、および、または、熱インターフェースとして構成されている末端表面を有する、請求項1または2に記載の構造。
- 電気機械ステータをさらに備え、かつ、前記熱伝達スリーブの前記外側表面又は内側表面は、前記ステータの末端ターンに熱的に結合されている、請求項28に記載の構造。
- 複数の開口を有するストリップを備える巻きストリップ構造であって、前記ストリップは、エッジ巻き又はフェース巻きされており、かつ、2つの末端ターンと複数の内側ターンとを含む複数のターンを有し、
第1の複数の内側ターンの各々が、前記ストリップの方向において第1の長さを各々が
有する複数の第1の開口を備え、
第2の複数の内側ターンの各々が、前記第1の複数の内側ターンのターンと互い違いになりながら、前記ストリップの方向において、前記第1の長さよりも短い第2の長さを各々が有する複数の第2の開口を備え、
前記複数の第2の開口の各々は、隣接するターンの互いに隣接する2つの第1の開口に重なり、かつ、
前記末端ターンの各々は、隣接する内側ターンの開口のサブセットの中に流体流を案内するか、又は、隣接する内側ターンのサブセットから流体流を受け入れるように構成されている、巻きストリップ構造。 - 内側表面と外側表面と第1の末端表面と第2の末端表面とを有する、中空円筒の形状を有する巻きストリップ構造であって、
1つ又は複数のストリップは、2つの面表面と、第1の端縁表面と、第2の端縁表面と、を有する第1のストリップを備え、
前記第1のストリップは複数のターンによって、
螺旋状に、前記第1の端縁表面は前記円筒の前記内側表面を形成し、かつ、前記第2の端縁表面は前記円筒の前記外側表面を形成するように、巻かれており、又は、
渦巻き状に、前記第1の端縁表面は前記円筒の第1の末端表面を形成し、かつ、前記第2の端縁表面は前記円筒の前記第2の末端表面を形成するように、巻かれており、
かつ、
前記第1のストリップの各ターンは複数の開口を有し、かつ、各々の前記開口は、隣接するターンの2つの開口に重なる、巻きストリップ構造。
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