JP6622509B2

JP6622509B2 - 電動機冷却装置

Info

Publication number: JP6622509B2
Application number: JP2015159145A
Authority: JP
Inventors: 玄明千葉; 泰新川; 毅内山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: JP2017038489A

Description

本発明は、電動機冷却装置に関する。

動作中の電動機を適切に冷却することは、性能維持等の点で重要である。近年、電動機の冷却に関しては、電動機の外被（ケーシング）に設けたフィンに、電動機回転軸端に取り付けた羽根車または別置の送風機で冷却空気を通風させて放熱する方式（前者は強制自力風冷方式、後者は強制他力風冷方式）が主流となっている。また、一部の電動機においては、回転子に風穴や溝を設けたり、固定子に等間隔でスリットを作ったりするなどの内部通風冷却方法を採用するケースもある。

最近、小型で高出力に加えて毎分１万回転以上の高速回転可能な高速電動機の需要が高まりつつある。こうした電動機においては、強制自力風冷方式では冷却が充分でないことに加え、高速で回転する故に回転子の強度や剛性の確保が難しくなり、固定子側の構造を工夫して外部から強制的に通風して冷却する方式（特許文献１）や、固定子に水冷ジャケットを被せて冷却する方式を採用する場合もある。また、最近では、特許文献２に示すように、固定子を分割構造とし、分割部にヒートパイプを埋め込んだ伝熱フィンを設けて固定子の熱を外部の冷媒流路部へ逃がす方式も考案されている。

特許第４８６４４９２号特開２０１０−２２６９１８号公報

しかしながら、高速電動機冷却能力改善のための従来技術においては、固定子の構造が複雑となって加工及び組立時のコストに影響したり、固定子冷却用の冷媒用ポンプや送風機などの補機の設置スペースや補機駆動電源により高速電動機装置の小型化や省電力化に影響したりすることがある。

そこで、本発明は、簡易でコンパクトな構造、かつ低コストの電動機冷却装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は電動機固定子に被せられ、前記電動機固定子で発生した熱を受け取る集熱ジャケットと、全体で閉ループを形成し、内部に冷媒を収容しているヒートパイプと、を備え、前記ヒートパイプは、前記集熱ジャケットと接触し、前記集熱ジャケットから熱を受け取るヒートパイプ受熱部と、前記集熱ジャケットと接触しておらず、外部に熱を放出するヒートパイプ放熱部と、前記ヒートパイプ放熱部を覆い、前記電動機固定子の軸方向の両端側に開口部を有する放熱部用風洞と、前記放熱部用風洞に取り付けられ、前記放熱部用風洞の開口部から内部に空気を取り入れ、当該取り入れた空気を外部に放出する通風ファンと、を備え、前記ヒートパイプ内の冷媒の自励振動により、前記電動機固定子で発生した熱を、前記集熱ジャケット、前記ヒートパイプ受熱部、前記ヒートパイプ放熱部を経由して外部に放出することを特徴とする電動機冷却装置である。

本発明によれば、簡易でコンパクトな構造、かつ低コストの電動機冷却装置を提供することができる。

本実施形態に適用する自励振動ヒートパイプの作動原理概念を示す図である。冷却装置の外観を示す斜視図である。冷却装置の外観を示す斜視図である。電動機固定子とそれに被せた冷却装置の外観を示す斜視図である。図４の冷却装置等を矢視Ａ方向で切った場合の断面図である。図４の冷却装置等を矢視Ｂ方向で切った場合の断面図である。図６の冷却装置等の断面図における領域Ｃの拡大図である。放熱部用風洞等を含む冷却装置等の外観を示す斜視図で、（ａ）は放熱部用風洞を分離した状態を示す図であり、（ｂ）は放熱部用風洞を取り付けた状態を示す図である。図８（ｂ）の冷却装置等を矢視Ｄ方向で切った場合の断面図である。図８（ｂ）の冷却装置等を矢視Ｅ方向で切った場合の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

まず、本実施形態に適用する自励振動ヒートパイプの作動原理概念について説明する。図１に示すように、ヒートパイプ１０１は、全体で閉ループを形成し、温度によって液相１０３ａまたは気相１０３ｂに変化する冷媒１０３が内部に封入され、冷却対象から熱を奪う受熱部１０２と奪った熱を放熱する放熱部１０６とを備えている。受熱部１０２で冷却対象から熱を受けた冷媒１０３は、蒸発部１０４にて液相１０３ａから気相１０３ｂに変化し、その後、放熱部１０６に移動してヒートパイプ１０１の外部を流動する外部冷媒（大気等）へ放熱することにより、凝縮部１０５にて気相１０３ｂから液相１０３ａに変化する。

この相変化により冷媒１０３は受熱部１０２と放熱部１０６の間で自励振動を発生させ、受熱部１０２で吸熱した熱を放熱部１０６へポンプや圧縮機などの補機なしで効率よく移動させることが可能となる。

ここで、ヒートパイプ１０１の熱伝導率を、代表的な物質の熱伝導率と比較する。まず、電動機固定子の材料となる電磁鋼板の熱伝導率は17[Ｗ/(ｍ・Ｋ)]、アルミニウムの熱伝導率は165[Ｗ/(ｍ・Ｋ)]、銅の熱伝導率は400[Ｗ/(ｍ・Ｋ)]である。これに対し、ヒートパイプ１０１の熱伝導率（冷媒による熱移動作用込みの熱伝導率）は2000[Ｗ/(ｍ・Ｋ)]である。したがって、ヒートパイプ１０１によれば、他の場合に比べて有意に大きな熱輸送性能が見込めることから、冷却装置のコンパクト化等に寄与できる。

次に、本実施形態の冷却装置１（電動機冷却装置）の構造について説明する。図２、図３に示すように、冷却装置１は、電動機固定子１１（図４参照）に被せられ、電動機固定子１１で発生した熱を受け取る円筒形状の集熱ジャケット２（図１の受熱部１０２に相当）と、全体で閉ループを形成し、内部に冷媒を収容しているヒートパイプ３と、を備える。

ヒートパイプ３は、集熱ジャケット２と接触し、集熱ジャケット２から熱を受け取るヒートパイプ側部３ｂ（ヒートパイプ受熱部）、ヒートパイプ底部３ｃ（ヒートパイプ受熱部）と、集熱ジャケット２と接触しておらず、外部に熱を放出するヒートパイプ放熱部３ａと、を備える。なお、ヒートパイプ底部３ｃは、電動機の使用時の電動機固定子１１における底部側の位置に、電動機固定子１１の軸方向と平行に配置されている。

より具体的には、本実施形態の冷却装置１では、ヒートパイプ３は、独立した２つの閉ループからなる。各々の閉ループは、集熱ジャケット２から熱を受け取るヒートパイプ側部３ｂと、その熱を外部に伝導するヒートパイプ放熱部３ａとが図２、図３に示すように集熱ジャケット２の半周側で何度も折り返して往復し、ヒートパイプ側部３ｂの両端それぞれの下方部分がヒートパイプ底部３ｃで接続された構造をとっている。

冷却装置１では、ヒートパイプ３内の冷媒の自励振動により、電動機固定子１１で発生した熱を、集熱ジャケット２、ヒートパイプ側部３ｂおよびヒートパイプ底部３ｃ、ヒートパイプ放熱部３ａを経由して外部に放出する。

なお、ヒートパイプ放熱部３ａの周囲（詳細は後記）が、図１の放熱部１０６に相当する。また、集熱ジャケット２の材質については、アルミニウム合金などの熱伝導率が高い金属を用いることとする。

図２、図３に示す冷却装置１は、例えば、２つをセットとして、図４に示すように従来型の電動機固定子１１に被せて使用する。電動機固定子１１に対する集熱ジャケット２の固定は、例えば焼嵌めによって実施すればよい。なお、図５は図４の冷却装置１等を矢視Ａ方向で切った場合の断面図である。また、図６は図４の冷却装置１等を矢視Ｂ方向で切った場合の断面図である。また、図７は図６の冷却装置等の断面図における領域Ｃの拡大図である。

この２つの冷却装置１それぞれにおいて、まず、電動機固定子１１で発生した熱は集熱ジャケット２へ伝導する。次に、その熱は集熱ジャケット２からヒートパイプ側部３ｂ、ヒートパイプ底部３ｃへ伝導する。伝熱性能を下げないために、集熱ジャケット２とヒートパイプ側部３ｂとの間を密着（接触面積を増加）させる必要がある。それらの加工精度などにより隙間が空いてしまうことへの対策として、本実施形態においては、図７に示すように、集熱ジャケット２側に設けられヒートパイプ３の径に合わせた寸法の溝２ａにヒートパイプ側部３ｂを巻きつけた後、溝２ａに生じた隙間に熱伝導樹脂４（熱伝導物質。サーモグリス等でもよい）が充填される。これにより、集熱ジャケット２の熱をヒートパイプ側部３ｂへ充分に伝導することが可能となる。なお、ヒートパイプ底部３ｃについては、ヒートパイプ側部３ｂの全長よりもはるかに短いので、集熱ジャケット２側にそのような溝を設けなくてもよいが、設けてもよい。

ここで、冷却装置１を２つセットで用いた理由は、例えば、次の通りである。まず、２つの冷却装置１の一方に不具合が生じた場合でも、他方が放熱性能を維持できる、という冗長性を実現できる。また、１つの冷却装置を用いる場合に比べ、それぞれの冷却装置１におけるヒートパイプ３の長さを約半分にできるので、ヒートパイプ３内を移動する冷媒の圧力損失を小さく抑えて冷媒が移動しやすくなる。また、冷却装置１を電動機固定子１１に取り付ける際の施工がしやすくなる。

次に、図８〜図１０を参照して、冷却装置１の構成要素としてさらに放熱部用風洞５等を付加した場合の冷却装置１の構造について説明する。図８は、そのような冷却装置１等の外観を示す斜視図で、（ａ）は放熱部用風洞５を分離した状態を示す図であり、（ｂ）は放熱部用風洞５を取り付けた状態を示す図である。図９は、図８（ｂ）の冷却装置１等を矢視Ｄ方向で切った場合の断面図である。図１０は、図８（ｂ）の冷却装置１等を矢視Ｅ方向で切った場合の断面図である。

図８〜図１０に示すように、冷却装置１は、集熱ジャケット２、ヒートパイプ３に加えて、放熱部用風洞５、通風ファン６および放熱フィン７を備える。
放熱部用風洞５は、ヒートパイプ放熱部３ａを覆い、電動機固定子１１の軸方向の両端側に開口部を有する。

通風ファン６は、放熱部用風洞５に取り付けられ、放熱部用風洞５の両端の開口部から内部に空気を取り入れ、当該取り入れた空気を外部に放出する。
放熱フィン７は、放熱部用風洞５内に配置され、ヒートパイプ放熱部３ａの熱を受け取って空気に伝導する。

次に、各構成要素の取り付けについて説明する。電動機回転子１４の一部を内部に収容する電動機固定子１１に集熱ジャケット２を焼嵌め等により取り付け、さらにその外側に電動機ケーシング１２を焼嵌め等により取り付ける。電動機ケーシング１２は、上部に平面部が設けられ、その平面部にヒートパイプ放熱部３ａを貫通させる孔が設けられている。これにより、ヒートパイプ放熱部３ａが電動機ケーシング１２の当該孔を貫通して上部に突出する。なお、軸受１３は、図８〜図１０に示すように取り付ける。

突出しているヒートパイプ放熱部３ａを効率的に冷却して（つまり、放熱させて）内部の冷媒を凝縮させるために、電動機ケーシング１２上に、通風ファン６を取り付けた放熱部用風洞５を取り付け、放熱部用風洞５内でヒートパイプ放熱部３ａの熱を取り除く。また、放熱フィン７を設けたことによって、ヒートパイプ放熱部３ａの熱が放熱フィン７に伝導し、表面積の広い放熱フィン７が放熱部用風洞５内の空気と接することで、さらに効率的にヒートパイプ放熱部３ａを冷却することができる。

前記したように、通風ファン６は、放熱部用風洞５内の空気を外部に放出する。これにより、図１０の矢印で示す向きに空気が流れる。つまり、放熱部用風洞５の両端の開口部から空気が取り入れられ、放熱部用風洞５内で暖められた空気が通風ファン６から外部に排出される。空気の流れの方向をこのようにする理由としては、電動機固定子１１においてコイルエンド部（軸方向の両端）がもっとも発熱することから、先に当該コイルエンド部に、より冷たい空気を当てることにより冷却性能を向上させるためである。

このように、本実施形態の冷却装置１によれば、ヒートパイプ３内の冷媒の自励振動により、電動機固定子１１で発生した熱を、集熱ジャケット２、ヒートパイプ受熱部（ヒートパイプ側部３ｂ、ヒートパイプ底部３ｃ）、ヒートパイプ放熱部３ａを経由して外部に放出できるので、冷媒を移動させるための別置のポンプや送風機などの補機が不要であり、簡易でコンパクトな構造、かつ低コストの冷却装置１を実現することができる。

また、冷却装置１は従来構造のままの電動機固定子１１に対して取り付けることができるので、電動機固定子１１を加工等するためのコストの発生を回避できる。

また、集熱ジャケット２に設けられた溝２ａとヒートパイプ側部３ｂとの隙間に熱伝導樹脂４を充填していることで、集熱ジャケット２からヒートパイプ側部３ｂへの熱伝達効率を向上させることができる。

また、通風ファン６を備える放熱部用風洞５を設けたことにより、ヒートパイプ放熱部３ａをより効率的に冷却することができる。

また、放熱フィン７を設けたことにより、ヒートパイプ放熱部３ａをより効率的に冷却することができる。

また、ヒートパイプ３のうち集熱ジャケット２から受熱する部分の一部として、電動機の使用時の電動機固定子１１における底部側の位置に、電動機固定子１１の軸方向と平行に配置されたヒートパイプ底部３ｃを設けたことにより、電動機の不使用時には、ヒートパイプ３内の冷媒の多くが液相としてヒートパイプ底部３ｃ内に収容される。これにより、冷却装置１の管理や運搬がより容易になる。

なお、ヒートパイプ３内に収容する冷媒としては、例えば、アセトン、メタノール、水等が考えられるが、電動機の作動温度や、使用環境温度、ヒートパイプ３の材質等を考慮して、適切な冷媒を適宜選択して使用すればよい。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
例えば、ヒートパイプ放熱部３ａを冷却する外部冷媒は、空気のほかに、他の気体（冷却用ガス等）や、各種液体（水、オイル等）であってもよい。

また、本発明の冷却装置１は、磁気軸受を搭載したモータに適用し、電動機本体のみならず磁気軸受の冷却に用いてもよい。
その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１冷却装置（電動機冷却装置）
２集熱ジャケット
２ａ溝
３ヒートパイプ
３ａヒートパイプ放熱部
３ｂヒートパイプ側部（ヒートパイプ受熱部）
３ｃヒートパイプ底部（ヒートパイプ受熱部）
４熱伝導樹脂（熱伝導物質）
５放熱部用風洞
６通風ファン
７放熱フィン
１１電動機固定子
１２電動機ケーシング
１３軸受
１４電動機回転子
１０１ヒートパイプ
１０２受熱部
１０３冷媒
１０３ａ液相
１０３ｂ気相
１０４蒸発部
１０５凝縮部
１０６放熱部

Claims

電動機固定子に被せられ、前記電動機固定子で発生した熱を受け取る集熱ジャケットと、
全体で閉ループを形成し、内部に冷媒を収容しているヒートパイプと、を備え、
前記ヒートパイプは、
前記集熱ジャケットと接触し、前記集熱ジャケットから熱を受け取るヒートパイプ受熱部と、
前記集熱ジャケットと接触しておらず、外部に熱を放出するヒートパイプ放熱部と、
前記ヒートパイプ放熱部を覆い、前記電動機固定子の軸方向の両端側に開口部を有する放熱部用風洞と、
前記放熱部用風洞に取り付けられ、前記放熱部用風洞の開口部から内部に空気を取り入れ、当該取り入れた空気を外部に放出する通風ファンと、を備え、
前記ヒートパイプ内の冷媒の自励振動により、前記電動機固定子で発生した熱を、前記集熱ジャケット、前記ヒートパイプ受熱部、前記ヒートパイプ放熱部を経由して外部に放出する
ことを特徴とする電動機冷却装置。
前記放熱部用風洞内に配置され、前記ヒートパイプ放熱部の熱を受け取って空気に伝導する放熱フィンを、をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の電動機冷却装置。
前記集熱ジャケットには、前記ヒートパイプ受熱部の少なくとも一部を収容する溝が設けられ、
前記溝に収容されている前記ヒートパイプ受熱部と前記溝との隙間に熱伝導物質が充填されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電動機冷却装置。
前記ヒートパイプ受熱部は、その一部として、電動機の使用時の前記電動機固定子における底部側の位置に、前記電動機固定子の軸方向と平行に配置されたヒートパイプ底部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の電動機冷却装置。