JP6823944B2 - 一体化された放熱器を具備したステータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータを冷却するための一次冷却回路およびロータを冷却するための二次冷却回路を含んだ電気モータに関する。

通常は、一次冷却回路はモータのフレームの外側と流体連通しており、一次冷却回路内に外気を循環させることによって、ステータの冷却を可能にしている。一般的に、二次冷却回路に関しては、埃または他の物質がモータの可動部に詰まるかまたはそれを故障させることを回避するために、電気モータのフレームの外側と流体連通していない。結果的に、二次冷却回路はロータを貫通した第１冷却チャネルを含み、そのチャネル内には冷たいガス流体が、熱交換によりロータを冷却するために循環している。第１冷却チャネル内のガス流体は加熱され、再度二次冷却回路内部のガス流体を冷却するために配列された、ステータの本体を貫通した第２冷却チャネルに搬送される。この第２冷却チャネルは全体的に、ステータを形成した金属シートの積層体内に一体化され、積層方向において金属シートを横断している。

そのような電気モータは、例えば特許文献１に開示されている。

しかしながら、そのような電気モータは、全体的な満足を与えていない。実際に、一次冷却回路の第１冷却チャネルは、高温のガス流体を含んだこの一次冷却チャネルと二次冷却回路との間の熱交換のために、二次冷却回路に熱的に影響を及ぼす。

したがって、二次冷却回路の効率は下がり、モータが高出力で作動した場合、モータは過熱する危険がある。

欧州特許出願公開第２ ３０８ １５０号明細書

本発明の目的の１つは、効果的且つ簡素な、電気モータのステータおよびロータの冷却を可能にした冷却回路を具備した電気モータを提案することである。

この目的のために、本発明の対象は請求項１による電気モータである。

そのような電気モータの利点は複数あり、以下に限定的な方法において要約されている。

断熱チャネルは、二次冷却回路のための熱障壁を形成することを可能にし、二次冷却回路が効率的に電気モータのロータを冷却することを可能にしており、モータのおよび／またはモータの高出力の作動の寿命を増大させることを可能にしている。実際に、断熱チャネルを用いて、二次冷却回路の第２冷却チャネルと一次冷却回路との間の熱交換は、大きく減少されるか、または抑制されており、一次冷却回路内を循環する空気を加熱しないことを可能にしている。二次冷却回路の冷却効率は、増大されている。

有利には、本発明による電気モータは、請求項２乃至１０の１つまたは複数の特徴を、単独でまたは技術的に考え得るすべての組み合わせに従って含み得る。

本発明は、例としてのみ与えられた以下の記載および添付図を参照して、より良好に理解されるだろう。

本発明による電気モータの、回転軸Ｘ−Ｘ´に沿った軸方向断面を示した図である。 図１電気モータの、平面Ａ−Ａに沿った断面を示した図である。 本発明の例示的な第３実施形態の、回転軸に対して横方向の面に沿った断面を示した図である。 本発明の例示的な第２実施形態の、図３の平面Ｂ−Ｂに沿った断面を示した図である。 本発明の例示的な第４実施形態による電気モータの、回転軸に沿った断面を示した図である。

本発明の第１実施形態による電気モータ１０が、図１および図２に示されている。電気モータ１０は、モータ１０の内部空間を形成したフレーム１２を具備し、その空間内にロータ１４およびステータ１６が収容されている。ロータ１４はフレーム１２の内部に、回転シャフト１８上に固定されて回転するように搭載され、且つステータ１６に対して回転軸Ｘ−Ｘ´の周りに回転するように動作可能に搭載されている。ステータ１６は、フレーム１２の内部で回転軸Ｘ−Ｘ´に平行にロータ１４を取り囲んでいる。慣習的に、ロータ１４およびステータ１６は、ロータ１４のシャフト１８によって電気エネルギを機械的エネルギに変換することが可能である。

慣習的に、ステータ１６の本体は、回転軸Ｘ−Ｘ´によって規定された軸方向に沿った鉄−シリコン金属シート積層体によって形成されている。ステータ１６は、銅コイルも含んでいる。

実施形態によれば、一次冷却回路２０は一次入口２２および一次出口２４を含み、各々がフレームの外側と流体連通とされている。これにより、外気が、一次入口２２を通じて一次冷却回路２０内に進入し、一次出口２４を通じて外側に戻ることを意味している。一次入口２２および一次出口２４は、少なくとも１つの一次導管２６を通じて互いに接続されており、その導管はステータ１６を貫通して、例えば回転軸Ｘ−Ｘ´に略平行な軸に沿って延びている。

図２に示された一時冷却回路２０は、フレーム１２の外側を起点として一次入口２２内へ流れるガス流体、すなわち外気を使用することが可能である。外部ガス流れＦＥは、フレーム１２の内部空間を通じて一次冷却回路２０によって、より詳細には、ステータを冷却するために、ステータ１６を通じて案内される。一次導管２６は、外部ガス流体ＦＥとステータ１６との間の熱交換を実際に可能にしている。一次出口２４は、加熱された外部ガス流体ＦＥのフレーム１２の外側に向けた放出を、最終的に可能にしている。したがって、フレーム１２およびステータ１６は、モータの周囲環境からの外気によって冷却される。

本記載においては、「上流」および「下流」との用語は、モータ１０内のガス流体の流れの循環方向に対して定義されている。

図２に示された二次冷却回路３０は、ロータ１４を貫通した少なくとも１つの第１冷却チャネル３２を具備している。第１冷却チャネル３２は、回転軸Ｘ−Ｘ´に平行に延び、したがってロータ１４を通じた少なくとも１つの開口部を形成している。

二次冷却回路３０の第１冷却チャネル３２は、二次冷却回路３０内部を循環する内部ガス流体ＦＩと、ロータ１４の構造体と、の間の熱交換を可能にしている。

二次冷却回路３０は、一次冷却回路２０から隔離されており、すなわち、一次冷却回路と二次冷却回路との間の流体連通は存在していない。内部ガス流体ＦＩは、二次冷却回路３０を充満している。このガス流体は、例えば空気であり、二次冷却回路とフレーム１２の外側との間の流体連通がないために、外気から隔離されている。

二次冷却回路３０は、ステータ１６を形成した本体内において、回転軸Ｘ−Ｘ´に平行に延びた少なくとも１つの第２冷却チャネル３４を含んでいる。この第２冷却チャネル３４は、内部ガス流体とフレーム１２の外側の外気との間の熱交換を生じさせるために、モータ１０のフレーム１２の端縁に密接しているか、またはフレームの外側で延びている。ステータ１６の本体は、図１に示されたように、長方形端縁を一般的に含み、モータは、二次冷却回路３０なしのモータと略同一のサイズを有する。

第２冷却チャネル３４は、その端部において径方向通路を通じて、ロータ１４を貫通した第１冷却チャネル３２の端部に接続されており、第１冷却チャネル３２および第２冷却チャネル３４は閉回路を形成し、それらは流体連通とされている。

ロータ１４のシャフト１８は、少なくとも２つの二次ブレード５４を含んだファン５０に備わっており、このブレードは、内部ガス流体ＦＩに、二次冷却回路３０内を循環する二次ガス流れを生じさせることが可能である。二次ブレード５４は、例えばステータ１６を貫通した第２冷却チャネル３４から上流に、およびロータ１４を貫通した第１冷却チャネル３２から下流に配置されている。

ロータ１４のシャフト１８は、例えばその２つの端部のうちの１つにファン５０を担持しており、これは図２および図４に示されている。この場合、ファン５０は、モータ１０のフレーム１２の外側に配置されている。

一次冷却回路２０の一次導管２６および二次冷却回路３０の第２冷却チャネル３４は、ステータ１６の本体を貫通し、したがって、モータ１０の熱エネルギの放出のための放熱器を形成している。ステータ１６内への放熱器のこの統合は、従来の電気モータと比較して、モータ１０の総体積を減少することを可能にしており、フレーム１２の外側に延びた追加の放熱器が、二次冷却回路３０から熱エネルギを放出するために、一般的に設けられている。

それとは異なり、ファン５０は、モータ１０のフレーム１２内に少なくとも部分的に配置されてもよく、これは図５に示されている。この場合、ファン５０は、モータ１０のフレーム１２内部の一部を伴ったラジアルファンである。したがって、内部ガス流れは、内部ガス流体ＦＩを二次冷却回路３０の第１冷却チャネル３２から二次冷却回路３０の第２冷却チャネル３４へと、および第２冷却チャネル３４から第１冷却チャネル３２へと誘導するように生じさせられる。したがって第２冷却チャネル３４を起点とした内部ガス流体ＦＩは、ロータを冷却する効果を備えるロータ１４との熱交換の間に、ロータ１４を貫通した第１冷却チャネル３２内で加熱され、少なくとも１つの第２冷却チャネル３４を通過する際に、再度冷却される。第２冷却チャネルは、ステータ１６を貫通してモータ１０のフレーム１２の端縁または外側へと延び、その後第１冷却チャネル３２へと戻っている。

ファン５０は、一次冷却回路２０内を循環することを目的とした一次ガス流れを生じさせることが可能な、少なくとも１つの一次ブレード５２を含んでいる。一次ブレード５２は、例えば一次入口２２の下流且つ一次冷却回路２０の一次導管２６の上流に配置されている。したがって、ファン５０は、一次冷却回路２０内のガスの流れおよび二次冷却回路３０のガスの流れを同時に生じさせることが可能である。

本発明によれば、一次冷却回路２０の一次導管２６は、一次導管２６と第２冷却チャネル３４との間に熱障壁を形成するために、一次導管２６と第２冷却チャネル３４との間に挿入された断熱チャネル４０に隣接している。

実施形態によれば、およびこのことが図２において見られているように、断熱チャネル４０は二次冷却回路３０に属しており、すなわち、二次冷却回路の第２冷却チャネル３４と流体連通していない。このことは、断熱チャネル４０が、断熱チャネル４０の熱障壁効果を増大するために、冷却された内部ガス流体ＦＩによって横断されることを可能にしている。

一次導管２６と第２冷却チャネル３４との間に断熱チャネルを挿入することにより、第２冷却チャネル３４と一次導管２６との間の熱交換は、その結果遮蔽される。

記載された実施形態によれば、および図１に見られているように、断熱チャネル４０はブレード形状セクションを含み、その厚さは、回転軸Ｘ−Ｘ´に直交した方向に測定して、例えば概略２ｍｍ〜１０ｍｍの間に含まれる。断熱チャネル４０のこの厚さは、モータのサイズを増大させないために、一次冷却回路２０の一次導管２６の直径よりも小さく、二次冷却回路３０の第２冷却チャネル３４の直径よりも小さい。

断熱チャネル４０は、少なくとも１つの径方向において、シャフト１８と第２冷却チャネル３４との間に形成された一次導管２６の第２冷却チャネル３４との隔離を可能にした幅Ｌを有する。

断熱チャネル４０は、回転軸Ｘ−Ｘ´に略平行な線に沿って延び、その長さは概略１００ｍｍ〜５００ｍｍの間に含まれる。

断熱チャネル４０は、モータ１０のフレーム１２とともに第２冷却チャネル３４と機械的に接続された、少なくとも１つの点Ｐを形成している。

ブリッジＰは、有利には可能な限り薄く、例えば３ｍｍ〜５ｍｍの厚さを含んでいる。したがって、ブリッジＰを通じた熱伝導は、最小化されている。

図３および図４は第２実施形態を示しており、その実施形態では、断熱チャネル４０は一次冷却回路２０の一部であり、すなわち、断熱チャネル４０は、一次冷却回路の一次導管２６と流体連通している。この場合、外側ガス流体、すなわち空気は、一次冷却回路２０の一次導管２６を通じ、断熱チャネル４０も通過して、これにより特別な断熱効果を可能としている。したがって、一次冷却回路２０の断熱チャネル４０内の温度は、常に二次冷却回路３０の第２冷却チャネル３４内の温度よりも低く、それは、これらの回路の間の効果的な熱障壁を形成するためである。したがって、二次冷却回路３０の第２冷却チャネル３４は、断熱チャネル４０によって一次冷却回路２０の熱エネルギから保護されている。

実施形態においては、一次冷却回路２０は、ステータ１６の周囲に配置された複数の一次導管２６を含んでいる。したがって、一次導管２６によるステータ１６の冷却は、さらに増大されている。

代替的な実施形態においては、一次冷却回路２０の少なくとも１つの断熱チャネル４０は、二次冷却回路３０の少なくとも１つの第２冷却チャネル３４を少なくとも部分的に取り囲んでいる。したがって、第２冷却チャネル３４から放射された熱エネルギは、断熱チャネル４０によって主に受け取られる。この熱エネルギは、断熱チャネル４０を通じて流れるガスの流れによって、一次出口２４を通じてモータ１０のフレーム１２の外側に放出され得る。

代替的に、図３に示されたように、一次冷却回路２０の３つの断熱チャネル４０は、第２冷却チャネル３４からモータ１０のフレーム１２の外側へと伝達された熱エネルギの効果的な排出のために、第２冷却チャネル３４を少なくとも取り囲んでいる。したがって、モータ１０、特にロータ１４の冷却は増大されている。このことは、モータ１０の性能レベルを増大させ、一方で最適な、効果的な、且つ簡素な冷却を保証することを可能にしている。

３つの断熱チャネル４０は、第２冷却チャネル３４の周りの熱障壁を形成している。したがって、二次冷却回路３０の第２冷却チャネル３４を流れる内部ガス流体ＦＩの冷却は改善されている。

本発明は、先に記載された実施形態に限定されるのではなく、異なった代替を有し得ることが理解されるだろう。

特に、外側と連通した一次冷却回路２０は、ステータ１６の周囲に配置された複数の一次導管２６を含んでいてもよく、それは、ステータの冷却を増大させるためである。

さらに、内部二次冷却回路３０の第２冷却チャネル３４は、ステータ１６の端縁と外側に連通した一次冷却回路２０との間の少なくとも１つの周囲部においてグループ化されていてもよい。したがって、二次冷却回路３０の第２冷却チャネル３４を、一次冷却回路２０の一次導管２６の断熱チャネル４０と離間することが、より容易になる。

一次冷却回路２０および二次冷却回路３０が、複数のチャネルを具備することも可能である。

電気モータ１０はあらゆる産業分野、特に輸送車両、より具体的には鉄道車両の分野において使用され得る。

１０ ・・・電気モータ
１２ ・・・フレーム
１４ ・・・ロータ
１６ ・・・ステータ
２０ ・・・一次冷却回路
２２ ・・・一次入口
２４ ・・・一次出口
２６ ・・・一次導管
３０ ・・・二次冷却回路
３２ ・・・第１冷却チャネル
３４ ・・・第２冷却チャネル
４０ ・・・断熱チャネル
５０ ・・・ファン
５２ ・・・一次ブレード
５４ ・・・二次ブレード

Claims (10)

1. 内部空間を形成したフレーム（１２）であって、
   該フレーム（１２）の内部空間内に配置されたロータ（１４）およびステータ（１６）と、
   前記フレーム（１２）の内部空間を貫通し、且つ前記フレーム（１２）の外側から前記フレームの内部空間内に入ったガスを循環させるために、前記フレーム（１２）の外側と流体連通した少なくとも１つの一次導管（２６）を具備した一次冷却回路（２０）と、
   前記フレーム（１２）の内部空間内に延びて、且つ前記フレームの外側から隔離された二次冷却回路（３０）であって、軸方向において前記ロータ（１４）を貫通した少なくとも１つの第１冷却チャネル（３２）と、軸方向において前記ステータ（１６）を貫通した少なくとも１つの第２冷却チャネル（３４）と、を具備した二次冷却回路（３０）と、
   を具備したフレームを具備した電気モータ（１０）であって、
   該電気モータは、前記一次冷却回路（２０）の一次導管（２６）と前記二次冷却回路（３０）の第２冷却チャネル（３４）との間に挿入された、少なくとも１つの断熱チャネル（４０）を具備しており、
   前記一次導管が、前記ステータを貫通しており、
   前記断熱チャネルが、前記一次導管と前記二次冷却回路の前記第２冷却チャネルとの間に熱障壁を形成しており、
   前記第１冷却チャネルと前記第２冷却チャネルとが、閉回路を形成しており、互いに流体連通されていることを特徴とする電気モータ（１０）。
2. 前記断熱チャネル（４０）は、前記一次冷却回路（２０）と流体連通していることを特徴とする請求項１に記載の電気モータ（１０）。
3. 前記断熱チャネル（４０）は、前記二次冷却回路（３０）に属していることを特徴とする請求項１に記載の電気モータ（１０）。
4. 前記断熱チャネル（４０）は、前記二次冷却回路（３０）の少なくとも第２冷却チャネル（３４）を少なくとも部分的に取り囲んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の電気モータ（１０）。
5. 前記断熱チャネル（４０）はブレードとして配列され、前記一次冷却回路（２０）の一次導管（２６）の直径および前記二次冷却回路（３０）の第２冷却チャネル（３４）の直径よりも小さい、回転軸Ｘ−Ｘ´に直交した厚さを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気モータ（１０）。
6. ラジアルファン（５０）が、前記二次冷却回路（３０）内のガスの流れを発生させるために、前記電気モータ（１０）のシャフト（１８）に装着されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気モータ（１０）。
7. 前記ラジアルファン（５０）は、前記一次冷却回路（２０）内のガスの流れと前記二次冷却回路（３０）内のガスの流れとを、同時に発生させることが可能であることを特徴とする請求項６に記載の電気モータ（１０）。
8. 外側と連通した前記一次冷却回路（２０）は、前記ステータ（１６）の周囲に配置された複数の一次導管（２６）を含んでいることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気モータ（１０）。
9. 前記二次冷却回路（３０）は、複数の第２冷却チャネル（３４）を具備していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気モータ（１０）。
10. 前記一次冷却回路（２０）および前記二次冷却回路（３０）は、複数のチャネルを具備していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の電気モータ（１０）。

Images