JP6858794B2 - 冷却フィンを有する回転電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、冷却フィンを有する回転電気機械に関する。本発明は、少なくともオルタネータモードにおいて作動する回転電気機械への適用が特に有利であるが、これに限られない。

公知の態様において、回転電気機械は、ステータと、シャフトと一体のロータと、を含む。ロータは、駆動及び／又は従動シャフトと一体であり得る。

ステータは、軸受上のシャフトを転がり軸受によって回転させるように構成されたハウジングに装着される。ロータは本体を含み、この本体は、適切な固定システムにより一組の形態にされた複数のメタルプレートシートによって形成される。ロータは極を有し、この極は、例えば、ロータの磁性物質に配設されたキャビティに収容される永久磁石によって形成される。或いは、いわゆる「突出」極の構成において、極は、ロータのアームに捲回されたコイルによって形成される。

また、ステータは、クラウンを形成する複数の薄形メタルプレートによって構成される本体を含む。その内面には、相巻線を受容するように内部に向かって開放するノッチが設けられる。これらの巻線は、ステータ本体のノッチを通り抜けて、ステータ本体の両側から突出するシニョン（コイル）を形成する。相巻線は、例えば、エナメルで被覆された連続ワイヤから、又は、溶接によって互いに接続されたピンの形状にある導電要素から得られる。このような巻線は、星又は三角形状に接続された多相巻線であり、その出力は、オルタネータの場合、特に整流ブリッジを有するパワーエレクトロニクス回路に接続される。このタイプの整流ブリッジは、およそ１５０Ｗのエネルギーを散逸可能である。

文書ＦＲ２８４７０８５号に記載のように、整流ブリッジを冷却するように、放熱器は、パワーエレクトロニクス回路が装着される面と、後方軸受に向かって配向される反対側の面とを有する。本例においてロータにより支持されたファンによって移動する空気である冷却流体流用の通路が、放熱器に向かって配向される後方軸受の面と放熱器とは反対側の面との間に配置される。また、熱交換表面を増大させるように、フィンが流体流通路に配置される。

問題は、冷却フィンの長さが制限されるという点にある。なぜならば、損傷の危険なくアセンブリが装着され得るように、フィンと後方軸受の反対側の面との間にスペースを確保する必要があるからである。換言すれば、いずれの場合にも所定の最小の装着間隙を残す必要性があるため、フィンの軸方向延長により電気機械が大型化する。

本発明の目的は、
自動車両に給電するように少なくともオルタネータモードにおいて作動可能な回転電気機械であって、
‐後方軸受と、
‐少なくとも前記後方軸受により支持される回転シャフトに固定されるロータと、
‐前記ロータを取り囲むステータであって、前記電気機械の相を構成する巻線を有する電機子巻線を含むステータと、
‐前記後方軸受は、冷却流体の出口用の側方開口と、前記冷却流体の前記ステータ内への入口用の少なくとも１つの軸方向開口とを含み、
‐前記ステータの前記相巻線に電気的に接続されるパワーエレクトロニクス回路と、
‐前記パワーエレクトロニクス回路が装着される第１面を第一に含むとともに、前記第１面に対向する第２面であって前記後方軸受に向かって配向される第２面を第二に含む放熱器と、
‐前記放熱器に向かって配向される前記後方軸受の上面と前記放熱器の前記第２面との間における冷却流体の流れのための流路と、
を含む回転電気機械において、
前記放熱器の前記第２面は、冷却フィンを含み、
フィンの少なくとも１つの軸方向端部は、少なくとも前記後方軸受の前記上面まで軸方向に延在する、
ことを特徴とする回転電気機械を提案することにより、上記デメリットを効果的に排除することである。

したがって、電気機械の軸方向サイズを増大させることなく、本発明は、フィンを延長させることで交換表面を増大させ得るとともに、電気機械の冷却を向上させ得る。

一実施形態によれば、前記少なくとも１つのフィンは、前記開口に対向するベースを含むとともに、少なくとも前記後方軸受の前記上面まで軸方向に延在する軸方向端部を含む。これにより、フィンが後方軸受に接触する危険なく、放熱器を装着することができる。

一実施形態によれば、少なくとも１つのフィンは、前記後方軸受の前記軸方向開口の内部に位置する部分を含む。

これにより、フィンの一部分を流体の加速領域に有することが可能となるため、フィンのより良好な冷却が実現され得る。

一実施形態によれば、前記フィンは、前記後方軸受の前記軸方向開口のみに対向して延在する。

一実施形態によれば、前記少なくとも１つのフィンは、前記後方軸受の前記中実上面に対向する部分を更に含む。これにより、放熱器のより大きいフィン表面を得ることが可能となる。

一実施形態によれば、前記回転電気機械は、前記後方軸受の前記軸方向開口に対向して配置されるとともに、前記後方軸受の前記上面から離間する少なくとも１つの第２フィンを更に含む。これにより、電気機械の内部における空気の流れが促進され得る。

前例の一実施形態によれば、前記後方軸受の前記軸方向開口は、第１及び第２側方縁部であって、前記第１側方縁部が前記第２側方縁部よりも前記ロータの軸に対して近接している第１及び第２側方縁部と、前記第１側方縁部と前記第２側方縁部とを接続する２つの他の端縁部とにより画定され、前記第２フィンは、前記２つの端縁部のうちの一方に最も近接する前記フィンのうちの１つである。

一実施形態によれば、前記後方軸受は、前記後方軸受の側方開口の出口に配置される少なくとも１つのデフレクタを含む。これにより、高温空気のループバックが減少され得る、すなわち、軸受の径方向開口から流出した高温空気が再吸入されることが回避され得る。

一実施形態によれば、前記回転電気機械は、前記パワーエレクトロニクス回路及び前記放熱器を覆う保護カバーを含む。

一実施形態によれば、前記保護カバーは、前記デフレクタを形成するように立ち上げられた少なくとも１つの端部を含む。

一実施形態によれば、前記保護カバーは、前記流体の通過のための少なくとも１つの軸方向開口を含む。

一実施形態によれば、前記放熱器は、前記回転シャフトの通過のための少なくとも１つの主開口と、前記冷却流体が前記カバーの前記軸方向開口から前記後方軸受の前記軸方向開口に流れることを許容する少なくとも１つの通気開口とを含む。これにより、電気機械の内部に投入される空気の温度を低下させてその冷却を向上させるように、低温空気が機械内をカバーの軸方向開口を介して通過することが可能となる。流体が放熱器の開口を通過することにより、空気の流路において放熱器の交換表面を大きくすることが可能となる。したがって、放熱器ブリッジは、よりよく冷却される。

一実施形態によれば、前記放熱器は、複数の通気開口を含む。これにより、電気機械の内部において軸方向の空気流が触れる放熱器の軸方向表面が最大とされ得る。

一実施形態によれば、少なくとも１つの通気開口は、前記回転シャフトの周囲の円形部分に亘って延在する。これにより、放熱器の開口と冷却流体の軸方向チャネルとの間の熱交換領域が増大され得る。したがって、放熱器のより大きい領域が、軸方向の流れによって冷却される。

一実施形態によれば、前記回転電気機械は、前記回転シャフトの周囲に配置されて前記主開口を少なくとも部分的に閉鎖する位置センサを含む。これにより、放熱器の冷却を得つつ、センサを放熱器の厚さに組込むことで軸方向サイズを抑えることができる。

一実施形態によれば、前記位置センサは、前記回転軸の全周に従って前記主開口を閉鎖するレゾルバである。これにより、流体を、放熱器とシャフトとの間ではなく、放熱器の開口に強制的に流れ込ませることができる。

本発明は以下の説明を読みこれに付属する図面を精査することによってより良く理解されるであろう。これらの図面は、完全に本発明の例としてのものであり制限的なものではない。

本発明によるオルタネータ−スタータの後部の部分断面図。 図１ａのオルタネータ−スタータの変形実施形態を示す図。 図１ａのオルタネータ−スタータに使用される冷却フィンの側面図。 冷却フィンの変形実施形態を示す側面図。 冷却フィンの変形実施形態を示す側面図。 パワーエレクトロニクスが載置される中二階を有するオルタネータ−スタータの後部を示す図。 後方ベアリングの詳細図であって、冷却フィンの少なくとも一部が対向して延在する開口を示す図。 通気開口を設けられた本発明による放熱器を含む本発明によるオルタネータ−スタータの変形実施形態の部分断面図。 図６の放熱器を上方から見た図。 本発明による放熱器の変形実施形態を上方から見た図。 本発明による放熱器の変形実施形態を上方から見た図。

同一の、類似する又は相似である要素は、図面を通して同じ符号を有する。

図１ａは、本発明による冷却装置を含むオルタネータ−スタータ１００の後方からの断面図である。このオルタネータ−スタータ１００は、発電機モードにおいて、車両のバッテリ及び車載ネットワークに給電するように、そしてモータモードにおいて、機械的な力を特に車両の熱機関に与えてその始動を保証するように、可逆的に作動可能である。

オルタネータ−スタータ１００は、回転シャフト２に固定された、軸Ｘを有するロータ１を含む。このロータ１は、電機子巻線７を設けられたステータ３によって囲まれる。ステータ３は、後方軸受４と、回転シャフト２を転がり軸受６により保持する前方軸受（図示せず）とによって支持される。

オルタネータ−スタータ１００は、ＭＯＳ電力トランジスタを有する整流ブリッジを含む。整流ブリッジは、これらの電力トランジスタの制御のためのユニットに関連付けられている。この整流ブリッジ及びこれらの制御ユニットは、符号１５が付される、オルタネータ−スタータのパワーエレクトロニクスを共に形成する。パワーエレクトロニクス１５は、放熱器１６の上面に装着される。パワーエレクトロニクス回路１５は、ステータ３の相巻線に、直接的に又はコネクタを用いて電気的に接続され得る。

具体的には、コネクタ（図示せず）は、相に接続するように、且つプラスチック材料でオーバーモールドされるように、トラックを含み得る。コネクタは、軸受４において、軸受４と放熱器１６のフィン１８１との間で固定され得る。

放熱器１６の後方軸受４に向かって軸方向に配向される面は、オルタネータ−スタータ１００における冷却流体の流路１７の壁を形成する。この流路１７の他方の壁は、放熱器１６に向かって配向される後方軸受４の上面によって形成される。

保護カバー１１は、流体の流路１７に対向して配置される開口１１ａを含む。これにより、冷却流体、具体的には空気が、オルタネータ−スタータ１００の後方に、これらの開口１１ａを介して横方向に導入され、次いで、放熱器１６の下方において流路１７を通流してパワーエレクトロニクス１５を冷却する。回転シャフト２又はロータ１に固定されたファン５が、流路１７内部における空気又は他の流体の吸引を確保する。空気は、軸受４の側方開口４ｂを介して排出される前に、軸受４の軸方向開口４ａに向かって流れる。

放熱器１６は、パワーエレクトロニクスを支持する面とは反対側のその下面に、冷却フィン１８、１８’、１８’’、１８’’’、１８’’’’を含む。図１ａ及び２の実施形態において、フィン１８は、軸受４の中実面に対向して延在する第１部分１８１と、第１部分１８１より軸方向に長い第２部分１８２とを含む。この場合、第２部分１８２は、軸受４の対応する開口４ａに対向して配置され、少なくとも部分的に開口４ａ内に延在する。フィン１８の部分１８２は、放熱器１６の面に直交して部分１８２を通過する直線がまた対応する軸方向開口４ａを通過する場合に、中央開口４ａに「対向する」ものとして考えられる。

図２に示すように、放熱器１６は、また、軸受４の中実面に対向して配置されるフィン１８’を含む。フィン１８’は、軸受４の面から離間して配置される軸方向端部を有する。

図３ａの実施形態において、フィン１８’’は、開口４ａに対向して配置されるとともに、軸受４の上面から離間している。より具体的には、図５に更に明瞭に示すように、各開口４ａは、第１側方縁部４１と第２側方縁部４２とを含み、第１縁部４１は第２縁部４２より軸Ｘに対して近接している。更に、各開口４ａは、第１縁部４１と第２縁部４２とを接続する２つの他の端縁部４３、４４を含む。フィン１８’’は、開口４ａを画定する２つの端縁部４３、４４のうちの一方に最も近接して配置されるフィンに対応する。これにより、対応する開口４ａの内部の空気が２つの連続する開口４ａを隔てるアーム４５を介して流れること、が容易となる。

図３ｂの実施形態において、開口４ａに対向配置されたフィン１８’’’は、実質的に後方軸受４の上面まで軸方向に延在する端部を有する。

図１ｂの実施形態において、フィン１８’’’’は、対応する開口４ａのみに対向して延在する。すなわち、フィン１８’’’’は、放熱器１６に対面する軸受４の中実面に対向して延在する部分１８１を有さない。

隣接するフィンは、流路１７において冷却流体を案内する径方向チャネルを形成する。したがって、これらのチャネルは、後方軸受４により形成される下面と、２つの隣接するフィンに対向する２つの側部と、並びに、２つの隣接するフィンの間に形成される放熱器１６の「Ｕ」形状のベースとを含む。有利には、フィン１８、１８’、１８’’、１８’’’、１８’’’’は、後方軸受４の軸方向開口４ａに向かって集中する流体の流れの方向において径方向に配設される。したがって、フィンの長さに沿って空気流が流れるフィン１８を介した放熱器１６の冷却後、パワーエレクトロニクス１５は伝導によって冷却される。

また、放熱器１６は、回転シャフト２の通過を許容するように、主開口１６ａを含む。図１ａ及び１ｂの実施形態において、主軸方向開口１６ａは、回転シャフト２と放熱器１６との間にスペース２２が存在し、このスペース２２を介して空気がまた通流可能となるように、構成される。このスペース２２は、シャフト２をパワーエレクトロニクス１５から隔てるスペースとともに、流体の流れのための軸方向チャネルを形成する。

保護カバー１１のベースに軸方向開口１１ｂが設けられているため、空気はオルタネータ−スタータのこれらの開口１１ｂを介して吸引され、放熱器１６の下方の流路１７に合流するように、スペース２２を介して回転シャフト２に沿って流れる。

変形例として、図７に示すように、回転シャフト２の角度位置を測定するためのセンサ２３が、回転シャフト２の周囲に配置される。この場合、位置センサ２３は、ロータ２のシャフトの全周を囲んで開口１６ａを閉鎖するレゾルバである。

この場合、放熱器１６は、図６にも示す通気開口１６ｂを含む。通気開口１６ｂは、空気が、カバー１１の軸方向開口１１ｂから後方軸受４の軸方向開口４ａに流れることを許容する。したがって、これにより、機械の内部において軸方向空気流が接触する放熱器１６の軸方向表面が最大となる。

図７及び８ａに示すように、通気開口１６ｂは円形状を有し得る。図７の実施形態において、開口１６ｂは互いに対して整列している。これに対し、図８ａの実施形態において、開口１６ｂは主開口１６ａの周囲で周方向に配置される。

変形例として、開口１６ｂは、回転シャフト２の周囲の円形部分に亘って延在するような細長形状を有し得る（図８ｂ参照）。

図８ａ及び８ｂの実施形態において、放熱器１６は、レゾルバに代えてホール効果位置センサを組み込むように、径方向切欠１６ｃを含む。

変形例として、放熱器１６は、単独の通気開口１６ｂを含む。

したがって、パワーエレクトロニクス１５は、最初に流路１７を介して横方向に、そして次に、外部から得た空気が流路１７に合流するように、流路２２又は開口１６ｂを介して径方向に、冷却される。この追加の軸方向の空気流は、機械内の全体空気流量を増大させることで、電機子巻線のシニョン（コイル）等のオルタネータの内部部品の、より良い冷却を得ることを可能とする。

オルタネータ−スタータの後部における冷却流体の流路は、図１a、１ｂ及び６において矢印と点線で示されている。

デフレクタ２４が、後方軸受４に設けられた開口４ｂの下流に配置される。デフレクタ２４により、流体流出口から流体流入口を遠ざけることが可能になり、これにより、オルタネータ−スタータから流出する流体は、流路１７に直ちに再導入されない。したがって、オルタネータ−スタータから得られる高温の流体が実質的に再循環することが、回避される。

デフレクタ２４は、軸受４において開口４ｂの近傍に固定され得る。また、デフレクタ２４は、図１ａ、１ｂ及び６に示すように、例えば保護カバーの端部を立ち上げることによって、保護カバー１１に作製することも可能である。

保護カバー１１は、オルタネータ−スタータの後部の全てを覆い得る。すなわち、保護カバー１１は、放熱器１６に装着されたパワーエレクトロニクス１５、及び後方軸受４の全てを覆う。この場合、保護カバー１１は、後方軸受４の側方開口４ｂの下流に位置する開口であって、流体がオルタネータ−スタータから排出されることを許容するように設計される開口を含み得る。

放熱器１６は、後方軸受４に、組付タイロッド（組付連結棒）２０によって固定される。一実施形態によれば、タイロッド２０は、軸受をスタータ３の磁気回路に固定するために通常使用されるものと同じものである。

図４に明瞭に示すように、後方軸受４と放熱器１６とは、軸受４上の中二階（メザニン）を形成する。中二階は、軸受４に固定スタッド２１によって確保される。少なくとも２つの固定スタッド２１が存在する。それらは、フィン１８の間に分散配置される。

また、電気機械は、放熱器１６の下面と後方軸受４との間に、これら２つの要素同士が電気接触する危険性を回避するように配置される電気的絶縁材料層を含み得る。有利には、この絶縁材料層は、後方軸受４の外面に固定されるとともに、冷却流体の通過のために、後方軸受４の空気通過用の開口に対向する空気通過用の開口を有する。

オルタネータ−スタータ用の上述の冷却装置は、概して、特に爪又は突出ポールを有するロータを含むいかなるタイプのオルタネータにおいても、実現され得る。

Claims (15)

1. 自動車両に給電するように少なくともオルタネータモードで作動可能な回転電気機械（１００）であって、
   ‐後方軸受（４）と、
   ‐少なくとも前記後方軸受（４）により支持される回転シャフト（２）に固定されるロータ（１）と、
   ‐前記ロータ（１）を取り囲むステータ（３）であって、前記電気機械の相を構成する巻線を含む電機子巻線（７）を含むステータ（３）と、
   ‐前記後方軸受（４）は、冷却流体の出口用の側方開口（４ｂ）と、前記冷却流体の前記ステータ（３）内への入口用の少なくとも１つの軸方向開口（４ａ）とを含み、
   ‐前記ステータ（３）の前記相巻線に電気的に接続されるパワーエレクトロニクス回路（１５）と、
   ‐前記パワーエレクトロニクス回路（１５）が装着される第１面を一方で含むとともに、前記第１面に対向する第２面であって前記後方軸受（４）に向かって配向される第２面を他方で含む放熱器（１６）と、
   ‐前記放熱器（１６）に向かって配向される前記後方軸受（４）の上面と前記放熱器（１６）の前記第２面との間における冷却流体の流れのための流路（１７）と、
   を含む回転電気機械において、
   前記放熱器（１６）の前記第２面は、冷却フィン（１８、１８’、１８’’、１８’’’、１８’’’’）を含み、
   フィン（１８）の少なくとも１つの軸方向端部は、少なくとも前記後方軸受（４）の前記上面まで軸方向に延在する、
   ことを特徴とする回転電気機械。
2. 少なくとも１つのフィン（１８、１８’’’’）は、前記後方軸受（４）の前記軸方向開口（４ａ）の内部に位置する部分（１８２）を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電気機械。
3. 前記フィン（１８’’’’）は、前記後方軸受（４）の前記軸方向開口（４ａ）のみに対向して延在する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電気機械。
4. 前記少なくとも１つのフィン（１８）は、前記後方軸受（４）の前記中実上面に対向する部分（１８１）を更に含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転電気機械。
5. 前記後方軸受（４）の前記軸方向開口（４ａ）に対向して配置されるとともに、前記後方軸受（４）の前記上面から離間する少なくとも１つの第２フィン（１８’’）を更に含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回転電気機械。
6. 前記後方軸受（４）の前記軸方向開口（４ａ）は、第１及び第２側方縁部（４１、４２）であって、前記第１側方縁部（４１）が前記第２側方縁部（４２）より前記ロータ（１）の軸（Ｘ）に対して近接している第１及び第２側方縁部（４１、４２）と、前記第１側方縁部（４１）と前記第２側方縁部（４２）とを接続する２つの他の端縁部（４３、４４）と、により画定され、
   前記第２フィン（１８’’）は、前記２つの端縁部（４３、４４）のうちの一方に最も近接する前記フィンのうちの１つである、
   ことを特徴とする請求項５に記載の回転電気機械。
7. 前記後方軸受（４）は、前記後方軸受（４）の側方開口（４ｂ）の出口に配置される少なくとも１つのデフレクタ（２４）を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転電気機械。
8. 前記パワーエレクトロニクス回路（１５）及び前記放熱器（１６）を覆う保護カバー（１１）を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転電気機械。
9. 前記保護カバー（１１）は、前記デフレクタ（２４）を形成するように立ち上げられた少なくとも１つの端部を含む、
   ことを特徴とする請求項７及び８に記載の回転電気機械。
10. 前記保護カバー（１１）は、前記流体の通過のための少なくとも１つの軸方向開口（１１ｂ）を含む、
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載の回転電気機械。
11. 前記放熱器（１６）は、前記回転シャフト（２）の通過のための少なくとも１つの主開口（１６ａ）と、前記冷却流体が前記カバー（１１）の前記軸方向開口（１１ｂ）から前記後方軸受（４）の前記軸方向開口（４ａ）に流れることを許容する少なくとも１つの通気開口（１６ｂ）とを含む、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の回転電気機械。
12. 前記放熱器（１６）は、複数の通気開口（１６ｂ）を含む、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の回転電気機械。
13. 少なくとも１つの通気開口（１６ｂ）は、前記回転シャフト（２）の周囲の円形部分に亘って延在する、
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の回転電気機械。
14. 前記回転シャフト（２）の周囲に配置されて前記主開口（１６ａ）を少なくとも部分的に閉鎖する位置センサ（２３）を含む、
    ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の回転電気機械。
15. 前記位置センサ（２３）は、前記回転軸（２）の全周に従って前記主開口（１６ａ）を閉鎖するレゾルバである、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の回転電気機械。

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