JP7185042B2 - 電気機械の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、主請求項の属概念に基づく電気機械の回転子を出発点とする。

回転子軸の周りを回転可能な回転子本体を備えた電気機械の回転子であって、この回転子本体が、回転子積層鉄心として構成された少なくとも１つの回転子部分体から成っており、かつそれぞれ複数の冷却流路を有しており、これらの冷却流路がそれらの端部にそれぞれ冷却流路口を有しており、これに関し、回転子の回転の際の冷却流路内の流れ、とりわけ空気の流れが遠心力に基づいて調整されるように、冷却流路の１つでの一方の冷却流路口が、同じ冷却流路のもう一方の冷却流路口より径方向にさらに外側に配置されている、回転子が米国特許第５８８９３４２号明細書から既に知られている。回転子本体の両方の端面の少なくとも一方にカバー要素が設けられており、このカバー要素は、冷却流路の１つでの冷却流路口の一方の、径方向最内側の部分断面をカバーしている。空気の流れを生成するための原動力は、回転子の中空シャフトの流路と、回転子の冷却流路口の一方との間の径方向のずれによって生成される。

これに対し、主請求項の特徴を有する電気機械の本発明による回転子は、回転子内の空気の流れを生成するために中空シャフトを必要としないという利点を有する。空気の流れを生成するための原動力は、回転子の少なくとも１つの回転子部分体の、実質的に軸方向に走っているそれぞれの冷却流路内だけで生成される。これは本発明によれば、第１のカバー要素が、回転子軸に対して径方向外縁区間で、それぞれの冷却流路口の径方向最内側の部分断面をカバーし、かつそれぞれ同じ冷却流路口の径方向最外側の部分断面を、冷却流路出口として露出させたままにすることによって達成される。さらに本発明によれば、同じ冷却流路のもう一方の冷却流路口がそれぞれ冷却流路入口であり、これらの冷却流路入口の上流ではそれぞれ、回転子軸に対して軸方向に向かう流れがもたらされている。そのうえ本発明によれば、冷却流路の１つでの冷却流路出口の幾何的重心はそれぞれ、同じ冷却流路の冷却流路入口の幾何的重心に対し、回転子軸に対して径方向にずれている。

従属請求項に記載した措置により、主請求項に提示した回転子の有利な変形および改善が可能である。

特に有利なのは、回転子本体のもう一方の端面に第２のカバー要素が配置されており、かつ冷却流路入口の１つがそれぞれ、径方向最外側の部分断面において両方のカバー要素の一方によって、および同じ冷却流路に対応する冷却流路出口がそれぞれ、径方向最内側の部分断面においてもう一方のカバー要素によってカバーされており、しかも、冷却流路の１つでの両方の冷却流路口の露出したまたは開いている断面の間に径方向のずれがそれぞれ生成されるようにカバーされている場合である。こうすることで、回転子の回転の際に回転子本体内の空気の流れが生成される。

非常に有利なのは、冷却流路の１つでの両方の冷却流路口の径方向のずれが、専ら両方のカバー要素によって生成されている場合である。こうすることで、回転子本体の構成は、例えば軸方向の設置長さに関し、変わらないままであり、かつカバー要素の幾何形状または設計によって空気の流れが調整される。

冷却流路の第１の群の各冷却流路の冷却流路入口および冷却流路出口がそれぞれ、冷却流路の第２の群のそれぞれの冷却流路入口および冷却流路出口に対し、回転子の回転の際に第１の群の冷却流路と第２の群の冷却流路が反対方向に貫流されるように、端面を逆にしている場合も有利である。つまり言い換えれば、冷却流路の第１の群の冷却流路入口は回転子の一方の端面にあり、かつ冷却流路の第２の群の冷却流路入口は回転子のもう一方の端面にある。同じことが、冷却流路の第１および第２の群の冷却流路出口にそれぞれ当てはまる。こうすることで、回転子本体を通る空気の流れが、回転子の端面に隣接している中空空間の間の圧力差を生成しない。

有利な実施形態によれば、回転子の周面に沿って、冷却流路の第１の群の少なくとも１つの冷却流路および冷却流路の第２の群の少なくとも１つの冷却流路の配列が、１つまたは複数設けられ得る。

それだけでなく、有利なのは、回転子の両方の端面の一方に配置されている冷却流路口がそれぞれ、とりわけ周方向に交互に、径方向最外側または径方向最内側のいずれかの部分断面においてカバーされている場合であり、かつ両方のカバー要素が、とりわけ２つの隣り合う冷却流路の間の角距離に相当する角度で互いに周方向にずれている点である。こうすることで、回転子内に冷却流路の２つの群が形成され、これらの群が、回転子の回転の際に反対方向に貫流される。

有利な１つの例示的実施形態によれば、両方のカバー要素がそれぞれ、異なる径方向の広がりをもつ領域を有している。両方のカバー要素の第１の領域はそれぞれ、冷却流路出口の径方向最内側の部分断面をカバーする。これに対し両方のカバー要素の第２の領域はそれぞれ、冷却流路入口の径方向最外側の部分断面をカバーし、かつカバーされた最外側の部分断面の径方向内側に、それぞれの冷却流路に通じる貫通口を有している。さらに両方のカバー要素の第１の領域はそれぞれ、第２の領域より小さな径方向の広がりを有している。例えば、第１の領域１５はそれぞれ凹みを、および第２の領域１６はそれぞれ出っ張りを形成している。
そのうえカバー要素が、ディスク、とりわけバランスディスク、または少なくとも１つの回転子部分体の鉄心円板である場合が有利である。こうすることで、空気の流れを生成する機能が回転子の既存の要素に組み込まれ、したがって回転子の軸方向の設置長さを小さくできる。

本発明の１つの例示的実施形態を図面に簡略的に示しており、かつ以下の説明においてより詳しく解説する。

電気機械の本発明による回転子の図２でのＩ－Ｉ線断面図である。 図１に基づく本発明による回転子の側面図である。 本発明によるカバー要素のない図１に基づく本発明による回転子の側面図である。 電気機械の本発明による回転子の３次元図である。 図１～図４に基づく本発明による回転子を備えた電気機械を示す図である。

図１は、電気機械の本発明による回転子の図２での線Ｉ－Ｉに沿った断面を示している。

電気機械の回転子１は、回転子軸２の周りを回転可能な回転子本体３を有しており、この回転子本体３は、少なくとも１つの回転子部分体４、例えば回転子積層鉄心４を含んでおり、かつそれぞれ、回転子１を一周するように分布した複数の冷却流路５を有している。冷却流路５とは、この場合、空気によって貫流され得る回転子本体３の流路のことである。冷却流路５はそれぞれ、回転子１の一方の端面から、実質的に軸方向である長手方向に延びており、ひとつながりで回転子１のもう一方の端面まで走っている。この例示的実施形態によれば、回転子１は複数の回転子部分体４を備えており、これらの回転子部分体４は、既知のように、回転子軸２に対して周方向に互いにねじれており、かつ冷却流路５を形成するための相応の冷却流路区間５．１を有している。冷却流路５はそれらの端部にそれぞれ冷却流路口８を有しており、これに関し、回転子１の回転の際の冷却流路５内の流れ、とりわけ空気の流れが遠心力に基づいて調整されるように、冷却流路５の１つでの一方の冷却流路口８．１がそれぞれ、同じ冷却流路５のもう一方の冷却流路口８．２より径方向にさらに外側に配置されている。回転子１は、回転子本体３のほかに、回転可能な回転子シャフト６を有しており、この回転子シャフト６は回転子本体３と回転不能に結合している。

回転子本体３の両方の端面の一方では第１のカバー要素１０が設けられており、第１のカバー要素１０は、冷却流路５の少なくとも１つでの冷却流路口８の少なくとも一方の、回転子軸２に対して径方向最内側の部分断面をカバーしている。

本発明によれば、第１のカバー要素１０は、回転子軸２に対して径方向外縁区間１１で、それぞれの冷却流路口８の径方向最内側の部分断面をカバーしており、かつ同じ冷却流路口８の径方向最外側の部分断面を、冷却流路出口８．１として露出させたままにしている。同じ冷却流路５のもう一方の冷却流路口８．２はそれぞれ冷却流路入口８．２である。冷却流路入口８．２の上流ではそれぞれ、回転子軸２に対して軸方向に向かう流れがもたらされている。本発明によれば、冷却流路出口８．１の幾何的重心Ｓ１はそれぞれ、同じ冷却流路５の冷却流路入口８．２の幾何的重心Ｓ２に対し、回転子軸２に対して径方向にずれている。これは、例えば回転子１のすべての冷却流路５に当てはまり得る。

回転子本体３のもう一方の端面には第２のカバー要素１２が配置されており、この第２のカバー要素１２は、例えば第１のカバー要素１０と同一に構成されている。両方のカバー要素１０、１２は、軸方向の外側の回転子部分体４の１つと同一平面上の、回転子本体３の両方の端面の一方に当接しており、かつ金属またはプラスチックから製造され得る。両方のカバー要素１０、１２は、ディスクとして、例えばバランスディスクとして、または回転子部分体４の１つでの鉄心円板として実施され得る。

回転子１の冷却流路５のそれぞれの冷却流路入口８．２、例えば各冷却流路入口８．２がそれぞれ、径方向最内側の部分断面において両方のカバー要素１０、１２の一方によって、および同じ冷却流路５に帰属する冷却流路出口８．１が、径方向最外側の部分断面においてそれぞれもう一方のカバー要素１０、１２によってカバーされており、しかも、冷却流路５の１つでの両方の冷却流路口８．１、８．２の露出したまたは開いている断面の間に、回転子軸２に対して径方向のずれＶがそれぞれ生成されるようにカバーされている。この場合、冷却流路５の１つでの両方の冷却流路口８の径方向のずれＶは、専ら両方のカバー要素１０、１２によって生成されている。

冷却流路５の第１の群の各冷却流路５の冷却流路入口８．２および冷却流路出口８．１はそれぞれ、冷却流路５の第２の群のそれぞれの冷却流路入口８．２および冷却流路出口８．１に対し、回転子１の回転の際に第１の群の冷却流路５と第２の群の冷却流路５が反対方向に貫流されるように、端面を逆にしている。

冷却流路５の第１の群の冷却流路５および冷却流路５の第２の群の冷却流路５は、回転子１を一周するように任意に分布し得る。例えば、回転子１の周面に沿って、冷却流路５の第１の群の少なくとも１つの冷却流路５および冷却流路５の第２の群の少なくとも１つの冷却流路５の配列が、１つまたは複数設けられている。この例示的実施形態によれば、それぞれ、第１の群の１つの冷却流路５および第２の群の１つの冷却流路５の配列が何個か周方向に相前後して配置されている。その代わりに第１の群の複数の冷却流路もまたは第２の群の複数の冷却流路も互いに隣り合って配置されてもよく、これにより第１の群の複数の冷却流路５および第２の群の複数の冷却流路５の配列が形成される。さらに、回転子１を一周するように見たときに、第１の群の冷却流路５および第２の群の冷却流路５の配列が１つだけ設けられ得る。

両方のカバー要素１０、１２は、冷却流路５の１つでの両方の冷却流路口８の本発明による径方向のずれをそれぞれ達成するために、例えば２つの隣り合う冷却流路５の間の角距離に相当する角度で互いに周方向にずれている。

図２は、図１に基づく本発明による回転子の側面図を示している。

そのうえ回転子本体３内には、回転子極ごとに少なくとも１つの永久磁石１３が配置されており、回転子本体３内での永久磁石１３の収容部は端面で例えばカバー１４によって覆われている。

回転子１の両方の端面の一方に配置されている冷却流路口８はそれぞれ、例えば周方向に交互に、径方向最外側または径方向最内側のいずれかの部分断面においてカバーされている。

両方のカバー要素１０、１２はそれぞれ、異なる径方向の広がりをもつ領域を有している。両方のカバー要素１０、１２の第１の領域１５はそれぞれ、径方向外縁区間１１で、冷却流路出口８．１の径方向最内側の部分断面をカバーしている。両方のカバー要素１０、１２の第２の領域１６はそれぞれ、径方向外縁区間１１で、冷却流路入口８．２の径方向最外側の部分断面をカバーしており、かつカバーされた最外側の部分断面の径方向内側に、それぞれの冷却流路５に通じる貫通口１７を有している。さらに、両方のカバー要素１０、１２の第１の領域１５はそれぞれ、第２の領域１６より小さな径方向の広がりを有している。この例示的実施形態によれば、１つの第１の領域１５および１つの第２の領域１６の配列が、周方向に何個か相前後して配置されている。よって２つの第２の領域１６の間にそれぞれ１つの第１の領域１５が配置されている。これに関し第１の領域１５は例えばそれぞれ凹みを、および第２の領域１６は例えばそれぞれ出っ張りを形成している。

カバー要素１０、１２内の貫通口１７の数は、回転子本体３の両方の端面の一方での冷却流路口８の数の半分に相当する。

図３は、本発明によるカバー要素のない図１に基づく本発明による回転子の側面図を示している。冷却流路５の断面は任意であり、この例示的実施形態によれば斜方形に構成されている。

図４は、電気機械の本発明による回転子の３次元図を示している。

図５は、図１～図４に基づく本発明による回転子を備えた電気機械を示している。回転子１は固定子２０によって取り囲まれている。固定子２０は機械ハウジング２１内に配置されている。

回転子１のそれぞれの冷却流路５の両方の冷却流路口８は、回転子軸２に対して軸方向に、電気機械のうち回転子１の端面に隣接している例えば空気で満たされたハウジング内部空間２２に通じている。ハウジング内部空間２２は、固定子２０のコイルヘッド２３の径方向内側に形成された体積を含んでいる。

Claims (11)

1. 回転子軸（２）の周りを回転可能な回転子本体（３）を備えた電気機械の回転子であって、前記回転子本体（３）が、回転子積層鉄心（４）である回転子部分体（４）を少なくとも１つ含んでおり、かつ、前記回転子本体（３）内を軸方向に延びる複数の冷却流路（５）を有しており、前記冷却流路（５）が前記回転子本体（３）の両方の端部にそれぞれ冷却流路口（８．１、８．２）を有している、回転子において、
   前記回転子本体（３）の少なくとも一方の端面にはカバー要素（１０）が設けられており、前記カバー要素（１０）は、一方の前記冷却流路口（８．１）の、径方向最内側の部分断面をカバーするとともに、径方向最外側の部分断面を、冷却流路出口（８．１）として露出させたままにし、
   前記冷却流路出口（８．１）が形成された冷却流路（５）のもう一方の前記冷却流路口（８．２）は冷却流路入口とされ、前記冷却流路出口（８．１）の幾何的重心（Ｓ１）は前記冷却流路入口（８．２）の幾何的重心（Ｓ２）に対し、前記回転子軸（２）に対して径方向外側にずれており、
   前記回転子（１）の回転の際の前記冷却流路（５）内の空気の流れが遠心力に基づいて調整され、前記冷却流路（５）内では、前記回転子軸（２）に対して前記軸方向に向かう流れがもたらされている、回転子。
2. 前記回転子本体（３）の両方の前記端面には第１のカバー要素（１０）及び第２のカバー要素（１２）がそれぞれ配置されており、
   前記冷却流路（５）の前記冷却流路口（８．１、８．２）の一方が、前記第１及び第２のカバー要素（１０、１２）の一方によって、径方向最外側の部分断面においてカバーされた状態で開口させて前記冷却流路入口（８．２）とするとともに、前記冷却流路口（８．１、８．２）の他方が、他方の前記カバー要素（１０、１２）によって、径方向最内側の部分断面においてカバーされた状態で開口させて前記冷却流路出口（８．１）とし、
   前記第１のカバー要素（１０）と前記冷却流路（５）とに渡って、及び、前記第２のカバー要素（１２）と前記冷却流路（５）とに渡って、径方向のずれ（Ｖ）がそれぞれ生成されることを特徴とする、請求項１に記載の回転子。
3. 前記冷却流路（５）の１つでの両方の前記冷却流路口（８．１、８．２）の前記径方向のずれ（Ｖ）が、専ら前記第１及び第２のカバー要素（１０、１２）によって生成されていることを特徴とする、請求項２に記載の回転子。
4. 前記回転子（１）の両方の前記端面の一方に配置されている前記冷却流路口（８．１、８．２）がそれぞれ、とりわけ周方向に交互に、前記径方向最外側または前記径方向最内側のいずれかの部分断面においてカバーされていること、および前記第１及び第２のカバー要素（１０、１２）が、とりわけ２つの隣り合う冷却流路（５）の間の角距離に相当する角度で互いに周方向にずれていることを特徴とする、請求項２または３に記載の回転子。
5. 前記第１及び第２のカバー要素（１０、１２）がそれぞれ、異なる径方向の広がりをもつ領域（１５、１６）を有しており、前記第１及び第２のカバー要素（１０、１２）の第１の領域（１５）がそれぞれ、前記冷却流路出口（８．１）の前記径方向最内側の部分断面をカバーしており、前記第１及び第２のカバー要素（１０、１２）の第２の領域（１６）がそれぞれ、前記冷却流路入口（８．２）の前記径方向最外側の部分断面をカバーしており、かつカバーされた前記最外側の部分断面の径方向内側に、それぞれの前記冷却流路（５）に通じる貫通口（１７）を有しており、および前記第１及び第２のカバー要素（１０、１２）の前記第１の領域（１５）がそれぞれ、前記第２の領域（１６）より小さな径方向の広がりを有していることを特徴とする、請求項４に記載の回転子。
6. 冷却流路（５）の第１の群の各冷却流路（５）の前記冷却流路入口（８．２）および前記冷却流路出口（８．１）の前記軸方向に沿った互いの配置が、冷却流路（５）の第２の群の前記冷却流路入口（８．２）および冷却流路出口（８．１）の前記軸方向に沿った互いの配置に対し、前記回転子（１）の回転の際に前記第１の群の前記冷却流路（５）と前記第２の群の前記冷却流路（５）が反対方向に貫流されるように、逆の関係にあることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の回転子。
7. 前記回転子（１）の周面に沿って、冷却流路（５）の前記第１の群の少なくとも１つの冷却流路（５）および冷却流路（５）の前記第２の群の少なくとも１つの冷却流路（５）の配列が、１つまたは複数設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の回転子。
8. 前記カバー要素（１０、１２）が、ディスク、または前記少なくとも１つの回転子部分体（４）の鉄心円板であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の回転子。
9. 前記ディスクは、バランスディスクである、請求項８に記載の回転子。
10. 前記回転子本体（３）の前記冷却流路（５）および／または前記回転子本体（３）の各回転子部分体（４）の冷却流路区間（５．１）が、前記回転子軸（２）に対して軸方向に走っていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の回転子。
11. 固定子（２０）および請求項１から１０のいずれか一項に記載の回転子（１）を備えた電気機械であって、前記回転子（１）のそれぞれの前記冷却流路（５）の両方の前記冷却流路口（８．１、８．２）が、軸方向に、前記電気機械のうち前記回転子（１）の端面に隣接しているとりわけ空気で満たされたハウジング内部空間（２２）に通じている、電気機械。

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