JP7234396B2 - 内部冷却通路を有する電気機械 - Google Patents

Description

本開示は、電気機械に関し、より具体的には、固定子コア内に画定された内部冷却通路に関する。

電気機械は、固定子コアと、クーパー巻線と、を有する、固定子を典型的に含む。分布、集中、およびヘアピンなど、異なる巻線配置が既知である。電気機械の回転子は、固定子コア内で回転可能に支持される。固定子と回転子とが協働して、電気エネルギーを機械運動に、またはその逆に、変換する。電気機械は、電気エネルギーから機械運動を生じるために使用される場合には、モータと称され得、機械運動から電気エネルギーを生じるために使用される場合には、発電機と称され得る。電気機械は、使用中に熱を発生させる。多くの電気機械は、固定子、回転子、または両方を冷却するために、熱管理システムを含む。噴霧冷却は、自動車用途における一般的なタイプの熱管理システムである。噴霧冷却システムは、電気機械にオイルを供給する、電気機械の外部にあるノズルを含み得る。オイルは、電気機械を滝のように流れ落ちる際に熱を吸収して、冷却を達成する。

一実施形態によれば、電気機械は、固定子コアであって、対向する第１および第２の端面と、端面間の外面と、固定子コア内に画定されている複数の流体通路と、を有する、固定子コアを含む。各流体通路は、外面内に画定された入口孔と、コアの長さに沿って延在し、入口孔と流体連通する内側寄りの通路と、を含む。各流体通路は、コアの長さに沿って延在し、第１の端面内に画定されている第１の出口孔を有する、外側寄りの通路と、内側寄りの通路を外側寄りの通路と流体連通して接続する、相互接続通路と、をさらに含む。

別の実施形態によれば、電気機械は、異なるラミネーションの少なくとも第１および第２のセットを含む、複数の積層されたラミネーションを有する、固定子コアを含む。第１のラミネーションの各々は、流体開口部の第１のパターンを画定し、第２のラミネーションの各々は、第１のパターンとは異なる、流体開口部の第２のパターンを画定する。ラミネーションの第１のセットは、それを通る流体通路の第１の配置を形成するように開口部が整列された状態で、一緒に積層され、ラミネーションの第２のセットは、それを通る流体通路の第２の配置を形成するように開口部が整列された状態で、一緒に積層される。

さらに別の実施形態によれば、電気機械は、陥凹した環状流体チャンバを画定する内面を有する、固定子ハウジングを含む。固定子コアは、固定子ハウジング内に受容され、上記内面に対して配設される外面を有する。固定子コアは、外面内に画定され、環状流体チャンバ内に開口する入口孔を有する少なくとも１つの流体通路を画定する。この通路はまた、固定子コア内に画定され、実質的に軸方向に延在する第１の通路を有する。

例示を目的としてロータが示されていない、電気機械の端面図である。 切断線２－２に沿った、電気機械の断面図である。 電気機械の例示的な冷却通路を実線として示した概略斜視図である。図３に示された冷却通路の通路およびチャンバは、固定子コア内に配設された実際の構造構成要素ではない。むしろ、固定子コアは、その中のすき間である通路の境界を画定する。 ラミネーションの第１のセットを示す、第１の軸方向位置における固定子コアの断面図である。 ラミネーションの第２のセットを示す、第２の軸方向位置における固定子コアの断面図である。 ラミネーションの第３のセットを示す、第３の軸方向位置における固定子コアの断面図である。

本開示の実施形態が、本明細書に記載されている。しかしながら、開示された実施形態は単なる例であり、他の実施形態は様々な代替形態を取り得ることを理解されたい。図は必ずしも縮尺どおりではなく、いくつかの特徴は、特定の構成要素の詳細を示すために誇張または最小化されている場合がある。したがって、本明細書に開示される特定の構造的詳細および機能的詳細は、限定として解釈されるべきではなく、単に、当業者に実施形態を様々に使用することを教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。当業者が理解するように、図のいずれか１つを参照して図示および説明される様々な特徴は、１つ以上の他の図に示される特徴と組み合わせて、明示的に図示または説明されない実施形態をもたらすことができる。図示された特徴の組み合わせは、典型的な用途のための代表的な実施形態を提供する。しかしながら、特定の用途または実装のために、本開示の教示と一致する特徴の様々な組み合わせおよび修正が所望される可能性がある。

具体的な構成要素および／または条件は、当然のことながら、変わり得るため、本発明は、後述の具体的実施形態および方法に限定されるものではない。さらに、本明細書で使用される用語は、本発明の特定の実施形態を説明する目的のためだけに使用され、いかようにも限定することを意図していない。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、他に文脈で明示しない限り、単数の形態「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、複数形の指示対象を含む。例えば、単数形の構成要素への言及は、複数の構成要素も含むことを意図している。

「実質的に」または「約」という用語が、本明細書で、開示されるまたは特許請求される実施形態を説明するために使用され得る。「実質的に」または「約」という用語は、本開示で開示されるまたは特許請求される値または相対的な特性を修飾し得る。そのような場合、「実質的に」または「約」は、それが修飾する値または相対的な特性が、値または相対的な特性の±２パーセント内にあることを意味し得る。

図１および２を参照すると、例示的な電気機械２０は、複数のラミネーション２４を有する固定子２２を含む。電気機械２０は、モータ、発電機、または両方であり得る。ラミネーション２４の各々は、前側と、後ろ側と、を含む。完全に形成および積層されると、前側および後ろ側は、隣接する前側および後ろ側に対して配設されて、固定子コア２６を形成する。固定子コア２６は、典型的に、鉄で作製されるが、他の金属で形成されてもよい。固定子コア２６は、チューブ状であり、中空の中心を画定する。固定子コア２６は、外径を画定する外面２８と、内径３０と、を有する。固定子コア２６は、内径３０に向かって径方向内方に延在する複数の歯３４を画定する。ボビン３６は、歯３４上に受容される。ボビン３６は、ボビン３６の周りに巻かれた巻線４０を支持する。例示される実施形態は、集中巻線を示すが、電気機械２０は、他の実施形態では、ヘアピン巻線機または分布巻線機であり得る。例示される実施形態はまた、２４個の歯およびボビンを示すが、より多いまたはより少ないものが使用されてもよい。

回転子（図示せず）は、固定子コア２６内で回転可能に支持される。回転子は、シャフトまたは他の出力に固定され得る。電流が固定子２２に供給されると、磁場が形成されて、回転子を固定子２２内で回転させ、負荷に供給される電力を発生させる。

固定子２６は、固定子ハウジング４２（固定子リムと呼ばれることもある）によって支持される。固定子ハウジング４２は、一般に円筒形であり得、固定子２６の外面２８に対して配設されている内面４４と、外面４６と、を含む。固定子ハウジング４２は、ケース５０内に装着される。ケース５０は、変速機ケースなどであり得る。ケース５０は、固定子ハウジング４２の外面４６に対して配設されている内面５２を画定する。

動作中、電気機械２０は、固定子コア２６および巻線４０内に熱を発生させる。電気機械２０の過熱を防止するために、流体回路を提供して、動作中に発生する熱を除去することができる。流体回路は、オイルなどの冷媒を供給する。オイルは、自動変速機流体（ＡＴＦ）であってもよい。流体回路は、ケース５０、固定子ハウジング４２、固定子コア２６、およびこれらの組み合わせを通って進み得る。

一実施形態によれば、流体回路６０は、ケース５０内に画定された主供給通路６２を含む。通路６２は、実質的に軸方向に延在する通路６４と、実質的に径方向に延在する通路６６と、を含み得る。ケース５０は、内面５２内に陥凹した環状流体チャンバ６８を画定する。通路６６は、通路６４と、流体チャンバ６８との間に延在する。流体チャンバ６８は、固定子ハウジング４２を完全に取り巻き得、内部に流体を蓄積して、流体を固定子コア２６に供給するように構成されている。固定子ハウジング４２は、内面４４と、外面４６との間に延在する複数の孔４８を画定する。孔４８は、チャンバ６８と流体連通し、チャンバ６８内の流体が固定子コア２６に流れるのを可能にする。孔４８は、互いに対して軸方向に整列され、ハウジング４２を少なくとも部分的に取り巻くアレイ状に円周方向に配置され得る。固定子ハウジング４２はまた、内面４４内に陥凹している環状流体チャンバ７０も画定する。孔４８は、流体をチャンバ７０に供給する。チャンバ７０は、チャンバ６８よりも小さくてもよい。環状チャンバ６８および７０、ならびに孔４８は、外側環状チャンバ６８が内側環状チャンバ７０を囲む状態で、同じ軸方向位置に位置し得る。

固定子コア２６は、流体回路６０の一部である少なくとも１つの内部流体通路７２を画定する。通路７２の数は、電気機械２０の冷却要件に依存する。通路７２は、互いに対して円周方向に離間している。例示される実施形態では、２４個の流体通路７２が提供されている、すなわち、各ボビン３６が、関連付けられた通路７２を含み、流体通路７２は、等しく離間している。他の実施形態では、より多いまたはより少ない通路が使用されてもよく、間隔は、等しくても等しくなくてもよい。通路７２は、固定子コア２６を通して流体を循環させるように、かつ巻線４０上に流体を供給するように構成されており、これにより、電気機械２０から熱が除去される。重力により、流体が電気機械２０から除去され、再循環のためにオイル溜めに回収される。

環状チャンバ７０は、固定子コア２６の外面２８を少なくとも部分的に取り巻き、少なくとも１つの通路７２に流体を供給するためのマニホールドとして機能する。各通路７２は、外面２８内に画定された入口孔７４を含む。入口孔７４は、流体チャンバ７０と軸方向に整列されており、流体チャンバ７０からの流体を受容するように構成されている。入口孔７４は、固定子コア２６を少なくとも部分的に取り巻くように、外面２８の周りに円周方向に配置され得る。例示される実施形態では、入口孔７４は、固定子コア２６を完全に取り巻いている。

図１、２、および３を参照すると、各通路７２はまた、コア２６の長さに沿って実質的に軸方向に延在し、入口孔７４と流体連通する内側寄りの通路７６も含む。通路７６は、コア２６を完全に通って延在し得、この場合、第１の孔７８が、コア２６の第１の端面８０内に画定され、第２の孔８２が、第２の端面８１内に画定される。孔７８および８２は、ボビン３６によって覆われる。ボビン３６は、一般に、流体が孔７８および８２を通って流れることを防止するが、完全には封止し得ず、いくらかのオイルが、これらの孔７８、８２を通って流れ得る。

各通路７２は、コア２６の長さに沿って概して軸方向に延在し、通路７６と流体連通する少なくとも１つの外側寄りの通路をさらに含む。（「内側寄り（ｉｎｂｏａｒｄ）」および「外側寄り（ｏｕｔｂｏａｒｄ）」という用語は、固定子コアの内径からの相対位置を指す。内側寄りは、内径により近い品目を指し、外側寄りは、内径からより遠い品目を指す。）例えば、通路７２は、第１の外側寄りの通路８４と、第２の外側寄りの通路８６と、を含む。通路８４は、コア２６を完全に通って延在し得、第１の端面８０内に画定されている第１の出口孔８８と、第２の端面８１内に画定されている第２の出口孔９０と、を有し得る。通路８６も、コア２６を完全に通って延在し得、第１の端面８０内に画定されている第１の出口孔９２と、第２の端面８１内に画定されている第２の出口孔９４と、を有し得る。出口孔８８、９０、９２、９４は、通路７２の末端を形成し、巻線４０上にオイルを供給するように、ボビン３６と円周方向に整列されている。

各通路７２は、少なくとも１つの外側寄りの通路を内側寄りの通路に流体的に接続する少なくとも１つの相互接続通路を含む。例示される実施形態では、第１の相互接続通路１００が、外側寄りの通路８４と、内側寄りの通路７６との間を接続し、第２の相互接続通路１０２が、外側寄りの通路８６と、内側寄りの通路７６との間を接続する。通路１００は、内側寄りの通路７６に接続されている第１の端部１０４と、外側寄りの通路８４に接続されている第２の端部１０６と、を含む。通路１０２は、内側寄りの通路７６に接続されている第１の端部１０８と、外側寄りの通路８６に接続されている第２の端部１１０と、を含む。相互接続通路は、一般に、内径から外径に向かって外向きに延在する。いくつかの実施形態では、相互接続通路は、径方向に延在し得、言い換えれば、相互接続通路は、例えば、図３に示されるように、傾斜角で延在し得る。相互接続通路の配向は、軸方向成分を含み得るか、または、例えば、図３に示されるように、径方向および円周方向成分のみを含み得る。

図３および４を参照すると、第１および第２の相互接続通路は、（図示されるように）単一のチャンバの一部であり得るか、または２つの別個の通路であり得る。例えば、固定子コア２６は、第１および第２の通路１００、１０２を含むＶ字形のチャンバ１１２を画定し得る。チャンバ１１２は、異なる実施形態では、他の形状を有し得る。チャンバ１１２は、端面８０、８１から軸方向にオフセットするために、中間部分またはコア２６内に配設され得る。例示される実施形態では、チャンバ１１２は、端面８０により近くなっているが、チャンバ１１２は、固定子コア２６内のどこにでも位置し得る。内側寄りの通路７６は、入口開口部１１４および出口開口部１１６を介して、チャンバ１１２と流体連通している（図２参照）。内側寄りの通路７６は、チャンバ１１２を通して連続的であってもよく、示されるように不連続的であってもよい。チャンバ１１２は、開口部１１８および１２０を介して、外側寄りの通路８４と流体連通しており、チャンバ１１２は、開口部１２２および１２４を介して、外側寄りの通路８６と流体連通している。

図３および５を参照すると、通路７２は、供給通路、入口孔７４から内側寄りの通路７６まで延在しているあれを含む。供給通路は、実質的に径方向に延在し得る。供給通路は、固定子コア２６内に切り抜き１３１によって画定される長方形のチャンバ１３０であってもよい。供給チャンバ１３０は、入口孔７４から底部１３８まで延在する。内側寄りの通路７６は、供給チャンバ１３０がオイル溜め部１３２を有するように、底部１３８の上で供給チャンバ１３０と交差する。内側寄りの通路７６は、対向する壁１４０および１４２内に画定された開口部１３４および１３６を介して、供給チャンバ１３０と流体連通している。内側寄りの通路７６は、例示される実施形態に示されるように、不連続的であり得る。通路７６は、供給チャンバ１３０およびＶチャンバ１１２において不連続的であり得る。すなわち、内側寄りの通路７６は、お互いに流体連通する３つのセグメント１５０、１５２、および１５４を有し得る。

動作中、内側環状チャンバ７０内の流体は、入口孔７４を介して通路７２に流れる。各通路７２では、流体は、供給チャンバ１３０に流入し、次いで、開口部１３４、１３６を介して内側寄りの通路７６に流れる。次いで、流体は、固定子コア２６を通って軸方向に流れることによって、チャンバ１１２に移動し、それにより、熱が、固定子コア２６から流体に伝達される。チャンバ１１２は、流体を、相互接続通路１００および１０２を介して、それぞれ外側寄りの通路８４および８６に分配する。外側寄りの通路８４および８６は、流体を、固定子コア２６を通って出口孔８８、９０、９２、９４に運び、ここで、流体が、固定子コア２６を出て、巻線４０上に滴る。

図４、５、および６を参照すると、ラミネーション２４は、スタンピングによって形成され得る。スタンピングプロセスは、積層されてコア２６を形成すると、協働して通路７２を画定する、ラミネーション内の１つ以上の流体開口部を形成し得る。コア２６は、流体開口部の異なるパターンを有するラミネーションの１つ以上のセットを含み得る。異なるパターンは、共通の開口部と、個別の開口部との両方を有し得る。開口部は、位置、サイズ、形状などが異なり得る。ラミネーション２４は、流体開口部のうちの１つ以上が、回転整列されて、通路７２を形成するように積層される。ラミネーションの異なるセットが、通路７２の通路および／またはチャンバの異なる配置を形成し得る。

例示される実施形態では、固定子コア２６は、ラミネーションの３つの異なるセット１６０、１６２，および１６４を含む。ラミネーションの第１のセット１６０は、積層されるときに、協働して１つ以上のＶチャンバ１１２を画定する、開口部の第１のパターン１６６を有する。開口部の第１のパターン１６６は、Ｖ字形の開口部１６８を含み得る。

ラミネーションの第２のパターン１６２は、協働して、供給チャンバ１３０と、外側寄りの通路８４および８６と、を画定する、開口部の第２のパターン１７０を有する。開口部の第２のパターン１７０は、長方形のスロット１７２と、スロット１７２の両側に配設されている一対の孔１７４および１７６と、を含み得る。長方形のスロット１７２は、協働して、供給チャンバ１３０を画定し、孔１７４および１７６は、それぞれ通路８４および８６の一部を画定する。

ラミネーションの第３のセット１６４は、協働して内側寄りの通路７６と、外側寄りの通路８４と、外側寄りの通路８６と、を画定する、開口部の第３のパターン１８０を有する。第３のパターンは、第１の孔１８２と、第２の孔１８４と、第３の孔１８６と、を含み得る。孔１８２および１８４は、孔１７４および１７６と同じである。第１の孔１８２は、通路８６の一部を画定し、第２の孔１８４は、通路８４の一部を画定し、孔１８６は、通路７６を画定する。

第３のラミネーション１６４の孔１８２は、第２のラミネーション１６２の孔１７４、およびＶ開口部１６８の端部１９０と整列されて、通路８６を形成する。第３のラミネーション１６４の孔１８４は、第２のラミネーション１６２の孔１７６、およびＶ開口部１６８の端部１９２と整列されて、通路８４を形成する。第３のラミネーション１６４の孔１８６は、Ｖ開口部１６８の底部１９４、およびスロット１７２と整列されて、内側寄りの通路７６を形成する。

図２を参照すると、ラミネーションのセットが、軸方向に、同様なラミネーションのグループ内に配置されている。ラミネーションのセットは、単一のグループ、または複数のグループを含み得る。例えば、ラミネーションの第３のセット１６４は、固定子コア２６内で支配的なタイプのラミネーションであり得、３つの別個のグループ（積層体）２００、２０２、および２０４に配置され得る。ラミネーションの第１のセット１６０は、グループ２００と、グループ２０２との間に軸方向に挟まれている単一のグループ２０６を含み得る。ラミネーションの第２のセット１６２もまた、グループ２０２と、グループ２０４との間に軸方向に挟まれている単一のグループ２０８を含み得る。

上述の流体回路６０は、固定子コア２６および巻線４０を効果的に冷却する。流体通路６０の内側寄りの通路７６は、固定子コア２６の最も熱い部分を冷却する一方で、巻線４０上に流体の流れを提供するために、コア内２６に径方向に深く埋め込まれて、共に歯３４の中にある。

例示的な実施形態が上記に説明されているが、これらの実施形態が、特許請求の範囲に含まれるすべての可能な形態を説明することは意図されていない。本明細書で使用される用語は、限定ではなく説明の用語であり、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができることが理解される。前述のように、様々な実施形態の特徴を組み合わせて、明示的に説明または図示されていない可能性がある本発明のさらなる実施形態を形成することができる。様々な実施形態は、１つ以上の所望の特性に関して、利点を提供するか、または他の実施形態または従来技術の実装よりも好ましいと説明されている可能性があるが、当業者は、１つ以上の特徴または特性を妥協して特定の用途および実装に依存する所望の全体的なシステム属性を達成することができることを認識する。これらの属性は、コスト、強度、耐久性、ライフサイクルコスト、市場性、外観、包装、サイズ、保守性、重量、製造性、組み立ての容易さなどを含み得るが、これらに限定されない。したがって、任意の実施形態が、１つ以上の特性に関して他の実施形態または先行技術の実装よりも望ましくないと記載される限りにおいて、これらの実施形態が本開示の範囲外ではなく、特定の用途に望ましい場合があり得る。

以下は、図に示されている参照番号のリストである。しかしながら、これらの用語の使用は、一実施形態に関して単に例示を目的とするものであることを理解されたい。また、図に例示され、特許請求の範囲に存在する特定の用語を相関させる参照番号の使用は、例示される実施形態のみを網羅するように特許請求の範囲を限定することを意図しない。

２０ 電気機械
２２ 固定子
２４ ラミネーション
２６ 固定子コア
２８ 外面
３０ 内径
３４ 歯
３６ ボビン
４０ 巻線
４２ 固定子ハウジング
４４ 内面
４６ 外面
４８ 孔
５０ ケース
５２ 内面
６０ 流体回路
６２ 通路
６４ 通路
６６ 通路
６８ 流体チャンバ
７０ 環状チャンバ
７２ 通路
７４ 入口孔
７６ 通路
７８ 孔
８０ 端面
８１ 端面
８２ 孔
８４ 通路
８６ 通路
８８ 孔
９０ 孔
９２ 孔
９４ 孔
１００ 相互接続通路
１０２ 相互接続通路
１０４ 第１の端部
１０６ 第２の端部
１０８ 第１の端部
１１０ 第２の端部
１１２ チャンバ
１１４ 入口開口部
１１６ 出口開口部
１１８ 開口部
１２０ 開口部
１２２ 開口部
１２４ 開口部
１３０ 供給チャンバ
１３１ 切り抜き
１３２ ある部分
１３４ 開口部
１３６ 開口部
１３８ 底部
１４０ 壁
１４２ 壁
１５０ セグメント
１５２ セグメント
１５４ セグメント
１６０ 第１のラミネーション
１６２ 第２のラミネーション
１６４ 第３のラミネーション
１６６ 開口部
１６８ 開口部
１７０ 開口部
１７２ スロット
１７４ 孔
１７６ 孔
１８０ 開口部
１８２ 孔
１８４ 孔
１８６ 孔
１９０ 端部
１９２ 端部
１９４ 底部
２００ グループ
２０２ グループ
２０４ グループ
２０６ グループ
２０８ グループ

Claims (10)

1. 電気機械であって、
   固定子コアであって、対向する第１および第２の端面と、前記端面間の外面と、前記固定子コア内に画定されている複数の流体通路と、を含み、
   各流体通路が、
   前記外面内に画定された入口孔と、
   前記コアの長さに沿って延在し、前記入口孔と流体連通する、内側寄りの通路と、
   前記コアの長さに沿って延在し、前記第１の端面内に画定されている第１の出口孔を有する、外側寄りの通路と、
   前記内側寄りの通路を前記外側寄りの通路と流体連通して接続する相互接続通路と、を有する、固定子コアと、
   前記入口孔を囲み、前記入口孔に流体を供給するように構成された第１の環状流体チャンバを画定する円筒形の固定子ハウジングと、
   主供給通路と、前記主供給通路及び前記第１の環状流体チャンバと流体連通する第２の環状流体チャンバと、を画定し、前記固定子ハウジングの外面を覆うケースと、
   を備える、電気機械。
2. 前記入口孔が、前記外面の周りに少なくとも部分的に延在するアレイ状に、円周方向に配置されている、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記固定子ハウジングが、前記固定子コアの前記外面に対して配設された内面と、外面と、を有し、前記固定子ハウジングの前記外面から前記第１の環状流体チャンバまで延在する少なくとも１つの孔を画定する、請求項２に記載の電気機械。
4. 前記第２の環状流体チャンバが、前記ケースの内面内に陥凹し、前記固定子ハウジングの前記孔が、前記第２の環状流体チャンバと流体連通する、請求項３に記載の電気機械。
5. 前記入口孔のすべてが、共通の軸方向位置を有する、請求項１に記載の電気機械。
6. 各通路が、前記入口孔から前記内側寄りの通路まで延在する供給通路をさらに含む、請求項１に記載の電気機械。
7. 前記供給通路が、実質的に径方向に延在する、請求項６に記載の電気機械。
8. 前記外側寄りの通路が、前記固定子コアを完全に通って延在し、前記第２の端面内に画定されている第２の出口孔をさらに有する、請求項１に記載の電気機械。
9. 前記内側寄りの通路が、前記固定子コアの全長に延在する、請求項１に記載の電気機械。
10. 各流体通路が、
    前記コアを通って延在し、前記第１の端面内に画定されている第１の出口孔を有する、第２の外側寄りの通路と、
    前記内側寄りの通路を前記第２の外側寄りの通路と流体連通して接続する、第２の相互接続通路と、をさらに含む、請求項１に記載の電気機械。

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