JPH05501495A - 流体冷却式の電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 流体冷却式の電気機械 本発明は、下記のものから成る電気機械に関する。

（ａ）　ステータ・ポールと伝導体巻線のあるステータ部（ｂ）　ステータ部に あい対して、それとの間に空隙があるように配置され、ステータ部と磁気的関係 がある可動のアーマチュア部 （Ｃ）　ステータ・ポールが連続して並べられている方向に、少くとも本質的に 対応する一方向に相互に動くことができるステータ部とアーマチュア部、および （ｄ）　ステータ部のための流体冷却 このような電気機械には、流体冷却があることは既知のことである。その例とし て、ステータ部内に設けられた冷却流体のチューブや、ステータを通したり、ス テータに沿って、それぞれ内側に向けたり、外側に向けて冷却空気を流すことが あげられる。しかし、特に、高い出力密度を必要とする電気機械の場合には、既 知の冷却方式は、最適とはいえず、特に熱発生の場所からの熱放散の有効性なら びに組立条件の点で最適ではないことが分った。

本発明の目的は、特別に効果的な方法で冷却を可能にし、また、建設上好ましい 構造をもった流体冷却手段をステ・−夕顔のためにそなえている電気機械を提供 することである。

本目的を満足させるために、本発明による電気機械は、下記の特徴がある。

（ｅ）　前述のステータ・ポールの配列方向の横断面でわかるように、ステータ ・ポールと巻線が、底壁と２つの側壁を含めて、実際上Ｕ字の形態をなしており 、その空隙側に閉止カバーがあるステータの支持の上に取りつけられている。

（１’）　ステータ支持には、少くとも、ステータ・ポール巻線の一部分を通っ て流れる冷却流体用の流路が形成されている。

本発明によるこの形態によって、冷却流体はステータ・ボール巻線に導かれ、そ こを通ってステータ・ボール巻線の少くとも一部分が、そこを通って流れる冷却 流体によって直接冷却されることになる。

既に知られているように、放散される熱は電気機械の中で、主として巻線（「銅 損」という見出し語で表現されることが多い。）および強磁性ステータ（「鉄損 」という見出し語で表現されることが多い。）で発生する。

本発明により、冷却流体がステータ巻線を通って流れるので、熱が特別に効果的 な方法で、巻線から放出される。

冷却流体は、ステータ巻線のすべての部分に、直列流れることはできないが、そ れでも冷却効果は、非常によい。

なぜならば、巻線は一般的に、良伝導材すなわち熱の良導体であもる材料ででき ているので、巻線の中の熱は、流体で冷却された熱を放出する部分へ、容易に流 れていくからである。さらに、ステータ巻線は、強磁性ステータの上に取り付け られているので、ステータの材料自体から放散される熱も巻線材料を通って流体 で冷却された熱を放出する部分へ流れる。

「電気機械」という用語は、元来、電動機と電流発生機の両方を包含するように 選ばれたものである。「ステータ部」および「アーマチュアまたは、可動部」と いう用語は、ステータ部は静止しており、アーマチュア部はステータ部に対して 相対的に動くという意味（こういう関係が、より一般的であるし、好ましい一つ の関係ではあるけれども）に理解されて使用される必要はない。逆の関係、すな わち、静止したアーマチュア部とアーマチュア部に対して相対的に動くステータ 部も、同様に可能である。２つの最も重要な場合を例にしていうと、電気機械は 、アーマチュア部とステータ部が互いに回転しながら相対的に動く回転式機械で あってもよいし、アーマチュア部とステータ部が、互いに直線的に、相対運動を する直線式機械であってもよい。冷却に適した流体は、液体でも、気体でもよい が、大きな熱放出容量があるので、液体の方が好ましい。適切な冷却液は、例え ば、トランスの構造の分野で知られている。

前述のステーラダ・ポールの配列方向の横断面でわかるように、本機械の好まし い実施例は、下記のような特徴がある。すなわち、ステータ・ポールとステータ 支持の第１の側壁との間に、第１の流路があり、同時にステータ・ポールとステ ータ支持の第２の側壁との間に、第２の流路があって、これらの２つの流路が、 ステータ・ポールが続くのに沿ってひろがっている。このようにして、それぞれ に近接したステータの歯の間の溝状の部分から両側にひろがっているいわゆる巻 線のはじめと終りの部分が冷却流体によって直接冷却される。溝状の部分の内部 から巻線のはじめの部分までの熱伝導の経路は短い。

しかし、近接したステータ・ポールのコイル間の溝状の部分には、冷却流体が通 過できる十分なスペースがあると考えられるので、冷却流体は全体として、直接 ステータ巻線を通って流れる。冷却流体は、第１流路と第２流路を通って連続的 にかまたは並列的に流れる。

さらに、第１と第２の流路の間に、接続経路を設けることができる。これらの経 路は、通常２つの流路の延長方向に対して横にのばす。構造的に特に好ましい解 決方法は、ステータ・ボール巻線とステータ支持のカバーの間のスペースを接続 経路として利用することである。これらの「横の経路」は、近接したステータ・ ポールの間のすべての場所に設けることもできるし、これらの場所の１部分にだ け設けることもできる。かくて、第１流路からの冷却流体を、冷却流体の入口か ら最も離れたステータの部分で、そこに設けられている１つまたは２つの接続経 路を通して、約１８０＠の角だけ偏向させることによって、構造的に特に簡単な 方法で、両方の流路を経て前述の連続の流れをつくり、その結果、冷却流体がも どるために第２の流路へ入って行くようにすることは、特に可能である。

本発明の特に好ましい実施例においては、少（ともいくつかのそして望ましくは すべてのステータ・ポールがその強磁性材料の部分に、内部の流れの経路が設け られていることである。その結果は、ステータの材料の直接内部冷却である。さ らに、これらの流れの経路は、本機械を通る冷却流体の全流路の一部として利用 できる。このことは、以下でさらに明確になるであろう。

先ず第１にありうることは、ステータ・ポールの配列方向、すなわち、２本のス テータ・ポールの間の溝状の部分の１つから、２本のステータ・ポールの間の近 接した溝状の部分の他の１つまでに、実際にのびた各ステータ・ポールの内部の 流れ経路があることである。しかし、ステータ・ポールの内部流れ経路の他のパ ターンも同様に可能である。機能的に重要なことは、まず第１に、内部流れ経路 が、各ステータ・ポールを通って延びていることである。

さらに特別に好ましい本発明の実施例は、ステータ支持の底壁の中に、ステータ ・ポールの配列の方向に実際にのびた流れ経路が設けられていることである。こ の流れ経路を流れる冷却流体は、空隙から離れて面している終りの部分からステ ータ材を直接冷却することが望ましい。この底壁の流れ経路は、全冷却流体サイ クルにまとめることもできる。これと同様の方法でこの流れ経路を、底壁の材料 の代りにステータの材料の中に設けることができる。

全体的に見て最も好ましい実施例の特徴は、第１と第２の流路、近接したステー タ・ポール間の横の流れ経路、ステータ・ポール内の流れ経路ならびに底壁また はステータの材料中の流れ経路が、流れによって接続されており、冷却流体はま ず第１と第２の流路に流れ込み、次いで横の流れ経路とステータ・ポール内の流 れ経路を通って、底壁の放出集積流れ経路に流れる。逆方向の流れも、当然同様 に可能である。これらの場合、個々のステータ・ポール内の内部流れ経路は、ス テータ支持カバー付近、特にステータ・ポール巻線とステータ支持カバーの間の 接続経路から、ステータ・ベースまで延びている。

極度に強い冷却が必要な場合は、ステータ巻線は、少くとも、冷却流体が直接そ こを流れる特定のステータ・ポールの特定のコイルの場所に設けることができ、 導線の間に冷却流体が流れることのできる自由なスペースがある。最も極端な実 施例では、個々のステータ・ポールのコイルは、よくあることであるが、巻きつ けられていないので、「互いに密接に接近している」そして、その間にキャステ ィング・コンパウンドがつめられている。

しかし、導線は、例えばスペーサのような部品を使用して、互いに間隔をあけて 巻きつけられており、冷却流体は、分離している導線のまわりを流れることがで きる。

勿論、導線のグループが、密接に接近して巻きつけられていたり、前述の自由な スペースが、導線グループの間に存在する中間的な形も可能である。

本発明による冷却は、以下に述べる構造的な特徴をもった電気機械と、分離また は組合せて設けることが好ましい。

電子整流。それ自体よく知られているので、ここでさらに詳しく記述する必要は ない。

永久磁石のあるアーマチュア部。保磁力の高い永久磁石またはエネルギ積の高い 材質の永久磁石がこの点で好ましい。このような永久磁石はそれ自体知られてお り、特にコバルトをともなった１種以上の希土類元素をベースにした材質または 鉄ネオジム材質をベースにした材質から成っている。

磁束集中原理によるアーマチュアまたは可動部分の構造。さらに詳しくは以下に 記述する。

ステータ・ポール巻線は、それぞれ１本のステータ・ポールとだけ結合しており 、他のステータ・ポールのコイルとは交差しない。このことは、冷却されるのに 適した最も望ましい小形の巻線ヘッドという結果になる。

本機械のいくつかの類似サブユニットが、それぞれに独立してそれ自体が作動す る多重原理による機械の構造。

これの１例は、ステータ・ポールのコイルの特定の数は、共通の電子インバータ 手段に接続され、時間と信号について正しい方法で分離したコイルの活性化と不 活性化または切替えるためのアーマチュア部とステータ部の相対位置を感知する 共通のセンサーに接続されている。合計していくつかのこのようなサブユニット があるので、これらのサブユニットの１つが故障しても、出力はいくぶん減少す るが、機械は作動をつづける。

多くの場合、ステータ・ポールの配列の方向は、アーマチュア部とステータ部の 相対的運動の方向と正確に一致している。しかし、それらとは異なる実施例も同 様に可能である。

本発明および本発明の展開を、好ましい実施例を基にしてさらに詳しく説明する 。実施例を示す図は、次の通りである。

図１は、第１の実施例の機械を、ステータ・ポールの配列の方向に対して横の断 面で示したものである。

図２は、図１の機械を、図１の断面と直角な断面で示したものである。すなわち 、ステータ・ポールの配列の方向の断面で示したものである。

図３は、機械のアーマチュア部を省略して、図１の断面で、第２の実施例の機械 を示すものである。

図４は、機械のアーマチュア部を省略して、図１の断面で、第３の実施例の機械 を示すものである。

図１および図２による実施例は、電気機械２の下部のステータ部４と上部の可動 またはアーマチュア部６を図示している。ステータ部４は、本質的にステータ支 持またはキャリア８、ステータ・ポール１０およびステータ・ポール１０の各々 に別々に設けられているコイル１２から成っている。図１の断面図に見られるよ うに、ステータ支持は底壁１４．２つの側壁１６およびｒＵＪ字形の開放側を流 体が漏れないようにふさいでいるカバー１８を含めたＵ字形をしている。図２の 断面図は、左から右へ互いに近接しているステータ・ポール１０の列を示してい る。個々のコイル１２は、平面図（図１の上から）でわかるように、角の丸い長 方形の形をしている。

個々のステータ・ポール１０またはステータ・ティースは、カバー１８とはなれ て面しいる側面で、底部のステータ・ポールの材質が、それぞれ近接したステー タ・ポール１０まで、Ｕ字形に通っている磁束によって互いに連絡している。各 コイル１２はその底部で磁束のバスに達しているが、その上部はカバー１８には とどいていない。アーマチュア部６では、台形の永久磁石が、三角形の磁束導体 ２０と交互におかれている。永久磁石が三角形で、磁束導体２０が台形であって もよい。永久磁石、図２のように、左から右へ磁化されている。磁束導体２０内 で、永久磁石１９によって生ずる磁束が９０″偏向して、空隙２２を経て、上向 きのステータ・ポール・エリア２４に達する。図１および図２を上から見た平面 図で、磁束導体２０の磁束射出エリア２６は、特定の磁束導体２０に近接してい る永久磁石の２個分の断面積（図１で見られる）の和よりも小さいことがわかる 。その結果、特定の磁束導体２０の特定の磁束射出エリア２６に磁束が集中する 。磁束集中原理によって作動している機械は、前に例をあげたように特に高い出 力密度をもっていることが多く、シたがってせまいスペースでの熱発生も多い。

本発明による特定の効果的冷却は、この見地から特に有利である。

図１を見れば、特定のステータ・ポール１０のコイル１２とステータ支持４の２ つの側壁１６の間に、第１流路３０が左側に、第２流路が右側に冷却流体３４の ために形成されていることがわかる。これらの両方の流路３０および３２は、ス テータ・ポール１０とそれと結合しているコイル１２の列に沿ってのびている。

これらの流路３０と３２の中を流れる冷却流体３４は、すべての個々のコイル１ ２をこえて、左側と右側で、近接するステータ・ポール１０の間のステータ溝か らひろかっているこれらの部分（図１においてンに流れる。これらの部分は、通 常巻線のはしめまたは終りの部分といわれている。冷却流体３４は、カバー１８ に面した巻線のはじまりの部分の上面と巻線のないステータ材の横の部分にも流 れる。

さらに、接続経路３６が、個々のコイル１２とカバー１８の間に形成されており 、図１では、左側がら右側へ、そして図２では、図面の面と直角に、第１流路３ ｏと第２流路３２の間にのびていることかがわる。接続経路３６を通って、冷却 流体は、そこにあってカバー１８に面しているコイル１２の表面ならびにそこに あるステータ・ボール部分１０の部分を流れる。

カバー１８は、例えばプラスチック材料のように、磁気的および電気的に非伝導 または殆ど非伝導の材料で構成される。

図２はアーマチュア部６が矢記号２８のように右がら左へ静止のステータ部４に 対して相対的に動くリニアー・モータの部分であると考えられる。しかし、図２ は、直線的形状で表わすために展開した外部にアーマチュア部をもった回転モー タの一部分を説明するものとも考えられる。図２は図２の状態のモータの回転軸 に直角な断面、図１は、モータの上半分の軸に沿った断面であるといえよう。

図１および図２による上述の実施例と図３による実施例との間の主な相違は、ス テータ・ポール１０のおのおのが、内部の流路３８をもっていることにあり、そ の流路３８は、一連のステータ・ポールの配列の方向にのびており、特定のステ ータ・ポール１０の１つの側の溝状の部分とその特定のステータ・ポール１０の 他の１つの側の溝状の部分とを互いに連結し、そこを冷却流体が流れるのに適す るように作られている。図３の断面では、流路３８は、図３で水平に測定してｌ ｌｌｌ１１以下の内幅の非常にせまい、まっすぐな直角の形状をしている。冷却 流体３４の入口と出口は、接続経路３６によって影響される。

図４による実施例か、図３による実施例と異なっている点は、ステータ支持８の 底壁１４の中にくぼみ４０があって、それが、ステータ・ポール１０の配列の方 向にのびている流路４０を構成していることである。この流路４０は、それぞれ のステータ・ポール１０の内部の流路３８と連結している。流路４０は、底壁１ ４の低い位置にあってもよいし、通路を経て流路３８と接続されてもよい。

この実施例の流体的計画は、冷却流体を１つの場所から２つの流路３０と３２に 供給し、流路３０と３２に沿って長い距離または短い距離を流し、次に接続経路 と流路３８を通して、カバー１８の部分から特定のステータ・ポールの根元まで 流し、流路４０に集めて、ステータ支持８の適切な場所から排出することである 。

冷却流体３４がポンプで、流路３０と３２と接続経路３６がある場合は接続経路 ３６、流路３８がある場合は流路３８ならびに流路４０がある場合は流路４０と を通して流されるように、循環ポンプと外部の熱交換器から成る冷却流体の閉回 路を設けることが通常のことであることを一般的に注意しなければならない。

さらに、ステータ・ポール１０に適した材料は第１に、層状の強磁性板材または 、プラスチック材を用いて結合した微分強磁性体の製品であることも、一般的に 注意しなければならない。カバー１８は、ステータ支持の内部の水路状のスペー スを流体が漏れないように密閉することは理解されなければならない。

ステータ・ポール１０のコイル１２の全体を、仕様の最初の部分では、ステータ 巻線と呼んでいる。

それ自体性質のよくわかった手段は、ステータ材および（または）ステータ巻線 から冷却流体への熱のつたわりを増強するために追加されてよい。特に冷却流体 の流速を高くすること、および（または）意識的に乱流の程度を上げるなどであ る。

ＦＩＧ、　Ｉ　ＦＩＧ、３ 国−際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）ステータ・ポール（１０）と伝導体巻線（１２）のあるステータ部、 （ｂ）ステータ部（４）にあい対して、それとの間に空隙（２２）があるように 配置され、ステータ部（４）と磁気的関係があるアーマチュア部、（ｃ）ステー タ・ポールが連続して並べられている方向に、少くとも本質的に対応する一方向 に相互に動くことができるステータ部（４）とアーマチュア部（６）および （ｄ）ステータ部（４）のための流体冷却とからなり、 （ｅ）前述のステータ・ポールの配列方向（２８）の横断面でわかるように、ス テータ・ポール（１０）と巻線（１２）が、底壁（１４）と２つの側壁（１６） を含めて実際上Ｕ字の形態をなしており、その空隙側に閉止カバー（１８）があ るステータ支持（８）の上に取りつけらており、 （ｆ）ステータ支持（８）には、少くともステータ・ポール巻線（１２）の一部 分を通って流れる冷却流体（３４）用の流路（３０、３２）が形成されているこ とを特徴とする電気機械（２）。 ２．請求項１に記載の電気機械（２）において、前述の断面図からわかるように 、ステータ・ポール（１０）とステータ支持（８）の第１の側壁（１６）との間 に第１の流路（３０）があり、同時に、ステータ・ポール（１０）とステータ支 持（８）の第２の側壁（１６）との間に第２の流路（３２）があって、これらの ２つの流路（３０，３２）がステータ・ポール（１０）が続くのに沿ってのびて いることを特徴とする電気機械（２）。 ３．請求項２に記載の電気機械（２）において、第１および第２の流路（３０、 ３２）が接続されていて、冷却流体（３４）がそれらを通って連続的に流れるこ とを特徴とする電気機械（２）。 ４．請求項２に記載の電気機械（２）において、第１および第２の流路（３０， ３２）が、流れによってつながっており、冷却流体（３４）がそれらを並列に流 れることを特徴とする電気機械（２）。 ５．請求項２から請求項４までのいずれかの１つに記載の電気機械（２）におい て、第１および第２の流路（３０，３２）が、接続経路（３６）を通じて互いに 接続されていることを特徴とする電気機械（２）。 ６．請求項５に記載の電気機械（２）において、少くともいくつかの場所で、ス テータ・ポール巻線（１２）とステータ支持（８）のカバー（１８）の間のスペ ースが、接続経路（３６）となっていることを特徴とする電気機械（２）。 ７．請求項１から請求項６までのいずれかの１つに記載の電気機械（２）におい て、少くともいくつかのステータ・ポール（１０）に内部流路（３８）があるこ とを特徴とする電気機械（２）。 ８．請求項７に記載の電気機械（２）において、流路（３８）が、それぞれのス テータ・ポール（１０）を通って、ステータ・ポールの配列（２８）の方向に、 実際にのびていることを特徴とする電気機械（２）。 ９．請求項１から請求項８までのいずれかの１つに記載の電気機械（２）におい て、ステータ支持（８）の底壁（１４）に、ステータ・ポールの配列（２８）の 方向に実際にのびた流路（４０）があることを特徴とする電気機械（２）。 １０．請求項９に記載の電気機械（２）において、第１および第２の流路（３０ ，３２）、近接しているステータ・ポール問の横の経路（３６）、ステータ・ポ ール（１０）内の流路（３８）ならびに、底壁（１４）内の流路（４０）が、流 れでつながっており、冷却流体（３４）はまず、第１および第２の流路（３０， ３２）に流れ込み、次いで、横の経路（３６）およびステータ・ポール（１０） 内の流路（３８）を通って、底壁（１４）の排出集合流路（４０）に流れ込むこ とを特徴とする電気機械（２）。 １１．請求項１から請求項１０までのいずれかの１つに記載の電気機械（２）に おいて、少くとも部分的なステータ・ポール（１０）に、おのおのが、冷却流体 を流すことのできる導線間の自由なスペースをもっているコイルがあることを特 徴とする電気機械（２）。 １２．請求項１から請求項１０までのいずれかの１つに記載の電気機械（２）に おいて、電子的に整流された電気モータとして組立てられていることを特徴とす る電気機械（２）。 １３．請求項１から請求項１０までのいずれかの１つに記載の電気機械（２）に おいて、アーマチュア部（６）が、永久磁石（１９）のある機械（２）のエキサ イタとして設計されていることを特徴とする電気機械（２）。 １４．請求項１３に記載の電気機械（２）において、保磁力の高い永久磁石（１ ９）のあることを特徴とする電気機械（２）。 １５．請求項１３または請求項１４に記載の電気機械（２）において、アーマチ ュア部（６）が磁束集中原理によって組立てられており、そこで一連の永久磁石 （１９）の方向に連続して見られるように、この方向に磁化された永久磁石（１ ９）と磁束導体（２０）とが交互に並び、空隙エリア（２２）へ投影するとわか るように、磁束導体（２０）は、おのおの永久磁石（１９）のエリアの２倍以下 のエリアをもつ（永久磁石の連続の方向に投影するとわかるように）ことを特徴 とする電気機械（２）。 １６．請求項１から請求項１５までのいずれかの１つに記載の電気機械（２）に おいて、ステータ・ポール・コイル（１２）のおのおのが、１本のステータ・ポ ール（１０）とだけ連結していることを特徴とする電気機械（２）。