(57)【要約】【課題】電気機械（１）用の新規で放熱性に優れたステータハウジング（２）を提供する。【解決手段】前記ステータハウジング（２）は、軸方向に延びている複数の主チャンネル（８ａ〜８ｃ）を備え、隣接する前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）同士が偏向チャンネル（９ａ、９ｂ）によって接続されることで冷却液のための蛇行冷却経路（７）が形成され、複数の接続チャンネル（１０ａ、１０ｂ）が、隣接する前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）同士を軸方向における前記偏向チャンネル（９ａ、９ｂ）間の位置において流体流動可能に接続する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械（１）用のステータハウジング（２）であって、軸方向に延びている複数の主チャンネル（８ａ〜８ｃ）を備え、隣接する前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）同士が偏向チャンネル（９ａ、９ｂ）によって接続されることで冷却液のための蛇行冷却経路（７）が形成され、
複数の接続チャンネル（１０ａ、１０ｂ）が、隣接する前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）同士を軸方向における前記偏向チャンネル（９ａ、９ｂ）間の位置において流体流動可能に接続することを特徴とする、ステータハウジング（２）。
【請求項２】
前記接続チャンネル（１０ａ、１０ｂ）は前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）よりも小さい断面積を有する、
請求項１に記載のステータハウジング（２）。
【請求項３】
前記接続チャンネル（１０ａ、１０ｂ）の断面積は、前記接続チャンネル（１０ａ、１０ｂ）が接続される主チャンネル（８ａ〜８ｃ）の断面積の少なくとも２％、好ましくは少なくとも５％、さらに好ましくは少なくとも７％、および／または多くとも３０％、好ましくは多くとも２０％、さらに好ましくは多くとも１０％である、
請求項２に記載のステータハウジング（２）。
【請求項４】
前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）を流れる冷却液の質量流量の少なくとも２％、好ましくは少なくとも５％、さらに好ましくは少なくとも１０％、および／または多くとも３０％、好ましくは多くとも２０％、さらに好ましくは多くとも１５％が前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）と隣接する前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）を接続する前記接続チャンネル（１０ａ、１０ｂ）にバイパスされる、
請求項１から３のいずれか１つに記載のステータハウジング（２）。
【請求項５】
前記接続チャンネル（１０ａ、１０ｂ）は台形の断面形状を有する、
請求項１から４のいずれか１つに記載のステータハウジング（２）。
【請求項６】
前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）および前記接続チャンネル（１０ａ、１０ｂ）は前記ステータハウジング（２）内のキャビティによって形成される、
請求項１から５のいずれか１つに記載のステータハウジング（２）。
【請求項７】
前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）を形成するキャビティの区域は壁（１８）によって区切られ、隣接する前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）同士を接続する前記接続チャンネル（１０ａ、１０ｂ）は前記壁（１８）の溝によって形成される、
請求項６に記載のステータハウジング（２）。
【請求項８】
前記主チャンネル（８ａ〜８ｃ）を形成するキャビティの区域は前記溝よりも深い、
請求項７に記載のステータハウジング（２）。
【請求項９】
内側ハウジング要素（１６）と外側ハウジング要素（１７）とを備え、前記内側ハウジング要素（１６）は前記外側ハウジング要素（１７）の内側に同軸上に設けられる、
請求項１から８のいずれか１つに記載のステータハウジング（２）。
【請求項１０】
前記キャビティは一つのハウジング要素（１６）に形成される、
請求項９に記載のステータハウジング（２）。
【請求項１１】
前記キャビティは前記内側ハウジング要素（１６）に形成されて前記外側ハウジング要素（１７）で閉じられる、または前記キャビティは前記外側ハウジング要素（１７）に形成されて前記内側ハウジング要素（１６）で閉じられる、
請求項１０に記載のステータハウジング（２）。
【請求項１２】
一方のハウジング要素（１６）は前記ステータハウジング（２）の第１端部シールド（１９）を備え、他方のハウジング要素（１７）は前記ステータハウジング（２）の第２端部シールド（２０）を備える、
請求項９から１１のいずれか１つに記載のステータハウジング（２）。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１つに記載のステータハウジング（２）の中にステータ（３）が配置される、車両（２６）用の電気機械（１）。
【請求項１４】
車両（２６）を駆動するように構成された請求項１３に記載の電気機械（１）を備える、車両（２６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸方向に延びている複数の主チャンネルを備える電気機械用のステータハウジングに関する。ここで、隣接する主チャンネル同士は偏向チャンネルによって接続されることで冷却液のための蛇行冷却経路を形成する。また、本発明は車両用の電気機械および車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械を運転する際の電気損失は、電気機械のステータ巻線に注入した電流に比例する。ステータ巻線の電気抵抗のため、注入電流が増加するほど高熱が生成される。熱が特定の最高定格温度を超えると、電気機械のアクティブ部品、特にステータ巻線における物質の熱破損を招く場合がある。電気機械の利用率を高めるためには、電気機械を液冷却（例えば水冷却）することで熱を散逸させる必要がある。電気機械のステータハウジング内に液冷却を統合する構造において、軸状の主チャンネルと主チャンネル同士を接続する偏向チャンネルが設けられることで蛇行冷却経路を形成する構造が知られている。
【０００３】
しかし、偏向チャンネルの数および冷却液の流量の増加に伴って冷却効率の低下および冷却経路の最初と最後との間における圧力降下の増加が招かれる。望ましくない結果として、圧力降下の増加はより強い液体ポンプを必要とする。
【０００４】
そこで、本発明の目的は低い圧力降下でも運転可能に改善された冷却経路を有するステータハウジングを提供することである。
【０００５】
本発明によれば、この目的は最初に説明するステータハウジングによって解決される。ここで、ステータハウジングは隣接する主チャンネル同士を流体流動可能に接続する複数の接続チャンネル偏向チャンネル間の軸方向における位置に備える。
【０００６】
従来の蛇行冷却経路においては、冷却液の流れの剥離によって、各偏向チャンネルの前に高圧力領域、偏向チャンネルの後ろに低圧力領域が現れることが分かっている。ここで、接続チャンネルを追加することで、隣接する主チャンネル間の高圧力領域と低圧力領域との間の圧力の均等化が実現され、その結果これらの圧力領域間の圧力降下が大幅に低減される。本発明のステータハウジングと接続チャンネルを設けない従来のステータハウジングとを比較すると、圧力降下を低減する影響が、一定量の冷却液が接続チャンネルを流れることによるステータハウジングの冷却効率の低下の影響よりも著しく大きいことが確認された。有利には、圧力降下低減を伴う冷却経路の改善によって、本発明のステータハウジングによればより弱く特により小さい流体ポンプを採用することができる。
【０００７】
典型的には、偏向チャンネルは冷却経路を流れる冷却液に対して、少なくとも１７０°、好ましくは少なくとも１７５°、さらに好ましくは少なくとも１７９°偏向させるよう構成されてもよい。好ましくは、主チャンネルは軸方向に平行に延びている。典型的には、接続チャンネルは隣接する主チャンネル同士の軸方向における中心位置に配置される。中心位置は、隣接する主チャンネル同士の全長の４０％〜６０％の間の位置であってよい。典型的には、冷却経路は、冷却液の流れる方向に関して最初の主チャンネルと接続される流入チャンネルおよび／または冷却液の流れる方向に関して最後の主チャンネルと接続される流出チャンネルを備える。流入チャンネルは別の偏向チャンネルによって最初の主チャンネルと接続されてもよく、および／または最後の主チャンネルは別の偏向チャンネルによって流出チャンネルと接続されてもよい。別の接続チャンネルが流入チャンネルと最初の主チャンネルとの間に設けられてもよく、および／または別の接続チャンネルが最後の主チャンネルと流出チャンネルとの間に設けられてもよい。流入チャンネルおよび／または流出チャンネルは冷却液を少なくとも部分的にステータハウジングの周方向に導くような形となっていてもよい。
【０００８】
好ましくは、接続チャンネルは主チャンネルよりも小さい断面積を有する。小さい接続チャンネルによって、冷却効率に大きな影響を与えることなく、隣接する主チャンネルの圧力領域間において十分な均等化を供することができることが確認されている。具体的には、各接続チャンネルの断面積は、その接続チャンネルが接続される主チャンネルの断面積の少なくとも２％、好ましくは少なくとも５％、さらに好ましくは少なくとも７％、および／または多くとも３０％、好ましくは多くとも２０％、さらに好ましくは多くとも１０％であってよい。
【０００９】
有利には、本発明のステータハウジングは、主チャンネルを流れる冷却液の質量流量の少なくとも２％、好ましくは少なくとも５％、さらに好ましくは少なくとも１０％、および／または多くとも３０％、好ましくは多くとも２０％、さらに好ましくは多くとも１５％が主チャンネルと隣接する主チャンネルを接続する接続チャンネルにバイパスされる。
【００１０】
一般的に、接続チャンネルは円形、楕円形、長方形等の様々な断面形状を有してよい。本発明のステータハウジングの非常に好ましい実施形態によれば、接続チャンネルは台形の断面形状を有する。
【００１１】
冷却経路の製造の簡易化のために、主チャンネル、接続チャンネル、および特に偏向チャンネル、流入チャンネル、および／または流出チャンネルはステータハウジング内のキャビティによって形成されることが好ましい。各キャビティはステータハウジングの材料を圧延することで形成されてもよい。
【００１２】
ここで、主チャンネルを形成するキャビティの区域は壁によって区切られ、隣接する主チャンネル同士を接続する各接続チャンネルは壁の溝によって形成されてもよい。ここで、主チャンネルを形成するキャビティの区域は溝よりも深いことが好ましい。
【００１３】
本発明のステータハウジングは、内側ハウジング要素と外側ハウジング要素とを備えていてもよく、内側ハウジング要素は外側ハウジング要素の内側に同軸上に設けられる。これにより、ステータハウジングはモジュール式に簡単に製造することができる。
【００１４】
ここで、キャビティはハウジング要素の一つに形成されてもよい。好ましい設計によれば、キャビティは内側ハウジング要素に形成され、外側ハウジング要素によって閉じられる。あるいは、キャビティは外側ハウジング要素に形成され、内側ハウジング要素によって閉じられる。
【００１５】
さらに、一方のハウジング要素はステータハウジングの第１端部シールドを備え、他方のハウジング要素はステータハウジングの第２端部シールドを備えてもよい。好ましくは、第１端部シールドは駆動端部シールドであり、第２端部シールドは非駆動端部シールドである。好ましくは、流入チャンネルと接続される流入口および／または流出チャンネルと接続される流出口は外側ハウジング要素と一体に形成される。好ましくは、流入口と流出口とはステータハウジングの軸方向において対向する位置に配置される。
【００１６】
さらに、本発明は、本発明のステータハウジングが内部に配置されるステータを備える車両用の電気機械も対象とする。
【００１７】
また、本発明は、車両を駆動するように構成された本発明の電気機械を備える車両も対象とする。車両は完全電気駆動車両またはハイブリッド車両のような部分的電気駆動車両であってよい。
【００１８】
本発明のステータハウジングに関する記載はすべて本発明の電気機械および本発明の車両にも同様に適用され、したがって上述したステータハウジングの利点はそれらによっても達成される。
【００１９】
さらなる詳細および本発明の利点は、概略図を参照しながら以下に開示される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態のステータハウジングを備える本発明の電気機械の一実施形態の原理的な断面図である。
【図２】ステータハウジングの分解図である。
【図３】ステータハウジングの接続チャンネルの斜視図である。
【図４】電気機械の運転中にステータハウジングの冷却経路を流れる冷却液の流線を示す。
【図５】電気機械の運転中の冷却経路における圧力分布を表す。
【図６】電気機械の運転中のステータハウジングの内側ハウジング要素の温度分布を表す。
【図７】本発明の車両の一実施形態の原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は電気機械１の一実施形態の原理的な断面図であり、電気機械１は一実施形態のステータハウジング２と、圧入によってステータハウジング２の内部に固定されるステータ３と、ステータ３の内部に回転可能に設けられるロータ４と、ロータ４に取り付けられるシャフト５と、を備えている。例示的には、ロータ４は複数の永久磁石６を備えている。
【００２２】
図２はステータハウジング２の分解図であって、ステータハウジング２は軸方向に延びている複数の主チャンネル８ａ〜８ｃと複数の偏向チャンネル９ａ、９ｂとを含む冷却経路７を備えており、冷却経路７を流れる冷却液が各主チャンネル８ａ〜８ｃから出る際に１８０°偏向するように偏向チャンネル９ａ、９ｂは隣接する主チャンネル８ａ〜８ｃ同士を接続する。このように、偏向チャンネル９ａ、９ｂは実質的に周方向に延び、ステータハウジング２の対向する部分に交互に設けられる。さらに、冷却経路７は各主チャンネル８ａ〜８ｃ同士を偏向チャンネル９ａ、９ｂ間の軸方向における中心位置において流体流動可能に接続する接続チャンネル１０ａ、１０ｂを備える。
【００２３】
さらに、冷却経路７は流入チャンネル１１と流出チャンネル１２とを備える。流入チャンネル１１と流出チャンネル１２は、主チャンネル８ａ〜８ｃとは異なり、部分的に周方向に延び、それぞれ冷却液の流れ方向（矢印１５で描かれている）に関して流入口１３から最初の主チャンネル８ａへ、または流れ方向に関して最後の主チャンネル（図２では不図示）からステータハウジング２の流出口１４へ冷却液を導くよう構成されている。流入口１１と最初の主チャンネル８ａとは別の偏向チャンネル９ｃによって接続され、最後の主チャンネルと流出チャンネル１２とは別の偏向チャンネル９ｄによって接続されている。さらに、別の接続チャンネル１０ｃが流入チャンネル１１と最初の主チャンネル８ａとの間に設けられ、別の接続チャンネル１０ｄが最後の主チャンネルと流出チャンネル１２との間に設けられる。これらの接続チャンネル１０ｃ、１０ｄの軸方向における位置は接続チャンネル１０ａ、１０ｂのそれと一致する。
【００２４】
図３は接続チャンネル１０ａの斜視図であって、他の接続チャンネル１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを代表する。接続チャンネル１０ａの断面形状は等脚台形であって、その長い平行辺の長さは短い平行辺の長さの約１．９５倍である。接続チャンネル１０ａの高さは主チャンネル８ａの高さの約６０％であって、長い平行辺と台形の脚の間の角度αは約４４．７°である。接続チャンネル１０ａの断面積は、接続チャンネル１０ａを介して主チャンネル８ｂと接続されている主チャンネル８ａの断面積の約８％である。この結果、主チャンネル８ａを流れる冷却液の質量流量の約１２％が偏向チャンネル９ａを通過することなく接続チャンネル１０ａにバイパスされる。
【００２５】
再び図２を参照し、ステータハウジング２は内側ハウジング要素１６と外側ハウジング要素１７とを備える。内側ハウジング要素１６は外側ハウジング要素１７の内側に同軸上に設けられる。したがって、主チャンネル８ａ〜８ｃ、偏向チャンネル９ａ〜９ｄ、接続チャンネル１０ａ〜１０ｄ、流入チャンネル１１、および流出チャンネル１２は内側ハウジング要素１６の円柱構造に圧延して形成されたキャビティによって形成される。このようにして、それぞれ隣接する主チャンネル８ａ〜８ｃ同士は壁１８によって区切られ、接続チャンネル１０ａ〜１０ｄは壁１８にそれぞれ設けられる溝によって形成される。キャビティは、外側ハウジング要素１７の内部に配置されることで外側ハウジング要素１７の内側円柱構造によって閉じられる。
【００２６】
さらに、内側ハウジング要素１６は電気機械１の駆動端部（ＤＥ）シールドである第１端部シールド１９を備え、外側ハウジング要素１７は電気機械１の非駆動端部（ＮＤＥ）シールドである第２端部シールド２０を備える。さらに、外側ハウジング要素１７に対して内側ハウジング要素１６を密閉するシーリング２１、２２が内側ハウジング要素１６の表面の両側に設けられる。
【００２７】
図４は、電気機械１の運転中に冷却経路７を流れる冷却液の流線を示す。接続チャンネルが設けられていない従来のステータハウジングと比較して、偏向チャンネルを通過した後の流れの剥離および冷却液の回り込みが、接続チャンネルの等化効果によって大幅に低減される。
【００２８】
図５は、電気機械１の運転中のステータハウジング２の冷却経路７における圧力分布を等圧線２３ａ〜２３ｆによって表す。冷却液は、冷却経路７に流入し、圧力最大領域２３内で最大の圧力降下（例示的には３．５ｋＰａ）となる。ここで、等圧線２３ａ〜２３ｆはおおよそ次の圧力降下を表す：２３ａ−３．２６ｋＰａ；２３ｂ−３．０３ｋＰａ；２３ｃ−２．８０ｋＰａ；２３ｄ−２．５７ｋＰａ；２３ｅ−２．３３ｋＰａ；２３ｆ−０．００ｋＰａ。
【００２９】
従来のステータハウジングと比較して、体積流量１０Ｌ／分、流入冷却液温度２５°Ｃにおいては圧力降下が３７．５３％低下し、体積流量１０Ｌ／分、流入冷却液温度６５°Ｃにおいては４２．８９％低下することが分かった。
【００３０】
図６は、電気機械１の運転中の内側ハウジング要素１６の温度分布を等温線によって表す。ホットスポット領域２４、２５で描かれているように、各主チャンネル８ａ〜８ｃにおいて各接続チャンネル１０ａ〜１０ｄの前後に温度の局所的最大点が存在する。これらの領域は接続チャンネルが設けられていない従来の電気機械における単一のホットスポット領域よりも高温である。しかし、下表に示すように、重要な点（流入温度７０°Ｃ、流量６Ｌ／分）において、接続チャンネルが設けられていない従来の電気機械と比較したとき、絶対温度上昇は、接続チャンネル１０ａ〜１０ｄを設けることによって実現される圧力降下の抑制に対して極めて影響が小さい。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
その結果、接続チャンネル１０ａ〜１０ｄを設けることで、電気機械１のいくつかの有意な点における最大温度と平均温度のほんの僅かな上昇のみを犠牲にして、冷却経路７における大幅な圧力降下の抑制が実現される。
【００３３】
図７は上記実施形態の一つに係る電気機械１を備える車両２６の一実施形態の原理図であって、電気機械１を冷却するために冷却液が熱交換器２８を介してポンプ２７に供給される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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