(57)【要約】【課題】  液体冷却式スイッチドリラクタンス電気機械を提供する。【解決手段】  電気機械は、軸及び軸に連結された回転子を有する。電気機械は又、回転子と軸方向に位置合わせされ、及び回転子から半径方向外方に配置された固定子を有する。固定子は、複数の極、複数の極のそれぞれの周りに配置された巻線、及び少なくとも１本のチューブを有する。少なくとも１本のチューブは、複数の極の隣接極に関連した巻線の間に配置され、液体を保持するように構成される。電気機械はさらに軸、回転子及び固定子を包囲するハウジングを有する。【選択図】  図２
2006067793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械であって、
軸と、
軸に連結された回転子と、
回転子と軸方向に位置合わせされ、及び回転子から半径方向外方に配置され、
複数の極と、
複数の極のそれぞれの周りに配置された巻線と、
複数の極の隣接極に関連した巻線の間に配置され、液体を保持するように構成された少なくとも１本のチューブとを有する、固定子と、
軸、回転子、及び固定子を包囲するハウジングとを具備する電気機械。
【請求項２】
少なくとも１本のチューブは、チューブの部分が複数の極のそれぞれに関連した巻線の間に配置されるように、固定子を通過して配管されたたった１本のチューブを包含する請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
少なくとも１本のチューブは複数のチューブを包含し、複数のチューブの１本は複数の極のそれぞれに関連した巻線の間に配置される請求項１に記載の電気機械。
【請求項４】
電気機械を動作させる方法であって、
複数の極と複数の極のそれぞれの周りに配置された巻線とを有する静止固定子内で回転子を回転させるステップと、
複数の極の隣接極に関連した巻線の間に配置された少なくとも１本のチューブを経由して液体を指向するステップと
を含む方法。
【請求項５】
パワー装置であって、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械と、
少なくとも１本のチューブに流体連通され、少なくとも１本のチューブを経て指向された液体を調整するように構成された冷却装置とを具備するパワー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、一般にスイッチドリラクタンス電気機械に関し、より詳しくは、液体冷却式スイッチドリラクタンス電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電動機や発電機のような、スイッチドリラクタンス（ＳＲ）電気機械は、電気的入力に応答して機械的動力を発生させるか又は機械的入力に応答して電力を発生させるために使用され得る。機械的動力や電力の発生中の電動機や発電機内の磁気、抵抗及び機械的損失は熱の増加を引き起こし、この熱は放散されてＳＲ電気機械の誤作動及び／又は故障を回避する。ＳＲ電気機械のパワー出力の限界の一つは、この熱を放散させるＳＲ電気機械の容量にある。
【０００３】
電気機械内の熱を放散させる１つの方法は、液体冷却式固定子ジャケットを採用することを含む。例えば、ナカムラらの米国特許公報（特許文献１）は、回転子、同軸固定子、及びその同軸固定子を包囲する液体冷却式固定子ジャケットを有する液体冷却式電動機を教示する。液体冷却式ジャケットは、長手方向に沿って複数の導管を形成するように押出成形される。冷却媒体は、ポンプから、複数の導管を経由し、放熱器を経由し、ポンプに戻るように循環される。循環中、冷却媒体は固定子から熱を吸収し、それによって電動機から熱を除去する。
【０００４】
液体冷却式固定子ジャケットは、米国特許公報（特許文献１）の電動機のいくらかの部分から若干の熱を除去するが、これは余りにも少ない熱しか除去しない。特に、複数の導管が、かなりの量の熱を発生する固定子内のコイルから半径方向に取り外されるので、それらの複数の導管は、固定子から十分な量の熱を除去する効果がない。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，４４８，１１８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
開示されたスイッチドリラクタンス電気機械は、上記の１つ又は複数の課題の解決に向けられている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの形態において、本明細書は、軸及びその軸に連結された回転子を含むスイッチドリラクタンス電気機械に関する。スイッチドリラクタンス電気機械は、回転子と軸方向に位置合わせされ、及び回転子から半径方向外方に配置された固定子をも含む。固定子は、複数の歯部、複数の歯部のそれぞれの周りに配置されて複数の極を形成する巻線、及び熱媒を保持するように構成された少なくとも１本のチューブを有する。少なくとも１本のチューブは、複数の極の隣接極に関連した巻線の間に配置され、熱媒を保持するように構成される。スイッチドリラクタンス電気機械は、軸、回転子及び固定子を包囲するハウジングをさらに含む。
【０００８】
もう１つの形態において、本明細書は、スイッチドリラクタンス電気機械を動作させる方法に関する。この方法は、複数の歯部と、複数の歯部のそれぞれの周りに配置されて複数の極を形成する巻線とを有する静止固定子内で回転子を回転させることを含む。この方法は、熱媒を複数の極の隣接極に関連した巻線の間に配置された少なくとも１本のチューブに指向することをさらに含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、パワー源１２、冷却装置１４及びスイッチドリラクタンス（ＳＲ）電気機械１６を有する例示的パワー装置１０を示す。パワー装置１０は、作業機械の主推進ユニットとして機能するＳＲ電気機械１６と共に、例えば、ドーザー、屈折式トラック、エクスカベータ、又は当分野で知られている任意の他の作業機械のような、作業機械（図示せず）の一部を形成しても良い。
【００１０】
パワー源１２は、中央冷却装置を採用する当分野で知られている任意パワー源を包含しても良い。特に、パワー源１２は、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジン又は当業者には明白な任意の他のエンジンのような内燃機関を包含しても良い。パワー源１２は、代わりに、ファーネス、燃料電池、バッテリ又は当分野で知られている任意の他のパワー源のようなもう一つのパワー源を包含しても良い。パワー源１２は必要に応じて省略されても良く、冷却装置１４はＳＲ電気機械１６に関してのみ熱伝達専用であると考えられる。
【００１１】
冷却装置１４は、パワー源１２及び／又はＳＲ電気機械１６に又はパワー源１２及び／又はＳＲ電気機械１６から熱を伝達するように構成された加圧装置であっても良い。冷却装置１４は、熱交換器１８、ファン２０及び熱媒を加圧するように構成された圧力源２２を包含しても良い。
【００１２】
熱交換器１８は、空気対空気熱交換器、液体対空気熱交換器、又は液体対液体熱交換器であり、熱媒への又は熱媒からの熱の伝達を容易にするように構成されても良い。例えば、熱交換器１８は、管状及びシェルタイプの熱交換器、板状タイプの熱交換器、又は当分野で知られている任意の他タイプの熱交換器を包含しても良い。熱交換器１８は、供給導管２６及び戻り導管２８を介してパワー源１２に連結され、供給導管３０及び戻り導管３２を介してＳＲ電気機械１６に連結されても良い。熱交換器１８は、パワー源１２の主放熱器、エンジンオイルクーラー、変速機オイルクーラー、ブレーキオイルクーラー、又はパワー源１２の任意の他の冷却構成要素の働きをすると考えられる。熱交換器１８はさらに、ＳＲ電気機械１６に供給された熱媒の調整専用であると考えられる。
【００１３】
ファン２０は、熱交換器１８の近くに配置され、液体対空気熱伝達用の熱交換器１８を横切る空気流を生成するように構成されても良い。ファン２０は必要に応じて省略されても良く、二次流体回路（図示せず）が液体対液体熱伝達用の熱を熱媒に又は熱媒から伝達する熱交換器１８に連結されると考えられる。
【００１４】
圧力源２２は、冷却装置１４内の熱媒を加圧する任意の装置であっても良い。例えば、圧力源２２は、定容量型ポンプ、可変容量ポンプ、可変流量ポンプ又は当分野で知られている任意の他のポンプを包含しても良い。圧力源２２は、熱交換器１８と供給導管２６と３０との間に配置され、パワー源１２によって液圧的に、機械的に、又は電気的に駆動されても良い。圧力源２２は、代わりに、パワー源１２から遠く離れて配置され、パワー源１２以外の手段で駆動され得ると考えられる。圧力源２２は、ＳＲ電気機械１６に指向された熱媒の加圧専用であるとも考えられる。
【００１５】
熱媒は、低圧流体又は高圧流体であっても良い。低圧流体は、例えば、水、グリコール、水グリコール混合体、混合された空気混合体、変速機オイル、エンジンオイル、ブレーキオイル、又はディーゼル燃料のような、パワー源オイル、又は熱を伝達する当技術分野で周知の任意の他の低圧流体を包含しても良い。高圧流体は、例えば、Ｒ−１３４、プロパン、窒素、ヘリウム、又は当分野で知られている任意の他の圧力流体を包含しても良い。
【００１６】
図２は、機械的入力に応答して電力を生成、及び電気的入力に応答して機械的動力を生成するように作用し合う様々な構成要素を有するＳＲ電気機械１６を示す。特に、ＳＲ電気機械１６は、軸３４、回転子３６、固定子３８、ハウジング４０、及び冷却構造体４２を包含しても良い。電気機械１６は、例えば、制御装置、プロセッサ、パワーエレクトロニクス、１つ又は複数のセンサ、パワー蓄積装置、及び／又は当分野で知られている他の構成要素のような、追加的又は異なる構成要素を収容しても良いと考えられる。
【００１７】
軸３４は、パワーを電気機械１６に、及び／又は電気機械１６から伝達する円筒状カップリング部材であっても良く、さらに１つ又は複数の軸受４４を介してハウジング４０に回動的に連結されても良い。軸３４は、ハウジング４０の２つの反対端部から突出しても良い。軸３４がハウジング４０の一方の端部だけから突出すること、及び／又は多数の軸がＳＲ電気機械１６内に包含されることも考えられる。
【００１８】
回転子３６は、軸３４に固定して連結され、ＳＲ電気機械１６内の電気的に誘導された磁界と相互に作用しあって、軸３４を回転させるように構成されても良い。特に、回転子３６は、回転歯部としても知られている、多数の突起部分４６（図３を参照）を有する大量の積層鋼板４５を包含しても良い。積層鋼板は、例えば、締まりばめによって、溶接によって、螺合によって、化学的接合によって、又は任意の他の適当な方法で、軸３４に締結されても良い。各突起部分４６が磁界と作用し合うと、軸３４を回転させるトルクが生成される。
【００１９】
固定子３８は、ハウジング４０に固定して連結され、積層鋼板４５の突起部分４６と作用し合う電気的に誘導された磁界を生成させるように構成される。図２及び３に示されるように、固定子３８は、鉄スリーブ５２から内側に延びる、固定子歯部としても知られている、突起部分４８を有する積層鋼板と、各突起部分４８に挿入され、エポキシ樹脂で接着されて複数の極を形成する銅線の巻線５４とを包含しても良い。電流が連続的に巻線５４に通電されると、複数の極全体に回転磁界が発生する。
【００２０】
ハウジング４０は、軸３４、回転子３６、固定子３８及び冷却構造体４２を収容するように構成されても良い。ハウジング４０は、シェル５６、第一端部キャップ５８、及び第２端部キャップ６０を包含しても良い。シェル５６は、軸３４、回転子３６、固定子３８及び冷却構造体４２を環状に包囲し、第１及び第２端部キャップ５８、６０に連結しても良い。第１及び第２端部キャップ５８、６０は、軸受４４を収容しても良く、それぞれ、軸３４の延長部がハウジング４０を貫通できる中央に設けられた貫通穴を包含する。
【００２１】
図３に示されるように、巻線５４は、固定子３８内で略閉鎖された３面の細長いボイド６２を固有に形成しても良い。特に、突起部分４８は、等間隔の細長いボックス状ポケット６４が、突起部分４８間に、及び回転子３６とスリーブ５２との間で半径方向に形成されるように、等間隔で回転子３６の周りに環状に配置される細長いボックス状構造体であっても良い。銅線の巻線５４が各突起部分４８の周りに巻かれるので、細長いボックス状銅部分が各突起部分４８の両側に形成される。隣接巻線５４の２つの対向銅部分は、ボイド６２が形成されるように各ポケット６４内に配置される。特に、ボイド６２は、対向巻線５４の外部表面を横切る固定子積層鋼板の内部管状面（図２参照）から自然に形成されても良い。
【００２２】
図２に示されるように、冷却構造体４２に加えて、鉄スリーブ５２が、固定子３８への及び固定子３８からの熱伝達用に提供されても良い。特に、鉄スリーブ５２は、シェル５６の内部管状表面と共に、１つ又は複数の流路を形成する１つ又は複数の環状溝６８を鉄スリーブ５２の外部表面に包含しても良い。シェル５６又はスリーブ５２のいずれかは、溝６８を介して熱媒の伝達を可能にし、それによって固定子３８と熱的に連通させる専用入口及び出口（図示せず）を包含しても良い。溝６８が代わりに冷却構造体４２と流体連通されると考えられる。スリーブ５２が、必要に応じて、省略されるか、又は保持されて溝６８が省略されるとも考えられる。
【００２３】
図４に示されるように、冷却構造体４２は、ＳＲ電気機械１６に、及び／又はＳＲ電気機械１６から熱を伝達するように構成され、入口マニフォルド７０、出口マニフォルド７２、及び並列に入口マニフォルド７０と出口マニフォルド７２との間に配置された複数のチューブ７４を包含しても良い。入口マニフォルド７０は、各チューブ７４の一端に流体連通された中空管状構造体と入口ポート７６とを包含しても良い。入口マニフォルド７０は、冷却装置１４からチューブ７４を経由して熱媒を指向するように構成されても良い。出口マニフォルド７２は、入口マニフォルド７０と反対側の各チューブの一端に流体連通された中空管状構造体と、出口ポート７８とを包含しても良い。出口マニフォルド７２は、チューブ７４から冷却装置１４に熱媒を指向するように構成されても良い。入口マニフォルドと出口マニフォルドとの両方とも、巻線５４の対向端部と十分な接触状態にあり、それによって巻線５４の端部（図２参照）に又は巻線５４の端部からかなりの熱を伝導させるようにしても良い。
【００２４】
１本のチューブ７４は各ボイド６２内に配置されて固定子３８から熱を除去するようにしても良い。特に、流体は、入口ポート７６を介してＳＲ電気機械１６の入口マニフォルド７０に、熱を巻線５４に吸収させるか又は伝達させるチューブ７４を経由し、さらに出口ポート７８を介して出口マニフォルド７２から指向されても良い。熱伝達効率を最大化するために、各チューブ７２は、巻線５４間のボイド６２を十分に満たす三角断面を有しても良い。各チューブ７４は、例えば、円形、楕円形、四角形、又は当分野で知られている任意の他の適当な形状のような、三角形以外の断面形状を代わりに有しても良いと考えられる。
【００２５】
図５は、固定子３８で熱を伝達する冷却構造体４２の複数のチューブ７４を使用する代わりに、たった１本のチューブ８２を有する代替冷却構造体８０を示す。特に、チューブ８２は、各ボイド６２内を巡るように配管され、直接的に供給導管及び戻り導管３０、３２に連結され、それによって入口及び出口マニフォルド７０、７２を不要にしても良い。巻線５４の延長部分からの熱伝達に加えて、チューブ８２の最終の巻きは、追加的に熱を伝達できるように巻線５４の端部と十分な接触状態であっても良い。チューブ７４と同様に、チューブ８２も、十分にボイド６２を満たす三角形断面積を有しても良い。
【００２６】
組立工程時に固定子３８の巻線５４間にチューブ７４又は８２を配置した後、固定子３８は、固定子３８の構成要素を共に化学的に接合させるようにエポキシ樹脂に浸漬されても良い。この接合工程で使用されるエポキシ樹脂は、ＳＲ電気機械１６内での熱伝達を高めるように熱伝導性であっても良い。エポキシ樹脂内に浸漬されると、ボイド６２内のいかなる残留空間もエポキシ樹脂で十分に満たされ、それによって巻線５４とチューブ７４又は８２との間の熱伝達を改良できる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
開示された電気機械は、スイッチドリラクタンス電気機械内の熱放散を制御することが望まれるいかなるパワー装置にも潜在的な用途がある。開示されたＳＲ電気機械は、自動車駆動系に特定の用途がある。当業者は、開示されたＳＲ電気機械が自動車に関連するかしないかに関わらず他の駆動系に関しても利用できることは理解されよう。
【００２８】
図１を参照するに、パワー装置１０が動作中であると、熱交換器１８によって調整された（加熱又は冷却された）熱媒は、パワー源１２及び／又はＳＲ電気機械１６を経て圧力源２２によってポンプ供給される。熱媒がパワー源１２及び／又はＳＲ電気機械１６を通過すると、熱は連続的に、又はパワー源１２及び／又はＳＲ電気機械１６から伝達される。ＳＲ電気機械１６を流出したとき、ＳＲ電気機械１６からの熱媒の流れは、パワー源１２を流出する熱媒の流れと合流するように指向され、ここで両方の流れが次に熱交換器１８を経由して調整工程中に熱を放出するか吸収する。
【００２９】
図４に示されるように、熱媒の流れが入口ポート７６によってＳＲ電気機械１６に入ると、それは最初に入口マニフォルド７０を経由するように指向されるが、その流れは各チューブ７４に分配される。チューブ７４から流出するとき、その流れは出口マニフォルド７２及び出口ポート７８によってＳＲ電気機械１６から流出する。
【００３０】
図５の冷却構造体の代替的な実施形態において、熱媒の流れは、入口ポート７６によってＳＲ電気機械１６に入るが、チューブ８２によって各隣接巻線５４の間を流れる。各巻線５４で熱を伝達した後、熱媒は、出口ポート７８によってＳＲ電気機械１６から流出する。
【００３１】
巻線５４間のチューブ７４又は８２を経由して熱媒を指向することに加えて、固定子３８が追加的に冷却されても良い。特に、熱媒は、スリーブ５２の溝６８を経由して指向されて巻線５４の外部表面及び突起部分４８を冷却するようにしても良い。
【００３２】
幾つかの利点は、ＳＲ電気機械１６の冷却路が両方とも固定子３８内及びその周りにあるので、実現される。固定子３８の内部表面と外部表面との両方を冷却すると、固定子３８の外部表面を冷却するだけの場合と比べてＳＲ電気機械１６の冷却能力を増加させる。冷却チューブ７４及び８２が、大量の熱を発生させる傾向にある固定子３８内のこれらの構成要素の直ぐ近くに配置されるので、ＳＲ電気機械１６のより高い冷却効率を実現できる。さらに、ＳＲ電気機械１６内に固有に存在するボイドがチューブ７４及び８２を配置するのに使用されるので、ＳＲ電気機械の全体寸法が実質上不変である。
【００３３】
様々な変更や変形が本明細書のＳＲ電気機械に実施できることは当業者には明らかである。ＳＲ電気機械の他の実施形態は、ここで開示された本発明の明細書や実施の検討から当業者には明らかとなる。明細書や例は例示することだけを目的としたものであり、本発明の真の範囲は請求項やそれらと同等物によって示される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】スイッチドリラクタンス電気機械を有する例示的に開示されたパワー装置の概略図である。
【図２】図１のスイッチドリラクタンス電気機械の断面側面図である。
【図３】図１及び２のスイッチドリラクタンス電気機械の断面端面図である。
【図４】図１〜３のスイッチドリラクタンス電気機械用の例示的に開示された冷却構造体の透視図である。
【図５】図１〜３のスイッチドリラクタンス電気機械用の例示的に開示された冷却構造体の透視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  パワー装置
１２  パワー源
１４  冷却装置
１６  ＳＲ電気機械
１８  熱交換器
２０  ファン
２２  圧力源
２６  供給導管
２８  戻り導管
３０  供給導管
３２  戻り導管
３４  軸
３６  回転子
３８  固定子
４０  ハウジング
４２  冷却構造体
４４  軸受
４５  積層鋼板
４６  突起部分
４８  突起部分
５０  積層鋼板
５２  スリーブ
５４  巻線
５６  シェル
５８  第１端部キャップ
６０  第２端部キャップ
６２  ボイド
６４  ポケット
６８  溝
７０  入口マニフォルド
７２  出口マニフォルド
７４  チューブ
７６  入口ポート
７８  出口ポート
８０  冷却構造体
８２  チューブ
【図１】
2006067793.tif 000003
【図２】
2006067793.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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