(57)【要約】  本発明は、長手方向（Ｘ）に延在する軸（５）と、周方向に交互に設けられた歯および溝と、を備える巻線型回転子（１）に関する。歯のそれぞれは、回転子の極を生成することが意図された長手方向の巻線を受け、巻線のそれぞれは、回転子の長手方向端のそれぞれに、突き出たコイルヘッド（４０）を形成する。回転子（１）は、コイルヘッド（４０）に送り込まれた冷却液により冷却されることが可能であり、回転子（１）は、回転子巻線を機械的に保持する少なくとも１つのカラー（１０、１０’）をさらに備える。カラー（１０、１０’）は、コイルヘッドに向けて開口する中央開口部（１０１、１０１’）を画成するように、回転子（１）の長手方向端（１７、１７’）に設置される。カラー（２）は、コイルヘッドに向けて中央開口部（１０１、１０１’）に送り込まれた冷却液が漏れ出るのを許容可能な、少なくとも１つの排出ダクト（１１、１１’）を備える。【選択図】図１
2019536411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯と溝とを周方向に交互に形成する構造（１６）を備え、
前記歯のそれぞれは、回転子の極を生成することが意図された長手方向の巻線を受け、
前記巻線のそれぞれは、前記回転子の長手方向端（３０、３０’）のそれぞれにおいて、突き出たコイルヘッド（４０）を形成し、
前記回転子（１）はまた、前記構造（１６）を長手方向（Ｘ）に沿って通過する軸（５）を備え、
前記回転子（１）は、前記コイルヘッド（４０）に送り込まれた冷却液により冷却されることが可能であり、
前記回転子（１）は、コイルヘッド（４０）に向けて開口する中央開口部（１０１、１０１’）を画成するように、回転子（１）の長手方向端（３０、３０’）に設置された、前記回転子巻線を機械的に保持する少なくとも１つのカラー（１０、１０’）をさらに備えた巻線型回転子（１）であって、
前記カラー（２）は、前記コイルヘッド（４０）に向けて前記中央開口部（１０１、１０１’）に送り込まれた前記冷却液が漏れ出すのを許容可能な、少なくとも１つの排出ダクト（１１、１１’）を備え、
前記排出ダクト（１１、１１’）は、前記カラー（１０、１０’）を径方向に貫通するオリフィス（１１、１１’）により形成され、
前記カラーの長手方向端（１８）は、その外径に一定の減少を有することを特徴とする、巻線型回転子（１）。
【請求項２】
前記カラー（１０、１０’）が、前記構造（１６）の長手方向端（３０、３０’）で、前記構造（１６）の留め部（１７、１７’）まで、力をかけて取り付けられたことを特徴とする、
請求項１に記載の巻線型回転子（１）。
【請求項３】
前記カラー（１０、１０’）が、径方向で反対側に位置する少なくとも２つのダクト（１１、１１’）を備えることを特徴とする、
請求項１または２に記載の巻線型回転子（１）。
【請求項４】
前記カラー（１０、１０’）が、８つのダクト（１１、１１’）を備え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巻線型回転子（１）。
【請求項５】
前記カラーが、鍛造アルミニウム金属シートから作製されたことを特徴とする、
請求項１から４のいずれか一項に記載の巻線型回転子（１）。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の巻線型回転子（１）と、
前記保持カラー（１０、１０’）を受ける前記回転子（１）の前記長手方向端（３０、３０’）に冷却液を送り込む手段と、
を備える電気機械。
【請求項７】
前記巻線型回転子（１）が、複数の固定子巻線を備える固定子の内側に設置され、
前記固定子巻線のそれぞれが、前記固定子の長手方向端のそれぞれに前記固定子のコイルヘッドを形成し、
前記巻線型回転子（１）の前記カラー（１０、１０’）の前記ダクト（１１、１１’）が、前記冷却液が前記カラー（１０、１０’）の前記ダクト（１１、１１’）を介して漏れ出るときに、当該冷却液が前記固定子のコイルの前記コイルヘッドに直接送り込まれるように、前記固定子巻線の前記コイルヘッドの近くで開口するように構成される、
請求項６に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、巻線型回転子同期電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電気機械の分野において、回転子は、永久磁石型回転子か巻線型回転子かのいずれかであるのが一般的である。
【０００３】
巻線型回転子は、多くの利点を有し、回転子電流および固定子電流の両方を最適化し、回転子巻線の電流に直接作用することにより簡素化された速度調整を可能とすることで、エンジン出力を改善する点に、特に利点がある。
【０００４】
しかし、巻線型回転子のよく知られた欠点の一つは、回転子巻線における電流の通過により生成される熱である。
【０００５】
巻線型回転子の巻線の加熱の約３０％から４０％が、回転子の長手方向端に配置されたコイルヘッドの近くに集中することが知られている。一つの公知の冷却方法は、コイルヘッドに、オイルまたは他の何らかの誘電性熱伝導冷却液を吹き付けることである。
【０００６】
しかし、回転子の長手方向端に吹き付けられた冷却液は、巻線の機械的な保持カラーに蓄積する。
【０００７】
回転子構造が、特に回転子が高速で回転させられる場合に、確実に保持されるようにするため、回転子の長手方向端のそれぞれに機械的な保持カラーが設置され、構造を構成する積層シートが遠心力の影響によりずれるのを防止する。
【０００８】
よって、これらのカラーは、回転子の端部のそれぞれに、回転子のコイルヘッドに至る中央開口部を画成する、突き出た中空筒状部を形成する。
【０００９】
冷却液がコイルヘッドに吹き付けられると、これらのカラーがこの液体を保持し、冷却液は、回転子の突出カラーにより形成される中央開口部の内周壁上に特に蓄積する。
【００１０】
このようにしてカラーに蓄積した冷却液は、遠心力の影響のもとでカラーの内周壁に対して滑らかな表面を形成し、毛細管現象により、エアギャップに浸透する。
【００１１】
一つの問題は、エアギャップに存在する冷却液が、固定子と回転子との間に摩擦効果を生じて、電気機械の効率を低下させることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
よって、巻線型回転子同期機械の回転子巻線の冷却を改善することを、従来技術の欠点を伴わずに可能とする解決方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
歯と溝とを周方向に交互に形成する構造を備える巻線型回転子が提案される。歯のそれぞれは、回転子の極を生成することが意図された長手方向の巻線を受け、巻線のそれぞれは、回転子の長手方向端のそれぞれにおいて、突き出たコイルヘッドを形成する。回転子はまた、構造を長手方向に沿って通過する軸を備え、回転子は、コイルヘッドに送り込まれた冷却液により冷却されることが可能である。回転子は、コイルヘッドに向けて開口する中央開口部を画成するように、回転子の長手方向端に設置された、回転子巻線を機械的に保持する少なくとも１つのカラーをさらに備える。カラーは、コイルヘッドに向けて中央開口部に送り込まれた冷却液が漏れ出すのを許容可能な、少なくとも１つの排出ダクトを備える。
【００１４】
このように、カラーにおける冷却液の排出ダクトを用いることで、液体の漏出を、オイルが機械のエアギャップに入り込まないような方向に向けることが可能となる。換言すれば、排出ダクトは、従前はカラーの内部に送り込まれていた冷却液の漏出を制御可能とするものであり、特にオイルが電気機械のエアギャップに浸透するのを防止することにより、電気機械の効率を最適化することを可能とする。
【００１５】
他を排するものではなく、カラーは、構造の長手方向端で、構造の留め部まで、力をかけて取り付けられるのが有利である。これにより、回転子の構造に、カラーを比較的強固かつ簡単に取り付けることが可能となる。
【００１６】
他を排するものではなく、排出ダクトは、カラーを径方向に貫通するオリフィスにより形成されるのが有利である。これにより、オリフィスをカラーに直接形成したり（例えば、貫通させることによる）、部品の成型時に形成したりすることで、排出ダクトを比較的低廉に作製することが可能となる。
【００１７】
他を排するものではなく、カラーは、径方向で反対側に位置する少なくとも２つのダクトを備えるのが有利である。これにより、冷却液の漏出を改善し、特に固定子のコイルヘッド（「固定子コイル」ともいう）に向かう排出流速を最適化することで、電気機械の冷却全般を改善する。
【００１８】
他を排するものではなく、カラーは、８つのダクト備え、その長手方向端の外径に、一定の減少を有するのが有利である。これにより、排出を促し、特に周方向の分布に限らず、排出の長手方向の分布もまた促すことが可能となる。具体的には、８つのダクトが、カラーの外周に亘って等間隔で分布し、カラーの長手方向端が、回転子が高速で回転させられる場合に液体の速やかな漏出を可能とするように、平面的な傾斜を有する。
【００１９】
本発明はまた、先に述べた巻線型回転子と、保持カラーを受ける回転子の長手方向端に冷却液を送り込む手段と、を備える電気機械に関する。
【００２０】
他を排するものではなく、巻線型回転子は、複数の固定子巻線を備える固定子の内側に設置され、固定子巻線のそれぞれは、固定子の長手方向端のそれぞれに固定子のコイルヘッドを画定する。巻線型回転子のカラーのダクトは、冷却液がカラーのダクトを介して漏れ出るときに、その冷却液が固定子コイルのコイルヘッドに直接送り込まれるように、固定子巻線のコイルヘッドの近くで開口するように構成されるのが有利である。
【００２１】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、情報として提供され、いかなる限定をも伴わない、本発明の一つの特定の実施形態に関する以下の説明を読むことで理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る巻線型回転子の斜視図である。
【図２】図２は、本発明の図１に示す実施形態に係る巻線型回転子の、他の斜視図である。
【図３】図３は、本発明の図１および２に示すのに代わる実施形態に係る巻線型回転子のカラーを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１および２は、本発明の同じ実施形態に関するものであるので、一括して説明する。
【００２４】
同期電気機械は、不図示の固定子の内側に搭載される巻線型回転子１を備える。
【００２５】
巻線型回転子１は、回転子１とも呼ばれ、積層されたシート状の金属部品から作製され、軸５がその長さ全体に亘って通過する縦構造１６を備える。
【００２６】
よって、軸５は、構造１６に回転可能に結合されており、長手方向Ｘに延在する。この長手方向Ｘは、回転子１の主回転軸Ｘを同じく形成するものである。
【００２７】
構造１６は、周方向に連続した歯および切欠きを形成する。
【００２８】
回転子巻線は、長手方向の巻きに沿って歯を包囲するように、切欠きに収められる。
【００２９】
よって、回転子１は、長手方向Ｘに沿って延在する複数の巻線を備える。
【００３０】
回転子巻線は、回転子１の長手方向端３０、３０’のそれぞれに、コイルヘッド４０を形成する。
【００３１】
よって、回転子１の１つの長手方向端３０、３０’におけるコイルヘッド４０の全体を、コイルと呼ぶ。
【００３２】
電流の通過の影響のもとで加熱した回転子１の巻線を冷却するため、冷却システムは、回転子１の長手方向端３０、３０’のそれぞれに冷却ノズル２１および２１’を備えるオイル循環回路２０、２０’を備える。
【００３３】
本実施形態では、回転子の長手方向端３０、３０’のそれぞれに２つの冷却ノズル２１、２１’が設置される。
【００３４】
ただし、本発明は、長手方向端３０、３０’毎に２つのノズルに限定されない。回転子巻線の加熱に応じて、長手方向端３０、３０’毎に冷却液を送り込む単一のノズルを設けることも可能であり、長手方向端３０、３０’毎に３つ以上の冷却ノズルを設けることも可能である。
【００３５】
回転子１の単一の長手方向端３０、３０’に冷却を提供することも可能である。
【００３６】
射出ノズル２１、２１’は、本実施形態では冷却オイルである冷却液を、ノズル２１、２１’が設置される端部３０、３０’に対応する回転子１のコイルヘッド４０に送り込むことができるように向けられる。
【００３７】
例えば、オイルを微細な液滴の形態で吹き付けることで、送り込んでもよい。
【００３８】
回転子１が回転させられるときに、回転子巻線を回転子１の構造１６に対して静止した状態に保つため、特に遠心力に耐え得るため、回転子１の長手方向端３０、３０’のそれぞれに、機械的な保持カラー１０、１０’が設置される。
【００３９】
保持カラー１０、１０’は、回転子１の構造１６に取り付けられる。具体的には、保持カラー１０、１０’は、構造１６の長手方向留め部１７、１７’まで、力をかけて嵌め合わせてもよく、さらに、任意で、回転子１の長手方向端３０、３０’において、構造１６を中心として、コイルヘッド４０の近傍で回転子巻線を取り囲むように固定されてもよい。
【００４０】
よって、保持カラー１０、１０’は、輪状に延在し、コイルヘッド４０に向けて開口する中央開口部１０１、１０１’を画成する中空円筒状の回転子の突出端を、カラーが部分的に形成するように、回転子１の長手方向端３０、３０’のそれぞれで長手方向に突出する。
【００４１】
換言すれば、カラー１０、１０’は、回転子１の長手方向端に設置されると、回転子１の対応する長手方向端３０、３０’からコイルヘッド４０に至る実質的に筒状の凹部と符合する、中央開口部１０１、１０１’を画成する。
【００４２】
射出ノズル２１および２１’は、対応するカラー１０、１０’の中央開口部１０１、１０１’の内側にオイルが送り込まれるように設置される。
【００４３】
よって、回転子１が回転させられると、送り込まれたオイルがカラー１０、１０’の内部空間に充填され、カラー１０、１０’の内周壁上に蓄積する。
【００４４】
カラー１０、１０’の中央開口部１０１、１０１’に送り込まれたオイルは、構造の留め部１７、１７’と対応するカラー１０、１０’との間の接合部において、カラー１０、１０’と構造１６との間に浸透する。これにより、オイルが電気機械のエアギャップに流入する場合がある。
【００４５】
このような流れは、電気機械の効率を悪化させる摩擦力を生じるので、好ましいものではない。
【００４６】
カラー１０、１０’の中央開口部１０１、１０１’に蓄積したオイルが、回転子１の構造１６の留め部１７、１７’とカラー１０、１０’との間の接合部に浸透するのを防止するため、カラー１０、１０’のそれぞれに、少なくとも１つ、好ましくは複数の排出ダクト１１、１１’が形成される。
【００４７】
排出ダクト１１、１１’のそれぞれは、回転子１の構造１６の長手方向突出部で、カラー１０の周壁に形成されたオリフィス１１、１１’に合致する。
【００４８】
オリフィス１１、１１’は、カラー１０、１０’の中央開口部１０１、１０１’からカラー１０、１０’の外側へ向けてオイルが流れるのを可能とするのに充分な直径を有する、径方向貫通オリフィスである。
【００４９】
これらのオリフィス１１、１１’は、カラー１０、１０’の中央開口部１０１、１０１’からオイルが漏れ出るのを容易にするだけでなく、カラー１０、１０’と構造１６の対応する留め部１７、１７’との間に滑らかな表面が形成されるのを回避し、これにより、オイルをエアギャップに浸透させる毛細管現象のリスクが低減される。
【００５０】
特にダクト１１、１１’は、オイルを固定子のコイルヘッドに向けて排出させるように構成される。
【００５１】
よって、オリフィス１１、１１’は、オイルがカラー１０、１０’から固定子のコイルヘッドに直接漏れ出るのを可能とするように、回転子１の長手方向に沿って、固定子のコイルヘッドの向かいまたはその近傍で、カラー１０、１０’に設けられる。
【００５２】
よって、固定子のコイルに及ぶオイルの送込速度を増大させ、それらの冷却および電気機械の効率を改善することが可能である。
【００５３】
本実施形態では、カラー１０、１０’のそれぞれは、８つの排出ダクト１１、１１’、つまり、８つの径方向貫通オリフィス１１、１１’を備える。
【００５４】
径方向貫通オリフィス１１、１１’は、カラー１０、１０’の外周に亘って等間隔で配置される。
【００５５】
図３は、回転子１のカラー１０、１０’の他の実施形態を示す。明確さを重視し、カラー１０のみが示されているが、カラー１０’も同様に変更される。本発明の他の実施形態では、カラー１０の外径が、カラー１０の長手方向端１８全体に亘って一定の割合で減少される。この直線的であるのが好ましい減少により、このカラーの端部に、長手方向Ｘでオリフィス１１、１１’の直後に存在するオイルが、これらのオリフィス１１、１１’を介しては排出されない場合に、より容易にエアギャップの外側に漏れ出るのが可能となる。
【００５６】
この装置を用いることで、電気機械の抵抗トルクに関し、従来技術に対して約１５％のゲインを得ることが可能となる。
【００５７】
本発明は、オイルのみに限定されるものではなく、電気機械の冷却に適したあらゆる誘電性熱伝導冷却液に適用することが可能である。
【００５８】
カラー１０、１０’のそれぞれに設けられるオリフィス１１、１１’の数は、単位時間当たりに排出されるべきオイルの量に基づき変更することができる。
【００５９】
よって、回転子１の特徴、その寸法設定およびコイルヘッド４０のそれぞれに送り込まれるオイルの量に基づき、オリフィス１１、１１’の数を増やしたり、各オリフィスの直径を延ばしたりして、カラー１０、１０’から漏れ出るオイルの流れを制御することが可能である。
【００６０】
特に同一のカラー１０、１０’のオリフィス１１、１１’は、直径が同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００６１】
カラー１０、１０’は、鍛造シート、成型または大規模機械加工により形成される。使用される材料は、例えば、アルミニウムまたは鉄合金である。回転子の軽量化のため、鍛造アルミニウム合金のシート材から作製するのが好ましい。
【符号の説明】
【００６２】
１…回転子
５…軸
１０、１０’…保持カラー
１１、１１’…ダクト（オリフィス）
１６…構造
１７、１７’…留め部
２１、２１’…射出ノズル
３０、３０’…長手端
４０…コイルヘッド
１０１、１０１’…中央開口部
【図１】
2019536411.tif 000003
【図２】
2019536411.tif 000004
【図３】
2019536411.tif 000005
【国際調査報告】
2019536411.tif 000006
2019536411.tif 000007
2019536411.tif 000008
2019536411.tif 000009
2019536411.tif 000010
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