(57)【要約】  液体冷却式電気機械は、内面と、コイル収容スロットが設けられた外面とを有する内部ステータと、内部ステータと同軸の外部ロータと、ステータの内面に接触する内側部分と、ステータの外面と接触してコイル収容スロットをシールする外部スリーブと、内側部分と外部スリーブとを相互接続する中間部分と、を有するステータ冷却アセンブリであって、中間部分が、内側部分とコイル収容スロットとの間に冷却液体を流すように構成され、ステータ冷却アセンブリが入口および出口を含む、ステータ冷却アセンブリと、を含んでなる。液体冷却式電気機械の一実施形態は、密閉されたステータを含み、密閉されたステータのコイル収容スロットに冷却液体を流すように構成された冷却アセンブリを含み、それによって、そこに配置されたコイルを冷却する。
2019514326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面と、コイル収容スロットが設けられた外面とを有する内部ステータと、
前記内部ステータと同軸の外部ロータと、
ステータの前記内面に接触する内側部分と、ステータの前記外面と接触して前記コイル収容スロットをシールする外部スリーブと、前記内側部分と前記外部スリーブとを相互接続する中間部分と、を有するステータ冷却アセンブリであって、前記中間部分が、前記内側部分と前記コイル収容スロットとの間に冷却液体を流すように構成され、前記ステータ冷却アセンブリが入口および出口を含む、ステータ冷却アセンブリと、
を含んでなることを特徴とする液体冷却式電気機械。
【請求項２】
前記冷却液体を冷却するための冷却装置をさらに含み、前記冷却装置が、前記ステータ冷却アセンブリの前記出口に関連する入口と、前記ステータ冷却アセンブリの前記入口に関連する出口と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項３】
前記内部ステータと前記外部ロータとを囲むケーシングをさらに含み、前記冷却装置が前記ケーシングに関連していることを特徴とする、請求項２に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項４】
前記ステータ冷却アセンブリおよび前記冷却装置の一方の入口を、前記ステータ冷却アセンブリおよび前記冷却装置の他方の出口に接続してそれらの間に液体流を生成するポンプ機構をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項５】
前記ケーシングが、外部フィンを含むことを特徴とする請求項３に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項６】
前記冷却装置が、前記ケーシングに設けられた長手方向チャネルと、隣接するチャネルに開口する凹部と、前記凹部に挿入されたときに隣接するチャネルを相互接続する経路形成カバーと、を含むことを特徴とする、請求項３に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項７】
前記ステータ冷却アセンブリの前記入口が、前記ステータ冷却アセンブリの前記内側部分に関連し、前記ステータ冷却アセンブリの前記出口が、前記外部スリーブに関連することを特徴とする、請求項１に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項８】
前記ステータおよび前記ステータ冷却アセンブリが取り付けられるベースをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項９】
前記外部スリーブを前記ベースに相互接続する接続要素をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項１０】
前記ステータ冷却アセンブリの前記入口が、その前記内側部分と関連し、前記ステータ冷却アセンブリの前記出口が、前記接続要素と関連していることを特徴とする、請求項９に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項１１】
前記ステータ冷却アセンブリの前記内側部分が、マニホールドを画定するチャネルが形成された外面を有する円筒形要素であって、前記冷却液体を前記ステータの前記内面に接触させることを可能にする円筒形要素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項１２】
前記中間部分が、前記内側部分と前記外部スリーブとを相互接続する湾曲した内面を含むことを特徴とする、請求項１に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項１３】
前記内部ステータおよび前記外部ロータを囲むケーシングをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の液体冷却式電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、電気機械に関する。より具体的には、本開示は、密閉されたステータを備えた液体冷却式電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械、モータまたは発電機は、当該技術分野において周知である。また、電気機械が副産物として熱を発生し、この熱を機械から何らかの形で取り出して機械の性能を改善し、かつ／または機械の早期劣化を防止する必要があることも広く知られている。
【０００３】
電気機械は、しばしば空冷式である。これは、空気を強制的に流すために機械の本体に開口部を設けることによってしばしば行われる。空気は一般に低効率の冷却媒体であるため、このような冷却アセンブリの効率はしばしば貧弱である。さらに、電気機械の中には空気を入れるための開口部を電気機械に設けることができないような環境で動作するものもある。従って、電気機械用の液体冷却アセンブリも設計されている。
【０００４】
いくつかの永久磁石電気機械は、内部ステータと、ステータを包囲する外部ロータとを備えている。この場合、ステータはほぼ円筒形の本体を有し、コイルは、外部に設けられたロータと相互作用する磁界を外側に生成するように円筒形本体に取り付けられる。一般的に、熱はロータによって幾分包囲されたステータ内に発生するので、このような外部ロータ式電気機械の密閉ステータの内部に液体冷却アセンブリを設置することは困難であり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、電気機械の内部ステータを冷却することの難しさは、ステータの周囲にエンクロージャを設け、エンクロージャ内に冷却液体経路を設けることによって解決される。いくつかの実施形態では、温められた冷却液は、電気機械のケーシングに関連する外部冷却装置によって冷却され得る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な実施形態によれば、液体冷却式電気機械であって、内面と、コイル収容スロットが設けられた外面とを有する内部ステータと、前記内部ステータと同軸の外部ロータと、ステータの前記内面に接触する内側部分と、ステータの前記外面と接触して前記コイル収容スロットをシールする外部スリーブと、前記内側部分と前記外部スリーブとを相互接続する中間部分と、を有するステータ冷却アセンブリであって、前記中間部分が、前記内側部分と前記コイル収容スロットとの間に冷却液体を流すように構成され、前記ステータ冷却アセンブリが入口および出口を含む。
【０００７】
他の目的、利点および特徴は、添付の図面を参照して一例として与えられる、その例示的な実施形態の以下の非限定的な説明を読むことにより、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
添付の図面に示される。
【０００９】
【図１】第１の例示的な実施形態による密閉ステータを含む電気機械の分解図である。
【図２】図１の電気機械の密閉ステータの斜視図である。
【図３】図２の線３-３で切った断面図である。
【図４】図３の線４-４で切った断面図である。
【図５】図１の電気機械の部分的に分解された斜視図である。
【図６】ケーシングの斜視図である。
【図７】液体冷却アセンブリの内側部分の斜視図である。
【図８】第２の例示的な実施形態による密閉ステータを含む電気機械の分解図である。
【図９】図８の電気機械の液体冷却アセンブリの内側部分の斜視図である。
【図１０】ケーシング及びコイルが除去された図８の電気機械の断面図である。
【図１１】図１０の線１１-１１で切ったステータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
特許請求の範囲および／または明細書において用語「含む」と併せて使用される場合、用語「１つの（a）」または「１つの（an）」の使用は、「１つ」を意味することができるが、「１つ」、「少なくとも１つ」、および「１つまたは複数」を含むと解釈されるべきである。同様に、「別の」という語は、少なくとも２つまたはそれ以上を意味してもよい。
【００１１】
本明細書および請求の範囲で使用される場合、用語「含む」（「含んでなる」および「含む」のような任意の形態を含む）、「有する」（「有する」、「有している」のような任意の形態を含む）、「含有する」（「含有する」および「含有している」などの任意の形態の含有を含む）、または「収容する」（「収容する」および「収容している」などの任意の形態の含有を含む）、包括的または開放的であって、引用されていない追加の要素またはプロセス段階を排除するものではない。
【００１２】
「電気機械」という表現は、本明細書および添付の特許請求の範囲において、電気モータ、発電機などを含むように広義に解釈されるべきである。
【００１３】
「接続された」および「関連した」という表現は、機械的な部品または構成要素間の任意の協調的または受動的な関連を含むように、本明細書および添付の特許請求の範囲に広く解釈されるべきである。例えば、このような部品は、直接結合によって接続されてもよく、またはそれらの間のさらなる部分を用いて間接的に接続されてもよい。
【００１４】
一般的に言えば、本明細書では、冷却液体がその内面および外面の両方に接触することを可能にする密閉されたステータを備えた液体冷却式電気機械が記載されている。
【００１５】
先ず、添付の図面の図１〜図７を参照して、第１の実施形態に係る液体冷却式電気機械１０について説明する。
【００１６】
電気機械１０を分解図で示す図１から分かるように、液体冷却式電気機械１０は、内部ステータ１２、ロータ１４、ベース１６およびケーシング１８を含む。
【００１７】
内部ステータ１２は、内面２２と、コイル２６がその中に挿入されることを可能にする長手方向コイル収容スロット２５を有する外面２４とを備えた積み重ね薄板２０を含む。
【００１８】
内部ステータ１２はまた、薄板２０およびコイル２６を囲むステータ冷却アセンブリを含む。より具体的には、ステータ冷却アセンブリは、積み重ね薄板２０に挿入されるように構成されたサイズの内側部分２８と、薄板２０の外面に塗布されるように構成されたサイズの外部スリーブ３０と、外部スリーブ３０がベース１６を通過しないように取り付けるために使用される中間部分３４と、内側部分２８を外部スリーブ３０に流体密に相互接続する中間部分３４とを含む。勿論、Ｏリング３６、３８及びクリップ４０は、様々な要素を一緒に取り付けると共に流体密性を提供するために設けられている。
【００１９】
ロータ１４が概略的に示されている。
【００２０】
ケーシング１８は、ケーシングと環境との間の対流熱伝達を増大させるように設計された外部フィン４２を含み、これにより、ステータ冷却アセンブリによって供給される温められた冷却液体の冷却を改善する。以下に説明するように、ケーシング１８は、内部に液体を循環させる液体冷却装置を含む。
【００２１】
図２は、密閉されたステータ１２を斜視図で示す。
【００２２】
図３は、ステータ冷却アセンブリ内の冷却液体の流れを示す断面図である。矢印９０から分かるように、冷却液体は、ベース１６の入口４５と位置合わせされた導管４３（冷却アセンブリの入口を画定する）を介して内側部分２８に入る。冷却アセンブリの内側部分２８を斜視図で示す図７からよく分かるように、導管４３は、長手方向チャネル４６が接続される周方向チャネル４４に通じている。したがって、チャネル４４は、マニホールドとみなすことができる。したがって、冷却アセンブリの内側部分２８に入る冷却液体は、中間部３４に入るために湾曲部４８を介して内側部分２８をでる前に、チャネル４４および４６によって積み重ね薄板２０の内面２２に向けられる。
【００２３】
図３から分かるように、中間部分３４は、積み重ね薄板２０の外面に向けて冷却液体を流す湾曲した内面５０を有する。湾曲した内面５０はまた、積み重ね薄板２０をしばしば越えるコイルヘッド（図示しない）のスペースを許容する。したがって、コイルヘッドは、冷却液の流れによっても冷却される。
【００２４】
図４からよく分かるように、屈曲部４８を介してチャネル４６から出る冷却液体は、コイル２６の間の空間に入り、これにより、コイルと薄板の積み重ねの外面とを冷却する（矢印１０１参照）。
【００２５】
図３に戻って、次に、冷却液体は、温められた冷却液体としてベース１６内のリザーバ５４内の冷却アセンブリの出口を画定する開口部５３によって放出される前に、接続要素３２内に設けられた円筒形チャンバ５２内を流れる。
【００２６】
ここで、添付図面の図５および図６を参照すると、液体冷却式電気機械１０のこの第１の例示的な実施形態では、ケーシング１８は、温められた冷却液体を冷却するために使用される冷却装置を含む。この冷却装置について以下に説明する。
【００２７】
これらの図から分かるように、ケーシング１８は、ほぼ円筒形で、外部フィン４２を含む。ケーシング１８の中央開口部の直径は、電気機械１０が組み立てられたときにロータ１４が自由に回転するようなものである 。
【００２８】
ケーシング１８には、図６に破線で示されている一体的に形成された長手方向の冷却チャネル５６を含む冷却装置が設けられている。
【００２９】
ケーシング１８の近位長手方向端部５８は、２つの隣接する冷却チャネル５６を相互接続するように構成された経路形成カバー６２を受容するように構成されたサイズの５つの凹部６０（点線で示されている）を含む。同様に、ケーシング１８の２つの隣接する冷却チャネル５６、６４は、２つの隣接する冷却チャネル５６を相互接続するように構成された経路形成カバー６２を受容するように構成されたサイズの６つの凹部６６を含む。実際、この図からわかるように、凹部６０および６６のサイズ、形状および位置は、それぞれの凹部が２つの隣接する長手方向冷却チャネル５６と一直線になるようなものである。
【００３０】
したがって、カバー６２が凹部６０および６６内の適所にあるとき、冷却装置は完成で、液密冷却経路が入口６８と出口７０との間に形成される。
【００３１】
ケーシング１８は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの熱伝導性材料で作られているので、入口に入る温められた冷却液体（矢印１０２参照）は冷却経路を通過する間に冷却され、なぜなら、フィン４２からの対流熱伝達によってそれ自身が冷却されるケーシング１８によって熱が吸収されるからである。したがって、出口７０（矢印１０４参照）によってケーシング１８を出る冷却液体は、入口７０を通って入る液体よりも冷たい。
【００３２】
当業者であれば、チャネル５６とフィン４２の両方が示されたものと異なっていてもよいことを容易に理解するであろう。
【００３３】
図５は、ベース１６とケーシング１８との相互接続を示す。ベースは、チャンバ５４と流体接続された出口７２を含み、温められた冷却液体がチャンバ５４からケーシング１８の入口６８に流れることを可能にする。
【００３４】
ベース１６はそれ自体が熱伝導材料から作られているので、冷却液の熱の一部も吸収し、電気機械１０の熱慣性を増加させることに留意されたい。
【００３５】
ケーシング１８の出口７０は、ベース１６内の開口部７４によって延長され、冷却された冷却液体が開口部７４によってベース１６から出ることを可能にする（矢印１０６参照）。したがって、ステータ冷却アセンブリおよびケーシング１８の冷却装置内に冷却液体の流れを作り出すために、ポンプ機構１０８（図５に概略的に図示）が、ベースの出口７４と入口４３との間に任意に設けられ得る。当業者であれば、ポンプ機構１０８が電気機械１０から分離していてもよく、または例えばジェロータポンプ（図示せず）を使用して、電気機械１０と一体化してもよいことを理解するであろう。
【００３６】
図５はまた、冷却装置がベース１６にしっかりと取り付けられることを可能にする、ベース１６およびケーシング１８内のそれぞれの取り付け孔７６および７８を示す。
【００３７】
また、電気機械１０から外部に、冷却流体をさらに冷却できるように、ポンプ機構１０８に補助冷却装置（図示せず）を関連付けることができることも、当業者は理解するであろう。
【００３８】
液体冷却装置におけるチャネル（流路）の構成は、本明細書に示す長手方向チャネルとは異なっていてもよいことにも留意されたい。同様に、ケーシング上に設けられたフィンの構成は、ここに示した構成とは異なるものであってもよい。
【００３９】
ここで、添付図面の図８〜図１１を参照して、第２の例示的な実施形態による電気機械１００について説明する。電気機械１００のケーシングは図８には示されていないことに留意されたい。上述した電気機械１００と電気機械１０は類似しており、簡潔にするために、これらの機械の相違点のみを以下に説明する。
【００４０】
図８は、電気機械１００を分解斜視図で示している。機械１００は、内部ステータ１０２と、ロータ１０４と、ベース１０６とを含む。
【００４１】
内部ステータ１０２は、内面１１０と、コイル１１２が内部に挿入されるように長手方向のコイル収容スロットを有する外面と、が設けられた積み重ね薄板１０８含む。
【００４２】
内部ステータ１０２はまた、薄板１０８およびコイル１１２を囲むステータ冷却アセンブリを含む。より具体的には、ステータ冷却アセンブリは、積み重ね薄板１０８に挿入されるように構成されたサイズの内側部分１１４と、薄板１０８の外面に塗布されるように構成されたサイズの外部スリーブ１１６と、外部スリーブ１１６がベース１０６を通過しないように取り付けるために使用される中間部分１２０と、内側部分１１４を外部スリーブ１１６に流体密に相互接続する中間部分１２０とを含む。勿論、Ｏリング１２０〜１２６およびクリップ１２８は、様々な要素を一緒に取り付けると共に流体密性を提供するために設けられている。
【００４３】
この図から、ステータ１０２のコイル配置は、インターリーブされたコイルから構成されているので、ステータ１２のコイル配置とは異なることに気付くであろう。
【００４４】
機械１００と機械１０との間の相違点の１つは、冷却アセンブリの内側部分１１４の形状である。
【００４５】
図９は内側部分１１４を斜視図で示し、図１０は組み立てられた電気機械１００の断面図を示す。
【００４６】
これらの図から、内側部分１１４は、冷却流体を受けるためにベース１０６と流体連通する長手方向導管１３０を含む。導管１３０は、長手方向チャネル１３４に開口する側方開口部１３２に通じている。周方向チャネル１３６は、チャネル１３４から来る冷却流体を３つの遠位長手方向チャネル１３８（図９にのみ示されている）に分配するマニホールドとして機能し、これによって、冷却流体を内側部分１１４から中間部分１２０に流すことができる。
【００４７】
図１０から分かるように、冷却流体の流れは、ベース１０６から始まり、導管１３０に入り（矢印１９０参照）、側方開口部１３２を通り、チャネル１３４と積み重ね薄板１０８の内面との間を流れ（矢印１９２参照）、周方向チャネル１３６と薄板１０８の内面１１０とによって形成された空洞を満たし、中間部分１２０によってコイルとスリーブ１１６との間の空間に再配向される前に、チャネル１３８を通って流れ（矢印１９４参照）、接続要素１１８を介してベース１０６に戻される（矢印１９８参照）。当業者には理解されるように、ベースは、連結要素１１８から冷却流体を受ける開口部１４０を含む。
【００４８】
当業者であれば、周方向チャネル１３６が冷却流体と積み重ね薄板１０８の内面１１０との間の接触面を増加させ、それによって熱抽出を改善することを理解するであろう。
【００４９】
図１０の線１１-１１で切った断面図である図１１を簡単に見ると、内側部分１１４とスリーブ１１６との間の冷却流体の流れが、矢印１９６によって概略的に示されている。
【００５０】
本明細書では永久磁石電気機械を説明したが、他のタイプの電気機械も本教示から利益を得ることができることに留意されたい。
【００５１】
密閉されたステータを有する液体冷却式電気機械は、その用途において、添付の図面に示されかつ上述された構造および部品の詳細に限定されないことを理解されたい。密閉ステータを有する液体冷却式電気機械は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施することができる。本明細書で使用される表現または用語は、説明のためであって限定ではないことも理解されたい。したがって、密閉されたステータを有する液体冷却式電気機械は、本発明の例示的な実施形態として本明細書に記載されているが、本発明の精神、範囲および性質から逸脱することなく変更することができる。
【００５２】
補足的な記述として、以下の番号の付いた項が提供される。
【００５３】
第１項：内面と、コイル収容スロットが設けられた外面とを有する内部ステータと、前記内部ステータと同軸の外部ロータと、ステータの前記内面に接触する内側部分と、ステータの前記外面と接触して前記コイル収容スロットをシールする外部スリーブと、前記内側部分と前記外部スリーブとを相互接続する中間部分と、を有するステータ冷却アセンブリであって、前記中間部分が、前記内側部分と前記コイル収容スロットとの間に冷却液体を流すように構成され、前記ステータ冷却アセンブリが入口および出口を含む、ステータ冷却アセンブリと、を含んでなる液体冷却式電気機械。
【００５４】
第２項：前記冷却液体を冷却するための冷却装置をさらに含み、前記冷却装置が、前記ステータ冷却アセンブリの前記出口に関連する入口と、前記ステータ冷却アセンブリの前記入口に関連する出口と、を含む第１項に記載の液体冷却式電気機械。
【００５５】
第３項：前記内部ステータと前記外部ロータとを囲むケーシングをさらに含み、前記冷却装置が前記ケーシングに関連している第２項に記載の液体冷却式電気機械。 
【００５６】
第４項：前記ステータ冷却アセンブリおよび前記冷却装置の一方の入口を、前記ステータ冷却アセンブリおよび前記冷却装置の他方の出口に接続してそれらの間に液体流を生成するポンプ機構をさらに含む第２項に記載の液体冷却式電気機械。
【００５７】
第５項：前記ケーシングが、外部フィンを含む第３項に記載の液体冷却式電気機械。
【００５８】
第６項：前記冷却装置が、前記ケーシングに設けられた長手方向チャネルと、隣接するチャネルに開口する凹部と、前記凹部に挿入されたときに隣接するチャネルを相互接続する経路形成カバーと、を含む第３項に記載の液体冷却式電気機械。
【００５９】
第７項：前記ステータ冷却アセンブリの前記入口が、前記ステータ冷却アセンブリの前記内側部分に関連し、前記ステータ冷却アセンブリの前記出口が、前記外部スリーブに関連する第１項に記載の液体冷却式電気機械。
【００６０】
第８項：前記ステータおよび前記ステータ冷却アセンブリが取り付けられるベースをさらに含む第１項に記載の液体冷却式電気機械。
【００６１】
第９項：前記外部スリーブを前記ベースに相互接続する接続要素をさらに含む第８項に記載の液体冷却式電気機械。
【００６２】
第１０項：前記ステータ冷却アセンブリの前記入口が、その前記内側部分と関連し、前記ステータ冷却アセンブリの前記出口が、前記接続要素と関連している第９項に記載の液体冷却式電気機械。
【００６３】
第１１項：前記ステータ冷却アセンブリの前記内側部分が、マニホールドを画定するチャネルが形成された外面を有する円筒形要素であって、前記冷却液体を前記ステータの前記内面に接触させることを可能にする円筒形要素を含む第１項に記載の液体冷却式電気機械。
【００６４】
第１２項：前記中間部分が、前記内側部分と前記外部スリーブとを相互接続する湾曲した内面を含む第１項に記載の液体冷却式電気機械。
【００６５】
第１３項：前記内部ステータおよび前記外部ロータを囲むケーシングをさらに含む第１項に記載の液体冷却式電気機械。
【符号の説明】
【００６６】
１０  液体冷却式電気機械  
１２  内部ステータ
１４  ロータ
１６  ベース
１８  ケーシング
２０  薄板
２２、５０  内面
２４  外面
２５  コイル収容スロット
２６  コイル
２８  内側部分
３０  外部スリーブ
３４  中間部分
３６、３８  Ｏリング
４０  クリップ
４２  外部フィン
４３  導管
４４  チャネル
４５  入口
４８  湾曲部
５２  円筒形チャンバ
５３  開口部
５６  冷却チャネル
５８  長手方向端部
６０、６６  凹部
６２  経路形成カバー
６８  入口
７０  出口
７４  開口部
７６、７８  取り付け孔
１００  電気機械
１０２  内部ステータ
１０４  ロータ
１０６  ベース
１０８  ポンプ機構、薄板
１１０  内面
１１２  コイル
１１４  内側部分
１１６  外部スリーブ
１１８  接続要素
１２０  中間部分
１２０〜１２６  Ｏリング
１２８  クリップ
１３０  長手方向導管
１３２  側方開口部
１３４  長手方向チャネル
１３６  周方向チャネル
１３８  遠位長手方向チャネル
１４０  開口部
【図１】
2019514326.tif 000003
【図２】
2019514326.tif 000004
【図３】
2019514326.tif 000005
【図４】
2019514326.tif 000006
【図５】
2019514326.tif 000007
【図６】
2019514326.tif 000008
【図７】
2019514326.tif 000009
【図８】
2019514326.tif 000010
【図９】
2019514326.tif 000011
【図１０】
2019514326.tif 000012
【図１１】
2019514326.tif 000013
【国際調査報告】
2019514326.tif 000014
2019514326.tif 000015