(57)【要約】本発明は、ステータ（２）と、中空軸（１３）を有するロータ（８）と、中空軸（１３）上に置かれた永久磁石（９）とを備えた永久磁石励磁形電気機械（１）に関し、中空軸（１３）が少なくともその端面側で出力軸（７）に対して圧力密に閉鎖され、その密閉空洞（１４）内に適当な冷媒が入れられ、該冷媒が、電気機械の運転中に永久磁石（９）の範囲における比較的高温の中空軸（１３）で蒸発し、比較的低温の出力軸（７）の範囲で凝縮し、このため、半径方向および軸方向の熱搬送が生ずることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ（２）と、中空軸（１３）を有するロータ（８）と、中空軸（１３）上に置かれた永久磁石（９）とを備えた永久磁石励磁形電気機械（１）において、
中空軸（１３）が少なくともその端面側で出力軸（７）に対して圧力密に閉鎖され、その密閉空洞（１４）内に適当な冷媒が入れられ、その冷媒が、電気機械の運転中に永久磁石（９）の範囲における比較的高温の中空軸（１３）で蒸発し、比較的低温の出力軸（７）の範囲で凝縮して半径方向および軸方向の熱搬送が生ずることを特徴とする永久磁石励磁形電気機械。
【請求項２】
ステータ（２）が水冷されることを特徴とする請求項１記載の永久磁石励磁形電気機械。
【請求項３】
ステータ（２）が水冷ジャケット（５）を有することを特徴とする請求項１記載の永久磁石励磁形電気機械。
【請求項４】
ステータ（２）が積層鋼板（４）の内部および／又は表面に冷却通路（６）を有することを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石励磁形電気機械。
【請求項５】
冷媒としてエチルアルコールが利用されることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の永久磁石励磁形電気機械。
【請求項６】
出力軸（７）が冷媒を凝縮させる手段を有することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の永久磁石励磁形電気機械。
【請求項７】
出力軸（７）が動力車の輪軸車軸として形成され、該輪軸車軸の両端に、焼ばめされた駆動車輪が存在し、該駆動車輪が冷却面として用いられることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の永久磁石励磁形電気機械。
【請求項８】
出力軸（７）、中空軸（１３）およびスリーブ（３５）の少なくとも１つが、補助的に軸方向に延びるヒートパイプ（３０）を有することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の永久磁石励磁形電気機械。
【請求項９】
出力軸（７）が船舶駆動装置の駆動軸であることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の永久磁石励磁形電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータと、中空軸を有するロータと、中空軸上に置かれた永久磁石とを備えた電気機械に関する。
【０００２】
永久磁石励磁形電気機械では、主にロータで損失が生ずる。ステータに生ずる比較的小さい損失熱も排出せねばならない。ロータの中心から外側に向けてロータ端面迄の距離が比較的長い大きな軸方向長の電気機械では、ロータの加熱は特に大きな問題である。
【０００３】
ロータの加熱によって磁束が減少し、このために特に電気機械の効率が悪化する。
【０００４】
ロータの損失熱を、担持中空軸又はステータとの間の隙間を介して排出することや、磁束減少を防止すべく、相応した高価な磁石材料の選択により抑えることは公知である。
【０００５】
ロータから損失熱を排出する他の方式は、ロータの複雑な強制空冷である。
【０００６】
ロータから熱を排出する他の高価な方式では、ロータ内に設けたヒートパイプを介し、冷熱源に向けて軸方向熱流を形成する。
【０００７】
本発明の課題は、ロータの効果的冷却が可能であり、その際、ロータの冷却に比較的安価な構造的経費しか必要としない永久磁石励磁形電気機械を提供することにある。
【０００８】
この課題は、ステータと、中空軸を有するロータと、中空軸上に置かれた永久磁石とを備えた永久磁石励磁形電気機械において、中空軸が少なくともその端面側で出力軸に対して圧力密に閉鎖され、その密閉空洞内に適当な冷媒が入れられ、該冷媒が、電気機械の運転中に永久磁石の範囲における比較的高温の中空軸で蒸発し、比較的低温の出力軸の範囲で凝縮し、この結果半径方向および軸方向の熱搬送が生ずることにより解決される。
【０００９】
追加的に、出力軸における軸方向温度勾配に基づき冷媒による軸方向熱搬送が起こる。
【００１０】
その場合、ロータの損失熱が、ロータから電気機械の内部通し軸、例えば車輪セットの軸又は船舶駆動軸に効果的に伝達される。ロータは積層鋼板を有し、該積層鋼板上に、永久磁石が接線方向配置方式又は磁束集中配置方式で配置される。この永久磁石は、好適には、特にガラス繊維バンドによってロータに固定される。或いは永久磁石は積層鋼板の軸平行空所内に置いてもよい。積層鋼板は、半径方向への十分な熱搬送性を有する中空軸上に焼きばめられる。中空軸が端面において、出力軸に対し圧力密に閉鎖されていることが重要である。
【００１１】
中空軸と出力軸との間の、一般に空気で充満された空洞には、約６０〜８０℃で沸騰する冷媒、好適にはエチルアルコールが封入され、該冷媒は、高温中空軸で蒸発し、低温の出力軸で凝縮する。このため熱が非常に効果的に外側から内側、即ち半径方向に出力軸に伝わる。熱は、出力軸から容易に外側に、例えば大きな動力車輪、駆動車輪、プロペラにより排出される。このため、永久磁石励磁形電気機械では、比較的安価な構造的経費で、極めて効果的な熱搬送を実現できる。
【００１２】
また本発明に基づく方式は、以下の利点を有する。
【００１３】
即ち永久磁石励磁形電気機械のロータは、同等のロータに比べて一層良好に冷却され、この結果高い磁束が生じ、従って、この電気機械の効率が非常に向上する。
【００１４】
また、永久磁石の耐減磁強度が増大する。出力軸において、例えば動力車の場合の車輪セットの軸とその駆動車輪において、中空軸および輪軸車軸の均一な加熱が生ずる。
【００１５】
中空軸と出力軸との間の隙間に存在する酸素と残留湿度は冷媒によって結合され、この結果、両者の焼きばめ結合部において生じ得る摩擦腐食がかなり防止される。
【００１６】
空洞への冷媒の封入は、例えば中空軸の端面に存在する孔に冷媒を注入することで行える。封入は、出力軸上への中空軸の組立後に行うとよい。孔は、続いて例えばねじ込みプラグによって圧力密に閉鎖する。
【００１７】
通常、この電気機械の運転中、損傷時以外は、中空軸と出力軸との結合は解除されず、これにより、冷媒をその空洞から決して再除去する必要はない。
【００１８】
以下図に概略的に示した実施例を参照し、本発明並びに従属請求項に記載の本発明の有利な実施態様について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、永久磁石励磁形同期機１として設計した直接駆動装置を縦断面図で示す。この概略的に示す永久磁石励磁形同期機１は、積層鋼板４で構成したステータ２を備える。ステータ２の図示しないスロット内に、ステータ２の端面に巻線端３を形成する巻線が存在している。同期電気機械１の運転中に巻線により積層鋼板４に発生する熱は、その大部分が冷却ジャケット５によって、例示した冷却通路６内に存在する空気や液体等の冷媒によって排出される。冷却通路６はステータ２の周りを蛇行状又は螺旋状に延びている。
【００２０】
ロータ８は出力軸７上に焼きばめした中空軸１３を有する。ロータ８は磁石励磁形同期機１の空隙に対向して永久磁石９を有し、該磁石９はテープ１０によって円周方向に保持されている。本発明は、表面磁石に限定されず、中空軸１３のほぼ軸方向に延びるポケット内に存在する内部永久磁石にも利用できる。
【００２１】
永久磁石励磁形同期機１の運転中、特にロータ８内に損失熱が生ずる。この損失熱は、同期電気機械１の効率向上のため排出せねばならない。永久磁石９の側から、冷媒が熱を中空軸１３の空洞１４を経て出力軸７に向けて搬送する。そこで冷媒が凝縮し、永久磁石９の側への帰還が起こる。この半径方向熱伝達回路を矢印１１、１２で示す。凝縮液の帰還は遠心力により行うが、特に低速回転機械では重力（“滴下”）により行ってもよい。
【００２２】
出力軸７は、その良好な熱伝導率により熱を出力軸７に機械的および熱伝導的に結合された図示しない車輪やプロペラ等に伝え、そこで最終的に、大きな面での大気への放熱を行う。勿論、出力軸７自体も、比較的僅かではあるが、大気への放熱に寄与する。
【００２３】
図２は図１の実施例の変形例を示す。中空軸１３を二重壁円筒構造として形成し、その内側円筒２０を出力軸７上に焼きばめ、外側円筒２１はロータ８の積層鋼板又は永久磁石９に直に結合している。
【００２４】
中空軸１３の出力軸７上への組立後、孔２２を通して冷媒を空洞１４に入れ、続いて孔２２を圧力密に閉鎖する。
【００２５】
図３と図４は、図１の実施例の出力軸７の横断面図により、出力軸７の熱伝導率を向上するための追加的方式を示す。その場合、複数の軸平行な空所３１ないし軸方向に延びる孔３２の中に、各々ヒートパイプ３０をはめ込んでいる。該ヒートパイプ３０を、場合によっては、熱伝導性材料３３により冷媒および／又は出力軸に熱的に連結する。孔３２は出力軸７の中心に配置してもよい。
【００２６】
また、ヒートパイプ３０の凝縮域は電動機室の外側に位置している。
【００２７】
図５と図６は、図２の実施例の出力軸７の横断面図において、出力軸７の熱伝導率を向上するための追加的方式を示している。
【００２８】
その場合、内側円筒２０において軸方向に延びる空所３１および／又は孔３２の中にヒートパイプ３０が存在している。該ヒートパイプ３０は熱伝導性材料を介して出力軸７、内側円筒２０および空洞１４の少なくとも1つに熱的に連結されている。
【００２９】
ヒートパイプ３０は、出力軸７と空洞１４との間に配置した補助スリーブ３５内に置いてもよい。この場合、出力軸７を構造的に変更する必要がない利点がある。この実施例においても、ヒートパイプ３０の凝縮域は電動機室の外側に位置している。
【００３０】
ヒートパイプ３０をはめ込まない場合でも、スリーブ３５自体の空所が、例えばそこに存在するか貫流する水や空気等の冷媒を介して放熱に寄与する。空気流は外部送風装置或いは固有送風装置によって発生され、他方で、水流はポンプによって、例えば水上での船の動きによって発生される。
【００３１】
永久磁石励磁形電気機械による駆動装置のかかる構造は、電気機械を取り囲む媒体が動力車或いは船舶の動きに基づき理想冷熱源となっているので、電気動力車、船舶駆動装置特に小舟の駆動装置に適している。動力車の場合、出力軸７と駆動車輪との機械的熱良導性結合部が最良の冷熱源を形成する。
【００３２】
船舶駆動装置の場合、オールブレード（舵面）が大きな冷却面を形成し得る。特に小舟駆動装置の場合、プロペラは、永久磁石励磁形同期機１として形成した電気機械の中空軸を貫通して延びている。小舟駆動装置の場合、更に、スリーブ３５が冷却作用を行う。小舟を取り囲む水は、船舶の動きによって、スリーブ３５の空所３１ないし孔３２を貫流する。これにより、冷熱源の範囲で熱滞留は生じない。
【００３３】
即ち、駆動装置は損失熱を発生し、この損失熱はロータ８において中空軸１３の空洞１４を介して出力軸１７に伝達され、この出力軸７はその熱をほぼ軸方向熱搬送を介して冷却面で放熱する。その場合、出力軸７が駆動および熱搬送を引き受ける。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】電気機械の縦断面図。
【図２】電気機械の縦断面図。
【図３】電気機械の出力軸部位の横断面図。
【図４】電気機械の出力軸部位の横断面図。
【図５】電気機械の出力軸部位の横断面図。
【図６】電気機械のスリーブ部位の横断面図。
【図７】電気機械のスリーブ部位の横断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１  電気機械、２  ステータ、５  冷却ジャケット、７  出力軸、８  ロータ、９  永久磁石、１３  中空軸、３０  ヒートパイプ、３５  スリーブ
【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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【国際調査報告】
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