(57)【要約】コイル巻線端部の位置に於いて電気機械のコイル冷却を増加させるために、冷却液流増進器を備える。このような器具は、固定子歯の間のスロットに延設される相隔離板を備える、流体冷却式電気機械全般に組み込むことができる。この器具は、相隔離板の端に位置する液流偏向部を備えている。各液流偏向部は、対応するコイル巻線端部の外側輪郭に自らの内面輪郭が倣い、各コイル巻線端部を通過する冷却液体の流速が最大となり、かつ液体が各コイル巻線端部から離れるのが最小となるように設計される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子軸上に配置された回転子と、
前記回転子を包囲し、径方向内側に突出する複数の固定子歯と、前記固定子歯の間に複数のスロットと、を有する固定子と、
前記固定子歯に巻回され、それぞれ、前記固定子歯の間の隣り合うスロットを通る一対の主コイル部と、前記隣り合うスロットの開口端部を越えて突出する一対の対向する巻線端部で構成される、導線コイルと、
各コイル巻線端部を包囲する複数の液流偏向部であって、対応する前記コイル巻線端部の外側輪郭に倣う内面輪郭を有して、各々の前記コイル巻線端部を通過する冷却液体の流速が最大となり、かつ液体流が各々の前記コイル巻線端部から離れるのが最小となるように構成される、複数の液流偏向部と、を備える
ことを特徴とする液体冷却式電気機械。
【請求項２】
前記固定子歯の間の前記スロット内で延設される複数の相隔離板であって、各相隔離板は各々の前記スロット内の隣り合う主コイル部の間に配置される複数の相隔離板をさらに備える
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３】
前記複数の液流偏向部の少なくとも一つは相隔離板の一つと一体に形成される
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】
各々の前記液流偏向部は、平面視で環状体の一つの部分となっている
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５】
冷却流体は、隣り合う固定子スロットの間に設けられた開口部を通して、前記内面輪郭と前記コイル巻線端部の前記外側輪郭の間に注入され、そこから排出される
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６】
前記複数の液流偏向部は、前記導線コイルの両端に配置される
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７】
前記複数の相隔離板は、前記スロットの両端から挿入され結合した部品で構成される
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８】
冷却流体は、隣り合う固定子スロットの間に設けられた開口部を通して、前記内面輪郭と前記コイル巻線端部の前記外側輪郭の間に注入され、そこから排出される
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９】
冷却流体は、隣り合う固定子スロットの間に設けられた開口部を通って、前記内面輪郭と前記コイル巻線端部の前記外側輪郭の間に注入され、そこから排出される
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１０】
冷却流体は、隣り合う固定子スロットの間に設けられた開口部を通って、前記内面輪郭と前記コイル巻線端部の前記外側輪郭の間に注入され、そこから排出される
ことを特徴とする請求項６に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項１１】
冷却流体は、隣り合う固定子スロットの間に設けられた開口部を通して、前記内面輪郭と前記コイル巻線端部の前記外側輪郭の間に注入され、そこから排出される
ことを特徴とする請求項７に記載の液体冷却式電気機械。
【請求項１２】
前記複数の相隔離板は、前記スロットの両端から挿入し互いに重なる部品で構成される
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１３】
前記相隔離板は、前記スロットの両端から挿入し両者間には隙間があるように配置される部品で構成される
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ、発電機、あるいはモータ兼発電機等の機器向けに改良された、流体冷却装置に関する。こうした機器は、種々の分野において多くの用途があるが、ハイブリッド自動車市場の用途において特に有用である。本発明は、例えば、トラック、軍用車両、オフロード車等の自動車車両において使用されることが想定される。
【背景技術】
【０００２】
菊池等による米国特許第６７１３９２７号には、様々な制御装置を用いて、固定子スロットを通る冷却流体の流速を増す回転電機が開示されている。
【０００３】
金子等による米国特許第６９３３６３３号には、固定子スロットを通る第一冷却媒体通路と、環状の固定子バックコア内の第二冷却媒体通路とを有する回転電機が開示されている。
【発明の概要】
【０００４】
油冷モータ試験中、固定子歯の周りの巻線コイルは、冷却流体の流速が高い、固定子スロット中央付近に於いては、コイル巻線端部の位置よりも低い温度で作動していることが判った。これにより、流れ方向誘導器が、コイル巻線端部周りにも同様に冷却流体を高い流速で供給できれば、全体的にコイル冷却を改善し、コイル内の温度差を低減するために役立つのではないかという認識に至った。
【０００５】
本発明の方法は、コイル巻線端部の位置に於いて電気機械のコイル冷却を増加させるために、冷却液流増進器を備えることを特徴とする。このような装置は、回転子軸上の回転子と、回転子を包囲する固定子と、固定子歯の間にスロットを備えた複数の固定子歯と、固定子歯に巻回された導線コイルとを有する、流体冷却式電気機械全般に組み込むことができる。各導線コイルは、隣り合うスロットの開口端から突出する一対の対向する巻線端部を有し、固定子歯間の各スロット内で隣り合うコイル部の中間に相隔離板が各々配置されるように、固定子歯間のスロットを通して相隔離板が延設される。
【０００６】
冷却液流増進器は、相隔離板の隣り合う端部に位置する液流偏向部を備えている。ただし、推奨する実施形態によっては、前記相隔離板の両端に液流偏向部が配置されることもある。各液流偏向部は、対応するコイル巻線端部の外側輪郭に倣った内面輪郭を有し、各コイル巻線端部を通過する冷却液体の流速が最大となり、かつ液体流が各コイル巻線端部から離れるのが最小となるように構成される。相隔離板は、スロットの両端から挿入し結合する部品で構成してもよい。
【０００７】
前記液流偏向部の少なくとも一つは、前記相隔離板と一体に形成してもよい。好ましい構成では、各液流偏向部は、平面視で環状体のひとつの部分を形成している。ギヤ油などの冷却流体は、隣り合うスロットの間に設けられた開口部を通して、液流偏向部の内面輪郭とコイル巻線端部の外側輪郭の間に注入され、そこから排出される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図３のＩ-Ｉ線に沿って見た断面図であり、本発明に係る固定子、導線コイルの巻線、及び相隔離板の一部を示している。
【図２】図１に示した構成のＩＩ-ＩＩ線に沿って見た断面図であり、相隔離板が冷却流体の流れ方向を決めるように構成されている様子を示す。
【図３】図４のＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿って見た、本発明に係る冷却流体の流れを誘導・制限する構成を組み込んだ、モータ、発電機、またはモータ兼発電機全体の機器の断面図である。
【図４】図３のＩＶ-ＩＶ線に沿って見た、一般的な機器の断面図である。
【０００９】
図１で示す図は、前述した菊池等による米国特許第６７１３９２７号の図２〜８のいずれか、または金子等による米国特許第６９３３６３３号の図３または図４Ｂのいずれかで示される図と類似しており、固定子１２の一部の断端面図である。菊池等による特許（第６７１３９２７号）と金子等による特許（第６９３３６３３号）の両開示内容は、その全体が非必須の参照対象として本明細書に含まれている。
【００１０】
図３は、本発明に係る、モータ、発電機、あるいはモータ兼発電機といった機器である、一般的な流体冷却式電気機械の縦断面図であり、一方図４はそうした機器の断面図である。図４は、円周方向に固定子を包囲する筒状ケース１０の一部を示している。固定子１２は、ケース１０内に圧入され、接着剤により接着され、あるいは任意の他の適切な方法で固定され、通常は、鉄合金（鋼）、ニッケル合金、またはコバルト合金からなる複数の薄板を積層し、それを既知の方法で接着ないし固定して作成されている。図３はまた、永久磁石１８が内部に適切に配置され、回転子軸１４と共に回転するように固定された、回転子１６が載る回転子軸１４の一部も、径方向内側に突出した固定子歯２２（図1及び図２が最も判りやすい）に従来の方法で巻回された導電線コイル２０と共に示している。
【００１１】
図１に示すように、各固定子歯２２は、円筒状外側基部２６から径方向内側に延設される径方向延設部２４を有しており、つば付きの、言い換えれば、円周方向に伸びた、径方向内側端部２８で終端するが、隣り合う固定子歯２２との間にスロット３０が設けられる。従って、図１で判るように、各固定子歯は略Ｔ字状の断面を呈している。従来の方法で各固定子歯２２に導線３２が巻回され保持されて、コイル２０を形成する。
【００１２】
各固定子歯２２に導線が必要数巻回された後、隣り合う導線３２の巻線間に、空間もしくは空隙３４が残る。例えば、菊池等による米国特許（第６７１３９２７号）に記載されているように、一般的な電気機械機器をモータ、発電機、あるいはモータ兼発電機として動作させる場合、これらの空間もしくは空隙３４は、ギヤ油や別のそのような冷却媒体の冷却流路として利用することが知られている。
【００１３】
図１に示すように、各スロット３０の中には、非伝導性の相隔離板３６が組み込まれ、スロット３０内に略平坦な壁３８を設けることで、スロット内の隣り合う導線３２を隔離しかつ電気的に絶縁する。ほんの一実施例として、そして決して本発明を限定する訳ではないが、中心の固定子軸の周りに十二個のスロット３０を分布すれば、これらの十二個のスロットには各々十二個の相隔離板３６がひとつずつあることになる。図のように、各々の壁３８の一端は、隣り合う固定子歯２２の径方向内側端部２８の間に設けられる空間を閉鎖するような寸法を持った、相隔離板基盤４０で終端する。各々の平坦な壁３８の他端は、固定子の円筒状外側基部２６の円周内壁と当接する。各々の相隔離板３６は、スロット３０内に圧入により保持されるように寸法を設定されるか、他の任意の適切な方法でそのスロット内に保持される。
【００１４】
本発明によれば、それぞれの相隔離板３６は隣り合う相隔離板３６と協働することで、典型的には液体の冷却剤の流れが、導線３２から成るコイル巻線端部に亘って流れるように誘導または強制される、流れ方向誘導機能を提供するように構成されている。図２に最も良く示されるように、ある推奨実施形態では、流れ方向誘導機能は、相隔離板３６の両端に形成された液流偏向部４２によって生成される。これらの液流偏向部４２は、コイル巻線端部を覆うように構成された翼状部から成り、冷却液がコイルの全表面に密接した状態のままであるように冷却液を誘導することで、大幅に改善された冷却能力を提供する。翼状部を設けることで、電気機械の大きさと重量にはほとんど影響を与えずに、最大電力を獲得することができる。相隔離板を使用しない場合は、液流偏向部４２を固定子１２の終端部に直接固定してもよい。
【００１５】
翼状部４２の内面４４は、図２の参照番号４６でおおまかに示される、導電コイル巻線端部の外側輪郭に密接に倣う形状である。当然のことながら、導電線コイル２０はそれぞれ、隣り合う固定子スロット３０を通過する、一対の主コイル部４３と、固定子スロットの端部を越えて突出する、一対の巻線端部４６で構成される。翼状部４２によって、冷却液が、巻線端部と密接した状態を続けるため巻線端部４６から離れないようにすると共に、冷却液の流れの断面積を減少させることによって、コイル巻線端部４６に亘って冷却液の流速が高くなっていく。冷却剤は、隣り合う翼状部４２同士が当接する面の間に設けられて、冷却液が流れる開口部もしくは案内口となる開口部４８を通して、巻線端部４６と内面４４の間にできる空間に注入される。この翼状部構造がなければ、それぞれの巻線端部４６に亘って流れる冷却液の流速は、油または他の液体が流れる空間が通常はすでに制限を受けている、各スロットの冷却液通路空間もしくは空隙３４におけるコイル２０の導線に亘るよりもはるかに低くなったであろうと想到される。従って、翼状部４２は冷却効率を大幅に向上させるのに役立っている。隣り合う翼状部４２の対により、このようにコイル巻線端部４６のすぐ近くから冷却液を注入できる開口部４８を備えた、非導電性の流れ方向誘導器が設けられる。隣り合う翼状部の対が結合することで、各コイル巻線端部４６の外側輪郭を抱く形となる内面輪郭を形成している。
【００１６】
翼状部４２によって、内面４４とコイルの巻線端部４６との間を通り、その後、スロット３０の開口部に至る、冷却液の流路ができている。図２に示すように、流れ方向誘導器が相隔離板と一体形成され、液流偏向部と相隔離板が一体化したものとして組み立てる際には、隣り合う固定子歯２２間のスロットの各軸端からスロット３０に相隔離板半分割部をひとつ挿入するやり方で、一対の相隔離板半分割部を各スロット３０から挿入する。相隔離板半分割部が各スロット内に完全に入って所定の位置に納まると、結果として、各スロット内でコイル２０同士の隔離が完了する。組み上がった各々の相隔離板の両端に位置する液流偏向部により、翼状部の内面４４とコイル巻線端部４６の間の制限された間隙が設けられる。これらの制限された間隙によって冷却液の流速が増し、従って対流効率も増加するので、冷却液の熱伝達能力が増加することとなる。これは、すなわち、モータ、発電機、モータ兼発電機の冷却能力を高めることとなる。
【００１７】
油または他のそのような冷却媒体が、開口部４８に、ひいてはコイル巻線端部４６の近傍にあって冷却液が流れる空間に供給される配置の一例が、図３に示されている。冷却液は、例えば、冷却液供給導管５０から、開口部４８に亘って配置される貯液タンク５２に供給され、固定子歯の第一端部の周りに巻回されるコイル巻線端部４６を通って、固定子にあるスロット３０の第一開口部端へと流れる。例示した配置に於いては、図４に示すように、開口部４８は略円形に配置されており、貯液タンク５２は、開口部を覆う密閉リング５４により設けられる。図４はまた、平面視で、各々の相隔離板と結合した翼状部が、環状体の一つの部分となっていることを示している。冷却液は、スロット３０を通過した後、前述した第一端部の反対にある、固定子歯２２の第二端部の周りに巻回されるコイル巻線端部４６を通り、スロット３０の第二端開口部を通って、冷却液排出端に配置される開口部４８を同様に覆う密封リング５８により設けられる、別の貯液タンク５６内に排出される。冷却液はその後、冷却液排出導管６０を介して排出される。
【００１８】
当然のことながら、前述した、相隔離板と流れを誘導・制限する構成とは別の方法を使用しても、コイル巻線部端に亘って冷却液の流れを誘導し制限することで、冷却効率を改善することが可能である。他の構成の一例として、プラスチック成型リングに各コイルに対して前述した液流偏向機能を持たせ、モータの各コイル巻線端部に隣り合って取り付けてもよい。
【００１９】
上記の開示は、本発明を例示するため記載したに過ぎず、限定することを意図するものではない。当業者であれば、本発明の精神および本質に基づきながらも、開示した実施形態の変更を想到できるので、本発明は、別記の特許請求および同等物の範囲内のすべてを含むと解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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