JP2003219607A - 遠心力を利用した電動機用の液体冷却システム - Google Patents

遠心力を利用した電動機用の液体冷却システム

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JP2003219607A
JP2003219607A JP2003009615A JP2003009615A JP2003219607A JP 2003219607 A JP2003219607 A JP 2003219607A JP 2003009615 A JP2003009615 A JP 2003009615A JP 2003009615 A JP2003009615 A JP 2003009615A JP 2003219607 A JP2003219607 A JP 2003219607A
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Shijian Zhou
シチャン・チョウ
Andrew T Hsu
アンドリュー・ティー・スー
Yanhu Guo
イエンフー・クゥオ
Brouns Linda J Ludek
リンダ・ジェイ・ルデック・ブルーンズ
John C Morgante
ジョン・シー・モルガンテ
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Motors Liquidation Co
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電動機のローターを効果的に冷却する方法や
装置を備えた電動機を提供する。 【解決手段】 本発明は、電動機を冷却する方法と装置
を提供するものであり、電動機を冷却する装置は電動機
を備え、電動機は、ステーターと、ステーターと磁気的
に連結したローターと、ローターに結合している中空モ
ーターシャフトとを備え、ローターと中空モーターシャ
フトを回転させ、冷却液を中空モーターシャフトに押し
入れる遠心力を発生させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気モーターすな
わち電動機に関する。特に、本発明は、電動機を冷却す
るための方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電動機は、概ね、ステーターとローター
を備えるものとして、説明することができる。ステータ
ーは所定位置に固定され、ローターはステーターに対し
て作動する。ＡＣモーターにおいては、ステーターは、
典型的には、ＡＣモーターの通電部品であり、磁界を発
生させ、該磁界をローターと相互に作用することができ
る。ＡＣモーターのローターは、かご形ローターもしく
は磁気ローターから構成することができる。ステーター
が発生する磁界は、ステーターに対する磁界によって、
ローターを推進させたり回転させる。ＤＣモーターにお
いては、ローター電機子は、典型的にはモーターの通電
部品であり、ブラシとスリップリングを備えており、該
ブラシとスリップリングによって、電流が整流されてロ
ーターへ流れることができるようになっている。ＤＣモ
ーターのステーターは、永久磁石や通電コイルのような
磁界発生装置を備えている。ＤＣモーターのローターの
電流が発生する磁界は、ステーターの磁界と相互作用
し、これによって、ステーターに対してローターを推進
させたり回転させることができる。
【０００３】電動機の作用により、熱が発生するが、熱
は、ローターやステーターにおいて、電流と抵抗による
損失すなわちＩ2Ｒ損失、鉄損、漂遊損失、機械損失と
いう形で発生する。ステーターとローターは、過熱の結
果、電動機（すなわち、モーター）の磁石が磁力を失っ
たり、モーターの他の部材が溶けたり、燃えたりするこ
とを避けるため、冷却される。熱損失（すなわち、熱放
散や放熱）が、電動機（モーター）のサイズと電力定格
とを決定する際の制限要因となっている。モーターの電
流は、モーターで発生する熱と同様に、電力出力に直接
関係する。電気自動車やハイブリッド自動車などのよう
にスペースが限られている（スペースに余裕のない）場
所に電動機を用いる場合、設置占有面積が比較的に小さ
く且つ電力定格が比較的に高い電動機が望ましい。よっ
て、熱の除去をより効率的にすればするほど、特定の電
力定格に対して、モーターの設置占有面積をより小さく
することができる。
【０００４】
【課題が解決しようとする課題】電動機のステーターか
ら発生する熱は、冷却ジャケット、ファンや他の冷却装
置で比較的容易な態様で取り除くことができるが、ロー
ターからの熱は取り去るのが困難である。なぜならば、
ローターを回転させるために、通常はローターとステー
ターの間にエアーギャップがあるからである。空気は効
果的な伝導体ではない。そして、回転するローターから
ステーターへ移動する熱は、金属から金属や液体の熱伝
導に比して、効率が悪い。したがって、電動機のロータ
ーを冷却する効果的な方法や装置を備えた電動機の技術
が必要とされている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、油のような冷
却剤の遠心力による流れを利用して、電動機を冷却する
方法や装置である。本発明の電動機は中空シャフトを含
み、中空シャフトは円錐形の中空内部を有し、さらに電
動機は、ローターを通過する第１の１組の通路と、ロー
ターと中空シャフトの間の、第２の１組の通路とを含
む。ローターと中空シャフトとが回転したとき、冷却流
体は、遠心力によって、中空シャフトと、第１の１組の
通路と、第２の１組の通路とを通って流れるように押し
やられる（すなわち、圧送される）。回転している中空
シャフトの中空内部の円錐形の形状は、遠心力を発生さ
せ、遠心力は冷却流体を中空シャフトを通るように移動
させる。ローターの開口部は、ローターの軸線に対して
所定の角度が付けられている（すなわち、傾斜してい
る）。この角度とローターの回転運動との組み合わせが
遠心力を発生させ、遠心力は冷却液を通路の中で移動さ
せる。
【０００６】中空シャフトを通る冷却液の速度と、第１
の１組の通路を通る冷却液の速度と、第２の１組の通路
を通る冷却液の速度とは、シャフト内部の円錐形の角度
の選択、シャフトの幅の選択、第１の１組の通路と第２
の１組の通路の径方向の位置の選択によって、制御する
ことができる。シャフト内部の円錐形の角度が大きくな
るほど、一定の速度に基づく冷却液の流量が大きくな
る。第１の通路と第２の通路の径方向位置がより外側に
配置されるほど、冷却液の流量を増加させることができ
る。また、中空シャフトを通る冷却液の流れと、第１の
１組の通路を通る冷却液の流れと、第２の１組の通路を
通る冷却液の流れとは、ローターの速度に比例してい
る。電動機（モーター）の速度が速くなるほど、電流の
流れも大きくなり、同時に熱の発生が増加する。本発明
の冷却システムは、自動制御である。というのは、本発
明の冷却システムは、熱伝達率を自動的に調節して、該
熱伝達率をモーターの必要とされる熱消失（すなわち、
放熱や熱損失）に適合するようにしているからである。
モーターは、より高い速度において、より多くの熱を発
生させるが、中空シャフトを流れる冷却液の流れと、第
１の通路を流れる冷却液の流れと、第２の通路を流れる
冷却液の流れとが増加する。このようにして、ローター
を冷却液の流れにより、冷却することができる。
【０００７】ローターの外部での、伝導性を有する熱の
放散と組み合わせた、冷却液の流れを使ったローターの
冷却は、本発明の冷却システムが備えられた電動機によ
って供給される出力密度（すなわち、パワー密度、又は
動力密度）を飛躍的に増加させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の電動機１０の一
部を破断した図である。電動機１０は、エアギャップ１
６により分けられている、ステーター（すなわち、固定
子）１２とローター（すなわち、回転子）１４とを含ん
でいる。本発明の別の実施例においては、エアギャップ
は冷却流体としての冷却液２６で満たされ、熱をロータ
ー１４からステーター１２に伝導することができる。本
発明の電動機は、好ましくは、かご型ローター（すなわ
ち、かご形回転子）を有するＡＣ誘導電動機である。し
かし、いかなる電動機の技術も、本発明の範囲に含まれ
ると考えられる。そして、本発明の範囲には、同期電動
機、反作用電動機、ＤＣモーター、ＤＣブラシレスモー
ター、及びＡＣ永久磁石ローターモーターが含まれる
が、これらに限定されるものではない。好適な実施例の
ローター１４は、鋼（スチール）製の複数のラミネーシ
ョン（すなわち、鋼製の積層板）が設けられたアルミニ
ウムのかご型である。電動機１０は、さらに、ローター
１４に結合されている中空モーターシャフト１８を含
む。中空モーターシャフト１８は、ローター１４の回転
運動を、外部の装置に伝達する。
【０００９】図２を参照すると、ローター１４と中空モ
ーターシャフト１８の一部破断した図が示されている。
中空モーターシャフト１８は、円錐形の内部２０を含
む。円錐形の内部は、中空モーターシャフト１８の中心
軸１９に対して、角度θで傾いている。そのため、中空
モーターシャフト１８の第１の開口部２２から第２の開
口部２４まで、直径が増加するようになっている。冷却
液２６が、第１の開口部２２から入ったとき、ローター
１４が回転すると、第１の開口部から第２の開口部にか
けて、遠心力の傾きが生じ、この遠心力の傾きによっ
て、冷却液２６の膜が、中空モーターシャフト１８の円
錐形の内部２０に沿い、中空モーターシャフト１８の長
さにわたって下流側に向け強制的に推し進められる（す
なわち、圧送される。） 図２の矢印３４は、中空モーターシャフト１８の円錐形
の内部２０に沿った、冷却液２０の膜の移動を示してい
る。温度補償ループが、冷却液の膜に関して、自動的に
形成され、本発明がより確実なものとなっている。冷却
液２６は、第１開口部から第２開口部まで移動する間に
熱を拾い上げ温度を高めていく。熱は冷却液２６の粘性
や粘度を下げ、冷却液の膜の厚さを減少させ、冷却液２
６の速度を増加させる。これら２つの要因は、全冷却過
程又は工程中に、熱移動性能（又は熱伝達能力）を増加
させあるいは保持するのに役立ち、中心軸１９に沿って
より均一の（又は一様な）温度分布をもたらす。このよ
うに、冷却液２６は、ローター１４の中心からの熱を、
熱伝導を通じて、中空ローターシャフト１８から外部の
ヒートシンクまで伝導する。
【００１０】角度θは、遠心力の大きさを決めるために
選択される。角度θが大きくなればなるほど、遠心力の
大きさも大きくなる。冷却液２６の膜の流量及び／もし
くは速度（換言すれば、冷却液２６の膜の流量及び速度
の少なくとも一方）は、ローター１４の速度に比例し、
これによって、自動制御の冷却システムが構成される。
ローター１４の速度が速くなればなるほど、より多くの
熱が発生するが、冷却液２６の流れの速度も高くなり
（換言すれば、冷却液２６の流量が増加し）、熱は消失
する。
【００１１】図１、図２を参照すると、本発明で使用さ
れているいくつかの別の熱損失機構が、さらに示されて
いる。矢印３０は、ローター１４の通路３２を通る、冷
却液２６による熱の伝導を示している。好適な実施例の
通路３２は、中空モーターシャフト１８の中心軸１９に
対して、傾斜がつけられている、換言すれば、所定の角
度がつけられている。モーターシャフト１８に対して放
射線状に等間隔に配置されている、すなわち、モーター
シャフト１８を中心として周方向に（換言すれば、ラジ
アル方向）に等間隔に配置されている。通路３２は、概
ね円錐形の形状が形成されるように方向決めされてお
り、通路３２の入り口側の開口部は、中空モーターシャ
フトの中心軸１９を中心として第１の直径の長さだけ離
間されており、通路３２の出口側の開口部は、中心軸１
９を中心として第２の直径の長さだけ離間されている状
態になっている。第２の直径は第１の直径より大きくな
っている。好適な実施例において、通路３２は、お互い
から等間隔に離間して配置されている。通路３２で起こ
る冷却は、パイプ冷却（パイプクーリング）として、表
現できる。パイプ冷却は、通路全体をみたしている冷却
剤の流れである。
【００１２】矢印３６は、中空モーターシャフト１８と
ローター１４の間の、通路３８を通る冷却剤の流れを示
している。通路は、中空モーターシャフト１８と連結し
ているローター１４の円錐形の内面により形成されてい
る。中空モーターシャフト１８の外面は、また、ロータ
ー１４の内面と合うように、コーン型（例えば、円錐形
の形状を）をしている。先の実施例と同様に、ローター
１４の回転は、遠心力を発生させ、通路３８を通って流
れるように冷却液２６を押しやる（すなわち、圧送させ
る）ことができる。膜（フィルム）タイプの冷却とパイ
プタイプの冷却との双方が、通路３８で行われる。
【００１３】本発明をいくつかの具体的な実施例によっ
て表現してきたが、他の形態が当業者にとって容易く適
合することができることは、認識されることである。よ
って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ、
制限されるものとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の電動機を表すため一部破断し
た概略図である。
【図２】図２は、本発明の電動機のローターの一部破断
した概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シチャン・チョウ アメリカ合衆国インディアナ州46033，カ ーメル，フェザント・コート 5828 (72)発明者 アンドリュー・ティー・スー アメリカ合衆国インディアナ州46038，フ ィッシャーズ，トレモント・レーン 10401 (72)発明者 イエンフー・クゥオ アメリカ合衆国インディアナ州46224，イ ンディアナポリス，レイクビュー・ドライ ブ 6002，ナンバー・シー (72)発明者 リンダ・ジェイ・ルデック・ブルーンズ アメリカ合衆国インディアナ州46055，マ ックコーズヴィル，ゴールデン・リッジ・ レーン 13697 (72)発明者 ジョン・シー・モルガンテ アメリカ合衆国インディアナ州46060，ノ ーブルスヴィル，クイーンズベリー・コー ト 104 Ｆターム(参考） 5H609 BB19 PP02 PP07 QQ05 QQ08 QQ18 QQ23 RR37 RR46 SS09

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電動機であって、 前記電動機は、磁界を発生させるステーターと、 前記磁界により回転するローターと、 前記ローターに結合しているモーターシャフトとを備
    え、前記モーターシャフトは内面を含み、前記内面は、
    冷却液を前記内面によって案内して、電動機を冷却する
    ことができるようにコーン形をしていることを特徴とす
    る電動機。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の電動機において、 前記ステーターは、前記磁界を発生させる導電コイルを
    含むことを特徴とする電動機。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の電動機において、 前記ローターは、かご形ローターであることを特徴とす
    る電動機。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の電動機において、 前記ローターは、永久磁石を含むことを特徴とする電動
    機。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の電動機において、 さらに、前記ローターを通る第１の１組の複数の通路を
    含み、該第１の１組の通路は、冷却液を案内できること
    を特徴とする電動機。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の電動機において、 前記第１の１組の通路は、複数の入口の開口部と複数の
    出口の開口部とを有しており、 前記入口の開口部は、前記モーターシャフトの中心軸の
    周囲で第１の直径の部分に配置されており、 前記出口の開口部は、前記モーターシャフトの中心軸の
    周囲で第２の直径の部分に配置されており、前記第１の
    直径は前記第２の直径より小さいことを特徴とする電動
    機。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の電動機において、 さらに、前記ローターと前記モーターシャフトの間に、
    第２の１組の複数の通路を含むことを特徴とする電動
    機。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の電動機において、 前記第２の１組の通路は、複数の入口の開口部と複数の
    出口の開口部とを有し、 前記入口の開口部は、前記モーターシャフトの中心軸の
    周囲で第１の直径の部分に配置されており、 前記出口の開口部は、前記モーターシャフトの中心軸の
    周囲で第２の直径の部分に配置されており、 前記第１の直径は前記第２の直径より小さいことを特徴
    とする電動機。
  9. 【請求項９】電動機であって、 前記電動機は、巻線形ステーターを備えており、前記巻
    線形ステーターは電流を伝導して、磁界を発生させるこ
    とができ、 また、前記電動機は、 前記磁界により回転するローターと、 前記ローターに結合しているモーターシャフトとを備
    え、前記モーターシャフトはコーン形をした内面を含
    み、前記内面は入口の開口部と出口の開口部とを有して
    おり、 さらに、前記電動機は冷却液を備えており、前記冷却液
    は、前記ローターの回転により発生する遠心力により、
    前記コーン型の内面を推進し、前記冷却液は前記電動機
    を冷却することを特徴とする電動機。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の電動機において、 前記ローターはかご形であることを特徴とする電動機。
  11. 【請求項１１】 請求項９に記載の電動機において、 前記ローターは永久磁石を含むことを特徴とする電動
    機。
  12. 【請求項１２】 請求項９に記載の電動機において、 前記冷却液は、油であることを特徴とする電動機。
  13. 【請求項１３】 請求項９に記載の電動機において、 さらに、前記ローターを通る第１の１組の複数の通路を
    含み、前記第１の１組の通路は、前記冷却液を前記ロー
    ターを通して案内できることを特徴とする電動機。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の電動機において、 前記第１の１組の通路は、複数の入口の開口部と複数の
    出口の開口部とを有し、 前記入口の開口部は、前記モーターシャフトの中心軸の
    周囲で第１の直径の部分に配置されており、 前記出口の開口部は、前記モーターシャフトの中心軸の
    周囲で第２の直径の部分に配置されており、 前記第１の直径は前記第２の直径より小さいことを特徴
    とする電動機。
  15. 【請求項１５】 請求項９に記載の電動機において、 さらに、前記ローターと前記モーターシャフトとの間
    に、第２の１組の複数の通路を含むことを特徴とする電
    動機。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の電動機において、 前記第２の１組の通路は、複数の入口の開口部と複数の
    出口の開口部とを有し、 前記入口の開口部は、前記モーターシャフトの中心軸の
    周囲で第１の直径の部分に配置されており、 前記出口の開口部は、前記モーターシャフトの中心軸の
    周囲で第２の直径の部分に配置されており、 前記第１の直径は前記第２の直径より小さいことを特徴
    とする電動機。
  17. 【請求項１７】 電動機を冷却する方法であって、 電動機を提供するステップを備え、前記電動機は、ステ
    ーターと、前記ステーターに磁性的に結合しているロー
    ターと、前記ローターに結合されている中空モーターシ
    ャフトとを有し、 また、前記方法は、前記ローターと前記中空モーターシ
    ャフトとを回転させるステップと、 遠心力を発生させ、該遠心力によって、冷却液を前記中
    空モーターシャフトを通して圧送するステップとを備え
    ることを特徴とする電動機を冷却する方法。
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