(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-14
(54)【発明の名称】高密度モータの冷却チャネルへの流体の流れと冷却チャネルからの流体の流れをガイドするヘッダ
(51)【国際特許分類】
H02K 9/19 20060101AFI20240206BHJP
【FI】
H02K9/19 A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023547781
(86)(22)【出願日】2021-02-09
(85)【翻訳文提出日】2023-08-08
(86)【国際出願番号】 US2021017273
(87)【国際公開番号】W WO2022173420
(87)【国際公開日】2022-08-18
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】500107762
【氏名又は名称】ハミルトン・サンドストランド・コーポレイション
【氏名又は名称原語表記】HAMILTON SUNDSTRAND CORPORATION
(74)【代理人】
【識別番号】100086232
【氏名又は名称】小林 博通
(74)【代理人】
【識別番号】100092613
【氏名又は名称】富岡 潔
(72)【発明者】
【氏名】セーヴィアス,キンバリー レイ
(72)【発明者】
【氏名】クチェク,アンジェイ エルネスト
(72)【発明者】
【氏名】アラヒャリ,アッバス エー.
(72)【発明者】
【氏名】スール,アリトラ
(72)【発明者】
【氏名】タングドゥ,ジャガディーシュ クマール
【テーマコード(参考)】
5H609
【Fターム(参考)】
5H609PP02
5H609PP06
5H609PP09
5H609QQ03
5H609QQ05
5H609RR37
(57)【要約】
ステータコアと、内部に形成された冷却剤通路を含む1つまたは複数の巻線とを含む電気機械用のヘッダ。ヘッダは、冷却剤を受け入れる入口と、冷却剤がヘッダから出る出口と、入口に流体的に接続された入口プレナムと、入口プレナムから流体的に分離され、出口に流体的に接続された出口プレナムとを含む。入口プレナムと出口プレナムはそれぞれ、ヘッダの底部と比較して、ヘッダの上部から異なる、変化する断面を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ステータコアと、内部に形成された冷却剤通路を含む1つまたは複数の巻線とを含む電気機械用のヘッダであって、
冷却剤を受け入れる入口と、
前記冷却剤が前記ヘッダから出る出口と、
前記入口に流体的に接続された入口プレナムと、
前記入口プレナムから流体的に分離され、前記出口に流体的に接続された出口プレナムと、を備え、
前記入口プレナムと前記出口プレナムはそれぞれ、前記ヘッダの底部と比較して、前記ヘッダの上部から異なる、変化する断面を有する、ヘッダ。
【請求項2】
前記入口プレナムと前記出口プレナムが同一平面上にある、請求項1に記載のヘッダ。
【請求項3】
前記入口プレナムと前記出口プレナムが並んで互いに平行に離間されている、請求項1に記載のヘッダ。
【請求項4】
前記入口は主入口であり、前記出口は主出口であり、前記ヘッダは前面と背面を含み、
前記ヘッダはさらに、
前記主入口に入る冷却剤が前記入口プレナム及び前記ヘッダから出ることができるように、前記ヘッダの背面に形成され、前記入口プレナムと流体連通する複数の出口通路と、
前記出口通路を出てモータの一部を通過した冷却剤が前記出口プレナムに入ることができるように、前記ヘッダの背面に形成され、前記出口プレナムと流体連通する複数の入口通路と、
を含む、請求項1に記載のヘッダ。
【請求項5】
前記入口プレナムが、前記入口プレナムをプレナム入口側とプレナム出口側とに分割する、内部に配置されたオリフィスプレートを含む、請求項4に記載のヘッダ。
【請求項6】
前記オリフィスプレートが複数の穴を含む、請求項5に記載のヘッダ。
【請求項7】
前記穴のサイズが、前記ヘッダの前記上部から前記ヘッダの前記底部まで変化する、請求項6に記載のヘッダ。
【請求項8】
冷却剤が、前記プレナム入口側で前記入口プレナムに受け入れられ、前記穴を通って、前記プレナム出口側に入り、前記出口通路を介して前記ヘッダから出る、請求項6に記載のヘッダ。
【請求項9】
前記複数の出口通路のうちの少なくとも1つが、第1のクロスオーバーセクションによって前記複数の出口通路のうちの別の1つの通路に接続されている、請求項4に記載のヘッダ。
【請求項10】
前記複数の入口通路のうちの少なくとも1つが、第2のクロスオーバーセクションによって前記複数の入口通路のうちの別の1つの通路に接続されている、請求項9に記載のヘッダ。
【請求項11】
前記入口及び前記出口が、前記ヘッダの軸方向に沿って冷却剤を受け取り、排出するように配置される、請求項1に記載のヘッダ。
【請求項12】
前記入口及び前記出口が、前記ヘッダの接線方向に沿って冷却剤を受け取り、排出するように配置される、請求項1に記載のヘッダ。
【請求項13】
前記入口及び前記出口が、前記ヘッダの垂直方向に沿って冷却剤を受け取り、排出するように配置される、請求項1に記載のヘッダ。
【請求項14】
モータであって、
ロータと、
ステータと、
ステータコアと、内部に形成された冷却剤通路を含む1つまたは複数の巻線とを含む電気機械用のヘッダであって、
冷却剤を受け入れる入口と、
前記冷却剤が前記ヘッダから出る出口と、
前記入口に流体的に接続された入口プレナムと、
前記入口プレナムから流体的に分離され、前記出口に流体的に接続された出口プレナムと、
を備える前記ヘッダと、を備え、
前記入口プレナム及び前記出口プレナムはそれぞれ、前記ヘッダの底部と比較して、前記ヘッダの上部から異なる、変化する断面を有し、
前記ヘッダは、前記入口プレナムで受け取った冷却剤を前記モータに供給し、前記モータから前記出口プレナムに戻される冷却剤を受け取るように、前記モータに対して配置される、モータ。
【請求項15】
前記入口は主入口であり、前記出口は主出口であり、前記ヘッダは前面と背面を含み、
前記ヘッダはさらに、
前記主入口に入る冷却剤が前記入口プレナム及び前記ヘッダから出て、前記ステータの一部に冷却剤を供給できるように、前記ヘッダの背面に形成され、前記入口プレナムと流体連通する複数の出口通路と、
前記出口通路を出て前記ステータの前記一部を通過した冷却剤が前記出口プレナムに入ることができるように、前記ヘッダの背面に形成され、前記出口プレナムと流体連通する複数の入口通路と、
を備える、請求項15に記載のモータ。
【請求項16】
前記ステータの前記一部がステータ巻線である、請求項15に記載のモータ。
【請求項17】
前記ステータの前記一部が巻線セパレータである、請求項15に記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示される主題は電気機械に関する。より具体的には、本明細書に開示される主題は、高密度電気モータのステータに冷却流体を供給するためのヘッダに関する。
【背景技術】
【0002】
典型的な液冷電気機械/モータは、コアと、コアを通って延びる1つまたは複数のロータ巻線(導体)とを有するロータとを含む。一部の機械、つまり永久磁石機械では、ロータ巻線が複数の永久磁石に置き換えられる。ロータはステータに囲まれており、ロータとステータの間には空隙が存在する。
【0003】
同様に、ステータは、1つまたは複数のステータ巻線が貫通するステータコアを含む。高出力密度の電気機械(発電機またはモータ)は、ステータとロータの両方の巻線の激しい抵抗加熱と、ロータとステータのコアの渦電流と磁気ヒステリシス加熱を生成する。
【0004】
ステータ冷却の一般的な方法には、エンドターンスプレイと、バックアイアンを介して冷却されたハウジングまたは流体媒体への熱伝導を利用する方法が含まれる。
【0005】
例えば、従来のモータの熱管理は、外部フィンまたは液体冷却ジャケットの形態で行われることが多い。このようなシステムは通常、ステータコアの半径方向外側のバックアイアン(ハウジング)内の1つまたは複数のチャネルを通して冷却液を導く。しかしながら、これらの冷却方法は、ステータコアの半径方向及び軸方向の外周のみを冷却する。したがって、ステータ巻線のホットスポットがステータコアの軸方向中心線で発生する可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0006】
ステータコアと、内部に形成された冷却剤通路を含む1つまたは複数の巻線とを含む電気機械用のヘッダが開示される。ヘッダは、冷却剤を受け入れる入口と、冷却剤がヘッダから出る出口と、入口に流体的に接続された入口プレナムと、入口プレナムから流体的に分離され出口に流体的に接続された出口プレナムとを含む。入口プレナムと出口プレナムはそれぞれ、ヘッダの底部と比較して、ヘッダの上部から異なる、変化する断面を有する。
【0007】
任意の前述の実施形態では、入口プレナム及び出口プレナムは、並んで同一平面上にあり、互いに平行に離間され得る。
【0008】
任意の前述の実施形態では、入口は主入口であり、出口は主出口であり、ヘッダは前面と背面を含み、ヘッダは、主入口に入る冷却剤が入口プレナム及びヘッダを出ることができるように、ヘッダの背面に形成され、入口プレナムと流体連通する複数の出口通路と、出口通路を通って出て、モータの一部を通った冷却剤が出口プレナムを出ることができるように、ヘッダの背面に形成され、出口プレナムと流体連通する複数の入口通路とをさらに備えることができる。
【0009】
任意の前述の実施形態において、入口プレナムは、入口プレナムをプレナム入口側とプレナム出口側とに分割する内部に配置されたオリフィスプレートを備える。
【0010】
任意の前述の実施形態では、オリフィスプレートはその中に複数の穴を含む。
【0011】
任意の前述の実施形態では、穴のサイズはヘッダの上部からヘッダの底部まで変化する。
【0012】
任意の前述の実施形態では、冷却剤はプレナム入口側で入口プレナムに受け入れられ、穴を通ってプレナム出口側に入り、出口通路を介してヘッダから出る。
【0013】
任意の前述の実施形態では、複数の出口通路のうちの少なくとも1つは、第1のクロスオーバーセクションによって複数の出口通路のうちの別の1つの通路に接続される。
【0014】
任意の前述の実施形態では、複数の入口通路のうちの少なくとも1つが、第2のクロスオーバーセクションによって複数の出口通路のうちの別の1つの通路に接続される。
【0015】
任意の前述の実施形態では、入口及び出口は、ヘッダの軸方向に沿って冷却剤を受け取り、排出するように配置されている。
【0016】
任意の前述の実施形態では、入口及び出口は、ヘッダの接線方向に沿って冷却剤を受け取り、排出するように配置されている。
【0017】
任意の前述の実施形態では、入口及び出口は、ヘッダの垂直方向に沿って冷却剤を受け取り、排出するように配置されている。
【0018】
また、ロータと、ステータと、任意の前述の実施形態のヘッダとを含むモータも開示される。ヘッダは、入口プレナムで受け取った冷却剤をモータに供給し、モータから出口プレナムに戻される冷却剤を受け取るように、モータに対して配置される。
【0019】
ヘッダは、冷却剤ステータ巻線または巻線セパレータを備えることができる。
【0020】
本発明と見なされる主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲において詳細に指摘され、明確に特許請求される。本発明の前述の及び他の特徴ならびに利点は、添付の図面と併せることにより、以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【
図1】ロータと、ステータの部分図とを示す電気機械の実施形態の断面図である。
【
図2】電気機械用のステータの実施形態の斜視図である。
【
図3A】冷却通路が埋め込まれたステータ巻線の上面図を示す。
【
図3B】冷却通路が埋め込まれたステータ巻線の断面図を示す。
【
図3C】冷却通路が埋め込まれた巻線セパレータの断面図を示す。
【
図5】偏心プレナムを含む一実施形態によるヘッダの斜視図である。
【
図6】A~Cは、入口プレナムと出口プレナムの断面積の変化を示すために、
図5の様々な位置で切取られた巻線/セパレータに接続された
図5のヘッダの一部の断面図を示す。
【
図7】Aは、オリフィスプレートを示し、Bは、
図6に示される位置で入口プレナム内に配置されたオフィスプレートを示す。
【
図8】一実施形態による、分割ヘッダに対して配置されたモータの部品の断面図を示す。
【
図9】一実施形態による、ヘッダ上に形成された入口通路及び出口通路の相互接続の詳細図を示す。
【
図10】一実施形態によるモータの一部の斜視図を示す。
【
図11】2つのステータ歯の間に配置された幾つかの異なる巻線通路構成及びスペーサ構成を示す。
【
図12】モータ内に配置されたヒートパイプに接続されたヘッダに対して配置されたモータの部品を示す。
【
図13】接線方向の入口/出口の組み合わせを備えたヘッダを示す。
【
図14】垂直方向の入口/出口の組み合わせを備えたヘッダを示す。
【発明を実施するための形態】
【0022】
詳細な説明では、図面を参照して、例として、利点及び特徴とともに本発明の実施形態を説明する。
【0023】
モータがよりコンパクトになるにつれて、ステータを冷却する別の方法が有益になる可能性がある。ここで開示するのは、そのような方法の1つで使用できるヘッダである。例えば、ヘッダは、ステータ内またはステータの近くに形成されたチャネルに冷媒を供給し、導くために使用することができる。チャネルは、ステータ巻線の内側にあってもよく、あるいは巻線間に配置された巻線セパレータに埋め込まれたチャネルであってもよい。さらに、一実施形態では、チャネルはステータ歯に設けることができる。つまり、セパレータは別個の要素、ステータ歯、またはその両方であってよい。
【0024】
一実施形態では、冷媒などの冷却流体を電気機械のステータの巻線及び/または巻線セパレータに導き、巻線/セパレータから戻る流体を受け取るヘッダが開示される。
【0025】
ヘッダはほぼ円形であってよく、入力プレナムと出力プレナムの両方を含み得る。一実施形態では、プレナムは偏心している。一実施形態では、プレナムは様々な断面を有し得る。一実施形態では、プレナムは並んで(平行に)いる。別の実施形態では、一方のプレナムが他方のプレナムを取り囲み、それらはほぼ同一平面上にある。他の変形及び構成が存在することは、以下の説明から理解されるであろう。本明細書の実施形態のいずれかまたはすべては、冷却チャネルに出入りする均一な冷却流体の流れを提供するのに役立ち得る。
【0026】
さらに、別の実施形態では、冷却流ではなく、ヘッダは、上述のチャネルのいずれかに配置された1つまたは複数のヒートパイプと熱伝導接触するように配置することができる。
【0027】
図1は、本開示の実施形態を組み込むことができる電気モータ100の断面の概略図を示す。ロータ磁石がステータより外部またはステータの外側にあるように示されているが、向きは逆にすることもできる。さらに、本明細書の教示は、磁石がU字形であり、ステータの内側部分と外側部分の両方を取り囲む文脈に適用することができる。
【0028】
より詳細には、
図1及び
図2は、電気モータ100の断面図と簡略化されたステータコア104の斜視図をそれぞれ示す。電気モータ100は、ロータシャフト142を取り囲むが、ロータシャフト142とともに回転しないように構成されたステータ102を含む。
【0029】
ステータ102は、ステータコア104と、コア104によって支持または保持される1つまたは複数のステータ巻線110とを含む。一実施形態では、巻線は、個別のポッティングされたリッツ線巻線として形成することができる。ステータコア104は、リングハブ106と、リングハブ106から外向きに延びる複数の歯108とを含む。隣接する歯108は、1つまたは複数のステータ巻線が配置され得るステータスロット112を形成する。すなわち、各スロットは、その中に配置された単一のステータ巻線110を有することができ、または以下のさらなる例に示すように2つ以上の巻線を含むことができる。
【0030】
モータ100はまた、ロータ140を含む。
図1に示すロータは、回転軸144を中心に回転するロータシャフト142を含む。ロータ140はまた、シャフト142に接続された磁石保持構造146を含む。構造146は、1つまたは複数の永久磁石148を保持する。
【0031】
図示のように、ステータ102(及びステータ102によって保持される巻線110)は、回転軸144に対してロータ磁石148の半径方向内側に配置され、ロータ140とステータ104との間に放射状空隙150が配置される。図示のように、ロータ140は、構造146によってシャフト110に取り付けられる。巻線110に電流が印加される「モータ」モードのとき、その電流は磁石148と相互作用し、磁石/構造を回転させて、軸144を中心とするロータシャフト142の回転を引き起こし、シャフト142が負荷に対する原動力を提供できるようにする。あるいは、「発電機」モードでは、磁石の相互作用によって巻線110に電流が流れて電気負荷を駆動するように、シャフト142を駆動することができる。
【0032】
ステータコア104は、回転軸144に沿って積層された、軸方向に積層された複数の積層体から形成することができる。いくつかの実施形態では、積層体116は鋼材から形成されるが、当業者は、他の材料を利用できることを容易に理解するであろう。代替実施形態では、ステータ104は、当技術分野で知られているように、個別のステータセクションとして形成することができる。
【0033】
ステータ巻線110は、図示のように、ステータコア104を通って延びるコアセグメント110aと、ステータコア104の各軸方向ステータ端部から延びるエンドターンセグメント110bとを含む。上記のように、ステータ巻線110が電流によって励磁されると、結果として生じる磁界が回転軸144を中心にロータ140の回転を駆動する。
【0034】
電気モータは、
図1及び
図2に示すように、高密度構成、様々な動作パラメータ、またはその他の理由により、冷却が必要な場合がある。例えば、高出力密度の航空クラスの電気モータとドライブには、モータ/ドライブの適切な動作を保証するために高度な冷却技術が必要な場合がある。これらの機械は一般に、高出力定格では熱制限があり、熱制限を緩和することで性能を向上させることができる。望ましい温度を維持するために、システムのコンポーネントに冷却を提供する熱管理システム(TMS)がシステムに組み込まれる。航空機に搭載される場合、離陸時には電力要件、つまり熱管理システム(TMS)の負荷が大幅に増加する。離陸条件(すなわち、最大負荷)に合わせてTMSのサイズを決定すると、そのような負荷に対応するためにTMSの重量が重くなる。その結果、そのような負荷が発生しない巡航状態では重量が重くなり出力密度が低下する。したがって、高い冷却能力のTMSは必要ない。このような航空用途では、重量制約と熱負荷容量のバランスをとることが重要である。
【0035】
本明細書では、ステータアセンブリの様々な部分のチャネルが開示されるとともに、それらのチャネルに冷却剤を送り込み、チャネルから戻される「加熱された」冷却剤を受け取るヘッダも開示される。一実施形態では、チャネルは巻線110に形成される。別の実施形態では、チャネルは、巻線の間に配置されたセパレータ(後述)に形成される。もちろん、実施形態は、巻線とセパレータの両方にチャネルが形成される状況も含み得る。
【0036】
図3A及び3Cは、それぞれ、例示的な巻線110及びセパレータ350の上面図を示す。巻線110の1つまたは複数は、ステータスロット112に配置することができる(
図2)。場合によっては、セパレータ350が巻線110の一部またはすべての間に配置される。
【0037】
巻線110は、巻線本体302を含む。一実施形態では、本体302は、基板306に支持または保持されるワイヤストランド305を含む。ストランドは形成線でも、通常の線でもリッツ線でもよい。一実施形態では、基板306は非導電性材料であってよい。一実施形態では、基板306はポッティング材料であってよい。
【0038】
本体302内には、冷却剤通路304も封入されている。冷却剤通路304は、別個の要素であるか、または基板306によって形成される管として形成することができる。
図3Aでは、基板306に開口領域312があることに留意されたい。この領域は、一実施形態では省略することができる。この領域は、使用中のステータ歯によって埋めることができる。
【0039】
図3Bに示すように、ワイヤストランド305は、本体302内の領域350に局在化することができる。通路304は、ストランド304の間またはストランド304の近くに配置され、それを通る冷却流体がストランド304に近接してストランド304から熱を除去できるようにする。
【0040】
図3Aにおいて、矢印は、巻線110を通る1つの可能な流れ方向を示している。もちろん、一実施形態では、流れの方向を逆にすることもできる。以下に開示されるヘッダは、巻線110に出入りする流体を提供する。より詳細には、流体は通路304に流入し、ストランド305を横断し、その中の熱を除去し、その後、巻線110から出ることができる。冷却剤は、液体として入り、巻線110を横断するときに、巻線110から熱を除去し、(全体的または部分的に)気化し得る。したがって、巻線から出る流れは、気体、液体、またはそれらの組み合わせのいずれかであってよい。
【0041】
ここで
図3Cを参照すると、セパレータ350は、セパレータ本体352を含む。セパレータ本体352は、中実の材料片として形成することができる、あるいは
図3Cに示すように中空領域354を含み得る。一実施形態では、セパレータ350/セパレータ本体352は、非導電性材料で形成することができる。一実施形態では、セパレータ350はセラミック材料で形成される。
【0042】
セパレータ本体352内には、冷却剤通路356が封入されている。冷却剤通路356は、別個の要素である管として形成することも、セパレータ本体352によって形成される管として形成することもできる。
【0043】
図3Cにおいて、矢印は、セパレータ350を通る1つの可能な流れ方向を示している。もちろん、一実施形態では、流れの方向を逆にすることもできる。以下に開示のヘッダは、セパレータに出入りする流体を提供する。より詳細には、流体は、通路356に流入し、セパレータ本体352を横断し、その中の熱を除去し、その後、セパレータ350から出ることができる。一実施形態では、セパレータは巻線110に隣接して配置され、その外側から熱を除去することができる。上記と同様、冷却剤は液体(または液体と気体の混合物)として入り、セパレータを横断するときに、セパレータから熱を除去し、(全体または部分的に)気化する。したがって、セパレータ350を出る流れは、気体、液体、またはそれらの組み合わせのいずれかであってよい。
【0044】
任意選択で、破線で示すように、セパレータ350は、本体360及び端部Uターン362を含む複数の部分によって形成することができる。
【0045】
図4は、一実施形態によるヘッダ400の例を示す。ヘッダ400は、ステータの巻線110/セパレータ350に流体的に結合され、巻線/セパレータに冷却流体を供給し、巻線/セパレータから冷却流体を受け取る。簡単にするために、単一の巻線110及び単一のセパレータ350の対(対として概略的に示される)のみを
図4に示すが、当業者は、ヘッダ400が任意の数の巻線/セパレータに接続できることを理解するであろう。さらに、流体の流れは、流体を受け取る巻線とセパレータの両方を含むシステムで以下に説明されるが、一方のみが流路を含み、他方は流体を受け取らないこともあり得る。さらに、実施形態ではセパレータ350を省略できることに留意されたい。
【0046】
ヘッダ400は、入口402及び出口404を含む。冷却流体は入口402に入り、巻線110及びセパレータ350の一方または両方を通って導かれ、出口404を介してヘッダ400から出る。図示のように、ヘッダ入口402は、重力(矢印g)に関して出口404よりも上にある。必須ではないが、この構成により流れが改善し、詳細には、流れが均一になる。冷却剤は、ヘッダ400の入口402及び出口404から軸方向Xに流入または流出する。
【0047】
一実施形態では、ヘッダ400は、冷却流体が巻線110とセパレータ350に同時に入るように構成することができる。このような実施形態では、流体は巻線110/セパレータ350を横断してヘッダ400に戻り、出口404の方に導かれる。
【0048】
別の実施形態では、冷却流体は最初に巻線110に入り、巻線110を横断した後、セパレータ350に導かれる。このような実施形態では、その後、流体はヘッダ400に戻り、出口404の方に向けられる。
【0049】
流れが巻線/セパレータにどのように提供されるかに関係なく、流入する「冷たい」流体が巻線/セパレータを通過した後の「加熱された」流体と混合するのを防ぐために、ヘッダを2つのプレナムに分離することができる。ここで
図5を参照すると、ヘッダ500の例は、入口プレナム502及び出口プレナム504を含み得る。ヘッダ500に関する本明細書の説明は、本明細書に開示されるヘッダの任意の実施形態に任意選択で適用できることを理解されたい。
【0050】
図5において、入口プレナム502は任意選択で出口プレナムを取り囲んでよい。入口プレナム502は入口506に流体接続され、出口プレナム504は出口508に流体接続される。しかしながら、この実施形態または任意の他の実施形態では、入口506はヘッダの本体520内の出口508に流体的に接続されていない。これにより、入口506に入る流体は、入口506から出口508に移動するために巻線110またはセパレータ350に進入しなければならないことが保証される。
【0051】
さらに詳細には、
図6も参照すると、ヘッダ500は、前面554及び背面556を含む。背面556は、ヘッダ500の背面556上に形成された複数の出口通路550を含み得る。出口通路550は、主入口506に入る流体が入口プレナム502及びヘッダ502から出ることができるように、入口プレナム502と流体連通している。ヘッダ500はまた、ヘッダ500の背面556に形成された複数の入口通路552を含む。入口通路は出口プレナム504と流体連通しているため、出口通路550を通って出てモータの一部(例えば、巻線/セパレータ)を通る流体が出口プレナム504に入ることができる。
【0052】
図5のヘッダ500は、入口プレナム502及び出口プレナム504の断面に関連する任意選択の特徴を含む。詳細には、入口プレナム502は、ヘッダ500の底部512と比較して、ヘッダ500の上部510からg方向に変化する断面積を有し得る。詳細には、断面積は、底部512よりも上部510の方が大きい。同様に、出口プレナム504の断面積は、ヘッダ500の底部510と比較して、ヘッダの上部510からx方向に増大する断面積を有し得る。断面の変化により、巻線/セパレータへの流体のより均一な分布を生み出すことができる。詳細には、入口プレナム502への最大の流体の流れを可能にするためには、より大きな断面積が必要である。これにより、ヘッダに接続された各巻線/セパレータに流体を提供することができる。しかしながら、ヘッダ500の底部512付近では、流体を受け入れる必要がある巻線/セパレータの数は比較的少なくなる。したがって、流れを収容するために必要な面積は小さくなる。出口プレナム504についてはその逆が当てはまる。詳細には、ヘッダ500の上部では、少数の巻線/セパレータのみが出口プレナム504に流体を「戻す」が、ヘッダの底部512では、巻線/セパレータのほとんどまたはすべてから戻される流体を収容する必要があるため、出口プレナム504の断面積を増大させることが望ましい。
【0053】
新しく、
図6A、6B及び6Cを参照すると、それぞれ
図5の矢印A、B及びCによって示される位置でヘッダ500の半径に沿って切り取られた断面が示されている。
図6Aでは、入口プレナム502の断面積は、出口プレナム504の断面積より大きい。文脈のために、巻線110(またはセパレータ350)を通る流体の流れが、
図6Aに、流体が出口通路550を介して入口プレナム502から出て、巻線110/セパレータ350を横断し、入口通路552を介して出口プレナム504に入ることを示す矢印によって示されている。
【0054】
図6Bでは、入口プレナム502の断面積は、出口プレナム504の断面積とほぼ同じである。
図6Cでは、入口プレナム502の断面積は、出口プレナム504の断面積より小さい。
【0055】
本明細書に開示されるいずれの実施形態においても、巻線/セパレータに接続する多くのチャネルにおける均一な流量分布を促進するために、ヘッダにオリフィスプレートを追加することができる。このようなプレート700の例は、
図7Aに示されており、これは、
図7Bに示されるように入口ヘッダ502に配置される。
【0056】
プレート700には、1つまたは複数の穴702を形成することができる。プレート700は、プレナムの一方または両方を2つの部分に分割するように、ヘッダ500(または本明細書に開示される任意の他のヘッダ)に配置または形成することができる。
図7Bに示すように、プレート700は、入口プレナム502をプレナム入口側710とプレナム出口側に分割することができる。図示のプレート700は、一定のサイズの穴702を有する。しかしながら、穴のサイズは円周方向に変化する可能性がある。つまり、
図5の文脈では、穴のサイズは、プレート700が配置されるヘッダの上部510から底部512まで変化し得る。
【0057】
液体は、入口側710の入口プレナム502に入り、オリフィスプレート700の穴702(複数可)を通って進む。ある実施形態では、液体は、プレナム出口側712で二相混合物として穴702から現れる。次に、二相混合物は巻線を冷却するために使用される通路に進む。通路は、巻線110の内側の通路304(
図3A)またはセパレータ352の通路356(
図3B)を含み得るが、これらに限定されない。もちろん、混合物は、ステータ歯108(
図2)などのステータの他の部分に形成された通路を通ることもできる。
【0058】
上記説明では、ヘッダ400/500はほぼ同一平面上のプレナムを有するとして記載した。別の実施形態では、
図8に示すように、ヘッダ800は、2つの分離されたプレナムを含むように形成することができる。2つのプレナムは、入口プレナム要素802及び出口プレナム要素804と呼ばれる。
図8では、入口プレナム要素802は出口プレナム部分804よりもステータ102に近いが、順序/相対位置は逆であってもよい。上記の説明と同様に、入口プレナム要素802に入る冷却剤は、それぞれ通路304、356によって巻線/セパレータの対(概してボックス110、350で示す)に供給される。一実施形態では、流体は巻線/セパレータを通り、通路304、356を通って出口プレナム要素804に戻される。入口プレナム要素802は、上述のプレート700を含み得る。
【0059】
図示のように、入口プレナム要素802と出口プレナム要素804は互いに間隔をあけて配置されているが、それらは互いに接触していてもよい。
【0060】
さらに、ステータ102及びロータ(例えば、磁石保持構造146)に対するヘッダ800の位置によって、ヘッダ800が冷却剤をモータに供給するように、ヘッダ800(または任意の他のヘッダ)がモータの隣に配置できることが明らかになり、したがって、モータと本明細書に開示の任意のヘッダの組み合わせは、モータアセンブリと呼ぶことができることに留意されたい。
【0061】
本明細書に開示されるヘッダの前述の実施形態では、各巻線及び各セパレータがそれぞれ、ヘッダの個々の出口に直接接続されていると想定されている(例えば、各巻線/セパレータはヘッダへの出入りに固有のアクセスを有する)。以下の実施形態では、ヘッダの背面は、ヘッダの入口プレナムからの単一の排出及び出口プレナムへの単一の流入が、複数の巻線、巻線/セパレータの対、または巻線/セパレータの他の組み合わせのいずれかを冷却できるように、クロスオーバーチャネルを含み得る。
【0062】
例えば、
図9を参照すると、本明細書の任意のヘッダは、前面900及び背面902を含み得る。背面902は、クロスオーバーセクション910を含んでよく、クロスオーバーセクション910は、例えば、巻き管304及びセパレータ管356を一緒に接続して、両方が入口プレナム502の背面で単一の排出によって供給できるようにする。このように、クロスオーバーセクションにより、単一の出口通路550が冷却剤を2つの場所(例えば、巻取り管304及びセパレータ管356)に供給することが可能になる。
【0063】
図9では、管はそれぞれ「入る」と「出る」を示す「i」と「o」で示されている。適用すると、304iとマークされた管は冷たい冷却流体を巻線に運び、304oとマークされた管は加熱された冷却剤を巻線から運ぶ。セパレータ/歯の管にも同じことが当てはまる。
【0064】
図示のように、入口クロスオーバー管910iは、巻き管304i及びセパレータ管356iに取り付けることができる入口接続部912、914を接続する。冷却剤は矢印Iで示すように両方に入る。
【0065】
冷却剤は巻線/セパレータを横断し、それぞれの巻線304o及びセパレータ管356oに戻る。戻ってくる冷却剤の戻り流は、矢印Oで示されている。別のクロスオーバー910oは、管3040と356oを接続して、両方からの流体が出口プレナム504に戻るようにする。
【0066】
配置されているように、巻線の「外側」部分はセパレータの内側部分と同時に冷却されて、クロスフロー冷却体制が形成される。
【0067】
上記の教示はすべて、巻線とセパレータ/歯の様々な組み合わせに適用することができる。
図10は、ステータ/ロータの組み合わせの「背面」の斜視図を示す。
図10に示す組み合わせは、すべての実施形態に適用可能であり、冷却剤または他の冷却方法(例えば、ヒートパイプ)を実施することができるように、本明細書に開示されるヘッダのいずれかに近接して配置することができる。
【0068】
簡潔にするために、
図10に示す組み合わせは、モータ1000と呼ばれる。モータ1000はステータ1002を含む。ステータは、ステータコア1004と、コア1004によって支持または保持される1つまたは複数のステータ巻線1100とを含む。図示のように、コア1004は、個別のステータセグメント1004aから形成され、リングハブ1006と、リングハブ106から外向きに延びる複数の歯1008と組み合わされる。
【0069】
モータ1000はまた、ロータ1400を含む。図示していないが、
図10に示されるロータは、回転軸を中心に回転するロータシャフトを含むことを理解されたい。ロータ1400は、1つまたは複数の永久磁石1480を保持する。モータ1000は上述のように動作する。
【0070】
図11をさらに参照し、構成されるように、ステータコア1004は、リングハブ1006と、リングハブ1006から外向きに延びる複数の歯1008とを含む。隣接する歯1008は、1つまたは複数のステータ巻線を配置することができるステータスロット1012を形成する。すなわち、各スロットは、単一のステータ巻線1100をその中に配置することができる、または
図10と以下のさらなる例に示すように2つ以上の巻線を含み得る。
【0071】
巻線1100は、上述のように冷却チャネルを含み得る。
図10に示すように、各巻線1100はセパレータ1150によって互いに分離されている。これらのセパレータは、本明細書に記載されているような任意のセパレータであってよい。
【0072】
図示のように、スロット1012には3つの巻線1100がある。それぞれの巻線内には、1つまたは複数の流路を形成することができる。巻線ごとに可能な流路の様々な例が、各巻線のドットの数で示されている。実際には、巻線は典型的には同じ数のチャネルを含み、
図11は、単一の図で複数の可能性を示すために提示していることを理解されたい。さらに、一実施形態では、巻線は流路を含まなくてもよい。
【0073】
図示のように、各巻線1100は、セパレータ1150によって隣接する巻線から分離されている。任意選択で、各セパレータ1150は、巻線1100と同様に流路を含み得る。したがって、
図11に基づいて、当業者は、(1)セパレータ1150と巻線1100の両方が流路を含む構成、(2)巻線のみが流路を含む構成、(3)セパレータ1150のみが流路を含む構成の少なくとも3つの構成を実現するであろう。さらに、当業者は、流路を上記に開示したヘッダのいずれかに接続して、流路に冷却剤を供給できることを理解するであろう。
【0074】
さらに、別の実施形態では、流路を冷却剤に利用することはできず、代わりに流路内にヒートパイプを備えることができる。例えば、ここで
図12を参照すると、サーマルスプレッダ1202とフローヘッダ1204の組み合わせであるヘッダ1200を設けることができる。ヒートパイプ1206は巻線110内に延びており、熱をサーマルスプレッダに伝達することができる。巻線は、本明細書に開示される巻線のいずれかであってよい。
【0075】
前述の実施形態では、ヘッダへの流れは軸方向Xであることが示されている(
図2、4、及び5を参照)。他の流れ方向も考えられることに留意されたい。例えば、
図13は、ヘッダ1300に対して接線方向に配置された入口1306及び出口1308を示す。(入口/出口以外の)ヘッダ1300は、本明細書の任意のヘッダについて説明したのと同じ方法で形成することができる。
【0076】
あるいは、
図14に示すように、入口1406と出口は垂直方向に向けられた流れを有することができる。(入口/出口以外の)ヘッダ1400は、本明細書の任意のヘッダに関して説明したのと同じ方法で形成することができる。
【0077】
本発明は、限りある数の実施形態のみに関連して詳細に説明したが、本発明がそのような開示の実施形態に制限されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまでに記載していないが、本発明の趣旨と範囲に一致する任意の数の変形、改変、置換、または同等の構成を組み込むように変更することができる。さらに、本発明の様々の実施形態を記載したが、本発明の態様は記載した実施形態の一部だけを含んでよいことも理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって制限されると見なすべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。
【国際調査報告】