JP2007020337A - 電動モータの冷却構造及び同電動モータを搭載した建設機械車両 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で簡単な構成からなり、構成要素全体を効率的に冷却すると同時に、モータハウジングの底部に貯留される冷却液がロータ回転時の攪拌抵抗とならない小スペ−スで、モータシャフトを垂直に配した電動モータの冷却構造を提供する。
【解決手段】ロータシャフト(5) の中心線上には上方から下方に向けて冷却液を圧送する第１軸方向冷却液通路(32)を形成され、ロータコア(4) には永久磁石(22)の近傍に軸方向に貫通する複数本の第２軸方向冷却液通路(29)が形成されている。上部プレート（27a)には前記複数本の第２軸方向冷却液通路(29)とそれぞれに連通し、前記ステータコア(3) の上部コイルエンド(16a) に向けて開口する冷却液噴出孔(30)が形成されている。下部プレート(27b) のロータ端面との密着面にはロータシャフト中心の前記第１軸方向冷却液通路(32)とロータコア(4) の前記複数本の各冷却液通路(29)との間を複数本の連絡冷却液路(28)が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は車両等に搭載される電動モータの冷却構造に関し、特に傾斜地などでの作業が多い建設機械車両の旋回軸駆動用に好適な電動モータの冷却構造と同電動モータを搭載した建設機械車両に関する。

電動モータの冷却装置として、例えば特開２００２−２３３１０７号公報（特許文献１）に開示されているように、円筒状のモータハウジングと同じく外周面に多数のフィンを有するステータケースとの間に水冷ジャケットが形成され、その内部に冷却液を通してステータコアを冷却するとともに、ステータコアに巻装されたステータコイルのコイルエンド部に樹脂フランジを形成し、その樹脂フランジの周辺と水冷ジャケット間との間の熱交換を促進させている。この冷却装置によれば、水冷ジャケットの壁面に接しているステータ、コイル等の冷却効果は期待できるものの、発熱源の一部でもあるロータの発熱を抑えることはできず、更に樹脂フランジの成形はコストアップにつながる。

回転するロータを冷却するためには、例えば特開２０００−２９５８１８号公報（特許文献２）や特許第３５７０４５０号公報（特許文献３）に開示されているように、回転軸からロータコア内部に冷媒を導入し、磁石近傍に設けられた流路に通すことによって冷却する。

特許文献３に開示されている電動モータの冷却装置について、図１１及び図１２に基づいて簡単に説明すると、冷却対象となっているモータ部は、水平に配されたロータシャフト１０２を中心に回転するロータ１０３、ロータ１０３の外周部に設けられた永久磁石１３１、ロータ１０３の外径面と微小な間隙をもたせて配置されたステータ１０４及びこのステータ１０４に巻装されたステータコイル１３０から構成されている。ロータ１０３並びにステータ１０４は複数の電磁鋼板を積層して作られ、ロータ１０３の軸方向両端面は左右のプレート１２１ａ，１２１ｂによって狭着されている。ステータ１０４の軸方向両端からコイルエンド１４１ａ，１４１ｂが張り出している。ステータ１０４は、モータハウジング１１０の内壁面に固設されており、ロータシャフト１０２はモータハウジング１１０に軸受１１１を介して支持されている。ステータコイル１３０に電流を供給することにより電動モータを駆動させる。

この電動モータの油供給手段１０５から冷却油が注入されると、この冷却油はロータシャフト１０２内の軸中心に沿って形成された軸方向油路１２２を通り、ロータシャフト１０２の回転による遠心力で軸径方向に形成された第１及び第２の径方向油路１２３ａ，１２３ｂに導入される。その後、左右のプレート１２１ａ，１２１ｂのロータ密着面に形成された各連絡油路１２４ａ，１２４ｂを通り、ロータ１０３に形成された第１及び第２の軸方向油路１３２ａ，１３２ｂを経て、各プレート１２ｌａ，１２１ｂの各油孔１２５ａ，１２５ｂからロータ１０３の遠心力によりコイルエンド１４１ａに吹きかけられ、コイルエンド１４１ａを直接冷却する。

冷却油は、モータハウジング１１０に接続するギヤケース１９０側から延びる給油パイプ１５０一端から供給され、そのパイプ１５０の他端には図示せぬオイルレシーバを備えている。このオイルレシレシーバはギヤケース１９０内に配設されたリングギア１９５と大径歯車１９２の外周部に跨るように位置付けられ、リングギア１９５と大径歯車１９２の回転により掻き揚げられた油を捕集する働きを有している。

なお、モータハウジング１１０とギヤケース１９０とは、開口をもって連通されており、この開口の下面がモータハウジング１１０側のオイルレベルの最高位をロータ外周面の最下位に維持する堰としての機能を有している。電動モータを冷却した油はモータハウジング１１０を伝わり、或いは各部から滴下してモータハウジング１１０の底部に集まり、前記開口の下面レベルを越えた分がギヤケース１９０側へと戻る。
特開２００２−２３３１０７号公報 特開２０００−２９５８１８号公報 特許第３５７０４５０号公報

従来の電動モータの冷却装置は、出力軸（ロータシャフト）が水平方向に配された車両用の電動モータに対する冷却に特有の構造を備えており、ロータシャフトが垂直方向に向いて配置された、例えば建設機械の旋回モータを効率よく冷却するには不十分であった。上記特許文献１についても、内部の冷却油路をもつロータと、ロータの回転による遠心力を利用して冷却されるステータのコイルエンドと、モータハウジングの底部に溜まったオイルに浸漬されているステータのコア部分及びコイル部分とが冷却されるものの、オイルレベル上方に存在するステータの大部分を占めるステータのコア部分及びコイル部分は直接には冷却されない。

これらの冷却オイルが行き渡らない部分の冷却として、特許文献１ではモータハウジングに空冷放熱フィンを設けているが、空冷は、冷却媒体による冷却方式に比べる冷却効率が低く、冷却能力を十分に取ろうとすると空冷放熱フィンの放熱面積を広くとる必要が生じる。このため、一般的には空冷方式による冷却ではモータの小型化は難しく、冷却能力も劣るためモータの高効率化を図ることは不可能である。このため、特に上記オイルレベルの上方に存在するモータ構成要素の大部分を占めるステータコア、ステータコイル、並びにステータコイルを被覆するエナメル、ワニス、絶縁紙等の絶縁材の熱に対する保護や電気抵抗の増加を十分に抑えることは難しい。

また、上記特許文献１〜３に開示された冷却装置に限らず、モータ冷却回路の多くは出力軸を水平方向に配置しているため、ロータの径方向に比ベてロータの軸方向寸法が長くなる。このため、例えばロータから遠心力により放出された冷却油はモータハウジングケースの底部にはロータの径方向に比べて軸方向に長い掖溜りが形成される。この液溜りの液面レベルがロータに達することもあり、このような状況が発生すると液溜りに貯溜されている冷却油がロータの回転にあたって攪拌抵抗として作用し、エネルギーの損失が発生する。このような問題を回避するために、特許文献３ではモータハウジングにロータの外周最下位の位置に開口を設けることによって、モータケース内に貯留した液溜りの液面レベルがロータの外周最下位より上昇すると、開口を通ってギヤケースへと戻るようにして、ロータの攪拌抵抗にならないよう配慮している。

しかし、道路傾斜による車両走行時のモータの傾斜や車両へのモータの取付け姿勢により、モータのロータシャフトが水平方向に対して傾斜する場合には、モータハウジング内に溜まった液溜りは、その液面レベルが設定された高さ以上に高くなっても、開口を通ってギヤケース内に戻らなくなる。つまり、モータケース内の冷却油はモータの傾斜に依存した液面レベルを維持することになる。この結果、車両の状況によっては、モータケース内に貯留した冷却油はロータの攪拌抵抗として作用し、エネルギー損失が発生する。

以上は、電動モータの冷却構造に対する一般に共通する課題であるが、近年、例えば軽量小型化と配管などを不要とすべく、例えば油圧ショベルのような建設機械車両の車体中央部に搭載される旋回モータを油圧モータから電動モータに置き換えることが多くなってきている。しかしながら、この電動モータは出力軸を鉛直下方向とした垂直状態で使用され、車両の使われ方として傾斜地での使用にも耐えなければならない。油圧モータから電動モータへの変更するにあたり、モータ重量を低減するために油圧モータよりも高速回転化する必要がある。この高速回転化には、仮に傾斜地における作業であってもモータハウジングの底部に溜まる油によるロータの攪拌抵抗を可能な限り回避しなければならない。

また、車体中央に旋回可能に配設される旋回体の旋回操作においては、減速時には加速駆動時以上に大きなブレーキトルクが要求されるが、油圧モータにあっては戻り油圧力を高めることで速度とは無関係に、高トルクを出力（以降、コーナー馬力という。）できるが、電動モータ、特に磁石を使用する電動モータでは高速で十分なトルクを出力するためには磁石の誘起電圧に打ち勝つ大電流を流し込む必要があるが、このとき同時にステータコイルの通電量を調整して磁石の磁力を抑えるよう（消磁効果という。）にコイル電磁力を発生（以降、弱め界磁と呼ぶ）させる必要がある。この弱め界磁力が規定値以上に達すると磁石は永久減磁してしまう。この減磁許容量は磁石の材料・温度により異なるが、一般に高級材料もしくは低温の方が大きくなる。汎用の電動モータが定出力曲線で運転されるのに対し、この種の建設機械に搭載される電動モータには前述のように高速領域でコーナー馬力が求められるため、ロータに配される磁石の冷却がとりわけ重要となる。

一方、上記特許文献１〜３には記載されていないが、モータハウジングとステータコイル間の熱伝達率を上げるために熱伝導率の高いエポキシ配合の封止剤等を使用する場合が多い。これらの材料は一般的には、粘度の低い状態でステータコイル間に注入し、コイルエンドを含むステータ全体を封止する。その結果、ステータにおける発熱をモータハウジングに効率よく伝達し、ステータの冷却を効率的に行えるようになるばりでなく、電気的、機械的特性に加え、耐熱性にも優れた性質をもつが、重量当たりの単価が高いのに加え、製造工程が増えることなどからモータの原価を上昇させる要因となり、更にはモータの重量増加を招くといった問題が発生する。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、安価でかつ簡単な構成をもって、ロータ、ロータコア、ステータコア、コイル、コイルエンドなどの電動モータの構成要素全体を効率的に冷却すると同時に、モータハウジングの底部に貯留する冷却液がロータの回転時の攪拌抵抗として作用しない小スペ−スとすることを可能にした電動モータの冷却構造を提案することを目的としている。

前記目的は、本発明の基本構成であるモータハウジングに上下両端部を軸受を介して垂直に支持されたロータシャフトと、同ロータシャフトに嵌着支持されロータシャフトと共に回転するロータと、前記モータハウジングの内壁面に固設されるとともに、内径面が前記ロータの外径面と微小な間隙をおいて体設されたステータとを備え、前記ロータの外径部の周方向には所要のピッチをもって複数の永久磁石が配されてなる電動機の冷却構造であって、前記ロータの前記永久磁石の近傍に形成され軸方向に貫通する複数本の冷却液通路と、前記シャフトの中心線に沿って上方から下方に向けて冷却液が圧送される冷却液圧送通路と、前記ロータの下部端面には下部プレートが密接して配され、同下部プレートのロータ端面との密着面には前記シャフト中心の前記冷却液圧送通路と前記ロータに形成された複数本の各冷却液通路とにそれぞれ連通する複数本の冷却液連結通路とを有してなることを特徴とする電動モータの冷却構造により効果的に達成される。

好適な態様によれば、前記ロータの上部端面には上部プレートが密接して配してもよく、同上部プレートのロータ端面との密着面には前記複数本の冷却液通路とそれぞれに連通し、前記ステータの上部コイルエンドに向けて開口する冷却液噴出孔が形成される。また、好適には前記冷却液圧送通路の上流側に前記モータシャフトの回転に連動して冷却液を圧送する冷却液圧送手段を有するとともに、前記モータハウジングの底部冷却液溜りにおける前記ロータ下端面の下方隣接部位に冷却液導出路を有している。前記冷却液圧送手段と前記冷却液導出路とが第１の外部配管を介して接続されて第１の冷却液循環路を形成し、前記第１外部配管の途中には第１の熱交換器を配することが好ましい。また、前記モータハウジングが液冷ジャケットを更に有するようにしてもよく、このとき前記モータハウジングの液冷ジャケットの冷却液導入口と冷却液導出口とが第２外部配管を介して接続されて第２の冷却液循環路を形成し、前記第２外部配管の途中には冷却液送手段及び第２の熱交換器とを配するとよい。前記第１冷却液循環路を循環する冷却液は油であり、前記第２冷却液循環路を循環する冷却液は水であることが望ましい。
以上の冷却構造をもつ電動モータは、特に傾斜地などでの作業が多い建設機械車両に搭載することが望ましい。

作用効果

垂直方向に向けて配されるロータシャフトに連結されたギアポンプ等の冷却液圧送手段により、モータハウジングを介してロータシャフトの上部に供給された冷却液は、ロータシャフトに設けられた軸方向通路を下方へと向かって圧送され、ロータシャフトの下端に形成された径方向通路及びロータ下端面に密接するロータコアとは別部材である下部プレートの連絡液路を経て、ロータコアの軸方向液路を上端に向かう流れとなる。ロータコア内の軸方向液路を上方に導かれた冷却液は、ロータコアの回転数に応じた液圧と遠心力とにより軸方向油路内の圧力を上昇させ、同じくロータコアと別部材である上部プレートの冷却液噴出孔からロータコアの上端部周辺に配されるステータコイルの上部コイルエンドとその周辺に向けて噴出する。噴出した冷却液は、上部コイルエンドと同コイルエンド周辺のステータコアに付与されて、コイルエンド及びステータコアの周面を全長にわたって流下し下方の液溜りに集まる。下部プレートのロータコアとの密接面に、ロータシャフトの軸方向通路とロータコアの軸方向通路とをつなぐ連絡液路を形成することにより、ロータコアの加工が簡素化され、ロータコア自体にロータシャフトから軸方向液路に導く連絡液路を加工する必要がなくなり、積層する電磁鋼板の形状を同一形状に統一することができる。

一般的に流速が速ければ熱伝達率は高くなるため、冷却液とロータコア内の軸方向液路の内壁との間の熱伝導率は高くなる。また、ロータコア内に永久磁石が配される場合には、永久磁石は負荷に応じて高温になり、ある一定の温度を越えると減磁し、モータの性能を劣化させるため、大容量モータにおいては常に永久磁石を冷却する必要がある。しかし、ロータ内の永久磁石は、負荷に応じて発熱するため、一定の流速をもった冷却液を常時流すことは、基本的には効率の良いことではなく、低回転時にロータコア内の冷却液通路内の流速を低くし、高回転時には流速を高くとることができれば効率的に優れたものとなる。

本発明では、ロータコア内の軸方向冷却液通路内の圧力を、低回転時には低圧力となり、高回転時には高圧力となるように負荷に応じて変動させる場合には、冷却液通路内の冷却液の流速を負荷に応じて制御できるようになる。この効果は磁石と同等以上の長さをもつロータコアの軸方向の全長にわたり発揮され、またロータコアの周方向についても永久磁石近傍の複数箇所で行われる効率的な熱交換によりロータコアの冷却能力を大幅に向上させる。

ロータコアの上端に上部プレートが密接して配される場合、上部プレートに形成された冷却液噴出孔から噴出する冷却液はロータコアの遠心力によりステータコアのコイルエンドに直接供給され、上方のコイルエンド部分を冷却する。このコイルエンド部分は、通常、コイル保護のために絶縁材がコーティングがされている。一般的に、この絶縁材は熱に弱く、発熱によって変質してしまう場合もあるが、本発明では上部のコイルエンド部分は第１のプレートから噴出する冷却液によって直接冷却するためコイル保護に有効な手段となる。

第１のプレートの冷却液噴出孔から液圧と遠心力とによって噴出された冷却液は、ステータコア上面の径方向全周にわたって均等に散布され、ロータシャフト軸方向へと自動的に流下してモータハウジング内の下部に貯留される。これによりステータコアは全周方向均等に冷却することが可能であり、局部的な熱の集中はなくステータコアのステータコイル並びに複数の積層鋼板、コイルのエナメル、ワニス、絶縁紙などの絶縁材の熱に対する保護と、電気抵抗の増加を十分に抑えることが可能となる。

この冷却液の流下の過程において、冷却油は毛細管現象によりステータコアとモータハウジング内の微小な空気層や、コイル間の空気層に進入し、ステータモータとモータハウジングに形成されたモータ部冷却用の水冷ジャケットとの間の熱抵抗を低減させ、水冷ジャケットとの熱交換量をも向上させる。

モータハウジング内を流下して底部の冷却液溜りに貯留された冷却液の液面レベルは、モータハウジング内壁に設けられた冷却油導出路によって管理しているが、この液面レベルはステータコアの下部の第２コイルエンドを完全に浸漬させるとともに、ロータコアの下面を接触させないレベルに設定している。このため第２のコイルエンドをも直接冷却することが可能であり、同時に冷却液面がロータコアに接触することはないため、モータハウジング下方に貯留した冷却液がロータコアの攪拌抵抗となることはない。

以上の作用により、本発明にあっては通常モータに施される熱伝達率の高い封止剤等の材料を使用してステータコア全体をモールドする必要がなく、重量及びコストの低減につながり、且つモータハウジング内の構成部材であるロータシャフト、ロータコア、永久磁石、ステータコア、及びステータコイルの全体を均一にしかも確実に冷却でき、コアのうず電流損やヒステリシス損による発熱と、永久磁石の不可逆減磁を抑えることができる。

また、特にモータの出力軸（ロータシャフト）を垂直方向に配置することにより、従来の出力軸を水平に配置する水平配置方式と比べると、図５及び図７に示すように、モータの縦横比が大きくとれる。その結果、モータハウジング下部に貯留し下部のコイルエンド部分を冷却する油量は、図６及び図８に示すように、モータの出力軸を水平方向に配置したものと比べると少なくて済む。また本発明によれば、前記配置上の特徴により傾斜地などによる車両が傾いた場合においても、液面レベルがロータに達しないよう、すなわち冷却液溜りに貯留されている冷却液がロータに対して攪拌抵抗として作用しないようにすることができる。また仮に傾斜が急であり、冷却液溜りの冷却液がロータに達したとしても攪拌抵抗の大きさは、モータを水平方向に配置した場合と比較すると極めて減少され、モータ損失も小さく抑える特性を備えている。こうした効果は、特に建設機械車両の旋回モータでは必要欠くべからざるものとなる。

また、モータハウジング内に液冷ジャケットを併設するときは、電動モータの全体を効率的に冷却でき、モータの小型化が実現される。また、この液冷ジャケットを流れる第１冷却液と、上記ステータシャフトから冷却液溜りへと流れる第２冷却液とを、それぞれ循環させると同時に、冷却油用熱交換器を設けると冷却効率を更に高めることができる。好適には、前記第１冷却液に水を使い、第２冷却液に油が使われる。前記冷却油用熱交換器は空図示も外部に設ける必要はなく、前記モータハウジング内に液冷ジャケットを兼用させることもできる。

以下、本発明の代表的な実施形態を建設機械車両に搭載される冷却構造を有する電動モータ例により図面を参照しつつ具体的に説明する。以下において車両に搭載するモータは、永久磁石を用いたロータ有するモータとしているが、その他のモータ内の冷却にも有効である。

図１及び図２は本実施形態である電動モータの冷却構造（システム）を概略的に示しており、この冷却システムは、モータハウジング１内のロータ、ステータコイル等を主に冷却する冷却油循環路１４と、モータハウジング内に水冷ジャケット２を形成して、主にステータコアを冷却する冷却水循環路１３とを含んで構成される。

図１の縦断面図で示された電動モータは、図示されていない制御部によって駆動が制御される永久磁石同期モータからなる。その出力する回転エネルギを車両用動力伝達装置１５に供給する機能を有する。本発明の電動モータは、出力軸を垂直方向に向けて車両等に設置される。本実施形態による電動モータは、モータハウジング１と、モータハウジング１の天井部１ｂと底部１ｃにそれぞれ取り付けられた軸受６と、軸受６に軸支されモータハウジング１の一端から外部へと突出する回転自在のロータシャフト５と、ロータシャフト５に嵌合されロータシャフトと一体になって回転するロータコア４と、ロータコア４の外径面と間に微小な間隙をあけて配置され、モータハウジング１の垂直円筒部１ａの内壁面に固設されたステータコア３とを含む。

ステータコア３の内径面に形成されたステータポール（磁極）３ａにステータコイル１６が巻装され、その折返し端部である上下のコイルエンド１６ａ，１６ｂはステータコア３の軸線方向外側にそれぞれ突出している。ロータシャフト５の中心には、上端からロータコア４の下端位置まで軸方向に延びる第１軸方向冷却油通路３２が形成され、その上端は径方向に延びてモータハウジング１内に開口する第１径方向冷却油通路１７と連通している。また、前記ロータシャフト５の前記第１軸方向冷却油通路３２の終端部には、同軸方向冷却油通路３２と連通して径方向に延びてシャフト周面に開口する４本の第２径方向冷却油通路３１が同径上に９０°の位相をもって形成されている。

図２は、モータハウジング内のステータコイル等を主に冷却する冷却油による具体的な冷却構造を備えた電動モータの縦断面図を示し、図３は図２の一部を拡大して示している。
図示例でも、既述したとおり本発明の特徴部の一部でもある電動モータ１２の出力軸を兼ねたロータシャフト５を垂直に配置し、その上下両端部を軸受６に介してモータハウジング１に回転自在に支持させている。ロータコア４は、ロータシャフト５に回り止め嵌合され、その外周側の内部には周方向に所定個数の永久磁石２２が埋設一体化されている。本実施形態にあっては、図４に示すように永久磁石２２の数は８個であり、その形状はロータシャフト５に向けて稜線をもつく字状断面を有し、ロータシャフト５の軸線に平行に延び幅方向を二つに屈曲した薄板磁石から構成され、ロータコア４の周方向に同一ピッチで配されている。ロータコア４は、電磁鋼板からなる鉄心を軸方向に多数積層して、熱圧着等により一体化された円筒形をなしており、各永久磁石２２の内径側に隣接する部位には軸方向に延びる第２軸方向冷却油通路２９が上下に貫通して形成されている。ロータシャフト５の上端には、ロータシャフト５の回転から磁極位量を検出するギアポンプ７が直結されている。

ステータコア３は円筒状を呈し、モータハウジング１の円筒部１ａに外周を回り止め嵌着され、その内径面がロータコア４の外径面と微小な間隙をもたせて対設される。このステータコア３もロータコア４と同様に電磁鋼板からなる鉄心を軸方向に多数積層し、同じく熱圧着等により一体化されている。ステータコア４の外周には周方向に等間隔でリブ状のステータポール４ａが突設されており、同ステータポール４ａにはステータコイル１６が定法に従って巻装される。このときステータコイル１６の軸方向の折返し端部である上下のコイルエンド１６ａ、１６ｂはステータコア３の上下両端面から上下に突出する。前記ロータコア４の軸方向両端面には、複数の永久磁石２２を軸方向に位置決めするとともに、ロータコア４を構成する電磁鋼板を狭持するドーナツ円板状の上部及び下部のプレート２７ａ，２７ｂが、各中央部に形成されたシャフト嵌挿孔２７ａ−１，２７ｂ−１を介してロータシャフト５に密嵌固定されている。

図５及び図６は、前記上下部に配されるプレート２７ａ，２７ｂを示している。
上部プレート２７ａのロータコア４との密接面には、中央のシャフト嵌挿孔２７ａ−１から前記下部プレート２７ｂの溝２８の終端位置に対応する部位までの幅をもち、ロータコア４の上端部が嵌着する周回溝３０ａが形成されるとともに、その周回溝３０ａの外径寄りの内側にあってロータコア４の第２軸方向冷却油通路２９に対応する位置に８つの冷却油噴出孔３０が貫通して形成されている。すなわち、上部プレート２７ａのこれらの冷却油噴出孔３０は上記下部プレート２７ｂの各溝２８の終端位置と同径位置に形成される。

下部プレート２７ｂのロータコア４との密接面には、図５に示すように前記シャフト嵌挿孔２７ｂ−１からロータコア４の前記第２軸方向冷却油通路２９の開口位置まで延びる連絡油路の一部を構成する８本の溝２８が等間隔で放射状に形成されている。これらの溝２８は、内周側の周回溝２８ａにより相互に連結されており、既述したロータシャフト５の下部に形成された上記第２径方向冷却油通路３１の開口端が前記周回溝２８ａに連通する。

本実施形態による電動モータ内の冷却回路は、ギアポンプ７等の圧送手段から積極的に送られるロータシャフト５に形成された第１軸方向冷却油通路３２に導入される冷却油は、前記第１軸方向冷却油通路３２の下端で連通する第２径方向冷却油通路３１を圧送され、下部プレート２７ｂに形成された８本の溝２８を介してロータコア４内の永久磁石２２の径方向内側に形成された軸方向に貫通する第２軸方向冷却油通路２９を通って、上部プレート２７ａに形成された８つの冷却液噴出孔３０から勢いよく噴出する。一方、ロータシャフト５の上端部に形成されている第１径方向冷却油通路１７からは、前記ロータシャフト５の第１軸方向冷却油通路３２に導入される冷却油の一部がモータハウジング１の内部へと放出される。前記ギアポンプは、ロータシャフト５に連動されており、冷却油をロータシャフト５の回転数に応じた流速をもってロータシャフト５の第１軸方向冷却油通路３２に供給することができ、低回転時・高回転時ともに効率的な冷却を可能にする。なお、上記ギアポンプ７のようにロータシャフト５に連結せずに、冷却液の圧送装置を外部に設置するとともに、同圧送装置の制御を外部制御装置によって行うこともできる。

前記上部プレート２７ａの冷却油噴出孔３０から噴出する冷却油は、ロータコア４の回転による遠心力を受けて近傍に突出するステータコア３に巻装されたステータコイル１６の上部コイルエンド１６ａの露出面の全面に吹き付けられて効率的に冷却がなされる。このとき同時に、上部コイルエンド１６ａの周辺に存在する部品にも冷却油が付与されて冷却される。一方、上記ロータシャフト５の上端部に形成されている第１径方向冷却油通路１７からモータハウジング１の内部に放出される冷却油はロータシャフト５の上部周辺に配された軸受６ａなどの部品を冷却するとともに、前記上部コイルエンド１６ａの上面に降りかかり、同コイルエンド１６ａの冷却を促進させる。

前記上部コイルエンド１６ａを冷却した冷却油は、重力によりステータコア３の内径面やステータコイル１６の隙間を流れ落ちてステータコイル１６の全体を冷却しながら、下方のモータハウジング１の底部１ｃに冷却油溜り３４を形成して溜まる。モータ駆動時には、この冷却油溜り３４にステータコア３の下端から下方に突出するステータコイル１６の下部コイルエンド１６ｂが浸漬するため、同下部コイルエンド１６ｂは駆動中、常に冷却油と接触して冷却を効率的に行う。本実施形態では図示を省略しているが、モータハウジング１の円筒部内壁面とステータコア４のステータポール４ａ間のスロットの底部に、軸方向に沿って上下に延びる細い溝を形成してあり、冷却油の流れ落ちるのを助けている。モータハウジング１とステータコア３の下端部には、冷却油溜り３４の油面レベルを一定に管理し、冷却油を外部の冷却油用循環路１３に導く冷却油導出路１８が形成されている。この冷却油導出路１８の形成部位は、前述のようにステータコイル１６の下部コイルエンド１６ｂだけが浸漬し、ロータコア４の下面は油面と接触しない部位とする。

モータハウジング１の底部の冷却油溜り３４に貯留される冷却油は、冷却油導出路１８の吐出口を越えて上昇することはなく、最大の液面レベルが設定できるため、貯留される冷却油がロータコア４の回転時における攪拌抵抗とはならず、その結果、上述の冷却構造による効率的な冷却と相まって電動モータとしての所要の出力が常に発揮されるようになる。更に、電動モータのロータシャフト５を垂直方向に配置することにより、図９に示す従来の水平配置式にと比較すると、図７に示すようにモータの縦横比が大きくとれるようになる。その結果、モータハウジング１の底部に貯留し下部のコイルエンド部分を冷却する油量は、図９に示すモータの出力軸を水平方向に配置したものと比べると少なくて済む。

また、この配置上の特徴により、仮に傾斜地など傾斜が急であり、冷却油溜り３４の冷却油がロータコア４に達したとしても、その攪拌抵抗の大きさは、図１０に示すモータを水平方向に配置した場合と比較すると、図８からも明らかなように極めて少なくなり、モータ損失も小さく抑えることができる。こうした効果は、傾斜地での作業が多い建設機械車両、特にその旋回モータに必要欠くべからざるものとなる。更には、水平配置方式にみられるような油面レベル検知センサ等の付帯設備は必要としない。

電動モータのモータハウジング１は二重構造を備えており、その内部には主にステータコア３を冷却するために設けられた冷却水路が形成されて、水冷ジャケット２を構成している。このモータハウジング１は、熱伝導性のよい材料、例えばアルミ合金にて形成され、水冷ジャケット２に冷却循環水を通すことで、この冷却循環水がステータコア３で発生した熱を受け取り外部に放熱する熱交換部として機能する。図示は省略したが、この水冷ジャケット２の内部には、冷却水の接触面積を大きくするために複数の冷却フィン、または仕切り壁が設けられる。また、本実施形態ではモータハウジング１に水冷ジャケット２を設けているが、モータハウジング１の外側に水冷ジャケット２を取り付けても有効である。

モータハウジング１には冷却水導入口２０と冷却水導出口２１が形成され、その冷却水導入口２０と冷却水導出口２１とを外部の配管により接続して冷却水循環路を形成する。この配管の途中には、図１に示すように冷却水を循環させるための冷却水ポンプ８と、循環する冷却水の熱交換をするファン９を備えた冷却水用熱交換器１０とが接続され、積極的な冷却水の循環路１３を形成している。なお、本実施形態では、上述のようにモータ内部の冷却する冷却油循環路１４にも冷却油用熱交換器１１を設けているが、この冷却油用熱交換器１１を設けずに、モータハウジング１の水冷ジャケット２に、前記冷却油循環路１４の一部を内蔵させて、水冷ジャケット２により冷却油の熱交換を行うようにしてもよい。この場合、コイル１６の隙間に侵入した冷却油は、水冷ジャケットとの間の熱抵抗を下がることにより、エナメル、ワニス、絶縁紙等のステータコイルの表面絶縁材を熱から保護して、コイル線材の電気抵抗の増加を抑える。また、ロータコア４に形成された第２軸方向冷却油通路２９を通って上端の冷却油噴出孔３０から噴出する冷却油は、ステータコア３と水冷ジャケット２との間にも侵入し、熱抵抗を下げて冷却能力を更に向上させる。

本発明の代表的な実施形態による電動モータの冷却構造を概略的に示す縦断面図である。 前記冷却構造を備えた電動モータの具体的構造を示す縦断面図である。 図２に矢印Ａで示す部分の拡大図である。 図１のIV-IV 線に沿った矢視断面図である。 冷却構造の構成部材の一部である下部プレートの斜視図である 同上部プレートの斜視図である。 本発明の垂直配置方式の電動モータの設置形態を模式的に示す説明図である。 同電動モータを傾斜させたときの冷却油溜りの冷却液の状態を示す説明図である。 従来の水平配置方式の電動モータの設置形態を模式的に示す説明図である。 同電動モータを傾斜させたときの冷却油溜りの冷却液の状態を示す説明図である。 従来の電動モータの冷却構造を示す縦断面図である。 同電動モータの内部構成部材の組立図である。

符号の説明

１ モータハウジング
１ａ （垂直）円筒部
１ｂ 天井部
１ｃ 底部
２ 水冷ジャケット
３ ステータコア
３ａ ステータポール
４ ロータコア
５ ロータシャフト
６，６ａ，６ｂ 軸受
７ ギヤポンプ
８ 冷却水ポンプ
９ 冷却ファン
１０ 冷却水用熱交換器
１１ 冷却油用熱交換器
１２ 電動モータ
１３ 冷却水循環路
１４ 冷却油循環路
１５ 車両用動力伝達装置
１６ ステータコイル
１６ａ 上部コイルエンド
１６ｂ 下部コイルエンド
１７ 第１径方向冷却油通路
１８ 冷却油導出口
２０ 冷却水導入口
２１ 冷却水導出口
２２ 永久磁石
２３ ステータコイル
２４ ステータ
２７ａ 上部プレート
２７ａ−１ シャフト嵌挿孔
２７ｂ 下部プレート
２７ｂ−１ シャフト嵌挿孔
２８ 連絡油路
２８ａ 周回溝
２９ 第２軸方向冷却油通路
３０ 冷却油噴出孔
３０ａ 周回溝
３１ 第２径方向冷却油通路
３２ 第１軸方向冷却油通路
３４ 冷却油溜り

Claims (9)

1. モータハウジングに上下両端部を軸受を介して垂直に支持されたロータシャフトと、同ロータシャフトに嵌着支持されロータシャフトと共に回転するロータと、前記モータハウジングの内壁部に固設され、内径面が前記ロータの外径面と微小な間隙をおいて対設されたステータとを備えてなる電動機の冷却構造であって、
   前記ロータの永久磁石の近傍に形成され軸方向に貫通する複数本の冷却液通路と、
   前記シャフトの中心線に沿って上方から下方に向けて冷却液が圧送される冷却液圧送通路と、
   前記ロータの下部端面には下部プレートが密接して配され、同下部プレートのロータ端面との密着面には前記シャフト中心の前記冷却液圧送通路と前記ロータに形成された複数本の各冷却液通路とにそれぞれ連通する複数本の冷却液連結通路と、
   を有してなることを特徴とする電動機の冷却構造。
2. 前記ロータの上部端面には上部プレートが密接して配されており、同上部プレートのロータ端面との密着面には前記複数本の冷却液通路とそれぞれに連通し、前記ステータの上部コイルエンドに向けて開口する冷却液噴出孔を有してなる請求項１記載の冷却構造。
3. 前記冷却液圧送通路の上流側に前記モータシャフトの回転に連動して冷却液を圧送する冷却液圧送手段を有するとともに、前記モータハウジングの底部冷却液溜りにおける前記ロータ下端面の下方隣接部位に冷却液導出路を有してなる請求項１又は２記載の冷却構造。
4. 前記ロータの外径部の周方向には所要のピッチをもって複数の永久磁石が配されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の冷却構造。
5. 前記モータハウジングが液冷ジャケットを更に有してなる請求項１〜４のいずれかに記載の冷却構造。
6. 前記冷却液圧送手段と前記冷却液導出路とが第１の外部配管を介して接続され、前記第１外部配管の途中には第１の熱交換器が配されてなる請求項３〜５のいずれかに記載の冷却構造。
7. 前記モータハウジングの液冷ジャケットの冷却液導入口と冷却液導出口とが第２外部配管を介して接続されて第２の冷却液循環路を形成し、前記第２外部配管の途中には冷却液送手段及び第２の熱交換器とが配されてなる請求項６に記載の冷却構造。
8. 前記第１冷却液循環路を循環する冷却液は油であり、前記第２冷却液循環路を循環する冷却液は水である請求項７記載の冷却構造。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の冷却構造を有する電動モータが搭載されてなることを特徴とする建設機械車両。

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