JP2014107963A - Motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば建設機械での旋回駆動に用いられる電動機に関する。 The present invention relates to an electric motor used for, for example, a turning drive in a construction machine.
従来、建設機械等に用いられる電動機として、ロータシャフトと、このロータシャフトに組付けられるロータと、このロータの周囲に配置され、当該ロータを回転させる磁界を形成するためのコイルを含むステータと、このステータを収容するステータフレームとを備えたものが知られている。さらに、このタイプの電動機では、前記ロータシャフトの調速のために当該ロータシャフトに円盤状のフライホイールが固定される場合がある。 Conventionally, as an electric motor used in a construction machine or the like, a rotor shaft, a rotor assembled to the rotor shaft, a stator that is arranged around the rotor and includes a coil for forming a magnetic field that rotates the rotor, What is provided with the stator frame which accommodates this stator is known. Further, in this type of electric motor, a disk-like flywheel may be fixed to the rotor shaft for speed control of the rotor shaft.
前記フライホイールは、その大きな慣性モーメントを確保するために大きな外径を有する形状に形成されながら、前記ステータフレーム内の限られたスペース内に収容される必要があることから、前記ステータに対して軸方向に近接して配置されることが多い。このような配置は、当該ステータの近傍で熱がこもり易いという技術的課題を生ずる。 The flywheel needs to be accommodated in a limited space in the stator frame while being formed in a shape having a large outer diameter in order to secure a large moment of inertia. It is often arranged close to the axial direction. Such an arrangement causes a technical problem that heat tends to be accumulated in the vicinity of the stator.
具体的に、前記ステータは、前記ロータシャフトの周囲に配置されるステータコアおよびこれに軸方向に巻き付けられるステータコイルを有していて、当該ステータコイルの軸方向の端部であるコイルエンドは前記ステータコアから軸方向に突出した形状を有するため、当該コイルエンドの径方向の内側に内側空間が形成される。さらに、このコイルエンドに近接する位置でフライホイールがロータシャフトに固定されると、前記内側空間は前記フライホイールによって軸方向から塞がれた状態となる。 Specifically, the stator has a stator core disposed around the rotor shaft and a stator coil wound around the stator core in the axial direction, and a coil end that is an axial end portion of the stator coil is the stator core. Therefore, an inner space is formed inside the coil end in the radial direction. Further, when the flywheel is fixed to the rotor shaft at a position close to the coil end, the inner space is closed from the axial direction by the flywheel.
従って、前記ステータコイルに大きな電流が流されて当該ステータコイルが発熱すると、その熱が前記内側空間、すなわち前記コイルエンドと前記フライホイールとによって径方向及び軸方向の双方から囲まれた空間内にこもり易くなる。また、当該熱を放散するために前記フライホイールに加えて気流形成用のファンを前記ステータシャフト内の限られたスペース内に付設することは、事実上困難である。 Therefore, when a large current flows through the stator coil and the stator coil generates heat, the heat is generated in the inner space, that is, in the space surrounded by the coil end and the flywheel from both the radial direction and the axial direction. It becomes easy to hang up. In addition to the flywheel, it is practically difficult to attach an airflow forming fan in a limited space in the stator shaft in order to dissipate the heat.
本発明は、このような事情に鑑み、ステータ及びフライホイールを具備する電動機であって、当該ステータ及びフライホイールによって囲まれる空間内の熱を簡素な構造で効率よく放散することが可能なものを提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention is an electric motor including a stator and a flywheel, which can efficiently dissipate heat in a space surrounded by the stator and the flywheel with a simple structure. The purpose is to provide.
本発明が提供する電動機は、回転軸及びその外周面上に固定される磁石部を有するロータと、前記ロータの磁石部の周囲に配置され、電磁力によって当該ロータを回転させるステータと、前記ステータに対して前記回転軸の軸方向と平行な方向に隣接する位置で当該回転軸にこれと一体に回転するように固定されるフライホイールと、を備え、前記ステータは、前記磁石部の軸方向の端面のうち前記フライホイールに対向する側の端面よりも当該フライホイール側に近づくように突出する突出部分を有してこの突出部分の内側に内側空間を形成する形状を有し、前記フライホイールは、その回転方向に並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられて前記内側空間を前記フライホイールを挟んで軸方向の外側の外側空間に開放するように当該フライホイールを当該軸方向に貫通する複数の貫通穴を有し、かつ、これらの貫通穴は、前記フライホイールの回転に伴って前記貫通穴を通る気流を形成する形状を有するものである。 An electric motor provided by the present invention includes a rotor having a rotating shaft and a magnet portion fixed on an outer peripheral surface thereof, a stator disposed around the magnet portion of the rotor, and rotating the rotor by electromagnetic force, and the stator A flywheel fixed to the rotary shaft so as to rotate integrally with the rotary shaft at a position adjacent to a direction parallel to the axial direction of the rotary shaft with respect to the axial direction of the magnet portion. The flywheel has a shape that has a protruding portion that protrudes closer to the flywheel side than an end surface that faces the flywheel, and forms an inner space inside the protruding portion. Are provided at a plurality of positions aligned in the rotational direction, and the flywheel is opened to open the inner space to the outer space outside in the axial direction across the flywheel. Having a plurality of through-holes through Le in the axial direction, and these through-holes, those having a shape that forms an airflow through said through-hole with the rotation of the flywheel.
この電動機では、前記ステータの突出部分の径方向内側に形成される内側空間がさらにその軸方向に隣接するフライホイールによって覆われるため、当該内側空間の開放度合いは小さくなるが、そのフライホイールが回転することによって当該フライホイールに設けられた貫通穴を通る気流が形成されることにより、前記内側空間の換気が促進され、これにより前記内側空間での熱のこもりが低減される。すなわち、この電動機では、前記内側空間を覆うように配置されるフライホイールそのものの回転を利用した合理的かつ簡素な構造で、前記内側空間での熱のこもりを低減することが可能である。 In this electric motor, since the inner space formed on the radially inner side of the protruding portion of the stator is further covered by the flywheel adjacent in the axial direction, the degree of opening of the inner space is reduced, but the flywheel rotates. By doing so, an airflow passing through a through hole provided in the flywheel is formed, whereby ventilation of the inner space is promoted, and thereby heat accumulation in the inner space is reduced. That is, in this electric motor, it is possible to reduce heat accumulation in the inner space with a rational and simple structure that uses the rotation of the flywheel itself arranged so as to cover the inner space.
具体的に、前記貫通穴は、前記フライホイールの厚み方向に対して少なくとも当該フライホイールの回転周方向に傾斜した形状を有するのが、好ましい。この傾斜は、当該フライホイールの回転に伴って当該フライホイールの一方の側の空気を前記貫通穴を通じて他方の側に強制的に送り込む、すなわち、当該貫通穴を通る気流を形成すること、を可能にする。 Specifically, it is preferable that the through hole has a shape inclined at least in the rotational circumferential direction of the flywheel with respect to the thickness direction of the flywheel. This tilt allows the air on one side of the flywheel to be forced through the through hole to the other side as the flywheel rotates, i.e., creating an airflow through the through hole. To.
本発明において、前記貫通穴を通る気流の向きは限定されないが、より好ましくは、前記貫通穴は、前記フライホイールの回転に伴って前記内側空間から前記外側空間へ向かう方向の気流を形成する形状を有するのが、よい。このような気流の形成により、内側空間の熱を直接的且つ効果的に外側空間へ放散することが可能になる。 In the present invention, the direction of the airflow passing through the through hole is not limited, but more preferably, the through hole forms an airflow in a direction from the inner space toward the outer space as the flywheel rotates. It is good to have By forming such an air flow, it becomes possible to directly and effectively dissipate heat in the inner space to the outer space.
その場合、前記貫通穴は、前記フライホイールの厚み方向に対して当該フライホイールの回転周方向に傾斜するものであって、前記内側空間から離れるに従って前記フライホイールの回転の向きと反対の向きに変位するように傾斜する形状を有すればよい。 In that case, the through-hole is inclined in the rotational circumferential direction of the flywheel with respect to the thickness direction of the flywheel, and in a direction opposite to the direction of rotation of the flywheel as the distance from the inner space increases. What is necessary is just to have the shape which inclines so that it may displace.
また、前記フライホイールは、前記ステータの外径よりも大きな外径を有し、前記各貫通穴は、前記ステータの内径よりも径方向の内側の領域内に配置されているのが、好ましい。このような構造を有するフライホイールは、前記複数の貫通穴を通じて前記内側空間の換気を効果的に促進することができるのに加え、フライホイールの中心からの各貫通穴の半径方向の距離が小さく抑えられることで、当該貫通穴の存在にかかわらず大きな慣性モーメントを保有することが可能であり、その本来の調速機能と前記の気流形成機能の双方について高いレベルを確保することができる。 Further, it is preferable that the flywheel has an outer diameter larger than an outer diameter of the stator, and each of the through holes is disposed in a region inside in a radial direction with respect to the inner diameter of the stator. The flywheel having such a structure can effectively promote the ventilation of the inner space through the plurality of through holes, and the radial distance of each through hole from the center of the flywheel is small. By being suppressed, a large moment of inertia can be maintained regardless of the presence of the through hole, and a high level can be secured for both the original speed control function and the airflow forming function.
以上のように、本発明によれば、ステータ及びフライホイールを具備する電動機であって、当該ステータ及びフライホイールによって囲まれる空間内の熱を簡素な構造で効率よく放散することが可能なものが、提供される。 As described above, according to the present invention, an electric motor including a stator and a flywheel, which can efficiently dissipate heat in a space surrounded by the stator and the flywheel with a simple structure. Provided.
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態に係る電動機は、建設機械のエンジン60とポンプ70との間に介設されて発電と駆動のアシストとを行う発電電動機であるが、本発明に係る電動機はその駆動対象及び用途を問わない。例えば、旋回式作業機械の下部走行体に対して上部旋回体を旋回させるための旋回電動機や、専ら油圧ポンプを駆動するために設けられるポンプ専用の電動機にも、本発明を適用することが可能である。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the electric motor according to this embodiment is a generator motor that is interposed between the
図1に示される実施形態に係る電動機は、ロータ10と、ステータ20と、ステータフレーム30と、エンドカバー40と、フライホイール50と、を備える。
The electric motor according to the embodiment shown in FIG. 1 includes a
前記ロータ10は、特定の回転中心軸(図1では左右方向の軸)回りに回転可能となるように支持されるものであって、前記回転中心軸に沿って延びる回転軸12と、この回転軸12の中間部分の周囲に設けられる磁石部14とを有し、当該回転軸12と当該磁石部14とが一体に回転するように両者が結合されている。
The
前記回転軸12は、その両端が前記エンジン60と前記ポンプ70とによって回転可能に支持されている。具体的に、当該回転軸12の一方の端部は、カップリング16を介して前記エンジン60のエンジン軸62に連結され、他方の端部は、前記ポンプ70のポンプフレーム72に図略の軸受を介して支持されるとともに、当該ポンプフレーム72内の図略のポンプ軸にカップリングを介して連結されている。この回転軸12は、前記ステータフレーム30やエンドカバー40によって回転可能に支持されてもよい。
Both ends of the rotating
前記磁石部14は、円柱状の鉄心15と、この鉄心15にそれぞれ埋め込まれる複数枚の図略の永久磁石とを有する。前記鉄心15は、例えば複数枚の鋼板を前記ロータ10の軸方向に沿って積層することにより形成され、前記各永久磁石は互いにロータの周方向に並ぶように前記鉄心15に埋め込まれている。すなわち、この実施の形態に係るロータ10は、いわゆる永久磁石型同期モータを構成するが、本発明に係るロータはこれに限定されない。例えば、永久磁石が鉄心の外周面上に配設されるもの(すなわち表面磁石型同期モータのロータを構成するもの)や、いわゆるかご型回転子を構成するもの(すなわち誘電モータのロータを構成するもの)でもよい。
The
前記ステータ20は、前記ロータ10の周囲(この実施の形態では前記磁石部14の周囲)に配置される円筒状のステータコア22と、このステータコア22に支持されるステータコイル24と、を有する。前記ステータコア22は、例えば複数枚の鋼板を前記ロータ10の軸方向に積層することにより形成される。前記ステータコイル24は、前記ステータコア22に巻き付けられる巻線により構成され、このステータコイル24の通電により前記ロータ10の磁石部14に回転力を与える磁界を形成する。このステータコイル24は、前記ステータコア22から前記ロータ10の軸方向に沿ってそのエンジン側端部12aに近づく側(図1では左側側)に突出する第1突出端部27と、前記ステータコア22から前記ロータ10の軸方向に沿って前記第1端部27と反対の側(図1では右側)に突出する第2突出端部28と、を有する。
The
前記ステータフレーム30は、前記ロータ10のエンジン側端部12aと反対の側(図1では上側)で前記ロータ10の軸方向と平行な方向(図1では左向き)に開口し、当該開口から挿入される前記ステータ20を収容してそのステータコア22を保持する。具体的に、ステータフレーム30は、周壁32と、端壁34とを一体に有し、前記周壁32の内側に前記ステータコア22が圧入されることにより、あるいはボルト等の締結具にて、当該ステータコア22が当該ステータフレーム30内に固定される。前記端壁34は、前記ステータフレーム30の開口と反対の側(図1では右側)に位置し、その中央には前記回転軸12の貫通を許容する貫通穴36が設けられている。
The
前記エンドカバー40は、その中央に前記エンジン軸62の貫通を許容する貫通穴42を有するとともに、前記ステータフレーム30の開口を塞ぐように当該ステータフレーム30の当該開口側の端部(図1では左端部)に接合され、かつ、前記エンジン60のケーシング64の外壁に固定される。すなわち、この実施形態では、エンドカバー40は前記ステータフレーム30とともに電動機のケーシングを構成し、このケーシング全体が前記エンジン60のケーシング64に支持されている。
The
前記フライホイール50は、調速のために前記回転軸12に固定されるもので、この実施形態では、前記ロータ10の磁石部14に対してそのエンジン側に隣接する位置に配置され、前記回転軸12のエンジン側端部12aと前記エンジン軸62の端部とを跨ぐようにして両軸12,62の周囲に固定される形状を有する。具体的に、この実施形態に係るフライホイール50は、前記ステータ20の外径よりも大きい外径を有する略円盤状をなし、中央に前記カップリング16を収容する貫通穴52を有するとともに、この貫通穴52を挟んで一方の側すなわちエンジン側に前記エンジン軸62の端部を囲むエンジン側ボス部54を有し、反対の側すなわちロータ10側に前記回転軸12のエンジン側端部12aを囲むロータ側ボス部56を有する。従って、このロータ側ボス部56の外周面と前記ステータ20の各ステータコイル24の第1突出端部27の内側面との間には、当該第1突出端部27の径方向内側に位置する内側空間80が形成され、これを前記フライホイール50が軸方向外側から(この実施形態ではエンジン側から)覆うように当該フライホイール60が配置されている。
The
さらに、この電動機の特徴として、前記フライホイール50は、これを厚み方向、すなわち前記回転軸12の軸方向と平行な方向、に貫通する複数の貫通穴58を有する。これらの貫通穴58は、前記フライホイール50の回転方向に並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられ、当該フライホイール50を挟んで前記内側空間80と反対の側の空間である外側空間82に当該内側空間80を開放する。具体的に、この実施形態に係る各貫通穴58は、前記ステータ20の内周面よりも径方向内側の位置であって前記装置空間80に対向する位置にそれぞれ設けられている。
Further, as a feature of the electric motor, the
さらに、前記各貫通穴58は、前記フライホイール50の回転に伴って前記内側空間80から前記外側空間82に向かう気流を形成する形状を有する。具体的に、この実施形態に係る貫通穴58は、図2及び図3に示されるように、正面から見て矩形状をなしていて、互いにフライホイール50の回転径方向に対向する一対の内側面58aと、互いにフライホイール50の回転周方向に対向する一対の内側面58bと、によって囲まれており、このうち回転周方向に対向する内側面58bがそれぞれ図4に示すように回転周方向に角度θで傾斜している。この傾斜の向きは、前記内側空間80から前記外側空間82への気流を形成すべく、前記内側空間80から離れるに従って(すなわち外側空間82に向かうに従って)前記フライホイール50の回転の向きと反対の向きに前記両内側面58bが変位するように設定され、傾斜角度θは好ましくは後述の理由で45°〜80°の範囲内、さらに好ましくは55°〜70°の範囲内で定められる。
Further, each through-
次に、この電動機の作用を説明する。 Next, the operation of this electric motor will be described.
図1に示す状態において、ステータ20のステータコイル24が通電されると、ロータ10の磁石部14を回転させる磁界が形成され、これにより当該磁石部14及びこれに固定される回転軸12をもつロータ10全体が回転軸12の中心軸回りに回転駆動される。さらに、この回転軸12に固定されたフライホイール50も当該回転軸12と一体に回転し、当該フライホイール50のもつ大きな慣性モーメントが前記ロータ10の回転を安定させる。
In the state shown in FIG. 1, when the
一方、前記ステータコイル24はその通電により発熱し、その近傍の空気の温度を上昇させる。特に、当該ステータコイル24のうちの第1突出端部27の内側に形成された内側空間80はロータ10の磁石部14とフライホイール50とで軸方向から挟まれた状態、すなわち、前記ステータコイル24が発する熱がこもり易い状態にある。しかしながら、この電動機では、前記フライホイール50の回転に伴い、前記内側空間80から前記各貫通穴58を通じて外側空間82向かう気流が形成されるため、前記内側空間80内の熱は積極的に外側空間82に逃がされ、これにより、前記内側空間80内での熱のこもりが低減される。すなわち、この電動機では、前記内側空間80を覆うように配置されるフライホイール50そのものの回転を利用した合理的かつ簡素な構造で、前記内側空間82での熱のこもりを低減することが可能である。
On the other hand, the
前記各貫通穴58の傾斜の向きは、前記と逆の向き、すなわち、内側空間80から離れるに従ってフライホイール50の回転方向と同方向に変位するような向きであってもよい。この場合、フライホイール50の回転に伴ってその外側空間82から内側空間80への気流が形成されることになるが、このような気流の形成も内側空間80内の換気を促進することが可能である。具体的には、前記外側空間82から各貫通穴58を通じて内側空間80内に空気が押し込まれることにより、当該内側空間80内の空気がフライホイール50とステータコイル24の第1突出端部27との隙間を通じて径方向外側に押し出され、これにより前記換気を促進する循環流が形成される。ただし、前記のような内側空間80から外側空間82へ向かう気流の形成は、当該内側空間80内の熱をより直接的かつ効果的に外側空間82へ放散させることを可能にする。
The direction of the inclination of each through
また、前記各貫通穴58は前記フライホイール50の回転周方向に加えて回転径方向に傾斜していてもよい。例えば、前記実施形態に係るフライホイール50の各貫通穴58が前記回転周方向の傾斜に加えて前記内側空間80から離れるに従って径方向外側に変位するような回転径方向の傾斜を有する場合には、前記内側空間80内の空気を外側空間82に対して積極的に径方向外側に拡散させるように送り出すことが可能になる。
Further, each through
本発明において、前記各貫通穴58の具体的な個数、位置及び形状も限定されない。例えば各貫通穴58の断面形状は矩形以外の形状、例えば円その他の閉曲線であってもよい。この場合も、当該貫通穴58の中心軸が少なくとも回転周方向に傾斜していれば、この貫通穴58を通る気流を形成することが可能である。また、各貫通穴58は必ずしも同一円上に並んでいなくてもよく、例えばフライホイール50の中心からの距離が互いに異なる貫通穴が混在していてもよい。
In the present invention, the specific number, position, and shape of each through
フライホイール50の外径や具体的な断面形状も限定されない。例えば、図1に示されるようにロータ10の回転軸12とエンジン軸62とに跨って設けられるものではなく当該回転軸12にのみ固定されるものでもよいし、ステータ20の外径よりも小さな外径をもつものでもよい。しかし、前記フライホイール50のようにステータ20の外径よりも大きな外径を有し、かつ、各貫通穴58がステータ20の内径よりも径方向の内側の領域内に配置されているものでは、前記複数の貫通穴58を通じて前記内側空間80の換気を効果的に促進することができるのに加え、フライホイール50の外径を大きくとりながらその中心からの各貫通穴58の半径方向の距離を小さく抑えることで、当該貫通穴58の存在にかかわらず大きな慣性モーメントを保有することが可能である。すなわち、このような条件を満たすフライホイール50は、その本来の調速機能と前記の気流形成機能の双方について高いレベルを確保することができる。
The outer diameter and specific cross-sectional shape of the
前記のように電動機の冷却に有効な気流の形成は、前記各貫通穴58の回転周方向への傾斜によって達成される。図5は、前記貫通穴58の回転周方向への傾斜角度θと、各貫通穴58を流れる空気の質量流量及び軸方向速度との関係をシュミレーションにより算出した結果を示したものであり、同図の実線が質量流量、一点鎖線が軸方向速度をそれぞれ示す。シュミレーションの前提となる諸条件は次のとおりである。
As described above, the formation of the airflow effective for cooling the electric motor is achieved by the inclination of the through
貫通穴58の個数:30個
各貫通穴58の回転周方向の寸法:20mm
各貫通穴58の回転径方向の寸法:14mm
各貫通穴58が形成されている部分のフライホイール50の厚み:12mm
フライホイール50の中心から各貫通穴58の中心までの距離:120mm
フライホイール50の回転数:2000rpm
図5に示されるように、貫通穴58の傾斜角度θが45°以上80°以下の範囲で大きな質量流量及び軸方向速度を得ることが可能であり、この効果は特に55°〜70°の範囲で顕著となる。
Number of through holes 58: 30 Dimensions of each through
Dimensions in the radial direction of each through hole 58: 14 mm
Thickness of the
Distance from the center of the
Number of revolutions of flywheel 50: 2000 rpm
As shown in FIG. 5, it is possible to obtain a large mass flow rate and an axial velocity in the range where the inclination angle θ of the through
10 ロータ
12 回転軸
14 磁石部
20 ステータ
22 ステータコア
24 ステータコイル
27 第1突出端部
50 フライホイール
58 貫通穴
58a 内側面
58b 内側面
60 エンジン
62 エンジン軸
64 ケーシング
70 ポンプ
72 ポンプフレーム
80 内側空間
82 外側空間
DESCRIPTION OF
Claims (5)
回転軸及びその外周面上に固定される磁石部を有するロータと、
前記ロータの磁石部の周囲に配置され、電磁力によって当該ロータを回転させるステータと、
前記ステータに対して前記回転軸の軸方向と平行な方向に隣接する位置で当該回転軸にこれと一体に回転するように固定されるフライホイールと、を備え、
前記ステータは、前記磁石部の軸方向の端面のうち前記フライホイールに対向する側の端面よりも当該フライホイール側に近づくように突出する突出部分を有してこの突出部分の内側に内側空間を形成する形状を有し、
前記フライホイールは、その回転方向に並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられて前記内側空間を前記フライホイールを挟んで軸方向の外側の外側空間に開放するように当該フライホイールを当該軸方向に貫通する複数の貫通穴を有し、かつ、これらの貫通穴は、前記フライホイールの回転に伴って前記貫通穴を通る気流を形成する形状を有する、電動機。 An electric motor,
A rotor having a rotating shaft and a magnet portion fixed on the outer peripheral surface thereof;
A stator disposed around the magnet portion of the rotor and rotating the rotor by electromagnetic force;
A flywheel fixed to the rotation shaft so as to rotate integrally with the rotation shaft at a position adjacent to the stator in a direction parallel to the axial direction of the rotation shaft;
The stator has a protruding portion that protrudes closer to the flywheel side than the end surface facing the flywheel among the axial end surfaces of the magnet portion, and an inner space is formed inside the protruding portion. Has a shape to form,
The flywheel is provided at a plurality of positions aligned in the rotation direction, and penetrates the flywheel in the axial direction so as to open the inner space to an outer space outside in the axial direction across the flywheel. An electric motor having a plurality of through holes and having a shape that forms an airflow passing through the through holes as the flywheel rotates.
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