JP2015165747A

JP2015165747A - 電動機

Info

Publication number: JP2015165747A
Application number: JP2014040242A
Authority: JP
Inventors: 誠司佐伯; Seiji Saeki; 英喜吉原; Hideki Yoshihara
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2034-03-03
Also published as: EP3116107A1; WO2015133229A1; KR102240679B1; CN105981268A; KR20160129005A; JP6295726B2; EP3116107A4; US20170012502A1; CN113078765A; US10284053B2; EP3116107B1

Abstract

【課題】ステータの冷却性能を高め、しかも小型化を実現する。
【解決手段】ステータ２３の外周に凸部３０、ハウジング２４の内周に凹部３１がそれぞれ円周方向の複数個所に設けられ、凸部３０と凹部３１が嵌合した状態でステータ２３がハウジング２４に取付けられる一方、ハウジング２４に冷却通路３４が設けられる電動機において、冷却通路３４の主通路３５を、ハウジング２４における凸部３０と凹部３１によるステータ取付部分間の部分ごとに独立して設けるとともに、隣り合う主通路同士を接続する接続通路３６を、ステータ取付部分から軸方向に外れた位置でステータ取付部分を横断する状態で設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は冷却構造を改良した電動機に関するものである。

電動機は、図８に示すように、電動機シャフト１を中心として回転するロータ２と、このロータ２の外周に配置されたステータ３が、電動機軸方向の片面が開口した箱状のハウジング４に収容され、このハウジング４の開口した片面にエンドカバー５が装着されて構成される。

ここでは、ショベルの旋回電動機のように電動機シャフト１が鉛直となる縦置き姿勢で設置される電動機であって、ハウジング４の上面側が開口し、この上面開口部にエンドカバー５が装着された電動機を例にとっている。

以下、これを前提として、図８，９に示す従来技術、及び後述する本発明の実施形態において、電動機軸方向(電動機シャフト１の軸方向)を上下方向として説明する。また、図の上下関係をそのまま電動機及び各部の上下関係として説明する。

さらに、この明細書において、「電動機」とは、電動機と同一原理の発電機及び発電電動機を含むものとする。

エンドカバー５は、ハウジング４の上端面に図示しないボルトによって取付けられ、電動機シャフト１の上部がこのエンドカバー５に、下部がハウジング４の下部にそれぞれ軸受６，７を介して回転自在に支持される。

ステータ３は、電磁鋼板を積層して成るステータコア８と、このステータコア８に上下方向に巻装されたステータコイル９とによって構成される。

ステータコイル９は、上下両側の折り返し部分であるコイルエンド９ａがステータコア８の上下両端面から突出する状態で巻装される。

なお、図の簡潔化のため、図８においてステータコア８の外形のみを示し、図９においてステータコイル９の図示を省略している。

また、ステータ３をハウジング４に取付ける取付部として、ステータ３(ステータコア８)の外周にコア全長に亘って耳状に突出する凸部１０、ハウジング４の内周に凹部１１がそれぞれ円周方向の複数個所(通常は９０度間隔で四個所)に設けられ、図示のように凸部１０と凹部１１が嵌合した状態で、各嵌合部分でステータ３がハウジング４にボルト１２によって取付けられる。

詳述すると、凹部１１は、凸部１０全体が嵌まり込む幅と奥行と長さを備え、かつ、上方が開放するとともに下方に底面１１ａを備えた凹溝として形成され、凸部１０が、この凹部１１の底面１１ａに当接支持された状態で、凸部１０を上下方向に貫通したボルト１２によって固定される。

なお、樹脂モールド式の電動機においては、図８に示すようにステータ３全体が充填材(電気絶縁性と伝熱性を備えた不飽和ポリエステル等の合成樹脂材料)１３でモールディングされ、ハウジング４及びエンドカバー５に対する伝熱性が高められる。

また、電動機１を冷却する技術として、図８，９に示すようにハウジング４の周壁の厚み内に、水、油等の冷却媒体によって同ケーシング７を冷却する冷却通路１４を設けた技術が公知である(特許文献１，２参照)。

冷却通路１４は、図示しないポンプによって冷媒が循環する循環流路として構成される。図８中、１５は冷却通路１４の冷媒入口、１６は同、冷媒出口、１７は冷媒入口管、１８は冷媒出口管である。

この場合、冷却通路１４は、図示のように凸部１０と凹部１１によるステータ取付部分を避けて、ステータ取付部分よりも外周側に設けられている。

特開２００７−１２０５１０号公報特開２０１０−１０４１３０号公報

上記のように凸部１０と凹部１１によってステータ３をハウジング４に取付ける取付方式(以下、「凹凸嵌合取付方式」という)をとる電動機において、公知技術では、前記のように冷却通路１４をステータ取付部分を避けてこれよりも外周側、つまり最も発熱する部分であって最も冷却すべきステータ３から離れた位置に設けているため、ステータ冷却性能が低くなるとともに、冷却通路１４をハウジング外周側に設ける分、ハウジング４の直径寸法が大きくなっていた。

なお、冷却性能向上のために冷却通路１４をステータ直径方向または軸方向に拡大すると、電動機全体の直径または軸長が大きくなる。

すなわち、公知技術によると、冷却性能の向上と電動機のコンパクト化の両立が困難となっていた。

そこで本発明は、ステータの冷却性能を高め、しかも小型化を実現し得る電動機を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、電動機シャフトを中心として回転するロータと、このロータの外周に配置されるステータと、上記ロータ及びステータが収容されるハウジングとから成り、上記ステータの外周に凸部、上記ハウジングの内周に凹部がそれぞれ円周方向の複数個所に設けられ、上記凸部と凹部が嵌合した状態で上記ステータがハウジングに取付けられる一方、上記ハウジングに、水等の冷媒が通される冷却通路が設けられる電動機において、上記冷却通路を構成する主通路を、上記ハウジングにおける上記凸部と凹部によるステータ取付部分間の部分ごとに独立して設けるとともに、隣り合う上記主通路同士を接続する接続通路を、上記ステータ取付部分から軸方向に外れた位置でステータ取付部分を横断する状態で設けたものである。

この構成によれば、凹凸嵌合方式をとる電動機において、冷却通路を、ステータ取付部分間の主通路と、ステータ取付部分から軸方向に外れた位置で同取付部分を横断する接続通路によって構成したから、冷却通路全体をハウジング内周側、つまりステータに接近して設けることができる。このため、基本的にステータの冷却性能を高めることができる。

しかも、冷却通路をハウジング内周側に設けることで基本的にハウジングの直径寸法を縮小できること、及び冷却性能が高いため冷却通路をハウジング直径方向及び軸方向に拡張する必要がないことにより、電動機の小型化が可能となる。

本発明において、上記冷却通路全体が蛇行通路となるように、上記各主通路を、上記接続通路との接続点から軸方向に延びて端部で折り返す折り返し通路として形成するのが望ましい(請求項２，３)。

この構成によれば、主通路を面状に形成してたとえば下部で接続通路でつないだだけとした場合のように、冷媒が主通路の一部(とくに下部)のみを流れて他の部分で滞留するといった流れ障害が発生するおそれがなく、ステータ外周面全域を均等に冷却して冷却効率を一層高めることができる。

この場合、上記主通路の折り返し部分の内周部を冷媒の流れに沿った円弧状に形成するのが望ましい(請求項３)。

こうすれば、折り返し部分での冷媒の流れがスムーズになるとともに、冷却通路付きのハウジングを鋳型成形する場合に、主通路を蛇行通路として形成するための中子の強度を確保し易くなるため、製作時の割れ等を防止できる効果がある。

本発明によると、ステータ冷却性能の向上と電動機の小型化を両立させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る電動機の垂直断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。冷却通路のみを取り出して示す斜視図である。冷却通路の展開図である。冷却通路の構成が異なる第２実施形態を示す図４相当図である。同、第３実施形態を示す図４相当図である。同、第４実施形態を示す図４相当図である。従来一般的な電動機の垂直断面図である。図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。

本発明の実施形態を図１〜図７によって説明する。

実施形態は、背景技術の説明に合わせて、ショベルの旋回電動機のように電動機シャフトが鉛直となる縦置き姿勢で設置される樹脂モールド式の電動機を適用対象としている。

第１実施形態(図１〜図４参照)
第１実施形態に係る電動機において、次の点は図８，９に示す従来技術と同じである。

(Ａ) 電動機シャフト２１を中心として回転するロータ２２と、このロータ２２の外周に配置されたステータ２３が、上面が開口した箱状のハウジング２４に収容され、このハウジング２４の上面にエンドカバー２５が装着される点。

(Ｂ) エンドカバー２５は、ハウジング２４の上端面に図示しないボルトによって取付けられ、電動機シャフト２１の上部がこのエンドカバー２５に、下部がハウジング２４の下部にそれぞれ軸受２６，２７を介して回転自在に支持される点。

(Ｃ) ステータ２３は、電磁鋼板を積層して成るステータコア２８と、このステータコア２８に上下方向に巻装されたステータコイル２９とによって構成される点。

(Ｄ) ステータコイル２９は、上下両側の折り返し部分であるコイルエンド２９ａがステータコア２８の上下両端面から電動機軸方向に突出する状態で巻装される点。

(Ｅ) ステータ２３をハウジング２４に取付ける取付部として、ステータ２３(ステータコア２８)の外周に上下全長に亘って耳状に突出する凸部３０、ハウジング２４の内周に凹部３１がそれぞれ円周方向の複数個所(通常は９０度間隔で四個所)に設けられ、図示のように凸部３０と凹部３１が嵌合した状態で、各嵌合部分でステータ２３がハウジング２４に取付けられる点。

(Ｆ) 凹部３１は、凸部３０全体が嵌まり込む幅と奥行と長さを備え、かつ、上方が開放するとともに下方に底面３１ａを備えた凹溝として形成され、凸部３０が、この凹部３１の底面３１ａに当接支持された状態で、凸部３０を上下方向に貫通したボルト３２によって固定される点。

(Ｇ) ステータ２３全体が充填材(電気絶縁性と伝熱性を備えた不飽和ポリエステル等の合成樹脂材料)３３でモールディングされ、ハウジング２４及びエンドカバー２５に対する伝熱性が高められる点。

(Ｈ) ハウジング２４に、水等の冷媒を循環させてステータ２３等を冷却する冷却通路３４が設けられる点。

第１実施形態においては、この冷却通路３４が主通路３５と接続通路３６によって構成されている。

主通路３５は、ハウジング２４における凸部３０と凹部３１によるステータ取付部分間の部分ごとに独立して設けられ、隣り合う主通路３５，３５同士を接続する接続通路３６が、ステータ取付部分よりも下方(軸方向に外れた位置)においてステータ取付部分を横断する状態で設けられて冷却通路３４が構成されている。

なお、冷却通路３４(主通路３５及び接続通路３６)は、通路中心がステータ取付部分の中心を通る円上に位置する状態で設けてもよいし、通路中心が上記円よりもハウジング外周側に少しずれた状態(通路内周側の一部が上記円に重なる位状態)で設けてもよい。

図３は冷却通路３４のみを取り出して示す斜視図、図４は冷却通路３４の展開図である。

両図に示すように、各主通路３５は、接続通路３６との接続点から上方に延びてハウジング上端部で下方に折り返し、ハウジング下端部で隣の接続通路３６に接続される折り返し通路として形成されている。

これにより、冷却通路３４全体が上下方向に折り返しながら円周方向に連続する蛇行通路として構成されている。

ここで、主通路３５の上側折り返し部分の内周部３５ａは、冷媒の流れに沿った円弧状に形成されている。

また、図２に示すように、一つのステータ取付部分を挟んだ片側に冷媒入口３７、反対側に冷媒出口３８がそれぞれ設けられ、冷媒入口３７に冷媒入口管３９、冷媒出口３８に冷媒出口管４０がそれぞれ接続される。

この構成によると、凹凸嵌合方式をとる電動機において、冷却通路３４を、ステータ取付部分間の主通路３５と、ステータ取付部分から軸方向に外れた位置で同取付部分を横断する接続通路３６によって構成したから、冷却通路３４全体(主通路３５及び接続通路３６)をハウジング内周側、つまりステータ２３に接近して設けることができる。

このため、最大の発熱部分であるステータ２３(ステータコア２８、及びコイルエンド２９ａを含むステータコイル２９)の熱を充填材３３を通して効率良く吸収でき、これによって電動機全体の冷却性能を従来技術よりも格段に高めることができる。

この場合、図１に示すように、接続通路３６が下側コイルエンド２９ａに対し斜め下方のできるだけ近くに接近するように同通路３６の位置を設定することにより、下側コイルエンド２９ａの冷却効果を従来よりも高めることができる。

また、冷却通路３４をハウジング内周側に設けることで、基本的にハウジング肉厚寸法を縮小できるためハウジング２４の直径寸法を縮小できること、及び冷却性能が高いため冷却通路３４をハウジング直径方向及び軸方向に拡張する必要がないことにより、電動機の小型化が可能となる。

この場合、冷却通路３４全体を蛇行通路として構成しているため、主通路３５を面状に形成してたとえば下部で接続通路３６でつないだだけとした場合のように、冷媒が主通路３５の一部(とくに下部)のみを流れて他の部分で滞留するといった流れ障害が発生するおそれがなく、ステータ外周面全域を均等に冷却して冷却効率を一層高めることができる。

また、主通路３５の上側折り返し部分の内周部３５ａを冷媒の流れに沿った円弧状に形成しているため、折り返し部分での冷媒の流れがスムーズになる。

加えて、この内周部３５ａのアールにより、冷却通路付きのハウジング２４を鋳型成形する場合に、主通路３５を蛇行通路として形成するための中子の強度を確保し易くなるため、製作時の割れ等を防止できる効果がある。

他の実施形態
(１) 図５〜図７は冷却通路３４の構成に関する他の実施形態を示す。第１実施形態の相違点のみを説明する。なお、上下の方向性は第１実施形態と同じである。

第１実施形態においては、図２〜図４に示すように、冷却通路３４の冷媒入口３７及び冷媒出口３８を、隣り合う二つの主通路３５，３５に設けたのに対し、図５に示す第２実施形態においては、一つの接続通路３６を中央で分断し、分断部分の片側に冷媒入口３７、反対側に冷媒出口３８を設けている。

図６に示す第３実施形態においては、蛇行状に形成したパイプをハウジング２４に鋳込み、その両端に冷媒入口３７、同出口３８を設けている。

なお、図６には、第２実施形態と同様に冷媒入口３７及び同出口３８を接続通路３６に設けた場合を例示しているが、第１実施形態と同様に主通路３５に設けてもよい。

図７に示す第４実施形態においては、冷却通路３４を複数(図例では二つ)に分け、通路ごとに冷媒入口３７及び同出口３８を設けている。

この場合、冷媒入口３７及び同出口３８を、第１実施形態のように主通路３５に設けてもよいし、第２実施形態のように接続通路３６に設けてもよい。

これらの実施形態によっても、第１実施形態と基本的に同様の効果を得ることができる。

(２) 上記実施形態では、ステータ２３をハウジング２４に取付けるための凸部３０及び凹部３１を円周方向９０度間隔で四個所に設けた場合を例示したが、二個所または五個所以上に設けてもよい。

(３) 本発明は、縦置き配置される電動機に限らず、横置き配置される電動機にも、また樹脂モールド式以外の電動機にも、さらに前記のように同一原理の発電機及び発電電動機にも上記同様に適用することができる。

２１電動機シャフト
２２ロータ
２３ステータ
２４ハウジング
２５エンドカバー
２８ステータコア
２９ステータコイル
２９ａコイルエンド
３０ステータの凸部
３１ハウジングの凹部
３１ａ凹部の底面
３２ステータ取付用のボルト
３４冷却通路
３５冷却通路を構成する主通路
３５ａ主通路の折り返し内周部
３６冷却通路を構成する接続通路
３７冷媒入口
３８冷媒出口

Claims

電動機シャフトを中心として回転するロータと、このロータの外周に配置されるステータと、上記ロータ及びステータが収容されるハウジングとから成り、上記ステータの外周に凸部、上記ハウジングの内周に凹部がそれぞれ円周方向の複数個所に設けられ、上記凸部と凹部が嵌合した状態で上記ステータがハウジングに取付けられる一方、上記ハウジングに、水等の冷媒が通される冷却通路が設けられる電動機において、上記冷却通路を構成する主通路を、上記ハウジングにおける上記凸部と凹部によるステータ取付部分間の部分ごとに独立して設けるとともに、隣り合う上記主通路同士を接続する接続通路を、上記ステータ取付部分から軸方向に外れた位置でステータ取付部分を横断する状態で設けたことを特徴とする電動機。
上記冷却通路全体が蛇行通路となるように、上記各主通路を、上記接続通路との接続点から軸方向に延びて端部で折り返す折り返し通路として形成したことを特徴とする請求項１記載の電動機。
上記主通路の折り返し部分の内周部を冷媒の流れに沿った円弧状に形成したことを特徴とする請求項２記載の電動機。