JP2016171703A - 電気式回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】 コイルの冷却性能を向上させることができる電気式回転機を提供する。
【解決手段】 電気式回転機は、内部空間を有するケースと、ケースの内部空間に収容され、且つ回転可能にケースに支持されているロータと、ケースの内部空間に収容され、且つロータの周囲に間隔を隔ててケースに設けられているステータコアと、周方向に互いに間隔をあけてステータコアに巻き付けられている複数のコイルと、ロータ及びコイルの一部分が浸かる状態となるようにケースの内側空間に封入されている冷却液とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロータの周囲に配置されるステータコアに複数のコイルを巻き付けて構成される電気式回転機に関する。

従来の発電機能を有する電動装置の一例を、図５を参照して説明する（例えば、特許文献１参照。）。この電動装置１は、ハイブリッドショベルに設けられ、このハイブリッドショベルは、図５に示すように、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２を駆動する電動機４と、油圧ポンプ２が吐出した作動油によって駆動されるアクチュエータ部を含む油圧回路（図示せず）と、油圧ポンプ２のドレン油（作動油）が流入する冷却通路３とを備えている。この油圧ポンプ２のドレン油は、冷却通路３に流入して、電動機４を冷却するように設けられ、空冷式よりも高い冷却効率で電動機４を冷却することができる。

特開２０１０−５３５９６号公報

図５に示される電動装置１に備わる電動機４を含め、電動機では、電動機の作動により、ステータコアに巻き付けられたコイルが発熱し、その発生熱がステータコアを介してケースから外部に放出させるようになっている。コイルとステータコアとの間には、電気絶縁シートが介在しており、電気絶縁シートは、電気絶縁性能と伝熱性能は相反する傾向がある。そのため、電気絶縁シートの電気絶縁性を向上させると、電気絶縁シートによって熱の伝達が妨げられる。それ故、コイルの発生熱がケースの外部に放出されにくく、電動機を小形化又は高性能化する際にコイルを如何にして冷却するかが重要となる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コイルの冷却性能を向上させることができる電気式回転機を提供することを目的としている。

本発明の電気式回転機は、内部空間を有するケースと、前記ケースの内部空間に収容され、且つ回転可能に前記ケースに支持されているロータと、前記ケースの内部空間に収容され、且つ前記ロータの周囲に間隔を隔てて前記ケースに設けられているステータコアと、周方向に互いに間隔をあけて前記ステータコアに巻き付けられている複数のコイルと、前記ロータ及びコイルの一部が浸かる状態となるように前記ケースの内側空間に封入されている冷却液とを備えることを特徴とするものである。

本発明の電気式回転機によれば、ロータが回転すると、ケース内の冷却液が遠心力によって攪拌され、またステータコアの方へと押しやられる。これにより、当該ステータコアに設けられる多くのコイルを冷却液に接触させることができ、冷却液によってコイルから熱を奪うことができる。冷却液に奪われた熱は、ステータコアを介して間接的に又は直接ケースに伝わり、更にこのケースを介してケースの外部に放出することができる。即ち、コイルの熱を、冷却液、ステータコア及びケースを介してケースの外部に放出することができ、コイルの冷却性能を向上させることができる。これにより、例えばコイルとステータの間に電気絶縁層を設けた場合において電気絶縁層の性能を確保しつつコイルを冷却することができる。

本発明において、前記ロータの回転軸が鉛直方向と略平行して配置される直立型とすることが好ましい。

上記構成によれば、ロータの回転に伴う遠心力によって、冷却液がロータの全周に亘ってステータコアに向かって押しやられ、冷却液の液面がすり鉢状になる。これによって、複数のコイルの全てを冷却液に浸すことができ、また各コイルを全体的に冷却液に浸からせることができる。これによって、複数のコイルであって各コイル全体を効率よく冷却することができる。

また上記構成によれば、遠心力によってステータコアに向かって押しやられた冷却液は、ケースの内面に沿って上昇し、その後、すり鉢状の液面に沿って下降しながらロータに向かって流れる。そして、ロータ近辺に達すると再度遠心力によってケース内面の方へと押しやられる。このように冷却液をケースの内部空間で循環させることができ、循環させることによってケース内の冷却液が局所的に高温となることを抑制することができる。これにより、電気式回転機を効率よく冷却することができる。

本発明において、前記ケースの内部空間に封入される冷却液の液量は、前記ケースからの単位時間当たりの放熱量が、前記コイルから前記冷却液に伝達される単位時間当たりの伝熱量よりも大きく、且つ前記単位時間当たりの伝熱量が最大値又はそれに近い値となるように設定されていることが好ましい。

上記構成によれば、ケースの内部空間に封入される冷却液の液量を、ケースからの単位時間当たりの放熱量がコイルから冷却液に伝達される単位時間当たりの伝熱量よりも大きくなるように設定することによって、コイルからの発生熱の全量を冷却液及びケースを介して外部に放出することができる。これにより、ケースの内部空間に熱が籠ることを抑制することができ、コイルを効率的に冷却することができる。更に、ケースからの単位時間当たりの放熱量が最大値となる量又はそれに近い値となるように冷却液の液量を設定することによって、コイルに対する冷却液の吸熱能力を最大限に引き出すことができ、コイルに対して大きな冷却効果を得ることができる。

この発明に係る電気式回転機において、電動機、発電機、又は発電機能を有する電動機とするとよい。

この電気式回転機は、電動機、発電機、又は発電機能を有する電動機に適用することができる。

この発明に係る電気式回転機において、建設機械の旋回用電動機とするとよい。

建設機械の旋回用電動機は、起動及び停止を繰り返すことが多く発熱量が大きいので、過熱防止のために有効である。

本発明によれば、コイルの冷却性能を向上させることができる。

この発明の一実施形態に係る電気式回転機の原理を示す縦断面図である。 図１に示す電気式回転機のケース内に封入されている冷却液の循環経路を示す縦断面図である。 図１に示す封入される冷却液の液量と冷却液への伝熱量及びケースからの放射熱量の関係を示す図である。 図１に示す電気式回転機が設けられている建設機械を示す側面図である。 従来のハイブリッドショベルに設けられている発電機能付き電動機を示す回路図である。

以下、本発明に係る電気式回転機の一実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。この電気式回転機１１は、電動機、発電機、又は発電機能を有する電動機に適用することができる。そして、この電気式回転機１１は、建設機械を含む各種機械、装置に使用することができるものであり、この実施形態では、図４に示す建設機械１２の旋回用直立型電動機に適用した例を挙げて説明する。また、図４では、建設機械１２として油圧ショベルを例に挙げているが、これ以外のクレーン等にも適用することができるし、この建設機械１２は、油圧及び電気を使用するハイブリッド式であってもよいし、そうでなくてもよい。

図４に示す油圧ショベル（建設機械）１２は、下部走行体１３と、この下部走行体１３上に旋回可能に搭載された上部旋回体１４と、この上部旋回体１４に取り付けられ、掘削作業等を行う掘削作業機１５とを備えている。そして、この上部旋回体１４に電気式回転機１１が搭載され、この電気式回転機１１は、図示しない蓄電装置に蓄電された電気によって駆動する。この電気式回転機１１の駆動力によって上部旋回体１４が旋回する。また、この上部旋回体１４は、油圧モータ（図示せず）の駆動力によっても旋回するようになっている。

この電気式回転機１１は、図１に示すように、例えば旋回用直立型の三相電動機であり、インバータによって回転速度が制御される。この電気式回転機１１は、ロータ１６と、ステータ１７と、ケース１８と、冷却液１９とを備えている。

ロータ１６は、回転軸１６ａを有し、この回転軸１６ａに円柱状のロータ本体１６ｂが設けられている。そして、回転軸１６ａの両端部が軸受（図示せず）を介してケース１８に回動自在に支持されている。そして、このロータ１６の回転軸１６ａは、鉛直方向と略平行して配置されることによって、この電気式回転機１１は、直立型電動機として使用される。また、ロータ１６の周囲には、間隔を隔ててステータ１７が配置されている。

ステータ１７は、いわゆる固定子であり、薄い鋼板を積層したステータコア２１と複数のコイル２２とを有している。また、ステータコア２１は、ヨーク部２１ａと複数のティース部２１ｂとを有している。ヨーク部２１ａは、大略円筒状に形成され、ヨーク部２１ａの内周面には、複数のティース部２１ｂが一体的に設けられている。各ティース部２１ｂは、ヨーク部２１ａの内周面から半径方向内方に突出しており、上下方向に長尺に形成されている。ティース部２１ｂは、ヨーク部２１ａの内周面において周方向に互いに等間隔をあけて配置されており、各ティース部２１ｂには、電気絶縁性を有する電気絶縁シート２３を介してコイル２２が巻き付けられており、複数のコイル２２の各々が周方向に互いに等間隔をあけて配置されている。

このように構成されているステータ１７は、ケース１８の内周面に固定して設けられている。ケース１８の内周面は、ロータ１６の回転軸１６ａを中心とする円筒状に形成されており、ケース１８の内周面には、ステータコア２１の外周面を沿わせてステータ１７が配置されている。このように、ケース１８の内側空間１８ａには、ロータ１６及びステータ１７が収容されており、更に所定量の冷却液１９が封入されている。

冷却液１９は、主たる熱源であるコイル２２から発する発生熱を奪ってステータコア２１及びケース１８に熱を伝える熱媒体であり、コイル２２の熱を間接的又は直接的にケース１８に伝えてケース１８から外部に放出させるようになっている。冷却液１９は、ケース１８の内側空間１８ａに封入されており、ロータ１６及びステータ１７の一部分（より詳細には、ロータ１８及びコイル２２の下端部分）が冷却液１９に浸かっている。冷却液１９としては、各種構成間の導通を防ぐために電気的に絶縁性能を有する絶縁油が用いられており、絶縁油の絶縁性能は、長期的に安定しているものが好ましい。また、冷却液１９は、電気式回転機１１の作動温度範囲で粘度の低いものが好ましい。これにより、冷却液１９中に形成された気泡が液面１９ａに浮上し易くすると共に、液中に気泡が形成されることを抑制することができる。また、液面１９ａに浮上した気泡を消滅させ易くすることができる。これによって、気泡による冷却能力の低下を抑制することができる。また、冷却液１９は、その絶縁油に消泡剤を添加して消泡性を有するようにしてもよく、消泡剤が添加された冷却液１９によって上記と同様に、気泡による冷却能力の低下を抑制することができる。

次に、図２を参照しながら電気式回転機１１における冷却液１９の動きを説明する。電気式回転機１１は、前述の通り旋回用直立型の三相電動機であり、ロータ１６が回転することによってケース１８の中冷却液１９がロータ１６を中心にして同方向に回転し、更に遠心力が付与される。そうすると、冷却液１９がステータ１７の方へと押しやられ、冷却液１９の液面１９ａがすり鉢状に形成される。これにより、コイル２２の各々が全体的に、本実施形態では、各コイル２２の下端部から上端部までの全体に亘って冷却液１９に浸かり、コイル２２全体からコイル２２の熱を冷却液１９に伝達させることができる。それ故、コイル２２全体を効果的に冷却することができる。

また、冷却液１９は、ロータ１６の回転によってケース１８の内側空間１８ａで循環している。即ち、冷却液１９は、ロータ１６近辺においてロータ１６からステータ１７の方へと押しやられるように流れ、更にステータコア２１のヨーク部２１ａとティース部２１ｂの間の空間をコイル２２に沿って上方に流れる。また、冷却液１９は、上方に流れると共にステータコア２１の隙間に入り、その隙間を通ってケース１８の内周面に到達する。これにより、冷却液１９は、ケース１８の内周面との接触面積を拡大していく。その後、液面１９ａに達すると液面１９ａに沿って降りながらロータ１６に向かって流れる。ロータ１６まで戻ると、冷却液１９は、再びロータ１６によってステータ１７の方へと押しやられる。このように内側空間１８ａを循環する冷却液１９は、コイル２２から熱を奪い、更に奪った熱を直接ケース１９に受渡し又はステータコア２１を介して間接的にケース１８に受け渡し、ケース１８を介して外部に放出させる。これにより、コイル２２とステータコア２１との間に電気絶縁シート２３が介在していても、コイル２２の熱が冷却液１９及びケース１８を介して外部に放出させることができ、コイル２２を効率的に冷却することができる。また、この冷却液１９を循環させることによって、ロータ１６やステータコア２１からも熱を奪わせ、この熱もケース１８を介して外部に放出させることができる。このように、各々の構成１６，２１，２２から熱を奪ってケース１８を介して外部に放出させることができ、電気式回転機１１全体を効率的に冷却することができる。また、冷却液１９を循環させることによって、内側空間１８ａの冷却液１９が局所的に高温となることを抑制することができ、電気式回転機を効率よく冷却することができる。

このように構成される電気式回転機１１によれば、冷却液１９の配管や通路を発熱部に接近させて設ける必要がなく、安価でコンパクトな電気式回転機１１を製造することができる。また、冷却液１９がケース１８の内側空間１８ａに封入されているので、冷却液１９が電気式回転機１１の外部から加熱されることがない。それ故、電気式回転機１１において安定した冷却特性を実現することができる。

このように構成されている電気式回転機１１では、コイル２２から冷却液１９に伝達される単位時間当たりの熱量及びケース１８から外部に放出される単位時間当たりの熱量が内側空間１８ａに封入される冷却液１９の液量に応じて変化するようになっている。以下では、図３を参照しながら、電気式回転機１１における冷却液１９の液量Ｖ（ｍ^３）、コイル２２から冷却液１９に伝達される単位時間あたりの熱量Ｑ（Ｗ）、及びケース１８から外部に放出される単位時間当たりの熱量Ｒ（Ｗ）の関係を説明する。

コイル２２からケース１８に封入される冷却液１９の液量Ｖ（ｍ^３）に対する単位時間当たりの熱量Ｑの変化は、所定の液量Ｖ１のときに最大伝熱量Ｑ_ＭＡＸとなる放物線を描いており、冷却液１９の液量が所定の液量Ｖ１より多くても少なくても、コイル２２から冷却液１９に伝わる単位時間当たりの熱量Ｑが小さくなっている。ここで、コイル２２から冷却液１９に伝わる単位時間当たりの熱量Ｑの冷却液１９の液量Ｖに対する変化が放物線を描き、液量ＶがＶ１よりも少なくなると前記伝熱量Ｑが小さくなるのは、冷却液１９に接触するコイル２２の表面積が小さくなるからである。また、液量ＶがＶ１よりも多くなると、冷却液１９が撹拌されることによって発生する熱によってコイル２２から冷却液１９に伝わる熱量が少なくなるからである。

また、単位時間当たりの放射熱量Ｒは、例えば電気式回転機１１の運転によりコイル２２に流れる電流によってコイル２２等で発生する熱、及び冷却液１９がロータ１６によって撹拌されることによって発生する熱等、ケース１８内で発生する熱に関して、ケース１８を介して外部に放出される単位時間当たりの熱量である。冷却液１９の液量Ｖが多くなるにつれてロータ１６の冷却液１９に接触する面積が大きくなるので、単位時間当たりの放射熱量Ｒは、ケース１８の中の冷却液１９の液量Ｖに比例して増加する。

このような特性を有する単位時間当たりの伝熱量Ｑ及び放熱量Ｒは、冷却液１９の液量Ｖが少ない状態（液量Ｖ２未満）において単位時間当たりの伝熱量Ｑが単位時間当たりの放熱量Ｒを上回る。そうすると、コイル２２で発生した熱に対してケース１９外へと放出可能な熱量が小さくなり、コイル２２が過熱して運転を継続することが困難になる場合がある。それ故、電気式回転機１１では、単位時間当たりの熱量Ｑが単位時間当たりの放射熱量Ｒよりも小さくなるように冷却液１９の液量Ｖが設定される、即ち冷却液１９の液量ＶがＶ２以上になるように設定されることが好ましい。また、電気式回転機１１では、より多くの熱をコイル２２から奪うために単位時間当たりの伝熱量Ｑが最大値Ｑ_ＭＡＸ又はそれに近い値（即ち、最大伝熱量Ｑ_ＭＡＸの近辺の範囲）になるように冷却液１９の液量が設定される、即ち冷却液１９の液量ＶがＶ３以上Ｖ４以下の設定範囲で設定される。なお、液量Ｖ３及びＶ４は、前述する液量Ｖ２より大きい液量である。

このように、ケース１８の中の冷却液１９の液量Ｖは、単位時間当たりの伝熱量Ｑが単位時間当たりの放射熱量Ｒよりも小さくなるときの量に設定することによって、コイル２２を効率的に冷却することが可能となる。また、
このように構成される電気式回転機１１は、例えば電動式ショベルを含む建設機械１２の旋回用電動機として採用することができる。旋回用電動機は、起動及び停止を繰り返すことが多く発熱量が大きいが、当該電気式回転機１１を採用することによって、効果的に冷却することができ、過熱の防止を図ることができる。

ただし、上記実施形態では、電気式回転機１１を電動機に適用したが、これに代えて、発電機、又は発電機能を有する電動機に適用することができる。

１１ 電気式回転機
１２ 建設機械
１３ 下部走行体
１４ 上部旋回体
１５ 掘削作業機
１６ ロータ
１６ａ 回転軸
１６ｂ ロータ本体
１７ ステータ
１８ ケース
１８ａ 内部空間
１９ 冷却液
２１ ステータコア
２２ コイル

Claims (5)

1. 内部空間を有するケースと、
   前記ケースの内部空間に収容され、且つ回転可能に前記ケースに支持されているロータと、
   前記ケースの内部空間に収容され、且つ前記ロータの周囲に間隔を隔てて前記ケースに設けられているステータコアと、
   周方向に互いに間隔をあけて前記ステータコアに巻き付けられている複数のコイルと、
   前記ロータ及びコイルの一部分が浸かる状態となるように前記ケースの内側空間に封入されている冷却液とを備えていることを特徴とする電気式回転機。
2. 前記ロータの回転軸が鉛直方向と略平行して配置される直立型であることを特徴とする請求項１記載の電気式回転機。
3. 前記ケースの内部空間に封入される冷却液の液量は、前記ケースからの単位時間当たりの放熱量が、前記コイルから前記冷却液に伝達される単位時間当たりの伝熱量よりも大きく、且つ前記単位時間当たりの伝熱量が最大値又はそれに近い値となるように設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気式回転機。
4. 電動機、発電機、又は発電機能を有する電動機であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電気式回転機。
5. 建設機械の旋回用電動機であることを特徴とする請求項２又は３に記載の電気式回転機。