JP4704137B2 - Electric motor cooling structure and construction machine vehicle equipped with the electric motor - Google Patents

Electric motor cooling structure and construction machine vehicle equipped with the electric motor Download PDF

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JP4704137B2 JP2005200571A JP2005200571A JP4704137B2 JP 4704137 B2 JP4704137 B2 JP 4704137B2 JP 2005200571 A JP2005200571 A JP 2005200571A JP 2005200571 A JP2005200571 A JP 2005200571A JP 4704137 B2 JP4704137 B2 JP 4704137B2
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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。   The present invention relates to a cooling structure for an electric motor mounted on a vehicle or the like, and in particular, a cooling structure for an electric motor suitable for driving a turning shaft of a construction machine vehicle having a lot of work on an inclined land and the like, and a construction machine vehicle equipped with the electric motor. About.
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。   As a cooling device for an electric motor, for example, as disclosed in JP-A-2002-233107 (Patent Document 1), water cooling is performed between a cylindrical motor housing and a stator case having a large number of fins on the outer peripheral surface. A jacket is formed, and the stator core is cooled by passing a coolant through the jacket, and a resin flange is formed at the coil end portion of the stator coil wound around the stator core, and heat between the periphery of the resin flange and the water cooling jacket is formed. Promoting exchanges. According to this cooling device, although the cooling effect of the stator, coil, etc. in contact with the wall surface of the water cooling jacket can be expected, it is not possible to suppress the heat generation of the rotor which is also a part of the heat generation source. It leads to cost increase.
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。   In order to cool the rotating rotor, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-295818 (Patent Document 2) and Japanese Patent No. 3570450 (Patent Document 3), a refrigerant is supplied from the rotating shaft to the rotor core. It introduce | transduces and cools by passing through the flow path provided in the magnet vicinity.
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。   The electric motor cooling device disclosed in Patent Document 3 will be briefly described with reference to FIGS. 11 and 12. The motor unit to be cooled rotates around the rotor shaft 102 disposed horizontally. Rotor 103, permanent magnet 131 provided on the outer periphery of rotor 103, stator 104 disposed with a small gap from the outer diameter surface of rotor 103, and stator coil 130 wound around stator 104. ing. The rotor 103 and the stator 104 are made by laminating a plurality of electromagnetic steel plates, and both end surfaces in the axial direction of the rotor 103 are closely attached by left and right plates 121a and 121b. Coil ends 141a and 141b project from both ends of the stator 104 in the axial direction. The stator 104 is fixed to the inner wall surface of the motor housing 110, and the rotor shaft 102 is supported by the motor housing 110 via a bearing 111. The electric motor is driven by supplying current to the stator coil 130.
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。   When cooling oil is injected from the oil supply means 105 of this electric motor, this cooling oil passes through an axial oil passage 122 formed along the center of the shaft in the rotor shaft 102, and centrifugal force due to rotation of the rotor shaft 102. Are introduced into the first and second radial oil passages 123a and 123b formed in the axial radial direction. After that, each plate passes through the communication oil passages 124a and 124b formed on the rotor contact surfaces of the left and right plates 121a and 121b, and passes through the first and second axial oil passages 132a and 132b formed in the rotor 103. The coil ends 141a are sprayed from the oil holes 125a and 125b of 12la and 121b to the coil end 141a by the centrifugal force of the rotor 103 to directly cool the coil end 141a.
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。   The cooling oil is supplied from one end of an oil supply pipe 150 extending from the gear case 190 connected to the motor housing 110, and an oil receiver (not shown) is provided at the other end of the pipe 150. This oil receiver is positioned so as to straddle the outer periphery of the ring gear 195 and the large-diameter gear 192 disposed in the gear case 190, and collects the oil raked up by the rotation of the ring gear 195 and the large-diameter gear 192. Has the function of
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
The motor housing 110 and the gear case 190 communicate with each other with an opening, and the lower surface of the opening has a function as a weir that maintains the highest oil level on the motor housing 110 side at the lowest position on the outer peripheral surface of the rotor. ing. The oil that has cooled the electric motor travels through the motor housing 110 or drops from each part and collects at the bottom of the motor housing 110, and the amount exceeding the lower surface level of the opening returns to the gear case 190 side.
JP 2002-233107 A JP 2000-295818 A Japanese Patent No. 3570450
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。   A conventional cooling device for an electric motor has a structure specific to cooling an electric motor for a vehicle in which an output shaft (rotor shaft) is arranged in a horizontal direction, and the rotor shaft is arranged in a vertical direction. For example, it was insufficient to efficiently cool a swing motor of a construction machine. Also in Patent Document 1, a rotor having an internal cooling oil passage, a coil end of a stator that is cooled by using centrifugal force generated by the rotation of the rotor, and a stator that is immersed in oil accumulated at the bottom of the motor housing. However, the core and coil portions of the stator that occupy most of the stator existing above the oil level are not cooled directly.
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。   In Patent Document 1, an air-cooling radiating fin is provided in the motor housing as a cooling of a portion where the cooling oil does not spread. However, air cooling has a lower cooling efficiency than a cooling method using a cooling medium, and is intended to take sufficient cooling capacity. Then, it is necessary to increase the heat radiation area of the air-cooling heat radiation fin. For this reason, in general, it is difficult to reduce the size of the motor by cooling by the air cooling method, and it is impossible to increase the efficiency of the motor because the cooling capacity is inferior. For this reason, the protection against heat and the increase in electrical resistance of the insulating material such as the stator core, the stator coil, and the enamel, varnish, insulating paper covering the stator coil, which occupy most of the motor components existing above the oil level, in particular. It is difficult to suppress this sufficiently.
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。   In addition to the cooling devices disclosed in Patent Documents 1 to 3, since many of the motor cooling circuits have the output shaft arranged in the horizontal direction, the axial dimension of the rotor is larger than the radial direction of the rotor. become longer. For this reason, for example, the cooling oil released from the rotor by centrifugal force is formed with a pool in the bottom of the motor housing case that is longer in the axial direction than in the radial direction of the rotor. The liquid level of the liquid pool may reach the rotor, and when such a situation occurs, the cooling oil stored in the liquid pool acts as a stirring resistance when the rotor rotates and energy is lost. In order to avoid such a problem, in Patent Document 3, the motor housing is provided with an opening at the lowest position on the outer periphery of the rotor, so that the liquid level of the liquid pool stored in the motor case is lower than the lowest position on the outer periphery of the rotor. If it rises, it will return to a gear case through an opening, and it is considered so that it may not become stirring resistance of a rotor.
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。   However, if the rotor shaft of the motor is inclined with respect to the horizontal direction due to the inclination of the motor when the vehicle is traveling due to road inclination or the mounting posture of the motor to the vehicle, the liquid pool accumulated in the motor housing Even if the surface level becomes higher than the set height, it will not return to the gear case through the opening. That is, the cooling oil in the motor case maintains the liquid level depending on the inclination of the motor. As a result, depending on the situation of the vehicle, the cooling oil stored in the motor case acts as a stirring resistance of the rotor, and energy loss occurs.
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。   The above is a problem common to the cooling structure of an electric motor. However, in recent years, for example, a turn mounted on the center of a vehicle body of a construction machine vehicle such as a hydraulic excavator in order to reduce weight and size and eliminate the need for piping. Increasingly, motors are replaced by electric motors from hydraulic motors. However, this electric motor is used in a vertical state in which the output shaft is in a vertically downward direction, and must be able to withstand use on an inclined ground as a way of using the vehicle. When changing from a hydraulic motor to an electric motor, it is necessary to rotate at a higher speed than the hydraulic motor in order to reduce the motor weight. In order to increase the rotation speed, it is necessary to avoid as much as possible the rotor stir resistance caused by the oil accumulated at the bottom of the motor housing even if the work is performed on an inclined ground.
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。   Also, in the turning operation of a turning body that is arranged to be able to turn at the center of the vehicle body, a larger brake torque is required at the time of deceleration than at the time of acceleration drive, but in the case of a hydraulic motor, the speed is increased by increasing the return oil pressure. High torque can be output regardless of the frequency (hereinafter referred to as corner horsepower), but an electric motor, especially an electric motor using a magnet, has a large current that overcomes the induced voltage in order to output sufficient torque at high speed. At this time, it is necessary to generate a coil electromagnetic force (hereinafter referred to as a field weakening) so as to suppress the magnetic force of the magnet (referred to as a demagnetization effect) by adjusting the energization amount of the stator coil at the same time. . When this field weakening magnetic field reaches a specified value or more, the magnet is permanently demagnetized. The allowable amount of demagnetization varies depending on the material and temperature of the magnet, but is generally higher for high-grade materials or low temperatures. While a general-purpose electric motor is operated with a constant output curve, an electric motor mounted on this type of construction machine requires corner horsepower in the high-speed region as described above. Cooling is particularly important.
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。   On the other hand, although not described in the above Patent Documents 1 to 3, an epoxy compound sealant having a high thermal conductivity is often used in order to increase the heat transfer coefficient between the motor housing and the stator coil. These materials are generally injected between the stator coils in a low viscosity state to seal the entire stator including the coil ends. As a result, the heat generated in the stator is efficiently transmitted to the motor housing and the stator can be efficiently cooled, and in addition to electrical and mechanical characteristics, it has excellent heat resistance. In addition to the high unit price per weight, the number of manufacturing processes increases, which increases the cost of the motor, and further increases the weight of the motor.
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。   The present invention has been made to solve such problems, and at the same time efficiently cools the entire components of an electric motor such as a rotor, a rotor core, a stator core, a coil, and a coil end with an inexpensive and simple configuration. An object of the present invention is to propose a cooling structure for an electric motor that allows the coolant stored in the bottom of the motor housing to be a small space that does not act as a stirring resistance during rotation of the rotor.
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、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、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にそれぞれに連通し、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。 The object is to provide a rotor shaft whose upper and lower ends are vertically supported by a motor housing which is a basic structure of the present invention via bearings, a rotor which is fitted and supported on the rotor shaft and rotates together with the rotor shaft, and the motor housing. And a stator having an inner diameter surface and a small gap between the outer diameter surface of the rotor and a predetermined pitch in the circumferential direction of the outer diameter portion of the rotor. A cooling structure for an electric motor in which a plurality of permanent magnets are arranged, wherein a plurality of coolant passages formed in the vicinity of the permanent magnets of the rotor and penetrating in the axial direction and along a center line of the shaft A cooling liquid pumping passage through which the cooling liquid is pumped downward, and a lower plate is disposed in intimate contact with the lower end surface of the rotor, and a contact surface between the lower plate and the rotor end surface is A coolant connection path of the plurality of the respective communicating with the respective coolant passages of the plurality of formed in said coolant pumping passage and the rotor of Yafuto center, on the upper end face of the rotor arrangement and the upper plate closely The upper plate has a cooling liquid ejection hole that communicates with each of the plurality of cooling fluid passages and opens toward the upper coil end of the stator on the contact surface with the rotor end surface of the upper plate. It is effectively achieved by the cooling structure of the electric motor characterized by the above.
好適な態様によれば、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。
According to a preferred aspect, there is provided a cooling liquid pumping means for pumping the cooling liquid in conjunction with the rotation of the motor shaft on the upstream side of the cooling liquid pumping passage, and under the rotor in the bottom cooling liquid reservoir of the motor housing. A cooling liquid lead-out path is provided at a lower adjacent portion of the end face. The cooling liquid pumping means and the cooling liquid lead-out path are connected via a first external pipe to form a first cooling liquid circulation path, and a first heat exchanger is provided in the middle of the first external pipe. Is preferably arranged. The motor housing may further include a liquid cooling jacket. At this time, the cooling liquid inlet and the cooling liquid outlet of the liquid cooling jacket of the motor housing are connected via a second external pipe. 2 coolant circulation paths may be formed, and a coolant feed means and a second heat exchanger may be disposed in the middle of the second external pipe. It is preferable that the coolant circulating in the first coolant circulation path is oil, and the coolant circulating in the second coolant circulation path is water.
It is desirable that the electric motor having the above cooling structure be mounted on a construction machine vehicle that is frequently used on slopes.
作用効果Effect
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。   The coolant supplied to the upper portion of the rotor shaft via the motor housing by the coolant pumping means such as a gear pump connected to the rotor shaft arranged in the vertical direction passes through the axial passage provided in the rotor shaft. The axial direction liquid passage of the rotor core is passed through the lower end plate, which is pumped downward, and the communication passage of the lower plate, which is a separate member from the rotor core that is in close contact with the rotor lower end surface. It becomes the flow toward. The coolant guided upward in the axial liquid passage in the rotor core increases the pressure in the axial oil passage by the hydraulic pressure and centrifugal force according to the number of rotations of the rotor core, and the upper portion is also a separate member from the rotor core. It is ejected from the coolant ejection hole of the plate toward the upper coil end of the stator coil disposed around the upper end portion of the rotor core and the periphery thereof. The jetted coolant is applied to the upper coil end and the stator core around the coil end, and flows down over the entire length of the coil end and the stator core to collect in the lower liquid pool. By forming a communication liquid path connecting the axial passage of the rotor shaft and the axial passage of the rotor core on the close contact surface of the lower plate with the rotor core, the processing of the rotor core is simplified, and the rotor core itself is axially moved from the rotor shaft to the rotor core. It is not necessary to process the communication liquid path leading to the liquid path, and the shape of the laminated electromagnetic steel sheets can be unified.
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。   In general, the higher the flow rate, the higher the heat transfer coefficient, and the higher the heat conductivity between the coolant and the inner wall of the axial liquid path in the rotor core. In addition, when a permanent magnet is arranged in the rotor core, the permanent magnet becomes high temperature according to the load, and when it exceeds a certain temperature, it demagnetizes and deteriorates the performance of the motor. It is always necessary to cool the permanent magnet. However, since the permanent magnet in the rotor generates heat according to the load, it is not basically efficient to always flow a coolant having a constant flow rate, and the coolant in the rotor core at low speeds. If the flow velocity in the passage is lowered and the flow velocity can be increased during high rotation, it will be excellent.
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。   In the present invention, when the pressure in the axial coolant passage in the rotor core is varied according to the load so that the pressure is low during low rotation and high during high rotation, the coolant in the coolant passage The flow rate can be controlled according to the load. This effect is demonstrated over the entire length of the rotor core in the axial direction, which is at least as long as the magnet, and the rotor core's cooling capacity is greatly improved by efficient heat exchange performed at multiple locations near the permanent magnet in the circumferential direction of the rotor core. To improve.
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。   When the upper plate is arranged in close contact with the upper end of the rotor core, the coolant ejected from the coolant ejection hole formed in the upper plate is directly supplied to the coil end of the stator core by the centrifugal force of the rotor core, and the upper coil end portion Cool down. The coil end portion is usually coated with an insulating material for coil protection. In general, this insulating material is weak to heat and may be deteriorated by heat generation. However, in the present invention, the upper coil end portion is directly cooled by the cooling liquid ejected from the first plate, which is effective for coil protection. It becomes a means.
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。   The coolant sprayed from the coolant spray hole of the first plate by fluid pressure and centrifugal force is evenly distributed over the entire circumference in the radial direction of the upper surface of the stator core, and automatically flows down in the axial direction of the rotor shaft. Stored in the lower part of the housing. As a result, the stator core can be cooled evenly in the entire circumferential direction, and there is no local concentration of heat, with respect to the heat of the insulating material such as the stator coil of the stator core and a plurality of laminated steel sheets, coil enamel, varnish, and insulating paper. It is possible to sufficiently prevent the increase in electrical resistance.
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。   In the process of flowing down the cooling liquid, the cooling oil enters the minute air layer in the stator core and the motor housing and the air layer between the coils by capillary action, and cools the motor part formed in the stator motor and the motor housing. The heat resistance with the water cooling jacket is reduced, and the amount of heat exchange with the water cooling jacket is also improved.
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。   The liquid level of the cooling liquid flowing down in the motor housing and stored in the cooling liquid reservoir at the bottom is controlled by a cooling oil lead-out path provided on the inner wall of the motor housing. The second coil end is completely immersed, and the lower surface of the rotor core is set at a level that does not come into contact with the second coil end. For this reason, the second coil end can be directly cooled, and at the same time, the coolant level does not contact the rotor core, so that the coolant stored below the motor housing does not become the stirring resistance of the rotor core. .
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。   With the above action, in the present invention, it is not necessary to mold the entire stator core using a material such as a sealant having a high heat transfer rate that is normally applied to a motor, leading to a reduction in weight and cost, and The entire rotor shaft, rotor core, permanent magnet, stator core, and stator coil, which are the components in the motor housing, can be cooled uniformly and reliably, heat generation due to eddy current loss and hysteresis loss of the core, and irreversible demagnetization of the permanent magnet Can be suppressed.
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。   Further, when the motor output shaft (rotor shaft) is arranged in the vertical direction, the aspect ratio of the motor as shown in FIGS. 5 and 7, compared with the conventional horizontal arrangement method in which the output shaft is arranged horizontally. Can be greatly increased. As a result, the amount of oil that is stored in the lower part of the motor housing and cools the lower coil end portion is smaller than that in which the motor output shaft is arranged in the horizontal direction, as shown in FIGS. Further, according to the present invention, the liquid level does not reach the rotor even when the vehicle is tilted due to the arrangement feature, for example, the coolant stored in the coolant pool is It can be made not to act as stirring resistance. In addition, even if the inclination of the coolant is steep and the coolant in the coolant pool reaches the rotor, the stirring resistance is greatly reduced compared to the case where the motor is arranged in the horizontal direction, and the motor loss is also kept small. I have. Such an effect is indispensable especially for a turning motor of a construction machine vehicle.
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。   Further, when the liquid cooling jacket is provided in the motor housing, the entire electric motor can be efficiently cooled, and the motor can be downsized. Further, the first cooling fluid flowing through the liquid cooling jacket and the second cooling fluid flowing from the stator shaft to the cooling fluid reservoir are circulated, and at the same time, if a cooling oil heat exchanger is provided, the cooling efficiency is further improved. Can be increased. Preferably, water is used for the first coolant and oil is used for the second coolant. The cooling oil heat exchanger does not need to be provided outside or is not shown, and a liquid cooling jacket can also be used in the motor housing.
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。   Hereinafter, a typical embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings by using an example of an electric motor having a cooling structure mounted on a construction machine vehicle. In the following, the motor mounted on the vehicle is a motor having a rotor using a permanent magnet, but it is also effective for cooling in other motors.
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。   1 and 2 schematically show a cooling structure (system) of an electric motor according to this embodiment. This cooling system circulates a cooling oil that mainly cools a rotor, a stator coil and the like in a motor housing 1. The water cooling jacket 2 is formed in the motor housing, and the cooling water circulation passage 13 mainly for cooling the stator core is configured.
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。   The electric motor shown in the longitudinal sectional view of FIG. 1 includes a permanent magnet synchronous motor whose drive is controlled by a control unit (not shown). It has a function of supplying the output rotational energy to the vehicle power transmission device 15. The electric motor of the present invention is installed in a vehicle or the like with the output shaft directed in the vertical direction. The electric motor according to this embodiment includes a motor housing 1, bearings 6 attached to the ceiling 1 b and the bottom 1 c of the motor housing 1, and rotation that is supported by the bearing 6 and protrudes from one end of the motor housing 1 to the outside. A free rotor shaft 5, a rotor core 4 that is fitted to the rotor shaft 5 and rotates integrally with the rotor shaft, and an outer diameter surface of the rotor core 4 are arranged with a small gap between them, and the motor housing 1 And a stator core 3 fixed to the inner wall surface of the cylindrical portion 1a.
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。   A stator coil 16 is wound around a stator pole (magnetic pole) 3 a formed on the inner diameter surface of the stator core 3, and upper and lower coil ends 16 a and 16 b that are turned-up ends protrude outward in the axial direction of the stator core 3. A first axial cooling oil passage 32 extending in the axial direction from the upper end to the lower end position of the rotor core 4 is formed at the center of the rotor shaft 5, and the upper end extends in the radial direction and opens into the motor housing 1. The directional cooling oil passage 17 is in communication. In addition, at the terminal portion of the first axial cooling oil passage 32 of the rotor shaft 5, four second radial directions that communicate with the coaxial cooling oil passage 32 and extend in the radial direction and open to the shaft peripheral surface. The cooling oil passage 31 is formed on the same diameter with a phase of 90 °.
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。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of an electric motor having a specific cooling structure with cooling oil that mainly cools a stator coil or the like in the motor housing, and FIG. 3 is an enlarged view of a part of FIG. Yes.
Also in the illustrated example, as described above, the rotor shaft 5 that also serves as the output shaft of the electric motor 12 that is also a part of the feature of the present invention is disposed vertically, and both upper and lower ends thereof are attached to the motor housing 1 via the bearings 6. It is rotatably supported. The rotor core 4 is non-rotatably fitted to the rotor shaft 5, and a predetermined number of permanent magnets 22 are embedded and integrated in the circumferential direction inside the rotor core 4. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the number of permanent magnets 22 is eight, and the shape thereof has a character-like cross section with a ridge line toward the rotor shaft 5, and the axis of the rotor shaft 5. The thin plate magnets extend in parallel to each other and bend in the width direction in two, and are arranged at the same pitch in the circumferential direction of the rotor core 4. The rotor core 4 has a cylindrical shape in which a large number of iron cores made of electromagnetic steel plates are laminated in the axial direction and integrated by thermocompression bonding or the like, and extends in the axial direction at a portion adjacent to the inner diameter side of each permanent magnet 22. A second axial cooling oil passage 29 is formed penetrating vertically. A gear pump 7 that detects the magnetic pole position amount from the rotation of the rotor shaft 5 is directly connected to the upper end of the rotor shaft 5.
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。   The stator core 3 has a cylindrical shape, and is fixed to the cylindrical portion 1a of the motor housing 1 so as to prevent the outer periphery from rotating. The inner diameter surface of the stator core 3 is opposed to the outer diameter surface of the rotor core 4 with a small gap. Similarly to the rotor core 4, the stator core 3 is also formed by laminating a large number of iron cores made of electromagnetic steel plates in the axial direction and integrated by thermocompression bonding or the like. Rib-shaped stator poles 4a project from the outer periphery of the stator core 4 at equal intervals in the circumferential direction, and a stator coil 16 is wound around the stator pole 4a according to a standard method. At this time, the upper and lower coil ends 16 a and 16 b, which are the folded ends in the axial direction of the stator coil 16, protrude vertically from the upper and lower end surfaces of the stator core 3. On both axial end surfaces of the rotor core 4, a plurality of permanent magnets 22 are positioned in the axial direction, and upper and lower plates 27a and 27b in the form of donut discs sandwiching the electromagnetic steel plates constituting the rotor core 4 are provided. The rotor shaft 5 is tightly fitted and fixed via shaft fitting insertion holes 27a-1 and 27b-1 formed in the respective central portions.
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。
5 and 6 show the plates 27a and 27b arranged on the upper and lower parts.
The close surface of the upper plate 27a with the rotor core 4 has a width from the center shaft insertion hole 27a-1 to a portion corresponding to the terminal position of the groove 28 of the lower plate 27b, and the upper end of the rotor core 4 is fitted. A circumferential groove 30a to be worn is formed, and eight cooling oil ejection holes 30 penetrate through a position corresponding to the second axial direction cooling oil passage 29 of the rotor core 4 inside the circumferential groove 30a. Is formed. That is, these cooling oil ejection holes 30 of the upper plate 27a are formed at the same diameter positions as the terminal positions of the grooves 28 of the lower plate 27b.
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。   As shown in FIG. 5, a contact oil passage extending from the shaft fitting hole 27 b-1 to the opening position of the second axial cooling oil passage 29 of the rotor core 4 is provided on the close contact surface of the lower plate 27 b with the rotor core 4. Eight grooves 28 constituting the part are formed radially at equal intervals. These grooves 28 are connected to each other by a circumferential groove 28a on the inner circumferential side, and the opening end of the second radial cooling oil passage 31 formed in the lower portion of the rotor shaft 5 described above is the circumferential groove 28a. Communicate with.
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。   In the cooling circuit in the electric motor according to the present embodiment, the cooling oil introduced into the first axial cooling oil passage 32 formed in the rotor shaft 5 actively sent from the pressure feeding means such as the gear pump 7 is the first The second radial cooling oil passage 31 communicating with the lower end of the axial cooling oil passage 32 is pressure-fed, and radially inward of the permanent magnet 22 in the rotor core 4 through eight grooves 28 formed in the lower plate 27b. Through the formed second axial cooling oil passage 29 penetrating in the axial direction, it is ejected vigorously from the eight coolant ejection holes 30 formed in the upper plate 27a. On the other hand, from the first radial cooling oil passage 17 formed at the upper end portion of the rotor shaft 5, a part of the cooling oil introduced into the first axial cooling oil passage 32 of the rotor shaft 5 is part of the motor housing 1. To the inside. The gear pump is linked to the rotor shaft 5 and can supply the cooling oil to the first axial direction cooling oil passage 32 of the rotor shaft 5 at a flow rate corresponding to the rotational speed of the rotor shaft 5. Enables efficient cooling at high revolutions. In addition, while not connecting with the rotor shaft 5 like the said gear pump 7, while installing the pumping apparatus of a cooling fluid outside, control of the pumping apparatus can also be performed by an external control apparatus.
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。   The cooling oil ejected from the cooling oil ejection hole 30 of the upper plate 27a is exposed to the exposed surface of the upper coil end 16a of the stator coil 16 wound around the stator core 3 that receives the centrifugal force due to the rotation of the rotor core 4 and projects in the vicinity. The entire surface is sprayed for efficient cooling. At the same time, the cooling oil is applied to the components existing around the upper coil end 16a to be cooled. On the other hand, the cooling oil discharged into the motor housing 1 from the first radial cooling oil passage 17 formed at the upper end portion of the rotor shaft 5 is a component such as a bearing 6 a disposed around the upper portion of the rotor shaft 5. And cools down the upper coil end 16a and promotes cooling of the coil end 16a.
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。   The cooling oil that has cooled the upper coil end 16a flows down the inner diameter surface of the stator core 3 and the gap between the stator coils 16 due to gravity and cools the entire stator coil 16 while cooling oil pools on the bottom 1c of the motor housing 1 below. 34 forms and accumulates. When the motor is driven, the lower coil end 16b of the stator coil 16 projecting downward from the lower end of the stator core 3 is immersed in the cooling oil reservoir 34. Therefore, the lower coil end 16b is always in contact with the cooling oil and cooled during driving. Do it efficiently. Although not shown in the present embodiment, a thin groove extending vertically along the axial direction is formed at the bottom of the slot between the inner wall surface of the cylindrical portion of the motor housing 1 and the stator pole 4a of the stator core 4. Helps the oil flow down. At the lower ends of the motor housing 1 and the stator core 3, a cooling oil lead-out path 18 that manages the oil level of the cooling oil reservoir 34 at a constant level and guides the cooling oil to the external cooling oil circulation path 13 is formed. As described above, the cooling oil lead-out path 18 is formed in a portion where only the lower coil end 16b of the stator coil 16 is immersed and the lower surface of the rotor core 4 is not in contact with the oil surface.
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。   The cooling oil stored in the cooling oil reservoir 34 at the bottom of the motor housing 1 does not rise beyond the discharge port of the cooling oil lead-out path 18, and the maximum liquid level can be set. However, the rotation resistance of the rotor core 4 does not become a stirring resistance, and as a result, the required output as the electric motor is always exhibited in combination with the efficient cooling by the above-described cooling structure. Further, by arranging the rotor shaft 5 of the electric motor in the vertical direction, the aspect ratio of the motor can be increased as shown in FIG. 7 as compared with the conventional horizontal arrangement type shown in FIG. As a result, the amount of oil that is stored in the bottom of the motor housing 1 and cools the lower coil end portion is smaller than that in the case where the output shaft of the motor shown in FIG.
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。   Further, due to this arrangement feature, even if the slope is steep, such as an inclined ground, and the cooling oil in the cooling oil reservoir 34 reaches the rotor core 4, the magnitude of the stirring resistance is the same as that of the motor shown in FIG. Compared with the case where it arrange | positions in FIG. 8, it becomes very small so that FIG. 8 may show, and motor loss can also be suppressed small. Such an effect is indispensable for a construction machine vehicle, which has a lot of work on an inclined land, and particularly for its turning motor. Furthermore, ancillary equipment such as an oil level detection sensor as in the horizontal arrangement method is not required.
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。   The motor housing 1 of the electric motor has a double structure, and a cooling water passage provided mainly for cooling the stator core 3 is formed inside the motor housing 1 to constitute a water cooling jacket 2. The motor housing 1 is formed of a material having good thermal conductivity, for example, an aluminum alloy, and the cooling circulating water is passed through the water cooling jacket 2 so that the cooling circulating water receives heat generated in the stator core 3 and dissipates it to the outside. Functions as a heat exchanger. Although not shown, a plurality of cooling fins or partition walls are provided inside the water cooling jacket 2 in order to increase the contact area of the cooling water. In the present embodiment, the water cooling jacket 2 is provided in the motor housing 1, but it is also effective to attach the water cooling jacket 2 to the outside of the motor housing 1.
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。   A cooling water inlet 20 and a cooling water outlet 21 are formed in the motor housing 1, and the cooling water inlet 20 and the cooling water outlet 21 are connected by an external pipe to form a cooling water circulation path. As shown in FIG. 1, a cooling water pump 8 for circulating the cooling water and a cooling water heat exchanger 10 including a fan 9 for exchanging heat of the circulating cooling water are connected in the middle of the pipe. Thus, an active cooling water circulation path 13 is formed. In the present embodiment, the cooling oil heat exchanger 11 is also provided in the cooling oil circulation path 14 for cooling inside the motor as described above. However, the cooling oil heat exchanger 11 is not provided, and the motor is not provided. A part of the cooling oil circulation path 14 may be built in the water cooling jacket 2 of the housing 1, and heat exchange of the cooling oil may be performed by the water cooling jacket 2. In this case, the cooling oil that has entered the gaps in the coil 16 lowers the thermal resistance with the water-cooling jacket, thereby protecting the surface insulating material of the stator coil, such as enamel, varnish, and insulating paper, from heat. Suppresses the increase in electrical resistance. In addition, the cooling oil ejected from the cooling oil ejection hole 30 at the upper end through the second axial cooling oil passage 29 formed in the rotor core 4 also enters between the stator core 3 and the water cooling jacket 2 to reduce the thermal resistance. Lower the cooling capacity further.
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。1 is a longitudinal sectional view schematically showing a cooling structure of an electric motor according to a representative embodiment of the present invention. 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。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the specific structure of the electric motor provided with the said cooling structure. 図2に矢印Aで示す部分の拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a portion indicated by an arrow A in FIG. 2. 図1のIV-IV 線に沿った矢視断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 1. 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It is a perspective view of the lower plate which is a part of structural member of a cooling structure 同上部プレートの斜視図である。It is a perspective view of the same upper plate. 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。It is explanatory drawing which shows typically the installation form of the electric motor of the vertical arrangement system of this invention. 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。It is explanatory drawing which shows the state of the cooling fluid of a cooling oil pool when the electric motor is inclined. 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。It is explanatory drawing which shows typically the installation form of the conventional horizontal arrangement type electric motor. 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。It is explanatory drawing which shows the state of the cooling fluid of a cooling oil pool when the electric motor is inclined. 従来の電動モータの冷却構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the cooling structure of the conventional electric motor. 同電動モータの内部構成部材の組立図である。It is an assembly drawing of the internal structural member of the same electric motor.
符号の説明Explanation of symbols
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Motor housing 1a (Vertical) Cylindrical part 1b Ceiling part 1c Bottom part 2 Water cooling jacket 3 Stator core 3a Stator pole 4 Rotor core 5 Rotor shafts 6, 6a, 6b Bearing 7 Gear pump 8 Cooling water pump 9 Cooling fan 10 Cooling water heat exchanger 11 Cooling oil heat exchanger 12 Electric motor 13 Cooling water circulation path 14 Cooling oil circulation path 15 Power transmission device 16 for vehicle Stator coil 16a Upper coil end 16b Lower coil end 17 First radial cooling oil path 18 Cooling oil outlet 20 Cooling Water inlet 21 Cooling water outlet 22 Permanent magnet 23 Stator coil 24 Stator 27a Upper plate 27a-1 Shaft fitting insertion hole 27b Lower plate 27b-1 Shaft fitting insertion hole 28 Communication oil passage 28a Circumferential groove 29 Second axial cooling oil Passage 30 Cooling oil injection hole 30a Circumferential groove 31 Second diameter Countercurrent cooling oil passage 32 first axial cooling oil passage 34 cooling oil reservoir

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、
    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、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にそれぞれに連通し、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と、
    を有してなることを特徴とする電動機の冷却構造。
    A rotor shaft whose upper and lower ends are vertically supported by a motor housing via bearings, a rotor which is fitted and supported on the rotor shaft and rotates together with the rotor shaft, and is fixed to an inner wall portion of the motor housing. A cooling structure for an electric motor comprising an outer diameter surface of the rotor and a stator arranged with a small gap therebetween,
    A plurality of coolant passages formed in the vicinity of the permanent magnet of the rotor and penetrating in the axial direction;
    A coolant pumping passage through which coolant is pumped from above to below along the center line of the shaft;
    A lower plate is disposed in intimate contact with the lower end surface of the rotor, and a plurality of cooling liquids formed in the rotor at the contact surface with the rotor end surface of the lower plate and the coolant pumping passage at the center of the shaft. A plurality of coolant connection passages respectively communicating with the passages;
    An upper plate is disposed in intimate contact with the upper end surface of the rotor, and a contact surface with the rotor end surface of the upper plate communicates with the plurality of coolant passages, respectively, toward the upper coil end of the stator. A coolant jet opening that opens,
    A cooling structure for an electric motor, comprising:
  2. 前記冷却圧送通路の上流側に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に冷却液溜りを有してなる請求項1記載の冷却構造。The cooling structure according to claim 1, further comprising a cooling liquid pumping unit that pumps the cooling liquid upstream of the cooling pumping passage, and a cooling liquid reservoir at the bottom of the motor housing.
  3. 前記冷却液溜りに貯留される冷却液の液面レベルは、ステータコアの下部の第2コイルエンドは浸漬するが、ロータコアの下面を接触させないレベルに設定されてなる請求項2記載の冷却構造。The cooling structure according to claim 2, wherein the liquid level of the cooling liquid stored in the cooling liquid reservoir is set to a level at which the second coil end below the stator core is immersed but the lower surface of the rotor core is not in contact.
  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。   The cooling structure according to any one of claims 1 to 3, wherein a plurality of permanent magnets are arranged at a required pitch in a circumferential direction of the outer diameter portion of the rotor.
  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。   The cooling structure according to claim 1, wherein the motor housing further includes a liquid cooling jacket.
  6. 前記冷却液圧送手段と冷却液を外部の冷却用循環路に導く冷却液導出路とが、第1の外部配管を介して接続されてなる第1の冷却液循環路を有してなる請求項1〜5のいずれかThe cooling liquid pumping means and a cooling liquid lead-out path that guides the cooling liquid to an external cooling circulation path have a first cooling liquid circulation path that is connected via a first external pipe. Any one of 1-5
    に記載の冷却構造。The cooling structure as described in.
  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と第2の熱交換器とが配されてなる請求項6記載の冷却構造。 A cooling liquid inlet and a cooling liquid outlet of the liquid cooling jacket of the motor housing are connected via a second external pipe to form a second cooling liquid circulation path, and cooling is provided in the middle of the second external pipe. liquid feeding means and the cooling structure according to claim 6 Symbol mounting comprising a second heat exchanger is disposed.
  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。   The cooling structure according to claim 7, wherein the coolant circulating in the first coolant circulation path is oil, and the coolant circulating in the second coolant circulation path is water.
  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。   A construction machine vehicle on which the electric motor having the cooling structure according to claim 1 is mounted.
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