JP5547783B2 - 電動モータおよびその冷却水回路 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータおよびその冷却水回路に係り、例えばハイブリッド型の建設機械に搭載される電動モータおよびその冷却水回路に関する。

従来、ハイブリッド型の建設機械として、ブーム、アーム、バケットを備えた作業機を油圧アクチュエータにて駆動するとともに、上部旋回体を電動モータにて駆動する電動旋回ショベルが知られている。このような電動旋回ショベルに搭載される電動モータは、ハウジング内に収容されたロータの軸線が鉛直となるよう、縦置きに配置されている。電動モータでは、ロータを支持する軸受やステータ等が冷却油で冷却される。

また、電動モータの円筒状のハウジングの周壁内には、ウォータジャケットが設けられている。ウォータジャケット内の冷却水路を流れる冷却水により、ハウジングの内面を伝い落ちる冷却油や、内面に密着して配置されたステータコア等が冷却される（例えば、特許文献１参照）。ウォータジャケットの冷却水路は、周方向に連続しつつ、上下に蛇行した構造である。この構造によってハウジング全体が満遍なく冷却される。冷却水路を流れる冷却水は、電動モータの他、インバータやキャパシタにも供給され、それらのハイブリッド機器間を循環する。冷却水はまた、定期的に交換することが要求される。

特開２０１２−００５２８９号公報

しかしながら、ウォータジャケットの冷却水路が上下に蛇行しているため、冷却水を交換する際に冷却水流出ポートを開放させても、冷却水路の谷間部分に冷却水が残ってしまい、この残った冷却水を抜くことができないという問題がある。

本発明の目的は、上下に蛇行した冷却水路内の冷却水をより多く排出できる電動モータおよび電動モータの冷却水回路を提供することにある。

第１発明に係る冷却水回路は、ロータのロータシャフトが鉛直となるよう縦置きされる電動モータの冷却水回路であって、前記電動モータのハウジングの筒状の周壁内を上下に蛇行しながら通って周方向に連続した第１冷却水路と、上下に蛇行した前記第１冷却水路の複数の谷間部分の下部側同士を周方向に連通させる第２冷却水路と、前記電動モータの下部側に設けられるとともに、一端側が前記第１冷却水路の谷間部分または前記第２冷却水路に接続され、他端側が外部に開放されるドレン流路とを備え、前記ハウジングは、前記周壁を有する筒状の本体部と、前記本体部の上側の開口部分を塞ぐ天井部と、前記本体部の下面に接続される上面を有して前記本体部の下側の開口部分を塞ぐ底部とを備え、前記第１冷却水路は、前記本体部に設けられてその一部が当該本体部を上下に貫通しており、前記第２冷却水路は、前記底部の前記上面の前記第１冷却水路に対応した位置に上方に開口した溝として設けられることを特徴とする。

第２発明に係る冷却水回路では、前記第２冷却水路は、前記底部の周方向に沿って連続した環状に設けられることを特徴とする。
第３発明に係る冷却水回路では、前記第２冷却水路は、前記底部の周方向に沿って不連続に複数配置されることを特徴とする。

第４発明に係る冷却水回路では、前記第１冷却水路は、前記本体部に設けられて当該本体部を上下に貫通する複数の鉛直路と、前記本体部の上方に開口し、かつ前記鉛直流路の上側同士を連通させる上側水平路と、前記本体部の下方に開口し、かつ前記鉛直流路の下側同士を連通させる下側水平路とを備え、前記上側水平路および前記下側水平路は、前記周方向で交互に設けられ、前記第２冷却水路は、前記底部の周方向に沿って連続した環状に設けられて前記下側水平路同士を前記周方向に連通させることを特徴とする。

第５発明に係る電動モータは、ロータのロータシャフトが鉛直となるよう縦置きされる電動モータであって、冷却水が流通する冷却水回路が設けられ、前記冷却水回路は、前記電動モータのハウジングの筒状の周壁内を通って上下に蛇行しながら周方向に連続した第１冷却水路と、上下に蛇行した前記第１冷却水路の複数の谷間部分の下部側同士を周方向に連通させる第２冷却水路と、前記電動モータの下部側に設けられるとともに、一端側が前記第１冷却水路の谷間部分または前記第２冷却水路に接続され、他端側が外部に開放されるドレン流路とを備え、前記ハウジングは、前記周壁を有する筒状の本体部と、前記本体部の上側の開口部分を塞ぐ天井部と、前記本体部の下面に接続される上面を有して前記本体部の下側の開口部分を塞ぐ底部とを備え、前記第１冷却水路は、前記本体部に設けられてその一部が当該本体部を上下に貫通しており、前記第２冷却水路は、前記底部の前記上面の前記第１冷却水路に対応した位置に上方に開口した溝として設けられることを特徴とする。

第１発明および第５発明によれば、上下に蛇行する第１冷却水路の谷間部分同士を第２冷却水路で連通させ、この第２冷却水路にドレン流路が接続されているので、従来そのような谷間部分に残ってしまっていた冷却水を、本発明では第２冷却水路を通して確実にドレン流路に導くことができ、ドレン流路を介して冷却水をより多く排出できる。

第１発明によれば、第２冷却水路としては、底部の上面への機械加工等により上方に開口した溝を設ければよく、加工を容易にできる。
第２、第４発明によれば、第２冷却水路が環状とされて周方向に連続するから、冷却水回路内の冷却水を１つのドレン流路を通して確実に排水できるうえ、機械加工により第２冷却水路を設ける場合に、切削工具を上面から離すことなく一気に加工でき、加工に必要な制御プログラムを簡素化できる。
第３発明によれば、複数の第２冷却水路が不連続に並設されるから、余計な部分の加工を不要にでき、加工時間を短縮できる。

本発明の一実施形態に係る電動モータを示す正面図。 電動モータの平面図。 電動モータの断面図であり、図２の矢印III-IIIから見た断面図。 電動モータの冷却水路を模式的に示す展開図。 冷却水路の第１変形例を示す展開図。 冷却水路の第２変形例を示す展開図。 冷却水路の第３変形例を示す展開図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３には、本実施形態の電動モータ１の正面図、平面図、および断面図が示されている。
図１〜図３において、電動モータ１は、ハイブリッド型の電動旋回ショベルに搭載されるものであり、電動旋回ショベルの上部旋回体を駆動する電動旋回モータとして構成されている。

具体的に電動モータ１は、内部に収容空間を有するハウジング６と、ハウジング６の収容空間内に設けられた上下一対の軸受７と、軸受７を介してハウジング６に回転自在に支持されたロータ８と、ロータ８の外周を覆ってハウジング６の内面に固定されたステータ９とを備える。

ハウジング６は、筒状の本体部６１と、本体部６１の上側の開口部分を塞ぐ天井部６２と、天井部６２上に設けられた冷却油導入部６３と、本体部６１の下側の開口部分を塞ぐ底部６５とを備える。

ロータ８は、ロータシャフト８１、ロータコア８２、上部プレート８３、および下部プレート８４を備える。ロータシャフト８１は、両端が軸受７によって回転自在に支持されている。ロータコア８２は、電磁鋼板を軸方向に積層した構成であり、ロータシャフト８１に嵌合されてロータシャフト８１と一体になって回転する。ロータコア８２には、図示しない複数の永久磁石が埋設されている。上部プレート８３および下部プレート８４は、ロータシャフト８１に嵌合されてロータコア８２を挟持し、ロータシャフト８１およびロータコア８２と一体になって回転する。

ステータ９は、筒状のステータコア９１およびステータコイル９２を備える。ステータコア９１は、ロータコア８２と同様に、電磁鋼板を軸方向に積層した構成である。ステータコア９１には、内周側に図示しないヨークが設けられ、ヨークにステータコイル９２が巻装されている。

このような電動モータ１は、内部に設けられたロータ８等の部材を冷却油により冷却する冷却油回路２と、冷却水を用いて外周より冷却する冷却水回路３とを備える。つまり、本実施形態では、この冷却水回路３が、本発明の冷却水回路である。

冷却油回路２は、冷却油導入部６３に設けられた冷却油流入ポート２１と、冷却油流入ポート２１に連通し、冷却油を電動モータ１内に導入する導入通路２２と、天井部６２内にてロータ８の上端側を支持する支持部材６４に設けられた接続通路２３と、ロータシャフト８１に設けられた逆Ｔ字形状のシャフト側通路２４と、下部プレート８４に設けられた溝部２５と、ロータコア８２に設けられた貫通路２６と、上部プレート８３に設けられた冷却油噴出孔２７と、導入通路２２と天井部６２の上側の軸受７を保持する部分とを連通させる図示しない鉛直な軸受冷却用通路と、底部６５に設けられた油溜り部６５１に連通した図示略の冷却油流出通路と、冷却用流出通路に接続された冷却油流出ポートとより構成されている。

以上のような構成の冷却油回路２において、油圧ポンプより供給された冷却油は、冷却油流入ポート２１から導入通路２２に流入する。導入通路２２に流入した冷却油は、接続通路２３と軸受冷却用通路（不図示）とに分流する。軸受冷却用通路に流れ込んだ冷却油は、上側の軸受７の外輪部分に流れで出て軸受７を潤滑、冷却する。

また、接続通路２３に流れ込んだ冷却油は、ロータシャフト８１のシャフト側通路２４に流れ込む。冷却油は、シャフト側通路２４の下端部に達すると、下部プレート８４の溝部２５、およびロータコア８２の貫通路２６を通って、ロータ８を冷却する。貫通路２６を通った冷却油は、冷却油噴出孔２７から本体部６１内に噴出し、ステータコイル９２を冷却しながら底部６５に向けて落ちてゆき、下側の軸受７を潤滑、冷却する。

底部６５に設けられた油溜り部６５１に達した冷却油は、冷却油流出通路に流れ込み、流出側フィルタで濾過されて冷却油流出ポートから流出する。冷却油流出ポートから流出した冷却油は、熱交換機器で冷却された後、油圧ポンプに送られ、油圧ポンプによって再び電動モータ１に送られる。

一方、冷却水回路３は、ハウジング６の本体部６１に設けられた冷却水流入ポート３１および冷却水流出ポート３２（共に図１をも参照）と、本体部６１の周壁に設けられたウォータジャケット６１１内の第１冷却水路３３と、底部６５の上面に設けられた第２冷却水路３４と、第２冷却水路３４と外部とを連通させるドレン流路３５と、ドレン流路３５に接続されたドレンポート３６とを備え、第１冷却水路３３と冷却水流入ポート３１および冷却水流出ポート３２とが本体部６１の上部側で連通している。

ここで、本体部６１の下端に設けられたフランジ部分には、環状のシール溝６１２が設けられている。シール溝６１２内には、対向する底部６５の上面と密着する環状シール６６が嵌め込まれている。また、底部６５には、本体部６１の下部側の内面と近接対向する環状のリブ６５２が設けられている。リブ６５２の外面には、シール溝６５３が設けられている。シール溝６５３には、対向する本体部６１の内面と密着する環状シール６７が嵌め込まれている。これらの環状シール６６，６７により、本体部６１および底部６５の接合面から冷却水が漏れ出すのを防止している。

図４は、ハウジング６および冷却水回路３を断面して模式的に示す展開図である。
図４において、第１冷却水路３３は、周方向に所定の長さで連続しており、図示を省略するが、その一端側に冷却水流入ポート３１が接続され、他端側に冷却水流出ポート３２が接続されている。第１冷却水路３３はまた、それぞれ複数の鉛直路３３Ａ、上側水平路３３Ｂ、および下側水平路３３Ｃにて構成され、上下に蛇行している。

第１冷却水路３３が蛇行していることで本体部６１内には、ウォータジャケット６１１が設けられていない矩形状の流路壁６１３が存在する。流路壁６１３としては、上端が本体部６１の上面と面一とされ、下端が下側水平路３３Ｃに臨む上側流路壁６１３Ａと、上端が上側水平路３３Ｂに臨み、下端が本体部６１の下面と面一とされた下側流路壁６１３Ｂとがある。上側流路壁６１３Ａおよび下側流路壁６１３は、本体部６１の周方向において交互に配置されることとなる。

鉛直路３３Ａは、本体部６１の鋳造時に中子を用いること等により、本体部６１を上下に貫通して形成されている。上側水平路３３Ｂは、隣接する鉛直路３３Ａの上側同士を機械加工あるいは鋳造時の鋳型等によって連通させることで形成され、本体部６１の上方に開口している。下側水平路３３Ｃは、隣接する鉛直路３３Ａの下側同士を機械加工あるいは鋳造時の鋳型等によって連通させることで形成され、本体部６１の下方に開口している。各水平路３３Ｂ，３３Ｃは、本体部６１の周方向で交互に設けられている。そして、水平路３３Ｃおよびその両側の鉛直路３３Ａにより、凹状の谷間部分が形成されている。

図４において、鉛直路３３Ａ、上側水平路３３Ｂ、および下側水平路３３Ｃは、その流路断面積の大きさが略等しく、かつ流路形状が直線状に描かれているが、具体的な流路断面積の大きさや流路形状は、本体部６１内に積極的に冷却したい部位がある場合など、そのような部位の位置を勘案した任意の態様としてよい。

第２冷却水路３４は、底部６５の周方向に沿って連続した環状で上方に開口した溝として、機械加工等により設けられている（図２中の点線をも参照）。第２冷却水路３４の位置は、第１冷却水路３３が設けられた位置に対応している。本体部６１に底部６５を取り付けることで、第１冷却水路３３の複数の谷間部分の下部側同士が第２冷却水路３４を通して周方向に連通する。

第２冷却水路３４の幅寸法は、第１冷却水路３３の幅寸法と略同じである。しかし、第２冷却水路３４の流路断面積は、第１冷却水路３３の流路断面積よりも格段に小さい。通常の冷却時のように、冷却水回路３内を冷却水が流れる際には、流路断面積の小さい第２冷却水路３４の流路抵抗が大きいため、大部分の冷却水が第１冷却水路３３を流れる。第１冷却水路３３側を十分な流量の冷却水が流れることで、電動モータ１が確実に冷却される。このように、第１、第２冷却水路３３，３４の流路断面積は、電動モータ１の冷却性能が維持されるように設定されている。

第２冷却水路３４の所定位置には、一旦下方に向かい、そこから径方向の外方側に向かって延びたドレン流路３５が設けられている。このドレン流路３５に接続されたドレンポート３６が底部６５の側面から突設されている。ドレンポート３６は、電動モータ１の冷却時に閉塞され、水抜き時に開放される。

このような第２冷却水路３４が設けられていることにより、第１冷却水路３３の下側水平路３３Ｃ同士が下側流路壁６１３Ｂの下方を通して連通している。従って、冷却水回路３内の冷却水を抜く場合には、隣り合う下側流路壁６１３Ｂの間の谷間部分に冷却水が残り難く、冷却水は第２冷却水路３４からドレン流路３５およびドレンポート３６を通して外部に良好に排出される。

以上のような構成の冷却水回路３において、冷却水流入ポート３１より供給された冷却水は、主にウォータジャケット６１１内の第１冷却水路３３を通して、冷却水流出ポート３２に向けて周壁内を上下に蛇行しながら流れ、本体部６１の内面に取り付けられたステータコア９１および内面を伝い落ちる冷却油を冷却する。冷却水はまた、第１冷却水路３３を流れながら第２冷却水路３４を流れる。第２冷却水路３４を流れる冷却水の流量は僅かであり、本体部内の部材や冷却油の冷却性能が低下することはない。

電動モータ１のメンテナンス時に冷却水回路３から冷却水を抜くときには、ドレンポート３６を開放する。冷却水回路３内の冷却水は、第２冷却水路３４、ドレン流路３５、およびドレンポート３６を通して排出される。この際には、従来、蛇行する冷却水路の谷間分部に残っていた冷却水も、第２冷却水路３４を通してドレン流路３５に導かれ、ドレンポート３６から確実に排出される。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、冷却水回路３の第２冷却水路３４として、周方向に連続した環状として説明したが、図５に第１変形例として示すように、第２冷却水路３４を下側流路壁６１３Ｂに対応した位置にのみ設けてもよい。このような場合には、複数の第２冷却水路３４が周方向に沿って不連続に配置される。個々の第２冷却水路３４の長さは、下側流路壁６１３Ｂの周方向の長さ寸法よりも大きく、第２冷却水路３４の両側が下側流路壁６１３Ｂを越えて下側水平路３３Ｃに開口している。これにより、下側流路壁６１３Ｂを挟んで第１冷却水路３３の谷間部分同士が連通する。

また、図６に第２変形例として示すように、第２冷却水路３４を本体部６１の下部側に設けてもよい。この場合の第２冷却水路３４は、下側流路壁６１３Ｂの下端を所定の高さ（深さ）にわたって機械加工による切削あるいは鋳造時の鋳型等により設けられている。このような構成でも、第１冷却水路３３の谷間部分同士を連通させることができる。

前記実施形態では、冷却水流入ポート３１および冷却水流出ポート３２は、同じ高さ位置に設けられていたが、図７に第３変形例として示すように、少なくとも冷却水流出ポート３２を本体部６１の下部側、すなわち、第１冷却水路３３の谷間部分に接続されるように設けてもよい。そして、このような冷却水流出ポート３２でドレンポートを兼用させてもよい。また、この場合では、本体部６１の周壁に穿設されて冷却水流出ポート３２が接続される孔が本発明のドレン流路を形成することになる。

なお、図７では、各ポート３１，３２の近傍にある上側流路壁６１３Ａと下側流路壁６１３Ｂとの間を壁部により連続させ、それら全体を隔壁として機能させている。この隔壁にて各ポート３１，３２を隔離することで、冷却水流入ポート３１から流入した冷却水に対して、冷却水流出ポート３２に向かわせる流れを生じさせている。図示を省略したが、前記実施形態および第１、第２変形例でも同様である。

また、図７の第３本変形例では、第２変形例（図６）と同様、第２冷却水路３４を本体部６１側に設けた例で描かれているが、冷却水流出ポートでドレンポートを兼用させる場合でも、第２冷却水路３４としては、前記実施形態（図４）および第１変形例（図５）のように、底部６５側に設けた場合であってもよい。

そして、冷却水流出ポートでドレンポートを兼用させる場合にあっては、冷却水流出ポートを本体部でなく、底部に設けてもよい。ただし、流路断面積が小さい第２冷却水路が冷却水の循環を妨げないようにするため、第２冷却水路と冷却水流出ポートとの連通部分の流路断面積を拡張しておく必要がある。

本発明は、建設機械の電動モータの冷却回路に利用できる他、産業機械や産業車両に用いられる電動モータの冷却回路にも利用にも利用できる。

１…電動モータ、３…冷却水回路、６…ハウジング、８…ロータ、３３…第１冷却水路、３３Ａ…鉛直路、３３Ｂ…上側水平路、３３Ｃ…下側水平路、３４…第２冷却水路、３５…ドレン流路、６１…本体部、６２…天井部、６５…底部、８１…ロータシャフト。

Claims (5)

1. ロータのロータシャフトが鉛直となるよう縦置きされる電動モータの冷却水回路であって、
   前記電動モータのハウジングの筒状の周壁内を通って上下に蛇行しながら周方向に連続した第１冷却水路と、
   上下に蛇行した前記第１冷却水路の複数の谷間部分の下部側同士を周方向に連通させる第２冷却水路と、
   前記電動モータの下部側に設けられるとともに、一端側が前記第１冷却水路の谷間部分または前記第２冷却水路に接続され、他端側が外部に開放されるドレン流路とを備え、
   前記ハウジングは、前記周壁を有する筒状の本体部と、前記本体部の上側の開口部分を塞ぐ天井部と、前記本体部の下面に接続される上面を有して前記本体部の下側の開口部分を塞ぐ底部とを備え、
   前記第１冷却水路は、前記本体部に設けられてその一部が当該本体部を上下に貫通しており、
   前記第２冷却水路は、前記底部の前記上面の前記第１冷却水路に対応した位置に上方に開口した溝として設けられる
   ことを特徴とする電動モータの冷却水回路。
2. 請求項１に記載の電動モータの冷却水回路において、
   前記第２冷却水路は、前記底部の周方向に沿って連続した環状に設けられる
   ことを特徴とする電動モータの冷却水回路。
3. 請求項１に記載の電動モータの冷却水回路において、
   前記第２冷却水路は、前記底部の周方向に沿って不連続に複数配置される
   ことを特徴とする電動モータの冷却水回路。
4. 請求項１に記載の電動モータの冷却水回路において、
   前記第１冷却水路は、前記本体部に設けられて当該本体部を上下に貫通する複数の鉛直路と、前記本体部の上方に開口し、かつ前記鉛直流路の上側同士を連通させる上側水平路と、前記本体部の下方に開口し、かつ前記鉛直流路の下側同士を連通させる下側水平路とを備え、
   前記上側水平路および前記下側水平路は、前記周方向で交互に設けられ、
   前記第２冷却水路は、前記底部の周方向に沿って連続した環状に設けられて前記下側水平路同士を前記周方向に連通させる
   ことを特徴とする電動モータの冷却水回路。
5. ロータのロータシャフトが鉛直となるよう縦置きされる電動モータであって、
   冷却水が流通する冷却水回路が設けられ、
   前記冷却水回路は、
   前記電動モータのハウジングの筒状の周壁内を通って上下に蛇行しながら周方向に連続した第１冷却水路と、
   上下に蛇行した前記第１冷却水路の複数の谷間部分の下部側同士を周方向に連通させる第２冷却水路と、
   前記電動モータの下部側に設けられるとともに、一端側が前記第１冷却水路の谷間部分または前記第２冷却水路に接続され、他端側が外部に開放されるドレン流路とを備え、
   前記ハウジングは、前記周壁を有する筒状の本体部と、前記本体部の上側の開口部分を塞ぐ天井部と、前記本体部の下面に接続される上面を有して前記本体部の下側の開口部分を塞ぐ底部とを備え、
   前記第１冷却水路は、前記本体部に設けられてその一部が当該本体部を上下に貫通しており、
   前記第２冷却水路は、前記底部の前記上面の前記第１冷却水路に対応した位置に上方に開口した溝として設けられる
   ことを特徴とする電動モータ。

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