JP6128914B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に係り、具体的には発電機や電動機を構成するステータをハウジングに固定するための固定構造の改良に関する。

従来、ハイブリッド建設機械として構成された油圧ショベルにおいては、エンジンの出力により発電機を駆動し、この発電機によって発電された電気エネルギにて旋回体を旋回させるための電動機を駆動することが知られている（例えば、特許文献１）。

ここで用いられる発電機は、エンジンの出力軸に連結される回転自在なロータと、ロータの外周側に配置された環状のステータとを備える。このうちのステータは、多数枚の電磁鋼板等を積層した構造であり、外周側の積層部分であるヨークを貫通する複数のボルトにより、発電機のハウジング内に固定される。また、ステータにはヨーク部分から径方向の内方側に突出した複数のティースが周方向に沿って設けられている。各ティースにはコイルが巻線されている。

ところで、発電機では、建設機械に組み込まれた後の振動等によって絶縁性能が劣化しないよう、全てのコイルがワニスで覆われる。このようなワニス処理としては、例えば先ず、コイルが設けられたステータ全体をワニス槽に浸漬させる。次いで、ステータ全体をワニス槽から引き上げて所定時間放置し、これによって余分なワニスを滴下させて排除し、この後に乾燥させる。ワニス処理に際しては、ステータをハウジングへ固定するのと同様、ヨーク部分を貫通する複数のボルトによりステータを浸漬治具に取り付け、浸漬治具ごとステータ全体をワニス槽に漬け込むことが行われている。

特開２０１２−３１３２７５号公報

しかしながら、発電機のステータは、鋼板を多数枚積層した構成であるため、ワニス槽に浸漬された際に、鋼板間にワニスが浸み入ってしまう。この際、ステータはワニス処理の間、周方向に間隔を空けて用いられるボルトによって浸漬治具に固定されることから、ボルトにて締め付けられる部分では、ワニスが浸み入り難く、ボルトとボルトとの間の部分で浸み入ることになる。このため、浸み入ったワニスが排除しきれずに硬化すると、ステータとしては、軸方向の厚みが殆ど変化しない部分と、厚みが大きく増す部分とが周方向に沿って交互に現れてしまい、ハウジングとの固定面が波打つことになる。この結果、図５に示すように、ステータをハウジングにボルトによって固定する場合に、ハウジングの当接面に対してステータが良好に当接しない状態となり、ステータが浮き上がった状態でボルト止めされるため、ボルトが次第に緩んでしまう可能性がある。

本発明の目的は、厚みが不均一なステータが用いられる場合でも、ステータをハウジングに対して確実に固定できる回転電機を提供することにある。

第１発明に係る回転電機は、ハウジングと、周方向に間隔を空けて配置された複数のボルトにより前記ハウジング内に固定されるステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備え、前記ハウジングは、前記複数のボルトが螺合するボルト螺合孔と、前記ボルト螺合孔が設けられるとともに、前記ステータが当接される複数のステータ当接面と、隣り合う前記ステータ当接面の間に前記ステータ当接面よりも窪んで設けられた凹状部とを有することを特徴とする。

第２発明に係る回転電機では、前記ステータは、前記ボルトが挿通されるボルト挿通部と、隣り合う前記ボルト挿通部の間に設けられた中間部とを有し、前記中間部の厚みは、前記ボルト挿通部の厚みよりも厚く、前記凹状部は、前記中間部に対応して設けられていることが望ましい。

第３発明に係る回転電機では、前記ステータは複数の鋼板を積層して構成され、前記中間部の厚みは、前記ステータのワニス処理時に前記鋼板間に浸み入ったワニスによって前記ボルト挿通部の厚みよりも厚くなっていてもよい。
第４発明に係る回転電機は、建設機械に搭載されていることが望ましい。
第５発明に係る回転電機は、エンジンの出力で前記ロータが駆動される発電機として用いられることが望ましい。

第６発明に係る回転電機は、建設機械に搭載されて発電機モータとして機能する回転電機であって、ハウジングと、複数の電磁鋼板を積層して形成されるとともに、周方向に間隔を空けて配置された複数のボルトにより前記ハウジング内に固定される環状のステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されるとともに、前記建設機械に設置されたエンジンの出力軸に連結されるロータとを備え、前記ハウジングは、前記複数のボルトが螺合するボルト螺合孔と、前記ボルト螺合孔が設けられるとともに、前記ステータが当接される複数のステータ当接面と、隣り合う前記ステータ当接面の間に前記ステータ当接面よりも窪んで設けられた凹状部とを有し、前記ステータは、前記ボルトが挿通されるボルト挿通部と、隣り合う前記ボルト挿通部の間に設けられた中間部とを有し、前記中間部の厚みは、前記ステータのワニス処理時に前記電磁鋼板間に浸み入ったワニスによって前記ボルト挿通部の厚みよりも厚くなっており、前記凹状部は、前記中間部に対応して設けられていることを特徴とする。

第１発明によれば、ステータがボルト固定されるハウジングには、ボルト螺合孔に対応した複数のステータ当接面を個々に島状に設けるとともに、隣り合うステータ当接面間には凹状部を設けるので、ステータの厚みの厚い部分が凹状部に対応するようステータを配置し、ハウジングにボルト固定すればよい。こうすることで、ハウジングのステータ当接面にステータを確実に当接させた状態でボルト固定でき、ステータが浮き上がった状態でボルト止めされることを防止できる。従って、回転電機が経年的に使用される中で、そのような隙間が詰まってボルトが緩むことはなく、ステータの固定状態を良好に維持できる。

第２発明によれば、ステータ側に厚みの異なるボルト挿通部と中間部とが明確に設けられているので、本発明の効果をより顕著に発揮できる。
第３発明によれば、ステータのワニス処理を、ステータごとワニス槽に浸漬させる方法にて行った場合でも、ワニス処理後のステータをハウジングに適切に固定できる。
特に、第４発明ないし第６発明のように、回転電機が建設機械に搭載された場合、あるいは発電機としてエンジンによって駆動される場合には、建設機械で生じる大きな振動にも耐え得ることができ、また、エンジン駆動中に常時発生するエンジンからの振動にも耐え得ることができ、信頼性の高い建設機械や発電機を提供できる。

本発明の一実施形態に係る回転電機を示す分解斜視図。 回転電機を構成するハウジングの内側を示す内観図。 ハウジングの要部を示す断面図であり、図２のIII-III線断面図。 回転電機のステータとハウジングとの固定部分を示す断面図。 本発明の課題を説明するための断面図。

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は、本実施形態の回転電機としての発電機モータ１を示す分解斜視図である。
図１において、発電機モータ１は、ハイブリッド型の建設機械（油圧ショベル）の上部旋回体に搭載されており、図示しないエンジンと油圧ポンプとの間に挟まれるように配置される。

［油圧ショベルの大略構成］
ハイブリッド型の油圧ショベルは、走行体と、走行体に旋回可能に設けられた旋回体とを備えている。旋回体は、作業機、キャブ、カウンタウェイト、エンジンルームを備えている。旋回体は、発電機モータ１あるいはキャパシタからの電気エネルギにより動作する旋回電動モータにて駆動される。旋回電動モータは旋回体の減速時に回生により発電し、発電で得られた電気エネルギはキャパシタに蓄積される。

［発電機モータの構成］
発電機モータ１は、エンジンの出力軸および油圧ポンプの入力軸に対して、ロータ軸１４Ａが直接的、あるいは間接的に接続されており、エンジンの出力軸の回転駆動力によって発電を行う。発電機モータ１は、インバータを介してキャパシタに接続されている。エンジンの回転を増加させる場合など、発電機モータ１は、必要に応じてキャパシタに蓄えられた電気エネルギによって電動機として使用され、エンジンの回転をアシストする。また、エンジンがアイドリング状態にある場合には、発電機モータ１はエンジンの回転駆動力を受けて発電し、発電によって生じた電気エネルギはキャパシタに蓄えられる。

本実施形態での発電機モータ１は、３相１２極のスイッチトリラクタンス（以下ＳＲ：Switched Reluctance と略す）モータの構造を有した発電機モータであって、環状のステータ１０と、エンジン側の第１ハウジング１１と、フライホイール１２と、カップリング１３と、ロータ１４と、ハウジングとしての油圧ポンプ側の第２ハウジング１５と、フランジ１６とを備えている。

ステータ１０は、発電機モータ１の外郭を構成する第１、第２ハウジング１１，１５内の空間に設けられる。そして、ステータ１０は、円環状のステータコア２０や、複数のコイル２１によって構成されている。
ステータコア２０は、複数の電磁鋼板を積層して構成されている。ステータコア２０の外周側は、円環状のヨークとなっている。このヨークには、径方向の内側に向かって突出する複数のティースが周方向に沿って等間隔で設けられている。各ティースには、コイル２１が巻回されている。なお、本実施形態では、３６極のステータ１０を構成するため、合計３６個のティースを有したステータコア２０が用いられている。
このようなステータ１０は、ヨーク部分をエンジン側から貫通する１６本のボルト２２（図１中に１本のみを図示）によって第２ハウジング１５にボルト固定される。

第１ハウジング１１は、鋳鉄製の部材であって、第２ハウジング１５と接合されて内部にステータ１０やロータ１４等を収納する空間を形成する。この収納空間の下部には、ロータ軸１４Ａや軸受部分の潤滑を促すとともに、ステータ１０の発熱部位（コイル２１等）を冷却するための冷却油を貯留する油溜部２３が形成されている。

フライホイール１２は、第１、第２ハウジング１１，１５内において、エンジンの出力軸に固定される。また、フライホイール１２は、カップリング１３を介してロータ１４と接続され、第１、第２ハウジング１１，１５内で回転する。

カップリング１３は、略円環状の部材であって、フライホイール１２に対してボルト固定される。このカップリング１３は、内径部分に形成された内歯スプラインがロータ軸１４Ａのエンジン側の外径部分に形成された外歯スプラインと噛合し、互いにスプライン結合される。このことにより、フライホイール１２、カップリング１３、およびロータ軸１４Ａを有するロータ１４は共に回転し、エンジンによって駆動される。

ロータ１４は、第１、第２ハウジング１１，１５内において、ステータ１０の内周側の空間に配置されている。ロータ１４の中央には、ロータ軸１４Ａがボルト固定される支持空間１４Ｂが形成されている。支持空間１４Ｂ内には、フランジ１６の中央に設けられた円筒状の支持部１６Ａが入り込む。そして、支持空間１４Ｂの内周面と支持部１６Ａの外周面との間に軸受が配置されることで、ロータ１４がフランジ１６の支持部１６Ａ回りに回転自在に支持される。

一方、ロータ１４のロータ軸１４Ａにおける油圧ポンプ側の部分は、フランジ１６の支持部１６Ａ内に挿入される。ロータ１４のロータ軸１４Ａにおいて、支持部１６Ａ内に挿入された部分の内径側には、内歯スプラインが形成されている。この内歯スプラインと油圧ポンプの入力軸に設けられた外歯スプラインとがスプライン結合される。このことにより、油圧ポンプがロータ１４を介してエンジンによって駆動されることになる。

第２ハウジング１５は、鋳鉄製の部材であって、発電機モータ１における油圧ポンプ側（図１中での右側）に設けられている。第２ハウジング１５は、ボルト固定される第１ハウジング１１と共に、ステータ１０、フライホイール１２、カップリング１３、およびロータ１４を収納するための収納空間を形成する。

第２ハウジング１５の肩部分には、収容空間と連通する内部空間を有した電気ボックス１７が取り付けられる。電気ボックス１７の内部空間内には、コイル２１からの電力線を結線するターミナルが配置されている。このようなターミナルは、電気ボックス１７に固定される電源ケーブルのコネクタに接続される。すなわち、発電機モータ１で発電された電気エネルギは、電気ボックス１７から該電源ケーブルを通してインバータに送電される。

フランジ１６は、第１、第２ハウジング１１，１５で形成される収納空間を第２ハウジング１５側で閉塞する部材である。従って、フランジ１６は、第２ハウジング１５に対して油圧ポンプ側からボルト固定される。フランジ１６の中央には、支持部１６Ａと同軸上に挿通孔１６Ｂが設けられ、この挿通孔１６Ｂに挿通される油圧ポンプの入力軸が前述したように、ロータ１４のロータ軸１４Ａと結合される。

［ステータのワニス処理］
ここで、発電機モータ１を構成するステータ１０のワニス処理につて触れておく。
ステータ１０に設けられたコイル２１は、経年的な劣化を抑制するためにワニスで覆われる。この際のワニス処理は、コイル２１が設けられたステータ１０をボルト２２により浸漬治具に取り付ける前工程と、ステータ１０全体を浸漬治具ごとワニス槽に浸漬させる浸漬工程と、ステータ１０をワニス槽から引き上げて所定時間放置し、これによって余分なワニスを滴下させて排除するワニス滴下工程と、この後に乾燥させる乾燥工程とを有する。

このようなワニス処理の結果、ステータ１０においては、積層された鋼板間にワニスが浸み入る部分と、殆ど浸み入らない部分とが存在することとなる。そして、ワニスが浸み入った部分では、軸方向の厚みが変化するという事象が生じる。

つまり、ボルト２２を用いて浸漬治具に固定されたステータ１０では、ボルト２２が挿通される部分に締付力が作用するために、この部分でのワニスの鋼板間への浸み入り量は僅かで、厚みの変化も殆ど生じない。これに対して、隣り合うボルト２２の間の部分では、作用する締付力が弱くなるため、鋼板間に浸み入るワニスの量も多く、浸み入った状態で乾燥し、硬化すると、軸方向の厚みが厚くなる。

このため、ステータ１０の周方向において、ボルト２２の締付位置に対して、隣り合うボルト２２間の部分が膨れあがることとなり、ステータ１０の第２ハウジング１５との固定面が波打つように変形する（図４参照）。この事象により従来では、ステータ１０を第２ハウジング１５へボルト固定した後に、ボルト２２の緩みが生じていた。

［第２ハウジングの構造］
図２は、第２ハウジング１５の内側を示す内観図である。図３は、第２ハウジング１５の要部の断面図であり、図２のIII-III線断面図である。

図２、図３において、第２ハウジング１５は、第１ハウジング１１（図１）側に大きく開放した収容開口３０を有している。第２ハウジング１５の収容開口３０の外周側には、第１ハウジング１１がボルトにより接合される接合面３１が設けられている。この接合面３１よりも一段内側の中央寄りの位置には、ステータ１０（図１）が固定される略円環状のステータ固定部３２が設けられている。ステータ固定部３２には、周方向に等間隔で複数個（本実施形態では１６個）のボルト螺合孔３３が設けられている。環状に配置された１６本のボルト２２をステータ１０のヨーク部分を貫通させてボルト螺合孔３３に螺設することで、ステータ１０がステータ固定部３２にボルト固定される。

ステータ固定部３２のさらに一段中央寄りの部分には、より薄肉となった略円環状のフランジ固定部３４が設けられている。フランジ固定部３４の油圧ポンプ側（図３の図面下側）に設けられたフランジ当接面３５には、フランジ１６がボルト固定される。このように、ステータ固定部３２は、外周側の接合面３１と内周側のフランジ固定部３４との間に設けられた段差部分として構成されている。

また、ステータ固定部３２の外方側には、このステータ固定部３２に対して直交する第１内壁部３６が設けられている。第１内壁部３６の輪郭が収容開口３０の開口形状を形成している。フランジ固定部３４とステータ固定部３２との間は、これらに対して直交する第２内壁部３７となっている。

ステータ固定部３２には、島状に独立した複数のステータ当接面３８が設けられている。各ステータ当接面３８の略中央には、前述したボルト螺合孔３３が設けられている。隣り合うステータ当接面３８の間は、図３に示すように、ステータ当接面３８よりも油圧ポンプ側に窪んだ凹状部３９になっている。

このような凹状部３９や第１、第２内壁部３６，３７などの表面は、鋳造される第２ハウジング１５の鋳肌面とされている。これに対して、接合面３１、フランジ当接面３５、および島状のステータ当接面３８は、所定の表面粗度に機械加工された仕上面になっている。

［第２ハウジングとステータとの固定］
図４に示すように、第２ハウジング１５には、各ステータ当接面３８に当接されたステータ１０がボルト２２によって固定される。
ここで、ステータ１０において、ボルト２２が挿通される挿通孔４０が設けられた部分は、軸方向の厚みＴ１を有するボルト挿通部４１となっている。また、ボルト２２（挿通孔４０）の間の部分は、ワニスが浸み入ることで軸方向の両側に略均等に膨張した中間部４２になっている。このため、中間部４２の厚みＴ２は、厚みＴ１よりも厚い。

そして、第２ハウジング１５には、ステータ１０の中間部４２に対応して窪んだ凹状部３９が設けられ、中間部４２がステータ固定部３２と接触しないようになっている。このことから、ステータ当接面３８に対してステータ１０の固定面４３を確実に当接させることができ、ステータ当接面３８からの浮き上がりを防止できる。従って、そのような浮き上がりが、使用中にステータ当接面３８側に詰まることがなく、一旦締め付けられたボルト２２が緩むのを防止できる。

［変形例］
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、第２ハウジング１５の凹状部３９の表面が鋳肌面とされていたが、このような凹状部３９やステータ当接面３８を含むステータ固定部３２全体の表面を、機械加工によって仕上げてもよい。

前記実施形態では、ステータ１０がワニス槽に浸漬されることでワニス処理されることを前提として説明したが、その他の方法でワニス処理されたステータであっても、本発明の回転電機として用いることができる。
すなわち、本発明に係るハウジングとして、ステータが当接される島状のステータ当接面と、ステータ当接面に設けられたボルト螺合孔と、隣り合うステータ当接面の間に窪みとして設けられた凹状部とを有していればよく、ステータのワニス処理の方法は任意である。ステータとして、前記実施形態のような厚みの異なるボルト挿通部４１および中間部４２を有するか否かは、問わない。
例えば、当初は厚みの均一なステータが用いられていたが、製造工程の変更によりワニス槽への浸漬工程を経たステータが量産されるようになった結果、メンテナンスに伴って厚みの不均一なステータへの変更が必要になることも考えられる。従って、このような場合を想定すると、ステータのワニス処理の方法にかかわらず、予め凹状部が設けられているハウジングを用いることは、本発明の目的と合致する。

前記実施形態では、本発明の回転電機として発電機モータ１を例示して説明したが、本発明の回転電機としては、発電機能だけを有する場合であってもよく、また、モータ（電動機）機能だけを有する場合であってもよい。つまり、本発明は、発電機および電動機の両方に適用可能である。
前記実施形態では、本発明の回転電機が搭載される車両として、ハイブリッド型の建設機械について説明したが、ハイブリッド型の建設機械の他、ハイブリッド型の自動車、電気式の建設機械、あるいは電気自動車等に本発明を適用してもよい。また、建設機械としても、油圧ショベルに限定されず、ホイールローダなど、任意の建設機械に本発明を適用してよい。

本発明は、ハイブリッド型の建設機械に利用できる他、ハイブリッド型の自動車、電気式の自動車、さらには電気式の建設機械にも利用できる。

１…回転電機である発電機モータ、１０…ステータ、１４…ロータ、１５…ハウジングである第２ハウジング、２１…コイル、２２…ボルト、３３…ボルト螺合孔、３８…ステータ当接面、３９…凹状部、４１…ボルト挿通部、４２…中間部、Ｔ１，Ｔ２…厚み。

Claims (6)

1. ハウジングと、
   周方向に間隔を空けて配置された複数のボルトにより前記ハウジング内に固定されるステータと、
   前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備え、
   前記ハウジングは、
   前記複数のボルトが螺合するボルト螺合孔と、
   前記ボルト螺合孔が設けられるとともに、前記ステータが当接される複数の島状のステータ当接面と、
   隣り合う前記ステータ当接面の間に前記ステータ当接面よりも窪んで設けられた凹状部とを有し、
   前記ハウジングと前記ステータとは前記ステータ当接面で当接し、前記凹状部と前記ステータとの間に空間が規定される
   ことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記ステータは、
   前記ボルトが挿通されるボルト挿通部と、
   隣り合う前記ボルト挿通部の間に設けられた中間部とを有し、
   前記中間部の厚みは、前記ボルト挿通部の厚みよりも厚く、
   前記凹状部は、前記中間部に対応して設けられている
   ことを特徴とする回転電機。
3. ハウジングと、
   周方向に間隔を空けて配置された複数のボルトにより前記ハウジング内に固定されるステータと、
   前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを備え、
   前記ハウジングは、
   前記複数のボルトが螺合するボルト螺合孔と、
   前記ボルト螺合孔が設けられるとともに、前記ステータが当接される複数のステータ当接面と、
   隣り合う前記ステータ当接面の間に前記ステータ当接面よりも窪んで設けられた凹状部とを有し、
   前記ステータは、
   前記ボルトが挿通されるボルト挿通部と、
   隣り合う前記ボルト挿通部の間に設けられた中間部とを有し、
   前記凹状部は、前記中間部に対応して設けられ、
   前記ステータは複数の鋼板を積層して構成され、
   前記中間部の厚みは、前記ステータのワニス処理時に前記鋼板間に浸み入ったワニスによって前記ボルト挿通部の厚みよりも厚くなっている
   ことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の回転電機において、
   建設機械に搭載されている
   ことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の回転電機において、
   エンジンの出力で前記ロータが駆動される発電機として用いられる
   ことを特徴とする回転電機。
6. 建設機械に搭載されて発電機モータとして機能する回転電機であって、
   ハウジングと、
   複数の電磁鋼板を積層して形成されるとともに、周方向に間隔を空けて配置された複数のボルトにより前記ハウジング内に固定される環状のステータと、
   前記ステータの内側に回転自在に配置されるとともに、前記建設機械に設置されたエンジンの出力軸に連結されるロータとを備え、
   前記ハウジングは、
   前記複数のボルトが螺合するボルト螺合孔と、
   前記ボルト螺合孔が設けられるとともに、前記ステータが当接される複数のステータ当接面と、
   隣り合う前記ステータ当接面の間に前記ステータ当接面よりも窪んで設けられた凹状部とを有し、
   前記ステータは、
   前記ボルトが挿通されるボルト挿通部と、
   隣り合う前記ボルト挿通部の間に設けられた中間部とを有し、
   前記中間部の厚みは、前記ステータのワニス処理時に前記電磁鋼板間に浸み入ったワニスによって前記ボルト挿通部の厚みよりも厚くなっており、
   前記凹状部は、前記中間部に対応して設けられている
   ことを特徴とする回転電機。

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