WO2016147618A1 - 電気式回転機 - Google Patents

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幸人 今村
忠 穴田
公志 橋本
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Kawasaki Motors Ltd
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    • F04B39/06—Cooling; Heating; Prevention of freezing

Definitions

  • the present invention relates to an electric rotating machine configured by winding a plurality of coils around a stator core disposed around a rotor.
  • the electric device 1 is provided in a hybrid excavator, and the hybrid excavator is driven by a hydraulic pump 2, an electric motor 4 that drives the hydraulic pump 2, and hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 2, as shown in FIG.
  • the hydraulic circuit (not shown) including the actuator unit to be operated and the cooling passage 3 into which drain oil (hydraulic oil) of the hydraulic pump 2 flows are provided.
  • the drain oil of the hydraulic pump 2 is provided so as to flow into the cooling passage 3 and cool the electric motor 4, and can cool the electric motor 4 with higher cooling efficiency than the air cooling type.
  • the coil wound around the stator core generates heat by the operation of the electric motor, and the generated heat is released from the case to the outside through the stator core. ing.
  • An electrical insulation sheet is interposed between the coil and the stator core, and the electrical insulation sheet tends to have a contradiction in electrical insulation performance and heat transfer performance. Therefore, when the electrical insulation property of the electrical insulation sheet is improved, heat transmission is hindered by the electrical insulation sheet. Therefore, the generated heat of the coil is not easily released to the outside of the case, and how to cool the coil is important when downsizing or improving the performance of the electric motor.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an electric rotating machine that can improve the cooling performance of the coil.
  • An electric rotating machine includes a case having an internal space, a rotor accommodated in the internal space of the case and rotatably supported by the case, and accommodated in the internal space of the case, and A stator core provided in the case with a space around the rotor, a plurality of coils wound around the stator core at a space in the circumferential direction, and the rotor and a part of the coil are immersed.
  • a cooling liquid sealed in the inner space of the case is provided.
  • the coolant in the case is agitated by centrifugal force and pushed toward the stator core.
  • many coils provided in the stator core can be brought into contact with the coolant, and heat can be taken from the coils by the coolant.
  • the heat deprived by the coolant is transmitted to the case indirectly or directly via the stator core, and can be released to the outside of the case via this case. That is, the heat of the coil can be released to the outside of the case through the coolant, the stator core, and the case, and the cooling performance of the coil can be improved.
  • the coil can be cooled while ensuring the performance of the electrical insulation layer.
  • the rotor is an upright type in which the rotation axis of the rotor is arranged substantially parallel to the vertical direction.
  • the cooling liquid is pushed toward the stator core over the entire circumference of the rotor by the centrifugal force accompanying the rotation of the rotor, and the liquid level of the cooling liquid becomes a mortar shape.
  • all of the plurality of coils can be immersed in the cooling liquid, and each coil can be entirely immersed in the cooling liquid.
  • it is a plurality of coils, and each whole coil can be cooled efficiently.
  • the coolant pushed toward the stator core by the centrifugal force rises along the inner surface of the case, and then flows toward the rotor while descending along the mortar-shaped liquid surface.
  • the coolant is pushed again toward the inner surface of the case by centrifugal force.
  • the coolant can be circulated in the internal space of the case, and by circulating, the coolant in the case can be prevented from locally becoming high temperature. Thereby, an electric rotary machine can be cooled efficiently.
  • the amount of the cooling liquid sealed in the internal space of the case is greater than the amount of heat transfer per unit time in which the amount of heat released from the case per unit time is transmitted from the coil to the cooling liquid. It is preferable that the heat transfer amount per unit time is set to be a maximum value or a value close to the maximum value.
  • the amount of the cooling liquid sealed in the internal space of the case is set to be larger than the heat transfer amount per unit time when the heat radiation amount per unit time from the case is transmitted from the coil to the cooling liquid.
  • the entire amount of heat generated from the coil can be released to the outside through the coolant and the case.
  • the heat absorption capacity of the coolant to the coil can be maximized by setting the amount of the coolant so that the amount of heat released from the case per unit time becomes the maximum value or a value close thereto. And a great cooling effect can be obtained for the coil.
  • the electric rotating machine according to the present invention may be an electric motor, a generator, or an electric motor having a power generation function.
  • This electric rotating machine can be applied to an electric motor, a generator, or an electric motor having a power generation function.
  • the electric rotating machine may be a turning electric motor for construction machinery.
  • Construction motor turning motors are effective for preventing overheating because they often start and stop repeatedly and generate a large amount of heat.
  • the cooling performance of the coil can be improved.
  • the electric rotating machine 11 can be applied to an electric motor, a generator, or an electric motor having a power generation function.
  • the electric rotating machine 11 can be used for various machines and devices including construction machines.
  • the electric rotating machine 11 is applied to an upright electric motor for turning of the construction machine 12 shown in FIG. Will be described.
  • a hydraulic excavator is exemplified as the construction machine 12.
  • the construction machine 12 can be applied to other cranes and the like, and the construction machine 12 is a hybrid type using hydraulic pressure and electricity. It may or may not be.
  • a hydraulic excavator (construction machine) 12 shown in FIG. 4 is attached to a lower traveling body 13, an upper swinging body 14 that is turnably mounted on the lower traveling body 13, and the upper swinging body 14. And an excavation work machine 15 for performing the above.
  • An electric rotating machine 11 is mounted on the upper swing body 14, and the electric rotating machine 11 is driven by electricity stored in a power storage device (not shown).
  • the upper turning body 14 turns by the driving force of the electric rotating machine 11.
  • the upper swing body 14 is also swung by a driving force of a hydraulic motor (not shown).
  • This electric rotating machine 11 is, for example, an upright three-phase electric motor for turning as shown in FIG. 1, and the rotation speed is controlled by an inverter.
  • the electric rotating machine 11 includes a rotor 16, a stator 17, a case 18, and a coolant 19.
  • the rotor 16 has a rotating shaft 16a, and a cylindrical rotor body 16b is provided on the rotating shaft 16a. And both ends of the rotating shaft 16a are rotatably supported by the case 18 via bearings (not shown). And the rotating shaft 16a of this rotor 16 is arrange
  • a stator 17 is disposed around the rotor 16 with an interval therebetween.
  • the stator 17 is a so-called stator, and has a stator core 21 and a plurality of coils 22 in which thin steel plates are laminated.
  • the stator core 21 has a yoke portion 21a and a plurality of teeth portions 21b.
  • the yoke portion 21a is formed in a substantially cylindrical shape, and a plurality of teeth portions 21b are integrally provided on the inner peripheral surface of the yoke portion 21a.
  • Each tooth part 21b protrudes inward in the radial direction from the inner peripheral surface of the yoke part 21a, and is formed long in the vertical direction.
  • the teeth part 21b is arranged at equal intervals in the circumferential direction on the inner peripheral surface of the yoke part 21a, and the coil 22 is wound around each tooth part 21b via an electrical insulating sheet 23 having electrical insulation.
  • Each of the plurality of coils 22 is arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the stator 17 configured as described above is fixed to the inner peripheral surface of the case 18.
  • the inner peripheral surface of the case 18 is formed in a cylindrical shape centering on the rotating shaft 16 a of the rotor 16, and the stator 17 is disposed on the inner peripheral surface of the case 18 along the outer peripheral surface of the stator core 21. Yes.
  • the rotor 16 and the stator 17 are accommodated in the inner space 18a of the case 18, and a predetermined amount of the cooling liquid 19 is further sealed therein.
  • the cooling liquid 19 is a heat medium that takes heat generated from the coil 22 as a main heat source and transfers the heat to the stator core 21 and the case 18, and transfers the heat of the coil 22 to the case 18 indirectly or directly. To be released to the outside.
  • the cooling liquid 19 is sealed in the inner space 18 a of the case 18, and a part of the rotor 16 and the stator 17 (more specifically, the lower end part of the rotor 16 and the coil 22) is immersed in the cooling liquid 19.
  • an insulating oil having an electrically insulating performance is used in order to prevent conduction between various components, and the insulating performance of the insulating oil is preferably stable for a long time.
  • the coolant 19 preferably has a low viscosity in the operating temperature range of the electric rotating machine 11. Thereby, the bubbles formed in the cooling liquid 19 can easily float on the liquid surface 19a, and the formation of bubbles in the liquid can be suppressed. Further, it is possible to easily eliminate the bubbles that have floated on the liquid surface 19a. Thereby, the fall of the cooling capability by a bubble can be suppressed. Further, the cooling liquid 19 may have an antifoaming property by adding an antifoaming agent to the insulating oil, and the cooling liquid 19 to which the antifoaming agent has been added has a cooling ability by air bubbles as described above. The decrease can be suppressed.
  • the electric rotating machine 11 is an upright three-phase electric motor for turning as described above.
  • the medium coolant 19 in the case 18 rotates in the same direction around the rotor 16 and is further centrifuged. Power is granted.
  • the cooling liquid 19 is pushed toward the stator 17, and the liquid surface 19a of the cooling liquid 19 is formed in a mortar shape.
  • each of the coils 22 is totally immersed in the cooling liquid 19 from the lower end portion to the upper end portion of each coil 22 in this embodiment, and the heat of the coil 22 is cooled from the entire coil 22 to the cooling liquid 19. Can be transmitted. Therefore, the entire coil 22 can be effectively cooled.
  • the coolant 19 is circulated in the inner space 18 a of the case 18 by the rotation of the rotor 16. That is, the coolant 19 flows so as to be pushed from the rotor 16 toward the stator 17 in the vicinity of the rotor 16, and further flows upward along the coil 22 in the space between the yoke portion 21 a and the teeth portion 21 b of the stator core 21. . Further, the coolant 19 flows upward and enters the gap between the stator cores 21 and reaches the inner peripheral surface of the case 18 through the gap. Thereby, the coolant 19 expands the contact area with the inner peripheral surface of the case 18. Then, when it reaches the liquid level 19a, it flows toward the rotor 16 while descending along the liquid level 19a.
  • the coolant 19 When returning to the rotor 16, the coolant 19 is again pushed toward the stator 17 by the rotor 16.
  • the coolant 19 circulating in the inner space 18a takes heat from the coil 22 and further passes the taken heat directly to the case 18 or indirectly to the case 18 via the stator core 21. Release to the outside.
  • the heat of the coil 22 can be released to the outside through the coolant 19 and the case 18, and the coil 22 can be efficiently Can be cooled to.
  • heat can be taken from the rotor 16 and the stator core 21, and this heat can also be released to the outside through the case 18.
  • the electric rotating machine 11 configured as described above, it is not necessary to provide a pipe or a passage for the coolant 19 close to the heat generating portion, and an inexpensive and compact electric rotating machine 11 can be manufactured. Further, since the cooling liquid 19 is sealed in the inner space 18 a of the case 18, the cooling liquid 19 is not heated from the outside of the electric rotating machine 11. Therefore, stable cooling characteristics can be realized in the electric rotating machine 11.
  • the amount of heat per unit time transferred from the coil 22 to the coolant 19 and the amount of heat released per unit time from the case 18 are enclosed in the inner space 18a.
  • the cooling liquid 19 changes depending on the amount of the cooling liquid 19. In the following, referring to FIG. 3, the amount V (m 3 ) of the coolant 19 in the electric rotating machine 11, the amount of heat Q (W) per unit time transferred from the coil 22 to the coolant 19, and the case The relationship of the amount of radiant heat R (W) per unit time released from 18 to the outside will be described.
  • the change in the heat quantity Q per unit time with respect to the liquid volume V (m 3 ) of the cooling liquid 19 sealed in the case 18 from the coil 22 draws a parabola that becomes the maximum heat transfer quantity Q MAX when the predetermined liquid volume V1.
  • the heat quantity Q per unit time transmitted from the coil 22 to the cooling liquid 19 is small even if the liquid quantity of the cooling liquid 19 is larger or smaller than the predetermined liquid volume V1.
  • the change of the heat quantity Q per unit time transmitted from the coil 22 to the cooling liquid 19 with respect to the liquid volume V of the cooling liquid 19 draws a parabola, and when the liquid volume V becomes smaller than V1, the heat transfer quantity Q decreases. This is because the surface area of the coil 22 in contact with the coolant 19 is reduced. Further, when the liquid amount V exceeds V1, the amount of heat transferred from the coil 22 to the cooling liquid 19 due to the heat generated by the stirring of the cooling liquid 19 decreases.
  • the amount of radiant heat R per unit time is, for example, heat generated in the coil 22 or the like by the current flowing in the coil 22 due to operation of the electric rotating machine 11, and heat generated by stirring the coolant 19 by the rotor 16.
  • the amount of radiant heat R per unit time is proportional to the liquid volume V of the cooling liquid 19 in the case 18. Increase.
  • the amount of heat transfer Q and the amount of radiant heat R per unit time having such characteristics are as follows. R exceeded. As a result, the amount of heat that can be released to the outside of the case 19 with respect to the heat generated in the coil 22 becomes small, and it may be difficult for the coil 22 to overheat and continue operation. Therefore, in the electric rotating machine 11, the liquid volume V of the cooling liquid 19 is set so that the heat quantity Q per unit time is smaller than the radiant heat quantity R per unit time, that is, the liquid volume V of the cooling liquid 19. Is preferably set to be V2 or more.
  • the heat transfer amount Q per unit time becomes the maximum value Q MAX or a value close thereto (that is, a range in the vicinity of the maximum heat transfer amount Q MAX ).
  • the liquid volume of the cooling liquid 19 is set so that the liquid volume V of the cooling liquid 19 is set within a setting range of V3 or more and V4 or less.
  • the liquid volumes V3 and V4 are larger than the liquid volume V2 described above.
  • the liquid volume V of the cooling liquid 19 in the case 18 is set to an amount when the heat transfer amount Q per unit time is smaller than the radiant heat amount R per unit time, thereby making the coil 22 efficient. Cooling is possible.
  • the electric rotating machine 11 configured as described above can be adopted as a turning electric motor for the construction machine 12 including an electric excavator, for example. The electric motor for turning often repeats starting and stopping and generates a large amount of heat. However, by adopting the electric rotating machine 11, it can be effectively cooled and overheating can be prevented.
  • the electric rotating machine 11 is applied to the electric motor.
  • the electric rotating machine 11 can be applied to a generator or an electric motor having a power generation function instead.

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Abstract

　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。

Description

電気式回転機
　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。
　本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
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１６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１８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（ｍ３）、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放射熱量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（ｍ３）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ＱＭＡＸ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及び放射熱量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射熱量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ＱＭＡＸ又はそれに近い値（即ち、最大伝熱量ＱＭＡＸ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。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
　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。
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