WO2023047904A1 - モータ装置、建設機械 - Google Patents

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和人 中村
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ナブテスコ株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K9/14—Arrangements for cooling or ventilating wherein gaseous cooling medium circulates between the machine casing and a surrounding mantle
    • H02K9/16—Arrangements for cooling or ventilating wherein gaseous cooling medium circulates between the machine casing and a surrounding mantle wherein the cooling medium circulates through ducts or tubes within the casing
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
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    • E02F9/08—Superstructures; Supports for superstructures
    • E02F9/0858—Arrangement of component parts installed on superstructures not otherwise provided for, e.g. electric components, fenders, air-conditioning units
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/02—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine
    • H02K9/04—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium
    • H02K9/06—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium with fans or impellers driven by the machine shaft

Definitions

  • the present invention relates to drive technology using an electric motor.
  • Construction machines used at construction sites include electric construction machines driven by electric motors (hereinafter also referred to as electric motors or motors) and hybrid construction machines using both hydraulic equipment and electric motors. It is known (hereinafter also collectively referred to as an electric construction machine).
  • Actuators that directly drive each driving part of an electric construction machine by a mechanical element such as a ball screw driven by the rotational power of a motor are called electro-mechanical actuators (EMA).
  • EMA electro-mechanical actuator
  • An actuator that indirectly drives each drive unit of an electric construction machine by a hydraulic device such as a hydraulic pump driven by rotary power is called an electro-hydrostatic actuator (EHA).
  • the undercarriage and buckets that come into direct contact with the ground and work targets may have dirt and mud attached to the motor housing. If a motor having a large number of cooling fins outside the housing disclosed in Patent Document 1 is applied to such a drive unit, the cooling fins will be filled with sand and mud, making it impossible to properly cool the motor.
  • the present invention has been made in view of this situation, and its purpose is to provide a motor device that can be appropriately cooled even in a poor environment.
  • a motor device includes a stator including a coil that becomes an electromagnet when energized, and a permanent magnet that faces one surface of the coil, and is rotatable with respect to the stator.
  • a rotor provided in the rotor, a stator and a housing for hermetically housing the rotor, the end spaces located at both ends of the rotation shaft of the rotor, and the other side of the coil
  • a cooling channel composed of a housing provided with cavities communicating with the end spaces, gaps communicating with the respective end spaces between the one surface and the permanent magnets, the respective end spaces, and the cavities. and a fan for circulating gas in the housing.
  • the gap between the stator and the rotor, each end space, and the cooling channel formed by the cavity are formed in the sealed housing, so there is a possibility that dirt and mud will adhere to the outside of the housing. It can properly cool the stator coils even in some harsh environment.
  • an electric construction machine to which the motor device of the present invention is applied is exemplified, but the application target of the motor device of the present invention is not limited to the electric construction machine.
  • This construction machine includes a lower traveling body that can travel on the ground, an upper rotating body that is rotatably attached to the lower traveling body, a boom that is attached to the upper rotating body so that it can be raised and lowered, and a boom that can be bent. an attached arm; a bucket attached to the arm so as to be bendable; and a motor device for driving at least one of the undercarriage and the bucket.
  • the motor device includes a stator including a coil that becomes an electromagnet when energized, a rotor including a permanent magnet facing one side of the coil and provided rotatably with respect to the stator, and the stator and the rotor being sealed.
  • a fan is provided for circulating gas in the housing through a cooling flow path composed of a gap communicating each end space between the one surface and the permanent magnet, each end space, and a cavity.
  • the motor device can be properly cooled even in a poor environment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric construction machine;
  • FIG. It is a top view of an electric construction machine. It is a sectional view containing a rotating shaft of a motor device.
  • 4 is a cross-sectional view of the motor device taken along the line AA of FIG. 3;
  • FIG. Figure 2 shows a plurality of permanent magnets arranged according to the Halbach array; 4 shows a modification of the motor device.
  • the motor device or drive device of the present invention can be applied to any device or machine that includes a drive portion or movable portion that is rotationally driven by a motor. Accordingly, the present invention is not particularly limited to a device or equipment to which the present invention is applied, but in this embodiment, an example of an electric construction machine having a plurality of driving units driven by an actuator having a motor and a speed reducer will be described.
  • the actuator is an EMA that directly drives each driving part of the electric construction machine by a mechanical element driven by the rotational power of the motor. It can also be applied to an EHA that indirectly drives each drive unit of an electric construction machine by a device.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the electric construction machine 100.
  • FIG. FIG. 2 is a top view of the electric construction machine 100.
  • FIG. In the following description directions such as front, rear, up, down, left, and right are the same as the directions of the electric construction machine 100 . That is, in the following description, the front in the direction of travel of the electric construction machine 100 is simply referred to as the front, the rear in the direction of travel of the electric construction machine 100 is simply referred to as the rear, the upper side in the direction of gravity is simply referred to as the upper side, and the lower side in the direction of gravity is simply referred to as the upper side. In the description, the lower side is referred to, the right side in the vehicle width direction facing forward is simply referred to as the right side, and the left side in the vehicle width direction is simply referred to as the left side.
  • an upper revolving body 102 is rotatably mounted on a lower traveling body 101 that can travel forward and backward on the ground.
  • a cab 103 is provided on the front left side of the upper swing body 102, and a boom 104 is attached to the front central part so that it can be raised and lowered.
  • An arm 105 is attached to the tip of the boom 104 so as to be vertically bendable.
  • a bucket 106 is attached to the tip of the arm 105 so as to be vertically bendable.
  • a gyro sensor 110 is attached to the front left side of the cab 103 .
  • the gyro sensor 110 is attached to the upper swing body 102 at a position spaced from the swing center C1 to the maximum.
  • the gyro sensor 110 is a sensor capable of detecting the tilt angle, tilt direction, turning position, and rotational angular velocity of the cab 103 (lower traveling body 101, upper turning body 102).
  • the inclination direction means the upward direction or the downward direction of the inclination.
  • the lower running body 101, the upper rotating body 102, the boom 104, the arm 105, and the bucket 106 are collectively referred to as the drive section of the electric construction machine 100. Therefore, the electric construction machine 100 of FIGS. 1 and 2 is a construction machine having five drive units.
  • the lower traveling body 101 constitutes a traveling section that can travel on the ground
  • the upper revolving body 102 constitutes a revolving section that can revolve with respect to the traveling section
  • the boom 104, arm 105, and bucket 106 are attached to the revolving section.
  • Each actuator as a driving device for driving each drive unit of the electric construction machine 100 includes an inverter that converts DC power from a DC power supply such as a battery into AC power, and rotational power based on the AC power supplied from the inverter.
  • a motor device that generates torque and a reduction gear that reduces the rotation of the motor device to obtain a torque corresponding to a reduction ratio are provided. A detailed configuration of the motor device will be described below.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view including the rotation axis O of the motor device 1
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the motor device 1 taken along line AA in FIG.
  • the motor device 1 includes a housing 2 that hermetically accommodates the following components of the motor device 1, and a distal end ( A shaft member 3 that outputs rotational power from the left end of FIG.
  • a stator 6 facing the rotor 4 across a gap 5 as a clearance is provided on the rear side of the stator 6, that is, on the side opposite to the surface facing the rotor 4 and the gap 5, and the cooling gas is provided.
  • FIG. 3 schematically represent the flow of air as cooling gas.
  • the rotor 4 includes a plurality of permanent magnets 41 periodically arranged in the circumferential direction around the rotation axis O or along the rotational direction, and support members 42 connecting the plurality of permanent magnets 41 to each other.
  • a plurality of permanent magnets 41 are provided facing the gap 5 between the stator 6 and connected by a support member 42 on the opposite side.
  • the support member 42 is made of a soft magnetic material with high magnetic permeability, such as iron, carbon steel, silicon steel, permalloy, sendust, permendur, soft ferrite, amorphous magnetic alloy, nanocrystal magnetic alloy, or the like.
  • the support member 42 containing iron is also called a yoke (yoke).
  • the support member 42 may be made of a non-magnetic material.
  • the plurality of permanent magnets 41 are arranged so that magnetic poles appear periodically along the circumferential direction on the surface facing the stator 6 .
  • a plurality of permanent magnets 41 may be arranged so that N poles and S poles appear alternately along the circumferential direction on the surface facing the stator 6, or a plurality of permanent magnets 41 may be arranged according to the Halbach arrangement as shown in FIG. of permanent magnets 41 may be arranged.
  • the Halbach array is an array in which the directions of the magnetic poles of the permanent magnets 41 adjacent along the circumferential direction are rotated by N equal parts of 2 ⁇ (N is an integer of 3 or more or -3 or less).
  • N 4, and the directions of the magnetic poles of the permanent magnets 41 adjacent along the circumferential direction are rotated by .pi./2, that is, by 90 degrees. According to such a Halbach arrangement, it is possible to increase the strength of the magnetic field or the magnetic field generated by the plurality of permanent magnets 41 on the surface facing the stator 6, so that the efficiency and torque of the motor device 1 can be increased. .
  • the stator 6 includes a plurality of coils 61 arranged along the circumferential direction that become electromagnets when energized, and a yoke 62 that interconnects the plurality of coils 61 .
  • the plurality of coils 61 are arranged at equal intervals along the rotational direction or circumferential direction of the motor device 1, and are arranged on one surface or end surface thereof (the inner end surface in FIG. 5 or the inner end surface in FIG. 3). lower end face) faces the plurality of permanent magnets 41 of the rotor 4 across the gap 5 .
  • the yoke 62 is made of a soft magnetic material containing iron.
  • the stator 6 can be of coreless construction because it varies. Since the coreless stator 6 does not have a core or an iron core around which the coils 61 are wound, each coil 61 is not confined by slots, which are grooves formed between the cores. Therefore, as schematically shown in FIG. 5, there are many gaps between the coils 61 and between the coils 61 through which air as a cooling gas can flow. can be cooled. Moreover, since the stator 6 has a coreless structure, the radial thickness of the coil 61 can be reduced, so that the gap 5 between the rotor 4 and the rotor 4 can be increased. As a result, the amount of cooling gas flowing through the gap 5 is increased, so that the cooling efficiency can be further enhanced.
  • the cavity 7 provided in the housing 2 is provided facing the yoke 62 on the other side or the end face (upper surface in FIG. 3) of the coil 61, and the one end face (lower surface in FIG. 3) of the coil 61 and the permanent cavity 7 are provided.
  • a cooling gas can flow through the gaps 5 between the magnets 41 .
  • the gap 5 and the cavity 7 are provided parallel to each other along the rotation axis O of the rotor 4, and the flow directions along the rotation axis O of the cooling gas flowing through each are opposite to each other. . That is, in the gap 5, the cooling gas flows leftward from the base end side (right side in FIG. 3) of the shaft member 3 toward the tip side (left side in FIG. 3).
  • a tip space 10 is provided on the tip side of the shaft member 3 as an end space communicating the gap 5 and the cavity 7, and the direction of the cooling gas flowing out leftward from the gap 5 is directed to the inner wall of the housing 2 or the like.
  • the cooling gas is caused to flow rightward into the cavity 7 by being converted by the tip-side heat radiating portion 92 to be described later.
  • a proximal end space 11 as an end space that communicates the gap 5 and the cavity 7 is provided on the proximal end side of the shaft member 3 .
  • the base end space 11 is provided with a fan 8 that circulates or circulates the cooling gas in the housing 2 together with a base end heat radiating portion 91 to be described later. Turning around, the cooling gas flows into the gap 5 to the left.
  • the gap 5 on one end face side of the coil 61, the cavity 7 on the other end face side, the gap 5 and the cavity 7 are communicated so as to surround the coil 61 that generates heat when energized when the motor device 1 is driven to rotate. Since a cooling passage in which air as a cooling gas circulates can be formed by the distal end space 10 and the proximal end space 11 , the coil 61 can be efficiently cooled.
  • the cooling gas flowing through the gap 5 and the cavity 7 may flow in a direction opposite to that in FIG. 3 along the rotation axis O. FIG. That is, in the cavity 7, the cooling gas flows leftward from the base end side (right side in FIG. 3) of the shaft member 3 toward the tip side (left side in FIG. 3), and in the gap 5, the cooling gas flows toward the tip side of the shaft member 3 may flow rightward from the proximal side.
  • Such circulation direction of the cooling gas can be adjusted by the fan 8 and/or the heat radiating section 9, which will be described later.
  • the cavity 7 is formed in a straight line parallel to the rotation axis O and the gap 5, but the cavity 7 communicates the spaces on the distal end side and the proximal end side of the shaft member 3 to circulate the cooling gas.
  • the cavity 7 may be formed in any direction as long as
  • the cavity 7 may be formed in a curved or helical shape that meanders and connects the spaces on the distal end side and the proximal end side of the shaft member 3 . With such a cavity 7, the distance over which the cooling gas flows while being in thermal contact with the stator 6 is increased, so the cooling efficiency can be enhanced.
  • a plurality of cavities 7 are provided surrounding the end face (the other end face) of the stator 6 on the yoke 62 side.
  • the cooling gas flowing through the cavities 7 has an increased area of thermal contact with the stator 6, so that the cooling efficiency can be enhanced.
  • FIG. 6 as a modification, by providing a plurality of cavities 71 and 72 at a plurality of positions with different distances from the rotation axis O, the thermal contact area between the cooling gas and the stator 6 can be increased. good.
  • the farther from the rotation axis O the larger the cross-sectional area of the cavity (72), so that the thermal resistance can be lowered.
  • An outer cavity 72 is shown by a dotted line in FIG. A road network is formed.
  • the fan 8 rotates in conjunction with the shaft member 3 and the rotor 4 on the base end side (right end side in FIG. 3) of the rotation axis O, and generates a cooling gas flow in the gap 5 and the cavity 7 .
  • the fan 8 includes a first fan 81 facing one end of the gap 5 (right end in FIG. 3) to generate a flow of cooling gas in the gap 5, and a first fan 81 facing one end of the cavity 7 (right end in FIG. 3).
  • a second fan 82 is provided to generate a flow of cooling gas in the air.
  • the cooling gas delivery directions along the rotation axis O of the first fan 81 and the second fan 82 are opposite to each other, and in the example of FIG.
  • the second fan 82 sends the cooling gas to the right away from the cavity 7 .
  • the first fan 81 blows cooling gas into the gap 5 and the second fan 82 sucks cooling gas out of the cavity 7 .
  • the direction in which the cooling gas is delivered from the fans 81 and 82 is determined by the installation direction or inclination direction of the blades. As schematically indicated by diagonal lines in each of the fans 81 and 82 in FIG. 3, the installation direction or inclination direction of the blades of the first fan 81 and the second fan 82 are opposite to each other.
  • the heat radiating portion 9 includes a base end heat radiating portion 91 fixed to the end face (right end face in FIG. 3) or the inner wall of the housing 2 on the base end side of the rotation axis O, and It has a tip side heat radiating part 92 fixed to the end face (the left end face in FIG. 3) or the inner wall.
  • Each heat radiating part 91, 92 is made of a material with low heat resistance such as aluminum, and has an uneven surface shape such as fins to efficiently absorb the heat stored in the cooling gas and release it from the back surface to the outside of the housing 2. discharge.
  • the rotor 4, the shaft member 3, and the fan 8 are integrally connected to the stator 6 and the housing by a rotating magnetic field generated by the plurality of coils 61 of the stator 6 that are energized. rotate with respect to body 2; As the fan 8 rotates, a circulation cooling flow path of cooling gas passing through the gap 5 and the cavity 7 is formed as indicated by the arrow in FIG. Moreover, the heat stored in the cooling gas is efficiently released to the outside of the housing 2 by the heat radiating section 9 provided on the circulation cooling flow path of the cooling gas.
  • a cooling channel constituted by the gap 5 between the stator 6 and the rotor 4, the cavity 7, the distal end space 10, and the proximal end space 11 is formed in the sealed housing 2. Therefore, the coils 61 of the stator 6 can be appropriately cooled even under a poor environment where earth, sand or mud may adhere to the outside of the housing 2 .
  • the motor device 1 of the present embodiment it is preferable to apply the motor device 1 of the present embodiment to the undercarriage 101 and the bucket 106, which are highly likely to be contaminated with dirt and mud.
  • each drive unit of the electric construction machine 100 may be indirectly driven by the motor device 1.
  • the motor device 1 is used to control the hydraulic valve that controls the hydraulic pressure to each hydraulic device, so that the actuator can be replaced by the EHA.
  • cooling gas air is exemplified as the cooling gas in the embodiment, other gases may be used as the cooling gas.
  • the rotor 4 is provided inside (lower side) and the stator 6 is provided outside, but the rotor 4 may be provided outside and the stator 6 inside. .
  • the cavity 7 is formed inside the stator 6 .
  • each device described in the embodiments can be realized by hardware resources or software resources, or by cooperation between hardware resources and software resources.
  • Processors, ROMs, RAMs, and other LSIs can be used as hardware resources.
  • Programs such as operating systems and applications can be used as software resources.
  • those in which a plurality of functions are provided in a distributed manner may be provided by consolidating some or all of the plurality of functions. What is provided as a single function may be provided so that part or all of the plurality of functions are distributed. Regardless of whether the functions are centralized or distributed, it is sufficient that they are configured so as to achieve the objects of the invention.
  • the present invention relates to drive technology using an electric motor.

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Abstract

モータ装置１は、通電によって電磁石となる複数のコイル６１を備える固定子６と、複数のコイル６１の一方の面に対向する複数の永久磁石４１を備え、固定子６に対して回転可能に設けられる回転子４と、固定子６および回転子４を密閉するように収容する筐体２であって、回転子４の回転軸Ｏの両端部に位置する端部空間１０、１１と、複数のコイル６１の他方の面側において当該各端部空間１０、１１を連通する空洞７が設けられる筐体２と、複数のコイル６１の一方の面と複数の永久磁石４１の間の各端部空間１０、１１を連通するギャップ５と、各端部空間１０、１１と、空洞７と、から構成される冷却流路に筐体２内の気体を流通させるファン８と、を備える。

Description

モータ装置、建設機械
　本発明は電動機による駆動技術に関する。
　建設現場で使用される建設機械（以下、建機ともいう）として、電動機（以下、電気モータまたはモータともいう）で駆動される電動建機や、油圧機器と電動機が併用されるハイブリッド建機が知られている（以下、総称して電動建機ともいう）。モータの回転動力で駆動されるボールねじ等の機械要素によって電動建機の各駆動部を直接的に駆動する方式のアクチュエータは電気機械式アクチュエータ（ＥＭＡ：Electro-Mechanical Actuator）と呼ばれ、モータの回転動力で駆動される油圧ポンプ等の油圧機器によって電動建機の各駆動部を間接的に駆動する方式のアクチュエータは電気油圧式アクチュエータ（ＥＨＡ：Electro-Hydrostatic Actuator）と呼ばれる。
特表２０２０－５０２９９０号公報
　電動建機の駆動部のうち、地面や作業対象に直接的に接触する下部走行体やバケットでは、土砂や泥がモータの筐体に付着する可能性がある。このような駆動部に特許文献１が開示する多数の冷却フィンを筐体外に備えるモータを適用すると、土砂や泥で冷却フィンが埋まってしまいモータを適切に冷却することができなくなってしまう。
　本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、劣悪な環境下でも適切に冷却できるモータ装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある態様のモータ装置は、通電によって電磁石となるコイルを備える固定子と、コイルの一方の面に対向する永久磁石を備え、固定子に対して回転可能に設けられる回転子と、固定子および回転子を密閉するように収容する筐体であって、回転子の回転軸の両端部に位置する端部空間と、コイルの他方の面側において当該各端部空間を連通する空洞が設けられる筐体と、一方の面と永久磁石の間の各端部空間を連通する隙間と、各端部空間と、空洞と、から構成される冷却流路に筐体内の気体を流通させるファンと、を備える。
　この態様によれば、固定子と回転子の隙間、各端部空間、空洞によって構成される冷却流路が密閉された筐体内に形成されるため、筐体外に土砂や泥が付着する可能性がある劣悪な環境下でも固定子のコイルを適切に冷却できる。なお、以下の実施形態では本発明のモータ装置を適用した電動建機を例示するが、本発明のモータ装置の適用対象が電動建機に限定されるものではない。
　本発明の別の態様は、建設機械である。この建設機械は、地面を走行可能な下部走行体と、下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブームと、ブームに屈曲可能に取り付けられたアームと、アームに屈曲可能に取り付けられたバケットと、下部走行体およびバケットの少なくともいずれかを駆動するモータ装置と、を備える。モータ装置は、通電によって電磁石となるコイルを備える固定子と、コイルの一方の面に対向する永久磁石を備え、固定子に対して回転可能に設けられる回転子と、固定子および回転子を密閉するように収容する筐体であって、回転子の回転軸の両端部に位置する端部空間と、コイルの他方の面側において当該各端部空間を連通する空洞が設けられる筐体と、一方の面と永久磁石の間の各端部空間を連通する隙間と、各端部空間と、空洞と、から構成される冷却流路に筐体内の気体を流通させるファンと、を備える。
　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明によれば、劣悪な環境下でもモータ装置を適切に冷却できる。
電動建機の概略構成図である。 電動建機の上面図である。 モータ装置の回転軸を含む断面図である。 図３のＡ－Ａ断面によるモータ装置の断面図である。 ハルバッハ配列に従って配置された複数の永久磁石を示す。 モータ装置の変形例を示す。
　本発明のモータ装置または駆動装置は、モータで回転駆動される駆動部または可動部を備える任意の装置または機械に適用できる。従って、本発明の適用対象の装置または機器が特に限定されるものではないが、本実施形態ではモータおよび減速機を備えるアクチュエータによって駆動される複数の駆動部を備える電動建機の例を説明する。また、本実施形態ではモータの回転動力で駆動される機械要素によって電動建機の各駆動部を直接的に駆動するＥＭＡをアクチュエータとして例示するが、本発明はモータの回転動力で駆動される油圧機器によって電動建機の各駆動部を間接的に駆動するＥＨＡにも適用できる。
　図１は、電動建機１００の概略構成図である。図２は、電動建機１００の上面図である。なお、以下の説明において、前後上下左右等の向きは、電動建機１００の向きと同一とする。すなわち、以下の説明では、電動建機１００の進行方向前方を単に前方と称し、電動建機１００の進行方向後方を単に後方と称し、重力方向上側を単に上側と称し、重力方向下側を単に下側と称し、前方を向いて車幅方向右側を単に右側と称し、車幅方向左側を単に左側と称して説明する。
　建設機械である電動建機１００では、地面を前方および後方に走行可能な下部走行体１０１の上に上部旋回体１０２が旋回可能に取り付けられている。上部旋回体１０２には、前方左側にキャブ１０３が設けられると共に、前方中央部にブーム１０４が起伏可能に取り付けられている。ブーム１０４の先端には、アーム１０５が上下に屈曲可能に取り付けられている。アーム１０５の先端には、バケット１０６が上下に屈曲可能に取り付けられている。
　キャブ１０３の前方左側には、ジャイロセンサ１１０が取り付けられている。換言すれば、上部旋回体１０２において、旋回中心Ｃ１から最大限離間した位置にジャイロセンサ１１０が取り付けられている。ジャイロセンサ１１０は、キャブ１０３（下部走行
体１０１、上部旋回体１０２）の傾斜角度、傾斜方向、旋回位置、回転角速度を検出可能なセンサである。なお、傾斜方向とは、傾斜の上り方向または下り方向をいう。
　以下、下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６を電動建機１００の駆動部と総称する。従って、図１および図２の電動建機１００は５個の駆動部を有する建設機械である。なお、下部走行体１０１は地面を走行可能な走行部を構成し、上部旋回体１０２は走行部に対して旋回可能な旋回部を構成し、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６は旋回部に取り付けられて作業を行う作業部を構成する。電動建機１００の各駆動部を駆動する駆動装置としての各アクチュエータは、バッテリー等の直流電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータから供給される交流電力に基づいて回転動力を発生させるモータ装置と、モータ装置の回転を減速して減速比に応じたトルクを得る減速機を備える。以下、モータ装置の詳細な構成について説明する。
　図３はモータ装置１の回転軸Ｏを含む断面図であり、図４は回転軸Ｏに垂直な図３のＡ－Ａ断面によるモータ装置１の断面図である。モータ装置１は、モータ装置１の以下に列挙する構成部品を内部に密閉するように収容する筐体２と、回転軸Ｏを中心に回転可能に設けられ筐体２外に突出する先端部（図３の左端部）から回転動力を出力する軸部材３と、軸部材３に固定され連動して回転可能な回転子４と、筐体２に固定され径方向（図３の上下方向）の隙間としてのギャップ５を挟んで回転子４と対向する固定子６と、固定子６の背面側すなわち固定子６が回転子４およびギャップ５に対向する面とは反対側に設けられ冷却気体が流通可能な空洞７と、軸部材３の基端部（図３の右端部）に連結部８３によって連結または固定されギャップ５および空洞７に冷却気体の循環する流れを発生させるファン８と、筐体２内の軸方向（図３の左右方向）の両端面に固定され凹凸のある表面形状によって冷却気体に蓄えられた熱を吸収して筐体２外に放出する放熱部９を備える。図３における矢印は冷却気体としての空気の流れを模式的に表す。
　回転子４は、回転軸Ｏ周りの周方向または回転方向に沿って周期的に配列される複数の永久磁石４１と、複数の永久磁石４１を相互に連結する支持部材４２を備える。複数の永久磁石４１は固定子６との間のギャップ５に面して設けられ、その反対側において支持部材４２によって連結される。支持部材４２は、例えば、鉄、炭素鋼、ケイ素鋼、パーマロイ、センダスト、パーメンジュール、ソフトフェライト、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金等の透磁率が高い軟磁性材料によって形成される。なお、鉄を含有する支持部材４２はヨーク（継鉄）とも呼ばれる。なお、支持部材４２を非磁性材料によって形成してもよい。
　複数の永久磁石４１は、固定子６との対向面において磁極が周方向に沿って周期的に現れるように配置される。例えば、固定子６との対向面においてＮ極とＳ極が周方向に沿って交互に現れるように複数の永久磁石４１を配置してもよいし、図５に示されるようなハルバッハ配列に従って複数の永久磁石４１を配置してもよい。ハルバッハ配列は、周方向に沿って隣接する永久磁石４１の磁極の方向が２πのＮ等分（Ｎは３以上または－３以下の整数）ずつ回転した配列である。図示の例ではＮ＝４であり、周方向に沿って隣接する永久磁石４１の磁極の方向がπ／２すなわち90度ずつ回転している。このようなハルバッハ配列によれば、固定子６との対向面における複数の永久磁石４１による磁界または磁場の強度を高めることができるため、モータ装置１の高効率化や高トルク化が可能になる。
　固定子６は、通電によって電磁石となる周方向に沿って配列された複数のコイル６１と、複数のコイル６１を相互に連結するヨーク６２を備える。図５に示されるように、複数のコイル６１は、モータ装置１の回転方向または周方向に沿って同一間隔で配置され、それらの一方の面または端面（図５の内側の端面または図３の下方の端面）がギャップ５を挟んで回転子４の複数の永久磁石４１と対向する。モータ装置１の回転駆動時に大きさと方向を制御した電流を各コイル６１に流すと、回転子４との対向面において周方向に沿って回転するＮ極とＳ極の周期的な磁極パターンまたは回転磁界が発現するため、複数の永久磁石４１を備える回転子４が固定子６に対して回転する。ヨーク６２は鉄を含有する軟磁性材料によって形成される。
　ここで、回転子４における複数の永久磁石４１を図５に示すようなハルバッハ配列とすることで、固定子６との対向面に現れる（径方向の）磁界が周方向に沿って正弦波状に変化するため、固定子６をコアレス構造にできることが知られている。コアレス構造の固定子６では、コイル６１が巻かれるコアまたは鉄心が設けられないため、コア間に形成される溝であるスロットによって各コイル６１が閉じ込められることもない。従って、図５にも模式的に示されるように、各コイル６１の内部および各コイル６１の間には冷却気体としての空気が流通可能な隙間が多く存在するため、各コイル６１を効率的に冷却できる。また、固定子６をコアレス構造とすることで、コイル６１の径方向の厚みを小さくできるため、回転子４との間のギャップ５を大きくできる。これによって、ギャップ５内を流れる冷却気体の量が増加するため、冷却効率を更に高めることができる。
　筐体２内に設けられる空洞７は、コイル６１の他方の面または端面（図３の上面）側にヨーク６２と面して設けられ、コイル６１の一方の端面（図３の下面）と永久磁石４１の間のギャップ５を流通する冷却気体が流通可能である。図３に示されるように、ギャップ５および空洞７は回転子４の回転軸Ｏに沿って互いに平行に設けられ、それぞれを流通する冷却気体の回転軸Ｏに沿う流通方向は互いに逆向きである。すなわち、ギャップ５では冷却気体が軸部材３の基端側（図３の右側）から先端側（図３の左側）に向かって左方に流れ、空洞７では冷却気体が軸部材３の先端側から基端側に向かって右方に流れる。軸部材３の先端側にはギャップ５と空洞７を連通する端部空間としての先端部空間１０が設けられており、ギャップ５から左方に流出した冷却気体の方向を筐体２の内壁や後述する先端側放熱部９２によって転換して空洞７に冷却気体を右方に流入させる。また、軸部材３の基端側にはギャップ５と空洞７を連通する端部空間としての基端部空間１１が設けられている。基端部空間１１には、後述する基端側放熱部９１と共に筐体２内の冷却気体を流通または循環させるファン８が設けられており、空洞７から右方に流出した冷却気体の方向を転換してギャップ５に冷却気体を左方に流入させる。
　このように、モータ装置１の回転駆動時に通電することで発熱するコイル６１を囲むように、コイル６１の一方の端面側のギャップ５、他方の端面側の空洞７、ギャップ５および空洞７を連通する先端部空間１０および基端部空間１１によって冷却気体としての空気が循環する冷却流路を形成できるため、コイル６１を効率的に冷却できる。なお、ギャップ５および空洞７を流通する冷却気体の回転軸Ｏに沿う流通方向は図３と逆向きでもよい。すなわち、空洞７では冷却気体が軸部材３の基端側（図３の右側）から先端側（図３の左側）に向かって左方に流れ、ギャップ５では冷却気体が軸部材３の先端側から基端側に向かって右方に流れてもよい。このような冷却気体の循環方向は、後述するファン８および／または放熱部９によって調整可能である。
　図３では空洞７が回転軸Ｏおよびギャップ５に平行な直線状に形成されたが、空洞７は軸部材３の先端側と基端側の空間を連通して冷却気体を循環させるものである限り任意の方向に形成できる。例えば、空洞７は軸部材３の先端側と基端側の空間を蛇行しながら連通する曲線状や螺旋状に形成してもよい。このような空洞７によれば、冷却気体が固定子６と熱的に接触しながら流れる距離が長くなるため冷却効率を高めることができる。
　図４に示されるように、空洞７は、固定子６のヨーク６２側の端面（他方の端面）を囲んで複数設けられる。このように細い管状の空洞７を多数設けることによって、空洞７を流通する冷却気体が固定子６と熱的に接触する面積が増えるため、冷却効率を高めることができる。また、図６に変形例として示すように、回転軸Ｏからの距離が異なる複数の位置に複数の空洞７１、７２を設けることで、冷却気体と固定子６の熱的接触面積を増やしてもよい。図示されるように、回転軸Ｏから遠いほど空洞（７２）の断面積を大きくして熱抵抗を下げることができる。また、外側の空洞７２を図４に点線で示すが、回転軸Ｏに近い内側の空洞７１と回転軸Ｏから遠い外側の空洞７２によって、固定子６の外側に格子状または網目状の冷却流路網が形成される。
　ファン８は、回転軸Ｏの基端側（図３の右端側）において軸部材３および回転子４と連動して回転し、ギャップ５および空洞７に冷却気体の流れを発生させる。ファン８は、ギャップ５の一端（図３の右端）に対向してギャップ５に冷却気体の流れを発生させる第１ファン８１と、空洞７の一端（図３の右端）に対向して空洞７に冷却気体の流れを発生させる第２ファン８２を備える。第１ファン８１および第２ファン８２の回転軸Ｏに沿う冷却気体の送出方向は互いに逆向きであり、図３の例では、第１ファン８１は冷却気体をギャップ５に近づく左方に送出し、第２ファン８２は冷却気体を空洞７から遠ざかる右方に送出する。換言すれば、第１ファン８１はギャップ５に冷却気体を吹き込み、第２ファン８２は空洞７から冷却気体を吸い出す。なお、各ファン８１、８２の冷却気体の送出方向は羽根の設置方向または傾斜方向によって決まる。図３の各ファン８１、８２中の斜線で模式的に示されるように、第１ファン８１および第２ファン８２の羽根の設置方向または傾斜方向は互いに逆向きである。
　放熱部９は、筐体２における回転軸Ｏの基端側の端面（図３の右端面）または内壁に固定される基端側放熱部９１と、筐体２における回転軸Ｏの先端側の端面（図３の左端面）または内壁に固定される先端側放熱部９２を備える。各放熱部９１、９２は、アルミニウム等の熱抵抗の低い材料で形成され、フィン等の凹凸のある表面形状によって冷却気体に蓄えられた熱を効率的に吸収して背面から筐体２外に放出する。基端側放熱部９１には、第２ファン８２から冷却気体としての空気が吹き付けられるため、パーソナルコンピュータ等で一般的なヒートシンクとファンの要領で効率的に放熱がなされる。また、図３に示される空気の循環方向、すなわち、基端側放熱部９１にあっては上（外側）から下（内側）に向かう方向、先端側放熱部９２にあっては下（内側）から上（外側）に向かう方向に空気が自然に流れるように、各放熱部９１、９２の表面形状における凹凸の形成方向を変えるのが好ましい。
　以上のような構成のモータ装置１の回転駆動時には、通電した固定子６の複数のコイル６１が発現させる回転磁界によって、回転子４、軸部材３、ファン８が一体的に固定子６および筐体２に対して回転する。ファン８が回転することで図３の矢印で示されるようなギャップ５および空洞７を通る冷却気体の循環冷却流路が形成されるため、通電によって発熱したコイル６１が効率的に冷却される。また、冷却気体に蓄えられた熱は、冷却気体の循環冷却流路上に設けられる放熱部９によって、筐体２外に効率的に放出される。
　本実施形態によれば、固定子６と回転子４のギャップ５、空洞７、先端部空間１０、基端部空間１１によって構成される冷却流路が密閉された筐体２内に形成されるため、筐体２外に土砂や泥が付着する可能性がある劣悪な環境下でも固定子６のコイル６１を適切に冷却できる。図１および図２のような電動建機１００では、土砂や泥が付着する可能性の高い下部走行体１０１およびバケット１０６に本実施形態のモータ装置１を適用するのが好ましい。
　以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
　実施形態ではモータ装置１が電動建機１００の各駆動部を直接的に駆動するＥＭＡの例を説明したが、電動建機１００の各駆動部はモータ装置１によって間接的に駆動されてもよい。例えば、各駆動部を直接的に駆動するのが油圧モータや油圧シリンダ等の油圧機器である場合、各油圧機器への油圧を制御する油圧バルブの制御にモータ装置１を用いることでアクチュエータをＥＨＡとして構成してもよい。
　実施形態では冷却気体として空気を例示したが、その他の気体を冷却気体として使用してもよい。
　実施形態では図３に示されるように、回転子４が内側（下側）に、固定子６が外側に設けられたが、回転子４を外側に、固定子６を内側に設けてもよい。この場合、空洞７は固定子６より更に内側に形成される。
　なお、実施形態で説明した各装置の機能構成はハードウェア資源またはソフトウェア資源により、あるいはハードウェア資源とソフトウェア資源の協働により実現できる。ハードウェア資源としてプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。
　本明細書で開示した実施形態のうち、複数の機能が分散して設けられているものは、当該複数の機能の一部又は全部を集約して設けても良く、逆に複数の機能が集約して設けられているものを、当該複数の機能の一部又は全部が分散するように設けることができる。機能が集約されているか分散されているかにかかわらず、発明の目的を達成できるように構成されていればよい。
　本発明は電動機による駆動技術に関する。
　１　モータ装置、２　筐体、３　軸部材、４　回転子、５　ギャップ、６　固定子、７　空洞、８　ファン、９　放熱部、１０　先端部空間、１１　基端部空間、４１　永久磁石、６１　コイル、６２　ヨーク、８１　第１ファン、８２　第２ファン、８３　連結部、１００　電動建機、１０１　下部走行体、１０２　上部旋回体、１０４　ブーム、１０５　アーム、１０６　バケット。

Claims (9)

  1. 　通電によって電磁石となるコイルを備える固定子と、
    　前記コイルの一方の面に対向する永久磁石を備え、前記固定子に対して回転可能に設けられる回転子と、
    　前記固定子および前記回転子を密閉するように収容する筐体であって、前記回転子の回転軸の両端部に位置する端部空間と、前記コイルの他方の面側において当該各端部空間を連通する空洞が設けられる筐体と、
    　前記一方の面と前記永久磁石の間の前記各端部空間を連通する隙間と、前記各端部空間と、前記空洞と、から構成される冷却流路に前記筐体内の気体を流通させるファンと、
    　を備えるモータ装置。
  2. 　前記隙間および前記空洞は前記回転軸に沿って設けられ、
    　前記隙間および前記空洞を流通する前記気体の前記回転軸に沿う流通方向は互いに逆向きである、請求項１に記載のモータ装置。
  3. 　前記ファンを前記回転子の回転軸と連結する連結部を更に備える、請求項１または２に記載のモータ装置。
  4. 　前記ファンは、少なくともいずれかの前記端部空間に設けられる、請求項１から３のいずれかに記載のモータ装置。
  5. 　前記ファンは、前記隙間の前記回転軸の方向の一端に対向して当該隙間に前記気体の流れを発生させる第１ファンと、前記空洞の前記回転軸の方向の一端に対向して当該空洞に前記気体の流れを発生させる第２ファンと、を含み、
    　前記第１ファンおよび前記第２ファンの前記回転軸に沿う前記気体の送出方向は互いに逆向きである、
    　請求項１から４のいずれかに記載のモータ装置。
  6. 　前記空洞は、前記固定子の他方の面を囲んで複数設けられる、請求項１から５のいずれかに記載のモータ装置。
  7. 　前記固定子は、前記コイルが巻かれるコアが設けられないコアレス構造である、請求項１から６のいずれかに記載のモータ装置。
  8. 　前記回転子は、回転方向に沿って隣接する前記永久磁石の磁極の方向が２πのＮ等分（Ｎは３以上または－３以下の整数）ずつ回転したハルバッハ配列を備える、請求項７に記載のモータ装置。
  9. 　地面を走行可能な下部走行体と、
    　前記下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、
    　前記上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブームと、
    　前記ブームに屈曲可能に取り付けられたアームと、
    　前記アームに屈曲可能に取り付けられたバケットと、
    　前記下部走行体および前記バケットの少なくともいずれかを駆動するモータ装置と、
    　を備え、
    　前記モータ装置は、
    　通電によって電磁石となるコイルを備える固定子と、
    　前記コイルの一方の面に対向する永久磁石を備え、前記固定子に対して回転可能に設けられる回転子と、
    　前記固定子および前記回転子を密閉するように収容する筐体であって、前記回転子の回転軸の両端部に位置する端部空間と、前記コイルの他方の面側において当該各端部空間を連通する空洞が設けられる筐体と、
    　前記一方の面と前記永久磁石の間の前記各端部空間を連通する隙間と、前記各端部空間と、前記空洞と、から構成される冷却流路に前記筐体内の気体を流通させるファンと、
    　を備える建設機械。
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