JP6059970B2

JP6059970B2 - 電動機

Info

Publication number: JP6059970B2
Application number: JP2012259350A
Authority: JP
Inventors: 和英関山; 藤澤　亮; 亮藤澤
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP2014107963A

Description

本発明は、例えば建設機械での旋回駆動に用いられる電動機に関する。

従来、建設機械等に用いられる電動機として、ロータシャフトと、このロータシャフトに組付けられるロータと、このロータの周囲に配置され、当該ロータを回転させる磁界を形成するためのコイルを含むステータと、このステータを収容するステータフレームとを備えたものが知られている。さらに、このタイプの電動機では、前記ロータシャフトの調速のために当該ロータシャフトに円盤状のフライホイールが固定される場合がある。

特開２００９−２２０７７１号公報

前記フライホイールは、その大きな慣性モーメントを確保するために大きな外径を有する形状に形成されながら、前記ステータフレーム内の限られたスペース内に収容される必要があることから、前記ステータに対して軸方向に近接して配置されることが多い。このような配置は、当該ステータの近傍で熱がこもり易いという技術的課題を生ずる。

具体的に、前記ステータは、前記ロータシャフトの周囲に配置されるステータコアおよびこれに軸方向に巻き付けられるステータコイルを有していて、当該ステータコイルの軸方向の端部であるコイルエンドは前記ステータコアから軸方向に突出した形状を有するため、当該コイルエンドの径方向の内側に内側空間が形成される。さらに、このコイルエンドに近接する位置でフライホイールがロータシャフトに固定されると、前記内側空間は前記フライホイールによって軸方向から塞がれた状態となる。

従って、前記ステータコイルに大きな電流が流されて当該ステータコイルが発熱すると、その熱が前記内側空間、すなわち前記コイルエンドと前記フライホイールとによって径方向及び軸方向の双方から囲まれた空間内にこもり易くなる。また、当該熱を放散するために前記フライホイールに加えて気流形成用のファンを前記ステータシャフト内の限られたスペース内に付設することは、事実上困難である。

本発明は、このような事情に鑑み、ステータ及びフライホイールを具備する電動機であって、当該ステータ及びフライホイールによって囲まれる空間内の熱を簡素な構造で効率よく放散することが可能なものを提供することを目的とする。

本発明が提供する電動機は、回転軸及びその外周面上に固定される磁石部を有するロータと、前記ロータの磁石部の周囲に配置されるステータコアと、当該ステータコアに支持されるステータコイルと、を有し、当該ステータコイルの通電により前記ロータを回転させる電磁力が生じるとともに当該ステータコイルが発熱するステータと、前記ステータに対して前記回転軸の軸方向と平行な方向に隣接する位置で当該回転軸にこれと一体に回転するように固定されるフライホイールと、を備え、前記ステータコイルは、前記磁石部の軸方向の端面のうち前記フライホイールに対向する側の端面よりも当該フライホイール側に近づくように突出する突出部分を有してこの突出部分の径方向内側に内側空間を形成する形状を有し、前記フライホイールは、前記ステータの内周面よりも径方向の内側の位置であって当該フライホイールの回転方向に並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられて前記内側空間を前記フライホイールを挟んで軸方向の外側の外側空間に開放するように当該内側空間に対向する位置で当該フライホイールを当該軸方向に貫通する複数の貫通穴を有し、かつ、これらの貫通穴は、前記フライホイールの回転に伴って前記内側空間から前記外側空間へ向かう方向に前記貫通穴を通る気流を形成する形状を有する前記ロータの磁石部の周囲に配置され、電磁力によって当該ロータを回転させるステータと、前記ステータに対して前記回転軸の軸方向と平行な方向に隣接する位置で当該回転軸にこれと一体に回転するように固定されるフライホイールと、を備える。前記ステータは、前記磁石部の軸方向の端面のうち前記フライホイールに対向する側の端面よりも当該フライホイール側に近づくように突出する突出部分を有してこの突出部分の内側に内側空間を形成する形状を有し、前記フライホイールは、その回転方向に並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられて前記内側空間を前記フライホイールを挟んで軸方向の外側の外側空間に開放するように当該フライホイールを当該軸方向に貫通する複数の貫通穴を有し、かつ、これらの貫通穴は、前記フライホイールの回転に伴って前記貫通穴を通る気流を形成する形状を有する。

この電動機では、前記ステータの突出部分の径方向内側に形成される内側空間がさらにその軸方向に隣接するフライホイールによって覆われるため、当該内側空間の開放度合いは小さくなるが、そのフライホイールが回転することによって当該フライホイールに設けられた貫通穴を通る気流が形成されることにより、前記内側空間の換気が促進され、これにより前記内側空間での熱のこもりが低減される。すなわち、この電動機では、前記内側空間を覆うように配置されるフライホイールそのものの回転を利用した合理的かつ簡素な構造で、前記内側空間での熱のこもりを低減することが可能である。

具体的に、前記貫通穴は、前記フライホイールの厚み方向に対して少なくとも当該フライホイールの回転周方向に傾斜した形状を有するのが、好ましい。この傾斜は、当該フライホイールの回転に伴って当該貫通穴を通る気流を形成すること、を可能にする。

本発明において、前記貫通穴は、前記フライホイールの回転に伴って前記内側空間から前記外側空間へ向かう方向の気流を形成する形状を有するので、内側空間の熱を直接的且つ効果的に外側空間へ放散することが可能になる。

前記貫通穴が前記フライホイールの厚み方向に対して当該フライホイールの回転周方向に傾斜する場合、当該貫通穴は前記内側空間から離れるに従って前記フライホイールの回転の向きと反対の向きに変位するように傾斜する形状を有すればよい。

また、前記フライホイールは、前記ステータの外径よりも大きな外径を有するのが、好ましい。このような構造を有するフライホイールは、前記複数の貫通穴を通じて前記内側空間の換気を効果的に促進することができるのに加え、フライホイールの中心からの各貫通穴の半径方向の距離が小さく抑えられることで、当該貫通穴の存在にかかわらず大きな慣性モーメントを保有することが可能であり、その本来の調速機能と前記の気流形成機能の双方について高いレベルを確保することができる。

以上のように、本発明によれば、ステータ及びフライホイールを具備する電動機であって、当該ステータ及びフライホイールによって囲まれる空間内の熱を簡素な構造で効率よく放散することが可能なものが、提供される。

本発明の実施の形態に係る電動機の断面正面図である。前記電動機に含まれるフライホイールの断面斜視図であって当該フライホイールの直径に沿った断面を示す図である。前記フライホイールの断面斜視図であって当該フライホイールの貫通穴が並ぶ円の接線方向に沿った断面を示す図である。図３に示す断面における前記貫通穴の回転周方向への傾斜角度を示す断面図である。前記貫通穴の傾斜角度とこの貫通穴を流れる空気の質量流量及び軸方向速度との関係を示すグラフである。

本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態に係る電動機は、建設機械のエンジン６０とポンプ７０との間に介設されて発電と駆動のアシストとを行う発電電動機であるが、本発明に係る電動機はその駆動対象及び用途を問わない。例えば、旋回式作業機械の下部走行体に対して上部旋回体を旋回させるための旋回電動機や、専ら油圧ポンプを駆動するために設けられるポンプ専用の電動機にも、本発明を適用することが可能である。

図１に示される実施形態に係る電動機は、ロータ１０と、ステータ２０と、ステータフレーム３０と、エンドカバー４０と、フライホイール５０と、を備える。

前記ロータ１０は、特定の回転中心軸（図１では左右方向の軸）回りに回転可能となるように支持されるものであって、前記回転中心軸に沿って延びる回転軸１２と、この回転軸１２の中間部分の周囲に設けられる磁石部１４とを有し、当該回転軸１２と当該磁石部１４とが一体に回転するように両者が結合されている。

前記回転軸１２は、その両端が前記エンジン６０と前記ポンプ７０とによって回転可能に支持されている。具体的に、当該回転軸１２の一方の端部は、カップリング１６を介して前記エンジン６０のエンジン軸６２に連結され、他方の端部は、前記ポンプ７０のポンプフレーム７２に図略の軸受を介して支持されるとともに、当該ポンプフレーム７２内の図略のポンプ軸にカップリングを介して連結されている。この回転軸１２は、前記ステータフレーム３０やエンドカバー４０によって回転可能に支持されてもよい。

前記磁石部１４は、円柱状の鉄心１５と、この鉄心１５にそれぞれ埋め込まれる複数枚の図略の永久磁石とを有する。前記鉄心１５は、例えば複数枚の鋼板を前記ロータ１０の軸方向に沿って積層することにより形成され、前記各永久磁石は互いにロータの周方向に並ぶように前記鉄心１５に埋め込まれている。すなわち、この実施の形態に係るロータ１０は、いわゆる永久磁石型同期モータを構成するが、本発明に係るロータはこれに限定されない。例えば、永久磁石が鉄心の外周面上に配設されるもの（すなわち表面磁石型同期モータのロータを構成するもの）や、いわゆるかご型回転子を構成するもの（すなわち誘電モータのロータを構成するもの）でもよい。

前記ステータ２０は、前記ロータ１０の周囲（この実施の形態では前記磁石部１４の周囲）に配置される円筒状のステータコア２２と、このステータコア２２に支持されるステータコイル２４と、を有する。前記ステータコア２２は、例えば複数枚の鋼板を前記ロータ１０の軸方向に積層することにより形成される。前記ステータコイル２４は、前記ステータコア２２に巻き付けられる巻線により構成され、このステータコイル２４の通電により前記ロータ１０の磁石部１４に回転力を与える磁界を形成する。このステータコイル２４は、前記ステータコア２２から前記ロータ１０の軸方向に沿ってそのエンジン側端部１２ａに近づく側（図１では左側側）に突出する第１突出端部２７と、前記ステータコア２２から前記ロータ１０の軸方向に沿って前記第１端部２７と反対の側（図１では右側）に突出する第２突出端部２８と、を有する。

前記ステータフレーム３０は、前記ロータ１０のエンジン側端部１２ａと反対の側（図１では上側）で前記ロータ１０の軸方向と平行な方向（図１では左向き）に開口し、当該開口から挿入される前記ステータ２０を収容してそのステータコア２２を保持する。具体的に、ステータフレーム３０は、周壁３２と、端壁３４とを一体に有し、前記周壁３２の内側に前記ステータコア２２が圧入されることにより、あるいはボルト等の締結具にて、当該ステータコア２２が当該ステータフレーム３０内に固定される。前記端壁３４は、前記ステータフレーム３０の開口と反対の側（図１では右側）に位置し、その中央には前記回転軸１２の貫通を許容する貫通穴３６が設けられている。

前記エンドカバー４０は、その中央に前記エンジン軸６２の貫通を許容する貫通穴４２を有するとともに、前記ステータフレーム３０の開口を塞ぐように当該ステータフレーム３０の当該開口側の端部（図１では左端部）に接合され、かつ、前記エンジン６０のケーシング６４の外壁に固定される。すなわち、この実施形態では、エンドカバー４０は前記ステータフレーム３０とともに電動機のケーシングを構成し、このケーシング全体が前記エンジン６０のケーシング６４に支持されている。

前記フライホイール５０は、調速のために前記回転軸１２に固定されるもので、この実施形態では、前記ロータ１０の磁石部１４に対してそのエンジン側に隣接する位置に配置され、前記回転軸１２のエンジン側端部１２ａと前記エンジン軸６２の端部とを跨ぐようにして両軸１２，６２の周囲に固定される形状を有する。具体的に、この実施形態に係るフライホイール５０は、前記ステータ２０の外径よりも大きい外径を有する略円盤状をなし、中央に前記カップリング１６を収容する貫通穴５２を有するとともに、この貫通穴５２を挟んで一方の側すなわちエンジン側に前記エンジン軸６２の端部を囲むエンジン側ボス部５４を有し、反対の側すなわちロータ１０側に前記回転軸１２のエンジン側端部１２ａを囲むロータ側ボス部５６を有する。従って、このロータ側ボス部５６の外周面と前記ステータ２０の各ステータコイル２４の第１突出端部２７の内側面との間には、当該第１突出端部２７の径方向内側に位置する内側空間８０が形成され、これを前記フライホイール５０が軸方向外側から（この実施形態ではエンジン側から）覆うように当該フライホイール６０が配置されている。

さらに、この電動機の特徴として、前記フライホイール５０は、これを厚み方向、すなわち前記回転軸１２の軸方向と平行な方向、に貫通する複数の貫通穴５８を有する。これらの貫通穴５８は、前記フライホイール５０の回転方向に並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられ、当該フライホイール５０を挟んで前記内側空間８０と反対の側の空間である外側空間８２に当該内側空間８０を開放する。具体的に、この実施形態に係る各貫通穴５８は、前記ステータ２０の内周面よりも径方向内側の位置であって前記内側空間８０に対向する位置にそれぞれ設けられている。

さらに、前記各貫通穴５８は、前記フライホイール５０の回転に伴って前記内側空間８０から前記外側空間８２に向かう気流を形成する形状を有する。具体的に、この実施形態に係る貫通穴５８は、図２及び図３に示されるように、正面から見て矩形状をなしていて、互いにフライホイール５０の回転径方向に対向する一対の内側面５８ａと、互いにフライホイール５０の回転周方向に対向する一対の内側面５８ｂと、によって囲まれており、このうち回転周方向に対向する内側面５８ｂがそれぞれ図４に示すように回転周方向に角度θで傾斜している。この傾斜の向きは、前記内側空間８０から前記外側空間８２への気流を形成すべく、前記内側空間８０から離れるに従って（すなわち外側空間８２に向かうに従って）前記フライホイール５０の回転の向きと反対の向きに前記両内側面５８ｂが変位するように設定され、傾斜角度θは好ましくは後述の理由で４５°〜８０°の範囲内、さらに好ましくは５５°〜７０°の範囲内で定められる。

次に、この電動機の作用を説明する。

図１に示す状態において、ステータ２０のステータコイル２４が通電されると、ロータ１０の磁石部１４を回転させる磁界が形成され、これにより当該磁石部１４及びこれに固定される回転軸１２をもつロータ１０全体が回転軸１２の中心軸回りに回転駆動される。さらに、この回転軸１２に固定されたフライホイール５０も当該回転軸１２と一体に回転し、当該フライホイール５０のもつ大きな慣性モーメントが前記ロータ１０の回転を安定させる。

一方、前記ステータコイル２４はその通電により発熱し、その近傍の空気の温度を上昇させる。特に、当該ステータコイル２４のうちの第１突出端部２７の内側に形成された内側空間８０はロータ１０の磁石部１４とフライホイール５０とで軸方向から挟まれた状態、すなわち、前記ステータコイル２４が発する熱がこもり易い状態にある。しかしながら、この電動機では、前記フライホイール５０の回転に伴い、前記内側空間８０から前記各貫通穴５８を通じて外側空間８２向かう気流が形成されるため、前記内側空間８０内の熱は積極的に外側空間８２に逃がされ、これにより、前記内側空間８０内での熱のこもりが低減される。すなわち、この電動機では、前記内側空間８０を覆うように配置されるフライホイール５０そのものの回転を利用した合理的かつ簡素な構造で、前記内側空間８２での熱のこもりを低減することが可能である。

前記各貫通穴５８の傾斜の向きは、前記と逆の向き、すなわち、内側空間８０から離れるに従ってフライホイール５０の回転方向と同方向に変位するような向きであってもよい。この場合、フライホイール５０の回転に伴ってその外側空間８２から内側空間８０への気流が形成されることになるが、このような気流の形成も内側空間８０内の換気を促進することが可能である。具体的には、前記外側空間８２から各貫通穴５８を通じて内側空間８０内に空気が押し込まれることにより、当該内側空間８０内の空気がフライホイール５０とステータコイル２４の第１突出端部２７との隙間を通じて径方向外側に押し出され、これにより前記換気を促進する循環流が形成される。ただし、前記のような内側空間８０から外側空間８２へ向かう気流の形成は、当該内側空間８０内の熱をより直接的かつ効果的に外側空間８２へ放散させることを可能にする。

また、前記各貫通穴５８は前記フライホイール５０の回転周方向に加えて回転径方向に傾斜していてもよい。例えば、前記実施形態に係るフライホイール５０の各貫通穴５８が前記回転周方向の傾斜に加えて前記内側空間８０から離れるに従って径方向外側に変位するような回転径方向の傾斜を有する場合には、前記内側空間８０内の空気を外側空間８２に対して積極的に径方向外側に拡散させるように送り出すことが可能になる。

本発明において、前記各貫通穴５８の具体的な個数、位置及び形状も限定されない。例えば各貫通穴５８の断面形状は矩形以外の形状、例えば円その他の閉曲線であってもよい。この場合も、当該貫通穴５８の中心軸が少なくとも回転周方向に傾斜していれば、この貫通穴５８を通る気流を形成することが可能である。また、各貫通穴５８は必ずしも同一円上に並んでいなくてもよく、例えばフライホイール５０の中心からの距離が互いに異なる貫通穴が混在していてもよい。

フライホイール５０の外径や具体的な断面形状も限定されない。例えば、図１に示されるようにロータ１０の回転軸１２とエンジン軸６２とに跨って設けられるものではなく当該回転軸１２にのみ固定されるものでもよいし、ステータ２０の外径よりも小さな外径をもつものでもよい。しかし、前記フライホイール５０のようにステータ２０の外径よりも大きな外径を有し、かつ、各貫通穴５８がステータ２０の内径よりも径方向の内側の領域内に配置されているものでは、前記複数の貫通穴５８を通じて前記内側空間８０の換気を効果的に促進することができるのに加え、フライホイール５０の外径を大きくとりながらその中心からの各貫通穴５８の半径方向の距離を小さく抑えることで、当該貫通穴５８の存在にかかわらず大きな慣性モーメントを保有することが可能である。すなわち、このような条件を満たすフライホイール５０は、その本来の調速機能と前記の気流形成機能の双方について高いレベルを確保することができる。

前記のように電動機の冷却に有効な気流の形成は、前記各貫通穴５８の回転周方向への傾斜によって達成される。図５は、前記貫通穴５８の回転周方向への傾斜角度θと、各貫通穴５８を流れる空気の質量流量及び軸方向速度との関係をシュミレーションにより算出した結果を示したものであり、同図の実線が質量流量、一点鎖線が軸方向速度をそれぞれ示す。シュミレーションの前提となる諸条件は次のとおりである。

貫通穴５８の個数：３０個
各貫通穴５８の回転周方向の寸法：２０ｍｍ
各貫通穴５８の回転径方向の寸法：１４ｍｍ
各貫通穴５８が形成されている部分のフライホイール５０の厚み：１２ｍｍ
フライホイール５０の中心から各貫通穴５８の中心までの距離：１２０ｍｍ
フライホイール５０の回転数：２０００ｒｐｍ
図５に示されるように、貫通穴５８の傾斜角度θが４５°以上８０°以下の範囲で大きな質量流量及び軸方向速度を得ることが可能であり、この効果は特に５５°〜７０°の範囲で顕著となる。

１０ロータ
１２回転軸
１４磁石部
２０ステータ
２２ステータコア
２４ステータコイル
２７第１突出端部
５０フライホイール
５８貫通穴
５８ａ内側面
５８ｂ内側面
６０エンジン
６２エンジン軸
６４ケーシング
７０ポンプ
７２ポンプフレーム
８０内側空間
８２外側空間

Claims

電動機であって、
回転軸及びその外周面上に固定される磁石部を有するロータと、
前記ロータの磁石部の周囲に配置されるステータコアと、当該ステータコアに支持されるステータコイルと、を有し、当該ステータコイルの通電により前記ロータを回転させる電磁力が生じるとともに当該ステータコイルが発熱するステータと、
前記ステータに対して前記回転軸の軸方向と平行な方向に隣接する位置で当該回転軸にこれと一体に回転するように固定されるフライホイールと、を備え、
前記ステータコイルは、前記磁石部の軸方向の端面のうち前記フライホイールに対向する側の端面よりも当該フライホイール側に近づくように突出する突出部分を有してこの突出部分の径方向内側に内側空間を形成する形状を有し、
前記フライホイールは、前記ステータの内周面よりも径方向の内側の位置であって当該フライホイールの回転方向に並ぶ複数の位置にそれぞれ設けられて前記内側空間を前記フライホイールを挟んで軸方向の外側の外側空間に開放するように当該内側空間に対向する位置で当該フライホイールを当該軸方向に貫通する複数の貫通穴を有し、かつ、これらの貫通穴は、前記フライホイールの回転に伴って前記内側空間から前記外側空間へ向かう方向に前記貫通穴を通る気流を形成する形状を有する、電動機。
請求項１記載の電動機において、前記貫通穴は、前記フライホイールの厚み方向に対して当該フライホイールの回転周方向に傾斜するものであって、前記内側空間から離れるに従って前記フライホイールの回転の向きと反対の向きに変位するように傾斜する形状を有する、電動機。
請求項１または２に記載の電動機において、前記フライホイールは、前記ステータの外径よりも大きな外径を有する、電動機。