JP6385669B2 - 回転電機およびこれを搭載した電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、液体冷媒により巻線を冷却する回転電機に係わり、特に建設機械に好適な回転電機及び電動車両に関する。

回転電機の巻線においては通電時電流が流れる際の損失により発熱が生じるため、絶縁の耐熱温度を超過しないよう冷却設計がなされている。回転電機が内燃機関など高温となる機器の近傍に併設される場合又は回転電機の体格（体積）当たりの出力が大きい場合などには空気の循環だけでは回転電機内を十分に冷却できない場合がある。

このような場合に、従来、巻線を冷却する方法として油等の液体冷媒を用いる技術がある。この従来の技術を用いた場合には、冷却効果が高い一方で、液体を循環させるポンプなどの機器や液体冷媒を流通させるための配管を実装する空間を要するという課題が生じる。この課題に対して、ポンプと配管を回転電機内に納めることで、液体冷媒の循環装置実装に要する空間を不要とした構成が提案されている。

その提案として、例えば、特許文献１には、建設機械車両の上部旋回体駆動用モータに対して油を冷媒とした冷却を行い、ポンプをモータ内に設けてコンパクトな構成とした電動モータが示されている。また、特許文献２には、ハウジングとブラケットで油溜め部を形成し、軸受と併設した歯車ポンプによって油を巻線に噴射することにより油冷却装置の外部設置を必要とせず、油配管の引き回しを容易構成とした発電電動機が示されている。

特開２００９−７１９２３号公報 特開２０１２−１９１７１９号公報

しかしながら、建設機械車両のように車体が傾斜する車両に対して回転電機が搭載される場合には、上記の特許文献１に示すような、回転電機のロータコアの回転で液体を吸い上げるポンプ方式では、車体傾斜時に液体冷媒の液面が変化するのでポンプ吸い上げによる液体循環が困難になる可能性があり、また、ロータコア内に冷媒通路があるので、冷媒通路に異物が混入した場合にはロータまでも分解する必要が生じる。

さらに、上記の特許文献２では冷媒通路は、モータ自体を車体に保持するためのハウジングに設けられており、且つ回転軸を支えるブラケットとは別に設けられているので、回転電機内を循環する液体冷媒に異物が混入したり又は何らかの変質が認められた場合には、液体を流通させる配管とポンプを取り外してメンテナンスを行う必要が生じ得るが、回転電機のハウジングに配管を有しているので、回転電機を保持しているハウジングまでも分解する必要があり液体媒体の点検、保守作業には多大な時間を要することになる。

本発明が解決しようとする課題は、液体冷媒を用いて巻線を冷却する回転電機において、液体冷媒を循環するためのポンプおよび冷媒経路をコンパクトにまとめて小型化するとともにメンテナンス性を向上した、特に建設機械車両に好適な回転電機を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
回転軸を有する回転子と、前記回転子の外周側に同心に配置される固定子鉄心と、前記固定子鉄心のティースに巻回された電機子巻線と、前記固定子鉄心をその外周側で保持するハウジングと、前記ハウジングの回転軸方向両端に配置されて前記回転軸の軸受を保持するブラケットと、を備え、前記電機子巻線、前記固定子鉄心及び回転子を冷却する液体冷媒を循環させるポンプと、前記液体冷媒が流通する冷媒経路と、前記液体冷媒の溜め部と、を有し、前記ポンプは前記ブラケットの内部に設けられて前記軸受の外周側又はその回転軸方向端部側に着脱可能に配置されており、前記冷媒経路が前記ブラケットの内部に設けられているとともに、前記ブラケットの内側端面に前記冷媒経路を流通する前記液体冷媒を前記電機子巻線に向けて噴射する噴出口が設けられている構成とする。

本発明によれば、回転電機の液体冷媒を循環するためのポンプおよび冷媒経路をコンパクトにまとめて小型化することができ、さらに、ポンプおよび冷媒経路のメンテナンス性を向上させることができる。

本発明の実施形態１に係る回転電機の構成を示す断面図である。 本実施形態１の構成であり、図１に示すＡ−Ａ’線の切断断面図である。 本実施形態１の構成であり、図１に示すＢ−Ｂ’線の切断断面図である。 本実施形態１に係る回転電機における各構成要素を示す分解図である。 本発明の実施形態２に係る回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態５に係る回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態６に係る回転電機を搭載した電動車両における傾斜地作業状況を表す説明図である。 本発明の実施形態６に係る回転電機を搭載した電動車両におけるエンジン室の断面構成図である。

本発明の実施形態に係る回転電機とこれを搭載した電動車両について、図面を参照しながら以下説明する。本発明の実施形態１について図１〜図４を参照し、実施形態２について図５を参照し、実施形態３について図６を参照し、実施形態４について図７を参照し、実施形態５について図８を参照し、実施形態６について図９及び図１０を参照して、それぞれ個別に説明する。

「実施形態１」
本発明の実施形態１に係る回転電機を表す図１〜図４は、上記の図面の簡単な説明欄で説明したとおりの構成を表すものである。図面において、１は固定子鉄心、２はティース、３はスロット、４は電機子巻線、５は回転子、６はシャフト、７はブラケット、８はハウジング、９は軸受、１０はポンプ、１１は液体（油）溜め部、１２は冷媒経路、１７は液体（油）抜き孔、３５はオイルシール、３６はリング、３７は噴射口、をそれぞれ表す。

固定子鉄心１はティース２とスロット３を有し（図４、図１を参照）、スロット３に納められた電機子巻線４がティース２に巻回されている。固定子鉄心１は外径側からハウジング８により保持されている。ハウジング８の両側端にはブラケット７が配置されている。ここで、ハウジング８は本実施形態に係る回転電機を装置本体に保持して設置する機能を有し、ブラケット７はハウジング８の両側端で固定され、回転軸であるシャフト６を軸受９を介して保持する機能を有しているものである。

ブラケット７には、その内部に冷媒経路１２が形成されるとともに、ポンプ１０（例、トロコイドポンプ）が配置されている。ここで、ポンプ１０内のポンプロータはシャフト６に取付けられていて、シャフト６の回転動力を利用するものである。また、ハウジング８の下には液体（油）溜め部１１が取り付けられている。

油などの液体冷媒は液体溜め部１１からブラケット７内のポンプ１０に吸い上げられ、冷媒経路１２を通って電機子巻線４の端部に向けて噴射される。図２に示すように、ポンプ１０を経由した後の冷媒経路１２は円周形状で配され、電機子巻線４の端部に向かって噴射口３７を通って噴射できるようになっている。冷媒経路１２の回転軸中央方向への噴射口３７は、その数と位置について、スロット３及び電機子巻線４の配置に対応して適切に設計するのが好ましい。

図３においては、電機子巻線４の回転軸方向の端部が図示されている。噴射口３７から噴射された液体冷媒は、電機子巻線４の端部に当たり、電機子巻線４を伝ってスロット３の回転軸中央方向に流れて電機子巻線４と固定子鉄心１での発熱を除熱し、また、固定子鉄心１のティース２間の隙間を通して液体冷媒が固定子鉄心１から回転子５に流れ落ちて回転子５での発熱を除熱しながらハウジング８の下方に流れる。さらに、噴射された液体冷媒の流れ経路として、電機子巻線４の端部に当たった液体冷媒の一部はその下方にある電機子巻線４の端部に流れ落ちる。

図３に示すように、ハウジング８の下方に溜まった液体冷媒は液体抜き孔１７を通って液体溜め部１１に戻る。図１では、ハウジング８の下方に（液体抜き孔１７の上方に）液体冷媒が溜まった様子を示しているが、液体冷媒の流量が少ない場合、すなわちシャフト６の回転数が低い場合には液体冷媒はハウジング８下方に溜まることなく液体溜め部１１に戻る。すなわち、ポンプ１０の通常動作ではハウジング８の下方に液体が溜まらないように液体抜き孔１７の径を調整している。

図４は、回転子５に界磁源としての永久磁石を有し、固定子鉄心１に電機子巻線４を有し、電機子巻線４に液体冷媒を噴射して冷却を行う本実施形態に係る回転電機の構成を示す分解図である。この回転電機には、回転子５の同心外径側に電機子巻線４を巻回した固定子鉄心１が配置され、固定子鉄心１の外径側にハウジング８が配置されている。

また、図４によると、シャフト６の軸方向両端側には、液体冷媒を噴射する噴射口３７を設けたリング３６が設けられている。ここで、リング３６とブラケット７は別々の部材を一体化した一体的構成であり、リング３６はブラケット７の一部を形成するものである。図１ではブラケット７自体に冷媒経路１２を設けた構造を示しているが、図４に示すように、これに代えてブラケット７とリング３６との組み合わせで冷媒経路１２を形成してもよい。ブラケット７にはシャフト６の軸受９が内設され、ブラケット７のシャフト６が貫通する位置にはオイルシール３５が設けられている。なお、図４でブラケット７に図示されている穴はハウジング８への固定用のねじ穴である。

以上のように、本発明の実施形態１では、液体冷媒を循環するためのポンプ１０及び冷媒経路１２をブラケット７に一体的に構成したことにより、回転電機内の冷媒経路１２を点検する場合においてもハウジング８（回転電機のケース）は固定したままで行うことが可能である。ここで、上述した一体的構成というのは、ポンプ１０及び冷媒経路１２がブラケット７から着脱自在であることを意味し、液体冷媒中に異物が混入したときに、ブラケット７から容易にポンプ１０を取り外し、また、冷媒経路を露出させて、混入した異物を取り出すことができるようになっている。また、ハウジング８内に冷媒経路を設けなくてよいためハウジング８をコンパクトに構成することができ、さらに、冷媒経路をブラケット７と別に設けていないためにコンパクト構成になる。ここで、本実施形態１に用いるポンプは自吸式のものが望ましい。

「実施形態２」
本発明の実施形態２に係る回転電機について図５を参照しながら説明する。図５は本発明の実施形態２に係る回転電機の構成を示す断面図である。本実施形態２では、実施形態１と共通する構成要素を同じ符号で示しており、これについては実施形態１の説明を援用する。

図５において、本実施形態２に係る回転電機は、実施形態１の構成に加えて、液体溜め部１１内に２次冷媒を流通させるための２次冷媒配管１３を設け、回転電機内を循環する液体冷媒を冷却している。具体的には、液体溜め部１１の液体冷媒は油であってもよく、２次冷媒配管１３に流れる液体は水であってもよく、この場合には循環する水で油を冷却している。ここで、回転電機はインバータを通して電力が供給されているのが一般的構成であり、インバータも発熱体であるのでインバータに水を供給して冷却する必要があり、このインバータ冷却用の水を液体溜め部１１の２次液体冷媒と兼用させてもよい。なお、図５では２次冷媒流入口１３ａが２次冷媒流出口１３ｂよりも上方にある配置となっているが、出口が上方となる配置あるいは同程度の水平位置であっても構わない。

液体溜め部１１はハウジング８とは別に構成されているため、回転電機内の冷媒経路を点検する場合においてもハウジングは固定したままで行うことが可能である。

「実施形態３」
本発明の実施形態３に係る回転電機について図６を参照しながら説明する。図６は本発明の実施形態３に係る回転電機の構成を示す断面図である。本実施形態３では、実施形態１と共通する構成要素を同じ符号で示しており、これについては実施形態１の説明を援用する。

図６において、本実施形態３では液体冷媒として油を用い、実施形態１の構成に加えて、噴射口３７を形成する冷媒経路１２に分岐路である油供給路１４を設けて、この油供給路１４から軸受９に油を供給している。油は回転電機内の冷却と軸受９の潤滑を共に担っている。

油供給路１４もブラケット７に一体的に設けたことにより、回転電機内の冷媒経路を点検する場合においてもハウジングは固定したままで行うことが可能である。また、循環する油によって軸受９を潤滑することで、グリスの劣化などによる信頼性の低下を防ぐことができる。

本実施形態３では軸受９に油供給される構成例を示したが、軸受９の潤滑だけでなく、シャフト６などの潤滑に利用してもよい。

「実施形態４」
本発明の実施形態４に係る回転電機について図７を参照しながら説明する。図７は本発明の実施形態４に係る回転電機の構成を示す断面図である。本実施形態４では、実施形態１と共通する構成要素を同じ符号で示しており、これについては実施形態１の説明を援用する。

図７において、実施形態１で用いたポンプ１０が、歯車１５を介して回転シャフト６によって駆動されるように構成したものである。

歯車１５の段数を適切に選ぶことにより、ポンプ１０の回転数をシャフト６の回転数に対して増減させることができる。これにより、例えばシャフト６に対して歯車１５で増速した場合には小型のポンプを適用することが可能となり、回転電機をコンパクトに構成することができる。また、ポンプのシールが容易に行える利点もある。

図７では、シャフト６に対して上方にポンプが配置されているが、下方あるいは同程度の水平位置であっても構わない。

「実施形態５」
本発明の実施形態５に係る回転電機について図８を参照しながら説明する。図８は本発明の実施形態５に係る回転電機の構成を示す断面図である。本実施形態５では、実施形態１と共通する構成要素を同じ符号で示しており、これについては実施形態１の説明を援用する。

本実施形態５に係る回転電機は、実施形態４の回転電機に工夫を加えた構成例であり、液体冷媒として油を用いたものである。

図８において、本実施形態５では液体冷媒として油を用い、実施形態４の構成に加えて、冷媒経路１２から分岐路を設けて、歯車１５に向かう油供給路１４及び補助油溜め部１６を形成している。補助油溜め部１６は軸受９に繋がっており、油は軸受９にも供給されている。本実施形態５では、冷媒経路１２からの油による回転電機内の冷却に加えて、冷媒経路１２から分岐された油供給路１４からの油が軸受９及び歯車１５の潤滑を担っている。

「実施形態６」
本発明の実施形態６に係る回転電機を搭載した電動車両について、図９と図１０を参照しながら以下説明する。図９は本発明の実施形態６に係る回転電機を搭載した電動車両における傾斜地作業状況を表す説明図であり、図１０は本発明の実施形態６に係る回転電機を搭載した電動車両におけるエンジン室の断面構成図である。

図９と図１０において、４０は傾斜地、４１は走行体、４２は旋回体、４３は運転室、４４はエンジン室、４６は多関節型フロント装置、４７はブーム、４８はアーム、４９はバケット、５０は回転電機、５１はエンジン、５２は油圧ポンプ、５４はフレーム、５６はラジエータ、５７は冷却ファン、５８はクランク軸、５９はファンベルト、６５は内燃機関部、６６はフライホイール、６７はギヤ、６８は油圧機構部、７０は吸込口、７１は吐出口、７２は吸音体、７３はマフラー、Ｐは空気流（冷却風）、をそれぞれ表す。

図９と図１０に示すように、本実施形態６に係る電動車両（油圧ショベル）は、走行体４１と、走行体４１上の旋回体４２と、旋回体４２の前方左側に設けた運転室４３と、旋回体４２上に横置きに配置したエンジン室４４と、旋回体４２の前部に設けられ、ブーム４７、アーム４８及びバケット４９からなる多関節型フロント装置４６と、を主として備えている。また、運転室４３内の操作者による操作に応動して、エンジン室４４内のエンジン５１及び／又は本実施形態１〜５に係る回転電機５０によって駆動される油圧ポンプ５２からの圧油により、多関節型フロント装置４６は駆動されるようになっている。

ここで、本実施形態６に係る電動車両に搭載される回転電機５０は、本実施形態１〜５に示す構成のものを用いて、油圧ポンプ５２の駆動源として電動車両に適用されるものであり、回転電機５０に対して、フライホイール６６と内燃機関部６５からなるエンジン５１と、ギヤ６７と油圧機構部６８からなる油圧ポンプ５２とが、シャフト６を介在して配設される。すなわち、本実施形態６に使用される回転電機５０が、エンジン５１と油圧ポンプ５２に挟まれて配設される構成である。なお、エンジン５１は必須構成でなくてもよく、電動車両は回転電機５０と油圧ポンプ５２とか構成されたものであってもよい。

エンジン室４４は、エンジン５１と、本実施形態１〜５に係る回転電機５０と、油圧ポンプ５２とを備えているが、それ以外に、エンジン５１の冷却水を冷却するラジエータ５６と、冷却風Ｐを生起する冷却ファン５７と、吸込口７０と、吐出口７１と、吸音体７２と、エンジン５１の回転を冷却ファン５７に伝達するクランク軸５８、マフラー７３と、を主として備えている。

本実施形態６に係る回転電機を搭載した電動車両は、図９に示すように、傾斜地４０で掘削作業をする場合に、まず傾斜地４０上を走行体４１が上昇していき、次いで旋回体４２を旋回させてエンジン室４４を横向きに配置させて作業を実施する。図９に示すような傾斜地４０での作業例では、本実施形態６に係る電動車両は、回転電機５０のシャフト（回転軸）６の周方向の傾きに限らず、回転軸の軸方向に傾いて作業する場合もあり得る。回転電機５０は、発熱源であるエンジン５１と油圧ポンプ５２との間に挟まれていて高温の温度環境下に設置されているので、回転電機の電機子巻線４の冷却効果の必要性が希求され、回転電機５０が傾斜した場合にも平坦地と同様な冷却効果が求められるのである。

また、本実施形態６に係る電動車両は、粉塵と振動を伴う作業環境で稼働するので、この電動車両に搭載される回転電機５０は故障頻度が高くなりがちであり、その際、本実施形態１〜５の回転電機５０を搭載すれば、ハウジング８を分解することなくブラケット７のみを取り外してその内部のポンプ１０又は冷媒経路１２を点検・保守・修理すれば済むのでメインテナンスが容易となる。また、本実施形態６に係る電動車両はエンジン室４４の狭い空間に回転電機５０を収容させる必要があり、本実施形態１〜５の回転電機５０を搭載すれば、ポンプ１０と冷媒経路１２をブラケット７内に内蔵させているので回転電機５０の小型化が可能であり、エンジン室の狭い空間の有効利用に好都合である。

以上説明した本発明の実施形態１〜６は構成例を示したものであり、本実施形態の技術的思想の範囲内でこの構成例を適宜に変更する構成は本実施形態の範疇である。

１…固定子鉄心、２…ティース、３…スロット、４…電機子巻線、５…回転子、６…シャフト、７…ブラケット、８…ハウジング、９…軸受、１０…ポンプ、１１…液体溜め部、１２…冷媒経路、１３…２次冷媒配管、１３ａ…２次冷媒流入口、１３ｂ…２次冷媒流出口、１４…油供給路、１５…歯車、１６…補助液体溜め部、１７…液体抜き孔、３５…オイルシール、３６…リング、３７…噴射口、
４０…傾斜地、４１…走行体、４２…旋回体、４３…運転室、４４…エンジン室、４６…多関節型フロント装置、４７…ブーム、４８…アーム、４９…バケット、５０…回転電機、５１…エンジン、５２…油圧ポンプ、５４…フレーム、５６…ラジエータ、５７…冷却ファン、５８…クランク軸、５９…ファンベルト、６５…内燃機関部、６６…フライホイール、６７…ギヤ、６８…油圧機構部、７０…吸込口、７１…吐出口、７２…吸音体、７３…マフラー、Ｐ…空気流（冷却風）。

Claims (9)

1. 回転軸を有する回転子と、前記回転子の外周側に同心に配置される固定子鉄心と、前記固定子鉄心のティースに巻回された電機子巻線と、前記固定子鉄心をその外周側で保持するハウジングと、前記ハウジングの回転軸方向両端に配置されて前記回転軸の軸受を保持するブラケットと、を備え、
   前記電機子巻線、前記固定子鉄心及び回転子を冷却する液体冷媒を循環させるポンプと、前記液体冷媒が流通する冷媒経路と、前記液体冷媒の溜め部と、を有し、
   前記ポンプは前記ブラケットの内部に設けられて前記軸受の外周側又はその回転軸方向端部側に着脱可能に配置されており、
   前記冷媒経路が前記ブラケットの内部に設けられているとともに、前記ブラケットの内側端面に前記冷媒経路を流通する前記液体冷媒を前記電機子巻線に向けて噴射する噴出口が設けられていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記噴出口が設けられたリングを備えており、前記リングが前記ブラケットに着脱可能に取り付けられていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１において、
   前記ポンプの動力は前記回転軸の回転から得ることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１，２または３において、
   前記溜め部は前記ハウジングの下方に配置され、前記溜め部には当該溜め部内の液体冷媒を冷却するための２次液体冷媒配管が配設されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項４において、
   前記２次液体冷媒配管を流れる２次液体冷媒は、前記回転電機以外の他の機器の冷却用の液体冷媒と兼用したものであることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１，２または３において、
   前記液体冷媒として油を使用し、
   前記冷媒経路から分岐する油供給路を設け、前記油供給路を前記軸受に接続して前記油を前記軸受に供給することを特徴とする回転電機。
7. 請求項１，２または３において、
   前記回転軸の回転を歯車を介して前記ポンプに動力伝達することを特徴とする回転電機。
8. 請求項１，２または３において、
   前記回転軸の回転を歯車を介して前記ポンプに動力伝達し、
   前記液体冷媒として油を使用し、前記冷媒経路から分岐する油供給路を設け、前記油供給路を前記歯車と前記軸受に接続して前記油を前記歯車と前記軸受に供給することを特徴とする回転電機。
9. 走行体と、前記走行体上で旋回可能に設けた旋回体と、前記旋回体上に設けた運転室と、前記旋回体上に配置されたエンジン室と、前記旋回体の前部に設けられてアーム及びバケットを有する多関節型フロント装置と、を備え、
   前記エンジン室には、請求項１，２または３に記載された回転電機がエンジンと前記多関節型フロント装置を駆動する油圧ポンプとの間に介在されて配設されることを特徴とする電動車両。