JP7225040B2 - 液冷モータ - Google Patents

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Description

本発明は、駆動用原動機及び発電機となる液冷モータに関する。
駆動用原動機及び発電機となる回転電機(モータ・ジェネレータ)は、ハイブリッド自動車の他、スキッドステアローダ、コンパクトトラックローダ等の作業機等にも搭載される。このようなモータとして、小型で高出力な永久磁石モータが採用されることが多い。
この永久磁石モータにおいては、正常な動作を持続させるために過熱を防止する必要がある。そのため、永久磁石モータは、単位体積当たりの冷却必要量が大きいため効率の高い冷却方式が好ましい。それ故、永久磁石モータは、単位体積当たりの冷却量が大きく冷却効率の高い液冷方式が採用されている。
特許文献1~3において、液体による冷却方式を採用したモータ(以下において液冷モータと記載する)は、周方向等間隔に磁路を形成するステータと、このステータの外周面に嵌められるモータケースと、ステータの外周面とモータケースの内周面との間の設けられたウォータジャケットと、を備える。ウォータジャケットには、周方向あるいは軸方向に冷却液が流れる通路を設けられている。
特許文献1においては、電気モータ/発電機の冷却機構は、中空の冷却ジャケットと、外側ケースと、冷却流体と、シール用Oリングとから構成される。冷却ジャケットが、外表面上の鋳造らせん溝部分から構成され、この鋳造らせん溝部分が、流体を、外側ケースによって作られる/封じ込められる流路溝を通して循環させる。冷却ジャケットのらせん溝部分は、さらに、「曲折する」かまたは「段になっている」多数の冷却流路または流路溝から構成されている。
特許文献2においては、ウォータジャケット内の第1冷却水路は、周方向に所定の長さで連続しており、その一端側に冷却水流入ポートが接続され、他端側に冷却水流出ポートが接続されている。第1冷却水路はまた、それぞれ複数の鉛直路、上側水平路、および下側水平路にて構成され、上下に蛇行している。
特許文献3においては、ウォータジャケットは高熱伝導率のアルミニウム合金で円筒形状に形成されており、内部に周方向ジグザグ形状のジャケット通路が形成されている。このジャケット通路は、軸方向に沿った直線孔を周方向に多数本平行に穿孔し、隣接する直線孔同士は、一端を連通溝で連通し、他端をそれと隣接する他の直線孔の他端と連通溝で連通して形成している。
特許5337417号公報 特許5547783号公報 特許6374797号公報
特許文献1~3のような、ウォータジャケットの周方向に冷却液が流れる冷却流通路を設ける従来技術の場合、複数設けられている冷却流通路の各通路幅は均等になっている。この通路幅の場合、熱伝達が均一となる。
一方で、高い熱伝達を達成する手段を備えるものとはなっていないため、ステータ外周から冷却ジャケットへ至る放熱経路の総括伝熱計数を大きくすることができない。
そのため、ウォータジャケットでの伝熱が制限されてしまい、冷却能力が限定される課題を有することとなる。このようになると、モータの冷却が十分に行えなくなり、高出力でのモータの連続使用時間が制約される等、使い勝手の悪い状況が生じる。
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、冷却流通路の側壁と冷却液との間に高い熱伝達が得られる手段を備えることで、ウォータジャケットの伝熱経路において熱伝達を向上させることで伝熱量を増加させることができる液冷モータを提供することを目的とする。
この技術的課題を解決するための本発明の技術的手段は、以下に示す点を特徴とする。
液冷モータは、モータケースと、前記モータケースの内部に設けられたモータと、前記モータケースの内部に設けられたモータハウジングと、前記モータハウジング内に装着され、冷却液が周方向に流れる環状のウォータジャケットと、を備え、前記ウォータジャケットは、前記冷却液が流れる通路幅が徐々に狭くなる冷却流通路と、前記冷却液を前記冷却流通路へ供給する冷却液供給口と、前記冷却液を前記冷却流通路から排出する冷却液排出口と、を有し、前記冷却流通路は、進行方向に進むにつれて前記通路幅が狭まる直線通路と、前記直線通路の一方端に設けられたノズル部と、前記直線通路の他方端に設けられ、前記通路幅が前記直線通路の一方端よりも大きい幅広部と、を備え、前記直線通路は、前記ウォータジャケットの前記周方向に延設され且つ前記ウォータジャケットの軸方向に複数並べられており、前記ウォータジャケットの軸方向に並べられた複数の直線通路のうち、隣接する直線通路の前記ノズル部及び前記幅広部が当該軸方向において隣り合う位置にあり、前記ノズル部と前記幅広部との間に設けられ、前記ノズル部を通過した冷却液が衝突して当該冷却液を前記幅広部に向かわせる噴流衝突壁を備えている
記ノズル部及び前記幅広部は、前記ウォータジャケットの軸方向に並べられた複数の直線通路のうち、隣接する直線通路を繋げる部分である。
前記冷却液供給口と前記冷却液排出口は、前記ウォータジャケットの軸方向を向く側壁を挟んで周方向に隣り合って配置されている。
前記ノズル部と前記噴流衝突壁との間の距離Lは、前記ノズル部の直径Dより大きい。
本発明の液冷モータによれば、冷却流通路の側壁と冷却液との間に高い熱伝達が得られる手段を備えることで、ウォータジャケットの伝熱経路において熱伝達を向上させることで伝熱量を増加させることができる。
液冷モータを備える動力伝達機構の概略を模式的に示した斜視図である。 本発明の液冷モータに備えられるウォータジャケット(冷却構造)を示した斜視図である。 本発明のウォータジャケットに設けられた冷却流通路の構造を模式的に示した図である。
以下、本発明の液冷モータ4及びこの液冷モータ4に備えられるウォータジャケット10の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。
本発明の液冷モータ4には、モータ・ジェネレータ4を含む。以下に述べる、本発明の液冷モータ4は、産業機械(農機、建機、作業機、UV、エンジン発電機等)、各種機械の駆動用モータ、発電機等に搭載される。すなわち、本発明の液冷モータ4は、搭載される機種に限定されない。
図1に、動力伝達機構1の概略を模式的に示す。本実施形態においては、動力伝達機構1について、パラレルハイブリッド形式を例示する。
図1を参照して、本発明の液冷モータ4であるモータ・ジェネレータ4を含む動力伝達機構1の概要について説明する。本発明の液冷モータ4は、例えば作業機の動力伝達機構1を構成する。
図1に示すように、動力伝達機構1は、エンジン2と、フライホイール3と、モータ・ジェネレータ4と、を備えている。動力伝達機構1は、エンジン2の動力とモータ・ジェネレータ4の動力とを、択一的に又は組み合わせて被動機の一例である油圧ポンプ5に伝達する。
エンジン2は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等である。エンジン2のクランク軸は、油圧ポンプ5側に向けて突出し、クランク軸の先端(油圧ポンプ5側)には、フ
ライホイール3が連結されている。
フライホイール3は、略円板状であって、質量が大きい材料(例えば鋳鉄等の金属)から形成されている。フライホイール3の中心には、エンジン2のクランク軸が連結されている。フライホイール3は、フライホイールハウジングによって包囲されている。
モータ・ジェネレータ4は、フライホイール3の油圧ポンプ5側に配置されている。モータ・ジェネレータ4は、モータケース6の内部に配置されている。モータケース6は、モータ・ジェネレータ4の外周を囲うように設けられた筒状部6Aと、筒状部6Aの油圧ポンプ5側の端部に設けられた端面部6Bと、を有している。
モータ・ジェネレータ4は、ロータ(回転子)と、ステータと、を有している。モータ・ジェネレータ4としては、永久磁石埋込式の三相交流同期モータが好適に使用されるが、他の種類の同期モータであってもよい。
モータ・ジェネレータ4が発電機(ジェネレータ)として機能する場合、ロータは、フライホイール3の回転動力を受ける。一方、モータ・ジェネレータ4が電動機(モータ)として機能する場合、ロータは、フライホイール3に回転動力を与える。つまり、モータ・ジェネレータ4は、フライホイール3を介して回転動力を受け取る。
被動機である油圧ポンプ5は、エンジン2又はモータ・ジェネレータ4の少なくとも一方からの動力を受けて駆動される。この油圧ポンプ5は、具体的には静油圧式トランスミッションの油圧ポンプを例示することができる。
このような概要を備えた作業機の動力伝達機構1において、本発明の液冷モータであるモータ・ジェネレータ4は、内部に冷却構造(ウォータジャケット10)を備える。
次に、本発明の液冷モータ4であるモータ・ジェネレータ4に備えられるウォータジャケット10について、さらに詳細に説明する。
インバータ機器と、モータ・ジェネレータ4の内部のステータ配線とが、端子台のソケットを介して電気的に接続されている。モータ・ジェネレータ4は、内部のウォータジャケット10と、外部の冷却配管(外部管9)と、を接続する配管アダプタとしての配管接続部7を備えている。冷媒ポンプと、モータ・ジェネレータ4の内部の冷却液配管(内部管8)とが、配管接続部7を介して接続される。
図2は、図1に示す状態から、モータケース6を取り外して、ステータ側の冷却構造以外を仮想的に取り外した、モータ・ジェネレータ4の固定子(ステータ)側の斜視図(一部は分解斜視図)である。
図2を参照して、モータ・ジェネレータ4の固定子12について説明する。
モータ・ジェネレータ4は、ウォータジャケット10と、巻線(図示せず)と、固定子12と、熱伝導体13と、モータハウジング14と、を少なくとも備える。ウォータジャケット10の内周に環状の固定子12が設けられている。
固定子12は、多数のティース12Bを有する。ティース12Bには、巻線が巻かれている。熱伝導体13は、巻線及び固定子12を覆って、ウォータジャケット10の内周面に沿って設けられている。固定子12の内側には、回転軸(図示せず)を備え、永久磁石埋込型の円筒形のロータ(図示せず)が配置されている。
固定子12は、環状のヨーク12Aの内周側に突出したティース12Bが、周方向に複数配列されている。ティース12Bは、末広がり形状であって、その胴部には絶縁部材を介在して巻線が巻かれている。ティース12B及び巻線の径内端を残して、固定子12の全体に高熱伝導率の樹脂で、熱伝導体13がモールド成形されている。
モータハウジング14は、環状に形成されている。ウォータジャケット10は、環状に形成されている。ウォータジャケット10の外周径は、モータハウジング14の内周径とほぼ同じである。すなわち、ウォータジャケット10は、モータハウジング14の内周に嵌め合わされて装着される。
本発明のモータ・ジェネレータ4は、ウォータジャケット10の構成に特徴がある。
ウォータジャケット10は、内周壁10Aと、外周壁10Bと、連結壁10Cと、連結壁10Dと、を有している。
内周壁10Aは、円筒状に形成され、固定子12の外周側に配置されている。外周壁1
0Bは、円筒状に形成され、内周壁10Aの外周側を囲うように配置されている。すなわち、外周壁10Bは、一定の間隔を空けて、内周壁10Aの外周側に配置されている。
連結壁10Cは、環状に形成され、内周壁10Aの一方縁と外周壁10Bの一方縁とを連結する。連結壁10Dは、環状に形成され、内周壁10Aの他方縁と外周壁10Bの他方縁とを連結する。
連結壁10Cと連結壁10Dが、内周壁10Aと外周壁10Bを連結することで、ウォータジャケット10内に冷却液が流れる空間を形成する。
ウォータジャケット10は、冷却流通路11と、冷却液供給口15と、冷却液排出口16と、を有している。冷却流通路11は、ウォータジャケット10の内部空間に設けられている。
図3に、ウォータジャケット10に設けられた冷却流通路11の構造を模式的に示す。図3は、ウォータジャケット10に巻かれた状態の冷却流通路11を平面に展開した図である。なお、冷却流通路11の構成や形状については一例であり、例示する構成や形状に限定されない。また、図3の左右方向をウォータジャケット10の周方向とし、上下方向をウォータジャケット10の軸方向とする。
図3に示すように、冷却流通路11は、周方向に直線状に形成されている。冷却流通路11は、周方向において斜めを向く側壁17で複数の通路に区切られている。周方向を向く側壁17は、内周壁10Aと外周壁10Bとを連結する。つまり、側壁17は、ウォータジャケット10内の空間を仕切る板である。冷却流通路11は、冷却液が流れる通路幅が徐々に狭くなる。
冷却液供給口15は、冷却液を冷却流通路11へ供給する。冷却液排出口16は、冷却後の冷却液を冷却流通路11から外部へ排出する。冷却液供給口15と冷却液排出口16は、周方向(長手方向)中央に設けられている。冷却液供給口15と冷却液排出口16は、ウォータジャケット10の軸方向を向く側壁18を挟んで周方向に隣り合って配置されている。側壁18は、内周壁10Aと外周壁10Bとを連結する。つまり、側壁18は、ウォータジャケット10内の空間を仕切る板である。
冷却流通路11は、直線通路19と、ノズル部20と、幅広部21と、を備えている。
直線通路19は、周方向を向く側壁17により、進行方向に進むに連れて通路幅が狭まる形状に形成されている。周方向を向く側壁17は、平面視でテーパ状に設けられ、軸方向において一定の間隔を保って複数配置されている。すなわち、直線通路19は、一対の周方向を向く側壁17の間に形成されている。
直線通路19は、ウォータジャケット10の周方向に延設され且つウォータジャケット10の軸方向に複数並べられている。本実施形態では、直線通路19は、ウォータジャケット10の軸方向において、冷却液供給口15側と冷却液排出口16側のそれぞれに、4本ずつ並べられて配置されている。直線通路19の配置については、ウォータジャケット10の軸方向に、5本以上並べて配置されていても構わない。すなわち、直線通路19は、図3の例に限定されない。
軸方向において隣り合う直線通路19は、冷却液の流れる向きが逆となっている。つまり、冷却液が一つ目の直線通路19を通過し終えると、逆方向に向きを変えてU字方向に流れ、二つ目の直線通路19に進入する。
ノズル部20は、直線通路19の一方端に設けられ、幅が狭く絞られている。
ノズル部20は、直線通路19を通過した冷却液の出口である。ノズル部20は、平面視でテーパ状に設けられた周方向を向く側壁17により、狭い形状とされている。ノズル部20は、圧力が高まった冷却液の液流を高速化して通過させる。
幅広部21は、直線通路19の他方端に設けられ、通路幅が直線通路19の一方端よりも大きい。すなわち、幅広部21は、通路幅が広げられたディフューザ状に形成されている。
幅広部21は、後述する噴流衝突壁22で衝突した冷却液の入口である。幅広部21は、平面視でテーパ状に設けられた周方向を向く側壁17により、通路が拡幅された形状である。幅広部21は、低い圧力になった冷却液の液流を圧力回復させる。
ノズル部20及び幅広部21は、ウォータジャケット10の軸方向に並べられた複数の直線通路19のうち、隣接する直線通路19を繋げる部分である。すなわち、ノズル部20と幅広部21は、直線通路19により結ばれているといえる。
冷却流通路11は、ノズル部20と幅広部21との間に設けられ、ノズル部20を通過して幅広部21に向かう冷却液が衝突する噴流衝突壁22を備えている。
噴流衝突壁22は、ノズル部20から流出した冷却液が一時貯留される貯留室23に設けられている。噴流衝突壁22は、内周壁10Aと外周壁10Bとを連結する。つまり、噴流衝突壁22は、ウォータジャケット10内の空間を仕切る板である。
噴流衝突壁22は、ノズル部20から流出した冷却液を、幅広部21へと進行方向を変換させる。つまり、噴流衝突壁22は、ノズル部20と幅広部21との間に設けられている。噴流衝突壁22は、軸方向を向き、冷却流通路11の端面に設けられている。噴流衝突壁22は、ノズル部20を通過して高速噴流となった冷却液が衝突する。
つまり、ノズル部20は噴流衝突壁22へ繋がり、噴流衝突壁22は幅広部21へ繋がり、幅広部21は直線通路19に繋がる。言い換えれば、ノズル部20と次の幅広部21は軸方向おいて隣り合う位置にある。
ノズル部20と次の幅広部21の周方向外側に、噴流衝突壁22が設けられている。ノズル部20、噴流衝突壁22、幅広部21は、U字形状に配置されているといえる。U字形状の底部に該当するところに、噴流衝突壁22が設けられているといえる。
冷却流通路11は、直線通路19、ノズル部20、噴流衝突壁22、幅広部21の順に連続して配置されている。これら直線通路19、ノズル部20、噴流衝突壁22、幅広部21は、ウォータジャケット10の軸方向に複数設けられている。また、直線通路19、ノズル部20、噴流衝突壁22、幅広部21は、ウォータジャケット10の周方向に複数設けられている。
冷却流通路11は、周方向に沿って真っ直ぐの通路であり、軸方向においては蛇行する通路である。ウォータジャケット10の軸方向の両方の端面に亘る幅で、冷却流通路11が形成されている。
なお、ノズル部20の先端と噴流衝突壁22との間の距離Lは、ノズル部20の直径Dより大きいものとされている(図3参照)。
このように構成された冷却流通路11において冷却液を循環させるために、冷却流通路11に冷却液供給口15と冷却液排出口16が少なくとも1つずつ設けられている。
なお、本実施形態では、図2における上方左側に、冷却液供給口15が設けられている。また、図2における上方右側に、冷却液排出口16が設けられている。冷却液供給口15と冷却液排出口16は、ウォータジャケット10の軸方向を向く側壁18を挟んで周方向に隣り合って配置されている。
また、冷却液供給口15と冷却液排出口16の配置については、冷却流通路11内の構成が冷却液の流通方向が逆方向となるように形成された場合(流通経路を反転させた場合)、左右入れ変えて取り付ける構成でもよい。
冷却液供給口15と冷却液排出口16は、配管接続部7を介して、モータ・ジェネレータ4の外部に設けられた循環装置(冷媒ポンプ)に接続されている。この循環装置により、水又は油等の液体の冷媒が、冷却流通路11を循環する。
冷却液供給口15は、内部管8に接続されている。内部管8は、配管接続部7を介して外部管9に接続されている。また、冷却液排出口16は、内部管8に接続されている。内部管8は、配管接続部7を介して外部管9に接続されている。
次に、ウォータジャケット10の冷却流通路11における冷却液の循環について図2及び図3を参照して説明する。
図2、図3において、冷却液の流通方向(冷却流通路11の循環経路)を黒塗りの矢印で示す。
図2、図3に示すように、具体的に、冷媒ポンプから排出された冷却液は、冷却液供給口15側に設けられた外部管9、配管接続部7及び内部管8を介して、冷却液供給口15に到達する。
冷却液は、冷却液供給口15から冷却流通路11内に供給されると、徐々に狭まる直線通路19で圧力が高まる。圧力が高まった冷却液は、ノズル部20に向かって流れ、そのノズル部20で高速化されて通過する。冷却液は、高速噴流となって貯留室23に入って噴流衝突壁22に衝突する。ここで、冷却液は、流れる向きが反転し、幅広部21に向かって流れる。冷却液は、噴流衝突壁22で圧力が低くなる。
すなわち、冷却液は、ノズル部20から噴流衝突壁22に衝突して流れの向きが変わり、反転して幅広部21へ向かうにことにより、U字方向に(Uターンするように)流れる。
圧力が低くなった冷却液は、幅広部21で圧力が回復する。冷却液は幅広部21を通過すると、次のノズル部20に向かって直線通路19を流れる。冷却液は、圧力が高まる。冷却液はそのノズル部20を通過すると、高速噴流となり、貯留室23に入って、次の噴流衝突壁22に衝突する。冷却液は、噴流衝突壁22で圧力が低くなる。冷却液は、流れる向きが反転し、次の幅広部21に向かって流れる。冷却液は、幅広部21で圧力が回復する。
このように、冷却液は、冷却流通路11内において、周方向に往復するように流れる。冷却液は、上記の循環を繰り返して、冷却液排出口16に到達する。到達後、冷却液は、冷却液排出口16側に設けられた内部管8、配管接続部7及び外部管9を介して、冷媒ポンプに到達する。
冷却液は、以上述べた流通過程で、ウォータジャケット10の冷却流通路11内を循環する。
以上、本発明の液冷モータ4によれば、冷却流通路11の側壁17,22と冷却液との間に高い熱伝達が得られる手段(すなわち、進行方向に進むにつれて通路幅が狭まる直線通路19と、直線通路19の一方端に設けられたノズル部20と、ノズル部20からの冷却液が衝突する噴流衝突壁22と、直線通路19の他方端に設けられ、通路幅が直線通路19の一方端よりも大きい幅広部21と、を有する冷却流通路11)を備えることで、熱伝達を向上させることで伝熱量を増加させることができる。
すなわち、噴流衝突壁22においては、通常の強制対流による壁面熱伝達率より高い渦の乱れ強度に起因する高い熱伝達率を得ることができる。
また、冷却流通路11の幅は、ノズル部20と幅広部21により進行方向に向かって絞られることで不均一となるが、噴流衝突壁22以外は平均的に通常の強制対流による壁面熱伝達率を得ることができる。
また、連続的に不均一の幅となっている冷却流通路11の側壁面17,22の熱伝達率が、均一の幅である通路の熱伝達率を上回ることによって、ステータ外周からウォータジャケット10へ至る放熱経路の総括伝熱計数を大きくすることができる。
ウォータジャケット10での伝熱が制限されて、冷却能力が限定されてしまう点を除去することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1 動力伝達機構
2 エンジン
3 フライホイール
4 モータ・ジェネレータ(液冷モータ)
5 油圧ポンプ
6 モータケース
6A 筒状部
6B 端面部
7 配管接続部
8 内部管
9 外部管
10 ウォータジャケット
10A 内周壁
10B 外周壁
10C 連結壁(一方縁)
10D 連結壁(他方縁)
11 冷却流通路
12 固定子
12A ヨーク
12B ティース
13 熱伝導体
14 モータハウジング
15 冷却液供給口
16 冷却液排出口
17 側壁(周方向)
18 側壁(軸方向)
19 直線通路
20 ノズル部
21 幅広部
22 噴流衝突壁
23 貯留室

Claims (4)

  1. モータケースと、
    前記モータケースの内部に設けられたモータと、
    前記モータケースの内部に設けられたモータハウジングと、
    前記モータハウジング内に装着され、冷却液が周方向に流れる環状のウォータジャケットと、を備え、
    前記ウォータジャケットは、
    前記冷却液が流れる通路幅が徐々に狭くなる冷却流通路と、
    前記冷却液を前記冷却流通路へ供給する冷却液供給口と、
    前記冷却液を前記冷却流通路から排出する冷却液排出口と、
    を有し
    前記冷却流通路は、
    進行方向に進むにつれて前記通路幅が狭まる直線通路と、
    前記直線通路の一方端に設けられたノズル部と、
    前記直線通路の他方端に設けられ、前記通路幅が前記直線通路の一方端よりも大きい幅広部と、
    を備え、
    前記直線通路は、前記ウォータジャケットの前記周方向に延設され且つ前記ウォータジャケットの軸方向に複数並べられており、
    前記ウォータジャケットの軸方向に並べられた複数の直線通路のうち、隣接する直線通路の前記ノズル部及び前記幅広部が当該軸方向において隣り合う位置にあり、
    前記ノズル部と前記幅広部との間に設けられ、前記ノズル部を通過した冷却液が衝突して当該冷却液を前記幅広部に向かわせる噴流衝突壁を備えている液冷モータ。
  2. 記ノズル部及び前記幅広部は、前記ウォータジャケットの軸方向に並べられた複数の直線通路のうち、隣接する直線通路を繋げる部分である請求項に記載の液冷モータ。
  3. 前記冷却液供給口と前記冷却液排出口は、前記ウォータジャケットの軸方向を向く側壁を挟んで周方向に隣り合って配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の液冷モータ。
  4. 前記ノズル部と前記噴流衝突壁との間の距離Lは、前記ノズル部の直径Dより大きいことを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載の液冷モータ。
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