JP2010206994A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却用空間内を流れる流体の偏流を抑制することができる冷却構造を備えた電動機を提供する。
【解決手段】電動機１１は、ロータ１７およびステータ１９を収容する筒状のケース１３を備えている。ケース１３は、その内部に周方向の略全体にわたって形成され、流体を流通可能な冷却用空間５０を有している。この冷却用空間５０に面する内筒部２１の外面には、複数の溝２７（凹凸部）が周方向の略全体にわたって形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に関するものである。

一般に、建設機械、農業機械、工作機械などの産業機械、自動車などの自走車両には電動機が用いられている。このような産業機械では大電流が電動機に供給されるので、電動機はそのときの発熱を抑えるための冷却構造を備えている。例えば、特許文献１には、ケースの外周部分に周方向に沿って冷却水を循環させる冷却構造に関する技術が開示されている。

特開２００８−２５９３２６号公報

特許文献１に記載の電動機では、冷却水を循環させる冷却用空間がケースの外周部分における周方向の全体にわたって形成されているので、一定の冷却効果は得られるものの、電動機の仕様が高出力化されるに伴って、さらなる冷却効果の向上が望まれている。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却効果を向上させることができる冷却構造を備えた電動機を提供することにある。

本発明の電動機は、ロータ（１７）およびステータ（１９）を収容する筒状のケース（１３）を備えている。前記ケース（１３）は、その内部に周方向の略全体にわたって形成され、流体を流通可能な冷却用空間（５０）を有し、この冷却用空間（５０）に面する前記ケース（１３）の表面には凹凸部（２７）が形成されている。

この構成では、冷却用空間（５０）に面する前記ケース（１３）の表面に設けられた凹凸部（２７）を有しているので、冷却用空間（５０）を流れる流体とケース（１３）の表面との接触面積を増大させることができる。これにより、流体からケース（１３）への伝熱面積が増えるので、冷却効果を向上させることができる。

また、凹凸部（２７）が溝である場合には、この溝に沿って流体が流れやすくなる。これにより、流体とケース（１３）との間の熱交換が促進されるので、冷却効果をより向上させることができる。

また、前記凹凸部（２７）が冷却用空間（５０）に面するケース（１３）の表面に周方向の略全体にわたって形成されている場合には、流体とケース（１３）の表面との接触面積を冷却用空間（５０）の周方向の略全体にわたって増加させることができる。これにより、流体からケース（１３）への伝熱面積をさらに増加させることができるとともに、冷却用空間（５０）の周方向の略全体にわたって満遍なく冷却効果を得ることができる。

また、前記ケース（１３）内において、前記ロータ（１７）および前記ステータ（１９）が前記冷却用空間（５０）よりも半径方向の内側に収容されており、前記凹凸部（２７）は、前記冷却用空間（５０）に面する前記ケース（１３）の表面のうち、前記ケース（１３）の半径方向内側に位置する表面に設けられているのが好ましい。

この構成では、電動機の駆動時における主要な熱の発生源であるロータ（１７）およびステータ（１９）に凹凸部（２７）の配設位置をより近づけた構成であるので、冷却効率をより向上させることができる。

前記ケース（１３）は、前記ロータ（１７）および前記ステータ（１９）を収容する筒状の内筒部（２１）と、この内筒部（２１）の外側に配置されるとともに前記内筒部（２１）に固定されて前記内筒部（２１）との間に前記冷却用空間（５０）を形成する筒状の外筒部（２３）と、を備え、前記凹凸部（２７）が、前記内筒部（２１）の外面および前記外筒部（２３）の内面の少なくとも一方に設けられていてもよい。

この構成では、ケース（１３）は、ロータ（１７）および前記ステータ（１９）を収容する筒状の内筒部（２１）と、この内筒部（２１）との間に冷却用空間（５０）を形成する筒状の外筒部（２３）とを備え、凹凸部（２７）が、内筒部（２１）の外面および外筒部（２３）の内面の少なくとも一方に周方向の略全体にわたって設けられている。これにより、流体から内筒部（２１）または外筒部（２３）への伝熱面積が増えるので、冷却効果を向上させることができる。

前記凹凸部（２７）が前記内筒部（２１）の外面に設けられている場合には、電動機の駆動時における主要な熱の発生源であるロータ（１７）およびステータ（１９）に凹凸部（２７）の配設位置をより近づけることができる。これにより、冷却効率をより向上させることができる。

前記外筒部（２３）は前記内筒部（２１）と別体で構成されている場合には、内筒部（２１）に対する取り付け位置を周方向に任意に選定可能になる。また、これらが別体であることにより、外筒部（２３）または内筒部（２１）に凹凸部（２７）などを前もって形成した後、外筒部（２３）を内筒部（２１）に固定することができるので、凹凸部（２７）の加工が容易になる。特に、凹凸部（２７）が内筒部（２１）の外面に設けられている場合には、外筒部（２３）の内面に凹凸部（２７）を形成する場合と比較してさらに加工が容易になる。

前記流体が絶縁性の油である場合には、水などの流体を使用した場合と比較して漏電などのおそれを低減できる。

電動機が油圧機器に用いられ、前記絶縁性の油が前記油圧機器の作動油である場合には、作動油の一部を冷却用空間（５０）に流入する流体として用いることができる。これにより、油圧機器の配管構造、タンク構造などを簡略化できる。

以上説明したように、本発明によれば、冷却用空間に面する前記ケースの表面に設けられた凹凸部を有しているので、冷却用空間を流れる流体とケースの表面との接触面積を増大させることができる。これにより、流体からケースへの伝熱面積が増えるので、冷却効果を向上させることができる。

本発明の実施形態の電動機をシャフトの軸方向に切断した断面図である。 図１の実施形態の内筒部、外筒部およびステータを示し、これらを軸方向に切断した断面図である。 （ａ）は、図１の実施形態の電動機を入口側から見たときの内筒部の構造を示す斜視図であり、（ｂ）は、この電動機を入口に対して半径方向に対向する側から見たときの内筒部の構造を示す斜視図である。 図１の実施形態の電動機におけるケース、ステータなどの構造を示す斜視図である。 図１の実施形態の電動機における冷却用空間の形状を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、本実施形態にかかる電動機１１は、ケース１３と、このケース１３の軸方向に沿ってケース１３に回転可能に支持されたシャフト１５と、このシャフト１５に取り付けられた円柱状のロータ１７と、このロータ１７に対向するステータ１９とを備えている。

図１および図２に示すように、ケース１３は、筒状の内筒部２１と、この内筒部２１の外面を覆う筒状の外筒部２３と、内筒部２１における軸方向の両側の開口部をそれぞれ塞ぐ円盤部２９および円盤部３１とを含む。これらの内筒部２１、外筒部２３、円盤部２９および円盤部３１は別体で作製された後、一体化されている。

円盤部２９は内筒部２１の第１方向Ｄ１側の開口部に嵌合されており、図略のボルトにより内筒部２１の端部に固定されている。この円盤部２９の内面には、シャフト１５の一端部が配置される凹部が形成されている。この凹部の内周面とシャフト１５の外周面との間には軸受け３３が介在している。

なお、図１のようにシャフト１５の一端部が凹部内に配置される形態の他、例えば円盤部２９にシャフト１５を挿通可能な図略の貫通穴が設けられ、この貫通穴にシャフト１５の一端部が挿通された形態であってもよい。この形態の場合には、シャフト１５の両端部において回転運動を出力するようにできる。また、この形態の場合には、シャフト１５の一方の端部を回転運動の入力側とし、他方の端部を回転運動の出力側とすることにより、出力側の回転運動を入力側がアシストするようにもできる。

円盤部３１は内筒部２１の第２方向Ｄ２側の開口部に嵌合されており、図略のボルトにより内筒部２１の端部に固定されている。この円盤部３１の中央にはシャフト１５の他端部が挿通される貫通口が形成されている。この貫通口の内周面とシャフト１５の外周面との間には軸受け３５が介在している。このようにしてシャフト１５は回転可能に円盤部２９，３１に支持されている。なお、シャフト１５の第２方向Ｄ２側の端部および円盤部３１は、油圧機械などの産業機械の本体に取り付けられる。

内筒部２１の内面にはステータ１９が周方向に沿って配設されている。このステータ１９は、ロータ１７の外周面と所定の隙間をあけてこの外周面と対向して配置されている。ステータ１９は内筒部２１の内面に熱的に接触するように取り付けられたコア１９ａとこのコア１９ａに巻回された巻線１９ｂとを有している。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、内筒部２１は、流体の流路となる冷却用空間５０を外筒部２３とともに形成する胴部４０と、この胴部４０の第２方向Ｄ２側の端部に設けられたフランジ部４１とを有している。このフランジ部４１は、貫通穴４３ａを有する挿通部４３と、電動機１１に電力を供給する導線が挿通される貫通穴４５ａ（図２参照）を有する配線部４５とを有している。図４に示すように、内筒部２１は、外筒部２３の外面に設けられたナット部４６のねじ穴と挿通部４３の貫通穴４３ａとの位置を合わせた状態でボルト４４を貫通穴４３ａに挿通しナット部４６のねじ穴に螺合することによって外筒部２３と連結される。配線部４５の側部には配線部４５の開口を塞ぐ平板４７がねじ止めされている。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、胴部４０は、第１方向Ｄ１側の端部に設けられた外縁部３７と、第２方向Ｄ２側の端部に設けられた外縁部３９と、これらの外縁部３７，３９の間に設けられた仕切り８１とを有している。外縁部３７、外縁部３９および仕切り８１は、外筒部２３の内面と周方向に沿って対向する対向面３７ａ，３９ａ，８１ａをそれぞれ有している。本実施形態では、これらの対向面３７ａ，３９ａ，８１ａの外径はほぼ同程度に調整されている。ただし、これらの対向面３７ａ，３９ａ，８１ａの外径は必ずしも同程度でなくてもよい。すなわち、対向面３７ａと外筒部２３の内面との間が後述する下方側の溝４９に配置されるＯリングによりシールされ、対向面３９ａと外筒部２３の内面との間が上方側の溝４９に配置されるＯリングによりシールされ、かつ、後述する第１冷却部５１と第２冷却部５２との間で流体の流れが仕切り８１によってある程度制限されればよい。これらの条件を満たせば、例えば、対向面３７ａ，３９ａ，８１ａの外径がそれぞれ異なっていてもよく、外筒部２３の内面が湾曲または軸方向に対して傾斜していてもよい。

図２および図４に示すように、外筒部２３は、内筒部２１の胴部４０の外面を覆う円筒状の部材である。この外筒部２３は、胴部４０の外面を覆うとともにこの外面に対して所定の間隔をあけて配置されることにより胴部４０との間に流体を流通可能な冷却用空間５０を形成している。外筒部２３の外面には冷却用空間５０と連通する流体の入口６０と出口６２とが設けられている。

外縁部３７と仕切り８１との間には、これらよりも外径の小さい第１凹部９１が周方向に沿って形成されており、外縁部３９と仕切り８１との間には、これらよりも外径の小さい第２凹部９２が周方向に沿って形成されている。これにより、外筒部２３が内筒部２１の外面を覆うように配置されると、外縁部３７，３９および仕切り８１の対向面３７ａ，３９ａ，８１ａに外筒部２３の内面が対向する一方で、第１凹部９１および第２凹部９２は外筒部２３の内面との間にはそれぞれ空間が形成される。これらの空間は、冷却用空間５０の一部を構成する第１冷却部５１および第２冷却部５２となる。このようにして冷却用空間５０は、第１冷却部５１と第２冷却部５２とに軸方向に分割されている。

また、外縁部３７と第１凹部９１との間には、周方向に沿ってＯリング用の溝４９が形成されており、外縁部３９と第２凹部９２との間には、周方向に沿ってＯリング用の溝４９が形成されている。これらの溝４９にはそれぞれ図略のＯリングが配置される。これにより、外筒部２３と内筒部２１の外縁部３７，３９との間の水密性が高められている。

第１凹部９１および第２凹部９２には、半径方向の内方に凹む複数の溝２７（本実施形態では５つの溝２７）が周方向に沿ってそれぞれ形成されている。各溝２７は、互いに略平行であり、周方向の略全体にわたって形成されている。

第１冷却部５１は、各溝２７の壁面を構成する環状の突起により半径方向の内方側の空間が複数に仕切られている一方で、半径方向の外方側の空間において連通している。また、第２冷却部５２は、第１冷却部５１と同様に、各溝２７の壁面を構成する環状の突起により半径方向の内方側の空間が複数に仕切られている一方で、半径方向の外方側の空間は軸方向に連通している。このような構成を採用することによって、第１冷却部５１および第２冷却部５２において、半径方向の内方側では流体と内筒部２１の外面との接触面積を増大させる一方で、半径方向の外方側では流体の流通抵抗が増大するのを抑制できる。これにより、冷却効率を向上させるとともに流体が流れる際の圧力損失を低減できる。

図３（ｂ）に示すように、仕切り８１は、入口６０に対して半径方向に対向する側における周方向の所定範囲の領域に位置する開口部７１を有している。この開口部７１は、仕切り８１の一部を切削加工して形成した半径方向の内側に凹む凹部である。開口部７１は、外筒部２３の内面とともに第１合流部６１を構成する（図５参照）。

この第１合流部６１は、冷却用空間５０の一部であり、入口６０に対して半径方向に対向する側における周方向の所定範囲の領域に位置し、第１冷却部５１と第２冷却部５２とを連通している。

ここで、本実施形態において「入口６０に対して半径方向に対向する側における周方向の所定範囲の領域」とは、具体的には次のことを意味している。まず、この領域の軸方向の位置は、第１冷却部５１と第２冷却部５２との間にある。次に、この領域の周方向の位置は次の通りいくつかの形態が例示できる。この周方向の位置の一例としては、冷却用空間５０を平面視したとき（冷却用空間５０をシャフト１５の軸方向に向かって見たとき）に、円筒状の第１冷却部５１の軸上の位置（シャフト１５の回転軸上の位置）を中心として入口６０に対して１８０°回転した対向位置を含み、この対向位置から周方向に所定の幅を持った領域が挙げられる。本実施形態はこのタイプである。

また、前記周方向の位置の他の例としては、前記対向位置を必ずしも含まなくてよく、前記対向位置から周方向の一方側と他方側にほぼ等距離の位置にある互いに離れた二つの領域を含んでいる。また、前記周方向の位置のさらに他の例としては、上記二つの例を組み合わせた領域が挙げられる。

また、第１冷却部５１内の流体の偏流を抑制する効果を高める観点から、第１合流部６１の周方向の位置は、入口６０の中心と前記対向位置とを結ぶ直線に対してほぼ線対称となるような形態であるのが好ましい。また、第１合流部６１が周方向の一方側と他方側に延設される範囲は、偏流抑制の観点から、前記対向位置から±４５°の領域に含まれているのがより好ましい。

なお、上記した第１合流部６１の配設領域に関する意味内容は、後述する第２合流部についても同様である。すなわち、第１合流部６１の上記説明における「入口６０に対して半径方向に対向する側における周方向の所定範囲の領域」を、第２合流部６２の場合には「第１合流部６１に対して半径方向に対向する側における周方向の所定範囲の領域」と読み替える。

図３（ａ）、図４および図５に示すように、冷却用空間５０は、第１合流部６１に対して半径方向に対向する側における周方向の所定範囲の領域に位置する第２合流部６２を有している。この第２合流部６２は、本実施形態では流体を外部に排出するための出口６２として機能する。第２冷却部５２内を周方向の一方側と他方側に分かれて流れてくる流体が、この出口６２において合流する。この出口６２は、入口６０と周方向の同じ側に位置し、入口６０と軸方向に並ぶ位置にある。

また、図３（ａ）に示すように、仕切り８１は、周方向の位置が入口６０に近く、かつ、入口６０と出口６２との間の位置に開口部２５ａを有している。この開口部２５ａは、仕切り８１の一部を切削加工して形成した半径方向の内側に凹む凹部である。この開口部２５ａは、外筒部２３の内面とともに空気抜き用の連通部２５を構成する（図５参照）。この連通部２５は、冷却用空間５０の一部であり、第１冷却部５１と第２冷却部５２とを連通させている。

開口部７１の周方向の開口長さは、用いる流体の粘度、流体の供給量などに応じて適宜設定すればよく特に限定されるものではないが、少なくとも開口部２５ａよりも大きくなるように設定される。すなわち、第１合流部６１の開口面積は、第１冷却部５１の周方向の一方側と他方側を通って流れる流体が合流して第２冷却部５２側に円滑に流れるように流体にかかる抵抗などを考慮して設定される。一方、連通部２５の開口面積は、第１冷却部５１に滞留する空気を第２冷却部５２側に移動させることができ、かつ、入口６０から供給された流体が連通部２５を通って第２冷却部５２側に流れるのを極力抑えることができる程度に第１合流部６１よりも十分に小さい値に設定されるのが好ましい。

流体としては、水を用いることもできるが、例えば絶縁性の油を用いることによって漏電のおそれを低減することができる。絶縁性の油としては、電動機１１が油圧機器に用いられるものである場合には、この油圧機器の作動油であるのが好ましい。

次に、本実施形態の電動機１１の動作について説明する。まず、電動機１１に電力を供給すると、ロータ１７とステータ１９との間に磁力が発生してシャフト１５が回転する。この電動機１１の駆動に伴って主にロータ１７およびステータ１９が発熱する。この発熱による電動機１１の温度上昇を抑制するために、例えば冷却用の流体としての作動油が入口６０を通じて冷却用空間５０に供給される。

入口６０から供給された流体は、第１冷却部５１の周方向の一方側と他方側に分岐して第１冷却部５１内を流れる。本実施形態では、第１合流部６１が前記対向位置に設けられているので、第１冷却部５１の周方向の一方側と他方側に分岐して流れる流体の割合がほぼ均等になる。

これらの分岐した流体は、第１合流部６１において合流して第２冷却部５２に流入する。このように分岐した流体を一旦合流させたうえで第２冷却部５２に流入させることにより、第１合流部６１を通過する際に均一に混合された流体を第２冷却部５２に送ることができる。これにより、第２冷却部５２における冷却効果のばらつきを低減できる。

第２冷却部５２に流入した流体は、第２冷却部５２の周方向の一方側と他方側に再び分岐して第２冷却部５２内を流れる。これらの分岐した流体は、第２合流部（出口）６２において再び合流し、この出口６２から外部に排出される。出口６２は、第１合流部６１に対して半径方向に対向する側における周方向の所定範囲の領域に設けられているので、第２冷却部５２の周方向の一方側と他方側に分岐して流れる流体の割合がほぼ均等になる。なお、排出された流体は、必要に応じて冷却した後、冷却用として循環させて再利用してもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、冷却用空間５０に面する前記ケース１３の表面に設けられた凹凸部２７を有しているので、冷却用空間５０を流れる流体とケース１３の表面との接触面積を増大させることができる。これにより、流体からケース１３への伝熱面積が増えるので、冷却効果を向上させることができる。

また、本実施形態では、凹凸部２７が溝であるので、この溝に沿って流体が流れやすくなる。これにより、流体とケース１３との間の熱交換が促進されるので、冷却効果をより向上させることができる。

また、本実施形態では、前記凹凸部２７が冷却用空間５０に面するケース１３の表面に周方向の略全体にわたって形成されているので、流体とケース１３の表面との接触面積を冷却用空間５０の周方向の略全体にわたって増加させることができる。これにより、流体からケース１３への伝熱面積をさらに増加させることができるとともに、冷却用空間５０の周方向の略全体にわたって満遍なく冷却効果を得ることができる。

また、本実施形態では、前記ケース１３内において、前記ロータ１７および前記ステータ１９が前記冷却用空間５０よりも半径方向の内側に収容されており、前記凹凸部２７は、前記冷却用空間５０に面する前記ケース１３の表面のうち、前記ケース１３の半径方向内側に位置する表面に設けられており、電動機の駆動時における主要な熱の発生源であるロータ１７およびステータ１９に凹凸部２７の配設位置をより近づけている。これにより、冷却効率をより向上させることができる。

また、本実施形態では、前記凹凸部２７が前記内筒部２１の外面に設けられているので、電動機の駆動時における主要な熱の発生源であるロータ１７およびステータ１９に凹凸部２７の配設位置をより近づけることができる。これにより、冷却効率をより向上させることができる。

また、本実施形態では、前記外筒部２３は前記内筒部２１と別体で構成されているので、内筒部２１に対する取り付け位置を周方向に任意に選定可能になる。また、これらが別体であることにより、外筒部２３または内筒部２１に凹凸部２７などを前もって形成した後、外筒部２３を内筒部２１に固定することができるので、凹凸部２７の加工が容易になる。特に、本実施形態のように凹凸部２７が内筒部２１の外面に設けられている場合には、外筒部２３の内面に凹凸部２７を形成するのと比較してさらに加工が容易になる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、上記実施形態では、凹凸部としての溝が内筒部の外面に周方向に連続した構成を例に挙げて説明したが、これに限定されない。凹凸部としては、例えば螺旋状の溝、軸方向に沿って形成された複数の溝、複数の突起、複数のディンプルなどが、冷却用空間に面するケースの表面に形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、凹凸部が内筒部の外面に設けられた形態を例に挙げて説明したが、凹凸部は、冷却用空間に面するケースの表面であれば、例えば外筒部の内面などの他の部位であってもよい。また、例えば凹凸部が内筒部の外面と外筒部の内面の両方に設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、冷却用空間５０が第１冷却部と第２冷却部の２つに分割されている場合を例示したが、冷却用空間５０は上記のように分割されていなくてもよく、また、上記よりもさらに細分化されていてもよい。

また、上記実施形態では、冷却用空間を形成する内筒部と外筒部が別体である場合を例に挙げて説明したが、これらの内筒部と外筒部は、別体ではなく一体の部材であってもよい。

１１ 電動機
１３ ケース
１７ ロータ
１９ ステータ
２１ 内筒部
２３ 外筒部
２７ 溝
５０ 冷却用空間
５１ 第１冷却部
５２ 第２冷却部
６０ 入口
６１ 第１合流部
６２ 出口（第２合流部）
７１ 開口部
８１ 仕切り

Claims (9)

1. ロータ（１７）およびステータ（１９）を収容する筒状のケース（１３）を備えた電動機であって、
   前記ケース（１３）は、その内部に周方向の略全体にわたって形成され、流体を流通可能な冷却用空間（５０）を有し、この冷却用空間（５０）に面する前記ケース（１３）の表面には凹凸部（２７）が形成されている電動機。
2. 前記凹凸部（２７）が溝である、請求項１に記載の電動機。
3. 前記凹凸部（２７）は前記冷却用空間（５０）に面する前記ケース（１３）の表面に周方向の略全体にわたって形成されている、請求項１または２に記載の電動機。
4. 前記ケース（１３）内において、前記ロータ（１７）および前記ステータ（１９）が前記冷却用空間（５０）よりも半径方向の内側に収容されており、
   前記凹凸部（２７）は、前記冷却用空間（５０）に面する前記ケース（１３）の表面のうち、前記ケース（１３）の半径方向内側に位置する表面に設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の電動機。
5. 前記ケース（１３）は、前記ロータ（１７）および前記ステータ（１９）を収容する筒状の内筒部（２１）と、この内筒部（２１）の外側に配置されるとともに前記内筒部（２１）に固定されて前記内筒部（２１）との間に前記冷却用空間（５０）を形成する筒状の外筒部（２３）と、を備え、
   前記凹凸部（２７）が、前記内筒部（２１）の外面および前記外筒部（２３）の内面の少なくとも一方に設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の電動機。
6. 前記凹凸部（２７）が前記内筒部（２１）の外面に設けられている、請求項５に記載の電動機。
7. 前記外筒部（２３）は前記内筒部（２１）と別体で構成されている、請求項５または６に記載の電動機。
8. 前記流体が絶縁性の油である、請求項１〜７のいずれかに記載の電動機。
9. 油圧機器に用いられる電動機であって、
   前記絶縁性の油が前記油圧機器の作動油である、請求項８に記載の電動機。

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