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公開番号2021103924
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210715
出願番号2019234506
出願日20191225
発明の名称液冷モータ及び液冷モータを用いた冷却装置
出願人株式会社クボタ
代理人特許業務法人安田岡本特許事務所
主分類H02K 9/19 20060101AFI20210618BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】簡便な構成で、より効率的にステータコイルのコイルエンドを冷却することができる液冷モータ及び液冷モータを用いた冷却装置を提供する。
【解決手段】液冷モータは、ステータと、前記ステータ内において周方向に回転自在に配置されたロータと、前記ステータに巻かれ、前記ステータから前記周方向と直交する軸方向に延出するコイルエンドを有するステータコイルと、備え、前記ロータは、ロータコアと、前記コイルエンドに対向するように前記ロータコアの前記軸方向の端部に配置され且つ前記ロータと共に前記周方向に回転可能な環状の端板とを有し、前記端板は、導入口から吐出口まで前記ロータの半径方向外向きに冷却液を案内する流路を含み、前記流路は、半径方向に対して前記ロータの回転方向と反対方向に傾斜するように前記導入口から前記吐出口まで延びている。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
ステータと、
前記ステータ内において周方向に回転自在に配置されたロータと、
前記ステータに巻かれ、前記周方向と直交する軸方向に延出するコイルエンドを有するステータコイルと、備え、
前記ロータは、ロータコアと、前記コイルエンドに対向するように前記ロータコアの前記軸方向の端部に固定され且つ前記ロータと共に前記周方向に回転可能な環状の端板とを有し、
前記端板は、導入口から吐出口まで前記ロータの半径方向外向きに冷却液を案内する流路を含み、
前記流路は、半径方向に対して前記ロータの回転方向と反対方向に傾斜するように前記導入口から前記吐出口まで延びている液冷モータ。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記端板は、前記ロータの回転に伴って、前記冷却液を前記吐出口から前記半径方向外向きであって且つ前記軸方向に対して垂直方向に吐出する請求項1に記載の液冷モータ。
【請求項3】
前記流路は、弓形形状を有する請求項1又は2に記載の液冷モータ。
【請求項4】
前記流路は、直線形状を有する請求項1又は2に記載の液冷モータ。
【請求項5】
前記流路は、前記導入口から前記吐出口に向かうにつれて次第に曲率が大きくなるように湾曲している請求項1又は2に記載の液冷モータ。
【請求項6】
前記冷却液は、前記コイルエンドに噴流衝突するように吐出される請求項1〜5のいずれか1項に記載の液冷モータ。
【請求項7】
前記冷却液は、半径方向に対して傾斜角θの速度ベクトルv
1
で前記吐出口から吐出され、
前記吐出口は、前記ロータの回転に伴って、前記端板の接線方向の速度ベクトルv
2
で回転し、
前記速度ベクトルv
1
と前記速度ベクトルv
2
とは、実質的に次式を満たす請求項1〜6のいずれか1項に記載の液冷モータ。
【請求項8】
前記端板は、前記ロータコアの後端部及び前端部に固定されたリア端板及びフロント端板を含み、
前記リア端板及び前記フロント端板は、周方向に沿って等間隔に配置された複数の前記流路を有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の液冷モータ。
【請求項9】
前記ロータは、回転シャフトと、該回転シャフトと前記ロータコアとの間に配置された筒状体とを更に有し、
前記筒状体は、前記軸方向に延び、前記リア端板及び前記フロント端板の前記各流路と連通する複数の連通孔を形成する請求項8に記載の液冷モータ。
【請求項10】
前記冷却液が供給される供給口、及び前記冷却液が排出される排出口を有する請求項1〜8のいずれか1項に記載の液冷モータと、
前記供給口及び前記排出口に接続された熱交換器と、を備え、
前記ロータの回転に伴って、前記冷却液を遠心力で前記流路に沿って案内する前記液冷モータの吸引力のみにより、前記冷却液を前記液冷モータと前記熱交換器との間で循環させる冷却装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、原動機及び発電機として機能する液冷モータ、及び液冷モータを用いた冷却装置に関する。
続きを表示(約 7,700 文字)【背景技術】
【0002】
ロータ(回転子)に永久磁石を使用した電動機(PMモータ)は、小型で高出力であるため、自動車や産業機械(農業機械、建設機械等)等に幅広く使用されている。
永久磁石は、一般に、温度上昇とともに減磁し、キュリー点を超えると完全に磁力を失う(熱消磁)。したがって高磁性材料で構成された永久磁石を用いた電動機は、正常な回転動作特性を持続させるため、定常動作状態において、効率的に冷却して過熱を防止(減磁又は熱消磁を回避)する必要があり、そのため冷却効率が高い液冷方式により冷却されることが多い。
【0003】
液冷方式により冷却される電動機(液冷モータ)として、例えば、特許文献1に記載された電動機が知られている。特許文献1に記載の電動機は、ステータコアを有するステータと、ロータコアを有するロータとを備える。ステータコアは、モータケース内に固定され、軸方向に延びる複数のスロットと、各スロットに巻かれたステータコイルとを含む。ロータコアは、ステータコアの中空部内で回転可能に配置されている。このような電動機(液冷モータ)の動作時、ステータコイルのコイルエンドは、ステータコイルの中央部より高温となるので、特に効率的に冷却する必要がある。
【0004】
そこで特許文献1に記載のロータは、冷却液を回転軸に沿って案内する回転軸冷却油路と、ロータコアの端面からコイルエンドに向けて冷却液を誘導する傾斜面(傾斜部)とを有し、ロータコアの回転時に生じる遠心力で冷却液をコイルエンドに飛散させることにより、コイルエンドを効率的に冷却するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2005−6429号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら特許文献1に記載の電動機によれば、ロータの傾斜面で案内された冷却液は、コイルエンドに向けて単に飛散するにすぎず、飛散した冷却液は、軸方向に分散し、冷却すべきコイルエンドに正確に到達せず、またコイルエンドに到達したとしても飛散した冷却液による冷却効果は限定的なものであった。
そこで本発明の態様は、上記課題に鑑み、簡便な構成で、より効率的にコイルエンドを冷却することができる液冷モータ及び液冷モータを用いた冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係る液冷モータは、ステータと、前記ステータ内において周方向に回転自在に配置されたロータと、前記ステータに巻かれ、前記ステータから前記周方向と直交する軸方向に延出するコイルエンドを有するステータコイルと、備え、前記ロータは、ロータコアと、前記コイルエンドに対向するように前記ロータコアの前記軸方向の端部に配置され且つ前記ロータと共に前記周方向に回転可能な環状の端板とを有し、前記端板は、導入口から吐出口まで前記ロータの半径方向外向きに冷却液を案内する流路を含み、前記流路は、半径方向に対して前記ロータの回転方向と反対方向に傾斜するように前記導入口から前記吐出口まで延びている。
【0008】
また前記端板は、前記ロータの回転に伴って、前記冷却液を前記吐出口から前記半径方向外向きであって且つ前記軸方向に対して垂直方向に吐出する。
前記流路は、弓形形状又は直線形状を有することが好ましい。
また前記流路は、前記導入口から前記吐出口に向かうにつれて次第に曲率が大きくなるように湾曲してもよい。
【0009】
好ましくは、前記冷却液は、前記コイルエンドに噴流衝突するように吐出される。
換言すると、前記冷却液は、半径方向に対して傾斜角θの速度ベクトルv
1
で前記吐出口から吐出され、前記吐出口は、前記ロータの回転に伴って、前記端板の接線方向の速度ベクトルv
2
で回転し、前記速度ベクトルv
1
と前記速度ベクトルv
2
とは、実質的に次式を満たす。
【0010】
【0011】
前記端板は、前記ロータコアの後端部及び前端部に配置されたリア端板及びフロント端板を含み、前記リア端板及び前記フロント端板は、周方向に沿って等間隔に配置された複数の前記流路を有する。
また前記ロータは、回転シャフトと、該回転シャフトと前記ロータコアとの間に配置された筒状体とを更に有し、前記筒状体は、前記軸方向に延び且つ前記リア端板及び前記フロント端板の前記各流路と連通する複数の連通孔を形成する。
【0012】
本発明の一態様に係る冷却装置は、前記冷却液が供給される供給口、及び前記冷却液が排出される排出口を有する前記液冷モータと、前記供給口及び前記排出口に接続された熱交換器と、を備え、前記ロータの回転に伴って、前記冷却液を遠心力で前記流路に沿って案内する前記液冷モータの吸引力のみにより、前記冷却液を前記液冷モータと前記熱交換器との間で循環させる。
【発明の効果】
【0013】
本発明の態様によれば、簡便な構成で、より効率的にステータコイルのコイルエンドを冷却することができる液冷モータ及び液冷モータを用いた冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
本発明の実施形態に係る液冷モータのロータの部分断面図である。
(a)、(b)及び(c)は、それぞれ図1のA−A線、B−B線及びC−C線から見たロータの断面図である。
(a)は実施形態に係るリア端板の平面図であり、(b)は比較対象に係るリア端板の平面図である。
(a)は、図3(a)に示す端板の流路の拡大平面図であり、(b)〜(d)は、本実施形態の変形例による端板の流路を示す拡大平面図である。
本実施形態に係る冷却装置の流路回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図1に示すように本発明の実施形態に係る液冷モータ1は、ステータコア21を有するステータ2と、ロータコア3を有するロータ4と、回転シャフト5とを備える。本実施形態に係る液冷モータ1は、例えば油圧ポンプ駆動用のモータや、原動機及び発電機として機能するモータジェネレータとして使用することができる。
【0016】
ステータコア21は、略円筒形状であって、複数枚の鋼板を積層して構成されている。ステータコア21は、環状のヨークと、当該ヨークの内周側に周方向に間隔をあけて突設された複数のティースとから構成されている。周方向に隣り合うティース同士の間には、スロットが形成されている。
ロータ4は、ステータ2内において周方向に回転自在に配置されている。周方向とは、ロータコア3(又は回転シャフト5)の中心軸C周りの円に沿う方向をいう。また、以下の説明において、中心軸Cと平行な方向(周方向と直交する方向)を軸方向という。また、軸方向の一方側(図1の右側)を前方、軸方向の他方側(図1の左側)を後方という。
【0017】
ステータコイル22は、ステータ2に巻かれている。詳しくは、ステータコイル22は、ステータコア21の複数のティースにそれぞれ巻かれており、各ステータコイル22はスロットに収容されている。ステータコイル22は、スロットから露出した一対のコイルエンド23を有する。コイルエンド23は、リアコイルエンド23aとフロントコイルエンド23bとを含む。コイルエンド23は、ステータコア21から軸方向に延出している。リアコイルエンド23aは、ステータ2から軸方向の後方に延出している。フロントコイルエンド23bは、ステータ2から軸方向の前方に延出している。
【0018】
図2(a)、図2(b)及び図2(c)は、それぞれ図1のA−A線、B−B線及びC−C線から見たロータ4の断面図である。ロータコア3は、図1及び図2(a)〜図2(c)に示すように、筒状体40と、磁石支持体50とを有する。筒状体40は、ロータコア3の半径方向おいて、回転シャフト5と磁石支持体50との間に配置されている。筒状体40は、軸方向に延びる複数の連通溝41を含む。複数の連通溝41は、筒状体40の外周面に周方向に互いに間隔をあけて凹設されている。磁石支持体50には、複数の永久磁石51が支持されている。複数の永久磁石51は、磁石支持体50の周方向に互いに間隔をあけて配置されている。本実施形態の場合、複数の永久磁石51は、磁石支持体50の外周面に形成された凹部に配設されているが、磁石支持体50の外周面の近傍に埋設されていてもよい。
【0019】
回転シャフト5は筒状体40の内周面に嵌合されて固定されている。磁石支持体50は、筒状体40の外周面に嵌合されて固定されている。したがって、回転シャフト5、筒状体40及び磁石支持体50は、ロータコア3の回転に伴って一体に回転する。
またロータ4は、ロータコア3の軸方向の端部に配置された端板10を有し、詳しくはロータコア3の軸方向の両方の端部に配置された一対の端板10a,10bを有する。端板10a,10bは、環状(円環状)に形成されている。端板10a,10bは、ロータコア3の軸方向の後端部に配置されたリア端板10aと、ロータコア3の軸方向の前端部に配置されたフロント端板10bとを含む。図2(a)にリア端板10aを示し、図2(c)にフロント端板10bを示す。リア端板10a及びフロント端板10bは、ロータ4の回転に伴ってロータ4と一体に同じ方向に回転する。図1に示すように、端板10a,10bは、コイルエンド23と半径方向に対向するように配置されている。具体的には、リア端板10aは、リアコイルエンド23aと半径方向に対向するように配置され、フロント端板10bは、フロントコイルエンド23bと半径方向に対向するように配置されている。
【0020】
筒状体40の連通溝41は、リア端板10a、磁石支持体50、フロント端板10bに亘って軸方向に延びている。連通溝41は、リア端板10aの内周面、ロータコア3の内周面、フロント端板10bの内周面との間に、ロータコア3の内部で軸方向に延びる連通孔41を形成している。この連通溝41と、リア端板10a、ロータコア3、フロント端板10bとの間に形成される連通孔41を通って、コイルエンド23を冷却する冷却液(冷却油)が流通する。
【0021】
リア端板10aの内周面には第1凹溝15aが形成されている(図2(a))。磁石支持体50の内周面には第2凹溝52が形成されている(図2(b))。フロント端板10bの内周面には第3凹溝15b(図2(c))が形成されている。第1凹溝15a、第2凹溝52、第3凹溝15bは、軸方向に並んで(位置合わせされて)形成されている。筒状体40の外周面には、第1凹溝15a、第2凹溝52、第3凹溝15bと対向する第4凹溝43が形成されている(図2(a)〜図2(c))。第1凹溝15a、第2凹溝52及び第3凹溝15bと第4凹溝43との間に形成される空間には、軸方向に延びるキー54が挿入されている。これにより、筒状体40と、リア端板10a、磁石支持体50、フロント端板10bとは、キー54によって相対的な回転が不能に連結され、一体的に回転可能となる。
【0022】
液冷モータ1の動作時、ステータコイル22のコイルエンド23は、ステータコイル22の中央部より高温となるので、特に効率的に冷却する必要がある。本実施形態に係る液冷モータ1は、コイルエンド23に対する冷却効果を改善しようとするものである。
なお、リア端板10a及びフロント端板10bは、同様の構造を有するので、以下においては、図1〜図4を参照しつつ、リア端板10aについて説明する。
【0023】
図3(a)は本実施形態に係るリア端板10aの平面図である。リア端板10aは、筒状体40の各連通溝41が形成する連通孔41と連通する複数の流路12を有している。複数の流路12は、同じ形状を有し、周方向に沿って等間隔に配置されている。各流路12は、図2に示すように、導入口13及び吐出口14を有する。すなわち流路12は、その導入口13と連通孔41が連通するように構成されている。
【0024】
導入口13は、リア端板10aの内周面に開口している。吐出口14は、リア端板10aの外周面に開口している。流路12の吐出口14は、冷却液を勢いよく(速い速度で)吐出するように断面積が比較的小さいノズルやオリフィスとして構成されることが好ましい。
リア端板10aの各流路12は、導入口13から吐出口14まで貫通する貫通孔として形成してもよいし、リア端板10aの表面(前面)に形成した溝部と、この溝部に対向する平板を組み合わせて構成してもよい。また各流路12の断面形状は、円形であってもよいし、矩形であってもよいし、その他の形状であってもよい。流路12は、導入口13から吐出口14までロータ4の半径方向外向きに冷却液を案内する。なお、リア端板10aの各流路12は、貫通孔として形成された場合、平面図である図3(a)及び図3(b)では仮想線(破線等)を用いて図示すべきであるが、便宜上、実線で図示した。
【0025】
なお、図5に示すように、液冷モータ1は、冷却液が供給される供給口114、及び冷却液が排出される排出口116を備えている。冷却液は、ステータ2及びロータ4を収容するモータケース6内に導入されて供給口114に供給される。排出口116から排出された冷却液は、モータケース6外に排出され、後述する一次冷却ループ110を通って再び供給口114に供給される。供給口114に供給された冷却液は、連通孔41を通ってリア端板10a及びフロント端板10bの各流路12の導入口13に導かれる。尚、図示していないが、液冷モータ1には、供給口114と連通孔41とを連絡する連絡通路が形成されている。連絡通路は、例えば軸方向と平行に延びる軸平行路と、軸平行路と連通し且つ回転軸に対して周方向に延びる円環路(ともに図示せず)とを含んでいる。すなわち供給口114は軸平行路に接続され、軸平行路は円環路に接続され、円環路は連通孔41に接続され、そして連通孔41はリア端板10a及びフロント端板10bの各流路12の導入口13に分岐して接続されている。こうして供給口114に供給された冷却液は、軸平行路、円環路及び連通孔41を介して、リア端板10a及びフロント端板10bの各流路12に分岐して導入口13に導かれる。当該連絡通路の位置及び形状は、供給口114に供給された冷却液を円滑に連通孔41に導くことができる位置及び形状であればよく、特に限定されない。なお、図5では、供給口114をリア端板10a側に設けているが、フロント端板10b側に供給口114を設けてもよい。
【0026】
本実施形態に係るリア端板10aの各流路12は、リア端板10aの半径方向(ロータ4の半径方向)に対してロータ4の回転方向と反対方向に傾斜するように導入口13から吐出口14まで延びるように構成されている。例えば図3(a)に示すように、ロータ4が後方(図1のA−A線)から見て反時計方向に回転しているとき、リア端板10aの各流路12は、2点鎖線で示すリア端板10aの半径方向に対して、時計方向に傾斜するように導入口13から吐出口14まで延びるように構成されている。また、フロント端板10bを前方(図1のC−C線)から見た場合、ロータ4が時計方向に回転しているので、図2(c)に示すように、フロント端板10bの各流路12は、フロント端板10bの半径方向に対して、反時計方向に傾斜するように導入口13から吐出口14まで延びている。
【0027】
このとき、流路12の導入口13に送出された冷却液は、ロータ4の回転に伴う遠心力により、流路12に吸引されて案内され、所定の吐出速さv
1
で吐出口14から所定の吐出方向に吐出される。吐出速さv
1
は、吐出口14に対する相対速度であり、吐出方向は、半径方向と所定の角度θをなす方向である。図3(a)には、冷却液の吐出速度ベクトルv
1
が細い矢印で示されている。
【0028】
一方、ロータ4が後方(図1のA−A線)から見て反時計方向に回転しているとき、流路12の吐出口14自体が同様に反時計方向に回転し、回転移動に伴う吐出口14の速さv
2
は半径rと角速度ωの積(v
2
=rω)で与えられ、移動速度の向きは吐出口14における接線方向である。図3(a)には、冷却液の移動速度ベクトルv
2
が細い矢印で示されている。したがって、吐出口14から実際に吐出される冷却液は、ロータ4の回転に伴い、吐出速度ベクトルv
1
と移動速度ベクトルv
2
とを合成した速度ベクトルv
3
を有する(図3(a)の太い矢印で図示)。
【0029】
ところで、冷却液を用いてコイルエンド23等の被冷却物を冷却するとき、冷却液を被冷却物に対して垂直に衝突させることにより衝突噴流冷却を実現することができる。すなわち衝突噴流冷却によれば、冷却液の噴流が被冷却物に垂直に衝突すると、両者の間に対流熱伝達が生じ、噴流の速度が大きいほど対流熱伝達が促進され、被冷却物に対して高い冷却効果が得られる。換言すると、冷却液を被冷却物に対して斜めに衝突させると、被冷却物に対する冷却液の相対速度は小さくなり、冷却効果は小さくなる。
【0030】
そこで本実施形態に係る端板10は、ロータ4の回転に伴って、冷却液が吐出口14から半径方向外向きであって且つ軸方向に対して垂直方向に吐出されるように構成されている。これにより、吐出口14から吐出された冷却液(噴流)をコイルエンド23に垂直に衝突させて、衝突噴流冷却効果により、効率よくコイルエンド23を冷却することができる。
(【0031】以降は省略されています)

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