CN1278475C - 通风扇冷却型电动机 - Google Patents

Abstract

为抑制机内转子杆发热、抑制向轴承的传热，不降低轴承及其润滑脂寿命，提供作为铁路车辆用驱动电动机较为理想的全封闭外扇冷却型电动机。全封闭外扇冷却型电动机的通风扇，在支架(2)侧成放射状设叶片(109a)，并在铁心侧成放射状设叶片(109b)。从叶片(109a)内侧部的支架(2)上开口的开口部将外气取入通风路内形成冷却风，将该冷却风导入形成于定子铁心(10)的外周部的冷却孔，排放到外部；从叶片(109b)排出的机内空气经由外部热交换机(18)再度回到机内。

Description

通风扇冷却型电动机

技术领域

本发明涉及适用于车辆驱动用电动机等的通风扇冷却型电动机。

背景技术

一般在铁路车辆中，在配置于车身下的台车上装载车辆驱动用电动机，通过齿轮装置将该电动机的转动力传递给车轮、使车辆行驶。现有这种电动机成图15所示构造。

图15所示的现有车辆驱动用电动机，具有作为固定侧构件的圆筒状构架1，在该构架1的一侧安装着支架2，在构架1的另一侧的中央部安装着壳体3，由分别装于该支架2与壳体3的中心部的轴承4、5可自由转动地支承着转子轴6的两端部。

在转子轴6的轴向中央部分固定转子铁心7，在形成于该转子铁心7的外周面的各个沟槽中埋入转子杆8，各转子杆8的两端部从转子铁心7伸出，以端环201一体连接该伸出部分、形成感应式电动机的笼形转子。在转子铁心7上，设轴向贯穿的多个通风孔7a，由也开有通风孔的铁心压件202从两侧固定。

在构架1的内周部，安装着圆筒状的定子铁心10，在形成于该定子铁心10的内周面的多个沟槽中收纳着定子线圈11。该定子线圈11的线圈端部，成从定子铁心10两侧伸出的形式。

在定子铁心的内周面与转子铁心7的外周面间，形成一样的空隙200。转子轴6的驱动侧端6a突出于机外。在该突出的驱动侧端6a的部分，安装着用于和驱动用齿轮装置相结合的接头(联轴节)。

在转子轴6的机内部分固定着通风扇9。该通风扇9具有从中央成放射状配置的多个叶片9a。在构架1上的对着该通风扇9的外周部的部分，沿圆周方向设多个排气口1a。

在构架1的反驱动侧的上方设入气口1b，覆盖着该入气口1b设通风过滤器12，在通风过滤器12的外气取入口部，在整个入口面上安装用于捕获尘埃的过滤器12a。

图15所示的电动机整体，将设在构架1的安装臂部以螺钉拧紧固定于台车框上，通过连接于转子轴端部6a的联轴节，从齿轮装置将电动机的转动力传递到车轮，使车辆行驶。

在该电动机运转时，由于电动机的定子线圈11与转子杆8发热，使外气流通电动机内进行冷却，以限制电动机的温度上升。这种冷却作用如下所述。

在运转时，由转子轴6使通风扇9转动，从排气口1a将机内空气排出到机外，随之，从入气口1b将外气吸入机内。吸入机内的外气，经通风过滤器12从入气口1b流入机内之后，通过转子铁心7的通风孔7a，再通过转子铁心7的外周与定子铁心10的内周间的空隙部，流过通风扇9侧，由通风扇的转动从排气口1a排出到机外。

这样，借使外气流通过机内，冷却转子杆8、定子线圈11、轴承4、5，以及机内各部，使转子杆8、定子线圈11、轴承4、5以及润滑它们的润滑脂的温度上升不超过容许温度。

但是，在搭载于电车等的底板下台车上的车辆驱动用电动机周围的外气中，存在着大量车辆行驶时卷起的尘埃，所取入外气存在于严重污染了的环境中。因此，在图15所示的现有例的车辆驱动用电动机中，取入电动机机内的外气，试图由通风过滤器12的过滤器12a捕捉尘埃，以求清净化，但由于连续运转，过滤器12a相继产生堵塞，机内通风量逐渐减少。因此，必须对过滤器进行短间隔的定期清扫维护，因而有着花费过多劳力的问题。

为了解决该问题，近年来进行了全封闭外扇冷却型车辆驱动用电动机的开发。下边参照图16说明这种全封闭外扇冷却型电动机。

在图16中，在有底圆筒形构架13的驱动侧端部设支架14，在反驱动侧的中央部设壳体3。在构架13的内周部设定子铁心10。

由分别安装于支架14与壳体3的轴承4、5可自由转动地支承转子轴6。在该转子轴6的轴向中央部，设转子铁心7。转子轴6的驱动侧端部伸出到机外，在该伸出部分上安装通风扇15。

在构架13的外周面，设多个沿轴向延伸形状的冷却孔16，形成通风路17。通风路17，也构成于支架14，驱动侧向着通风扇15的外周侧开口。另外，反驱动侧对外气敞开的电动机驱动侧的通风扇15的入气口15a形成了外气吸入口。

该图16所示的全封闭外扇冷却型电动机，由于在电动机内部成了与外部完全隔断的全封闭型，其内部产生的热量，主要由设于支架13的外周面的多个冷却孔16排出。在运转时，由通风扇15的转动，使外气在构架13外周部的冷却孔16经由通风路17轴向流通，从该冷却孔16内的壁面将传至铁心10、构架13的定子线圈11的发热量排出到外气。

这种全封闭外扇冷却型电动机，由于外气不在机内流通，不会由混入外气的尘埃污损机内，另外由于以外气冷却机外部分，因而有着不需用除去外气中的尘埃的过滤器的优点。

但是，在这种一般的全封闭外扇冷却型电动机中，定子线圈11的发热传至铁心10、构架13可由冷却孔16排出到外气，然而，转子杆8的发热却滞留于机内，成了转子发热、所谓局部发热产生的原因。对此的对策是，作为一例如图17所示，开发了具有冷却风扇9的全封闭外扇冷却型发电机。

图17的全封闭外扇冷却型电动机，是在图16的冷却功能的基础上，使用现有的冷却风扇9使机内空气循环，在中途以成散热器的热交换机18将在机内变热的空气的热量排出到外气进行冷却。在热交换机18中，设置了多个排热叶片18a，以提高排热效率。

由此，在转子杆8产生的热也可不滞留于机内，而可排热到外气。

作为与图15相关的全封闭式电动机的例子，在机内设风扇、将在机内产生的热强制排出到机外的装置已为公知(例如，参照专利文献1)。

作为与图16相关的全封闭式电动机的例子，在机外设风扇，将在机内产生的热强制排出到机外的装置也为公知。(例如参照专利文献2)。

专利文献1

日本特开2002-78282(P1～P2、图1)。

专利文献2

日本特开昭57-77889号公报(P1～P3、图1)。

但是，在图15-图17与专利文献1、2中所示的全封闭式电动机中，有下述的技术课题，作为车辆用电动机有待改善。

第一，转子杆8的发热的冷却，与由定子铁心10的传热对定子线圈11的冷却相比，由于成了通过热传导恶化了的空气的间接传热进行冷却，而有着冷却性能变坏的缺点。

因此，转子的发热成了直接地通过转子铁心7与转子轴6、间接地通过机内变热的空气使轴承4.5升温的原因。而轴承4、5与润滑它们的润滑脂的容许温度与转子杆8和定子线圈11相比较低，其容许温度要低约一半。

因此，由于不能设计成使转子杆8发热到达容许限度，因而不得不进行考虑轴承4、5和润滑脂的容许温度进行设计，其结果，不得不使用比现有电动机输出低的电动机。

另外，由于润滑脂的温度也变高，其寿命降低，有着达不到希望以全封闭式减少维护的目的的缺点。

第二，如表示铁路车辆用的驱动电动机的图18、图19所示，称为台车的铁道车辆，构成为安装于行驶的转轮装置中。驱动电动机301借助安装于该电动机的安装臂302固定在台车303的梁304上构成的安装座305上。

在图18的驱动电动机301的转子轴306上，安装着联轴节306a，并与齿轮装置307相连接。齿轮装置的动力轴成了连接联轴节306a的轴308，而从动轴成了车轴309。在车轴309的两端部安装着车轮310、310，该车轮310、310在轨道311、311滚动行驶。

车轴309在其两端部安装着轴承312、312，安装于台车303，可自由转动地支承着车轴309。在台车303上，搭载着车身313，由电动机301通电转动，由转子轴306、联轴节306a、齿轮装置307、车轴309、车轮310传递转动力，车身313运动。

这里，电动机的轴向尺寸L由图18中的车轮的内宽Ls所限制，不能超过所需的尺寸，即图17中的转轴方向的尺寸L受到限制，不能超出所需尺寸，这是车辆特有的制约。

因此，必须将电动机设计成使转轴方向的尺寸尽量小，要安装二叶占用大空间的风扇是很不利的。

发明内容

本发明的目的即在于解决上述的课题，提供：可在减少清扫尘埃的全封闭式电动机内抑制机内转子杆发热并可抑制向轴承部传热、不降低轴承与润滑脂的使用寿命、作为铁路车辆用驱动电动机的理想的通风扇冷却型电动机。

为达到上述目的，本发明的通风扇冷却型电动机具有：定子铁心，配设于该定子铁心内周侧的转子铁心，通过支架配设于前述定子铁心一端部的第一轴承，与前述支架一起通过以固定构件连接的壳体配设于前述定子铁心另一端部的第二轴承，安装着前述转子铁心、并可自由转动地支承于前述第一、第二轴承上的转子轴，构成于前述定子铁心外周部的通风路，外部热交换机，以及配装于前述转子轴上的轴承与铁心间、在前述支架侧成放射状设置第一叶片、并在铁心侧成放射状设置第二叶片的通风扇；其特征在于，从前述第一叶片内侧部的前述支架上开设的开口部将外气取入前述通风路内形成冷却风，并将该冷却风导致形成于前述定子铁心外周部的冷却孔排出到外部；从前述第二叶片排出的机内空气经由前述外部热交换机再度回到机内。

如依本发明，即可由不加大电动机轴向尺寸的一个通风扇，借助外气进行冷却和进行机内循环冷却；可抑制机内转子杆发热，又可抑制向轴承部的传热；或提供不降低轴承与润滑脂的使用寿命、作为铁路车辆用驱动电动机的理想的通风扇冷却型电动机。

附图说明

图1是从侧面方向观察本发明一实施形式的全封闭外扇冷却型电动机的断面图。

图2是从正面方向观察图1实施形式的全封闭外扇冷却型电动机的部分断面图。

图3是从侧面方向看本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机的断面图。

图4是图3的V1-V1断面图。

图5是从侧面方向看本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机的断面图。

图6是从侧面方向看本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机的断面图。

图7是从侧面方向看本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机的断面图。

图8表示了本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机，(a)为从侧面方向看的断面图，(b)为(a)的V2-V2断面图。

图9是表示本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机、并详细表示通风孔的形式的图。

图10是表示本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机，并表示支架的回转体与固定体的分界的图。

图11是表示本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机，并表示冷时的支架的回转体与固定体的分界的图。

图12是表示本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机、并表示热时的支架的回转体与固定体的分界的图。

图13是表示本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机，并说明定子铁心的冷却孔的其他例的图。

图14是表示本发明其他实施形式的全封闭外扇冷却型电动机，并说明定子铁心的冷却孔的其他例的图。

图15是从侧面方向看现有车辆驱动用电动机的断面图。

图16是从侧面方向看现有全封闭外扇冷却型电动机的一例的部分断面图。

图17是从侧面方向看现有全封闭外扇冷却型电动机的一例的部分断面图。

图18是说明在配设于台车内的铁路车辆用驱动装置中电动机的尺寸限制的图。

图19是说明在配设于台车内的铁路车辆用驱动装置中电动机的动力传递方法的图。

具体实施方式

下边参照附图说明本发明的实施形式。

图1是表示本发明一实施形式的全封闭外扇冷却型电动机的图，在定子铁心10的两侧安装着铁心压件10a、10a，在定子铁心的外周上安装着多个连结板10b，该连结板10b安装于压件10a、10a间的全周的一部分上，在定子铁心10外周侧构成多个冷却孔16。

在转子轴6上安装着在电动机内通风的通风扇109。而且在本实施形式中，对比了：图16、图17上在轴承外即机外安装通风扇、另外在图17上并装机内通风扇的情况。

在通风扇109的一方侧，从转轴成放射状安装着叶片109a，构成了支承轴承4的支架20，并成圆周状开出多个外气入气口20a。

支架20，通过连结支架21安装于铁心压件10a上，在连结支架21上，构成了通向定子铁心10的冷却孔16的通风孔17。而在另一端，在固定支架22的中心部分，安装着壳体3，并安装于另一端铁心压件10a上。在固定支架22上，还开有与冷却孔16相吻合的通风孔17a，向外气敞开。

由电动机的转动使通风扇109转动时，由叶片109a的排出作用变冷的空气，从a部分按箭头方向流入，经通风孔17→冷却孔16→通风孔17a→外气b流动。

由此，定子铁心11的发热，通过铁心10从冷却孔16的内周面向外部散热，进行冷却。

另一方面，在与通风扇109的叶片109a相反一侧，设多个放射状叶片109b。在本实施形式中，环状侧板109c构成和安装着叶片109b的风扇主板109b相反一侧。

在叶片109b的外周侧相对面上，配设着盖板21a，覆盖了通风扇109b的全周；其局部开口，形成开口21b。

从该开口21b，配设着构成于连结支架21的通风孔17b，经由在电动机外部构成的热交换机(散热器)23，通过设于固定支架22上的通风孔17b进入机内，再通过通风孔7a或定子铁心10与转子铁心7间的空隙200，回到通风扇109的叶片109b。

由于热交换机23上安装多个散热叶片23a，从叶片109b排出的变热了的空气被冷却，当再回到机内时成了冷却空气，可冷却机内的转子杆8。

以虚线箭头表示了机内循环空气。符号203为螺钉。

图2示出了从图1的轴向看的情况，局部剖，并示出了冷却孔16与机内循环流路。

如依这样构成的本实施形式，与图17的机内冷却之不同点在于，由于在通风扇109两侧设叶片109a与叶片109b，可通过风扇主板109d使机内热与外气进行热交换。即，本实施形式的电动机，可产生与热交换机增至二个的情况相同的效果。

由于通风扇以高速回转转动，一般采用铝制，传热性能良好的铝制通风扇可兼有情况良好的热交换机功能。

再有，通风扇侧的轴承4，比之于图16、图17由于离开了转子铁心7，而且暴露于冷的外气中，还产生了延伸轴承4使用的润滑脂的寿命的效果。

另一端的轴承5，由于暴露于由通风扇109与热交换机23冷却循环流入机内的最冷状态的空气中，对使用于该轴承5的润滑脂也有延长寿命的效果。

并且，由于减少风扇数，可减小电动机的轴向尺寸L，作为铁路车辆用全封闭外扇冷却型电动机是比较理想的。

其次参照图3～图14说明本发明其他实施形式，对与图1、图2相同部分给予相同的符号。

图3所示实施形式，是将图1的热交换机23不设于机外、而构成于定子铁心10内。冷却性能比图1情况下要低，但可减少机外的构成部分，这对于尺寸限制比较多的铁路车辆用电动机是比较有利的。

图4所示实施形式，示出了图3的V1-V1断面，并示出了外气冷却孔16与机内循环冷却孔16a的一例。

图5所示的实施形式，为提高图1构造中的轴承5的冷却性能，在壳体3的内部，沿全周设空间3a，利用空气的隔热作用，使得机内的热难以传至轴承5和其润滑用润滑脂。另外，空间部3a连通外气，引入冷外气，可进一步提高冷却性能。

再者，在连通外气的孔3b与3b间，构成了多个肋3c，也可发挥支承转子的强度构件与促进散热的风扇的作用。

图6所示的实施形式，是图5的变型例之一，它是将构成于壳体3的部分的空间3a以螺钉安装上圆板状盖3d构成。由于做成这种形式，可成为比图5的工作性能更好的构造。

图7所示实施形式，是使图6的圆柱状盖3d以迷宫3e(微小间隙)与回转部相对，可将空间部3a做得更大些。

图8(a)所示实施形式，是在图7所示的构成中，加速外气的流通，在转子轴6的空间部3a内的部分安装风扇3f，在通过空间部3a的转子轴6内构成又通外气的通风孔3g。符号304所示也是迷宫结构。如这样构成，转子轴6转动时，风扇3f转动，外气按箭头方向流动，可进一步增强轴承5与润滑脂的冷却性能。

图8(b)所示的实施形式，示出了通风孔3g的径向孔的状态，在本图中，在三处等分开口。

图9所示形式，与在图8(a)变型例中同样加速流入外气，构成了由安装于转子轴6等的风扇3h与固定支架22及壳体3围合成的部分，并设置了入气孔3i与排出孔3j。如这样构成，转子一转动，风扇3h就转动，冷外气按箭头方向流动，可防止由壳体3内的轴承5与润滑脂受机内升温产生的热传导与热辐射，产生冷却效果。而且入气孔3i、排气孔3j配设于固定支架22上，但是，只要能维持壳体3等功能，设于何处都可以。

图10所示实施形式，示出了图1的通风扇109和连结支架21的回转体与固定体的分界，通常构成为要保证微小间隙。通风扇109的叶片109a使外气通风W₁来冷却定子铁心10。另一方面，叶片109b使机内空气通风至热交换机23、冷却机内空气、使返回的循环风W₂排出到机内。这些风W₁、W₂分别相互独立，必须防止混入。

通常，该微小间隙G，为使其能存在，应使独立的风不进入相互的通风孔。但是，在通风扇109上如使用传热性好的铝材料，在与通常由铁制作的连结支架21间即发生如下的现象。即，制作时设计的微小间隙G，随着电动机温度上升，通风风扇109与连结支架21也升温，但由于材质不同，热膨胀量不同，通风扇109的外径r_F，比连结支架21的内径r_B的变化更大并产生膨胀。

其结果，微小间隙G比设计时变小，再进一步升温有产生接触的问题。为了防止产生该现象，必须按最高温升时的热膨胀量设计微小间隙G，即必须设计成冷却时反过来微小间隙G比通常设计的要大。其结果，相互独立的风W₁、W₂有因该微小间隙G扩大而相互混合的可能性。

图11与图12所示实施形式，提供了防止上述微小间隙G扩大的构造。即，图11所示的实施形式示出了设计时的多段微小间隙G的构成，B与设计间隙相吻合、设定得小些，反过来A设定得大些。电动机发热变大、通风风扇109与连结支架21产生了最大温度时的热膨胀差ΔR，该状态示于图12。

图11的B变宽、成A那样大；而反过来图11的A成B那样小，即使在电动机冷却状态下，或即使被加热到最大状态，微小间隙G仍可保证一定的壁，使风W₁、W₂相互不会混合流入。

图13与图14所示的实施形式，示出了定子铁心10的冷却孔16的变型例，图13的左侧呈方形。

图13的右侧，一部分对外气开口。在图14的左部，在冷却孔16中有突起16c，图14的右部，以连结板10b、定子铁心10和盖10c构成冷却孔16，定子铁心10上有突起16d。这样，只要是流过冷却定子铁心10的冷却风，冷却孔是什么形状都可以。

本发明的实施形式，以图1为代表的没有构架的无构架构造进行了说明，但也可以图16或图17的带构架的电动机构成。

上述的电动机，是用于感应电动机的例子，但对同步电机等其他的所有构成的回转电机也可适用。

对于通风机109的叶片109a、109b都是均分配置，也可以是不均分；叶片109a、109b也可以是：分别是不同的片数，或一片一片不同直径组合构成。一般，由于不等间距、不同片数、摩擦音压下降，成了低噪音。

如上所述，如依本发明，由于使用不加大电动机轴向尺寸的一个通风扇，可进行外气冷却与机内循环冷却，可抑制机内的转子杆发热，且可抑制向轴承部的传热，不会降低轴承与润滑脂的使用寿命，可提供作为铁路车辆用驱动电动机的理想的全封闭外扇冷却型电动机。

Claims (14)

1.一种通风扇冷却型电动机，这种电动机具有：定子铁心，配设于该定子铁心内周侧的转子铁心，通过支架配设于前述定子铁心一端部的第一轴承，与前述支架一起通过以固定构件连接的壳体配设于前述定子铁心另一端部的第二轴承，安装着前述转子铁心、并可自由转动地支承于前述第一、第二轴承上的转子轴，构成于前述定子铁心外周部的通风路，外部热交换机，以及配装于前述转子轴上的轴承与铁心间、在前述支架侧成放射状设置第一叶片、并在铁心侧成放射状设置第二叶片的通风扇；

其特征在于，从前述第一叶片内侧部的前述支架上开设的开口部将外气取入前述通风路内形成冷却风，并将该冷却风导入形成于前述定子铁心外周部的冷却孔排出到外部；从前述第二叶片排出的机内空气经由前述外部热交换机再度回到机内。

2.按权利要求1所述通风扇冷却型电动机，其特征在于，前述热交换机构成于前述定子铁心。

3.按权利要求1或2所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，在前述壳体的轴承周围设置通连外气的空间。

4.按权利要求1所述通风扇冷却型电动机，其特征在于，由盖状并可拆下地设置在前述壳体上的构件，在前述壳体的轴承周围构成空间，前述构件与前述壳体是分别形成的。

5.按权利要求4所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，前述构件的中心侧与转子轴构成迷宫结构。

6.按权利要求5所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，在前述构件与壳体间的转子轴上构成风扇，至少在该风扇的回转轴侧的转子轴上开设通连外气的孔。

7.按权利要求1或2所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，在至少包含转子的转子轴上，设置轴承侧有叶片的风扇，构成由该风扇的主板、和至少支架或构架等以及壳体围合成的部分，在比该叶片直径小的部分设入气孔，而在比叶片直径大的部分设排出孔，可将外气导入和排出该围起的部分。

8.按权利要求1所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，在前述通风扇的主板与相对的固定构件间设置曲折形迷宫，在该迷宫处，使外径通风扇构件的直径与对着的内径固定构件的直径间的间隙比内径通风扇构件的直径与对着的外径固定构件的直径间的间隙要大。

9.按权利要求1所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，在设于前述定子铁心部的冷却孔内设突起。

10.按权利要求1所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，设于前述定子铁心部的冷却孔，至少由连板与盖构成。

11.按权利要求1所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，所述通风扇冷却型电动机具有构架。

12.按权利要求1所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，前述通风扇的叶片间距为不等间距。

13.按权利要求1所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，前述通风扇由叶片直径各不相同的叶片组合构成。

14.按权利要求1所述的通风扇冷却型电动机，其特征在于，前述通风扇由铝制或铝以外的比铁的热传导率高的材质构成。

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