JP2005117865A - 集電装置の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
集電環の温度上昇を抑制することのできる集電装置の冷却装置を提供する。
【解決手段】
回転電機の回転軸１に取り付けた集電環２、集電環２に電流を通電するブラシ４、前記回転軸１に取り付けたファン１０、並びに前記集電環及びブラシを覆い前記ファンによる冷却媒体の入り口及び出口を形成するカバー７を備えた集電装置の冷却装置であって、前記冷媒の入り口１１から集電環２への流れを制御する流れの制御部材を備え、該流れの制御部材は、前記回転軸の回転方向上流側に配置した制御板２１ａと回転方向下流側に配置した制御板２１ｂを備え、回転方向上流側に配置した制御板２１ａと前記集電環表面との距離を回転方向下流側に配置した制御板２１ｂと前記集電環表面との距離よりも大きく設定した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集電装置の冷却装置に係り、特に集電環の温度上昇を抑制することのできる集電装置の冷却装置に関する。

集電装置は回転電機の回転子に電流を供給するものであり、主にブラシと、該ブラシに接触摺動する正負側二つの集電環より構成される。集電環は回転子軸にとりつけられ、前記ブラシとの摺動による摩擦熱及び通電によるジュール熱が発生するため、その温度が上昇する。この温度上昇により、ブラシ部の磨耗量が増加し、集電環の荒損が生じる。このため集電環廻りの冷却が必要となる。また、集電環は絶縁部材を介して回転子軸に取り付けられているため、この絶縁部材の強度確保のためにも集電環廻りの冷却は必要である。
従来、回転電機の集電環廻りの冷却は、ファンにより送風された冷却風を集電環に当てることにより行われてきた。
近年、回転電機の小型化、大容量化に伴い、集電環を通過する電流密度が増大するとともに、ブラシの配置も密集化して、正負の集電環の間隔を狭くするなどの構造がとられるようになってきた。正負、二つのの集電環の間には、短絡防止のために絶縁保護板が設けられており、このような場合、上述のようにブラシ配置を密集化すると冷却風の流路が著しく制限され、冷却が困難になる。このような問題に対して、例えば特許文献１には、通風ガイドを設けて二つの集電環に均等に冷却風が流れるように構成することが示されている。

集電環廻りの冷却効率をさらに向上させるには、例えば冷却促進に効果のある衝突噴流を用いることが考えられる。衝突噴流による熱伝達率は噴流の速度に応じて増大するため、この冷却方法を用いる場合は大きな速度を維持することが望ましい（例えば非特許文献１参照）。すなわち、衝突噴流を有効に用いるためには冷却風を確実に冷却面に誘導するための冷却風の制御が必要となる。
特開平６−１９７４９６号公報（第２−３頁、第１−２図） 日本機械学会編、伝熱工学資料第４版（６６頁）

ところで、集電環は回転軸の一部分に回転軸より大きな半径位置で取り付けられている。冷却風の制御を行わない場合、冷却風の入口から見れば集電環外周面の周方向に比して集電環のない軸方向の空間が大きい。この場合の集電環付近の冷却風の流れは、回転により周方向に引きずられることになるが周方向にはブラシがあり、これが流れの抵抗となる。 このため冷却風は、より抵抗の少ない集電環のない軸方向へと流れ、集電環表面は効果的に冷却されないことになる。また、集電環の軸方向長さは実質的に冷却される周方向長さに比して短い、このため冷却風を周方向に導いたほうが冷却面積を大きくすることができ、冷却には有利である。
前記特許文献１の図２には、吸込口に通風ダクトを設置した例が示されている。この例においては、冷却風は集電環側面の軸方向にも流れ、主な発熱面となる外周面を直接冷却する流量が減少する。このため噴流による冷却効果を必ずしも有効に維持することができない。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、集電環の温度上昇を抑制することのできる集電装置の冷却装置を提供する。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

回転電機の回転軸に取り付けた集電環、集電環に電流を通電するブラシ、前記回転軸に取り付けたファン、並びに前記集電環及びブラシを覆い前記ファンによる冷却媒体の入り口及び出口を形成するカバーを備えた集電装置の冷却装置であって、前記冷媒の入り口から集電環への流れを制御する流れの制御部材を備え、該流れの制御部材は、前記回転軸の回転方向上流側に配置した制御板と回転方向下流側に配置した制御板を備え、回転方向上流側に配置した制御板と前記集電環表面との距離を回転方向下流側に配置した制御板と前記集電環表面との距離よりも大きく設定した。

本発明は、以上の構成を備えるため、集電環の温度上昇を抑制することのできる集電装置の冷却装置を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１、図２は本実施形態にかかる集電装置の冷却装置を説明する図であり、図１は縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ’断面をＢ方向から見た断面図である。

図に示すように、回転子軸１上に正負、二つの集電環２が取り付けられている。軸１と集電環２の間には電気絶縁性を確保するために絶縁材３が配置されている。集電環２にはブラシ４を接触摺動させて電流を供給する。ブラシ４は、周方向及び軸方向に複数個設置されており、ブラシ保持部材５により保持される。集電装置全体はカバー７で覆われる。ブラシは磨耗するため保守や交換が必要である。このため、ブラシ４は、カバー７上部及び側面から保守作業が容易にできるよう集電環のほぼ上半分に集中して配置する。また、ブラシ４間には、ブラシの保守時の安全確保及び集電環同士の短絡防止のため絶縁保護板６を配置する。冷却風は回転子軸１に取り付けたファン１０で駆動し、カバー７の一部分に冷却風の入口１１、及び出口１２が設けられる。冷却風入口１１は、ブラシ４が存在せず集電環を直接冷却できる下方側に設ける。

２０ａ及び２０ｂは、冷却風の軸方向の流れを制御する流れの制御板（軸方向の流れを制御する制御板２０を構成する一対の板）であり、カバー７に取り付けた取付板２２に取り付ける。また、２１ａ及び２１ｂは、冷却風の周方向の流れを制御する流れの制御板（周方向の流れを制御する制御板２１を構成する一対の板）であり、カバー７に取り付けた取付板２２に取り付ける。従って、これら制御板２１，２２により四角形の筒状のノズルが構成される。なお、図１において、説明の便のため制御板２１ａの位置を破線で示した。

図に示すように、回転方向上流側に配置した制御板２１ａと前記集電環２表面との距離を回転方向下流側に配置した制御板２１ｂと前記集電環２表面との距離よりも大きく設定する。

この例においては、上述のように制御板２１ａ及び２１ｂを配置するため、集電環外周表面を冷却する冷却風の流れを、回転軸の回転方向下流側（図の右方側）に比して回転方向上流側（図の左方側）に多くすることができる。

図２において、集電環２は矢印３０の方向に回転しており、その周速度は３１である。このように、集電環２は回転しているため集電環２の冷却能力の大小は集電環表面と冷却風との相対速度の大小に依存する。また、この相対速度は、流れの制御板２１ａ、２１ｂ間における噴流中心軸から見て回転方向上流側と回転方向下流側では相違する。すなわち、回転方向上流側相対速度３５及び回転方向下流側相対速度３４は、噴流の回転方向上流側向き速度３３及び噴流の回転方向下流側向き速度３２から集電環２の周速度３１を減算した値となる。この相対速度は、図２からも明らかなように回転方向上流側相対速度３５に比して回転方向下流側側相対速度３４が小であり、冷却能力は回転方向上流側の方が高いことがわかる。
図３は、比較例を示す図である。図に示すように、回転方向上流側に配置した制御板２１ｃと前記集電環２表面との距離と、回転方向下流側に配置した制御板２１ｄと前記集電環２表面との距離を等しく設定する。図２と図３を比較すれば明らかなように、図２における噴流の回転方向上流側向き速度３３は図３のそれに比して増加しており、従って相対速度３５も増加しており、冷却性能を向上させることができる。また、噴流の回転方向下流側向き速度３２は、図３のそれに比して減少するため相対速度３４は増大する。このため回転方向下流側の冷却性能を向上することができる。

図４は、本発明の他の実施形態を説明する図である。図に示すように、回転方向上流側に配置した制御板２１ｅと、回転方向下流側に配置した制御板２１ｄとを備える。また、２１ｅの上部には制御板２１ｅの上部を外方に折り曲げた折曲部２１ｅ’を形成する。また、折曲部２１ｅ’を含む制御板２１ｅ、２１ｆの取付板２２上の高さはほぼ同一とする。

このように構成することにより、図２の例に示す作用・効果に加えて、集電環の回転方向上流部側向きの流れが集電環から離れるのを防止し、集電環表面近傍の流量をさらに増加させることができる。

図５は、本発明のさらに他の実施形態を説明する図である。以上の説明では、集電環２の回転軸４３が噴流の中心軸の延長線にほぼ位置する場合について説明した。これに対して、図５の例では、噴流の中心軸の延長線４２は回転軸中心４３から回転方向上流側にずれるように配置する。

この配置により、噴流の回転方向上流側向き流路の流路抵抗は、回転方向下流側向き流路の流路抵抗に比して減少する。これにより、回転方向上流側向き流路の流量及び相対速度３５が増加し、冷却性能が向上する。また、ブラシ部のない集電環の実質的な冷却表面の面積についてみると、噴流の中心が集電環に衝突する位置よりも回転方向上流側面積が回転方向下流側面積よりも大きい。このため冷却性能の向上にはさらに好都合である。
図６、図７は本発明の更に他の実施形態を説明する図であり、図６は縦断面図、図７は図６のＡ−Ａ’断面をＢ方向から見た断面図である。以上の説明では、周方向の冷却に関して説明した。しかしながら、冷却風は周方向のみならず軸方向にも流れる。このため、冷却風が周方向に集中して流れるように誘導する必要がある。図６、７は、冷却風を周方向に誘導する構成を説明する図である。

これらの図において、２０ａ、２０ｂは冷却風の流れを制御する流れの制御板（軸方向の流れを制御する制御板２０を構成する一対の板）である。制御板２０の取付板２２上の高さを制御板２１のそれよりも高くすることにより、流入口１１より流入した流れを集電環２の周方向により多く導くことができる。このように制御板２０，２１を構成することにより、軸方向に比して周方向に流れる流量が増加し、噴流冷却の効果を増加させることができる。なお、制御板２０の上端面４１は、直線である必要はなく、集電環の外周に沿った円弧であっても良い。

図８は、比較例を示す図である。図に示すように、取付板２２に四角形の筒状のノズル２３を取り付ける（特許文献１の図２参照）。この例の場合、冷却風は周方向及び軸方向に分散する。このため、流れの通過断面積が図６の例に比して増加し、平均流速は減少し、噴流冷却の効果は低減する。
図９は、本発明の更に他の実施形態を説明する図である。この図の例では、図８に示すノズル２３の軸方向外方にそれぞれ流れの制御板２４ａ，２４ｂを備える。該流れの制御板２４ａ，２４ｂ（軸方向の流れを制御する制御板２４を構成する一対の板）は、図６に示す流れの制御板２０ａ、２０ｂと同様に、流入口１１より流入した流れを集電環２の周方向により多く導くことができる。また、このように制御板２０，２４を構成することにより、軸方向に比して周方向に流れる流量が増加し、噴流冷却の効果を増加させることができる。

なお、図６に示すような、制御板２１よりも高い制御板２０を設けることにより軸方向の流れを制御する手法、及び図９に示すような、ノズルの軸方向外方に制御板２４を設けることにより軸方向の流れを制御する手法は、それぞれ図１，４，５に示す実施形態に適用することができる。

図１０は、本発明の更に他の実施形態（図１に示す実施形態に制御板２１よりも高い制御板２０を設けることにより軸方向の流れを制御する手法を適用した例）を説明する図である。この例の場合においても、流入口１１より流入した流れを集電環２の周方向により多く導くことができる。また、このように制御板２１ａ，２１ｂよりも高い制御板２０ａ，２０ｂを設けることにより、軸方向に比して周方向に流れる流量が増加し、噴流冷却の効果を増加させることができる。

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、周方向の流れを制御する制御板を設けて集電環の回転方向上流側の流量を下流側のそれに比して増加させることにより、冷却性能を向上させることができる。また、軸方向の流れを制御する制御板として、取付板上に高さの高い板（集電環に接近した板）を設けることにより軸方向の流れを制御する手法、あるいはノズルの軸方向外方に高さの高い板（集電環に接近した板）を設けることにより軸方向の流れを制御する手法をとることにより軸方向に比して周方向に流れる流量を増加し、噴流冷却の効果を増加させることができる。これにより、集電環の温度上昇を抑制し、ブラシの磨耗及び集電環と回転子の間の絶縁材の劣化を抑制し集電装置の信頼性を確保することができる。なお、各実施形態における周方向の流れを制御する制御板及び軸方向の流れを制御する制御板は、集電環の回転方向上流側の流量を下流側のそれに比して増加させるため、さらには軸方向に比して周方向に流れる流量を増加するために組み合わせることができる。

なお、以上の例では回転子軸に取り付けたファンによる吸引作用により冷却風が集電環に当てる構成としたが、ファンを入口上流側に設置して吹出しにより冷却する構成とすることができる。また、吸引用と吹出し用の二つのファンを併用することもできる。

本発明の実施形態に係る集電装置の冷却装置の縦断面図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 比較例を示す図である。 本発明の他の実施形態を説明する図である。 本発明の更に他の実施形態を説明する図である。 本発明の更に他の実施形態を説明する図である。 図６のＡ−Ａ’断面図である。 比較例を示す図である。 本発明の更に他の実施形態を説明する図である。 本発明の更に他の実施形態を説明する図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 集電環
３ 絶縁材
４ ブラシ
５ ブラシ保持部材
６ 絶縁保護板
７ カバー
１０ ファン
１１ 冷却風入口
１２ 冷却風出口
２０ 軸方向流れを制御する制御板
２１ 周方向流れを制御する制御板
２２ 取付板
２３ ノズル
２４ 軸方向の流れを制御する制御板

Claims (5)

1. 回転電機の回転軸に取り付けた集電環、集電環に電流を通電するブラシ、前記回転軸に取り付けたファン、並びに前記集電環及びブラシを覆い前記ファンによる冷却媒体の入り口及び出口を形成するカバーを備えた集電装置の冷却装置であって、
   前記冷媒の入り口から集電環への流れを制御する流れの制御部材を備え、
   該流れの制御部材は、前記回転軸の回転方向上流側に配置した制御板と回転方向下流側に配置した制御板を備え、回転方向上流側に配置した制御板と前記集電環表面との距離を回転方向下流側に配置した制御板と前記集電環表面との距離よりも大きく設定したことを特徴とする集電装置の冷却装置。
2. 請求項１記載の集電装置の冷却装置において、
   前記流れの制御部材は集電環の回転軸方向両側に配置した制御板を備え、該制御板は前記回転方向下流側に配置した制御板よりも前記集電環により接近して配置したことを特徴とする集電装置の冷却装置。
3. 請求項２記載の集電装置の冷却装置において、
   前記流れの制御部材は各集電環のそれぞれ回転軸方向両側に配置した制御板を備え、該制御板は前記回転方向下流側に配置した制御板よりも前記集電環により接近して配置したことを特徴とする集電装置の冷却装置。
4. 回転電機の回転軸に取り付けた集電環、集電環に電流を通電するブラシ、前記回転軸に取り付けたファン、並びに前記集電環及びブラシを覆い前記ファンによる冷却媒体の入り口及び出口を形成するカバーを備えた集電装置の冷却装置であって、
   前記冷媒の入り口から集電環への流れを制御する流れの制御部材を備え、
   該流れの制御部材は、前記回転軸の回転方向上流側に配置した制御板、回転方向下流側に配置した制御板、及び集電環の回転軸方向両側に配置した制御板を備え、制御部材により形成される流れの中心軸は前記回転軸の中心よりも回転軸上流側にあることを特徴とする集電装置の冷却装置。
5. 請求項１ないし３記載の集電装置の冷却装置において、
   回転方向上流側に配置した制御板の集電環側先端は前記回転軸中心に対して外方に傾斜していることを特徴とする集電装置の冷却装置。
   
   
   
   

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