JP2006280126A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と比較してメンテナンスを容易化するとともに、出力を大きくする。
【解決手段】回転電機１は、互いに対向して配設された回転子鉄心６及び固定子鉄心９と、内部に回転子鉄心６及び固定子鉄心９を収容するとともに、回転子鉄心６の配設された回転子側空間２６及び固定子鉄心９の配設された固定子側空間２９のうち、回転子側空間２６を外気と連通させた通風口３１，３２を有する筐体２と、通風口３１，３２を介して回転子側空間２６で空気を送るファン７，８と、筐体２の内部で、回転子側空間２６から固定子側空間２９への気流を防ぐ外周壁７０，８０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の駆動源などとして利用される回転電機に関する。

従来、鉄道車両には、駆動源として、図２，図３に示すような回転電機１００，１１０が設けられている（例えば、非特許文献１参照）。これら回転電機１００，１１０は、筐体１０１，１１１の内部に回転子１２０及び固定子１３０を備えており、回転磁界を生じさせて回転子１２０を回転軸１５０とともに回転させることにより出力を得るようになっている。なお、図２，図３では回転軸の軸線Ｊと平行な断面における回転電機１００，１１０の片側を示しており、回転軸の軸線Ｊでほぼ対称となる下半分については図示を省略している。

このような回転電機１００，１１０には、オーバーヒートを防止して大出力化を可能にすべく、筐体１０１，１１１の内部を冷却する冷却機構１０２，１１２が設けられている。これらの冷却機構１０２，１１２は、回転軸１５０と一体的に回転するファン１４０を用いて筐体１０１，１１１の内部に気流を生じさせることにより、筐体１０１，１１１の内部、特に回転子の磁石部分や軸受け部分など、耐熱性の低い部分を冷却するようになっている。

より詳細には、冷却機構１０２は通風式の冷却機構であり、図２に示すように、導入口１０４を介して外部から空気を導入し、排出口１０５を介して空気を外部に排出するようになっている。導入口１０４の外側には、フィルター１０３が設けられている。

また、冷却機構１１２は全閉式の冷却機構であり、図３に示すように、排出口１１５から排出される空気を冷却部１１６で冷却した後、再び導入口１１４から筐体１１１内部に導入するようになっている。
松岡、「永久磁石同期電動機を用いた鉄道車両駆動用全閉式電動機」、電機学会論文誌Ｄ、２００４年２月、第１２４巻、第２号、ｐ１７５−１８２

しかしながら、上記の冷却機構１０２を有する回転電機１００では、水分や微細な塵埃がフィルター１０３を通過してしまう場合があり、この場合には、これら水分や塵埃が固定子に付着する結果、固定子１３０のコイル部分の絶縁劣化が加速されるおそれがあるため、定期的に回転電機１００を分解してメンテナンスを行う必要がある。

また、冷却機構１１２を有する回転電機１１０では、冷却用の空気が循環して用いられるため、筐体１１１の内部を十分に冷却することができず、大きな出力を得られない場合がある。

本発明の課題は、従来と比較してメンテナンスを容易化するとともに、出力を大きくすることができる回転電機を提供することである。

請求項１記載の発明は、回転電機において、
互いに対向して配設された回転子及び固定子と、
内部に前記回転子及び前記固定子を収容するとともに、前記回転子の配設された回転子側空間及び前記固定子の配設された固定子側空間のうち、前記回転子側空間を外気と連通させた通風口を有する筐体と、
前記通風口を介して前記回転子側空間で空気を送るファンと、
前記筐体の内部で、前記回転子側空間から前記固定子側空間への気流を防ぐ気流ガイド部材とを備えることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、気流ガイド部材が筐体の内部で回転子側空間から固定子側空間への気流を防ぐので、筐体の内部に導入された空気が水分や塵埃を含んでいる場合であっても、これら水分や塵埃が固定子に付着するのを防止することができる。従って、従来の通風式の冷却機構を備える回転電機と比較して、メンテナンスを容易化することができる。

また、回転子側空間に外部から空気が送られるので、回転子の磁石部分や軸受け部分など、耐熱性の低い部分を確実に冷却することができる。従って、従来の全閉式の冷却機構を備える回転電機と異なり、オーバーヒートを防止して出力を大きくすることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の回転電機において、
前記固定子側空間は、前記回転子と前記固定子との間隙を含むことを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、固定子側空間は回転子と固定子との間隙を含むので、この間隙への回転子側空間からの気流が気流ガイド部材によって防止される。従って、水分や塵埃が固定子に付着するのを確実に防止することができる。

また、ファンによって当該空隙に空気を流す従来の場合と異なり、ファンの出力を大きくする必要がないため、ファンを小型化することができるとともに、ファンの回転に起因する騒音を低減することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の回転電機において、
前記ファンは、前記回転子と一体的に回転することを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、ファンは回転子と一体的に回転するので、回転子をファンの動力源とすることができる。従って、回転子とは別個にファンの動力源を設ける場合と比較して、回転電機を低廉化することができる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の回転電機において、
前記気流ガイド部材は、前記ファンと一体的に形成されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明によれば、気流ガイド部材がファンと一体的に形成されているので、別個に形成されている場合と比較して、部品数を削減することができる。

また、気流ガイド部材が金属製であっても、気流ガイド部材が回転しない場合と異なり、回転子と気流ガイド部材との間で回転磁界が生じないため、この回転磁界に起因する発熱による過熱を防止することができる。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の回転電機において、
前記気流ガイド部材は、前記回転子と一体的に回転し、
前記気流ガイド部材及び前記筐体の少なくとも一方には、これら気流ガイド部材及び筐体の間隙での前記回転子側空間から前記固定子側空間への気流を防ぐ遮断部材が設けられていることを特徴とする。

請求項５記載の発明によれば、気流ガイド部材が回転子と一体的に回転する場合であっても、遮断部材が気流ガイド部材及び筐体の間隙での回転子側空間から固定子側空間への気流を防ぐため、水分や塵埃が固定子に付着するのを確実に防止することができる。

請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の回転電機において、
前記気流ガイド部材は、前記回転子の底面部及び頂面部から当該回転子の回転軸方向に突出して設けられ、
前記底面部から突出する前記気流ガイド部材と、前記頂面部から突出する前記気流ガイド部材との少なくとも一方の外周面は、
基端側の領域において当該回転子の外周面と面一であり、かつ
先端側の領域において前記回転子の回転軸側に傾斜することを特徴とする。

請求項６記載の発明によれば、前記一方の気流ガイド部材の外周面は基端側の領域において回転子の外周面と面一であり、先端側の領域において回転子の回転軸側に傾斜するので、この気流ガイド部材の側から気流ガイド部材及び回転子を筐体内に挿入して回転電機を製造する場合に、気流ガイド部材や回転子が筐体や固定子などに引っ掛ることがない。従って、回転電機の製造やメンテナンスを容易化することができる。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の回転電機において、
前記回転子には、回転軸方向に貫通する孔部が設けられ、
前記孔部は、前記回転子がコギングにより停止する複数の回転位置のうち、所定の回転位置で前記通風口と同一直線上に位置することを特徴とする。

請求項７記載の発明によれば、回転子がコギングにより停止する複数の回転位置のうち、所定の回転位置で孔部は通風口と同一直線上に位置するので、回転子が停止した状態では、回転子の孔部と通風口とが同一直線上に位置し易くなる。従って、回転子の孔部をブラシなどの清掃具で清掃する場合に、筐体の通風口を介して回転子の孔部に清掃具を挿入することができるため、メンテナンスをいっそう容易化することができる。

請求項１記載の発明によれば、従来の通風式の冷却機構を備える回転電機と比較して、メンテナンスを容易化することができる。また、従来の全閉式の冷却機構を備える回転電機と異なり、オーバーヒートを防止して出力を大きくすることができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、水分や塵埃が固定子に付着するのを確実に防止することができる。また、ファンを小型化することができるとともに、ファンの回転に起因する騒音を低減することができる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、回転子とは別個にファンの動力源を設ける場合と比較して、回転電機を低廉化することができる。

請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、部品数を削減することができる。

請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、水分や塵埃が固定子に付着するのを確実に防止することができる。

請求項６記載の発明によれば、請求項４または５記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、回転電機の製造やメンテナンスを容易化することができる。

請求項７記載の発明によれば、請求項１〜６の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、メンテナンスをいっそう容易化することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る回転電機１の側断面図である。なお、図１では回転軸の軸線Ｊと平行な断面における回転電機１の片側を示しており、回転軸の軸線Ｊでほぼ対称となる下半分については図示を省略している。

この図に示すように、回転電機１の筐体２は、筐体本体２ａ及び蓋部２ｂを備えている。筐体本体２ａは有底の円筒状であり、頂面側（図中、右側）が開口している。蓋部２ｂは略円盤状であり、筐体本体２ａの開口部を閉塞している。

筐体２の両端面の中心軸側には、当該筐体２の内部を外気と連通させた通風口３１，３２が設けられている。
通風口３１は円形に形成され、筐体本体２ａの周方向に複数配列されている。これら通風口３１，…は、後述のファン７，８の作用により、筐体２の内部に空気を導入する導入口として機能するようになっている。

通風口３２は、後述のファン７，８の作用により、筐体２の外部に空気を排出する排出口として機能するようになっている。

これら通風口３１，３２よりも筐体２の外周側には、遮断部材２１，２２が設けられている。これら遮断部材２１，２２は、軸線Ｊを中心とする環状の部材であり、筐体２の内側に突出して後述の遮断部材７０ａ，８０ａと噛合うようになっている。

また、通風口３１，３２よりも筐体２の中心軸側には、転がり軸受４，４が配設されている。これら転がり軸受４，４には回転軸５が軸支され、軸線Ｊを中心として回転可能となっている。なお、転がり軸受４，４の温度上昇限度は、約５５Ｋとなっている。また、回転軸５の一端部、本実施の形態においては蓋部２ｂ側の端部は筐体２の外側に突出し、外部に動力を伝達するようになっている。

回転子鉄心６の内部には、軸方向に貫通した孔部６１が当該回転子鉄心６の周方向に複数形成されている。これら孔部６１，…は、コギングにより回転子鉄心６が停止する複数の回転位置のうち、所定の回転位置で通風口３１と同一直線上に位置するように設けられている。これにより、回転子鉄心６が停止した状態では、回転子鉄心６の孔部６１と通風口３１とが同一直線上に位置し易くなるため、回転子鉄心６の孔部６１をブラシなどの清掃具で清掃する場合に、筐体２の通風口３１を介して回転子鉄心６の孔部に清掃具を挿入することが可能となり、メンテナンスが容易化されている。なお、孔部６１のメンテナンスを更に容易化する観点からは、各孔部６１は通風口３１より小径であることが好ましい。

また、回転軸５の外周面には、本発明における回転子として、略円筒状の回転子鉄心６が固定されている。この回転子鉄心６の内部には永久磁石６０が埋め込まれている。なお、永久磁石６０の温度上昇限度は約１３０Ｋとなっている。

更に、回転子鉄心６の頂面部及び底面部には、ファン７，８が取り付けられている。
ファン７，８は、回転子鉄心６と一体的に回転することによって冷却空気を通風口３１から筐体２内に吸引し、通風口３２から排出するものであり、一体的に形成された外周壁７０，８０とブレード７１，８１とを備えている。

外周壁７０，８０は、回転子鉄心６の底面部，頂面部から軸線方向に突出して設けられた略円筒状の部材であり、回転子鉄心６と一体的に回転するようになっている。この外周壁７０，８０は、筐体２の内部空間を、回転子鉄心６の設けられた回転子側空間２６と、後述の固定子鉄心９の設けられた固定子側空間２９とに分割するとともに、筐体２の内部で回転子側空間２６から固定子側空間２９への気流を防止することにより、本発明における気流ガイド部材として機能するようになっている。なお、上述の通風口３１，３２やファン７，８は、外周壁７０，８０よりも回転子鉄心６側に位置し、回転子側空間２６に含まれている。

これら外周壁７０，８０のうち、回転子鉄心６の底面部から筐体本体２ａの底面に向かって突出した外周壁７０の外周面は、基端側の領域において回転子鉄心６の外周面と面一となっており、かつ、先端側の領域において軸線Ｊ側に傾斜している。これにより、外周壁７０の側からファン７，８及び回転子鉄心６を筐体２内に挿入して回転電機１を製造する場合に、ファン７及び回転子鉄心６が筐体２や固定子鉄心９などに引っ掛るのが防止されるため、回転電機１の製造やメンテナンスが容易化されている。

また、回転子鉄心６の頂面部から蓋部２ｂに向かって突出した外周壁８０の外周面は、基端側から先端側に向かって筐体本体２ａの側周面に近づいている。これにより、後述の固定子巻線９０で生じる熱が外周壁８０を介して効果的に回転子側空間２６に放熱されるようになっている。

これら外周壁７０，８０の端部には、遮断部材７０ａ，８０ａが設けられている。これら遮断部材７０ａ，８０ａは、前記遮断部材２１，２２と噛合うことにより、筐体２内の回転子側空間２６と固定子側空間２９との間での気流を防止している。

ブレード７１，８１は、外周壁７０，８０と一体的に回転することによってファン作用をなすものであり、外周壁７０，８０の表面において周方向に複数配列されている。

回転子鉄心６の外周面と筐体本体２ａの内周面との間には、本発明における固定子として、円筒状の固定子鉄心９が配設されている。なお、固定子鉄心９の内周面と回転子鉄心６の外周面とは所定の間隔で隔てられて対向しており、これら固定子鉄心９及び回転子鉄心６の間隙は外周壁７０，８０よりも固定子鉄心９側に位置し、固定子側空間２９に含まれている。

固定子鉄心９の内周面には、多数の溝（図示せず）が軸方向に形成されており、この溝には固定子巻線９０が巻回されている。なお、この固定子巻線９０の温度上昇限度は、約２００Ｋとなっている。

続いて、回転電機１の動作について説明する。
まず、固定子巻線９０に電圧が印加されて回転磁界が生じると、この回転磁界と、回転子鉄心６中の永久磁石６０によって生じる磁界との相互作用によって回転力が生じ、回転子鉄心６とともに回転軸５が所定の方向に回転する。

また、回転子鉄心６を動力源として当該回転子鉄心６と一体的にファン７，８が回転することにより、外気が通風口３１から筐体２内部の回転子側空間２６に導入され、回転子鉄心６の孔部６１を通過した後、通風口３２から排出される。これにより、回転子鉄心６の磁石部分や転がり軸受４，４など、耐熱性の低い部分が確実に冷却される。このように、ファン７，８が回転子鉄心６と一体的に回転することにより、外周壁７０，８０が金属製の場合であっても、回転子鉄心６と外周壁７０，８０との間で回転磁界が生じるのが防止される結果、この回転磁界に起因する発熱が防がれる。

このとき、外周壁７０，８０が筐体２の内部で回転子側空間２６から固定子側空間２９への気流を防ぐので、筐体２の内部に導入された空気が水分や塵埃を含んでいる場合であっても、これら水分や塵埃が固定子鉄心９に付着するのが防止される。特に、この固定子側空間２９には回転子鉄心６と固定子鉄心９との間隙が含まれるので、この間隙への回転子側空間２６からの気流が外周壁７０，８０によって防止される結果、固定子鉄心９に水分や塵埃が付着するのが確実に防止される。

また、ファン７，８によって回転子鉄心６と固定子鉄心９との間隙には空気を流さないので、空気を流す場合と異なり、ファン７，８の出力を大きくする必要がなくなる。

以上の回転電機１によれば、水分や塵埃が固定子鉄心９に付着するのを防止することができるため、従来の通風式の冷却機構を備える回転電機と比較してメンテナンスを容易化することができる。

また、筐体２の内部において耐熱性の低い部分を確実に冷却することができるため、従来の全閉式の冷却機構を備える回転電機と異なり、オーバーヒートを防止して出力を大きくすることができる。

また、ファン７，８の出力を大きくする必要がないため、ファン７，８を小型化することができるとともに、ファン７，８の回転に起因する騒音を低減することができる。
また、回転子鉄心６をファン７，８の動力源とすることができるため、回転子鉄心６とは別個にファン７，８の動力源を設ける場合と比較して、回転電機１を低廉化することができる。

また、本発明における気流ガイド部材としての外周壁７０，８０がファン７，８と一体的に形成されているので、別個に形成されている場合と比較して、回転電機１の部品数を削減することができる。

なお、上記の実施の形態においては、本発明における気流ガイド部材をファン７，８の外周壁７０，８０として説明したが、ファン７，８とは別個の部材としても良い。

本発明に係る回転電機の測断面図である。 従来の回転電機を示す図である。 従来の回転電機を示す図である。

符号の説明

１ 回転電機
２ 筐体
６ 回転子鉄心（回転子）
７，８ ファン
９ 固定子鉄心（固定子）
２１，２２ 遮断部材
２６ 回転子側空間
２９ 固定子側空間
３１，３２ 通風口
６１ 孔部
７０，８０ 外周壁（気流ガイド部材）
７０ａ，８０ａ 遮断部材

Claims (7)

1. 互いに対向して配設された回転子及び固定子と、
   内部に前記回転子及び前記固定子を収容するとともに、前記回転子の配設された回転子側空間及び前記固定子の配設された固定子側空間のうち、前記回転子側空間を外気と連通させた通風口を有する筐体と、
   前記通風口を介して前記回転子側空間で空気を送るファンと、
   前記筐体の内部で、前記回転子側空間から前記固定子側空間への気流を防ぐ気流ガイド部材とを備えることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機において、
   前記固定子側空間は、前記回転子と前記固定子との間隙を含むことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２記載の回転電機において、
   前記ファンは、前記回転子と一体的に回転することを特徴とする回転電機。
4. 請求項３記載の回転電機において、
   前記気流ガイド部材は、前記ファンと一体的に形成されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項４記載の回転電機において、
   前記気流ガイド部材は、前記回転子と一体的に回転し、
   前記気流ガイド部材及び前記筐体の少なくとも一方には、これら気流ガイド部材及び筐体の間隙での前記回転子側空間から前記固定子側空間への気流を防ぐ遮断部材が設けられていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項４または５記載の回転電機において、
   前記気流ガイド部材は、前記回転子の底面部及び頂面部から当該回転子の回転軸方向に突出して設けられ、
   前記底面部から突出する前記気流ガイド部材と、前記頂面部から突出する前記気流ガイド部材との少なくとも一方の外周面は、
   基端側の領域において当該回転子の外周面と面一であり、かつ
   先端側の領域において前記回転子の回転軸側に傾斜することを特徴とする回転電機。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の回転電機において、
   前記回転子には、回転軸方向に貫通する孔部が設けられ、
   前記孔部は、前記回転子がコギングにより停止する複数の回転位置のうち、所定の回転位置で前記通風口と同一直線上に位置することを特徴とする回転電機。

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