JP2006340571A - 車両用電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用電動機の各部の、特に軸受部の冷却構造を改良して軸受部の温度を低減させ、寿命の低下や強度の低下を防止する。
【解決手段】回転軸１２に、回転軸１２の軸方向に沿って延びる軸方向孔２１と、前記軸方向孔２１と連通して設けられ、回転軸１２の回転に伴ってファン作用により軸方向孔２１内に導入された外気を吸引し、冷却風として軸受１０に送風する半径方向孔２２とを形成する。外気から流入した風は軸方向孔２１，半径方向孔２２を通り、冷却空間２０へと流入し、排気口２３から排出される。この時、軸受部１０の熱を奪って軸受１０を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は車両を加速、減速する車両用電動機に関する。

車両用電動機は、車体の下に配置された台車の下の狭い空間に取付けられている。この車両用電動機の回転力を歯車装置を介して車輪に伝達することで、車両を走行させている。
車両の走行中、車両用電動機の固定子巻線・回転子巻線からの銅損、固定子鉄心からの鉄損、その他機械損からの発熱などにより車両用電動機の各部の温度が上昇する。

車両用電動機を構成する各材料には定められた許容温度が存在する。
従って、車両用電動機の各部のそれぞれの温度が許容温度を超えると、寿命の低下や強度の低下を引き起こすため、電動機各部を許容温度以下になるように冷却しなければならない。

特に車両用電動機の回転軸の軸受に使用されているグリースは、温度が上昇すると著しく劣化してしまうため他の部材よりも許容温度が低く設定されている。従って、軸受部を局所的に冷却することが重要である。

図１４は従来の強制通風形の車両用電動機を示す断面図である。
図１４において、１は電動機の回転子、固定子などを収納する円筒箱型の電動機フレーム（以下単にフレームと称する）で、このフレーム１の反負荷側の一端部外周上の一部に冷却風導入口２がフレーム１内と外気とを連通するように形成されている。

また、フレーム１の他端負荷側の端部側面には複数個の排気口３が同じくフレーム１内と外気とを連通するように形成されている。
この円筒形のフレーム１の内周面に固定子鉄心４が、固定子鉄心クランプ５によって取り付けられている。

この固定子鉄心４はケイ素鋼板を積層して形成されており、内周面に複数のスロットが形成されている。
そして、このスロット内に固定子巻線６が巻装され、その固定子巻線６のエンドコイル７が固定子鉄心４の軸方向の両端部に張り出している。

これらの固定子鉄心４、固定子巻線６、および固定子鉄心クランプ５により電動機の固定子を構成している。
フレーム１の両端側面にはそれぞれその中心部に軸受ハウジング８、９が嵌合されている。

この軸受ハウジング８、９の軸芯部には軸受１０、１１が取付けられている。
これら一対の軸受１０、１１には電動機の回転軸１２の端部がそれぞれ挿入され、これによって、回転軸１２がフレーム１内に回転自在に支持されている。
回転軸１２の軸方向中間部にはケイ素鋼板を積層した回転子鉄心１３が、一対の回転子鉄心クランプ１４によって前記固定子鉄心に対向して取り付けられている。

回転子鉄心１３の外周部には回転軸１２の軸方向に沿って延びる多数の溝が形成され、これらの溝にそれぞれ棒状導体からなる回転子巻線１５が挿入され、それらの両端がエンドリング１６に固着されている。
このうち、回転軸１２、回転子鉄心１３、回転子巻線１５およびエンドリング１６によりかご形の電動機の回転子を構成している。

ここで、回転子鉄心１３の外周面と固定子鉄心４の内周面との間には、寸法が略一定のエアギャップ１７が形成されており、回転子鉄心１３と回転子鉄心クランプ１４の径方向中間部に複数の回転子ダクト１８が回転軸１２の軸方向に沿って貫通して形成されている。

次に、このような構成の車両用電動機の強制通風冷却の作用について説明する。
図１４において、車両用電動機の運転中、図示しない電動機外部に設けられたブロアから外気が送られてくると、図示しない電動機外部の風誘導ダクトを通って、冷却風導入口２からフレーム１内へ冷却風が強制的に送られる。

その冷却風は矢印で示すように固定子巻線６のエンドコイル７のコイル間を通り抜けてエアギャップ１７や、回転子ダクト１８へと流入する。
これらの箇所を冷却風が通過しながら回転子巻線１５や固定子巻線６から発生した熱を奪い、冷却風はフレーム１内の負荷側空間へと流れていく。

フレーム１内の負荷側空間へ流入した冷却風はフレーム１の端部側面に形成された排気口３から再び外気中に排気される。
このように冷却風をフレーム１内に強制的に流通させることで、電動機各部の温度上昇を抑え、許容温度以下となるように冷却している。

特に許容温度の低い軸受部１０、１１にはフレーム１内の他の部分の熱が伝わらないように隔壁１９を設けてフレーム１内空間と隔てられた冷却空間２０を設けるなどして対処している（例えば特許文献１参照）。

また、図示しないが全閉外扇形主電動機の反負荷側においてはフレーム１本体を密閉形にし、回転軸に取り付けられたラジアル形状のファンを機外に設け、フレーム１外周表面にファンからの風を送ることにより、フレーム１を介してフレーム１内を冷却するようにしたものもある。

この機外ファン（外扇）への風の供給は機外から取り入れるのが一般的である。しかし、許容温度の低い軸受部１０、１１を冷却するために、回転軸１２中心に反負荷側の一端部から軸方向に沿って他端負荷側部にかけて設けられた軸方向孔２１から他端負荷側端部において形成された半径方向孔２２へと通気させて冷却空間２０に冷却風を送り、外扇へ風を供給する方式も考えられている。
特開平６−６９５８号公報

しかしながら、上述した従来の車両用電動機における冷却構造においては、次のような解決すべき課題が存在する。
即ち、負荷側の軸受１１を冷却するために反負荷側の軸方向孔２１から冷却風を導入し、半径方向孔２２へと通気させているが、反負荷側から負荷側まで通じている軸方向孔２１では距離が長く、管路抵抗のために冷却風が流れにくいという解決すべき課題がある。

また、負荷側の軸受１１に対しては軸方向孔２１から半径方向孔２２へと通気させて冷却を行うことができるが、反負荷側の軸受１０に対しては冷却風が導入されず、軸受全体としての冷却効果が低いという解決すべき課題がある。

さらに、軸方向孔２１を通して回転軸１２中を風が通るために回転軸自体を冷却する効果はあるが、孔の位置が回転軸中心のために回転軸外周部を伝わって、軸受部へと熱が伝導してしまう恐れがある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、回転軸に形成した軸方向孔の管路抵抗を少なくして、反負荷側軸受の冷却空間へ流入する冷却風の量を増やすことで熱伝達量を増し、軸受部の温度を低減させる車両用電動機を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明の車両用電動機は、電動機フレームと、前記電動機フレーム内に固定された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線と、前記電動機フレームに軸受を介して回転自在に支持された回転軸と、前記固定子巻線に対向して前記回転軸にされた回転子鉄心と、前記回転子鉄心に巻装された回転子巻線とからなる車両用電動機において、
前記回転軸に、回転軸の軸方向に沿って延びる軸方向孔と、前記軸方向孔と連通して設けられ、回転軸の回転に伴ってファン作用により軸方向孔内に導入された外気を吸引し、冷却風として軸受に送風する半径方向孔とを形成したことを特徴とする。

本発明の車両用電動機によれば、回転軸に形成した軸方向孔の管路抵抗を少なくして、反負荷側軸受の冷却空間へ流入する冷却風の量を増やすことで熱伝達量を増し、軸受部の温度を低減させることができる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態による車両用電動機の構成を示す反負荷側回転軸部分の断面図であり、図２は図１をＢ−Ｂ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図である。
なお、以下の実施の形態の説明において、各図中、図１４に示す従来のものと同一部分には同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

この実施の形態では、回転軸１２の反負荷側端部の軸中心に軸方向孔２１が形成され、その軸方向孔２１の途中から反負荷側軸受１０の冷却空間２０に向かって半径方向孔２２が軸方向孔２１とある角度θをもって形成されている。
これ以外は従来のものと同一に構成されている。

ここで、軸方向孔２１の径は管路抵抗を低減するには大きい方がよいが、軸方向孔２１の径をあまり大きく形成すると、回転軸１２の強度不足になるため、回転軸１２の径の半分以下の長さが好ましい。

半径方向孔２２の径も同様で、回転軸１２の強度との兼ね合いで適宜決めるのがよい。
半径方向孔２２が軸方向孔２１と接続される位置は、軸方向孔２１の途中であればどこからでもよく、冷却空間２０へ流入しやすい位置になるようにすればよい。
また、軸方向孔２１は１個所だけであるが、半径方向孔２２は２〜８個の範囲で何個形成してもよく、孔の断面はどのような形状でもよい。

次に、上記のように構成された本実施の形態の作用について説明する。
車両用電動機の運転稼動時に回転軸１２が回転すると、軸方向孔２１、半径方向孔２２も同時に回転する。

このとき、半径方向孔２２がファンの役割を果たし、軸方向孔２１内の空気を吸引し、これに伴って軸方向孔２１に外気から風が冷却風として流入する。
流入した風は軸方向孔２１、半径方向孔２２を通り、冷却空間２０へと流入し、フレーム１に形成された排気口２３から矢印Ａ１で示すようにフレーム外へ排出される。この時、軸受部１０の熱を風が奪って軸受１０を冷却する。

車両用電動機では回転軸１２は両方向回転するが、正逆回転ともに同様の風の流れが発生する。
また、本実施の形態では、軸方向孔２１から流入した風が半径方向孔２２に流れ込む際に、風の流れ方向が変化する。このとき、軸方向孔２１と半径方向孔２２との間に９０度以上の角度をつけて半径方向孔２２を形成することにより、ここでの圧力損失を低減することができる。

図３は第１の実施の形態における軸方向孔２１と半径方向孔２２との間の角度θを９０度から１７０度の範囲で１０度ずつ順次変えて軸方向孔２１の通過風量割合を計測して得られた結果をプロットした図である。
この図から明らかなように、軸方向孔２１と半径方向孔２２との間の角度は１２０度から１６０度の範囲に定めることが効果的である。

このようにして、風の流れ方向が変化する箇所での管路抵抗を低減することで、冷却空間２０へ流入する風量を増すことができ、フレーム１の機内側、軸受側の端部側面に当たる風量が増え、熱伝達量を増やすことで、軸受部１０の温度上昇を低減することができる。

一方、回転軸１２の軸方向孔２１、半径方向孔２２を通して送られる風は負荷側の軸受１１には直接導かれず当たらないが、負荷側の軸受１１には冷却風導入孔２からフレーム１内に導入された風がエアギャップ１７や回転子ダクト１８を通って送られ、隔壁１９に当たることからこれにより冷却され、全体として軸受１０、１１に対する冷却は従来のものと比較して向上する。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
図４は本発明の第２の実施の形態による車両用電動機の構成を示す反負荷側回転軸部分の断面図である。
この実施の形態では、回転軸１２に形成された軸方向孔２１の外気流入口からすぐに半径方向孔２２が形成されており、半径方向孔２２は冷却空間２０へと通じている。

ここで、軸方向孔２１と半径方向孔２２とは図１と同様にある角度θをもって形成されるが、冷却空間２０へ通じる角度であれば、何度であってもよい。
また、軸方向孔２１は１個所だけであるが、半径方向孔２２は２〜８個の範囲であれば何個形成してもよく、孔の断面はどのような形状でもよい。

次に、上記のように構成された本実施の形態の作用について説明する。
回転軸１２の回転に伴い、半径方向孔２２のファン作用により風が軸方向孔２１内の空気を吸引して軸方向孔２１から流入した風はすぐに各半径方向孔２２へと分流する。
分流された空気は各半径方向孔２２を通って冷却空間２０へ吹き出す。
また、第１の実施形態と同様に、正逆回転ともに同様の流れとなる。

このようにすることによって、半径方向孔２２の流入口を軸方向孔２１の入口と同じ位置にすることによって、軸方向孔２１での管路抵抗を低減することができる。
また、半径方向孔２２へ外気がすぐに流入できる形状であるので、回転軸１２の回転が速くないときにでも、ファン作用を得ることができる。

このようにして、軸方向孔２１での管路抵抗を減らし、冷却空間２０へ流入する風量を増すことで、フレーム１内の軸受側の端部側面に当たる風量が増え、熱伝達量を増すことができ、軸受１０の温度上昇を低減することができる。

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
図５は本発明の第３の実施の形態による車両用電動機の構成を示す反負荷側回転軸部分の断面図である。

この実施の形態では、軸方向孔２１が複数個設けられ、一つの軸方向孔２１に対して、一つの半径方向孔２２が接続されている。
それぞれの孔はお互いに合流することがなく、それぞれ独立した風の流れを有するような構造になっている。

ここで、図５では軸方向孔２１と半径方向孔２２との間の角度が９０度になっているが、前記第１の実施の形態で説明したように９０度以上の角度をつけてもよい。
また、第２の実施の形態で説明したように半径方向孔２２の孔の位置が軸方向孔２１の流入口の位置と一致していてもよい。
軸方向孔２１の数は２〜８個の範囲であれば何個形成してもよく、孔の断面はどのような形状でもよい。

次に、上記のように構成された本実施の形態の作用について説明する。
各軸方向孔２１から流入した風はそのまま分流せずに半径方向孔２２へと流れ、冷却空間２０へファン作用で流入し、フレーム側面に形成された排出孔２３から外気へと排出される。また、第１の実施の形態と同様に、正逆回転ともに同様の流れとなる。

このようにすることによって、軸方向孔２１一つに対して、一つの半径方向孔２２が設けられていることにより、管路内で風が分流することなく冷却空間へと流れるので、分流による損失を抑えることができる。

また、軸方向孔２１がそれぞれ独立しているので、各孔から風が流入し、冷却空間２０への流入量を増やすことができる。
このようにして、冷却空間２０へ流入する風量を増やすことで、熱伝達量を増すことができ、軸受部１０の温度上昇を低減することができる。

次に本発明の第４の実施の形態について説明する。
図６は本発明の第４の実施の形態による車両用電動機の構成を示す反負荷側回転軸部分の断面図であり、図７は図６をＣ−Ｃ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図である。

この実施の形態では、半径方向孔２２の吹き出し口に孔延長管２４が設けられており、この孔延長管２４は半径方向孔２２の半径方向長さを延長するためのものである。
この孔延長管２４は図６、図７ではそれぞれの孔に取り付けたパイプ形状になっているが、半径方向長さを延長することができる構成であれば一体形の円形部品でもよい。

孔延長管２４の開口部は回転軸１２の回転軸線と直角な方向に向けられ、冷却空間２０に向けて開孔している。
また、孔延長管２４は半径方向孔２２と同一の断面形状や断面寸法になっているのが好ましい。
図７では、半径方向孔２２が４個の場合を示しているが、２〜８個の範囲であれ何個形成してもよく、孔の断面はどのような形状でもよい。

次に、上記のように構成された本実施の形態の作用について説明する。
回転軸１２の回転に伴い、孔延長管２４も同時に回転する。軸方向孔２１から流入した風は半径方向孔２２へと分流し、孔延長管２４を通過して冷却空間２０へと流入し、フレーム側面に形成された排気口２３から外気へと排出される。

また、第１の実施の形態と同様に、正逆回転ともに同様の流れとなる。
このようにすることによって、孔延長管２４を設けることで半径方向孔２２の半径方向長さが延長され、回転軸１２の回転によるファン作用がより強化されることで、冷却空間２０への吹き出し量が増加する。
このようにして、フレーム１内の軸受側端部の側面に当たる風量が増え、熱伝達量を増やすことで、軸受部１０の温度上昇を低減することができる。

次に本発明の第５の実施の形態について説明する。
図８は本発明の第５の実施の形態による車両用電動機の構成を示す反負荷側回転軸部分の断面図であり、図９は図８をＤ−Ｄ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図である。

この実施の形態では、半径方向孔２２の吹き出し口に冷却風誘導管２５が設けられている。
この冷却風誘導管２５は半径方向孔２２の半径方向長さを延長し、先端の吹き出し口が回転軸１２の中心軸に沿って平行方向を向き、軸受１０に向けられている。

図９に示すように、半径方向孔２２から流れてきた風はそのまま半径方向へは流れずに、冷却風誘導管２５により軸受１０側へ曲げられる。
図８、図９では冷却風誘導管２５はそれぞれの半径方向孔２２に取り付けたパイプ形状になっているが、風の吹き出し方向を軸受１０側に向けられる構成であれば一体形の部品でもよい。

また、半径方向孔２１と同一の断面形状や断面寸法になっているのが好ましい。
図９では、半径方向孔２２が４個の場合を示しているが、２〜８個の範囲であれば何個形成してもよく、孔の断面はどのような形状でもよい。

次に、上記のように構成された本実施の形態の作用について説明する。
軸方向孔２１から流入し、複数の半径方向孔２２に分流した風は冷却風誘導管２５で吹き出し方向が回転軸１２の中心軸と平行で軸受１０側へ向く方向へ変えられ、冷却空間２０を通って、フレーム側面に形成された排気口２３から外気へと排出される。

また、第１の実施の形態と同様に、正逆回転ともに同様の流れとなる。
このようにすることによって、半径方向孔２２の半径方向長さが延長されることでファン作用が増し、さらに風の吹き出し方向を軸受１０の方向にするとこによって、吹き出した風が軸受を囲んでいるフレーム１に集中的に当たる。
フレーム１では集中的に風が当たることによって熱伝達量が増し、軸受１６の温度上昇を低減することができる。

次に本発明の第６の実施の形態について説明する。
図１０は本発明の第６の実施の形態による全閉外扇形の車両用電動機の構成を示す断面図であり、図１１は図１０をＥ−Ｅ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図である。

この実施の形態では、軸方向孔２１が回転軸１２の回転中心の軸線に沿ってに設けられ、反負荷側に設けられた回転子鉄心クランプ１４と組み合わさったところで、回転子鉄心クランプ１４の内側に半径方向孔２２が複数個形成されている。

半径方向孔２２は回転子鉄心クランプ１４に設けられた軸方向孔２６および回転子鉄心１３と回転軸１２との間に回転軸１２の軸方向に沿って形成された軸外周ダクト２７と接続されている。

軸外周ダクト２７は回転子鉄心１３を軸方向に貫通しており、そのまま負荷側の回転子鉄心クランプ１４に設けられた軸方向孔と通じており、負荷側の冷却空間２０へ通じている。
ここで、半径方向孔２２は回転子鉄心クランプ１４と組み合わさった位置に設置されているが、回転子鉄心１３と組み合わさった位置にあってもよい。

図１１に示すように、軸外周ダクト２７の断面は半円形状になっているが、どのような形状でもよい。軸外周ダクト２７の断面積は管路抵抗の影響を低減するために大きい方がよく、強度との兼ね合いで決めるとよい。

次に、上記のように構成された本実施の形態の作用について説明する。
回転軸１２が回転すると半径方向孔２２のファン作用により、軸方向孔２１から風が吸引され、半径方向孔２２を経て軸外周ダクト２７へと流れる。

軸外周ダクト２７へ流入した風は負荷側の冷却空間２０へと流れ、そのまま排気口３を通って外気へと排気される。
また、第１の実施の形態と同様に、正逆回転ともに同様の流れとなる。
このようにすることによって、軸外周ダクト２７を経て負荷側の冷却空間に風を送ることにより、負荷側の軸受１１を冷却することができる。

また、この構成では軸外周ダクト２７により回転子巻線１５で発生した熱が回転軸１２へ伝導するのを低減し、回転軸１２から軸受１０、１１へ伝導する熱量を減らすことができる。
また、反負荷側軸受１０には半径方向孔２２を介して熱が伝導するため、温度が低下しており、強制的な冷却がなくても済む。
以上の構成により負荷側、反負荷側の軸受ともに温度上昇を低減することができる。

次に本発明の第７の実施の形態について説明する。
図１２は本発明の第７の実施の形態による全閉外扇形の車両用電動機の構成を示す反負荷側回転軸部分の断面図であり、図１３は図１２をＦ−Ｆ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図である。

この実施の形態では、軸方向孔２１が回転軸１２の軸方向中央部あたりまで延長され、そこに半径方向孔２２が形成されている。
半径方向孔２２の外周出口には軸外周ダクト２７が形成されており、軸外周ダクト２７は回転子鉄心クランプ１４を貫通し、負荷側、反負荷側の冷却空間２０へ通じている。
ここで、半径方向孔２２が回転軸１２の軸方向中央部に設けられているが、軸方向の負荷側、反負荷側のどちらかにずれていてもよい。

図１３に示すように、軸外周ダクト２７の断面はここでは半円形状になっているが、どのような形状でもよい。
軸外周ダクト２７の断面積は管路抵抗の影響を低減するために大きい方がよく、強度との兼ね合いで決めるとよい。

次に、上記のように構成された本実施の形態の作用について説明する。
半径方向孔２２から軸外周ダクト２７へ流入した風は２方向へ分流し、負荷側、反負荷側へと流れる。

回転子鉄心クランプ１４の孔を経て、負荷側、反負荷側の冷却空間２０へ流入し、排気口３、２３から外気へと排気される。
また、第１の実施の形態と同様に、正逆回転ともに同様の流れとなる。

半径方向孔２２から軸外周ダクト２７へ流入した風が負荷側、反負荷側に分配されて流れ、負荷側、反負荷側の冷却空間２０へ流入することにより、両方の軸受１０、１１を冷却することができる。
また、軸外周ダクト２７により回転子巻線１５から発生する熱が回転軸１２に伝導するのを低減し、軸受１０、１１への熱伝導量を低減することができる。

本発明の第１の実施の形態による車両用電動機の要部断面図。 図１をＡ−Ａ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図。 本実施の形態における軸方向孔と半径方向孔との間の角度θを９０から１７０度の範囲で１０度ずつ順次変えて軸方向孔通過風量割合を計測して得られた結果をプロットした特性図。 本発明の第２の実施の形態による車両用電動機の要部断面図。 本発明の第３の実施の形態による車両用電動機の要部断面図。 本発明の第４の実施の形態による車両用電動機の要部断面図。 図６をＢ−Ｂ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図。 本発明の第５の実施の形態による車両用電動機の要部断面図。 図８をＣ−Ｃ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図。 本発明の第６の実施の形態による車両用電動機の要部断面図。 図１０をＤ−Ｄ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図。 本発明の第７の実施の形態による車両用電動機の要部断面図。 図１２をＥ−Ｅ線に沿って切断し、矢印方向に見た断面図。 従来の強制通風形の車両用電動機を示す断面図。

符号の説明

１…フレーム、２…冷却風導入口、３…排気口、４…固定子鉄心、５…固定子鉄心クランプ、６…固定子巻線、７…エンドコイル、８、９…軸受ハウジング、１０、１１…軸受、１２…回転軸、１３…回転子鉄心、１４…回転子鉄心クランプ、１５…回転子巻線、１６…エンドリング、１７…エアギャップ、１８…回転子ダクト、１９…隔壁、２０…冷却空間、２１…軸方向孔、２２…半径方向孔、２３…排気孔、２４…孔延長管、２５…冷却風誘導管、２６…軸方向孔、２７…軸外周ダクト。

Claims (1)

1. 電動機フレームと、前記電動機フレーム内に固定された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線と、前記電動機フレームに軸受を介して回転自在に支持された回転軸と、前記固定子巻線に対向して前記回転軸に固定された回転子鉄心と、前記回転子鉄心に巻装された回転子巻線とからなる車両用電動機において、
   前記回転軸に、回転軸の軸方向に沿って延びる軸方向孔と、前記軸方向孔と連通して設けられ、回転軸の回転に伴ってファン作用により軸方向孔内に導入された外気を吸引し、冷却風として軸受に送風する半径方向孔とを形成したことを特徴とする車両用電動機。
   
   

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