JP2009261248A - 全閉外扇冷却型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】機内のロータバー発熱を抑えてしかも軸受部への伝熱を抑制し、軸受及びグリースの寿命を低減させず、鉄道車両用駆動電動機として理想的な全閉外扇冷却型電動機の提供。
【解決手段】全閉外扇冷却型電動機の通風ファン９は、ブラケット２側に放射状に羽根１０９ａが設けられ又は鉄心側に放射状に羽根１０９ｂが設けられてなり、ブラケット２に開いた開口部から外気を通風路内に取り入れて冷却風となし該冷却風をステータ鉄心１０の外周部に形成された冷却穴に導いて外部に放出し、吐出される機内の空気が外部熱交換機２３を経由して再び機内に戻るように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両駆動用電動機等に適用される全閉外扇冷却型電動機に関する。

一般に、鉄道車両では、車体の下に配置された台車に車両駆動用電動機を装荷し、この電動機の回転力を、歯車装置を介して車輪に伝達して車両を走行させるようにしている。従来、この種の電動機は図３１に示す構造となっている。

図３１に示す従来の車両駆動用電動機は、固定側部材である円筒状のフレーム１を有し、このフレーム１の一側にブラケット２を取付け、フレーム１の他側の中央部にハウジング３を取付け、このブラケット２とハウジング３それぞれの中心部に設けた軸受４，５各々によってロータシャフト６の両端部各々を回転自在に支持している。

ロータシャフト６の軸方向の中央部分にロータ鉄心７を固定し、このロータ鉄心７の外周面に形成された多数の溝各々の中にロータバー８を埋め込み、各々のロータバー８の両端部はロータ鉄心７より張出させ、その張出部分をエンドリング２０１で一体に接続して誘導電動機のかご形ロータを形成している。ロータ鉄心７には、軸方向に貫通した複数個の通風穴７ａを設けてあり、やはり風穴の開いた鉄心押え２０２で両側より固定されている。

フレーム１の内周部には、円筒状のステータ鉄心１０を取付け、このステータ鉄心１０の内周面に形成された多数の溝の中にステータコイル１１を収納している。このステータコイル１１のコイルエンド部は、ステータ鉄心１０の両側に張出した形となっている。

ステータ鉄心１０の内周面とロータ鉄心７の外周面との間には、一様な空隙２００を形成してある。ロータシャフト６の駆動側端６ａは機外に突出させてある。この突出した駆動側端６ａの部分には、駆動用歯車装置と結合するための継手（カップリング）を取付ける。

ロータシャフト６の機内部分には通風ファン９を固定してある。この通風ファン９は中央より放射状に配置された複数の羽根９ａを有している。フレーム１におけるこの通風ファン９の外周部に対向する部分には、複数の排気口１ａが円周方向に沿って設けてある。

フレーム１の反駆動側の上方に入気口１ｂを設け、この入気口１ｂを覆うように通風ろ過器１２を取付け、通風ろ過器１２の外気取入口部には、塵埃を捕捉するためのフィルター１２ａを入口全面に取付けてある。

図３１に示す電動機全体は、フレーム１に設けられた取付腕部を台車枠にボルトで締結固定し、ロータシャフト端部６ａに接続した継手を介して、電動機の回転力を歯車装置から車輪に伝達し車両を走行させる。

この電動機の運転時には、電動機のステータコイル１１とロータバー８が発熱するため外気を電動機内に流通させて冷却し、電動機の温度上昇を抑制する。この冷却作用は次の通りである。

運転時、通風ファン９がロータシャフト６によって回転し、機内の空気を排気口１ａより機外に排出し、これに伴って入気口１ｂより外気が機内に吸引される。機内に吸引される外気は、通風ろ過器１２を経て入気口１ｂより機内に流入した後、ロータ鉄心７の通風穴７ａを通り、またロータ鉄心７の外周とステータ鉄心１０の内周との間の空隙部を通って通風ファン９側に流通し、通風ファンの回転により排気口１ａより機外に排出される。

このように機内に外気を流通させることにより、ロータバー８、ステータコイル１１、軸受４，５及び機内の各部を冷却し、ロータバー８、ステータコイル１１、軸受４，５及びそれを潤滑するグリースの温度上昇が許容温度を超えないようにしている。

しかしながら、電車などの床下台車に搭載される車両駆動用電動機の周囲の外気には、車両走行時に巻き上げられる塵埃が多量に存在し、取入れる外気はひどく汚損された環境にある。そのため、図３１に示す従来例の車両駆動用では、電動機の機内に取入れる外気は、通風ろ過器１２のフィルター１２ａによって塵埃を捕捉して清浄化を図っているが、運転を続けることにより、次第にフィルター１２ａに目詰まりが生じ、機内の通風量が減少してしまう。このため、短い間隔の定期的なフィルターの清掃保守を必要とし、多大な労力を費やさねばならない技術的課題があった。

この問題を解決するために、近年では、全開外扇冷却型の車両駆動用電動機の開発が進められている。このような全閉外扇冷却型電動機を、図３２を参照して説明する。

図３２において、有底円筒形のフレーム１３の駆動側端部にブラケット１４を設け、反駆動側の中央部にハウジング３を設けてある。フレーム１３の内周部には、ステータ鉄心１０を設けてある。

ブラケット１４とハウジング３とのそれぞれに取付けられた軸受４，５によってロータシャフト６を回転自在に支持している。このロータシャフト６の軸方向中央部には、ロータ鉄心７を設けてある。ロータシャフト６の駆動側端部は機外に張出しており、この張出部分に通風ファン１５を取付けてある。

フレーム１３の外周面には、軸方向に延びた形状の冷却穴１６を多数設け、通風路１７としている。通風路１７はブラケット１４にも構成され駆動側は通風ファン１５の外周側に向けて開口している。又反駆動側は外気に開放されている電動機の駆動側の通風ファン１５の入気口１５ａは外気取入口を形成してある。

この図３２に示す全閉外扇冷却型電動機は、電動機内部は外部と遮断された全閉型となっているので、その内部で発生した熱は主に、フレーム１３の外周面に多数設けられた冷却穴１６から放出される。そして運転時には、通風ファン１５の回転により外気をフレーム１３の外周部の冷却穴１６に通風路１７を経由して軸方向に流通させることにより、この冷却穴１６内の壁面から鉄心１０、フレーム１３を伝熱したステータコイル１１の発熱を外気に放出させる。

この全閉外扇冷却型電動機は、外気を機内に流通させないため外気に混入している塵埃で機内が汚損されることがなく、さらに機外部分を外気で冷却するので外気の塵埃を除去するフィルターも不要になる利点がある。

また図３２に関連した全閉電動機の例として、機外にファンを設け、機内で発生した熱を機外に強制排出するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、図３１〜図３２及び特許文献１に示した全閉電動機においては、次に述べる技術的課題があり車両用電動機として改善が望まれていた。

第１には、ロータバー８の発熱の冷却は、ステータ鉄心１０の伝熱によるステータコイル１１の冷却に比べると熱伝導の悪い空気を介した間接的な伝熱による冷却のため冷却性能は悪い欠点があった。

このためロータの発熱がロータ鉄心７、ロータシャフト６を介して直接に、また機内の温った空気で間接的に軸受４，５を温める原因になっていた。軸受４，５とそれを潤滑するグリースの許容温度はロータバー８やステータコイル１１に比べると低く、約半分の許容温度のものである。

そのためロータバー８の発熱を許容限度として設計するのではなく軸受４，５及びグリースの許容温度を考慮した設計にせざるを得ず結果的に従来の電動機より低出力の電動機にならざるを得なかった。

また、グリースの温度も高くなることからその寿命が低下して全閉化で保守の低減を図る目的が達成できなくなる欠点があった。

第２には、鉄道車両用の駆動電動機を示す図３３、図３４のように、台車と言われる鉄道車両が、走行する足回り装置の中に取り付けられて構成している。駆動電動機３０１は該電動機に付いている取付腕部３０２により、台車３０３の梁３０４に構成された取付座３０５に固定されている。

図３１のような駆動電動機３０１のロータシャフト３０６には、継手３０６ａが取付けられ歯車装置３０７と接続されている。歯車装置の動力軸には継手３０６ａをつけたシャフト３０８となっており、従動軸は車軸３０９となっている。車軸３０９の両端部には車輪３１０，３１０が取り付けられ、その車輪３１０，３１０はレール３１１，３１１上を転がり走行できるようになっている。

車軸３０９は、その両端部に軸受３１２，３１２が取り付けられ、台車３０３に取り付けられ車軸３０９が回転自在に支承されている。台車３０３には、車体３１３が乗っており、電動機３０１が通電により回転するとロータシャフト３０６、継手３０６ａ、歯車装置３０７、車軸３０９、車輪３１０と回転力が伝わり、車体３１３が動くようになっている。

ここに、電動機の軸方向寸法Ｌは、図３３より車輪の内幅Ｌｓにより制限され必要以上に広げることはできないという車両特有の制約がある。

このため、少しでも電動機の回転軸方向の寸法は小さくして電動機を設計する必要があり、大きなスペースを取るファンを２枚も取り付ける事は非常に不利になっている。

特開昭５７−７７８８９号公報（第１頁−第３頁、図１）

本発明の目的は、上記のような課題を解決して、塵埃清掃を低減する全閉電動機で機内のロータバー発熱を抑えてしかも軸受部への伝熱を抑制し、軸受及びグリースの寿命を低減させず、鉄道車両用の駆動電動機として理想的な全閉外扇冷却型電動機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、ステータ鉄心と、このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、前記ステータ鉄心の一端部に設けられた第１のブラケットを介して配設された第１軸受と、前記ステータ鉄心の他端部に設けられた第２のブラケットと共に固定部材で接続されたハウジングを介して配設された第２軸受と、前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１，２軸受で回転自在に支承されたロータシャフトと、外部熱交換機と、前記ロータシャフトに設けられ、ファン主板の両側に第１，第２の羽根を有する通風ファンと、前記通風ファンと前記第１のブラケットとの間に設けられたラビリンスと、少なくとも、前記第１の羽根、前記第１のブラケットに開いた開口部、前記ステータ鉄心内に設けられた空気通路、及び、この空気通路から外気に通じる通風穴により形成される外循環空気経路と、少なくとも、前記第２の羽根、前記外部熱交換機、及び、前記ロータ鉄心内に設けられた空気通路により形成される内循環空気経路とを具備し、前記外循環空気経路の空気と前記内循環空気経路の空気とが前記通風ファンを介して熱交換されることを特徴とする全閉外扇冷却型電動機である。

また上記目的を達成するために本発明は、ステータ鉄心と、このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、前記ステータ鉄心の一端部に設けられたブラケットを介して配設された第１軸受と、前記ステータ鉄心の他端部にハウジング部材を介して配設された第２軸受と、前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１，２軸受で回転自在に支承されたロータシャフトと、このロータシャフトに設けられ、前記ブラケット側に形成された第１の羽根と前記ロータ鉄心側に形成された第２の羽根とを有する通風ファンと、外部熱交換機と、前記通風ファンと前記ブラケットとの間に設けられたラビリンスと、少なくとも、前記第１の羽根、前記ブラケットに開いた開口部、前記ステータ鉄心内に設けられた空気通路、及び、この空気通路から外気に通じる通風穴により形成される外循環空気経路と、少なくとも、前記第２の羽根、前記外部熱交換機、及び、前記ロータ鉄心内に設けられた空気通路により形成される内循環空気経路とを具備し、前記外循環空気経路の空気と前記内循環空気経路の空気とが前記通風ファンを介して熱交換されることを特徴とする全閉外扇冷却型電動機である。

さらに上記目的を達成するために本発明は、レール上を走行する車輪を駆動する車両用電動機において、電動機本体と、この電動機本体に配置されたステータ鉄心と、このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、前記電動機本体に配置されたロータシャフトに設けられ、ファン主板の両側に第１，第２の羽根を有する通風ファンと、前記通風ファンと前記ステータ鉄心の一端部に設けられたブラケットとの間に設けられたラビリンスと、前記電動機本体における前記レールを臨む側に配置してなる外部熱交換機と、少なくとも、前記第１の羽根、前記ブラケットに開いた開口部、前記ステータ鉄心内に設けられた空気通路、及び、この空気通路から外気に通じる通風穴により形成される外循環空気経路と、少なくとも、前記第２の羽根、前記外部熱交換機、及び、前記ロータ鉄心内に設けられた空気通路により形成される内循環空気経路とを具備し、前記外循環空気経路の空気と前記内循環空気経路の空気とが前記通風ファンを介して熱交換されることを特徴とする車両用電動機である。

本発明によれば、機内のロータバー発熱を抑えてしかも軸受部への伝熱を抑制し、軸受及びグリースの寿命を低減させず、鉄道車両用の駆動電動機として理想的な全閉外扇冷却型電動機を提供できるものとなる。

本発明の一実施形態の全閉外扇冷却型電動機を側面方向から見た断面図。 同実施形態の全閉外扇冷却型電動機を正面方向から見た部分断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を側面方向から見た断面図。 図３におけるＶ１−Ｖ１断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を側面方向から見た断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を側面方向から見た断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を側面方向から見た断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示し、（ａ）は側面方向から見た断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＶ２−Ｖ２断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、通風穴の形態を詳細に示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、ブラケットの回転体と固定体と境目を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、冷時におけるブラケットの回転体と固定体と境目を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、熱時におけるブラケットの回転体と固定体と境目を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、熱対策の例を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、ステータ鉄心の冷却穴の一例を説明する図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、ステータ鉄心の冷却穴の他例を説明する図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、電動機、熱交換機、フィン及びレールとの関係を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、入気穴及び排気穴の他例を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、入気穴及び排気穴の他例を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、入気穴及び排気穴の他例を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、入気穴及び排気穴の他例を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、開口部の他例を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、開口部の他例を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示すもので、開口部の他例を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示し、（ａ）は側面方向から見た断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＶ３−Ｖ３断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示し、（ａ）は側面方向から見た断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＶ４−Ｖ４断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示す図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示し、（ａ）は側面方向から見た断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＶ５−Ｖ５断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示し、（ａ）は側面方向から見た断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＶ６−Ｖ６断面図。 本発明の他の実施形態の全閉外扇冷却型電動機を示す図。 従来の車両駆動用電動機を側面方向から見た断面図。 従来の全閉外扇冷却型電動機の一例を側面方向から見た部分断面図。 台車内に配設された鉄道車両用駆動装置で電動機の寸法制約を説明する図。 台車内に配設された鉄道車両用駆動装置で電動機の動力伝達方法を説明する図。

以下に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、本発明の一実施形態に係る全閉外扇冷却型電動機を示す図であり、ステータ鉄心１０の両側に、鉄心押え１０ａ，１０ａを取り付け、その間に全周の部分的に取り付けるようにした複数のつなぎ板１０ｂを、ステータ鉄心１０の外周上に取り付けて構成してあり、ステータ鉄心外周側には、多数の冷却穴１６が構成されている。

ロータシャフト６には、電動機内に通風ファン１０９が取り付けられている。なお、本実施形態においては、図３２には、軸受外つまり機外に通風ファンが取り付けられていることに対比される。

通風ファン１０９の一方側には、羽根１０９ａが回転軸から放射状に取り付けられ、軸受４を支承するブラケット２０が構成され円周状に複数の外気入気口２０ａが開いている。

またブラケット２０は、つなぎブラケット２１を介して鉄心押え１０ａに取り付けられている。つなぎブラケット２１には、ステータ鉄心１０の冷却穴１６に通じる通風穴１７が構成されている。また他端は固定ブラケット２２の中心部分に、ハウジング３を取り付け、他端の鉄心押え１０ａに取り付けられている。固定ブラケット２２にも、冷却穴１６に合せた通風穴１７ａが開いていて、外気に開放している。

この羽根１０９ａ、冷却穴１６、通風穴１７及び通風穴１７ａを含む空気経路は、ステータコイル１１の冷却に寄与する。すなわち、電動機の回転により通風ファン１０９が回転すると、羽根１０９ａの吐き出し作用により冷えた外気が、ａの部分から矢印のように流入し、通風穴１７→冷却穴１６→通風穴１７ａ→外気ｂになって流れる。これによりステータコイル１１の発熱は鉄心１０を介して冷却穴１６の内周面から外部に放熱され冷却が進む。

一方、通風ファン１０９の羽根１０９ａとは反対側には、放射状の羽根１０９ｂが多数設けられている。本実施形態では、リング状の側板１０９ｃが、羽根１０９ｂが取りついたファン主板１０９ｄとは反対側に構成されている。

羽根１０９ｂの外周側対向面には、ふさぎ板２１ａが通風ファン１０９ｂの全周を覆うように配設され、その一部が開口し、開口口２１ｂとなっている。

この開口口２１ｂからは、つなぎブラケット２１に構成された通風穴１７ｂが配設され、電動機外部に構成された熱交換機（ラジエター）２３を経由し、固定ブラケット２２に設けられた通風穴１７ｂを通って機内に入り、通風穴７ａやステータ鉄心１０とロータ鉄心７の間の空隙２００を通って、通風ファン１０９の羽根１０９ｂへ戻るようになっている。ここに、羽根１０９ｂ、外部熱交換機２３及び開口部は、内循環空気経路を構成している。

熱交換機２３には多数の放熱フィン２３ａが取り付けられているため、羽根１０９ｂから吐出した熱まった空気は冷却され、機内に再び戻った時は冷却空気となって機内のロータバー８を冷却できるものになる。

機内循環空気については点線の矢印で示している。符号２０３はボルトである。

図２は図１の軸方向から見たもので一部は破断面となって、冷却穴１６と機内循環流路を示している。

このように構成された本実施形態によると、機内冷却と異る所は、通風ファン１０９の両側に羽根１０９ａと羽根１０９ｂを設けているため、ファン主板１０９ｄを介して機内の熱を外気と熱交換できる点にある。すなわち、本実施形態の電動機は、熱交換機が２つに増えたのと同様の効果を出すことができるものになる。

一般に、通風ファンは高速回転で回すためにアルミ製を採用しており、熱伝導性のよいアルミ製通風ファンが都合よく熱交換機を兼ねるものになる。

更に通風ファン側の軸受４は、図３２に比べロータ鉄心７から離れ、しかも冷えた外気にさらされるので、軸受４に使用されているグリースの寿命延伸にも効果が出る。

また他端の軸受５は、通風ファン１０９及び熱交換機２３により冷却されて機内に循環流入する最も冷えた状態の空気にさらされるので、この軸受５に使用されているグリースの寿命延伸にも効果が出る。

併せてファンの数が少なくなった分、電動機の軸方向寸法Ｌが少なくでき、鉄道車両用全閉外扇冷却型電動機としては理想的なものになる。

次に本発明の他の実施形態について、図１及び図２と同一部分には同一符号を付した図３〜図１４を参照して説明する。

図３に示す実施形態は、図１の熱交換機２３を機外に設置せずにステータ鉄心１０内に構成したものである。冷却性能は図１のものより低下するが機外の構成分を少なくでき寸法制約の多い鉄道車両用電動機としては有利な点もある。

図４に示す実施形態は、図３のVI−VI断面を示すもので外気冷却穴１６と機内循環冷却穴１６ａの一例を示している。

図５に示す実施形態は、図１の構造で軸受５の冷却性を向上させるために、ハウジング３の内部に、全周に渡り空間３ａを設け、機内の熱が軸受５及びその潤滑用グリースに伝わりにくくしたものであり、空気の断熱作用を利用している。また空間部３ａは外気と連通しており、冷えた外気が入り、冷却性を更に上げている。

更に外気と連通した穴３ｂと穴３ｂとの間は、リブ３ｃとして複数個構成されロータを支える強度部材及び放熱を促進するフィンとしても活用している。

図６に示す実施形態は、図５の変形例の一つでハウジング３の部分に構成した空間３ａを円板状のカバー３ｄをボルトで取り付け構成している。この形にすることにより図５より工作性のよい構造になる。

図７に示す実施形態は、図６の円柱状のカバー３ｄを回転部とラビリンス３ｅ（微少隙間）で対向させて構成したもので空間部３ａをより大きくできるものである。

図８（ａ）に示す実施形態は、図７の構成において外気を積極的に流通させるもので、ロータシャフト６の空間部３ａ内の部分にファン３ｆを取り付け、空間部３ａに通じるロータシャフト６に外気に通じる通風穴３ｇを構成したものである。尚、符号３０４はラビリンスである。このように構成するとロータシャフト６が回転するとファン３ｆが回転し外気が矢印のように流れ軸受５及びグリースの冷却性がより増大する。

図８（ｂ）に示す実施形態は、通風穴３ｇの半径の穴の状態を示すもので本図では３ヶ所等分に開口されているものを示す。

図９に示す実施形態は、図８（ａ）の変形例で同様に外気を積極的に流入させるもので、ロータシャフト６等に取り付けられたファン３ｈと固定ブラケット２２、ハウジング３に囲まれる部分を構成し、入気穴３ｉ及び吐出し穴３ｊを設けたものである。このように構成するとロータが回転するとファン３ｈが回転し冷えた外気が矢印のように流れハウジング３内の軸受５及び潤滑グリースの機内昇温による熱伝導及び輻射熱を防止して冷却効果を出すものとなる。なお、入気穴３ｉ、吐出し穴３ｊは、固定ブラケット２２に配設したがハウジング６等機能が維持されればどこにつけてもよいものである。

図１０に示す実施形態は、図１の通風ファン１０９とつなぎブラケット２１の回転体と固定体との境目を示すもので、通常は微少隙間を確保して構成されている。通風ファン１０９の羽根１０９ａは、ステータ鉄心１０を外気を通風Ｗ1 させ冷却するものである。一方、羽根１０９ｂは機内の空気を熱交換機２３に通風させ機内の空気を冷却して機内に戻す循環風Ｗ2 を吐出させるものである。これらの風Ｗ1 ，Ｗ2 はそれぞれ互いに独立したもので混入を防がなければならない。

通常は、ここの微少隙間Ｇがそれを成立させるもので、独立した風が互いの通風穴に入らないようにしている。しかし通風ファン１０９に熱伝導性のよいアルミ材質などを使うと、通常鉄製などで作られるつなぎブラケット２１間で次のような現象が発生する。つまり製作時に設計した微少隙間Ｇは、電動機の温度上昇と共に通風ファン１０９及びつなぎブラケット２１も昇温するが、材質の違いにより熱膨張量に差が出て通風ファン１０９の外形ｒF は、つなぎブラケット２１の内径ｒB よりも大きく変化して膨張する。

この結果、微少隙間Ｇは、設計時よりも小さくなり昇温がさらに進むと接触する問題が発生する。これを防ぐために微少隙間Ｇは最高昇温時の熱膨張量に合せて設計しなければならず、冷時には逆に微少隙間Ｇは通常設計よりも大きく設計しなければならない。その結果互いに独立している風Ｗ1 ，Ｗ2 はこの微少隙間Ｇの拡大により互いに混り合う可能性がでてくる。

図１１及び図１２に示す実施形態は、上述した微少隙間Ｇの拡大を防止する構造を提供するものである。つまり図１１に示す実施形態は、設計時の多段微少隙間Ｇの構成を示すもので、Ｂは設計隙間に合せ小さく設定されているが逆にＡは大きく設定されている。電動機の発熱が大きくなり通風ファン１０９及びつなぎブラケット２１が最大の温度になった時熱膨張差ΔＲが発生しその状態を図１２が示している。

図１１のＢは広がりＡに大きくなるが、図１１のＡが逆にＢに小さくなり、電動機が冷えている状態でも最大に加熱された状態でも微少隙間Ｇは風Ｗ1 ，Ｗ2 が互いに流入し合わないように一定の壁を確保できるようになる。

以上のように通風ファン１０９に熱伝導性のよいアルミ材質などを使った場合の対応策を述べた。他の対策として、つなぎブラケット２１もアルミ材質とする構成がある。この構成は、ステータ鉄心１０と一体的に構成された鉄心押え１０ａとの結合に、図１３に示すような２重嵌合構造にしたものである。この２重嵌合構造にすることにより、つなぎブラケット２１が熱膨張した場合は、鉄心押え１０ａの押え付力で強制的に押え、つなぎブラケット２１と鉄心押え１０ａの芯ズレを抑制できるものになる。

図１４及び図１５に示す実施形態は、ステータ鉄心１０の冷却穴１６の変形例を示すもので、図１４の左は角形をなしている。

図１４の右は、一部が外気に開口しているものである。図１５の左は冷却穴１６の中に突起１６ｃがあるもので、図１５の右はつなぎ板１０ｂとステータ鉄心１０とカバー１０ｃで冷却穴１６を構成しており、ステータ鉄心１０に突起１６ｄがあるものである。このように冷却穴はステータ鉄心１０を冷却する冷却風が流れるものであればどのような形状のものでもよい。

また本発明の実施形態は、図１に代表されるフレームのないフレームレス構造で説明したが図３２のフレーム付の電動機でも構成できるものである。ここに、熱交換機２３は電動機本体の外側に設けており、ここにいう電動機本体は、図１のフレームレス構造の電動機ではブラケット２１で構成されるものであり、図３２のフレーム付電動機にあって、フレーム１３で構成されるものである。

さらに上述した電動機は、誘導機の例であったが、同期機等他のあらゆる構成の回転電機にも適用できるものである。

また通風ファン１０９の羽根１０９ａ，１０９ｂについては共に等分でも不等分にしてもよく、羽根１０９ａ，１０９ｂをそれぞれ異った枚数１枚１枚異った径を組み合せて構成しても良い。一般に、不等ピッチ、異った枚数にすることにより風切り音圧が下がり低騒音になる。

また、図２に示す熱交換機２３は電動機上部に構成しているが、鉄道車両の場合、図１６のように車体３１３床下に電動機３０１′が配設されるので、車体３１３直下部よりレール３１１に近い方が走行時の走行風がよく当る。このため熱交換機２３は電動機上部よりもレール３１１を臨む電動機下部に配設することが望ましい。しかもこの熱交換機２３のフィン２３ａは車両走行方向に平行に構成することで、より冷却性を確保できる。

図１７は図９の変形例を示しており、通風穴３ｋを入気穴３ｉと吐出し穴３ｊを一体的に構成したもので冷却風は矢印のように流れ、図９と同様効果を呈す。

図１８（ａ）は図１７の左側軸方向から見たものであり、図９の入気穴３ｉと吐出し穴３ｊが一体的に通風穴３ｋとして構成されているのが示されている。このように一体的に通風穴３ｋを構成すると外気開口部が広くなり一層冷却性が増すものになる。

図１８（ｂ）も同じく図１７の左側軸方向から見たものであり、図１７の一体的に構成された通風穴３ｋが、半径方向略中央部でくびれた形をなし外気開口部が広くなると同時に回転体であるファン３ｈの羽根３ｍを外部から触れないよう安全対策を講じるものになる。

図１９は、安全対策を講じた図１８（ｂ）の変形例であり、通風穴３ｋにはくびれはない代りにファン３ｈの羽根３ｍの主板とは反対側に側板３ｎをリング状に構成したもので羽根３ｍの突起が露出しないようになっている。

図２０は、図１７の変形例であり、図１９におけるファン３ｈの側板３ｎと羽根３ｍを軸方向側面から記したものである。

図２１は、図１４に示した開口部１６ｂのような開口部１６ｅが、熱交換機２３の近傍に開いているものであり、熱交換機２３の外部の空気に流れを作り、熱交換機２３の外気との放熱効果を高めるようにしたものである。開口部１６ｅが図２１のようにステータ鉄心１０のほぼ中央に配置するのではなく図中の右側端に設けると、開口部１６ｅから外気に放出される冷却風は、ステータ鉄心１０に入ってすぐのものであり、加熱されていない、冷えた冷却風となり、より一層、熱交換機２３の放熱効果を向上させるものになる。

図２２は図２１の変形例であり、開口部１６ｅを鉄心押え１０ａに設けたものである。

図２３も図２１の変形例であり、開口部１６ｅをつなぎブラケット２１に設けたものである。

図２４（ａ）も図１の変形例であり、冷却穴１６から吐き出される冷却風が冷却穴１６に合せた通風穴１７ａを通して流れた後、通風穴１７ａのいくつかが一体的になって（例えば図２４（ｂ）のように３つの通風穴１７ａが一つの通風穴になる）通風穴１７ａａとなり外部に吐き出されるものである。

このように構成することにより冷却風は徐々に通風断面を広げて吐き出されるため急激な圧力変化がなくなるのでディフュザー効果により通風ロスを低減することができると共に低騒音な吐き出し構造を提供できるものになる。

図２５（ａ）及び図２５（ｂ）は、吐き出し口１７ａａａを回転軸方向から全て下方向に向きを変えて吐き出させるようにしたものである。このようにすることにより低騒音効果は一段と向上するものになる。

図２６は通風ファン１０９とブラケット２０の間にラビリンス構造を設けたものでａから吸引される冷却風により軸受４の鉄心側（通風ファン１０９側）が負圧になるのを防止している。軸受４の鉄心側（通風ファン１０９側）が負圧になると軸受４の内と外の軸受ラビリンス部分に外部から内側に流れる気流が発生し外部の塵埃が矢印部分から軸受内に入る可能性が増加する。

図２７は反駆動側のファン３ｈとハウジング３の間にラビリンス構造を設けたもので図９のものよりもラビリンス構造を強化したものである。

図２８（ａ）（ｂ）は図１の通風ファン１０９の羽根１０９ａの回転軸方向の長さｌ1 の小さいものｌ2 を部分的に構成したものでａの部分から流入する風量を下げてしかも通風ファン１０９の主板１０９ｄによる熱交換作用を確保したものである。このような構造にすることにより冷却性能を維持したまま通風量を下げて低騒音化をなすことが可能になる。

図２９（ａ）（ｂ）も図２８と同様の効果をなすものでこの場合は通風ファン１０９の羽根１０９ａ間及び羽根１０９ｂ間にそれぞれ突起１０９ａ′や１０９ｂ′を構成したもので主板１０９ｄによる熱交換作用を更に向上させるようにしたものである。この突起は羽根１０９ａ間になくて羽根１０９ｂ間にあるものなど自由に構成可能である。

図３０は図９の変形例の一つである。入気側の３ｉの一部が吐出し穴３ｊの径の部分まで延伸されている。又吐出し穴３ｊの一部が入気穴３ｉの径の部分ま延伸されている。このように構成しても図９とは同等の効果を出すことになる。

なお、本願発明は、上記各実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。

１…フレーム、１ａ…排気口、１ｂ…入気口、２…ブラケット、３…ハウジング、４，５…軸受、６…ロータシャフト、７…ロータ鉄心、７ａ…通風穴、８…ロータバー、９…通風ファン、９ａ…羽根、１０…ステータ鉄心、１１…ステータコイル、１２…通風ろ過器、１２ａ…フィルター。

Claims (31)

1. ステータ鉄心と、
   このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、
   前記ステータ鉄心の一端部に設けられた第１のブラケットを介して配設された第１軸受と、
   前記ステータ鉄心の他端部に設けられた第２のブラケットと共に固定部材で接続されたハウジングを介して配設された第２軸受と、
   前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１，２軸受で回転自在に支承されたロータシャフトと、
   外部熱交換機と、
   前記ロータシャフトに設けられ、ファン主板の両側に第１，第２の羽根を有する通風ファンと、
   前記通風ファンと前記第１のブラケットとの間に設けられたラビリンスと、
   少なくとも、前記第１の羽根、前記第１のブラケットに開いた開口部、前記ステータ鉄心内に設けられた空気通路、及び、この空気通路から外気に通じる通風穴により形成される外循環空気経路と、
   少なくとも、前記第２の羽根、前記外部熱交換機、及び、前記ロータ鉄心内に設けられた空気通路により形成される内循環空気経路と、
   を具備し、
   前記外循環空気経路の空気と前記内循環空気経路の空気とが前記通風ファンを介して熱交換されることを特徴とする全閉外扇冷却型電動機。
2. 前記熱交換機は、前記ステータ鉄心に構成されていることを特徴とする請求項１記載の全閉外扇冷却型電動機。
3. 前記ハウジングの軸受回りに外気に通じる空間を設けてなることを特徴とする請求項１又は２記載の全閉外扇冷却型電動機。
4. 前記ハウジングにカバー状に取外し可能に設けられる前記ハウジングと異る部材によって、前記ハウジングの軸受回りに空間を構成したことを特徴とする請求項１記載の全閉外扇冷却型電動機。
5. 前記部材の中心側が回転体部材とラビリンスを構成してなることを特徴とする請求項３又は４記載の全閉外扇冷却型電動機。
6. 前記部材とハウジング間の回転部材にファンを構成し、該ファンの回転軸側の少なくともロータシャフトに外気に通じる穴を開けたことを特徴とする請求項５記載の全閉外扇冷却型電動機。
7. 少なくともロータを含む回転部材に、軸受側に羽根を有するファンを設けて、このファンの主板と、少なくともブラケット又はフレーム等及びハウジングで囲まれる部分を構成し、この羽根よりも径の小さい部分に入気穴を又羽根よりも径の大きい部分に吐出し穴を設け、外気を該囲まれた部分に導入排出できるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の全閉外扇冷却型電動機。
8. 前記通風ファンの主板と対向する固定部材との間に屈曲形のラビリンスを設け、このラビリンスで外径通風ファン部材径と対向する内径固定部材径間の隙間を内径通風ファン部材径と対向する外径固定部材径間の隙間より大きくしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の全閉外扇冷却型電動機。
9. 前記ステータ鉄心外周部に設けた冷却穴に、外気放出前に外気に一部開口して構成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の全閉外扇冷却型電動機。
10. 前記ステータ鉄心部に設けた冷却穴内に突起を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の全閉外扇冷却型電動機。
11. 前記ステータ鉄心部に設けた冷却穴が、少なくともつなぎ板とカバー等により構成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の全閉外扇冷却型電動機。
12. 請求項１〜１０のいずれか１項記載の全閉外扇冷却型電動機がフレームを備えることを特徴とする全閉外扇冷却型電動機。
13. 前記通風ファンは、羽根ピッチが不等ピッチで構成されたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記載の全閉外扇冷却型電動機。
14. 前記通風ファンは、羽根径をそれぞれ異ったものを組合せて構成したことを特徴とする請求項１〜３、６又は７のいずれか１項記載の全閉外扇冷却型電動機。
15. 前記通風ファンは、アルミ製又はそれ以外の鉄よりも熱伝導性の高い材質で構成したことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項記載の全閉外扇冷却型電動機。
16. 前記外部熱交換機を当該電動機の中心軸より下側に配設することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項記載の全閉外扇冷却型電動機。
17. 前記入気穴と前記吐き出し穴とを一体にして構成したことを特徴とする請求項７記載の全閉外扇冷却型電動機。
18. 前記穴の外側と内側の略中央部分をくびれさせ、このくびれさせた穴の部分がファンの羽根部分に略位置させることを特徴とする請求項１７記載の全閉外扇冷却型電動機。
19. 前記ファンの羽根の主板とは反対側に側板をリング状に構成して設けたことを特徴とする請求項１７記載の全閉外扇冷却型電動機。
20. 前記外気放出前にステータ鉄心から一部外気に開口した冷却風を当該外部熱交換機の外表面部に当るように構成したことを特徴とする請求項９記載の全閉外扇冷却型電動機。
21. 前記通風ファンの第１の羽根から冷却風として通風した風の一部が鉄心押え又はつなぎブラケットから外部に放出されその放出された冷却風が当該熱交換機の外表面部に当るように構成したしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の全閉外扇冷却型電動機。
22. つなぎブラケット又は固定ブラケットが通風ファンと同一の材質例えばアルミ製の材質で構成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の全閉外扇冷却型電動機。
23. ステータ鉄心の冷却穴を通り放出される部分において固定ブラケットに開いた穴が複数の冷却穴をまとめて回転軸方向に冷却断面穴よりも長くしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の全閉外扇冷却型電動機。
24. 前記固定ブラケットに開いた穴が概して電動機の軸方向以外に向けて冷却風排出口が構成されたことを特徴とする請求項２３記載の全閉外扇冷却型電動機。
25. 前記ファンの主板とハウジング間にラビリンスを設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の全閉外扇冷却型電動機。
26. 前記通風ファンの羽根の軸方向の長さが長、短それぞれのもので構成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の全閉外扇冷却型電動機。
27. 前記通風ファンの羽根と羽根の間の主板に羽根と同様に放射状に突起状のフィンを設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の全閉外扇冷却型電動機。
28. 前記入気穴の一部が、羽根よりも径の大きい部分又は前記吐出し穴の一部が羽根よりも径の小さい部分まで延伸されたことを特徴とする請求項７記載の全閉外扇冷却型電動機。
29. ステータ鉄心と、
    このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、
    前記ステータ鉄心の一端部に設けられたブラケットを介して配設された第１軸受と、
    前記ステータ鉄心の他端部にハウジング部材を介して配設された第２軸受と、
    前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１，２軸受で回転自在に支承されたロータシャフトと、
    このロータシャフトに設けられ、前記ブラケット側に形成された第１の羽根と前記ロータ鉄心側に形成された第２の羽根とを有する通風ファンと、
    外部熱交換機と、
    前記通風ファンと前記ブラケットとの間に設けられたラビリンスと、
    少なくとも、前記第１の羽根、前記ブラケットに開いた開口部、前記ステータ鉄心内に設けられた空気通路、及び、この空気通路から外気に通じる通風穴により形成される外循環空気経路と、
    少なくとも、前記第２の羽根、前記外部熱交換機、及び、前記ロータ鉄心内に設けられた空気通路により形成される内循環空気経路と、
    を具備し、
    前記外循環空気経路の空気と前記内循環空気経路の空気とが前記通風ファンを介して熱交換されることを特徴とする全閉外扇冷却型電動機。
30. 前記第１の羽根をブラケット側に形成し且つ前記第２の羽根を前記ロータ鉄心側に形成してなるファン主板を具備することを特徴とする請求項２９記載の全閉外扇冷却型電動機。
31. レール上を走行する車輪を駆動する車両用電動機において、
    電動機本体と、
    この電動機本体に配置されたステータ鉄心と、
    このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、
    前記電動機本体に配置されたロータシャフトに設けられ、ファン主板の両側に第１，第２の羽根を有する通風ファンと、
    前記通風ファンと前記ステータ鉄心の一端部に設けられたブラケットとの間に設けられたラビリンスと、
    前記電動機本体における前記レールを臨む側に配置してなる外部熱交換機と、
    少なくとも、前記第１の羽根、前記ブラケットに開いた開口部、前記ステータ鉄心内に設けられた空気通路、及び、この空気通路から外気に通じる通風穴により形成される外循環空気経路と、
    少なくとも、前記第２の羽根、前記外部熱交換機、及び、前記ロータ鉄心内に設けられた空気通路により形成される内循環空気経路と、
    を具備し、
    前記外循環空気経路の空気と前記内循環空気経路の空気とが前記通風ファンを介して熱交換されることを特徴とする車両用電動機。

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