JP2013176293A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】塵埃が堆積し易い回転子通風路を無くし、同時に通風路レスになったことによる回転子、軸受の発熱を抑制することができる電動機を提供する。
【解決手段】フレーム１と、このフレーム内に配置された固定子と、固定子のステータ鉄心１１の内側に空隙を介して配置されロータシャフト６に固着された回転子と、フレームの一端部に配置され軸受を介してロータシャフトを支承するハウジングと、フレームの他端部に配置され軸受を介してロータシャフト６を支承するベアリングブラケット２を有する電動機であって、フレーム１の一方側に設けられた入気口１ｂと、フレームの他方側に設けられた排気口１ａと、固定子の外周部に設けられ、入気口１ｂから取り入れられた冷却風を排気口１ａ側へ通風させる通風路１ｃを備え、通風路１ｃは、入気口側の開口部の断面積より排気口側の開口部の断面積を広く形成されている電動機。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に関する。

一般に鉄道車両（以下、「車両」と呼ぶ。）では、車体の下に配置された台車に主電動機（以下、「電動機」と呼ぶ。）を装荷して、この電動機の回転力を継手（カップリング）と歯車装置とを介して車輪に伝達して車両を走行させている。

従来のこの種の電動機の一般的構造は図２３、図２４に示すものであり、固定部材である円筒状のフレーム１を有し、このフレーム１の一端側にベアリングブラケット２を取付け、フレーム１の他端側の中央部にハウジング３を取付け、このベアリングブラケット２とハウジング３とのそれぞれの中心部に設けた軸受４，５によってロータシャフト６の両端部を回転自在に支持している。

ロータシャフト６の軸方向の中心部分にロータ鉄心７を固定し、このロータ鉄心７の外周側に形成された多数の溝の中にロータバー８を埋め込み、それぞれのロータバー８の両端部はロータ鉄心７より張り出させ、その張出し部分をリング状のエンドリング９，９で一体に接続して誘導電動機のかご型ロータ（このように回転力を発生するものを「回転子」と呼ぶ。また回転子とは逆に回転しないものを「固定子」と呼ぶ。）を形成している。ロータ鉄心７には、軸方向に貫通した通風路７ａを設け、その数は図２４のように円周状に複数個等分布に配置され、同様の通風路を有する鉄心押え１０，１０に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１１を取付け、このステータ鉄心１１の内周側に形成された多数の溝の中にステータコイル１２を収納している。このステータコイル１２のコイルエンド部は、ステータ鉄心１１の両側に張り出した形となっている。ステータ鉄心１１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１３を形成してある。ロータシャフト６の駆動軸端部６ａは機外に突出させてある。この突出した駆動軸部６ａの部分には、駆動用歯車装置と結合するためカップリング（継手）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１４を取付けてある。この通風ファン１４は、中央より放射状に配置された複数の羽根１４ａを有している。

フレーム１におけるこの通風ファン１４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の反駆動側の略上方に入気口１ｂを設け、この入気口１ｂを覆うように通風ろ過器１５を取付け、通風ろ過器１５の外気取入れ口部には、塵埃を捕捉するためのフィルター１５ａを取付けてある。

図２３、図２４に示した電動機全体は、フレーム１に設けられた取付け腕部（図示せず）を台車枠にボルトで締結固定し、ロータシャフト駆動軸部６ａに接続した継手を介して電動機の回転力を駆動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、ステータコイル１２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ている。この冷却で電動機の温度上昇が抑制される。この冷却作用は次の通りである。図２５において矢印で示すように、運転時、通風ファン１４がロータシャフト６といっしょに回転し、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１５を経て入気口１ｂより機内に流入した後、ロータ鉄心の通風路７ａやロータ鉄心７の外周とステータ鉄心１１の内周との間の空隙１３を通って通風ファン１４側に流通し、通風ファン１４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１２及び軸受４，５やそれを潤滑するグリースの温度上昇が許容限度を超えないように冷却している。

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や綿屑が多量に存在し、取入れる外気はひどく汚損された環境下のものである。そのため、機内に取入れる外気は、通風ろ過器１５のフィルター１５ａによって塵埃を捕捉して清浄化を図っている。しかし、フィルター１５ａによって捕捉されない小さな塵埃や綿屑は吸引されて電動機内に堆積していく。特に、回転子風穴７ａ内には回転による遠心力で堆積し易く、塵埃堆積による回転アンバランスが発生し、回転異常振動や回転子の通風量低下による回転子や軸受潤滑グリースの異常過熱を発生させ、電動機自体の寿命や潤滑材の劣化による保守回帰の低下の原因になる。

このため、定期的なフィルターの清掃保守以外に、図２６、図２７のように、電動機を分解し回転子風穴を清掃しなければいけない技術的な課題があり、またその清掃に多大な労力が発生するため改善が強く要望されている。

図２６は、軸受周りの部品がついた回転子をフレーム付固定子から引き抜いた状態を示すもので、比較的容易に分解できる構造として古くから採用されている方式である。しかし、回転子の通風路内に堆積した塵埃を清掃するために車体を台車から外し、電動機を台車から降ろさなくてはならず、作業は電動機の分解のみに終わらず多大な労力を要するものである。さらに図２６のように、引き抜いた軸受周りの部品がついた回転子のままでは通風路を十分清掃するのは困難であり、図２７のように回転子から軸受周りの部品を取り外し、矢印の方向から清掃しなければならず、通風路内の清掃作業は多大な労力が必要なものであった。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、塵埃の堆積し易い回転子内の通風路を無くし、同時に通風路レスになったことによる回転子、軸受の発熱を抑制することができる電動機を提供することを目的とする。

本発明は、フレームと、このフレーム内に配置された固定子と、前記固定子のステータ鉄心の内側に空隙を介して配置されロータシャフトに固着された回転子と、前記フレームの一端部に配置され軸受を介して前記ロータシャフトを支承するハウジングと、前記フレームの他端部に配置され軸受を介して前記ロータシャフトを支承するベアリングブラケットを有する電動機であって、前記フレームの一方側に設けられた入気口と、前記フレームの他方側に設けられた排気口と、前記固定子の外周部に設けられ、前記入気口から取り入れられた冷却風を前記排気口側へ通風させる通風路を備え、前記通風路は、前記入気口側の開口部の断面積より前記排気口側の開口部の断面積を広く形成又は前記入気口側の開口部より前記排気口側の開口部が前記電動機の下部側に形成されている電動機を特徴とする。

本発明の第１の実施の形態の車両用回転電機の断面図。 図１におけるＢ−Ｂ線の断面図。 図１における冷却風の通風経路を矢印で示した図。 本発明の第２の実施の形態の車両用回転電機の断面図。 本発明の第２の実施の形態の車両用回転電機における通風路を示す側面図。 本発明の第２の実施の形態の車両用回転電機における通風路の変形例を示す側面図。 本発明の第２の実施の形態の車両用回転電機における通風路の別の変形例を示す側面図。 本発明の第２の実施の形態の車両用回転電機における通風路のさらに別の変形例を示す側面図。 本発明の第３の実施の形態の車両用回転電機の断面図。 図９におけるＣ−Ｃ線の断面図。 本発明の第４の実施の形態の車両用回転電機の断面図。 図１１におけるＤ−Ｄ線の断面図。 本発明の第５の実施の形態の車両用回転電機の断面図。 本発明の第６の実施の形態の車両用回転電機の断面図。 本発明の第７の実施の形態の車両用回転電機の一部破断せる断面図。 本発明の第８の実施の形態の車両用回転電機におけるフレーム下部の断面図。 本発明の第９の実施の形態の車両用回転電機の断面図。 図１７におけるＦ−Ｆ線の断面図。 本発明の第９の実施の形態の車両用回転電機におけるステータ鉄心の正面図。 本発明の第９の実施の形態の車両用回転電機における風上側のステータ鉄心押えの正面図。 本発明の第１０の実施の形態の車両用回転電機の断面図。 図２１におけるＧ−Ｇ線の断面図。 従来の車両用回転電機の縦断面図。 図２３におけるＡ−Ａ線の断面図。 従来の車両用回転電機において冷却風の通風経路を矢印で示した図。 従来の車両用回転電機の分解図。 従来の車両用回転電機の別の分解図。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）
図１、図２は本発明の一実施の形態の回転電機の構成を示している。従来例とした図２３と基本構造は同じであるので、共通する要素には共通の符号を付すことにより、それらの詳しい説明は省略する。

図１、図２に示す本実施の形態の車両用回転電機の場合、図２３にある回転子の通風路７ａは無くし、代わりにステータ鉄心１１の最下部近傍に通風路１ｃを設けるためフレーム１の一部を外側に膨らませた構造にしたことを特徴とする。また、入気口１ｂには、図２３におけるろ過器１５及びフィルター１５ａの代わりに、簡易ろ過器１１５が設けてある。

このように構成することにより、本実施の形態では、回転子を冷却していた通風路７ａが無くても通風路１ｃを通過した冷却風が先回りして図３の矢印のように流れ、また風下側のステータコイル１２と同時にステータコイル１２間を図２の矢印のように冷却風が通って、ロータバー８を冷却する。このため、ステータコイル１２はより効果的に冷却され、またロータバー８の発熱も抑制される。さらにステータコイル１２を冷却すると周囲の発熱源が低下して、間接的にロータバー８も冷却される効果もある。

さらに、本実施の形態によれば、通風路７ａ内への塵埃堆積によって発生する回転子の異常振動や異常過熱を防ぐことができる。一方、通風路１ｃは回転しないので通風路内には塵埃は堆積しないで通過してしまう。このため、回転電機の長期間の清掃レスが可能になり、大幅な保守作業軽減（回転電機の分解再組立作業の軽減）や保守回帰の長期延長が達成できる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の回転電機について、図４、図５を用いて説明する。図４に示す実施の形態では、横断面側から見て通風路１ｃｃを左右下部の２箇所に設けている。図５は、図４において矢視Ｅから見たこの通風路１ｃｃの形成部分の外観を示している。通風路１ｃｃは、その路壁１０１ａ，１０１ｂが平行であり、かつ、フレーム軸方向、つまりロータシャフト６の軸方向に平行である。

本実施の形態によれば、冷却風が分割され均等に冷却される効果を出せる。また万一、複数の通風路ｌｃｃを設けていることで、いずれかの通風路１ｃｃの内部に塵埃が堆積した場合のリスク対策にもなるので、信頼性がアップする。

尚、通風路１ｃｃの形状については、図６〜図８それぞれに示す変形例のような形状にすることができる。図６の変形例では、通風路１ｃｃをその路壁１０２ａ，１０２ｂが平行であり、かつ、共にフレーム軸方向に対して傾斜させ、風下側に行くほど下がる形状にしている。このようにすることで、通風路１ｃｃ内に塵埃が堆積しても下方（回転電機の風下側）へ流れ落ち易くなり、堆積し難い構造にできる。

また、図７の変形例では、通風路１ｃｃをその路壁１０３ａ，１０３ｂがフレーム１の軸方向、回転電機の風下側に扇形に広がる形状にしている。通風路１ｃｃをこのような形状にしても、塵埃堆積がし難い構造にできる。

さらに、図８の変形例では、通風路１ｃｃをフレーム１の軸方向、回転電機風下側に扇形に広がった形状であるが、上側の路壁１０４ａはフレーム１に平行にし、下側の路壁１０４ｂだけ回転電機の風下側に行くほど下がる形状にしている。このような形状にしても、塵埃堆積がし難い構造にできる。尚さらに、通風路１ｃｃに塵埃が堆積し難いように通風路１ｃｃの下側の路壁が風下側に行くほど下がるように傾斜していれば、この通風路１ｃｃは他の形状であっても構わない。

（第３の実施の形態）
図９、図１０を用いて、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態の回転電機は、第１の実施の形態と同様にフレーム１の最下部に通風路１ｃを設け、この通風路１ｃの部分にステータ鉄心１１の両側にあるステータ鉄心押えのうち風下側のステータ鉄心押え１１ａに略半径方向に切り欠かれた案内溝１１ｂを設けている。図１０中に矢印で示すように、冷却風はステータコイル１２間を通過し、ロータバー８を冷却するように流れる。この構造にすることにより、回転子のロータバー８はより冷却されることになる。

（第４の実施の形態）
図１１、図１２に示す第４の実施の形態では、図９、図１０に示した第３の実施の形態に対して、風下側ステータ鉄心押え１１ａの案内溝１１ｂｂを回転電機軸方向にも軸に垂直な幅方向にも広げ、通風路１ｃからの冷却風のほとんどを回転子に案内するようにしている。これにより、ロータバー８の冷却効果がさらにアップする。またステータコイル１２の冷却のために、図１２に示すように最下部位置の通風路１ｃの両側に間隔をおいて通風路１ｃｃを２箇所設けている。尚、通風路１ｃｃは下部に集中させずに、上部に設けてもよい。また同様に案内溝もどの位置にあってもよい。

（第５の実施の形態）
図１３に示す第５の実施の形態では、風下側ステータ鉄心１１ａに形成した案内溝１１ｂを反ステータ鉄心側に開口１１ｃさせている。このような構造であれば、通風路１ｃ近傍に案内溝１１ｂを配置しなくても、冷却風は回転子にも流れることになる。

（第６の実施の形態）
図１４を用いて、本発明の第６の実施の形態の回転電機について説明する。本実施の形態は、図１、図２に示した第１の実施の形態に対して、若干の変更を加えたもので、ロータ鉄心７と風下側のロータ鉄心押え１０とに通風路７ａを設けたことを特徴としている。その他の構成は、図１、図２に示した第１の実施の形態と共通であり、共通する要素に共通の符号を付すことで詳しい説明は省略する。

本実施の形態によれば、回転子の軽量化と放熱面積の拡大による放熱効果を出せるものになる。

（第７の実施の形態）
図１５を用いて、本発明の第７の実施の形態の回転電機について説明する。本実施の形態は、図１、図２に示した第１の実施の形態と同様に、ステータ鉄心１１の最下部近傍に通風路１ｃを設けるためフレーム１の一部を外側に膨らませた構造にしている。加えて、本実施の形態では、通風路１ｃの近傍に開口できる窓１７を設けている。そしてこの窓１７には、カバー１７ａをボルトにて脱着できるように取り付けている。

本実施の形態によれば、適宜ボルトを外してカバー１７ａを取り外すができ、カバー１７ａを取り外すことで回転電機の内部の様相が窓１７を通して確認でき、さらに万一塵埃が堆積していた時は、この窓１７から気吹き清掃が可能である。

尚、このような窓１７はどこにつけてもよく、特に、ステータコイル１２、ロータバー８等の清掃も可能な位置に設けるのが好ましい。

（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態の回転電機について図１６を用いて説明する。本実施の形態の特徴は、図１、図２に示した第１の実施の形態と同様に、ステータ鉄心１１の最下部近傍に通風路１ｃを設けるためフレーム１の一部を外側に膨らませた構造にしている。加えて、本実施の形態では、通風路１ｃに水抜き穴１８を設けたことを特徴とする。

回転電機内に雨水等が浸入した場合には下部に水が溜まる可能性があるが、本実施の形態の構成にすることで、通風路１ｃに溜まる水を水抜き穴１８から排水でき、回転電機の下部に水が溜まるのを防止できる。

（第９の実施の形態）
本発明の第９の実施の形態の回転電機について図１７〜図２０を用いて説明する。図１、図２に示した第１の実施の形態の回転電機では、フレーム１側に通風路１ｃを形成した。これに対して、図１７、図１８に示すように、本実施の形態では、ステータ鉄心１１１の外周部に通風路１１１ａを形成したことを特徴とする。またステータ鉄心押え１１１ｂ，１１１ｂｂにもステータ鉄心１１１側の通風路１１１ｃと対応する位置において通風路１１１ｃ，１１１ｃｃを形成している。尚、図１、図２に示した第１の実施の形態と共通する要素については共通する符号を付して示し、その詳しい説明は省略する。

図１８に詳しいように、通風路１１１ａはスタータ鉄心１１１の円周上に等角度ずつ離れた複数箇所（ここでは６箇所）に形成してある。同様に風下側のステータ鉄心押え１１１ｂｂにも通風路１１１ｃｃが通風路１１１ａと同様の大きさで、各位置に形成してある。そして、ステータコイル１２の上下方向の昇温バランスを考慮して、風上側のステータ鉄心押え１１１ｂには、上下位置により大きさが異なる通風路１１１ｃが形成してある。最上部の位置の通風路１１１ａ２対しては、風上側のステータ鉄心押え１１１ｂには通風路１１１ｃが形成されていない。

図１９は、多数枚が積層されているステータ鉄心１１１の１枚を示しており、このステータ鉄心１１１に対して円周方向の等角度ずつ離れた位置それぞれに等幅の通風路１１１ａが形成してある。また、図２０は風上側のステータ鉄心押え１１１ｂを示しており、回転電機の据付状態で空間的に上側あるいは下側となる各位置により大きさの異なる通風路１１１ｃが形成してある。この風上側のステータ鉄心押え１１１ｂの最上部の通風路１１１ａに対応する位置には通風路１１１ｃは形成されていない。そして、左右上側には比較的小さい開口面積の通風路１１１ｃが形成してあり、左右下側にはステータ鉄心１１１側の通風路１１１ａの開口面積よりは小さいが、上記上側の通風路１１１ｃよりは大きい開口面積の通風路１１１ｃが形成してあり、最下部にはステータ鉄心１１１側の通風路１１１ａの開口面積とほぼ等しい大きさの通風路１１１ｃが形成してある。

本実施の形態によれば、風上側のステータ鉄心押え１１１ｂには、上下位置により大きさが異なる通風路１１１ｃを形成することで、ステータコイル１２の上下方向の昇温バランスを維持することができる。

（第１０の実施の形態）
本発明の第１０の実施の形態の回転電機について、図２１、図２２を用いて説明する。本実施の形態の特徴は、図１、図２に示した第１の実施の形態で採用した簡易ろ過器１１５に対して、遠心分離ろ過器１１６を入気口１ｂに設け、さらに、この遠心分離ろ過器１１６で分離された塵埃を風下側機内に導くバイパス路１９をフレーム１に形成したことを特徴とする。尚、その他の構成要素については図１、図２に示した第１の実施の形態と共通であり、共通する要素に共通の符号を付して示すことでその詳しい説明は省略する。

本実施の形態によれば、外気ＡＲ０が遠心分離ろ過器１１６に取り込まれると遠心分離作用により外気ＡＲ０の塵埃ＡＲ２が分離されてバイパス路１９に導かれ、塵埃ＡＲ２が除去された清浄な空気ＡＲ１のみが入気口１ｂから風上側の機内に入る。

この塵埃ＡＲ２が分離した清浄な空気ＡＲ１は冷却風となって通風路１ｃや空隙１３を通って風下側の機内に至り、その後に排気口１ａから排出されていく。一方、バイパス路１９に導入された塵埃ＡＲ２は、このバイパス路１９を通過して風下側の機内に入り、その後に排気口１ａから機外に排出されていく。

本実施の形態によれば、遠心分離ろ過器１１６の採用で、機内の風上側に塵埃が入り込まず、冷却風の通過により通風路１ｃや空隙１３が目詰まりを起こすのを効果的に防止できる。しかも、ろ過器にフィルターを用いて外気中の塵埃を除去する場合にはそのフィルターの清掃のために頻繁にメンテナンス作業が必要とされるが、本実施の形態の場合には、塵埃ＡＲ２はバイパス路１９を通し、排気口１ａから排気するので、塵埃により目詰まりする部材がなく、機内清掃の作業頻度が少なくできる利点がある。

尚、本発明にあっては、上記の各実施の形態を組合せた実施の形態も可能である。また、回転子に永久磁石を用いた永久磁石電動機にも、また、同期電動機にも同様に各実施の形態を適用することができる。また、回転子にファン１４が構成されてないもので他力通風形のものに対して各実施の形態を適用することができる。また、ステータ鉄心の外周部に形成した通風路は、フレーム以外の部品を組み合わせて形成してもよい。また、上記各実施の形態ではフレーム付き回転電機で説明したが、フレームレス構造でもよい。さらに、本発明は、以上説明したもののみで構成されるのではなく、上記機能を発揮できるのであれば、異なった形状の構成でもよい。

１ フレーム
１ａ 排気口
１ｂ 入気口
１ｃ 通風路
１ｃｃ 通風路
６ ロータシャフト
７ ロータ鉄心
７ａ 通風路
１０ ロータ鉄心押え
１１ ステータ鉄心
１１ａ ステータ鉄心押え
１１ｂ 案内溝
１１ｂｂ 案内溝
１１ｃ 案内溝開口部
１２ ステータコイル
１３ 空隙
１４ ファン
１７ 窓
１７ａ カバー
１８ 水抜き穴
１９ バイパス路
１１１ ステータ鉄心
１１１ａ 通風路
１１１ｂ 風上側ステータ鉄心押え
１１１ｂｂ 風下側ステータ鉄心押え
１１１ｃ 通風路
１１１ｃｃ 通風路
１１５ 簡易ろ過器
１１６ 遠心分離ろ過器

Claims (5)

1. フレームと、このフレーム内に配置された固定子と、前記固定子のステータ鉄心の内側に空隙を介して配置され、ロータシャフトに固着された回転子と、前記フレームの一端部に配置され、第１の軸受を介して前記ロータシャフトを支承するハウジングと、前記フレームの他端部に配置され、第２の軸受を介して前記ロータシャフトを支承するベアリングブラケットを有する電動機であって、
   前記フレームの一方側に設けられた入気口と、
   前記フレームの他方側に設けられた排気口と、
   前記固定子の外周部に設けられ、前記入気口から取り入れられた冷却風を前記排気口側へ通風させる通風路を備え、
   前記通風路は、前記入気口側の開口部の断面積より前記排気口側の開口部の断面積を広く形成又は前記入気口側の開口部より前記排気口側の開口部が前記電動機の下部側に形成されていることを特徴とする電動機。
2. 前記通風路は、複数の第１の通風路からなり、各第１の通風路は、前記ロータシャフトの軸方向であって、前記入気口を基準として左右対称の位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記固定子は、ステータ鉄心とこのステータ鉄心の両端に配置された鉄心押えからなり、前記排気口側に位置する鉄心押えに、前記通風路につながると共に前記ロータシャフトの軸に対向する半径方向の第２の通風路を形成したことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
4. 前記入気口から取り込まれた冷却風が前記通風路及び前記空隙を通り、前記排気口から排気されるよう強制的に冷却風の流れを発生させる通風ファンが前記ロータシャフトに固着されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
5. 前記第２の通風路は、前記通風路の前記排気口側の開口部と連通していることを特徴とする請求項３に記載の電動機。

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