JP2014087178A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】雪等の侵入を防ぐとともに十分な冷却性能を確保することのできる回転電機を提供する。
【解決手段】固定子鉄心に巻回した固定子巻線を有する固定子と、回転子鉄心および該回転子鉄心を回転可能に保持する回転軸を有する回転子と、前記固定子の外周および側面を包囲するとともに、前記回転子を前記固定子に対し回転可能に保持して収容するハウジングとを備え、前記回転子は回転子鉄心にその回転軸方向に形成した冷却孔、および回転軸の一方端に配置したファンを備え、前記ハウジングは、その外周面の軸方向一方端側および他方端側に、ハウジングの内部と外部とを連通する通気口、これら通気口間をハウジングの外部で接続する通風路および該通風路の大気への排出口に配置した開閉部材を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転電機に係り、特に回転電機の冷却構造に関する。

一般に，回転電機において空気を用いた冷却方法には、（１）回転電機外に設けられたブロアにより、回転電機内に空気を導入し冷却する方法、（２）回転電機外の空気を回転電機内に設けられたファンにより、回転電機内に導入し冷却する方法、（３）回転電機内の空気を回転電機内に設けられたファンによって循環して冷却する方法、（４）回転電機外の空気を回転電機外に設けられたファンによって回転電機外表面に通風して冷却する方法、（５）（３）と（４）を併用して冷却する方法がある。

（１）及び（２）の冷却方法を開放型とし、（３）〜（５）の冷却方法方を全閉型とすると、一般的に以下の特徴がある。全閉型の回転電機は開放型の回転電機と比べると、回転電機がフレームによって覆われているため、塵埃の侵入が少ないこと及び騒音が小さいために耐環境性能良い。一方、全閉型の冷却方法は開放型の冷却方法と比べると排熱面積が小さいために冷却性能が悪く、一般に全閉型の回転電機は開放型の回転電機と比べると大型化する。

この課題を解決するため、周囲温度によって、回転電機内に導入する風量を調節する冷却方法が特許文献１及び２に開示されている。

特許文献１及び２に開示された冷却方法では、開放型の回転電機内に回転電機外からの冷却風を吸気する吸気口に風量調節機構を設け、周囲温度によって取り込む冷却風の風量を調整し、また、雪や雨の侵入を防ぐとともに騒音低減を図っている。また、特許文献３には、主枠６Ａの上方に一対の開口部６ｃを形成し、この開口部６ｃに対して、開閉弁10を取り付ける。この開閉弁10には、ピン12ａを介して弁板12を揺動自在に設ける。開閉弁10の通風枠８の上部下面に対して、電磁コイル10ａと鉄心10ｂを取り付ける。固定子コイル１には、温度検出器17を取り付け、この温度検出器17の検出信号を運転室に送って、あらかじめ設定した値を超えると、開閉弁10の電磁コイル10ａを励磁して、弁板12を開放し、主枠６Ａの内部に外気を導く車両用全閉型電動機が開示されている。

特開２００７−６８３１７号公報 特開平６−３１１６９２号公報 特開平９−３１１６４９号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の構成では、吸気側あるいは排気側のどちらか一方が閉じられる構造であるため、閉じられない側の吸気口あるいは排出口から雪等が侵入する。

引用文献３記載の技術では、雪の侵入を防ぐことはできる。しかしながら、開閉弁を閉じて雪の侵入を防ぐ構成を採用した場合における冷却構造については言及するところがない。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、雪等の侵入を防ぐとともに十分な冷却性能を確保することのできる回転電機を提供するものである。

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。

固定子鉄心に巻回した固定子巻線を有する固定子と、回転子鉄心および該回転子鉄心を回転可能に保持する回転軸を有する回転子と、 前記固定子の外周および側面を包囲するとともに、前記回転子を前記固定子に対し回転可能に保持して収容するハウジングとを備え、前記回転子は回転子鉄心にその回転軸方向に形成した冷却孔、および回転軸の一方端に配置したファンを備え、前記ハウジングは、その外周面の軸方向一方端側および他方端側に、ハウジングの内部と外部とを連通する通気口、これら通気口間をハウジングの外部で接続する通風路および該通風路の大気への排出口に配置した開閉部材を備えた。

本発明は、以上の構成を備えるため、雪等の侵入を防ぐとともに十分な冷却性能を確保することのできる回転電機を得ることができる。

第１の実施形態にかかる回転電機の軸方向断面図（冷却風の排出口５５を閉じた状態を示す図）である。 軸方向断面図（冷却風の排出口５５を開いた状態を示す図）である。 図２のＡ−Ａ断面を示す図である。 第２の実施形態にかかる回転電機の軸方向断面図（外気通風用の通風路３１を開いた状態を示す図）である。 軸方向断面図（外気通風用の通風路３１を閉じた状態を示す図）である。 図５のＡ−Ａ断面を示す図である。 第３の実施形態にかかる回転電機の軸方向断面図（入気側の通風路５７ａおよび排出口５５を開いた状態を示す図）である。 軸方向断面図（入気側の通風路５７ａおよび排出口５５を閉じた状態を示す図）である。 第４の実施形態を説明する図である。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１，２，３は、本発明の第１の実施形態にかかる回転電機１を説明する図であり、図１は軸方向断面図（冷却風の排出口５５を閉じた状態を示す図），図２は軸方向断面図（冷却風の排出口５５を開いた状態を示す図）、図３は図２のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、これらの図において回転電機１は誘導電動機であるとしている。

回転電機１の固定子２は、固定子鉄心４と、この固定子鉄心４に巻回された多相の固定子巻線５と、固定子鉄心４をその内周面で保持するハウジング１１を備える。回転子３は、回転子鉄心７、シャフト８およびベアリング１０を備え、ベアリング１０は回転子をハウジングに対して回転可能に保持している。回転子３の一端には外扇ファン５１を備え、外扇ファン５１はハウジングに固定されたエンドブラケット９によって囲まれている。回転子３は、時計方向または反時計方向に回転し、電動機として運転される。

また、回転子３を構成する回転子鉄心７には、回転子内を通風して、回転子を冷却するための回転子通風孔１６が軸方向に貫通して設けられている。ここで、回転子鉄心７は回転子鉄心７を押えるための押え板１５によって軸方向に固定されており、この押え板１５にも回転子通風孔１６が軸方向に貫通して設けられている。また、回転子３には、ファン５０が取り付けられている。

ここで、ファン５０による回転電機内の通風経路について図２を用いて説明する。なお、図２は入気口５４及び排出口５５が開いた状態を示している。

図２において、外気はファン５０によってエンドブラケット９に設けられた入気口５４から回転電機内に導入され、回転子通風孔１６、排出側の通風口５８、通風路３０を通って排出口５５から排出される。この際、コイルエンド１８、エンドリング１４、回転子鉄心７を冷却する。また、バー(二次導体）１３は回転子通風孔１６を通過する冷却風により回転子鉄心７を介して冷却される。

本実施形態では、図１，２，３に示すように固定子鉄心４とハウジング１１の間に回転軸方向に複数(図では４個）の内気循環用の通風路３０を設ける。この通風路の一方端側および他方端側に、ハウジングの内部の内気と連通する通風口５７，５８を備える。また、前記排出口５５およびエンドブラケット９に設けた排出口５５ｂ，入気口５４を開閉開閉する開閉部材６０を備える。開閉部材は、例えばシャッター状の穴あき板であり、これを回転軸周りに回動することにより前記排出口５５、エンドブラケット９に設けた排出口５５ｂ、入気口５４を同時に開閉する。

前記ハウジングは例えば、内側ハウジング１１ｂと外側ハウジング１１ａからなる二重構造をなし、外側ハウジング１１ａには回転軸に沿って半径方向に膨出するする膨出部が複数形成され、これにより内側ハウジング１１ｂと外側ハウジング１１ａとの間に通風路３０が形成される。また、前記通風路を形成する内側ハウジング１１ｂの回転軸方向両端部には、通風路３０と回転機内部を連通する通風口５７，５８を備えている。

ここで、ファン５０による回転電機内の通風経路について図１，２を用いて説明する。図１は通風路の一方端に設けた排出口５５、５５ｂ、入気口５４を閉じた状態を示し、図２は通風路の一方端に設けた排出口５５、５５ｂ、入気口５４を開いた状態を示す。

排出口５５、５５ｂを開いた状態では、外気はファン５０によって入気口５４から回転電機内に導入され、導入された外気は、回転子通風孔１６，通風路３０を通って排出口５５から排出される。この際、コイルエンド１８、エンドリング１４、回転子鉄心７を冷却する。また、バー１３は回転子通風孔１６を通過する際、回転子鉄心７を通して冷却される。

また、開閉部材６０を回動させて入気口５４及び排出口５５、５５ｂを閉じた場合、ファン５０によって回転電機内の空気が流れる。このとき、空気は内気循環用の通風路３０、コイルエンド１８、回転子通風孔１６を通って循環される。これにより、回転電機内が冷却される。すなわち、入気口５４及び排出口５５、５５ｂを閉じた状態においても，冷却することが可能であり、回転電機を小型化することができる。

なお、排出口５５、５５ｂおよび入気口５４は，例えば開閉部材６０を回転軸周りに回転駆動することにより同時に開閉することができる。

次に、本発明の第二の実施形態について、図４、５，６を用いて説明する。図４は軸方向断面図（外気通風用の通風路３１を開いた状態を示す図），図５は軸方向断面図（外気通風用の通風路３１を閉じた状態を示す図）、図６は図５のＡ−Ａ断面を示す図である
本実施形態では、ハウジング１１の外周に筒状の外気通風用の通風路３１を設け、この通風路を介して、外扇ファン５１によって入気口１７ａを介して吸入された外気を通風路３１に流して、回転電機を冷却する。

図４，５、６に示すように、ハウジング１１の外周に外気通風用の通風路３１を複数個(図では４個）配置し、前記ハウジングおよび通風路をケーシング１７に収納する。また、ハウジング１１には入気側の通風口５７及び排気側の通風口５８を形成する。

本実施形態によれば、通風路３１を開き、入気側の通風口５７及び排気側の通風口５８を閉じた場合、外扇ファン５１によって入気口１７ａを介して吸入された外気は回転電機外の外気通風用の通風路３１に流れる。これにより、回転電機１の表面が冷却される。また、通風路３１を閉じ入気側の通風口５７及び排気側の通風口５８を開いた状態においては、外気は入気側の通風口５７、回転子通風孔１６、及び排気側の通風口５８を通流して外部に排出される。すなわち、ハウジングの内外を連通する通風口５７，５８を閉じた状態においても、回転電機を冷却することが可能であり、回転電機を小型化することができる。

次に、本発明の第三の実施形態について、図７，８を用いて説明する。図７は軸方向断面図（入気側の通風路５７および排出口５５を開いた状態を示す図），図８は軸方向断面図（入気側の通風路５７および排出口５５を閉じた状態を示す図）である。

本実施形態では、ハウジング１１の外周に内気循環用の通風路３０が設けられている。また、開閉部材６０とエンドブラケット９が一体構造となっている、さらに、入気口５４と排出口５５が同じ軸方向端部（図では右側端部）に形成されている。なお、開閉部材６０を回動することにより、図７，８に示すように入気側の通風口５７ａと排出口５５を同時に開閉することができる。

上記実施形態によれば、回転電機外の空気が外扇ファン５１によって入気口５４から導入され、入気側の通風口５７ａを通り、回転電機内へ導入される。回転電機内に導入された空気は回転子通風孔１６を通り、ファン５０によってコイルエンド１８の方向へ通風される。コイルエンド１８を通った空気は内気循環用の通風路３０を通り、排出口５５から排出される。

また、通風口５７ａ及び排出口５５を閉じた場合、ファン５０によって回転電機内の空気が循環される。すなわち、内気は内気循環用の通風路３０を通って、コイルエンド１８の脇を通り、回転子通風孔１６を通ることで回転電機内を循環する。これにより、回転電機内が冷却されるため、回転電機を小型化することができる。また、開閉部材６０とエンドブラケット９を一体構造とすることにより、部品点数を削減することができる。さらに、通風口５７ａと排出口５５を同じ軸方向端部に形成しているため、開閉部材６０の構成を簡略化することができる。

また、開閉部材６０により回転電機１の入気側の通風路５７ａと排出口５５を閉じた場合でも、外扇ファン５１によって、ハウジング６０内に外気を導入することができるためベアリング１０等を冷却することができる。

次に、本発明の第四の実施形態について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施形態にかかる回転電機を搭載した鉄道車両のブロック構成図である。

鉄道車両２００は、車輪２０３を備えた台車２０１に回転電機１、増速ギア２０２を搭載し、回転電機１により増速ギア２０２を介して車輪２０３を駆動する。また、台車に搭載する回転電機１は図中では２台であるが、１台又は２台以上、搭載し駆動することも可能である。

なお、以上の説明では、回転電機を鉄道車両の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、電動建機用の駆動装置等のあらゆる駆動装置においても使用できるものである。なお、回転電機を電動車両、特に鉄道車両に適用すれば、降雪のない時期においては回転電機を開放型として運用できるため、回転電機の小型化あるいは高出力化が達成できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 回転電機
２ 固定子
３ 回転子
４ 固定子鉄心
５ 固定子巻線
７ 回転子鉄心
８ シャフト
９ エンドブラケット
１０ ベアリング
１１ ハウジング
１３ バー
１４ エンドリング
１５ 押え板
１６ 回転子通風孔
１８ コイルエンド
３０ 内気循環用の通風路
３１ 外気通風用の通風路
５０ ファン
５１ 外扇ファン
５４ 入気口
５５ 排出口
５６ 通風方向
５７ 入気側の通風口
５８ 排出側の通風口
６０ 開閉部材
２００ 鉄道車両
２０１ 台車
２０２ 増速ギア
２０３ 車輪

Claims (7)

1. 固定子鉄心に巻回した固定子巻線を有する固定子と、
   回転子鉄心および該回転子鉄心を回転可能に保持する回転軸を有する回転子と、
   前記固定子の外周および側面を包囲するとともに、前記回転子を前記固定子に対し回転可能に保持して収容するハウジングとを備え、
   前記回転子は回転子鉄心にその回転軸方向に形成した冷却孔、および回転軸の一方端に配置したファンを備え、
   前記ハウジングは、その外周面の軸方向一方端側および他方端側に、ハウジングの内部と外部とを連通する通気口、これら通気口間をハウジングの外部で接続する通風路および該通風路の大気への排出口に配置した開閉部材を備えた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、
   前記開閉部材を閉鎖したとき、前記ファンにより吸入した外気を回転子に形成した冷却孔、前記通風路を介して循環させることを特徴とする回転電機。
3. 固定子鉄心に巻回した固定子巻線を有する固定子と、
   回転子鉄心および該回転子鉄心を回転可能に保持する回転軸を有する回転子と、
   前記固定子の外周および側面を包囲するとともに、前記回転子を前記固定子に対し回転可能に保持して収容するハウジングとを備え、
   前記回転子は回転子鉄心にその回転軸方向に形成した冷却孔、および回転軸の一方端に配置したファンを備え、
   前記ハウジングは、その外表面に形成した外気を通風させるための外気通風路、外表面の軸方向一方端側および他方端側に形成した、ハウジングの内部と外気通風路とを連通する通気口および該通気口を開閉する開閉部材を備えた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、
   前記開閉部材を閉鎖したとき、前記ファンにより吸入した外気を前記外気通風路を介して外気に排出することを特徴とする回転電機。
5. 固定子鉄心に巻回した固定子巻線を有する固定子と、
   回転子鉄心および該回転子鉄心を回転可能に保持する回転軸を有する回転子と、
   前記固定子の外周および側面を包囲するとともに、前記回転子を前記固定子に対し回転可能に保持して収容するハウジングとを備え、
   前記回転子鉄心は回転子鉄心の回転軸方向に形成された冷却孔、および回転軸の一方端側に配置したファンを備え、
   前記ハウジングは、外表面の軸方向一方端側および他方端側にそれぞれ配置されたハウジングの内部と外部とを連通する通気口、およびこれらの通気口間を連通する連通路と、
   該連通路の排気側に配置した排気側通気口、および前記連通路の排気側にあるハウジング側面に配置した入気側通気口と、
   前記排気側通気口および入気側通気口を開閉する開閉部材を備えたことを特徴とする回転電機。
6. 請求項５記載の回転電機において、
   前記開閉部材を閉鎖したとき、前記ファンにより吸入した外気を回転子に形成した冷却孔、前記外気通風路を介して循環させることを特徴とする回転電機。
7. 請求項５記載の回転電機において、
   排気側通気口および入気側通気口を開閉する開閉部材は一体化されていることを特徴とする回転電機。