JP2014225957A - 永久磁石式電動機及び鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】外部から供給される冷却風から磁性物質を除去し、清浄な冷却風を利用して固定子及び回転子の冷却を行うこと。【解決手段】コイル２１を有する固定子２０と、永久磁石３３を有し、軸線Ｏ回りに回転する回転子３０と、固定子及び回転子を内部に収容すると共に外部から供給された冷却風Ａを内部に入気させる吸入口４３、及び冷却風を外部に排気させる排気口５０が形成され、吸入口から排気口に向かう冷却風の流通経路を内部に有するケーシング４０と、を備え、ケーシングには、冷却風の流通経路の途中であって、吸入口とは軸線を挟んで径方向の反対側に位置する対向部分４８に磁性体６０が設けられている永久磁石式電動機３を提供する。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、永久磁石式電動機及び鉄道車両に関する。

現在、鉄道車両用の主電動機としては誘導電動機が大半を占めている。誘導電動機は、確率された技術及び実績に加え、永久磁石式電動機に比べて初期コストが安価であることから、鉄道車両用のみならず、一般産業用の電動機としても主流となっている。

その一方、近年では誘導電動機に代わって、上記永久磁石式電動機の開発が進んでいる。この永久磁石式電動機によれば、誘導電動機では実現が困難なレベルの小型・軽量化や、高効率化が達成可能とされている。加えて、ランニングコストの低減や、全閉構造にすることによるメンテナンス性の向上や低騒音化についても期待されている。

特開２００９−１１８７１６号公報

ところで、永久磁石式電動機においてさらなる高出力化を図る場合、高出力化にするほど外気を利用した冷却が必要とされている。この場合、外気を電動機内部に取り入れる必要があるので、外気中に含まれる鉄粉、粉塵、塵埃等の異物も電動機内部に同時に取り込まれてしまう。この際、電動機内部は各所で磁気を帯びているので、取り込まれる上記各種異物のうち、とくに鉄粉等の磁性物質については電動機に影響を与えないように、外気から磁性物質を除去（収集）するための対策を施すことが必要とされている。

実施形態における永久磁石式電動機は、コイルを有する固定子と、永久磁石を有し、軸線回りに回転する回転子と、前記固定子及び前記回転子を内部に収容すると共に、外部から供給された冷却風を内部に入気させる吸入口、及び前記冷却風を外部に排気させる排気口が形成され、前記吸入口から前記排気口に向かう前記冷却風の流通経路を内部に有するケーシングと、を備え、前記ケーシングには、前記冷却風の流通経路の途中であって、前記吸入口とは前記軸線を挟んで径方向の反対側に位置する対向部分に磁性体が設けられていることを特徴とする。

実施形態における鉄道車両は、前記永久磁石式電動機と、前記吸入口を通じて前記冷却風を前記ケーシングの内部に供給する供給手段と、前記永久磁石式電動機及び前記供給手段が取り付けられた車体と、を備えることを特徴とする。

第１の実施形態における電気機関車を示す図である。 図１に示す車体の床下に設置された永久磁石式電動機を、車体の前後方向に沿って見た外観正面図である。 図２に示す永久磁石式電動機をＢ−Ｂ線方向から見た外観図である。 図２に示す永久磁石式電動機の縦断面図である。 図４に示す永久磁石式電動機の部分拡大断面図である。 図５に示す磁石をケーシングの外部から矢印Ｃの視点で見た図である。 第２の実施形態における永久磁石式電動機の一部断面図である。 図７に示す磁石をＤ−Ｄ線方向から見た外観図である。 第３の実施形態における永久磁石式電動機の一部断面図である。 図９に示すガイドの斜視図である。 第３の実施形態の変形例を示す永久磁石式電動機の一部断面図である。 第４の実施形態における永久磁石式電動機の一部断面図である。 図１２に示す上流ガイドの斜視図である。 図１２に示す永久磁石式電動機を、車体の前後方向に沿って見た外観正面図である。 第４の実施形態の変形例を示す永久磁石式電動機の一部断面図である。 第５の実施形態を示す永久磁石式電動機の一部断面図である。 第６の実施形態を示す永久磁石式電動機の一部断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、鉄道車両の一例として電気機関車を例に挙げて説明する。

＜第１の実施形態＞
〔電気機関車の構成〕
図１に示すように、本実施形態の電気機関車１は、車体２と、この車体２の床下に設置された永久磁石式電動機３と、車体２における機器室内の床上に設置され、永久磁石式電動機３に冷却風Ａを供給するブロア（供給手段）４と、を備えている。

上記車体２には、図示しない車両用電力変換装置が例えば機器室内の床上又は車体２の床下に取り付けられている。そして、この車両用電力変換装置が、架線５からパンタグラフ６を介して供給された直流電力、又は図示しない電力供給源から供給された直流電力を交流電力に変換し、永久磁石式電動機３や、車体２における図示しない各電気装備品（空調機等）に交流電力を供給している。

なお、本実施形態では、車体２の前方及び後方を結ぶ方向を「前後方向Ｌ１」、車体２の車幅方向を「左右方向Ｌ２」、車体２の高さ方向を「上下方向Ｌ３」という。

車体２の床下には、車輪７が軸支された台車８が例えば空気ばね等の緩衝装置９を介して取り付けられている。そして、この台車８に上記永久磁石式電動機３が車輪７の近傍に位置するように取り付けられている。
具体的には、図２に示すように、永久磁石式電動機３は、左右方向Ｌ２に並んだ車輪７を連結する車軸１０の上方に配置されており、車軸１０に機械的に連結されたギヤボックス（駆動装置）１１内のギヤに対して、図示しないピニオンを介して後述するロータ軸３１が機械的に連結されている。なお、図２では台車８の図示を省略している。
これにより、永久磁石式電動機３は、供給された交流電力により回転駆動し、ギヤボックス１１を介して回転力を車軸１０及び車輪７に伝達することで、電気機関車１の走行を可能とさせている。

〔永久磁石式電動機の構成〕
上記永久磁石式電動機３について、詳細に説明する。
図３及び図４に示すように、永久磁石式電動機３は、ステータコイル（コイル）２１を有する固定子２０と、軸線Ｏ回りに回転するロータ軸３１を有する回転子３０と、これら固定子２０及び回転子３０を内部に収容するケーシング４０と、を備え、固定子２０及び回転子３０の周囲をケーシング４０が覆う全閉構造タイプの電動機とされている。

なお、本実施形態では、上記軸線Ｏに直交する方向を径方向といい、軸線Ｏ回りに周回する方向を周方向という。また、本実施形態では、図２に示すように、ロータ軸３１が車軸１０と平行となるように（軸線Ｏが左右方向Ｌ２に延びるように）、永久磁石式電動機３が取り付けられている場合を例に挙げて説明するが、この場合に限定されるものではなく、ロータ軸３１が前後方向Ｌ１に平行となるように永久磁石式電動機３が取り付けられていても構わない。

（ケーシング）
まず、ケーシング４０について説明する。
図３及び図４に示すように、ケーシング４０は、ロータ軸３１を径方向の外側から囲繞するように円筒状に形成されたフレーム４１と、このフレーム４１の内周側に配置され、該フレーム４１に対して一体とされたケーシング本体４２と、を備えている。

フレーム４１の上端部には、上下方向Ｌ３に該フレーム４１を貫通し、ブロア４から供給された冷却風Ａを内部に入気させる吸入口４３が形成されている。この吸入口４３は、例えば前後方向Ｌ１に長く、左右方向Ｌ２に短い平面視長方形状の開口とされており、入気した冷却風Ａを上方から下方に向けて真っ直ぐに直進させることが可能とされている。
また、フレーム４１の上端部には、図３に示すように、吸入口４３を挟んだ左右に位置する部分にモータ吊り孔４１ａがそれぞれ形成されると共に、一方のモータ吊り孔４１ａの下方に台車用取付孔４１ｂが形成され、さらに他方のモータ吊り孔４１ａの下方にギヤボックス用取付孔４１ｃが形成されている。
そして、例えばモータ吊り孔４１ａを利用してフレーム４１を吊り下げながら、台車用取付孔４１ｂを利用してフレーム４１を台車８に取り付け、且つギヤボックス用取付孔４１ｃを利用してフレーム４１をギヤボックス１１に取り付ける。このように、フレーム４１を主に台車８及びギヤボックス１１に対してそれぞれ取り付けることで、永久磁石式電動機３の全体が図２に示すように車体２の床下に固定される。

図４に示すように、ケーシング本体４２は、フレーム４１に一体に取り付けられたブラケット４５と、このブラケット４５に一体に取り付けられた一対のハウジング４６Ａ、４６Ｂと、を備えている。
ブラケット４５は、ロータ軸３１を径方向の外側から囲繞すると共に、フレーム４１の内周側に一体に取り付けられた円筒状のブラケット筒４５ａと、このブラケット筒４５ａの左右両端縁にそれぞれ連設され、ブラケット筒４５ａの左右開口を塞ぐように径方向の内側に向かって延びた環状のブラケット壁４５ｂ、４５ｃと、を備えている。

これらブラケット壁４５ｂ、４５ｃのうち、一方のブラケット壁４５ｂがギヤボックス１１側に位置し、他方のブラケット壁４５ｃが左右方向Ｌ２に間隔をあけて一方のブラケット壁４５ｂに対して向かい合っている。

一対のハウジング４６Ａ、４６Ｂは、共に軸線Ｏと同軸に配置されていると共に、ロータ軸３１を径方向の外側から囲繞するリング状に形成され、その外周部が上記ブラケット壁４５ｂ、４５ｃにおける内周縁部に対してそれぞれ組み合わされるように取り付けられている。
また、一対のハウジング４６Ａ、４６Ｂとロータ軸３１との間にはそれぞれ軸受４７Ａ、４７Ｂが配設されており、一対のハウジング４６Ａ、４６Ｂはこの軸受４７Ａ、４７Ｂを介してロータ軸３１を軸線Ｏ回りに回転自在に支持している。

このように、ケーシング本体４２はブラケット４５及び一対のハウジング４６Ａ、４６Ｂによって左右両端が閉塞された概略円筒状に形成され、軸受４７Ａ、４７Ｂを介してロータ軸３１を回転自在に支持している。
なお、フレーム４１とケーシング本体４２とは入り組んだ状態で一体に組み合わされており、上述した吸入口４３とは軸線Ｏを挟んで径方向の反対側に位置する下端部（対向部分）４８は、フレーム４１の一部とされている。

なお、図示の例では、上記した軸受４７Ａ、４７Ｂを、内輪側がロータ軸３１に固定されると共に外輪側がハウジング４６Ａ、４６Ｂに固定されて、両輪の間にボール等の転動体が配設された転がり軸受としている。但し、転がり軸受に限定されるものではなく、ロータ軸３１を軸支できればどのようなタイプの軸受でも構わない。また、負荷する荷重の方向に応じて、ラジアル軸受やスラスト軸受等、適宜選択して構わない。

上述のように構成されたケーシング４０には、他方のブラケット壁４５ｃに排気口５０が形成されている。
この排気口５０は、例えば後述するエアギャップＧよりも径方向の内側に位置しており、周方向に間隔をあけて複数形成されている。そして、この排気口５０は、吸入口４３を通じてケーシング４０の内部に入気し、固定子２０及び回転子３０との間で熱交換が終了した冷却風（温度が上昇した冷却風）Ａをケーシング４０の外部に排気させている。

（固定子）
上記固定子２０は、ステータ鉄心２２、及び上記ステータコイル２１を備えている。
ステータ鉄心２２は、鉄心を複数枚積層することでリング状に形成されており、外周面をブラケット筒４５ａの外周面に一致させた状態で、このブラケット筒４５ａに固定されている。この際、ステータ鉄心２２は、環状に形成された一対の鉄心押さえ２３によって、左右方向Ｌ２の両側から挟まれるように固定されている。

また、ステータ鉄心２２には、左右方向Ｌ２に延びた図示しない溝部が周方向に沿って間隔をあけて複数形成されており、これら複数の溝部のそれぞれにステータコイル２１が埋め込まれている。この際、ステータコイル２１のコイルエンド２１ａは、ステータ鉄心２２よりも左右方向Ｌ２の外側に張り出すように突出している。但し、ステータコイル２１のコイルエンド２１ａとブラケット壁４５ｂ、４５ｃとの間には、所定の隙間が確保されている。

（回転子）
上記回転子３０は、固定子２０よりも径方向の内側に配設されて軸線Ｏ回りに回転するインナーロータとされ、左右方向Ｌ２に延びるロータ軸３１と、該ロータ軸３１に固定されたロータ鉄心３２と、を備えている。

ロータ軸３１は、ギヤボックス１１側に位置する一方のブラケット壁４５ｂ側からケーシング４０の内部に挿入されており、一方の端部３１ａがケーシング４０の内部において上記軸受４７Ｂによって軸支されている。ロータ軸３１の他方の端部は、先に説明したようにギヤボックス１１内においてピニオンを介してギヤに連結されている。
なお、図示の例では、ロータ軸３１は軸方向に径が適宜変化する多段軸とされており、一方の端部３１ａ側が他の部分よりも縮径している場合を例に挙げているが、この場合に限定されるものではない。

ロータ鉄心３２は、永久磁石３３を内蔵したリング状に形成され、ステータ鉄心２２に対して径方向の内側に位置するようにロータ軸３１に固定されている。この際、ロータ鉄心３２の外周面とステータ鉄心２２の内周面との間には、所定のエアギャップ（空隙）Ｇが全周に亘って環状に確保されている。また、ロータ鉄心３２は、環状に形成された一対のロータ鉄心押さえ３４によって、左右方向Ｌ２の両側から挟まれるようにロータ軸３１に固定されている。
なお、図示の例では、永久磁石３３は、左右方向Ｌ２に延びた筒状に形成されているが、この場合に限定されるものではなく、左右方向Ｌ２に複数個に分割しても構わない。

なお、ロータ鉄心３２及びロータ鉄心押さえ３４には、両者を左右方向Ｌ２に貫通する風穴であるロータダクト３５が、例えば周方向に間隔をあけて複数形成されている。

ところで、ロータ軸３１には、軸受４７Ａ、４７Ｂよりも左右方向Ｌ２の内側に位置する部分に、環状のカラー３６Ａ、３６Ｂが取り付けられており、ハウジング４６Ａ、４６Ｂとの間に、該ハウジング４６Ａ、４６Ｂと協働してラビリンスシールを形成している。これにより、ロータ軸３１とハウジング４６Ａ、４６Ｂとの間のシール性が確保され、ケーシング４０の内部の密閉性に寄与している。
また、ロータ軸３１には、一方の軸受４７Ａよりも左右方向Ｌ２の外側に位置する部分に、この軸受４７Ａにおける内輪を上記カラー３６Ａとの間で挟み込むことで、軸受４７Ａの位置を安定に保持するための環状のカラー３７が取り付けられている。

（ケーシングの付属構成）
一対のハウジング４６Ａ、４６Ｂには、軸受４７Ａ、４７Ｂよりも左右方向Ｌ２の外側に位置する部分にそれぞれ蓋体５５、５６が取り付けられている。
一方の蓋体５５は、環状に形成され、ロータ軸３１に固定された上記カラー３７を径方向の外側から囲繞するように一方のハウジング４６Ａに取り付けられている。これにより、一方の蓋体５５は、軸受４７Ａを左右方向Ｌ２の外側から塞いでいる。この際、一方の蓋体５５の内周面とカラー３７の外周面とは、近接又は摺接している。そのため、一方の蓋体５５とカラー３７との間のシール性を維持しながら、ロータ軸３１及びカラー３７の回転が可能とされている。

他方の蓋体５６は、中央部分が左右方向Ｌ２の外側に膨らんだ円形の皿状に形成され、他方の軸受４７Ｂを左右方向Ｌ２の外側から塞ぐように、他方のハウジング４６Ｂに取り付けられている。これにより、ロータ軸３１の一方の端部３１ａをケーシング４０の内部に閉じ込めている。

（磁性体）
ところで、本実施形態のケーシング４０には、吸入口４３とは軸線Ｏを挟んで径方向の反対側に位置する下端部４８に、図３〜図６に示すように、磁石（磁性体）６０が固定されている。図示の例では、磁石６０は、前後方向Ｌ１に長く、左右方向Ｌ２に短い平面視長方形状の板状磁石とされており、下端部４８の上面に左右方向Ｌ２に間隔をあけて２つ並んで固定されている。

〔ブロアの構成〕
上記ブロア４は、図１に示すように、図示しないダクトを通じて冷却風Ａを車体２の床下に設置されている永久磁石式電動機３に対して強制的に供給している。具体的には、ダクトを通じて冷却風Ａを永久磁石式電動機３の上方まで導いた後、図３に示すように、吸入口４３を通じてケーシング４０の内部に、冷却風Ａを上方から下方に向けて強制的に送り込むように供給している。
なお、ブロア４は、例えば電気機関車１の走行を総合的に制御する図示しない制御装置によって作動が制御されており、少なくとも永久磁石式電動機３の駆動中（電気機関車１の走行中）、冷却風Ａを強制的に供給する。

〔作用効果〕
次に、上述したように構成された永久磁石式電動機３の作用について説明する。
電気機関車１を走行させる場合、車両用電力変換装置から供給される交流電力をステータコイル２１に通電する。これにより、永久磁石３３を有するロータ鉄心３２と、ステータコイル２１を有するステータ鉄心２２との相互間に働く電磁力によってトルクが発生して回転子３０が軸線Ｏ回りに回転する。すると、この回転力はロータ軸３１及びピニオンを介してギヤボックス１１に伝わり、該ギヤボックス１１から車軸１０及び車輪７に伝達される。その結果、車輪７を駆動でき、電気機関車１を走行させることができる。

一方、ステータコイル２１に通電がなされると、ブロア４が作動して冷却風Ａを強制的に永久磁石式電動機３に供給する。これにより、図３及び図４に示すように、固定子２０及び回転子３０を内部に収容することで全閉構造としているケーシング４０の内部に、吸入口４３を通じて外部のブロア４から強制的に供給された冷却風Ａを入気させることができる。そのため、ケーシング４０の内部において、冷却風Ａと、固定子２０及び回転子３０とを熱交換させて、これら固定子２０及び回転子３０を適切に冷却することができる。また、熱交換により温度が上昇した冷却風Ａは、排気口５０を通じてケーシング４０の外部に排気される。
このように、強制的に供給された冷却風Ａを利用して、固定子２０及び回転子３０を冷却し続けて温度上昇を防止できるので、例えばさらなる高出力化を図ることができる。

ここで、上記冷却風Ａの流れについてより詳細に説明する。
冷却風Ａは、吸入口４３を通じてケーシング４０の内部に強制的に入気するので、入気した後、図３及び図４に示すように吸入口４３から上下方向Ｌ３に沿って一旦下方に向けて真っ直ぐ流れ、ケーシング４０における下端部４８に次第に到達する。すると冷却風Ａは、この下端部４８との接触によって流れの向きが変化し、その後、エアギャップＧ及びロータダクト３５内を適宜流れながら、固定子２０及び回転子３０との熱交換によりこれらを冷却し、排気口５０を通じてケーシング４０の外部に排気される。

従って、ケーシング４０の内部には、吸入口４３から下端部４８に向かい、その後、エアギャップＧ及びロータダクト３５を通じて排気口５０に向かうという、冷却風Ａの大まかな流通経路が形成されている。そして、その流通経路の途中であって、且つ冷却風Ａが最初に到達する下端部４８に磁石６０が設けられているので、図５に示すように、冷却風Ａに含まれる鉄粉等の磁性物質Ｍを、磁力を利用して磁石６０に吸着することができる。

これにより、冷却風Ａが固定子２０及び回転子３０に達する前の段階で、冷却風Ａに含まれる磁性物質Ｍをできるだけ除去することができる。特に、鉄粉等の磁性物質Ｍは比較的大きな質量であるので、強制的な冷却風Ａの流れに加え、自重によっても下方に落下する。そのため、磁性物質Ｍを磁石６０に効果的に引き寄せて、除去を確実に行い易い。
これらのことから、磁性物質Ｍの含有率が低下した清浄な冷却風Ａを利用して固定子２０及び回転子３０の冷却を行うことができ、磁性物質Ｍが固定子２０や回転子３０に付着（吸着）してしまうことを抑制できる。特に、微小な空隙であるエアギャップＧに磁性物質Ｍが付着することを効果的に抑制することができる。
従って、例えば回転子３０の回転性能や、永久磁石式電動機３自体の出力性能等に影響を与えてしまうことを防止することができる。

以上説明したように本実施形態によれば、ブロア４によって強制的にケーシング４０の内部に入気させた冷却風Ａが固定子２０及び回転子３０に達する前の段階で、磁石６０を利用して冷却風Ａに含まれる磁性物質Ｍを効果的に除去することができる。従って、清浄な冷却風Ａを利用して固定子２０及び回転子３０の冷却を行えるので、回転子３０の回転性能を安定化することができるうえ、出力性能をさらに高めて、電気機関車１の走行性能の向上化に繋げることができる。

〔第１の実施形態の変形例〕
上述した第１の実施形態では、ケーシング４０における下端部４８に、板状の磁石６０を２つ固定したが、磁石６０の形状や個数はこの場合に限定されるものではなく、下端部４８に固定可能であれば自由に変更して構わない。また、磁石６０の固定としては、下端部４８の上面に例えば接着や溶着等により強固に固定しても構わないし、ねじ等の締結手段等により着脱自在に固定しても構わない。

また、回転子３０にロータダクト３５を形成したが、このロータダクト３５は必須なものではなく、形成しなくても構わない。それとは逆に、例えば永久磁石３３よりも径方向の外側又は内側に位置する部分において、周方向に間隔をあけて複数のロータダクトを追加して形成しても構わない。このようにすることで、回転子３０の冷却効率を高めることが可能である。
さらには、回転子３０だけでなく、固定子２０側にもロータダクト３５に相当するダクト（風穴）を形成しても良い。例えばステータ鉄心２２及び鉄心押さえ２３を左右方向Ｌ２に貫通するダクトを周方向に間隔をあけて形成しても良い。このようにすることで、固定子２０の冷却効率を高めることが可能である。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。
第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態では、ケーシング４０における下端部４８に磁石６０を固定したが、第２の実施形態では、下端部４８に点検カバーを取り付け、この点検カバーに磁石６０を固定する点である。
なお、この第２の実施形態においては、第１の実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

〔永久磁石式電動機の構成〕
図７及び図８に示すように、本実施形態の永久磁石式電動機７０では、ケーシング４０における下端部４８に、ケーシング４０の内部と外部とを連通する点検口７１が形成されており、この点検口７１を下方から塞ぐように点検カバー７２が着脱自在に取り付けられている。

点検口７１は、例えば平面視矩形状の開口とされている。点検カバー７２は、この点検口７１よりも大きい平面視矩形状の板状パネルであり、図示の例では合計４つのボルト７３によりケーシング４０の下方から取り付けられている。そして、この点検カバー７２の上面に２つの磁石６０が固定されている。

〔作用効果〕
本実施形態の永久磁石式電動機７０によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏功することができることに加え、点検カバー７２を取り外すことで、例えば車体２の床下に潜り込んだ作業員が、床下に設置されているその他の搭載機器等に邪魔されることなく、点検口７１を通じてケーシング４０の内部を容易に点検することが可能である。

そして、ケーシング４０の内部を点検する際に、同時に点検カバー７２に固定されている磁石６０を清掃することが可能である。従って、磁石６０に吸着されている磁性物質Ｍを除去することができ、例えば吸着した磁性物質Ｍによって磁石６０が覆われることによる磁力低下を抑制することができる。そのため、適切な磁力を継続的に維持し易く、冷却風Ａに含まれる磁性物質Ｍの除去を安定して行うことができる。

〔第２の実施形態の変形例〕
上述した第２の実施形態では、ボルト７３を利用して点検カバー７２を着脱自在に固定したが、ボルト７３による固定方法に限定されるものではない。例えば、ワンタッチで着脱できるような固定手段で点検カバー７２を固定しても構わないし、その他の既知な方法で点検カバー７２を着脱自在に固定しても良い。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。
第２の実施形態との異なる点は、第２の実施形態では、点検カバー７２に磁石６０だけが固定されていたが、第３の実施形態では、点検カバー７２に冷却風Ａの流れを変えるガイドがさらに取り付けられている点である。
なお、この第３の実施形態においては、第２の実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

〔永久磁石式電動機の構成〕
図９に示すように、本実施形態の永久磁石式電動機８０では、ケーシング４０の内部側に突出し、冷却風Ａの流れを磁石６０に向かう方向に促進するガイド（案内突片）８１が点検カバー７２に取り付けられている。
なお、本実施形態では、点検カバー７２に磁石６０が１つだけ取り付けられている場合を例にしている。

上記ガイド８１は、図９及び図１０に示すように、例えばアルミ板を途中で斜めに折り曲げることで形成された板片であり、磁石６０よりも一方のブラケット壁４５ｂ側に位置した部分で、点検カバー７２の上面から上方に向かって立設された垂直片８１ａと、この垂直片８１ａの上端部から一方のブラケット壁４５ｂに向かって斜め上方に延在したガイド片８１ｂと、を備えている。

〔作用効果〕
本実施形態の永久磁石式電動機８０によれば、第２の実施形態と同様の作用効果を奏功することができることに加え、吸入口４３を通じてケーシング４０の内部に上方から下方に向かって真っ直ぐに入気してきた冷却風Ａの流れを、図９に示すように、ガイド８１を利用して（主にガイド片８１ｂを利用して）変えることができ、磁石６０に向かう方向に促進（誘導）することができる。これにより、より積極的に冷却風Ａを磁石６０に当てることができ、磁性物質Ｍの除去をより効率良く行うことができる。

また、点検カバー７２を取り外した際に、磁石６０に加えてガイド８１についても清掃することが可能であるので、例えばガイド８１の汚れ等を落として表面を清浄な状態に維持できる。従って、冷却風Ａの促進を確実に行い易い。

〔第３の実施形態の変形例〕
上述した第３の実施形態では、ガイド８１をアルミ製としたが、アルミに限定されるものではなく、他の金属材料や金属以外の例えば樹脂材料で形成しても構わない。但し、耐久性等を考慮すると金属材料が好ましく、さらには軽量化の観点において鉄よりも比重の小さい金属材料が好ましい。

また、ガイド８１の形状としては、ステータコイル２１及びブラケット４５に干渉しない範囲で、ガイド片８１ｂが一方のブラケット壁４５ｂに極力接近するように、垂直片８１ａとの接続部分からガイド片８１ｂを斜め上方に長く形成することが好ましい。
このようにすることで、冷却風Ａの流れを広範囲に受け止めながら、磁石６０に向かう方向により積極的に促進することができる。従って、磁性物質Ｍの除去をさらに効率良く行うことができる。

また、上述した第３の実施形態において、図１１に示すように、磁性材料でガイド８１を形成してガイド８１の全体を磁化させても構わない。
この場合には、冷却風Ａの流れを磁石６０に向かう方向に促進しながら、冷却風Ａに含まれる磁性物質Ｍを磁力により吸着して、ガイド８１に吸着させることができる。従って、磁石６０に加えて、ガイド８１でも磁性物質Ｍを冷却風Ａから除去できるので、磁性物質Ｍの除去ポイントが２箇所に増え、冷却風Ａに含まれる磁性物質Ｍの除去を二段階に分けてより確実に行うことができる。

また、点検カバー７２を取り外した際に、ガイド８１に吸着されている磁性物質Ｍを清掃により除去することができる。従って、磁石６０を清掃する場合と同様に、例えば吸着した磁性物質Ｍによってガイド８１が覆われることによる磁力低下を防止することができるうえ、吸着した磁性物質Ｍによってガイド８１上を流れる冷却風Ａの流れが乱されてしまうことを防止することができる。このように、磁力によって磁性物質Ｍを吸着する点と、冷却風Ａの流れを磁石６０に向かう方向に促進させる点と、を同時に確実に満たすことができる。

なお、ガイド８１の全体を磁化させたが、全体ではなく少なくともガイド８１の一部が磁化されていても構わない。この場合には、例えばガイド８１の一部を磁性材料で形成したり、ガイド８１の一部に磁石６０等を埋め込んだりすることで、一部を磁化させれば良い。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明に係る第４の実施形態について説明する。
第３の実施形態との異なる点は、第３の実施形態では、冷却風Ａの流れを変えるガイド８１を点検カバー７２に設けたが、第４の実施形態では、点検カバー７２のさらに上流側に冷却風Ａの流れを変える上流ガイドがさらに取り付けられている点である。
なお、この第４の実施形態においては、第３の実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

〔永久磁石式電動機の構成〕
図１２に示すように、本実施形態の永久磁石式電動機９０では、ケーシング４０の内部に冷却風Ａの流れを磁石６０に向かう方向に促進する上流ガイド（案内部材）９１が取り付けられている。詳細には、上流ガイド９１は、点検カバー７２よりも吸入口４３に近く、且つステータコイル２１よりも径方向の内側に位置するように一方のブラケット壁４５ｂに取り付けられている。

この上流ガイド９１は、図１２及び図１３に示すように、例えばアルミ板を複数折り曲げることで形成された板片であり、一方のブラケット壁４５ｂから左右方向Ｌ２に沿ってケーシング４０の内部に突出した水平片９１ａと、水平片９１ａの先端部から斜め下方に折り曲げられた第１ガイド片９１ｂと、第１ガイド片９１ｂの先端部からさらに斜め下方に向けて折り曲げられた第２ガイド片９１ｃと、を備えている。この際、第２ガイド片９１ｃは、一方のブラケット壁４５ｂに向かって折り返されるように折り曲げられている。

しかも、図１４に示すように、上流ガイド９１は、ケーシング４０の内部を前後方向Ｌ１に横切るように、前後方向Ｌ１に沿って長尺に形成されている。そのため、吸入口４３を通じて上方から下方に向かって入気してくる冷却風Ａの全体が、上流ガイド９１に当たり易くなっている。

また、図１２及び図１３に示すように、上流ガイド９１のうち、水平片９１ａ及び第１ガイド片９１ｂには両者の接続部分を中心として冷却風Ａを通過させる風穴となる開口部９２が形成されている。これにより、ケーシング４０の内部に入気した冷却風Ａの大部分は開口部９２を通じて第２ガイド片９１ｃに当たって流れが変化する。

〔作用効果〕
本実施形態の永久磁石式電動機９０によれば、吸入口４３を通じてケーシング４０の内部に上方から下方に向かって真っ直ぐに入気してきた冷却風Ａが、図１２に示すように、開口部９２を通じて上流ガイド９１における第２ガイド片９１ｃに当たって流れの方向が変化する。これにより、冷却風Ａは、ステータコイル２１のコイルエンド２１ａに向かうので点検カバー７２に取り付けられたガイド８１に向かう方向に促進され、さらにこのガイド８１によって結果的に磁石６０に向かう方向に促進される。

このように、上流ガイド９１を設けることで、ケーシング４０の内部に入気してきた冷却風Ａの流れを早い段階で変えて、最終的には磁石６０に向かう方向に促進することができる。特に、冷却風Ａの流れを早い段階で変えることで、ステータコイル２１を迂回するように磁石６０に向けて促進することができる。そのため、冷却風Ａが磁石６０に到達する前の段階で、例えばエアギャップＧ側に流れてしまうことを抑制することができる。
従って、より積極的に冷却風Ａの大部分を磁石６０に当てることができ、磁性物質Ｍの除去をさらに効率良く行うことができる。

〔第４の実施形態の変形例〕
上述した第４の実施形態では、上流ガイド９１をアルミ製としたが、アルミに限定されるものではなく、他の金属材料や金属以外の例えば樹脂材利で形成しても構わない。但し、耐久性等を考慮すると金属材料が好ましく、さらには軽量化の観点において鉄よりも比重の小さい金属材料が好ましい。

また、上流ガイド９１の形状としては、ステータコイル２１に干渉しない範囲で、第２ガイド片９１ｃがステータコイル２１に極力接近するように、第１ガイド片９１ｂとの接続部分から第２ガイド片９１ｃを斜め下方に長く形成することが好ましい。このようにすることで、冷却風Ａの流れをステータコイル２１のコイルエンド２１ａに向かう方向に積極的に変えることができ、エアギャップＧ側に流れてしまうことを確実に抑制し易い。

さらに、上流ガイド９１に形成した開口部９２の形状や大きさは適宜変更して構わないが、できるだけ大きな開口とすることが好ましい。また、開口部９２の形成位置としては、ステータコイル２１のコイルエンド２１ａと鉄心押さえ２３との、左右方向Ｌ２の略中間部分の直上に位置するように形成することが好ましい。このようにすることで開口部９２を通じて、第２ガイド片９１ｃで冷却風Ａを効率良くキャッチして（受け止めて）、流れの方向を変えることができる。

また、上述した第４の実施形態において、図１５に示すように、例えば磁性材料でガイド８１を形成することで、ガイド８１の全体を磁化させても構わない。
この場合には、第３の実施形態における変形例で説明した場合と同様に、上流ガイド９１を経由してきた冷却風Ａの流れを、さらに磁石６０に向かう方向に促進しながら、冷却風Ａに含まれる磁性物質Ｍを磁力により吸着してガイド８１に吸着させることができる。このとき、上流ガイド９１によって冷却風Ａを集中的にガイド８１に当てることができるので、磁性物質Ｍをさらに効率良くガイド８１に吸着させて除去することができる。

＜第５の実施形態＞
次に、本発明に係る第５の実施形態について説明する。
第３の実施形態との異なる点は、第３の実施形態では、冷却風Ａの流れを変えるガイド８１を点検カバー７２に設けたが、第５の実施形態では、冷却風Ａの流れに対して直交するように配置された磁性板が、点検カバー７２にさらに取り付けられている点である。
なお、この第５の実施形態においては、第３の実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

〔永久磁石式電動機の構成〕
図１６に示すように、本実施形態の永久磁石式電動機１００では、冷却風Ａの流れに対して直交するように配置された磁性板１０１が点検カバー７２に取り付けられている。この磁性板１０１は、例えば磁性材料により形成された板片であり、全体が磁化されている。そして、この磁性板１０１は、磁石６０よりもステータ鉄心２２側に位置した部分で、点検カバー７２の上面から上方に向かって立設されている。また、磁性板１０１の略中心には、冷却風Ａを通過させる風穴である流通口１０１ａが形成されている。

なお、図示の例では、点検カバー７２に取り付けられているガイド８１は全体が磁化されている。但し、ガイド８１は磁化されていなくても構わない。

〔作用効果〕
本実施形態の永久磁石式電動機１００によれば、第３の実施形態と同様の作用効果を奏功することができることに加え、ガイド８１によって流れの向きが変わった冷却風Ａを、最終的に磁性板１０１で受け止めることができる。従って、磁石６０では除去しきれなかった磁性物質Ｍを、磁性板１０１による磁力で吸着することができ、磁性物質Ｍの除去をさらに効率良く行うことができる。

しかも、磁性板１０１に到達した冷却風Ａは、流通口１０１ａを通じて磁性板１０１を通過するので、磁性板１０１によって冷却風Ａの流れが妨げられてしまい難く、例えば無用な乱流や渦流等が発生し難い。従って、磁性板１０１によって磁性物質Ｍが除去された清浄な冷却風Ａを、流通口１０１ａを通じてステータ鉄心２２側へ流すことができ、その後、例えばエアギャップＧ等に速やかに向かわせて冷却に寄与させることができる。

また、点検カバー７２を取り外した際に、磁性板１０１に吸着されている磁性物質Ｍを清掃により除去することができるので、磁石６０及びガイド８１を清掃する場合と同様に、例えば吸着した磁性物質Ｍによって磁性板１０１が覆われることによる磁力低下を防止することができる。

〔第５の実施形態の変形例〕
上述した第５の実施形態では、磁性板１０１に流通口１０１ａを形成したが、この流通口１０１ａは必須なものではなく形成しなくても構わない。但し、上述したように速やかな冷却を行える点で形成した方が好ましい。特に、流通口１０１ａを形成した場合、例えばステータ鉄心２２及び鉄心押さえ２３を左右方向Ｌ２に貫通する風穴であるダクトを形成することが好ましい。このようにすることで、流通口１０１ａを通過した清浄な冷却風Ａを、すみやかにダクトに流入させて固定子２０の冷却を効率良く行うことができる。
また、磁性板１０１の形状としては、ステータコイル２１に干渉しない範囲で、極力上方に向けて突出させることが好ましい。

＜第６の実施形態＞
次に、本発明に係る第６の実施形態について説明する。
第５の実施形態との異なる点は、点検カバー７２のさらに上流側に冷却風Ａの流れを変える上流ガイドがさらに取り付けられている点である。
なお、この第６の実施形態においては、第５の実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。

〔永久磁石式電動機の構成〕
図１７に示すように、本実施形態の永久磁石式電動機１１０では、ケーシング４０の内部に第４の実施形態で説明した上流ガイド９１が取り付けられている。従って、この上流ガイド９１については、その説明を省略する。
つまり、本実施形態の永久磁石式電動機１１０は、ケーシング４０の内部に取り付けられた上流ガイド９１と、点検カバー７２に取り付けられたガイド８１、磁石６０及び磁性板１０１と、を備えている。

〔作用効果〕
本実施形態の永久磁石式電動機１１０によれば、上流ガイド９１を備えているので、吸入口４３を通じてケーシング４０の内部に上方から下方に向かって真っ直ぐに入気してきた冷却風Ａの流れを早い段階で変えて、点検カバー７２に取り付けられたガイド８１に向かう方向に促進することができる。これにより、冷却風Ａが磁石６０に到達する前の段階で、例えばエアギャップＧの方向に流れてしまうことを抑制することができる。
そして、点検カバー７２に取り付けられたガイド８１が、冷却風Ａに含まれる磁性物質Ｍを磁力による吸着によって除去しながら、冷却風Ａの流れをさらに磁石６０に向かう方向に促進する。その後、磁石６０がガイド８１で除去しきれなかった磁性物質Ｍを磁力による吸着によって冷却風Ａから除去する。さらに、その後、磁性板１０１が磁石６０で除去しきれなかった磁性物質Ｍを磁力による吸着によって冷却風Ａから除去する。

このように、本実施形態によれば、上流ガイド９１、ガイド８１、磁石６０及び磁性板１０１を備えているので、冷却風Ａに含まれる磁性物質Ｍを３段階で除去でき、最も効率良く磁性物質Ｍの除去を行うことができ、より清浄な冷却風Ａを利用して固定子２０及び回転子３０の冷却を行うことができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記各実施形態では、鉄道車両の一例として電気機関車１を例に挙げて説明したが、この場合に限られず、その他の鉄道車両でも構わない。その際、ブロア４の設置場所としては、車体２における機器室内の床上に限定されるものではなく、鉄道車両の種類等に応じて適宜変更して構わない。

また、上記各実施形態では、ブロア４を利用して永久磁石式電動機に対して冷却風Ａを強制的に供給した場合を例に挙げて説明したが、この場合に限定されるものではなく、例えば走行に伴ってケーシング４０の内部に入気してくる走行風を冷却風Ａとして利用しても構わない。

また、上記各実施形態では、磁性体の一例として磁石６０を採用した場合を例に挙げて説明したが、磁石６０に限定されるものではない。例えば、磁性粉を蒸着等によって被膜させた磁性膜や、磁性粉と合成ゴムとを混合させたマグネットシート等を磁性体として用いても構わない。

さらに、上記各実施形態では、回転子３０が固定子２０よりも径方向の内側で回転するインナーロータータイプの永久磁石式電動機を例に挙げて説明したが、これとは逆に、回転子３０が固定子２０よりも径方向の外側で回転するアウターロータータイプの永久磁石式電動機としても構わない。

Ａ…冷却風
Ｇ…エアギャップ
Ｍ…磁性物質
Ｏ…軸線
Ｌ１…前後方向
Ｌ２…左右方向
Ｌ３…上下方向
１…電気機関車
２…車体
３、７０、８０、９０、１０、１１０…永久磁石式電動機
４…ブロア（供給手段）
５…架線
６…パンタグラフ
７…車輪
８…台車
９…緩衝装置
１０…車軸
１１…ギヤボックス
２０…固定子
２１…ステータコイル（コイル）
２１ａ…コイルエンド
２２…ステータ鉄心
３０…回転子
３１…ロータ軸
３１ａ…一方の端部
３２…ロータ鉄心
３３…永久磁石
３４…ロータ鉄心押さえ
３５…ロータダクト
３６Ａ、３６Ｂ、３７…カラー
４０…ケーシング
４１…フレーム
４１ａ…モータ吊り孔
４１ｂ…台車用取付孔
４１ｃ…ギヤボックス用取付孔
４２…ケーシング本体
４３…吸入口
４５…ブラケット
４５ａ…ブラケット筒
４５ｂ、４５ｃ…ブラケット壁
４６Ａ、４６Ｂ…ハウジング
４７Ａ、４７Ｂ…軸受
４８…下端部（対向部分）
５０…排気口
５５、５６…蓋体
６０…磁石（磁性体）
７１…点検口
７２…点検カバー
７３…ボルト
８１…ガイド（案内突片）
８１ａ…垂直片
８１ｂ…ガイド片
９１…上流ガイド（案内部材）
９１ａ…水平片
９１ｂ…第１ガイド片
９１ｃ…第２ガイド片
９２…開口部
１０１…磁性板
１０１ａ…流通口

Claims (8)

1. コイルを有する固定子と、
   永久磁石を有し、軸線回りに回転する回転子と、
   前記固定子及び前記回転子を内部に収容すると共に、外部から供給された冷却風を内部に入気させる吸入口、及び前記冷却風を外部に排気させる排気口が形成され、前記吸入口から前記排気口に向かう前記冷却風の流通経路を内部に有するケーシングと、を備え、
   前記ケーシングには、
   前記冷却風の流通経路の途中であって、前記吸入口とは前記軸線を挟んで径方向の反対側に位置する対向部分に磁性体が設けられていることを特徴とする永久磁石式電動機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式電動機において、
   前記ケーシングにおける前記対向部分には外部から着脱可能な点検カバーが設けられ、
   前記磁性体は、前記点検カバーに取り付けられていることを特徴とする永久磁石式電動機。
3. 請求項２に記載の永久磁石式電動機において、
   前記点検カバーには、前記ケーシングの内部側に突出すると共に、前記冷却風の流れを前記磁性体に向かう方向に促進する案内突片が設けられていることを特徴とする永久磁石式電動機。
4. 請求項３に記載の永久磁石式電動機において、
   前記案内突片の少なくとも一部は、磁化されていることを特徴とする永久磁石式電動機。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載の永久磁石式電動機において、
   前記ケーシングの内部には、前記冷却風の流れを前記磁性体に向かう方向に促進する案内部材が設けられていることを特徴とする永久磁石式電動機。
6. 請求項２から５のいずれか１項に記載の永久磁石式電動機において、
   前記点検カバーには、前記冷却風の流れに対して直交するように配置された磁性板が立設されていることを特徴とする永久磁石式電動機。
7. 請求項６に記載の永久磁石式電動機において、
   前記磁性板には、前記冷却風を通過させる流通口が形成されていることを特徴とする永久磁石式電動機。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の永久磁石式電動機と、
   前記吸入口を通じて前記冷却風を前記ケーシングの内部に供給する供給手段と、
   前記永久磁石式電動機及び前記供給手段が取り付けられた車体と、を備えることを特徴とする鉄道車両。

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