JP2015233376A

JP2015233376A - 回転電機または電車

Info

Publication number: JP2015233376A
Application number: JP2014119241A
Authority: JP
Inventors: 大祐郡; Daisuke Koori; 愼治杉本; Shinji Sugimoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-24

Abstract

【課題】簡易な構造を実現する回転電機または電車を提供することを目的とする。【解決手段】上記課題の解決のために、固定子巻線を有する固定子２と、固定子２と間隙を介して配置される回転子１と、固定子２及び回転子１を内部に有し、かつ液体を封入する筐体５，６と、回転子１に接続される回転軸４と、回転軸４の外周に配置されると共に、固定子巻線端部３よりも軸方向中心側に位置する軸受９，１０とを備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機または電車に関するものであり、特に回転電機の筐体内に液体を封入するものに関する。

モータの全閉化により周囲環境（鉄粉、粉じん等）の影響による信頼性低下を抑え、省メンテナンス化が推進されている。また、小型、軽量化による材料コスト低減及びビークル系モータ（鉄道、建設機械等）では燃費向上が求められる。これらの要求事項を満足するために、全閉型モータを積極的に採用している。全閉型モータは外部との空気を遮断するため、モータの発熱を冷却しづらく、モータ自体は開放型空冷モータよりも大型化する。また、全閉モータの冷却システムの大半は、モータ内部及び外部を空気により冷却している。全閉型空冷モータに対して、メンテナンスコストの低減及び、モータの小型、軽量化を図るには、液体冷媒による冷却システムを導入することで可能としている。

このような中、液体冷媒による冷却システムを導入したモータに関して、様々なモータ構造が検討されており、例えば特許文献1-3が挙げられる。
特許文献1は、電動機の冷却に潤滑油を用いて、回転子が回転子したことによる、圧力差を利用して回転子と固定子間のギャップに滞留する潤滑油を、負圧側に吸引して動力損失や発熱を防止するものである。この冷却機構はモータの回転子が、潤滑油と接触することによって発生する流体摩擦損失を低減させている。

特許文献2は冷媒を外部から供給し、軸受に冷媒を噴出させ軸受の潤滑と電動機の冷却を兼ねている。

特許文献3は電動機を冷却する冷媒に油を適用して、その冷却油は複雑な流路を必要とせず、電動機を冷却するものである。この冷却機構は、回転子が回転したことによる、旋回アクションにより、冷却油を跳ね上げて電動機内部のブラケット側面を伝って冷却油溜め部に循環させている。

特開2011-142785号公報特開2012-191718 号公報特開平11-041861号公報

しかし、各特許文献のいずれも軸受の冷却と潤滑とについて考慮したものはない。本発明は、簡易な構造を実現する回転電機または電車を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明に係る回転電機は、固定子巻線を有する固定子と、該固定子と間隙を介して配置される回転子と、前記固定子及び前記回転子を内部に有し、かつ液体を封入する筐体と、前記回転子に接続される回転軸と、前記回転軸の外周に配置されると共に、前記固定子巻線端部よりも軸方向中心側に位置する軸受とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電車は、上記回転電機と、前記回転電機に備えられる水冷ジャケットと、前記水冷ジャケットに水を供給するポンプと、前記回転軸の回転に伴って回転する車輪と、前記車輪の上方に設けられる台車とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構造を実現する回転電機または電車を提供することが可能になる。

回転電機の実施方法を示した説明図である。回転電機の回転子構造を示した説明図である。回転電機の回転子構造を示した説明図である。回転電機の回転子構造を示した説明図である。回転電機の実施方法を示した説明図である。回転電機の実施方法を示した説明図である。回転電機の実施方法を示した説明図である。回転電機の実施方法を示した説明図である。回転電機の実施方法を示した説明図である。回転電機の実施方法を示した説明図である。回転電機の実施方法を示した説明図である。回転電機を鉄道車両に実施した説明図である。回転電機をシステムに実施した説明図である。回転電機をシステムに実施した説明図である。回転電機をシステムに実施した説明図である。

以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。本発明によれば、複雑な液体の流路を構成せず、回転電機を効率良く冷却し、軸受の潤滑も兼ねることにより、体格の増加を抑え、製造コスト、メンテナンスコストを低減することが可能となる。

図1は、本発明の第1実施例となる回転電機の断面図である。主に、数百kW級の鉄道車両用に適用される、回転電機であり駆動電源は三相交流電源が供給され、回転速度は0〜6000min-1の範囲で回転する。この様な回転数は例示であり、本発明に係る回転電機の適用先も鉄道車両に限定するものではない。

図1に示すように、回転電機を大きく分けると、回転子1、固定子2、フレーム5に構成される。回転子1と固定子2の間には間隙が設けられ、回転子1が固定子2に対して回転できる様になっている。図2(a)には回転子1の断面図を示しており、回転子1は回転子鉄心23が軸方向に電磁鋼板にて積層されており、積層された、軸方方向端部には回転子鉄心23を拘束するためのコアクランプ25が締結される。回転子鉄心23に回転軸となるシャフト4が締結される。回転子1の外周部には銅バー22が周方向に配置される。回転子1の軸方向端部にはエンドリング7が配置され、銅バー22と電気的に接合している。固定子2の構造は固定子鉄心26が軸方向に電磁鋼板にて積層され、軸方向端部には固定子鉄心26を拘束するためのコアクランプ25が締結される。固定子鉄心26には周方向にコイルが施され、軸方向端部にはコイルエンド3が形成される。回転子1と固定子2を収納する筐体は、フレーム5とベアリングブラケット6にて構成される。固定子2はフレーム5に、固定される。ベアリングブラケット6はフレーム5に締結され、シャフト4を支持するころがり軸受9と深溝玉軸受10が配置される。これにより、両軸受は、シャフト4と筐体（本実施例におけるベアリングブラケット6）の間に配置される。回転電機内部を冷却する液体8は、回転子1のエンドリング7に浸かる程度に封入される。これにより、回転子1の旋回アクションにより、液体8は掻揚げられて、コイルエンド3や固定子2の液体8が溜まっていない側を冷却する。

ここで、ベアリングブラケット6に配置された、ころがり軸受9と深溝玉軸受10の位置は、コイルエンド3の軸方向端部となる、点線で図示した3aよりも、軸方向中心側に位置し、且つ、コイルエンド3よりも径方向に対して、内径側に配置する。旋回アクションにより、掻揚げられた液体8はコイルエンド3に飛沫状で接触する、接触した液体8は当然、重力により回転電機内部の下側に落下する。この時、落下する際、ころがり軸受9と深溝玉軸受10を上記で示した位置、即ちコイルエンド3の軸方向端部よりも、軸方向中心側に位置させることで、コイルエンド3に接触した液体8は、そのまま落下するのでは無く、ころがり軸受9と深溝玉軸受10を経由して落下する。また、その際、軸受部を液体8が流れやすくなるように、ベアリングブラケットは径方向内側に近付くにつれて軸方向中心側へ近付く傾斜部を備えている。これにより、固定子2とコイルエンド3を積極的に冷却しつつ、ころがり軸受9と深溝玉軸受10の冷却と潤滑も兼ねることが可能となる。こうすることで、液体8を循環させるための特殊で且つ、複雑な流路を必要としないため、回転電機の体格と製造コスト増加を抑制できる。

また、ころがり軸受9と深溝玉軸受10の潤滑は通常、グリースにより潤滑を行っている。そこで、例えば、液体8を潤滑油等にすれば、グリース潤滑に対して、軸受寿命を延ばすことが出来る。これにより、メンテナンス周期を伸ばすことが可能なり、メンテナンスコストも低減することが出来る。更に回転電機の体格、製造コストの観点でも、グリース給油機構等が必要無くなるため体格と製造コスト増加を抑制できる。

尚、本実施例では、軸受の種類を、直結側をころがり軸受9とし、反直結側を深溝玉軸受10としているが、これは熱膨張の対策としてこの組合せにしているが、どんな軸受の種類にしても上記で示した同様の効果を得られる。また、液体8の量は、回転子1のエンドリング7に浸かる程度としているが、回転子1に液体8が接触していれば、上記で説明した、液体8の循環経路を形成できる。即ち、静止時において、回転子が少なくとも浸る高さとすれば良く、かつ（軸受が常時液体に浸らない様に）軸受の上端よりも低い高さまで封入することが考えられる。液体量は冷却効果等を考慮しながら、任意に変えれば良い。

また、図示はしていないが、フレーム5とエンドブラケット6の接合面は液体が漏洩し無いように、Oリングやガスケット等のシール部材を適用する。本実施例の回転子は図2(a),(b)にも示しているが、回転子鉄心23に銅バー（導体）22を打ち込みにて形成し、銅バー22とエンドリング7は例えば、ろう付け等で接合している。銅バー22は回転子鉄心23の周方向に間隔を空けて複数配置されると共に、回転子鉄心23の端部から軸方向の外側へ突出する。そして、複数の導体の軸方向の端部にはエンドリング7が固定される。この様な構造となっているため、図2(b)に示す様に、エンドリング7と回転子鉄心23の端部の間に空隙29が形成される。その空隙29は、上記で説明した回転子の構成及び製造方法ならば、かご型誘導回転電機の場合、必然的に設けられる空隙となる。その空隙があることで、液体8は空隙29に侵入するので、回転子の旋回アクションによる掻揚げ効果を向上させることが出来る。これにより、液体8の掻揚げ量が増加するため、冷却及び潤滑効果を向上することができる。

また、図3に、銅バー22及びエンドリング7をアルミダイカストにて形成した回転子を示す。図3に示すように、アルミダイカストにて回転子を形成した場合、アルミバー24は回転子鉄心23より突出した構造となる。これは、既存の空冷で冷却する回転電機において、回転子1の端部をアルミバー24にて突出させることにより、空気を流すためのファン効果を得るための構造である。本実施例のように、回転子1の旋回アクションによる掻揚げ効果を得る場合にも有効である。すなわち、かご型誘導回転電機であれば、空冷機の回転子構造をそのまま適用することが可能となる。これにより、製造部品が共用できるためコストを低減することができる。本実施例では、かご型誘導回転電機を例にして説明しているが、永久磁石回転電機の場合、回転子の端部に掻揚げ効果を期待できる、部品や構造にすることで、同様の効果を得られる。

図4に第2実施例となる、軸受に液体が流れるように空孔を設けた図を示す。上記実施例と重複する点については説明を省略する。（以下の実施例でもやはり重複する点については説明を省略している。）図4に示すように、ころがり軸受9と深溝玉軸受10へ液体8が流れやすくなるように、ベアリングブラケット6には、軸受の上方と下方のそれぞれに軸受及び筐体内に連通する空孔部11a、11bを設けている。軸受の上方、下方とは必ずしも一直線でなければならない訳ではなく、また必ずしも鉛直方向で上または下にならなくとも良い。空孔部11a、11bが跳ね上げられた後、落ちてきた液体8を軸受に流して排出する流路になる。即ち、本実施例によれば、液体8が通過できるように単純な空孔を設けることで、軸受に潤滑となる液体8が侵入しやすくなるため、潤滑効果と軸受の冷却効果を向上することが出来る。

図5に第3実施例となる、軸受周りに液体の漏洩を防止するための、シール部材を設けた拡大図を示す。本実施例では、軸受よりも軸方向外側に、シャフト4と筐体との間を封止するシール部材を備えている。具体的には、図5に示すように、ころがり軸受9の外側にシール部材12とシール部材12を固定する固定プレート13を設けている。シール部材12を設けることで、内部の液体8が外に漏洩することを防止できる。無論、反直結側の深溝玉軸受10でも同様の構造にすることができる。

図6に第4実施例となる、軸受周りに液体の漏洩を防止するための、ラビリンスシールを設けた拡大図を示す。本実施例では、軸受よりも軸方向外側に、シャフト4と筐体との間を封止するラビリンス部材を備えている。具体的には、図6に示すように、ラビリンス部27を形成したベアリングボックス14と同様にラビリンス部27を形成したストッパー15を設けている。ストッパー15はシャフト4と焼き嵌めにて締結しているため、回転する可動部材となる。ころがり軸受9はベアリングボックス14に収納されており、ベアリングボックス14はベアリングブラケット6と締結されている。よって、ベアリングボックス14は回転しない固定部となる。固定部となる、ベアリングボックス14とベアリングブラケット6の間には、Oリング16を設けている。このように、ラビリンスシール構造にすることで、内部の液体が外に漏洩することを防止できる。また、ラビリンスシールは可動部と固定部で接触する部分が無く、摺動摩擦等による損失が無いため、発熱が発生せず、回転電機としての効率を低下させずに液体8の漏洩を防止することができる。無論、反直結側の深溝玉軸受10でも同様の構造にすることができる。尚、本実施例では固定部材の漏洩防止にOリング16を適用しているが、その他のシール部材を適用しても問題無い。

図7に第5実施例となる、フレーム及びベアリングブラケットに冷却フィンを設けた図を示す。図7に示すように、フレーム5及びベアリングブラケット6の外周に冷却フィン17、18を設けている。冷却フィン17を設けることで、回転電機の冷却及び液体8の冷却性能を向上することができる。特に鉄道車両用の回転電機では、走行風を積極的に冷媒とし活用するため、冷却フィン17、18は冷却性能の向上には有効である。また、液体8が接触している表面にのみ、冷却フィン17、18を設けても良い。これにより、液体8の熱交換効率を向上させることができるため、結果的に内部の冷却性能を向上することに繋がる。尚、冷却フィン17、18は回転電機の温度や冷却したい部分を考慮して、冷却フィン17、18の設置数を決めれば、必要以上に回転電機の質量を増加させず冷却性能の向上が図れる。

図8に第6実施例となる、フレーム外周に水冷装置を設けた図を示す。図8に示すように、フレーム5の外周に水冷ジャケット19を設けている。フレーム5と水冷ジャケット19の間に、冷却液体が流れる流路（水冷の場合水冷流路）20が形成されている。水冷ジャケット19を設けることで、回転電機の冷却及び液体8の冷却性能を向上することができる。回転電機自体が、全体のシステムに覆われてしまい、外部空気による熱交換等が期待できない場合は、特に有効である。実施例5と同様に、液体8の熱交換効率を向上させることができるため、結果的に内部の冷却性能を向上することに繋がる。尚、流路20は例えば、径方向で軸方に向かって螺旋状に形成、或いは、軸方向に液体8を流し、軸方向端部でターンしながら周方向に沿って形成する流路としても問題無い。また、本実施例のように、流路20自体を直接、フレーム5に形成した方が冷却性能の効率低下を防止できる。しかしながら、図9に示すように、水冷装置28として、流路20を別形成して、フレーム5の内部などに締結しても良い。このような構成にすると、組み立て性能の向上が図れる。

図10に第7実施例となる、回転子1の軸方向両端部に薄板円板を設けた図を示す。本実施例では、シャフト4に接続されると共に、回転子1の軸方向両外側に配置される円板を備える。具体的には、図10に示すように、回転子1の軸方向両端部に薄板円板21を設けている。薄板円板21を設けることで、薄板円板21の表面に液体8が付着し、遠心力により液体8を掻揚げ、飛散させることが可能となる。これにより、液体8の掻揚げ量が増加し、冷却及び軸受潤滑の性能向上が図れる。また、液体8が溜まっている部分を撹拌することができる。液体8を撹拌することで、液体8が溜まっている部分の温度部分を平準化することができ、空冷フィン17、18や水冷ジャケット19、水冷装置28による、液体8の熱交換効率を向上させることができ、冷却性能の向上が図れる。

図11は、本発明の回転電機を電車に適用した例を示す。電車100は、車輪の上方に配置される台車102に第1実施例から第7実施例で示した、回転電機103、ギア104、回転電機103の回転に伴って回転軸やギア104を介して回転する車輪101を備え、回転電機103がギア104を介して車輪101を駆動する。また、回転電機103は図中では2台だが、1台又は2台以上となる複数台、搭載し駆動することも可能である。本実施例の回転電機、電源、補機の構成を図12〜14に示す。図12には、回転電機103を駆動するための電源105があり、電源105から回転電機103には三相交流電圧107が供給される。回転電機103は本実施例6で示した、水冷ジャケット19を搭載した回転電機であり、冷媒となる冷却水108は、ポンプ106にて冷却水が送り込まれる。また、電源105にも水冷機能が備えられている。回転電機103及び電源105を冷却して、温度が高くなった冷却水は熱交換器112にて、冷却水の温度が下げられ、再び回転電機103及び電源105に供給される。このように水冷機能を備えた機器に対しては、冷却水をシステム全体に適用することが可能となる。また、図13には図12の構成に対して、回転電機103の内部液体8を液体用ポンプ109にて循環させることができる。図13の液体流れ110に示すように、回転電機103の上部に液体を流すことで、固定子2の温度をより低減することができる。更に図14は図13の構成に対して、液体8を熱交換するための液体用熱交換器111を設けることで、回転電機103の冷却性能を向上することができる。尚、図12〜14に示している、矢印は冷却水108及び液体8の流れる向きを示している。

1 回転子
2 固定子
3 コイルエンド
3a コイルエンド軸方向端部
4 シャフト
5 フレーム
6 ベアリングブラケット
7 エンドリング
8 液体
9 ころがり軸受
10 深溝玉軸受
11a、11b 空孔
12 シール部材
13 ストッパー
14 ベアリングボックス
15 ストッパー
16 Oリング
17、18 冷却フィン
19 水冷ジャケット
20 流路
21 薄板円板
22 銅バー
23 回転子鉄心
24 アルミバー
25 コアクランプ
26 固定子鉄心
27 ラビリンス部
28 水冷装置
29 空隙
100 電車
101 車輪
102 台車
103 回転電機
104 ギア
105 電源
106 ポンプ
107 三相交流電圧
108 冷却水
109 液体用ポンプ
110 液体流れ
111 液体用熱交換器
112 熱交換器

Claims

固定子巻線を有する固定子と、
該固定子と間隙を介して配置される回転子と、
前記固定子及び前記回転子を内部に有し、かつ液体を封入する筐体と、
前記回転子に接続される回転軸と、
前記回転軸の外周に配置されると共に、前記固定子巻線端部よりも軸方向中心側に位置する軸受とを備えることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、前記筐体は前記軸受の外周に配置されるベアリングブラケットを備えることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機であって、前記ベアリングブラケットは径方向内側に近付くにつれて軸方向中心側へ近付く傾斜部を備えることを特徴とする回転電機。
請求項２または３に記載の回転電機であって、更に前記ベアリングブラケットには、前記軸受の上方に、前記軸受と前記筐体内に連通する第１の流路と、前記軸受の下方に、前記軸受と前記筐体内に連通する第２の流路が備えられることを特徴とする回転電機。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機であって、更に前記回転子は回転子鉄心と、前記回転子鉄心の周方向に間隔を空けて複数配置されると共に、前記回転子鉄心端部から前記軸方向の外側へ突出する導体と、該複数の導体の前記軸方向の端部に固定されるエンドリングとを備えることを特徴とする回転電機。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回転電機であって、更に前記軸受よりも前記軸方向の外側に、前記回転軸と前記筐体との間を封止するシール部材を備えることを特徴とする回転電機。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回転電機であって、更に前記軸受よりも前記軸方向の外側に、前記回転軸と前記筐体との間を封止するラビリンス部材を備えることを特徴とする回転電機。
請求項７に記載の回転電機であって、前記ラビリンス部材は前記筐体と連結されるベアリングボックスに形成され、
更に前記筐体と前記ベアリングボックスの間に配置されるシール部材とを備えることを特徴とする回転電機。
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の回転電機であって、更に前記筐体は外周に冷却フィンを備えることを特徴とする回転電機。
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の回転電機であって、更に前記回転軸に接続されると共に、前記回転子の前記軸方向の両外側に配置される円板を備えることを特徴とする回転電機。
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の回転電機であって、前記液体は潤滑油であることを特徴とする回転電機。
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の回転電機であって、前記筐体はフレームを備え、
更に前記フレームの内部に、または前記フレームの外周に水冷ジャケットを設けて該水冷ジャケットと該フレームの間に、液体流路が形成されることを特徴とする回転電機。
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の回転電機と、前記回転電機に備えられる水冷ジャケットと、前記水冷ジャケットに水を供給するポンプと、前記回転軸の回転に伴って回転する車輪と、前記車輪の上方に設けられる台車とを備えることを特徴とする電車。