JP2017208874A - 回転電機、回転電機駆動システム及び鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンを有する回転電機のメンテナンス性を維持するとともに、冷却ファンの回転によって生じる機械損及び騒音を低減し、回転電機の効率を更に向上し、かつ、回転電機の低騒音化を実現する。【解決手段】固定子と、回転子と、回転子の回転軸であるシャフトと、フレームと、第１の軸受と、第２の軸受と、冷却ファンと、第３の軸受と、トルクリミッタと、を備えた回転電機であって、第１の軸受及び第２の軸受は、シャフトを回転可能に支持し、第３の軸受は、第１の軸受と第２の軸受との間に配置され、冷却ファンは、第３の軸受により回転可能に支持され、回転子と同一の回転軸を有し、トルクリミッタは、シャフトに固定された内輪部と、冷却ファンに固定された外輪部と、を有し、内輪部と外輪部とは、所定の回転数以上で非同期回転となる。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機、回転電機駆動システム及び鉄道車両に関する。

電動機や発電機等の回転電機は、多くの産業分野で使用されているが、社会的な傾向として省エネルギー、省資源の要請に応えた回転電機を提供することが求められている。このために、回転電機の高効率化を目的とした多くの改良技術が提案されており、大きな主題となっている。

鉄道車両用の回転電機を例に挙げると、従来の「開放モータ」と呼ばれる回転電機から、近年は「全閉モータ」と呼ばれるものに置き換えが進んでいる。全閉モータは、高効率、省メンテナンス及び低騒音の特徴を有する。

開放モータは、外気を直接的に機内に取り込む冷却方式となっている。これに対し、全閉モータは、外気を機内に取り込まず、フレーム内部で循環させた内気を、外気と熱交換する冷却方式を採用している。機内に外気を取り込まないため、鉄粉や塵埃などによる汚損がなく、機内の気吹き清掃の作業等が不要となり、メンテナンス性に優れる特徴を持つ。

特許文献１には、従来の開放モータにおいて、冷却ファンの通風騒音を低減するために、冷却ファンを回転子軸から離して他の部材に回転可能に支承して設け、この冷却ファン及び回転子軸のいずれか一方に永久磁石を装備し、他方にそれと対向するヒステリシス材又は永久磁石を装備した回転電機が開示されている。

特許文献２には、回転電機の無負荷運転時に冷却ファンによる回転抵抗を低減するために、シャフトに対して回転自在かつ軸方向に可動な軸受を介して冷却ファンを接続した構成であって、ロータからの漏洩磁束によりロータの回転軸方向の端面に冷却ファンが固着されるものが開示されている。

実開平２−１１０９６６号公報 特開２００５−２９５７３９号公報

開放モータに用いられる、外気を取り入れる冷却ファンは、第３の軸受に鉄粉などが入りやすくメンテナンスの頻度が高くなること、従来は、冷却ファンの軸受よりも摩耗が進みやすい回転子の軸受の交換や、回転子の軸受への給油の際、冷却ファンの軸受を取り外す必要があった。

全閉モータは、開放モータに比べ、冷却性能は低下する。このため、全閉モータは、固定子巻線、回転子の導体、鉄心等に低損失の材料を適用するほか、構造を改良することにより、低損失化（高効率化）を図り、発熱を抑制している。

全閉モータにおいては、冷却ファンがフレームの内部に収容されているため、鉄道車両用の回転電機の主たる騒音源であるファン騒音を低減することが可能である。

これまでは、主に定格出力点（中速域）の効率を中心に改善が進められてきた。一方で、低速域や高速域は、中速域に比べると回転電機の効率は低く、改善の余地が大きい。特に、高速域に着目すると、回転電機の全損失の内、機械損が最も大きい割合を占める。高速域の機械損を低減する手段として、一般的には、冷却ファンに生じる圧力差（ファンの内径と外径との差）を小さくすることや、回転電機の各所の通風抵抗を小さくすることが挙げられる。しかし、これらの手段では、冷却性能（風量）を低下させてしまう問題点がある。

以上より、全閉モータの省メンテナンス性を維持した上で、更なる高効率化及び低騒音化技術の提案が必要である。

特許文献１は、開放モータに関するものであり、上記の課題を想定したものではない。

特許文献２に記載の冷却ファンは、ロータからの漏洩磁束によりロータの回転軸方向の端面に固着されるものであり、ロータの高速回転時に同じ速度で冷却ファンが回転するため、冷却ファンの騒音の問題は解決されない。

本発明の目的は、冷却ファンを有する回転電機のメンテナンス性を維持するとともに、冷却ファンの回転によって生じる機械損及び騒音を低減し、回転電機の効率を更に向上し、かつ、回転電機の低騒音化を実現することにある。

本発明の回転電機は、固定子と、回転子と、回転子の回転軸であるシャフトと、フレームと、第１の軸受と、第２の軸受と、冷却ファンと、第３の軸受と、トルクリミッタと、を備え、第１の軸受及び第２の軸受は、シャフトを回転可能に支持し、第３の軸受は、第１の軸受と第２の軸受との間に配置され、冷却ファンは、第３の軸受により回転可能に支持され、回転子と同一の回転軸を有し、トルクリミッタは、シャフトに固定された内輪部と、冷却ファンに固定された外輪部と、を有し、内輪部と外輪部とは、所定の回転数以上で非同期回転となる。

本発明によれば、冷却ファンを有する回転電機のメンテナンス性を維持するとともに、冷却ファンの回転によって生じる機械損及び騒音を低減し、回転電機の効率を更に向上し、かつ、回転電機の低騒音化を実現することができる。

実施例１の回転電機を示す部分縦断面図である。 実施例１のカップリング磁石を示す部分断面図である。 カップリング磁石の空隙間に生じるトルク波形の一例を示すグラフである。 冷却ファンによる軸動力の一例を示すグラフである。 本発明のファン及び従来のファンの実験結果を示すグラフである。 カップリング磁石の変形例を示す部分断面図である。 カップリング磁石の変形例を示す部分断面図である。 カップリング磁石の変形例を示す部分断面図である。 実施例１の回転電機の変形例を示す部分縦断面図である。 実施例２の回転電機を示す部分縦断面図である。 実施例３の回転電機を示す部分縦断面図である。 実施例４の回転電機を示す部分縦断面図である。 実施例５の回転電機を示す部分縦断面図である。 図１１Ａの内扇冷却ファン３０の固定手段を拡大して示す部分縦断面図である。 図１１Ｂの内扇冷却ファン３０及びハウジングケース３６の形状を拡大して示す部分横断面図である。 図１１Ａの内扇冷却ファン３０及びハウジングケース３６の形状の他の例を示す部分横断面図である。 図１１Ａの回転電機の分解の手順を示す部分縦断面図である。 図１１Ａの回転電機の分解の手順を示す部分縦断面図である。 図１１Ａの回転電機の分解の手順を示す部分縦断面図である。 実施例６の回転電機を示す部分横断面図である。 実施例７の回転電機の配置を示すシステム構成図である。 実施例７の回転電機駆動システムを有する鉄道車両の一部を示す概略構成図である。

本発明は、回転電機、回転電機駆動システム及び鉄道車両に係り、特に、軸受の保守に関するメンテナンス性を維持しつつ、冷却ファンの回転によって回転電機に生じる機械損、騒音を低減できる構造を備えた回転電機に関するものである。

本発明は、全閉モータの省メンテナンス性を維持しつつ、高速域における機械損と騒音を低減する技術である。

以下、本発明の実施例を図面に従い詳細に説明するが、本発明においては複数の実施例を提案している。したがって参照番号が同一のものは同一の構成要件或いは類似の機能を備えた構成要件を示している。尚、下記はあくまでも実施例に過ぎず、本発明の実施態様が下記具体的態様に限定されることを意図する趣旨ではない。

図１は、本実施例の回転電機の回転軸を含む平面における部分断面を示したものである。

本図において、回転電機１は、固定子１０と、回転子２０と、シャフト２５と、フレーム２と、を備えている。

固定子１０は、軸方向に連続的に形成された固定子スロット１２を内周部に設け、かつ、電磁鋼板等の薄鋼板を軸方向に沿って複数枚積層された固定子鉄心１１と、固定子スロット１２に巻装された固定子巻線１３と、を含む。固定子鉄心１１は、固定子鉄心押さえ１４により両端部を固定されている。

回転子２０は、シャフト２５に固定され、シャフト２５とともに回転するようになっている。固定子１０及び回転子２０は、同一の中心軸を有する。固定子１０と回転子２０との間には、空隙が設けられ、互いに直接は接触しないように配置されている。

回転子２０は、回転子鉄心２４と、回転子バー２２と、を含む。回転子鉄心２４は、軸方向に連続的に形成された複数の回転子スロット２１を外周部に設け、かつ、電磁鋼板等の薄鋼板を軸方向に沿って複数枚積層されている。回転子バー２２は、軸方向に延びる複数の回転子スロット２１に挿入された銅等の導体から成る。そして、複数の回転子バー２２の両端部は、エンドリング２３でろう付けにより固定されている。エンドリング２３は、円環状の導体である銅等からなり、複数の回転子バー２２を電気的に接続している。エンドリング２３は、リテイニングリング２９により保持されている。回転子鉄心２４の両端面には、回転子鉄心押さえ２６が設けられている。

シャフト２５は、フレーム２の両端部で軸受により支持され、回転摺動する。フレーム２の両端部の軸受の内、負荷が接続される直結側を第１の軸受３２と、他方の反直結側を第２の軸受３３と定義する。

フレーム２の内部の空間には、内扇冷却ファン３０が配置されている。内扇冷却ファン３０は、回転電機１の内部で冷却風を循環する機能を有する。回転子２０には、通風孔２７が設けられている。この通風孔２７により、内扇冷却ファン３０により発生する風がフレーム２の内部全体に流れるようになる。また、内扇冷却ファン３０は、軸受冷却用の補助ファン３１を有している。

本実施例においては、内扇冷却ファン３０は、第１の軸受３２と第２の軸受３３との間に設けられた第３の軸受３４及びカップリング磁石３５を収容するハウジングケース３６の外周側に付設されている。カップリング磁石３５は、内輪と外輪とに分割された二重の円筒磁石から成る。ハウジングケース３６の外輪部は、回転した際に回転軸の中心がずれないように、第３の軸受３４で支持されている。

図２は、図１のカップリング磁石３５を軸方向から見た断面を示したものである。ここでは、一例として四極の構成を示すが、極数は何極でもよく、これに限定されるものではない。

図２に示すように、カップリング磁石３５の二重円筒間の空隙３８に発生する磁力によって、ハウジング３６の内扇冷却ファン３０が接続される外輪部と、シャフト２５に接続される内輪部とは、磁気的な力によって結合されている。

図３は、図２のカップリング磁石３５の空隙３８に生じるトルク波形の一例を示したグラフである。横軸にカップリング磁石３５の回転数、縦軸にトルクをとっている。

図２に示す四極のカップリング磁石３５の一方が相対的に回転した場合に、カップリング磁石３５の内輪と外輪との間の空隙３８には、磁石の吸引、反発力によってトルクが発生する。カップリング磁石３５の内輪と外輪とでＮ極とＳ極とが対向している場合は、空隙３８に生じるトルクはゼロであり、相対的に機械角が変化した際に磁石間の吸引、反発力によって最大Ｔ_ｍａｘの大きさを持つトルクが生じる。

図４は、冷却ファンによる軸動力の一例を示すグラフである。横軸に冷却ファンの回転数、縦軸に冷却ファンによる軸動力Ｔ_ｆａｎをとっている。

内扇冷却ファン３０は、回転速度に応じて風量が変化すると、Ｔ_ｆａｎとして示す軸動力がシャフト２５の回転方向に対して逆向きに生じる。なお、軸受の摩擦力は、ファンの軸動力に対しては十分に小さく無視できる程度の大きさである。つまり、シャフト２５が回転した際に、Ｔ_ｆａｎ＜Ｔ_ｍａｘとなる速度域では、カップリング磁石３５の磁力によって内輪と外輪は同期して回転し、Ｔ_ｆａｎ＞Ｔ_ｍａｘとなる速度域では、カップリング磁石３５の外輪が、シャフトに接続されている内輪部分の回転に追従できない状態になり、遅れて非同期で回転することとなる。

本図において、冷却ファンの回転数が低く冷却ファンによる軸動力がＴ_ｍａｘに達するまでは同期回転である。すなわち、Ｔ_ｆａｎ＜Ｔ_ｍａｘでは、シャフト２５の回転数と冷却ファンの回転数とがほぼ等しくなっている。一方、冷却ファンの回転数が高くなり、Ｔ_ｆａｎ＞Ｔ_ｍａｘとなった状態では、非同期回転となる。

この同期回転、非同期回転の切り替えは、界磁電流等による制御も必要なく、回転速度によって受動的に切り替えることができる。

以上のように、所定の回転速度以上で、内扇冷却ファン３０がシャフト２５から切り離され、非同期状態で遅れて回転するようになるため、シャフト２５の高速域における内扇冷却ファン３０の風量および騒音を低減することが可能となる。なお、所定の回転速度以上となり、一旦高速域で非同期回転した場合でも、再度低速域まで速度が下がれば、同期回転に戻ることが可能である。

図５は、本発明のファン及び従来のファンの実験結果を示すグラフである。横軸はシャフト２５の回転速度を示しており、縦軸は冷却ファン３０の回転速度を示している。

シャフト２５の回転速度を増加させると、従来の冷却ファンは、シャフト２５に接続されているため、シャフト２５と同一の回転速度となる。これに対し、本発明の内扇冷却ファン３０は、一定速度以上になると非同期で回転し、おおよそ一定の速度となる。

なお、ハウジングケース３６の材料は、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼、樹脂等を適宜選択して用いる。カップリング磁石３５の磁力を向上したい場合には、磁性材料を用いて漏れ磁束を減らせばよく、強度を優先したい場合はステンレス鋼を使用する。これらの材料は併用して使用しても構わない。

また、カップリング磁石３５の材料には、フェライト磁石、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石等を使用し、所望の磁力を得て、減磁しないように、温度等の使用環境に応じて適切に選択する。また、カップリング磁石３５は、必ずしも磁石での構成に限定される訳ではなく、磁力を発生可能な装置であればよい。

図６Ａ〜６Ｃは、トルクリミッタを構成するカップリング磁石の変形例を示す部分断面図である。

図６Ａにおいては、カップリング磁石の片側（内輪）を導電体６０（導電材料）にして、誘導電流でトルクを発生させる構成としている。

図６Ｂにおいては、カップリング磁石の片側を磁性体６１の歯車にして突極性を持たせている。これにより、リラクタンストルクを発生させる。

図６Ｃにおいては、カップリング磁石の外輪を導電体６０にして、誘導電流でトルクを発生させる構成としている。

これらの内輪と外輪とは、それぞれ、材質が逆であっても、同様の効果を得られる。これらは一例であり、ここに示す構成に限定されない。磁気的な力を発生させ結合できる構成であれば、本発明の作用効果が得られる。

また、図１においては、第３の軸受３４の数が１つの場合を示しているが、第３の軸受３４は、支持荷重やバランスを考慮して、複数にしてもよい。

また、図５に示す実験結果では、約１８００ｍｉｎ^−１付近で、同期、非同期が切り替わるが、上述したように、カップリング磁石３５の材質、又は空隙３８の形状、寸法等を変えることで磁力を調整することができ、任意の回転速度で同期、非同期を切り替えられる。

また、カップリング磁石３５は、一定負荷が掛かった際に内輪部と外輪部とを切り離せるマグネット式のトルクリミッタ装置（以下、単に「トルクリミッタ」という。）であるが、必ずしも磁力で結合するものでなくてもよい。バネなどの押し圧や、摩擦や抵抗を利用する機械式のトルクリミッタでも同様の効果を得られる。

鉄道車両用の回転電機の場合は、鉄道車両の走行距離や使用年数に応じて、定期的に軸受の給油や交換といったメンテナンスが必要となる。軸受のメンテナンス頻度は、その摺動量や支持体の荷重によって大きく変わってくる。第３の軸受３４にかかる主たる荷重は、内扇冷却ファン３０の重量であり、回転子２０を支える第１の軸受３２又は第２の軸受３３と比べると、支持する荷重は小さい。また、摺動量の面でも、内扇冷却ファン３０とシャフト２５とは、所定速度までは同期して回転するので、低速域では第３の軸受３４は摺動しない。一方、第１の軸受３２及び第２の軸受３３は、シャフト２５が回転すると、常に摺動する。つまり、第３の軸受３４は、支持荷重及び使用頻度ともに、第１の軸受３２又は第２の軸受３３よりも少ないため、メンテナンス頻度も第１の軸受３２及び第２の軸受３３より少なくなる。

本実施例では、第３の軸受３４は、第１の軸受３２と第２の軸受３３との間に挟まれた領域に配置されている。つまり、本実施例の構成とすることで、第１の軸受３２又は第２の軸受３３を交換する際に、第３の軸受３４が交換作業の妨げになることはない。仮に、第３の軸受３４がシャフト２５よりも軸方向の外側となるシャフト２５の端部に配置されている場合は、第２の軸受３３を交換する際に、第３の軸受３４を取り外す作業が必要となり、作業工数が増加し、全閉モータのメリットであるメンテナンス性を低下させる問題がある。

さらに、本実施例では、第３の軸受３４は、フレーム２の内部に配置するが、仮に、シャフト２５の端部に配置した場合、外気に直接触れる可能性があり、カップリング磁石３５に鉄粉や塵埃が吸着することで、故障に繋がる問題が発生する。本実施例では、カップリング磁石３５をハウジングケース３０よりも軸方向の内側に配置しているため、鉄粉や塵埃の吸着を抑制できる。

加えて、本実施例のようにカップリング磁石３５を第３の軸受３４よりも軸方向の中心側に配置することで、軸受冷却用の補助ファン３１で循環させる冷却風に含まれる僅かな鉄粉や塵埃の吸着を抑制でき、更に好適な構成となる。

内扇冷却ファン３０の同期回転、非同期回転は、図４のＴ_ｆａｎとＴ_ｍａｘとの力の大小関係によって切り替わる。このため、仮に、高い回転速度で非同期回転になるように両者の関係を設計しておけば、第３の軸受３４の摺動量も抑制できる。この場合、第３の軸受３４の交換を不要にすることも可能である。

図７は、本実施例の変形例を示したものである。

本図においては、第１の軸受３２と第２の軸受３３との間に挟まれる領域に第３の軸受３４及び外扇冷却ファン３７を配置している。このように冷却ファンを配置する構成の範囲内であれば、全閉外扇型モータのように外扇冷却ファン３７を備える構成においても、メンテナンス性を維持しつつ、高速域の機械損と騒音を低減することができる。

以上の構成とすることで、第１の軸受３２、第２の軸受３３のメンテナンス性は維持し、カップリング磁石３５への鉄粉や塵埃の汚損を抑制しつつ、高速域の機械損と騒音の低減が可能となる。

以下、先行技術文献との比較について説明する。

特許文献１では、冷却ファンをシャフトの端部に軸受を介して接続することで回転自在とし、磁石の吸引力や、かご型導体に発生させる誘導電流を用いて、磁気的な結合力を発生させている。シャフトの高速回転時に磁気的な結合が解除され、ファンは遅れて回転し、高速回転時のファンの機械損と鉄損を低減することが可能である。一方で、特許文献１は、冷却ファンが吸い込んだ外気が、直接、永久磁石に接触する構成となっている。このため、永久磁石部分に鉄粉や塵埃が吸着し、故障に繋がる問題がある。さらに、回転子のシャフトをフレーム両端で支持する軸受（本発明の場合、第１の軸受３２及び第２の軸受３３）を交換する際には、シャフトの端部に取り付けられた軸受（本発明の場合、第３の軸受３４）を取り外す必要があり、騒音や機械損を低減する一方、メンテナンス性が大きく低下する問題が発生する。

特許文献２では、冷却ファンの固定枠が、ロータからの漏洩磁束によりロータの回転軸方向の端面に吸引されて固着される。特許文献２でも、高速域の機械損低減、騒音低減の効果は得られるが、界磁電流の大きさによって結合力は大きく影響を受けるため、インバータ等で可変速運転した際、駆動中に界磁電流の大きさを変えると、冷却ファンの同期、非同期状態が切り替わる動作点も推移してしまい、意図した点での機械損低減、騒音低減効果が得られない問題がある。また、冷却ファンを支持している軸受も、シャフト端部に配設されており、鉄粉や塵埃の吸着が発生は抑えられず、シャフト両端を支える軸受交換の際にも、冷却ファンを支持する軸受の取り外しが必要となり、メンテナンス性は低下する。

本実施例では、一例として鉄道車両用の回転電機を対象に説明したが、他の回転電機にも同様に適用でき、必ずしもここで説明した具体的態様に限定されるものではない。

以上より、本実施例では、回転電機のメンテナンス性を維持しつつ、高速域の機械損、騒音を低減することが可能である。

図８は、本実施例の回転電機を示す断面図である。

本実施例において実施例１と異なる点は、本図に示すように、第３の軸受３４が配置される側のフレーム２の軸方向の端面に、軸受給油用の給油管４１を差し込むための斜めフレーム給油孔４０（貫通孔）を有する点である。

第１の軸受及び第２の軸受は、使用頻度に応じ、定期的に給油を行う必要がある。第３の軸受のメンテナンスの必要性は、同期、非同期を切り替える動作点の設計によって変わるが、仮に第３の軸受にも給油が必要になった場合に、第３の軸受３４が配置される側のフレームの軸方向の端面に斜めの貫通孔であるフレーム給油孔４０を設けることで、フレーム２を開けることなく、給油管４１を挿入でき、フレーム２の内部にある第３の軸受３４にも給油が可能である。このフレーム給油孔４０は、第３の軸受給油時のみに使用し、それ以外では栓をして塞いでおいてもよい。また、フレーム給油孔４０を設ける斜めの角度は、フレーム給油孔４０の延長線上に第３の軸受３４の給油口が位置するように設けられている。

以上より、回転電機１のフレーム２を解体することなく第３の軸受３４に給油が可能となり、実施例１よりも第３の軸受３４の長寿命化及び、摩擦低減が図れるため、より高精度な同期、非同期の切り替えが可能になる。

図９は、本実施例の回転電機を示す断面図である。

本実施例において実施例２と異なる点は、本図に示すように、第３の軸受３４が配置される側のフレーム２の端面に斜めの貫通孔４２（補助ファン通風孔兼フレーム給油孔）が設けられている点である。この貫通孔４２は、軸受給油孔としての機能と、補助ファン３１の冷却風の排気口としての機能とを合わせ持つものである。

第２の軸受を冷却するために設けられている通風孔を、第３の軸受が位置するように斜めの角度で配置することで、第３の軸受３４の給油孔として兼用することができる。第３の軸受３４の給油管４１は、実施例２で記載したものと同様のものを使用する。また、実施例２で使用していたフレーム給油孔４０を塞ぐ栓も不要となるため、部品点数の削減にも繋がる。

以上より、第３の軸受３４の給油孔を、軸受冷却用の通風孔と一体化することで回転電機の製造時の作業工数を低減し、実施例２よりも低コストの回転電機を提供できる。

図１０は、本実施例の回転電機を示す断面図である。

本実施例において実施例１〜３と異なる点は、本図に示すように、第３の軸受３４が配置される側のシャフト２５の端部にシャフト２５内部を軸方向に貫通するシャフト給油孔５０が設けられる点である。

シャフト給油孔５０は、シャフト２５の軸方向の端面から、フレーム２の内部に位置する第３の軸受３４に設けられている。これにより、実施例２又は３で使用した給油管４１を使用することなく、軸受への給油が可能となる。シャフト給油孔５０は、軸受油を溜めるグリーススポット（空間）として利用することもできる。シャフト２５の回転時には、軸受油は、遠心力によってシャフト２５の中心から外周側に移動するため、第３の軸受３４を油で潤滑させることができる。第３の軸受３４へのシャフト給油孔５０は、軸受給油時のみ使用し、それ以外では封止栓５１をして塞いでおく。

以上によって、回転電機１を解体することなく第３の軸受３４に給油が可能になり、実施例１よりもメンテナンス性を向上することが可能となる。

図１１Ａは、本実施例の回転電機を示す断面図である。

本実施例において実施例１〜４と異なる点は、本図に示すように、第３の軸受３４を支持する内扇冷却ファン３０の内周部に、外部からボルト等の固定部材を通せるように接続用貫通孔５２が設けられ、かつ、その貫通孔５２の軸方向の対向面に位置する回転子鉄心押さえ２６にも同様の貫通孔が少なくとも１つ以上設けられている点である。

回転電機１が鉄道車両用の場合、前述のように、使用年数や走行距離に応じて軸受を交換している。この交換作業を容易にするために、第１の軸受３２及び第２の軸受３３の交換の際に、回転子２０を固定子１０から引き抜かない状態で交換が可能な「非解体軸受交換構造」を採用している機種がある。仮に、非解体軸受交換構造なしで回転子２０を抜く場合には、専用の治具等が必要になり、大掛かりな作業となり、メンテナンス性が大きく低下する問題がある。

つまり、高速域の機械損や騒音を低減可能な本発明の構成を適用した際にも、非解体軸受交換構造を維持できる構成とすることが望ましい。更には、この第３の軸受３４の交換が必要となった場合には、本実施例による接続用貫通孔５２を使用することによって、回転子２０を固定子１０から抜くことなく交換作業が可能となる。

以下に、本実施例において非解体で軸受を交換する方法について説明する。

図１２〜図１４は、図１１Ａの回転電機の分解の手順を示す部分縦断面図である。

最初に、図１２に示すように、通しボルト等の支持部材７０（支持部材Ａ）を、第３の軸受３４が配置される側のフレーム端面からフレーム２の内部に貫通させ、内扇冷却ファン３０の側面に押し当て、回転子２０を軸方向に移動させることにより、直結側のファンのフレーム２とファンとが支点Ｂで接触する。これによって、回転子２０は、支点Ａ及び支点Ｂによって支持が可能となる。

この状態で、図１３に示すように、第１の軸受３２と第２の軸受３３とを取り外すことが可能である。

次に、図１４に示すように、通しボルト等の固定部材７２（支持部材Ｂ）を接続用貫通孔５２に貫通させる。

図１４では、一例として、接続用貫通孔５２は、内扇冷却ファン３０の内周部に設けているが、シャフト２５と同軸に回転自在となっている構成部材を回転子２０に接続し、固定できれば別の箇所に設けてもよい。回転子２０側の接続用貫通孔５２も同様で、必ずしも回転子鉄心押さえ２６に設けられる必要はなく、回転子鉄心２４やシャフト２５に固定するような構成となってもよい。

以上によって、支点Ａ、支点Ｂ及び支点Ｃの３点で支持されることになり、回転子２０を抜くことなく、第１の軸受３２及び第２の軸受３３の非解体での軸受交換が可能となり、第３の軸受３４も非解体で交換することができる。

また、本実施例の別の使用方法として、この接続用貫通孔５２に固定部材７２を通し、回転子２０と内扇冷却ファン３０とを機械的に締結したまま、回転電機１を駆動すれば、内扇冷却ファン３０は、常にシャフト２５と同期回転することとなる。このようにすれば、選択的に従来のファンと同様の構成とすることも可能である。仮に、仕様の範囲を超えた使用がされた場合、回転電機１の機内で設計値以上の温度上昇などが生じ、カップリング磁石３５が減磁することも予想されるが、その場合は、接続用貫通孔５２で回転子２０と内扇冷却ファン３０とを締結することで、一時的に従来のファンとして駆動することも可能である。

以上より、本実施例では、回転電機の省メンテナンス性を低下させることなく、高速域におけるファンの機械損及び騒音の低減が可能となる。

以下、内扇冷却ファン３０の固定手段に関する変形例について説明する。

図１１Ｂは、図１１Ａの内扇冷却ファン３０の固定手段を示す部分拡大断面図である。

本図においては、内扇冷却ファン３０及びハウジングケース３６のそれぞれにキー溝（図示していない。）を設け、これらのキー溝を対向させた状態でキー１０１を挿入することにより、内扇冷却ファン３０とハウジングケース３６との位置関係が変動しないようにしている。

図１１Ｃは、図１１Ｂの内扇冷却ファン３０及びハウジングケース３６の形状を拡大して示す部分横断面図である。

本図においては、内扇冷却ファン３０にはキー溝１０３を、ハウジングケース３６にはキー溝１０５を設け、これらのキー溝１０３、１０５が対向するように配置している。キー溝１０３、１０５にキー（図示していない。）を挿入することにより、周方向にずれないように固定する。

図１１Ｄは、内扇冷却ファン３０の固定手段の変形例を示す部分拡大断面図である。

本図においては、内扇冷却ファン３０には凹部１１１を、ハウジングケース３６には凸部１１３を設け、凹部１１１に凸部１１３を嵌め合わせる。そして、凹部１１１と凸部１１３との隙間にキー、くさび等（図示していない。）を挿入することにより、がたが生じないように固定する。

図１５は、本実施例の回転電機を示す部分横断面図である。

本実施例において実施例１〜５と異なる点は、本図に示すように、カップリング磁石が磁気ギア６２となっている点である。すなわち、カップリング磁石を構成する内輪部と外輪部との間には、磁極片６３（変調子）が配置されている。さらに、内輪部の極数を外輪部の極数よりも多くしている。これにより、冷却ファン３０の回転数をシャフト２５の回転数より高くすることができる。

低速域では、冷却ファン３０の回転数が低く、風量が得られ難いことに加え、高速域に比べて電流が大きく、回転電機の冷却が困難であるため、冷却性能の向上が必要である。従来の冷却ファンを設計する場合、高速回転時におけるファンの騒音が制約となる場合や、機内の限られたスペースの中に冷却ファンを収容する必要から空間的な制約によって冷却ファンのサイズを大きくできない場合もある。

本実施例の場合、カップリング磁石に代えて、磁気ギア６２を備えており、内輪部の極数を外輪部よりも多くすることで、磁気ギア６２が有するギア比に応じて増速効果が得られる。これによって、限られたスペース内において、内扇冷却ファンの速度を向上し、風量増加が可能である。

従来の冷却ファンに対して磁気ギア６２を適用すると、シャフトの回転速度と比例して速度が増加するため、高速域で機械損や騒音が問題となってしまう。一方、本実施例では、所定速度以上で非同期回転となり、機械損や騒音の問題は発生しない。本実施例の構成とすることで、低速域の冷却性能向上と、高速域の機械損及び騒音の低減とを両立することができ、これらの相乗効果を得ることができる。

また、機内の冷却性能が向上すれば、図１等に示す固定子巻線１３、回転子バー２２及びエンドリング２３の温度上昇も抑制でき、導体の温度変化による抵抗率も小さくできるため、銅損が支配的となる低速域を高効率化できる効果も得られる。

なお、磁石の漏れ磁束を減らすための磁性材料等は、磁気ギア６２における内輪部の内周側、外輪部の外周側にそれぞれ適切に設計され配置されるものとする。

本実施例の構成とすることで、低速域を積極的に冷却することが可能となり、高速域に限らず、低速域の回転電機の効率を上昇することも可能となる。また、内扇冷却ファンの小型化も可能であり、回転電機を軽量化することも可能である。

インバータ、コンバータ等の変換器を介して回転電機を駆動する場合、接続される負荷に応じて速度に対する電流パターンは異なる。流れる電流が大きければ、固定子巻線１３、回転子バー２２及びエンドリング２３の発熱量も大きくなり、回転電機１の温度は上昇する。

本発明は、高速域ではファンが非同期回転に切り替わり、ファン騒音を低減できる一方で風量が低下し、高速域の冷却性能は低下することとなる。つまり、本発明を高速域で電流が小さくなる使われ方をするシステム（高速域で風量が少なくてもよい。）に適用することで、回転電機の温度上昇を十分に抑制しつつ、高速域の機械損や騒音を低減可能である。

図１６は、本実施例の回転電機の配置を示すシステム構成図である。図中、好適な回転速度に対する電流パターンの一例もグラフとして示している。

本図においては、回転電機１は、電源８０から変換器８１を介して電気を供給され、負荷８２に出力している。

本図のグラフにおいては、低速域では大電流とし、高速域に向かって電流が漸減する領域を有する。商用三相交流に限らず、単相や直流電源によって電力が変換器に供給される場合でも、上述と同様の効果が得られる。

また、図５に示すように、非同期回転時の風量はほぼ一定のため、高速域の電流が低速域より大きくならない場合は、冷却に関して問題となることはない。

以上より、電流が高速域において低速域よりも小さくなる領域を有する回転電機駆動システムに適用することで、回転電機の温度上昇を十分に抑制しつつ、高速域の機械損や騒音を低減可能である。

図１７は、実施例７の回転電機駆動システムを有する鉄道車両の一部を示す概略構成図である。

本図において、鉄道車両９０は、車輪９２、増速ギア９１及び回転電機１を備えた台車９３を有する。回転電機１は、増速ギア９１を介して車輪９２を駆動する。

なお、回転電機１は、本図においては２基であるが、１基又は３基以上としてもよい。

鉄道車両で生じる騒音としては、レールと車輪から生じる放射音、インバータの電磁騒音に加えて、回転電機のファン騒音も大きな割合を占める。

本発明の回転電機を適用することで、騒音を大幅に低減できる。さらに、機械損を大きく低減することで、高速域の効率向上効果による電力消費量の低減効果も得られる。これらの効果を得るとともに、軸受の交換や給油といったメンテナンス性は維持できるため、保守性が悪化する問題も発生しない。

本実施例は、可変速運転する回転電機駆動システムを含むシステムであれば、他のシステムにも適用可能である。特に、高速域で機械損が支配的になり、ファン騒音が問題になるシステムに適用することで、より大きな効率向上効果、騒音低減効果が得られる。

１：回転電機、２：フレーム、１０：固定子、１１：固定子鉄心、１２：固定子スロット、１３：固定子巻線、１４：固定子鉄心押さえ、２０：回転子、２１：回転子スロット、２２：回転子バー、２３：エンドリング、２４：回転子鉄心、２５：シャフト、２６：回転子鉄心押さえ、２７：通風孔、３０：内扇冷却ファン、３１：補助ファン、３２：第１の軸受、３３：第２の軸受、３４：第３の軸受、３５：カップリング磁石、３６：ハウジングケース、３７：外扇冷却ファン、４０：フレーム給油孔、４１：給油管、４２：貫通孔、５０：シャフト給油孔、５１：封止栓、５２：接続用貫通孔、６０：導電体、６１：磁性体、６２：磁気ギア、６３：磁極片、７０：支持部材、８０：電源、８１：変換器、８２：負荷、９０：鉄道車両、９１：増速ギア、９２：車輪、９３：台車。

Claims (15)

1. 固定子と、回転子と、前記回転子の回転軸であるシャフトと、フレームと、第１の軸受と、第２の軸受と、冷却ファンと、第３の軸受と、トルクリミッタと、を備え、
   前記第１の軸受及び前記第２の軸受は、前記シャフトを回転可能に支持し、
   前記第３の軸受は、前記第１の軸受と前記第２の軸受との間に配置され、
   前記冷却ファンは、前記第３の軸受により回転可能に支持され、前記回転子と同一の回転軸を有し、
   前記トルクリミッタは、前記シャフトに固定された内輪部と、前記冷却ファンに固定された外輪部と、を有し、
   前記内輪部と前記外輪部とは、所定の回転数以上で非同期回転となる、回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機であって、
   前記フレームには、前記固定子、前記回転子、前記冷却ファン、前記第３の軸受及び前記トルクリミッタが収容されている、回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機であって、
   前記冷却ファンは、前記フレームの内部の空気を循環させるものである、回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機であって、
   前記トルクリミッタは、磁気カップリングである、回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機であって、
   前記トルクリミッタは、前記回転子と前記第３の軸受との間に配置されている、回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転電機であって、
   前記フレームには、貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔は、前記第３の軸受に給油するために用いられる、回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転電機であって、
   さらに、補助ファンを備え、
   前記フレームには、貫通孔が設けられ、
   前記補助ファンは、前記貫通孔を介して前記フレームの外部の空気が内部に導入する、回転電機。
8. 請求項７記載の回転電機であって、
   前記貫通孔は、前記第３の軸受に給油するために用いられる、回転電機。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転電機であって、
   前記シャフトには、貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔は、前記第３の軸受に給油するために用いられる、回転電機。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の回転電機であって、
    さらに、外気を導入して前記フレームを冷却する外扇冷却ファンを備えた、回転電機。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の回転電機であって、
    前記第３の軸受は、前記回転子に固定可能な構成を有する、回転電機。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の回転電機であって、
    前記トルクリミッタは、磁気ギアの構成を含む、回転電機。
13. 回転電機と、変換器と、を含み、
    前記回転電機は、固定子と、回転子と、前記回転子の回転軸であるシャフトと、フレームと、第１の軸受と、第２の軸受と、冷却ファンと、第３の軸受と、トルクリミッタと、を備え、
    前記第１の軸受及び前記第２の軸受は、前記シャフトを回転可能に支持し、
    前記第３の軸受は、前記第１の軸受と前記第２の軸受との間に配置され、
    前記冷却ファンは、前記第３の軸受により回転可能に支持され、前記回転子と同一の回転軸を有し、
    前記トルクリミッタは、前記シャフトに固定された内輪部と、前記冷却ファンに固定された外輪部と、を有し、
    前記内輪部と前記外輪部とは、所定の回転数以上で非同期回転となるものであり、
    前記回転電機は、前記変換器から供給される電力により駆動する、回転電機駆動システム。
14. 請求項１３記載の回転電機駆動システムであって、
    前記変換器は、インバータ又はコンバータである、回転電機駆動システム。
15. 車輪と、増速ギアと、回転電機と、台車と、を備え、
    前記回転電機は、固定子と、回転子と、前記回転子の回転軸であるシャフトと、フレームと、第１の軸受と、第２の軸受と、冷却ファンと、第３の軸受と、トルクリミッタと、を備え、
    前記第１の軸受及び前記第２の軸受は、前記シャフトを回転可能に支持し、
    前記第３の軸受は、前記第１の軸受と前記第２の軸受との間に配置され、
    前記冷却ファンは、前記第３の軸受により回転可能に支持され、前記回転子と同一の回転軸を有し、
    前記トルクリミッタは、前記シャフトに固定された内輪部と、前記冷却ファンに固定された外輪部と、を有し、
    前記内輪部と前記外輪部とは、所定の回転数以上で非同期回転となるものであり、
    前記回転電機は、前記増速ギアを介して前記車輪を駆動する、鉄道車両。

Images