JP2020018163A - 冷却装置を有する鉄道電動機及び関連する鉄道車両 - Google Patents

冷却装置を有する鉄道電動機及び関連する鉄道車両 Download PDF

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Abstract

【課題】電動機の冷却を保証しつつ、騒音及び機械的損失が極小化されている、簡単な構造を有する電動機を実現する。【解決手段】本発明は、回転子(32)、固定子(34)、冷却装置(36)及び冷却オリフィス(50、52)を有するフレーム(30)を有する電動機(22)に関し、冷却装置(36)は、回転子(32)との締結壁(64、66)と、冷却壁(74、76)と、を有する冷却要素(60、62)を有し、冷却壁(74、76)は、冷却オリフィス(50、52)を通過した空気の流れと接触できる内側面(74A、76A)と、固定子(34)の向かい側の外側面(74B、76B)と、を有する。本発明によれば、内側面(74A、76A)及び外側面(74B、76B)は、全体的に滑らかであり、突出要素を有していない。【選択図】図2

Description

本発明は、冷却装置を有する電動機及びこの電動機を有する鉄道車両に関する。
電動機の、特に鉄道車両用の電動機の分野においては、電動機の回転子及び/又は固定子を冷却するべく、例えば、電動機の外部の空気などの外部流体を電動機内において循環させる冷却装置を使用することが知られている。
詳しくは、特許文献1に、回転子の両側に位置決めされた冷却要素を有すると共に、当該回転子と同時に回転可能な冷却装置が設けられた電動機について記述されている。それぞれの冷却要素により、冷却要素が回転している際に、冷却要素と接触する空気チャネルを通過することにより、空気の流れが、外部空気吸入オリフィス(outside air inlet orifice)から空気排出オリフィス(air outlet orifice)に向かって循環できるようになっている。但し、このような電動機は、複雑な構造を有し、動作して回転子が回転している際の騒音が大きく、効率の観点において最適化されておらず、機械的な損失が大きい。
特許第5801127号公報
本発明は、電動機の冷却を保証しつつ、騒音及び機械的損失が極小化されている、簡単な構造を有する電動機を提案することにより、これらの欠点を解決することを目的としている。
これを目的として、本発明は、回転子、固定子、冷却装置及びフレームを有する電動機に関し、
フレームは、回転子、固定子及び冷却装置を受け入れる内側空間を定義し、
フレームは、内側空間をフレームの外側空間に接続する少なくとも1つの冷却オリフィスを有し、
回転子は、回転子の回転軸に沿って2つの(互いに)反対側の(opposite)端部を有し、
冷却装置は、回転子の端部のうちの1つに位置決めされた少なくとも1つの冷却要素を有し、それぞれの冷却要素は、回転子との回転に固定される、回転子との締結壁(fastening wall to the rotor, secured in rotation with the rotor)と、締結壁から冷却要素の自由端部まで、回転子の回転軸に沿って延在する冷却壁と、を有し、冷却壁は、自体が取り囲む内側容積(inner volume)を定義し、冷却オリフィス又は冷却オリフィスの1つの向かい側において(across from the or one of the cooling orifices)、冷却オリフィスを通過した空気の流れと接触できる内側面と、内側面の反対側において、固定子の向かい側の外側面と、を有し、内側面及び外側面は、締結壁から自由端部まで延在し、
内側面及び外側面は、全体的に滑らかであり、突出要素を有していないことを特徴としている。
本発明によれば、電動機の構造が簡単であると共に、騒音及び機械的損失が極小化され、その理由は、それぞれの冷却要素が、簡単な構造を有し、その冷却壁において突出要素を有していないからである。全体的に滑らかな面である、それぞれの冷却壁の内側及び外側面の構造によって、冷却装置の簡単な構造が可能となり、摩擦による機械的損失のみならず、このような摩擦によって生成される騒音をも制限できる。
特定の実施形態によれば、本発明は、単独で検討された際に、或いは、任意の技術的に可能な組合せに応じて、以下の特徴のうちの1つ又は複数を有する。
−それぞれの冷却オリフィスは、それぞれの冷却オリフィスごとに、回転子の回転中に、冷却オリフィスを介して内側空間に進入した空気が、同一の冷却オリフィスを通じて出て行く(leave)ように、配置されている。
−内側及び外側面は、突出要素を有していない、全体的に滑らかな調節された表面であり、有利には、回転子の回転軸に沿って延在する円錐台又は円筒(cone or cylinder trunks)の形態を有する。
−それぞれの冷却オリフィスは、冷却オリフィスの中心軸に沿って計測された距離で5mm未満の、冷却壁又は冷却壁の1つ(the or one of the cooling walls)の内側面の近傍において、内側空間内に出現している。
−冷却装置は、それぞれが、回転子の個々の端部のうちの1つに位置決めされた2つの冷却要素を有し、この場合、フレームは、それぞれの冷却要素ごとに、少なくとも1つの個々の冷却オリフィスを有する。
−電動機は、5000回転/分より大きい(greater than)、好ましくは、約6000回転/分の、公称速度に到達するように、構成されている。
−オリフィスを通過する軸に対して垂直の方向における、それぞれの冷却オリフィスの断面は、12.56cm2と3.14cm2との間、好ましくは、27cm2と78cm2との間、の表面積を有する。
−それぞれの冷却壁によって、内側空間は、冷却オリフィス又は冷却オリフィスの1つに空圧方式で接続され、自体が有する空気が内側面と接触する、外側空気を受け入れるプライマリ空間と、自体が有する空気が外側面及び固定子と接触するセカンダリ空間と、に分割される。
−それぞれの自由端部は、フレームの個々の側壁の向かい側に位置決めされ、側壁には、回転子の回転軸に沿って延在し自由端部を取り囲む内側部分が設けられ、自由端部と内側部分との間の半径方向の距離は、5mm未満であり、好ましくは、1mm未満である。
また、本発明は、少なくとも1つの電動機を有する鉄道車両にも関し、この場合に、電動機又は電動機(the or each electric motor)のそれぞれについては、上述のとおりである。
それぞれが、本発明の一実施形態に係る電動機を装備した、2つのボギーを有する鉄道車両の部分概略図である。 図1の電動機の一部分の第1平面における断面図であり、第1平面は、電動機の回転子の回転軸に対応した第1方向X−X’と、第1方向X−X’に対して垂直である第2方向Y−Y’と、によって定義される。 図1の電動機の第1方向X−X’に沿った側面図である。
本発明は、一例としてのみ提供されると共に、添付図面を参照して実施される、以下の説明を参照した際に、更に十分に理解される。
図1は、複数の車両を有し、特に、図1において目視できる少なくとも2つの車両12、14を有する、鉄道車両10を示している。
図1において、車両12は、先頭車両(pilot car)であり、車両14は、後続車両(trailer car)である。
車両12は、第1専用ボギー16と、車両12及び車両14の両方を担持している第2ボギー18と、により、担持されている。
図1の例において、それぞれのボギー16、18は、2つの車軸20と、ボギー16、18の1つ又は両方の車軸20を回転させることができる電動機22と、を有する。
一変形において、ボギーのすべてが電動化されているわけではなく、鉄道車両10のボギー16、18のいくつかのみが電動機22を有する。
図2においては、わかりやすさを理由として、電動機22の半分のみが示されており、残りの半分は、方向X−X’との関係において(relative to)、図示されている半分と実質的に対称になっている。
電動機22は、5000回転/分より大きい、好ましくは約6000回転/分の、公称速度に到達するように、構成されている。
公称速度は、鉄道車両10が巡航速度において2つの駅間で移動している際の通常運転速度を意味している。
電動機22は、電動機22の内側空間E1を定義するフレーム30、又はケーシング、のみならず、内側空間E1内に収容されている回転子32、固定子34、及び冷却装置36を有する。
フレーム30は、回転子32の回転軸Rに対応する方向X−X’に対して全体的に垂直に延在する2つの反対側の側壁40、42と、軸X−X’に対して全体的に平行に延在している、図2にその1つのみ44が示されている、2つの反対側の長手方向壁と、を有する。図3においては、側壁40のみが目視できる。
側壁40、42及び長手方向壁44は、内側空間E1を定義している。
図2及び図3によって示されているように、それぞれの側壁40、42は、内側空間E1をフレーム30の外側空間E2に接続する冷却オリフィス50、52を有する。好ましくは、それぞれの側壁40、42は、少なくとも2つの冷却オリフィス50、52を有し、上記オリフィス50、52は、有利には、回転軸Rに沿って対称的に位置決めされている。
図2及び図3によって示されている例においては、それぞれの側壁40、42は、8つの冷却オリフィス50、52を有し、上記オリフィス50、52は、回転子32の回転軸Rに沿って対称的に位置決めされている。
回転子32は、回転シャフト54上の回転に固定されるよう取り付けられる(mounted secured in rotation on a rotation shaft 54)と共に、固定子34との関係において、回転軸Rを中心として回転するよう取り付けられている。
回転子32は、回転子32の回転軸Rに沿って、2つの反対側の端部32A及び32Bを定義している。
固定子34は、フレーム30の内側において、回転軸Rに対して平行に回転子32を取り囲んでおり、回転子32と同軸である。従来、回転子32及び固定子34により、電気エネルギは、回転子32のシャフト54によって供給され、車軸20を駆動するよう意図された、機械エネルギに変換されることができる。
冷却装置36は、回転子32の端部32A、32Bのうちの1つに位置決めされた少なくとも1つの冷却要素60を有する。
有利には、図2に示されているように、冷却装置は、それぞれが、回転子32の個々の端部32A、32Bのうちの1つに位置決めされた、2つの冷却要素60、62を有する。
また、有利には、冷却オリフィス50、52の数は、冷却要素60、62の数の倍数であり、フレーム30は、特に、それぞれの冷却要素60、62ごとに、回転軸Rに沿って対称的に位置決めされてもよく、又は、そうでなくてもよい、2つの冷却オリフィス50、52を有する。
一変形においては、フレーム30は、それぞれの冷却要素60、62ごとに、少なくとも1つの個々の冷却オリフィス50、52を有する。
それぞれの冷却要素60、62は、回転子32との、特に、回転子32の対応する端部32A、32Bとの締結のための、締結壁64、66を有する。
それぞれの締結壁64、66は、回転子32に対し回転に固定され(secured in rotation to the rotor 32)、回転軸Rとの関係において半径方向に延在している。
それぞれの締結壁64、66は、回転子32の回転軸Rとの関係において半径方向に沿って、当該半径方向に沿って回転子32との関係において平坦な半径方向端部68、69を有する。半径方向端部68、69は、固定子34の向かい側で、且つ固定子34の近傍において、即ち、例えば、5mm未満の、好ましくは、1mm未満の、半径方向に沿って計測された距離に位置決めされている。また、それぞれの冷却要素60、62は、回転子32の回転軸Rに沿って回転子32の反対側において設置された、自由端部70、72をも有する。
また、それぞれの冷却要素60、62は、回転子32の回転軸Rに沿って、締結壁64、66から冷却要素の自由端部70、72まで延在する、冷却壁74、76をも有する。
それぞれの自由端部70、72は、フレームの側壁40、42のうちの1つの反対側に位置決めされている。それぞれの側壁40、42には、有利には円筒形であり、回転子32の回転軸Rに沿って延在し、対応する自由端部70、72を取り囲む、内側部分77、78が設けられている。内側部分は、回転子32の回転軸Rに対して全体的に平行である、対応する自由端部を取り囲んでいる。それぞれの自由端部70、72と対応する内側部分77、78との間の半径方向の距離は、5mm未満であり、好ましくは、1mm未満である。
それぞれの冷却壁74、76は、自体が取り囲む内側容積を定義している。それぞれの冷却壁は、全体的に回転子32の回転軸Rを中心とする、自体が定義する内側容積を取り囲んでいる。
内側容積の定義は、冷却壁74、76が、それ自体で閉じており、例えば、円錐台又は円筒の形状を有する、という事実を意味している。
それぞれの冷却壁74、76は、冷却オリフィス50、52又は冷却オリフィス50、52の1つの向かい側において、特に、自体が属する冷却要素が関連付けられているそれぞれの冷却オリフィス50、52の向かい側において、内側面74A、76Aを有する。それぞれの冷却壁74、76は、自体が属する冷却要素が関連付けられている、それぞれの冷却オリフィス50、52を通過する空気の流れと接触することができる。
また、それぞれの冷却壁74、76は、固定子34の向かい側において、内側面74A、76Aの反対側である、外側面74B、76Bをも有する。
内側面74A、76A及び外側面74B、76Bは、締結壁64、66から自由端部70、72まで延在している。
それぞれの冷却壁74、76によって、内側空間E1は、冷却オリフィス50、52又は冷却オリフィス50、52の1つに空圧方式で(aeraulically)接続された、外側空気を受け入れる個々のプライマリ空間80A、82Aと、個々のセカンダリ空間80B、82Bと、に分割されている。
それぞれのプライマリ空間80A、82A内に含まれている空気は、対応する内側面74A、76Aと接触し、それぞれのセカンダリ空間80B、82B内に含まれている空気は、対応する外側面74B、76B及び固定子34と接触する。
換言すれば、それぞれの冷却壁は、プライマリ空間80A、82A内に存在している空気を、セカンダリ空間80B、82B内に存在している空気から全体的に隔離している。
それぞれの冷却オリフィス50、52は、それぞれの冷却オリフィス50、52ごとに、回転子32の回転中に、上記冷却オリフィス50、52を介して、内側空間E1に、特に、対応するプライマリ空間80A、82Aに、進入する空気が、同一の冷却オリフィス50、52を通じて出て行くように、配置されている。
更に一般的には、冷却壁74、76及び冷却オリフィス50、52は、上述の動作を提供するよう配置及びサイズが設定されている。
これを目的として、それぞれの冷却オリフィス50、52は、内側空間E1内において、特に、対応するプライマリ空間80A、82A内において、自体が関連付けられている冷却要素の冷却壁の内側面74A、76Aの近傍に出現している。冷却オリフィス50、52の排出口とそれが関連付けられている冷却要素の冷却壁の内側面との間の、それぞれの冷却オリフィス50、52の中心軸に沿って計測された距離は、例えば、5mm未満である。
それぞれの冷却オリフィス50、52の直径は、20mmと100mmとの間であり、好ましくは、30mmと50mmとの間である。
一変形においては、冷却オリフィス50、52は、円形ではなく、長円又は豆の形状を有する。例えば、上記オリフィスを通過する軸に対して垂直の方向におけるそれぞれの冷却オリフィス50、52の断面(section)は、12.56cm2と3.14cm2との間、好ましくは、27cm2と78cm2との間、の表面積を有する。
内側面74A、76A及び外側面74B、76Bは、全体的に滑らかであり、突出した要素を有してはおらず、従って、有利には、突出要素を有していない全体的に滑らかな調節された表面である。
調節された表面とは、表面内に含まれ母線と呼称されるラインが通過する、それぞれのポイントによる表面を意味している(An adjusted service refers to a surface by each point of which a line passes, called generatrix, contained in the surface)。
突出要素を有していない滑らかな表面とは、凸凹又は不連続性を有していない表面を意味している。
冷却壁74、76と同様に、内側面74A、76A及び外側面74B、76Bも、有利には、回転子32の回転軸Rに沿って延在する円錐台又は円筒の形態を有する。
有利には、図2に示されているように、それぞれの冷却壁74、76と、したがって、それぞれの内側面74A、76A及びそれぞれの外側面74B、76Bと、は、小さな底が回転子32の側部に位置決めされ大きな底が回転子の回転軸Rに沿って回転子の反対側に位置決めされた、円錐台(cone trunk)の形状を有する。この結果、それぞれの冷却壁74、76は、回転軸Rとの関係において傾斜しており、回転軸との間において、20°と70°との間、好ましくは、25°と55°との間、の角度を形成している。
次に、図2を参照し、電動機22の、特に、電動機22の冷却の、動作について説明することとする。
鉄道車両10が動作中であり、電動機22が稼働している際には、それぞれの電動機22の回転子32は、ボギー16、18の車軸20を動作中に設定するよう、回転する。この結果、それぞれの電動機22内において、回転子32及び固定子34が熱を放出し、これは、過大である際には、電動機22の性能に影響を及ぼしうる。
但し、回転子32に固定されている冷却装置36に起因し、回転子32が回転した際に、内側空間E1内の空気が冷却され、したがって、回転子32及び固定子34が冷却される。
更に詳しくは、冷却要素74、76が回転し、したがって、冷却壁74、76が回転し、この結果、空気の循環が生成される。空気の循環は、冷却オリフィス50、52を通じて、外側空間E2から、内側空間E1に向かって、特に、プライマリ空間80A、82Aに向かって、次いで、内側空間E1、並びに、特に、プライマリ空間80A、82Aから、外側空間E2に向かって、行われる。冷却オリフィス50、52は、内側空間E1、特に、プライマリ空間80A、82A内への空気吸入ダクトと、内側空間E1、特に、プライマリ空間80A、82Aからの空気排出ダクトと、の両方として使用されている。
この結果、空気循環により、内側空間E1、特に、プライマリ空間80A、82A内の空気を冷却し、したがって、それぞれの冷却壁74、76を冷却し、その結果、熱伝達により、それぞれのセカンダリ空間80B、82B内の空気を冷却することができる。この結果、回転子32及び固定子34の加熱は、電動機22の最適な動作が可能である熱の範囲内において維持されることになる。
電動機の正常な回転速度により、内側空間E1を冷却する前に、空気の循環と、したがって、熱交換と、を最適化することができる。
更には、外側面74B、76B及び内側面74A、76Aが、円錐台形状の胴体であり、滑らかである、という事実により、冷却装置36によって生成される騒音のみならず、冷却装置36の回転に関係する機械的損失をも制限しつつ、サイズと、したがって、熱交換と、を最適化することができる。
更には、本発明は、構造の観点において単純であり、実装が低廉である、という利点をも有する。実際に、冷却装置36の構造は、相対的に簡単である。
以上において検討した実施形態及び代替肢は、本発明の新しい実施形態を生成するべく、互いに組み合わせることができる。

Claims (10)

  1. 回転子(32)、固定子(34)、冷却装置(36)及びフレーム(30)を有する電動機(22)であって、
    前記フレーム(30)は、前記回転子(32)、前記固定子(34)及び前記冷却装置(36)を受け入れる内側空間(E1)を定義し、
    前記フレーム(30)は、前記内側空間(E1)を前記フレーム(30)の外側空間(E2)に接続する少なくとも1つの冷却オリフィス(50、52)を有し、
    前記回転子(32)は、前記回転子(32)の回転軸(R)に沿って2つの反対側の端部(32A、32B)を有し、
    前記冷却装置(36)は、前記回転子(32)の前記端部(32A、32B)のうちの1つに位置決めされた少なくとも1つの冷却要素(60、62)を有し、
    それぞれの冷却要素(60、62)は、
    前記回転子(32)との回転に固定される、前記回転子(32)との締結壁(64、66)と、
    前記締結壁(64、66)から前記冷却要素(60、62)の自由端部(70、72)まで、前記回転子(32)の前記回転軸(R)に沿って延在する冷却壁(74、76)と、を有し、
    前記冷却壁(74、76)は、
    自体が取り囲む内側容積を定義し、
    前記冷却オリフィス(50、52)又は前記冷却オリフィス(50、52)の1つの向かい側において、前記冷却オリフィス(50、52)を通過した空気の流れと接触できる内側面(74A、76A)と、
    前記内側面(74A、76A)の反対側において、前記固定子(34)の向かい側の外側面(74B、76B)と、を有し、
    前記内側面及び前記外側面は、前記締結壁(64、66)から前記自由端部(70、72)まで延在し、
    前記内側面(74A、76A)及び前記外側面(74B、76B)は、全体的に滑らかであり、突出要素を有していない、ことを特徴とする電動機。
  2. それぞれの冷却オリフィス(50、52)は、それぞれの冷却オリフィス(50、52)ごとに、前記回転子(32)の回転中に、前記冷却オリフィス(50、52)を介して前記内側空間(E1)に進入した前記空気が、同一の前記冷却オリフィス(50、52)を通じて出て行くように配置されている、請求項1に記載の電動機。
  3. 前記内側面(74A、76A)及び前記外側面(74B、76B)は、突出要素を有していない全体的に滑らかな調節された表面であり、有利には、前記回転子(32)の前記回転軸(R)に沿って延在する円錐台又は円筒の形態を有する、請求項1又は2に記載の電動機。
  4. それぞれの冷却オリフィス(50、52)は、前記冷却オリフィス(50、52)の中心軸に沿って計測された距離で5mm未満の、前記冷却壁(74、76)又は前記冷却壁(74、76)の1つの前記内側面(74A、76A)の近傍において、前記内側空間(E1)内に出現している、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電動機。
  5. 前記冷却装置(36)は、それぞれが、前記回転子(32)の個々の前記端部(32A、32B)のうちの1つに位置決めされた2つの冷却要素(60、62)を有し、
    前記フレーム(30)は、それぞれの冷却要素(60、62)ごとに、少なくとも1つの個々の冷却オリフィス(50、52)を有する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電動機。
  6. 前記電動機(22)は、5000回転/分より大きい、好ましくは、約6000回転/分の、公称速度に到達するように構成されている、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電動機。
  7. 前記オリフィスを通過する軸に対して垂直の方向における、それぞれの冷却オリフィス(50、52)の断面は、12.56cm2と3.14cm2との間、好ましくは、27cm2と78cm2との間、の表面積を有する、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の電動機。
  8. それぞれの冷却壁(74、76)によって、前記内側空間(E1)は、前記冷却オリフィス(50、52)又は前記冷却オリフィス(50、52)の1つに空圧方式で接続され、自体が有する空気が前記内側面(74A、76A)と接触する、外側空気を受け入れるプライマリ空間(80A、82A)と、自体が有する空気が前記外側面(74B、76B)及び前記固定子(34)と接触するセカンダリ空間(80B、82B)と、に分割される、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の電動機。
  9. それぞれの自由端部(70、72)は、前記フレーム(30)の個々の側壁(40、42)の向かい側に位置決めされ、
    前記側壁(40、42)には、前記回転子(32)の前記回転軸(R)に沿って延在し前記自由端部(70、72)を取り囲む内側部分(77、78)が設けられ、
    前記自由端部(70、72)と前記内側部分(77、78)との間の半径方向の距離は、5mm未満であり、好ましくは、1mm未満である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電動機。
  10. 少なくとも1つの電動機(22)を有する鉄道車両(10)であって、
    前記電動機(22)又は前記電動機(22)のそれぞれは、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の電動機である、鉄道車両。
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