JP2021078347A - 車両の駆動用電動機の冷却装置、それに関連する動力ユニット、車両及び交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、車両（１０）の駆動用電動機（２４）の冷却装置（２８）であって、空気流の取込用に少なくとも１つの穴（３８）が設けられた壁（３６）を有するハウジング（２６）によって電動機（２４）が囲まれた冷却装置（２８）に関する。
【解決手段】冷却装置（２８）は、第１の面（４８）とその反対側の第２の面（５０）とを備えるカバー（４０）であって、第１の面（４８）に位置する空気取込口（５２）と第２の面（５０）に位置する空気出口（５６）とをつなぐ空気流路管（５８）を画定するカバー（４０）と、カバー（４０）内に取り付けられた電動ファン（４２）であって、空気流を強制循環させるように構成された電動ファン（４２）とを備える。冷却装置（２８）は、ハウジング（２６）に取外し可能に固定されるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の駆動用電動機の冷却装置に関する。

本発明は、その冷却装置を備えた動力ユニットにも関する。

本発明は、その動力ユニットを備えた車両にも関する。

本発明はまた、動力ユニットのその冷却装置の交換方法にも関する。

車両は例えば鉄道車両であり、又は変形例としては、自動車両、航空車両もしくは海洋車両である。

駆動用電動機は、その動作時には冷却を行うことで過熱を防ぎ、その良好な動作を保証する必要がある。

動作時の駆動用電動機を冷却するため、電動機に送風機を剛体的に固定することが知られている。送風機は、駆動用電動機の回転子に直接連結されて電動機と同時に回転する。それにより、送風機は、強制対流によって駆動用電動機を冷却する空気流を作り出すことができる。

しかし、このような送風機の性能は、冷却、損失水頭及び騒音の面から十分とは言えない。実際、電動機の動作レンジ全域にわたって送風機の幾何学形状を調整することは不可能であり、送風機の回転速度を単独で、特に電動機に対して独立して、制御することは不可能である。また、このような送風機は保守が厄介でもある。保守作業のためには、電動機全体を分解する必要があり、電動機を降ろさなければならなくなる可能性もあるためである。

本発明の目的の１つは、車両の駆動用電動機の冷却装置であって、送風機の動作によって発生する騒音を低減し、保守も容易となるようにする一方で、冷却性能を向上させた冷却装置を提案することにある。

そこで、本発明は、車両、特に鉄道車両の駆動用電動機の冷却装置であって、電動機を冷却する空気流の取込用に少なくとも１つの穴が設けられた壁を有するハウジングによって電動機が囲まれ、第１の面とその反対側の第２の面とを備えるカバーであって、第１の面に位置する空気取込口と第２の面に位置する少なくとも１つの空気出口とをつなぐ空気流路管を画定するカバーと、カバー内に取り付けられた電動ファンであって、空気取込口から各々の空気出口へと空気流を強制循環させるように構成された電動ファンとを備える冷却装置において、カバーの第２の面をハウジングの壁に当着させることによってハウジングに取外し可能に固定されるように構成され、ハウジングに固定されたときにその空気出口又は複数の空気出口のうちの少なくとも１つがその穴又は複数の穴のうちの１つと向い合せとなる、冷却装置を目的とする。

本発明の具体的な実施形態によれば、冷却装置は、以下の特徴の１つ又は複数を単独で、又は技術的に可能なあらゆる組合せでさらに有する。
− 流路管は、空気取込口と少なくとも１つの空気出口との間で空気流の速度を連続的に減衰させるように構成されている、
− 冷却装置は円環状の単一の空気出口を有する、
− 冷却装置は、空気流路管内に配置された複数のフィンをさらに備える、
− 冷却装置は、電動機の電源とは独立した電動ファンのための電源を備える、及び
− カバーの第２の面はキャビティを画定する。

本発明はまた、車両の駆動用電動機と、電動機を囲むハウジングであって、電動機を冷却する空気流を通すための少なくとも１つの貫通穴が設けられた壁を備えるハウジングと、ハウジングに取外し可能に固定された前記請求項のいずれか一項に記載の冷却装置であって、カバーの各々の空気出口から出る空気流が前記壁の１つ又は複数の穴に送り込まれるように、カバーの第２の面がハウジングの壁に当着された冷却装置とを備える動力ユニットも対象とする。

本発明の具体的な実施形態によれば、動力ユニットは以下の特徴の１つ又は複数を単独で、又は組み合わせた形でさらに有する。
− 電動機が、主軸に沿って延びる回転子と、回転子の周りに広がる固定子とを備え、動力ユニットが、１つ又は複数の穴から供給を受ける少なくとも１つの冷却流路であって、固定子の周囲に延びる冷却流路を備える、及び
− 動力ユニットは、電動機の回転子の回転の速度測定装置を備え、その速度測定装置は、第２の面とハウジングの壁との間のキャビティ内に配置される。

本発明は、上に定義するような動力ユニットを少なくとも１つ備える車両、特に鉄道車両も対象とする。

本発明は、以下のステップを含む交換方法も対象とする。
− 上に定義するような動力ユニットの供給
− 冷却装置の取外しと、上に定義するような別の冷却装置への交換。

本発明及びその利点については、あくまでも限定的でない例として、添付の図面を参照しながら行う以下の説明を読むことによって、よりよく理解されよう。

鉄道車両の側面図である。 図１の鉄道車両に装備された動力ユニットの斜視図である。 図２の動力ユニットの冷却装置の斜視図である。 図２の動力ユニットの断面図である。

図１には、鉄道施設４及び鉄道車両１０を備える鉄道システム２が示されている。

鉄道施設４は、レール６及びカテナリー式架線８を含む。

カテナリー式架線８は、線路６の上方に吊り下げられた給電装置であり、１本又は２本の導体のトロリー線及び吊架線からなる。

以下では鉄道車両１０についてのみを説明するが、当業者であれば、本発明が、自動車両、航空車両又は海洋車両のような、あらゆる種類の車両に適用されるものであることを理解するであろう。

鉄道車両１０は、乗客及び／又は貨物の輸送を行うことができるように構成される。

図１から見て取れるように、鉄道車両１０は、少なくとも１両の乗客及び／又は貨物輸送車１２と、１両の先頭車１４と、車両１０に装備された少なくとも１つの動力ユニット１６とを備える。

有利には、車両１０は、先頭車１４の反対端に位置する最後尾車１８をさらに備える。

車両は、車１２、１４、１８のいずれか１両の上に配置された少なくとも１つのパンタグラフ２０をさらに備える。パンタグラフ２０は、カテナリー式架線８に対して摩擦することによって集電を行うように構成された関節式の装置である。

各々の車１２、１４、１８は、長手方向に延び、長手方向に２つの端部を有する。

車両１０はボギー台車１７を備える。各ボギー台車１７は、それぞれボギー台車１７の上に載る車１２、１４、１８を支えるか、又はそのボギー台車１７にそれぞれの長手方向端部が載る隣接する２両の車１２、１４、１８を支える（その場合は「連接台車」という）。

各々のボギー台車１７は、図示しない車軸によってボギー台車１７に取り付けられた車輪２２を備える。車輪２２は、レール６上を走行し、それによって鉄道車両１０が移動できるように構成される。

先頭車１４は鉄道車両１０の先頭端を画定する。

ここでは、先頭車１４は、車両１０の動力エネルギーを供給するように、すなわち車１２を推進又は牽引するように構成された動力車又は機関車である。

そのため、その動力ユニット１６又は複数の動力ユニット１６のうちの１つが先頭車１４に装備される。

有利な実施形態では、鉄道車両１０は、両方の向きに走るように構成される。その場合、最後尾車１８もまた、他の車１２、１４を牽引できる機関車である。

その場合、動力ユニット１６のうちの１つが最後尾車１８に装備される。

有利には、動力ユニット１６のうちの１つが、少なくとも１両の輸送車１２にさらに装備される。

動力ユニット１６は主に主軸Ａ−Ａ′に沿って延びる。

動力ユニット１６は、電動機２４と、電動機２４を囲むハウジング２６と、少なくとも１つの冷却流路２７と、冷却装置２８とを備える。

有利には、動力ユニット１６は、電動機２４の回転速度を測定するように構成された速度測定装置３０をさらに備える。

電動機２４には、パンタグラフ２０によって集電される電流が供給される。

電動機２４は、車両１０の駆動電動機である。電動機２４は、受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで車輪２２を回転させて車両１０の移動を可能にするように構成される。

図４に示す例では、電動機２４は、回転子３２、固定子３４及び外壁３５を備えた三相の電機機械である。

回転子３２は、全体として円筒形をなし、主軸Ａ−Ａ′に沿って延びる。回転子３２は、固定子３４に対して回転可能に取り付けられる。

固定子３４は回転子３２の周囲に広がる。

好ましくは、回転電気機械３２は同期機械である。

変形例では、回転電気機械３２は同期機械である。

外壁３５は、回転子３４の周囲に広がって電動機２４の内部を保護する。

ハウジング２６は、電動機２４を囲む壁３６を備える。

ハウジング２６は、電動機２４を囲む側方壁３６Ａ、前方壁３６Ｂ及び後方壁３６Ｃを備える。

側方壁３６Ａの主軸Ａ−Ａ′に垂直な断面は、全体として長方形、とりわけ正方形とされる。

変形例では、側方壁３６Ａの主軸Ａ−Ａ′に垂直な断面は、全体として円形又は多角形とされる。

前方壁３６Ｂは、冷却装置２８を取り付けられるように設けられる。

壁３６は、電動機２４冷却用の空気流を通すための少なくとも１つの貫通穴３８を有する。

有利には、図２に示すように、壁３６は複数の穴３８を備える。

穴３８は、とりわけ壁３６の前面３６Ｂに配置される。

各々の冷却流路２７は、固定子３４の周囲に延びる。

各々の冷却流路２７は、いずれか１つの穴３８から延び、後方壁３６Ｃのレベルでハウジング２６の外に出る。そのため、各々の冷却流路２７は、少なくともそのいずれか１つの穴３８を通して空気流が送り込まれるように構成される。

各々の冷却流路２７は、電動機２４の周囲に位置する。

とりわけ、各々の冷却流路２７は、電動機２４の外壁３５と接する。

有利には、各々の冷却流路２７は、主軸Ａ−Ａ′に沿って延びる。

そのため、冷却流路２７は、主軸Ａ−Ａ′に沿って前方壁３６Ｂから後方壁３６Ｃの方へ延びる。

電動機２４は動作時には熱を発生するため、電動機２４の良好な動作を保証するためにはその熱を排出する必要がある。

各々の冷却流路２７における空気流の循環は、図４に示した矢印によって表されている。

その循環の間、空気流は電動機によって発生した熱を回収し、ハウジング２６の外へ、さらに車両１０の外部へとその熱を排出する。

冷却装置２８は、電動機２０を冷却するように構成される。

とりわけ、冷却装置２８は、空気流を発生させ、それを各々の穴３８に送り込んで電動機２４を冷却するように構成される。

冷却装置２８は、横断方向に０．１ｍ〜１．６ｍの最大長さＬを有する。

冷却装置２８は、カバー４０及び電動ファン４２を備える。

カバー４０の主軸Ａ−Ａ′に垂直な断面は、全体として長方形、とりわけ正方形の輪郭を有する。

変形例では、カバー４０の主軸Ａ−Ａ′に垂直な断面は、全体として円形又は多角形の輪郭を有する。

とりわけ、カバー４０は、主軸Ａ−Ａ′方向から見てハウジング２６の輪郭に対応する輪郭を有する。

カバー４０は、第１の面４８と、第１の面４８とは反対側の第２の面５０とを有する。冷却装置２８は、カバー４０をハウジング２６に当着させることによって、より詳細には第２の面５０をハウジング２６に当着させることによって、ハウジング２６に固定されるように用意される。

第１の面４８は、有利には全体が凸形であり、好ましくは何らかの形状を与えられたものである。

第１の面４８は、カバー４０内への空気の取込を可能にする空気取込口５２を備える。

空気取込口５２は、有利には、例えば第１の面４８のほぼ中心に位置する円形の穴の形状を有する。

有利には、空気取込口５２は、冷却装置２８の横断方向最大長Ｌの２０％〜７０％の横断方向最大長Ｄを有する。

第２の面５０は、有利には、全体が凹形で窪みをなす。

第２の面５０は、有利には、冷却装置２８の外に位置するキャビティ５４を画定する。

第２の面５０は、少なくとも１つの空気出口５６を有する。第２の面５０の各々の空気出口５６は、その穴３８に空気を送り込むため、ハウジング２６の少なくとも１つの穴３８と流体接続するようにされる。

ここでは、第２の面５０は、第２の面５０のほぼ周囲に位置する単一の環状の空気出口５６を画定する。

カバー４０は例えば、互いに組み立てられた別々の部分である第１の部分と第２の部分からなり、第１の部分はカバー４０の第１の面４８を画定し、第２の部分５０は第２の面を画定する。

カバー４０の２つの部分は、ネジによるなどの方法で固定されて一体化される。

カバー４０は、窪みをなしており、空気取込口５２と各空気出口５６とをつなぐ空気流路管５８を画定する。

冷却装置２８は、空気取込口５２と各々の空気出口５６との間で空気流路管５８内に空気流を発生させ、それによって１つ又は複数の穴３８に空気流を送り込むように構成される。

とりわけ、冷却装置２８は、空気流が空気取込口５２から主軸Ａ−Ａ′に対して軸方向に流れるように、さらに流路管５８の部分では空気流が主軸Ａ−Ａ′から遠ざかる方向に流れるように構成される。

流路管５８は、空気取込口５２と各々の空気出口５６との間で空気流の速度を連続的に減衰させるように構成される。

したがって、流路管５８はディフューザである。

とりわけ、流路管５８内の空気流の速度は、主軸Ａ−Ａ′に対する接線方向成分と径方向成分とに分解される。一般に接線方向成分は径方向成分よりも大きい。接線方向成分の減速は、主軸Ａ−Ａ′までの距離に反比例する。空気流は、空気出口５６の方へ進んで主軸Ａ−Ａ′から遠ざかるにつれて、接線方向に減速する。速度の径方向成分は、空気流路管５８の取込口における空気流に垂直な断面積と空気流路管５８の出口における垂直断面積との比に応じて変化する。

空気流路管５８は、速度の接線方向成分に生じる減速により、たとえ径方向速度が増大することがあっても、空気出口５６レベルの空気流の絶対速度が空気取込口５２レベルの空気流の速度より低くなるように設計される。

空気流路管５８における空気流のこの減速は、空気流の動圧を有効静圧に変換することができる。この静圧の回収は、衝撃及び乱流による空気流の速度及び圧力の急変を防ぐことで、空気流の損失水頭を埋め合わせ、冷却装置２８の空力騒音を低減することを可能にする。

電動ファン４２は、カバー４０の内側に取り付けられる。

電動ファン４２は、空気取込口５２から各々の空気出口５６に向かう空気循環を強制するように構成される。

とりわけ、電動ファン４２は、回転軸６２を有する回転電気機械６０と、回転軸６２に固定された羽根アセンブリ６４とを備える。

電動ファン４２は、取込口５２から主軸Ａ−Ａ′に対して軸方向に空気流を吸い込み、その空気流を流路管５８の部分で主軸Ａ−Ａ′に対して基本的に径方向に循環させるように構成される。

冷却装置２８は、カバー４０の第２の面５０をハウジング２６の壁３６に当着させて、取外し可能な固定手段６６によってハウジング２６に固定するように構成される。

冷却装置２８とカバー２６が互いに固定されるとき、各々の空気出口５６は、穴３８と向かい合う。

固定手段６６は例えばネジである。図２の例では、冷却装置２８はとりわけ、カバー４０の四隅に配置された４つのネジによって固定されている。

任意選択として、図３及び図４に示すように、冷却装置は、流路管５８内に位置するフィン４４を備える。

フィン４４は、カバー４０に対して固定である。

フィン４４の向きは、フィン４４レベルにおける空気流の流入角に応じて決定される。この流入角は、空気流の速度の接線方向成分と径方向成分との比に依存する。

フィン４４は、空気流に向きを与えるとともに、空気流の渦巻きを抑えるように構成される。フィン４４は、流路管５８内の空気流の減速にも寄与する。

冷却装置は、電動ファン４２に給電するための電源４６、より詳細には電気機械６０に給電して羽根６４を回転させるための電源４６を備えることが好ましい。

有利には、電源４６は、電動機２４の電源とは独立である。

そのため、電動ファン４２の回転速度は、電動機２４の回転子３２の回転速度とは独立であってよい。

速度測定装置３０は、電動機２４の回転子３２の回転速度を測定するように構成される。

速度測定装置３０は、ハウジング２６の外側に置かれ、穴３８が設けられたハウジング２６の壁３６であって、冷却装置２８を受けるようにされた壁３６に位置する。

ハウジング２６の壁３６に冷却装置２８が取り付けられると、速度測定装置３０は、第２の面５０のキャビティ５４内の、第２の面５０とハウジング２６の壁３６との間に収まる。

速度測定装置３０は、例えば、壁３６から突き出た電動機の出力軸の先端に取り付けられたホイールエンコーダと、ホイールエンコーダの回転速度を測定する速度センサであって、ハウジング２６の壁３６に置かれた速度センサとを備える。

次に、冷却装置２８の交換方法について説明する。

まず、鉄道車両１０に動力ユニット１６が装備され、それによって車両１０の移動のための機械エネルギーの供給が行えるようになる。

その後、保守などの目的で動力ユニット１６の冷却装置２８の交換作業が必要になると、第１の冷却装置２８はハウジング２６から取り外される。

とりわけ、取外し可能な固定手段６６が取り除かれて、第１の冷却装置２８とハウジング２６との結合を解除できるようにする。

次いで、この方法は、第１の冷却装置２８を別の冷却装置２８に交換するステップを含む。

電動機２４周りのアクセスに問題がなければ、交換は、鉄道車両１０から電動機２４を降ろすことなく行うことができる。

別の冷却装置２８は、固定手段６６によってハウジング２６に固定される。

そうすることで、動力ユニット１６は改めて供用が可能となる。

こうして見ると、本発明は幾つかの利点を有することがわかる。

本発明は、固定手段６６を取り外すだけで、ハウジング２６を分解することなく、冷却装置２８を簡易かつ迅速に交換することを可能にする。

それによって、冷却装置２８の保守は容易となり、電動機２４の稼働率を高めることができる。

本発明はまた、冷却装置２８を、想定すべき電動機２４の動作に対する適合性に一段と優れた別の冷却装置２８に交換することを可能にする。とりわけ、最も適した幾何学形状の流路管５８を有する冷却装置２８を選ぶことで、想定される電動機２４の動作点に応じて冷却装置２８の適合化を図ることができる。

さらに、冷却装置２８は、電動機２４からは切り離されている。そのため、電動ファン４２の回転速度は、回転子３２の回転速度には依存せず、電動機２４の動作点に対して最適な形で適合され得る。

そのため、冷却装置による電動機２４の冷却性能の顕著な向上が得られる。

そのため、本発明はまた、電動機２４の寿命を延ばすとともに、電動機２４の過熱によるあらゆるトラブルを防ぐことができる。

最後に、分配管５８における静圧の回収は、損失水頭を埋め合わせ、空力騒音を大幅に減らすことができる。

２ 鉄道システム
４ 鉄道施設
６ レール
８ カテナリー式架線
１０ 鉄道車両、車両
１２ 貨物輸送車、車
１４ 先頭車、車
１６ 動力ユニット
１７ ボギー台車
１８ 最後尾車、車
２０ パンタグラフ
２２ 車輪
２４ 電動機、駆動用電動機
２６ ハウジング
２７ 冷却流路
２８ 冷却装置、第１の冷却装置
３０ 速度測定装置
３２ 回転子
３４ 固定子
３５ 外壁
３６ 壁
３６Ａ 側方壁
３６Ｂ 前方壁
３６Ｃ 後方壁
３８ 貫通穴、穴
４０ カバー
４２ 電動ファン
４４ フィン
４６ 電源
４８ 第１の面
５０ 第２の面
５２ 空気取込口
５４ キャビティ
５６ 空気出口
５８ 空気流路管、流路管、分配管
６０ 回転電気機械
６２ 回転軸
６４ 羽根アセンブリ、羽根
６６ 固定手段
Ａ−Ａ′ 主軸

Claims (11)

1. 車両（１０）、特に鉄道車両を駆動するための電動機（２４）の冷却装置（２８）であって、前記電動機（２４）を冷却する空気流の取込用に少なくとも１つの穴（３８）が設けられた壁（３６）を有するハウジング（２６）によって前記電動機（２４）が囲まれており、前記冷却装置（２８）が、
   − 第１の面（４８）とその反対側の第２の面（５０）とを備えるカバー（４０）であって、前記第１の面（４８）に位置する空気取込口（５２）と前記第２の面（５０）に位置する少なくとも１つの空気出口（５６）とをつなぐ空気流路管（５８）を画定するカバー（４０）と、
   − 前記カバー（４０）内に取り付けられた電動ファン（４２）であって、前記空気取込口（５２）から各々の空気出口（５６）へと空気流を強制循環させるように構成された電動ファン（４２）と
   を備え、
   前記冷却装置（２８）が、前記カバー（４０）の前記第２の面（５０）を前記ハウジング（２６）の前記壁（３６）に当着させることによって前記ハウジング（２６）に取外し可能に固定されるように構成され、前記ハウジング（２６）に固定されたときに前記空気出口（５６）又は複数の前記空気出口（５６）のうちの少なくとも１つが前記穴（３８）又は複数の前記穴（３８）のうちの１つと向い合せとなる、冷却装置（２８）。
2. 前記空気流路管（５８）が、前記空気取込口と前記少なくとも１つの空気出口との間で空気流の速度を連続的に減衰させるように構成されている、請求項１に記載の冷却装置（２８）。
3. 円環状の単一の空気出口を有する、請求項１又は２に記載の冷却装置（２８）。
4. 前記空気流路管（５８）内に配置された複数のフィン（４４）をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却装置（２８）。
5. 前記電動機（２４）の電源とは独立した前記電動ファン（４２）のための電源（４６）を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却装置（２８）。
6. 前記カバー（４０）の前記第２の面（５０）がキャビティ（５４）を画定する、請求項１から５のいずれか一項に記載の冷却装置（２８）。
7. − 車両（１０）の駆動用電動機（２４）と、
   − 前記電動機（２４）を囲むハウジング（２６）であって、前記電動機（２４）を冷却する空気流を通すための少なくとも１つの貫通穴（３８）が設けられた壁（３６）を備えるハウジング（２６）と、
   − 前記ハウジングに取外し可能に固定された請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却装置（２８）であって、前記カバー（４０）の各々の空気出口（５６）から出る空気流が前記壁（３６）の１つ又は複数の前記穴（３８）に送り込まれるように、前記カバー（４０）の第２の面（５０）が前記ハウジング（２６）の前記壁（３６）に当着された冷却装置（２８）と
   を備える動力ユニット（１６）。
8. 前記電動機（２４）が、主軸（Ａ−Ａ′）に沿って延びる回転子（３２）と、前記回転子（３２）の周りに広がる固定子（３４）とを備え、前記動力ユニット（１６）が、前記１つ又は複数の穴（３８）から供給を受ける少なくとも１つの冷却流路（２７）であって、前記固定子（３４）の周囲に延びる冷却流路（２７）を備える、請求項７に記載の動力ユニット（１６）。
9. 前記冷却装置（２８）が、請求項６に記載の冷却装置とされ、前記動力ユニット（１６）が、前記電動機（２４）の前記回転子（３２）の回転の速度測定装置（３０）を備え、前記速度測定装置（３０）が、前記第２の面（５０）と前記ハウジング（２６）の前記壁（３６）との間の前記キャビティ（５４）内に配置される、請求項８に記載の動力ユニット（１６）。
10. 少なくとも１つの請求項７から９のいずれか一項に記載の動力ユニット（１６）を備える車両（１０）、特に鉄道車両。
11. − 請求項７から９のいずれか一項に記載の動力ユニット（１６）を供給するステップと、
    − 前記冷却装置（２８）を取り外し、請求項１から６のいずれか一項に記載の別の冷却装置（２８）と交換するステップと、
    を含む交換方法。

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