JP2023007046A - 全閉外扇形電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】静音性に優れる全閉外扇形電動機を提供する。【解決手段】固定子と回転子を全閉フレーム内に収容し、回転子の回転軸に固定された外扇５２により、外気を外扇の主板の外気側の全閉フレーム内に取り込み、外扇から吐出された空気を、全閉フレームの軸方向端部に形成された円弧状の第１ダクトを経由して全閉フレームの外周部に形成された複数の第２ダクト９２を流通させて外部に排出するようにした全閉外扇形電動機であって、外扇から吐出され周方向に流れる空気が円弧状の第１ダクトに周方向に分散して流入するように、周方向に流れる空気を第１ダクトに取り込むガイド９１１～９１６を設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、全閉外扇形電動機にかかり、特に鉄道用主電動機等に好適な車両用全閉外扇形電動機に関する。

鉄道用主電動機（以下、主電動機と記す）は回転電機の一形態であって、鉄道車両の台車内の限られたスペースに収められた状態で、大出力で運用される。このため稼働時の発熱を効率的に放散し冷却する必要がある。
主電動機としては、機内に外気を直接導入し通過させて冷却を行う開放形主電動機と、機内を外気と実質隔絶しながら冷却を行う全閉形主電動機がある。
全閉形主電動機は、回転軸（シャフト）の機内両端に設けた遠心ファンと、フレームおよびブラケットで構成されるケーシングとの隙間が極小化されて、内部が外気と実質隔絶されている。このため取り込む粉塵が少なく、また漏れ騒音が小さい。内部で発した熱は遠心ファンやケーシングの肉厚方向外側に移動し、最終的に外気に放散される。全閉形主電動機は、取り込む粉塵が少なく分解清掃の頻度を少なくでき、また鉄道沿線への配慮として周辺への漏れ騒音を小さくできることから、近年、鉄道用主電動機への適用が進んでいる。

全閉形主電動機には、ファンの翼（ベーン）を、主板の機外側に設けた全閉外扇形主電動機と、主板の機内側に設けた全閉内扇形主電動機とがある。全閉外扇形主電動機はファンやケーシングに伝わった熱を外扇の風により外部へ放散する。全閉内扇形主電動機はケーシングに伝わった熱をケーシングに設けたフィンを通じ放散する。一般的に全閉外扇形主電動機は全閉内扇形主電動機よりも体躯を小さく軽量にでき、放熱性が高い。反面、全閉内扇形主電動機は遮音性が高く周囲への騒音を小さくできる。

主電動機の回転によって音場の圧力変動が生じると、空力騒音が発生する。鉄道車両は高速化が進んでおり、鉄道車両を駆動する主電動機の稼働回転速度は高まる傾向にある。空力騒音は速度の６乗に比例する性質を持つことから、空力騒音抑制の必要性が高まっている。

特許文献１には、反駆動側に設けられた外気ファンにより、ステータ鉄心に形成した第１の通風路に冷却風を通流させるようにした車両用全閉外扇形電動機が提案されている。駆動側機内に内気ファンを設けるとともに、ロータ鉄心に第２の通風路を、ステータ鉄心に第３の通風路をそれぞれ形成し、内気ファンにより、第２の通風路および第３の通風路を通して内気を循環させている。隣接する複数の第１の通風路の端部が、反駆動側のブラケットに設けられた長円状の空間領域に囲まれている。外気ファンからの風は長円状の空間領域を経て第１の通風路に流入し、駆動側のブラケットの排風穴から外気に排出される。

特開２００３－１４３８０９号公報

特許文献１では、隣接して軸方向に延伸する第１の通風路が、ブラケットに形成された長円状の空間領域に囲まれている。外気ファンから径方向外側に向け吐出された空気は、外気ファン外周を周方向に移動してブラケットの長円状の空間領域に到達し、空間領域を通過して第１の通風路に導入され、最終的に外気に排出される。

空気が長円状の空間領域を通過するには、空気の進行方向を外気ファンの周方向から径方向外側に向きを変更する必要がある。高速で回転する外気ファンから吐出され外周を周回する空気は高速であり、急に向きを変えることができない。このため空気は長円状の空間領域の外気ファン回転方向下流側に集中する。また、この現象によって複数の第１の通風路のうち同下流側のものを通過する空気の流量が多くなる。この結果、空気流量の大きな第１の通風路では壁面に多くの空気が衝突して音波の変動が大きくなり、大きな音響出力を発し、周囲における空力騒音が大きくなることが考えられる。

本発明の目的は、静音性に優れる全閉外扇形電動機を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明の全閉外扇形電動機は、特許請求の範囲に記載のように構成したものである。なお、特許請求の範囲において、引用形式の請求項における他の請求項の引用は、引用形式の請求項の記載を分かり易くするために単項引用としているが、本発明は、引用形式の請求項において、複数の請求項を引用する形態（多項引用項）、及び、複数の多項引用項を引用する形態を含む。
具体的には、本発明の全閉外扇形電動機は、例えば、固定子と回転子を全閉フレーム内に収容し、回転子の回転軸に固定された外扇により、外気を外扇の主板の外気側の全閉フレーム内に取り込み、外扇から吐出された空気を、全閉フレームの軸方向端部に形成された円弧状の第１ダクトを経由して全閉フレームの外周部に形成された複数の第２ダクトを流通させて外部に排出するようにした全閉外扇形電動機であって、外扇から吐出され周方向に流れる空気が円弧状の第１ダクトに周方向に分散して流入するように、周方向に流れる空気を第１ダクトに取り込むガイドを設けたものである。

本発明によれば、静音性に優れる全閉外扇形電動機を得ることができる。
上記以外の構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例の車両用全閉外扇形電動機の断面図である。 図１におけるＡ断面の斜視図である。 図１におけるＢ断面および回転軸を含む２平面の断面からなり、簡単のため一部の構成を除外した部分断面斜視図である。 図１におけるＡ断面の平面図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態を説明する。以下の説明は本発明の一つの具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示されている技術的思想の範囲において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の符号を付け、その繰り返しの場合は説明を省略する場合がある。

図１を参照しながら本発明が適用される車両用全閉外扇形電動機（以下、電動機と称する）１の構成例を説明する。本実施例の電動機１は誘導電動機である。電動機１は、軸中心部に略円柱形の空間を有する固定子２と、固定子２の内径側に固定子２と所定の間隔を保持して対向配置された略円柱形の回転子３を備える。
固定子２は固定子コア２０と複数の固定子コイル２２を備える。固定子コイル２２は、固定子コア２０の周囲に形成されて回転軸方向に延伸する複数の固定子スロット（図示省略）に巻き回されている。固定子コア２０は回転軸方向に延伸する筒状部材であるフレーム４の内壁の一部と接しており、これによりフレーム４と相対的に固定されている。図１では下側においてフレーム４の内壁と接しており、周方向において複数個所でフレーム４の内壁と接している。

フレーム４の両端にはエンドブラケット４１ａ、４１ｂが取り付けられている。フレーム４およびエンドブラケット４１ａ、４１ｂは全閉フレームを構成している。全閉フレームの両端中央部にはそれぞれ軸受３７ａ、３７ｂが設けられている。また全閉フレームには空気を取り込む貫通孔であるインレット８１、および取り込んだ空気を輩出するアウトレット８２が設けられている。また全閉フレームにはエンドブラケット４１ａの外周部に第１ダクト９１、フレーム４の外周部で第１ダクト９１と連通する位置に第２ダクト９２が設けられている。第１ダクト９１および第２ダクト９２は排気ダクト９０を構成する。

回転子３は回転子コア３０と複数の回転子バー３２を備える。回転子コア３０には空気が流通可能な貫通孔３０１が周方向に複数設けられている。各回転子バー３２はエンドリング３３によって両端から支持されている。両端それぞれのエンドリング３３はリテイニングリング３４で保持されている。各回転子バー３２はエンドリング３３とリテイニングリング３４により機械的に一体化されて、かご形導体を構成している。回転子コア３０の回転軸中央部にはシャフト３６が嵌合されている。シャフト３６には遠心ファンである内扇５１および外扇５２が嵌合されている。シャフトの両端は軸受３７ａ、３７ｂの内輪に嵌合されている。これによりシャフト３６は回転子３、内扇５１および外扇５２と共に全閉フレームに対して相対的に回転可能に保持されている。

電動機１に交流電力を与えて各部損失（発熱）を伴いながら回転磁界を生成し、シャフト３６が回転すると、共に回転する内扇５１により機内空気７１が各部で矢印（破線の矢印）の方向に流れを生じて循環流となる。機内空気７１はこの循環により固定子２、回転子３など主要な発熱部の熱をフレーム４、外扇５２の主板５２ａなどに伝達させる。またシャフト３６が回転すると、共に回転する外扇５２によりインレット８１を介して空気（機外空気７２）が取り込まれる。機外空気７２は外扇５２を通過して周方向に吐出され、第１ダクト９１を通過し、さらに第２ダクト９２を通過してアウトレット８２より外気に排出される。機外空気７２はこの間に、フレーム４、外扇５２の主板５２ａなどの表面で熱交換を行って、自身の温度上昇を伴いながらそれらの温度上昇を抑制する。また図１に示すように、固定子コア２０の外周の一部を直接冷却するようにしている。これらの一連の作用により、電動機１は高速で回転してもその温度が適正範囲に保たれる。

次に図２～図４を参照しながら、本実施例の排気ダクト９０を構成する第１ダクト９１および第２ダクト９２を詳述する。
本実施例では、外扇５２から吐出された空気を、全閉フレームを構成するエンドブラケット４１ａに形成された第１ダクト９１を経由して全閉フレームの外周部に形成された第２ダクト９２を流通させるようにした構成において、外扇５２から吐出され周方向に流れる空気が第１ダクト９１の周方向の一部領域に集中して流入しないように、すなわち、周方向に分散して流入するように、吐出空気を第１ダクト９１に取り込むガイドを設けたものである。

フレーム４には周方向に複数の第２ダクト９２が形成されている。隣接する第２ダクト９２同士は群を形成し、フレーム４の全周には第２ダクトの群９２Ｇが複数形成されている。

エンドブラケット４１ａの、第２ダクトの群９２Ｇに対応する位置には、第２ダクトの群９２Ｇごとに円弧状の第１ダクト９１が設けられている。第２ダクトの群９２Ｇが形成されていない周方向位置には第１ダクト９１が形成されていない。言い換えれば、エンドブラケット４１ａの内周方向に突出する部分によって複数の第１ダクト９１が分割されている。第１ダクト９１には、第１ダクト９１の周方向外側にガイド９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６が形成されている。すなわち、上述のエンドブラケット４１ａの内周方向に突出する部分の第１ダクト９１と周方向において面する箇所にガイド９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６が形成されている。ガイド９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６が形成された領域の空間も第１ダクト９１の一部を構成すると捉えた場合、第１ダクト９１の空間が広くなるようになっている。本実施例において、第１ダクト９１はエンドブラケット４１ａ内に形成され、ガイド９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６は外扇５２に対向する壁面、すなわち、エンドブラケット４１ａの外気と接しない側のエンドブラケットの壁面で構成されている。エンドブラケット４１ａ内に形成された第１ダクト９１は、図３に示すように、外扇５２（あるいはフレーム４）の径方向に延伸する部分９１７と、第２ダクト９２と同様にフレーム４の軸方向に延伸する部分９１８の双方を有する。またその双方は曲面Ｒ１ならびに曲面Ｒ２で繋がれている。外扇５２の径方向に延伸する部分９１７と、フレーム４の軸方向に延伸する部分９１８が第１ダクト９１の円弧状の空間領域を形成する。ガイド９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６は、第１ダクト９１のフレーム４の軸方向に延伸する部分９１８の領域に空気を均等に流入させ、結果的に第２ダクトの群９２Gを構成する複数の第２ダクト９２に空気を均等に流入させるガイドである。

第２ダクトの群９２Gが形成されている領域、すなわち、第１ダクト９１が形成されている領域を挟んで周方向において対向するように二つのガイドが形成されている。例えば、第１ダクト９１の周方向の両側にガイド９１１とガイド９１２が周方向において対向するように形成されている。このひとつの第１ダクト９１に連続するガイド９１１とガイド９１２について見た場合、ガイド９１１とガイド９１２の間隔長Ｌは、外扇５２に近づくほど長くなるように構成されている。すなわち、外扇５２の軸に向かって第１ダクトの周方向の幅（第１ダクトの間口）が広くなるよう構成されている。ここでガイドの間隔長Ｌは、回転軸中心から径方向に延びガイド間の中間を通る線と直交する線の方向の長さである。なお、ガイド９１３とガイド９１４、ガイド９１５とガイド９１６の間隔長の構成も同様である。

ガイド９１１は、図２の図面上、反時計方向に外扇５２が回転した場合の第１ダクト９１への空気の流れのガイドとなり、ガイド９１２は図２の図面上、時計方向に外扇５２が回転した場合の第１ダクト９１への空気の流れのガイドとなる。なお、ガイド９１１やガイド９１６は、図４に示すように、第２ダクト９２が周方向に一定以上ない領域Cがある場合（すなわち、領域Cでは第１ダクトも周方向に一定以上ない）、当該領域Cに隣接する第２ダクトの群９２Gに対応する第１ダクト９１への空気のガイドである。

また、ガイドの間隔長Ｌが外扇５２に近づくほど長くなるように構成することを換言すれば、ガイド９１１、９１２は第２ダクトの群９２Gから周方向に遠ざかるに従って外扇５２に近づくよう構成されている。すなわち、ガイド９１２について見れば、図２の図面上、ガイド９１２の右側の第２ダクトの群９２Gの左端の第２ダクト９２から周方向に遠ざかるに従って外扇５２に近づくよう構成されている。また、ガイド９１３について見れば、図２の図面上、ガイド９１３の左側の第２ダクトの群９２Gの右端の第２ダクト９２に周方向に近づくに従って外扇５２から遠ざかるよう構成されている。
また、図４に示すように、本実施例では、ガイド９１１は傾斜面S1と傾斜面S2から構成されている。傾斜面S1は傾斜面S2よりも緩やかな傾斜面としている。その他のガイド９１２、９１３、９１４、９１５、９１６も同様に構成されている。ガイド９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６は一つの傾斜面で構成しても良いし、階段状に形成しても良い。また、傾斜面は平面ではなく曲面に形成しても良い。

次に、機外空気７２の流れと効果について図３を参照しながら説明する。
シャフト３６の回転に伴い外扇５２が回転すると、機外空気７２は、先ず、図１に示すインレット８１から流れ７２ａの向きに取り込まれる。その後流れ７２ｂのように向きを変えて、外扇５２の内周側を経由して外周側へ吐出される。次に流れ７２ｃの矢印で示したように、外扇５２と全閉フレームの間の空隙を周方向に移動しながら第１ダクト９１を経由していずれかの第２ダクト９２に流入し、流れ７２ｄの向きに第２ダクトを流通して排出される。

上述の流れのうち流れ７２ｃは、ガイド（図３ではガイド９１５）が図面左側の第２ダクトの群９２Gに近づくほど外扇５２から遠ざかる構成としていることから、外扇５２から吐出されて外扇５２の接線方向に周回する機外空気７２が無理なく（急に向きを変えることを必要とせず）第１ダクト９１を経由していずれかの第２ダクト９２へと誘導される。そのため外扇５２の回転方向下流の第２ダクト９２の空気流量が相対的に大きくなる現象を回避することができる。すなわち、外扇５２から吐出され高速で外周を周回する空気が第１ダクト９１にスムーズに導入されやすくなるので、第１ダクト９１に対応する領域の第２ダクトの群９２G内の複数の第２ダクト９２への空気流量が略均等化する。

全閉外扇形電動機において周囲において観測される空力騒音は、機外空気７２の流れが構成部品の表面で衝突やはく離を繰り返した結果発せられた音響出力が伝播するもので、空気速度が大きいほど大きくなる。本実施例によれば、特定の第２ダクト９２の空気流量が相対的に大きくなる（すなわち相対的に空気速度が高まる）現象を抑止することができる。その結果、音響出力の最大値も小さく抑えることができるので、外部で観測される騒音を小さく抑えることができる。

１：回転電機、２：固定子、３：回転子、４：フレーム、２０：固定子コア、２１：固定子スロット、２２：固定子コイル、３０：回転子コア、３２：回転子バー、３３：エンドリング、３４：リテイニングリング、３６：シャフト、３７ａ、３７ｂ：軸受、４１ａ、４１ｂ：エンドブラケット、５１：内扇、５２：外扇、５２ａ：主板、７１：機内空気、７２：機外空気、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ：流れ、８１：インレット、８２：アウトレット、９０：排気ダクト、９１：第１ダクト、９２：第２ダクト、９２Ｇ：第２ダクトの群、３０１：貫通孔、９１１、９１２、９１３、９１４、９１５、９１６：ガイド、９１７：フレームの径方向に延伸する部分、９１８：フレームの軸方向に延伸する部分、Ｌ：ガイドの間隔長、Ｒ１、Ｒ２：曲面。

Claims (6)

1. 固定子と回転子を全閉フレーム内に収容し、
   前記回転子の回転軸に固定された外扇により、外気を前記外扇の主板の外気側の前記全閉フレーム内に取り込み、前記外扇から吐出された空気を、前記全閉フレームの軸方向端部に形成された円弧状の第１ダクトを経由して前記全閉フレームの外周部に形成された複数の第２ダクトを流通させて外部に排出するようにした全閉外扇形電動機であって、
   前記外扇から吐出され周方向に流れる空気が前記円弧状の第１ダクトに周方向に分散して流入するように、前記周方向に流れる空気を前記第１ダクトに取り込むガイドを設けたことを特徴とする全閉外扇形電動機。
2. 請求項１に記載の全閉外扇形電動機において、
   前記ガイドは、前記外扇に対向する壁面で構成されている全閉外扇形電動機。
3. 請求項２に記載の全閉外扇形電動機において、
   前記第１ダクトは前記全閉フレームを構成するエンドブラケット内に形成され、前記ガイドは外気と接しない側の前記エンドブラケットの壁面で構成されている全閉外扇形電動機。
4. 請求項３に記載の全閉外扇形電動機において、
   前記第１ダクトは、前記外扇の径方向に延伸する部分と前記全閉フレームの軸方向に延伸する部分を備え、前記第１ダクトの前記全閉フレームの軸方向に延伸する部分が前記複数の第２ダクトに連通している全閉外扇形電動機。
5. 請求項４に記載の全閉外扇形電動機において、
   前記エンドブラケットは、前記複数の第２ダクトが形成されていない領域に対応する箇所が内周方向に突出するように形成され、
   前記エンドブラケットの内周方向に突出する部分の周方向の面が前記第１ダクトに面しており、
   前記ガイドは前記エンドブラケットの内周方向に突出する部分の前記第１ダクトと周方向において面する箇所に形成され、
   前記ガイドは前記第１ダクトの空間領域を拡大するように形成されている全閉外扇形電動機。
6. 請求項５に記載の全閉外扇形電動機において、
   前記ガイドは、前記第２ダクトが形成されている領域に対応する前記第１ダクトの両側に周方向において対向するように形成されており、
   前記ガイドは、前記周方向において対向するように形成されたガイドの周方向の間隔が、前記回転軸に向かって広くなるように形成されている全閉外扇形電動機。

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