JP4397181B2 - 車両用主電動機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両を駆動する車両用主電動機に関し、特に、冷却ファンにより外気を取り込んで、回転子に設けられた風穴及び回転子と固定子が対向する空隙部分に導入して電動機内を冷却する車両用主電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用電動機は、環境条件の悪い車両台車部に設置されており、環境条件を問わず、車両の走行中、外気を取り入れて回転子や固定子等を冷却している。
図５に従来の車両用主電動機の構成例を示す。なお、同図は、車両用主電動機の断面構成を示し、上半分のみを示している。
同図において、１は主電動機軸であり主電動機軸１には、回転子２、冷却ファン２６が取り付けられ、主電動機軸１は軸受け７，９により回転可能に支持されている。３は固定子であり、固定子３にはフレーム４が取り付けられ、フレーム４の一方端には、ブラケット５が取り付けられている。
フレーム４の他方端には、外気取り入れ口２５が設けられ、外気取り入れ口２５には、塵埃を除去するためのストレーナ２８が設けられている。また、ブラケット５には、排出口２２と大気開放穴２３が設けられている。
上記冷却ファン２６が回転することにより、ストレーナ２８により塵埃が除去された冷却風が、外気取り入れ口２５から取り込まれる。そして、固定子３と回転子２の間の空隙１４、回転子２に設けられた風穴１３を通して高温になった冷却風が冷却ファン２６により、排出口２２から外部に排出される。
【０００３】
上記構造の電動機は、外気に含まれる塵埃、水分をストレーナ内のフィルタなどにより除去する構造であり、定期的にフィルタの清掃保守を実施する必要がある。なお、以下では、上記のように、電動機の一方側に外気取り入れ口を設け、他方側に冷却ファンを設けて、冷却ファンにより外気を吸気して電動機内を冷却する冷却方式を吸気型冷却方式という。
そこで、上記ストレーナを不要とし、電動機内への塵埃の侵入を防止する構造として、特許文献１には、入気口から冷却風を電動機内に流入させるファンを設けるとともに、該ファンの主板に対向する部分にリング状の塵埃分離板を設け、電動機内に侵入する塵埃を上記ファンの外径側に設けた塵埃排出口から排出させるようにした車両用主電動機が開示されている。
また、特許文献２には、同様に入気口から冷却風を電動機内に流入させるファンを設けるとともに、該ファンの外周より外側に塵埃排出口を設け、通風案内板により、ファンにより枠体内の周方向に還流される冷却風を上記塵埃排出口に誘導するようにした車両用主電動機が開示されている。
なお、以下では、上記のように、冷却ファンの近傍に外気取り入れ口を設け、冷却ファンにより外気取り入れ口から外気を取り入れ、電動機内に冷却風を送り込んで冷却する冷却方式を押し込み型冷却方式という。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３２１１８２６号公報
【特許文献２】
特許第３０４８０５２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す車両用主電動機（以下、電動機という）は、ストレーナ２８により塵埃を除去した冷却風を外気取り入れ口２５より取り込み、空隙１４、風穴１３を介して排気口２２から機外に排気する吸気型冷却方式を採用しており、前記したように、定期的にフィルタの清掃保守を実施する必要があった。
上記特許文献１，２に記載の電動機のように押し込み型冷却方式とすれば、上記のようなストレーナの清掃保守の労を無くすことができるとともに、電動機からストレーナが突出することがなく、小型化を図ることができる。
しかし、上記特許文献１，２に記載の冷却ファンは、ファン主板に対して、ファンベーン（羽根）がブラケット側に突出した構造であり、図５に示した従来の電動機に使用されていた冷却ファンとは大きく構造が異なる。
この種の冷却ファンは、一般的に鋳物で製作されており、上記特許文献１，２に記載の冷却ファンを製作するには、従来の鋳物型をそのまま使用することができず、新たに鋳物型を用意する必要があった。
【０００６】
また、前記特許文献１，２に記載の構造であれば、固定子、回転子が設けられた部分に侵入する塵埃を少なくすることができるものの、一部の塵埃は上記部分に侵入し堆積する。このことは電動機にとって好ましいことではなく、このような塵埃を効果的に除去できるような構造であることが望ましい。
さらに、車両用主電動機の回転子の稼動中の温度上昇限度は、約２１０°Ｃであり、軸受は潤滑グリースを有していることから５５°Ｃである。このことより排気側の軸受は、冷却風が回転子風穴や空隙を通って高温になっていること及びより高温の回転子より熱が主電動機軸１を通して軸受部に伝わることにより温度上昇として厳しい条件にさらされていた。
従って固定子、回転子の冷却と共に、特に高温になった冷却風による排気側の軸受の温度上昇を押さえるために、冷却風量を増やすなどの必要性があった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、その目的は、従来使用していた吸気型冷却方式で使用された冷却ファンを一部改造することで、押し込み型冷却方式の冷却ファンに容易に転用することができ、また、電動機内に堆積する塵埃を効果的に除去することができるとともに、電動機の軸受部の温度上昇を抑えることができる車両用主電動機を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を本発明においては、次のように解決する。
（１）フレームの内側に設けられた固定子と、フレームの一方を閉塞するブラケットと、該ブラケットに設けられた第１の軸受装置と、フレームの他方の端面側に設けられた第２の軸受装置と、前記固定子に対向させた回転子と、上記第１、第２の軸受装置を介して、上記回転子と一体化された主電動機軸を回転自在に支持する構造を備えた車両用主電動機において、上記ブラケット側に主電動機軸に直結された冷却ファンを配置し、この冷却ファンを、ファン主板と、該ファン主板から突出し、冷却ファンの回転中心から放射状に配置された複数枚の羽根と、該羽根に取り付けられ上記ファン主板に対向させて配置された円環状の側板から構成する。上記羽根は、該冷却ファンの主板に対して、上記第２の軸受装置側に突出し、上記冷却ファンの主板には、冷却風を取り入れるための穴が開けられている。
上記側板の外周側のフレームもしくはブラケットの内側に円環状の突起部を設け、また、上記ブラケットの上記冷却ファンの外周側であって上記突起部より第１の軸受装置側に排出口を設け、上記側板と上記突起部で形成される開口部の断面積は、上記排出口の開口断面積より大きくし、上記円環状の突起部には、一方端が上記排出口に連通し、他方端が上記固定子および回転子が設けられた空間に連通する、開口断面積が上記排出口の開口断面積よりさらに小さい開口面積の塵埃排出口を設ける。
そして、上記冷却ファンの羽根より内径側の第１の軸受装置側に外気取入口を配置し、この外気取り入れ口から吸気した冷却風をファン主板に設けられた穴を介して上記回転子に設けられた風穴及び回転子と固定子が対向する空隙部分に導入し、上記冷却風により電動機内を冷却し、上記外気取入口とは反対側のフレームに設けられた冷却風排気口から排出されるように構成する。
冷却ファンを上記構成としたので、今まで使用されていた吸気型冷却方式の冷却ファンのファン主板に穴明けをする改造し、ファン側板に制風板を取付けることで、従来の冷却ファンを押し込み型冷却方式の車両用主電動機で再使用が可能となる。また、上記冷却ファンは、一般的に鋳物で製作されているが、本発明の冷却ファンを採用すれば、従来の冷却ファンを製造する鋳物型を用たり、部分的な変更で目的の冷却ファン製造用の鋳物型に改造することができ、改造費用や初期コストを大幅に低減する事が可能になる。
また、側板の外周側のフレームもしくはブラケットの内側に円環状の突起部を設け、上記ブラケットの上記冷却ファンの外周側であって上記突起部より第１の軸受装置側に排出口を設け、上記側板と上記突起部で形成される開口部の断面積を、上記排出口の開口断面積より大きすることで、冷却ファンで取り込んだ外気とともに、電動機内に侵入する塵埃を上記冷却ファンの外周側に設けた排出口から排出することができる。
さらに、上記円環状の突起部に、一方端が上記排出口に連通し、他方端が上記固定子および回転子が設けられた空間に連通する開口断面積が上記排出口の開口断面積よりさらに小さい開口面積の塵埃排出口を設けることで、電動機内に落下し、塵埃排出口の入口部分や内部に溜まった塵埃や水分を、塵埃排出口、排出口を介して機外に強制的に排出することができ、また、塵埃で塵埃排出口内が詰まることも無い。
（２）上記（１）において、回転子より第２の軸受装置側に、上記主電動機軸に取り付けた放熱フィンを配置し、上記放熱フィンに対して、回転子とは反対側のフレームの端面に外気と通じる放熱口を設け、上記回転子とは反対側のフレームの端面であって、上記放熱口より第２の軸受装置側に換気口を配置する。
上記構造とすることで、放熱口から放熱フィンの熱を放熱させて、放熱フィンの放熱効果を高めることができ、さらに、放熱フィンとフレームで囲まれる空間を換気口から流入する外気で換気することができ、放熱フィンの放熱効果を一層高めることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例の車両用主電動機の構成を示す図であり、同図は、図５と同様、車両用主電動機の断面構成を示し、上半分のみを示したものである。なお、図１に示す電動機を実際に車両に取り付ける場合には、図１に示す上半分の部分が下側になるように取付けられる。
同図において、１は主電動機軸であり主電動機軸１には、回転子２、冷却ファン６が取り付けられ、主電動機軸１は軸受７，８により回転可能に支持されている。３は固定子であり、固定子３にはフレーム４が取り付けられ、フレーム４の一方端には、ブラケット５が取り付けられている。
ブラケット５には外気取り入れ口１０と、塵埃を排出する排出口１２が設けられ、フレーム４の他方端の側面には、排気口１５が設けられ、また、フレーム４の他方端の端面には、放熱口１６と換気口１７が設けられている。
また、フレーム４のブラケット５が設けられた側には、冷却風を案内するための円環状の突起部１８が設けられ、この突起部１８と冷却ファンで形成される開口部の面積は、上記排出口１２の開口断面積より大きい。
上記突起部１８には、一方端が上記排出口１２に連通し、他方端が上記固定子および回転子が設けられた空間に連通する、開口面積が上記排出口１２よりさらに小さい開口面積の塵埃排出口１１が設けられている。
【０００９】
上記冷却ファン６は、外気取り入れ口１０から外気を取り入れ、電動機内部空間に外気を送り込む押し込みファンである。
上記冷却ファン６は、前記図５に示した冷却ファン２６と同様に構造を有し、ファン主板６ａと、該ファン主板６ａから突出した複数枚の羽根６ｂと、該羽根６ｂに取り付けられた円環状の側板６ｃから構成される。
上記羽根６ｂは、ファン主板６ａに対して、軸受８側に突出しファン主板６ａには、冷却風を取り入れるための穴６ｄが開けられている。
図２に上記冷却ファン６の構成を示す。同図（ａ）は冷却ファン６を軸受７側から見た図、（ｂ）は、冷却ファン６の回転中心を通る線で切った断面図（上半分のみを示している）、（ｃ）は冷却ファン６を軸受８側から見た図である。
同図において、６ａはファン主板であり、ファン主板６ａには、該ファン主板６ａから突出し、その回転中心から放射状に配置された羽根６ｂと、ファン主板６ａに対向させて配置された円環状の側板６ｃから構成され、ファン主板６ａには冷却風を取り入れる複数の穴６ｄが設けられている。
上記冷却ファン６を回転させることにより、穴６ｄから取り込まれた空気が、同図（ｂ）の矢印に示すように、ファン主板６ａ，側板６ｂの間を通って冷却ファン６の外周方向に送り出される。
【００１０】
図３に前記図５に示した従来の吸気型冷却方式で使用される冷却ファン２６の構成例を示す。図２と同様、同図（ａ）は冷却ファン６を軸受７側から見た図、（ｂ）は、冷却ファン６の回転中心を通る線で切った断面図（上半分のみを示している）、（ｃ）は冷却ファン６を軸受８側から見た図である。
図３に示す冷却ファン２６も、基本的構造は上記図２に示したものと同様であるが、図３のものは、上記穴６ｄが設けられておらず、また、円環状の側板６ｃの内径が図２に示すものより大きく、側板６ｃの内径側のエッジと主板６ａとの間の間隙が図２に比べて大きい。
図３に示す冷却ファン６は、図２に示すように主板６ａに穴６ｄが設けられていないので、冷却ファン６を回転させると、上記側板６ｃの内径側のエッジと主板６ａとの間に形成された間隙を介して図３（ｂ）の矢印に示すように冷却風が取り込まれ、ファン主板６ａ，側板６ｂの間を通って冷却ファン６の外周方向に送り出される。
【００１１】
図２に示す本実施例の冷却ファンと、図３に示す吸気冷却方式の冷却ファンに比べると、図２の示すように上記穴６ｄが設けられている点、側板６ｃの内径側のエッジと主板６ａとの間の間隙が小さい点を除き、同様の構成を有している。したがって、図３に示す冷却ファンを製作する鋳物型を使って、冷却ファンを製作し、一部改造を施すことにより、図２に示す冷却ファンを製造することができる。
例えば、図４に示すように、図３に示した冷却ファンに機械加工により穴６ｄを空け、側板６ｂに円環状の制風板６ｅを取付けて側板６ｃの内径側のエッジと主板６ａとの間の間隙を小さくすることで、図２に示す冷却ファンとして使用することができる。
すなわち、図２に示す構成の冷却ファンであれば、従来の冷却ファンを製造する鋳物型を用いて製造した冷却ファンを図４に示すように改造することで目的のファンを製造することができ、また、従来の冷却ファンを製造する鋳物型の部分的な変更で目的の冷却ファン製造用の鋳物型に改造することができ、改造費用や初期コストを大幅に低減することが可能になる。
【００１２】
図１に戻り、主電動機軸１の軸受８側には、主電動機軸１に取付けられ電動機軸と一体で回転する放熱フィン９が取付けられている。放熱フィン９は、アルミニウム等の金属で構成された回転子２方向に凸の漏斗形状の板状体であり、冷却効率を向上させるための襞９ａが放射状に形成され、冷却風を排気口１５に効率的に導くための案内板を兼ねている。
また、前記したように放熱フィン９の近傍のフレーム４の端面に、放熱フィン９とフレーム４で囲まれる空間と外部を連通させるための換気口１７と、放熱フィン９の熱を外部に放熱するための放熱口が設けられている。
【００１３】
図１において、外気取入口１０から冷却ファン６によって取り入れた冷却風は一部が排出口１２から外部に排出されるとともに、円環状の突起部１８で案内され、同図の矢印に示すように回転子２と固定子３が設けられた空間に導入され、固定子３と回転子２の間の空隙１４、回転子２に設けられた風穴１３を通して放熱フィン９側に送りだされ、放熱フィン９に沿って排気口１５方向に導かれ、排出口２２から外部に排出される。
また、放熱フィン９は上記冷却風により冷却されるとともに、換気口１７から供給される外気により冷却される。
排気側の軸受８は、冷却風が回転子風穴１３や空隙１４を通って高温になっているため冷却効果が少ないが、高温となる回転子２と軸受８の間の軸部分に上記のような放熱フィン９を設けることで、最も影響が大きい高温の回転子より主電動機軸１を通して軸受８部に伝わる熱を積極的に放熱させることができ、軸受８の温度上昇を抑える事が可能となる。
【００１４】
また、前記したように、フレーム４端面に、放熱口１６を設け、ここから放熱フィン４の熱を放熱されることにより、放熱フィン９の放熱効果を高めることができ、さらに、前記したように換気口１７を設ければ、放熱フィン９とフレーム４で囲まれる空間の空気を対流によって換気することができ、放熱フィン９の放熱効果を一層高めることができる。
なお、軸受８の温度を低減させるために、冷却風をより多く誘導する等の目的で補助ファンを設置することも考えられるが、補助ファンは羽根の枚数に起因する騒音発生が外周部の排気口より放出されて問題となる。
これに対し、放熱フィンであれば、この騒音発生が極微であり、また、軸受温度に影響を与える回転子の熱を熱伝導により直接奪うことができ、軸受８の温度上昇を抑えることができるので、上記補助ファンを設ける場合に比べ、放熱フィンは勝れた方式であると考えられる。
【００１５】
ここで、冷却ファン６が回転し、外気取り入れ口１０から外気が取り込まれることにより、ブラケット５とフレーム４と固定子３、回転子２で囲まれる空間の圧力が上昇し、取り込まれた外気の一部は排出口１２から外部に排出される。
上記排出口１２には、前記したように塵埃排出口１１が連通しており、排出口１２の開口面積は、塵埃排出口１１の開口面積より大きいので、排出口１２から取り込まれた外気の一部が排出されるとき、塵埃排出口１１の排出口１２に通じる部分は負圧になる。
このため、電動機内に落下し、塵埃排出口の入口部分や内部に溜まった塵埃や水分は、強制的に吸い出され、同図の矢印に示すように上記塵埃排出口１１を通って、排出口１２より機外に排出される。
したがって、従来のようなストレーナが不要となり、またこの機構により、塵埃で塵埃排出口１１内が詰まることが無い。
【００１６】
【発明の効果】
本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）フレームの内側に設けられた固定子と、フレームの一方を閉塞するブラケットと、該ブラケットに設けられた第１の軸受装置と、フレームの他方の端面側に設けられた第２の軸受装置と、前記固定子に対向させた回転子と、上記第１、第２の軸受装置を介して、上記回転子と一体化された主電動機軸を回転自在に支持する構造を備えた車両用主電動機において、主電動機軸に直結され上記ブラケット側に冷却ファンを配置し、この冷却ファンを、前記構成としたので、今まで使用されていた吸気型冷却方式の冷却ファンのファン主板に穴明けをする改造し、ファン側板に制風板を取付けることで、従来の冷却ファンを押し込み型冷却方式の車両用主電動機で再使用が可能となる。
また、上記冷却ファンは、一般的に鋳物で製作されているが、本発明の冷却ファンをを採用すれば、従来の冷却ファンを製造する鋳物型を用たり、部分的な変更で目的の冷却ファン製造用の鋳物型に改造することができ、改造費用や初期コストを大幅に低減する事が可能になる。
（２）側板の外周側のフレームもしくはブラケットの内側に円環状の突起部を設け、上記ブラケットの上記冷却ファンの外周側であって上記突起部より第１の軸受装置側に排出口を設け、上記側板と上記突起部で形成される開口部の断面積を、上記排出口の開口断面積より大きしたので、冷却ファンで取り込んだ外気とともに、電動機内に侵入する塵埃を上記冷却ファンの外周側に設けた排出口から排出することができる。
（３）上記円環状の突起部に、一方端が上記排出口に連通し、他方端が上記固定子および回転子が設けられた空間に連通する、開口断面積が上記排出口の開口断面積よりさらに小さい開口面積の塵埃排出口を設けたので、電動機内に落下し、塵埃排出口の入口部分や内部に溜まった塵埃や水分を、塵埃排出口、排出口を介して機外に強制的に排出することができ、また、塵埃で塵埃排出口内が詰まることも無い。
（４）回転子より第２の軸受装置側に、上記主電動機軸に取り付けた放熱フィンを配置し、上記放熱フィンに対して、回転子とは反対側のフレームの端面に外気と通じる放熱口を設け、上記回転子とは反対側のフレームの端面であって、上記放熱口より第２の軸受装置側に換気口を配置したので、放熱口から放熱フィンの熱を放熱させて、放熱フィンの放熱効果を高めることができ、さらに、放熱フィンとフレームで囲まれる空間を換気口から流入する外気で換気することができ、放熱フィンの放熱効果を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の車両用主電動機の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施例の冷却ファンの構成を示す図である。
【図３】図５に示す車両用主電動機で使用される冷却ファンの構成を示す図である。
【図４】図２に示す冷却ファンを得るための図３の冷却ファンの改造例を示す図である。
【図５】従来の車両用主電動機の構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 主電動機軸
２ 回転子
３ 固定子
４ フレーム
５ ブラケット
６ 冷却ファン
６ａ ファン主板
６ｂ 羽根
６ｃ 側板
６ｄ 穴
６ｅ 制風板
７，８ 軸受
９ 放熱フィン
９ａ 襞
１０ 外気取入れ口
１１ 塵埃排出口
１２ 排出口
１３ 風穴
１４ 空隙
１５ 排気口
１６ 放熱口
１７ 換気口
１８ 突起部

Claims (2)

1. フレームの内側に設けられた固定子と、フレームの一方を閉塞するブラケットと、
   該ブラケットに設けられた第１の軸受装置と、フレームの他方の端面側に設けられた第２の軸受装置と、
   前記固定子に対向させた回転子と、
   上記第１、第２の軸受装置を介して、上記回転子と一体化された主電動機軸を回転自在に支持する構造を備えた車両用主電動機であって、
   上記ブラケット側に前記主電動機軸に直結された冷却ファンが配置され、
   上記冷却ファンは、ファン主板と、該ファン主板から突出し、冷却ファンの回転中心から放射状に配置された複数枚の羽根と、該羽根に取り付けられ上記ファン主板に対向させて配置された円環状の側板から構成され、
   上記羽根は、該冷却ファンの主板に対して、上記第２の軸受装置側に突出し、上記冷却ファンの主板には、冷却風を取り入れるための穴が開けられ、
   上記冷却ファンの羽根より内径側の第１の軸受装置側に外気取入口が配置され、
   上記側板の外周側の、フレームもしくはブラケットの内側に円環状の突起部が設けられ、また、上記ブラケットの上記冷却ファンの外周側であって上記突起部より第１の軸受装置側に排出口が設けられており、上記側板と上記突起部で形成される開口部の断面積は、上記排出口の開口断面積より大きく、
   上記円環状の突起部には、一方端が上記排出口に連通し、他方端が上記固定子および回転子が設けられた空間に連通する、開口断面積が上記排出口の開口断面積よりさらに小さい開口面積の塵埃排出口が設けられ、
   上記外気取り入れ口から吸気した冷却風をファン主板に設けられた穴を介して上記回転子に設けられた風穴及び回転子と固定子が対向する空隙部分に導入し、
   上記冷却風により電動機内を冷却し、上記外気取入口とは反対側のフレームに設けられた冷却風排気口から排出されるように構成した
   ことを特徴とする車両用主電動機。
2. 上記回転子より第２の軸受装置側に、上記主電動機軸に取り付けた放熱フィンを配置し、
   上記放熱フィンに対して、回転子とは反対側のフレームの端面に外気と通じる放熱口を設け、上記回転子とは反対側のフレームの端面であって、上記放熱口より第２の軸受装置側に換気口を配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の車両用主電動機。

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