JP4592627B2

JP4592627B2 - 車両駆動用全閉型電動機

Info

Publication number: JP4592627B2
Application number: JP2006087575A
Authority: JP
Inventors: 信行八木; 茂智白石; 浩志蒲; 鋼石原; 誠一玉置
Original assignee: Toshiba Corp; West Japan Railway Co
Current assignee: Toshiba Corp; West Japan Railway Co
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP2007267483A

Description

本発明は、鉄道等の車両を駆動するための車両駆動用全閉型電動機に関する。

一般に、電車等の鉄道車両では、車体の床下に配置された台車の内部に車両駆動用電動機を装荷し、この電動機の回転力を歯車装置を介して車輪に伝達して車両を走行させるようにしている。

従来、この種の車両駆動用電動機としては、ロータシャフトに冷却ファンを設け、運転時に外気を機内に流通させて冷却する開放自己通風冷却型の電動機が使用されていたが、近年、外気による機内の汚損を無くすことによって保守時の分解作業を長期間不要とするべく、全閉型電動機の採用が検討されている。

なお、全閉型電動機の場合、冷却性が低下するため、電動機が大型化して台車内に装荷できなくなる場合や、容量（出力）が不足する場合等が有り、冷却性を向上させる必要がある。

冷却性の向上を図った車両駆動用全閉型電動機として、例えば図３、図４に示すものが提案されている（特許文献１）。この車両駆動用全閉型電動機の構造について説明する。

円筒状のステータフレーム１０１の内周側に円筒状のステータ鉄心１０２が同心状に固定されており、このステータ鉄心１０２の内周部には複数のステータコイル１０３が収納されている。

ステータフレーム１０１の駆動側端部には第１の外周ブラケット１０４が取り付けられ、その内周側には、軸受１０５を内蔵した第１の内周ブラケット１０６がボルト１０７にて締結されている。

また、ステータフレーム１０１の反駆動側端部には第２の外周ブラケット１０８が取り付けられ、その内周側には、軸受１０９を内蔵した第２の内周ブラケット１１０がボルト１１１にて締結されている。

ステータ鉄心１０２の内周側にはロータ鉄心１１２が配置され、このロータ鉄心１１２の中心部にはロータシャフト１１３が結合され、その両端部は軸受１０５、１０９によって回転自在に支持されている。

ロータシャフト１１３の駆動側端部１１３ａは機外に突出しており、その部分に駆動歯車装置を接続するための継手（図示せず）が取り付けられる。

ロータ鉄心１１２の外周部には複数のロータバー１１４が収納され、ロータ鉄心１１２の内周部には軸方向に貫通する通風穴１１２ａが複数個設けられている。

駆動側の軸受１０５を内蔵した第１の内周ブラケット１０６の機内側に隣接した位置において、第１の冷却ファン１１５がロータシャフト１１３上に取り付けられている。

また、反駆動側の軸受１０９を内蔵した第２の内周ブラケット１１０の機内側に隣接した位置において、第２の冷却ファン１１６がロータシャフト１１３上に取り付けられている。

第１の冷却ファン１１５の主板の外周部と、第１の外周ブラケット１０４の機内側の張り出し部分の内周部との間に円周状の微小間隙部が形成されている。

同様に、第２の冷却ファン１１６の主板の外周部と、第２の外周ブラケット１０８の機内側の張り出し部分の内周部との間に円周状の微小間隙部が形成されている。

第１の冷却ファン１１５の機外側の壁面には複数枚の送風用のブレード１１５ａが放射状に設けられている。

また、第２の冷却ファン１１６の機外側の壁面には複数枚の送風用のブレード１１６ａが放射状に設けられている。

また、第１の冷却ファン１１５の機内側壁面には、複数枚の送風用のブレード１１５ｂが放射状に設けられている。

そして、第１の内周ブラケット１０６には外気の入気口１０６ａが複数個設けられ、第１の外周ブラケット１０４には、外気の排気口１０４ａが複数個設けられている。

また、第２の内周ブラケット１１０にも外気の入気口１１０ａが複数個設けられ、第２の外周ブラケット１０８にも外気の排気口１０８ａが複数個設けられている。

第１の外周ブラケット１０４及び第２の外周ブラケット１０８の排気口１０４ａ、１０８ａの外周側にそれぞれ冷却フィン１０４ｂ、１０８ｂが多数設けてあり、ステータフレーム１０１の外周面には多数の冷却フィン１０１ａが設けられている。

この電動機全体は、図４に示すように、ステータフレーム１０１の外部に設けたフレームアーム１０１ｂ、１０１ｃをボルトで台車枠に固定することにより、車両の床下に配置された台車に装荷してある。

この電動機では、運転時に電動機内部に発生する熱を、電動機の外周面とステータフレーム１０１の冷却フィン１０１ａとから走行風に放出して冷却を行う。さらに、ロータシャフト１１３の回転に伴う第１の冷却ファン１１５と第２の冷却ファン１１６の回転によって、各々の冷却ファン１１５、１１６の機外側壁面に設けたブレード１１５ａ、１１６ａにより、外気を入気口１０６ａ、１１０ａより吸引した後、外周側に吹き上げて排気口１０４ａ、１０８ａより外部へ流通させ、電動機の側面からも冷却を行う。

さらに、冷却ファン１１５、１１６には機内空間の熱が直接伝わり、冷却ファン１１５、１１６の機外側を流通する外気にこの熱を効率良く放出するため、冷却性能は向上する。

また、冷却ファン１１５の機内側壁面に設けたブレード１１５ｂによって、電動機内部の空気が機内を循環するため、機内の熱が効果的に冷却ファン１１５、１１６に伝わり、放射性能が向上すると同時に機内の温度を均一化してローカルヒートを防ぐことができるものとなっている。

このように、図３、図４に示す電動機では、冷却性能の向上を図ると共に、小型化や容量の増大を図ることができる。
特開２００６−０２５５２１号公報

近年、車両駆動用電動機においては保守の省力化の要望とともに、エネルギー変換効率の向上による省エネルギー化と、環境改善やサービス向上の見地からの運転時の発生騒音の低減が要望されている。

一方、車両駆動用電動機は速度向上や冗長性の確保のため、高出力・高回転化が進められており、冷却ファンによるエネルギー損失（風損）や送風音（風切音）はますます増大する傾向にある。

図３、図４にて説明した車両駆動用全閉型電動機は保守の省力化を実現するものであるが、更にエネルギー効率の向上と低騒音化を図ることが出来る車両駆動用全閉型電動機の実現が望まれている。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、保守の省力化を可能にし、更に冷却性能を向上して小型軽量化又は容量増大を図ると同時に、運転時のエネルギー損失や発生騒音の低減を図ることができる車両駆動用全閉型電動機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ステータフレームの内周側にステータ鉄心を取り付け、当該ステータ鉄心の内周側にロータ鉄心を配置し、当該ロータ鉄心の中心部にロータシャフトを結合し、前記ステータフレームの長手方向の両端部に軸受を支持するブラケットを取り付け、前記各軸受によって前記ロータシャフトを回転自在に支持するように構成した車両駆動用全閉型電動機において、前記ロータ鉄心の駆動側端部に第１の鉄心押さえを介して第１の冷却ファンを取り付け、前記ロータ鉄心の反駆動側端部に第２の鉄心押さえを介して第２の冷却ファンを取り付け、前記第１及び第２の冷却ファンの外周部とこれらの冷却ファンにそれぞれ対応する前記ブラケットの機内側に張り出した部分の内周部との間に円周状の微小間隙を形成し、前記第１及び第２の冷却ファンの機外側側面にそれぞれ複数個のフィンを放射状に設け、前記第１及び第２の冷却ファンの機内側壁面にそれぞれ前記ロータシャフトの軸方向と直交する方向に突出する環状のフィンを前記ロータシャフトの軸方向に間隔をおいて複数個設け、前記各ブラケットには外気の入気口と排気口をそれぞれ複数個設け、かつ、前記回転子鉄心の外周部には永久磁石が収納されており、前記第１の冷却ファンは、前記第１の鉄心押さえの外周部近傍までの広い領域で密着させた状態で取り付けられ、前記第２の冷却ファンは、前記第２の鉄心押さえの外周部近傍までの広い領域で密着させた状態で取り付けられており、前記第１及び第２の冷却ファンの機内側壁面に設けられた複数ある環状のフィンの先端位置は、軸方向機外側に行くに連れて各フィン間で段差を有するようにフィンの長さを異ならせていることを特徴としている。

本発明の車両駆動用全閉型電動機によれば、走行風によって電動機の外周部が冷却されると同時に、ロータの両端部に設けた第１及び第２の冷却ファンの回転によって冷却用外気を入気口より導入して冷却ファンの外壁面に流通させるので、冷却ファンを介してロータ及び機内の熱を外気に放出することができる。したがって、冷却性が向上する。

なお、冷却ファンの機内側壁面に設けた複数の環状のフィンにより機内空間の熱を効率良く冷却ファンに伝達できる。したがって、冷却ファンから外気への放熱効果が一層向上する。このように、電動機の冷却性が向上するため、電動機の小型化を図ることができる。

また、冷却ファンの放熱性が向上することから、冷却ファンの機外側壁面に設けるフィンは従来の送風用のブレードに比べて小型化することが可能となり、回転時のエネルギー損失（風損）及び発生騒音を低減することができる。

さらに、駆動側の冷却ファンの機内側に従来設けていた内気循環用のブレードの代わりに円環状のフィンを設けた構造のため、回転時のエネルギー損失（風損）と送風音（風切り音）が発生しなくなり、一層のエネルギー効率向上と低騒音化を図ることができる。

このように、本発明の車両駆動用全閉型電動機は、小型化又は容量の増大を可能とすると共にエネルギー効率向上と低騒音化を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態である車両駆動用全閉型電動機の軸方向断面図、図２は図１の一部省略側面図である。

図１において、１は円筒状のステータフレームで、その内周側に円筒状のステータ鉄心２が同心状に固定されている。ステータ鉄心２の内周部には、複数のステータコイル３が収納されている。

ステータフレーム１の駆動側端部には、第１の外周ブラケット４が取り付けられており、その内周側には、軸受５を内蔵した第１の内周ブラケット６が取り付けられている。

また、ステータフレーム１の反駆動側端部には、第２の外周ブラケット８が取り付けられており、その内周側には、軸受９を内蔵した第２の内周ブラケット１０が取り付けられている。

ステータ鉄心２の内周側にはロータ鉄心１２が配置されている。このロータ鉄心１２の中心部にはロータシャフト１３が取り付けられ、その両端部は軸受５、９によって回転自在に支持されている。ロータシャフト１３の駆動側端部１３ａは機外に突出し、この部分に駆動歯車装置を接続するための継手（図示せず）が取り付けられる。

ロータ鉄心１２の外周部には、複数個の永久磁石１４が収納されている。近年、永久磁石のめざましい研究開発により、永久磁石の高磁気エネルギー積化が図られており、そのような永久磁石を用いることで、小型で高出力を得ることが可能となる。

ロータ鉄心１２の駆動側端部には板状の第１の鉄心押さえ７の一方の側面が密着して取り付けられ、この第１の鉄心押さえ７の他方の側面に密着して第１の冷却ファン１５が取り付けられている。この第１の冷却ファン１５の一方の側面と第１の鉄心押さえ７の他方の側面とは、第１の鉄心押さえ７の外周部近傍までの広い領域で密着している。

第１の冷却ファン１５の主板の外周部と第１の外周ブラケット４の機内側に張り出した部分の内周部との間には円周状の微小間隙２２が形成されている。この微小間隙２２は互いに凹凸形状として二段構造に形成してある。

同様に、ロータ鉄心１２の反駆動側端部には板状の第２の鉄心押さえ１１の一方の側面が密着して取り付けられ、この第２の鉄心押さえ１１の他方の側面に密着して第２の冷却ファン１６が取り付けられている。この第２の冷却ファン１６の一方の側面と第２の鉄心押さえ１１の他方の側面とは、第２の鉄心押さえ１１の外周部近傍までの広い領域で密着している。

第２の冷却ファン１６の主板の外周部と第２の外周ブラケット８の機内側に張り出した部分の内周部との間には円周状の微小間隙２３が形成されている。この微小間隙２３は互いに凹凸形状として二段構造に形成してある。

なお、第１及び第２の冷却ファン１５、１６は、熱伝導性と加工性に優れたアルミニウムで形成するのが好ましい。

また、第１及び第２の冷却ファン１５、１６、第１及び第２の外周ブラケット４、８をそれぞれ同じ材料で形成すると、熱収縮率が同じとなるため、微小間隙２２、２３の大きさが温度変化で変動しにくくなる。これにより、微小間隙２２、２３の大きさを小さくすることができるので、防塵性及び静粛性が向上する。

第１の冷却ファン１５の機外側の壁面には複数枚のフィン１５ａが放射状に設けられており、機内側壁面には複数個の円環状のフィン１５ｂが設けられている。同様に、第２の冷却ファン１６の機外側壁面には複数枚のフィン１６ａが放射状に設けられており、機内側壁面には複数枚の円環状のフィン１６ｂが設けられている。機内側のフィン１５ｂ、１６ｂは、それぞれロータシャフト１３の軸方向と直交する方向に突出すると共にロータシャフト１３と同軸状に形成され、ロータシャフト１３の軸方向に間隔をおいて配置されている。

第１の内周ブラケット６の壁面には複数個の外気の入気口６ａが設けられている。また、第１の外周ブラケット４の壁面には複数個の外気の排気口４ａが設けられている。

同様に、第２の内周ブラケット１０の壁面にも複数個の外気の入気口１０ａが設けられている。また、第２の外周ブラケット８の壁面には複数個の外気の排気口８ａが設けられている。

ステータフレーム１の外周面には、多数の冷却フィン１ａが設けられている。この電動機全体は、図４に示す従来例と同様に、ステータフレーム１の外部に設けたフレームアーム部を台車枠に固定して、車両の床下に配置された台車に装荷してある。

次に、本実施形態の車両駆動用全閉型電動機の作用及び効果について、以下に説明する。

電動機の運転時にはステータコイル３及び永久磁石１４が発熱し、この熱が電動機全体に伝達する。

ステータコイル３よりステータ鉄心２を介してステータフレーム１に伝達した熱は、ステータフレーム１の外周面と、そこに設けてある多数の冷却フィン１ａより外気に放熱される。

また、運転時には、ロータの回転に伴ってロータ鉄心１２の両側に設けてある冷却ファン１５、１６が回転し、これらの機外側壁面に設けてあるフィン１５ａ、１６ａのファン作用により、冷却外気を壁に沿って外周方向に吹き上げる。

冷却外気は、ブラケット６、１０に設けられた入気口６ａ、１０ａより機内に流入した後、ブラケット４、８に設けられた排気口４ａ、８ａより排出される。

ロータ鉄心１２に伝達された熱は、両側の鉄心押さえ７、１１を介して冷却ファン１５、１６に伝達された後、冷却ファン１５、１６の機外側壁面上を流通する冷却空気に放出される。

さらに、電動機内の空気の熱は、冷却ファン１５、１６の機内側壁面と、そこに設けられた円環状のフィン１５ｂ、１６ｂより冷却ファン１５、１６に伝達された後に、機外側壁面上を流通する冷却空気に放出される。

この冷却ファン１５、１６からの放熱作用は、図３に示す従来構造のものと比べ、次の点で優れている。

第１に、鉄心押さえ７、１１と冷却ファン１５、１６との接合面を鉄心押さえ７、１１の外周部近傍まで拡大し、従来よりも広い面積で両者を密着させてあるため、ロータの熱が従来よりも冷却ファンに伝達され易い。

第２に、冷却ファン１５、１６の機内側壁面に円環状のフィン１５ｂ、１６ｂを多数設けて、冷却ファン１５、１６と機内空気との接触面積を大きくしてあるため、機内空気の熱が従来よりも冷却ファンに伝達され易い。

このように、ロータの熱と機内空気の熱とが効率良く冷却ファン１５、１６に伝達されて冷却ファン１５、１６から冷却空気に放出されるため、従来よりも冷却性が向上する。冷却性の向上に伴い、電動機の小型軽量化又は容量（出力）の増大が可能となる。

また、このような構造とした上で、冷却性を従来なみに抑えておき、その代わりにエネルギー効率の向上と発生騒音の低減を図ることもできる。

つまり、冷却ファン１５、１６の機外側のフィン１５ａ、１６ａを従来よりも小さくしたり、フィン１５ａ、１６ａを内周側に設けるなどしてファン作用を抑え、流通外気の風量を従来より少なくすることにより、回転時に発生するフィン１５ａ、１６ａのエネルギー損失（風損）と騒音を小さくすることができるので、エネルギー効率の向上と低騒音化を図ることができる。

この場合、流通する冷却外気の量は減少するが、ロータと機内空気からの冷却ファン１５、１６への熱伝達効率が向上しているので、従来と同等の冷却性能を維持することができる。

また、冷却ファン１５、１６の機内側のフィン１５ｂ、１６ｂを円環状にして、かつ軸方向にずらして配列しているので、回転時にはエネルギー損失（風損）と送風音（風切り音）は発生しない。

このように、本発明の車両駆動用全閉型電動機では、冷却性能が向上するため、小型軽量化又は容量の増大を可能とすると共に、エネルギー効率の向上と低騒音化を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、ロータに永久磁石を用いた同期電動機の場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばロータバーをロータに用いる誘導電動機や、その他の電動機に適用した場合においても、同様の効果を得ることができる。

その他にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。

本発明の一実施形態である車両駆動用全閉型電動機の軸方向断面図。図１の一部省略側面図。従来の車両駆動用全閉型電動機の軸方向断面図。図３の一部省略側面図。

符号の説明

１：ステータフレーム
２：ステータ鉄心
４：第１の外周ブラケット
４ａ：排気口
５：軸受
６：第１の内周ブラケット
６ａ：入気口
７：第１の鉄心押さえ
８：第２の外周ブラケット
８ａ：排気口
１０：第２の内周ブラケット
１０ａ：入気口
１１：第２の鉄心押さえ
１２：ロータ鉄心
１３：ロータシャフト
１５：第１の冷却ファン
１５ａ，１５ｂフィン
１６：第２の冷却ファン
１６ａ，１６ｂ：フィン
２２，２３：微小間隙

Claims

ステータフレームの内周側にステータ鉄心を取り付け、当該ステータ鉄心の内周側にロータ鉄心を配置し、当該ロータ鉄心の中心部にロータシャフトを結合し、前記ステータフレームの長手方向の両端部に軸受を支持するブラケットを取り付け、前記各軸受によって前記ロータシャフトを回転自在に支持するように構成した車両駆動用全閉型電動機において、
前記ロータ鉄心の駆動側端部に第１の鉄心押さえを介して第１の冷却ファンを取り付け、
前記ロータ鉄心の反駆動側端部に第２の鉄心押さえを介して第２の冷却ファンを取り付け、
前記第１及び第２の冷却ファンの外周部とこれらの冷却ファンにそれぞれ対応する前記ブラケットの機内側に張り出した部分の内周部との間に円周状の微小間隙を形成し、
前記第１及び第２の冷却ファンの機外側側面にそれぞれ複数個のフィンを放射状に設け、
前記第１及び第２の冷却ファンの機内側壁面にそれぞれ前記ロータシャフトの軸方向と直交する方向に突出する環状のフィンを前記ロータシャフトの軸方向に間隔をおいて複数個設け、
前記各ブラケットには外気の入気口と排気口をそれぞれ複数個設け、かつ、
前記回転子鉄心の外周部には永久磁石が収納されており、
前記第１の冷却ファンは、前記第１の鉄心押さえの外周部近傍までの広い領域で密着させた状態で取り付けられ、前記第２の冷却ファンは、前記第２の鉄心押さえの外周部近傍までの広い領域で密着させた状態で取り付けられており、
前記第１及び第２の冷却ファンの機内側壁面に設けられた複数ある環状のフィンの先端位置は、軸方向機外側に行くに連れて各フィン間で段差を有するようにフィンの長さを異ならせていることを特徴とする車両駆動用全閉型電動機。