JP5038675B2

JP5038675B2 - 全閉外扇形電動機

Info

Publication number: JP5038675B2
Application number: JP2006265559A
Authority: JP
Inventors: 孝永山; 茂智白石
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP2008086164A

Description

本発明は、車両駆動用電動機等に適用される全閉外扇形電動機に関する。

一般に、鉄道車両では、車体の下に配置された台車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、この種の電動機は図１３に示す構造となっている。

図１３に示す従来の電動機は、固定側部材である円筒状のフレーム１を有し、このフレーム１の一端側にベアリングブラケット２を取付け、フレーム１の他端側の中央部にハウジング３を取付け、このベアリングブラケット２とハウジング３それぞれの中心部に設けた軸受４，軸受５各々によってロータシャフト６の両端部各々を回転自在に支持している。

ロータシャフト６の軸方向の中央部分にロータ鉄心７を固定し、このロータ鉄心７の外周側に形成された多数の溝の中にロータバー８を埋め込み、各々のロータバー８の両端部はロータ鉄心７より張出させ、その張出部分をエンドリング９で一体に接続して誘導電動機のかご形ロータを形成している。ロータ鉄心７には、軸方向に貫通した複数個の通風穴７ａを設けてあり、同様の通風路を有する鉄心押え１０で両側より固定されている。

フレーム１の内周部には、円筒状のステータ鉄心１１を取付け、このステータ鉄心１１の内周面に形成された多数の溝の中にステータコイル１２を収納している。このステータコイル１２のコイルエンド部は、ステータ鉄心１１の両側に張出した形となっている。

ステータ鉄心１１の内周面とロータ鉄心７の外周面との間には、一様な空隙１３を形成してある。ロータシャフト６の駆動側端６ａは機外に突出させてある。この突出した駆動側端６ａの部分には、駆動用歯車装置と結合するための継手（カップリング）を取付ける。

ロータシャフト６の機内部分には通風ファン１４を固定してある。この通風ファン１４は中央より放射状に配置された複数の羽根１４ａを有している。フレーム１におけるこの通風ファン１４の外周部に対向する部分には、複数の排気口１ａが円周方向に沿って設けてある。

フレーム１の反駆動側の上方に入気口１ｂを設け、この入気口１ｂを覆うように通風ろ過器１５を取付け、通風ろ過器１５の外気取入口部には、塵埃を捕捉するためのフィルター１５ａを入口全面に取付けてある。

図１３に示す電動機全体は、フレーム１に設けられた取付け腕部（図示せず）を台車枠にボルトで締結固定し、ロータシャフト駆動軸部６ａに接続した継手を介して、電動機の回転力を歯車装置から車輪に伝達し車両を走行させる。

この電動機の運転時には、電動機のステータコイル１２とロータバー８が発熱するため外気を電動機内に流通させて冷却し、電動機の温度上昇を抑制する。この冷却作用は次の通りである。

運転時、通風ファン１４がロータシャフト６と一緒に回転し、機内の空気を排気口１ａより機外に排出し、これに伴って入気口１ｂより外気が機内に吸引される。機内に吸引される空気は、通風ろ過器１５を経て入気口１ｂより機内に流入した後、ロータ鉄心７の通風穴７ａを通り、またロータ鉄心７の外周とステータ鉄心１１の内周との間の空隙１３を通って通風ファン１４側に流通し、通風ファン１４の回転により排気口１ａより機外に排出される。

このように機内に外気を流通させることにより、ロータバー８、ステータコイル１２、軸受４，５及び機内の各部を冷却し、ロータバー８、ステータコイル１２、軸受４，５及びそれを潤滑するグリースの温度上昇が許容温度を超えないようにしている。

しかしながら、電車などの床下台車に搭載される車両駆動用電動機の周囲の外気には、車両走行時に巻き上げられる塵埃が多量に存在し、取入れる外気はひどく汚損された環境にある。そのため、図１３に示す従来例の車両駆動用では、電動機の機内に取入れる外気は、通風ろ過器１５のフィルター１５ａによって塵埃を捕捉して清浄化を図っているが、運転を続けることにより、次第にフィルター１５ａに目詰まりが生じ、機内の通風量が減少してしまう。このため、短い間隔の定期的なフィルターの清掃保守を必要とし、多大な労力を費やさねばならない技術的課題があった。

この問題を解決するために、近年では、全開外扇形の車両駆動用電動機の開発が進められている。このような全閉外扇形電動機を、図９及び図１０を参照して説明する。尚、図１３と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

ステータ鉄心２１１の両側に鉄心押さえ２１１ａを取り付け、その間に全周の部分的に取
り付けるようにした複数の繋ぎ板２１１ｂをステータ鉄心２１１の外周上に取付けて構成
し、ステータ鉄心２１１の外周側には多数の通風路２１１ｃが構成されている。ロータシ
ャフト６にはロータ鉄心７と主板２１４ｃの両面に放射状に取付けられた羽根２１４ａと
２１４ｂを有する通風ファン２１４が取付けられている。ロータシャフト６を支持する軸
受け４を中心部に設けたベアリングブラケット２０２には円周状に複数の外気入気口２０
２ａが構成され、繋ぎブラケット２０３を介して鉄心押え２１１ａに取付けられている。
繋ぎブラケット２０３にはステータ鉄心２１１の通風穴２１１ｃに通じる通風穴２０３ａ
が構成されて、通風ファン２１４の外周部に対応する繋ぎブラケット２０３部内内周部に
は通風ファン２１４の主板２１４ｃとの間で微小隙間、所謂ラビリンス２１５を構成して
いるので、通風ファン２１４の羽根２１４ｂ側の冷却風が電動機機内に入らないように構
成されている。また、他端は固定ブラケット２０４の中心部分に軸受５でロータシャフト
６を支持するハウジング３を取付け、ステータ鉄心２１１の他端の鉄心押え２１１ａに取
付けられている。固定ブラケット２０４にも通風路２１１ｃにあわせた通風路２０４ａが
開いて外気に開放している。

また、通風ファン２１４の羽根２１４ａから吐き出された風は、繋ぎブラケット２０３に設けられた通風路２０３ｂを通って熱交換器２０５を経由して、固定ブラケット２０４の通風路２０４ｂを経由して電動機内部に入り、再びロータ鉄心７に開いている通風路７ａや空隙１３を通って通風ファン２１４の羽根２１４ａ部分に戻ってくる。これらの通風路に冷却風が流れることにより、電動機が効率的に冷却されるが、この通風による冷却メカニズムを以下に説明する。コイルの発熱は、コイル１２→鉄心２１１→通風路２１１ｃを経由して、羽根２１４ｂによって発生した通風により冷却される。また機内のロータバー８の発熱は、ロータバー８→鉄心７→通風路７ａ又は空隙１３から内部循環風に伝熱し、熱交換器２０５から外部に放熱される。ここで冷えた内部循環風は、再び電動機内部に戻って冷却風として活用される。機内の循環風は、ロータバー８だけでなく、コイル１２の冷却にも有効に利用されるものである。ここで、ファン２１４は羽根２１４ｂと羽根２１４ａが主板２１４ｃにより境界をなしているため、羽根２１４ａを流れる通風熱が羽根２１４ｂを流れる通風に放熱されるので、熱交換器２０５以上の冷却効果を得られる。

これにより、ステータコイル１２やロータバー８は外気に触れて汚れることなく効率的に冷却され、併せて軸受周りの冷却も出来るので、通風ろ過器１５が不要でしかも電動機内部の汚損がないため、内部清掃不要な全閉形電動機を提供できるものになる。（尚、図１０は、図９の右側から見た一部断面を持つ側断面図である。）
このように構成された全閉形電動機は、理想的な性能を有するが、通常の電動機に比べると熱交換器を付加する構成となっているので、構造が複雑でコストが上昇するという問題があった。

そのため、図１１及び図１２に示すように、熱交換器２０５を設けず、通風ファン２１４の羽根２１４ａから吐き出された風を、繋ぎブラケット２０３部にある通風路２０３ｂｂを通って、ステータ鉄心２１１外周側の通風路２１１ｃと同径の位置にある循環用通風路２１１ｃｃを通過させて、固定ブラケット２０４の通風路２０４ｂｂを経由して電動機内部に入り、再びロータ鉄心７の通風路７ａや空隙１３を通って通風ファン２１４の羽根２１４ａ部分に戻ってくる構造のものも考えられた。（図１２は、図１１の右側から見たもので一部断面にした側面図である）この方式はファン２１４の主板２１４ｃで、外気との熱交換があるため、ステータ鉄心外周の通風路２１１ｃと同じ径の部分にある通風路２１１ｃｃを設けるだけでロータ側の冷却効果を発揮出来るものであったが、通風路２１１ｃｃは同じステータ鉄心２１１内にあるため、この部分の外気放熱は少ないものであった。
特開昭５７−７７８８９号公報（第１頁−第３頁、図１）

本発明の目的は、コストアップする専用熱交換器を設けずに、比較的良好な冷却性能が得られる全閉外扇形電動機を提供することにある。

上記目的は、ステータ鉄心と、このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、
前記ステータ鉄心の一端部にブラケットを介して配設された第１軸受、前記ステータ鉄心
の他端部に前記ブラケットと共に固定部材で接続されたハウジングを介して配設された第
２軸受と、前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１，２軸受で回転自在に支承された
ロータシャフトと、前記ステータ鉄心の外周部に構成された通風路と、外部熱交換機と、
前記ロータシャフトに設けられた第１，２の羽根を有する通風ファンと、前記第１の羽根
、前記ブラケットに開いた開口部及び前記ステータ鉄心の外周部に形成された冷却穴を含
む空気経路と、前記第２の羽根及び前記外部熱交換機を含む内循環空気経路とが、熱交換
作用を有する通風ファンを具備することにより達成することが出来る。

本発明によれば、コストアップする専用熱交換器を設けずに、比較的良好な冷却性能が得られる全閉外扇形電動機を提供することが出来る。

（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の全閉外扇形電動機について、図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の全閉外扇形電動機の縦断図である。図２は、図１の右側面図である。

本発明に基づく第１の実施の形態の全閉外扇形電動機は、ステータ鉄心２１１の両側に鉄
心押さえ２１１ａを取り付け、その間に全周の部分的に取り付けるようにした複数の繋ぎ
板２１１ｂをステータ鉄心２１１の外周上に取付けて構成し、ステータ鉄心２１１の外周
側には多数の通風路２１１ｃが構成されている。ロータシャフト６にはロータ鉄心７と主
板２１４ｃの両面に放射状に取付けられた第２の羽根２１４ａと第１の羽根２１４ｂを有
する通風ファン２１４が取付けられている。ロータシャフト６を支持する軸受け４を中心
部に設けたベアリングブラケット２０２には円周状に複数の外気入気口２０２ａが構成さ
れ、繋ぎブラケット２０３を介して鉄心押え２１１ａに取付けられている。繋ぎブラケッ
ト２０３にはステータ鉄心２１１の通風穴２１１ｃに通じる通風穴２０３ａが構成されて
、通風ファン２１４の外周部に対応する繋ぎブラケット２０３部内内周部には通風ファン
２１４の主板２１４ｃとの間で微小隙間、所謂ラビリンスを２１５を構成しているので、
通風ファン２１４の羽根２１４ｂ側の冷却風が電動機機内に入らないように構成されてい
る。また、他端は固定ブラケット２０４の中心部分に軸受５でロータシャフト６を支持す
るハウジング３を取付け、ステータ鉄心２１１の他端の鉄心押え２１１ａに取付けられて
いる。固定ブラケット２０４にも通風路２１１ｃにあわせた第１の通風路２０４ａが開い
て外気に開放している。

また、通風ファン２１４の羽根２１４ａから吐き出された風は、繋ぎブラケット２０３部にある通風路２０３ｂｂｂを通って通風カバー３００内の通風路３００ａを通って固定ブラケット２０４の通風路２０４ｂｂｂを経由して電動機内部に入り、再びロータ鉄心７に開いている通風路７や空隙１３を通って通風ファン２１４の羽根２１４ａ部分に戻ってくる。通風路３００ａは通風路２１１ｃの外側に構成されているので、鉄心２１１から直接コイル１２の発熱の影響を受けることがなく、熱交換器２０５に近い外気の放熱効果を得ることができ、また熱交換器の要らない構造簡単で低コストの全閉外扇形電動機が提供できるものになる。

これにより、ステータコイル１２やロータバー８は外気に触れて汚れることなく効率的に冷却され、併せて軸受周りの冷却も出来るので、通風ろ過器１５が不要でしかも電動機内部の汚損がないため、内部清掃不要な全閉形電動機を提供できるものになる。

（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の全閉外扇形電動機について、図を参照し詳細に説明する。図３は本発明に基づく第２の実施の形態の全閉外扇形電動機の縦断図である。図４は、図３の右側面図である。尚、図１及び図２に示したものと同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第２の実施の形態の全閉外扇形電動機は、通風カバー３００の外部に車
両進行方向と平行（当該電動機の周方向）に略コの字状のフィン３００ｂを取り付けた点
で、第１の実施の形態の全閉外扇形電動機と異なる。

このように構成された全閉外扇形電動機は、通風カバー３００に略コの字状のフィン３０
０ｂｂを、車両進行方向と平行に取り付けているので、鉄道車両の運転により得られる走
行風により冷却が促進される。また、通風カバーの外部にフィン３００ｂを取り付けたの
で、外部への放熱効果も向上される。

（第３の実施の形態）
本発明に基づく第３の実施の形態の全閉外扇形電動機について、図を参照し詳細に説明する。図５は本発明に基づく第３の実施の形態の全閉外扇形電動機の縦断図である。図６は、図５の右側面図である。尚、図１乃至図４に示したものと同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第３の実施の形態の全閉外扇形電動機は、通風カバー３００の内部にロー
タシャフトの長手方向と平行なフィン３００ｂｂを複数取り付けた点で、第１の実施の形
態の全閉外扇形電動機と異なる。

このように構成された全閉外扇形電動機は、通風路内の熱を通風カバーに伝熱しやすくしているので、外部への放熱効果が向上する。

（第４の実施の形態）
本発明に基づく第４の実施の形態の全閉外扇形電動機について、図を参照し詳細に説明する。図７は本発明に基づく第４の実施の形態の全閉外扇形電動機の縦断図である。図８は、図７の右側面図である。尚、図１乃至図６に示したものと同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第４の実施の形態の全閉外扇形電動機は、通風カバー３００の内部の鉄心２１１表面に断熱板３００ｂｂｂを取り付けた点で、第１の実施の形態の全閉外扇形電動機とは異なる。

このように構成された全閉外扇形電動機は、鉄心２１１の表面に断熱板３００ｂｂｂを取り付けているので、鉄心２１１からの伝熱により通風路３００ａ内の冷却風が温まらないので、ロータバー８やコイル１２を効率良く冷却することができる。

また第１乃至第４の実施の形態の全閉外扇形電動機は、繋ぎ板で鉄心押えを繋げて固定子
を指示するフレームのないフレームレス構造で説明したがフレーム付の電動機でも構成で
きるものである。通風路２１１ｃは、鉄心２１１内でもよく、鉄心２１１ｃとフレーム間
でも同様の効果を得られるので、この構成でも良い。また、通風カバー３００は、鉄心２
１１外周のフレームと鉄心２１１間や、フレーム外表面でも同様の効果を得られるので、
この構成でも良い。

また、上述した電動機は、誘導機の例であったが、永久磁石を使用した同期機等他のあらゆる構成の回転電機にも適用できるものである。

また通風ファンの羽根については共に等分でも不等分にしてもよく、羽根をそれぞれ異った枚数１枚１枚異った径を組み合せて構成しても良い。一般に、不等ピッチ、異った枚数にすることにより風切り音圧が下がり低騒音になる。

なお、本願発明は、上記各実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。

本発明に基づく第１の実施の形態の全閉外扇形電動機の縦断図である。図１の右側面図である。本発明に基づく第２の実施の形態の全閉外扇形電動機の縦断図である。図３の右側面図である。本発明に基づく第３の実施の形態の全閉外扇形電動機の縦断図である。図５の右側面図である。本発明に基づく第４の実施の形態の全閉外扇形電動機の縦断図である。図７の右側面図である。従来の全閉外扇形電動機の縦断面図である。図９の右側面図である。従来の全閉外扇形電動機の縦断面図である。図１０の右側面図である。従来の電動機の断面図である。

符号の説明

１１、２１１ステータ鉄心
１２ステータコイル
７ロータ鉄心
３００通風カバー

Claims

ステータ鉄心と、
このステータ鉄心の内周側に配置されたロータ鉄心と、
前記ステータ鉄心の一端部にブラケット及びベアリングブラケットを介して配設された第１の軸受と、
前記ステータ鉄心の他端部に前記ブラケットとハウジングを介して配設された第２の軸受と、
前記ロータ鉄心が取り付けられ且つ前記第１及び第２の軸受で回転自在に支承されたロータシャフトと、
前記ステータ鉄心の外周部に構成された第１の通風路と、
前記ステータ鉄心外周面に配置され、前記ステータ鉄心の外周部の一側面と通風カバーで構成される第２の通風路と、
前記第１の軸受と前記ロータ鉄心との間の前記ロータシャフトに嵌着され、前記ベアリングブラケット側に放射状に設けられた第１の羽根と、鉄心側に放射状に設けられた第２の羽根とを備えた通風ファンとを有し、
前記第１の軸受側の前記ブラケットに開いた開口部から外気を前記第１の通風路内に取り入れて冷却風となし該冷却風を前記ステータ鉄心の外周部に形成された冷却穴に導いて外部に放出し、前記第２の羽根から吐き出される機内の空気が前記ステータ鉄心の外周部の一側面と前記通風カバーで構成される前記第２の通風路を経由して再び機内に戻るように構成し、
第１の羽根と第２の羽根を有する前記通風ファンが外気と機内の空気の熱交換を行うことを特徴とする全閉外扇形電動機。
前記通風カバーの外表面に冷却用フィンを取り付けたことを特徴とする前記請求項１記載の全閉外扇形電動機。
前記通風カバーの内表面に冷却用フィンを取り付けたことを特徴とする前記請求項１記載の全閉外扇形電動機。
前記通風カバーの内、外表面に冷却用フィンを取り付けたことを特徴とする前記請求項１記載の全閉外扇形電動機。
前記通風カバー内の鉄心表面に断熱材を配設したことを特徴とする前記請求項１乃至前記請求項３記載の全閉外扇形電動機。
前記請求項１乃至前記請求項５記載の全閉外扇形電動機において、
前記ステータ鉄心の外周面に設けられたフレームとを有し、
前記第１の羽根により前記ステータ鉄心内の前記通風路内を空気が流され、前記第２の羽根により前記フレームの外周面に設けられた前記通風カバーに空気が流されることを特徴とする全閉外扇形電動機。
前記請求項１記載の全閉外扇形電動機において、
前記ステータ鉄心外周面に設けられたフレームとを有し、
前記第１の羽根により、前記ステータ鉄心と前記フレーム間に設けられた通風路内を空気が流れ、前記第２の羽根により、前記フレーム外周面にある通風路カバー内に空気が流れることを特徴とする全閉外扇形電動機。