JP5879116B2 - 回転電機及びそれを備えた鉄道車両並びに電動車両 - Google Patents

Description

本発明は回転電機及びそれを備えた鉄道車両並びに電動車両に係り、特に、機内の空気と機外の空気を用いて冷却するものに好適な回転電機及びそれを備えた鉄道車両並びに電動車両に関する。

一般に、回転電機の冷却の仕方としては、機内の空気(内気)を機内に配設された内扇ファンによって循環して冷却するか、機外の空気(外気)を機外に配設された外扇ファンによって機外表面に通風して冷却するか、或いは前者と後者を併用して冷却する３つが用いられている。

これらの回転電機の冷却方法が、特許文献１乃至４に開示されている。特許文献１及び２に開示された回転電機の冷却方法は、内気を機内に配設された内扇ファンによって循環して冷却する方法と、外気を機外に配設された外扇ファンによって機外表面に通風して冷却する方法を併用したことが特徴である。また、特許文献３及び４に開示された回転電機の冷却方法は、回転電機の内周部に外気を通風したことが特徴である。

特開２００３−１４３８０９号公報 特開平９−１４９５９９号公報 特開２００６−２７１０８１号公報 特開平６−６９５８号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の冷却では、回転子の冷却は、内気の循環によるもののみであるため、内気が循環中に高温となり回転子の温度が上昇してしまう問題がある。

更に、回転子に永久磁石が配置されている永久磁石式回転電機とした場合、内気が循環中に高温になると永久磁石が熱減磁する恐れがあるため、回転子を効率良く冷却する必要がある。

また、特許文献３及び４に記載の冷却では、外気の通風のみであり、固定子のコイルエンド部を冷却する内気の循環がないため、固定子のコイルエンド部が高温となる問題がある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、内気が高温になることがないことは勿論、固定子のコイルエンド部が高温となることを防ぎ、しかも、永久磁石式とした場合であっても、永久磁石が熱減磁することがなくなり、冷却性能が向上する回転電機及びそれを備えた鉄道車両並びに電動車両を提供することにある。

本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子とから成り、前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された固定子スロットと、該複数の固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、前記回転子は、回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された回転子スロットと、該回転子スロットに挿入された界磁部材と、内気通風用の内扇ファン及び外気通風用の外扇ファンとを備えた回転電機において、前記回転子鉄心に、機外の空気を通風するための外気通風用の孔と、機内の空気を通風するための内気通風用の孔とを備え、前記外気通風用の孔は、前記内気通風用の孔よりも前記回転子の外周側に位置し、かつ、前記外扇ファンによって外気入気口から外気が入気されると共に、前記外扇ファンの遠心力によって粉塵排出口から粉塵が排出された前記外気が前記外気通風用の孔を通り、前記内気通風用の孔を通る機内空気を前記回転子鉄心を介して冷却しながら外気排出口から排出されることを特徴とする。

また、本発明の鉄道車両は、上記目的を達成するために、台車と、回転電機と、増速ギアと、車輪とを備え、前記回転電機が前記増速ギアを介して前記車輪を駆動する鉄道車両において、前記回転電機は、上記構成の回転電機であることを特徴とする。

また、本発明の電動車両は、上記目的を達成するために、車体と、車輪と、車軸と、回転電機とを備え、前記車軸に直結された前記回転電機により前記車輪を駆動する電動車両において、前記回転電機は、上記構成の回転電機であることを特徴とする。

本発明によれば、内気が高温になることがないことは勿論、固定子のコイルエンド部が高温となることを防ぎ、しかも、永久磁石式とした場合であっても、永久磁石が熱減磁することがなくなり、冷却性能が向上するため、回転電機の小型化に寄与できる。

また、この小型化した回転電機を備えることにより、出力が大きな鉄道車両や電動車両を得ることができる。

本発明の回転電機の実施例１を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。 本発明の回転電機の実施例２を示す回転子の斜視図である。 本発明の回転電機の実施例３を示す回転子の上部断面図である。 本発明の回転電機の実施例４を示す回転子の上部断面図である。 本発明の回転電機の実施例５を示す回転子の上部断面図である。 本発明の回転電機の実施例６である永久磁石式回転電機を示す断面図である。 本発明の実施例７を示す本発明の回転電機を搭載した鉄道車両を示す構成図である。 本発明の実施例８を示す本発明の回転電機を搭載した電気自動車を示す構成図である。 本発明の実施例１の外気通風用の孔がある場合と、従来技術の外気通風用の孔がない場合のコイルエンドにおける温度上昇の低減効果を比較して示す図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機を説明する。尚、符号は、各実施例で同一構成部品については、同符号を使用する。

図１及び図２に、本発明の回転電機の実施例１である誘導電動機を示す。尚、図２は、ハウジングの図示は省略している。

該図に示す如く、誘導電動機である回転電機１は、固定子２と回転子３から構成されている。固定子２は、固定子鉄心４と、この固定子鉄心４の内周側に設けられ、かつ、周方向に所定間隔をもって形成され、軸方向に伸延する複数の固定子スロット１２に巻回された多相の固定子巻線５と、固定子鉄心４をその内周面で保持するハウジング１１とから概略構成されている。

複数枚の電磁鋼板が積層されている固定子鉄心４は、円筒状のヨーク部２１(又は、コアバック部という)と、ヨーク部２１の内周表面から径方向内側に突出し、ヨーク部２１の内周面に沿って軸方向に延びた複数のティース部２２とを備えている。ティース部２２は、ヨーク部２１の内周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。また、固定子２のティース部２２間に、上述した固定子巻線５を巻回すための固定子スロット１２を備えている。

また、回転子３は、固定子鉄心４と径方向に所定間隙を持って配置され、複数枚の電磁鋼板が積層されている回転子鉄心７と、この回転子鉄心７の外周側に設けられ、かつ、周方向に所定間隔をもって形成され、軸方向に伸延する複数の回転子スロット６に挿入された界磁部材である回転子バー１３と、各回転子バー１３を、両軸端で短絡する導体から構成されるエンドリング１４と、回転子鉄心７が嵌合されているシャフト８とから概略構成され、シャフト８は、ベアリング１０に回転可能に保持されている。

また、回転子鉄心７は、回転子鉄心７を押えるための押え板１５によって軸方向に固定されており、更に、回転子３には、内気通風用の内扇ファン５０と外気通風用の外扇ファン５１が取り付けられている。

上記ベアリング１０は、エンドブラケット９によって支持されており、エンドブラケット９は、ハウジング１１に固定されている。回転子３は、時計方向、反時計方向に回転し、電動機として運転するものである。

そして、本実施例では、回転子３の回転子鉄心７に、外気を通風するための外気通風用の孔１６と、その外側に内気を通風するための内気通風用の孔１７ａが、周方向に所定間隔をもち、かつ、軸方向に貫通して複数個形成されている。また、回転子鉄心７を押えるための押え板１５にも、外気通風用の孔１６と内気を通風するための内気通風用の孔１７ａが、同様に形成されている。その外気通風用の孔１６は、内気通風用の孔１７ａよりも回転子３の内周側に位置している。

即ち、本実施例の回転子鉄心７は、外気通風用の孔１６及び内気通風用の孔１７ａの孔と回転子スロット６及びシャフト８の孔が打ち抜かれた構造となっている。そして、外気通風用の孔１６、内気通風用の孔１７ａ、回転子スロット６及びシャフト８の孔が打ち抜かれた電磁鋼板を積層し、貫通する回転子スロット６とシャフト８を通す孔の中に回転子バー１３及びシャフト８が挿入されて回転子３を構成するものである。

次に、本実施例における内気及び外気を用いた通風経路（冷却経路）について、図１を用いて説明する。

該図に示す如く、外気５６は、外扇ファン５１によって外気入気口５４から入気され、空気溜まり部５２に入った後、外扇ファン５１の遠心力によって粉塵を粉塵排出口５３から排出する。

次に、粉塵を除去された外気５６は、外扇ファン５１によって回転子３の内周部にある外気通風用の孔１６を通り、外気排出口５５から排出される。この際、回転子鉄心７、回転子バー１３及び内気５７を、回転子鉄心７を通して冷却する。一方、内気５７は、内扇ファン５０によって固定子巻線５の軸方向端部にあるコイルエンド１８及びエンドリング１４を通過し、内気通風用ダクト１７ｂに至る。この際、内気５７は、コイルエンド１８及びエンドリング１４を冷却する。

次に、内気５７は、内気通風用ダクト１７ｂを通過し、反対の軸端にあるコイルエンド１８及びエンドリング１４を通過する。この際、内気５７は、ハウジング１１を通して外気５６により冷却される。外気５６によって冷却された内気５７は、コイルエンド１８及びエンドリング１４を冷却する。更に、コイルエンド１８及びエンドリング１４を通過した内気５７は、回転子３の内周部にある内気通風用の孔１７ａを通ることで機内を循環する。この際、内気５７は、回転子バー１３を、回転子鉄心７を通して（熱伝導により）冷却する。更に、内気５７は、外気通風用の孔１６に通風している外気５６により、回転子鉄心７を通して熱交換され冷却される。

つまり、本実施例では、内気５７は、コイルエンド１８及びエンドリング１４を冷却し、外気５６は、回転子３の回転子鉄心７、回転子バー１３及び内気５７を冷却するものである。

このような本実施例の構成とすることにより、内気が高温になることがないことは勿論、固定子のコイルエンド部が高温となることを防ぐことができ、冷却性能が向上するため、回転電機の小型化に寄与できる。

即ち、本実施例によれば、空気温度が低下するので、その分、回転電機全体を小さくできる。つまり、回転電機の軸方向長さが同じだと径方向長さを小さくでき、径方向長さが同じだと軸方向長さを小さくできるので、回転電機の小型化に寄与できるものである。

尚、上述した実施例では、外気通風用の孔１６と内気通風用の孔１７ａは、周方向に所定間隔をもって複数個形成されているが、これら２種類の孔は、少なくとも１つ有していれば、効果は達成される。

図１０に、本発明の実施例１の外気通風用の孔がある場合と、従来技術の外気通風用の孔がない場合のコイルエンドにおける温度上昇の低減効果を比較して示す。

該図に示す如く、実施例１の外気通風用の孔がある場合は、従来技術の外気通風用の孔がない場合に比較して、約１４Ｋ程度，コイルエンドの温度上昇を低減できることが分かる。

次に、本発明の回転電機の実施例２について、図３を用いて説明する。図３は、固定子２、ハウジング１１、シャフト８、ベアリング１０、回転子バー１３及びエンドリング１４は、図示を省略している。

該図に示す如く、実施例２が実施例１と異なる点は、回転子鉄心７に周方向にスキューが施されており、しかも、外気通風用の孔１６及び内気通風用の孔１７ａの入り口付近の押え板１５には、羽根２０が取り付けられている点である。尚、１９は、シャフト穴である。

このような本実施例によれば、回転子鉄心７にスキューが施されていることと押え板１５に羽根２０が取り付けられているため、回転子３が回転した際に、羽根２０によって空気が外気通風用の孔１６及び内気通風用の孔１７ａに導入される。また、回転子鉄心７をスキューすることで、内気通風用の孔１６及び内気通用用の孔１７ａもスキューされ、孔部の空気抵抗を小さくすることができ、風量が増加する。このため、内気通風及び外気通風のための内扇ファン５０及び外扇ファン５１が不用な構成とすることができ、実施例１と同様な効果が得られ、更なる回転電機の小型化に寄与できる。

次に、本発明の回転電機の実施例３について、図４を用いて説明する。図４は、固定子２、ベアリング１０及びハウジング１１は、図示を省略している。

該図に示す如く、実施例３が実施例１と異なる点は、回転子鉄心７に取り付けられた内扇ファン５０と外扇ファン５１が、一体の構造となっている点である。この一体構造の内扇ファン５０と外扇ファン５１は、押え板１５に取り付けられている。

このような本実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、内扇ファン５０と外扇ファン５１が一体構造となることで、風量が増加するし、実施例１に比較して構造が簡単になり、低コスト化を図ることができる。

次に、本発明の回転電機の実施例４について、図５を用いて説明する。図５は、固定子２、ベアリング１０及びハウジング１１は、図示を省略している。

該図に示す如く、実施例４が実施例１と異なる点は、回転子鉄心７の押え板１５に取り付けられた内扇ファン５０が回転子３の一方の軸端に、外扇ファン５１が回転子３の他方の軸端に設置されている構造としている点である。

このような実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、内扇ファン５０と外扇ファン５１を回転子３の両軸端に配置することで、軸方向端部のレイアウトを有効に活用することができ、更なる回転電機の小型化に寄与できる。

尚、内扇ファン５０と外扇ファン５１は、回転子鉄心７を軸方向から押えるに、回転子鉄心７の軸方向両端に配置されている押え板１５とそれぞれ一体に構成されていても構わない。

次に、本発明の回転電機の実施例５について、図６を用いて説明する。図６は、固定子２、ベアリング１０、ハウジング１１及び外扇ファン５１は、図示を省略している。

該図に示す如く、実施例５が実施例１と異なる点は、外気通風用の孔１６が内気通風用の孔１７ａよりも回転子３の外周側としている点である。

このような本実施例の構成とすることにより、外扇ファンによって取り込まれた外気は、押え板１５を通り、外気通風用の孔１６に導かれる。この際、押え板１５には、内周側から外周側方向の径方向に斜め貫通孔１５ａが存在し、この斜め貫通孔１５ａによって、回転子３の外周部にある外気通風用の孔１６に外気が入気される。また、外気通風用の孔１６を通過した外気は、軸方向反対側の押え板１５に通風され、外周側から内周側方向の径方向に斜め貫通孔１５ｂによって機外へと排出される。

一方、内扇ファン５０によって循環している内気は、外周側から内周側方向の径方向に斜めに開いた斜め貫通孔１５ｃをもつ押え板１５によって、回転子３の内周側にある内気通風用の孔１７ａに入気される。内気通風用の孔１７ａを通過した内気は、軸方向反対側の押え板１５の内周側から外周側方向の径方向に斜めに開いた斜め貫通孔１５ｄをもつ押え板１５に通風される。

このような本実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、発熱の大きな回転子バー１３の近くに外気通風用の孔１７ａを配置できるため、回転子バー１３の冷却を効果的に行うことができ、回転電機の冷却性能を向上できる。

次に、本発明の回転電機の実施例６について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の回転電機を永久磁石式回転電機とした場合である。

該図に示す如く、実施例６が実施例１と異なる点は、実施例１では誘導機の例でとして回転子バーを回転子３に使用していたが、本実施例では、回転子バーに代えて回転子３に永久磁石２３を使用していることである。

即ち、本実施例では、回転子鉄心７の磁石挿入孔に、周方向に所定間隔をもち、かつ、軸方向に伸延するように複数個の界磁部材である永久磁石２３を設けたものである。他の構成は、図１の構成と同様である。

このような本実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、外気５６が外気通風用の孔１６を通り、かつ、内気５７が内気通風用の孔１７ａを通ることで永久磁石２３の発熱を抑えることができるので、永久磁石２３が熱減磁する恐れがなくなり、しかも、内気５７の冷却も行うことができるため、永久磁石式回転電機の冷却性能を向上することができる。

尚、本発明は、分布巻方式の回転電機、或いは集中巻方式の回転電機の両者においても適用できることは言うまでもない。

次に、本発明の実施例７として、本発明の上述した各実施例のうちの１つの回転電機を用いた鉄道車両について、図８を用いて説明する。

該図に示す如く、鉄道車両２００は、台車２０１に実施例１乃至６のいずれか１つの回転電機１、増速ギア２０２、車輪２０３を備えて構成され、回転電機１が増速ギア２０２を介して車輪２０３を駆動するものである。

尚、回転電機１は、本実施例では２台だが、１台又は２台以上となる複数台を搭載し、駆動することも可能である。また、以上の説明では、回転電機１を鉄道車両２００の車輪２０３の駆動に用いるものとして説明したが、電動建機用の駆動装置及び他あらゆる駆動装置においても使用できるものである。

このような本実施例によれば、本発明の回転電機を電動車両、特に、鉄道車両に適用することで、回転電機の小型化が図れているため、出力が大きな鉄道車両を提供することができる。

次に、本発明の実施例８として、本発明の上述した各実施例のうちの１つの回転電機を用いた電気自動車について、図９を用いて説明する。

該図に示す如く、電気自動車の車体１００は、４つの車輪１１０、１１２、１１４、１１６によって支持されている。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸１５４には、実施例１乃至６のいずれか１つの回転電機１が直結して取り付けられている。

回転電機１は、制御装置１３０によって駆動トルクが制御される。制御装置１３０の動力源としては、バッテリ１５１が備えられ、このバッテリ１５１から電力が制御装置１３０を介して、回転電機１に供給され、回転電機１が駆動されて、車輪１１０、１１４が回転する。ハンドル１５０の回転は、ステアリングギア１５２及びタイロッド、ナックルアーム等からなる伝達機構を介して、２つの車輪１１０、１１４に伝達され、車輪の角度が変えられる。

このような本実施例によれば、本発明の回転電機を電動車両、特に、電気自動車に適用すれば、回転電機の小型化が図れているため、出力が大きな電気自動車を提供することができる。

１…回転電機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、５…固定子巻線、６…回転子スロット、７…回転子鉄心、８…シャフト、９…エンドブラケット、１０…ベアリング、１１…ハウジング、１２…固定子スロット、１３…回転子バー、１４…エンドリング、１５…押え板、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ…斜め貫通孔、１６…外気通風用の孔、１７ａ…内気通風用の孔、１７ｂ…内気通風用ダクト、１８…コイルエンド、１９…シャフト孔、２０…羽根、２１…ヨーク部、２２…ティース部、２３…永久磁石、５０…内扇ファン、５１…外扇ファン、５２…空気溜まり部、５３…粉塵排出口、５４…外気入気口、５５…外気排出口、５６…外気、５７…内気、１００…車体、１１０、１１２、１１４、１１６、２０３…車輪、１３０…制御装置、１５０…ハンドル、１５１…バッテリ、１５２…ステアリングギア、１５４…車軸、２００…鉄道車両、２０１…台車、２０２…増速ギア。

Claims (10)

1. 固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子とから成り、前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された固定子スロットと、該複数の固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、前記回転子は、回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された回転子スロットと、該回転子スロットに挿入された界磁部材と、内気通風用の内扇ファン及び外気通風用の外扇ファンとを備えた回転電機において、
   前記回転子鉄心に、機外の空気を通風するための外気通風用の孔と、機内の空気を通風するための内気通風用の孔とを備え、前記外気通風用の孔は、前記内気通風用の孔よりも前記回転子の外周側に位置し、かつ、前記外扇ファンによって外気入気口から外気が入気されると共に、前記外扇ファンの遠心力によって粉塵排出口から粉塵が排出された前記外気が前記外気通風用の孔を通り、前記内気通風用の孔を通る機内空気を前記回転子鉄心を介して冷却しながら外気排出口から排出されることを特徴とする回転電機。
2. 固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子とから成り、前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された固定子スロットと、該複数の固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、前記回転子は、回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された回転子スロットと、該複数の各回転子スロットに挿入された回転子バーと、該各回転子バーを、両軸端で短絡するエンドリングと、前記回転子鉄心が嵌合されているシャフトと、内気通風用の内扇ファン及び外気通風用の外扇ファンとを備えた回転電機において、
   前記回転子鉄心に、機外の空気を通風するための外気通風用の孔と、機内の空気を通風するための内気通風用の孔とを備え、前記外気通風用の孔は、前記内気通風用の孔よりも前記回転子の外周側に位置し、かつ、前記外扇ファンによって外気入気口から外気が入気されると共に、前記外扇ファンの遠心力によって粉塵排出口から粉塵が排出された前記外気が前記外気通風用の孔を通り、前記内気通風用の孔を通る機内空気を前記回転子鉄心を介して冷却しながら外気排出口から排出されることを特徴とする回転電機。
3. 固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子とから成り、前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された固定子スロットと、該複数の固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、前記回転子は、回転子鉄心と、該回転子鉄心に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された磁石挿入孔と、該複数の各磁石挿入孔に挿入された永久磁石と、前記回転子鉄心が嵌合されているシャフトと、内気通風用の内扇ファン及び外気通風用の外扇ファンとを備えた回転電機において、
   前記回転子鉄心に、機外の空気を通風するための外気通風用の孔と、機内の空気を通風するための内気通風用の孔とを備え、前記外気通風用の孔は、前記内気通風用の孔よりも前記回転子の外周側に位置し、かつ、前記外扇ファンによって外気入気口から外気が入気されると共に、前記外扇ファンの遠心力によって粉塵排出口から粉塵が排出された前記外気が前記外気通風用の孔を通り、前記内気通風用の孔を通る機内空気を前記回転子鉄心を介して冷却しながら外気排出口から排出されることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記回転子の内周部の前記外気通風用の孔及び内気通風用の孔は、周方向にスキューが施されていると共に、前記外気通風用の孔及び前記内気通風用の孔の入り口付近の前記回転子鉄心を軸方向から押える押え板に羽根が設けられ、前記回転子の回転によって前記羽根を介して前記外気通風用の孔及び前記内気通風用の孔に空気が通風されることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記内扇ファンと外扇ファンは、一体構造になっていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記内扇ファンが前記回転子の一方の軸端に、前記外扇ファンが前記回転子の他方の軸端に配置されていることを特徴とする回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記内扇ファン及び外扇ファンは、前記回転子鉄心を軸方向から押えるために、該回転子鉄心の軸方向両端に配置されている押え板と一体に構成されていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機において、
   前記外扇ファン及び前記内扇ファンは、前記回転子鉄心を軸方向から押えるための押え板とそれぞれ一体に構成されていることを特徴とする回転電機。
9. 台車と、回転電機と、増速ギアと、車輪とを備え、前記回転電機が前記増速ギアを介して前記車輪を駆動する鉄道車両において、
   前記回転電機は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転電機であることを特徴とする鉄道車両。
10. 車体と、車輪と、車軸と、回転電機とを備え、前記車軸に直結された前記回転電機により前記車輪を駆動する電動車両において、
    前記回転電機は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転電機であることを特徴とする電動車両。

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