JP6931587B2 - 回転電機及びこれを備えた回転電機駆動システム並びに鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は回転電機及びこれを備えた回転電機駆動システム並びに鉄道車両に関する。

通常、周辺媒体への自然放熱だけでは冷却が不十分な回転電機には、冷却ファンが備えられている。冷却ファンは回転電機のシャフト上に強固に結合され、回転電機とファンは同期回転する。冷却ファンは強制対流を生みだし、回転電機を冷却する。このような回転電機と同期回転する冷却ファンの風量は、回転電機の回転数に比例して増大する。

鉄道用主電動機のように可変速運転する回転電機の場合、中低速回転時の冷却性能を確保するために、少ない回転数でも十分な風量が得られるように冷却ファンは設計されている。

回転電機が高速回転する場合は、例え回転電機の発熱が少ない状況であっても、冷却ファンの回転数は回転電機と同期回転するため、高速回転した冷却ファンからはファンの送風音に起因した大きな騒音が発生する問題があった。

この問題を解決する従来技術として、例えば特許文献１が提案されている。特許文献1には、回転電機のシャフトに軸受を介して冷却ファンを設置し、冷却ファンには永久磁石を備え、回転子には磁性体を備え、永久磁石と磁性体を対向させた技術が開示されている。特許文献１では、冷却ファンと回転電機のシャフトを軸受で接続することにより、冷却ファンを回転電機に対して非同期で回転させ、回転電機の高速回転時の騒音を低減している。

特開昭５７−７５５４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、磁力のアンバランスによる加振力については考慮されておらず、この加振力により冷却ファンが振動するといった課題があった。

特許文献１に記載の技術では、冷却ファンの支持位置、すなわち軸受位置に対し、磁力は径方向に離れた位置で発生するため、磁力のアンバランスによる加振力ベクトルと、軸受から加振力作用点までの位置ベクトルとの外積に相当する回転モーメントが冷却ファンに発生する。このため、特許文献１に記載の技術は、回転モーメントにより冷却ファンが振動するものであった。

特許文献１に記載の技術のように、磁力のアンバランスによって振動しやすい構造では、冷却ファンを通る冷却風の流れが非定常となり、これにより騒音が発生する問題があった。

本発明の目的は前記課題を解決し、磁力アンバランスによる冷却ファンの騒音を低減する回転電機を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明の特徴とするところは、固定子と、回転子と、前記回転子に固定されたシャフトとを備えた回転電機において、前記シャフトに取り付けられた複数の軸受と、前記複数の軸受によって回転可能に支持された冷却ファンと、前記複数の軸受の間に配置された磁力発生装置と、前記複数の軸受のそれぞれと前記冷却ファンとの間に配置された複数の支持部材とを備え、前記複数の支持部材のうち一の支持部材と前記冷却ファンの一部とは、前記軸受に対して軸方向及び径方向の移動を規制する移動規制部を備え、前記複数の支持部材のうち他の支持部材と前記冷却ファンの一部との間には、空隙又は弾性体が設けられ、前記一の支持部材と他の支持部材とは、スペーサを介して軸方向に所定の間隔で固定されていることにある。

本発明によれば、磁力アンバランスによる冷却ファンの騒音を低減する回転電機を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る回転電機を示す断面図である。 図1における部分断面図である。 本発明の第１実施例に係る補助ファンを設けた回転電機を示す断面図である。 本発明の第１実施例に係る外扇ファンを設けた回転電機を示す断面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図の変形例である。 図１におけるＡ−Ａ断面図の変形例である。 本発明の第１実施例に係る軸方向の空隙に弾性体を配置した構成を示す部分断面図である。 本発明の第１実施例に係る径方向の空隙に弾性体を配置した構成を示す部分断面図である。 本発明の第１実施例に係る支持部材とスペーサの接続関係を示す斜視図である。 本発明の第１実施例に係るベクトルの関係を示す部分拡大図である。 本発明の第２実施例に係る回転電機駆動システムの構成図である。 本発明の第３実施例に係る回転電機を搭載した鉄道車両の一部を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施例を図面に従い詳細に説明する。本発明においては複数の実施例を提案しているが、下記はあくまでも実施例に過ぎず、本発明の実施態様が下記具体的態様に限定されることを意図する趣旨ではない。

図１は本発明の第１実施例に係る回転電機の断面図である。図２は図１における部分拡大図である。

回転電機１００は、固定子１０１と、固定子１０１の径方向内側に回転可能に支持された回転子１０２と、回転子１０２に固定されたシャフト１０３と、固定子１０１及び回転子１０２を覆うフレーム１０４とを備えている。

固定子１０１は、電磁鋼板を複数枚積層して構成された固定子鉄心１０５と、固定子鉄心１０５の内周部の周方向に複数設けられた固定子スロット１０６と、固定子スロット１０６に巻装された固定子巻線１０７から構成されている。固定子鉄心１０５は、一体成形されたソリッド部材で構成しても良い。また、固定子巻線１０７の巻装方式は、集中巻、分布巻または回転磁界を発生できる何れの巻装方式でも良く、分布巻においては短節巻または全節巻の何れにおいても本実施例の効果を得ることができる。本実施例では、固定子鉄心１０５の両端面に固定子鉄心押さえ１０８を設けている。

回転子１０２はシャフト１０３に固定され、シャフト１０３とともに回転する。固定子１０１及び回転子１０２は同一の中心軸を有する。固定子１０１と回転子１０２との間には空隙１０９が設けられ、互いに接触しないように配置されている。

回転子１０２は、電磁鋼板を複数枚積層して構成された回転子鉄心１１０と、磁極部（図示せず）とを備えている。磁極部は、回転子鉄心１１０の外周部の周方向に複数設けられた回転子スロット１１１と、回転子スロット１１１に挿入され、軸方向に伸びる複数の回転子バー１１２と、複数の回転子バー１１２の両端を固定するエンドリング１１３より構成される。回転子鉄心１１０は、一体成形されたソリッド部材で構成してもよい。

回転子バー１１２及びエンドリング１１３は電気伝導体から成り、例えば銅やアルミなどが用いられる。エンドリング１１３は複数の回転子バー１１２を電気的に接続してあれば、いかなる接続方法であっても良い。例えば、回転子バー１１２及びエンドリング１１３は一体成形しても良く、またそれぞれを別部材で構成し、ロウ付け等の手段により接続しても良い。

その他の部材構成として、エンドリング１１３はリテイニングリング１１４により保持されている構成でも良く、回転子鉄心１１０の両端面に回転子鉄心押さえ１１５を設けるようにしても良い。なお図１では、磁極部（図示せず）の構造としてかご形誘導電動機の回転子構造を例示したが、回転子鉄心１１０の突極性を利用した構造、例えばスイッチトリラクタンスモータやシンクロナスリラクタンスモータの磁極部であっても良い。また、磁極部に少なくとも1つ以上の永久磁石を配置した、例えば表面磁石型モータや埋込磁石型モータの磁極部、その他、巻線界磁同期モータの磁極部の何れの構成であっても良い。

シャフト１０３は、フレーム１０４の両端部で軸受１１６、１１７により支持され回転摺動する。フレーム１０４の両端部の軸受１１６、１１７のうち、図１では負荷が接続される側の軸受１１６を負荷側軸受、他方の負荷が接続されない側の軸受１１７を反負荷側軸受と定めている。

回転電機１００には、以上の構成要素の他に冷却ファン２００が配置されている。冷却ファン２００は、複数の支持部材３００（３００ａ、３００ｂ）とともに、シャフト１０３に取り付けられた複数の軸受２１０（２１０ａ、２１０ｂ）により、回転可能に支持されている。第１実施例の冷却ファン２００は、回転電機１００の内部で冷却風を流す機能を有する。回転子１０２には、軸方向に貫通した通風口１１８が設けられている。

冷却ファン２００が回転すると、冷却ファン２００によって吸引された流体は、通風口１１８内を通過し、矢印に示すようにフレーム１０４の内部を循環する。流体がフレーム１０４の内部を循環することにより、固定子１０１、回転子１０２を冷却する。フレーム１０４と冷却ファン２００との間には、凹凸の隙間が形成され、ラビリンスシール１２０を構成している。

冷却ファン２００の構成は、例えば図３のように補助ファン２０１（２０１ａ、２０１ｂ）を備えるようにしても良い。図３は、本発明の第１実施例に係る補助ファンを設けた回転電機を示す断面図である。

図３において、冷却ファン２００には補助ファン２０１ａが取り付けられている。フレーム１０４には吸気口１２５ａと、排気口１２６ａが形成されている。補助ファン２０１ａとフレーム１０４との間には、隙間１２７が形成されている。冷却ファン２００が回転すると、補助ファン２０１ａも回転し、吸気口１２５ａを介して外部の空気が補助ファン２０１ａの収容空間に吸引される。吸引された空気は軸受１１７及び２１０（２１０ｂ）を冷却した後、排気口１２６ａから外部へ排気される。そして、フレーム１０４と冷却ファン２００との間には、凹凸の隙間が形成され、ラビリンスシール１２０ａを構成している。

また、シャフト１０３には補助ファン支持部２０２が取り付けられている。補助ファン支持部２０２は、シャフト１０３の回転に同期して回転する。この補助ファン支持部２０２には補助ファン２０１ｂが取り付けられている。フレーム１０４には、吸気口１２５ｂと排気口１２６ｂが形成されている。補助ファン支持部２０２が回転すると、補助ファン２０１ｂも回転し、吸気口１２５ｂを介して外部の空気が補助ファン２０１ｂの収容空間に吸引される。吸引された空気は軸受１１６を冷却した後、排気口１２６ｂから外部へ排気される。そして、フレーム１０４と補助ファン支持部２０２との間には、凹凸の隙間が形成され、ラビリンスシール１２０ｂを構成している。なお、冷却ファン２００によって吸引された空気の流れについては、図１と同様である。

冷却ファン２００の他の構成例について図４を用いて説明する。図４は、本発明の第１実施例に係る外扇ファンを設けた回転電機を示す断面図である。

図４において、シャフト１０３には冷却ファン２００が取り付けられている。冷却ファン２００はシャフト１０３と同期して回転する。フレーム１０４の内フレーム１０４ｂには、吸気口１２５ａと排気口１２６ａが形成されている。冷却ファン２００が回転すると、補助ファン２０１ａも回転し、吸気口１２５ａを介して外部の空気が補助ファン２０１ａの収容空間に吸引される。吸引された空気は軸受１１７を冷却した後、排気口１２６ａから外部へ排気される。そして、内フレーム１０４ｂと冷却ファン２００との間には、凹凸の隙間が形成され、ラビリンスシール１２０ａを構成している。

また、シャフト１０３には軸受２１０を介して補助ファン支持部２０２が取り付けられている。補助ファン支持部２０２には補助ファン２０１ｂが取り付けられている。この補助ファン支持部２０２は内フレーム１０４ｂに沿うように形成されている。そして、内フレーム１０４ｂと補助ファン支持部２０２との間には、凹凸の隙間が形成され、ラビリンスシール１２０ｂを構成している。

補助ファン２０１ｂと外フレーム１０４ａとの間には、隙間１２７が形成されている。外フレーム１０４ａには、吸気口１２５ｂが形成されている。また、外フレーム１０４ａと内フレーム１０４ｂとの間には排気口１２６ｂ及び通風路１２８が形成されている。補助ファン支持部２０２が回転すると、補助ファン２０１ｂも回転し、吸気口１２５ｂを介して外部の空気が補助ファン２０１ｂの収容空間に吸引される。吸引された空気は軸受１１６、軸受２１０（２１０ａ）及び通風路１２８に面した内フレーム１０４ｂを冷却した後、通風路１２８を流れ、排気口１２６ｂから外部へ排気される。なお、冷却ファン２００によって吸引された空気の流れについては、図１と同様である。

第１実施例において、シャフト１０３と冷却ファン２００（図４においては補助ファン支持部２０２）との間には複数の軸受２１０（２１０ａ、２１０ｂ）が配置され、冷却ファン２００（補助ファン支持部２０２）はシャフト１０３に対して回転可能に支持されている。図１〜図４では、シャフト１０３と冷却ファン２００（補助ファン支持部２０２）との間の軸受２１０は負荷側の軸受２１０ａと反負荷側の軸受２１０ｂとして図示されているが、軸受の個数は３個以上でもよく、２個に限定されるものではない。

複数の軸受２１０の間（軸受２１０ａ、２１０ｂの間）には、磁力発生装置２２０が設置されている。磁力発生装置２２０はシャフト１０３の主に外周側と冷却ファン２００の主に内周側とを磁気的な力によって結合する機能を有している。第１実施例では、シャフト１０３の外周側を磁力発生部２２１、冷却ファン２００の内周側を磁力発生部２２２と定義する。磁力発生部２２１と磁力発生部２２２の間には空隙２２３が設けられ、互いに直接接触しないように配置されている。磁力発生部２２１と磁力発生部２２２とは、互いに対向している。

次に図５〜７（図１におけるＡ−Ａ断面図）を用いて、磁力発生装置２２０の構成について説明する。図５ａ〜図５ｃは図１におけるＡ−Ａ断面図である。図６及び図７は図１におけるＡ−Ａ断面図の変形例である。なお、図３及び図４の磁力発生装置２２０の構成についても同様である。

図５ａは磁力発生部２２１を４極の円環状の永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄ、磁力発生部２２２を円環状の導電体２２２ｆで構成した例を示している。図５ａの構成では、シャフト１０３が回転すると導電体２２２ｆに誘導電流が生じ、導電体２２２ｆ内に磁極が発生する。これにより永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄと導電体２２２ｆ間に磁気的な吸引力及び反発力が発生し、冷却ファン２００を駆動する。すなわち、図５ａに例示した磁力発生装置２２０の構成では、シャフト１０３と冷却ファン２００との間に回転数差が生じたときのみ、永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄと導電体２２２ｆとの間に磁力が発生する。冷却ファン２００の軸動力をＴ１、図５ａの磁力発生装置２２０で発生した磁力によるトルクをＴ２とすると、Ｔ１＜Ｔ２となる場合では、磁力発生装置２２０の生むトルクにより冷却ファン２００の回転が加速される。一方、Ｔ１＞Ｔ２となる場合では、冷却ファン２００の回転数が減速される。したがって、シャフト１０３の回転数に対して、冷却ファン２００の回転数は、Ｔ１＝Ｔ２が成立する回転数で回転する。

なお、図５ａでは、永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄの極数を一例として４極としたが、この限りでなく、２極でも、６極以上の磁極構成でも良い。また、図５ａでは永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄを１つの円環状の永久磁石として示したが、各極はそれぞれ分離した永久磁石で構成しても良く、１つの極が複数の永久磁石によって構成されていても良い。永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄを複数の永久磁石で構成する場合は、図５ｂに例示するように永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄの外周部をリテイニングリング２２５で保持すると良い。

また、図５ｃに例示するように、スロット２２６ａ、２２６ｂ、２２６ｃ、２２６ｄを有する永久磁石保持部材２２７をシャフト１０３に固定し、スロット２２６ａ、２２６ｂ、２２６ｃ、２２６ｄのそれぞれに、永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄを挿入して保持するようにしても良い。

または、永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄをシャフト１０３に接着剤等を利用して接合するようにしても良い。何れかの手段を用いて、シャフト１０３が回転した際に永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄが飛散しないようにする必要がある。

導電体２２２ｆとしては、電気伝導率の高い材料であれば、いかなる材料を用いても良く、冷却ファン２００の構成部材が導電体である場合、必ずしも冷却ファン２００と導電体２２２ｆは別部材とする必要はなく、一体成形しても良い。さらに磁力発生部２２２は導電体２２２ｆの代わりに、ヒステリシス特性をもつ磁性材としても良い。この場合、永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄの残留磁束と、磁性材の残留磁束との磁気的相互作用により吸引力及び反発力が発生し、冷却ファン２００を駆動することができる。

次に図６及び図７を用いて変形例を説明する。図６は磁力発生部２２１を４極の円環状の永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄ、磁力発生部２２２を円環状の永久磁石２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄで構成した例を示している。図６の構成では、永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄと永久磁石２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄ間の磁気的な吸引力及び反発力によってトルクが発生し、冷却ファン２００を駆動する。すなわち図６に例示した磁力発生装置２２０の構成では、シャフト１０３が静止した状態では永久磁石２２１ａ、２２１ｃのＮ極と永久磁石２２２ａ、２２２ｃのＳ極（もしくは永久磁石２２１ｂ、２２１ｄのＳ極と永久磁石２２２ｂ、２２２ｄのＮ極）が向かい合った安定な力の釣合い状態で冷却ファン２００は静止する。シャフト１０３が回転すると、冷却ファン２００に磁力によるトルクが発生する。磁力によるトルクの最大値をＴｍとすると、冷却ファン２００の軸動力Ｔ１に対して、Ｔ１＜Ｔｍとなる場合では、磁力発生装置２２０が発生するトルクにより冷却ファン２００はシャフト１０３と同期回転する。一方で、Ｔ１＞Ｔｍとなる場合では、冷却ファン２００はシャフト１０３と同期回転することができず、冷却ファン２００はシャフト１０３に対して脱調する。

なお、図６では、永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄ、及び永久磁石２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄの極数を一例として４極としたが、この限りでなく、２極でも、６極以上の磁極構成でも良い。また、互いの永久磁石は極数が異なっていても良い。また、図６では永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄ、及び永久磁石２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄを１つの円環状の永久磁石として示したが、各極はそれぞれ分離した永久磁石で構成しても良く、１つの極が複数の永久磁石によって構成されていても良い。分離した永久磁石の固定については図５の説明で示した方法と同様である。

図７は磁力発生部２２１として２極の円環状の永久磁石２２１ａ、２２１ｂ、磁力発生部２２２として突極性を有した磁性体２２２ｈで構成した例を示している。図７の構成では、永久磁石２２１ａ、２２１ｂと磁性体２２２ｈ間の吸引力によってトルクが発生し、冷却ファン２００を駆動する。すなわち図７に例示した磁力発生装置２２０の構成では、シャフト１０３が静止した状態では永久磁石２２１ａ、２２１ｂの磁極中心と磁性体２２２ｈの凸部が向かい合った安定な力の釣合い状態で冷却ファン２００は静止する。シャフト１０３が回転すると、冷却ファン２００に磁力によるトルクが発生する。磁力によるトルクの最大値をＴｍ’とすると、冷却ファン２００の軸動力Ｔ１に対して、Ｔ１＜Ｔｍ’となる場合では、磁力発生装置２２０の生むトルクにより冷却ファン２００はシャフト１０３と同期回転する。一方で、Ｔ１＞Ｔｍ’となる場合では、冷却ファン２００はシャフト１０３と同期回転することができず、冷却ファン２００はシャフト１０３に対して脱調する。

なお、図７では、永久磁石２２１ａ、２２１ｂの極数を一例として２極としたが、この限りでなく、４極以上の磁極構成でも良い。また、図７では永久磁石２２１ａ、２２１ｂを１つの円環状の永久磁石として示したが、各極はそれぞれ分離した永久磁石で構成しても良く、１つの極が複数の永久磁石によって構成されていても良い。分離した永久磁石２２１ａ、２２１ｂの固定については図５の説明で示した方法と同様である。

次に、冷却ファン２００の支持構造について説明する。以下の説明では、冷却ファン２００の支持構造の例で説明するが、図４における補助ファン支持部２０２でも同様である。

図１及び図２において、冷却ファン２００と複数の軸受２１０（２１０ａ、２１０ｂ）との間には、支持部材３００が設けられており、支持部材３００は少なくとも軸受２１０と接触している。冷却ファン２００と支持部材３００とは、溶接、接着、焼嵌め、圧入、ボルト締め等の手段で固定されている。

支持部材３００はリング状に形成されており、リング状の内側には軸受２１０が設置される。支持部材３００をリング状に形成することにより、支持部材３００は軸受２１０に対し、径方向の移動が規制される。支持部材３００ａ、３００ｂ同士は、後述するスペーサ１４０で接続されている。また、支持部材３００ｂ（図４では支持部材３００ａ）には、内周側に突出したフランジ部３０１が形成されている。支持部材３００の詳細については後述する。

図１では支持部材３００ａが軸受２１０ａと接触するように設置され、支持部材３００ｂが軸受２１０ｂと接触するように設置されているが、１つの軸受２１０に対して複数の支持部材３００を接触させても良く、また、例えば冷却ファン２００とシャフト１０３の間の軸受２１０が３つ以上である場合には、複数の軸受２１０に対して１つの支持部材３００が接触していても良い。

回転電機１００の負荷側または反負荷側の一方の冷却ファン端部２０５と支持部材３００は、軸受２１０に対して軸方向及び径方向に移動しないように支持されている。

すなわち、第１実施例では、複数の支持部材３００ａ、３００ｂのうち一の支持部材３００ｂと冷却ファン２００の一部（冷却ファン端部２０５）には、軸受２１０ｂに対して軸方向及び径方向の移動を規制する移動規制部が備えられている。

図２では反負荷側の冷却ファン端部２０５と支持部材３００ｂが軸受２１０ｂに軸方向に移動しないように支持されているが、負荷側または反負荷側の何れか一方の冷却ファン端部と支持部材３００が軸受２１０に支持されていればどちらでも良い。本実施例で定義する冷却ファン端部とは、支持部材３００と対面している面の端部を意味しており、冷却ファン２００の翼先端やラビリンスシール１２０の先端部を意味しているわけではない。

冷却ファン端部２０５と支持部材３００の支持方法は、例えば、図２に示すように、冷却ファン端部２０５に設けたフランジ部２０６と、支持部材３００ｂに設けたフランジ部３０１により軸受２１０ｂを挟み、冷却ファン２００と支持部材３００ｂの両部材を、溶接、接着、焼嵌め、圧入、ボルト締結等の手段により軸受２１０ｂに固定する。フランジ部２０６及びフランジ部３０１は軸方向及び径方向の移動を規制する移動規制部としての機能を有する。またこれ以外の軸方向及び径方向に移動させないあらゆる支持方法を用いても、本実施例の効果を得ることができる。

一方で、軸受２１０において軸方向に支持されてない冷却ファン端部２０７と支持部材３００との間には、少なくとも軸方向に空隙１３０が設けられている。

すなわち、第１実施例では、複数の支持部材３００ａ、３００ｂのうち他の支持部材３００ａと冷却ファン２００の一部（冷却ファン端部２０７）との間には、空隙１３０が設けられている。空隙１３０は軸方向に限られるわけではなく、冷却ファン端部２０７と支持部材３００との間において、支持部材３００の径方向にも空隙１３１を設けるようにしても良い。図２では、一例として、駆動側の冷却ファン端部２０７と支持部材３００ａとの間に軸方向の空隙１３０と径方向の空隙１３１を設けた構造を示しているが、径方向の空隙１３１がなく、冷却ファン端部２０７と支持部材３００ａとが径方向に接触していても本実施例の効果を得ることができる。

軸方向の空隙１３０と径方向の空隙１３１には、弾性体を設けるようにしても良い。図８は軸方向の空隙に弾性体を配置した構成を示す部分断面図である。図９は径方向の空隙に弾性体を配置した構成を示す部分断面図である。

図８において、冷却ファン端部２０７と支持部材３００ａとの間に形成される軸方向の空隙１３０（図２）の部分には、弾性体１５０が配置されている。すなわち、複数の支持部材３００ａ、３００ｂのうち他の支持部材３００ａと冷却ファン２００の一部（冷却ファン端部２０７）との間には、弾性体１５０が設けられている。冷却ファン２００と支持部材３００ａとの間には、空隙１３１が形成されている。弾性体１５０は、冷却ファン端部２０７と支持部材３００ａとに接触するよう厚みが調整されている。弾性体１５０は、接着剤等により、冷却ファン端部２０７と支持部材３００ａに固定されている。

また、図９において、冷却ファン２００と支持部材３００ａとの間に形成される径方向の空隙１３１（図２）の部分には、弾性体１５１が配置されている。冷却ファン端部２０７と支持部材３００ａとの間には、空隙１３０が形成されている。弾性体１５１は、冷却ファン２００と支持部材３００ａとに接触するよう厚みが調整されている。弾性体１５１は、接着剤等により、冷却ファン２００と支持部材３００ａに固定されている。

これらの弾性体１５０、１５１としては、例えばゴムやスポンジ等を用いると良い。

また、図示していないが、軸方向に弾性体１５０、径方向に弾性体１５１を設けるようにしても良い。さらに、軸方向に弾性体１５０を設け、径方向は冷却ファン端部２０７と支持部材３００ａとが接触するような構成でもよい。さらにまた、弾性体１５０、１５１は全領域に充填されている必要はなく、一部が空隙１３０、１３１になっていても、本実施例の効果を得ることができる。

次に支持部材３００ａ、３００ｂの固定方法について図１０を用いて説明する。図１０は支持部材とスペーサの接続関係を示す斜視図である。

支持部材３００は図１０に示すように、リング状に形成されており、リング状の内側には軸受２１０が設置される。支持部材３００をリング状に形成することにより、支持部材３００は軸受２１０に対し、径方向の移動が規制される。支持部材３００ａ、３００ｂ同士は、後述するスペーサ１４０で接続されている。また、支持部材３００ｂには、内周側に突出したフランジ部３０１が形成されている。

負荷側及び反負荷側の支持部材３００ａ、３００ｂはスペーサ１４０を介して軸方向に所定の間隔で固定されている。ここで述べる所定の間隔とは、冷却ファン端部２０５、２０７間の軸方向長さに、空隙１３０または弾性体１５０の軸方向長さを加えた距離を意味し、必ずしも一意に距離が定義できない場合は、これに類する本実施例の効果が得られる代表長さと定義する。支持部材３００同士は軸方向に固定されていれば、各々の径方向の自由度を必ずしも拘束される必要はない。

スペーサ１４０は、例えば図１０に示すように、複数本の柱状部材で構成され、支持部材３００ａと支持部材３００ｂとを接続している。スペーサ１４０は、冷却ファン２００に形成された貫通孔を貫通して支持部材３００ａと支持部材３００ｂとを接続している。スペーサ１４０の構造としては、他にも円筒状部材、複数の錐状部材などを用いることができる。いずれのスペーサ１４０の場合でも、冷却ファン２００にはスペーサ１４０と干渉しないように、スペーサ１４０を通す貫通孔が設けられている。冷却ファン２００とスペーサ１４０は互いに接触しないように空隙が設けられていることが望ましいが、互いに接触していても、本実施例の効果を得ることができる。支持部材３００とスペーサ１４０は互いに溶接、接着、焼嵌め、圧入、ボルト締結等の手段により結合されていることが望ましいが、支持部材３００同士を軸方向に固定できれば、必ずしも各々の径方向の自由度を拘束する接合方法を採用する必要はない。

第１実施例では、磁力発生装置２２０の回転電機負荷側と反負荷側の両方に軸受２１０（２１０ａ、２１０ｂ）が存在する。負荷側及び反負荷側の軸受２１０（２１０ａ、２１０ｂ）には、それぞれ支持部材３００ａ、３００ｂが接触するように設置されている。このため、軸受２１０に対して、それぞれの支持部材３００ａ、３００ｂは径方向に固定されている。さらに、負荷側及び反負荷側の支持部材３００ａ、３００ｂは、互いにスペーサ１４０を介して軸方向に固定されている。また、負荷側または反負荷側の支持部材３００ａ、３００ｂの何れか一方は、軸受２１０ａ、２１０ｂに対して軸方向に固定されている。このように支持部材３００は軸受２１０（２１０ａ、２１０ｂ）に対して、軸方向及び径方向に固定支持されている。

加えて、冷却ファン２００も負荷側または反負荷側の一方の冷却ファン端部２０５が支持部材３００とともに、軸受２１０に軸方向及び径方向に固定されている。したがって第１実施例の構造は、冷却ファン２００の回転自由度をシャフト１０３の回転方向の自由度のみとし、それ以外の例えば紙面時計回り／反時計回りの回転を複数の軸受２１０で拘束している。特に磁力発生装置２２０を中心として、その負荷側及び反負荷側の両端は軸受２１０で拘束した両端支持構造となっている。

次に第１実施例の作用について図１１を用いて説明する。図１１はベクトルの関係を示す部分拡大図である。

第１実施例では、冷却ファン２００は、磁力発生装置２２０を中心として、その負荷側及び反負荷側の両端を軸受２１０で拘束した両端支持構造となっている。このため磁力発生装置２２０内で磁力のアンバランスが生じても、このアンバランスにより生じる加振力ベクトルＦの作用点に対して、負荷側の軸受２１０ａからの位置ベクトルｒ１と、反負荷側の軸受２１０ｂからの位置ベクトルｒ２は互いに略逆方向を向いており、加振力ベクトルＦと位置ベクトルｒ１の外積であらわされる負荷側の軸受２１０ａを中心に回そうとする回転モーメントと、加振力ベクトルＦと位置ベクトルｒ２の外積であらわされる反負荷側の軸受２１０ｂ中心に回そうとする回転モーメントは互いに打ち消しあう。これにより、磁力発生装置２２０内で磁力のアンバランスが生じても冷却ファン２００の振動を抑制することができる。

また両端支持構造は、拘束点を２点有するため、片端支持構造に比べて、同じクリアランスの軸受２１０を使用した場合であっても、冷却ファン２００が回転電機１００の他部材に対して振動することを抑制することができる。これは、磁力のアンバランスに限らず、その他の外界からの振動等に対しても、同様に振動することを抑制することができる。

第１実施例の冷却ファン２００は、振動し難い構造のため、例えば図１〜４に示すラビリンスシール１２０の隙間の間隔や、図３や図４に示す補助ファン２０１ｂとフレーム１０４（外フレーム１０４ａ）との隙間１２７の間隔を一定に保つことができ、冷却風の流れを定常にすることができる。冷却風の流れが定常であれば、冷却ファン２００の翼周りの渦流が発生しにくくなり、渦流の発生に伴う騒音を低減させることができる。

また、回転電機１００が高速回転する際に、冷却ファン２００が非同期回転し、回転数を減少させた分の騒音低減効果を得ることができる。さらに、騒音を発生させるための振動エネルギーを供給する必要がなくなるため、この振動エネルギーに相当する機械損を低減することができる。

また、冷却風の流れを定常にできるため、冷却ファン２００の回転数に対して、冷却ファン２００の受ける軸動力を回転数の関数として一意に定めることができる。したがって、冷却ファン２００の回転数上限値は、回転数の関数である冷却ファン２００軸動力と、磁力発生装置２２０の磁気的トルクとの釣合いを解くことで設計することができ、冷却ファン２００の回転数設計を容易にすることができる。ひいては、設計者が冷却ファン２００の軸動力の非定常性を過小評価してしまい、冷却ファン２００の回転数が設計よりも少なくなり、十分な冷却効果が得られず、回転電機１００がヒートアップする一連のリスクを抑制することができる。

第１実施例の磁力発生装置２２０は、磁力発生部２２１を永久磁石、磁力発生部２２２を導電体もしくはヒステリシス特性をもつ磁性材で構成している。この構成により、第１実施例の磁力発生装置２２０は、冷却ファン２００とシャフト１０３が非同期回転する場合のいかなる条件においても、冷却ファン２００の軸動力Ｔ１と磁力によるトルクＴ２が釣合う回転数で冷却ファン２００の回転を継続させることができる。よって、第１実施例によれば、冷却ファン２００のファン特性を安定させることができ、十分な冷却効果を得つつ、冷却ファン２００起因の機械損を低減し、騒音を低減することができる。

特に磁力発生部２２２として導電体を用いた場合、導電体内部を流れる誘導電流Ｉは、概ね永久磁石の磁束Φに比例し、導電体の電気抵抗Ｒに反比例する関係にある。磁力発生装置２２０の生むトルクＴ２は概ね、誘導電流Ｉと磁束Φの積に比例するため、トルクＴ２は磁束Φの２乗に比例し、電気抵抗Ｒに反比例する。このような単純な関係が成立するため、磁力発生部２２２として、特に導電体を用いることにより、冷却ファン２００の回転数設計をより容易にすることができる。

また磁力発生部２２２として電気伝導率の大きな導電体を用いることにより、導電体の電気抵抗Ｒを低減できるため、電気伝導率の小さな導電体と同じトルクＴ２を出す際に必要な磁束Φを小さくできる。このため、永久磁石の使用量を減らすことができ、ファンを小型にすることができ、かつ磁石材料コストを低減することができる。

第１実施例の構造では、磁力発生装置２２０を有しており、磁力発生装置２２０内部には磁力線が通る。特に冷却ファン２００とシャフト１０３が非同期で回転する際は、磁力発生部２２２内部を通る磁力線もしくは、磁力発生部２２１と磁力発生部２２２の両方の内部を通る磁力線の大きさと向きが脈動する。この磁力線の変化により、磁力発生部２２２が磁性体の場合にはヒステリシス損失や渦電流損失、また磁力発生部２２２が導電体の場合には主に渦電流損失が発生し、各損失により磁力発生部２２２は局所的に発熱し、温度上昇をする。発生する熱はその周囲の冷却ファン２００やスペーサ１４０へと伝わり、磁力発生部２２２の局所的な発熱部を中心に、その周囲も温度上昇する。この温度上昇の結果、各材料は、ぞれぞれの材料の線膨張係数に応じた熱膨張をする。第１実施例の構造とは異なり、冷却ファン端部２０７側と、対面する支持部材３００ａとの間に、空隙１３０または弾性体１５０を有しない構造の場合は、冷却ファン２００の熱膨張により、支持部材３００ａを介して、負荷側の軸受２１０ａと反負荷側の軸受２１０ｂに対して軸方向の力を加え、軸受２１０ａ、２１０ｂを破損する恐れがあった。

一方、第１実施例の構造は、空隙１３０または弾性体１５０が設けられていることで、冷却ファン２００が熱膨張しても、その熱膨張による変位を空隙１３０によって逃がすか、もしくは弾性体１５０に吸収させることで弱いバネ力に変換することができる。支持部材３００と接合したスペーサ１４０も熱膨張をするが、スペーサ１４０の熱膨張部分の断面積は、スペーサ１４０と冷却ファン２００の熱膨張部分の断面積の和より小さいので、熱膨張による軸方向の力を、空隙１３０または弾性体１５０を有しない場合と比べて小さくすることができる。これにより、軸受２１０が受ける軸方向の力を小さくできるので、軸受２１０が破損するリスクを低減することができる。

特に、第１実施例ではスペーサ１４０の部材として、鋼鉄を使用することにより、スペーサ１４０の機械的強度を向上することができる。さらに、第１実施例の構成では、鋼鉄の線膨張係数が小さいため、発熱による熱伸びが小さく、軸受２１０が受ける軸方向の力を小さくすることができる。これにより軸受２１０が破損するリスクをさらに低減することができる。

加えて、冷却ファン端部２０７側と、対面する支持部材３００ａとの間に、径方向の空隙１３１または弾性体１５１を設けることにより、軸受２１０ａが受ける軸方向の力をさらに低減することができる。すなわち、径方向の面で冷却ファン端部２０７側と、対面する支持部材３００ａが接触している場合、軸方向に空隙１３０または弾性体１５１を設けていたとしても、冷却ファン２００が熱膨張した場合、両者の接触面に発生する機械的摩擦力が軸方向の力として軸受２１０ａに働く。径方向の空隙１３１はこの機械的摩擦力をなくす効果があり、または弾性体１５１はこの機械的摩擦力を弾性体の弱いバネ力に変換し、軽減する効果がある。

第１実施例の構造では、冷却ファン２００の部材の熱膨張は軸受２１０の破損に寄与しないため、冷却ファン２００の部材として、線膨張係数が比較的大きい軽量なアルミまたはアルミ合金を使用することができる。冷却ファン２００をアルミまたはアルミ合金で製作することにより、冷却ファン２００を軽量化でき、回転電機１００を軽量にすることができる。さらにアルミまたはアルミ合金は電気伝導率が大きいため、磁力発生部２２２として導電体を利用する場合、冷却ファン２００と導電体を一体成型することができる。これにより、部品点数及び製作工程を削減でき、製作コストを低減することができる。

支持部材３００を鋼鉄で製作すると、鋼鉄の熱伝導率が比較的小さいため、スペーサ１４０、支持部材３００を介した熱伝導による軸受２１０の温度上昇を軽減することができる。これにより軸受２１０の熱劣化を防ぐことができる。

また、鋼鉄の支持部材３００は径方向の熱膨張も少ないため、支持部材３００が熱膨張することにより、軸受２１０と離間し、両者の接合が外れ、上記の両端支持による効果がなくなることを抑制することができる。

なお、冷却ファン端部２０５と支持部材３００を軸受２１０に対して軸方向及び径方向に移動させないための支持は、冷却ファン端部２０５に設けたフランジ部２０６と、支持部材３００に設けたフランジ部３０１により軸受２１０を挟み、冷却ファン２００と支持部材３００をボルト締結することで、堅牢な支持をすることができる。製作上は、冷却ファン２００と支持部材３００にフランジとねじ切り穴、または通し穴を設けるだけであり、低製作コストでの製作が可能である。

同様に、駆動側及び反駆動側の支持部材３００同士のスペーサ１４０を介した軸方向固定は、スペーサ１４０と支持部材３００をボルト締結することで、堅牢な支持をすることができる。製作上は支持部材３００とスペーサ１４０にねじ切り穴、または通し穴を設けるだけであり、低コストでの製作が可能である。

さらに、スペーサ１４０としてボルトを使用することも可能である。この場合、例えば、駆動側または反駆動側の一方の支持部材３００に通し穴、他方の支持部材３００にねじ切り穴を開け、通し穴からボルトを通し、他方のねじ切り穴を開けた支持部材３００にボルトを締め、通し穴を開けた支持部材３００とボルトを、溶接、接着等の方法で固定すれば良い。この場合、スペーサ１４０と支持部材３００との締結部品が不要となり、部品点数を削減することができる。

以上より、第１実施例における両端支持構造と熱伸び対策構造により、磁力アンバランスが生じても特性が安定するファンを構成できる。これによりファン騒音を低減し、冷却ファンの回転数設計を容易にする回転電機を提供することができる。

なお、第１実施例の構成及び効果は、図４に示す補助ファン支持部２０２でも同様である。

次に図１２を用いて第２実施例について説明する。図１２は本発明の第２実施例に係る回転電機駆動システムの構成図である。第１実施例と重複する事項については説明を省略する。

図１２において、回転電機１００を駆動するための電力は、電源４００からインバータ、またはコンバータ等から構成された電力を変換する電力変換装置４１０を介して供給されている。この場合、回転電機１００で駆動される負荷４２０に応じた出力制御が可能である。一般に出力が大きくなると回転電機１００内部に発生する損失が増え、これに対応して回転電機１００が発熱する。そこで、第２実施例では、第１実施例の回転電機１００を回転電機駆動システムに適用している。

第１実施例の回転電機１００は、冷却ファン２００がシャフト１０３に対して非同期回転するため、特に高速回転域において、ファン騒音とファンアクションによる機械損を低減できる一方、風量の低下により冷却性能は低下することとなる。したがって、第１実施例の回転電機１００を高速回転域で出力が小さくなるようなシステムに適用することにより、回転電機１００の温度上昇を十分に抑えつつ、高速域のファン騒音や機械損を低減することができる。

図１２中に、好適な回転速度に対する出力の一例をグラフで示している。図１２のグラフは、低速回転域で出力が大きく、高速回転域で出力が漸減する運転パターンを示している。

なお、本実施例で示す電源４００は商用三相交流電源に限らず、単相交流電源や直流電源の場合でもよい。

以上より、第２実施例を回転電機１００内部の損失が高速回転域において低速回転域よりも小さくなる領域を有する回転電機駆動システムに適用することにより、回転電機１００の温度上昇を十分に抑制しつつ、高速回転域の機械損や騒音を低減することができる。

次に図１３を用いて第３実施例について説明する。図１３は本発明の第３実施例に係る回転電機を搭載した鉄道車両の一部を示す概略構成図である。第１実施例及び第２実施例と重複する事項については説明を省略する。

第３実施例において、鉄道車両５００は、ギア５１０、車輪５２０、車軸５３０及び回転電機１００を備えた台車５４０を有する。回転電機１００はギア５１０を介して車軸５３０に接続された車輪５２０を駆動する。なお、第３実施例では、回転電機１００を２基搭載した例であるが、１基または３基以上の複数であっても良い。

第１実施例の回転電機１００を鉄道車両５００に適用することにより、鉄道車両５００で生じる騒音のうち、回転電機１００のファンアクションに起因する騒音を低減することができる。一般に、鉄道車両で生じる騒音には、レールと車輪から生じる放射音、インバータの電磁騒音に加えて、回転電機のファン騒音が大きな割合を占めている。第３実施例では、第１実施例の回転電機１００を鉄道車両５００に適用することにより、鉄道車両５００の騒音を低減させることができる。また、第１実施例の回転電機１００は高速回転域の機械損を低減できるため、これに伴う鉄道車両５００の消費電力量を低減することができる。

本実施例は、鉄道車両に限らず、可変速運転する回転電機駆動システムを含むシステムであれば、他のシステムにも適用可能である。特に、高速回転域において機械損が支配的であり、ファン騒音が問題になるシステムに適用することで、より大きな効率向上効果と騒音低減効果を得ることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。

１００ 回転電機
１０１ 固定子
１０２ 回転子
１０３ シャフト
１０４ フレーム
１０４ａ 外フレーム
１０４ｂ 内フレーム
１０５ 固定子鉄心
１０６ 固定子スロット
１０７ 固定子巻線
１０８ 固定子鉄心押さえ
１０９ 空隙
１１０ 回転子鉄心
１１１ 回転子スロット
１１２ 回転子バー
１１３ エンドリング
１１４ リテイニングリング
１１５ 回転子鉄心押さえ
１１６ 軸受
１１７ 軸受
１１８ 通風口
１２０ ラビリンスシール
１２０ａ ラビリンスシール
１２０ｂ ラビリンスシール
１２５ 吸気口
１２５ａ 吸気口
１２５ｂ 吸気口
１２６ 排気口
１２６ａ 排気口
１２６ｂ 排気口
１２７ 隙間
１２８ 通風路
１３０ 空隙
１３１ 空隙
１４０ スペーサ
１５０ 弾性体
１５１ 弾性体
２００ 冷却ファン
２０１ 補助ファン
２０１ａ 補助ファン
２０１ｂ 補助ファン
２０２ 補助ファン支持部
２０５ 冷却ファン端部
２０６ フランジ部
２０７ 冷却ファン端部
２１０ 軸受
２１０ａ 軸受
２１０ｂ 軸受
２２０ 磁力発生装置
２２１ 磁力発生部
２２１ａ 永久磁石
２２１ｂ 永久磁石
２２１ｃ 永久磁石
２２１ｄ 永久磁石
２２２ 磁力発生部
２２２ａ 永久磁石
２２２ｂ 永久磁石
２２２ｃ 永久磁石
２２２ｄ 永久磁石
２２２ｆ 導電体
２２２ｈ 磁性体
２２３ 空隙
２２５ リテイニングリング
２２６ａ スロット
２２６ｂ スロット
２２６ｃ スロット
２２６ｄ スロット
２２７ 永久磁石保持部材
３００ 支持部材
３００ａ 支持部材
３００ｂ 支持部材
３０１ フランジ部
４００ 電源
４１０ 電力変換装置
４２０ 負荷
５００ 鉄道車両
５１０ ギア
５２０ 車輪
５３０ 車軸
５４０ 台車

Claims (15)

1. 固定子と、回転子と、前記回転子に固定されたシャフトとを備えた回転電機において、
   前記シャフトに取り付けられた複数の軸受と、
   前記複数の軸受によって回転可能に支持された冷却ファンと、
   前記複数の軸受の間に配置された磁力発生装置と、
   前記複数の軸受のそれぞれと前記冷却ファンとの間に配置された複数の支持部材とを備え、
   前記複数の支持部材のうち一の支持部材と前記冷却ファンの一部とは、前記軸受に対して軸方向及び径方向の移動を規制する移動規制部を備え、
   前記複数の支持部材のうち他の支持部材と、前記冷却ファンの一部との間には、空隙又は弾性体が設けられ、
   前記一の支持部材と他の支持部材とは、スペーサを介して軸方向に所定の間隔で固定されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１において、
   前記磁力発生装置は、前記シャフトに設けられた永久磁石と、前記冷却ファンに設けられた導電体または磁性体とで構成されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１において、
   前記磁力発生装置は、前記シャフト及び前記冷却ファンのそれぞれに設けられた永久磁石により構成されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記冷却ファンをアルミまたはアルミ合金で構成していることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記スペーサは鋼鉄で構成していることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記支持部材は鋼鉄で構成していることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記支持部材の径方向と前記冷却ファンとの間に空隙又は弾性体を設けたことを特徴とする回転電機。
8. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記移動規制部は、前記一の支持部材及び前記冷却ファンの一部にそれぞれ形成したフランジであって、
   前記フランジによって前記軸受を挟むようにしたことを特徴とする回転電機。
9. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記一の支持部材及び前記冷却ファンの一部は、前記軸受に対してボルト締結したことを特徴とする回転電機。
10. 請求項１乃至３の何れか１項において、
    前記支持部材と前記スペーサとはボルト締結したことを特徴とする回転電機。
11. 請求項１乃至３の何れか１項において、
    前記冷却ファンは補助ファンを備えたことを特徴とする回転電機。
12. 固定子と、回転子と、前記回転子に固定されたシャフトとを備えた回転電機において、
    前記シャフトに取り付けられた複数の軸受と、
    前記複数の軸受によって回転可能に支持された補助ファン支持部と、
    前記補助ファン支持部に設けられた補助ファンと、
    前記複数の軸受の間に配置された磁力発生装置と、
    前記複数の軸受のそれぞれと前記補助ファン支持部との間に配置された複数の支持部材とを備え、
    前記複数の支持部材のうち一の支持部材と前記補助ファン支持部の一部とは、前記軸受に対して軸方向及び径方向の移動を規制する移動規制部を備え、
    前記複数の支持部材のうち他の支持部材と、前記補助ファン支持部の一部との間には、空隙又は弾性体が設けられ、
    前記一の支持部材と他の支持部材とは、スペーサを介して軸方向に所定の間隔で固定されていることを特徴とする回転電機。
13. 回転電機と、前記回転電機に供給する電力を変換する電力変換装置と、前記回転電機により駆動させる負荷とを備えた回転電機駆動システムにおいて、
    前記回転電機は、請求項１〜１２の何れか１項を備えたことを特徴とする回転電機駆動システム。
14. 請求項１３において、
    前記電力変換装置は、インバータまたはコンバータであることを特徴とする回転電機駆動システム。
15. 回転電機と、車輪と、ギアと、台車を備え、前記回転電機は前記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１〜１２の何れか１項を備えたことを特徴とする鉄道車両。

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