JPH0393441A - 車両用通風冷却形回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利川分野） 本発明は、主に電車等の鉄道車両の主電動機として使用
される車両用通風冷却形回転電機に関する。

（従来の技術） 近年、直流主電動機に替わってＶＶＶＦインバータ制御
による誘導機形主電動機を用いた鉄道車両の開発・実用
化が進められて来ている。

この種の誘導機形主電動機（以下単に回転電機と称する
）は一般的に第１０図および第１１図に示す構成である
。

つまり第１０図は回転電機の下半部を省略した断面図、
ｆｆｉｌｌ図は第１０図のｘ−ｘ線に沿う部分の断面図
である。図中１は回転電機のフレーム、このフレーム１
は円筒形で、外周に取付腕１ａを斜め上方に突出する状
態に有する。この取付腕１ａを介してフレーム１は車両
台車枠２に支持される。このフレーム１の内周面にステ
ーター鉄心３をステーター鉄心押え４で両端から押え付
けて取付けている。このステーター鉄心３の内周面に形
成した多数のスロット３ａにステーターコイル５を組み
付けて、固定子を構成している。

また、前記固定子のフレーム１の一端の端板１ｂと他端
に嵌合した鏡Ｍ６とに軸受７を組付け、この両輪受７、
７によりシャフト（回転子軸）８を回転自在に支持して
いる。このシャフト８にローター鉄心９をローター鉄心
押え１０で両端から押え付けて固着している。このロー
ター鉄心９の外周面に形成した多数のスロット９ａにロ
ーターバー１１を組み付け、このローターバー１１の両
端にリング状の短絡環（エンドリング）１２を溶着して
、カゴ形回転子を構成している。

そして通電によりローターが回転し、この回転力がシャ
フト８の軸端より図示しないカップリングを介し駆動歯
車装置に伝わって車両を走行させる。

こうした回転電機は運転稼働時に発熱して過熱し易い。

ある限度以上に加熱するとコイル絶縁物の劣化が促進し
て寿命が低下したり、発熱体の強度低下を招く。このた
めに回転電機内（以下単に機内と呼ぶ）を冷却する必要
がある。この冷却方式には他力強制通風冷却形と自己通
風冷却形との２ｉ類がある。

前記第１０図及び第１１図に示した回転電機は前者の他
力強制通風冷却形である。これは機外に配置したブロア
（図示せず）から外気等の冷却風を強制的に機内に送り
込む方式である。つまり、外気等の冷却空気を機内に通
風させて冷却するために、前記フレーム１の周壁の軸方
向一端上部に冷却風導入口２０を形成している。またフ
レーム１の軸方向他端の鏡Ｍ６に排風口２１を複数個互
いに円周方向に間隔を存して形成している。前記冷却風
導入口２０にたわみ風道２２を連結し、これを図示しな
いが車体側に搭載したブロアに接続している。

そしてそのプロアの送風作用により外気等の冷却風を冷
却風導入口２０より機内一端側に強制的に送り込む。こ
れで該冷却風が機内一端側から、り ステーター鉄心３＃内周面とローター鉄心９の外周面と
の間のギャップ２３や、ローター鉄心９に貫通した複数
個の通風穴２４を通って他端側に流れ、排風口２１より
機外に排気される。この冷却風の強制通風により機内の
ステーターコイル５やローターバー１１などを冷却して
温度上昇を抑制する。

なお、前記後者の自己通風冷却形の回転電機は、図示し
ないが、前記同様にフレーム一端に冷却風導入口を、フ
レーム他端に排風口を形或すると共に、機内他端部に内
臓する形でファンをシャフト（回転子軸）に取付けた構
成である。そして運転稼働時にシャフトと一体にファン
が回転し、この吸引作用で外気等の冷却風を冷却風導入
口より機内一端側に取入れ、これを他端側に通風させ機
内の冷却を行いながら排風口より機外に排気する。

前述した回転電機は他力強制通風冷却形・自己通風冷却
形いずれにおいても、運転稼働時の機内温度上昇分布が
第１２図に示す如くなる。つまり前述の如く冷却風を機
内一端側に導入してギャップ２３と通風穴２４に通して
他端排風口２１より機外に排気するので、機内一端側で
は高い冷却効果が得られるが、機内他端側では冷却風の
温度が上がり冷却効果が低い。このためにステーターコ
イル５並びにローターバー１１の温度上昇は、いずれも
第１２図に示す如く一端風上側Ａ，，Ｂ，では低く、他
端風下側Ａ，，Ｂ２では高＜、温度のアンバランスを生
じる。特にステーターコイル５の一端風上側Ａ，と他端
風下側Ａ２との温度上昇のアンバランスが大きく、その
ステーターコイル５の他端風下側Ａ２が最も高温となる
。

従って、この種の通風冷却形回転電機は最も高温となる
ステーターコイル５の他端風下側Ａ２の温度がコイル絶
縁物の劣化の許容限界値を越えないように、外径寸法Ｄ
や出力容量の設計をしなければならない。このために前
記Ａ．，Ｂ．，Ｂ２では温度上昇に余裕があるにもかか
わらず、現存以上の小形・軽量化或いは出力容量の増大
化が図れない。特に最近では車両の高性能化が進み、主
電動機に対する小形・軽量化と共に出力容量の増大化の
要望が急速に高まって来ているが、その要望に前述した
温度上昇のアンバランスが大きい回転電機では答えられ
ない。

前記通風冷却形回転電機において、機内に導入する冷却
風量を増大すれば出力容量の増大化が図れる。しかし大
容量の送風機（ブロア）が必要となって、全体的に大形
・′ｍ量増を招き、車両搭載の面で逆にマイナスである
。

そこで、本出願人は車両用主電動機として第２０図及び
第１４図に示す通風冷却形回転電機の使用を試みた。こ
れは一般に重機械用駆動モータなどとして従来より利用
している。この構造を説明する。なお前記第１０図及び
第１１図のものと対応する構成部分には同一符号を付し
て説明の簡略化を図る。図示の如くフレーム１の内周面
に軸方向に沿う多数のリブ２５を互いに円周方向に等、
間隔を存して設け、これらのリプ２５でステーター鉄心
３を支持している。つまり多数のリブ２５がフレーム１
内周面とステーター鉄心３外周而との間にスペーサのみ
如く介在し、これら各リブ２５相互間に各々一種のバイ
パス通風路となる空間２６を形成している。

この空間２６付きの通風冷却形回転電機であれば、冷却
風導入口１１から機内一端側に導入された冷却風の一部
が各空間１８を介し機内他端側に直接流れ、ステーター
コイル５の他端風下側エンド部を効率良く冷却する。残
りの冷却風は前述同様にステーター鉄心３とローター鉄
心９との間のギャップ２３並びにローター鉄心８の通風
穴２４を通って他端側に通風される。これで機内のステ
ーターコイル５の両端部が略平均化して冷却される。

（発明が解決しようとする課題） ところで、前述したリブ２５付きの通風冷却形回転電機
の場合、これを車両用主電動機として用いるには、一般
重機械用としていた時に比し大幅な小形・軽量化が必要
である。この為にステーター鉄心３とローター鉄心９と
の間のギャップ２３がかなり狭くなる。またローター鉄
心９の縮径化に伴い通風穴２４が小さくなる。従ってこ
れらギャップ２３と通風穴２４との通風断面積に較べ各
リブ２５相互間の空間２６の通風断面積が大きくなるこ
とから、この空間２６を流れる冷却風が機内に導入され
る全冷却風量の６０％以上にもなってしまう。この結果
、機内の温度上昇分布が第１５図に示す状態となる。つ
まりステーターコイル５が必要以上に冷却されて低温状
態となる。

この反面、ローターバー１１の温度上昇が激しく、この
ローターバー１１の他端風下側Ｂ２が最も高温となって
、絶縁物の劣化の許容限界値を越えてしまう。従ってこ
の種の回転電機においても温度上昇のアンバランスが大
きく発生するので、最近の車両の高性能化に伴う小形・
軽量化或いは出力容量の増大化の要望に十分答えられな
い問題がある。

本発明は前記事情に鑑みなされ、機内各部の温度上昇を
全体的にバランス良く抑制して、冷却風量を増大しなく
とも、絶縁物劣化の許容限界温度を越える部分の発生を
無くせ、一層の小形・軽量化或いは出力容量の増大化が
可能となる車両用通風冷却形回転電機を提供することを
目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の車両用通風冷却形回転電機は、前記目的を達成
するために、フレームの軸方向一端に冷却風導入口を設
け、この冷却風導入口から冷却風を機内に取入れ、この
冷却風を機内のステーター鉄心とローター鉄心との間の
ギャップやローター鉄心を貫通する通風穴に流通させて
他端側排風口より機外に排気する一方、前記冷却風導入
口から機内に取入れる冷却風の一部を機内の他端風下側
のステーターコイルエンド部外周に直接導くバイパス通
風路を設けた車両用通風冷却形回転電機において、 前記バイパス通風路より機内の他端風下側に導く冷却風
量を、前記冷却風導入口から機内に取入れる全冷却風量
の１５〜４０％の範囲に設定したことを特徴とする。

前記バイパス通風路は、フレーム外周の余裕空間部に構
成することが望ましい。

（作用） 前記構成の車両用通風冷却形回転電機の作用を述べる。

外気等の冷却風が冷却風導入口より機内一端側に取入れ
られる。この冷却風はステーター鉄心とローター鉄心と
の間のギャップやローター鉄心の通風穴を介して機内他
端側に流通する。

一方その冷却風の一部はバイパス通風路を介して機内の
他端風下側のステーターコイルエンド部外周に直接導か
れる。このバイパス通風路より機内の他端風下側に導か
れる冷却風量は冷却風導入口から機内に取入れる全冷却
風量の１５〜４０％である。残りの十分量の冷却風がス
テーター鉄心とローター鉄心との間のギャップやロータ
ー鉄心の通風穴を他端側に向け流通する。そしてそれら
機内他端側に来た冷却風は排風口より機外に排気される
。

これで機内各部が平均的に通風冷却作用を受け、その各
部の温度上昇が全体的にバランス良く抑制される。これ
で冷却風導入口から機内に取入れる冷却風量を堆太しな
くとも、絶縁物劣化の許容限界温度を越える部分の発生
が無くなり、一層の小形・軽量化或いは出力容量の増大
化が可能となる。

（実施例） 以下本発明の車両用通風冷却形回転電機の一実施例を第
１図乃至ｍ４図により説明する。なお図中前記第１０図
及び第１５図に示した構成と重複するものには同一符号
を付して説明の簡略化を図る。

まず、第１図及び第２図に示す如く、回転電機のフレー
ム１の内周面にステーター鉄心３をステーター鉄心押え
４で両端から押え付けて取付け、このステーター鉄心３
のスロット３ａにステーターコイル５を組み付けて、固
定子を構成している。

前記フレーム１の一端の端板１ｂと他端に嵌合した鎖蓋
６とに軸受７を組付け、この両軸受７によりシャフト（
回転子軸）８を回転自在に支持している。このシャフト
８にローター鉄心９をローター鉄心押え１０で両端から
押え付けて固着し、このローター鉄心９のスロット９ａ
にローターバー１１を組み付け、このローターバー１１
の両端にリング状の短絡環（エンドリング）１２を溶着
して、カゴ形回転子を構或している。

また前記回転電機は外部に配置したブロア（図示せず）
から外気等の冷却風を強制的に機内に送り込む他力強制
通風冷却形で、前記フレーム１の周壁の軸方向一端上部
に冷却風導入口２０を形成している。フレーム１の軸方
向他端の鏡Ｍ６に排風口２１を複数個互いに円周方向に
間隔を存して形成している。前記冷却風導入口２０にた
わみ風道２２を連結し、これを図示しないが車体側に搭
載したフロアの吐出口に接続している。

ここまでの構或は前述のｍ　１　０図及び第１１図に示
す従来のものと同様である。

ここで、前記フレーム１の外周上部にバイパス通風路３
０を設けている。このバイパス通風路３０は横長なチャ
ンネル形状部材３１をフレーム１上に軸線方向に沿って
逆さにして固着することで構成している。このバイパス
通風路３０の一端は前記冷却風導入口２０の側聖部に形
成した開口３２に接続し、他端はフレーム１のステータ
ー鉄心３より他端風下側寄り部に形成した機内吹出口３
３に接続してある。このバイパス通風路３０を介して前
記冷却風導入口２０から機内に取入れる冷却風の一部を
機内のステーターコイル５の他端風下側コイルエンド部
５ａ外周に直接導ける。

このバイパス通風路３０はフレーム１の外周一箇所のみ
にあり、且つその通風断面積が前記ギャップ２３と通風
穴２４との総通風断面積に較べあまり大きくないように
してある。またこのバイパス通風路３０の他端の機内吹
出口３３より少し風下側には調整板３Ａをフレーム１内
周面から突設し、この調整板３４の内周端とステーター
コイル５のコイルエンド部５ａ外周とが小間隙ｇを存す
るようにしている。

前記バイパス通風路３０の通風断面積を小さくしたり、
：Ａ整板３４を設けて小間隙ｇを構成したりして、該バ
イパス通風路３０より機内の他端風下側に導く冷却風量
を、前記冷却風導入口２０から機内に取入れる全冷却風
量の１５〜４０％の範囲内で適当に設定している。

而して、前述の構成の車両用通風冷却形回転電機の作用
を述べる。まず機外のブロアにより外気等の冷却風が冷
却風導入口２０より機内一端側に取入れられる。この冷
却風はステーター鉄心３とローター鉄心９との間のギャ
ップ２３やローター鉄心９の通風穴２４を介して機内他
端側に流通する。一方その冷却風の一部はバイパス通風
路３０を介して機内のステーターコイル５の他端風下側
のコイルエンド部５ａ外周に直接導かれる。その冷却風
は該コイルエンド部５ａ外周に沿って調整板３４との小
間隙ｇから機内他端側に流れる。そしてギャップ２３や
通風穴２４を流れて来た冷却風と、バイパス通風路３０
を流れて来た冷却風は最後に合流して他端排風口２１よ
り機外に排気される。

ここで冷却風導入口２０から機内に取入れる全冷却風量
の１５〜４０％の範囲内で設定した適当量の冷却風が前
記バイパス通風路３０より機内の他端風下側に流れる。

その残りの十分な量の・冷却風がステーター鉄心３とロ
ーター鉄心９との間のギャップ２３やローター鉄心９の
通風穴２４に機内他端側に向け流通する。これで機内各
部が略平均的に通風冷却作用を受け、運転稼働時の機西
各部の温度上昇が全体的にバランス良く抑制される。

これにてその機内各部の温度上昇分布は第３図に示す如
くアンバランス（温度差）の少ない状態となる。

つまり、第３図に太線で示す如く、機内のステーターコ
イル５の温度上昇は、第１２図に示した従来のもの（細
線で示す）より一端風上側Ａ，では若干高くなるが、他
端風下側Ａ２では大幅に低下する。これにてステーター
コイル５の一端風上側Ａ，と他端風下側Ａ２との温度上
昇のアンバランスが非常に小さくなる。またローターバ
ー１１の温度上昇は一端風上側Ｂ１と他端風下側Ｂ２と
の両方共に第１２図に示した従来のもの（細線で示す）
より若干高くなるが、第１５図に示し従来のものよりは
大幅に低く、且つその一端風上側Ｂ１と他端風下側Ｂ２
との温度上昇のアンバランスが小さくなる。

これで機内各部の温度上昇が全体的にバランス良く抑制
される。ここで最も高温となるローターバー１１の他端
風下側Ｂ２の温度は従来のものよりｙの分だけ低下し、
コイル絶縁物の劣化の許容限界値より十分低くなる。こ
れで冷却風導入口２０から機内に取入れる冷却風量を増
大しなくとも、絶縁物劣化の許容限界温度を越える部分
が発生せず、一層の小形・軽量化或いは出力容量の増大
化が可能となる。

第４図はバイパス通風路３０に導く冷却風量を各種変化
させた場合の機内各部の温度上昇をグラフで示したもの
である。全冷却風ｆｔＱを一定にし、バイパス通風路３
０の通風ｆｆｉｌを各種変化させると、ステーターコイ
ル５の他端風下側Ａ２とローターバー１１の他端風下側
Ｂ２との温度上昇の和（Ａ２＋８２）は実線の状態とな
る。その温度上昇の和は全冷却風量Ｑに対するバイパス
通風路３０の通風量比（Ｑ＝／ＱｘｌＯＯ）が２５〜３
０％の付近で最も小さく、これの±１０％であるＷの範
囲（１５〜４０％）が実用面から有効な範囲である。

従来の第１０図乃至第１２図に示したバイパス通風路が
無いものに比しては５〜１０％の温度低減効果があり、
第１３図乃至第１５図に示したリプ空間２６付きのもの
に比しては２０％の温度低減効果がある。

このようにバイパス風量を適正化することにより、ステ
ーターコイル５及びローターバー１１の温度上昇をバラ
ンス良く低減させることができるので、許容温度上昇ま
での余裕の出た分、電流密度をアップして導体断面積の
縮小による主電動機の小形・軽量化を図る。或いは電流
値のアップによる出力容量の増大を図ることが可能にな
る。

なおバイパス通風路３０はフレーム１の外周の一部に設
ければ良く、フレーム１の直径Ｄは第１０図に示す従来
のものと同等にできる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。

まず、第５図及び第６図はフレーム１の外周の斜め上方
と斜め下方との余裕空間部にバ・イパス通風路３０Ａ．
３０Ｂを設けた構成である。つまり車両用主電動機は台
車枠２に支持されたフレーム１が車輪４０の車軸４１と
の間に小さなクリアランスＫ（１０ｍｌ１程度）を確保
した状態で配置される。上方には車体床下が接近し、下
方はレール面４２からの車両限界の規制がある。このた
めにフレーム１外周の車軸４１側の斜め上方と斜め下方
のスペース的に規制のない余裕空間部を利用してバイパ
ス通風路３０Ａ．３０Ｂを設置した構成である。

これにて車両台車への取付けスペースをコンパクトにし
ながら、複数のバイパス通風路３０Ａ，３０Ｂを設けて
、バイパス通風量を適正に確保している。

なおここでのバイパス通風路３０Ａ，３０Ｂの一端はフ
レーム１の周壁一端部に形成した開口３６に接続してい
る。これにて冷却風導入口２０から機内一端側に一旦入
った冷却風の一部がバイパス通風路３０Ａ，３０Ｂに流
れるようになる。

また第７図と第８図は容量七大を目的とし直径寸法Ｄの
制約があまりない車両用通風冷却形回転電機の場合の例
である。

まず、第７図の場合は第１３図及び第１４図に示した従
来例と同様にフレーム１の内周面に多数のリブ５０を設
け、この各リブ５０相互間のそれぞれの空間をバイパス
通風路３０Ｃとしている。

これだけでは前述の従来のものと同じでバイパス通風量
が多すぎてしまうので、バイパス通風路３０Ｃの他端の
機内吹出口より少し風下側に調整板５１を突設している
。この調整板５１の内周端とステーターコイル５のコイ
ルエンド部５ａ外周との間の小間隙ｇを調整することに
よりバイパス通風量を全冷却風量の１５〜４０％の範囲
に設定している。

第８図の場合は、ステーター鉄心３の外周に幅広で背が
低いリプ状の複数の突出部５２を円周方向に間隔を存し
て設け、これら各突出部５２相互間のそれぞれの小空間
をバイパス通風路３０Ｄとしている構成である。

以上の各実施例では機外のプロアで強制的に冷却風を機
内に押し込み通風させる他力強制通風冷却形の回転電機
を例にとって説明したが、第９図に示す如く機内他端側
にシャフト（回転子軸）７と一体に回転する通風冷却用
ファン５３を持つ自己通風冷却形の回転電機にも同様に
適用できる。

なおその図中５４は冷却風として導入する外気中の異物
を除去する通風濾過器（エアフィルタ）である。

〔発明の効果〕

本発明の車両用通風冷却形回転電機は前述の如く構成し
たので、機内各部の温度上昇を全体的にバランス良く抑
制でき、冷却風量を増大しなくとも、最適な温度上昇設
計が可能で、絶縁物劣化の許容限界温度を越える部分の
発生を無くして、一層の小形・軽量化或いは出力容量の
増大化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す下半部を省略した断面
図、第２図は第１図の■−■線に沿う部分の断面図、第
３図は同上実施例の機内各部の温度上昇を示す特性図、
第４図はバイパス通風量を各種変史した場合の機内各部
の温度上昇変化を示す特性図、第５図は本発明の他の実
施例を示す下半部を省略した断面図、第６図は第５図の
左側から見た端而図、第７図は本発明のさらに他の実施
例を示す要部分の断面図、第８図は本発明のさらに穴な
る他の実施例を示す要部分の断面図、第９図は本発明の
さらに異なる他の実施例を示す下半部を省略した断面図
、第１０図は従来２例を示す下半部を省略した断面図、
第１１図は第１０図のＸ一Ｘ線に沿う断面図、第１２図
は同上従来例の機内各部の温度上昇を示す特性図、第１
３図は他の従来例を示す下半部を省略した断面図、第１
４図は第１３図のＹ−Ｙ線に沿う部分の断面図、第１５
図は同上従来例の機内各部の温度上昇を示す特性図であ
る。 １・・・フレーム、３・・・ステーター鉄心、５・・・
ステーターコイル、５ａ・・・コイルエンド部、９・・
・ローター鉄心、２０・・・冷却風導入口、２１・・・
排風口、２３・・・ギャップ、２４・・・通風穴、３０
．３０Ａ，３ ＯＢ， ３ ０　Ｃ， ３ ０Ｄ・・・バイパス通風路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）フレームの軸方向一端に冷却風導入口を設け、こ
   の冷却風導入口から冷却風を機内に取入れ、この冷却風
   を機内のステーター鉄心とローター鉄心との間のギャッ
   プやローター鉄心を貫通する通風穴に流通させて他端側
   排風口より機外に排気する一方、前記冷却風導入口から
   機内に取入れる冷却風の一部を機内の他端風下側のステ
   ーターコイルエンド部外周に直接導くバイパス通風路を
   設けた車両用通風冷却形回転電機において、 前記バイパス通風路より機内の他端風下側に導く冷却風
   量を、前記冷却風導入口から機内に取入れる全冷却風量
   の１５〜４０％の範囲に設定したことを特徴とする車両
   用通風冷却形回転電機。
2. （２）請求項１記載の車両用通風冷却形回転電機におい
   て、バイパス通風路は、フレーム外周の余裕空間部に構
   成したことを特徴とする車両用通風冷却形回転電機。