JPWO2015118660A1 - 全閉形主電動機 - Google Patents

Abstract

主電動機１００は、固定子１０と、回転子コア４、鉄心押え５と、冷却ファン３０と、回転子７と、フレーム２と、ブラケット１と、軸受部５０とを備え、冷却ファン３０は、全閉形主電動機１００の内部と外部とを仕切る主板３１と、冷却ファン３０のブラケット１側にて回転子７の回転方向に設けられた複数の羽３２と、羽３２のブラケット１側に設けられたガイド３３とで構成され、ブラケット１には、ガイド３３をブラケット１に向かって投影してなる領域内に吸気口２０が設けられ、ガイド３３は、吸気口２０から吸入された空気が回転子軸９に誘導されるように形成されている。

Description

本発明は、鉄道車両を駆動する全密閉形主電動機に関するものである。

一般に、鉄道車両を駆動するための回転電機には、省保守性の観点から全密閉形の主電動機（全閉形主電動機）が多く採用されている。この全閉形主電動機は、主に、筒状のフレームと、フレームの両端を塞ぐブラケットと、ブラケットに設けられた軸受により支持される回転子軸と、回転子軸に設けられた回転子鉄心と、フレームに固着された固定子鉄心と、固定子鉄心に取り付けられる固定子コイルとを備え、電動機内気を密閉するよう構成されている。

このように構成された全閉形主電動機は、電動機内部を密閉する構造上、外気を機内へ取り込んで冷却ができないため、機内の熱を外部へ放熱するためにはフレームを大型化させて放熱面積を増やすなどの措置が必要となる。この大型化というデメリットを解消するために、機内と機外とを仕切る部品として冷却ファンを用いた全閉形主電動機が提案されている。この主電動機によれば、回転子が回転した際、回転子に固定された冷却ファンによって機内の空気（内気）が撹拌され、回転子や固定子鉄心で熱せられた内気が冷却ファンおよびフレームなどで熱交換され、主電動機が効率的に冷却される。

主電動機の更なる大容量化を図るためにはより効果的に内気を冷却する必要がある。そのためには冷却ファンが発生する風量を増加させ、あるいは主電動機に冷却機を取り付けるなどの対策が必要となる。ただし、このような対策では風量の増加に伴って騒音が増大し、冷却機の取り付けに伴って主電動機が大型化するという新たな課題が生じる。

このような問題を解決する手段として下記特許文献１に示される従来の主電動機では、ブラケットに開口部が形成され、このブラケットの機内側には開口部から回転子軸近傍まで延びる通風路が形成されている。また冷却ファンの主板にはブラケット側面に複数の羽が形成され、冷却ファンが回転することにより開口部から外気が取り込まれる。この外気は主電動機を冷却するための冷却風として、ブラケットの通風路、回転子軸、および羽の順で流れ、フレームに形成された通風路を通じて機外へ排出される。このことにより主電動機全体の放熱効率が向上し、主電動機の小型化を実現している。

特開２０１０−２２０４１７号公報（図１）

従来技術では、外気を回転子軸付近まで導入するための通風路がブラケットの機内側に形成されている。すなわち主板とブラケットとの間に突起物が存在する。そのため、冷却ファンの羽部は通風路よりも外径側に配置する必要がある。

しかし、一般的に、冷却ファンの羽部は外径側に位置するほど羽外径部の周速が増加し、これにより高速で羽部が風をきることで冷却ファンに生じる騒音が大きくなる。そのため、このような上記従来技術の構造では、冷却ファンの騒音を低減するために、羽外径を縮小させようとすると羽面積が減少するため、必要風量を維持できないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、騒音を抑制しながら必要冷却風量を確保することで放熱効率の向上を図ることができる全閉形主電動機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、固定子と、固定子の内周側に配置される回転子コアと冷却ファンとを有する回転子と、前記固定子と前記回転子とを内包するフレームと、前記フレームに接続され回転子軸を支持するブラケットと、前記ブラケットに設けられ回転子軸を支持する軸受部と、を備えた全閉形主電動機であって、前記冷却ファンは、前記鉄心押えから前記軸受部に向かうにつれて拡径して全閉形主電動機の内部と外部とを仕切る主板と、前記冷却ファンのブラケット側にて回転子の回転方向に設けられた複数の第１の羽と、前記各第１の羽のブラケット側にて前記主板と平行に配置された第１のガイドと、で構成され、前記ブラケットには、前記第１のガイドを前記ブラケットに向かって投影してなる領域内に吸気口が設けられ、前記第１のガイドは、前記吸気口から吸入された空気が前記回転子軸に誘導されるように形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、羽面積を減らすことなく羽の外径部の周速を低減するようにしたので、騒音を抑制しながら必要冷却風量を確保することで放熱効率の向上を図ることができる、という効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる全閉形主電動機の縦断面図である。 図２は、図１に示される冷却ファンの斜視断面図である。 図３は、図１に示される冷却ファンの変形例を示す図である。 図４は、図３に示される冷却ファンの斜視図である。 図５は、図３に示される冷却ファンの斜視断面図である。

以下に、本発明にかかる全閉形主電動機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態にかかる全閉形主電動機の縦断面図である。図２は図１に示される冷却ファンの斜視断面図である。

全閉形主電動機（以下「主電動機」）１００は、固定子鉄心３および固定子コイル８で構成される固定子１０と、固定子１０内に配置された回転子７と、固定子１０および回転子７を内包するフレーム２と、フレーム２の駆動側６０に配設されたブラケット１と、フレーム２の反駆動側６１の軸中心部に設けられたカートリッジ５１とを有して構成されている。

ブラケット１には、フレーム２の通風路２２に連通する通風路２１と吸気口２０とが形成されている。吸気口２０は周方向に設けられている。また吸気口２０は、ガイド３３をブラケット１に向かって投影してなる領域内に設けられている。

フレーム２には、固定子鉄心３の外周側に位置する通風路２２が形成されている。通風路２２は、一端がブラケット１の通風路２１と連通するように、フレーム２の周方向に複数設けられている。通風路２２の他端には、ブラケット１の通風路２１とフレーム２の通風路２２を流れてきた冷却風を機外へ排出する排気口２５が形成されている。

回転子７は、電磁鋼板を積層してなると回転子コア４と、回転子コア４の駆動側６０を覆う鉄心押え５と、回転子コア４の反駆動側６１を覆う鉄心押え６と、鉄心押え５に取り付けられた冷却ファン３０と、回転子コア４に埋め込まれたローターバー１３と、ローターバー１３の両端に設けられたリング状のエンドリング１４で一体に接続して誘導電動機のかご型ロータを形成している。

固定子鉄心３の内周面と回転子コア４の外周面との間には一様な空隙が形成されている。ブラケット１の中心部の軸受部５０は、回転子軸９の一端を回転自在に支持する軸受を収納するとともにラビリンス構造を備える。ラビリンスとは回転部と固定部の境目を構成し、軸受潤滑用グリースが機外へ漏れ出すことを防ぎ、機外から軸受および機内へのゴミの浸入を防止する構造をいう。カートリッジ５１は、回転子軸９の他端を回転自在に支持する軸受を収納するとともにラビリンス構造を備える。このような構成によって、回転子７の回転力は駆動側６０に配設された図示しない継手および歯車装置を介して車輪に伝達される。

冷却ファン３０は主板３１と複数の羽３２（第１の羽）とガイド３３（第１のガイド）とから成り、主板３１は、鉄心押え５からブラケット１に向かうにつれて拡径する形状を成し、主電動機１００の内部と外部とを仕切るように配置されている。ガイド３３の詳細は後述する。

主板３１の外周端３１ａはブラケット１の近傍に配置され、主板３１とブラケット１との間にはラビリンス（微小隙間１１）が設けられている。これにより、冷却ファン３０とブラケット１との間に流れる冷却風が機内へ浸入することを抑制している。

主板３１には回転子軸９が挿入される貫通穴３１ｂが設けられ、主板３１のブラケット１側の面（図示例では駆動側６０の面）には複数の羽３２が形成されている。羽３２は、回転子７の周方向に設けられ、主板３１とガイド３３との間に配設されている。羽３２は冷却ファン３０の中心から主板の外周端３１ａに向かって延びるように形成され、内径側端部３２ｂは主板３１の中心側に位置し、外径側端部３２ａは主板３１の外周端３１ａ側に位置している。

ガイド３３は、例えば無底すり鉢状に形成され、吸気口２０と対向する位置で羽３２の他端（駆動側６０）に設けられている。またガイド３３は、吸気口２０から取り込まれた冷却風の流れを妨げることがないように、主板３１と平行に設けられている。図示例のガイド３３は、主板３１側の周縁部（内周縁部３３ｂ）からブラケット１側の周縁部（外周縁部３３ａ）までの巾ｅが、内径側端部３２ｂから外径側端部３２ａまでの巾ｆよりも大きく形成されている。

また、ガイド３３の内周縁部３３ｂは主板３１と回転子軸９との嵌合部付近に位置し、かつ、ガイド３３の外周縁部３３ａはブラケット１の近傍に位置するように設けられている。内周縁部３３ｂを上記の嵌合部付近に設けることによって、吸気口２０から導入された外気を主板３１の貫通穴３１ｂ付近に誘導することができ、主板３１における熱交換率を向上させることができる。また、外周縁部３３ａをブラケット１の近傍に設けることによって、吸気口２０から導入された外気が外周縁部３３ａとブラケット１との微小隙間１２から通風路２１へ抜けることを防止できる。

ガイド３３による効果は以下の通りである。

（１）外部から導入される冷却風は、吸気口２０で風路の断面変化が生じるため乱れる。この乱れた空気が主板３１とガイド３３との間に浸入する際、内径側端部３２ｂがこの乱れた空気を横切るため、風切り音が増幅させて騒音の要因となる。図示例のように吸気口２０の正面にガイド３３を設けることによって、吸気口２０から導入された外気は回転子軸９付近に到るまでに整流される。そのため、整流された空気が主板３１とガイド３３との間へ浸入することで、内径側端部３２ｂでの風切り音が抑制され、騒音を低減することができる。

（２）吸気口２０から導入された空気が冷却ファンを通過する際、羽３２が空気を横切るため空気の渦が発生する。図示例のようにガイド３３を設けることによって、空気の渦が抑制され、この渦により発生する騒音を低減することができる。

（３）またガイド３３は羽３２と吸気口２０との間に介在するため、羽３２で発生する騒音がガイド３３で遮断され、吸気口２０から機外へ漏れ出る騒音を抑制することができる。また、ガイド３３では、主板３１が吸収した主電動機内部の熱と低温の外気との間で熱交換が行われるため、主板での熱交換効率が向上し、主電動機１００の冷却効率が向上する。

なお図示例の主電動機１００では、吸気口２０の断面（図中ｄ）と、ガイド３３とブラケット１との間の風路断面（図中ａ）と、主板３１とガイド３３との間の風路断面（図中ｂ）と、主板３１の羽３２が設けられていない箇所とブラケット１との間の風路断面（図中ｃ）とが同じ大きさになるように形成されている。このように構成することによって、図中ａ，ｂ，ｃの風路の断面変化が小さくなり、吸気口２０から導入された外気の乱れが抑制され、外気がこれらの風路を通過する際の風切り音を抑えることができる。

以下、動作を説明する。冷却ファン３０が回転することにより吸気口２０から外気が取り込まれ、吸気口２０から取り込まれた外気は、図１の符号Ａで示される点線のようにガイド３３とブラケット１との間、回転子軸９付近、主板３１とガイド３３との間、主板３１とブラケット１との間、通風路２１、通風路２２の順で流れて、排気口２５から機外へ排出される。このことにより主電動機１００の機内の熱が主板３１やフレーム２などで介して機外に排出される。その結果、主電動機１００全体が効率的に冷却される。

次に冷却ファン３０を変形した例を説明する。図３は図１に示される冷却ファンの変形例を示す図である。図４は図３に示される冷却ファンの斜視図である。図５は図３に示される冷却ファンの斜視断面図である。

図３に示される冷却ファン３０は主板３１と羽３２とガイド３３と羽３４（第２の羽）とガイド３５（第２のガイド）とから成る。主板３１の固定子コイル８側の面（反駆動側６１の面）には、複数の羽３４が形成されている。羽３４は、回転子７の周方向に複数設けられ、主板３１とガイド３５との間に配設されている。羽３４は、冷却ファン３０の中心から主板の外周端３１ａに向かって延びるように形成されている。

羽３４の内径側端部３４ｂはエンドリング１４側に位置し、外径側端部３４ａは主板３１の外周端３１ａ側に位置している。なお、内径側端部３４ｂは、回転子コア４の通風路２３を通過した内気が主板３１側に効果的に誘導されるように、エンドリング１４の近傍に設けることが望ましい。

ガイド３５は、例えば無底すり鉢状に形成され、固定子１０側の周縁部（内周縁部３５ｂ）が、固定子鉄心３の内周面と回転子コア４の外周面との間の隙間を通過した空気が主板３１の外周端３１ａに誘導されるように、回転子７の端部の近傍に位置し、主板３１側の周縁部（外周縁部３５ａ）が主板３１の外周端３１ａの近傍に位置するように設けられている。回転子７の端部は例えばエンドリング１４とコイルエンド８ａとの間である。なお、内周縁部３５ｂの位置は図示例に限定されないが、内周縁部３５ｂを回転子７の端部に設けることによって、回転子７の通風路２３を通過した内気が固定子コイル周辺で拡散することなく効率的に主板３１表面を通過し、固定子の通風路２４へ誘導される。従って、内気循環効率が増すことにより、内気の温度が下がり、主電動機１００の冷却効率が向上する。

以下、動作を説明する。冷却ファン３０が回転することにより内気が撹拌され、例えば図３の符号Ｂで示される点線のように、固定子鉄心３の通風路２４や回転子コア４の通風路２３を通過して機内を循環する。回転子７や固定子鉄心３などで熱せられた内気は、内周縁部３５ｂ側からガイド３５と主板３１との間に取り込まれ、主板３１中心部から外周部を通過することによる主板３１での熱交換により冷却される。

従来技術では、外気を回転子軸付近まで導入するための通風路がブラケットの機内側に形成されている。すなわち主板とブラケットとの間に突起物が存在する。そのため、羽の内径側端部は通風路よりも内径側に設けることができない。従って、必要風量を確保するためには、羽の外径側端部を冷却ファンの外周縁部の近傍に配置することで羽面積を増やす必要がある。ただし、羽の外径側端部が外径側に位置するほど羽の外径側の周速が増加し、この周速が高まるほど冷却ファンで生じる騒音が大きくなる。このように上記従来技術の構造では、羽面積を確保したまま冷却ファンで生じる騒音を低減させることができないという課題があった。

本実施の形態に係る主電動機１００では、羽面積を減少させることなく羽３２およびガイド３３の外径を縮小させることができる。従って必要冷却風量を維持したまま羽外周部の周速が低下し、主電動機１００の冷却効率を低下させることなく低騒音化ができる。また、主電動機１００によればブラケットの形状が簡素化され、製造コストを低減することができる。

なお、図示例の主板３１には一例としてガイド３５が設けられているが、主板３１の構成は図示例に限定されるものではなく、ガイド３５を省略してもよい。この場合、主板３１に通流する内気の流量が低下するものの、羽３４がない場合に比べて熱交換率を増やすことができる。

また、図示例の主電動機１００では、駆動側６０のブラケット１に吸気口２０が設けられ、駆動側６０の冷却ファン３０に羽３２、ガイド３３、羽３４、およびガイド３５が設けられているが、主電動機１００の構成は図示例に限定されるものではない。例えば、フレーム２の反駆動側６１の面に吸気口２０相当の貫通孔を設けて、鉄心押さ６に冷却ファン３０と同様の冷却ファンを設けるように構成してもよいし、この冷却ファンの駆動側６０の面に羽３４およびガイド３５相当の機構を設けるように構成してもよい。

また、図示例のガイド３５の内周縁部３５ｂの位置は図示例に限定されるものではない。例えばガイド３５は、内周縁部３５ｂが回転子７の端部の近傍に位置し、かつ、コイルエンド８ａの形状と相似形に形成してもよい。例えばガイド３５がコイルエンド８ａに沿って平行に形成されている場合、コイルエンド８ａの熱がガイド３５で吸熱され、固定子鉄心３およびコイルエンド８ａを効果的に冷却することができる。

以上に説明したように、実施の形態にかかる主電動機１００は、固定子１０と、固定子１０の内周側に配置される回転子コア４と冷却ファン３０とを有する回転子７と、固定子１０と回転子７とを内包するフレーム２と、フレーム２に接続され回転子軸９を支持するブラケット１と、ブラケット１に設けられ回転子軸９を支持する軸受部５０とを備え、冷却ファン３０は、鉄心押え５から軸受部に向かうにつれて拡径して全閉形主電動機１００の内部と外部とを仕切る主板３１と、冷却ファン３０のブラケット１側にて回転子７の回転方向に設けられた複数の羽３２（第１の羽）と、羽３２のブラケット１側にて主板３１と平行に配置されたガイド３３（第１のガイド）と、で構成され、ブラケット１には、ガイド３３をブラケット１に向かって投影してなる領域内に吸気口２０が設けられ、ガイド３３は、吸気口２０から吸入された空気が回転子軸９に誘導されるように形成されている。この構成により、羽面積を減少させることなく羽３２およびガイド３３の外径を縮小させることができる。従って、必要冷却風量を維持したまま羽外周部の周速を低下させることができ、主電動機１００の冷却効率を低下させることなく低騒音化を図ることができる。また主電動機１００ではブラケット１の形状が簡素化され、製造コストを低減することができる。

また、ガイド３３は、羽３２を通過した空気が吸気口２０に戻らないように形成されているため、吸気口２０から導入された外気が外周縁部３３ａとブラケット１との微小隙間１２から通風路２１へ抜けることを防止できる。また、ガイド３３の内周縁部３３ｂは、吸気口２０から吸入された空気が回転子軸９に誘導されるように形成されているため、吸気口２０から導入された外気を主板３１の貫通穴３１ｂ付近に誘導することができ、主板３１における熱交換率を向上させることができる。

なお、実施の形態にかかる全閉形主電動機は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。

以上のように、本発明は、全閉形主電動機に適用可能であり、特に、騒音を抑制しながら必要冷却風量を確保することで放熱効率の向上を図ることができる発明として有用である。

１ ブラケット、２ フレーム、３ 固定子鉄心、４ 回転子コア、５，６ 鉄心押え、７ 回転子、８ 固定子コイル、８ａ コイルエンド、９ 回転子軸、１０ 固定子、１１，１２ 微小隙間、１３ ローターバー、１４ エンドリング、２０ 吸気口、２１，２２，２３，２４ 通風路、２５ 排気口、３０ 冷却ファン、３１ 主板、３１ａ 外周端、３１ｂ 貫通穴、３２ 羽、３２ａ 外径側端部、３２ｂ 内径側端部、３３ ガイド、３３ａ 外周縁部、３３ｂ 内周縁部、３４ 羽、３４ａ 外径側端部、３４ｂ 内径側端部、３５ ガイド、３５ａ 外周縁部、３５ｂ 内周縁部、５０ 軸受部、５１ カートリッジ、６０ 駆動側、６１ 反駆動側、１００ 全閉形主電動機。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、固定子と、前記固定子の内周側に配置される回転子コアと冷却ファンと前記回転子コアの両端を覆う鉄心押えとを有する回転子と、前記固定子と前記回転子とを内包するフレームと、前記フレームに接続され回転子軸を支持するブラケットと、前記ブラケットに設けられ回転子軸を支持する軸受部と、を備えた全閉形主電動機であって、前記冷却ファンは、前記鉄心押えから前記軸受部に向かうにつれて拡径して全閉形主電動機の内部と外部とを仕切る主板と、前記冷却ファンのブラケット側にて前記回転子の回転方向に設けられた複数の第１の羽と、前記各第１の羽の前記ブラケット側にて前記主板と平行に配置された第１のガイドと、で構成され、前記ブラケットには、前記第１のガイドを前記ブラケットに向かって投影してなる領域内に吸気口が設けられ、前記第１のガイドは、前記吸気口から吸入された空気が前記回転子軸に誘導されるように形成されていることを特徴とする。

Claims (7)

1. 固定子と、
   固定子の内周側に配置される回転子コアと冷却ファンとを有する回転子と、
   前記固定子と前記回転子とを内包するフレームと、
   前記フレームに接続され回転子軸を支持するブラケットと、
   前記ブラケットに設けられ回転子軸を支持する軸受部と、
   を備えた全閉形主電動機であって、
   前記冷却ファンは、前記鉄心押えから前記軸受部に向かうにつれて拡径して全閉形主電動機の内部と外部とを仕切る主板と、前記冷却ファンのブラケット側にて回転子の回転方向に設けられた複数の第１の羽と、前記各第１の羽のブラケット側にて前記主板と平行に配置された第１のガイドと、で構成され、
   前記ブラケットには、前記第１のガイドを前記ブラケットに向かって投影してなる領域内に吸気口が設けられ、
   前記第１のガイドは、前記吸気口から吸入された空気が前記回転子軸に誘導されるように形成されていることを特徴とする全閉形主電動機。
2. 前記第１のガイドは、前記第１の羽を通過した空気が前記吸気口に戻らないように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の全閉形主電動機。
3. 前記第１のガイドの内周縁部は、前記吸気口から吸入された空気が前記回転子軸に誘導されるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の全閉形主電動機。
4. 前記吸気口の断面と、
   前記第１のガイドと前記ブラケットとの間の風路断面と、
   前記主板と前記第１のガイドとの間の風路断面と、
   前記主板の前記第１の羽が設けられていない箇所と前記ブラケットとの間の風路断面とが、同じ大きさに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の全閉形主電動機。
5. 前記冷却ファンの固定子側には、前記回転子の回転方向に内気循環用の第２の羽が複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の全閉形主電動機。
6. 前記第２の羽の固定子側には、前記固定子のコイルエンドに沿って平行に形成されている第２のガイドが設けられていることを特徴とする請求項５に記載の全閉形主電動機。
7. 前記第２のガイドは、その内周縁部が前記回転子の端部の近くに位置するように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の全閉形主電動機。
   
   

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