JPWO2015145578A1

JPWO2015145578A1 - 全閉形主電動機

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Publication number: JPWO2015145578A1
Application number: JP2016509674A
Authority: JP
Inventors: 健太金子
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: EP3125410B1; EP3125410A4; US10103601B2; EP3125410A1; JP5968575B2; US20170005545A1; WO2015145578A1

Abstract

回転子軸（２４）は、反駆動側の端面から冷却ファン（４０）の主板（４０ａ）の基端部の手前まで中空に構成する。回転子軸（２４）の側面には、中空部（２４ｂ）に連通する通風穴（２４ｃ）が設けられる。また、主板（４０ａ）の反駆動側の端部（４０ｄ）とブラケット（１１）との間にラビリンス（４１）が設けられている。冷却ファン（４０）の回転により、冷却風が上記端面から入気し、中空部（２４ｂ）を通過し、通風穴（２４ｃ）を介して主板（４０ａ）と軸受部（５１）とで構成される通風路を通過し、ブラケット（１１）に設けられた排気口（１２）を介して排気される。

Description

本発明は、全閉形主電動機に関するものである。

一般に、鉄道車両用の主電動機には、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、筒状を成し内周側に回転子が配置されるフレームと、フレームの両端に対向して配置され回転子軸を回転可能に支持するブラケットと、を有している。このブラケットの中心部には軸受が設けられ、フレームの内周部にはステータコイルを収納する円筒状の固定子鉄心が取り付けられ、固定子鉄心の内周面と回転子の外周面との間には一様な空隙が設けられている。

このように構成された全閉形主電動機では、電動機内部を密閉する構造上、外気を直接電動機内部へ取り込んで冷却ができないため、機内の熱を機外へ放熱するためには放熱面積を増やすなどの措置が必要となり、機器が大型化するデメリットがある。そこで、このデメリットを解消すべく、冷却ファンを機内と機外とを仕切る部品として利用した全閉形主電動機が提案されている。

この全閉形主電動機では、機内と機外を仕切る冷却ファンとフレームが、回転部と固定部の関係にあるので、冷却ファンとフレームとの間にはラビリンスを設ける必要がある。そのため、このラビリンスを介して塵埃または水が機内に僅かに侵入するという問題がある。

このような問題を解決するため、特許文献１に記載された従来の主電動機では、ラビリンスに軸受潤滑グリースと同等または類似のグリースを塗布、充填して塵埃等の侵入を防止している。

特開２０１２−５０１７２号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、主電動機の組立て作業時にグリースが吐き出されることを防止する対応が必要となり、さらにグリースの経年劣化により塵埃の侵入防止効果が低下する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、ラビリンスへのグリースの塗布、充填をすることなく、機内への塵埃の侵入を抑制することが可能な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、本発明に係る全閉形主電動機は、固定子と、前記固定子の内周側に配置される回転子鉄心と、前記回転子鉄心の反駆動側の端部に取り付けられ、当該主電動機の内外を仕切る冷却ファンと、前記回転子鉄心に取り付けられ、反駆動側の端面から軸方向に少なくとも前記冷却ファンの取付け箇所の手前まで中空部が設けられると共に、前記中空部に連通する通風穴が側面に設けられた回転子軸と、を有する回転子と、前記固定子および前記回転子を内包するフレームと、前記フレームの駆動側の端部に接続された第１のブラケットと、前記フレームの反駆動側の端部に接続され、少なくともその一部が前記冷却ファンの主板の反駆動側の端部よりも内径側に配置された排気口が設けられると共に、前記主板の前記端部との間でラビリンスを構成する第２のブラケットと、前記第１のブラケットに設けられ、前記回転子軸を支持する第１の軸受部と、前記第２のブラケットに設けられ、前記回転子軸を前記通風穴よりも反駆動側で支持する第２の軸受部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ラビリンスへのグリースの塗布、充填をすることなく、機内への塵埃の侵入を抑制することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る全閉形主電動機の縦断面図である。図２は、図１の要部拡大図である。図３は、図１とは別の縦断面による要部拡大図である。図４は、図３の部分拡大図である。図５は、実施の形態の動作および効果を説明するための図である。図６は、実施の形態の動作および効果を説明するための別の図である。

以下に、本発明に係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、本実施の形態に係る全閉形主電動機の縦断面図である。図２は、図１の要部拡大図である。図３は、図１とは別の縦断面による要部拡大図である。図４は、図３の部分拡大図である。なお、図１および図２は、排気口１２を含まない縦断面であり、図３および図４は、排気口１２を含む縦断面である。また、図１および図２では、参照のため排気口１２の位置を点線で示している。以下、図１〜図４を参照して、本実施の形態に係る全閉形主電動機の構成について説明する。

全閉形主電動機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の内周側に配置された回転子７と、固定子１０および回転子７を内包する筒状のフレーム２と、フレーム２の軸方向一端部に接続されたブラケット１と、フレーム２の軸方向他端部に接続されたブラケット１１と、ブラケット１の軸中心部に設けられた軸受部５０と、ブラケット１１の軸中心部に設けられた軸受部５１とを備えている。なお、図示例では、ブラケット１１はフレーム２と一体的に構成されているが、フレーム２と別体であってもよい。

フレーム２には、固定子鉄心３の外周側に通風路２２が形成されている。通風路２２は、駆動側（負荷側）と反駆動側（反負荷側）とを連通するように固定子鉄心３に形成され、例えばフレーム２の周方向に等間隔で複数設けられている。なお、駆動側は、図示しない負荷に接続される回転子軸２４の先端部側であり、反駆動側はこれと反対側をいう。駆動側はブラケット１側であり、反駆動側はブラケット１１側でもある。

回転子７は、固定子１０の内周側に配置され電磁鋼板を積層してなる回転子鉄心４と、回転子鉄心４の一端側を覆う鉄心押え５と、回転子鉄心４の他端側を覆う鉄心押え６と、鉄心押え５に取り付けられた冷却ファン３０と、鉄心押え６に取り付けられた冷却ファン４０と、回転子鉄心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と、回転子鉄心４に嵌め込まれた回転子軸２４とを備えている。また、固定子鉄心３の内周面と回転子鉄心４の外周面との間には一様な空隙８０が設けられている。全閉形主電動機１００が鉄道車両に用いられる場合には、回転子７の回転力は駆動側に配置された継手（図示せず）および歯車装置（図示せず）を介して車輪（図示せず）に伝達される。

軸受部５０は、回転子軸２４の先端部を回転自在に支持する軸受５０ａと、それぞれ回転子軸２４の先端部に装着されたベアリングストッパ５０ｂ，５０ｃと、ブラケット１に装着されたベアリングキャップ５０ｄとを備えている。軸受５０ａは、内輪がベアリングストッパ５０ｂ，５０ｃで挟まれ、外輪がブラケット１およびベアリングキャップ５０ｄで挟まれている。

また、ブラケット１には、グリースポケット３１ａが設けられ、ベアリングキャップ５０ｄには、グリースポケット３１ｂが設けられている。グリースポケット３１ａは、軸方向において軸受５０ａの一端と対向する位置に配置され、グリースポケット３１ｂは、軸方向において軸受５０ａの他端と対向する位置に配置されている。

また、ブラケット１とベアリングストッパ５０ｂとの間にはラビリンス３２ａが設けられ、ベアリングキャップ５０ｄとベアリングストッパ５０ｃとの間にはラビリンス３２ｂが設けられている。ラビリンス３２ａ，３２ｂは、回転部と固定部との境目を構成する迷路状の微小隙間であり、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５０ａおよび機内への塵埃または水の侵入を防止する。

軸受部５１は、回転子軸２４の後端部２４ａを回転自在に支持する軸受５１ａと、それぞれ回転子軸２４の後端部２４ａに装着されたベアリングストッパ５１ｂ，５１ｃと、ブラケット１１に装着されたハウジング３３と、ハウジング３３に装着されたベアリングキャップ５１ｄとを備えている。軸受５１ａは、内輪がベアリングストッパ５１ｂ，５１ｃで挟まれ、外輪がハウジング３３およびベアリングキャップ５１ｄで挟まれている。なお、後端部２４ａは回転子軸２４の反駆動側の端部である。

また、ハウジング３３には、グリースポケット３４ａが設けられ、ベアリングキャップ５１ｄには、グリースポケット３４ｂが設けられている。グリースポケット３４ａは、軸方向において軸受５１ａの一端と対向する位置に配置され、グリースポケット３４ｂは、軸方向において軸受５１ａの他端と対向する位置に配置されている。

また、ハウジング３３とベアリングストッパ５１ｂとの間にはラビリンス３５ａが設けられ、ベアリングキャップ５１ｄとベアリングストッパ５１ｃとの間にはラビリンス３５ｂが設けられている。ラビリンス３５ａ，３５ｂは、回転部と固定部との境目を構成する迷路状の微小隙間であり、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５１ａおよび機内への塵埃または水の侵入を防止する。

回転子軸２４の後端部２４ａには、中空部２４ｂが設けられている。換言すれば、後端部２４ａは中空円筒状である。中空部２４ｂは、回転子軸２４の後端面から軸方向に一定の長さ例えば円筒状に設けられている。例えば、中空部２４ｂは、回転子軸２４の後端面から軸方向に軸受部５１の取付け個所を超えて少なくとも冷却ファン４０の基端部（回転子７への取付け箇所）の手前まで設けられている。

さらに、後端部２４ａの側面には、周方向に例えば複数の通風穴２４ｃが設けられている。詳細には、通風穴２４ｃは、軸方向において冷却ファン４０の取付け箇所と軸受部５１との間で後端部２４ａの側面を径方向に貫通し、中空部２４ｂに連通している。軸受部５１は、通風穴２４ｃよりも反駆動側で後端部２４ａを支持している。また、ベアリングキャップ５１ｄおよびベアリングストッパ５１ｃは、後端部２４ａの端面の開口を閉塞しないように環状に形成されている。

冷却ファン３０は、例えば、駆動側に向かって内径が拡大するすり鉢状の主板３０ａと、主板３０ａに設けられた複数の羽３０ｂとを備えている。冷却ファン３０は、鉄心押え５を介して回転子鉄心４の駆動側の端部に取り付けられている。冷却ファン３０は、機内の空気を撹拌することができる。また、図１では、駆動側に冷却ファン３０を備えているが、冷却ファン３０を備えない構成についても本願の作用効果に変わりはない。

冷却ファン４０は、例えば、すり鉢状の主板４０ａと、主板４０ａに設けられた複数の羽４０ｂとを備えている。冷却ファン４０は、鉄心押え６を介して回転子鉄心４の反駆動側の端部に取り付けられている。主板４０ａは、全閉形主電動機１００の内外を仕切っている。冷却ファン４０は、機内の空気を撹拌することができる。

また、主板４０ａとブラケット１１との間にはラビリンス４１が設けられている。すなわち、主板４０ａの端部４０ｄの端面と当該端面に対向するブラケット１１の内面との間にはラビリンス４１が設けられている。ここで、端部４０ｄは、主板４０ａの反駆動側の端部である。ラビリンス４１は、径方向に一定の長さ設けられ、かつ、回転子軸２４を中心として周方向にわたって設けられている。ラビリンス４１は、内径側の開口部から外径側に伸び、つづいて軸方向の駆動側に伸び、つづいて外径側に伸び、つづいて軸方向の駆動側に伸び、つづいて外径側に伸び、つづいて外径側に伸び、さらに外径側に伸びて外径側の開口部まで形成されている。なお、ラビリンス４１の具体的な形状は図示例に限定されない。

また、主板４０ａは、例えば、反駆動側に向かって内径が拡大した後、端部４０ｄで内径が縮小に転ずる。端部４０ｄの内周面は、回転子軸２４に対して軸方向に滑らかな凹状に形成されている。

また、端部４０ｄの内径側の部分である内径側端部４０ｃは、例えば、端部４０ｄのその他の部分に比べて反駆動側に突出している。詳細には、内径側端部４０ｃは、ブラケット１１の内面のうちラビリンス４１が設けられていない部分よりも軸方向に反駆動側に突出している（図２）。

また、ブラケット１１には、ブラケット１１を貫通する排気口１２が周方向に例えば複数設けられている。排気口１２は、少なくともその一部が端部４０ｄよりも内径側に位置するように配置される。図示例では、排気口１２は、その径方向の開口範囲に内径側端部４０ｃが含まれるような位置および大きさに形成され、内径側端部４０ｃの排気口１２に面する部分は排気口１２内に突き出ている（図３）。また、内径側端部４０ｃは排気口１２内では外径側に配置されており、排気口１２を閉塞しないようになっている。

図４では、排気口１２および端部４０ｄの詳細について示している。排気口１２の縦断面形状のうち外径側部分は、排気口１２の径方向の大きさが反駆動側に向かうにつれて拡大するように軸方向に対して傾斜している。つまり、排気口１２を構成するブラケット１１の面のうち外径側部分１２ａは、反駆動側に向かうにつれて回転子軸２４から離れるように軸方向に対して傾斜している。また、図示例では、排気口１２の縦断面形状のうち内径側部分は、軸方向と平行になっている。つまり、排気口１２を構成するブラケット１１の面のうち内径側部分１２ｂは、軸方向と平行になっている。排気口１２の横断面形状は例えば方形とすることができる。なお、排気口１２の横断面形状は方形以外の形状とすることもできる。また、内径側部分１２ｂも外径側部分１２ａと逆側に軸方向に対して傾斜させることもできる。この場合、排気口１２の横断面形状は例えば円形とすることができる。

また、図４では、内径側端部４０ｃの長さをＡＢ間で示し、排気口１２の内側の軸方向位置をＣＤを結ぶ直線で示している。内径側端部４０ｃの軸方向の一部は排気口１２内に突出しているので、ＡＢとＣＤは交差する。

また、図４に示すように、排気口１２の縦断面形状のうち外径側部分を駆動側に延長した直線はＡＢと交差し、交点はＡＢ間に位置する。これにより、排気口１２内でラビリンス４１の入口を狭くすることができるので、水分の侵入を抑制することができる。

また、上述したように、端部４０ｄの内周面は回転子軸２４に対して軸方向に滑らかな凹状に形成されている（Ｒ近傍参照）。

次に、図５および図６を参照して、本実施の形態の動作および効果について説明する。図５は、本実施の形態の動作および効果を説明するための図であり、矢印は風流を示している。また、図６は、本実施の形態の動作および効果を説明するための別の図であり、矢印は水の移動方向を示している。

図５に示すように、回転子７の回転に伴い、冷却ファン４０も回転する。冷却ファン４０が回転することで、冷却風が回転子軸２４の後端部２４ａの端面から入気し、中空部２４ｂを通り通風穴２４ｃから外径方向に流れ出し、さらに主板４０ａと軸受部５１との間に形成された風路を流れ、端部４０ｄの内周面で内径側に向きを変えられて排気口１２から排気される。

このように、本実施の形態では、冷却風が回転子軸２４の中空部２４ｂ内を流れた後、主板４０ａと軸受部５１との間に形成された風路を流れるので、冷却風が軸受部５１の中心側から外周側にかけて流れることとなり、従来のように軸受５１ａの外周側のみを冷却する構造と異なり、軸受部５１の中心側も冷却することができる。さらに、中空部２４ｂを設けることにより、回転子鉄心４側からの熱も遮断される。そのため、本実施の形態では、冷却ファン４０による風量を少なくしても軸受部５１の温度上昇が抑えられるため、冷却ファン４０の能力を下げて風量を減らすことができる。これにより、風圧が小となり、ラビリンス４１へ誘導される塵埃が抑制され、全閉形主電動機１００内部への塵埃の侵入を抑制することができる。

従って、本実施の形態によれば、特許文献１のようにラビリンス４１へのグリースの塗布、充填をすることなく、ラビリンス４１への塵埃の侵入を抑制し、機内への塵埃の侵入を防止することができる。

また、本実施の形態では、塵埃の混じった冷却風は端部４０ｄにて回転子軸２４側に向けられるので、ラビリンス４１に侵入し難くなり、ラビリンス４１への塵埃の侵入がより一層防止される。つまり、塵埃がラビリンス４１の入口に到達する前に冷却風とともに排気口１２から排気される。なお、端部４０ｄの内周面は軸方向に凹状にかつ滑らかに形成することが好ましいが、冷却風の方向を回転子軸２４側に向かわせるものであればこれ以外の形状も可能である。

次に、図６に示すように、水分は図中の矢印のように移動する。すなわち、主板４０ａの内周面に付着した水分は、冷却ファン４０の回転による遠心力および風流により、主板４０ａの内周面に沿って軸方向の反駆動側に移動し、内径側端部４０ｃの先端に達し、さらに、内径側端部４０ｃの端面と排気口１２を構成する面（図４の外径側部分１２ａ）を伝たって排気口１２から排出される。つまり、内径側端部４０ｃを排気口１２内に突出させることにより、主板４０ａに沿って流れた水分はラビリンス４１の最初の径方部分を越えてラビリンス４１に侵入することがない。

また、上述したように、排気口１２を構成するブラケット１１の面のうち外径側部分１２ａあるいは排気口１２の外径側の縦断面形状を駆動側に延長すると、内径側端部４０ｃの外径側側面と交差する（図４）。これにより、排気口１２内ではラビリンス４１の入口を狭くすることができ、水分の侵入がより一層抑制される。

なお、特許文献１の図４には、通風ファン（４１５）とブラケット（２０４）との間にラビリンスが設けられている。しかしながら、特許文献１の図４に示される構成では、ラビリンスは排気口よりも内側にあり、内部から流れ出た冷却風の一部はブラケット（２０４）の壁面に跳ね返されることとなる。この際、同図の構成では、ブラケット（２０４）の壁面の反対側にラビリンスの開口部が開口しているので、冷却風に含まれる塵埃がラビリンスへ侵入してしまう。また、通風ファン（４１５）に向かって突き出たブラケット（２０４）の部分の外面がラビリンスの開口部付近で凹状となっているため、ラビリンスの開口部付近に水分が溜まりやすい形状となっており、この箇所に水分が溜まるとラビリンスへ押し込まれることとなる。

これに対し、本実施の形態では、ラビリンス４１の内径側の開口部を径方向に開口させているので、冷却風がブラケット１１の壁面で跳ね返されても、塵埃を含んだ冷却風が開口部からラビリンスへ入ることが抑制される。また、内径側端部４０ｃを排気口１２内に突出させることにより、主板４０ａに沿って流れた水分はラビリンス４１の最初の径方部分を越えてラビリンス４１に侵入することが抑制される。

なお、本実施の形態に係る全閉形主電動機１００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、例えば鉄道車両用の全閉形主電動機として有用である。

１，１１ブラケット、２フレーム、３固定子鉄心、４回転子鉄心、５，６鉄心押え、７回転子、８固定子コイル、１０固定子、１２排気口、１２ａ外径側部分、１２ｂ内径側部分、１３ローターバー、１４エンドリング、２２通風路、２４回転子軸、２４ａ後端部、２４ｂ中空部、２４ｃ通風穴、３０冷却ファン、３０ａ主板、３０ｂ羽、３１ａ，３１ｂ，３４ａ，３４ｂグリースポケット、３２ａ，３２ｂ，３５ａ，３５ｂラビリンス、３３ハウジング、４０冷却ファン、４０ａ主板、４０ｂ羽、４０ｃ内径側端部、４０ｄ端部、４１ラビリンス、５０，５１軸受部、５０ａ，５１ａ軸受、５０ｂ，５０ｃ，５１ｂ，５１ｃベアリングストッパ、５０ｄ，５１ｄベアリングキャップ、８０空隙、１００全閉形主電動機。

Claims

固定子と、
前記固定子の内周側に配置される回転子鉄心と、前記回転子鉄心の反駆動側の端部に取り付けられ、当該主電動機の内外を仕切る冷却ファンと、前記回転子鉄心に取り付けられ、反駆動側の端面から軸方向に少なくとも前記冷却ファンの取付け箇所の手前まで中空部が設けられると共に、前記中空部に連通する通風穴が側面に設けられた回転子軸と、を有する回転子と、
前記固定子および前記回転子を内包するフレームと、
前記フレームの駆動側の端部に接続された第１のブラケットと、
前記フレームの反駆動側の端部に接続され、少なくともその一部が前記冷却ファンの主板の反駆動側の端部よりも内径側に配置された排気口が設けられると共に、前記主板の前記端部との間でラビリンスを構成する第２のブラケットと、
前記第１のブラケットに設けられ、前記回転子軸を支持する第１の軸受部と、
前記第２のブラケットに設けられ、前記回転子軸を前記通風穴よりも反駆動側で支持する第２の軸受部と、
を備えることを特徴とする全閉形主電動機。
前記主板の前記端部の内周面は、前記軸方向に滑らかでかつ凹状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。
前記主板の前記端部の一部分である内径側端部は、当該端部の他の部分よりも反駆動側に突出しており、
前記排気口は、その径方向の開口範囲に前記内径側端部が含まれるような位置および大きさに形成され、
前記内径側端部の前記排気口に面する部分が、前記排気口内に突出していることを特徴とする請求項１または２に記載の全閉形主電動機。
前記内径側端部は、前記排気口内では、外径側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の全閉形主電動機。
前記排気口の外径側の縦断面形状は、前記排気口の径方向の大きさが反駆動側に向かうにつれて拡大するように前記軸方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項４に記載の全閉形主電動機。
前記排気口の外径側の縦断面形状を駆動側に延長すると、前記内径側端部の外径側側面と交差することを特徴とする請求項５に記載の全閉形主電動機。