JP6009830B2 - 全閉形電動機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、全閉形電動機に関する。

一般に電車等の鉄道車両では車体の床下に配置された台車の中に駆動用の電動機を装荷し、この電動機の回転力を歯車装置を介して車輪に伝達し、車両を走行させる。

従来、この駆動用電動機には、外気を機内に流通させて冷却する開放型電動機が使用されていたが、近年、低騒音化と機内の外気による汚損をなくすことにより長期非分解を図るため、全閉形の電動機の採用が行われている。

ここで、従来の全閉形電動機の構造について説明する。
全閉形電動機は、円筒状のフレームの内周部に環状のステータが取り付けてあり、このステータの内周側に複数の溝が設けられ、この溝の中にステータコイルが取付けられている。

フレームの一端側には、第１の軸受を内蔵した第１のベアリングブラケットを取り付け、他端側にはフレームに一体に取り付けられる鏡ふたを配置し、この鏡ふたに第２の軸受を内蔵した第２のベアリングハウジングを取付け、これら一対の軸受によってロータシャフトを回転自在に支持している。

ところで、全閉形電動機は、運転時にステータコイルが発熱し、温度が上昇することとなるので、冷却風入口から外気を取り込み、全閉形電動機内で発熱した熱を冷却風出口から機外空間に放出して冷却することが行われる。
この場合において、冷却効率を向上するために、ロータには、それぞれ冷却フィンを有する一対の冷却円板が取りつけられており、冷却円板のファン効果により外気が全閉形電動機内で循環し、冷却円板で熱交換を行っていた。
この場合において、冷却円板とフレームとの間あるいは冷却円板と鏡ふたとの間には、円環状のラビリンス（微小間隙部）を設けて、外気と、電動機内と、を遮断して密閉性を保っていた。

特開平０９−４６９６０号公報

上述した構成において、冷却風として取り込んだ外気には、塵や埃等の塵埃が含まれており、この塵埃がラビリンス近傍に堆積し、あるいは、ラビリンスから機内に入り込むと、全閉形電動機の性能が低下するおそれがあった。
具体的には、冷却能力の低下による容量（出力）低下や、軸受の温度上昇が過大になることに起因する軸受内および軸受周囲のポケット部に充填してあるグリースの熱劣化によるメンテナンスの頻度の増加などである。

そこで、本発明は、塵埃が全閉形電動機内に入り込むのを防止し、分解メンテナンスの頻度を低下させることが可能な全閉形電動機を提供することを目的としている。

実施形態の全閉形電動機は、フレームと、フレームの内周面に設けられたステータと、ステータに対向する位置に回転可能に支持されたロータシャフトと、ロータシャフトに取りつけられたロータと、を備えている。
そして、全閉形電動機は、ロータシャフトに一体に取りつけられ、ロータシャフトの回転軸を中心として円環状に形成されたラビリンスを介してそれぞれフレームに対向し、フレームと共働して前記ロータの周囲を囲う一対の冷却円板を備えている。
さらに全閉形電動機は、円環状に配置されているラビリンスの形成位置に相当する半径位置よりも大きな半径位置に沿って配置され、外部から入り込んだ塵埃を堆積させる溝様の塵埃堆積部を備えている。

図１は、第１実施形態の全閉形電動機の断面図である。 図２は、第１実施形態のラビリンス及び冷却風出口近傍の拡大断面図である。 図３は、冷却風入口及び冷却風出口の設置例の一例の図１におけるＸ方向矢視説明図である。 図４は、第２実施形態のラビリンス及び冷却風出口近傍の拡大断面図である。 図５は、第３実施形態のラビリンス及び冷却風出口近傍の拡大断面図である。

次に図面を参照して、実施形態について説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態の全閉形電動機の断面図である。
全閉形電動機１０は、フレーム１１を有し、このフレーム１１内には、ロータシャフト１２が軸受１３及び軸受１４を介して、回転可能に支持されている。

ロータシャフト１２には、ロータ（永久磁石）１５が固定され、このロータ１５は、ステータを構成しているステータコイル１６により発生される磁界内に配置されている。
ロータ１５のロータシャフト１２の軸方向一端部には、冷却に用いられる冷却フィン１７Ｆが複数立設され、ロータ１５と一体に回転可能に冷却円板１７が設けられている。同様にロータ１５のロータシャフト１２の軸方向他端部には、冷却に用いられる冷却フィン１８Ｆが複数立設され、ロータ１５と一体に回転可能に冷却円板１８が設けられている。

軸受１３は、冷却円板１７よりもロータシャフト１２の軸方向外側（図１中、左側）に設けられた端ふた１９とハウジング３０とにより形成された空間に内蔵されている。
そして、端ふた１９と、冷却円板１７と、の間の隙間は、端ふた１９及びフレーム１１を貫通させて形成された冷却風入口２０及びフレーム１１を貫通させて形成された冷却風出口２１を連通する冷却風流路２２として形成されている。

ここで、冷却風入口２０を設ける位置を、ロータシャフト１２の回転中心ＣＸから半径ｒ１とした場合に、ロータシャフト１２の回転中心ＣＸから冷却風出口２１に連通する塵埃堆積部として機能する塵埃堆積面２１Ｗを設ける位置は、ロータシャフト１２の回転中心ＣＸから半径ｒ２（＞ｒ１）の位置とされている。
これは、冷却円板１７の回転に起因するファン効果の発生時の遠心力がより大きい位置、すなわち、この位置に冷却風出口２１を配置して冷却風出口２１からの排気を効率よく行わせるためである。

この冷却風流路２２には、冷却風入口２０から外気が導入され、この導入された外気が冷却円板１７との間で熱交換を行い、冷却風出口２１から機外空間に導出されることで、冷却を行う。

同様に軸受１４は、フレーム１１に冷却円板１８に対向するようにねじ止めされたベアリングブラケット２５の外面（図１中、右側）にねじ止め固定された端ふた２６との間の空間に内蔵されている。

そしてベアリングブラケット（鏡ふた）２５と、冷却円板１８との間の隙間は、ベアリングブラケット２５を貫通させて形成された冷却風入口２７及びベアリングブラケット２５とフレーム１１との間の隙間として形成された冷却風出口２８を連通する冷却風流路２９として形成されている。この冷却風流路２９には、冷却風入口２７から外気が導入され、この導入された外気が冷却円板１８との間で熱交換を行い、冷却風出口２８から機外空間に導出されることで、冷却を行う。

ここで、冷却風入口２７を設ける位置を、ロータシャフト１２の回転中心ＣＸから半径ｒ１１とした場合に、冷却風出口２８を設ける位置は、ロータシャフト１２の回転中心ＣＸから半径ｒ１２（＞ｒ１１）の位置とされている。
これは、冷却円板１８の回転に起因するファン効果の発生時の遠心力がより大きい位置、すなわち、この位置に冷却風出口２８を配置して冷却風出口２８からの排気を効率よく行わせるためである。

また、冷却円板１７の外周部とフレーム１１との間には、円環状のラビリンス（微小間隙部）３１が形成されている。
同様に冷却円板１８の外周部とベアリングブラケット２５との間には、円環状のラビリンス（微小間隙部）３２が形成されている。
ここで、冷却円板１７及び冷却円板１８は、ロータシャフト１２に一体に取りつけられ、ロータシャフト１２の回転軸を中心として円環状に形成されたラビリンス３１、３２を介してそれぞれフレーム１１に対向し、フレーム１１と共働してロータ１５の周囲を囲っている。
これらの結果、フレーム１１、冷却円板１７及び冷却円板１８は、機内空間と、機外空間との間の密閉性気密性を保ち、機内空間内にロータ１５を気密状態で配置され、外気とは隔離されている。したがって、塵埃がロータ１５周囲に至ることを低減できるので、メンテナンスの頻度が低減できる。

次に第１実施形態の全閉形電動機における動作を説明する。
全閉形電動機１０は、駆動されると、主としてロータコイルを流れる電流に起因して、全閉形電動機１０内で熱が発生する。
これにより、全閉形電動機１０内で発生した熱により、全閉形電動機１０内の温度は上昇することとなるが、フレーム１１の外周面及びベアリングブラケット２５の外周面から機外空間に放出される。

これと並行して、ロータ１５において発生し、あるいは、ロータ１５に蓄えられた熱は、冷却円板１７及び冷却円板１８に伝導される。
そして冷却円板１７に伝導された熱は、冷却フィン１７Ｆを介して、冷却風流路２２内に放出される。冷却風流路２２内に放出された熱は、冷却フィン１７Ｆの回転に伴って矢印ＣＷ１に示すように冷却風入口２０から導入された外気により、冷却風出口２１から機外空間に導出される。

同様に、冷却円板１８に伝導された熱は、冷却フィン１８Ｆを介して、冷却風流路２９内に放出される。冷却風流路２９内に放出された熱は、冷却フィン１８Ｆの回転に伴って矢印ＣＷ２に示すように冷却風入口２７から導入された外気により、冷却風出口２８から機外空間に導出される。
このとき、冷却風流路２２内及び冷却風流路２９内に取り込まれた外気により塵や埃等の塵埃が一緒に取り込まれて、ラビリンス３１及びラビリンス３２の近傍に流れ込むこととなる。

図２は、第１実施形態のラビリンス及び冷却風出口近傍の拡大断面図である。
図２に示すように、ロータシャフト１２の回転中心ＣＸからラビリンス３１の入口３１Ｅまでの半径ｒ０よりもロータシャフト１２の回転中心ＣＸから冷却風出口２１に連通する塵埃堆積部として機能する塵埃堆積面２１Ｗまでの半径ｒ２が大きく（長く）なっている（ｒ０＜ｒ２）。

さらにラビリンス３１の入口３１Ｅから塵埃堆積面２１Ｗに向かう部分は、斜面部として機能する斜面３５を形成している。この結果、外気と一緒に取り込まれた塵埃ＤＵは、冷却風の流れに沿って塵埃堆積面２１Ｗに向かい、ラビリンス３１の入口３１Ｅ近傍に留まることはない。
この結果、冷却風に含まれる塵埃ＤＵ（図２中、多数の小円で示す）は、ラビリンス３１内、ひいては、機内に取り込まれることなく、外気とともに塵埃堆積面（溝）２１Ｗに至り、冷却風出口２１を介して、再び機外空間に排出されることとなる。

なお、塵埃ＤＵの一部は、機外空間に排出されずに、塵埃堆積面２１Ｗ上に溜まることとなるが、その量は少なく、あまり問題とはならない。
上述したように、ラビリンス３１と塵埃堆積面２１Ｗとは、斜面３５が設けられていることによる段差を介して配置されているので、ラビリンス３１に塵埃ＤＵが溜まることはなく、ラビリンス３１内への塵埃ＤＵの侵入を抑制することができる。

同様に図１に示すように、ラビリンス３２の入口３２Ｅから冷却風出口２８へ向かう部分は、斜面３６を形成しているので、外気と一緒に取り込まれた塵埃ＤＵは、ラビリンス３２の入口３２Ｅ近傍に留まることなく、外気とともに冷却風出口２８から再び機外に排出される。この結果、ラビリンス３２にも塵埃ＤＵが溜まることはなく、ラビリンス３２内への塵埃ＤＵの侵入を抑制することができる。

以上の説明のように、本第１実施形態によれば、全閉形電動機１０の冷却の際に冷却風に含まれる塵埃ＤＵがラビリンス３１、３２内、ひいては、機内に取り込まれることを抑制できるので、冷却を確実に行いつつ、メンテナンス頻度を低減させることができる。すなわち、長期にわたって全閉形電動機１０の性能を維持しつつ、メンテナンスを容易とすることができる。

［１．１］第１実施形態の変形例
以上の説明においては、冷却風入口２０、２７及び冷却風出口２１、２８の形状、配置についてはあまり詳細に述べなかったが、冷却風流路２２内あるいは冷却風流路２９内における圧力損失も考慮して、冷却風入口２０、２７の開口面積よりも、冷却風出口２１、２８の開口面積が大きいことが好ましい。

図３は、冷却風入口及び冷却風出口の設置例の一例の図１におけるＸ方向矢視説明図である。
図３（ａ）は、一つの冷却風入口２０に対して、円周方向に沿って放射状に配置した複数の冷却風出口２１を設けた場合の変形例である。

図３（ａ）に示すように、複数の冷却風出口２１全体の開口面積は、冷却風入口２０の開口面積よりも十分に大きくなっており、冷却風流路２２内における圧力損失に起因して冷却風の流れを阻害することなく、確実に冷却を行えるとともに、塵埃ＤＵの機外への排出を促すことができる。

また、図３（ｂ）は、一つの冷却風入口２０に対して、円周方向に沿って長孔形状の二つの冷却風出口２１を設けた場合の変形例である。
本変形例においても長孔形状の二つの冷却風出口２１全体の開口面積は、冷却風入口２０の開口面積よりも十分に大きくなっており、冷却風流路２２内における圧力損失に起因して冷却風の流れを阻害することなく、確実に冷却を行えるとともに、塵埃ＤＵの機外への排出を促すことができる。

さらに図３（ｃ）は、一つの冷却風入口２０に対して、円周方向に沿って長孔形状の一つの冷却風出口２１を設けた場合の変形例である。
本変形例においても長孔形状の一つの冷却風出口２１の開口面積は、冷却風入口２０の開口面積よりも十分に大きくなっており、冷却風流路２２内における圧力損失に起因して冷却風の流れを阻害することなく、確実に冷却を行えるとともに、塵埃ＤＵの機外への排出を促すことができる。

［２］第２実施形態
図４は、第２実施形態のラビリンス及び冷却風出口近傍の拡大断面図である。
以上の第１実施形態においては、ラビリンス３１の入口３１Ｅから塵埃堆積面２１Ｗに向かう部分に斜面３５を形成していたが、本第２実施形態は、この斜面３５と同様の斜面をラビリンス３１の入口３１Ｅの全周にわたって設けるとともに、冷却風出口２１から機外空間に排出しきれない塵埃ＤＵを保持する溝２１Ｓを設けた実施形態である。

本第２実施形態によれば、ラビリンス３１の入口３１Ｅの全周にわたって全閉形電動機１０の冷却の際に冷却風に含まれる塵埃ＤＵがラビリンス３１内、ひいては、機内に取り込まれることを抑制できる。

また、溝２１Ｓにより、冷却風出口２１から機外空間に排出しきれない塵埃ＤＵを一時的に保持するので、徐々に塵埃ＤＵを機外空間に排出するに際しても、塵埃ＤＵがラビリンス内、ひいては、機内に取り込まれることを抑制でき、メンテナンス周期を長くとっても、全閉形電動機１０の性能を維持することができる。
以上の説明は、冷却風流路２２側についてのみであったが、冷却風流路２９についても同様の構成とすることが可能である。

［３］第３実施形態
上記各実施形態においては、冷却風出口に至るまでに、斜面と塵埃堆積面とを設ける構成としていたが、本第３実施形態は、斜面と塵埃堆積面とを一体に形成した場合の実施形態である。

図５は、第３実施形態のラビリンス及び冷却風出口近傍の拡大断面図である。
以上の第１実施形態においては、ラビリンス３１の入口３１Ｅから塵埃堆積面２１Ｗに向かう部分に斜面３５を形成していたが、本第３実施形態は、ラビリンス３１の入口３１Ｅから冷却風出口２１に向けて斜面２１ＳＬを設ける実施形態である。

本第３実施形態によれば、斜面２１ＳＬには、全閉形電動機１０の冷却の際に冷却風に含まれる塵埃ＤＵが留まりにくく、ひいては、ラビリンス３１内（機内）に取り込まれることも抑制できる。
この結果、本第３実施形態によれば、塵埃ＤＵが全閉形電動機１０内に長く留まることがないので、機内に塵埃ＤＵが取り込まれることも抑制でき、メンテナンス周期を長くとっても、全閉形電動機１０の性能を維持することができる。
以上の説明は、冷却風流路２２側についてのみであったが、冷却風流路２９についても同様の構成とすることが可能である。

［４］実施形態の効果
以上の説明のように、各実施形態によれば、冷却風とともに、全閉形電動機１０内に取り込まれ、留まる塵埃ＤＵを低減することができ、メンテナンス頻度を低減することができる。

また、冷却性の向上を図ることが出来るため、従来の全閉形電動機に比べて小形軽量化又は容量（出力）の増大を図ることが出来る。同時に軸受部の温度上昇を抑えることが出来るため、潤滑グリースの劣化を防ぎ全閉形電動機１０の分解メンテナンス周期の延長を図ることができる。
また、塵埃ＤＵが溜まることにより、冷却風の循環が悪くなることも抑制できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 全閉形電動機
１１ フレーム
１２ ロータシャフト
１３ 軸受
１４ 軸受
１５ ロータ
１６ ステータコイル
１７ 冷却円板
１７Ｆ 冷却フィン
１８ 冷却円板
１８Ｆ 冷却フィン
１９ 端ふた
２０ 冷却風入口
２１ 冷却風出口
２１Ｓ 溝
２１Ｗ 塵埃堆積面
２２ 冷却風流路
２６ 端ふた
２７ 冷却風入口
２８ 冷却風出口
２９ 冷却風流路
３０ ハウジング
３１、３２、３３ ラビリンス
３１Ｅ、３２Ｅ ラビリンスの入口
３５ 斜面
３５Ａ 斜面
３６ 斜面
４１ 斜面
ｒ１１ 半径
ｒ１２ 半径
ＣＸ 回転中心
ＤＵ 塵埃
ｒ０ 半径（ｒ０＜ｒ２）
ｒ１ 半径（第１の半径）
ｒ２ 半径（第２の半径、ｒ２＞ｒ１）

Claims (5)

1. フレームと、
   前記フレームの内周面に設けられたステータと、
   前記ステータに対向する位置に回転可能に支持されたロータシャフトと、
   前記ロータシャフトに取りつけられたロータと、
   前記ロータシャフトに一体に取りつけられ、前記ロータシャフトの回転軸を中心として円環状に形成されたラビリンスを介してそれぞれ前記フレームに対向し、前記フレームと共働して前記ロータの周囲を囲う一対の冷却円板と、
   円環状に配置されている前記ラビリンスの形成位置に相当する半径位置よりも大きな半径位置に沿って配置され、外部から入り込んだ塵埃を堆積させる溝様の塵埃堆積部と、
   を備えた全閉形電動機。
2. 前記ラビリンスの入口と前記塵埃堆積部とは、斜面部を介して連設されている、
   請求項１記載の全閉形電動機。
3. 前記ロータシャフトの周囲に冷却風流路が形成されているとともに、前記冷却風流路の冷却風出口は、前記塵埃堆積部に連通している、
   請求項１または請求項２記載の全閉形電動機。
4. 前記冷却風流路を構成している冷却風入口は、前記ロータシャフトの回転軸を中心とする第１の半径ｒ１の円周に沿って配置され、
   前記冷却風出口は、前記ロータシャフトの回転軸を中心とする第２の半径ｒ２（＞ｒ１）の円周に沿って配置されている、
   請求項３記載の全閉形電動機。
5. 前記冷却風出口は、所定の円周上に複数設けられている、
   請求項３または請求項４記載の全閉形電動機。

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