JP2013074646A - 制御装置一体電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 主電動機と制御装置を一体にし、低速域での冷却性能を向上させることが可能な電動機を提供する。
【解決手段】 実施形態の電動機は、円筒状の第１電動機フレーム３ａと、第１電動機フレーム３ａに軸受２を介して回転自在に支持されるとともに、第１電動機フレーム３ａの長手方向に中心部を貫通するように、また外側に突出した端部を有する回転軸１と、回転軸１の軸受外側の端部に取り付けられる円盤状の電動機ファン２０と、第１電動機フレームの一部を覆うように、外周側に位置する第２電動機フレーム３ｂと、第２電動機フレーム３ｂの外側に隣接して設置される制御装置１２と、制御装置１２内でベース板に取り付けられた素子１０と制御装置１２内で素子１０が取り付けられた別のベース板の面に取り付けられた放熱フィン１１と、第２電動機フレーム３ｂと制御装置１２を接続する連絡通風路１４と、通風路に設けられた通風路ファン１３とを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制御装置と電動機が一体もしくは近接して設置された制御装置一体電動機に関する。

車両用電動機、例えば、鉄道車両用では、台車内の車輪近傍に主電動機が設置される。従来、主電動機として使用される誘導電動機では、一台の制御装置で複数台の主電動機を駆動する。制御装置は大形のため、車両の床下に設置され、配線で各主電動機と接続されている。

近年、磁石の高性能化や磁束密度を向上させる技術の進歩により、主電動機として永久磁石同期電動機が適用されるようになってきた。この場合、主電動機と電力を供給する制御装置とは１：１で個別に対応する。これまで複数の主電動機に対応していた大形の制御装置は個別に設置できるため、各主電動機の近傍に設置、または主電動機と一体にすることが可能となる。

主電動機と制御装置を一体にすることで以下のメリットが生じる。

一つめとして、従来の主電動機と制御装置とはケーブル配線で接続されている。両者が近接して配置されると配線距離が短くなる、または配線が不要となることからコスト低減を図ることが出来る。また、配線ノイズが発生しないため、信号線へのノイズの影響がなくなる。

二つめとして、主電動機と制御装置が１：１で個別に対応しているため、制御装置を小形にすることができ、主電動機と制御装置を含めたトータルコストを下げることが出来る。

三つめとして、制御装置の占有していた車両の床下スペースが空くことから、この部分への他の電源装置の設置や２階建て車両の設置などに有効利用できる。

しかし、主電動機および制御装置を寸法制約の多い台車内に収めるには、これらを小形化する必要がある。また、主電動機、制御装置ともに熱を発生するため、許容温度を超えないように十分に冷却しなければならない。

電動機と制御装置が一体的に設けられた駆動装置としては、例えば特許文献１に開示された装置があげられる。この装置によれば、回転子に設けられたファンの回転で冷却風を外部から吸引し、その風がインバータのスイッチング素子の周囲を通過する際に熱を奪い、外部へ排気する構成となっている。

特開２００３−２５９６００号公報

しかしながら、上述した従来の装置では、次のような解決すべき課題が存在する。

制御装置は、運転稼動開始時や停止直前に発熱量が大幅に増加するため、低速域での冷却性能が重要である。回転子と一体に回転するファンは、例えば鉄道車両用では、回転子の稼動に比例して回転する。この場合、列車が低速のときや、停止時にはファンの回転が低速あるいは停止するため、冷却風を十分に制御装置へ送ることができない。

この発明は、上記の課題を解決させるためになされたもので、その目的は、主電動機と制御装置を一体にし、低速域での冷却性能を向上させることが可能な制御装置一体電動機を提供することにある。

実施形態の電動機は、円筒状の第１電動機フレームと、第１電動機フレームに軸受を介して回転自在に支持されるとともに、第１電動機フレームの長手方向に中心部を貫通するように第１電動機フレームの外側に突出した端部を有する回転軸と、第１電動機フレーム内で回転軸の外周側に設けられた円筒状の回転子と、回転子の外周側に位置し、第１電動機フレームに設けられた固定子と、回転軸の軸受外側の端部に取り付けられる円盤状の電動機ファンと、第１電動機フレームの一部を覆うように、外周側に位置する第２電動機フレームと、第２電動機フレームの外側に隣接して設置される制御装置と、制御装置内でベース板に取り付けられた素子と制御装置内で素子が取り付けられた別のベース板の面に取り付けられた放熱フィンと、第２電動機フレームと制御装置を接続する通風路と、通風路に設けられた通風路ファンとを有している。

第１の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第１の実施形態に係る自己通風形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第１の実施形態に係る全閉外扇形で排気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第２の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第２の実施形態に係る全閉外扇形で排気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第３の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第３の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第４の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第４の実施形態に係る全閉外扇形で排気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第５の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。 第５の実施形態に係る全閉外扇形で排気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る制御装置一体電動機について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
（構成）
図１は、第１の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図である。図２は、第１の実施形態に係る自己通風形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図である。図３は、第１の実施形態に係る全閉外扇形で排気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図である。

図１に示すように、両端が閉塞したほぼ円筒状の第１電動機フレーム３ａと、第１電動機フレーム３ａをほぼ同軸的に貫通して設けられた回転軸１を備えている。回転軸１の両端部は、それぞれ軸受２により、第１電動機フレーム３ａに対して回転自在に支持されているとともに、これらの両端部は、第１電動機フレーム３ａから外方に突出している。回転軸１の一方の端部は、図示しないカップリング、ギアボックス等を介して、車輪に駆動力を出力する出力端を構成している。

第１電動機フレーム３ａ内において、回転軸１の軸方向中央部に、積層鉄心で形成された円筒状の回転子鉄心６が固定されている。回転子鉄心６（または回転子６）には、軸方向に貫通する回転子ダクト５が複数個形成されている。

回転子鉄心６の外周側にはエアギャップを介して、積層鉄心で形成された円筒状の固定子鉄心７が設けられている。固定子鉄心７は第１電動機フレーム３ａの内周面に固定されている。固定子鉄心７の内周部には、軸方向に延びた複数の溝が形成され、これらの溝に固定子コイル４が埋め込まれている。固定子コイル４のコイルエンドは固定子鉄心７の両側面から軸方向に張り出している。固定子鉄心７と固定子コイル４を合わせて固定子とする。

全閉外扇形の場合、回転軸１の反負荷側端部には、外扇ファン９が取り付けられており、回転軸１と一体的に回転される。この外扇ファン９は一般にラジアルファンと呼ばれ、回転軸１の両回転方向で同様の効果が得られるように構成されている。また、自己通風形の場合、外扇ファンがなく、代わりに、駆動側電動機内部に内扇ファン１６が構成されている。駆動形態や効果は外扇ファンと同様である。本実施形態を含め、以下の実施形態においても、上記の外扇ファン９や内扇ファン１６のような電動機内のファンを電動機ファン２０と総称する。

第１電動機フレーム３ａの外周には第１電動機フレーム３ａを覆うように半円筒状の第２電動機フレーム３ｂが設けられている。第２電動機フレーム３ｂの上部には電動機に電力を供給するとともに電動機の動作を制御する複数の制御装置１２を備えている。ここでは第１電動機フレーム３ａと第２電動機フレーム３ｂと制御装置１２が一体的に接続された構成となっているが、両者が離れた構成でもよい。また、このような第１電動機フレーム３ａ及び第２電動機フレーム３ｂを総称して電動機フレーム３とする。

制御装置１２の内部には小部屋状に仕切られた内部に素子１０やその他の電子機器が設けられている。素子１０とベース板１８を介して対面側には放熱フィン１１が複数枚構成されている。また、制御装置１２内には通風路ファン１３が冷却風の流路上に一箇所あるいは、複数箇所に設けられている。

通風路ファン１３の形状としては軸流ファンやラジアルファンなど自由に設定できる。慣性力をもたらすための重量は通過風量や所望の回転持続時間などから決定する。

図１の構成の場合、制御装置１２から反駆動側の回転軸付近に設けられた電動機吸気口１５まで連絡通風路１４が第２電動機フレーム３ｂの側面に沿って構成されている。外扇ファン９の外周側には固定子ダクト８が外周に沿って複数個所に設けられており、外部まで貫通している。

図２の構成の場合、制御装置１２から電動機へは連絡孔１７が設けられている。内扇ファン１６の外周側付近の電動機フレーム３には排気用の穴が設けられており、外部と流通している。

図３の構成の場合、連絡通風路１４は設けられておらず、代わりに、外扇ファン９の外周付近で制御装置１２との間には図２の場合と同様に連絡孔１７が設けられている。それ以外の構成においては図１と同様である。

（作用）
上記のように構成された制御装置一体電動機の作用について説明する。

電動機の運転稼動時、電動機本体により回転軸１が回転されると、これと一体に外扇ファン９または内扇ファン１６が回転される。

図１の場合、外気（冷却風）が制御装置１２内に流入し、放熱フィン１１間を通過する。その後、冷却風は通風路ファン１３に当たりながら通過し、連絡通風路１４を介して、電動機内部へ流入する。その後、外扇ファン９から固定子ダクト８を通過し、外部へと排気される。

図２の場合、電動機内部までは図１と同様の流れであり、連絡孔１７を通過して電動機内部へ流入した風は回転子ダクト５を通過し、内扇ファン１６から外部へ排気される。

図３の場合、反負荷側回転軸１付近に設けられた電動機吸気口１５から外気（冷却風）が電動機内部へ流入する。内扇ファン９からの風は固定子ダクト８への流れと制御装置１２への流れに分流される。制御装置１２に流入した風は通風路ファン１３に当りながら通過し、放熱フィン１１間を通過し、外部へと排気される。

これらの冷却風の流れは、各制御装置１６の配置、放熱フィン１１の形状、吸気口形状を自由に設定しても、ほぼ同様の作用となる。

（効果）
外扇ファン９または内扇ファン１６の回転に伴う吸引力で外気（冷却風）を吸い込み、放熱フィン１１を通過する際に素子１０から発生した熱を奪う。また、通風路ファン１３は冷却風が当り続けることにより回転し、慣性力で冷却風が供給されなくなった後にも回転をしばらく維持し続け、冷却風を供給する。

つまり、制御装置１２は運転稼働中には回転軸とともに回転するファンにより冷却され、停止後には通風路ファン１３により冷却される。このようなシステムにより、電動機の回転が高速、低速ともに一定量以上の冷却風を制御装置１２に供給でき、素子１０を許容温度以下にすることができる。

以上述べた実施形態の電動機によれば、主電動機の回転軸に冷却用のファンを取り付けた構成により、低速域での冷却性能を向上させることが可能な制御装置一体電動機を提供することが可能となる。

（第２の実施形態）
（構成）
次に、この発明の第２の実施形態に係る制御装置一体電動機について説明する。

図４は、第２の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図である。図５は、第２の実施形態に係る全閉外扇形で排気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図である。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

第２の実施形態では、通風路ファン１３が電動機の外扇ファン９の近傍で、その半径が外扇ファン９よりも短い構成で設けられている。設置場所は電動機吸気口１５の正面がよく、通風路ファン１３の回転軸は電動機の回転軸１とは別に設ける。

第２の実施形態において、他の構成は第１の実施形態と同一である。

（作用）
上記のように構成された制御装置一体電動機の作用について説明する。

実施例１と同様に外扇ファン９の回転に伴う吸引作用で通風路ファン１３に当りながら通過し、外扇ファン９へ流れる。それ以外の作用については実施例１と同様である。

（効果）
通風路ファン１３を電動機側に内蔵することで、通風路ファン１３の直径を大きくとることができ、慣性力を増すことで回転持続時間を増すことができる。したがって、停止後においても制御装置１２の冷却時間が増し、冷却性能を向上することができる。また、電動機自体にも停止後に冷却風が流れ続けることから、電動機の冷却性能も合わせて向上できる。これ以外の効果については、実施例１と同様である。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の電動機によれば、主電動機の回転軸に冷却用のファンを取り付けた構成により、低速域での冷却性能を向上させることが可能な制御装置一体電動機を提供することが可能となる。

（第３の実施形態）
（構成）
図６、図７は、第３の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図である。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

第３の実施の形態では、制御装置１２の吸気口部分に電動ファン１８が設けられている。この電動ファン１８は電気で駆動し、回転数を制御できる構成となっている。また図では１箇所だけとなっているが、複数個並べても良い。

図６においては、これ以外の構成は図１と同様である。また、図７においては、これ以外の構成は図４と同様である。これらの構成以外でも、図２のような自己通風形や図３のような排気タイプに設置しても良い。

第３の実施形態において、他の構成は第１の実施形態と同一である。

（作用）
上記のように構成された制御装置一体電動機の作用について説明する。

制御装置１２に流入する際に、電動ファン１８を通過し、風量を増した風が
放熱フィン１１を通過し、通風路ファン１３へと流れる。これ以降の流れについては第１の実施の形態と同様である。

（効果）
電動ファン１８により、通風路ファン１３が停止している状態においても制御装置１２に冷却風を送風できる。また、電動ファン１８は回転数を制御することにより、運転稼動時の冷却風量が多いときには電源を切った状態とするなど、通過風量によって電気の供給量を制御することで消費電力を低減することができる。

電動ファン１８は制御装置の外部側に設けられていることにより、メンテナンスがしやすく、また故障の場合に交換が容易である。また、複数個設けることにより、１つが故障しても他の電動ファンにより、冷却風量がゼロになることがない。これ以外の効果については、実施例１と同様である
以上述べた少なくとも一つの実施形態の電動機によれば、主電動機の回転軸に冷却用のファンを取り付けた構成により、低速域での冷却性能を向上させることが可能な制御装置一体電動機を提供することが可能となる。

（第４の実施形態）
（構成）
図８、図９は、第４の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図である。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

第４の実施の形態では、制御装置１２内と電動機内の両方に通風路ファンが設けられている。実施例１と実施例２を組み合わせた様な構成となっている。

これ以外は第１の実施形態と同一の構成である。

（作用）
上記のように構成された制御装置一体電動機の作用について説明する。

図８の吸気タイプの構成では、外扇ファン９の回転に伴う吸引作用で、制御装置１２に流入した冷却風が放熱フィン間１１を通過し、通風路ファン１３ａに当たりながら通過し、その後連絡通風路１４を通過後、通風路ファン１３ｂに当たりながら通過し、外扇ファン９へと流れる。その後の流れは実施例１と同様の作用である。

また、図９の排気タイプの構成では、電動機吸気口１５から流入した冷却風が通風路ファン１３ｂへ当たりながら通過し、外扇ファン９へ流れる。その後、固定子ダクト８と連絡孔１７へ分流し、制御装置１２内では通風路ファン１３ａへ当たりながら通過し、放熱フィン１１間を通過し、外部に排気される。これ以外の流れは実施例１と同様の作用である。

（効果）
通風路ファン１３が制御装置１２と電動機内の２箇所に設けられていることにより、電動機停止後の冷却風量を増すことができる。また、どちらか一方が故障しても、もう一方で冷却でき、冗長性を向上することができる。

（第５の実施形態）
（構成）
図８、図９は、第４の実施形態に係る全閉外扇形で吸気タイプの制御装置一体電動機の縦断面図である。図中、第１の実施形態と同一の要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

第４の実施の形態では、制御装置１２内と電動機内の両方に通風路ファンが設けられており、さらに制御装置１２の吸気口部分に電動ファン１８が設けられている。実施例１〜実施例３までを組み合わせた形態となっている。

これ以外は第１の実施形態と同一の構成である。

（作用）
上記のように構成された制御装置一体電動機の作用について説明する。

制御装置１２の吸気口に電動ファン１８が設けられていることにより、通風路ファン１３ａ、１３ｂが停止した状態においても電動ファン１８の回転により、冷却風が制御装置１２内を通過する。これ以外の流れは実施例４と同様の作用である
（効果）
通風路ファン１３ａ、１３ｂが停止した状態においても電動ファン１８を駆動することにより、制御装置を冷却することができ、冷却性能を向上することができる。また、冷却用のファンが通風路ファンを含めて複数設置されていることにより、いずれかが故障した際にも他のファンで冷却をカバーすることができ、冗長性を向上することができる。

取り付け板１３が水平方向に設置され、ひとつの取り付け板にひとつの制御装置が設けられ、個別に支持されていることから、振動が伝播した際に、一方の取り付け板の振動が他方の取り付け板には影響しない。

また、冷却風の通風路が着脱フレーム１２内では放熱フィン１５間だけとなっていることから、放熱フィン１５には風量が多く、流れの速い冷却風が通過する。したがって、制御装置１６で発生した熱を効率よく放熱でき、冷却性能を高めることができる。

別の効果として、着脱フレーム１２の半径方向寸法を短縮することができ、軸方向には増えるが、着脱フレームとしての占有スペースを減少させることができる。

この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

この発明は、前述した制御装置一体電動機に限らず、自動車用電動機、家電用電動機、産業用電動機、発電機などの回転電動機にも適用可能である。

１…回転軸
２…軸受
３ 電動機フレーム
３ａ…第１電動機フレーム
３ｂ…第２電動機フレーム
４…固定子コイル
５…回転子ダクト
６…回転子鉄心
７…固定子鉄心
８…固定子ダクト
９…外扇ファン
１０…素子
１１…放熱フィン
１２…制御装置
１３…通風路ファン
１４…連絡通風路
１５…電動機吸気口
１６…内扇ファン
１７…連絡孔
１８…電動ファン
１９…ベース板

Claims (4)

1. 円筒状の第１電動機フレームと、
   前記第１電動機フレームに軸受を介して回転自在に支持されるとともに、前記第１電動機フレームの長手方向に中心部を貫通するように前記第１電動機フレームの外側に突出した端部を有する回転軸と、
   前記第１電動機フレーム内で前記回転軸の外周側に設けられた円筒状の回転子と、
   前記回転子の外周側に位置し、前記第１電動機フレームに設けられた固定子と、
   前記回転軸の軸受外側の端部に取り付けられる円盤状の電動機ファンと、
   前記第１電動機フレームの一部を覆うように、外周側に位置する第２電動機フレームと、
   前記第２電動機フレームの外側に隣接して設置される制御装置と、
   前記制御装置内でベース板に取り付けられた素子と
   前記制御装置内で前記素子が取り付けられた別のベース板の面に取り付けられた放熱フィンと、
   前記第２電動機フレームと前記制御装置を接続する連絡通風路と、
   前記通風路に設けられた通風路ファンと、
   を備えた制御装置一体電動機。
2. 円筒状の第１電動機フレームと、
   前記第１電動機フレームに軸受を介して回転自在に支持されるとともに、前記第１電動機フレームの長手方向に中心部を貫通するように前記第１電動機フレームの外側に突出した端部を有する回転軸と、
   前記第１電動機フレーム内で前記回転軸の外周側に設けられた円筒状の回転子と、
   前記回転子の外周側に位置し、前記第１電動機フレームに設けられた固定子と、
   前記回転軸の、前記第１電動機フレームと前記回転子との間に取り付けられる円盤上の電動機ファンと、
   前記第１電動機フレームの外側に隣接して設置される制御装置と、
   前記制御装置内でベース板に取り付けられた素子と
   前記制御装置内で前記素子が取り付けられた別のベース板の面に取り付けられた放熱フィンと、
   前記第１電動機フレームと前記制御装置を接続する連絡通風路と、
   前記通風路に設けられた通風路ファンと、
   を備えた制御装置一体電動機
3. 前記回転軸と回転中心の位置を同一とし、前記電動機ファンに対抗するように、前記通風路内に前記通風路ファンが設けられる請求項１乃至２のいずれか一項に記載の制御装置一体電動機。
4. 回転数を制御可能な電動ファンが前記制御装置の外気取り入れ口に設けられ請求項３に記載の制御装置一体電動機。

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