JP2020048273A - 車両用主電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンの風量が増大しても通風路を流れる冷却空気の速度低下を防止することで通風路の温度境界層を薄くすることでステータの冷却効率を高めることができる車両用主電動機を提供する。【解決手段】ハウジング２と、ハウジングのハウジング周壁２ａに固定されているステータ３と、ステータの内部に配置されロータ５と、回転軸４の一端側に固定された冷却ファン６と、カバー７と、カバー周壁７ｂおよびハウジング周壁の間に周方向に所定間隔をあけて形成された複数の通風路１４と、を備えている。冷却ファンが複数の通風路の入側開口部１４ａに冷却空気を送り込み、通風路の出側開口部１４ｂから冷却空気が放出されることでステータを冷却するようにしている。通風路に、カバー周壁の内周面からハウジング周壁の外周面に向けて突出し冷却空気の速度を増大させる流速制御突起部１５を設けている。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両を駆動する車両用主電動機に関する。

鉄道車両では、車体の床下に配置された台車に車輪を駆動する主電動機が取り付けられている。
例えば特許文献１に記載の車両用主電動機は、円筒形状のハウジングと、ハウジングの内壁に固定されているステータコイルを埋設したステータ（特許文献１ではステータ鉄心）と、ステータの内部に配置され、回転軸に同軸に固定されているロータ（ロータ鉄心）と、ステータの外周側の周方向に所定間隔をあけて軸方向に形成された複数の通風路と、回転軸に同軸に固定されてステータの一端側に配置されている複数の羽根を有する冷却ファンと、を備えている。
車両用主電動機の駆動時には、ステータコイルが発熱するので、ステータコイルを埋設しているステータが発熱部となる。そこで、回転軸とともに回転する冷却ファンがステータの一端側で開口している複数の通風路の入側開口部に冷却空気を供給し、入側開口部から他端側の出側開口部まで冷却空気を流すことで、ステータを冷却するようにしている。

特開２０１０−２２０４１７号公報

ところで、冷却ファンは回転軸に固定されているので、モータの回転数（すなわちロータの回転数）が増大すると通風路に供給する冷却空気の風量が増加する。通風路への冷却空気の風量が増大すると、通風路の入側開口部における冷却空気の流体損失の増加、出側開口部における冷却空気の旋回流れなどが発生する。よって、通風路を流れる冷却空気の風量、速度の増加割合はモータの回転数の増加割合に比べて小さくなる。
通風路を流れる冷却空気の速度が必要量得られないと、通風路においてステータの表面に形成される温度境界層が厚くなってしまい、温度境界層の熱が冷却空気の主流に移動しにくくなるので、ステータの冷却効率が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、通風路を流れる冷却空気の速度を増大し、通風路の温度境界層を薄くすることでステータの冷却効率を高めることができる車両用主電動機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る車両用主電動機は、円筒形状のハウジングと、ハウジングのハウジング周壁に固定されているステータコイルを埋設したステータと、ステータの内部に配置され、回転軸に固定されたロータと、回転軸の一端側に固定された冷却ファンと、冷却ファンおよびハウジングを外側から覆うカバーと、カバーのカバー周壁の内周面およびハウジングの前記ハウジング周壁の外周面の間に周方向に所定間隔をあけて形成され、回転軸の軸方向に沿って延在している複数の通風路と、を備えている。そして、冷却ファンが複数の通風路の入側開口部に冷却空気を送り込み、通風路の出側開口部から冷却空気が放出されることでステータを冷却する。ここで、通風路の一部に、カバー周壁の内周面からハウジング周壁の外周面に向けて突出し、冷却空気が衝突することでハウジング周壁の外周面（ステータの表面）に向かう冷却空気の流れを作り出すとともに、この冷却空気の速度を増大させる流速制御突起部を設けている。

本発明に係る車両用主電動機によれば、冷却ファンの風量が増大しても通風路内でハウジング周壁の外周面に向かう冷却空気の流れを作り出すとともに、この冷却空気の速度を増大することができる。これにより、通風路の温度境界層が薄くなり、ステータの冷却効率を高めることができる。

車両用主電動機を示す軸方向半断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 車両用主電動機の通風路に設けられている第１実施形態の流速制御突起部を示す図である。 車両用主電動機の通風路に設けられている第２〜第４実施形態の流速制御突起部を示す図である。 車両用主電動機の通風路に設けられている第５〜第８実施形態の流速制御突起部を示す図である。 車両用主電動機の通風路に設けられている第９〜第１２実施形態の流速制御突起部を示す図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１から第１２実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す第１から第１２実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
なお、以下の説明で記載されている「上」、「下」、「左」、「右」等の方向を示す用語は、添付図面の方向を参照して用いられている。

［第１実施形態の車両用主電動機］
図１に示すものは、本発明の第１実施形態に係る車両用主電動機１であり、鉄道車両の台車に取付けられて車輪を駆動する。
この車両用主電動機１は、金属材料で形成した円筒形状のハウジング２と、ハウジング２のハウジング周壁２ａの内周面に固定されているステータ３と、ステータ３の内側に配置されて回転軸４に同軸に固定されているロータ５と、ハウジング２のハウジング側壁２ｂ側に配置され、回転軸４の左側軸端に固定した冷却ファン６と、冷却ファン６、ハウジング周壁２ａおよびハウジング側壁２ｂを覆って配置した金属材料で形成されたカバー７と、を備えている。
冷却ファン６は、ハウジング２のハウジング側壁２ｂに設けた開口部２ｃの内側に配置されている。すなわち、冷却ファン６は、カバー７とハウジング２で形成される通風路１４の上流側（冷却空気の流れの風上側）に配置されている。そして、通風路１４の上流側に位置するハウジング２の側壁がハウジング側壁２ｂである。また、ロータ５は、環状の磁性鋼板が軸方向に沿って複数枚積層されることで筒状に形成されている。

ステータ３は、図２に示すように、ステータコア８およびステータコイル９を備えている。ステータコア８は、環状の磁性鋼板が軸方向に複数枚積層されることで、軸方向に沿うように延びる筒状に形成されている。ステータコア８の内周部分には、径方向の内側に向かって突出する複数のティース１０が周方向に間隔をあけて形成されている。ティース間にはスロット１１が形成され、スロット１１にステータコイル９が巻回されている。
冷却ファン６は、図１に示すように、一端が回転軸４に固定されて他端が放射状に延在している複数の羽根支持部６ａと、羽根支持部６ａの他端に設けられている羽根６ｂと、を備えている。

カバー７は、図１に示すように、ハウジング２のハウジング側壁２ｂの外側に配置されて冷却ファン６を収納するファン収納空間１２を形成しているカバー側壁７ａと、カバー側壁７ａの外縁から連続してハウジング周壁２ａの外側に配置したカバー周壁７ｂと、を備えている。カバー側壁７ａには、ファン収納空間１２に外部から冷却空気を取り入れる空気取り入れ孔７ｃが形成されている。
図２に示すように、ハウジング周壁２ａの外側には周方向に所定間隔をあけて複数のフィン１３が形成されている。これら複数のフィン１３の先端がカバー周壁７ｂの内周面に当接することで、隣接する一対のフィン１３の間に複数の通風路１４が形成されている。

通風路１４は、図１に示すように、回転軸４の軸線Ｐに沿って延在し、ファン収納空間１２側で開口している部位が入側開口部１４ａであり、カバー７の右側の端部で外気に開口している部位が出側開口部１４ｂである。
ここで、図１に示すように、各々の通風路１４には、カバー周壁７ｂの内周面からハウジング周壁２ａの外周面に向けて突出し、通風路１４の上流側（入側開口部１４ａ側）から下流側（冷却空気の流れの風下側）（出側開口部１４ｂ）に流れる冷却空気の流速を制御する流速制御突起部１５が形成されている。

流速制御突起部１５は、図１に示すように、カバー周壁７ｂに一体成形されて内周面から突出している部位であり、ステータ３の軸方向の略中間位置の通風路１４において突出して形成されている。
この流速制御突起部１５は、図３に示すように、通風路１４の上流側を向く面が、カバー周壁７ｂからハウジング周壁２ａに向うに従い下流側に傾斜する傾斜面１５ａとして形成され、通風路１４の下流側を向く面は、回転軸４の軸線Ｐに直交する方向に沿う平面１５ｂとして形成されている。
そして、流速制御突起部１５の先端部とハウジング周壁２ａの外周面との間の距離は、周方向において等距離の寸法ａに設定されている（図２参照）。

次に、第１実施形態の車両用主電動機１の動作について説明する。
車両用主電動機１の駆動時には、ステータコイル９が発熱するので、ステータコイル９が埋設されているステータ３が発熱部となる。ステータ３は、入側開口部１４ａから出側開口部１４ｂに向かって流れる冷却空気によって冷却されるので、ステータ３の温度は、入側開口部１４ａから出側開口部１４ｂに向かって徐々に高くなる。すなわち、ステータ３の温度は、出側開口部１４ｂ側が最も高くなる。
車両用主電動機１の冷却ファン６は、回転軸４から回転力が伝達されて羽根６ｂが回転することで、空気取り入れ孔７ｃから冷却空気をファン収納空間に冷却空気を取り込み、複数の通風路１４の入側開口部１４ａに冷却空気を送り出す。

複数の通風路１４の入側開口部１４ａに流れた冷却空気は、図１の破線で示すように、出側開口部１４ｂに向けて流れていき、ステータ３の熱を奪って出側開口部１４ｂから外気に放出されることで、ステータ３を冷却する。

第１実施形態では、各々の通風路１４に流速制御突起部１５を設けることで、図３に示すように、通風路１４を流れる冷却空気を流速制御突起部１５の傾斜面１５ａに衝突させる。

カバー周壁７ｂからハウジング周壁２ａに向うに従い下流側に傾斜する傾斜面１５ａに衝突して下流側に流れていくことで速度が増大していく（図３で示す速度が増大する冷却空気の領域）。
このように、流速制御突起部１５に衝突した冷却空気の速度が増大していくと、通風路１４の流速制御突起部１５より下流側におけるハウジング周壁２ａの外周面に形成される温度境界層が薄くなるので、通風路１４を流れる冷却空気が熱を外気に放出しやすくなる。
また、ステータ３は、軸方向の略中間位置から下流側の温度が高くなる。したがって、流速制御突起部１５が配置されているステータ３の軸方向の略中間位置に流速制御突起部１５を配置することにより、ステータ３の温度を効率よく低下することが可能となる。

第１実施形態によると、複数の通風路１４のステータ３の軸方向の略中間位置に、カバー周壁７ｂからハウジング周壁２ａに向うに従い下流側に傾斜する傾斜面１５ａを有する流速制御突起部１５が設けられている。通風路１４を流れる冷却空気は傾斜面１５ａに衝突してハウジング周壁２ａの外周面に向かうとともに速度を増大させて通風路１４の温度境界層を薄くし、通風路１４を流れる冷却空気が熱を外気に放出しやすくするので、ステータ３の冷却効率を向上させることができる。
また、流速制御突起部１５は、カバー周壁７ｂに一体成形されて内周面から突出している部位であり、カバー７を鋳造により形成する場合には簡単に形成することができるので、製造コストの低減化を図ることができる。

［流速制御突起部の他の実施形態］
次に、図４（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態の流速制御突起部１５に対して形状が異なる第２〜第４実施形態の流速制御突起部を示すものである。なお、図１から図３で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付して説明は省略する。
図４（ａ）で示す第２実施形態の流速制御突起部１６は、鋳造などでカバー周壁７ｂに一体成形されて内周面から突出している部位であり、通風路１４が延在する方向に沿う断面が略半円形状に形成されている。
各々の通風路１４に第２実施形態の流速制御突起部１６を設けることで、通風路１４を流れる冷却空気は、流速制御突起部１６の曲面１６ａに衝突することで速度が増大していく。このように、流速制御突起部１６の曲面１６ａに衝突した冷却空気の速度が増大していくと、通風路１４の流速制御突起部１６より下流側におけるハウジング周壁２ａの外周面に形成される温度境界層が薄くなるので、通風路１４を流れる冷却空気が熱を外気に放出しやすくなり、ステータ３の冷却効率を向上させることができる。

また、図４（ｂ）で示す第３実施形態の流速制御突起部１７は、鋳造などでカバー周壁７ｂに一体成形されて内周面から突出している部位であり、通風路１４が延在する方向に沿う断面が略三角形状に形成されている。
各々の通風路１４に第３実施形態の流速制御突起部１７を設けることで、通風路１４を流れる冷却空気は、流速制御突起部１７の上流側を向く傾斜面１７ａに衝突することで速度が増大していく。このように、流速制御突起部１７の傾斜面１７ａに衝突した冷却空気の速度が増大していくと、通風路１４の流速制御突起部１７より下流側におけるハウジング周壁２ａの外周面に形成される温度境界層が薄くなるので、通風路１４を流れる冷却空気が熱を外気に放出しやすくなり、ステータ３の冷却効率を向上させることができる。

また、図４（ｃ）で示す第４実施形態の流速制御突起部１８は、鋳造などでカバー周壁７ｂに一体成形されて内周面から突出している部位であり、通風路１４が延在する方向に沿う断面が略半玉子形状に形成されている。
各々の通風路１４に第４実施形態の流速制御突起部１８を設けることで、通風路１４を流れる冷却空気は、流速制御突起部１８の上流側を向く曲率半径が大きな曲面１８ａに衝突することで速度が増大していく。このように、流速制御突起部１７の傾斜面１７ａに衝突した冷却空気の速度が増大していくと、通風路１４の流速制御突起部１７より下流側におけるハウジング周壁２ａの外周面に形成される温度境界層が薄くなるので、通風路１４を流れる冷却空気が熱を外気に放出しやすくなり、ステータ３の冷却効率を向上させることができる。

次に、図５（ａ）〜（ｄ）は、第１実施形態のカバー周壁７ｂに一体成形した流速制御突起部１５に対して異なる形状の流速制御突起部を示すものである。
図５（ａ）に示す第５実施形態の流速制御突起部１５Ａは、カバー周壁７ｂの外周面に対してプレス加工を行うことで、第１実施形態の同様の通風路１４の上流側を向く面が、カバー周壁７ｂからハウジング周壁２ａに向うに従い下流側に傾斜する傾斜面１５ａと、回転軸４の軸線Ｐに直交する方向に沿う平面１５ｂとを備えている。
図５（ｂ）に示す第６実施形態の流速制御突起部１６Ａは、カバー周壁７ｂの外周面に対して略半円形状プレス加工を行うことで、第２実施形態と同様の曲面１６ａを備えている。

また、図５（ｃ）に示す第７実施形態の流速制御突起部１７Ａは、カバー周壁７ｂの外周面に対して三角形状のプレス加工を行うことで、第３実施形態と同様の上流側を向く傾斜面１７ａを備えている。
さらに、図５（ｄ）に示す第８実施形態の流速制御突起部１８Ａは、カバー周壁７ｂの外周面に対して略半玉子形状のプレス加工を行うことで、第４実施形態と同様の上流側を向く曲率半径が大きな曲面１８ａを備えている。
これら第５〜第８実施形態の流速制御突起部１５Ａ〜１８Ａを備えることで、第１実施形態〜第４実施形態と同様の効果を備えることができるとともに、プレス加工によって流速制御突起部１５Ａ〜１８Ａを形成することができるので、カバー７の製造コストの低減化を促進することができる。

さらに、図６（ａ）〜（ｄ）は、第１実施形態のカバー周壁７ｂに別体の流速制御突起部を設けた実施形態を示す。
図６（ａ）に示す第９実施形態の流速制御突起部１５Ｂは、第１実施形態の流速制御突起部１５の外観と同一形状であり、カバー周壁７ｂの外周面にろう付けなどの接着手段で固定したものである。この流速制御突起部１５Ｂも、通風路１４の上流側を向く面が、カバー周壁７ｂからハウジング周壁２ａに向うに従い下流側に傾斜する傾斜面１５ａと、回転軸４の軸線Ｐに直交する方向に沿う平面１５ｂとを備えている。
図６（ｂ）に示す第１０実施形態の流速制御突起部１６Ｂも、第２実施形態の流速制御突起部１６と同一形状であり、カバー周壁７ｂの外周面にろう付けなどの接着手段で固定したものである。この流速制御突起部１６Ｂも曲面１６ａを備えている。

また、図６（ｃ）に示す第１１実施形態の流速制御突起部１７Ｂも、第３実施形態の流速制御突起部１７と同一形状であり、カバー周壁７ｂの外周面にろう付けなどの接着手段で固定したものである。この流速制御突起部１７Ｂも上流側を向く傾斜面１７ａを備えている。
さらに、図６（ｄ）に示す第１２実施形態の流速制御突起部１８Ｂも、第４実施形態の流速制御突起部１８と同一形状であり、カバー周壁７ｂの外周面にろう付けなどの接着手段で固定したものである。この流速制御突起部１７Ｂも上流側を向く曲率半径が大きな曲面１８ａを備えている。
これら第９〜第１２実施形態の流速制御突起部１５Ｂ〜１８Ｂを備えることで、第１実施形態〜第４実施形態と同様の効果を備えることができるとともに、流速制御突起部１５Ｂ〜１８Ｂをカバー周壁７ｂの外周面にろう付けなどの接着手段で固定したことで、カバー７に対する加工作業が低減できるので、製造コストの低減化を促進することができる。

１ 車両用主電動機
２ ハウジング
２ａ ハウジング周壁
２ｂ ハウジング側壁
２ｃ 開口部
３ ステータ
４ 回転軸
５ ロータ
６ 冷却ファン
６ａ 羽根支持部
６ｂ 羽根
７ カバー
７ａ カバー側壁
７ｂ カバー周壁
７ｃ 空気取り入れ孔
８ ステータコア
９ ステータコイル
１０ ティース
１１ スロット
１２ファン収納空間
１３ フィン
１４ 通風路
１４ａ 入側開口部
１４ｂ 出側開口部
１５〜１８、１５Ａ〜１８Ａ、１５Ｂ〜１８Ｂ 流速制御突起部
１５ａ 傾斜面
１５ｂ 平面
１６ａ 曲面
１７ａ 傾斜面
１８ａ 曲面

Claims (8)

1. 円筒形状のハウジングと、
   前記ハウジングのハウジング周壁に固定されているステータコイルを埋設したステータと、
   前記ステータの内部に配置され、回転軸に固定されたロータと、
   前記回転軸の一端側に固定された冷却ファンと、
   前記冷却ファンおよび前記ハウジングを外側から覆うカバーと、
   前記カバーのカバー周壁の内周面および前記ハウジングの前記ハウジング周壁の外周面の間に周方向に所定間隔をあけて形成され、前記回転軸の軸方向に沿って延在している複数の通風路と、を備え、
   前記冷却ファンが前記複数の通風路の入側開口部に冷却空気を送り込み、当該通風路の出側開口部から前記冷却空気が放出されることで前記ステータを冷却するとともに、
   前記通風路の一部に、前記カバー周壁の内周面から前記ハウジング周壁の外周面に向けて突出し、前記冷却空気が衝突することで前記冷却空気の速度を増大させる流速制御突起部を設けたことを特徴とする車両用主電動機。
2. 前記流速制御突起部の前記入側開口部を向く面は、前記カバー周壁から前記ハウジング周壁に向うに従い、前記出側開口部側に傾斜する傾斜面として形成されていることを特徴とする請求項１記載の車両用主電動機。
3. 前記流速制御突起部の前記入側開口部を向く面は、平面であることを特徴とする請求項２記載の車両用主電動機。
4. 前記流速制御突起部の前記入側開口部を向く面は、前記ハウジング周壁側に膨出する曲面であることを特徴とする請求項２記載の車両用主電動機。
5. 前記流速制御突起部は、前記ステータの軸方向の略中間位置に軸方向が一致するように前記通風路に設けられていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の車両用主電動機。
6. 前記カバーは、前記カバー周壁および前記流速制御突起部を鋳造により一体成形したことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の車両用主電動機。
7. 前記カバーは、前記カバー周壁のプレス加工を行うことで前記流速制御突起部を形成したことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の車両用主電動機。
8. 前記カバーは、前記カバー周壁の内周面に前記流速制御突起部を接着手段で接合したことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の車両用主電動機。

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