JP4817800B2

JP4817800B2 - 車両駆動用全閉形電動機

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Publication number: JP4817800B2
Application number: JP2005313265A
Authority: JP
Inventors: 信行八木; 茂智白石
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP2007124796A

Description

本発明は、車両駆動用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検討されている。

この車両駆動用全閉形電動機の構造を図１０にて説明する。円筒状で一端に側板を有したフレーム１の内周部に環状のステータ鉄心２が取付けてあり、このステータ鉄心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３が取付けられ、ステータコイル３の両端部はステータ鉄心２より張り出している。

フレーム１の一端側に軸受６を内蔵したベアリングブラケット４を取付け、他端側に軸受７を内蔵したベアリングハウジング５を取付け、この軸受６、７によってロータシャフト８を回転自在に指示してある。ロータシャフト８の中央部分に環状のロータ鉄心９を取付け、このロータ鉄心の外周側に設けた複数の溝の中にロータバー１０が取付けられてある。

フレーム１の外側面には多数の冷却フィン１ａ、１ｂが設けてあり、ベアリングブラケットの外側面にも多数の冷却フィン４ａが設けてある。フレーム１は、台車（図示せず）に固定支持され、ロータシャフト８の突出部８ａは、継手１１により駆動歯車側（図示せず）と直結してある。

この全閉形駆動電動機は、運転時にステータコイル３、及びロータバー１０が発熱し電動機は温度上昇する。電動機内で発熱した熱はフレーム１やベアリングブラケット４等の表面により外気に放出して電動機を冷却する。この冷却作用を促進させるため放熱フィン１ａ、１ｂ，４ａが設けてある。
特開平０９−４６９６０号公報

しかしながら、従来の全閉形駆動電動機では、外気が機内を流通しないので、機内が外気に混入する塵埃で汚損されることはなくなるが、次に述べる問題があり、実用化を図るうえで改善が望まれていた。

第１の問題は、冷却能力の低下による容量（出力）低下である。ステータコイル３とロータバー１０に発生する熱は、フレーム１やブラケット４より間接的に外気に放出して冷却することになり、冷却性が著しく低下する。そのため、運転時の電動機の温度上昇が規定値をオーバーすることになり、所定の出力を得ることが出来なくなる。

又温度上昇を規定値内に納めるためにはステータコイル３、ロータバー１０の大型化を図って発生する熱を小さく抑える必要が生じ、必然的に大型化する。電動機が大型化した場合は、台車内に装荷（収納）することが出来なくなる。

第２の問題は、軸受６及び軸受７の温度上昇が過大になることである。外気で機内のロータ冷却できないため、ロータの温度上昇が従来より増大し、この熱がロータシャフト８を介して、軸受に伝達し、軸受の温度を上昇させる。又、機内の空気も加熱されることから、この熱がベアリングブラケット４、ベアリングブラケット５に伝わり、同様に軸受の温度を上昇させる。

軸受６及び軸受７は、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によって潤滑している。グリースは温度が高くなると熱劣化が進み、潤滑性が低下するため交換が必要になる。

全閉形電動機として、機内の汚損を無くし、分解周期を長くするつもりでも軸受部の温度上昇が規定以上に大きくなった場合は、潤滑グリースの早期劣化が生じ、電動機の分解によるグリースの交換を行わなければならなくなり、分解周期を延ばすことは出来なくなる。

そこで、本発明は、外気を機内に流通させることなく、冷却性能を向上させて小型化軽量化と分解周期の延長が可能となる車両駆動用全閉形電動機を提供することを目的とする。

上記課題は、ステータフレームと、このステータフレームの内周面に設けられたステータ鉄心と、ロータシャフトと、このロータシャフトの中央部に取り付けられたロータ鉄心と、前記ロータシャフトの両端部を支持する第１および第２の軸受と、前記第１の軸受を内蔵し前記ステータフレームの一方の側面に取り付けられる第１のブラケットおよび前記第２の軸受を内蔵し前記ステータフレームの他方の側面に取り付けられる第２のブラケットとを有する車両駆動用全閉形電動機であって、前記ロータ鉄心の両側に、このロータ鉄心に対して鉄心押え板を介して接続されるとともに、前記ロータシャフトに取り付けられ、かつ前記第１のブラケットとの間に外気を導入する外気導入空間を形成し、機内側若しくは機外側壁面のいずれか一方の壁面又は両方の壁面に多数のフィン又は突起物を有する第１の放熱板、および前記第２のブラケットとの間に外気を導入する外気導入空間を形成し、機内側若しくは機外側壁面のいずれか一方の壁面又は両方の壁面に多数のフィン又は突起物を有する第２の放熱板と、前記第１および第２のブラケットに設けられ、前記第１および第２の放熱板それぞれとの間で形成された空間に外気を取り込むための複数の連通口とを備え、前記第１および第２の放熱板の壁面に設けたフィン又は突起物の形状は、前記第１および第２の放熱板の回転方向に沿って形成されたことによって達成することが出来る。

本発明によって、外気を機内に流通させることなく、冷却性能を向上させて小型化軽量化と分解周期の延長が可能となる車両駆動用全閉形電動機を提供することが出来る。

（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機について図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機の縦断図である。

本発明に基づく第１の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機は、ロータ鉄心９の両端側に放熱板１９及び放熱板２０を設け、この放熱板１９、２０の各々の外周部と固定子部材１３、１４との間に、円周状の微小間隙部を形成し、放熱板１９、２０の各々の外側の位置に配置してあるベアリングブラケット１５とベアリングブラケット１６に内臓された軸受６、７によってロータシャフト８を支持し、放熱板１９、２０と軸受支持部材１５、１６との間にロータシャフト８を中心とする環状の外気導入空間２１、２２を形成し、固定子部材１５、１６に設けた複数個の連通口１３ａ、１５ａ、１４ａ、１６ａによって各々の外気導入空間を機外空間と連通してある。

本実施の形態の車両駆動用全閉形電動機の運転により、機内に発生した熱は、フレーム１２の外周面および冷却フィン１２ａより機外空間（外気）に放出されると同時に、ロータより発生した熱は、鉄心押さえ板１７、１８を介して放熱板１９、２０に伝達した後、外気導入空間２１、２２に放出される。又、加熱された機内空間（内気）の熱も放熱板１９、２０を介して外気導入空間２１、２２に放出される。

外気導入空間２１、２２には、車両走行時の走行風が流入すると共に放熱板１９，２０の回転によって外気導入空間内の空気が、攪拌されるため、外気導入空間内の空気は常に外気と同様の温度となるため、放熱板からの機内の熱の放出作用は活発に行われる。

更に放熱板１９、２０の機内外の壁面にフィン１９ａ、１９ｂおよび２０ａ、２０ｂが多数設けてあるため、機内の熱の外気への授受は更に効果的に行われる。

このように電動機全体の冷却が従来の全閉形電動機に比べて大幅に向上するため、電動機の小形軽量化又は出力増大が可能になる。また、軸受６、７を支持しているベアリングブラケット１５およびベアリングハウジング１６と機内空間の間に、外気導入空間２１、２２を設けてあるため、内気の熱によりベアリングブラケット１５とベアリングハウジング１６が加熱されることはなくなると共に、フレーム１２から軸受６、７に伝達される熱も連通口１３ａ、１５ａ、１４ａ、１６ａを流通する外気によって冷却され抑制される。

そのため、軸受６、７およびその近傍の温度上昇は従来の全閉形電動機に比べて大幅に低減され、潤滑グリースの劣化を防ぐことができるので、グリースの寿命を長くすることが出来、電動機の分解周期を長くすることが出来る。

次に、本発明に基づく第１の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機の構成について図１を参照し、詳細に説明する。

本発明に基づく第１の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機において、フレーム１２の内周部には、環状のステータ鉄心２を固定している。ステータ鉄心２の内周側に設けた複数の溝内にステータコイル３を収納し、フレーム１２の駆動側端にブラケット１３を取付け、このブラケット１３に、軸受６を内蔵したベアリングブラケット１５を取付けてある。フレーム１２の他端部には、ブラケット１４を取付け、このブラケット１４に軸受７内蔵したベアリングハウジング１６を取付けてある。フレーム１２の外周面には多数の冷却フィン１２ａが設けてある。軸受６、７により、ロータシャフト８の両端部を支持し、ロータシャフト８の中央部にロータ鉄心９を取付け、ロータ鉄心９の両端に鉄心押さえ板１７、１８を取付けてある。ロータ鉄心８の外周側に複数の溝を設け、この中にロータバー１０を収納している。ロータの両側の鉄心押え板１７、１８の外側に密着して放熱板１９、２０が取付けられ、各々の放熱板の外周部と固定側のブラケット１３、１４の内周部の間は円周状の微小間隙で対抗したラビリンスを形成している。

駆動側の放熱板１９とベアリングブラケット１５とブラケット１３の間に、外気導入空間２１を形成し、この外気導入空間は複数個の連通口１３ａ、１５ａによって機外空間と連通してある。同様に、反駆動側の放熱板２０とベアリングハウジング１６とブラケット１４の間に外気導入空間２２を形成し、この外気導入空間は複数個の連通口１４ａ、１６ａにより機外空間と連通してある。

放熱板１９の機外側壁面に多数のフィン１９ａを設け、機内側の壁面に多数のフィン１９ｂを設けてある。

このフィン１９ａ、１９ｂは、放熱板の円周方向（回転方向）に連続して延びた形状に形成してある。同様に放熱板２０の機外側壁面に多数のフィン２０ａを設け、機内側壁面に多数のフィン２０ｂを設けてある。フィン２０ａ、２０ｂは、放熱板の円周方向（回転方向）に連続して延びた形状に形成してある。

このように構成された本発明に基づく第１の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機は、運転により機内に発生した熱はフレーム１２の表面と冷却フィン１２ａより外気に放出されると同時に、ロータの両側面に設けた放熱板１９、２０より外気導入空間２１、２２に放出される。

外気導入空間２１、２２には、車両の走行に伴い走行風が流通すし、更に放熱板の回転によって外気導入空間内の空気が攪拌されるため、常に外気が放熱板の表面を流通する。そのため、機内より放熱板に伝わった熱は、効率よく外気に放出され、冷却性能が向上する。

また、放熱板１９、２０の内外壁にはフィン１９ａ、１９ｂおよび２０ａ、２０ｂが多数設けてあるので、表面積が増大し、内気から外気への熱の授受が更に有効に行われ冷却性が向上する。尚、冷却フィン１９ａ、２０ａは、送風用のファンとは異なり、回転方向（周方向）に延びた形状としてあるので、回転時に風切り音の発生がなく、騒音の発生を防ぐことができる。

更に、ベアリングブラケット１５およびベアリングハウジング１６の機内側背面の外気導入空間２１、２２に冷たい外気が常に流通するので、ベアリングブラケット１５およびベアリングハウジング１６は冷却され、軸受及び軸受近傍の温度上昇は抑制される。また、ロータシャフトから軸受に伝わる熱も、放熱板１９、２０により途中で外気に放出されるので、軸受に熱が伝わりにくくなっている。

本発明に基づく第１の実施の形態の全閉形電動機は、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電動機の分解周期の延長を図ることが出来る。

（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の全閉形電動機について、図を参照し詳細に説明する。図２は、本発明に基づく第２の実施の形態の全閉形電動機の縦断図である。図３は、図２の部分断面図である。尚、図１に記載したものと同一の構造のものには、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第２の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機は、ロータ鉄心９に軸方向に貫通した複数個の通気穴９ａを設け、反駆動側の鉄心押え板２４にも通気穴２４ａを設け、駆動側の鉄心押え板２３にはラジアルダクト２３ａを設けていることを特徴のひとつとしている。

本実施の形態の全閉形電動機の運転時には、鉄心押え板２３の回転によるラジアルダクト２３ａのファン作用により内気が外周側に吹き上げられ、駆動側の機内空間の内気はロータ鉄心の外周とステータ鉄心の内周の間の空間２５を通って反駆動側機内空間に流通し、更にロータ鉄心の通気穴９ａを流通して、ラジアルダクト２３ａに戻る。

このように運転時に内気は、ロータ鉄心外周空間２５を経て機内を循環流通する。そのため、機内で最も温度上昇が大きくなるロータ鉄心外周部が有効に冷却されると同時に、機内全体が均一に冷却されるので、局部的な加熱（ローカルヒート）を防ぐことが出来、電動機全体としての冷却性が向上する。

本実施の形態の車両駆動用全閉形電動機においても、冷却フィン１９ａ、２０ａは、送風用のファンとは異なり、回転方向（周方向）に延びた形状としてあるので、回転時に風切り音の発生がなく、騒音の発生を防ぐことができる。

（第３の実施の形態）
本発明に基づく第３の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機について、図を参照し詳細に説明する。図４は、本発明に基づく第３の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機の縦断図である。尚、図１乃至図３に記載したものと同一の構造のものには、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第３の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機は、ロータ鉄心９に複数個の通気穴９ａを設け、ロータ鉄心にも通気穴１７ａ、１８ａを設ける。更に、放熱板１９、２０に通気穴１９ｃ、２０ｃを設け、各々の通気穴を連通することにより、駆動側外気導入空間２１と反駆動側の外気導入空間２２とを連通した構造としてある。

このように構成された車両駆動用全閉形電動機は、ロータ鉄心内を軸方向に貫通する複数個の通気穴９ａと鉄心押え板の通気穴１７ａ、１８ａを外気が流通することが出来るため、冷却性が向上し、特にロータの冷却性向上に有効となる。

次に、放熱板に設けたフィンの他の実施の形態について説明する。図５は、放熱板の他の実施の形態の構成図である。図６は、放熱板の他の実施の形態の構成図である。図７は、放熱板の他の実施の形態の構成図である。

図５に記載の放熱板は、放熱板２６の機外側のフィン２６ａと機内側のフィン２６ｂを円周方向（回転方向）に複数個配列し、更に断続的に配置したものである。

このように構成された放熱板は、内気又は外気に接する表面積が大きくなるが、回転時の風切り騒音を小さくすることが出来る。また、フィン２６が断続的に配置されているので、回転時の空気の攪拌作用が連続的なフィンに比べ、わずかに増大し放熱効果が向上する。

次に放熱板の他の実施の形態について説明する。図６は、本発明に基づく車両駆動用全閉形電動機に設けられた放熱板の構成図である。図７は、本発明に基づく車両駆動用全閉形電動機に設けられた放熱板の構成図である。

図６に記載の放熱板２７は、機内外壁面にピン状の突起２７ａ、２７ｂを多数設けてある。そのため、表面積の増大による放熱性能の向上と、回転時の騒音発生防止を図ることができる。

図７に記載の放熱板２８は、その壁面に放射状に多数のリブ２８ａ、２８ｂを設けてある。そのため、表面積の増大による放熱性能の向上と、回転時の騒音発生防止を図ることができる。

（第４の実施の形態）
本発明に基づく第４の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機について、図を参照し詳細に説明する。図８は、本発明に基づく第４の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機の縦断図である。図９は、図８の部分断面図である。尚、図１乃至図７に記載したものと同一の構造のものには、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第４の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機において、放熱板２０とベアリングブラケット１６の間に外気導入空間２２が形成されている。ロータシャフト８は、軸受７により支持され、軸受の機内側に隣接してカラー２９がシャフト８に固定してある。カラー２９の機内側の側面および外周面は外気導入空間２２に接しており、カラー２９の側面にはフィン２９ａが多数放射状に設けてある。

このように構成された車両駆動用全閉形電動機の運転時にロータに発生した熱は、ロータシャフト８に伝わって、軸受７を加熱しようとするが、軸受の機内側に固定されたカラー２９がロータシャフト８の熱を外気導入空間に放出し、軸受側に伝熱する熱を低減するため、軸受７の温度上昇は一層低減される。

このように構成された車両駆動用全閉形電動機は、カラー２９に設けた多数のフィン２９ａにより、外気導入空間２２に接するカラー２９の表面積を増大させるとともに、回転時にフィン２９ａによって空気の攪拌を促進し、カラー２９から外気導入空間の放熱作用を向上させるので軸受の温度低減効果は向上する。

以上、本発明に基づく第１乃至第４の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機については誘導電動機として説明を行ったが、本発明に基づく車両駆動用全閉形電動機は、誘導電動機に限定されるものではなく、たとえばロータに永久磁石を用いた同期電動機やその他の方式の電動機においても適用可能である。

また、第１乃至第４の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機については、放熱板と外気導入空間を駆動側、反駆動側の両方に構成しているものとして説明を行ったが、放熱板、外気導入空間をいずれか一方にのみ構成することでも、本発明の効果を奏することができるので特に両方に設けるということに限定しない、
本発明に基づく車両駆動用全閉形電動機は、固定子フレームの表面からの放熱のほかに、ロータの側面に設けた放熱板によって外気に積極的に放熱を行うことができるため、冷却性能が向上し、電動機の小形軽量化又は容量の増大を図ることができる。また、軸受支持をするベアリングブラケット（又はハウジング）の機内側に外気導入空間を形成し、この空間に外気を流通させることが出来るため、軸受及び軸受支持部を冷却し軸受部の温度上昇を低減することが出来る。更に、ロータシャフトから軸受に伝達される熱は、放熱板やカラーによって外気導入空間に放出されるため、軸受の温度上昇を更に低減することが出来る。

軸受の温度上昇を更に低減することにより、潤滑グリースの劣化を防ぐことが出来、分解周期の延長が可能となる。

また、放熱板の冷却性を向上させるフィンを多数設けてあるが、このフィンの形状を回転時の風切り音が小さい形状としてあるので、騒音の発生を防ぎ、低騒音化を図ることが出来る。

本発明に基づく第１の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機の縦断図である。本発明に基づく第２の実施の形態の全閉形電動機の縦断図である。図３は、図２の部分断面図である。本発明に基づく第３の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機の縦断図である。放熱板の他の実施の形態の構成図である。放熱板の他の実施の形態の構成図である。放熱板の他の実施の形態の構成図である。本発明に基づく第４の実施の形態の車両駆動用全閉形電動機の縦断図である。図８の部分断面図である。従来の車両駆動用全閉形電動機の縦断図である。

符号の説明

１フレーム
１ａ冷却フィン
２ステータ鉄心
３ステータコイル
４ベアリングブラケット
４ａ冷却フィン
５ベアリングハウジング
６軸受
７軸受
８ロータシャフト
９ロータ鉄心
１０ロータバー
１１継手
１２フレーム
１２ａ冷却フィン
１３ブラケット
１３ａ連通口
１４ブラケット
１４ａ連通口
１５ベアリングブラケット
１５ａ連通口
１６ベアリングハウジング
１６ａ連通口
１７鉄心押え板
１８鉄心押え板
１９放熱板
１９ａフィン
１９ｂフィン
２０放熱板
２０ａフィン
２０ｂフィン
２１外気導入空間
２２外気導入空間
２３鉄心押え板
２３ａラジアルダクト
２４鉄心押え板
２４ａ通気穴
２５ロータ鉄心外周空間
２６放熱板
２６ａフィン
２６ｂフィン
２７放熱板
２７ａ突起
２７ｂ突起
２８放熱板
２８ａリブ
２８ｂリブ
２９カラー
２９ａフィン

Claims

ステータフレームと、このステータフレームの内周面に設けられたステータ鉄心と、ロータシャフトと、このロータシャフトの中央部に取り付けられたロータ鉄心と、前記ロータシャフトの両端部を支持する第１および第２の軸受と、前記第１の軸受を内蔵し前記ステータフレームの一方の側面に取り付けられる第１のブラケットおよび前記第２の軸受を内蔵し前記ステータフレームの他方の側面に取り付けられる第２のブラケットとを有する車両駆動用全閉形電動機であって、
前記ロータ鉄心の両側に、このロータ鉄心に対して鉄心押え板を介して接続されるとともに、前記ロータシャフトに取り付けられ、かつ前記第１のブラケットとの間に外気を導入する外気導入空間を形成し、機内側若しくは機外側壁面のいずれか一方の壁面又は両方の壁面に多数のフィン又は突起物を有する第１の放熱板、および前記第２のブラケットとの間に外気を導入する外気導入空間を形成し、機内側若しくは機外側壁面のいずれか一方の壁面又は両方の壁面に多数のフィン又は突起物を有する第２の放熱板と、
前記第１および第２のブラケットに設けられ、前記第１および第２の放熱板それぞれとの間で形成された空間に外気を取り込むための複数の連通口とを備え、
前記第１および第２の放熱板の壁面に設けたフィン又は突起物の形状は、前記第１および第２の放熱板の回転方向に沿って形成されたことを特徴とする車両駆動用全閉形電動機。
前記請求項１記載の車両駆動用全閉形電動機において、
前記ロータ鉄心及び前記第１および第２の放熱板に軸方向に貫通する通気穴を複数個設け、この通気穴によって駆動側と反駆動側両方の前記外気導入空間を連通させたことを特徴とする車両駆動用全閉形電動機。
前記請求項１記載の車両駆動用全閉形電動機において、
前記第１の軸受および第２の軸受の一方の機内側に隣接するとともに前記第１および第２の放熱板の一方と空間を隔てて対向して前記ロータシャフト上に固定されたカラーを設け、このカラーの一方側面は前記外気導入空間内に露出し、さらに前記カラーの露出面に多数のフィンを設けたことを特徴とする車両駆動用全閉形電動機。