JP4939905B2 - 車両用駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータによって駆動される電動機本体と前記インバータを制御する制御装置が一体もしくは近接して配置された車両用駆動装置に関する。

現状の車両用駆動装置では、特に鉄道車両用の駆動装置では、主電動機は台車内に、制御装置は車両の床下にそれぞれ配置されているが、これらを一体もしくは近接させて台車内に設置すると、様々なメリットが生まれる。

第１のメリットとして、従来の主電動機と制御装置はケーブルで接続されているが、両者が近接して配置されると配線距離が短くなり、または配線が不要となることからコスト低減される。さらに、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。

第２のメリットとして、永久磁石同期電動機が省エネルギーの観点から将来主電動機として使用されるようになったとき主電動機と制御装置が１：１で個別対応するようになるが、その際に制御装置を小型にすることができ、主電動機と制御装置を含めたトータルコストが低減できる。

第３のメリットとして、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階建て車両など有効に利用できる。他にも様々なメリットがある。

このように主電動機と制御装置を一体化すると様々なメリットが生まれるが、両者を寸法制約の多い台車内に収めるには小型化が必要である。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。

主電動機は、機内を冷却する方式として開放形と自己通風形がある。開放形では、外気を取り入れるブロアを主電動機とは別の場所に設けて、強制的に機内を通風させている。自己通風形では、機内に回転軸と接続されたファンを備えており、運転稼動時のファンの吸引力を利用して機内に通風させている。

しかし、これらの冷却方式では、機内と機外が通じており、機内に塵埃が進入するため、定期的なメンテナンス（分解清掃）が必要である。そこで、近年では、主電動機本体を密閉形にして機内への塵埃の侵入を防ぎ、回転軸と接続されたファンの回転よって主電動機本体の外周表面に送風する、全閉ファン形主電動機が開発されている。

制御装置のインバータ等の発熱体の冷却方式としては、放熱フィンとヒートパイプを組み合わせたものが一般的である。この冷却方式では、発熱体で発生した熱がヒートパイプ等で外気に触れる場所まで輸送され、広い面積の放熱フィンに伝導し、そこから外気に熱伝達することで冷却されている。この放熱フィンが制御装置体積の６割程度を占有していることから、制御装置を台車内に収めるには、小形化が重要な課題である。

このような電動機と制御装置が一体になった車両用駆動装置としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。この文献では電動機の上部に制御装置が設けられており、冷却液が電動機と制御装置の両方を通過する構成となっている。電動機内では冷却液がステータ外周部や軸受近傍を通過する。
特開平８−３３６２６１号公報

上述した従来の車両用駆動装置においては、次のような解決すべき課題が存在する。
外部のポンプ等によって輸送される冷却液は、まず電動機のステータ部に設けられたダクトを通過し、つぎに制御装置へと流通する。その後、再び電動機のステータ部を経由して外部のポンプへと還流する。このような冷却液の経路であると、電動機のステータ部を通過する際に、先に冷却液が熱を奪うので、制御装置に冷却液が到達したときには、すでに冷却液温度が上昇している可能性があり、制御装置を効率よく冷却できない。また、制御装置から再び電動機に還流する冷却液は、すでに温度が上昇していると考えられるので、冷却性能が低下している。

次の課題として、循環流の場合には温められた冷却液を放熱するための放熱器が必要である。電動機と制御装置の両者で発生した熱が放熱器に輸送されるため、十分な冷却性能を得るためには、大きな放熱器や強制空冷用のファン等が必要である。

また別の課題として、複雑な分岐・合流を繰り返す冷却経路や、長い経路を設けていることから、流路での圧力損失が大きいと考えられる。強制的にポンプ等で冷却液を送り込むと、接続部などで液漏れを起こしてしまう可能性が高くなる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、簡単な構造によって電動機本体とインバータ素子と制御装置を十分に冷却することのできる車両用駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、内周にステータ鉄心を取り付けた筒状のステータフレームの端部に設けられた軸受によって支持され前記ステータ鉄心の内周で回転するロータ鉄心を担持する回転軸の前記ステータフレームから突出した一端に冷却ファンを取り付けてなる電動機本体と、弾性を有する取付部材によって前記冷却ファンを覆って前記ステータフレームに取り付けられ前記ステータフレームの外周に冷却風を導くファンカバーと、前記ファンカバーに取り付けられた複数のインバータ素子と、前記ステータフレームに弾性支持体を介して取り付けられた制御装置とを備えた車両用駆動装置において、前記取付部材および前記弾性支持体はワイヤーロープ式であることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構造によって電動機本体とインバータ素子と制御装置を十分に冷却することのできる車両用駆動装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
（構成）
図１は本発明の第１の実施の形態の車両用駆動装置の構成を示す縦断面図であり、図２は図１のII−II線に沿う断面図であり、図３（ａ），（ｂ）は図１に示した車両用駆動装置の取付位置を避けた中央部および右端部の軸方向断面図である。

これらの図に示すように、ロータ鉄心４は、回転軸１の軸方向中央部付近の外周に、円筒状に形成されている。ロータ鉄心４は、ロータ鉄心押さえ６により、軸方向両側面から挟まれるように支持されている。ロータ鉄心４とロータ鉄心押さえ６には、両者を軸方向に貫通するロータダクト５が円形状に複数個形成されている。ロータ鉄心４の外周部にはエアギャップ（空隙）を介して、積層鉄心で形成された円筒状のステータ鉄心８が設けられている。

ステータ鉄心８の内周部には、複数の溝が軸方向に形成されており、この溝にステータコイル７が埋め込まれている。ステータコイル７のコイルエンドはステータ鉄心８の両側面から軸方向に張り出している。ステータ鉄心８の外周には、円筒状のステータフレーム１０が備えられており、その端部にはハウジング３が設けられている。ハウジング３と回転軸１との間には軸受２が装着されている。

回転軸１とハウジング３とは、軸受２により、回転自在に支持されている。回転軸１の一端部には冷却ファン１２が設けられている。この冷却ファン１２は回転軸１の両回転に対応できるように、ラジアル形状の羽が半径方向に複数個取り付けられている。冷却ファン１２を覆うようにファンカバー２２が設置されている。

ファンカバー２２の内側に複数のインバータ素子１６を分布して取り付け、ファンカバー２２を電動機本体２１に取付部材１１によって弾性支持するとともに、電動機本体２１に制御装置２３を弾性支持体１７にて取り付けた構成とする。

インバータ素子１６は基本的には、電動機本体２１を軸方向から見てファンカバー２２の円周方向にほぼ等分割に分布配置するが、ファンカバー２２の電動機本体２１への取付位置を避けて、あるいは台車枠２５に取り付けるための取手１５ａ，１５ｂおよび制御装置２３を避けて配置するようにしてもよい。

以上のように構成された本実施の形態の車両用駆動装置は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、取手１５ａ，１５ｂによって台車枠２５に取り付けられ、レール２８上を転動する車輪２７を駆動する。

（作用）
上記のように構成された本実施の形態の車両用駆動装置の作用について説明する。
電動機本体２１の運転時に、回転軸１の回転を利用した冷却ファン１２の回転にともないファン風導入口１３から吸入された風は、遠心力によって冷却ファン１２から半径方向に冷却風が吹き出す。吹き出した冷却風はファンカバー２２に沿って流れ排気される。冷却ファン１２の羽根はラジアル形状になっているため、電動機の正逆回転ともに、左右反転した同様の流れとなる。

ファンカバー２２にインバータ素子１６を分配して取り付けてあるため、冷却風がインバータ素子１６に直接にあたり、放熱される。また、インバータ素子１６の発熱はファンカバー２２への熱伝導によって冷却される。インバータ素子１６は、例えば電圧３３００Ｖを３個配置するより、１２００Ｖを１２個配置した方が、熱源が分散され放熱作用が大きい。次にファン風は電動機本体２１の外周面の長手方向に流れて制御装置２３を冷却する。

また本実施の形態においては、ファンカバー２２を電動機本体２１に弾性支持するとともに、電動機本体２１に制御装置２３を弾性支持体１７で取り付けてあるので、インバータ素子１６および制御装置２３を車輪２７とレール２８および電動機本体２１の振動から絶縁することができる。

（効果）
上記の作用により、インバータ素子１６で発生した熱は、冷却ファン１２から吹き出した冷却風で熱伝達率が向上するとともに、ファンカバー２２への熱伝導により効率よく冷却することができる。
また、複数のインバータ素子１６が分散配置されているため、インバータ素子１６からの単体の発熱は小さくなり、表面積が大きくなるため効率よく冷却できる。

さらにファンカバー２２を電動機本体２１に弾性支持するとともに、制御装置２３を電動機本体２１に弾性支持体１７で取り付けてあるので、インバータ素子１６と制御装置２３を車輪２７とレール２８および電動機本体２１の振動から効果的に保護することができる。

（第２の実施の形態）
図４は本発明の第２の実施の形態の車両用駆動装置の構成を示す縦断面図であり、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。各図中、図１〜図３と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態においては、インバータ素子１６がファンカバー２２の外周部に取り付けられている。インバータ素子１６はほこりよけ、雨雪水対策が施してある。それ以外の構成は第１の実施の形態と同じである。

このように構成された本実施の形態の車両用駆動装置においては、冷却ファン１２から吹き出した冷却風は、ファンカバー２２によって電動機本体２１の外周を流れて電動機本体２１を冷却する。インバータ素子１６には車両走行風が直接あたるため、冷却作用が向上する。また、インバータ素子１６で発生した熱はファンカバー２２へ伝導され、この熱は前記冷却風によって冷却される。その他の作用は第１の実施の形態と同様である。

このようにして本実施の形態によれば、インバータ素子１６に車両走行風が直接にあたるため効率よく冷却することができる。ファンカバー２２も冷却されることから、熱伝導でインバータ素子１６の冷却効果が向上する。

（第３の実施の形態）
図６（ａ），（ｂ）は本発明の第３の実施の形態に係る車両用駆動装置の構成を示す縦断面図であり、図７（ａ），（ｂ）は図６（ａ），（ｂ）のVIIa−VIIa線あるいはVIIb−VIIb線に沿う断面図である。各図中、図１〜図５と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。図示のように本実施の形態の車両用駆動装置は、ファンカバー２２の端面に放射状に、また周面に軸方向に複数の放熱フィン１４を設けた構成である。その他の構成は第２の実施の形態と同じである。

本実施の形態の車両用駆動装置は、ファンカバー２２に放熱フィン１４を設けることによりラジエータとしての放熱面積が大きくなり、インバータ素子１６の冷却性能を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
図８（ａ），（ｂ）は本発明の第４の実施の形態に係る車両用駆動装置の構成を示す軸方向断面図である。図中、図７と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態は、ファンカバー２２を電動機本体２１へ弾性支持する取付部材をワイヤーロープ式の取付部材１８とする。取付部材１８は、図９に示すように、らせん状に巻いたワイヤーロープ１９と、これを固定する接続はり２０から成っている。ワイヤーロープ１９が金属性ワイヤーの場合は、絶縁を施して電気的短絡を防ぐ。

弾性支持は一般にバネや防振ゴムで支持する構造が採用されている。取付部材１８はワイヤーロープ式とすることによって、ワイヤーロープの素線同士の摩擦による振動減衰作用が得られる。また、耐久性が防振ゴムに比較して向上する。さらに電動機の回転によって発生する高周波数１０００Ｈｚ以上の振動にも防振できる。上記の作用により、本実施の形態によればインバータ素子１６の高周波耐振性と耐久性が得られる。

（第５の実施の形態）
図１０は本発明の第５の実施の形態に係る車両用駆動装置の構成を示す軸方向断面図である。図示のように電動機本体２１へ制御装置２３の取り付けをワイヤーロープ式の取付部材１８により、その取付角度を斜め４５度とする。

このように構成された本実施の形態の車両用駆動装置においては、ワイヤーロープ１９の素線同士の摩擦とワイヤーロープ１９の円形たわみと左右方向のたわみが防振作用する。そのため、制御装置２３が効果的に防振される。

本発明の第１の実施の形態の車両用駆動装置の縦断面図。 図１のII−II線に沿う断面図。 本発明の第１の実施の形態の車両用駆動装置の台車枠への取付状態を示し、（ａ）は中央部断面図、（ｂ）は端部断面図。 本発明の第２の実施の形態の車両用駆動装置の縦断面図。 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図。 本発明の第３の実施の形態の車両用駆動装置の縦断面図。 図６のVIIa−VIIa線またはVIIb−VIIb線に沿う断面図。 本発明の第４の実施の形態の車両用駆動装置の断面図。 本発明の第４の実施の形態の車両用駆動装置に備えられる取付部材を示す斜視図。 本発明の第５の実施の形態の車両用駆動装置の台車枠への取付状態を示す断面図。

符号の説明

１…回転軸、２…軸受、３…ハウジング、４…ロータ鉄心、５…ロータダクト、６…ロータ鉄心押さえ、７…ステータコイル、８…ステータ鉄心、１０…ステータフレーム、１１…取付部材、１２…冷却ファン、１３…ファン風導入口、１４…放熱フィン、１５ａ，１５ｂ…取手、１６…インバータ素子、１７…弾性支持体、１８…ワイヤーロープ式取付部材、１９…ワイヤーロープ、２０…接続はり、２１…電動機本体、２２…ファンカバー、２３…制御装置、２５…台車枠、２６…車軸、２７…車輪、２８…レール。

Claims (4)

1. 内周にステータ鉄心を取り付けた筒状のステータフレームの端部に設けられた軸受によって支持され前記ステータ鉄心の内周で回転するロータ鉄心を担持する回転軸の前記ステータフレームから突出した一端に冷却ファンを取り付けてなる電動機本体と、弾性を有する取付部材によって前記冷却ファンを覆って前記ステータフレームに取り付けられ前記ステータフレームの外周に冷却風を導くファンカバーと、前記ファンカバーに取り付けられた複数のインバータ素子と、前記ステータフレームに弾性支持体を介して取り付けられた制御装置とを備えた車両用駆動装置において、
   前記取付部材および前記弾性支持体はワイヤーロープ式であることを特徴とする車両用駆動装置。
2. 前記取付部材および前記弾性支持体は金属製ワイヤーロープ式であることを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
3. 前記取付部材および前記弾性支持体は非金属製ワイヤーロープ式であることを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
4. 前記制御装置を前記ワイヤーロープ式の取付部材を介して斜めほぼ４５度の取付角度で前記ステータフレームへ取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。

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