(57)【要約】【課題】電動機効率の低下を抑制することができる電動機の固定子および鉄道車両用電動機を提供することである。【解決手段】実施形態の電動機の固定子は、固定子鉄心と、固定子鉄心押えと、ケーシングと、を持つ。固定子鉄心は、コイルが巻回されている。固定子鉄心押えは、固定子鉄心の軸方向両側に非磁性領域を介して配置される。ケーシングは、固定子鉄心押えを介して固定子鉄心を支持する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルが巻回されている固定子鉄心と、
前記固定子鉄心の軸方向両側に非磁性領域を介して配置される固定子鉄心押えと、
前記固定子鉄心押えを介して前記固定子鉄心を支持するケーシングと、
を備えた電動機の固定子。
【請求項２】
前記非磁性領域に、非磁性体を配置した請求項１に記載の電動機の固定子。
【請求項３】
前記非磁性体は、前記固定子鉄心の前記軸方向の端面のうち、外周部に当接するように円環状に形成されたものであり、
前記固定子鉄心の軸方向両側に配置された前記非磁性体同士を、複数の連結部材により連結した請求項２に記載の電動機の固定子。
【請求項４】
前記固定子鉄心押えの前記固定子鉄心側の面に複数の凹部を形成し、該凹部が形成されている領域を前記非磁性領域とした請求項１に記載の電動機の固定子。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の電動機の固定子と、
前記固定子に対して回転自在に設けられた回転子と、
を備え、
鉄道車両の床下に、前記固定子および前記回転子を配置した鉄道車両用電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電動機の固定子および鉄道車両用電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の中には、コイルが巻回された略円筒状の固定子鉄心と、固定子鉄心の径方向中央に配置され、この固定子鉄心に対して回転自在に設けられた回転子と、を備えたものがある。固定子鉄心は、複数の電磁鋼板を積層して構成する場合が多い。このように構成することで、固定子鉄心に生じる渦電流を抑制できる。
【０００３】
また、電動機には、固定子鉄心の軸方向両側に固定子鉄心押えが設けられている。これら固定子鉄心押えによって複数の電磁鋼板を挟み込むことにより、複数の電磁鋼板が分離してしまうことを防止できる。このような固定子鉄心押えは、剛性の観点から鉄等の金属が用いられることが一般的である。
このように構成された電動機を、例えば鉄道車両等の被固定部材に固定する場合には、ケーシングにより、固定子鉄心押えを介して固定子鉄心が支持される。そして、被固定部材にケーシングを固定する。
【０００４】
ところで、固定子鉄心押えは固定子鉄心に密着するので、固定子鉄心押えに、固定子鉄心に生じる磁束が漏出されてしまう。固定子鉄心押えは、剛性の観点から電磁鋼板と比較して厚肉に形成されているので、固定子鉄心押え内の磁束の変化により渦電流が発生し、電動機効率が低下してしまう可能性があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２５８９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、電動機効率の低下を抑制することができる電動機の固定子および鉄道車両用電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の電動機の固定子は、固定子鉄心と、固定子鉄心押えと、ケーシングと、を持つ。固定子鉄心は、コイルが巻回されている。固定子鉄心押えは、固定子鉄心の軸方向両側に非磁性領域を介して配置される。ケーシングは、固定子鉄心押えを介して固定子鉄心を支持する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の鉄道車両を示す概略構成図。
【図２】第１の実施形態の鉄道車両用電動機を示す断面図。
【図３】第２の実施形態の鉄道車両用電動機を示す断面図。
【図４】第２の実施形態の非磁性リングを示す斜視図。
【図５】第３の実施形態の鉄道車両用電動機を示す断面図。
【図６】第３の実施形態の固定子鉄心押えを示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の電動機の固定子および鉄道車両用電動機を、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、鉄道車両用電動機４が搭載された鉄道車両１の概略構成図である。
同図に示すように、鉄道車両１は、車体２と、この車体２の床下に台車３を介して設置された鉄道車両用電動機（以下、単に電動機という）４と、を備えている。
【００１１】
車体２には、不図示の車両用電力変換装置が、例えば車体２の床下に取り付けられている。そして、この車両用電力変換装置が、架線５からパンタグラフ６を介して供給された直流電力、または不図示の電力供給源から供給された直流電力を交流電力に変換する。これにより、電動機４や、車体２の各電気装備品（空調機等、不図示）に交流電力が供給される。
台車３は、例えば空気ばね等の緩衝装置７を介して車体２の床下に取り付けられている。そして、この台車３に左右の車輪８が軸支されると共に、車輪８の近傍に電動機４が設けられている。
【００１２】
（第１の実施形態）
図２は、電動機４の中心軸線Ｃ１に沿った断面図であり、この中心軸線Ｃ１を中心にして片側半分だけ示している。
同図に示すように、電動機４はいわゆる誘導電動機であって、固定子１１と、固定子１１に対して回転自在に設けられた回転子１２と、これら固定子１１および回転子１２を支持するケーシング３０と、を備えている。そして、電動機４は、中心軸線Ｃ１が水平方向に延び、且つ鉄道車両の走行方向に直交する方向に延びるように配置されている。
なお、以下の説明では、中心軸線Ｃ１方向を単に軸方向、中心軸線Ｃ１回りに回転する方向を周方向、軸方向および周方向に直交する方向を径方向と称する。
【００１３】
固定子１１は、略円筒状の固定子鉄心１３を有している。固定子鉄心１３は、複数の電磁鋼板１４を軸方向に沿って積層したものである。電磁鋼板１４は、例えば、鉄にケイ素を添加することによって製造される薄板の鋼板である。
また、固定子鉄心１３の内周面側には、中心軸線Ｃ１に向かって突出する複数の固定子ティース１５が形成されている。各固定子ティース１５は、周方向に沿って等間隔に配置されている。
【００１４】
また、周方向に隣接する固定子ティース１５間に、それぞれ固定子スロット１９が形成される。そして、各固定子スロット１９を介して各固定子ティース１５に、固定子コイル１６が巻回される。固定子コイル１６は、固定子鉄心１３の軸方向両端から軸方向外側に向かってオーバーハングするように設けられている。このような固定子コイル１６には、架線５からパンタグラフ６を介して供給された直流電力、または不図示の電力供給源から供給された直流電力が、交流電力に変換されて供給される。
【００１５】
また、固定子鉄心１３の軸方向両端には、略円環状の非磁性リング１７が設けられ、さらに、これら非磁性リング１７の上に固定子鉄心押え１８が設けられている。
非磁性リング１７は、固定子鉄心１３の外周部に当接するように、その外径が固定子鉄心１３の外径よりもやや大きくなる程度に設定されている。また、非磁性リング１７の内径は、この非磁性リング１７と固定子コイル１６とが接触しない程度の大きさに設定されている。
【００１６】
さらに、非磁性リング１７は非磁性体で形成されていればよく、例えば、剛性を確保する観点からステンレス等を用いることが好ましい。また、非磁性リング１７の肉厚は、電磁鋼板１４の肉厚よりも十分大きく設定されていると共に、固定子鉄心１３と固定子鉄心押え１８との絶縁距離を十分確保できる程度に設定されている。
【００１７】
一方、固定子鉄心押え１８は、鉄等の金属により、略円環状に形成されたものであって、その外径は、非磁性リング１７の外径よりも大きく設定されている。また、固定子鉄心押え１８の内径は、非磁性リング１７の内径とほぼ同一に設定されており、固定子鉄心押え１８と固定子コイル１６とが接触しないようになっている。
このように構成された固定子鉄心押え１８は、積層された電磁鋼板１４（固定子鉄心１３）が分離しないように保持するためのものである。このため、固定子鉄心押え１８の肉厚は、電磁鋼板１４の肉厚よりも十分肉厚に設定されている。例えば、電磁鋼板１４の肉厚が０．５ｍｍ程度に設定されているのに対し、固定子鉄心押え１８の肉厚は、１０ｍｍ程度に設定されている。
これら固定子鉄心１３、非磁性リング１７、および固定子鉄心押え１８は、溶接等により一体化されている。
【００１８】
一方、回転子１２は、中心軸線Ｃ１を中心に回転可能な回転軸２１を有している。回転軸２１の固定子１１に対応する位置には、略円柱状の回転子鉄心２２が外嵌固定されている。回転子鉄心２２も複数の電磁鋼板２３を軸方向に沿って積層して形成される。そして、回転子鉄心２２の径方向中央に、回転軸２１を挿入または圧入可能な貫通孔２４が軸方向全体に渡って貫通形成されており、回転軸２１と回転子鉄心２２とが一体となって回転する。なお、回転子鉄心２２に回転軸２１を挿入する場合、接着剤等を用いて回転子鉄心２２と回転軸２１とを一体化させる。
【００１９】
また、回転子鉄心２２の外周部には、軸方向に貫通する複数の回転子スロット２５が周方向に等間隔に形成されている。各回転子スロット２５には、棒状の回転子バー２６が挿入されている。回転子バー２６は、銅やアルミ等の導電体で、且つ非磁性体により形成される。回転子バー２６の軸方向両端には、それぞれ略円環状の短絡環２７が設けられている。これら短絡環２７によって、複数の回転子バー２６が連結されている。
【００２０】
さらに、回転子鉄心２２の軸方向両端には、略円板状の回転子鉄心押え２８が設けられている。回転子鉄心押え２８も鉄等の金属により形成されており、径方向中央に、回転軸２１を挿入または圧入可能な貫通孔２８ａが形成されている。
このように構成された回転子鉄心押え２８は、積層された電磁鋼板２３（回転子鉄心２２）が分離しないように、且つ回転軸２１に対して軸方向にずれないように保持するためのものである。このため、回転子鉄心押え２８の肉厚も剛性が確保できるように十分な肉厚に設定されている。
【００２１】
固定子１１および回転子１２を支持するケーシング３０は、固定子１１の軸方向両側に配置された略有底筒状の一対の鏡蓋３１，３２と、対応する鏡蓋３１，３２に一体化された一対のベアリングブラケット３３，３４と、により構成されている。
各鏡蓋３１，３２は、それぞれ開口部３１ａ，３２ａを固定子鉄心１３側に向けた状態で配置されている。また、各鏡蓋３１，３２の開口縁には、それぞれ外フランジ部３５，３６が形成されている。
【００２２】
これら外フランジ部３５，３６の外径は、固定子鉄心押え１８の外径とほぼ同一になるように設定されている。これにより、固定子鉄心押え１８と各鏡蓋３１，３２の外フランジ部３５，３６とが軸方向で重なり合う。そして、固定子鉄心押え１８と各鏡蓋３１，３２の外フランジ部３５，３６とが、不図示のボルト・ナットにより締結固定される。これにより、鏡蓋３１，３２に固定子１１が支持される。
【００２３】
各鏡蓋３１，３２の底部３１ｂ，３２ｂには、それぞれ径方向中央に開口部３１ｃ，３２ｃが形成されている。これら開口部３１ｃ，３２ｃを閉塞するように、対応するベアリングブラケット３３，３４が設けられている。各ベアリングブラケット３３，３４は、それぞれ対応する鏡蓋３１，３２と一体化されている。
各ベアリングブラケット３３，３４は、それぞれ略円錐台状に形成されており、突出方向が固定子１１側を向くように配置されている。各ベアリングブラケット３３，３４の径方向中央には、回転軸２１を挿通可能な挿通孔３３ａ，３４ａが軸方向に沿って貫通形成されている。
【００２４】
また、各ベアリングブラケット３３，３４の径方向中央には、軸方向外側にそれぞれ軸受収納部３３ｂ，３４ｂが凹設されている。これら軸受収納部３３ｂ，３４ｂに、それぞれ軸受３７，３８が設けられている。これら軸受３７，３８を介し、各ベアリングブラケット３３，３４に回転軸２１が回転自在に支持されている。そして、車体２の床下の台車３に、ケーシング３０が固定されている。
【００２５】
このような構成のもと、固定子コイル１６に通電すると、固定子鉄心１３に磁束が形成される。この磁束は、固定子ティース１５を介して回転子鉄心２２を通る。すると、回転子バー２６および短絡環２７に誘導電流が生じ、この誘導電流と固定子鉄心１３に形成された磁束との相互作用によって回転子１２が回転する。
【００２６】
ここで、固定子鉄心１３は、軸方向両端に設けられた非磁性リング１７を介して配置された固定子鉄心押え１８と一体化されており、さらに、これら固定子鉄心押え１８を介してケーシング３０により支持されている。このため、固定子鉄心１３に形成された磁束が、固定子鉄心押え１８に漏出してしまうのが極力抑制される。換言すれば、固定子鉄心１３に形成された磁束は、非磁性リング１７（非磁性領域）により遮断され、固定子鉄心押え１８に誘起される渦電流が低減される。このため、この渦電流に起因するモータ損失を低減でき、駆動効率の優れた電動機４を提供できる。
【００２７】
また、固定子鉄心１３と固定子鉄心押え１８との間の絶縁を図る（非磁性領域を確保する）ために、非磁性リング１７を設けているので、固定子鉄心１３と固定子鉄心押え１８との間を確実に絶縁できる。また、非磁性リング１７の寸法管理を行うことにより、電動機４の軸方向の全長の寸法管理も容易に行うことが可能になる。
【００２８】
なお、上述の第１の実施形態では、固定子鉄心１３と固定子鉄心押え１８との間の絶縁を図る（非磁性領域を確保する）ために、略円環状の非磁性リング１７を設けた場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、固定子鉄心１３と固定子鉄心押え１８との間に所定の間隔が形成されるようにすればよい。つまり、非磁性リング１７の形状は、円環状に限られるものではない。また、例えば、非磁性リング１７に代わって複数のスペーサを固定子鉄心１３の外周部に沿って配置し、固定子鉄心１３と固定子鉄心押え１８とによってスペーサを挟持するように構成してもよい。
【００２９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図３は、第２の実施形態における電動機２０４の中心軸線Ｃ１に沿った断面図であって、前述の図２に対応している。なお、第１の実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明を省略する（以下の実施形態についても同様）。
【００３０】
図３に示すように、電動機２０４の基本的構成は、以下の点で前述の第１の実施形態における電動機４の基本的構成と同様である。
すなわち、電動機２０４はいわゆる誘導電動機であって、固定子１１と、固定子１１に対して回転自在に設けられた回転子１２と、これら固定子１１および回転子１２を支持するケーシング３０と、を備えている。そして、電動機２０４は、中心軸線Ｃ１が水平方向に延び、且つ鉄道車両の走行方向に直交する方向に延びるように配置されている。固定子１１は、略円筒状の固定子鉄心１３を有している。固定子鉄心１３の軸方向両端には、略円環状の非磁性リング２１７が設けられ、さらに、これら非磁性リング１７の上に固定子鉄心押え１８が設けられている。そして、これらの基本的構成が、第１の実施形態の電動機４と第２の実施形態の電動機２０４とで同様である。
【００３１】
ここで、前述の第１の実施形態と本第２の実施形態との相違点は、第１の実施形態の非磁性リング１７と第２の実施形態の非磁性リング２１７とが異なる点にある。これについて、以下に詳述する。
【００３２】
図４は、非磁性リング２１７の斜視図である。
同図に示すように、一対の非磁性リング２１７は、径方向外側に向かって僅かに膨出形成された膨出部４１を４つ有している。膨出部４１は、周方向に等間隔で配置されており、固定子鉄心１３の外周面から径方向外側に向かって突出している。また、各膨出部４１には、それぞれ周方向に長く、且つ僅かに湾曲された長円形状に開口部４１ａが形成されている。
【００３３】
一対の非磁性リング２１７は、それぞれ軸方向からみて膨出部４１が重なるように配置されている。そして、これら一対の非磁性リング２１７の間には、それぞれの膨出部４１に跨るように、４つの連結プレート４２が設けられている。これら連結プレート４２は、非磁性リング２１７に、例えば溶接等により接合されている。これにより、一対の非磁性リング２１７が一体化されている。
連結プレート４２は、非磁性体により形成されていればよいが、特に非磁性リング２１７と同様の材料により形成されていることが好ましい。連結プレート４２と非磁性リング２１７との接合（例えば、溶接）が容易にできるからである。
【００３４】
また、連結プレート４２は、断面コの字状に形成されており、底面４２ａと底面４２ａの周方向両側から立ち上がり形成された２つの側面４２ｂとにより構成されている。そして、連結プレート４２は、開口側が径方向内側を向くように配置されている。
連結プレート４２の底面４２ａは、膨出部４１の外周縁とほぼ面一になるように配置されている。一方、連結プレート４２の側面４２ｂは、先端が固定子鉄心１３の外周面に当接しており、この固定子鉄心１３の外周面に溶接等により接合されている。このように構成することで、連結プレート４２と固定子鉄心１３との接触面積を極力減らしている。
【００３５】
したがって、上述の第２の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と同様の効果に加え、固定子鉄心１３と非磁性リング２１７とを、連結プレート４２によってユニット化できる。このため、固定子鉄心１３を、固定子鉄心押え１８を介してケーシング３０に組み付ける作業を容易化できる。また、連結プレート４２によって、非磁性リング２１７による固定子鉄心１３の保持強度を高めることができるので、電磁鋼板１４が分離してしまうことを確実に防止できる。
【００３６】
なお、上述の第２の実施形態では、連結プレート４２が断面コの字状に形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、一対の非磁性リング２１７を連結できるように構成されていればよい。例えば、連結プレート４２を丸棒で構成してもよい。
【００３７】
また、連結プレート４２に代わって円筒状の部材を固定子鉄心１３に外嵌固定させてもよい。この場合、固定子鉄心１３に焼嵌め等によって円筒状の部材を外嵌固定させる。さらに、円筒状の部材を用いる場合、この円筒状の部材の軸方向の長さを固定子鉄心１３の軸方向の長さよりも長く設定することにより、円筒状の部材を利用して固定子鉄心１３と固定子鉄心押え１８との間に間隔（非磁性領域）を形成することも可能になる。この場合、非磁性リング２１７を省くことも可能になる。
【００３８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図５は、第３の実施形態における電動機３０４の中心軸線Ｃ１に沿った断面図であって、前述の図２に対応している。
【００３９】
図５に示すように、電動機３０４の基本的構成は、以下の点で前述の第１の実施形態における電動機４の基本的構成と同様である。
すなわち、電動機３０４はいわゆる誘導電動機であって、固定子１１と、固定子１１に対して回転自在に設けられた回転子１２と、これら固定子１１および回転子１２を支持するケーシング３０と、を備えている。そして、電動機２０４は、中心軸線Ｃ１が水平方向に延び、且つ鉄道車両の走行方向に直交する方向に延びるように配置されている。固定子１１は、略円筒状の固定子鉄心１３を有している。そして、これらの基本的構成が、第１の実施形態の電動機４と第３の実施形態の電動機３０４とで同様である。
【００４０】
ここで、第３の実施形態における電動機３０４には、第１の実施形態のように非磁性リング１７が設けられておらず、これに代わって固定子鉄心押え３１８に非磁性領域が設けられている。この点、前述の第１の実施形態と相違する点である。これについて、以下に詳述する。
【００４１】
図６は、固定子鉄心押え３１８を固定子鉄心１３側からみた平面図である。
同図に示すように、固定子鉄心押え３１８の固定子鉄心１３側の一面（固定子鉄心１３との合わせ面）３１８ａには、固定子鉄心１３の軸方向端面に接触する領域に、複数（例えば、本第３の実施形態では８つ）の凹部５１が形成されている。各凹部５１は、略扇状に形成されており、周方向に所定の間隔をあけて配置されている。このため、各凹部５１の間に、リブ５２が形成された形になる。これらリブ５２の先端が、固定子鉄心１３の軸方向端面に当接している。
【００４２】
このように、上述の第３の実施形態では、固定子鉄心１３は、凹部５１（リブ５２）を介して固定子鉄心押え３１８によって保持された形になっている。凹部５１を形成することにより、固定子鉄心１３と固定子鉄心押え３１８との接触面積が減少される。すなわち、凹部５１は、固定子鉄心１３に形成された磁束が固定子鉄心押え３１８に漏出してしまうことを抑制する非磁性領域として機能する。このため、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００４３】
なお、上述の第３の実施形態では、固定子鉄心押え３１８の一面３１８ａに、略扇状の凹部５１を８つ形成した場合について説明した。しかしながら、凹部５１の形状は略扇状に限られるものではなく、凹部５１の個数も８つに限られるものではない。つまり、凹部５１を形成することにより、固定子鉄心１３と固定子鉄心押え３１８との接触面積が減少すればよい。
例えば、凹部５１（リブ５２）の個数は、固定子鉄心押え３１８によって固定子鉄心１３を保持可能な強度が確保できる範囲で設定すればよい。また、凹部５１の形状を丸状とし、固定子鉄心押え３１８の一面３１８ａのうち、固定子鉄心１３に接触する領域に複数配置してもよい。
【００４４】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、固定子鉄心１３と固定子鉄心押え１８，３１８との間に、非磁性領域（非磁性リング１７，２１７）を設け、この非磁性領域（非磁性リング１７，２１７）を介し、固定子鉄心押え１８，３１８により固定子鉄心１３を保持しているので、固定子鉄心１３に形成された磁束が、固定子鉄心押え１８，３１８に漏出してしまうのを極力抑制できる。換言すれば、固定子鉄心１３に形成された磁束は、非磁性領域（非磁性リング１７，２１７）により遮断される。このため、固定子鉄心押え１８，３１８に誘起される渦電流が低減される。
よって、この渦電流に起因するモータ損失を低減でき、駆動効率の優れた電動機４，２０４，３０４を提供できる。
【００４５】
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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００４６】
１…鉄道車両、２…車体、４，２０４，３０４…鉄道車両用電動機、１１…固定子（電動機の固定子）、１２…回転子、１３…固定子鉄心、１６…固定子コイル（コイル）、１７，２１７…非磁性リング（非磁性体）、２８…回転子鉄心押え、４２…連結プレート（連結部材）
【図１】
2018007344.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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