(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性を高く保ちつつ、小型化した回転電機を提供する。【解決手段】固定子を固定する内側フレーム７０と、内側フレームを囲むように配置され、内側フレームを固定する外側フレーム７１と、内側フレームの外側の面に固定され、外側フレームと一体となる冷却フレームと、内側フレームと外側フレームとの間に液体冷媒を封入し、かつ、冷却フレームの内部と連通する領域とを有する。冷却フレームは、冷却フレームの内側の面に固定された冷却器７３を収容し、かつ、固定子鉄心を軸方向に挟みこむように配置された2つの仕切り壁２０とを収容する。冷却フレームの内部は、領域の液体冷媒が熱により、沸騰・気化して生成された気体を冷却器へ導く通路となる第一空間と、気体が冷却器により凝縮・液化して液体に戻された液体冷媒を領域に導いて戻す通路となる第二空間とに、仕切り壁によって仕切られている。【選択図】図２
2019024275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心に形成された固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子と間隔を設けて配置され、回転可能に保持される回転子と、
前記固定子を固定する内側フレームと、
前記内側フレームを囲むように配置され、前記内側フレームを固定する外側フレームと、
前記内側フレームの外側の面に固定され、前記外側フレームと一体となる冷却フレームと、
前記内側フレームと前記外側フレームとの間に液体冷媒を封入し、かつ、前記冷却フレームの内部と連通する領域と、
前記冷却フレームは、前記冷却フレームの内側の面に固定された冷却器を収容し、かつ、前記固定子鉄心を軸方向に挟みこむように配置された2つの仕切り壁とを収容し、
前記冷却フレームの内部は、前記領域の前記液体冷媒が熱により、沸騰・気化して生成された期待を前記冷却器へ導く通路となる第一空間と、前記気体が前記冷却器により凝縮・液化して液体に戻された液体冷媒を前記領域に導いて戻す通路となる第二空間とに、前記仕切り壁によって仕切られている回転電機。
【請求項２】
請求項１において、前記冷却器の重力下側の面が傾斜している回転電機。
【請求項３】
請求項１において、前記冷却器の外側の面にフィンを設けた回転電機。
【請求項４】
請求項１において、前記冷却器の内側にフィンを設けた回転電機。
【請求項５】
請求項１において、前記内側フレームの外側の面にフィンを設けた回転電機。
【請求項６】
請求項１において、
前記冷却フレームの内部の前記液体冷媒が前記回転電機内部の熱により沸騰・気化して生成された気体を前記冷却器へ導く通路となる第１の空間部分と、前記気体が前記冷却器により凝縮・液化して液体に戻された液体冷媒を前記領域に導いて戻す通路となる第２の空間部分との間に逆止弁を設けた回転電機。
【請求項７】
請求項１において、前記外側フレームの内側の面にフィンを設けた回転電機。
【請求項８】
請求項１において、前記外側フレームの外側面のフィンを設けた回転電機。
【請求項９】
請求項１〜８において、
前記回転子の内面に固定されたシャフトにファンが直結している回転電機。
【請求項１０】
固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、この固定子の内周に回転可能に保持され、回転子鉄心とこの回転子鉄心の内部に上記固定子鉄心と対向して配置された複数個の永久磁石片または導体を有する回転子とから構成された回転電機を備え、この回転電機により車輪を駆動する鉄道車両において、
前記回転電機は、請求項１〜９に記載の回転電機である鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に関し、特に回転電機の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両向けモータ等の産業用回転電機では、粉塵等の周囲環境の影響による信頼性の低下を抑えるために、全閉化構造の回転電機が知られている。
【０００３】
一方、全閉化構造により、回転電機内の温度が高くなる。回転電機内の高温化を防止するために、液体を用いた冷却方法が知られており、以下の３つの方法がある。（１）回転電機の外周側に冷却フレームを設け、前記冷却フレームに液体冷媒を流通させる流路を設け、回転電機外に設けられたポンプによって、液体冷媒を冷却フレーム内の流路に流通させ、回転電機を冷却させる。回転電機を冷却した液体冷媒は回転電機外に設けられた冷却器によって、冷却される冷却方法、（２）回転電機外に設けられたポンプによって、回転電機内に液体冷媒を流入させ、液体冷媒を回転電機の発熱部に直接当てて冷却することで回転電機内を冷却し、回転電機を冷却した液体冷媒は回転電機外へと流出した後に、回転電機外に設けられた冷却器によって、冷却される冷却方法、（３）（１）と（２）を併用した冷却方法がある。これらの冷却方法は、回転電機外にポンプや冷却器を設けるために、回転電機が小型化する。
【０００４】
一方で、回転電機外にポンプや冷却器を設けるために、冷却システム全体としてみた場合、ポンプ、冷却器及び配管といった部品が増加し、複雑な構成となる課題がある。この課題を解決するため、特許文献１では、液体冷媒の沸騰・凝縮を用いた冷却方法について記載されている。特許文献１には、回転電機のフレームで液体を沸騰させて気体にし、気体となった液体冷媒は回転電機外の凝縮部にて冷却され、凝縮し液体に戻り、そして、液体に戻った液体冷媒は回転電機のフレームに戻る循環させて冷却する方法について、記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２３６２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、凝縮部が回転電機外に設けられているため、フレームと凝縮部との間にある配管のつなぎ目で液体が漏れる可能性があり、回転電機の信頼性が低下する課題がある。
【０００７】
本発明の目的は、以上示した従来の課題を取り除き、信頼性を高く保ちつつ、小型化した回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施例に係る回転電機は、固定子鉄心に形成された固定子巻線を有する固定子と、前記固定子と間隔を設けて配置され、回転可能に保持される回転子と、前記固定子を固定する内側フレームと、前記内側フレームを囲むように配置され、前記内側フレームを固定する外側フレームと、前記内側フレームの外側の面に固定され、前記外側フレームと一体となる冷却フレームと、前記内側フレームと前記外側フレームとの間に液体冷媒を封入し、かつ、前記冷却フレームの内部と連通する領域と、前記冷却フレームは、前記冷却フレームの内側の面に固定された冷却器を収容し、かつ、前記固定子鉄心を軸方向に挟みこむように配置された2つの仕切り壁とを収容し、前記冷却フレームの内部は、前記領域の前記液体冷媒が熱により、沸騰・気化して生成された期待を前記冷却器へ導く通路となる第一空間と、前記気体が前記冷却器により凝縮・液化して液体に戻された液体冷媒を前記領域に導いて戻す通路となる第二空間とに、前記仕切り壁によって仕切られている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、配管のつなぎ目からの液体冷媒の漏れによる信頼性低下を抑え、回転電機の冷却性能を向上することができるため、回転電機の小型化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施例の形態による回転電機の軸方向断面図である。
【図２】第１実施例の形態による冷却フレームを上部とした外側フレームと内側フレームの間の軸方向断面図である。
【図３】第２実施例の形態による回転電機の軸方方向断面図である。
【図４】第３実施例の形態による回転電機の軸方方向断面図である。
【図５】第４実施例の形態による回転電機の軸方方向断面図である。
【図６】第５実施例の形態による回転電機の軸方方向断面図である。
【図７】第６実施例の形態による冷却フレームの軸方方向断面図である。
【図８】第７実施例の形態による冷却フレームの周方向断面図である。
【図９】第８実施例の形態による冷却フレームの周方向断面図である。
【図１０】第９実施例の形態による回転電機の軸方方向断面図である。
【図１１】１０実施例の形態による回転電機を搭載した鉄道車両のブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の第１実施例について、図１〜図２に基づいて説明する。
【００１３】
図１では、本発明の実施例の形態による回転電機１の軸方向断面図である。図１は誘導電動機とした場合であるが、その他の回転電機においても、本発明の効果は同様である。
【００１４】
回転電機１の固定子２は、固定子鉄心４と、この固定子鉄心４に巻回された多相の固定子巻線５と、固定子鉄心４をその内周面で保持する内側フレーム７０から構成されている。
【００１５】
固定子鉄心４は、固定子鉄心４を押さえるための固定子鉄心押え板１６によって軸方向に固定されている。
【００１６】
回転子３は、回転子鉄心７、シャフト８及びベアリング１０によって構成されており、ベアリング１０は回転可能に保持されている。回転子３は、時計方向、反時計方向に回転し、電動機及び発電機として運転するものとする。
【００１７】
ベアリング１０は、エンドブラケット９によって支持されており、エンドブラケット９は、内側フレーム７０に固定されている。
【００１８】
また、回転子鉄心７は回転子鉄心７を押えるための回転子鉄心押え板１５によって軸方向に固定されている。
【００１９】
内側フレーム７０の外側には、内側フレーム７０を内側に固定するように外側フレーム７１が固定されており、内側フレーム７０と外側フレーム７１との間には液体冷媒１１を封入するための空間が設けられている。
【００２０】
内側フレーム７０と外側フレーム７１を冷却フレーム７２と定義する。具体的には、冷却フレーム７２は、内側フレーム７０の固定子２側と反対側の面の内側フレーム７０と外側フレーム７１である。図１の上側の冷却フレーム７１内部は、外気により冷却される。
【００２１】
冷却フレーム７２は、冷却フレーム７２の内側の面に固定された冷却器７３、及び、固定子鉄心４を軸方向に挟み込むように配置された２つの仕切り壁２０を収容する。 
冷却フレーム７２は、液体冷媒１１が回転電機１の内部の熱により、沸騰・気化して生成された気体を冷却器７３へ導く通路となる空間を有する沸騰部２１と気体となった液体冷媒１１が冷却器７３により、凝縮・液化して液体に戻った液体冷媒１１を冷却器７３へと導く通路となる空間を有する凝縮部２２とに前記仕切り壁２０によって、仕切られた構成となっている。
次に、図２を用いて内側フレーム７０と外側フレーム７１との間に封入した液体冷媒１１の循環経路について説明する。
【００２２】
ここで、図２は内側フレーム７０と外側フレーム７１の断面を示し、回転電機１は図示省略している。
【００２３】
冷却フレーム７２内の仕切り壁２０によって分けられた沸騰部２１で回転電機１の内部の固定子巻線５及び固定子鉄心４の発熱により内側フレーム７０を介して液体冷媒１１に伝熱される。熱を受けた液体冷媒１１は温度上昇することで沸騰し気化する。気化した液体冷媒１１は、重力方向の上側へと移動し、冷却フレーム７２内に設けた気体の入り口２３から冷却器７３へと移動する。冷却器７３で冷却された液体冷媒１１は、凝縮することで液体となる。液体となった液体冷媒１１は冷却フレーム７２内に設けた液体の出口２４から冷却フレーム７２に戻る。この際に、固定子鉄心４を軸方向に挟み込むように分けた仕切り壁２０によって、固定子鉄心４の軸方向の外側に戻る。
【００２４】
ここで、特徴としている点は、液体冷媒１１の沸騰部２１と冷却器７３から戻ってくる凝縮部２２を仕切り壁２０によって分けられた構成としている点である。
【００２５】
上記実施例によれば、冷却フレーム７２に封入した液体冷媒１１が沸騰・凝縮の現象を繰り返すことで、冷却フレーム７２内を循環させことで、回転電機１の冷却性能を向上し、さらに、冷却フレーム７２と冷却器７３を一体に構成しているため、配管を用いないために液体冷媒１１の漏れを防止し、信頼性を確保ができる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施例について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第２の実施形態による回転電機１の軸方向断面図である。図１と異なる点は、冷却器７３の重力下側の面８１が傾斜している点である。
【００２７】
上記実施例によれば、沸騰部２１から液体冷媒１１が気体となり、冷却器７３へと入る。冷却器７３によって、冷却された液体冷媒１１は凝縮され、液体となり冷却器７３の内壁に付着する。付着した液体冷媒１１は、重力にしたがって重力下方向へ落下する。落下した液体冷媒１１は冷却器７３の重力下側の面８１に付着する。この際、冷却器７３の重力下側の面８１が傾斜しているため、傾斜している重力下側へと落下する。この際、傾斜の方向は凝縮部２２の方向であることが望ましく、傾斜面にしたがって凝縮部２２へと至る。これにより、液体冷媒１１が沸騰部２１から冷却器７３を経由して凝縮部２２へと循環する液体冷媒１１の量が増加するため高冷却化する。
【００２８】
次に、本発明の第３の実施例について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第３の実施形態による回転電機１の軸方向断面図である。図１と異なる点は、冷却器７３の外側の面にフィン７４が設けている点である。
【００２９】
上記実施例によれば、沸騰部２１から液体冷媒１１が気体となり、冷却器７３へと入る。このとき、冷却器７３にフィン７４を設けているため、冷却器７３の伝熱面積が大きくなることで、冷却器７３の冷却効果が高くなり、気体となった液体冷媒１１が冷却されやすくなることで、液体冷媒１１の凝縮作用が促進され、液体となる液体冷媒１１の量が多くなる。これにより、冷却フレーム７２の冷却効果が高くなり、回転電機１を小型化できる。
【００３０】
次に、本発明の第４の実施例について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の第４の実施形態による回転電機１の軸方向断面図である。図１と異なる点は、冷却器７３の内側に冷却器の内側のフィン７６を設けた点である。
【００３１】
上記実施例によれば、沸騰部２１から液体冷媒１１が気体となり、冷却器７３へと入る。このとき、冷却器７３の内側に冷却器の内側のフィン７６を設けているため、冷却器７３の伝熱面積が大きくなることで、冷却器７３の冷却効果が高くなり、気体となった液体冷媒１１が冷却されやすくなることで、液体冷媒１１の凝縮作用が促進され、液体となる液体冷媒１１の量が多くなる。これにより、冷却フレーム７２の冷却効果が高くなり、回転電機１を小型化できる。
【００３２】
次に、本発明の第５の実施例について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第５の実施形態による冷却フレーム７２の軸方向断面図である。図１と異なる点は、内側フレーム７０の外周側に内側フレームのフィン７５を設けた点である。
【００３３】
上記実施例によれば、固定子鉄心４と固定子巻線５の発熱によって、冷却フレーム７２へ伝熱される。この際の冷却フレーム７２の内側フレーム７０の外周側に内側フレームのフィン７５を設けているために、内側フレーム７０の外周面の面積が増加することで、内側フレーム７０と液体冷媒１１の伝熱量が増加する。これにより、冷却フレーム７２の冷却効果が高くなり、回転電機１を小型化できる。
【００３４】
次に、本発明の第６の実施例について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第６の実施形態による冷却フレーム７２の軸方向断面図である。図２と異なる点は、冷却器７３と沸騰部２１及び凝縮部２２との間の通路に逆止弁７７を設けた点である。
【００３５】
上記実施例によれば、沸騰部２１の液体冷媒１１の温度が高くなり、沸騰すると沸騰部２１の圧力が高くなり、逆止弁７７が開き、冷却器７３へと入る。一方で、冷却器７３で冷却された液体冷媒１１は凝縮され、液体となるが、沸騰部２１に逆止弁７７があるために、沸騰部２１には戻らなくなる。また、冷却器７３の圧力が高くなることで、凝縮部２２の逆止弁が開くことで、液体となった液体冷媒１１が凝縮部２２へと入る。これにより、沸騰部２１及び沸騰部２２と冷却器７３の間の液体冷媒１１の循環が容易となり、冷却フレーム７２の冷却効果が高くなり、回転電機１を小型化できる。
【００３６】
次に、本発明の第７の実施例について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第７の実施形態による冷却フレーム７２の周方向断面図である。ここで、図８には冷却フレーム７２のみを記載しており、ほかの部品は図示省略している。固定子鉄心４本実施例では、外側フレームの内側面のフィン７８を設けた点が特徴である。
【００３７】
上記実施例によれば、沸騰部２１の液体冷媒１１の温度が高くなり沸騰すると重力上側に上昇する。この際に、外側フレームの内側のフィン７８を設けることで、外側フレームに伝熱する熱量が増加するため、冷却フレーム７２の冷却効果が高くなり、回転電機１を小型化できる。
【００３８】
次に、本発明の第８の実施例について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第８の実施形態による冷却フレーム７２の周方向断面図である。ここで、図９には冷却フレーム７２のみを記載しており、ほかの部品は図示省略している。図８と異なる点は、外側フレームの外側面のフィン７９を設けた点が特徴である。
【００３９】
上記実施例によれば、外側フレームの外側のフィンを設けたことで、外側フレームに伝熱する熱量が増加するため、冷却フレーム７２の冷却効果が高くなり、回転電機１を小型化できる。
【００４０】
次に、本発明の第９の実施例について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の第９の実施形態による回転電機１の軸方向断面図である。図１と異なる点は、シャフト８にファン８０が直結されている点である。
【００４１】
上記実施例によれば、シャフト８にファン８０が直結されているため、回転電機１の回転子３の回転に伴い、ファン８０が回転する。これにより、ファン８０のつくる風が冷却器７３の表面にあたるため、冷却器７３の冷却効果が高くなることで、回転電機１が小型化できる。
【００４２】
次に、本発明の第１０の実施形態による回転電機を用いた鉄道車両について、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の第１０の実施形態による回転電機を搭載した鉄道車両のブロック構成図である。
【００４３】
鉄道車両２００は、台車２０１に回転電機１、増速ギア２０２、車輪２０３を備え、回転電機１が増速ギア２０２を介して車輪２０３を駆動する。また、回転電機１は図中では２台だが、１台又は２台以上となる複数台、搭載し駆動することも可能である。
【００４４】
なお、以上の実施例では、回転電機を鉄道車両の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、電動建機用の駆動装置及び他あらゆる駆動装置においても使用できるものである。
【００４５】
本実施の形態によれば、回転電機を電動車両、特に鉄道車両に適用すれば、回転電機の小型化ができるため、出力が大きな鉄道車両を提供することができる。
【００４６】
また、本実施例の形態によれば、回転電機を電動車両、特に鉄道車両に適用すれば、回転電機１を搭載した鉄道車両２００が移動することで、回転電機１に風を当てることが可能となり、回転電機１を効率よく冷却できる。これにより、回転電機１を小型化できる。
【符号の説明】
【００４７】
１  回転電機、２  固定子、３  回転子、４  固定子鉄心、５  固定子巻線、７  回転子鉄心、８  シャフト、９  エンドブラケット、１０  ベアリング、１１  液体冷媒、１３  バー、１４  エンドリング、１５  回転子鉄心押え板、１６  固定子鉄心押え板、２０  仕切り壁、２１  沸騰部、２２  凝縮部、２３  気体の入口、２４  液体の出口、７０  内側フレーム、７１  外側フレーム、７２  冷却フレーム、７３  冷却器、７４  フィン、７５  内側フレームのフィン、７６  冷却器の内側のフィン、７７  逆止弁、７８  外側フレームの内側面のフィン、７９  外側フレームの外側面のフィン、８０  ファン、８１  冷却器７３の下側の面、２００  鉄道車両、２０１  台車、２０２  増速ギア、２０３  車輪、
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2019024275.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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