(57)【要約】【課題】回転電機の運転が停止された状態においても冷却機能を正常に作動させ、回転電機の発熱による損傷やオーバヒートを防止する。【解決手段】回転電機本体を収納したフレーム１内に、少なくとも回転電機本体を冷却する冷却液７を収納し、前記回転電機の回転子３により回転され、前記冷却液７をポンプ作用によりフレーム１外部に循環される循環装置５をもうけ、前記冷却液７が溜められ、前記フレーム１内の冷却液７が循環され、暖められた冷却液７を冷却した後圧力差によって溜められた冷却液７をフレーム１内に還流させるリザーブタンクを設ける。【選択図】図２
2007181282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、このフレーム内に収納された回転電機本体と、前記フレーム内に収納され、少なくとも回転電機本体を冷却する冷却液と、前記回転電機の回転子により回転され、前記冷却液をポンプ作用によりフレーム外部に循環される循環装置と、前記冷却液を溜めた後フレーム内に還流させるリザーブタンクとからなることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記リザーブタンクの外表面に、放熱フィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記リザーブタンク内に、吸熱フィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項４】
前記リザーブタンクを回転暖気のフレームに密着して設けられたことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項５】
前記リザーブタンク内の両側面から、冷却液を滞留させる仕切り板が水平方向に交互に設けられたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項６】
前記リザーブタンクに冷却液が流入する入液パイプと冷却液が流出する出液パイプとを設け、前記入液パイプの端部が前記リザーブタンク内の底面近傍にあり、前記出液パイプの端部が前記リザーブタンク内の上面近傍に設置されており、前記出液パイプに複数個の流出孔が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項７】
前記リザーブタンクに密着させて制御装置を設置したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項８】
前記リザーブタンクの側面に密着させて制御装置を設置したことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体によって冷却を行うようにした液冷式全閉形の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電車などの鉄道車両では車体の下に配置された台車に車両駆動用電動機を取り付け、この電動機の回転力を歯車装置などを介して車輪に伝達することにより車両を走行させるようにしている。
【０００３】
このような駆動用電動機は、走行中、固定子巻線・回転子巻線からの銅損、固定子からの鉄損、その他機械損からの発熱により各部の温度が上昇し、絶縁性能の劣化、回転効率の低下などを生じる恐れがある。  
このため、駆動用電動機は、冷却装置を備え、発熱部分の温度を下げるように冷却作用を必要としている。
【０００４】
このような電動機の冷却手段として従来、電動機機内のロータシャフトに固定された冷却ファンやあるいはブロアを設けて、その回転により電動機外気の冷たい風を強制的に機内に導入して機内を冷却する開放型自己通風冷却方式と呼ばれる冷却手段が採用されていた。
【０００５】
しかし、この開放型自己通風冷却方式は、電動機機内と外部とが連通していることから導入外気に混入して外気の塵埃が機内に進入し機内が汚損される心配がある。  
これを防ぐために外気導入口に通風ろ過器を設け、この通風ろ過器内のフィルタにより塵埃を補足するような構造が採られている。
【０００６】
しかし、フィルタによって塵埃を補足することは難しく、次第に機内に進入した塵埃が内部に付着して集積するため絶縁性能や冷却効果の低下による電動機のオーバヒートが発生することになる。  
したがって、このような絶縁性能の低下、および冷却効果の低下を防止するために機内およびフィルタの清掃を比較的短期間の周期で実施するなどメンテナンスが面倒となる。
【０００７】
さらに、開放型自己通風冷却方式の電動機は、冷却ファンやブロアの回転によって外気を機内に導入する構成であることから必然的に外気導入時の空気抵抗、および冷却ファンやブロアの回転による大きな騒音を発生することになる。
【０００８】
そこで、近年では、開放型自己通風冷却方式に代わって、主電動機本体を密閉形にし、本体の外周表面に風を送って冷却する全閉外扇形や、機内の風の循環とラジエータによる走行風を利用した全閉内扇形主電動機が採用されるようになってきている(例えば特許文献１参照)。
【０００９】
一般に車両用電動機としては、１編成の車両に対して、低出力の主電動機を多数搭載するよりも、高出力の主電動機を少数搭載する方が効率的であることが知られ、鉄道各社から要望されている。  
しかし、全閉外扇形や全閉内扇形主電動機は、開放形電動機と比較すると冷却効率が低く、高出力電動機にするには大形になってしまう。
【００１０】
車両の駆動用電動機は車体の下に配置された台車の下の狭い空間に取り付けられているため、これ以上大形にはできないのみならず、さらに現行の電動機よりも、より小形・軽量化することも要求されている。
【００１１】
密閉形構造の電動機で小形・軽量化を達成するには、現行の冷却方式では限界に達しており、新たな冷却方法が必要となる。  
これまでにも様々な冷却方法が提案されており、鉄道用では水冷や液冷方式が注目されている。
【００１２】
その一つの手段として、電動機のロータシャフト端部にインペラを取り付け、車両の駆動中ロータシャフトの回転に伴うインペラの回転によるポンプ作用によって液体冷媒を循環させ、液体流路に送り込むように構成した液冷手段が講じられている(例えば特許文献２参照)。
【００１３】
このような構成であると、特許文献１で必要とされていたポンプおよび電源などの付帯設備が不要となり、冷却設備の故障が少なく、設備駆動のためのコストを低く抑えることができる。
【特許文献１】特開平０９−０６６８２９号公報
【特許文献２】特開平１０−２８５８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した特許文献２に示されるような従来の車両用駆動電動機における冷却構造においては、次のような解決すべき課題が存在する。  
すなわち、インペラの回転はこれが接続されたロータシャフトの回転に基いて回転するため、車両が駅などで停車中は通常電動機の運転も停止されることからインペラの回転も停止され、インペラの回転によるポンプ作用により冷却液体の冷媒流路への循環作用も停止され、この間電動機の冷却作用が停止されるため電動機が温度上昇し、絶縁破壊や電動機のオーバヒートなどを発生させる恐れがある。
【００１５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、例えば車両用駆動電動機のような車両の運転稼動時の回転軸の回転を利用したポンプを用いた回転電機において、回転電機の運転が停止された状態においても冷却機能が正常に動作し、回転電機の発熱による損傷やオーバヒートを確実に防止し得る液冷式全閉形の回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以上の目的を達成するために本発明の請求項１に記載の発明は、フレームと、このフレーム内に収納された回転電機本体と、前記フレーム内に収納され、少なくとも回転電機本体を冷却する冷却液と、前記回転電機の回転子により回転され、前記冷却液をポンプ作用によりフレーム外部に循環される循環装置と、前記冷却液が溜められ、前記フレーム内の冷却液が循環され、暖められた冷却液を冷却した後圧力差によって溜められた冷却液をフレーム内に還流させるリザーブタンクとからなることを特徴とする
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、例えば車両用駆動電動機のような車両の運転稼動時の回転軸の回転を利用したポンプを用いた回転電機において、回転電機の運転が停止された状態においても冷却機能が正常に動作し、回転電機の発熱による損傷やオーバヒートを確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。  
図１および図２は本発明の第１の実施の形態による回転電機を示す図で、図１は負荷側から見た斜視図、図２は図１をＡ−Ａ線に沿って右側半分を縦断して示す一部縦断正面図である。
【００１９】
図１および図２において、１は回転電機、例えば車両の駆動用電動機のフレームで、このフレーム１内に図示しない回転電気の回転子と固定子等からなる回転電機本体が収納されている。
【００２０】
２は前記フレーム１の端部に一体的に形成されたポンプボックスで、電動機の回転軸３がフレーム１内からこのポンプボックス２を貫通して外部に突出している。  
ポンプボックス２内では、特に図２でわかるように、電動機の回転軸３にかきあげ円板４が一体的に回転するように固定されている。
【００２１】
５ａ、５ｂ、５ｃ…は前記かきあげ円板４の板面に、回転軸３の軸方向に沿って突出するように回転軸３を中心として放射状にほぼ等間隔に固定された複数個のかきあげ板である。
【００２２】
６は前記ポンプボックス２の外面に突設形成された冷却フィンである。  
７は前記ポンプボックス２の底部に、かきあげ円板４の下部の一部が浸漬するように充填された水などの液体からなる冷却液である。
【００２３】
８は前記フレーム１の側部に離間して適宜固定されたリザーブタンクで、内部に前記ポンプボックス２内に収納した冷却液７と同じ液体７が収納されている。  
９は前記フレーム１の上部に内部と連通するように取り付けられた導入パイプで、前記リザーブタンク８の上面に形成された入液パイプ１０に接続されている。
【００２４】
１１は同じくリザーブタンク８の下面に取り付けられた出液パイプで、前記ポンプボックス２にリザーブタンク８内の冷却液７を供給するように接続され、その途中において、主電動機内部、表面、軸受周りなどに密着配管されて引き回されている。
【００２５】
前記説明において、入液パイプ１０はリザーブタンク８の上面に取り付けられているが、リザーブタンク８の側面に取り付けるようにしてもよい。また、出液パイプ１１も同様で、リザーブタンク８の下面に取り付けられているが、側面に取り付けるようにしてもよい。 
ただし、入液パイプ１０から流入した冷却液が重力によって出液パイプ１１から排出される位置関係にしなければならない。
【００２６】
次に本実施の形態の作用について説明する。  
図１、２において、例えば車両が運転稼動されている状態では駆動用電動機の回転軸３が回転し、これに伴ってポンプボックス２内のかきあげ円板４とかきあげ板５ａ、５ｂ、５ｃ…も回転軸３と一体的に回転する。
【００２７】
これにより、ポンプボックス２内の冷却液７がかきあげ板５ａ、５ｂ、５ｃ…によってかき回され、ポンプボックス２内では冷却液の一部が導入パイプ９内に進入し、その後入液パイプ１０からリザーブタンク８内に流入し、循環装置としての作用を行う。  
この途中の過程において、密着配管された電動機のフレーム１や図示しない制御装置等を冷却する。
【００２８】
リザーブタンク８内に流入した冷却液７は、一部が出液管２４から流出するが、流出量よりも流入量のほうが多い場合は、リザーブタンク８内に滞留していく。
滞留した冷却液７は既にリザーブタンク８内に溜まっている冷却液と混合し、冷却される。  
【００２９】
運転稼動中の車両が駅などで停車した場合は、電動機の回転軸３の停止に伴ってかきあげ円板４、かきあげ板５ａ、５ｂ、５ｃ…も停止することから、かきあげ板５ａ、５ｂ、５ｃ…のポンプ作用がなくなり、新たにリザーブタンク８内に流入する冷却液はなくなるが、既にリザーブタンク８内に十分に冷却液が溜まっている。
【００３０】
したがって、駅などで車両の運転停止後もリザーブタンク８内に溜まっている冷却液７が出液パイプ１１から冷却に十分な時間、ポンプボックス２内に還流し続けることができる。
【００３１】
以上のように本実施の形態によれば、車両が停止して駆動電動機が停止した後も出液パイプ１１から冷却に十分な時間、冷却液が流出されることで、車両停車中でも電動機本体や制御装置を冷却でき、回転電機の発熱による損傷を確実に防止しオーバーヒートを防ぐことができる。
【００３２】
次に本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。なお以下の実施の形態の説明において、前記図１、図２に示す本発明の第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。  
この実施の形態では、直方体状に形成されたリザーブタンク８の外表面に、櫛歯状の多数の放熱フィン２０を形成しており、これ以外は前記第１の実施の形態と同じである。
【００３３】
放熱フィン２０はリザーブタンク８の外表面全体に形成されているが、寸法の都合上、一部欠いていてもよい。放熱フィン２０の設置方向は、電動機の回転軸３の軸方向と垂直な方向に形成するのがよい。
また、フィン２０の長さは強度や寸法の制限があるが、できるだけ長く、薄いほうがよい。  
【００３４】
また、フィン間隔は狭いほどよいが、外部にさらされており、走行風で塵埃が付着するので、走行速度との兼ね合いで決めるのがよい。
入液パイプ１０や出液パイプ１１の取り付けは前記第１の実施の形態と同様の位置関係にするのがよい。
【００３５】
上記のように構成された本実施の形態によれば、リザーブタンク８の外表面に放熱フィン２０を形成することにより、リザーブタンク８に流入してきた冷却液７からの熱がリザーブタンク８を経由して放熱フィン２０へと伝熱し、拡散する。
また、放熱フィン２０を主電動機の回転軸の軸方向に対して垂直方向に形成することにより、走行風をフィン間に流すことができる。
【００３６】
以上のように本実施の形態によれば、リザーブタンク８の放熱面積が拡大し、冷却効率を高めることができる。  
また、車両の運転稼動時に走行風を放熱フィン２０間に取り込むことができ、放熱フィン２０の熱伝達率を上げ、冷却効率を高めることができる。
【００３７】
次に本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。  
この実施の形態では、リザーブタンク８の中に吸熱フィン２１が複数枚低部から植立して形成されている。
【００３８】
吸熱フィン２１はリザーブタンク８内の底面側から形成されているが、上面や側面に設置されていてもよく、またそれらが組み合わさった構成でもよい。  
吸熱フィン２１の枚数や寸法に特に制限はなく、冷却液の流れや強度との兼ね合いで決めるのがよい。
【００３９】
図４において、リザーブタンク８の外周表面には何も取り付けられていないが、前記第２の実施の形態のように放熱フィン２０を取り付けてもよい。  
また、入液パイプ１０や出液パイプ１１の配置は前記第１の実施の形態と同様の位置関係にするのがよい。
【００４０】
上記のように構成された本実施の形態によれば、リザーブタンク８内に吸熱フィン２１を形成することで、リザーブタンク８内に滞留した冷却液７からの熱が吸熱フィン２１に伝導し、さらにリザーブタンク８のフレームに伝導し外気に放熱される。  
以上のように本実施の形態によれば、吸熱フィン２１により冷却液７の熱がリザーブタンク８のフレームに伝導しやすくなり、より冷却効率を高めることができる。
【００４１】
次に本発明の第４の実施の形態について図５を参照して説明する。  
この実施の形態では、リザーブタンク８が電動機本体のフレーム１の外周面に密着もしくは一体形構造になって形成されている。
【００４２】
リザーブタンク８は電動機本体のフレーム１の外周表面に沿って設置されているので、少なくともフレーム１の外周表面に接する面がそれに合わせた円弧面状に形成されているのが好ましいが、前記実施の形態で示したような直線で構成された形状でもよい。  
ただし、リザーブタンク８の一面は電動機本体のフレーム１の外周面に密着していなければならない。
【００４３】
リザーブタンク８の外周表面には何も設置されていないが、前記第２の実施の形態のように放熱フィン２０を取り付けてもよいし、また、リザーブタンク８内には前記第３の実施の形態３のように吸熱フィン２１を設ける用にしてもよい。
【００４４】
上記のように構成された本実施の形態によれば、リザーブタンク８が電動機本体のフレーム１の外周表面に密着していることにより、電動機本体から発生した熱がリザーブタンク８のフレームに伝導し、拡散する。さらに、フレームで拡散した熱はより温度の低いリザーブタンク８内の冷却液７に熱伝達する。
【００４５】
以上のように本実施の形態によれば、電動機本体の熱がリザーブタンク８に効率よく伝達されるため、冷却効率を高めることができる。  
また、電動機本体は外周表面を冷却するとその近傍での温度だけが低下するのではなく、機内の温度も低下するため、ステータ側だけでなく、ロータ側の温度も下げられ、冷却効率を高められる。
【００４６】
次に本発明の第５の実施の形態について図６を参照して説明する。  
この実施の形態では、リザーブタンク８内の空間を複数層に仕切る仕切り板２２がリザーブタンク８の内面にその両側面から交互に形成されている。
【００４７】
各仕切り板２２はその先端部で垂直方向に曲げられており、断面形状がＬ字形になっている。したがって各仕切り板２２の上側には、入液パイプ１０からリザーブタンク８内に流入してきた冷却液７が滞留ようになっている。
【００４８】
図６では仕切り板２２は４枚になっているが、枚数が多いほど冷却液７を滞留させることができる。  
また、図６ではリザーブタンク８の外周表面には何も形成されていないが、前記第２の実施の形態のように放熱フィンを取り付けてもよい。
【００４９】
上記のように構成された本実施の形態によれば、仕切り板２２を利用して冷却液７を溜めることで、入液パイプ１０から流入した冷却液７は、予め滞留した冷却液７と混合し、仕切り板２２からあふれた冷却液７が重力により下の仕切り板２２に落下し溜められる。これを順次繰り返すことによってリザーブタンク８内に流入してきた冷却液７は次々と滞留している冷却液７と混合しながら冷却され、最終的に出液パイプ１１から流出する。
【００５０】
以上のように本実施の形態によれば、入液パイプ１０から流入した冷却液７が、リザーブタンク８内で仕切り板２２を通過する際に冷却されて出液パイプ１１から流出する。これにより、循環する冷却液７の冷却効率をより高めることができる。  
また、車両停止後も冷却液７がリザーブタンク８内で滞留していることにより、冷却液７の温度を下げることができる。
【００５１】
次に本発明の第６の実施の形態について図７を参照して説明する。  
この実施の形態では、入液パイプ１０の端部がリザーブタンク８内の底面付近に達する程度にまで沈められ、設けられている。  
また、出液パイプ１１の端部がリザーブタンク８内の上面付近に達する程度まで設けられている。
【００５２】
入液パイプ１０はリザーブタンク８の上面から挿入された構成であるが、側面から挿入し、リザーブタンク内で垂直方向に曲げて、端部が底面付近に設けられ、冷却液が逆流しない位置関係になっていればよい。  
出液パイプ１１もリザーブタンク８の底面から挿入された構成ではなく、側面から挿入した構成でもよい。
【００５３】
また、出液パイプ１１には側面に複数個の流出孔２３が設けられており、冷却液７の水位によって、水圧で対応する位置に形成された流出孔２３から冷却液７が排出されるようになっている。
【００５４】
上記のように構成された本実施の形態によれば、入液パイプ１０と出液パイプ１１とを図７のような位置関係に設置することで、冷却液７はリザーブタンク８内の冷却液７と混合する。
【００５５】
内部の水位が上がると、出液パイプ１１の端部高さを超え、重力により出液パイプ１１を通って外部に流出する。また、流出孔２３からも冷却液７の水位によって、水圧で排出される。
【００５６】
以上のように本実施の形態によれば、温められた状態で入液パイプ１０から流入してくる冷却液７は、それより温度の低いリザーブタンク８内に滞留している冷却液７と混合し、温度が低下する。
【００５７】
また、入液パイプ１０の端部と出液パイプ１１の端部とが離れており、リザーブタンク８内の冷却液７と十分に混合し、十分に温度が低下してから出液パイプ１１から流出する。 
したがって、冷却液の温度を十分に低下させてからリザーブタンク８外に排出すことができる。
【００５８】
また、流出孔２３を設けることによって、車両停止後、入液パイプ１０からの流入がなくなった後も、リザーブタンク内に滞留した冷却液７がその水位に応じて流出孔２３から流出することで冷却に十分な時間、冷却液を電動機や制御装置に送ることができ、各部の温度上昇を抑えることができる。
【００５９】
次に本発明の第７の実施の形態について図８を参照して説明する。  
この実施の形態では、リザーブタンク８の下側に制御装置２４が密着もしくは一体形構造になって配置されている。
【００６０】
図８ではリザーブタンク８よりも制御装置２４のほうが小さくなっているが、特に大きさの大小には関係なく、リザーブタンク８と制御装置２４とが一つの面で密着している構造であればよい。ただし、制御装置２４はリザーブタンク８の下側にある位置関係でなければならない。リザーブタンク８、制御装置２４共に直方体で構成されているが、前記第１の実施の形態のような形状でもよい。
【００６１】
上記のように構成された本実施の形態によれば、冷却液７の流れは基本的には前記第１の実施の形態１と同様である。リザーブタンク８内の構造が実施の形態３、５、６の場合にはそれぞれの実施例で示した流れとなる。
【００６２】
以上のように本実施の形態によれば、制御装置２４で発生した熱をリザーブタンク８に直接伝達できる。
リザーブタンク８内の底面側には冷却液７が滞留していることから、制御装置２４で発生した熱を奪い、冷却することができる。
【００６３】
制御装置２４は従来の構成では電動機本体と離れた位置に設置されており、別置きのブロアーや重量・体積共に大きな放熱フィンを取り付けることで冷却されていた。これを電動機のすぐそばに設置し、電動機の冷却と一緒に冷却することで、これまで制御装置２４の冷却に必要であった機器や構成が不要になり、小形・軽量化が可能となる。
また、電動機本体の近くに設置できることで、制御装置２４から電動機本体への配線も必要最小限度に縮める人ができ、メンテナンス性や信頼性を向上できる。
【００６４】
次に本発明の第８の実施の形態について図９を参照して説明する。  
この実施の形態では、制御装置２４とリザーブタンク８とが並べて縦置きになり、両者を密着して設置されている。
【００６５】
リザーブタンク８内では前記第６の実施の形態と同様に、入液パイプ１０の端部がリザーブタンク８内の底面近傍に設けられている。また、出液パイプ１１の端部がリザーブタンク８内の上面近傍に設けられている。
【００６６】
図に示しているように、リザーブタンク８と制御装置２４とが密着している側のリザーブタンク８のフレームは厚さが薄くなっている。制御装置２４は図ではリザーブタンク８の左側に設置されているが、右側でもよい。  
上記のように構成された本実施の形態によれば、前記第７の実施の形態と同様に、制御装置２４で発生した熱をリザーブタンク８に伝達できる。
【００６７】
リザーブタンク８内の底面側には冷却液７が滞留していることから、制御装置２４で発生した熱を奪い、冷却することができる。  
なお、前記実施の形態の説明において、本発明を車両用駆動電動機を例にして説明したが本発明はこれに限定されるものではなく、他の回転電機にも実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施の形態による液冷式全閉形の回転電機を示す斜視図。
【図２】図１をＡ−Ａ線に沿って右側半分を切断して示す要部縦断正面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態による回転電機のリザーブタンクを示す斜視図。
【図４】本発明の第３の実施の形態による回転電機のリザーブタンクを示す斜視図。
【図５】本発明の第４の実施の形態による回転電機を示す斜視図。
【図６】本発明の第５の実施の形態による回転電機のリザーブタンクを示す断面図。
【図７】本発明の第６の実施の形態による回転電機のリザーブタンクを示す断面図。
【図８】本発明の第７の実施の形態による回転電機を示す斜視図。
【図９】本発明の第８の実施の形態による回転電機のリザーブタンクを示す断面図。
【符号の説明】
【００６９】
１…フレーム、２…ポンプボックス、３…回転軸、４…かきあげ円板、５…かきあげ板、６…冷却フィン、７…冷却液、８…リザーブタンク、９…導入パイプ、１０…入液パイプ、１１…出液パイプ、２０…放熱フィン、２１…吸熱フィン、２２…仕切り板、２３…流出孔、２４…制御装置。
【図１】
2007181282.tif 000003
【図２】
2007181282.tif 000004
【図３】
2007181282.tif 000005
【図４】
2007181282.tif 000006
【図５】
2007181282.tif 000007
【図６】
2007181282.tif 000008
【図７】
2007181282.tif 000009
【図８】
2007181282.tif 000010
【図９】
2007181282.tif 000011