(57)【要約】【課題】ロータシャフトの回転速度が所定高速域に達した場合でも流体振動が発生しないようにする。【解決手段】ロータシャフト１端部に駆動側磁石部材１８が固着され、従動側磁石部材１９にインペラ部材２１が取り付けられている。ロータシャフト１が所定高速域に達するまでは、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９とは同期して回転するが、所定高速域に達すると脱調により両者の同期は解除される。したがって、ロータシャフト１の高速回転にかかわらず、インペラ部材２１の回転速度は抑制されるので流体振動の発生が防止される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ及びロータを収納するフレーム部材外側に形成された冷媒流路と、
前記フレーム部材の端面から突出するロータシャフト端部に設けられ且つロータシャフトの回転速度が所定高速域に達するまではロータシャフトと同期した回転により前記冷媒流路に冷媒を循環させるインペラ部材を有しており、しかも、ロータシャフトの回転速度が所定高速域に達したときはロータシャフトとインペラ部材との同期を解除することによりインペラ部材の回転速度の上昇を抑制する冷媒循環手段と、
を備えたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記冷媒循環手段は磁気カップリングを含んで構成されており、この磁気カップリングは、前記ロータシャフト端部に取り付けられた駆動側磁石部材と、前記駆動側磁石部材に対しその外側で対向した配置となるように前記インペラ部材に取り付けられた従動側磁石部材とを有するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記駆動側磁石部材の外面と前記従動側磁石部材の内面との間に所定寸法の間隙が形成されている、
ことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
【請求項４】
前記間隙に非磁性体材料の隔壁板を介挿し、この隔壁板の板厚又は材質を調整することにより、前記ロータシャフトと前記インペラ部材との同期が解除されるタイミングを決定することが可能とした、
ことを特徴とする請求項３記載の回転電機。
【請求項５】
前記磁気カップリングは、前記駆動側磁石部材の代わりとして、前記ロータシャフト端部の外面に所定間隔で形成した複数の溝部を用いた、
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の回転電機。
【請求項６】
前記磁気カップリングは、前記従動側磁石部材の代わりとして、前記インペラ部材が取り付けられたリング状金属部材の内面に所定間隔で形成した複数の溝部を用いた、
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の回転電機。
【請求項７】
前記従動側磁石部材は、前記駆動側磁石部材よりも多い磁極数を有するものである、
ことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の回転電機。
【請求項８】
前記駆動側磁石部材よりも多く且つ前記従動側磁石部材よりも少ない磁極数を有する中間磁石部材を、前記駆動側磁石部材と前記従動側磁石部材との間に介挿した、
ことを特徴とする請求項７記載の回転電機。
【請求項９】
前記従動側磁石部材は、それぞれが独立の回転軸を有し且つそれぞれが独立のインペラ部材に取り付けられた複数の磁石部材で構成された、
ことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
【請求項１０】
前記複数の従動側磁石部材は、それぞれの回転軸の前記駆動側磁石部材からの距離が異なるものである、
ことを特徴とする請求項９記載の回転電機。
【請求項１１】
前記複数の従動側磁石部材は、それぞれの磁極数が異なるものである、
ことを特徴とする請求項９又は１０記載の回転電機。
【請求項１２】
前記冷媒循環手段は、前記磁気カップリングのうちの従動側磁石部材及びこれに取り付けられたインペラ部材を密閉室内に収納する冷媒貯溜容器を有するものであり、前記ロータシャフト端部及びこれに取り付けられた駆動側磁石部材は前記冷媒貯溜容器の内壁面に囲まれた大気開放空間に配設されている、
ことを特徴とする請求項２乃至１１のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１３】
前記冷媒貯溜容器の内壁部は、非磁性体材料により形成されており、この内壁部の板厚又は材質を調整することにより、前記ロータシャフトと前記インペラ部材との同期が解除されるタイミングを決定することが可能とした、
ことを特徴とする請求項１２記載の回転電機。
【請求項１４】
前記冷媒循環手段は、前記インペラ部材に取り付けられ且つ前記ロータシャフト端部に嵌装される樹脂製リング部材を有するものであり、前記ロータシャフトの回転速度が前記所定高速域に達したときに、前記樹脂製リング部材の内面が前記ロータシャフトの外面から遠心力によって微小距離だけ離間することにより、前記ロータシャフトと前記インペラ部材との同期を解除するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項１５】
前記冷媒は冷却油であり、前記冷媒循環手段はこの冷却油を貯溜する密閉構造の冷媒貯溜容器を有するものである、
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１６】
前記冷媒は外気であり、前記冷媒循環手段は外気を取り入れるための開口部を有するものである、
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１７】
前記フレーム部材の外側に電力変換器が一体的に取り付けられており、前記冷媒流路はこの電力変換器内を通るものである、
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１８】
前記ロータシャフトには内気循環ファンが取り付けられると共に、前記フレーム部材の内側及び外側に内気循環流路が形成されており、前記内気循環ファンの回転時に前記内気循環流路を通る内気によって前記フレーム部材内側に配設されたステータ及びロータに対する冷却が行われる、
ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の回転電機。
【請求項１９】
前記冷媒流路は、前記フレーム部材の周面部及び端面部の双方の部位に沿って形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の回転電機。
【請求項２０】
前記冷媒流路は、フレーム部材内側に形成され、ステータ鉄心を挿通する分岐流路を有するものである、
ことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれかに記載の回転電機。
【請求項２１】
前記複数の従動側磁石部材は、前記駆動側磁石部材の周りに螺旋状に配置されている、
ことを特徴とする請求項１０記載の回転電機。
【請求項２２】
前記ロータシャフトの軸方向に沿った前記駆動側磁石部材と前記従動側磁石部材との間の相対的ズレ量を調整することにより、前記ロータシャフトと前記インペラ部材との同期が解除されるタイミングを決定することが可能とした、
ことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
【請求項２３】
前記ロータシャフト端部には小径部が形成されており、前記駆動側磁石部材はこの小径部に取り付けられている、
ことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
【請求項２４】
前記冷媒循環手段は磁気カップリングを含んで構成されており、この磁気カップリングは、前記ロータシャフト端部に形成されている小径部に取り付けられた駆動側磁石部材と、前記駆動側磁石部材に対しロータシャフト軸上で対向した配置となるように前記インペラ部材と共に従動シャフトに取り付けられた従動側磁石部材とを有するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項２５】
前記冷媒循環手段は磁気カップリングを含んで構成されており、この磁気カップリングは、前記ロータシャフト端部にロータシャフト軸との間で傾斜角θをなす傾斜軸上に取り付けられた駆動側磁石部材と、前記駆動側磁石部材に対し前記傾斜軸上で対向した配置となるように前記インペラ部材と共に従動シャフトに取り付けられた従動側磁石部材とを有するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項２６】
前記冷媒循環手段は磁気カップリングを含んで構成されており、この磁気カップリングは、前記ロータシャフト端部に取り付けられた駆動側磁石部材と、前記駆動側磁石部材に対しその内側で対向した配置となるようにロータシャフト端部の内部に形成された穴内へ配置され且つ前記インペラ部材と共に従動シャフトに取り付けられた従動側磁石部材とを有するものである、
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項２７】
前記冷媒循環手段は磁気カップリングを含んで構成されており、この磁気カップリングは、前記ロータシャフト端部に取り付けられた駆動側磁石部材と、前記駆動側磁石部材に対しその内側で対向した配置となるようにロータシャフト端部の内部に形成された穴内へ配置され且つ中空パイプ状従動シャフトの一方の端部に挿通された状態で支持された従動側磁石部材とを有しており、
前記中空パイプ状従動シャフトは、前記一方の端部に形成された開口部、他方の端部に形成された閉塞部、両端部間の外周面に放射状に形成された複数の孔部、及び前記開口部から前記複数の孔部にわたって内周面に形成された複数のスキュー状インペラ部材を有するものであり、
前記磁気カップリングの回転時には、前記駆動側磁石部材と前記従動側磁石部材との間に形成されている隙間から前記開口部を経由して前記中空パイプ状従動シャフト内部に吸引された冷媒が、前記スキュー状インペラ部材に案内された後、前記放射状に形成された複数の孔部を通って前記前記中空パイプ状従動シャフトの外部へ排出される、
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項２８】
前記冷媒循環手段は磁気カップリングを含んで構成されており、この磁気カップリングは、前記ロータシャフト端部に取り付けられた駆動側磁石部材と、前記駆動側磁石部材に対しその外側で対向するように配設された従動側磁石部材とを有しており、
前記従動側磁石部材の周囲には、所定間隔毎に前記インペラ部材が周面上に固着されたリング部材が配設され、このリング部材と従動側磁石部材との間には、従動側磁石部材に対して反発付勢力を有する複数のバネ部材が介挿されている、
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項２９】
前記冷媒循環手段は磁気カップリングを含んで構成されており、この磁気カップリングは、前記ロータシャフト端部に取り付けられた駆動側磁石部材と、前記駆動側磁石部材に対しその外側で対向するように配設された従動側磁石部材とを有しており、
前記従動側磁石部材の周囲には、磁気カップリング回転時に冷媒から受ける抵抗によって傾斜可能な前記インペラ部材が周方向へ所定間隔毎に取り付けられたリング部材が配設され、
前記インペラ部材の回転数が所定レベル以上大きくなった場合には、このインペラ部材の前記傾斜により前記冷媒の循環量を低減させる、
ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３０】
前記インペラ部材は回転バネ部材を介して前記リング部材に取り付けられ、この回転バネ部材の働きにより前記傾斜を可能とするものである、
ことを特徴とする請求項２９記載の回転電機。
【請求項３１】
前記隔壁板の材料を、前記非磁性体材料に代えて磁性体材料とした、
ことを特徴とする請求項４記載の回転電機。
【請求項３２】
前記冷媒は水素であり、前記冷媒循環手段は水素を取り入れるための開口部を有するものである、
ことを特徴とする請求項１乃至１４及び請求項１７乃至３１のいずれかに記載の回転電機。
【請求項３３】
前記駆動側磁石部材又は前記従動側磁石部材をネオジウム磁石により形成した、
ことを特徴とする請求項２乃至１３及び請求項２１乃至３２のいずれかに記載の回転電機。
【請求項３４】
前記従動側磁石部材及び前記インペラ部材を、アルニコ磁石により一体的に形成した、
ことを特徴とする請求項２乃至１３及び請求項２１乃至３２のいずれかに記載の回転電機。
【請求項３５】
ロータシャフトの端部側に配設され、所定個所に形成された冷媒流路に冷媒を循環させる冷媒循環手段を備えており、
前記冷媒循環手段は、
前記ロータシャフトに取り付けられて、ロータシャフトが所定高速域に達するまではロータシャフトと共に回転し、ロータシャフトが所定高速域に達した後はロータシャフトよりも低速度で回転する回転部材を有しており、この回転部材により前記冷媒流路に冷媒を循環させるものである、
ことを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電車等の鉄道車両では、車体の下に配置された台車に車両駆動用主電動機を装荷し、この主電動機の回転力を歯車装置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。そして、従来、このような主電動機に対して行われていた一般的な冷却方式は、機内のロータシャフトに固定された冷却ファンの回転により外気を機内に導入する、所謂「開放型自己通風冷却方式」と呼ばれるものであった。
【０００３】
この開放型自己通風冷却方式では、導入した外気に混入する塵埃によって機内が汚損されるのを防ぐため、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捕捉する構成が採用されている。しかし、フィルタによって塵埃を完全に捕捉することは難しく、次第に機内に侵入した塵埃が内部に付着して集積するため絶縁性能が低下することになる。また、ある程度の期間が経過すると、フィルタに目詰まりが生じるため導入外気が減少して冷却効果が低下することになる。したがって、このような絶縁性能の低下及び冷却効果の低下を防止するために、機内及びフィルタの清掃を比較的短期間の周期で実施する必要がある。
【０００４】
更に、開放型自己通風冷却方式は、冷却ファン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、及び冷却ファンの回転による大きな騒音が発生することになる。しかし、都市圏では鉄道沿線に住宅が接近しており、環境への配慮が強く要請される近時の風潮からは、このような大きな騒音の発生は大きな問題となる。
【０００５】
上記のように、開放型自己通風冷却方式を採用した電動機は、メンテナンスの負担が大きくなると共に、騒音が発生するという問題を生じることになる。そこで、最近は、省メンテナンス化及び低騒音化を図ることが可能な全密閉型電動機が次第に採用されてきている。
【０００６】
全密閉型電動機の構成例としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。これは、電動機の外部にポンプを付設すると共に、電動機のフレーム部材外側に循環冷媒流路を形成しておき、ポンプによって液体冷媒を循環冷媒流路に送り込む構成としたものである。
【０００７】
しかし、特許文献１の構成は、ポンプを設置するためのスペース、及びポンプに電力を供給するための電源を必要とするため、スペース的及び経済的に不利な構成となっている。また、もしポンプが故障した場合は液体冷媒による冷却が直ちに停止されるため、電動機は温度上昇によって損傷されることになる。
【０００８】
そこで、特許文献１の構成に代わり、特許文献２の構成が提案されている。これはロータシャフト端部にインペラ部材を取り付け、このインペラ部材の回転に基づくポンプ作用によって液体冷媒を循環冷媒流路に送り込む構成としたものである。この特許文献２の構成によれば、特許文献１では必要とされたポンプ及び電源等の付帯設備は不要となり、また、故障によりポンプ作用が停止されたとしても電動機が温度上昇によって損傷されることはない(ポンプ作用が停止されたときには、通常、電動機の運転も停止されるからである)。
【特許文献１】特開平８−２０５４７５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】
【０００９】
上記したように、特許文献２の構成によれば、ロータシャフト端部に取り付けたインペラ部材の回転に基づくポンプ作用によって液体冷媒を循環冷媒流路に送り込む構成としているので、ポンプや電源などの付帯設備は不要となり、また、ポンプ作用が停止されたとしても電動機が損傷されることはないなどの種々のメリットを得ることが可能になっている。
【００１０】
しかし、ロータシャフトの回転速度が次第に上昇して所定高速域(例えば、３０００ｒｐｍ)に達すると、高速回転するインペラ部材のポンプ作用に基づく液体冷媒の吐出及び吸入にサージングが生じ、所謂「流体振動」と呼ばれる現象が発生する。この流体振動の発生は大きな騒音の発生も伴うので、低騒音化を図ろうとする全密閉型電動機の価値が減殺されることになる。また、流体振動が頻繁に発生すると、インペラ部材やその他の部材にも強度的な面で悪影響を及ぼし、冷却装置の寿命を縮める虞もある。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ロータシャフトの回転速度が所定高速域に達した場合でも、流体振動が発生することのない回転電機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、ステータ及びロータを収納するフレーム部材外側に形成された冷媒流路と、前記フレーム部材の端面から突出するロータシャフト端部に設けられ且つロータシャフトの回転速度が所定高速域に達するまではロータシャフトと同期した回転により前記冷媒流路に冷媒を循環させるインペラ部材を有しており、しかも、ロータシャフトの回転速度が所定高速域に達したときはロータシャフトとインペラ部材との同期を解除することによりインペラ部材の回転速度の上昇を抑制する冷媒循環手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明は、また、上記課題を解決するための手段として、ロータシャフトの端部側に配設され、所定個所に形成された冷媒流路に冷媒を循環させる冷媒循環手段を備えており、前記冷媒循環手段は、前記ロータシャフトに取り付けられて、ロータシャフトが所定高速域に達するまではロータシャフトと共に回転し、ロータシャフトが所定高速域に達した後はロータシャフトよりも低速度で回転する回転部材を有しており、この回転部材により前記冷媒流路に冷媒を循環させるものである、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ロータシャフトの回転速度が所定高速域に達した場合でも、流体振動が発生することのない回転電機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図であり、図２はその外観形状を示す斜視図である。本実施形態に係る回転電機は、例えば電車に用いられる駆動電動機である。
【００１６】
ロータシャフト１には、その一端側及び他端側にそれぞれ固着された軸受部材２，３を介して、フレーム部材４が取り付けられている。このフレーム部材４の外側には複数の冷却フィン５が形成されている。
【００１７】
フレーム部材４の内側に形成されている室内にはステータが配設されており、このステータに対向するように、ロータが配設されている。ステータは、フレーム部材４の内壁に固着された支持部材６、この支持部材６により支持されたステータ鉄心７、このステータ鉄心７に保持されたステータコイル８等により構成されている。また、ロータは、ロータシャフト１、このロータシャフト１に固着された支持部材９、この支持部材９により支持されたロータ鉄心１０、このロータ鉄心１０に保持されたロータバー１１等により構成されている。そして、支持部材９の一端側と軸受部材２との間に位置するように、循環ファン１２がロータシャフト１に固着されている。
【００１８】
フレーム部材４の外側には２つの電力変換器(例えばインバータ)１３，１４が一体的に取り付けられている。これら電力変換器１３，１４は、例えばIGBT等の発熱性スイッチング素子を有している。なお、このようにインバータが一体的に組み付けられた電動機は「インバータ一体型電動機」と呼ばれており、設置スペースに制限がある電車には好適な構成となっている。
【００１９】
図１に示した電動機は所謂「内気循環構造」を有するものである(詳しくは、特開平９−２０５７５８号公報参照)。すなわち、フレーム部材４には通風口４ａ及び通風口４ｂが形成されており、この通風口４ａ，４ｂ間には密閉構造の通気管(図面簡略化のため図示を略す)が設けられている。また、支持部材９、ロータ鉄心１０、及び循環ファン１２にはそれぞれ通風口９ａ，１０ａ，１２ａが形成されている。そして、ロータの回転時には内気循環ファン１２の働きにより、フレーム部材４内部の内気が通風口１２ａ，４ａ，通気管，通風口４ｂ，９ａ，１０ａ等の流路を通って循環され、これによりステータ及びロータに対する冷却が行われるようになっている。
【００２０】
フレーム部材４の他方の端面側から突出するロータシャフト１の端部には冷媒循環器１５が配設されている。この冷媒循環器１５は、内部に冷媒貯溜室１７が形成されている冷媒貯溜容器１６と、磁気カップリング２０と、インペラ部材２１とで構成されている。
【００２１】
そして、磁気カップリング２０は、冷媒貯溜室１７内においてロータシャフト１端部に固着された駆動側磁石部材１８、及びこの駆動側磁石部材１８と所定の間隙を置いて配置される従動側磁石部材１９により形成されている。また、インペラ部材２１は適当な取付部材を介して従動側磁石部材１９に取り付けられている。
【００２２】
冷媒貯溜容器１６の上部には吐出口１６ａ及び吸入口１６ｂが形成されており、これら吐出口１６ａ及び吸入口１６ｂには、配管部材や仕切り部材等により形成された冷媒流路２２の一端側及び他端側が接続されている。冷媒流路２２は、電力変換器１３及びその周囲の冷却フィン５を通過するように配設されている。
【００２３】
同様に、冷媒貯溜容器１６の下部には吐出口１６ｃ及び吸入口１６ｄが形成されており、これら吐出口１６ｃ及び吸入口１６ｄには、配管部材や仕切り部材等により形成された冷媒流路２３の一端側及び他端側が接続されている。冷媒流路２３は、電力変換器１４及びその周囲の冷却フィン５を通過するように配設されている。なお、図２における符号２４は、この回転電機(電動機)を電気車の所定個所に取り付けるための取付部である。
【００２４】
そして、冷媒貯溜室１７内には冷媒としての冷却油が貯溜されており、インペラ部材２１が回転すると、この冷却油が吐出口１６ａ，１６ｃから冷媒流路２２，２３に吐出され、熱交換を終えた冷却油が吸入口１６ｂ，１６ｄから冷媒貯溜室１７内に返送されるようになっている。
【００２５】
なお、図１では図面簡略化のため、軸受部材２，３が直接にフレーム部材４に取り付けられているように図示されているが、実際には、軸受部材２にはフレーム部材４の室内と外気との遮断を行うための密閉性保持部材が装着されており、また、軸受部材３にはフレーム部材４の室内と冷媒貯溜室１７との遮断を行うための密閉性保持部材が装着されている。
【００２６】
図３は、図１における磁気カップリング２０の配置構成を示す斜視図である。駆動側磁石部材１８は、合計６個のＳ極の永久磁石及びＮ極の永久磁石が交互に配列されてリング状に形成されている。同様に、従動側磁石部材１９も、合計６個のＳ極の永久磁石及びＮ極の永久磁石が交互に配列されてリング状に形成されている。駆動側磁石部材１８は外径Ｄ１を有し、従動側磁石部材１９は内径Ｄ２を有している。したがって、駆動側磁石部材１８の外面と従動側磁石部材１９の内面との間の間隙寸法Ｇは、Ｇ＝(Ｄ２−Ｄ１)／２により求められる。
【００２７】
なお、図３に示した例では、従動側磁石部材１９の外側に取付部材(図示せず)を介して取り付けられたインペラ部材２１の個数は４個となっているが、この個数は運転環境に応じて適宜変更されるものである。
【００２８】
次に、上記のように構成される第１の実施形態の動作につき説明する。ステータコイル８に対する通電により回転磁界が発生するとロータが回転し、ロータシャフト１が回転する。このときの回転数は所定高速域以下(例えば、３０００ｒｐｍ以下)とする。ロータシャフト１が回転すると、これに固着された駆動側磁石部材１８も回転し、さらにこれに磁気的に連結された従動側磁石部材１９も駆動側磁石部材１８に同期して回転する。したがって、従動側磁石部材１９に取り付けられたインペラ部材２１も回転する。
【００２９】
インペラ部材２１が回転すると、冷媒貯溜容器１６の冷媒貯溜室１７内に貯溜されている液体冷媒がポンプ作用によって吐出口１６ａ，１６ｃから冷媒流路２２，２３へ送り出され、冷却フィン５及び電力変換器１３，１４で熱交換を終えた液体冷媒が吸入口１６ｂ，１６ｄを通って冷媒貯溜室１７内に返送される。このような液体冷媒の循環によって、冷却フィン５及び電力変換器１３，１４に対する冷却と、フレーム部材４内側に配設されているステータ及びロータに対する冷却とが有効に行われる。
【００３０】
また、本実施形態の電動機は既述した「内気循環構造」を有するものであり、ロータシャフト１の回転により、これに固着された内気循環ファン１２も回転し、フレーム部材４内部の内気が循環されてステータ及びロータに対する冷却が行われる。つまり、本実施形態では電動機のステータ及びロータが、フレーム部材４外側で循環する液体冷媒と、フレーム部材４の内外を循環する内気との２種類の冷媒によって効率的な冷却が行われている。
【００３１】
そして、ロータの回転速度が上昇し、ロータシャフト１の回転速度が３０００ｒｐｍを超える高速度になると、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との同期が解除された状態(脱調した状態)となり、駆動側磁石部材１８の高速回転にかかわらず従動側磁石部材１９の高速回転への上昇が抑制される。すなわち、前述した駆動側磁石部材１８の外面と従動側磁石部材１９の内面との間の間隙寸法Ｇ＝(Ｄ２−Ｄ１)／２の値は、予め行われていた実験等により、３０００ｒｐｍを超える高速域では駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との同期が解除されるような最適値に設定されている。
【００３２】
したがって、図１の構成では、ロータシャフト１が３０００ｒｐｍを超える高速度で回転しても、インペラ部材２１がこれに同期して高速度回転することはないので、流体振動の発生を有効に防止することが可能になる。それ故、従来、電車の高速走行時に、流体振動に起因して発生していた大きな騒音を防止することができる。
【００３３】
なお、ロータの回転速度が３０００ｒｐｍを超えることにより同期が解除された駆動側磁石部材１８及び従動側磁石部材１９は、その後に３０００ｒｐｍ以下に低下したときには自動的に同期した状態に復帰することになる。
【００３４】
ところで、本実施形態に係る電動機はインバータが一体的に組み付けられた「インバータ一体型電動機」であり、フレーム部材４の外側に電力変換器１３，１４が一体的に取り付けられているが、本実施形態の構成によれば、電力変換器１３，１４内のスイッチング素子の疲労破壊を回避できるという副次的効果を得ることができる。
【００３５】
つまり、特許文献２に開示された従来装置のように、インペラ部材２１が直接ロータシャフト１に固着されていると仮定すると、ロータシャフト１の高速回転(電車の高速走行時)が直ちにインペラ部材２１の高速回転となり、低速回転時(電車の低速走行時)に比べて電力変換器１３，１４内を通る液体冷媒量が大きく増加する。したがって、スイッチング素子の温度変化は相当程度大きなものとなり、電車の低速走行と高速走行とが繰り返し行われると、ヒートサイクルにおける大きな温度差によってスイッチング素子に疲労破壊が発生しやすくなる。
【００３６】
ところが、図１の構成では、インペラ部材２１は磁気カップリング２０を介してロータシャフト１に取り付けられており、所定回転速度まではロータシャフト１に同期して回転するが、それ以上ロータシャフト１の回転速度が上昇すると、この同期が解除される。したがって、インペラ部材２１は、ロータシャフト１の回転速度の上昇にかかわらず、その回転速度の上昇が抑制される。それ故、電車の低速走行と高速走行とが繰り返し行われたとしても、低速走行時と高速走行時との間における循環冷媒量はそれほど激しく変化することはなく、ヒートサイクルにおける温度差が小さくなるため、スイッチング素子に疲労破壊が発生するのを回避することができる。
【００３７】
図４は、本発明の第２の実施形態の要部構成である磁気カップリング２０の配置構成を示す斜視図である。既述したように、駆動側磁石部材１８の外面と従動側磁石部材１９の内面との間の間隙寸法Ｇ＝(Ｄ２−Ｄ１)／２の値は、予め行われた実験等により最適値に設定されているが、運転環境等の変化によって更にその後に再設定する必要が生じる場合がある。しかし、磁気カップリング２０の組付を一旦完了させた後に、内径Ｄ２又は外径Ｄ１の値を変化させて間隙寸法Ｇの値を調整する作業は容易ではない。そこで、この第２の実施形態では、このような場合に容易に対処することが可能な構成を提供している。
【００３８】
図４が図３と異なる点は、駆動側磁石部材１８の外面と従動側磁石部材１９の内面との間に形成されている間隙に、例えばアルミニウム等の非磁性材料で形成され且つ板厚ｔを有する隔壁板２５が介挿されている点である。この隔壁板２５の板厚ｔにより駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間の磁気的結合力が決定されるため、板厚ｔの値を適切に調整することによって両者の同期が解除されるタイミングすなわち回転速度を設定することができる。したがって、図４の構成によれば、上記の間隙寸法Ｇの値を変化させたのと実質的に同等の効果を得ることができる。
【００３９】
なお、実際の調整作業では、板厚ｔの値がそれぞれ異なる複数個の隔壁板２５を予め製作しておき、これら複数個の隔壁板２５を順次交換しながら実験を行う方法が効率的である。
【００４０】
また、本実施形態では、板厚ｔを変化させる代わりに、隔壁板２５の材質(透磁率等の物性値が異なる材質)を変化させることにより対処することも可能である。この場合も、材質がそれぞれ異なる複数個の隔壁板２５を予め製作しておき、これら複数個の隔壁板２５を順次交換しながら実験を行う方法が効率的である。
【００４１】
図５は、本発明の第３の実施形態の要部構成であるロータシャフト１端部の形状を示す斜視図である。図１に示した構成では、ロータシャフト１端部に固着された駆動側磁石部材１８が磁気カップリング２０の１つの構成要素となっていたが、この第３の実施形態では、駆動側磁石部材１８の代わりに、ロータシャフト１端部の外面に所定間隔で形成した複数の溝部１ａを用いている。
【００４２】
そして、ロータシャフト１が回転すると、溝部１ａに対向して配設されている従動側磁石部材１９(図５では図示せず)からの磁力線による磁束分布が変化するために、従動側磁石部材１９を回転させるのに充分な回転トルクが発生する(所謂リラクタンスモータの原理による)。したがって、第１の実施形態の場合と同様に、所定高速域に達するまではロータシャフト１及び溝部１ａの回転に同期して従動側磁石部材１９及びインペラ部材２１が回転し、それ以降の高速域ではこの同期が解除されて従動側磁石部材１９及びインペラ部材２１の回転速度の上昇が抑制される。
【００４３】
第３の実施形態によれば、磁気カップリング２０の一方の構成要素である駆動側磁石部材１８を省略することができるため、その分コストを低減することができ、また、従動側磁石部材１９の内径Ｄ２も小さくできるので、その分、冷媒循環器１５の小型化を図ることができる。
【００４４】
図６は、本発明の第４の実施形態の要部構成である、インペラ部材２１(この図では図示せず)が取り付けられるリング状金属部材２６の形状を示す斜視図である。上記の図５の第３の実施形態では、ロータシャフト１端部の外面に所定間隔で形成した複数の溝部１ａを、駆動側磁石部材１８の代わりに用いた構成としていたが、この第４の実施形態では、従動側磁石部材１９の代わりに、リング状金属部材２６の外面に所定間隔で形成した複数の溝部２６ａを用いた構成としている。
【００４５】
そして、ロータシャフト１が回転すると、溝部２６ａに対向して配設されている駆動側磁石部材１８からの磁力線による磁束分布が変化するために、リング状金属部材２６が回転するのに充分な回転トルクが発生する。したがって、リング状金属部材２６に取り付けられたインペラ部材２１は、第１の実施形態の場合と同様に、所定高速域に達するまではロータシャフト１及び駆動側磁石部材１８の回転に同期してリング状金属部材２６及びインペラ部材２１が回転し、それ以降の高速域ではこの同期が解除されてリング状金属部材２６及びインペラ部材２１の回転速度の上昇が抑制される。
【００４６】
第４の実施形態によれば、磁気カップリング２０の他方の構成要素である従動側磁石部材１９を省略することができるため、その分コストを低減することができ、また、従動側磁石部材１９を省略できた分だけ、冷媒循環器１５の小型化を図ることができる。
【００４７】
図７は、本発明の第５の実施形態の要部構成である磁気カップリング２０の配置構成を示す説明図である。この図に示すように、駆動側磁石部材１８の磁極数は「６」、従動側磁石部材１９の磁極数は「１２」となっており、両者の比は１対２となっている。
【００４８】
これまでの各実施形態では、図３又は図４に示したように、駆動側磁石部材１８の磁極数と従動側磁石部材１９の磁極数と比は１対１となっていたため、両者の回転速度は同じになっていた。これに対し、第５の実施形態では上記のように１対２となっているため、従動側磁石部材１９は駆動側磁石部材１８の略２倍の回転速度を得ることができる。
【００４９】
したがって、循環冷媒量が不足気味になる虞がある低速回転時(電車の低速走行時)においても、インペラ部材２１の回転速度を上げることができ、充分な循環冷媒量を確保することが可能になる。
【００５０】
図８は、本発明の第６の実施形態の要部構成である磁気カップリング２０の配置構成を示す説明図である。この実施形態では、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間に中間磁石部材２７が介挿されており、磁気カップリング２０は、同心円状に配置された３つの磁石部材による多段構成となっている。
【００５１】
そして、駆動側磁石部材１８の磁極数は「６」、中間磁石部材２７の磁極数は「１２」、従動側磁石部材１９の磁極数は「２４」となっており、三者の磁極数の比は１対２対４となっている。つまり、中間磁石部材２７の磁極数は、駆動側磁石部材１８よりも多く且つ従動側磁石部材１９よりも少なくなっている。したがって、従来装置であれば循環冷媒量が不足気味になる低速回転時(電車の低速走行時)においても、インペラ部材２１の回転速度を上げることができ、図７に示した第５の実施形態よりも一層充分な循環冷媒量を確保することが可能になる。
【００５２】
なお、図７及び図８の構成では、外側磁石部材の磁極数は内側磁石部材の磁極数の２倍となっているが、３倍以上の磁極数又は２倍よりも小さな磁極数であってもよい。例えば、図７の構成では、駆動側磁石部材１８の磁極数を「６」、従動側磁石部材１９の磁極数を「１０」とすることができ、図８の構成では、駆動側磁石部材１８の磁極数を「６」、中間磁石部材２７の磁極数を「１０」、従動側磁石部材１９の磁極数を「１６」とすることができる。但し、同一極性が連続しないようにするため、磁極数はいずれの場合であっても偶数個とするのが好ましい。
【００５３】
図９は、本発明の第７の実施形態の要部構成である磁気カップリング２０の配置構成を示す説明図である。これまでの各実施形態では、駆動側磁石部材１８の外側に従動側磁石部材１９が同心円状に配置されていたが、この実施形態では、従動側磁石部材が独立の回転軸を有する６個の従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆにより構成され、これらが駆動側磁石部材１８の回りにそれぞれ距離Ｌ１〜Ｌ６だけ離間して配置されている。なお、回転方向については、例えば、駆動側磁石部材１８が時計回り方向に回転したときには、従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆは反時計回り方向に回転することになる。
【００５４】
そして、各従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆには４個のインペラ部材２１(図９では図示せず)が取り付けられており、また、冷媒流路はこれら６個の従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆに対応するように６つの流路に分岐されている。なお、これら６つに分岐された流路は、途中に合流する個所が形成されているものでもよい。
【００５５】
図９の構成例では、従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆ、及び離間距離Ｌ１〜Ｌ６が全て同一であるものとして図示されているが、本実施形態の最も有用な構成例は、電動機の仕様や設置環境に応じて従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆの磁極数及び離間距離Ｌ１〜Ｌ６をそれぞれに異なるものとした場合である。何故なら、必要な循環冷媒量は電動機の場所によってそれぞれ異なるのが通常だからである。例えば、図１において、電力変換器１３，１４及びその周囲に対しては循環冷媒量を多くすべきであり、それ以外の個所では循環冷媒量は比較的少なめでよいことになる。
【００５６】
このように、第７の実施形態によれば、回転電機の仕様や設置環境に応じて循環冷媒をきめ細かに配分することができ、効率的な冷却を行うことが可能になる。
【００５７】
図１０は、本発明の第８の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。図１０が図１と異なる点は、冷媒循環器１５Ａを構成する冷媒貯溜容器１６Ａの形状である。すなわち、図１の構成では、ロータシャフト１端部、駆動側磁石部材１８、従動側磁石部材１９、インペラ部材２１が密閉室である冷媒貯溜室１７内に配設されていたが、この図１０の構成では、従動側磁石部材１９及びこれに取り付けられたインペラ部材２１のみが１７内に配設されており、ロータシャフト１端部及びこれに取り付けられた駆動側磁石部材１８は、冷媒貯溜容器１６Ａの内壁部１６Ａａに囲まれた大気開放空間に配設されている。
【００５８】
この第８の実施形態では、図１０に図示するように軸受部材３の外側に冷媒貯溜室１７を形成することが可能となるので、軸受部材３と冷媒貯溜室１７との間の遮断を行うための密閉性保持部材(シール部材等)を必要とすることなく、冷媒貯溜室１７の密閉性を高めることができる。
【００５９】
また、図１の構成では、ロータシャフト１に連結される負荷は冷媒循環器１５とは反対側のロータシャフト１端部に限定されることになるが、図１０の構成では冷媒循環器１５Ａ側とすることも可能な場合がある。したがって、設計上の自由度がそれだけ大きくなる。
【００６０】
更に、図１０の構成では、ロータシャフト１端部及び駆動側磁石部材１８が液体冷媒中ではなく大気中で回転するため、僅かではあるが負荷トルクが軽減されるという効果もある。
【００６１】
そして、図４においては、隔壁板２５の機能につき既述したが、図１０の構成では内壁部１６Ａａに隔壁板２５の機能を代替させることが可能である。つまり、内壁部１６Ａａをアルミニウム等の非磁性材料で形成し、その板厚を適切に調整することによって駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間の同期が解除されるタイミングすなわち回転速度を設定することができる。
【００６２】
図１１は、本発明の第９の実施形態の要部構成である、ロータシャフト１端部におけるインペラ部材２１の取付構造を示す斜視図である。この実施形態では、ロータシャフト１端部が樹脂製リング部材２８に嵌装されており、この樹脂製リング部材２８にインペラ部材２１が取り付けられている。これまでの各実施形態では、ロータシャフト１が所定高速域に達したときにロータシャフト１とインペラ部材２１との同期を解除する手段として、磁気カップリング２０を用いていた。これに対し、本実施形態では、磁気カップリング２０の代わりに、樹脂製リング部材２８を用いることにより冷媒循環手段の構成を簡単化している。
【００６３】
そして、本実施形態では、ロータシャフト１の回転速度が所定高速域に達すると、遠心力の作用によって樹脂製リング部材２８の内径が僅かに拡張するため、樹脂製リング部材２８の内面が微小距離(数百ミクロン程度で可)だけロータシャフト１から離間する。したがって、ロータシャフト１と樹脂製リング部材２８及びインペラ部材２１との間の同期が解除される。
【００６４】
本実施形態によれば、磁気カップリング２０の代わりに安価な樹脂製リング部材２８を用いているので、大幅なコストダウンを図ることができる。また、樹脂製リング部材２８は、磁気カップリング２０に比べて小形且つ軽量であるため、スペース及び重量の面でも有利な構成となる。
【００６５】
なお、ロータシャフト１と樹脂製リング部材２８との間の同期が解除されるタイミングの設定については、樹脂製リング部材２８の材質を変化させることにより調整することができるが、遠心力は樹脂製リング部材２８の重量と対応関係を有しているので、厚みの異なる樹脂製リング部材２８を複数種類用意しておくことで適宜調整することができる。
【００６６】
あるいは更に簡便な調整手法として、最初はある程度重めの樹脂製リング部材２８を製作しておき、その後にこの樹脂製リング部材２８の適当個所に切り欠き部等を設けて次第に軽量化していく過程で最適重量を見出すようにする手法も考えられる。
【００６７】
図１２は、本発明の第１０の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。図１２が図１と異なる点は、冷媒流路２２，２３がフレーム部材４の周面部に沿って形成されているだけでなく、端面部（図４における左方の個所）にも沿って形成されている点である。
【００６８】
図１の構成では、フレーム部材４の端面部からの冷却が行われることはなかったが、本実施形態によれば、冷媒流路２２，２３がフレーム部材４のほぼ全ての個所をカバーするように形成されているので、冷却面積を拡大することができ冷却能力を一層高めることができる。
【００６９】
図１３は、本発明の第１１の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。図１３が図１と異なる点は、冷媒流路２２，２３が分岐流路２２ａ，２３ａを有しており、これらの分岐流路２２ａ，２３ａがステータ鉄心７を挿通している点である。
【００７０】
図１の構成では、冷媒流路２２，２３によるステータ鉄心７に対する冷却はフレーム部材４及び冷却フィン５を介して間接的に行われる構成となっていたが、本実施形態では、分岐流路２２ａ，２３ａがステータ鉄心７に対する冷却を直接的に行う構成となっているので、ステータ鉄心７に対する冷却能力を大幅にアップすることができる。
【００７１】
図１４は、本発明の第１２の実施形態の要部構成である磁気カップリング２０の配置構成を示す説明図である。図１４が図９と異なる点は、従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆと駆動側磁石部材１８との間の距離Ｌ１〜Ｌ６が同一ではなく次第に短くなっている点である。したがって、従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆは駆動側磁石部材１８の周りに螺旋状に配置された状態になっている。
【００７２】
そして、従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆが駆動側磁石部材１８との間で同期を解除する回転数は、それぞれ２０００ｒｐｍ，２２００ｒｐｍ，２４００ｒｐｍ，２６００ｒｐｍ，２８００ｒｐｍ，３０００ｒｐｍとなっている。そのため、ロータシャフト１の回転数が上昇しても、それに伴って同期して回転する従動側磁石部材の数が段階的に減少していくので、常に騒音レベルが一定になるという効果を期待することができる。
【００７３】
なお、図９の第７の実施形態の説明において、距離Ｌ１〜Ｌ６がそれぞれ異なる場合については既に言及されているので、この１２の実施形態は第７の実施形態に属するものであるとも言える。
【００７４】
図１５は、本発明の第１３の実施形態の要部構成である冷媒循環器１５の部分を拡大して示した縦断面図である。図１５における冷媒循環器１５が図１と異なる点は、磁気カップリング２０を構成する駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間に、ロータシャフト１の軸方向に相対的なズレ量ｄが生じている点である。このズレ量ｄの値を可変することにより、ロータシャフト１とインペラ部材２１との間、すなわち駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間の同期が解除されるタイミング（回転数）を調整することができる。
【００７５】
図３において既述したように、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間の同期が解除されるタイミングは、基本的には間隙寸法Ｇの値によって定まるが、間隙寸法Ｇの値を可変するのは必ずしも容易ではないために、図４に示すように、隔壁板２５を用いる構成を採用し、この隔壁板２５の板厚ｔや材質を可変することにより上記の同期が解除されるタイミングを設定するようにしている。
【００７６】
本実施形態は、この同期解除のタイミング設定について更に別の手法を提供し、設計上の選択の幅を広げたものである。なお、ズレ量ｄの設定は、駆動側磁石部材１８に対する従動側磁石部材１９の取付位置を可変するようにしてもよいが、容器高さＨが異なる冷媒貯溜容器１６を何種類かを用意しておき、その中から最適の容器高さＨを有する冷媒貯溜容器１６を選択する方が、より容易にズレ量ｄを最適に設定することができる。
【００７７】
図１６は、本発明の第１４の実施形態の要部構成である冷媒循環器１５の部分を拡大して示した縦断面図である。図１６における冷媒循環器１５が図１と異なる点は、ロータシャフト１の端部に小径部１ｂが形成されており、この小径部１ｂに駆動側磁石部材１８が取り付けられている点である。
【００７８】
本実施形態の構成によれば、駆動側磁石部材１８の外径を小さくすることができるので、これに伴って従動側磁石部材１９及びインペラ部材２１の外径も小さくすることができ、したがって冷媒貯溜容器１６の外径も小さくすることができる。すなわち、回転電機の端面から突出した状態となる冷媒循環器１５を小型化することができるので、設計上、機器配置について大きな自由度を得ることができる。
【００７９】
なお、図１６の構成では、ロータシャフト１の軸方向における駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間のズレ量ｄがゼロの場合を示しているが、この構成においても容器高さＨを変えることによりズレ量ｄを生じさせるようにし、図１５の場合と同様に同期解除のタイミング設定を容易にすることができる。
【００８０】
図１７は、本発明の第１５の実施形態の要部構成である冷媒循環器１５の部分を拡大して示した縦断面図である。本実施形態では、上記の第１４の実施形態よりも冷媒循環器１５を更に小型化できるように構成している。
【００８１】
すなわち、図１７における駆動側磁石部材１８は薄型のものであり、これがロータシャフト１の小径部１ｂに取り付けられている。また、この駆動側磁石部材１８に対しロータシャフト１の軸上で対向した配置となるように、やはり薄型の従動側磁石部材１９が従動シャフト２９の取付部２９ａに取り付けられている。この従動シャフト２９の右方の基端部は、冷媒貯溜容器１６の端面に固着された軸受部材３０によって回転可能に支持されている。そして、従動側磁石部材１９及び取付部２９ａの外側面上にインペラ部材２１が取り付けられている。
【００８２】
図１６の構成では、駆動側磁石部材１８の外側に従動側磁石部材１９が配設された構成となっているのに対し、図１７の構成では、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９とが付き合わされた構成となっているので、インペラ部材２１の外径をより小さくすることができ、したがって冷媒循環器１５を更に小型化することができる。
【００８３】
なお、この図１７の構成においても、容器高さＨを変えることによりズレ量ｄを生じさせるようにし、図１５及び図１６の場合と同様に同期解除のタイミング設定を容易にすることができる。
【００８４】
図１８は、本発明の第１６の実施形態の要部構成である冷媒循環器１５の部分を拡大して示した縦断面図である。この図１８の構成は、図１６及び図１７の中間レベルといえるものである。つまり、図１６の構成は、ロータシャフト１に小径部１ｂを形成して駆動側磁石部材１８の外径を小さくしたといっても、駆動側磁石部材１８及び従動側磁石部材１９は同心円上に配置されているので冷媒貯溜容器１６の外径はそれほど小さくなるわけではない。一方、図１７の構成は、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９とが付き合わされた構成となっているので、インペラ部材２１の外径が小さくなり、したがって冷媒貯溜容器１６の外径もかなり小さくなる。ところが、図１７の構成は、冷媒貯溜容器１６の外径が小さくなる反面、軸方向長さつまり容器高さＨがある程度大きくなることが避けられない。
【００８５】
そこで、図１８に示すように、本実施形態では、ロータシャフト１の端部にテーパ面を設け、ロータシャフト１の軸と傾斜角θ（例えば４５度）をなす傾斜軸上に駆動側磁石部材１８を取り付けている。そして、基端部が軸受部材３０により支持されている従動シャフト２９の取付部２９ｂに従動側磁石部材１９を取り付け、従動側磁石部材１９が上記の傾斜軸上で駆動側磁石部材１８と対向した配置となるようにしている。
【００８６】
また、従動側磁石部材１９の背面側に位置する取付部２９ｂの個所にはインペラ部材２１を取り付け、結局、駆動側磁石部材１８、従動側磁石部材１９、及びインペラ部材２１の３つの部材が傾斜軸上を通るように配設された構成となっている。
【００８７】
図１８は、このような構成となっているので、冷媒貯溜容器１６の外径及び容器高さＨを、図１６及び図１７の中間程度の大きさとすることができ、回転電機を設置する際の設計上の自由度の拡大に資することを可能にしている。
【００８８】
なお、この図１８の構成において、図示の状態から容器高さＨを次第に大きくしていくと、間隙寸法Ｇが大きくなると同時に、傾斜軸に垂直な方向の軸上における駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間のズレ量も大きくなる。したがって、両磁石の磁束分布の変化と容器高さＨの変化との対応関係も明確化され、同期解除のタイミング設定がこれまでの実施形態に比べてより容易になるものと考えられる。
【００８９】
図１９は、本発明の第１７の実施形態の要部構成である冷媒循環器１５の部分を拡大して示した縦断面図である。この図１９の構成は、図１７の第１５の実施形態よりも、冷媒貯溜容器１６の外径及び軸方向長さを一層小さくできるようにしたものである。
【００９０】
すなわち、ロータシャフト１の端部の内部に穴部１ｃを形成し、この穴部１ｃ内に従動側磁石部材１９を配置するようにしている。この従動側磁石部材１９は、基端部が軸受部材３０により支持されている従動シャフト２９の先端部に取り付けられ、駆動側磁石部材１８に対しその内側で対向するように配置されている。そして、駆動側磁石部材１８はロータシャフト１外周面に形成された環状溝に嵌着されているので、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間の間隙寸法Ｇが所定値以下となっている。また、インペラ部材２１は、ロータシャフト１の端面と軸受部材３０との間の位置で従動シャフト２９に取り付けられている。
【００９１】
このように、図１９の構成では、ロータシャフト１の端部の内部に穴部１ｃを形成し、この穴部１ｃ内に従動側磁石部材１９を、駆動側磁石部材１８に対しその内側で対向するように配置しているので、冷媒貯溜容器１６の外径及び軸方向長さを一層小さくすることができる。
【００９２】
図２０は、本発明の第１８の実施形態の要部構成である冷媒循環器１５の部分を拡大して示した縦断面図である。この図２０の構成は、図１９の第１７の実施形態よりも、冷媒貯溜容器１６の外径及び軸方向長さを更に一層小さくできるようにしたものである。
【００９３】
すなわち、図１９の構成と同様に、ロータシャフト１の端部の内部に穴部１ｃを形成し、この穴部１ｃ内に従動側磁石部材１９を配置するようにしている。しかし、図１９の構成とは異なり、この従動側磁石部材１９を支持しているのは従動シャフト２９のような中実状のシャフトではなく、中空パイプ状従動シャフト３１である。
【００９４】
この中空パイプ状従動シャフト３１は、一方の端部つまり先端部に形成された開口部３１ａ、他方の端部つまり基端部の端面を塞ぐ閉塞部３１ｂ、両端部間の外周面に所定角度毎に放射状になるように形成された複数の孔部３１ｃ、及び開口部３１ａから複数の孔部３１ｃにわたって内周面に形成された複数のスキュー状インペラ部３１ｄを有している。
【００９５】
従動側磁石部材１９は、このような構造の中空パイプ状従動シャフト３１の先端部に取り付けられている。そして、図１９の構成では、駆動側磁石部材１８がロータシャフト１の外周面に形成された環状溝に嵌着されていたが、図２０の構成では、駆動側磁石部材１８がロータシャフト１の内周面に形成された環状溝に嵌着されている。したがって、両磁石部材の間にロータシャフト１の部位が介在しないので、磁束分布がより密になり必要な電磁的結合力を確保することができる。また、この図２０の構成では、これまでの実施形態と異なり、吐出口１６ａと吸入口１６ｂとの位置が入れ替わり、同様に、吐出口１６ｃと吸入口１６ｄとの位置が入れ替わっている。
【００９６】
このような図２０の構成において、ロータシャフト１及び駆動側磁石部材１８が回転すると、所定高速域の回転数（３０００ｒｐｍ）になるまでは、これに同期して従動側磁石部材１９も回転する。このとき、冷媒貯溜室１７内の冷媒の流れは点線部で示したようになる。すなわち、吸入口１６ｂ，１６ｄからの冷媒は、回転するスキュー状インペラ部３１ｄの働きにより、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間の間隙から開口部３１ａに吸引され、更に、スキュー状インペラ部３１ｄにより孔部３１ｃに案内される。そして、案内された冷媒はこの孔部３１ｃを通って、中空パイプ状従動シャフト３１の外部へ排出される。排出された冷媒は、吐出口１６ａ，１６ｃからそれぞれ冷媒流路２２，２３に導かれて既述したように循環される。
【００９７】
なお、図２０の構成では、インペラ部材がこれまでの実施形態のように駆動側磁石部材１８又は従動シャフト２９の外周側に露出した状態で配設されたインペラ部材２１ではなく、中空パイプ状従動シャフト３１の内周面に隠れた状態で形成されたスキュー状インペラ部３１ｄであるため、吸入口１６ｂ，１６ｄから冷媒を吸引する力、及び吐出口１６ａ，１６ｃに向けて冷媒を送り出す力が弱くなるように見える。しかし、冷却に必要な量の冷媒を冷媒流路２２，２３に循環させるには、実際にそれほど大きな力が必要になるわけではなく、図２０の構成によって得られる力で充分である。
【００９８】
また、図２０の構成では、従動側磁石部材１９と中空パイプ状従動シャフト３１とが別部材であるとして説明しているが、両者の材料としてアルニコ磁石を用いるようにし、鋳造等により両者を一体的に成形するようにしてもよい。これにより、製造工程を短縮することができコストダウンを図ることができる。
【００９９】
このように、図２０の構成では、ロータシャフト１の端部の内部に穴部１ｃを形成し、この穴部１ｃ内に中空パイプ状従動シャフト３１先端部に取り付けられた従動側磁石部材１９を、駆動側磁石部材１８に対しその内側で対向するように配置している。そして、磁気カップリング２０の回転時には、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間に形成されている隙間から開口部３１ａを経由して中空パイプ状従動シャフト３１内部に吸引された冷媒が、スキュー状インペラ部３１ｄに案内された後、複数の孔部３１ｃを通って中空パイプ状従動シャフト３１の外部へ排出されるようにしているので、冷媒貯溜容器１６の外径及び軸方向長さを一層小さくすることができる。
【０１００】
図２１は、本発明の第１９の実施形態の要部構成である冷媒循環器１５の部分を拡大して示した縦断面図であり、図２２は図２１におけるXXII-XXII矢視図である。図２１における冷媒循環器１５が図１と異なる点は、インペラ部材２１が外周面上に固着されたリング部材３２が従動側磁石部材１９の外側に配置され、このリング部材３２内周面と従動側磁石部材１９外周面との間に、従動側磁石部材１９に対して反発付勢力を有する複数のバネ部材３３が介挿されている点である。なお、詳しく図示はしていないが、従動側磁石部材１９を構成している６個のピース（磁石片）は、それぞれ接合されているわけではなく、遠心力が作用した場合には僅かに（数百ミクロン程度）離間して従動側磁石部材１９の内径が拡張するように配設されている。
【０１０１】
図２１において、駆動側磁石部材１８外面と従動側磁石部材１９内面との間の間隙は当初Gであるが、ロータシャフト１が回転し回転速度が所定高速域に達すると、遠心力の作用によって従動側磁石部材１９の内径が拡張する。本実施形態では、駆動側磁石部材１８及び従動側磁石部材１９の材料に安価なものを使用し充分な電磁的結合力が得られないことを前提としているため、このときの従動側磁石部材１９内径の拡張は大きなものになろうとする。しかし、本実施形態では、バネ部材３３が従動側磁石部材１９に対して反発付勢力を与えているために、このときの従動側磁石部材１９内径の拡張はそれほど大きくならず、小さな値δに抑制されている。そして、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間で同期が解除されるタイミングは、この従動側磁石部材１９の拡張量であるδの値によって決定される。
【０１０２】
つまり、図２３（ａ）に示すように、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間の磁石間吸引力Ｆ１は、従動側磁石部材１９の拡張量δが大きくなるにしたがって減少する。一方、図２３（ｂ）に示すように、バネ部材３３のバネ力（反発付勢力）Ｆ２は拡張量δが大きくなるにしたがって増加する。それ故、磁石間吸引力Ｆ１の減少分をバネ力Ｆ２の増加分によって補完することができ、δの値は結局両者のバランス点に落ち着くことになる。
【０１０３】
このように、図２１の構成によれば、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間に必要な電磁的結合力が充分に得られない場合においても、バネ部材３３のバネ力を利用して電磁的結合力の不足を補うことができる。したがって、駆動側磁石部材１８及び従動側磁石部材１９にそれほど高品質の高価な材料を用いる必要がなくなり、コストダウンを図ることが可能になる。
【０１０４】
図２４は、本発明の第２０の実施形態の要部構成である磁気カップリング２０及びその周辺の部材の構成例を示す説明図であり、図２５は図２４におけるXXV-XXV矢視図である。
【０１０５】
図２４に示すように、従動側磁石部材１９の周囲には、ある程度大きな値の肉厚を有する樹脂製のリング部材３４が配設されており、このリング部材３４の側端面にゼンマイバネのような回転バネ部材３５を介して４個のインペラ部材２１が取り付けられている。
【０１０６】
このインペラ部材２１は、図２５に示すように、両サイドに取付脚２１ａが形成されたものである。そして、このインペラ部材２１の外側に回転バネ部材３５が配置されており、この回転バネ部材３５が、従動側磁石部材１９を挿通するピン部材３６によって取付脚２１ａに取り付けられている。
【０１０７】
図２４において、ロータシャフト１及び駆動側磁石部材１８が矢印方向に回転し、所定高速域（３０００ｒｐｍ）に達すると、これまでと同様に、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との同期が解除され、従動側磁石部材１９及びインペラ部材２１のそれ以上の高速回転が抑制される。そして、インペラ部材２１はこのとき冷媒から抵抗力をうけており、この抵抗力によって回転バネ部材３５のバネ力に抗して、２点鎖線で示すように、回転方向と反対側に傾斜する。この傾斜によって、インペラ部材２１と冷媒との接触量が減少するため、循環冷媒量が減少することになる。また、この後、回転数が所定高速域以下に低下すると、インペラ部材２１は回転バネ部材３５のバネ力により元の姿勢に復帰する。
【０１０８】
第１の実施形態において、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との同期が解除されることにより、電力変換器１３，１４内のスイッチング素子のヒートサイクルに起因する疲労破壊を回避できるという副次的効果について既述したが、この第２０の実施形態の構成によれば、両磁石部材の同期解除に加えてインペラ部材２１の傾斜によっても循環冷媒量を減少させることができるので、ヒートサイクルに起因する疲労破壊の回避を一層有効に行うことができる。
【０１０９】
なお、上記の例では、インペラ部材２１の傾斜が所定高速域（３０００ｒｐｍ）に達したときに生じる場合を説明したが、回転バネ部材３５のバネ力を調整することにより、所定高速域よりもやや低い回転数（２８００ｒｐｍ，２６００ｒｐｍ等）に達した時点で傾斜が生じるようにしてもよい。
【０１１０】
また、本実施形態では、インペラ部材２１が回転バネ部材３５を介してリング部材３４に取り付けられる構成について説明したが、インペラ部材２１及び回転バネ部材３５を軟質樹脂材により一体的に成形し、所定の回転数に達したときに冷媒から受ける抵抗力によってインペラ部材２１が傾斜する構成としてもよい。この構成によれば、図２５における回転バネ部材３５及びピン部材３６の組付作業を省略することができ、工数を低減することができる。
【０１１１】
本発明の構成は、概ね上述した各実施形態において述べた通りのものであるが、その他に種々の変形又は変更が可能であり、下記のような形態を広く包含するものである。
【０１１２】
（１）上記各実施形態では、冷媒が液体冷媒（冷却油）である場合につき説明したが、気体冷媒として外気を用いるようにしてもよい。この場合、図１に示した冷媒貯溜容器１６は、その端面部分を除去して形成される開口部から外気を導入する構造となる。この場合の外気は、電動機内に導入されるわけではなく、冷媒流路２２，２３に導入されるだけなので「開放型自己通風冷却方式」のように塵埃を除去するためのフィルタは不要である。また、インペラ部材２１も小さなものなので、「開放型自己通風冷却方式」のように大きな騒音を発生するわけではない。
【０１１３】
（２）上記各実施形態では、回転電機が電動機である場合につき説明したが、もちろん本発明の回転電機は発電機を含むものである。
【０１１４】
（３）上記各実施形態では、回転電機が電車用駆動電動機である場合につき説明したが、電車用に限定されるわけではなく、例えば昇降機用駆動電動機など他の電動機であってもよい。また、本発明の構成は、これらの大型回転電機ばかりでなく、産業用民生機器等の小型回転電機にも適用可能である。
【０１１５】
（４）図１の構成では特に説明しなかったが、冷媒貯溜容器１６の横断面形状は円形であり、ロータシャフト１の位置はこの円形の中心に一致している場合を想定している。しかし、冷媒貯溜容器１６の中心部をロータシャフト１の位置（つまり複数のインペラ部材２１の中心位置）から偏心させる構成とすれば、インペラ部材２１の回転時のポンプ作用をより高能率で行うことができる。このように、容器とインペラ部材とを偏心させることによりポンプを高能率で運転する技術は、例えば渦巻きポンプ等の分野において採用されている。
【０１１６】
（５）上記各実施形態では、冷媒循環手段の内部に設けられ、冷媒流路に冷媒を循環させるための部材がインペラ部材であるとして説明したが、この部材はインペラ部材と呼ばれるもの以外の他の回転部材を広く含むものであり、更に、冷媒流路もフレーム部材外側以外の個所に形成することも可能である。
【０１１７】
（６）冷媒については、液体冷媒の他に、外気のような気体冷媒を用いることが可能であることを（１）において既述したが、その後の発明者らの実験・調査により、気体冷媒として水素を用いた場合に大きな効果が得られることが判明している。例えば、インペラ部材回転時に生じる機械損の一つである通風摩擦損を約２０％ほど低減することができ、また、水素は空気に比較して熱伝達率が３〜６倍程度大きくなるために冷却能力を大幅に向上させることができる。
【０１１８】
なお、冷媒に水素を用いる場合は、例えば、図１における冷媒循環器１５付近に水素ボンベを付設し、この水素ボンベから水素を取り入れるための開口部を冷媒貯溜容器１６の適当個所に設ける必要がある。
【０１１９】
（７）第２の実施形態（図４）では、駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間の間隙に非磁性材料で形成された隔壁板２５を介挿した構成につき説明したが、この隔壁板２５の材料を非磁性材料のみに限定する理由はなく、磁性材料を用いた構成を採用することも可能である。但し、非磁性材料を用いた場合に比べて両磁石部材間の間隙寸法は異なるものとなる。また、非磁性材料と磁性材料とを組み合わせて隔壁板２５を形成することも可能である。
【０１２０】
（８）上記各実施形態の主なものについては、駆動側磁石部材１８及び従動側磁石部材１９の材料について特に言及しなかったが、基本的には最も強力な磁力が得られるネオジウム磁石を用いることが好ましい。
【０１２１】
（９）第１８の実施形態（図２０）では、従動側磁石部材１９及び中空パイプ状従動シャフト３１（つまりスキュー状インペラ部３１ｄ）の材料にアルニコ磁石を用い、鋳造等により両者を一体的に成形することが可能である旨を記載したが、他の実施形態においてもアルニコ磁石を用い、従動側磁石部材１９及びインペラ部材２１を一体的に成形することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図。
【図２】図１に示した装置の外観形状を示す斜視図。
【図３】図１における磁気カップリングの配置構成を示す斜視図。
【図４】本発明の第２の実施形態の要部構成である磁気カップリングの配置構成を示す斜視図。
【図５】本発明の第３の実施形態の要部構成であるロータシャフト端部の形状を示す斜視図。
【図６】本発明の第４の実施形態の要部構成である、インペラ部材が取り付けられるリング状金属部材の形状を示す斜視図。
【図７】本発明の第５の実施形態の要部構成である磁気カップリングの配置構成を示す説明図。
【図８】本発明の第６の実施形態の要部構成である磁気カップリングの配置構成を示す説明図。
【図９】本発明の第７の実施形態の要部構成である磁気カップリングの配置構成を示す説明図。
【図１０】本発明の第８の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図。
【図１１】本発明の第９の実施形態の要部構成である、ロータシャフト端部におけるインペラ部材の取付構造を示す斜視図。
【図１２】本発明の第１０の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図。
【図１３】本発明の第１１の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図。
【図１４】本発明の第１２の実施形態の要部構成である磁気カップリングの配置構成を示す説明図。
【図１５】本発明の第１３の実施形態の要部構成である冷媒循環器の部分を拡大して示した縦断面図。
【図１６】本発明の第１４の実施形態の要部構成である冷媒循環器の部分を拡大して示した縦断面図。
【図１７】本発明の第１５の実施形態の要部構成である冷媒循環器の部分を拡大して示した縦断面図。
【図１８】本発明の第１６の実施形態の要部構成である冷媒循環器の部分を拡大して示した縦断面図。
【図１９】本発明の第１７の実施形態の要部構成である冷媒循環器の部分を拡大して示した縦断面図。
【図２０】本発明の第１８の実施形態の要部構成である冷媒循環器の部分を拡大して示した縦断面図。
【図２１】本発明の第１９の実施形態の要部構成である冷媒循環器の部分を拡大して示した縦断面図。
【図２２】図２１におけるXXII-XXII矢視図。
【図２３】図２１又は図２２におけるバネ部材の作用についての説明図であり、（ａ）は従動側磁石部材の拡張量δと磁石間吸引力Ｆ１との関係を示す特性図、（ｂ）は従動側磁石部材の拡張量δとバネ力Ｆ２との関係を示す特性図である。
【図２４】本発明の第２０の実施形態の要部構成である磁気カップリング及びその周辺の部材の構成例を示す説明図。
【図２５】図２４におけるXXV-XXV矢視図。
【符号の説明】
【０１２３】
１：ロータシャフト
１ａ：溝部
１ｂ：小径部
１ｃ：穴部
２，３：軸受部材
４：フレーム部材
４ａ，４ｂ：通風口
５：冷却フィン
６：支持部材
７：ステータ鉄心
８：ステータコイル
９：支持部材
９：通風口
１０：ロータ鉄心
１０ａ：通風口
１１：ロータバー
１２：内気循環ファン
１２ａ：通風口
１３，１４：電力変換器
１５，１５Ａ：冷媒循環器
１６，１６Ａ：冷媒貯溜容器
１６ａ，１６ｃ：吐出口
１６ｂ，１６ｄ：吸入口
１６Ａａ：内壁部
１７：冷媒貯溜室
１８：駆動側磁石部材
１９，１９Ａ〜１９Ｆ：従動側磁石部材
２０：磁気カップリング
２１：インペラ部材
２１ａ：取付脚
２２，２３：冷媒流路
２４：取付部
２５：隔壁板
２６：リング状金属部材
２６ａ：溝部
２７：中間磁石部材
２８：樹脂製リング部材
２９：従動シャフト
２９ａ，２９ｂ：取付部
３０：軸受部材
３１：中空パイプ状従動シャフト
３１ａ：開口部
３１ｂ：閉塞部
３１ｃ：孔部
３１ｄ：スキュー状インペラ部
３２：リング部材
３３：バネ部材
３４：リング部材
３５：回転バネ部材
３６：ピン部材
Ｄ１：駆動側磁石部材１８の外径
Ｄ２：従動側磁石部材１９の内径
Ｇ：駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間の間隙
Ｌ１〜Ｌ６：従動側磁石部材１９Ａ〜１９Ｆと駆動側磁石部材１８との離間距離
ｄ：駆動側磁石部材１８と従動側磁石部材１９との間のズレ量
Ｈ：冷媒貯溜容器１６の容器高さ
θ：傾斜角
δ：拡張量
【図１】
2007151379.tif 000003
【図２】
2007151379.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007151379.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007151379.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007151379.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2007151379.tif 000015
【図１４】
2007151379.tif 000016
【図１５】
2007151379.tif 000017
【図１６】
2007151379.tif 000018
【図１７】
2007151379.tif 000019
【図１８】
2007151379.tif 000020
【図１９】
2007151379.tif 000021
【図２０】
2007151379.tif 000022
【図２１】
2007151379.tif 000023
【図２２】
2007151379.tif 000024
【図２３】
2007151379.tif 000025
【図２４】
2007151379.tif 000026
【図２５】
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