JP4498466B1

JP4498466B1 - 車両用電動機

Info

Publication number: JP4498466B1
Application number: JP2009546155A
Authority: JP
Inventors: 和人皆川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2029-07-08
Also published as: CN102474149A; EP2453554A1; JPWO2011004466A1; US20120013208A1; WO2011004466A1; EP2453554A4; CA2766456A1; BRPI0924601A2; RU2491699C1; CN102474149B

Abstract

列車に適用され、回転子軸１０に設置され外気を機内に導入するファン３０を備えた車両用電動機において、回転子軸１０を指示する軸受５０と、軸受５０側の回転子軸１０の端部から挿入されたファン３０との間に固定され、ファン３０と嵌合する構造を有したストッパ２０を備え、ファン３０は、回転子軸１０およびストッパ２０よりも線膨張係数が大きく、外部からストッパ２０に向けて挿入されるボルトでストッパ２０に嵌合可能に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両を駆動する車両用の電動機に関し、特に、外扇ファンの構造に関するものである。

一般に、電動機は、通電時の発熱によって加熱されると絶縁体の劣化が促進して寿命や効率の低下を招くため機内を冷却する必要がある。特に近年では、ハウジング外の回転子軸端部に固定された外扇ファンと機内の空気を攪拌する内扇ファンとを備えた全閉外扇形電動機が開発されている。特に、外扇ファンは、外部からの保守性を考慮して、回転子軸の方向に挿着されるボルトで固定されているのが一般的である。

下記特許文献１に代表される従来技術は、上述同様の態様で回転子軸に固定されたファンの回転によって、外気を機内に取り入れ機内の熱を外部に排出し、電動機を効果的に冷却する構造を有している。

特開平０５−３００６９８号公報

しかしながら、上記特許文献１に代表される従来技術は、軸受押さえ（ストッパ）あるいは回転軸端面にファンをボルト止めしているが、ファンに形成されたボルト挿入穴がボルト径よりも広く加工されている。そのため、ボルト締結による摩擦力以上のトルク変動が回転子軸に生じた場合、ボルトの中心がボルト挿入穴に対して偏移し、その結果としてボルトが緩み、最終的にはボルトが折れてファンが脱落する場合があるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、常温時にはファンを容易に取り外すことが可能であり、かつ、高温時あるいは低温時には回転子軸のトルク変動によるファンの滑りを抑制することが可能な車両用電動機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、列車に適用され、回転子軸に設置され外気を機内に導入するファンを備えた車両用電動機において、前記ファンの軸方向への位置決めとして機能し、前記回転子軸を支持する軸受と回転子軸の一端から挿入された前記ファンとの間に固定され、前記ファンと対向する面が前記ファンと嵌合可能に形成されたストッパを備え、前記ファンおよび前記ストッパは、前記回転子軸と略並行に挿入される締結部材によって締結されており、常温より高温時に前記ファンと前記ストッパとの嵌合部分の接触圧が増加し、かつ、常温より低温時に前記ファンと前記回転子軸との嵌合部分の接触圧が増加するように、前記ファンの線膨張係数が前記回転子軸および前記ストッパの線膨張係数よりも大きく設定されていること、を特徴とする。

この発明によれば、回転子軸およびストッパの線膨張係数よりも大きな線膨張係数の材質で製造されたファンをストッパと嵌合するようにしたので、常温時にはファンを容易に取り外すことが可能であり、かつ、高温時あるいは低温時には回転子軸のトルク変動によるファンの滑りを抑制することができるという効果を奏する。

図１は、ファンを中心として示す電動機の縦断面図である。図２は、実施の形態１にかかる電動機ファンの構造を説明するための縦断面図である。図３は、図２の電動機ファンを回転子軸に固定した状態を示す図である。図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図５は、線膨張係数とブレーキトルクとの関係を説明するための図である。図６は、実施の形態２にかかる電動機ファンの構造を説明するための縦断面図である。

以下に、本発明にかかる車両用電動機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、ファン３０を中心として示す電動機１００の縦断面図であり、図２は、本実施の形態にかかるファン３０の構造を説明するための縦断面図であり、図３は、図２のファン３０を回転子軸に固定した状態を示す図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図５は、線膨張係数とブレーキトルクとの関係を説明するための図である。

図１において、電動機１００には、ボルト（締結部材）４０で回転子軸１０に固定されているファン３０と、ファン３０と軸受５０の間に設置されファン３０の軸方向への位置決めとして機能するストッパ２０と、が示されている。

以下、図２〜図５を用いて、図１に示されるファン３０等の態様に関して説明する。ファン３０のボス部（突起部）３１は、軸受５０のストッパ２０の凹部２１に軸方向に嵌合する。さらに、ストッパ２０と嵌合したファン３０は、回転子軸１０に嵌合する。なお、回転子軸１０とストッパ２０は例えば鉄で構成され、ファン３０は例えばアルミで構成されている。なお、これら各部材の線膨張係数と回転トルクの伝達に関しては後述する。

各部材の接触部の寸法を説明すると以下の通りである。回転子軸１０の短手方向の径（以下「回転子軸の径Ｄ」と称する）と、ストッパ２０の凹部２１の径（以下「ファン当接面の径ｄｓ」と称する）と、回転子軸１０と接するファン３０の径（以下「回転子軸当接面の径ｄｆ１」と称する）と、ストッパ２０の凹部２１に嵌合するボス部３１の径（以下「ストッパ当接面の径ｄｆ２」と称する）とが示されている。

図４に示されるボルト４０は、ファン３０に形成されたボルト挿通穴を介してストッパ２０に螺入され、ファン３０とストッパ２０とを固定する。また、ストッパ２０は、回転子軸１０に焼き嵌めされている。

図４に示されるＡ−Ａ断面図は、常温時の回転子軸１０、ボス部３１、およびストッパ２０の嵌合状態を概念的に示すものであり、各部の嵌合部には若干の隙間が示されている。ボス部３１は、回転子軸１０の外側に配設され、かつ、ストッパ２０の内側に配設されている。すなわち、回転子軸１０とストッパ２０とによってボス部３１を挟みこむ構造である。

ボス部３１の内周面と回転子軸１０の外周面との間には、常温時の隙間が示され、また、ボス部３１の外周面とストッパ２０の内周面との間にも、上述同様に、常温時の隙間が示されている。本実施の形態にかかる電動機１００は、低温あるいは高温の場合における各部材の線膨張係数の差によって、嵌合部の接触圧を増加させて部材間のブレーキトルクを変化させるように構成されている。

このことを詳細に説明すると以下の通りである。図２を参照して説明すると、例えば、ファン３０の周囲温度が低下した場合、ファン３０（例えばアルミ）の収縮量が回転子軸１０（例えば鉄）の収縮量より大きいため、回転子軸当接面の径ｄｆ１は、回転子軸の径Ｄより小さくなる。そのため、回転子軸当接面３２と回転子軸１０との接触圧が増加する。

ファン３０の周囲温度が上昇した場合、ファン３０（例えばアルミ）の膨張量がストッパ２０（例えば鉄）の膨張量より大きいため、ストッパ当接面の径ｄｆ２は、ファン当接面の径ｄｓより大きくなる。そのため、ボス部３１とストッパ２０との接触圧が増加する。

次に、図５を用いて線膨張係数とブレーキトルクとの関係を、計算式にて説明すると以下の通りである。まず、回転子軸１０とボス部３１とが接する部分の径をｄ１、ボス部３１とストッパ２０とが接する部分の径をｄ２、ストッパ２０の径をｄ３と定義する。この場合、アルミの線膨張係数αＡｌおよび鉄の線膨張係数αＦｅは（１）式で表現できる。

温度変化ΔＴは（２）式で表現できる。

アルミの線膨張係数αＡｌと鉄の線膨張係数αＦｅとの差δは（３）、（４）式で表現できる。

温度変化ΔＴ＞０のとき、アルミの線膨張係数αＡｌと鉄の線膨張係数αＦｅとの差δは（５）、（６）式で表現できる。

すなわち、高温時には、ボス部３１とストッパ２０とが接する部分の径ｄ２で、アルミと鉄が接触（焼き嵌め状態）となる。また、低温時（例えば寒冷地のような場所で電動機１００を始動したとき）には、回転子軸１０とボス部３１とが接する部分の径ｄ１で、アルミと鉄が接触（冷やし嵌め状態）となる。

鉄とアルミの接触圧ＰＱを示すと（７）、（８）式で表現できる。

ボス部３１とストッパ２０とが接する部分の径ｄ２におけるブレーキトルクＴと、回転子軸１０とボス部３１とが接する部分の径ｄ１におけるブレーキトルクＴとは、（９）、（１０）式で表現できる。

このように、本実施の形態にかかる電動機１００は、低温度時には回転子軸当接面３２と回転子軸１０との嵌合部分の接触圧ＰＱが増加することによって、回転子軸１０とファン３０との間にブレーキトルクＴが発生するように構成されている。また、高温時にはボス部３１とストッパ２０との嵌合部分の接触圧ＰＱが増加することによって、ストッパ２０とボス部３１との間にブレーキトルクＴが発生するように構成されている。

一方、従来の電動機は、例えば、ファンは、ボルトの締結力によって回転子軸に直接固定される態様である。この場合、上記課題にも述べたように、回転子軸のトルクが直接ボルトに作用するため、ボルトの緩みが発生する可能性がある。また、他の態様としては、ファンは、回転子軸に焼き嵌めされたストッパにボルトを挿入して固定され、この場合も同様に、回転子軸のトルクが直接ボルトに作用する。

以上に説明したように、本実施の形態にかかる電動機１００は、回転子軸１０およびストッパ２０の線膨張係数よりも大きな線膨張係数の材質で製造されたファン３０のボス部３１を、回転子軸１０とストッパ２０との間に挟みこむようにしたので、例えば、走行中の温度の下では、ボルト４０の締結力に加えて高温あるいは低温によらず回転方向にブレーキトルクＴを付加することが可能である。その結果、例えば、ファン３０の保守時の温度（常温Ｔｒ）の下ではファン３０を容易に取り外すことが可能である。また、例えば、気温が低いためにボルト４０が緩んだ場合であっても、トルク変動によるファン３０の滑りを防止することが可能である。また、ボルト４０への負担が低減されるため、ボルト４０の本数を低減し、あるいはボルト４０のサイズを小型化することが可能である。さらに、ストッパ２０とボス部３１との嵌合部を加工するだけで済むため、低減ファン３０の取り付け部の構造が簡素化され、ファン３０の軽量化、省スペース化、および製作コスト低減を実現可能である。

実施の形態２．
本実施の形態にかかる車両用電動機１００は、ストッパ２０およびボス部３１の形状が異なる態様にて形成されている。以下、本実施の形態にかかるファンの構成を説明する。なお、第１の実施の形態と同様の部分については、同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてのみ述べる。

図６は、実施の形態２にかかるファン３０の構造を説明するための縦断面図である。図６（ａ）に示されるボス部３１はストッパ２０の溝部に嵌合する形状を有している。このように形成されたボス部３１、ストッパ２０、および回転子軸１０は、高温度時には、ボス部３１の外周面とストッパ２０とが接触する。また、低温時には、ファン３０と回転子軸１０とが接触するとともに、ボス部３１の内周面とストッパ２０とが接触する。

図６（ｂ）に示されるストッパボス部３３は、ファン３０の溝部に嵌合する形状を有している。このように形成されたボス部３１、ストッパ２０、および回転子軸１０は、低温度時には、ファン３０と回転子軸１０とが接触するとともに、ストッパボス部３３の外周面とファン３０とが接触する。また、高温時には、ストッパボス部３３の内周面とファン３０とが接触する。

以上に説明したように、本実施の形態にかかる電動機１００は、ストッパ２０およびファン３０の嵌合の厚みを実施の形態１に比して小さくしたので、高温時のブレーキトルクＴと低温時のブレーキトルクＴと差を小さくすることが可能である。

なお、実施の形態１および２の説明では、回転子軸１０とストッパ２０の材質を鉄とし、ファン３０の材質をアルミとして説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、ファン３０は、回転子軸１０およびストッパ２０よりも線膨張係数αが大きく設定されていればよい。

また、回転子軸１０の線膨張係数αとストッパ２０の線膨張係数αとは、異なる値に設定してもよい。例えば、図１に示されるように、凹部２１とボス部３１との接触面積は、回転子軸当接面３２と回転子軸１０との接触面積より少ないが、ストッパ２０の線膨張係数αを回転子軸１０の線膨張係数αより低い値に設定すれば、高温時のブレーキトルクＴを確保することが可能である。さらに、各部材の材質は、アルミと鉄に限定されるものではなく、上記の線膨張係数αの関係が成り立つ限り、他の材質を用いてもよい。

また、実施の形態１および２の説明では、一例として、全閉外扇形電動機の外扇ファンに関して説明したが、全閉外扇形電動機あるいは外扇ファンに限定されるものではなく、全閉外扇形電動機以外の電動機、あるいは外扇ファン以外のファンにも適応可能である。

また、実施の形態１および２の説明では、一例として、ボルト４０をファン３０の締結部材として用いているが、ストッパ２０に螺入しファン３０を固定可能なものであればボルト４０に限定されるものではない。

以上のように、本発明は、鉄道車両を駆動する電動機に適用可能であり、特に、常温時にはファンを容易に取り外すことが可能であり、かつ、高温時あるいは低温時には回転子軸のトルク変動によるファンの滑りを抑制することが可能な発明として有用である。

１０回転子軸
２０ストッパ
２１凹部
３０ファン
３１ボス部
３２回転子軸当接面
３３ストッパボス部
４０ボルト
５０軸受
１００電動機
α 線膨張係数
Ｄ回転子軸の径
ｄｆ１回転子軸当接面の径
ｄｆ２ストッパ当接面の径
ｄｓファン当接面の径
ｄ１回転子軸とボス部とが接する部分の径
ｄ２ボス部とストッパとが接する部分の径
ｄ３ストッパの径
Ｔブレーキトルク
Ｔｒ常温
ΔＴ温度変化

Claims

列車に適用され、回転子軸に設置され外気を機内に導入するファンを備えた車両用電動
機において、
前記ファンの軸方向への位置決めとして機能し、前記回転子軸を支持する軸受と回転子軸の一端から挿入された前記ファンとの間に固定され、前記ファンと対向する面が前記ファンと嵌合可能に形成されたストッパを備え、
前記ファンおよび前記ストッパは、前記回転子軸と略並行に挿入される締結部材によって締結されており、
常温より高温時に前記ファンと前記ストッパとの嵌合部分の接触圧が増加し、かつ、常温より低温時に前記ファンと前記回転子軸との嵌合部分の接触圧が増加するように、前記ファンの線膨張係数が前記回転子軸および前記ストッパの線膨張係数よりも大きく設定されていること、
を特徴とする車両用電動機。
前記ストッパは、前記ファンと対向する面が凹状に形成され、
前記ファンは、前記ストッパと対向する面が前記ストッパと嵌合可能な凸状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機。
前記ストッパは、前記ファンと対向する面が凸状に形成され、
前記ファンは、前記ストッパと対向する面が前記ストッパと嵌合可能な凹状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機。
前記ストッパの線膨張係数は、前記回転子軸の線膨張係数より低い値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機。
低温時には前記回転子軸と前記ファンの回転子軸当節面との間にブレーキトルクが発生し、
高温時には前記ストッパと前記ファンとの嵌合面にブレーキトルクが発生することを特徴とする請求項４に記載の車両用電動機。