JP2003199295A - 水中機器用モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】モータ制御装置を有する水中機器用モータから
の発熱を耐圧容器を介して効率の良く放熱することによ
り、小形化を実現することにある。 【解決手段】水中機器用の耐圧容器１にモータ取付け部
１ａをモータ２の固定子２０とモータフレーム７との間
に配置し、モータフレーム７を耐圧容器１のモータ取付
け部１ａに密着させて固定し、且つ、モータ制御装置部
５０が有するパワースイッチング素子３１ａ、３１ｂ、
３１ｃをモータフレーム７に直接、接触させて固定し、
モータ２およびパワースイッチング素子３１ａ、３１
ｂ、３１ｃの放熱手段したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水中機器用の駆動
源モータに係り、特に駆動源モータ及び該モータ制御装
置内のパワースイッチング素子を効率良く冷却するのに
好適な水中機器用モータおよびモータ制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】モータを駆動源とする水中機器、特に無
人水中探査機のような流線型水中機器においては、該水
中機器の径を小にし、内容積を狭くしているため、モー
タ制御装置が持つパワースイッチング素子の発熱による
熱上昇により、パワースイッチング素子自体を破壊に至
らしめる危険性がある。また、無人水中探査機の機能高
度化のため大型化し、パワースイッチング素子自体の大
容量化と共に、冷却用ヒートシンクが大型化していた。
このことを解決した冷却用ヒートシンクの取付け方法と
して特開平８−１６９３９７号公報等の技術がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特開平８−１６９３９
７号公報のパワースイッチング素子の冷却方式として
は、冷却用ヒートシンクにパワースイッチング素子を搭
載し、その冷却用ヒートシンクを水中機器の耐圧容器の
内壁に密着させるように実装したものである。このよう
にすることにより、パワースイッチング素子より発生し
た熱は、ヒートシンクを介して該ヒートシンクと密着し
外水と直接に接する耐圧容器より放熱されるようにした
ものである。

【０００４】一方、水中機器内に配置するモータ制御装
置を固定するのに、耐圧容器内壁にモータ取付け部を設
けなければならない場合は、モータと耐圧容器との接触
面積が減少するため、モータからの熱伝達効率が悪くな
り、冷却性能が低下するという問題がある。

【０００５】特開平４−６７７５８号公報記載の技術が
ある。これは、モータケース内にパワースイッチング素
子等を配設したものであり、大容量には適用できなかっ
た。また、特開平７−１３９４９２号公報記載の技術が
ある。モータケーシング内にモータ,駆動ユニツト等を
収納し、前記モータケーシングそのものを外水に接触さ
せるものであり,耐圧容器内に収納するものとしては不
適切であった。本発明は、上述した従来の問題を解消す
るためになされたものであり、その目的とするところ
は、モータおよびパワースイッチング素子等から発生す
る熱の放熱流路を確保し、モータフレーム（冷却用ヒー
トシンク兼用）を介して耐圧容器外に効率良く放熱でき
る小形化したモータ並びにモータ制御装置を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る水中機器用モータの構成は、水中機器
の耐圧容器内に配置されるモータ及びモータ制御装置の
パワースイッチング素子等から発生する熱を、モータの
フレームを兼ねた冷却用ヒートシンクより耐圧容器を介
して放熱するようにしたものである。つまり、前記モー
タ及びモータ制御装置部内のパワースイッチング素子を
前記モータフレーム（冷却用ヒートシンク兼用）に接触
させて配置し、更に、前記冷却用ヒートシンクを水中機
器の外水と接触する耐圧容器と直接的に接触するよう取
付けるようにしたものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】〔実施の形態 １〕図１乃至図４
を参照して、本発明の一実施形態に係るモータ並びパワ
ースイッチング素子等を説明する。図１は、本発明の一
実施形態に係るモータ並びにパワー部等を配設した水中
機器の説明図、図２は、本発明の一実施形態に係るモー
タ並びにパワー部等を配設した水中機器における断面
図、図３は、図２の水中機器のＡ―Ａ‘矢視図、図４
は、本発明の一実施形態に係るパワースイッチング素子
を含むモータ制御装置部の説明図である。

【０００８】図１において、耐圧容器１は半球状ドーム
で頭部を形成し、該半球状ドームに連続して円筒状に形
成され、尾部を平面部で形成し、全体として半円筒形状
の外殻容器を形成する。また、前記頭部の形状を流体抵
抗の少ない形状とし全体として流線形状外殻とすること
も差し支えない。

【０００９】耐圧容器１は、その中に、頭部には例え
ば、水中監視部１Ａが配設され、尾部には前記耐圧容器
１を水中で高速に走行させる水中作業機械部、例えば、
推進部６が配設されている。前記耐圧容器１内において
は、前記水中監視部１Ａと推進部６の間に、前記推進部
６を駆動する駆動モータ２及び該モータ２に電力を供給
するパワースイッチング素子を中心に構成されているパ
ワ−部３並び該パワ−部３に対して演算機能を有する制
御回路部４、前記パワ−部３に電力を供給する電力源５
等が収納されている。

【００１０】図１においては、本実施形態では、水中で
の独立動作を可能とするため電池５を電力源として、モ
ータ２及びパワー部３並びに制御回路部４への電力を供
給する構成となっている。なお、耐圧容器１の頭部方向
を単に頭部方向、耐圧容器１の尾部方向を単に尾部方向
という。

【００１１】モータ２は、電力源５に接続されているパ
ワー部３から電力供給が行われ、回転磁界をつくり、軸
出力を発生する。前記パワー部３は、パワースイッチン
グ素子を中心に、該パワースイッチング素子の電流を検
出する検出器等の周辺機器から構成されている。前記周
辺機器からの信号に応じて、パワー部３に対する演算機
能を有する制御回路部４がモータ２の回転を制御するこ
とにより、推進部６が駆動され所望の水中機能が発揮で
きるようになっている。

【００１２】図２において、モータ２は、動力を出力す
る出力軸３０と、該出力軸３０と一体化した回転子２１
と、該回転子２１と対向するように配置され、電源から
電力を受け回転磁界を発生させる固定子２０と、該固定
子２０を保持し、且つ当該固定子２０及び前記回転子２
１を内蔵するモータフレーム７等から成っている。該モ
ータフレーム７は、平板の中央部に山形状部を有する横
フレーム（出力軸３０に直角な方向のフレーム）７ｂ
1、７ｂ2、該横フレーム７ｂ1、７ｂ2の周縁部で結合
し、周方向に設けられた頭部方向が拡大された円筒状の
縦フレーム（出力軸３０に平行な方向のフレーム）７ａ
とからなり、全体として有底円筒形から成っている。な
お、横フレーム７ｂ1は耐圧容器１の頭部側、横フレー
ム７ｂ2は耐圧容器１の尾部側のモータフレームとす
る。

【００１３】出力軸３０は、モータフレーム７の横フレ
ーム７ｂ1の内側で接触し、モータフレーム７の横フレ
ーム７ｂ2で貫通している。さらに、前記出力軸３０の
前記横フレーム７ｂ1との接触部分及び前記横フレーム
ｂ2との貫通部分の近傍において、前記横フレーム７ｂ
1、横フレーム７ｂ2に、該モータフレーム７ｂ1、７ｂ
2、の内側方向で、且つ周方向に突設する突設部（符号
なし）が設けられている。該突設部と出力軸３０との間
にはラジアル軸受Ｒ1、Ｒ2がそれぞれ配設され、前記出
力軸３０は前記ラジアル軸受Ｒ1、Ｒ2により回転可能に
軸承されるように構成されている。したがって、出力軸
３０及びこれと一体化した回転子２１とは、尾部の推進
部６を高速回転するようになっている。なお、出力軸３
０の方向を軸方向という。

【００１４】さらに、耐圧容器１に、該耐圧容器１とモ
ータ２の円筒状の周方向縦フレーム７ａとを結合させる
モータ取付け部１ａが設けられている。該モータ取付け
部１ａは、横フレーム７ｂ1の縦方向の長さと縦フレー
ム７ａの縦方向における長さの和のほぼ中央位置部に配
置されている。したがって、モータ２の機械的バランス
を良くし、且つモータ２の冷却効率を向上させることが
できる。さらに、縦フレーム７ａは、それぞれ前記モー
タ２の取付け部１ａを中心として、頭部側の図示左部と
尾部側の図示右部ではその巾に広狭が設けられている。

【００１５】図３に示すように、前記縦フレーム７ａの
広巾部の縦方向には、ネジ穴５０ａ1、５０ａ2、５０ａ
3………が設けられ、該ネジ穴５０ａ1、５０ａ2、５０
ａ3、５０ａ4……に取付けネジ３３ａ1、３３ａ2……が
螺入され、縦フレーム７ａがモータ取付け部１ａに取付
けられている。また、横フレーム７ｂ1の周縁部において
は、前記ネジ穴５０ａ1と５０ａ2との間、５０ａ2と５
０ａ3の間、……には、図示しないネジ穴を設け、長尺
の取付けネジ３３ｃ1、３３ｃ2、３３ｃ3……により、
前記横フレーム７ｂ1が前記モータ取付け部１ａに固着
されている。

【００１６】図２、３に示すように、モータフレーム７
はモータ２の放熱用ヒートシンクを兼ねるものであり、
前記モータ２の縦フレーム７ａの広狭部は、それぞれの
端面において、モータ取付け部１ａと接するようになっ
ている。前記縦フレーム７ａの広巾部における横方向の
端面は、前記モータ取付け部１ａの縦方向の端面と当接
し、該縦フレーム７ａの狭巾部における縦方向の端面
は、前記モータ取付け部１ａの横方向の端面と当接する
ようになっている。

【００１７】このようにして、モータフレーム７は耐圧
容器１の周方向に配置したモータ取付け部１ａに密着し
ており、該モータ取付け部１ａは外部水と接している耐
圧容器１と一体的に構成されているので、モータ２の発
熱が効果的に放熱されるようになっている。

【００１８】図４を参照して、パワ−部３及び制御回路
部４を説明する。図４は、図１に示された水中機器にお
けるパワ−部及び制御回路部の説明図であり、図１と同
一符号の部材は同一機能、同一仕様の部材を示してい
る。ここで、パワ−部３及び制御回路部４を併せてモー
タ制御装置部５０ということにする。

【００１９】図４において、モータ制御装置部５０は、
水中にて作業をする負荷６を駆動するモータ２に駆動電
力を供給するパワー部３と、該パワー部３を制御する制
御回路部４と、該制御回路部４にモータ２の電流値を入
力させる電流センサ４２とからなっている。なお、電力
源５は前記パワー部３に電力を供給している。

【００２０】モータ２は、ブラシレスモータであり、負
荷６、例えば推進機と連結され、パワー部３から交流電
力（後述）が供給されると回転を開始し、例えば推進機
６を回転させる。前記パワー部３は、パワースイッチン
グ素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃが各々１相分を示すイン
バータ回路であり、各々が２個のパワースイッチング素
子Ｄ1、Ｄ2，Ｄ3、Ｄ4，Ｄ5、Ｄ6で構成され、使用され
ているパワー半導体は制御回路部４の消費パワーを押さ
えるため、電圧駆動型のＩＧＢＴが用いられている。

【００２１】制御回路部４は、パワー部３よりモータ２
へ供給される交流電流を電流検出器４２により取込み、
所定の電流が流れるよう制御し、制御回路４２によりゲ
ートドライバ４１を介してパワースイッチング素子３１
ａ、３１ｂ、３１ｃを制御するものである。すなわち、
電力源５（内蔵電池）からパワースイッチング素子３１
ａ、３１ｂ、３１ｃに直流電源電圧が印加される。

【００２２】この直流電源電圧が印加されることによ
り、詳細な図示を省略するが、発振回路、ＰＷＭ信号形
成回路、ロジック回路等が動作し３相のスイッチング信
号を形成する。該３相のスイッチング信号に応じてゲー
トドライバ４１がパワースイッチング素子３１ａ、３１
ｂ、３１ｃを順番にオン、オフし、これによりモータ２
の固定子２０に電流が流れ、回転子２１が回転する。

【００２３】このとき、モータ制御装置部５０において
発熱があり、図２、３に示すように、モータフレーム７
は前記モータ制御装置部５０の放熱用ヒートシンクを兼
ねるものである。したがって、モータフレーム７の円板
状横フレーム７ｂ1の外表面には、前記モータ制御装置
部５０が当接して取付けられ、取付けネジ３３ｂ1、３
３ｂ2で螺着されている。さらに、モータフレーム７
は、耐圧容器１の周方向に配置したモータ取付け部１ａ
に密着しており、該取付け部１ａは外部水と接している
耐圧容器１と一体的に構成されているので、モータ制御
装置部５０の発熱は、モータフレーム７に伝熱し、該モ
ータフレーム７からモータ取付け部１ａを介して耐圧容
器１から効果的に放熱することができるようになってい
る。

【００２４】本実施の形態では、前記の如く、電源とし
て内蔵電池を用いているが、外部より交流電源を給電さ
れた場合には、コンバータ（交流／直流変換器）用のパ
ワースイッチング素子等を実装することも可能である。

【００２５】上記構成の水中機器用モータ２及びモータ
制御装置部５０からの放熱作用を説明する。内蔵電池５
により、パワー部３に直流電力が供給され、該パワー部
３で３相交流電力に変換され、モータ２の固定子２０に
供給される。該固定子２０には３相回転磁界を生じ、回
転子２１との間に回転トルクを生じる。該回転子２１は
モータ２の出力軸３０と一体化しており、該出力軸３０
はモータ２のモータフレーム７との間にラジアル軸受Ｒ
1、Ｒ2が配設され軸承されている。したがって、前記出
力軸３０は前記回転子２１と共に回転し、作業機械部６
を駆動する。このとき、モータ２の固定子２０及び回転
子２１並びにモータ制御装置部５０に熱が発生する。

【００２６】固定子２０の発熱は、該固定子２０が固着
されているモータフレーム７の縦フレーム７ａに伝導
し、次いで、前記縦フレーム７ａからモータ取付け部１
ａに伝導される。さらに、前記モータ取付け部１ａから
該モータ取付け部１ａと一体化している圧力容器１を介
して外水に放熱される。

【００２７】回転子２１の発熱は、出力軸３０を通じて
モータフレーム７に伝熱し、該モータフレーム７から前
記モータ取付け部１ａを介して圧力容器１から外水に放
熱される。また、回転子２１の発熱の一部は、前記モー
タフレーム７内の空間を介して固定子２０に伝熱し、前
記モータフレーム７、前記モータ取付け部１ａ、圧力容
器１から放熱される。さらに、回転子２１の発熱の一部
は、前記モータフレーム７内の空間を介して前記モータ
フレーム７自身に伝熱し、該モータ取付け部１ａ、圧力
容器１から放熱される。

【００２８】モータ制御装置部５０の発熱は、該モータ
制御装置部５０が螺着され、且つ密着されている横モー
タフレーム７ｂ1に伝熱し、該横モータフレーム７ｂ1に
結合されている縦モータフレーム７ａに伝熱し、前記モ
ータ取付け部１ａを介して圧力容器１から放熱される。

【００２９】このようにして、モータ２およびパワー部
３,制御回路部４からなるモータ制御装置部５０の発生
熱の放熱流路を確保し、モータフレーム（冷却用ヒート
シンク兼用）を介して耐圧容器外に効率良く放熱するこ
とができる。

【００３０】次に、図５を参照して、本発明に係る水中
機器用モータの一実施形態の変形例を説明する。図５
は、本発明に係る水中機器用モータの一実施形態におけ
る変形例の説明図である。図５において、図１、２の部
材と同一仕様、同一機能を有するものは、同一符号を用
いて説明する。

【００３１】図５において、本変形例は、図２の［実施
形態 １］と殆ど同様であるが、耐圧容器１とモータ２
を密着させて固定するためのモータ取付け部１ａを、頭
部方向に延設した点が相違する。この相違点を中心に説
明する。前記モータ取付け部１ａは、頭部方向に長く伸
ばされることにより、モータフレーム７の縦フレーム７
ａと耐圧容器１との接触面積を増やすように配設した構
造である。図４で説明したパワースイッチング素子３１
ａ、３１ｂ、３１ｃなどの回路構成は、図２の［実施形
態 １］と同一である。

【００３２】本変形例によれば、モータ２とパワー部
３、制御回路部４で構成するモータ制御装置部５０で発
生する熱を放熱する外水と接触する耐圧容器１のモータ
取付け部１ａの接触面積の増大が図れ、効率良い放熱が
可能になるという効果がある。

【００３３】さらに、本発明における実施形態の他の変
形例を、図６を参照して説明する。図６は、本発明に係
る水中機器用モータの一実施形態における他の変形例の
説明図である。図６において、図１、２の部材と同一仕
様、同一機能を有するものは、同一符号を用いて説明す
る。

【００３４】図６において、モータ２と耐圧容器１との
軸方向の隙間部分を熱伝導材３４により埋め込み、熱的
接触を大とする構造にしたものである。その他の各パワ
ースイッチング素子の配置方法や固定方法は、上述の実
施の形態と同一である。

【００３５】本変形例によれば、耐圧容器１とモータ２
のモータフレーム７との隙間に熱伝導体３４を埋め込む
ことにより、耐圧容器１とモータ２のモータフレーム７
との伝熱接触面積が大となり、モータ制御装置５０およ
びモータ２で発生した熱を効率的に耐圧容器１内へ放熱
できるという効果がある。

【００３６】さらに、本発明における実施形態のさらに
他の変形例を、図７を参照して説明する。図７は、本発
明に係る水中機器用モータの一実施形態におけるさらに
他の変形例の説明図である。なお、図７において、図
１、２の部材と同一仕様、同一機能を有するものは、同
一符号を用いて説明する。

【００３７】図７において、モータ２とモータ取付け部
１ａは図２と同一とし、パワー部３は、各相に３分割し
てパワー部３ａ、３ｂ、３ｃのように配置した構造にし
たものである。その他の機器の固定方法は、上述の実施
の形態と同一である。本変形例によれば、パワー部３で
発生した熱を分散させることができ、冷却用ヒートシン
ク（モータフレーム７）により、効率的に耐圧容器１内
への放熱ができるという効果がある。

【００３８】また、モータ取付け部１ａを耐圧容器１の
内側全周に配設したことにより、モータ２から電気出力
配線通路が確保するためのスペースが確保できないこと
から、前記モータ取付け部１ａを全周に連続した形状と
せず、該モータ取付け部１ａに切欠き部３５を有する構
造とし、このその切欠き部３５を電気配線用通路として
利用する構成としている。

【００３９】なお、本変形例の説明では、モータ取付け
部１ａの一部に切欠き部３５を有する構造としている
が、該切欠き部３５を複数有する構造としても差し支え
ない。また、これまで上述した他の実施形態、変形例に
おいても、同様にモータ取付け部１ａの一部に切欠き部
３５を有する構造としても勿論差し支えないことはいう
までもない。

【００４０】

【発明の効果】以上、説明した如く、本発明の構成によ
れば、水中機器用モータおよび同モータのモータ制御装
置におけるパワースイッチング素子等の冷却性能と機械
的バランスを保ちつつ、効率良い放熱が可能になるた
め、水中機器用モータおよびモータ制御装置を小形化で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るモータ並びにパワー
部等を配設した水中機器の説明図である。

【図２】本発明の一実施形態に係るモータ並びにパワー
部等を配設した水中機器における断面図である。

【図３】図２の水中機器のＡ―Ａ‘矢視図である。

【図４】本発明の一実施形態に係るパワースイッチング
素子を含むモータ制御装置部の説明図である。

【図５】本発明に係る水中機器用モータの一実施形態に
おける変形例の説明図である。

【図６】本発明に係る水中機器用モータの一実施形態に
おける他の変形例の説明図である。

【図７】本発明に係る水中機器用モータの一実施形態に
おけるさらに他の変形例の説明図である。

【符号の説明】

１…耐圧容器、１ａ…モータ取付け部、２…水中機器用
モータ、３…パワー部、４…制御回路部、６…水中機
械、７…モータフレーム、７ａ…縦モータフレーム、７
ｂ1、７ｂ2…横モータフレーム、２０…固定子、２１…
回転子、３０…出力軸、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ…パワ
ースイッチング素子、３３ａ1、３３ａ2…、３３ｂ1、
３３ｂ2…、３３ｃ1、３３ｃ2、３３ｃ2…取付けネジ、
３４…熱伝導材、３５…切欠き部、５０…制御装置部、
５０ａ1、５０ａ2、５０ａ3…ネジ穴

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 9/22 Ｈ０２Ｋ 11/00 Ｘ (72)発明者 小林 孝司 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器グループ内 (72)発明者 森永 茂樹 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器グループ内 Ｆターム(参考） 5H605 AA01 BB06 BB10 CC01 CC02 CC03 CC10 DD09 DD12 DD13 DD17 EA06 EA15 GG04 5H609 BB03 BB14 BB19 BB23 PP02 PP05 PP06 PP08 PP16 QQ04 QQ19 RR63 5H611 AA09 BB06 BB08 TT02 UA04 UB01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水中機器の耐圧容器内に、回転子、固定
   子、モータフレームなどが収納された水中機器用モータ
   において、 前記耐圧容器にモータ取付け部を設け、該モータの取付
   け部にヒートシンクを兼ねた前記モータフレームを密着
   させて固定すると共に、該モータフレームに前記モータ
   を回転制御するパワースイッチング素子を含むモータ制
   御装置部を密着させて固定し、前記耐圧容器及び前記モ
   ータフレームを前記モータ及び前記モータ制御装置部の
   放熱手段としたことを特徴とする水中機器用モータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の水中機器用モータにお
   いて、 前記モータ取付け部は、前記モータ軸方向のモータフレ
   ームの中央位置部に配設されていることを特徴とする水
   中機器用モータ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の水中機器用モータにお
   いて、 前記モータ取付け部は、前記モータ固定子の軸方向に延
   設されていることを特徴とする水中機器。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の水中機器用モータにお
   いて、 前記モータフレームと前記耐圧容器の間に、熱伝導材が
   配設されていることを特徴とする水中機器。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４に記載の水中機器用モー
   タにおいて、 前記パワースイッチング素子は分割され、前記モータフ
   レームに密着させて固定されていることを特徴とする水
   中機器モータ。