JP5783830B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は回転電機に関する。

本発明の背景技術として、次の構成が知られている。特許文献１には、回転電機本体と各種の制御装置を一体型に構成した制御装置一体型電動機が開示されている。また、特許文献２には、インバータを効率よく冷却するため、当該インバータを回転電機本体の側部に固定するとともに、当該回転電機の回転軸の一端に取り付けた冷却ファンにより外部からの空気をインバータの冷却フィンに導くように構成された回転電機およびポンプ装置が開示されている。

特開平１１−２７９０３号公報 特開２００９−２７８８０７号公報

屋外に単独で設置されるポンプ等のように直射日光下で使用される機器においては、その駆動を行うための回転電機が隣接して設けられることが多い。回転電機の本体とともに、当該回転電機に駆動電流を供給するためのインバータや、内部にマイコンを搭載し、内部／外部との有線／無線インターフェイスを構成するとともに各種の運転制御を行う制御基板（以下、「制御＆I/F基板」とも言う）、更には、耐サージ回路付のノイズフィルタやＤＣリアクトルなどを含め、オールインワンで搭載する場合、次のような問題が生じ得る。

その第一は熱の問題である。回転電機は駆動中に発熱するためにこれを冷却する必要がある。そのため、回転電機には冷却用のファンを設け、ファンによる送風と固定子を覆うカバーに設けられた冷却フィンとが熱交換を行い、冷却を図る構造とすることが多い。これによって駆動中には冷却ファンによる冷却が可能となる。しかし、直射日光下で使用される回転電機の場合、停止中の冷却が必要となるにもかかわらず、放熱を十分に行うことができないという課題が生ずる。

また、上述の従来技術では、以下のような課題があった。すなわち、回転電機本体とともに搭載される各種の部品のうち、特に、電力変換装置では、インバータを構成するパワースイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴなど）、その発熱が大きい。そのため、特許文献１に開示されたように、回転電機の一方の端部に、その回転軸上に積み重ねて配置された円筒状のケースの内部に搭載した場合、当該インバータ（即ち、そのパワースイッチング素子）の発熱を確実に外部に放熱することは難しい。また、特許文献２に開示されたように、回転電機本体の冷却ファンにより形成された空気流の一部を、インバータの冷却フィンに対して導く構造でも、やはり、当該インバータの発熱を確実に外部に放熱することは難しい。

第二には騒音の問題がある。インバータによって回転電機の制御を行う場合、回転電機から騒音が生じる。この騒音低減を低減するためには、騒音発生それ自体を抑制するか、防音措置を講ずる必要がある。しかし、前者の場合には、キャリア周波数の変更等によって波長を可聴領域外にすることが考えられるが、他の制約から限界があり、また、後者の場合、遮蔽性をより高めることで防音効果の向上を図ることが考えられるものの、遮蔽性を高めることは放熱作用を減ずることになり、やはり熱の問題が生じてしまうことになる。

本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、特に、以下に詳細に述べる実施の形態からも明らかとなるように、インバータを含む電力制御系、モータを含む駆動系、及び、これらを接続する各種の回路基板、ノイズフィルタ、コンデンサを一体に構成する際に、熱や騒音の問題を解決した回転電機を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。その
一例を示すならば、外周に複数の冷却フィンを形成したハウジングと、このハウジングに
取り付けられる固定子と、回転軸に固定され前記固定子からの回転磁界によって回転する
回転子と、前記ハウジングの径方向外周上に形成され、前記固定子に駆動電流を供給する電力変換装置が取り付けられる平面部と、前記回転軸の回転に伴って回転する冷却ファンと、前記ハウジングの外周に設けられるカバーと、前記カバーと前記ハウジングとの間に配置され前記複数の冷却フィンの先端部を覆う被覆材とを備え、前記複数の冷却フィンの間に前記被覆材で覆われた空間が形成され、前記平面部の周辺部に形成される冷却フィンが、その他の部分に形成される冷却フィンよりも大きいものである。

上記の回転電機において、より好適な具体的態様は、例えば下記の通りである。
（１）被覆材は前記ハウジング及び前記カバーより熱伝導率の低い材質としたこと。
（２）被覆材は形状追従性を有する材質としたこと。
（３）前記ハウジングの外周部に固定され前記電力変換装置と、前記電力変換装置を制御する制御基板と、前記電力変換装置用の平滑コンデンサとを備え、前記電力変換装置、前記制御基板、及び、前記平滑コンデンサは、前記回転軸から放射状に離間して設けられ、前記被覆材は、前記電力変換装置、前記制御基板、及び、前記平滑コンデンサの周囲を覆うこと。

本発明によれば、例えば直射日光下のような厳しい環境下でも運転可能で、かつ、低騒音を実現した回転電機を提供することができる。

本発明の一実施例になる回転電機の全体構成が示す外観斜視図である。 上記回転電機のカバー内に内蔵される回転電機部分の全体構造を示す展開斜視図である。 上記図２に示した回転電機部分をカバー内に収納する際の各部を示す展開斜視図である。 上記回転電機において、ハウジングに取り付ける電力変換装置とステータ（電機子）との位置関係の他の例を説明する一部切断斜視図である。 上記回転電機においてステータ（電機子）を構成するコアの他の例を示す斜視図である。 上記回転電機において、カバー内の各部を示す断面図である。 上記回転電機の騒音試験結果。

以下、本発明になる実施の形態の詳細について、添付の図面を参照しながら説明する。

まず、添付の図１には、本発明の一実施例になる、例えば屋外設置ポンプの駆動用の回転電機組立体の全体構成が示されている。即ち、この図において、符号１０は、回転電機本体の外周を覆うカバーを示しており、略円筒形状の外形を備えている。このカバー１０は、板状の共振抑制材料を、例えば、押圧加工等を行って、所定の形状に形成されている。より具体的には、カバーの内側に被覆材を取り付けることによって、騒音や振動の抑制が可能になる。被覆材の材質については後述するが、吸音材、防音材、制振材、防振材の類のものが好適である。

上記円筒形カバー１０の軸方向における一方の端部（図の奥側）には、後にも説明する遠心ファン５８を内蔵する冷却カバー２０が取り付けられ、また、他方の端部（図の手前側）には、以下に述べる回転電機のエンドブラケット１１が取り付けられている。更に、上記円筒形カバー１０の外周面には、後にも説明する電力変換装置を収納したケース（電力変換装置用ケース）３０や、その内部にノイズフィルタを内蔵した端子箱（ノイズフィルタ内蔵端子箱）４０が、それぞれ、取り付けられている。

続いて、添付の図２には、上記カバー１０内に内蔵される回転電機の駆動部分５０（以下、単に「回転電機５０」とも）の全体構造が、展開図として示されている。なお、本例では、その一例として、永久磁石式回転電機が示されている。この図において、符号５１は、所謂、略円筒状のハウジング（又は、「フレーム」とも言う）を示しており、このハウジング５１は、例えば、伝熱性（熱伝導性）に優れたアルミニウム等の材料を押し出すことにより形成されている。また、このハウジング５１は、図にも示すように、その外周表面の全体には、円筒形の回転軸に沿って並列に延びた多数の冷却フィン５２Ｌ、５２Ｓを形成している。また、このハウジング５１の外周表面の一部（図では、上部）には、上述した電力変換装置（即ち、電力変換装置用ケース）３０を取り付けるための比較的大きな面積の平面５３を形成しており、その周囲には、水平方向に、比較的大きい（長く延びた）冷却フィン５２Ｌを形成している。

なお、この円筒状のハウジング５１の内部には、上記永久磁石式回転電機の固定子（ステータ）５４を構成する電機子が挿入して固定されると共に、当該電機子５４の円筒状の内部空間内には、複数の永久磁石を円筒状に配置して構成された回転子（ロータ）５５が挿入され、所定の隙間を介して、回転自在に取り付けられている。また、図における符号５６は、上記回転子（ロータ）５５と一体に形成された回転軸（シャフト）であり、回転電機の回転駆動力を、当該軸を介して、例えば、ポンプ等の被駆動機器に伝達する。また、図中の符号５７は、上述したエンドブラケット１１とは反対側において、ハウジング５１の端部に取り付けられたエンドブラケットであり、更に、図中の符号５８は、当該エンドブラケット５７の外側で上記回転軸（シャフト）５６に取り付けられる遠心ファン（冷却ファン）を示している。

更に、添付の図３には、上述した回転電機５０を上記図１に示したカバー１０の内部に収納する際の各部が、展開図として示されている。即ち、回転電機５０は、そのハウジング５１の外周表面の一部、例えば、図の例では、下部周辺の比較的短い冷却フィン５２が形成されている部分には、その外形断面が略円弧状に形成された制御＆I/F基板用ケース６０や平滑コンデンサ用ケース７０が取り付けられ（又は、固定され）、その後、上記カバー１０の内部に挿入される（図の矢印を参照）。また、ハウジング５１の平面５３には、カバー１０の一部に設けられた開口部５１１を介して、インバータを構成する発熱素子であるパワースイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴなど）を一部に備えた電力変換装置３１が、回転電機５０のハウジング５１の一部に形成された平面５３に取り付けられ、その後、その保護のためのカバー（電力変換装置用カバー）３０が外側から取り付けられる（図の矢印を参照）。

ここでさらに、カバー１０の内側には、ハウジング５１の外周に形成された大小異なる冷却フィン５２、及び、カバー１０の内部に取り付けられた制御＆I/F基板用ケース６０や平滑コンデンサ用ケース７０の隙間を埋めるように、被覆材８０（８０ａ、８０ｂ）が取り付けられる。被覆材８０は、外周部がカバー１０の内面側を多い、内周部が、各冷却フィン５２のそれぞれの先端部とほぼ接触するようにハウジング５１の周囲を覆うように取り付けられる。図３に示すように、本実施例の被覆材８０は、電力変換装置３１と電力変換装置用ケース３０との間に配置される被覆材８０ａと、ハウジング５１の周囲を覆う被覆材８０ｂとから構成されている。これにより、回転電機のほぼ全周を覆うことができる。

被覆材８０の材質は、吸音作用、防音作用が十分であれば特に限定されるものではないが、ハウジング５１及びカバー１０より熱伝導率が低く、形状追従性を有する材質であることが望ましい。すなわち、弾性体であってもよく、あるいは、容易に変形が可能なもの、例えば可撓性材料であってもよい。

図３に示すように、ハウジング５１の平面部５３には電力変換装置３１が、冷却フィン５２Ｓの先端部に当接するように制御＆I/F基板用ケース６０及び平滑コンデンサ用ケース７０がそれぞれ取り付けられている。これらの取付け部材は回転軸（シャフト）５６に対して放射状に取り付けられており、それぞれが離間してハウジング５１に配置されていることから、回転電機径をコンパクトにまとめることができる。また、冷却フィン５２Ｓの間の空間がケース６０、７０によって覆われ、被覆材８０ｂはケース６０、７０をさらに覆う構成となっているため、冷却フィン５２Ｓ間に空間が構成されることになる。

更に、ハウジング５１の外周表面の一部には、上述した端子箱（ノイズフィルタ内蔵端子箱）４０が取り付けられる（図の矢印を参照）。そして、ハウジング５１の他の端部（図の左端）には、上述した冷却カバー２０が取り付けられる。また、図中の符号２１は、当該冷却カバー２０の壁面の略中央部に、多数、メッシュ状に形成した、外部の空気を取り入れるために小孔を示している。

即ち、上述した回転電機本体やその周辺装置をも含めた回転電機組立体によれば、回転電機の運転も伴って回転する回転軸（シャフト）５６により、その先端に取り付けられた遠心ファン５８が回転し、外部からの空気がカバー１０の内部に導かれ、ハウジング５１の外周表面に多数形成された冷却フィン５２の間を流れて熱交換を行ない（上記図２の白抜きの矢印を参照）、その後、他端のエンドブラケット１１との間の隙間を通って外部に流出する。即ち、遠心ファン５８の回転により生じる空気流により、その外周表面に冷却フィン５２が多数形成されたハウジング５１が冷却される。

なお、電力変換装置３１は、上述したように、インバータを構成するため、その内部に発熱素子であるパワースイッチング素子を備えていることから、その発熱量が大きい。しかしながら、本実施形態によれば、上述したように、電力変換装置３１は、回転電機の発熱を外部に排出するために固定子（ステータ）５４の外周に一体に設けたハウジング５１の一部、即ち、その取り付け用の平面部５３に直接的に取り付けられる。このことによれば、電力変換装置３１における発熱は、回転電機の発熱（特に、その電機子における発熱）と共に、当該ハウジング５１に伝達し、その外周表面の全体において、伝熱性に優れた材料により多数が並列に並ぶように形成された冷却フィン５２により、外気に効率的に伝達されることとなる。即ち、回転電機の発熱と共に、電力変換装置３１の発熱を、効率良く外部へ排出することが可能となり、もって、電力変換装置の良好な冷却効果が達成されることとなる。

特に、上述の実施例では、電力変換装置３１が配置される円筒状ハウジング５１の上部に形成した取り付け用の平面５３の周辺には、水平方向に、比較的大きい（長く延びた）冷却フィン５２が形成されていることから、回転電機の発熱と共に電力変換装置３１の発熱をも、効率的に、冷却することが可能となる。

また、上述したように、本実施形態によれば、制御＆I/F基板用ケース６０やコンデンサ用ケース７０についても、ハウジング５１の外周表面の一部に取り付けられて（固定されて）いることから、これらケースの内部における発熱も、上記と同様に、ハウジング５１の外周に形成した冷却フィン５２を介して、効率的に外部へ排出することが可能となる。

なお、この制御＆I/F基板用ケース６０とは、その内部に、制御用のコントローラ（例えば、制御用マイコン）と共に、通信用のI/F基板を内蔵し、その内部に樹脂材等を注入したものであり、耐環境性や耐衝撃性にも優れたものである。そして、この制御＆I/F基板用ケース６０を回転電機の一部に取り付けることによれば、屋外設置ポンプの駆動制御と共に、無線／有線による外部との通信機能をも可能となる。また、これによれば、例えば、制御＆I/F基板に、圧力センサ、流量センサ等を搭載することによれば、これらの量をフィードバック信号として自働制御を可能とし、更には、サポートセンサに伝達（通信）することにより、集中管理や統合省エネモニタシステム等も実現可能となる。即ち、これにより、屋外設置ポンプの運転管理や省エネ運転等が可能となると共に、遠隔監視制御や集中管理、更には、複数のポンプによるシステム化をも実現することが可能となる。

また、コンデンサ用ケース７０とは、その内部に、上記電力変換装置３１のインバータ回路の一部（部品）を構成する平滑コンデンサを収容したものであり、上記と同様に、その内部に樹脂材等を注入することにより、耐環境性や耐衝撃性を図っている。また、インバータの一部を構成するＤＣリアクトルは、本例では、上記電力変換装置３１の一部に組み込まれているものとして説明したが、このＤＣリアクトルについても、同様に、専用ケース内に内蔵してハウジング５１の外周表面の一部に取り付けてもよい。

加えて、本実施形態では、上記の実施例に代えて、例えば、添付の図４にも示すように、電力変換装置３１における発熱部（図のメッシュ部）Ｈが、上記円筒形状のハウジング５１の平面部５３上で、その回転中心軸上において、回転電機側の発熱部であるステータ（電機子）５４の中心部（図に破線Ｂで示す）の位置から外れて、例えば、上記冷却カバー２０に内蔵された遠心ファン２１側に近く位置するように配置する。このことによれば、発熱部が集中することなく分散されることにより、効率的な冷却が可能となる。

更には、ステータ（電機子）５４として、添付の図５にも示すように、その外周の一部、特に、上述した電力変換装置３０が取り付けられるハウジング５１の平面部に近接する部分を切り欠いた（カット部５４１）、所謂、カットコアを採用することもできる。これによれば、発熱部である電力変換装置３０とステータ（電機子）５４とをカット部分で熱的に分離することにより、ハウジング５１による熱の吸収をそれぞれに分離して効率的に冷却することが可能となる。

即ち、本実施形態になる回転電機組立体によれば、上述した説明からも明らかなように、外周に冷却用のフィンを形成したハウジングをインバータ等の発熱部品の冷却部として直接的に利用し、もって、インバータを含む電力変換装置、そして各種の回路基板、更には、ノイズフィルタやコンデンサをも含めて一体に構成するに適した、実用的にも優れた回転電機組立体を提供することが可能となる。

次に、図６を用いてカバー１０の内側に配置した被覆材８０による構造について説明する。図６は、ハウジング５１や回転電機内部はハッチングを付していないが、カバー内の各部を示す断面図である。図に示すように被覆材８０をハウジングに形成された冷却フィン外周とカバー１０の内側との間に配置する。これにより、モータから発生する騒音の外部伝播を抑えることができる。

また、本実施例では、回転電機の発熱と共に電力変換装置３１の発熱をも、効率的に冷却するために、電力変換装置３１が配置される円筒状ハウジング５１の上部に形成した取り付け用の平面５３の周辺には、水平方向に、比較的大きい（長く延びた）冷却フィン５２が形成されている。

これらの大小異なる冷却フィンの先端部とカバー１０との間の隙間を埋めるように、被覆材８０を配置することで、さらには、運転時の冷却風路の一部を構成することもでき、フィン間に効率よく送風され、冷却性も確保することが可能となる。すなわち、これによって放熱を目的として設けられている冷却フィン５２間に冷却風が効果的に導かれるため、冷却性能の向上を図ることができ、被覆材８０で周囲が覆われた構造においても十分な冷却性を確保することができる。

このとき、被覆材８０に形状追従性の高い材質を用いることで、長短の冷却フィン５２Ｌ、５２Ｓが混在した本実施形態のような場合でも、容易に周囲を被覆材８０で覆うことが可能となる。また、ケース６０、７０が冷却フィン５２Ｓの外周部に配置することにより、冷却フィン５２Ｓと５２Ｌの長さの違いを吸収しやすくなり、被覆材８０による周囲被覆を行いやすくすることができる。すなわち、本実施形態の場合、上述のように、電力変換装置３０、ケース６０、７０が、それぞれ回転電機の回転軸から放射状に離間して設けられているため、被覆材８０がこれらの周囲を覆う際に覆いやすく、しかも、コンパクトな回転電機とすることができる。

また、屋外設置の場合、カバー１０を備えた二重構造により、カバー１０は直射日光等によって加熱され得るが、カバー１０の内側では自然対流による気流が発生し、直射日光による停止時の温度上昇を抑制することができる。すなわち、冷却風の流通路としての空間が、カバー１０側とハウジング５１側との温度差によって生ずる自然対流空間として機能し、モータ停止時にも放熱作用を得ることができる。さらには、カバー１０の内側に配置する被覆材８０を断熱材のような熱伝導率の低い材質とすることで、カバー１０からの熱がハウジング５１へ伝達することも遮断することができる。したがって、内部の温度上昇を抑制することができる。

本発明の実施例による被覆材８０に関し、実機に適用した結果を比較例とともに図７に示す。実記仕様としては、出力３．７（ｋＷ）、回転速度が３６００（ｍｉｎ−１）である。この仕様のもとで、被覆材の有無による騒音試験を行った。図７の騒音試験結果において、被覆材が無い比較例１の場合、７０．０ｄＢ（Ａ）であったのに対し、本実施例では６５．５ｄＢ（Ａ）であった。被覆材を付けた結果、モータから発生する騒音、例えば、インバータ駆動時に発生するキャリアによる騒音を外に漏れないように抑えることができ、被覆材を付けた本実施例は、被覆材が無い場合より騒音低減の効果が大きいことを確認できた。また、被覆材を付けた本実施例は、比較例２である汎用の誘導電動機（６６．５ｄＢ（Ａ））と比較してみても、同等以下のレベルにあり、本実施例による騒音増加の弊害がないことが確認できた。

上記の実施例においては、屋外設置ポンプの駆動用の回転電機を、永久磁石式回転電機により構成するものとして説明したが、本発明はこれに限られることなくその他の形式の回転電機により構成されるものであってもよく、それによっても同様の効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。

１０…カバー、５１１…カバーの開口部、１１、５７…エンドブラケット、２０…冷却カバー、２１…冷却カバーの小孔、３０…電力変換装置用ケース、３１…電力変換装置、４０…ノイズフィルタ内蔵端子箱、５０…回転電機（部分）、５１…ハウジング、５２、５２Ｌ、５２Ｓ…冷却フィン、５３…ハウジングの平面部、５４…固定子（ステータ、電機子）、５４１…（コアの）カット部、５５…回転子（ロータ）、５６…回転軸（シャフト）、５８…遠心ファン（冷却ファン）、６０…制御＆Ｉ／Ｆ基板用ケース、７０…平滑コンデンサ用ケース、８０、８０ａ、８０ｂ…被覆材、Ｈ…発熱部、Ｂ…電機子の中心部

Claims (4)

1. 外周に複数の冷却フィンを形成したハウジングと、このハウジングに取り付けられる固
   定子と、回転軸に固定され前記固定子からの回転磁界によって回転する回転子と、
   前記ハウジングの径方向外周上に形成され、前記固定子に駆動電流を供給する電力変換装置が取り付けられる平面部と、前記回転軸の回転に伴って回転する冷却ファンと、前記ハウジングの外周に設けられるカバーと、前記カバーと前記ハウジングとの間に配置され前記複数の冷却フィンの先端部を覆う被覆材とを備え、
   前記複数の冷却フィンの間に前記被覆材で覆われた空間が形成され、
   前記平面部の周辺部に形成される冷却フィンが、その他の部分に形成される冷却フィンよりも大きいものであることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、前記被覆材は前記ハウジング及び前記カバーより熱伝導率の低い材質としたことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、前記被覆材は形状追従性を有する材質としたことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の回転電機において、
   前記ハウジングの外周部に固定された前記電力変換装置と、前記電力変換装置を制御する制御基板と、前記電力変換装置用の平滑コンデンサとを備え、
   前記電力変換装置、前記制御基板、及び、前記平滑コンデンサは、前記回転軸から放射状に離間して設けられ、
   前記被覆材は、前記電力変換装置、前記制御基板、及び、前記平滑コンデンサの周囲を覆うことを特徴とする回転電機。

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