JP2016073058A

JP2016073058A - インバータ一体型電動機

Info

Publication number: JP2016073058A
Application number: JP2014198820A
Authority: JP
Inventors: 宏明河合; Hiroaki Kawai
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-05-09

Abstract

【課題】電動機筐体が有する冷却路によってインバータを効率よく十分に冷却できるインバータ一体型電動機を提供する。【解決手段】電動機本体２と、電動機筐体３と、インバータ４とを備える。電動機筐体３は、インバータ取付部３２と、電動機本体２を冷却可能に形成された冷却路３１と、インバータ取付部３２から冷却路３１に連通された連通孔３３とを備えている。インバータ４は、インバータ取付部３２に取り付けられたインバータ４の一部が冷却路３１に露出した状態で、インバータ取付部３２とインバータ４との間に第１弾性体６ａが介在するように、インバータ取付部３２に取り付けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、インバータが電動機本体に一体に取り付けられたインバータ一体型電動機に関する。

インバータに使用されているスイッチング素子等の電子部品は、機械構造装置の部品と比較して振動に対して弱い傾向にあり、インバータユニットが機械構造装置に取り付けられる場合にインバータユニットに印加された振動や衝撃を仕様範囲内に収める必要がある。特に建設機械は、その作業内容次第では、自動車等の一般的な輸送機器では通常加わらない振動や衝撃がインバータユニットに加わることから、振動や衝撃に対する対策の重要性は非常に高い。又、インバータにおいて、特にスイッチング素子は、駆動中に高温に達し、放熱を行わなければ、素子の熱暴走、破壊につながることから、ヒートバランスも成立させる必要がある。従って、インバータでは、振動及び熱のいずれも素子や部品の仕様範囲内に収める構造設計を行う必要がある。

一方、例えば電動機筐体に、電動機本体を冷却する冷却路が形成されている場合も多く、この電動機筐体が有する冷却路を利用してインバータを冷却できれば簡素化でき、しかも、低コストで製作等できる。例えば、図１４に示すようにインバータ１００１を防振ゴム等からなる弾性体１００２を介して、電動機本体（図示せず）を収納した電動機筐体１００３の外周に取り付ける方法が考えられる。しかし、この方法では、電動機筐体１００３からインバータ１００１にかかる振動を抑えることができても、インバータ１００１と電動機筐体１００３の間に空間１００４ができてしまう。そのため、例えば電動機筐体１００３が有する冷却路１００５によってインバータ１００１を十分に冷却することができず、別途冷却手段を設けてインバータ１００１を冷却する必要がある。その結果、部品点数の増大、コスト増大となってしまう。

又、特許文献１に、耐衝撃性及び耐振動性を確保するようにした車両用インバータ一体型モータが開示されている。この特許文献１に開示された車両用一体型モータは、インバータを樹脂絶縁シートを介してインバータ筐体に当接させて取り付けるようにしている。

特開２００３−３２４９０３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の車両用インバータ一体型モータでは、インバータを樹脂絶縁シートを介してインバータ筐体に当接させているが、そのように当接させただけでは、電動機筐体が有する冷却路によってインバータを冷却する効率が悪く、未だ十分にインバータを冷却し難い。

本発明は、電動機筐体が有する冷却路によってインバータを効率よく十分に冷却できるインバータ一体型電動機を提供することを目的とする。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。即ち、本発明の一態様にかかるインバータ一体型電動機は、電動機本体と、前記電動機本体を収納した電動機筐体と、直流電流を交流電力に変換して前記電動機本体に給電するインバータとを備え、前記電動機筐体は、前記インバータを取り付けるインバータ取付部と、冷却用流体が流れ前記電動機本体を冷却可能に形成された冷却路と、前記インバータ取付部に取り付けられた前記インバータの少なくとも一部が前記冷却路を流れる冷却用流体と接触し得るように前記インバータ取付部と前記冷却路とを連通した連通孔とを備え、前記インバータは、前記インバータ取付部とインバータとの間に第１弾性体が介在するように、前記インバータ取付部に取り付けられていることを特徴とする。

これによれば、インバータは第１弾性体が介在するようにインバータ取付部に取り付けられているため、第１弾性体が電動機筐体にかかる振動を吸収でき、インバータが電動機筐体から振動を受け難くなる。

又、インバータの一部が連通孔を介して冷却路を流れる冷却用流体と接触し得るようにインバータ取付部に取り付けられているため、インバータが冷却路を流れる冷却用流体によって直接的に冷却される。これにより、インバータ一体型電動機は、電動機本体を冷却する冷却路を利用してインバータを効率よく冷却できる。

他の一態様では、前記インバータ一体型電動機において、前記冷却用流体が前記連通孔から前記インバータ取付部へ漏出することを防止するパッキングを、更に備えていることを特徴とする。

これによれば、パッキングによって、冷却路を流れる冷却用流体が連通孔からインバータ取付部へ漏出することが防止される。これにより、冷却路が電動機本体の冷却機能を低下させることを防止できる。

他の一態様では、前記インバータ一体型電動機において、前記第１弾性体は、前記連通孔を囲むように前記連通孔の全周部に配置され、前記パッキングは、前記第１弾性体により構成されていることを特徴とする。

これによれば、第１弾性体がパッキングを兼備できる。これにより、部品点数が少なくなり、インバータ一体型電動機がより簡素化され、低コストで製作可能になる。

他の一態様では、前記インバータ一体型電動機において、前記インバータは、前記インバータの一部に、放熱用のフィンを備えていることを特徴とする。

これによれば、フィンによって、インバータが冷却路で、より一層、効率よく冷却できる。

本発明のインバータ一体型電動機は、電動機筐体が有する冷却路によってインバータを十分に冷却できる。

本発明の一実施形態のインバータ一体型電動機の正面図である。図１の右側面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図３の要部を拡大して模式的に表した断面図である。図１のインバータ一体型電動機に用いられるインバータ及び第２弾性体の平面図である。図６のインバータ及び第１弾性体の底面図である。インバータ一体型電動機の他の実施形態の要部を拡大して模式的に表した断面図である。インバータ一体型電動機の更に他の実施形態の要部を拡大して模式的に表した断面図である。図９の要部を拡大した底面図である。図９のインバータの変形例の底面図である。（ａ）は、インバータ一体型電動機の更に他の別な実施形態のインバータを拡大した底面図、（ｂ）は、図１２（ａ）のインバータに第１弾性体を装着した状態の拡大した底面図である。（ａ）は、図１２のインバータ一体型電動機のインバータに形成された連通孔挿入部の変形例の底面図、（ｂ）は、図１３（ａ）のインバータに第１弾性体を装着した状態の拡大した底面図である。従来例の要部を拡大して模式的に表した断面図である。

以下、本発明の一実施の形態のインバータ一体型電動機を図に基いて説明する。図１は、本発明の一実施形態のインバータ一体型電動機の正面図、図２は、図１の右側面図である。又、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線断面図、
図５は、図３の要部を拡大して模式的に表した断面図である。

この実施の形態のインバータ一体型電動機１は、機械装置等に用いられ、特に、例えばハイブリッド建設機械等の機械装置に好適に用いられる。この実施の形態のインバータ一体型電動機１は、図１〜図４に示すように電動機本体２と、電動機本体２を収納した電動機筐体３と、インバータ４とを備えている。

この実施形態の電動機本体２は、回転動力を出力する回転軸（出力軸、シャフト）２１と、回転軸２１を回転させるロータ２２と、ステータ２３とを備えている。

回転軸２１は、この実施形態では、一方端部が電動機筐体３の軸方向の一方端面に貫通されて、電動機筐体３の軸方向の一方端面から外に突出している。そして、この状態で、回転軸２１が、電動機筐体３にべアリング（図示せず）等を介して回転自在に保持されている。

ロータ２２は、図３、４に示すように、電動機筐体３内で、回転軸２１の他方端部に固定的に保持されている。

ステータ２３は、複数（この実施形態では、８個）のステータ片から構成されている。各ステータ片は、コイル巻装部３２ｂを有するティース３２ａを備え、このティース３２ａのコイル巻装部３２ｂに、図示しない励磁コイルが巻装される。

このように構成された複数のステータ片は、コイル巻装部３２ｂに励磁コイルが巻装された状態で（図３及び４では、励磁コイルを省略している）、各ティース３２ａの先端がロータ２２の径方向外側になるようにして、ロータ２２の周方向に沿って等間隔に配置され、その状態で、電動機筐体３の内周に一体的に保持されている。

電動機筐体３は、円筒状の筐体本体部３０を備えている。筐体本体部３０は、電動機筐体３の外周に形成されたインバータ取付部３２と、インバータ取付部３２よりも内周側に電動機本体２を冷却可能に形成された冷却路３１と、冷却路３１とインバータ取付部３２とを連通した連通孔３３とを備えている。

インバータ取付部３２は、インバータ４を取り付けるためのもので、この実施形態のインバータ取付部３２は、電動機筐体３の外周壁の一部に形成されている。

又、このインバータ取付部３２は、図５に示すようにインバータ４を取り付ける後述の取付ボルト５と螺合する複数のネジ孔３２ａを備えている。複数のネジ孔３２ａは、インバータ取付部３２の周縁部に、互いに間隔を持って周方向に沿って（図６参照）、配設されている。

冷却路３１は、冷却用水（冷却用流体、液体状冷媒）が流れる冷却路本体部３５と、冷却路本体部３５の一方端に形成された注入口３１ａと、冷却路本体部３５の他方端に形成された出し口３１ｂを備えている。

冷却路本体部３５は、電動機筐体３の径方向におけるステータ２３とインバータ取付部３２の間を通るように、電動機筐体３の略全周にわたって形成されている。

注入口３１ａは、電動機筐体３の外部から冷却路本体部３５に冷却用水を注入するためのもので、電動機筐体３の外壁から冷却路本体部３５に貫通するように形成されている。

出し口３１ｂは、冷却路本体部３５に注入された冷却用水を電動機筐体３の外部に出すためのもので、冷却路本体部３５から電動機筐体３の外壁に貫通するように形成されている。

連通孔３３は、インバータ取付部３２から冷却路本体部３５に矩形状に貫通するように形成され、これにより、インバータ取付部３２と冷却路本体部３５とが連通孔３３を介して連通している。この実施形態では、連通孔３３は、インバータ取付部３２の内側の位置に形成されている。

インバータ４は、直流電力を所定の周波数の交流電力に変換する回路である。このようなインバータ４は、例えば、複数のスイッチング素子を備える変換回路４１と、前記直流電力を所定の周波数の前記交流電力に変換するように前記複数のスイッチング素子におけるオンオフの各タイミングを制御する制御回路４２と、変換回路４１及び制御回路４２を収納したインバータ筐体４３とを備える。

前記スイッチング素子は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ，ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子やパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ−ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子等の電力用のトランジスタ素子であり、本実施形態では、大電力用のＩＧＢＴ素子が用いられる。なお、制御回路は、前記直流電力を安定化するコンデンサや、ノイズを抑制するためのチョークコイルを備えても良い。

インバータ筐体４３は、電動機筐体３の径方向外側に配設された合成樹脂製の第１インバータ筐体４４と、第１インバータ筐体４４に対して電動機筐体３の径方向内側に配設された金属製の第２インバータ筐体４５との電動機筐体３の径方向に２分割された２つからなる。

第１インバータ筐体４４は、この実施形態では、図６に示すように平面視で矩形状を呈している。第１インバータ筐体４４は、周縁部に、電動機筐体３のインバータ取付部３２に取り付けられる第１筐体被取付部４４ａを備えている。尚、第１インバータ筐体４４は、合成樹脂から構成される形態のものに限らず、例えば金属製でもよく、適宜変更できる。

第１筐体被取付部４４ａは、電動機筐体３のインバータ取付部３２に形成されたネジ孔３２ｃに対応する位置に、後述の取付ボルト５を挿通するボルト挿通孔４４ｂを備えている。

第２インバータ筐体４５は、図７に示すように第１インバータ筐体４４と同じ大きさの矩形状に形成されている。又、第２インバータ筐体４５は、連通孔３３に挿入される連通孔挿入部４５ａと、電動機筐体３のインバータ取付部３２に取り付けられる第２被取付部４５ｂとを備えている。尚、第２インバータ筐体４５は、金属から構成される形態のものに限らず、例えば合成樹脂製でもよく、適宜変更できる。ただし、後述のように、第２インバータ筐体４５が金属製であれば冷却用水で効率的に冷却されて回路を冷却できる点で、金属製が好ましい。

連通孔挿入部４５ａは、第２被取付部４５ｂの内周側に、連通孔３３に挿入可能な大きさで形成されている。

第２被取付部４５ｂは、電動機筐体３のインバータ取付部３２に形成されたネジ孔３２ｃに対応する位置に、後述の取付ボルト５を挿通するボルト挿通孔４５ｃを備えている。

このように構成された第１インバータ筐体４４と第２インバータ筐体４５とは、図５に示すように変換回路４１及び制御回路４２を収納して互いのボルト挿通孔４４ｂ、４５ｃが位置合わせされた状態で、第２インバータ筐体４５の連通孔挿入部４５ａが連通孔３３に挿入される。尚、第２インバータ筐体４５の連通孔挿入部４５ａが連通孔３３に挿入された状態で、連通孔３３を区画した電動機筐体３の連通孔内壁面３３ａと連通孔挿入部４５ａとの間に、実際には隙間が形成されているが、図５では、隙間が表れていない。

そして、ボルト挿通孔４４ｂ、４５ａに挿通された取付ボルト５が電動機筐体３のインバータ取付部３２に形成されたネジ孔３２ｃに螺合されることによって第１インバータ筐体４４と第２インバータ筐体４５とが電動機筐体３のインバータ取付部３２に一体的に取り付けられている。

又、第１インバータ筐体４４と第２インバータ筐体４５とが電動機筐体３のインバータ取付部３２に取り付けられる際、第２インバータ筐体４５と電動機筐体３のインバータ取付部３２との間に１つの合成ゴム製の第１弾性体６ａが介在し、又、第１インバータ筐体４４と取付ボルトの頭部との間に複数（この実施形態では８個）の合成ゴム製の第２弾性体６ｂが介在するようにして行われる。

詳しくは、第１弾性体６ａは、図７に示すように、内周側に、連通孔挿入部４５ａを受容する受容孔６２を備えている。そして、第２インバータ筐体４５と電動機筐体３のインバータ取付部３２との間の略全体に配置される。これにより、第１弾性体６ａが、連通孔３３を囲むように連通孔３３の全周部に配置され、連通孔３３と第２インバータ筐体４５との隙間を密封する。

又、第１弾性体６ａは、第２インバータ筐体４５のボルト挿通孔４５ｃ及び電動機筐体３のインバータ取付部３２に形成されたネジ孔３２ｃに対応する位置に、取付ボルト５を挿通するボルト挿通孔６１ａを備えている。

各第２弾性体６ｂは、図６に示すようにボルト挿通孔６１ｂを有するリング板状（板状環状体）のものからなる。そして、第２弾性体６ｂは、第１インバータ筐体４４のボルト挿通孔４４ｂに対応する位置に配置される。

次に、インバータ一体型電動機１の動作について説明する。図示しない駆動部材によって冷却路３１の注入口３１ａに冷却用水が順次注入され、冷却路本体部３５を通って出し口３１ｂから出ている状態にされる。

そして、この状態から、インバータ一体型電動機１に直流電流が印加されると、インバータ４が直流電流を三相交流（交流）電力に変換して電動機本体２のステータ２３の各励磁コイルに電流を供給する。これにより、ステータ２３のティース３２ａに磁極が形成され、これにより、ロータ２２が回転し、ロータ２２の回転に伴い回転軸２１が回転する。

その際、電動機本体２は、ロータ２２の回転に伴い熱を持つが、電動機本体２の周部を流れる冷却用水によって冷却される。又、インバータ４の回路も駆動中に加熱するが、第２インバータ筐体４５が連通孔３３に挿入されて冷却路本体部３５に露出しているため、第２インバータ筐体４５が冷却用水と接触して直接冷却され、それに伴い回路も冷却される。しかも、第２インバータ筐体４５が金属製のため、熱伝導が良好で、より効率的に回路が冷却される。

以上のように構成されたインバータ一体型電動機１によれば、第１および第２弾性体６ａ、６ｂによって、電動機筐体３にかかる振動を吸収してインバータ４に電動機筐体３から振動がかかり難くなり、インバータ４が振動することを抑えることができる。

又、第１弾性体６ａは、連通孔３３を囲むように連通孔３３の全周部に配置されることにより、振動を防止する防振材として機能するとともに、同時に、冷却路本体部３５を流れる冷却用水が連通孔３３からインバータ取付部３２へ漏出することを防止するパッキングとして機能する。従って、この実施形態のインバータ一体型電動機１では、第１弾性体６ａがパッキングを兼備しているため、部品点数が少なくなり、インバータ一体型電動機１が簡素化され、低コストで製作可能になる。

尚、上記実施形態では、第１弾性体６ａが防振材及びパッキングとして機能しているが、この形態のものに限らず、第１弾性体と別途にパッキングを設けてもよく、適宜変更できる。

詳しくは、図８に示すように、第２インバータ筐体４５の連通孔挿入部４５ａと連通孔３３を区画した電動機筐体３の連通孔内壁面３３ａとの間に、全周に亘って、１又は２以上の断面円形状のパッキング１６０を配置し（この図８では、２つのパッキング１６０を配置したものを例示）、このパッキング１６０によって冷却路本体部３５を流れる冷却用水が連通孔３３からインバータ取付部３２へ漏出することを防止するようにしてもよい。又、その場合において、第１弾性体１６１は、上述の図７に示したように、連通孔３３を囲むように連通孔３３の全周部に配置されて防振材及びパッキングとして機能するものでもよいが、例えば図６に示した第２弾性体６ｂと同構成のものでもよい。

又、上記実施形態では、冷却路本体部３５に露出する第２インバータ筐体４５の連通孔挿入部４５ａの冷却路露出面は、平坦面に形成されたが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。

例えば図９、図１０に示すように、冷却路本体部３５に露出する第２インバータ筐体４５の冷却路露出面に、冷却路本体部３５側に突出する複数の円柱状の放熱用のフィン１４６が形成されたものでもよい。このような放熱用のフィン１４６が形成されることにより、第２インバータ筐体４５が冷却路本体部３５を流れる冷却用水との接触面積を平坦面に比べて多くでき、第２インバータ筐体４５がより一層効率的に冷却される。尚、放熱用のフィン１４６は、図１０に示すように注入口３１ａから出し口３１ｂの方向に流れる冷却用水の流れ方向Ｐに沿って１列状に並べられた列が流れ方向Ｐと直交する方向に複数列、配置されたものでもよいが、ランダムに配置したものでもよい。

又、放熱用のフィンを形成する場合、複数の円柱状のものから構成される形態のものに限らず、例えば図１１に示すように、注入口３１ａから出し口３１ｂの方向に流れる冷却用水の流れ方向Ｐに延されるように形成された四角柱状の放熱用のフィン２４６を、流れ方向Ｐと直交する方向に複数列、配置されたものでもよい。

又、上記実施形態では、連通孔３３は、矩形状に形成されたが、連通孔３３の形状は特に限定されず、例えば図１２（ａ）に示すように連通孔２３３は、円形状でもよい。

このように、連通孔２３３が円形状に形成されると、連通孔２３３からの冷却用水の漏出を防ぐパッキング２４６が、図１２（ｂ）に示すように、円形状のものになり、一般的に広く使用されているものを利用でき、コスト低減を図ることができる。

又、上記実施形態では、連通孔は、１つから構成されたが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。例えば図１３（ａ）に示すように連通孔３３３は、２つ以上から構成するようにしてもよい（図１３（ａ）では、２つの連通孔３３３を形成した場合を例示）。又、その場合に、各連通孔３３３を円形状に形成すれば、図１３（ａ）に示すように、上述したと同様に、一般的に広く使用されている円形状のパッキング３４６を利用でき、コスト低減を図ることができる点で好ましい。

又、上記実施形態では、第２インバータ筐体４５の連通孔挿入部４５ａは、第２インバータ筐体４５の略全体が冷却路本体部３５に露出するように形成されたが、例えば連通孔挿入部４５ａは、第２インバータ筐体４５における、加熱し易い制御回路４２に対応する部分（制御回路４２の近傍部）のみが冷却路本体部３５に露出するように形成されたものでもよい。このようにしても、インバータ４を効率よく冷却できる。

１インバータ一体型電動機
２電動機本体
３電動機筐体
４インバータ
６ａ第１弾性体
６ｂ第２弾性体
２１回転軸
２２ロータ
２３ステータ
３１冷却路
３２インバータ取付部
３３連通孔
１４６、２４６フィン

Claims

電動機本体と、
前記電動機本体を収納した電動機筐体と、
直流電流を交流電力に変換して前記電動機本体に給電するインバータとを備え、
前記電動機筐体は、前記インバータを取り付けるインバータ取付部と、冷却用流体が流れ前記電動機本体を冷却可能に形成された冷却路と、前記インバータ取付部に取り付けられた前記インバータの少なくとも一部が前記冷却路を流れる冷却用流体と接触し得るように前記インバータ取付部と前記冷却路とを連通した連通孔とを備え、
前記インバータは、前記インバータ取付部とインバータとの間に第１弾性体が介在するように、前記インバータ取付部に取り付けられていることを特徴とするインバータ一体型電動機。
前記冷却用流体が前記連通孔から前記インバータ取付部へ漏出することを防止するパッキングを、更に備えていることを特徴とする請求項１記載のインバータ一体型電動機。
前記第１弾性体は、前記連通孔を囲むように前記連通孔の全周部に配置され、
前記パッキングは、前記第１弾性体により構成されていることを特徴とする請求項２記載のインバータ一体型電動機。
前記インバータは、前記インバータの一部に、放熱用のフィンを備えていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のインバータ一体型電動機。