JP2016073058A - インバータ一体型電動機 - Google Patents
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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。
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。
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。
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,Insulated Gate bipolar transistor)素子やパワーMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)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
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 (4)
- 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。
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