JP5306623B2 - 電動機装置 - Google Patents

Description

本発明は、同一の装置フレーム内に、電動機と、電動機に電力を供給する電力変換器を備え、これらを電動機の出力軸に有する冷却風発生用ファンによる冷却風で冷却するように構成した電動機装置に関する。

従来、図９に示すように電動機４０と、電動機４０の上部に電力変換器３０を載せて両者を連結した電動機装置がある。電力変換器３０は、吸気口３２ａ、３２ｂ及び排気口３２ｃを有するケース３２と、ケース３２内に配設した複数の電力変換器ユニット３３をそれぞれ電気的に接続し、受電電力を任意の電圧・電流・周波数に変換した電力を電動機４０に供給する電力変換器本体３１と、ケース３２内であって排気口３２ｃ側に配設した冷却ファン３５と、ケース３２内に収納し電力変換器本体３１を包囲すると共に、一端側は吸気口３２ａ、３２ｂに連結し、他端側は冷却ファン３５を包囲し、かつ排気口３２ｃと連結する通風ダクト３４を備えている。

電動機４０は、側面に吸気口４１ａ及び排気口４１ｂを有する電動機ケース４１と、電動機ケース４１内に配設し出力軸４３に電動機冷却ファン４４とを備えている。

このように従来の電動機装置は、電動機４０の内部に電動機冷却ファン４４を、また電力変換器３０の内部に冷却ファン３５を備え、これらの冷却ファン４４、３５を回転させることによって、それぞれの内部に冷却風経路４５、３６が形成されるので、電動機４０と電力変換器３０をそれぞれ冷却できるようになっている。これは、電力変換器３０と電動機４０がそれぞれ発熱損失があるため、この発熱損失を少なくするためである。

この場合には、電力変換器３０と電動機４０は、それぞれ冷却ファン４４、３５を備えているので、電動機装置を大型化させる要因となっていた。その上、それぞれの冷却ファンを駆動するための電力が必要であり、損失を増やす要因となっていた。

一方、電力変換器３０と電動機４０は、それぞれ許容温度が異なり、例えば電動機４０のほうが高く約１００℃以上、電力変換器３０は約８０℃以下になっているため、電力変換器３０と電動機４０とを一体構成する場合でも、同一の冷却系統で冷却するメリットが少ない。

なお、特許文献１には、従来の電力変換装置に内蔵する各機器を機能別に纏めることをせずに別個に収納していたため生じる各種の不都合を改善するため、内蔵する機器を機能毎に別個のブロックに集約し、複数の冷却ファンを纏め、また平滑コンデンサを効率よく冷却できる配置にした発明が開示されている。

しかしながら、本発明の同一の装置フレーム内に、電動機と、電動機に電力を供給する電力変換器を備え、これらを電動機の出力軸に有する冷却風発生用ファンによる冷却風で冷却するように構成した点については、開示がない。
特開２０００−２３２２８８

一方、図７のような構成では、装置容量によっては、電力変換器３０の一部を水冷にする場合や、電動機４０の一部を水冷にする場合があり、この際は、電動機４０の内部温度を１００℃以下にできるため、電力変換器３０と電動機４０の冷却系統を統合することが可能となってくる。

そこで、本発明では、電力変換器と電動機の冷却系統を一体化することで、装置全体の小型化をはかると共に、冷却系統の駆動力を削減して低損失化をはかる電動機装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、壁面に吸気口及び排気口を形成し、内部の底部側に電動機収納部を有し、かつ内部の上部側に電力変換器収納部を有した装置フレームと、前記装置フレーム内の底部側の電動機収納部に収納し、回転軸に冷却風発生用ファンを有する電動機と、前記装置フレーム内の上部側の電力変換器収納部に収納し、前記電動機に電力を供給する、複数の電力変換器ユニットからなり、これらの電力変換器ユニットを電気的に接続してなる電力変換器本体と、前記装置フレーム内であって前記各電力変換器ユニットを全て包囲すると共に、一端側を前記吸気口と連通させ、かつ他端側を前記装置フレーム内であって前記電動機の外周側向くように形成し、前記吸気口から外気を、前記各電力変換器ユニットの外周側に導入する冷却風経路形成用ダクトと、を備え、前記冷却風発生用ファンの回転によって発生する冷却風を前記吸気口から前記冷却風経路形成用ダクト内に取り込み、この冷却風によって前記電力変換器本体を冷却し、かつ前記電力変換器本体を冷却した後の冷却風によって前記電動機を冷却し、前記電動機を冷却した後の冷却風を前記冷却風発生用ファンによって前記装置フレームの前記排気口から外部に排気するようにしたことを特徴とする電動機装置である。

前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、内部の底部側に電動機収納部を有し、かつ内部の上部側に電力変換器収納部を有した密閉構造の装置フレームと、前記装置フレーム内の底部側の電動機収納部に収納し、回転軸に冷却風発生用ファンを有する電動機と、前記装置フレーム内の上部側の電力変換器収納部に収納し、前記電動機に電力を供給する、複数の電力変換器ユニットからなり、これらの電力変換器ユニットを電気的に接続してなる電力変換器本体と、前記装置フレーム内であって前記各電力変換器ユニットを全て包囲すると共に、一端側を前記電動機の外周側であって前記電動機の回転方向の始点側に向くように形成し、かつ他端側を前記電動機の外周側であって前記電動機の回転方向の終点側に向くように形成した冷却風経路形成用ダクトと、を備え、前記冷却風発生用ファンの回転によって発生する冷却風を前記冷却風経路形成用ダクト内及び前記電動機の外周側に循環させるようにしたことを特徴とする電動機装置である。

前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、内部に電動機収納部を有した密閉構造の装置フレームと、前記装置フレーム内の前記電動機収納部にその回転軸が水平になるように収納し、出力軸に冷却風発生用ファンを有する電動機と、前記装置フレーム内で前記冷却風発生用ファンの外周側に、前記電動機の回転軸と同心円状となるように配置し、かつ前記電動機に電力を供給する、複数の電力変換器ユニットからなり、これらの電力変換器ユニットを電気的に接続してなる電力変換器本体と、前記装置フレーム内であって前記各電力変換器ユニットを全て包囲する冷却風経路形成用ダクトと、を備え、前記冷却風発生用ファンの回転によって発生する冷却風を前記冷却風経路形成用ダクト内及び前記電動機の外周側に循環するように冷却風経路を形成したことを特徴とする電動機装置である。

前記目的を達成するため、請求項８に対応する発明は、内部に電動機収納部を有した密閉構造の装置フレームと、前記装置フレーム内の前記電動機収納部にその回転軸が水平になるように収納し、前記回転軸に冷却風発生用ターボファンを有する電動機と、前記装置フレーム内で前記冷却風発生用ターボファンの外周側に、前記電動機の回転軸と同心円状となるように配置し、かつ前記電動機に電力を供給する、複数の電力変換器ユニットからなり、これらの電力変換器ユニットを電気的に接続してなる電力変換器本体と、前記装置フレーム内であって前記各電力変換器ユニットを全て包囲する冷却風経路形成用ダクトと、
前記電力変換器本体と前記電動機との間であって前記電動機の回転軸に対して同心円状に配設し外部からの冷媒を給排可能な熱交換器と、を備え、前記冷却風発生用ターボファンの回転によって発生する冷却風を前記冷却風経路形成用ダクト内及び前記電動機の外周側及び前記電動機の内部に循環するように冷却風経路を形成したことを特徴とする電動機装置である。

本発明によれば、電力変換器と電動機の冷却系統を一体化することで装置の小型化を図れる。その上、冷却風の駆動力を電動機の回転出力から得られるので冷却風駆動用ファンを削減でき省力化を図れる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の電動機装置を説明するための概略構成であり、装置全体を正面方向から見た図であり、これは以下のような構成からなっている。すなわち、壁面に吸気口１ａ及び排気口１ｂを形成し、内部の底部側に電動機収納部１ｃを有し、かつ内部の上部側に電力変換器収納部１ｄを有した例えば角筒状の装置フレーム１と、装置フレーム１内の底部側の電動機収納部１ｃに収納し、回転軸（出力軸）２ａに冷却風発生用ファン３を有する電動機２と、装置フレーム１内の上部側の電力変換器収納部１ｄに収納し、電動機２に電力を供給するものであって、複数の電力変換器ユニット４１からなり、これらの電力変換器ユニット４１を電気的に接続し、所望の容量を構成する電力変換器本体４と、装置フレーム１内であって電力変換器本体４を包囲すると共に、一端側を吸気口１ａと連通させ、かつ他端側を装置フレーム１内であって電動機２の外周側に向くように形成し、吸気口１ａから外気を、電力変換器本体４の外周側に導入するものであって内部がほぼ流線形となった冷却風経路形成用ダクト５とを備えている。

ここで、電力変換器ユニット４１とは、インバータを構成する主回路及び又はインバータの制御回路をユニット化したもの或いはコンバータを構成する主回路及び又はコンバータの制御回路をユニット化したもので、この使用する個数は電力変換器の容量によって決める。インバータ、コンバータは、使用する電動機が交流電動機の場合はインバータを使用し、また使用する電動機が直流電動機の場合はコンバータを使用する。

このような構成のものにおいて、電動機２に電力変換器で変換した電力を供給することで電動機２が回転し、電動機２の回転にともなって冷却風発生用ファン３が回転することで、吸気口１ａから外気が冷却風経路形成用ダクト５内に取り込まれ、冷却風経路形成用ダクト５の内部では冷却風経路６が形成され、この冷却風が電動機２の周囲にそって流れ排気口１ｂから装置フレーム１の外部に排気される。この冷却風の流れによって、電力変換器本体４及び電動機２が冷却される。

このように第１の実施形態では、電力変換器本体４と電動機２の冷却風経路６を共用することができるため、電動機装置全体を小型化できるばかりでなく、電力変換器には冷却風を駆動するためのファンが不要となるため、低損失化がはかれる。

なお、図１の実施形態では、冷却風を外部から供給し装置を冷却後に外部へ排出している、吸気口１ａと排気口１ｂを装置フレーム１の電動機側に形成した例を示したが、装置フレーム１の電力変換器側に形成してもよいことは言うまでもない。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態を説明するための概略構成図であり、装置全体を正面方向から見た図である。図１の実施形態に、外部から冷媒例えば冷却水を供給可能な熱交換器７１、７２を、電力変換器本体４の吸気側と電動機２の吸気側に設けた点が異なる。

このように構成することにより、熱交換器７１、７２によって冷却された冷却風が電力変換器本体４並び電動機２に供給されるため、電動機装置全体の冷却能力がさらに向上する。

なお、熱交換器７１、７２は、２個所に限らず、２個所のうちどちらか１個所でもよい。

（第３の実施形態）
図３は第３の実施形態を説明するための概略構成図で、装置全体を正面方向から見た図である。図１の実施形態の装置フレーム１は、外気を取り込む吸気口１ａ並び冷却後冷却風を外部に排出する排気口１ｂを備えたものであるが、ここではそれに代えて吸気口１ａ並び排気口１ｂがない密閉構造の例えば角筒状の装置フレーム１Ａを使用した。そして、装置フレーム１Ａ内の冷却風経路形成用ダクト５の電動機２の回転方向の始点側及び終点側に、それぞれ外部から冷媒を給排可能な熱交換器７１、７２を設けたものである。

このように構成することで、電動機２に電力変換器で変換した電力を供給することで電動機２が回転し、電動機２の回転にともなって冷却風発生用ファン３が回転することで、発生する冷却風は、熱交換器７１を通って冷却され、この冷却された冷却風は冷却風経路形成用ダクト５内を通過する際に電力変換器本体４を冷却し、この電力変換器本体４を冷却した冷却風は熱交換器７２を通って冷却され、この冷却された冷却風は装置フレーム１Ａ内であって電動機２の外周側を循環するので、電動機２と電力変換器本体４が冷却される。この場合、装置フレーム１Ａが密閉構造であるため、外部から粉塵などが入らなくなり、使用環境の影響を受けないと言う利点がある。

なお、図３の実施形態では、冷却風を発生するファン３は電動機２の出力軸にある羽根としているが、これに限らず別に冷却風駆動用ファンを設置してもよい。また、図３の熱交換器７１、７２のうち、電動機２の回転方向の始点側の熱交換器７１を省略したり、或いは電動機２の回転方向の終点側の熱交換器７２も省略したりすることも可能で、この場合、図１の実施形態より冷却効果が落ちるが、容量の小さいもの、或いは用途等によって使用可能である。

（第４の実施形態）
図４は第４の実施形態を説明するための概略構成図で、装置全体を正面方向から見た図である。これは、図３に類似した実施形態において、装置フレーム１Ａ内であって電動機の外周側にあたかも存在する冷却風経路に、バイパス冷却風経路８を設けたものである。なお、図４は、図３の熱交換器７２を省いた例である。

このようにバイパス冷却風経路８を設けることによって、冷却風発生用ファン３で発生する冷却風を発熱損失の大きい電動機２側に多く流すことができ、装置フレーム１Ａ内の温度を均等にすることができる。

なお、図４の例では、発熱損失の大きい電動機２の周囲に多くの冷却風を流すようにバイパス冷却風経路８を設けたが、場合よっては、電力変換器側にバイパス経路を設けて、電力変換器側に多くの冷却風の風量を流すようにしてもよく、電力変換器と電動機のうちで、発熱損失の大小によって冷却風の風量を変化させることが可能となり、ぞれぞれの装置に最適な冷却風量を流すことができる。

（第５の実施形態）
図５及び図６は第５の実施形態を説明するための概略構成図であって、図５は装置全体を正面から見た図であり、図６は装置全体を側面から見た図である。これは、内部に電動機収納部１ｃ及び電力変換器収納部１ｄを有した密閉構造の例えば角筒状の装置フレーム１Ａと、装置フレーム１Ａ内の電動機収納部１ｃに収納し、出力軸に冷却風発生用ファン３を有する電動機２と、装置フレーム１Ａ内で冷却風発生用ファン３の外周側に、電動機２の回転軸２ａと同心円状となるように配置し、かつ電動機２に電力を供給する、複数の電力変換器ユニット４１からなり、これらの電力変換器ユニット４１を電気的に接続してなる電力変換器本体４と、装置フレーム１Ａ内であって電力変換器本体４を包囲すると共に通風しやすい構造の冷却風経路６を構成する冷却風経路形成用ダクト５と、冷却風経路形成用ダクト５内に設け装置フレーム１Ａ外部から冷媒を給排可能な熱交換器７１とを備えている。

ここで、電力変換器ユニット４１は電力変換器の主回路を構成するスイッチング素子、平滑コンデンサ、電力変換器の制御回路を複数のユニットに分けて構成したものである。

このように構成することで、従来の電動機装置で設けた電力変換器本体内を冷却するための冷却風発生用の羽根が不要になり、電動機装置全体を小型化できる。また、装置フレーム１Ａ内であって電動機２の外周側に複数の電力変換器ユニット４１を同心円状に分散させて配置できるため、電動機装置全体をさらに小型化できる。

（第６の実施形態）
図７及び図８は第６の実施形態を説明するための概略構成図であって、図７は装置全体を正面から見た図であり、図８は装置全体を側面から見た図である。これは、以下のように構成されている。内部に電動機収納部１ｃを有した密閉構造の例えば角筒状の装置フレーム１Ａと、装置フレーム１Ａ内の電動機収納部１ｃにその回転軸が水平になるように収納し、回転軸に冷却風発生用ターボファン３Ａを有する電動機２と、装置フレーム１Ａ内で冷却風発生用ターボファン３Ａの外周側に、電動機２の回転軸と同心円状となるように配置し、かつ電動機２に電力を供給する、複数の電力変換器ユニット４１からなり、これらの電力変換器ユニット４１を電気的に接続してなる電力変換器本体４と、装置フレーム内であって前記電力変換器本体４を包囲する冷却風経路形成用ダクト９と、電力変換器本体４と電動機２との間であって電動機２の回転軸に対して同心円状に配設し外部からの冷媒を給排可能な熱交換器７とを備えたものである。

このような構成において、冷却風発生用ターボファン３Ａの回転によって発生する冷却風を冷却風経路形成用ダクト９内及び電動機２の外周側及び電動機２の内部に循環するように冷却風経路１０を形成したことを特徴としたものである。

この構成では電力変換本体４を冷却して暖められた冷却風で電動機２を冷却することになるが、電動機２の装置許容温度のほうが高いため、それぞれの許容温度に合わせた冷却風経路１０とすることができる。また、電動機２の内部に電力変換器ユニット４１を分散させて配置できるため、装置全体を小型化できる。さらに密閉構造の装置フレーム１Ａを使用しているので、装置フレーム１Ａの周囲環境からの影響を受けにくい構造となる。

本発明の電動機装置に係る第１の実施形態を説明するための概略構成図。 本発明の電動機装置に係る第２の実施形態を説明するための概略構成図。 本発明の電動機装置に係る第３の実施形態を説明するための概略構成図。 本発明の電動機装置に係る第４の実施形態を説明するための概略構成図。 本発明の電動機装置に係る第５の実施形態を説明するための正面方向から見た概略構成図。 本発明の電動機装置に係る第５の実施形態を説明するための側面方向から見た概略構成図。 本発明の電動機装置に係る第６の実施形態を説明するための正面方向から見た概略構成図。 本発明の電動機装置に係る第６の実施形態を説明するための側面方向から見た概略構成図。 従来の電動機装置の一例を説明するための概略構成図。

符号の説明

１ａ…吸気口、１ｂ…排気口、１ｃ…電動機収納部、１ｄ…電力変換器収納部、１…装置フレーム、１Ａ…装置フレーム、２ａ…回転軸、２…電動機、３…冷却風発生用ファン、３Ａ…冷却風発生用ターボファン、４…電力変換器本体、４１…電力変換器ユニット、５…冷却風経路形成用ダクト、６…冷却風経路、７…熱交換器、７１、７２…熱交換器、８…バイパス冷却風経路、９…冷却風経路形成用ダクト、１０…冷却風経路、３０…電力変換器、３１…電力変換器本体、３２ａ、３２ｂ…吸気口、３２ｃ…排気口、３２…ケース、３３…電力変換器ユニット、３４…通風ダクト、３５…冷却ファン、４０…電動機、４２ａ…吸気口、４２ｂ…排気口、４２…電動機ケース、４３…出力軸、４４…電動機冷却ファン、４５、３６…冷却風経路。

Claims (8)

1. 壁面に吸気口及び排気口を形成し、内部の底部側に電動機収納部を有し、かつ内部の上部側に電力変換器収納部を有した装置フレームと、
   前記装置フレーム内の底部側の電動機収納部に収納し、回転軸に冷却風発生用ファンを有する電動機と、
   前記装置フレーム内の上部側の電力変換器収納部に収納し、前記電動機に電力を供給する、複数の電力変換器ユニットからなり、これらの電力変換器ユニットを電気的に接続してなる電力変換器本体と、
   前記装置フレーム内であって前記各電力変換器ユニットを全て包囲すると共に、一端側を前記吸気口と連通させ、かつ他端側を前記装置フレーム内であって前記電動機の外周側向くように形成し、前記吸気口から外気を、前記各電力変換器ユニットの外周側に導入する冷却風経路形成用ダクトと、
   を備え、前記冷却風発生用ファンの回転によって発生する冷却風を前記吸気口から前記冷却風経路形成用ダクト内に取り込み、この冷却風によって前記電力変換器本体を冷却し、かつ前記電力変換器本体を冷却した後の冷却風によって前記電動機を冷却し、前記電動機を冷却した後の冷却風を前記冷却風発生用ファンによって前記装置フレームの前記排気口から外部に排気するようにしたことを特徴とする電動機装置。
2. 前記装置フレーム内の冷却風経路形成用ダクトの少なくとも前記排気口側に配設し、外部から冷媒を給排可能な熱交換器を、更に備え、
   前記熱交換器本体によって冷却された冷却風で前記電動機を冷却するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電動機装置。
3. 内部の底部側に電動機収納部を有し、かつ内部の上部側に電力変換器収納部を有した密閉構造の装置フレームと、
   前記装置フレーム内の底部側の電動機収納部に収納し、回転軸に冷却風発生用ファンを有する電動機と、
   前記装置フレーム内の上部側の電力変換器収納部に収納し、前記電動機に電力を供給する、複数の電力変換器ユニットからなり、これらの電力変換器ユニットを電気的に接続してなる電力変換器本体と、
   前記装置フレーム内であって前記各電力変換器ユニットを全て包囲すると共に、一端側を前記電動機の外周側であって前記電動機の回転方向の始点側に向くように形成し、かつ他端側を前記電動機の外周側であって前記電動機の回転方向の終点側に向くように形成した冷却風経路形成用ダクトと、
   を備え、前記冷却風発生用ファンの回転によって発生する冷却風を前記冷却風経路形成用ダクト内及び前記電動機の外周側に循環させるようにしたことを特徴とする電動機装置。
4. 前記装置フレーム内の冷却風経路形成用ダクトの少なくとも前記電動機の回転方向の終点側に配設し、外部から冷媒を給排可能な熱交換器を、更に備え、
   前記熱交換器によって冷却された冷却風で前記電動機を冷却するようにしたことを特徴とする請求項３記載の電動機装置。
5. 前記装置フレーム内の冷却風経路形成用ダクトと、前記装置フレーム内であって前記電動機の外周側にあたかも存在する冷却風経路のうちの一方に、バイパス冷却風経路を設け、このバイパス経路に冷却風の一部を流すことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の電動機装置。
6. 内部に電動機収納部を有した密閉構造の装置フレームと、
   前記装置フレーム内の前記電動機収納部にその回転軸が水平になるように収納し、出力軸に冷却風発生用ファンを有する電動機と、
   前記装置フレーム内で前記冷却風発生用ファンの外周側に、前記電動機の回転軸と同心円状となるように配置し、かつ前記電動機に電力を供給する、複数の電力変換器ユニットからなり、これらの電力変換器ユニットを電気的に接続してなる電力変換器本体と、
   前記装置フレーム内であって前記各電力変換器ユニットを全て包囲する冷却風経路形成用ダクトと、
   を備え、前記冷却風発生用ファンの回転によって発生する冷却風を前記冷却風経路形成用ダクト内及び前記電動機の外周側に循環するように冷却風経路を形成したことを特徴とする電動機装置。
7. 前記装置フレーム内の冷却風経路形成用ダクトに配設し、外部から冷媒を給排可能な熱交換器を、更に備え、
   前記熱交換器によって冷却された冷却風で前記電動機を冷却するようにしたことを特徴とする請求項６記載の電動機装置。
8. 内部に電動機収納部を有した密閉構造の装置フレームと、
   前記装置フレーム内の前記電動機収納部にその回転軸が水平になるように収納し、前記回転軸に冷却風発生用ターボファンを有する電動機と、
   前記装置フレーム内で前記冷却風発生用ターボファンの外周側に、前記電動機の回転軸と同心円状となるように配置し、かつ前記電動機に電力を供給する、複数の電力変換器ユニットからなり、これらの電力変換器ユニットを電気的に接続してなる電力変換器本体と、
   前記装置フレーム内であって前記各電力変換器ユニットを全て包囲する冷却風経路形成用ダクトと、
   前記電力変換器本体と前記電動機との間であって前記電動機の回転軸に対して同心円状に配設し外部からの冷媒を給排可能な熱交換器と、
   を備え、前記冷却風発生用ターボファンの回転によって発生する冷却風を前記冷却風経路形成用ダクト内及び前記電動機の外周側及び前記電動機の内部に循環するように冷却風経路を形成したことを特徴とする電動機装置。

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