JP5509156B2 - Pump device - Google Patents
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Description
本発明は、例えば工場の送水ラインや製品の一部として組み込まれるポンプ装置に関する。 The present invention relates to a pump device incorporated as a part of a factory water supply line or product, for example.
従来からポンプ装置は、住宅給水や工場内送水、顧客組立製品への組込みと、様々な用途で使用されている。工場送水に用いられるポンプ装置の大部分は、商用電源で最大回転速度の固定速で運転されている。需要水量に応じてポンプを可変速運転する可変速ポンプ装置にすれば、省エネルギを達成できるが、可変速ポンプ装置にするためにはインバータを含む制御盤の設置工事が必要であった。 Conventionally, pump devices have been used for various purposes such as residential water supply, factory water supply, and incorporation into customer assembly products. Most of the pump devices used for factory water supply are operated at a fixed speed of the maximum rotation speed with a commercial power source. Energy saving can be achieved by using a variable speed pump device that operates the pump at a variable speed according to the amount of water demand, but installation of a control panel including an inverter is required to obtain a variable speed pump device.
例えば、以下の特許文献1には、インバータをモータ部の外側に付属したポンプ装置が開示されている。
For example,
しかしながら、ポンプ装置を工場送水や顧客組立製品に組み込む際には配管の途中に組み込むため、ポンプ装置の重心が偏っている場合、配管に負荷をかけることとなる。またポンプ装置交換の際には、一時的にポンプ装置を単体で置くこととなり、安定して自立できることが求められる。 However, when the pump device is incorporated into the factory water supply or customer assembly product, it is incorporated in the middle of the piping, so if the center of gravity of the pump device is biased, a load is applied to the piping. In addition, when replacing the pump device, the pump device is temporarily placed as a single unit, and it is required to be able to stably stand on its own.
特許文献1に記載の技術では、制御部をモータ部の外側に取り付けている分だけ重心が偏る。ポンプ部、回転電機部の重量が制御部に比べて十分に大きい場合は自立は可能であるが、制御部分もポンプ部、回転電機部に対しかなりの重量を有するので安定して自立しているとはいえずこの点については考慮されていない。
In the technique described in
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、設備配管や製品構造に負荷をかけず取り付けることが可能で、圧力一定制御などの可変速運転制御などをポンプ装置単体で行うことができ、安定して自立可能なポンプ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and can be attached to equipment piping and a product structure without applying a load.Variable speed operation control such as constant pressure control can be performed by a single pump device. An object of the present invention is to provide a pump device that can stably and independently stand.
上記の課題を実現するために本発明では、ポンプケーシング内に設けられ羽根車を有するポンプ部と、前記羽根車を回転駆動する回転電機部と、が一体になったポンプ装置において、前記回転電機部はハウジングを有し、該ハウジングの周囲に、前記回転電機部に駆動電流を供給するためのインバータ本体と、前記回転電機の運転制御を行う制御基板と、インバータの回路の一部を構成するコンデンサと、が配置され、前記ハウジングと、前記インバータと、前記制御基板と、前記コンデンサの少なくとも一部を収納するケースを備え、前記インバータ本体と前記コンデンサは、離れた位置に配置される構成とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, in the pump device in which a pump part provided in a pump casing and having an impeller and a rotating electric machine part that rotationally drives the impeller are integrated, the rotating electric machine The part has a housing, and around the housing constitutes an inverter body for supplying drive current to the rotating electrical machine part, a control board for controlling operation of the rotating electrical machine, and a part of the inverter circuit A capacitor is disposed, the housing, the inverter, the control board, and a case that accommodates at least a part of the capacitor, wherein the inverter body and the capacitor are disposed at separate positions. To do.
上記の構成により、回転電機部及び制御部分を一体化したポンプ装置において、自立性及びバランス性の優れたポンプ装置を実現することができる。 With the above configuration, in the pump device in which the rotating electrical machine portion and the control portion are integrated, it is possible to realize a pump device having excellent self-supporting property and balance.
以下、本発明になる実施の形態の詳細について、図面を参照しながら説明する。 The details of the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、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装置であって、縦置直動型ポンプの全体構成が示されている。 First, FIG. 1 shows an entire configuration of a longitudinally-directed direct-acting pump, for example, an outdoor-installed pump device according to an embodiment of the present invention.
この図において、符号1はポンプケーシングを示し、符号10は回転電機組立体の外周を覆うカバーを示している。符号20は冷却カバー。符号30は、電力変換装置を収納したケース、符号40は、ノイズフィルタ内蔵端子箱を示す。
In this figure, the code |
図2は、ポンプ装置の断面図を示している。後述するように、遠心ファンが回転することにより外部から空気が取り込まれ、カバーを通り、ハウジングの外周表面に多数形成された冷却フィンの間を流れて、エンドブラケットとの間の隙間を通って外部に流出する、空気の流れを考慮し、符号2で示すケーシングカバーが取り付けられている。 FIG. 2 shows a cross-sectional view of the pump device. As will be described later, when the centrifugal fan rotates, air is taken in from the outside, passes through the cover, flows between the cooling fins formed on the outer peripheral surface of the housing, and passes through the gap between the end bracket and the end bracket. A casing cover denoted by reference numeral 2 is attached in consideration of the flow of air flowing out to the outside.
また、カバー10の内部には回転電機本体が収納されており、回転電機の回転軸(シャフト)56は、ポンプケーシング内に配置された羽根車を回転させるように接続されている。ポンプ部における羽根車の回転軸と、前記回転電機部の回転軸は一致しており、ポンプ使用時には、前記回転軸は、ポンプ設置面に対して垂直方向となる。
The rotating electrical machine main body is housed inside the
図3には、上記図1、図2にて使用される回転電機組立体の全体構成が示されている。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、カバーの内側に吸音材、防音材、制振材、防振材等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。
FIG. 3 shows the overall configuration of the rotating electrical machine assembly used in FIGS.
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21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。
A
続いて、図4には、上記カバー10内に内蔵される回転電機部分50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。
Subsequently, in FIG. 4, the entire structure of the rotating
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と一体に形成されて回転軸(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を示している。
Note that an armature constituting the stator (stator) 54 of the permanent magnet type rotating electric machine is inserted and fixed in the
更に、図5には、上述した回転電機50を上記図3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)。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。
Further, FIG. 5 is an exploded view showing each part when the rotating
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4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。
That is, according to the rotating electrical machine assembly including the rotating electrical machine main body and the peripheral devices described above, the centrifugal fan 58 attached to the tip of the rotating shaft (shaft) 56 that rotates with the operation of the rotating electrical machine is provided. Rotating, air from outside is guided to the inside of the
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、本発明によれば、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。
In addition, since the
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。
In particular, in the above-described embodiment, the cooling
また、上述したように、本発明によれば、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。
Further, as described above, according to the present invention, the control & I /
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。
The control & I /
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。
Further, the capacitor case 70 contains therein a smoothing capacitor that constitutes a part (component) of the inverter circuit of the
加えて、本発明では、上記の実施例に代えて、例えば、図6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。
In addition, in the present invention, instead of the above-described embodiment, for example, as shown in FIG. 6, the heat generating portion (mesh portion in the figure) H in the
更には、ステータ(電機子)54として、図7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。
Furthermore, as shown in FIG. 7, the stator (armature) 54 is cut out at a part of the outer periphery thereof, in particular, a portion close to the flat portion of the
次に、本発明のポンプ装置のバランス性及び自立安定性について図8〜図13の模式図により説明する。 Next, the balance and the self-supporting stability of the pump device of the present invention will be described with reference to the schematic diagrams of FIGS.
図8はインバータを含む電力変換装置を従来の回転電機組立体(モータ部)を一体化したポンプ装置に設置する場合の重心の位置についての説明図(模式図)である。図8ではポンプ部と一体化されたモータ部分に対し、その外側に電力変換装置を一括して配置している。この場合は、電力変換装置の重量が大きく、電力変換装置とモータ部を組み合わせた重心の位置は、図8の下部に示すように回転電機(モータ)の回転軸から大きくはずれることとなる。 FIG. 8 is an explanatory diagram (schematic diagram) of the position of the center of gravity when a power conversion device including an inverter is installed in a pump device integrated with a conventional rotating electrical machine assembly (motor unit). In FIG. 8, the power converters are collectively arranged outside the motor part integrated with the pump part. In this case, the weight of the power conversion device is large, and the position of the center of gravity combining the power conversion device and the motor unit greatly deviates from the rotating shaft of the rotating electrical machine (motor) as shown in the lower part of FIG.
このような状態では、図9に示すようにポンプ装置全体がわずかに傾いた場合であっても、重心の位置がモータ部の回転軸から外れた位置にあるためすぐに倒れてしまい、バランス性及び自立安定性が十分でないことが分かる。このようなポンプ装置を配管途中に組み込むと他の配管部位に大きな負荷となることが分かる。 In such a state, even if the entire pump device is slightly inclined as shown in FIG. 9, the center of gravity is located away from the rotation axis of the motor unit, so it falls down immediately, and the balance property It can be seen that the self-supporting stability is not sufficient. It can be seen that when such a pump device is incorporated in the middle of the piping, a large load is applied to other piping parts.
図10には本発明のポンプ装置の重心を示す説明図(模式図)を示す。本発明においては、図8とは異なり、少なくともその一部が回転電機組立体のカバーの内部に収納されるように、電力変換装置、制御基板及び平滑コンデンサを離して配置する。 FIG. 10 is an explanatory diagram (schematic diagram) showing the center of gravity of the pump device of the present invention. In the present invention, unlike FIG. 8, the power converter, the control board, and the smoothing capacitor are arranged apart from each other so that at least a part thereof is housed in the cover of the rotating electrical machine assembly.
具体的には、図5に示されるように電力変換装置31をハウジング51の上部に配置し、コンデンサ用ケース70はハウジング51の下部の奥、制御&I/F基板用ケース60はハウジング51の下部の手前に配置する。それぞれの部材は、回転電機の回転軸を中心に略120°離れている。
Specifically, as shown in FIG. 5, the
本発明では、特に、電力変換装置31と平滑コンデンサの重量が、制御&I/F基板60の重量よりも大きいことを考慮すると、少なくとも電力変換装置と平滑コンデンサを回転電機の回転軸に対し離れた位置(例えば120°〜180°)に配置することが必要である。
In the present invention, especially considering that the weight of the
一方、ノイズフィルタについては、その重量が電力変換装置に対し、相対的に小さいことから、ノイズフィルタ用ケース40は、カバー10の外部に配置されているが、ポンプ装置の重心の位置への影響は小さい。
On the other hand, since the weight of the noise filter is relatively small with respect to the power converter, the
これにより、図10の下部に示すようにモータ部及びそれぞれの電力変換装置、制御基板、コンデンサ、ポンプ部の全てを合わせた重心は、モータ部の回転軸の近傍となる。 Thereby, as shown in the lower part of FIG. 10, the center of gravity of the motor unit and the respective power converters, the control board, the condenser, and the pump unit is in the vicinity of the rotation axis of the motor unit.
図11に示すように、本発明のポンプ装置においては、その重心がモータ部の回転軸の近傍にあるため、ある程度の傾けてもポンプが倒れず、バランス性及び自立安定性を確保することができる。これにより、配管途中に本発明のポンプ装置を設置した場合に配管や他の部位に大きな負荷をかけることなく安定して設置ができる。また、設置作業時においても本発明のポンプ装置は、自立性に優れることから、ポンプが倒れることによるポンプ装置又は他の部材の損傷を防ぐことができ、また作業性に優れるものである。 As shown in FIG. 11, in the pump device of the present invention, since the center of gravity is in the vicinity of the rotating shaft of the motor unit, the pump does not fall even if tilted to some extent, and balance and self-supporting stability can be ensured. it can. Thereby, when the pump apparatus of this invention is installed in the middle of piping, it can install stably, without applying big load to piping or another site | part. Moreover, since the pump device of the present invention is excellent in self-supporting property even during installation work, it is possible to prevent damage to the pump device or other members due to the fall of the pump, and excellent workability.
図12にはポンプ装置全体としての重心の望ましい位置の領域を示す。重心の位置は、中心軸に近いほど倒れにくくなることから、中心軸近傍となるようにする。特に、ポンプ部における羽根車の回転軸と、回転電機部の回転軸は一致しており、モータ部とポンプ部の回転軸を中心にモータ部の直径の1/2の範囲内にあることが望ましいといえる。 FIG. 12 shows a region of a desirable position of the center of gravity of the entire pump device. Since the position of the center of gravity is less likely to fall as it is closer to the center axis, it is set to be near the center axis. In particular, the rotation axis of the impeller in the pump unit and the rotation axis of the rotating electrical machine unit are coincident and may be within a range of ½ of the diameter of the motor unit with the rotation axis of the motor unit and the pump unit as the center. This is desirable.
さらに、重心が低いほうが倒れにくくなることから、図12の網掛け部に示すように、モータ部のハウジングの円筒部分の上部底面の中心点を頂点として、モータ部の下部底面の直径の1/2の円とにより規定される円錐内部とすることが望ましい。尚、ここではモータ部の直径とはカバーに覆われたモータ部の最大径を意味する。 Further, since the lower center of gravity is more difficult to fall, as shown in the shaded portion in FIG. 12, the center point of the upper bottom surface of the cylindrical portion of the housing of the motor portion is the top, and the diameter of the lower bottom surface of the motor portion is 1 / The inside of the cone defined by the circle of two is desirable. Here, the diameter of the motor part means the maximum diameter of the motor part covered by the cover.
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組立体を、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。更に、上記の実施例では、カバー10は、回転電機部分50の全体をほぼ覆うように延長して形成されるものとして説明したが、これについても、本発明はこれに限られることなく、例えば、カバー10を、回転電機部分50をその長手方向の略半分程度としてもよく、その場合にも、やはり、上述と同様の効果が得られるであろう。
In the above embodiment, the rotating electrical machine assembly for driving the outdoor-installed pump has been described as being constituted by a permanent magnet type rotating electrical machine. However, the present invention is not limited to this, and other types of rotating electrical machines are used. It will be apparent to those skilled in the art that the same effect may be obtained by the configuration. Further, in the above embodiment, the
1…ポンプケーシング、2…ケーシングカバー、10…カバー、20…冷却カバー、21…遠心ファン、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、52L、52S…冷却フィン、54…固定子(ステータ、電機子)、55…回転子(ロータ)、56…回転軸(シャフト)、60…制御&I/F基板用ケース、70…平滑コンデンサ用ケース、541…(コアの)カット部、H…発熱部、B…電機子の中心部
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