JP5650429B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、フレーム内に固定子及び回転子を有する回転電機に関する。

上記回転電機における駆動装置の主たる配置形態として、図８に模式的に示す二通りのものが挙げられる。
即ち、図８（ａ）に示す制御ケース１は、その内部にインバータ等の駆動装置（図示略）を収容しており、回転電機２とは離間して配設されている。前記インバータの出力電圧は、制御ケース１の外部に引き出された電源ケーブル３を介して回転電機２に供給される。この制御ケース１の配置形態にあっては、回転電機２とは別に制御ケース１用の設置スペースを必要とし、スペース効率が悪いという問題がある。また、回転電機２と電源ケーブル３との間における反射等が原因でサージ電圧が発生したり、当該電源ケーブル３から発せられた電波が他の機器へノイズとして影響を及ぼす等の問題がある。

一方、図８（ｂ）に示す制御ケース１´は、回転電機２´におけるフレーム２ａ´の外周部に固定されている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、電源ケーブル３等を不要としつつ設置スペースの縮小化を図ることができ、前記のノイズの問題等も解決することができる。

特開平１０−８０１０１号公報 特開平７−１５４９４０号公報

しかしながら、後者の回転電機２´では、そのフレーム２ａ´と制御ケース１´との間にゴム等の弾性材を配した場合であっても、運転時にフレーム２ａ´からの振動伝達によって制御ケース１´が共振すると、その共鳴音が制御ケース１´から放射されることになる。また、制御ケース１´には、インバータを構成する電子部品を含む周知のスイッチング回路や、当該電子部品の実装用の基板等が収容されるため、制御ケース１´は比較的大形となり且つ振動した場合に発生する騒音も大きくなる一方、電子部品を振動から保護する必要がある。

尚、特許文献２には、回転電機の固定子枠に質量体を設けることにより、回転電機の振動や騒音を抑制するようにした回転電機が開示されているが、上記した制御ケース１´については示唆すら存在しないのが実情である。即ち、後者の回転電機２´では、制御ケース１´自体の騒音が特に大きくなり、又、インバータの電子部品を振動から保護する必要があるのであり、制御ケース１´を回転電機２´に付設するに際し解決すべき特有の課題が存在する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転電機のフレームに制御ケースを設けたものにあって、比較的簡単な構成で制御ケースの騒音及び振動を抑制することができる回転電機を提供することである。

上記目的を達成するために本発明の回転電機は、フレーム内に固定子及び回転子を有するものであり、前記フレームに、インバータ等の駆動装置を収容する制御ケースを設け、前記制御ケースに、当該制御ケースの振動を抑制し或は当該制御ケースの固有振動数を調整するための振動抑制構造を設け、前記振動抑制構造を、前記制御ケースの側面部に一体に形成されたハニカム状をなすリブにより構成したことを特徴とする。

上記構成によれば、振動抑制構造によって制御ケース自体の振動を抑制し、或は回転電機側からの振動伝達による制御ケースの共振を防止することができる。従って、回転電機の回転時における制御ケースの騒音を防止することができると共に、インバータに含まれる電子部品を振動から保護することができる。また、振動抑制構造は、制御ケース自体に設けられて振動や騒音を抑制することから、前述した弾性材等を省略することができ、構成の簡単化を図ることができる。

本発明の第１実施形態をポンプ装置に適用した一例を示すもので、制御ケースを付設した回転電機について一部破断して示す全体図 制御ケースの平面図 制御ケースの解析モデルを示す図 本発明の制御ケースにおける騒音レベルを示す図 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の制御ケースにおいてケース蓋を取付けた状態及び外した状態での固有値解析による振動モードを誇張して示す図 従来構成の制御ケースにおける図４相当図 （ａ）及び（ｂ）は、従来構成の制御ケースにおけるケース蓋を取付けた状態及び外した状態での固有値解析による振動モード図 従来の回転電機における制御ケースの主たる配置形態を説明するための図

＜第１実施形態＞
以下、本発明の回転電機（以下、電動機１０と称する）を例えばポンプ装置に適用した一実施形態について、図１〜図７を参照しながら説明する。

ポンプ装置１１は電動機１０を備えると共に、当該電動機１０（詳細には後述の統合回転体）に使用目的に応じて各種のポンプケーシング１３の連結が可能に構成されている。即ち、図１のポンプ装置１１において、符号１３はステンレス製渦巻きポンプ専用のポンプケーシングを例示しており、その余のポンプケーシングとして、例えば、片吸込渦巻きポンプ用、ラインポンプ用、ステンレス製ラインポンプ用（何れも図示略）等、各種のものが統合回転体に夫々連結可能になっている。

図１に示すように、電動機１０は、回転子１５と、この回転子１５の外周に対向配置された固定子１７と、回転子１５及び固定子１７を収納するモータフレーム１８と、このフレーム１８に設けられた制御ケース２０とを備えている。回転子１５は、積層鋼板からなり略円柱状をなす回転子鉄心２１と、この回転子鉄心２１の中央部に貫通するように装着された回転軸２２と、回転子鉄心２１外周部に埋設された磁極形成用の永久磁石（図示略）とを備えている。図示は省略するが、永久磁石は、例えば、４極構造の回転子１５を構成すべく、回転子鉄心２１外周部に軸方向へ延びるように複数（例えば４つ）の配設されている。固定子１７は、積層鋼板からなる環状の固定子鉄心２３と、この固定子鉄心２３のスロット内に巻装された固定子巻線２３ａとを備え、モータフレーム１８内周部に固定されている。

モータフレーム１８は、電動機１０の外郭を構成するもので、その筒部１８ａの一端側（図１中、左側）には、当該一端側の開口を閉塞する薄肉平板状のフレームカバー２５を備える。このフレームカバー２５の中央部には、回転軸２２が貫通するように延びると共に、軸封装置たるメカニカルシール２７が配設されている。また、図示は省略するが、モータフレーム１８の筒部１８ａの両端部には、軸受部を備えた軸受ブラケットが夫々設けられており、回転軸２２はその一対の軸受部により回転自在に軸支されている。尚、モータフレーム１８は、その両端若しくは一端に回転軸２２を軸支する軸受部を備えたものであればよく、フレームカバー２５に代えて軸受ブラケットでモータとポンプとを仕切るように構成してもよい。

前記回転軸２２の先端部（図１中、左端部）には、羽根車２８が取付けられている。そして、モータフレーム１８における筒部１８ａの一端側に形成されたフランジ１８ｂを介して、羽根車２８を包囲するポンプケーシング１３を連結固定することで、ステンレス製渦巻きポンプが構成される。また、前述した片吸込渦巻きポンプ用、ラインポンプ用、或はステンレス製ラインポンプ用のポンプケーシングが、その用途に応じて電動機１０に対して選択的に連結されることで、片吸込渦巻きポンプ、ラインポンプ、或はステンレス製ラインポンプを構成する。

このように、ポンプ装置１１にあっては、電動機１０と、この電動機１０に配され且つ各種のポンプケーシングへの共用化が図られた主要部品（フレームカバー２５、メカニカルシール２７、羽根車２８等）とで統合回転体が構成されている。従って、統合回転体に、使用目的に応じて前述した各種の専用ポンプケーシングを夫々連結することで、例えば、口径がΦ２５〜Φ５０、出力が０．０５ｋＷ〜３．７ｋＷの各種のポンプ装置を構成することができる。また、電動機１０は、上記のように所謂ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet：磁石埋込型）モータで構成されているため、高効率で省エネ効果に優れたものとすることができる。

続いて、前記制御ケース（端子箱）２０と、このケース２０に収容されるインバータ３０について説明する。
先ずインバータ３０は、周知のように、直流電源回路と、この直流電源回路からの直流電力をスイッチングするスイッチング回路と、このスイッチング回路のスイッチング素子をオンオフ制御する制御回路とから構成されており、これら回路には、図１に示す制御回路基板３１に設けられた電子部品であるコンデンサ３２や、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子３３が含まれている。また、インバータ３０は、図示しないケーブルを介して交流電源に接続するための接続端子を備え、電動機１０の駆動制御に供する駆動装置として構成されている。尚、図示は省略するが、制御ケース２０に、制御回路基板３１とは別個のコントローラ基板を設け、当該コントーラ基板に電動機１０の回転速度を設定するための入力手段を外部からの設定操作が可能に配設してもよい。

図１〜図３に示すように、制御ケース２０は、一面部が開放された開放面を有するケース本体３５と、その一面部を覆うように設けられたケース蓋３６とを備え、全体として矩形箱状をなす。ケース本体３５及びケース蓋３６は、何れも鋳造によって形成された鋳造品であり、金属材料（例えばアルミ合金）から構成されている。尚、後述するように、ケース本体３５及びケース蓋３６を構成する材料としては、合成樹脂材料や、その他の材料（非金属材料を含む）を用いるようにしてもよい。

ケース本体３５の周壁は、４つの側面部（側壁）３５ａ〜３５ｄと、前記開放面に対向する底面部（取付面側の底壁）３５ｅとからなる。ケース本体３５は、底面部３５ｅ側において、モータフレーム１８の筒部１８ａの径方向外側（例えば上側）に取付け固定されている。ケース本体３５の底面部３５ｅには、その長手方向に延びる放熱用の複数の冷却フィン３４が一体形成されている。図３に例示するように、複数の冷却フィン３４はモータフレーム１８側に突出しており、夫々の突出寸法は、外側（側面部３５ａ，３５ｂ側）が中央側よりも大きく設定されることで筒部１８ａの外形に沿うように形成されている。これにより、ケース本体３５の底面部３５ｅにおいて、外気に触れる表面積を増大させ、冷却効率が高められている。そして、ケース本体３５は平面視にて長方形をなし、その４つの側面部３５ａ〜３５ｄのうち、例えば、互いに向かい合う面積が広い方の２つの側面部３５ａ，３５ｂにのみ、ハニカム状をなすハニカムリブ３７が設けられている。

詳細には、ハニカムリブ３７は、前記の鋳造における型成形により、側面部３５ａ，３５ｂの表面（おもてめん）全域に一体形成されている。この寸法関係について、側面部３５ａ，３５ｂは、例えば、縦横の大きさが７０ｍｍ×２５５ｍｍ（図３中、縦Ｌ１×横Ｌ２）、厚さが５ｍｍに設定されている。これに対し、ハニカムリブ３７は、例えば、高さ寸法（換言すれば側面部３５ａ，３５ｂ表面からの突出寸法であって、図１の紙面に対して垂直方向の寸法）が１０ｍｍ、厚さＬ３も１０ｍｍに設定されている。従って、ハニカムリブ３７の高さ寸法と厚み寸法は、何れも制御ケース２０の側面部３５ａ，３５ｂにおける長手方向寸法Ｌ２の略５％前後（詳細には約４％）の寸法に夫々設定されることとなる。この寸法形状に設定されたハニカムリブ３７によって、側面部３５ａ，３５ｂは、夫々に深さ１０ｍｍの六角形の穴部３７ａが所定の間隔で千鳥状に配置された外観をなしている。

ケース蓋３６は、ケース本体３５の開口面を覆う矩形蓋状をなし、制御ケース２０内の前記接続端子に臨む開口部３８を有する。ケース蓋３６には、冷却（放熱）用の複数のフィン３９が一体形成されている。また、ケース蓋３６には、前記開口部３８を閉塞する閉塞部たる閉塞板４０が、螺子４０ａにより取付け固定されている。閉塞板４０は、ケース蓋３６を構成する材料とは異なる材料（例えばステンレス鋼）からなり、矩形薄板状をなしている。

次に、図４〜図７も参照しながら、上記構成を有する制御ケース２０（モデルＡ）及び従来構成の制御ケース１´（モデルＢ）の夫々についての騒音レベルと振動特性を説明する。

先ず、図６は、モデルＢの従来の制御ケース１´を電動機１０に取付け、２００Ｈｚで回転させた時の騒音周波数の分析結果を示している。この場合、オーバーオールとしての騒音レベルが７３ｄＢとなり比較的大きな値を示すと共に、８００Ｈｚの周波数において突出した最大の騒音レベルを示している。尚、本実施形態では、電動機１０の極数が４極であるので、その定格回転数は６０００ｒｐｍである。

図７（ａ）及び（ｂ）は、モデルＢの制御ケース１´におけるケース蓋１ａ´を取付けた状態及び外した状態での振動モード図である。この有限要素モデルの固有値解析により、ケース蓋１ａ´の固有振動数は８３４Ｈｚ、ケース本体１ｂ´の固有振動数は７９２Ｈｚであるという結果が得られた。また、同図に示すように、ケース蓋１ａ´の上面中央部と、ケース本体１ｂ´における面積が広い方の２つの側面部とに、変位の大きい部位（腹）がある。このような結果となるのは、以下の理由によるものと考えられる。即ち、ケース蓋１ａ´及びケース本体１ｂ´の固有振動数は、何れも電動機１０の回転周波数たる２００Ｈｚの４倍（つまり８００Ｈｚ）に近い値をもつ。このため、制御ケース１´が共振し、特にケース蓋１ａ´の上面部及びケース本体１ｂ´の側面部の振動が大きくなり、その共鳴音が放射されることにより、騒音が増大するものと考えられる。

これに対し、図４は、モデルＡの制御ケース２０を電動機１０に取付け、上記と同様に２００Ｈｚで運転した場合における騒音周波数の分析結果を示している。この場合、オーバーオールとしての騒音レベルは６０ｄＢであり、従来の（モデルＢ）の７３ｄＢに比し、明らかな騒音低減効果が得られている。また、同４に示す全周波数域において、所定の目標値（同図中、破線で示す）よりも騒音が低減されており、特に８００Ｈｚの周波数おける騒音が低減されていることが分かる。

そして、図５（ａ）及び（ｂ）は、モデルＡの制御ケース２０におけるケース蓋３６を取付けた状態及び外した状態での振動モード図であって、説明の便宜上、その固有振動モードを「誇張して」示している。この有限要素モデルの固有値解析により、制御ケース２０の固有振動数は８７２Ｈｚである。つまり、制御ケース２０において、ハニカムリブ３７及び閉塞板４０は振動抑制構造をなしており、電動機１０の回転周波数と制御ケース２０の固有振動数とで当該制御ケース２０が共振しないよう、固有振動数を離調するように構成されている。本実施形態では、ハニカムリブ３７及び閉塞板４０によって、電動機１０の回転周波数の４倍たる８００Ｈｚに対し、固有振動数を略１割程度（上記解析では７２Ｈｚ）離すように高めることで、制御ケース２０の共振が防止され、騒音を大きく低減させているものと考えられる。

また、図示は省略するが、発明者は、リブの形状を異ならせた各種の制御ケース（図示略）について前記の固有値解析等を行った。これにより、上記の寸法形状をなすハニカム構造において、当該リブの高さ寸法や厚み寸法を抑え制御ケース２０を極力コンパクトなものとしながらも、制御ケース２０の剛性を高めて騒音と振動を抑制させることができるという結果が得られた。

従って、電動機１０の運転を開始してその回転数を定格回転数まで高め、或は定格回転数から回転数を下げても、上記構成の制御ケース２０が共振することはない。この制御ケース２０にあっては、大型化を抑制した構造でありながら、その振動を小さくすることができ、騒音を大きく低減させることができる。また、この運転時に、インバータ３０のスイッチング素子３３が発熱しても、制御ケース２０外表面たる冷却フィン３４、３９を介して外部に熱放出を行うことができ、電子部品の熱劣化を抑えることができる。また、ハニカムリブ３７によっても、制御ケース２０において、外気に触れる表面積を増大させることができ、冷却効果を高めることができる。

以上説明したように、電動機１０のフレーム１８に、インバータ３０等の駆動装置を収容する制御ケースを設け、制御ケース２０に、当該制御ケース２０の振動を抑制し或は当該制御ケース２０の固有振動数を調整するための振動抑制構造を設けた。これによれば、振動抑制構造によって制御ケース２０自体の振動を抑制し、或は電動機１０側からの振動伝達による制御ケース２０の共振を防止することができる。従って、電動機１０の運転時における騒音を防止することができ、インバータ３０に含まれる電子部品を振動から保護することができる。また、振動抑制構造は、制御ケース２０自体に設けられて振動や騒音を抑制することから、電動機１０と制御ケース２０との間のゴム等の弾性材を省略することができ、構成の簡単化を図ることができる。

振動抑制構造を、制御ケース２０に一体に形成されたハニカム状をなすリブ３７により構成した。これによれば、リブ３７の高さ寸法と厚み寸法とを抑えて制御ケース２０を極力コンパクトなものとしながらも、制御ケース２０における振動（騒音）抑制効果を極力高めることができる。また、リブ３７は型成形等により容易に形成することができ、振動抑制構造を安価で簡単なものとすることができる。前記のゴム等の弾性材では経年劣化が不可避となるが、上記リブ３７によれば当該弾性材を省くことができ、騒音と騒音の抑制効果を永く維持することができる。

制御ケース２０の側面部３５ａ，３５ｂにのみリブ３７を形成し、制御ケース２０における側面部３５ａ，３５ｂ以外の面部３５ｅ、３６に冷却用のフィン３４、３９を設けた。これによれば、制御ケース２０において、リブ３７による騒音と騒音の抑制効果を得ることができる一方、フィン３４，３９で冷却効果を得ることができ、インバータ３０を収容する制御ケース２０として好適なものとすることができる。

リブ３７は、電動機１０の回転周波数と制御ケース２０の固有振動数とで当該制御ケース２０が共振しないよう固有振動数を離調するように形成されている。ここで、本発明における当該「離調」とは、前記回転周波数の整数倍（４倍、８倍等）の周波数と制御ケース２０の固有振動数とをずらす旨を包含するものであり、制御ケース２０の共振を防止して騒音を大きく低減させることができる。

前記振動抑制構造を、ケース本体３５の側面部３５ａ，３５ｂに設けられたリブ３７と、ケース蓋３６の開口部３８を閉塞し且つケース蓋３６を構成する材料とは異なる材料で構成された閉塞板４０とにより構成した。これによれば、ケース本体３５とケース蓋３６とで各別に振動と騒音の抑制効果を得ることができる。また、本実施形態のように開口部３８を前記接続端子に臨むように形成することで、開口部３８から前記ケーブルの接続作業等を安全且つ容易に行うことができる。

リブ３７の厚み寸法と高さ寸法とを、何れも制御ケース２０の側面部３５ａ，３５ｂにおける長手方向寸法の略５％前後の寸法に夫々設定した。これによれば、リブ３７の高さ寸法と厚み寸法を抑えて制御ケース２０を極力コンパクトなものとしながらも、制御ケース２０の剛性を高めることができる。即ち、制御ケース２０において、各種の電子部品や基板３１を収容するための容積を確保する必要があるが、このリブ３７の寸法形状によれば、制御ケース２０の大型化を抑制しながらも、上記の分析結果に示したように騒音を大きく低減させ、振動を極力抑制することができるのである。

制御ケース２０を、本実施形態のようにアルミ合金等の軽量金属製とすることで、放射ノイズを遮蔽することができると共に軽量化を図ることができ、実用上において有益なものとすることができる。また、制御ケース２０をモータフレーム１８（電動機１０）の径方向外側に付設したので、制御ケース２０を電動機１０の軸方向に付設した場合よりも、電動機の振動の影響を受け難い配置構成とすることができる。

尚、本発明は上記しかつ図面に示す実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
本発明の回転電機（電動機１０）は、ポンプ装置１１に限られず、発電機兼用の各種の駆動電動機として適用が可能である。

本発明のハニカム状とは、正六角形の構造だけでなく、その上下と左右の寸法比を異ならせた図１の六角形のもの等、略ハニカム構造一般を包含する。制御ケース２０において、側面部とは、制御ケース２０の取付け側の面部と当該取付け面部と対向するケース蓋とを除く四面を称するものであり、側面部の一部または全部に前記リブが設けられていればよい。また、制御ケース２０乃至振動抑制構造の材料としては、アルミ合金やステンレス鋼に限定するものではなく、鉄材料の他、非金属（例えば合成樹脂材料）等、各種の材料を適宜用いることができる。

図面中、１０は回転電機、１８はフレーム、２０は制御ケース、３０はインバータ、３５ａ，３５ｂは側面部、３５はケース本体、３６はケース蓋、３４，３９はフィン、３７はリブ（振動抑制構造）、３８は開口部、４０は閉塞部（振動抑制構造）、を示す。

Claims (5)

1. フレーム内に固定子及び回転子を有する回転電機であって、前記フレームに、インバータ等の駆動装置を収容する制御ケースを設けたものにおいて、
   前記制御ケースに、当該制御ケースの振動を抑制し或は当該制御ケースの固有振動数を調整するための振動抑制構造を設け、
   前記振動抑制構造を、前記制御ケースの側面部に一体に形成されたハニカム状をなすリブにより構成したことを特徴とする回転電機。
2. 前記制御ケースの側面部にのみ前記リブを形成し、
   前記制御ケースにおける前記側面部以外の面部に冷却用のフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記リブは、前記回転電機の回転周波数と前記制御ケースの固有振動数とで当該制御ケースが共振しないよう前記固有振動数を離調するように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。
4. 前記制御ケースは、一面部が開放されたケース本体と、前記一面部を覆うように設けられ開口部を有するケース蓋とを備え、
   前記振動抑制構造を、前記ケース本体の側面部に設けられた前記リブと、前記ケース蓋の前記開口部を閉塞し且つ前記ケース蓋を構成する材料とは異なる材料で構成された閉塞部とにより構成したことを特徴とする請求項１から３の何れか一項記載の回転電機。
5. フレーム内に固定子及び回転子を有する回転電機であって、前記フレームに、インバータ等の駆動装置を収容する制御ケースを設けたものにおいて、
   前記制御ケースに、当該制御ケースの振動を抑制し或は当該制御ケースの固有振動数を調整するための振動抑制構造を設け、
   前記振動抑制構造を、前記制御ケースに一体に形成されたハニカム状をなすリブにより構成し、
   前記リブの厚み寸法と高さ寸法とを、何れも前記制御ケースの側面部における長手方向寸法の略５％前後の寸法に夫々設定したことを特徴とする回転電機。

Images