JP5677010B2 - モータ組立体およびポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ組立体およびポンプ装置に関し、特にインバータを効率よく冷却するための冷却構造を有するモータ組立体に関するものである。

ポンプを駆動する駆動源としては、モータが広く採用されている。最近では、モータにインバータを取り付けたインバータ一体型のポンプモータが主流となりつつある。インバータは、パワースイッチング素子（例えば、Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳ ＦＥＴなど）を備えており、このパワースイッチング素子により、モータの入力電力を変化させ、モータを可変速運転することができる。

このようなポンプモータを駆動している間、インバータおよびモータは熱を発生する。特に、インバータのパワースイッチング素子は、小さな表面積であるにもかかわらず高熱を発生するため、高温となってしまう。そこで、従来から、インバータを冷却するための様々な方法が提案されている。例えば、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、モータを冷却する冷却ファンによりインバータを冷却する構成が知られている。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示す例では、ポンプを駆動するモータ１０１の回転軸１０３に冷却ファン１０８が取り付けられている。冷却ファン１０８を覆うように円形のガイドカバー１１０がモータ１０１の上に設けられている。ガイドカバー１１０とモータ１０１との間には隙間が形成されており、冷却ファン１０８の回転によって生じる気流は、上記隙間を通ってモータ１０１の外周面に沿って流れてモータ１０１を冷却するとともに、気流の一部がインバータ１０５を冷却する。冷却ファン１０８としては、取り付けが簡単であること、およびモータ１０１を冷却することが主たる目的であることから、軸流ファンまたは斜流ファンが使用されている。

特開２００９−２７８８０７号公報 特開２００９−２７８８０９号公報 特開２００９−２７８８１１号公報

しかしながら、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す従来の冷却構造には次のような問題点がある。インバータ１０５は、モータ１０１の側面に支持部材１１１によって連結されている。この支持部材１１１は、連結の簡便さから、通常、上から見たときにモータ１０１とインバータ１０５とを結ぶ中心線上に設置される。このような位置に設置された支持部材１１１は、図１（ｃ）に示すように、冷却ファン１０８からの気流を妨げてしまい、インバータ１０５の冷却効果が低下してしまう。特に、大きなインバータ１０５が使用される場合には、支持部材１１１も必然的に大きくなるため、インバータ１０５を冷却する気流が大きく乱されてしまう。

また、冷却ファン１０８として軸流ファンを使用した場合、気体の流量が少ないために、インバータ１０５を十分に冷却することができない場合がある。特に、軸動力の大きいポンプを駆動するモータ１０１に使用されるインバータ１０５は必然的に大型であり、軸流ファンではこのような大型のインバータ１０５を冷却するのに十分に強力な気流を形成することができない。さらに、軸流ファンや斜流ファンでは、気流が最初にモータ１０１に直接当たり、その二次的な気流がインバータ１０５に当たるようになっているため、インバータ１０５の冷却効果が低いという欠点がある。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、モータに隣接するインバータを十分に冷却することができる冷却機構を備えたモータ組立体を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、ポンプに連結されるモータと、前記モータの回転速度を変化させるインバータと、前記モータの回転軸に連結され、前記モータの反ポンプ側端部に配置される冷却ファンと、前記冷却ファンの回転により発生した気体の流れを前記インバータに導くガイドカバーと、前記インバータを前記モータの側面に連結する少なくとも２つの支持部材とを備え、前記支持部材は、前記モータの軸方向から見たときに、前記モータの中心軸と前記インバータの中心とを結ぶ中心線の両側に配置されており、前記支持部材の間には、前記冷却ファンからの気流の通路となる空間が形成されており、前記少なくとも２つの支持部材のうちの１つは、電力線が通る貫通孔を有しており、前記インバータは、パワースイッチング素子と、該パワースイッチング素子を収容するボックスとを有していて、前記ボックス内の前記パワースイッチング素子は、前記気流の通路に隣接して配置されると共に、前記パワースイッチング素子は、前記中心線上に位置しており、前記インバータの上部は、前記冷却ファンの半径方向外側に位置していて、前記冷却ファンの回転により発生した気流が前記インバータの上部に当たってその進行方向を変え、前記支持部材の間の前記空間を下方に進むように構成されていることを特徴とするモータ組立体である。

本発明の好ましい態様は、前記冷却ファンは、遠心式ファンであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ガイドカバーの内面には、吸音材または制振材が取り付けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ガイドカバーの頂部と前記インバータの頂部は、同一平面内にあることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記少なくとも２つの支持部材は、前記モータの中心軸に沿って配列された２対の支持部材であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記パワースイッチング素子は、前記冷却ファンの半径方向外側に位置していることを特徴とする。

本発明の他の態様は、上記モータ組立体と、前記モータ組立体によって駆動されるポンプとを備えたことを特徴とするポンプ装置である。

本発明によれば、冷却ファンによって生成された気流は支持部材に妨げられることなく、インバータの表面に沿って進行する。したがって、この気流によってインバータを効率よく冷却することができる。

図１（ａ）は従来のインバータ冷却機構を備えたモータ組立体を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すモータ組立体の模式図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示すインバータおよび支持部材を矢印Ａで示す方向から見た図である。 本発明の実施形態に係るモータ組立体を備えたポンプ装置を示す模式図である。 図２に示すモータ組立体の平面図である。 図２に示すインバータおよび支持部材を矢印Ｂで示す方向から見た図である。 図５（ａ）は、ガイドカバーを示す側面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すガイドカバーを矢印Ｄで示す方向から見た図である。 インバータの上端が冷却ファンよりも下方に位置しているモータ組立体の例を示す図である。 図７（ａ）乃至図７（ｃ）は、４つの支持部材によってインバータがモータの側面に連結されている例を示す図である。 図８（ａ）乃至図８（ｃ）は、６つの支持部材によってインバータがモータの側面に連結されている例を示す図である。 ガイドカバーの内面に吸音材または制振材を取り付けた例を示す図である。

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。
図２は、本発明の実施形態に係るモータ組立体を備えたポンプ装置を示す模式図である。このポンプ装置は、液体を移送するポンプ１と、このポンプ１を駆動する本発明の実施形態に係るモータ組立体２とを備えている。モータ組立体２は、ポンプ１に連結されたモータ５と、モータ５の回転速度を変化させるインバータ６と、モータ５とインバータ６とを連結する２つの支持部材１１とを備えている。

モータ５には、ロータに永久磁石を用いた同期電動機が用いられている。このタイプのモータ（Permanent Magnet motor）は、一般的なモータよりも効率がよく、したがって発熱が低いという特徴を持っている。ただし、他のタイプのモータを本発明のモータ組立体に用いてもよい。

ポンプ１はモータ組立体２により駆動され、液体を吸込口１ａから吸込み、加圧し、そして吐出口１ｂから吐出する。ポンプ１の例としては遠心ポンプが挙げられるが、他の型式のポンプを用いることもできる。

図３は図２に示すモータ組立体の平面図であり、図４は、図２に示すインバータおよび支持部材を矢印Ｂで示す方向から見た図である。モータ５の上部（反ポンプ側端部）には冷却ファン８が配置されており、この冷却ファン８は、モータ５の回転軸１０に連結されている。したがって、冷却ファン８はモータ５の回転軸１０と一体的に回転するようになっている。

インバータ６は、パワースイッチング素子１５と、このパワースイッチング素子１５の動作を制御する制御基板（図示せず）と、パワースイッチング素子１５および制御基板を収容するボックス１７とを備えている。パワースイッチング素子１５は、ボックス１７の底部の内面に接触した状態でボックス１７に固定されている。インバータ６の底部はモータ５に対向しており、インバータ６はモータ５に隣接して配置されている。

冷却ファン８は、その軸方向から吸引した気体を半径方向外側に吐き出す遠心式ファンである。使用される遠心式ファンの例としては、ラジアルファン、ターボファン、およびシロッコファンが挙げられる。このような遠心式ファンを冷却ファン８に採用することにより、大流量の気流を形成することが可能となる。なお、図に示す例では、冷却ファン８としてラジアルファンが採用されている。

図３に示すように、冷却ファン８を覆うガイドカバー２０がモータ５の上に設けられている。このガイドカバー２０は、冷却ファン８の回転により発生した気体の流れをインバータ６に導く役割を有している。図５（ａ）は、ガイドカバー２０を示す側面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すガイドカバーを矢印Ｄで示す方向から見た図である。ガイドカバー２０は、気体取り入れ孔（空気取り入れ孔）２０ｃを有する平面部２０ａと、下から見たときにＵ字型の形状を有した側部２０ｂとを有している。冷却ファン８の回転に伴い、周囲の気体（一般的には空気）は、気体取り入れ孔２０ｃからガイドカバー２０内に流入し、ガイドカバー２０の側部２０ｂに沿ってインバータ６に送られる。図３に示すように、モータ５の軸方向から見たときに、ガイドカバー２０とモータ５との間には隙間が形成されている。冷却ファン８の回転によって生じる気流の一部は、この隙間を通ってモータ５の外周面上を流れてモータ５を冷却する。

インバータ６は、２つの支持部材１１によってモータ５の側面に連結されている。これらの支持部材１１は、図３に示すように、モータ５の軸方向から見たときに、モータ５の中心軸とインバータ６の中心とを結ぶ中心線（符号Ｃで示す）の両側に配置されている。すなわち、これら支持部材１１は、中心線Ｃから離間した位置に配置されている。図４に示すように、各支持部材１１は板状であり、気流を乱さないようにモータ５の回転軸１０（中心軸）に沿って延びている。

本実施形態では、２つの支持部材１１は、上記中心線Ｃを挟むように対称位置に配置されている。インバータ６のパワースイッチング素子１５は、中心線Ｃ上に位置している。２つの支持部材１１は互いに離間しており、これら支持部材１１の間には、冷却ファン８から送られる気流の通路となる空間が形成されている。２つの支持部材１１のうちの１つには、インバータ６からモータ５に延びる電力線が通る貫通孔１１ａが形成されている。

インバータ６の一部（上部）は、冷却ファン８の半径方向外側に位置している。したがって、冷却ファン８の回転によって発生した気流は、インバータ６の上部に当たってその進行方向を変え、インバータ６とモータ５との間の空間を下方に進む。支持部材１１は、気流の進行を妨げないように中心線Ｃから離間した位置に配置されており、図４に示すように、支持部材１１の間には気流の通路が形成される。インバータ６は、その外面上をモータ５の中心軸に沿って流れる気流によって冷却される。

本実施形態では、上述したように、冷却ファン８としてラジアルファンなどの遠心式ファンが採用されている。したがって、冷却ファン８は強力な気流を形成することができ、インバータ６の冷却効果をさらに向上させることができる。また、モータ５とインバータ６との間の空間を流れる気流は同時にモータ５も冷却することができる。

インバータ６のパワースイッチング素子１５は、冷却ファン８から送られてくる気体の流路に隣接した位置に配置されている。したがって、冷却ファン８から送られてくる気体により、パワースイッチング素子１５を冷却することができる。特に、図２に示すように、パワースイッチング素子１５は、冷却ファン８の半径方向外側に位置していることが好ましい。このような位置にパワースイッチング素子１５を配置すると、気流がパワースイッチング素子１５の裏側にあるボックス１７の壁面に当たるので、パワースイッチング素子１５の冷却効果を向上させることができる。

図２に示す例では、インバータ６とガイドカバー２０とは、モータ５の回転軸１０に垂直な同一平面（仮想面）上に配置される。より具体的には、インバータ６の頂部（反ポンプ側端部）とガイドカバー２０の頂部（平面部２０ａ）とは、同一平面内に位置している。このような配置により、凹凸のないモータ組立体２の端面が得られる。

図２に示す例では、インバータ６の一部が冷却ファン８の半径方向外側に位置しているが、図６に示すように、インバータ６が冷却ファン８の半径方向外側に位置していなくてもよい。この場合は、ガイドカバー２０は、冷却ファン８の全体を囲む側部２０ｂを有することが好ましい。冷却ファン８によって形成された気流はガイドカバー２０の側部２０ｂに当たり、インバータ６に向かってその進行方向を変え、気体はインバータ６の外面に沿って流れる。この場合も、インバータ６のパワースイッチング素子１５は気体の流路に隣接して配置される。したがって、パワースイッチング素子１５は、インバータ６のボックス１７を介して気流により冷却される。

図７（ａ）乃至図７（ｃ）は、４つの支持部材１１によってインバータ６がモータ５の側面に連結されている例を示す図である。図７（ａ）乃至図７（ｃ）に示すように、支持部材１１の数は２つに限らず、３つ以上であってもよい。図７（ａ）乃至図７（ｃ）に示す例では、４つの支持部材１１が設けられている。より具体的には、２対の支持部材１１がモータ５の中心軸に沿って配列されている。図４に示す例と同様に、各対の支持部材１１の間には、冷却ファン８から送られてくる気体の流路が形成される。４つの支持部材１１のうちの１つには、電力線が通る貫通孔１１ａが形成されている。支持部材１１は、その全てが同じ大きさを持たなくてもよい。例えば、貫通孔１１ａが形成されていない支持部材１１を、貫通孔１１ａが形成されている支持部材１１よりも小さくしてもよい。

図８（ａ）乃至図８（ｃ）は、６つの支持部材１１によってインバータ６がモータ５の側面に連結されている例を示す図である。図８に示す例では、３対の支持部材１１がモータ５の中心軸に沿って配列されている。貫通孔１１ａのない支持部材１１は、図８に示すように薄い板形状としてもよい。

モータ組立体２２の作動中は、モータ５や冷却ファン８から騒音が発生する。そこで、このような騒音を低減させるために、ガイドカバー２０の内面に吸音材または制振材を取り付けることが好ましい。図９は、ガイドカバー２０の側部２０ｂの内面に吸音材または制振材を取り付けた例を示す図である。図９において、吸音材または制振材は符号２１で示されている。このような構成を採用する場合は、吸音材または制振材を設けない場合に比べて、ややサイズの大きいガイドカバー２０を用いることが好ましい。

ここで、吸音材とは、音を内部に取り込んで音エネルギーを熱エネルギーに変換することで音を吸収する部材をいう。吸音材の例としてはスポンジやウレタンフォームなどが挙げられる。一方、制振材とは、固体の振動エネルギーを熱エネルギーに変換することによって固体の振動を低減させる部材をいう。制振材の例としてはゴム板やプラスチック板などが挙げられる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１ ポンプ
２ モータ組立体
５ モータ
６ インバータ
８ 冷却ファン
１０ 回転軸
１１ 支持部材
１５ パワースイッチング素子
１７ ボックス
２０ ガイドカバー
２１ 吸音材または制振材

Claims (7)

1. ポンプに連結されるモータと、
   前記モータの回転速度を変化させるインバータと、
   前記モータの回転軸に連結され、前記モータの反ポンプ側端部に配置される冷却ファンと、
   前記冷却ファンの回転により発生した気体の流れを前記インバータに導くガイドカバーと、
   前記インバータを前記モータの側面に連結する少なくとも２つの支持部材とを備え、
   前記支持部材は、前記モータの軸方向から見たときに、前記モータの中心軸と前記インバータの中心とを結ぶ中心線の両側に配置されており、
   前記支持部材の間には、前記冷却ファンからの気流の通路となる空間が形成されており、
   前記少なくとも２つの支持部材のうちの１つは、電力線が通る貫通孔を有しており、
   前記インバータは、パワースイッチング素子と、該パワースイッチング素子を収容するボックスとを有していて、前記ボックス内の前記パワースイッチング素子は、前記気流の通路に隣接して配置されると共に、前記パワースイッチング素子は、前記中心線上に位置しており、
   前記インバータの上部は、前記冷却ファンの半径方向外側に位置していて、前記冷却ファンの回転により発生した気流が前記インバータの上部に当たってその進行方向を変え、前記支持部材の間の前記空間を下方に進むように構成されていることを特徴とするモータ組立体。
2. 前記冷却ファンは、遠心式ファンであることを特徴とする請求項１に記載のモータ組立体。
3. 前記ガイドカバーの内面には、吸音材または制振材が取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ組立体。
4. 前記ガイドカバーの頂部と前記インバータの頂部は、同一平面内にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ組立体。
5. 前記少なくとも２つの支持部材は、前記モータの中心軸に沿って配列された２対の支持部材であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモータ組立体。
6. 前記パワースイッチング素子は、前記冷却ファンの半径方向外側に位置していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のモータ組立体。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のモータ組立体と、
   前記モータ組立体によって駆動されるポンプとを備えたことを特徴とするポンプ装置。

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