JP6361336B2 - 電力変換装置一体型電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電動機に電力変換装置が一体的に取付けられた電力変換装置一体型電動機に関し、例えば電力変換装置が電動機の回転軸の軸線方向に配置されるような場合に好適なものである。

種々の機器の駆動源として用いられる電動機として、電力変換装置を一体的に備えた電力変換装置一体型電動機が知られている。下記特許文献１には、電動機と電力変換装置とを一体化し、電動機の動力で回転する内部ファンを電力変換装置側の筐体内に備えた電力変換装置一体型電動機が開示されている。この電力変換装置一体型電動機では、内部ファンによって電力変換装置側筐体の内部空間内で空気の循環流を発生し、電力変換装置側筐体内の配線基板を冷却する構造となっている。

欧州特許第１４１９５６８号明細書

ところで、特許文献１では、電力変換装置側筐体の内部空間内の循環流で冷却された配線基板の熱は、結局、電力変換装置側筐体に伝熱される。この電力変換装置側筐体には、放熱用のフィンが設けられているが、この電力変換装置側筐体自体の温度が冷却されなければ、如何に内部の循環流で配線基板を冷却しようとしても、筐体内部空間内の冷却には自ずと限界が生じる。この問題は、電力変換装置側筐体内の内部ファンの有無に関わらず、電力変換装置側筐体の内部空間の温度は、最終的には電力変換装置側筐体自体に伝熱されるのであるから、電力変換装置側筐体自体を冷却することが重要である。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、電力変換装置側筐体自体を効率よく冷却することが可能な電力変換装置一体型電動機を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、電動機と、電動機への電力を変換する電力変換装置とが一体的に配置された電力変換装置一体型電動機であって、電動機の回転軸の軸方向一端部が突出するようにして電動機を収納する電動機側筐体と、電動機の回転軸の軸方向他端部側に配置されて電動機側筐体に接続され、電力変換装置を収納する電力変換装置側筐体と、電動機側筐体から突出する電動機の回転軸の軸方向一端部に取付けられて電力変換装置側筐体側から電動機側筐体側に空気を流す外部ファンと、電力変換装置側筐体のうち、電動機の回転軸の軸方向他端部側に形成され、電動機の回転軸の軸方向他端部側に突出する曲面端部とを備えた電力変換装置一体型電動機が提供される。

本発明の電力変換装置一体型電動機によれば、電力変換装置側筐体側から電動機側筐体側への空気の流れが、特に電力変換装置側筐体の外周面から乖離することがなく、電力変換装置側筐体を効率よく冷却することができる。

本発明の電力変換装置一体型電動機の第１実施形態を示す外観斜視図である。 図１の電力変換装置一体型電動機の縦断面図である。 図１の電力変換装置一体型電動機の外周部における空気の流れの説明図である。 図１の電力変換装置一体型電動機の使用説明図である。 本発明の電力変換装置一体型電動機の第２実施形態を示す外観斜視図である。 本発明の電力変換装置一体型電動機の比較例を示すものであり、外周部における空気の流れの説明図である。

以下、本発明の電力変換装置一体型電動機の第１実施形態について、図面を引用して説明する。第１実施形態の電力変換装置一体型電動機の外観を示す図１では、図の手前側に電力変換装置１が、図の奥側に電動機２が配置されており、それらは一連に連結されている。このうち、電力変換装置１は電力変換装置側筐体３に収納され、電動機２は電動機側筐体４に収納され、電力変換装置側筐体３と電動機側筐体４とは筐体連結部材兼蓋部材５を介して連結されている。これらの筐体３、４や蓋部材５は、凡そ円筒形であるが、電力変換装置側筐体３の電動機２側と反対側の先端部（底板部３ａ）は、後述するように、半球型の曲面端部６となっている。また、これらの筐体３、４や蓋部材５は、熱伝導性に優れた金属材料、例えばアルミダイキャストで形成されている。

この電力変換装置一体型電動機の縦断面を示す図２では、電動機２の回転軸７が図の左右方向に向けて配置されている。電動機側筐体４は、円板状の底板部４ａが図２の右方に配置される有底円筒体である。また、筐体連結部材兼蓋部材５は、電動機側筐体４と同じ外径の円筒体であり、その軸方向中央部には蓋部５ａが形成されている。電動機側筐体４は、図２の左方端部の開口部が筐体連結部材兼蓋部材５の蓋部５ａで覆われ、これにより電動機側筐体４が密閉されている。回転軸７は、電動機側筐体４の底板部４ａの中央部及び筐体連結部材兼蓋部材５の蓋部５ａの中央部に圧入された軸受８で回転自在に支持されている。この回転軸７は、図２の右方端部、即ち軸方向一端部が電動機側筐体４の底板部４ａを貫通して外部に突出している。

電動機側筐体４と筐体連結部材兼蓋部材５とで囲まれた電動機側内部空間では、回転軸７の外周にロータコア９が一体的に形成され、ロータコア９の径方向外側には、電動機側筐体４に固定されるステータコア１０が形成されている。これにより、電動機側筐体４内には電動機２が構成され、例えばステータコア１０に電力を供給することで回転軸７が回転される。また、例えばステータコア１０への供給電力を調整することにより、回転軸７の回転状態を調整することが可能となる。なお、回転軸７の外部突出部分のうち、電動機側筐体４に近い箇所には、電力変換装置側筐体３から電動機側筐体４に向けて空気の流れを創生するための外部ファン１１が取付けられている。

一方、電力変換装置側筐体３は、図２の左方端部、即ち電動機２の回転軸方向他端部の底板部３ａが、外側に凸の半球型の曲面端部６になっている有底円筒体であり、図示右方端部の開口部が筐体連結部材兼蓋部材５の蓋部５ａで覆われている。更に、電力変換装置側筐体３の周壁部３ｂと筐体連結部材兼蓋部材５の周壁部５ｂの間にはＯリング１２が介在され、これにより電力変換装置側筐体３が密閉されている。この電力変換装置側筐体３と筐体連結部材兼蓋部材５とで囲まれた電力変換装置側内部空間には、電力変換装置１としての中核をなすインバータモジュール１３が収納されている。このインバータモジュール１３は、例えば交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部や、電動機２の回転軸７の回転状態を制御する制御部を備えている。制御部は、例えばステータコア１０に供給する電力を電力変換部で変換された直流電圧のパルス幅変調などによって調整することで、電動機２の回転軸７の回転状態を制御する。

このインバータモジュール１３は、配線基板１４上に形成されている。この配線基板１４は、例えばガラスエポキシなどの樹脂からなる基板の表面に配線パターンが形成されたものである。この配線基板１４は、電力変換装置側筐体３の内部に形成されている基板固定部１５にビスなどの固定具１６を介して固定されている。この配線基板には、種々の電子部品が実装されているが、それらの電子部品の中には、電力変換部に必要なダイオード用半導体装置や電解コンデンサ、制御部に必要なパワー半導体装置なども含まれている。これらダイオード用半導体装置や電解コンデンサ、パワー半導体装置は、扱う電力が大きく、発熱量も大きい。これらの電子部品を実装する配線基板１４の熱は、電力変換装置側筐体３の内部空間を通じて電力変換装置側筐体３の外周面に伝熱される。なお、配線基板１４は、表裏両面に配線パターンを形成するようにしても良い。また、２以上の配線基板１４を組合せて用いることもできる。

図１に示すように、電力変換装置側筐体３の外周面及び電動機側筐体４の外周面には、電動機２の回転軸７の軸方向に長手な放熱用のフィン１７が、夫々の外周面から放射状に突出形成されている。これらのフィン１７は、電力変換装置側筐体３及び電動機側筐体４の夫々と一体に形成されている。そして、電力変換装置側筐体３のフィン１７のうち、図１の上下に対をなすフィン１７と左右に対をなすフィン１７は、電動機２の回転軸径方向外側部分が図の手前側、つまり電動機２の回転軸方向他端部側に延長され、その延長端部１８が電動機２の回転軸方向で同じ位置になるようにしている。

第１実施形態では、電動機２の回転軸７の軸方向一端部に取付けられた外部ファン１１を電動機２で回転し、回転される外部ファン１１により、電力変換装置側筐体３側から電動機側筐体４側に空気の流れを創生する。電力変換装置側筐体３の底板部３ａ、即ち電動機２の回転軸他端部側端部は、外に凸の半円型の曲面端部６になっているので、図３に示すように、外部ファン１１による空気の流れは、特に電力変換装置側筐体３の外周面に沿ってスムーズに流れる。更に、電力変換装置側筐体３の外周面及び電動機側筐体４の外周面には、電動機２の回転軸方向に長手な放熱用のフィン１７が突出形成されているため、電力変換装置側筐体３の外周面は、外周面自体及びフィン１７の表面に沿って流れる空気の流れで積極的に冷却される。その結果、電力変換装置側筐体３の内部空間も冷却され、インバータモジュール１３が形成される配線基板１４も冷却される。

もし、電力変換装置側筐体３の底板部３ａが、図６の比較例のように、電動機２の回転軸方向と直交する平坦面であったなら、外部ファン１１によって空気の流れを創生しても、その空気の流れは電力変換装置側筐体３の底板部３ａに衝突して、空気の流れそのものが電力変換装置側筐体３の外周面から乖離してしまう。空気の流れが電力変換装置側筐体３の外周面から乖離してしまうと、電力変換装置側筐体３の外周面に冷却用のフィン１７を突出形成していても、そのフィン１７の表面にも電力変換装置側筐体３の外周面にも空気の流れが沿って流れないから、フィン１７も電力変換装置側筐体３の外周面も冷却されにくい。電力変換装置側筐体３の外周面が冷却されなければ、電力変換装置側筐体３の内部空間も冷却されず、インバータモジュール１３が形成される配線基板１４も冷却されない。

また、冷却用のフィン１７の一部を電力変換装置側筐体３の底板部３ａ、即ち半球型の曲面端部６より回転軸他端部側に延長し、その延長端部１８を回転軸方向で同じ位置としたことにより、図４に示すように、フィン１７の延長端部１８を下向きにして電力変換装置一体型電動機を立てることができる。第１実施形態の場合、電力変換装置側筐体３側から電動機側筐体４側に空気の流れを創生する外部ファン１１は、外径が電力変換装置側筐体３や電動機側筐体４の外周面の外径よりも大きくなり、外部ファン１１の径方向外側端部が接触しやすく、電力変換装置一体型電動機を安定した状態で置いておきにくい。しかしながら、フィン１７の延長端部１８を下向きにして電力変換装置一体型電動機を立てることができれば、電力変換装置一体型電動機を安定した状態で置いておくことができる。

このように、第１実施形態の電力変換装置一体型電動機では、電動機２の回転軸７に取付けられた外部ファン１１によって電力変換装置側筐体３側から電動機側筐体４側に空気の流れが生じる。その際、電力変換装置側筐体３のうち、電動機２の回転軸方向他端部に、電動機２の回転軸方向他端部側に突出する曲面端部６が形成されているため、電力変換装置側筐体３側から電動機側筐体４側への空気の流れが、特に電力変換装置側筐体３の外周面から乖離することがなく、電力変換装置側筐体３を効率よく冷却することができる。

また、電力変換装置側筐体３の外周面に放熱用のフィン１７を形成し、フィン１７の一部を電力変換装置側筐体３の曲面端部６より電動機２の回転軸７の軸方向他端部側に延長し、延長されたフィン１７の延長端部１８を電動機２の回転軸７の軸方向で同じ位置とした。これにより、フィン１７の延長端部１８を下向きにして電力変換装置一体型電動機を立てることができ、電力変換装置一体型電動機を安定した状態で置いておくことができる。

また、電力変換装置側筐体３の曲面端部６を半球型とすることで、電力変換装置側筐体３側から電動機側筐体４側への空気の流れがスムーズに電力変換装置側筐体３の外周面を流れ、より効率よく電力変換装置側筐体３を冷却することができる。
さらに、電力変換装置側筐体３の曲面端部６が半球型でありながら、電力変換装置一体型電動機を安定した状態で立てることができるため、インバータモジュール１３の取付けの容易性を損ねることがない。

次に、本発明の電力変換装置一体型電動機の第２実施形態について、外観を示す図５を用いて説明する。この第２実施形態の電力変換装置一体型電動機は、第１実施形態の電力変換装置一体型電動機に類似しているので、同等の構成には同等の符号を用いて、その詳細な説明を省略する。また、第２実施形態の縦断面構成は、第１実施形態の縦断面構成と同等であるため、その詳細な説明を省略する。この第２実施形態では、電力変換装置側筐体３の外周面に形成されたフィン１７の延長端部１８のうち、電動機２の回転軸７の径方向外側部を、電力変換装置側筐体３の半球型の曲面端部６に倣うように円弧状にした。これにより、電力変換装置一体型電動機の組立など、電力変換装置側筐体３を手で持つ際に持ちやすい。

なお、第１及び第２実施形態では、電力変換装置側筐体３内に内部ファンを備えていないが、前述の特許文献１と同様に、電力変換装置側筐体３内に内部ファンを備えても差し支えない。
また、本発明の電力変換装置一体型電動機の外部ファン１１の形状は実施形態の形状に限定されるものではない。但し、電力変換装置側筐体３側から電動機側筐体４側に空気の流れを創生するためには、少なくとも電力変換装置側筐体３の外周面より外径の大きい外部ファン１１が必要である。そして、そのように外径の大きい外部ファン１１を用いる場合、電力変換装置一体型電動機を安定して置くことが難しくなるので、フィン１７の一部を電力変換装置側筐体３よりも延長して、そのフィン１７の延長端部１８で電力変換装置一体型電動機を立てて置けるようにするのが望ましい。

１ 電力変換装置
２ 電動機
３ 電力変換装置側筐体
４ 電動機側筐体
５ 筐体連結部材兼蓋部材
６ 曲面端部
７ 回転軸
８ 軸受
９ ロータコア
１０ ステータコア
１１ 外部ファン
１２ Ｏリング
１３ インバータモジュール
１４ 配線基板
１５ 基板固定部
１６ 固定具
１７ フィン
１８ 延長端部

Claims (4)

1. 電動機と、前記電動機への電力を変換する電力変換装置とが一体的に配置された電力変換装置一体型電動機であって、
   前記電動機の回転軸の軸方向一端部が突出するようにして前記電動機を収納する電動機側筐体と、
   前記電動機の回転軸の軸方向他端部側に配置されて前記電動機側筐体に接続され、前記電力変換装置を収納する電力変換装置側筐体と、
   前記電動機側筐体から突出する前記電動機の回転軸の軸方向一端部に取付けられて前記電力変換装置側筐体側から前記電動機側筐体側に空気を流す外部ファンと、
   前記電力変換装置側筐体のうち、前記電動機の回転軸の軸方向他端部側に形成され、前記電動機の回転軸の軸方向他端部側に突出するように形成された曲面端部と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置一体型電動機。
2. 少なくとも前記電力変換装置側筐体の外周面に放熱用のフィンを形成し、前記フィンの一部又は全部を前記電力変換装置側筐体の曲面端部より前記電動機の回転軸の軸方向他端部側に延長し且つ延長されたフィンの延長端部を前記電動機の回転軸の軸方向で同じ位置としたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置一体型電動機。
3. 前記曲面端部が半球型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置一体型電動機。
4. 前記フィンの延長端部のうち、前記電動機の回転軸の径方向外側部を前記曲面端部に倣うように円弧状にしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の電力変換装置一体型電動機。
   

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