JP6408059B2

JP6408059B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6408059B2
Application number: JP2017077251A
Authority: JP
Inventors: 憲一齋藤; 清巳田島; 利文鈴木; 宣長鈴木; 恭永米岡; 啓岡藤
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2035-07-27
Also published as: JP2017121179A

Description

本発明は、回転電機に関し、特に電力変換装置を含む制御装置と一体的に構成された回転電機に関する。

例えば、屋外に設置されるポンプでは、その駆動を行うための回転電機も単独で取り付けられる場合がある。そのため、当該回転電機は、回転電機本体と共に、回転電機に駆動電流を供給するためのインバータや、内部にマイコンを搭載し、内部および外部との有線または無線インターフェイスを構成するとＩ／Ｆ基板や各種の運転制御を行う制御基板などを含め、回転電機とインバータ等を一体として構成した、所謂、回転電機組立体として構成されることがある。

例えば、以下の特許文献１には、回転電機本体と各種の制御装置を一体に構成した回転電機が開示されている。

特開２０１２−１５７１９４号公報

しかし、さらに回転電機の効率を上げるために、インバータの消費電力や、インバータからの発熱量を低減したいという課題がある。

一般に、インバータを構成する半導体素子や回転電機の電機子は、熱による温度上昇により寿命低下、誤動作等の悪影響をうけやすい。そのため、より効率の良い回転電機を提供するには、発熱体の分散化により均一に熱をハウジング外部へ逃がし、低熱勾配化を図り冷却効率を向上させることは重要な課題である。

本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、より効率の良い回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ハウジングと、前記ハウジングの内側に位置する固定子と、前記固定子からの磁束を受けて回転する回転子と、前記固定子の各巻線に駆動電流を供給する電力変換装置とを備え、複数の前記電力変換装置が、前記ハウジングの外周で、周方向に離間した平面部にそれぞれ配置するものであり、複数の前記電力変換装置のうちの第１電力変換装置が駆動電流を供給する巻線と、前記第１電力変換装置とは異なる第２電力変換装置が駆動電流を供給する巻線とが異なるものである回転電機である。

あるいは、ハウジングと、前記ハウジングの内側に固定された固定子と、前記固定子からの磁束により回転する回転子と、前記固定子の各巻線に駆動電流を供給する複数の電力変換装置と、通信Ｉ／Ｆ基板と、を備え、複数の前記電力変換装置及び前記通信Ｉ／Ｆ基板が、前記ハウジングの周方向に互いに離間して配置するものである回転電機である。

上述した本発明によれば、効率の良い回転電機を提供することが可能となる。

本発明を適用した実施例１における回転電機の全体構成を示す外観斜視図。本発明を適用した実施例１における回転電機の各部を示す展開斜視図。本発明を適用した実施例１における回転電機本体の全体構成を示す外観斜視図。本発明を適用した実施例１における回転電機本体の各部を示す展開斜視図。本発明を適用した実施例１におけるインバータ基板位置の説明図。本発明を適用した実施例１における回転電機の断面図。本発明を適用した実施例２における回転電機の断面図。本発明を適用した実施例１における回転電機の回路構成を示す模式図。本発明を適用した実施例２におけるインバータ位置の説明図。本発明を適用した実施例１におけるインバータ位置の説明図。

以下、図面を参照しつつ、本発明を適用した実施例１の構成について説明する。

図１は本実施例における回転電機の斜視図、図３はインバータ等を取り付ける前の回転電機本体の斜視図である。図２は、回転電機の全体構成を示し、図４は回転電機本体の全体構成を示す。なお、本実施例では、一例として永久磁石式回転電機の図を示しているが、異なる方式の回転電機であってももちろんかまわない。

本実施例の回転電機本体は、図４に示すように固定子１０、回転子１１、回転子の中心部を通り負荷側と、反負荷側とを貫通する回転軸１２、軸受１３、負荷側エンドブラケット１４ａ、反負荷側エンドブラケット１４ｂ、反負荷側エンドブラケットの外側に設けられたファン１５、ハウジング１６及びハウジングに設けられた複数の冷却用のフィン１７等で構成される。

固定子１０は、複数の巻線から構成され、略円筒状のハウジング１６内部に固定される。さらに固定子の内部空間内に回転子（ロータ）１１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る。固定子の巻線のそれぞれに対しては、インバータの駆動回路から駆動電流が供給される。本実施例では、巻線の数は６の倍数の数とした。これは、本実施例の回転電機は三相モータとしたため巻線はＵ，Ｖ，Ｗに対応し、かつ二つのインバータで異なるＵＶＷのセットを制御するためである。以下、１セットの巻線（あるいは巻線のセット）と記載した場合には、Ｕ，Ｖ，Ｗの３つの巻線を指すものとする。巻線の巻き方については集中巻であっても分布巻であってもかまわない。一方のインバータによって駆動される巻線と、他方のインバータによって駆動される巻線があれば、本発明の効果を奏することができる。

回転子１１は、複数の永久磁石を円筒状に配置して構成される。本実施例では永久磁石式回転電機の例を示しているため、永久磁石を用いているが、異なる構成の回転子であってももちろんかまわない。

回転軸１２は、回転子（ロータ）１１と一体に形成される回転軸であり、回転電機の回転駆動力を、負荷側に接続された被駆動機器（例えば、ポンプ等）へと伝達する。

軸受１３は回転軸１２の負荷側と反負荷側の両方に設けられる。

エンドブラケットは、負荷側エンドブラケット１４ａと反負荷側エンドブラケット１４ｂの両方により、回転子１１、回転軸１２および軸受１３をハウジング１６の端部それぞれに固定する。回転子からエンドブラケットに至るまでの間に、シール部材やワッシャー等を回転軸１２に通して固定してもかまわない。

ファン１５は、反負荷側エンドブラケット１４ｂの外側に配置され、回転軸１２に取り付けられる。回転子１１の回転に伴ってファン１５が回転することで、外部からの空気がハウジング周囲に導かれ、フィン１７の間を通って熱交換を行う構成となり、回転電機本体を冷却することができる。

ハウジング１６は、内部空間に永久磁石式回転電機の固定子（ステータ）１０を構成する電機子が挿入され、固定される。外観は図４にも示すように、その外周表面に回転軸に沿って並列に延びた複数の冷却フィン１７を有する。特に本実施例では、インバータ２１ａ，２１ｂを取り付けるための平面部１６１がエンドブラケット間にわたり形成されるため、その周囲に平面部と水平な方向に延びた冷却フィン１７を形成した。ハウジング１６と、冷却フィン１７は金属ダイキャストによって一体成形されるようになっている。尚、冷却フィン１７はカシメ加工等の別方式で形成することも可能である。さらに、本例では熱伝導性に優れるアルミを適用するものとするが、本発明はこれに限定されるものではない。

この平面部１６１は、回転軸１２を中心として径方向の対向する位置に、お互いが離間するよう設けられる。これにより、インバータ２１で発生する熱が均等にハウジングに分散するため、効率的にフィンを経由して空気中へ熱を逃がすことができる。また、平面部１６１を設けていない部分については、冷却フィン１７を複数枚設け、表面積を大きくすることで、固定子や回転子から発生する熱をより空気中へ放熱できる。さらに、平面部１６１には凹部１６２が設けられる。凹部の機能については後述する。

次に図１、図２を用いて、ハウジング１６に対し、インバータ２１等を一体として設けた回転電機について説明する。当該回転電機は、図３に示す回転電機本体に加え、インバータ２１（インバータ基板２２、インバータケース２６、ケース用内蓋２７等からなる）、端子箱４０、Ｉ／Ｆ基板４１、端子箱カバー４３、カバー５０、空気が通るようメッシュ状の孔を設けたファンカバー５１等で構成される。

回転電機は、そのハウジング１６の外周表面上のそれぞれが対向する位置に平面部１６１が設けられ、平面部１６１には外形断面が略直方体状に形成されたインバータケース２６が各々取り付けられる。また、ハウジング外周上であって、インバータケース２６同士の間には、Ｉ／Ｆ基板４１およびモータのＵＶＷへ電源を供給するＲＳＴ端子台が格納される端子箱が、フィン１７よりも外側に取り付けられる。本実施例ではＩ／Ｆ基板４１しか図示していないが、他に、ノイズフィルタ、リアクトル等や無線通信や上位制御等の機能拡張を実現するための回路基板等も端子箱４０に格納してもよい。また、端子箱４０に限定せず、インバータケース２６、もしくは別な専用ケースに格納して外側に取り付けられる構成としてもよい。

ハウジング１６の平面部１６１には、インバータ２１を構成するインバータ基板２２が取り付けられる。基板２２は例えばプリント基板であり、基板２２に対してパワースイッチング素子（ＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅやＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅなど）２３やダイオード、コンデンサ、ＭＣＵ（ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）等が実装されている。基板２２上に実装された電子デバイスにより、回転電機の各巻線のセットに駆動電流を供給する駆動回路２５や、駆動回路に制御信号を入力する制御回路２４が実現される。

本実施例でインバータと呼んでいる電力変換手段は、図８に示すように、ＭＣＵで実現される制御回路２４と、パワースイッチング素子２３等で実現される駆動回路２５により構成される。制御回路２４は、端子箱に格納されたＩ／Ｆ基板から、「巻線へ供給する電流の周波数の値」を受信し、それに基づいて駆動回路内のパワースイッチング素子内にある各トランジスタのＯＮとＯＦＦを切り替える。

駆動回路２５は、ダイオード、コンデンサ、パワースイッチング素子２３等で構成される。端子箱内の端子を経由して供給された電流が、制御回路２４によって制御されたスイッチング素子２３を通過することにより、所望の周波数の電流となり、Ｕ，Ｖ，Ｗの各巻線へと供給される。この時、スイッチング素子の電流は一部制御回路にもフィードバックされ、フィードバックされた電流値に基づき、制御回路はスイッチング素子の制御を行う。

本実施例では、二つのインバータ２１ａ，２１ｂが固定子巻線の１セットのそれぞれに駆動電流を供給するようになっている。このように、インバータ２１を複数個所に分け、巻線それぞれに駆動電流を供給することで、一つのインバータ自体の出力を抑えつつ、複数のインバータの合計で必要な出力を確保できる。そのため、一つのインバータの発熱量は低減され、更に、互いのインバータは離間した位置に設けられているため、一方のインバータと他方のインバータとの熱干渉による熱集中を大幅に低減できる。その結果、インバータの温度上昇による信頼性低下を抑制できる。

さらに、インバータを二つに分けることで、一方のインバータが故障した場合でも、他方のインバータが無事であれば、回転電機は半分の出力で動作し続けることができる。そのため、回転電機の故障により他の装置に影響が出る可能性を低減することもできる。この場合、特に、一方のインバータが制御する巻線と他方のインバータが制御する巻線とが周方向に交互に配置される構成とすると、半分の出力でもよりスムーズに回転子１１を回転させることができる。

また、インバータを二つに分けつつ、制御する回転電機は一つである場合、各インバータの制御回路同士の同期をとり、各巻線のセットが同じ回転速度で回転するように制御する必要がある。これに対し、本実施例では図８のように二つのインバータの制御回路２４を共通化し、二つの駆動回路２５にパラレルで制御信号を送信する構成とすることにより、二つの制御回路の同期をとる必要が無くなり、簡便に制御することが可能となる。さらに、制御回路１つ分の消費電力を削減できるため、よりインバータからの発熱量を抑えることができる。この場合には、ハウジングの左右に設けられたインバータケースのうち、一方に格納される基板には駆動回路２５ｂのみが実装され制御回路２４は実装されない。駆動回路２５ｂは他方のインバータケースに格納された制御回路２４からの信号を受けて、スイッチング素子が制御される。この制御回路２４からの信号は全く同じ信号がパラレルで駆動回路２５ａ，２５ｂのそれぞれに入力される。

なお、駆動回路２５内部に過電流保護等の保護回路を組み込み、例えば、回転電機が拘束されたり、駆動回路と巻線の間の短絡や地絡したり、あるいは急加減速したりして、大電流が流れた場合に駆動回路２５を保護できるような構成としても良い。このとき、制御回路２４は両方の保護回路からのエラー情報を受け取ることで、回路状態を把握することができる。

さらに、この場合の変形例として、さらに制御回路を端子箱４０に入れ、インバータケース２６の内部には駆動回路のみ、とする構成としても良い。このように、制御回路２４と駆動回路２５とをそれぞれ異なる平面に設けてもよい。例えば、制御回路２４は端子箱に格納され、駆動回路２５はそれぞれ両脇のインバータケース２６ａ，２６ｂに格納される構成とすることができる。この場合でも、発熱量の多い駆動回路が分散して配置されているので、冷却効率を高めるという本発明の効果を得ることができる。さらに制御回路２４を端子箱に設けると、インバータケースに格納する基板の大きさを、制御回路２４の分だけ小さくすることができる。小さくなった基板を、負荷側あるいは反負荷側のどちらかに寄せて配置し、平面部１６１の面積を小さくし、その他の外周部にも冷却フィンを設ければ、さらに冷却効率を向上させることができる。

インバータ基板２２を取り付ける際は、制御回路２４や、駆動回路２５を備えたインバータ基板２２を、インバータケース２６に格納して、回転電機のハウジング１６の一部に形成された平面部１６１に取り付ける。その後、その保護のための内蓋２７とカバー５０が外側から取り付けられる。この時、インバータ基板をインバータケースに格納して密閉することで、水、塵埃、直射日光等から保護し、耐環境性を図ることができ、屋外単独設置が可能となる。

また、インバータ基板に実装された部品のうち最も発熱量の多いパワースイッチング素子２３を、平面部１６１に設けられた凹部１６２に入れてインバータ基板を固定する。このような構成とすることで、熱伝導性に優れたハウジング１６にパワースイッチング素子２３で発生した熱が効率的に逃げるため、インバータの温度上昇による信頼性低下を抑制することができる。この凹部の深さは、スイッチング素子２３の一部分程度の深さでもよく、スイッチング素子２３がほぼ埋まるほどの深さでもかまわない。

図５に、凹部１６２の深さを変えた例を示す。凹部１６２を設けた理由は、パワースイッチング素子２３の上面（ハウジング１６に対向する面）以外の面からも熱を逃がすためである。そのため、凹部１６２の深さはより深い方がスイッチング素子２３の側面からも凹部１６２側面へ熱が伝わりやすいため冷却性能が向上する。放熱性を重視した設置の例としては図５（ｄ）のように、凹部底面（あるいは設置面とも呼ぶ）および凹部側面へパワースイッチング素子２３が接触するようインバータ基板２２の位置を決めればよい。さらに、凹部底面の平滑性を向上させるために液状やシート状のシリコン等の熱伝導性に優れた充填材を塗布してスイッチング素子２３を設置してもよい。シリコンを塗布すると、凹部底面の微細な凹凸をシリコンが埋めるため、スイッチング素子と凹部底面との間に存在した空気が少なくなって密着し、さらに冷却効率を上げることができる。

取り付け時の位置決めをより簡便に行うためには、図５（ｃ）のように、凹部の深さをスイッチング素子の中心部付近までの深さとして形成するのが好ましい。このとき、スイッチング素子２３と凹部底面および凹部側壁とを接触させずに配置することで、ハウジング１６の振動によりスイッチング素子と基板とを接続している端子部分に負荷がかかり、接触が悪くなることを防止できる。もちろん、放熱量や位置決めに費やすことのできる工程数に応じて、凹部の深さや、スイッチング素子と凹部底面あるいは凹部壁面への距離は随時変更可能である。

なお、本実施例ではあくまで取り付けやすさの観点からインバータ基板と平行な平面部１６１と凹部１６２を設けたが、放熱性を向上する目的のためには、スイッチング素子２３の放熱面と近接する設置面のみがハウジング１６に形成されていればよい。例えば略円筒状のハウジング１６２のごく一部を切削し、底面が平滑な凹部１６２を形成し、凹部底面とスイッチング素子２３が対向する位置に基板を配置し、基板の端部は、ピンのようなもので円弧状のハウジング表面に固定することも可能である。あるいは、ハウジング表面の一部に金属を盛って平滑な面を形成し、ここを設置面としてスイッチング素子２３と近接させて設けることも可能である。

回転電機本体の外周を覆うカバー５０は、板状の共振抑制材料を、例えば、押圧加工等を行って、所定の形状に形成したものである。さらに、カバー５０の内側には吸音材、防音材、制振材、防振材等を取り付けることにより、騒音や振動の抑制が可能となる。

本実施例では永久磁石式回転電機を用いているため、誘導式回転電機を用いた場合より小型化することが可能である。さらに、小型化によって確保できた空間にインバータを配置することで、外形サイズを大きくすることなく一体に構成することができる。サイズ比較例として図６に本実施例と同程度の出力の誘導モータの外形サイズを破線で示す。図６から明らかなように、誘導式回転電機自体の外形サイズとほぼ同等の大きさで、本実施例の一体型回転電機組立体を提供することが可能となる。

以上を踏まえると、本実施例に記載の回転電機は、ハウジング１６と、ハウジング１６の内側に位置する固定子１０と、固定子１０からの磁束を受けて回転軸１２とともに回転する回転子１１と、固定子１０の各巻線に駆動電流を供給する電力変換装置２１と、を備え、複数の電力変換装置２１は、ハウジング１６の外周に形成された異なる平面部１６１にそれぞれ位置し、第１電力変換装置２１ａが駆動電流を供給する巻線と、第２電力変換装置２１ｂが駆動電流を供給する巻線とが異なることを特徴とする。

あるいは、ハウジング１６と、ハウジング１６の内側に位置する固定子１０と、固定子１０からの磁束を受けて回転軸１２とともに回転する回転子１１と、固定子１０の各巻線に駆動電流を供給し、スイッチング素子２３を有する駆動回路２４と、駆動回路２４に制御信号を送信する制御回路２５と、を備え、複数のスイッチング素子２３は、ハウジング１６の外周に形成された異なる設置面１６２にそれぞれ位置し、設置面１６２は、スイッチング素子２３の外面のうちハウジング１６と対向する第１面に沿った形状であり、第１駆動回路が駆動電流を供給する巻線と、第２駆動回路が駆動電流を供給する巻線とは異なることを特徴とする。

このように、回転電機を構成する各巻線を制御するインバータ（あるいは駆動回路）を複数に分散させたことにより、インバータのパワースイッチング素子から発生する熱量を分散でき、より効率の良い回転電機を提供することができる。

本発明を適用した実施例２では、実施例１とインバータの数が異なる構成について説明する。なお、実施例１と共通する部分については、適宜説明を省略する。

図７には、インバータを３か所に設けた構造を示す。この構造では、固定子の巻線のセット数を３の倍数し、それぞれの巻線のセットを制御するインバータを３か所に設ける。まず、回転軸１２を中心として径方向の対向する位置にインバータ２１ａとインバータ２１ｂとが設けられ、次に端子箱４０と径方向の対向する位置にインバータ２１ｃが設けられている。

また、別の変形例を図９に示す。図９（ａ）は実施例１の模式図であり、図９（ｃ）は図７の模式図である。図９（ｂ）（ｄ）はインバータを等間隔で離間させた模式図である。本実施例の図９（ｂ）におけるインバータ２１ａとインバータ２１ｂと回転軸１２とのなす角は約１２０度とする。このようにインバータ自体が周方向に等間隔に分散して配置され、インバータ同士の間に端子箱を配置する構成としてもよい。インバータを等間隔に離間して配置することで、ハウジングに均等に熱を逃がし、インバータ間の熱干渉による熱集中を大幅に低減できる。その結果、インバータの温度上昇による信頼性低下を抑制することができる。

このように、巻線のセット数を増やし、対応するインバータの数を増やすことで、インバータ一つあたりの発熱量をさらに抑えることができる。

本発明を適用した実施例３では、実施例１とインバータを設ける軸方向の位置が異なる場合について説明する。なお、実施例１と共通する部分については説明を適宜省略する。

図１０はインバータが二つだった場合に、回転電機を端子箱４０の反対側の方向からみた模式図である。図１０（ａ）は実施例１の模式図であり、図１０（ｂ）（ｃ）はその変形例である。図１０（ｂ）では、２つのインバータを、回転軸１２を中心にして対向する面に設けるとともに、インバータの一方を反負荷側へ、他方を負荷側へずらして設ける構成を示した。

また、図１０（ｃ）ではインバータケース２６の位置は軸方向にずらさずに、内部のインバータ基板２２ａと２２ｂの向きを変え、熱源であるスイッチング素子２３の位置が軸方向にずらして設けられている。

このように、インバータ、あるいはスイッチング素子を軸方向へずらして設けることで、さらにハウジング全体に熱を効率よく逃がすことができる。

なお、図１０ではインバータが２個の場合を例示しているが、実施例２と組合せ、３個以上のインバータをそれぞれ軸方向にずらして配置するなどの構成も、当然本発明の概念に含まれる。また、本発明の回転電機は、電動機（モータ）しても発電機（ジェネレータ）としても適用することができるものである。

固定子…１０、回転子…１１、回転軸…１２、軸受…１３、エンドブラケット…１４、ファン…１５、ハウジング…１６、フィン…１７、インバータ…２１、インバータ基板…２２、パワースイッチング素子…２３、制御回路…２４、駆動回路…２５、インバータケース…２６、インバータ用内蓋…２７、端子箱…４０、Ｉ／Ｆ基板…４１、端子箱カバー…４３、カバー…５０、ファンカバー…５１、平面部…１６１、凹部…１６２。

Claims

ハウジングと、
前記ハウジングの内側に位置する固定子と、
前記固定子からの磁束を受けて回転する回転子と、
前記固定子の各巻線に駆動電流を供給する電力変換装置とを備え、
複数の前記電力変換装置が、前記ハウジングの外周で、周方向に離間した平面部にそれぞれ配置するものであり、
複数の前記電力変換装置のうちの第１電力変換装置が駆動電流を供給する巻線と、前記第１電力変換装置とは異なる第２電力変換装置が駆動電流を供給する巻線とが異なるものである回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記ハウジングが、端子台と、通信Ｉ／Ｆ基板とを格納する端子箱を備え、
複数の前記電力変換装置及び前記端子箱が、周方向に離間して配置するものである回転電機。
ハウジングと、
前記ハウジングの内側に固定された固定子と、
前記固定子からの磁束により回転する回転子と、
前記固定子の各巻線に駆動電流を供給する複数の電力変換装置と、
通信Ｉ／Ｆ基板と、を備え、
前記複数の電力変換装置及び前記通信Ｉ／Ｆ基板が、前記ハウジングの周方向に互いに離間して配置するものである回転電機。
請求項３に記載の回転電機であって、
前記ハウジングが端子箱を備えるものであり、
前記端子箱が、前記通信Ｉ／Ｆ基板を格納するものである回転電機。
請求項３に記載の回転電機であって、
前記固定子が、第１の巻線と、第２の巻線とを少なくとも有するものであり、
複数の前記電力変換装置のうちの第１電力変換装置が前記第１の巻線に、前記第１電力変換装置とは異なる第２電力変換装置が前記第２の巻線に、それぞれ電力を供給するものである回転電機。