JP6717904B2 - インバータ一体型モータ - Google Patents

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Description

本発明は、インバータ一体型モータに関し、特に、インバータの放熱構造を簡素化するインバータ一体型モータに関する。
従来の一般的な電動駆動力出力装置は、電源オン/オフをスイッチング機構とし、電圧/周波数比、キャリア周波数比、回転速度などのパラメータを変更できない三相交流誘導モータである。そのため、モータの安定性を向上させ、稼働効率を高めるためには、対応するインバータを駆動装置として一緒に使用する必要がある。そのインバータ群は、一般的に電気制御ボックスに統合され、モータに回路が配置される。一般的に、モータは工場内にあり、電気制御ボックスは工場外にあるため、配線材料や配線作業時間を多く費やしている。
IMD(Integrate Motor Drive)システムは、モータとインバータとを統合することにより、モータ及び駆動システムの部品数を減少し、モータ及び駆動システムの設置の複雑さを簡素化し、上記の欠点を改善した。しかしながら、モータの稼働中に大量に発生した熱エネルギーは、一般的に同軸で連動するファンにより冷却されるが、インバータの作動中に発生した熱エネルギーは、他のファンを追加して放熱する必要がある。そのため、既存のIMD放熱構造のサイズを縮小することが困難であり、追加のファンにも対応するコントローラが必要であるため、余分なエネルギーを消費する必要がある。
以上に鑑みて、本発明の発明者は、研究と理論の使用とによって、設計が合理的であり、有効に上記の欠点を改善、解決することができる本発明を得た。
本発明は、インバータの放熱構造を簡素化するインバータ一体型モータを提供することを目的とする。
本発明に係るインバータ一体型モータは、外枠と、前記外枠内に収容され、前記外枠内に貫設されたケーシングと、両端部がそれぞれ出力軸と連動軸とを形成するように前記ケーシングに貫設された回転軸とを備え、前記ケーシング及び前記外枠が互いに間隔をあけて配置され、前記ケーシングにより放熱空気通路が形成されるモータ本体と、前記連動軸に嵌合され、前記ケーシングを閉じるように前記ケーシングに突き合わされて配置され、外形が前記ケーシングの外形と連続するように形成されるエンドカバーと、前記回転軸と連動して回転するために前記連動軸に配置されるファンと、前記外枠の外側面に配置され、モータ制御回路基板を備えるインバータと、前記エンドカバーと前記ファンとの間に配置され、前記モータ制御回路基板に接続される伝熱モジュールと、を含み、前記モータ制御回路基板は、前記伝熱モジュールを介して前記エンドカバーと前記ファンとの間に熱を伝達し、前記ファンは、空気流が前記伝熱モジュールを通過して熱交換した後に前記エンドカバーの外表面に沿って放熱空気通路へ流入するように駆動し、前記伝熱モジュールは、前記外枠を接続し前記モータ制御回路基板を熱的に接続する伝熱台と、当該伝熱台から前記エンドカバーと前記ファンとの間に延在する複数のフィンとを含み、前記エンドカバーは、前記ケーシングから前記ファンに向かって直径が徐々に小さくなるテーパ状に形成され、前記伝熱モジュールの前記複数のフィンは、互いに平行に間隔をあけて配置され、前記エンドカバーと前記伝熱台との間に囲まれて形成され前記放熱空気通路に連通する圧縮空気通路内に収容され、前記圧縮空気通路は、前記ファンから前記ケーシングに向かって、直径が徐々に小さくなるように延びている。
本発明のインバータ一体型モータにおいて、伝熱モジュール及びエンドカバーは、一体に接続されてもよく、両者の間に断熱隙間が形成されるように互いに離間して配置されてもよい。
本発明のインバータ一体型モータにおいて、伝熱モジュールは、外枠を接続しモータ制御回路基板を熱的に接続する伝熱台と、伝熱台からエンドカバーとファンとの間に延在する複数のフィンとを含む。フィンは互いに平行に間隔をあけて配置される。各フィンは、エンドカバーの外形に合うように回転軸の軸方向に寸法が徐々に小さくなって延びていてもよい。各フィンは、末端が回転軸の水平位置を超えないように下方に延びていることが好ましい。フィンは、回転軸の周囲を取り囲むように配置される。各フィンは、エンドカバーまで延在し、エンドカバーに一体的に接続されてもよい。各フィンは、エンドカバーと互いに離間して配置され、その末端とエンドカバーとの間に断熱隙間が形成されてもよい。エンドカバーは、ケーシングからファンに向かって直径が徐々に小さくなるテーパ状に形成される。フィンは、エンドカバーと伝熱台との間に囲まれて形成され放熱空気通路に連通する圧縮空気通路内に収容される。
本発明のインバータ一体型モータにおいて、モータ制御回路基板には、トランジスタが配置され、伝熱モジュールのモータ制御回路基板に接続する位置がトランジスタに対応する。伝熱モジュールは熱拡散アセンブリを含み、熱拡散アセンブリは、伝熱台とトランジスタとの間に介在して接続され、伝熱台の表面に沿って延びている。熱拡散アセンブリは、両面がそれぞれ伝熱台とトランジスタとに熱的に接続する金属片を有してもよい。熱拡散アセンブリは、両面がそれぞれ伝熱台とトランジスタとに熱的に接続するベイパーチャンバーを有してもよい。熱拡散アセンブリは、ヒートパイプを有してもよい。ヒートパイプは、中間部に形成された蒸発部と、両端部にそれぞれ形成された凝縮部とを有する。トランジスタは、蒸発部に熱的に接続される。各凝縮部は、伝熱台に熱的に接続される。
本発明のインバータ一体型モータにおいて、ケーシングの外側には複数のフィンが延設され、複数のフィンは、互いに間隔をあけて配置され、放熱空気通路内に位置する。ケーシング上の複数のフィンは、伝熱モジュール上の複数のフィンにそれぞれ連なるように延びて配置されてもよい。ケーシング内には回転軸の周囲を取り囲むように配列された複数のモータステータが配置され、各モータステータは、ケーシングの内壁に接触してケーシングの外側の複数のフィンにそれぞれ熱的に接続される。
本発明のインバータ一体型モータは、伝熱モジュールによりモータ本体の一方側に配置されたインバータで発生した熱をファンの気流通路に伝達することで、インバータに対応する追加のファンが不要となる。
本発明の第1の実施形態に係るインバータ一体型モータを示す概略図である。 本発明の第1の実施形態に係るインバータ一体型モータを示す概略図である。 本発明の第1の実施形態に係るインバータ一体型モータの一部構造を示す概略斜視図。 本発明の第1の実施形態に係るインバータ一体型モータの一部構造を示す概略分解斜視図。 本発明の第1の実施形態に係るインバータ一体型モータにおける伝熱モジュールを示す概略分解斜視図である。 本発明の第1の実施形態に係るインバータ一体型モータにおける伝熱モジュールの熱的接続配置を示す概略図である。 本発明の第1の実施形態に係るインバータ一体型モータの他の態様を示す概略図である。 本発明の第2の実施形態に係るインバータ一体型モータを示す概略図である。 本発明の第2の実施形態に係るインバータ一体型モータを示す概略図である。
図1〜図6を参照すると、本発明の第1の実施形態に係るインバータ一体型モータは、外枠100と、モータ本体200と、エンドカバー300と、ファン400と、インバータ500と、伝熱モジュール600とを含む。
本実施形態において、外枠100は、両端が開口した方形筒体であることが好ましい。外枠100は、一端がインバータ一体型モータの出力を受ける装置(例えば、ポンプ、コンプレッサーやインペラーなど)に接続される。
モータ本体200は、外枠100内に収容されている。モータ本体200は、ケーシング210と、回転軸220と、複数のモータステータ230と、複数のモータロータ240とを備える。
本実施形態において、ケーシング210は、円筒体であることが好ましい。ケーシング210は、外枠100内に貫設され、その両端が外枠100の両端開口に対応して配置される。ケーシング210により少なくとも1つの放熱空気通路201a/201bが形成される。本実施形態において、一方の放熱空気通路201aは、ケーシング210と外枠100とが互いに間隔をあけて形成される。ケーシング210自体によりその内部には、他方の放熱空気通路201bが形成される。ケーシング210の外側には、複数のフィン211が延設されている。フィン211は、互いに間隔を開けて配置され、ケーシング210の外部の放熱空気通路201a内に位置している。ケーシング210の内壁面には、回転軸220の周囲を取り囲むように配列された複数のモータステータ230が配置されている。モータステータ230は、ケーシング210の内壁に接触してケーシング210の外側のフィン211とそれぞれ熱的に接続されている(thermal connect)。回転軸220は、ケーシング210内に貫設され、ケーシング210と同軸に配置されることが好ましい。回転軸220の両端部は、それぞれ出力軸221と連動軸222とを形成するようにケーシング210を貫通している。出力軸221は、動力を出力するためのものである。モータロータ240は、回転軸220の周囲を取り囲むように配列され、回転軸220に取り付けられ、モータステータ230は、モータロータ240を取り囲むように設けられている。
エンドカバー300は、連動軸222に嵌合され、ケーシング210を閉じるようにケーシング210に突き合わされて配置されている。エンドカバー300の外形がケーシング210の外形と連続するように形成されることが好ましい。エンドカバー300は、ケーシング210からファン400に向かって直径が徐々に小さくなるテーパ状に形成されている。
ファン400は、連動軸222に設けられ、回転軸220と連動して回転する。インバータ500は、外枠100の一方の外側面に配置され、モータ制御回路基板510を含んでいる。モータ制御回路基板510上には、トランジスタ520が配置されている(具体的には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)である)。
伝熱モジュール600は、エンドカバー300とファン400との間に配置されている。外枠100は、伝熱モジュール600の外形と連続するように形成されている。伝熱モジュール600は、ファン400の外形と連続するように形成されている。インバータ500は、外枠100及び伝熱モジュール600の外形と連続するように形成されている。
伝熱モジュール600は、モータ制御回路基板510に熱的に接続され、伝熱モジュール600のモータ制御回路基板510に接続する位置がトランジスタ520に対応している。
伝熱モジュール600は、取付台610と伝熱台620とを含んでいる。取付台610は、外枠100の連動軸222に対応する一端に固接され、エンドカバー300の少なく一部を取り囲むように設けられている。本実施形態において、外枠100がエンドカバー300の一部を取り囲み、取付台610がエンドカバー300の他部を取り囲むように設けられている。外枠100は、取付台610の外形と連続するように形成されている。エンドカバー300と伝熱台620との間には、放熱空気通路201a/201bに連通する圧縮空気通路601が形成されている。圧縮空気通路601は、ファン400からケーシング210に向かって直径が徐々に小さくなるように延びている。放熱空気通路201a/201bは、圧縮空気通路601の外形と連続するように形成されることが好ましい。ファン400は、直径が徐々に小さくなる圧縮空気通路601を通過するように空気流を駆動し、空気流が圧縮されて加速された後に放熱空気通路201a/201bに流入することにより、空気流とケーシング210との間の熱対流効率を高めることができる。伝熱台620は、取付台610の内側に配置され、取付台610とエンドカバー300との間に介在して配置されている。伝熱台620は、モータ制御回路基板510と直接的に接触又は間接的に熱的に接続されてもよい。本実施形態において、取付台610は、ポート602を有することが好ましい。伝熱台620は、ポート602を介してモータ制御回路基板510を熱的に接続することが可能である。
伝熱台620からエンドカバー300とファン400との間に延在する複数のフィン621が圧縮空気通路601内に収容されている。フィン621は、互いに平行に間隔をあけて配置されている。本実施形態において、各フィン621は、エンドカバー300と互いに離間して配置されている。各フィン621の末端とエンドカバー300との間に断熱隙間603が形成されることが好ましい。
伝熱モジュール600は、熱拡散アセンブリ630をさらに含んでもよい。熱拡散アセンブリ630は、伝熱台620とトランジスタ520との間に介在して接続され、伝熱台620の表面に沿って延びている。これにより、トランジスタ520によって形成された点熱源の発熱を伝熱台620全体に広がるように拡散することができ、点熱源を伝熱台620に入力した後に伝熱台620によって拡散することに比べ、熱エネルギーをより均一に拡散することができる。熱拡散アセンブリ630は、少なくとも1つのヒートパイプ(heat pipe)630bを含んでもよい。本実施形態において、トランジスタ520の発熱量に応じて、3つのヒートパイプ630bが配置されている。各ヒートパイプ630bは、取付台610のポート602から露出する蒸発部631bを有している。トランジスタ520は、直接接続又は間接接続により蒸発部631bに熱的に接続されている。本実施形態において、ヒートパイプ630bの蒸発部631bは、ヒートパイプ630bの中間部に形成されることが好ましい。ヒートパイプ630bの両端部は、それぞれ凝縮部632bを形成している。これにより、ヒートパイプ630bの中間部からヒートパイプ630bの両端部まで熱エネルギーを拡散することができる。蒸発部631b及び凝縮部632bが伝熱台620にそれぞれ熱的に接続されることにより、熱が均一に分散された後に伝熱台620に入力され、熱源(トランジスタ520)の位置に対応するフィン621に熱エネルギーが集中するのを防止することができる。本発明は、熱拡散アセンブリ630の形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態において、熱拡散アセンブリ630は、熱拡散板630aを含んでもよい。熱拡散板630aは、両面がそれぞれ伝熱台620とトランジスタ520とに熱的に接続する金属片であってもよい。本実施形態において、金属片の両面は、それぞれヒートパイプ630bとトランジスタ520とに直接接続されている。また、熱拡散板630aは、両面がそれぞれ伝熱台620とトランジスタ520とに熱的に接続するベイパーチャンバー(vapor chamber)であってもよい。
モータ制御回路基板510は、伝熱モジュール600を介して熱をエンドカバー300とファン400との間に伝達し、ファン400は、空気流が伝熱モジュール600を通過して熱交換した後にエンドカバー300の外表面に沿って放熱空気通路201a/201bへ流入するように駆動する。本実施形態において、伝熱モジュール600及びエンドカバー300は、互いに離間して配置され、伝熱モジュール600とエンドカバー300との間には、エンドカバー300への熱エネルギー伝達を遮断するための断熱隙間603が形成されている。これにより、熱エネルギーを圧縮空気通路601外の空気流が大きい領域に保持することができる。また、熱交換面積を拡大するために、回転軸220の熱源に対向する側とは反対側にフィン621を選択的に配置してもよい。しかし、本実施形態において、伝熱モジュール600の各フィン621は、一方の放熱空気通路201bに対応して配置されているため、圧縮空気通路601における空気流抵抗を低減するために、各フィン621の末端が回転軸220の水平位置を超えないように下方に延びている。ケーシング210のフィン211は、他方の放熱空気通路201aに対応して配置されることが好ましい。このようにして、ケーシング210のフィン211及び伝熱モジュール600のフィン621は、放熱空気通路201a/201bと圧縮空気通路601とに連通して形成された流路内に互いにずれた位置にすることができる。これにより、空気流がケーシング210上のフィン211及び伝熱モジュール600のフィン621のいずれか1つを通過することで、流れ抵抗を低減し、放熱空気通路201a/201b又は圧縮空気通路601における流れ周方向に風圧の均一分布を維持することができる。その結果、空気流が回転してフィン211/621の表面に当たって抵抗が増加してしまうことを防止するとともに、空気流とケーシング210上のフィン211との間の温度差を増加させて、流れ場の下流の熱交換効率を増加させることができる。
図7を参照すると、伝熱モジュール600の各フィン621は、限られた空間内にフィン621と空気流との熱交換面積を増加させるために、エンドカバー300のテーパ状の外形に合うように回転軸220の軸方向に寸法が徐々に小さくなって延びていてもよい。本実施形態において、ケーシング210上のフィン211は、モータステータ230内の熱エネルギーを発散するために、放射状に延びて配置されている。伝熱モジュール600のフィン621は、外枠100以外の熱エネルギーを圧縮空気通路に導入するために、その伝熱の所望方向に応じて互いに平行に延びるように配置されている。したがって、気流が異なる構成のフィン211/621を通過して流れ抵抗が増加してしまうことを防止するために、ケーシング210上のフィン211及び伝熱モジュール600のフィン621が離間して配置されている。ただし、本発明は、これに限定されるものではない。ケーシング210上のフィン211は、互いに平行に延びて配置されていてもよく、伝熱モジュール600のフィン621に連なるように延びて配置されていてもよい。
図8及び図9を参照すると、本発明の第2の実施形態に係るインバータ一体型モータは、外枠100と、モータ本体200と、エンドカバー300と、ファン400と、インバータ500と、伝熱モジュール600とを含んでいる。ここで、外枠100、モータ本体200、ファン400及びインバータ500は、上述した第1の実施の形態と同様であるので、ここでの説明は省略する。本実施形態と第1の実施形態との主な違いは、伝熱モジュール600とエンドカバー300とが一体的に接続されている点である。その具体的な構造については後述する。
伝熱モジュール600は、外枠100を接続し、モータ制御回路基板510を熱的に接続する伝熱台620と、伝熱台620からエンドカバー300とファン400との間に延在する複数のフィン621とを含んでいる。伝熱モジュール600のフィン621の少なくとも一部は、伝熱台620からエンドカバー300まで延び、エンドカバー300に一体的に接続されている。フィン621は、回転軸220の周囲を取り囲むように配置され、伝熱モジュール600の各フィン621は、エンドカバー300のテーパ状の外形に合うように、回転軸220の軸方向に寸法が徐々に小さくなって延びていてもよい。第1の実施形態で説明したように、限られた空間内にフィン621と空気流との熱交換面積を増加させるほか、伝熱モジュール600とエンドカバー300との間に凹状のノッチやバーブ状の外形を形成することを避けることができ、加工が容易になる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明にあっては種々の変形が可能であって、かかる変形は、特許請求の範囲内に含まれる変形である限り本発明の技術的範囲に含まれる。
100 外枠
200 モータ本体
201a 放熱空気通路
201b 放熱空気通路
210 ケーシング
211 フィン
220 回転軸
221 出力軸
222 連動軸
230 モータステータ
240 モータロータ
300 エンドカバー
400 ファン
500 インバータ
510 モータ制御回路基板
520 トランジスタ
600 伝熱モジュール
601 圧縮空気通路
602 ポート
603 断熱隙間
610 取付台
620 伝熱台
621 フィン
630 熱拡散アセンブリ
630a 熱拡散板
630b ヒートパイプ
631b 蒸発部
632b 凝縮部

Claims (12)

  1. 外枠と、
    前記外枠内に収容され、前記外枠内に貫設されたケーシングと、両端部がそれぞれ出力軸と連動軸とを形成するように前記ケーシングに貫設された回転軸とを備え、前記ケーシング及び前記外枠が互いに間隔をあけて配置され、前記ケーシングにより放熱空気通路が形成されるモータ本体と、
    前記連動軸に嵌合され、前記ケーシングを閉じるように前記ケーシングに突き合わされて配置され、外形が前記ケーシングの外形と連続するように形成されるエンドカバーと、
    前記回転軸と連動して回転するために前記連動軸に配置されるファンと、
    前記外枠の外側面に配置され、モータ制御回路基板を備えるインバータと、
    前記エンドカバーと前記ファンとの間に配置され、前記モータ制御回路基板に接続される伝熱モジュールと、を含み、
    前記モータ制御回路基板は、前記伝熱モジュールを介して前記エンドカバーと前記ファンとの間に熱を伝達し、前記ファンは、空気流が前記伝熱モジュールを通過して熱交換した後に前記エンドカバーの外表面に沿って放熱空気通路へ流入するように駆動し、
    前記伝熱モジュールは、前記外枠を接続し前記モータ制御回路基板を熱的に接続する伝熱台と、当該伝熱台から前記エンドカバーと前記ファンとの間に延在する複数のフィンとを含み、
    前記エンドカバーは、前記ケーシングから前記ファンに向かって直径が徐々に小さくなるテーパ状に形成され、
    前記伝熱モジュールの前記複数のフィンは、互いに平行に間隔をあけて配置され、前記エンドカバーと前記伝熱台との間に囲まれて形成され前記放熱空気通路に連通する圧縮空気通路内に収容され、
    前記圧縮空気通路は、前記ファンから前記ケーシングに向かって、直径が徐々に小さくなるように延びていることを特徴とするインバータ一体型モータ。
  2. 前記伝熱モジュールの各前記フィンは、前記エンドカバーの外形に合うように前記回転軸の軸方向に寸法が徐々に小さくなって延びていることを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  3. 前記伝熱モジュールの各前記フィンは、末端が前記回転軸の水平位置を超えないように下方に延びていることを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  4. 前記伝熱モジュールの前記複数のフィンは、前記回転軸の周囲を取り囲むように配置されることを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  5. 前記伝熱モジュールの各前記フィンは、前記エンドカバーまで延在し、前記エンドカバーに一体的に接続されることを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  6. 前記伝熱モジュールの各前記フィンは、前記エンドカバーと互いに離間して配置され、その末端と前記エンドカバーとの間に断熱隙間が形成されることを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  7. 前記モータ制御回路基板には、トランジスタが配置され、前記伝熱モジュールの前記モータ制御回路基板に接続する位置が前記トランジスタに対応することを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  8. 前記伝熱モジュールは、熱拡散アセンブリを含み、
    前記熱拡散アセンブリは、前記伝熱台と前記トランジスタとの間に介在して接続され、前記伝熱台の表面に沿って延びており、両面がそれぞれ前記伝熱台と前記トランジスタとに熱的に接続する金属片を有することを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  9. 前記伝熱モジュールは、熱拡散アセンブリを含み、
    前記熱拡散アセンブリは、前記伝熱台と前記トランジスタとの間に介在して接続され、前記伝熱台の表面に沿って延びており、両面がそれぞれ前記伝熱台と前記トランジスタとに熱的に接続するベイパーチャンバーを有することを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  10. 前記伝熱モジュールは、熱拡散アセンブリを含み、
    前記熱拡散アセンブリは、前記伝熱台と前記トランジスタとの間に介在して接続され、前記伝熱台の表面に沿って延びており、ヒートパイプを有し、
    前記ヒートパイプは、中間部に形成された蒸発部と、両端部にそれぞれ形成された凝縮部とを有し、
    前記トランジスタは、前記蒸発部に熱的に接続され、
    各前記凝縮部は、前記伝熱台に熱的に接続されることを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  11. 前記ケーシングの外側には、複数のフィンが延設され、
    前記ケーシングの前記複数のフィンは、互いに間隔をあけて配置され、前記放熱空気通路内に位置し、
    前記ケーシング内には、前記回転軸の周囲を取り囲むように配列された複数のモータステータが配置され、
    各前記モータステータは、前記ケーシングの内壁に接触して前記ケーシングの外側の前記ケーシングの前記複数のフィンにそれぞれ熱的に接続されることを特徴とする請求項に記載のインバータ一体型モータ。
  12. 前記ケーシング前記複数のフィンは、前記伝熱モジュール前記複数のフィンにそれぞれ連なるように延びて配置されることを特徴とする請求項11に記載のインバータ一体型モータ。
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