WO2017208675A1

WO2017208675A1 - モータ装置

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Publication number: WO2017208675A1
Application number: PCT/JP2017/016086
Authority: WO
Inventors: 櫻井　直樹; 博洋床井; 榎本　裕治
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2017-12-07
Also published as: JP6794441B2; EP3468011A4; JPWO2017208675A1; EP3468011A1; EP3468011B1

Abstract

モータ制御装置を冷却する冷却ファンの冷却風をモータの冷却にも使うことにより、モータとモータ制御装置の冷却装置の共有化による低コスト化を図る。モータと、前記モータを制御するモータ制御装置を備えるモータ装置であって、外周に、モータの回転軸方向に伸びる複数のモータ筐体冷却フィンを備え、前記モータを格納するモータ筐体と、前記モータ筐体の反負荷側に設けられ、前記モータ制御装置を格納するモータ制御装置筐体と、前記モータ制御装置筐体の反負荷側に設けられたモータ制御装置冷却フィンと、前記モータ制御装置冷却フィンの反負荷側に設けられた冷却ファンと、前記モータ制御装置冷却フィンに吹き付けた前記冷却ファンの冷却風を、前記モータ筐体冷却フィンに導く風洞カバーと、を備える。

Description

モータ装置

　本発明は、モータとモータ制御装置を一体化したモータ装置に関する。

　地球温暖化対策として、二酸化炭素の削減が世界中で強く求められている。二酸化炭素削減のためには、電力の有効活用すなわち電力機器の高効率化が求められている。世界の電力消費量のうちモータは約５０％を占め、モータの高効率化の要求は強く、各国でモータ効率の規制値が導入されている。

　モータには従来安価で故障しにくい誘導電動機が広く使われてきた。一方、効率及び小型化の面では永久磁石モータが有利なため、自動車、家電を中心に現在では永久磁石モータが広く使われている。ところで、永久磁石モータは固定子の回転磁界の位置と回転子の位置が完全に一致しないと正常に回転しないという問題があり、これを解決するためモータ制御装置（インバータ）が必要である。

　インバータとモータの両者を別々に設けると装置が大型化するため、特許文献１～３に示すようにモータの反負荷側にインバータを設ける構造が提案されている。

特開平１０－２７１７６３号公報特開平１１－１５５２５７号公報特開平１１－３１３４６５号公報

　特許文献１～３において、インバータは、冷却ファン及びインバータ筺体に設けられた冷却フィンにより冷却される。一方、特許文献１、２ではモータを冷却する手段を設けずに、モータからの熱をインバータに伝えないために断熱材を設けており、コストがかかる。特許文献３では、ヒートパイプでモータを冷却しており、やはりコストがかかる。

　本発明は、モータ制御装置を冷却する冷却ファンの冷却風をモータの冷却にも使うことにより、モータとモータ制御装置の冷却装置の共有化による低コスト化を図ることを目的とする。

　上記課題を解決するための、本発明の「モータ装置」の一例を挙げれば、モータと、前記モータを制御するモータ制御装置を備えるモータ装置であって、外周に、モータの回転軸方向に伸びる複数のモータ筐体冷却フィンを備え、前記モータを格納するモータ筐体と、前記モータ筐体の反負荷側に設けられ、前記モータ制御装置を格納するモータ制御装置筐体と、前記モータ制御装置筐体の反負荷側に設けられたモータ制御装置冷却フィンと、前記モータ制御装置冷却フィンの反負荷側に設けられた冷却ファンと、前記モータ制御装置冷却フィンに吹き付けた前記冷却ファンの冷却風を、前記モータ筐体冷却フィンに導く風洞カバーと、を備えるモータ装置である。

　また、本発明の「モータ装置」の他の一例を挙げれば、モータと、前記モータを制御するモータ制御装置を備えるモータ装置であって、前記モータと、前記モータの反負荷側に配置される前記モータ制御装置とを格納する単一の筐体と、前記筐体の外周に配置され、モータの回転軸方向に伸びる複数の筐体冷却フィンと、前記筐体の反負荷側に設けられたモータ制御装置冷却フィンと、前記モータ制御装置冷却フィンの反負荷側に設けられた冷却ファンと、前記モータ制御装置冷却フィンに吹き付けた前記冷却ファンの冷却風を、前記筐体冷却フィンに導く風洞カバーを備え、前記筐体の外周に配置される筐体冷却フィンは、モータの外側からモータ制御装置の外側に渡って設けられているモータ装置である。

　本発明によれば、モータ制御装置を冷却する冷却ファンの冷却風をモータの冷却にも使うことができ、モータとモータ制御装置の冷却装置の共有化による低コスト化を図ることができる。

３相交流を受電し、３相永久磁石モータを駆動する制御装置のブロック回路図の一例である。本発明の実施例１のモータ装置を示す図である。本発明の実施例１のモータ装置のインバータ冷却フィンを示す表面図である。図２ＢのＢ－Ｂ’断面図である。図２ＡのＡ－Ａ’断面図である。本発明の実施例２のモータ装置を示す図である。本発明の実施例３のモータ装置を示す図である。本発明の実施例４のモータ装置のインバータ冷却フィンを示す表面図である。図５ＡのＡ－Ａ’断面図である。図５ＡのＢ－Ｂ’断面図である。本発明の実施例４のモータ装置のインバータ冷却フィンの変形例を示す表面図である。３相交流を受電し、３相永久磁石モータを駆動する制御装置の他のブロック回路図である。本発明の実施例５のモータ装置を示す図である。

　以下、本発明の複数の実施例を、図面を用いて説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

　実施例の説明に先立ち、本発明のモータ装置に用いられるモータ制御装置を説明する。
図１に、３相交流を受電し、３相永久磁石モータを駆動する制御装置（インバータ）のブロック回路図の一例を示す。ダイオード１ａ～1ｆは３相のダイオードブリッジを構成している。ダイオード１ａのアノードと、１ｂのカソードは３相のＲ相入力と接続している。同様にダイオード１ｃのアノードと、１ｄのカソードはＳ相入力、ダイオード１ｅのアノードと、１ｆのカソードはＴ相入力と接続している。交流はダイオード１ａ～1ｆで構成される３相のダイオードブリッジにより全波整流され、さらに平滑コンデンサ２ａ、２ｂによりリップル成分が取り除かれ直流となる。

　ＩＧＢＴ３ａ～３ｆのコレクタにはダイオード４ａ～４ｆのカソードが、ＩＧＢＴ３ａ～３ｆのエミッタにはダイオード４ａ～４ｆのアノードが接続されている。ＩＧＢＴ３ａ、３ｃ、３ｅのコレクタはダイオード１ａ、１ｃ、１ｅ及び平滑コンデンサ２ａ、２ｂと接続され、ＩＧＢＴ３ｂ、３ｄ、３ｆのエミッタはダイオード１ｂ、１ｄ、１ｆ及び平滑コンデンサ２ａ、２ｂ接続されている。ＩＧＢＴ３ａ～３ｆのゲートにはゲート駆動回路５ａ～５ｆが接続している。ＩＧＢＴ３ａのエミッタとＩＧＢＴ３ｂのコレクタはモータ５のＷ相と接続している。同様に、ＩＧＢＴ３ｃのエミッタとＩＧＢＴ３ｄのコレクタはモータ５のＶ相、ＩＧＢＴ３ｅのエミッタとＩＧＢＴ３ｆのコレクタはモータ５のＵ相と接続している。

　図１では、ダイオード１ａ～１ｆ、ＩＧＢＴ３ａ～３ｆ及びダイオード４ａ～４ｆは１つのパワー半導体のモジュール３０に格納されている。

　モータ５のＷ相とＩＧＢＴ３ａのエミッタとＩＧＢＴ３ｂのコレクタ間の配線には電流センサ８ａが、モータ５のＵ相とＩＧＢＴ３ｅのエミッタとＩＧＢＴ３ｆのコレクタ間の配線には電流センサ８ｂが設けられている。

　マイコン６は外部からのトルク指令値と電流センサ８ａ、８ｂの電流情報を元にＩＧＢＴ３ａ～３ｆを駆動するＰＷＭ信号を発生する。マイコン６とゲート駆動回路５ａ～５ｆ間には、絶縁のためにフォトカプラ７ａ～７ｆが設けられている。

　インバータは、前記ダイオード１ａ～１ｆ、平滑コンデンサ２ａ、２ｂ、ＩＧＢＴ３ａ～３ｆ、ダイオード４ａ～４ｆ、ゲート駆動回路５ａ～５ｆ、マイコン６、電流センサ８ａ、８ｂ、フォトカプラ７ａ～７ｆ、および図１には記載していないがゲート駆動回路及びマイコン用の電源回路で構成されている。

　図２Ａ～図２Ｄに、本発明の実施例１のモータ装置を示す。図２Ａは、モータ装置の回転軸方向の断面図（図２ＢのＢ－Ｂ’断面図）である。電磁鋼板２０ａ、ｂには配線２１ａ、ｂ、ｃ、ｄが巻かれており電磁鋼板２０ａ、ｂ、配線２１ａ、ｂ、ｃ、ｄで固定子を構成している。ケース２３ａ、２３ｂには磁石２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄが納められており、ケース２３ａ、２３ｂ、磁石２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄにより回転子を構成している。固定子及び回転子は、モータ筺体１００に納められている。モータ筺体１００の表面には、モータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂが設けられている。図２ＤのＡ－Ａ’断面図に示すように、モータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂはモータの円周に沿って複数、モータの回転軸１０３方向に設けられている。ケース２３ａ、２３ｂと、負荷につながるモータ回転軸１０３が接続されている。モータ筺体１００と、図２Ａにおいてモータ左端部にはベアリング１０６ｂが設けられ、モータ回転軸１０３を支えている。モータ筺体１００は、フランジ１０２とねじ１０７ａ、ｂにて接続されている。モータ回転軸１０３は、フランジ１０２に接続したベアリング１０６ａにて支持されている。フランジ１０２は、ボルト穴１０８ａ、ｂにより図には記載されていない装置に固定される。

　モータ筺体１００のモータ回転軸１０３の反対側（反負荷側）には、インバータ筺体１１０がボルト１１１ａ、ｂによりモータ筺体１００と接続されている。インバータ筺体１１０の裏面（反負荷側）には、インバータ冷却フィン１１２がボルト１１３ａ、ｂにより接続されている。インバータ冷却フィン１１２には、台座４０ａ、ｂを介して冷却ファン４１が設けられている。図２Ｂはインバータ冷却フィン１１２を図２Ａの左側から見た時の表面図、図２Ｃはインバータ冷却フィン１１２の回転軸方向の断面図である。台座４０ａ、ｂはねじ穴１１４ａ～１１４ｈに取り付けられている。インバータ冷却フィン１１２の冷却ファンと反対側は平らになっており、シリコングリス等の熱伝導性が高く粘度の高い物質を介して、パワー半導体のモジュール３０が取り付けられている。パワー半導体のモジュール３０上にはプリント基板５０が設けられ、コンデンサ２ａ、２ｂ、マイコン６、図２Ａには記載していないが、電流センサ８ａ、８ｂ、フォトカプラ７ａ～７ｆ、ゲート駆動回路及びマイコン用の電源回路が搭載されている。

　冷却ファン４１、インバータ筺体１１０、モータ筺体１００を覆う風洞カバー２００が設けられている。風洞カバー２００は、インバータ冷却フィン１１２及びインバータ筐体１１０を覆い、モータの反負荷側のモータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂの端部まで伸びている。風洞カバー２００を更に伸ばしてモータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂを覆うようにしてもよいが、風洞カバー２００を伸ばすと、風洞カバーの振動が大きくなり、強固な支持部材が必要となる。風洞カバーの覆う長さをモータの反負荷側のモータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂの端部までとすることにより、冷却ファンの冷却風によりモータの冷却も行うことができるとともに、風洞カバーの振動を抑えて風洞カバーの支持を簡易にすることができる。

　本実施例は、次のように動作する。モータ制御をするとパワー半導体のモジュール３０に電流が流れ、モジュール３０が発熱する。この熱をインバータ冷却フィン１１２に伝え、冷却ファン４１からの冷却風により放熱する。冷却ファン４１の冷却風は、風洞カバー２００により、インバータ冷却フィン１１２からインバータ筐体１１０の外側を通ってモータ筺体１００のモータ筐体冷却フィン１０１ａ、ｂにも流れ、モータの固定子および回転子を冷却する。パワー半導体のモジュール３０およびそれを冷却するインバータ冷却フィン１１２をモータから離すことで、モータの固定子及び回転子からの熱の影響を受けにくくなるとともに、冷却ファン４１の冷却風を、インバータの冷却に加えてモータの冷却にも使うことができ、モータとインバータ（制御装置）の冷却装置の共有化による低コスト化を図ることができる。

　図３は、本発明の実施例２のモータ装置を示す図である。インバータ筺体１１０には、インバータ筺体冷却フィン１１５ａ、ｂが設けられている。インバータ筺体冷却フィン１１５ａ、ｂはインバータ筺体の円周に沿って複数、モータの回転軸１０３方向に設けられている。ところで、パワー半導体のモジュール３０以外のコンデンサ２ａ、ｂ、マイコン６他の電子部品も、モジュール３０に比べれば１／１００以下であるが、発熱する。その熱により、インバータ筺体１１０内の温度が上昇する。その熱をインバータ筐体冷却フィン１１５ａ、ｂを設けることで、冷却ファン４１の冷却風により放熱することができ、インバータ筺体１１０内の温度上昇を抑制できる。

　なお、インバータ筺体冷却フィン１１５ａ、ｂの円周方向の間隔と、モータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂの円周方向の間隔を同じにし、インバータ筺体冷却フィンとモータ筺体冷却フィンの冷却風の通路が整列するようにすると、冷却ファン４１からの冷却風が効率よくインバータ筺体冷却フィン１１５ａ、ｂからモータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂへ伝わるため、モータをさらに効率よく冷却することができる。

　図４は、本発明の実施例３のモータ装置を示す図である。モータ筐体およびインバータ筺体は一つの筺体１２０で構成されている。筺体１２０の表面には、モータ部からインバータ部に渡って連続する筐体冷却フィン１２１ａ、ｂが設けられている。筐体冷却フィン１２１ａ、ｂはモータの円周に沿って複数、モータの回転軸１０３方向に設けられている。風洞カバー２００は、インバータ冷却フィン１１２を覆い、モータの反負荷側の筐体冷却フィン１２１ａ、ｂの端部まで延びている。風洞カバー２００を更に伸ばして筐体冷却フィン１２１ａ、ｂを覆うようにしてもよいが、風洞カバーの覆う長さをモータの反負荷側の筐体冷却フィン１２１ａ、ｂの端部までとすることにより、風洞カバーの振動を抑えて風洞カバーの支持を簡易に行うことができる。

　本実施例によれば、モータ筐体およびインバータ筺体を共通化して単一の筐体とすることで、１つの金型で筺体を作ることができ、モータ筐体およびインバータ筺体の接続部が無くなることで、筺体のコストを抑えることができる。また、筐体冷却フィン１２１ａ、ｂはインバータ部からモータ部までつながっており、冷却風は筐体冷却フィン１２１ａ、ｂ間を通って流れるため冷却性能が向上する。さらに、風洞カバーをモータ部まで設ける必要がなくなり、さらに低コスト化を図ることができる。

　図５Ａ～図５Ｃは、本発明の実施例４のモータ装置を示す図である。図５Ａはインバータ冷却フィン１１６を図４の左側から見た時の表面図、図５Ｂは図５ＡのＡ－Ａ’断面図、図５Ｃは図５ＡのＢ－Ｂ’断面図である。図５Ａに示されるように、インバータ冷却フィン１１６のフィンは図の上下方向に加えて左右方向にも設けられている。

　図２Ｂでは、インバータ冷却フィン１１２のフィンは図の上下方向のみに設けられ、冷却風は主に上下方向のみに流れ、風洞カバー２００によって曲げられてモータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂに達する。本実施例では、インバータ冷却フィン１１６のフィンは図の上下方向および左右方向に設けられているため、冷却風は上下方向だけではなく左右方向にも流れる。そのため、風洞カバー２００によって曲げられてモータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂに達する風量を増加し、冷却性能を向上することができる。

　図６に、実施例４の変形例を示す。図に示すように、この変形例では、インバータ冷却フィン１１６のフィンは、中心から半径方向の外側に向かって放射状に設けられている。この変形例においても、実施例４と同様に、モータ筺体冷却フィン１０１ａ、ｂに達する風量を増加し、冷却性能を向上することができる。

　図７に、３相交流を受電し、３相永久磁石モータを駆動する制御装置（インバータ）の他のブロック回路図を示す。図７では、ダイオード１ａ～１ｆから構成される３相のダイオードブリッジは１つの整流ダイオードモジュール３１に、ＩＧＢＴ３ａ～３ｆおよびダイオード４ａ～４ｆは１つのスイッチング半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）３２に格納されている。

　図８は、本発明の実施例５のモータ装置を示す図である。本発明の実施例１～３ではダイオード１ａ～１ｆ、ＩＧＢＴ３ａ～３ｆ及びダイオード４ａ～４ｆは１つのパワー半導体のモジュール３０に格納されていたため、モジュールが大きく、このためモジュール３０中心部の放熱量が小さく、温度上昇が大きいという問題があった。本実施例では、整流ダイオードモジュール３１とスイッチング半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）３２は距離を離して、インバータ冷却フィン１１２あるいは１１６に設けられている。このため、モジュールが小型化するとともに放熱が分散されるため、よりインバータ冷却フィン１１２あるいは１１６の冷却効率が向上し、ダイオード１ａ～１ｆ、ＩＧＢＴ３ａ～３ｆ及びダイオード４ａ～４ｆの温度上昇を抑制することができる。

　なお、各実施例では「永久磁石モータ」について説明したが、本発明は、「誘導モータ」など、その他のモータにも適用できる。

１ａ～１ｆ：ダイオード
２ａ、２ｂ：コンデンサ
３ａ～３ｆ：ＩＧＢＴ
４ａ～４ｆ：ダイオード
５：モータ
５ａ～５ｆ：ゲート駆動回路
６：マイコン
７ａ～７ｆ：フォトカプラ
８ａ、８ｂ：電流センサ
２０ａ、ｂ：電磁鋼板
２１ａ、ｂ：配線
２３ａ、２３ｂ:ケース
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ：磁石
３０：パワー半導体のモジュール
３１：整流ダイオードモジュール
３２：スイッチング半導体モジュール
４０ａ、ｂ：台座
４１：冷却ファン
５０：プリント基板
１００：モータ筺体
１０１ａ、ｂ：モータ筺体冷却フィン
１０２：フランジ
１０３：モータ回転軸
１０６ａ、ｂ：ベアリング
１１０：インバータ筺体
１１２：インバータ冷却フィン
１１５ａ、ｂ：インバータ筺体冷却フィン
１１６：インバータ冷却フィン
１２０：筺体
１２１ａ、ｂ：筐体冷却フィン
２００：風洞カバー

Claims

　モータと、前記モータを制御するモータ制御装置を備えるモータ装置であって、
　外周に、モータの回転軸方向に伸びる複数のモータ筐体冷却フィンを備え、前記モータを格納するモータ筐体と、
　前記モータ筐体の反負荷側に設けられ、前記モータ制御装置を格納するモータ制御装置筐体と、
　前記モータ制御装置筐体の反負荷側に設けられたモータ制御装置冷却フィンと、
　前記モータ制御装置冷却フィンの反負荷側に設けられた冷却ファンと、
　前記モータ制御装置冷却フィンに吹き付けた前記冷却ファンの冷却風を、前記モータ筐体冷却フィンに導く風洞カバーと、
　を備えるモータ装置。
　請求項１に記載のモータ装置において、
　前記風洞カバーは、前記モータ筐体冷却フィンの、反負荷側の端部まで配置されているモータ装置。
　請求項１に記載のモータ装置において、更に、
　前記モータ制御装置筺体の外周に、モータの回転軸方向に伸びる複数のモータ制御装置筐体冷却フィンを備え、前記風洞カバーが前記モータ制御装置筐体冷却フィンを覆っているモータ装置。
　請求項３に記載のモータ装置において、
　前記モータ筺体冷却フィンと、前記モータ制御装置筺体冷却フィンの円周方向の間隔が等しく、前記モータ筺体冷却フィンと前記モータ制御装置筺体冷却フィンの冷却風の通路が整列しているモータ装置。
　請求項３に記載のモータ装置において、
　前記モータ筐体と前記モータ制御装置筐体とは一体として１つの筐体で形成され、
　前記モータ筺体冷却フィンと前記モータ制御装置筺体冷却フィンとは一体に形成されているモータ装置。
　請求項１から請求項５の何れか１項に記載のモータ装置において、
　前記モータ制御装置冷却フィンが上下方向および左右方向に設けられているモータ装置。
　請求項１から請求項５の何れか１項に記載のモータ装置において、
　前記モータ制御装置冷却フィンが、中心から半径方向の外側に向けて放射状に設けられているモータ装置。
　請求項１から請求項５の何れか１項に記載のモータ装置において、
　モータ制御装置を構成するパワー半導体のモジュールが、前記モータ制御装置冷却フィンに取り付けられているモータ装置。
　請求項８に記載のモータ装置において、
　前記モータ制御装置を構成するパワー半導体のモジュールが、整流ダイオードモジュールとスイッチング半導体モジュールに分かれて、前記モータ制御装置冷却フィンに取り付けられているモータ装置。
　モータと、前記モータを制御するモータ制御装置を備えるモータ装置であって、
　前記モータと、前記モータの反負荷側に配置される前記モータ制御装置とを格納する単一の筐体と、
　前記筐体の外周に配置され、モータの回転軸方向に伸びる複数の筐体冷却フィンと、
　前記筐体の反負荷側に設けられたモータ制御装置冷却フィンと、
　前記モータ制御装置冷却フィンの反負荷側に設けられた冷却ファンと、
　前記モータ制御装置冷却フィンに吹き付けた前記冷却ファンの冷却風を、前記筐体冷却フィンに導く風洞カバーを備え、
　前記筐体の外周に配置される筐体冷却フィンは、モータの外側からモータ制御装置の外側に渡って設けられているモータ装置。
　請求項１０に記載のモータ装置において、
　前記風洞カバーは、前記筐体冷却フィンの、反負荷側の端部まで配置されているモータ装置。
　請求項１０に記載のモータ装置において、
　前記モータ制御装置冷却フィンが上下方向および左右方向に設けられているモータ装置。
　請求項１０に記載のモータ装置において、
　前記モータ制御装置を構成するパワー半導体のモジュールが、整流ダイオードモジュールとスイッチング半導体モジュールに分かれて、前記モータ制御装置冷却フィンに取り付けられているモータ装置。