JP6398400B2 - 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動変換装置一体型電動機が知られている。このような電力変換装置一体型電動機としては、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。この電力変換装置一体型電動機は、電動機を収納する電動機側筐体と電力変換装置を収納する電力変換装置側筐体が連結され、両者の連結部分に、電動機で回転される内部ファンを配置している。この内部ファンにより、外気が電力変換装置側筐体の内部に吸引され、電力変換装置側筐体の内部空間を通過して内部ファンに至り、内部ファンの外周壁から外部に排出される。これにより、電力変換装置側筐体の内部空間内の電力変換装置が冷却される。

特開２００９−１２４８２９号公報

ところで、特許文献１では、内部ファンは電力変換装置側筐体を仕切る仕切り板と電動機側筐体を密閉する密閉板の間の空間に配置されている。しかしながら、電力変換装置側筐体の内部に外気を吸引するための開口部や、電力変換装置側筐体の内部空間を通過した空気を内部ファン側に吸引するための開口部が設けられており、電力変換装置側筐体は密閉されていない。電力変換装置側筐体が密閉されていないと、内部の配線基板の防塵・防水性を画することができない。一方、電力変換装置側筐体を密閉することは容易であるが、そのようにすると、内部ファンを設けても外気は電力変換装置側筐体の内部に吸引されないし、電力変換装置側筐体の内部空間の空気も外部に排出されないので、電力変換装置の冷却効率が低下する。
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を密閉しながら電力変換装置の冷却効率を向上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。

上記課題を達成するために、本発明の一態様によれば、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、前記電動機を収納する電動機側筐体と、前記電動機側筐体に連結され、前記電力変換装置を収納する電力変換装置側筐体と、前記電動機側筐体及び前記電力変換装置側筐体を連結する連結部を有し、前記連結部に形成され且つ前記電動機側筐体及び前記電力変換装置側筐体の夫々を密閉する密閉板が二重構造となっている二重密閉板構造と、前記二重構造の前記密閉板の間で前記連結部に形成され、前記電動機の回転軸の径方向に対向して前記連結部の外部及び前記二重構造の前記密閉板の間を連通する２個一対の連通孔と、を備え、前記連結部は、２個一対の前記連通孔の一方の側から他方の側にかけて発生する自然対流の流れに接触可能となるように前記電動機の回転軸の径方向に沿って形成された複数の内部フィンを有する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、二重密閉板構造の二重構造の密閉板によって電力変換装置側筐体及び電動機側筐体の夫々を密閉すると共に、連通孔を上下方向に位置することで生じる自然対流が二重構造の密閉板間に生じ、電力変換装置の冷却効率が向上する。

本発明の電力変換装置一体型電動機の第１実施形態を示す縦断面図である。 図１の筐体連結部材兼蓋部材の縦断面図である。 本発明の電力変換装置一体型電動機の第２実施形態を示す縦断面図である。 図３の筐体連結部材兼蓋部材の横断面図である。 本発明の電力変換装置一体型電動機の第３実施形態を示す筐体連結部材兼蓋部材の横断面図である。 本発明の電力変換装置一体型電動機の比較例を示す縦断面図である。 図６の筐体連結部材兼蓋部材の横断面図である。

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縦断面を示す図１では、図の左側に電力変換装置１が、図の右側に電動機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、凡そ円筒形であり、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では、電動機２の回転軸６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１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二枚の密閉板５ｉ、５ｍが二重構造に形成されている。この二重の密閉板５ｉ、５ｍは、筐体連結部材兼蓋部材５の内部を軸方向に密閉するように二枚平行に配置され、図１の左側が電力変換装置側密閉板５ｉ、図１の右側が電動機側密閉板５ｍとなっている。電動機側筐体４は、図１の左方端部の開口部が筐体連結部材兼蓋部材５の電動機側密閉板５ｍ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６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７で回転自在に支持されている。この回転軸６は、図１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おり、ここから出力の取出しが行われる。

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６の外周にロータコア８が一体的に形成され、ロータコア８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９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９に電力を供給することで回転軸６が回転される。また、例えばステータコア９への供給電力を調整することにより、回転軸６の回転状態を調整することが可能となる。なお、電動機側筐体４の周壁部４ｂの外側には、放熱用のフィン１７が多数形成されている。

一方、電力変換装置側筐体３は、円板状の底板部３ａが図１の左方に配置され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の電力変換装置側密閉板５ｉ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１０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１１が収納されている。このインバータモジュール１１は、例えば交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部や、電動機の回転軸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ステータコア９に供給する電力を調整することで、電動機２の回転軸６の回転状態を制御する。

このインバータモジュール１１は、実装基板１２上に形成されている。この実装基板１２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。この実装基板１２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１３にビスなどの固定具１４を介して固定されている。この実装基板１２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。例えば電子部品の損失などによって発生する熱は、電力変換装置側筐体３の内部空間から電力変換装置側筐体３や電力変換装置側密閉板５ｉに伝熱される。なお、実装基板１２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以上の実装基板１２を組合せて用いることもできる。また、電力変換装置側筐体３の周壁部３ｂ及び底板部３ａの外側にも、放熱用のフィン１７が多数形成されている。

前述のように、電力変換装置側筐体３と電動機側筐体４の連結部を構成する筐体連結部材兼蓋部材５には、電力変換装置側密閉板５ｉと電動機側密閉板５ｍの二枚の密閉板が二重構造に形成され、二重密閉板構造を構成している。そして、二枚の密閉板５ｉ、５ｍの間で、筐体連結部材兼蓋部材５の周壁部５には、筐体連結部材兼蓋部材５の外部と二重構造の密閉板５ｉ、５ｍの間を連通する連通孔１５が形成されている。図２は、筐体連結部材兼蓋部材５を連通孔１５の部分で切断した縦断面図であるが、同図から明らかなように、筐体連結部材兼蓋部材５の外部と二重構造の密閉板５ｉ、５ｍの間を連通する連通孔１５は、電動機２の回転軸６の径方向に対向して２個一対で形成されている。従って、図１に示すように、この２個一対の連通孔１５が上下になるように電力変換装置一体型電動機を配置することで、上下方向の自然対流が下側の連通孔１５から二枚の密閉板５ｉ、５ｍの間に流れ込み、更に上側の連通孔１５から外部に流れ出る。この自然対流によって、二枚の密閉板５ｉ、５ｍが冷却されるので、電力変換装置側筐体３の内部空間及び電動機側筐体４の内部空間が冷却される。

図６は、例えば第１実施形態の比較例として、密閉板５ａが一枚だけの電力変換装置一体型電動機の縦断面図であり、図７は、その筐体連結部材兼蓋部材５の縦断面図である。つまり、この比較例では、一枚の密閉板５ａが、電力変換装置側筐体３の開口部を密閉する役割と電動機側筐体４の開口部を密閉する役割を担う。この比較例でも、一枚の密閉板５ａで電力変換装置側筐体３も電動機側筐体４も密閉することができるが、両者の間には隙間がないので、密閉板５ａを冷却することはできない。そのため、密閉板５ａを介して、電力変換装置側筐体３の内部空間を冷却することも電動機側筐体４の内部空間を冷却することもできない。

以上のように、第１実施形態の電力変換装置一体型電動機では、筐体連結部材及び蓋部材５に形成された二重構造の密閉板５ｉ、５ｍによって電力変換装置側筐体３及び電動機側筐体４の夫々を密閉することができる。また、電動機２の回転軸６の径方向に対向する連通孔１５を二重構造の密閉板５ｉ、５ｍの間で筐体連結部材兼蓋部材５に形成したことにより、連通孔１５を上下方向に位置することで生じる自然対流が二重構造の密閉板５ｉ、５ｍ間に生じ、その結果、電力変換装置側密閉板５ｉ及び電動機側密閉板５ｍが冷却され、電力変換装置１の冷却効率が向上する。

次に、本発明の電力変換装置一体型電動機の第２実施形態について図３、図４を用いて説明する。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付して、その詳細な説明を省略する。第２実施形態の電力変換装置一体型電動機の縦断面を示す図３では、電力変換装置側密閉板５ｉと電動機側密閉板５ｍの間に、放熱用の内部フィン１６が多数形成されている。この内部フィン１６は、図４に示すように、対をなす２つの連通孔１５が形成されている電動機２の回転軸６の径方向に沿って形成されている。また、この内部フィン１６は、電力変換装置側密閉板５ｉと電動機側密閉板５ｍを連結するように形成されている。つまり、電力変換装置側密閉板５ｉにも電動機側密閉板５ｍにも接合するように内部フィン１６が形成されている。

この実施形態では、第１実施形態同様に、２個一対の連通孔１５が上下になるように電力変換装置一体型電動機を配置することで、上下方向の自然対流が下側の連通孔１５から二枚の密閉板５ｉ、５ｍの間に流れ込み、更に上側の連通孔１５から外部に流れ出る。このとき、放熱用の内部フィン１６は、対をなす２つの連通孔１５が形成されている電動機回転軸径方向に沿って形成されている、つまり自然対流の方向に沿って形成されているので、この自然対流によって、内部フィン１６が冷却され、この内部フィン１６に連結している二枚の密閉板５ｉ、５ｍが冷却されるので、電力変換装置側筐体３の内部空間及び電動機側筐体４の内部空間がより効率よく冷却される。

以上のように、第２実施形態の電力変換装置一体型電動機では、第１実施形態の効果に加えて、対向する連通孔１５の一方の側から他方の側にかけて通風可能な内部フィン１６を筐体連結部材兼蓋部材５に形成し、その内部フィン１６が電力変換装置側密閉板５ｉ及び電動機側密閉板５ｍの双方に接合していることにより、電力変換装置側筐体３の内部空間及び電動機側筐体４の内部空間がより効率よく冷却され、電力変換装置１の冷却効率がより一層向上する。

次に、本発明の電力変換装置一体型電動機の第３実施形態について図５を用いて説明する。第３実施形態の電力変換装置一体型電動機は、第２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付して、その詳細な説明を省略する。第３実施形態の電力変換装置一体型電動機でも、第２実施形態と同様に、電力変換装置側密閉板５ｉと電動機側密閉板５ｍの間に、放熱用の内部フィン１６が多数形成されている。この内部フィン１６は、図５に示すように、対をなす２つの連通孔１５を連絡するようにして、電力変換装置側密閉板５ｉにも電動機側密閉板５ｍにも接合して形成されている。

そして、この実施形態では、それらの内部フィン１６は、対向する２つの連通孔１５の中間位置で電動機２の回転軸径方向外側に凸になるように湾曲されている。また、この内部フィン１６は、電動機２の回転軸径方向内側に形成されるものほど曲率半径が大きい。従って、２個一対の連通孔１５が上下になるように電力変換装置一体型電動機を配置することで、上下方向の自然対流が下側の連通孔１５から二枚の密閉板５ｉ、５ｍの間に流れ込み、内部フィン１６の間を通って上側の連通孔１５から外部に流れ出る。このとき、内部フィン１６の中間部分が電動機２の回転軸径方向外側に凸になるように湾曲され且つ電動機２の回転軸径方向内側の内部フィン１６ほど曲率半径を大きくしていることで、内部フィン１６の間を通る空気によって電力変換装置側密閉板５ｉ及び電動機側密閉板５ｍのより広い範囲が冷却されることになり、電力変換装置側筐体３の内部空間及び電動機側筐体４の内部空間がより効率よく冷却され、電力変換装置１の冷却効率が更により一層向上する。

なお、各実施形態では、２個一対の連通孔１５を一対のみ形成したものについて説明したが、連通孔１５の形成数は二対以上であってもよい。
また、先の実施形態では、筐体連結部材兼蓋部材５によって本発明の二重密閉板構造を構成したが、本発明の二重密閉板構造の態様は、これに限定されるものではない。例えば、先の実施形態では、電力変換装置１を収納する電力変換装置側筐体３と電動機２を収納する電動機側筐体４とを別体とし、これらを筐体連結部材兼蓋部材５で連結する構成としたが、電動機側筐体と電力変換装置側筐体とが二重密閉板構造の連結部で連結された一体構造であってもよい。その場合、電動機側筐体の電力変換装置側端部を密閉する密閉板と電力変換装置側筐体の電動機側端部を密閉する密閉板とは、一体構造の筐体部材の連結部に予め形成しておくこともできる。つまり、軸方向中間部が二重底板構造になっている円筒部材の軸方向両端部から電動機と電力変換装置を個別に組付けて本発明の電力変換装置一体型電動機を構成することもできる。

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（連結部）
５ｍ 電動機側密閉板
５ｉ 電力変換装置側密閉板
６ 回転軸
７ 軸受
８ ロータコア
９ ステータコア
１０ Ｏリング
１１ インバータモジュール
１２ 実装基板
１３ 基板固定部
１４ 固定具
１５ 連通孔
１６ 内部フィン
１７ フィン

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、
   前記電動機を収納する電動機側筐体と、
   前記電動機側筐体に連結され、前記電力変換装置を収納する電力変換装置側筐体と、
   前記電動機側筐体及び前記電力変換装置側筐体を連結する連結部を有し、前記連結部に形成され且つ前記電動機側筐体及び前記電力変換装置側筐体の夫々を密閉する密閉板が二重構造となっている二重密閉板構造と、
   前記二重構造の前記密閉板の間で前記連結部に形成され、前記電動機の回転軸の径方向に対向して前記連結部の外部及び前記二重構造の前記密閉板の間を連通する２個一対の連通孔と、を備え、
   前記連結部は、２個一対の前記連通孔の一方の側から他方の側にかけて発生する自然対流の流れに接触可能となるように前記電動機の回転軸の径方向に沿って形成された複数の内部フィンを有することを特徴とする電力変換装置一体型電動機。
2. 前記内部フィンは、前記二重構造の密閉板の少なくとも一方に接合している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. 前記内部フィンは、対向する２個一対の前記連通孔の中間位置で前記電動機の回転軸の径方向外側に凸となるように湾曲してい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. 前記内部フィンは、前記電動機の回転軸の径方向内側に形成されるものほど曲率半径が大きいことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置一体型電動機。

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