JP6818602B2

JP6818602B2 - 制御装置付き回転電機

Info

Publication number: JP6818602B2
Application number: JP2017056814A
Authority: JP
Inventors: 博洋床井; 榎本　裕治; 裕治榎本; 憲一相馬
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2037-03-23
Also published as: JP2018160982A

Description

本発明は、回転電機に制御装置を一体化した、制御装置付きの回転電機に関する。

電気機器の省エネルギー化が求められる近年，産業用のファンやポンプでも，インバータを用いた可変速運転が増加している。この方式は，商用電源で誘導モータを一定速運転しバルブ等で流量を制御する従来方式に比較し，インバータで電源周波数を変更し適切な回転速度即ち出力で運転するため，消費エネルギーを大幅に削減することができる。さらに，インバータを用いることで，より高効率な永久磁石モータを利用することも可能となり，さらなる省エネルギー化を図ることができる。

しかしながら，インバータを用いるには，インバータを保護するための盤の設置やインバータとモータ間の配線などの周辺設備が新たに必要になる。モータが一つの部品として筐体に納められた，例えば圧縮機のようなパッケージ品では，新たにインバータを格納するスペースを確保する必要があり，周辺部品のレイアウトに大きな影響を及ぼす場合がある。さらに，インバータからは，半導体素子の高速なスイッチング速度に起因した高周波ノイズが発生する。このため，ノイズ低減のための対策を要する場合もある。

上述したインバータ適用における課題を解決する１つの手段として，インバータを一体化したモータが知られている。（例えば，特許文献１）
特許文献1は，モータの反負荷側にインバータを搭載したインバータ一体型のモータ構造を開示している。インバータは全体がケーシングで覆われており，ケーシングはモータのブラケットに機械的に締結されている。したがって，インバータを保護するための盤を新たに設ける必要がない。また，モータとインバータは，モータの反負荷側のブラケットの開口部を介して電気的に接続されている。したがって，新たにモータ，インバータ間を配線する必要もない。配線がケース内に格納されているため，放射ノイズの低減も期待できる。

特開２００８−２１１９４５号

しかしながら、特許文献1のようなインバータ一体型のモータでは，モータとインバータ間の配線が全閉のケーシング内に格納されるため，インバータの組立や故障やメンテナンスのためインバータを取り外す際，配線の接続，切断がし難く，作業性が低下する。

以上より、制御装置付き回転電機の組立，分解の作業性を向上することが望まれる。

上記の目的を達成するために、、本発明は、回転電機が格納された回転電機室と前記回転電機室に隣接し、前記回転電機に電力を供給する制御装置が格納された制御装置室とを備えた制御装置付き回転電機であって、前記制御装置室の外部に、第１の端子および第２の端子を設け、前記回転電機室の外部に第３の端子を設け、前記第１の端子を電源と接続し、前記第２の端子と前記第３の端子を電気的に接続し、鉄心及びその外周に巻き回されたコイルを少なくとも有する複数のコアメンバを、シャフトを中心に磁力線が該シャフトと並行になる向きで、環状に配列してなるステータと、該ステータと径方向に内周面が対抗するハウジングと、シャフト軸方向から所定のエアギャップを介して前記ステータを挟み込むように配置された２つのロータと、前記ハウジングの端面に配置され、軸受を介し前記シャフトを保持する２つのブラケットを備えたアキシャルギャップ型回転電機により構成され、前記コアメンバは、前記ハウジングに樹脂で一体に保持され、前記樹脂により前記第３の端子を指示した。

本発明によれば、制御装置付き回転電機の組立，分解の作業性を向上する効果がある。

図１（ａ）は、本発明を適用した第１実施形態の制御装置付き回転電機の模式図、図１（ｂ）は、斜視図である。図２は、本発明を適用した第２実施形態の制御装置付き回転電機の模式図である。図３（a）は、本発明を適用した第２実施形態の制御装置付き回転電機の斜視図である。図３（b）は，第１の端子，第２の端子を形成する端子台の拡大図，図３（c）は，第２の端子を形成する端子台の拡大図である。図４は、本発明を適用した第２実施形態の他の例となる斜視図である。図５（a），図５（b）は、本発明を適用した第２実施形態の他の例となる斜視図である。図６は、本発明を適用した第３実施形態の制御装置付き回転電機の模式図である。図７は、本発明を適用した第４実施形態の制御装置付き回転電機の模式図である。図８（a）は、本発明を適用した第５実施形態の制御装置付きアキシャル型回転電機の模式図である。図８（b）はその断面図である。図９（a）は、従来の制御装置付きアキシャル型回転電機の断面図である。図９（b）は、従来の制御装置付きアキシャル型回転電機のロータと引出線の静電結合を示した模式図である。図９（b）は、従来の制御装置付きアキシャル型回転電機のステータモールド構造を示した模式図である。図１０（a）は、本発明を適用した第５実施形態の制御装置付きアキシャル型回転電機の他の例を示した斜視図である。図１０（b）は，同図（a）のカバーを外した斜視図である。図１０（c）は，同図（a）の部分断面図である。図１１は、本発明を適用した第６実施形態の制御装置付きアキシャル型回転電機の断面図である。図１２は、本発明を適用した第７実施形態の制御装置付きアキシャル型回転電機の断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明を実施するための形態を説明する。図１（ａ）に、本発明を適用した一例である第１実施形態の制御装置付き回転電機の模式図を示す。

本制御装置付き回転電機1000は，回転電機を格納する回転電機室200と制御装置を格納する制御装置室100とから構成されている。制御装置室は回転電機室の反負荷側の回転軸方向短面に隣接して配置されている。制御装置室の表面には，第１の端子180および第２の端子190が設けられている。回転電機室の表面には，第３の端子290が設けられている。第１の端子には，図示しない３相商用電源が接続されており，図示しない制御装置の入力部に接続されている。第２の端子には，図示しない制御装置の出力部が接続されている。また，第２の端子と第３の端子は，制御装置室，回転電機室の外部で電気的に接続されている。

制御装置がインバータ，回転電機がモータとして動作する場合について，制御装置付き回転電機の動作を以下に述べる。インバータは，３相の商用電源により駆動され，任意の周波数に変換した電力をモータに供給する。これにより，モータは所望の速度で回転しトルクを発生する。

次いで，本制御装置付き回転電機の組立，分解作業方法を説明する。組立は，別個に製作した回転電機室と制御装置室を連結したのち，第２の端子と第３の端子を接続することで完成する。反対に，分解するときは，第２の端子と第３の端子の接続を切断したのち，制御装置室を回転電機室から取り外す。

最後に効果を述べる。本制御装置室付き回転電機は，制御装置と回転電機を制御装置室および回転電機室の外側で接続しているため，内側で接続している従来の制御装置付き回転電機と比較し，組立や分解の作業性が大幅に向上する。これにより，製造コストおよびメンテナンス，補修コストの低減が図れる。さらに，作業時に接続部に過大な力がかかることがないため，接続部の信頼性の向上にも寄与する。

図１（ｂ）に、本制御装置付き回転電機の端子部の一例となる斜視図を示す。ここでは，回転電機室が，円筒状のハウジング230と負荷側ブラケット240，反負荷側ブラケット250から構成されている。同様に制御装置室も円筒型のハウジング100と反負荷側ブラケット130を備え，負荷側には回転電機と共用のブラケット250が用いられている。第１の端子180，第２の端子190，第３の端子290は，それぞれ中継用に１極あたりの接続部２ヶ所ある３極の端子台で構成されている。端子台を用いることで，配線の取り付け，取り外し作業がしやすい。また，接続部における相間やハウジングやブラケットとの間の電気絶縁を確実に取ることができる。

本実施形態では、回転電機室の反負荷側に制御装置室を搭載した例を示したが、搭載位置はその他の位置でも良い。例えば、回転電機室のハウジング外周に制御装置室を搭載しても良い。また、制御装置室の形状は、円筒状に限らない。多角形や直方体状であっても良い。端子部は、図示した端子台に限らず、他の形状の端子台であっても良い。コネクタ等の他の接続手段を用いても良い。

〔第２実施形態〕
図２に，本発明を適用した一例である第２実施形態の制御装置付き回転電機の模式図を示す。ここでは，第１実施形態と同じ構成に関しては説明を割愛する。

本制御装置付き回転電機1000では，第１の端子180、第２の端子190、第３の端子290を中継用として用いられる１極あたり接続部が２ヶ所ある３極の端子台181、191、291で構成し，かつ，第１の端子180と第２の端子190を隣接して配置している。すなわち，第２の端子190の上側，紙面に向かって手前側に第１の端子180が配置されている。また，第２の端子190は，第２の端子と第３の端子290が回転軸と並行な方向に接続される向きで設けられている。

本構造により，制御装置室表面に設ける端子部の面積が約1/2に縮小する。これにより，制御装置室の表面積すなわち放熱面が増加する。結果として，放熱性を低下させることなく，制御装置室の組立，分解作業性を向上できる。また，第２の端子と第３の端子が回転軸と並行な方向に接続されるため，各相の配線長が同一であり，インピーダンスのばらつきが発生しない。

図３（a）に，本実施例の制御装置付き回転電機の一例となる斜視図を示す。ここでは，第１の端子と第２の端子に端子台を用いている。一方，第３の端子はモータ巻線からの引き出し線214をそのまま用いている。図３（b）に，第１の端子，第２の端子を形成する端子台の拡大図を示す。図３（c）に，第２の端子を形成する端子台の拡大図を示す。２つの端子台は，重ねて設けられているが，第３の端子との接続部は，容易に取付け，取り外しができるよう，第１の端子を構成する端子台と干渉しないよう配置されている。接続部は位置をずらしたり、カバーをするなどして、必要な部分のみ作業しやすくしておいてもよい。これにより、回転電機のユーザによる誤配線を防止することができる。

図４には，第２実施形態の制御装置付き回転電機の他の例となる斜視図を示す。ここでは，第１の端子と第２の端子をともに接続部が１ヶ所の３極端子181、191を用い，第１の端子には商用電源からの入力線と制御装置への入力線150を，第２の端子には制御装置からの出力線160と回転電機への入力線を共締めしている。

図５（a）および図５（b）には，第２実施形態の制御装置付き回転電機の他の例となる斜視図を示す。ここでは，第１の端子を接続部が１ヶ所の相数分の１極端子台181により構成している。また，これらの１極端子台の位置を回転軸方向にずらして配置している。これにより，商用電源からの入力線を回転軸に並行な方向でも垂直な方向でも配線間の干渉なく配線することができる。

端子部の構造は、第１の端子と第２の端子が隣接して配置されていれば良く、本実施形態の形状に限らない。例えば、両面に接続部を有する貫通式の端子台を用いても良い。

〔第３実施形態〕
図６に，本発明を適用した一例である第３実施形態の制御装置付き回転電機の模式図を示す。本制御装置付き回転電機1000では，第１の端子および第２の端子を隣接して回転電機室よりに配置し，制御装置室100の反負荷側短面にはフィン131およびファン140，ファンカバー141を設けている。また，制御装置を構成する半導体モジュール111をフィンの対面となる制御装置室内壁に設置している。本構造により，第２の端子と第３の端子間の距離が最小化され接続部のコスト低減，損失低減が図れる。また，両端子と制御装置を構成する部材を最も離間して配置することができるため組立作業性が向上するとともに，制御装置室内のレイアウトの自由度も高まる。さらには，制御装置内の主要熱源である半導体モジュールが効果的に冷却できるため出力や効率の向上にも寄与する。

〔第４実施形態〕
図７に，本発明を適用した一例である第４実施形態の制御装置付き回転電機の模式図を示す。ここでは，第２の端子および第３の端子を覆うようにカバー300が設けられている。カバーは，制御装置室100と回転電機室200に固定されている。本カバーにより，端子部を防塵防水することができる。また，本カバーを外さないと制御装置室を分離できないため，回転電機と制御装置との電気接続すなわち第２の端子と第３の端子の接続の切断忘れを防止することができる。なお，防塵，防水性を高めるためには，カバーと制御装置室，回転電機室間の隙間を減らす必要があり，Oリングやゴムブッシュなどを間に挿入しても良い。

〔第５実施形態〕
図８（a）に，本発明を適用した一例である第５実施形態の制御装置付き回転電機の斜視図を示す。ここでは、概略円環状のドーナツ形状を有するステータ210を、ディスク形状の２つのロータ220がシャフト方向から挟むように面対向して配置された所謂ダブルロータ型の回転電機が格納されている。ステータは、複数のコアメンバがシャフトを中心として環状に配列して構成される。コアメンバは、両端部の側面が概略台形若しくは扇形を有する柱体の鉄心211と、鉄心の外径と概略一致する内径の筒部を有する図示しないボビンと、ボビンの外筒部に巻き回されたコイル212とから構成される。環状に配列されたコアメンバの夫々と、ハウジング230の内周面とが樹脂216によって一体的にモールドされてステータが支持されるようになっている。各巻線は反負荷側のロータとハウジングとの間で周方向に渡り線213を形成し，ハウジングの開口231から外部に引き出される。引き出された引出線214が第３の端子290として端子台291に接続されている。シャフト260は、軸受270を介して回転自在に図示しない負荷側ブラケット240、反負荷側ブラケット250に結合される。両ブラケットは、ハウジングの両端部側面に固定される。本制御装置付き回転電機の断面図を図８（b）に示す。第３の端子は制御装置室に設けられた第２の端子と回転電機室および制御装置室の外部で電気的に接続されている。両端子は，カバー300により覆われている。制御装置を構成する半導体モジュール111は，制御装置室100の反負荷側ブラケット130の内壁に固定されている。制御装置室には，商用電源および制御装置の入力150と接続された第１の端子180が設けられている。また，制御装置の出力160は第２の端子190に接続されている。

最後に効果を述べる。本制御装置室付き回転電機は，制御装置と回転電機を制御装置室および回転電機室の外側で接続しているため，図９（a）に示すような内側で接続している従来の制御装置付き回転電機と比較し，組立や分解の作業性が大幅に向上する。これにより，製造コストおよびメンテナンス，補修コストの低減が図れる。さらに，作業時に接続部に過大な力がかかることがないため，接続部の信頼性の向上にも寄与する。

また，アキシャル型回転電機では，図９（b）に示すようにロータとモータ-インバータ間の配線の距離が近いため，この部分の静電結合218により軸電圧が増加し，軸受電食が進み，軸受け寿命が低下する場合がある。一方，本実施例の構造は，モータのハウジングの外部でモータ-インバータ間の配線をするので軸電圧の増加が抑制できる。

さらに，アキシャル型回転電機のステータは，加温した樹脂を加圧して樹脂を充填するトランスファーモールドにより製作される。高密度充填するためには，隙間なく金型を構成し全体に圧力がかかるようにする必要がある。このとき，引出線部の封止が課題となる場合がある。図９（c）に示すように，引出線214を回転軸方向に引き出すためには，下型402または図示しない上型に樹脂漏れを防止する機構を設ける必要があり，作業性や金型構造が複雑化する。一方，本実施例の構造は，ハウジングの側面から引出線を引き出すため，引出線の周辺をゴムブッシュや駒などにより覆うことで比較的容易に封止することができる。

なお，端子構造は図８（a）記載のものに限らない。図９（a），図９（b），図９（c）には，他の端子部構造の一例を示す。ここでは，第１の端子180と第２の端子190を隣接して設けている。本構造により，制御装置室表面に設ける端子部の面積が約1/2に縮小する。これにより，制御装置室の表面積すなわち放熱面が増加する。結果として，放熱性を低下させることなく，制御装置室の組立，分解作業性を向上できる。また，第２の端子および第３の端子を覆うようにカバー300が設けられている。カバーは，制御装置室と回転電機室に固定されている。本カバーにより，端子部を防塵防水することができる。本カバーを外さないと制御装置室を分離できないため，回転電機と制御装置との電気接続すなわち第２の端子と第３の端子の接続の切断忘れを防止することができる。なお，防塵，防水性を高めるためには，カバーと制御装置室，回転電機室間の隙間を減らす必要があり，Oリングやゴムブッシュなどを間に挿入しても良い。

〔第６実施形態〕
図１１に，本発明を適用した一例である第６実施形態の制御装置付き回転電機の断面図を示す。ここでは，第３の端子として回転電機のハウジングに端子台291を設けている。端子台の絶縁部は，ステータを保持するモールド樹脂216と一体で構成されている。端子台形状のモールド型でハウジングの開口部231を封止することで製作したものである。本実施例の構造により，端子台の製造，設置コストの低減が図れる。

〔第７実施形態〕
図１２に，本発明を適用した一例である第７実施形態の制御装置付き回転電機の断面図を示す。ここでは，回転電機室から引き出した引出線214を覆うようにステータのモールド樹脂216をハウジング外部まで連続して形成している。これにより，この部分は防塵防水が不要となり，制御装置室に設けた端子台のみカバーすれば良く，防塵防水コストが低減できる。

1000 制御装置付き回転電機、100 制御装置室、110 回路基板、111 半導体モジュール、112 コンデンサ、120 ハウジング、130 ブラケット、131 フィン、140 ファン、141 ファンカバー、150 入力線、160 出力線、180 第１の端子、181 端子台、182 絶縁部、183 ナット（回転電機側）、184 ナット（制御装置側）、185 短絡板、190 第２の端子、191 端子台、200 回転電機室、210 ステータ、211 鉄心、212 コイル、213 渡り線、214 引出線、215 ボビン、216 樹脂、217 渡り線とロータ間の静電容量、218 引出線とロータ間の静電容量、220 ロータ、221 永久磁石、222 バックヨーク、230 ハウジング、231 開口部、240 負荷側ブラケット、250 反負荷側ブラケット、251 開口部、260 シャフト、270 軸受、290 第３の端子、291 端子台、300 カバー、301 固定部、400 モールド型、410 センターポスト、420 下型、421 開口

Claims

回転電機が格納された回転電機室と前記回転電機室に隣接し、前記回転電機に電力を供給する制御装置が格納された制御装置室とを備えた制御装置付き回転電機であって、
前記制御装置室の外部に、第１の端子および第２の端子を設け、
前記回転電機室の外部に第３の端子を設け、
前記第１の端子を電源と接続し、前記第２の端子と前記第３の端子を電気的に接続し、
前記制御装置付き回転電機は、鉄心及びその外周に巻き回されたコイルを少なくとも有する複数のコアメンバを、シャフトを中心に磁力線が該シャフトと並行になる向きで、環状に配列してなるステータと、
該ステータと径方向に内周面が対抗するハウジングと、
シャフト軸方向から所定のエアギャップを介して前記ステータを挟み込むように配置された２つのロータと、
前記ハウジングの端面に配置され、軸受を介し前記シャフトを保持する２つのブラケットを備えたアキシャルギャップ型回転電機により構成され、
前記コアメンバは、前記ハウジングに樹脂で一体に保持され、
前記樹脂により前記第３の端子を指示したことを特徴とする制御装置付き回転電機。
請求項１に記載の制御装置付き回転電機であって、前記第１の端子と前記第２の端子を隣接して配置したことを特徴とする制御装置付き回転電機。
請求項１もしくは請求項２に記載の制御装置付き回転電機であって、前記第１の端子と前記第２の端子を端子台で構成したことを特徴とする制御装置付き回転電機。
請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の制御装置付き回転電機であって、前記第１の端子と前記第２の端子からの配線方向が直交したことを特徴とする制御装置付き回転電機。
請求項３から請求項４のいずれか一つに記載の制御装置付き回転電機であって、前記第２の端子を構成する端子台が相数分に対応する１極端子から構成しており、前記１極端子を回転軸方向およびこれと垂直な方向にずらして配置していることを特徴とする制御装置付き回転電機。
請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の制御装置付き回転電機であって、前記制御装置室を、前記回転電機室の回転軸方向に隣接して配置し、前記制御装置において電力変換用の半導体モジュールを前記制御装置室の回転軸方向端面に配置したことを特徴とする制御装置付き回転電機。
請求項１から６のいずれか一つに記載の制御装置付き回転電機であって、前記回転電機室と前記制御装置室にまたがって配置され、少なくとも、前記前記第２の端子と前記第３の端子を覆うカバーを設けたことを特徴とする制御装置付き回転電機。
請求項７に記載の制御装置付き回転電機であって、前記カバーが前記回転電機室と前記制御装置室それぞれに固定部を有することを特徴とする制御装置付き回転電機。
請求項８に記載の制御装置付きアキシャルギャップ型回転電機であって、前記樹脂が記第３の端子となる端子台の絶縁部を形成したことを特徴とする制御装置付きアキシャルギャップ型回転電機。
請求項９に記載の制御装置付きアキシャルギャップ型回転電機であって、前記樹脂が前記第３の端子方向に延伸して形成され、前記第３の端子と前記第２の端子の接続部を保護することを特徴とする制御装置付きアキシャルギャップ型回転電機。