(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、ハウジングに保持される多相交流巻線が施された固定子と、シャフトに保持された回転子と、シャフトを保持するベアリングと、ベアリングを保持するエンドブラケットと、反負荷側エンドブラケットの端に取り付けられた冷却ファンと、冷却ファンを覆うカバーを有する電動機において、
シャフトが貫通する穴を中央に有するアルミ等の金属部材により形成される円筒状のケースで、インバータ回路を内蔵するケースと、特定の機能を有する制御回路を内蔵したケースと、コンバータ回路を内蔵するケースを、反負荷側エンドブラケットと冷却ファンとの間で軸方向に制御回路を内蔵するケースを間に挟んで多段に積み重ねて反負荷側エンドブラケットまたはハウジングに固定したことを特徴とする制御装置一体型電動機。
【請求項２】
ハウジングと、ハウジングに保持される多相交流巻線が施された固定子と、シャフトに保持された回転子と、シャフトを保持するベアリングと、ベアリングを保持するエンドブラケットと、反負荷側エンドブラケットの端に取り付けられた冷却ファンと、冷却ファンを覆うカバーを有する電動機において、
シャフトが貫通する穴を中央に有するアルミ等の金属部材により形成される円筒状のケースで、インバータ回路を内蔵するケースと、コンバータ回路を内蔵するケースを、反負荷側エンドブラケットと冷却ファンとの間で軸方向に２段に積み重ねて反負荷側エンドブラケットまたはハウジングに固定したことを特徴とする制御装置一体型電動機。
【請求項３】
ハウジングと、ハウジングに保持される多相交流巻線が施された固定子と、シャフトに保持された回転子と、シャフトを保持するベアリングと、ベアリングを保持するエンドブラケットと、反負荷側エンドブラケットの端に取り付けられた冷却ファンと、冷却ファンを覆うカバーを有する電動機において、
シャフトが貫通する穴を中央に有するアルミ等の金属部材により形成される円筒状のケースで、インバータ回路を内蔵するケースと、特定の機能を有する制御回路を内蔵したケースを、反負荷側エンドブラケットと冷却ファンとの間で軸方向に多段に積み重ねて反負荷側エンドブラケットまたはハウジングに固定したことを特徴とする制御装置一体型電動機。
【請求項４】
回転子が永久磁石であり、インバータ回路を内蔵するケースに回転子の磁石位置検出器を内蔵したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の制御装置一体型電動機。
【請求項５】
ハウジングと、ハウジングに保持される多相交流巻線が施された固定子と、シャフトに保持された回転子と、シャフトを保持するベアリングと、ベアリングを保持するエンドブラケットと、反負荷側エンドブラケットの端に取り付けられた冷却ファンと、冷却ファンを覆うカバーを有する電動機において、
シャフトが貫通する穴を中央に有するアルミ等の金属部材により形成される円筒状のケースで、インバータ回路を内蔵するケースと、特定の機能を有する制御回路を内蔵したケースと、コンバータ回路を内蔵するケースと、ブレーキユニットを内蔵するケースを、反負荷側エンドブラケットと冷却ファンとの間で軸方向にブレーキユニットが冷却ファン側に位置するように多段に積み重ねて反負荷側エンドブラケットまたはハウジングに固定することを特徴とする制御装置一体型電動機。
【請求項６】
ハウジングと、ハウジングに保持される多相交流巻線が施された固定子と、シャフトに保持された回転子と、シャフトを保持するベアリングと、ベアリングを保持するエンドブラケットと、反負荷側エンドブラケットの端に取り付けられた冷却ファンと、冷却ファンを覆うカバーを有する電動機において、
シャフトが貫通する穴を中央に有するアルミ等の金属部材により形成される円筒状のケースで、インバータ回路を内蔵するケースと、コンバータ回路を内蔵するケースと、ブレーキユニットを内臓するケースを、反負荷側エンドブラケットと冷却ファンとの間で軸方向にブレーキユニットが冷却ファン側に位置するように多段に積み重ねて反負荷側エンドブラケットまたはハウジングに固定することを特徴とする制御装置一体型電動機。
【請求項７】
ハウジングと、ハウジングに保持される多相交流巻線が施された固定子と、シャフトに保持された回転子と、シャフトを保持するベアリングと、ベアリングを保持するエンドブラケットと、反負荷側エンドブラケットの端に取り付けられた冷却ファンと、冷却ファンを覆うカバーを有する電動機において、
シャフトが貫通する穴を中央に有するアルミ等の金属部材により形成される円筒状のケースで、インバータ回路を内蔵するケースと、特定の機能を有する制御回路を内蔵したケースと、ブレーキユニットを内蔵するケースを、反負荷側エンドブラケットと冷却ファンとの間で軸方向にブレーキユニットが冷却ファン側に位置するように多段に積み重ねて反負荷側エンドブラケットまたはハウジングに固定することを特徴とする制御装置一体型電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ等で制御される電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７を用いて電動機と制御装置から構成される一般的な電動機制御システムの構成を、図８を用いて制御装置一体型電動機の概略構造を説明する。
図７に示すように電動機制御システムは、交流電源４と、交流電源４を直流電源に変換するコンバータ回路２２とこの直流電源を任意の電圧および周波数の交流電源に変換するインバータ回路２３とユーザーの要求仕様に応じた専用制御・機能回路２４からなる制御装置２９と、電動機１とから構成される。
【０００３】
従来、このような電動機制御システムは、電動機本体１と制御装置２９を別置きとして用いているが、電動機１と制御装置２９との間の配線数が多くかつ長くなり、配線が複雑であることに加えてノイズを拾いやすくなるという問題を有している。
さらに、別置きとしたコントロール部を冷却するための冷却扇や放熱フィン等の冷却機構が必要となり大型かつ高価になるという問題がある。
【０００３】
このような問題を解決するために、電動機１に制御装置２９を設けたコントローラ部２を一体に設けることが考えられるが、この場合、電動機の寿命よりコントローラ部の寿命の方が短いことを考慮すると、コントローラ部は修理・交換しやすい構造であることが必要となる。
【０００４】
図８を用いて、一般的な永久磁石式回転子を有する電動機の構造を説明する。図８は、制御装置一体型電動機の側面図であり、電動機の上半分を断面図で示している。
図８に示すように、制御装置一体型電動機は、電動機本体１が、ハウジング１１の内周側に支承された固定子１２とエンドブラケット１３ａ，１３ｂに支持されたベアリング１４により支えられたシャフト１５を介して前記固定子１２の内周側に支承された回転子１６を有して構成される。また、制御装置一体型電動機は、電動機本体１のエンドブラケット１３ｂに、アルミ等の金属部材により円筒状に成形され中央にシャフト１５が貫通する穴を有し制御装置２９を内蔵した制御装置ケース２１が取付けられるとともに、制御装置ケース２１を貫通したシャフト１５の端部に冷却ファン３１を有し、冷却ファン３１を覆うファンカバー３２が取り付けられて構成される。
制御装置ケース２１と制御装置２９とでコントローラ部２を構成し、冷却ファン３１とファンカバー３２とで冷却部３を構成している。
【０００５】
ここで、冷却ファン３１によって、制御装置ケース２１およびハウジング１１の外周表面に冷却風を流すことにより、制御装置２９および電動機１を冷却することができ、全閉構造で制御装置を小型化することができる。
このような電動機に関する主な先行技術として、特開昭６０−１５２２４７号公報がある。
【０００６】
一方、樹脂でモールドされた固定子およびブラケットと、回転軸に保持された回転子と、回転軸を保持する玉軸受と、回転軸の反負荷側に取り付けられた冷却ファンを有する電動機において、シャフトが貫通する穴を中央に有する円筒状のケース内にパワー回路と制御回路を内蔵するとともに、該ケースをブラケットに取り付けた制御装置一体型電動機が特開平６−２９２３４６号公報に示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のいずれの制御装置一体型電動機においては、以下のような問題点があった。
近年、ユーザーから、電動機に対して低価格化および小型化の要求が高まっており、また、ユーザー個々の使用状況に応じた制御装置に関して専用仕様が要求される機会も増えており、需要に応じて専用回路を追加するケースが増加している。
このような要求に応えるために、専用回路を追加できるだけのスペースを予め制御装置ケース内に設けておくと、専用回路が不要な場合、無駄なスペースとなり小型化を計ることができないという問題がある。
また、それぞれの要求に応える回路のスペースに合わせて制御装置ケースを製作していたのでは、ケース種類が増えコスト高となるという問題がある。
【０００８】
従来より、制御装置を小型化する上で、電子部品を配置する空間の温度上昇が問題となっている。
制御装置における最も発熱量の大きい部品は、インバータ回路を構成しているパワートランジスタ等のスイッチング素子であるが、このような素子は、ケースに直に放熱できるよう取付られている場合が多く、素子自身の温度上昇が問題となることは少ない。しかし、コンバータ回路を構成している平滑コンデンサ等の電解コンデンサは、周囲温度が上昇することによって部品寿命が大きく低下する。
このような部品寿命の低下を阻止するためには、コンデンサ周囲の温度上昇を押さえることが必要となり、スイッチング素子等の温度上昇を押さえることが必要となる。したがって、使用できるスイッチング素子の容量が制限され、中容量以上の電動機では制御装置一体型構造の採用は困難であった。
【０００９】
制御装置の構成部品が故障した場合、多くは（とくに小容量機種）では制御装置の故障個所を修理することなく、制御装置を丸ごと交換している。このことは、故障した部品以外の正常な機能および部品を廃棄することになり、資源を無駄に費やすという問題を引き起こしている。
【００１０】
実開昭６３−３３３９１号公報には、コンバータとインバータと制御装置をそれぞれユニット化しすることが示されているが、電動機と制御装置を一体化することおよび一体化するに当たっての具体的な構成は示されていない。
【００１１】
本発明は、これらの問題点を解消することを目的とし、ユーザー個々の要求仕様に対応するとともに装置の低コスト化および小型化を計ることができ、温度上昇より困難であった中容量以上の出力機種においても、制御装置一体型構造を可能とし、メンテナンス性にも優れた制御装置一体型電動機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、これらの問題点を解消するため、制御装置を機能ごとに幾つかの機能ユニットに分け、それぞれの機能ユニットを個別のケースに収納し、これらケースを組み合わせて電動機本体に一体化するようにした。
さらに、本発明は、基本的な手段として、図１に示すように、従来の制御装置一体型電動機の制御装置ケース２１よりも厚みの薄いユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃに、コンバータ回路２２，専用制御・機能回路２４，インバータ回路２３の各機能ユニットを分けて内蔵し、これら複数のユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃを積み重ね、反負荷側エンドブラケット１３ｂと冷却ファン３１の間で、反負荷側エンドブラケット１３ｂまたはハウジング１１に取り付けることにより構成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１を用いて、請求項１に記載された本発明の第１の実施の形態を説明する。図１に示すように、この実施の形態の制御装置一体型電動機は、図８に示した制御装置一体型電動機に比べて、コントローラ部２の制御装置ケース２１を複数のユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃに分割し、それぞれのユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃに異なる機能を有する装置２２，２３，２４を収容したこと、これらの機能をユーザの要求に従って取捨選択して組み合わせるようにしたことを特徴としている。図１において、図８と同じ符号は同様の構成要素を示している。
【００１４】
ユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、それぞれ、同軸に配置された外筒２１１と内筒２１２とを中央に穴を有するケース底板２１３で接続した形状を有し、アルミ等の金属部材により成形されている。ユニットケース２１の内筒２１２には電動機本体１の反負荷側シャフト１５が貫通する。
それぞれのユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃには、コンバータ回路２２、専用制御・機能回路２４、インバータ回路２３がユニットケース２１の内側空間に収容され、それぞれの機能回路の回路基板は、ユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃの内周面や、ケース底板２１３に取付けられている。ここで、専用制御・機能回路２４は、ユーザーの仕様に応じて、例えば電源高調波フィルター等の回路により構成されている。
【００１５】
これらユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、積み重ねて反負荷側エンドブラケット１３ｂまたはハウジング１１にボルト等により固定される。また、ユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃを貫通するシャフト１５の反負荷側の端に冷却ファン３１が取り付けられ、さらに、最外側のユニットケース２１ａには冷却ファン３１を覆うファンカバー３２が取り付けられている。
なお、コンバータ回路２２と専用制御・機能回路２４、専用制御・機能回路２４とインバータ回路２３、インバータ回路２３と固定子１２は、それぞれ図示を省略した着脱可能なコネクタ等を介して電気的に接続されている。
【００１６】
冷却ファン３１により、ユニットケース２１ａ，２１ｂ，２１ｃおよびハウジング１１の外周に冷却風が流され、ユニットケース内の回路および電動機を冷却する。ここで、制御装置において最も発熱量の大きいスイッチング素子は、ケース２１ｃに内蔵され、周囲温度上昇により寿命が大きく低下するコンバータ回路２２の平滑コンデンサは、ケース２１ａに内蔵されている。
【００１７】
各ユニットケース間は、各ユニットケースの底板２１３により断熱されるので、ユニットケース２１ａの内部温度は、ケース２１ｃ内のスイッチング素子の発熱の影響を受けにくいので比較的低く維持することができ、コンデンサの寿命が極端に低下することがなくなる。このため、制御装置を大容量化することおよび小型化することができる。
【００１８】
また、ユニットケース２１ａに内蔵されるコンバータ回路２２と、ユニットケース２１ｃに内蔵されるインバータ回路２３は、交流電源から可変周波数電源に変換する必要最小限の基本回路のみを有しているので、ユーザーの要求仕様に応じて専用制御・機能回路２４を内蔵したケース２１ｂを追加または交換することによって、ユーザーの要求仕様に容易に、かつ低価格で対応することができる。さらに、制御装置を複数のユニットに分離したので、制御装置が故障したとき、故障した部品・回路を含むユニットケースのみを交換すればよく、修理が短時間で済むとともに、制御装置全部を交換する必要がないことから修理費を低減することができる。
【００１９】
図２を用いて、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２に示す電動機は、図１に示した電動機の回転子１６を永久磁石式回転子１８とし、ケース２１ｃに回転子の磁石位置検出器２５を内蔵した点に特徴を有している。図２において、図１と同じ符号は同様の構成要素を示している。
このように構成することによって、永久磁石式回転子を有する電動機においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
図３を用いて、本発明の第３の実施の形態および第４の実施の形態を説明する。
第３の実施の形態は、コンバータ回路２２を内蔵したユニットケース２１aとインバータ回路２３を内蔵したユニットケース２１ｃを積み重ねて、反負荷側エンドブラケット１３ｂ、またはハウジング１１にボルト等により取り付けた点に特徴を有している。
このような構成とすることによって、専用制御・機能回路２４を省略することができ、制御装置一体型電動機を小型化することができるとともに、安価な電動機とすることができる。
【００２１】
また、第４の実施の形態は、回転子１６を永久磁石式回転子１８とし、ケース２１ｃに回転子の磁石位置検出器２５を内蔵したものであり、このような構成とすることによって、永久磁石回転子を有する制御装置一体型電動機において、専用制御・機能回路２４を省略することができ、制御装置一体型電動機を小型化することができるとともに、安価な電動機とすることができる。
【００２２】
図４を用いて、本発明の第５の実施の形態および第６の実施の形態を説明する。
第５の実施の形態は、コンバータ回路を省略し、専用制御・機能回路２４を内蔵したケース２１ｂとインバータ回路２３を内蔵したケース２１ｃを積み重ねて、反負荷側エンドブラケット１３ｂまたはハウジング１１にボルト等により取り付けた点に特徴を有している。
このように電動機自体のコンバータを省略することによって、図５に示すように、コンバータ２２を共用して一台のコンバータで多数の電動機を運転する場合や、交流電源ではなく直流電源を受電し電動機を運転する場合において、電動機自体のコンバータ回路２２を省略することができ、制御装置一体型電動機を小型化することができるとともに、安価な電動機とすることができる。
【００２３】
第６の実施の態様は、さらに、回転子１６を永久磁石式回転子１８とするとともに、ユニットケース２１ｃに回転子の磁石位置検出器２５を内蔵した点に特徴を有している。これにより、永久磁石式回転子を有する電動機において、図５に示すように、コンバータを共用し、一台のコンバータで多数の電動機を運転する場合や、交流電源ではなく直流電源を受電し電動機を運転する場合において、電動機自体のコンバータ回路２２を省略することができ、制御装置一体型電動機を小型化することができるとともに、安価な電動機とすることができる。
【００２４】
図６を用いて、本発明の第７の実施の形態および第８の実施の形態ならびに第９の実施の形態を説明する。
第７の実施の形態は、コンバータ回路２２を内蔵したユニットケース２１ａと、専用制御・機能回路２４を内蔵したユニットケース２１ｂと、インバータ回路２３を内蔵したユニットケース２１ｃを積み重ね、さらに冷却ファン側のユニットにブレーキユニット２６を積み重ね、反負荷側エンドブラケット１３ｂまたはハウジング１１にボルト等により固定した点に特徴を有している。
このような構成とすることによって、ブレーキの機能を追加させた制御装置一体型電動機を得ることができ、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００２５】
第８の実施の形態は、コンバータ回路２２を内蔵したユニットケース２１ａと、インバータ回路２３を内蔵したユニットケース２１ｃを積み重ね、さらに冷却ファン側のユニットにブレーキユニット２６を積み重ね、反負荷側エンドブラケット１３ｂまたはハウジング１１にボルト等により固定した点に特徴を有している。
このような構成とすることによって、ブレーキの機能を追加させた制御装置一体型電動機を得ることができ、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
第９の実施の形態は、専用制御・機能回路２４を内蔵したユニットケース２１ｂと、インバータ回路２３を内蔵したユニットケース２１ｃを積み重ね、さらに冷却ファン側のユニットにブレーキユニット２６を積み重ね、反負荷側エンドブラケット１３ｂまたはハウジング１１にボルト等により固定した点に特徴を有している。
このような構成とすることによって、ブレーキの機能を追加させた制御装置一体型電動機を得ることができ、第５の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
以上、記述したように、本発明の実施の形態によれば、制御装置をコンバータ回路、専用制御・機能回路、インバータ回路に分け、それぞれの回路を各ユニットケースに内蔵し、これらユニットケースを組み合わせて電動機本体に一体化することによって、ユーザーの様々の要求仕様に対して、低コスト化、小型化を計ることができる。また、コンバータの平滑コンデンサをスイッチング素子を有するインバータ素子から遠ざけることができるので、平滑コンデンサの周囲温度上昇を抑えることができ、比較的容量の大きい電動機についても制御装置一体型構造を採用することができる。また、制御装置が故障したときには、故障した部品を含むユニットケースのみ交換すればよいので、容易に修理ができ、かつ従来に比べ修理費および資源の無駄使いを低減することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、記述したように、本発明によれば、電動機と制御装置を一体化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる制御装置一体型電動機の第１の実施形態の一部断面側面図。
【図２】本発明にかかる制御装置一体型電動機の第２の実施形態の一部断面側面図。
【図３】本発明にかかる制御装置一体型電動機の第３，第４の実施形態の一部断面側面図。
【図４】本発明にかかる制御装置一体型電動機の第５，第６の実施形態の一部断面側面図。
【図５】図４に示す制御装置一体型電動機のシステムの構成図。
【図６】本発明にかかる制御装置一体型電動機の第７，第８，第９の実施形態の一部断面側面図。
【図７】従来の制御装置一体型電動機のシステム構成図。
【図８】従来の制御装置一体型電動機の第１の実施形態の一部断面側面図。
【符号の説明】
１  電動機
２  コントローラ部
３  冷却部
４  交流電源
１１  ハウジング
１２  固定子
１３ａ  負荷側エンドブラケット
１３ｂ  反負荷側エンドブラケット
１４  ベアリング
１５  シャフト
１６  回転子
１８  永久磁石式回転子
２１  制御装置ケース
２１ａ  コンバータ回路用ユニットケース
２１ｂ  専用制御・機能回路用ユニットケース
２１ｃ  インバータ回路用ユニットケース
２１ｄ  ブレーキ用ユニットケース
２２  コンバータ回路
２３  インバータ回路
２４  専用制御・機能回路
２５  位置検出器
２６  ブレーキ
２９  制御装置
３１  冷却ファン
３２  ファンカバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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