特許 7330877 冷却ファン、電動機組立体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-14

(45)【発行日】2023-08-22

(54)【発明の名称】冷却ファン、電動機組立体

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/06 20060101AFI20230815BHJP

【ＦＩ】

H02K9/06 E

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019226339

(22)【出願日】2019-12-16

(65)【公開番号】P2021097466

(43)【公開日】2021-06-24

【審査請求日】2022-04-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(72)【発明者】

【氏名】落合 章裕

【審査官】中島 亮

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５６－１３６４７９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平１１－２８９７１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０９５９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６２０１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ９／００－ ９／２８

Ｈ０２Ｋ １１／００－１１／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転機の駆動軸に取り付けられるハブと、
前記ハブの周面に設けられた羽根と、
前記ハブの周面に設けられると共に、前記羽根を円錐面で支持する円錐状の下板と、 前記下板の裏側に設けられた裏羽根と、を有し、
前記裏羽根は、前記下板の裏側の空間から軸方向に突出すると共に、軸方向に沿って垂直に延びる径方向内端縁を備え、且つ、前記径方向内端縁から前記下板の外周端まで径方向に延びている、ことを特徴とする冷却ファン。

【請求項2】

前記裏羽根は、前記ハブの周面に対し、径方向で離間して設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の冷却ファン。

【請求項3】

前記ハブ、前記羽根、前記下板、及び、前記裏羽根は、一体で成形されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却ファン。

【請求項4】

駆動軸と、
前記駆動軸を回転させるモータと、
内部に前記モータが配置されたモータケーシングと、
前記モータの動作を制御するインバータと、
内部に前記インバータが配置され、前記駆動軸が貫通するインバータケースと、
前記インバータケースに隣接して配置され、前記駆動軸の端部に固定された冷却ファンと、を有する電動機組立体であって、
前記冷却ファンとして、請求項１～３のいずれか一項に記載の冷却ファンを有する、ことを特徴とする電動機組立体。

【請求項5】

前記冷却ファンの前記裏羽根は、前記インバータの発熱素子の少なくとも一部と軸方向で重なる位置で回転する、ことを特徴とする請求項４に記載の電動機組立体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却ファン、電動機組立体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、インバータ部とモータ部とを備えた電動機組立体が知られている。このような電動機組立体において、インバータ部は、インバータと、インバータを収容するインバータケースと、を備えている。モータ部は、駆動軸を回転させる回転子および固定子を備えるモータと、モータを収容するモータケーシングとを備えている。

【0003】

インバータおよびモータは発熱源であるため、電動機組立体が運転されると、インバータの熱はインバータケースに伝達され、インバータケースは高温になる。同様に、モータの熱はモータケーシングに伝達され、モータケーシングは高温になる。結果として、電動機組立体は、その全体として非常に高温になる。

【0004】

したがって、電動機組立体は、駆動軸に固定された冷却ファンを備えている。冷却ファンは、駆動軸の回転とともに回転し、インバータケースの外面およびモータケーシングの外面を冷却する（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－１６２０１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、冷却ファンには、羽根の剛性を高めるためや、冷却風をインバータケースの外周側に効率的に送るために、羽根の下部に下板（整流ガイド）を設ける場合がある。このような場合、下板とインバータケースとの間に熱が籠ってしまい、インバータの放熱性が低下する可能性がある。

【0007】

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷却ファンの下板の裏側の空気を拡散させ、放熱性を向上させることができる冷却ファン、電動機組立体の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係る冷却ファンは、回転機の駆動軸に取り付けられるハブと、前記ハブの周面に設けられた羽根と、前記ハブの周面に設けられると共に、前記羽根を円錐面で支持する円錐状の下板と、前記下板の裏側に設けられた裏羽根と、を有する。

【0009】

上記冷却ファンにおいては、前記裏羽根は、前記ハブの周面に対し、径方向で離間して設けられていてもよい。
上記冷却ファンにおいては、前記裏羽根は、前記下板の外周端まで径方向に延びていてもよい。
上記冷却ファンにおいては、前記裏羽根は、前記下板の裏側の空間から軸方向に突出していてもよい。
上記冷却ファンにおいては、前記ハブ、前記羽根、前記下板、及び、前記裏羽根は、一体で成形されていてもよい。

【0010】

本発明の一態様に係る電動機組立体は、駆動軸と、前記駆動軸を回転させるモータと、内部に前記モータが配置されたモータケーシングと、前記モータの動作を制御するインバータと、内部に前記インバータが配置され、前記駆動軸が貫通するインバータケースと、前記インバータケースに隣接して配置され、前記駆動軸の端部に固定された冷却ファンと、を有する電動機組立体であって、前記冷却ファンとして、先に記載の冷却ファンを有する。

【0011】

上記電動機組立体においては、前記冷却ファンの前記裏羽根は、前記インバータの発熱素子の少なくとも一部と軸方向で重なる位置で回転してもよい。

【発明の効果】

【0012】

上記本発明の態様によれば、冷却ファンの下板の裏側の空気を拡散させ、放熱性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】一実施形態に係る電動機組立体の断面図である。

【図2】一実施形態に係る電動機組立体の左側面図である。

【図3】一実施形態に係る冷却ファン付近の電動機組立体の拡大断面図である。

【図4】一実施形態に係る冷却ファンの表側の斜視図である。

【図5】一実施形態に係る冷却ファンの裏側の斜視図である。

【図6】図４に示す矢視Ａ－Ａ断面図である。

【図7】比較例として、裏羽根が下板の裏側の空間から軸方向に突出しない場合の空気の流れを示す解析図である。

【図8】実施例として、裏羽根が下板の裏側の空間から軸方向に突出した場合の空気の流れを示す解析図である。

【図9】一実施形態に係る裏羽根の変形例を示す要部拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態に係る電動機組立体１の断面図である。図２は、一実施形態に係る電動機組立体１の左側面図である。
図１に示すように、電動機組立体１は、インバータ２０が内蔵された一体型構造を有する電動機である。電動機組立体１は、モータ部２と、インバータ部３と、を備えている。

【0015】

電動機組立体１は、モータ部２によって回転する駆動軸５を備えている。駆動軸５は、インバータ部３を貫通して配置されている。以下の説明では、駆動軸５の中心軸Ｏが延びる方向を軸方向といい、中心軸Ｏに直交する方向を径方向といい、中心軸Ｏ回りに周回する方向を周方向という。

【0016】

モータ部２は、駆動軸５を回転させる回転子６（ロータ）および固定子７（ステータ）を備えるモータ８と、回転子６および固定子７を収容するモータケーシング１０と、を備えている。また、インバータ部３は、モータ８の動作（回転速度）を制御するインバータ２０と、インバータ２０を収容し、軸方向においてモータケーシング１０に直列的に接続されたインバータケース２１と、を備えている。

【0017】

駆動軸５は、モータケーシング１０およびインバータケース２１を貫通して延びている。モータケーシング１０およびインバータケース２１は、駆動軸５の中心軸Ｏと同軸の円筒状に形成されている。モータケーシング１０およびインバータケース２１は、駆動軸５の軸方向に直列的に配置されている。このため、電動機組立体１は、コンパクトな構造を有している。駆動軸５の端部（すなわち、駆動軸５の反負荷側）には、冷却ファン３０が固定されている。冷却ファン３０は、インバータケース２１の外側に配置されており、インバータケース２１に隣接している。

【0018】

モータケーシング１０の内部には、発熱源であるモータ８が配置されている。モータ８は、駆動軸５に固定された回転子６と、回転子６を囲んで、外部（図示しない）からの電力を受けて回転磁界を形成する固定子７と、を備えている。固定子７は、ステータコアと、ステータコアに巻かれたコイルと、を備えている。駆動軸５は、回転子６に固定され、上述した回転磁界によって回転子６とともに回転する。

【0019】

図１において、モータ８は模式的に描かれている。モータ８は、例えば、ロータに永久磁石を用いた永久磁石型モータである。しかしながら、モータ８は、永久磁石型モータに限定されず、誘導モータやＳＲモータなど、様々な種類のモータであってもよい。

【0020】

モータケーシング１０は、固定子７が固定されたモータフレーム１１と、モータフレーム１１の一方の開口端を閉じ、かつ駆動軸５が貫通する貫通孔１２ａが形成されたエンドカバー１２と、モータフレーム１１の他方の開口端を閉じ、かつ駆動軸５が貫通する貫通孔１３ａが形成されたモータ側板１３（インバータケース側ブラケット）と、を備えている。

【0021】

エンドカバー１２およびモータ側板１３は、モータ８を軸方向で挟んで互いに対向している。駆動軸５は、エンドカバー１２の軸受支持部１２ｂに支持された軸受１４によって回転自在に支持されている。また、駆動軸５は、モータ側板１３の軸受支持部１３ｂに支持された軸受１５によって回転自在に支持されている。

【0022】

インバータケース２１は、インバータ２０を取り囲んでいる。インバータケース２１は、インバータ２０の周囲に配置されたインバータフレーム２２と、インバータフレーム２２の一方の開口端を閉じる冷却ファン側カバー部材２３（冷却ファン側ブラケット）と、インバータフレーム２２の他方の開口端を閉じるモータケーシング側カバー部材２４（モータケーシング側ブラケット）と、を備えている。

【0023】

冷却ファン側カバー部材２３は、冷却ファン３０に隣接しており、駆動軸５が貫通する貫通孔２３ａを有している。モータケーシング側カバー部材２４は、モータケーシング１０のモータ側板１３に隣接しており、駆動軸５が貫通する貫通孔２４ａを有している。貫通孔２３ａと貫通孔２４ａは、筒状部材２５を介して軸方向に接続されている。筒状部材２５は、駆動軸５の周囲を覆っている。

【0024】

インバータフレーム２２は、冷却ファン側カバー部材２３およびモータケーシング側カバー部材２４に軸方向で挟まれて接続されている。なお、インバータフレーム２２と冷却ファン側カバー部材２３との接続構造、およびインバータフレーム２２とモータケーシング側カバー部材２４との接続構造は、嵌め合い構造であるが、その接続構造は特に限定されない。

【0025】

インバータフレーム２２の外面には、径方向外側に向かって延びる複数の放熱フィン２２ａが形成されている。複数の放熱フィン２２ａは、駆動軸５の軸方向に延びている。インバータケース２１（より具体的には、インバータフレーム２２）は、冷却ファン３０の回転によって送られる空気が、放熱フィン２２ａに接触することによって冷却される。そして、インバータ２０は、インバータケース２１を介して冷却される。

【0026】

モータフレーム１１の外面には、径方向外側に向かって延びる複数の放熱フィン１１ａが形成されている。複数の放熱フィン１１ａは、駆動軸５の軸方向に延びている。モータケーシング１０（より具体的には、モータフレーム１１）は、冷却ファン３０によって送られる空気が、放熱フィン１１ａに接触することによって冷却される。そして、モータ８は、モータケーシング１０を介して冷却される。

【0027】

電動機組立体１は、冷却ファン３０を覆うファンカバー２６を備えている。また、ファンカバー２６は、冷却ファン側カバー部材２３を覆うように配置されており、冷却ファン側カバー部材２３に固定されている。ファンカバー２６は、冷却ファン３０と軸方向で対向する吸込口２６ａを有している。また、ファンカバー２６は、インバータフレーム２２の外面に沿って空気を吐き出す吐出口２６ｂを有している。

【0028】

冷却ファン側カバー部材２３の外面には、複数の放熱フィン２３ｂが形成されている。放熱フィン２３ｂは、冷却ファン側カバー部材２３から冷却ファン３０に向かって軸方向立設している。また、放熱フィン２３ｂは、図２に示すように、駆動軸５を中心に、径方向に放射状に延びている。

【0029】

図１に戻り、インバータケース２１の内部には、インバータ２０が配置されている。インバータ２０は、スイッチング素子やコンデンサなどの要素を含む発熱素子４１と、この発熱素子４１が実装された基板４２と、を備えている。基板４２は、冷却ファン側カバー部材２３の内面に固定されている。冷却ファン側カバー部材２３の内面は、基板４２が載置される受け皿形状を有している。このような構造により、冷却ファン側カバー部材２３には、基板４２の放熱用および表面保護用の樹脂を充填することができる。

【0030】

モータ８およびインバータ２０のそれぞれは発熱源である。したがって、これらモータ８およびインバータ２０の放熱性を考慮した場合、モータフレーム１１の材質およびインバータフレーム２２の材質としては、熱伝導率の高いアルミニウムや鉄材を適用することが好ましい。

【0031】

図３は、一実施形態に係る冷却ファン３０付近の電動機組立体１の拡大断面図である。図４は、一実施形態に係る冷却ファン３０の表側の斜視図である。図５は、一実施形態に係る冷却ファン３０の裏側の斜視図である。図６は、図４に示す矢視Ａ－Ａ断面図である。
これらの図に示すように、冷却ファン３０は、ハブ３１と、羽根３２と、下板３３（整流ガイド）と、裏羽根３４と、を有している。本実施形態では、ハブ３１、羽根３２、下板３３、及び、裏羽根３４が、一体成形されている。この一体成形は、樹脂成形に限らず金属（鋳物など）であっても構わない。

【0032】

ハブ３１は、図３に示すように、円筒状に形成されており、駆動軸５の端部が挿入される挿入孔３１ａが形成されている。ハブ３１の周面３１ｂ（外面）には、羽根３２（表羽根）が設けられている。羽根３２は、図４に示すように、周方向に間隔をあけて複数設けられている。これら複数の羽根３２は、ハブ３１の周面３１ｂから径方向外側に向かって放射状に延びている。

【0033】

図３に示すように、羽根３２の下部（軸方向におけるインバータケース２１側の端部）は、下板３３に支持されている。下板３３は、ハブ３１の周面３１ｂに設けられた円錐板である。下板３３は、軸方向におけるハブ３１の周面３１ｂの中腹部からインバータケース２１側に向かうに従って漸次拡径した形状を有している。この下板３３は、貫通孔や切り欠きなどが無い平滑な円錐面を形成している。下板３３の表面３３ａ（インバータケース２１と反対側の円錐面）は、上述した羽根３２の下部と接続され、羽根３２を支持している。

【0034】

下板３３の裏側には、裏羽根３４が設けられている。裏羽根３４は、図５に示すように、周方向に間隔をあけて複数設けられている。これら裏羽根３４の周方向のピッチは、上述した表面３３ａ側の羽根３２と同じであるが、同じでなくても構わない。また、裏羽根３４の枚数も、上述した表面３３ａ側の羽根３２と同じでなくても構わない。

【0035】

図６に示すように、裏羽根３４は、下板３３の外周端３３ｃまで径方向に延びている。一方で、羽根３２は、下板３３の外周端３３ｃまで径方向に延びていない。また、裏羽根３４は、ハブ３１の周面３１ｂに対し、径方向で離間して設けられている。つまり、裏羽根３４とハブ３１との間には、径方向において隙間Ｓが形成されている。隙間Ｓは、冷却が必要な部位や冷却ファン３０の回転抵抗を加味した寸法を有していると良い。

【0036】

また、裏羽根３４は、下板３３の裏側の空間３３Ｂから軸方向に突出している。下板３３の裏側の空間３３Ｂとは、下板３３の裏面３３ｂによって囲まれた円錐状の空間を言う。つまり、裏羽根３４は、下板３３の裏面３３ｂから軸方向に延び、下板３３の裏側の空間３３Ｂ（あるいは外周端３３ｃ）よりもインバータケース２１側（図３参照）に突出している。このような裏羽根３４は、図３に示すように、インバータ２０の発熱素子４１の少なくとも一部と軸方向で重なる位置で回転するようになっている。

【0037】

上記構成の冷却ファン３０によれば、駆動軸５が回転すると、ハブ３１に設けられた羽根３２によって、図１に示すファンカバー２６の吸込口２６ａから空気が軸方向に吸い込まれ、その空気が羽根３２から受ける遠心力によって径方向に吐出される。径方向に吐出された空気は、ファンカバー２６の内面及び下板３３の表面３３ａ（円錐面）によって、インバータケース２１の外面まで径方向に導かれ、ファンカバー２６の吐出口２６ｂからインバータフレーム２２の放熱フィン２２ａに沿って軸方向に吐出される。

【0038】

下板３３の裏側には、裏羽根３４が設けられている。裏羽根３４は、羽根３２と共に回転し、下板３３の裏側の空気を拡散させる。これによって、下板３３とインバータケース２１との間に熱が籠らないようになる。したがって、インバータ２０の放熱性が低下してしまうことを抑制できる。また、裏羽根３４が回転することで、下板３３の裏側の空気に遠心力を与え、放射状に延びる放熱フィン２３ｂの隙間を通って径方向に導くことができる。

【0039】

このように、上述した本実施形態によれば、モータ８の駆動軸５に取り付けられるハブ３１と、ハブ３１の周面３１ｂに設けられた羽根３２と、ハブ３１の周面３１ｂに設けられると共に、羽根３２を表面３３ａで支持する円錐状の下板３３と、下板３３の裏側に設けられた裏羽根３４と、を有する、という構成を採用することによって、冷却ファン３０の下板３３の裏側の空気を拡散させ、放熱性を向上させることができる。

【0040】

また、本実施形態では、図６に示すように、裏羽根３４は、ハブ３１の周面３１ｂに対し、径方向で離間して設けられている。この構成によれば、裏羽根３４のハブ３１の周面３１ｂ付近の周速が遅く空気の拡散にあまり寄与しない部分による冷却ファン３０の回転抵抗の増加を抑制できる。これによって、冷却ファン３０を低負荷で回転できる。

【0041】

また、本実施形態では、裏羽根３４は、下板３３の外周端３３ｃまで径方向に延びていている。この構成によれば、下板３３の裏側で拡散させた空気を、裏羽根３４によって、下板３３の外周端３３ｃよりも径方向外側に押し出し易くなる。このため、下板３３とインバータケース２１との間に熱が籠り難くなる。

【0042】

また、本実施形態では、裏羽根３４は、下板３３の裏側の空間３３Ｂから軸方向に突出している。この構成によれば、下板３３の裏側に、より多くの空気の流れを形成できる。このため、下板３３とインバータケース２１との間に熱がより籠り難くなる。

【0043】

図７は、比較例として、裏羽根３４が下板３３の裏側の空間３３Ｂから軸方向に突出しない場合の空気の流れを示す解析図である。図８は、実施例として、裏羽根３４が下板３３の裏側の空間３３Ｂから軸方向に突出した場合の空気の流れを示す解析図である。図７および図８では、空気の流れをベクトルの大きさで表している。
図７では、下板３３の裏側の空気の流れが少ないのに対し、図８では、図７に比べて下板３３の裏側の空気の流れが多いことが明らかに見て取れる。このように、上記構成によれば、冷却ファン３０の下板３３の裏側の空気を拡散させる効果が向上する。

【0044】

また、本実施形態では、ハブ３１、羽根３２、下板３３、及び、裏羽根３４は、一体で成形されている。これによって、冷却ファン３０の各部位および全体としての剛性を高めることができ、また、冷却ファン３０を低コストで製造できる。

【0045】

また、本実施形態の電動機組立体１は、駆動軸５と、駆動軸５を回転させるモータ８と、内部にモータ８が配置されたモータケーシング１０と、モータ８の動作を制御するインバータ２０と、内部にインバータ２０が配置され、駆動軸５が貫通するインバータケース２１と、インバータケース２１に隣接して配置され、駆動軸５の端部に固定された裏羽根３４を有する冷却ファン３０と、を有するため、冷却ファン３０の下板３３の裏側の空気を拡散させ、放熱性を向上させることができる。

【0046】

また、本実施形態では、図３に示すように、冷却ファン３０の裏羽根３４は、インバータ２０の発熱素子４１の少なくとも一部と軸方向で重なる位置で回転するため、発熱素子４１の熱を、放熱フィン２３ｂを介して効率よく冷却することができる。

【0047】

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

【0048】

例えば、図９に示すように、裏羽根３４に凹凸を形成しても構わない。図９に示す裏羽根３４の回転方向を向く板面には、凸部３４ａと凹部３４ｂが径方向に交互に形成されている。この裏羽根３４が回転すると、凹部３４ｂに淀みや渦ができ、空気を拡散させやすくなる。なお、このような凹凸は、裏羽根３４の正圧面側に設けてもよいし、裏羽根３４の負圧面側に設け、カルマン渦のように回転方向後方に渦を形成しても構わない。

【0049】

また、例えば、上記実施形態では、冷却ファン３０が取り付けられる回転機として、電動機を例示したが、発電機であっても構わない。

【符号の説明】

【0050】

１ 電動機組立体
５ 駆動軸
８ モータ（回転機）
１０ モータケーシング
２０ インバータ
２１ インバータケース
３０ 冷却ファン
３１ ハブ
３１ｂ 周面
３２ 羽根
３３ 下板
３３ａ 表面（円錐面）
３３Ｂ 空間
３３ｃ 外周端
３４ 裏羽根
４１ 発熱素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】