JP5253199B2 - 回生抵抗器 - Google Patents

Description

本願発明は電気エネルギを熱エネルギに変換する回生抵抗器に関し、とりわけモータなどの駆動装置の回生時に発生する回生電力を誘導加熱コイルにより熱に変換することができる回生抵抗器に関する。

モータを駆動するインバータ回路の直流母線間においてモータ減速時に生じる回生電力は、直流母線間に接続された他の回路装置に過大な電圧を与え得るため、速やかに安全かつ効率的に熱に変換する必要があり、これまでにもさまざまな回生抵抗器が提案されている。たとえば特許文献１に記載の従来式の回生抵抗器は、発熱源であるニクロム線をセメントブロック内に埋設された、いわゆるセメント抵抗を用いたものであり、ニクロム線に回生電力を供給することによりセメントブロックを加熱し、加熱されたセメントブロックを強制空冷することにより回生電力を熱に変換するものである。

実開昭６３−１７９７９９号公報

しかしながら、ニクロム線は、許容可能な動作温度が低く、熱伝達率の低いセメントブロックにより埋設されているため過熱しやすく、大容量の回生電力を信頼性よく熱に変換することができず、あるいは所望量の回生電力エネルギを熱エネルギに変換するためには、セメント抵抗を含む回生抵抗器の巨大化が避けられなかった。

他方、電気エネルギを熱エネルギへ変換するための手段として、ニクロム線の他に誘導加熱コイルが知られている。誘導加熱コイルは、高周波電流が供給されると、隣接して配置された導電性の被加熱体内に高周波磁界を形成することにより渦電流を形成し、その結果として生じるジュール熱により被加熱体を加熱するものである。すなわち誘導加熱コイルは、被加熱体に接触することなく直接的に加熱できるので、被加熱体とは断熱（誘導加熱コイル自体を低温に維持）しつつ、効率的に被加熱体を加熱することができる。したがって、発熱源としてニクロム線を用いたセメント抵抗に比して、誘導加熱コイルを用いた回生抵抗器は、より大容量の回生電力を安全に熱に変換し、または小型化を実現できる潜在的可能性が高い。

ところが、誘導加熱コイルは、工業用途としては金属の溶解および熱処理などに、民生用としては誘導加熱調理器（いわゆるＩＨクッキングヒータ）に適用されるに止まり、回生抵抗器として用いられることはなかった。

本願発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、誘導加熱コイルを用いて、大容量の回生電力を信頼性よく熱に変換可能な小型の回生抵抗器を実現することを目的とするものである。

本願発明に係る回生抵抗器は、平面状に捲回された加熱コイルと、前記加熱コイルに隣接して配設され、該加熱コイルにより誘導加熱される被加熱体と、前記加熱コイルと前記被加熱体の間に配置された断熱体と、前記加熱コイルおよび前記被加熱体に送風して冷却する冷却部と、吸気口と排気口の間に少なくとも１つの流路を形成するハウジングとを備え、前記加熱コイル、前記被加熱体、および単一の前記冷却部が流路内に配置され、前記単一の冷却部により送風された空気が、前記加熱コイルを冷却した後、前記流路内に案内されて前記被加熱体を冷却するか、前記被加熱体を冷却した後、前記流路内に案内されて前記加熱コイルを冷却するか、あるいは独立した前記流路内に配置された前記加熱コイルおよび前記被加熱体を個別に冷却することを特徴とするものである。

本願発明によれば、大容量の回生電力エネルギを信頼性よく熱エネルギに変換可能な小型の回生抵抗器を実現することができる。

本願発明に係る回生抵抗器に回生電力を供給する回生回路と、モータに電源供給するための駆動回路の回路ブロック図である。 本願発明に係る実施の形態１による回生抵抗器の概略的な斜視図である。 図２のII−II線から見た断面図である。 図２のIII−III線から見た断面図である。 実施の形態２による回生抵抗器の図４と同様の断面図である 実施の形態２の変形例による回生抵抗器の図４と同様の断面図である。 実施の形態２の変形例による回生抵抗器の図４と同様の断面図である。 実施の形態３による回生抵抗器の図３と同様の断面図である。 実施の形態４による回生抵抗器の図３と同様の断面図である。 実施の形態４による回生抵抗器の図５と同様の断面図である。

本願発明に係る回生抵抗器の実施の形態を説明する前に、図１を参照しながら、エレベータかごを駆動するモータＭに電源供給するための駆動回路１００、およびモータＭの減速時に生じる回生電力を回生抵抗器１に供給する回生回路２００について以下説明する。

図１に示す駆動回路１００は、三相交流電源１０２を直流電流に変換する整流器（たとえばダイオードブリッジコンバータ）１０４と、整流器１０４の出力端（直流母線）に接続された平滑用コンデンサ１０６と、平滑用コンデンサ１０６に並列に接続された駆動インバータ１０８とを備える。駆動インバータ１０８は、整流器１０４および平滑用コンデンサ１０６により整流された直流電流を高周波の交流電流に変換して、モータＭに供給するものである。

一方、図１に示す回生回路２００は、本願発明に係る回生抵抗器１（後述する誘導加熱コイル１０のインダクタンス２０２と抵抗２０４の等価回路として図示）と、誘導加熱コイル１０のインダクタンス２０２と共振する共振用コンデンサ２０６と、同様に整流器１０４の出力端（直流母線）に接続された回生インバータ２０８とを有する。回生回路２００は、モータＭの減速時に直流母線電圧間に生じる回生電力を誘導加熱コイル１０に供給して熱エネルギに変換させることにより、直流母線電圧間に生じ得る過大な電圧上昇を防止するものである。これにより、整流器１０４および平滑用コンデンサ１０６を回生電力による過電圧から保護することができる。

実施の形態１．
図２は本願発明に係る実施の形態１の回生抵抗器１の概略的な斜視図、図３は図２のII−II線から見た断面図、図４は図２のIII−III線から見た断面図である。回生抵抗器１は、図２〜図４に示すように、平面状に捲回された誘導加熱コイル１０と、被加熱体３０と、誘導加熱コイル１０および被加熱体３０の間に配設された断熱体２０と、被加熱体３０に当接するヒートシンク４０とを有する。また、実施の形態１の回生抵抗器１は、図３および図４の矢印Ｗ_１，Ｗ_２で示すように、誘導加熱コイル１０および被加熱体３０（これに当接するヒートシンク４０を含む）のそれぞれに送風して冷却するコイル冷却部１２と、被加熱体冷却部４２とを有する。

具体的には、誘導加熱コイル１０は、たとえばポリイミド樹脂製の絶縁被膜が形成された銅線などの芯線を平面渦巻状に捲回して構成されたものである（詳細図示せず）。芯線は、高周波電流による電力損失を極力低減するために、複数の細い銅線を束ねたものを用いることが好ましい。被加熱体３０は、好適には、誘導加熱コイル１０による誘導加熱に適した鉄などの金属からなる金属板で構成され、断熱体２０は、被加熱体３０から誘導加熱コイル１０に伝わる熱を遮断するために熱伝導率の低いガラス繊維またはセラミック繊維からなる断熱シートあるいは断熱板などを用いて形成される。

図１に示す回生回路２００のインバータ２０８から高周波電流が誘導加熱コイル１０に供給されると、誘導加熱コイル１０により高周波磁界が形成され、被加熱体３０内で生じる渦電流により被加熱体３０の抵抗値に応じたジュール熱が発生して、被加熱体３０が加熱される。

被加熱体３０は上述のようにヒートシンク４０に当接しており、被加熱体３０で生じた熱はヒートシンク４０に伝熱する。ヒートシンク４０は、熱伝導性の高いアルミニウムなどからなり、空気との接触面積を増大させて放熱効果を改善するために、図２および図３で示すようにフィン状の突起部４４を有することが好ましい。なお、空気と接触する表面積を増大させるものであれば、任意の形状の突起部４４を採用することができ、たとえばピン状突起部（図示せず）を設けてもよい。また、被加熱体３０とヒートシンク４０との間の密着性を高め、これらの界面における熱抵抗を低減するために薄い銅板など熱伝導シート（図示せず）を配置してもよい。

コイル冷却部１２および被加熱体冷却部４２は、たとえばシロッコファンなどの任意の形態の送風機を用いて構成することができる。これらの冷却部１２，４２は、誘導加熱コイル１０に高周波電流が供給された時に誘導加熱コイル１０および被加熱体３０に送風するか、あるいは図示しない温度センサで検出した誘導加熱コイル１０および被加熱体３０の温度が所定温度を超えた場合に送風するようにしてもよい。また、冷却部１２，４２は、回生電力から適当な電源回路を介して少なくとも部分的に電源供給されるように回路設計してもよい。

上記のように、本願発明に係る誘導加熱コイル１０は、断熱体２０により被加熱体３０からの熱が遮断されるので、誘導加熱コイル１０自身に流れる高周波電流で生じるジュール熱により絶縁被膜が損傷（溶融等）しない限り、大容量の高周波電流を誘導加熱コイル１０に流すことができる。すなわち誘導加熱コイル１０は、絶縁被膜の許容温度を超えない範囲で大容量の回生電力を消費（熱エネルギに変換）することができる。換言すると、本願発明によれば、消費すべき回生電力が一定であるとき、誘導加熱コイル１０が断熱体２０により被加熱体３０から断熱されているので、絶縁被膜が損傷を受けにくい信頼性の高い回生抵抗器１を実現することができる。

また実施の形態１に係る誘導加熱コイル１０は、コイル冷却部１２により直接的に空冷されるので、絶縁被膜の温度を抑制し、より多くの回生電力を熱エネルギに変換することができる。銅線などの芯線は、一般に、温度上昇に伴い抵抗率が増大するので、同一電流量で生じるジュール熱も増大する傾向があるが、芯線も絶縁被膜を介して効率的に冷却されるので、芯線の抵抗率が増大することなく、より大容量の回生電力を熱エネルギに変換することができる。

加えて、誘導加熱コイル１０は、薄型の板状の断熱体２０により被加熱体３０と断熱するように設計されるので、被加熱体３０に近接して配置することができ、回生抵抗器１の全体の構成を小型化することができる。また、実施の形態１に係る誘導加熱コイル１０およびヒートシンク４０（被加熱体３０を含む）は、コイル冷却部１２および被加熱体冷却部４２により直接的に十分に冷却されるので、所定容量の回生電力を消費するために必要な回生抵抗器１の大きさを小さくすることができる。回生抵抗器１の小型化により、各構成部品の材料費が安価となり、生産コストを低減することができる。

断熱体２０の厚みは、被加熱体３０の誘導インピーダンスおよび誘導加熱コイル１０への断熱効果に影響を与えるため、両者を比較考量して最適な厚みに設計する必要がある。

また、被加熱体３０は、誘導加熱コイル１０により誘導加熱されるものであるが、消費すべき回生電力量（被加熱体３０内で生じる熱量）が変動して、一時的に許容温度（被加熱体３０を構成する金属の融点またはキュリー温度など）を超えて高温になる場合がある。したがって被加熱体３０は、一時的に急激に昇温した場合であっても当該許容温度以下に維持されるように、被加熱体３０の寸法（特に厚み）を大きくして、その熱容量を十分に大きく設計することが好ましい。

なお、上記においては、被加熱体３０は鉄などで構成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、誘導加熱コイル１０による誘導加熱できるものであれば任意の材料を用いて構成することができ、ニッケル、コバルトなどの磁性材料のみならず、アルミニウムなどの非磁性材料を用いてもよい。また誘導加熱コイル１０の芯線および絶縁被膜は他の任意の材料を用いて形成してもよく、本願発明を限定するものではない。さらに断熱体２０も同様に、上記のガラス繊維またはセラミック繊維だけでなく、グラスウール、ロックウール、フェノールウール、ポリスチレンフォームなどの熱伝導率が低い任意の構成材料を用いて形成することができる。

実施の形態２．
図５〜図７を参照しながら、実施の形態２の回生抵抗器２について以下説明する。実施の形態２の回生抵抗器２は、概略、ハウジング５０をさらに有し、単一の冷却部６０により誘導加熱コイル１０および被加熱体３０（ヒートシンク４０を含む）の両方を冷却する点を除き、実施の形態１の回生抵抗器１と同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。

図５は実施の形態２の回生抵抗器２を示す図４と同様の断面図である。図５の回生抵抗器２は、吸気口５２および排気口５４を有する筒状のハウジング５０を備え、ハウジング５０内に、単一の冷却部６０、誘導加熱コイル１０、被加熱体３０、およびヒートシンク４０が配設される。冷却部６０（送風機）が駆動すると、ハウジング５０内の空気は、ハウジング５０と誘導加熱コイル１０との間に形成されたコイル流路５６と（図５の矢印Ｗ_１）、ハウジング５０とヒートシンク４０のフィン状突起部４４との間に形成されたヒートシンク流路５８と（図５の矢印Ｗ_２）に案内される。このとき、誘導加熱コイル１０および被加熱体３０は、互いに独立したコイル流路５６およびヒートシンク流路５８の内部にそれぞれ配設され、冷却部６０より送風された空気により個別に冷却される。すなわち、独立したコイル流路５６とヒートシンク流路５８に案内された空気により、誘導加熱コイル１０およびヒートシンク４０の両方を同時に冷却することができる。このように実施の形態２の回生抵抗器２によれば、単一の送風機６０を用いて誘導加熱コイル１０およびヒートシンク４０の両方を同時に冷却することができるので、実施の形態１の回生抵抗器１よりも送風機６０を１つ省略して、製造コストを低減することができる。

図６および図７は実施の形態２の変形例による回生抵抗器２を示す図４と同様の断面図である。図６に示す回生抵抗器２においては、単一の冷却部６０が誘導加熱コイル１０の上流側に配置され、コイル流路５６内に送風された空気は、誘導加熱コイル１０を冷却した後（図６の矢印Ｗ_１）、図６の連絡流路５９に案内され（図６の矢印Ｗ_３）、ヒートシンク流路５８を通過するときにヒートシンク４０を冷却する（図６の矢印Ｗ_２）。同様に、図７に示す回生抵抗器２においては、単一の冷却部６０がヒートシンク４０の上流側に配置され、ヒートシンク流路５８内に送風された空気は、ヒートシンク４０を冷却した後（図７の矢印Ｗ_２）、図７の連絡流路５９に案内され（図７の矢印Ｗ_３）、コイル流路５６を通過するときに誘導加熱コイル１０を空冷する（図７の矢印Ｗ_１）。いずれにしても、図６および図７に示す回生抵抗器２によれば、単一の冷却部６０を用いて誘導加熱コイル１０およびヒートシンク４０の両方を冷却することができるので、部品点数を減らし、低コスト化を図ることができる。

実施の形態３．
図８を参照しながら、実施の形態３の回生抵抗器３について以下説明する。実施の形態３の回生抵抗器３は、被加熱体３０とヒートシンク４０とが一体に成形された点を除き、実施の形態１の回生抵抗器１と同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。

図８は実施の形態３の回生抵抗器３を示す図３と同様の断面図である。回生抵抗器３は、上述のように被加熱体３０とヒートシンク４０とが一体に成形されており、被加熱ヒートシンク７０を備える。したがって、被加熱ヒートシンク７０は、被加熱体３０とヒートシンク４０との間の界面に相当するものがないので伝熱効果を最適化するとともに、部品点数を減らすことができるので低コスト化を実現することができる。
なお、実施の形態３の被加熱ヒートシンク７０は、実施の形態２の構造にも容易に適用することができ、単一の冷却部６０を用いて誘導加熱コイル１０および被加熱ヒートシンク７０の両方を冷却するように構成することにより、同様に製造コストを実質的に低減することができる。

実施の形態４．
図９および図１０を参照しながら、実施の形態４の回生抵抗器４について以下説明する。実施の形態４の回生抵抗器４は、概略、平面状の誘導加熱コイル１０の両面側に一対の被加熱ヒートシンク７０を設けた点を除き、実施の形態２の回生抵抗器２と同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。

図９および図１０は、実施の形態４の回生抵抗器４を示す図８および図５と同様の断面図である。図９に示す回生抵抗器４は、誘導加熱コイル１０を挟持するように配設された一対の断熱体２０および被加熱ヒートシンク７０を有する。平面状の誘導加熱コイル１０は、その両面において交流磁界を形成するので、被加熱ヒートシンク７０（または被加熱体３０）を設けることにより、よりいっそう大容量の回生電力を熱に変換することができる。

このとき回生抵抗器４は、上記実施の形態と同様、一対の断熱体２０および被加熱ヒートシンク７０を包囲するハウジング５０を備え、これと被加熱ヒートシンク７０のフィン状突起部４４との間に形成された一対のヒートシンク流路５８を有する。また回生抵抗器４は、たとえば図９に示すように断熱体２０に凹凸状の溝部２２を形成することにより、誘導加熱コイル１０との間に複数の通気孔（コイル流路）５６を設け、単一の冷却部６０により送風された空気を通気孔５６内に導入して、誘導加熱コイル１０を同様に空冷することが好ましい。なお、誘導加熱コイル１０と断熱体２０との間の通気孔５６はこれに限定されるものではなく、冷却部６０により送風された空気が通過することにより誘導加熱コイル１０を冷却することができるものであれば任意の構成を採用することができる。

１〜４：回生抵抗器、１０：誘導加熱コイル、１２：コイル冷却部、２０：断熱体、３０：被加熱体、４０：ヒートシンク、４２：被加熱体冷却部、４４：フィン状突起部、５０：ハウジング、５２：吸気口、５４：排気口、５６：コイル流路、５８：ヒートシンク流路、５９：連絡流路、６０：冷却部、７０：被加熱ヒートシンク、１００：駆動回路、２００：回生回路、１０２：三相交流電源、１０４：整流器、１０６：平滑用コンデンサ、１０８：駆動インバータ、２０２：インダクタンス、２０４：抵抗、２０６：共振用コンデンサ、２０８：回生インバータ、Ｍ：モータ。

Claims (5)

1. 平面状に捲回された加熱コイルと、
   前記加熱コイルに隣接して配設され、該加熱コイルにより誘導加熱される被加熱体と、
   前記加熱コイルと前記被加熱体の間に配置された断熱体と、
   前記加熱コイルおよび前記被加熱体に送風して冷却する冷却部と、
   吸気口と排気口の間に少なくとも１つの流路を形成するハウジングとを備え、
   前記加熱コイル、前記被加熱体、および単一の前記冷却部が流路内に配置され、
   前記単一の冷却部により送風された空気が、前記加熱コイルを冷却した後、前記流路内に案内されて前記被加熱体を冷却するか、前記被加熱体を冷却した後、前記流路内に案内されて前記加熱コイルを冷却するか、あるいは独立した前記流路内に配置された前記加熱コイルおよび前記被加熱体を個別に冷却することを特徴とする回生抵抗器。
2. 被加熱体に固定または一体に成形されたヒートシンクをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の回生抵抗器。
3. ヒートシンクは、所定方向に配列された複数のフィン形状またはピン形状を有することを特徴とする請求項２に記載の回生抵抗器。
4. 平面状に捲回された加熱コイルと、
   前記加熱コイルに隣接して配設され、該加熱コイルにより誘導加熱される被加熱体と、
   前記加熱コイルと前記被加熱体の間に配置された断熱体と、
   前記加熱コイルおよび前記被加熱体に送風して冷却する冷却部とを備え、
   一対の前記断熱体、前記被加熱体およびヒートシンクが前記加熱コイルの両側に配設され、
   前記加熱コイルと前記断熱体との間に複数の通気孔が設けられ、
   前記冷却部は前記一対のヒートシンクに送風して冷却するとともに、前記通気孔内にも空気を案内して前記加熱コイルを冷却することを特徴とする回生抵抗器。
5. 加熱コイルに高周波電力を供給する回生電力供給手段をさらに有し、
   冷却部はモータを含む冷却ファンを有し、
   前記冷却部の前記モータは前記回生電力供給手段から少なくとも部分的に電源供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の回生抵抗器。

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