CN107078595A - 旋转电机系统 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机系统，其一体地具有：旋转电机，其收容于外壳的第1收容室；以及半导体模块，其收容于所述外壳的第2收容室，并且与所述旋转电机电连接，其中，旋转电机由定子和转子构成，该定子固定于第1收容室的内周面，该转子设置为相对于定子自由旋转。而且，旋转电机系统还具有冷却器，该冷却器配置于第2收容室的底部与所述半导体模块之间，利用从内部通过的冷媒而对半导体模块以及定子进行冷却。

Description

旋转电机系统

技术领域

本发明涉及一种一体地具有旋转电机、和与该旋转电机连接的半导体模块的旋转电机系统。

背景技术

在JP2005－224008A中公开了一种旋转电机系统，该旋转电机系统一体地具有作为旋转电机的电动机、和将直流电流变换为交流电流并供给至该电动机的逆变器装置。

在该旋转电机系统中，用于对电动机的定子进行冷却的冷却水路设置于对电动机进行收容的外壳，对逆变器装置的半导体模块进行冷却的冷却器在被收容于框体的状态下设置于外壳上。冷却器与上游侧以及下游侧的冷却水路连接，从上游侧的冷却水路供给至冷却器的冷却水从冷却器内通过并排出至下游侧的冷却水路。

发明内容

在上述的旋转电机系统中，由于构成为在逆变器装置的下方未设置冷却水路，另外逆变器装置的冷却器仅对半导体模块进行冷却，因此不能对位于逆变器装置下方的电动机的定子进行冷却。这样，现有技术的旋转电机系统成为不能高效地对电动机的定子进行冷却的结构。如果定子冷却效率降低，则有可能由于电动机运转状态而限制电动机输出。

本发明的目的在于提供一种旋转电机系统，该旋转电机系统能够高效地对半导体模块以及旋转电机的定子进行冷却而不会导致系统的大型化。

根据本发明的某个方式，提供一种旋转电机系统，该旋转电机系统一体地具有：旋转电机，其收容于外壳的第1收容室；以及半导体模块，其收容于外壳的第2收容室，并且与旋转电机电连接。旋转电机由定子和转子构成，该定子固定于第1收容室的内周面，该转子设置为相对于定子自由旋转。而且，旋转电机系统还具有冷却器，该冷却器配置于第2收容室的底部与半导体模块之间，利用从内部通过的冷媒对半导体模块以及定子进行冷却。

附图说明

图1是第1实施方式涉及的旋转电机系统的概略结构图。

图2是未设置半导体模块的状态的旋转电机系统的斜视图。

图3是设置有半导体模块的状态的旋转电机系统的斜视图。

图4是旋转电机系统的局部纵向剖视图。

图5是第2实施方式涉及的旋转电机系统的局部纵向剖视图。

图6A是第3实施方式涉及的旋转电机系统的局部纵向剖视图。

图6B是设置有半导体模块的状态的旋转电机系统的局部纵向剖视图。

图7是第4实施方式涉及的旋转电机系统的局部纵向剖视图。

具体实施方式

下面，参照附图等对本发明的实施方式进行说明。

(第1实施方式)

参照图1对第1实施方式涉及的旋转电机系统100进行说明。图1是第1实施方式涉及的旋转电机系统100的概略结构图。

图1所示的旋转电机系统100是搭载于电动汽车或混合动力汽车等的系统。

旋转电机系统100具有：作为电源的电池20；作为对车轮进行驱动的驱动源的电动机30；以及与电池20及电动机30电连接的逆变器10。旋转电机系统100利用从电池20放电的电力对电动机30进行驱动，或者利用由电动机30发电的电力对电池20进行充电。

电池20是能够进行充放电的2次电池，例如由锂离子电池构成。

电动机30是具有U相端子、V相端子以及W相端子的三相交流电动机。电动机30是所谓的旋转电机，在正常时作为驱动源起作用，在再生时作为发电机起作用。

逆变器10是电连接于电池20与电动机30之间的电力变换装置。逆变器10在正常时将电池20的直流电力变换为交流电力并将交流电力供给至电动机30，在再生时将来自电动机30的交流电力变换为直流电力并将直流电力供给至电池20。

逆变器10具有正极侧电源线11以及负极侧电源线12，正极侧电源线11经由继电器开关15与电池20的正极连接。负极侧电源线12与电池20的负极连接。

在正极侧电源线11与负极侧电源线12之间，连接有对电池20与逆变器10之间的电压进行平滑化的电容器14。电容器14相对于电池20并联连接。

逆变器10还具有半导体模块13，该半导体模块13含有6个开关元件S1～S6。半导体模块13(功率模块)的各开关元件S1～S6由绝缘栅双极型二极管(IGBT)和容许电流向与IGBT相反的方向流动的整流二极管构成。

在正极侧电源线11与负极侧电源线12之间，串联连接开关元件S1、S2作为U相用元件，串联连接开关元件S3、S4作为V相用元件，串联连接开关元件S5、S6作为W相用元件。

电动机30的U相端子与将开关元件S1和开关元件S2连接的连接部连接。并且，电动机30的V相端子与将开关元件S3和开关元件S4连接的连接部连接，电动机30的W相端子与将开关元件S5和开关元件S6连接的连接部连接。

上述的6个开关元件S1～S6基于来自控制器50的控制信号被进行接通/断开控制。例如，控制器50由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、以及输入输出接口(I/O接口)的微机构成。

向控制器50输入对U相电流进行检测的电流传感器51、对V相电流进行检测的电流传感器52、对W相电流进行检测的电流传感器53的检测信号。另外，除了上述信号以外，还向控制器50输入来自对电池20的电压进行检测的电压传感器、对电动机30的转速进行检测的转速传感器等的检测信号。

控制器50基于上述的检测信号、来自车辆控制器(省略图示)的扭矩指令值等生成脉冲宽度调制信号(PWM信号)，利用上述PWM信号对半导体模块13的开关元件S1～S6进行开关控制。

如图2以及图3所示，在旋转电机系统100中，作为旋转电机的电动机30和与该电动机30电连接的逆变器10，经由外壳60而一体地设置。

如图2所示，外壳60作为由铝合金等铸造得到的壳体部件而构成。外壳60具有：作为对电动机30进行收容的第1收容室的电动机收容室61；以及作为对逆变器10进行收容的第2收容室的逆变器收容室62。

电动机收容室61形成为与电动机30的外形相对应的圆筒状空间，逆变器收容室62形成为由底部62A以及侧壁部62B构成的箱状空间。电动机收容室61和逆变器收容室62在上下方向上排列配置。在将逆变器安装于逆变器收容室62之后，逆变器收容室62的上部开口被未图示的盖部件闭塞。

电动机30具有定子31和转子32，该定子31固定于电动机收容室61的内周面61A，该转子32设置为在定子31的内侧相对于该定子31自由旋转。

转子32由旋转轴32A、以及在旋转轴32A的外周安装的转子铁心32B构成。转子铁心32B是将多个电磁钢板层叠而构成的圆筒状部件，且在转子铁心32B的内部设置有永磁体。

定子31形成为圆环状，以将转子32的外周包围。定子31通过利用热装等方法而固定于电动机收容室61内，以使得定子31的外周面与电动机收容室61的内周面61A紧贴。定子31具有多个齿部，在上述齿部按顺序卷绕有U相线圈、V相线圈以及W相线圈。

如图3所示，逆变器10被收容于外壳60的逆变器收容室62。即，在逆变器收容室62内配置有构成逆变器10的半导体模块13、电容器14、控制器50等。

包含开关元件S1～S6的半导体模块13经由冷却器70而设置于逆变器收容室62的底部62A上。为了实现旋转电机系统100的组装的容易化，冷却器70在安装有半导体模块13的状态下经由螺栓等固定机构而固定于逆变器收容室62的底部62A。冷却器70是对在开关控制时发热的半导体模块13进行冷却的冷却机构，下文中参照图4对冷却器70的详细内容进行说明。

半导体模块13在载置于冷却器70上的状态下收容于逆变器收容室62内。半导体模块13的U相、V相、W相连接部与电动机30的U相、V相、W相端子分别经由U相、V相、W相总线41、42、43而电连接。在U相、V相、W相总线41、42、43设置与各相对应的电流传感器51、52、53。

在外壳60的后端侧，逆变器收容室62的侧壁部62B具有贯通孔62C，电动机收容室61的后端作为开口端而形成。U相、V相、W相总线41、42、43通过侧壁部62B的贯通孔62C以及电动机收容室61的开口端而与电动机30以及半导体模块13连接。

在上述的旋转电机系统100中，由于电动机30被驱动，从而电动机30的定子31、逆变器10的半导体模块13发热。因此，旋转电机系统100具有对电动机30的定子31以及逆变器10的半导体模块13进行冷却的冷却机构。

参照图4对旋转电机系统100的冷却机构进行说明。图4是旋转电机系统100的局部纵向剖视图。

如图4所示，本实施方式涉及的旋转电机系统100具有冷却路63以及冷却器70而作为冷却机构。

冷却路63在电动机30的定子31的周围的外壳60处形成。冷却路63沿着定子31的外周在旋转轴方向上延伸设置。冷却路63是供冷却水(冷媒)流动的通路，通过冷却水在冷却路63内流动，从而对冷却路63附近的定子31进行冷却。这样，冷却路63作为用于对电动机30的定子31进行冷却的冷却机构而构成。冷却路63可以在起动机31的周围设置多个，也可以构成为沿着定子31的周围而延伸设置的一个通路。

此外，在冷却路63内流动的冷媒并不限定于冷却水，还可以是油等液体、空气等气体。

冷却器70配置为处于逆变器收容室62的底部62A与半导体模块13之间。冷却器70是矩形板状部件，在其内部具有多个流路71。流路71形成为在电动机30的旋转轴方向上延伸设置的通路。

多个流路71在与旋转轴方向正交的方向(电动机宽度方向)上排列设置，分别平行地配置。冷却器70的流路71是供冷却水(冷媒)流动的通路，通过冷却水在流路71内流动，从而对逆变器10的半导体模块13以及电动机30的定子31进行冷却。

这样，冷却器70构成为不仅能够对位于该冷却器70上方的逆变器10的半导体模块13进行冷却、还能够对位于该冷却器70下方的电动机30的定子31进行冷却的冷却机构。冷却器70对半导体模块13以及定子31进行冷却，因此将流路71的容积、形状设计为能够对半导体模块13以及定子31这两个部件进行冷却。此外，流路71还可以构成为一边沿着半导体模块13的下表面弯曲一边延伸设置的一个通路。

在本实施方式中，冷却器70以及冷却路63构成为，使得从冷却器70的入口部流入至流路71内的冷却水在通过流路71之后，通过冷却器70的出口部而流入至冷却路63。然后，从冷却路63通过后的冷却水由未图示的散热机构进行冷却，再次供给至冷却器70。这样，从冷却器70的流路71通过的冷却水和从冷却路63通过的冷却水被共用。由于半导体模块13的容许上限温度比定子31的容许上限温度低，因此，在共用冷却水的情况下，优选与冷却路63相比，先对冷却器70供给被散热机构冷却后的冷却水。

此外，在本实施方式中将冷却水设为共用，但也可以利用不同的冷却水供给源并针对冷却器70以及冷却路63而分别供给冷却水。

如上所述，旋转电机系统100的冷却机构由冷却路63以及冷却器70构成。冷却器70对半导体模块13以及定子31这两个部件进行冷却，因此冷却路63以避开位于冷却器70与定子31之间的部分(冷却器70的正下方)的方式设置于外壳60。由此，能够避免冷却路63的冷却范围与冷却器70的冷却范围之间的重复。

根据上述的第1实施方式的旋转电机系统100，能够得到以下的效果。

对于旋转电机系统100，除在外壳60形成的定子冷却用的冷却路63之外，还具有冷却器70。冷却器70构成为，配置于逆变器收容室62的底部62A与半导体模块13之间，利用从内部通过的冷却水对逆变器10的半导体模块13以及电动机30的定子31进行冷却。

这样，冷却器70同时用作半导体模块13的冷却机构和定子31的冷却机构，因此不会引起旋转电机系统100的大型化，能够高效地对半导体模块13以及定子31进行冷却。其结果，能够利用电动机30实现长时间且高输出的运转。

另外，使作为板状部件的冷却器70处于半导体模块13与定子31之间，由此能够对逆变器收容室62的底部62A进行加强，即使将底部62A设定为某种程度地较薄，也能够确保外壳强度。

此外，冷却器70构成为对构成逆变器10的一部分的半导体模块13进行冷却，但也可以构成为对与电动机30连接的逆变器10以外的电气部件(逆变器等)的半导体模块进行冷却。

在旋转电机系统100中，定子冷却用的冷却路63设置于定子31的周围的外壳60。在冷却路63以及冷却器70中，从冷却路63通过的冷却水和从冷却器70通过的冷却水被共用。通过以这种方式将冷却水设为共用，对于冷却水供给源、冷却水的散热机构等也能够进行共享，能够抑制旋转电机系统100的大型化。

并且，在旋转电机系统100中，冷却路63以避开位于冷却器70与定子31之间的部分(冷却器70的正下方)的方式形成于外壳60。由此，能够避免冷却路63的冷却范围与冷却器70的冷却范围之间的重复，能够抑制旋转电机系统100的大型化，并且能够高效地对定子31以及半导体模块13进行冷却。

(第2实施方式)

参照图5，对第2实施方式涉及的旋转电机系统100进行说明。

第2实施方式涉及的旋转电机系统100在使热传递改善部件80处于冷却器70与逆变器收容室62的底部62A之间这点上与第1实施方式的系统不同。此外，在以下的实施方式中，对发挥与第1实施方式相同作用的结构标注相同标号，适当地省略说明重复的记载。

如图5所示，在第2实施方式涉及的旋转电机系统100中，在冷却器70与逆变器收容室62的底部62A之间配置热传递改善部件80。

热传递改善部件80是通过在冷却器70的下端面与逆变器收容室62的底部62A之间涂敷油脂而形成的油脂层、在冷却器70的下端面与逆变器收容室62的底部62A之间配置的具有比空气高的热传导率的弹性体。

在第2实施方式涉及的旋转电机系统100中，在冷却器70与底部62A之间夹持热传递改善部件80，由此能够使热传递改善部件80与冷却器70和热传递改善部件80以及底部62A无间隙地接触。由此，能够减小各部件间的热阻，能够利用冷却器70更高效地对电动机30的定子31进行冷却。

此外，在第2实施方式中，在冷却器70与底部62A之间配置了热传递改善部件80，但也可以取代配置热传递改善部件80，而针对冷却器70的下端面(安装面)以及逆变器收容室62的底部表面的至少一者的表面实施用于降低表面粗糙度的表面加工。

以这种方式实施表面加工，由此能够使冷却器70与底部62A无间隙地接触，能够增加两个部件的接触面积。由此，即使没有热传递改善部件80，也能够减小冷却器70－底部62A间的热阻，能够利用冷却器70更高效地对定子31进行冷却。

由于在通过铸造而形成的外壳60中，其表面容易变粗糙，因此在仅对冷却器70以及底部62A的一者实施表面加工的情况下，优选针对作为外壳60的一部分而形成的逆变器收容室62的底部62A的表面实施用于降低表面粗糙度的表面加工。

并且，还可以在针对冷却器70以及底部62A的至少一者实施了表面加工的状态下，在冷却器70与底部62A之间配置热传递改善部件80。

(第3实施方式)

参照图6A以及图6B，对第3实施方式涉及的旋转电机系统100进行说明。

第3实施方式涉及的旋转电机系统100在冷却器70的设置的方法上与第1以及第2实施方式的系统不同。

如图6A所示，固定于外壳60的底部62A之前的冷却器70作为在电动机宽度方向上弯曲的板状部件而构成。即，冷却器70的下端面(安装面)呈电动机宽度方向的中央部分朝向逆变器收容室62的底部62A凸出的弯曲形状。冷却器70为比较简单的板形状，因此只要利用挤压成型等方法就能够容易地制造该冷却器70。

如图6B所示，弯曲形状的冷却器70在载置于逆变器收容室62的底部62A上之后，利用作为固定机构的多个螺栓90固定于底部62A。

上述螺栓90沿着冷却器70的外缘而配置。螺栓90至少配置于矩形板状的冷却器70的四角，除了四角以外，也可以沿着冷却器70的外周边而配置。螺栓90穿过冷却器70的螺栓插入孔而与底部62A的螺丝孔螺合，由此冷却器70在从弯曲状变形为平板状的状态下被紧贴固定于底部62A。

在第3实施方式涉及的旋转电机系统100中，利用沿着该冷却器70的外缘而配置的多个螺栓90，将在电动机宽度方向上弯曲的形状的冷却器70紧贴固定于逆变器收容室62的底部62A。

通过以这种方式紧贴固定，从而不仅在螺栓90的附近，即使在冷却器70的中央部分，也能够以维持了高的接触面压的状态使冷却器70和底部62A紧贴。由此，能够使冷却器70和底部62A无间隙地接触，能够减小两个部件间的热阻。其结果，能够利用冷却器70更高效地对电动机30的定子31进行冷却。

此外，如果在外壳60的电动机收容室61通过热装而对定子31进行配置，则逆变器收容室62的底部62A的表面与定子31的外周形状相对应地在电动机宽度方向上弯曲。即，底部62A呈电动机宽度方向的中央部分向冷却器70侧凸出的弯曲形状。

这样，在底部62A呈弯曲形状的情况下，冷却器70可以不是弯曲的板状部件，而是平板状部件。利用沿着冷却器70的外缘而配置的多个螺栓90将冷却器70相对于在电动机宽度方向上弯曲的底部62A而进行固定，也能够以维持了高的接触面压的状态使冷却器70和底部62A紧贴。其结果，能够利用冷却器70而更高效地对电动机30的定子31进行冷却。

在上述的第3本实施方式的旋转电机系统100中，既可以在冷却器70与底部62A之间配置在第2实施方式中说明的热传递改善部件，也可以针对冷却器70以及底部62A实施在第2实施方式中说明的表面加工。

(第4实施方式)

参照图7，对第4实施方式涉及的旋转电机系统100进行说明。

第4实施方式涉及的旋转电机系统100在冷却器70的一部分在电动机收容室61露出这点，与第1～第3实施方式的系统不同。

如图7所示，在逆变器收容室62的底部62A形成供冷却器70嵌入的凹槽64、以及将逆变器收容室62与电动机收容室61连通的连通孔65。

冷却器70通过压入或热装等方法而配置于底部62A的凹槽64内。在这样配置的状态下，冷却器70的一部分穿过连通孔65而在电动机收容室61露出。穿过连通孔65而露出的冷却器70的露出部分形成为与电动机30的定子31的外周形状相对应而凹陷的凹部72，冷却器70的凹部72构成为与定子31接触。

在第4实施方式涉及的旋转电机系统100中，冷却器70的凹部72(露出部分)穿过连通孔65而在电动机收容室61侧露出，并且与定子31的外周面接触。由此，能够经由冷却器70直接对电动机30的定子31进行冷却。其结果，能够利用冷却器70更高效地对电动机30的定子31进行冷却。

此外，冷却器70的下端面的露出部分形成为平坦面。在该情况下，定子31的外周面的一部分形成为平坦面，以使得穿过连通孔65而露出的冷却器70的下端面和定子31的外周面相接触。

在上述的第4本实施方式的旋转电机系统100中，既可以在冷却器70与定子31之间配置在第2实施方式中说明的热传递改善部件，也可以针对冷却器70以及定子31实施在第2实施方式中说明的表面加工。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式不过是示出了本发明的应用例的一部分，其主旨不是将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。

分别作为单独的实施方式而对上述的各实施方式进行了说明，但也可以适当组合。

Claims (9)

1.一种旋转电机系统，其一体地具有：旋转电机，其收容于外壳的第1收容室；以及半导体模块，其收容于所述外壳的第2收容室，并且与所述旋转电机电连接，其中，

所述旋转电机由定子和转子构成，该定子固定于所述第1收容室的内周面，该转子设置为相对于所述定子自由旋转，

所述旋转电机系统还具有冷却器，该冷却器配置于所述第2收容室的底部与所述半导体模块之间，利用从内部通过的冷媒而对所述半导体模块以及所述定子进行冷却。

2.根据权利要求1所述的旋转电机系统，其中，

所述外壳具有冷却路，该冷却路设置于所述定子的周围，利用从内部通过的冷媒对所述定子进行冷却，

从所述冷却路通过的冷媒与从所述冷却器通过的冷媒被共用。

3.根据权利要求2所述的旋转电机系统，其中，

所述冷却路以避开位于所述冷却器与所述定子之间的部分的方式形成于所述外壳。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转电机系统，其中，

在所述第2收容室的底部与所述冷却器之间配置热传递改善部件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转电机系统，其中，

所述第2收容室的底部以及所述冷却器的底部侧的端面的至少一者实施了用于降低表面粗糙度的表面加工。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转电机系统，其中，

所述第2收容室的底部以及所述冷却器的底部侧的端面的一者呈其中央部分朝向另一者凸出的弯曲形状，

所述冷却器利用沿着冷却器外缘所配置的多个固定机构而相对于所述底部紧贴固定。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转电机系统，其中，

在所述第2收容室的底部形成将所述第2收容室和所述第1收容室连通的连通孔，

所述冷却器构成为通过所述连通孔而与所述定子接触。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋转电机系统，其中，

所述冷却器构成为具有供冷媒流动的流路的板状部件。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转电机系统，其中，

所述半导体模块是构成逆变器的一部分的模块。