JP2003274599A

JP2003274599A - 駆動装置

Info

Publication number: JP2003274599A
Application number: JP2002068635A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Tatematsu; 和高立松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】駆動装置に含まれる電力変換装置と電動機と
を小型化することによって駆動装置全体としての小型化
を図り、車輌搭載性に優れた駆動装置を提供する。【解決手段】回転軸３２、筐体３１、回転子３４、お
よび固定子３６を含むモータ３０と、スイッチング素子
２４、平滑用コンデンサ２７、およびスイッチング制御
回路２６を含むインバータ回路２０とを備え、平滑用コ
ンデンサ２７は環状に形成されており、この環状に形成
された平滑用コンデンサ２７がモータ３０の回転軸３２
に外挿され、モータ３０の筐体３１内のデッドスペース
に収容される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機および電力
変換装置を備えた駆動装置に関し、より特定的には、直
流電源から得られる直流電力を交流電力に変換し、この
交流電力を用いて電動機を動作させることによって駆動
力を得る駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、直流電源から得られる直流電力を
電力変換装置を用いて交流電力に変換し、この交流電力
を用いて電動機を動作させることによって、電気エネル
ギーを効率良く運動エネルギーに変換する駆動装置が知
られている。この駆動装置の応用範囲は広く、近年では
車輌への搭載も一部実用化が始まっている。

【０００３】駆動装置が搭載される車輌としては、たと
えば電気自動車（Electric Vehicle）やハイブリッド電
気自動車（Hybrid Electric Vehicle）などがあり、環
境に配慮した自動車として注目を集めている。たとえ
ば、ハイブリッド電気自動車においては、従来のエンジ
ンに加えて上述の駆動装置が搭載される。

【０００４】この駆動装置の一般的な回路構成を図５に
示す。駆動装置は、大別して、電力変換装置であるイン
バータ回路２０と、電動機であるモータ３０とから構成
される。上述のように、この駆動装置の電源としては、
直流電源であるバッテリ１０が用いられる。

【０００５】インバータ回路２０は、内部にスイッチン
グ素子２４およびスイッチング素子２４のＯＮ／ＯＦＦ
動作を制御するスイッチング制御回路２６を有するスイ
ッチングモジュール２１と、スイッチング素子２４に供
給される直流電力の平滑化を行なう平滑用コンデンサ２
７とを含む。スイッチング素子２４としては、ＩＧＢＴ
（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯ
Ｓ（Metal Oxide Semiconductor）などが使用される。
なお、スイッチング素子２４のそれぞれに並列に接続さ
れているダイオードは、還流用のフリーホイールダイオ
ード２５である。

【０００６】図に示すように、スイッチングモジュール
２１のＰ，Ｎ端子２２ａ，２２ｂは、バスバー２３を介
してバッテリ１０の正極および負極に接続される。ま
た、スイッチングモジュール２１のＰ，Ｎ端子２２ａ，
２２ｂ間には、バッテリ１０からスイッチング素子２４
へと印加される直流電圧の平滑化を行なう目的で、平滑
用コンデンサ２７が並列に接続される。一方、スイッチ
ングモジュール２１のＵ，Ｖ，Ｗ端子２２ｃ，２２ｄ，
２２ｅは、モータ３０の三相の端子にそれぞれ接続され
る。

【０００７】ここで、図６は、従来の駆動装置に使用さ
れていた平滑用コンデンサの形状を示す斜視図である。
図に示すように、従来の平滑用コンデンサ２７は、円筒
形状を成しており、その上面に接続用の端子２７ａが設
けられている。本駆動装置においてはスイッチング素子
２４に印加される電圧が非常に大きいため、これに合わ
せて平滑用コンデンサ２７の容量も非常に大きくする必
要があり、実用化されている駆動装置にあっては数ｍＦ
程度のものまで存在する。このため、平滑用コンデンサ
２７は非常に大きい体積を占める。

【０００８】スイッチング制御回路２６は、図示しない
インバータ制御回路を介して同じく図示しないＥＣＵ
（Electrical Control Unit）に接続されており、車輌
の運転条件に応じてスイッチング素子２４のＯＮ／ＯＦ
Ｆ動作を制御する。このインバータ制御回路によるスイ
ッチング素子２４のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）
制御により、モータ３０に出力される交流電力の最適化
が図られる。

【０００９】以上の構成により、バッテリ１０から得ら
れる直流電力がインバータ回路２０によって三相の交流
電力に変換され、この三相の交流電力によってモータ３
０が駆動される。これにより、モータ３０の回転軸に車
輌の推進力となる回転力が与えられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の車載用の駆動装
置にあっては、インバータ回路とモータとが車輌の別々
の位置に離隔配置されていた。これは、インバータ回路
とモータとがいずれもその動作によって発熱するためで
あり、近接配置することによって互いの熱が相互に干渉
し合うことを防止するためである。しかし、これではイ
ンバータ回路とモータとを電気的に接続するための大型
のケーブルを車輌に敷設する必要があり、部品の小型化
の要望が強い自動車への適用の妨げとなっていた。ま
た、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作の高速化に伴
い、これによって生ずるノイズの低減を図るため、ケー
ブルをより短くすることが好ましい。このため冷却系の
改良が鋭意行なわれ、近年ではインバータ回路とモータ
との近接配置が可能になりつつある。

【００１１】インバータ回路とモータとを近接配置し、
さらには一体化したものとして、たとえば、特開２００
１−１１９８９８号公報に開示された駆動装置がある。
図７（ａ）に示すように、この駆動装置では、モータ３
０の筐体３１の上部外壁にインバータ回路２０が収容さ
れるインバータケース４０を一体に組付けている。ま
た、インバータ回路とモータとを近接配置した他の例と
しては、特開平５−２９２７０３号公報に開示された駆
動装置がある。図７（ｂ）に示すように、この駆動装置
では、モータ３０の筐体３１の端面にヒートシンク４１
を介してインバータケース４０を一体に接続している。
なお、上述のいずれの駆動装置においても、インバータ
ケース４０内には、スイッチングモジュール２１と平滑
用コンデンサ２７とが収容されている。

【００１２】しかしながら、上述のいずれの構成にあっ
ても、本来の意味での駆動装置の小型化は図られてはい
ない。あくまでも上述の構成にあっては、インバータケ
ースをモータの筐体に近接配置することによってインバ
ータ回路とモータとの接続に用いられるケーブルが短縮
されるのみであって、インバータ回路とモータとの小型
化に直接寄与するような工夫は見られない。たとえば、
特開２００１−１１９８９８号公報に開示された駆動装
置にあっては、図６に示す従来と同一形状の平滑用コン
デンサ２７がインバータケース４０内に収容されてお
り、占有体積の点から見れば従前のものと殆どかわりな
い。

【００１３】したがって、本発明の目的は、駆動装置に
含まれる電力変換装置と電動機とを小型化することによ
って駆動装置全体としての小型化を図り、車輌搭載性に
優れた駆動装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく駆動装置
は、回転軸、筐体、回転子、および固定子を含む電動機
と、スイッチング素子、平滑用コンデンサ、および制御
回路を含む電力変換装置とを備えている。筐体は、回転
軸を軸支している。固定子は筐体内に位置し、回転軸上
に配置されている。固定子は同じく筐体内に位置し、回
転子の周面に間隔をもって対面配置されている。スイッ
チング素子は、固定子に巻装されたコイルに電気的に接
続されている。平滑用コンデンサはスイッチング素子に
電気的に接続され、スイッチング素子に供給される電力
の平滑化を行なう。制御回路は、スイッチング素子のス
イッチ動作を制御する。電力変換装置のうち、少なくと
も平滑用コンデンサが電動機の筐体内に収容されてい
る。

【００１５】このように、電力変換装置の一構成部品で
ある平滑用コンデンサを電動機筐体内のデッドスペース
に配置することにより、駆動装置全体としての小型化が
可能になる。平滑用コンデンサは、電力変換装置の占有
体積の大部分を占めており、この平滑用コンデンサを電
動機の筐体内部のデッドスペースに配置することは、駆
動装置の小型化に非常に有効である。

【００１６】上記本発明に基づく駆動装置は、好ましく
は、回転軸と交差する断面において、平滑用コンデンサ
が回転軸を囲むように延在する円弧部を有する。

【００１７】このように、平滑用コンデンサの形状を従
来の円筒形状から電動機の回転軸を囲う円弧部を有する
形状へと変更することにより、デッドスペースの有効利
用が可能になる。これにより、駆動装置を大幅に小型化
することが可能になる。円弧部を有する平滑用コンデン
サの形状としては、たとえば、Ｕ字状やＣ字状などが考
えられる。

【００１８】上記本発明に基づく駆動装置は、好ましく
は、回転軸と交差する断面において、平滑用コンデンサ
が回転軸を囲むように延在する環状部を有する。

【００１９】このように、平滑用コンデンサの形状を従
来の円筒形状から電動機の回転軸を囲う環状部を有する
形状へと変更することにより、デッドスペースの有効利
用が可能になる。これにより、駆動装置を大幅に小型化
することが可能になる。環状部を有する平滑用コンデン
サの形状としては、たとえば、真円形状や楕円形状が考
えられる。

【００２０】上記本発明に基づく駆動装置は、好ましく
は、回転軸と交差する断面において、平滑用コンデンサ
は回転軸からコイルに至るまでの領域内に位置してい
る。

【００２１】このように、平滑用コンデンサが固定子に
巻装されたコイルよりも内側に位置することにより、電
動機の軸方向の大きさを小さく抑えることが可能にな
り、さらなる駆動装置の小型化が可能となる。

【００２２】上記本発明に基づく駆動装置は、好ましく
は、平滑用コンデンサに加え、スイッチング素子が電動
機の筐体内に収容されている。

【００２３】このように、スイッチング素子が電動機の
筐体内にあわせて配置されることにより、スイッチング
素子と平滑用コンデンサとの接続配線を短縮化すること
ができるため、高周波スイッチングに伴って生ずるノイ
ズの低減や、部品点数の削減が可能になり、高性能で小
型の駆動装置を安価に製造することが可能になる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図を参照して説明する。

【００２５】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１における駆動装置の構造を説明するための断面図
であり、図２は、本実施の形態における平滑用コンデン
サの形状を説明するための斜視図である。なお、本実施
の形態における駆動装置の回路構成は、図５に示した回
路構成と同じである。

【００２６】図１に示すように、モータ３０は、回転軸
３２と、筐体３１と、回転子３４と、固定子３６とを有
している。回転軸３２と筐体３１との間にには、ベアリ
ング３３が嵌め込まれており、このベアリング３３によ
って回転軸３２が筐体３１に回転自在に軸支されてい
る。筐体３１内部の回転軸３２上には、回転子３４が固
着されており、この回転子３４の所定位置には永久磁石
３５が取付けられている。固定子３６は、回転子３４の
周面に対面配置するように筐体３１内壁に固着されてい
る。この固定子３６にはコイル３７が巻装されている。
また、筐体３１内の所定位置には、角度センサであるレ
ゾルバー３８ａが取付けられている。このレゾルバー３
８ａは、回転軸３２のラジアル方向にギャップを有する
ラジアルギャップ型のレゾルバーである。

【００２７】筐体３１内部の所定位置には、スイッチン
グモジュール２１が収容されている。スイッチングモジ
ュール２１内には、スイッチング素子２４およびスイッ
チング制御回路２６が配設されている。このスイッチン
グモジュール２１に近接して、平滑用コンデンサ２７が
筐体３１内に収容されている。ここで、平滑用コンデン
サ２７は、図２（ａ）に示すように、環状に形成された
環状部２７ｂを有するコンデンサが使用される。この環
状の平滑用コンデンサ２７は、モータ３０の回転軸３２
に外挿されて配置される。これにより、平滑用コンデン
サ２７の環状部２７ｂが回転軸３２を囲むように延在す
るようになる。また、平滑用コンデンサ２７は、固定子
３６に巻装されたコイル３７の端部であるコイルエンド
部３７ａよりも内側に配置されている。なお、平滑用コ
ンデンサ２７の端子２７ａは、スイッチングモジュール
２１のＰ，Ｎ端子２２ａ，２２ｂにボルト締めにて固定
される。

【００２８】以上のように、平滑用コンデンサの形状を
環状にし、この環状の平滑用コンデンサをモータの回転
軸に外挿して筐体内部に配置することにより、モータの
デッドスペースを有効利用することが可能になり、駆動
装置の小型化に寄与する。また、コイルエンド部よりも
内側に平滑用コンデンサを配置することにより、モータ
の軸方向の大きさをさらに小さくすることが可能にな
る。

【００２９】なお、図２（ｂ）に示すように、平滑用コ
ンデンサ２７は環状以外の形状のものでもよい。たとえ
ば、回転軸３２を完全に囲むものではなく、その一部を
囲むように延在する円弧部２７ｃを有するものでもよ
い。この一例としては、Ｕ字状やＣ字状の平滑用コンデ
ンサが考えられる。

【００３０】（実施の形態２）図３は本発明の実施の形
態２における駆動装置の構造を説明するための軸方向断
面図である。図に示すように、本実施の形態における駆
動装置は上述の実施の形態１と異なり、平滑用コンデン
サおよびレゾルバーの筐体内部での配設位置が異なって
いる。また、コイルエンド部としては、後述するコイル
エンド部短縮手段が用いられている。

【００３１】本実施の形態にあっては、平滑用コンデン
サ２７がスイッチングモジュール２１が配置された筐体
３１の内壁とは反対側の内壁に配置されている。これ
は、平滑用コンデンサが特に大きく、スイッチングモジ
ュール２１の近傍に配置できない場合に有効なレイアウ
トである。

【００３２】また、本実施の形態においては、固定子３
６に巻装されたコイル３７の端部にコイルエンド部短縮
手段３７ｂが利用されている。このコイルエンド部短縮
手段３７ｂは、通常、固定子３６の端部で湾曲するよう
に折り曲げられるコイル３７の巻線の湾曲部分のでっぱ
りをなくすことにより、固定子３６端部を小型化するも
のである。具体的には、基板やリード線などの部材を固
定子３６端部に沿うように固定子３６両端に配置し、こ
れら基板やリード線と巻線とを接続することによって構
成される。このようにすることにより、固定子３６端部
において巻線が出っ張らず、屈曲するようになるため、
コイルエンド部の占有体積を大幅に減少させることがで
き、駆動装置の小型化が可能になる。

【００３３】（実施の形態３）図４は、本発明の実施の
形態３における駆動装置の構造を説明するための軸方向
断面図である。図に示すように、本実施の形態における
駆動装置は上述の実施の形態１と異なり、レゾルバーが
回転軸の延伸方向にギャップを有するアキシャルギャッ
プ型のレゾルバーとなっている。

【００３４】図に示すように、このアキシャルギャップ
型のレゾルバー３８ｂを回転子３４と平滑用コンデンサ
３７の内側に配置することにより、さらなる駆動装置の
小型化が実現できるようになる。

【００３５】上記各実施の形態においては、スイッチン
グモジュールを電動機の筐体内部に配置しているが、こ
れを筐体外部に設置しても構わない。電力変換装置の占
有体積の大部分を占める構成部品は平滑用コンデンサで
あるため、スイッチングモジュールを筐体外部、たとえ
ば筐体の外壁表面に設置しても、駆動装置が大幅に大型
化することはない。しかしながら、言うまでもなく、筐
体内部のデッドスペースにスイッチングモジュールを配
置することが好ましい。

【００３６】また、上記各実施の形態においては、冷却
系の説明を省略したが、スイッチングモジュールを筐体
壁面に取付け、この筐体壁面内部に冷却路を設けること
により、十分な冷却性能を得ることが可能である。

【００３７】また、上記各実施の形態においては、平滑
用コンデンサの形状を回転軸を囲む形状とした場合を例
示して説明したが、特にこの形状に限定されるものでは
なく、たとえば従来の円筒状の平滑用コンデンサをデッ
ドスペースに配置しても構わない。また、平滑用コンデ
ンサの周辺に配置される他の部品との干渉が少なくなる
ように、適宜平滑用コンデンサ自体を局所的に薄くした
り、切り欠いたりしてもよい。ただし、よりデッドスペ
ースを有効活用して駆動装置全体の小型化を図るために
は、回転軸を囲む形状とすることが望ましいと思われ
る。

【００３８】さらに上記においては、車輌に搭載される
駆動装置を例示してその説明を行なったが、特に車載用
の駆動装置に限定されるものではない。

【００３９】また、本発明に係る駆動装置は、その構成
から発電機として使用することも可能であり、特に車載
用の駆動装置にあっては、このような形態で使用される
こともある。

【００４０】このように、今回開示した上記各実施の形
態はすべての点で例示であって、制限的なものではな
い。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定
され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範
囲内でのすべての変更を含むものである。

【００４１】

【発明の効果】本発明により、平滑用コンデンサなどの
電力変換装置の構成部品を電動機の筐体内部のデッドス
ペースに配置することにより、駆動装置の小型化が可能
になる。また、平滑用コンデンサの形状を回転軸を囲む
形状とすることにより、さらなる駆動装置の小型化が可
能になる。また、この回転軸を囲む平滑用コンデンサを
固定子のコイル端部の内側に配置することにより、駆動
装置の回転軸方向の大きさを長大させることもない。こ
れにより、車輌への搭載性に優れた駆動装置を提供する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における駆動装置の構
造を説明するための軸方向断面図である。

【図２】本発明の実施の形態１における平滑用コンデ
ンサの形状を示す概略斜視図である。

【図３】本発明の実施の形態２における駆動装置の構
造を説明するための軸方向断面図である。

【図４】本発明の実施の形態３における駆動装置の構
造を説明するための軸方向断面図である。

【図５】一般的な駆動装置の回路構成を説明するため
の図である。

【図６】従来の平滑用コンデンサの形状を説明するた
めの概略斜視図である。

【図７】従来の駆動装置の構造を説明するための概略
斜視図である。

【符号の説明】

１０バッテリ、２０インバータ回路、２１スイッ
チングモジュール、２２ａＰ端子、２２ｂＮ端子、
２２ｃＵ端子、２２ｄＶ端子、２２ｅＷ端子、２
３バスバー、２４スイッチング素子、２５還流ダ
イオード、２６スイッチング制御回路、２７平滑用コ
ンデンサ、２７ａ端子、２７ｂ環状部、２７ｃ円
弧部、３０モータ、３１筐体、３２回転軸、３３
ベアリング、３４回転子、３５永久磁石、３６
固定子、３７コイル、３７ａコイルエンド部、３７ｂ
コイルエンド部短縮手段、３８ａ，ｂレゾルバー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸、前記回転軸を軸支する筐体、前
記筐体内に位置し、前記回転軸上に配置された回転子、
および前記筐体内に位置し、前記回転子の周面に間隔を
もって対面配置された固定子を含む電動機と、前記固定子に巻装されたコイルに電気的に接続されるス
イッチング素子、前記スイッチング素子に電気的に接続
され、前記スイッチング素子に供給される電力の平滑化
を行なう平滑用コンデンサ、および前記スイッチング素
子のスイッチ動作を制御する制御回路を含む電力変換装
置とを備えた駆動装置であって、前記電力変換装置のうち、少なくとも前記平滑用コンデ
ンサが前記筐体内に収容されている、駆動装置。
【請求項２】前記回転軸と交差する断面において、前
記平滑用コンデンサが前記回転軸を囲むように延在する
円弧部を有する、請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】前記回転軸と交差する断面において、前
記平滑用コンデンサが前記回転軸を囲むように延在する
環状部を有する、請求項１に記載の駆動装置。
【請求項４】前記回転軸と交差する断面において、前
記平滑用コンデンサは、前記回転軸から前記コイルに至
るまでの領域内に位置している、請求項１から３のいず
れかに記載の駆動装置。
【請求項５】前記平滑用コンデンサに加え、前記スイ
ッチング素子が前記筐体内に収容されている、請求項１
から４のいずれかに記載の駆動装置。