JP2004159454A - 機電一体型駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流出力を交流出力に変えるインバータから交流モータへの交流電力供給に伴うノイズ発生の減少、配線損失の減少およびインバータ、交流モータ双方の冷却システムの小型化が達成できる。
【解決手段】交流モータに交流出力を供給するインバータのパワードライバ３００を交流モータのステータの周辺に均等配置し、交流モータの交流各相に対応するステータコイル２０４を駆動することにより、交流各相を出力するパワードライバ３００からステータコイル２０４までの距離を短くし、交流モータへの交流出力供給に伴うノイズ発生の減少、配線損失の減少を達成する。また、ステータコイル２０４とパワードライバ３００の間に冷却通路１０２を設けることにより、ステータコイル２０４とパワードライバ３００が冷却通路１０２を共用でき効率よく冷却できる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流モータとインバータを一体に装着した機電一体型駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献】特開２０００−１６６１７６号公報。
従来の交流モータとインバータを一体に装着した機電一体型駆動装置としては、上記特許文献において、インバータを交流モータの上部に集中して配置した構造となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来はインバータが交流モータの上部に集中配置されているため、インバータ出力端からモータ巻線までの距離が比較的長く、配線部での損失が大きくなり、不要放射ノイズ、不要伝導ノイズを出し易いといった問題があった。
【０００４】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、電流の急激な変動に伴う放射あるいは伝導ノイズの発生を抑えることができる機電一体型駆動装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、交流モータを駆動するインバータの交流各相出力用パワードライバを交流モータのステータの周囲に配置する構成とした。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、インバータから交流モータへの交流出力の供給に伴う不要放射ノイズ、不要伝導ノイズを減少できるとともに、配線損失も減少できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する図面で同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【０００８】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す機電一体型駆動装置の側面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。本実施の形態での三相交流モータは各相ステータコアに各相のコイルを集中して巻いたいわゆる集中巻きの埋め込み磁石モータを例に示している。
【０００９】
１１０はロータ、２０３はロータ１１０に取り付けられたモータ回転軸、１１１はロータ１１０に埋め込まれた埋め込み磁石である。ロータ１１０の周囲には三相交流Ｕ、Ｖ、Ｗ各相に対応する９つのステータコア１０１がロータ１１０を取り囲む様にして配置され、全体としてステータを構成しており、ロータ１１０、ステータ等によりインバータの三相交流出力によって回転駆動される三相交流モータが構成されている。
【００１０】
ステータの周囲近傍には全周囲に渡り少なくとも２つの対向する第一、第二の主冷却面１０２ａ、１０２ｂを持つ冷却通路１０２が配置されている。後に述べるステータコイル２０４と直流電源の直流出力を交流出力に変換するインバータのパワードライバとして使用される主駆動上下アームパワースイッチ素子３００を電気的に接続する配線部１０３が冷却通路１０２を直接貫通しない様に、一部島状の部分１１２が設けられているが、配線部１０３と冷却通路１０２との気密性、絶縁性が何らかの方法で保たれていれば、特に設ける必要は無い。２０１と２０２は冷却液入出力口である。
【００１１】
本第１の実施の形態では、三相交流モータなのでＵ、Ｖ、Ｗの三相交流を９つのステータコア１０１に対応させるので、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相交流の各相をそれぞれ３つに分割するため、モータの各相ステータコイル２０４および、各相ステータコイル２０４を駆動する主駆動上下アームパワースイッチング素子３００も各相に対して３つに分割され、９つのステータコア１０１と同数とするが、３分割分が並列接続されている。主駆動上下アームパワースイッチング素子３００は入力される直流電圧値を最大とする矩形波状の出力電圧を生成するために、上下アームを構成しており、例えばＩＧＢＴを使用した場合には、逆並列に還流ダイオードが接続された、合計で４つのパワー素子から構成されている。図３に本第１の実施の形態に使用されるＩＧＢＴを使用したインバータのパワードライバの電気的等価回路を示している。各相のステータコイル２０４、主駆動上下アームパワースイッチング素子３００が３つに分割され並列接続されている。例えばＵ相の主駆動上下アームパワースイッチング素子３００はＵ１相、Ｕ２相、Ｕ３相の主駆動上下アームパワースイッチング素子３００_Ｕ１、３００_Ｕ２、３００_Ｕ３に分割され、Ｕ相のステータコイル２０４はＵ１相、Ｕ２相、Ｕ３相のステータコイル２０４_Ｕ１、２０４_Ｕ２、２０４_Ｕ３に分割されている。Ｕ１相、Ｕ２相、Ｕ３相の主駆動上下アームパワースイッチング素子３００（３００_Ｕ１、３００_Ｕ２、３００_Ｕ３）は全て同じ信号で駆動され、Ｕ１相、Ｕ２相、Ｕ３相のステータコイル２０４（２０４_Ｕ１、２０４_Ｕ２、２０４_Ｕ３）には同位相で等しい値の電流が流れることになる。主駆動上下アームパワースイッチング素子３００の内部には４つのパワー素子が配置されているが、熱的に不均一にならぬようできるだけ内部のパワー素子を近接して配置したり、良熱伝導性のヒートスプレッダ等を共通に使用することが望ましい。
【００１２】
主駆動上下アームパワースイッチング素子３００の入出力パワー端子としては、入力の直流電力端子が２つ、出力端子１０４が１つの計３つが設けられており、このうち２つの直流端子は平滑用コンデンサ４００と配線１０７、１０８を用い、それぞれが短距離に接続されている。同時に配線１０７、１０８は、外部直流入力配線１０９と端子部１０６にて接続（１０７用外部直流端子部は図１の側面図には表現されていない）されている。一方各相の交流出力は出力端子１０４の接続端子部１０５に接続された配線部１０３を用い、直近で同相となるステータコイル２０４と短距離で接続されている。
【００１３】
このように、従来は一部に集中してインバータが配置されていたのにくらべ、主駆動上下アームパワースイッチング素子３００をステータの周囲に均等配置することにより、主駆動上下アームパワースイッチング素子３００の出力をステータコイル２０４と同一線材で、しかも短い経路でステータコイル２０４に接続することが可能になるため、配線部１０３の製作コストおよび製造コストが低く抑えられる。
【００１４】
また、従来はインバータとモータ間の電力配線をＵ、Ｖ、Ｗの三本で配線していたため、インバータ出力端子とモータ側入力端子との接続部位に大きな電流が流れ、この接続部位での損失をできるだけ抑えるためには、大型ボルト等で両者を締結せねばならなかった。
【００１５】
しかし本第１の実施の形態では、ステータコイル２０４の数だけ主駆動上下アームパワースイッチング素子３００を分割しているため、各ステータコイル２０４と各主駆動上下アームパワースイッチング素子３００の出力の接続部に流れる電流は分割数分だけ小さくなり、接続部でのジュール発熱が小さくなるので接続が容易になる。具体的には、小型ボルトあるいはボルトを使わずにバネ状のおさえのみで接続したり、簡便な半田付けで接続することが可能になる。このように接続部の構造を簡便にすることによって、全体の小型化、製造コストの低減が可能となる。
【００１６】
さらに、従来はステータ用冷却通路と、インバータ用冷却通路がそれぞれ独立に構成されていたか、あるいは共有していても、インバータをステータ用冷却通路の一部分に集中配置していたため、大部分の冷却通路はステータコイル２０４を冷却するためだけに使われており、冷却面を有効に使い切っていなかった。このため従来は、最適な冷却器を設計した場合、冷却器が大型化する問題があった。
【００１７】
しかし図２の本第１の実施形態で示すように冷却通路１０２の第一の主冷却面１０２ａの近傍にステータコイル２０４を配置し、第二の主冷却面１０２ｂ近傍に主駆動上下アームパワースイッチング素子３００を配置する構成としたため、各相のステータコイル２０４と主駆動上下アームパワースイッチング素子３００が冷却通路１０２を互いに共有するため、冷却器がより小型化にでき、機電一体型駆動装置を小型化できるという効果がある。
【００１８】
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す機電一体型駆動装置の側面図であり、図５は図４のＢ−Ｂ断面図を示す。
【００１９】
図５において各冷却通路１０２は各相のステータコイル２０４に対応して互いに独立して９つ形成されており、冷却通路１０２を共用するよう配置され、第一の主冷却面１０２ａ近傍に位置するステータコイル２０４と第二の主冷却面１０２ｂ近傍に位置する主駆動上下アームパワースイッチング素子３００は、電気的には異なった相となるように配線部１０３で接続される。つまりＵ１相の主駆動上下アームパワースイッチング素子３００_Ｕ１とＶ１相のステータコイル２０４_Ｖ１が冷却通路１０２を共有している。
【００２０】
一般にステータコイル２０４およびステータコア１０１の熱容量、あるいは主駆動上下アームパワースイッチング素子３００に密着しているヒートスプレッダの熱容量が比較的大きいため、モータが回転している場合は、各相のステータコイル２０４や主駆動上下アームパワースイッチング素子３００の損失が平均化され、ステータコイル２０４の損失は、鉄損や表皮効果を無視すれば、ステータコイル２０４を流れる電流の実効値の二乗に比例し、且つ全てのステータコイル２０４の損失は等しくなっている。一方図３に示す主駆動上下アームパワースイッチング素子３００の損失も、上アームＩＧＢＴと下アームＩＧＢＴとは共に等しい損失となり、上アームダイオード、下アームダイオードも共に等しい損失となる。結果として９つ全ての主駆動上下アームパワースイッチング素子３００の損失は全て等しく、同様に９つ全てのステータコイル２０４の損失も等しくなっている。
【００２１】
しかしモータがロックしたり、あるいは熱時定数が無視出来るほど低い回転でモータがトルクを発生している場合には、各相の主駆動上下アームパワースイッチング素子３００、及び各相のステータコイル２０４の損失は前述の様に均一ではなくなる。例えばＵ相コイルの電流が正の向きで最大値の時にロックした状態を考えると、Ｕ相コイルに流れる電流は、Ｖ相コイルとＷ相のコイルに流れる電流の和となる。主駆動上下アームパワースイッチング素子３００に関しても同様である。従って、Ｕ相コイルの損失はＶ相コイルの損失あるいはＷ相コイルの損失より大きくなり、Ｕ相主駆動上下アームパワースイッチング素子３００_Ｕ１、３００_Ｕ２、３００_Ｕ３の損失はＶ相主駆動上下アームパワースイッチング素子３００_Ｖ１、３００_Ｖ２、３００_Ｖ３の損失あるいはＷ相主駆動上下アームパワースイッチング素子３００_Ｗ１、３００_Ｗ２、３００_Ｗ３の損失よりも大きくなる。しかも、一般に、ロック状態では前述のようにモータが回転し損失が平均化されている状態に比べ各部の損失自体が大きくなるので、Ｕ相ステータコイル２０４_Ｕ１、２０４_Ｕ２、２０４_Ｕ３とＵ相主駆動上下アームパワースイッチング素子３００_Ｕ１、３００_Ｕ２、３００_Ｕ３が冷却通路１０２を共用すると、冷却器が大型化してしまうが、本第２の実施の形態では、異なった相のステータコイル２０４と主駆動上下アームパワースイッチング素子３００（例えばＶ１相ステータコイル２０４_Ｖ１とＵ１相主駆動上下アームパワースイッチング素子３００_Ｕ１）が冷却通路１０２を共用するため、冷却通路１０２の小型化が図れる。
この第２の実施の形態の様に、各相の冷却通路１０２を完全に独立に配置した方が冷却面が有効に使えるため冷却液体の流量を下げることができ、結果として冷却ポンプを含む全体冷却システムの小型化が可能となる。
また、本第２の実施の形態の様に冷却通路１０２を異なった相で共用するように隣接した主駆動上下アームパワースイッチング素子３００とステータコイル２０４を接続する際でも、隣接した主駆動上下アームパワースイッチング素子３００とステータコイル２０４をステータコイル２０４の巻線と同一の線材を用いて、短距離で接続できるため、第１の実施の形態と同様の効果も得られる。
【００２２】
図６は、本発明の第３の実施の形態を示す機電一体インバータの断面図を示す。
【００２３】
これまで述べた本発明の第１、第２の実施の形態はいわゆるインナーロータタイプのモータに関して説明したが、図６に断面図を示すアウターロータタイプの交流モータに関しても本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の機電一体型駆動装置の側面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態のインバータの電気的等価回路。
【図４】本発明の第２の実施の形態の機電一体型駆動装置の側面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ断面図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の機電一体型駆動装置の断面図。
【符号の説明】
１０１ ステータコア
１０２ 冷却通路
１０２ａ 第一の主冷却面
１０２ｂ 第二の主冷却面
２０４ ステータコイル
３００ 主駆動上下アームパワースイッチング素子

Claims (6)

1. 直流電源の直流出力を交流出力に変換するインバータと、
   前記インバータの前記交流出力によって回転駆動される交流モータとを備えた機電一体型駆動装置において、
   前記インバータの前記交流出力の各相の前記交流出力を出力するパワードライバを前記交流モータのステータの周囲に配置する
   、ことを特徴とする機電一体型駆動装置。
2. 前記パワードライバは、前記ステータコア数と同じ数に分割され、分割された前記パワードライバの前記各相の前記交流出力の出力端子を直近で同相となるステータコイルに接続することを特徴とする請求項１に記載の機電一体型駆動装置。
3. 前記ステータの周囲近傍に少なくとも２つの対向する第一、第二の主冷却面を持つ冷却通路を設け、前記第一の主冷却面近傍に前記ステータコイルを配置し、対向する前記第二の主冷却面近傍に前記パワードライバを配置することを特徴とする請求項２に記載の機電一体型駆動装置。
4. 前記第一の主冷却面近傍に配置された前記ステータコイルを駆動する前記交流出力の相と、対向する第二の主冷却面近傍に配置された前記パワードライバが出力する前記交流出力の相が異なることを特徴とする請求項３に記載の機電一体型駆動装置。
5. 前記冷却通路が互いに独立に形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の機電一体型駆動装置。
6. 前記パワードライバが上下アームパワースイッチング素子で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の機電一体型駆動装置。

Images