JP2005137156A - 環状パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュール及びモータが設置される部位のスペース効率を向上するとともに、モータの相数を容易に変更できるようにする。
【解決手段】同相のモータコイル１２ｕ１，１２ｕ２…，１２ｖ１，１２ｖ２…，１２ｗ１，１２ｗ２…同士を直列接続同士を直列に接続する複数の中継導体１１２，１１３…，１２２，１２３…，１３２，１３３…を、モータ１２の外周に沿って間欠的に配置する。モータ１２の内部の配線構成を簡素化できる。また、モータと環状パワーモジュールの冷却装置を共用できる。また、環状パワーモジュール１１を冷却するだけで、中継導体１１２，１１３…，１２２，１２３…，１３２，１３３…を通じてモータ１２を冷却できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータを駆動するためのパワー素子部を備える環状パワーモジュールに関するものである。

従来、例えばハイブリッドカーのエンジンモータを駆動するために、パワーモジュールとして図１０のようなインバータ装置１が使用されていた。この図１０に示したインバータ装置１は、車両走行用の三相交流電動機であるモータ２を駆動する三相インバータであって、モータ２のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相におけるそれぞれのハイアーム側スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃとして例えばＳｉＣ、ＧａＮ、Ｃなどの高温動作可能なワイドバンドギャップデバイスやＮチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴ等を有し、また各相におけるそれぞれのローアーム側スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃとして例えばＳｉＣ、ＧａＮ、Ｃなどの高温動作可能なワイドバンドギャップデバイスやＮチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴ等を有する。

ハイアーム側スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃのドレインはプラス（＋）側電源Ｐに共に接続され、同じくその各ソースはそれぞれ同相のローアーム側スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃの各ドレインに接続されている。また、ローアーム側スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃのソースは共にマイナス（−）側Ｎに接続されている。さらに、各スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，４ａ，４ｂ，４ｃに対して、これらが電流を流す方向とは反対側に電流を流すフリーホイールダイオード５ａ，５ｂ，５ｃ，６ａ，６ｂ，６ｃがそれぞれ並列に接続されている。そして、ハイアーム側スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃの各ソースとローアーム側スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃの各ドレインとの接続点の電圧が、モータ２のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相に接続される。

ここで、図１０中の符号７ａ，７ｂ，７ｃ，８ａ，８ｂ，８ｃは、各スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，４ａ，４ｂ，４ｃの制御入力端子であるゲート端子を示しており、所定の制御部からゲート端子７ａ，７ｂ，７ｃ，８ａ，８ｂ，８ｃに与えられる制御信号に応じたタイミングで、各スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，４ａ，４ｂ，４ｃがオンオフする。

尚、各スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，４ａ，４ｂ，４ｃとしては、一般的なインバータで使用されているものであれば図１０のようなパワーＭＯＳＦＥＴに限られず、パワー接合トランジスタまたはＩＧＢＴなどの他のスイッチング素子が使用されることもある。

ところで、例えば自動車の走行用のモータ２は、トルクの向上を目的として、図１１及び図１３のように、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相のそれぞれに複数のモータコイル２ａの鉄心（１）〜（４８）が均等間隔で設置され、各相毎にこれら複数の鉄心（１）〜（４８）の周囲に複数のモータコイル２ａが巻き回される。

このようなモータ２としては、鉄心（１）〜（４８）に対するモータコイル２ａの対応形態の違いに着目した分類として、集中巻き（図１１）と分布巻き（図１３）とがある。

図１１に示した集中巻きのモータ２は、各モータコイル２ａと各鉄心（１）〜（４８）とが１対１に対応している。尚、図１１においては、鉄心（１）〜（４８）が直線状に一列に配置されているように図示しているが、実際には円状に配置されて、図１１の右端と左端が繋がっており、鉄心（４８）の右側に鉄心（１）が隣接して配置されている。そして、Ｕ相用の鉄心（１），（４），（７），（１０）（１３），（１６），（１９），（２２），（２５），（２８），（３１），（３４），（３７），（４０），（４３），（４６）と、Ｖ相用の鉄心（２），（５），（８），（１１）（１４），（１７），（２０），（２３），（２６），（２９），（３２），（３５），（３８），（４１），（４４），（４７）と、Ｗ相用の鉄心（３），（６），（９），（１２）（１５），（１８），（２１），（２４），（２７），（３０），（３３），（３６），（３９），（４２），（４５），（４８） とが交互に配置されており、個々の鉄心（１）〜（４８）の周囲にそれぞれ一つずつのモータコイル２ａが巻き回される。各相内の複数のモータコイル（１）〜（４８）同士は、図１２の如く、外部の配線２ｃによって互いに並列に接続される。そして、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相と順番に繰り返し均等配置された各モータコイル２ａが各相毎に同時に駆動するようになっている。

一方、図１３に示した集中巻きのモータ２においても、鉄心（１）〜（４８）が直線状に一列に配置されているように図示しているが、実際には円状に配置されて、図１３の右端と左端が繋がっており、鉄心（４８）の右側に鉄心（１）が隣接して配置されている。この図１３に示したモータ２は、４８個の鉄心（１）〜（４８）が均等間隔で配置される点で集中巻きと類似しているが、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相におけるモータコイルは、複数の鉄心（１）〜（４８）に跨って巻き回され、これにより各相のモータコイルにおいて一部の鉄心（１）〜（４８）が共用される。４８個の鉄心（１）〜（４８）に対して、図１３においてモータコイルを形成するための電線２ａｕ１，２ａｕ２，２ａｖ１，２ａｖ２，２ａｗ１，２ａｗ２は、各相のそれぞれにつき２本ずつしか設けられていない。

分布巻きのモータ２における具体的なモータコイルの配線構成例を説明する。次の表１は、各鉄心（１）〜（４８）と各相における巻き回しの方向との関係を示したものであり、表１中「正」とあるのは正方向、「逆」とあるのは逆方向に巻き回している状態を表している。

図１３及び表１の如く、Ｕ相（１）のモータコイルを形成するための電線２ａｕ１は、鉄心（１）〜（５）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（７）〜（１１）の周囲に正巻きされ、これと直列に、鉄心（１３）〜（１７）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（１９）〜（２３）の周囲に正巻きされる。また、Ｕ相（２）のモータコイルを形成するための電線２ａｕ２は、鉄心（２５）〜（２９）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（３１）〜（３５）の周囲に正巻きされ、これと直列に、鉄心（３７）〜（４１）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（４３）〜（４７）の周囲に正巻きされる。

Ｖ相（１）のモータコイルを形成するための電線２ａｖ１は、鉄心（８）〜（１３）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（１５）〜（１９）の周囲に正巻きされ、これと直列に、鉄心（２１）〜（２５）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（２７）〜（３１）の周囲に正巻きされる。また、Ｖ相（２）のモータコイルを形成するための電線２ａｖ２は、鉄心（３３）〜（３７）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（３９）〜（４３）の周囲に正巻きされ、これと直列に、鉄心（４５）〜（４８）及び（１）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（３）〜（７）の周囲に正巻きされる。

Ｗ相（１）のモータコイルを形成するための電線２ａｗ１は、鉄心（１７）〜（２１）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（２３）〜（２７）の周囲に正巻きされ、これと直列に、鉄心（２９）〜（３３）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（３５）〜（３９）の周囲に正巻きされる。また、Ｗ相（２）のモータコイルを形成するための電線２ａｗ２は、鉄心（４１）〜（４５）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（４７），（４８），（１）〜（３）の周囲に正巻きされ、これと直列に、鉄心（５）〜（９）の周囲に逆巻きされ、これと直列に、鉄心（１１）〜（１５）の周囲に正巻きされる。

このように、各相において複数の鉄心（１）〜（４８）に跨って電線２ａｕ１，２ａｕ２，２ａｖ１，２ａｖ２，２ａｗ１，２ａｗ２を巻き回した状態で、図１４に示した例のように個々のモータコイル２ｂを形成すると共に、これらを個々の単位として、複数のモータコイル２ｂを直列に接続しているので、図１１及び図１２に示した集中巻きのモータ２に比べて、インバータ装置１等の外部との間の接続配線構成を簡素化できる。例えば、図１１及び図１２に示した集中巻きの場合は、モータコイル２ａに対する接続を４８箇所に亘って行わなければならないのに対して、図１３に示した分布巻きの場合は１２箇所の接続で済む。即ち、集中巻きに比べて分布巻きの方が配線構成を簡素化でき、部品コストを省略できるとともに、スペース効率が向上する。

上述の通り、図１３に示した分布巻きのモータ２は、内部のモータコイル２ｂのいくつかを直列に接続しているので、全てを並列に接続する図１１及び図１２のような集中巻きのものに比べて、外部との接続端子を少なくすることができ、よって外部との配線構成が簡素化される利点がある。しかしながら、図１３の分布巻きでは、モータコイル２ｂ同士を直列に接続する必要があるため、モータ２内部の配線構成が複雑となる。

そこで、本発明の課題は、モータの内部のモータコイルのいくつかを直列に接続する場合に、内部構成を簡素化し得る環状パワーモジュールを提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、モータを駆動するためのパワー素子部を備える環状パワーモジュールであって、前記モータの外周に沿って配置され、前記モータ内のモータコイルへの駆動電流をモータの各相毎にオンオフする前記パワー素子部と、前記モータの外周に沿って間欠的に配置されて同相の前記モータコイル同士を直列に接続する複数の中継導体とを備えるものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の環状パワーモジュールであって、前記モータ内の前記各モータコイルが分布巻きとされるものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の環状パワーモジュールであって、前記モータの外周に沿って配置されて、前記全てのパワー素子部に所定の電圧を印加する環状導体をさらに備えるものである。

請求項１に記載の発明の環状パワーモジュールは、同相のモータコイル同士を直列に接続する複数の中継導体を、モータの外周に沿って間欠的に配置しているので、モータの内部の配線構成を簡素化することが可能である。特に、請求項２のように、モータコイルが分布巻きである場合に、大幅にスペース効率の向上を図ることができる。したがって、モータのスペース効率を大幅に向上することができる。

また、モータ内のモータコイル同士を接続するための中継導体を環状パワーモジュール側に形成しているので、環状パワーモジュールを冷却するだけで、モータ内部の冷却をも同時に行うことができ、モータに対する冷却装置と環状パワーモジュールに対する冷却装置とを共用することができる。例えば、水または油等の冷媒を配管を通して冷却する場合の配管の設置スペースが少なくて済み、あるいは、空冷する場合は空冷スペースが少なくて済む。したがって、冷却装置についてのスペース効率をも向上することができる。

さらにまた中継導体を、モータの外周の全周に亘って形成するので、パワー素子部及びモータの冷却部材として空気接触面積を大きくとることができ便利である。

また、環状パワーモジュール内で中継導体を任意の位置に設置することが可能であるので、相数を増加するなどの回路設計上の変更を行う場合に、製造工程においてその設計変更に容易に対応できる。

これらのことから、パワーモジュール及びモータが設置される部位のスペース効率を向上するとともに、モータの相数を容易に変更することが可能となる。

請求項３に記載の発明の環状パワーモジュールは、全てのパワー素子部に所定の電圧を印加する環状導体をモータの外周に沿って併せて配置できるので、スペース効率の向上をより一層図ることができ、また、両環状導体の間の間隙、この両環状導体と各中継導体との間の間隙当を空冷スペースとして利用できる利点もある。

＜構成＞
図１は本発明の一の実施形態に係る環状パワーモジュール１１の一例を示す概念図、図２はこの環状パワーモジュール１１が適用される自動車を示すブロック図、図３は環状パワーモジュール１１及びモータ１２の配線関係を示す配線図である。

この環状パワーモジュール１１は、図１の如く、外形が断面円形に形成されたモータ１２の外周の全周に亘って設置されたものであり、例えば図２の如く、ハイブリッドカー１３の走行用のモータ（エンジンモータ）１２を駆動するインバータ装置として適用される。尚、図２中の符号１４はタイヤ、符号１５はガソリンエンジン、符号１６は発電機、符号１７はバッテリ、符号１８は高電圧リレー、符号１９は昇圧コンバータをそれぞれ示している。

まずこの実施形態で適用されるモータ１２について説明する。このモータ１２は、図３の如く、合計４８個の鉄心（１）〜（４８）が全周に亘ってほぼ等間隔で配置された三相交流電動機であり、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相におけるモータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８が、複数の鉄心（１）〜（４８）に跨って巻き回され、これにより各相のモータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８において一部の鉄心（１）〜（４８）が共用された分布巻き型のものが適用される。尚、図３においては、鉄心（１）〜（４８）が直線状に一列に配置されているように図示しているが、実際には円状に配置されて、図３の右端と左端が繋がっており、鉄心（４８）の右側に鉄心（１）が隣接して配置されている。

各鉄心（１）〜（４８）と各相における巻き回しの方向との関係は表１の通りである。具体的に、図３及び表１の如く、Ｕ相用として８個のモータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８を有し、Ｖ相用として８個のモータコイル１２ｖ１〜１２ｖ８を有し、Ｗ相用として８個のモータコイル１２ｗ１〜１２ｗ８を有する。

具体的に、図３の如く、Ｕ相用第１のモータコイル１２ｕ１は、一端が中継導体１１１を通じて接続端子９（Ｕ０１）に接続され、他端が中継導体１１２の一端に接続されて、鉄心（１）〜（５）の周囲に逆巻きされる。

Ｕ相用第２のモータコイル１２ｕ２は、図３中に実線で示されており、一端が中継導体１１２の他端に接続され、他端が中継導体１１３の一端に接続されて、鉄心（７）〜（１１）の周囲に正巻きされる。

Ｕ相用第３のモータコイル１２ｕ３は、図３中に実線で示されており、一端が中継導体１１３の他端に接続され、他端が中継導体１１４の一端に接続されて、鉄心（１３）〜（１７）の周囲に逆巻きされる。

Ｕ相用第４のモータコイル１２ｕ４は、図３中に実線で示されており、一端が中継導体１１４の他端に接続され、他端が中継導体１１５を通じて接続端子９（Ｕ０３）に接続されて、鉄心（１９）〜（２３）の周囲に正巻きされる。

Ｕ相用第５のモータコイル１２ｕ５は、図３中に実線で示されており、一端が中継導体１１６を通じて接続端子９（Ｕ０２）に接続され、他端が中継導体１１７の一端に接続されて、鉄心（４３）〜（４７）の周囲に正巻きされる。

Ｕ相用第６のモータコイル１２ｕ６は、図３中に実線で示されており、一端が中継導体１１７の他端に接続され、他端が中継導体１１８の一端に接続されて、鉄心（３７）〜（４１）の周囲に逆巻きされる。

Ｕ相用第７のモータコイル１２ｕ７は、図３中に実線で示されており、一端が中継導体１１８の他端に接続され、他端が中継導体１１９の一端に接続されて、鉄心（３１）〜（３５）の周囲に正巻きされる。

Ｕ相用第８のモータコイル１２ｕ８は、図３中に実線で示されており、一端が中継導体１１９の他端に接続され、他端が中継導体１２０を通じて接続端子９（Ｕ０４）に接続されて、鉄心（２５）〜（２９）の周囲に逆巻きされる。

Ｖ相用第１のモータコイル１２ｖ１は、一端が中継導体１２１を通じて接続端子９（Ｖ０１）に接続され、他端が中継導体１２２の一端に接続されて、鉄心（９）〜（１３）の周囲に逆巻きされる。

Ｖ相用第２のモータコイル１２ｖ２は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１２２の他端に接続され、他端が中継導体１２３の一端に接続されて、鉄心（１５）〜（１９）の周囲に正巻きされる。

Ｖ相用第３のモータコイル１２ｖ３は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１２３の他端に接続され、他端が中継導体１２４の一端に接続されて、鉄心（２１）〜（２５）の周囲に逆巻きされる。

Ｖ相用第４のモータコイル１２ｖ４は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１２４の他端に接続され、他端が中継導体１２５を通じて接続端子９（Ｖ０３）に接続されて、鉄心（２７）〜（３１）の周囲に正巻きされる。

Ｖ相用第５のモータコイル１２ｖ５は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１２６を通じて接続端子９（Ｖ０２）に接続され、他端が中継導体１２７の一端に接続されて、鉄心（３）〜（７）の周囲に正巻きされる。

Ｖ相用第６のモータコイル１２ｖ６は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１２７の他端に接続され、他端が中継導体１２８の一端に接続されて、鉄心（１），（４５）〜（４８）の周囲に逆巻きされる。

Ｖ相用第７のモータコイル１２ｖ７は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１２８の他端に接続され、他端が中継導体１２９の一端に接続されて、鉄心（３９）〜（４３）の周囲に正巻きされる。

Ｖ相用第８のモータコイル１２ｖ８は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１２９の他端に接続され、他端が中継導体１３０を通じて接続端子９（Ｖ０４）に接続されて、鉄心（３３）〜（３７）の周囲に逆巻きされる。

Ｗ相用第１のモータコイル１２ｗ１は、一端が中継導体１３１を通じて接続端子９（Ｗ０１）に接続され、他端が中継導体１３２の一端に接続されて、鉄心（１７）〜（２１）の周囲に逆巻きされる。

Ｗ相用第２のモータコイル１２ｗ２は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１３２の他端に接続され、他端が中継導体１３３の一端に接続されて、鉄心（２３）〜（２７）の周囲に正巻きされる。

Ｗ相用第３のモータコイル１２ｗ３は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１３３の他端に接続され、他端が中継導体１３４の一端に接続されて、鉄心（２９）〜（３３）の周囲に逆巻きされる。

Ｗ相用第４のモータコイル１２ｗ４は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１３４の他端に接続され、他端が中継導体１３５を通じて接続端子９（Ｗ０３）に接続されて、鉄心（３５）〜（３９）の周囲に正巻きされる。

Ｗ相用第５のモータコイル１２ｗ５は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１３６を通じて接続端子９（Ｗ０２）に接続され、他端が中継導体１３７の一端に接続されて、鉄心（１１）〜（１５）の周囲に正巻きされる。

Ｗ相用第６のモータコイル１２ｗ６は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１３７の他端に接続され、他端が中継導体１３８の一端に接続されて、鉄心（５）〜（９）の周囲に逆巻きされる。

Ｗ相用第７のモータコイル１２ｗ７は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１３８の他端に接続され、他端が中継導体１３９の一端に接続されて、鉄心（１）〜（３），（４７），（４８）の周囲に正巻きされる。

Ｗ相用第８のモータコイル１２ｗ８は、図３中に破線で示されており、一端が中継導体１３９の他端に接続され、他端が中継導体１４０を通じて接続端子９（Ｗ０４）に接続されて、鉄心（４１）〜（４５）の周囲に逆巻きされる。

ここで、全ての中継導体１１１〜１４０は、後述のように、略円弧状に形成されて、環状パワーモジュール１１の環形状に沿って配置されるものである（図１）。

次に、環状パワーモジュール１１について説明する。この環状パワーモジュール１１は、直流電源を供給するよう互いに離間して近接配置された一対の環状導体２１，２２と、両環状導体２１，２２の間に接続される複数のパワー素子部２３ａ〜２３ｌと、上記した中継導体１１１〜１４０とを備える。

各環状導体２１，２２は、例えば銅または銅合金等の導電材料が使用されて、モータ１２の外形に対応して円環形状に形成されたバスバーである。両環状導体２１，２２は、例えば同心円状に２重に配置され、且つ互いに離間した状態で設置される。

一方の環状導体（第１環状導体）２１は、図１０においてハイアーム側スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃのドレインをプラス（＋）側電源Ｐの電位（第１の電位）に共通に接続するため配線に相当するバスバーであり、他方の環状導体（第２環状導体）２２は、図１０においてローアーム側スイッチング素子４ａ，４ｂ，４ｃのソースを共通にマイナス（−）側の電位（第２の電位）に設定するため配線に相当するバスバーである。そして、図１及び図４のように第１環状導体２１の同心円上の外周側に第２環状導体２２が配置される。

個々のパワー素子部２３ａ〜２３ｌは、図４及び図５の如く、それぞれ少なくとも１組のスイッチング素子３１，３２を備える。尚、図４及び図５においては、各パワー素子部２３ａ〜２３ｌの例として、１個のパワー素子部２３ａのみを示している。このパワー素子部２３ａは、図５の如く、図１０中の符号３ａ，３ｂ，３ｃに相当するハイアーム側スイッチング素子（第１のスイッチング素子）３１と、同じく符号４ａ，４ｂ，４ｃに相当するローアーム側スイッチング素子（第２のスイッチング素子）３２とが対になってそれぞれ構成され、この一対のスイッチング素子３１，３２から構成される各パワー素子部２３ａ〜２３ｌが、モータ１２の１２個の各モータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８にそれぞれ一対一に対応して、当該各モータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８の接続端子９に近傍する位置にそれぞれ設置される。また、他のパワー素子部１２ｂ〜１２ｌも図５に示したパワー素子部２３ａと同様の構成である。各パワー素子部２３ａ〜２３ｌの各スイッチング素子３１，３２は、例えばＮチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＩＧＢＴまたはＳｉＣ、ＧａＮ、Ｃなどの高温動作可能なワイドバンドギャップデバイス等が使用される。

これらのスイッチング素子３１，３２は、ベアチップを適用しても差し支えないが、組立性を考慮し、組み立て構造のパッケージが用いられる。このようにパッケージ構造を採用することにより、パッケージ間の空間を空冷スペースとして利用できる利点がある。

この各パワー素子部２３ａ〜２３ｌ内の一対のスイッチング素子３１，３２は、ソースとドレインの関係が逆転すること以外は、互いに同一の素子構造を有している。具体的に、図５に示したパワー素子部２３ａのハイアーム側スイッチング素子３１は、底面にドレイン電極３３が形成され、一側面にソース電極３４が形成され、他の側面にゲート電極３５が形成された箱形の部材として構成されており、また、ローアーム側スイッチング素子３２は、上面にソース電極３６が形成され、一側面にドレイン電極３７が形成され、他の側面にゲート電極３８が形成された箱形の部材として構成されている。ただし、ハイアーム側スイッチング素子３１のドレイン電極３３とローアーム側スイッチング素子３２のソース電極３６とは実際には同一の構成であって、また、ハイアーム側スイッチング素子３１のソース電極３４とローアーム側スイッチング素子３２ドレイン電極３７とも実際には同一の構成である。即ち、両スイッチング素子３１，３２は同一の構造を有する部品を、互いに天地が逆転するように設置されるだけで、それぞれのスイッチング素子３１，３２がハイアーム側スイッチング素子３１とローアーム側スイッチング素子３２として機能するものである。この点について、他のパワー素子部１２ｂ〜１２ｌも、図５に示したパワー素子部２３ａと同様である。

そして、ハイアーム側スイッチング素子３１のソース電極３４と、ローアーム側スイッチング素子３２のドレイン電極３７とが同一方向に臨むように並置され、さらにハイアーム側スイッチング素子３１のソース電極３４とローアーム側スイッチング素子３２のドレイン電極３７とが、図４に示した出力端子３９に共に接続される。

そして、出力端子３９は、モータ１２の１２個のモータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８の接続端子９に直接に係合するなどして接続される。

また、ハイアーム側スイッチング素子３１のドレイン電極３７は、ハンダまたは導電接着材により第１環状導体２１に面接続され、またローアーム側スイッチング素子３２のソース電極３４はハンダまたは導電接着材により第２環状導体２２に面接続される。

さらに、各スイッチング素子３１，３２のゲート３５，３８は、図１０中の制御入力端子であるゲート端子７ａ，７ｂ，７ｃ，８ａ，８ｂ，８ｃに相当する接続部材４１（図４）を通じて、個別にフラットケーブル等の電線束４２（図５）として束ねられた複数の制御線のいずれかに個々に接続される。

各中継導体１１１〜１４０は、図１の如く、第１環状導体２１及び第２環状導体２２と同心円状の環状導体の一部が切断されてそれぞれ略円弧状に形成されており、各中継導体１１１〜１４０同士が相互に非接続とされた状態で、環状パワーモジュール１１の環形状に沿って配置される。

そして、図１の例においては、Ｕ相の外部接続用の中継導体１１１とＶ相の外部接続用の中継導体１２１と、Ｗ相の外部接続用の中継導体１３１のそれぞれにおいて、それぞれ４個ずつのパワー素子部２３ａ〜２３ｌが各相毎に並列に接続されている。

そして、環状パワーモジュール１１は、同心円上に配置された一対の環状導体２１，２２と、１２個のパワー素子部２３ａ〜２３ｌと、全ての中継導体１１１〜１４０と、制御線用の電線束４２とが、例えば図６に示したような絶縁樹脂製の封止保護体４７によって封止される。尚、図６中の符号４９ａは、電線束４２（図４）の各制御線に制御信号を入力するための制御信号入力コネクタ、符号４５は第１環状導体２１に接続される外部接続用のＰ（＋）端子、符号４６は第２環状導体２２に接続されるＮ（−）端子４６をそれぞれ示している。

＜使用方法＞
上記構成の環状パワーモジュール１１は、図１の如く、モータ１２の外周に設置され、各パワー素子部２３ａ〜２３ｌの出力端子３９（図４）が、図３に示したモータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８の接続端子９に直接係合するなどして接続される。

そして、所定の制御部（図示省略）からの制御信号が電線束４２に与えられると、各パワー素子部２３ａ〜２３ｌの各スイッチング素子３１，３２（図５）にゲート入力され、この制御信号ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬに応じたタイミングで、各パワー素子部２３ａ〜２３ｌの各スイッチング素子３１，３２がオンオフする。

そして、この環状パワーモジュール１１がモータ１２の外周の全周に亘って配置され、さらに各パワー素子部２３ａ〜２３ｌの出力端子３９（図４）から、中継導体１１１，１２１，１３１を通じてモータ１２の各相のモータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８に駆動電流が供給される。

このとき、各相においては、中継導体１１１〜１４０を介して各モータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８同士が各相毎に直列に接続されているため、インバータ装置１１からの駆動電流が効率的にモータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８を流れ、これによりモータが駆動する。

ここで、全てのモータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８同士の直列接続が、環状パワーモジュール１１の環形状に沿って設置された中継導体１１１〜１４０を介して形成されているので、モータ２の内部の配線構成を簡素化することが可能である。したがって、モータ２のスペース効率を大幅に向上することができる。

また、従来では、インバータ装置１とモータ２のそれぞれに冷却装置を設置する必要があったが、この実施形態では、モータ２のモータコイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８同士を接続するための中継導体１１１〜１４０を環状パワーモジュール１１側に形成しているので、環状パワーモジュール１１を冷却するだけで、モータ２内部の冷却をも同時に行うことができ、モータ１２に対する冷却装置と環状パワーモジュール１１に対する冷却装置とを共用することができる。例えば、水または油等の冷媒を配管を通して冷却する場合の配管の設置スペースが少なくて済み、あるいは、空冷する場合は空冷スペースが少なくて済む。したがって、冷却装置についてのスペース効率をも向上することができる。

尚、冷却のための構成としては、図８のように、両環状導体２１，２２及びパワー素子部２３１ａ〜２３１ｄ，２３２ａ〜２３２ｄ，２３３ａ〜２３３ｄを封止するための絶縁樹脂製の保持体（封止保護体）４７の内部に、両環状導体２１，２２及びパワー素子部２３１ａ〜２３１ｄ，２３２ａ〜２３２ｄ，２３３ａ〜２３３ｄから気密状及び水密状に隔離された中空状の冷媒流路８１を形成し、その冷媒流路８１の一端の冷媒供給孔８２から冷媒を供給するとともに、冷媒流路８１の他端の冷媒排出孔８３から冷媒を排出するようにすればよい。この場合、冷媒は液状のものであっても気体であっても差し支えない。

あるいは、図９のように、第１環状導体２１及び第２環状導体２２のいずれか一方または両方の内部に、気密状及び水密状に隔離された中空状の冷媒流路８５を形成し、その冷媒流路８５の一端の冷媒供給孔８６から冷媒を供給するとともに、冷媒流路８５の他端の冷媒排出孔８７から冷媒を排出するようにしてもよい（図９では第２環状導体２２の内部にのみ冷媒流路８５を形成した例を示している）。この場合も、冷媒は液状のものであっても気体であっても差し支えない。

このようにすれば、環状パワーモジュール１１の冷却効果を大幅に向上することが可能である。

あるいは、両環状導体２１，２２の間の間隙、この両環状導体２１，２２と各中継導体１１１〜１４０との間の間隙当を空冷スペースとして利用できる利点もある。

さらに、両環状導体２１，２２及び中継導体１１１〜１４０を、モータ１２の外周の全周に亘って形成するので、パワー素子部２３ａ〜２３ｌ及びモータ２の冷却部材として空気接触面積を大きくとることができ便利である。

さらにまた、環状パワーモジュール１１内で中継導体１１１〜１４０を任意の位置に設置することが可能であるので、相数を増加するなどの回路設計上の変更を行う場合に、製造工程においてその設計変更に容易に対応できる。

これらのことから、パワーモジュール１１及びモータ１２が設置される部位のスペース効率を向上するとともに、モータ１２の相数を容易に変更することが可能となる。

尚、この実施形態において、各パワー素子部２３ａ〜２３ｌの各スイッチング素子３１，３２の配置構成が、図５のように互いに側方に並置するようになっているが、その他、図７のように、上下方向に積層して配置してもよい。この場合においても、ハイアーム側スイッチング素子３１のソース電極３４と、ローアーム側スイッチング素子３２のドレイン電極３７とが同一方向に臨むように積層され、さらにハイアーム側スイッチング素子３１のソース電極３４とローアーム側スイッチング素子３２のドレイン電極３７とが、図４に示した出力端子３９に共に接続される。また、ハイアーム側スイッチング素子３１のドレイン電極３７は、ハンダまたは導電接着材により第１環状導体２１に面接続され、またローアーム側スイッチング素子３２のソース電極３４はハンダまたは導電接着材により第２環状導体２２に面接続される。

かかる図８の構成を採用しても、図５の構成と同様の効果を得ることができる。

また、中継導体１１１〜１４０の配置構成及び接続構成は、図１及び図３に示したもの限られるものではなく、コイル１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８同士を直列接続するための中継導体１１１〜１４０が円弧状に形成されて環状パワーモジュール１１の環形状に沿って配置されるものであればどのような構成であってもよい。

さらに、上記実施形態では、環状パワーモジュール１１をモータ１２と別体に構成している例を説明したが、モータ１２の外装の内部に環状パワーモジュール１１を一体的に形成してもよいことは勿論である。この場合において、モータ１２がバスリング型モータである場合、モータ１２内のバスリングを、第１環状導体２１及び／または第２環状導体２２としてそのまま流用すれば、部材の共用化によりコストを削減でき、且つスペース効率が大幅に効率するとともに、単体としてのモータ１２にインバータ装置（環状パワーモジュール１１）を組み込んだ構成となって取り扱いが極めて便利になる利点がある。

本発明の一の実施形態に係る環状パワーモジュール及びモータを示す模式図である。 本発明の一の実施形態に係る環状パワーモジュールとしてのインバータ装置が設置された自動車を示す概念図である。 本発明の一の実施形態に係る環状パワーモジュールの各中継部材とモータコイル及び鉄心の関係を示す配線図である。 本発明の一の実施形態に係る環状パワーモジュールを示す一部拡大破断斜視図である。 本発明の一の実施形態に係る環状パワーモジュールのパワー素子部の一対のスイッチング素子を示す斜視図である。 本発明の一の実施形態に係る環状パワーモジュールの外観を示す斜視図である。 本発明の他の実施例に係る環状パワーモジュールのパワー素子部の一対のスイッチング素子を示す斜視図である。 本発明の他の実施例に係る環状パワーモジュールの冷媒流路の一例を示す模式図である。 本発明の他の実施例に係る環状パワーモジュールの冷媒流路の他の一例を示す模式図である。 一般的なモータのパワーモジュールとしてのインバータ装置を示す回路図である。 一般的な集中巻き型のモータの内部配線を示す回路図である。 一般的な集中巻き型のモータの内部配線を示す模式的な回路図である。 一般的な分布巻き型のモータの内部配線を示す回路図である。 一般的な分布巻き型のモータの内部配線を示す模式的な回路図である。

符号の説明

１１ 環状パワーモジュール
１２ モータ
１２ｕ１〜１２ｕ８，１２ｖ１〜１２ｖ８，１２ｗ１〜１２ｗ８ モータコイル
２１，２２ 環状導体
２３ａ〜２３ｌ パワー素子部
３１ ハイアーム側スイッチング素子
３２ ローアーム側スイッチング素子
３３，３７ ドレイン電極
３４，３６ ソース電極
３５，３８ ゲート電極
３９ 出力端子
４１ 接続部材
４２ 電線束
４７ 封止保護体
４９ａ コネクタ部
８１，８５ 冷媒流路
１１１〜１４０ 中継導体

Claims (3)

1. モータを駆動するためのパワー素子部を備える環状パワーモジュールであって、
   前記モータの外周に沿って配置され、前記モータ内のモータコイルへの駆動電流をモータの各相毎にオンオフする前記パワー素子部と、
   前記モータの外周に沿って間欠的に配置されて同相の前記モータコイル同士を直列に接続する複数の中継導体と
   を備える環状パワーモジュール。
2. 請求項１に記載の環状パワーモジュールであって、
   前記モータ内の前記各モータコイルが分布巻きとされる、環状パワーモジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載の環状パワーモジュールであって、
   前記モータの外周に沿って配置されて、前記全てのパワー素子部に所定の電圧を印加する環状導体をさらに備える、環状パワーモジュール。
   

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