JP2007325341A - モータ及び発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータが一体化されたモータにおいて、冷却部を含めた全体の体格の小型化及び冷却部の簡素化を図る。
【解決手段】モータハウジング１２の外周面には収容部１９が設けられ、収容部１９を挟んで軸方向の両側には、冷却部を構成する放熱フィン２０が複数設けられている。収容部１９内には、誘導モータ１１の駆動制御用のインバータを構成するモータ駆動用スイッチング素子２１等が収容されている。モータ駆動用スイッチング素子２１にはＳｉＣ素子が使用されている。モータ駆動用スイッチング素子２１で発生した熱の放熱フィン２０までの熱伝導経路としては、モータハウジング１２を介して直接放熱フィン２０に至る経路の他に、モータハウジング１２から、ステータコア１７、ロータ１５、シャフト１３を介する経路がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ及び発電機に係り、詳しくは駆動制御用のスイッチング素子の冷却構造に特徴を有するモータ及び発電機に関する。

従来、制御回路の冷却と回転電機の小型化が同時に図られる電気車用回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に提案された回転電機は、図４に示すように、永久磁石５１を有する永久磁石回転子と、鉄心５２と該鉄心５２に巻回される巻線５３と該巻線を冷却する冷却機構とを有する固定子とを備えている。冷却機構は鉄心５２の軸方向に貫通した孔５４を複数備え、孔５４に冷却水を流す構成になっている。鉄心５２は、巻線５３が巻回された突極部５５と、巻線５３が巻回されていないダミー突極部５６とに分かれて構成されている。ダミー突極部５６は、孔５４と回転電機駆動制御用のパワーモジュールＰＭを取り付ける素子取付部５７とを備え、素子取付部５７に取り付けられたパワーモジュールＰＭが孔５４を流れる冷却水によって冷却される。

また、インバータ部冷却構造の複雑化を抑制しつつインバータ部の良好な冷却を実現するとともに、従来に比べて大幅に軸長短縮による車両搭載性も改善可能な車両用インバータ一体型電動コンプレッサが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。このコンプレッサは、低圧冷媒ガスにより冷却されるモータハウジングの周壁外面にインバータ部のデスクリートトランジスタを個別に固定している。

また、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される車両用回転電機装置において、回転電機と該回転電機を制御するインバータユニットとを一体化した回転電機装置の小型化とトルク特性及び効率を向上させる構成も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。この車両用回転電機装置は、端面に吸気孔を有し外周に排気孔を有する一対のブラケットに回転自在に支承されたシャフトと、一対のブラケット内に配設され、前記シャフトに固着されて両端面に冷却ファンを備えた回転子と、回転子の外周において回転子を包囲するように前記ブラケットに固着された電機子とを備える。また、バッテリの直流電力を交流電力に変換して電機子巻線に供給して回転子に回転動力を発生させるか、あるいは前記電機子巻線で発生する交流電力を直流電力に変換してバッテリに充電するインバータユニットを備えている。インバータユニットは、概略中空の円筒状あるいは多角柱形状を成し、少なくとも外表面の一部に多数の放熱フィンを有するヒートシンクを構成する。そして、インバータユニットは、回転電機の反負荷側端部に、前記シャフトを取り囲み、かつ冷却ファンによる冷却風が回転電機を冷却する前に、放熱フィンを冷却するように配置されている。
特開平９−１６３６８１ 特開２００３−３２２０８２ 特開２００５−２５３１８４

近年、パワーモジュールを構成するスイッチング素子（パワートランジスタ）の発熱密度が大きくなっている。例えば、Ｓｉ素子の一つである絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の最大熱流速は、１〜２ＭＷ／ｍ^２と原子炉の炉心に近い。現在、一般に使用されているＳｉ素子（Ｓｉチップ）に代えて、Ｓｉ素子より耐熱性に優れた高温動作が可能なＳｉＣ素子（ＳｉＣチップ）を使用するようになると、ＳｉＣ素子はＳｉ素子より小型化が可能なため発熱密度は更に大きくなる。

また、電流を流す場合、トランジスタは大電流を流した方が効率的である。しかし、トランジスタに大電流を流すと発熱がより大きくなり、冷却機能を高める必要がある。
インバータが一体化されたモータや発電機では、冷却機構を含めた全体の体格の小型化が望まれている。スイッチング素子が小型化されても、スイッチング素子（発熱部）の冷却を行う冷却部（冷却機構）が大型化すれば、冷却部を含めた全体が大型化し小型化の要望を満たすことができない。

特許文献１では、固定子を構成する鉄心５２の一部にダミー突極部５６を設け、ダミー突極部５６にパワーモジュールＰＭを設けるとともにパワーモジュールＰＭの周囲に設けられた孔５４に冷却水を流してパワーモジュールＰＭを冷却している。従って、パワーモジュールＰＭの発熱量が多くなった場合にも同様の冷却機能を確保するためには、冷却機構を大きくする必要がある。また、パワーモジュールを設けるスペースやパワーモジュールを冷却する冷却水を通すための孔の形成のために、本来磁気回路を構成可能な鉄心５２の一部が削られた構造であり、効率が悪い。

特許文献２では、コンプレッサの低圧冷媒を利用して冷却されるモータハウジングの周壁外面にインバータ部のデスクリートトランジスタを個別に固定するので、インバータ部の冷却不足を招かないとしている。しかし、この構成をコンプレッサと無関係のモータに適用した場合は、冷却機構の分、モータが大きくなる。

特許文献３の構成は、回転電機の回転子に冷却ファンを装着し、回転子と共に冷却ファンが回転してインバータユニットを冷却するため、発熱部の発熱量が多くなるとそれに対応して冷却機構が大型化する。

従来の冷却構造では、モータのハウジングをインバータの冷却に利用する構成はあるが、モータの磁気回路の部分をインバータの冷却に利用するという思想はない。その結果、インバータを構成するスイッチング素子の発熱量が多くなると、その分の冷却効果を高めるためには、単純に冷却機構を大型化して冷却機能を高めるか、冷却機能の高い複雑な冷却機構を設ける必要がある。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、インバータが一体化されたモータあるいは発電機の冷却部を含めた全体の体格の小型化及び冷却部の簡素化を図ることができるモータあるいは発電機を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明のモータは、モータ駆動用スイッチング素子と冷却部との間の熱伝導経路と、モータの磁気回路の少なくとも一部が重なるように設けられている。この発明では、従来は使用されていなかったモータの磁気回路も熱伝導経路の一部になるため、スイッチング素子の動作で発生した熱の一部がモータの磁気回路を介して冷却部まで伝導される。その結果、熱伝導経路専用の新たな部分を設ける構成に比較して、インバータが一体化されたモータの冷却部を含めた全体の体格の小型化及び冷却部の簡素化を図ることができる。

請求項２に記載の発明の発電機は、発電機制御用スイッチング素子と冷却部との間の熱伝導経路と、発電機の磁気回路の少なくとも一部が重なるように設けられている。この発明では、従来は使用されていなかった発電機の磁気回路も熱伝導経路の一部になるため、熱伝導経路専用の新たな部分を設ける構成に比較して、インバータが一体化された発電機の冷却部を含めた全体の体格の小型化及び冷却部の簡素化を図ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記モータは永久磁石を有さない。永久磁石は高温になると磁性が減少するため、モータとして固定子又は回転子に永久磁石を使用する構成では、高温での使用に支障を来す。しかし、この発明では、永久磁石を使用していないため、モータの磁気回路をスイッチング素子で発生した熱の伝導経路に使用してもモータに悪影響を及ぼさない。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項３に記載の発明において、前記スイッチング素子にはＳｉＣ素子が使用されている。この発明では、スイッチング素子にＳｉＣ素子が使用されているため、スイッチング素子をＳｉ素子に比較して高温で駆動させることができ、電流容量を大きくできる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記冷却部は空冷式である。この発明では、スイッチング素子にＳｉＣ素子を使用して高温で作動させることにより、冷却部が空冷式であっても冷却部（放熱部）と発熱部との温度差が大きくなり冷却（放熱）が効果的に行われ、冷却部をより簡素化することができる。

本発明によれば、インバータが一体化されたモータあるいは発電機の冷却部を含めた全体の体格の小型化及び冷却部の簡素化を図ることができる。

以下、本発明を具体化した誘導モータの一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、モータとしての誘導モータ１１は、モータハウジング１２にシャフト１３がベアリング（図１（ｂ）に図示）１４を介して回転可能に支持されている。図１（ｂ）に示すように、シャフト１３にはロータ１５が一体回転可能に取り付けられている。ロータ１５は導体、例えばアルミニウムや銅で形成されている。

モータハウジング１２の内周面には、ロータ１５と対応する位置にステータ１６が固定されている。ステータ１６は、円環状のステータコア１７と、ステータコア１７に巻き付けられたステータコイル１８とからなる。即ち、モータは永久磁石を有さない。なお、図１（ｂ）においてロータ１５及びステータコア１７のハッチングを省略している。

モータハウジング１２の外周面には、軸方向の中央部に収容部１９が設けられ、収容部１９を挟んで軸方向の両側には、冷却部を構成する放熱フィン２０が複数設けられている。放熱フィン２０は互いに平行に設けられている。即ち、冷却部は空冷式である。放熱フィン２０は平行ではなく放射状に設けられていてもよい。

収容部１９内には、誘導モータ１１の駆動制御用のインバータを構成するモータ駆動用スイッチング素子２１、図示しない半導体素子（例えば、ダイオード）等が収容されている。モータ駆動用スイッチング素子２１にはＳｉＣ素子が使用されている。モータ駆動用スイッチング素子２１及び半導体素子は図示しない基板を介してモータハウジング１２に固定されている。誘導モータ１１が３相誘導モータの場合は、インバータを構成するモータ駆動用スイッチング素子２１は３組６個設けられ、単相誘導モータの場合は、インバータを構成するモータ駆動用スイッチング素子２１は２組４個設けられている。モータ駆動用スイッチング素子２１は図示しない制御装置によりスイッチング制御され、ステータコイル１８に交流を供給する。

モータ駆動用スイッチング素子２１や半導体素子で発生した熱の放熱フィン２０までの熱伝導経路としては、モータハウジング１２を介して直接放熱フィン２０に至る経路の他に、図１（ｂ）に矢印で示すように、モータハウジング１２から、ステータコア１７、ロータ１５、シャフト１３を介する経路がある。詳述すると、モータハウジング１２からステータコア１７に伝導した後、再びモータハウジング１２を介して放熱フィン２０に至る経路がある。さらに、モータハウジング１２からステータコア１７を介してロータ１５に至り、再びステータコア１７及びモータハウジング１２を介して放熱フィン２０に至る経路があり、また、モータハウジング１２からステータコア１７及びロータ１５を介してシャフト１３に至り、その後、再びロータ１５、ステータコア１７及びモータハウジング１２を介して放熱フィン２０に至る経路等がある。即ち、モータ駆動用スイッチング素子２１と冷却部（放熱フィン２０）との間の熱伝導経路と、モータの磁気回路（ロータ１５及びステータコア１７）の少なくとも一部が重なるように設けられている。

次に前記のように構成された誘導モータ１１の作用を説明する。
モータ駆動用スイッチング素子２１は図示しない制御装置からの指令によりスイッチング制御され、ステータコイル１８に交流が供給される。そして、ステータコア１７に磁束が発生し、発生した磁束の作用により、ロータ１５に渦電流が流れる。その結果、磁界と渦電流の作用によりロータ１５に一定方向の（電磁力）回転力が作用して、ロータ１５が回転する。

モータ駆動用スイッチング素子２１がスイッチング動作すると熱が発生する。発生した熱を除去しないとモータ駆動用スイッチング素子２１が過熱して破損する。モータ駆動用スイッチング素子２１で発生した熱は、モータハウジング１２を経て放熱フィン２０から放熱される。発熱部であるモータ駆動用スイッチング素子２１から冷却部である放熱フィン２０までの電熱経路として、モータ駆動用スイッチング素子２１が接触しているモータハウジング１２の部分から直接放熱フィン２０へ向かう経路がある。モータ駆動用スイッチング素子２１における発熱量が少ない場合は、その経路で支障はないが、モータ駆動用スイッチング素子２１における発熱量が多い場合は、冷却不十分となる。

しかし、他に、モータ駆動用スイッチング素子２１が接触しているモータハウジング１２の部分から、ステータコア１７、ロータ１５、シャフト１３を介する経路が存在するため、モータ駆動用スイッチング素子２１で発生した熱の伝導経路の面積が広くなる。そのため、モータ駆動用スイッチング素子２１の発熱量が多くなっても、冷却部である放熱フィン２０まで熱が効率良く伝導される。

図２にモータ駆動用スイッチング素子２１の発熱量と放熱機構のサイズの関係を模式的に示す。図２において、四角錐台の体積が放熱機構のサイズを表し、四角錐台の頂部がスイッチング素子のサイズを表す。ＳｉＣ素子はＯＮ抵抗が低いため、Ｓｉ素子より小さいサイズでＳｉ素子と同等の容量が実現可能である。しかし、素子サイズを小さくすることで発熱密度が高くなり、冷却機構（放熱機構）がその分大型化する。図２において、四角錐台の頂部３１のサイズがＳｉＣ素子のサイズを表し、四角錐台の途中の四角形３２のサイズがＳｉ素子のサイズを表す。即ち、モータ駆動用スイッチング素子２１をＳｉ素子からＳｉＣ素子に変更することにより、四角形３２より上の部分に相当する分、冷却機構が大きくなる。

しかし、この実施形態では、モータ駆動用スイッチング素子２１で発生した熱を、従来は冷却部を構成する部分として使用されていなかったモータの磁気回路の部分を、モータ駆動用スイッチング素子２１で発生した熱の熱伝導経路として使用するため、冷却部を含めた誘導モータ１１全体としての体格の大型化が抑制される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）誘導モータ１１は、モータ駆動用スイッチング素子２１と放熱フィン２０（冷却部）との間の熱伝導経路に、モータの磁気回路（ロータ１５、ステータコア１７）が設けられている。従って、従来はスイッチング素子の冷却に使用されていなかったモータの磁気回路も熱伝導経路の一部になるため、モータ駆動用スイッチング素子２１の動作で発生した熱の一部が、モータの磁気回路を介して放熱フィン２０まで伝導される。その結果、熱伝導経路専用の新たな部分を設ける構成に比較して、インバータが一体化されたモータの冷却部を含めた全体の体格の小型化及び冷却部の簡素化を図ることができる。

（２）永久磁石は高温になると磁性が減少するため、モータとしてステータ１６（固定子）又はロータ１５（回転子）に永久磁石を使用する構成では、高温での使用に支障を来す。しかし、誘導モータ１１は永久磁石を使用していないため、モータの磁気回路をモータ駆動用スイッチング素子２１で発生した熱の伝導経路に使用してもモータに悪影響を及ぼさない。

（３）モータ駆動用スイッチング素子２１にはＳｉＣ素子が使用されているため、モータ駆動用スイッチング素子２１をＳｉ素子に比較して高温で駆動させることができ、電流容量を大きくできる。

（４）モータ駆動用スイッチング素子２１にＳｉＣ素子が使用され、かつ冷却部は空冷式である。従って、モータ駆動用スイッチング素子２１を高温で動作させることにより、冷却部（放熱フィン２０）と発熱部（モータ駆動用スイッチング素子２１）との温度差が大きくなり、冷却部が空冷式であっても冷却（放熱）が効果的に行われ、冷却部をより簡素化することができる。

（５）空冷式の冷却部として、ファン等を用いずに、単に放熱フィン２０を設けた構成のため、冷却部をより簡素化することができる。
（６）収容部１９がモータハウジング１２の軸方向における中央部に設けられているため、収容部１９が片寄って設けられた場合に比較して、収容部１９内に収容されたモータ駆動用スイッチング素子２１で発生した熱がステータコア１７やロータ１５を介して放熱フィン２０から効率良く放熱される。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 収容部１９は、モータハウジング１２の軸方向の中央部に環状に設ける構成に限らない。例えば、図３に示すように、環状ではなく、モータハウジング１２の周方向に所定間隔を置いて設けてもよい。モータ駆動用スイッチング素子２１で発生した熱がステータコア１７やロータ１５を介して放熱フィン２０へ伝導される場合、モータ駆動用スイッチング素子２１の存在する面と同じ面内で伝導され放熱フィン２０に到達できる。収容部１９は、ハウジング長一杯に延びる形状、ハウジング長より短い形状のいずれでもよい。

○ Ｓｉ素子より高温動作可能なモータ駆動用スイッチング素子２１はＳｉＣ素子に限らず、窒化ガリウム素子（ＧａＮ素子）やダイヤモンド素子（Ｃ素子）を使用してもよい。

○ 空冷式の冷却部は、放熱フィン２０を設けただけの構成に限らず、冷却用のファンを設けた構成であってもよい。
○ 冷却部は空冷式に限らず、水冷式であってもよい。しかし、空冷式の方が冷却部全体の構成を簡素化することができる。

○ 冷却部はモータハウジング１２の外周面に設ける構成に限らず、シャフト１３を中空の管とし、その内部に冷媒を通して冷却する構成であってもよい。
○ モータ駆動用スイッチング素子２１はＳｉ素子であってもよい。Ｓｉ素子であっても、発熱量の多い条件で使用する場合、冷却部の冷却効率を高める必要があるため、本発明の構成を採用することにより、モータ全体の小型化を図ることができる。モータ駆動用スイッチング素子２１をＳｉ素子で構成する場合、冷却部は水冷式が好ましい。

○ モータ駆動用スイッチング素子２１は基板を介してモータハウジング１２に固定される構成に限らない。例えば、モータハウジング１２が金属製であって、モータハウジング外周面の一部を平坦に加工し、平坦な部分に絶縁層を介して配線層を設け、この配線層にスイッチング素子を固定する構成であってもよい。

○ 永久磁石を有さないモータは、誘導モータに限らない。例えば、ヒステリシスモータやリラクタンスモータに適用してもよい。
○ モータは、固定子及び回転子に永久磁石を有さないモータに限らず、磁石を有するモータであってもよい。

○ モータは３相や単相のモータに限らず、他の多相モータであってよい。この場合、インバータはモータの相数に応じた構成となる。また、モータをＰＡＭ制御によって駆動する場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子を収容部内に設けても良い。

○ モータはロータ（回転子）１５を備えたモータ（回転電動機）に限らず、リニアモータであってもよい。リニアモータでも永久磁石を有するモータと、永久磁石を有さないモータ（リニア誘導モータ）とがある。

○ モータに限らず、発電機に適用してもよい。発電機は、発電機制御用スイッチング素子と冷却部との間の熱伝導経路に、発電機の磁気回路が設けられている。この場合、従来はスイッチング素子の冷却に使用されていなかった発電機の磁気回路も熱伝導経路の一部になるため、熱伝導経路専用の新たな部分を設ける構成に比較して、インバータが一体化された発電機の冷却部を含めた全体の体格を小型化及び冷却部の簡素化を図ることができる。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１及び請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記モータは回転電動機であり、前記磁気回路は、ロータ及びステータコアである。

（２）インバータが一体化された回転電機であって、前記インバータを構成するスイッチング素子は前記回転電機のハウジングに固定され、前記スイッチング素子で発生した熱の一部が少なくとも前記回転電機のステータを熱伝導経路として冷却部に伝導される。

（ａ）は誘導モータの模式斜視図、（ｂ）は誘導モータの一部破断模式図。 スイッチング素子の発熱量と放熱機構のサイズの関係を示す模式図。 別の実施形態における誘導モータの模式図。 従来技術の電気車用回転電機の模式断面図。

符号の説明

１１…モータとしての誘導モータ、１５…磁気回路を構成するロータ、１７…磁気回路を構成するステータコア、２０…冷却部としての放熱フィン、２１…モータ駆動用スイッチング素子。

Claims (5)

1. モータ駆動用スイッチング素子と冷却部との間の熱伝導経路と、モータの磁気回路の少なくとも一部が重なるように設けられていることを特徴とするモータ。
2. 発電機制御用スイッチング素子と冷却部との間の熱伝導経路と、発電機の磁気回路の少なくとも一部が重なるように設けられていることを特徴とする発電機。
3. 前記モータは永久磁石を有さない請求項１に記載のモータ。
4. 前記スイッチング素子にはＳｉＣ素子が使用されている請求項１又は請求項３に記載のモータ。
5. 前記冷却部は空冷式である請求項４に記載のモータ。

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