JP2013172564A - 機電一体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、冷媒に含まれる非定常流を低減し、パワー素子間の冷却ムラの発生を抑え、パワー素子を均一に冷却することができる小型の機電一体モジュールを得る。
【解決手段】モータ１と、モータ１の反負荷側に配設されたインバータ装置４０と、ステータコア３１の反負荷側に配設され、ステータコイル３４の内部結線を行う結線板３６と、モータ１の反負荷側に回転軸２３を囲むように形成され、パワー素子４１を冷却するインバータ冷却流路１２と、モータ１の負荷側に回転軸２３を囲むように形成され、冷媒が給水される円環状の第１整流流路１０と、を備えている。
【選択図】図３

Description

この発明は、インバータ装置が回転電機の軸方向の反負荷側に配置された機電一体モジュールに関し、特にインバータ装置および回転電機の冷却構造に関するものである。

従来のインバータ一体型電動機ユニットは、電動機の回転軸方向にインバータ装置を一体的に配置して構成され、電動機の構成部材を収納する収納部とインバータ装置の構成部材を収納する収納部とからなる一体ケースと、一体ケース内で電動機の構成部材を冷却するモータ冷却通路とインバータ装置の構成部材を冷却するインバータ冷却通路とを互いに連通させた冷却回路と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１９７７８１号公報

従来のインバータ一体型電動機ユニットでは、ポンプから圧送された冷却水がインバータ冷却通路に直接供給されるので、供給された冷却水には、偏流や旋回流などの非定常流が含まれる。

インバータ装置にはパワー素子が実装されている。パワー素子は、通常の半導体素子と比較して、高電圧、大電流の環境で使用され、素子自体から高い発熱がある。そこで、パワー素子の温度上昇を抑えるために、パワー素子に冷却フィンを取り付け、冷却フィンを冷却水で直接冷却する構造が提案されている。しかしながら、冷却水に非定常流が含まれていると、偏流により冷却フィンに接触する冷却水の流れにムラが発生し、パワー素子間で冷却ムラが生じるという課題があった。

このような状況に鑑み、整流手段をパワー素子の近傍に設け、冷却水に含まれる非定常流を軽減することが一般的である。しかし、整流手段をパワー素子の近傍に設けた場合、電動機ユニットが大型化するという新たな課題が発生する。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、冷媒に含まれる非定常流を低減し、パワー素子間の冷却ムラの発生を抑え、パワー素子を均一に冷却することができる小型の機電一体モジュールを得ることを目的とする。

この発明による機電一体モジュールは、回転電機冷却流路が内蔵された筒状のフレーム、該フレームの軸方向一端に配置される負荷側エンドフレーム、および該フレームの軸方向他端に配置される反負荷側エンドフレームを有するハウジング、上記フレームに内嵌状態に収納、保持される円環状のステータコアおよび該ステータコアに巻装されたステータコイルを有するステータ、および回転軸を上記負荷側エンドフレームと上記反負荷側エンドフレームとに軸支されて上記ステータの内周側に回転可能に配設されるロータを備えた回転電機と、上記反負荷側エンドフレームの反負荷側の面に熱的に接続状態に配設されるパワー素子、およびパワー素子駆動回路を有するインバータ装置と、上記ステータコアの反負荷側に配設され、上記ステータコイルの内部結線を行う結線部材と、上記回転電機の反負荷側に上記回転軸を囲むように形成され、上記パワー素子を冷却するインバータ冷却流路と、上記回転電機の負荷側に上記回転軸を囲むように形成され、冷媒が供給される円環状の第１整流流路と、を備えている。

この発明によれば、第１整流流路が、スペースに余裕がある回転電機の負荷側に形成されているので、モジュールを大型化することなく、第１整流流路の整流に必要な容積を確保することができる。そこで、ポンプから圧送された冷媒に含まれる非定常流が第１整流流路により軽減できるので、インバータ冷却流路および回転電機冷却流路内の冷媒の流れにムラが発生しにくくなり、冷却ムラの発生が抑えられ、パワー素子を均一に冷却することができる。

この発明の実施の形態１に係る機電一体モジュールの構成を説明する分解斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る機電一体モジュールを負荷側から見た端面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。 図３のＡ部の拡大断面図である。 図３のＢ部の拡大断面図である。 この発明の実施の形態１に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレームの構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレーム、反負荷側エンドフレームおよびインバータ回路基板の位置関係を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレームの構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレームの構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレームを反負荷側から見た端面図である。 図１０のＸＩ−ＸＩ矢視断面図である。

以下、本発明による機電一体モジュールの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る機電一体モジュールの構成を説明する分解斜視図、図２はこの発明の実施の形態１に係る機電一体モジュールを負荷側から見た端面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図、図４は図３のＡ部の拡大断面図、図５は図３のＢ部の拡大断面図、図６はこの発明の実施の形態１に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレームの構成を説明する斜視図、図７はこの発明の実施の形態１に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレーム、反負荷側エンドフレームおよびインバータ回路基板の位置関係を説明する斜視図である。

図１乃至図３において、機電一体モジュール１００は、回転電機としてのモータ１と、外部から供給された直流電力を交流電力に変換してモータ１に供給するインバータ装置４０と、を有し、インバータ装置４０がモータ１の反負荷側に一体に組み込まれて構成されている。

モータ１は、モータフレーム２と、反負荷側エンドフレーム９と、モータフレーム２と反負荷側エンドフレーム９とからなるハウジング内に回転可能に配設されたロータ２０と、ロータ２０を囲繞するようにモータフレーム２に取り付けられたステータ３０と、を備えている。

モータフレーム２は、円盤状の負荷側エンドフレーム４および負荷側エンドフレーム４の外周縁部から軸方向に延設された円筒状のアウターフレーム５を有する有底円筒状に作製されたアウターケース３と、円筒部６ａおよび円筒部６ａの反負荷側端部から径方向内方に延設された円環状のフランジ部６ｂを有するインナーフレーム６と、を備えている。円筒部６ａはアウターフレーム５に内嵌状態に嵌着され、アウターフレーム５とともにステータ３０を内嵌状態に収納、保持する円筒状のフレームを構成する。フランジ部６ｂは反負荷側エンドフレーム９と協働し、反負荷側のエンドフレームを構成する。負荷側エンドフレーム４の反負荷側の面の軸心位置には円柱状のボス部４ａが突設され、負荷側軸受２５を保持する軸受保持穴４ｂがボス部４ａの軸心位置に形成されている。所定の径方向幅を有する環状凸部４ｃが、負荷側エンドフレーム４の反負荷側の面に、ステータコイル３４の負荷側コイルエンドと相対する位置に突設されている。取付穴４ｄが、負荷側エンドフレーム４の外周縁部に周方向に等角ピッチで８つ形成されている。

第１整流溝１０ａが、図６に示されるように、円筒部６ａの負荷側外周縁部を径方向および軸方向に所定長さ凹ませて円環状に凹設されている。回転電機冷却用流路溝１１ａが、円筒部６ａの外周面に軌道が軸方向に変化する螺旋状に凹設されている。さらに、インバータ冷却用流路溝１２ａが、回転電機冷却用流路溝１１ａの溝断面積に等しい溝断面積を有し、フランジ部６ｂの反負荷側の面に馬蹄形に凹設されている。また、冷却フィン１２ｂがインバータ冷却用流路溝１２ａ内を径方向に４等分するようにインバータ冷却用流路溝１２ａの底面から突設されている。そして、第２整流流路１３が円筒部６ａを軸方向に貫通して第１整流溝１０ａとインバータ冷却用流路溝１２ａの一端とを連通するように形成されている。また、連通穴１４がインバータ冷却用流路溝１２ａの他端と回転電機冷却用流路溝１１ａの一端とを連通するようにインナーフレーム６に形成されている。

貫通穴６ｃが、インバータ冷却用流路溝１２ａの馬蹄形の両端間に、フランジ部６ｂを軸方向に貫通するように形成されている。リブ６ｄが、それぞれ軸方向に延在して、円筒部６ａの内周面に周方向に等角ピッチで複数突設されている。ねじ穴８ａが円筒部６ａの負荷側端面に周方向に等角ピッチで８つ形成されている。ねじ穴８ｂが円筒部６ａの反負荷側端面に周方向に等角ピッチで８つ形成されている。

そして、インナーフレーム６が、アウターフレーム５に内嵌状態に挿入され、ねじ７を負荷側エンドフレーム４に形成された取付穴４ｄに通して円筒部６ａの負荷側端面に形成されたねじ穴８ａに締着して一体に取り付けられる。これにより、第１整流溝１０ａが塞口され、円環状の第１整流流路１０が構成され、回転電機冷却用流路溝１１ａが塞口され、螺旋状の回転電機冷却流路１１が構成される。供給ポートとしての給水ポート１５が第１整流流路１０の流路中心を通る円筒面の接線方向から第１整流流路１０に連通するようにアウターフレーム５の外周面に取り付けられ、排出ポートとしての排水ポート１６が回転電機冷却流路１１の流路中心を通る円筒面の接線方向から回転電機冷却流路１１の他端に連通するようにアウターフレーム５の外周面に取り付けられている。

反負荷側エンドフレーム９は、円盤状に作製される。反負荷側エンドフレーム９の負荷側面の軸心位置には円柱状のボス部９ａが突設され、反負荷側軸受２６を保持する軸受保持穴９ｂがボス部９ａの軸心位置に形成されている。また、反負荷側エンドフレーム９の反負荷側の面には、円状のインバータ収納凹部９ｃが凹設されている。取付穴９ｄが反負荷側エンドフレーム９の外周縁部に周方向等角ピッチで複数形成されている。さらに、貫通穴９ｅが反負荷側エンドフレーム９のインバータ収納凹部９ｃの後述する第１コネクタ部４３と相対する位置に形成されている。なお、貫通穴９ｅは、フランジ部６ｂに形成された貫通穴６ｃに対応するように形成されている。

ここで、モータフレーム２および反負荷側エンドフレーム９は、例えば、アルミニウムを用いてダイカストにより製造されるが、材料は良熱伝導金属であればアルミニウムに限定されず、製造方法もダイカストに限定されない。
また、第２整流流路１３の反負荷側は、流路方向が、軸方向から徐々に径方向内方に変位しつつ周方向一側に変わるように曲げられてインバータ冷却用流路溝１２ａの一端に接続される。連通穴１４は、インバータ冷却用流路溝１２ａの他端から周方向一側に移動しつつ、軸方向の負荷側かつ径方向外方に徐々に変位して回転電機冷却流路１１の一端に接続される穴形状に形成されている。

ロータ２０は、電磁鋼板などの磁性薄板を積層して構成された円筒状のロータコア２１と、それぞれ、ロータコア２１を軸方向に貫通するように挿入されて、周方向に等角ピッチで配設された１０個の永久磁石２２と、ロータコア２１の軸心位置を貫通するように挿入されてロータコア２１に固着された回転軸２３と、ロータコア２１の軸方向端面に固着され、永久磁石２２の抜けを阻止する端板２４と、を備えている。永久磁石２２は、径方向外側の極性がＮ極とＳ極とに周方向に交互になるように配設されている。さらに、負荷側軸受２５および反負荷側軸受２６が回転軸２３の両端に圧入されている。

ロータ２０は、回転軸２３の軸方向他端側が負荷側軸受２５を軸受保持穴４ｂに圧入して負荷側エンドフレーム４に支持され、回転軸２３の軸方向一端側を反負荷側軸受２６を反負荷側エンドフレーム９の軸受保持穴９ｂに圧入して反負荷側エンドフレーム９に支持されて、ハウジング内に回転可能に配設されている。回転軸２３の軸方向他端側が負荷側エンドフレーム４から延出し、機電一体モジュール１００の出力軸となる。

ステータ３０は、電磁鋼板などの磁性薄板を積層して構成され、円環状のコアバック３２、およびそれぞれコアバック３２の内周面から径方向内方に延在して、周方向に等角ピッチで配列された１２個のティース３３を有するステータコア３１と、絶縁被覆された導体線をティース３３のそれぞれに絶縁材で作製されたインシュレータ３５を介して集中巻きに巻回して作製された１２個の集中巻コイルから構成されるステータコイル３４と、を備えている。スリット溝３１ａが、それぞれ軸方向に延在して、ステータコア３１の外周面に周方向に、リブ６ｄと同じ等角ピッチで複数凹設されている。ステータコイル３４は、ステータコア３１の反負荷側で結線部材である結線板３６を用いて内部結線され、３相交流巻線に構成される。

ステータ３０は、ステータコア３１をインナーフレーム６の円筒部６ａに内嵌状態に挿入され、ロータコア２１を囲繞するように回転軸２３と同軸にモータフレーム２に保持されている。そして、円筒部６ａの内周面に突設されたリブ６ｄがステータコア３１の外周面に凹設されたスリット溝３１ａに嵌め込まれ、ステータコア３１の軸周りの回転が阻止される。また、負荷側エンドフレーム４の反負荷側の面に突設された環状凸部４ｃが、図４に示されるように、ステータコイル３４の負荷側コイルエンドに接している。
このように構成されたモータ１は、極数１０、スロット数１２のインナーロータ型の３相モータとして動作する。

インバータ装置４０は、パワー素子４１と、パワー素子４１を駆動する回路が搭載されたインバータ回路基板４２と、を備えている。そして、６個のパワー素子４１と、パワー素子４１とステータコイル３４とを接続するための第１コネクタ部４３が、インバータ回路基板の一面に周方向に等角ピッチで配設されている。さらに、外部電源と接続される第２コネクタ部４４が、図７に示されるように、インバータ回路基板４２の裏面に形成されている。
裏蓋４５は、モータフレーム２と略等しい外径を有する円盤状に作製され、取付穴４５ａがその外周縁部に周方向等角ピッチで複数形成されている。

そして、インバータ回路基板４２は、図５に示されるように、パワー素子４１を反負荷側エンドフレーム９のインバータ収納凹部９ｃの底面に接するようにインバータ収納凹部９ｃ内に取り付けられる。裏蓋４５は、反負荷側エンドフレーム９の反負荷側に重ねられ、ねじ（図示せず）を取付穴４５ａ，９ｄに通し、インナーフレーム６の円筒部６ａの反負荷側端面に形成されたねじ穴８ｂに締着して、反負荷側エンドフレーム９とともにインナーフレーム６に一体に取り付けられる。これにより、インバータ冷却用流路溝１２ａが塞口され、馬蹄形のインバータ冷却流路１２が構成される。そこで、反負荷側エンドフレーム９とインナーフレーム６のフランジ部６ｂは、パワー素子４１を冷却するヒートシンクとして機能する。

また、パワー素子４１が実装されたインバータ回路基板４２が収納されたインバータ収納凹部９ｃが塞口される。そして、結線板３６の端子部３６ａに接続された接続導体３７が、フランジ部６ｂおよび反負荷側エンドフレーム９に形成された貫通穴６ｃ，９ｅを通って反負荷側に引き出され、第１コネクタ部４３に接続される。これにより、ステータコイル３４とインバータ装置４０とが電気的に接続される。

このように組み立てられた機電一体モジュール１００においては、図示していないが、直流電力が外部電源から第２コネクタ部４４を介してインバータ装置４０に給電され、駆動指令が第２コネクタ部４４を介してインバータ装置４０に通信される。また、冷却水が、ポンプ（図示せず）から給水ポート１５に給水される。

そこで、外部電源から供給された直流電力がインバータ装置４０により交流電力に変換され、ステータコイル３４に供給される。これにより、ステータ３０に回転磁界が発生される。このステータ３０の回転磁界と永久磁石２２による磁界との相互作用により回転力が発生し、ロータ２０が回転駆動され、その回転トルクが回転軸２３を介して出力される。

そして、例えば、ラジエータ（図示せず）で冷却された冷却水が、ポンプ（図示せず）により給水ポート１５から第１整流流路１０に給水される。冷却水は、円環状の第１整流流路１０内を流れた後、第２整流流路１３に導入され、第２整流流路１３内を軸方向に反負荷側に流れる。第２整流流路１３の反負荷側は、流路方向が、軸方向から徐々に径方向内方に変位しつつ周方向一側に変わるように曲げられているので、冷却水は、流れ方向を軸方向から徐々に径方向内方、かつ周方向一側に変えられて、インバータ冷却流路１２に導入される。そこで、第２整流流路１３とインバータ冷却流路１２との連結部での急激な流路変換がなく、流路抵抗が小さくなる。

そして、冷却水は、馬蹄形のインバータ冷却流路１２内を周方向一側に略３６０度流れた後、連通穴１４を介して回転電機冷却流路１１に導入される。連通穴１４は、インバータ冷却用流路溝１２ａの他端から周方向一側に移動しつつ、軸方向の負荷側かつ径方向外方に徐々に変位する穴形状に形成されているので、インバータ冷却流路１２と回転電機冷却流路１１との連結部での急激な流路変換がなく、流路抵抗が小さくなる。そして、冷却水は、回転電機冷却流路１１内を周方向一側に螺施状に負荷側に流れた後、排水ポート１６から排出され、ラジエータに戻される。

そこで、ステータコイル３４での発熱は、環状凸部４ｃおよびステータコア３１を介してモータフレーム２に伝達され、回転電機冷却流路１１内を流通する冷却水に放熱され、ステータ３０の温度上昇が抑制される。インバータ装置４０のパワー素子４１での発熱は、反負荷側エンドフレーム９に伝達され、インバータ冷却流路１２内を流通する冷却水に放熱され、パワー素子４１の温度上昇が抑制される。

本機電一体モジュール１００においては、インバータ装置４０がモータ１の反負荷側に配設されているので、ステータコイル３４はモータ１の反負荷側で結線され、インバータ装置４０と電気的に接続される。このように、機電一体モジュール１００では、モータ１の負荷側は、反負荷側に比べて、スペースに余裕がある。この実施の形態１では、第１整流流路１０がモータ１の負荷側に配設されているので、機電一体モジュール１００を大型化することなく、第１整流流路１０の整流に必要な容積を確保することができる。そこで、ポンプから圧送された冷却水に含まれる非定常流が第１整流流路１０により軽減されるので、インバータ冷却流路１２および回転電機冷却流路１１内の冷却水の流れにムラが発生しにくくなり、冷却ムラの発生が抑えられる。

第１整流流路１０に加えて、インナーフレーム６を軸方向に貫通するように形成されて第１整流流路１０とインバータ冷却流路１２とを連通する第２整流流路１３を有するので、整流流路の容積が大きくなり、インバータ冷却流路１２に供給される冷却水を整流でき、冷却水に含まれる非定常流をより緩和することができる。

給水ポート１５が、円環状の第１整流流路１０の流路中心を通る円筒面の接線方向から第１整流流路１０に接続されているので、冷却水を少ない流路抵抗で第１整流流路１０に給水できる。また、排水ポート１６が、螺旋状の回転電機冷却流路１１の流路中心を通る円筒面の接線方向から回転電機冷却流路１１に接続されているので、冷却水を少ない流路抵抗で回転電機冷却流路１１から排水できる。そこで、小型のポンプを用いても、モータ１およびインバータ装置４０の冷却に必要な冷却水の流速を得ることができ、冷却構造の小型化が図られる。

ステータコイル３４の負荷側コイルエンドが負荷側エンドフレーム４の環状凸部４ｃに熱的に接しているので、ステータコイル３４での発熱が負荷側エンドフレーム４に伝達され、第１整流流路１０や回転電機冷却流路１１を流れる冷却水に放熱され、ステータコイル３４の温度上昇が抑えられる。これにより、ステータコイル３４の熱制約により制限される通電制約を緩和でき、モータ１の出力を上げることができる。

負荷側軸受２５が負荷側エンドフレーム４の軸受保持穴４ｂに圧入、保持されているので、負荷側軸受２５での発熱が負荷側エンドフレーム４に伝達され、第１整流流路１０や回転電機冷却流路１１を流れる冷却水に放熱され、負荷側軸受２５の熱劣化を抑えることができる。
反負荷側軸受２６が反負荷側エンドフレーム９の軸受保持穴９ｂに圧入、保持されているので、反負荷側軸受２６での発熱が反負荷側エンドフレーム９に伝達され、インバータ冷却流路１２を流れる冷却水に放熱され、反負荷側軸受２６の熱劣化を抑えることができる。

インナーフレーム６の円筒部６ａの内周面に形成されたリブ６ｄが、円筒部６ａに内嵌状態に保持されたステータコア３１の外周面に凹設されたスリット溝３１ａに嵌合している。そこで、モータ１にかかる回転反力がモータフレーム２で受けられ、ステータ３０の回転反力による空回りを抑制することができる。

冷却フィン１２ｂがインバータ冷却流路１２内に形成されているので、冷却水と流路との接触面積が広くなり、熱を効果的に冷却水に伝達することができる。このとき、冷却水が冷却フィン１２ｂにより分流され、分流された冷却水が均一な流れとならず、冷却効率が低下するおそれがある。ここでは、第１および第２整流流路１０，１３をインバータ冷却流路１２の前段に配設し、冷却水に含まれる非定常流を軽減しているので、分流された冷却水が均一な流れとなり、冷却フィン１２ｂを形成することに起因する冷却効率の低下を抑えることができる。

インバータ冷却流路１２は、馬蹄形の流路の両端間が冷却を必要としない第１コネクタ部４３と相対するように形成されている。そこで、インバータ冷却流路１２は、６個のパワー素子４１の周方向の配列領域の真下位置を通るように形成でき、パワー素子４１が効果的に冷却される。ステータコイル３４と第１コネクタ部４３とを接続する接続導体３７を挿通させるための貫通穴６ｃ，９ｅがインバータ冷却流路１２の周方向の両端部間に形成されているので、インバータ冷却流路１２の流路面積を低減することなく、貫通穴６ｃ，９ｅを形成することができる。さらに、第２整流流路１３とインバータ冷却流路１２との連結部、およびインバータ冷却流路１２と回転電機冷却流路１１との連結部が、インバータ冷却流路１２の両端間に形成されているので、インバータ冷却流路１２の流路面積の低減することなく、これらの連結部を形成することができる。

インバータ冷却流路１２を流れる冷却水の周方向の流れ方向と、回転電機冷却流路１１を流れる冷却水の周方向の流れ方向とが一致しているので、インバータ冷却流路１２と回転電機冷却流路１１とを連結する連通穴１４での流路抵抗が小さくなり、小型のポンプを用いても、冷却に必要な冷却水の流速を確保することができる。

なお、上記実施の形態１では、負荷側エンドフレームとアウターフレームとが一体物として構成されているものとしているが、負荷側エンドフレームは、アウターフレームと別部品として構成され、アウターフレームに締着固定するようにしてもよい。

また、上記実施の形態１では、冷却フィンがインバータ冷却用流路溝の底面に突設されているものとしているが、冷却フィンは、反負荷側エンドフレームの負荷側の面に突設されてもよい。
また、上記実施の形態１では、インバータ冷却用流路溝がインナーフレームのフランジ部に凹設されているものとしているが、インナーフレームのフランジ部の反負荷側の面を平坦面とし、インバータ冷却流路を反負荷側エンドフレームの負荷側の面に凹設してもよい。

また、上記実施の形態１では、反負荷側エンドフレームとインナーフレームのフランジ部とによりインバータ冷却流路を形成するものとしているが、反負荷側エンドフレームの反負荷側にヒートシンクを配設し、インバータ冷却流路をヒートシンクに形成してもよい。
また、上記実施の形態１では、インバータ冷却流路が馬蹄形に形成されているものとしえいるが、インバータ冷却流路は回転軸を取り囲む、円弧の一部が欠落した不完全環状であればよく、例えばＣ字状でもよい。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレームの構成を説明する斜視図である。

図８において、第１整流溝５０ａが、円筒部６ａの負荷側外周縁部を径方向および軸方向に所定長さ凹ませて円環状に凹設されている。第１回転電機冷却用流路溝５１ａと第２回転電機冷却用流路溝５１ｂとが、互いに等しい溝断面積を有し、円筒部６ａの外周面に、２つの軌道が並んで軸方向に変化する二重の螺旋状に凹設されている。さらに、インバータ冷却用流路溝５２ａが、第１および第２回転電機冷却用流路溝５１ａ，５１ｂの溝断面積に等しい溝断面積を有し、フランジ部６ｂの反負荷側の面に、同心状に配列された２つの馬蹄形の溝の端部を連結した溝形状に凹設されている。

そして、第１回転電機冷却用流路溝５１ａの一端（負荷側）が、第１整流溝５０ａに連結されている。第１回転電機冷却用流路溝５１ａの他端(反負荷側）が、インバータ冷却用流路溝５２ａの一端に連結されている。インバータ冷却用流路溝５２ａの他端が、第２回転電機冷却用流路溝５１ｂの一端（反負荷側）に連結されている。

このように構成されたインナーフレーム６Ａは、図示していないが、アウターフレーム５に内嵌状態に挿入され、ねじを負荷側エンドフレーム４に開けられた取付穴４ｄに通して円筒部６ａの負荷側端面に形成されたねじ穴８ａに締着して一体に取り付けられる。これにより、第１整流溝５０ａが塞口され、円環状の第１整流流路が構成され、第１および第２回転電機冷却用流路溝５１ａ，５１ｂが塞口され、二重の螺旋状の第１および第２回転電機冷却流路が構成される。さらに、反負荷側エンドフレーム９がインナーフレーム６Ａの円筒部６ａの反負荷側端面に形成されたねじ穴８ｂに締着固定される。これにより、インバータ冷却用流路溝５２ａが塞口され、インバータ冷却流路が構成される。

給水ポート１５が第１整流流路の流路中心を通る円筒面の接線方向から第１整流流路に連通するようにアウターフレーム５の外周面に取り付けられ、排水ポート１６が第２回転電機冷却流路の流路中心を通る円筒面の接線方向から第２回転電機冷却流路の他端に連通するようにアウターフレーム５の外周面に取り付けられている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

つぎに、実施の形態２における冷却水の流れについて説明する。
冷却水が、給水ポート１５から第１整流流路に給水される。そして、冷却水は、円環状の第１整流流路内を周方向他側に流れた後、第１回転電機冷却流路に導入され、第１回転電機冷却流路内を周方向他側に螺旋状に流れつつ反負荷側に流れる。第１回転電機冷却流路内を反負荷側に流れてきた冷却水は、インバータ冷却流路に導入される。そして、冷却水は、インバータ冷却流路の内周側の流路を周方向他側に略３６０度流れ、その後折り返され、インバータ冷却流路の外周側の流路を周方向一側に略３６０度流れる。ついで、冷却水は、第２回転電機冷却流路に導入され、第２回転電機冷却流路内を周方向一側に螺旋状に負荷側に流れ、排水ポート１６から排出される。

ここで、円環状の第１整流溝５０ａが螺旋状の第１回転電機冷却用流路溝５１ａの一端に接続されているので、第１整流溝５０ａと第１回転電機冷却用流路溝５１ａとの連結部での急激な流路変換はなく、両者は滑らかに接続されている。

第１回転電機冷却用流路溝５１ａの他端とインバータ冷却用流路溝５２ａの一端との連通穴は、第１回転電機冷却用流路溝５１ａの他端から周方向他側に移動しつつ、軸方向の反負荷側かつ径方向内方に徐々に変位する穴形状に形成されている。したがって、第１回転電機冷却用流路溝５１ａとインバータ冷却用流路溝５２ａとの連結部での急激な流路変換はなく、両者は滑らかに接続されている。

インバータ冷却用流路溝５２ａの他端と第２回転電機冷却用流路溝５１ｂの一端との連通穴は、インバータ冷却用流路溝５２ａの他端から周方向一側に移動しつつ、軸方向の負荷側かつ径方向外方に徐々に変位する穴形状に形成されている。したがって、インバータ冷却用流路溝５２ａと第２回転電機冷却用流路溝５１ｂとの連結部での急激な流路変換はなく、両者滑らかに接続されている。

この実施の形態２においても、第１整流流路がモータの負荷側に配設されているので、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

第１整流流路を流れる冷却水の周方向の流れ方向が第１回転電機冷却流路を流れる冷却水の周方向の流れ方向と一致しているので、第１整流流路と第１回転電機冷却流路との連結部での流路抵抗が小さくなる。第１回転電機冷却流路を流れる冷却水の周方向の流れ方向が連結されるインバータ冷却流路の内周側の流路を流れる冷却水の周方向の流れ方向と一致しているので、第１回転電機冷却流路とインバータ冷却流路との連結部での流路抵抗が小さくなる。さらに、インバータ冷却流路の外周側の流路を流れる冷却水の周方向の流れ方向が第２回転電機冷却流路を流れる冷却水の周方向の流れ方向と一致しているので、インバータ冷却流路と第２回転電機冷却流路との連結部での流路抵抗が小さくなる。したがって、実施の形態２においても、小型のポンプを用いても、冷却に必要な冷却水の流速を確保することができる。

第１整流溝５０ａと第１回転電機冷却用流路溝５１ａとが滑らかに接続されているので、その連結部での流路抵抗が小さくなる。第１回転電機冷却用流路溝５１ａの他端とインバータ冷却用流路溝５２ａの一端とが滑らかに接続されているので、その連結部での流路抵抗が小さくなる。インバータ冷却用流路溝５２ａの他端と第２回転電機冷却用流路溝５１ｂの一端とが滑らかに接続されているので、その連結部での流路抵抗が小さくなる。したがって、実施の形態２においても、小型のポンプを用いても、冷却に必要な冷却水の流速を確保することができる。

この実施の形態２によれば、第１回転電機冷却流路とインバータ冷却流路と第２回転電機冷却流路とが直列に接続され、第１回転電機冷却流路と第２回転電機冷却流路とを流れる冷却水が対向流となり、インバータ冷却流路の内周側の流路と外周側の流路とを流れる冷却水が対向流となっているので、場所による冷却性能が均一化され、冷却ムラを抑えることができる。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレームの構成を説明する斜視図、図１０はこの発明の実施の形態３に係る機電一体モジュールにおけるインナーフレームを反負荷側から見た端面図、図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ矢視断面図である。

図９乃至図１１において、第１整流溝６０ａが、円筒部６ａの負荷側外周縁部を径方向および軸方向に所定長さ凹ませて円環状に凹設されている。回転電機冷却用流路溝６１ａが、円筒部６ａの外周面に軌道が軸方向に変化する螺旋状に凹設されている。そして、回転電機冷却用流路溝６１ａは、溝幅方向を２分する２つの平行流路溝に構成されている。さらに、インバータ冷却用流路溝６２ａが、回転電機冷却用流路溝６１ａの溝断面積に等しい溝断面積を有し、フランジ部６ｂの反負荷側の面に馬蹄形に凹設されている。そして、インバータ冷却用流路溝６２ａは、溝幅方向を２分する２つの平行流路溝に構成されている。さらに、第２整流流路６３が、回転電機冷却用流路溝６１ａの溝断面積に等しい溝断面積を有し、円筒部６ａを軸方向に貫通して第１整流溝６０ａとインバータ冷却用流路溝６２ａの一端とを連通するように形成されている。また、隔壁６４が、第２整流流路６３の反負荷側に第２整流流路６３を２分するように形成されている。

第２整流流路６３の反負荷側における隔壁６４により分けられた２つの流路は、それぞれ、周方向一側に移動しつつ、軸方向の反負荷側かつ径方向内方に徐々に変位して、インバータ冷却用流路溝６２ａの一端における２つの平行流路溝のそれぞれに連結されている。したがって、第２整流流路６３とインバータ冷却用流路溝６２ａとの連結部での急激な流路変換はなく、両者は滑らかに接続されている。

インバータ冷却用流路溝６２ａの他端における２つの平行流路溝は、それぞれ、周方向一側に移動しつつ、軸方向の負荷側かつ径方向外方に徐々に変位して、回転電機冷却用流路溝６１ａの一端における２つの平行流路溝のそれぞれ連結されている。したがって、インバータ冷却用流路溝６２ａと回転電機冷却用流路溝６１ａとの連結部での急激な流路変換はなく、両者は滑らかに接続されている。

このように構成されたインナーフレーム６Ｂは、図示していないが、アウターフレーム５に内嵌状態に挿入され、ねじを負荷側エンドフレーム４に開けられた取付穴４ｄに通して円筒部６ａの負荷側端面に形成されたねじ穴８ａに締着して一体に取り付けられる。これにより、第１整流溝６０ａが塞口され、円環状の第１整流流路が構成され、回転電機冷却用流路溝６１ａが塞口され、２つの平行な螺旋状の流れとなる回転電機冷却流路が構成される。さらに、反負荷側エンドフレーム９がインナーフレーム６Ｂの円筒部６ａの反負荷側端面に形成されたねじ穴８ｂに締着固定される。これにより、インバータ冷却用流路溝５２ａが塞口され、２つの平行な環状の流れとなるインバータ冷却流路が構成される。

給水ポート１５が第１整流流路の流路中心を通る円筒面の接線方向から第１整流流路に連通するようにアウターフレーム５の外周面に取り付けられ、排水ポート１６が回転電機冷却流路の流路中心を通る円筒面の接線方向から回転電機冷却流路の他端に連通するようにアウターフレーム５の外周面に取り付けられている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

つぎに、実施の形態３における冷却水の流れについて説明する。
冷却水が、給水ポート１５から第１整流流路に給水される。そして、冷却水は、円環状の第１整流流路内を流れた後、第２整流流路６３に導入され、第２整流流路６３内を反負荷側に流れる。第２整流流路６３内を反負荷側に流れてきた冷却水は、隔壁６４により２つに分流され、インバータ冷却流路の各流路に導入される。そして、冷却水は、インバータ冷却流路を平行な流れとなって周方向一側に略３６０度流れる。ついで、冷却水は、インバータ冷却流路の各流路から回転電機冷却流路の各流路に導入され、回転電機冷却流路の各流路内を周方向一側に螺旋状に負荷側に流れ、回転電機冷却流路の他端で合流し、排水ポート１６から排出される。

この実施の形態３においても、第１整流流路がモータの負荷側に配設されているので、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

インバータ冷却流路を流れる冷却水の周方向の流れ方向が回転電機冷却流路を流れる冷却水の周方向の流れ方向と一致している。また、第２整流流路６３の他端とインバータ冷却流路の一端とが滑らかに接続されている。さらに、インバータ冷却用流路溝の他端と回転電機冷却用流路溝の一端とが滑らかに接続されている。したがって、実施の形態３においても、小型のポンプを用いても、冷却に必要な冷却水の流速を確保することができる。

この実施の形態３によれば、第２整流流路６３の反負荷側に隔壁６４を設けて冷却水を２つに分流し、インバータ冷却流路の２つの流路のそれぞれに導入しているので、インバータ冷却流路内での分流による非定常流の発生を抑えることができ、パワー素子４１の冷却効率を均一化することができる。また、隔壁６４を第２整流流路６３に設けているので、パワー素子４１の冷却に寄与するインバータ冷却流路の表面積が増大するため、冷却性能を向上することができる。

インバータ冷却流路における分流数と回転電機冷却流路における分流数とが一致しているので、回転電機冷却流路内での分流による非定常流の発生を抑えることができる。

なお、上記実施の形態３では、回転電機冷媒流路とインバータ冷却流路の分割数を２としているが、回転電機冷媒流路とインバータ冷却流路の分割数は３以上であってもよい。
また、上記各実施の形態では、回転電機冷媒流路とインバータ冷却流路は、互いに等しい流路断面積に形成されているものとしているが、回転電機冷媒流路とインバータ冷却流路は、互いに異なる流路断面積に形成されてもよい。
また、上記各実施の形態では、回転電機冷媒流路およびインバータ冷却流路の流路断面積が流路の長さ方向に関して均一となっているものとしているが、回転電機冷媒流路およびインバータ冷却流路は流路断面積が流路の長さ方向に関して滑らかに変化してもよい。

また、上記各実施の形態では、回転電機としてモータを用いる場合について説明しているが、回転電機は、交流発電機や交流発電電動機を用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、冷媒として冷却水を用いるものとしているが、冷媒は冷却水に限定されるものではなく、例えば油や不凍液などを用いてもよい。

１ モータ(回転電機）、３ 負荷側エンドフレーム、４ アウターフレーム（フレーム）、４ｃ 環状凸部、６，６Ａ，６Ｂ インナーフレーム、６ａ 円筒部（フレーム）、６ｂ フランジ部（反負荷側エンドフレーム）、６ｄ リブ、１０ 第１整流流路、１０ａ 第１整流溝、１１ 回転電機冷却流路、１１ａ 回転電機冷却用流路溝、１２ インバータ冷却流路、１２ａ インバータ冷却用流路溝、１３ 第２整流流路、１５ 給水ポート（供給ポート）、１６ 排水ポート（排出ポート）、２０ ロータ、２３ 回転軸、３０ ステータ、３１ ステータコア、３１ａ スリット溝、３４ ステータコイル、３６ 結線板（結線部材）、３７ 接続導体、４０ インバータ装置、４１ パワー素子、４２ インバータ回路基板、５０ａ 第１整流溝、５１ａ 第１回転電機冷却用流路溝、５１ｂ 第２回転電機冷却用流路溝、５２ａ インバータ冷却用流路溝、６０ａ 第１整流溝、６１ａ 回転電機冷却用流路溝、６２ａ インバータ冷却用流路溝、６３ 第２整流流路、６４ 隔壁、１００ 機電一体モジュール。

Claims (12)

1. 回転電機冷却流路が内蔵された筒状のフレーム、該フレームの軸方向一端に配置される負荷側エンドフレーム、および該フレームの軸方向他端に配置される反負荷側エンドフレームを有するハウジング、上記フレームに内嵌状態に収納、保持される円環状のステータコアおよび該ステータコアに巻装されたステータコイルを有するステータ、および回転軸を上記負荷側エンドフレームと上記反負荷側エンドフレームとに軸支されて上記ステータの内周側に回転可能に配設されるロータを備えた回転電機と、
   上記反負荷側エンドフレームの反負荷側の面に熱的に接続状態に配設されるパワー素子、およびパワー素子駆動回路を有するインバータ装置と、
   上記ステータコアの反負荷側に配設され、上記ステータコイルの内部結線を行う結線部材と、
   上記回転電機の反負荷側に上記回転軸を囲むように形成され、上記パワー素子を冷却するインバータ冷却流路と、
   上記回転電機の負荷側に上記回転軸を囲むように形成され、冷媒が供給される円環状の第１整流流路と、を備えていることを特徴とする機電一体モジュール。
2. 上記回転電機冷却流路は、軌道が軸方向に徐々に変化する螺旋状流路に構成され、
   上記インバータ冷却流路は、上記回転軸周りを取り囲む不完全環状流路に構成され、
   上記回転電機冷却流路と上記インバータ冷却流路とが、流路を流れる冷媒の周方向の流れ方向が一致するように直列に連結されていることを特徴とする請求項１記載の機電一体モジュール。
3. 上記フレーム内を軸方向に貫通するように形成され、上記第１整流流路と上記インバータ冷却流路の一端とを連通する第２整流流路を備え、
   上記回転電機冷却流路の反負荷側端部と上記インバータ冷却流路の他端とが連結されていることを特徴とする請求項２記載の機電一体モジュール。
4. 上記インバータ冷却流路は、流路幅方向に複数に分割されており、
   上記第２整流流路を流路幅方向に上記インバータ冷却流路と同じ分割数に分割する隔壁が、該第２整流流路の反負荷側に形成されていることを特徴とする請求項３記載の機電一体モジュール。
5. 上記回転電機冷却流路が、上記インバータ冷却流路と同じ分割数に分割されていることを特徴とする請求項４記載の機電一体モジュール。
6. 供給ポートが上記第１整流流路の流路中心を通る円筒面の接線方向から該第１整流流路に連結され、
   排出ポートが上記回転電機冷却流路の流路中心を通る円筒面の接線方向から該回転電機冷却流路の負荷側端部に連結されていることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の機電一体モジュール。
7. 上記回転電機冷却流路は、２つの軌道が並んで軸方向に徐々に変化する螺旋状に形成された二重の螺旋状流路に構成され、
   上記インバータ冷却流路は、径方向に２列に配列された内周側不完全環状流路と外周側不完全環状流路とを、流路を流れる冷媒の流れ方向が逆方向となるように連結した不完全環状流路に構成され、
   上記第１整流通路が、上記回転電機冷却流路を構成する一方の螺旋状流路の負荷側端部に連結され、
   上記回転電機冷却流路を構成する一方の螺旋状流路の反負荷側端部が、上記インバータ冷却流路の一端に連結され、上記回転電機冷却流路を構成する他方の螺旋状流路の反負荷側端部に連結されていることを特徴とする請求項２記載の機電一体モジュール。
8. 供給ポートが上記第１整流流路の流路中心を通る円筒面の接線方向から該第１整流流路に連結され、
   排出ポートが上記回転電機冷却流路を構成する他方の螺旋状流路の流路中心を通る円筒面の接線方向から該他方の螺旋状流路の負荷側端部に連結されていることを特徴とする請求項７記載の機電一体モジュール。
9. 上記ステータコイルに接続された接続導体が、上記不完全環状流路の周方向両端部間を通って反負荷側に引き出され、上記インバータ装置に接続されていることを特徴とする請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載の機電一体モジュール。
10. 上記第１整流流路は、上記フレームの負荷側端部に形成され、上記インバータ冷却流路は、上記反負荷側エンドフレームに形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の機電一体モジュール。
11. 上記負荷側エンドフレームおよび上記反負荷側エンドフレームの少なくとも一方が、上記ステータコイルのコイルエンドに熱的に接触していることを特徴とする請求項１０記載の機電一体モジュール。
12. 上記ステータは、上記フレームの内周面に軸方向に延在して突設されたリブを上記ステータコアの外周面に凹設されたスリット溝に嵌合させて、該フレームに内嵌状態に収納されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の機電一体モジュール。

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