JP2016208720A - 機電一体型ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】車両の停車時における冷却性能の低下を抑制する機電一体型ユニットを提供する。
【解決手段】機電一体型ユニットにおいて、複数の半導体素子を有する電力変換回路、及び、半導体素子を冷却する複数の冷却器を有する電力変換器と、モータ及びギアのうち少なくとも何れか一方の部品、当該部品を収容するケース、及び、ケース内に溜まる第１媒体を有する駆動部とを備え、電力変換器及び駆動部は、一体のユニットとして形成され、複数の冷却器のうち、一方の冷却器の一部は、ケース内に位置しつつ第１媒体を接触し、他方の冷却器は第２媒体と接触し、第１媒体の熱伝導率が２媒体の熱伝導率より高い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機電一体型ユニットに関するものである。

自動車に設けられる駆動装置において、自動車の後輪駆動系のモータを駆動制御するパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）に冷却フィンを取り付けて、後輪用のギヤ機構やディファレンシャルギヤが収められたギヤケース内に冷却フィンが突出するようＰＣＵをギヤケースの上部に載置する。そして、ディファレンシャルギヤをその一部が潤滑油に浸漬させるよう配置することにより、自動車の走行に伴って回転するディファレンシャルギヤにより掻き上げられた潤滑油を冷却フィンに掛けてＰＣＵを冷却する駆動装置が開示されている（特許文献１）。

特開２００６−２６４４４２号公報

しかしながら、車両が停車し、ギアが回転していない場合には、潤滑油がギアにより掻き上げられないため、ＰＣＵに当たる潤滑油の量が少なく、ＰＣＵの冷却性能が低下するという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、車両の停車時における冷却性能の低下を抑制する機電一体型ユニットを提供することである。

本発明において、電力変換器は半導体素子を冷却する複数の冷却器を備え、駆動部は、モータ及びギアのうち少なくとも何れか一方の部品、当該部品を収容するケース、及び当該ケース内に溜まる第１媒体を備え、複数の冷却器のうち一方の冷却器の一部がケース内で第１媒体と接触し、他方の冷却器が第１媒体より熱伝導率の高い第２媒体と接触することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、車両が停車しているときに、冷却器がケース内に溜まっている第１媒体と接触しているため、半導体素子の発熱により、熱が冷却器に伝わった場合でも、当該冷却器は第１媒体で冷やされるので、車両の停車時における冷却性能の低下を抑制するという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る機電一体型ユニットの断面図である。 本発明の他の実施形態に係る機電一体型ユニットの断面図である。 本発明の他の実施形態に係る機電一体型ユニットの断面図である。 本発明の他の実施形態に係る機電一体型ユニットの断面図である。 本発明の他の実施形態に係るインホイールモータの断面図である。 本発明の他の実施形態に係るインホイールモータの断面図である。 本発明の変形例に係るインホイールモータの断面図である。 本発明の変形例に係るインホイールモータの断面図である。 本発明の他の実施形態に係るインホイールモータの断面図である。 本発明の変形例に係るインホイールモータの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る機電一体型ユニットの断面図である。本実施形態に係る機電ユニットは、例えば車両に設けられる。

機電一体型ユニット１００は、駆動部１０と電力変換器２０を備えており、駆動部１０と電力変換器２０を一体化したユニットである。

駆動部１０はギアボックス１１、ギア１２、ベアリング１３及び媒体１４を備えている。駆動部１０は、モータ又はエンジンから出力される動力を、車輪に伝達する伝達機構である。ギアボックス１１は、ギア１２、ベアリング１３及び媒体１４を収容するケースである。ギア１２は、他の図示しないギアと噛合しており、減速ギアを構成する部品の１つである。ギア１２は、動力を車輪に伝える機能を有している。ギア１２は、ベアリング１３に支持されている。ベアリング１３は、ギア１２を回転可能な状態で支持する。そして、ギア１２の回転軸が、複数のベアリング１３の間に狭持されている。

媒体１４はベアリング１３を潤滑するための液状の媒体である。媒体１４は、オイルである。媒体１４は、ギアボックス１１の下部に形成された空間に溜まっている。ギア１２の一部は、媒体１４に浸かっている。そのため、ギア１２が回転すると、媒体１４は、ギアの１２の回転によって跳ね上がり、跳ね上げられた媒体１４がベアリング１３等に当たる。そのため、ギア１２の回転により、ベアリング１３がオイルで潤滑されることになる。すなわち、媒体１４としてオイルを用いた場合には、ギア１２、ベアリング１３及び媒体１４は、潤滑機構としても機能する。なお、媒体１４には、オイルの代わりに、例えば水などの液体が用いられてもよい。

電力変換器２０は、半導体素子２１、２２、絶縁基板２３、２４、冷却器２５、２６、及びケース２７を備えている。半導体素子２１、２２は、電力変換回路に含まれる回路素子であって、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子又はダイオードである。半導体素子２１、２２により構成される電力変換回路は、例えば、バッテリの電力を交流に変換するインバータであって、一対のスイッチング素子をブリッジ状で三相に接続した回路である。なお、電力変換器２０に含まれる電力変換回路は、インバータに限らず、例えばコンバータであってもよい。

半導体素子２１、２２はモジュール化されており、半導体素子２１、２２の互いに向き合う側面は、ハンダにより絶縁基板２３、２４にそれぞれ接合している。すなわち、半導体素子２１、２２は、絶縁基板２３の一側面と絶縁基板２４の一側面との間に狭持されている。なお、半導体素子２１、２２は一体化した１つのモジュールで構成されてもよい。

絶縁基板２３、２４は、半導体素子２１、２２と冷却器２５、２６との間を絶縁するための基板である。絶縁基板２３、２４の主面は、モジュール化された半導体素子２１、２２の表面にハンダを介して接合している。

冷却器２５は、半導体素子２１、２２を冷却する部品であって、アルミで形成されている。冷却器２５と絶縁基板２３との間は、例えば接着剤で接着している。
冷却器２５の一方向には、フィンが形成されており、当該一方向と反対側は絶縁基板２３の主面に沿った面になっている。冷却器２５のうちフィンの部分は媒体１４と接触している。そして、冷却器２５の一部はギアボックス１１内に位置しつつ、冷却器２５の他の部分はケース２７内に位置する。

冷却器２６は、半導体素子２１、２２を冷却する部品であって、銅で形成されている。冷却器２６と絶縁基板２４との間は、例えば接着剤で接着している。冷却器２６の一方向には、フィンが形成されており、当該一方向と反対側は絶縁基板２４の主面に沿った面になっている。冷却器２６のうちフィンの部分は、媒体１４とは異なる媒体（例えば空気）接触している。すなわち、冷却器２５は油冷式の冷却器であり、冷却器２６は空冷式の冷却器である。

ケース２７は、半導体素子２１、２２、絶縁基板２３、２４、冷却器２５、２６を収容する筐体である。ケース２７はギアボックス１１と一体化している。

媒体１４の熱伝導率は、冷却器２６の冷媒である空気の熱伝導率よりも高い。また、冷却器２６の熱膨張率（α_２）は、冷却器２５の熱膨張率（α_１）よりも低い。

次に、機電一体型ユニット１００の冷却機能について説明する。半導体素子２１、２２が駆動し、半導体素子２１、２２が熱源になると、半導体素子２１、２２の熱は、絶縁基板２３、２４を介して、冷却器２５、２６に伝わる。冷却器２５は媒体１４で冷却され、冷却器２６は空気で冷却される。すなわち、半導体素子２１、２２と冷却器２５との間に第１伝熱経路が形成され、半導体素子２１、２２と冷却器２６との間に第２伝熱経路が形成される。そして、それぞれの伝熱経路を伝わる熱は、媒体１４と空気で冷やされる。

例えば、車両が走行しているときには、媒体１４が高温になるため、半導体素子２１、２２の熱は、第１伝熱経路を伝わっても、冷却器２５では冷却し難い。一方、冷却器２６は空冷式のため、車両が走行しているときも十分な冷却機能を発揮できる。そのため、半導体素子２１、２２の熱は、第２伝熱経路を伝わって、冷却器２６で冷やされる。これにより、車両の走行中に、半導体素子２１、２２の熱を放熱することができる。

また、例えば車両が停車しているとき、あるいは、登坂でアクセルホールドのときには、半導体素子２１、２２の熱は、第２伝熱経路を伝わっても、冷却器２６では冷却し難い。一方、冷却器２５は媒体１４と接触しており、車両の停車中、媒体１４の温度は低い。半導体素子２１、２２の熱は、第１伝熱経路を伝わって、冷却器２５で冷やされる。これにより、車両の停車中、半導体素子２１、２２の熱を放熱することができる。

上記のように、本実施形態では、電力変換器２０は半導体素子２１、２２を冷却する複数の冷却器２５、２６を備え、駆動部１０はギア１２、ギアボックス１１、及びケース内に溜まる媒体１４を備え、冷却器２５の一部がギアボックス１１内で媒体１４と接触し、冷媒１４の伝導率が、冷却器２６と接触する媒体（空気）よりも高い。これにより、ギア１２が回転しない場合でも、半導体素子で発生した熱が冷却器２５を介して放熱されるため、車両の停車時における冷却性能を高めることができる。また、車両の走行中、媒体１４の温度が高くなった場合には、半導体素子で発生した熱は冷却器２６に伝わり、冷却器２６の熱は空気中に放出される。そのため、車両の走行中における冷却性能を高めることができる。また、車速が増加した場合には、風速が大きくなるため、冷却器２６の放熱性能がさらに高めることができる。また、本実施形態では、放熱性能の異なる伝熱経路が複数形成されるため、過渡熱性能および定常熱性能を向上できる。

また本実施形態では、半導体素子２１、２２から媒体１４までの伝熱経路上に位置する冷却器２６の熱膨張率（α_２）は、半導体素子２１、２２から空気までの伝熱経路上に位置する冷却器２５の熱膨張率（α_１）より低い。複数の伝熱経路では、放熱媒体が異なるため、経路間で温度差が生じる。そして、伝熱経路上に位置する部品が熱により膨脹した場合には、経路間の温度差によって、熱膨張に差が生じるおそれがある。本実施形態では、冷却器２６の熱膨張率（α_２）を、冷却器２５の熱膨張率（α_１）より低くすることで、熱膨張差を縮小できる構造となるため、熱膨張による歪みを抑制できる。

また本実施形態では、冷却器２５がアルミで形成され、冷却器２６が銅で形成されている。これにより、機電一体型ユニットが熱膨張差を縮小できる構造となるため、熱膨張による歪みを抑制できる。

なお、本実施形態では、電力変換器２０と一体化される駆動部１０として、ギアのユニットとしたが、モータのユニットと電力変換器２０とを一体化させて、機電一体型ユニット１００を構成してもよい。モータユニットと電力変換器２０とを一体化させた機電一体型ユニット１００において、モータのロータがベアリング１３に回転可能な状態で支持されており、モータ、ベアリング１３及び媒体１４がモータケースに収容されている。そして、ロータの回転により媒体１４が掻き上げられて、ベアリング１３が潤滑される。

なお、本実施形態では、駆動部１０及び上記のモータユニットを、電力変換器２０と一体化させることで、機電一体型ユニット１００を構成してもよい。

なお、本実施形態において、冷却器２６は、冷却器２５を形成するアルミよりも熱膨張率の低いアルミで形成されてもよい。

なお、本実施形態において、絶縁基板２４の熱膨張率が絶縁基板２３の熱膨張率よりも低くなるように、絶縁基板２３、２４を構成してもよい。また、本実施形態では、冷却器２５に接触する媒体１４（第１媒体）と、冷却器２６に接触する媒体（第２媒体）の違いを、熱伝導率で規定したが、熱容量又は熱伝達率でもよい。すなわち、第１媒体の熱容量は第２媒体の熱容量よりも高く、又は、第１媒体の熱伝達率は第２媒体の熱伝達率よりも高くしてもよい。

《第２実施形態》
図２は、発明の他の実施形態に係る機電一体型ユニットの断面図である。本例では上述した第１実施形態に対して、緩衝材２８を設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。

電力変換器２０は、半導体素子２１、２２等の他に、緩衝材２８を有している。緩衝材２８は、冷却器２６の膨脹を緩衝するための部材であって、板状に形成されている。緩衝材２８は、絶縁基板２４と冷却器２６との間に狭持されている。緩衝材２８は、接着剤又はハンダにより絶縁基板２４及び冷却器２６に固定されている。

上記のように本実施形態では、電力変換器２０は、冷却器２６の熱による膨脹を緩衝する緩衝材２８を備えている。これにより、機電一体型ユニットが熱膨張差を縮小できる構造となるため、熱膨張による歪みを抑制できる。

なお、本実施形態では、冷却器２５と冷却器２６の熱膨張率を同じにした上で、緩衝材を電力変換器２０に設けてもよい。

また本実施形態の変形例として、図３に示すように、電力変換器２０は、緩衝材２８、２９を備えてもよい。図３は、変形例に係る機電一体型ユニットの断面図である。緩衝材２９は、冷却器２５の膨脹を緩衝するための部材であって、板状に形成されている。緩衝材２９は、絶縁基板２３と冷却器２５との間に狭持されている。また、緩衝材２８の緩衝量は、緩衝材２９の緩衝量より大きい。緩衝材２８、２９の緩衝量は、例えばヤング率により規定される。これにより、機電一体型ユニットが熱膨張差を縮小できる構造となるため、熱膨張による歪みを抑制できる。

《第３実施形態》
図４は、発明の他の実施形態に係る機電一体型ユニットの断面図である。本例では上述した第１実施形態に対して、冷却器２６の形状が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。

冷却器２６の断面が電力変換回路側に湾曲した形状になるように、冷却器２６が形成されている。冷却器２６の断面は、半導体素子２１、２２から冷却器２６に伝わる熱の伝熱方向に沿った面である。図４の例では、ｘ軸の方向が伝熱方向となる。また電力変換回路は、半導体素子２１、２２により形成される回路である。冷却器２６の断面は、電力変換回路側に突き出た凸状になっている。

媒体１４の熱伝導率は、冷却器２６の冷媒となる空気の熱伝導率よりも高い。そのため、例えば、車両が停車している状態で、半導体素子２１、２２で発生した熱が、冷却器２５に伝わったときには、冷却器２５の熱は媒体１４で放熱される。一方、半導体素子２１、２２で発生した熱が、冷却器２６に伝わったときには、冷却器２６の熱は放熱されにくい。上記のように、本実施形態では、冷却器２６の断面が電力変換回路側に湾曲した形状になっているため、冷却器２６が熱により膨張した際には、冷却器２６は、湾曲の状態から平坦な状態に変形する。これにより、熱膨脹差による歪みを抑制できる。

なお、本実施形態では、ｘｚ面に沿った断面において、冷却器２６を湾曲の形状にしたが、ｘｙ面に沿った断面において、冷却器２６が湾曲の形状になるようにしてもよい。

《第４実施形態》
図５は、発明の他の実施形態に係る機電一体型ユニットの断面図である。機電一体型ユニットの各構成は、上述した第１実施形態と同様であり、その記載を適宜、援用する。

図５において、ｘは車両の進行方向を示し、ｙは車両の左右方向であり、ｚは車両の上下方向（車両の高さ方向）である。またｘ軸の正の方向が、車両が前方に走行する際の進行方向である。

図５に示すように、電力変換器（ＩＮＶ）２０は、車両が前進するときの進行方向（ｘ軸の正方向）に対して、駆動部１０よりも後方の位置に配置されている。これにより、例えば落下物等が車両に落ちた場合に、電力変換器２０は直撃を回避できる。そのため、安全性の高いユニットを実現できる。

《第５実施形態》
図６は、発明の他の実施形態に係るインホイールモータの断面図である。機電一体型ユニットは、ホイールと一体となっている。機電一体型ユニットの各構成は、上述した第１実施形態と同様であり、その記載を適宜、援用する。

図６において、ｘは車両の進行方向を示し、ｙは車両の左右方向であり、ｚは車両の上下方向（車両の高さ方向）である。またｘ軸の正の方向が、車両が前方に走行する際の進行方向である。Ｌ_１は減速機１０ａに含まれるギア１２の回転軸の位置を表しており、Ｌ_２はモータ１０ｂのロータの回転軸の位置を表している。

駆動部１０は、減速機１０ａ及びモータ１０ｂを備えている。駆動部１０及び電力変換器２０はホイール３０内に設けられている。減速機１０ａは、第１実施形態で示した駆動部１０と同様の構成であって、ギアボックス１１、ギア１２等を有している。モータ１０ｂは、減速機１０ａと一体になっている。モータ１０ｂの回転軸は、ギア１２に連結することで、モータ１０ｂのロータの回転により発生する駆動力がギア１２に伝達される。また減速機１０ａの出力軸がタイヤの回転軸（タイヤ軸）に相当する。モータ１０ｂの筐体であるモータケースは、ギアボックス１１と一体になっている。

減速機１０ａは、車両の高さ方向でロータの回転軸に対して、ギア１２の回転軸がオフセットされるように、配置されている。言い替えると、ギア１２の回転軸の位置は、車両の高さ方向でロータの回転軸よりも低い位置である。

電力変換器（ＩＮＶ）２０は、車両が前進するときの進行方向（ｘ軸の正方向）に対して、減速機１０ａよりも後方の位置に配置されている。また、電力変換器２０は、車両の高さ方向（ｚ方向）で、減速機１０ａよりも低い位置に配置されている。これにより、例えば落下物等が車両に落ちた場合に、電力変換器２０は直撃を回避できる。そのため、安全性の高いユニットを実現できる。

また本実施形態に係る変形例として、図７に示すように、電力変換器２０は、減速機１０ａとモータ１０ｂで形成されるスペース内に配置されてもよい。図７は、変形例に係るインホイールモータの断面図である。ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の表示は図６と同様である。図７において、Ｌ_１は減速機１０ａに含まれるギア１２の回転軸の位置を表しており、Ｌ_２はモータ１０ｂのロータの回転軸の位置を表している。

減速機１０ａは、車両の高さ方向でロータの回転軸に対して、ギア１２の回転軸がオフセットされるように、配置されている。減速機１０ａの回転軸とモータ１０ｂの回転軸をオフセットさせることで、車両の高さ方向でモータ１０ｂの下方に位置し、かつ、車両の左右方向で減速機１０ａの左側に位置する部分には、空間が形成される。そして、当該空間に電力変換器２０が配置されている。さらに、電力変換器２０は、車両が前進するときの進行方向（ｘ軸の正方向）に対して、減速機１０ａよりも後方の位置に配置されている。

これにより、例えば落下物等が車両に落ちた場合に、電力変換器２０は直撃を回避できるため、安全性の高いユニットを実現することができる。また、機電一体型ユニットの小型化も実現できる。

また本実施形態に係る変形例として、図８に示すように、電力変換器２０は、車両の高さ方向で、減速機１０ａの下側に配置されてもよい。図８は、変形例に係るインホイールモータの断面図である。ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の表示は図６と同様である。図８において、Ｌ_１は減速機１０ａに含まれるギア１２の回転軸の位置を表しており、Ｌ_２はモータ１０ｂのロータの回転軸の位置を表している。

図８に示すように、電力変換器２０は、減速機１０ａの底面に設けられている。これにより、安全性の高い機電一体型ユニットを実現できる。

《第６実施形態》
図９は、発明の他の実施形態に係るインホイールモータの断面図である。図９において、Ｌはモータ１０ｂのロータの回転軸の位置を表している。機電一体型ユニットは、ホイールと一体となっている。駆動部１０は、モータであって、ロータ、ステータ、ベアリング、モータケース、及び媒体を備えている。ロータは、第１実施形態に係るギア１２と同様に、ベアリングにより回転可能な状態で支持されている。そして、ロータの回転により、モータケースの下部に溜まる媒体が掻き上げられて、媒体がベアリングを潤滑する。媒体はオイル等である。

電力変換器２０は、車両の高さ方向で、減速機１０ａの下側に配置されており、具体的には、駆動部１０の底面に設けられている。これにより、安全性の高い機電一体型ユニットを実現できる。

なお、本実施形態に係る変形例として、図１０に示すように、電力変換器２０は、車両の高さ方向で、モータ１０ｂの下側に配置されてもよい。図１０は、発明の他の実施形態に係るインホイールモータの断面図である。図１０において、Ｌは、減速機１０ａに含まれるギア１２の回転軸の位置、及び、モータ１０ｂのロータの回転軸の位置を表している。モータ１０ｂは、減速機１０ａと一体になっており、モータ１０ｂの回転軸と減速機１０ａの回転軸は、車両の高さ方向で、同じ高さになっている。なお、減速機１０ａの下部には、オイルなどの媒体１４ａが溜まっており、モータ１０ｂの下部には、オイルなどの媒体１４ｂが溜まっている。

１０…駆動部
１１…ギアボックス
１２…ギア
１３…ベアリング
１４…媒体
２０…電力変換器
２１、２２…半導体素子
２３、２４…絶縁基板
２５、２６…冷却器
２７…ケース
２８、２９…緩衝材
３０…ホイール
１００…機電一体型ユニット

Claims (7)

1. 複数の半導体素子を有する電力変換回路、及び、前記半導体素子を冷却する複数の冷却器を有する電力変換器と、
   モータ及びギアのうち少なくとも何れか一方の部品、当該部品を収容するケース、及び、前記ケース内に溜まる第１媒体を有する駆動部とを備え、
   前記電力変換器及び前記駆動部は、一体のユニットとして形成され、
   前記複数の冷却器のうち、一方の冷却器の一部は、前記ケース内に位置しつつ前記第１媒体を接触し、他方の冷却器は第２媒体と接触し、
   前記第１媒体の熱伝導率が前記２媒体の熱伝導率より高い
   機電一体型ユニット。
2. 請求項１記載の機電一体型ユニットにおいて、
   前記複数の半導体素子から前記第２媒体までの伝熱経路上に位置する部品の熱膨張率は、前記複数の半導体素子から前記第１媒体までの伝熱経路上に位置する部品の熱膨張率よりも低い
   機電一体型ユニット。
3. 請求項１又は２記載の機電一体型ユニットにおいて、
   前記一方の冷却器はアルミにより形成され、
   前記他方の冷却器は、前記一方の冷却器に含まれるアルミよりも熱膨張率の低いアルミ及び銅のうち少なくともいずれか一方の材料により形成されている
   機電一体型ユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の機電一体型ユニットにおいて、
   前記電力変換器は、前記他方の冷却器の熱による膨脹を緩衝する緩衝材を有する
   機電一体型ユニット。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の機電一体型ユニットにおいて、
   前記電力変換器は、前記一方の冷却器の熱による膨脹を緩衝する第１緩衝材、及び、前記他方の冷却器の熱による膨脹を緩衝する第２緩衝材を有し、
   前記第２緩衝材の緩衝量は、前記第１緩衝材の緩衝量より大きい
   機電一体型ユニット。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の機電一体型ユニットにおいて、
   前記他方の冷却部の断面は、前記電力変換回路側に湾曲した形状に形成されている
   機電一体型ユニット。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の機電一体型ユニットにおいて、
   前記機電一体型ユニットは車両に設けられ、
   前記電力変換器は、前記車両が前進するときの進行方向に対して、前記駆動部よりも後方の位置に配置されている
   機電一体型ユニット。

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