JP4076835B2

JP4076835B2 - インバータ搭載型回転電機及び回路装置

Info

Publication number: JP4076835B2
Application number: JP2002300888A
Authority: JP
Inventors: 孝史鳥井; 誠志中村; 和高立松
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: JP2004088983A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ搭載型回転電機及びそれに好適な回路装置に関し、特に車両用インバータ搭載型回転電機及びそれに好適な回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両用モータとして電源がバッテリすなわち直流電源であるにもかかわらず、半導体技術の進歩もあって信頼性、制御性、効率などの観点から車両用モータとして交流機（同期機）の採用が主流となりつつある。
【０００３】
この場合、モータ駆動（あるいは回生発電）のために直流電力を三相交流電力に変換するインバータ回路が必要となるが、インバータ回路とモータとの間の配線抵抗や配線インダクタンスが大きいと、電力損失、発熱、電磁波ノイズ、重量増大などの多くの不利益が生じるために、このインバータ回路をモータに直接搭載することがたとえば下記特許文献１に提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２９２７０３号公報
【０００５】
この公報のインバータ搭載型回転電機は、モータ本体に対して軸方向に隣接する位置に配置されるインバータ回路を有し、このインバータ装置とモータ本体との間にヒートシンク（本発明でいう冷却体）が介設され、これにより、モータ本体の発熱がインバータ回路を構成する半導体スイッチング素子に影響を与えにくいという効果を奏することができる。
【０００６】
また、モータは、それ自体相当の高温となるうえ、このモータ本体に一体に実装されるインバータ回路も大きな発熱を生じるので、インバータ装置を構成する半導体スイッチング素子を破壊、損傷から保護するべく、ヒートシンクおよびモータ本体を液冷することも、上記公報は開示している。
【０００７】
また、下記特許文献２は、本願発明に関連してモータのエンドフレームの外表面にインバータ装置内蔵のケースを装着したインバータ固定型モータを開示している。
【０００８】
【特許文献２】
特開平１１ー１６４５２１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種のインバータ装置では、多相インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子とともにリップル電流を低減するための平滑コンデンサを必須構成要素としているが、高周波スイッチングによ生じるリップル電流が流れる平滑コンデンサは高温となりやすく、それにより寿命の低下や絶縁低下といった問題が生じるため、従来のインバータ装置では半導体スイッチング素子とともにこの平滑コンデンサもヒートシンクに密着させて冷却するのが通常である。
【００１０】
上記公報の回路部品配置では、ヒートシンクの反モータ側の主面（モータ本体に対して軸方向反対側の主面をいう）にインバータ装置が配置されるため、平滑コンデンサは半導体スイッチング素子とともにこのヒートシンクの反モータ側主面に密着されている。
【００１１】
しかしながら、このような平滑コンデンサ配置を採用するインバータ搭載型回転電機では、大型で大きな設置面積を要する平滑コンデンサをインバータ回路の横側に配置されるために、ヒートシンクの主面面積が増大し、その結果として、インバータ装置およびヒートシンクの径方向および周方向の長さ（軸方向と直角な面積）が増加し、全体としてインバータ装置およびヒートシンクのスペース、重量が増大するという欠点があった。
【００１２】
この問題を改善するために、従来公知の２階建て形式のインバータ装置を採用することも可能である。この２階建て形式のインバータ装置とは、ヒートシンク上に相対的により冷却重要性が高い半導体スイッチング素子を実装し、更にこの半導体スイッチング素子の上方すなわちヒートシンクから離れる方向に平滑コンデンサを機械的に支持することである。もちろん、平滑コンデンサも冷却しなければならないので、ヒートシンクと平滑コンデンサとを熱的に良好に結合する工夫（たとえば、良熱伝導部材を介在させたり、ヒートシンクが半導体スイッチング素子の間を貫いて平滑コンデンサ側に延在する突起をもつなど）は必要となる。このようにすれば、全体として、ヒートシンクやインバータ装置全体の重量、体格を低減することができる。また、上記公報の一平面配置方式に比べて、半導体スイッチング素子と平滑コンデンサとの間の接続配線距離を短縮しやすいので、この接続配線のインダクタンスを低減して、高周波スイッチングノイズ電圧を軽減して平滑コンデンサを小型化できる効果を期待することもできる。
【００１３】
しかしながら、この方式は、上記したように半導体スイッチング素子と平滑コンデンサとの間に相当のギャップを必要とするため、インバータ搭載型回転電機の軸方向長さが異常に増大し、この回転電機の車両への搭載性が悪化するという厄介な問題を派生するうえ、上述のように平滑コンデンサの冷却性が悪化するという問題を根本的に解決することが容易でなかった。
【００１４】
また、特許文献２のインバータ装置付きモータは、体格が大きい平滑コンデンサを含むインバータ装置のケースをエンドフレームの外端面に固定することを開示するが、このような構造では、インバータ装置を構成するスイッチング素子、平滑コンデンサ、制御マイコン（コントローラ）の冷却が容易でないという問題点があった。
【００１５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、平滑コンデンサおよび半導体スイッチング素子両方の良好な冷却性とを確保しつつ車両搭載性にも優れたインバータ搭載型回転電機及びそれに好適な回路装置を提供することを、その目的としている。
【００１６】
【課題を解決する手段】
請求項１記載の本発明のインバータ搭載型回転電機は、交流モータからなるモータ本体と、前記モータ本体の軸方向一方側に固定されて直流電源と前記モータ本体のステータコイルとの間の電力移動を制御するインバータ装置とを備え、前記インバータ装置は、前記直流電源と前記ステータコイルとの間に介設されて直交変換を行うインバータ回路を構成する所定数の半導体スイッチング素子と、前記インバータ回路の一対の直流端子間に接続されて前記インバータ回路のスイッチングノイズを低減する平滑コンデンサと、前記半導体スイッチング素子および前記平滑コンデンサに接して前記半導体スイッチング素子および前記平滑コンデンサを冷却する冷却体とを有するインバータ搭載型回転電機において、
前記平滑コンデンサは、径方向に延在する前記冷却体の一対の主面のうち、前記モータ本体に面する側のモータ側主面に固定され、前記半導体スイッチング素子は、前記冷却体の前記一対の主面のうち、前記モータ本体に面しない側の反モータ側主面に固定されていることを特徴としている。
【００１７】
すなわち、本発明は、径方向に延在するヒートシンクとしての冷却体のモータ本体側の主面を両方とも回路部品としての半導体スイッチング素子冷却面および平滑コンデンサ冷却面として用いることにより、冷却体（ヒートシンク）を大幅に小型化しても半導体スイッチング素子および平滑コンデンサを良好に冷却できるとともに、上記二階建てインバータ装置構造に比較して半導体スイッチング素子と平滑コンデンサとの間のギャップを省略できるのでインバータ搭載型回転電機の軸方向長も縮小することができ、更に平滑コンデンサを冷却体に強固に固定することができるので、車載に必要な耐振性が向上し、結局、体格、重量、車両搭載性に優れたインバータ搭載型回転電機を実現することができる。
【００１８】
なお、本発明と同種の技術思想として、冷却体のモータ本体側の主面に半導体スイッチング素子を実装し、反モータ側主面に平滑コンデンサを固定することも考えられる。しかし、この案では、もっとも良好な冷却性を必要とする半導体スイッチング素子が、伝導、対流、放射の熱伝播経路を通じてモータ本体の発熱の影響を受けやすくなるため、半導体スイッチング素子の温度が上昇してしまうという欠点がある。
【００１９】
すなわち、この発明によれば、半導体スイッチング素子を、発熱体又は高温体としてのモータ本体に対して冷却体と平滑コンデンサとの両方を隔てて配置することができるので、もっとも良好な冷却性を必要とするモータ本体の発熱の影響を軽減することもできる。
【００２０】
なお、冷却体は、少なくとも略径方向に延在する一対の主面をもつのであれば、形状自由であり、かつ、空冷、液冷を問わない。
【００２１】
好適な態様において、前記インバータ装置は、前記冷却体の前記反モータ側主面に電気絶縁体を介して密接された第一導体と、前記第一導体上に実装される前記半導体スイッチング素子により構成される前記インバータ回路の上アーム素子とを有する。このようにすれば、上アーム素子をなす半導体スイッチング素子を良好に冷却することができる。
【００２２】
好適な態様において、前記第一導体は、電源平滑コンデンサ（以下。単に平滑コンデンサともいう）の高位電源端に接続される高圧ライン（高位直流電源ライン）を構成する。このようにすれば、配線構造を簡素化することができる。
【００２３】
好適な態様において、前記インバータ装置は、前記冷却体の前記反モータ側主面に直接密接された第二導体と、前記第二導体上に実装される前記半導体スイッチング素子により構成される前記インバータ回路の下アーム素子とを有する。このようにすれば、下アーム素子をなす半導体スイッチング素子を良好に冷却することができる。
【００２４】
好適な態様において、前記第二導体は、前記ステータコイルの引き出し線に接続されるインバータ回路の交流出力線を構成する。このようにすれば、配線構造を簡素化することができる。
【００２５】
好適な態様において、前記インバータ装置は、前記冷却体の前記反モータ側主面に接して前記インバータ回路の状態に関する情報を外部に出力する制御マイコンを有する。このようにすれば、インバータ装置の制御マイコンの冷却も好適とすることができる。なお、この制御マイコンは、当然、なんらかの良熱伝導性部材を介して冷却体に接することができる。
【００２６】
好適な態様において、前記冷却体は、前記モータ側主面に開口を有して冷却流体流路をなす溝部を有し、前記平滑コンデンサは、前記冷却体の前記モータ側主面に固定されて前記溝部の前記開口を閉鎖する。このようにすれば、冷却体を、内部に冷却流体通路を有する液冷構造とする場合であっても、平滑コンデンサを簡素な構造で良好に冷却することができる。以下、更に詳しく説明する。
【００２７】
冷却体の内部に冷却流体通路を設ける場合、この冷却流体通路をその入口、出口を除いて密閉構造とする必要が生じる。このような密閉構造の冷却媒体通路を設ける従来公知の通常方法では、冷却体の一主面に開口を有する溝部を設け、この一主面を蓋板などで閉鎖するのが最も簡素な構造となる。
【００２８】
しかし、この密閉構造の冷却媒体通路をもつ冷却体であっても、蓋板を製造してそれを冷却体の本体に固定するという構造、製造工程の追加が必要となり、更に、冷却流体からみて平滑コンデンサの冷却熱伝達通路に蓋板が介在されるために平滑コンデンサの冷却性が低下するという問題があった。
【００２９】
これに対して、この実施態様によれば、上記した蓋板を用いることなく、冷却流体の溝部の開口を平滑コンデンサにより直接に閉鎖する構造を採用している。もちろん、この場合、平滑コンデンサと冷却体との固定工程が必要となるが、蓋板を用いる場合でも蓋板と平滑コンデンサとの良好な熱的接触のためにこれら両者を固定する工程は必要であるため、同じである。更に細かく言えば、この冷却流体通路付きの冷却体はインバータ回路のスイッチング素子に対してヒートシンク機能と液体冷却機能とを奏する。ヒートシンク機能は、良好な熱伝導性をもつ金属ブロック部分が最も好適であり、この金属ブロック部分はできるだけスイッチング素子に近接配置して、それらの間の熱抵抗を低減してヒートシンク機能すなわちスイッチング素子の一時的な大発熱をこの金属ブロック部分の熱容量により良好に吸収することが好ましい。蓋板もこの金属ブロック部分と同様に上記ヒートシンク機能をもつが、蓋板は冷却流体通路としての溝部を区画する冷却体の隔壁部分を通じてスイッチング素子から熱を受け取らざるを得ないために、スイッチング素子に隣接する上記金属ブロック部分より格段にヒートシンク機能が低下する。
【００３０】
したがって、蓋板を省略し、その厚さの分だけ上記金属ブロック部分すなわち溝部よりもスイッチング素子に近接する冷却体の部分の厚さを増加すれば、蓋板なしの冷却体は、蓋板付きの冷却体に比較してその全厚さを変更することなくヒートシンク機能すなわち過渡的熱吸収機能を改善できるわけである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
走行動力を発生する車両用回転電機としての本発明のインバータ搭載型回転電機の好適な実施態様を以下の実施例を参照して説明する。
（実施例１）
（回路説明）
このインバータ搭載型回転電機の回路を図１に示す回路図を参照して説明する。
【００３４】
１はバッテリ、２は三相同期機からなるモータ本体、３はインバータ装置であり、インバータ装置３はバッテリ１とモータ本体２との間で直交変換動作を行ってバッテリ１とモータ本体２との間の電力移動を行う。
【００３５】
インバータ装置３は、MOSトランジスタからなる半導体スイッチング素子４〜９を有する三相インバータ回路１０と、平滑コンデンサ１１と、電流センサ１２と、制御マイコンとしてのゲートコントローラ１３とを有し、ゲートコントローラ１３は外部のコントローラ１４にインバータ装置３の情報を出力し、コントローラ１４からのトルク指令および電流センサ１２からの電流計測値に基づいて三相インバータ回路１０を断続制御してモータ本体２を制御する。
【００３６】
平滑コンデンサ１１は、半導体スイッチング素子４〜９の断続により発生する電圧変動を吸収して直流ライン１５、１６の電位変動の抑止を行い、そのバッテリ１への悪影響および電磁波ノイズ放射の軽減を行う。１７は、平滑コンデンサ１１の正極端子と高位側の直流ライン１５とを接続する導体線であり、１８は、平滑コンデンサ１１の負極端子と低位側の直流ライン１６とを接続する導体線である。
【００３７】
この種のインバータ装置３の構造および動作自体はもはや周知事項であるので、これ以上の説明は省略する。
【００３８】
（装置構造）
次に、この実施例のインバータ搭載型回転電機の構造を図２を参照して以下に説明する。図２はこの回転電機の軸方向模式断面図である。
【００３９】
モータ本体２は、ステータコア２１、ステータコイル２２、永久磁石が埋設されたロータ２３、回転軸２４を有している。２５はステータコイル２２のコイルエンドである。ステータコア２１は図示しないフレームに固定され、ステータコイル２２はステータコア２１に装備され、ロータ２３は回転軸２４に嵌着、固定され、回転軸２４は上記フレームに回転自在に支承されている。この種のモータ本体２自体は周知の構成であるので、これ以上の説明は省略する。もちろん、モータ本体２を公知の他の形式の交流モータに置換することは可能である。
【００４０】
図２において、図１に示すインバータ装置３の半導体スイッチング素子４、５、平滑コンデンサ１１、電流センサ１２が図示され、更に、インバータ装置３の主要構成要素としてのヒートシンク（冷却体）３０が図示されている。
【００４１】
ヒートシンク（冷却体）３０は、図示しないフレームに固定された厚い角平板形状を有しており、内部に水冷通路３１を有している。水冷通路３１はヒートシンク３０の径方向中央部および径方向外側に形成されているが、ヒートシンク３０の径方向内側には形成されていない。ヒートシンク３０は、モータ本体２の軸方向一方側にコイルエンド２５に対して所定間隔を隔ててその一対の主面３２、３３が径方向となるように配設されている。
【００４２】
ヒートシンク３０のモータ本体２側の主面３２には、平滑コンデンサ１１と電流センサ１２とが搭載、固定されている。平滑コンデンサ１１は水冷通路３１に隣接して配設されている。
【００４３】
電流センサ１２は、スリット付きリング状のフェライトコア１２１と、このスリットに収容されるホール素子１２２とを有しており、フェライトコア１２１の中央孔には、コイルエンド２５から軸方向に突出するステータコイル２２の引き出し線２２１が貫通している。また、この引き出し線２２１はヒートシンク３０の孔を厚さ方向に貫通してヒートシンク３０の反モータ側主面３３から軸方向に突出している。
【００４４】
ヒートシンク３０の反モータ側主面３３には、三相インバータ回路１０を構成する半導体スイッチング素子４〜９およびそれらを接続するための配線導体が、ゲートコントローラ１３とともに搭載されている。ただし、前述した用に、図２では、三相インバータ回路１０のうち、半導体スイッチング素子４、５とそれらに関連する配線導体のみが図示されている。
【００４５】
半導体スイッチング素子４〜９は、水冷通路３１に隣接してヒートシンク３０の反モータ側主面３３に実装されている。高位側の直流ライン１５は、薄い電気絶縁フィルムを挟んでヒートシンク３０の反モータ側主面３３上に固定され、低位側の直流ライン１６は、ヒートシンク３０の反モータ側主面３３上に直接固定されているが薄い絶縁フィルムを介して設けてもよい。また、ヒートシンク３０の反モータ側主面３３上には、薄い電気絶縁フィルムを挟んで三相インバータ回路１０の三相の交流ラインが固定されている。１９はこの三相の交流ラインのうちのU相交流ラインである。これらの各ラインは平銅線からなる。
【００４６】
下アーム側の半導体スイッチング素子５、７、９は交流ライン上に固定され、上アーム側の半導体スイッチング素子４、６、８は直流ライン１５上に固定されている。
【００４７】
ステータコイル２２の三相の引き出し線２２１の先端は、これら交流ラインに個別に接続されている。図２では、U相の引き出し線２２１がU相の交流ライン１９と接続され、この接続部位は樹脂２０により絶縁被覆されている。
【００４８】
１５’は、上アーム側の半導体スイッチング素子４の低位主電極端子と交流ライン１５とを結ぶ配線であり、１９’は、下アーム側の半導体スイッチング素子５の低位主電極端子と直流ライン１６とを結ぶ配線である。
【００４９】
直流ライン１５は、配線１７を通じて平滑コンデンサ１１の高位電極端子に接続され、直流ライン１６は、配線１８を通じて平滑コンデンサ１１の低位電極端子に接続されている。
【００５０】
ゲートコントローラ１３は、直流ライン１６上に電気絶縁されて搭載され、ヒートシンク３０から電気絶縁された配線１２３を通じてホール素子１２２からの検出信号を受け取り、図示しない配線を通じて各半導体スイッチング素子４〜９のゲート電極端子に制御電圧を印加する。
【００５１】
（実施例効果）
このような平滑コンデンサ１１と半導体スイッチング素子４〜９の配置をもつこの実施例のインバータ搭載型回転電機は、ヒートシンクの主面を半導体スイッチング素子冷却面および平滑コンデンサ冷却面として用いることにより冷却体（ヒートシンク）を小型化することができるうえ、同一側に半導体スイッチング素子４〜９と平滑コンデンサ１１とを二階建てに形成する場合に比較して回転電機の総軸長を短縮することができ、更に平滑コンデンサ１１を反モータ側主面３３に、半導体スイッチング素子４〜９をモータ側主面３２に配置するのに比較して半導体スイッチング素子４〜９の冷却性を向上することができ、実用性に優れたインバータ搭載型回転電機を実現することができる。
（実施例２）
他の実施例を図３、図４参照して説明する。図３はこの回転電機の軸方向模式断面図、図４はその要部拡大断面図である。
【００５２】
この実施例のインバータ搭載型回転電機は、主として実施例１のヒートシンク（冷却体）３０の水冷通路（溝部）３１を軸方向モータ側に開口させるとともに、平滑コンデンサ１１の平坦な底面１１０をヒートシンク３０のモータ側の主面３０１に密着、固定させて水冷通路３１の平滑コンデンサ１１により閉鎖する点をその特徴としている。
【００５３】
更に具体的に説明すると、平滑コンデンサ１１は、フイルムコンデンサであって、その樹脂ケース１１１に収容された誘電フィルムとそれを挟む一対の電極とからなる電極アセンブリ１１２を収容している。したがって、平滑コンデンサ１１の平坦な底面１１０とは、平滑コンデンサ１１の樹脂ケース１１１の平坦な底面を意味し、ヒートシンク３０のモータ側の主面３０１には水冷通路３１が開口されている。なお、たとえば迷路状に構成されたこのような水冷通路３１の形成は通常のアルミダイキャスト法により容易に製造することができる。
【００５４】
この実施例では、平滑コンデンサ１１の樹脂ケース１１１の平坦な底面１１０とヒートシンク３０のモータ側の主面３０１との接合を樹脂接着剤を用いた接着により実施しているが、その他、樹脂ケース１１１に金属を蒸着乃至固着し、この金属とヒートシンクとを半田などで接合してもよい。また、平滑コンデンサ１１とヒートシンク３０とを図示しない締結ボルトなどによりOリングを介して締結してもよい。なお、この締結ボルトは、ヒートシンク３０をモータハウジングに固定するのに共用してもよい。
（変形態様）
上記実施例２では、ヒートシンク３０のモータ側の主面３０１を平坦面としたが、ヒートシンク３０のモータ側の主面３０１に平滑コンデンサ１１の樹脂ケース全体がその厚さ方向に一部又は全部落ち込む凹部を設け、この凹部に平滑コンデンサ１１を一部又は全部を埋設することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のインバータ搭載型回転電機の回路図である。
【図２】図１のインバータ搭載型回転電機の模式軸方向断面図である。
【図３】実施例２の回転電機の軸方向模式断面図である。
【図４】図３の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１バッテリ
２モータ本体
３インバータ装置
４〜９半導体スイッチング素子
１０三相インバータ回路
１１平滑コンデンサ
３０ヒートシンク（冷却体）

Claims

交流モータからなるモータ本体と、前記モータ本体の軸方向一方側に固定されて直流電源と前記モータ本体のステータコイルとの間の電力移動を制御するインバータ装置とを備え、
前記インバータ装置は、
前記直流電源と前記ステータコイルとの間に介設されて直交変換を行うインバータ回路を構成する所定数の半導体スイッチング素子と、
前記インバータ回路の一対の直流端子間に接続された平滑コンデンサと、
前記半導体スイッチング素子および前記平滑コンデンサに接して前記半導体スイッチング素子および前記平滑コンデンサを冷却する冷却体と、
を有するインバータ搭載型回転電機において、
前記平滑コンデンサは、
径方向に延在する前記冷却体の一対の主面のうち、前記モータ本体に面する側のモータ側主面に固定され、
前記半導体スイッチング素子は、
前記冷却体の前記一対の主面のうち、前記モータ本体に面しない側の反モータ側主面に固定されていることを特徴とするインバータ搭載型回転電機。
請求項１記載のインバータ搭載型回転電機において、
前記インバータ装置は、
前記冷却体の前記反モータ側主面に電気絶縁体を介して密接された第一導体と、
前記第一導体上に実装される前記半導体スイッチング素子により構成される前記インバータ回路の上アーム素子と、
を有することを特徴とするインバータ搭載型回転電機。
請求項２記載のインバータ搭載型回転電機において、
前記第一導体は、
前記直流電源の高位電極端子を構成することを特徴とするインバータ搭載型回転電機。
請求項２記載のインバータ搭載型回転電機において、
前記インバータ装置は、
前記冷却体の前記反モータ側主面に直接密接された第二導体と、
前記第二導体上に実装される前記半導体スイッチング素子により構成される前記インバータ回路の下アーム素子と、
を有することを特徴とするインバータ搭載型回転電機。
請求項 4 記載のインバータ搭載型回転電機において、
前記第二導体は、
前記ステータコイルの引き出し線に接続される前記インバータ回路の交流出力線を構成することを特徴とするインバータ搭載型回転電機。
請求項１記載のインバータ搭載型回転電機において、
前記インバータ装置は、
前記冷却体の前記反モータ側主面に接して前記インバータ回路の状態に関する情報を外部に出力する制御マイコンを有することを特徴とするインバータ搭載型回転電機。
請求項４記載のインバータ搭載型回転電機において、
前記冷却体は、前記モータ側主面に開口を有して冷却流体流路をなす溝部を有し、
前記平滑コンデンサは、前記冷却体の前記モータ側主面に固定されて前記溝部の前記開口を閉鎖することを特徴とするインバータ搭載型回転電機。