JP4106951B2 - 車両駆動用電動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両駆動用電動装置に関し、特に、スイッチング素子と、スイッチング素子からの通電電流により駆動する電動機とを備えた車両駆動用電動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、直流電源から得られる直流電力を電力変換装置を用いて交流電力に変換し、この交流電力を用いて電動モータを動作させることによって、電気エネルギーを効率良く運動エネルギーに変換する駆動用電動装置が知られている。この駆動用電動装置の応用範囲は広く、近年では車両への搭載についても一部実用化が始まっている。
【0003】
駆動用電動装置が搭載される車両としては、たとえば電気自動車(Electric Vehicle)、ハイブリッド電気自動車(Hybrid Electric Vehicle)などがあり、これらは環境に配慮した自動車として注目を集めている。たとえば、ハイブリッド電気自動車においては、従来のエンジンに加えて上述の駆動用電動装置が搭載される。
【0004】
このような駆動用電動装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、そのインバータ回路から供給される交流電力により生じるステータ(固定子)の磁力によってロータ(回転子)が回転されることにより駆動する電動モータとから主に構成される。
【0005】
従来の車両駆動用電動装置にあっては、インバータ回路と電動モータとが車両の別々の位置に離隔配置されていた。これは、インバータ回路と電動モータとがいずれもその動作によって発熱するためであり、近接配置することによって互いの熱が相互に干渉し合うことを防止するためである。しかし、これではインバータ回路と電動モータとを電気的に接続するための大型のケーブルを車両に敷設する必要があり、このことは部品の小型化の要望が強い自動車への適用の妨げとなっていた。
【0006】
また、インバータ回路内のスイッチング素子のON/OFF動作の高速化に伴って生ずるノイズの低減を図るため、ケーブルをより短くすることが好ましく、近年ではインバータ回路と電動モータとの近接配置も提案されている。特に、インバータ回路と電動モータとを近づけて配置した例として、たとえば特開平5−95606号公報に開示された装置(パワーユニット)がある。
【0007】
図8および図9は、上記公報に開示された装置の構成の一部を拡大して示す断面図および右側面図である。図8および図9を参照して、この装置は、電動モータMと、その電動モータMを駆動制御する駆動回路とを有している。
【0008】
電動モータMは、モータケース120内に配置されており、かつ回転軸110に固設されたロータ113と、そのロータ113に径方向のギャップをもって配置されたステータコア111と、そのステータコア111に巻装されたコイル112とを主に有している。
【0009】
この電動モータMを内部に収容するモータケース120の端部にヒートシンク121が一体的に組み付けられている。このヒートシンク121の外周に、上記駆動回路に含まれるスイッチング素子としての電界効果型トランジスタ101が取り付けられている。
【0010】
上記公報には、モータケース120に一体的に組み付けたヒートシンク121にスイッチング素子101を取り付けたことにより、駆動回路と電動モータMとを接続する配線を短縮でき、全体としての小型化を図ることができると記載されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モータのコイル部分は電流が流れ高温になりやすい部分である。このため、上記公報の装置のようにスイッチング素子101をモータ端面に設けたヒートシンク121にて冷却する場合には、ヒートシンク121のボリュームもあり一層の小型化が難しい。小型化を優先するためにヒートシンクを小さくしたり、あるいは無くしたりしたとしても、電流により発熱するコイル112側にスイッチング素子101を近づけて配置するにはどうしても限界がある。このため、電動モータMとスイッチング素子101との構成をさらに小型化することが困難であるという問題があった。
【0012】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、スイッチング素子を十分に冷却でき、かつ小型化が容易な車両駆動用電動装置を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明に従った車両駆動用電動装置は、第1および第2の電動機と、回転軸と、周囲壁と、スイッチング素子と、制御部とを備えている。第1および第2の電動機は、互いに同軸に配置されている。回転軸は、第1および第2の電動機の間に配置されている。周囲壁は、回転軸の外周面を径方向の所定隙間を介して取り囲むように配置されている。制御部は、スイッチング素子よりも周囲壁の外周側であって第1および第2の電動機の間に配置されており、スイッチング素子を制御するためのものである。第1および第2の電動機の各々は、ステータコアと、そのステータコアに巻装され、かつスイッチング素子の動作によって通電されるコイルとを含んでいる。スイッチング素子は、周囲壁の外周面上に配置されることにより第1および第2の電動機の各々のコイルよりも回転軸の径方向内周側に配置されており、かつコイルと同径および径方向外周側には位置していない。回転軸には冷却液を通すための冷却液供給孔が設けられており、所定隙間に前記冷却液が通るように冷却液供給孔は所定隙間とつながっている。
【0014】
本発明に従った車両駆動用電動装置によれば、スイッチング素子がコイルよりも内周側にのみ配置されているため、装置全体としての小型化が容易となる。また、スイッチング素子がコイルよりも回転軸の径方向内周側に配置されている。これにより、回転軸に近い部分は発熱しないため、スイッチング素子を高温にさらすことも少なくなり冷却効率も向上するとともに、電動機の冷却系でスイッチング素子を十分に冷却することも可能となる。よって、スイッチング素子の十分な冷却と装置の小型化とを両立することができる。
また回転軸と径方向の所定隙間を介して取り囲むように配置された周囲壁の外周面上にスイッチング素子が配置されているため、スイッチング素子を容易にコイルよりも内周側に配置することが可能となる。
また回転軸と周囲壁との間の所定隙間内には冷却液が通されるよう構成されているため、スイッチング素子を冷却液により冷却することが可能となる。
また回転軸には冷却液を通すための冷却液供給孔が設けられており、その冷却液供給孔は回転軸と周囲壁との間の所定隙間につながっているため、簡易な構成で、電動機の冷却系を用いてスイッチング素子を冷却することが可能となる。
また互いに同軸に配置された第1および第2の電動機の間に配置された周囲壁の外周面上にスイッチング素子が配置されているため、第1および第2の電動機を含めて1つのモジュールとして小型化することが可能となり、かつ電動機を2つ備えたことにより動作または制御の多様性を図ることもできる。
【0015】
上記車両駆動用電動装置において好ましくは、スイッチング素子は周囲壁の外周面に接触して取り付けられている。
【0016】
これにより、スイッチング素子を容易にコイルよりも内周側に配置することが可能となる。
【0020】
上記車両駆動用電動装置において好ましくは、電動機とスイッチング素子とは、共通の筐体内に配置されている。
【0021】
このように電動機とスイッチング素子とを共通の筐体内に収容することにより、これらを1つのモジュールとして小型化することが可能となる。
【0024】
上記車両駆動用電動装置において好ましくは、第1の電動機が取り付けられる回転軸の部分の冷却液供給孔と第2の電動機が取り付けられる回転軸の部分の冷却液供給孔とは互いにつながっている。
【0025】
これにより、2つの電動機の冷却系を一体とすることが可能となり、構成を簡易にすることができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【0029】
図1は本発明の一実施の形態における車両駆動用電動装置の構成を概略的に示す断面図であり、図2は図1のII−II線に沿う概略断面図である。図1および図2を参照して、本実施の形態の車両駆動用電動装置は、2つのモータ/ジェネレータMG1、MG2と、それらのモータ/ジェネレータを駆動制御する駆動回路とを有している。
【0030】
駆動回路は、半導体チップ1と、信号線2と、IPM(integrated power module)制御基板3とを主に有している。半導体チップ1には、スイッチング素子となるたとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、パワーMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタなどの絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部を有する素子が作り込まれている。信号線2は、この半導体チップ1のスイッチング素子のゲートとIPM制御基板3上に形成されたスイッチング素子制御回路とを電気的に接続している。IPM制御基板3のスイッチング素子制御回路はインバータ制御基板(図示せず)の電気回路に電気的に接続されている。
【0031】
上記の半導体チップ1を挟むように2つのモータ/ジェネレータMG1、MG2が配置されている。そして、半導体チップ1と2つのモータ/ジェネレータMG1、MG2とが共通のハウジング(筐体)20内に配置されることにより1つのモジュールを構成している。
【0032】
モータ/ジェネレータMG1は、ステータコア11aと、コイル12aと、ロータ13aと、永久磁石14aとを主に有している。ステータコア11aは、ハウジング20の内周面に嵌め込まれて固定されており、コイル12aは、ステータコア11aに巻装されている。ロータ13aは、ステータコア11aに径方向のギャップを介してその内周領域に配置されており、永久磁石14aは、そのロータ13a内に取り付けられている。ロータ13aは回転軸10aに取り付けられている。回転軸10aは転がり軸受け19を介してハウジング20に回転可能に支持されている。
【0033】
モータ/ジェネレータMG2は、ステータコア11bと、コイル12bと、ロータ13bと、永久磁石14bとを主に有している。これらの構成はモータ/ジェネレータMG1の各部の構成とほぼ同じであるため、その説明は省略する。なお、ロータ13bが取り付けられる回転軸10bも転がり軸受け19を介してハウジング20に回転可能に支持されている。
【0034】
回転軸10aの外周面を径方向の間隙16を介して取囲むように周囲壁(スリーブ)15が配置されている。この周囲壁(スリーブ)15の外周面に半導体チップ1が接して取り付けられている。これにより、半導体チップ1は、モータ/ジェネレータMG1、MG2の各コイル12a、12bよりも回転軸10aの径方向内周側に配置されており、コイル12a、12bと同径およびその外周側には位置していない。
【0035】
回転軸10a、10bの各々には冷却液供給孔10a1、10b1のそれぞれが互いにつながるように設けられており、かつポンプ17に接続されている。これらの冷却液供給孔10a1、10b1の各々は分岐することによりモータ/ジェネレータMG1、MG2の各々を冷却できるよう構成されている。また、冷却液供給孔10a1には、間隙16へ達する分岐路10a2が設けられている。この分岐路10a2を介して冷却液供給孔10a1から間隙16へ冷却液を送ることにより、周囲壁15に接する半導体チップ1を冷却することができる。
【0036】
なお、この冷却液にはオイルが用いられてもよく、この場合には冷却液が軸受け19の潤滑に用いられてもよい。
【0037】
また、回転軸10a、10bには、チェーンドライブスプロケット32と、動力分割機構としてのプラネタリギア31とが取り付けられている。また、コイル12a、12bの各々を冷却できるようにそれらのコイルの近傍に冷却油室18が設けられている。
【0038】
次に、上記の車両駆動用電動装置における駆動回路について詳細に説明する。図3は、本発明の一実施の形態における車両駆動用電動装置の駆動回路を示す図である。図3を参照して、この駆動回路はインバータ回路であって、インバータと、スイッチング素子制御回路1cと、インバータ制御基板1dと、放電抵抗1eと、コンデンサ1fと、温度センサ1gとを主に含んでいる。
【0039】
インバータは、2つのスイッチング素子1aにより構成されている。これら6個のスイッチング素子1aにより3相ブリッジ回路が構成されており、入力信号に応じて直流電流を3相の交流電流に変換してモータの3相の端子(コイル)へ出力する。このスイッチング素子1aは、たとえばIGBTよりなっているが、これに限定されるものではなくパワーMOSトランジスタなどの絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部を備えた素子であればよく、スイッチング機能を有するものであればよい。なお、スイッチング素子1aのそれぞれに並列に接続されているダイオード1bは、還流用のフリーホイールダイオードである。
【0040】
スイッチング素子制御回路1cは、図1のIPM制御基板3に形成されるものである。またスイッチング素子制御回路1cは、各スイッチング素子1aのゲートに入力信号(駆動信号)を与えることにより、スイッチング素子1aのON/OFF動作を制御するものである。
【0041】
インバータ制御基板1dは、ECU(Electrical Control Unit)からの駆動信号を受けてスイッチング素子制御回路1cにゲート電源駆動信号を与えるとともに、スイッチング素子制御回路1cからのフェイル信号や温度信号を受けてECUにフェイル信号やセンサ信号を与えるものである。このインバータ制御基板1dは、モータのコイルに接続された温度センサ1gにも電気的に接続されている。
【0042】
6個のスイッチング素子1aよりなる3相ブリッジ回路には並列に放電抵抗1eと、コンデンサ1fと、メインバッテリとが接続されている。
【0043】
以上の構成により、メインバッテリから得られる直流電力がスイッチング素子1aのON/OFF動作によって交流電力に変換され、それにより得られた3相(U相、V相、W相)の交流電力によってモータが駆動される。なお、図示しないが、モータには前記コイルが前記スイッチング素子1aのON/OFF動作によって通電されることによる磁力にて回転するロータが設けられている。ロータには永久磁石型など既知のものを適宜組み合わせて良い。前記ロータはモータの回転軸に接続されている。これにより、モータの回転軸に車両の推進力となる回転力が与えられる。
【0044】
本実施の形態では、図1に示すようにスイッチング素子1aを含む半導体チップ1が周囲壁15に取り付けられることによりコイル12a、12bよりも内周側に配置されているため、装置全体としての小型化が容易となる。また、スイッチング素子1aを含む半導体チップ1がコイル12a、12bよりも回転軸10a、10bの径方向内周側に配置されている。これにより、回転軸10a、10bに近い部分はコイル12a、12bが高温になることの影響を比較的受け難いため、スイッチング素子1aを高温にさらすことも少なくなり冷却効率も向上するとともに、モータ/ジェネレータMG1、MG2の冷却系でスイッチング素子1aを十分に冷却することも可能となる。さらに、回転軸10aと周囲壁15との間の間隙16内には冷却液が通されるよう構成されているため、半導体チップ1を冷却液により冷却することが可能となる。加えて、回転軸10aの冷却液供給孔10a2を間隙16につなげることにより、簡易な構成で、モータ/ジェネレータMG1、MG2の冷却系を用いて半導体チップ1を冷却することが可能となる。
【0045】
以上より、スイッチング素子1aを含む半導体チップ1の冷却と装置全体の小型化とを両立することができる。
【0046】
また、半導体チップ1をコイル12a、12bよりも内周側に配置したことにより、半導体チップ1とモータ/ジェネレータMG1、MG2とを共通のハウジング20内に収容することが容易となり、これらを1つのモジュールとして小型化することが可能となる。
【0047】
また2つのモータ/ジェネレータMG1、MG2の各回転軸10a、10bに設けられた冷却液供給孔10a1、10b1のそれぞれが互いにつながっているため、2つのモータ/ジェネレータMG1、MG2の冷却系を一体とすることが可能となり、構成を簡易にすることができる。
【0048】
また、図4および図5に示すように冷却配管付きカバー21がさらに設けられてもよい。この冷却配管付きカバー21は、半導体チップ1、信号線2およびIPM制御基板3の周囲を取囲むとともに、それらを冷却配管22内に通す冷却液により冷却するものである。これにより、半導体チップ1などをカバー21で仕切ることができるとともに、さらなる冷却能力の向上を図ることができる。
【0049】
図4および図5の上記以外の構成については、上述した図1および図2に示す構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、図5は、図4のV−V線に沿う概略断面図である。
【0050】
また、図6および図7に示すようにモータ/ジェネレータ冷却ケース23a、23bの各々がモータ/ジェネレータMG1、MG2のそれぞれに取り付けられてもよい。モータ/ジェネレータ冷却ケース23a、23bの各々は、モータ/ジェネレータMG1、MG2のそれぞれのステータコア11a、1bの外周面に取り付けられ、冷却路24a、24bの各々に通す冷却液によって各モータ/ジェネレータMG1、MG2を冷却するものである。これにより、さらに冷却能力を高めることが可能となる。
【0051】
また、モータ/ジェネレータ冷却ケース23a、23bの冷却路24a、24bの各々は、冷却配管付きカバー21の冷却配管22につながっていてもよい。これにより、冷却系を共通にすることができるため、さらに構成の簡略化を図ることも可能となる。
【0052】
図6および図7の上記以外の構成については、上述した図4および図5に示す構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、図7は、図6のVII−VII線に沿う概略断面図であり、説明の便宜上、モータ/ジェネレータ冷却ケースおよびステータコアのみを図示している。
【0053】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に従った車両駆動用電動装置によれば、スイッチング素子がコイルよりも内周側にのみ配置されているため、装置全体としての小型化が容易となる。また、スイッチング素子はコイルよりも回転軸の径方向内周側に配置されている。これにより、回転軸に近い部分は発熱しないため、スイッチング素子を高温にさらすことも少なくなり冷却効率も向上するとともに、電動機の冷却系でスイッチング素子を十分に冷却することも可能となる。よって、スイッチング素子の十分な冷却と装置の小型化とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態における車両駆動用電動装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図2】 図1のII−II線に沿う概略断面図である。
【図3】 駆動回路の構成を説明するための図である。
【図4】 本発明の一実施の形態における車両駆動用電動装置の他の構成を概略的に示す断面図である。
【図5】 図4のV−V線に沿う概略断面図である。
【図6】 本発明の一実施の形態における車両駆動用電動装置のさらに他の構成を概略的に示す断面図である。
【図7】 図6のVII−VII線に沿う概略断面図である。
【図8】 特開平5−95606号公報に開示された装置(パワーユニット)の構成の一部を拡大して示す断面図である。
【図9】 特開平5−95606号公報に開示された装置(パワーユニット)の構成を示す右側面図である。
【符号の説明】
1 半導体チップ、1a スイッチング素子、1b ダイオード、1c スイッチング素子制御回路、1d インバータ制御基板、1e 放電抵抗、1f コンデンサ、1g 温度センサ、2 信号線、3 制御基板、10a,10b 回転軸、10a1,10b1 冷却液供給孔、10a2 分岐路、11a,11b ステータコア、12a,12b コイル、13a,13b ロータ、14a,14b 永久磁石、15 周囲壁、16 間隙、17 ポンプ、18 冷却油室、20 ハウジング、21 冷却配管付きカバー、22 冷却配管、23a,23b モータ/ジェネレータ冷却ケース、24a,24b 冷却路、31 プラネタリギア、32 チェーンドライブスプロケット、M 電動モータ、MG1,MG2 モータ/ジェネレータ。
Claims (4)
- 互いに同軸に配置された第1および第2の電動機と、
前記第1および第2の電動機の間に配置された回転軸と、
前記回転軸の外周面を径方向の所定隙間を介して取り囲むように配置された周囲壁と、
スイッチング素子と、
前記スイッチング素子よりも前記周囲壁の外周側であって前記第1および第2の電動機の間に配置された、前記スイッチング素子を制御するための制御部とを備え、
前記第1および第2の電動機の各々は、ステータコアと、前記ステータコアに巻装され、かつ前記スイッチング素子の動作によって通電されるコイルとを含み、
前記スイッチング素子は、前記周囲壁の外周面上に配置されることにより前記第1および第2の電動機の各々の前記コイルよりも前記回転軸の径方向内周側に配置されており、かつ前記コイルと同径および径方向外周側には位置しておらず、
前記回転軸には冷却液を通すための冷却液供給孔が設けられており、前記所定隙間に前記冷却液が通るように前記冷却液供給孔は前記所定隙間とつながっている、車両駆動用電動装置。 - 前記スイッチング素子は前記周囲壁の外周面に接触して取り付けられていることを特徴とする、請求項1に記載の車両駆動用電動装置。
- 前記電動機と前記スイッチング素子とは、共通の筐体内に収容されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の車両駆動用電動装置。
- 前記第1の電動機が取り付けられる前記回転軸の部分の前記冷却液供給孔と前記第2の電動機が取り付けられる前記回転軸の部分の前記冷却液供給孔とは互いにつながっていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の車両駆動用電動装置。
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