JP4106951B2

JP4106951B2 - 車両駆動用電動装置

Info

Publication number: JP4106951B2
Application number: JP2002100892A
Authority: JP
Inventors: 嘉崇渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: JP2003299317A

Description

【０００１】
【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

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。