JP4327618B2 - インバータ一体型回転電機およびその回転電機を備えた車両 - Google Patents

Description

この発明は、インバータ装置、インバータ一体型回転電機およびその回転電機を備えた車両に関し、特に、複数の半導体素子を積層した半導体スタックを含むインバータ装置が据付けられたインバータ一体型回転電機およびそれを備えた車両に関する。

近年ますます高まりつつある省エネ・環境問題を背景に、ハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）および電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きく注目されており、ハイブリッド自動車は、既に実用化されている。

ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。すなわち、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換された交流電圧によりモータを回転させることによって動力源を得るものである。また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。

ハイブリッド自動車や電気自動車、あるいは電車などの車両システムにおいては、インバータやコンバータなどの電子部品において多数のパワー半導体素子が用いられる。そして、レイアウト面積や効率的な冷却性などの観点から、一般に、複数のパワー半導体素子は、冷却器と交互に連設され、上記の電子部品が構成される（以下では、このような構成を「半導体スタック」とも称する。）。

特開２００３−８６７６５号公報では、平型半導体素子およびヒートシンクを交互に積層して構成した積層体を絶縁スタッドボルトで締付け圧接して構成された半導体スタックが開示されている（特許文献１参照）。
特開２００３−８６７６５号公報 特開２００３−２７４６０５号公報 特開２００１−３２６３１０号公報 特開２００２−３４３９３７号公報 特開平９−２６０５８５号公報 特開２００２−９５２６７号公報 特開２００１−３０８２６３号公報

しかしながら、特開２００３−８６７６５号公報は、半導体スタック自体をどこにどのように据付けるかについては、何ら開示していない。上述したハイブリッド自動車や電気自動車においては、小型化や信頼性が強く要求されるところ、半導体スタックを含むインバータ装置がハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されるときは、小型化の観点から搭載性が要求される。

また、インバータ装置が回転電機に直付けして据付けられるときは、回転電機から受ける熱や振動にも信頼性の観点から十分に配慮する必要があり、さらに、インバータ装置および回転電機の冷却系統の構成についても効率性や小型化の観点から考慮する必要がある。

そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、搭載性に優れたインバータ装置を提供することである。

また、この発明の別の目的は、インバータ装置が回転電機から受ける熱や振動に配慮したインバータ一体型回転電機を提供することである。

また、この発明の別の目的は、インバータ装置が回転電機から受ける熱や振動に配慮し、さらに、冷却系統の構成についても考慮したインバータ一体型回転電機を提供することである。

また、この発明の別の目的は、インバータ装置が回転電機から受ける熱や振動に配慮したインバータ一体型回転電機を備えた車両を提供することである。

また、この発明の別の目的は、インバータ装置が回転電機から受ける熱や振動に配慮し、さらに、冷却系統の構成についても考慮したインバータ一体型回転電機を備えた車両を提供することである。

この発明によれば、インバータ装置は、複数の半導体素子および複数の半導体素子を冷却するための複数の冷却器を交互に積層した積層体と、積層体の積層方向に沿って積層体の両側に設けられ、複数の冷却器に対して冷却水の供給および排水をそれぞれ行なう第１および第２の冷却水タンクとを備え、積層体ならびに第１および第２の冷却水タンクの各々は、積層方向に垂直であって、かつ、同一方向の端面を取付面として外部装置に据付けられる。

好ましくは、第１および第２の冷却水タンクの各々は、外部装置の冷却水路に接続される通流口を取付面に有する。

また、この発明によれば、インバータ一体型回転電機は、ステータと、ステータに対して回動自在に設けられるロータと、ステータのステータコイルに流す電流を制御する上述したインバータ装置とを備え、インバータ装置は、ステータまたはステータが固設されるハウジングに据付けられる。

好ましくは、インバータ装置は、積層体の積層方向がロータおよびステータの半径方向に略一致するようにステータまたはハウジングに据付けられる。

好ましくは、インバータ一体型回転電機は、ステータを冷却するための冷却水が流される冷却水路をさらに備え、第１および第２の冷却水タンクの各々は、冷却水が給水または排水される通流口を取付面に有し、第１および第２の冷却水タンクの通流口は、冷却水路に接続される。

好ましくは、第１および第２の冷却水タンクの通流口は、冷却水路の上流側において冷却水路に接続される。

好ましくは、インバータ一体型回転電機は、インバータ装置における複数の半導体素子の動作を制御するための制御基板をさらに備え、制御基板は、その法線方向がロータおよびステータの半径方向と略垂直になるように配設される。

好ましくは、制御基板は、その法線方向が当該回転電機の回転軸方向と略同一となるように配設される。

好ましくは、インバータ一体型回転電機は、インバータ装置における複数の半導体素子の各電力端子が接続される電力端子台をさらに備え、制御基板は、積層体を挟んで電力端子台の反対側に配設される。

また、この発明によれば、車両は、上述したいずれかのインバータ一体型回転電機を搭載する。

この発明によるインバータ装置においては、複数の半導体素子および複数の冷却器が交互に積層された積層体、ならびにその両側に設けられる第１および第２の冷却水タンクの底面を外部装置に対する取付面としたので、外部装置に対するインバータ装置の搭載面積が抑えられる。したがって、この発明によれば、インバータ装置を外部装置に効率的に搭載できる。さらに、外部装置が高温の場合、外部装置からインバータ装置への熱伝導が抑えられるので、インバータ装置の信頼性が向上する。

また、この発明によるインバータ装置においては、第１および第２の冷却水タンクは、取付面に通流口を有するので、外部装置の冷却水路に直結可能である。したがって、この発明によれば、インバータ装置およびそれが据付けられる外部装置の冷却系統を簡素化できる。

また、この発明によるインバータ一体型回転電機においては、積層体および第１および第２の冷却水タンクの底面を取付面として、ステータまたはステータが固設されるハウジングにインバータ装置が据付けられ、さらには、積層体の積層方向が回転電機の半径方向に略一致するようにインバータ装置が据付けられるので、インバータ装置の搭載面積が抑えられる。したがって、この発明によれば、インバータ装置を回転電機上に効率的に搭載できる。さらに、高温となるステータからインバータ装置への熱伝導が抑えられるので、インバータ装置の信頼性が向上する。

また、この発明によるインバータ一体型回転電機においては、第１および第２の冷却水タンクの取付面に設けられた通流口は、ステータの冷却水路に直結されるので、ステータとインバータ装置との間に冷却水路を別途設ける必要はない。したがって、この発明によれば、ステータおよびインバータ装置の冷却系統を一体化でき、冷却系統が簡素化される。

また、この発明によるインバータ一体型回転電機においては、第１および第２の冷却水タンクの通流口は、ステータの冷却水路の上流側においてその冷却水路に接続されるので、インバータ装置よりも高温のステータに先立ってインバータ装置が冷却される。したがって、この発明によれば、インバータ装置の冷却性が劣化することはない。

また、この発明によるインバータ一体型回転電機においては、インバータを制御するための制御基板をその法線方向が回転電機の半径方向と略垂直になるように配設し、さらには、その法線方向が回転電機の回転軸方向と略同一になるように制御基板を配設したので、回転電機におけるインバータ装置の搭載方向の振動に対して制御基板の耐震性が確保される。したがって、この発明によれば、インバータ装置が回転電機上に据付けられるとき、上下方向の振動に対して制御基板の耐震性が確保される。

また、この発明によるインバータ一体型回転電機においては、制御基板は、インバータ装置を挟んで電力端子台の反対側に配設されるので、電力端子台からの発熱に対してインバータ装置が制御基板の防熱壁となる。したがって、この発明によれば、制御基板が高温にさらされることはなく、制御基板の信頼性が向上する。

また、この発明による車両は、上記のインバータ一体型回転電機を備える。したがって、この発明によれば、インバータ装置の搭載性の向上や冷却系統の簡素化により、車両の小型化を図ることができる。また、ステータからインバータ装置および電力端子台から制御基板への防熱性の向上や、制御基板の耐震性の向上により、車両の信頼性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明によるインバータ一体型回転電機が搭載された車両の一例として示されるハイブリッド自動車の構成を示す概略図である。この図１では、ハイブリッド自動車を前面から見た図が示される。

図１を参照して、ハイブリッド自動車１０は、パワーコントロールユニット（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、以下「ＰＣＵ」と称する。）１２と、モータジェネレータ１４，１６と、エンジン１８と、ディファレンシャルギア（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｇｅａｒ、以下「ＤＧ」と称する。）２０と、駆動軸２２と、駆動輪２４Ｒ，２４Ｌとを備える。

ＰＣＵ１２、モータジェネレータ１４，１６およびエンジン１８は、たとえば、車両前方のエンジンルームに設けられる。モータジェネレータ１４，１６およびエンジン１８は、地面と平行に相互に隣接して配設される。ＰＣＵ１２およびモータジェネレータ１４，１６は一体的に形成され、モータジェネレータ１４，１６の上部にＰＣＵ１２が配設される。そして、モータジェネレータ１４，１６およびエンジン１８からなる動力出力装置は、ＤＧ２０に連結される。

ＰＣＵ１２は、二次電池からなるバッテリ（図示せず）から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１４，１６を駆動制御する。また、ＰＣＵ１２は、モータジェネレータ１４，１６が発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリを充電する。

モータジェネレータ１４は、３相交流同期電動機であって、ＰＣＵ１２から受ける交流電力によって駆動力を発生する。また、モータジェネレータ１４は、ハイブリッド自動車１０の減速時には発電機としても使用され、減速時の発電作用（回生発電）により交流電力を発電し、その発電した交流電力をＰＣＵ１２へ出力する。モータジェネレータ１６は、３相交流同期発電機であって、エンジン１８の動力を交流電力に変換し、その交流電力をＰＣＵ１２へ出力する。

モータジェネレータ１４およびエンジン１８は、動力取出ギア（図示せず）を介して、発生した動力をＤＧ２０へ出力する。また、モータジェネレータ１４は、駆動輪２４Ｒ，２４Ｌの回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ１２へ出力する。また、モータジェネレータ１６は、エンジン１２の動力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ１２へ出力する。

ＤＧ２０は、モータジェネレータ１４およびエンジン１８によって発生された動力を駆動輪２４Ｒ，２４Ｌに伝達するとともに、駆動輪２４Ｒ，２４Ｌの回転力をモータジェネレータ１４に伝達する。

なお、このＰＣＵ１２およびモータジェネレータ１４，１６は、「インバータ一体型回転電機」を構成する。

図２は、図１に示したＰＣＵ１２の主要部の構成を示す回路図である。

図２を参照して、ＰＣＵ１２は、インバータ１２２，１２４と、制御回路１２６と、コンデンサＣと、電源ラインＬ１と、接地ラインＬ２と、出力ライン１９８，２０８とを含む。インバータ１２２は、パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６と、ダイオードＤ１１〜Ｄ１６とからなり、インバータ１２４は、パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６と、ダイオードＤ２１〜Ｄ２６とからなる。

バッテリ２６は、直流電源であって、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなる。バッテリ２６は、電源ラインＬ１および接地ラインＬ２に接続され、直流電圧をインバータ１２２，１２４へ供給するとともに、インバータ１２２，１２４から受ける直流電圧によって充電される。

インバータ１２２は、Ｕ相アーム１９２、Ｖ相アーム１９４およびＷ相アーム１９６からなる。Ｕ相アーム１９２、Ｖ相アーム１９４およびＷ相アーム１９６は、電源ラインＬ１と接地ラインＬ２との間に並列に接続される。Ｕ相アーム１９２は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１１，Ｑ１２からなり、Ｖ相アーム１９４は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１３，Ｑ１４からなり、Ｗ相アーム１９６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１５，Ｑ１６からなる。また、各パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１１〜Ｄ１６がそれぞれ接続されている。

各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン１９８を介してモータジェネレータ１４の各相コイルの各相端にそれぞれ接続される。すなわち、モータジェネレータ１４は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、パワートランジスタＱ１１，Ｑ１２の接続点にＵ相コイルの他端が接続され、パワートランジスタＱ１３，Ｑ１４の接続点にＶ相コイルの他端が接続され、パワートランジスタＱ１５，Ｑ１６の接続点にＷ相コイルの他端が接続される。

インバータ１２４は、Ｕ相アーム２０２、Ｖ相アーム２０４およびＷ相アーム２０６からなる。Ｕ相アーム２０２、Ｖ相アーム２０４およびＷ相アーム２０６も、電源ラインＬ１と接地ラインＬ２との間に並列に接続される。Ｕ相アーム２０２は、直列に接続されたパワートランジスタＱ２１，Ｑ２２からなり、Ｖ相アーム２０４は、直列に接続されたパワートランジスタＱ２３，Ｑ２４からなり、Ｗ相アーム２０６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ２５，Ｑ２６からなる。また、各パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ２１〜Ｄ２６がそれぞれ接続されている。

そして、インバータ１２４においても、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン２０８を介してモータジェネレータ１６の各相コイルの各相端にそれぞれ接続される。

コンデンサＣは、電源ラインＬ１と接地ラインＬ２との間に接続され、電圧変動に起因するインバータ１２２，１２４への影響を低減する。

制御回路１２６は、インバータ１２２におけるパワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６のスイッチング動作を制御し、バッテリ２６から供給される電力に基づいてモータトルク指令に応じたトルクをモータジェネレータ１４に発生させるためにインバータ１２２を制御する。また、制御回路１２６は、インバータ１２４におけるパワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６のスイッチング動作を制御し、モータジェネレータ１６によって発生された交流電力を直流電力に変換してバッテリ２６を充電するためにインバータ１２４を制御する。

このＰＣＵ１２においては、インバータ１２２は、バッテリ２６から電源ラインＬ１および接地ラインＬ２を介して直流電力を受け、その受けた直流電力を交流電力に変換し、出力ライン１９８を介してその交流電力をモータジェネレータ１４へ出力する。インバータ１２４は、モータジェネレータ１６によって発電された交流電力を出力ライン２０８を介して受け、その受けた交流電力を直流電力に変換し、電源ラインＬ１および接地ラインＬ２を介してバッテリ２６を充電する。また、インバータ１２２は、モータジェネレータ１４によって発電された交流電力を出力ライン１９８を介して受け、その受けた交流電力を直流電力に変換し、電源ラインＬ１および接地ラインＬ２を介してバッテリ２６を充電することもできる。

このように、ＰＣＵ１２は、バッテリ２６からの直流電力に基づいてモータジェネレータ１４を駆動するとともに、モータジェネレータ１４，１６によって発電された電力をバッテリ２６へ供給する。

図３は、図１に示したＰＣＵ１２およびモータジェネレータ１４，１６の構造を示す概略断面図である。

図３を参照して、ＰＣＵ１２は、モータジェネレータ１４，１６のハウジング３６上に据付けられる。ＰＣＵ１２は、インバータ装置２１２と、入出力端子台２１４と、コンデンサＣと、入力端子２１６，２１７と、出力端子２１８と、ケース２２０とを含む。インバータ装置２１２は、図２に示したインバータ１２２，１２４を含む。

インバータ装置２１２は、後ほど述べるように、インバータ１２２，１２４の各相アームを構成する複数の半導体モジュールとこれら複数の半導体モジュールを冷却するための冷却器とが上下方向に交互に積層されており、この積層体の両側に冷却水タンクが設けられている。そして、この積層体および冷却水タンクの底面をモータジェネレータ１４，１６のハウジング３６への取付面として、インバータ装置２１２は、ハウジング３６上に立設される。また、インバータ装置２１２の底面には、冷却水を給水および排水するための通流口が設けられている。

入出力端子台２１４は、インバータ装置２１２から引出される入出力バスバーを装置レイアウトを考慮して配線する配線ケースであって、インバータ装置２１２とコンデンサＣとの間に配設される。出力端子２１８は、図２に示した出力ライン１９８，２０８に対応し、ＰＣＵ１２の下部から引出され、モータジェネレータ１４，１６に接続される。

モータジェネレータ１４は、シャフト３２に固設されてシャフト３２と連動して回動するロータ１４２と、ハウジング３６に固設されるステータ１４４とからなる。また、モータジェネレータ１６は、シャフト３３に固設されてシャフト３３と連動して回動するロータ１６２と、ハウジング３６に固設されるステータ１６４とからなる。ロータ１４２，１６２の各々は、外周面に複数個の永久磁石を有し、ステータ１４４，１６４の各々は、回転磁界を形成する巻回された３相コイル（ステータコイル）を有する。シャフト３２，３３は、ギア３４によって接続されている。

図４は、図３に示したモータジェネレータ１４，１６の回転軸方向から見たインバータ装置２１２の設置状態を示す図である。

図４を参照して、インバータ装置２１２は、図２に示したインバータ１２２，１２４を構成する複数の半導体モジュールおよび複数の半導体モジュールを冷却するための複数の冷却器が上下方向に交互に積層された積層体２２２と、その両側にそれぞれ設けられる冷却水タンク２２４，２２６とからなる。

モータジェネレータ１４，１６の外周には、モータジェネレータ１４，１６を冷却するための冷却水を通流する冷却水路２２８，２３０が設けられる。冷却水路２２８，２３０には、それぞれ冷却水の供給口２３７および排出口２３８が設けられ、少なくとも供給口２３２は、インバータ装置２１２の近傍に設けられる。

インバータ装置２１２の冷却水タンク２２４，２２６の底面に設けられた通流口は、冷却水路２２８，２３０にそれぞれ接続される。そして、冷却水路２２８の供給口２３７から供給された冷却水は、冷却水路２２８を通流してインバータ装置２１２の冷却水タンク２２４に供給され、積層体２２２における複数の冷却器を通流して半導体モジュールを冷却した後、冷却水タンク２２６に集められる。その後、冷却水は、冷却水タンク２２６から冷却水路２３０に供給され、モータジェネレータ１４，１６を冷却した後、排出口２３８から排出される。

図５，図６は、インバータ装置２１２の構成を概略的に説明するための図であり、図５は、図３，図４に示したインバータ装置２１２を前面側から見た斜視図であり、図６は、図３，図４に示したインバータ装置２１２を背面側から見た斜視図である。

図５，図６を参照して、インバータ装置２１２は、半導体モジュール２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２と、冷却器２４１〜２４７と、ハウジング２５２，２５４とからなる。

半導体モジュール２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２は、２列６段に積層され、各段の間および最上段および最下段に冷却器２４１〜２４７が設けられる。すなわち、水平方向に隣接する２つの半導体モジュールが上下から冷却器に挟み込まれるようにして、半導体モジュールと冷却器とが上下方向に交互に積層される。

上３段の半導体モジュール２３１．１〜２３３．１，２３１．２〜２３３．２は、たとえば、図２に示したインバータ１２２を構成し、半導体モジュール２３１．１〜２３３．１は、それぞれＵ相アーム１９２，Ｖ相アーム１９４，Ｗ相アーム１９６の各上アームを構成し、半導体モジュール２３１．２〜２３３．２は、それぞれＵ相アーム１９２，Ｖ相アーム１９４，Ｗ相アーム１９６の各下アームを構成する。また、下３段の半導体モジュール２３４．１〜２３６．１，２３４．２〜２３６．２は、図２に示したインバータ１２４を構成し、半導体モジュール２３４．１〜２３６．１は、それぞれＵ相アーム２０２，Ｖ相アーム２０４，Ｗ相アーム２０６の各上アームを構成し、半導体モジュール２３４．２〜２３６．２は、それぞれＵ相アーム２０２，Ｖ相アーム２０４，Ｗ相アーム２０６の各下アームを構成する。

各冷却器２４１〜２４７は、内部に冷却水路を有する。そして、冷却器２４１〜２４７は、半導体モジュール２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２の各々を両面から冷却する。ハウジング２５２，２５４は、半導体モジュール２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２および冷却器２４１〜２４７からなる積層体を周囲から一体的に覆って頑強に固定する。

インバータ装置２１２の背面側には、図２に示した制御回路１２６を実装する制御基板１２７が配設される。制御基板１２７は、インバータ装置２１２の背面に対向するように、ボルト２６８によってインバータ装置２１２に固設される。

図７は、図３，図４に示したインバータ装置２１２の冷却構造を説明するためのインバータ装置２１２の平面図である。なお、図７では、ハウジング２５２の内部構造が示されている。

図７を参照して、ハウジング２５２は、図４に示した冷却水タンク２２４，２２６を内部に有する。冷却水タンク２２４は、モータジェネレータ１４，１６の冷却水路２２８（図示せず）に接続される通流口を有し、その冷却水路２２８から供給される冷却水を各冷却器２４１〜２４７へ供給する。一方、冷却水タンク２２６は、モータジェネレータ１４，１６の冷却水路２３０（図示せず）に接続される通流口を有し、各冷却器２４１〜２４７を通流した冷却水を集水して冷却水路２３０へ出力する。

再び図３〜図７を参照して、このインバータ装置２１２においては、半導体モジュール２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２および冷却器２４１〜２４７が上下方向に交互に積層された積層体２２２および冷却水タンク２２４，２２６の底面、すなわちインバータ装置２１２のハウジング２５２の底面が、モータジェネレータ１４，１６のハウジング３６への取付面として構成され、モータジェネレータ１４，１６のハウジング３６上にインバータ装置２１２が据付けられる。

したがって、インバータ１２２，１２４を構成する複数の半導体モジュール２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２は、モータジェネレータ１４，１６上に効率的に搭載される。また、インバータ装置２１２のモータジェネレータ１４，１６への搭載面積が小さく抑えられるので、モータジェネレータ１４，１６からインバータ装置２１２への伝熱が抑えられ、インバータ装置２１２の信頼性が向上する。

さらに、インバータ装置２１２の底面をモータジェネレータ１４，１６への取付面にするとともに、モータジェネレータ１４，１６の冷却水路２２８，２３０との接続口をその取付面に設けたので、インバータ装置２１２のモータジェネレータ１４，１６への据付によって、インバータ装置２１２の冷却系統をモータジェネレータ１４，１６の冷却系統に直結できる。

そして、一般に、モータジェネレータ１４，１６は、インバータ装置２１２よりも高温になるところ、インバータ装置２１２は、モータジェネレータ１４，１６の冷却水路の上流側に接続されるので、インバータ装置２１２は、モータジェネレータ１４，１６に先立って十分に冷却される。

図８は、図５に示した半導体モジュール２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２の構成を概略的に示す断面図である。

図８を参照して、半導体モジュール２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２の各々は、半導体チップ２７２と、スペーサ２７４と、電極基板２７６，２７８と、信号電極板２８０と、ワイヤ２８２と、モールド樹脂２８４とからなる。

半導体チップ２７２は、図２に示したインバータ１２２，１２４の各アームにおけるパワートランジスタおよびダイオードを構成する。たとえば、半導体モジュール２３１．１であれば、半導体チップ２７２は、インバータ１２２のＵ相上アームにおけるパワートランジスタＱ１１およびダイオードＤ１１を構成する。スペーサ２７４は、導電体からなり、ワイヤ２８２が電極基板２７８と接触するのを防止するために半導体チップ２７２と電極基板２７８との間隔を確保する。電極基板２７６，２７８は、たとえば銅などからなる導電性基板であって、半導体チップ２７２およびスペーサ２７４を上下から挟み込むように平行に設けられる。

信号電極板２８０も、たとえば銅などからなる導電性基板であって、半導体チップ２７２とワイヤ２８２によって接続される。この信号電極板２８０は、図６に示したインバータ装置２１２の背面側に配設される制御基板１２７に接続される。

そして、半導体チップ２７２、スペーサ２７４、電極基板２７６，２７８、信号電極板２８０およびワイヤ２８２は、モールド樹脂２８４によって一体成形される。

この半導体モジュール２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２は、モールド樹脂２８４によって一体成形されているので、耐震性に優れる。したがって、インバータ装置２１２がモータジェネレータ１４，１６上に据付けられても、モータジェネレータ１４，１６の振動や車両振動に対して信頼性が確保される。

図９は、図３に示したＰＣＵ１２の構造をより詳細に示したＰＣＵ１２の断面図である。なお、図９では、図３で既に説明した箇所については、説明を繰返さない。

図９を参照して、インバータ装置２１２は、半導体モジュール２３１〜２３６と、冷却器２４１〜２４７とからなる。半導体モジュール２３１は、図５に示した水平方向に並設される半導体モジュール２３１．１，２３１．２を総括して表示したものであり、他の半導体モジュール２３２〜２３６についても同様である。そして、上述したように、半導体モジュール２３１〜２３６および冷却器２４１〜２４７は、上下方向に交互に積層される。

図２に示した制御回路１２６が実装される制御基板１２７は、インバータ装置２１２を挟んで入出力端子台２１４と反対側に配設される。そして、制御基板１２７は、その法線方向がモータジェネレータ１４，１６の軸方向（ｘ軸方向）に略同一となるようにモータジェネレータ１４，１６のハウジング３６上に配置される。

このＰＣＵ１２においては、入出力端子台２１４およびコンデンサＣは、ＰＣＵ１２内において相対的に高温となる。ここで、入出力端子台２１４およびコンデンサＣは、インバータ装置２１２の同一側に配置され、制御基板１２７は、インバータ装置２１２を挟んで入出力端子台２１４およびコンデンサＣの反対側に配置されている。したがって、耐熱性の低い制御基板１２７は、冷却体２４１〜２４７を含むインバータ装置２１２によって入出力端子台２１４およびコンデンサＣから熱的に分断され、入出力端子台２１４およびコンデンサＣの輻射熱から保護される。

また、ＰＣＵ１２は、モータジェネレータ１４，１６のハウジング３６上に直付けされ、ＰＣＵ１２内の各装置は、車両振動やモータジェネレータ１４，１６自体の振動によって、特に上下方向（ｙ軸方向）に大きな加速度を有する振動を大きく受ける。これに伴なって、制御基板１２７も、上下方向に大きく振動するところ、制御基板１２７は、ｙ軸方向に沿って配設されているので、上下方向の振動に対して耐震性に優れる。

以上のように、この実施の形態によれば、インバータ装置２１２の底面を取付面としてインバータ装置２１２をモータジェネレータ１４，１６に据付けたので、モータジェネレータ１４，１６に対するインバータ装置２１２の搭載面積が抑えられる。したがって、インバータ装置２１２をモータジェネレータ１４，１６上に効率的に搭載できる。さらに、高温となるモータジェネレータ１４，１６からインバータ装置２１２への熱伝導が抑えられるので、インバータ装置２１２の信頼性が向上する。

また、この実施の形態によれば、冷却水タンク２２４，２２６の取付面に設けられた通流口は、モータジェネレータ１４，１６の冷却水路２２８，２３０に直結されるので、モータジェネレータ１４，１６とインバータ装置２１２との間に冷却水路を別途設ける必要はない。したがって、モータジェネレータ１４，１６およびインバータ装置２１２の冷却系統を一体化でき、冷却系統が簡素化される。

また、この実施の形態によれば、冷却水タンク２２４，２２６の通流口は、モータジェネレータ１４，１６の冷却水路の上流側においてその冷却水路に接続されるので、インバータ装置２１２よりも高温のモータジェネレータ１４，１６に先立ってインバータ装置２１２が冷却される。したがって、インバータ装置２１２の冷却性が劣化することはない。

また、この実施の形態によれば、制御基板１２７をその法線方向がモータジェネレータ１４，１６の回転軸方向と略同一になるように配設したので、モータジェネレータ１４，１６におけるインバータ装置２１２の搭載方向の振動に対して制御基板１２７の耐震性が確保される。すなわち、上下方向の車両振動に対して制御基板１２７の耐震性が確保される。

また、この実施の形態によれば、制御基板１２７は、インバータ装置２１２を挟んで入出力端子台２１４の反対側に配設されるので、入出力端子台２１４からの発熱に対してインバータ装置２１２が制御基板１２７の防熱壁となる。したがって、制御基板１２７が高温にさらされることはなく、制御基板１２７の信頼性が向上する。

そして、この実施の形態によれば、インバータ装置２１２の搭載性の向上や冷却系統の簡素化により、ハイブリッド自動車１０の小型化を図ることができる。また、モータジェネレータ１４，１６からインバータ装置２１２および入出力端子台２１４から制御基板１２７への防熱性の向上や、制御基板１２７の耐震性の向上により、ハイブリッド自動車１０の信頼性が向上する。

なお、上記の実施の形態においては、インバータ装置２１２を挟んで入出力端子台２１４およびコンデンサＣと制御基板１２７とを異なる側に配設するものとしたが、コンデンサＣからの発熱は、制御基板１２７に対してそれほど問題にならないことも多く、コンデンサＣについては、インバータ装置２１２に対して制御基板１２７と同じ側に配設してもよい。

また、上記の実施の形態においては、インバータ装置２１２は、入出力端子台２１４および制御基板１２７をケース２２０内で左右に分断したが、ケース２２０内で上下に分断してもよい。

また、上記の実施の形態においては、制御基板１２７は、その法線方向がモータジェネレータ１４，１６の軸方向と略同一となるものとしたが、制御基板１２７の配置は、これに限られるものではなく、制御基板１２７の法線方向が図９に示したｙ軸方向と垂直であれば、上下方向の振動に対する制御基板１２７の耐震性は確保される。

また、上記の実施の形態においては、モータジェネレータが２つ備えられたハイブリッド自動車１０の場合を代表的に説明したが、この発明の適用範囲は、モータジェネレータの数が２つの場合に限られるものではなく、単数であっても、より多いシステムであってもよい。

また、上記の実施の形態においては、インバータ装置２１２は、モータジェネレータ１４，１６の各ステータ１４４，１６４が固設されるハウジング３６上に据付けられるものとしたが、たとえば、単数のモータジェネレータのステータにインバータ装置が直接据付けられてもよい。

また、上記の実施の形態においては、この発明によるインバータ一体型モータジェネレータが搭載される車両としてハイブリッド自動車１０の場合を代表的に例示して説明したが、この発明の適用範囲は、ハイブリッド自動車に限られるものではなく、電気自動車や電車など他の車両システムにおいてもこの発明を適用することができる。

なお、上記の実施の形態において、ＰＣＵ１２は、バッテリからの直流電圧を昇圧する昇圧回路をさらに含み、その昇圧回路によってバッテリ電圧を昇圧した直流電圧を交流電圧に変換するようにしてもよい。そして、この場合の昇圧回路の構成としては、種々の公知な回路構成をとることができる。

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、上記した実施の形態の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。

この発明によるインバータ一体型回転電機が搭載された車両の一例として示されるハイブリッド自動車の構成を示す概略図である。 図１に示すＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。 図１に示すＰＣＵおよびモータジェネレータの構造を示す概略断面図である。 図３に示すモータジェネレータの回転軸方向から見たインバータ装置の設置状態を示す図である。 図３，図４に示すインバータ装置を前面側から見た斜視図である。 図３，図４に示すインバータ装置を背面側から見た斜視図である。 図３，図４に示すインバータ装置の冷却構造を説明するためのインバータ装置の平面図である。 図５に示す半導体モジュールの構成を概略的に示す断面図である。 図３に示すＰＣＵの構造をより詳細に示したＰＣＵの断面図である。

符号の説明

１０ ハイブリッド自動車、１２ ＰＣＵ、１４，１６ モータジェネレータ、１８ エンジン、２０ ディファレンシャルギア、２２ 駆動軸、２４Ｒ，２４Ｌ 駆動輪、２６ バッテリ、３２，３３ シャフト、３４ ギア、３６ ハウジング、１２２，１２４ インバータ、１２６ 制御回路、１２７ 制御基板、１４２，１６２ ロータ、１４４，１６４ ステータ、１９２，２０２ Ｕ相アーム、１９４，２０４ Ｖ相アーム、１９６，２０６ Ｗ相アーム、１９８，２０８ 出力ライン、２１２ インバータ装置、２１４ 入出力端子台、２１６，２１７ 入力端子、２１８ 出力端子、２２０ ケース、２２２ 積層体、２２４，２２６ 冷却水タンク、２２８，２３０ 冷却水路、２３１〜２３６，２３１．１〜２３６．１，２３１．２〜２３６．２ 半導体モジュール、２３７ 供給口、２３８ 排出口、２４１〜２４７ 冷却器、２５２，２５４ ハウジング、２６８ ボルト、２７２ 半導体チップ、２７４ スペーサ、２７６，２７８ 電極基板、２８０ 信号電極板、２８２ ワイヤ、２８４ モールド樹脂、Ｃ コンデンサ、Ｌ１ 電源ライン、Ｌ２ 接地ライン、Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６ パワートランジスタ、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６ ダイオード。

Claims (7)

1. ステータと、
   前記ステータに対して回動自在に設けられるロータと、
   前記ステータまたは前記ステータが固設されるハウジングに据付けられ、前記ステータのステータコイルに流す電流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、
   複数の半導体素子および前記複数の半導体素子を冷却するための複数の冷却器を交互に積層した積層体と、
   前記積層体の積層方向に沿って前記積層体の両側に設けられ、前記複数の冷却器に対して冷却水の供給および排水をそれぞれ行なう第１および第２の冷却水タンクとを含み、
   前記積層体ならびに前記第１および第２の冷却水タンクの各々は、前記積層方向に垂直であって、かつ、同一方向の端面を取付面として外部装置に据付けられ、さらに
   前記インバータ装置における前記複数の半導体素子の動作を制御するための制御基板と、
   前記インバータ装置における前記複数の半導体素子の各電力端子が接続される電力端子台とを備え、
   前記制御基板は、その法線方向が前記ロータおよびステータの半径方向と略垂直になるように配設され、さらに
   前記制御基板は、前記積層体を挟んで前記電力端子台の反対側に配設される、インバータ一体型回転電機。
2. 前記第１および第２の冷却水タンクの各々は、前記外部装置の冷却水路に接続される通流口を前記取付面に有する、請求項１に記載のインバータ一体型回転電機。
3. 前記インバータ装置は、前記積層体の積層方向が前記ロータおよびステータの半径方向に略一致するように前記ステータまたは前記ハウジングに据付けられる、請求項１または請求項２に記載のインバータ一体型回転電機。
4. 前記ステータを冷却するための冷却水が流される冷却水路をさらに備え、
   前記第１および第２の冷却水タンクの各々は、冷却水が給水または排水される通流口を前記取付面に有し、
   前記第１および第２の冷却水タンクの通流口は、前記冷却水路に接続される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のインバータ一体型回転電機。
5. 前記第１および第２の冷却水タンクの通流口は、前記冷却水路の上流側において前記冷却水路に接続される、請求項４に記載のインバータ一体型回転電機。
6. 前記制御基板は、その法線方向が当該回転電機の回転軸方向と略同一となるように配設される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のインバータ一体型回転電機。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のインバータ一体型回転電機を備えた車両。

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