JP5099431B2 - インバータユニット - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、モータやジェネレータ等の回転電機の制御に用いられるインバータユニットに関し、特に、このようなインバータユニットが備える発熱部品を適切に冷却することができるインバータユニットに関する。
近年、例えば、電動車両やハイブリッド車両等に用いられる駆動装置が備える回転電機(モータやジェネレータ)の制御ユニットとして、当該回転電機を制御するためのインバータを備えたインバータユニットが開発されている。このようなインバータユニットでは、回転電機の高速回転時の出力向上を図るため、電源電圧を昇圧する昇圧回路を備える構成とされる場合がある(例えば、下記の特許文献1参照)。
このようなインバータユニットでは、インバータ回路を構成するインバータ用スイッチング素子だけでなく、昇圧回路を構成するリアクトルや昇圧用スイッチング素子も発熱部品であるため、これらを適切に冷却することが必要とされる。そこで、下記の特許文献1に記載されたインバータユニットは、内部に冷媒流路が設けられた冷却プレートを備えている。そして、このインバータユニットは、この冷却プレートの一方の面に接するようにスイッチング素子及び昇圧用コンデンサを配置し、他方の面に接するようにリアクトル及び平滑用コンデンサを配置することにより、これらの回路構成部品を冷却する構造を有している。
特開2007−89258号公報(第11−12頁、第2図、及び第6図)
上記のインバータユニットでは、冷却プレート内の冷媒流路が、当該冷却プレート内を略U字状に循環する構成となっている。すなわち、冷却プレート内の冷媒流路は、冷却プレートの幅方向(以下、単に「幅方向」という。)一方側半分を冷却する往路と、幅方向他方側半分を冷却する復路とを備え、冷却プレートに流入した冷媒は、冷却プレートの長手方向一方側から往路内を流れて長手方向他方側へ到達し、そこで折り返した後、復路内を流れて長手方向一方側に戻るという流れとなる。また、インバータユニットの回路構成部品のうちで発熱量が多いスイッチング素子及びリアクトルに関してみれば、リアクトルが冷却プレートの長手方向一方側に配置され、スイッチング素子が冷却プレートの長手方向他方側に配置されている。すなわち、リアクトルは、スイッチング素子に対して冷媒流路の流入口及び流出口が設けられる側に配置されている。
そのため、冷却プレート内を流れる冷媒は、まず往路においてリアクトルの幅方向一方側半分を冷却した後、スイッチング素子の幅方向一方側半分及び幅方向他方側半分を冷却し、最後にリアクトルの幅方向他方側半分を冷却する。したがって、リアクトルは、幅方向一方側半分が低い温度の冷媒により冷却され、幅方向他方側半分がスイッチング素子を冷却した後の高い温度の冷媒により冷却されることになるため、幅方向他方側半分が十分に冷却されない場合が生じうる。このようにリアクトルの冷却バランスが悪いと、昇圧回路の性能を十分に発揮できない可能性がある。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電源電圧を昇圧する昇圧回路を備えるインバータユニットにおいて、昇圧回路を構成するリアクトルの全体をほぼ均等に冷却することができるとともに、昇圧回路及びインバータ回路を構成するスイッチング素子も適切に冷却することができるインバータユニットを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係るインバータユニットの特徴構成は、電源電圧を昇圧する昇圧回路を構成するリアクトル及び昇圧用スイッチング素子と、前記昇圧回路により昇圧された電源電圧が供給されるインバータ回路を構成するインバータ用スイッチング素子と、前記リアクトル、前記昇圧用スイッチング素子及び前記インバータ用スイッチング素子が接触する冷却面に沿って冷媒を流す冷媒流路が設けられた冷却装置と、を備え、前記冷却装置は、回転電機を備えた駆動装置のケースと一体的に設けられ、前記冷媒流路は、前記冷却面における前記リアクトルが接触する領域を冷却するリアクトル冷却部と、前記冷却面における前記昇圧用スイッチング素子及び前記インバータ用スイッチング素子が接触する領域を冷却するスイッチング素子冷却部と、前記回転電機を冷却するための回転電機冷却部と、を備え、前記リアクトル冷却部が前記スイッチング素子冷却部に対して上流側に配置されると共に、前記回転電機冷却部が、前記リアクトル冷却部に対して上流側に配置され、前記冷媒流路は、前記リアクトル冷却部及び前記スイッチング素子冷却部が形成された前記冷却装置の流路面に取り付けられる平板状の離隔部材により2段に分離され、前記離隔部材の一方面側に前記リアクトル冷却部及び前記スイッチング素子冷却部が形成され、他方面側に前記回転電機冷却部が形成されている点にある。
この特徴構成によれば、冷却装置の冷却面におけるリアクトルが接触する領域のほぼ全体を、当該冷却面における昇圧用スイッチング素子及びインバータ用スイッチング素子が接触する領域よりも上流側で冷却することになるため、昇圧用スイッチング素子及びインバータ用スイッチング素子を冷却する前の比較的温度が低い冷媒を用いて、昇圧回路を構成するリアクトルにおける冷却面に接する面の全体をほぼ均等に冷却することができる。またこの際、リアクトルの発熱量は昇圧用スイッチング素子やインバータ用スイッチング素子と比べて少ないため、リアクトルを冷却した後の冷媒であっても温度はあまり高くなっておらず、よって、昇圧用スイッチング素子及びインバータ用スイッチング素子も適切に冷却することができる。また、この構成によれば、冷却装置が回転電機を備えた駆動装置のケースと一体的に設けられる場合において、リアクトル、昇圧用スイッチング素子、及びインバータ用スイッチング素子を冷却するのと同じ冷媒流路により、回転電機の冷却も行うことができる。この際、回転電機冷却部がリアクトル冷却部に対して上流側に設けられるため、温度の低い冷媒により回転電機を適切に冷却することが可能となる。さらには、この構成によれば、冷却装置に設けられた冷媒流路を離隔部材により2段に分離することによって、リアクトル冷却部及びスイッチング素子冷却部と回転電機冷却部とが形成される。したがって、冷却装置に、リアクトル冷却部及びスイッチング素子冷却部と回転電機冷却部とを、簡易な構成でコンパクトに形成することができる。
ここで、前記リアクトル冷却部及び前記スイッチング素子冷却部は、それぞれに冷却フィンを備え、前記リアクトル冷却部における冷却フィンの配置密度は、前記スイッチング素子冷却部における冷却フィンの配置密度よりも低い構成とすると好適である。
上記のとおり、リアクトル冷却部はスイッチング素子冷却部よりも上流側に配置されるためにリアクトル冷却部内の冷媒の温度はスイッチング素子冷却部内の冷媒の温度よりも低く、また、リアクトルの発熱量はスイッチング素子よりも少ない。したがって、リアクトル冷却部の冷却フィンの配置密度が、スイッチング素子冷却部の冷却フィンの配置密度に比べて低くても、リアクトルを適切に冷却することが可能である。すなわち、この構成によれば、各冷却部における冷媒の温度と、各冷却部における冷却対象の発熱量とに応じて、各冷却部に設けられる冷却フィンの配置密度が適切に設定され、リアクトル、昇圧用スイッチング素子、及びインバータ用スイッチング素子のそれぞれを、適切に冷却することができる。更に、この構成によれば、冷媒流路の上流側で冷却フィンの配置密度を低くしているため、冷媒流路の全体での流路抵抗を小さく抑えることができる。よって、冷媒を循環させるためのポンプの小型化を図ることも可能となる。
また、前記リアクトル冷却部と前記スイッチング素子冷却部とは、連通口により連通され、前記リアクトル冷却部は、冷媒が流入する冷媒流入口に隣接する位置に、前記冷媒流入口から前記連通口へ向かう直線的な冷媒の流れを妨げる堰を備える構成とすると好適である。
この構成によれば、堰によって冷媒流入口からスイッチング素子冷却部への連通口に向かう直線的な冷媒の流れを妨げることができるので、冷媒流入口から流入した冷媒を、リアクトル冷却部の全体に均等に近い状態で行き渡らせることが可能となる。したがって、リアクトルにおける冷却面に接する面の全体をより均等に冷却することが可能となる。
また、前記リアクトル冷却部は、前記堰により分けられた冷媒の流れを、前記連通口へ向かう方向に集約させる略放射状の冷却フィンを備える構成とすると好適である。
この構成によれば、堰により分けられた後の冷媒の流れを、略放射状の冷却フィンにより、スイッチング素子冷却部への連通口へ向かう方向に集約させる流れに規制することができる。これにより、冷媒流入口から流入した冷媒をリアクトル冷却部の全体に均等に近い状態で行き渡らせつつ、スイッチング素子冷却部への連通口へ向けて円滑に流すことが可能となる。したがって、リアクトルにおける冷却面に接する面の全体をより均等に冷却しつつ、リアクトル冷却部の流路抵抗を小さく抑えることができる。
また、前記リアクトル冷却部と前記スイッチング素子冷却部とは、連通口により連通され、前記スイッチング素子冷却部は、前記連通口から冷媒流出口までの間に複数回屈曲して蛇行する冷媒の流れを形成する蛇行形状の冷却フィンを備える構成とすると好適である。
この構成によれば、スイッチング素子冷却部の冷却フィンの配置密度を高くしつつ、流路の分岐を少なくしてスイッチング素子冷却部の流路抵抗の増大を抑えることが可能となる。したがって、リアクトルよりも発熱量が多く、また、リアクトルよりも下流側で冷却されるスイッチング素子を適切に冷却することができる。
また、前記スイッチング素子冷却部は、前記冷却面における前記昇圧用スイッチング素子又は前記インバータ用スイッチング素子のそれぞれの位置に対応する領域の配置密度が、その他の領域よりも高くなるように配置された冷却フィンを備える構成とすると好適である。
この構成によれば、発熱量が多いインバータ用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子のそれぞれをより効率的に冷却することができる。また、インバータ用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子が配置されていない領域の冷却フィンの配置密度を低くしたことにより、スイッチング素子冷却部の全体での流路抵抗を小さく抑えることができる。
また、前記インバータ用スイッチング素子は第1スイッチング素子モジュールに内蔵され、昇圧用スイッチング素子は第2スイッチング素子モジュールに内蔵されるとともに、前記第1スイッチング素子モジュール及び前記第2スイッチング素子モジュールが前記冷却面に接触するように配置され、前記冷却装置は、前記冷却面における前記第1スイッチング素子モジュールと前記第2スイッチング素子モジュールとの間に、補強用のリブを備え、前記その他の領域には、前記リブの位置に対応する領域が含まれる構成とすると好適である。
この構成によれば、第1スイッチング素子モジュールと第2スイッチング素子モジュールとの間に、発熱しない補強用のリブが設けられている場合において、冷却の程度が低くても良いリブの位置に対応する領域の冷却フィンの配置密度を低くすることができる。したがって、各スイッチング素子モジュールを適切に冷却しながら、スイッチング素子冷却部の全体での流路抵抗を小さく抑えることができる。
また、前記インバータ回路は、出力が異なる2つの回転電機のそれぞれに電力を供給する2つのインバータ回路を有し、出力が大きい方の回転電機に電力を供給するインバータ回路を構成するインバータ用スイッチング素子は、前記第1スイッチング素子モジュールに内蔵され、出力が小さい方の回転電機に電力を供給するインバータ回路を構成するインバータ用スイッチング素子は、前記第2スイッチング素子モジュールに内蔵された構成とすると好適である。
なお、本願では、「回転電機」は、モータ(電動機)、ジェネレータ(発電機)、及び必要に応じてモータ及びジェネレータの双方の機能を果たすモータ・ジェネレータのいずれをも含む概念として用いている。
この構成によれば、出力が異なる2つの回転電機のそれぞれに電力を供給する2つのインバータ回路を有する場合において、出力が小さい方の回転電機に電力を供給するインバータ回路を構成するために、出力が大きい方の回転電機に電力を供給するものよりも狭い配置領域に配置可能な方のインバータ用スイッチング素子が、昇圧用スイッチング素子と共に第2スイッチング素子モジュールに内蔵されることになる。一方、出力が大きい方の回転電機に電力を供給するインバータ回路を構成するために、広い配置領域が必要となる方のインバータ用スイッチング素子は、第1スイッチング素子モジュールに内蔵される。したがって、回転電機の出力に応じて素子の配置領域の広さが異なるインバータ用スイッチング素子を、その配置領域の大きさに応じて適切にモジュール化することができる。
た、前記回転電機冷却部は冷却フィンを備え、前記回転電機冷却部における冷却フィンの配置密度は、前記リアクトル冷却部が備える冷却フィンの配置密度よりも低い構成とすると好適である。
この構成によれば、温度の低い冷媒を用いて回転電機冷却部による冷却を行うことにより、回転電機冷却部の冷却フィンの配置密度をリアクトル冷却部よりも低くしても回転電機を適切に冷却することができる。そして、回転電機冷却部の冷却フィンの配置密度をリアクトル冷却部よりも低くしたことにより、回転電機冷却部の流路抵抗を小さく抑えることができるので、冷媒流路の全体での流路抵抗も小さく抑えることができる。
また、前記回転電機冷却部は、前記回転電機を冷却する冷媒との熱交換部を備える構成とすると好適である。
この構成によれば、回転電機を冷却する冷媒を回転電機冷却部において冷却することにより、当該冷媒を介して回転電機を適切に冷却することができる。
以下に、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態においては、本発明を、ハイブリッド車両用の駆動装置2が備えるモータM及びジェネレータGを制御するインバータユニット1に適用した場合を例として説明する。図1は、本実施形態に係るインバータユニット1の分解斜視図であり、図2は、当該インバータユニット1からカバー39を取り外した状態の斜視図である。図3は、本実施形態に係るインバータユニット1が一体的に取り付けられた駆動装置2をエンジン連結側から見た側面図であり、図4は、当該駆動装置2の軸方向展開断面図である。図5は、インバータユニット1の回路構成を示す模式図である。図6は、インバータユニット1の縦断面図である。図7は、冷却装置としてのケースフレーム10内の部品配置を示す平面図である。図8及び図9は、ケースフレーム10に設けられた冷媒流路16の構成を示す図である。図10は、冷媒流路16と、リアクトル43、昇圧用スイッチング素子8及びインバータ用スイッチング素子6、7との位置関係を説明するための説明図である。
1.駆動装置の構成
まず、本実施形態に係るインバータユニット1による制御対象であるモータM及びジェネレータGを備えたハイブリッド車両用の駆動装置2の構成について説明する。図4に示すように、この駆動装置2は、第1軸A1上に配置されたジェネレータG及び動力分配装置としての遊星歯車機構Pと、第2軸A2上に配置されたモータMと、第4軸A4上に配置されたディファレンシャル装置Dとを主要な構成として備えている。また、第3軸A3上には、遊星歯車機構Pの出力回転要素及びモータMをディファレンシャル装置Dに駆動連結するカウンタギヤ機構Tが配置されている。ここで、遊星歯車機構Pは、シングルピニオン式遊星歯車機構となっており、サンギヤsはジェネレータGに連結され、キャリアcは第1軸A1上に配置されたダンパ61を介してエンジンの出力軸62に連結され、リングギヤrは出力回転要素とされ、カウンタギヤ機構Tに駆動連結されている。このような駆動装置2の各構成は、駆動装置ケース60内に収容されている。ここでは、モータMとジェネレータGとは出力が異なっており、モータMの方がジェネレータGよりも出力が大きく設定されている。本実施形態においては、モータM及びジェネレータGが、本発明における回転電機に相当する。
そして、このような駆動装置2の上部に、インバータユニット1が一体的に取り付けられている。具体的には、図3に示すように、インバータユニット1のケースフレーム10の下端面10dが、モータM及びジェネレータGの外径にほぼ接するように設けられた駆動装置ケース60の傾斜した上面60aに締結固定される。これにより、冷却装置としてのケースフレーム10、更にはインバータユニット1が、駆動装置ケース60と一体的に設けられている。このようにインバータユニット1が傾斜して駆動装置2に取り付けられることに合せて、インバータユニット1のカバー39は、駆動装置2をエンジン連結側から見た側面視で、駆動装置ケース60から離れるほど横幅(上面60aに平行な方向の長さ)が小さくなる略台形状に形成されており、インバータユニット1が駆動装置2に取り付けられた状態で、一方の側面が略水平となり、他方の側面が略垂直となるように形成されている。これにより、インバータユニット1が一体的に取り付けられた駆動装置2の全体が、上方及び側方(図3における右側方)に突出が少ない小型の外形となっている。
また、図4に示すように、インバータユニット1と駆動装置2との接合部には、インバータユニット1が備える発熱部品や駆動装置2が備えるモータM及びジェネレータG等を冷却するための冷却構造が設けられている。図6にも示すように、この冷却構造は、駆動装置2の内部を循環する作動油(回転電機を冷却する冷媒の一例)が流れる作動油流路65と、冷却水や冷却液等の冷媒が流れる冷媒流路16とを有し、これらの間で熱交換を行う構成となっている。ここで、作動油流路65は、駆動装置ケース60の上面にフィン63を有する空間として形成され、その開口面を覆うように伝熱壁64が取り付けられている。伝熱壁64は、両面に伝熱フィンを備え、作動油流路65内の作動油と、冷媒流路16内の冷媒との間で熱交換を行う。また、冷媒流路16は、ケースフレーム10の底部11の流路面13(図示の例では底部11の下面)に取り付けられる平板状の離隔部材15により上下2段に分離され、離隔部材15のケースフレーム10側が上段冷媒流路16A、離隔部材15の駆動装置ケース60側が下段冷媒流路16Bとされている。ここで、上段側冷媒流路16は、ケースフレーム10の底部11の流路面13側に一体的に形成された冷却フィン82(72)間の空間として形成されており、その空間の開口面を覆うように離隔部材15が取り付けられている。また、下段冷媒流路16Bは、離隔部材15と伝熱壁64との間及びその周囲の空間として形成されている。本実施形態においては、上段冷媒流路16Aにリアクトル冷却部71とスイッチング素子冷却部81(図8参照)が含まれ、下段冷媒流路16Bに回転電機冷却部91が含まれている。この冷媒流路16の構成については、後で詳細に説明する。
駆動装置2の内部を循環して高温になった作動油は、作動油流路65内において、下段側冷媒流路16B(回転電機冷却部91)を流れる冷媒との間で伝熱壁64を介して熱交換を行い、冷却される。このように冷却された作動油は、駆動装置2の内部のモータM及びジェネレータGに供給され、これらを冷却する。また、後述するように、インバータ用スイッチング素子6、7及び昇圧用スイッチング素子8を内蔵するスイッチング素子モジュール31、32は、大電流が流れるため発熱量が多い。更に、リアクトル43も、スイッチング素子モジュール31、32に比べれば少ないが、比較的発熱量が多い。したがって、冷却装置としてのケースフレーム10は、これらを発熱部品として冷却する構造となっている。そのため、スイッチング素子モジュール31、32及びリアクトル43は、ケースフレーム10の底部11の冷却面12(図示の例では底部11の上面)に接するように配置されている。そして、ケースフレーム10の底部11の流路面13側に一体的に形成された冷却フィン82(72)を介して上段冷媒流路16Aを流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷却される。このような熱交換を行うために、冷却フィン82(72)を備えたケースフレーム10や伝熱壁64は、アルミニウム等の熱伝導性材料で構成されていると好適である。一方、離隔部材15は、上段側冷媒流路16Aと下段側冷媒流路16Bとの間の熱交換を抑制するために、低熱伝導性材料で構成されていると好適である。
2.インバータユニットの全体の概略構造
次に、インバータユニット1の全体の概略構造について説明する。なお、以下の説明においては、特に断らない限り、「上」というときはインバータユニット1のカバー39側(図1、図2、図4、及び図6における上側)を指し、「下」というときはインバータユニット1のケースフレーム10側(図1、図2、図4、及び図6における下側)を指すものとする。図1及び図2に示すように、このインバータユニット1は、電気回路を構成する回路構成部品として、電源電圧を昇圧する昇圧回路4を構成するリアクトル43と、昇圧回路4により昇圧された電源電圧が供給され、モータMを駆動(制御)するためのインバータ回路3を構成する第1インバータ用スイッチング素子6を内蔵する第1スイッチング素子モジュール31と、ジェネレータGを駆動(制御)するためのインバータ回路3を構成する第2インバータ用スイッチング素子7及び昇圧回路を構成する昇圧用スイッチング素子8を内蔵する第2スイッチング素子モジュール32と、を備えている。また、このインバータユニット1は、リアクトル43及び昇圧用スイッチング素子8とともに昇圧回路4を構成する昇圧用コンデンサ42と、インバータ回路3を制御する制御基板33と、インバータ回路3の入力電源を平滑する平滑コンデンサ34と、電源ノイズを除去するためのノイズフィルタ35と、を備えている。そして、インバータユニット1は、これらの回路構成部品を支持するために、ケースフレーム10及び支持ブラケット20を備えている。
ここで、ケースフレーム10は、底部11(図4参照)と、この底部11の周縁部を囲むように立設された周壁部10bとを有し、支持ブラケット20側となる上面が開口した箱状とされている。このケースフレーム10は、アルミニウム等の金属材料で構成され、ダイカスト等により製造される。ここでは、底部11は、平面形状が略矩形状とされており、ケースフレーム10は、上面が開口した略直方体形状の箱状とされている。なお、周壁部10bの外周面には、ケースフレーム10の放熱性を高め、軽量化及び高剛性化を図るために複数のリブが形成されている。そして、このケースフレーム10内には、第1スイッチング素子モジュール31、第2スイッチング素子モジュール32、及びリアクトル43が収納されて固定されている。この際、第1スイッチング素子モジュール31、第2スイッチング素子モジュール32、及びリアクトル43は、底部11の内面(上面)で構成される冷却面12に接するように配置されている(図4、図6参照)。更に、ケースフレーム10内には、第1スイッチング素子モジュール31からモータMへ流れる電流の大きさを検出する第1電流センサ44、及び第2スイッチング素子モジュール32からジェネレータGへ流れる電流の大きさを検出する第2電流センサ45も収納されている。また、ケースフレーム10には、支持ブラケット20を取り付けるための載置取付部10cが周壁部10bの内周面に沿って複数設けられており、この載置取付部10cに支持ブラケット20が締結固定され、支持されている。
支持ブラケット20は、ケースフレーム10側となる下面に開口する開口部22(図4及び図6参照)と、略平板状の底部23と、この底部23の周縁部を囲むように立設された周壁部24とを有する第1の箱状部21を有している。この支持ブラケット20は、アルミニウム等の金属材料で構成され、ダイカスト等により製造される。そして、支持ブラケット20の第1の箱状部21の内部に平滑コンデンサ34が収容されて固定されている。平滑コンデンサ34は略直方体形状とされており、第1の箱状部21に収容された状態で開口部22から外側に突出する接続端子34aを備えている。一方、この第1の箱状部21底部23の外面23aに制御基板33が固定されている。これにより、支持ブラケット20における平滑コンデンサ34が固定された面とは反対側の面に、制御基板33が固定されることになる。また、支持ブラケット20は、第1の箱状部21に隣接して第1の箱状部21とは反対側となる上面に開口する第2の箱状部26を有している。この第2の箱状部26の内部に昇圧用コンデンサ42が収容されて固定されている。更に、支持ブラケット20における、昇圧用コンデンサ42に対して第1の箱状部21とは反対側にノイズフィルタ35が固定されている。
また、支持ブラケット20には、制御基板33に隣接して、支持ブラケット20の長手方向一方側に第1配線ブラケット36が固定され、他方側に第2配線ブラケット37が固定されている。そして、これらの第1配線ブラケット36及び第2配線ブラケット37のそれぞれの上面には、制御基板33に接続されるケーブル38がクランプ部材58を用いて固定されている。また、スイッチング素子モジュール31、32、平滑コンデンサ34、昇圧用コンデンサ42、リアクトル43、電流センサ44、45等は、後述する電気回路(図5参照)を構成すべく、各部品の所定の端子間をつなぐ複数のバスバー46により電気的に接続されている。
カバー39は、ケースフレーム10の上面、具体的には周壁部10bの上端面に固定される。これにより、ケースフレーム10及びカバー39により覆われる内部空間を液密構造とし、ケースフレーム10内及び支持ブラケット20に固定される各部材を保護することができる構成となっている。なお、カバー39のケースフレーム10への固定は、周壁部10bの上端面に沿って設けられた複数のボルト孔に対して、カバー39の下端に形成されたフランジ状の周縁部39aに設けられた締結孔を挿通した締結部材としてのボルトが締結固定されることにより行われる。
3.インバータユニットの電気回路の構成
次に、インバータユニット1の電気回路の構成について説明する。このインバータユニット1は、駆動装置2が備えるモータM及びジェネレータGを制御する。ここで、モータM及びジェネレータGは、三相交流により駆動される回転電機である。図5に示すように、インバータユニット1は、電気回路を構成する回路構成部品として、第1スイッチング素子モジュール31、第2スイッチング素子モジュール32、制御基板33、平滑コンデンサ34、ノイズフィルタ35、放電抵抗55、昇圧用コンデンサ42、リアクトル43、第1電流センサ44、及び第2電流センサ45を備えている。このインバータユニット1には、電源としてのバッテリ50が接続されている。ノイズフィルタ35は、詳細な構成についての説明を省略するが、バッテリ50の電源ノイズを除去する機能を果たす。そして、インバータユニット1は、バッテリ50の電圧を昇圧するとともに、バッテリ50の直流を、所定周波数の3相交流に変換してモータMに供給し、モータMの駆動状態を制御する。また、インバータユニット1は、ジェネレータGの駆動状態を制御し、ジェネレータGにより発電された交流を、直流に変換してバッテリ50に供給することにより蓄電し、或いは直流に変換した後で更に所定周波数の三相交流に変換してモータMに供給する。なお、モータMはモータ回転センサ48を備え、ジェネレータGはジェネレータ回転センサ49を備えており、それぞれの回転速度の検出値を表す信号を制御基板33に出力するように構成されている。
第1スイッチング素子モジュール31は、モータMに電力を供給して当該モータMを駆動するための第1スイッチングユニット51、及び第1制御回路53を内蔵している。第1スイッチング素子モジュール31は、第1スイッチングユニット51及び第1制御回路53を構成する素子や基板、及びそれらと外部とを接続するための端子等を樹脂により一体成形して構成されている。第2スイッチング素子モジュール32は、電源電圧を昇圧するための昇圧用スイッチングユニット41、ジェネレータGに電力を供給して当該ジェネレータGを駆動するための第2スイッチングユニット52、及び第2制御回路54を内蔵している。第2スイッチング素子モジュール32は、昇圧用スイッチングユニット41、第2スイッチングユニット52、及び第2制御回路54を構成する素子や基板、及びそれらと外部とを接続するための端子等を樹脂により一体成形して構成されている。本実施形態においては、第1スイッチングユニット51及び第2スイッチングユニット52のそれぞれにより、インバータ回路3が構成されている。なお、本実施形態の説明において、単に「インバータ回路3」というときには、これら2つのインバータ回路3を総称するものとする。
第1スイッチングユニット51は、第1インバータ用スイッチング素子6として、直列に接続された一組の第1上アーム素子6Aと第1下アーム素子6Bとを備えており、ここでは、モータMの各相(U相、V相、W相の3相)のそれぞれについて2組4個の第1インバータ用スイッチング素子6を備えている。本実施形態においては、モータMの方がジェネレータGよりも出力が大きく設定されていることから、第1インバータ用スイッチング素子6は、各相について2組ずつの構成とされている。したがって、第1インバータ用スイッチング素子6の配置領域は、ジェネレータGを駆動するための第2インバータ用スイッチング素子7の配置領域よりも広い領域が必要となる。また、本実施形態においては、これらの第1インバータ用スイッチング素子6として、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いる。各組の第1上アーム素子6Aのエミッタと第1下アーム素子6Bのコレクタとが、モータMの図示しない各相のコイルにそれぞれ接続されている。また、各第1上アーム素子6Aのコレクタは、後述する昇圧回路4による昇圧後の電力が供給される高圧電源ラインLhに接続され、各第1下アーム素子6Bのエミッタは、バッテリ50の負極端子につながるグランドラインLgに接続されている。また、各第1インバータ用スイッチング素子6には、フリーホイールダイオード56が並列接続されており、これらのフリーホイールダイオード56も第1スイッチングユニット51に含まれている。なお、第1インバータ用スイッチング素子6としては、IGBTの他に、バイポーラ型、電界効果型、MOS型など種々の構造のパワートランジスタを用いることができる。
第1スイッチングユニット51は、第1制御回路53を介して制御基板33と電気的に接続されている。そして、複数の第1インバータ用スイッチング素子6が、制御基板33に含まれるモータ・コントロール・ユニットMCUから出力されるモータ用ゲート信号に従って動作することにより、昇圧回路4による昇圧後の直流電力を、所定の周波数及び電流値の3相交流電力に変換してモータMに供給する。これにより、モータMは所定の出力トルク及び回転速度で駆動される。第1スイッチングユニット51とモータMの各相のコイルとの間の通電量は、第1スイッチングユニット51とモータMとの間に設けられた第1電流センサ44により検出される。第1電流センサ44の検出値は、制御基板33に含まれるモータ・コントロール・ユニットMCUに送られる。
第2スイッチングユニット52は、第2インバータ用スイッチング素子7として、直列に接続された一組の第2上アーム素子7Aと第2下アーム素子7Bとを備えており、ここでは、ジェネレータGの各相(U相、V相、W相の3相)のそれぞれについて1組2個の第2インバータ用スイッチング素子7を備えている。本実施形態においては、ジェネレータGの方がモータMよりも出力が小さく設定されていることから、第2インバータ用スイッチング素子7は、第1インバータ用スイッチング素子6とは異なり、各相について1組ずつの構成とされている。したがって、第2インバータ用スイッチング素子7の配置領域は、第1インバータ用スイッチング素子6の配置領域よりも狭い領域に配置可能である。したがって、本実施形態においては、第2インバータ用スイッチング素子を、昇圧用スイッチング素子8と共に一つのモジュール(第2スイッチング素子モジュール32)に一体化した構成としている。また、本実施形態においては、これらの第2インバータ用スイッチング素子7として、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いる。各組の第2上アーム素子7Aのエミッタと第2下アーム素子7Bのコレクタとが、ジェネレータGの図示しない各相のコイルにそれぞれ接続されている。また、各第2上アーム素子7Aのコレクタは高圧電源ラインLhに接続され、各第2下アーム素子7Bのエミッタは、バッテリ50の負極端子につながるグランドラインLgに接続されている。また、各第2インバータ用スイッチング素子7には、フリーホイールダイオード57が並列接続されており、これらのフリーホイールダイオード57も第2スイッチングユニット52に含まれている。なお、第2インバータ用スイッチング素子7としては、IGBTの他に、バイポーラ型、電界効果型、MOS型など種々の構造のパワートランジスタを用いることができる。
第2スイッチングユニット52は、第2制御回路54を介して制御基板33と電気的に接続されている。そして、第2スイッチングユニット52は、複数の第2インバータ用スイッチング素子7が、制御基板33に含まれるジェネレータ・コントロール・ユニットGCUから出力されるジェネレータ用ゲート信号に従って動作することにより、ジェネレータGにより発電された3相交流電力を、直流電力に変換してバッテリ50又は第1スイッチングユニット51に供給する。この際、第2スイッチングユニット52は、ジェネレータGの各相のコイルを流れる電流値を制御することにより、ジェネレータGの回転速度及び出力トルクを制御する。第2スイッチングユニット52とジェネレータGの各相のコイルとの間の通電量は、第2スイッチングユニット52とジェネレータGとの間に設けられた第2電流センサ45により検出される。第2電流センサ45の検出値は、制御基板33に含まれるジェネレータ・コントロール・ユニットGCUに送られる。
昇圧用スイッチングユニット41は、昇圧用スイッチング素子8として、直列に接続された一組の昇圧用上アーム素子8Aと昇圧用下アーム素子8Bとを備えており、ここでは、2組4個の昇圧用スイッチング素子8を備えている。本実施形態においては、これらの昇圧用スイッチング素子8として、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いる。各組の昇圧用上アーム素子8Aのエミッタと昇圧用下アーム素子8Bのコレクタとが、リアクトル43を介してバッテリ50の正極端子に接続されている。また、各昇圧用上アーム素子8Aのコレクタは、昇圧回路4による昇圧後の電力が供給される高圧電源ラインLhに接続され、各昇圧用下アーム素子8Bのエミッタは、バッテリ50の負極端子につながるグランドラインLgに接続されている。また、各昇圧用スイッチング素子8には、フリーホイールダイオード47が並列接続されており、これらのフリーホイールダイオード47も昇圧用スイッチングユニット41に含まれている。なお、昇圧用スイッチング素子8としては、IGBTの他に、バイポーラ型、電界効果型、MOS型など種々の構造のパワートランジスタを用いることができる。
昇圧用スイッチングユニット41は、第2制御回路54を介して制御基板33と電気的に接続されている。そして、昇圧用スイッチングユニット41は、複数の昇圧用スイッチング素子8が、制御基板33に含まれるトランスアクスル・コントロール・ユニットTCUから出力される昇圧用ゲート信号に従って動作することにより、バッテリ50の電圧を所定電圧に昇圧して第1スイッチングユニット51に供給する。一方、ジェネレータGから電力を受ける場合には、複数の昇圧用スイッチング素子8が、ジェネレータGにより発電された電圧を所定電圧まで降圧してバッテリ50に供給する。昇圧用コンデンサ42は、ノイズフィルタ35を介してバッテリ50に並列に接続されている。この昇圧用コンデンサ42は、バッテリ50の電圧を平滑化し、当該平滑化した直流電圧を昇圧用スイッチングユニット41へ供給する機能を果たす。したがって、昇圧用スイッチング素子8を含む昇圧用スイッチングユニット41、昇圧用コンデンサ42、及びリアクトル43により、昇圧回路4が構成されている。
平滑コンデンサ34は、昇圧回路4による昇圧後の電力が供給される高圧電源ラインLhとバッテリ50の負極端子につながるグランドラインLgとの間に接続されている。この平滑コンデンサ34は、昇圧回路4による昇圧後の直流電圧を平滑化し、当該平滑化した直流電圧を主に第1スイッチングユニット51へ供給する機能を果たす。この平滑コンデンサ34には、放電抵抗55が並列接続されている。この放電抵抗55は、電源オフ時等に平滑コンデンサ34に蓄えられた電荷を放電する機能を果たす。
制御基板33は、少なくともインバータ回路3を制御するための制御回路が形成された基板であり、本実施形態においては、インバータ回路3としての第1スイッチングユニット51及び第2スイッチングユニット52に加えて、昇圧用スイッチングユニット41も制御する制御回路が形成されている。これにより、制御基板33は、駆動装置2の全体を制御する。この制御基板33は、機能毎のユニットに分けて考えると、トランスアクスル・コントロール・ユニットTCU、モータ・コントロール・ユニットMCU、及びジェネレータ・コントロール・ユニットGCUを含んでいる。トランスアクスル・コントロール・ユニットTCUは、駆動装置2の全体を制御するための制御ユニットである。ここでは、トランスアクスル・コントロール・ユニットTCUには、第1制御回路53を介して昇圧回路4による昇圧前の電源電圧(昇圧前電圧)の検出値、及び昇圧後の電圧(昇圧後電圧)の検出値が入力される。また、トランスアクスル・コントロール・ユニットTCUは、CAN(コントローラー・エリア・ネットワーク)等の通信手段を介して、駆動装置2を備える車両側の制御装置との間で、例えば、アクセル操作量、ブレーキ操作量、車速等の各種情報の受け渡しを行う。トランスアクスル・コントロール・ユニットTCUは、これらの情報に基づいて、モータ・コントロール・ユニットMCU及びジェネレータ・コントロール・ユニットGCUのそれぞれに対する動作指令を生成し、出力する。また、トランスアクスル・コントロール・ユニットTCUは、昇圧用スイッチングユニット41の各昇圧用スイッチング素子8を駆動する駆動信号としての昇圧用ゲート信号を生成し、第2制御回路54へ出力する。
トランスアクスル・コントロール・ユニットTCUから、モータ・コントロール・ユニットMCU及びジェネレータ・コントロール・ユニットGCUに対して出力される動作指令は、モータM及びジェネレータGの回転速度や出力トルクの指令値である。また、モータ・コントロール・ユニットMCUには、第1電流センサ44により検出された第1スイッチングユニット51とモータMの各相のコイルとの間の通電量の検出値、及びモータ回転センサ48により検出されたモータMの回転速度の検出値が入力される。モータ・コントロール・ユニットMCUは、これらの検出値と、トランスアクスル・コントロール・ユニットTCUからの動作指令とに基づいて、第1スイッチングユニット51の各第1インバータ用スイッチング素子6を駆動する駆動信号としてのモータ用ゲート信号を生成し、第1制御回路53へ出力する。また、ジェネレータ・コントロール・ユニットGCUにも同様に、第2電流センサ45により検出された第2スイッチングユニット52とジェネレータGの各相のコイルとの間の通電量の検出値、及びジェネレータ回転センサ49により検出されたジェネレータGの回転速度の検出値が入力される。ジェネレータ・コントロール・ユニットGCUは、これらの検出値と、トランスアクスル・コントロール・ユニットTCUからの動作指令に基づいて、第2スイッチングユニット52の各第2インバータ用スイッチング素子7を駆動する駆動信号としてのジェネレータ用ゲート信号を生成し、第2制御回路54へ出力する。
4.インバータユニットの要部の詳細構造
次に、本実施形態に係るインバータユニット1の要部の詳細な構造について、図6〜図10に基づいて説明する。このインバータユニット1は、リアクトル43、昇圧用スイッチング素子8及びインバータ用スイッチング素子6、7が接触する冷却面12に沿って冷媒を流す冷媒流路16が設けられた冷却装置としてのケースフレーム10を備えている。上記のとおり、本実施形態においては、第1インバータ用スイッチング素子6は第1スイッチング素子モジュール31に内蔵され、第2インバータ用スイッチング素子7及び昇圧用スイッチング素子8は内蔵する第2スイッチング素子モジュール32に内蔵されている。すなわち、本実施形態においては、昇圧用スイッチング素子8及びインバータ用スイッチング素子6、7は、それらを内蔵する第1スイッチング素子モジュール31又は第2スイッチング素子モジュール32として冷却面12に接触する構成となっている。そして、冷媒流路16は、冷却面12におけるリアクトル43が接触する領域を冷却するリアクトル冷却部71と、冷却面12における第1スイッチング素子モジュール31及び第2スイッチング素子モジュール32が接触する領域を冷却するスイッチング素子冷却部81と、を備え、リアクトル冷却部71がスイッチング素子冷却部81に対して上流側に配置されている。また、上記のとおり、ケースフレーム10は、駆動装置ケース60と一体的に設けられており、冷媒流路16は、モータM及びジェネレータGを冷却するための回転電機冷却部91を、リアクトル冷却部71に対して上流側に備えている。以下、冷却装置としてのケースフレーム10及びその周辺の構成について詳細に説明する。
図1及び図6に示すように、ケースフレーム10は、平面形状が略矩形状とされた底部11と、この底部11の周縁部を囲むように立設された周壁部10bとを有する、上面が開口した略直方体形状の箱状とされている。そして、このケースフレーム10の底部11の内面(図6における上面)に接するように、第1スイッチング素子モジュール31、第2スイッチング素子モジュール32、及びリアクトル43が配置されている(図7参照)。すなわち、本実施形態においては、このケースフレーム10の底部11の内面が、スイッチング素子モジュール31、32(昇圧用スイッチング素子8及びインバータ用スイッチング素子6、7)、及びリアクトル43を冷却する冷却面12となっている。
これらの冷却面12により冷却される回路構成部品は、図7に示すように、ケースフレーム10の冷却面12上における、ケースフレーム10の長手方向一方側(図7における左側)から長手方向他方側(図7における右側)へ向かって、リアクトル43、第1スイッチング素子モジュール31、及び第2スイッチング素子モジュール32の順に配置されている。ここで、ケースフレーム10の冷却面12は、リアクトル43が接触する領域であるリアクトル接触領域12aと、第1スイッチング素子モジュール31が接触する領域である第1モジュール接触領域12bと、第2スイッチング素子モジュール32が接触する領域である第2モジュール接触領域12cとに分けられる。リアクトル43と第1スイッチング素子モジュール31との間には第1リブ11aが設けられ、第1スイッチング素子モジュール31と第2スイッチング素子モジュール32との間には第2リブ11bが設けられ、区画されているが、接触領域12a〜12cのそれぞれについては、ほぼ平面形状とされている。各リブ11a、11bは、ケースフレーム10を幅方向に横断するように冷却面12から立設され、ケースフレーム10を補強する。また、リアクトル43、第1スイッチング素子モジュール31、及び第2スイッチング素子モジュール32は、いずれも平面形状の各接触領域12a〜12cに広い面積で接触するように、冷却面12との接触面(底面)が平面形状とされており、更に図示の例では、これらは、いずれも略直方体形状とされている。
なお、第1スイッチング素子モジュール31及び第2スイッチング素子モジュール32に対するケースフレーム10の幅方向一方側(図7における下側)には、第1スイッチング素子モジュール31に隣接して第1電流センサ44が配置され、第2スイッチング素子モジュール32に隣接して第2電流センサ45が配置されている。
一方、図6に示すように、ケースフレーム10の底部11の冷却面12とは反対側、すなわち底部11の駆動装置2側である外面側(図6における下面側)には、冷媒が流れる冷媒流路16が設けられている。すなわち、本実施形態においては、このケースフレーム10の底部11の外面が、冷媒流路16が設けられる流路面13となっている。ケースフレーム10の底部11の流路面13には、後述するように、リアクトル冷却部71及びスイッチング素子冷却部81の冷却フィン72、82が設けられている。そして、上記のとおり、冷媒流路16は、この流路面13に取り付けられる平板状の離隔部材15により上下2段に分離され、離隔部材15のケースフレーム10側(上面側)が上段冷媒流路16A、離隔部材15の駆動装置ケース60側(下面側)が下段冷媒流路16Bとされている。そして、本実施形態においては、上段冷媒流路16Aにリアクトル冷却部71とスイッチング素子冷却部81(図8参照)が含まれ、下段冷媒流路16Bに回転電機冷却部91が含まれている。これにより、離隔部材15の一方面側にリアクトル冷却部71及びスイッチング素子冷却部81が形成され、他方面側に回転電機冷却部91が形成されることになる。
なお、下段冷媒流路16Bに対する駆動装置2側には、駆動装置ケース60と伝熱壁64とにより囲まれた作動油流路65が設けられている。そして、この作動油流路65には、駆動装置2の内部を循環する作動油が流れており、作動油流路65内において、高温になった作動油と、下段側冷媒流路16B内の回転電機冷却部91を流れる冷媒とが伝熱壁64を介して熱交換を行い、作動油が冷却される。このように作動油が冷却されることにより、駆動装置2のモータM及びジェネレータGが冷却される。よって、本実施形態においては、この伝熱壁64が、本発明における熱交換部に相当する。
図8は、リアクトル冷却部71及びスイッチング素子冷却部81を含む上段冷媒流路16Aの構成を示す平面図であり、ケースフレーム10の底面図に相当する。また、図10は、リアクトル冷却部71及びスイッチング素子冷却部81と、リアクトル接触領域12a、第1モジュール接触領域12b、及び第2モジュール接触領域12cとの位置関係を示す説明図である。この図10に示す破線は、流路面13の裏側(冷却面12側)における、冷却面12の各接触領域12a〜12cに接するリアクトル43、第1スイッチング素子モジュール31及び第2スイッチング素子モジュール32の外形を示している。また、第1スイッチング素子モジュール31及び第2スイッチング素子モジュール32を示す破線内に配置された実線は、各スイッチング素子モジュール31、32に内蔵される第1インバータ用スイッチング素子6、第2インバータ用スイッチング素子7及び昇圧用スイッチング素子8の配置を示している。これらの図に示すように、リアクトル冷却部71は、冷却面12におけるリアクトル43が接触する領域であるリアクトル接触領域12aの裏側(流路面13側)設けられ、当該リアクトル接触領域12aを冷却する冷却部である。また、スイッチング素子冷却部81は、冷却面12における第1スイッチング素子モジュール31が接触する領域である第1モジュール接触領域12b及び第2スイッチング素子モジュール32が接触する領域である第2モジュール接触領域12cの裏側(流路面13)設けられ、当該第1モジュール接触領域12b及び第2モジュール接触領域12cを冷却する冷却部である。
図8に示すように、リアクトル冷却部71とスイッチング素子冷却部81とは、冷媒の流れ方向との関係で、リアクトル冷却部71がスイッチング素子冷却部81に対して上流側に配置されている。そして、リアクトル冷却部71とスイッチング素子冷却部81とは、連通口17により連通されている。すなわち、上段冷媒流路16Aに流入する冷媒は、離隔部材15に設けられた冷媒流入口18(図9参照)から、まずリアクトル冷却部71に流入する。その後、リアクトル冷却部71から連通口17を介してスイッチング素子冷却部81へ流入する。そして、スイッチング素子冷却部81を通過した冷媒は、冷媒流出口19からケースフレーム10の外部へ流出する。リアクトル冷却部71とスイッチング素子冷却部81との位置関係を、このようにすることにより、第1スイッチング素子モジュール31及び第2スイッチング素子モジュール32を冷却する前の比較的温度が低い冷媒を用いて、リアクトル接触領域12aの全体をほぼ均等に冷却することができる。またこの際、リアクトル43の発熱量は第1スイッチング素子モジュール31や第2スイッチング素子モジュール32と比べて少ないため、リアクトル43を冷却した後の冷媒であっても温度はあまり高くなっていない。よって、第1スイッチング素子モジュール31及び第2スイッチング素子モジュール32もスイッチング素子冷却部81により適切に冷却することができる。本実施形態においては、冷媒流出口19は、ケースフレーム10の周壁部10bに設けられた出口側連結部69に連通しており、この出口側連結部69からインバータユニット1の外部に冷媒が排出される。
リアクトル冷却部71は複数のリアクトル冷却フィン72を備え、スイッチング素子冷却部81は複数のスイッチング素子冷却フィン82を備えている。これらの冷却フィン72、82は、いずれも、流路面13における、最も冷却面12側(上側)に位置する底面13a(図6における最も高い位置の面)から駆動装置2側(下側)へ向けて立設するように設けられている。そして、図8からも明らかなように、リアクトル冷却フィン72の配置密度が、スイッチング素子冷却フィン82の配置密度よりも低くなるようにされている。ここで、冷却フィン72、82の配置密度は、例えば、各冷却部71、81における単位容積あたりの冷却フィン72、82の表面積として捉えることができる。リアクトル冷却フィン72とスイッチング素子冷却フィン82との配置密度の関係をこのようにすることにより、各冷却部71、81における冷媒の温度と、各冷却部71、81における冷却対象の発熱量とに応じて、各冷却部71、81に設けられる冷却フィン72、82の配置密度が適切に設定されることになるので、リアクトル43、第1スイッチング素子モジュール31及び第2スイッチング素子モジュール32のそれぞれを、適切に冷却することができる。更に、この構成によれば、冷媒流路16の上流側に位置するリアクトル冷却フィン72の配置密度を低くしているため、冷媒流路16の全体での流路抵抗を小さく抑えることができる。よって、冷媒流路16に冷媒を循環させるためのポンプの小型化を図ることも可能となる。
リアクトル冷却部71は、リアクトル接触領域12aに対応する、図8及び図10に示す平面視で略台形状の空間として形成されている。また、リアクトル冷却部71は、冷媒が流入する冷媒流入口18に隣接する位置に、当該冷媒流入口18から連通口17へ向かう直線的な冷媒の流れを妨げる堰73を備えている。図示の例では、堰73は、流路面13の底面13aから駆動装置2側(下側)へ向けて立設するように設けられた、図8に示す平面視で(ケースフレーム10の底部11と平行な方向の断面形状が)略四角形状の凸部として形成されている。そして、堰73は、冷媒流入口18に対向する2つの面が、冷媒流入口18から連通口17へ向かう直線的な冷媒の流れを妨げる堰面73aとなっている。これにより、図8に一点鎖線で示すように、冷媒流入口18からリアクトル冷却部71内に流入した冷媒を、堰面73aに沿う方向に流すことができる。よって、冷媒流入口18から連通口17へ向かう直線的な冷媒の流れを妨げ、リアクトル冷却部71の全体に均等に近い状態で冷媒を行き渡らせることができる。したがって、リアクトル接触領域12aの全体をより均等に冷却することが可能となる。一方、堰73の堰面73aの対辺となる、残りの2つ面は、堰面73aに沿った方向に分けられた冷媒の流れを、連通口17へ向かう方向に収束させる収束面73bとなっている。
リアクトル冷却フィン72は、堰73により分けられた冷媒の流れを、連通口17へ向かう方向に集約させる略放射状となるように形成されている。ここでは、リアクトル冷却フィン72は、図8に示す平面視で(ケースフレーム10の底部11と平行な方向の断面形状が)略放射状となるように形成されている。これにより、堰73によって分けられた後の冷媒の流れを、リアクトル冷却フィン72により、連通口17へ向かう方向に集約させる流れに規制することができる。そのため、冷媒流入口18から流入した冷媒を、リアクトル冷却部71の全体に均等に近い状態で行き渡らせつつ、連通口17へ向けて円滑に流すことが可能となる。したがって、リアクトル接触領域12aの全体をより均等に冷却しつつ、リアクトル冷却部71の流路抵抗を小さく抑えることができる。なお、図示の例では、製造性を良くするために、各リアクトル冷却フィン72を平面視で直線状としているが、例えば、平面視で円弧状等の曲線形状となるように形成してもよい。また、本実施形態においては、流路面13の底面13aからの、リアクトル冷却フィン72及び堰73の高さは、流路面13における、離隔部材15が当接して取り付けられる取付面13bよりも低く設定されている。具体的には、リアクトル冷却フィン72及び堰73は、流路面13の底面13aからの高さが、取付面13bに離隔部材15を取り付けた状態で、当該離隔部材15に対してわずかな隙間を有するように設定される。
スイッチング素子冷却部81は、第1モジュール接触領域12b及び第2モジュール接触領域12cの双方に対応する、図8に示す平面視で略長方形状の空間内に、蛇行して配置された帯状の流路として形成されている。このような蛇行した流路を形成すべく、スイッチング素子冷却部81は、連通口17から冷媒流出口19までの間に複数回屈曲して蛇行する冷媒の流れを形成する蛇行形状のスイッチング素子冷却フィン82を備えている。これにより、流路の分岐を少なくしてスイッチング素子冷却部81の流路抵抗の増大を抑えつつ、スイッチング素子冷却フィン82を高い密度で配置し、第1スイッチング素子モジュール31及び第2スイッチング素子モジュール32が接触する第1モジュール接触領域12b及び第2モジュール接触領域12cとの熱交換を行うためのスイッチング素子冷却部81の冷媒に接する表面積を広く確保することが可能となる。したがって、リアクトル43よりも発熱量が多く、また、リアクトル43よりも下流側で冷却されるスイッチング素子モジュール31、32を適切に冷却することができる。
本実施形態においては、スイッチング素子冷却部81には、スイッチング素子冷却フィン82として、放熱用の放熱フィン82aと、放熱及び流路規定用の流路規定フィン82bとの2種類が設けられている。ここで、流路規定フィン82は、流路面13の底面13aからの高さが、離隔部材15が当接して取り付けられる取付面13bと同じに設定されており、流路規定フィン82の先端部は離隔部材15に当接する。一方、放熱フィン82aは、流路面13の底面13aからの高さが流路規定フィン82より低く設定され、取付面13bに離隔部材15を取り付けた状態で、当該離隔部材15に対してわずかな隙間を有する。そして、流路規定フィン82bにより、スイッチング素子冷却部81の蛇行した流路が形成される。放熱フィン82aは、この流路規定フィン82bにより形成された蛇行した流路の幅方向中央部に沿って配置され、当該蛇行した流路を幅方向に2つに分けている。
また、スイッチング素子冷却部81は、当該冷却部内に、スイッチング素子冷却フィン82の配置密度が他の部分に比べて低くなるようにされたフィン減少部81aを備えている。このフィン減少部81aは、冷却面12における第2リブ11b(図7参照)の裏側(流路面13側)に対応する領域の周辺に設定されている。ここでは、フィン減少部81aは、当該部分に放熱フィン82aが設けられず、流路規定フィン82bのみが設けられることにより、スイッチング素子冷却フィン82の配置密度を低くしている。図10に示すように、第2リブ11bが設けられる位置には、スイッチング素子モジュール31、32が配置されておらず、これらのスイッチング素子モジュール31、32に内蔵されるインバータ用スイッチング素子6、7、及び昇圧用スイッチング素子8も配置されていない。一方、インバータ用スイッチング素子6、7、及び昇圧用スイッチング素子8が配置されている領域には、放熱フィン82aと流路規定フィン82の双方が設けられ、スイッチング素子冷却フィン82の配置密度は高く設定されている。すなわち、スイッチング素子冷却フィン82は、冷却面12における昇圧用スイッチング素子8又はインバータ用スイッチング素子6、7のそれぞれの位置に対応する領域の配置密度が、その他の領域よりも高くなるように配置されている。このようなスイッチング素子冷却フィン82の構成としたことにしたことにより、発熱量が多いインバータ用スイッチング素子6、7、及び昇圧用スイッチング素子8を、効率的に冷却することができる。また、インバータ用スイッチング素子6、7、及び昇圧用スイッチング素子8が配置されていない領域を、スイッチング素子冷却フィン82の配置密度を低くしたフィン減少部81aとしたことにより、スイッチング素子冷却部81の全体での流路抵抗を低減している。
また、図8に示すように、ケースフレーム10の底部11の流路面13における、スイッチング素子冷却部81の付近には、肉抜き用凹部13c及び温度センサ用凹部13dが設けられている。ここでは、肉抜き用凹部13c及び温度センサ用凹部13dは、スイッチング素子冷却部81の蛇行した流路における、隣接する流路同士の間隔が広くなっている部分の取付面13bに形成されている。本実施形態においては、図10に示すように、ケースフレーム10の幅方向に隣接する第1インバータ用スイッチング素子6同士の間隔に比べて、第2インバータ用スイッチング素子7と昇圧用スイッチング素子8との間隔の方が大きいことに合わせて、各スイッチング素子6〜8を均等に冷却すべく流路を配置した結果、第2インバータ用スイッチング素子7と昇圧用スイッチング素子8の間に対応する部分における、スイッチング素子冷却部81の隣接する流路同士の間隔が広くなっている。そこで、この部分を利用して温度センサ66(図8参照)を配置すべく温度センサ用凹部13dが設けられ、この中に温度センサ66の検出部が挿入されている。後述するように、温度センサ用凹部13dは、離隔部材15の温度センサ用連通孔15bを介して回転電機冷却部91に連通しているため、温度センサ66は、回転電機冷却部91内の冷媒の温度を検出することができる。また、温度センサ用凹部13dが設けられる部分以外には、スイッチング素子冷却部81の隣接する流路同士の間隔が広くなっている部分の肉厚を薄くして鋳造性を高めるために、肉抜き用凹部13cが設けられている。
図9に示すように、リアクトル冷却部71及びスイッチング素子冷却部81が形成されたケースフレーム10の流路面13における取付面13bに離隔部材15が取り付けられることにより、図6に示すように、冷媒流路16が上下2段に分離され、下段冷媒流路16Bに回転電機冷却部91が形成される。離隔部材15は、ケースフレーム10の取付面13bに一体的に設けられたリベット67により取付面13bに固定される。図9は、下段冷媒流路16Bで構成される回転電機冷却部91の構成を示す平面図である。この図に示す二点鎖線は、回転電機冷却部91内における回転電機冷却フィン92の配置を示している。回転電機冷却部91は、ケースフレーム10の周壁部10bの内面及び離隔部材15により囲まれた、図9に示す平面視で略長方形状の空間として形成されている。そして、回転電機冷却部91は、その長手方向一方側に下段側冷媒流入口93を備え、長手方向他方側に上段冷媒流路16Aの冷媒流入口18ともなる下段側冷媒流出口を備えている。本実施形態においては、下段側冷媒流入口93は、ケースフレーム10の周壁部10bに設けられた入口側連結部68に連通しており、この入口側連結部68を介してインバータユニット1の内部に冷媒が導入される。下段側冷媒流入口93から回転電機冷却部91内に流入した冷媒は、回転電機冷却フィン92に沿って回転電機冷却部91の長手方向に流れて下段側冷媒流出口(冷媒流入口)18に到達し、この下段側冷媒流出口(冷媒流入口)18を通って上段冷媒流路16Aのリアクトル冷却部71に流入する。
回転電機冷却部91が備える回転電機冷却フィン92は、図6に示すように、伝熱壁64のケースフレーム10側面(上面)に設けられた伝熱フィンにより構成されている。この図に示すように、回転電機冷却フィン92は、ケースフレーム10を駆動装置ケース60に取り付けた状態で、離隔部材15に対してわずかな間隔を有するような高さとなるように設定されている。また、図9に示すように、回転電機冷却フィン92は、回転電機冷却部91の長手方向、すなわちケースフレーム10の長手方向に沿って、互いに平行な複数本の直線状のフィンとして形成されている。この回転電機冷却フィン92により、回転電機冷却部91内における、回転電機冷却部91の長手方向に流れる冷媒の流れ、すなわち下段側冷媒流入口93から下段側冷媒流出口(冷媒流入口)18へ向かう冷媒の流れが形成される。図8及び図9からも明らかなように、回転電機冷却フィン92の配置密度は、リアクトル冷却フィン72の配置密度よりも低くなるようにされている。ここで、回転電機冷却フィン92の配置密度は、リアクトル冷却フィン72及びスイッチング素子冷却フィン82と同様に、例えば、回転電機冷却部91における単位容積あたりの冷却フィン92の表面積として捉えることができる。回転電機冷却フィン92とリアクトル冷却フィン72の配置密度の関係をこのようにすることにより、各冷却部81、91における冷媒の温度と、各冷却部81、91における冷却対象の発熱量とに応じて、各冷却部81、91に設けられる冷却フィン82、92の配置密度が適切に設定されることになるので、モータM及びジェネレータGを冷却するための作動油、並びにリアクトル43のそれぞれを、適切に冷却することができる。更に、この構成によれば、冷媒流路16におけるリアクトル冷却部71よりも上流側に位置する回転電機冷却部91の回転電機冷却フィン92の配置密度を低くしているため、冷媒流路16の全体での流路抵抗を小さく抑えることができる。よって、冷媒流路16に冷媒を循環させるためのポンプの小型化を図ることも可能となる。
図6からも理解されるように、回転電機冷却部91内を流れる冷媒は、回転電機冷却フィン92及びその裏面側(駆動装置ケース60側)の伝熱フィンを有する伝熱壁64を介して、当該伝熱フィン64の駆動装置ケース60側に設けられた作動油流路65の作動油との間で熱交換を行い、当該作動油を冷却する。これにより、駆動装置2の内部を循環して高温になった作動油が冷却され、この作動油によりモータM及びジェネレータGが冷却される。
図9に示すように、離隔部材15は、ケースフレーム10の流路面13における、肉抜き用凹部13cに対応する位置に肉抜き用連通孔15aを備え、温度センサ用凹部13dに対応する位置に温度センサ用連通孔15bを備えている。これにより、離隔部材15がケースフレーム10の流路面13における取付面13aに取り付けられた状態で、流路面13に設けられた肉抜き用凹部13cは、肉抜き用連通孔15aを介して回転電機冷却部91に連通し、温度センサ用凹部13dは、温度センサ用連通孔15bを介して回転電機冷却部91に連通する。したがって、温度センサ用凹部13d内に検出部が配置された温度センサ66により、回転電機冷却部91内の冷媒の温度を検出することができる。また、肉抜き用凹部13c内に冷媒が溜まって抜けなくなることを防止できる。
6.その他の実施形態
(1)上記の実施形態においては、リアクトル冷却部71に設けられたリアクトル冷却フィン72の配置密度がスイッチング素子冷却部81に設けられたスイッチング素子冷却フィン82の配置密度よりも低く、更には、回転電機冷却部91に設けられた回転電機冷却フィン92の配置密度がこれらの冷却フィン72、82の配置密度よりも低い構成を好適な例として説明した。しかし、このような冷却フィン72、82、92の配置密度の設定は一例であり、各冷却部71、81、91において必要とされる冷却能力に応じて適宜設定されると好適である。
(2)上記の実施形態においては、リアクトル冷却部71が、冷媒が流入する冷媒流入口18から連通口17へ向かう直線的な冷媒の流れを妨げる堰73と、堰73により分けられた冷媒の流れを、連通口17へ向かう方向に集約させる略放射状のリアクトル冷却フィン72とを備える構成を好適な例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、リアクトル冷却部71が、堰73及びリアクトル冷却フィン72の一方のみを備える構成としても好適である。また、リアクトル冷却フィン72を、冷媒が流入する冷媒流入口18から連通口17へ向かう直線的な冷媒の流れを妨げる向きに配置することにより、リアクトル冷却フィン72が堰73の機能を果たすように構成しても好適である。また、リアクトル冷却フィン72の形状も、略放射状に限定されるものではなく、他の形状、例えばスイッチング素子冷却部81と同様の蛇行した形状としても好適である。リアクトル冷却フィン72をこのような形状とする場合、堰73は不要である。
(3)上記の実施形態においては、スイッチング素子冷却部81が、蛇行して配置された帯状の流路として形成された構成を好適な例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、スイッチング素子冷却部81が、これとは異なる形態の流路で構成されてもよい。したがって、スイッチング素子冷却部81は、例えば、連通口17から冷媒流出口19へ向かう方向の直線的な複数の流路で構成されても好適である。この場合、スイッチング素子冷却フィン82は、例えば連通口17から冷媒流出口19へ向かう方向に沿って配置された複数本の直線状の冷却フィンとされると好適である。
(4)上記の実施形態においては、ケースフレーム10が冷却装置である場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、冷却装置が、ケースフレーム10とは別体として設けられた構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。
(5)上記の実施形態においては、インバータユニット1の冷却装置としてのケースフレーム10が、駆動装置2のケース60と一体的に設けられ、リアクトル冷却部71に対して上流側に、駆動装置2の回転電機M、Gを冷却するための回転電機冷却部91を備える構成を好適な例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、インバータユニット1が駆動装置2とは独立した構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。この場合、インバータユニット1の冷却装置は、冷媒流路16として、リアクトル冷却部71及びスイッチング素子冷却部81を含む上段側冷媒流路16Aに相当する流路を備え、回転電機冷却部91を含む下段冷媒流路16Bを備えない構成とすると好適である。
(6)上記の実施形態においては、駆動装置がモータM及びジェネレータGの2つの回転電機を備える構成を例として説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、駆動装置が備える回転電機の数及び各回転電機の機能は、適宜変更することが可能である。したがって、例えば、必要に応じてモータ及びジェネレータの双方の機能を果たすモータ・ジェネレータを一つ又は二つ以上備え、或いは、駆動装置がモータM又はジェネレータGを一つだけ備える構成とすることも、本発明の好適な実施形態の一つである。
(7)上記の実施形態においては、本発明が、ハイブリッド車両用駆動装置2の回転電機M、Gを制御するインバータユニット1に適用した場合を例として説明した。しかし、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、ハイブリッド車両以外の車両、例えば電動車両の駆動装置が備える回転電機を制御するインバータユニットに適用することも、本発明の好適な実施形態の一つである。また、本発明の適用範囲は、このような車両の駆動装置に関するものに限定されず、例えば、エアコンディショナー、冷蔵庫、エレベータ等の様々な装置に用いられるインバータユニットに適用することが可能である。
本発明は、例えば、モータやジェネレータ等の回転電機の制御に用いられるインバータユニットに好適に利用可能である。
本発明の実施形態に係るインバータユニットの分解斜視図 インバータユニットからカバーを取り外した状態の斜視図 インバータユニットが一体的に取り付けられた駆動装置の側面図 駆動装置の軸方向展開断面図 インバータユニットの回路構成を示す模式図 インバータユニット1の縦断面図 冷却装置としてのケースフレーム内の部品配置を示す平面図 リアクトル冷却部及びスイッチング素子冷却部の構成を示す平面図 回転電機冷却部の構成を示す平面図 冷媒流路と、リアクトル、昇圧用スイッチング素子及びインバータ用スイッチング素子との位置関係を説明するための説明図
符号の説明
1:インバータユニット
3:インバータ回路
4:昇圧回路
6:第1インバータ用スイッチング素子(インバータ用スイッチング素子)
7:第2インバータ用スイッチング素子(インバータ用スイッチング素子)
8:昇圧用スイッチング素子
10:ケースフレーム(冷却装置)
12:冷却面
13:流路面
15:離隔部材
16:冷媒流路
17:連通口
18:冷媒流入口
19:冷媒流出口
43:リアクトル
71:リアクトル冷却部
72:リアクトル冷却フィン
73:堰
81:スイッチング素子冷却部
82:スイッチング素子冷却フィン
91:回転電機冷却部
92:回転電機冷却フィン
60:駆動装置ケース
64:伝熱壁(熱交換部)
M:モータ(回転電機)
G:ジェネレータ(回転電機)

Claims (10)

  1. 電源電圧を昇圧する昇圧回路を構成するリアクトル及び昇圧用スイッチング素子と、
    前記昇圧回路により昇圧された電源電圧が供給されるインバータ回路を構成するインバータ用スイッチング素子と、
    前記リアクトル、前記昇圧用スイッチング素子及び前記インバータ用スイッチング素子が接触する冷却面に沿って冷媒を流す冷媒流路が設けられた冷却装置と、を備え、
    前記冷却装置は、回転電機を備えた駆動装置のケースと一体的に設けられ、
    前記冷媒流路は、前記冷却面における前記リアクトルが接触する領域を冷却するリアクトル冷却部と、前記冷却面における前記昇圧用スイッチング素子及び前記インバータ用スイッチング素子が接触する領域を冷却するスイッチング素子冷却部と、前記回転電機を冷却するための回転電機冷却部と、を備え、前記リアクトル冷却部が前記スイッチング素子冷却部に対して上流側に配置されると共に、前記回転電機冷却部が、前記リアクトル冷却部に対して上流側に配置され、
    前記冷媒流路は、前記リアクトル冷却部及び前記スイッチング素子冷却部が形成された前記冷却装置の流路面に取り付けられる平板状の離隔部材により2段に分離され、前記離隔部材の一方面側に前記リアクトル冷却部及び前記スイッチング素子冷却部が形成され、他方面側に前記回転電機冷却部が形成されているインバータユニット。
  2. 前記リアクトル冷却部及び前記スイッチング素子冷却部は、それぞれに冷却フィンを備え、前記リアクトル冷却部における冷却フィンの配置密度は、前記スイッチング素子冷却部における冷却フィンの配置密度よりも低い請求項1に記載のインバータユニット。
  3. 前記リアクトル冷却部と前記スイッチング素子冷却部とは、連通口により連通され、
    前記リアクトル冷却部は、冷媒が流入する冷媒流入口に隣接する位置に、前記冷媒流入口から前記連通口へ向かう直線的な冷媒の流れを妨げる堰を備える請求項1又は2に記載のインバータユニット。
  4. 前記リアクトル冷却部は、前記堰により分けられた冷媒の流れを、前記連通口へ向かう方向に集約させる略放射状の冷却フィンを備える請求項3に記載のインバータユニット。
  5. 前記リアクトル冷却部と前記スイッチング素子冷却部とは、連通口により連通され、
    前記スイッチング素子冷却部は、前記連通口から冷媒流出口までの間に複数回屈曲して蛇行する冷媒の流れを形成する蛇行形状の冷却フィンを備える請求項1から4のいずれか一項に記載のインバータユニット。
  6. 前記スイッチング素子冷却部は、前記冷却面における前記昇圧用スイッチング素子又は前記インバータ用スイッチング素子のそれぞれの位置に対応する領域の配置密度が、その他の領域よりも高くなるように配置された冷却フィンを備える請求項1から5のいずれか一項に記載のインバータユニット。
  7. 前記インバータ用スイッチング素子は第1スイッチング素子モジュールに内蔵され、昇圧用スイッチング素子は第2スイッチング素子モジュールに内蔵されるとともに、前記第1スイッチング素子モジュール及び前記第2スイッチング素子モジュールが前記冷却面に接触するように配置され、
    前記冷却装置は、前記冷却面における前記第1スイッチング素子モジュールと前記第2スイッチング素子モジュールとの間に、補強用のリブを備え、
    前記その他の領域には、前記リブの位置に対応する領域が含まれる請求項6に記載のインバータユニット。
  8. 前記インバータ回路は、出力が異なる2つの回転電機のそれぞれに電力を供給する2つのインバータ回路を有し、
    出力が大きい方の回転電機に電力を供給するインバータ回路を構成するインバータ用スイッチング素子は、前記第1スイッチング素子モジュールに内蔵され、
    出力が小さい方の回転電機に電力を供給するインバータ回路を構成するインバータ用スイッチング素子は、前記第2スイッチング素子モジュールに内蔵された請求項7に記載のインバータユニット。
  9. 記回転電機冷却部は冷却フィンを備え、
    前記回転電機冷却部における冷却フィンの配置密度は、前記リアクトル冷却部が備える冷却フィンの配置密度よりも低い請求項1から8のいずれか一項に記載のインバータユニット。
  10. 前記回転電機冷却部は、前記回転電機を冷却する冷媒との熱交換部を備える請求項1から9のいずれか一項に記載のインバータユニット。
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