JP5492599B2 - 回転電機システム - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置と一体化された回転電機(回転電機システム)の構造に関する。
現状の電気自動車,ハイブリッド自動車においては、回転電機と電力変換装置がそれぞれ別体にて搭載されるのが一般的である。車両内におけるそれらの搭載スペースや各コンポーネントにおける最適な冷却方法を考えると、それぞれが別体にして設置することが好都合であることが多い。ただし、部品点数の削減や回転電機と電力変換装置間のサージ対策を考えると、それらは一体であることが望ましい。
特開2005−224008号公報
特許文献1ではインバータ一体型回転電機を開示しているが、冷却水タンクなどの構成を採用しているため装置全体が大型化してしまう課題がある。
本発明の一つの目的は、電力変換装置と一体化された回転電機(回転電機システム)において、性能を落とすことなく小型化する技術を提供することである。
本発明は、回転電機の冷却用の水路が電力変換装置の冷却水路も兼ねた形で電力変換装置と一体化された回転電機システムにおいて、パワー半導体素子を複数収納したパワーモジュールを効率よく冷却可能な冷却水路の形状を採用する。
直接水冷方式をとる電力変換装置は、一般的な間接水冷に対して熱抵抗が低いため、パワー半導体素子の冷却に必要な面積が小さくてすむ。つまり回転電機と電力変換装置を一体化する際に、それらの水路を共有化し、電力変換装置を直接冷却方式で冷却することで小型な電力変換装置を備えた回転電機システムを実現することができる。
回転機システムの外観<1>。 回転機システムの外観<2>。 回転機システムの外観<3>。 回転機システムの外観<4>。 主回路図。 直接水冷と間接水冷の比較。 流路の形状説明<1>(Uターン)。 流路の形状説明<2>(冷却水の入口と出口の関係その1)。 流路の形状説明<3>(冷却水の入口と出口の関係その2)。 パワーモジュール外観<1>(内部配置)。 パワーモジュール外観<2>(フィンと水の流れの関係)。
図1〜図4は本発明の実施例の一つを示す。図5は本実施例の主回路を示しており、各主要部品が電気的にどのように接続されているかを表している。ここでは便宜上、電力変換装置をインバータ、回転電機をモータと称す。但し、回転電機はモータとしてだけではなく、発電機としても機能することができる。モータは、固定子と、この固定子に回転空隙を介して回転するように設けられた回転子(図示しない)とを有する。また、インバータは、固定子を保持する筺体によって保持され、モータを駆動するものである。
まず図5より、本実施例の電気的機能を説明する。波線で囲まれた部分が本実施例で説明するインバータ一体型モータ1に相当しており、これはおおまかにインバータ部2とモータ部3に分けられる。インバータ部2は、外部から接続されるバッテリ4からの電気的な入力(直流)を、パワー半導体素子5を規則的にスイッチングすることにより交流に変換し、モータ部3に送られる。ここで、図5の電気回路上は、モータ巻線のインピーダンス7で描かれており、インバータによって変換された交流はモータのインピーダンス8を通る。本実施例のパワー半導体素子5はIGBT(Insulated Gate Bipoler Transistor)を想定しているが、必要な周波数や電圧によって、他のパワー半導体素子(例えばMOS−FETなど)が選定される。ここでは、正極側(上アーム側)に3つのIGBT5aとフライホイールダイオード6a、負極側(下アーム側)に同じ数のIGBT5bとフライホイールダイオード6bを備えており、上下アーム一対で一つの相に対応している。
スイッチング時に発生する電圧の脈動(リップル)は、バッテリ4とパワー半導体素子5群の間に位置する平滑コンデンサ21により平滑される。
次に図1を説明する。この図1の上部にある直方体の部分がインバータ部2であり、その下部の筒状の部分がモータ部3である。本実施例では、インバータ部2とモータ部3は一つの金属製ハウジング(アウターハウジング10)を共有することで、一体化されている。つまり、アウターハウジング10の上段部がインバータ部2になっている。
インバータ部2の内部がインバータ室13になっており、この中にインバータ機能を実現するための部品が収納されている。図中は内部が見えるように省略しているが、実際にはインバータ部の最上部にはインバータ室13内部に異物や水分が混入しないようカバーを取り付けて使用する。
図1及び図2から分かるように、モータ部3のアウターハウジング10の内側には、別体になったインナーハウジング11があり、その内側にはモータのコイル14が備わっている。アウターハウジング10は、車両のエンジンまたはトランスミッションやギアボックスなどに取り付けられるようフランジ12を有している。図中は省略してあるが、フランジ12には任意に取付用のボルト穴が開けられる。
図1及び図3に示されているように、インバータ室13内には、上段からモータの制御を行うモータ制御基板20、電圧のリップルを平滑化する平滑コンデンサ21、モータ制御基板からの指令を受けてスイッチング素子のオン・オフを制御するゲートドライブ基板22、そしてインバータ部の最下部にはパワー半導体素子5を収納しているパワーモジュール23が重なるように配置される。本実施例のインバータでは放電抵抗25を備えており、インバータをオフした際に平滑コンデンサ21に溜まっていた電荷はこの放電抵抗25によって放電される。車両側との信号のやり取りのために、インバータ室13の外壁には信号コネクタ26が備わっており、その信号コネクタ26はインバータ室13の壁の内側でフラットケーブル27の一方と繋がっており、その他方はモータ制御基板20と接続されている。
外部にあるバッテリ4からの直流電力はインバータ部2の一端に配置された強電コネクタ28から入力される。その直流電力はパワーモジュール23の直流端子55に伝達され、パワーモジュール23により交流に変換され、パワーモジュール23の交流端子56から口出し線17を介してコイル14に伝達される。この時、交流の電流は、電流センサ24を通ってコイル14と接続されている。ここを通るAC電流は電流センサ24により検知され、その電流値はモータ制御基板20に伝達され、モータの制御に使われる。口出し線17とパワーモジュール23の接続ラインは、サージやノイズの影響を抑制するために極限まで短く設計されている。
図6にパワーモジュール23の縦構造の模式図、及び図10,図11にパワーモジュール23の外観詳細図を示す。パワーモジュール23の下部には、その内部のパワー半導体素子5がスイッチング時に発生する熱を逃がすための放熱板42が備わっており、その下面には放熱用のフィン43が配置されている。本実施例のフィン43は円柱状のピンフィンを複数配列しているが、フィン形状は他の形状でもかまわない。パワーモジュール23はインバータ室13の床面に開いた開口部35に蓋をするようにボルト57がボルト穴36と締結されることにより固定されるが、このとき、フィン43が開口部35から下方に突出する。
図7はインナーハウジング11のみを表している。この表面にある周方向に長い帯状の凹部が冷却流路37である。これはインナーハウジング上をほぼ帯状に一周するように延びている。インナーハウジング11がアウターハウジング10内に収まるときにアウターハウジング10が冷却流路37の蓋を形成することになる。このとき、入口パイプ15の下に流路入口部39が配置され、また、図中は省略しているが、冷却流路37の両側に並行してインナーハウジングを一周するようにOリングもしくは液状シールを入れることで、漏水防止対策が可能になる。
パワーモジュール23のフィン43は、開口部35から突出すると同時に、この冷却流路37の平坦面38の上に突出することになる。つまり本実施例では、パワー半導体素子5が発生する熱が放熱板42を介してその板と一体化されたフィン43に到達し、そのフィン43が直接冷却されることでパワー半導体素子が冷却される直接水冷方式を採ることになる。尚、ここでは冷却水による水冷を前提としているが、冷却媒体は水以外でもかまわない。
図6は直接水冷と間接水冷の比較のために、パワーモジュール23内部の縦構造を模式的に表したものである。(a)は直接水冷、(b)は間接水冷である。一般的なパワーモジュール23の内部縦構造は上から順に、パワー半導体素子5,絶縁基板45,放熱板42で構成されている。
間接水冷ではインバータケース46のケース内壁47の水路側にフィン43が備わっており、パワーモジュール23はそのケース内壁47のフィン43と対向する面に設置される。この時、パワーモジュールの放熱板42とインバータケースの内壁47の間には一般的に放熱グリース48が塗布されており、金属と金属が合わさる面においては熱伝導の向上に寄与している。つまり、パワー半導体素子5は、放熱板42から放熱グリース48とインバータケース内壁47を介して冷却水44に放熱している。
直接水冷では、パワーモジュール23が搭載される位置は間接水冷と同じようにインバータケース46に固定されるが、その搭載面には開口があり、パワーモジュールは放熱板42でこの開口部をふさぐように搭載される。つまり、放熱板42にフィン43がある場合にはフィン43がこの開口部から冷却水側に突出することとなり、冷却水44は直接的に放熱板42やフィン43に当ることでパワー半導体素子5の熱を引いている。
このとき、パワー半導体素子(IGBT)5から冷却水44までの熱抵抗は、間接水冷で約0.15℃/W、直接水冷で約0.09℃/W程度である。つまり、間接水冷では熱抵抗が1.5倍高い。これを放熱面積で考えると、直接水冷は間接水冷に比べ、パワーモジュール23の床面積がおおよそ1.5分の1で済むということになる。
モータのハウジング上にインバータを搭載する一体化形状においてインバータの床面積を減らすことは、インバータとモータを別体で使用する場合よりも重要であり、本実施例のような形態に直接水冷を適用することは効果的である。これは同時に、間接水冷を用いた場合に比べて体積当たりのトルクを増すことにもなる。
さらに、図10で示すように、本施例で用いるパワーモジュール23は6つのパワー半導体素子5が3つずつ対向するように配置されている(パワー半導体素子5を2列に並べて収納している)ため、水路の長手方向の長さを短くすることに寄与している。つまり、筒状のモータハウジング上に搭載するのに適したパワーモジュール形状になっている。
さらに、本実施例ではこのパワーモジュール23を冷却するために次のような工夫がされている。図7の冷却通路37は通常、入口から出口まで一方方向に流すことを想定されるが、本実施例では図7に示すように、パワーモジュール下部に相当する平坦部38でUターンするような形状で形成されている。この領域では水路幅が狭く、つまりパワーモジュール下部では流速が上げられ、内部の6つのパワー半導体素子5は省スペースで効率的に冷却される。
本実施例では、冷却通路37が2つの冷却通路(第一の冷却通路と第二の冷却通路)により構成される。第一の冷却通路は、固定子と電力変換装置との間の筺体部分に設けられ、通路を流れる冷媒によって電力変換装置を冷却するものである。このとき冷媒は第一の列に並べられたパワー半導体素子を冷却した後に流れる方向を変えて、第二の列に並べられた前記パワー半導体素子を冷却する。一方、第二の冷却通路は、固定子の外側の筺体部分に設けられ、通路を流れる冷媒が前記回転電機の回転方向を周回することによって固定子を冷却するものである。
上述したように、図7では第一の冷却通路は冷媒が平坦部38でUターンするような形状を有している。なお、図7では一例としてUターンさせる形状を示しているが、冷媒の流速が上がるように平坦部38で冷媒の流れの向きを変える形状であれば良い。
第二の冷却通路は、第一の冷却通路に対し、インバータを冷却した後の冷媒が固定子を冷却するように連通するとともに、当該連通部分において、第一の冷却通路の断面積よりも第二の冷却通路の断面積の方が大きくなるよう連通した構成を採用している。
本実施例の冷却水はインバータ部2を冷却すると同時に、モータの固定子コア及びコイル14の冷却も行うモータ冷却水としての役割も兼ねている。
ここで注意すべき点として、モータのコイル14の許容温度とパワーモジュール23の動作温度の差がある。一般にモータのコイル14は高温になりやすく、冷却水はアウターハウジング10,インナーハウジング11を一周する間に温度が上昇する。通常、コイル14温度は最大180℃付近まで到達することが予想され、その一方で、パワーモジュール23の動作温度は自己発熱による温度上昇分を含めて最大125℃〜150℃付近が限界である。つまり、インバータとモータを一体化する際にはコイル14の温度がパワーモジュール23に与える影響を最小限に抑える設計が慣用となる。
図8は本実施例の断面を簡略的に示したものである。矢印は冷却水の流れを示しており、本図では入口パイプ15から入った冷却水はパワーモジュール23の放熱板42の下、及びフィン43の間を通過した後に図7のようにUターンするため、図8ではこの点(流路平坦面38右側)で紙面奥の方向に向かうことになる。その後冷却水は、本図面では反時計回りの方向にモータのコイル周辺を一周するように回り、出口パイプ16へ向かう。ここに示すように、本実施例では、冷却水の入口パイプ15をパワーモジュール23の近傍に極限まで近づけ、最も冷えている冷却水がまずパワーモジュール23を冷やすように配慮されている。こうすることで、先に述べたコイル14の温度がパワーモジュール23に与える熱的影響を最小限に抑えることが可能となる。
また、図9は、図8における入口パイプ15の形状を変更したものである。入口パイプ15が平坦部38と平行に設けられているため、入口パイプ15から入った時の冷却水の勢いが図8の場合よりも強くなり流速が上がる。その結果、パワー半導体素子5の省スペースで効率的な冷却に一層効果がある構成となる。
なお、本実施例においては、インバータ部2とモータ部3を完全に一体化した例を示したが、インバータ部2とモータ部3を別々に作り、後に合体することによる一体化も可能である。この利点として、仮にどちらか一方が壊れた場合に、片方のみの修復で済む等が挙げられるが、注意すべき点として、その分割面にはOリング等のシールが必要になる。
また、ここでの冷却水44の温度はモータ冷却水温度であると同時にインバータ冷却水でもある。つまり、本実施例の図中は示していないが、冷却水44内のフィン43近傍に温度センサを設けてその情報をモータ制御基板20に取り込むことで、モータとインバータの水温を同時に管理することになり、それぞれの部位に温度制限が必要な場合や冷却を制御する場合などに有効である。例えば、水温の上昇により、パワーモジュールやモータの固定子側に悪影響が出そうな場合は、水温に応じて電流を絞る(トルクに制限をかける)などの制御が可能となる。
1 インバータ一体型モータ
2 インバータ部
3 モータ部
4 バッテリ
5 パワー半導体素子(IGBT)
6 フライホイールダイオード
7 巻線のインピーダンス
10 アウターハウジング
11 インナーハウジング
12 フランジ
13 インバータ室
14 コイル
15 入口パイプ
16 出口パイプ
17 口出し線
20 モータ制御基板
21 平滑コンデンサ
22 ゲートドライブ基板
23 パワーモジュール
24 電流センサ
25 放電抵抗
26 信号コネクタ
27 フラットケーブル
28 強電コネクタ
35 開口部
36 ボルト穴
37 冷却通路
38 平坦部
39 流路入口部
42 放熱板
43 フィン
44 冷却媒体(冷却水)
45 絶縁基板
46 インバータケース
47 インバータケース内壁
48 放熱グリース
55 直流端子
56 交流端子
57 ボルト

Claims (3)

  1. 固定子と、前記固定子に回転空隙を介して回転するように設けられた回転子と、を有する回転電機と、
    前記固定子を保持する筺体によって保持され、前記回転電機を駆動する電力変換装置と、
    前記固定子と前記電力変換装置との間の筺体部分の平坦部に設けられ、通路を流れる冷媒によって前記電力変換装置を冷却する第一の冷却通路と、
    前記固定子の外側の筺体部分に設けられ、通路を流れる冷媒が前記回転電機の回転方向を周回することによって前記固定子を冷却する第二の冷却通路と、を有し、
    前記第一の冷却通路は、前記冷媒が流れる方向を変える形状を有し、
    前記第二の冷却通路は、前記第一の冷却通路に対し、前記電力変換装置を冷却した後の前記冷媒が前記固定子を冷却するように連通するとともに、当該連通部分において、前記第一の冷却通路の断面積よりも前記第二の冷却通路の断面積の方が大きくなるよう連通している、
    前記電力変換装置は、パワー半導体素子を収納するパワーモジュールを有し、
    前記パワーモジュールの放熱板は放熱フィンを有し、
    前記第一の冷却通路は、前記パワーモジュールが搭載される面に開口部を有し、
    前記放熱板の放熱フィンは、前記開口部から冷媒側に突出し、
    前記第一の冷却通路は冷却水の入口となる入口パイプと連通し、
    前記入口パイプは、前記平坦部と略平行に設けられている回転電機システム。
  2. 請求項1に記載の回転電機システムであって、
    前記電力変換装置は、パワー半導体素子を二列に並べて収納するパワーモジュールを有
    し、
    前記第一の冷却通路において、冷媒は第一の列に並べられた前記パワー半導体素子を冷
    却した後に流れる方向を変えて、第二の列に並べられた前記パワー半導体素子を冷却する
    ことを特徴とする回転電機システム。
  3. 請求項に記載の回転電機システムであって、
    前記放熱フィンの近傍に温度センサを有し、
    前記温度センサにより取得した温度データに基づいて冷却を制御することを特徴とする
    回転電機システム。
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