JP5748869B2 - 機電一体モジュール - Google Patents

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Description

この発明は、インバータ装置が回転電機の軸方向の反負荷側に冷却流路を内蔵する反負荷側エンドフレームを挟んで配置された機電一体モジュールに関し、特に回転電機とインバータ装置との電気配線構造に関するものである。
従来の電動機一体インバータ装置は、直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータ装置を交流モータの軸方向の反負荷側に配置して構成されている(例えば、特許文献1参照)。
従来の電動機一体インバータ装置では、冷却流路が形成されたリアフレームがインバータ装置と交流モータとの間に介装されているので、貫通穴を冷却流路を避けてリアフレームを軸方向に貫通するように形成し、接続導体をその貫通穴に通してインバータ装置の交流端子と交流モータのステータコイルとを電気的に接続していた。
特開2004−201462号公報
従来の電動機一体インバータ装置では、インバータ装置の交流端子と交流モータのステータコイルとを電気的に接続する接続導体をリアフレームに形成された貫通穴に通す必要がある。さらに、インバータ装置の交流端子と交流モータのステータコイルとの周方向および径方向位置が異なることから、接続導体を軸方向のみならず、周方向および径方向に引き回して貫通穴に通すことになる。このように、従来の電動機一体インバータ装置では、インバータ装置の交流端子と交流モータのステータコイルとの接続作業が煩雑になるという課題があった。
一般に、電気自動車の駆動モータでは、軸方向の長さが長く、軸方向に直交する断面積が小さい。そこで、電気自動車の駆動モータとインバータ装置とを一体化する場合には、インバータ素子の実装密度が高くなり、冷却流路も複雑となり、大きな口径の貫通穴を開けることができない。さらに、電気自動車の駆動モータでは、大電流がステータコイルに流れるので、接続導体が太くなり、曲げにくくなる。したがって、従来の電動機一体インバータ装置を電気自動車に適用する場合には、上記課題が顕著となる。
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、パワーモジュールの交流端子と回転電機のステータコイルとの接続作業が容易となる機電一体モジュールを得ることを目的とする。
この発明による機電一体モジュールは、筒状のフレーム、該フレームの軸方向一端に配置される負荷側エンドフレーム、および該フレームの軸方向他端に配置され、冷却流路が内蔵された反負荷側エンドフレームを有するハウジング、上記フレームに内嵌状態に収納、保持される円環状のステータコアおよび該ステータコアに巻装されたステータコイルを有するステータ、および上記負荷側エンドフレームと上記反負荷側エンドフレームとに軸支されて上記ステータの内周側に回転可能に配設されるロータを備えた回転電機と、上記反負荷側エンドフレームの上記負荷側エンドフレームと反対側に配設されるパワーモジュール、およびパワーモジュール駆動回路を有するインバータ装置と、を備えている。上記フレームは、その反負荷側端部の内径を拡大して形成され、上記反負荷側エンドフレームを内嵌状態に収納、保持する反負荷側エンドフレーム保持部と、該反負荷側エンドフレーム保持部の負荷側に該反負荷側エンドフレーム保持部より小径に形成され、上記ステータコアを内嵌状態に収納、保持するステータコア保持部と、を有している。溝方向を軸方向とする凹溝が、上記反負荷側エンドフレームの外周面と上記反負荷側エンドフレーム保持部の内周面との少なくとも一方に凹設され、上記ステータコイルと上記インバータ装置の交流端子とが、上記凹溝に通された接続導体により接続されている。
この発明によれば、凹溝が、反負荷側エンドフレームの外周面と反負荷側エンドフレーム保持部の内周面との少なくとも一方に凹設されているので、凹溝の断面積を大きくでき、接続導体を通しやすくなる。さらに、接続導体を凹溝に通した状態で、反負荷側エンドフレームを反負荷側エンドフレーム保持部に内嵌状態に収納させることができる。これにより、接続導体を口径の小さな貫通穴に通すような煩雑な作業が不要となり、インバータ装置の交流端子と回転電機のステータコイルとの接続作業が容易となる。
この発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールを示す断面図である。 この発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールに適用されるモータフレームを示す断面図である。 図1のIII−III矢視断面図である。 この発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールにおけるパワーモジュールの周方向間の範囲を説明する上面図である。 この発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールに適用されるモジュールの構成を説明する模式図である。 この発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールにおけるインバータ装置の組み立て方法を説明する分解斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールにおけるモータの組み立て方法を説明する分解斜視図である。 この発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールの組み立て方法を説明する分解斜視図である。 この発明の実施の形態2に係る機電一体モジュールにおけるパワーモジュールの配列状態を説明する断面図である。 この発明の実施の形態2に係る機電一体モジュールにおけるパワーモジュールの周方向間の範囲を説明する上面図である。 この発明の実施の形態3に係る機電一体モジュールにおけるパワーモジュールの配列状態を説明する断面図である。 この発明の実施の形態4に係る機電一体モジュールにおけるモータの構成を説明する分解斜視図である。 この発明の実施の形態4に係る機電一体モジュールにおけるインバータ装置の構成を説明する分解斜視図である。
以下、本発明による機電一体モジュールの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールを示す断面図、図2はこの発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールに適用されるモータフレームを示す断面図、図3は図1のIII−III矢視断面図、図4はこの発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールにおけるパワーモジュールの周方向間の範囲を説明する上面図、図5はこの発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールに適用されるモジュールの構成を説明する模式図、図6はこの発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールにおけるインバータ装置の組み立て方法を説明する分解斜視図、図7はこの発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールにおけるモータの組み立て方法を説明する分解斜視図、図8はこの発明の実施の形態1に係る機電一体モジュールの組み立て方法を説明する分解斜視図である。なお、図3および図6では、説明の便宜上、コンデンサおよび基板支えを省略している。
図1において、機電一体モジュール100は、回転電機としてのモータ1と、外部から供給された直流電力を交流電力に変換してモータ1に供給するインバータ装置40と、を有し、インバータ装置40がモータ1の反負荷側に一体に組み込まれて構成されている。
モータ1は、モータフレーム2と、反負荷側エンドフレーム12と、モータフレーム2と反負荷側エンドフレーム12とからなるハウジング内に回転可能に配設されたロータ20と、ロータ20を囲繞するようにモータフレーム2に取り付けられたステータ30と、を備えている。
モータフレーム2は、図2に示されるように、円盤状の負荷側エンドフレーム3および負荷側エンドフレーム3の外周縁部から軸方向に延設された円筒状のフレーム4を有する有底円筒状に作製されている。負荷側軸受26が負荷側エンドフレーム3の軸心位置に装着されている。フレーム4は、内径が負荷側エンドフレーム3側から開口側(反負荷側)に向ってステップ状に漸次大きくなる内周面形状に形成されている。すなわち、フレーム4は、負荷側から反負荷側に向って、内径Laの負荷側コイルエンド収納部5、内径Lsのステータコア保持部6、内径Lcの反負荷側コイルエンド収納部7、および内径Liの反負荷側エンドフレーム保持部8の順に並んで構成されている。モータ冷却流路9がフレーム4に内蔵されている。さらに、接続導体案内溝10が、それぞれ、溝方向を軸方向として、反負荷側コイルエンド収納部7の内周面に凹設され、周方向に等角ピッチで6つ配列されている。
ここで、負荷側コイルエンド収納部5は、ステータコイル34の負荷側コイルエンドの軸方向長さより僅かに長い軸方向長さを有する。ステータコア保持部6は、ステータコア31の軸方向長さに略等しい軸方向長さを有する。反負荷側コイルエンド収納部7は、ステータコイル34の反負荷側コイルエンドの軸方向長さより長い軸方向長さを有する。さらに、反負荷側エンドフレーム保持部8は、反負荷側エンドフレーム12より僅かに短い軸方向長さを有する。そして、反負荷側コイルエンド収納部7が内径拡大部に相当する。また、負荷側エンドフレーム3は、フレーム4と一体に形成されているが、フレーム4と別部材で作製されてもよい。
反負荷側エンドフレーム12は、リング平板状に作製された基部13と、基部13の一面の外周縁部に所定高さに環状に立設された隔壁14aと、基部13の一面に隔壁14aの内径側に同心状に立設された隔壁14bと、一面をパワーモジュール搭載面とする冷却フレーム15と、冷却フレーム15の他面に、それぞれ、所定の延出高さで周方向に延設されて、径方向に多層に配設された流路用リブ16と、を備えている。そして、冷却フレーム15が、冷却フレーム15の他面の外周側と内周側を隔壁14a,14bに接合され、基部13と一体化される。これにより、環状のインバータ冷却流路17が反負荷側エンドフレーム12に内蔵される。さらに、凹溝18が、図3に示されるように、それぞれ、溝方向を軸方向として、基部13、隔壁14aおよび冷却フレーム15の外周面に凹設され、周方向に等角ピッチで6つ配列されている。反負荷側軸受27が反負荷側エンドフレーム12の基部13の軸心位置に装着されている。
なお、モータフレーム2および反負荷側エンドフレーム12は、例えば、アルミニウムを用いてダイカストにより製造されるが、材料は良熱伝導金属であればアルミニウムに限定されず、製造方法もダイカストに限定されない。
ロータ20は、電磁鋼板などの磁性薄板を積層して構成された円筒状のロータコア21と、それぞれ、ロータコア21の外周側を軸方向に貫通するように形成されて、周方向に等角ピッチで配設された10個の磁石収納穴23のそれぞれに収納、固着された10個の永久磁石22と、ロータコア21の軸心位置を貫通するように挿入されてロータコア21に固着されたシャフト24と、ロータコア21の軸方向両端面に固着され、永久磁石22の抜けを阻止する一対の端板25と、を備えている。永久磁石22は、径方向外側の極性がN極とS極とに周方向に交互になるように配設されている。
ロータ20は、シャフト24の軸方向他端側を負荷側軸受26を介して負荷側エンドフレーム3に支持され、シャフト24の軸方向一端側を反負荷側軸受27を介して反負荷側エンドフレーム12の基部13に支持されて、ハウジング内に回転可能に配設されている。反負荷側エンドフレーム12は、反負荷側エンドフレーム保持部8に内嵌状態に挿入され、焼きばめなどにより固着されている。また、凹溝18が、反負荷側エンドフレーム保持部8に形成された接続導体案内溝10と軸方向に相対している。さらに、レゾルバ28がシャフト24の軸方向一端に取り付けられ、ロータ20の回転位置を検出可能となっている。
ステータ30は、電磁鋼板などの磁性薄板を積層して構成され、円環状のコアバック32、およびそれぞれコアバック32の内周面から径方向内方に延在して、周方向に等角ピッチで配列された12個のティース33を有するステータコア31と、絶縁被覆された導体線をティース33のそれぞれに絶縁材で作製されたインシュレータ36を介して集中巻きに巻回して作製された12個の集中巻コイル35から構成されるステータコイル34と、を備えている。
ここで、ステータコイル34は、反負荷側で内部結線処理(端部処理)が施されている。つまり、各集中巻コイル35の一端側がステータコア31の反負荷側に引き出され、それぞれ、周方向に隣り合う2個の集中巻コイル35を巻き方向が逆となるように直列に接続して6つの相コイルが構成される。そして、それぞれ、3つの相コイルをY結線して2つの3相交流巻線が構成される。さらに、接続導体39が、それぞれ、ステータコア31の反負荷側に引き出された集中巻コイル35の他端側に接続される。各接続導体39は、曲げられて径方向外方に引き回され、その後曲げられて周方向に所定位置まで引き回され、さらに曲げられて軸方向の反負荷側に引き出されている。
ステータ30は、ステータコア31をフレーム4のステータコア保持部6に反負荷側から内嵌状態に挿入され、焼きばめなどにより固着され、ロータコア21の外周側にシャフト24と同軸にモータフレーム2に保持されている。ステータコイル34の内部結線部(端部処理部)が、渡線絶縁部材37を介してステータ30およびフレーム4に保持されている。さらに、各接続導体39が接続導体案内溝10内に収納され、軸方向反負荷側に引き出されている。
このように構成されたモータ1は、極数10、スロット数12のインナーロータ型の3相モータとして動作する。
インバータ装置40は、図1および図3に示されるように、冷却フレーム15のパワーモジュール搭載面に周方向に等角ピッチで6個配設されたパワーモジュール41と、パワーモジュール41を駆動する回路が搭載されたパワーモジュール駆動回路基板42と、パワーモジュール41およびパワーモジュール駆動回路基板42を覆うように配置されて反負荷側エンドフレーム12にねじなどにより締着され、パワーモジュール41およびパワーモジュール駆動回路基板42を保護する保護カバー43と、を備えている。なお、パワーモジュール41は、その中心を通る半径に対して対称となっている。
パワーモジュール41は、図5に示されるように、一端が正極側直流端子50に接続され、他端がモジュール交流端子52に接続された上アーム側スイッチング素子53と、一端がモジュール交流端子52に接続され、他端が負極側直流端子51に接続された下アーム側スイッチング素子54と、上アーム側および下アーム側スイッチング素子53,54のそれぞれに並列に取り付けられた還流ダイオード55と、それらを封止する樹脂封止部56と、からなり、直流電力と1相分の交流電力との変換に対応する2in1モジュールを構成している。凹溝18は、図3に示されるように、周方向に隣り合う2つのパワーモジュール41の周方向間に位置している。ここで、周方向に隣り合う2つのパワーモジュール41の周方向間とは、図4に示されるように、周方向に隣り合う2つのパワーモジュール41の径方向の最外径部のなかの最も接近する最外径部を通る2つの半径間の領域である。
交流導体49が、それぞれ、一端をモジュール交流端子52に接続されて、冷却フレーム15に配設された電流センサ47の内部を通過して凹溝18側に延在している。接続導体39は、それぞれ、接続導体案内溝10および反負荷側エンドフレーム保持部8と凹溝18とで構成される空隙内を通って反負荷側エンドフレーム12の反負荷側に引き出され、交流導体49の他端に接続されている。絶縁部材38が反負荷側エンドフレーム保持部8と凹溝18とで構成される空隙内に充填され、接続導体39を反負荷側エンドフレーム保持部8あるいは冷却フレーム15に固着している。なお、絶縁部材38は、例えば、シリコーンゴムなどの弾性を有する絶縁性樹脂を用いて、反負荷側エンドフレーム保持部8と凹溝18とで構成される空隙の断面形状より僅かに大きな断面形状を有する柱状体に作製され、接続導体挿入穴38aがその中心位置に形成されている。接続導体39は、絶縁部材38の接続導体挿入穴38aに通され、フレーム4と反負荷側エンドフレーム12に対する絶縁状態が確保される。
パワーモジュール駆動回路基板42は、基板支え45を介して冷却フレーム15に取り付けられ、パワーモジュール41の反負荷側に配置されている。コンデンサ46は、パワーモジュール41が接続されるパワーモジュール駆動回路基板42のDCブスバ(図示せず)にパワーモジュール41と並列に接続されて、基部13の反負荷側の隔壁14bの内周側に取り付けられている。
保護カバー43は、フレーム4と略等しい外径を有する有底円筒状に作製され、モータフレーム2とともに、機電一体モジュール100の全体を覆っている。
このように構成される機電一体モジュール100を組み立てるには、まず、図6に示されるように、6つのパワーモジュール41を冷却フレーム15のパワーモジュール搭載面に周方向に等角ピッチで配設し、電流センサ47を冷却フレーム15のパワーモジュール搭載面のパワーモジュール41の周方向間のそれぞれに配設する。ついで、交流導体49を各電流センサ47内を通し、その一端をパワーモジュール41のモジュール交流端子52に接続し、他端をインバータ装置40の交流端子48に接続する。さらに、コンデンサ46が実装されたパワーモジュール駆動回路基板42を基板支え45により冷却フレーム15に取り付け、所定の結線を行い、インバータ装置40を組み立てる。
ついで、図7に示されるように、ステータコイル34が巻装されたステータコア31をフレーム4のステータコア保持部6に反負荷側から内嵌状態に挿入し、ステータコア31をステータコア保持部6に焼きばめなどにより固着し、ステータ30をモータフレーム2に組み込む。このとき、ステータコア31が負荷側コイルエンド収納部5とステータコア保持部6との間の段差に突き当たり、ステータ30の軸方向の位置決めがなされる。ついで、反負荷側コイルエンド収納部7内の反負荷側コイルエンドの外径側でステータコイル34の内部結線処理(端部処理)を行い、6本の接続導体39をそれぞれ接続導体案内溝10内を通して軸方向反負荷側に引き出す。なお、ステータコイル34の内部結線処理は、ステータ30をモータフレーム2に組み込む前に行われてもよい。
ついで、シャフト24を負荷側軸受26に挿入、保持させる、そして、端板25に挟持されたロータコア21の中心穴にシャフト24を押し込むように、ロータコア21をステータ30内に反負荷側から挿入する。このとき、ロータコア21がシャフト24のロータ位置決め段差24aに突き当たり、ロータ20の軸方向の位置決めがなされる。
ついで、図8に示されるように、インバータ装置40が組み込まれた反負荷側エンドフレーム12を、反負荷側エンドフレーム保持部8に内嵌状態に挿入し、反負荷側エンドフレーム12と反負荷側エンドフレーム保持部8とを焼きばめなどにより固着する。このとき、反負荷側エンドフレーム12は、凹溝18が接続導体案内溝10と軸方向に相対するように、周方向位置を調整され、接続導体案内溝10内を通って軸方向反負荷側に引き出されている接続導体39を凹溝18内に挿入した状態で反負荷側エンドフレーム保持部8に挿入される。そして、反負荷側エンドフレーム12が反負荷側コイルエンド収納部7と反負荷側エンドフレーム保持部8との間の段差に突き当たり、反負荷側エンドフレーム12の軸方向の位置決めがなされる。さらに、シャフト24の一端側が反負荷側軸受27に挿入され、ロータ20が回転自在にハウジング内に配設される。そして、レゾルバ28をシャフト24の軸方向一端に取り付ける。なお、接続導体39は、反負荷側エンドフレーム保持部8と凹溝18とで構成される空隙内を通って反負荷側に引き出される。
ついで、接続導体39を接続導体挿入穴38a内に通しながら、絶縁部材38を反負荷側から反負荷側エンドフレーム保持部8と凹溝18とで構成される空隙内に押し入れる。これにより、接続導体39がフレーム4又は反負荷側エンドフレーム12に絶縁状態に固定される。ついで、反負荷側に引き出された接続導体39の端部を切断し、その切断端を交流端子48にねじなどにより接続する。ついで、保護カバー43を反負荷側からインバータ装置40を覆うように装着し、反負荷側エンドフレーム12にねじなどにより固定し、機電一体モジュール100が組み立てられる。
このように組み立てられた機電一体モジュール100においては、図示していないが、直流電力を外部からインバータ装置40に給電するDC配線、および駆動指令をインバータ装置40に通信する信号線が、保護カバー43から取り出され、外部の電源および信号発生器に接続される。また、モータフレーム2および反負荷側エンドフレーム12は、それぞれ、冷却水の給水ポートと排水ポートを有し、一方の給水ポートと他方の排水ポートとを外部配管により連結され、直列に接続されている。
この機電一体モジュール100では、外部電源から供給された直流電力がインバータ装置40により交流電力に変換され、ステータコイル34に供給される。これにより、ステータ30に回転磁界が発生される。このステータ30の回転磁界と永久磁石22による磁界との相互作用により回転力が発生し、ロータ20が回転駆動され、その回転トルクがシャフト24を介して出力される。
そして、冷却水が、フレーム4に内蔵されたモータ冷却流路9に給水され、モータ冷却流路9を流通した後、外部配管を介して反負荷側エンドフレーム12に内蔵されたインバータ冷却流路17に導かれ、インバータ冷却流路17を流通した後、排出される。そこで、ステータコイル34での発熱は、ステータコア31を介してフレーム4に伝達され、モータ冷却流路9を流通する冷却水に放熱され、ステータ30の温度上昇が抑制される。パワーモジュール41の上アーム側および下アーム側スイッチング素子53,54での発熱は、冷却フレーム15に伝達され、インバータ冷却流路17を流通する冷却水に放熱され、パワーモジュール41の温度上昇が抑制される。
この実施の形態1では、凹溝18が、反負荷側エンドフレーム12の外周面に凹設されているので、凹溝18の断面積を大きくでき、接続導体39を通しやすくなる。さらに、接続導体39を凹溝18に通した状態で、反負荷側エンドフレーム12を反負荷側エンドフレーム保持部8に内嵌状態に収納させることができる。これにより、接続導体39を口径の小さな貫通穴に通すような煩雑な作業が不要となり、インバータ装置40の交流端子48とモータ1のステータコイル34との接続作業が容易となる。
フレーム4のステータコア保持部6の反負荷側に、ステータコア保持部6より大径の反負荷側コイルエンド収納部7を形成しているので、空きスペースがステータコイル34の反負荷側コイルエンドの外径側に形成される。そこで、当該空きスペースを利用して、ステータコイル34の内部結線を行うことができ、ステータコイル34の端部処理が簡易となる。
接続導体案内溝10が溝方向を軸方向として反負荷側コイルエンド収納部7の内周面に凹設されているので、接続導体案内溝10を案内として接続導体39を凹溝18まで誘導しやすくなり、反負荷側エンドフレーム12の反負荷側エンドフレーム保持部8への装着が容易となる。
6つのパワーモジュール41が冷却フレーム15のモジュール搭載面に周方向に等角ピッチで配列されているので、発熱部品であるパワーモジュール41が周方向に分散される。そこで、インバータ冷却流路17を流通する冷却水による冷却ムラの発生が抑制され、一部のパワーモジュール41が過度に温度上昇するような事態が発生しない。
凹溝18が反負荷側エンドフレーム12の外周面に凹設されているので、インバータ冷却流路17と干渉することなく凹溝18を形成できる。そこで、冷却性能を悪化させることなく、凹溝18を簡易に、かつ大きな溝断面積に形成することができる。
凹溝18がパワーモジュール41のそれぞれに対応して設けられているので、各凹溝18に通される接続導体39が1本となり、接続導体39を凹溝18に通す作業が容易となる。
凹溝18が隣り合う2つのパワーモジュール41の周方向間に位置しているので、接続導体39をインバータ装置40の交流端子48に接続する作業スペースが広くなり、その接続作業が容易となる。
電流センサ47が隣り合う2つのパワーモジュール41の周方向間に位置しているので、電流センサ47の設置スペースが広くなり、その設置および接続作業が容易となる。
電流センサ47が冷却フレーム15上に配設されているので、電流センサ47の冷却性が高められ、温度変化による検出ずれの発生を抑えることができ、制御性を高めることができる。
絶縁部材38が反負荷側エンドフレーム保持部8と凹溝18とにより構成される空隙に充填されているので、接続導体39の空隙内での揺動が抑えられる。そこで、接続導体39の断線の発生を抑えることができるとともに、接続導体39とステータコイル34や交流端子48との接続部の損傷の発生を抑えることができる。
絶縁部材38が反負荷側エンドフレーム保持部8と凹溝18とにより構成される空隙に充填されているので、インバータサージ電圧の高い部分での絶縁強度を高めることができる。
ここで、上記実施の形態1では、パワーモジュール41を構成する上アーム側スイッチング素子53および下アーム側スイッチング素子54および還流ダイオード55の材料について言及していないが、上アーム側および下アーム側スイッチング素子53,54および還流ダイオード55は、ケイ素などの半導体や、炭化ケイ素、窒化ガリウムなどのワイドバンドギャップ半導体を用いて作製される。例えば、上アーム側および下アーム側スイッチング素子53,54および還流ダイオード55を炭化ケイ素、窒化ガリウムなどのワイドバンドギャップ半導体を用いて作製した場合、ワイドバンドギャップ半導体が高耐熱素子であることから、冷却水はモータ冷却流路9を流通した後、インバータ冷却流路17に流すことができる。これにより、モータ1が効果的に冷却され、モータ1の小型化および高効率化が図られる。
なお、上記実施の形態1では、凹溝を反負荷側エンドフレームの外周面に凹設するものとしているが、凹溝は反負荷側エンドフレーム保持部の内周面に凹設してもよい。
また、上記実施の形態1では、凹溝を反負荷側エンドフレームの外周面にのみ凹設するものとしているが、凹溝は、反負荷側エンドフレームの外周面および反負荷側エンドフレーム保持部の内周面に相対するように凹設してもよい。この場合、凹溝により構成される空隙の断面積が大きくなるので、接続導体の断面積を大きくでき、接続導体での損失および発熱を低減できる。
また、上記実施の形態1では、絶縁部材としてシリコーンゴムなどの弾性を有する絶縁性樹脂を用いているが、フィラーなどを充填して良熱伝導性を高めてもよい。この場合、接続導体での発熱が冷却フレームに効率よく伝達されるので、接続導体の冷却性が向上され、接続導体での損失を低減できる。
実施の形態2.
図9はこの発明の実施の形態2に係る機電一体モジュールにおけるパワーモジュールの配列状態を説明する断面図、図10はこの発明の実施の形態2に係る機電一体モジュールにおけるパワーモジュールの周方向間の範囲を説明する上面図である。
図9において、エンドフレーム位置決め用突起部60が、凹溝18の溝幅と同等の周方向幅を有し、反負荷側エンドフレーム保持部8の内周面に、それぞれ軸方向に延設されて、周方向に等角ピッチで6つ配設されている。そして、エンドフレーム位置決め用突起部60が凹溝18のそれぞれに嵌合されている。また、パワーモジュール41は、パワーモジュール41の中心を通る半径に対して、非対称に傾いて、周方向に等角ピッチに配列されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
この実施の形態2においても、インバータ装置40の交流端子48とモータ1のステータコイル34とが、凹溝18内に通された接続導体39により接続されているので、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
この実施の形態2によれば、エンドフレーム位置決め用突起部60が反負荷側エンドフレーム保持部8の内周面に突設され、凹溝18のそれぞれに嵌合されている。そこで、モータフレーム2と反負荷側エンドフレーム12、すなわちモータフレーム2とインバータ装置40との周方向の位置決めが、特別な位置決め機構を用いることなく簡易に行われる。また、接続導体39を反負荷側に引き出すための凹溝18をモータフレーム2とインバータ装置40との位置決めに用いているので、モータフレーム2とインバータ装置40との位置決め専用の凹溝を新たに反負荷側エンドフレーム12に形成する必要がなく、反負荷側エンドフレーム12の構成の簡素化が図られる。
パワーモジュール41は、パワーモジュール41の中心を通る半径に対して、非対称に傾いて、周方向に等角ピッチに配列されているので、隣り合う2つのパワーモジュール41の周方向間が、図10に示されるように、上記実施の形態1に比べて、広くなる。そこで、空隙の断面積や電流センサ47の設置面積を広くなり、機電一体モジュールの組立が容易となる。
なお、上記実施の形態2では、エンドフレーム位置決め用突起部を凹溝のそれぞれに嵌合させるものとしているが、エンドフレーム位置決め用突起部の個数は1つでもよい。
実施の形態3.
図11はこの発明の実施の形態3に係る機電一体モジュールにおけるパワーモジュールの配列状態を説明する断面図である。
図11において、周方向の溝幅がaの凹溝18aと、周方向の溝幅がbの凹溝18bと、周方向の溝幅がcの凹溝18cが、凹溝18a、凹溝18b、凹溝18c、凹溝18a、凹溝18cおよび凹溝18bの順に並んで反負荷側エンドフレーム12の外周面に凹設されている。周方向の溝幅がaのエンドフレーム位置決め用突起部60aと、周方向の溝幅がbのエンドフレーム位置決め用突起部60bと、周方向の溝幅がcのエンドフレーム位置決め用突起部60cが、エンドフレーム位置決め用突起部60a、エンドフレーム位置決め用突起部60b、エンドフレーム位置決め用突起部60c、エンドフレーム位置決め用突起部60a、エンドフレーム位置決め用突起部60cおよびエンドフレーム位置決め用突起部60bの順に並んで反負荷側エンドフレーム保持部8の内周面に突設されている。ここで、幅a、b、cは、c<a<bの関係となっている。
なお、他の構成は上記実施の形態2と同様に構成されている。
この実施の形態3では、エンドフレーム位置決め用突起部60a,60b,60cが反負荷側エンドフレーム保持部8の内周面に突設され、凹溝18a,18b,18cのそれぞれに嵌合されている。また、パワーモジュール41は、パワーモジュール41の中心を通る半径に対して、非対称に傾いて、周方向に等角ピッチに配列されている。したがって、この実施の形態3においても、上記実施の形態2と同様に効果を奏する。
この実施の形態3によれば、エンドフレーム位置決め用突起部60a,60b,60cが凹溝18a,18b,18cに嵌合されて、反負荷側エンドフレーム12が反負荷側エンドフレーム保持部8に収納、保持されている。そして、反負荷側エンドフレーム12は凹溝18a,18b,18cの幅に関し回転対称とならない。そこで、モータフレーム2とインバータ装置40との回転位置を一意に決められるので、相コイルのそれぞれに専用のパワーモジュール41から給電するような用途に有効である。
なお、上記実施の形態3では、幅の異なる凹溝を周方向に等角ピッチに配列してモータフレームとインバータ装置との回転位置を一意に決められるようにしているが、幅の等しい凹溝を周方向に不等ピッチに配列しても、同様の効果を奏する。
実施の形態4.
図12はこの発明の実施の形態4に係る機電一体モジュールにおけるモータの構成を説明する分解斜視図、図13はこの発明の実施の形態4に係る機電一体モジュールにおけるインバータ装置の構成を説明する分解斜視図である。
図12において、モータフレーム2Aは、円盤状の負荷側エンドフレーム3および負荷側エンドフレーム3の外周縁部から軸方向に延設された円筒状のフレーム4Aを有する有底円筒状に作製されている。フレーム4Aは、内径が負荷側エンドフレーム3側から開口側(反負荷側)に向ってステップ状に漸次大きくなる内周面形状に形成されている。すなわち、フレーム4Aは、負荷側から反負荷側に向って、負荷側コイルエンド収納部5、ステータコア保持部6、反負荷側コイルエンド収納部7、および反負荷側エンドフレーム保持部8の順に並んで構成されている。
接続導体案内溝10Aが、それぞれ、溝方向を軸方向として、反負荷側コイルエンド収納部7および反負荷側エンドフレーム保持部8の内周面に凹設され、周方向に等角ピッチで6つ配列されている。接続導体案内溝10Aは、溝幅が開口(径方向内方)に向かって漸次広くなる口開き状の断面形状を有し、かつ開口幅が負荷側から反負荷側に向かって漸次広くなるように形成されている。ステータ位置決め用凹溝61が、溝方向を軸方向として、ステータコア保持部6の内周面に凹設されている。エンドフレーム位置決め用凹溝62が、溝方向を軸方向として、反負荷側エンドフレーム保持部8の内周面に、接続導体案内溝10Aの反負荷側エンドフレーム保持部8に形成された部位の開口幅より広い溝幅で凹設されている。
ステータ30Aは、円環状のコアバック32A、およびそれぞれコアバック32Aの内周面から径方向内方に突出して、周方向に等角ピッチで配列された12個のティース33を有するステータコア31Aと、絶縁被覆された導体線をティース33のそれぞれに絶縁材で作製されたインシュレータ36を介して集中巻きに巻回して作製された12個の集中巻コイル35から構成されるステータコイル34と、を備えている。ステータ位置決め用突起部63が、ステータ位置決め用凹溝61に嵌合可能な断面形状で、コアバック32Aの外周面に、負荷側から反負荷側に至るように形成されている。
図13において、凹溝18Aが、それぞれ、溝方向を軸方向として、基部13、隔壁14aおよび冷却フレーム15の外周面に凹設され、周方向に等角ピッチで6つ配列されている。凹溝18Aは、溝幅が開口(径方向外方)に向かって漸次広くなる口開き状の断面形状を有し、かつ開口幅が負荷側から反負荷側に向かって漸次広くなるように形成されている。エンドフレーム位置決め用突起部64が、エンドフレーム位置決め用凹溝62に嵌合可能な断面形状で、基部13、隔壁14aおよび冷却フレーム15の外周面に、エンドフレーム位置決め用凹溝62に対応するように、負荷側から反負荷側に至るように形成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
実施の形態4では、このステータ30Aは、ステータコア31Aをフレーム4Aのステータコア保持部6に反負荷側から内嵌状態に挿入され、焼きばめなどにより固着される。このとき、ステータコア31Aが負荷側コイルエンド収納部5とステータコア保持部6との間の段差に突き当たり、ステータ30Aの軸方向の位置決めがなされる。また、ステータ位置決め用突起部63がステータ位置決め用凹溝61に挿入され、ステータ30Aに周方向の位置決めがなされる。そして、ロータ20が、反負荷側からステータ30A内に挿入される。ついで、図示していないが、反負荷側コイルエンド収納部7内の反負荷側コイルエンドの外径側でステータコイル34の内部結線処理(端部処理)を行い、6本の接続導体39がそれぞれ接続導体案内溝10A内を通して軸方向反負荷側に引き出される。
また、6個のパワーモジュール41が冷却フレーム15のパワーモジュール搭載面に周方向に等角ピッチで配設され、電流センサ47が冷却フレーム15のパワーモジュール搭載面のパワーモジュール41の周方向間のそれぞれに配設される。交流導体49が各電流センサ47内を通され、その一端をパワーモジュール41のモジュール交流端子52に接続され、他端を交流端子48に接続される。コンデンサ46が実装されたパワーモジュール駆動回路基板42が基板支え45(図示せず)により冷却フレーム15に取り付けられ、所定の結線が行われて、インバータ装置40Aが組み立てられる。
インバータ装置40Aが組み込まれた反負荷側エンドフレーム12Aは、反負荷側エンドフレーム保持部8に内嵌状態に挿入され、反負荷側エンドフレーム12Aと反負荷側エンドフレーム保持部8とが焼きばめなどにより固着される。このとき、エンドフレーム位置決め用突起部64がエンドフレーム位置決め用凹溝62に挿入され、反負荷側エンドフレーム12Aの周方向の位置決めがなされる。そこで、反負荷側エンドフレーム12Aは、凹溝18Aが接続導体案内溝10Aと軸方向に相対するように、周方向位置を調整され、接続導体案内溝10A内を通って軸方向反負荷側に引き出されている接続導体39を凹溝18A内に挿入した状態で反負荷側エンドフレーム保持部8に挿入される。そして、接続導体39が接続導体案内溝10Aと凹溝18Aとで構成される空隙内を通って反負荷側に引き出される。このとき、反負荷側エンドフレーム12Aが反負荷側コイルエンド収納部7と反負荷側エンドフレーム保持部8との間の段差に突き当たり、反負荷側エンドフレーム12Aの軸方向の位置決めがなされる。
ついで、接続導体39(図示せず)を接続導体挿入穴内に通しながら、絶縁部材38(図示せず)が反負荷側から接続導体案内溝10Aと凹溝18Aとで構成される空隙内に押し入れられる。ついで、反負荷側に引き出された接続導体39の端部が切断され、その切断端が交流端子48にねじなどにより接続される。さらに、保護カバー43(図示せず)が反負荷側からインバータ装置40Aを覆うように装着され、反負荷側エンドフレーム12Aにねじなどにより固定され、モータ1Aとインバータ装置40Aとからなる機電一体モジュールが組み立てられる。
この実施の形態4によれば、ステータ位置決め用凹溝61がフレーム4Aのステータコア保持部6の内周面に形成され、ステータ位置決め用突起部63がステータ位置決め用凹溝61に嵌合可能にステータコア31Aのコアバック32Aの外周面に形成されている。そこで、ステータ30Aをフレーム4Aに組み付ける際に、ステータ位置決め用突起部63をステータ位置決め用凹溝61に嵌合させることで、回転方向に関して、位置決めされた状態でステータ30Aをフレーム4Aに組み込むことができる。
エンドフレーム位置決め用凹溝62がフレーム4Aの反負荷側エンドフレーム保持部8の内周面に形成され、エンドフレーム位置決め用突起部64がエンドフレーム位置決め用凹溝62に嵌合可能に、基部13、隔壁14aおよび冷却フレーム15の外周面に形成されている。そこで、反負荷側エンドフレーム12Aをフレーム4Aに組み付ける際に、エンドフレーム位置決め用突起部64をエンドフレーム位置決め用凹溝62に嵌合させることで、回転方向に関して、位置決めされた状態で反負荷側エンドフレーム12Aをフレーム4Aに組み込むことができる。これにより、モータフレーム2Aおよびインバータ装置40Aの回転方向の位置が一意に決められる。そこで、ステータ30Aおよびとインバータ装置40Aの交流端子48の回転方向の位置が一意に決められ、接続導体39と交流端子48との結線作業が簡易となる。
エンドフレーム位置決め用突起部64の周方向幅が接続導体案内溝10Aの反負荷側の開口幅より広く形成されているので、反負荷側エンドフレーム12Aをフレーム4Aに組み付ける際に、エンドフレーム位置決め用突起部64が接続導体案内溝10Aに挿入されることがなく、反負荷側エンドフレーム12Aとフレーム4Aとの組立性が高められる。
接続導体案内溝10Aおよび凹溝18Aが口開き状の溝断面形状に形成されている。そこで、反負荷側エンドフレーム12Aをフレーム4Aに組み付ける際に、接続導体案内溝10A内を通って反負荷側に引き出された接続導体39を凹溝18A内に簡易に挿入できる。さらに、反負荷側エンドフレーム12Aを反負荷側エンドフレーム保持部8内に挿入する過程で、接続導体39が接続導体案内溝10Aおよび凹溝18Aの口開き状の内壁面に沿って接続導体案内溝10Aと凹溝18Aとで構成される空隙内に収容され、接続導体39の位置決めが行われる。したがって、接続導体39のステータ30Aからの反負荷側への引出位置を高精度に管理する必要がない。さらに、反負荷側エンドフレーム12Aを反負荷側エンドフレーム保持部8内に挿入する際に、接続導体39が基部13に当たって曲げられ、凹溝18Aに挿入できなくなるような不具合の発生が抑制される。
接続導体案内溝10Aおよび凹溝18Aの開口幅が負荷側から反負荷側に向かって漸次広くなるように形成されているので、反負荷側エンドフレーム12Aをフレーム4Aに組み付けた後、絶縁部材38を接続導体案内溝10Aと凹溝18Aにより構成される空隙に反負荷側から挿入しやすくなる。ここで、反負荷側から当該空隙への挿入性を高める観点から、絶縁部材38を、接続導体案内溝10Aと凹溝18Aにより構成される空隙の開口形状に適合する断面形状で、反負荷側から負荷側に向かって漸次小さくなる先細り形状に構成することが好ましい。
なお、上記実施の形態4では、ステータ位置決め用凹溝がステータ保持部の内周面に形成され、ステータ位置決め用突起部がステータコアのコアバックの外周面に形成されているが、ステータ位置決め用突起部をステータ保持部の内周面に形成し、ステータ位置決め用凹溝をステータコアのコアバックの外周面に形成してもよい。また、ステータ位置決め用凹溝をステータ保持部の内周面とコアバックの外周面に形成し、両ステータ位置決め用凹溝を径方向に対向させ、両ステータ位置決め用凹溝により構成される空隙内にキーを差し入れてフレームとステータの回転方向の位置を位置決めしてもよい。
また、上記実施の形態4では、ステータ位置決め用凹溝とステータ位置決め用突起部をステータ保持部の内周面とコアバックの外周面に一つずつ形成しているが、ステータ位置決め用凹溝とステータ位置決め用突起部の対は複数であってもよい。この場合、ステータ位置決め用凹溝とステータ位置決め用突起部の複数対を、対間の周方向間隔、あるいは各対の凹凸形状が回転非対称となるように形成し、フレームとステータとの回転方向の位置が一意に定まるようにすることが好ましい。
また、上記実施の形態4では、エンドフレーム位置決め用凹溝が反負荷側エンドフレーム保持部の内周面に形成され、エンドフレーム位置決め用突起部が反負荷側エンドフレーム(基部、隔壁および冷却フレーム)の外周面に形成されているが、エンドフレーム位置決め用突起部を反負荷側エンドフレーム保持部の内周面に形成し、エンドフレーム位置決め用凹溝を反負荷側エンドフレームの外周面に形成してもよい。
また、上記実施の形態4では、エンドフレーム位置決め用凹溝とエンドフレーム位置決め用突起部を反負荷側エンドフレーム保持部の内周面と反負荷側エンドフレームの外周面に一つずつ形成しているが、エンドフレーム位置決め用凹溝とエンドフレーム位置決め用突起部の対は複数であってもよい。この場合、エンドフレーム位置決め用凹溝とエンドフレーム位置決め用突起部の複数対を、対間の周方向間隔、あるいは各対の凹凸形状が回転非対称となるように形成し、モータフレームとインバータ装置との回転方向の位置が一意に定まるようにすることが好ましい。
また、上記実施の形態4では、接続導体案内溝および凹溝の溝幅が負荷側から反負荷側に向かって漸次広くなる溝形状に形成されているが、接続導体案内溝および凹溝の溝深さを負荷側から反負荷側に向かって漸次深くなる溝形状に形成してもよい。さらには、接続導体案内溝および凹溝の溝幅および溝深さを負荷側から反負荷側に向かって漸次大きくなる溝形状に形成してもよい。
また、上記実施の形態4では、接続導体案内溝および凹溝が口開き状の断面形状に形成されているが、接続導体案内溝および凹溝の一方を口開き状の断面形状に形成し、他方を矩形の断面形状に形成してもよい。さらに、接続導体を反負荷側に引き出すための空隙が形成されていれば、接続導体案内溝および凹溝の一方を口開き状の断面形状に形成し、他方の溝を省略してもよく、他方の溝に替えて突起を形成してもよい。
また、上記実施の形態4では、接続導体案内溝と凹溝により構成される空隙のそれぞれに1本の絶縁部材を配設しているが、絶縁部材を2分割し、一方の絶縁部材を接続導体案内溝の反負荷側コイルエンド収納部の溝部分に配設し、他方の絶縁部材を接続導体案内溝の反負荷側エンドフレーム保持部の溝部分と凹溝により構成される空隙内に配設してもよい。この場合、ステータをフレームのステータコア保持部に嵌着し、ついで接続導体案内溝内を通って反負荷側に引き出された接続導体を接続導体挿入穴に通しながら一方の絶縁部材を接続導体案内溝の反負荷側コイルエンド収納部の溝部分に押し入れる。その後、他方の絶縁部材が凹溝内に押し入れられた反負荷側エンドフレームをフレームの反負荷側エンドフレーム保持部に嵌着させる。このとき、接続導体を他方の絶縁部材の接続導体挿入穴内に通しながら、反負荷側エンドフレームを負荷側に移動させ、フレームの反負荷側エンドフレーム保持部に嵌着させる。これにより、接続導体が接続導体案内溝および凹溝の内周面に擦れて接続導体の外周面に被覆されている絶縁被膜を損傷させるように事態が回避され、絶縁性能の劣化を抑制できる。
なお、上記各実施の形態では、回転電機としてモータを用いる場合について説明しているが、回転電機は、交流発電機や交流発電電動機を用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、モータの極数を10、スロット数を12としているが、極数およびスロット数はこれに限定されない。
また、上記各実施の形態では、パワーモジュールが冷却フレームのモジュール搭載面に周方向に等角ピッチで配列されているものとしているが、パワーモジュールは周方向に必ずしも等角ピッチに配列されている必要はなく、周方向に分散して配列されていればよい。
また、上記各実施の形態では、冷媒として水を用いるものとしているが、冷媒は水に限定されるものではなく、例えば油や不凍液などを用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、パワーモジュールの個数を6個としている、すなわち1相分の駆動に対応した6個のパワーモジュールを用いるものとしているが、パワーモジュールの個数はこれに限定されない。例えば、それぞれ、4本ずつの集中巻コイルを並列接続して作製された3つの相コイルをY結線して1つの3相交流巻線を構成する場合には、集中巻コイルに1対1に対応するように12個のパワーモジュールを用いてもよい。この場合、小さな断面積の接続導体を用いることができ、接続導体の引き回し作業が簡易となるとともに、ステータコイルの内部結線作業が簡易となる。

Claims (11)

  1. 筒状のフレーム、該フレームの軸方向一端に配置される負荷側エンドフレーム、および該フレームの軸方向他端に配置され、冷却流路が内蔵された反負荷側エンドフレームを有するハウジング、上記フレームに内嵌状態に収納、保持される円環状のステータコアおよび該ステータコアに巻装されたステータコイルを有するステータ、および上記負荷側エンドフレームと上記反負荷側エンドフレームとに軸支されて上記ステータの内周側に回転可能に配設されるロータを備えた回転電機と、
    上記反負荷側エンドフレームの上記負荷側エンドフレームと反対側に配設されるパワーモジュール、およびパワーモジュール駆動回路を有するインバータ装置と、を備え、
    上記フレームは、その反負荷側端部の内径を拡大して形成され、上記反負荷側エンドフレームを内嵌状態に収納、保持する反負荷側エンドフレーム保持部と、該反負荷側エンドフレーム保持部の負荷側に該反負荷側エンドフレーム保持部より小径に形成され、上記ステータコアを内嵌状態に収納、保持するステータコア保持部と、を有し、
    溝方向を軸方向とする凹溝が、上記反負荷側エンドフレームの外周面と上記反負荷側エンドフレーム保持部の内周面との少なくとも一方に凹設され、
    上記ステータコイルと上記インバータ装置の交流端子とが、上記凹溝に通された接続導体により接続されていることを特徴とする機電一体モジュール。
  2. 上記フレームは、上記ステータコア保持部の反負荷側の内径を拡大して形成された内径拡大部を更に有し、
    上記ステータコイルが上記内径拡大部で内部結線されていることを特徴とする請求項1記載の機電一体モジュール。
  3. 上記パワーモジュールが、上記反負荷側エンドフレームの上記負荷側エンドフレームと反対側の面上に、周方向に並んで配設され、
    上記凹溝は、上記パワーモジュールのそれぞれに対応して形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の機電一体モジュール。
  4. 上記凹溝のそれぞれは、周方向に隣り合う2つの上記パワーモジュールの周方向間に設けられていることを特徴とする請求項3記載の機電一体モジュール。
  5. 周方向に隣り合う2つの上記パワーモジュールの周方向間に配設された電流センサを更に備えていることを特徴とする請求項4記載の機電一体モジュール。
  6. 絶縁部材が上記凹溝内に充填され、上記接続導体が上記反負荷側エンドフレームおよび上記反負荷側エンドフレーム保持部に保持されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の機電一体モジュール。
  7. 上記パワーモジュールは、上記反負荷側エンドフレームの上記負荷側エンドフレームと反対側の面上に、その中心を通る半径に対して非対称に傾いて周方向に分散して配列されていることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載の機電一体モジュール。
  8. 上記反負荷側エンドフレームの外周面と上記反負荷側エンドフレーム保持部の内周面との一方に凹設されたエンドフレーム位置決め用溝と、
    上記反負荷側エンドフレームの外周面と上記反負荷側エンドフレーム保持部の内周面との他方に突設され、上記エンドフレーム位置決め用溝に嵌合するエンドフレーム位置決め用突起と、を備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の機電一体モジュール。
  9. 上記凹溝が上記エンドフレーム位置決め用溝を兼用していることを特徴とする請求項8記載の機電一体モジュール。
  10. 上記凹溝の溝幅が溝底部から溝開口に向かって漸次広くなっていることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の機電一体モジュール。
  11. 上記凹溝の溝幅および溝深さの少なくとも一方が負荷側から反負荷側に向かって漸次大きくなっていることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の機電一体モジュール。
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