JP6409968B2 - 機電一体型の回転電機装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機及び電力変換装置を一体的にハウジングに収容する機電一体型の回転電機装置に関する。

回転電機であるモータと電力変換装置であるインバータとをハウジングに一体的に収容するにあたり、ハウジングに設けた取付座の上にインバータを取り付ける構成が知られている（特許文献１参照）。インバータの高温化を抑えるために、特許文献１の技術は、コンプレッサ稼働時の低温ガス冷媒によってハウジングを冷却し、この冷熱によって取付座上のインバータを冷却している。

特開２００５−３６７７３号公報

特許文献１の技術は、ハウジングが冷却される際の冷熱によって取付座上のインバータを冷却しているものの、インバータは、モータのコイルで発生する熱が伝達されることによって高温化する恐れがある。

そこで、本発明は、回転電機で発生する熱による電力変換装置の高温化を抑えることを目的としている。

本発明は、回転電機と、電力変換装置と、回転電機及び電力変換装置を一体的に収容するハウジングと、を備えた機電一体型の回転電機装置であって、電力変換装置が回転電機と反対側に取り付けられる取付部材を備えている。この電力変換装置は、電力変換装置を構成する電子部品に接続される導電接続部材を、取付部材の回転電機と反対側に、取付部材に対して電気的に絶縁された状態で設け、さらに加えて、電子部品及び導電部材を冷却する冷却部を、取付部材の回転電機側に備えている。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる回転電機装置の斜視図である。 図２は、図１の回転電機装置に使用されるインバータモジュールの斜視図である。 図３は、図２に対し電子部品を省略した斜視図である。 図４は、図３の下部側から見た斜視図である。 図５は、図３のバスバーを備える部分の模式的な断面図である。 図６は、本発明の第３の実施形態に係わる、図２に対応する斜視図である。 図７は、第３の実施形態による図５に対応する模式的な断面図である。 図８は、本発明の第５の実施形態に係わるバスバーを備える部分の分解斜視図である。 図９は、第５の実施形態における仕切壁付絶縁シートのバスバーを含む断面図である。 図１０は、本発明の第６の実施形態に係わるインバータモジュールの側面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる機電一体型の回転電機装置の斜視図である。回転電機装置のハウジング１は、大略円筒形状のモータ部３と、モータ部３の円筒形状部分の図１中で上部側に一体的に設けられて大略直方体形状のインバータ部５と、インバータ部５の上部を覆うカバー７とを備えている。

モータ部３内には、回転電機としての三相交流モータ（以下、単にモータという。）８が収容される。インバータ部５上のカバー７に覆われた部分には、電力変換装置としてのインバータ９が収容される。すなわち、ハウジング１は、モータ８及びインバータ９を一体的に収容する。

インバータ９は、電子部品として、平滑コンデンサ１１、パワー半導体素子を有するパワーモジュール１３などを備えている。インバータ９は、取付部材としてのトレイ１５のモータ８と反対側の上面に取り付けられる。ハウジング１のインバータ部５には、トレイ１５を載せて固定するための長方形状の底壁が設けられている。

トレイ１５は、長方形の板状部材で構成されている。トレイ１５の材質は、導電性部材で構成される金属や、非導電性部材で構成される樹脂、セラミックなどである。トレイ１５に、インバータ部品である上記した電子部品を複数搭載することで、図２に示すようなインバータモジュール１７が構成される。

トレイ１５上において平滑コンデンサ１１と反対側の位置には、導電接続部材としての三つのバスバー１９を取り付けている。三つのバスバー１９は、モータ８に電力を供給する電力供給端子を構成しており、モータ８のＵ，Ｖ，Ｗの各相に対応して設けられている。

バスバー１９のパワーモジュール１３に近接する位置には、電流センサ２１を設けている。図２に対し電子部品を省略した図３に示すように、バスバー１９の電流センサ２１側の端部に、上方に向けて突出するようにしてセンサ接続端子２３を設けている。電流センサ２１は、センサ接続端子２３を介してバスバー１９に接続される。

電流センサ２１は、パワーモジュール１３から引き出された三つの端子２５に接続されている。これにより電流センサ２１は、パワーモジュール１３の端子２５からバスバー１９に向けて流れる電流を検出する。

ここでのトレイ１５は、導電性部材で構成される金属製としている。このため、金属製のトレイ１５とバスバー１９との間には、電気的な絶縁を図るために、絶縁紙などの電気的絶縁部材としての絶縁シート２７を設けている。絶縁シート２７は、三つのバスバー１９の全体を包含するほぼ正方形状に形成され、トレイ１５及びバスバー１９に対し、例えば接着によってそれぞれ固定する。

バスバー１９の電流センサ２１と反対側の端部には、図示しない端子部材が接続固定される端子孔１９ａを形成している。図示しない端子部材はモータ８側と接続する。端子孔１９ａに対応する位置のトレイ１５は、図４に示すように、端子孔１９ａよりも充分大きい開口孔１５ａを形成している。これにより、モータ８側に接続する図示しない端子部材と金属製のトレイ１５とが、非接触状態となるように離間される。絶縁シート２７にも、端子孔１９ａに対応して開口孔１５ａとほぼ同径の開口孔を形成している。

直方体形状で示してある平滑コンデンサ１１は、図３に示す長方形状の導電プレート２９上に取り付けてあり、導電プレート２９とトレイ１５との間には、電気的な絶縁部材となる絶縁シート３１を設けている。絶縁シート３１は、外周縁部が導電プレート２９の外周縁部の外側に突出するように、全体として導電プレート２９よりもやや大きい長方形状としてある。絶縁シート３１は、トレイ１５及び導電プレート２９に対し、例えば接着によってそれぞれ固定する。

図２に示すように、導電プレート２９及び絶縁シート３１は、平滑コンデンサ１１からパワーモジュール１３側に突出した一部が、パワーモジュール１３の一部の下部に位置している。これにより、平滑コンデンサ１１とパワーモジュール１３とを、導電プレート２９を介して電気的に接続している。

パワーモジュール１３は、スイッチング素子などを樹脂モールド成形した状態で、トレイ１５上に締結具や接着などによって固定している。パワーモジュール１３は、導電プレート２９に対応する部分において、樹脂モールド部を形成しておらず、樹脂モールド部を形成していない部分によって平滑コンデンサ１１と電気的に接続する。

図４に示すように、トレイ１５のモータ８側には、水路形成部材３３を接合固定している。水路形成部材３３は、トレイ１５に対向する側が開口する開口部を備え、開口部をトレイ１５の表面（裏面）に接合固定することで、トレイ１５との間にトレイ冷却水通路３５が形成される。水路形成部材３３とトレイ１５との間にトレイ冷却水通路３５を形成することで、冷却部としての冷却器３６が構成される。

水路形成部材３３は、長方形状のトレイ１５における短辺部に沿って平行に形成される第１主通路形成部３３ａ、第２主通路形成部３３ｂ、第３主通路形成部３３ｃを備える。第１主通路形成部３３ａと第２主通路形成部３３ｂとは、それぞれの一方側の端部同士が第１連絡通路形成部３３ｄで接続される。第２主通路形成部３３ｂと第３主通路形成部３３ｃとは、第１連絡通路形成部３３ｄと反対側の端部同士が第２連絡通路形成部３３ｅで接続される。

したがって、水路形成部材３３は蛇行状に形成される。水路形成部材３３の形状に対応してトレイ冷却水通路３５も蛇行状となる。蛇行状の水路形成部材３３の周縁には、フランジ３３ｆが全周にわたり形成されている。フランジ３３ｆをトレイ１５に接着などによって密閉状態で接合固定する。

第１主通路形成部３３ａの第１連絡通路形成部３３ｄと反対側の端部付近には、冷却水入口配管３７を接続している。一方、第３主通路形成部３３ｃの第２連絡通路形成部３３ｅと反対側の端部付近には、冷却水出口配管３９を接続している。

冷却水入口配管３７には、外部から図示しない冷却水ポンプによって冷却水が供給されてトレイ冷却水通路３５を流れる。冷却媒体である冷却水は、トレイ冷却水通路３５を第１主通路形成部３３ａから第３主通路形成部３３ｃに向けて流れ、冷却水出口配管３９から冷却器３６の外部に排出される。

冷却器３６の外部に排出された冷却水は、ハウジング１のモータ部３の壁部内に設けてある図示しない冷却水通路を通ってモータ８を冷却する。モータ８を冷却した冷却水は、ハウジング１の外部に排出される。

平滑コンデンサ１１、パワーモジュール１３及び電流センサ２１を取り付ける前の状態の水路形成部材３３を含むトレイ１５全体を、ラミネートフィルムで覆ってもよい。その際、ラミネートフィルムは、バスバー１９及び導電プレート２９に関しては、電気的導通部を除いた部位を覆う。さらにラミネートフィルムは、水路形成部材３３に関しては、冷却水入口配管３７及び冷却水出口配管３９を除いた部位を覆う。

図５は、上記ラミネートフィルムを含む構成における図３のバスバー１９を備える部分の模式的な断面図である。この場合、上下のラミネートフィルム４１ａ，４１ｂ相互間に、下部のラミネートフィルム４１ｂから順に、水路形成部材３３、冷却水４３、トレイ１５、絶縁シート２７、バスバー１９が存在する。

本実施形態は、図５に示すように、冷却水４３が、トレイ１５のバスバー１９と反対側の裏面に直接接触してトレイ１５の全体をより効率よく冷却する。トレイ１５が冷却されることで、トレイ１５上のバスバー１９や、平滑コンデンサ１１、パワーモジュール１３などの電子部品を備えるインバータ９も効果的に冷却される。

また、モータ８のコイルで発生した熱が、バスバー１９を通してインバータ９（パワーモジュール１３）に伝達される場合がある。この場合、上記のようにトレイ１５が冷却されることで、絶縁シート２７を介してバスバー１９が冷却されるので、モータ８側で発生した熱のインバータ９（パワーモジュール１３）への伝達を抑制できる。これにより、インバータ９（パワーモジュール１３）の高温化を抑えることができる。

バスバー１９は、冷却されて高温化を抑制できるので、バスバー１９に接続される電流センサ２１は、高温化による検出誤差を抑えることができ、出力が安定して電流検出精度が高まる。また、バスバー１９は、高温化を抑制することで、通電時の電気抵抗を低く抑えることができ、信頼性が高まる。

本実施形態は、トレイ１５は導電性部材である金属で構成され、トレイ１５とバスバー１９との間に絶縁シート２７が設けられている。このため、絶縁シート２７によりトレイ１５とバスバー１９との間を電気的に絶縁しつつ、バスバー１９の冷却を確保することができる。トレイ１５を熱抵抗が比較的小さい金属としていることから、バスバー１９の熱を、トレイ１５を介して効率よく冷却器３６に放熱することができる。また、トレイ１５とバスバー１９との間を絶縁シート２７により電気的に絶縁することで、トレイ１５とインバータ９（パワーモジュール１３）との間も容易に電気的に絶縁できる。

また、本実施形態においては、水路形成部材３３は、トレイ１５に対向する側が開口する開口部を備えており、トレイ１５の表面（裏面）に開口部を接合固定している。開口部の内側には、冷媒が収容される冷媒収容空間が形成されている。これにより、水路形成部材３３内の冷媒収容空間に流れる冷媒がトレイ１５を直接冷却するようになるため、トレイ１５を効果的に冷却することができるようになる。

また、上述では、本実施形態の絶縁シート２７、３１として絶縁紙を例示したが、必ずしもそれに限らず、トレイ１５と、バスバー１９もしくは導電プレート２９と、を電気的に絶縁するものであればよい。

本発明の第２の実施形態として、トレイ１５が非導電性部材で構成される樹脂やセラミックなどの場合を説明する。この場合、図５において、絶縁シート２７が不要となる。平滑コンデンサ１１側の絶縁シート３１も不要となる。

したがって、第２の実施形態は、絶縁シート２７，３１が不要となる分、部品点数を削減できる上、バスバー１９や導電プレート２９に対する冷却効果も高まり、バスバー１９やインバータ９の温度上昇をより一層抑制できる。バスバー１９の冷却効果が高まることで、バスバー１９の温度上昇をより一層抑制でき、電流センサ２１の電流検出精度もより一層高まる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係わる、図２に対応する斜視図である。第３の実施形態は、バスバー１９のトレイ１５と反対側の上部に、電気的に絶縁された状態で放熱部材としての金属部材４５を設けている。具体的には、導電性部材で構成される金属部材４５とバスバー１９との間に電気的な絶縁を施す絶縁紙などの絶縁シート４７を介装する。絶縁シート４７と、金属部材４５及びバスバー１９とのの間は、例えば接着剤によって固定する。

金属部材４５は、三つのバスバー１９の並列配置方向に沿って延び、両端部に下方に突出する突出部４５ａを備える。突出部４５ａの下端はトレイ１５の表面に接触させて、例えば接着剤によって固定する。

図７は、第３の実施形態による、図５に対応する模式的な断面図であり、トレイ１５のバスバー１９の端子孔１９ａ側から金属部材４５を見た際の断面図である。この場合、図５に対し、バスバー１９と上部のラミネートフィルム４１ａとの間に、金属部材４５及び絶縁シート４７が追加された構造となる。なお、絶縁シート４７は、絶縁シート２７と一体的に構成してもよい。

第３の実施形態は、冷却水４３によって冷却されるトレイ１５を介して金属部材４５が冷却される。このとき、バスバー１９の熱は、絶縁シート４７を介して金属部材４５に放熱される。したがって、バスバー１９は、トレイ１５から絶縁シート２７を介して冷却されるほか、トレイ１５と反対側の面からも金属部材４５によって冷却される。このため、バスバー１９の冷却効果がさらに向上し、バスバー１９の温度上昇をさらに抑制でき、電流センサ２１の電流検出精度もさらに高まる。

第３の実施形態は、金属部材４５は導電性部材で構成され、金属部材４５とバスバー１９との間に絶縁シート４７が設けられている。このため、絶縁シート４７により金属部材４５とバスバー１９との間を電気的に絶縁しつつ、バスバー１９の冷却を確保することができる。

本発明の第４の実施形態として、放熱部材である金属部材４５に代えて、非導電性部材で構成される樹脂やセラミックなども使用してもよい。この場合、図７において、絶縁シート４７が不要となる。これにより、部品点数の削減及び、バスバー１９の冷却効果がさらに向上する。

なお、金属部材４５の突出部４５ａは、トレイ１５に接触させずに離間させた状態としてもよい。この場合、金属部材４５は、トレイ１５を介して冷却するのではなく、図示しないその他の冷却部材により、金属部材４５を冷却するようにしてもよい。また、金属部材４５をトレイ１５と接触させずに外側に延在させて、金属部材４５の周囲の雰囲気により冷却する、いわゆる空冷させるようにしてもよい。

また、トレイ１５と金属部材４５の突出部４５ａとの間、金属部材４５と絶縁シート４７との間、絶縁シート４７とバスバー１９との間、にそれぞれ放熱グリスを塗布してもよい。放熱グリスは、放熱性に優れた熱伝導性グリスであり、熱伝導面に塗布することで、熱抵抗を下げて放熱効果をより高めることができる。

図８、図９は、第５の実施形態を示す。第５の実施形態は、図３に示した第１の実施形態における絶縁シート２７に代えて、仕切壁付絶縁シート４９を使用している。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

仕切壁付絶縁シート４９は、平板状の平面部４９ａ上に縦壁４９ｂを備えている。縦壁４９ｂは、三つのバスバー１９全体の周囲を囲む外壁４９ａ１と、互いに隣接するバスバー１９相互間に位置してバスバー１９相互を仕切る仕切壁４９ｂ２とを備えている。図９に示すように、外壁４９ａ１及び仕切壁４９ｂ２の平面部４９ａからの高さは、バスバー１９の板厚とほぼ同等である。

三つのバスバー１９を、外壁４９ａ１と仕切壁４９ｂ２とに囲まれた三つの領域にそれぞれ収容する。これにより、三つのバスバー１９は、仕切壁付絶縁シート４９に対して位置決めされた状態で設置できるとともに、互いに隣接するもの同士が仕切壁４９ｂ２によって電気的に絶縁される。

第５の実施形態は、バスバー１９が複数設けられ、複数のバスバー１９相互間には電気的絶縁部材となる仕切壁４９ｂ２が設けられている。これにより、複数のバスバー１９同士の電気的な絶縁がより確実になされる。

互いに隣接するバスバー１９同士は、仕切壁４９ｂ２によって電気的に絶縁できるので、より近付けた状態でトレイ１５上に設置することができる。これにより、トレイ１５におけるバスバー１９の設置領域をより小さくすることができ、インバータモジュール１７全体の小型化、ひいては回転電機装置であるモータ装置全体の小型化を達成できる。

バスバー１９は、周囲の側面を縦壁４９ｂに接触させることで、図３のように底面のみ絶縁シート２７に接触させる場合に比較して、仕切壁付絶縁シート４９との接触面積が増大する。これにより、バスバー１９の熱を、仕切壁付絶縁シート４９を介してより効果的にトレイ１５に放熱できる。また、バスバー１９は外壁４９ａ１と仕切壁４９ｂ２とに囲まれた三つの領域に位置決めされた状態で収容できるので、トレイ１５に対する設置作業が容易となる。

図１０は、第６の実施形態を示す。第６の実施形態は、トレイ１５の裏面側に、図４における水路形成部材３３を備える冷却器３６に代えて、ヒートパイプ５１を取り付けている。ヒートパイプ５１は、平滑コンデンサ１１に対応する側を凝縮部５１ａとし、冷却が特に必要なバスバー１９やパワーモジュール１３に対応する側を蒸発部５１ｂとしている。

パワーモジュール１３やバスバー１９は、ヒートパイプ５１の蒸発部５１ｂに放熱することで、冷却器３６を設けた場合と同様にして冷却される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含む。

例えば、トレイ１５が導電性部材で構成される金属製の場合、バスバー１９と接する部位のみを電気的絶縁部材で構成してもよい。

また、電力変換装置としてインバータ９に限らずＤＣ−ＤＣコンバータにも本発明を適用でき、回転電機としてモータ８に限らず発電機にも本発明を適用できる。また、冷却部として、ペルチェ素子を使用してもよい。

本発明は、回転電機及び電力変換装置を一体的にハウジングに収容する機電一体型の回転電機装置に適用される。

１ ハウジング
８ モータ（回転電機）
９ インバータ（電力変換装置）
１３ パワーモジュール（電子部品）
１５ トレイ（取付部材）
１９ バスバー（導電接続部材）
２７，４７ 絶縁シート（電気的絶縁部材）
３６ 冷却器（冷却部）
４５ 金属部材（放熱部材）
４９ｂ２ 仕切壁付絶縁シートの仕切壁（電気的絶縁部材）
５１ ヒートパイプ（冷却部）

Claims (8)

1. 回転電機と、
   回転電機に接続される電力変換装置と、
   前記回転電機及び前記電力変換装置を一体的に収容するハウジングと、
   前記ハウジングに取り付けられ、前記電力変換装置が前記回転電機と反対側に取り付けられる取付部材と、
   前記取付部材の前記回転電機と反対側に、取付部材に対して電気的に絶縁された状態で取り付けられ、前記電力変換装置を構成する電子部品と前記回転電機とに接続される導電接続部材と、
   前記取付部材の前記回転電機側に取り付けられ、前記電子部品及び導電接続部材を冷却する冷却部と、を有することを特徴とする機電一体型の回転電機装置。
2. 前記冷却部は前記取付部材側の少なくとも一部に開口部が設けられ、
   前記取付部材は前記開口部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の機電一体型の回転電機装置。
3. 前記取付部材は導電性部材で構成され、
   前記取付部材と前記導電接続部材との間に電気的絶縁部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の機電一体型の回転電機装置。
4. 前記取付部材は非導電性部材で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の機電一体型の回転電機装置。
5. 前記導電接続部材の前記取付部材と反対側に、電気的に絶縁された状態で放熱部材が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の機電一体型の回転電機装置。
6. 前記放熱部材は導電性部材で構成され、
   前記放熱部材と前記導電接続部材との間に電気的絶縁部材が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の機電一体型の回転電機装置。
7. 前記放熱部材は非導電性部材で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の機電一体型の回転電機装置。
8. 前記導電接続部材は複数設けられ、
   前記複数の導電接続部材相互間には電気的絶縁部材が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の機電一体型の回転電機装置。

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