JP6638410B2 - 電力変換装置一体型モータ - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置がモータ本体に一体に設けられて構成された電力変換装置一体型モータに関する。

従来のこの種の電力変換装置一体型モータとして、例えば、特許文献１に示すものが知られている。
特許文献１に示す電力変換装置一体型モータは、電力変換装置（インバータ装置）をモータ本体に一体に設けてなる電力変換装置一体型モータであって、上面部にモータ本体を載置してなるモータ取付台を備え、このモータ取付台の内部に電力変換装置を収納してなる。

この電力変換装置一体型モータによれば、電力変換装置をモータ取付台の内部に収納したので、電力変換装置に発生した熱は、モータ取付台全体を通じて放熱されるとともに、モータ取付台の下面部を通じて基台に伝達されて放熱され、これにより放熱フィンを不要として小型化を図ることができると共に、電力変換装置を良好に冷却することができることになる。

特開平１０−２４８１９８号公報

しかしながら、この従来の特許文献１に示す電力変換装置一体型モータにあっては、以下の問題点があった。
即ち、特許文献１に示す電力変換装置一体型モータの場合、モータ本体と電力変換装置との間には、モータ取付台のみが介在しているだけであり、積極的に電力変換装置を冷却したり、モータ本体と電力変換装置との間を断熱した構造となっていない。このため、電力変換装置を構成するスイッチング素子などからの発熱がモータ取付台内部の上側に滞留し、電力変換装置内の電子部品が熱的に破損するおそれがある。また、モータ本体と電力変換装置との間を断熱した構造でないため、モータ本体と電力変換装置の各々の発熱が相手側機器の温度上昇に影響を与え、電力変換装置内の電子部品を熱的に破損するおそれがある。
従って、本発明はこの従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、電力変換装置内の電子部品の熱的破損を効率的に低減できる電力変換装置一体型モータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電力変換装置一体型モータは、電力変換装置がモータ本体に一体に設けられて構成された電力変換装置一体型モータであって、前記モータ本体を上側に、前記電力変換装置を下側に配置するとともに、前記電力変換装置は、電子部品が実装された主回路基板及び制御基板をそれら主回路基板及び制御基板を囲むように収容するとともに、前記主回路基板及び前記制御基板が固定される側面部及び上側に前記モータ本体が固定される上面部を有する筐体を備え、該筐体の上面部及び側面部には、冷却水が流れる電力変換装置側冷却水流路が形成されており、前記電力変換装置側冷却水流路は、前記筐体の前記上面部を水平に一直線状に延びる１つの上面流路部と、該上面流路部から前記側面部において一旦下降し更に湾曲して上方に延びる略Ｕ字形の側面流路部とを備え、前記上面流路部の前記側面流路部が延びる端部と反対側の端部には冷却水を出入りさせる電力変換装置側冷却水口が設けられ、前記側面流路部の前記上面流路部が延びる端部と反対側の端部には電力変換装置側流路接続口が設けられていることを要旨とする。

本発明に係る電力変換装置一体型モータによれば、電力変換装置内の電子部品の熱的破損を効率的に低減できる電力変換装置一体型モータを提供できる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置一体型モータの概略正面図である。 図１に示す電力変換装置一体型モータの概略左側面図である。 図１に示す電力変換装置一体型モータの内部構成を概略的に示す正面図である。 図１に示す電力変換装置一体型モータの内部構成及び流路制御の装置構成を概略的に示す左側面図である。 図１に示す電力変換装置一体型モータの電力変換装置側冷却水流路の上面流路部を筐体の上面部に配置した場合の効果を説明するものであり、（Ａ）は電力変換装置側冷却水流路の上面流路部を筐体の上面部に配置しない場合の熱の滞留状況を説明するための図、（Ｂ）は電力変換装置側冷却水流路の上面流路部を筐体の上面部に配置した場合の筐体内の内気の対流状況を説明するための図である。 図１に示す電力変換装置一体型モータの電力変換装置側冷却水流路の上面流路部を筐体の上面部に配置した場合の効果を説明するものであり、（Ａ）は電力変換装置側冷却水流路の上面流路部を筐体の上面部に配置しない場合の相手側機器に熱的な影響を与える状況を説明するための図、（Ｂ）は電力変換装置側冷却水流路の上面流路部を筐体の上面部に配置した場合のモータ本体及び電力変換装置の双方の熱の断熱状況を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係る電力変換装置一体型モータは、図１及び図２に示されており、電力変換装置一体型モータ（以下、単にモータという）１は、電力変換装置３がモータ本体２に固定されて一体に設けられて構成されている。
このモータ１において、モータ本体２は上側に、電力変換装置３は下側に配置されている。

ここで、モータ本体２は、電力を回転力に変換する機器であり、図３及び図４に示すように、内部にロータコア２２及びステータコア２４を配置したモータ筐体２１を備えている。モータ筐体２１は、金属製（例えば、アルミダイキャスト）であり、モータ筐体２１の下部の四隅には電力変換装置３との接続用固定部２９が設けられている。また、ロータコア２２は円筒状に形成されて回転軸２３に固定され、その回転軸２３の両端が一対のベアリング２５ａ，２５ｂによりモータ筐体２１に回転可能に支持されている。また、ステータコア２４は、円筒状に形成されてロータコア２２の外側に配置されている。

そして、モータ筐体２１のステータコア２４の外周には、螺旋状のモータ側冷却水流路２６が設けられている。このモータ側冷却水流路２６の一端、即ち図３及び図４に示すように、モータ側冷却水流路２６の一端はモータ筐体２１の前側（図３における手前側、図４における右側）に向けて開口し、その開口端には、冷却水を出入りさせるモータ側冷却水口２７が設けられている。一方、モータ側冷却水流路２６の他端、即ち図３及び図４に示すように、モータ側冷却水流路２６の他端はモータ筐体２１の下側に向けて開口し、その開口端には、モータ側流路接続口２８が設けられている。モータ側流路接続口２８は、後述する電力変換装置側流路接続口４５に接続される。

次に、電力変換装置３は、モータ本体２の回転数や回転トルクを制御する機器であり、筐体３１と、主回路基板３３及び制御基板３４と、蓋体３７とを備えている。
筐体３１は、上面部３１ａ、下面部３１ｂ、左側（図３における左側）の側面部３１ｃ、右側の側面部３１ｄ、及び上面部３１ａと下面部３１ｂとを連結するとともに、左側の側面部３１ｃと右側の側面部３１ｄとを連結する後側の側面部３１ｅとを有する方形状に形成され、内部に主回路基板３３及び制御基板３４の収容空間３２を有して前側が開口している。筐体３１は、金属製（例えば、アルミダイキャスト）で構成される。上面部３１ａ及び下面部３１ｂは前後方向及び左右方向に均一の肉厚で延び、側面部３１ｃ、３１ｄは前後方向及び上下方向に均一の肉厚で延び、後側の側面部３１ｅは左右方向及び上下方向に均一の肉厚で延びている。

筐体３１の上面部３１ａの四隅には、図１及び図２に示すように、モータ本体２との接続用固定部３９が設けられている。筐体３１の上面部３１ａ上には、モータ本体２のモータ筐体２１が載置され、モータ本体２側の接続用固定部２９を電力変換装置３側の接続用固定部３９に合わせてこれらモータ本体２側の接続用固定部２９及び電力変換装置３側の接続用固定部３９を取付ボルト３０によって固定する。これにより、筐体３１の上面部３１ａの上側にモータ本体２が固定される。

そして、筐体３１の収容空間３２には、主回路基板３３及び制御基板３４が収容される。
ここで、主回路基板３３及び制御基板３４は、モータ１が搭載される車両から供給される電流及び制御指令を受けとり、電力変換をしてモータ１へ駆動電流を供給するものである。そして、主回路基板３３上には、図３及び図４に示すように、スイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）や電解コンデンサなどの発熱の大きい複数の電子部品３３ａが実装される。また、制御基板３４上には、図３及び図４に示すように、主回路基板３３上のスイッチング素子を制御するチップ部品などの比較的発熱の小さい複数の電子部品３４ａが実装される。そして、主回路基板３３のスイッチング素子によって電力変換された駆動電流が図示しないブスバーを介してモータ１に供給され、モータ１のロータコア２２及び回転軸２３が回転する。

主回路基板３３は、図４に示すように、筐体３１の後側の側面部３１ｅの面上に密着して固定される。また、制御基板３４は、主回路基板３３上に配置された複数の基板固定部材３６により主回路基板３３に対して所定間隔離して固定される。なお、主回路基板３３と制御基板３４との間の配線は図示しないハーネスなどにより行われる。また、筐体３１の右側の側面部３１ｄには、図３に示すように、電源用コネクタ４０ａ及び通信用コネクタ４０ｂが配置され、これら電源用コネクタ４０ａ及び通信用コネクタ４０ｂから図示しない配線が主回路基板３３及び制御基板３４に接続されている。

また、筐体３１の前側の開口は、平板状の蓋体３７によって閉塞される。
ここで、電力変換装置３の筐体３１の上面部３１ａ及び後側の側面部３１ｅには、冷却水が流れる電力変換装置側冷却水流路４１が形成されている。
この電力変換装置側冷却水流路４１は、図４に示すように、筐体３１の上面部３１ａを水平（前後方向）に延びる上面流路部４２を備えている。また、電力変換装置側冷却水流路４１は、図３及び図４に示すように、上面流路部４２から後側の側面部３１ｅにおいて一旦直線状に下降し更に左側に湾曲して上方に直線状に延びる略Ｕ字形の側面流路部４３を備えている。側面流路部４３は、図３に示すように、筐体３１の後側の側面部３１ｅの面上に実装される主回路基板３３の後側を上下方向と左右方向をほぼ横断するような配置に形成される。そして、上面流路部４２の側面流路部４３が延びる端部と反対側の端部、即ち上面流路部４２の前端部は前側に開口しその開口には冷却水を出入りさせる電力変換装置側冷却水口４４が設けられている。蓋体３７の電力変換装置側冷却水口４４に対応する部分には、図４に示すように、前後方向に貫通する貫通口３８が設けられている。また、側面流路部４３の上面流路部４２が延びる端部と反対側の端部は筐体３１の上面に開口しその開口にはモータ側流路接続口２８に接続される電力変換装置側流路接続口４５が設けられている。そして、モータ側流路接続口２８と電力変換装置側流路接続口４５との接続部分の周囲には、図示しないＯリングが配置され、これにより外部への水漏れを防止している。

そして、モータ１が搭載される車両側には、図４に示すように、可逆式の冷却水ポンプ５１が設けられている。
この冷却水ポンプ５１は、その一方側が第１配管５２ａを介して第１方向制御弁５３に接続され、第１方向制御弁５３は第２配管５２ｂを介して第１冷却水タンク５４に接続されている。また、この第１冷却水タンク５４は、第３配管５２ｃを介してモータ側冷却水口２７に接続されている。また、第１方向制御弁５３は、第４配管５２ｄを介してモータ側冷却水口２７に接続されている。

また、冷却水ポンプ５１は、前記一方側と反対側が第５配管５２ｅを介して第２方向制御弁５５に接続され、第２方向制御弁５５は第６配管５２ｆを介して第２冷却水タンク５６に接続されている。また、この第２冷却水タンク５６は、第７配管５２ｇを介して電力変換装置側冷却水口４４に接続されている。また、第２方向制御弁５５は、第８配管５２ｈを介して電力変換装置側冷却水口４４に接続されている。

更に、冷却水ポンプ５１、第１方向制御弁５３及び第２方向制御弁５５は、制御装置５７に接続され、制御装置５７は、冷却水ポンプ５１の回転方向に基づいて、第１方向制御弁５３及び第２方向制御弁５５のそれぞれの弁方向を制御するようにしている。
そして、モータ１において、モータ側冷却水流路２６及び電力変換装置側冷却水流路４１を流れる冷却水の冷却水経路は、図３及び図４において、実線の矢印Ａで示す第１冷却水経路と、破線の矢印Ｂで示す第２冷却水経路との２つのパターンである。

実線の矢印Ａで示す第１冷却水経路は、冷却水ポンプ５１、モータ側冷却水口２７、モータ側冷却水流路２６、モータ側流路接続口２８、電力変換装置側流路接続口４５、電力変換装置側冷却水流路４１、電力変換装置側冷却水口４４、第２冷却水タンク４６及び冷却水ポンプ５１の順に冷却水が流れる冷却水経路である。
一方、破線の矢印Ｂで示す第２冷却水経路は、第１冷却水経路と逆に、冷却水ポンプ５１、電力変換装置側冷却水口４４、電力変換装置側冷却水流路４１、電力変換装置側流路接続口４５、モータ側流路接続口２８、モータ側冷却水流路２６、モータ側冷却水口２７、第１冷却水タンク５４及び冷却水ポンプ５１の順に冷却水が流れる冷却水経路である。

ここで、制御装置５７は、第１冷却水経路で冷却水を流す場合には、冷却水ポンプ５１を実線の矢印Ａで示す方向に冷却水を流すように回転させ、その回転方向に基づいて、第１方向制御弁５３を冷却水が第１配管５２ａから第４配管５２ｄを通るように、第２方向制御弁５５を冷却水が第６配管５２ｆから第５配管５２ｅを通るように切り換える。また、制御装置５７は、第２冷却水経路で冷却水を流す場合には、冷却水ポンプ５１を破線の矢印Ｂで示す方向に冷却水を流すように回転させ、その回転方向に基づいて、第２方向制御弁５５を冷却水が第５配管５２ｅから第８配管５２ｈを通るように、第１方向制御弁５３を冷却水が第２配管５２ｂから第１配管５２ａを通るように切り換える。

そして、冷却水が第１冷却水経路で流れると、モータ側冷却水流路２６を流れる冷却水によりモータ本体２側のコイルなどの部品（図示せず）が冷却される。また、電力変換装置側冷却水流路４１の側面流路部４３を流れる冷却水により主回路基板３３上の電子部品３３ａが冷却される。
また、冷却水が第１冷却水経路で流れると、冷却水が電力変換装置側冷却水流路４１の上面流路部４２をも流れることになる。この際の効果を図５（Ａ），（Ｂ）及び図６（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。

図５（Ａ）には、電力変換装置側冷却水流路４１の上面流路部４２を筐体３１の上面部３１ａに配置しない場合の熱の滞留状況が示されている。この場合、電力変換装置側冷却水流路４１の側面流路部４３を流れる冷却水により主回路基板３３上の電子部品３３ａが冷却されるが、冷却されきらない電子部品３３ａからの発熱により熱気Ｈが筐体３１の内部の上側に滞留する。これにより、制御基板３４上の電子部品３４ａを熱的に煽り破損させるおそれがある。

これに対して、本実施形態のように、即ち図５（Ｂ）に示すように、電力変換装置側冷却水流路４１の上面流路部４２を筐体３１の上面部３１ａに配置した場合、筐体３１の上面部３１ａが上面流路部４２を流れる冷却水により冷却される。このため、主回路基板３３上の電子部品３３ａからの発熱により熱気が筐体３１の内部で上昇するが、その熱気が上面部３１ａによって冷却され、温度が下がることにより筐体３１内の下部へと流れる下降流となり、筐体３１内の上下を循環する矢印Ｒで示す自然対流が発生する。これにより、筐体３１内の内気の温度が均等化されるので、電力変換装置３内の電子部品、即ち制御基板３４上の電子部品３４ａ及び主回路基板３３上の電子部品３３ａの熱的破損を効率的に低減させることが可能となる。

また、図６（Ａ）には、電力変換装置側冷却水流路４１の上面流路部４２を筐体３１の上面部３１ａに配置しない場合の相手側機器に熱的な影響を与える状況が示されている。この場合、モータ側冷却水流路２６を流れる冷却水によりモータ本体２側のコイルなどの部品（図示せず）が冷却され、電力変換装置側冷却水流路４１の側面流路部４３を流れる冷却水により主回路基板３３上の電子部品３３ａが冷却されるが、モータ本体２側の発熱による熱気Ｈ２と電力変換装置３側の発熱による熱気Ｈ３とが、相手側機器の温度上昇に影響を与え、モータ本体２内の部品（図示せず）及び電力変換装置３内の電子部品３３ａ，３４ａを熱的に破損するおそれがある。

これに対して、本実施形態のように、即ち図６（Ｂ）に示すように、電力変換装置側冷却水流路４１の上面流路部４２を筐体３１の上面部３１ａに配置した場合、筐体３１の上面部３１ａの上面流路部４２に冷却水が流れる。これにより、モータ本体２側の熱と電力変換装置３側の熱とが断熱され、モータ本体２側と電力変換装置３側の双方において熱の侵入が遮断され、モータ本体２内の部品（図示せず）及び電力変換装置３内の電子部品３３ａ，３４ａの熱的破損を効率的に低減させることが可能となる。

なお、冷却水が第２冷却水経路で流れる場合にも、冷却水が電力変換装置側冷却水流路４１の上面流路部４２を流れることになり、冷却水が第１冷却水経路で流れる場合と同様の効果を得ることができる。
また、冷却水が第２冷却水経路で流れる場合にも、電力変換装置側冷却水流路４１の側面流路部４３を流れる冷却水により主回路基板３３上の電子部品３３ａが冷却されるとともに、モータ側冷却水流路２６を流れる冷却水によりモータ本体２側のコイルなどの部品（図示せず）が冷却される。また、電力変換装置側冷却水流路４１の側面流路部４３を流れる冷却水により主回路基板３３上の電子部品３３ａが冷却される。

ここで、上面流路部４２は、筐体３１の前後方向及び左右方向に均一の肉厚で延びる上面部３１ａにおいて水平（前後方向）に延びているので、上面流路部４２を流れる冷却水によって筐体３１の上面部３１ａを水平方向において均一に冷却することができる。
更に、側面流路部４３は、上面流路部４２から主回路基板３３が固定される側面部３１ｅにおいて一旦下降し更に湾曲して上方に延びる略Ｕ字形に形成されているから、主回路基板３３上の電子部品３３ａを効果的に冷却することができる。

また、モータ側冷却水流路２６は、モータ筐体２１のステータコア２４の外周において螺旋状に形成されているから、モータ本体２側のコイルなどの部品を効果的に冷却することができる。
また、モータ側冷却水流路２６及び電力変換装置側冷却水流路４１を流れる冷却水の冷却水経路は、第１冷却水経路と第２冷却水経路との２つのパターンがあるから、いずれか一方の冷却水経路で冷却水を流すことができない場合であっても他の冷却水経路で冷却水を流すことができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、上面流路部４２は、筐体３１の上面部３１ａにおいて延びていればよく、水平に延びている必要は必ずしもない。
また、側面流路部４３は、上面流路部４２から主回路基板３３が固定される側面部３１ｅにおいて一旦下降し更に湾曲して上方に延びる略Ｕ字形に形成されている必要は必ずしもない。

また、上面部３１ａ及び下面部３１ｂは前後方向及び左右方向に均一の肉厚で延び、側面部３１ｃ、３１ｄは前後方向及び上下方向に均一の肉厚で延び、後側の側面部３１ｅは左右方向及び上下方向に均一の肉厚で延びている必要は必ずしもない。
更に、モータ側冷却水流路２６は、モータ筐体２１のステータコア２４の外周において螺旋状に形成されている必要は必ずしもない。
また、モータ側冷却水流路２６及び電力変換装置側冷却水流路４１を流れる冷却水の冷却水経路は、第１冷却水経路と第２冷却水経路との２つのパターンのうちいずれか一方のパターンでもよい。

１ 電力変換装置一体型モータ
２ モータ本体
３ 電力変換装置
２１ モータ筐体
２２ ロータコア
２４ ステータコア
２６ モータ側冷却水流路
２７ モータ側冷却水口
２８ モータ側流路接続口
３１ 筐体
３１ａ 上面部
３１ｅ 後側の側面部（側面部）
３３ 主回路基板
３３ａ 電子部品
３４ 制御基板
３４ａ 電子部品
４１ 電力変換装置側冷却水流路
４２ 上面流路部
４３ 側面流路部
４４ 電力変換装置側冷却水口
４５ 電力変換装置側流路接続口
５１ 冷却水ポンプ
５４ 第１冷却水タンク
５６ 第２冷却水タンク
Ａ 第１冷却水経路
Ｂ 第２冷却水経路

Claims (3)

1. 電力変換装置がモータ本体に一体に設けられて構成された電力変換装置一体型モータであって、
   前記モータ本体を上側に、前記電力変換装置を下側に配置するとともに、前記電力変換装置は、電子部品が実装された主回路基板及び制御基板をそれら主回路基板及び制御基板を囲むように収容するとともに、前記主回路基板及び前記制御基板が固定される側面部及び上側に前記モータ本体が固定される上面部を有する筐体を備え、
   該筐体の上面部及び側面部には、冷却水が流れる電力変換装置側冷却水流路が形成されており、
   前記電力変換装置側冷却水流路は、前記筐体の前記上面部を水平に一直線状に延びる１つの上面流路部と、該上面流路部から前記側面部において一旦下降し更に湾曲して上方に延びる略Ｕ字形の側面流路部とを備え、前記上面流路部の前記側面流路部が延びる端部と反対側の端部には冷却水を出入りさせる電力変換装置側冷却水口が設けられ、前記側面流路部の前記上面流路部が延びる端部と反対側の端部には電力変換装置側流路接続口が設けられていることを特徴とする電力変換装置一体型モータ。
2. 前記モータ本体は、内部にロータコア及びステータコアを配置したモータ筐体を備え、該モータ筐体のステータコアの外周には、螺旋状のモータ側冷却水流路が設けられ、該モータ側冷却水流路の一端には、冷却水を出入りさせるモータ側冷却水口が設けられ、前記モータ側冷却水流路の他端には、前記電力変換装置側流路接続口に接続されるモータ側流路接続口が設けられることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置一体型モータ。
3. 前記モータ側冷却水流路及び前記電力変換装置側冷却水流路を流れる冷却水の冷却水経路は、冷却水ポンプ、前記モータ側冷却水口、前記モータ側冷却水流路、前記モータ側流路接続口、前記電力変換装置側流路接続口、前記電力変換装置側冷却水流路、前記電力変換装置側冷却水口、第２冷却水タンク及び前記冷却水ポンプの順に冷却水が流れる第１冷却水経路と、前記冷却水ポンプ、前記電力変換装置側冷却水口、前記電力変換装置側冷却水流路、前記電力変換装置側流路接続口、前記モータ側流路接続口、前記モータ側冷却水流路、前記モータ側冷却水口、第１冷却水タンク及び前記冷却水ポンプの順に冷却水が流れる第２冷却水経路との２つのパターンであることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置一体型モータ。

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