JP6816671B2 - 電動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、電動圧縮機に関するものである。

電動圧縮機は、ケースと圧縮機構とモータ部とインバータ部とを備え、ケース内に圧縮機構とモータ部とが配置されるとともにインバータ部がケースに固定されている。インバータ部はパワーモジュールを有し、パワーモジュールは、ケースに押し付けられた状態でねじ締結され、パワーモジュールの熱はケース側に逃がされる。特許文献１に開示のパワー素子モジュールにおいては、基板及びパワー半導体構成部品は、２つのケース部分から形成される可撓性のケースによって取り囲まれており、２つのケース部分は重なるようにして配置され、ケース部分を冷却部材にねじ締結することにより一方のケース部分から基板に向かって延びる押圧部分により押圧される。

特表２００６−５２７４８７号公報

ところが、押圧支持する部材が少なくとも２つのケース部分で構成されており、構造が複雑なものとなっている。
本発明の目的は、パワーモジュールをケースに少ない部品で均一化しつつ押さえることができる電動圧縮機を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、筒型のケース内に配置された圧縮機構と、前記ケース内に配置されたモータ部と、回路基板に電気的に接続されるパワーモジュールを有し、前記ケースの軸方向の一端を閉塞する端面に固定されたインバータ部と、を備え、前記インバータ部は、前記モータ部の軸方向に沿って延びる複数の固定部の間を繋ぐようにして前記回路基板の面方向に沿って設けられたプレート状の押付梁部で前記パワーモジュールを前記ケースに押し付けるとともに前記パワーモジュールを位置決めするホルダを有し、前記ホルダは、その外周縁に前記押付梁部の厚みよりも前記モータ部の軸方向に沿う長さが長くなるように前記押付梁部から前記モータ部の軸方向に沿って延出された外周部を有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、インバータ部のホルダにおいて、固定部の間に設けられた押付梁部によりパワーモジュールをケースに押し付けるときに均等に押し付けることが可能となるとともにパワーモジュールが位置決めされる。よって、パワーモジュールをケースに少ない部品で均一化しつつ押さえることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の電動圧縮機において、前記ケースは円筒ケースであり、前記外周部は、前記円筒ケースの外周形状に沿った円弧部であり、前記パワーモジュールは、一対の前記固定部を結ぶ直線より前記円筒ケースの外周に寄って配置されているとよい。

請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の電動圧縮機において、前記ホルダは、前記パワーモジュール以外の前記インバータ部を構成する他の部品を位置決めしているとよい。
請求項４に記載のように、請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の電動圧縮機において、前記外周部は、前記パワーモジュールの外周端を覆うように前記押付梁部から前記ケースの前記端面に向かって延びているとよい。
請求項５に記載のように、請求項４に記載の電動圧縮機において、前記外周部は、前記ケースの前記端面から離れる方向にも延びているとよい。

本発明によれば、パワーモジュールをケースに少ない部品で均一化しつつ押さえることができる。

電動圧縮機の一部を破断して示す側面図。 図１のＡ−Ａ線での断面図。 パワーモジュールの平面図。 パワーモジュールの正面図。 インバータ部の一部平面図。 インバータ部の一部断面斜視図（図５のＢ−Ｂ線での断面斜視図）。 比較例の平面図。 比較例の断面図。 比較例の平面図。

以下、本発明を車載用の電動圧縮機に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、電動圧縮機１０は、圧縮機構（例えばスクロール圧縮機構）１１と、モータ部１２と、モータ部１２の三相交流モータ１３を駆動する三相インバータ部１４とが三相交流モータ１３の軸方向であるＺ方向に並んでいる。電動圧縮機１０は、ケース１５を有している。筒型のケース１５の内部に、冷媒を圧縮する圧縮機構１１、及び、圧縮機構１１を駆動するモータ部１２が収納され、軸方向であるＺ方向一端側に仕切壁１５ａを設けて閉塞されている。仕切壁１５ａは円板状をなしている。

ケース１５は、有底円筒状の第１ケース１６と、第１ケース１６の開口部に設けられる有蓋円筒状の第２ケース１７とを有している。第１ケース１６と第２ケース１７とはアルミ材料よりなる。ケース１５は、第１ケース１６と第２ケース１７とを連結することで構成されている。第１ケース１６には、第１ケース１６内に冷媒を流入させる流入口１８が第１ケース１６の径方向に貫通して設けられている。第１ケース１６に圧縮機構１１とモータ部１２が収容されている。

三相交流モータ１３は、シャフト１３ａがベアリングボックス１３ｂ内のベアリングにより回転可能に支持されている。また、三相交流モータ１３は、シャフト１３ａに固定されたロータ１３ｃと、ロータ１３ｃの外周側において第１ケース１６に固定されたステータ１３ｄを有する。ステータ１３ｄのステータコアにコイル１３ｅが巻回されている。

図１及び図２に示すように、第１ケース１６の軸方向であるＺ方向の外表面（第１ケース１６の軸方向であるＺ方向の端面）には、三相交流モータ１３を駆動させる三相インバータ部１４が配置されている。三相インバータ部１４は、有蓋円筒状のカバー１９で覆われている。詳しくは、第１ケース１６の端部に軸方向であるＺ方向から、有蓋円筒状のカバー１９を嵌めることにより三相インバータ部１４がカバー１９で覆われ、この状態でカバー１９が第１ケース１６にネジＳｃ１，Ｓｃ２，Ｓｃ３，Ｓｃ４により固定されている。カバー１９はアルミ材料よりなる。

三相インバータ部１４は、パワーモジュール２０、コイル２１、コンデンサ２２、回路基板（制御基板）２３等を含む。パワーモジュール２０には、アームを構成するパワー素子（半導体スイッチング素子及びダイオード）が内蔵されている。

詳しくは、三相インバータ部１４は、６つの半導体スイッチング素子と６つのダイオードを有し、正極母線と負極母線との間に、Ｕ相上アームを構成する半導体スイッチング素子と、Ｕ相下アームを構成する半導体スイッチング素子が直列接続されている。正極母線と負極母線との間に、Ｖ相上アームを構成する半導体スイッチング素子と、Ｖ相下アームを構成する半導体スイッチング素子が直列接続されている。正極母線と負極母線との間に、Ｗ相上アームを構成する半導体スイッチング素子と、Ｗ相下アームを構成する半導体スイッチング素子が直列接続されている。各半導体スイッチング素子にはダイオードが逆並列接続されている。正極母線、負極母線には直流電源としての車載バッテリが接続される。車載バッテリは高圧、例えば３００Ｖバッテリである。

２つの半導体スイッチング素子間に三相交流モータ１３のＵ相端子が接続されるとともに、２つの半導体スイッチング素子の間に三相交流モータ１３のＶ相端子が接続され、２つの半体スイッチング素子の間に三相交流モータ１３のＷ相端子が接続される。上下のアームを構成する半導体スイッチング素子及びダイオードを有するインバータ回路は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴い車載バッテリの電圧である直流電圧を交流電圧に変換して三相交流モータ１３に供給することができるようになっている。

各半導体スイッチング素子のゲート端子にはコントローラが接続される。コントローラは、各半導体スイッチング素子をスイッチング動作させる。つまり、インバータ回路は、半導体スイッチング素子及びダイオードにより、各相の上下のアームを構成しており、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により車載バッテリから供給される直流を適宜の周波数の三相交流に変換して三相交流モータ１３の各相のコイルに供給する。即ち、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により三相交流モータ１３の各相のコイル（図１のコイル１３ｅ）が通電されて三相交流モータ１３を駆動することができる。

インバータ回路の入力側には、コイル２１とコンデンサ２２からなるフィルタ回路が設けられている。コンデンサ２２には例えばフィルムコンデンサが用いられる。コンデンサ２２の一端は正極母線に、他端は負極母線に接続されている。コイル２１の一端は車載バッテリの正極端子側に、他端は正極母線側に接続されている。

次に、三相インバータ部１４の構造について説明する。
図１，２に示すように、三相インバータ部１４には、パワーモジュール２０、コイル２１、コンデンサ２２、回路基板（制御基板）２３等が配置されている。回路基板２３はケース１５に固定され、回路基板２３にはパワーモジュール２０、コイル２１、コンデンサ２２等が実装されている。パワーモジュール２０、コイル２１、コンデンサ２２、回路基板２３等はカバー１９で覆われている。カバー１９はケース１５と導通している。回路基板２３は円板状をなしている。有蓋円筒状のカバー１９の内径と、円板状の回路基板２３の外径は、ほぼ同じである。回路基板２３に接近してカバー１９が配置されている。三相インバータ部１４は、ケース１５に固定され、カバー１９で覆われている。

ケース１５の円形の端面（仕切壁）における円弧部にパワーモジュール２０が配置されている。つまり、パワーモジュール２０は円弧部を有し、パワーモジュール２０の円弧部がケース１５の円形の端面（仕切壁）における円弧部に沿うようにパワーモジュール２０が配置されている。パワーモジュール２０は三相交流モータ１３と電気的に接続されている。パワーモジュール２０、コイル２１、コンデンサ２２等は回路基板２３と電気的に接続されている。

図３及び図４にはパワーモジュール２０を示す。パワーモジュール２０は、樹脂モールド部２０ａと、複数本の信号端子２０ｂと、３つの三相出力端子２０ｃを有している。樹脂モールド部２０ａにおいて、金属基板２０ｄ（図６参照）やパワー素子等がモールドされている。３つの三相出力端子２０ｃは、一直線上に並んで配置されている。３つの三相出力端子２０ｃが並ぶ方向をＸ方向とするとともに、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。つまり、電動圧縮機（モータ）の軸方向であるＺ方向に対しＸ方向及びＹ方向が直交している。

パワーモジュール２０は、Ｙ方向における一端側に三相出力端子２０ｃが位置するとともに他端側は円弧状をなしている。複数本の信号端子２０ｂは、樹脂モールド部２０ａの上面からＺ方向に延びている。

樹脂モールド部２０ａは、上面が平坦面となっている。樹脂モールド部２０ａの下部に位置する金属基板２０ｄの下面が放熱面となっている。また、樹脂モールド部２０ａの上面から複数本の信号端子２０ｂが突設している。複数本の信号端子２０ｂは回路基板２３を貫通した状態で回路基板２３に、はんだ付けされることになる。

図１、図２、図５及び図６に示すように、三相インバータ部１４は、パワーモジュール２０を押さえるためのホルダ３０を有する。
ホルダ３０は、樹脂成型品であり、４つのネジ固定部３１，３２，３３，３４と、押付梁部３５とを有する。押付梁部３５は、ネジ固定部３１，３２の間に設けられている。押付梁部３５は、ＸＹ方向に延びる格子状をなしている。

各ネジ固定部３１，３２，３３，３４には、それぞれ、円筒形のカラーＣが埋設されている。カラーＣは金属製である。円筒形のカラーＣは、電動圧縮機（モータ）の軸方向であるＺ方向に延びている。図１に示すように、カラーＣは、Ｚ方向の一端面がケース１５の仕切壁１５ａに接触するとともにＺ方向の他端面がカバー１９に接触する。

図１に示すように、カバー１９の外部からネジＳｃ１がカバー１９を貫通するとともに固定部３１のカラーＣを貫通してケース１５の仕切壁１５ａに螺入される。同様にして、カバー１９の外部からネジＳｃ２がカバー１９を貫通するとともに固定部３２のカラーＣを貫通してケース１５の仕切壁１５ａに螺入される。他のネジ固定部３３，３４についても同様にカバー１９の外部からネジＳｃ３，Ｓｃ４がカバー１９を貫通するとともに固定部３３，３４のカラーＣを貫通してケース１５の仕切壁１５ａに螺入される。カラーＣにはフランジＦが形成されている。フランジＦはホルダ３０を仕切壁１５ａ側に押し付ける。これにより、ホルダ３０がケース１５の仕切壁１５ａにネジ固定されるとともにカバー１９がケース１５の仕切壁１５ａにネジ固定される。

このように、ホルダ３０は、２つのネジ固定部３１，３２がパワーモジュール２０を固定するためのものであり、他のネジ固定部３３，３４を用いてケース１５に取り付けられる。即ち、ホルダ３０は、パワーモジュール２０を固定するための２つのネジ固定部３１，３２と、ネジ固定部３１，３２の間に設けられた押付梁部３５とを有する。

ホルダ３０は、押付梁部３５でパワーモジュール２０をケース１５に押し付けるとともにパワーモジュール２０を位置決めする。
図５に示すように、ホルダ３０は円弧状をなしている。パワーモジュール２０は、円筒ケース１５の端に配置され、一対のネジ固定部３１，３２を結ぶ直線Ｌｃより外周にパワーモジュール２０の中心Ｏが位置する。Ｘ方向において一対のネジ固定部３１，３２がパワーモジュール２０を挟んでパワーモジュール２０の両側に配置されている。

図１，６に示すように、ホルダ３０の押付梁部３５は、パワーモジュール２０の円弧部（外周端面）を覆うようにＺ方向に延びる円弧部３５ａを有する。円弧部３５ａがパワーモジュール２０の円弧部（外周端）と接触している。また、円弧部３５ａはホルダ３０の他の部分の押付梁部３５よりもＺ方向正方向（図６において上方向）にも延びている。なお、円弧部３５ａはホルダ３０の外周部に相当する。図６に示すように、ホルダ３０の押付梁部３５は、パワーモジュール２０の円弧部（外周端）よりも内径側の端部に対応する部位にＺ方向に延びるガイド部３５ｃを有する。ガイド部３５ｃがパワーモジュール２０の円弧部（外周端）よりも内径側の端部と接触している。このようにして、パワーモジュール２０が位置決めされている。図１に示すように、円弧部３５ａは、Ｚ方向の一端面とケース１５の仕切壁１５ａとの間に隙間が形成されるとともにＺ方向の他端面と回路基板２３との間にも隙間が形成される。回路基板２３とカバー１９との間にはカラーＣの外周にスペーサＳが配置される。フランジＦとカラーＣとで回路基板２３の位置決めがされる。

図５，６に示すように、ホルダ３０は、押付梁部３５のうちの直線Ｌｃから遠い部位（円弧部３５ａ）の強度が直線Ｌｃから近い部位（プレート部３５ｂ）の強度よりも大きくなっている。詳しくは、電動圧縮機（モータ）の軸方向であるＺ方向における長さを調整することにより強度を調整している。具体的には、円弧部３５ａにおいては軸方向であるＺ方向に長くして高い剛性を与え、それよりも内径側では軸方向であるＺ方向に短くした（薄くした）プレート状にして低い剛性でもよい構成にして、プレート部３５ｂをＸ，Ｙ方向に延存させて帯板状の梁を構成している。つまり、直線Ｌｃ上では押し付け力を最も大きくできるが、直線Ｌｃから離れるほど押し付け力が小さくなるので、当該部位においては剛性を高くしている。

より詳しく説明する。
パワーモジュール２０はデッドスペースを少なくする目的で円形のインバータの配置領域のうちの端部に配置され、パワーモジュール２０は円弧部を有し、パワーモジュール２０の円弧部をインバータの配置領域の円弧部に沿わせている。この場合、円弧部が有ることによりパワーモジュール２０の中心Ｏを挟んだ両側にネジ固定部を配置することができないので、パワーモジュール２０の中心ＯからＹ方向にずれた位置（図５でのパワーモジュール２０の中心Ｏから下側）においてＸ方向に一対のネジ固定部３１，３２を配置している。

この場合、パワーモジュール２０の中心ＯからＹ方向にずれた箇所でもパワーモジュール２０をケース１５の冷却面に押さえるべく強度の調整を行っており、具体的には直線Ｌｃから遠い箇所の強度を大きくしている（剛性を高くしている）。これにより、均一なる押し付け力を生じさせることが可能となる。

図１に示すように、パワーモジュール２０、コイル２１、コンデンサ２２は、回路基板２３とケース１５の間に配置されるが、ホルダ３０は、ケース１５の端面（仕切壁１５ａ）と回路基板２３との間において軸方向であるＺ方向に直交する面（Ｘ−Ｙ面）にも延在されており、図６に示すように、ホルダ３０は、Ｚ方向に延びるガイド部３５ｄを有する。このガイド部３５ｄはコイル２１、コンデンサ２２の外形（外周端面）に接触している。このようにホルダ３０にコイル２１、コンデンサ２２等の部品が嵌め込まれており、パワーモジュール２０以外の三相インバータ部１４を構成する他の部品としてのコイル２１及びコンデンサ２２が位置決めされている。

なお、押付梁部３５は、パワーモジュール２０における剛性が高い骨格部分を押さえている。
次に、作用について説明する。

パワーモジュール２０の半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴いパワーモジュール２０、コンデンサ２２が発熱する。パワーモジュール２０及びコンデンサ２２は、ケース１５の仕切壁１５ａと熱的に結合しており、パワーモジュール２０及びコンデンサ２２において発生した熱はケース１５の仕切壁１５ａに伝わり、第１ケース１６内に流れる冷媒と熱交換される。このような放熱経路でパワーモジュール２０及びコンデンサ２２の熱が逃がされる。

ここで、冷却面となるケース１５の仕切壁１５ａに対しパワーモジュール２０を限られた点のみで押さえるのではなく、ホルダ３０の押付梁部３５により全面（多点）で押さえられて、冷却面への均一な接触が図られている。また、ホルダ３０の押付梁部３５により多点で押さえることにより押さえ応力が分散されている。

つまり、パワーモジュール２０を上から押さえる別の構造部品であるホルダ３０を用いて、ホルダ３０に設けた押付梁部３５がパワーモジュール２０の表面が接しており、ホルダ３０のネジ固定部３１，３２を冷却面側へ押し付けることで、パワーモジュール２０の全体を、冷却面となるケース１５の仕切壁１５ａへ押し付けている。その結果、ケース端面の冷却面に対しパワーモジュール２０の放熱面を均一に接触させることができる。即ち、パワーモジュール２０を直接押さえるのではなくホルダ３０を用いて間接的にかつ面でパワーモジュール２０を押さえる。そのため、機械的応力が集中せずに分散して押さえることができる。

図７及び図８は比較例である。
比較例において、パワー素子が内蔵されたパワーモジュール１００の放熱面１００ａを放熱部材１０１の冷却面に押し付ける場合、長辺方向の離れた２点（両端）をネジ１０２で締め付け固定する。すると、図９に示すように、２点の離れた場所で固定しているため、ネジの軸力がパワーモジュール１００の短辺部分にしか加わらずパワーモジュール１００の中央付近１１０の放熱面１００ａが十分に放熱部材１０１の冷却面へ押し付けられない。その結果、パワーモジュール１００の放熱面と放熱部材１０１の冷却面とが十分に密着していないことにより熱抵抗が大きくなり、十分に熱が逃げないのでパワーモジュール１００の中央付近１１０の放熱性の悪化を招く。また、ネジ固定部付近は応力が集中してパワーモジュール１００の樹脂部分に冷熱サイクルが加わった時に座屈（変形）してしまう懸念がある。

これに対し本実施形態においては、コイルやコンデンサを位置決め可能なホルダにパワーモジュールを押さえ付ける機能を追加している。つまり、パワーモジュール２０を上から押さえる別の構造部品であるホルダ３０を用いて、ホルダ３０に設けた押付梁部３５がパワーモジュール２０の表面に接しており、ホルダ３０のネジ固定部３１，３２を冷却面側へ締め付けることでパワーモジュール２０の全体を冷却面へ押し付けている。パワーモジュール２０の放熱面をケース１５側の冷却面へ均一に接触させることができることにより、パワーモジュール２０の放熱面と放熱部材の冷却面とを十分に密着できる。これにより、放熱経路での熱抵抗を小さくでき放熱性の向上が図られる。また、直接ではなく間接的にかつ面でパワーモジュール２０を押さえるためパワーモジュール２０の樹脂部分に冷熱サイクルが加わった時に座屈（変形）しにくくすることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電動圧縮機１０の構成として、ケース１５内に配置された圧縮機構１１と、ケース１５内に配置されたモータ部１２と、ケース１５に固定された三相インバータ部１４と、を備える。三相インバータ部１４は、パワーモジュール２０と、ホルダ３０を有する。ホルダ３０は、複数のネジ固定部３１，３２と、ネジ固定部３１，３２の間に設けられた押付梁部３５と、を有し、ホルダ３０は、押付梁部３５でパワーモジュール２０をケース１５に押し付けるとともにパワーモジュール２０を位置決めする。よって、ホルダ３０によりパワーモジュール２０をケース１５の放熱面に押し付けることができ、パワーモジュール２０をケース１５に少ない部品で、かつ、ネジ力を分散して押さえ付けることにより均一化しつつ押さえることができる。つまり、特許文献１では、押圧支持する部材が少なくとも２つのケース部分で構成されており、構造が複雑なものとなっているが、本実施形態では１つのホルダ３０を用いてパワーモジュール２０をケース１５に少ない部品で均一化しつつ押さえることができる。

（２）ホルダ３０は円弧状をなしている。パワーモジュール２０は、円筒ケース１５の端に配置され、一対のネジ固定部３１，３２を結ぶ直線Ｌｃより外周に中心Ｏが位置している。ホルダ３０は、押付梁部３５のうちの直線Ｌｃから遠い部位（円弧部３５ａ）の強度が直線Ｌｃから近い部位（プレート部３５ｂ）の強度よりも大きくなっている。これによって、より均一なる押圧力を生じさせることができる。

（３）ホルダ３０は、パワーモジュール２０以外の三相インバータ部１４を構成する他の部品としてのコイル２１及びコンデンサ２２を位置決めしている。これにより、ホルダ３０を用いてコイル２１及びコンデンサ２２を位置決めすることができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 圧縮機構は、スクロール形の圧縮機構以外の方式、例えばベーン形の圧縮機構でもよい。

○ ホルダ３０はパワーモジュール２０を固定する固定部として２つのネジ固定部３１，３２を有する構成としたが、３つ以上のネジ固定部を有する構成としてもよい。
○ ホルダはパワーモジュール以外のインバータ部を構成する他の部品としてコイル２１及びコンデンサ２２を位置決めしたが、パワーモジュール以外のインバータ部を構成する他の部品としてコイル２１のみ、コンデンサ２２のみを位置決めしてもよい。

○ ホルダ３０は他の部品（コイル、コンデンサ）を保持しない構成であってもよい。

１０…電動圧縮機、１１…圧縮機構、１２…モータ部、１４…三相インバータ部、１５…ケース、２０…パワーモジュール、２１…コイル、２２…コンデンサ、３０…ホルダ、３１…ネジ固定部、３２…ネジ固定部、３５…押付梁部。

Claims (5)

1. 筒型のケース内に配置された圧縮機構と、
   前記ケース内に配置されたモータ部と、
   回路基板に電気的に接続されるパワーモジュールを有し、前記ケースの軸方向の一端を閉塞する端面に固定されたインバータ部と、を備え、
   前記インバータ部は、
   前記モータ部の軸方向に沿って延びる複数の固定部の間を繋ぐようにして前記回路基板の面方向に沿って設けられたプレート状の押付梁部で前記パワーモジュールを前記ケースに押し付けるとともに前記パワーモジュールを位置決めするホルダを有し、
   前記ホルダは、その外周縁に前記押付梁部の厚みよりも前記モータ部の軸方向に沿う長さが長くなるように前記押付梁部から前記モータ部の軸方向に沿って延出された外周部を有することを特徴とする電動圧縮機。
2. 前記ケースは円筒ケースであり、
   前記外周部は、前記円筒ケースの外周形状に沿った円弧部であり、
   前記パワーモジュールは、一対の前記固定部を結ぶ直線より前記円筒ケースの外周に寄って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
3. 前記ホルダは、前記パワーモジュール以外の前記インバータ部を構成する他の部品を位置決めしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動圧縮機。
4. 前記外周部は、前記パワーモジュールの外周端を覆うように前記押付梁部から前記ケースの前記端面に向かって延びている請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の電動圧縮機。
5. 前記外周部は、前記ケースの前記端面から離れる方向にも延びている請求項４に記載の電動圧縮機。