JP6876366B2 - 車載駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機と電力変換部とを一体に形成した車載駆動装置に関する。

従来では、電動機の直上にインバータを搭載した構造の回転電機システムとして特許文献１が開示されている。このような構造の回転電機システムでは、インバータを構成するパワーモジュールや平滑コンデンサ、制御基板等の複数の部品が垂直に積層して搭載されていた。

特開２０１１−１８２４８０号公報

しかしながら、上述した従来の回転電機システムでは、インバータを構成する複数の部品が垂直に積層して搭載されているので、装置全体の高さが高くなってしまう。特に、比較的質量の大きい平滑コンデンサを装置の上部に設置すると、電動機は最下部で車載マウントされるので、平滑コンデンサに起因するマウント回りのモーメントが大きくなり、車両の急制動時等に電動機の前傾量が過大になってしまうという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、車両の急制動時等であっても電動機の前傾量を低減することのできる車載駆動装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る車載駆動装置は、車両にマウントされた電動機と、複数の構成部品によって電源からの電力を変換する電力変換部とを備えている。そして、電力変換部は電動機の外周上部に配置され、電力変換部の複数の構成部品のうち質量の大きい重量部品を、他の構成部品と平行かつ電動機の車両後方側に配置する。

本発明によれば、装置全体の高さを低く抑えることができ、特に質量の大きい部品の位置を低くできるので、車両の急制動時等であっても電動機の前傾量を低減することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る車載駆動装置の構造を示す分解斜視図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る車載駆動装置の構造を示す断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る車載駆動装置の支持部材の構造を示す図であり、図３（ａ）は分解斜視図、図３（ｂ）は裏面図である。 図４は、本発明の第１実施形態の変形例に係る車載駆動装置の構造を示す断面図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係る車載駆動装置の効果を説明するための図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係る車載駆動装置の効果を説明するための図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係る車載駆動装置の構造を示す分解斜視図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係る車載駆動装置の構造を示す断面図である。 図９は、本発明の第２実施形態に係る車載駆動装置の構造を示す断面図である。

以下、本発明を適用した第１及び第２実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
［車載駆動装置の構造］
図１は本実施形態に係る車載駆動装置の構造を示す分解斜視図であり、図２は断面図である。図１、２に示すように、本実施形態に係る車載駆動装置１は、電動機３と、電力変換部５と、支持部材７とを備えている。

電動機３は、例えば３相交流同期型モータであり、主に電動機ハウジング１１と、エンドプレート１３と、上面プレート１５とから外形形状が形成され、下端で車両にマウントされている。そして、電動機３の出力軸は減速機１７に接続されている。

電動機ハウジング１１には、電力変換部５と支持部材７とを収容するための収容部１９が形成されている。この収容部１９は、電動機ハウジング１１の上部に、電動機ハウジング１１と一体に形成された収容ケースであり、電力変換部５と支持部材７を内部に収容して上面プレート１５で封止される。また、電動機ハウジング１１の外周には冷却流路２１が形成されており、冷却水を流して電動機３を冷却する。冷却水は、支持部材７から電動機ハウジング１１へ流入し、電動機ハウジング１１の外周全体を循環して電動機３を冷却した後に電動機３の外部に流出する。

電力変換部５は、平滑コンデンサ２３やパワーモジュール２５、これらを接続するバスバ２７の他に、例えば電流センサや制御基板、ハーネス等の複数の部品によって構成されたインバータである。この電力変換部５は、電源からの電力を変換して電動機３に供給するための電力を出力する。具体的には、車両の駆動用高電圧バッテリからジャンクションボックスを介して給電された直流電流を、パワー半導体によって３相交流電流に変換して電動機３に供給する。この３相交流電流は、モータ回転数に同期した周波数で目標トルクに応じた値の電流であり、ＰＷＭ信号によって半導体スイッチング素子をスイッチングすることによって生成される。

また、電力変換部５の複数の構成部品のうち質量の大きい重量部品を、他の部品と平行かつ電動機３の車両後方側に配置する。本実施形態では、平滑コンデンサ２３を重量部品とし、図１、２に示すようにパワーモジュール２５等の他の部品と平行かつ電動機３の車両後方側に配置する。尚、重量部品は最も質量の大きい部品であることが好ましいが、それに限定する必要はなく、他の部品と比較して質量が大きければよい。例えば、本実施形態では、平滑コンデンサ２３が最も好ましいが、パワーモジュール２５であってもよい。

さらに、本実施形態では、重量部品である平滑コンデンサ２３を車両の車輪軸上に配置する。図２に示すように、電力変換部５の複数の構成部品は平行に配置されるので、車両後方側に配置される平滑コンデンサ２３は電動機３の後方に張り出して配置されることになる。一方、電動機３の出力軸は減速機１７を介して車両の車輪軸に接続されるので、車輪軸は電動機３の近くを通す必要がある。そこで、電動機３の後方に張り出した平滑コンデンサ２３の下を車輪軸が通るように設置すれば、車両空間を効率良く利用することができる。

支持部材７は、電力変換部５を表面に搭載して電動機３の電動機ハウジング１１に固定される部材であり、例えば鋳物の冷却器である。図３に示すように、支持部材７は平板状の形状をしており、表面上に電力変換部５が搭載されたサブアセンブリ構造をしている。支持部材７の内部には、電動機３の冷却流路２１に接続される冷却流路２９が形成されている。この冷却流路２９は、支持部材７の裏面全体に設けられた凹んだ空間に、底板３１を封止することによって形成される。冷却流路２９は、仕切板を互い違いに設けることによって、溝状の流路が左右に往復する形状になっている。ただし、冷却流路２９の形状は仕切板の配置を変更することによって自由に変更することが可能であり、また仕切板を設けなくてもよい。

冷却水は、支持部材流路入口３３から流入して冷却流路２９を左右に往復しながら流れ、支持部材７の中央付近でパワーモジュール流路入口３５からパワーモジュール２５へ流入する。パワーモジュール２５内を流れた冷却水は、パワーモジュール流路出口３７から冷却流路２９へ戻り、再び冷却流路２９を左右に往復しながら流れた後に支持部材流路出口３９を通じて支持部材７から流出する。この後、支持部材７から流出した冷却水は電動機３へ流入して電動機３の冷却に利用される。

ここで、支持部材７のパワーモジュール流路入口３５及びパワーモジュール流路出口３７は、パワーモジュール２５の冷却流路の位置に合わせて設けられた開口部である。したがって、パワーモジュール２５の構造が変更されて冷却流路の位置が変更されると、変更されたパワーモジュール内の冷却流路の位置に合わせてパワーモジュール流路入口３５及びパワーモジュール流路出口３７の位置も変更される。同様に、電動機３の構造が変更された場合には、電動機３の冷却流路２１の入口の位置に合わせて、支持部材流路出口３９の位置が変更される。

従来では、パワーモジュールや電動機の構造が変更されると、それに合わせてパワーモジュールと電動機の冷却流路を接続するために別途配管を設計する必要があり、製造上非常に負担が大きかった。しかし、本実施形態では、パワーモジュールや電動機の構造が変更されても、支持部材７の中に冷却流路２９が形成されているので、支持部材７に開ける穴の位置を変更するだけで冷却流路を接続することができる。したがって、設計負担を軽減することができ、汎用性を非常に高めることができる。例えば、パワーモジュール２５の構造が変更された場合には、パワーモジュール流路入口３５及びパワーモジュール流路出口３７の位置を変更すればよいし、電動機３の構造が変更された場合には支持部材流路出口３９の位置を変更すればよい。

［車載駆動装置の製造工程］
次に、本実施形態に係る車載駆動装置１の製造工程を説明する。本実施形態に係る車載駆動装置１の製造工程では、まず支持部材７に電力変換部５を搭載する。支持部材７上には、平滑コンデンサ２３やパワーモジュール２５、その他の電子部品群、例えば電流センサや制御基板等が搭載され、各部を接続するバスバ２７やハーネス等が取り付けられる。この際、支持部材７とパワーモジュール２５との間の冷却流路の接続は、面シール等で行えばよい。

通常、電子部品を取り扱う場合には、コンタミネーションや静電気を防止するため、室内管理を機械部品より格段に厳しくする必要がある。従来では、電動機に電子部品を直接搭載していたので、電動機の製造室で電子部品を搭載する必要があり、それによって電動機の製造工程の中にコンタミネーションや静電気の対策を講じる必要のある工程が増加していた。

しかし、本実施形態では、支持部材７に電子部品を搭載しているので、電子部品を搭載する工程を、電動機の製造室とは別の室内、例えばインバータの製造室で製造することが可能となる。インバータの製造室は予めコンタミネーションや静電気の対策が施されているので、新たに対策を講じる必要はなく、対策が必要となる工程の増加を防止することができる。

この後、インバータの製造室を出る際には、支持部材７に簡易的なカバーをかけてコンタミネーションや静電気を防げばよい。そして、電動機の製造室内では、特別に仕切られた小部屋を用意し、この小部屋内で簡易的なカバーを外して、電動機ハウジング１１の収容部１９の上方から支持部材７を挿入して組み付ける。この際、全体の組み付けと同時に、面シール等で水密性を確保しながら冷却流路の接続も行う。そして、最後に上面プレート１５をボルト締めすれば、本実施形態に係る車載駆動装置１の製造工程が完了する。

［変形例］
次に、図４を参照して本実施形態に係る車載駆動装置の変形例を説明する。図４（ａ）に示すように、電動機３の後方に、例えば車輪軸やステアリング機構等の部品がない場合に、後方に配置した平滑コンデンサ２３を電動機３の外周に沿って配置してもよい。このとき図４（ｂ）に示すように、平滑コンデンサ２３とパワーモジュール２５の位置を入れ替えてもよい。

尚、小型の電動機では出力軸の方向にパワーモジュールと平滑コンデンサを並べて配置できる場合があるが、出力が大きくなると、パワーモジュールと平滑コンデンサの部品体格が大きくなり、出力軸の方向に並べることが難しくなる。そこで、そのような場合にはパワーモジュール２５と平滑コンデンサ２３を図４に示すように配置すれば効果的である。

［第１実施形態の効果］
次に、図５を参照して、本実施形態に係る車載駆動装置１による作用効果を説明する。図５は、車両の急制動時における車載駆動装置の前傾量を示す図であり、図５(ａ)は本実施形態の車載駆動装置の場合、図５（ｂ）は比較例の車載駆動装置の場合である。比較例の車載駆動装置は、電力変換部を構成する部品を垂直に積層している。

図５に示すように、本実施形態の車載駆動装置１及び比較例の車載駆動装置５０は、電動機の下端となるマウント位置Ｍで車両にマウントされている。車両の急制動時には、車載駆動装置１、５０はマウント位置Ｍの回りに前傾し、前傾量は制動時の負の加速度と車載駆動装置１、５０の慣性モーメントに比例する。慣性モーメントは、回転中心すなわちマウント位置Ｍからの距離とその部位の質量に比例する。

図５（ｂ）に示すように、比較例では、平滑コンデンサ２３のような質量の大きな部品が上層部、すなわちマウント位置Ｍから離れて配置されているので、慣性モーメントが大きくなってしまう。したがって、比較例では、制動時の前傾量が大きくなってしまうという問題点があった。

これに対して、本実施形態では、図５（ａ）に示すように平滑コンデンサ２３を、パワーモジュール２５等の他の部品と平行に配置しているので、装置の高さが低くなってマウント位置Ｍからの距離を短くできる。さらに、電動機３の車両後方側に平滑コンデンサ２３を配置したので、制動時に前傾した場合の車載駆動装置１の最前部の移動距離を小さくすることができる。したがって、本実施形態の場合における車載駆動装置１の前傾量θ１は、比較例の場合の前傾量θ２よりも小さくなる。

次に、図６を参照して、本実施形態に係る車載駆動装置１による別の作用効果を説明する。図６は、車両の車輪軸と車載駆動装置の配置を示す図であり、図６(ａ)は本実施形態の車載駆動装置の場合、図６（ｂ）は比較例の車載駆動装置の場合である。比較例の車載駆動装置は、電力変換部を構成する部品を垂直に積層している。

図６に示すように、電動機３の出力軸６１は減速機１７に連結され、減速機１７で出力軸６１の回転を減速して車両の車輪軸６３に伝える。車輪軸６３は、出力軸６１に対してオフセットされた位置にあり、差動装置を介して車輪（タイヤ）に動力を伝える。車輪軸６３は電動機３の後方に配置されているので、減速機１７は電動機３に対して車両の後方に張り出すことになる。

図６（ｂ）に示すように、比較例では、減速機１７は電動機３の後方に張り出しているが、平滑コンデンサ２３やパワーモジュール２５は電動機３の上に積層されているので、上方に張り出している。すなわち、平滑コンデンサ２３等の部品が減速機１７と別方向に張り出しているので、他の車載装置と干渉する等の理由で車載レイアウトが難しくなり、車両空間を効率良く利用することができない。特に、車輪軸６３の上部の空間が利用できずに、無駄な空間となっていた。

一方、図６（ａ）に示すように、本実施形態では、平滑コンデンサ２３が車両の後方に張り出しているので、その下に車輪軸６３を通すことができる。これにより、装置全体の高さを低くできるとともに、減速機１７と平滑コンデンサ２３が同じ方向に張り出しているので、装置全体がまとまった構造になる。これにより車載レイアウトがし易くなり、車両空間を効率良く利用することができる。

また、平滑コンデンサ２３は、電動車駆動用の強電バッテリからパワーモジュール２５への給電ラインに配置されて、給電電流に重畳するリプル電流を平滑するものである。したがって、電動機３を車両の前置きとした場合、平滑コンデンサ２３を電動機３の後方側に配置すると、車両の床下（電動機３の後方）に配置された強電バッテリから配策される給電ケーブルを短くすることができる。

以上詳細に説明したように、本実施形態に係る車載駆動装置１では、電力変換部５を電動機３の外周上部に配置し、電力変換部５の複数の構成部品のうち質量の大きい重量部品を他の構成部品と平行かつ電動機３の車両後方側に配置する。これにより、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では比較例に対して装置全体の高さを低く抑えることができ、特に質量の大きい重量部品の位置を低くできるので、車両の制動時において電動機の前傾量を低減することができる。

また、本実施形態に係る車載駆動装置１では、重量部品である平滑コンデンサ２３を車両の車輪軸６３上に配置する。これにより、減速機１７と平滑コンデンサ２３が同じ方向に張り出して装置全体がまとまった構造になるので、車載レイアウトがし易くなり、車両空間を効率良く利用することができる。さらに、強電バッテリから配策される給電ケーブルを短くすることができる。

また、本実施形態に係る車載駆動装置１では、冷却流路２９が内部に形成された支持部材７上に電力変換部５の複数の構成部品を搭載し、支持部材７を電動機３に固定する。これにより、コンタミネーションや静電気の対策が必要な工程の増加を防止することができるとともに、設計負担を軽減して汎用性を高めることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る車載駆動装置について図面を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

［車載駆動装置の構造］
図７は本実施形態に係る車載駆動装置の構造を示す分解斜視図であり、図８は断面図である。図７、８に示すように、本実施形態に係る車載駆動装置７１では、電力変換部５を構成する複数の構成部品の上面が平坦となるように配置されたことが第１実施形態と相違している。

一般的に、平滑コンデンサ２３は体格が大きいので、上述した第１実施形態のようにパワーモジュール２５と下面を揃えて並べると、電力変換部５の構成部品の間で上面に段差ができてしまう。一方、電動機３は断面形状が円形であることから、電動機３の外周は最上部から後方へ傾斜した形状となる。そこで、この傾斜に合わせて、図８に示すように平滑コンデンサ２３の位置を下げて配置する。これにより、電力変換部５の構成部品の上面を平坦にすることができ、装置全体の高さを第１実施形態の場合よりも低くすることができる。さらに、装置全体の高さが低くなったことにより、平滑コンデンサ２３のマウント位置までの距離がさらに短くなり、マウント回りのモーメントをより小さくすることができる。また、構成部品の上面を平坦にしたことにより、パワーモジュール２５と平滑コンデンサ２３を接続するバスバ２７の搭載を容易にできるとともに、バスバ２７の長さを短くすることができる。

尚、電力変換部５の構成部品の上面を揃えたことにより、収容部１９の内部には電動機３の外周に沿って段差が設けられている。また、支持部材７も収容部１９の内部形状に対応して段差のある階段状に形成されている。

さらに、図９に示すように、平滑コンデンサ２３を電動機３の外周に沿った形状としてもよい。例えば、平滑コンデンサ２３の内部の素子は、同じ形状の素子を並べてもよいが、一般に複数の形状で形成することが可能である。そこで、平滑コンデンサ２３を、前部２３ａと後部２３ｂとに分けて前部２３ａの高さを低くして、後部２３ｂの高さを高くする。そして、高さの低い前部２３ａをパワーモジュール２５に近い車両前方側に配置し、高さの高い後部２３ｂを車両後方側に配置して上面を揃えれば、平滑コンデンサ２３の形状が下方に階段状になって電動機３の外周に沿った形状となる。

これにより、本実施形態では、第１実施形態の場合と比較して平滑コンデンサ２３の厚みを減らすことができるので、平滑コンデンサ２３が後方に張り出す量を減らすことができる。したがって、平滑コンデンサ２３の重心が電動機３のマウント位置に近くなり、モーメントをさらに小さくすることができる。また、バスバ２７の長さもより短くすることができる。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る車載駆動装置７１によれば、電力変換部５を構成する複数の構成部品の上面が平坦となるように配置されるので、装置全体の高さをより低くすることができ、マウント回りのモーメントをより小さくすることができる。また、バスバ２７の搭載を容易にできるとともに、バスバ２７の長さを短くすることができる。

また、本実施形態に係る車載駆動装置によれば、重量部品である平滑コンデンサ２３を電動機３の外周に沿った形状にしたので、平滑コンデンサ２３が後方に張り出す量を減らすことができる。これにより、平滑コンデンサ２３の重心が電動機３のマウント位置に近くなり、モーメントをさらに小さくすることができ、バスバ２７の長さもより短くすることができる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１、７１ 車載駆動装置
３ 電動機
５ 電力変換部
７ 支持部材
１１ 電動機ハウジング
１３ エンドプレート
１５ 上面プレート
１７ 減速機
１９ 収容部
２１、２９ 冷却流路
２３ 平滑コンデンサ
２３ａ 前部
２３ｂ 後部
２５ パワーモジュール
２７ バスバ
３１ 底板
３３ 支持部材流路入口
３５ パワーモジュール流路入口
３７ パワーモジュール流路出口
３９ 支持部材流路出口
６１ 出力軸
６３ 車輪軸

Claims (3)

1. 車両にマウントされたハウジングを有する電動機と、
   複数の構成部品によって構成され、電源からの電力を変換して前記電動機に供給するための電力を出力する電力変換部とを備え、
   前記ハウジングには前記電力変換部を収容する収容部が形成され、
   前記収容部は前記電動機の外周上部から前記電動機の外周に沿って前記車両後方側に形成される傾斜部を有し、前記電力変換部の複数の構成部品のうち他の部品と比較して質量の大きい構成部品である重量部品を、前記収容部の前記傾斜部に配置することを特徴とする車載駆動装置。
2. 車両にマウントされたハウジングを有する電動機と、
   複数の構成部品によって構成され、電源からの電力を変換して前記電動機に供給するための電力を出力する電力変換部とを備え、
   前記ハウジングには前記電力変換部を収容する収容部が形成され、
   前記収容部は前記電動機の外周上部から前記車両後方側に前記電動機の外周よりも張り出して形成される張出部を有し、前記電力変換部の複数の構成部品のうち他の部品と比較して質量の大きい構成部品である重量部品を、前記収容部の前記張出部に配置し、
   前記電力変換部の複数の構成部品は、上面が平坦となるように配置され、
   前記重量部品は、前記車両の車輪軸上に配置されていることを特徴とする車載駆動装置。
3. 前記電力変換部の複数の構成部品は、冷却流路が内部に形成された支持部材上に搭載され、前記支持部材を前記電動機に固定したことを特徴とする請求項１または２に記載の車載駆動装置。

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