WO2004025808A1 - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

駆動装置は、電動機１と、電動機を収容する駆動装置ケース２と、電動機を制御するインバータ３と、インバータを冷却する冷媒の流路とを備える。インバータは、ヒートシンク５３に取付けられ、空間Ｒを画成して駆動装置ケースに取付けられ、空間は、冷媒の流路に連通されている。ヒートシンクは、フィン５６を有し、駆動装置ケースは、フィン２２を有し、それらは互いに離れている。これにより、駆動装置ケース側とヒートシンク側に共に広い面積での冷却媒体との熱交換により有効に冷却される。また、フィン間が離れていることで、直接の熱伝達が回避され、耐熱温度に応じた温度勾配を保った効率のよい冷却が可能となる。

Description

明 細

技術分野

本発明は、 動力源として電動機を用いる駆動装置に関し、 特に、 電気自動車用 駆動装置やハイプリッド駆動装置における冷却技術に関する。 背景技術

電動機を車両の駆動源とする場合、 電動機はその制御のための制御装置 （交流 電動機の場合はィンバータ）を必要とする。 こうしたィンパータ等の制御装置は、 電動機に対してパヮーケーブルで接続されるものであるため、 電動機とは分離さ せて適宜の位置に配設可能であるが、 車載上の便宜性から、 電動機と一体化させ る配置が採られる場合がある。

ところで、 現状の技術では、 制御装置の耐熱温度は電動機の耐熱温度に対して 低い。 そこで、 上記のように制御装置を電動機と一体化させる場合、 制御装置を 保護すべく、 電動機から制御装置への直接的な熱伝達を遮断する何らかの手段が 必要である。 また、 制御装置は、 自身の素子による発熱で温度上昇するため、 耐 熱温度以下に保っために冷却を必要とする。

こうした事情から、 従来、 電動機のステータボディの外周に溝を形成し、 この 溝の開放面側を制御装置のモジュールを取付けた底板で塞いで冷却路を設けた制 御装置一体化電動機が国際公開第 9 8 / 2 8 8 3 3号パンフレツトにおいて提案 されている。 この技術では、 底板側の溝内に延ぴ出す冷却フランジが形成されて いる。

また、 同様の技術として、 米国特許第 5 4 9 1 3 7 0号明細書に記載の技術も ある。 この技術では、 電動機のハウジングの外周に冷却流体を流す螺旋通路を形 成し、 この通路の開放面側を覆うようにハゥジングに外装したスリーブに I G B Tモジュール （インパータコンポーネント） を取付けた構成が採られている。 ところで、 上記前者の従来技術の構成では、 冷却フランジの形成によりモジュ ールを取付けた底板側の熱交換面積が拡大されているため、 モジュール側の冷却 が促進されるものの、 ステータボディ側の冷却は溝底面の面積を熱交換面積とす るため、 必ずしも十分ではない。 したがって、 こうした構成による場合、 ステー タボディ側の熱が冷却フランジを介してモジュール側に伝わるのを防ぐ意味で、 冷却フランジの先端は、 ステータポディの溝底面からある程度離して、 その間の 隙間で冷却流体による断熱効果を確保する必要がある。 そして、 このように隙間 を広く取った場合、 冷却フランジの流路ガイドとしての効果は低下する。

一方、 前記後者の技術では、 スリーブが冷却流体と接する面積を十分に確保す ることが困難なため、 インパータコンポーネントを十分に冷却するには、 螺旋通 路に流す冷却流体の流量を多くする必要があるが、 この場合、 冷却流体の循環の ためのポンプ等が大型化し、 その駆動のためのエネルギを大きくなる。 また、 こ の技術では、 螺旋通路を画成する壁の先端がスリーブと直接接触するため、 この 接触部分での熱伝達が生じることから、 インパータコンポーネントを耐熱温度以 下に保つには、 電動機のハウジングの温度を実質上その温度まで下げる冷却を必 要とし、 冷却能率の面からも非能率である。

本発明は、 こうした従来技術を踏まえて案出されたものであり、 電動機にイン バータを一体化させた駆動装置において、 電動機からィンパータへの熱伝達を抑 えながら、 限られた冷却空間内で冷媒に対する最大限の放熱面積を確保すること を主たる目的とする。 次に、 本発明は、 冷却空間内の放熱手段により冷媒の流れ を促進して、 冷却性能を向上することを更なる目的とする。 発明の開示

上記目的を達成するため、 本発明は、 電動機と、 該電動機を収容する駆動装置 ケースと、 電動機を制御するインパータと、 該インパータを冷却する冷媒の流路 とを備える駆動装置において、 前記インパータは、 その基板と一体化されたヒー トシンクが駆動装置ケースと対向する部分に空間を画成して駆動装置ケースに取 付けられ、 前記空間は、 冷媒の流路に連通され， 前記ヒートシンクは、 駆動装置 ケースに向けて空間内に延ぴ出すヒートシンク側フィンを有し、 前記駆動装置ケ ースは、ヒートシンクに向けて空間内に延び出す駆動装置ケース側フィンを有し、 前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンは、 互いに離れていること を主たる特徴とする。

この構成では、 駆動装置ケース側とヒートシンク側に共に十分な伝熱面積が確 保されるため、 それらの広い面積での冷却媒体との熱交換による冷却の促進によ り、 両者をそれぞれ有効に冷却することができる。 また、 ヒートシンク側フィン と駆動装置ケース側フィンが離れて！/、ることで、 駆動装置ケースからヒートシン クへの直接の熱伝達が回避されるため、 駆動装置ケース側の温度をヒートシンク 側に必要とされる制御装置の耐熱温度まで下げる必要がなく、 両者間の温度勾配 を保った効率のよい冷却が可能となる。 これにより電動機とインパータとの一体 化によるインパータの温度上昇を少ない冷媒流量で効率よく防ぐことができる。 上記の構成において、前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンは、 協働して共通の冷媒流れパターンを前記空間内に生じさせるものであることが望 ましい。 この構成では、 フィンを利用した共通の冷媒の流れが空間内のヒートシ ンク側、 駆動装置ケース側共に生じるため、 空間内に冷媒流れの干渉による澱み が生じるのを防ぐことができる。

この場合の前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンは、 同種のフ インとしても、異種のフィンとしてもよい。 特に、 同種のフィンとした構成では、 ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンを同様の配列のものとするだけ で、 空間内での流れの干渉による澱みのない所期の流れパターンを生じさせるこ とができる。

そして、 同種のフィンとする場合、 前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケー ス側フィンは、 共にピン状フィンとすることができる。 この構成では、 リブ状フ ィンで空間内の流体流れを誘導する構成に比べて、 流路抵抗を大幅に低減するこ とができる。 したがって、 この構成によれば、 流路の圧力損失を小さくすること ができ、 それにより、 駆動装置に一体化されたインパータを少ないエネルギ消費 で冷却することができる。

また、 異種のフィンとする場合、 それらの一方がリブ状フィンからなり、 他方 がピン状フィンからなるものとすることができる。 この構成では、 ヒートシンク 側フィンと駆動装置ケース側フィンを共にリブ状フインとした構成に比べて、 ピ ン状フィン側で流路抵抗が低減される分だけ、 空間全体でみた流路抵抗を小さく することができる。

また、 上記の構成において、 前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フ インは、 それらの間に微小な隙間を挟んで、 協働して前記空間を実質上横断する ものであることが望ましい。 この構成では、 ヒートシンク側フィンと駆動装置ケ ース側フィンの直接接触による熱伝達を回避しながら、 空間内に流れの干渉によ る澱みのない実質上 1つの冷却流体の流れを生じさせることができる。 図面の簡単な説明

図 1は本発明の駆動装置の冷却系のシステム構成図、 図 2は駆動装置の軸方向 縦断面、 図 3は駆動装置の軸横断方向縦断面図、 図 4は第 1実施形態のフィン配 列をヒートシンクと駆動装置ケースと対向面を同一平面上に並べて示す模式平面 図、図 5は第 2実施形態のフィン配列を図 4と同様の表記方法で示す模式平面図、 図 6は第 3実施形態のフィン配列を図 4と同様の表記方法で示す模式平面図、 図 7は第 4実施形態のフィン配列を図 4と同様の表記方法で示す模式平面図、 図 8 は第 5実施形態のフィン配列を図 4と同様の表記方法で示す模式平面図であり、 図 9はヒートシンク構成が異なる場合の駆動装置の軸方向縦断面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面に沿い、 本発明の実施形態を説明する。 まず図 1は、 本発明を適用 した駆動装置の冷却系を模式化して概念的に示す。 この装置は、 図示を省略する 電動機と、 該電動機を収容する駆動装置ケース 2と、 電動機を制御するインバー タ 3と、 インバータ 3を冷却する冷媒の流路 4とを備える。 本明細書いうインバ ータとは、 パッテリ電源の直流をスイッチング作用で交流 （電動機が 3相交流電 動機の場合は 3相交流） に変換するスィツチングトランジスタや付随の回路素子 と、 それらを配した回路基板からなるパワーモジュールを意味する。 この形態に おける駆動装置は、 電気自動車又はハイプリッド車用の駆動装置を構成するもの で、 駆動装置ケース 2は、 図示しない電動機としてのモータ又はジェネレータ若 しくはそれら両方と、 ディファレンシャル装置、 カウンタギヤ機構等の付属機構 を収容している。 インバータ 3は、 その基板自体又は別部材を基板に取付けるこ とで基板と一体化されたヒートシンク 5 3が駆動装置ケース 2と対向する部分に 空間を画成して駆動装置ケース 2に取付けられ、 前記空間は、 冷媒の流路 4に連 通されている。 この形態における、 冷媒の流路 4は、 ヒートシンク 5 3の流路を 通して単一の冷媒を循環させる冷媒循環路とされている。

ヒートシンク 5 3を通して単一の冷媒としての冷却水を循環させる冷媒循環路 は、 圧送源としてのウォーターポンプ 4 1と、 熱交換器としてのラジェータ 4 2 と、 それらをつなぐ流路 4 3， 4 4， 4 5とから構成されている。 なお、 ウォー ターポンプ 4 1の駆動モータ等の付属設備については、 図示を省略されている。 冷媒循環路の起点としてのウォーターポンプ 4 1の吐出側流路 4 3は、 ヒートシ ンク 5 3の入口側のポート 5 1に接続され、 ヒートシンク 5 3の出口側のポート 5 2は、 戻り流路 4 4を経てラジェータ 4 2の入口 4 2 1側に接続され、 ラジェ ータ 4 2の出口 4 2 2側がウォーターポンプ 4 1の吸込側流路 4 5に接続されて いる。 したがって、 この冷媒循環路において、 冷媒としての冷却水は、 ウォータ —ポンプ 4 1から送り出された後、 ヒートシンク 5 3内の空間を流れる際にイン パータ 3のモジュールからの熱を吸収して加熱され、 戻り流路 4 4を経由でラジ エータ 4 2に送り込まれて空気への放熱により冷却され、 ウォーターポンプ 4 1 に戻されて一巡のサイクルを終わる循環を繰り返すことになる。 なお、 この冷媒 循環路は、 途中、 例えば戻り流路 4 4の部分で、 更なる冷却のために駆動装置ケ ース 2内を通る流路とすることもできる。

次に示す図 2及び図 3は、 駆動装置の軸方向縦断面及び軸横断方向縦断面を簡 略化して示すもので、 図 2において、 符号 1は電動機を示し、 1 1はそのロータ 軸、 1 2はロータコア、 1 3はステータコアを示し、 図 3において、 破線で示す 円は電動機 1の外径、 最大径の一点鎖線で示す円はディファレンシャル装置のリ ングギヤの嚙合ピッチ径、 中間径の一点鎖線で示す各円は、 ロータ軸 1 1とディ ファレンシャル装置のリングギヤとの間で動力を伝達するカウンタギヤ機構の各 ギヤの嚙合ピッチ径を示す。

駆動装置ケース 2には、 その上部にヒートシンク 5 3を底壁として一体形成さ れたィンパータケース 5の取付部が一体形成されている。 ィンパータケース 5の 取付部は、 電動機収容部の外周に接するように配置され、 インパータケース 5の 平面外形と実質上符合する平面外形の台状とされ、 外形を枠状に囲う周壁 2 1に より画成される空間 R 1を備えている。 この空間 R 1が、 ヒートシンク 5 3が駆 動装置ケース 2と対向する部分に画成される空間 Rの駆動装置ケース 2側空間を 構成する。

ヒートシンク 5 3は、 本形態ではィンパータ 3の基板とは別部材とされ、 イン パ一タケース 5の底壁 5 3で構成されており、 インパータケース 5は、 底壁 5 3 から外形を枠状に囲うように上方に延びる周壁 5 4を備えるケース状とされ、 そ の内部がインパータ 3の収容空間とされている。 そして、 インパータ 3を構成す るモジュールは、 それを密接させて一体化すべく平坦に仕上げ加工されたィンパ ータケース 5の底壁 5 3に適宜の手段で緊密に固定されている。 そして、 インパ ータケース 5の上側開放部は、 力パー 7で蓋されている。 インバータケース 5の 底壁 5 3より下方には、 その外形を枠状に囲うように下方に延びる周壁 5 5によ り画成される空間 R 2が設けられている。 この空間 R 2が、 ヒートシンク 5 3が 駆動装置ケース 2と対向する部分に画成される空間 Rのヒートシンク 5 3側空間 を構成する。

このように構成されたインパータケース 5は、 駆動装置ケース 2の取付け面に 当接させ、 ボルト締め等の適宜の固定手段で固定一体化されている。 この当接部 は、 直接接触する配置でもよいが、 図示の例では、 取付部での熱伝達を防ぐよう に、 ィンパータケース 5と駆動装置ケース 2の合せ面間にシール機能又は断熱機 能若しくはそれら両方の機能を持つ適宜の中間部材 6が介挿されている。 この中 間部材 6は、 断熱材又は断熱シール材とする場合は、 合せ面間に介揷することが 望ましいが、 別個の断熱材とシール材とする場合は、 シール材については、 合せ 面に溝を形成し、 その中に配置する構成とすることもできる。

本発明の特徴に従い、 ヒートシンク 5 3は、 駆動装置ケース 2に向けて空間内 に延ぴ出す多数のヒートシンク側フィン 5 6を有し、 駆動装置ケース 2は、 ヒー トシンク 5 3に向けて空間内に延び出す多数の駆動装置ケース側フィン 2 2を有 し、 これらヒートシンク側フィン 5 6と駆動装置ケース側フィン 2 2は、 それら の先端が接触しないように、 互いに離れている。 なお、 全ての図において、 これ らフィン 5 6， 2 2の数は、 図面の錯綜を避ける意味で、 実際の配置個数より減 じて示されている。 こうした両フィンが互いに離れている構成は、 同位置に配置 されたフィンの先端に隙間を設けても、 また異なる位置にフィンを配置すること によっても実現することができる。 このようないずれの構成を採る場合も、 これ らヒートシンク側フィン 5 6と駆動装置ケース側フィン 2 2は、 協働して共通の 冷媒流れパターンを空間内に生じさせるものとされている。

次に示す図 4は、 ヒートシンク側フィン 5 6と駆動装置ケース側フィン 2 2の 第 1実施形態の配列パターンを、 実際には向い合う関係にあるィンバータケース 5の底面と駆動装置ケース 2側の取付面を同一平面に並べて表記した模式平面で 示す。 この形態では、 ヒートシンク側フィン 5 6と駆動装置ケース側フィン 2 2 は共に等間隔配列で同一パターンのピン状フィンとされている。この形態の場合、 両フィンとも空間 R内での配置位置が一致するため、 ヒートシンク側フィン 5 6 と駆動装置ケース側フィン 2 2は、 それらの間に微小な隙間を挟んで互いに離れ てはいるが、 協働して空間 Rを実質上横断するように、 配置本数を同一としたも のである。

この第 1実施形態のフィン配列パターンの場合、 ヒートシンク側フィン 5 6と 駆動装置ケース側フィン 2 2の直接接触による熱伝達を回避しながら、 換言すれ ば両フィン間の隙間を流れる流体を断熱層として、 空間内に流れの干渉による澱 みのない実質上 1つの冷却流体の流れパターンを生じさせることができる。また、 リプ状フィンで空間内の流体流れを誘導する構成に比べて、 流路抵抗を大幅に低 減することができる。 したがって、 この構成によれば、 流路の圧力損失を小さく することができ、 それにより、 駆動装置に一体化されたインバータ 3を駆動装置 ケース 2と共に少ないエネルギ消費で冷却することができる。

次の図 5に示す第 2実施形態は、 ヒートシンク側フィン 5 6と駆動装置ケース 側フィン 2 2を共にピン状フインとしたものであり、 両フィンとも空間の平面に 対して等間隔配列のフィンとされているが、 この形態では、 駆動装置ケース側フ イン 2 2については、 ヒートシンク側フィン 5 6より本数を減じられて、 配設密 度の粗いものとされている。 こうした配列では、 ヒートシンク側のフィン 5 6に よる熱交換面積が大きくなるため、 ヒートシンク 5 3側の冷却がより強力に行な われ、 冷却能力の違いによりィンパータ 3及び電動機 1それぞれの耐熱温度に合 わせた温度勾配を空間内に生じさせることができる。 しかも、 前記第 1実施形態 に対して、 駆動装置ケース側フィン 2 2の配置密度が粗い分だけ空間 R全体とし ての圧力損失を小さくすることができ、一層のエネルギ消費の低減が可能となる。 次の図 6に示す第 3実施形態は、 ヒートシンク側フィン 5 6と駆動装置ケース 側フィン 2 2を共に流体の入口から出口方向に延びる等間隔で並行配列のリブ状 フィンとし、 ヒートシンク側フィン 5 6と駆動装置ケース側フィン 2 2は、 それ らの間に微小な隙間を挟んで、 協働して空間 Rを実質上横断するするように、 配 置本数を同一としたものである。 こうした配列では、 流路全体の圧力損失は先の 2つの実施形態より大きくなるが、 熱交換面積が大きくなるため、 冷却効率は大 幅に向上する。

更に、 図 7に示す第 4実施形態は、 ヒートシンク側フィン 5 6と駆動装置ケー ス側フィン 2 2は、 同種のリブ状フィンフィンとされ、 両フィンとも流体の入口 から出口方向に延びる等間隔で並行配列のフィンとされている力 この形態では、 駆動装置ケース側フィン 2 2については、 ヒートシンク側フィン 5 6より本数を 減じられている。 こうした配列では、 先の第 1実施形態と第 2実施形態の関係と 同様に、 ヒートシンク側のフィン 5 6による熱交換面積が大きくなるため、 ヒー トシンク 5側の冷却がより強力に行なわれ、 ィンパータ 3及び電動機 1それぞれ の耐熱温度に合わせた温度勾配を空間内に生じさせることができる。 そして、 こ の形態の場合も、 駆動装置ケース側フィン 2 2の配列密度が粗い分だけ空間 R全 体としての圧力損失を小さくすることができる。

次に、 図 8に示す第 5の形態では、 ヒートシンク側フィン 5 6と駆動装置ケー ス側フィン 2 2は、 それらの一方の駆動装置ケース側フィン 2 2がリブ状フィン からなり、 他方のヒートシンク側フィン 5 6がピン状フィンからなる構成とされ ている。 このようにフィン 2 2， 5 6の一方をリプ状とし、 他方をピン状とした 場合、 リブ状フィンが配置された側の空間内の流れは、 圧力損失の点で不利であ るが、 空間の各部において、 流れを強制的に導いて均一化するのに有利であり、 ピン状フィンが配置された側の空間内の流れは、 圧力損失が小さくなる点で有利 である。 したがって、 こうしたフィン配置によると、 両空間のフィンを共にリブ 状とした場合に比べて、 空間内流路の流れ抵抗を全体として小さくすることがで き、 両空間のフィンを共にピン状フィンとした場合に比べて流れ特性を良好にす ることができる。

以上、 インパータを構成するモジュール基板とヒートシンクが別部材で構成さ れる場合について、 フィン形状と配列を変更した各実施形態を例示したが、 同様 のフィン形状と配列は、 インバータ 3自体がヒートシンクを備える場合について も実現することができる。 最後の図 9に示す駆動装置軸方向断面は、 ヒートシン クがモジュール基板で構成される場合を想定した空間の画成構造を示す。 この形 態では、 インパータケース 5は、 底壁のない枠状構造とされ、 その周壁 5 5から 内側に張出す棚状部分 5 6にヒートシンク 3 3の周囲を载置し、 それらの間に図 示を省略する適宜のシール手段を介在させて载置部を密封し、 適宜の手段で固定 した構成が採られている。 こうした構成を採っても、 ヒートシンク 3 3側のフィ ン 3 6と駆動装置ケース側フィン 2 2を同様に先端部が離れた配置とすることが できる。 この形態の場合、 空間 Rは、 駆動装置ケース 2とインバータケース 5と インパータモジュールのヒートシンク 3 3とで画成される。 その余の構成は、 全 て先に例示した各実施形態の場合と同様であるので、 相当する部材に同様の参照 符号を付して説明に代える。

以上、 本発明を 6つの実施形態に基づき詳説したが、 本発明はこれらの実施形 態に限るものではなく、 特許請求の範囲に記載の事項の範囲内で種々に具体的構 成を変更して実施することができる。 例えば、 前記各形態では、 冷媒を専ら冷却 水として例示したが、 他の適宜の冷媒を用いることも当然に可能である。 産業上の利用可能性

本発明は、 電気自動車用駆動装置やハイブリッド駆動装置のほかに、 電動機と インパータを一体化させた装置に広く適用可能なものである。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 電動機 （1 ) と、

該電動機を収容する駆動装置ケース （2 ) と、

電動機を制御するインパータ （3 ) と、

該インパータを冷却する冷媒の流路 （4 ) とを備える駆動装置において、 前記インパータは、 その基板と一体化されたヒートシンク （3 3， 5 3 ) が駆 動装置ケースと対向する部分に空間 （R) を画成して駆動装置ケースに取付けら れ、

前記空間は、 冷媒の流路に連通され，

前記ヒートシンクは、 駆動装置ケースに向けて空間内に延び出すヒートシンク 側フィン （3 6， 5 6 ) を有し、

前記駆動装置ケースは、 ヒートシンクに向けて空間内に延び出す駆動装置ケー ス側フィン （2 2 ) を有し、

前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンは、 互いに離れているこ とを特徴とする駆動装置。

2 . 前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンは、 協働して共通の冷 媒流れパターンを前記空間内に生じさせるものである、請求項 1記載の駆動装置。

3 . 前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンは、 それらの一方がリ プ状フィンからなり、 他方がピン状フィンからなる、 請求項 2記載の駆動装置。

4 . 前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンは、 それらの間に微小 な隙間を挟んで、 協働して前記空間を実質上横断するものである、 請求項 1又は 2記載の駆動装置。

5 . 前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンは、 同種のフィンとさ れた、 請求項 2又は 4記載の駆動装置。

6 . 前記ヒートシンク側フィンと駆動装置ケース側フィンは、 共にピン状フィン とされた、 請求項 5記載の駆動装置。