WO2011104909A1

WO2011104909A1 - 回転電機システム

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Publication number: WO2011104909A1
Application number: PCT/JP2010/064279
Authority: WO
Inventors: 壮志松尾
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2012-08-26
Also published as: JP5492599B2; US20150199376A1; JP2011182480A; US9881019B2; US20130049495A1

Abstract

　回転電機システムは、固定子と固定子に空隙を介して設けられた回転子とを有する回転電機と、固定子を保持する筺体と、筺体によって保持され、回転電機を駆動する電力変換装置と、固定子と電力変換装置との間の筺体部分に設けられ、固定子と電力変換装置とを冷却する冷媒が流される第一の冷却通路とを有し、電力変換装置はパワー半導体素子を収納するパワーモジュールを有し、パワーモジュールは放熱フィンを有し、放熱フィンはパワーモジュールと第一の冷却通路との間の開口部から冷媒側に突出している。

Description

回転電機システム

　本発明は、電力変換装置と一体化された回転電機（回転電機システム）の構造に関する。

　現状の電気自動車，ハイブリッド自動車においては、回転電機と電力変換装置がそれぞれ別体にて搭載されるのが一般的である。車両内におけるそれらの搭載スペースや各コンポーネントにおける最適な冷却方法を考えると、それぞれが別体にして設置することが好都合であることが多い。ただし、部品点数の削減や回転電機と電力変換装置間のサージ対策を考えると、それらは一体であることが望ましい。

特開２００５－２２４００８号公報

　特許文献１ではインバータ一体型回転電機を開示しているが、冷却水タンクなどの構成を採用しているため装置全体が大型化してしまう課題がある。

　本発明は、電力変換装置と一体化された回転電機（回転電機システム）において、性能を落とすことなく小型化する技術を提供する。

　本発明の第１の態様によると、回転電機システムは、固定子と固定子に空隙を介して設けられた回転子とを有する回転電機と、固定子を保持する筺体と、筺体によって保持され、回転電機を駆動する電力変換装置と、固定子と電力変換装置との間の筺体部分に設けられ、固定子と電力変換装置とを冷却する冷媒が流される第一の冷却通路とを有し、電力変換装置は、パワー半導体素子を収納するパワーモジュールを有し、パワーモジュールは放熱フィンを有し、放熱フィンは、パワーモジュールと第一の冷却通路との間の開口部から冷媒側に突出している。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の回転電機システムにおいて、固定子の外側の筐体部分に、回転電機の回転方向を周回するように設けられ、冷媒が流される第二の冷却通路とを有し、第二の冷却通路は、第一の冷却通路に対し、電力変換装置を冷却した後の冷媒が固定子を冷却するように連通するのが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様の回転電機システムにおいて、第一の冷却通路は、冷媒が流れる方向を変える形状を有し、第二の冷却通路は、第一の冷却通路に対し、電力変換装置を冷却した後の冷媒が固定子を冷却するように連通するとともに、当該連通部分において、第一の冷却通路の断面積よりも第二の冷却通路の断面積の方が大きくなるように連通しているのが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第１の態様の回転電機システムにおいて、パワーモジュールは、パワー半導体素子を二列に並べて収納し、第一の冷却通路において、冷媒は第一の列に並べられたパワー半導体素子を冷却した後に流れる方向を変えて、第二の列に並べられたパワー半導体素子を冷却するのが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第１の態様の回転電機システムにおいて、放熱フィンの近傍に温度センサを有し、温度センサにより取得した温度データに基づいて冷却を制御するのが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、回転電機システムは、固定子と、固定子に回転空隙を介して回転するように設けられた回転子と、を有する回転電機と、固定子を保持する筺体によって保持され、回転電機を駆動する電力変換装置と、固定子と電力変換装置との間の筺体部分に設けられ、通路を流れる冷媒によって電力変換装置を冷却する第一の冷却通路と、固定子の外側の筺体部分に設けられ、通路を流れる冷媒が回転電機の回転方向を周回することによって固定子を冷却する第二の冷却通路と、を有し、第一の冷却通路は、冷媒が流れる方向を変える形状を有し、第二の冷却通路は、第一の冷却通路に対し、電力変換装置を冷却した後の冷媒が固定子を冷却するように連通するとともに、当該連通部分において、第一の冷却通路の断面積よりも第二の冷却通路の断面積の方が大きくなるよう連通している。
　本発明の第７の態様によると、第６の態様の回転電機システムにおいて、電力変換装置は、パワー半導体素子を二列に並べて収納するパワーモジュールを有し、第一の冷却通路において、冷媒は第一の列に並べられたパワー半導体素子を冷却した後に流れる方向を変えて、第二の列に並べられたパワー半導体素子を冷却するのが好ましい。
　本発明の第８の態様によると、第７の態様の回転電機システムにおいて、パワーモジュールの放熱板は放熱フィンを有し、放熱フィンは、パワーモジュールと第一の冷却通路との間の開口部から冷媒側に突出しているのが好ましい。
　本発明の第９の態様によると、第８の態様の回転電機システムにおいて、放熱フィンの近傍に温度センサを有し、温度センサにより取得した温度データに基づいて冷却を制御するのが好ましい。

　直接水冷方式をとる電力変換装置は、一般的な間接水冷に対して熱抵抗が低いため、パワー半導体素子の冷却に必要な面積が小さくてすむ。つまり回転電機と電力変換装置を一体化する際に、それらの水路を共有化し、電力変換装置を直接冷却方式で冷却することで小型な電力変換装置を備えた回転電機システムを実現することができる。

回転機システムの外観＜１＞。回転機システムの外観＜２＞。回転機システムの外観＜３＞。回転機システムの外観＜４＞。主回路図。直接水冷と間接水冷の比較。流路の形状説明＜１＞（Ｕターン）。流路の形状説明＜２＞（冷却水の入口と出口の関係その１）。流路の形状説明＜３＞（冷却水の入口と出口の関係その２）。パワーモジュール外観＜１＞（内部配置）。パワーモジュール外観＜２＞（フィンと水の流れの関係）。

　図１～図４は本発明の実施の形態の一つを示す。図５は本実施の形態の主回路を示しており、各主要部品が電気的にどのように接続されているかを表している。ここでは便宜上、電力変換装置をインバータ、回転電機をモータと称す。但し、回転電機はモータとしてだけではなく、発電機としても機能することができる。モータは、固定子と、この固定子に回転空隙を介して回転するように設けられた回転子（図示しない）とを有する。また、インバータは、固定子を保持する筺体によって保持され、モータを駆動するものである。

　まず図５より、本実施の形態の電気的機能を説明する。波線で囲まれた部分が本実施の形態で説明するインバータ一体型モータ１に相当しており、これはおおまかにインバータ部２とモータ部３に分けられる。インバータ部２は、外部から接続されるバッテリ４からの電気的な入力（直流）を、パワー半導体素子５を規則的にスイッチングすることにより交流に変換し、モータ部３に送られる。ここで、図５の電気回路上は、モータ巻線のインピーダンス７で描かれており、インバータによって変換された交流はモータのインピーダンス８を通る。本実施の形態のパワー半導体素子５はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipoler Transistor）を想定しているが、必要な周波数や電圧によって、他のパワー半導体素子（例えばＭＯＳ－ＦＥＴなど）が選定される。ここでは、正極側（上アーム側）に３つのＩＧＢＴ５ａとフライホイールダイオード６ａ、負極側（下アーム側）に同じ数のＩＧＢＴ５ｂとフライホイールダイオード６ｂを備えており、上下アーム一対で一つの相に対応している。

　スイッチング時に発生する電圧の脈動（リップル）は、バッテリ４とパワー半導体素子５群の間に位置する平滑コンデンサ２１により平滑される。

　次に図１を説明する。この図１の上部にある直方体の部分がインバータ部２であり、その下部の筒状の部分がモータ部３である。本実施の形態では、インバータ部２とモータ部３は一つの金属製ハウジング（アウターハウジング１０）を共有することで、一体化されている。つまり、アウターハウジング１０の上段部がインバータ部２になっている。

　インバータ部２の内部がインバータ室１３になっており、この中にインバータ機能を実現するための部品が収納されている。図中は内部が見えるように省略しているが、実際にはインバータ部の最上部にはインバータ室１３内部に異物や水分が混入しないようカバーを取り付けて使用する。

　図１及び図２から分かるように、モータ部３のアウターハウジング１０の内側には、別体になったインナーハウジング１１があり、その内側にはモータのコイル１４が備わっている。アウターハウジング１０は、車両のエンジンまたはトランスミッションやギアボックスなどに取り付けられるようフランジ１２を有している。図中は省略してあるが、フランジ１２には任意に取付用のボルト穴が開けられる。

　図１及び図３に示されているように、インバータ室１３内には、上段からモータの制御を行うモータ制御基板２０、電圧のリップルを平滑化する平滑コンデンサ２１、モータ制御基板からの指令を受けてスイッチング素子のオン・オフを制御するゲートドライブ基板２２、そしてインバータ部の最下部にはパワー半導体素子５を収納しているパワーモジュール２３が重なるように配置される。本実施の形態のインバータでは放電抵抗２５を備えており、インバータをオフした際に平滑コンデンサ２１に溜まっていた電荷はこの放電抵抗２５によって放電される。車両側との信号のやり取りのために、インバータ室１３の外壁には信号コネクタ２６が備わっており、その信号コネクタ２６はインバータ室１３の壁の内側でフラットケーブル２７の一方と繋がっており、その他方はモータ制御基板２０と接続されている。

　外部にあるバッテリ４からの直流電力はインバータ部２の一端に配置された強電コネクタ２８から入力される。その直流電力はパワーモジュール２３の直流端子５５に伝達され、パワーモジュール２３により交流に変換され、パワーモジュール２３の交流端子５６から口出し線１７を介してコイル１４に伝達される。この時、交流の電流は、電流センサ２４を通ってコイル１４と接続されている。ここを通るＡＣ電流は電流センサ２４により検知され、その電流値はモータ制御基板２０に伝達され、モータの制御に使われる。口出し線１７とパワーモジュール２３の接続ラインは、サージやノイズの影響を抑制するために極限まで短く設計されている。

　図６にパワーモジュール２３の縦構造の模式図、及び図１０，図１１にパワーモジュール２３の外観詳細図を示す。パワーモジュール２３の下部には、その内部のパワー半導体素子５がスイッチング時に発生する熱を逃がすための放熱板４２が備わっており、その下面には放熱用のフィン４３が配置されている。本実施の形態のフィン４３は円柱状のピンフィンを複数配列しているが、フィン形状は他の形状でもかまわない。パワーモジュール２３はインバータ室１３の床面に開いた開口部３５に蓋をするようにボルト５７がボルト穴３６と締結されることにより固定されるが、このとき、フィン４３が開口部３５から下方に突出する。

　図７はインナーハウジング１１のみを表している。この表面にある周方向に長い帯状の凹部が冷却流路３７である。これはインナーハウジング上をほぼ帯状に一周するように延びている。インナーハウジング１１がアウターハウジング１０内に収まるときにアウターハウジング１０が冷却流路３７の蓋を形成することになる。このとき、入口パイプ１５の下に流路入口部３９が配置され、また、図中は省略しているが、冷却流路３７の両側に並行してインナーハウジングを一周するようにＯリングもしくは液状シールを入れることで、漏水防止対策が可能になる。

　パワーモジュール２３のフィン４３は、開口部３５から突出すると同時に、この冷却流路３７の平坦面３８の上に突出することになる。つまり本実施の形態では、パワー半導体素子５が発生する熱が放熱板４２を介してその板と一体化されたフィン４３に到達し、そのフィン４３が直接冷却されることでパワー半導体素子が冷却される直接水冷方式を採ることになる。尚、ここでは冷却水による水冷を前提としているが、冷却媒体は水以外でもかまわない。

　図６は直接水冷と間接水冷の比較のために、パワーモジュール２３内部の縦構造を模式的に表したものである。（ａ）は直接水冷、（ｂ）は間接水冷である。一般的なパワーモジュール２３の内部縦構造は上から順に、パワー半導体素子５，絶縁基板４５，放熱板４２で構成されている。

　間接水冷ではインバータケース４６のケース内壁４７の水路側にフィン４３が備わっており、パワーモジュール２３はそのケース内壁４７のフィン４３と対向する面に設置される。この時、パワーモジュールの放熱板４２とインバータケースの内壁４７の間には一般的に放熱グリース４８が塗布されており、金属と金属が合わさる面においては熱伝導の向上に寄与している。つまり、パワー半導体素子５は、放熱板４２から放熱グリース４８とインバータケース内壁４７を介して冷却水４４に放熱している。

　直接水冷では、パワーモジュール２３が搭載される位置は間接水冷と同じようにインバータケース４６に固定されるが、その搭載面には開口があり、パワーモジュールは放熱板４２でこの開口部をふさぐように搭載される。つまり、放熱板４２にフィン４３がある場合にはフィン４３がこの開口部から冷却水側に突出することとなり、冷却水４４は直接的に放熱板４２やフィン４３に当ることでパワー半導体素子５の熱を引いている。

　このとき、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ）５から冷却水４４までの熱抵抗は、間接水冷で約０.１５℃／Ｗ、直接水冷で約０.０９℃／Ｗ程度である。つまり、間接水冷では熱抵抗が１.５倍高い。これを放熱面積で考えると、直接水冷は間接水冷に比べ、パワーモジュール２３の床面積がおおよそ１.５分の１で済むということになる。

　モータのハウジング上にインバータを搭載する一体化形状においてインバータの床面積を減らすことは、インバータとモータを別体で使用する場合よりも重要であり、本実施の形態のような形態に直接水冷を適用することは効果的である。これは同時に、間接水冷を用いた場合に比べて体積当たりのトルクを増すことにもなる。

　さらに、図１０で示すように、本施例で用いるパワーモジュール２３は６つのパワー半導体素子５が３つずつ対向するように配置されている（パワー半導体素子５を２列に並べて収納している）ため、水路の長手方向の長さを短くすることに寄与している。つまり、筒状のモータハウジング上に搭載するのに適したパワーモジュール形状になっている。

　さらに、本実施の形態ではこのパワーモジュール２３を冷却するために次のような工夫がされている。図７の冷却通路３７は通常、入口から出口まで一方方向に流すことを想定されるが、本実施の形態では図７に示すように、パワーモジュール下部に相当する平坦部３８でＵターンするような形状で形成されている。この領域では水路幅が狭く、つまりパワーモジュール下部では流速が上げられ、内部の６つのパワー半導体素子５は省スペースで効率的に冷却される。

　本実施の形態では、冷却通路３７が２つの冷却通路（第一の冷却通路と第二の冷却通路）により構成される。第一の冷却通路は、固定子と電力変換装置との間の筺体部分に設けられ、通路を流れる冷媒によって電力変換装置を冷却するものである。このとき冷媒は第一の列に並べられたパワー半導体素子を冷却した後に流れる方向を変えて、第二の列に並べられた前記パワー半導体素子を冷却する。一方、第二の冷却通路は、固定子の外側の筺体部分に設けられ、通路を流れる冷媒が前記回転電機の回転方向を周回することによって固定子を冷却するものである。

　上述したように、図７では第一の冷却通路は冷媒が平坦部３８でＵターンするような形状を有している。なお、図７では一例としてＵターンさせる形状を示しているが、冷媒の流速が上がるように平坦部３８で冷媒の流れの向きを変える形状であれば良い。

　第二の冷却通路は、第一の冷却通路に対し、インバータを冷却した後の冷媒が固定子を冷却するように連通するとともに、当該連通部分において、第一の冷却通路の断面積よりも第二の冷却通路の断面積の方が大きくなるよう連通した構成を採用している。

　本実施の形態の冷却水はインバータ部２を冷却すると同時に、モータの固定子コア及びコイル１４の冷却も行うモータ冷却水としての役割も兼ねている。

　ここで注意すべき点として、モータのコイル１４の許容温度とパワーモジュール２３の動作温度の差がある。一般にモータのコイル１４は高温になりやすく、冷却水はアウターハウジング１０，インナーハウジング１１を一周する間に温度が上昇する。通常、コイル１４温度は最大１８０℃付近まで到達することが予想され、その一方で、パワーモジュール２３の動作温度は自己発熱による温度上昇分を含めて最大１２５℃～１５０℃付近が限界である。つまり、インバータとモータを一体化する際にはコイル１４の温度がパワーモジュール２３に与える影響を最小限に抑える設計が慣用となる。

　図８は本実施の形態の断面を簡略的に示したものである。矢印は冷却水の流れを示しており、本図では入口パイプ１５から入った冷却水はパワーモジュール２３の放熱板４２の下、及びフィン４３の間を通過した後に図７のようにＵターンするため、図８ではこの点（流路平坦面３８右側）で紙面奥の方向に向かうことになる。その後冷却水は、本図面では反時計回りの方向にモータのコイル周辺を一周するように回り、出口パイプ１６へ向かう。ここに示すように、本実施の形態では、冷却水の入口パイプ１５をパワーモジュール２３の近傍に極限まで近づけ、最も冷えている冷却水がまずパワーモジュール２３を冷やすように配慮されている。こうすることで、先に述べたコイル１４の温度がパワーモジュール２３に与える熱的影響を最小限に抑えることが可能となる。

　また、図９は、図８における入口パイプ１５の形状を変更したものである。入口パイプ１５が平坦部３８と平行に設けられているため、入口パイプ１５から入った時の冷却水の勢いが図８の場合よりも強くなり流速が上がる。その結果、パワー半導体素子５の省スペースで効率的な冷却に一層効果がある構成となる。

　なお、本実施の形態においては、インバータ部２とモータ部３を完全に一体化した例を示したが、インバータ部２とモータ部３を別々に作り、後に合体することによる一体化も可能である。この利点として、仮にどちらか一方が壊れた場合に、片方のみの修復で済む等が挙げられるが、注意すべき点として、その分割面にはＯリング等のシールが必要になる。

　また、ここでの冷却水４４の温度はモータ冷却水温度であると同時にインバータ冷却水でもある。つまり、本実施の形態の図中は示していないが、冷却水４４内のフィン４３近傍に温度センサを設けてその情報をモータ制御基板２０に取り込むことで、モータとインバータの水温を同時に管理することになり、それぞれの部位に温度制限が必要な場合や冷却を制御する場合などに有効である。例えば、水温の上昇により、パワーモジュールやモータの固定子側に悪影響が出そうな場合は、水温に応じて電流を絞る（トルクに制限をかける）などの制御が可能となる。

　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１０年第０４１２３３号（２０１０年２月２６日出願）

Claims

　固定子と前記固定子に空隙を介して設けられた回転子とを有する回転電機と、
　前記固定子を保持する筺体と、
　前記筺体によって保持され、前記回転電機を駆動する電力変換装置と、
　前記固定子と前記電力変換装置との間の筺体部分に設けられ、前記固定子と前記電力変換装置とを冷却する冷媒が流される第一の冷却通路と、
を有する回転電機システムであって、
　前記電力変換装置は、パワー半導体素子を収納するパワーモジュールを有し、
　前記パワーモジュールは、放熱フィンを有し、
　前記放熱フィンは、前記パワーモジュールと前記第一の冷却通路との間の開口部から冷媒側に突出している回転電機システム。
　請求項１に記載の回転電機システムにおいて、
　前記固定子の外側の筐体部分に、前記回転電機の回転方向を周回するように設けられ、前記冷媒が流される第二の冷却通路とを有し、
　前記第二の冷却通路は、前記第一の冷却通路に対し、前記電力変換装置を冷却した後の前記冷媒が前記固定子を冷却するように連通する回転電機システム。
　請求項２に記載の回転電機システムにおいて、
　前記第一の冷却通路は、前記冷媒が流れる方向を変える形状を有し、
　前記第二の冷却通路は、前記第一の冷却通路に対し、前記電力変換装置を冷却した後の前記冷媒が前記固定子を冷却するように連通するとともに、当該連通部分において、前記第一の冷却通路の断面積よりも前記第二の冷却通路の断面積の方が大きくなるように連通している回転電機システム。
　請求項１に記載の回転電機システムにおいて、
　前記パワーモジュールは、パワー半導体素子を二列に並べて収納し、
　前記第一の冷却通路において、前記冷媒は第一の列に並べられた前記パワー半導体素子を冷却した後に流れる方向を変えて、第二の列に並べられた前記パワー半導体素子を冷却する回転電機システム。
　請求項１に記載の回転電機システムにおいて、
　前記放熱フィンの近傍に温度センサを有し、
　前記温度センサにより取得した温度データに基づいて冷却を制御する回転電機システム。
　固定子と、前記固定子に回転空隙を介して回転するように設けられた回転子と、を有する回転電機と、
　前記固定子を保持する筺体によって保持され、前記回転電機を駆動する電力変換装置と、
　前記固定子と前記電力変換装置との間の筺体部分に設けられ、通路を流れる冷媒によって前記電力変換装置を冷却する第一の冷却通路と、
　前記固定子の外側の筺体部分に設けられ、通路を流れる冷媒が前記回転電機の回転方向を周回することによって前記固定子を冷却する第二の冷却通路と、を有し、
　前記第一の冷却通路は、前記冷媒が流れる方向を変える形状を有し、
　前記第二の冷却通路は、前記第一の冷却通路に対し、前記電力変換装置を冷却した後の前記冷媒が前記固定子を冷却するように連通するとともに、当該連通部分において、前記第一の冷却通路の断面積よりも前記第二の冷却通路の断面積の方が大きくなるよう連通している、回転電機システム。
　請求項６に記載の回転電機システムにおいて、
　前記電力変換装置は、パワー半導体素子を二列に並べて収納するパワーモジュールを有し、
　前記第一の冷却通路において、冷媒は第一の列に並べられた前記パワー半導体素子を冷却した後に流れる方向を変えて、第二の列に並べられた前記パワー半導体素子を冷却する回転電機システム。
　請求項７に記載の回転電機システムにおいて、
　前記パワーモジュールの放熱板は放熱フィンを有し、
　前記放熱フィンは、前記パワーモジュールと前記第一の冷却通路との間の開口部から冷媒側に突出している回転電機システム。
　請求項８に記載の回転電機システムにおいて、
　前記放熱フィンの近傍に温度センサを有し、
　前記温度センサにより取得した温度データに基づいて冷却を制御する回転電機システム。