WO2014129037A1

WO2014129037A1 - インバータ付きモータ

Info

Publication number: WO2014129037A1
Application number: PCT/JP2013/081508
Authority: WO
Inventors: 裕介中山
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2014-08-28
Also published as: US20160020679A1; JPWO2014129037A1; EP2961055A1; JP5930115B2; EP2961055A4; CN105075093A

Abstract

　ロータ（２３）及びステータ（２２）が収納されたモータ筐体（４１）と、インバータ（３）のパワーモジュール（３１）が収納され放熱機能を有するインバータ筐体（４２）とが、前記モータ筐体の一端部と前記インバータ筐体の一端部とで一体化されてなるインバータ付きモータ（１）において、前記インバータ筐体の他端部側の内部に前記パワーモジュールが配置され、当該パワーモジュールと前記インバータ筐体の内面との間に熱拡散部材（４４）が設けられている。

Description

インバータ付きモータ

　本発明は、インバータ付きモータに関するものである。

　インバータ一体型交流モータの抜熱構造において、発熱体であるモータとパワーモジュールとを対向させ、その間に輪板形状の素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状の冷却ブロックを配置したものが知られている（特許文献１）。

特開２００７－１１６８４０号公報

　しかしながら、上記従来のインバータ付きモータでは、発熱体であるモータとインバータとを両者の間に設けた冷却ブロックで冷却する構成であるため、モータとインバータの発熱量が大きいと、冷却ブロックのみでは十分な冷却ができないという問題がある。

　本発明が解決しようとする課題は、放熱性に優れたインバータ付きモータを提供することである。

　本発明は、放熱機能を有するインバータ筐体の端部に熱拡散部材を介してパワーモジュールを設けることによって上記課題を解決する。

　本発明によれば、インバータの主たる発熱体であるパワーモジュールからの熱は熱拡散部材により拡散してインバータ筐体に伝わるので、放熱面積が増加することにより放熱性が向上するという効果を奏する。

本発明の一実施の形態に係るインバータ付きモータを示す軸方向の断面図である。図１のII-II線に沿う矢視図である。図１のインバータ筐体の製造工程を示す断面図である。本発明の他の実施の形態に係るインバータ筐体の製造工程を示す断面図である。本発明のさらに他の実施の形態に係るインバータ付きモータを示す軸方向の断面図である。図５のVI-VI線に沿う矢視図である。図５の１つの熱拡散部材とパワーモジュールを示す斜視図である。図５のインバータ筐体の製造工程を示す断面図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
　図１，図２は本発明の第１実施形態に係るインバータ付きモータ１を示す図である。本例のインバータ付きモータ１は、モータ２とインバータ３とを一体化した機電一体装置であり、モータ２の構成部品である回転軸２１とステータ２２とロータ２３、及びインバータ３の構成部品であるパワーモジュール３１とＤＣバスバ及び平滑用コンデンサ３２（これらＤＣバスバと平滑用コンデンサを含めて符号３２で示す）と回路基板３３が、筐体４に内蔵されている。なお、本例のインバータ付きモータ１は、回生による発電機能も有するインバータ付きモータジェネレータを含む趣旨である。

　本例の筐体４は、モータ筐体４１とインバータ筐体４２と仕切りブラケット４３とを含み、これらモータ筐体４１、仕切りブラケット４３及びインバータ筐体４２がこの順序で軸方向に並置され、ボルトやネジなどの締結手段（図示省略）によってそれらのフランジ部同士が結合されている。このように筐体４を構成するモータ筐体４１とインバータ筐体４２とを別部材で構成し、締結手段により結合することも一体化と称する。なお、モータ筐体４１とインバータ筐体４２を一つの筐体部材で構成することも一体化と称する。

　モータ筐体４１は、軸方向の両端面が開放された筒状本体４１１と、この筒状本体４１１の一端面を閉塞し回転軸２１を回転可能に支持するとともに回転軸２１が貫通するブラケット４１２とを有し、これら筒状本体４１１とブラケット４１２は溶接、カシメ、ボルトなどの締結手段（図示省略）により固定されている。筒状本体４１１やブラケット４１２は、放熱性に優れたアルミニウム材等の材料により形成することができ、また筒状本体４１１の外面に複数の放熱フィンを形成して、モータ筐体４１に伝わったパワーモジュール３１からの熱を外部へ放熱するようにしてもよい。

　インバータ筐体４２は、筒状本体部４２１とこの筒状本体部４２１の一端面を閉塞するブラケット部４２２とを有するように有底筒状に一体成形されている。インバータ筐体４２は、放熱性に優れたアルミニウム材等の材料により形成することができ、ブラケット部４２２の外面に複数の放熱フィンを設けて、インバータ筐体４２に伝わったパワーモジュール３１からの熱を外部へ放熱するようにしてもよい。なお、筒状本体部４２１とブラケット部４２２とを別部材で構成し、これらを溶接、カシメ、ボルトなどの締結手段により固定してもよい。インバータ筐体４２のその他の構成については後述する。

　仕切りブラケット４３は、モータ筐体４１の他方のブラケットと、インバータ筐体４２の他方のブラケットとを兼ねて、モータ筐体４１内の塵埃がインバータ筐体４２へ侵入するのを防止するために、モータ筐体４１の筒状本体４１１とインバータ筐体４２の筒状本体部４２１との間に介装されている。この仕切りブラケット４３の部分においてモータ筐体４１とインバータ筐体４２とが一体的に締結されることになる。なお、仕切りブラケット４３は、モータ筐体４１の筒状本体４１１の一部として、又はインバータ筐体４２の筒状本体部４２１の一部として構成してもよい。

　モータ筐体４１の内部にはモータ室４１４が形成され、インバータ筐体４２の内部にはインバータ室４２４が形成され、これらモータ室４１４及びインバータ室４２４の軸方向の中心に、ベアリング４１３，４３１によって回転軸２１が両方向回転自在に支持されている。そして、回転軸２１の下端がモータ筐体４１から外部へ延在し、ここに負荷が接続される。本例のモータ２に接続される負荷としては、電気自動車の駆動軸などが挙げられ、モータ２を力行駆動して駆動軸に出力したり、電気自動車の駆動軸の回転を入力として回生駆動したりすることができる。

　モータ室４１４において、筒状本体４１１の内周面にはステータ２２が固定され、このステータ２２の内側には空隙を介してロータ２１が対向して回転軸２１に固定されている。

　ステータ２２は、回転磁界を発生させる静止部材であり、磁気回路を構成するステータコアと、このステータコアに巻回されてインバータ３から交流電力を供給されて回転磁界を生成するステータコイルが含まれる。ステータコアは、たとえば複数枚の珪素鋼板を軸方向に積み重ねて形成した円筒状の磁性体であり、筒状本体４１１の内周面に圧入され、筒状本体４１１の内周面にその外周面が嵌合されることにより固定される。またステータコイルは、ステータコアに巻回されたコイル導体が電気的に接続されて３相（ｕ相，ｖ相，ｗ相）の相コイルが形成され、かつその３相の相コイルがスター結線（Ｙ結線）されることにより構成されている。スター結線は、中性点が形成されるように、各相コイルの一端同士を電気的に接続する方式である。なお、モータの相数は３相に限るものではない。

　図示を省略するが、ステータコイルの各相コイルの末端（中性点側端部とは反対側の端部）には引出導体が電気的に接続されている。各引出導体は、モータ２の入力端子を兼ねた平板状長尺導体であり、ステータ２２の仕切ブラケット４３側の軸方向端部、具体的にはステータコイルのコイルエンド部の仕切ブラケット４３側から軸方向に導出され、モータ室４１４から仕切ブラケット４３の貫通孔を介してインバータ室４２４に至るように延伸し、インバータ３の対応する相の端子に対して電気的に接続されている。

　これにより、インバータ３の端子とモータ２のステータコイルの相コイルとの同相同士が電気的に接続され、本例のインバータ付きモータ１がモータとして機能する場合には、インバータ３の端子から出力された各相の交流力行電力が、対応する相の引出導体を介して、ステータコイルの対応する相コイルに導かれる。なお、本例のインバータ付きモータ１がジェネレータとして機能する場合には、ステータコイルから出力された各相の交流回生電力が、対応する相の引出導体を介して、インバータ３の対応する相の端子に導かれる。

　ロータ２３は、ステータ２２との磁気的作用により回転する部位であり、たとえば複数枚の珪素鋼板を回転軸２１の方向に積み重ねて形成した円柱状の磁性体の内部に複数の永久磁石を埋め込んだもの、或いはその磁性体の外周面上に複数の永久磁石を配置したもので構成されている。この場合において、複数の永久磁石は、極性の異なるものが周方向に交互に等間隔に並べられている。

　なお、ロータ２３として上述した永久磁石以外にも、磁気回路を構成するロータコアと、このロータコアに巻回され、車載バッテリなどの外部から供給された界磁電流を、ブラシ及びスリップリングからなる通電機構を介して受けてロータコアの爪状磁極を磁化させるための磁束を発生するロータコイルと、ロータコアの極性の異なる爪状磁極間に設けられた永久磁石とを備えるタンデム型ルンデル構造のロータを用いることもできる。

　次に、インバータ室４２４内の配置構成について説明する。
　インバータ室４２４において、インバータ筐体４２のブラケット部４２２の内面及び筒状本体部４２１の内面に接するように熱拡散部材４４が設けられ、この熱拡散部材４４にパワーモジュール３１が実装され、さらにバスバ及び平滑用コンデンサ３２と回路基板３３がこの順序で固定されている。

　熱拡散部材４４は、熱伝導率が高く安価な材料、たとえば銅（３９８Ｗ／ｍ・Ｋ）やアルミニウム（２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）などの金属材料により形成することが望ましい。そして、本例の熱拡散部材４４は、インバータ筐体４２のブラケット部４２２に熱的に接する底面４４１と、筒状本体部４２１の内面に熱的に接する側面４４２とを有するカップ状に形成され、ブラケット部４２２の内面と底面４４１との間には熱抵抗が小さい接着剤又はグリス（これらをＸ２で示す）が介装され、筒状本体部４２１の内面と側面４４２とは焼き嵌め又は圧入などの手法（これらをＸ１で示す）により接合固定される。

　図３は、パワーモジュール３１を実装した熱拡散部材４４をインバータ筐体４２に対して焼き嵌めにより接合固定したのち、バスバ及び平滑用コンデンサ３２と回路基板３３を組み付ける工程の一例を示す。最初に、図３（Ａ）に示すように、熱拡散部材４４にパワーモジュール３１を実装したのち、熱拡散部材４４の底面の外面及び／又はインバータ筐体４２のブラケット部４２２の内面に接着剤又はグリスを塗布する。そして、同図（Ｂ）に示すようにインバータ筐体４２及び熱拡散部材４４を、パワーモジュール３１の耐熱上限温度未満の所定温度に昇温した状態で嵌合する。

　インバータ筐体４２をアルミニウム材で成形し、熱拡散部材４４を銅材で成形すると、アルミニウム材の熱膨張率が２３．９×１０^－６／℃であるのに対し、銅材の熱膨張率は１７．７×１０^－６／℃であるから、同じ温度まで昇温するとインバータ筐体４２の内径の方が大きく膨張し、両者の嵌合を容易に行うことができ、室温まで降温するとインバータ筐体４２と熱拡散部材４４とが焼き嵌めにより強固に接合固定される。このとき、インバータ筐体４２の筒状本体部４２１に一つ又は複数のエア抜き孔４２３を形成しておけば、インバータ筐体４２と熱拡散部材４４との間の空気が嵌合時に排出され、容易に嵌合することができる。なお、エア抜き性の観点から、エア抜き孔４２３は、インバータ筐体４２のブラケット部４２２側に近接した筒状本体部４２１に形成しておくことが望ましい。

　次いで、図３（Ｃ）に示すように、パワーモジュール３１にバスバ及び平滑用コンデンサ３２と回路基板３３とを組み付ける。以上の工程によって、インバータ筐体４２に、熱拡散部材４４、パワーモジュール３１、バスバ及び平滑用コンデンサ３２及び回路基板３３を組み付けたサブアッセンブリが完成する。

《第２実施形態》
　図３に示す第１実施形態に係る製造工程は、インバータ筐体４２の成形材料の熱膨張率が熱拡散部材４４の成形材料の熱膨張率より大きい場合に適用して好ましいものであるが、たとえば両者の熱膨張率がほぼ同等である場合、又はインバータ筐体４２の成形材料の熱膨張率が熱拡散部材４４の成形材料の熱膨張率より小さい場合には焼き嵌め処理に代えて、圧入処理を行うことができる。ただし、この圧入処理は、インバータ筐体４２及び熱拡散部材４４の成形材料の熱膨張率の大小に関係なく適用することができる。

　図４は、パワーモジュール３１を実装した熱拡散部材４４をインバータ筐体４２に圧入により接合固定したのち、バスバ及び平滑用コンデンサ３２と回路基板３３を組み付ける工程の一例を示す。最初に、図４（Ａ）に示すように、熱拡散部材４４にパワーモジュール３１を実装したのち、熱拡散部材４４の底面の外面及び／又はインバータ筐体４２のブラケット部４２２の内面に接着剤又はグリスを塗布する。熱拡散部材４４は、図４（Ａ）に示すように、側面４４２が底面４４１から開放端に向かうにしたがい外方に拡径するように予め形成しておく。そして、同図（Ｂ）に示すようにインバータ筐体４２及び熱拡散部材４４を圧入する。

　このとき、インバータ筐体４２の筒状本体部４２１に一つ又は複数のエア抜き孔４２３を形成しておけば、インバータ筐体４２と熱拡散部材４４との間の空気が圧入時に排出され、容易に圧入することができる。なお、エア抜き性の観点から、エア抜き孔４２３は、インバータ筐体４２のブラケット部４２２側に近接した筒状本体部４２１に形成しておくことが望ましい。

　次いで、図４（Ｃ）に示すように、パワーモジュール３１にバスバ及び平滑用コンデンサ３２と回路基板３３とを組み付ける。以上の工程によって、インバータ筐体４２に、熱拡散部材４４、パワーモジュール３１、バスバ及び平滑用コンデンサ３２及び回路基板３３を組み付けたサブアッセンブリが完成する。

《第３実施形態》
　上述した第１及び第２実施形態では、熱拡散部材４４として円形平板状の底面４４１と当該底面から直立する筒状の側面４４２とを有するカップ状に形成された部材を用いたが、熱拡散部材４４は、発熱体であるパワーモジュール３１とインバータ筐体４２との間に設けられて、パワーモジュール３１で生じた熱を拡散させる機能を備えればよいので円周方向に連続していなくてもよい。図５～図７は本発明の第３実施形態に係るインバータ付きモータ１を示す図であり、第１及び第２実施形態と同じ構成の部材等には同じ符号を付し、その説明をここに援用する。

　本例のインバータ付きモータ１は、上述した第１及び第２実施形態のインバータ付きモータ１に比べて、熱拡散部材４４の構成と、当該熱拡散部材４４のインバータ筐体４２に対する接合固定構造が相違する。すなわち、本例の熱拡散部材４４は、図６に示すように、６つのパワーモジュール３１のそれぞれに対して、個別に底面４４１と側面４４２とを有する屈折した部材に成形されている。そして、これら６つの熱拡散部材４４がインバータ筐体４２のブラケット部４２２の内面に等間隔で配置されている。なお、熱拡散部材４４の底面４４１と側面４４２との幅寸法は同じでなくてもよい。

　一方、インバータ筐体４２のブラケット部４２２の内面には、６つの熱拡散部材４４の底面の先端に当接する係止凸部４２５が形成され、弾性を有する熱拡散部材４４の底面の先端が当該係止凸部４２５に当接するとともに、側面がインバータ筐体４２の筒状本体部４２１の内面に当接することで熱拡散部材４４がインバータ筐体４２に接合固定される。

　図８は、パワーモジュール３１をそれぞれ実装した６つの熱拡散部材４４をインバータ筐体４２に圧入により接合固定したのち、バスバ及び平滑用コンデンサ３２と回路基板３３を組み付ける工程の一例を示す。各熱拡散部材４４は、図８（Ａ）に示すように側面４４２が底面４４１に対して鈍角をなすように予め成形しておく。そして最初に、図８（Ａ）に示すように、熱拡散部材４４にパワーモジュール３１を実装したのち、熱拡散部材４４の底面の外面及び／又はインバータ筐体４２のブラケット部４２２の内面に接着剤又はグリスを塗布する。

　次いで、同図（Ｂ）に示すように熱拡散部材４４の底面４４１の先端が係止凸部４２５に当接するようにインバータ筐体４２の内面に圧入する。このとき、インバータ筐体４２と熱拡散部材４４との間の空気は圧入時に側部から排出されるので、上述した第１及び第２実施形態のようにインバータ筐体４２の筒状本体部４２１に一つ又は複数のエア抜き孔４２３を形成しなくてもよい。

　次いで、図８（Ｃ）に示すように、パワーモジュール３１にバスバ及び平滑用コンデンサ３２と回路基板３３とを組み付ける。以上の工程によって、インバータ筐体４２に、熱拡散部材４４、パワーモジュール３１、バスバ及び平滑用コンデンサ３２及び回路基板３３を組み付けたサブアッセンブリが完成する。

　以上のとおり構成された第１～第３実施形態に係るインバータ付きモータ１は、以下の作用効果を奏する。
（１）本例のインバータ付きモータ１によれば、熱伝導率の高い熱拡散部材４４がインバータ筐体４２のブラケット部４２２及び筒状本体部４２１とパワーモジュール３１との間に設けられているので、パワーモジュール３１で発生した熱は熱拡散部材４４にて拡散し、放熱面積が拡大した状態で放熱機能を有するインバータ筐体に伝達される。その結果、放熱性能が向上するので空冷式のインバータ付きモータにも適用することができる。

（２）また、本例のインバータ付きモータ１によれば、パワーモジュール３１が実装される熱拡散部材４４の底面４４１とインバータ筐体４２のブラケット部４２２との間に熱抵抗が小さい接着剤又はグリスを介在しているので熱応力も緩和することができる。

（３）また、本例のインバータ付きモータ１によれば、発熱量が大きいパワーモジュール３１をインバータ筐体４２のブラケット部４２２側に配置し、耐熱性の高いバスバ及び平滑用コンデンサ３２と回路基板３３とをモータ側にこの順に配置しているので、パワーモジュール３１で発生した熱がインバータ室４２４内において耐熱性の高い部品３２，３３で遮熱され、モータ室４１４へ伝達されたり、モータ室４１４からの熱がパワーモジュール３１にまで伝達されたりするのを抑制することができる。

（４）また、本例のインバータ付きモータ１によれば、熱拡散部材４４は、ボルトを使わずに焼き嵌めや圧入手法によってインバータ筐体４２に接合固定しているので、熱拡散部材４４のサイズの拡大を抑制することができる。

（５）特に、熱拡散部材４４を焼き嵌めにより接合固定した本例のインバータ付きモータ１によれば、常温時では熱拡散部材４４での圧縮応力により、パワーモジュール３１の接合部に応力が作用するが、パワーモジュール３１が発熱すると熱拡散部材４４が熱膨張することにより、パワーモジュール３１の接合部に作用する熱応力の最大値を低減することができる。

（６）また、熱拡散部材４４を圧入により接合固定した本例のインバータ付きモータ１によれば、熱拡散部材４４とインバータ筐体４２を構成する材料の熱膨張率に関係なく、容易な工程で低熱抵抗の接合ができる。また、パワーモジュール３１に作用する応力も低減することができる。

（７）また、熱拡散部材４４を焼き嵌め又は圧入により接合固定した本例のインバータ付きモータ１によれば、インバータ筐体４２の筒状本体部４２１にエア抜き孔４２３が形成されているので、熱拡散部材４４とインバータ筐体４２の内面との間のエアを排出することができ、焼き嵌め又は圧入操作を円滑に行うことができる。

　上記接着剤又はグリスＸ２は本発明に係る接合部材に相当する。

１…インバータ付きモータ
２…モータ
　２１…回転軸
　２２…ステータ
　２３…ロータ
３…インバータ
　３１…パワーモジュール
　３２…ＤＣバスバ及び平滑用コンデンサ
　３３…回路基板
４…筐体
　４１…モータ筐体
　　４１１…筒状本体
　　４１２…ブラケット
　　４１３…ベアリング
　　４１４…モータ室
　４２…インバータ筐体
　　４２１…筒状本体部
　　４２２…ブラケット部
　　４２３…エア抜き孔
　　４２４…インバータ室
　　４２５…係止凸部
　４３…仕切りブラケット
　　４３１…ベアリング
　４４…熱拡散部材
　　４４１…底面
　　４４２…側面

Claims

　ロータ及びステータが収納されたモータ筐体と、インバータのパワーモジュールが収納され放熱機能を有するインバータ筐体とが、前記モータ筐体の一端部と前記インバータ筐体の一端部とで一体化されてなるインバータ付きモータにおいて、
　前記インバータ筐体の他端部側の内部に前記パワーモジュールが配置され、当該パワーモジュールと前記インバータ筐体の内面との間に熱拡散部材が設けられているインバータ付きモータ。
　前記インバータは、前記パワーモジュール、コンデンサ、バスバ及び回路基板を有し、
　前記インバータ筐体の他端部から一端部へ向かって、前記パワーモジュール、前記コンデンサ、前記バスバ及び前記回路基板の順序で配置されている請求項１に記載のインバータ付きモータ。
　前記インバータ筐体は、筒状本体部と、当該筒状本体部の前記他端部を閉塞する平板状ブラケット部とを有し、
　前記熱拡散部材は、前記筒状本体部の内面と前記平板状ブラケット部の内面とに熱的に接合されている請求項１又は２に記載のインバータ付きモータ。
　前記熱拡散部材は、前記インバータ筐体の前記平板状ブラケット部の内面に対して接合部材を介して接合され、前記インバータ筐体の前記筒状本体部の内面に対して焼き嵌めにより接合されている請求項３に記載のインバータ付きモータ。
　前記熱拡散部材は、前記インバータ筐体の前記平板状ブラケット部の内面に対して接合部材を介して接合され、前記インバータ筐体の前記筒状本体部の内面に対して圧入により接合されている請求項３に記載のインバータ付きモータ。
　前記インバータ筐体の前記筒状本体部に、エア抜き孔が形成されている請求項４又は５に記載のインバータ付きモータ。