JP2004135447A

JP2004135447A - インバータ一体型電動機

Info

Publication number: JP2004135447A
Application number: JP2002298632A
Authority: JP
Inventors: Kenji Saka; 坂　賢二; Hiroshi Ishiyama; 石山　弘
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】１つの冷却部材により電動機及びインバータが効率よく冷却できるインバータ一体型電動機を提供することである。
【解決手段】電動機１５は一端が開口した円筒形状のハウジング２０と、ハウジング内に収納されたステータ１８及びロータ２７と、ハウジングの開口付近でロータの回転軸２６上に取り付けられた１つの冷却部材３０と、冷却部材を覆いハウジングの開口を塞ぐ蓋部材２０とを含む。インバータ３５は、回転軸と直交する平面内に配置され蓋部材に固定された基板３６，４４と、基板上に搭載されたスイッチング素子３７及び平滑コンデンサ３８と、基板を覆う保護カバー５０とを含む。一つの冷却部材３０がスイッチング素子３７等及びステータ等１８を冷却するので、冷却効率が良い。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータと電動機とが一体化されたインバータ一体型電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流電力をインバータで交流電力に変換し、電動機を駆動することがある。例えば、電気自動車において車載バッテリの直流電力をインバータで交流電力に変換して電動機を駆動する場合である。
【０００３】
電気自動車における一般的な電気システムを図５に示す。直流電源７０から直流電源配線７１を介してインバータ（電力変換器）７３に直流電力を供給し、インバータ７３のスイッチング素子７５で所定周波数の交流電力に電力変換する。交流電力は三相交流配線７７を介して電動機７８に供給される。インバータ７３はスイッチング素子等の発熱源を冷却手段７４で冷却し、電動機７８はロータ等の発熱源を冷却手段７９で冷却している。
【０００４】
インバータ及び電動機を冷却する冷却手段を簡素化するために、従来のインバータ一体型電動機（特許文献１参照）では、図６に示すように、インバータ８１と電動機８５とを一体にし、電動機８５内に設けた１つの冷却ファン８８により両者を冷却している。
【０００５】
詳述すると、ステータ及びロータ（不図示）を持つハウジング８６の上に、スイッチング素子（不図示）を内蔵し下面に冷却フィン８２を備えたケーシング８３を載置している。そして、電動機８５から延びた短い配線（不図示）をインバータ８１に接続している。また、電動機８５の出力軸８７に冷却ファン８８を取り付け、後方（右方）に空気を送って（矢印ｘ参照）冷却フィン８２を冷却している。冷却ファン８８により後方に送られる空気（矢印ｙ参照）はまた、電動機８５とインバータ８１との間の隙間を流れる際冷却フィン８２に衝突し、インバータ８１内のコンデンサ等を冷却する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−３０５４７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例では第１に、インバータ８１における冷却効率が十分とは言い難い。基板に搭載されたスイッチング素子等は、電動機８５とインバータ８１との隙間内において空気を冷却フィン８２に衝突させることにより冷却される。この放熱作用は冷却ファン８２を介してスイッチング素子から伝達されるに過ぎず、間接的である。
【０００８】
第２に、インバータ８１と電動機８５とをそれぞれが基本的構成要素を持ったまま一体化している。そのため、部品点数が多く構造が複雑で、しかも寸法が大きくなっている。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、１つの冷却部材により電動機及びインバータが効率よく冷却でき、しかも構造が簡素化されるとともに寸法の増大が抑制された、インバータ一体型電動機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、電動機及びインバータの寸法を増加させることなく、基板に搭載されたスイッチング素子等を電動機の冷却部材により直接冷却する方策について鋭意研究した。その結果、インバータと電動機とを一体化する際、電動機のハウジングの開口を覆う蓋部材にインバータを取り付けることを思い付いて、本発明を完成した。
【００１１】
本願の第１発明のインバータ一体型電動機は、請求項１に記載したように、一端が開口した円筒形状のハウジングと、ハウジング内に収納されたステータ及びロータと、ハウジングの開口付近でロータの回転軸上に取り付けられた１つの冷却部材と、冷却部材を覆いハウジングの開口を塞ぐ蓋部材と、を含む電動機と；回転軸と交差する平面内に配置され蓋部材に固定された基板と、基板上に搭載されたスイッチング素子及び平滑コンデンサと、基板を覆う保護カバーとを含むインバータと；から成ることを特徴とする。
【００１２】
このインバータ一体型電動機では、電動機内の冷却部材を覆う蓋部材上に基板等が固定され、基板上のスイッチング素子等は冷却部材に近接している。よって、１つの冷却部材により、電動機内のステータ等に加えて、インバータ内のスイッチング素子等が直接冷却される。
【００１３】
請求項２のインバータ一体型電動機は、請求項１において、蓋部材は通気孔が形成された底部と、冷却部材と覆う外周壁部とを含み、底部に基板が固定されている。請求項３のインバータ一体型電動機は、請求項１において、基板はその中心に回転軸が貫通する貫通孔を持ち、貫通孔の周りにスイッチング素子及び平滑用コンデンサが搭載されている。請求項４のインバータ一体型電動機は、請求項１において、保護カバーは通気孔が形成された底部と、基板を覆う外周壁とを含む。請求項５のインバータ一体型電動機は、請求項１において、冷却部材は、外部の空気をインバータから電動機に向かって流通させる。請求項６のインバータ一体型電動機は、請求項１において、基板は回転軸の軸線と直交する平面内に配置されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜電動機＞
電動機は、電気自動車又はハイブリッド自動車において、モータジェネレータ（ＭＧ）として機能する。ＭＧはモータの機能とオルタネータと機能とを持ち、三相交流で駆動され、エンジンの起動、車両のスムーズな発進及び停止を補助する。また、エンジンの出力や車軸の回転エネルギを電気エネルギに変換して直流電源に貯える。
【００１５】
ロータ及びステータを収納したハウジングの一端が開口し、ロータの回転軸上の開口近傍に冷却ファン等の１つの冷却部材が取り付けられ、ロータとともに回転する。蓋部材は底部と円周壁部とを含んで容器形状を持つことができ、円周壁部が冷却部材を覆い、底部はハウジングの開口を塞ぐ。また、スイッチング素子等からステータ等への空気の流通を許容する通気孔が形成されている。尚、電動機は三相交流入出力部を備えている。
＜インバータ＞
インバータは直流電源の直流を３相交流等の交流に変換するもので、基板と、該基板の上に搭載されたスイッチング素子、平滑用コンデンサ及び制御回路と、保護カバーとを含む。
【００１６】
基板はロータの回転軸と直交する平面（垂直面）内に配置され、固定部材によって上記蓋部材に固定されている。基板は回転軸との直交を可能とするために、中央部に電動機の回転軸が貫通するため貫通孔を持ち、その周囲にスイッチング素子や平滑用コンデンサ等が近接して搭載されている。よって、インバータは全体的に縦方向に長い形状を持つ。基板は１枚でも２枚以上の複数枚でも良い。複数枚の場合、各基板の大きさは同じでも異なっても良い。
【００１７】
保護カバーは底部と円周壁部とを含んで容器形状を持つことができ、開口部が上記蓋部材に密着されている。よって、保護カバーにはその開口を覆う蓋部材は不要である。
【００１８】
基板と該基板を覆う円周壁部との間には空気流通隙間が形成され、底部には空気を導入するための通気孔が形成されている。尚、インバータは三相電力入出力部を持つ。
＜インバータと電動機との関係＞
電動機の蓋部材の底部は、ハウジングの開口を覆い、インバータの基板の被固定部材となり、更に保護カバーの蓋部材となっている。また、電動機の冷却部材は、保護カバー側から取り込んだ空気を底部側に向かって流通させ、それに伴いインバータのスイッチング素子等及び電動機のステータ等を冷却する。さらに、インバータの三相交流入出力部と電動機の三相交流入出力部とは端子同士、又は短い配線により接続される。
【００１９】
尚、発明の名称がどうあれ（インバータ一体型電動機、電動機一体型インバータ装置）、上記電動機及びインバータの構成と、上記インバータと電動機との関係を満たすものは本発明に含まれる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を基にして説明する。
＜実施例＞
（構成）
図３及び図４にハイブリッド自動車の電気システムを示す。電気システムは直流電源６１、インバータ一体型電動機１０、変速機６２及びガソリンエンジン６３から成る。
【００２１】
図１及び図２に示すように、インバータ一体型電動機１０は電動機（ＭＧ）１５とインバータ３５とを含む。ＭＧ１５はハウジング１６、ステータ１８、ハウジングの開口を覆う蓋部材２０、回転軸２６、及び回転軸２６に固定されたロータ２７及び冷却ファン３０を含む。このうち、ハウジング１６は他端（左端）が閉鎖し一端（右端）が開口した有底円筒形状を持つ。蓋部材２０は、円形状の底部２１とその周縁から直角に立ち上がった円周壁部２２とを含み、円周壁部２２が後述する冷却ファン３０を覆い、底部２１がハウジング１６の開口を塞いでいる。底部２１には複数の通気孔２１ａが形成されている。
【００２２】
ステータ１８はハウジング１６の内周面に固定されている。回転軸２６はその両端をハウジング１６及び蓋部材２０により回転可能に支持され、回転軸２６に固体されたロータ２７がステータ１８に対向している。回転軸２６上にはロータ２７と蓋部材２０との間に、冷却ファン３０が固定され、ロータ２７とともに回転するようになっている。
【００２３】
インバータ３５は２枚の基板３６及び４４と、それらの上に搭載されたスイッチング素子３７等と、上記保護カバー５０とから成る。蓋部材２０の底部２１に固定部材３４により固定された円板形状の第１の基板３６は、その中心部に貫通孔３６ａがあけられ、その回りにスイッチング素子３７、平滑コンデンサ３８及び制御回路３９が搭載されている。
【００２４】
円板形状の第１基板３６は回転軸２６と直交する平面内に配置され、その貫通孔３６ａ内を上記回転軸２６が貫通している。回転軸２６と貫通孔３６ａの内周縁との間には空気流通隙間が形成されている。
【００２５】
固定部材３４により第１基板３６及び蓋部材２０に固定され円板形状の第２の基板４４も、その中心部に貫通孔４４ａがあけられ、その回りにスイッチング素子４６が搭載されている。第１基板３６と平行に配置され、その貫通孔４４ａ内を回転軸２６が貫通しいる。回転軸２６と貫通孔４４ａの内周縁との間には空気流通隙間が形成されている。
【００２６】
保護カバー５０は円形状の底部５１とその周縁から直角に立ち上がった外周壁部５２とを含む。外周壁部５２の開口が蓋部材２０の底部２１に密着し、外周壁部５２及び底部５１が基板３６及び４４を覆っている。底部５１には複数の通気口５１ａが形成され、第１基板３６の外周縁３６ｂ及び第２基板４４の外周縁４４ｂと外周壁部５２との間には空気流通隙間が形成されている。
【００２７】
インバータ３５の三相交流入出力部（不図示）が上記ＭＧ１５の三相交流入出力部（不図示）に短い配線（不図示）で接続されている。また、インバータ１５と直流電源とは直流電源配線７１（図５参照）で接続されている。
（作用効果）
図３及び図４において、車両の発進時、発進後エンジン６３が始動するまでの間、ＭＧ１５が車両を駆動する。通常走行時、エンジン６３が変速機６２を介して車輪６４を駆動するとともにＭＧ１５を駆動する。ＭＧ１５で発電された電力はインバータ３５を介して直流電源６１に充電される。回生制動時、ＭＧ１５は車輪６４により駆動され、発電された回生エネルギは直流電源６１に貯えられる。
【００２８】
停車時、エンジン６３を自動停止（アイドルストップ）する。アイドルストップした後エンジン６３を再始動する際、直流電源６１の直流電力がインバータ１５により交流電力に変換され、ＭＧ１５が回転する。
【００２９】
本実施例によれば、以下の効果が得られる。
【００３０】
図１及び図２において、第１に、冷却ファン３０がインバータ３５のスイッチング素子３７、４６、及びＭＧ１５内のステータ１８を効果的に冷却する。冷却ファン３０は保護カバー５０の外側の空気を底部５１の通気孔５１ａから取り込み、インバータ３５内において基板３６及び４４と外周壁部５２との間の空気流通隙間を軸方向に流通させる。その際、基板３６及び４４に搭載されたスイッチング素子３７及び４６等はインバータ３５内を流通する空気により直接冷却される。よって、スイッチング素子３７、４６の冷却効率が良い。
【００３１】
インバータ３５内を流通した空気は、蓋部材２０の底部２１の通気孔２１ａを通りＭＧ１５内に流入してその内部を軸方向に流通する。その際、ステータ１８及びロータ２７が流通する空気により直接冷却される。よって、ステータ１８等の冷却効率が良い。
【００３２】
第２に、インバータ３５の構造が簡単になり、厚さが薄くなる。ＭＧ１５の蓋部材２０の底部２１がインバータ３５の基板３６，４４の被取付部材及び保護カバー５０の蓋部材を兼ねている。その結果インバータ３５に基板３６，４４の固定部材を設けることが不要で部品点数が減り、また保護カバー５０に専用の蓋部材を設けることが不要で厚さが減少する。
【００３３】
第３に、基板３６，４４が回転軸２６の軸線と直交する平面内に配置されているので、インバータ３５の厚さが薄くできる。基板３６，４４を回転軸２６に直交しない位置、例えば回転軸２６の右端から右方に外れた位置に設けると、その分インバータ３５の厚さが増加する。
【００３４】
第４に、インバータ３５とＭＧ１５とを接続する三相交流配線の長さが短いので、周辺の機器に与えるノイズ等の悪影響が小さくなる。また、インバータ３５において、平滑コンデンサ３８をスイッチング素子３７の近傍に配置したので、スイッチング素子３７のスイッチング動作により発生するサージが発生源の近傍で吸収され、ノイズの放射を防止できる。更に、制御回路３９をスイッチング素子３７の近傍に配置したので、スイッチング素子までの配線長が短くなりスイッチング素子３７を駆動する制御信号に乗るノイズを防止できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明によれば、電動機のハウジングの開口付近に冷却部材を設け、開口を覆う蓋部材内にインバータの基板等を固定している。その結果、基板が冷却部材に近接し、基板上のスイッチング素子等及びステータ等が冷却部材により効率的に冷却されるとともに、インバータの軸方向寸法の増加が抑制できる。
【００３６】
請求項２によれば、蓋部材は冷却部材の覆い手段及び基板の被固定手段として機能することができる。請求項３によれば、インバータの軸方向寸法を増大することなく、基板を冷却部材に近接させることができる。請求項４によれば、電動機内の１つの冷却部材が空気をインバータから電動機に流通させ、スイッチング素子等及びステータを効率良く冷却する。
【００３７】
請求項５によれば、基板等が保護されるとともに、保護カバーの軸方向寸法が小さくできる。請求項６によれば、インバータの厚さの増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す正面断面図である。
【図２】上記実施例の基板を示す斜視図である。
【図３】上記実施例を含む電気システムの説明図である。
【図４】図３における要部説明図である。
【図５】従来の電気システムの説明図である。
【図６】従来例を示す正面図である。
【符号の説明】
１０：インバータ体型電動機　　　　　１５：ＭＧ
１６：ハウジング　　　　　　　　　　１８：ステータ
２０：蓋部材　　　　　　　　　　　　２１：底部
２２：円周壁部　　　　　　　　　　　２６：回転軸
２７：ロータ　　　　　　　　　　　　３０：冷却ファン
３５：インバータ　　　　　　　　　　３６、４４：基板
３７、４６：スイッチング素子　　　　３８：平滑用コンデンサ
５０：保護カバー　　　　　　　　　　５１：底部
５２：円周壁部

Claims

一端が開口した円筒形状のハウジングと、該ハウジング内に収納されたステータ及びロータと、該ハウジングの開口付近で該ロータの回転軸上に取り付けられた１つの冷却部材と、該冷却部材を覆い該ハウジングの開口を塞ぐ蓋部材と、を含む電動機と、
前記回転軸と交差する平面内に配置され前記蓋部材に固定された基板と、該基板上に搭載されたスイッチング素子及び平滑コンデンサと、該基板を覆う保護カバーと、を含むインバータと、
から成ることを特徴とするインバータ一体型電動機。
前記蓋部材は通気孔が形成された底部と、前記冷却部材と覆う外周壁部とを含み、該底部に前記基板が固定されている請求項１に記載のインバータ一体型電動機。
前記基板はその中心に前記回転軸が貫通する貫通孔を持ち、該貫通孔の周りに前記スイッチング素子及び平滑用コンデンサが搭載されている請求項１に記載のインバータ一体型電動機。
前記保護カバーは通気孔が形成された底部と、前記基板を覆う外周壁とを含む請求項１に記載のインバータ一体型電動機。
前記冷却部材は、外部の空気を前記インバータから前記電動機に向かって流通させる請求項１に記載のインバータ一体型電動機。
前記基板は前記回転軸の軸線と直交する平面内に配置されている請求項１に記載のインバータ一体型電動機。