JP2004312960A - インバータ一体型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機及びインバータが効率よく冷却でき、しかも外形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である。
【解決手段】一体型電動機は、一端が開口した円筒形状のハウジング１６と、ハウジングに取り付けられたステータ１８、ハウジングに支持された回転軸２６に取り付けられステータと対向するロータ２７と、ハウジングの開口を覆う蓋部材２１と、回転軸上のハウジングの開口付近に取り付けられた第１冷却部材３０とを含む電動機１５と；蓋部材に取り付けられた保護カバー５０と、蓋部材又は保護カバーに固定された電力変換要素４４、４６等と、回転軸上の蓋部材と保護カバーとの間に取り付けられた第２冷却部材５５とを含むインバータ３５とから成る。
【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、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】
また、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、しかも外形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、電動機及びインバータが効率よく冷却でき、しかも外形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、電動機とインバータとを電動機の軸方向で一体化し、その上で電動機及びインバータにそれぞれ冷却部材を設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、ハウジングに取り付けられたステータ、ハウジングに支持された回転軸に取り付けられステータと対向するロータと、ハウジングの開口を覆う蓋部材と、回転軸上の前記ハウジングの開口付近に取り付けられた第１冷却部材とを含む電動機と；蓋部材に取り付けられた保護カバーと、蓋部材又は保護カバーに固定された電力変換要素と、回転軸上の蓋部材と保護カバーとの間に取り付けられた第２冷却部材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、電動機とインバータとが軸方向に並設されて一体化され、回転軸や蓋部材は両方の構成部材となっている。また、第１冷却部材は電動機のロータと一緒に回転し、第２冷却部材は第１冷却部材と一緒に回転する。
【００１３】
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。
【００１４】
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、第２冷却部材は第１冷却部材よりも冷却能力が小さい。請求項３のインバータ一体型電動機は、請求項２において、蓋部材及び 又は保護カバーは通気孔を持つ。
【００１５】
請求項４のインバータ一体型電動機は、請求項１において更に、回転軸上の電力変換要素と保護カバーとの間に磁極センサが取り付けられている。請求項５のインバータ一体型電動機は、請求項４において、前記第２冷却部材に磁石が取り付けられている。
【００１６】
また、第２発明のインバータ一体型電動機は、請求項６に記載したように、電動機と、電動機の軸方向一端において電動機に一体化されたインバータと、電動機内に配置された第１冷却部材と、インバータ内に配置された第２冷却部材とから成ることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のインバータ一体型電動機は、構造的にみると、冷却部材を持つ電動機と、冷却部材を持つインバータとに大別される。機能的にみると電動機と、インバータと、冷却部とに大別される。
＜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。
【００１８】
電動機はハウジング、ステータ、回転軸、ロータ、蓋部材及び第１冷却部材を含む。ハウジングは一端が閉鎖し他端が開口した有底円筒形状を持ち、底部と円筒部とを含む。円筒部の内周面にステータが取り付けられ、その一端部が底部により支持された回転軸にロータが固定されている。回転軸の中間部が蓋部材により支持されている。
【００１９】
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、円周壁部が第１冷却部材を覆い、底部はハウジングの開口を塞ぐ。また、底部には空気の流通を許容する通気孔が形成されている。
＜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、電力変換要素、保護カバー及び第２冷却部材を含む。
【００２０】
電力変換要素は基盤やスイッチング素子を含む。基板はロータの回転軸と直交する平面内に配置され、蓋部材又は保護カバーに固定され、貫通孔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。基板の個数は１枚でも２枚以上でも良い。複数枚の基板の大きさは同じでも異なっても良い。
【００２１】
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。底部は通気孔を持つことができる。
＜冷却部材＞
冷却部材は主に電動機のロータ等を冷却する第１冷却部材と、主にインバータの基板等を冷却する第２冷却部材とを含み、共に回転部材上に固定されている。第１冷却部材はハウジングの開口付近で蓋部材の内側に固定され、蓋部材の外側の空気をハウジング内に吸引し、主にロータ及びステータを冷却する。
【００２２】
第２冷却部材は基板等と保護カバーとの間に固定されている。保護カバーの外側の空気を吸引して主に基板等を冷却する。なお、第２冷却部材のファン以外の部分（内周部）には必要に応じて通気孔をあけることができる。
【００２３】
２つの冷却部材の外径の大小に特別の制約はないが、第２冷却部材の冷却能力（特に外径）は第１冷却部材のそれよりも小さいことが望ましい。
＜磁極センサ、磁石＞
回転軸の他端部（自由端）に、ロータの回転方向における位相を検出するための磁極センサを取り付けることができる。磁極センサは保護カバー内に収容され、回転軸とともに回転する。磁極センサと第２冷却部材とは何れが先端側に位置しても良い。永久磁石は第２冷却部材の内周部に固定するが、上記第２冷却部材を磁化すれば永久磁石の取付けは不要となる。
【００２４】
【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。図１及び図２に示すように、インバータ一体型電動機１０は冷却ファンを持つ電動機（ＭＧ）１５と、冷却ファン４６を持つインバータ３５とに大別される。
【００２５】
詳述すると、ＭＧ１５はハウジング１６、ステータ１８，蓋部材２０、回転軸２６、ロータ２７及び第１冷却ファン３０を含む。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が第１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。
【００２６】
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はその一端部及び中間部をそれぞれハウジング１６及び蓋部材２０により回転可能に支持され、その上に固定されたロータ２７がステータ１８に対向している。回転軸２６上にはハウジング１６の開口付近、即ちロータ２７と蓋部材２０との間に、第１冷却ファン３０が固定され、回転軸２６つまりロータ２７と一体的に回転する。
【００２７】
インバータ３５は基板３６やスイッチング素子３７等、保護カバー５０、第２冷却ファン５５及び磁極センサ５６等から成る。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
第１冷却ファン３０よりも外径が小さい第２冷却ファン５５は回転軸２６の他端（自由端）に取り付けられ、基板４４等と保護カバー５０の底部５１との間に位置し、回転軸２６と一体的に回転する。
【００３２】
磁極センサ５６は回転軸２６の自由端から少し後退した位置、即ち第２冷却ファン５５と基板４４等との間に取り付けられている。磁極センサ５６と共同してロータ２７の回転方向の位相を割り出す磁石５７が第２冷却ファン５５の磁極センサ５６に対向する側面の内周部に取り付けられている。
【００３３】
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）
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により駆動されて、発電された回生エネルギは直流電源６１に貯えられる。
【００３４】
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。
（効果）
本実施例によれば、電動機１５とインバータ３５とを電動機１５の軸方向で一体化したことにより以下の効果が得られる。
【００３５】
まず、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。
【００３６】
また、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、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。さらに、インバータ３５の平滑コンデンサ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。
【００３７】
また、第２冷却ファン５５が磁極センサ５６と共同する磁石５７の取付部材となっており、軸方向寸法の増加が抑制されている。
【００３８】
一方、２つの冷却ファン３０及び５５を設けたことにより以下の効果が得られる。図１及び図２において、第１冷却ファン３０及び第２冷却部材５５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。
【００３９】
詳述すると、第１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からハウジング１６内に吸引する。吸引された空気は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を直接冷却するので、ステータ１８等の冷却効率が良い。なお、第１冷却ファン３０は蓋部材２１の外側にも空気流れを発生させ、基板４４等も冷却する。
【００４０】
一方、第２冷却部材５５はインバータ３５の保護カバー５０の外側の空気を底部５１の通気口５１ａから吸引する。吸引された空気は基板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する。その際、インバータ３５内を流通する空気が基板３６及び４４に搭載されたスイッチング素子３７及び４６等を直接冷却するので、スイッチング素子３７、４６の冷却効率が良い。なお、第２冷却ファン５５は蓋部材２１の内側にも空気流れを発生させ、ロータ２７等も冷却する。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べてきたように、第１発明及び第２発明のインバータ一体型電動機によれば、電動機とインバータとが軸方向で一体化され、しかも回転軸や蓋部材は両方の構成要素となっている。その結果、軸方向寸法の増加が抑制されている。加えてロータ及びステータは第１冷却部材により、電力変換要素は第２冷却部材により効率的に冷却される。
【００４２】
請求項２のインバータ一体型電動機によれば、電力変換要素よりも温度が上昇し易いロータ及びステータが、外径寸法の大きい第１冷却部材で冷却できる。
請求項３のインバータ一体型電動機によれば、電動機及びインバータ内での空気のが流れがスムーズになる。
【００４３】
請求項４のインバータ一体型電動機によれば、ロータの回転位相を検出して、所定時期にステータの所定のコイルを励磁することができる。請求項５のインバータ一体型電動機によれば、磁石の取り付けによる軸方向寸法の増加を抑制できる。
【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：インバータ一体型電動機 １５：ＭＧ
１６：ハウジング １８：ステータ
２０：蓋部材 ２６：回転軸
２７：ロータ ３０：第１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 ５５：第２冷却ファン
５６：磁極センサ

Claims (6)

1. 一端が開口した円筒形状のハウジングと、該ハウジングに取り付けられたステータ、前記ハウジングに支持された回転軸に取り付けられ前記ステータと対向するロータと、前記ハウジングの開口を覆う蓋部材と、前記回転軸上の前記ハウジングの開口付近に取り付けられた第１冷却部材とを含む電動機と、
   前記蓋部材に取り付けられた保護カバーと、前記蓋部材又は前記保護カバーに固定された電力変換要素と、前記回転軸上の前記蓋部材と前記保護カバーとの間に取り付けられた第２冷却部材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。
2. 前記第２冷却部材は前記第１冷却部材よりも冷却能力が小さい請求項１に記載の電動機。
3. 前記蓋部材及び 又は前記保護カバーは通気孔を持つ請求項２に記載のインバータ一体型電動機。
4. 更に、前記回転軸上の前記電力変換要素と前記保護カバーとの間に磁極センサが取り付けられている請求項１に記載のインバータ一体型電動機。
5. 前記第２冷却部材に磁石が取り付けられている請求項４に記載のインバータ一体型電動機。
6. 電動機と、
   前記電動機の軸方向一端において該電動機に一体化されたインバータと、
   前記電動機内に配置された第１冷却部材と、
   前記インバータ内に配置された第２冷却部材と、
   から成ることを特徴とするインバータ一体型電動機。

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