JP2012147564A - 回転電機ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】車両搭載性に優れたコンパクトで冷却性能の高い回転電機ユニットを提供する。
【解決手段】回転電機ユニット１は、環状の固定子および固定子の内側に設けられた回転子を有する回転電機３と、環状のインバータケース２０およびインバータケース２０内に収容されたパワーモジュール２７を有し、固定子の上面にインバータケース２０の下面が接するように積層されて回転電機３と一体化された電力変換装置２とを備え、電力変換装置２は、インバータケース２０内に環状に形成された冷却流路２５を有し、パワーモジュール２７は、冷却流路２５内に配置されて冷却流路２５内を流れる冷媒との間で熱交換を行う放熱部を有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機と電力変換装置とが一体化された回転電機ユニットに関する。

回転電機と電力変換装置とを一体化することにより、装置全体を小型化した回転電機が知られている。例えば、特許文献１では、回転電機と電力変換装置との間に冷却部を備えて、回転電機および電力変換装置の双方を冷却する回転電機ユニットが提案されている。

特開２００９−８８４６６号公報

回転電機ユニットの小型化、高出力化に伴って、車両搭載性に優れたコンパクトで冷却性能の高い回転電機ユニットが要望されている。

（１）請求項１の発明による回転電機ユニットは、環状の固定子および固定子の内側に設けられた回転子を有する回転電機と、環状の第１ケーシングおよび第１ケーシング内に収容されたパワーモジュールを有し、固定子の上面に第１ケーシングの下面が接するように積層されて回転電機と一体化された電力変換装置とを備え、電力変換装置は、第１ケーシング内に環状に形成された第１冷却流路を有し、パワーモジュールは、第１冷却流路内に配置されて第１冷却流路内を流れる冷媒との間で熱交換を行う放熱部を有していることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の回転電機ユニットにおいて、第１冷却流路は、第１ケーシングの下面から環状に凹設された第１空間を固定子の上面で閉塞して形成されていることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の回転電機ユニットにおいて、回転電機は３相交流電力で駆動される交流回転電機であり、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備え、インバータ回路は、各相ごとに設けられた第１〜第３のパワーモジュールを有し、第１〜第３のパワーモジュールは、上下アーム回路の一対のトランジスタを直列接続して構成され、放熱部は、一対のトランジスタからの熱を放熱する第１および第２放熱面を有し、放熱部は、第１および第２放熱面のそれぞれが、環状に形成した第１冷却流路の内外周面に対向するように第１冷却流路に挿入されていることを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項３に記載の回転電機ユニットにおいて、第１〜第３のパワーモジュールの放熱部の第１および第２放熱面には、複数の放熱フィンが冷却流路に突出するようにそれぞれ立設されていることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項３または４に記載の回転電機ユニットにおいて、第１〜第３のパワーモジュールは、直方体形状の金属ケースを備え、直方体形状の金属ケースにおいて対向して配置される二枚の側板の表面がそれぞれ第１および第２放熱面とされていることを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項３ないし５のいずれか１項に記載の回転電機ユニットにおいて、第１のパワーモジュールは、電力変換装置の冷却流路の入口の近傍に配置され、第２のパワーモジュールは、冷却流路の入口から導入される冷媒の流れに沿って、第１のパワーモジュールに対して回転子の軸方向を中心として所定角度の間隔で配置され、第３のパワーモジュールは、冷媒の流れに沿って第２のパワーモジュールに対して回転子の軸方向を中心として所定角度の間隔で配置されていることを特徴とする。
（７）請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転電機ユニットにおいて、環状の第２ケーシングおよび回転子を回転可能に保持する軸受を有し、第２ケーシングの上面に固定子の下面が接するように積層されて回転電機と一体化された回転子保持部をさらに有することを特徴とする。
（８）請求項８の発明は、請求項７に記載の回転電機ユニットにおいて、回転子保持部は、第２ケーシング内に環状に形成された第２冷却流路を有していることを特徴とする。
（９）請求項９の発明は、請求項８に記載の回転電機ユニットにおいて、第２冷却流路は、第２ケーシングの上面から環状に凹設された第２空間を固定子の下面で閉塞して形成されていることを特徴とする。
（１０）請求項１０の発明は、請求項８または９に記載の回転電機ユニットにおいて、固定子は、外方に延在するリブを有し、電力変換装置の第１冷却流路と回転子保持部の第２冷却流路とを連通する貫通孔がリブに連通流路として設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、車両搭載性に優れたコンパクトで冷却性能の高い回転電機ユニットを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る回転電機ユニットの主要回路の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る回転電機ユニットの外観斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る回転電機ユニットの分解斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る回転電機ユニットの側面断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る回転電機ユニットにおける電力変換装置のトップカバーを外した状態を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジュールの外観斜視図および側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の冷却流路における冷媒の流れを示す底面模式図である。 固定子コアからの熱の移動を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る回転電機ユニットの外観斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る回転電機ユニットの外観斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る回転電機ユニットの分解斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る回転電機ユニットのインバータケースの斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る回転電機ユニットの固定子コアの斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る回転電機ユニットのリアケースの斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る回転電機ユニットの電力変換装置の冷却流路における冷媒の流れを示す底面模式図である。 本発明の変形例に係るパワーモジュールの側面図である。 本発明の変形例に係る回転電機ユニットの固定子コアとインバータケースおよびリアケースの冷却流路を示す模式図である。

以下、本発明による回転電機ユニットの実施の形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る回転電機ユニットは、自動車の走行に使用するのが好適な回転電機ユニットである。ここで、回転電機ユニットを使用するいわゆる電気自動車には、エンジンと回転電機ユニットの両方を備えるハイブリッドタイプの電気自動車（ＨＥＶ）と、エンジンを用いないで回転電機ユニットのみで走行する純粋な電気自動車（ＥＶ）とがあるが、以下に説明する回転電機ユニットは両方のタイプに利用できるので、ここでは代表してハイブリッドタイプの自動車に用いられる回転電機ユニットに基づいて説明する。

―第１の実施の形態―
第１の実施の形態に係る回転電機ユニット１は、図１に示すように、インバータ回路２００を有する電力変換装置２と、３相交流電力で駆動される交流回転電機３とを備えている。回転電機ユニット１は、リレー回路８０を介して車両側のバッテリ１００に接続される。

図示しない車両のエンジンおよび回転電機３は、車両の走行用トルクを発生する。回転電機３は、回転トルクを発生するだけでなく、回転電機３に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。

エンジンの出力トルクは回転電機３に伝達され、回転電機３が発生する回転トルクは、図示しないトランスミッションおよびデファレンシャルギアを介して車輪に伝達される。

一方、回生制動の運転時には、車輪から伝達される回転トルクにより回転電機３が回転されて交流電力を発生する。発生した交流電力は後述するように電力変換装置２により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ１００を充電し、充電された電力は再び走行エネルギーとして使用される。

リレー回路８０は、図１に示すように、プリチャージ抵抗８１と、プリチャージリレー８２と、正側メインリレー８３と、負側メインリレー８４と、ヒューズ８５とを有している。リレー回路８０は、バッテリ１００と電力変換装置２の回路間のオン・オフ、およびインバータ起動時の突入電流を防ぐ補充電（プリチャージ）機能を有している。

［電力変換装置の回路構成］
電力変換装置２は、図１に示すように、３相インバータ回路２００および平滑コンデンサ２８を備えている。インバータ回路２００は、直流コネクタ１１，１２（２１）およびリレー回路８０を介してバッテリ１００と電気的に接続されており、バッテリ１００とインバータ回路２００との相互において電力の授受が行われる。

回転電機３を電動機として動作させる場合には、直流コネクタ１１，１２（２１）を介してバッテリ１００から供給された直流電力をインバータ回路２００が交流電力に変換して回転電機３に供給する。回転電機ユニット１は、バッテリ１００の電力によって回転電機３を電動機として作動させることにより、回転電機３の動力のみによって車両を駆動することができる。

なお、回転電機ユニット１は、回転電機３を発電機として、エンジンの動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１００を充電できる。

インバータ回路２００は、スイッチング半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を六つ備えている。以下略してＩＧＢＴと記す。

インバータ回路２００は、正極側（上アーム側）に三つのＩＧＢＴ５ａおよびフライホイールダイオード６ａと、負極側（下アーム側）に三つのＩＧＢＴ５ｂおよびフライホイールダイオード６ｂとにより、それぞれ各相ごとに構成された上下アームの直列回路を有する。

インバータ回路２００は、上下１アームの直列回路をまとめて一体のモジュールにした２ ｉｎ １と呼ぶ第１〜第３のパワーモジュール２７ａ，２７ｂ，２７ｃを、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応して備えている。すなわち、電力変換装置２は、一相あたりに一つのパワーモジュール２７を有し、各パワーモジュール２７は上下アーム回路の一対のトランジスタを直列接続して構成されている。

電力変換装置２の直流正極側と直流負極側との間には、平滑コンデンサ２８が電気的に並列に接続されている。平滑コンデンサ２８は、電解コンデンサあるいはフィルムコンデンサであって、スイッチング半導体素子の高速スイッチング（オン・オフ）動作により生じる電圧・電流の脈動（リップル）を抑制するために設けられている。

さらに、電力変換装置２は、図示しない制御回路と、ドライバ回路と、信号コネクタとを備えている。信号コネクタは、車両側の制御装置から指令を受けたり、あるいは車両側の制御装置に回転電機ユニット１の状態を表すデータを送信する。制御回路は、信号コネクタから入力される指令に基づいて回転電機３の制御量を演算し、さらに電動機として運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生し、その制御パルスをドライバ回路へ供給する。ドライバ回路は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路２００を制御するための駆動パルスを発生する。

［回転電機ユニットの構造］
図２〜図５を参照して、回転電機ユニット１の構造を説明する。図２は、回転電機ユニット１の外観斜視図であり、図３は、回転電機ユニット１の分解斜視図である。図４は、回転電機ユニット１の側面断面図であり、図５は、トップカバー５３を取り除いた電力変換装置２の平面図である。なお、煩雑さを避けるために、図３において、回転子、固定子コイルおよび絶縁紙を省略し、図４において、回転子および絶縁紙を省略している。

回転電機ユニット１は、図２に示すように、電力変換装置２と、回転電機３と、回転子保持部４とを備えている。電力変換装置２、回転電機３および回転子保持部４は、それぞれ外周が八角形形状とされており、周方向に９０度間隔で形成したリブ２０１，３０１，４０１を有している。電力変換装置２、回転電機３および回転子保持部４は、各リブ２０１，３０１，４０１がリブ群５１として整列するよう合わせられて、通しボルト（不図示）により締結されることで、一体とされている。電力変換装置２および回転子保持部４は、回転電機３の外形に対応した外形形状に形成されている。

［回転電機の構造］
回転電機３は、図２に示すように、電力変換装置２と回転子保持部４との間に挟まれている。回転電機３は、図２〜図４に示すように、環状の固定子コア３０および固定子コイル３２を有する固定子と、環状の固定子コア３０の内側に回転自在に配設される回転子（不図示）とを備えている。

固定子コア３０は、厚さ０．０５〜１．０ｍｍ程度の珪素鋼板を数百枚積層してなる。固定子コア３０は、図３に示すように、回転子の軸方向に平行な７２個のスロット３０５が周方向に等間隔となるように形成されている。各スロット３０５には、固定子コイル３２が収容されている。

図示は省略するが、回転子は、回転子コアと複数の永久磁石を有している。回転子コアには、円周方向に等間隔で１２の磁石挿入孔が設けられている。磁石挿入孔のそれぞれには、隣接する磁極毎に交互に磁化方向が変わるように磁化された永久磁石が装着されている。

［電力変換装置の構造］
電力変換装置２は、図２〜図４に示すように、回転電機３の軸方向の一端側に取り付けられている。電力変換装置２は環状のインバータケース２０を有する。インバータケース２０は、ケースの下面が固定子コア３０の上面に接するように配置されている。つまり、電力変換装置２は、インバータケース２０の下面に固定子の上面が接するように、回転電機３に積層されて回転電機３と一体化されている。第１〜第３のパワーモジュール２７ａ，２７ｂ，２７ｃを有するインバータ回路と、平滑コンデンサ２８とは、それぞれ、インバータケース２０内に保持され、インバータケース２０はトップカバー５３で覆われている。図示するように、トップカバー５３は、インバータケース２０の回転電機３が配置される側と反対となる側を覆うように、複数のボルトによりインバータケース２０に固着されている。

さらに、図４および図５に示すように、車両に搭載されるバッテリの直流回路と接続されるパワーコネクタ２１と、電力変換装置２と車両側制御装置との間で各種信号の受け渡しに用いられる信号コネクタ２２（図５参照）とがインバータケース２０の周縁に設けられている。インバータケース２０内には、平面視八角形形状のインバータケース２０を跨って制御基板２３が設けられ、インバータケース２０内に収容した平滑コンデンサ２８とパワーコネクタ２１との間は入力バスバー２８０，２８１で接続されている。インバータケース２０には、平滑コンデンサ２８とパワーモジュール２７とを電気的に接続する出力バスバー２８２，２８３と、電流センサ２９と、レゾルバステータ３５とが設けられている。

バッテリ１００からの直流電流は、パワーコネクタ２１を介して電力変換装置２に入力され、平滑コンデンサ２８でリップル成分が平滑化された後に出力バスバー２８２，２８３を介してパワーモジュール２７の正側直流端子２７２および負側直流端子２７３に供給される。

入力された直流電力は、三つのパワーモジュール２７がスイッチングすることで交流に変換されて、第１〜第３のパワーモジュール２７ａ，２７ｂ，２７ｃのそれぞれの交流端子２７１から、各交流端子２７１に接続される固定子コイル３２の口出し線３３を介して回転電機３に送られる。固定子コイル３２の端部から延長される口出し線３３は、電流センサ２９の貫通開口２９１を通って電力変換装置２におけるパワーモジュール２７ａ，２７ｂ，２７ｃの交流端子２７１に接続されている。

パワーモジュール２７は、図６に示すように、端部に強電系の交流端子２７１、正側直流端子２７２、負側直流端子２７３、および弱電系（制御系）の制御端子２７４を備えている。

パワーモジュール２７は、アルミ合金材料などの金属材料で構成された直方体形状のモジュールケース２７８を備えている。モジュールケース２７８は、一端に開口を有しており、この開口からスイッチング半導体素子であるＩＧＢＴやダイオードが挿入され、樹脂により封止されている。

パワーモジュール２７には、モジュールケース２７８の開口の外周を囲むようにフランジ２７６が形成されている。フランジ２７６には、インバータケース２０側の取付穴に対応する固定用ボルト穴２７７が形成されている。パワーモジュール２７は、フランジ２７６がボルトで締結されることにより、所定位置に取り付けられる。

モジュールケース２７８は、相互に対向して配置される二枚の側板の表面がそれぞれ第１放熱面２７９ａと第２放熱面２７９ｂとされている。第１放熱面２７９ａおよび第２放熱面２７９ｂのそれぞれには、複数個のピンフィン２７５が外方に向かって立設されている。ピンフィン２７５が立設される第１放熱面２７９ａおよび第２放熱面２７９ｂは、後述する冷却流路内に配置される。

パワーモジュール２７のスイッチングのデューティーは、主に信号コネクタ２２から入力される車両側のトルクや回転数の指令に基づいて、制御基板２３の制御部により算出され、デューティーに応じたスイッチング指令がパワーモジュール２７の制御端子２７４へ出力される。なお、信号コネクタ２２と制御基板２３との間、および制御基板２３とパワーモジュール２７の制御端子２７４との間は、信号ハーネスやピン等を介して信号のやり取りが行われるが、図中は省略してある。

図４に示すように、インバータケース２０の中央には、回転子のシャフト（不図示）の端部を回転可能に保持するためのベアリング３４が配置されている。インバータケース２０のベアリング３４の上方には、回転子の回転数センサであるレゾルバステータ３５が組み込まれている。レゾルバステータ３５からの信号は、信号ハーネスもしくは信号ピンなど（不図示）を介して制御基板２３へ送られる。

［回転子保持部］
回転子保持部４は、図２〜図４に示すように、電力変換装置２が配置される側と反対側の回転電機３の軸方向の端部に取り付けられる。回転子保持部４は、回転子を回転可能に保持するベアリング３４と、ベアリング３４を収容する環状のリアケース４０とを有している。リアケース４０は、上面が固定子コア３０の下面と接するように配置されている。つまり、回転子保持部４は、リアケース４０の上面に固定子の下面が接するように、回転電機３に積層されて回転電機３と一体化されている。

リアケース４０の中央には、回転子のシャフト（不図示）の端部を保持するためのベアリング３４が配置されている。リアケース４０の外周面の所定位置にはフランジ５０が形成され、回転電機ユニット１は、フランジ５０を車両のギアケースや変速機などの取付部にボルト締結して固定される。

［冷却流路］
図３、図４および図７を参照して、インバータケース２０およびリアケース４０に形成される冷却流路について説明する。図７は、電力変換装置２の冷却流路２５における冷媒の流れを示す底面模式図である。

インバータケース２０内には、図４および図７に示すように、冷媒を流すための冷却流路２５が形成されている。冷却流路２５は、インバータケース２０の下面から環状に凹設された空間を固定子コア３０の上面で閉塞して形成されている。具体的には、冷却流路２５は、固定子コア３０の端部（コアバック）に沿って、固定子コイル３２の外側を囲むように形成されている。冷却流路２５の断面形状は、矩形状とされ、インバータケース２０に形成される凹部の三面と、固定子コア３０の上側の表面２５１とで構成されている。なお、固定子コア３０の表面２５１と、表面２５１に当接されるインバータケース２０の端面との間には、液状ガスケットが塗布されており、冷却流路２５は封止されている。

図７に示すように、インバータケース２０には、図示しない車両側の冷却システムから冷媒を導入するための冷媒入口パイプ５５が取り付けられており、冷媒入口パイプ５５は冷却流路２５に連通されている。冷媒入口パイプ５５の近傍には、インバータケース２０の冷却流路２５の出口である連通管５７も取り付けられている。

図４および図７に示すように、冷却流路２５内には、パワーモジュール２７のモジュールケース２７８が挿入され、第１放熱面２７９ａおよび第２放熱面２７９ｂのそれぞれが環状に形成した冷却流路２５の内外周面に対向するように配置される。第１放熱面２７９ａおよび第２放熱面２７９ｂのそれぞれが冷却流路２５に導入される冷媒の流れに沿って配置されているため、ピンフィン２７５は、冷媒の流れに直交するように第１放熱面２７９ａおよび第２放熱面２７９ｂから冷却流路２５側に突出される。

第１のパワーモジュール２７ａは、図７に示すように、インバータケース２０の冷媒入口パイプ５５の近傍に配置されている。第２のパワーモジュール２７ｂは、冷媒入口パイプ５５から導入される冷媒の流れに沿って、第１のパワーモジュール２７ａに対して回転子の軸方向を中心として４５度の間隔で配置されている。第３のパワーモジュール２７ｃは、冷媒入口パイプ５５から導入される冷媒の流れに沿って、第２のパワーモジュール２７ｂに対して回転子の軸方向を中心として４５度の間隔で配置されている。

したがって、冷媒は、冷媒入口パイプ５５から導入されて、固定子に沿って流れて第１〜第３のパワーモジュール２７ａ，２７ｂ，２７ｃおよび固定子コア３０を直接的に冷却する。固定子コイル３２や電力変換装置２の他の部品は、冷媒によって冷却される固定子コア３０やインバータケース２０を介して冷却される。固定子に沿って平面視で円を描くように流れてほぼ一周した冷媒は、連通管５７から流出する。

一方、図３および図４に示すように、リアケース４０にもインバータケース２０と同様に固定子に沿って環状に凹設され、リアケース４０の上面が開放された冷却流路４５が形成されている。冷却流路４５は、リアケース４０の上面から環状に凹設された空間を固定子コア３０の下面で閉塞して形成されている。なお、固定子コア３０の下側の表面４５１と、表面４５１に当接されるリアケース４０の端面との間には、液状ガスケットが塗布されており、冷却流路４５は封止されている。リアケース４０の冷却流路４５には、上記したインバータケース２０に取り付けられる連通管５７の他端が接続される（図２参照）。つまり、インバータケース２０の冷却流路２５と、リアケースの冷却流路４５とは連通管５７によって連通されている。連通管５７の近傍には、リアケース４０の冷却流路４５の出口である冷媒出口パイプ５６が取り付けられている（図２参照）。

したがって、冷媒入口パイプ５５から冷却流路２５に流入した冷媒は、インバータケース２０の冷却流路２５を通って連通管５７から流出し、リアケース４０の冷却流路４５内に導入される。リアケース４０の冷却流路４５に導入された冷媒は、固定子のコアバックに沿って流れて固定子コア３０のリアケース４０側を直接的に冷却し、冷媒出口パイプ５６より排出されて、図示しない車両側の冷却システムに回収される。

以上説明した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）冷却流路２５が、回転電機３の軸方向端部において、固定子に沿って環状に形成されており、冷却流路２５内にパワーモジュール２７のモジュールケース２７８が挿入されている。モジュールケース２７８は、上下アーム回路の一対のトランジスタからの熱を放熱する放熱部を構成し、モジュールケース２７８が、冷却流路２５内を流れる冷媒との間で熱交換を行うため、パワーモジュール２７を効果的に冷却することができる。さらに、冷媒は、固定子コア３０も冷却し、固定子コア３０を介して固定子コイル３２を冷却することができる。

（２）電力変換装置２および回転子保持部４は、回転電機３の外形に対応した外形形状とされ、回転電機３を挟むように、回転電機３の軸方向の両端部に取り付けられている。したがって、コンパクトで車両搭載性に優れた回転電機ユニット１を提供することができる。

（３）回転電機３の一方の側に電力変換装置２を取り付け、回転電機３の他方の側に回転子保持部４を取り付けて、電力変換装置２と回転子保持部４の両方に冷却流路２５，４５を設けているため、固定子コア３０は軸方向の両端部から冷却される。したがって、固定子コア３０および固定子コイル３２を効果的に冷却することができる。

（４）電力変換装置２の冷却流路２５は、インバータケース２０の下面から環状に凹設された空間を固定子の上面で閉塞して形成され、回転子保持部４の冷却流路４５は、リアケース４０の上面から環状に凹設された空間を固定子の下面で閉塞して形成されている。これにより、冷媒が直に固定子コア３０の上側および下側表面２５１，４５１に当たるため、効果的に固定子コア３０を冷却することができる。

（５）冷却流路２５，４５は、固定子コア３０の軸方向の端部に形成されているため、固定子コア３０の放熱面積を十分に確保して、固定子コア３０を効率よく冷却することができる。さらに、回転電機３における発熱体の一つである固定子コイル３２の周囲に冷却流路２５，４５が形成されているため、固定子コイル３２を効果的に冷却することができる。

固定子コア３０の軸方向の端部に冷却流路２５，４５を形成させたことの利点について、図８を参照して具体的に説明する。図８（ａ）は、第１の実施の形態に係る固定子コア３０からの熱の移動を示す模式図であり、図８（ｂ）は冷却流路６５を固定子コア３０の外周面側方に設けた場合の固定子コア３０からの熱の移動を示す模式図である。図中の矢印は、熱の流れを模式的に表している。

従来、図８（ｂ）に示すように、固定子コア３０の側面方向（外周面外方）に冷却流路６５を形成することがあった。図８（ｂ）に示すように、薄い珪素鋼板を軸方向に数百枚積層してなる固定子コア３０は、アルミなどの金属製のハウジング６０に、焼嵌めまたは圧入によって固定されている。冷却流路６５は、ハウジング６０の内部において、固定子コア３０の外周面に沿って形成されている。

このような構成では、固定子コイル３２の熱は、固定子コア３０を介してハウジング６０に伝達され、冷却流路６５へ放熱される。なお、熱は、ハウジング６０と固定子コア３０の界面６３を通過することになるが、この界面６３では積層される各薄肉鋼板の外周がハウジング６０の内周面に線接触している。

したがって、界面６３における固定子コア３０を構成する鋼板相互間に空気の層が形成されてしまい、この空気の層が熱抵抗となり冷却の妨げとなってしまう。さらに、ハウジング６０の内壁６４も介在するため熱抵抗となる。

これに対して、図８（ａ）に示すように、第１の実施の形態に係る回転電機ユニット１では、回転電機３の軸方向の端部に冷却流路２５，４５が形成されており、固定子コア３０の端面を冷媒に面接触させることができるため、放熱面積を十分に確保することができる。さらに、冷媒を直に固定子コア３０に当てることができるとともに、冷却流路２５，４５を固定子コイル３２の近傍に形成することができるため、冷却性能の向上を図ることができる。

（６）図７に示したように、冷媒入口パイプ５５がパワーモジュール２７の近傍に配置されているため、最も低温の冷媒でパワーモジュール２７を冷却することができる。よって、効果的にパワーモジュール２７を冷却することができる。

（７）固定子コア３０の軸方向の寸法（積厚）は、必要に応じて珪素鋼板の板厚のピッチで増減させることができる。つまり、同じ外形で異なる積厚を必要とするような別のアプリケーションへも、固定子コア３０の型の改造を必要とすることなく積層する珪素鋼板の枚数変更のみで容易に適用することが可能となる。

（８）リブ２０１，３０１，４０１は、周方向に９０度間隔で配置されているため、固定子コア３０を９０度ピッチで回し積みにより製作することができる。これにより、形状精度の高い固定子コア３０を有する回転電機ユニット１を提供することができる。回し積みとは、それぞれが所定枚数の薄肉鋼板からなる複数の積層体を順次周方向に所定角度ずらして配置させることにより、板厚偏差を平準化する固定子コア３０の製造方法である。

（９）回転電機３は、例えばスロット３０５の数が７２個の１２極モータであり、４個のリブ３０１を設けている。つまり、リブ３０１の数の整数倍が、回転電機３の極数と一致している。したがって、回転方向に均等にバランスした固定子形状になっており、磁界の分布が不規則になることもなく、それによって発生しうる不要なトルク脈動や騒音の増大を避けることができる。

（１０）回転電機３と電力変換装置２とが一体とされているため、回転電機と電力変換装置とを別々に配置させる回転電機ユニットに比べてケーブルを省略することができる。これにより、回転電機ユニット１の軽量化を図ることができ、さらにノイズを低減することもできる。

―第２の実施の形態―
図９を参照して第２の実施の形態に係る回転電機ユニット１を説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態に係る回転電機ユニット１の外観斜視図である。第２の実施の形態では、回転子を回転可能に保持するベアリングをギアケースや変速機などに設けており、回転電機ユニット１において回転子保持部４が省略されている。第２の実施の形態では、電力変換装置２に上記した連通管５７に代えて冷媒出口パイプ５６が取り付けられる。

冷媒入口パイプ５５から入った冷媒は、第１の実施の形態と同様に形成されるインバータケース２０の冷却流路２５を周回し、冷媒出口パイプ５６から排出される。つまり、固定子コア３０は、一方の面に直に当てられる冷媒によって冷却される。

リアケース４０を省略することで、よりコンパクトな回転電機ユニット１を提供することができる。

―第３の実施の形態―
図１０〜１５を参照して第３の実施の形態に係る回転電機ユニット１を説明する。図１０は、第３の実施の形態に係る回転電機ユニット１の外観斜視図であり、図１１は、回転電機ユニット１の分解斜視図である。図１２、図１３および図１４は、インバータケース２０、固定子コア３０およびリアケース４０の斜視図である。図１５は、回転電機ユニット１の電力変換装置２の冷却流路２５における冷媒の流れを示す底面模式図である。なお、図１１〜１５の各図において、破線の矢印は冷媒の流れを模式的に示している。

図１１および図１３に示すように、第３の実施の形態では、連通管５７に代えて、電力変換装置２の冷却流路２５と回転子保持部４の冷却流路４５とを連通する貫通孔３０４が連通流路として固定子コア３０のリブ３０１に設けられている。

図１０に示すように、第３の実施の形態では、第１および第２の実施の形態に比べて幅広のリブ群５４が設けられている。リブ群５４には、ボルト穴が二つ設けられている。図１３に示すように、固定子コア３０のリブ３０１は、固定子コア３０から径方向外方に延在している。リブ３０１の中央には、貫通孔３０４が形成されており、貫通孔３０４の両脇にボルト穴３０２が一つずつ（各リブ３０１に合計二つずつ）形成されている。

固定子コア３０のリブ３０１は、周方向に９０度間隔で設けられているが、四箇所全てのリブ３０１が同様の構造とされる。このうちの少なくとも一つの貫通孔３０４が、第１の実施の形態における連通管５７の代わりとして冷媒を通す連通流路として機能する。

四箇所全てのリブ３０１に貫通孔３０４とボルト穴３０２を設けることで、固定子コア３０の回し積みに対応することができる。

図１３に示すように、冷媒が通る貫通孔３０４にはゴムやプラスチックなどからなる流路カバー３８が固着されており、冷媒が積層鋼板同士の隙間から浸入することが防止されている。これにより、冷媒に水や不凍液を用いる場合、固定子コア３０の錆びを防止することができる。なお、貫通孔３０４の両脇に挿入されるボルトによりリブ群５４が締結されることにより、冷媒が通る貫通孔３０４の密閉性は確保されている。

図１０および図１１に示すように、インバータケース２０のリブ２０１、および、リアケース４０のリブ４０１は、固定子コア３０のリブ３０１の形状に対応して形成されている。図１２および図１５に示すように、インバータケース２０の冷却流路２５における終端部近傍のリブ２０１には、回転電機３のリブ３０１の貫通孔３０４に対応した凹み２０６が形成されている。凹み２０６は、回転電機３側および冷却流路２５側（内壁）が開口とされており、冷却流路２５および固定子コア３０の貫通孔３０４と連通されている。

同様に、リアケース４０のリブ４０１の一つには、図１４に示すように、回転電機３のリブ３０１の貫通孔３０４に対応した凹み４０６が形成されている。凹み４０６は、回転電機３側および冷却流路４５側（内壁）が開口とされており、冷却流路４５および固定子コア３０の貫通孔３０４と連通されている。

図１１に示すように、インバータケース２０のリブ２０１の凹み２０６（図１２参照）と、リアケース４０のリブ４０１の凹み４０６は、回転電機３の軸方向に平行となるように配置されて、上述したように凹み２０６がインバータケース２０の冷却流路２５に連通され（図１２参照）、凹み４０６がリアケース４０の冷却流路４５に連通されている（図１４参照）。

第３の実施の形態に係る回転電機ユニット１における冷媒の流れは、図１５に示すように、冷媒入口パイプ５５から電力変換装置２の冷却流路２５に導入され、固定子に沿って平面視で円を描くように流れる。ほぼ一周した冷媒は、図１５および図１１、図１２に示すように、リブ２０１の凹部２０６から貫通孔３０４へと流れる。

貫通孔３０４に導入された冷媒は、固定子コア３０から熱を奪って、図１１および図１４に示すように、リアケース４０のリブ４０１の凹部４０６へと流れ、冷却流路４５に導入される。リアケース４０の冷却流路４５に導入された冷媒は、固定子に沿って流れ、冷却流路４５を一周して冷媒出口パイプ５６から車両側の冷却システムへ戻される。

したがって、第３の実施の形態に係る回転電機ユニット１では、固定子コア３０に電力変換装置２の冷却流路２５と回転子保持部４の冷却流路４５とを連通する連通流路としての貫通孔３０４が形成されており、固定子コア３０の上面および下面だけでなく貫通孔３０４を通る冷媒によっても固定子を冷却することができるため、冷却性能の向上を図ることができる。なお、固定子コア３０の外径の一部を大きくした場合、磁気抵抗が減り、回転電機３の電気的性能は向上する。

なお、上記した実施の形態は、以下のように変形することもできる。
［変形例］
（１）上記した実施の形態では、２ ｉｎ １のパッケージングとされる三つのパワーモジュール２７ａ，２７ｂ，２７ｃを採用したがこれに限定されない。必要に応じて１ ｉｎ １のパッケージングのパワーモジュールを六つ用いてもよいし、６ ｉｎ １のパッケージングをもつパワーモジュールを一つ用いてもよい。
（２）上記した実施の形態では、スイッチング半導体素子としてＩＧＢＴを採用したが、必要な周波数や電圧によって、金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの他の半導体素子を採用してもよい。スイッチング半導体素子としては、ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。
（３）電力変換装置２、回転電機３および回転子保持部４を一体にするための通しボルトやリブの数は、必要に応じて増減させてもよい。
（４）電力変換装置２、回転電機３および回転子保持部４は、通しボルトにより締結して一体とする場合に限定されない。溶接、接着剤による接着などの方法により、電力変換装置２、回転電機３および回転子保持部４を一体にしてもよい。

（５）口出し線３３（図４参照）は、固定子コイル３２の一部を延長する場合に限定されない。口出し線３３に相当する部材を固定子コイル３２に接続してもよい。
（６）レゾルバを用いない制御（センサレス制御）を適用してもよい。レゾルバを用いない場合、レゾルバステータ３５は省略できる。

（７）ハーネスを介することなく信号コネクタ２２を制御基板２３の上に直付けすることとしてもよい。
（８）パワーモジュール２７は、ゲート駆動回路を内部に持つＩＰＭであってもよいし、一般的なＩＧＢＴを用いてゲート駆動回路を基板に搭載してもよい。

（９）回転電機ユニット１をギアケースや変速機等に取り付ける場合、固定子コア３０の内側（回転子側）のエリアを変速機の冷却オイル等で同時に冷却してもよい。第２の実施の形態に係る回転電機ユニット１においては、変速機に配設される回転子保持用のベアリング中央の開口部から変速機の冷却オイルなどを、電力変換装置２が配置される側の反対側から固定子コア３０に直接吹き付けるなどして固定子を冷却することもできる。

（１０）冷媒の流れの向きは、上記実施の形態に限定されない。上記実施の形態に対して逆方向であってもよい。
（１１）固定子コア３０の表面２５１，４５１とインバータケース２０またはリアケース４０における当接面とは、液状ガスケットによりシールされることに限定されることなく、Ｏリング等を用いて冷却流路２５，４５を封止してもよい。

（１２）固定子コア３０の表面２５１,４５１に冷媒を直に接触させる構成、すなわち冷却流路２５，４５の一部を固定子の表面によって構成する場合に限定されない。冷却能力や冷媒の温度次第では、熱伝導性の高い金属製部材を冷却流路２５，４５と固定子コア３０の表面との間に介在させてもよい。たとえば、図１７に示すように、インバータケース２０に環状の閉鎖された空間を形成して冷却流路２５とするとともに、リアケース４０に環状の閉鎖された空間を形成して冷却流路４５としてもよい。これにより、防水性を確保しつつ、固定子コア３０の表面２５１，４５１を冷却することができる。

（１３）ピンフィン２７５をモジュールケース２７８の両面に設ける場合に限定されない。図１６（ａ）に示すように、モジュールケース２７８の片面にのみピンフィン２７５を設けてもよいし、図１６（ｂ）に示すように、ピンフィン２７５を設けずにモジュールケース２７８の表面を放熱部としてもよい。また、第１および第２放熱面２７９ａ，２７９ｂ（図４参照）の両面を冷却流路２５内に配置させることに限定されない。一方の面にのみ放熱フィンを設けて、一方の面のみを冷却流路２５内に配置させることとしてもよい。

（１４）モジュールケース２７８に設けられるピンフィン２７５に代えて、平板状のフィンなど種々の形状のフィンを設けてもよい。フィンの形状や個数は、要求される冷却性能や圧力損失から決定される。

（１５）回転子保持部４に車両側に取り付けるためのフランジ５０を設けずに、電力変換装置２と回転電機３の締結に使う通しボルトを利用して回転電機ユニット１を車両に固定してもよい。

（１６）第２の実施の形態において、リアケース４０を省略したが、リアケース４０を省略せずにリアケース４０の冷却流路４５のみを省略することもできる。連通管５７が省略され、軸方向の長さも短縮されるため、第１の実施の形態の回転電機ユニット１に比べて、コンパクトな回転電機ユニット１を提供することができる。

（１７）第３の実施の形態において、流路カバー３８は、一体成形品でもよいし複数のプラスチック板により形成してもよい。
（１８）流路カバー３８に代えて、貫通孔３０４の壁面にシール材を塗布してもよい。また、流路カバー３８は、チタン板などの熱伝導率の高い金属板により形成してもよい。
（１９）リレー回路８０は、電力変換装置２の一部としてインバータケース２０内に配設してもよい。

（２０）第１のパワーモジュール２７ａと第２のパワーモジュール２７ｂとの間隔、および、第２のパワーモジュール２７ｂと第３のパワーモジュール２７ｃとの間隔は、４５度とする場合に限定されない。３０度や６０度などの所定角度の間隔で、パワーモジュール２７を配置することができる。
（２１）冷却流路２５，４５の断面形状は矩形状に限定されない。

本発明は、上記した実施の形態に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更、改良が可能である。

１ 回転電機ユニット、２ 電力変換装置、３ 回転電機、４ 回転子保持部、２０ インバータケース、２５ 冷却流路、２７ パワーモジュール、２７ａ 第１のパワーモジュール、２７ｂ 第２のパワーモジュール、２７ｃ 第３のパワーモジュール、３０ 固定子コア、３２ 固定子コイル、３８ 流路カバー、４０ リアケース、４５ 冷却流路、５５ 冷媒入口パイプ、５６ 冷媒出口パイプ、５７ 連通管、２００ インバータ回路、２０１ リブ、２０６ 凹部、２５１ 表面、２７５ ピンフィン、２７８ モジュールケース、２７９ａ 第１放熱面、２７９ｂ 第２放熱面、３０１ リブ、３０４ 貫通孔、４０１ リブ、４０６ 凹部、４５１ 表面

Claims (10)

1. 環状の固定子および前記固定子の内側に設けられた回転子を有する回転電機と、
   環状の第１ケーシングおよび前記第１ケーシング内に収容されたパワーモジュールを有し、前記固定子の上面に前記第１ケーシングの下面が接するように積層されて前記回転電機と一体化された電力変換装置とを備え、
   前記電力変換装置は、前記第１ケーシング内に環状に形成された第１冷却流路を有し、
   前記パワーモジュールは、前記第１冷却流路内に配置されて前記第１冷却流路内を流れる冷媒との間で熱交換を行う放熱部を有していることを特徴とする回転電機ユニット。
2. 請求項１に記載の回転電機ユニットにおいて、
   前記第１冷却流路は、前記第１ケーシングの下面から環状に凹設された第１空間を前記固定子の上面で閉塞して形成されていることを特徴とする回転電機ユニット。
3. 請求項１または２に記載の回転電機ユニットにおいて、
   前記回転電機は３相交流電力で駆動される交流回転電機であり、
   直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備え、
   前記インバータ回路は、各相ごとに設けられた第１〜第３のパワーモジュールを有し、前記第１〜第３のパワーモジュールは、上下アーム回路の一対のトランジスタを直列接続して構成され、
   前記放熱部は、前記一対のトランジスタからの熱を放熱する第１および第２放熱面を有し、
   前記放熱部は、前記第１および第２放熱面のそれぞれが、前記環状に形成した第１冷却流路の内外周面に対向するように前記第１冷却流路に挿入されていることを特徴とする回転電機ユニット。
4. 請求項３に記載の回転電機ユニットにおいて、
   前記第１〜第３のパワーモジュールの放熱部の前記第１および第２放熱面には、複数の放熱フィンが前記冷却流路に突出するようにそれぞれ立設されていることを特徴とする回転電機ユニット。
5. 請求項３または４に記載の回転電機ユニットにおいて、
   前記第１〜第３のパワーモジュールは、直方体形状の金属ケースを備え、
   前記直方体形状の金属ケースにおいて対向して配置される二枚の側板の表面がそれぞれ前記第１および第２放熱面とされていることを特徴とする回転電機ユニット。
6. 請求項３ないし５のいずれか１項に記載の回転電機ユニットにおいて、
   前記第１のパワーモジュールは、前記電力変換装置の冷却流路の入口の近傍に配置され、前記第２のパワーモジュールは、前記冷却流路の入口から導入される冷媒の流れに沿って、第１のパワーモジュールに対して前記回転子の軸方向を中心として所定角度の間隔で配置され、前記第３のパワーモジュールは、前記冷媒の流れに沿って第２のパワーモジュールに対して前記回転子の軸方向を中心として所定角度の間隔で配置されていることを特徴とする回転電機ユニット。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転電機ユニットにおいて、
   環状の第２ケーシングおよび前記回転子を回転可能に保持する軸受を有し、前記第２ケーシングの上面に前記固定子の下面が接するように積層されて前記回転電機と一体化された回転子保持部をさらに有することを特徴とする回転電機ユニット。
8. 請求項７に記載の回転電機ユニットにおいて、
   前記回転子保持部は、前記第２ケーシング内に環状に形成された第２冷却流路を有していることを特徴とする回転電機ユニット。
9. 請求項８に記載の回転電機ユニットにおいて、
   前記第２冷却流路は、前記第２ケーシングの上面から環状に凹設された第２空間を前記固定子の下面で閉塞して形成されていることを特徴とする回転電機ユニット。
10. 請求項８または９に記載の回転電機ユニットにおいて、
    前記固定子は、外方に延在するリブを有し、前記電力変換装置の前記第１冷却流路と前記回転子保持部の前記第２冷却流路とを連通する貫通孔が前記リブに連通流路として設けられていることを特徴とする回転電機ユニット。

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