JP2014143841A - インバータ一体型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータを大きくすることなく放熱性に優れたインバータ一体型モータを提供する。
【解決手段】ロータ２３及びステータ２２が収納され、第１放熱部４１３を有するモータ筐体４１と、インバータ３のパワーモジュール３１が収納され、第２放熱部４２１を有するインバータ筐体４２とが一体化されてなるインバータ一体型モータ１において、前記パワーモジュール３１は、前記モータ筐体４１及び前記インバータ筐体４２に接触して配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インバータ一体型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一体型モータでは、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放熱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放熱ができず、冷却器、ひいてはモータが大きくなるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、モータを大きくすることなく放熱性に優れたインバータ一体型モータを提供することである。

本発明は、第１放熱部を有するモータ筐体と第２放熱部を有するインバータ筐体の両方にパワーモジュールを接触させ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モータ筐体から第１放熱部へ伝わると同時にインバータ筐体から第２放熱部へ伝わるので、モータを大きくすることなく放熱性が向上する。

本発明の一実施の形態に係るインバータ一体型モータを示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の他の実施の形態に係るインバータ一体型モータを示す断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係るインバータ一体型モータを示す断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。

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一体型モータを示す図である。本例のインバータ一体型モータ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３２と平滑用コンデンサ３３と回路基板３４が、筐体４に内蔵されている。なお、本例のインバータ一体型モータ１は、回生による発電機能も有するインバータ一体型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とを含み、これらモータ筐体４１とインバータ筐体４２とがモータ１の回転軸２１方向に並置され、ボルト、ネジ、接着剤などの締結手段によって結合されている。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、軸方向の一端面が開放された有底筒状の本体４１１と、この有底筒状の本体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が貫通する第１ブラケット部４１２とを有し、これら筒状本体４１１と第１ブラケット部４１２とは、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。なお、筒状本体４１１の外面には複数の放熱フィン４１３が形成され、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なっている。

有底筒状の本体４１１の他端面を構成する第２ブラケット部４１６及び第３ブラケット部４１７は、モータ筐体４１内の塵埃がインバータ筐体４２側へ侵入するのを防止するために、モータ室４１４とインバータ室４２２との間に設けられている。この第２ブラケット部４１６及び第３ブラケット部４１７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、第２ブラケット部４１６は、モータ筐体４１の本体４１１とは別部材として構成してもよい。

そして、モータ室４１４の軸方向の中心には、ベアリング４１５，４１５によって回転軸２１が両方向回転自在に支持され、回転軸２１の上端がモータ筐体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。

インバータ筐体４２は、円形平板状の本体からなり、その外面には複数の放熱フィン４２１が設けられ、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なっている。インバータ筐体４２のその他の構成については後述する。

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、本例では円形平板状のインバータ筐体４２と第２ブラケット部４１６及び第３ブラケット部４１７との間の空間にはインバータ室４２２が形成されている。

モータ室４１４において、有底筒状本体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、有底筒状本体４１１の内周面に圧入され、有底筒状本体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。

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２４が電気的に接続されている。各引出導体２４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の第２ブラケット部４１６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第２ブラケット部４１６側から軸方向に導出され、モータ室４１４から、第２ブラケット部４１６に形成された貫通孔４１８を介してインバータ室４２２に至るように延伸し、インバータ３の対応する相の端子３５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３５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、本例のインバータ一体型モータ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３５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２４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、本例のインバータ一体型モータ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２４を介して、インバータ３の対応する相の端子３５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。

インバータ室４２２において、インバータ筐体４２の内面にはパワーモジュール３１が固定され、さらにバスバ３２を介して平滑用コンデンサ３３と回路基板３４が固定されている。この構成の詳細は後述する。なお、端子３５は、パワーモジュール３１のスイッチング半導体素子（ＩＧＢＴなど）により構成される３つのアーム（３相）に対応して設けられ、一端側がパワーモジュール３１の内部において、対応するアームの２つのスイッチング半導体素子の接続点に対して電気的に接続される。端子３５の他端側は、パワーモジュール３１から、インバータ筐体４２内面に沿って平行に延在するように導出されている。

次に、インバータ室４２２の内部の配置構成について説明する。

図１及び図２に示すように、８つのパワーモジュール３１はインバータ室４２２の外周部に配置され、その一端面がインバータ筐体４２の内面に接触し、その他端面がモータ筐体４１の第２ブラケット部４１６の外面に接触するように配置されている。このように、パワーモジュール３１をインバータ室４２２の外周に配置することで、発熱体であるパワーモジュール３１とモータ筐体４１の放熱フィン４１３との距離が短くなるので熱抵抗が小さくなり、放熱性が向上する。また、パワーモジュール３１の両端面をインバータ筐体４２とモータ筐体４１の第２ブラケット部４１６にそれぞれ接触させることにより、パワーモジュール３１からの熱を２つの放熱フィン４１３，４２１の両方から放熱させることができるので放熱性が向上する。

これに対して、バスバ３２、平滑用コンデンサ３３及び回路基板３４はインバータ室４２２の内周部に配置されている。すなわち、インバータ筐体４２の内面側に回路基板４３が配置され、バスバ３２を介して８つの平滑用コンデンサ３３が回転軸２１を取り囲むようにモータ２側に配置されている。そして、インバータ室４２２を含む部分が、パワーモジュール３１、バスバ３２、平滑用コンデンサ３３及び回路基板３４を被覆するように樹脂モールドＭ１され、この樹脂モールドＭ１の接着力によってインバータ筐体４２がモータ筐体４１に固定されることになる。

本例のインバータ一体型モータ１を製造する場合の組み付け順序として、以下の２通りの工程を採用することができる。第１の方法は、インバータ筐体４２にパワーモジュール３１、バスバ３２、平滑用コンデンサ３３及び回路基板３４を固定したのちに、このインバータ筐体４２をモータ筐体４１に対して固定し、最後に樹脂モールドＭ１を施す方法である。また第２の方法は、モータ筐体４１にパワーモジュール３１、バスバ３２、平滑用コンデンサ３３及び回路基板３４を固定したのちに、このモータ筐体４１に対してインバータ筐体４２を固定し、最後に樹脂モールドＭ１を施す方法である。

以上、本例のインバータ一体型モータ１によれば以下の作用効果を奏する。
（１）本例のインバータ一体型モータ１においては、発熱体であるパワーモジュール３１の両端面をインバータ筐体４２とモータ筐体４１の第２ブラケット部４１６にそれぞれ接触させているので、パワーモジュール３１からの熱を２つの放熱フィン４１３，４２１の両方から放熱させることができ、その結果、放熱性が向上する。

（２）また、本例のインバータ一体型モータ１においては、発熱体であるパワーモジュール３１をインバータ筐体４２の外周部に配置しているので、パワーモジュール３１とモータ筐体４１の放熱フィン４１３との距離が短くなって熱抵抗が小さくなり、これによっても放熱性が向上する。

（３）また、本例のインバータ一体型モータ１においては、モータ筐体４１の第２ブラケット部４１６とインバータ筐体４２の内面とが互いに対面するように形成し、この間に発熱体であるパワーモジュール３１を配置しているので、パワーモジュール３１の両端面とモータ筐体４１の第２ブラケット部４１６及びインバータ筐体４２の内面との接触面積が大きくなり、熱抵抗が小さくなって放熱性が向上する。

（４）また、本例のインバータ一体型モータ１においては、モータ筐体４１に収容されたステータ２２のモータ巻線の入力部又は出力部である第１導体２４を、モータ筐体４１の第２ブラケット部４１６に形成された貫通孔４１８を介してインバータ筐体４２側に引き出し、インバータ室４２２内において、パワーモジュール３１の出力部又は入力部である第２導体３５と接続するので、スペースの有効活用による筐体４の小型化と、結線作業性の向上が期待できる。

（５）また、本例のインバータ一体型モータ１においては、インバータ３を樹脂モールドすると同時に、当該樹脂モールドによりインバータ筐体４２をモータ筐体４１に固定するので、インバータ筐体４２とモータ筐体４１との締結箇所を省略することができ、筐体４を小型化することができる。また、別途の締結作業も不要となり、さらに結線部の放熱性も向上する。

（６）また、本例のインバータ一体型モータ１においては、モータ室４１４とインバータ室４２２が第２ブラケット部４１６により仕切られているので、モータ室４１４からインバータ室４２４へ流入する高温空気対流を抑制することができる。

（７）また、本例のインバータ一体型モータ１においては、組み付け順序として、インバータ筐体４２にパワーモジュール３１、バスバ３２、平滑用コンデンサ３３及び回路基板３４を固定したのちに、このインバータ筐体４２をモータ筐体４１に対して固定する第１の方法でも、あるいはモータ筐体４１にパワーモジュール３１、バスバ３２、平滑用コンデンサ３３及び回路基板３４を固定したのちに、このモータ筐体４１に対してインバータ筐体４２を固定する第２の方法でも、いずれの方法も採用することができるので、組み付け工程の自由度が大きくなる。特に、第１の方法によれば、バスバ３２と回路基板３４との組み付け作業スペースが大きくなり作業性が向上する一方で、第２の方法によれば、交流回路の結線作業性が向上するという利点がある。

《第２実施形態》
図３及び図４は本発明の第２実施形態に係るインバータ一体型モータ１を示す図であり、上述した第１実施形態と共通する部材等には同一の符号を付し、その説明をここに援用する。

上述した第１実施形態では、モータ２の回転軸２１をモータ筐体４１の第１ブラケット部４１２と第２ブラケット部４１６で支持したが、本例では、モータ２の回転軸２１をモータ筐体４１の第１ブラケット部４１２とインバータ筐体４２とで支持する。このため、回転軸２１はインバータ室４２２の中心部を貫通し、これに応じて回路基板３４の中央部分に貫通孔が形成されている。

また、インバータ３を封止するとともにインバータ筐体４２をモータ筐体４１に固定する樹脂モールドＭ１に加えて、モータ２のステータ２２を被覆する樹脂モールドＭ２も同時に成形される。

さらに、インバータ筐体４２をモータ筐体４１に固定するに際し、両者の位置合わせを確保するための位置決めピン４３が、パワーモジュール３１の間であって（図４参照）、インバータ筐体４２とモータ筐体４１の第２ブラケット部４１６との間に設けられている。

以上、本例のインバータ一体型モータ１においては、上述した第１実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果を有する。すなわち、本例のインバータ一体型モータ１によれば、インバータ３を封止するとともにインバータ筐体４２をモータ筐体４１に固定する樹脂モールドＭ１に加えて、モータ２のステータ２２を被覆する樹脂モールドＭ２も同時に成形するので、結線部の放熱性が向上するとともに、樹脂モールド工程を短縮することができる。また、インバータ筐体４２とモータ筐体４１との間に位置決めピン４３を設けているので、両者を固定した際の位置合わせ精度が向上する。

《第３実施形態》
図５及び図６は本発明の第３実施形態に係るインバータ一体型モータ１を示す図であり、上述した第１，第２実施形態と共通する部材等には同一の符号を付し、その説明をここに援用する。

本例のインバータ一体型モータ１の筐体４は、モータ筐体４１とインバータ筐体４２とからなり、モータ筐体４１は、筒状本体４１１と第１ブラケット部４１２と第２ブラケット部４１６とを有する。また、インバータ筐体４２は円形平板状の本体を有し、モータ筐体４１の筒状本体４１１の一端縁に嵌合する接続部４２４が外周に離散的に形成されている。この接続部４２４がモータ筐体４１の筒状本体４１１の一端縁に嵌合するとともに、第１、第２実施形態と同様に樹脂モールドＭ１が施されることによって、インバータ筐体４２がモータ筐体４１に固定される。

インバータ筐体４２の内面には、外周部に配置されたパワーモジュール３１と、内周部に配置されたバスバ３２、平滑用コンデンサ３３及び回路基板３４とを仕切る環状隔壁部４２３が形成されている。この環状隔壁部４２３の先端にモータ筐体４１の第２ブラケット部４１６が接合される。なお、環状隔壁部４２３には円周方向に沿った所定間隔をもって貫通孔が形成され、パワーモジュール３１とバスバ３２及び回路基板３５との配線が貫通可能になっている。

以上、本例のインバータ一体型モータ１においては、上述した第１及び第２実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果を有する。すなわち、本例のインバータ一体型モータ１によれば、インバータ筐体４２の内面には、外周部に配置されたパワーモジュール３１と、内周部に配置されたバスバ３２、平滑用コンデンサ３３及び回路基板３４とを仕切る環状隔壁部４２３が形成されているので、パワーモジュール３１で発生した熱が平滑用コンデンサ３３や回路基板３４に伝わるのを抑制することができる。なお、環状隔壁部４２３は、モータ筐体４１側に形成してもよい。

上記放熱フィン４１３が本発明に係る第１放熱部に相当し、上記放熱フィン４２１が本発明に係る第２放熱部に相当する。

１…インバータ一体型モータ
２…モータ
２１…回転軸
２２…ステータ
２３…ロータ
２４…引出導体
３…インバータ
３１…パワーモジュール
３２…ＤＣバスバ
３３…平滑用コンデンサ
３４…回路基板
３５…端子
４…筐体
４１…モータ筐体
４１１…有底筒状本体，筒状本体
４１２…第１ブラケット部
４１３…放熱フィン
４１４…モータ室
４１５…ベアリング
４１６…第２ブラケット部
４１７…第３ブラケット部
４１８…貫通孔
４２…インバータ筐体
４２１…放熱フィン
４２２…インバータ室
４２３…環状隔壁部
４２４…接続部
４３…位置決めピン
Ｍ１，Ｍ２…樹脂モールド

Claims (10)

1. ロータ及びステータが収納され、第１放熱部を有するモータ筐体と、インバータのパワーモジュールが収納され、第２放熱部を有するインバータ筐体とが一体化されてなるインバータ一体型モータにおいて、
   前記パワーモジュールは、前記モータ筐体及び前記インバータ筐体に接触して配置されているインバータ一体型モータ。
2. 前記パワーモジュールは、前記インバータ筐体の外周部に配置され、前記パワーモジュール以外のインバータ部品は、前記インバータ筐体の内周部に配置されている請求項１に記載のインバータ一体型モータ。
3. 前記モータ筐体と前記インバータ筐体は、互いに対面する端面を有し、
   前記パワーモジュールの一端面と他端面が、前記モータ筐体及び前記インバータ筐体の前記端面に接触して配置されている請求項１又は２に記載のインバータ一体型モータ。
4. 前記モータ筐体に収容された前記ステータのモータ巻線の入力部又は出力部である第１導体は、前記モータ筐体に形成された貫通孔を介して前記インバータ筐体内に引き出され、当該インバータ筐体内において、前記パワーモジュールの出力部又は入力部である第２導体と接続されている請求項３に記載のインバータ一体型モータ。
5. 前記インバータは樹脂モールドされ、当該樹脂モールドにより前記インバータ筐体が前記モータ筐体に固定されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のインバータ一体型モータ。
6. 前記モータ筐体は、前記インバータ筐体の内部との間を仕切るブラケットを含み、
   モータ回転軸の一端は前記ブラケットにより支持され、
   前記パワーモジュールの一端面は、前記ブラケットの主面に接触している請求項１〜５のいずれか一項に記載のインバータ一体型モータ。
7. 前記モータ筐体又は前記インバータ筐体に、前記パワーモジュールと当該パワーモジュール以外のインバータ部品とを仕切る隔壁部が設けられている請求項１〜６のいずれか一項に記載のインバータ一体型モータ。
8. ロータ及びステータが収納され、第１放熱部を有するモータ筐体と、インバータのパワーモジュール、平滑用コンデンサ、バスバ及び回路基板が収納され、第２放熱部を有するインバータ筐体とが一体化されてなるインバータ一体型モータの製造方法において、
   前記インバータ筐体に前記パワーモジュール、前記平滑用コンデンサ、前記バスバ及び前記回路基板を固定する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記パワーモジュール、前記平滑用コンデンサ、前記バスバ及び前記回路基板が固定された前記インバータ筐体を前記モータ筐体に固定する第２工程と、を有するインバータ一体型モータの製造方法。
9. ロータ及びステータが収納され、第１放熱部を有するモータ筐体と、インバータのパワーモジュール、平滑用コンデンサ、バスバ及び回路基板が収納され、第２放熱部を有するインバータ筐体とが一体化されてなるインバータ一体型モータの製造方法において、
   前記モータ筐体に前記パワーモジュール、前記平滑用コンデンサ、前記バスバ及び前記回路基板を固定する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記パワーモジュール、前記平滑用コンデンサ、前記バスバ及び前記回路基板が固定された前記モータ筐体を前記インバータ筐体に固定する第２工程と、を有するインバータ一体型モータの製造方法。
10. 前記インバータ筐体と前記モータ筐体は、前記インバータの樹脂モールドにより互いに固定される請求項８又は９に記載のインバータ一体型モータの製造方法。

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