JP4899819B2 - 機電一体型モータ用電力変換装置 - Google Patents

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本発明は、モータと電力変換装置とを一体に具える機電一体型モータ用の電力変換装置に関するものである。
モータと電力変換装置とを一体に具える機電一体型モータ用の電力変換装置としては従来、例えば特許文献1記載のものが知られている。この電力変換装置は、扇形のインバータモジュールと、コンデンサとをモータの筐体内に収容して、駆動装置の小型化を図っており、ここでの個々のインバータモジュールとコンデンサとは、それらに共通の環状バスバによって接続している。
特開2004−023877号
かかる従来例において、通常のインバータモジュールを用いた場合、個々のインバータモジュールは、DCラインのP極およびN極の2端子とACラインの3端子とを有し、それらの端子にはネジ穴が形成されている。このためこれらのインバータモジュールをモータに搭載するには、個々のインバータモジュールをネジで固定してDCラインを接続するための共通のP極バスバおよびN極バスバが必要となり、ACラインについても同様に、モータのコイルを接続するための共通のACバスバが必要となる。
しかしながらバスバは、導電性の良い銅材料で構成され、形状も大きいため、重量物となる。それゆえ上記の構成では、バスバの設置スペースと、端子を接続するための構造が大きくなりすぎて、モータ一体型電力変換装置を十分に小型軽量化することができないという問題がある。
さらに上記の構成では、組立を行う上で、バスバ、インバータモジュールおよびコンデンサの取付位置が一意に決まってしまうため、負荷側の構造レイアウトに合わせてその取付位置を個々に設計する必要があることから、汎用性がなく、柔軟な形状でインバータを構成することができず、レイアウトの自由度がないという問題もある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置は、モータと電力変換装置とを一体に具える機電一体型モータ用の電力変換装置であって、各々突出端子と固定端子とを有する複数のインバータモジュールを具え、前記複数のインバータモジュールが互いに隣接するそのインバータモジュール同士で前記突出端子と前記固定端子とを連結されることにより電気的に接続されて、前記モータの中心軸線周りに環状に配置されていることを特徴とするものである。
かかる機電一体型モータ用電力変換装置にあっては、電力変換装置の複数のインバータモジュールが、互いに隣接するそのインバータモジュール同士で突出端子と固定端子とを連結されることにより電気的に接続されて、電力変換装置と一体のモータの中心軸線周りに環状に配置されている。
従って、この発明の機電一体型モータ用電力変換装置によれば、複数のインバータモジュールを互いに接続するための大きな環状バスバを不要とし得て、部品点数を削減することができ、これにより、モータ一体型電力変換装置の材料コスト削減と小型軽量化とを可能にすることができる。
以下、本発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図1(a),(b)は、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第1実施例の、中心軸線を含む縦断面図およびその(a)中のA−A線に沿う横断面図、図2(a),(b),(c)は、その第1実施例の機電一体型モータ用電力変換装置の各インバータモジュールを示す平面図、側面図および透視図であり、図中、符号1は、上記第1実施例の機電一体型モータ用電力変換装置を示す。
図1に示すように、この第1実施例の機電一体型モータ用電力変換装置1は、機電一体型モータ2と一体に配置されたものであり、ここにおける機電一体型モータ2は、前ケース3aと中間ケース3bと後ケース3cとからなるモータケース3と、そのモータケース3の前ケース3aと後ケース3cとにそれぞれベアリング4を介して回転自在に支持されるとともに永久磁石を有するロータ5と、そのロータ5を囲むように中間ケース3bの内側に固定されるとともに各々コイル6を有する複数(図では8個)のステータ7とを具え、それらのコイル6に通電される電流により、ロータ5を回転させる。
そしてこの第1実施例のモータ一体型電力変換装置1は、モータケース3の後ケース3cを貫通して設けられてバッテリ等の図示しない直流電源から電流を供給されるDCコネクタ8と、後ケース3cの内側に固定されてその直流電流を平滑化する平滑コンデンサ9と、モータケース3の中間ケース3bの、後ケース3cと対向する側の端部から半径方向内方に突出した内向きフランジ3dの、後ケース3cで覆われる外側面に固定されて、その平滑化した直流電流を交流電流に変換する複数(図では8個)のインバータモジュール10とを具えており、平滑コンデンサ9とインバータモジュール10との間は、ワイヤボンディングされたワイヤ11によって接続されている。
ここで、複数のインバータモジュール10は、例えば機電一体型モータ2の円環状に配置されるステータ7のコイル6の数と同数設けられて、その機電一体型モータ2のロータ5の中心軸線C周りに円環状に配置され、複数のコイル2に例えば隣り合うコイル同士で互いに所定角度ずつ位相がずれた交流電流を供給して、機電一体型モータ2を交流モータとして作動させる。
なお、図ではコイル6およびインバータモジュール10は8個ずつ設けられているが、それらを6個ずつとしても良く、この場合にはU相,V相,W相を持つ三相交流モータを構成するように、6個のインバータモジュール10がU1,U2,V1,V2,W1,W2の各相にそれぞれ対応し、例えばU1,U2に通電を行う2つのインバータモジュール10の半導体素子は同時にON,OFFを行うことになる。このように交流モータの1相に対して電流的には並列となるように2個のインバータモジュール10を配置すれば、インバータモジュール10の発熱を分散させることができ、それゆえ図示例のように、モータのスロット(分布巻きコイルでの1コイル)当たりに1個のインバータモジュール10を配置することが望ましい。
各インバータモジュール10は、図2(a),(b)に示すように、P極の突出端子(穴開き)12およびN極の突出端子(穴開き)13と、P極の固定端子(ネジ穴付)14およびN極の固定端子(ネジ穴付)15を有し、図2(c)に示すように、P極の突出端子(穴開き)12とP極の固定端子(ネジ穴付)14とは直接接続されるとともにインバータの上アーム(スイッチ+ダイオード)16にワイヤボンディング等により接続され、N極の突出端子(穴開き)13とN極の固定端子(ネジ穴付)15とは直接接続されるとともにインバータの下アーム(スイッチ+ダイオード)17にワイヤボンディング等により接続されており、これによりインバータモジュール10を並べた際に、P極およびN極の突出端子12,13が、隣のインバータモジュール10のP極およびN極の固定端子14,15にそれぞれネジ固定される。このようにしてインバータモジュール10を複数連結することでインバータモジュール10が環状になり、全てのインバータモジュール10が互いに電気的に接続されるとともに平滑コンデンサ9と電気的に接続される。
従って、この第1実施例の機電一体型モータ用電力変換装置1によれば、複数のインバータモジュール10を互いに接続するための大きな環状バスバを不要とし得て、部品点数を削減することができ、これにより、モータ一体型電力変換装置1の材料コスト削減と小型軽量化とを可能にすることができる。
また、各インバータモジュール10は、インバータの上下アーム(スイッチ+ダイオード)16,17にワイヤボンディング等によりそれぞれ接続された、コイル6を直に接続できる2個のコイル端子18を有している。
従って、この第1実施例の機電一体型モータ用電力変換装置1によれば、コイルと接続するためのACバスバも不要とし、容易に各コイル6を各インバータモジュール10に結線することができる。またACバスバを不要とするので、この点でも部品点数を削減することができ、これにより、モータ一体型電力変換装置1の材料コスト削減と小型軽量化とを可能にすることができる。
図3は、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第2実施例を示す、図1(b)と同様の位置での断面図、図4(a),(b)は、その第2実施例の機電一体型モータ用電力変換装置の各インバータモジュールを示す平面図および側面図であり、図中、符号21は、上記第2実施例の機電一体型モータ用電力変換装置を示し、先の実施例と同様の部分はそれと同一の符号にて示す。
この第2実施例の機電一体型モータ用電力変換装置21も、先の第1実施例と同様の構成のモータ3と一体に配置されたものであり、この第2実施例の機電一体型モータ用電力変換装置21においては、図4(a),(b)に示すように、各インバータモジュール10において、P極の突出端子12とN極の突出端子13とが間を空けて互いに重なるように位置するとともに、P極の固定端子14とN極の固定端子15とが間を空けて互いに重なるように位置しており、インバータモジュール10を連結する際に、例えばN極の突出端子13とN極の固定端子15とのネジ穴を十分に大きくして絶縁要素としてのツバ付絶縁ブッシュを通すことで、固定ネジをN極の突出端子13とN極の固定端子15とから絶縁するとともに、N極の固定端子15の下面に絶縁要素としての絶縁被膜を設けることで、P極とN極との間を絶縁して2つの突出端子12,13を同一のネジで2つの固定端子14,15にそれぞれ固定している。その他の構成及び作用は、先の第1実施例の機電一体型モータ用電力変換装置1(図1,2参照)と同様である。
この第2実施例の機電一体型モータ用電力変換装置21によれば、先の第1実施例と同様の作用効果に加えて、二つの突出端子12,13の位置が同心となることから、隣接するインバータモジュール10間の角度を変えて固定することが可能となるので、インバータモジュール10の連結時のレイアウトを自由に構成することができる。また、二つの突出端子12,13を同一のネジで固定することができるので、突出端子12,13を固定する作業工数を半減させることができる。
図5(a)は、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第3実施例を示す、図1(b)と同様の位置での断面図、図5(b),(c)は、その第3実施例の機電一体型モータ用電力変換装置の2つの変形例をそれぞれ示す断面図、図6(a),(b)は、その第3実施例および変形例の機電一体型モータ用電力変換装置に用い得る各インバータモジュールの変形例を示す平面図および側面図であり、図中、符号31は、上記第3実施例およびその変形例の機電一体型モータ用電力変換装置を示し、先の実施例と同様の部分はそれと同一の符号にて示す。
図5(a)に示すこの第3実施例の機電一体型モータ用電力変換装置31も、先の第1実施例と同様の構成のモータ3と一体に配置されたものであり、この第3実施例の機電一体型モータ用電力変換装置31では、各インバータモジュール10において、先の第2実施例と同様、P極の突出端子12とN極の突出端子13とが間を空けて互いに重なるように位置するとともに、P極の固定端子14とN極の固定端子15とが間を空けて互いに重なるように位置しており、また各インバータモジュール10の筐体10aの、固定端子14,15付近の長手方向端部の角部が円弧状に丸めて形成されている。そして複数のインバータモジュール10は、筐体10aの、突出端子12,13と固定端子14,15とが設けられた長手方向端部がモータ3の半径方向内方に位置する向きで配置されて、互いに連結されている。その他の構成及び作用は、先の第2実施例の機電一体型モータ用電力変換装置21(図3,4参照)と同様である。
この第3実施例の機電一体型モータ用電力変換装置31によれば、先の第2実施例と同様の作用効果に加えて、突出端子12,13がモータ3の半径方向内方に位置することから、突出端子12,13の長さが短くなるので、材料コストの低減と、モータの小型軽量化とが可能となる。また、各インバータモジュール10の筐体10aの、固定端子14,15付近の長手方向端部の角部が円弧状に丸められていることから、インバータモジュール10の連結時のクリアランスが増すので、位置合わせを容易とし得て、インバータモジュール10の組付けの作業性を向上させることができる。
図5(b)は、上記第3実施例の機電一体型モータ用電力変換装置の一変形例を示し、上記第3実施例では6個のインバータモジュール10を円形に配置して6相交流モータまたは各相にコイル6を2個ずつ割り当てた3相交流モータを構成したが、この変形例では12個のインバータモジュール10を円形に配置して12相交流モータまたは各相にコイル6を2個ずつ割り当てた6相交流モータを構成している。
図5(c)は、上記第3実施例の機電一体型モータ用電力変換装置の他の一変形例を示し、この変形例では12個のインバータモジュール10を2個ずつ並置して6角形に配置して、12相交流モータまたは各相にコイル6を2個ずつ割り当てた6相交流モータを構成している。このように複数のインバータモジュール10を多角形に配置しても良い。
なお、図6(a),(b)に示すインバータモジュール10の変形例では、各インバータモジュール10において、さらに、P極の突出端子12とN極の突出端子13とがそれらの先端部を半円状に丸めて形成されるとともに、それらP極の突出端子12とN極の突出端子13とにそれらの延在方向に沿う長穴12a,13aをそれらの突出端子の略全長に亘って形成されている。これにより、隣接するインバータモジュール10間の距離や角度をより容易に変えることができるので、連結時のレイアウトをより自由に構成することができる。
図7(a),(b)は、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第4実施例における各インバータモジュールを示す平面図および側面図であり、図中、符号41は、その第4実施例の機電一体型モータ用電力変換装置を示し、先の実施例と同様の部分はそれと同一の符号にて示す。
この第4実施例の機電一体型モータ用電力変換装置41においては、図7(a),(b)に示すように、各インバータモジュール10において、P極の突出端子12とN極の突出端子13とがそれぞれケーブル12b,13bを持つケーブル端子として構成されるとともに、P極の固定端子14とN極の固定端子15とが間を空けて並置され、さらに、各インバータモジュール10の筐体10aの、固定端子14付近の長手方向端部の角部を円弧状に丸めて形成されている。その他の構成及び作用は、先の第3実施例の機電一体型モータ用電力変換装置1(図5参照)と同様である。
この第4実施例の機電一体型モータ用電力変換装置41によれば、先の第3実施例と同様の作用効果に加えて、インバータモジュール10の固定方向を自在化できることから、同一のインバータモジュール10を、モータ3の軸線方向に延在させたり、半径方向に延在させたりして設置可能となるので、電力変換装置のレイアウト性能が向上し、様々なモータの形態に適合することができる。また、インバータモジュール10の汎用化が可能となり、量産効果によってインバータモジュール10のコストを低減することができる。
図8は、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第5実施例を示す、図1(b)と同様の位置での断面図であり、図中、符号51は、その第5実施例の機電一体型モータ用電力変換装置を示し、先の実施例と同様の部分はそれと同一の符号にて示す。
この第5実施例の機電一体型モータ用電力変換装置41は、例えば図3,4に示す先の第2実施例の機電一体型モータ用電力変換装置21におけると同一の3個(U相用,V相用,W相用)のインバータモジュール10を具えるとともに、各々そのインバータモジュール10におけると同一構成の突出端子12,13および固定端子14,15を有する、外付け部品としての4個のコンデンサモジュール19および1個の電源端子モジュール20を具えており、コンデンサモジュール19は平滑コンデンサ9に相当し、電源端子モジュール20はDCコネクタ9に相当している。
各インバータモジュール10と各コンデンサモジュール19と電源端子モジュール20とは、図2に示すように、P極の突出端子(穴開き)12およびN極の突出端子(穴開き)13と、P極の固定端子(ネジ穴付)14およびN極の固定端子(ネジ穴付)15を有し、P極の突出端子(穴開き)12とP極の固定端子(ネジ穴付)14とは直接接続され、N極の突出端子(穴開き)13とN極の固定端子(ネジ穴付)15とも直接接続されており、これによりインバータモジュール10とコンデンサモジュール19と電源端子モジュール20とを並べた際に、P極およびN極の突出端子12,13が、隣のインバータモジュール10またはコンデンサモジュール19または電源端子モジュール20のP極およびN極の固定端子14,15にそれぞれネジ固定される。このようにしてインバータモジュール10とコンデンサモジュール19と電源端子モジュール20とを連結することでそれらが環状になり、全てのインバータモジュール10が互いに電気的に接続されるとともにコンデンサモジュール19および電源端子モジュール20とも電気的に接続される。
この第5実施例の機電一体型モータ用電力変換装置51によれば、先の第2実施例と同様の作用効果に加えて、外付け部品としての電源端子モジュール20および平滑コンデンサ19をインバータモジュール10と同様の方法で連結して組み込むので、用途に応じて様々な組み合わせを可能とし得て、電力変換装置を多機能化および高性能化することができる。
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、上記第3実施例では複数のインバータモジュール10の全てについて突出端子12,13の先端部を丸めていたが、例えば図5(c)に示すように、インバータモジュール10を2個ずつ並置するような構成の場合は、それらのうち一方のインバータモジュール10の突出端子12,13の先端部を丸めずに、図5に示すように角ばったままにしても良い。また同様に、上記第3実施例では複数のインバータモジュール10の全てについて筐体10aの端部を丸めていたが、例えば図5(c)に示すように、インバータモジュール10を2個ずつ並置するような構成の場合は、それらのうち一方のインバータモジュール10の筐体10aの端部を丸めなくとも良い。そして、上記第4実施例では複数のインバータモジュール10の全てについて突出端子12,13をケーブル端子としたが、そこに図6に示す如き、板状の突出端子12,13を持つインバータモジュール10を混在させても良い。
かくして本発明の機電一体型モータ用電力変換装置によれば、複数のインバータモジュールを互いに接続するための大きな環状バスバを不要とし得て、部品点数を削減することができ、これにより、モータ一体型電力変換装置の材料コスト削減と小型軽量化とを可能にすることができる。
なお、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置においては、前記各インバータモジュールが、前記突出端子および前記固定端子をそれぞれ複数ずつ有し、前記複数の突出端子がそれらの突出端子の間に、前記固定端子を挿入可能な隙間を持つとともにそれらの突出端子同士の導通を防ぐ絶縁要素を持ち、前記複数の固定端子もそれらの固定端子の間に、前記突出端子を挿入可能な隙間を持つとともにそれらの固定端子同士の導通を防ぐ絶縁要素を持っていても良く、このようにすれば二つの突出端子の位置が同心となることから、隣接するインバータモジュール間の角度を変えて固定することが可能となるので、インバータモジュールの連結時のレイアウトを自由に構成することができる。また、二つの突出端子を同一のネジで固定することができるので、突出端子を固定する作業工数を半減させることができる。
また、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置においては、前記各インバータモジュールが、前記突出端子および前記固定端子をそのインバータモジュールの筐体の、前記中心軸線寄りの端部に有していても良く、このようにすれば、突出端子がモータの半径方向内方に位置することから、突出端子の長さが短くなるので、材料コストの低減と、モータの小型軽量化とが可能となる。
さらに、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置においては、前記複数のインバータモジュールの少なくとも一つはその筐体の、前記固定端子付近の端部を丸めて形成されていても良く、このようにすれば、インバータモジュールの連結時のクリアランスが増すので、位置合わせを容易とし得て、インバータモジュールの組付けの作業性を向上させることができる。
さらに、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置においては、前記複数のインバータモジュールの少なくとも一つが、前記突出端子の先端部を丸めて形成されるとともにその突出端部にその延在方向に沿う長穴を形成されていても良く、このようにすれば、隣接するインバータモジュール間の距離や角度をより容易に変えることができるので、連結時のレイアウトをより自由に構成することができる。
さらに、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置においては、前記複数のインバータモジュールの少なくとも一つが、前記突出端子として電源ケーブル端子を有していても良く、このようにすれば、インバータモジュールの固定方向を自在化できることから、同一のインバータモジュールを、モータの軸線方向に延在させたり、半径方向に延在させたりして設置可能となるので、電力変換装置のレイアウト性能が向上し、様々なモータの形態に適合することができる。また、インバータモジュールの汎用化が可能となり、量産効果によってインバータモジュールのコストを低減することができる。
さらに、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置においては、前記複数のインバータモジュールに加えて、前記インバータモジュールの前記固定端子と前記突出端子とにそれぞれ連結される突出端子と固定端子とを有するコンデンサモジュールを具えていても良く、このようにすれば、コンデンサモジュールをインバータモジュールと同様の方法で連結して組み込むので、用途に応じて様々な組み合わせを可能とし得て、電力変換装置を多機能化および高性能化することができる。
そして、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置においては、前記各インバータモジュールが、前記モータのコイルを接続されるコイル端子を有していても良く、このようにすれば、コイルと接続するためのACバスバも不要とし、容易に各コイルを各インバータモジュールに結線することができる。またACバスバを不要とするので、この点でも部品点数を削減することができ、これにより、モータ一体型電力変換装置の材料コスト削減と小型軽量化とを可能にすることができる。
(a),(b)は、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第1実施例の、中心軸線を含む縦断面図および、その(a)中のA−A線に沿う横断面図である。 (a),(b),(c)は、上記第1実施例の機電一体型モータ用電力変換装置の各インバータモジュールを示す平面図、側面図および透視図である。 本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第2実施例を示す、図1(b)と同様の位置での断面図である。 (a),(b)は、上記第2実施例の機電一体型モータ用電力変換装置の各インバータモジュールを示す平面図および側面図である。 (a)は、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第3実施例を示す、図1(b)と同様の位置での断面図、(b),(c)は、その第3実施例の機電一体型モータ用電力変換装置の2つの変形例をそれぞれ示す断面図である。 (a),(b)は、上記第3実施例およびその変形例の機電一体型モータ用電力変換装置に用い得る各インバータモジュールの変形例を示す平面図および側面図である。 (a),(b)は、本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第4実施例における各インバータモジュールを示す平面図および側面図である。 本発明の機電一体型モータ用電力変換装置の第5実施例を示す、図1(b)と同様の位置での断面図である。
符号の説明
1,21,31,41,51 機電一体型モータ用電力変換装置
2 機電一体型モータ
3 モータケース
3a 前ケース
3b 中間ケース
3c 後ケース
3d 内向きフランジ
4 ベアリング
5 ロータ
6 コイル
7 ステータ
8 DCコネクタ
9 平滑コンデンサ
10 インバータモジュール
10a 筐体
11 ワイヤ
12,13 突出端子
12a,13a 長穴
12b,13b ケーブル
14,15 固定端子
16 上アーム
17 下アーム
18 コイル端子
19 コンデンサモジュール
20 電源端子モジュール
C 中心軸線

Claims (8)

  1. モータと電力変換装置とを一体に具える機電一体モータ用の電力変換装置であって、
    各々突出端子と固定端子とを有する複数のインバータモジュールを具え、
    前記複数のインバータモジュールが互いに隣接するそのインバータモジュール同士で前記突出端子と前記固定端子とを連結されることにより電気的に接続されて、前記モータの中心軸線周りに環状に配置されていることを特徴とする、機電一体型モータ用電力変換装置。
  2. 前記各インバータモジュールは、前記突出端子および前記固定端子をそれぞれ複数ずつ有し、
    前記複数の突出端子はそれらの突出端子の間に、前記固定端子を挿入可能な隙間を持つとともにそれらの突出端子同士の導通を防ぐ絶縁要素を持ち、
    前記複数の固定端子もそれらの固定端子の間に、前記突出端子を挿入可能な隙間を持つとともにそれらの固定端子同士の導通を防ぐ絶縁要素を持っていることを特徴とする、請求項1記載の機電一体型モータ用電力変換装置。
  3. 前記各インバータモジュールは、前記突出端子および前記固定端子をそのインバータモジュールの筐体の、前記中心軸線寄りの端部に有することを特徴とする、請求項1または2記載の機電一体型モータ用電力変換装置。
  4. 前記複数のインバータモジュールの少なくとも一つは、前記突出端子の先端部を丸めて形成されるとともにその突出端部にその延在方向に沿う長穴を形成されていることを特徴とする、請求項1から3までの何れか1項に記載の機電一体型モータ用電力変換装置。
  5. 前記複数のインバータモジュールの少なくとも一つはその筐体の、前記固定端子付近の端部を丸めて形成されていることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項に記載の機電一体型モータ用電力変換装置。
  6. 前記複数のインバータモジュールの少なくとも一つは、前記突出端子として電源ケーブル端子を有することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項に記載の機電一体型モータ用電力変換装置。
  7. 前記複数のインバータモジュールに加えて、前記インバータモジュールの前記固定端子と前記突出端子とにそれぞれ連結される突出端子と固定端子とを有するコンデンサモジュールを具えることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1項に記載の機電一体型モータ用電力変換装置。
  8. 前記各インバータモジュールは、前記モータのコイルを接続されるコイル端子を有することを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項に記載の機電一体型モータ用電力変換装置。
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