JP5332753B2

JP5332753B2 - 機電一体型駆動装置

Info

Publication number: JP5332753B2
Application number: JP2009056454A
Authority: JP
Inventors: 幸雄水越; 祐樹中島; 健太鈴木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010213447A

Description

本発明は、交流モータと、この交流モータに電力を供給する電力変換器とを一体に具えた機電一体型駆動装置の改良提案に関するものである。

機電一体型駆動装置としては従来、例えば特許文献1に記載のごとく、各相の交流電力を出力するインバータのパワードライバを、交流モータのステータ外周囲に配置して交流モータに一体化した機電一体型駆動装置が開示されている。

特許文献1には更に、交流モータの回転軸線方向における一方の端部から、他方の端部へ向けて、モータケース内に冷却水を通流させ、これにより、パワードライバを構成するコンデンサおよびスイッチング素子を冷却する技術も示唆されている。

特開２００４−１５９４５４号公報

しかし、上記した従来の機電一体型駆動装置にあっては、冷却水流路の入り口側（上流側）にコンデンサを位置させ、冷却水流路の出口側（下流側）にスイッチング素子を位置させているため、以下のような懸念を払拭しきれない。

つまり、かかる冷却水流路を通流する冷却水は、モータケースの一方の軸線方向端部からモータケース内に流入した後、熱を吸収しながら、モータケースの他方の軸線方向端部から流出するため、
モータケースの一方の軸線方向端部に位置する冷却水の温度は、モータケースの他方の軸線方向端部に位置する冷却水の温度よりも低い。

ところで、パワードライバを構成するコンデンサおよびスイッチング素子のうち、コンデンサが冷却水流路の入り口側（上流側）に位置しているため、
このコンデンサは、モータケースの冷却水流路に流入した直後の未だ温度の低い冷却水との熱交換により急速に冷却されることになる。

このため、従来の機電一体型駆動装置にあっては、コンデンサの温度を低下し過ぎとなす傾向にある。
しかしコンデンサ、特にアルミ電解コンデンサは、環境温度変化によるインピーダンス変化が大きく、上記のごとくコンデンサを過冷気味にするのでは、この過冷によりコンデンサの静電容量が低下して、パワードライバの動作特性を不所望なものにするという懸念がある。

本発明は、コンデンサが過冷気味になることのないよう機電一体型駆動装置を改良して、コンデンサがこの過冷気味により静電容量を低下され、パワードライバの動作特性を不所望なものにする懸念を払拭することを目的とする。

この目的のため、本発明による機電一体型駆動装置は、請求項1に記載のごとくに構成する。
つまり本発明は、交流モータと、この交流モータに電力を供給する電力変換器とを一体に具えた機電一体型駆動装置を要旨構成の基礎前提とし、
前記電力変換器をなす複数のパワーモジュールおよび複数のコンデンサをそれぞれ、前記交流モータの外側面に配置し、
これらパワーモジュールおよびコンデンサを冷却する冷媒が流れる冷媒流路を前記交流モータに設けるが、
この冷媒流路は、冷媒が前記交流モータの周方向に沿って流れるよう構成すると共に、パワーモジュール側冷媒流路およびコンデンサ側冷媒流路により構成し、前記冷媒を前記パワーモジュール側冷媒流路に通流後、前記コンデンサ側冷媒流路に通流させるよう構成する。

かかる本発明の機電一体型駆動装置によれば、交流モータに設けた冷媒流路を流れる冷媒が、先ずパワーモジュール側冷媒流路に通流し、その後コンデンサ側冷媒流路に通流するため、
パワーモジュール側冷媒流路に通流してパワーモジュールとの熱交換により或る程度温度上昇した冷媒が、コンデンサ側冷媒流路に通流してコンデンサの冷却に供されることとなる。

このため本発明の機電一体型駆動装置にあっては、コンデンサが過冷気味になることがなく、
コンデンサがこの過冷気味によるインピーダンス変化で静電容量を低下されてパワーモジュールの動作特性を不所望なものにするという懸念を払拭することができる。

本発明の第1実施例になる機電一体型駆動装置の電力変換器を構成するパワーモジュールおよびコンデンサの配置要領を示し、 (a)は、当該配置のパワーモジュールおよびコンデンサを具えた機電一体型駆動装置の左側面図、 (b)は、当該配置のパワーモジュールおよびコンデンサを具えた機電一体型駆動装置の正面図である。図1の機電一体型駆動装置において交流モータ、パワーモジュールおよびコンデンサを冷却するよう設けた冷媒流路の配置要領を示し、 (a)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断側面図、 (b)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断正面図である。本発明の第2実施例になる機電一体型駆動装置の交流モータ、パワーモジュールおよびコンデンサ用冷媒流路の配置要領を示し、 (a)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断側面図、 (b)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断正面図である。本発明の第3実施例になる機電一体型駆動装置の交流モータ、パワーモジュールおよびコンデンサ用冷媒流路の配置要領を示し、 (a)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断側面図、 (b)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断正面図である。本発明の第4実施例になる機電一体型駆動装置の交流モータ、パワーモジュールおよびコンデンサ用冷媒流路の配置要領を示し、 (a)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断側面図、 (b)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断正面図である。本発明の第5実施例になる機電一体型駆動装置の交流モータ、パワーモジュールおよびコンデンサ用冷媒流路の配置要領を示し、 (a)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断側面図、 (b)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断正面図である。本発明の第6実施例になる機電一体型駆動装置の交流モータ、パワーモジュールおよびコンデンサ用冷媒流路の配置要領を示し、 (a)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断側面図、 (b)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の縦断正面図、 (c)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の要部拡大断面図である。本発明の第7実施例になる機電一体型駆動装置の交流モータ、パワーモジュールおよびコンデンサ用冷媒流路の配置要領を示し、 (a)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の左側面図、 (b)は、当該配置の冷媒流路を具えた機電一体型駆動装置の正面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図示の第1実施例〜第7実施例に基づき順次、詳細に説明する。
＜第1実施例の構成＞
図1,2は、本発明の第1実施例になる機電一体型駆動装置を示す。
図1(a),(b)はそれぞれ、三相式交流モータ1に電力を供給する電力変換器を成す複数（図示例では3個）のパワーモジュール2a,2b,2cおよび複数（図示例では3個）のコンデンサ3a,3b,3cの配置要領を示す左側面図および正面図である。
また図2(a),(b)はそれぞれ、これら交流モータ1、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cを冷却する冷媒流路の配置要領を示す縦断側面図および縦断正面図である。

先ず図1(a),(b)に基づき、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cの配置要領を説明する。
なお交流モータ1は、モータケース4内にステータおよびロータを収納して構成し、モータケース4の軸線方向一端を端蓋（図示せず）により塞ぎ、モータケース4の軸線方向他端にエンジン(図示せず)を結合して実用するが、
他の添付図も含めて明瞭を保つため、これらステータ、ロータ、端蓋およびエンジンの図示を省略した。

パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cはそれぞれ、モータケース4に設定した平坦外側面4a上に配置する。
この際、パワーモジュール2a,2b,2cをそれぞれモータケース4の円周方向に順次配列し、コンデンサ3a,3b,3cもそれぞれモータケース4の円周方向に順次配列する。

なお本実施例における交流モータ1は、巻線を有したステータがモータ中心部に位置しているため、これらステータ巻線とパワーモジュール2a,2b,2cとの間の電気接続を行うコネクタ部5は、モータケース4の軸線方向端に位置させるしかない。
しかし、モータケース4の軸線方向一端にはエンジンが結合されており、上記のコネクタ部5は結果として、図1(b)に示すごとくエンジンから遠いモータケース4の軸線方向端に位置することとなる。

本実施例においては、上記のごとくモータケース4の円周方向に順次配列したパワーモジュール2a,2b,2cと、同じくモータケース4の円周方向に順次配列したコンデンサ3a,3b,3cとは、図1(b)に示すごとく、コンデンサ3a,3b,3cの列がエンジンに近い側に位置し、パワーモジュール2a,2b,2cの列がコンデンサ3a,3b,3cの列とコネクタ部5との間に位置するよう配置する。

かかるパワーモジュール2a,2b,2cの配置によれば、パワーモジュール2a,2b,2cがコネクタ部5の隣に位置し、図1(a)に示すごとく、両者間の結線6a,6b,6cを短くし得る。
よって、結線6a,6b,6cの取り回しが不要であると共に、導体損失の低減、システムの高効率化を図ることができる。

次に、図2(a),(b)を参照しつつ、交流モータ1、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cを冷却する冷媒流路につき説明する。
この冷媒流路は、モータケース4に円周方向へ延在させて鋳抜き成形により設けたパワーモジュール側冷媒流路11と、同じくモータケース4に円周方向へ延在させて鋳抜き成形により設けたコンデンサ側冷媒流路12とで構成する。

パワーモジュール側冷媒流路11およびコンデンサ側冷媒流路12は、モータケース4の軸線方向において相互に分割し、パワーモジュール側冷媒流路11の軸線方向領域長さL2をコンデンサ側冷媒流路12の軸線方向領域長さL1よりも長くする。
コンデンサ側冷媒流路12から遠いパワーモジュール側冷媒流路11の端部に冷媒入口11aを設定し、パワーモジュール側冷媒流路11から遠いコンデンサ側冷媒流路12の端部に冷媒出口12aを設定する。

そして、パワーモジュール側冷媒流路11およびコンデンサ側冷媒流路12の相互に隣接する端部11b,12b同士を連絡パイプ13により互いに接続する。

＜第1実施例の作用効果＞
上記した本実施例の機電一体型駆動装置によれば、入口11aからの冷媒がパワーモジュール側冷媒流路11を通流する間、パワーモジュール2a,2b,2cとの熱交換によりこれらを冷却する。
その後、冷媒は連絡パイプ13を経てコンデンサ側冷媒流路12に流入し、出口12aから流出するが、コンデンサ側冷媒流路12を通流する間に冷媒は、コンデンサ3a,3b,3cとの熱交換によりこれらを冷却する。

また冷媒は、パワーモジュール側冷媒流路11およびコンデンサ側冷媒流路12を通流する間に、交流モータ1自身の冷却をも同時に行う。

ところで本実施例においては、冷媒がパワーモジュール側冷媒流路11およびコンデンサ側冷媒流路12の順に通過して、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cの順にこれらを冷却するため、
コンデンサ3a,3b,3cとの熱交換によりこれらを冷却するとき冷媒が、パワーモジュール2a,2b,2cとの熱交換により相応に温度上昇されていることとなり、コンデンサ3a,3b,3cが、高温となるエンジンに近い側に位置していることとも相まって、コンデンサ3a,3b,3cが過冷されるのを回避することができる。

従ってコンデンサ3a,3b,3cが、かかる過冷による低インピーダンス化で静電容量を低下されてパワーモジュール2a,2b,2cの動作特性を不所望なものにするという懸念を払拭することができ、交流モータ1の効率を高く保って運転させることが可能となる。

また、パワーモジュール側冷媒流路11の軸線方向領域長さL2をコンデンサ側冷媒流路12の軸線方向領域長さL1よりも長くしたため、
パワーモジュール2a,2b,2cがコンデンサ3a,3b,3cよりも多量の熱を発生するといえども、パワーモジュール2a,2b,2cの冷却を確実なものにし得るし、パワーモジュール2a,2b,2cの発熱量を上記した作用効果のために有効活用することができる。

＜第2実施例の構成＞
図3(a),(b)は、本発明の第2実施例になる機電一体型駆動装置を示し、本実施例においては、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cを図1(a),(b)につき前述したと同様に配置するが、交流モータ1、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cを冷却する冷媒流路を以下のごときものとする。

つまり、図2(a),(b)につき前述したと同様、モータケース4に円周方向へ延在させて鋳抜き成形によりパワーモジュール側冷媒流路11を設け、同じくモータケース4に円周方向へ延在させて鋳抜き成形によりコンデンサ側冷媒流路12を設ける。
これらパワーモジュール側冷媒流路11およびコンデンサ側冷媒流路12を、モータケース4の軸線方向において相互に分割し、パワーモジュール側冷媒流路11およびコンデンサ側冷媒流路12の相互に隣接する端部11b,12b同士を、モータケース4に鋳抜き成形により設けた連絡通路14により互いに接続する。

＜第2実施例の作用効果＞
上記した第2実施例の機電一体型駆動装置においても、冷媒がパワーモジュール側冷媒流路11およびコンデンサ側冷媒流路12の順に通過して、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cの順にこれらを冷却するため、
コンデンサ3a,3b,3cとの熱交換によりこれらを冷却するとき冷媒が、パワーモジュール2a,2b,2cとの熱交換により相応に温度上昇されていることとなり、コンデンサ3a,3b,3cが、高温となるエンジンに近い側に位置していることとも相まって、コンデンサ3a,3b,3cが過冷されるのを回避することができる。

よってコンデンサ3a,3b,3cが、かかる過冷による低インピーダンス化で静電容量を低下されてパワーモジュール2a,2b,2cの動作特性を不所望なものにするという懸念を払拭することができ、交流モータ1の効率を高く保って運転させることが可能となる。

しかも本実施例においては特に、モータケース4の軸線方向に相互に分割したパワーモジュール側冷媒流路11およびコンデンサ側冷媒流路12の隣接する端部11b,12b同士を、モータケース4に鋳抜き成形により設けた連絡通路14により相互に接続するため、
図2(b)のような、外部に露出する連絡パイプ13が不要で、その損傷を気にする必要がなくなると共に、連絡パイプ13の取り付け作業が不要となって有利である。

＜第3実施例＞
図4(a),(b)は、本発明の第3実施例になる機電一体型駆動装置を示し、本実施例においては、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cを図1(a),(b)につき前述したと同様に配置するが、交流モータ1、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cを冷却する冷媒流路を以下のごときものとする。

つまり、パワーモジュール側冷媒流路11を螺旋状に蛇行させながらモータケース4の円周方向に延在させ、コンデンサ側冷媒流路12を直線状にしてモータケース4の円周方向に延在させる。
螺旋状のパワーモジュール側冷媒流路11は、パワーモジュール2a,2b,2cの冷却面積が増大して、発熱量の多いパワーモジュール2a,2b,2cの確実な冷却可能にする。
また直線状のコンデンサ側冷媒流路12は、発熱量の少ないコンデンサ3a,3b,3cを、均一温度となるよう冷却することができる。

ちなみに、コンデンサ3a,3b,3cは温度によってインピーダンス特性が大きく変化し、温度不均一によると電流集中する箇所が発生して、コンデンサ3a,3b,3cの電流耐量を増やすこととなり、システムが大型化してしまうという問題を生ずるが、
本実施例によれば、直線状のコンデンサ側冷媒流路12が、コンデンサ3a,3b,3cを低発熱ながら均一温度となるよう冷却することができるため、上記の問題を回避することができる。

＜第4実施例＞
図5(a),(b)は、本発明の第4実施例になる機電一体型駆動装置を示し、本実施例においては、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cを図1(a),(b)につき前述したと同様に配置するが、交流モータ1、パワーモジュール2a,2b,2cおよびコンデンサ3a,3b,3cを冷却する冷媒流路を以下のごときものとする。

つまり、パワーモジュール側冷媒流路11を直線状にしてモータケース4の円周方向に延在させ、コンデンサ側冷媒流路12を直線状にしてモータケース4の円周方向に延在させるが、
図5(b)に明示するごとく、パワーモジュール側冷媒流路11の出口端部11bをエンジンから遠いモータケース4の端部近くに位置させ、コンデンサ側冷媒流路12の入り口端部12bをエンジンに近いモータケース4の端部近くに位置させる。

そして、パワーモジュール側冷媒流路11の出口端部11bおよびコンデンサ側冷媒流路12間を、モータケース4に周回するよう鋳抜き成形して設けたモータ用冷媒流路15により接続させる。

かかる第4実施例の構成によれば、冷媒がパワーモジュール側冷媒流路11、モータ用冷媒流路15およびコンデンサ側冷媒流路12の順に通過して、温度上昇が大きいパワーモジュール2a,2b,2c、モータケース4およびコンデンサ3a,3b,3cの順にこれらを冷却するため、システムを最適に冷却することができる。

また前記各実施例と同様、コンデンサ3a,3b,3cとの熱交換によりこれらを冷却するとき冷媒が、パワーモジュール2a,2b,2cおよびモータケース4との熱交換により相応に温度上昇されていることとなり、コンデンサ3a,3b,3cが、高温となるエンジンに近い側に位置していることとも相まって、コンデンサ3a,3b,3cが過冷されるのを回避することができる。

＜第5実施例＞
図6(a),(b)は、本発明の第5実施例になる機電一体型駆動装置を示し、本実施例においては、図5(a),(b)の第4実施例と基本的に同様な構成とするが、
パワーモジュール側冷媒流路11内に冷却フィン16を設けてパワーモジュール2a,2b,2cの冷却性能を更に高めるようにしたものである。

＜第6実施例＞
図7(a),(b),(c)は、本発明の第6実施例になる機電一体型駆動装置を示し、本実施例においては、
モータケース4の冷却路とエンジンとの間に空隙17を形成して、エンジンからの伝熱を抑制し、モータ側の冷却性能を確保するようになしたものである。

＜第7実施例＞
図8(a),(b)は、本発明の第7実施例になる機電一体型駆動装置を示し、本実施例においては、特許文献1に記載の通りモータケースの周囲にパワーモジュールおよびコンデンサを配置し、
モータケースに対し図8(a),(b)に破線で示すごとく、図5(a),(b)の第4実施例と同様なパワーモジュール側冷媒流路11、モータ用冷媒流路15およびコンデンサ側冷媒流路12を形成したものである。

本実施例によれば、モータケースの周囲にパワーモジュールおよびコンデンサを配置した機電一体型駆動装置において、図5(a),(b)の第4実施例と同様な作用効果を達成することができる。

1 交流モータ
2a,2b,2c パワーモジュール（電力変換器）
3a,3b,3c コンデンサ（電力変換器）
4 モータケース
5 コネクタ部
6a,6b,6c 結線
11 パワーモジュール側冷媒流路
12 コンデンサ側冷媒流路
13 連絡パイプ
14 連絡通路
15 モータ用冷媒流路
16 冷却フィン
17 空隙

Claims

交流モータと、この交流モータに電力を供給する電力変換器とを一体に具えた機電一体型駆動装置において、
前記電力変換器をなす複数のパワーモジュールおよび複数のコンデンサをそれぞれ、前記交流モータの外側面に配置し、
これらパワーモジュールおよびコンデンサを冷却する冷媒が流れる冷媒流路を前記交流モータに設け、
該冷媒流路は、冷媒が前記交流モータの周方向に沿って流れるよう構成すると共に、パワーモジュール側冷媒流路およびコンデンサ側冷媒流路により構成し、前記冷媒を前記パワーモジュール側冷媒流路に通流後、前記コンデンサ側冷媒流路に通流させるよう構成したことを特徴とする機電一体型駆動装置。
前記交流モータをエンジンと直結させた、請求項1に記載の機電一体型駆動装置において、
前記複数のコンデンサを、前記複数のパワーモジュールよりも前記エンジンに近い側に配置し、且つ、前記交流モータの周方向に順次並べて配置したことを特徴とする機電一体型駆動装置。
請求項2に記載の機電一体型駆動装置において、
前記パワーモジュールを、前記エンジンから遠い側において前記交流モータに対し電気接続するよう構成したことを特徴とする機電一体型駆動装置。
請求項1〜3のいずれか1項に記載の機電一体型駆動装置において、
前記冷媒流路は、冷媒が前記パワーモジュール、交流モータ、およびコンデンサの順に冷却を行うよう構成したものであることを特徴とする機電一体型駆動装置。
請求項1〜4のいずれか1項に記載の機電一体型駆動装置において、
前記冷媒流路は、前記交流モータのケースに設けられ、該モータケースの軸線方向に分割されたものであることを特徴とする機電一体型駆動装置。
請求項5に記載の機電一体型駆動装置において、
前記分割された冷媒流路を、前記モータケース内で相互に接続させたことを特徴とする機電一体型駆動装置。
請求項5または6に記載の機電一体型駆動装置において、
前記冷媒流路の分割を、前記モータケースの軸線方向中央部よりも前記エンジンに近い側において行ったことを特徴とする機電一体型駆動装置。
請求項5〜7のいずれか1項に記載の機電一体型駆動装置において、
前記分割させた箇所よりも前記エンジンに近い側の冷媒流路を直線状に延在させたことを特徴とする機電一体型駆動装置。
請求項5〜8のいずれか1項に記載の機電一体型駆動装置において、
前記分割させた箇所よりも前記エンジンから遠い側の冷媒流路を螺旋状に延在させたことを特徴とする機電一体型駆動装置。
請求項5〜9のいずれか1項に記載の機電一体型駆動装置において、
前記分割させた箇所よりも前記エンジンから遠い側の冷媒流路に冷却フィンを設けたことを特徴とする機電一体型駆動装置。
請求項5〜10のいずれか1項に記載の機電一体型駆動装置において、
前記冷媒流路を形成した前記モータケースの箇所と、前記エンジンとの間に空隙を設定したことを特徴とする機電一体型駆動装置。