JP5523491B2 - 機電一体型駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動機とその電動機を駆動させるインバータ装置が一体的に取り付けられた機電一体型駆動装置の、特に冷却部に関するものである。

従来、多相交流型電動機と、電源から供給される直流を交流に変換して電動機を駆動させるインバータ装置とを一体化することにより、配線の煩雑化を防ぎ小型軽量化や配線損失の低減を図った機電一体型駆動装置が種々提案されている。

この種の機電一体型駆動装置の中にあって、自動車の電動過給機のように、電動機の回転数が数万rpm〜数十万rpmに達するような超高速回転で駆動させる場合は、電動機を高速駆動させるために、インバータ装置には大電力が必要となり、１２Ｖバッテリーを用いる場合にはインバータ装置へ大電流を供給することとなる。
又この種の機電一体型駆動装置は、自動車のエンジンルームのようにスペースが限定された場所に収容されるため小型化が求められる。供給する電流の増加や小型化に伴う実装部品の過密化により、高速制御するスイッチング素子を搭載したインバータ装置の発熱も著しくなり、充分に冷却を行わないと、回路素子が限界温度に達して破損してしまう問題がある。

このような発熱する回路部品を冷却するためには、従来からフィン付ヒートシンクを取り付け、冷媒を送り込んで冷却できるよう行われてきた。しかしながら高速駆動、大電流化による発熱増加に対応するためヒートシンクやファンなどの冷却構成が大型化してしまう傾向があり、小型化の要求に応えられなくなってしまう。

上記の問題を解決するために、例えば特許文献１では空冷端壁固定方式の機電一体型駆動装置において、ドーナツ状のインバータケースにスイッチング素子を配置し、囲まれたカバーから導入された冷却空気流がインバータケース底部に設けたヒートシンクを冷却しつつモータハウジングに導入される冷却構成をとり、インバータのスイッチング素子を電気的、機械的に保護しながら冷却性を確保するユニットが開示されている。

特開２００４−２７４９９２号公報

しかしながら、特許文献１では、インバータ装置に搭載されるスイッチング素子が同一基板上に無く、スイッチング素子が個別にインバータケースに配置されており、スイッチング素子間の接続やスイッチング素子と制御回路との接続に、バスバーや樹脂一体成形などにより配線しなくてはならず構造が複雑化する。又、冷媒の流路構成が複雑で圧力損失が生じやすく、冷媒の下流側で冷却される部品に関しては冷媒の上流側に比べ、流速低下によって冷却性の悪化が懸念される。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、スイッチング素子を効率良く冷却することができる機電一体型駆動装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る機電一体型駆動装置は、電動機と、複数個のスイッチング素子を実装したインバータ基板を有し上記電動機を駆動させるインバータ装置と、このインバータ装置と上記電動機とを一体に覆ったハウジングと、このハウジングの側面に、流入口と流出口を有するジャケットで覆うことにより形成され冷媒が通過する冷媒流路と、上記インバータ基板に上記スイッチング素子と上記ハウジング間に介在するよう埋め込まれ、上記スイッチング素子の発生熱を上記ハウジングに伝導する伝熱体とを備え、上記ハウジングの上記電動機を覆う部分には、上記冷媒流路内で径方向に露出する放熱用フィンを設け，上記インバータ装置のインバータ基板は，下側平面が上記電動機の軸方向に位置する上記ハウジングの平面上に電気的絶縁性接着剤を介して取り付けられると共に上側平面に上記スイッチング素子を取り付け、上記伝熱体は、上記スイッチング素子の直下に配設されて上記ハウジングへの伝熱経路を形成し、且つ上記スイッチング素子は、上記冷媒流路の入り口側で且つ上記冷媒流路に沿って上記インバータ基板の外周上に並設したものである。

この発明の機電一体型駆動装置によれば、電動機とインバータ装置を一体収納し、スイッチング素子と放熱用フィンを有するハウジングとの間に介在する伝熱体で良好な伝熱性の伝熱経路を形成した上で、単一のインバータ基板上にスイッチング素子を配置するのでバスバー等を用いることなくスイッチング素子の配線ができ、さらに放熱を必要とするスイッチング素子を放熱し易い箇所に配置することによって、スイッチング素子を効率良く冷却できると共にインバータ装置及び電動機の冷却構成を小型に簡素化することができる。

この発明の実施の形態１における機電一体型駆動装置を示し、多相電動機とその多相電動機を駆動させるインバータ装置が一体収納された機電一体型駆動装置の冷却部を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態１における機電一体型駆動装置の冷却部を示し、（Ａ）はスイッチング素子の配置例を示す模式図、（Ｂ）はその変形例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１における機電一体型駆動装置の冷却部を示し、電源端子の配置例を示した模式図である。 この発明の実施の形態２における機電一体型駆動装置の外形を示し、冷媒流路を形成するジャケットを装備した斜視図である。 この発明の実施の形態２における機電一体型駆動装置の各種ジャケットのパターン（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を示す模式図である。 この発明の実施の形態２における機電一体型駆動装置を、内燃機関用電動コンプレッサとして車載した例を示す模式図である。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
なお又、この発明の各実施の形態に記載されている構成部品の材質、形状、その配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。

実施の形態１
図１は、多相電動機とその多相電動機を駆動させるインバータ装置が一体収納された機電一体型駆動装置の冷却部を示す概略断面図であり、自動車の内燃機関に過給する電動コンプレッサに適用した例である。

図１において、２は多相電動機の装置であって、この多相電動機２の上部に電動機を駆動させる多相のインバータ装置１９を設けており、インバータ装置１９と多相電動機２をバスバー２１及び結線部品２２を介すことにより一体的に結線し、これらをハウジング９によって一体収納している。

インバータ装置１９は、単一のインバータ基板５を有し、このインバータ基板５の上面
には、直流電源から供給される直流を交流に変換して、各相の交流を生成する複数個のスイッチング素子６が配置されている。
多相電動機２の外周部分を覆うハウジング９の外周囲には、冷媒ａが通過する冷媒流路（後述）に露出させる放熱用フィン１０を備えており、この放熱用フィン１０はインバータ装置１９及び多相電動機２から発生する熱を効率的に放熱する役割を持ち冷却効果を高めている。

インバータ基板５には、伝熱体７がスイッチング素子６とハウジング９間に介在するよう埋め込まれ、スイッチング素子６の発生熱をハウジング９に伝導する伝熱経路を形成している。なお伝熱体７は、良好な熱伝導性を有す銅などの金属であることが好ましく、この伝熱体７を用いることで、スイッチング素子６から発生した熱をハウジング９に効率的に伝えることができる。

８は電気的絶縁性を有する絶縁物であり、ハウジング９とインバータ基板５間における接着剤の役割を果たすと共に、スイッチング素子６とハウジング９との間を電気的に絶縁する。

又、多相電動機２の回転軸３の同軸上には、空気を圧縮し内燃機関に過給するコンプレッサインペラ４が備わっており、多相電動機２が回転駆動することにより、コンプレッサインペラ４が一体回転し冷媒流路（後述）に向かって冷媒ａを供給する。

次に、図２の模式図を用いてハウジング９とインバータ基板５の好ましい形状を説明する。
図２において、搭載するインバータ基板５は、ハウジング形状に倣った同等形状であることを特徴としており、図２（Ａ）に示した円形状のものであれば、多相電動機２及びインバータ装置１９全体のサイズを小さくすることができる。

又、図２に示すように、発熱体となる各相のスイッチング素子６は、高い流速の伴った冷媒流路（後述）の上流側でインバータ基板５の周縁に沿って並設されている。
このように、上流側である冷媒流入側にスイッチング素子６を並設することによってスイッチング素子６を効率良く冷却することができる。

なお、図２（Ａ）では、インバータ基板５及びハウジング９の形状が円形状であるが、インバータ基板５及びハウジング９は、図２（Ｂ）で示されるような四角形状でも良く、このように四角形状であれば、スイッチング素子６を配置できる基板面積を確保することができる。又、インバータ基板５及びハウジング９が四角形状の場合には、図２（Ｂ）で示されるような冷媒ａの流入方向に対して各面が垂直にならないような設置方向が好ましく、冷媒ａの流速の低下を軽減できると共に、高い流速が伴う上流側近傍にスイッチング素子６を配置することで効率的に冷却することができる。

図３は、インバータ装置１９に電力を供給するための電源端子２０の配置例を示した模式図である。
電源端子２０は、冷媒の流速が低くなる箇所に位置するスイッチング素子６の近傍に配置され、放熱経路の増設を図ったものである。
冷媒流路（後述）においては、冷媒ａの流入方向によってハウジング９側面の流速に差異が生じ流速が低くなって冷却され難い側面が存在することになるが、そのような冷却され難い箇所に配置されたスイッチング素子６の冷却のため、図３ではこの箇所に、冷却（放熱）部材としての機能のある電源端子２０を配置してスイッチング素子の冷却効果の向上を図っている。
このように冷却され難いスイッチング素子６の近傍に、電源端子２０を配置することに
よって、伝熱体７によるハウジング９への伝熱経路に加え、電源端子２０側へスイッチング素子６の熱を逃がすことができる放熱経路を増設し放熱効果を高めている。

この実施の形態１における機電一体型駆動装置を内燃機関用電動コンプレッサに適用した場合、自動車の走行風あるいはファンを利用した冷却形態が望ましく、ラジエターファンなど元々搭載されている車載冷却装置をそのまま流用することも可能であり、小型で搭載性を有した効率的な機電一体型駆動装置を提供することができる。

実施の形態２
次に、この発明の実施の形態２における機電一体型駆動装置を図４〜図５に基づいて説明する。
図４は、実施の形態１における自動車の内燃機関に過給するための電動コンプレッサとして利用した、多相電動機と多相インバータ装置が一体収納された機電一体型駆動装置１において、その冷却部に冷媒ａを整流するジャケット１４を備えた外形図であり、図５はジャケット１４の各種パターン（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を示す模式図である。

図４のジャケット１４の構成においては、放熱用フィン１０の外周を覆い、多相電動機２の回転軸３に対して直角方向に、且つ放熱用フィン１０及び電動機部分を覆うハウジング９側面に冷媒ａが流れるような冷媒流路１４０を形成しており、ジャケット１４は流入口１４１と流出口１４２を有し、冷媒流路１４０を絞ることで冷媒ａの流速を高めることができ、より高い冷却効果を得ることができる。

各種のジャケット１４を示す図５において、図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）のジャケット１４は、流入口１４１から流入した冷媒ａを２流路に分流する形状となっており、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）においてはハウジング全周を覆い、２流路に分流した冷媒ａを１流路に絞る流出口１４２を備えている。図５（Ｃ）においては、ハウジング９の半周をジャケット１４で覆い、２流路に分流した冷媒ａをそのまま流出口１４２から排出する形状になっている。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示したジャケット１４において、ジャケットの流入口１４１及びジャケットの流出口１４２の配置を変えることで、任意に冷媒ａの流速差を生じさせ、特に放熱を必要とするスイッチング素子６を特に流速が高くなっているハウジング周面に沿って配置することで効率的に冷却することができる冷却構造となっている。

図５（Ｄ）は、ハウジング９の外周面に沿い、ジャケットの流入口１４１からジャケットの流出口１４２まで１本の冷媒流路１４０を形成する形状となっており、図５（Ｃ）と共にハウジング９の全周囲を覆わない形状であるため、図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）のジャケット構成によると、ハウジング９の全周囲を覆う図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に比べ、ジャケット１４に覆われていないハウジング９側面のスペースを確保でき、車載取り付け部分を確保できる。

なお、ジャケット１４は、放熱用フィン１０とジャケット１４の間の空隙を可能な限り無くすような形状が好ましく、空隙を無くし冷媒ａを絞ることによって流速を高めることができると共に、ジャケット内壁に沿って流れる冷媒ａも放熱用フィン部に流すことができ、高い冷却効果を得ることができる。

冷媒流速が、他のスイッチング素子部よりも低下する箇所に配置されたスイッチング素子６においては、そのスイッチング素子近傍に電源端子２０を配置し、伝熱体７からハウジング９への伝熱経路に加え、電源端子側へスイッチング素子６の熱を逃がすことで、放熱効果を高めることができる。

図６は、図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図５（Ｄ）のような冷媒ａを絞る流出口１４２を有するジャケット１４を備えた機電一体型駆動装置を、コンプレッサ及び内燃機関の吸気を利用して冷却する冷却構成に適用した例である。
図６において、１３は内燃機関であって、内燃機関１３の前段には吸気流量を制御するスロットルバルブ１１を備え、さらにそのスロットルバルブ１１の前段の吸気通路１７には機電一体型駆動装置１及びコンプレッサインペラ４が介装されており、連通路１８でジャケットの流出口１４２をコンプレッサインペラ４の吸入口４１に接続することによって冷媒流路を構成している。
ここで、多相電動機２とコンプレッサインペラ４は、同軸上で構成されており、多相電動機２が回転駆動することにより、コンプレッサインペラ４が一体回転するようになっている。

又、機電一体型駆動装置１の上流側には、内燃機関１３へ吸気される空気中の塵埃を除去するためのエアクリーナ１２が備えられている。これにより、機電一体型駆動装置１及びコンプレッサインペラ４の作動による吸気時においては、取り込まれた外気がエアクリーナ１２を介し、多相電動機２及びインバータ装置１９を冷却してからコンプレッサインペラ４に達し、コンプレッサインペラ４で圧縮されたのち内燃機関１３に過給されるようになっている。上記のような自己吸気による冷却により、別途冷却用ファン等の特別な冷却構成を必要としない。

なお、図６のように、内燃機関の吸気通路１７に機電一体型駆動装置１を配置する場合は、吸気抵抗の増加が考えられるので、例えばジャケットの流入口１４１の前段に、吸気通路１７を内燃機関１３にバイパスするバイパス通路１５を設け、冷却を必要としないときにはバイパス通路１５内のバイパスバルブ１６を開くバイパス機構を設けるなど、種々の対策を講じる必要がある。

以上、各実施形態を述べてきたが、この発明によれば、多相電動機２とインバータ装置１９を共通のハウジング９により一体化し、インバータ装置１９に搭載したスイッチング素子６の発生熱を、ハウジング９の放熱用フィン１０に伝熱させ放熱させると共に、冷媒ａの流速に応じてスイッチング素子６を分配配置することにより小型で小さなスペースの中に収容しながらも、インバータ装置１９を効率良く冷却することができる。

なお今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって限定的なものではないと考えられるべきであり、この発明の技術的趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 機電一体型駆動装置
２ 多相電動機
３ 回転軸
４ コンプレッサインペラ
５ インバータ基板
６ スイッチング素子
７ 伝熱体
８ 絶縁物
９ ハウジング
１０ 放熱用フィン
１１ スロットルバルブ
１２ エアクリーナ
１３ 内燃機関
１４ ジャケット
１５ バイパス通路
１６ バイパスバルブ
１７ 吸気通路
１８ 連通路
１９ インバータ装置
２０ 電源端子
２１ バスバー
２２ 結線部品
４１ コンプレッサインペラの吸入口
１４０ 冷媒流路
１４１ ジャケットの流入口
１４２ ジャケットの流出口
ａ 冷媒。

Claims (5)

1. 電動機と、複数個のスイッチング素子を実装したインバータ基板を有し上記電動機を駆動させるインバータ装置と、
   このインバータ装置と上記電動機とを一体に覆ったハウジングと、
   このハウジングの側面に、流入口と流出口を有するジャケットで覆うことにより形成され冷媒が通過する冷媒流路と、上記インバータ基板に上記スイッチング素子と上記ハウジング間に介在するよう埋め込まれ、上記スイッチング素子の発生熱を上記ハウジングに伝導する伝熱体とを備え、
   上記ハウジングの上記電動機を覆う部分には、上記冷媒流路内で径方向に露出する放熱用フィンを設け，
   上記インバータ装置のインバータ基板は，下側平面が上記電動機の軸方向に位置する上記ハウジングの平面上に電気的絶縁性接着剤を介して取り付けられると共に上側平面に上記スイッチング素子を取り付け、
   上記伝熱体は、上記スイッチング素子の直下に配設されて上記ハウジングへの伝熱経路を形成し、且つ上記スイッチング素子は、上記冷媒流路の入り口側で且つ上記冷媒流路に沿って上記インバータ基板の外周上に並設したことを特徴とする機電一体型駆動装置。
2. 上記ジャケットは、上記ハウジングの全周を覆うと共に上記流入口から流入した冷媒を２流路に分流する形状を有し、２流路に分流した冷媒を１流路に絞る流出口を備えていることを特徴とする請求項１に記載の機電一体型駆動装置。
3. 上記ジャケットは、上記ハウジングの半周を覆うと共に上記流入口から流入した冷媒を２流路に分流する形状を有し、２流路に分流した冷媒をそのまま流出口から排出することを特徴とする請求項１に記載の機電一体型駆動装置。
4. 上記ジャケットは、上記ハウジングの外周面に沿うと共に上記流入口から上記流出口まで１流路の冷媒流路で形成したことを特徴とする請求項１に記載の機電一体型駆動装置。
5. 上記電動機は、空気を圧縮するコンプレッサに連結され、このコンプレッサの吸入口に上記ジャケットの流出口を接続し、上記コンプレッサの吸入空気により上記ハウジングの放熱用フィンを冷却することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の機電一体型駆動装置。

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