特許 7381403 インバータ一体型モータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-07

(45)【発行日】2023-11-15

(54)【発明の名称】インバータ一体型モータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 5/22 20060101AFI20231108BHJP

   H02K 11/30 20160101ALI20231108BHJP

   H02K 5/20 20060101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

H02K5/22

H02K11/30

H02K5/20

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020087753

(22)【出願日】2020-05-19

(65)【公開番号】P2021182827

(43)【公開日】2021-11-25

【審査請求日】2023-01-25

(73)【特許権者】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】徳山 健

(72)【発明者】

【氏名】板谷 隆樹

(72)【発明者】

【氏名】堀 雅寛

(72)【発明者】

【氏名】平尾 高志

【審査官】佐藤 彰洋

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１９８１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１４７５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１１８６７０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ５／２２

Ｈ０２Ｋ １１／３０

Ｈ０２Ｋ ５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電流を交流電流に変換するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールに冷媒を流し、かつ前記パワーモジュールを覆うように形成される流路形成体と、
前記パワーモジュールと前記流路形成体とを内部に設置するインバータと、
前記交流電流を検知する電流センサと、
ステータ及びロータを有するモータと、
前記ステータ及び前記ロータを収納するモータハウジングと、を備え、
前記パワーモジュールは、前記ステータ及び前記ロータを介して前記モータの回転軸と対向する位置に配置され、
前記電流センサは、前記回転軸の垂直方向から見た場合、前記流路形成体と前記ステータのコイルエンドとの間に配置され、かつ前記電流センサの少なくとも一部が前記モータハウジング内に収納される
インバータ一体型モータ。

【請求項2】

請求項１に記載のインバータ一体型モータであって、
前記電流センサは、前記インバータの筐体において、前記流路形成体の設置面を介して反対側の面に設置される
インバータ一体型モータ。

【請求項3】

請求項２に記載のインバータ一体型モータであって、
前記電流センサは、前記インバータの筐体に形成された取付部に設置され、
前記取付部は、前記インバータと前記モータを一体にする際に、前記モータハウジングに形成された電流センサを収納するための収納部と嵌合される
インバータ一体型モータ。

【請求項4】

請求項３に記載のインバータ一体型モータであって、
前記取付部は蓋体によって封止され、
前記パワーモジュールと接続している交流バスバは、前記蓋体を貫通して前記モータと接続される
インバータ一体型モータ。

【請求項5】

請求項４に記載のインバータ一体型モータであって、
前記電流センサは、前記交流バスバとは接触しない
インバータ一体型モータ。

【請求項6】

請求項５に記載のインバータ一体型モータであって、
前記電流センサは、コアレス電流センサである
インバータ一体型モータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インバータ一体型モータに関する。

【背景技術】

【0002】

モータとインバータが一体化されたインバータ一体型モータでは、電気自動車（ＥＶ）の車内空間と航続距離との拡大に向けて、さらに小型化・低背化の要求が増えている。その際、装置の小型化は発熱密度が上昇するため、耐熱の低いインバータ部品の冷却が求められている。また、装置の低背化はインバータのモータ搭載性が課題であり、小型化が進むモータに対して凹凸少なくインバータを配置する構造が求められている。

【0003】

本願発明の背景技術として、下記の特許文献１が知られている。特許文献１には、回転電機１の中間部材３に電流センサ３０４が埋設されていることで、全体の大型化を抑制することができる電気回路装置について開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－２５０６４５公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の技術では、電流センサ３０４の冷却機構がなく、モータハウジング内に収容すると、電流センサ３０４内にセンシング誤差が発生し、信頼性が劣る問題が生じる。これを鑑みて、本発明は、電流センサの冷却を考慮しつつ、インバータ一体型モータの小型化も実現させることが課題である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によるインバータ一体型モータは、直流電流を交流電流に変換するパワーモジュールと、前記パワーモジュールに冷媒を流し、かつ前記パワーモジュールを覆うように形成される流路形成体と、前記パワーモジュールと前記流路形成体とを内部に設置するインバータと、前記交流電流を検知する電流センサと、ステータ及びロータを有するモータと、前記ステータ及び前記ロータを収納するモータハウジングと、を備え、前記パワーモジュールは、前記ステータ及び前記ロータを介して前記モータの回転軸と対向する位置に配置され、前記電流センサは、前記回転軸の垂直方向から見た場合、前記流路形成体と前記ステータのコイルエンドとの間に配置され、かつ前記電流センサの少なくとも一部が前記モータハウジング内に収納される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、電流センサの冷却性能の向上と装置全体の小型化とを両立させた、インバータ一体型モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態に係るインバータ一体型モータの全体斜視図である。

【図2】図１の分解図である。

【図3】従来のインバータの内部構造を説明する図である。

【図4】本発明のインバータの内部構造を説明する図である。

【図5】図１のＢ－Ｂ断面図である。

【図6】図１のＡ－Ａ断面図である。

【図7】図６のインバータとモータの接合部分を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、実施形態は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。また、図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

【0010】

（インバータ一体型モータの構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るインバータ一体型モータの全体斜視図である。なお、Ｂ－Ｂ断線は図５の説明で、Ａ－Ａ断線は図６の説明で用いる。

【0011】

インバータ一体型モータ１００は、モータ１とインバータ２とギアボックス３とによって構成されている。

【0012】

インバータ一体型モータ１００は、モータ１の回転軸とギアボックス３の入力側の軸とが機械的に接続されており、モータ１の回転速度が減速されて、ギアボックス３の出力側の軸から車両の車軸にトルクが伝達される仕組みを有している。なお、このときの減速比は、ギアボックス３に内蔵される複数のギアの歯数で決定され、一般的には８～１８程度の値を取る。

【0013】

図２は、図１のインバータ一体型モータ１００の分解図である。

【0014】

モータハウジング８の表面には、モータ流路入口６とモータ流路出口７が形成されている。モータ流路入口６とモータ流路出口７は、モータハウジング８の内部に流入させる冷媒の出入り口となっている。

【0015】

インバータ２は、モータハウジング８に設けられている組付け用の固定部５により、モータ１のインバータ搭載面２４に接触するように締結される。これと同様に、ギアボックス３もモータハウジング８に設けられている組付け用の固定部５により、モータ１に締結される。インバータ２内で発生する熱は、この締結により、モータ１の内部を流れる冷媒に放熱される。

【0016】

モータハウジング８は、インバータ２とモータ１を一体にする際に、インバータ筐体２３に取付けられた電流センサ１３（後述）を収納するための電流センサ収納部４を有している。詳細は後述する。

【0017】

図３は、従来のインバータ２Ａの内部構造を説明する図である。

【0018】

インバータ２Ａは、直流電力を交流電力に電力変換するためのＩＧＢＴやダイオードといったパワー半導体スイッチを実装して内蔵するパワーモジュール１４（後述）と、パワーモジュール１４に冷媒を流し冷却するための流路形成体１２と、電力変換の際に直流電圧に発生する直流リプル電圧を平滑化するキャパシタ１９と、交流電流を検知する電流センサ１３Ａと、ＡＣバスバ１５Ａと、制御基板およびＥＭＣフィルタ（符号なし）と、を備えている。これらのインバータ２Ａの構成部品は、インバータ筐体２３Ａに内蔵されて３相インバータの主回路を形成している。なお、流路形成体１２は、パワーモジュール１４を覆うように形成されている。

【0019】

インバータ２Ａは、キャパシタ１９とパワーモジュール１４とが前述のモータ１に電気的接続をするために、ＡＣバスバ１５Ａを三相分備えており、ＡＣバスバ１５Ａはインバータ筐体２３Ａから外部に向かって出力されている。三相のＡＣバスバ１５Ａは、電流センサ１３Ａをそれぞれ備えている。なお、インバータ筐体２３Ａからは、ＡＣバスバ１５Ａ以外に直流コネクタ（符号なし）も出力されている。

【0020】

電流センサ１３Ａは、ベクトル制御を行うために、モータ１の３相の交流電流値をそれぞれ検出して、モータコントローラ（図示せず）にフィードバックしている。また、電流センサ１３Ａには、所定の耐熱許容温度の閾値があるため、電流センサ１３Ａはその温度の閾値を超えるような高温環境で動作すると、検出誤差が発生する。なお、所定の耐熱許容温度は、例えば１２５℃である。

【0021】

図４は、本発明の一実施形態に係るインバータ２の内部構造を説明する図である。

【0022】

電流センサ１３は、ＡＣバスバ１５を周方向で囲むように形成され、ＡＣバスバ１５との間に絶縁性の樹脂を設けている。これにより、電流センサ１３は、ＡＣバスバ１５とは接触しない非接触型の電流センサ１３となっている。

【0023】

インバータ２は、従来のインバータ２Ａに比べて、ＡＣバスバ１５をインバータ２に沿って延材させることなく、インバータ２の下部方向（紙面奥側）であるモータ１方向へ延材させている。そのため、インバータ筐体２３の体積は、従来のインバータ筐体２３Ａに比べて、ＡＣバスバ１５を延材しない分、体積が小さくなっている。

【0024】

またこれに伴い、電流センサ１３も流路形成体１２の上部（紙面手前側）に設置することなく、ＡＣバスバ１５の延材方向に合わせて、インバータ２とモータ１との間に設置することができる。より具体的には、電流センサ１３は、インバータ筐体２３において、流路形成体１２の設置面を介して反対側の面に設置されている。このため、インバータ２の小型化と低背化を実現できている。

【0025】

図５は、図１のインバータ一体型モータ１００のＢ－Ｂ断面図である。

【0026】

モータ１は、ロータ１０とステータ（ステータコア）１７とがモータハウジング８に収納されている構成である。ロータ１０は回転軸１１を有しており、ギアボックス３の入力側の軸と接続されてトルクを伝達している。ステータコア１７の内側をロータ１０が回転し、ステータコア１７の軸方向周囲に形成されたコイルにより、モータ１に電力が供給されている。

【0027】

ステータコア１７に形成されているコイルには、コイルの端部であるコイルエンド９が形成されている。コイルエンド９からは、インバータ２と接続するためのモータケーブル１６が出力されている。

【0028】

電流センサ収納部４は、モータハウジング８内で、ロータ１０とステータ１７と回転軸１１とを除いた空間を利用して設けられている。インバータ２は、モータ１に結合する際に、電流センサ１３の取り付部分がモータ１に設けられている電流センサ収納部４に嵌合されるように、固定される。これにより、電流センサ収納部４は、電流センサ１３をモータ１のモータハウジング８内に収納させる。

【0029】

ここで、電流センサ１３は、パワーモジュール１４の流路形成体１２に冷却される必要があるため、モータハウジング８内のコイルエンド９と流路形成体１２との間に挟まれる位置に配置される。そうすることで、電流センサ１３の少なくとも一部がモータハウジング８内に収納され、高密度実装化され、固定性も高めることができる。

【0030】

パワーモジュール１４と流路形成体１２は、電流センサ１３を間に挟んで、モータ回転軸１１と対向の位置関係となっている。そうすることで、モータ１とインバータ２との間の交流配線である前述のＡＣバスバ１５の配線の長さが短くなる。これにより、インバータ一体型モータ１００の小型化・低背化を実現している。

【0031】

以上をまとめると、パワーモジュール１４は、ステータ１７及びロータ１０を介してモータ１の回転軸１１と対向する位置に配置されている。また、電流センサ１３は、回転軸１１の垂直方向から見た場合、流路形成体１２とステータ１７のコイルエンド９との間に配置されている。これにより、電流センサ１３の少なくとも一部がモータハウジング８内に収納されている。

【0032】

モータ１の流路について説明する。モータ１は、前述したモータ流路入口６から装置全体を冷却するための冷媒を流入させ、一続きの流路である流路形成体１２およびモータ流路１８に冷媒を流している。つまり、モータ流路１８内を流れる冷媒は、インバータ２に内蔵されるパワーモジュール１４を冷却するための流路形成体１２にも流れており、モータ１とインバータ２で冷媒が共有されている。流路形成体１２とモータ流路１８とを流れた冷媒は、前述したモータ流路出口７からインバータ一体型モータ１００の外へ排出される。このような冷媒流通構造により、モータ１およびインバータ２の冷却が可能となる。

【0033】

パワーモジュール１４を冷却する流路形成体１２により、電流センサ１３とその周辺の空間の空気層とを冷却し、電流センサ１３を冷却することができる。よって、モータハウジング８内が電流センサ１３の耐熱温度以上の高温環境であっても、配置された電流センサ１３はモータ流路１８内を流れる冷媒によって冷却され、電流センサ１３の温度を所定の許容耐熱温度よりも低い温度に維持できる。そうすることで、電流センサ１３の検出誤差の低減と信頼性向上が可能となる。なお、冷媒の温度は例えば、７０℃以下である。

【0034】

また、上記の構成により、インバータ２に配置されているキャパシタ１９も、流路形成体１２からの冷却効果だけでなく、モータハウジング８からインバータ筐体２３を介して間接的に冷却されることで、冷却性能を向上させている。これにより、インバータ一体型モータ１００は、高精度・高信頼に動作可能としている。

【0035】

これにより、インバータ２はインバータ筐体２３を延材させて、電流センサ１３やＡＣバスバ１５を配置する必要がなくなる。また、電流センサ収納部４はその内壁が、インバータ２の流路形成体１２やモータ流路１８に近接しているため、周囲の内壁に対しての熱移動を行うことが可能になる構造である。そのため、インバータ２の小型化を実現するだけでなく、冷却性能も向上させたインバータ一体モータ１００を実現できている。

【0036】

図６は、図１のインバータ一体型モータ１００のＡ－Ａ断面図である。

【0037】

ＡＣバスバ１５は、中央部分に穴が形成されている電流センサ１３を貫通しており、貫通部分は絶縁性の樹脂を介している。これにより、電流センサ１３は非接触型のセンサになっている。また、インバータ２とモータ１は一体化される際に、ＡＣバスバ１５は、電流センサ１３が電流センサ収納部４に収納された際に、モータ１が有するモータケーブル１６と接続される。これにより、電流センサ１３と交流バスバ１５の位置決め性を、電流センサ収納部４が向上させている。

【0038】

このとき、モータ流路１８と流路形成体１２の流路も接続され、前述したようにそれぞれの流路の内部を流れる冷媒が共有される。これにより、電流センサ１３と流路形成体１２の間の熱抵抗を低減できている。

【0039】

このような構成により、インバータ２のＡＣバスバ１５と、モータケーブル１６で構成される接続配線長を大幅に短縮し、インバータ２の体積も削減可能としている。また、電流センサ１３を流路形成体１２の面だけでなくモータ流路１８によっても冷却し、高温環境なモータハウジング８の内部でも、高精度・高信頼に動作可能とし、センシング精度と信頼性を確保できる。

【0040】

図７は、図４のインバータ２とモータ１との接合部分を説明する図である。

【0041】

電流センサ１３は、ＡＣバスバ１５に対応する三相電流分が電流センサ取付部２０に取付けられ、電流センサ冷却面２１に電流センサ１３の少なくとも一部が接触及び固定されている。これにより、電流センサ１３が流路形成体１２で冷却され、電流センサ１３の温度を所定の許容温度以下に保つことができる。

【0042】

電流センサ取付部２０は、インバータ筐体２３において流路形成体１２と反対の面に設けられ、電流センサ１３を取り付けている。また、電流センサの固定性を高めるため電流センサ取付部２０を蓋体２２によって、封止されている。

【0043】

蓋体２２は、パワーモジュールと接続しているＡＣバスバ１５が貫通し、ＡＣバスバー１５はモータと接続されている。また、前述したように、電流センサ取付部２０は、インバータ２とモータ１を一体にする際に、モータハウジング８に形成され電流センサ１３を収納するための収納部４と嵌合される。

【0044】

このような構成により、モータ１の内部の高温環境やギアボックス３内のギアのオイルから、電流センサ１３を熱的に保護している。なお、電流センサ１３は、コアレス型のセンサを用いることもできる。その場合、センスＩＣとシールド部材を冷却する必要がある。このコアレスセンサも基本的に非接触型のセンサであり、インバータ２のＡＣバスバ１５に連携して配置される。

【0045】

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

【0046】

（１）インバータ一体型モータ１００は、直流電流を交流電流に変換するパワーモジュール１４と、パワーモジュール１４に冷媒を流し、かつパワーモジュール１４を覆うように形成される流路形成体１２と、パワーモジュール１４と流路形成体１２とを内部に設置するインバータ２と、交流電流を検知する電流センサ１３と、ステータ１７及びロータ１０を収納するモータハウジング８によって構成されるモータ１と、を備え、パワーモジュール１４は、ステータ１７及びロータ１０を介してモータ１の回転軸１１と対向する位置に配置され、電流センサ１３は、回転軸１１の垂直方向から見た場合、流路形成体１２とステータ１７のコイルエンド９との間に配置され、かつ電流センサ１３の少なくとも一部がモータハウジング８内に収納される。このようにしたので、インバータ２の冷却性能と小型化とを両立したインバータ一体型モータ１００を提供できる。

【0047】

（２）インバータ一体型モータ１００の電流センサ１３は、インバータ２の筐体２３において、流路形成体１２の設置面を介して反対側の面に設置される。このようにしたので、インバータ２を小型化する。

【0048】

（３）インバータ一体型モータ１００の電流センサ１３は、インバータ２の筐体２３に形成され電流センサ１３を取付けるための取付部２０に設置され、取付部２０は、インバータ２とモータ１を一体にする際に、モータハウジング８に形成され電流センサを収納するための収納部４と嵌合される。このようにしたので、電流センサ１３の固定性を高めつつ、インバータ一体型モータ１００の小型化に貢献している。

【0049】

（４）インバータ一体型モータ１００は、取付部２０は蓋体２２によって封止され、パワーモジュール１４と接続している交流バスバ１５は、蓋体２２を貫通してモータ１と接続される。このようにしたので、電流センサ１３の固定性を高めている。

【0050】

（５）インバータ一体型モータ１００は、電流センサ１３は、交流バスバ１５とは接触しない。このようにしたので、非接触型を採用しながら、電流センサ１３の配置に必要なスペースを削減できる。

【0051】

（６）インバータ一体型モータ１００は、電流センサ１３は、コアレス電流センサである。このようにしたので、電流センサの他のタイプを採用しても、同様の効果を得ることができる。

【0052】

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。また、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能であり、その態様も本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0053】

１００…インバータ一体型モータ、１…モータ、２…インバータ、３…ギアボックス、
４…電流センサ収納部、５…固定部、６…モータ流路入口、
７…モータ流路出口、８…モータハウジング、９…コイルエンド、１０…ロータ、
１１…回転軸、１２…流路形成体、１３、１３Ａ…電流センサ、
１４…パワーモジュール、１５，１５Ａ…ＡＣ（交流）バスバ、１６…モータケーブル、
１７…ステータ（ステータコア）、１８…モータ流路、１９…キャパシタ、
２０…電流センサ取付部、２１…電流センサ冷却面、２２…電流センサ収納室の蓋体、
２３、２３Ａ…インバータ筐体、２４…インバータ搭載面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】