WO2014045747A1 - 電気モーターの冷却構造 - Google Patents

Abstract

　電気モーターの冷却構造であって、ステーター及びローターを収装するとともに、ローター軸方向の端面に開口する溝が形成されるモーターケースと、モーターケースに取り付けられるモーター制御回路と、前記溝を塞いで、その溝を冷却水が通流可能な冷却水路にするとともに、モーターの電力線及びモーター制御回路の電力線を接続する端子台と、を含む。

Description

電気モーターの冷却構造

　この発明は、電気モーターの冷却構造に関する。

　ユニットを小型化すべく、電気モーターにモーター制御回路(インバーター)を一体化する構造が知られている。このような構造では、モーターとインバーターとを接続する電力線が短いので、モーターコイルの熱が電力線を介してインバーターへ伝わりやすい。伝わる熱量が多いと、インバーター内部の半導体素子が故障する可能性がある。

　そこで、ＪＰ２０１０－２６８６３３Ａは、電力線を冷却する構造を提案する。具体的には、インバーター電力線及びモーター電力線を接続する端子台と、水路が内蔵された冷却器とが、Ｌ字状の伝熱部材を介して接続される。Ｌ字状の伝熱部材のうち一方の平板部(第１平板部)は、水路から離れた冷却器表面に接着固定される。第１平板部と直交する第２平板部が、端子台に接着固定される。そして、インバーター電力線が、第２平板部を挟んで、端子台にボルト締結される。

　ＪＰ２０１０－２６８６３３Ａの構造は、冷却器と端子台とがＬ字状の伝熱部材で接続されるので、各部品の公差を厳しく管理しなければならない。公差を厳しく管理しても、部品精度のバラツキによって、冷却器及び第１平板部の間や、端子台及び第２平板部の間に隙間ができる可能性がある。隙間ができれば、冷却器表面から端子台に伝わる熱抵抗が大きくなり、端子台に接続される電力線の冷却性能が悪くなり、モーターコイルの熱が電力線を介してモーター制御回路へ伝わる可能性がある。

　本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、電気モーターにモーター制御回路が一体化されても、モーターコイルの熱が電力線を介してモーター制御回路へ伝わりにくい電気モーターの冷却構造を提供することである。

　本発明による電気モーターの冷却構造のひとつの態様は、ステーター及びローターを収装するとともに、ローター軸方向の端面に開口する溝が形成されるモーターケースと、前記モーターケースに取り付けられるモーター制御回路と、を含む。そして、前記溝を塞いで、その溝を冷却水が通流可能な冷却水路にするとともに、モーターの電力線及びモーター制御回路の電力線を接続する端子台をさらに含む。

図１は、本発明による電気モーターの冷却構造の主要な部品を示す斜視図である。 図２は、本発明による電気モーターの冷却構造の主要な部品を示す縦断面図である。 図３は、端子台付近の横断面の拡大図である。 図４は、本発明による電気モーターの冷却構造の第２実施形態を示す図である。 図５は、本発明による電気モーターの冷却構造の第３実施形態を示す図である。 図６は、本発明による電気モーターの冷却構造の第４実施形態を示す図である。 図７は、本発明による電気モーターの冷却構造の第５実施形態を示す図である。

　以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
　図１は、本発明による電気モーターの冷却構造の主要な部品を示す斜視図である。

　本発明による電気モーターの冷却構造１は、主に、ステーター１０と、モーターケース２０と、インバーター３０と、端子台４０と、を含む。

　ステーター１０は、不図示のローターとともにモーターケース２０に収装される。ステーター１０は、Ｕ相モーター電力線１１Ｕと、Ｖ相モーター電力線１１Ｖと、Ｗ相モーター電力線１１Ｗとを備える。これらのモーター電力線は、インバーター３０に向けて延びている。図１では、インバーター３０がモーターケース２０の上方に配置されるので、これらのモーター電力線が上に延びている。また後述のように、Ｕ相モーター電力線１１Ｕは、端子台４０でＵ相インバーター電力線３１Ｕに接続される。Ｖ相モーター電力線１１Ｖは、端子台４０でＶ相インバーター電力線３１Ｖに接続される。Ｗ相モーター電力線１１Ｗは、端子台４０でＷ相インバーター電力線３１Ｗに接続される。インバーター３０からステーター１０に三相交流電力が供給されると、ローターが回転する。反対に、ローターが回転すると、その回転力が回生電力としてインバーター３０に流れる。

　モーターケース２０は、ステーター１０及び不図示のローターを収装する。モーターケース２０は、略円筒形である。モーターケース２０には、ローターの回転軸方向の端面２１に開口した溝２２が掘られている。この溝２２には、電気モーターを冷却するための冷却水が流れる。なお図１では、溝２２は、モーターケース２０の円周方向に所定長で形成されているが、この溝２２に連続して、モーターケース２０をローター軸方向に貫通する孔が形成されている。このように形成されているので、入口から流入した冷却水は、入口→円周方向→軸方向→反対面の円周方向→軸方向→・・・・・と一周して出口から流出する。

　インバーター３０は、モーターを制御する回路である。インバーター３０は、不図示のバッテリーの直流電力を三相交流電力に変換して、モーターに供給する。またローターの回転力によって発生された回生電力(三相交流電力)を直流電力に変換して、バッテリー(不図示)に供給する。インバーター３０は、Ｕ相インバーター電力線３１Ｕと、Ｖ相インバーター電力線３１Ｖと、Ｗ相インバーター電力線３１Ｗとを備える。これらのインバーター電力線は、モーター(ステーター１０)に向けて延びている。図１では、これらのインバーター電力線が下に延びている。

　端子台４０は、シール部材５０を挟んでモーターケース２０の端面２１に取り付けられる。この実施形態では、端子台４０は、ローターの回転軸方向のボルト６１でモーターケース２０に締結される。なおシール部材５０は、モーターケース２０に開口する溝２２の周りを囲む形状である。

　図２は本発明による電気モーターの冷却構造の主要な部品を示す縦断面図であり、図２(Ａ)は全体図、図２(Ｂ)は図２(Ａ)のＢ部拡大図である。

　図２(Ａ)にも示されるように、本発明による電気モーターの冷却構造１は、主に、ステーター１０と、ローター１００と、モーターケース２０と、インバーター３０と、端子台４０と、を含む。

　そして、ステーター１０及びローター１００は、モーターケース２０に収装されている。またモーターケース２０の前後には、フロントカバー２５Ｆ及びリアカバー２５Ｒが取り付けられる。フロントカバー２５Ｆ及びリアカバー２５Ｒの上にインバーター３０が配置される。

　また図２(Ｂ)に示されるように、シール部材５０を挟んでモーターケース２０の溝２２を塞ぐように、端子台４０が取り付けられる。端子台４０は、電力線固定部４１と、端子台ボディー４２とを含む。

　電力線固定部４１には雌ネジが形成されており、この雌ネジにボルト６２が締結される。ボルト６２は、モーター電力線１１及びインバーター電力線３１を共締めする。端子台４０に対してインバーター電力線３１が重ねられ、さらにその上にモーター電力線１１が重ねられた状態で、ボルト６２が締結される。電力線固定部４１及びボルト６２は、炭素鋼などの金属で製造される。

　端子台ボディー４２は、たとえば樹脂製であって電気的に絶縁性である。端子台ボディー４２は、電力線固定部４１を鋳込んでいる。この端子台ボディー４２がモーターケース２０の溝２２を塞ぐ。

　図３は、端子台付近の横断面の拡大図である。

　端子台４０は、Ｕ相電力線固定部４１Ｕと、Ｖ相電力線固定部４１Ｖと、Ｗ相電力線固定部４１Ｗと、端子台ボディー４２とを含む。Ｕ相電力線固定部４１Ｕは、ボルト６２とともに、Ｕ相モーター電力線１１Ｕ及びＵ相インバーター電力線３１Ｕを共締めする。Ｖ相電力線固定部４１Ｖは、ボルト６２とともに、Ｖ相モーター電力線１１Ｖ及びＶ相インバーター電力線３１Ｖを共締めする。Ｗ相電力線固定部４１Ｗは、ボルト６２とともに、Ｗ相モーター電力線１１Ｗ及びＷ相インバーター電力線３１Ｗを共締めする。そして、端子台ボディー４２が、Ｕ相電力線固定部４１Ｕと、Ｖ相電力線固定部４１Ｖと、Ｗ相電力線固定部４１Ｗとを鋳込む。このような構造であるので、Ｕ相電力線固定部４１Ｕ、Ｖ相電力線固定部４１Ｖ、Ｗ相電力線固定部４１Ｗは、互いに電気的に絶縁される。また端子台４０には、金属カラー４３が鋳込まれている。ボルト６１は、この金属カラー４３を挿通し、モーターケース２０に締結される。

　ユニットを小型化すべく、モーターとインバーターとを近接(一体化)させる構造が知られている。このような構造では、モーターとインバーターとを接続する電力線が短いので、モーターコイルの熱が電力線を介してインバーターへ伝わりやすい。伝わる熱量が多ければ、インバーター内部の半導体素子が故障する可能性がある。

　これに対して本実施形態では、モーターケース２０の端面２１に開口する溝２２を形成し、この溝２２を、モーター電力線１１及びインバーター電力線３１を接続する端子台４０で塞ぐことで、冷却水路を形成した。このようにしたので、冷却水路を流れる冷却水によって端子台４０(モーター電力線１１及びインバーター電力線３１)が直接冷却されるため、モーターコイルの熱がインバーターの内部に伝わりにくい。

　また本実施形態では、端子台４０に対してインバーター電力線３１が重ねられ、さらにその上にモーター電力線１１が重ねられた状態で、ボルト６２が締結される。このような構造であるので、端子台４０に対してモーター電力線１１を重ねてその上にインバーター電力線３１を重ねる構造に比べて、インバーター電力線３１が冷却されやすい。したがって、モーターコイルの熱がインバーターの内部に伝わりにくい。

　またＪＰ２０１０－２６８６３３Ａの構造では、端子台と、水路が内蔵された冷却器とが、Ｌ字状の伝熱部材を介して接続されるので、各部品の精度のバラツキによっては、部品間に隙間ができる可能性があり、隙間ができれば、冷却器表面から端子台に伝わる熱抵抗が大きくなり、端子台に接続される電力線の冷却性能が悪くなる。

　これに対して本実施形態では、端子台４０にモーター電力線１１及びインバーター電力線３１を固定し、端子台４０の下面と水路２２の開口とを隣接させて、端子台４０と水路２２の開口周囲とを軸方向で締結することで、端子台４０と水路２２の開口周囲とを一方向で締結できる。

　このため、ＪＰ２０１０－２６８６３３Ａのように冷却器と端子台との間に介在する２つの平板部からなるＬ字状の伝熱部材を必要としないため部品公差によって発生する隙間を抑制することができる。したがって、熱抵抗を小さくして、端子台に接続される電力線の冷却性能を高めることができる。

　すなわち途中に伝熱部材を介することなく、端子台が冷却水で直接冷却されるので、良好な冷却性能を得ることができるのである。

　シール部材を挟んでモーターケースの端面に配置された端子台をボルト止めする。このようにシール部材があることから、冷却性能を満たしながら、溝の開口からの水漏れを防止することができる。

　（第２実施形態）
　図４は、本発明による電気モーターの冷却構造の第２実施形態を示す図であり、端子台付近の横断面の拡大図である。

　なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

　本実施形態の端子台ボディー４２は、蓋部４２１と、鋳込部４２２と、を含む。

　蓋部４２１は、金属製である。蓋部４２１は、モーターケース２０の溝２２を塞ぐように配置される。蓋部４２１の上部は、根元から上方に向けて拡大するように形成されており、この楔形の部分に鋳込部４２２が入り込む。

　鋳込部４２２は、Ｕ相電力線固定部４１Ｕと、Ｖ相電力線固定部４１Ｖと、Ｗ相電力線固定部４１Ｗと、蓋部４２１の楔部分とを鋳込む。鋳込部４２２は、電気的に絶縁性であり、たとえば樹脂製である。

　本実施形態によれば、金属製の蓋部４２１によって冷却水路が形成されて、樹脂部分(鋳込部４２２)には冷却水が当たらないので、樹脂部分(鋳込部４２２)の吸湿が回避される。したがって、本実施形態の端子台４０は、強度・耐久性能に優れる。すなわち本実施形態によれば、長期間の使用に対しても絶縁信頼性が高い端子台を提供できるのである。

　（第３実施形態）
　図５は、本発明による電気モーターの冷却構造の第３実施形態を示す図であり、端子台付近の横断面の拡大図である。

　本実施形態の端子台４０は、電力線固定部４１と蓋部４２１とで挟まれる絶縁部材４３を含む。絶縁部材４３は、たとえば樹脂製の薄板である。

　第２実施形態の構成では、電力線固定部４１と蓋部４２１との間にも鋳込部４２２の樹脂を流し込む必要があり、樹脂の流動を確保するために、電力線固定部４１と蓋部４２１との間にある程度の隙間を設けなければならない。また電力線固定部４１と蓋部４２１との間の樹脂の強度を確保するためにも、電力線固定部４１と蓋部４２１との隙間を設けて、樹脂の厚みを確保する必要がある。

　これに対して、この第３実施形態の構成であれば、絶縁部材４３があるので、電力線固定部４１と蓋部４２１との間に樹脂を流し込む必要が無く、電力線固定部４１と蓋部４２１とを近接できる。近接できれば、熱の伝導性が上がるので、冷却性能が向上する。また電力線固定部４１と蓋部４２１との間に樹脂が無いので、樹脂の強度確保という要求もない。

　なお絶縁部材４３は、鋳込部４２２よりも熱伝導率が高いことが望ましい。熱伝導率が高ければ、熱抵抗が小さくなり、電力線の昇温を抑制しやすいからである。

　（第４実施形態）
　図６は、本発明による電気モーターの冷却構造の第４実施形態を示す図であり、端子台付近の横断面の拡大図である。

　この第４実施形態の端子台４０は、Ｕ相電力線固定部４１Ｕ、Ｖ相電力線固定部４１Ｖ、Ｗ相電力線固定部４１Ｗのみならず、中性点電力線固定部４１Ｎをも含む。

　このように構成すれば、モーターの最大発熱ポイントである中性点の熱も抜熱できるので、モーターの連続出力性能を向上できる。

　（第５実施形態）
　図７は、本発明による電気モーターの冷却構造の第５実施形態を示す図であり、端子台付近の縦断面の拡大図である。

　本実施形態の端子台４０は、溝２２を閉塞する面にフィン４２ａが形成されている。

　このようにフィン４２ａを構成すれば、端子台４０と冷却水との接触面積が増加するので、さらに良好な冷却性能を得ることができる。

　なお第４実施形態の構成に、フィンを設ける場合には、三相電力線固定部に対応するフィンの長さ(高さ)よりも、中性点電力線固定部に対応するフィンの長さ(高さ)を大きくするとよい。このようにすれば、モーターの最大発熱ポイントである中性点の熱をさらに効率よく抜熱できるようになる。

　以上、説明した電気モーターの冷却構造（１）は、ステーター（１０）及びローターを収装するとともに、ローター軸方向の端面に開口する溝（２２）が形成されるモーターケース（２０）と、モーターケース（２０）に取り付けられるモーター制御回路（３０）と、溝（２２）を塞いで、その溝（２２）を冷却水が通流可能な冷却水路にするとともに、モーターの電力線（１１）及びモーター制御回路（３０）の電力線（３１）を接続する端子台（４０）と、を含む。このような構造にすることで、冷却水路を流れる冷却水によって端子台４０(モーター電力線１１及びインバーター電力線３１)が直接冷却されるため、モーターコイルの熱がインバーターの内部に伝わりにくくなる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　たとえば、上記実施形態では、シール部材を挟んでモーターケースの端面に配置された端子台をボルト止めする構造を例示したが、このような構造には限られない。シール部材を設けずに、端子台をモーターケースに接着したり溶接してもよい。

　また上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

　本願は、２０１２年９月２１日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－２０８４５６に基づく優先権を主張し、これらの出願の全ての内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
 
 

Claims (8)

1. 　ステーター及びローターを収装するとともに、ローター軸方向の端面に開口する溝が形成されるモーターケースと、
   　前記モーターケースに取り付けられるモーター制御回路と、
   　前記溝を塞いで、その溝を冷却水が通流可能な冷却水路にするとともに、モーターの電力線及びモーター制御回路の電力線を接続する端子台と、
   を含む電気モーターの冷却構造。
2. 　請求項１に記載の電気モーターの冷却構造において、
   　前記モーターケースの溝の開口の周囲に設けられたシール部材をさらに含み、
   　前記端子台は、前記シール部材を挟んで、ローター軸方向の締結部材によって前記モーターケースに固定される、
   電気モーターの冷却構造。
3. 　請求項１又は請求項２に記載の電気モーターの冷却構造において、
   　前記端子台は、
   　　前記溝を塞ぐ蓋部と、
   　　モーターの電力線及びモーター制御回路の電力線を共締めするボルトが締結される雌ねじが形成された電力線固定部と、
   　　前記蓋部及び電力線固定部を電気的に絶縁して一体化させる結合部と、を含む、
   電気モーターの冷却構造。
4. 　請求項３に記載の電気モーターの冷却構造において、
   　前記端子台は、前記蓋部及び電力線固定部に挟まれる絶縁部材をさらに含む、
   電気モーターの冷却構造。
5. 　請求項４に記載の電気モーターの冷却構造において、
   　前記絶縁部材は、前記結合部よりも熱伝導率が高い、
   電気モーターの冷却構造。
6. 　請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電気モーターの冷却構造において、
   　前記端子台は、前記冷却水路に臨むフィンを含む、
   電気モーターの冷却構造。
7. 　請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電気モーターの冷却構造において、
   　前記端子台は、さらにモーター中性点が接続される、
   電気モーターの冷却構造。
8. 　請求項７に記載の電気モーターの冷却構造において、
   　前記端子台は、
   　　モーターの電力線及びモーター制御回路の電力線が接続される箇所に対応して設けられて前記冷却水路に臨む第１のフィンと、
   　　モーター中性点が接続される箇所に対応して設けられて前記冷却水路に臨み、前記第１のフィンよりも長さが長い第２のフィンと、を含む、
   電気モーターの冷却構造。
    
    

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