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公開番号2021069255
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210430
出願番号2019195359
出願日20191028
発明の名称駆動装置
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人特許業務法人快友国際特許事務所
主分類H02K 9/19 20060101AFI20210402BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】本明細書は、モータを冷却する第2冷媒を効率よく冷却することができる駆動装置を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する駆動装置は、走行用のモータ、電力制御器、第1冷却器と、第2冷却器を備えている。電力制御器は、モータの上方に配置されており、モータの駆動電力を制御する。第1冷却器は、上面と下面の少なくともいずれか一方に電力制御器が接しており、第1冷媒で電力制御器を冷却する。第2冷却器は、モータの下に溜まっている第2冷媒を吸い上げてモータへ向けて吐出する。第1冷却器は、横方向で平行に並んでおり第1冷媒が流れる第1流路を備えている。第2冷却器が備える第2流路は、モータの直上に配置されており、第1流路に挟まれているとともに下面にモータへ向けて第2冷媒を吐出する吐出孔を有している。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
走行用のモータと、
前記モータの上方に配置されており、前記モータの駆動電力を制御する電力制御器と、
上面と下面の一方に前記電力制御器が接しており第1冷媒で前記電力制御器を冷却する第1冷却器と、
前記モータの下に溜まっている第2冷媒を吸い上げて前記モータへ向けて吐出する第2冷却器と、
を備えており、
前記第1冷却器は、横方向で平行に並んでおり前記第1冷媒が流れる第1流路を備えており、
前記第2冷却器は、前記モータの直上で前記第1流路に挟まれているとともに下面に前記モータへ向けて前記第2冷媒を吐出する吐出孔が設けられている第2流路を備えている、駆動装置。
続きを表示(約 620 文字)【請求項2】
前記第1流路は、U字形状を有しており、
前記第2流路は、前記第1流路のU字の腕の間に挟まれている、請求項1に記載の駆動装置。
【請求項3】
前記第1冷媒が通過しているとともに、前記電力制御器の一部の発熱部品が接している第3冷却器と、
前記第3冷却器と前記第2流路に接しており、前記第2流路内の前記第2冷媒の熱を前記第3冷却器へ伝える伝熱部材と、
を備えている、請求項1または2に記載の駆動装置。
【請求項4】
走行用のモータと、
前記モータの上方に配置されており、前記モータの駆動電力を制御する電力制御器と、
上面に前記電力制御器が接しており第1冷媒で前記電力制御器を冷却する第1冷却器と、
前記モータの下に溜まっている第2冷媒を吸い上げて前記モータへ向けて吐出する第2冷却器と、
を備えており、
前記第2冷却器は、幅広の上面が前記第1冷却器の下面に接しているとともに、前記モータへ向けて第2冷媒を吐出する吐出孔が幅広の下面に設けられている扁平な第2流路を備えており、
前記第2流路の内部に、前記吐出孔よりも冷媒流上流側を流れる前記第2冷媒を前記吐出孔へ誘導する誘導板が設けられている、駆動装置。
【請求項5】
前記第2流路の下面に前記電力制御器の一部の発熱部品が接している、請求項4に記載の駆動装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本明細書が開示する技術は、走行用のモータと、モータの駆動電力を制御する電力制御器と、それらを冷却する冷却器を備える駆動装置に関する。特に、電力制御器を冷却する第1冷媒を活用して第2冷媒でモータを効率よく冷却することのできる駆動装置に関する。
続きを表示(約 8,000 文字)【背景技術】
【0002】
電気自動車は走行用のモータと、モータの駆動電力を制御する電力制御器を含む駆動装置を備えている。電力制御器の典型はインバータである。モータも電力制御器も共に発熱量が大きいため、駆動装置は冷却器も備えている。一般に、モータはオイルで冷却され、電力制御器は水あるいは不凍液で冷却される。オイルはモータの潤滑剤も兼ねている。
【0003】
特許文献1、2には、水を使って電力制御器を冷却する冷却器(制御器冷却器)と、オイルを使ってモータを冷却するモータ冷却器の2種類の冷却器を備えた駆動装置が開示されている。
【0004】
一般に、モータを冷却した後のオイルの温度は電力制御器を冷却する水の温度よりも高い。そこで、特許文献1、2の駆動装置では、制御器冷却器の冷媒である水を使って、モータ冷却器の冷媒であるオイルを冷却する熱交換器を備えている。
【0005】
特許文献1には、モータと電力制御器が一つの筐体に収容されている駆動装置が開示されている。電力制御器は、モータの上方に配置されている。電力制御器を収容する収容室とモータを収容する収容室を仕切る障壁の上側に制御器冷却器の水が通る水路が設けられており、障壁の下側にオイルが通るオイル通路が設けられている。障壁を介してオイルは水で冷却される。オイル通路を通ったオイルはモータのステータの上部に注がれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2007−159314号公報
特開2017−114477号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1に開示されたシステムでは、単に障壁を挟んで水路とオイル通路が隣り合っているだけである。特許文献2では、水とオイルの熱交換器の構造までは言及されていない。電力制御器が第1冷媒で冷却されるとともにモータが第2冷媒で冷却される駆動装置において、モータを効率よく冷却する構造には改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本明細書が開示する駆動装置の一態様は、走行用のモータ、電力制御器、第1冷却器、および、第2冷却器を備えている。電力制御器は、モータの上方に配置されており、モータの駆動電力を制御する。第1冷却器は、上面と下面の一方に電力制御器が接しており、第1冷媒で電力制御器を冷却する。第2冷却器は、モータの下に溜まっている第2冷媒を吸い上げてモータへ向けて吐出する。第1冷媒の典型は水あるいは不凍液であり、第2冷媒の典型はオイルであるが、冷媒の種類に制限はない。
【0009】
第1冷却器は、横方向で平行に並んでおり第1冷媒が流れる第1流路を備えている。第2冷却器が備える第2流路は、モータの直上に配置されており、第1流路に挟まれているとともに下面にモータへ向けて第2冷媒を吐出する吐出孔を有している。第1流路はU字形状を有しており、第2流路は第1流路のU字の腕の間に挟まれている態様であってもよい。
【0010】
上記の駆動装置によれば、第2流路の両側に第1流路が通っており、第2冷媒は第2流路の中でその両側から第1流路を流れる第1冷媒で冷却される。第2冷媒は効率よく冷却される。さらに、第2流路内にて効率よく冷却された第2冷媒は、直下のモータへと吐出される。モータへ向けて第2冷媒を吐出する吐出孔は第2流路の至近に配置することが可能であるため、第2冷媒の経路を短くすることができる。
【0011】
上記した駆動装置は、第1冷媒が通過しているとともに電力制御器の一部の発熱部品が接している第3冷却器と、第3冷却器と第2流路に接しており第2流路内の第2冷媒の熱を第3冷却器へ伝える伝熱部材をさらに備えていてもよい。第3冷却器と伝熱部材を採用することで、第1冷媒で第2冷媒を冷却する機会を増やし、第2冷媒をより効果的に冷却することができる。一方、電力制御器は第1冷却器と第3冷却器によって分散して冷却されるため、電力制御器の冷却も効率が高まる。
【0012】
あるいは、本明細書が開示する駆動装置の別の一態様は、次の構成を備えていてもよい。第1冷却器の上面に電力制御器が接している。第2冷却器は、上記した構造の第2流路に代えて、幅広の上面が第1冷却器の下面に接しているとともに、モータへ向けて第2冷媒を吐出する吐出孔が幅広の下面に設けられている扁平な第2流路を備えている。そして、第2流路の内部に、吐出孔よりも冷媒流上流側を流れる第2冷媒を吐出孔へ誘導する誘導板が設けられている。
【0013】
第2の態様の駆動装置では、第2流路は幅広面が第1流路に接しているので第2冷媒がよく冷却される。加えて、幅の広い流路に拡がった第2冷媒が誘導板で集められて吐出孔から勢いよく吐出する。この点も、モータの冷却の効率化に貢献する。なお、第2流路の下面に電力制御器の一部の発熱部品が取り付けられていてもよい。
【0014】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【0015】
第1実施例の駆動装置を模式的に示す斜視図である。
図1の線II−IIに沿った断面図である。
図2の線III−IIIに沿った断面図である。
第2実施例の駆動装置の図3同様の位置における断面図である。
図4の線V−Vに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
図面を参照して第1実施例の駆動装置について説明する。図1は、第1実施例の駆動装置1を模式化した斜視図である。駆動装置1は、電気自動車100のフロントコンパートメント内に搭載されている。駆動装置1は、筐体2と、積層ユニット21と、第1冷却器10と、リアクトル12と、第2冷却器11と、モータ30a、30bを備えている。積層ユニット21と、第1冷却器10と、モータ30a、30bは、筐体2に収容されている。以下では、説明の便宜上、図中の座標系の+Z軸方向が「上」と定義され、−Z軸方向が「下」と定義される。また、+X軸方向は「前」と定義され、−X軸方向が「後」と定義される。さらに、+Y軸方向は「左」と定義され、−Y軸方向は「右」と定義される。
【0017】
電気自動車100は、2個のモータ30a、30bで走行する。積層ユニット21およびリアクトル12は、電気自動車100のバッテリ(不図示)の直流電力をモータ30a、30bの駆動に適した交流に変換するとともに、モータ30a、30bの駆動電力を制御する電力制御器20を構成する電気機器である。なお、筐体2内には、電力制御器20を構成する他の電気機器等も収容されているが、図1では図示を省略している。
【0018】
筐体2は、典型的にはアルミニウムで構成されている。筐体2の前面2aの上部には、上側冷媒出口4aと、上側冷媒入口4bと、下側冷媒入口4cと、下側冷媒出口4dが設けられている。上側冷媒出口4aと、上側冷媒入口4bと、下側冷媒入口4cと、下側冷媒出口4dは、前面2aを貫通している。上側冷媒出口4aは、不図示の冷媒管によって不図示のラジエータに接続される。また、下側冷媒入口4cは、不図示の冷媒管によって不図示の冷媒ポンプに接続される。上側冷媒入口4bと下側冷媒出口4dは、冷媒管6によって接続されている。冷媒は、下側冷媒入口4cから筐体2内に入り、第1冷却器10と冷媒管6を通過して、積層ユニット21に導入される。冷媒は、積層ユニット21を通過した後、上側冷媒出口4aを介して不図示のラジエータに送られる。ラジエータによって冷却された冷媒は、不図示の冷媒ポンプによって再度下側冷媒入口4cから筐体2内に導入される。このように、筐体2内の電力制御器20を冷却する冷媒は、前面2aに設けられた冷媒入口、冷媒出口を介して筐体2と外部のラジエータおよびポンプを循環する。なお、冷媒は、典型的には水、あるいは、不凍液(Long Life Coolant)である。
【0019】
前面2aには、さらに第2冷却器11が配置されている。第2冷却器11は、オイルポンプ9と、オイル管8と、第2流路11aおよびオイルパン34(ともに図2参照)を備えている。下側冷媒入口4cと下側冷媒出口4dの間には、前面2aを貫通するオイル入口7が設けられている。オイル入口7には、下方向に延びているオイル管8が接続されている。オイル管8の下端は、オイルポンプ9に接続されている。詳細は図2を参照して後述するが、第2冷却器11は、オイルポンプ9によって筐体2内に収容されているモータ30a、30bを冷却するオイルを循環させる。オイルは、モータ30a、30bの潤滑剤も兼ねている。
【0020】
図2および図3を参照して、駆動装置1の筐体2内部の構造について説明する。図2に示されるように、筐体2内には、モータ30a、30bと、リアクトル12と、DCユニット18と、第1冷却器10と、コンデンサモジュール16と、積層ユニット21と、基板23が収容されている。リアクトル12と、DCユニット18と、コンデンサモジュール16と、積層ユニット21と、基板23は、バッテリ(不図示)の直流電力をモータ30a、30bの駆動に適した交流に変換するとともに、モータ30a、30bの駆動電力を制御する電力制御器20を構成する電気機器である。図2に示されるように、リアクトル12などによって構成される電力制御器20は、モータ30a、30bの上方に配置されている。
【0021】
モータ30a、30bは、ともに三相交流モータである。モータ30a、30bのそれぞれは、3個のコイルが巻回されるコアを備えるステータ(不図示)の内部にロータ(不図示)を収容している。モータ30aのロータは、モータ30aを左右方向に貫通するシャフト32aによって回転可能に支持される。同様に、モータ30bのロータは、モータ30bを左右方向に貫通するシャフト32bによって回転可能に支持される。モータ30a、30b内のステータのコイルに三相交流が流れると、ロータとの間で磁力が発生して、ロータが回転する。
【0022】
リアクトル12は、不図示のコイルを備えており、一時的に電気エネルギを蓄える。リアクトル12は、電気自動車100(図1参照)の不図示のバッテリの直流電流を昇圧する。DCユニット18は、半導体素子およびダイオード(ともに不図示)を備える。コンデンサモジュール16は、ケース内にコンデンサ素子を収容している。リアクトル12、DCユニット18およびコンデンサモジュール16の詳細な構造については、既知であるため説明を省略するが、これらの電気機器は、作動時に発熱する。
【0023】
積層ユニット21は、不図示の半導体素子を封止する複数のパワーカードと、パワーカードを冷却する複数の第3冷却器を前後方向に積層したユニットである。積層ユニット21の最前部に位置する第3冷却器22aは、上側冷媒出口4aと流出管24によって接続されている。複数の第3冷却器を通過した冷媒は、流出管24と上側冷媒出口4aを介して、筐体2の外部に配置される不図示のラジエータに送られる。第3冷却器22aの後方の幅広面には、パワーカード21aの前面が当接している。パワーカード21aの後方の幅広面には、別の第3冷却器の前面が当接している。このように、複数の第3冷却器は、電力制御装置の一部の発熱部品であるパワーカードと当接している。パワーカード内の半導体素子は、作動時に発熱する。パワーカードの前後の幅広面に第3冷却器を当接させることで、半導体素子から発生した熱が第3冷却器内の冷媒に伝達される。積層ユニット21は、冷媒が循環する第3冷却器でパワーカードを挟み込むことで、パワーカードの半導体素子の熱を放熱している。なお、図2では、積層ユニット21の最前部の第3冷却器22aおよびパワーカード21aと、最後部の第3冷却器22bおよびパワーカード21bにのみ符号を付し、その他の第3冷却器とパワーカードの符号を省略している。
【0024】
また、筐体2の上部には、基板23が配置されている。基板23には、パワーカード21aから延びる端子が接続されている。基板23の表面には制御回路(不図示)が実装されている。制御回路は、パワーカード21aの半導体素子と、DCユニット18の半導体素子を制御する。基板23の表面に実装されている回路基板によって、実施例の駆動装置1が備える電力制御装置は、モータ30a、30bの駆動電力を制御する。
【0025】
駆動装置1が備える第1冷却器10と、第2冷却器11について説明する。まず、図3を参照して、第1冷却器10の構造について説明する。図3は、図2の線III−IIIに沿った駆動装置1の断面図であり、第1冷却器10の内部を上方から観測した断面図である。図3に示されるように、第1冷却器10は、U字形状を有する第1流路10aを備えている。第1流路10aは、下側冷媒入口4cに接続される腕部10bと、下側冷媒出口4dに接続される腕部10cと両腕部を接続する湾曲部10dを備えている。腕部10bと腕部10cは、前後方向に平行に延びている。腕部10bと腕部10cは、左右方向に並んで配置されている。また、腕部10cと腕部10bの間には、第2流路11aが挟まれている。
【0026】
第1流路10aの内部には、冷媒を誘導するための複数のフィンが設けられている。図2の湾曲部10dの断面に示されるように、フィンは、流路底面から立設している突起である。腕部10bには、フィン13a、13b、13cが設けられている。フィン13aは、後側ほど第2流路11aに近づくように傾斜して配置されている。3本のフィン13bのそれぞれは、前後方向に平行に延びている。3本のフィン13cのそれぞれも、フィン13b同様に前後方向に平行に延びているが、フィン13cの長さは、フィン13bの長さよりも長い。湾曲部10dには、湾曲して平行に延びる3本のフィン13dが設けられている。第1流路10aは、複数のフィンを第1流路10aの幅方向にずらして平行に延ばして配置することで、冷媒が第1流路10aの幅方向に偏って流れること抑制する。すなわち、複数のフィンは、第1流路10aにおける冷媒が流れる面積が増加するように、冷媒を誘導している。腕部10cのフィン13b、13cの形状も、腕部10cのフィン13b、13cの形状と同様であるため説明は省略する。
【0027】
図3の「IN」の矢印に示されるように、冷媒は、下側冷媒入口4cから筐体2内の第1冷却器10に導入される。冷媒は、第1冷却器10の第1流路10aを通過して、「OUT」の矢印に示されるように、下側冷媒出口4dと冷媒管6(図1参照)と上側冷媒入口4b(図1参照)を通って積層ユニット21の第3冷却器22aに導入される。冷媒は、第1流路10a内で複数のフィンに沿って流れる。下側冷媒入口4cから導入された冷媒は、フィン13aにより第2流路11aに近づくように誘導される。冷媒は、第2流路11aに沿うように、第1流路10a内を流れる。第2流路11aに沿うように流れる冷媒は、第2流路11a内を流れるオイルを冷却する。
【0028】
また、図3では、第1冷却器10の上面と下面に接する電気機器を破線で示している。第1冷却器10の下面の前部には、リアクトル12が当接している。リアクトル12は、第1流路10aの腕部10b、10cと当接している。同様に、リアクトル12の後方には、DCユニット18が当接している。DCユニット18も、第1流路10aの腕部10b、10cと当接している。先に述べたように、リアクトル12およびDCユニット18は発熱する。リアクトル12およびDCユニット18から発生した熱は、当接する第1流路10a内を流れる冷媒に伝達される。その結果、リアクトル12およびDCユニットは冷却される。
【0029】
次いで、第2冷却器11の構造について説明する。図2に示されるように、第2冷却器11は、オイルポンプ9とオイル管8と第2流路11aと、オイルパン34を備えている。第2流路11aは、モータ30a、30bの直上に配置されている。第2流路11aの下面には、モータ30a、30bに向かってそれぞれに延びている吐出管11b、11cが設けられている。吐出管11b、11cの下端には、シャワーヘッド15a、15bが設けられており、シャワーヘッド15a、15bの下面には、複数の吐出孔17a、17bが設けられている。吐出孔17a、17bは、シャワーヘッド15a、15bを貫通している。図2に示されるように、シャワーヘッド15a、15bの吐出孔17a、17bから、オイルがモータ30a、30bに向けて吐出される。吐出されたオイルは、モータ30a、30bのステータに接触することで、モータ30a、30bを冷却する。その後、オイルは、モータ30a、30bの下方に設けられているオイルパン34に溜まる。オイルパン34の前側は、オイルポンプ9に接続されている。オイルポンプ9は、オイルパン34に溜まったオイルを吸い上げて、オイル管8およびオイル入口7を介して第2流路11aにオイルを圧送する。
【0030】
図3を参照して説明したように、第2流路11aは、冷媒が循環する第1流路10aの腕部10bおよび10cの間に挟まれている。モータを冷却した後のオイルの温度は、第1冷却器10の第1流路10aを流れる冷媒の温度よりも高い。このため、オイルの熱は第1流路10aを流れる冷媒に伝達する。第2流路11aのオイルは、腕部10bの冷媒と腕部10cの冷媒に左右から冷却される。冷却されたオイルは、第2流路11aの下面に設けられた吐出管11b、11cを介してシャワーヘッド15a、15bの吐出孔17a、17bから第2流路11aの直下のモータ30a、30bに向かって吐出される。吐出されたオイルは、モータ30a、30bのステータなどに接触し、モータ30a、30bの熱を吸収する。このように、第2冷却器11は、オイルによってモータ30a、30bを冷却する。第1実施例の駆動装置1では、第2流路11aを腕部10bの冷媒と腕部10cの冷媒によって両面から冷却することで、冷却効率を向上させている。また、駆動装置1は、モータ30a、30bを冷却するオイルを冷却する第2流路11aをモータ30a、30bの直上に配置することで、オイルの流路を短くしている。これにより、冷却されたオイルがすぐにモータ30a、30bに供給される。駆動装置1は、冷却したオイルの温度が圧送中に再び上昇することがなく、効率的にモータ30a、30bを冷却することができる。
(【0031】以降は省略されています)

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