(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が内蔵されているパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの前記半導体素子を駆動制御する電子部品と、前記パワー半導体モジュール及び前記電子部品を収容する筐体と、前記パワー半導体モジュールを冷却する冷却体と、を備え、
前記筐体は開口部を有し、
前記開口部は、前記冷却体から前記筐体への熱伝達を減少させる第１熱遮蔽部材を介して前記筐体の前記開口部の周縁に固定される前記冷却体によって閉塞され、
前記パワー半導体モジュールは、前記冷却体に設けられた冷却面に面接触状態で当接されており、
前記第１熱遮蔽部材の熱抵抗をRth(Tins)とし、前記冷却体の熱抵抗をRth(f-a)とすると、
Rth(Tins)  /  Rth(f-a)  ≧  １００
の関係を満たしているとともに、
前記第１熱遮蔽部材は、軸方向の両端が開口し、前記冷却体の筒状連結部及び前記筐体の前記開口部の周縁の筒状連結部に外側から嵌まり込む合成樹脂製の筒状部材であり、
前記第１熱遮蔽部材の断面積をＳとし、前記第１熱遮蔽部材の軸方向の長さをｄとし、前記第１熱遮蔽部材の熱伝導率をλとすると、
ｄ  /  (λＳ)  ≧  １００  ×  Rth(f-a)
の関係を満たしていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第１熱遮蔽部材は、熱伝導率が異なる複数の材料を前記軸方向に重ねて形成した部材であり、前記熱伝導率λは、前記複数の材料の熱伝導率の平均値であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記冷却体の筒状連結部の外周面及び前記筐体の前記開口部の周縁の筒状連結部の外周面と、前記第１熱遮蔽部材の内周面との間にＯリングが装着されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置を電動機筐体の外周に一体に設けた電動機であって、
前記筐体と前記電動機筐体との間に、前記電動機筐体から前記筐体への熱伝達を減少させる第２熱遮蔽部材が介装されていることを特徴とする電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置及び電力変換装置を一体化した電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置を一体化した電動機として、例えば特許文献１の技術が知られている。
特許文献１の電気モータは、三相直流モータを駆動制御するために交流電流を直流電流に変換する電力変換装置を備えており、半導体素子が内蔵されているパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールの半導体素子を駆動制御する電子部品とが筐体に収容されているとともに、パワー半導体モジュールを冷却する冷却体と、筐体とが一体に固定された構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００５−５３７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の電力変換装置を一体化した電動モータは、小型軽量化を図るために小型の電力変換装置を形成すると、パワー半導体モジュールに内蔵されている半導体素子が高温状態になると、半導体素子の熱が小型の冷却体を介して筐体に伝わり、筐体の熱が電子部品に伝わっていくので、電子部品は熱的影響による信頼性の面で問題がある。
本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、パワー半導体モジュールを冷却する冷却体を小型に形成しても筐体に収容されている電子部品の熱保護を確実に行うことができ、小型化を図ることができる電力変換装置及び電動機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電力変換装置は、半導体素子が内蔵されているパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの前記半導体素子を駆動制御する電子部品と、前記パワー半導体モジュール及び前記電子部品を収容する筐体と、前記パワー半導体モジュールを冷却する冷却体と、を備え、筐体は開口部を有し、開口部は、前記冷却体から筐体への熱伝達を減少させる第１熱遮蔽部材を介して筐体の開口部の周縁に固定される冷却体によって閉塞され、パワー半導体モジュールは、冷却体に設けられた冷却面に面接触状態で当接されており、第１熱遮蔽部材の熱抵抗をRth(Tins)とし、冷却体の熱抵抗をRth(f-a)とすると、Rth(Tins)  /  Rth(f-a)  ≧  １００の関係を満たしているとともに、第１熱遮蔽部材は、軸方向の両端が開口し、冷却体の筒状連結部及び筐体の開口部の周縁の筒状連結部に外側から嵌まり込む合成樹脂製の筒状部材であり、第１熱遮蔽部材の断面積をＳとし、第１熱遮蔽部材の軸方向の長さをｄとし、第１熱遮蔽部材の熱伝導率をλとすると、ｄ  /  (λＳ)  ≧  １００  ×  Rth(f-a)の関係を満たしている。
【０００６】
また、本発明の一態様に係る電動機は、上述した電力変換装置を電動機筐体の外周に一体に設けた電動機であって、筐体と電動機筐体との間に、電動機筐体から筐体への熱伝達を減少させる第２熱遮蔽部材が介装されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る電力変換装置及び電動機によると、パワー半導体モジュールを冷却する冷却体を小型に形成しても筐体に収容されている電子部品の熱保護を確実に行うことができるとともに、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る第１実施形態の電動機を示す斜視図である。
【図２】図１の平面Ａに沿った本発明に係る第１実施形態の電力変換装置の断面図である。
【図３】図２の要部を示す図である。
【図４】第１実施形態の電力変換装置を構成する第１熱遮蔽部材を示す図である。
【図５】インバータ筐体の内部温度上昇と、第１熱遮蔽部材１１の熱抵抗と冷却体１０の熱抵抗の比との関係を示すグラフである。
【図６】第１熱遮蔽部材の第１の変形例である。
【図７】第１熱遮蔽部材の第２の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１０】
また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
［第１実施形態の電動モータの構成］
以下、本発明の一態様に係る第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に示す第１実施形態の電動モータ１は、モータ部２とインバータ部３とを備えたインバータ一体型電動モータである。
モータ部２は、モータ筐体４と、このモータ筐体４に収納されたロータコア（不図示）及びマグネット（不図示）と、モータ筐体４に軸支されたシャフト５を備えている。
【００１２】
このモータ部２は、ロータコア及びマグネットより得られる回転力をシャフト５により外部へ伝達するように構成されている。
モータ筐体４の外周には、四角形状に開口した開口部の周縁に形成され、インバータ部３に連結するインバータ連結部６が形成されている。
インバータ部３は、直流電流を交流電流に変換してモータ部２に供する電力変換装置である。
【００１３】
インバータ部３は、図２に示すように、インバータ筐体７、半導体素子（不図示）が内蔵されているパワー半導体モジュール８、パワー半導体モジュール８を駆動制御する電子部品群（抵抗、コンデンサなどの受動部品）９、冷却体１０、第１熱遮蔽部材１１及び第２熱遮蔽部材１２を備えている。
インバータ筐体７は、上部開口部７ａ及び下部開口部７ｂを有する四角筒状に形成された金属部材である。
【００１４】
このインバータ筐体７にパワー半導体モジュール８及び電子部品群９が収納され、パワー半導体モジュール８は上部開口部７ａから上方に突出した状態で収納されている。
インバータ筐体７の上部外周には、全周に渡って肉厚を薄くすることで上部段差部１３が形成されている（図３参照）。インバータ筐体７の下部外周にも、全周に渡って肉厚を薄くすることで下部段差部１４が形成されている（図３参照）。そして、インバータ筐体７の上部段差部１３及び下部段差部１４には周溝１５が形成されており、この周溝１５にＯリング１６が装着されている（図３の上部段差部１３の周溝１５及びＯリング１６参照）。
【００１５】
冷却体１０は、図２に示すように、パワー半導体モジュール８に面接触状態で当接する冷却面１０ａを設けているとともに、外気に接触する複数の冷却フィン１０ｂを設けた金属部材である。この冷却体１０の下部外周に、全周に渡って肉厚を薄くすることで段差部１７が形成されている。そして、図３に示すように、この段差部１７に周溝１８が形成されており、この周溝１８にＯリング１９が装着されている。
【００１６】
インバータ筐体７の上部段差部１３と冷却体１０の段差部１７とが、第１熱遮蔽部材１１を介して固定されている。
第１熱遮蔽部材１１は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ＦＲＰ樹脂（Fiber reinforced plastic)を材料とし、軸方向の両端に四角形状の開口部１１ａ，１１ｂを形成した筒状部材である。
【００１７】
この第１熱遮蔽部材１１は、冷却体１０からインバータ筐体７への熱伝達を減少させる部材であり、インバータ筐体７の上部段差部１３及び冷却体１０の段差部１７の外周に装着され、図３で示すように、固定ボルト２０をインバータ筐体７及び冷却体１０に貫通させることで固定されている。ここで、周溝１５，１８に装着されたＯリング１６，１９は圧縮した状態とされる。
【００１８】
また、図２に示すように、インバータ連結部６の上部外周には、全周に渡って肉厚を薄くすることで段差部２１が形成されている。この段差部２１にも周溝が形成されており、この周溝にＯリング２２が装着されている。
また、第２熱遮蔽部材１２も、第１熱遮蔽部材１１と同様に、ＦＲＰを材料とした四角形状の開口部を形成した筒状部材である。
【００１９】
この第２熱遮蔽部材１２は、モータ筐体４からインバータ筐体７への熱伝達を減少させる部材であり、第１熱遮蔽部材１１と同様に、固定ボルト２０をインバータ筐体７及びインバータ連結部６に貫通させることで固定されている。ここで、インバータ筐体及びインバータ連結部６の外周と第２熱遮蔽部材１２との間に装着されているＯリング１６，２２は圧縮した状態となる。
【００２０】
なお、本発明に係る電力変換装置がインバータ部３に対応し、本発明に係る電子部品が電子部品群９に対応し、本発明に係る筐体がインバータ筐体７に対応し、本発明に係る筐体の開口部が上部開口部７ａに対応し、本発明に係る第１熱遮蔽部材が第１熱遮蔽部材１１に対応し、本発明に係る第２熱遮蔽部材が第２熱遮蔽部材１２に対応し、本発明に係る電動機が電動モータ１に対応し、本発明に係る電動機筐体がモータ筐体４に対応している。
【００２１】
［第１実施形態の第１熱遮蔽部材の強度確保と熱遮蔽効果の両立について］
ここで、第１熱遮蔽部材１１の材料（ＦＲＰ樹脂）は、金属と比較すると強度的に劣る。したがって、熱遮断部の強度を確保するためには、第１熱遮蔽部材１１は、可能な限り断面積（図４（ｂ）のＳ）を大きくし、軸方向の長さを短くしたい。しかし、第１熱遮蔽部材１１の断面積を大きく、軸方向の長さを短くすると熱が伝わりやすくなり、冷却体１０からインバータ筐体７への熱遮蔽効果が十分得られない。したがって、第１熱遮蔽部材１１の強度確保と熱遮蔽効果はトレードオフの関係になる。
【００２２】
そこで、第１熱遮蔽部材１１の強度確保と熱遮蔽効果を両立させる、最適な第１熱遮蔽部材１１の設計値を決定するために、以下の考え方に基づいて計算を実施した。
第１熱遮蔽部材１１の強度確保と熱遮蔽効果が大きいとは、すなわち、冷却体１０の熱抵抗Rth(f-a)に対して第１熱遮蔽部材１１の熱抵抗Rth(Tins)が十分大きいことであり、以下の（１）式のように表せる。
Rth(Tins)  ≫  Rth(f-a)  ……（１）
【００２３】
一方、第１熱遮蔽部材１１の熱抵抗Rth(Tins)が大きくなると、第１熱遮蔽部材１１の断面積が減少し、軸方向の長さが増えるので強度は低くなる。
したがって、第１熱遮蔽部材１１の強度確保と熱遮蔽効果を両立させる最適な設計値とは、（１）式を満たしながら最も小さな第１熱遮蔽部材１１の熱抵抗Rth(Tins)を決定することである。
【００２４】
すなわち、第１熱遮蔽部材１１の熱遮蔽効果を維持する最も小さな第１熱遮蔽部材１１の熱抵抗と冷却体１０の熱抵抗の比Rth(Tins)/Rth(f-a)を求めることが第１熱遮蔽部材１１の強度確保と熱遮蔽効果を両立させる最適な設計値である。
第１熱遮蔽部材１１の熱抵抗と冷却体１０の熱抵抗の比Rth(Tins)/Rth(f-a)を求めるために熱流体解析を用いて検討を実施した。
【００２５】
インバータ筐体７内部の温度Tinvの目標値を、周囲温度Ta=40℃としてTinv=50℃と設定する。インバータ筐体７内部の温度Tinv=50℃は、インバータ筐体７に収容されている電子部品群９のうち、電解コンデンサの寿命が40,000時間となる温度を目安としている。
また、周囲温度Ta=40℃は、一般的な汎用インバータやモータは周囲温度40℃までを補償温度とする場合が多いためである。したがって、インバータ筐体７の温度上昇の目標値はΔTinv=10℃となる。
【００２６】
図５は、インバータ筐体７の内部温度上昇と、Rth(Tins)/Rth(f-a)との関係を解析したグラフである。図５から、Rth(Tins)/Rth(f-a)＝１００でインバータ筐体７の温度上昇の目標値ΔTinvc≦10℃を満たすことがわかる。一方、Rth(Tins)/Rth(f-a)＝１０では、インバータ筐体内温度がΔTinvc≒50℃程度となり、第１熱遮蔽部材１１の働きが不十分であることがわかる。
【００２７】
図５の解析結果から、第１熱遮蔽部材１１の強度確保と熱遮蔽効果を両立させるには、以下の（２）式の関係を満たすことが理解できる。
Rth(Tins)/Rth(f-a)  ≧  １００  ……（２）
ここで、冷却体１０の熱抵抗Rth(f-a)は、周囲温度に対して冷却体１０の表面、内部を問わず、冷却体の任意の位置の温度上昇ΔTf、若しくは、冷却体１０の表面の平均温度上昇ΔTfaveと、冷却体１０に与えられるパワー半導体モジュール８の発熱PLossとすると、以下の（３）式、（４）式のように表せる。
Rth(f-a)  =  ΔTfave /PLoss  ……（３）
Rth(f-a)  =  ΔTf /  PLoss  ……（４）
【００２８】
そして、第１熱遮蔽部材１１の熱抵抗Rth(Tins)は、主要断面積Ｓ（図４（ｂ）のＳ）、軸方向の長さをｄ、第１熱遮蔽部材１１の熱伝導率をλとした場合、以下の（５）式のように表せる。
Rth(Tins)  =  ｄ/(λＳ)  ……（５）
この（５）式を（２）式に代入することにより、以下の（６）式の関係が得られる。
ｄ/(λＳ)  ≧  １００×Rth(f-a)  ……（６）
【００２９】
［第１実施形態のインバータ部及び電動モータの効果］
次に、第１実施形態のインバータ部３の効果について説明する。
第１実施形態のインバータ部３は、インバータ筐体７と冷却体１０とが第１熱遮蔽部材１１を介して固定されており、冷却体１０の冷却効果が小さく、パワー半導体モジュール８の発熱が冷却体１０に伝達され、第１熱遮蔽部材１１、インバータ筐体７を介して電子部品群９に伝わる可能性がある。しかし、第１実施形態の第１熱遮蔽部材１１は、冷却体１０からインバータ筐体７への熱伝達を減少させる部材なので、電子部品群９への熱保護を確実に行うことができる。
【００３０】
そして、冷却体１０を小型に形成しても、インバータ部３の電子部品群９の熱保護が行われるので、インバータ部３の小型化を図ることができる。
また、インバータ筐体７及び冷却体１０と、第１熱遮蔽部材１１との固定部分には、Ｏリング１６，１９が圧縮した状態で配置されているので、冷却体１０側からインバータ筐体７の内部への液密構造を確保することができる。
【００３１】
また、第１熱遮蔽部材１１の熱抵抗をRth(Tins)とし、冷却体１０の熱抵抗をRth(f-a)とすると、Rth(Tins)  /  Rth(f-a)  ≧  １００の関係を満たすように設定したことで、第１熱遮蔽部材１１の強度確保と熱遮蔽効果を両立させることができる。
また、第１熱遮蔽部材１１の断面積をＳとし、第１熱遮蔽部材１１の軸方向の長さをｄとし、第１熱遮蔽部材１１の熱伝導率をλとすると、ｄ  /  (λＳ)  ≧  １００  ×  Rth(f-a)の関係を満たすように設定したことで、第１熱遮蔽部材１１の強度確保と熱遮蔽効果を両立させることができる。
【００３２】
次に、第１実施形態の電動モータ１の効果について説明する。
第１実施形態の電動モータ１は、モータ筐体４に一体形成されたインバータ連結部６とインバータ筐体７とが第２熱遮蔽部材１２を介して固定されており、モータ筐体４の熱が第２熱遮蔽部材１２の熱遮蔽効果でインバータ筐体７に伝わりにくくなる。したがって、インバータ部３に内蔵されている電子部品群９の熱保護をさらに確実に行うことができる。
また、インバータ連結部６及びインバータ筐体７と、第２熱遮蔽部材１２との固定部分には、Ｏリング１６，２２が圧縮した状態で配置されているので、モータ部２及びインバータ部３の間の液密を確保することができる。
【００３３】
［第１熱遮蔽部材の変形例］
次に、図６及び図７を参照して、第１熱遮蔽部材の変形例を示す
図６で示す第１熱遮蔽部材１１は、一方の開口部１１ａ側の外周の４辺に複数のブラケット３０が一体に形成され、他方の開口部１１ｂ側の外周の４辺にも複数のブラケット３１が一体に形成されている。
【００３４】
また、図示していないが、図６の第１熱遮蔽部材１１を使用する場合には、冷却体１０にも、複数のブラケット３０に対応する位置に複数の冷却体側ブラケットが形成され、インバータ筐体７にも、複数のブラケット３１に対応する位置に複数の筐体側ブラケットが形成されている。
そして、第１熱遮蔽部材１１のブラケット３０と冷却体１０の冷却体側ブラケットとを連結ボルト（不図示）を介して連結し、第１熱遮蔽部材１１のブラケット３１とインバータ筐体７の筐体側ブラケットとを連結ボルト（不図示）を介して連結する。
このような簡便な構成とすることで、第１熱遮蔽部材１１の強度を十分に確保することができる。
【００３５】
さらに、図７で示す第１熱遮蔽部材１１は、３種類の合成樹脂３２ａ，３２ｂ，３２ｃを軸方向に重ねて形成した部材であり、合成樹脂３２ａの熱伝導率λ１、合成樹脂３２ｂの熱伝導率λ２、合成樹脂３２ｃの熱伝導率λ３の平均値が、第１実施形態で示した第１熱遮蔽部材１１の熱伝導率をλに一致している（λ＝（λ１＋λ２＋λ３）／３）。
このように、複数の合成樹脂を使用して第１熱遮蔽部材１１を形成することで、第１熱遮蔽部材１１の熱遮蔽効果を容易に設定することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００３６】
１  電動モータ
２  モータ部
３  インバータ部
４  モータ筐体
５  シャフト
６  インバータ連結部
７  インバータ筐体
７ａ  上部開口部
７ｂ  下部開口部
８  パワー半導体モジュール
９  電子部品群
１０  冷却体
１０ａ  冷却面
１０ｂ  冷却フィン
１１  第１熱遮蔽部材
１２  第２熱遮蔽部材
１３  上部段差部
１４  下部段差部
１５  周溝
１６  Ｏリング
１７  段差部
１８  周溝
１９  Ｏリング
２０  固定ボルト
２１  段差部
２２  Ｏリング
３０，３１  ブラケット
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ  合成樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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