CN104813577A - 变换器装置以及马达一体型变换器装置 - Google Patents

Abstract

在变换器装置中，不变更马达、变换器装置的主体形状，就能够变更与外部电源连接的直流电缆的拉出方向，其结果使包含直流电缆在内的安装体积小型化，为此在连接平滑电容器(90)与半导体模块(500a～500c)之间的DC母线(96)形成两对与外部电源(30)连接的正负极端子(92a、94a、92b、94b)，各正负极端子(92a、94a以及92b、94b)分别从变换器框体(110)的不同的侧面突出。

Description

变换器装置以及马达一体型变换器装置

技术领域

本发明涉及具有马达的输出控制功能的变换器装置。

背景技术

在电动汽车或者混合动力汽车中，安装马达作为车辆的动力源，一般为了控制供给至马达的电力而具备变换器装置。变换器装置具备：内置了IGBT等电力用半导体元件的动力模块；驱动该动力模块的驱动电路；控制这些驱动电路的控制电路；作为从电池供给的电力的布线的DC母线；作为向马达供给的电力的布线的AC母线；以及电流平滑化用的平滑电容器。

针对混合动力汽车具备合成马达和发动机的动力的动力合成机构的情况，电动汽车的动力仅是主机马达，其输出经由包括差动齿轮的减速机传递至车轮。另一方面，在电动汽车用途中，由于电流大到数百A，马达也一直被驱动，所以AC线束的电阻产生的损失也大。

为了抑制该损失和损失的结果产生的热量，使用直径大的AC线束的情况比较有效。然而，从弯曲性的观点来看，直径大的AC线束存在用于AC线束敷设所占有的空间容积变大的问题。

将马达和变换器装置一体化的机电一体型的变换器装置不需要连接两者的AC线束，所以具有用于AC线束敷设的空间容积缩小这样的优点。另外，AC线束的成本能够减少也是较大的优点。

已较多地公开了将马达和变换器装置一体化的技术。例如，专利文献1公开了如下的方法，虽然是电动压缩机的例子，但是具备设置于马达的机壳外周的变换器箱、和与控制电路平行地配置于其内部的散热用平面部，并且在控制电路与散热用平面部之间收纳变换器装置的电容器的构造，主要有效利用变换器装置的空间，并且冷却电容器。

另一方面，例如，专利文献2公开了作为多个马达共享变换器装置的技术。在该专利文献2中，公开了在动力模块与电容器之间配置冷却器，且能够使马达和变换器装置装卸的构造。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011－157873号公报

专利文献2：日本特开平10－248199号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，就马达一体型变换器装置而言，如果外部电源的连接部朝向外部电源侧，则直流电缆的敷设容易，但是在直流电缆连接部不朝向外部电源侧的情况下，直流电缆必须跨过马达等，敷设困难。

专利文献1公开了将连接外部电源与变换器装置的直流电缆的连接部从对于马达主轴呈直角的方向和沿轴的方向的二个方向选择拉出的结构。

就这种结构而言，(1)在变换器装置内部中，需要将具备直流电缆的连接部的控制基板的方向根据上述二个方向来变更安装，(2)根据连接部的拉出形状，变换器外壳成为不同种类的形状。即，前提是根据直流电缆的连接部的拉出方向准备品种不同的变换器。

以往按照委托而制作一个产品一个样子的部件、模块，但是在近年来的汽车行业中，部件等级的标准化、组合了多个部件的模块等级标准化的活动活跃起来。如果在多个车种中共通使用这些标准化的部件、模块，则能够提高量产性、生产性，能够期待部件的低成本化。若从该标准化的流程考虑，则例如即使是局部地也难说实施形状变更、增加品种的情况是适当的。

另外，专利文献2公开了机电一体化的多种马达共享一种变换器装置的方法，也阐述了关于部件的标准化的效果。然而，对于与使变换器装置与外部电源连接的直流电缆的连接部，并未言及能够变更拉出方向的构造。

本发明是鉴于这样的课题而完成的，其目的在于，在变换器装置中，不变更马达、变换器装置的主体形状，就能够变更与外部电源连接的直流电缆的拉出方向，作为其结果，使包含直流电缆在内的安装体积小型化。

用于解决课题的方法

因此，在本发明中，在连接平滑电容器与半导体模块间的DC母线中形成两对与外部电源连接的正负极端子，各正负极端子分别从变换器框体的不同的侧面突出。

发明的效果

根据本发明，通过选择两对正负极端子的一方来连接与外部电源连接的直流电缆，从而不变更马达、变换器装置的主体形状，就能够实现包含直流电缆在内的安装体积的小型化。

附图说明

图1是表示电动汽车的控制块的图。

图2是表示变换器电路的构成的电路图。

图3是表示实施方式1中的马达一体型变换器装置的外观立体图。

图4是半导体模块的外观立体图。

图5是平滑电容器的外观立体图。

图6是电容器收纳外壳的外观立体图。

图7是本实施方式1中的马达一体型变换器装置的剖视图。

图8是表示DC母线的构造的外观立体图。

图9是表示在变换器装置的第一正负极端子连接DC连接器，在第二正负极端子连接EMC对策用Y电容器的形态的图。

图10是DC连接器的外观图。

图11是Y电容器的外观图。

图12是安全用端子罩的外观图。

图13是表示在变换器装置的第一正负极端子增设DC连接器，在第二正负极端子增设变换器装置的形态的图。

图14是用于确认变换器装置与DC连接器或安全用端子罩等追加模块被正确连接的情况的判定***图。

图15是使变换器装置和电动发电机机电一体化的图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式1～5中的变换器装置进行详细说明。

实施方式1

图1是表示电动汽车(以下，记述为“EV”)的控制块的图。电动发电机(以下，称为马达)20例如是永久磁铁同步马达，不仅产生车辆行驶用扭矩，还具有作为将从外部施加于马达20的机械能转换为电力的发电机的功能。

马达20产生的旋转扭矩经由减速齿轮18和差动齿轮16传递至车轮12。另一方面，在再生制动的运转时，旋转扭矩从车轮12传递至马达20，并基于供给来的旋转扭矩而产生交流电力。产生的交流电力通过变换器装置40转换为直流电力，对高电压用的电池30充电，充电后的电力再次作为行驶能源使用。

变换器装置40经由直流电缆32与电池30电连接，在电池30与变换器装置40的交互中进行了电力的授受。在使马达20作为马达而动作的情况下，变换器装置40基于经由直流电缆32从电池30供给的直流电力而产生交流电力，并供给至马达20。

接下来，基于图2对变换器电路42的电路的构成进行说明。此外，在以下的说明中，作为半导体元件的一个例子而使用绝缘栅型双极晶体管，以下简称为IGBT。

由作为上臂动作的IGBT52以及二极管56、和作为下臂动作的IGBT62以及二极管66构成了上下臂的串联电路50。该串联电路50分别与交流电力的U相、V相、W相对应地设置于变换器电路42内。

这些U相、V相、W相的三相在本实施方式1中与马达20的电枢绕线的三相的各相绕线对应。三相各个的上下臂的串联电路50从串联电路50的中间电极69输出交流电流。从该中间电极69经由交流母线与马达20的各相绕线连接的结构在实施方式5中具体说明。

上臂的IGBT52的集电极电极经由正极端子57与正极导体板92电连接，另外，下臂的IGBT62的发射极电极经由负极端子58与负极导体板94电连接。正极导体板92以及负极导体板94与电容器90电连接，并且经由DC连接器38与电池30电连接。

控制电路72从上位的控制装置接受控制指令，并基于该控制指令生成作为用于控制构成变换器电路42的各相的IGBT52、IGBT62的控制信号的PWM(脉冲宽度调制)信号，并供给至驱动电路74。

驱动电路74根据上述PWM信号，将用于控制各相的IGBT52、62的驱动信号经由IGBT52的信号用发射极电极55和栅极电极54、以及IGBT62的信号用发射极电极65和栅极电极64进行供给。各相的IGBT52、62根据来自驱动电路74的驱动信号，进行导通或者切断动作，将从电池30供给的直流电力转换为三相交流电力，并供给至马达20。

电容器1005a、1005b、1005c构成将各个的一端子共通连接，并将各另一端子连接到正极导体板92、负极导体板94、以及变换器装置40的变换器框体的3点之间的星接线型的EMC对策用滤波器(以下，简称为Y电容器)。

控制电路72具备用于对IGBT52以及IGBT62的开关时机进行运算处理的微型计算机(以下，记述为“微机”)。作为对微机的输入信息，有对于马达20要求的目标扭矩值、从串联电路50供给至马达20的电流值、以及马达20的转子的磁极位置等。

目标扭矩值是基于从未图示的上位的控制装置输出的指令信号计算出的，电流值基于电流传感器80的检测信号进行检测。另外，磁极位置基于从设置于马达20的解析器等的旋转磁极传感器(省略图示)输出的检测信号进行检测。

控制电路72内的微机基于目标扭矩值运算马达20的d轴、q轴的电流指令值，基于该运算出的d轴、q轴的电流指令值与检测出的d轴、q轴的电流值的差分来运算d轴、q轴的电压指令值，基于检测出的磁极位置将该运算出的d轴、q轴的电压指令值转换为U相、V相、W相的电压指令值。然后，微机根据基于U相、V相、W相的电压指令值的基本波(正弦波)与载波(三角波)的比较而生成脉冲状的调制波，并将该生成的调制波作为PWM信号输出至驱动电路74。

在驱动下臂的情况下，驱动电路74将对PWM信号进行了增幅的驱动信号输出至对应的下臂的IGBT62的栅极电极。另外，在驱动上臂的情况下，驱动电路74将PWM信号的基准电位的水平移位到上臂的基准电位的水平后对PWM信号进行增幅，并将增幅后的PWM信号作为驱动信号，分别输出至对应的上臂的IGBT52的栅极电极。

图3是表示本实施方式1中的变换器装置40的外观立体图。

如图3所示，变换器装置40具备：变换器框体110；收纳于变换器框体110内的电容器90、半导体模块500a～500c；以及连接电容器90与半导体模块500a～500c的DC母线96。此外，变换器装置40也具有控制电路基板、变换器框体110的盖等，但是因为与本发明没有直接关系所以省略。

上述变换器框体110通过底板110a和侧壁110c形成为纵剖面大致U字状，在与上述侧壁110a垂直的方向上形成有内壁110b。通过该内壁110b，电容器90与半导体模块500a～500c被分隔。另外，在变换器框体110中的半导体模块500a～500c的收纳侧形成有用于收纳半导体模块500a～500c的收纳室。

另外，变换器框体110具备制冷剂流入口112、制冷剂流出口113、以及制冷剂流路，利用该制冷剂冷却第一、第二、第三半导体模块500a～500c。

图4是表示半导体模块500的外观立体图。在半导体模块500a～500c中，内部密封有分别构成U相、V相、W相的上下臂的串联电路50的动力半导体元件(IGBT52、IGBT62、二极管56、二极管66)。另外，半导体模块500a～500c具有作为外部连接端子的正极端子57、负极端子58、交流端子59、以及上臂栅极端子54、上臂发射极端子55、下臂栅极端子64、下臂发射极端子65等的控制信号用的连接端子70。第一、第二、第三半导体模块500a～500c的交流端子59分别与未图示的第一、第二、第三交流母线连接。

动力半导体元件中产生的热量主要从半导体模块500a～500c的第一散热面502a以及第二散热面502b被流过变换器框体110内的制冷剂流路114的制冷剂散热。此时，为了扩大与制冷剂的接触面积，也可以在散热面502a、502b设置柱状、或者板状的散热片。

如图5所示，电容器90形成为大致矩形状，底面具有正极端子91a、负极端子91b。如图6所示，电容器收纳外壳140形成为格子状，各格子收纳有图5所示的电容器90。优选电容器90固定于收纳外壳140，但是也可以通过用模制树脂填充收纳外壳140内来进行固定。

图7是表示内壁110b以及电容器90侧的剖视图。如图7所示，在内壁110b内形成有制冷剂流路114，DC母线96经由绝缘部件130与该内壁110b接触。

并且，配置有与DC母线96接触并兼作母线支撑部件的电容器收纳外壳140，在内部收纳了电容器90。DC母线96利用螺丝等固定部件150将电容器收纳外壳140固定于变换器框体110，由此被按压于内壁110b。电容器90的正极端子91a、负极端子91b贯穿收纳外壳140的底面而与正极导体板92以及负极导体板94电连接。

图8是表示变换器40所具备的DC母线96的构造特征的外观立体图。DC母线96由正极导体板92、负极导体板94、以及***于正极导体板92与负极导体板94之间的绝缘部件132绝缘层叠。DC母线96形成有：沿内壁110b宽幅地形成的平面部96a；从平面部96a向半导体模块500a～500c侧折回且与半导体模块500a～500c连接的连接部96b；以及平面部96a的两侧缘被延伸设置的拉出部92a、92b、94a、94b。本实施方式1的变换器装置40的特征在于，该拉出部形成了两对(92a、94a以及92b、94b)。

上述平面部96a经由未图示的绝缘部件按压于变换器框体110的内壁110b，内壁110b作为通过在图3中描述的制冷剂流路114来冷却DC母线96的冷却面而发挥作用。

构成DC母线96的正极导体板92在连接部96b中与半导体模块500a～500c的正极端子57电连接，另外，负极导体板94在连接部96b中与半导体模块500a～500c的负极端子58电连接。

以下，上述正极导体板92的拉出部92b和负极导体板94的拉出部94b作为第一正负极端子1002，上述正极导体板92的拉出部92a和负极导体板94的拉出部94a作为第二正负极端子1004。上述第一正负极端子1002和第二正负极端子1004从变换器框体110中的两侧壁110c突出。

如上所示，根据本实施方式1中的变换器装置40，使用于与外部电源连接的第一正负极端子1002和第二正负极端子1004从DC母线96向相反方向突出，由此能够选择第一正负极端子1002和第二正负极端子1004中的一方来与和外部电源连接的直流电缆连接，能够不变更马达、变换器装置的主体形状，就变更直流电缆的拉出方向。其结果，能够使包含直流电缆在内的安装体积小型化。

另外，因为能够从第一正负极端子1002和第二正负极端子1004选择来连接直流电缆，所以直流电缆的敷设变得容易。

并且，因为无需变更马达、变换器装置的主体形状，所以能够提高量产性、生产性，能够实现部件的低成本化。

实施方式2

基于图9对实施方式2中的变换器装置进行说明。在本实施方式2中，如图9所示，将用于连接直流电缆1009的DC连接器1003连接于变换器装置40的第一正负极端子1002，将EMC对策用的Y电容器1005连接到第二正负极端子1004。

图10表示DC连接器1003的外观图，图11表示Y电容器1005的外观图。

就DC连接器1003和Y电容器1005而言，向变换器装置40连接的面(以下，称为底面)相等，两者均设置有防水防尘对策的O形环1006。另外，在DC连接器1003和Y电容器1005的底面形成有与第一正负极端子1002(或者第二正负极端子1004)连接的DC端子连接部1007，并且设置有保持与变换器装置40连接的状态的连接用铆钉1008。

通过将图10所示的DC连接器1003的DC端子连接部1007与第一正负极端子1002连接，从而直流电缆1009与DC母线96连接。另外，通过将图11所示的Y电容器1005的DC端子连接部1007与第二正负极端子1004连接，从而Y电容器1005与DC母线96连接。然后，利用连接用铆钉1008将DC连接器1003以及Y电容器1005固定于变换器装置40(变换器框体110)。

通过上述那样的构造，DC连接器1003和Y电容器1005能够交换连接。即，能够将DC连接器1003与第二正负极端子1004连接，将Y电容器1005与第一正负极端子1002连接。通过该互换性，变换器装置40能够在变换器框体110的左右选择用于与外部电源连接的DC连接器1003，车载布局的自由度大幅提高。

图12是安全用端子罩1010的外观图。上述端子罩1010的底面与DC连接器1003和Y电容器1005相同地形成，具有防水防尘对策的O形环1006、以及连接用铆钉1008。此外，省略了端子连接部1007。

该端子罩1010能够进行针对DC连接器1003或Y电容器1005的交换连接、代替连接。因此，在不使用第一正负极端子1002和第二正负极端子1004中的任一方的情况下，通过将该端子罩1010与不使用的正负极端子连接，能够防止不使用的正负极端子露出。

其结果，能够确保安全性，并且进一步提高设计布局的自由度。

实施方式3

接下来，基于图13对本实施方式3中的变换器装置进行说明。

在本实施方式3中，如图13所示，将DC连接器1003连接到变换器装置40的第一正负极端子1002，将增设用变换器装置40’连接到第二正负极端子1004。

如图13所示，在连接增设用变换器装置40’的情况下，变换器装置40的第二正负极端子1004和增设用变换器装置40’的第一正负极端子1002均是阳端子，所以需要连结部件1011。而且，能够将Y电容器1005、端子罩1010连接到最终级的增设用变换器40’中的未连接的第二正负极端子1004。此外，虽然在图13中将增设用变换器40’连接到了变换器装置40的第二正负极端子1004侧，但是也可以将增设用变换器40’连接到变换器装置40的第一正负极端子1002侧。

在变换器装置40的第二正负极端子1004除了增设用变换器40以外也能够进行DC/DC转换器、增设用直流电容器、电池等能够与DC线连接的部件(功能扩张模块)的连接。即，能够如构件块那样进行变换器的功能扩张。

另外，与实施方式2相同地，布局设计者能够自由地选择直流电缆1003以及增设用变换器40’等的连接侧端子一侧，能够实现设计布局中的自由度的提高。

实施方式4

接下来，基于图14对本实施方式4中的变换器装置进行说明。

图14是表示用于确认变换器装置40与直流电缆1003或端子罩1010等追加模块正确连接的情况的静电耦合型的检测单元(以下，称为判定***)的图。该判定***用于确保防止触电等的功能安全。

在将追加模块(DC线束1003等)连接到了变换器装置40的第一、第二正负极端子1002、1004之后，连接判定电路1013输出确认信号。该确认信号在从对变换器装置40的连接用铆钉1008经由追加模块等的壳体1014之后，经由能够追加模块等的壳体1014与变换器框体110之间的浮游电容器1015返回到判定电路1013。而且，由电流传感器1016检测流过浮游电容器1015的电流。此时，如果追加模块等正确连接，则能够检测电流，所以判定为安全。在左右的两端子无法确认正确的连接的情况下，通过网络形式的通信单元(CAN等)通知未图示的车辆的控制装置。除此以外，还进行不使变换器装置40动作、切断强电继电器等的对策。此外，连接判定电路1013利用变换器弱电***侧的电压进行动作。而且，判定电路1013在动作中也不会感电。

如上所示，根据本实施方式4，在变换器装置40连接追加模块等时、变更直流电缆1003的拉出方向时产生的追加模块等的重组时，能够检测正规的安装状态。

其结果，能够确保***的健全性、防止触电的安全性。

实施方式5

接下来，基于图15对本实施方式5中的变换器装置进行说明。

图15是表示使变换器装置40和马达20机电一体化的构成的立体图。除去变换器装置40和马达20之间的AC连接用线束，用交流母线86连接。

实施方式1～4中的变换器装置40是在机电一体化的形态中也能够采用的构成。在机电一体化的形态中，变换器装置40的设置方向根据马达形状而固定。因此，根据直流电缆1003的连接位置，使车载布局的自由度显著降低的可能性非常高。

但是，能够选择DC线束1003的连接侧面的实施方式1～4的变换器装置40能够维持或者微减其车载布局的自由度。

以上，在本发明中，仅对于记载的具体例进行了详细的说明，但是对于本领域技术人员明确的是，在本发明的技术思想的范围中能够进行丰富多彩的变形以及修正，这样的变形以及修正当然属于权利要求书的范围。

例如，在实施方式1～5中，言及了将电动汽车的驱动用马达、变换器一体化的***，但是也能够应用于混合动力汽车、应用于将马达、变换器分别构成的***，并不局限于上述实施方式的构成。

符号的说明

20—电动发电机(马达)，30—电池(外部电源)，32—直流电缆，40—变换器装置，90—平滑电容器，96—DC母线，110—变换器框体，500—半导体模块，1002—第一正负极端子，1003—DC连接器，1004—第二正负极端子，1005—Y电容器，1010—端子罩。

Claims (12)

1.一种变换器装置，对马达的输出进行控制，其特征在于，具备：

变换器框体；

收纳于所述变换器框体内的平滑电容器及半导体模块；以及

DC母线，其连接所述平滑电容器与半导体模块之间，并且形成有与外部电源连接的两对正负极端子，

所述两对正负极端子分别从所述变换器框体的不同的侧面突出。

2.根据权利要求1所述的变换器装置，其特征在于，

所述变换器框体形成有由底板和侧壁形成为纵剖面大致U字状并且在与所述侧壁垂直的方向上分隔平滑电容器与半导体模块的内壁，

所述DC母线具备：平面部，其绝缘层叠且沿所述变换器框体的内壁进行配置；连接部，其从平面部延伸设置且与所述半导体模块连接；以及所述两对正负极端子，它们从平面部的两侧缘延伸设置且从所述变换器框体的侧壁突出，

在一方的正负极端子连接有与外部电源连接的直流电缆。

3.根据权利要求2所述的变换器装置，其特征在于，

另一方的正负极端子被与所述直流电缆具有互换性的端子罩密封，或者连接与所述直流电缆具有互换性的Y连接的电容器。

4.根据权利要求2所述的变换器装置，其特征在于，

在另一方的正负极端子经由连结部件连接有增设用的变换器装置。

5.根据权利要求2所述的变换器装置，其特征在于，

在另一方的正负极端子连接有能够与DC线连接的功能扩张模块。

6.根据权利要求2～5中任一项所述的变换器装置，其特征在于，

具备静电耦合型的检测单元，其检测与外部电源连接的直流电缆、或者端子罩、或者Y连接的电容器正规地安装于所述正负极端子的情况。

7.一种马达一体型变换器装置，与马达外壳紧固且对该马达的输出进行控制，其特征在于，具备：

与马达外壳紧固的变换器框体；

收纳于所述变换器框体内的平滑电容器及半导体模块；

DC母线，其连接所述平滑电容器与半导体模块之间，并且形成有与外部电源连接的两对正负极端子，

所述两对正负极端子分别从所述变换器框体的不同的侧面突出。

8.根据权利要求7所述的马达一体型变换器装置，其特征在于，

所述变换器框体形成有由底板和侧壁形成为纵剖面大致U字状并且在与所述侧壁垂直的方向上分隔平滑电容器与半导体模块的内壁，

所述DC母线具备：平面部，其绝缘层叠且沿所述变换器框体的内壁进行配置；连接部，其从平面部延伸设置且与所述半导体模块连接；以及所述两对正负极端子，它们从平面部的两侧缘延伸设置且从所述变换器框体的侧壁突出，

在所述一方的正负极端子连接有与外部电源连接的直流电缆。

9.根据权利要求8所述的马达一体型变换器装置，其特征在于，

所述另一方的正负极端子被与所述直流电缆具有互换性的端子罩密封，或者连接与所述直流电缆具有互换性的Y连接的电容器。

10.根据权利要求8所述的马达一体型变换器装置，其特征在于，

在所述另一方的正负极端子连接有能够与DC线连接的功能扩张模块。

11.根据权利要求8所述的马达一体型变换器装置，其特征在于，

在所述另一方的正负极端子经由连结部件连接有增设用的变换器装置。

12.根据权利要求8～11的任一项所述的马达一体型变换器装置，其特征在于，

具备静电耦合型的检测单元，其检测与外部电源连接的直流电缆、或者端子罩、或者Y连接的电容器正规地安装于所述正负极端子的情况。