JP2004215339A - Electrolytic capacitor cooling structure for inverter device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電源であるバッテリと交流電流により駆動される回転電機との間に配置され、直流電流と交流電流との相互変換を行うインバータ装置の電解コンデンサ冷却構造の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
従来のインバータ装置の電解コンデンサ冷却構造は、放熱フィンを設けたケース上に電解コンデンサを実装し、空冷作用により電解コンデンサを冷却している(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−14169号公報(図1)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のインバータ装置の電解コンデンサ冷却構造にあっては、自然空冷もしくはファンを用いた強制空冷による冷却であるため、冷却性能に限界があり、大きなリップル電流が長時間流れた場合には、発熱が生じ、電解コンデンサの寿命を著しく低下させることになる。すなわち、小型の電解コンデンサを用いてコンパクト化を図るには、コンデンサ寿命の観点から考えて積極的な冷却が必要である。
【0005】
さらに、車載を前提としてインバータ装置を考えると、振動対策は不可欠であるのに対し、従来は複数の電解コンデンサを一体で結束する金属とボルトによりケースに固定されていたもので、この固定方法では、振動入力時に脱落する可能性があった。
【0006】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、車載時の振動入力に対して確実な脱落防止を図りながら、小さな電流リップル容量による小型の電解コンデンサを用いても温度上昇を招くことなく、長寿命を確保することができるインバータ装置の電解コンデンサ冷却構造を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の電解コンデンサ冷却構造では、直流電源であるバッテリと交流電流により駆動される回転電機との間に配置され、DCバスバーと、パワーモジュールと、電解コンデンサとをケース内に有するインバータ装置において、
前記電解コンデンサは、コンデンサ側面及びコンデンサ底面に相似な形を有するコンデンサ挿入溝をケースに形成し、該コンデンサ挿入溝に電解コンデンサの端子を上面にして入れ、かつ、前記コンデンサ挿入溝の外周部に、コンデンサ側面形状に沿ってコンデンサ冷却水路を形成した。
【0008】
【発明の効果】
よって、本発明のインバータ装置の電解コンデンサ冷却構造にあっては、ケースに形成したコンデンサ挿入溝に対する電解コンデンサの取り付けとしたため、車載時の振動入力に対して確実な脱落防止を図りながら、冷却性能の高い強制水冷としたため、小さな電流リップル容量による小型の電解コンデンサを用いても温度上昇を招くことなく、長寿命を確保することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のインバータ装置を実現する実施の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。
【0010】
(第1実施例)
[ハイブリッドシステム]
図1は第1実施例のインバータ装置が適用されたパラレル型のハイブリッドシステムの全体図であり、図1において、Eはエンジン、Mは複軸多層モータ(回転電機)、Gはラビニョウ型複合遊星歯車列、Dは駆動出力機構、Iはインバータ装置である。
【0011】
前記エンジンEは、ハイブリッド駆動ユニットの主動力源であり、そのエンジン出力軸5は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Gの第2リングギヤR2に対し、フライホイールダンパー6及び多板クラッチ7を介して連結されている。
【0012】
前記複軸多層モータMは、外観的には1つのモータであるが2つのモータジェネレータ機能を有する副動力源である。この複軸多層モータMは、モータカバー1とモータケース2により画成されたモータ室内に配置され、前記モータケース2に固定され、コイルを巻いた固定電機子としてのステータSと、前記ステータSの内側に配置し、永久磁石を埋設したインナーロータIRと、前記ステータSの外側に配置し、永久磁石を埋設したアウターロータORと、を同軸上に三層配置することで構成されている。前記インナーロータIRからの出力軸である第1モータ中空軸8は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Gの第1サンギヤS1に連結され、前記アウターロータORからの出力軸である第2モータ軸9は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Gの第2サンギヤS2に連結されている。
【0013】
この複軸多層モータMは、1つのステータSにより2つのロータIR,ORを駆動するため、それぞれのロータIR,OR間にトルク干渉が発生してはならない。数学的に電圧と電流の周波数が異なる時には、それらの内積はゼロになり、電力が発生しないことが知られているが、これは電流と磁束においても言えることである。よって、各ロータIR,ORの永久磁石の数を変えることにより、各ロータIR,OR間のトルクを非干渉に設計できる。また、コイル電流を複合電流にすることで、各ロータIR,ORを独立に制御できる。以上のことにより、第1実施例の複軸多層モータMでは、コイル電流として複合電流による6相交流を用い、ステータSに18個のコイルを有し、アウターロータORに6極対の永久磁石を有し、インナーロータIRに3極対の永久磁石を有する構成を採用している。
【0014】
前記ラビニョウ型複合遊星歯車列Gは、動力源の回転数を制御することにより無段階に変速比を変える無段変速機能を有する遊星歯車機構である。このラビニョウ型複合遊星歯車列Gは、ギヤハウジング3とフロントカバー4により画成されたギヤ室内に配置され、互いに噛み合う第1ピニオンP1と第2ピニオンP2を支持する共通キャリヤCと、第1ピニオンP1に噛み合う第1サンギヤS1と、第2ピニオンP2に噛み合う第2サンギヤS2と、第1ピニオンP1に噛み合う第1リングギヤR1と、第2ピニオンP2に噛み合う第2リングギヤR2との5つの回転要素を有して構成されている。前記第1リングギヤR1とギヤハウジング3との間には多板ブレーキ10が介装されている。前記共通キャリヤCには、出力ギヤ11が連結されている。
【0015】
前記駆動出力機構Dは、ラビニョウ型複合遊星歯車列Gの共通キャリヤCに連結された出力ギヤ11から駆動輪に至る機構である。この駆動出力機構Dは、出力ギヤ11と、第1カウンターギヤ12と、第2カウンターギヤ13と、ドライブギヤ14と、ディファレンシャル15と、ドライブシャフト16L,16Rと、を有して構成されている。そして、出力ギヤ11からの出力回転及び出力トルクは、第1カウンターギヤ12→第2カウンターギヤ13→ドライブギヤ14→ディファレンシャル15を経過し、ドライブシャフト16L,16Rから図外の駆動輪へ伝達される。
【0016】
前記インバータ装置Iは、バッテリ17の直流電流を複合電流による6相交流に変換して複軸多層モータMの2つのロータを駆動するモータドライバ機能と、複軸多層モータMのロータ回転により発電した複合電流による6相交流を直流電流に変換してバッテリ17へ充電する機能と、複軸多層モータMの2つのロータのうち一方のロータをモータとして用い他方のロータをジェネレータとして用いるモータ・ジェネレータ機能と、を有する装置である。
ここで、「複合電流による6相交流」とは、図2に示すように、アウターロータORの磁極数に同期した周波数による電流(Current1)と、インナーロータIRの磁極数に同期した周波数による電流(Current2)と、を複合させた複合電流とし、この複合電流をアウターロータORは120度づつ、インナーロータIRは60度づつ位相をずらして6相(U相,U'相,V相,V'相,W相,W'相)としたものをいう。
【0017】
このインバータ装置Iは、ハイブリッドコントローラ18からの指令に基づきモータコントローラ19にてPWM信号を生成し、このPWM信号を入力して作動し、後述するように、直流電流と複合電流との相互変換を行うスイッチング回路による6個のインテリジェント・パワー・モジュール(略称:IPM)等を有して構成される。なお、2つのロータの一方をモータとし、他方をジェネレータとして運転する場合、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電力と無効電力をIPMに流すだけでよいので、効率が大幅に向上できるというメリットがある(無効電力を増やすと、効率は悪化するので、向上できる)。
ここで、「インテリジェント・パワー・モジュール」とは、スイッチング素子の小型化や低損失化と、複数の素子を1パッケージに収めるモジュール化と、ベース(ゲート)ドライブ回路や保護機能を含めたインテリジェント化と、を図ったスイッチング回路をいう。
【0018】
[インバータ装置からモータへのコイル給電構造]
図3は複軸多層モータMを示す縦断側面図であり、図4はインバータ装置IからのステータSへのコイル給電構造をギヤ室側から視た図である。
【0019】
前記インバータ装置Iからの複合電流による6相交流を、ステータSのU相コイル、V相コイル、W相コイル、U'相コイル、V'相コイル、W'相コイルに供給するコイル給電構造は、図3に示すように、給電接続端子20とバスバー径方向積層体21と給電コネクタ22とバスバー軸方向積層体23により構成される。なお、モータ制御において必要情報であるロータの回転数・回転方向・回転位置を検出するセンサとして、インナーロータIRの回転を検知するレゾルバ24と、アウターロータORの回転を検知するレゾルバ25とが設けられている。
【0020】
前記給電接続端子20は、図4に示すように、U相V相W相の給電接続端子組と、U'相V'相W'相の給電接続端子組により構成され、この2つの端子組がギヤ室を画成するモータケース2の周方向に異なる位置に配置固定されている。
【0021】
前記バスバー径方向積層体21は、ギヤ室内に配置され、銅等の導電材による3枚のプレートを互いに所定の隙間を介して径方向に重ね合わせ、隙間を含む全体を絶縁樹脂で覆い、方形断面形状に成形することで構成されている。そして、このバスバー径方向積層体21は、図4に示すように、出力ギヤ11の径方向外周位置であって、出力ギヤ11の外径形状に沿うように2組配置され、出力ギヤ11により外径方向に飛散する油により冷却性を確保している。
【0022】
前記給電コネクタ22は、ギヤ室とモータ室との隔壁部2aを貫通して設けられ、各相の給電コネクタ22のギヤ室に露出した一端部にバスバー径方向積層体21の各相プレートを接続している。
【0023】
前記バスバー軸方向積層体23は、ステータSの正面側エンドプレートに固定され、リング状の各相プレートと中性点用プレートとの間にそれぞれ絶縁材を介装して軸方向に積層した後、全体を絶縁樹脂にて封止して構成される。そして、リング状プレートから内側に突出した各相給電部に各相の給電コネクタ22が接続され、リング状プレートから外側に突出したコイル接続部にステータSの各相のコイルが接続される。
【0024】
[インバータ装置の概要]
図5はインバータ装置Iの全体平面図、図6は図5のA−A線によるインバータ装置Iの全体断面図、図7は図5のB−B線によるインバータ装置Iの全体断面図、図8はインバータ装置Iのインバータロワケースを示す底面図である。
【0025】
インバータ装置Iは、図5に示すように、インバータアッパーケース30内の左下領域に、直流電流と複合電流との間の相互変換を行うスイッチング回路を有するインテリジェント・パワー・モジュール70(以下、IPM70という。)が設けてある。このIPM70は、6相の複合電流のそれぞれに対応して6個設けられていて、これを3個+3個の2組に分け、この2組を縦置きに対向配置している。
【0026】
そして、前記IPM70の直流側には、バッテリ17からの直流電源を引き込むDC電源引き込み端子部71と、該DC電源引き込み端子部71とIPM70のDC端子間を接続する2枚(正極と負極に対応)の第1DCバスバー72a,72b及び第2DCバスバー73a,73bと、IPM70の影響による入力直流電源の電圧変動を平滑化する3個の電解コンデンサ74と、が設けられている。
【0027】
前記IPM70の交流側には、IPM70のAC端子とAC電源出力端子部75のAC端子間を接続する6枚(6相に対応)のACバスバー76と、複合電流による6相交流を複軸多層モータMに出力するAC電源出力端子部75と、が設けられている。なお、インバータアッパーケース30内の余裕スペースである右下領域には、低圧駆動の車載のポンプモータ用インバータ90やインバータ駆動のCUPボードが設置されている。なお、インバータアッパーケース30の上面には、アッパーカバー31が全体を覆って固定されている。また、インバータアッパーケース30の底面には、インバータロワケース50とロワカバー51が固定されている。
【0028】
よって、上記複軸多層モータMのU相コイル、V相コイル、W相コイル、U'相コイル、V'相コイル、W'相コイルに複合電流を印加する場合、DC電源引き込み端子部71において、バッテリ17からの直流電源を、第1DCバスバー72a,72b及び第2DCバスバー73a,73bを介してIPM70に入力し、IPM70において、入力した直流電流を複合電流による6相交流に変換し、IPM70からの複合電流による6相交流をACバスバー76及びAC電源出力端子部75を介して出力することによりなされる。
【0029】
前記3個の電解コンデンサ74と、6個のIPM70と、ポンプモータ用インバータ90との冷却は、図6及び図7に示すように、インバータアッパーケース30に形成されたコンデンサ冷却水路32とIPM冷却水路33とインバータ冷却水路34に冷却水を導く強制水冷により行われる。各冷却水路32,33,34は、図8に示すように、インバータアッパーケース30に対し水密性を保ちながら固定されたインバータロワケース50に形成されたロワケース給水路52とロワケース排水路53とに連通し、前記ロワケース給水路52に給水管54が接続され、前記ロワケース排水路53に排水管55が接続される。
【0030】
冷却作用は、給水管54からロワケース給水路52を介して各冷却水路32,33,34に冷却水が供給されることで、3個の電解コンデンサ74で発生した熱を奪って冷却し、6個のIPM70で発生した熱を奪って冷却し、ポンプモータ用インバータ90で発生した熱を奪って冷却する。そして、加熱された冷却水は、ロワケース排水路53に集められ、排水管55から排出される。
【0031】
以下、第1実施例のインバータ装置Iが備えた特徴点のそれぞれについて、構成と作用と効果を詳細に説明する。
【0032】
[IPM電源側構造]
まず、構成を説明する。
【0033】
前記IPM70の電源側には、図5及び図6に示すように、前記DC電源引き込み端子部71とIPM70のDC端子の間に3個の電解コンデンサ74を設置し、前記DC電源引き込み端子部71と前記3個の電解コンデンサ74と前記IPM70のDC端子とを、第1DCバスバー72a,72b及び第2DCバスバー73a,73bにて結合させている。
【0034】
そして、IPM70及び電解コンデンサ74は、縦平面上にIPM70を設置し、横平面上に電解コンデンサ74を設置するというように、互いに直交する別の平面上に設置されている。
【0035】
さらに、前記DC電源引き込み端子部71からIPM70のDC端子の間に設置された電解コンデンサ74は、DC電源引き込み端子部71側の第1DCバスバー72a,72bに結合されている。そして、DCバスバーを構成する第1DCバスバー72a,72bと第2DCバスバー73a,73bとは、図5に示すように、直交するように連結され、両バスバー72a,73aの連結部にはボルト・ナット77aが設けられ、両バスバー72b,73bの連結部にはボルト・ナット77bが設けられ、ボルト・ナット77a,77bにより切り離しができるように構成されている。
【0036】
次に、作用を説明する。
【0037】
複軸多層モータMのような複合電流で駆動される回転電機をインバータ装置により駆動する際、IPMには複合電流が通電される。この複合電流は平均値の低減によってインバータ効率には有利であるが、ピーク電流が大きくなり、図9に示すように、IPMのターンオフ時に生ずるサージ電圧も大きくなる。
【0038】
大きなサージ電圧が発生することにより、車載されたラジオなどの受信機器をはじめその他の電子部品にノイズとして表れ、誤動作を招く。このために、IPMから発生したノイズはインバータ外部へ漏らさないようにするべきである。
【0039】
これに対し、図5及び図6に示す第1実施例では、DC電源引き込み端子部71とIPM70のDC端子の間に3個の電解コンデンサ74を設置してあり、これによりIPM70で発生したノイズを減衰してインバータ装置Iから出すことができる。
【0040】
すなわち、図10(a)には第1実施例のIPM電源側構造の等価回路を示し、図10(b)には図10(a)と比較して電解コンデンサをIPMに近い位置に設置した場合のIPM電源側構造の等価回路を示す。
この図10(b)の等価回路では、ノイズ源に対してRCフィルタを形成しており、高周波域での減衰率は-20[db/dec]である。一方、図10(a) の等価回路では、ノイズ源に対してLCフィルタを構成しており、高周波域で-40[db/dec]の減衰率を持ち、図10(a)の方がより大きくノイズを減衰できる。
【0041】
第1実施例のIPM電源側構造では、IPM70及び電解コンデンサ74は、インバータアッパーケース30の底面に対して3次元的に交わることなく別の空間に設置されており、電解コンデンサ74の冷却スペースを設けることが可能である。これは耐リップル量の小さな電解コンデンサを用いた場合でも冷却を積極的に行うことで温度上昇を抑えることができ、長寿命化に大きく寄与する。
【0042】
第1実施例のIPM電源側構造では、電解コンデンサ74が接続される第1DCバスバー72a,72bと、IPM70が接続される第2DCバスバー73a,73bが、ボルト・ナット77a,77bによって切り離せる構造になっている。これにより、第2DCバスバー73a,73b及び第2DCバスバー73a,73bのモジュールの絶縁耐圧評価が可能となり、不具合発生時により短期間で原因究明を行うことに寄与できる。
【0043】
第1実施例のIPM電源側構造では、第1DCバスバー72a,72bと第2DCバスバー73a,73bが直交しているため、お互いにバスバーを流れる電流による電磁ノイズを低減できる。
すなわち、図11(a)には第1実施例のIPM電源側構造のように直交して2つのDCバスバーを設定した場合のバスバー電流による磁束を示し、図11(b)には平行に2つのDCバスバーを設定した場合のバスバー電流による磁束を示す。図11(b)では、お互いのDCバスバーを通電している電流による磁束が鎖交してしまい、容易に相手のDCバスバーに電圧を発生させてしまう。一方、図11(a)では電流の向きに対して電圧を発生することがないため、お互いの電磁ノイズを軽減できる。
【0044】
次に、効果を説明する。
以上説明したように、第1実施例のIPM電源側構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【0045】
(1)バッテリ17からのDC電源引き込み端子部71と、電解コンデンサ74と、IPM70のDC端子と、を第1DCバスバー72a,72b及び第2DCバスバー73a,73bによりシリーズに接続するようにしたため、両DCバスバー72,73のインダクタンス及び電解コンデンサ74のフィルタ作用でIPM70のターンオフ時に生じるサージ電圧の原因となる電流変化を抑制することができる。また、通常使用されるラジオノイズ低減のためのフィルタ容量を削減できコスト低減にも寄与する。
【0046】
(2)インバータアッパーケース30上において、IPM70を設定したパワーモジュール領域と、電解コンデンサ74を設定したコンデンサ領域とを異なる平面上に設定したため、電解コンデンサ74の強制冷却を行うことができる。従って、低リップルの容積の小さな電解コンデンサ74でも冷却により性能を満足できる。これによりコスト低減に寄与する。
【0047】
(3)電解コンデンサ74を結合する第1DCバスバー72a,72bと、IPM70を結合する第2DCバスバー73a,73bを切り離しができるようにしたため、インバータ性能である絶縁、耐圧を評価する際にそれぞれモジュール単位で行うことが可能である。この結果、故障や整備上のチェックに要する時間を削減できる。
【0048】
(4)複数の電解コンデンサ74を接続している第1DCバスバー72a,72b及び複数のIPM70を接続している第2DCバスバー73a,73bをお互いに直交して設置したため、第1DCバスバー72a,72bに流れる電流による電磁ノイズと、第2DCバスバー73a,73bに流れる電磁ノイズをお互いに軽減することができる。
【0049】
[電解コンデンサ冷却構造]
まず、構成を説明する。
【0050】
前記電解コンデンサ74は、図5及び図6に示すように、コンデンサ側面及びコンデンサ底面に相似な形を有する3個のコンデンサ挿入溝35をインバータアッパーケース30に形成し、該コンデンサ挿入溝35に電解コンデンサ74の端子74a,74bを上面にして入れることで設定される。なお、電解コンデンサ74の外周面及びコンデンサ挿入溝35の溝面との間に形成される空間には、シリコングリスなどの空気層を埋めるものを入れて伝熱性能を上げている。
【0051】
そして、前記コンデンサ挿入溝35の外周部に、図6及び図8に示すように、連なる3個のコンデンサ側面形状に沿ってコンデンサ冷却水路32を形成し、該コンデンサ冷却水路32に冷却水(冷媒)を流すことで側面から電解コンデンサ74を冷却するようにしている。
【0052】
前記電解コンデンサ74は、図5に示すように、+端子74aと−端子74bの配列方向を、第1DCバスバー72a,72bを通電する電流の方向に対し垂直方向に設定している。そして、一方の第1DCバスバー72aに+端子74aのみを接続し、他方の第1DCバスバー72bに−端子74bのみを接続することで、+端子74aと−端子74bを、第1DCバスバー72a,72bの電流方向に平行な直線上に並べて配置している。
【0053】
次に、作用を説明する。
【0054】
電解コンデンサ74の冷却は、図8に示すように、ロワケース給水路52に連通するコンデンサ給水口56から冷却水を導入し、3個のコンデンサ側面形状に沿うコンデンサ冷却水路32を冷却水が流れ、ロワケース排水路53に連通するコンデンサ排水口57から冷却水を排出することで側面冷却がなされる。また、連なる3個の電解コンデンサ74の底面位置には、図6に示すように、ロワケース排水路53が配置されることで、ロワケース排水路53(底面冷却水路)の冷却水により電解コンデンサ74の底面冷却も同時に行われる。
【0055】
一般にインバータ装置に使用される電解コンデンサ74は、図12に示すように、+端子74aと、−端子74bと、防爆穴74cと、ゴムパッキン74dと、ベークライト74e、ペースト状電解液74fと、絶縁紙74gと、酸化皮膜74hと、を有する構造である。
【0056】
電解コンデンサ74については、温度が10[度]上昇すると、寿命が半減すると言われており、インバータ装置Iの寿命を決定づける大きな要因である。
【0057】
これに対し、第1実施例の電解コンデンサ冷却構造では、電解コンデンサ74を、両端子74a,74bを上部にしてインバータアッパーケース30に設けられたコンデンサ挿入溝35に挿入すると、上記のように、電解コンデンサ74の側面及び底面の両方から冷却水により冷却されることで、高い冷却効果が見込まれる。
【0058】
また、電解コンデンサ74の固定に関しては、インバータアッパーケース30に設けられたコンデンサ挿入溝35に挿入することに加え、図13に示す部位にバンド74iを設けてインバータアッパーケース30に固定している。これにより大きな加速度入力に対しても十分な固定力が得られる。また、図13に巻かれたバンド74iは、図12に示した電解コンデンサ74の構造から、ゴムパッキン74d及びベークライト74eの存在する部位であるために、この部分まで冷却する必要は無く、従って、両端子74a,74bを上面にしたことで、インバータアッパーケース30に形成されたコンデンサ挿入溝35の高さを低くでき、材料コスト及び重量の面で有利である。
【0059】
第1実施例の電解コンデンサ冷却構造では、+端子74aと−端子74bの配列方向を、第1DCバスバー72a,72bを通電する電流の方向に対し垂直方向に設定している。これにより、第1DCバスバー72a,72bの至る所でプラス側電流とマイナス側電流による磁束をキャンセルできることになり、これにより第1DCバスバー72a,72b自体の相互インダクタンスが軽減され、電磁ノイズの影響を軽減できる。
【0060】
第1実施例の電解コンデンサ冷却構造では、片方には必ず同極の端子を配列したことで、電流経路を最短にすることでき、自己インダクタンスを低減できる。加えて、作業性の向上が見込まれる。
【0061】
さらに、第1実施例の電解コンデンサ冷却構造では、両端子74a,74bを上部に設けたこと、及び、電解コンデンサ74の両端子74a,74bを上記のようにバスバー電流に対して直交し、かつ、同列には同極の端子を設けた構造により、サージ電圧を低減できると共に、発生した熱を効果的に除去できる。従って、低リップル容量で、ESR(等価直列抵抗)の大きな、即ち、安価な電解コンデンサ74でも適用できる。
【0062】
次に、効果を説明する。
以上説明したように、第1実施例の電解コンデンサ冷却構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【0063】
(1)電解コンデンサ74の側面を強制水冷により冷却するようにしたため、小さな電流リップル容量でも温度上昇を招くことなく、即ち長い寿命で使用できる。また、コンデンサ端子部を上部に出しており、この部分にはゴムパッキン74d、ベークライト74e、両端子74a,74bがあるため冷却の必要は無いことで冷却筒となるコンデンサ挿入溝35の高さを短くできる。
【0064】
(2)電解コンデンサ74の側面冷却と同時に、電解コンデンサ74の底面も冷却するようにしたため、電解コンデンサ74の高い冷却効果を達成することができる。
【0065】
(3)バスバー電流に対して電解コンデンサ74の両端子74a,74bの方向を垂直方向に配置したため、電流の方向を均一にでき、+,−でキャンセルでき、インダクタンスを小さく維持できる。
【0066】
(4)片側のみに同極端子を配置しているため、電流密度分布を一様にすることが可能で、上記(2)と同様に、インダクタンスの低減を図れる。また、通常の電解コンデンサ74を使用するために同一極を同じ位置にすることで誤接続を回避できる。
【0067】
[フィルムコンデンサ配置構造]
まず、構成を説明する。
【0068】
第1実施例のインバータ装置Iでは、上記のように、第1DCバスバー72a,72bに3個の電解コンデンサ74を設けたことに加え、第2DCバスバー73a,73bのIPM70側連結部に、フィルムコンデンサ78を設けた。
【0069】
このフィルムコンデンサ78は、図14に示すように、薄板状バスバー79,80に予め半田付けされたものを、正負の積層された第2DCバスバー73a,73bと共に、前記IPM70の端子部に、ボルト81により共締めにて固定されている。
【0070】
すなわち、垂直配置したIPM70が、端子を内側,放熱面を外側となるように配置され、IPM70の正負の直流給電端子部70a,70bには、積層されたU字型の第2DCバスバー73a,73bが設けられている。この第2DCバスバー73a,73bのIPM70の正負の直流給電端子部70a,70bに、フィルムコンデンサ78が薄板状バスバー79,80に予め半田付けされたフィルムコンデンサアッセンブリ(図15)が、積層されたU字型の第2DCバスバー73a,73bと共に固定されている。
【0071】
前記フィルムコンデンサアッセンブリは、図15に示すように、正の第2DCバスバー73aと共締めされる導電性の薄板状バスバー79と、負の第2DCバスバー73bと共締めされる導電性の薄板状バスバー80と、複数のフィルムコンデンサ78からなり、正負の導電性の薄板状バスバー79,80には、フィルムコンデンサ78の半田付け性を良くするために、端子状の形状による端子状部79a,80aを成形してあり、該端子状部79a,80aにフィルムコンデンサ78の端子を半田付けする構成となっている。なお、半田付けを圧着にすることも可能であることはいうまでもない。
【0072】
次に、作用を説明する。
【0073】
入力直流電源の電圧変動を平滑化するために、電解コンデンサ74のみを搭載した場合、IPM70でのスイッチングがあまりに高周波になると、電解コンデンサ74はただの抵抗要素となってしまい、入力直流電源電圧の平滑化が不可能となる。つまり、電解コンデンサ74の周波数特性によってスイッチング周波数帯の上限が限られてしまう。
【0074】
これに対し、第1実施例のフィルムコンデンサ配置構造では、電解コンデンサ74よりも周波数特性の良いフィルムコンデンサ78を電解コンデンサ74と併用することにより、電解コンデンサ74の対応しきれない高周波域での入力直流電源電圧の平滑化を可能とし、上記の問題を解決できる。
【0075】
しかし、一般にフィルムコンデンサ78は容量が小さく、端子を半田付けにて接続する小型のものが多く、大電流に対応するために断面積を大きく取った正負の第2DCバスバー73a,73bに半田付けにて取り付けるには、第2DCバスバー73a,73bに半田付け用の突起を設ける等しなければならない。
【0076】
そこで、周波数特性の良いフィルムコンデンサ78を、半田付け性のよい正負の薄板状バスバー79,80にあらかじめ多数取り付けてフィルムコンデンサアッセンブリとし、該フィルムコンデサアッセンブリを給電用の正負の積層された第2DCバスバー73a,73bと共に、IPM70にボルト81により共締め固定することにより、IPM70の正負の直流給電端子部70a,70bの直近にフィルムコンデンサ78を多数配置できる構造としている。
【0077】
このように、電解コンデンサ74と共にフィルムコンデンサ78により入力直流電圧の平滑を行うことにより、図16に示すように、電解コンデンサ74が対応しきれない高周波域でのスイッチング時の入力直流電圧の平滑には、フィルムコンデンサ78が対応できるため、従来よりも高周波スイッチング時でも入力直流電圧の安定化を図ることができる。
【0078】
次に、効果を説明する。
以上説明したように、第1実施例のフィルムコンデンサ配置構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【0079】
(1)あまり高周波には対応できないが大容量である電解コンデンサ74と、容量は小さいが周波数特性の優れたフィルムコンデンサ78を併用するため、従来よりも高周波域での高速スイッチング状態であっても、入力直流電源電圧を安定させることができる。
【0080】
(2)半田付け性の良い薄板状バスバー79,80に予めフィルムコンデンサ78を半田付けしてアッセンブリ化し、該アッセンブリを第2DCバスバー73a,73bと共にIPM70の正負の直流給電端子部70a,70bにボルト81により共締めする構造としたため、給電用のDCバスバーに半田付け用の突起等を造作することなく、容易に多数のフィルムコンデンサ78をIPM70の直流給電端子部70a,70bの付近に設置することができる。
【0081】
[IPM70縦置き構造]
まず、構成を説明する。
【0082】
前記6個のIPM70は、図17に示すように、3個のIPM70と3個のIPM70とが対向配置され、該IPM70へ直流電流を給電する正負一対の積層された第2DCバスバー73a,73bは、各IPM70の直流給電端子部70a,70bで囲まれた領域を埋めるような広い面形状をしている。
【0083】
前記6個のIPM70は、冷却面70cを外に向けるように略垂直に配置され、該IPM70へ直流電流を給電する正負一対の積層された第2DCバスバー73a,73bは、広い面形状の両端周縁部を略垂直に起立してIPM70に接続することで、第2DCバスバー73a,73bの断面形状は、図18に示すように、U字形状としている。
【0084】
前記IPM70を垂直に対向配置した場合に、該IPM70を固定する面は片方がインバータアッパーケース30のケース外壁部30aに、もう片方はケース内部の縦壁部30bに設けられ、そこに前記IPM70を固定する上部ボルト穴30cと下部ボルト穴30dは、図19に示すように、ケース外壁部30aから内側の縦壁部30bまで貫通加工にて設けられる。
【0085】
次に、作用を説明する。
【0086】
例えば、直流電流供給バスバーとして、電解コンデンサ付近は面形状をしているが、IPM端子付近は細いバー状とした場合、電源から距離が離れるに従って直流電流供給バスバーにおけるインダクタンスが大きくなり、直流電源系における電気的特性においてもスイッチングモジュールの増設には不向きである。
【0087】
そこで、IPMの冷却面を立体的に配置して部品集積率をあげ、インバータ装置の平面投影面積を抑えつつ、IPMの増設を可能とする構造とすると、IPMを冷却する面も立体的にしなければならず、各IPMの電気的接続方法や、インバータケースへの固定法およびケース冷却面の加工が難しくなり、生産コストが高くなる。
【0088】
これに対し、第1実施例のIPM縦置き構造では、電気的特性に優れ、製造時の作業性も良く、かつ、IPM70の立体的な配置を可能とできるインバータ装置Iの構成を提供することができる。
【0089】
まず、IPM70へ直流電流を給電する正負一対の積層された第2DCバスバー73a,73bの形状を、広い面によるU字状断面による形状としたため、直流電源からIPM70までの電流の経路が面で構成され、距離も短いため、低インダクタンスを実現できる。
【0090】
すなわち、各IPM70に直流電流を供給する正負の積層されたDCバスバーは、直流電源接続部の第1DCバスバー72a,72bはバー形状で、IPM70への接続部の第2DCバスバー73a,73bは広い面状となっており、広い面状部分が積層されていることにより、直流バスバーである第2DCバスバー73a,73b自体にコンダクタンスが得られる。また、直流電源から各IPM70までの電流経路の距離は可能な限り差が無いようになり、また、各IPM70の各端子間の距離もほぼ等しくできることで、直流電源からIPM70までの第2DCバスバー73a,73bのインダクタンスを低減できる。
【0091】
このように、インダクタンスを小さくすることができるため、IPM70のスイッチング時に発生する直流電流の電圧変動を低く抑えることが可能になる。さらに、正負の積層された第2DCバスバー73a,73b自体が立体的な構造となることで、IPM70を接続する部分を立体的にできるため、低インダクタンスの実現という電気的特性を保持したまま、IPM70の立体的な配置が可能となる。
【0092】
また、インバータアッパーケース30に略垂直のIPM冷却面が設置された場合に、ケース内側に設ける縦壁部30bの冷却面にIPM70のボルト穴30c,30dを施工しなければならないが、部品集積率を向上させるため、ケース外壁部30cの冷却面30eと縦壁部30bの冷却面30fの間隔は狭く、また、縦壁部30bの冷却面30fの背面側もインバータアッパーケース30の可能な限り省スペース化を図る目的で、穴あけ工具が使用できるほどのスペースを設けていないため縦壁部30bの冷却面30fへの穴あけ加工が困難である。
【0093】
これに対し、インバータアッパーケース30の外側から穴あけ工具を用いて、ケース外壁部30aと内側の縦壁部30bとを貫通する穴あけ加工を設けることにより、IPM70を固定する上部ボルト穴30cと下部ボルト穴30dが一括して設定され、この問題を解決することができる。
【0094】
次に、効果を説明する。
以上説明したように、第1実施例のIPM縦置き構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【0095】
(1)3個のIPM70,70,70と3個のIPM70,70,70とを対向配置し、該IPM70へ直流電流を給電する正負一対の積層された第2DCバスバー73a,73bを、各IPM70の直流給電端子部70a,70bで囲まれた領域を埋めるような広い面形状としたため、電気的特性に優れ、製造時の作業性も良く、かつ、IPM70の立体的な配置を可能とすることができる。
【0096】
(2)IPM70へ直流電流を給電する正負一対の積層された第2DCバスバー73a,73bの断面形状を、広い面形状の両端周縁部を略垂直に起立したU字形状としたため、高い電気的特性を保持したままIPM70を立体的に配置することができる。
【0097】
(3)垂直に対向配置されるIPM70を固定する上部ボルト穴30cと下部ボルト穴30dを、ケース外壁部30aから内側の縦壁部30bまで貫通加工にて設けたため、インバータアッパーケース30の可能な限り省スペース化を図りながら、容易にIPM固定用の上部ボルト穴30cと下部ボルト穴30dを加工することができる。
【0098】
[IPM冷却構造]
まず、構成を説明する。
【0099】
IPM冷却構造は、図7に示すように、インバータ装置Iのインバータアッパーケース30及びインバータロワケース50の内部に機械的接合部を設けないで、垂直方向に通水するIPM冷却水路33が構成されており、IPM70を垂直に配置している。
【0100】
前記IPM冷却水路33は、図20及び図21に示すように、インバータアッパーケース30に設けられたケース外壁部30aと内側の縦壁部30bに扁平四角錐による鋳物形状に成形され、該IPM冷却水路33の内部にインバータアッパーケース30とは別体の仕切り板36が設置されている。そして、図8に示すように、ケース底部の各IPM給水路37から冷却水の給水を行い、ケース底部の各排水路38から冷却水の排水を行う構造となっている。
【0101】
前記IPM冷却水路33は、図8に示すように、前記インバータアッパーケース30内に6個設置され、インバータアッパーケース30の下側に設置されるインバータロワケース59のロワケース給水路52から冷却水を並列に分配して通水される構成となっている。なお、このロワケース給水路52と各IPM冷却水路33の給水路37と連通する給水口39は、それぞれ内径を規定したオリフィス口とされ、冷却水量を計量し並列に分配して通水する。なお、図8において、40はロワケース排水路53と各IPM冷却水路33の排水路38と連通する排水口である。
【0102】
前記IPM冷却水路33を擁するケース外壁部30a及び縦壁部30bと、インバータアッパーケース30の外壁とが交わる部分の隅には、図22に示すように、IPM冷却面30e,30fの面加工時の工具半径による隅肉残りが無くなるように鋳物形状で肉抜き部30g,30h(逃げ)を設けている。
【0103】
前記IPM冷却水路33は、図21に示すように、インバータアッパーケース30の底面から垂直に立ち上がる形状で、前記IPM70が取り付けられるIPM冷却面30e,30f側に底面側から途中の高さまで水路に平行となる2条の凸リブ33a,33bを設け、該2条の凸リブ33a,33bに挟まれたリブ溝33cに仕切り板36を固定している。
【0104】
前記仕切り板36は、図23に示すように、仕切り板36の先端部を一方に曲げた先端曲げ部36aを設け、インバータアッパーケース30の凸リブ33a,33bに接する側の辺に設けた曲げによる錨状突起部36b及び前記錨状突起部36bの反対側の辺にT字状の張り出し部36cを設け、仕切り板36をリブ溝33cに差し込むだけで、IPM冷却水路33に容易に固定できるようにしている。
【0105】
次に、作用を説明する。
【0106】
例えば、冷却面を複数の垂直面として発熱部品を立体的に配置することで発熱部品の設置容積を縮小する場合、単純に垂直方向の冷却水路に底面から給排水させる構造では、水路上部まで冷却水の対流を得ることが難しく、十分な冷却効果を期待できない。
【0107】
これに対し、第1実施例では、仕切り板36により上部まで冷却水の対流をさせることができる垂直型のIPM冷却構造とすることで、冷却面を複数の垂直面として発熱部品であるIPM70を立体的に配置しながら、十分なIPM冷却効果を達成することができる。
【0108】
すなわち、外部の冷却水路からインバータロワケース30の給水管54を介してロワケース給水路52に供給された冷却水は、ロワケース給水路52から各給水口39に分配され、各給水口39からインバータアッパーケース30の各給水路37を経過し、仕切り板36により逆U字状に形成されたIPM冷却水路33の一方の通路を上昇し、上部の隙間を通って他方の通路を下降することで、確実に水路上部まで対流し、発熱部品であるIPM70を冷却する。そして、インバータアッパーケース30の各排水路38を経過し、各排水口40からインバータロワケース50のロワケース排水路53に集合し、ロワケース排水路53から配水管55を経過し、再び外部の冷却水路に還流される。
【0109】
これにより、発熱部品であるIPM70の垂直配置が可能となり、インバータアッパーケース30及びインバータロワケース50の底部面積を広げることなく、発熱部品であるIPM70の搭載数量を増やすことができる。
【0110】
また、インバータアッパーケース30のIPM冷却面30e,30fとケース外壁の交点部には、鋳物形状で肉抜き部30g、30h(逃げ)を設定したことにより、部品集積率を上げることができる。
【0111】
また、インバータアッパーケース30には、IPM冷却水路33を構成する部品同士の接合面(合せ面)が無いため、強電部に冷却水が接触することによって起こる短絡事故を防止でき、加えて、冷却水路全体の部品点数が少なく、組立ても容易であるため、生産コストを抑えることができる。
【0112】
次に、効果を説明する。
以上説明したように、第1実施例のIPM冷却構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【0113】
(1)IPM冷却構造は、インバータ装置Iのインバータアッパーケース30及びインバータロワケース50の内部に機械的接合部を設けないで、垂直方向に通水し、垂直型のIPM冷却水路33の上部まで冷却水を対流させることができるように構成しているため、IPM冷却面30e,30fを複数設置でき、且つ、IPM冷却面30e,30fが垂直であるため発熱体となるIPM70を垂直配置でき、部品集積率が上げられインバータアッパーケース30の底部の面積を広げることなく冷却面積を広げられる。この結果、車両への搭載性を損なわずにIPM70の搭載数を増やすことができる。また、水気を嫌う強電部品を収納する空間と、冷却水を循環させるIPM冷却水路33が、鋳物により完全に分離されている構造なので、強電部品への冷却水の接触を防ぐことができる。
【0114】
(2)鋳物形状によるIPM冷却水路33の内部に仕切り板36を設置したため、IPM冷却水路33と仕切り板36との組み合わせという簡単な構成でありながら、垂直型のIPM冷却水路33の上部まで冷却水を対流させることができる。
【0115】
(3)発熱部品であるIPM70に対して個別に分割してIPM冷却水路33を設置し、各々のIPM冷却水路33に必要な冷却性能に応じて冷却水量を分配する並列回路構成としたため、6個のIPM70をばらつき無く均等に冷却することができる。
【0116】
(4)インバータロワケース50の給水口39を、各々のIPM冷却水路33に必要な冷却性能に応じて冷却水量を計量するオリフィス口に設定したため、分配する6個のIPM70に対して効率よく適正な冷却性能を確保できる。
【0117】
(5)インバータアッパーケース30のIPM冷却面30e,30fとケース外壁の交点部には、鋳物形状で肉抜き部30g,30h(逃げ)を設定したため、IPM冷却面30e,30fの面加工をするだけでケース外壁の直近まで寄せてIPM70を配置でき、鋳物形状の隅Rにより生じるデッドスペースを無くし、部品集積率を上げることができる。
【0118】
(6)IPM冷却水路33は、鋳物形状でリブ溝33cを設ける構造なので、特に加工を要することなく、内部に設置する仕切り板36の固定が可能であり、また、リブ溝33cを発熱体となるIPM冷却面30e,30f側に成形するので、冷却水との接触面積が広がり、冷却効率を上げることができる。
【0119】
(7)鋳物形状に合わせて設けた仕切り板36の錨状突起部36b及び先端曲げ部36aが、仕切り板36の材質が有するばね性により、差し込むだけで嵌合し、また、IPM冷却水路33が鋳物形状で成形されることにより発生する抜き勾配と、クサビ型による仕切り板36の形状によって差し込み過ぎて、水路上部の隙間がなくなることを防げる構造となっているため、ネジやかしめや溶接や接着等の締結措置をすることなく、IPM冷却水路33の上部に隙間を残すように仕切り板36を固定することができる。
【0120】
[スイッチングルーム構造]
まず、構成を説明する。
【0121】
第1実施例のスイッチングルーム構造は、図24及び図25に示すように、高電圧回路であるIPM70と、低電圧回路であるIPM駆動回路基板82とを分離し、遮磁シールドを挟んで至近距離に配置した。そして、前記遮磁シールドとなる鉄板は、図26(a)に示す枠形状をしたベース部材83と、図26(b)に示す制御線84を通す隙間を残して前記ベース部材83の開口部を塞ぐ蓋状のカバー部材85と、により構成され、該カバー部材85にIPM駆動基板82が設置されている。
【0122】
ベース部材83は、図26(a)に示すように、開口部83aは制御線84と接触しても制御線84を傷つけぬようにヘミング加工したヘミング加工部83bを形成している。また、ベース部材83の剛性を保つため、インバータアッパーケース30のIPM冷却面30e,30fを渡る方向の両端を略垂直に曲げた曲げ部83cを形成している。
【0123】
カバー部材85は、図26(b)に示すように、ベース部材83と合わされた時に制御線84を通す穴を形成する辺部分をヘミング加工したヘミング加工部85aを形成していて、制御線84と接触しても制御線84を傷つけぬようにしてある。
【0124】
次に、作用を説明する。
【0125】
上記スイッチングルーム構造は、インバータアッパーケース30に、IPM70及び第1DCバスバー72a,72b、第2DCバスバー73a,73b、ACバスバー76、電解コンデンサ74等が組み込まれ、IPM70にIPM駆動回路基板82へ接続する制御線84が取り付けられた後に、ベース部材83がインバータアッパーケース30のケース外壁部30aと縦壁部30bの上面位置に固定され、IPM駆動回路基板82を一体に有するカバー部材85は、カバー部材85の切欠き状の部分に制御線84が配置されるようにしてベース部材83に固定され、最後に制御線84をIPM駆動回路基板82に接続する順番で組み立てられる。
【0126】
例えば、高電圧回路であるIPM70と、低電圧回路であるIPM駆動回路基板82とを至近距離に配置した場合、IPM70のピーク電流が大きくなると電圧変化に伴うサージ電圧が発生しやすく、該サージ電圧が外部回路へ流出した場合に、インバータ装置I内の低電圧回路であるIPM駆動回路基板82や車載された電子機器にノイズがのり、誤作動してしまう。
【0127】
これに対し、第1実施例のスイッチングルーム構造は、ノイズの発生源であるIPM70を、ノイズにより誤作動をする可能性のあるIPM駆動回路基板82やその他の電子機器から電磁的に隔離しているため、IPM駆動回路基板82や車載の電子機器に安定動作と、IPM70におけるピーク電流の増大やスイッチングの高速化を両立できる。
【0128】
また、高電圧回路であるIPM70と、低電圧回路であるIPM駆動回路基板82とを分離し、遮磁シールドを挟んで至近距離に配置したため、ノイズ発生源であるIPM70とノイズの影響で誤作動しやすいIPM駆動回路基板82との部品集積率が上がり、インバータ装置Iを小型化できる。
【0129】
また、IPM70とIPM駆動回路基板82との間の制御線84を短くできるので、制御線84が受けるノイズの影響も低減することができる。加えて、ヘミング加工により制御線84の周りは、シールドとなる板材が積層された形となるため、ノイズの遮蔽性が向上する。さらに加えて、ベース部材83とカバー部材85が重なった状態において、制御線84を通す穴部分は全周がヘミング加工となっているので、エンジンの回転や車両の走行による振動で制御線84がシールド部品(ベース部材83及びカバー部材85)に接触しても制御線84を傷つけることがない。
【0130】
次に、効果を説明する。
以上説明したように、第1実施例のスイッチングルーム構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【0131】
(1)高電圧回路であるIPM70と、低電圧回路であるIPM駆動回路基板82とを分離し、遮磁シールドを挟んで至近距離に配置したため、IPM駆動回路基板82や車載の電子機器に安定動作と、IPM70におけるピーク電流の増大やスイッチングの高速化を両立できる。加えて、部品集積率が上がり、インバータ装置Iを小型化できる。さらに、IPM70とIPM駆動回路基板82との間の制御線84の高電圧回路にさらされる距離を短くできるので、制御線84が受けるノイズの影響も低減することができる。
【0132】
(2)ヘミング加工により制御線84の周りは、シールドとなる板材が積層された形となり、ベース部材83とカバー部材85が重なった状態において、制御線84を通す穴部分は全周がヘミング加工となっているため、ノイズの遮蔽性が向上すると共に、エンジンの回転や車両の走行による振動で制御線84を傷つけることがない。
【0133】
(3)シールド部品であるカバー部材85がIPM駆動回路基板82を固定するブラケットを兼ているため、IPM70とIPM駆動回路基板82とをノイズを遮断しつつ至近距離に配置するという構造を、少ない部品点数で実現でき、コスト低減に寄与できる。
【0134】
以上、本発明を第1実施例に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この第1実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【0135】
例えば、第1実施例では、モータとして2ロータ・1ステータによる三層の複軸多層モータに適用したインバータ装置の例を示したが、1ロータ・1ステータによる2つの独立した同期モータやその他のモータのインバータ装置としても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例のインバータ装置Iが適用されたパラレル型のハイブリッドシステムの全体図である。
【図2】第1実施例のインバータ装置Iにて変換される複合電流による6相交流の一例を示す図である。
【図3】第1実施例のインバータ装置Iが適用されたハイブリッドシステムの複軸多層モータMを示す縦断側面図である。
【図4】第1実施例のインバータ装置Iから複軸多層モータMのステータSへのコイル給電構造をギヤ室側から視た図である。
【図5】第1実施例のインバータ装置Iの全体平面図である。
【図6】第1実施例の図5のA−A線によるインバータ装置Iの全体断面図である。
【図7】第1実施例の図5のB−B線によるインバータ装置Iの全体断面図である。
【図8】第1実施例のインバータ装置Iのインバータロワケースを示す底面図である。
【図9】第1実施例のインバータ装置Iにおいてターンオフ時のサージ電圧特性を示す図である。
【図10】図10(a)は第1実施例のIPM電源側構造の等価回路を示す図であり、図10(b)は第1実施例のIPM電源側構造と比較して電解コンデンサをパワーモジュールに近い位置に設置した場合のIPM電源側構造の等価回路を示す図である。
【図11】図11(a)は2つのDCバスバーを直交して配置した第1実施例のIPM電源側でのバスバー電流による磁束を示す図であり、図11(b)は2つのDCバスバーを平行に配置した場合のバスバー電流による磁束を示す図である。
【図12】第1実施例の電解コンデンサ冷却構造が適用された電解コンデンサを示す断面図である。
【図13】第1実施例の電解コンデンサ冷却構造が適用された電解コンデンサの取付状態を示す図である。
【図14】第1実施例のフィルムコンデンサ配置構造を示す要部断面図である。
【図15】第1実施例のフィルムコンデンサ配置構造でのフィルムコンデンサアッセンブリを示す図である。
【図16】電解コンデンサとフィルムコンデンサとを併用した第1実施例のフィルムコンデンサ配置構造におけるスイッチング周波数に対するインピーダンス特性図である。
【図17】第1実施例のパワーモジュール縦置き構造を示す平面図である。
【図18】第1実施例のパワーモジュール縦置き構造を示す縦断面図である。
【図19】第1実施例のインバータ装置Iにおけるインバータアッパーケースのケース外壁部と縦壁部とのボルト穴を示す断面図である。
【図20】第1実施例のパワーモジュール冷却構造を示す断面図である。
【図21】第1実施例のパワーモジュール冷却構造におけるIPM冷却水路を示す一部切欠斜視図である。
【図22】第1実施例のパワーモジュール冷却構造におけるケース外壁と交わる部分の肉抜き部を示す平面図である。
【図23】第1実施例のパワーモジュール冷却構造における仕切り板を示す図である。
【図24】第1実施例のスイッチングルーム構造を示す要部断面図である。
【図25】第1実施例のスイッチングルーム構造を示す平面図である。
【図26】第1実施例のスイッチングルーム構造で採用されたベース部材及びカバー部材を示す平面図である。
【符号の説明】
M 複軸多層モータ(回転電機)
17 バッテリ
30 インバータアッパーケース(ケース)
32 コンデンサ冷却水路
35 コンデンサ挿入溝
52 ロワケース給水路
53 ロワケース排水路(底面冷却水路)
56 コンデンサ給水口
57 コンデンサ排水口
70 IPM(パワーモジュール)
71 DC電源引き込み端子部
72a,72b 第1DCバスバー
73a,73b 第2DCバスバー
74 電解コンデンサ
74a コンデンサ+端子
74b コンデンサ−端子
74c 防爆穴
74d ゴムパッキン
74e ベークライト
74f ペースト状電解液
74g 絶縁紙
74h 酸化皮膜
74i バンド[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention belongs to the technical field of an electrolytic capacitor cooling structure of an inverter device that is arranged between a battery as a DC power supply and a rotating electric machine driven by an AC current and performs mutual conversion between a DC current and an AC current.
[0002]
[Prior art]
In the conventional electrolytic capacitor cooling structure of an inverter device, an electrolytic capacitor is mounted on a case provided with a radiation fin, and the electrolytic capacitor is cooled by an air cooling function (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-14169 (FIG. 1).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional electrolytic capacitor cooling structure of the inverter device, since cooling is performed by natural air cooling or forced air cooling using a fan, the cooling performance is limited, and when a large ripple current flows for a long time, Heat is generated, which significantly reduces the life of the electrolytic capacitor. That is, in order to achieve compactness using a small electrolytic capacitor, active cooling is necessary from the viewpoint of the life of the capacitor.
[0005]
Furthermore, considering inverter devices on the premise of in-vehicle use, vibration countermeasures are indispensable, whereas conventionally, multiple electrolytic capacitors were fixed to the case with metal and bolts that bind together electrolytic capacitors. , There is a possibility of falling off during vibration input.
[0006]
The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned problem, and it is possible to reliably prevent the vibration input during the vehicle from being dropped, and to prevent a temperature rise even if a small electrolytic capacitor having a small current ripple capacity is used. Another object of the present invention is to provide a cooling structure for an electrolytic capacitor of an inverter device which can ensure a long life.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the electrolytic capacitor cooling structure of the present invention, a DC bus bar, a power module, and an electrolytic capacitor are disposed between a battery as a DC power supply and a rotating electric machine driven by an AC current. In the inverter device having in the
In the electrolytic capacitor, a capacitor insertion groove having a shape similar to the capacitor side surface and the capacitor bottom surface is formed in the case, the terminal of the electrolytic capacitor is inserted into the capacitor insertion groove with the upper surface, and an outer peripheral portion of the capacitor insertion groove is formed. A condenser cooling channel was formed along the side surface of the condenser.
[0008]
【The invention's effect】
Therefore, in the electrolytic capacitor cooling structure of the inverter device according to the present invention, since the electrolytic capacitor is attached to the capacitor insertion groove formed in the case, the cooling performance can be reliably prevented from dropping with respect to vibration input during vehicle mounting. Therefore, even if a small electrolytic capacitor having a small current ripple capacity is used, a long life can be secured without causing a temperature rise.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments for realizing the inverter device of the present invention will be described based on examples shown in the drawings.
[0010]
(First embodiment)
[Hybrid system]
FIG. 1 is an overall view of a parallel-type hybrid system to which the inverter device of the first embodiment is applied. In FIG. 1, E denotes an engine, M denotes a multi-axis multilayer motor (rotary electric machine), and G denotes a Ravigneaux-type compound planet. A gear train, D is a drive output mechanism, and I is an inverter device.
[0011]
The engine E is a main power source of the hybrid drive unit. The
[0012]
The multi-shaft multi-layer motor M is a single motor in appearance, but is a sub power source having two motor generator functions. The multi-axis multi-layer motor M is disposed in a motor chamber defined by a
[0013]
In this multi-shaft multi-layer motor M, since one stator S drives two rotors IR, OR, torque interference must not occur between the respective rotors IR, OR. It is mathematically known that when the frequency of the voltage and the current are different, their inner product becomes zero and no electric power is generated. This is also true of the current and the magnetic flux. Therefore, by changing the number of permanent magnets of each rotor IR, OR, the torque between each rotor IR, OR can be designed to be non-interfering. Also, by making the coil current a composite current, each rotor IR, OR can be controlled independently. As described above, in the multi-axis multilayer motor M of the first embodiment, a six-phase alternating current using a composite current is used as the coil current, the stator S has 18 coils, and the outer rotor OR has 6 pole pairs of permanent magnets. And a configuration in which the inner rotor IR has a three-pole pair of permanent magnets.
[0014]
The Ravigneaux-type compound planetary gear train G is a planetary gear mechanism having a continuously variable transmission function of continuously changing the transmission ratio by controlling the rotation speed of a power source. The Ravigneaux-type compound planetary gear train G is disposed in a gear chamber defined by the gear housing 3 and the front cover 4 and supports a first pinion P1 and a second pinion P2 meshing with each other, and a common carrier C, and a first pinion. Five rotation elements of a first sun gear S1 meshing with P1, a second sun gear S2 meshing with the second pinion P2, a first ring gear R1 meshing with the first pinion P1, and a second ring gear R2 meshing with the second pinion P2 are used. It is configured to have. A
[0015]
The drive output mechanism D is a mechanism from the
[0016]
The inverter device I converts a direct current of the
Here, “six-phase alternating current by composite current” means, as shown in FIG. 2, a current based on a frequency synchronized with the number of magnetic poles of the outer rotor OR (Current1) and a current based on a frequency synchronized with the number of magnetic poles of the inner rotor IR. (Current2) and the composite current, and the outer rotor OR shifts the phase by 120 degrees and the inner rotor IR shifts the phase by 60 degrees each in six phases (U phase, U 'phase, V phase, V phase). 'Phase, W phase, W' phase).
[0017]
The inverter device I generates a PWM signal in the motor controller 19 based on a command from the
Here, the "intelligent power module" refers to the miniaturization and low loss of switching elements, modularization of multiple elements in one package, and intelligentization including base (gate) drive circuits and protection functions. And a switching circuit that achieves this.
[0018]
[Coil power supply structure from inverter device to motor]
FIG. 3 is a vertical sectional side view showing the multi-shaft multilayer motor M, and FIG. 4 is a diagram showing a coil power supply structure from the inverter device I to the stator S viewed from the gear chamber side.
[0019]
The coil power supply structure for supplying the six-phase alternating current by the composite current from the inverter device I to the U-phase coil, the V-phase coil, the W-phase coil, the U'-phase coil, the V'-phase coil, and the W'-phase coil of the stator S is as follows. As shown in FIG. 3, a power
[0020]
As shown in FIG. 4, the power
[0021]
The bus bar radial laminated
[0022]
The
[0023]
The bus bar axial direction laminated
[0024]
[Overview of inverter device]
5 is an overall plan view of the inverter device I, FIG. 6 is an overall sectional view of the inverter device I taken along line AA in FIG. 5, and FIG. 7 is an overall sectional view of the inverter device I taken along line BB in FIG. 8 is a bottom view showing the inverter lower case of the inverter device I.
[0025]
As shown in FIG. 5, the inverter device I has an intelligent power module 70 (hereinafter, referred to as IPM 70) having a switching circuit for performing mutual conversion between a DC current and a composite current in a lower left area in the inverter upper case 30. )) Is provided. Six
[0026]
On the DC side of the
[0027]
On the AC side of the
[0028]
Therefore, when applying a composite current to the U-phase coil, the V-phase coil, the W-phase coil, the U′-phase coil, the V′-phase coil, and the W′-phase coil of the multi-axis multilayer motor M, the DC
[0029]
As shown in FIGS. 6 and 7, the three
[0030]
The cooling operation is performed by supplying cooling water from the
[0031]
Hereinafter, the configuration, operation, and effect of each of the feature points of the inverter device I of the first embodiment will be described in detail.
[0032]
[IPM power supply side structure]
First, the configuration will be described.
[0033]
As shown in FIGS. 5 and 6, on the power supply side of the
[0034]
The
[0035]
Further, an
[0036]
Next, the operation will be described.
[0037]
When a rotating electric machine driven by a composite current, such as a multi-axis multilayer motor M, is driven by the inverter device, the IPM is supplied with the composite current. Although this composite current is advantageous for inverter efficiency by reducing the average value, the peak current increases, and as shown in FIG. 9, the surge voltage generated when the IPM is turned off also increases.
[0038]
When a large surge voltage is generated, noise appears in other electronic components such as a receiving device such as a radio mounted on a vehicle, which causes a malfunction. For this reason, it is necessary to prevent noise generated from the IPM from leaking outside the inverter.
[0039]
On the other hand, in the first embodiment shown in FIGS. 5 and 6, three
[0040]
That is, FIG. 10A shows an equivalent circuit of the IPM power supply side structure of the first embodiment, and FIG. 10B shows that an electrolytic capacitor is installed at a position closer to the IPM as compared with FIG. 10A. The equivalent circuit of the IPM power supply side structure in the case is shown.
In the equivalent circuit of FIG. 10B, an RC filter is formed for a noise source, and the attenuation factor in a high frequency range is -20 [db / dec]. On the other hand, in the equivalent circuit of FIG. 10 (a), an LC filter is configured for a noise source, has an attenuation rate of -40 [db / dec] in a high frequency range, and FIG. Noise can be greatly reduced.
[0041]
In the IPM power supply side structure of the first embodiment, the
[0042]
In the IPM power supply side structure of the first embodiment, the first
[0043]
In the IPM power supply side structure of the first embodiment, since the first
That is, FIG. 11A shows the magnetic flux due to the bus bar current when two DC bus bars are set orthogonally as in the IPM power supply side structure of the first embodiment, and FIG. 7 shows magnetic flux due to bus bar current when two DC bus bars are set. In FIG. 11 (b), the magnetic flux due to the current flowing through the DC bus bars crosses each other, and a voltage is easily generated in the other DC bus bar. On the other hand, in FIG. 11A, since no voltage is generated in the direction of the current, the mutual electromagnetic noise can be reduced.
[0044]
Next, effects will be described.
As described above, the following effects can be obtained in the IPM power supply-side structure of the first embodiment.
[0045]
(1) The DC
[0046]
(2) On the inverter
[0047]
(3) Since the first
[0048]
(4) Since the first
[0049]
[Electrolytic capacitor cooling structure]
First, the configuration will be described.
[0050]
As shown in FIGS. 5 and 6, the
[0051]
As shown in FIGS. 6 and 8, a condenser
[0052]
In the
[0053]
Next, the operation will be described.
[0054]
As shown in FIG. 8, the cooling of the
[0055]
As shown in FIG. 12, an
[0056]
It is said that the life of the
[0057]
On the other hand, in the electrolytic capacitor cooling structure of the first embodiment, when the
[0058]
Further, regarding fixing of the
[0059]
In the electrolytic capacitor cooling structure of the first embodiment, the arrangement direction of the
[0060]
In the cooling structure of the electrolytic capacitor of the first embodiment, the terminals of the same polarity are always arranged on one side, so that the current path can be minimized and the self-inductance can be reduced. In addition, improvement in workability is expected.
[0061]
Furthermore, in the electrolytic capacitor cooling structure of the first embodiment, both
[0062]
Next, effects will be described.
As described above, in the electrolytic capacitor cooling structure of the first embodiment, the following effects can be obtained.
[0063]
(1) Since the side surface of the
[0064]
(2) Since the bottom surface of the
[0065]
(3) Since the
[0066]
(4) Since the same-polarity terminals are arranged only on one side, the current density distribution can be made uniform, and the inductance can be reduced as in (2) above. Further, erroneous connection can be avoided by using the same electrode at the same position in order to use a normal
[0067]
[Film capacitor arrangement structure]
First, the configuration will be described.
[0068]
In the inverter device I of the first embodiment, as described above, in addition to the provision of the three
[0069]
As shown in FIG. 14, the
[0070]
That is, the vertically arranged
[0071]
As shown in FIG. 15, the film capacitor assembly includes a conductive
[0072]
Next, the operation will be described.
[0073]
In the case where only the
[0074]
On the other hand, in the film capacitor arrangement structure of the first embodiment, by using a
[0075]
However, in general, the
[0076]
Therefore, a large number of
[0077]
In this way, by performing the input DC voltage smoothing by the
[0078]
Next, effects will be described.
As described above, the following effects can be obtained in the film capacitor arrangement structure of the first embodiment.
[0079]
(1) Since the
[0080]
(2) A
[0081]
[IPM70 vertical structure]
First, the configuration will be described.
[0082]
As shown in FIG. 17, the six
[0083]
The six
[0084]
When the
[0085]
Next, the operation will be described.
[0086]
For example, when a DC current supply bus bar has a planar shape near the electrolytic capacitor, but a thin bar shape near the IPM terminal, the inductance in the DC current supply bus bar increases as the distance from the power supply increases, and the DC power supply system However, the electrical characteristics in the above are not suitable for adding a switching module.
[0087]
Accordingly, if the cooling surface of the IPM is three-dimensionally arranged to increase the component integration rate and the structure that enables the addition of the IPM while suppressing the planar projection area of the inverter device, the surface for cooling the IPM must be three-dimensional. In addition, it is difficult to electrically connect each IPM, to fix the IPM to the inverter case, and to process the case cooling surface, thereby increasing the production cost.
[0088]
On the other hand, in the IPM vertical structure according to the first embodiment, there is provided a configuration of the inverter device I having excellent electric characteristics, good workability at the time of manufacturing, and enabling the three-dimensional arrangement of the
[0089]
First, a pair of positive and negative stacked second
[0090]
That is, the positive and negative stacked DC bus bars that supply a DC current to each
[0091]
As described above, since the inductance can be reduced, the voltage fluctuation of the direct current generated at the time of switching of the
[0092]
Also, when a substantially vertical IPM cooling surface is installed in the inverter
[0093]
On the other hand, by using a drilling tool from the outside of the inverter
[0094]
Next, effects will be described.
As described above, the following effects can be obtained in the IPM vertical structure according to the first embodiment.
[0095]
(1) Three
[0096]
(2) Since the cross-sectional shape of the pair of positive and negative stacked second
[0097]
(3) Since the
[0098]
[IPM cooling structure]
First, the configuration will be described.
[0099]
In the IPM cooling structure, as shown in FIG. 7, an IPM
[0100]
As shown in FIGS. 20 and 21, the IPM
[0101]
As shown in FIG. 8, six IPM
[0102]
As shown in FIG. 22, at the corner of the intersection between the case
[0103]
As shown in FIG. 21, the IPM
[0104]
As shown in FIG. 23, the
[0105]
Next, the operation will be described.
[0106]
For example, in order to reduce the installation volume of heat-generating components by arranging the heat-generating components three-dimensionally with a plurality of vertical cooling surfaces, in a structure in which water is simply supplied from the bottom to the vertical cooling water channel, the cooling water reaches the top of the water channel. Convection is difficult to obtain, and a sufficient cooling effect cannot be expected.
[0107]
On the other hand, in the first embodiment, the
[0108]
That is, the cooling water supplied from the external cooling water passage to the lower case
[0109]
Accordingly, the
[0110]
In addition, by setting the lightening
[0111]
In addition, since the inverter
[0112]
Next, effects will be described.
As described above, the following effects can be obtained in the IPM cooling structure of the first embodiment.
[0113]
(1) The IPM cooling structure allows the water to flow vertically without providing a mechanical joint inside the inverter
[0114]
(2) Since the
[0115]
(3) Since the
[0116]
(4) Since the
[0117]
(5) At the intersection of the IPM cooling surfaces 30e and 30f of the inverter
[0118]
(6) Since the IPM
[0119]
(7) The anchor-shaped
[0120]
[Switching room structure]
First, the configuration will be described.
[0121]
The switching room structure of the first embodiment, as shown in FIGS. 24 and 25, separates the
[0122]
As shown in FIG. 26A, the
[0123]
As shown in FIG. 26 (b), the
[0124]
Next, the operation will be described.
[0125]
In the switching room structure, the
[0126]
For example, when the
[0127]
On the other hand, in the switching room structure of the first embodiment, the
[0128]
In addition, since the
[0129]
Further, since the
[0130]
Next, effects will be described.
As described above, the following effects can be obtained in the switching room structure of the first embodiment.
[0131]
(1) The
[0132]
(2) By the hemming process, a plate material serving as a shield is laminated around the
[0133]
(3) Since the
[0134]
Although the present invention has been described based on the first embodiment, the specific configuration is not limited to the first embodiment, and departs from the gist of the invention according to each claim in the claims. Unless otherwise noted, changes and additions to the design are permitted.
[0135]
For example, in the first embodiment, an example of an inverter device applied to a three-layer multi-axis multilayer motor having two rotors and one stator as a motor has been described. However, two independent synchronous motors having one rotor and one stator and other independent motors have been described. It can also be applied as a motor inverter device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a parallel type hybrid system to which an inverter device I of a first embodiment is applied.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a six-phase alternating current by a composite current converted by the inverter device I of the first embodiment.
FIG. 3 is a vertical sectional side view showing a multi-axis multilayer motor M of a hybrid system to which the inverter device I of the first embodiment is applied.
FIG. 4 is a diagram showing a structure for feeding a coil from the inverter device I of the first embodiment to the stator S of the multi-shaft multilayer motor M as viewed from the gear chamber side.
FIG. 5 is an overall plan view of the inverter device I of the first embodiment.
FIG. 6 is an overall sectional view of the inverter device I according to the first embodiment taken along line AA of FIG. 5;
7 is an overall cross-sectional view of the inverter device I of the first embodiment taken along line BB of FIG. 5;
FIG. 8 is a bottom view showing the inverter lower case of the inverter device I of the first embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing surge voltage characteristics at the time of turn-off in the inverter device I of the first embodiment.
FIG. 10 (a) is a diagram showing an equivalent circuit of the IPM power supply side structure of the first embodiment, and FIG. 10 (b) is a diagram showing an electrolytic capacitor compared to the IPM power supply side structure of the first embodiment. FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of an IPM power supply-side structure when installed at a position close to a power module.
FIG. 11A is a diagram showing a magnetic flux due to a bus bar current on the IPM power supply side of the first embodiment in which two DC bus bars are arranged orthogonally, and FIG. 11B is a diagram showing two DC bus bars. FIG. 7 is a diagram showing magnetic flux due to a bus bar current when are arranged in parallel.
FIG. 12 is a sectional view showing an electrolytic capacitor to which the electrolytic capacitor cooling structure of the first embodiment is applied.
FIG. 13 is a view showing an attached state of an electrolytic capacitor to which the electrolytic capacitor cooling structure of the first embodiment is applied.
FIG. 14 is a sectional view of a main part showing a film capacitor arrangement structure of the first embodiment.
FIG. 15 is a view showing a film capacitor assembly in the film capacitor arrangement structure of the first embodiment.
FIG. 16 is an impedance characteristic diagram with respect to a switching frequency in the film capacitor arrangement structure of the first embodiment in which an electrolytic capacitor and a film capacitor are used together.
FIG. 17 is a plan view showing the power module vertical installation structure of the first embodiment.
FIG. 18 is a longitudinal sectional view showing the power module vertical installation structure of the first embodiment.
FIG. 19 is a cross-sectional view showing bolt holes in a case outer wall portion and a vertical wall portion of the inverter upper case in the inverter device I of the first embodiment.
FIG. 20 is a cross-sectional view showing the power module cooling structure of the first embodiment.
FIG. 21 is a partially cutaway perspective view showing an IPM cooling water channel in the power module cooling structure of the first embodiment.
FIG. 22 is a plan view showing a lightened portion of a portion intersecting with the case outer wall in the power module cooling structure of the first embodiment.
FIG. 23 is a view showing a partition plate in the power module cooling structure of the first embodiment.
FIG. 24 is a sectional view of a principal part showing the switching room structure of the first embodiment.
FIG. 25 is a plan view showing the switching room structure of the first embodiment.
FIG. 26 is a plan view showing a base member and a cover member employed in the switching room structure of the first embodiment.
[Explanation of symbols]
M Multi-axis multilayer motor (rotary electric machine)
17
32 Condenser
56
71 DC power supply lead-in
Claims (4)
前記電解コンデンサは、コンデンサ側面及びコンデンサ底面に相似な形を有するコンデンサ挿入溝をケースに形成し、該コンデンサ挿入溝に電解コンデンサの端子を上面にして入れ、かつ、前記コンデンサ挿入溝の外周部に、コンデンサ側面形状に沿ってコンデンサ冷却水路を形成したことを特徴とするインバータ装置の電解コンデンサ冷却構造。In an inverter device that is disposed between a battery that is a DC power supply and a rotating electric machine driven by an AC current, and includes a DC bus bar, a power module, and an electrolytic capacitor in a case,
In the electrolytic capacitor, a capacitor insertion groove having a similar shape to the capacitor side surface and the capacitor bottom surface is formed in the case, the terminal of the electrolytic capacitor is placed in the capacitor insertion groove with the upper surface, and an outer peripheral portion of the capacitor insertion groove is formed. An electrolytic capacitor cooling structure for an inverter device, wherein a capacitor cooling water passage is formed along a shape of a side surface of the capacitor.
前記コンデンサ挿入溝の外周部には、コンデンサ底面形状に沿って底面冷却水路を形成したことを特徴とするインバータ装置の電解コンデンサ冷却構造。The electrolytic capacitor cooling structure for an inverter device according to claim 1,
An electrolytic capacitor cooling structure for an inverter device, wherein a bottom surface cooling water passage is formed along an outer peripheral portion of the capacitor insertion groove along a shape of a capacitor bottom surface.
前記電解コンデンサは、コンデンサ+端子とコンデンサ−端子の配列方向を、DCバスバーを通電する電流の方向に対し垂直方向に設定したことを特徴とするインバータ装置の電解コンデンサ冷却構造。An electrolytic capacitor cooling structure for an inverter device according to claim 1 or 2,
The electrolytic capacitor cooling structure of an inverter device according to claim 1, wherein an arrangement direction of the capacitor (+) terminal and the capacitor (-) terminal is set in a direction perpendicular to a direction of a current flowing through the DC bus bar.
前記電解コンデンサは、2列のDCバスバーのうち、一方のDCバスバーにコンデンサ+端子のみを接続し、他方のDCバスバーにコンデンサ−端子のみをDCバスバー電流方向に平行に接続していることを特徴とするインバータ装置の電解コンデンサ冷却構造。An electrolytic capacitor cooling structure for an inverter device according to claim 3,
The electrolytic capacitor is characterized in that, of the two rows of DC bus bars, only the capacitor + terminal is connected to one DC bus bar, and only the capacitor-terminal is connected to the other DC bus bar in parallel to the DC bus bar current direction. Electrolytic capacitor cooling structure of the inverter device.
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