JP2016019401A - 電力変換装置一体型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置のレイアウトに対する自由度が大きい電力変換装置一体型電動機を提供する。【解決手段】直流平滑用の電解コンデンサ１７を、電力変換装置側筐体３に固定された状態でパワー半導体装置１６の実装基板１２に接続する。その際、電解コンデンサ１７の長手方向を電力変換装置側筐体３の内周壁と平行な方向に配置することで、電解コンデンサ１７を堅固に固定して対振動性を向上させることができると共に、電解コンデンサ１７の発熱を効率よく電力変換装置側筐体３に伝達する。また、ツイスト線３２又は同軸線３３若しくはフレキシブル基板２４の何れかによって電解コンデンサ１７と実装基板１２とを接続することで、ノイズの発生を抑制する。更に、電力変換装置側筐体３の内周壁に形成した凹部１８内に電解コンデンサ１７を収納し、電解コンデンサ１７と電力変換装置側筐体３との間に、放熱性を有する絶縁性のシート部材１９を介在する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に電力変換装置が一体的に取付けられた電力変換装置一体型電動機に関し、特に電力変換装置にパワー半導体と直流平滑用の電解コンデンサを用いる場合に好適なものである。

電動パワーステアリング用アシストモータや車載エアコンディショナ用のコンプレッサなど、車載用途の電動機は取付けスペースの省スペース化のために、電力変換装置が一体的に取付けられた電力変換装置一体型電動機が主流になりつつある。また、産業用途でも、省スペース化や盤レス（無制御盤）構造などを目的として、電力変換装置一体型電動機が開発されている。電力変換装置では、一般的に、電動機への電力を調整するためにパワー半導体を用いている。パワー半導体は、扱う電力が大きく、損失による発熱量も大きい。そのため、電力変換装置一体型電動機の小型化には、パワー半導体の冷却構造が重要となる。次に、電力変換装置のレイアウトに大きく影響するのが直流電圧平滑用の電解コンデンサである。電解コンデンサで生じる損失はパワー半導体の損失と比較すると小さいが、電解コンデンサはリプル電流と等価直列抵抗による損失で、自己発熱を生じる。そこで、下記特許文献１では、パワー半導体と共に実装基板に実装された電解コンデンサの発熱を冷却体に逃がす工夫がなされている。

特開２００５−５２７７７５号公報

ところで、特許文献１では、電解コンデンサがパワー半導体と共に実装基板に実装されているという点で一般的な基板と変わりなく、依然として電解コンデンサによる電力変換装置のレイアウトが大きく制限されてしまう。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、電力変換装置のレイアウトに対する自由度が大きい電力変換装置一体型電動機を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、電動機と、パワー半導体によって電動機への電力を変換する電力変換装置とが一体的に配置された電力変換装置一体型電動機であって、電動機を収納する電動機側筐体と、電動機側筐体に接続され、電力変換装置を収納する電力変換装置側筐体と、電力変換装置側筐体に固定された状態でパワー半導体の実装基板に接続される直流平滑用の電解コンデンサとを備えた電力変換装置一体型電動機が提供される。

本発明の電力変換装置一体型電動機によれば、直流平滑用の電解コンデンサを、電力変換装置側筐体に固定された状態でパワー半導体の実装基板に接続したことにより、電解コンデンサを効率よく冷却することができると共に、電力変換装置のレイアウトに対する自由度を大きくすることができる。

本発明の電力変換装置一体型電動機の一実施形態を示す縦断面図である。 図１の電力変換装置に用いられるパワー半導体及び電解コンデンサの回路図である。 図１の電力変換装置における電解コンデンサの固定構造を示す斜視図である。 図１の電力変換装置において電解コンデンサと実装基板を接続するフレキシブル基板の断面図である。 フレキシブル基板を実装基板に接続する構造の他の例の説明図である。 電解コンデンサをフレキシブル基板に接続する場合の固定構造の説明図である。 電解コンデンサと実装基板を接続するツイスト線の説明図である。 電解コンデンサと実装基板を接続する同軸線の断面図である。 ツイスト線又は同軸線と実装基板の接続構造の説明図である。

以下、本発明の電力変換装置一体型電動機の一実施形態について、図面を引用して説明する。この実施形態の電力変換装置一体型電動機の縦断面を示す図１では、図の左側に電力変換装置１が、図の右側に電動機２が配置されており、それらは一連に連結されている。このうち、電力変換装置１は電力変換装置側筐体３に収納され、電動機２は電動機側筐体４に収納され、電力変換装置側筐体３と電動機側筐体４とは筐体連結部材兼蓋部材５を介して連結されている。これらの筐体３、４や蓋部材５は、凡そ円筒形であり、熱伝導性に優れた金属材料、例えばアルミダイキャストで形成されている。

この電力変換装置一体型電動機では、電動機２の回転軸６が図の左右方向に向けて配置されている。電動機側筐体４は、円板状の底板部４ａが図１の右方に配置される有底円筒体である。また、筐体連結部材兼蓋部材５は、電動機側筐体４と同じ外径の円筒体であり、その軸方向中央部には蓋部５ａが形成されている。電動機側筐体４は、図１の左方端部の開口部が筐体連結部材兼蓋部材５の蓋部５ａで覆われ、これにより電動機側筐体４が密閉されている。回転軸６は、電動機側筐体４の底板部４ａの中央部及び筐体連結部材兼蓋部材５の蓋部５ａの中央部に圧入された軸受７で回転自在に支持されている。この回転軸６は、図１の右方端部、即ち軸方向一端部が電動機側筐体４の底板部４ａを貫通して外部に突出しており、ここから出力の取出しが行われる。

電動機側筐体４と筐体連結部材兼蓋部材５とで囲まれた電動機側内部空間では、回転軸６の外周にロータコア８が一体的に形成され、ロータコア８の径方向外側には、電動機側筐体４に固定されるステータコア９が形成されている。これにより、電動機側筐体４内には電動機２が構成され、例えばステータコア９に電力を供給することで回転軸６が回転される。また、例えばステータコア９への供給電力を調整することにより、回転軸６の回転状態を調整することが可能となる。

一方、電力変換装置側筐体３は、円板状の底板部３ａが図１の左方に配置される有底円筒体であり、図示右方端部の開口部が筐体連結部材兼蓋部材５の蓋部５ａで覆われている。更に、電力変換装置側筐体３の周壁部３ｂと筐体連結部材兼蓋部材５の周壁部５ｂの間にはＯリング１０が介在され、これにより電力変換装置側筐体３が密閉されている。この電力変換装置側筐体３と筐体連結部材兼蓋部材５とで囲まれた電力変換装置側内部空間には、電力変換装置１としての中核をなすインバータモジュール１１が収納されている。このインバータモジュール１１は、例えば交流電圧を直流電圧に変換する電力変換部や、電動機の回転軸の回転状態を制御する制御部を備えている。制御部は、例えば電力変換部で変換された直流電圧のパルス幅変調などによってステータコア９に供給する電力を調整することで、電動機２の回転軸６の回転状態を制御する。なお、電力変換装置側筐体３の底板部３ａの内周壁には、筐体内側に突出する放熱部３ｃが設けられている。この放熱部３ｃは、熱伝導性のよい、例えば金属製の個別部材からなり、後述するパワー半導体装置に接触して、その熱を電力変換装置側筐体３に伝熱して逃がすためのものである。

このインバータモジュール１１は、実装基板１２上に形成されている。この実装基板１２は、例えばガラスエポキシなどの樹脂からなる基板の表面に配線パターンが形成されたものである。この実装基板１２は、電力変換装置側筐体３の内部に形成されている基板固定部１３にビスなどの固定具１４を介して固定されている。この実装基板１２には、種々の電子部品が実装されているが、それらの電子部品の中には、電力変換部に必要な図示しないダイオード整流装置や、制御部に必要なパワー半導体装置１６なども含まれている。例えば電子部品の損失などによって発生する熱は、電力変換装置側筐体３の内部空間から電力変換装置側筐体３自体に伝熱される。電力変換装置側筐体３は外部の空気に触れているので、電力変換装置側筐体３は電子部品の冷却体となる。なお、実装基板１２は、表裏両面に配線パターンを形成するようにしても良い。また、２以上の実装基板１２を組合せて用いることもできる。

ダイオード整流装置は、例えば三相交流電圧を整流する三相全波整流器であり、周知のように、交流電圧を凡そ直流電圧に変換することができる。しかしながら、このダイオード整流装置の出力電圧には、未だ脈動成分が残存しており、この脈動成分を直流平滑用の電解コンデンサ１７で平滑化してパワー半導体装置１６に供給する。図２に示す電解コンデンサ１７及びパワー半導体装置１６の回路図では、ダイオード整流装置の出力として得られるプラス極とマイナス極の間に直流平滑用の電解コンデンサ１７を接続すると共に、並列接続されたトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：IGBT）ＴｒとダイオードＤの組をパワー半導体１５として２組一対で直列に接続し、それらのパワー半導体１５の対を３対、電解コンデンサ１７と並列に接続し、各対におけるパワー半導体１５同士の接続部分から三相モータで構成される電動機２の電力を出力する。各パワー半導体１５は、例えばパルス幅変調によって電動機２への電力を調整することで、電動機２の回転状態を制御することが可能となる。なお、周知のように、パワー半導体１５は扱う電力が大きく、発熱量も大きい。このパワー半導体１５を収納したパワー半導体装置１６には、前述した放熱部３ｃが接触しているので、パワー半導体装置１６の熱は放熱部３ｃを介して電力変換装置側筐体３の底板部３ａに伝達されて逃がされ、パワー半導体装置１６、ひいてはパワー半導体１５が冷却される。また、前述のダイオード整流装置も発熱量が大きいので、こちらも図示しない放熱部を介してダイオード整流装置の熱が電力変換装置側筐体３に伝達されて冷却されるようにすることが望ましい。

この実施形態の電解コンデンサ１７は、図１に示すように、電力変換装置側筐体３の底板部３ａに固定されている。電解コンデンサ１７は、周知のように円柱型であり、その長手方向（軸線方向）が電力変換装置側筐体３の底板部３ａの内周壁と平行になるように配置され、その状態で底板部３ａに固定されている。このように電解コンデンサ１７を横向きにして固定することにより、電解コンデンサ１７を堅固に固定することができ、対振動性を向上することができる。この電解コンデンサ１７の固定構造を示す図３では、電力変換装置側筐体３の底板部３ａの内周壁に電解コンデンサ１７の長さよりも長い大きさの方形の凹部１８が形成され、この凹部１８内に収納するようにして電解コンデンサ１７が固定されている。冷却体である電力変換装置側筐体３と電解コンデンサ１７の間には、放熱性を有する絶縁性のシート部材１９が介在され、電解コンデンサ１７にバンド状の固定部材２０をあてがい、その固定部材２０をビスなどの固定具２１で電力変換装置側筐体３の底板部３ａの内周壁に固定し、これにより電解コンデンサ１７を電力変換装置側筐体３に固定している。なお、電力変換装置側筐体３の底板部３ａの外周壁には、放熱用のフィン２２が多数形成されている。

電解コンデンサ１７は、周囲温度によって寿命が決定される部品であり、製品の信頼性に関するボトルネックとなりやすい。電解コンデンサ１７の寿命はアレニウスの法則に従うとされ、温度が１０℃高くなると寿命が半分になるとされている。従って、温度の高いパワー半導体装置１６の直近に配置できないなどの実装制約が大きい部品であり、実装基板１２上の部品レイアウトを大きく制約する原因となる。

また、一般的な電機機器では、筐体（ＦＧ：Frame Grand）と強電部（三相入力や三相出力）の間で１０００Ｖを超える耐圧試験が型式試験として課される場合が多い。電力変換装置側筐体３と直流平滑用の電解コンデンサ１７の間に絶縁性のシート部材がないと、耐圧試験中は電力変換装置側筐体３と電解コンデンサ１７の端子との間に電圧が印加されることになる。通常販売されている電解コンデンサ１７では、筐体−端子間の耐圧値がカタログに明記されていないことから、絶縁性のシート部材１９で端子を保護する必要がある。また、前述のように直流平滑用の電解コンデンサ１７は自己発熱するので、その発熱を電力変換装置側筐体３に逃がす必要があり、そのため、放熱性のよい、即ち熱伝導率の高い材料でシート部材１９を構成する必要がある。なお、ここでも、電解コンデンサ１７を寝かせてシート部材１９に接触させることにより、電解コンデンサ１７の熱をシート部材１９から電力変換装置側筐体３に効率よく伝達することができる。

このように熱伝導率が高く且つ絶縁性に優れたシート部材１９の材料としては、例えばシリコーンが挙げられる。なお、シリコーン製のシート部材１９を使用する場合、シリコーンシートそのものに接着性があるので、電解コンデンサ１７に対する対振動の要求が小さい場合は、シリコーン製のシート部材１９だけで直流平滑用の電解コンデンサ１７を固定してもよい。また、直流平滑用の電解コンデンサ１７の固定のために接着剤を使用してもよい。接着剤の材料としては、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などが挙げられる。また、電解コンデンサ１７を電力変換装置側筐体３に固定するための固定部材２０としては、前述の耐圧試験を考慮して、絶縁性のある樹脂製が望ましい。導電性を有する材料で固定部材２０を構成する場合には、電解コンデンサ１７と固定部材２０の間に絶縁シートを介在する方法や、固定部材２０を電力変換装置側筐体３から絶縁する絶縁スペーサを固定部材２０と電力変換装置側筐体３の間に介在する方法がある。

また、この実施形態では、直流平滑用の円柱型の電解コンデンサ１７のうち、長手方向の一方の端部に設けられている圧力弁１７ａと凹部１８の間に圧力弁用スペース２３が形成されている。電解コンデンサ１７は、異常時に作動する圧力弁１７ａが、例えば長手方向の一方の端部に設けられている。この圧力弁１７ａを塞いでしまうと、異常時に圧力弁１７ａが作動しない可能性がある。そこで、この実施形態では、電解コンデンサ１７の圧力弁１７ａと電解コンデンサ１７を収納する凹部１８の間に圧力弁用スペース２３を形成し、異常時に圧力弁１７ａが正常に作動するようにしている。

次に、電解コンデンサ１７と実装基板１２との接続構造について説明する。高電圧、大電流をサブマイクロ秒でスイッチングするパワー半導体装置１６を用いた電力変換装置１では、スイッチング時に発生するサージ電圧を抑制する目的や、導線から放射されるノイズを抑制する目的、或いは電圧を安定化する目的のために、パワー半導体装置１６と直流平滑用の電解コンデンサ１７の間を可能な限り低インダクタンス化する必要がある。そこで、プラス極とマイナス極が互いに沿うように配置される配線構造でインダクタンスを最小化することが望ましい。

図４は、図１の電力変換装置一体型電動機における電解コンデンサ−実装基板接続構造に用いられたフレキシブル基板２４の断面図である。このフレキシブル基板２４は、絶縁層２４ａを介してプラス極２４ｂとマイナス極２４ｃが互いに沿うように配置されており、これにより放射されるノイズを最小化することができる。このフレキシブル基板２４を用いた電解コンデンサ−実装基板接続構造では、図１に示すように、フレキシブル基板２４に電解コンデンサ１７をはんだ付けなどによって接続し、そのフレキシブル基板２４の端部を中継基板２５に接続し、この中継基板２５に取付けられたコネクタ２６と実装基板１２に取付けられたコネクタ２６とを接続する。また、図５に示すように、中継基板２５にプラス極パターン２７及びマイナス極パターン２８を形成すると共に、実装基板１２にも同様のプラス極パターン２７及びマイナス極パターン２８を形成し、プラス極パターン２７同士をプラス極接続ねじ２９で固定すると共にマイナス極パターン２８同士をマイナス極接続ねじ３０で固定する方法もある。また、電解コンデンサ１７に対振動性が求められる場合は、図６に示すように、フレキシブル基板２４と電解コンデンサ１７の間を絶縁性の樹脂３１でポッティングすることで、対振動性を高めることもできる。

また、放射されるノイズを最小化する導線構造としては、例えば図７に示すツイスト線３２や図８に示す同軸線３３も挙げられる。図７に示すツイスト線３２は、周知のように、プラス極が絶縁被覆されたプラス極線３２ａと、マイナス極が絶縁被覆されたマイナス極線３２ｂを撚り合わせたものであり、隣り合う撚り間で磁束の向きが逆向きとなるため、ノイズを外部に出しにくい。また、図８に示す同軸線３３は、周知のように、プラス極を構成する心線３３ａの外周に絶縁層３３ｂを形成し、その外周に編組線３３ｃで構成されるマイナス極を配置したものであり、編組線３３ｃで構成されるマイナス極がシールドとなり、ノイズを外部に出しにくい。そして、これらツイスト線３２や同軸線３３を用いる場合の電解コンデンサ−実装基板接続構造としては、例えば図９に示すように、ツイスト線３２や同軸線３３の端部にコネクタ２６を接続し、このコネクタ２６と実装基板１２に取付けられたコネクタ２６とを接続する方法がある。

以上のように、この実施形態の電力変換装置一体型電動機では、直流平滑用の電解コンデンサ１７を、電力変換装置側筐体３に固定した状態でパワー半導体装置１６の実装基板１２に接続することにより、電解コンデンサ１７を効率よく冷却することができると共に、電力変換装置１のレイアウトに対する自由度を大きくすることができる。
また、電解コンデンサ１７の長手方向を電力変換装置側筐体３の内周壁と平行な方向に配置したことにより、電解コンデンサ１７を堅固に固定して対振動性を向上させることができると共に、電解コンデンサ１７の発熱を効率よく電力変換装置側筐体３に伝達して電解コンデンサ１７を効率よく冷却することができる。

また、ツイスト線３２又は同軸線３３若しくは絶縁層２４ａを介してプラス極２４ｂ及びマイナス極２４ｃが平行に配置されたフレキシブル基板２４の何れか１つによって電解コンデンサ１７と実装基板１２とを接続したことにより、両者間の接続構造を低インダクタンス化すると共に、ノイズの発生を抑制することができる。
また、電力変換装置側筐体３の内周壁に形成された凹部１８内に電解コンデンサ１７を収納固定することにより、レイアウトの自由度をより一層大きくすることができる。

また、電解コンデンサ１７の圧力弁１７ａを開放する圧力弁用スペース２３を凹部１８に形成したことにより、異常時に電解コンデンサ１７の圧力弁１７ａが正常に作動する。
また、電解コンデンサ１７と電力変換装置側筐体３との間に、放熱性を有する絶縁性のシート部材１９を介在したことにより、電解コンデンサ１７を効率よく放熱することができると共に、耐圧試験時に電解コンデンサ１７を絶縁することができる。

また、パワー半導体１５が収納されたパワー半導体装置１６と接触して電力変換装置筐体３にパワー半導体装置１６の熱を伝達して逃がすための放熱部３ｃを電動力変換装置側筐体３の内周壁に設けたことにより、パワー半導体装置１６、ひいてはパワー半導体１５を効率よく冷却することができる。
なお、先の実施形態では、電力変換装置側筐体３の底板部３ａの内周壁に個別の放熱部３ｃを取付けてパワー半導体装置１６の熱が電力変換装置側筐体３に伝達されて逃がされる構成としたが、例えば電力変換装置側筐体３の底板部３ａを筐体内側に窪ませて放熱部３ｃを構成するようにしてもよい。

１ 電力変換装置
２ 電動機
３ 電力変換装置側筐体
３ｃ 放熱部
４ 電動機側筐体
５ 筐体連結部材兼蓋部材
６ 回転軸
７ 軸受
８ ロータコア
９ ステータコア
１０ Ｏリング
１１ インバータモジュール
１２ 実装基板
１３ 基板固定部
１４ 固定具
１５ パワー半導体
１６ パワー半導体装置
１７ 電解コンデンサ
１８ 凹部
１９ シート部材
２０ 固定部材
２１ 固定具
２２ フィン
２３ 圧力弁用スペース
２４ フレキシブル基板
２５ 中継基板
２６ コネクタ
２７ プラス極パターン
２８ マイナス極パターン
２９ プラス極接続ねじ
３０ マイナス極接続ねじ
３１ 樹脂
３２ ツイスト線
３３ 同軸線
Ｔｒ トランジスタ
Ｄ ダイオード

Claims (7)

1. 電動機と、パワー半導体によって前記電動機への電力を変換する電力変換装置とが一体的に配置された電力変換装置一体型電動機であって、
   前記電動機を収納する電動機側筐体と、
   前記電動機側筐体に接続され、前記電力変換装置を収納する電力変換装置側筐体と、
   前記電力変換装置側筐体に固定された状態で前記パワー半導体の実装基板に接続される直流平滑用の電解コンデンサと
   を備えたことを特徴とする電力変換装置一体型電動機。
2. 前記電解コンデンサの長手方向を前記電力変換装置側筐体の内周壁と平行な方向に配置したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置一体型電動機。
3. ツイスト線又は同軸線若しくは絶縁層を介してプラス極及びマイナス極が平行に配置されたフレキシブル基板の何れか１つによって前記電解コンデンサと前記実装基板とを接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置一体型電動機。
4. 前記電力変換装置側筐体の内周壁に前記電解コンデンサを収納固定するための凹部が形成されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の電力変換装置一体型電動機。
5. 前記凹部には、前記電解コンデンサの圧力弁を開放する圧力弁用スペースが設けられていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置一体型電動機。
6. 前記電解コンデンサと前記電力変換装置側筐体との間に、放熱性を有する絶縁性のシート部材を介在したことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の電力変換装置一体型電動機。
7. 前記パワー半導体が収納されたパワー半導体装置と接触して前記電力変換装置筐体に前記パワー半導体装置の熱を伝達して逃がすための放熱部を前記電動力変換装置側筐体の内周壁に設けたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の電力変換装置一体型電動機。
   

Images