JP5404836B2

JP5404836B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5404836B2
Application number: JP2012054243A
Authority: JP
Inventors: 貴哉武藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: JP2013188105A

Description

この発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータで変換された交流電力で駆動される電動機とが一体の電力変換装置に関する。

近年、内燃機関の出力を増加させるために吸気通路上に電動機で駆動する過給機を設けた車両や、電気自動車など電動機により駆動する車両が開発されている。
また、小型化や搭載性向上のために電動機とインバータとを一体化した電力変換装置が提案されている。

上記電力変換装置を駆動する際、駆動時に必要となる大電流により、スイッチング素子や電動機のコイルが発熱し、一体化構造により発熱部品が密集することで、電力変換装置が短時間の駆動で動作制限温度に達する可能性がある。

例えば、特許文献１には、スイッチング素子と接続されるバスバーの一方をモータの軸受やギア機構等に用いられる電気絶縁性の潤滑油と接触させ、スイッチング素子を冷却した電力変換装置が記載されている。
また、例えば、特許文献２には、インバータからの電力線を端子台経由で電動機と接続し、端子台に突出部を設けて、その突出部の内部に冷媒を流して冷却したモータユニットが記載されている。

特開２００９−２７３２７６号公報特開２０１０−２６８６３３号公報

しかしながら、上記特許文献１の電力変換装置では、潤滑油を用いて冷却するため、潤滑油の配管が必要となり、またハウジングを油密構造にする等で装置が増大、煩雑化するという問題点があった。
また、上記特許文献２のモータユニットでは、端子台を冷却することで近傍の部品を冷却しているために、スイッチング素子及び電動機のコイルの冷却効率が低いという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、簡単な構成で効率良く電動機本体及びインバータを冷却することができる電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータで変換された交流電力で駆動される電動機本体と、前記インバータと前記電動機本体とを電気的に接続した交流出力バスバーと、前記インバータと直流電源とを電気的に接続した電源バスバーと、前記インバータ及び前記電動機本体を収納するとともに外側に放熱フィンを有するハウジングとを備え、
前記インバータは、前記電動機本体の軸線方向の片側に配置された基板と、この基板の前記電動機本体側と反対側の面に搭載された複数のスイッチング素子とを有し、
前記基板の外周部及び前記ハウジングを貫通して設けられた締結部材により、基板とハウジングとを締結することで、基板の前記電動機本体側の面で、前記交流出力バスバー及び前記電源バスバーの各一端部と、前記スイッチング素子とが電気的に接続された電力変換装置であって、
前記締結部材は、前記交流出力バスバー及び前記電源バスバーの各前記一端部を貫通しているとともにその先端部が前記放熱フィン間の冷媒流路まで突出している。

この発明に係る電力変換装置によれば、交流出力バスバー及び電源バスバーの各一端部を貫通した締結部材は、その先端部が放熱フィン間の冷媒流路まで突出しており、この締結部材には、冷媒流路に流れる冷却媒体が直接接触するので、簡単な構成で効率良くインバータ及び電動機本体が冷却される。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の概略構成を示す側断面図である。図１のインバータを示す平面図である。図１のハウジングを電動機本体側から視たときの斜面図である。図１の放熱フィンと異なる例であって、ハウジングを電動機本体側から視たときの斜視図である。図１のインバータの変形例を示す平面図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の概略構成を示す側断面図である。図６のハウジングを電動機本体側から視たときの斜視図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置の概略構成を示す側断面図、図２は図１のインバータを示す平面図、図３は図１のハウジング２を電動機本体６側から視たときの斜視図である。
電力変換装置１は、直流電力を交流電力に変換するインバータ１０と、このインバータ１０で変換された交流電力で駆動される電動機本体６と、インバータ１０と電動機本体６とを電気的に接続した交流出力バスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗと、インバータ１０と直流電源（図示せず）と電気的に接続した電源バスバー３Ｐ，３Ｎと、インバータ１０及び電動機本体６を収納したハウジング２とを備えている。

ハウジング２は、電動機本体６を収容する部位は空洞であり、その外周部には、インバータ１０の基板１３に対して垂直方向に先端部が延びた複数の放熱フィン２１が林立している。また、その内部にはインバータ１０の基板１３が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する電気絶縁性の放熱部材である放熱シート１４を介してハウジング２と接合されている。ハウジング２の片側には、インバータ１０を覆ったカバー２３がねじ２４で固定されている。
なお、基板１３の外周端面とハウジング２の内壁面との間には空隙があり空気層が介在している。

電動機本体６は、三相交流モータであって、ハウジング２の内壁面には、電磁鋼板が積層して構成されたステータコア６１が固定されている。このステータコア６１にはスロットが形成されており、このスロットには各相のコイル６２が巻装されている。
ステータコア６１及びコイル６２で構成されたステータの内側には、シャフト６５に固定されたロータ６３が設けられている。このロータ６３は、シャフト６５の両端部に設けられた軸受６４で回転自在に支持されている。シャフト６５の端部には回転体（図示せず）が固定されており、コイル６２に流れる電流により生じてステータの回転磁界により、コイル６２とともにシャフト６５及び回転体が回転、駆動する。

ステータの片側の側面には、ハウジング２の段差部２２に基板１３側から結線板４が嵌着されて配設されている。この結線板４は、積層された各相のコイル６２が絶縁樹脂材料でインサート成形されて構成されている。各相のコイル６２の一方の端部は、互いに中性点として結線板４内で溶接により結線され、他方の端部は、交流出力バスバー３Ｕ，３Ｖ，３ＷのＬ字形状に折曲された一端部Ａで溶接により電気的に接続されている。

この結線板４には、外周側縁部に周方向に間隔をあけて７箇所に内部に雌ねじが形成された止め具４１が埋め込まれている。この各止め具４１には、ハウジング２と基板１３とを締結する締結部材であるボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎが螺着している。
ボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗは、交流出力バスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの一端部を貫通している。また、ボルト５Ｐ，５Ｎは、正極電源バスバー３Ｐ、負極電源バスバー３Ｎの各一端部をそれぞれ貫通している。
各ボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎは、その先端部が放熱フィン２１間の冷媒流路である空気流路まで延びている。
ここで、バスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ，３Ｐ，３Ｎは、高熱伝導性である銅等で形成され、それらの各端部が結線板４の表面で露出し、この露出部がりん青銅やアルミニウム等の１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料で形成された止め具４１の円周端面と面接触している。

インバータ１０は、３相インバータである。このインバータでは、円板形状の基板１３の電動機本体６と反対側の面（表面）であってその周縁側に、Ｕ相上アーム側スイッチング素子１１Ｕ、Ｕ相下アーム側スイッチング素子１２Ｕ、Ｖ相上アーム側スイッチング素子１１Ｖ、Ｖ相下アーム側スイッチング素子１２Ｖ、Ｗ相上アーム側スイッチング素子１１Ｗ及びＷ相下アーム側スイッチング素子１２Ｗの６つのスイッチング素子がそれぞれ配置されている。
ボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの締結力により、基板１３の電動機本体６側の面（裏面）と結線板４の表面とは面接触している。この結果、各相の上アーム側スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ、下アーム側スイッチング素子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、基板１３の裏面で各相の交流出力バスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗと電気的に接続されている。
また、Ｖ相の上アーム側スイッチング素子１１ＶとＷ相の上アーム側スイッチング素子１１Ｗとの間には、基板１３の表面に正極電源バスバー３Ｐがボルト５Ｐで締結されている。

Ｖ相の下アーム側スイッチング素子１２Ｖの近傍には、基板１３の表面に負極電源バスバー３Ｎがボルト５Ｎで締結されている。
正極電源バスバー３Ｐの端部には、接続端子５１Ｐが設けられ、負極電源バスバー３Ｎの端部には、接続端子５１Ｎが設けられている。これらの接続端子５１Ｐ，５１Ｎは、直流電源（図示せず）と電気的に接続されている。
また、Ｕ相の下アーム側スイッチング素子１２Ｕ及びＷ相の下アーム側スイッチング素子１２Ｗの近傍には、基板１３の裏面に負極電源バー３Ｎがボルト５Ｎで締結されている。

図２において、太線の点線は、正極電源バスバー３Ｐから入力した各相の電流が各相のコイル６２に流れる様子を示し、細線の点線は、各相のコイル６２からの電流が負極電源バスバー３Ｎに流れる様子を示している。
例えば、正極電源バスバー３Ｐから入力したＵ相の電流は、Ｕ相上アーム側スイッチング素子１１Ｕ、交流出力バスバー３Ｕを通過してステータのＵ相のコイル６２に流れる。この後、このＵ相の電流は、交流出力バスバー３Ｕ、Ｕ相下アーム側スイッチング素子１２Ｕ、基板１３の外周縁部を通って負極電源バスバー３Ｎに流れる。

なお、上アーム側スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ、下アーム側スイッチング素子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、ＰチャネルのＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴであり、電力量に応じてスイッチング素子の並列数が増減する。

この実施の形態による電力変換装置によれば、交流出力バスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ及び電源バスバー，３Ｐ，３Ｎの各一端部を貫通した締結部材であるボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎは、その先端部が放熱フィン２１間の空気流路まで突出しており、このボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎは、冷却媒体である冷却空気と直接接触するようになっている。
従って、ボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎと接続された、交流出力バスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ、電源バスバー３Ｐ，３Ｎ、止め具４１及び基板１３は、冷却され、交流出力バスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗに接続され、また基板１３に接続されたスイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの高温化が抑制される。
また、交流出力バスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗに接続された電動機本体６のコイル６２の発熱も抑制される。

また、この実施の形態によれば、交流出力バスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗは、上アーム側スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗと下アーム側スイッチング素子１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗとの間に配置されている、即ち両発熱源の間に配置されているので、これらの熱は、ボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗを通じて効率よく外部に放出される。

また、正側の電源バスバー３Ｐは、この電源バスバー３Ｐと電気的に接続される、上アーム側スイッチング素子１１Ｖ及び上アーム側スイッチング素子１１Ｗの近傍に配置され、負側の電源バスバー３Ｎは、この電源バスバー３Ｎと電気的に接続される下アーム側スイッチング素子１２Ｖ及び上アーム側スイッチング素子１１Ｕの近傍に配置されているので、上アーム側スイッチング素子１１Ｖ、上アーム側スイッチング素子１１Ｗ、下アーム側スイッチング素子１２Ｖ、上アーム側スイッチング素子１１Ｕのそれぞれの熱はボルト５Ｐ,５Ｎを通じて効率よく外部に放出される。

また、ボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎは、絶縁材で形成された結線板４の周縁部を貫通しているので、ボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎとハウジング２との間の電気的な絶縁が確保されている。

また、ボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎ及びこのボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎが螺着した止め具４１は、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料で形成されており、この円筒形状の止め具４１の端面とバスバー３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ，３Ｐ，３Ｎとが面接触しているので、それだけ熱伝導経路の断面積が増大し、放熱効率が増大する。

また、ハウジング２と基板１３とは、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する電気絶縁性の放熱シート１４を介してボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎにより締結されているので、基板１３からの熱は、ハウジング２に効率よく伝達される。

また、スイッチング素子１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの領域においては、それぞれの隣接したボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎ間の周方向の距離は、ほぼ等しいので、基板１３での温度分布が偏るのを抑制することができる。

また、複数のボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎは、その先端部が放熱フィン２１と同様に、それぞれ基板１３に対して垂直方向に延びているので、放熱フィン２１間の冷媒流路の流れ抵抗の増大を抑制できる。

なお、上記実施の形態では、ハウジング２の放熱フィン２１は、基板１３に対して垂直方向に先端部が延びているが、図４に示すように、基板１３に対して各放熱フィン２１Ａが互いに平行であってもよい。

なお、ボルト５Ｎは、ハウジング２をインバータ１０と共通接地とし、ハウジング２に止め具（図示せず）を形成することで、図５に示すように、負極電源バスバー３Ｎを省略することができ、この結果結線板４の簡易化が可能となる。
なお、図５の太線の点線、細線の点線は、図２に示したのと同様に、太線の点線は、正極電源バスバー３Ｐから入力した各相の電流が各相のコイル６２に流れる様子を示し、細線の点線は、各相のコイル６２からの電流が負極電源バスバー３Ｎに流れる様子を示している。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係る電力変換装置の概略構成を示す側断面図、図７は図６のハウジング２を電動機本体６側から視たときの斜視図である。
この実施の形態では、複数の放熱フィン２１Ｂは、それぞれ電動機本体６の径方向の外側であって、その軸線に沿って間隔を空けて径方向に延びている。
各ボルト５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎは、その先端部が放熱フィン２１Ｂを貫通している。
他の構成は、実施の形態１の電力変換装置と同じである。

この実施の形態では、実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、電動機本体６の周囲に放熱フィン２１Ｂを配置することで、実施の形態１の電力変換装置と比較して電動機本体６からの熱をより効率良く外部に放出することができる。

なお、各実施の形態の放熱フィン２１，２１Ａ，２１Ｂの外周を囲った流路用カバーを設け、この流路用カバーにより冷却風を放熱フィン２１，２１Ａ，２１Ｂに効率良く導くようにしてもよい。
また、上記各実施の形態では、冷却媒体として冷却空気を用いた場合について説明したが、冷却媒体が冷却水であってもこの発明は適用することができる。

１電力変換装置、１０インバータ、１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ上アーム側スイッチング素子、１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ下アーム側スイッチング素子、１３基板、１４放熱シート（放熱部材）、２ハウジング、２１，２１Ａ，２１Ｂ放熱フィン、２２段差部、２３カバー、２４ねじ、３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ交流出力バスバー、３Ｐ，３Ｎ電源バスバー、４結線板、４１止め具、５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５Ｐ，５Ｎボルト（締結部材）、６電動機本体、６１ステータコア、６２コイル、６３ロータ、６４軸受、６５シャフト。

Claims

直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータで変換された交流電力で駆動される電動機本体と、前記インバータと前記電動機本体とを電気的に接続した交流出力バスバーと、前記インバータと直流電源とを電気的に接続した電源バスバーと、前記インバータ及び前記電動機本体を収納するとともに外側に放熱フィンを有するハウジングとを備え、
前記インバータは、前記電動機本体の軸線方向の片側に配置された基板と、この基板の前記電動機本体側と反対側の面に搭載された複数のスイッチング素子とを有し、
前記基板の外周部及び前記ハウジングを貫通して設けられた締結部材により、基板とハウジングとを締結することで、基板の前記電動機本体側の面で、前記交流出力バスバー及び前記電源バスバーの各一端部と、前記スイッチング素子とが電気的に接続された電力変換装置であって、
前記締結部材は、前記交流出力バスバー及び前記電源バスバーの各前記一端部を貫通しているとともにその先端部が前記放熱フィン間の冷媒流路まで突出していることを特徴とする電力変換装置。
前記交流出力バスバーは、前記スイッチング素子のうち上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電源バスバーは、その正側が前記スイッチング素子のうち前記上アーム側スイッチング素子の近傍で配置され、その負側が前記スイッチング素子のうち前記下アーム側スイッチング素子の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記基板の外周縁部に周方向に沿って配列された複数の前記スイッチング素子の領域においては、それぞれの隣接した前記締結部材間の周方向の距離はほぼ等しいことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記電動機本体と前記基板の間に、前記電動機本体のコイルと前記交流出力バスバーの他端部とを電気的に接続するとともに絶縁材で形成された結線板が設けられており、
前記締結部材は、前記絶縁材で形成された周縁部を貫通していることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記周縁部には、雌ねじが形成された高熱伝導性の止め具が設けられており、
前記締結部材は、この止め具に螺着されており、
前記止め具は、その端面が、前記交流出力バー及び前記電源バスバーのそれぞれの一端部と面接触していることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
前記ハウジングと前記基板との間には、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する電気絶縁性の放熱部材が介在していることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記締結部材及び前記止め具は、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
複数の前記放熱フィンは、その先端部がそれぞれ前記締結部材と同じく前記基板に対して垂直方向に延びていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の電力変換装置。
複数の前記放熱フィンは、その先端部がそれぞれ前記基板に対して平行に延びており、
複数の前記締結部材は、その先端部がそれぞれ前記基板に対して垂直方向に延びていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の電力変換装置。
複数の前記放熱フィンは、それぞれ前記電動機本体の径方向の外側であってその軸線に沿って間隔を空けて径方向に延びており、
複数の前記締結部材は、その先端部がそれぞれ前記基板に対して垂直方向に延びて前記放熱フィンを貫通していることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の電力変換装置。