JP5791750B1 - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータパワー回路を組み込んだ制御装置一体型回転電機において、市場メンテナンス時のバッテリーハーネスを着脱する際に生じるバスバーの応力発生に関する耐力を向上させるとともに耐電蝕性を向上させる。【解決手段】外部端子１３と接続する入出力側バスバー２５は中継バスバー２４を介して、パワーモジュールと接続する電力変換バスバー３０に接合部で接合され、前記接合部は絶縁物からなるパワー回路ケース４１内に収納され、このケース４１内で各バスバー２４、２５、３０が接合されている。【選択図】図４

Description

この発明は、車両などに搭載される制御装置一体型回転電機に関し、特にそのバスバーの取り付けに関する。

インバータパワー回路などの車両用制御装置を組み込んだ回転電機の入出力端子部と冷却フィンを備えるバスバーが一体となり、バスバーがインバータパワー回路のパワーモジュールに接続されている構造が、たとえば特開２０１１−９７８０６号公報（特許文献１）に示されている。

市場メンテナンスにおいて制御装置一体型回転電機からバッテリーハーネスを着脱する場合があり、車両搭載状態で、バッテリーハーネスを取り付け、ナットで締め付ける場合、必ずしも入出力端子ボルトに対し、正確に垂直な方向にスパナがかかることがなく、入出力端子ボルト部が上下左右にこじられた状態になる。さらに、省スペース化のため、入出力端子ボルトをインバータカバーの側壁に近接すると、ますます、車両搭載状態の市場メンテナンスにおいて、スパナ挿入が困難になりこじられる応力は大きくなる。

特開２０１１−９７８０６号公報

従来例の入出力端子部と冷却フィンを備えるバスバーが一体となる構造では、バッテリーハーネスの着脱時に上述のようにスパナでこじられた状態ではバスバーに応力が加わり、ひいては電気接続しているパワーモジュール端子部に応力が作用し、パワーモジュール端子が損傷する事象があった。従来構造ではこじられた応力に耐えうるためのバスバーの断面係数を上げる手段もあるが、バスバーの断面係数を上げると、バスバーの重量が大きくなり、小型化が困難になるという問題もあった。

また、入出力端子部と冷却フィンを備えるバスバーが一体となる構造は、表面が露出しているため、外部からのタイヤ巻き上げによる道路融雪剤などの塩化物侵入により、耐電蝕性が乏しく、バスバーが断線し、インバータ部へ電力が供給できない問題もあった。

この発明に係る制御装置一体型回転電機は、ブラケットに支持された鉄心と固定子巻線からなる固定子、冷却ファンを有する回転子、前記固定子巻線に固定子電流を通電する制御装置であるインバータパワー回路、及び前記インバータパワー回路に直流バッテリからの電力を供給するバスバーを備えた制御装置一体型回転電機において、前記インバータパワー回路は、前記固定子電流のスイッチング機能をもつパワーモジュールと、前記パワーモジュールを、絶縁層を介して搭載しているヒートシンクと、前記パワーモジュールを収容し、前記パワーモジュールの各バスバーを保持する絶縁物ケースを有するものであり、前記バスバーの一部は前記絶縁物ケース内に埋設され、かつ前記絶縁物ケース内で少なくとも２つのセグメント状の前記バスバーが接合部で接合されているものであって、前記絶縁物ケース内には、パワーモジュール収納部の外壁内に設けられ外部のバッテリと接続する第１のバスバーと、パワーモジュール収納部の内壁内に設けられパワーモジュールと接続する第２のバスバーと、前記第１のバスバーと前記第２のバスバーとを電気的に接続するように架橋された第３のバスバーとを備え、前記第１のバスバーと前記第３のバスバーを接合し、前記第２のバスバーと前記第３のバスバーを接合する接合部２か所は絶縁物ケースからなるパワー回路ケースを構成する樹脂により被覆することを特徴とするものである。

この発明によれば、接合部で２つの両端部で一部を重ねて突き合わせるように溶接により接合することにより、車両搭載状態で、バッテリーハーネスを取り付け、ナットで締め付ける場合に、電力変換バスバーに接続されるパワーモジュールあるいは界磁モジュールの応力を低減することができ、市場点検時において、バッテリーハーネスを着脱する際、電子部品に損傷を与えず、信頼性が高いものとなるとともに、接合部２か所を絶縁物ケースからなるパワー回路ケースを構成する樹脂により被覆することにより、耐電蝕性を高めることができ、信頼性を更に向上できる。

この発明の実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機をリア側から見た説明図である。 この発明の制御装置一体型回転電機の電機回路図である。 図１の要部を拡大して示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る制御装置一体型回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る制御装置一体型回転電機をリア側から見た説明図である。

実施の形態１．
図１において、実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機は、一体に結合されたフロントブラケット１とリヤブラケット２からなるブラケットに支持された固定子３を備えている。固定子３は固定子鉄心３ｂとこれに巻回された固定子巻線３ａからなる。固定子３の内周に対向して、回転子４が設けられる。回転子４は界磁巻線７を有し、フロントブラケット１に設けられた軸受とリヤブラケット２に設けられた軸受に支承されたシャフト６に固定されて回転する。回転子４には回転電機の内部を空気により冷却するための冷却ファン５が取り付けられている。

この制御装置一体型回転電機は、インバータパワー回路２０と、この回路に電気的、機械的に取り付けられた金属部材からなる電力変換バスバー３０を有している。インバータパワー回路２０と電力変換バスバー３０との関係の詳細は、図２に基づいて後述する。インバータパワー回路２０は固定子巻線３ａに交流電力を供給するためのものであり、電力変換バスバー３０は回転電機のバッテリ端子からインバータパワー回路２０へ電力を入出力するためのものである。
インバータパワー回路２０と電力変換バスバー３０はカバーに内包され、回転電機の固定子３及び回転子４よりもリヤ側に配置されている。インバータパワー回路２０はリヤブラケット２に保持、固定されている。リヤブラケット２の後方にはインバータパワー回路２０を制御する制御回路基板４０が搭載された樹脂製のパワー回路ケース４１がリヤブラケット２に保持、固定されている。

シャフト６上にはスリップリング８が設けられ、また、スリップリング８にブラシ９が摺接して界磁巻線７に電流を供給する。シャフト６の前端（フロント側）にはプーリ１２が、また、後端（リヤ側）には磁極位置検出センサ１０がそれぞれ取り付けられている。インバータパワー回路２０は信号線出力部２６を介して制御回路基板４０に接続される。

図２において、ヒートシンク２３は、アルミダイキャスト等の金属材料により形成され、図２に良く示されているように、中央部に貫通孔２３ｂを備えている。このヒートシンク２３のフロント側表面には、回転電機の固定子側に軸方向に延びる多数の冷却フィン２３ａが一体に形成されている。ヒートシンク２３の貫通孔２３ｂは、リヤブラケット２の中央軸方向延出部２ａ、およびシャフト６により貫通される。

パワー回路ケース４１は、樹脂により形成され、図２に良く示されているように、環状の外側ケース部４１ａと、環状の内側ケース部４１ｂを備える。内側ケース部４１ｂには、貫通孔２３ｂを包囲する内壁が形成されている。この内壁は、パワー回路ケース４１の内壁を構成する。

パワー回路ケース４１は、前述のヒートシンク２３のリヤ側表面に固定されている。その結果、パワー回路ケース４１の外側ケース部４１ａおよび内側ケース部４１ｂと、ヒートシンク２３のリヤ側表面とにより包囲されるパワーモジュール収納部２１ａが形成される。

前述の６個のパワーモジュール２１は、図２に良く示されているように、パワーモジュール収納部２１ａ内に収納され、互いに間隔を介してコの字状に配置されている。また、パワーモジュール収納部２１ａ内には、前述の制御回路基板４０に接続された信号線出力部２６が挿入されている。この信号線出力部２６は、制御回路基板４０に形成されている制御回路からのゲート信号を、それぞれのパワーモジュール２１の半導体スイッチング素子のゲートに与えるためのものである。

パワー回路防水用樹脂２８は、パワーモジュール２１と信号線出力部２６とを収納したパワーモジュール収納部２１ａ内に充填される。その結果、パワーモジュール２１と信号線出力部２６は、パワー回路防水用樹脂２８内に埋設され、パワー回路防水用樹脂２８により防水保護される。

図１、図２において、実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機は、入出力端子ボルト１３の方向を軸方向に取り出したものである。
パワー回路部２０は、図３に示すように、６相電力変換回路を構成し固定子巻線３ａの通電を制御する６個のパワーモジュール２１と、これ等のパワーモジュール２１が絶縁層（図示せず）を介して搭載されたヒートシンク２３と、バッテリの正極側に電気的に接続される電力入出力導体としての入出力端子ボルト１３と、この入出力端子ボルト１３に電気的に接続される第１のバスバーとしての入出力側バスバー２５と、第２のバスバーとしての電力変換バスバー３０と、第１、第２のバスバーを架橋する第３のバスバーとしての中継バスバー２４と、パワー回路ケース４１とを備える。

図４に詳細を示すように、外部のバッテリの正極に電気的に接続される第３のバスバーとしての中継バスバー２４は、略Ｕ字形状のセグメント状をなし、絶縁物ケースからなるパワー回路ケース４１の内側ケース側壁部４１ａからパワー回路ケース４１の底面４１ｃを通過してパワー回路ケース２５の外側ケース４１ｂ側壁部に配設されている。

前述の中継バスバー２４及びパワー回路ケース４１の略Ｕ字形状の底面部４１ｃは、軸方向において６個のパワーモジュール２１の全て及び界磁モジュール２２よりも回転電機側（固定子３あるいは回転子４）に位置される。
なお、中継バスバー２４の底面部は、ヒートシンク側に向かうように配設されているので、ヒートシンクへの熱伝導性がよく、効率よく、バスバーが冷却される

図２においては、中継バスバー２４は、周方向において６個のパワーモジュール２１の全て及び界磁モジュール２２と重複しない位置として記載しているが、６個のパワーモジュール２１あるいは界磁モジュール２２と重複する場所に配置してもよい。
そうすることで、周方向３６０度すべての位置に、自在にバッテリーハーネス５１取付位置を設定することができ、バッテリーハーネス取付作業性が向上し、自由な設計が可能となる。

外部のバッテリの正極５２（図３参照）に電気的に接続される第１のバスバーとしての入出力側バスバー２５は、略Ｌ字形状のセグメント状をなし、中継バスバー２４の接続端と電気的に接合され、パワー回路ケース４１の径方向に延在し、入出力端子ボルト１３と電気的に接続され、ナット１４の軸力により固定される。

図１においては、前述の入出力側バスバー２５の略Ｌ字形状の底面部が周方向に延在される軸方向位置は、ほぼパワーモジュールと重複する位置に配置しているが、略Ｌ字形状を変更することにより、自在にバッテリーハーネス５１取付位置（つまり、ナット１４の上端面位置）を軸方向に位置することができ、自由な設計変更が可能となる。また、バッテリーハーネス取付位置が求められる複数の機種を設定する場合、中継バスバー２４、入出力端子ボルト１３、ナット１４はそれぞれ共用し、入出力側バスバー２５を複数設定することで、部品の共用化が図れる。

さらに本実施例では、パワー回路ケース４１の内側ケース４１ａ側壁側の接続部は、電力変換バスバー３０の幅８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ（断面積４ｍｍ^２）、中継バスバー２４の幅８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ（断面積４ｍｍ^２）と、同じ幅、厚さとし、両者端部を突き合わせるように溶接により接合されている。また、パワー回路ケース４１の外側ケース４１ｂ側壁側の接続部も同様に、入出力側バスバー３０の幅８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ（断面積４ｍｍ^２）、中継バスバー２４の幅８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ（断面積４ｍｍ^２）とし、両者端部を一部重ねて突き合わせるように溶接により接合されている。そして、接続部を除く、パワー回路ケース４１の底面４１ｃを通過する中継バスバー２４は、幅８ｍｍ、厚さ１ｍｍ（断面積８ｍｍ^２）としている。

接合部で２つの両端部を一部重ねて突き合わせるように溶接により接合することにより、車両搭載状態で、バッテリーハーネスを取り付け、ナットで締め付ける場合に、電力変換バスバー３０に接続される６個のパワーモジュール２１あるいは、界磁モジュール２２の応力を低減することができ、市場点検時において、バッテリーハーネスを着脱する際、電子部品に損傷を与えず、信頼性が高いものとなる。

また、前述の２つの両者端部接合部の断面積（２箇所で８ｍｍ^２）と、パワー回路ケース４１の底面４１ｃを通過する中継バスバーの断面積（８ｍｍ^２）は等価に設定しているので、接合部で過度な発熱を防ぐことができる。
そして、接合部をインバータのパワー回路ケース４１の内側と外側の側壁内に設けることと、２つの接合部の両端を厚み方向に薄くしたことで、インバータのケースの外径を大きくする必要もなく、制御基板収納容積を確保することができる。

また、接合部を外側ケース側壁内と内側ケース側壁内に収納させることで、エンジン振動によるたわみを防止でき、接合部は信頼性が高いものとなる。
さらにインバータのケースに熱伝導性良好なフィラーを混入することで、バスバーの発熱をケースに熱伝導させ、バスバー接合部の温度上昇を抑えることができる。

続いて、インバータの製造方法について、説明する。
まず、電力変換バスバー３０と略Ｕ字状の中継バスバー２４と略Ｌ字状の入出力側バスバー２５は、平板上の銅板を圧延加工により、所定の形状に形成される。その後、電力変換バスバー３０と略Ｕ字状の中継バスバー２４と略Ｌ字状の入出力側バスバー２５は、一部重ねて両端を突き合わせ融接する。融接の一手段としてＴＩＧ溶接が用いられる。

その融接され一体となったバスバーを射出金型に据え置き、インサート射出成型を行う。前述の接合部２か所は絶縁物ケースからなるパワー回路ケース４１を構成する樹脂により、被覆され、外部からのタイヤ巻き上げによる道路融雪剤などの塩化物侵入から電蝕を防止している。また、前述のように２つの接合部と中継バスバーは等価の断面積であり、接合部を被覆する際に、成型時の湯回りがよく、樹脂体のクラック、充填不足などによる、接合部露出を防ぐことができる。
そして、射出成型時の絶縁材料としてＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）が用いられる。

射出成型によって完成した、インバータケースのパワーモジュール収納部２１ａ内に６個のパワーモジュール２１と界磁モジュールを組み付け、６個のパワーモジュール２１の端子端部及び、界磁モジュールの端子端部と電力変換バスバー３０と半田付あるいはスポット溶接などの圧接により、接合する。これらの接続端はインバータケース表面から露出しているが、最後端にあるカバー５０により覆われるとともに、インバータケースの内側ケース側壁部に位置するので、外部からの塩化物が侵入しにくい構造になっており、耐食性に優れたものとなっている。

実施の形態２．
図５、図６は、実施の形態２の制御装置一体型回転電機を示す図で、それぞれ、実施の形態１に係る図１、図２に対応する。この実施の形態２の制御装置一体型回転電機は、実施の形態１に対し、入出力端子ボルト１３の方向を径方向に取り出した点で相違している。
中継バスバー２４を設け、接合部両者端部を突き合わせるように接合することにより、実施の形態１（入出力端子ボルトの方向を軸方向に取り出し）と実施の形態２（入出力端子ボルトの方向を径方向に取り出し）の２種類を設定する場合において、インバータ主要部品である６個のパワーモジュール２１、界磁モジュール２２、電力変換バスバー３０、入出力端子ボルト１３、ナット１４の共通化が可能になり、大量生産性が向上する。

この場合、製造金型を考えると、中継バスバー２４のプレス金型とインバータケースの射出成型金型を新規に製作すればよく、入出力端子ボルトの取出し方向のバリエーションに富んだものが安価に製作できる。
図５、図６においては、入出力端子ボルトの軸方向位置はスリップリング８の最後端に位置している一例を示しているが、実施の形態１と同様に、入出力側バスバー２５の略Ｌ字形状を変更することにより、自在にバッテリーハーネス５１取付位置を移動することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の一部または全部を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ フロントブラケット、 ２ リアブラケット、 ２ａ 軸方向延出部、 ３ 固定子、 ３ａ 固定子巻き線、 ３ｂ 固定子鉄心、 ４ 回転子、 ５ 冷却ファン、 ６ シャフト、 ７ 界磁巻線、 ８ スリップリング、 ９ ブラシ、 １０ 磁極位置検出センサ、 １２ プーリ、 １３ 入出力端子ボルト、 １４ ナット、 ２０ インバータパワー回路、 ２１ パワーモジュール、 ２１ａ パワーモジュール収納部、 ２２ 界磁モジュール、 ２３ ヒートシンク、 ２３ａ 冷却フィン、 ２３ｂ 貫通孔、 ２４ 中継バスバー、 ２５ 入出力側バスバー、 ２６ 信号線出力部、 ２８ パワー回路防水用樹脂、 ３０ 電力変換バスバー、 ４０ 制御回路基板、 ４１ パワー回路ケース、 ４１ａ 外側ケース部、 ４１ｂ 内側ケース部、 ５０ カバー、 ５１ バッテリーハーネス、 ５２ バッテリ正極。

Claims (8)

1. ブラケットに支持された鉄心と固定子巻線からなる固定子、冷却ファンを有する回転子、前記固定子巻線に固定子電流を通電する制御装置であるインバータパワー回路、及び前記インバータパワー回路に直流バッテリからの電力を供給するバスバーを備えた制御装置一体型回転電機において、前記インバータパワー回路は、前記固定子電流のスイッチング機能をもつパワーモジュールと、前記パワーモジュールを、絶縁層を介して搭載しているヒートシンクと、前記パワーモジュールを収容し、前記パワーモジュールの各バスバーを保持する絶縁物ケースを有するものであり、前記バスバーの一部は前記絶縁物ケース内に埋設され、かつ前記絶縁物ケース内で少なくとも２つのセグメント状の前記バスバーが接合部で接合されているものであって、前記絶縁物ケース内には、パワーモジュール収納部の外壁内に設けられ外部のバッテリと接続する第１のバスバーと、パワーモジュール収納部の内壁内に設けられパワーモジュールと接続する第２のバスバーと、前記第１のバスバーと前記第２のバスバーとを電気的に接続するように架橋された第３のバスバーとを備え、前記第１のバスバーと前記第３のバスバーを接合し、前記第２のバスバーと前記第３のバスバーを接合する接合部２か所は絶縁物ケースからなるパワー回路ケースを構成する樹脂により被覆することを特徴とする制御装置一体型回転電機。
2. 前記第１のバスバーは外部のバッテリと接続するための入出力端子ボルトと電気的に接続されるとともに、略Ｌ字状をなし、Ｌ字の一辺の長さを調整することで、前記入出力端子ボルトとの接合位置を調整可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
3. 前記第３のバスバーは略Ｕ字状をなし、略Ｕ字状の底面部は、制御装置一体型回転電機の軸方向に対し、前記ヒートシンク側へ近接するように配設され、前記略Ｕ字状の底面部の反ヒートシンク側に前記パワーモジュールを収納するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。
4. 前記接合部は２つのバスバーの端部を平行にして一部を重ねて突き合わせるように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。
5. 前記接合部のバスバー断面積は、非接合部のバスバー断面積と等しくしたことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の制御装置一体型回転電機。
6. 前記絶縁物ケース内には、パワーモジュール収納部の外壁内に設けられ外部のバッテリと接続する第１のバスバーと、パワーモジュール収納部の内壁内に設けられパワーモジュールと接続する第２のバスバーと、前記第１のバスバーと前記第２のバスバーとを電気的に接続するように架橋された第３のバスバーとを備え、前記第１、第２、第３のバスバーは、各々幅が等しく、２つのバスバーが重なって接合される前記接合部の厚みは前記非接合部の厚さの２分の１に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の制御装置一体型回転電機。
7. 前記入出力端子ボルトは、制御装置一体型回転電機の軸方向と平行に形成したことを特徴とする請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。
8. 前記入出力端子ボルトは、制御装置一体型回転電機の径方向に形成したことを特徴とする請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。

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