JP2004297847A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】円筒扁平状の冷却器11は両面に電力半導体モジュール71A、72A、73Aを搭載するための平面部を有し、冷却器11の下方にはもう1つの冷却器12があり、冷却器11、12は、冷却面50および冷却液通路がドライブシャフトに直角に配置され、冷却器11、12の中心部がドライブシャフトを囲む構造部材101に装着されている。また、冷却器11、12には、電力変換装置に入出する冷却液配管路111、112および冷却器11、12間を結ぶ配管路が接続されている。なお、冷却器11、12内には、ドライブシャフトを中心とする円状の冷却液通路が、ドライブシャフトの半径方向に複数個形成されている。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流モータを駆動する駆動電力に関連し、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献】特開平5−292703号公報。
【0003】
上記特許文献において、モータと電力変換装置の間にモータおよび電力変換装置をともに冷却する冷却器を配し、モータおよび電力変換装置が冷却器により一体に構成され、その冷却器により電力変換装置内の電力半導体モジュールを強制冷却している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、モータの必要電力量が多い場合、直流電力を交流電力に変換する電力半導体モジュールの大きさが増大し、これに伴って冷却器も大きくなるため、モータの径方向の断面積より電力変換装置が必要とする径方向の断面積が大きくなり、モータと電力変換装置が一体化した装置としては必要以上に大型化してしまうという問題点があった。
【0005】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、モータの必要電力量が多くても小型で冷却性に優れた電力変換装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、モータ軸あるいはドライブシャフトを中心とする円筒扁平状あるいは多角形扁平状の冷却器を少なくとも1個以上設け、冷却器の冷却面をモータ軸あるいはドライブシャフトに直角にし、冷却器の冷却面の片面あるいは両面に、モータに電力を供給する電力半導体モジュールを装着する。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、モータ軸あるいはドライブシャフトを中心とする円筒扁平状あるいは多角形扁平状の冷却器を少なくとも1個以上設け、冷却器の冷却面の片面あるいは両面に、モータに電力を供給する電力半導体モジュールを装着することにより、電力変換装置を小型化できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0009】
図1は、本発明の電力変換装置1と電気自動車用モータ2の一体装置の外観構成図である。図1に示す電力変換装置1とモータ2の一体装置が搭載される車両は、駆動源としてモータ2のみを搭載する車両に限定するものではない。この電力変換装置1とモータ2の一体装置が特徴とする点は、電力変換装置1がモータ2の軸に沿って、モータ2と直列に配置して一体化され、その中心をドライブシャフト4が貫通することである。なお、ドライブシャフト4が電力変換装置1の中心を貫通する部分は、ドライブシャフト4を囲む円筒状の構造部材101により覆われ、この円筒状の構造部材101はモータ2の端面の構造部材102と一体化されている。モータ2は電力変換装置1の交流電力により駆動され、モータ2の機械出力は、モータ2に電力変換装置1と反対方向に一体化されたギア3、およびドライブシャフト4を介して車輪に伝達され、車両が駆動される。ここでモータ軸とドライブシャフトは同一軸上に形成しており、モータ軸が電力変換装置1を貫通している場合にも本発明が適用できることは明らかである。
【0010】
図2は、本発明の電力変換装置1を用いた電気自動車駆動システムの電力概略系統図である。図2において、電力変換装置1は、バッテリ5から給電線6を介して供給される直流電力を、内蔵する電力半導体モジュール71〜73のスイッチング動作により交流電力に変換し、モータ2に駆動電力として供給する。図2に示すようにモータ2が交流U相、V相、W相の3相を有する交流モータである場合、電力変換装置1は合計3個の電力半導体モジュール71〜73を有し、電力半導体モジュール71〜73の各出力端子から交流U相、V相、W相の電力が取り出され、電流センサ91〜93を介してモータ2の各相へ入力される。各電力半導体モジュール71〜73には、給電線6によりバッテリ5からの直流電圧が印加される。更に、給電線6には、電力半導体モジュール71〜73と並列に平滑用コンデンサ81〜86が接続されている。平滑用コンデンサ81〜86は、バッテリ5からの電圧を平滑するためのコンデンサであり、大容量が必要となるために、通常は複数個のコンデンサが並列接続される。なお、電力半導体モジュール71〜73は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の電力半導体素子が対をなして構成され、対の接続点が交流出力端子となる。また、各電力半導体素子にはダイオードが逆並列に接続される。図2では、交流1相について1個の電力半導体モジュールが接続されているが、モータ2に大電力を供給する必要がある場合には、交流1相について複数個の電力半導体モジュールを並列接続する。なお、図2においては、電力半導体モジュール71〜73のスイッチングを制御し、直流電力を交流電力に変換する制御関係系統は省略しているが、直流電力を交流電力に変換する制御には3相交流(U相、V相、W相)に流れる電流を測定する必要があるため、電流センサ91〜93を電力変換器1内に配置する。
【0011】
次に、本発明の第1の実施の形態を図3〜図7を用いて説明する。図3は、本発明の第1の実施の形態を示す電力変換装置1の内部構成を示した側面図である。図3はモータ2に電力変換器1を装着する側とは逆側から見て描いている。図3を用いて、本発明の構成を示す。
【0012】
円筒扁平状の冷却器11(冷却器11は中心部は円形で外周部が多角形状を持つ多角形扁平状であってもよい)は両面に電力半導体モジュール71A、72A、73Aを搭載するための平面部を有し、内部に冷却液が流れる複数の冷却液通路46(図5)を有しており、この複数の冷却液通路46に冷却液を入出する冷却液配管路111、112がある。電力半導体モジュール71A、72A、73Aは側面に入出力端子として正極電源端子70p、負極電源端子70nおよび交流出力端子70a(図6)を有し、外周方向に向け配置している。本発明の第1の実施の形態のように交流出力の1相を出力するのに4つの電力半導体モジュール(図7、例えばU相では71A〜71D)を並列接続して使用する場合には、4つの電力半導体モジュールの出力端子70a間を結ぶ交流出力電極21〜23(バスバー)により接続されている。交流出力電極21〜23からの交流出力は3相交流U相、V相、W相の各相の出力電流を検出する電流センサ91〜93を介して、電力変換装置1からの交流出力をモータ2に供給する交流出力端子31〜33からモータ2に供給される。直流入力にはバッテリ5からの直流電圧を平滑するための大容量の平滑用のコンデンサ81〜86を配置している。冷却器11の中心には冷却器11を装着するドライブシャフト4を囲む構造部材101がある。モータ軸が電力変換装置を貫通している場合にはドライブシャフトを囲む構造部材が、モータ軸を囲む構造部材であってもよい。
【0013】
次に本第1の実施の形態の構成部品の接続について説明する。ここで、冷却器11の説明を容易にするため、冷却器11部分の構成のみを取り出した斜視図を図4に示す。冷却器11の下方(モータ側)にはもう1つの冷却器12があり、冷却器11、12は、冷却面50および冷却液通路46がドライブシャフト4に直角(モータ端面102に平行)に配置され、冷却器11、12の中心部がドライブシャフト4を囲む構造部材101に装着されている。また、冷却器11、12には、電力変換装置1に入出する冷却液配管路111、112および冷却器11、12間を結ぶ配管路113が接続されている。なお、冷却器11、12内には、図5に示すように、ドライブシャフト4を中心とする円状の冷却液通路46がドライブシャフト4の半径方向に複数個形成されている。
【0014】
電力半導体モジュール71A、72A、73Aは、冷却器11の片方の冷却面50に120°間隔にてドライブシャフト4を中心とした放射状に装着され、側面の入出力端子(正極電源端子70p、負極電源端子70n、交流出力端子70a)が外周方向になるように配置する。なお、図3の側面図では冷却器11に隠れて図示されていないが、冷却器11の反対側の冷却面50、および冷却器12の冷却面50の両面にも同様に、各3個の電力半導体モジュール71B、72B、73B、71C、72C、73C、および71D、72D、73Dが120°間隔にてドライブシャフト4を中心とした放射状に装着し、側面の入出力端子が外周方向になるように配置する。この時、各4個の電力半導体モジュール71A〜71D、72A〜72D、73A〜73Dは、ドライブシャフト4を中心とする円周方向に同一位置上に配置すると共に、冷却器11、12の各々の冷却面50の両面に装着される電力半導体モジュール71Aと71B、72Aと72B、73Aと73Bおよび71Cと71D、72Cと72D、73Cと73Dには、図6に示すように、入出力端子が互いに冷却器11を挟んで対称関係になるような電力半導体モジュールが用いられ、装着される。電力半導体モジュール71A〜71D、72A〜72D、73A〜73Dの交流出力端子70pには、各々交流出力電極(バスバー)21〜23が接続され、電流センサ91〜93を介して、モータ2に交流電力を供給する交流出力端子31〜33に接続される。なお、電流センサ91〜93と交流出力端子31〜33は、冷却器11、12より外周方向に配置しており、また、交流出力端子31〜33からの交流出力は、電極(バスバー)を用いてモータ2の端面の構造部材102を貫通してモータ2の巻線に接続している。この図3の構成の内、交流3相電力のU相についての電力概略系統図を図7に示す。図7に示すように4個の電力半導体モジュール71A〜71Dが並列に接続され、各電力半導体モジュール71A〜71Dの交流出力端子70aが交流出力電極21で結ばれ、このU相の交流出力は電流センサ91を介して交流出力端子31からモータ2のU相巻線に供給されている。
【0015】
平滑用コンデンサ81〜86も冷却器11、12より外周方向に配置し、交流の各相当たり2個の平滑用コンデンサが、電流センサ91〜93と交流出力端子31〜33を挟むように配置する。なお、ここでは図示していないが、バッテリ5からの直流電圧が給電線6を介して印加される正負の電極(バスバー)は、電力変換装置1の各構成部品と接続する部位を除き、間に絶縁層を挟んで重ね合わされ、各構成部品間で最短距離になるように配設される。
【0016】
また、電力半導体モジュール71A〜71D、72A〜72D、73A〜73Dを120°間隔にてドライブシャフト4を中心とした放射状に配置したため、平滑用のコンデンサ81〜86や電流センサ91〜93と交流出力端子31〜33を含め、3相間で各構成部品を相互に均等な位置関係に配置することができ、サージ電圧や発熱等が全て均一にできるという効果がある。
【0017】
また、冷却器11、12の中心部をドライブシャフトを囲む構造部材101に装着しているため、電力変換装置1の強度(剛性)を確保することができる。さらに、冷却器11、12の内部に冷却液が流れる冷却液通路46をドライブシャフト4を中心とする円状で、ドライブシャフト4の半径方向に複数個形成しているため、冷却器11、12に装着される電力半導体モジュール71A〜71D、72A〜72D、73A〜73Dの全面を均一に冷却できるという効果がある。
【0018】
また、冷却器の1つの冷却面上に交流3相分の電力半導体モジュールを装着し、かつ冷却器両面への電力半導体モジュールの装着、および冷却器の電力変換装置1への装着数の変更を可能とした構造としたため、モータの必要電力によって、電力半導体モジュールが冷却器に装着される面が片面か両面かを、あるいは冷却器が電力変換装置1に装着される個数を変更することができ、電力変換装置1を最適化、小型化できるという効果がある。
【0019】
さらに、1つの冷却器の両面に装着される電力半導体モジュール71Aと71B、72Aと72B、73Aと73Bおよび71Cと71D、72Cと72D、73Cと73Dには、入出力端子が冷却器を挟んで互いに対称関係になるような電力半導体モジュールを用い、装着されているため、交流出力電極(バスバー)21〜23、および直流電力の正負の電極(バスバー)の接続を最短化かつ容易化できる。
【0020】
次に本発明の第2の実施の形態として、冷却器11の1つの冷却面50上に交流の1相分の複数の電力半導体モジュール71A〜71Cを装着する場合を、本第2の実施の形態を示す電力変換装置1の内部構成の側面図である図8を用いて説明する。図3と大きく異なるのは冷却器11の冷却面50上に装着されている電力半導体モジュール71A〜71Cは交流3相の内、U相を出力する3つの電力半導体モジュール71A〜71Cであり、この3つの電力半導体モジュール71A〜71Cを並列接続して使用している。また、電力半導体モジュール71A〜71Cの交流出力端子70aが正極電源端子70pおよび負電極端子70nより外周方向に突出し、その交流出力端子70aが円環状の交流出力電極(バスバー)21に接続していることである。この円環状の交流出力電極(バスバー)21には電流センサ91介して交流出力端子31が接続され、交流出力端子31からの交流出力は、電極(バスバー)を用いてモータ2の端面の構造部材102を貫通してモータ2の巻線に接続されているのは図3と同じである。他の交流出力のV相、W相の電力半導体モジュール72A〜72C、73A〜73Cおよび円環状の交流出力電極(バスバー)22、23は見えないため図示していないが、それぞれの円環状の交流出力電極(バスバー)22、23に接続しているV相、W相の出力は図示されている電流センサ92、93を介して交流出力端子32、33に接続され、交流出力端子32、33から電極でモータ2端面の構造部材102を貫通し、モータ2の巻線に接続されるのは第1の実施の形態と同様である。ただこの第2の実施の形態では冷却器11の両面にはU相、V相用の6つの電力半導体モジュール71A〜71C、72A〜72Cが装着されているが、冷却器12には片面の冷却面にW相用の3つの電力半導体モジュール73A〜73Cが装着されているのみで、もう片方の冷却面には電力半導体モジュールが装着されていない。
【0021】
ここでは交流1相に3つの電力半導体モジュールを並列接続し使用する場合に3つの電力半導体モジュールを冷却器の片面に装着する実施の形態を示したが、交流1相に4つの電力半導体モジュールを並列接続し使用する場合に、電力半導体モジュール2個づつを冷却器の片面に装着し、交流1相に
1つの冷却器を割り当てることも可能である。
【0022】
この場合にも電力半導体モジュール71A〜71C、72A〜72C、73A〜73Cを120°間隔にてドライブシャフト4を中心とした放射状に配置したため、平滑用のコンデンサ81〜86や電流センサ91〜93と交流出力端子31〜33を含め、3相間で各構成部品を相互に均等な位置関係に配置することができ、サージ電圧や発熱等が全て均一にできるという効果がある。
【0023】
また、冷却器11、12の中心部をドライブシャフトを囲む構造部材101に装着しているため、電力変換装置1の強度(剛性)を確保することができる。さらに、冷却器11、12の内部に冷却液が流れる冷却液通路46をドライブシャフト4を中心とする円状で、ドライブシャフト4の半径方向に複数個形成しているため、冷却器11、12に装着される電力半導体モジュール71A〜71C、72A〜72C、73A〜73Cの全面を均一に冷却できるという効果がある。
【0024】
また、冷却器の1つの冷却面上に交流1相分の電力半導体モジュールを装着し、かつ冷却器両面への電力半導体モジュールの装着、および冷却器の電力変換装置1への装着数の変更を可能とした構造としたため、モータの必要電力によって、電力半導体モジュールが冷却器に装着される面が片面か両面かを、あるいは冷却器が電力変換装置1に装着される個数を変更することができ、電力変換装置1を最適化、小型化できるという効果がある。さらに、1つの冷却器の両面に装着される電力半導体モジュール71Aと72A、71Bと72B、71Cと72Cには、入出力端子が冷却器を挟んで互いに対称関係になるような電力半導体モジュールを用い、装着されているため、直流電力の正負の電極(バスバー)の接続を最短化かつ容易化できる。
【0025】
次に本発明の第3の実施の形態として、冷却器11の1つの冷却面50上にモータ2の相数に等しい複数の電力半導体モジュール71A〜76Dを装着する場合を図9、10を用いて説明する。図9は交流3相の6極モータ(6相)を駆動する場合の電力概略系統図であり、交流を出力するためのスッチング制御の制御回路は省略している。図10は本第3の実施の形態を示す電力変換装置1の内部構成の側面図である。図3と大きく異なる点は冷却器11の1つの冷却面50上に6相分の電力半導体モジュール71A〜76Aが60°間隔に並べられている点であるが、1相を駆動するのに4つの電力半導体モジュール71A〜71Dが使用されている等は同じである。電力変換装置1からの交流出力(U−1相、V−1相、W−1相、U−2相、V−2相、W−2相)は電流センサ91〜96を介して交流出力端子31〜36から電極(バスバー)を用いてモータ2の端面の構造部材102を貫通してモータ2の巻線に接続されているのは図3と同じである。
【0026】
この場合も電力半導体モジュール71A〜71D、72A〜72D、73A〜73D、74A〜74D、75A〜75D、76A〜76Dを60°間隔にてドライブシャフト4を中心とした放射状に配置したため、電流センサ91〜96と交流出力端子31〜36を含め、6相間で各構成部品を相互に均等な位置関係に配置することができ、サージ電圧や発熱等が全て均一にできるという効果がある。
【0027】
また、冷却器11、12の中心部をドライブシャフトを囲む構造部材101に装着しているため、電力変換装置1の強度(剛性)を確保することができる。さらに、冷却器11、12の内部に冷却液が流れる冷却液通路46をドライブシャフト4を中心とする円状で、ドライブシャフト4の半径方向に複数個形成しているため、冷却器11、12に装着される電力半導体モジュール71A〜71D、72A〜72D、73A〜73D、74A〜74D、75A〜75D、76A〜76Dの全面を均一に冷却できるという効果がある。
【0028】
また、冷却器の1つの冷却面上に6相分の電力半導体モジュールを装着し、かつ冷却器両面への電力半導体モジュールの装着、および冷却器の電力変換装置1への装着数の変更を可能とした構造としたため、モータの必要電力によって、電力半導体モジュールが冷却器に装着される面が片面か両面かを、あるいは冷却器が電力変換装置1に装着される個数を変更することができ、電力変換装置1を最適化、小型化できるという効果がある。
【0029】
さらに、1つの冷却器の両面に装着される電力半導体モジュール71Aと71B、72Aと72B、73Aと73B、74Aと74B、75Aと75B、76Aと76Bおよび71Cと71D、72Cと72D、73Cと73D、74Cと74BD、75Cと75D、76Cと76Dには、入出力端子が冷却器を挟んで互いに対称関係になるような電力半導体モジュールを用い、装着されているため、交流出力電極(バスバー)21〜26、および直流電力の正負の電極(バスバー)の接続を最短化かつ容易化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電力変換装置とモータの一体構造の外観構成図。
【図2】本発明の電力変換装置を用いた電気自動車駆動システムの電力概略系統図。
【図3】本発明の第1の実施の形態を示す電力変換装置の内部構成の側面図。
【図4】本発明の第1の実施の形態を示す電力変換装置の冷却器の斜視図。
【図5】本発明の第1の実施の形態を示す電力変換装置の冷却器の冷却液通路パターンを示す図。
【図6】電力半導体モジュールの端子配置を示す図。
【図7】本発明の第1の実施の形態を示すU相電力発生の電力概略系統図。
【図8】本発明の第2の実施の形態を示す電力変換装置の内部構成の側面図。
【図9】本発明の第3の実施の形態を示す電力変換装置を用いた電気自動車駆動システムの電力概略系統図。
【図10】本発明の第3の実施の形態を示す電力変換装置の内部構成の側面図。
【符号の説明】
1…電力変換装置
2…モータ
4…ドライブシャフト
11、12…冷却器
46…冷却液通路
50…冷却面
70a…交流出力端子
70n…負極電源端子
70p…正極電源端子
71〜73、71A〜71D、72A〜72D、73A〜73D、74A〜74D、75A〜75D、76A〜76D…電力半導体モジュール
101…ドライブシャフトを囲む構造部材
Claims (8)
- モータと直列に配置して一体化し、モータ軸あるいはドライブシャフトが貫通する電力変換装置において、
前記モータ軸あるいは前記ドライブシャフトを中心とする円筒扁平状あるいは多角形扁平状の冷却器を少なくとも1個以上設け、前記冷却器の冷却面を前記モータ軸あるいはドライブシャフトに直角にし、前記冷却器の前記冷却面の片面あるいは両面に、前記モータに電力を供給する電力半導体モジュールを装着すること
、を特徴とする電力変換装置。 - 前記冷却器は、前記モータ軸あるいは前記ドライブシャフトを囲む構造部材に装着することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記冷却器は放熱用の冷却液通路を有し、前記冷却液通路は前記モータ軸あるいは前記ドライブシャフトを中心とする円状であり、前記ドライブシャフトの半径方向に複数個形成することを特徴とする請求項1、2のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記冷却器に装着される前記電力半導体モジュールは、前記冷却器の1つの前記冷却面上に交流3相各相の前記電力半導体モジュールを前記モータ軸あるいは前記ドライブシャフトを中心とした放射状に配置することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記電力半導体モジュールを前記冷却器に装着する前記冷却面が片面のみか両面か、あるいは前記冷却器が前記電力変換装置に装着する個数を、前記モータの必要電力によって決定することを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記冷却器に装着する前記電力半導体モジュールは、1つの前記冷却面上、あるいは1つの前記冷却器上に交流1相分が前記モータ軸あるいは前記ドライブシャフトを中心とした放射状に配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記電力半導体モジュールが前記冷却器に装着される前記冷却面が片面のみか両面かは、あるいは前記冷却器が前記電力変換装置に装着される個数を、前記モータの相数によって決定することを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。
- 前記冷却面の両面に前記電力半導体モジュールを装着し、両面間の前記電力半導体モジュールの端子配置が、前記冷却器を挟んで互いに対称関係であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の電力変換装置。
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