JP2012209027A

JP2012209027A - ブスバー構造体

Info

Publication number: JP2012209027A
Application number: JP2011071650A
Authority: JP
Inventors: masafumi Kaga; 雅文加賀
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-25

Abstract

【課題】樹脂モールド成型する金属板状導体の屈曲部への樹脂の注入を容易にして応力集中を緩和し、ボイドやクラックを防止すると共に成形時に発生するばりを防止して容易に製作できる低インダクタンスの樹脂モールド型のブスバー構造体を提供する。
【解決手段】少なくとも２枚の金属板状導体１、２を並置すると共に、少なくとも一カ所の屈曲部３を形成し、樹脂により一体にモールド成型するものである。各金属板状導体１、２間は、予め定めた間隔Ｇで並置し、しかもこの間隔Ｇに比べて屈曲部３において内側に位置する金属板状電極１の平均曲げ半径Ｒ_１と外側の位置する金属板状電極２の平均曲げ半径Ｒ_２との差（Ｒ_１−Ｒ_２）を大きくしてブスバー構造体を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は車両用のインバータ機器等に使用するブスバー構造体に係り、特に積層する複数の金属板状電極を樹脂モールドにより一体に成形するブスバー構造体に関する。

ハイブリッド電気自動車等の車両では、使用するモータを駆動制御する電気機器には、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御方式のインバータが用いられている。そして、ＰＷＭ制御のインバータにおけるスイッチング回路の通電導体には、銅やアルミニウム等の如き金属材料製の複数の金属板状導体を積層してなるブスバー構造体が使用されている。

ブスバー構造体は、インバータ回路のノイズ低減のために複数の金属板状導体を並置し、低インダクタンス化したものを使用する。この種のブスバー構造体は、図２に示すように例えば内側と外側の２枚の金属板状導体１、２を平行に積層すると共に、適用箇所を考慮してそれぞれ所定の曲率半径Ｒ_１、Ｒ_２の曲げ加工を施して形成した屈曲部３を有する形状にされている。

並置する金属板状導体１、２は、相互間の間隔Ｇができるだけ均一になるように積層しているから、これらの一部に形成される屈曲部３は各曲率半径Ｒ_１、Ｒ_２の双方とも大きく変わらないように一体に曲げた構造になっている。

一般に、複数の金属板状電極を積層したブスバー構造体としては、特許文献１に記載された積層型ブスバーアセンブリの如き樹脂モールド型の構造、又は特許文献２に記載された積層バスバーの如き絶縁シート型の構造に大別することができる。

樹脂モールド型の例である特許文献１のブスバー構造体は、複数の金属板状導体が小間隔を隔てて平行に配置され、しかも金属板状導体は一部に小孔を形成している。これら金属板状導体の全体は、絶縁性を有する樹脂材で被覆すると共に、金属板状導体の間の小間隔や小孔にも充填して一体に樹脂モールド成型して構成している。このブスバー構造体の構成とすることで、各金属板状導体を機械的に強固に支持でき、モールド時の位置ずれを防止している。

また、連縁シート型の例である特許文献２のブスバー構造体は、複数の金属板状導体を対向させて配置するとき、各金属板状導体間に薄い電気絶縁樹脂シートを介在させて積層し、各金属板状導体と電気絶縁樹脂シートとを接着層によって接着して構成している。しかも、このブスバー構造体の構成では、双方の金属板状導体の一部に屈曲部を含む時の対策として、両金属板状導体の屈曲部の曲げ半径を曲げ半径を異ならせて、双方間に曲げから外れた位置のものよりも広い間隙を形成し、電気絶縁樹脂シートの接着層がない絶縁材曲げ部を形成することにより、曲げ部にクラックや割れ発生の原因となる多数の連続する細かなしわが発生を防止している。

特開２００７−２１５３４０号公報特開２０００−２１５７３５号公報

ところが、特許文献１に記載の樹脂モールド型のブスバー構造体では、金型を用いて樹脂モールドする際に、図２に示す如く金属板状導体１、２を曲げ加工した屈曲部３の樹脂部分に、製造時の残留応力が集中して発生する。また、ブスバー構造体を使用する環境が、温度変化の激しい場所であるときには、金属板状導体と樹脂との線膨張係数差に基づいて熱応力が発生する。

樹脂モールド型のブスバー構造体における樹脂の応力は、特に金属板状導体の屈曲部を被覆して絶縁層を形成する樹脂に剥離が発生するし、また樹脂の流動性と金属板状導体の形状から樹脂モールド部分にボイドやクラックが発生し、長期間の使用に耐えなくなる問題があった。

また、インバータ機器用のブスバー構造体では、低インダクタンスにするために、流動特性評価であるスパイラルフローの高い樹脂を用いてモールド成型した場合、成型時に一部がはみ出す所謂ばりが発生し易くなってしまい、製造する上で問題があった。

更に、特許文献２に記載の絶縁シート型のブスバー構造体は、金属板状導体間に電気絶縁樹脂シートを配置し、接着層により接着した上で曲げ加工をすると、屈曲部において絶縁シートに皺や剥離が発生してしまう恐れがある。電気絶縁樹脂シートに皺や剥離が発生した部分があると、この箇所から放電劣化を起し、最終的には絶縁破壊に至ってしまう問題がある。また、各金属板状導体に金属板状導体間に電気絶縁樹脂シートを介在させて製作する場合、電気絶縁樹脂シートを配置することが難しく、製造の際の歩留りを向上させることができず、製造効率を上げることができないという問題があった。

本発明の目的は、樹脂モールド成型する金属板状導体の屈曲部への樹脂の注入を容易にして応力集中を緩和し、ボイドやクラックを防止すると共に成形時に発生するばりを防止して容易に製作できる低インダクタンスの樹脂モールド型のブスバー構造体を提供することにある。

本発明のブスバー構造体は、少なくとも２枚の金属板状導体を並置すると共に、前記各金属板状導体は少なくとも一カ所の屈曲部を形成し、前記各金属板状導体を樹脂により一体にモールド成型するものであって、前記各金属板状導体間は予め定めた間隔で並置し、かつ前記金属板状電極間の間隔に比べて、前記屈曲部において内側に位置する金属板状電極の平均曲げ半径と外側の位置する金属板状電極の平均曲げ半径との差を大きくしたことを特徴としている。

好ましくは、前記金属板状導体間の間隔は０．２ｍｍ以上から０．５ｍｍ以下にされ、前記屈曲部において内側に位置する金属板状電極の平均曲げ半径と外側の位置する金属板状電極の平均曲げ半径との差は、前記金属板状導体間の間隔に比べて０．３ｍｍから０．８ｍｍ大きいことを特徴としている。また好ましくは、モールド成型に使用する前記樹脂は、スパイラルフローが９０ｃｍ以上で２４０ｃｍ以下であることを特徴としている。

本発明のブスバー構造体のように構成すれば、各金属板状導体に形成する屈曲部は、内側に位置する金属板状導体の平均曲げ半径と外側に位置する金属板状導体の平均曲げ半径との差を、金属板状導体間の間隔よりも大きくしたので、モールド成型時に樹脂が屈曲部へ注入し易くできるから応力集中を緩和させ、ボイドやクラックの発生を防止すると共に製造時に発生し易いばりも防止することができる。このため、低インダクタンス化できるブスバー構造体を容易に製造することができる。

本発明のブスバー構造体に用いる金属板状導体の一実施例を示す平面図である。従来のブスバー構造体に用いる金属板状導体を示す平面図である。

以下、本発明のモールド成型するブスバー構造体について、図１を用いて説明する。このブスバー構造体では、外側に位置する金属板状導体１と内側に位置する金属板状導体２の２枚は、相互間の間隔Ｇを予め定めた均一の間隔にして並置している。具体的には、金属板状導体１、２間の間隔Ｇは０．２ｍｍ以上から０．５ｍｍ以下にされ、樹脂を注入してのモールド成型を問題なく行えるようにする。

また、並置する金属板状導体１、２は、少なくとも一カ所の屈曲部３を形成しており、この屈曲部３において内側に位置する金属板状電極１の平均曲げ半径Ｒ_１と外側の位置する金属板状電極２の平均曲げ半径Ｒ_２の差を、金属板状導体１、２間の間隔Ｇに比べて大きくしている。双方の平均曲げ半径Ｒ_１とＲ_２の差は、上記した如く金属板状導体１、２間の間隔Ｇは０．２ｍｍ以上から０．５ｍｍ以下であるので、これよりも０．３ｍｍから０．８ｍｍ大きく形成している。

並置する金属板状導体１、２は、金型（図示せず）内に配置して樹脂を注入して一体にモールド成型するが、使用する樹脂はスパイラルフローが９０ｃｍ以上で２４０ｃｍ以下のものを使用する。このような樹脂を用いてモールド成型すれば、特に屈曲部３にボイドやばりがなくて低インダクタンスの低いブスバー構造体を、成型性を損なわずに容易に製造することができる。

次に、図１の本発明による実施例、及び図２の比較例について説明する。全ての実施例と比較例は、金属板状導体１、２にはアルミニュウム材（ＪＩＳ規格：Ａ６０６１）を使用し、長さ１５０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ２ｍｍにしてブスバー構造体を製造した。並置する金属板状導体１、２間の間隔Ｇは、実施例では０．２ｍｍから０．５ｍｍで、比較例では０．１ｍｍから０．６ｍｍの均一にしており、しかも長さの半分である７５ｍｍの中央一カ所に屈曲部３を形成した構造である。

また、モールド成型の樹脂は、ベースポリマとしてノボラック系エポキシ樹脂に、シリカフィラを２５Ｖｏｌ％加えたスパイラルフロー２６５ｃｍの材料Ａと、同様にシリカフィラを３０Ｖｏｌ％加えたスパイラルフロー２４０ｃｍの材料Ｂと、同様にシリカフィラを６７Ｖｏｌ％加えたスパイラルフロー９３ｃｍの材料Ｃと、同様にシリカフィラを７０Ｖｏｌ％加えたスパイラルフロー６１ｃｍの材料Ｄを用いた。

実施例及び比較例のブスバー構造体は、以下のような手順によって製造した。金属板状導体１、２の双方は、打ち抜き加工で製造し、その後曲げ加工を施して屈曲部３を形成して組み合わせ、金型内に配置した。金型内の金属板状導体１、２の両端部は金属スペーサにて固定し、更にネジ止めをおこなってモールド成型して製造した。

樹脂のモールド成型には、シングルゲート用のトランスファモールド装置（多加良製作所、モデル：ＴＴＭＭＳ７２）で、スパイラルフローが直径３．６ｍｍの半円形断面流路をもつものを用いた。モールド成型の条件は、金型の温度を１８０℃、注入圧力を１０ＭＰａ、保持時間を１８０秒とした。

製造したブスバー構造体は、インダクタンスの評価、耐電圧試験、ボイドとクラック、樹脂モールド成型時のバリや金型からの漏れについて、それぞれ以下に述べるように評価した。まず、インダクタンスの評価は、数値解析ソフト（ＣＡＤＡＳ）とインピーダンスアナライザを使用し、電圧はＡＣ１０Ｖｒｍｓ、周波数は１０ＭＨｚとした。高周波使用を前提にし、周波数１ＭＨｚでサージ電圧１０ＭＡ以下という条件で、インダクタンス１０ｎＨ以下で合格とした。

耐電圧試験は、温度サイクル試験１０００回後に正弦波交流実効値２ｋＶを６０秒印加し、絶縁破壊しなければ合格とした。温度サイクルの条件は、−４０℃、３０分⇔１５０℃、３０分とした。また、ボイドとクラックは、樹脂モールド成型した構造体ブスバーを分解し、目視にて確認を行って判定した。

ブスバー構造体を樹脂モールド成型する時に発生するばりや金型からの漏れは、成型装置と金型に悪影響を及ぼすため、評価項目に追加したものであり、目視により判定を行い、ばりが殆ど無い場合は○と評価、ばりと金型からの漏れが多く悪影響を及ぼす場合は×と評価した。

実施例１
金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとして、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝７．０ｍｍとし、材料Ｃを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体のインダクタンスは、金属板状導体１、２の間隔Ｇが０．５ｍｍであると８．８ｎＨであり、屈曲部３の間隔が曲げ半径差Ｒ_１−Ｒ_２＝１．０ｍｍに広がっても９．２ｎＨであって１０ｎＨ以下となった。このブスバー構造体は、耐電圧試験に合格し、ボイドやクラックもない良好なものが得られた。

実施例２
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとし、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝６．７ｍｍとし、材料Ｃを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体のインダクタンスは、金属板状導体１、２の間隔Ｇが０．４ｍｍであると７．１ｎＨであり、屈曲部３での間隔が曲げ半径差Ｒ_１−Ｒ_２＝０．７ｍｍに広がっても７．３ｎＨと１０ｎＨ以下となった。このブスバー構造体は、耐電圧試験に合格し、ボイドやクラックも無い良好なものが得られた。

実施例３
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径６ｍｍとし、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径を６．４ｍｍとし、材料Ｃを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体のインダクタンスは、金属板状導体１、２の間隔Ｇが０．２ｍｍであると３．８ｎＨであり、屈曲部３の間隔が曲げ半径差Ｒ_１−Ｒ_２＝０．４ｍｍに広がっても４．１ｎＨと１０ｎＨ以下となった。このブスバー構造体は、耐電圧試験に合格し、ボイドやクラックも無い良好なものが得られた。

実施例４
外側に位置する金属板状導体の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとし、内側の曲げ半径Ｒ_１＝６．８ｍｍとし、材料Ｂを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体のインダクタンスは、金属板状導体１、２の間隔Ｇが０．５ｍｍであると８．８ｎＨであり、屈曲部３の間隔が曲げ半径差０．８ｍｍに広がっても８．３ｎＨと１０ｎＨ以下となった。このブスバー構造体も耐電圧試験に合格し、ボイドやクラックも無い良好なものが得られた。

比較例１
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとし、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝６．１ｍｍとし、材料Ｂを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体のインダクタンスは１．９ｎＨであり、１０ｎＨ以下となるが、耐電圧試験は短絡してしまい不合格、樹脂の充填が不十分でボイドが屈曲部３とそれ以外に見られた。金属板状導体１、２の間隔Ｇが０．１ｍｍであると屈曲部以外でも樹脂充填性が著しく低下した。

比較例２
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとし、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝６．５ｍｍとし、材料Ｄを用いトランスファモールド成型を行った。インダクタンスは８．８ｎＨであり、１０ｎＨ以下となるが、耐電圧試験は短絡してしまい不合格、樹脂充填が不十分でボイドが屈曲部３に見られる。スパイラルフローが短いのと屈曲部３の間隔によって樹脂の充填が不十分であった。

比較例３
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとして、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝６．８ｍｍとし、材料Ｄを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体のインダクタンスは７．５ｎＨであり、１０ｎＨ以下となるが、耐電圧試験は短絡し不合格、樹脂の充填が不十分でボイドが屈曲部３に見られた。スパイラルフローが短いことによって樹脂の充填が不十分であった。

比較例４
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとし、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝６．３ｍｍとし、材料Ｂを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体のインダクタンスは５．３ｎＨであり、１０ｎＨ以下となるが、耐電圧試験は短絡し不合格、樹脂の充填が不十分でボイドが屈曲部３に見られた。樹脂の充填が屈曲部３以外で先に完了してしまって、屈曲部では充填が不十分であった。

比較例５
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとし、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝６．４ｍｍとし、材料Ｃを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体のインダクタンスは７．９ｎＨであり、１０ｎＨ以下となるが、耐電圧試験は短絡し不合格、樹脂充填が不十分でボイドが屈曲部に見られる。屈曲部３が他の金属板状導体１、２の間隔Ｇよりも狭くなっており、樹脂の充填が屈曲部以外の部分で先に完了し、屈曲部では充填が不十分でボイドが発生した。

比較例６
外側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとし、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径を７．０ｍｍとし、材料Ｃを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体は耐電圧試験合格し、ボイド・クラックも無いが、インダクタンスは１１．０ｎＨであり、１０ｎＨ以上となる。金属板状導体１、２の間隔Ｇが大きいので成型性は良いのが、インダクタンスは増加した。

比較例７
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとし、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝７ｍｍとし、材料Ｃを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体のインダクタンスは９．０ｎＨであり、１０ｎＨ以下となるが、耐電圧試験は短絡し不合格、樹脂充填が不十分でボイドが屈曲部３に見られる。樹脂の充填が屈曲部では不十分で、ボイドが発生した。

比較例８
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとし、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝７．４ｍｍとし、材料Ｃを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体は耐電圧試験合格し、ボイドやクラックも無いが、インダクタンスは１１．２ｎＨであり、１０ｎＨ以上となる。屈曲部３の金属板状導体１、２の間隔が大きいので成形性は良いのであるが、インダクタンスは増加した。

比較例９
外側に位置する金属板状導体２の曲げ半径Ｒ_２＝６ｍｍとして、内側に位置する金属板状導体１の曲げ半径Ｒ_１＝６．８ｍｍとし、材料Ａを用いトランスファモールド成型を行った。製造したブスバー構造体は、スパイラルフロー２６５ｃｍであるために樹脂の流動性が良すぎて、ばり及び金型からの樹脂漏れが多く発生し成形性が著しく低下した。

表１に、上記した実施例１〜４及び比較例１〜９で得られたブスバー構造体について評価した結果を示している。この表１では、各測定項目でそれぞれ測定して判定しており、ばりと金型からの漏れのない良好なブスバー構造体は○印に、不良のブスバー構造体は×印に表示している。

上記したブスバー構造体の各実施例及び各比較例とを検討した結果について、以下に纏めて説明する。実施例１と実施例３では、ボイドは無く樹脂は充填されていたが、比較例１では屈曲部３以外にもボイドがみられた。このことから、ブスバー構造体は金属板状導体１、２間の間隔Ｇとして０．２ｍｍ以上が必要である。更に、実施例１ではインダクタンス値は９．２ｎＨとなっているが、比較例６ではインダクタンス値が１０ｎＨより大きくなり、金属板状導体間１、２の間隔Ｇは０．５ｍｍ以下でなくてはならない。

実施例１では、屈曲部３にも樹脂は充填されていたが、これと金属板状導体１、２間の間隔Ｇが同じ０．５ｍｍの比較例２及び比較例５では、十分な曲げ半径差（Ｒ_１−Ｒ_２）がないために樹脂が屈曲部に充填されていなかった。

また、実施例２と実施例３ではスパイラルフロー９３ｃｍの樹脂を使用しており、金属板状導体１、２の間隔Ｇに十分に充填されている。実施例４ではスパイラルフロー２４０ｃｍの樹脂を使用しており、これも金属板状導体１、２の間隔Ｇにも十分に充填されている。しかし、比較例９ではスパイラルフロー２６５ｃｍの樹脂を使用しているために、ばりや金型からの樹脂の漏れがあり、樹脂モールド時の成型性が著しく損なわれた。更に、比較例３ではスパイラルフロー６１ｃｍの樹脂を使用しているために、屈曲部３以外にもボイドが見受けられ充填が不十分であった。

表１に示した本発明のブスバー構造体の実施例について検討した結果は、纏めると以下のようになる。ブスバー構造体において、１０ｎＨ以下の低インダクタンスとボイドやクラックがないことの両立ができる最適な条件は、低インダクタンスを維持する観点から、金属板状導体１、２の間隔Ｇは０．２ｍｍ以上で０．５ｍｍ以下である。

また、ブスバー構造体の金属板状導体１、２の曲げ半径差（Ｒ_１−Ｒ_２）は、樹脂を均一に充填する観点から、金属板状導体１、２の間隔Ｇよりも０．３ｍｍから０．８ｍｍ大きくすれば、インダクタンスの増加を抑えられ、しかも屈曲部３への樹脂の充填性も十分に確保することができる。更に、ブスバー構造体のモールド成型に使用する樹脂は、スパイラルフローが９０ｃｍから２４０ｃｍものを用いると、成型物にボイドやばりがなくて低インダクタンスでかつ成形性を向上することができる。

なお、樹脂の圧力損失は、並行な平板では金属板状導体間の間隔の３乗に反比例することが知られており、本発明のブスバー構造体では屈曲部３の間隔が、並行な部分の金属板状導体１、２間の間隔Ｇよりも大きいから、樹脂の圧力効果が軽減され、樹脂流動し易くなる。金属板状導体１、２間の間隔Ｇが０．５ｍｍの時に、屈曲部３の曲げ半径差を１．０ｍｍとすると、最大屈曲部間隔が１．１２ｍｍとなり、屈曲部３の圧力損失がその他の部分よりも約１０％低下するため、屈曲部３にも樹脂が流れ易くなり、低インダクタンスでかつ成形性も良好なものが得られる。

１、２…金属板状導体、３…屈曲部。

Claims

少なくとも２枚の金属板状導体を並置すると共に、前記各金属板状導体は少なくとも一カ所の屈曲部を形成し、前記各金属板状導体を樹脂により一体にモールド成型したブスバー構造体において、前記各金属板状導体間は予め定めた間隔で並置し、かつ前記金属板状電極間の間隔に比べて、前記屈曲部において内側に位置する金属板状電極の平均曲げ半径と外側の位置する金属板状電極の平均曲げ半径との差を大きくしたことを特徴とするブスバー構造体。
請求項１において、前記金属板状導体間の間隔は０．２ｍｍ以上から０．５ｍｍ以下にされ、前記屈曲部において内側に位置する金属板状電極の平均曲げ半径と外側の位置する金属板状電極の平均曲げ半径との差は、前記金属板状導体間の間隔に比べて０．３ｍｍから０．８ｍｍ大きいことを特徴とするブスバー構造体。
請求項１又は２において、前記樹脂は、スパイラルフローが９０ｃｍ以上で２４０ｃｍ以下であることを特徴とするブスバー構造体。