JP2023067064A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置を小型化できる。【解決手段】電力変換装置は、直流から三相交流に変換された電力をモータに供給し、電力変換回路および電力変換回路を制御する制御回路と、電力変換回路及び制御回路を収容し、モータが配置される側に開口部を有するハウジングと、開口部を塞ぐ樹脂製のモールド部材と、モールド部材に保持され、電力変換回路からモータに電力を供給する複数の交流バスバと、開口部を囲み、モールド部材とハウジングの間に配置されるシール部材と、を備え、交流バスバの一部は、シール部材を挟んでハウジングのモータ側表面と対向する位置に配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は、モータとともに広く用いられている。特許文献１には、モータ要素収容部材と制御基板収容部材を有するハウジングと、前記モータ要素収容部材内に設けられ回転自在に支持されたモータシャフトと、前記モータシャフトと一体に回転するように前記モータ要素収容部材内に設けられたモータロータと、前記モータ要素収容部材内に設けられ、通電されることにより前記モータロータを回転駆動させるモータステータと、前記制御基板収容部材側に設けられ、前記モータステータに電力を供給する電力供給部と、前記モータシャフトの1対の端部のうち、前記制御基板収容部材側に設けられ、前記モータシャフトの回転軸周りの方向にN極とS極が配置されたマグネットと、前記ハウジング内において前記マグネットと対向するように前記制御基板収容部材側に設けられ、前記モータシャフトの回転に伴う前記マグネットの磁界の大きさまたは方向の変化を検出することにより前記モータシャフトと一体に回転する前記モータロータの回転角を検出する磁気センサと、前記制御基板収容部材側に設けられ、前記モータロータの回転角に基づき前記電力供給部から前記モータステータに供給される電力を制御する電力制御部と、非磁性材料で形成され、前記電力制御部に対し前記マグネットを包囲するように前記モータ要素収容部材側に設けられたマグネットカバーと、を有することを特徴とするモータ制御装置が開示されている。

特開２０１７－５１０１４号公報

特許文献１に記載されている発明では、電力変換装置の小型化に検討の余地がある。

本発明の第１の態様による電力変換装置は、直流から三相交流に変換された電力をモータに供給する電力変換装置であって、電力変換回路および前記電力変換回路を制御する制御回路と、前記電力変換回路及び前記制御回路を収容し、前記モータが配置される側に開口部を有するハウジングと、前記開口部を塞ぐ樹脂製のモールド部材と、前記モールド部材に保持され、前記電力変換回路から前記モータに電力を供給する複数の交流バスバと、前記開口部を囲み、前記モールド部材と前記ハウジングの間に配置されるシール部材と、を備え、前記交流バスバの一部は、前記シール部材を挟んで前記ハウジングのモータ側表面と対向する位置に配置される。

本発明によれば、電力変換装置を小型化できる。

電力変換装置の外観図 電力変換装置およびモータの分解断面図 交流バスバの部位の名称を説明する図 モールド部材の斜視図 モールド部材の上面図、正面図、および背面図 モールド部材の斜視断面図 交流バスバの形状および配置を示す図 変形例１における交流バスバの形状を示す図 変形例３におけるハウジングを示す図

―第１の実施の形態―
以下、図１～図７を参照して、本発明に係る電力変換装置の第１の実施の形態を説明する。

図１は、電力変換装置１０の外観図である。電力変換装置１０は、モールド部材１と、ハウジング２と、回路基板３と、を備える。ハウジング２は回路基板３を収容する。本実施の形態では、図面同士の相関を明示するために相互に直交するＸＹＺ軸を便宜的に定義する。図１において左右方向がＸ軸、上下方向がＺ軸、奥行き方向がＹ軸である。本実施の形態では、電力変換装置１０とモータ６とがＺ軸方向に並んでいる。

電力変換装置１０は、不図示の直流電源から得た電力を三相交流に変換してモータ６に供給する。ハウジング２は後述する開口部２１を有し、モールド部材１はこの開口部２１を塞ぐ役目を有する。すなわち、ハウジング２とモールド部材１とを組み合わせることで、モータ６と回路基板３とを物理的に隔絶する。物理的に隔絶することで、回路基板３に油などの液体や粉塵が付着することを防止する。電力変換装置１０からモータ６への電力の経路は後述する。回路基板３には、直流と交流を変換する電力変換回路、および電力変換回路を制御する制御回路とが含まれる。ただし回路基板３は複数の基板から構成されてもよい。ハウジング２の表面のうち、モータ６に対向する面をモータ側表面２ａと呼ぶ。ハウジング２は、アルミ等を用いた鋳造品であるダイカスト、またはアルミ板を板金加工したものである。

図２は、電力変換装置１０およびモータ６の分解断面図である。図１では、モールド部材１とハウジング２とが密着していたが、図２では構成を明示するためにモールド部材１とハウジング２との間に隙間を設けている。モータ６は、モータシャフト６１と、電気接続部６２と、不図示のロータおよびステータと、を備える。モータ６は、電力変換装置１０から電気接続部６２を介して供給される電力を用いてモータシャフト６１を回転させる。モータシャフト６１の端部には、モータシャフト６１の回転軸周りの方向にＮ極とＳ極が配置されたマグネットが付されている。

回路基板３は回転センサ３１を備える。回転センサ３１は、モータシャフト６１の回転に伴うマグネットの磁界の大きさまたは方向の変化を検出することによりモータシャフト６１と一体に回転するモータロータの回転角を検出する。回転センサ３１は、検出した回転角の情報を回路基板３に出力する。モールド部材１は、開口部２１の外周を囲む円形のシール溝１４と、モータ６と回路基板３とを電気的に接続する交流バスバ１１と、シール溝１４にはめ込まれるシール部材５とを備える。図２では交流バスバ１１を２つのみ記載しているが、回路基板３はＵＶＷの３相の電気を出力するので、電力変換装置１０は実際には３つの交流バスバ１１を備える。３つの交流バスバ１１の形状は同一である。交流バスバ１１は、モータ６側に突出するモータ接触部１１ｃを有する。交流バスバ１１の一部であるモータ側バスバ１１ｂは、シール部材５を挟んでハウジング２のモータ側表面２ａと対向する位置に配置される。符号１１ａについては後述する。

開口部２１への液体や粉塵の侵入を防止するためには、シール部材５をハウジング２に密着させる必要がある。この際にシール部材５が全周にわたってハウジング２と密着するためには、モールド部材１の剛性を確保する必要がある。本実施の形態ではシール溝１４と交流バスバ１１とがＺ軸方向に重なるように配置することで、モールド部材１の剛性を確保する。交流バスバ１１の詳しい形状は後述する。

交流バスバ１１は、樹脂によってモールド部材１と一体化されている。交流バスバ１１は、後述するように、モールド部材１のシール溝４に沿って配される。３相各々の交流バスバ１１の長さは等しいことが好ましい。交流バスバ１１の回路基板３側の端部は、溶接、はんだ、ばね接点などを用いて回路基板３に接続される。交流バスバ１１の材料は銅が好ましく、アルミを用いてもよい。

モールド部材１は、３相分の交流バスバ１１、すなわち３つの交流バスバ１１を一体化している。モールド部材１は、絶縁性、耐水・耐油性、および耐熱性を有す。モールド部材１を構成する樹脂は特に限定されないが、たとえばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を用いることができ、ＧＦ（ガラス繊維）を含めてもよい。

図３は交流バスバ１１の部位の名称を説明する図である。交流バスバ１１は、後述するように複雑な形状を有するが、仮に直線状に展開すると細長い形状となる。交流バスバ１１を直線状に展開した際に、両側に相当する箇所を以下では、「基板側バスバ」１１ａと「モータ側バスバ」１１ｂと呼ぶ。ただし基板側バスバ１１ａおよびモータ側バスバ１１ｂは、交流バスバ１１の端部を含んでもよいし含まなくてもよい。基板側バスバ１１ａは、回路基板３に電気的に接続し、モータ側バスバ１１ｂはモータ６と電気的に接続する。モータ側バスバ１１ｂは、モールド部材１に埋め込まれてモールド部材１の剛性を向上させる役割を有する。

図４は、モールド部材１の斜視図である。ただし図４ではシール部材５の記載を省略しているので、シール溝１４が明示されている。モールド部材１は、外周部に固定部１５を有する。固定部１５は、モールド部材１をハウジング２に固定するために用いられる。たとえばハウジング２が不図示の雌ネジを有し、固定部１５を通したボルトを前述の雌ネジに締結することでモールド部材１をハウジング２に固定する。図４に示す一点鎖線は、図６に示す断面図の切断位置を示す。

図５は、モールド部材１の上面図、正面図、および背面図である。図５の左に示す上面図では、図４に示した基板側バスバ１１ａ、シール溝１４、および固定部１５が示されている。交流バスバ１１の基板側バスバ１１ａ以外は、モールド部材１に埋もれている。基板側バスバ１１ａはモールド部材１からＺ軸のプラス側に向かって延びている。図５の中央に示す正面図では、モールド部材１の図示左側に基板側バスバ１１ａが飛び出し、図示右側にモータ接触部１１ｃが飛び出している。

図５の右に示す背面図では、中央に凹部１６が示され、その周囲にモータ接触部１１ｃが同心円で等間隔に配され、さらにその周囲に固定部１５が同心円で等間隔に配される。凹部１６はＺ軸のプラス側、すなわちモータ６から離れる側に膨らんでいる。モータシャフト６１の先端が凹部１６に配される。凹部１６にモータシャフト６１の先端を配することにより、回転センサ３１とモータシャフト６１とが近接する。

図６は、モールド部材１の斜視断面図であり、図４のＶＩ－ＶＩ断面図である。図６において破線で囲む領域Ｐ１および領域Ｐ２は、説明のために便宜的に記載している。領域Ｐ１に示すように、シール溝１４とモータ側バスバ１１ｂとがＺ軸方向に重なる位置に配される。領域Ｐ２は、Ｚ軸のプラス側からモールド部材１に侵入した交流バスバ１１がシール溝１４の下部に潜り込むことが示されている。なお図６では図示されていないが、領域Ｐ２におけるモータ側バスバ１１ｂは図示手前側に延伸する。図６の中央には凹部１６が示されている。

図７は、交流バスバ１１の形状および配置を示す図であり、図６のＶＩＩ－ＶＩＩのＺ軸の位置でスライスした交流バスバ１１の断面図である。図７に示す領域Ｐ１および領域Ｐ２は、図６と同じ位置を示す。また図７における仮想中心点Ｃおよび破線は説明のために図示している。図７に示す交流バスバ１１は、全てモータ側バスバ１１ｂであり、一端の円形部分がＺ軸マイナス側に突出するモータ接触部１１ｃである。モータ接触部１１ｃとは逆側の端部は、Ｚ軸のプラス方向に延びて基板側バスバ１１ａとなる。

固定部１５は、仮想中心点Ｃを中心とし、半径ｒ１の同心円上に等間隔に配される。具体的には、この同心円上に固定部１５は１２０度間隔で配される。モータ接触部１１ｃは、仮想中心点Ｃを中心とし、半径ｒ２の同心円上に等間隔に配される。具体的には、この同心円上にモータ接触部１１ｃは１２０度間隔で配される。図示のとおり半径ｒ１と半径ｒ２は明らかに異なるが、仮に両者が同一であれば固定部１５とモータ接触部１１ｃが等間隔となる位置に配される。具体的には、固定部１５とモータ接触部１１ｃは６０度間隔で配される。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電力変換装置１０は、直流から三相交流に変換された電力をモータ６に供給する。電力変換装置１０は、電力変換回路および電力変換回路を制御する制御回路を含む回路基板３と、回路基板３を収容し、モータ６が配置される側に開口部２１を有するハウジング２と、開口部２１を塞ぐ樹脂製のモールド部材１と、モールド部材１に保持され、電力変換回路からモータ６に電力を供給する複数の交流バスバ１１と、開口部２１を囲み、モールド部材１とハウジング２の間に配置されるシール部材５と、を備える。交流バスバ１１の一部は、シール部材５を挟んでハウジング２のモータ側表面２ａと対向する位置に配置される。この構成は、モータ６のハウジングと電力変換装置１０のハウジング２との間に、交流バスバ１１の一部がシール部材５とともに挟み込まれる、ともいえる。そのため、交流バスバ１１によりモールド部材１の剛性を確保するので、モールド部材１を肉厚に加工する必要がなくモールド部材１を小型化でき、電力変換装置１０を小型化できる。たとえば、本実施の形態における構成とは異なり、モールド部材１に金属を用いて剛性を確保することも可能であるが、その場合にはモータシャフト６１の回転を回転センサ３１が検出しにくくなってしまう問題が生じる。またたとえば、モールド部材１に比較的剛性が高い樹脂を用いることで厚みの増加を抑えることも可能であるが、樹脂部材が制限されるので設計の幅や材料コストの問題が生じ、かつ剛性が十分でない問題が生じる。

（２）交流バスバ１１は、モールド部材１の表面から露出し、モータ６と電気的に接続するためのモータ接触部１１ｃを有する。モータ接触部１１ｃは、シール部材５と重なる位置に設けられる。そのため、シール部材５に生じる反力をモータ６とモータ接触部１１ｃとの物理的な接触によるＺ軸方向の力により相殺できる。

（３）モールド部材１は、ハウジング２に固定するための固定部１５を交流バスバ１１と同数備える。複数の固定部１５は、仮想中心点Ｃを中心とする半径ｒ１の同心円上に等間隔に配される。複数のモータ接触部１１ｃは、仮想中心点を中心とする半径ｒ２の同心円上に等間隔に配される。複数の固定部１５および複数のモータ接触部１１ｃは、半径ｒ１と半径ｒ２が同一であれば等間隔となる位置に配され、仮想中心点Ｃから見た固定部１５とモータ接触部１１ｃとの間の角度は、たとえば６０度となる。そのため、開口部２１の全周にわたってシール部材５に力を加えることができる。

（変形例１）
交流バスバ１１におけるモータ接触部１１ｃの位置は、上述した実施の形態において説明した位置に限定されない。たとえばモータ接触部１１ｃは、モータ側バスバ１１ｂの端部ではなくモータ側バスバ１１ｂの途中に設けられてもよいし、シール溝１４と重なる位置に配されなくてもよい。

図８は、変形例における交流バスバ１１の形状を示す図である。図８（ａ）は、モータ接触部１１ｃがモータ側バスバ１１ｂの途中に設けられる例を示す。図８（ｂ）は、モータ接触部１１ｃがシール溝１４よりも外側に配される例を示す。

（変形例２）
上述した実施の形態では、シール溝１４が円形であり、モータ側バスバ１１ｂはシール溝１４に沿うように円形に配置された。しかしシール溝１４は円形でなくてもよく、例えば四角形や三角形などの多角形でもよい。モータ側バスバ１１ｂは、シール溝１４に沿うようにシール溝１４の形状にあわせて配されればよい。

（変形例３）
ハウジング２は、広い空間を隔絶する仕切り板２Ｐと、仕切り板２Ａと組み合わせることで閉空間を形成するカバー２Ｑとの組合せでもよい。さらに、カバー２Ｑは一体に構成されていなくてもよく、複数の部材を組み合わせることでカバー２Ｑが実現されてもよい。ハウジング２には、複数の回路基板３が格納されてもよい。

図９は、変形例におけるハウジング２を示す図である。図９に示すハウジング２は、２つの電力変換装置１０で共有されており、回路基板３－１および回路基板３－２を収容する。ハウジング２には、それぞれの回路基板に対応する開口部が設けられ、この開口部を塞ぐようにモールド部材１－１およびモールド部材１－２が配される。

（変形例４）
図７を参照して、固定部１５とモータ接触部１１ｃとが仮想中心Ｃから見て、たとえば６０度ごとに等間隔に配置されることを説明した。しかし、この関係は必須の構成要件ではない。たとえば、固定部１５同士は１２０度間隔で配置され、モータ接触部１１ｃは１２０度間隔で配置され、固定部１５とモータ接触部１１ｃと仮想中心Ｃとが一直線状に並ぶように配置されてもよい。

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…モールド部材
２…ハウジング
２ａ…モータ側表面
３…回路基板
４…シール溝
５…シール部材
６…モータ
１０…電力変換装置
１１…交流バスバ
１１ｂ…モータ側バスバ
１１ｃ…モータ接触部
１４…シール溝
１５…固定部
２１…開口部

Claims (3)

1. 直流から三相交流に変換された電力をモータに供給する電力変換装置であって、
   電力変換回路および前記電力変換回路を制御する制御回路と、
   前記電力変換回路及び前記制御回路を収容し、前記モータが配置される側に開口部を有するハウジングと、
   前記開口部を塞ぐ樹脂製のモールド部材と、
   前記モールド部材に保持され、前記電力変換回路から前記モータに電力を供給する複数の交流バスバと、
   前記開口部を囲み、前記モールド部材と前記ハウジングの間に配置されるシール部材と、を備え、
   前記交流バスバの一部は、前記シール部材を挟んで前記ハウジングのモータ側表面と対向する位置に配置される電力変換装置。
2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記交流バスバは、前記モールド部材の表面から露出し、前記モータと電気的に接続するための接続部を有し、
   前記接続部は、前記シール部材と重なる位置に設けられる電力変換装置。
3. 請求項２に記載された電力変換装置であって、
   前記モールド部材は、前記ハウジングに固定するための固定部を前記交流バスバと同数備え、
   複数の前記固定部は、仮想中心点を中心とする第１の同心円上に等間隔に配され、
   複数の前記接続部は、前記仮想中心点を中心とする第２の同心円上に等間隔に配され、
   複数の前記固定部および複数の前記接続部は、前記第１の同心円の半径と第２の同心円の半径が同一であれば等間隔となる位置に配される電力変換装置。
   

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