JP5119669B2 - 電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置に関する。

下記特許文献１には、ターボチャージャとして必要な回転範囲に亘って駆動可能で、しかも安価で実用的な電動機付ターボチャージャ装置を提供する技術が開示されている。すなわち、電力制御装置は、誘導電動機に駆動波形を与えるインバータ、インバータの出力電圧を制御するインバータ電圧制御手段、インバータへ供給する電圧を昇圧させるコンバータ、コンバータの出力電圧を制御するコンバータ電圧制御手段、制御信号発生手段を有するものである。

この制御信号発生手段は、低速回転側でインバータ電圧制御手段を制御し、高速回転側でコンバータ電圧制御手段を制御する。ターボチャージャは、アイドリング時、１万ないし２万ｒｐｍで回転していることに着目し、回転全域に亘って波形制御に負荷のかからない簡素な矩形波を用いて誘導電動機を駆動する。

また、この電動機付ターボチャージャの電力制御装置は、誘導電動機の低速回転側において目標回転速度の上昇に伴いインバータの出力電圧を高めるインバータ昇圧制御を実施し、誘導電動機の高速回転側において目標回転速度の上昇に伴いコンバータの出力電圧を高めるコンバータ昇圧制御を実施するように設定されている。このことにより、電力制御装置における電力制御の柔軟性が高まる。

例えば、停車から加速する場合、電動機は１万ないし２万ｒｐｍ〜超高速回転まで作動する。この時、始めインバータで電力制御の可変制御を行い、次にコンバータで電力制御の可変制御を行うことで回転が滑らかに上昇する。中間加速を行う場合、コンバータで電力制御の可変制御を行うだけで回転が滑らかに上昇するというものである。
特開２００５−４２６８４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された内容には、チョークコイル（以下、「リアクトル」という）の配設位置を規定することにより、そのリアクトルを小型化し、かつリップルを減少させる技術思想は含まれておらず、リアクトルの配設位置をよってコストダウンの余地が残されているという課題があった。また、線材の長さや形状により生ずるインダクタンスを正確に把握して活用するという課題もあった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、リアクトルを小型化してなおリップルを減少し、コストダウンも可能な電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置を実現することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明では、下記の手段を採用する。
電動機付ターボチャージャを形成する永久磁石同期電動機およびターボチャージャと、直流電源の供給を受ける昇降圧回路と、前記直流電源から入出力される電流の全てが通過するリアクトルと、前記昇降圧回路の出力を入力するインバータ回路と、前記昇降圧回路の出力端および／または前記インバータ回路の入力端に接続されたコンデンサと、を備え、前記インバータ回路の出力を電動機駆動電流として前記永久磁石同期電動機の各相に供給して駆動する電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置において、前記昇降圧回路に含まれるパワー半導体部と前記リアクトルの間を所定以上の長さの線材で接続したことを特徴とする。

本発明によれば、前記昇降圧回路に含まれるパワー半導体部と前記リアクトルの間を所定以上の長さの線材で接続し、その線材に生じるインダクタンスの有効利用を図ることによってリアクトルを小型化し、リップルを減少させ、かつコストダウンも可能な電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置を実現する。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態（以下、「本実施形態」という）について説明する。なお、各図において、同一機能は同一符号を付して説明を省略する。
図１は、本実施形態に係る昇圧回路５ａとインバータ回路７を一体化した電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置（以下、「本装置」ともいう）Ｅａの概略回路図である。

図１の左方に示す本装置Ｅａは、バッテリー等の直流電源４に接続され、この直流電源４と昇圧回路５ａの間に介挿されて直流電源４から入出力する全ての電流が通過するリアクトル６と、直流電源４の供給を受ける昇圧回路５ａと、この昇圧回路５ａの出力を入力するインバータ回路７と、昇圧回路５ａの出力端および／またはインバータ回路７の入力端に接続されたコンデンサ８と、を備えて構成されている。

図１の右方に示す電動機付ターボチャージャ１は、永久磁石同期電動機（以下、「永久磁石同期モータ」または「モータ」ともいう）２およびターボチャージャ３により形成されている。本装置Ｅａは図示せぬＥＣＵから受けた制御信号に基づいてＰＷＭ制御されるインバータ回路７から適切な周波数の三相交流を出力し、モータ２の各相に電動機駆動電流を供給してモータ２を駆動する。なお、電動機付ターボチャージャ１のモータ２と直流電源４の間に介在する本装置Ｅａは、両者の間で直流／交流変換、低圧／高圧変換しながら電源供給または回生動作をするするエネルギー変換手段として機能する。

昇圧回路５ａ（図４，５に示す降圧回路５ｂも含めて「昇降圧回路５」と総称する）にはパワー半導体部９と、リアクトル６およびコンデンサ８が含まれる。これらの回路定数は、昇降圧回路５の昇降圧比、すなわち直流電源４の電圧を何倍に昇降圧してインバータ回路７へ入力するかで決定するほか、許容リップル等も考慮して決定される。図１〜図５に示すように、リアクトル６は昇降圧回路５の回路に属しているが、寸法制約その他の理由により別体構成されている。これは、図３（ｂ）リアクトル分離方式として後述するように、昇降圧回路５に含まれるパワー半導体部９とリアクトル９の間を所定以上の長さの線材６１，６２で接続した構造である。

図２は本実施形態に係る昇圧回路５ａとインバータ回路７が別ユニットの電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置Ｅａ′の概略回路図である。図２に示すように、本装置Ｅａ′では昇圧回路５ａとインバータ回路７を別ユニットで構成し、両者の間を適宜長さの電線で接続しているが、リアクトル６が昇圧回路５ａとは別ユニットで構成されている点で、図１に示した本装置Ｅａと類似する構造である。昇圧回路５ａとインバータ回路７を別ユニットで構成する理由は、本装置Ｅａ′を搭載する自動車のエンジンルーム等のスペースの都合による。

図３は本実施形態に係るリアクトル分離方式の説明図であり、（ａ）リアクトル６および線材６１，６２の合計インダクタンスと電流リップルとの関係を説明する回路図、（ｂ）ヒートシンク１１，１２周辺の模式構造図である。図３（ａ）に示すＩbat（入力電流）は、昇圧回路５ａ′に接続されたリアクトル６および線材６１，６２の合計インダクタンス値を10μ[H]とした場合の電流リップル△Ｉbat（変動電流［A］）である。

また、図３（ｂ）リアクトル分離方式として示すように、一方のリアクトル６は専用のヒートシンク１１上に載置されている。他方、パワー半導体部９および制御回路部７０は、別のヒートシンク１２上に載置されている。ヒートシンク１１とヒートシンク１２の間は所定距離だけ離隔されて、これらヒートシンク１１とヒートシンク１２、その他の取付部材を跨ぐ素子類は適宜長さの線材により回路接続されている。特に、リアクトル６は線材６１により直流電源４へ接続される一方、線材６２によりパワー半導体部９へ接続されている。パワー半導体部９はパワーＯＮ−ＯＦＦする主要素子であり、昇圧回路５ａ′（降圧回路５ｂも含めて昇降圧回路５）のチョッパ用ＦＥＴのほかインバータ回路７用ＦＥＴも含むものとする。なお、ＦＥＴに限らず、サイリスタ、トランジスタ等の制御素子を用いても構わない。

制御回路部７０は昇降圧回路５用のチョッパ制御回路（図示せず）のほかインバータ回路７用の周波数制御回路（図示せず）も含むものとする。制御回路部７０は、ヒートシンク１２上にパワー半導体部９が直付されたその上に適当な取付手段により載置されている。ただし、ヒートシンク１１，１２上にそれぞれ直付されたリアクトル６およびパワー半導体部９の何れも適当な絶縁対策を施されながら良好な熱伝導が確保されている。

図３（ａ）に示すＩbat（入力電流）は、昇圧回路５ａ′に接続されたリアクトル値で概ね決まる。このリアクトル値はリアクトル６単体のインダクタンス値を5μHとするほか、リアクトル６を回路接続する線材６１，６２自身に意図せず発生する配線インダクタンスとして2.5μH×２本分＝5μHを加えた合計インダクタンス値＝5μH＋5μH＝10μHである。そして、このリアクトルを合計インダクタンス値＝10μHとした場合に、電流リップル△Ｉbatとなる。

配線インダクタンスは、配線の距離（長さ）にほぼ比例してその線材に意図せず生じるインダクタンスであり、線材をコイルに巻かなくとも生じる。この配線インダクタンスの影響を、この技術分野では無視できない。なぜならば、図３（ａ）からわかるように、回路設計する際、リアクトル６単体のインダクタンス値である5μHのみを生かすか、あるいは配線インダクタンスとして2.5μH×２本分＝5μHを加えた合計インダクタンス値＝5μH＋5μH＝10μHとするかは、リアクトル６を昇圧回路５ａ′（降圧回路５ｂも含めて昇降圧回路５）に接続する線材６２の長さおよび直流電源４まで接続する線材６１の長さの合計に左右されるからである。

なお、線材６１，６２の線質形態は、隣接する鉄骨シャーシ、鉄製ボディ等の磁性材料の存在にも影響されにくい「より線」であることが望ましい。規定された「より線」を用いれば、その長さにほぼ比例した単純計算するだけで線材６１，６２のインダクタンス値を算出できるので、設計が容易になり、かつ、本装置Ｅの搭載形態に応じて定数設定が不安定になる可能性を少なくすることができる。

このように、リアクトル６が線材６１により直流電源４へ接続される一方、線材６２によりパワー半導体部９へ接続された構造であることにより、その線材６１，６２に生じるインダクタンスの有効利用を図ることによってリアクトル６を小型化し、リップルを減少させ、かつコストダウンも可能な電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置Ｅ（図１のＥａ、図２のＥａ′、図４のＥｂ、図５のＥｂ′）を実現する。

図４は本実施形態に係る降圧回路５ｂとインバータ回路７を一体化した電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置Ｅｂの概略回路図である。図４に示す本装置Ｅｂは、図１に示した本装置Ｅａにおける昇圧回路５ａを降圧回路５ｂに置換した点以外は同一であるため、さらなる説明は省略する。なお、昇圧回路５ａと降圧回路５ｂの何れを用いて昇降圧回路５を構成するかは、直流電源４の電圧次第である。需要に対して直流電源４の電圧が足りなければ昇圧回路５ａにより昇圧し、高過ぎれば降圧回路５ｂにより降圧する。

図５は本実施形態に係る降圧回路５ｂとインバータ回路７が別ユニットの電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置Ｅｂ′の概略回路図である。図５に示す本装置Ｅｂ′は、図２に示した本装置Ｅａ′における昇圧回路５ａを降圧回路５ｂに置換した点以外は同一であるため、さらなる説明は省略する。

図６は本発明の技術思想と反対の技術思想に係るリアクトル一体方式の説明図であり、（ａ）インダクタンス値と電流リップルとの関係を説明する回路図、（ｂ）ヒートシンク１０周辺の模式構造図である。図６（ａ）に示すＩbat（入力電流）は、昇圧回路５ａ′に接続されたリアクトル６単体のインダクタンス値を10μHした場合の電流リップル△Ｉbatである。

また、図６（ｂ）ヒートシンク１０周辺の模式構造図によりリアクトル一体化の構成例を示すように、リアクトル６はヒートシンク１０上にパワー半導体部９および制御回路部７０と供に直付されている。ただし、ヒートシンク１０上に直付されたリアクトル６およびパワー半導体部９の何れも適当な絶縁対策を施されながら良好な熱伝導が確保されている。また、パワー半導体部９が直付されたその上に制御回路部７０も適当な取付手段により載置されている。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。例えば、直流電源４として用いるバッテリーの電圧、昇降圧回路５の倍数および出力電圧は適宜に設定可能である。また、永久磁石同期電動機３に代えた誘導電動機を用いても構わない。さらに回生動作するか否かの限定もなく自由である。

そして、直流電源４から入出力される電流の全てを通過するリアクトル６と、昇降圧回路５に含まれるパワー半導体部９の間を所定長さ以上の長さの線材６２で接続することにより、リアクトルを小型化してなおリップルを減少し、コストダウンも可能な電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置Ｅ（図１のＥａ、図２のＥａ′、図４のＥｂ、図５のＥｂ′）を実現した技術は本発明に含まれる。特に、昇降圧回路５内に属するリアクトル６を別ユニットに構成し、そのリアクトル６と昇降圧回路５を接続する所定長さの線材６２を用いた技術思想は本発明に属するものと見なし得る。

本実施形態に係る昇圧回路とインバータ回路を一体化した電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置の概略回路図である。 本実施形態に係る昇圧回路とインバータ回路が別ユニットの電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置の概略回路図である。 本実施形態に係るリアクトル分離方式の説明図であり、（ａ）リアクトルおよび線材の合計インダクタンスと電流リップルとの関係を説明する回路図、（ｂ）ヒートシンク周辺の模式構造図である。 本実施形態に係る降圧回路とインバータ回路を一体化した電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置の概略回路図である。 本実施形態に係る降圧回路とインバータ回路が別ユニットの電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置の概略回路図である。 本発明の技術思想と反対の技術思想に係るリアクトル一体方式の説明図であり、（ａ）インダクタンス値と電流リップルとの関係を説明する回路図、（ｂ）ヒートシンク周辺の模式構造図である。

符号の説明

１ 電動機付ターボチャージャ
２ 永久磁石同期電動機（モータ）
３ ターボチャージャ
４ 直流電源
５ 昇降圧回路（昇圧回路５ａ，５ａ′と降圧回路５ｂの総称）
５ａ，５ａ′ 昇圧回路
５ｂ 降圧回路
６ リアクトル
７ インバータ回路
８ コンデンサ
９ パワー半導体部
１１，１２ ヒートシンク（取付部材）
６１，６２ （所定以上の長さの）線材
Ｅ（Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｂ′） 電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置（本装置）

Claims (1)

1. 電動機付ターボチャージャを形成する永久磁石同期電動機およびターボチャージャと、
   直流電源の供給を受ける昇降圧回路と、
   前記直流電源から入出力される電流の全てが通過するリアクトルと、
   前記昇降圧回路の出力を入力するインバータ回路と、
   前記昇降圧回路の出力端および前記インバータ回路の入力端の少なくとも１つに接続されたコンデンサと、を備え、
   前記インバータ回路の出力を電動機駆動電流として前記永久磁石同期電動機の各相に供給して駆動する電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置において、
   前記昇降圧回路に含まれるパワー半導体部と前記リアクトルの間を、当該リアクトルのインダクタンスと共に前記昇降圧回路が必要とする合計インダクタンスを提供する長さの線材で接続したことを特徴とする電動機付ターボチャージャ用電動機駆動装置。
   
   
   

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