JP5272593B2 - 電動機駆動システムおよびそれを備えた車両 - Google Patents

Description

この発明は、電動機駆動システムおよびそれを備えた車両に関し、特に、電動機を駆動するインバータから電動機へ供給される電圧の高周波成分を除去するコンデンサを含む電動機駆動システムおよびそれを備えた車両に関する。

特開２００５−６５３６３号公報（特許文献１）は、低圧モータにおいて、急峻サージ電圧に対し巻線間の分担電圧を緩和し、巻線間で絶縁劣化が発生することを防止可能な低圧モータを開示する。この低圧モータにおいては、２ｎ個（ｎは整数）の導体がモータ巻線の巻回数の１／２だけ巻かれた後、巻き始めの導体および巻き終わりの導体の各々が２分割され、巻き始めのｎ個の導体と巻き終わりのｎ個との導体とが接続される。そして、巻線の巻き始め、モータ巻線の巻き始めと巻き終わりとの接続部、および巻線の巻き終わりに巻線間分布静電容量調整用コンデンサが接続される。

この低圧モータによれば、巻線間の分担電圧が改善され、急峻サージ電圧に対して巻線間の分布電圧が緩和されることで巻線間での絶縁劣化の発生が防止される（特許文献１参照）。
特開２００５−６５３６３号公報 特開２００５−７３４３９号公報 特開２００５−１８５００１号公報 特公平１−１４６４４号公報

しかしながら、モータ内の巻線間にコンデンサを接続するのは、実装上困難を伴なう。また、上記公報では、コンデンサの構造については特に開示されていないが、実装上、耐震性や省スペース化、低コスト化（製造が容易など）に優れた構造である必要がある。特に、モータシステムが車両に搭載される場合には、モータの振動に加えて車両振動が加わるので、十分な耐震性を確保する必要があり、また、省スペース化や低コスト化への要求も高いものとなる。

それゆえに、この発明の目的は、耐震性に優れ、かつ、省スペース化および低コスト化を実現する電動機駆動システムおよびそれを備えた車両を提供することである。

この発明によれば、電動機駆動システムは、インバータと、電力線と、コンデンサ装置とを備える。インバータは、電動機を駆動する。電力線は、電動機とインバータとの間に配設される。コンデンサ装置は、電力線が接続される端子台に設けられ、インバータから電動機へ供給される電圧の高周波成分を除去する。そして、コンデンサ装置は、端子台に配設される各相バスバーと金属部材との間に誘電材を介在させることによって構成される。

好ましくは、各相バスバーは、幅広面が同一平面内に配置されるように並設される。金属部材は、板状であり、誘電材を介在させて各相バスバーの幅広面に対向して配設される。

また、好ましくは、各相バスバーは、隣接するバスバーと幅広面が対向するように並設される。金属部材は、各相バスバーのうち両端部のバスバーの幅広面であって隣接するバスバーとは対向しない面と対向する第１および第２の対向部と、各相バスバーとの間にクリアランスを有しつつ第１および第２の対向部を電気的に接続する接続部とを有する。

好ましくは、コンデンサ装置は、電力線を電動機に接続するための端子台に設けられる。

また、この発明によれば、車両は、上述したいずれかの電動機駆動システムと、電動機によって駆動される駆動輪とを備える。

この発明においては、インバータから電動機へ供給される電圧の高周波成分を除去するコンデンサ装置は、電力線が接続される端子台に設けられるので、実装が容易であるうえ、コンデンサ装置を配設するためのスペースを電動機内等に別途確保する必要もない。また、コンデンサ装置は、端子台に設けられるとともに端子台の各相バスバーと金属部材との間に誘電材を介在させることによって構成されるので、構造が強固である。したがって、この発明によれば、耐震性に優れ、かつ、省スペース化および低コスト化を実現する電動機駆動システムおよびそれを備えた車両を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電動機駆動システムを搭載した車両のパワートレーン構成を示した図である。図１を参照して、車両１００は、蓄電装置Ｂと、インバータ１０と、モータジェネレータ２０と、駆動輪２５と、モータケーブル３０と、コンデンサ装置４０とを備える。

蓄電装置Ｂは、正極線ＭＰＬおよび負極線ＭＮＬに接続される。インバータ１０は、Ｕ相アーム１２、Ｖ相アーム１４およびＷ相アーム１６を含む。Ｕ相アーム１２、Ｖ相アーム１４およびＷ相アーム１６は、正極線ＭＰＬと負極線ＭＮＬとの間に並列に接続される。Ｕ相アーム１２は、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２から成り、Ｖ相アーム１４は、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４から成り、Ｗ相アーム１６は、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６から成る。スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６には、それぞれダイオードＤ１１〜Ｄ１６が逆並列に接続される。なお、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６として、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）などを用いることができる。

モータジェネレータ２０は、モータケーブル３０を介してインバータ１０に接続される。モータケーブル３０は、Ｕ相アーム１２、Ｖ相アーム１４およびＷ相アーム１６にそれぞれ接続されるＵ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブルを含む。コンデンサ装置４０は、モータケーブル３０に接続される。コンデンサ装置４０は、コンデンサＣ１〜Ｃ３を含む。コンデンサＣ１の一端は、モータケーブル３０のＵ相ケーブルに接続され、コンデンサＣ２の一端は、Ｖ相ケーブルに接続され、コンデンサＣ３の一端は、Ｗ相ケーブルに接続される。そして、コンデンサＣ１〜Ｃ３の各々の他端は、互いに接続される。

蓄電装置Ｂは、再充電可能な直流電源であり、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池から成る。蓄電装置Ｂは、インバータ１０へ電力を供給する。また、蓄電装置Ｂは、車両の制動時にモータジェネレータ２０により発電される回生電力をインバータ１０から受けて充電される。

インバータ１０は、図示されない制御装置によって、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される。ＰＷＭ制御に伴なうスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のスイッチング周波数は、たとえば数ｋＨｚ〜１０数ｋＨｚである。そして、インバータ１０は、蓄電装置Ｂから供給される直流電圧を三相交流電圧に変換し、その変換した三相交流電圧をモータケーブル３０を介してモータジェネレータ２０へ出力する。また、インバータ１０は、車両の制動時、車両の運動エネルギーを駆動輪２５から受けてモータジェネレータ２０が発電した三相交流電圧を直流電圧に変換して蓄電装置Ｂへ出力する。

モータケーブル３０は、インバータ１０をモータジェネレータ２０に電気的に接続する。モータケーブル３０のＵ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブルは、それぞれインダクタンスＬＵ，ＬＶ，ＬＷを有する。

コンデンサ装置４０は、インバータ１０からモータジェネレータ２０へ供給される電圧の高周波成分を除去する。具体的には、コンデンサ装置４０は、インバータ１０からモータケーブル３０へ出力される電流の高周波成分を還流し、電流の高周波成分がモータジェネレータ２０へ入力されるのを防止する。

すなわち、ＰＷＭ制御されるインバータ１０は、高周波成分を含むパルス電圧を発生する。この高周波成分を含むパルス電圧がモータジェネレータ２０へそのまま印加されると、電流の高周波成分に対して低インピーダンスとなるモータジェネレータ２０の浮遊容量に電流の高周波成分が流れることによって、モータジェネレータ２０の入力端近傍に電圧が集中する。この電圧集中は、モータジェネレータ２０の絶縁破壊を招き得る。

そこで、モータケーブル３０の各相ケーブル間にコンデンサを設けることによって、インバータ１０から発生する電流の高周波成分をモータケーブル３０において還流させる。これにより、モータジェネレータ２０に入力される電圧は、高周波成分が除去された電圧となり（立ち上がりがなまったパルス電圧となる。）、モータジェネレータ２０の浮遊容量に起因したモータジェネレータ２０の入力端近傍における電圧集中の発生が防止される。なお、コンデンサ装置４０の構造については、後ほど説明する。

図２は、図１に示したインバータ１０、モータジェネレータ２０、モータケーブル３０およびコンデンサ装置４０から成る回路の等価回路図である。図２を参照して、電源５０は、インバータ１０に対応し、負荷６０は、モータジェネレータ２０に対応する。そして、インダクタンスＬは、モータケーブル３０のインダクタンスに対応し、コンデンサＣが、コンデンサ装置４０に対応する。なお、抵抗Ｒは、モータケーブル３０の抵抗成分に対応するが、その値は小さいものとする。

インダクタンスＬによる電圧降下により、電源５０から出力される電流の高周波成分は、コンデンサＣを介して還流される。したがって、電源５０から負荷６０へ供給される電圧は、高周波成分が除去されたものとなる。すなわち、コンデンサＣは、電源５０から負荷６０へ供給される電圧の高周波成分を除去する。

このように、この実施の形態１では、モータケーブル３０のインダクタンスを利用することで、ＰＷＭ制御に伴ないインバータ１０から発生する電流の高周波成分がコンデンサ装置４０によって還流される。これにより、インバータ１０からモータジェネレータ２０へ供給される電圧は、コンデンサ装置４０によって高周波成分が除去された電圧となる。

図３は、図１に示したコンデンサ装置４０の構造を説明するための平面図であり、図４は、図３に示した断面ＩＶ−ＩＶの断面図である。図３，図４を参照して、この実施の形態１では、コンデンサ装置４０は、モータケーブル３０をモータジェネレータ２０に接続するための端子台７０に設けられる。端子台７０は、Ｕ相バスバー７２と、Ｖ相バスバー７４と、Ｗ相バスバー７６とを含む。Ｕ相バスバー７２、Ｖ相バスバー７４およびＷ相バスバー７６は、幅広面が同一平面内に配置されるように、適当な間隔を空けて並設される。

そして、Ｕ相バスバー７２の一端にモータケーブル３０のＵ相ケーブルが接続され、Ｕ相バスバー７２の他端にモータジェネレータ２０のＵ相コイル端子８２が接続される。また、Ｖ相バスバー７４の一端にモータケーブル３０のＶ相ケーブルが接続され、Ｖ相バスバー７４の他端にモータジェネレータ２０のＶ相コイル端子８４が接続される。さらに、Ｗ相バスバー７６の一端にモータケーブル３０のＷ相ケーブルが接続され、Ｗ相バスバー７６の他端にモータジェネレータ２０のＷ相コイル端子８６が接続される。

コンデンサ装置４０は、並設されたＵ相バスバー７２、Ｖ相バスバー７４およびＷ相バスバー７６の幅広面に対向して配設される。コンデンサ装置４０は、金属板７８と、誘電材８０とを含む。金属板７８は、導電性を有する部材である。誘電材８０は、高誘電性かつ耐圧性を有する部材であり、たとえばエポキシ樹脂やセラミックなどから成る。そして、Ｕ相バスバー７２、Ｖ相バスバー７４およびＷ相バスバー７６の同一方向の幅広面に対向し、かつ、平行するように金属板７８が配設され、各相バスバーと金属板７８との間に誘電材８０が配設される。このような構成とすることにより、Ｕ相バスバー７２と金属板７８との間に図１に示したコンデンサＣ１が形成され、Ｖ相バスバー７４と金属板７８との間にコンデンサＣ２が形成され、Ｗ相バスバー７６と金属板７８との間にコンデンサＣ３が形成される。

このような構造から成るコンデンサ装置４０は、端子台７０において各相バスバーの幅広面に密接して平板状に形成されるので、構造的に強い。また、構造も簡易であるので、製造が容易である。また、コンデンサ装置４０は、端子台７０における各相バスバーの配置スペースを利用して形成されるので、車両１００の省スペース化にも寄与する。

以上のように、この実施の形態１においては、コンデンサ装置４０が設けられるので、インバータ１０からモータジェネレータ２０へ供給される電圧の高周波成分が除去される。これにより、モータジェネレータ２０の浮遊容量に起因したモータジェネレータ２０の入力端近傍における電圧集中の発生が防止される。したがって、この実施の形態１によれば、モータジェネレータ２０の絶縁低下を防止することができる。

そして、この実施の形態１においては、コンデンサ装置４０は、モータケーブル３０をモータジェネレータ２０に接続する端子台７０に設けられるので、実装が容易であるうえ、コンデンサ装置４０を配設するためのスペースを別途確保する必要もない。また、コンデンサ装置４０は、端子台７０に設けられるとともに各相バスバーの幅広面に密接して平板状に形成されるので、構造が強固である。したがって、この実施の形態１によれば、耐震性に優れ、かつ、省スペース化および低コスト化を実現するコンデンサ装置を構成することができる。

［実施の形態２］
図５は、実施の形態２による電動機駆動システムを搭載した車両のパワートレーン構成を示した図である。図５を参照して、車両１００Ａは、図１に示した実施の形態１における車両１００の構成において、コンデンサ装置４０に代えてコンデンサ装置４０Ａを備える。コンデンサ装置４０Ａは、コンデンサＣ４〜Ｃ６を含む。コンデンサＣ４は、モータケーブル３０のＵ相ケーブルとＶ相ケーブルとの間に接続され、コンデンサＣ５は、Ｖ相ケーブルとＷ相ケーブルとの間に接続され、コンデンサＣ６は、Ｕ相ケーブルとＷ相ケーブルとの間に接続される。

そして、このコンデンサ装置４０Ａも、実施の形態１におけるコンデンサ装置４０と同様に、インバータ１０からモータジェネレータ２０へ供給される電圧の高周波成分を除去する。具体的には、コンデンサ装置４０Ａは、インバータ１０からモータケーブル３０へ出力される電流の高周波成分を還流し、電流の高周波成分がモータジェネレータ２０へ入力されるのを防止する。

図６は、実施の形態２におけるコンデンサ装置４０Ａの構造を説明するための平面図であり、図７は、図６に示した断面ＶＩＩ−ＶＩＩの断面図である。図６，図７を参照して、この実施の形態２におけるコンデンサ装置４０Ａも、モータケーブル３０をモータジェネレータ２０に接続するための端子台７０Ａに設けられる。この端子台７０Ａにおいては、Ｕ相バスバー７２、Ｖ相バスバー７４およびＷ相バスバー７６は、隣接するバスバーと幅広面が対向するように、適当な間隔を空けて並設される。

コンデンサ装置４０Ａは、金属部材８８と、誘電材９０とを含む。金属部材８８は、Ｕ相バスバー７２の幅広面であって隣接するＶ相バスバー７４とは対向しない面と対向する第１の対向部と、Ｗ相バスバー７６の幅広面であって隣接するＶ相バスバー７４とは対向しない面と対向する第２の対向部と、各相バスバーとの間にクリアランスを有しつつ第１および第２の対向部を電気的に接続する接続部とを有する、導電性の部材である。誘電材９０は、各相バスバーと金属部材８８との間に充填されるように配設され、実施の形態１における誘電材８０と同様に、高誘電性かつ耐圧性を有する部材である。

このような構造から成るコンデンサ装置４０Ａも、端子台７０Ａにおいて並設される各相バスバーに据付けられるので、構造的に強い。また、構造も簡易であるので、製造が容易である。また、このコンデンサ装置４０Ａも、端子台７０Ａにおける各相バスバーの配置スペースを利用して形成されるので、車両１００Ａの省スペース化にも寄与する。

なお、上記においては、金属部材８８は、並設された各相バスバーを３方向から覆うように配設されたが、並設された各相バスバーを完全に囲うように金属部材８８を配設してもよい。

以上のように、この実施の形態２においても、コンデンサ装置４０Ａが設けられることにより、モータジェネレータ２０の浮遊容量に起因したモータジェネレータ２０の入力端近傍における電圧集中の発生が防止される。したがって、この実施の形態２によっても、モータジェネレータ２０の絶縁低下を防止することができる。

また、この実施の形態２においても、コンデンサ装置４０Ａは、端子台７０Ａに設けられるので、実装が容易であるうえ、コンデンサ装置４０Ａを配設するためのスペースを別途確保する必要もない。また、コンデンサ装置４０Ａも、端子台７０Ａに設けられるとともに、並設される各相バスバーに据付けられるので、構造が強固である。したがって、この実施の形態２によっても、耐震性に優れ、かつ、省スペース化および低コスト化を実現するコンデンサ装置を構成することができる。

なお、上記の実施の形態においては、コンデンサ装置４０（４０Ａ）は、モータケーブル３０をモータジェネレータ２０に接続するための端子台７０（７０Ａ）に設けられるものとしたが、モータケーブル３０をインバータ１０に接続するための端子台がある場合には、その端子台にもコンデンサ装置を設けてもよい。なお、モータケーブル３０をインバータ１０に接続するための端子台のみにコンデンサ装置を設けてもよいが、この場合は、モータケーブル３０のインダクタンスを十分に利用できないので、コンデンサ装置による電流の高周波成分の還流効果すなわち電圧の高周波成分の除去効果は、上記の実施の形態１，２に比べて小さい。

また、上記においては、モータジェネレータ２０は、駆動輪２５を駆動するものとしたが、たとえば、走行用の動力源としてエンジンをさらに搭載したハイブリッド車両において、モータジェネレータ２０は、エンジンの動力を用いて発電する発電用のモータジェネレータであってもよい。

また、蓄電装置Ｂとインバータ１０との間に、インバータ入力電圧を蓄電装置Ｂの電圧以上の所定値に調整可能な昇圧コンバータを備えてもよい。なお、そのような昇圧コンバータとして、たとえば公知の昇圧チョッパ回路を用いることができる。

なお、上記において、モータジェネレータ２０は、この発明における「電動機」に対応し、モータケーブル３０は、この発明における「電力線」に対応する。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１による電動機駆動システムを搭載した車両のパワートレーン構成を示した図である。 図１に示すインバータ、モータジェネレータ、モータケーブルおよびコンデンサ装置から成る回路の等価回路図である。 図１に示すコンデンサ装置の構造を説明するための平面図である。 図３に示す断面ＩＶ−ＩＶの断面図である。 実施の形態２による電動機駆動システムを搭載した車両のパワートレーン構成を示した図である。 実施の形態２におけるコンデンサ装置の構造を説明するための平面図である。 図６に示す断面ＶＩＩ−ＶＩＩの断面図である。

符号の説明

１０ インバータ、１２ Ｕ相アーム、１４ Ｖ相アーム、１６ Ｗ相アーム、２０ モータジェネレータ、２５ 駆動輪、３０ モータケーブル、４０，４０Ａ コンデンサ装置、５０ 電源、６０ 負荷、７２ Ｕ相バスバー、７４ Ｖ相バスバー、７６ Ｗ相バスバー、７８ 金属板、８０，９０ 誘電材、８２ Ｕ相コイル端子、８４ Ｖ相コイル端子、８６ Ｗ相コイル端子、８８ 金属部材、１００，１００Ａ 車両、Ｂ 蓄電装置、ＭＰＬ 正極線、ＭＮＬ 負極線、Ｑ１１〜Ｑ１６ スイッチング素子、Ｄ１１〜Ｄ１６ ダイオード、ＬＵ，ＬＶ，ＬＷ，Ｌ インダクタンス、Ｃ１〜Ｃ６，Ｃ コンデンサ、Ｒ 抵抗。

Claims (4)

1. 電動機を駆動するインバータと、
   前記電動機と前記インバータとの間に配設される電力線と、
   前記電力線が接続される端子台に設けられ、前記インバータから前記電動機へ供給される電圧の高周波成分を除去するコンデンサ装置とを備え、
   前記コンデンサ装置は、前記端子台に配設される各相バスバーと金属部材との間に平板状の誘電材を介在させることによって構成され、
   前記各相バスバーは、幅広面が同一平面内に配置されるように並設され、
   前記金属部材は、平板状であり、前記誘電材を介在させて前記各相バスバーの幅広面に対向して配設される、電動機駆動システム。
2. 電動機を駆動するインバータと、
   前記電動機と前記インバータとの間に配設される電力線と、
   前記電力線が接続される端子台に設けられ、前記インバータから前記電動機へ供給される電圧の高周波成分を除去するコンデンサ装置とを備え、
   前記コンデンサ装置は、前記端子台に配設される各相バスバーと金属部材との間に平板状の誘電材を介在させることによって構成され、
   前記各相バスバーは、隣接するバスバーと幅広面が対向するように並設され、
   前記金属部材は、
   前記各相バスバーのうち両端部のバスバーの幅広面であって隣接するバスバーとは対向しない面と対向する第１および第２の対向部と、
   前記各相バスバーとの間にクリアランスを有しつつ前記第１および第２の対向部を電気的に接続する接続部とを有する、電動機駆動システム。
3. 前記コンデンサ装置は、前記電力線を前記電動機に接続するための端子台に設けられる、請求項１または２に記載の電動機駆動システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機駆動システムと、
   前記電動機によって駆動される駆動輪とを備える車両。

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