JP5664308B2

JP5664308B2 - インバータ一体化駆動装置

Info

Publication number: JP5664308B2
Application number: JP2011026800A
Authority: JP
Inventors: 隆介馬場
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2031-02-10
Also published as: JP2012170172A

Description

本発明は、回転電機にインバータ回路を一体化して搭載するインバータ一体化駆動装置に関する。

回転電機を搭載する車両には、回転電機に接続されるインバータ回路も搭載される。ここで、車両には搭載空間に制限があるので、回転電機とインバータの間をできるだけ短い距離で配置することが好ましい。インバータ回路と回転電機との間は、高電圧用のワイヤハウジングあるいはバスバーを用いた接続が行われるが、その接続を短くするように工夫が行われる。

例えば、特許文献１には、回転電機装置として、ケーシング内に収容され、同軸の回転軸を有する第１回転電機と第２回転電機のそれぞれの三相線を、それぞれに対応する第１制御ユニットと第２制御ユニットに接続する端子台が開示されている。ここでは、制御ユニット側接続部の６つの端子部が軸方向と径方向に段差をつけて配置され、回転電機側接続部の６つの端子部も径方向に段差をつけて配置され、それぞれの対応する端子部の間は、複数回屈曲させたバスバーで接続される。

また、特許文献２には、インバータケースを一体化して取り付ける駆動装置が開示されている。ここでは、駆動モータ、発電機モータ、プラネタリギヤユニット、ディファレンシャル装置を収容する駆動装置ケースの頂壁に、インバータ、制御基板を収容するインバータケースが固定される。そして、駆動モータ、発電機モータとそれぞれのインバータを接続する６個の連結部材が頂壁を貫通し、下端をモータ収容室に、上端をインバータ収容室に突出して配設される。各連結部材は、頂壁を貫通して固定されるスリーブとその中に垂直に延びる金属棒とで構成されることが述べられている。

特開２０１０−１８３７９４号公報特開２００１−１１９８９８号公報

回転電機とインバータの搭載空間をできるだけ少なくするために、特許文献２に述べられているように、駆動装置ケースにインバータケースを直接的に固定して配置することが行われる。このようにすることで、少ない搭載空間に回転電機とインバータを配置できるが、一方では、回転電機とインバータとの間の電気的接続を狭い作業空間で行うことになり、そのままでは、作業性が困難なものとなる。特に、回転電機とインバータとの電気的接続は、高電圧用のワイヤハウジングあるいはバスバーを用いるので、狭い作業空間の中で、これらが干渉しないような気遣い作業となる。

本発明の目的は、回転電機とインバータとの間の電気的接続の気遣い作業を軽減し、組立性のよいインバータ一体化駆動装置を提供することである。

本発明に係るインバータ一体化駆動装置は、回転電機にインバータ回路を一体化して搭載するインバータ一体化駆動装置であって、回転電機を収納する回転電機ケースと、回転電機から引き出された各相コイルの端末に接続される各相接続座面を配置し、回転電機ケースの外壁に設けられる端子台であって、各相接続座面は、端子台の基準面に対し予め定めた所定の鋭角の傾斜角度を有する端子台と、端子台を内部に含んで上からかぶせるように、回転電機ケースの外側に一体的に固定されて配置され、インバータ回路を収納するインバータケースと、インバータ回路の各相端子側に一方端を有し、他方端が端子台の各相接続座面に向かって延出する各相バスバーであって、インバータ回路から端子台に向かって垂直に延出した後、他方端側において端子台の各相接続座面の傾斜角度に合わせてＬ字状に屈曲して板状の接続端子面となる他方端側形状を有するバスバーと、端子台の各相端子接続座面と各相バスバーの他方端の板状の接続端子面とをそれぞれ電気的に接続する複数の締結具と、を含み、回転電機ケースの外側に設けられる端子台を内部に含んで上からかぶせるようにインバータケースを回転電機ケースの外側に一体的に上下方向に配置するとき、インバータ回路から延出してＬ字状に屈曲する各相バスバーの他方端における板状の接続端子面と端子台の各相接続座面とが互いに上下配置となる面関係で向かい合うことを特徴とする。

また、本発明に係るインバータ一体化駆動装置において、インバータケースは、端子台の各相接続座面と各相バスバーの他方端とをそれぞれ締結具で締結する作業を行うための作業覗き窓部を側壁に有し、端子台の各相接続座面は、作業覗き窓部と各相接続座面とを結ぶ傾斜視認方向に対し、垂直方向から予め定めた余裕角度の範囲となるように、所定の鋭角の傾斜角度が設定されることが好ましい。

また、本発明に係るインバータ一体化駆動装置において、各相バスバーは、他方端が端子台の各相接続座面にまだ接続されていない状態では、各相接続座面に対し浮いた状態の初期隙間を有するように他方端側形状の初期形状が設定され、締結具によって各相接続座面に接続される状態では、初期形状から塑性変形した締結形状となり、締結が外された除荷状態では、締結形状から予め定めたスプリングバック特性により各相接続座面から初期隙間よりも少ないサービス隙間を有することが好ましい。

上記構成により、インバータ一体化駆動装置は、インバータケースが回転電機ケースの外壁に設けられる端子台を内部に含んで上からかぶせるように、回転電機ケースの外側に一体的に固定されて配置される。そして、端子台に設けられる各相接続座面は、端子台の基準面に対し予め定めた所定の鋭角の傾斜角度を有し、各相バスバーは、インバータ回路から端子台に向かって垂直に延出した後、他方端において端子台の各相接続座面の傾斜角度に合わせてＬ字状に屈曲する他方端側形状を有する。このようにすることで、インバータケースを端子台に対しかぶせるように配置するときに、各相接続座面とバスバーの他方端とは、面同士が押し付けられる方向で向かい合う上下配置となる。

例えば、端子台から回転電機の各相配線が垂直に突き出し、各相バスバーがこの各相配線に平行に突き出している場合には、インバータケースを端子台に対しかぶせるように配置するときに、端子台から突き出る各相配線と各相バスバーとが突き合わせる左右平行配置となる。このような場合には、インバータケースを端子台に対しかぶせるように配置するときに、各相配線と各相バスバーとが干渉してぶつからないように、注意深い気遣い作業となる。上記構成によれば、各相接続座面とバスバーの他方端とは、面同士が押し付けられる上下配置となり、各相接続座面とバスバーの他方端とが干渉してぶつかることがないので、気遣い作業が軽減され、組立性がよい。

また、インバータ一体化駆動装置において、インバータケースには作業覗き窓部が設けられ、端子台の各相接続座面の傾斜角度は、作業覗き窓部と各相接続座面とを結ぶ傾斜視認方向に対し、垂直方向から予め定めた余裕角度の範囲となるように、所定の鋭角の傾斜角度が設定される。このように、各相接続座面を斜めに見下ろすようにして作業をすることができるので、接続状態の視認が容易となり、組立性がよい。

インバータ一体化駆動装置において、各相バスバーは、初期状態では、各相接続座面に対し浮いた状態の初期隙間を有し、接続状態では、初期形状から塑性変形した締結形状となり、締結が外された除荷状態では、各相接続座面から初期隙間よりも少ないサービス隙間を有する。このように、締結作業においても、締結外し作業においても、各相接続座面と各相バスバーとの間に適当な隙間があるので、作業がやりやすく、組立性がよい。

本発明に係る実施の形態のインバータ一体化駆動装置を示す図である。本発明に係る実施の形態のインバータ一体化駆動装置の内部構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、端子台の各相接続座面と各相バスバーの関係を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、各相バスバーの初期隙間を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、各相バスバーの締結状態における応力分布の様子を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、各相バスバーのサービス隙間を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、端子台の各相接続座面と各相バスバーの締結状態を示す詳細断面図である。比較例として、従来技術における端子台の各相接続座面と各相バスバーの締結状態を示す詳細断面図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両搭載用のインバータ一体化駆動装置を説明するが、これは説明のための例示であって、その他の用途のためのインバータ一体化駆動装置であってもよい。また、以下では、回転電機ケースに、２つの回転電機と動力伝達機構等が収納されるものとし、インバータケースに、インバータ回路、インバータ制御回路等が収納されるものとして説明するが、これらは、説明のための例示であって、少なくとも、回転電機ケースに１つの回転電機、インバータケースにインバータ回路が収納されればよく、それ以外の要素を含んでいてもよい。また、回転電機として、三相同期型回転電機を説明するが、これ以外の形式の電動機、発電機であってもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車両に搭載されるインバータ一体化駆動装置１０を示す図である。図２は、インバータ一体化駆動装置１０の内部構成を説明する図である。なお、図２には、インバータ一体化駆動装置１０の構成要素ではないが、蓄電装置１０２、エンジン１０４、車輪１０６が図示されている。車両は、リチウムイオン電池等の蓄電装置１０２の直流電力と、内燃機関であるエンジン１０４の駆動力とを用いて、車輪１０６を駆動して走行することができる。

インバータ一体化駆動装置１０は、回転電機ケース１２にインバータケース１４を一体化して取り付け固定したものである。回転電機ケース１２の内部３０には、第１回転電機１１０、第２回転電機１１２、プラネタリ機構等の動力伝達機構１１４が収納される。インバータケース１４の内部２０には、電圧変換器１２０、第１回転電機１１０用のインバータ回路１２２、第２回転電機１１２用のインバータ回路１２４、これらの動作を制御するインバータ制御回路１２６が収納される。第１回転電機は、車両の駆動用の回転電機で、第２回転電機は、発電用に用いられる回転電機で、いずれも三相同期型回転電機である。

端子台４０は、回転電機ケース１２の外壁に設けられる配線接続用の部品である。端子台４０は、第１回転電機１１０から引き出された各相コイルの端末に接続される３つの各相接続座面４２と、第２回転電機１１２から引き出された各相コイルの端末に接続される３つの各相接続座面４４が配置される。各相コイルから引き出された配線の端部は、板状の接続板部となって、その接続板部が端子台４０の方に延伸し、各相接続座面４２，４４の表面に固定されて、接続端子面となる。

図２では、第１回転電機１１０から引き出された１つの相コイルの接続板部４８と、その接続板部４８が延伸し各相接続座面４２，４４の表面に固定された接続端子面４６が、符号を付されて代表的に示されている。各相接続座面４２，４４には、ボルトを用いて各相バスバー２６を接続して固定するためのメネジ部が設けられる。これに対応し、接続端子面４６には、ボルトを通すための貫通穴が設けられる。

各相配線２２は、第１回転電機１１０用のインバータ回路１２２の各相端子に一方端を有し、他方端が端子台４０の各相接続座面４２に向かって延出する配線部材である。また、各相配線２４は、第２回転電機１１２用のインバータ回路１２４の各相端子に一方端を有し、他方端が端子台４０の各相接続座面４４に向かって延出する配線部材である。

各相配線２２，２４において、一方端側は、断面が円形または矩形の導線であるが、他方端の近傍は板状部材となって、後述するように屈曲形状を有する。この板状部材の部分を各相バスバーと呼ぶことにすると、各相バスバーとは、各相配線２２，２４が端子台４０の各相接続座面４２，４４の表面に板状部材の他方端側の面が向かい合うように、途中で屈曲した板状部材である。図２では、第１回転電機１１０用のインバータ回路１２２の１つの相配線の他方端側が各相バスバー２６として符号を付されて代表的に示されている。

インバータケース１４の側壁に設けられる作業覗き窓部１８は、回転電機ケース１２とインバータケース１４とを一体化するためのバスバー接続部１６において、バスバー接続作業用の開口部である。バスバー接続部１６とは、端子台４０の各相接続座面４２，４４に、各相バスバー２６を接続するための作業空間である。作業覗き窓部１８は、この作業空間であるバスバー接続部１６を斜めから見下ろして作業を行える位置に設けられる。このように、作業空間であるバスバー接続部１６を斜めから見下ろすように作業覗き窓部１８を設けることで、作業者は自然な姿勢で接続作業を行うことができる。図２には、作業の際のバスバー接続部１６に対する視認方向６０が示されている。

ここで、回転電機ケース１２とインバータケース１４とを一体化する手順を説明する。一体化のためには、まず各回転電機等を収納した回転電機ケース１２と、インバータ回路等を収納したインバータケース１４を準備する。そして、回転電機ケース１２の外壁に設けられる端子台４０を内部に含んでかぶせるように、インバータケース１４を回転電機ケース１２の外側に配置する。そして、作業覗き窓部１８から、作業空間であるバスバー接続部１６の様子を見ながら、インバータ回路１２２，１２４から延出する各相バスバー２６を端子台４０の各相接続座面４２，４４に接続する作業が行われる。接続作業が終れば、作業用除き窓部１８の開口部は、適当な塞ぎ板部材で閉じられる。

図３は、インバータケース１４の内部におけるバスバー接続部１６の様子を抜き出して説明する図である。ここでは、端子台４０の各相接続座面４２，４４に各相バスバー２６がまだ接続されていない状態が示されている。

端子台４０は、絶縁材料で成型された本体部に、回転電機ケース１２の内部３０から延伸してくる６つの接続板部４８を配置した部材である。端子台４０の上面には、６つの接続板部４８に対応して、６つの各相接続座面４２，４４が設けられる。各相接続座面４２，４４のそれぞれは、端子台４０の上面を基準面として、基準面に対し４５度の角度で傾斜した傾斜面を有する。この傾斜面に、接続板部４８の延伸してきた部分である接続端子面４６が固定される。なお、傾斜面の傾斜角度は、バスバー接続作業に適した角度であれば、４５度以外の鋭角であっても構わない。

各相バスバー２６は、インバータケース１４の内部２０から延伸してくる各相配線２２，２４の他方端側の板状部材である。各相バスバー２６の個数は、６本の各相配線２２，２４に対応して６つである。各相バスバー２６は、インバータ回路１２２，１２４から端子台４０の上面に対しほぼ垂直方向となるように端子台４０に向かって延出した後、他方端において端子台４０の各相接続座面４２，４４の傾斜角度に合わせてＬ字状に屈曲する他方端側形状を有する。

図３では、端子台４０の上面に対しほぼ垂直方向に延伸する状態から、各相接続座面４２，４４の傾斜面に対しほぼ９０度の角度となるように、４５度の角度で曲げられ、その後に、その状態からＬ字状に９０度曲げられて、他方端において、各相接続座面４２，４４の傾斜面に対しほぼ平行となる屈曲形状が示されている。

このように、２度の４５度曲げを有する屈曲形状とすることで、各相バスバー２６が端子台４０の各相接続座面４２，４４の接続端子面４６に接続されるときの弾性変形の範囲を広げることができる。これによって、各相バスバー２６、端子台４０の各相接続座面４２，４４の寸法ばらつきを吸収し、各相バスバー２６と接続端子面４６との間の接続を確実なものとできる。

図４から図６は、各相バスバー２６の初期状態、締結状態、締結を外した除荷状態の様子を説明する図である。締結状態とは、各相接続座面４２，４４の接続端子面４６に設けたメネジ部を利用し、ボルトを用いて、各相バスバー２６の他方端を、端子台４０の各相接続座面４２，４４に締結して接続した状態である。

図４は、初期状態の各相バスバー２６と、締結状態の各相バスバー２７の様子を示す図である。回転電機ケース１２にインバータケース１４をかぶせて配置したとき、各相バスバー２６の他方端は、各相接続座面４２，４４に対し浮いた状態で隙間がある。図４では、その浮いた状態の隙間がΔＳ₀として示されている。換言すれば、各相バスバー２６の初期形状は、回転電機ケース１２にインバータケース１４をかぶせて配置したとき、その他方端が各相接続座面４２，４４に対し、ΔＳ₀の隙間を有する用に設定される。その意味で、ΔＳ₀を初期隙間と呼ぶことができる。

したがって、初期状態の各相バスバー２６が締結具によって各相接続座面４２，４４に接続されるときは、この初期隙間ΔＳ₀だけ変形して各相接続座面４２，４４の接続端子面４６に接触することになる。この初期隙間ΔＳ₀だけ変形させるのは、Ｌ字状形状の弾性を利用して弾性変形とすることも考えられ、Ｌ字状形状の弾性限界を超えて塑性変形させることも考えられる。

ここでは、締結力の安定性を考えて、初期隙間ΔＳ₀だけ変形させると、各相バスバー２６が塑性変形するように、各相バスバー２６の形状が設定されるものとした。その際に、締結状態の各相バスバー２７が破断しないように形状等を考慮する必要がある。図５は、締結状態の各相バスバー２７の各部における応力分布のシミュレーション結果の１例を示す図である。図５では、網目の細かさで応力の大きさが示されている。網目が細かくなるほど、応力が大きい。

このようなシミュレーション結果と、実験結果に基づき、締結状態の各相バスバー２７における最大応力を、例えば、塑性伸び０．２％のときの応力である０．２％耐力以下となるように、初期状態の各相バスバー２６の形状を設定できる。このようにして、締結状態において０．２％耐力を保証するように、各相バスバー２６の形状を設定した。

締結状態における最大応力を０．２％耐力とすることで、締結を外して除荷状態としたときに、いわゆるスプリングバック状態とすることができる。その様子を図６に示す。ここでは、除荷状態の各相バスバー２８の様子が示されている。除荷状態の各相バスバー２８の他方端の状態は、締結状態の各相バスバー２７の他方端の状態よりも初期状態の各相バスバー２６の他方端の状態の方に向けて回復し、いわゆるスプリングバック状態となる。図６では、除荷状態の各相バスバー２８の他方端が、端子台４０の各相接続座面４２，４４からΔＳ₁の隙間をあけた状態であることが示されている。この隙間ΔＳ₁があることで、締結を外す作業がしやすくなる。その意味で、ΔＳ₁をサービス隙間と呼ぶことができる。

図７は、各相バスバー２６を端子台４０の各相接続座面４２，４４に接続する締結作業の様子を説明する図である。図７は、１つの各相接続座面４２周辺の詳細断面である。締結作業の前に、端子台４０を内部に含んでかぶせるように、インバータケース１４が回転電機ケース１２の外側に配置される。図７には、インバータケース１４の締結方向が矢印で示されているが、この矢印の方向が、インバータケース１４を回転電機ケース１２にかぶせる方向である。ここでは、端子台４０の上面に垂直方向がインバータケース１４の締結方向である。その締結方向の位置決めは、ノックピン５２とこれに対応する位置決め穴５４が用いられる。

インバータケース１４と回転電機ケース１２との間の締結とは別に、各相バスバー２６の締結が行われる。各相バスバー２６の締結は、ボルト５０と、各相接続座面４２に設けられるメネジ部５１とを用い、接続端子面４６とボルト５０とで、各相バスバー２６を挟み込み固定することで行われる。この締結作業は、作業覗き窓部１８を用いて行われる。

ここで、各相接続座面４２は、端子台４０の上面から傾斜角度θの傾斜面を有し、この傾斜面に接続端子面４６が固定されている。この傾斜角度θは、作業覗き窓部１８と各相接続座面４２とを結ぶ視認方向６０に対し、ほぼ垂直方向となるように設定される。ほぼ垂直方向とは、締結作業がしやすい視認が確保できる範囲であればよい。すなわち、垂直方向から予め定めた余裕角度の範囲となるように、傾斜角度θが設定される。余裕角度は、寸法精度の余裕と異なり、視認の余裕程度であるので、例えば±１５度とすることができる。例えば、視認方向６０がインバータケース１４の締結方向に対し４５度の傾きとすると、θ＝４５度が好ましく、余裕角度を±１５度とすると、θ＝４５度±１５度と設定することがよい。

図８は、比較のために従来技術を説明する図である。ここで述べる従来技術は、インバータケース１４の締結方向に対し、回転電機からの接続板部４９が平行に延伸して接続端子面４７となり、各相バスバー２９もインバータケース１４の締結方向に平行である。したがって、接続板部４９の接続端子面４７の上側に各相バスバー２９の下側が干渉して当ることがないように、インバータケース１４を回転電機ケース１２にかぶせる作業に気遣いが必要になる。また、作業覗き窓部からの視認方向６１は、この干渉を認識しづらいので、メネジ部５１とボルト５０を用いた各相バスバー２９と接続端子面４７との間の締結にも作業の気遣いが必要になる。

また、接続板部４９が垂直に延伸して接続端子面４７となるので、いきおい、各相接続座面４３も端子台４１から垂直方向に長く延びる。したがって、各相接続座面４３を含めた端子台４１が大型化する。これに伴って、位置決め穴５４に対するノックピン５３の高さが高くなる。

図７の場合には、各相接続座面４２と各相バスバー２６の他方端とは、面同士が押し付けられる上下配置となるので、図８のような干渉が生じない。また、各相接続座面４２が傾斜角度θを有するので、各相接続座面４２を含めた端子台４０が小型になる。

本発明に係るインバータ一体化駆動装置は、回転電機を搭載する車両の駆動装置に利用できる。

１０インバータ一体化駆動装置、１２回転電機ケース、１４インバータケース、１６バスバー接続部、１８作業覗き窓部、２０（インバータケースの）内部、２２，２４各相配線、２６，２９各相バスバー、２７（締結状態の）各相バスバー、２８（除荷状態の）各相バスバー、３０（回転電機ケースの）内部、４０，４１端子台、４２，４３，４４各相接続座面、４６，４７接続端子面、４８，４９接続板部、５０ボルト、５１メネジ部、５２，５３ノックピン、５４位置決め穴、６０，６１視認方向、１０２蓄電装置、１０４エンジン、１０６車輪、１０６動力伝達機構、１１０，１１２回転電機、１２０電圧変換器、１２２，１２４インバータ回路、１２６インバータ制御回路。

Claims

回転電機にインバータ回路を一体化して搭載するインバータ一体化駆動装置であって、
回転電機を収納する回転電機ケースと、
回転電機から引き出された各相コイルの端末に接続される各相接続座面を配置し、回転電機ケースの外壁に設けられる端子台であって、各相接続座面は、端子台の基準面に対し予め定めた所定の鋭角の傾斜角度を有する端子台と、
端子台を内部に含んで上からかぶせるように、回転電機ケースの外側に一体的に固定されて配置され、インバータ回路を収納するインバータケースと、
インバータ回路の各相端子側に一方端を有し、他方端が端子台の各相接続座面に向かって延出する各相バスバーであって、インバータ回路から端子台に向かって垂直に延出した後、他方端側において端子台の各相接続座面の傾斜角度に合わせてＬ字状に屈曲して板状の接続端子面となる他方端側形状を有するバスバーと、
端子台の各相端子接続座面と各相バスバーの他方端の板状の接続端子面とをそれぞれ電気的に接続する複数の締結具と、
を含み、
回転電機ケースの外側に設けられる端子台を内部に含んで上からかぶせるようにインバータケースを回転電機ケースの外側に一体的に上下方向に配置するとき、インバータ回路から延出してＬ字状に屈曲する各相バスバーの他方端における板状の接続端子面と端子台の各相接続座面とが互いに上下配置となる面関係で向かい合うことを特徴とするインバータ一体化駆動装置。
請求項１に記載のインバータ一体化駆動装置において、
インバータケースは、
端子台の各相接続座面と各相バスバーの他方端とをそれぞれ締結具で締結する作業を行うための作業覗き窓部を側壁に有し、
端子台の各相接続座面は、作業覗き窓部と各相接続座面とを結ぶ傾斜視認方向に対し、
垂直方向から予め定めた余裕角度の範囲となるように、所定の鋭角の傾斜角度が設定されることを特徴とするインバータ一体化駆動装置。
請求項１または２に記載のインバータ一体化駆動装置において、
各相バスバーは、
他方端が端子台の各相接続座面にまだ接続されていない状態では、各相接続座面に対し浮いた状態の初期隙間を有するように他方端側形状の初期形状が設定され、締結具によって各相接続座面に接続される状態では、初期形状から塑性変形した締結形状となり、締結が外された除荷状態では、締結形状から予め定めたスプリングバック特性により各相接続座面から初期隙間よりも少ないサービス隙間を有することを特徴とするインバータ一体化駆動装置。