JP6016685B2 - 複合型インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は農業機械や草刈機等の汎用機械に用いられ、特にスイッチング素子の冷却に特徴を有する複合型インバータ装置に関するものである。

本発明は近年温室効果ガスを含む排気ガスを規制する観点から排気ガスを規制する動きが社会的潮流となっている。この動きに対してハイブリッドカーや電気自動車等の開発が進められている。一方、従来の草刈り機や農業機械ではディーゼルエンジンが動力源として用いられ、エンジンの周囲にラジエーターやマフラー等を配置し、変速機を備えて動力を必要な部所に伝える構成であった。

特許文献１にはエンジンを動力源とすることに代えて、電動式とする農業機械が提案されている。又農業機械の負荷に供給するための動力源としては、例えば２００Ｖで三相交流の電圧を出力するものが知られている。

又特許文献２にはエンジンに発電機を接続し、インバータを介してモータを制御するシリーズハイブリッドシステムが提案されている。シリーズハイブリッドシステムでは、エンジンと、エンジンに連結された発電機と、発電機の交流出力を直流電力に変換する第１のインバータと、このインバータからの直流出力に基づいて三相交流モータを制御する第２のインバータとが直列に制御されている。ここでインバータは夫々フィルムコンデンサ等の平滑用のコンデンサを有している。

特開２００３−９６０７号公報 特開２００８−１８７７９４号公報

前述したようにシリーズハイブリッドシステムでは、インバータのスイッチング素子やインバータに用いられるコンデンサは発熱が大きいため、冷却が必要である。２つのインバータを用いていると、冷却すべき素子数が多くなり、冷却機構を含めたインバータを小型化しにくくなるという問題点があった。

本発明はこのような複数のインバータを有するシステムの問題点に着目してなされたものであって、複数のインバータを一体化して容易に冷却できるようにすることを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の複合型インバータ装置は、インバータケースと、 前記インバータケースの第１壁面及び第２壁面の内側に形成された冷却水路と、夫々複数のスイッチング素子を有する第１のインバータと、夫々複数のスイッチング素子を有する第２のインバータと、前記冷却水路に設けられたコンデンサケースと、前記コンデンサケース内に設けられ且つ、前記第１のインバータ及び第２のインバータに接続されるコンデンサと、を具備し、前記インバータケースの第１壁面に、第１のインバータの前記複数のスイッチング素子が接触して設置され、前記第１壁面と対向する側の第２壁面に、第２のインバータの前記複数のスイッチング素子が接触して設置されている。
前記第１壁面の内側である第１内面であって前記第１のインバータの前記複数のスイッチング素子と対向する部分に、前記コンデンサケースが接触し、且つ、前記第２壁面の内側である第２内面であって前記第２のインバータの前記複数のスイッチング素子と対向する部分に、前記コンデンサケースが接触している。

このような特徴を有する本発明によれば、複数のインバータを一体化し、スイッチング
素子とコンデンサを冷却水路に取付けているため、冷却効率を向上させることができる。又インバータの部品を共用化して小型化しているため、設置面積や容積を小さくすることができるという効果が得られる。

図１は本発明の実施の形態による複合型インバータ装置が適用されるシリーズハイブリッドシステムの全体構成を示すブロック図である。 図２は本実施の形態による複合型インバータ装置とその周辺回路を示すブロック図である。 図３は本実施の形態による複合型インバータ装置の平面図である。 図４は本実施の形態による複合型インバータ装置のＡ−Ａ線断面図である。 図５は本実施の形態による複合型インバータ装置のＢ−Ｂ線断面図である。

図１は本発明の実施の形態による複合型インバータ装置が適用されるシリーズハイブリッドシステムの全体構成を示すブロック図である。本図においてこのシリーズハイブリッドシステムはエンジン１１を有している。エンジン１１の動力はフライホイール１２を介してジェネレータ１３に供給され、ジェネレータ１３を一定速度で回転駆動するものである。

ジェネレータ１３は三相交流式の発電機であって、回転数に応じた三相交流を第１のインバータ１４に与える。インバータ１４は三相交流の位相制御を行うものであり、その直流電圧の出力端子にはコンデンサ１５を介して第２のインバータ１６が接続されている。コンデンサ１５には通常フィルムコンデンサが用いられる。インバータ１６には三相交流のモータ１７が接続され、図示しない農業機械や汎用機械等がモータ１７によって駆動される。又インバータ１４，１６にはマネージングコンピュータ１８が接続される。マネージングコンピュータ１８は操作部１９からのアクセル等の信号に応じてインバータ１４及び１６をベクトル制御し、モータ１７を駆動するものである。ここでインバータ１４，１６とその間のコンデンサ１５とは、複合型インバータ装置２０を構成している。

次に複合型インバータ装置２０の内部構成について図２を用いて説明する。図２に示すようにインバータ１４の内部は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチングスタック２１，２２，２３が図示のように並列に接続される。各スイッチングスタックは一対のスイッチング素子からなり、夫々のスイッチング素子の中点がジェネレータ１３の各相に図示のように接続されて構成される。コントローラ２４はマネージングコンピュータ１８からの制御に応じてスイッチング素子の開閉のタイミングを制御して位相制御を行うものである。そしてインバータ１６の内部もインバータ１４と同様に、半導体スイッチングスタック３１，３２，３３が図示のように並列に接続される。そして各スイッチングスタックは一対のスイッチング素子からなり、夫々のスイッチング素子の中点がモータ１７の各相に図示のように接続される。コントローラ３４はマネージングコンピュータ１８からの制御に応じてスイッチング素子の開閉のタイミングを制御して位相制御を行うものである。

次に２つのインバータを一体化した複合型インバータ装置２０の構造の詳細について図３〜図５を用いて説明する。図３はこのインバータ装置２０の平面図であり、図４はＡ−Ａ線断面図、図５はＢ−Ｂ線断面図である。複合型インバータ装置２０は密閉されたインバータケース４１に収納されている。インバータケース４１は長方形の筐体であり、ケース４１の左右には冷却水を導入するための導入ダクト４２、冷却水を排出するための排出ダクト４３が設けられる。そしてインバータケース４１内にはコンデンサケース４４内にフィルムコンデンサ１５が収納されている。フィルムコンデンサ１５は２つのインバータ
１４，１６で共用して用いられるコンデンサであり、スイッチング素子と同様に冷却が必要である。この実施の形態ではコンデンサ自体をインバータケース４１内のコンデンサケース４４に収納して保持している。

さてこれらの図に示すように冷却水路を構成するインバータケース４１の上面には、インバータ１４の半導体スイッチングスタック２１，２２，２３を接触して設置されている。又インバータケース４１の下面には、インバータ１６の半導体スイッチングスタック３１，３２，３３が接触して設置されている。ここで半導体スイッチングスタック２１〜２３と３１〜３３とは冷却水路を介して両側から挟み込むように配置しておくことが好ましく、例えば互いに対称な位置に配置する。このようにすれば図示しない冷却水還流機構で冷却水路に冷却水を還流させることで、半導体スイッチングスタック２１〜２３，３１〜３３とコンデンサ１５とを十分に冷却することができる。

次にこの実施の形態の動作について説明する。この実施の形態におけるシリーズハイブリッドシステムにおいては、アクセルからの信号が操作部１９を介してマネージングコンピュータ１８に加わり、これによってインバータ１４，１６のコントローラで位相制御が行われる。正常な動作時にはエンジン１１はフライホイール１２を介してジェネレータモータ１３を一定速度で回転させる。これによってインバータ１４はほぼ一定の直流電圧を発生する。ここで電圧を位相制御するためにジェネレータモータの各相のスイッチングのタイミングを制御し、ベクトル制御を行い、必要な直流電圧を得る。この直流電圧はコンデンサ１５によって平滑され、更にインバータ１６に与えられ、これに基づいてモータ１７が負荷に応じて位相制御される。

このときインバータ１４，１６の半導体スイッチングスタックには大電流が流れるため高温となる。又その間のコンデンサについても高温となる。しかし前述したように、冷却水路を構成するインバータケース４１の導入ダクト４２より冷却水を導入し、排出ダクト４３より排出し、冷却水を還流させることでスイッチングスタックとコンデンサ１５を十分に冷却することができる。

尚この実施の形態では２つのインバータを一体化したものについて説明しているが、更に多数のインバータを一体化したものについても本発明を適用し、冷却水路にスイッチング素子を接触させて冷却効果を上げることができる。

又この実施の形態ではコンデンサを冷却水路内に設けているが、スイッチングスタックと同様に冷却水路の壁面に接触させて取付けておくようにしてもよい。

又この実施の形態では複合型インバータ装置は図２に示すように２つのコントローラ２４，３４を独立させているが、１つのコントローラを共用するようにすることもできる。

更にこの実施の形態では、シリーズハイブリッドシステムに用いられる２つのインバータを一体化した複合型インバータについて説明しているが、本発明は複数のインバータを用いる装置であればシリーズハイブリッドシステムに限らず、例えば発電装置等にも適用することができる。

ここで前記インバータは第１，第２のインバータから成るものであり、前記各インバータのスイッチング素子は夫々３つの半導体スイッチングスタックを有するものであり、前記冷却水路の壁面に前記第１のインバータの３つの半導体スイッチングスタックと、第２のインバータの３つの半導体スイッチングスタックとを接触させて取付けたものであるとしてもよい。

ここで前記コンデンサは、前記冷却水路のケース内に収納されているようにしてもよい。

ここで前記コンデンサは、前記冷却水路の壁面に接触して取付けたものとしてもよい。

本発明によれば複数のインバータを有する装置に用いて冷却の効率を低下させることなく小型化することができる。従って本発明は例えば農業機械や芝刈機などの種々の産業機械に好適に用いることができる。

１１ エンジン
１２ フライホイール
１３ ジェネレータ
１４，１６ インバータ
１５ コンデンサ
１７ モータ
１８ マネージングコンピュータ
１９ 操作部
２０ 複合型インバータ装置
２１〜２３， ３１〜３３ 半導体スイッチングスタック
４１ インバータケース
４２ 導入ダクト
４３ 排出ダクト
４４ コンデンサケース

Claims (2)

1. 複合型のインバータ装置であって、
   インバータケースと、
   前記インバータケースの第１壁面及び第２壁面の内側に形成された冷却水路と、
   夫々複数のスイッチング素子を有する第１のインバータと、
   夫々複数のスイッチング素子を有する第２のインバータと、
   前記冷却水路に設けられたコンデンサケースと、
   前記コンデンサケース内に設けられ且つ、前記第１のインバータ及び第２のインバータに接続されるコンデンサと、
   を具備し、
   前記インバータケースの第１壁面に、第１のインバータの前記複数のスイッチング素子が接触して設置され、前記第１壁面と対向する側の第２壁面に、第２のインバータの前記複数のスイッチング素子が接触して設置されている複合型インバータ装置。
2. 前記第１壁面の内側である第１内面であって前記第１のインバータの前記複数のスイッチング素子と対向する部分に、前記コンデンサケースが接触し、且つ、前記第２壁面の内側である第２内面であって前記第２のインバータの前記複数のスイッチング素子と対向する部分に、前記コンデンサケースが接触している請求項１に記載の複合型インバータ装置。

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