JP6044766B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力、交流電力の変換を行うインバータ装置に関する。

電気自動車では、直流電力、交流電力の変換を行うインバータ装置を搭載して、バッテリに蓄えた直流電力を交流電力に変換し、交流モータを駆動している。
こうしたモータ駆動用として用いられるインバータ装置は、箱形のケース内に、スイッチング素子を有してなるインバータモジュール、直流を平滑化するコンデンサモジュールを収めて構成される。

インバータ装置の多くは、ケースとして、枠形の胴部と、胴部の両側の開口を塞ぐカバーとを組み合わせた分割式の構造を用い、このケースの胴部内に、インバータモジュール、コンデンサモジュールを積み重なるように据付ける構造が用いられる（特許文献１）。

特開２００９−４４８９１号公報

インバータ装置は、コンパクト化が求められる。特に電気自動車で用いられるモータ駆動用のインバータ装置は、限られたスペースに他の車載機器と共に設置されることが多く、車載性の面からも、できるだけ小型のインバータ求められる。
ところが、従来のようなインバータ装置、すなわち胴部内に、インバータモジュール、コンデンサモジュールを重ねて配置するインバータ装置は、胴部の内部で、インバータモジュールとコンデンサモジュールとを接続する作業を行う構造となっている。この接続作業は、作業者が工具を用いて、胴部端の開口から、接続ケーブルを両機器間に接続する作業で行われるが、胴部内で、同作業を円滑に進めるには、インバータモジュール、コンデンサモジュールの側部と、胴部の内面との間に、作業者が十分に作業し得る作業スペースを確保することが求められる。

このため、インバータ装置は、ケースの内部に作業スペースを確保することが求められるので、ケースが大型になる傾向にあり、小型化が難しい。しかも、インバータモジュール、コンデンサモジュール間の接続は、各機器の側部と胴部の内面といった制約された隙間を通じて行うことが余儀なくされるため、視認しづらい、さらには作業自身も面倒になるため、インバータ装置を組み立てる作業効率も低くなりやすい。

そこで、本発明の目的は、簡単な構造で、小型化、さらには組立作業性の向上が図れるインバータ装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、分割された第１ケースと第２ケースとを組み合わせてなるケース内に、スイッチング素子を有して構成されるインバータモジュールと、平滑用のコンデンサモジュールとを含む複数の電気機器モジュールを積層して収めて構成されるインバータ装置であって、ケース内に積層して収められる電気機器モジュールは、更に端子台モジュールを含み、インバータモジュールおよびコンデンサモジュールは、重なるように前記第１ケースに据付けられ、端子台モジュールは、前記第２ケースに据付けられ、第１ケースと前記第２ケースのそれぞれの厚さは、ケース内に積層した全ての電気機器モジュールの厚さよりも薄く、第１ケースと第２ケースとの分割位置は、第１ケースに据付けた電気機器モジュールの積層方向に沿った側面に対向した位置に設定されるものとした。

請求項２に記載の発明は、ケースの分割位置は、第１ケースの厚さ寸法が、第２ケースよりも薄くなる位置とした。
請求項３に記載の発明は、第１ケースを構成する面のうち第２ケースから最も離間した一面にインバータモジュールを据付け、このインバータモジュールに重なるようにコンデンサモジュールを据付けるものとした。

請求項４に記載の発明は、第２ケースは、枠形の周側壁とこの周側壁の開口を塞ぐカバーとを有し、端子台モジュールは、第２ケースの周側壁に取り付け、第２ケースの開口から、端子台モジュールとコンデンサモジュールとを接続する作業を可能にしてなるものとした。

請求項１の発明によれば、第１ケースに重ねて据付けた電気機器モジュールの積層方向に沿った側面が第１ケースと第２ケースとを分離した状態において第１ケースから露出するため、第１ケースに据付けたインバータモジュールとコンデンサモジュールとの間を接続する作業は、第１ケースから露出した電気機器モジュールの側面付近の外部空間を、そのまま作業用スペースとして用いて行えばよい。つまり、ケースの大型化を招いていたケース内部の作業スペース、すなわち第１ケースに据付けた電気機器モジュールの積層方向に沿った側面と第１ケースの内面との間で確保されていた作業スペースは不要となる。これで、電気機器モジュールの積層方向に沿ったケースの側壁は、インバータモジュール、コンデンサモジュールに近付けられるから、ケースは、今までのケースよりも外形は小さくてすむ。しかも、外部の開放空間のもとで、接続作業が行われるので、接続箇所が視認しやすいうえ、組立作業がしやすい。

それ故、簡単な構造で、小型化、さらには組立作業性の向上が図れるインバータ装置が提供できる。しかも、ケース内に端子台モジュールを配置することがあっても、インバータ装置の小型化が損なわれずにすむ。
請求項２の発明によれば、第１ケースに据付けた電気機器モジュールの積層方向に沿った側面を第１ケースから更に露出させることができるので、第１ケースに据付けたインバータモジュールとコンデンサモジュールとの間を接続する作業がより容易になる。

請求項３の発明によれば、インバータモジュールは、第１ケースを構成する面のうち第２ケースか最も離間した一面に配置されるため、第１ケースにインバータモジュールを冷却する冷却構造が組み付けやすく、インバータモジュールの冷却の対応が容易となる。

請求項４の発明によれば、インバータ装置の小型化が損なわれずに、容易に端子台モジュールとコンデンサモジュールとの接続作業ができる。

本発明の一実施形態に係るインバータ装置の全体を示す斜視図。 同インバータ装置のケースを分離したときの状態を、カバーを外した状態と共に示す斜視図。 同インバータ装置の各部の構造を説明する分解斜視図。 同インバータ装置を組み立てる手順を示す断面図。

以下、本発明を図１ないし図４に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は、例えば電気自動車においてモータ駆動用として用いられるインバータ装置の全体を示していて、図２は同インバータ装置を上下に分離したときを示し、図３は同インバータ装置の主要部を分解したときを示している。図１中のＦはインバータ装置の前方向を示し、同じくＲはインバータ装置の後方向を示している。

インバータ装置は、図１〜図３に示されるように角形のケース１を有し、このケース１に複数の電気機器モジュールが収められる。具体的には、ＩＧＢＴモジュール３（本願のインバータモジュールに相当）、コンデンサモジュール５が収めてある。また、ここでは、各機器（外部機器を含む）との取合いを集中して行うための端子台モジュール７も収めてある。

ＩＧＢＴモジュール３は、平板形のヒートシンク９の上面部に、直流電力、交流電力の変換を行うスイッチング素子１１を搭載した平板形ユニットで構成してある。同ユニット上部の幅方向両側には、それぞれ制御用端子部３ａが設けてある。
コンデンサモジュール５は、例えば角形のフレーム板６ａ上に、直流を平滑にするコンデンサ要素６ｂや基板６ｃを搭載して構成される平板形のユニットである。同ユニット上部の幅方向両側部には、複数の制御用端子部５ａが設けられ、同ユニット下部の前部には、複数の通電用端子部５ｂが設けてある。

端子台モジュール７は、例えば角形の基板１３と、同基板１３上に設置された、電気自動車の走行用モータやバッテリ（いずれも図示しない）などの外部機器と接続可能な各種接続端子群１５、基板１３の下方へ突き出た複数の通電用バスバー１７などを設けて構成してある。
本実施形態のインバータ装置は、分割式、例えば上下に分割した箱形のケース１を用いて、ケース１内にＩＧＰＴモジュール３、コンデンサモジュール５、端子台モジュール７を積層して収めた構造が用いられている。具体的には、各電気機器モジュールは、上下に重なり合うようにケース１内に収めてある。このインバータ装置に、ケース１の分割の仕方や、各モジュール３〜７の取り付け方の工夫が施され、インバータ装置の電気機器モジュールの接続作業の容易化やインバータ装置のコンパクト化に結びつけている。

具体的には、図２，３に示されるように箱形のケース１は、上下二分割式の筐体が用いられている。そして、分割位置αで分割された下側のケース部分を下ケース１ａ（本願の第１ケースに相当）とし、上側のケース部分を上ケース１ｂ（本願の第２ケースに相当）としている。
このうち下ケース１ａは、角形の底壁１９ａ、同底壁１９ａを取り囲むように配置された周側壁１９ｂを有して形成され、上方が開口している。また底壁１９ａの各コーナー部には、脚部２１が設けてある。この下ケース１ａ内にＩＧＢＴモジュール３、コンデンサモジュール５が重なるように据付けられている。具体的には、図２に示されるように下ケース１ａを構成する面のうち上ケース１ｂから最も離間した一面である底面（最下部）に、ＩＧＢＴモジュール３は、ヒートシンク９を下にして載せてあり、ボルト１０で固定してある。このＩＧＢＴモジュール３に重なるようにコンデンサモジュール５が据え付けてある。具体的には、ＩＧＢＴモジュール３の上側（直上）にコンデンサモジュール５が配置される。そして、コンデンサモジュール５のフレーム板６ａの各部を、下ケース１ａの底面の四隅から突き出た各ボス２３にボルト２４で固定させている。

このＩＧＢＴモジュール３が下側に配置されるレイアウトを利用して、下ケース１ａに、ＩＧＢＴモジュール３を冷却する冷却構造（水冷式）を組み付けている。ここでは、図３に示されるようにヒートシンク９に臨む底壁１９ａ部分に凹部２５を設けて、シートシンク９の直下に冷却室２５ａを形成し、底壁１９ａの下面に、冷却室２５ａと連通する導入路２７、導出路２９を設けるという簡単な構造を用いて、外部から冷却水を、導入路２７、凹冷却室２５ａ、導出路２９へ流通させると、シートシンク９の冷却が行われる構造にしている。

上ケース１ｂは、図２および図３に示されるように枠形の周側壁３１ａと、同周側壁３１ａの上部開口を塞ぐカバー３１ｂとを有して構成され，下方が開口している。むろん周側壁３１ａは、下ケース１ａの周側壁１９ｂと組み合う外形をなしている。カバー３１ｂは、例えばボルト３５で、周側壁３１ａ上端部（開口縁部）に着脱可能に固定される。この上ケース１ｂ内に端子台モジュール７が収められる。これで、端子台モジュール７は、下ケース１ａ内の電気機器モジュールと重なり合うように配置させている（積層）。この端子台モジュール７は、周側壁３１ａに取り付けられている。具体的には端子台モジュール７は、ボルト３９で、基板１３の各部を、周側壁３１ａの内面に形成してある下向きのボス３７に固定することで、周側壁３１ａに据付けてある。

つまり、インバータ装置は、図２および図３に示されるように端子台モジュール７を収めた上ケース１ｂと、ＩＧＢＴモジュール３およびコンデンサモジュール５を収めた下ケース１ａに分けられ、上ケース１ｂと下ケース１ａとを分割位置αで突き合わせ、両ケース１ａ，１ｂを例えばボルト４１で締結することによって、ＩＧＢＴモジュール３、コンデンサモジュール５、端子台モジュール７といった複数の電気機器モジュールが、ケース１内に段状に積層して収まる構造となっている。また両ケース１ａ，１ｂの締結後、上ケース１ｂの上側の開口から、工具（図示しない）を、内周側壁３１ａの開口縁部と端子台モジュール７の側部との間の隙間に差し入れることで、端子台モジュール７の通電用バスバー１７の先端部とコンデンサモジュール５の通電用端子部５ｂとの接続作業が行える構造にもしている。

こうした電気機器モジュールを収める、上ケース１ｂと下ケース１ａのそれぞれの厚さ寸法Ｘ１、Ｘ２（図１、図２、図４）は、ケース１内に積層して収める全ての電気機器モジュール（ここでは、ＩＧＢＴモジュール３、コンデンサモジュール５、端子台モジュール７）の厚さ寸法Ｘ３（図４に図示）よりも薄くしてある。また上ケース１ｂと下ケース１ａの分割位置αは、下ケース１ａに据付けたＩＧＢＴモジュール３、コンデンサモジュール５の積層方向に沿った側面に対向する位置に設定されている。具体的には、同位置で設定されるケース１の分割位置αは、図３，４に示されるように下ケース１ａの厚さ寸法Ｘ１が、上ケース１ｂの厚さ寸法Ｘ２よりも薄くなる位置で設定してある。

このような下ケース１ａと上ケース１ｂの厚みの設定、及び分割位置αの設定により、下ケース１に据付けられるコンデンサモジュール５、ＩＧＢＴモジュール３のうち、制御用端子部３ａ，５ａが所在する側部を、下ケース１ａと上ケース１ｂとが分離した状態において、下ケース１ａから露出させる構造にしている。ここでは、コンデンサモジュール５の側部全体と、ＩＧＢＴモジュール３の上面に配置された端子部３ａとを、下ケース１ａの周側壁３１ａから露出させている。これで、ＩＧＢＴモジュール３の制御用端子部３ａとコンデンサモジュール５の制御用端子部５ａとを接続するなど、側方で行う接続作業を、ケース１外（外部）の広い開放空間で行えるようにして、ケース１のコンパクト化に結びつかせている。図４（ａ）〜（ｃ）は、こうした点を顕著に表わしている。

図４（ａ）〜（ｃ）は、インバータ装置を組み立てる手順を示している。
インバータ装置の組み立てについて説明すると、図２および図４（ａ）に示されるように分離された下ケース１ａには、底面にＩＧＢＴモジュール３、コンデンサモジュール５を重なるように据付けておく。また残る上ケース１ｂには、周壁部３１ａのボス３７に、端子台モジュール７を据付けておく。ここでは、周壁部３１ａの上部の開口は、開放したままである。

このとき、図４（ａ）に示されるようにケース１の分割位置αは、下ケース１ａの厚さ寸法Ｘ１が、上ケース１ｂの厚さ寸法Ｘ２により浅い位置に定めてあるため（Ｘ１＜Ｘ２）、下ケース１ａに積層してあるコンデンサモジュール５の側部やＩＧＢＴモジュール３の側部は、下ケース１ａと上ケース１ｂとが分離した状態において下ケース１ａから露出した状態、すなわち外部に臨む状態となる。

このため、コンデンサモジュール５の両側にある制御用端子部５ａと、ＩＧＢＴモジュール３の両側にある制御用端子部３ａとを接続する作業は、下ケース１ａ外の広い空間、つまりコンデンサモジュール５やＩＧＢＴモジュール３の側方の広い外部空間を、そのまま作業用スペースとして用いて接続、具体的には接続箇所を視認して、接続具４５ａが付いたケーブル４５などで、制御用端子部３ａ，５ａ間を接続する。

この後、図４（ａ），（ｂ）に示されるように下ケース１ａの周側壁１９ｂに、上ケース１ｂの周側壁３１ａを突き合わせて、両者を締結具、例えばボルト４１で締結する。すると、各ケース１ａ，１ｂ内の各機器は、重なり合うように配置される。具体的には、ケース１内の最上段に端子台モジュール７、中段にコンデンサモジュール５、最下段にＩＧＢＴモジュール３が配置される。と共に、端子台モジュール７から下方へ突き出た通電用バスバー１７の先端部が、コンデンサモジュール５の通電用端子部５ｂと重なり合う。

ついで、上ケース１ｂの上部開口から、上ケース１ｂの周側壁３１ａと端子台モジュール７との間の隙間δ（図２中にのみ図示）へ工具（図示しない）を差し入れて、通電用バスバー１７の先端部を通電端子部５ｂに固定する作業を行う。その後、図４（ｃ）に示されるように上ケース１ｂの上部開口をカバー３１ｂで塞ぎ、ボルト３５でカバー３１ｂを固定すると、図１および図４（ｃ）のような箱形のケース１の内部に複数の電気機器モジュールである機器ＩＧＢＴモジュール３、コンデンサモジュール５、端子台モジュール７が積層して収められたインバータ装置が組み上がる。

ちなみに、走行用モータや駆動用バッテリ（いずれも図示しない）などといった外部機器との接続は、上ケース１ｂの周壁部３１ａの各部、具体的には端子台モジュール７と隣接する周壁部分の各部に形成した各種接続口部５１を用いて行う。
このように上ケース１ｂと下ケース１ａのそれぞれの厚さ寸法をケース１内に積層して収める全ての電気機器モジュールの厚さ寸法よりも薄くし、上ケース１ｂと下ケース１ａの分割位置αを下ケース１ａに据付けた電気機器モジュール（本実施形態では、ＩＧＢＴモジュール３、コンデンサモジュール５）の積層方向に沿った側面に対向する位置に設定にすることによって、下ケース１ａに据付けた電気機器モジュール（本実施形態では、コンデンサモジュール５、ＩＧＢＴモジュール３）の積層方向に沿った側面の少なくとも一部分は、下ケース１ａと上ケース１ｂとが分離した状態において下ケース１ａから露出させることができるので、下ケース１ａに据付けたＩＧＢＴモジュール３の制御用端子部３ａとコンデンサモジュール５の制御用端子部５ａとを接続する作業は、下ケース１ａから露出した電気機器モジュールの積層方向に沿った側面付近の外部空間を、そのまま作業用スペースとして用いて行えばよい。このため、従来、ケースの大型化を招いていたケース内部の作業スペース、すなわちＩＧＢＴモジュール、コンデンサモジュールの積層方向に沿った側面とケースの内面との間で確保されていた作業スペースは不要となる。

これにより、上ケース１ｂ，下ケース１ａは、今まで必要とされていた作業スペース分、周側壁１９ｂ、３１ａを、ＩＧＢＴモジュール３、コンデンサモジュール５に接近（近付けた）させた小型のケース１ですみ、内蔵機器の変更はせずに、ケース１の外形（全体）だけを、今までのケースよりも小さくすることができる。しかも、外部の開放空間のもとで、ＩＧＢＴモジュール３とコンデンサモジュール５間の接続作業を行えるので、接続箇所の視認が容易なうえ、組立作業はしやすい。

それ故、インバータ装置は、簡単な構造で、小型化、さらには組立作業性の向上を図ることができる。特にケース１の分割位置αを、下ケース１ａの厚さ寸法Ｘ１が、上ケース１ｂの厚さ寸法Ｘ２よりも薄くなる位置にすることにより、下ケース１ａに据付けた電気機器モジュールの積層方向に沿った側面を上ケース１ｂから更に露出させることができるので、下ケース１ａに据付けたＩＧＢＴモジュール３とコンデンサモジュール５間の接続作業がより容易になる。

しかも、下ケース１ａの底面にＩＧＢＴモジュール３を据付け、このＩＧＢＴモジュール３の上側にコンデンサモジュール５を据付けることで、下ケース１ａにはＩＧＢＴモジュール３を冷却する冷却構造（冷却室２５ａ、導入路２７、導出通路２９など）が組み付けやすくなり、ＩＧＢＴモジュール３の冷却の対応は容易となる。
そのうえ、ケース１内に端子台モジュール７を配置する場合、端子台モジュール７を上ケース１ｂに据付けたことで、下ケース１ａには、下ケース１ａの大型化をきたす要因となる、端子台モジュール７を据付けるためのボスなどが全く不要となるため、ケース１内に端子台モジュール７を配置することがあっても、インバータ装置の小型化を損なわずにすむ。

加えて、周側壁３１ａ，カバー３１ｂで構成される上ケース１ｂのうち、周壁部３１ａに端子台モジュール７を取り付けたことで、上ケース１ｂと下ケース１ａとを結合した後、上ケース１ｂの上部の開口から、周側壁３１ａと端子台モジュール７との間の隙間を通じて、容易に、端子台モジュール７とコンデンサモジュール５との接続作業を行うことができる。しかも、インバータ装置の小型化は損なわずすむ。

なお、本発明は、上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば一実施形態では、下側にＩＧＢＴモジュール３を配置し、その上側にコンデンサモジュール５を配置したが、逆に配置させてもよい。また、例えば一実施形態では、第１ケースを下側に配置する下ケース、第２ケースを上側に配置される上ケースとして説明したが、本願のインバータ装置における上下方向はこれに限定されず、逆に配置してもよいし、第１ケース、第２ケースの配置方向は上下方向でなくてもよい。また、例えば一実施形態では、ケース１内に積層して収める電気機器モジュールを、ＩＧＢＴモジュール３、コンデンサモジュール５、端子台モジュール７としたが、これら電気機器モジュールのみに限定されず、他の電気機器モジュールを含めてもよい。

１ ケース
１ａ 下ケース（第１ケース）
１ｂ 上ケース（第２ケース）
３ ＩＧＢＴモジュール（インバータモジュール）
５ コンデンサモジュール
７ 端子台モジュール
α ケースの分割位置

Claims (4)

1. 分割された第１ケースと第２ケースとを組み合わせてなるケース内に、スイッチング素子を有して構成されるインバータモジュールと、平滑用のコンデンサモジュールとを含む複数の電気機器モジュールを積層して収めて構成されるインバータ装置であって、
   前記ケース内に積層して収められる電気機器モジュールは、更に端子台モジュールを含み、
   前記インバータモジュールおよび前記コンデンサモジュールは、重なるように前記第１ケースに据付けられ、
   前記端子台モジュールは、前記第２ケースに据付けられ、
   前記第１ケースと前記第２ケースのそれぞれの厚さは、前記ケース内に積層した全ての電気機器モジュールの厚さよりも薄く、前記第１ケースと前記第２ケースとの分割位置は、前記第１ケースに据付けた電気機器モジュールの積層方向に沿った側面に対向した位置に設定される
   ことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記第１ケースと前記第２ケースとの分割位置は、前記第１ケースの厚さ寸法が、前記第２ケースよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記第１ケースには、前記第１ケースを構成する面のうち前記第２ケースから最も離間した面に前記インバータモジュールが据付けられ、当該インバータモジュールに重なるように前記コンデンサモジュールが据付けてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記第２ケースは、枠形の周側壁とこの周側壁の開口を塞ぐカバーとを有して構成され、
   前記端子台モジュールは、前記第２ケースの前記周側壁に取り付けられ、
   前記第２ケースの開口から、前記端子台モジュールと前記コンデンサモジュールとを接続する作業を可能にしてなる
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載のインバータ装置。

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