JP6064559B2 - モータ駆動用空冷式インバータ - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動用空冷式インバータに関するものである。

モータ駆動用インバータにおいて、スイッチング素子をヒートシンクで冷却する構成とした場合、温度を検知する必要がある。特許文献１では、電動車両用モータを駆動させる駆動装置において、駆動装置は、インバ−タ部と制御部とで構成されインバータ部と制御部とは、それぞれ独立に密閉されたケースに収納し、かつ各ケース間の熱源を遮断し、ハーネスを通じて一体に接続されている。また、放熱器の一面に温度センサがネジ固定されている。特許文献２では、電力断続用の半導体スイッチング素子が金属ブロックに固定されてなるパワーモジュールと、半導体スイッチング素子の断続を制御するコントローラとを備え、コントローラは、所定の入力情報に基づいて半導体スイッチング素子の通電電流を所定の電流制限値以下に制限する。パワーモジュールは、車両の外気流流通部位に配設されて外気流により直接又は冷却部材を介して冷却され、コントローラは、入力情報として車速に関連する情報を取り込み、車速が大きい場合に電流制限値を増加させ、車速が小さい場合に電流制限値を減少させる。つまり、車速に基づいてパワーモジュール冷却系の外気流の流速を推定して、温度センサを用いずに出力電流を増大する。

特開平７−７５２１５号公報 特開平１１−２５５０４０号公報

ところで、水温センサの一例として図８に示すように、冷却器２００にかしめ固定した別部材２０１にスタッドボルト２０２を立て、そこに水温センサ端子２０３を締結する場合、サーミスタの感熱部２０４が冷却器本体（ベース）につけて固定され、冷却器本体温度（ベース温度）を測定し、その測定値を水温として用いるのでより高精度な測定値が求められる場合に問題がある。また、車載を考えると、車両の走行により急激に環境変化するので、環境変化に敏感に反応するように測定したい。

本発明の目的は、温度センサを用いて空気の温度を精度よく測定することができるモータ駆動用空冷式インバータを提供することにある。

請求項１に記載の発明では、ヒートシンクの一方の面が空気流路となるとともに前記ヒートシンクの他方の面にスイッチング素子が熱的に結合した状態で配置されたモータ駆動用空冷式インバータにおいて、温度センサを、本体部の表面に設けられた感熱部が前記空気流路に露出する状態で前記ヒートシンクに固定してなり、前記ヒートシンクの一方の面に窪みが形成され、当該窪みに前記温度センサの本体部の少なくとも一部が収容されていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、温度センサの感熱部が空気流路に露出しているので、ヒートシンクの温度ではなく空気の温度を直接測定することができる。その結果、温度センサを用いて空気の温度を精度よく測定することができる。また、窪みに温度センサの本体部の少なくとも一部が収容されているので、空気の流れの邪魔になることを抑制できる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載のモータ駆動用空冷式インバータにおいて、前記窪みに前記温度センサの本体部が、前記感熱部が前記ヒートシンクの一方の面と同一面に位置する状態で収容されているとよい。

請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動用空冷式インバータにおいて、前記温度センサの本体部に設けられた取付部材を貫通するネジを前記ヒートシンクに螺入することにより前記温度センサの本体部が前記ヒートシンクの一方の面に固定されているとよい。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ駆動用空冷式インバータにおいて、前記温度センサの本体部と前記窪みの内壁とは離間していることを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、温度センサの本体部と窪みの内壁とは離間しているので、熱を遮断する上で好ましい。

本発明によれば、温度センサを用いて空気の温度を精度よく測定することができる。

実施形態におけるモータ駆動用空冷式インバータの斜視図。 モータ駆動用空冷式インバータの一部平面図。 図２のＡ−Ａ線での縦断面図。 サーミスタの斜視図。 モータ駆動用空冷式インバータの電気回路図。 別例のモータ駆動用空冷式インバータの一部断面図。 別例のモータ駆動用空冷式インバータの一部断面図。 （ａ）は水温センサの取付構造の一例を示す平面図、（ｂ）は水温センサの取付構造の正面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態ではハイブリッド車の走行モータ用のインバータに適用している。また、インバータを構成するスイッチング素子（パワー素子）は、空冷式冷却器としてのヒートシンクにおいて冷却されるようになっている。

図５に示すように、モータ駆動用空冷式インバータ１０は、インバータ回路２０と、制御部３０と、コントローラ４０と、ファン５０と、吸気温測定用のサーミスタ６０を備えている。インバータ回路２０は、６つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を有している。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が直列に接続され、Ｕ相の上下のアームを構成している。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が直列に接続され、Ｖ相の上下のアームを構成している。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６が直列に接続され、Ｗ相の上下のアームを構成している。また、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にはダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５は直流電源としてのバッテリ１００の正極に接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６はバッテリ１００の負極と接続される。また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間の接続点はモータ１１０のＵ相端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間の接続点はモータ１１０のＶ相端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接続点はモータ１１０のＷ相端子に接続されている。

インバータ回路２０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６のゲートには制御部３０が接続されている。制御部３０によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６がオン・オフされる。このスイッチング動作に伴い、入力したバッテリ１００の直流が交流に変換されてモータ１１０に出力される。これによりモータ１１０が駆動される。

図５におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６およびダイオードＤ１〜Ｄ６がモジュール化されており、図１におけるパワーモジュール９０を構成している。パワーモジュール９０（スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、ダイオードＤ１〜Ｄ６）はインバータの駆動に伴い発熱する。

図５においてコントローラ４０にはファンモータ５１が接続され、コントローラ４０によりファンモータ５１が駆動される。ファンモータ５１の駆動によりファン５０（図１参照）において空気がヒートシンク７０（図１参照）に供給され、ヒートシンク７０に取り付けられたパワーモジュール９０（図１参照）を冷却する。このように、インバータ１０はモータ駆動用空冷式インバータである。

パワーモジュール９０の冷却機構において、吸気温測定用のサーミスタ６０が配置されている。吸気温測定用のサーミスタ６０（図１参照）はヒートシンク７０の吸気温を検出する。コントローラ４０にはサーミスタ６０が接続され、コントローラ４０はサーミスタ６０によるヒートシンク７０の吸気温の測定結果に基づいてヒートシンク７０の空気流量の増量またはモータ電流を制限する。

このようにインバータ１０は交流と直流との間で変換でき、本実施形態では直流を入力して交流に変換してモータ１１０に出力する。この際、吸気温を検出してコントローラ４０は吸気温が高くなるとファン５０の流量を大きくする、もしくは、モータ１１０に流す電流を制限するようになっている。

次に、パワーモジュール９０の冷却機構について説明する。
図１に示すように、アルミダイカスト製のヒートシンク７０は、四角板状のアルミ製ブロックにより構成され、当該ブロックの上面に凹部７１が形成されている。この凹部７１における上面開口部を蓋板８０で塞ぐことにより、ファン５０の駆動に伴う左側から右側に向かう空気流路が形成される。また、ヒートシンク７０の下面（他方の面）にはパワーモジュール９０が接合されている。即ち、ヒートシンク７０の一方の面（上面）が空気流路となるとともにヒートシンク７０の他方の面である下面にパワーモジュール９０の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が熱的に結合した状態で配置されている。

ヒートシンク７０の凹部７１の底面における空気流の下流側には、上方に突出する波形のフィン７５が形成され、フィン７５は空気の流れる方向に沿って延設されている。フィン７５により伝熱面積が大きくされ、このフィン７５の形成領域が放熱部となっている。ヒートシンク７０の凹部７１の底面におけるフィン７５よりも上流側は平坦面となっている。この平坦面、即ち、空気流路におけるヒートシンク７０の放熱部（フィン７５の形成部）よりも上流側がサーミスタ６０の配置領域となっている。

図４に示すように、サーミスタ６０は、本体部６１が略四角箱型をなし、本体部６１の内部に素子が内蔵されている、ネジ固定式サーミスタである。略四角箱型の本体部６１の一つの面（図４では下面）が感熱部（感熱面）６２となっている。また、本体部６１における感熱部６２が形成された面には帯板状の取付部材６５が設けられ、帯板状の取付部材６５が本体部６１の一面から水平方向に突出している。金属製の取付部材６５の先端部には、ネジが通る貫通孔６６が形成されている。このように、サーミスタ６０には丸端子部分が設けられている。

図２，３に示すように、ヒートシンク７０の凹部７１の底面であるヒートシンク７０の一方の面には、窪み（凹部）７３が形成されている。窪み７３にサーミスタ６０の本体部６１が収容されている。また、サーミスタ６０の取付部材６５の貫通孔６６を貫通するネジ６７がヒートシンク７０に螺入され、サーミスタ６０の本体部６１がヒートシンク７０の一方の面に固定されている。このとき、サーミスタ６０の感熱部６２が窪み（凹部）７３の開口面、即ち、ヒートシンク７０の一方の面と同一面に位置する状態でサーミスタ６０の本体部６１が窪み７３に収容されている。また、サーミスタ６０の本体部６１と窪み７３の内壁とは離間している。このように、サーミスタ６０は、本体部６１の表面に設けられた感熱部６２が空気流路に露出する状態でヒートシンク７０に固定されている。

次に、このように構成したモータ駆動用空冷式インバータの作用について説明する。
空気流路の入口側において、汎用のネジ固定式のサーミスタ６０が感熱部６２をヒートシンク７０の凹部７２の底面側（ベース部分）と反対向きになるように固定され、吸気温が測定される。具体的には、サーミスタ６０の取付部材（丸端子部分）６５がネジ６７でヒートシンク７０に固定される。そのため、車両搭載用インバータにおいて、サーミスタ６０を吸気温センサ（広義には温度センサ）として使用することができる。

また、サーミスタ６０の設置箇所においてサーミスタ６０の感熱部６２はヒートシンク７０（ベース部分）に接触させない構成となっている。そのため、ヒートシンク７０（ベース部分）の温度影響を受けずに吸気温が測定される。さらに、サーミスタ６０はネジ６７を用いて締結する構成となっており、小型で構造が簡単である。

また、空気流路において、ヒートシンク７０の凹部７１の底面（ベース部分）に窪み７３を形成し、丸端子固定形のサーミスタ６０を、感熱部６２を上にして本体部６１がヒートシンク７０の凹部７１の底面（ベース部分）の窪み７３に入るように配置し、サーミスタ６０をヒートシンク７０の凹部７１の底面（ベース部分）にネジ固定している。これにより、ヒートシンク７０（ベース部分）の温度を測定することなく、吸気温が測定される。よって、金属製の丸端子（取付部材６５）で確実にネジ固定され、車載用インバータのような振動が加わる場所でも使用することができる。また、感熱部６２を直接ヒートシンク７０の凹部７１の底面（ベース部分）につけていないため、ヒートシンク７０（ベース部分）の温度影響が少ない。また、ヒートシンク７０の凹部７１の底面（ベース部分）の窪み７３にサーミスタ６０の本体部６１が隠れることにより吸気の邪魔になることもない。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）モータ駆動用空冷式インバータの構成として、温度センサとしてのサーミスタ６０を、本体部６１の表面に設けられた感熱部６２が空気流路に露出する状態でヒートシンク７０に固定した。よって、サーミスタ６０の感熱部６２が空気流路に露出しているので、ヒートシンク７０の温度ではなく空気の温度を直接測定することができる。その結果、サーミスタ６０を用いて空気の温度を精度よく測定することができる。

より詳しくは、比較例として、サーミスタ６０の感熱部６２をヒートシンク７０（ベース）に接触する状態で固定すると、吸気温でなくヒートシンク７０の温度（ベース温度）を測定してしまう。また、比較例として、ヒートシンク７０の温度（ベース温度）の影響を受けないようにセンサ素子を樹脂でモールドして、このモールド樹脂をネジ締結すると、樹脂をネジ締結することになるためクリープによるネジ緩みの可能性がある。また、比較例として、外周面にネジを切ったセンサを用い、空気流路を構成する部材に設けたネジ用貫通孔に螺入する方式を採用すると、ネジ用貫通孔をシールするための構造が余分に必要となる。

これに対し本実施形態では、サーミスタ６０の感熱部６２がヒートシンク７０（ベース）に接触していない。よって、ヒートシンク７０の温度（ベース温度）の影響を受けにくいため、測定精度が向上する。また、サーミスタ６０は金属部分をネジで固定する。よって、車両振動に耐えることが可能である。さらに、サーミスタ６０は汎用品を使用可能であり、吸気温センサとして特殊な固定方法のものを使う必要がないため、気密を保ちつつコスト化を図ることができる。

（２）ヒートシンク７０の一方の面（上面）に窪み７３が形成され、窪み７３にサーミスタ６０の本体部６１の少なくとも一部が収容されているので、吸気流（空気の流れ）の邪魔になることが抑制できる。

（３）窪み７３にサーミスタ６０の本体部６１が、感熱部６２がヒートシンク７０の一方の面と同一面に位置する状態で収容されているので、吸気流（空気の流れ）の邪魔になることが防止できる。

（４）サーミスタ６０の本体部６１に設けられた取付部材６５を貫通するネジ６７をヒートシンク７０に螺入することによりサーミスタ６０の本体部６１がヒートシンク７０の一方の面に固定されている。よって、強固に固定することができる。

（５）サーミスタ６０の本体部６１と窪み７３の内壁とは離間している。よって、熱を遮断する上で好ましい。つまり、ヒートシンク７０の熱がサーミスタ６０に伝わりにくくなり、高精度に測定できる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図６に示すように、サーミスタ６０の感熱部６２はヒートシンク７０における窪み（凹部）７３の開口面よりも空気流路側に出ていてもよい。要は、窪み７３にサーミスタ６０の本体部６１が、感熱部６２がヒートシンク７０の一方の面と同一面に位置する状態または空気流路に突出する状態で収容されていればよい。

・また、ヒートシンクの一方の面に形成された窪み７３にサーミスタ６０の本体部６１の全体が収容されていたが、窪み７３にサーミスタ６０の本体部６１の少なくとも一部が収容されていればよい。

・温度センサの固定はネジ止め以外にも、例えば、図７に示すように、サーミスタ６０の本体部６１とヒートシンク７０の窪み（凹部）７３の内壁との間に樹脂Ｒで埋めてもよい。

・空気流路におけるヒートシンク７０の放熱部（フィン７５の形成領域）よりも上流側にサーミスタ６０の本体部６１を配置して吸気温センサを構成したが、これに代わり、空気流路におけるヒートシンク７０の放熱部（フィン７５の形成領域）よりも下流側にサーミスタ６０の本体部６１を配置して排気温センサを構成してもよい。

・温度センサはサーミスタであったが、これに限るものでなく、他の温度を測定できるセンサであればよい。
・ファン５０は図１においてヒートシンク７０と別体に設けたが、一体的に設けてもよい。この場合空気流路が短縮され、圧損を抑制できる。

６０…サーミスタ、６１…本体部、６２…感熱部、６５…取付部材、６７…ネジ、７０…ヒートシンク、７３…窪み、Ｑ１〜Ｑ６…スイッチング素子。

Claims (4)

1. ヒートシンクの一方の面が空気流路となるとともに前記ヒートシンクの他方の面にスイッチング素子が熱的に結合した状態で配置されたモータ駆動用空冷式インバータにおいて、
   温度センサを、本体部の表面に設けられた感熱部が前記空気流路に露出する状態で前記ヒートシンクに固定してなり、
   前記ヒートシンクの一方の面に窪みが形成され、当該窪みに前記温度センサの本体部の少なくとも一部が収容されていることを特徴とするモータ駆動用空冷式インバータ。
2. 前記窪みに前記温度センサの本体部が、前記感熱部が前記ヒートシンクの一方の面と同一面に位置する状態で収容されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動用空冷式インバータ。
3. 前記温度センサの本体部に設けられた取付部材を貫通するネジを前記ヒートシンクに螺入することにより前記温度センサの本体部が前記ヒートシンクの一方の面に固定されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動用空冷式インバータ。
4. 前記温度センサの本体部と前記窪みの内壁とは離間していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ駆動用空冷式インバータ。