JP6440511B2 - 回転機駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、平滑コンデンサの正極端子と負極端子にフルブリッジ回路構成のインバータを接続した回転機駆動装置に係り、特に、正極および負極導体のインダクタンスの低減と機器の小型化を可能にした回転機駆動装置に関するものである。

回転機駆動装置には、直流回路に接続される平滑コンデンサと、直流を交流に変換するためのフルブリッジ回路構成のインバータを備えている。インバータには半導体のスイッチング素子が使用され、その際、サージ電圧を低減するためにスイッチング素子と平滑コンデンサを接続する導体の配線インダクタンスが最小になるような配線が求められる。

配線インダクタンスを低減する手段として、特許文献１には、主回路基板の正負の入力電極３０，４０とコンデンサ基板１００を接続するインバータ装置１０において、この正負の入力電極３０，４０とコンデンサ基板１００との並列接続体に、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相に複数個のパワー素子２０で構成される上アーム用スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ５と下アーム用スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６を直列接続し、この直列接続した共通接続点の出力をＵ相出力電極５０，Ｖ相出力電極６０，Ｗ相出力電極７０として、前記正負の入力電極３０，４０及びＵ相，Ｖ相，Ｗ相の出力電極５０，６０，７０に接続するバスバー３２，４２，５２，６２，７２の幅をパワー素子２０の並列方向における両端の幅Ｗ１よりも大きくすることで配線インダクタンスを低減し、スイッチングサージ電圧を小さくすることが記載されている。

特許文献２には、電力変換用スイッチング素子１のコレクタ１１に接続され、このコレクタ１１の直近位置に第１の張り出し部２Ａ１を有する第１のブスバー２Ａと、前記スイッチング素子のエミッタ１２に接続され、このエミッタ１２の直近位置に前記第１の張り出し部２Ａ１と平行に重なり合う第２の張り出し部２Ｂ１を有する第２のブスバー２Ｂと、前記第１の張り出し部２Ａ１と前記第２の張り出し部２Ｂ１との間に設けられた誘電性フィルム３と、前記第１のブスバー２Ａのインダクタンスを増加させるスナバリアクトル形成手段４によりスナバ回路を構成する技術が記載されている。

また、配線インダクタンスを低減する他の手段として、図６で示すように駆動回路基板を挟んでその上下にモジュール化されたスイッチング素子と平滑コンデンサを配置することが考えられる。

特開２０１４−２３１８１ 特開２００７−５３８３９

上記のように、特許文献１には、パワー素子群の並列方向よりも主回路基板の入出力電極に接続するバスバーの幅を大きくすることで配線インダクタンスを低減してスイッチングサージ電圧を小さくする技術が開示されているが、バスバーの幅を大きくする対策は周辺部品や装置の筐体寸法など設計上の限界がある。

図６で示す回転機駆動装置の駆動回路基板は、スイッチング素子をオンまたはオフする駆動信号を生成する回路基板を備え、この駆動回路基板と平滑コンデンサの正極および負極導体との絶縁のため、駆動回路基板の周縁（外縁）から正極および負極導体までの離間距離を確保する必要があり、回転機駆動装置の小型化の妨げになっている。

また、別の対策として、スナバコンデンサを設置してスイッチング素子の電流遮断時に生じる配線インダクタンスの電磁エネルギーによるサージ電圧上昇の抑制を行う方法もあるが、スナバコンデンサの設置によるコスト増加やスナバコンデンサの設置スペースが回転機駆動装置に必要となり、この場合にも回転機駆動装置の小型化の妨げになっている。

本発明が目的とするところは、省スペースおよび低コストで、絶縁性能を確保しつつ配線インダクタンスの低減可能な回転機駆動装置を提供することにある。

本発明は、直流電源に接続された正極導体および負極導体との間に、平滑コンデンサとインバータが並列接続される回転機駆動装置であって、
前記インバータは、上下アームそれぞれにスイッチング素子を備えたフルブリッジ回路で構成され、
前記正極導体および負極導体を平行平板で形成し、その間に絶縁層を介在積層して接続導体部を構成し、前記接続導体部の一方の面に前記平滑コンデンサを配置し、接続導体部の他方の面に駆動回路基板を介して前記スイッチング素子を配置したものにおいて、
前記接続導体部は、
前記正極導体および負極導体の間に絶縁層を介在させて積層され、前記正極導体、負極導体に前記平滑コンデンサの正極端子、負極端子が各々接続される、矩形状のコンデンサ端子接続部と、
前記コンデンサ端子接続部の、互いに対向する一対の辺のうち少なくともいずれか一方の辺の端部を、前記接続導体部の他方の面側に屈曲させた後、前記コンデンサ端子接続部と反対側に延長してコンデンサ端子接続部と平行に形成した底部と、
前記底部における正極導体および負極導体を穿設して形成され、前記スイッチング素子の主端子が接続される複数の接続端子用孔と、
前記底部の前記コンデンサ端子接続部と反対側の端部に、底部を形成する延長面に対し垂直となる方向に形成され、前記正極導体および負極導体を各別に短絡するサージ抑制用バスバー部と、
を備えたことを特徴したものである。

また、本発明は、前記底部と前記コンデンサ端子接続部で形成された中空部に前記駆動回路基板を配設したことを特徴としたものである。

また、本発明は、前記コンデンサ端子接続部と底部との間の正極導体および負極導体が、各別に屈曲角度を異にして交互に配置するよう構成したことを特徴としたものである。

また、本発明は、前記サージ抑制用バスバー部を前記底部から分離し、
前記サージ抑制用バスバー部における、前記底部から分離した部位であり、前記底部に穿設された接続端子用孔に対向する位置の正極導体および負極導体を穿設してサージ抑制用バスバー部の接続端子用孔を設け、
前記底部の接続端子用孔とサージ抑制用バスバー部の接続端子用孔を積層して、前記スイッチング素子の主端子に電気的に接続し固定したことを特徴としたものである。

さらに、本発明は、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子を区分して前記接続導体部に配置し、前記各スイッチング素子の主端子を前記底部の接続端子用孔に接続したことを特徴としたものである。

以上の通り、本発明によれば、省スペースおよび低コストで、絶縁性能を確保しつつ配線インダクタンスの低減可能な回転機駆動装置となるものである。

本発明の実施形態を示す接続導体部の構成図。 本発明の実施形態を示す接続導体部の構成図で、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡーＡ断面図。 接続導体部の部分構成図。 接続導体部の部分構成図。 本発明の他の実施形態を示す接続導体部の部分図。 従来の回転機駆動装置の機能構成図。

本発明は、回転機駆動装置において、直流電源に接続される正極および負極導体を平行平板で形成してその間に絶縁層を介在積層して接続導体部を構成する。
接続導体部の一方の面に前記平滑コンデンサを配置し、接続導体部の他方の面に駆動回路基板を介してスイッチング素子を配置するようにしたもので、以下図面に基づいて詳述する。

図１は本発明の実施例１の接続導体部の斜視図、図２は接続導体部に平滑コンデンサと上下アームそれぞれにスイッチング素子を備えたフルブリッジ回路構成のインバータを配設した状態を示す構成図である。各図において、１０は正極および負極の積層導体からなる接続導体部で、正極導体１１と負極導体１２を平行平板としてその間に絶縁層（絶縁フィルムや絶縁板）を介して積み重ねた構造となっている。なお、図１で示す接続導体部１０の上下の向きは何れでもよいが、ここでは、平滑コンデンサが配置される側（図２（ａ））を上面とする。

接続導体部１０は、図示省略されているが、平行平板の水平方向の中央に平滑コンデンサの正極端子および負極端子に電気的に接続するコンデンサ端子接続部が形成されている。また、接続導体部１０のコンデンサ端子接続部の両側には、コンデンサ端子接続部からＵ字状（又はＬ字状）に下面へ屈曲した底部を形成し、その底部に正極導体１１の接続端子用孔１１ａと負極導体の接続端子用孔１２ａを複数個（図２では左右各３組）穿設している。さらに、Ｕ字状（又はＬ字状）に屈曲した底部より水平方向端部には、サージ抑制用バスバー部１３が形成される。Ｕ字状に屈曲した底部の接続端子用孔１１ａ，１２ａは、スイッチング素子３の接続端子１１ｂ，１２ｂと接続する。

接続導体部１０の水平方向端部のサージ抑制用バスバー部１３は、底部の各孔１１ａ，１２ａに対して垂直方向に位置し、さらに接続導体部１０のコンデンサ端子接続部と略等しい高さまで延在されている。
このように、サージ抑制用バスバー部１３を接続導体部１０の水平方向端部において垂直方向に屈曲させ、接続導体部１０のコンデンサ端子接続部と略等しい高さまで延在したことで、接続導体部１０の平行平板の水平方向の面積を小型化している。１４，１５は図示しない直流電源への接続端子で、接続端子１４は直流電源の正極に、接続端子１５は直流電源の負極にそれぞれ接続される。

図２のように形成された接続導体部１０の上部には、コンデンサケース１が配設され、コンデンサケース１内には複数個の平滑コンデンサが収納されており、それら各平滑コンデンサは接続導体部１０の所定位置に並列配列され、平滑コンデンサの正極端子は接続導体部１０の正極導体１１に、また、平滑コンデンサの負極端子は負極導体１２にそれぞれ接続される。

２は駆動回路基板、３はインバータのスイッチング素子で、駆動回路基板２はスイッチング素子３の主端子間を導通または遮断するための駆動信号を生成し、この駆動信号をスイッチング素子３の制御端子に送出する回路基板であり、スイッチング素子３は三相フルブリッジ回路構成のインバータを例にして上アームと下アーム毎に区分され、接続導体部１０の水平方向に各３個のスイッチング素子３が配設されている。各スイッチング素子３の主端子は、Ｕ字状の底部に位置する正極導体１１の接続端子用孔１１ａと負極導体１２の接続端子用孔１２ａにそれぞれ接続される。したがって、接続導体部１０の正極および負極導体１１，１２に接続される平滑コンデンサとスイッチング素子３間の導体距離は短く、接続導体部１０のコンデンサ端子接続部と底部の接続端子用孔１１ａ，１２ａとなっている。

なお、図示省略されているが、各平滑コンデンサの正極端子は正極導体１１のコンデンサ端子接続部に、負極端子は負極導体１２のコンデンサ端子接続部に接続されている。また、スイッチング素子３の主端子は、正極および負極導体１１，１２の接続端子用孔１１ａ，１２ａに接続されている。このため、接続導体部１０の水平方向を断面視したとき、コンデンサ端子接続部と接続端子用孔１１ａ，１２ａとの高さは異なり、接続導体部１０の水平方向に見て中央部（各平滑コンデンサの直下）に空間が形成され、この中央部の空間に駆動回路基板２を配置している。

図３はＵ字状の底部側からみた接続導体部１０の部分図である。接続導体部１０を形成する正極および負極導体１１，１２のＵ次状の底部からコンデンサ端子接続部に向かって所定の長さまでは、導体幅W１を有する３本の連子状になっており、且つその連子状の所定の長さを超えた部分からコンデンサ端子接続部までは、W１よりも導体幅の広いW１とW２を足した導体幅の立ち下がり（図３では立ち上がり）部分が形成されている。そして、負極導体１２に形成された導体幅W２の中間となる位置（正極導体１１の導体幅W１の位置）に、正極導体１１の導体幅W１の連子（接続端子）を位置（又はこの逆に位置）させて屈曲し、接続端子用孔１１ａ，１２ａが穿設された正極および負極導体１１，１２を交互に配置している。

図４は、接続導体部１０のＵ字状の底部を奥行方向に断面視したもので、正極導体１１と負極導体１２とはＵ字状の底部からコンデンサ端子接続部に向かって立ち上がる導体の屈曲角度が異なった構造（図４で示すΘ１とΘ２）となっている。これは、接続導体部１０のコンデンサ端子接続部の下部に駆動回路基板２を配設したとき、駆動回路基板２と正極および負極導体１１，１２との絶縁距離Ｌを得るため、屈曲角度の異なる正極および負極導体１１，１２を交互配置することによって絶縁距離Ｌを確保しているものである。

なお、図４に示すＡ部分は、正極および負極導体１１，１２ともに導体幅Ｗ１とＷ２を足した導体幅となっており、正極および負極導体１１，１２の屈曲角度が異なることで、それぞれの導体間に絶縁紙を挟み込んだ積層導体構造にでき、正極および負極導体１１，１２の間の絶縁と、それぞれの導体と駆動回路基板２との絶縁を確保しつつ、接続端子用孔１１ａ，１２ａにできる限り近い位置まで導体幅を広くできる積層導体構造にでき、配線インダクタンスを低減してサージ電圧の上昇を抑制している。
この実施例では、上記の他に正極および負極導体１１，１２と駆動回路基板２との絶縁距離を確保するため、正極および負極導体１１，１２の屈曲角度を変えて接続導体部１０の奥行き方向に交互に配置した構成となっている。この交互配置して形成された続端子用孔１１ａ，１２ａの位置と、接続導体部１０に配設される平滑コンデンサのコンデンサ端子接続部の位置との距離が最短となることによっても配線インダクタンスが低減され、サージ電圧の上昇を抑制できる。

また、駆動回路基板２の下面と正極および負極導体への接続端子用孔１１ａ，１２ａの底部に面する高さが略等しい構造で、接続端子用孔１１ａ，１２ａおよび駆動回路基板２の下方に各スイッチング素子３を配置している。各スイッチング素子３は、フルブリッジ回路構成で上アームと下アーム毎に接続導体部１０の水平方向に分かれて配置され、上アームと下アーム毎それぞれにインバータの出力電圧の相数に合わせたスイッチング素子数が接続導体部１０の奥行方向に並んで配置されている。

したがって、この実施例によれば、接続導体部１０のコンデンサ端子接続部は、正極および負極導体１１，１２を積み重ねた平行平板構造となっており、導体を流れる正極と負極の電流により発生した磁束が互いに打ち消しあうことや、平滑コンデンサとスイッチング素子間は、接続導体部１０を挟んで上下で接続されて導体距離が最短となり、配線インダクタンスが低減されるものである。
また、正極および負極導体１１，１２を各別に屈曲角度を変えて交互配置とし、導体の積層部を接続端子用孔１１ａ，１２ａにまで近づけることで、正極および負極導体１１，１２と駆動回路基板２との絶縁を確保しつつ、配線インダクタンスが低減され、サージ電圧の上昇を抑制するものである。

さらに、この実施例では、配線インダクタンスの低減に加えて、接続導体部１０の水平方向端部を端子接続用孔１１ａ，１２ａに対して屈曲させて垂直方向にサージ抑制用バスバー部１３を形成している。これにより、平滑コンデンサの正極端子（または負極端子）から各スイッチング素子３の正極端子（または負極端子）への電流経路がサージ抑制用バスバー部１３を介して複数の並列回路が形成されて導体断面積を増加させることで、配線インダクタンスが大幅に低減でき、サージ電圧の上昇を抑制するものである。

なお、配線インダクタンスの低減は、平行平板の積層による磁束の打ち消しによる配線インダクタンスの低減に比べて、導体距離の短縮や導体断面積の増加が配線インダクタンスの低減効果が大きいことがシミュレーションによって知られている。したがって、この実施例のようにサージ抑制用バスバー部１３の追加と
積層導体を接続端子用孔１１ａ，１２ａまで近づけることで、省スペースで小型化した導体接続構造でありながら、駆動回路基板２の配線インダクタンスの低減が可能となるものである。

図５は、第２の実施例を示す接続導体部１０の部分図で、実施例１のサージ抑制用バスバー部１３を接続導体部１０の正極および負極導体１１，１２と分離形成したものである。すなわち、本発明の実施例２は、スイッチング素子３の接続端子１１ｂ，１２ｂが位置づけられる部分で導体を分離されていることが図３の構造（実施例１）と異なる。また、図３の構造（実施例１）と同様に、正極および負極導体１１，１２の接続端子用孔１１ａ，１２ａから接続導体部１０のコンデンサ端子接続部に向かって立ち上がる屈曲角度が、正極および負極導体１１，１２で異なって交互に配設されている。

なお、図５の分離されたサージ抑制用バスバー部１３に示す１３_-11は正極導体、１３_-12は負極導体、１６は絶縁層である。

分離されたサージ抑制用バスバー部１３にも接続端子用孔１３_-11a，１３_-12aが穿設され、この接続端子用孔１３_-11a，１３_-12aに対して屈曲して垂直方向にサージ抑制用バスバーが形成されている。

スイッチング素子３の取付け時には、正極および負極導体１１，１２に設けられた接続端子用孔１１ａ，１２ａとサージ抑制用バスバー部１３側に設けられた接続端子用孔１３_-11a，１３_-12aを重ね合わせ、スイッチング素子３の正極および負極端子に電気的に接続し固定することで、サージ抑制用バスバー部１３は正極および負極導体１１，１２と一体になる。他は実施例１と同様である。したがって、実施例２の構造においても、実施例１と同様の効果が得られる。

また、実施例２では、接続導体部１０の正極および負極導体１１，１２とサージ抑制用バスバー部１３を分離形成したことで、製作時の加工を別々にできるので、打ち抜き加工時の材料寸法を小さくできるので、材料の廃棄部分が減少して環境負荷の低減ができる効果を奏する。

なお、各実施例では、接続導体部１０のコンデンサ端子接続部の両側をＵ字状に屈曲した場合を示しているが、Ｌ字状に屈曲形成し、接続導体部１０の接続端子用孔１１ａ，１２ａの水平方向最端部に、正極側導体１１同士および負極側導体１２同士を各別で短絡してサージ抑制用バスバー部１３を形成してもよい。この場合においても、サージ抑制用バスバー部１３を介して複数の並列回路が形成されて導体断面積を増加できることで、スイッチング素子３で発生するサージ電圧の抑制が可能となる。

さらに、各実施例では、コンデンサ端子接続部の両側それぞれに底部を備えた場合を示しているが、これに限定されることなく、例えばコンデンサ端子接続部の片側のみに底部を備える接続導体部の形状に変形してもよく、この場合には上アームのスイッチング素子３および下アームのスイッチング素子３の接続端子１１ｂ，１２ｂとの接続も片側のみとなるが、各実施例の説明と同様の効果を奏する。

１… コンデンサケース
２… 駆動回路基板
３… スイッチング素子
１０… 接続導体部
１１… 正極導体
１２… 負極導体
１３… サージ抑制用バスバー部
１４，１５… 接続端子
１６… 絶縁層

Claims (5)

1. 直流電源に接続された正極導体および負極導体との間に、平滑コンデンサとインバータが並列接続される回転機駆動装置であって、
   前記インバータは、上下アームそれぞれにスイッチング素子を備えたフルブリッジ回路で構成され、
   前記正極導体および負極導体を平行平板で形成し、その間に絶縁層を介在積層して接続導体部を構成し、前記接続導体部の一方の面に前記平滑コンデンサを配置し、接続導体部の他方の面に駆動回路基板を介して前記スイッチング素子を配置したものにおいて、
   前記接続導体部は、
   前記正極導体および負極導体の間に絶縁層を介在させて積層され、前記正極導体、負極導体に前記平滑コンデンサの正極端子、負極端子が各々接続される、矩形状のコンデンサ端子接続部と、
   前記コンデンサ端子接続部の、互いに対向する一対の辺のうち少なくともいずれか一方の辺の端部を、前記接続導体部の他方の面側に屈曲させた後、前記コンデンサ端子接続部と反対側に延長してコンデンサ端子接続部と平行に形成した底部と、
   前記底部における正極導体および負極導体を穿設して形成され、前記スイッチング素子の主端子が接続される複数の接続端子用孔と、
   前記底部の前記コンデンサ端子接続部と反対側の端部に、底部を形成する延長面に対し垂直となる方向に形成され、前記正極導体および負極導体を各別に短絡するサージ抑制用バスバー部と、
   を備えたことを特徴した回転機駆動装置。
2. 前記底部と前記コンデンサ端子接続部で形成された中空部に前記駆動回路基板を配設したことを特徴とした請求項１記載の回転機駆動装置。
3. 前記コンデンサ端子接続部と底部との間の正極導体および負極導体が、各別に屈曲角度を異にして交互に配置するよう構成したことを特徴とした請求項１又は２記載の回転機駆動装置。
4. 前記サージ抑制用バスバー部を前記底部から分離し、
   前記サージ抑制用バスバー部における、前記底部から分離した部位であり、前記底部に穿設された接続端子用孔に対向する位置の正極導体および負極導体を穿設してサージ抑制用バスバー部の接続端子用孔を設け、
   前記底部の接続端子用孔とサージ抑制用バスバー部の接続端子用孔を積層して、前記スイッチング素子の主端子に電気的に接続し固定したことを特徴とした請求項１乃至３の何れか１項記載の回転機駆動装置。
5. 上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子を区分して前記接続導体部に配置し、前記各スイッチング素子の主端子を前記底部の接続端子用孔に接続したことを特徴とした請求項１乃至４の何れか１項に記載の回転機駆動装置。

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