JP6874533B2 - 電動圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は、電動圧縮機に関するものである。
ハウジング内に圧縮機構とモータ部を収容した電動圧縮機において、特許文献1には、駆動回路部の電子部品の周囲への放射ノイズの漏洩を低減すべく多層基板に実装した電子部品を囲繞するシールド部を多層基板が備えるグランド層と電気的に接続している。
特開2016−153606号公報
ところが、シールド部の構成として、ベース部材から多層基板に向けて立設され、放射ノイズ源であるトランスにおける多層基板側の面を除く面をほぼ全面的に囲繞するように円筒状に形成されているので、大型化を招くことになる。
本発明の目的は、小型化を図りつつノイズを抑制することができる電動圧縮機を提供することにある。
請求項1に記載の発明では、導電性を有するハウジングに収容された圧縮機構と、前記ハウジングに収容されたモータ部と、前記ハウジングに固定され、カバーで覆われたインバータ部と、を備え、前記インバータ部は、基板にノイズ源となる電子部品が搭載され、前記基板は、電源パターンと、複数の取付部と、前記取付部を介して前記ハウジングに導通する接地パターンと、を有し、前記基板での同一面内において前記接地パターンが前記電源パターンを囲っ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、基板での同一面内において接地パターンが電源パターンを囲っているので、小型化を図りつつノイズを抑制することができる。
請求項2に記載のように、請求項1に記載の電動圧縮機において、前記基板は低圧領域と高圧領域を有し、前記低圧領域において、前記基板での同一面内において前記接地パターンが前記電源パターンを囲っているとよい。
請求項3に記載のように、請求項1又は2に記載の電動圧縮機において、前記基板は多層基板であり、内層において、前記基板での同一面内において前記接地パターンが前記電源パターンを囲っているとよい。
請求項4に記載のように、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電動圧縮機において、前記基板は低圧領域と高圧領域を有し、前記低圧領域において、前記接地パターンの層以外の層に配置された回路に対応して前記接地パターンが形成されているとよい。
請求項5に記載のように、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電動圧縮機において、前記ノイズ源となる電子部品は前記基板と前記ハウジングの間に配置されているとよい。
本発明によれば、小型化を図りつつノイズを抑制することができる。
電動圧縮機の一部を破断して示す側面図。 図1のA−A線での断面図。 多層基板の一部断面図。 (a)は多層基板での部品実装状態を示す平面図、(b)は多層基板での第1層目、第3層目、第4層目の導体パターンを示す平面図、(c)は多層基板での第2層目の導体パターンを示す平面図。 インバータ部の電気的構成を示す回路図。
以下、本発明を車載用の電動圧縮機に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、電動圧縮機10は、圧縮機構(例えばスクロール圧縮機構)11と、モータ部12と、モータ部12のモータ13を駆動するインバータ部14とがモータ13の軸方向に並んでいる。電動圧縮機10は、ハウジング15を有している。筒型のハウジング15の内部に、冷媒を圧縮する圧縮機構11、及び、圧縮機構11を駆動するモータ部12が収納され、軸方向一端側に仕切壁15aを設けて閉塞されている。
ハウジング15は、有底円筒状の第1ハウジング16と、第1ハウジング16の開口部に設けられる有蓋円筒状の第2ハウジング17とを有している。第1ハウジング16と第2ハウジング17とはアルミ材料よりなる。ハウジング15は、第1ハウジング16と第2ハウジング17とを連結することで構成されている。第1ハウジング16には、第1ハウジング16内に冷媒を流入させる流入口18が第1ハウジング16の径方向に貫通して設けられている。第1ハウジング16に圧縮機構11とモータ部12が収容されている。
モータ13は、シャフト13aがベアリングボックス13b内のベアリングにより回転可能に支持されている。また、モータ13は、シャフト13aに固定されたロータ13cと、ロータ13cの外周側において第1ハウジング16に固定されたステータ13dを有する。ステータ13dのステータコアにコイル13eが巻回されている。
図1及び図2に示すように、第1ハウジング16の軸方向の外表面(第1ハウジング16の軸方向の端面)には、モータ13を駆動させるインバータ部14が配置されている。インバータ部14は、有蓋円筒状のカバー19で覆われている。詳しくは、第1ハウジング16の端部に軸方向から、有蓋円筒状のカバー19を嵌めることによりインバータ部14がカバー19で覆われ、この状態でカバー19が第1ハウジング16にねじ等により固定されている。カバー19はアルミ材料よりなる。
カバー19にはコネクタ20が設けられている。コネクタ20には電源ラインL1と通信ラインL2が接続されている。電源ラインL1によりコネクタ20を介して補機バッテリ37(図5参照)からインバータ部14に直流電力が供給される。通信ラインL2によりコネクタ20を介して外部機器とインバータ部14とが通信できるようになっている。
インバータ部14はインバータモジュール28を含む。インバータモジュール28により図5のインバータ回路21が構成されている。インバータモジュール28には、アームを構成するパワー素子(図5の半導体スイッチング素子Q1〜Q6及びダイオードD1〜D6)が内蔵されている。
図5に示すように、インバータ部14は、インバータ回路21とインバータ制御装置22とコイル23とコンデンサ24と電源回路(DC/DCコンバータ)25を備えている。電源回路25はトランス26を備えている。インバータ制御装置22はコントローラ27を備えている。
インバータ回路21は、6つの半導体スイッチング素子Q1〜Q6と6つのダイオードD1〜D6を有する。半導体スイッチング素子Q1〜Q6としてIGBTを用いている。正極母線と負極母線との間に、U相上アームを構成する半導体スイッチング素子Q1と、U相下アームを構成する半導体スイッチング素子Q2が直列接続されている。正極母線と負極母線との間に、V相上アームを構成する半導体スイッチング素子Q3と、V相下アームを構成する半導体スイッチング素子Q4が直列接続されている。正極母線と負極母線との間に、W相上アームを構成する半導体スイッチング素子Q5と、W相下アームを構成する半導体スイッチング素子Q6が直列接続されている。半導体スイッチング素子Q1〜Q6にはダイオードD1〜D6が逆並列接続されている。正極母線、負極母線には直流電源としての車載バッテリ29が接続される。車載バッテリ29は高圧、例えば300Vバッテリである。
半導体スイッチング素子Q1と半導体スイッチング素子Q2の間が3相交流モータ13のU相端子に接続される。半導体スイッチング素子Q3と半導体スイッチング素子Q4の間がモータ13のV相端子に接続される。半導体スイッチング素子Q5と半導体スイッチング素子Q6の間がモータ13のW相端子に接続される。上下のアームを構成する半導体スイッチング素子Q1〜Q6及びダイオードD1〜D6を有するインバータ回路21は、半導体スイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング動作に伴い車載バッテリ29の電圧である直流電圧を交流電圧に変換してモータ13に供給することができるようになっている。
各半導体スイッチング素子Q1〜Q6のゲート端子にはコントローラ27が接続されている。コントローラ27は、半導体スイッチング素子Q1〜Q6をスイッチング動作させる。つまり、インバータ回路21は、半導体スイッチング素子Q1〜Q6及びダイオードD1〜D6により、各相の上下のアームを構成しており、半導体スイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング動作により車載バッテリ29から供給される直流を適宜の周波数の3相交流に変換してモータ13の各相のコイル(図1のコイル13e)に供給する。即ち、半導体スイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング動作により3相交流モータ13の各相のコイル(図1のコイル13e)が通電されて3相交流モータ13を駆動することができる。
半導体スイッチング素子Q2と負極母線との間には電流検出用のシャント抵抗Rs1が接続されている。半導体スイッチング素子Q4と負極母線との間には電流検出用のシャント抵抗Rs2が接続されている。半導体スイッチング素子Q6と負極母線との間には電流検出用のシャント抵抗Rs3が接続されている。
コントローラ27は、シャント抵抗Rs1の両端間の電圧を検知する。コントローラ27は、シャント抵抗Rs2の両端間の電圧を検知する。コントローラ27は、シャント抵抗Rs3の両端間の電圧を検知する。コントローラ27は、このように検知した各シャント抵抗の両端電圧から、U相電流、V相電流、W相電流を検出して半導体スイッチング素子Q1〜Q6の制御に反映させる。
インバータ回路21の入力側には、コイル23とコンデンサ24からなるフィルタ回路が設けられている。コンデンサ24には例えばフィルムコンデンサが用いられる。コンデンサ24の一端は正極母線に、他端は負極母線に接続されている。コイル23の一端は車載バッテリ29の正極端子側に、他端は正極母線側に接続されている。半導体スイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング動作に伴いインバータモジュール28、コンデンサ24がノイズ源となる。
電源回路25は、スイッチング電源よりなる。電源回路25は補機バッテリ37と接続され、補機バッテリ37から例えば12Vを入力して5Vに降圧・絶縁してインバータ制御装置22に供給する。電源回路25の駆動に伴いトランス26がノイズ源となる。
電源回路25について詳しくは、絶縁型DC−DCコンバータ、特に、フォワード形DC−DCコンバータである。トランス26は1次側コイル(巻線)26aと2次側コイル(巻線)26bを備えている。電源回路25は、トランス26の1次側の入力電圧を降圧してトランス26の2次側に出力する。
1次側コイル26aの一方の端子は補機バッテリ37の正極端子と接続される。1次側コイル26aの他方の端子は1次側スイッチング素子30を介して接地されている。1次側スイッチング素子30としてパワーMOSFETが用いられている。
電源回路25の入力端子とトランス26の1次側コイル26aとの間には平滑コンデンサ31の正極が接続され、平滑コンデンサ31の負極は接地されている。平滑コンデンサ31によりトランス26の1次側電圧が平滑される。
トランス26の2次側コイル26bにはダイオード32,33よりなる整流回路が接続されている。ダイオード33は、トランス26の2次側のグランドにアノードが接続され、トランス26の2次側コイル26bの一方端にカソードが接続される。ダイオード32は、ダイオード33のアノードにアノードが接続され、トランス26の2次側コイル26bの他方端にカソードが接続されている。
さらに、コンデンサ34がダイオード33に並列接続されている。コイル35が、トランス26の2次側コイル26bとコンデンサ34との間に設けられている。コイル35とコンデンサ34とでフィルタ回路を構成している。
1次側スイッチング素子30のゲート端子に制御IC36が接続されている。制御IC36から1次側スイッチング素子30のゲート端子にパルス信号が出力され、このパルス信号により1次側スイッチング素子30がスイッチングされる。1次側スイッチング素子30がオンしているときに1次側の電源からエネルギーを2次側へ供給する。1次側スイッチング素子30がオフしているときにコイル35に溜め込んだエネルギーを出力へ放出する。詳しくは、直流電圧が平滑コンデンサ31を通してトランス26の1次側コイル26aに供給され、制御IC36により、1次側スイッチング素子30がオン/オフ制御され、このオン/オフ動作における、1次側スイッチング素子30のオン期間において1次側コイル26aに1次電流が流れ、トランス26の起電力で2次電流が流れる。1次側スイッチング素子30がオフしているときにコイル35の電流がコイル35の逆起電力でダイオード33経由で出力に流れる。
制御IC36は出力電圧が所望の一定値となるように1次側スイッチング素子30のデューティを制御する。
コントローラ27は通信ラインL2により他の機器と接続されており、通信ラインL2を通してイグニッションスイッチ操作信号(IG信号)等を入力する。この通信は低圧電源で駆動される。
次に、インバータ部14の構造について説明する。
図1,2に示すように、インバータ部14には、インバータモジュール28、コイル23、コンデンサ24、トランス26、多層基板(制御基板)40等が配置されている。多層基板40はハウジング15に固定され、多層基板40にはインバータモジュール28、コイル23、コンデンサ24、トランス26等が実装されている。インバータモジュール28、コイル23、コンデンサ24、トランス26、多層基板40等はカバー19で覆われている。カバー19はハウジング15と導通している。多層基板40は円板状をなしている。有蓋円筒状のカバー19の内径と、円板状の多層基板40の外径は、ほぼ同じである。多層基板40に接近してカバー19が配置されている。このようにして、インバータ部14は、ハウジング15に固定され、カバー19で覆われている。
インバータモジュール28はモータ13と電気的に接続されている。インバータモジュール28、コイル23、コンデンサ24、トランス26等は多層基板40と電気的に接続されている。
図3に示すように、基板としての多層基板40は、4層基板であって、第1層目の導体パターン51と、第2層目の導体パターン52と、第3層目の導体パターン53と、第4層目の導体パターン54とを有する。第1層目の導体パターン51と第2層目の導体パターン52との間に絶縁層55が配置されている。第2層目の導体パターン52と第3層目の導体パターン53との間に絶縁層56が配置されている。第3層目の導体パターン53と第4層目の導体パターン54との間に絶縁層57が配置されている。第1層目の導体パターン51は絶縁層58で被覆されている。第4層目の導体パターン54は絶縁層59で被覆されている。
図4(a)には多層基板40での部品実装状態を示すが、多層基板40にノイズ源となる電子部品としてのインバータモジュール28、コンデンサ24、トランス26が搭載されている。また、多層基板40には300V高電圧端子41が設けられているとともに低電圧端子42が設けられている。
図4(b)には多層基板40での第1層目、第3層目、第4層目の導体パターンを示すとともに、図4(c)には多層基板40での第2層目の導体パターンを示すが、多層基板40は、低圧電源パターン60と、300V高圧パターン61と、接地パターン62と、複数(本実施形態では4つ)の取付部65a,65b,65c,65dとを有する。300V高圧パターン61は、車載バッテリ29による高電圧である300Vが印加される部位である。低圧電源パターン60は、電源回路25による5Vが印加される部位である。取付部65a,65b,65c,65dは貫通孔であり、図3に示すように、ねじ66が多層基板40を貫通してハウジングのボス(円柱部)67に螺入されることにより多層基板40がハウジング15に固定されている。図3及び図4(c)に示すように、第2層目の導体パターン52による接地パターン62は、取付部65a,65bを介してハウジング15に導通している。より詳しくは、図3に示すように、スルーホールめっき69が第2層目の導体パターン52と繋がり、スルーホールめっき69がボス67と繋がっている。
図4(b)及び図4(c)に示すように、多層基板40は、低圧領域70と300V高圧領域71を有する。多層基板40は、平面方向からみて、右半分が低圧領域70であり、左半分が300V高圧領域71である。つまり、多層基板40における各層の導体パターンは、投影面において、低圧領域70と300V高圧領域71とが重なっている。
図4(c)に示すように、多層基板40での同一面内、即ち、第2層目の導体パターン52による接地パターン(シールドパターン)62が、ノイズを乗せたくない低圧電源パターン60を全周にわたり囲っている。詳しくは、低圧領域70において、多層基板40での同一面内において接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている。つまり、多層基板40での内層である第2層目の導体パターン52及び第3層目の導体パターン53のうちの第2層目の導体パターン52において、多層基板40での同一面内に接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている。
多層基板40は低圧領域70と300V高圧領域71を有し、低圧領域70において、接地パターン62の層以外の層に配置された回路(導体パターン、部品等)に対応して接地パターン62が形成されている。即ち、接地パターン62が、接地パターン62の層以外に形成された回路に拡がるように基板の端まで形成されている。
また、図1に示すように、ノイズ源となる電子部品であるインバータモジュール28、コンデンサ24、トランス26は、多層基板40とハウジング15の間に配置されている。
次に、作用について説明する。
半導体スイッチング素子Q1〜Q6のスイッチング動作に伴いインバータモジュール28、コンデンサ24からノイズが発生する。また、電源回路25の1次側スイッチング素子30のスイッチング動作に伴いトランス26からノイズが発生する。
図4(c)において接地パターン62が取付部65a,65bを介してハウジング15に導通し、多層基板40での同一面内において接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている。特に、多層基板40は低圧領域70と300V高圧領域71を有し、低圧領域70において、多層基板40での同一面内において接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている。よって、インバータ部14に繋がる電源ラインL1及び通信ラインL2からノイズが出ていくことが抑制される。
このようにして、多層基板40の内層パターンである接地パターン62をハウジング(筐体)15に対し多層基板の取付部65a,65bを通るねじ66を用いて接続し、金属によるノイズ遮蔽を、多層基板40の内層パターンで実現させる。
つまり、電気回路のノイズ対策としてのノイズ伝播対策として回路の電圧変動を抑制すべく金属によるノイズ遮蔽が考えられる。例えば、特許文献1に開示のごとくシールド部は円筒状をなし、放射ノイズ源であるトランスにおける多層基板側の面を除く面をほぼ全面的に囲繞している。これに対し本実施形態では、円筒状のシールド部材を不要にでき、大型化を招くことになくノイズを抑制することができる。また、ノイズ伝播対策としてスナバ回路を用いる場合に比べ、本実施形態においては、スナバ回路等のノイズ対策部品を新たに追加することなく、伝播防止対策を講じることが可能となる。
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)電動圧縮機10の構成として、導電性を有するハウジング15に収容された圧縮機構11と、ハウジング15に収容されたモータ部12と、ハウジング15に固定され、カバー19で覆われたインバータ部14と、を備える。インバータ部14は、基板としての多層基板40にノイズ源となる電子部品としてのインバータモジュール28、コンデンサ24、トランス26が搭載されている。多層基板40は、低圧電源パターン60と、複数の取付部65a,65bと、取付部65a,65bを介してハウジング15に導通する接地パターン62と、を有する。多層基板40での同一面内において接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている。よって、小型化を図りつつノイズを抑制することができる。
(2)多層基板40は低圧領域70と300V高圧領域71を有し、低圧領域70において、多層基板40での同一面内において接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている。よって、基板として多層基板を用いた場合において実用的である。
(3)多層基板40の内層において、多層基板40での同一面内において接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている。よって、基板として多層基板を用いた場合において実用的である。
(4)ノイズ源となる電子部品としてのインバータモジュール28、コンデンサ24、トランス26は多層基板40とハウジング15の間に配置されている。よって、ノイズ源となる電子部品としてインバータモジュール28、コンデンサ24、トランス26を用いた場合において実用的である。
(5)多層基板40は低圧領域70と300V高圧領域71を有し、低圧領域70において、接地パターン62の層以外の層に配置された回路(導体パターン、部品等)に対応して接地パターン62が形成されている。すなわち接地パターン62の層以外の層に配置された回路を導体パターン52に投影した場合、投影形状が接地パターン62に重なるように配置されている。よって、基板として多層基板を用い、回路用の部品を搭載した場合において有用である。
(6)カバー19はハウジング15と導通しており、有蓋円筒状のカバー19の大きさ(径)と、円板状の多層基板40の大きさ(径)は、ほぼ同じであり、多層基板40に接近してカバー19が配置されているため、ノイズを抑制する上で好ましい。
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。
○ コイル、トランス等の磁性部品が実装される場合においては、図4(c)において仮想線で示すごとく磁性部品配置領域80に対し、基板厚み方向(上下方向)において導体パターンとの結合を防止すべく当該磁性部品配置領域80には接地パターン62を形成しないようにしてもよい。即ち、接地パターン62は、磁性部品配置領域80以外において低圧電源パターン60をベタで囲うようにしてもよい。
○ 多層基板40での内層である第2層目の導体パターン52及び第3層目の導体パターン53のうちの第2層目の導体パターン52において接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている構成としたが、これに限ることなく、第3層目の導体パターン53において接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている構成としてもよい。
○ 多層基板40での内層の導体パターンにおいて接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている構成としたが、これに限ることなく、多層基板40の表層の導体パターン、即ち、第1層目の導体パターン51又は第4層目の導体パターン54において接地パターンが低圧電源パターンを囲っている構成としてもよい。
○ 多層基板40での4層の導体パターンのうちの1層の導体パターンにおいて接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている構成としたが、これに限ることなく、多層基板40での4層の導体パターンのうちの複数の層の導体パターンにおいて接地パターン62が低圧電源パターン60を囲っている構成としてもよい。
○ 多層基板40は、第1層目の導体パターン51から第4層目の導体パターン54を有する4層基板であったが、層の数、即ち、導体パターンの層数は、2層でも、3層でも5層以上であってもよい。
○ 基板として多層基板40を用いたが、多層基板でなくてもよい。例えば、片面基板でも両面基板でもよい。
○ 接地パターン62は2つの取付部(ねじ締結用の貫通孔)65a,65bを介してハウジング15に導通する構成としたが、これに限ることなく、3つ以上の取付部(ねじ締結用の貫通孔)を介してハウジング15に導通する構成としてもよい。
○ 電源系は補機バッテリ37が12Vで電源ラインL1が5Vであったが、これに限るものではない。
10…電動圧縮機、11…圧縮機構、12…モータ部、14…インバータ部、15…ハウジング、19…カバー、24…コンデンサ、26…トランス、28…インバータモジュール、40…多層基板、60…低圧電源パターン、62…接地パターン、65a,65b…取付部、70…低圧領域、71…300V高圧領域。

Claims (4)

  1. 導電性を有するハウジングに収容された圧縮機構と、
    前記ハウジングに収容されたモータ部と、
    前記ハウジングに固定され、カバーで覆われたインバータ部と、
    を備え、
    前記インバータ部は、基板にノイズ源となる電子部品が搭載され、
    前記基板は、
    電源パターンと、
    複数の取付部と、
    前記取付部を介して前記ハウジングに導通する接地パターンと、
    を有し、
    前記基板は多層基板であり、内層において、前記基板での同一面内において前記接地パターンが前記電源パターンを全周にわたり囲っており、
    前記取付部は、前記多層基板を貫通する貫通孔を有し、
    前記接地パターンは、当該接地パターンに設けられた2つの前記貫通孔にそれぞれ挿通されて前記ハウジングに螺入されるねじを介して前記ハウジングに導通することを特徴とする電動圧縮機。
  2. 前記基板は低圧領域と高圧領域を有し、前記低圧領域において、前記基板での同一面内において前記接地パターンが前記電源パターンを囲っていることを特徴とする請求項1に記載の電動圧縮機。
  3. 前記基板は低圧領域と高圧領域を有し、前記低圧領域において、前記接地パターンの層以外の層に配置された回路に対応して前記接地パターンが形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電動圧縮機。
  4. 前記ノイズ源となる電子部品は前記基板と前記ハウジングの間に配置されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の電動圧縮機。
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