JP6996236B2

JP6996236B2 - インバータ一体型回転電機

Info

Publication number: JP6996236B2
Application number: JP2017211072A
Authority: JP
Inventors: 浩藤田; 雅貴吉村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2022-02-04
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: JP2019083659A

Description

本発明は、回転電機と、該回転電機を駆動するインバータとを備えるインバータ一体型回転電機に関する。

回転電機と、該回転電機を駆動するインバータとを備えるインバータ一体型回転電機が知られている（下記特許文献１参照）。上記インバータは、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとを備える。インバータは、上記スイッチング素子をオンオフ動作させることにより、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を用いて、回転電機を駆動するよう構成されている。

上記平滑コンデンサには、静電容量が大きい電解コンデンサや、電気二重層コンデンサが用いられている。また、インバータは回転電機に取り付けられているため、回転電機から大きな振動が伝わりやすい。そのため、近年、耐振性を高めるため、封止部材を用いて、平滑コンデンサ等の部品をケース内に封止することが検討されている。

特開２０１６－１２７７６８号公報

しかしながら、上記インバータ一体型回転電機は、平滑コンデンサの性能が低下する可能性がある。すなわち、電解コンデンサや電気二重層コンデンサは、電荷が蓄えられた状態を続けると、内部から水素ガスが発生する。そのため、この水素ガスを外部に放出するため、水素透過性の封孔ゴムを用いたり、弁を設けたりしている。しかし、上記封止部材を用いて平滑コンデンサを封止すると、水素ガスが放出されにくくなるため、水素ガスが平滑コンデンサの内部に溜まり、平滑コンデンサの性能が低下する可能性が考えられる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、平滑コンデンサの性能低下をより抑制でき、かつ耐振性を向上できるインバータ一体型回転電機を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、回転電機（１１）と、該回転電機に取り付けられたインバータ（１０）とを備えるインバータ一体型回転電機（１）であって、
上記インバータは、直流電源（８）から供給される直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を用いて上記回転電機を駆動するよう構成され、
上記インバータは、
スイッチング素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ（３）と、
上記半導体モジュール及び上記平滑コンデンサを収容するケース（４）とを備え、
上記平滑コンデンサは電解コンデンサ又は電気二重層コンデンサであり、上記平滑コンデンサは上記ケース内において封止部材（４０）によって封止され、
上記インバータは、上記直流電源と上記半導体モジュールとの間の電流経路上に設けられたスイッチ（８２）がオフになったときに、上記平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させる放電回路（５）を備え、
上記インバータは、上記半導体モジュールの動作制御を行う制御基板（６）をさらに備え、該制御基板に上記放電回路を形成してあり、
上記制御基板は、上記スイッチング素子の動作制御を行う制御ＩＣと、該制御ＩＣに加わる電圧を一定に保つ定電圧回路（６２）とを備え、該定電圧回路は、抵抗（Ｒ _C ）とツェナーダイオード（６４）とを直列接続した直列体（６５）を有し、該直列体が上記放電回路を兼ねている、インバータ一体型回転電機にある。

上記インバータ一体型回転電機では、インバータ内に上記放電回路を設けてある。
そのため、上記スイッチがオフになったときに、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を、放電回路を用いて放電させることができる。したがって、平滑コンデンサに電荷が蓄えられた状態が長時間続かなくなり、平滑コンデンサから水素ガスが発生しにくくなる。そのため、平滑コンデンサが封止部材によって封止されていても、平滑コンデンサ内に水素ガスが溜まりにくくなり、平滑コンデンサの性能低下を抑制できる。

また、本態様ではインバータと回転電機とを一体化してあるため、回転電機からインバータに大きな振動が伝わりやすいが、平滑コンデンサを封止部材によって封止しているため、平滑コンデンサの耐振性を高めることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、平滑コンデンサの性能低下をより抑制でき、かつ耐振性を向上できるインバータ一体型回転電機を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

参考形態１における、スイッチがオンしている状態での、インバータ一体型回転電機の回路図。参考形態１における、スイッチがオフしている状態での、インバータ一体型回転電機の回路図。参考形態１における、制御基板の概略回路図。参考形態１における、放熱器側から見たインバータの斜視図。参考形態１における、インバータの内部の斜視図。参考形態１における、回転電機側から見たインバータの斜視図であって、制御基板及び封止部材を除いたもの。参考形態１における、回転電機側から見たインバータの斜視図。図６のVIII-VIII断面図。参考形態１における、インバータの要部拡大平面図。参考形態１における、インバータ一体型回転電機の側面図。参考形態２における、制御基板の概略回路図。実施形態１における、制御基板の概略回路図。

（参考形態１）
上記インバータ一体型回転電機に係る参考形態について、図１～図１０を参照して説明する。本形態のインバータ一体型回転電機１は、図１０に示すごとく、回転電機１１と、該回転電機１１に取り付けられたインバータ１０とを備える。インバータ１０は、図１、図６に示すごとく、半導体モジュール２と、平滑コンデンサ３と、ケース４とを備える。

半導体モジュール２は、スイッチング素子２０を内蔵している。スイッチング素子２０には、ダイオード２５が逆並列接続されている。平滑コンデンサ３は、半導体モジュール２に加わる直流電圧を平滑化する。ケース４には、半導体モジュール２と平滑コンデンサ３とが収容されている。本形態の平滑コンデンサ３は、電解コンデンサである。平滑コンデンサ３は、図８に示すごとく、ケース４内において封止部材４０によって封止されている。

図２に示すごとく、インバータ１０は、放電回路５を備える。放電回路５は、直流電源８と半導体モジュール２との間の電流経路上に設けられたスイッチ８２がオフになったときに、平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷Ｑを放電させる。

本形態のインバータ一体型回転電機１は、車両に搭載される。上記回転電機１１は、車両のオルタネータである。図１０に示すごとく、回転電機１１は、ベルト８１１を介して図示しないエンジンに接続している。このエンジンの駆動力を用いて回転電機１１を回転させ、発電する。そして、得られた交流電力を、上記ダイオード２５（図１参照）を用いて整流し、直流電源８（本形態では鉛蓄電池）を充電するよう構成されている。

また、エンジンを始動する際には、インバータ１０を用いて、直流電源８の直流電力を交流電力に変換する。そして、得られた交流電力を用いて、回転電機１１を回転させる。これにより、エンジンを始動させる。

図１、図６に示すごとく、インバータ１０は、３個の半導体モジュール２（２_A～２_C）を備える。個々の半導体モジュール２は、４個のスイッチング素子２０（ＭＯＳＦＥＴ）を内蔵している。第１半導体モジュール２_Aに含まれる４個のスイッチング素子２０と、第２半導体モジュール２_Bに含まれる２個のスイッチング素子２０とによって、第１電力変換回路１２_Aを構成している。また、第２半導体モジュール２_Bに含まれる残りの２個のスイッチング素子２０と、第３半導体モジュール２_Cに含まれる４個のスイッチング素子２０とによって、第２電力変換回路１２_Bを構成している。図１に示すごとく、個々の電力変換回路１２は、３本の交流出力端子２３を備える。これらの交流出力端子２３は、回転電機１１に接続している。また、第１電力変換回路１２_Aと第２電力変換回路１２_Bそれぞれに、平滑コンデンサ３が設けられている。

また、図１、図６に示すごとく、本形態のインバータ１０は、正極バスバー７_Pと負極バスバー７_Nとの、一対のバスバー７を備える。これら一対のバスバー７を用いて、直流電源８と半導体モジュール２とを電気接続してある。図５に示すごとく、正極バスバー７_Pには、直流電源８の正電極に接続するための正極接続端子７１_Pが形成されている。また、負極バスバー７_Nには、直流電源８の負電極に接続するための負極接続端子７１_N（図７参照）が形成されている。

また、インバータ１０は、図７、図８に示すごとく、半導体モジュール２の動作制御をするための制御基板６を備える。この制御基板６と上記バスバー７は、半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３と共に、ケース４に収容されている。ケース４の内部には、上記封止部材４０（図８参照）を充填してある。この封止部材４０によって、平滑コンデンサ３と、半導体モジュール２と、バスバー７と、制御基板６とを封止してある。

図１、図７に示すごとく、制御基板６には、放電回路５が形成されている。本形態の放電回路５は、抵抗Ｒからなる。放電回路５は、平滑コンデンサ３に並列接続されている。

上記車両を走行させる場合、すなわちインバータ１０を使用する場合は、図１に示すごとく、スイッチ８２（イグニッションスイッチ）をオンにする。このとき、平滑コンデンサ３に電荷Ｑが蓄えられる。また、車両の走行を終了する場合、すなわちインバータ１０の使用を停止する場合は、図２に示すごとく、スイッチ８２をオフにする。このようにすると、平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷Ｑが放電回路５（抵抗Ｒ）を流れ、放電する。平滑コンデンサ３に電荷Ｑが蓄えられていない間は、平滑コンデンサ３内から水素ガスは殆ど発生しない。そのため、平滑コンデンサ３を放電させることにより、水素ガスが内部に溜まることを抑制でき、平滑コンデンサ３の劣化を抑制できる。

なお、本形態の制御基板６は、平滑コンデンサ３の電荷Ｑを放電させる際に、半導体モジュール２内の全てのスイッチング素子２０をオフにするよう構成されている。

また、図３に示すごとく、制御基板６は、放電回路５と制御回路６０とを備える。制御回路６０は、分圧抵抗６３と、定電圧回路６２と、制御ＩＣ６１とを備える。制御ＩＣ６１はマイコンからなる。この制御ＩＣ６１を用いて、スイッチング素子２０の動作制御を行っている。定電圧回路６２は、直流電源８の電圧（本形態では約１２Ｖ）を、制御ＩＣ６１が動作する電圧（約５Ｖ）まで下げている。

また、分圧抵抗６３は、直流電源８の電圧Ｖを分圧する。この分圧（Ｖ・Ｒ_A／（Ｒ_A＋Ｒ_B））を制御ＩＣ６１によって測定することにより、直流電源８の電圧Ｖを監視している。

一方、図８に示すごとく、平滑コンデンサ３は、コンデンサ素子３０と、コンデンサケース３１と、コンデンサ封口部３２と、リード線３３とを備える。コンデンサケース３１にコンデンサ素子３０を収容してある。コンデンサケース３１は金属製である。コンデンサ封口部３２は、コンデンサケース３１の開口を塞いでいる。コンデンサ封口部３２は、水素ガス透過性を有する材料からなる。また、封止部材４０は、エポキシ樹脂等の、水素ガス透過性を有さない材料か、又は水素ガスを透過しにくい材料からなる。封止部材４０によって、コンデンサ封口部３２を覆っている。

コンデンサケース３１には、弁３１９が形成されている。また、ケース４には、切溝４９が形成されている。平滑コンデンサ３内に水素ガスが溜まり、万一、内圧が過剰に上昇した場合は、弁３１９と切溝４９が開放する。これにより、水素ガスをケース４外へ排出するよう構成されている。

次に、半導体モジュール２について、より詳細に説明する。図４、図５に示すごとく、半導体モジュール２は、放熱フィン２９を備える。この放熱フィン２９を用いて、スイッチング素子２０から発生した熱を放熱している。また、図９に示すごとく、半導体モジュール２は、スイッチング素子２０を封止する本体部２１と、該本体部２１から突出した直流入力端子２２（２２_P，２２_N）と、交流出力端子２３と、制御端子２４とを備える。直流入力端子２２_P，２２_Nは、それぞれバスバー７（７_P，７_N）に接続している。また、交流出力端子２３は、上述したように、回転電機１１に接続している。制御端子２４は、制御基板６に接続している。

次に、本形態の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本形態では、インバータ１０に上記放電回路５を設けてある。
そのため、図２に示すごとく、スイッチ８２がオフになったときに、平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷Ｑを、放電回路５を用いて放電させることができる。したがって、平滑コンデンサ３に電荷Ｑが蓄えられた状態が長時間続かなくなり、平滑コンデンサ３から水素ガスが発生しにくくなる。そのため、平滑コンデンサ３が封止部材４０によって封止されていても、平滑コンデンサ３内に水素ガスが溜まりにくくなり、平滑コンデンサ３の性能低下を抑制できる。

また、本形態ではインバータ１０と回転電機１１とを一体化してあるため、回転電機１１からインバータ１０に大きな振動が伝わりやすいが、平滑コンデンサ３を封止部材４０によって封止しているため、平滑コンデンサ３の耐振性を高めることができる。

また、インバータ１０は、半導体モジュール２の動作制御を行う制御基板６を備える。この制御基板６に放電回路５を形成してある。
そのため、放電回路５の実装スペースを低減できる。また、制御基板６に形成された配線パターンを用いて、放電回路５と平滑コンデンサ３とを電気接続できるため、専用の配線を設ける必要が無くなる。したがって、インバータ１０を小型化できる。

また、本形態では抵抗によって放電回路５を構成してある。
そのため、放電回路５の回路構成を簡素にすることができ、インバータ１０を小型化できる。

また、本形態の制御基板６は、放電回路５を用いて平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷Ｑを放電させるときに、スイッチング素子２０をオフにするよう構成されている。
そのため、回転電機１１が誤動作することを抑制できる。すなわち、半導体モジュール２と制御基板６とをそれぞれ別の電源に接続した場合は、半導体モジュール２への電力供給を停止しても、制御基板６を別電源によって正常に動作できる。そのため、スイッチング素子２０をオンオフ動作でき、平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷Ｑを、回転電機１１へ流すことができる。この際、回転電機１１が回転しないように電流を流す。これにより、平滑コンデンサ３の電荷Ｑをより短時間で放電させることが可能になる。しかしながら、本形態では、半導体モジュール２と制御基板６とを同一の直流電源８に接続してあるため、平滑コンデンサ３の電荷Ｑを放電するときにスイッチング素子２０をオンオフ動作させると、電荷Ｑの低下に伴って制御基板６に加わる電圧が低下し、制御基板６が正常に動作しなくなる可能性がある。そのため、スイッチング素子２０を正常にオンオフ動作できず、回転電機１１が誤動作する可能性が考えられる。しかしながら、本形態のように、電荷Ｑを放電させるときにスイッチング素子２０を動作させなければ、このような誤動作が生じる可能性を低減できる。

また、本形態の平滑コンデンサ３は電解コンデンサからなる。図８に示すごとく、平滑コンデンサ３は、コンデンサ素子３０と、コンデンサケース３１と、コンデンサ封口部３２とを備える。封止部材４０は、水素ガス透過性を有さない材料か、又はコンデンサ封口部３２よりも水素ガスを透過しにくい材料からなる。コンデンサ封口部３２は封止部材４０によって被覆されている。
この場合には、コンデンサ封口部３２が水素ガス透過性を有する材料によって構成されていても、平滑コンデンサ３内から発生した水素ガスが封止部材４０によって遮蔽されてしまうため、平滑コンデンサ３内に水素ガスが溜まりやすい。したがって、電荷Ｑが蓄えられた状態が長く続くと、水素ガスが多く発生し、平滑コンデンサ３の性能が劣化しやすい。そのため、本形態のように、放電回路５によって電荷Ｑを放電させ、平滑コンデンサ３に電荷Ｑが蓄えられた状態が長時間続かないようにした効果は大きい。

以上のごとく、本形態によれば、平滑コンデンサの性能低下をより抑制でき、かつ耐振性を向上できるインバータ一体型回転電機を提供することができる。

なお、本形態では、平滑コンデンサ３として電解コンデンサを用いたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、平滑コンデンサ３として電気二重層コンデンサを用いても良い。

以下の形態においては、図面に用いた符号のうち、参考形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、参考形態１と同様の構成要素等を表す。

（参考形態２）
本形態は、制御基板６の構成を変更した例である。図１１に示すごとく、本形態の制御基板６は、参考形態１と同様に、分圧抵抗６３を備える。また、本形態では、専用の放電回路５を設けていない。本形態では、分圧抵抗６３が放電回路５を兼ねている。

すなわち、スイッチ８２（図１参照）をオンしている間は、制御ＩＣ６１によって分圧抵抗６３の分圧（Ｖ・Ｒ_A／（Ｒ_A＋Ｒ_B））を測定する。これにより、直流電源８の電圧Ｖを監視する。また、スイッチ８２がオフになると、平滑コンデンサ３の電荷Ｑは分圧抵抗６３を流れる。これにより、平滑コンデンサ３を放電させる。

上記構成にすると、専用の放電回路５を設けなくてすむため、部品点数を低減できる。そのため、インバータ１０の製造コストを低減できる。
その他、参考形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態１）
本形態は、制御基板６の構成を変更した例である。図１２に示すごとく、本形態の制御基板６は、参考形態１と同様に、制御ＩＣ６１と、定電圧回路６２とを備える。定電圧回路６２は、抵抗Ｒ_C～Ｒ_Eと、ツェナーダイオード６４と、オペアンプ６６と、トランジスタ６７とを備える。ツェナーダイオード６４の降伏電圧Ｖ_Zは、オペアンプ６６の正入力端子６６１に入力される。また、２個の抵抗Ｒ_D，Ｒ_Eの分圧Ｖ_RDEは、オペアンプ６６の負入力端子６６２に入力される。オペアンプ６６の特性（バーチャルショート）により、正入力端子６６１と負入力端子６６２との電位差が小さくなるように、トランジスタ６７が動作する。これにより、制御ＩＣ６１の入力電圧を一定に保っている。

また、ツェナーダイオード６４には抵抗Ｒ_Cが直列接続されている。これらツェナーダイオード６４と抵抗Ｒ_Cとによって直列体６５を構成してある。本形態では、専用の放電回路５を設けておらず、上記直列体６５が、放電回路５を兼ねている。スイッチ８２（図１参照）がオンになっている間は、直流電源８から電流が直列体６５に流れる。また、スイッチ８２がオフになったときは、平滑コンデンサ３の電荷Ｑが直列体６５へ流れる。これにより、平滑コンデンサ３を放電している。

本形態の作用効果について説明する。上記構成にすると、専用の放電回路５を設けなくてすむため、部品点数を低減できる。そのため、インバータ１０の製造コストを低減できる。
その他、参考形態１と同様の構成および作用効果を備える。

１インバータ一体型回転電機
１０インバータ
１１回転電機
２半導体モジュール
２０スイッチング素子
３平滑コンデンサ
４ケース
４０封止部材
５放電回路

Claims

回転電機（１１）と、該回転電機に取り付けられたインバータ（１０）とを備えるインバータ一体型回転電機（１）であって、
上記インバータは、直流電源（８）から供給される直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を用いて上記回転電機を駆動するよう構成され、
上記インバータは、
スイッチング素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ（３）と、
上記半導体モジュール及び上記平滑コンデンサを収容するケース（４）とを備え、
上記平滑コンデンサは電解コンデンサ又は電気二重層コンデンサであり、上記平滑コンデンサは上記ケース内において封止部材（４０）によって封止され、
上記インバータは、上記直流電源と上記半導体モジュールとの間の電流経路上に設けられたスイッチ（８２）がオフになったときに、上記平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させる放電回路（５）を備え、
上記インバータは、上記半導体モジュールの動作制御を行う制御基板（６）をさらに備え、該制御基板に上記放電回路を形成してあり、
上記制御基板は、上記スイッチング素子の動作制御を行う制御ＩＣと、該制御ＩＣに加わる電圧を一定に保つ定電圧回路（６２）とを備え、該定電圧回路は、抵抗（ＲC）とツェナーダイオード（６４）とを直列接続した直列体（６５）を有し、該直列体が上記放電回路を兼ねている、インバータ一体型回転電機。
上記制御基板は、上記放電回路を用いて上記平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させるときに、上記スイッチング素子をオフにするよう構成されている、請求項１に記載のインバータ一体型回転電機。
上記平滑コンデンサは上記電解コンデンサからなり、該電解コンデンサは、コンデンサ素子（３０）と、該コンデンサ素子を収容するコンデンサケース（３１）と、該コンデンサケースの開口を塞ぐコンデンサ封口部（３２）とを備え、上記コンデンサ封口部は上記封止部材によって覆われている、請求項１又は２に記載のインバータ一体型回転電機。