WO2020008222A1 - 電力変換ユニッ卜 - Google Patents
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Abstract
電力変換ユニットは、直流と交流との電力の変換を行う電力変換モジュールと、電力変換モジュールに接続され、電力の入出力を行う第1バスバと、電力変換モジュ一ルを収容する筐体と、第1バスバと、外部機器に接続される第2バスバとの接続を行うターミナルと、を有する。ターミナル、及び、筐体の少なくとも一部は、一体となつて樹脂により形成される。
Description
本発明は、電力変換ユニットに関するものである。
電力変換ユニットは、インバータにより構成される直流電力と交流電力との変換を行う電力変換モジュールを筐体内に備える。電力変換モジュールは直流電力及び交流電力の入出力を行うバスバ(第1バスバ)を有し、第1バスバと外部機器の備えるバスバ(第2バスバ)とが、接続台であるターミナルにおいて締結される。
例えば、JP2016−92931Aに開示されている電力変換ユニットは、モータである外部機器と一体となって構成されており、電力変換モジュールの第1バスバと外部機器の第2バスバとは、樹脂により構成されたターミナルの上において締結される。そして、ターミナルは、電力変換ユニットと外部機器とを区切る金属筐体にボルトなどによって固定される。
JP2016−92931Aの技術によれば、ターミナル上に固定されるバスバとターミナルの下部と固定される金属筐体との間の絶縁性を確保するために、バスバと金属筐体との間の距離が十分大きくなるようにターミナルを大型化する必要がある。また、電力変換ユニット内においてターミナルと金属筐体とをボルト等で締結させるためのスペースが必要となり、電力変換ユニットが大型化してしまうという課題がある。
本発明はこのような課題を解決するために発明されたもので、電力変換ユニットの小型化を図ることを目的とする。
本発明のある態様の電力変換ユニットは、直流と交流との電力の変換を行う電力変換モジュールと、電力変換モジュールに接続され、電力の入出力を行う第1バスバと、電力変換モジュールを収容する筐体と、第1バスバと外部機器に接続される第2バスバとの接続を行うターミナルと、を有する。ターミナル、及び、筐体の少なくとも一部は、一体となって樹脂により形成される。
本発明の実施形態に電力変換ユニットについて説明する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の電力変換ユニットの分解斜視図である。この図において、図左から右へ向かう方向をx軸、図右奥から左手前に向かう方向をy軸、図下から上へ向かう方向をz軸と称するものとする。
図1は、第1実施形態の電力変換ユニットの分解斜視図である。この図において、図左から右へ向かう方向をx軸、図右奥から左手前に向かう方向をy軸、図下から上へ向かう方向をz軸と称するものとする。
電力変換ユニット100は、外部機器200とともに一体型のユニットを構成する。例えば、外部機器200がモータであれば、電力変換ユニット100と外部機器200とによりモーターユニットが構成される。
電力変換ユニット100は、電力変換モジュール10と、電力変換モジュール10の端子と接続される第1バスバ20と、電力変換モジュール10を収容する筐体30と、バスバ同士の接続を行うターミナル40と、外部機器200の端子と接続される第2バスバ50と、電力変換ユニット100と外部機器200との間のノイズを抑制するシールド60とを有する。
電力変換モジュール10は、インバータにより構成され、直流電力と交流電力との変換を行う。例えば、電力変換モジュール10は、バッテリ(不図示)から入力される直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を外部機器200へと出力する。なお、この図においては、出力側のバスバが2つ記載されているが、出力側として3つ以上のバスバを有してもよい。電力変換モジュール10の端子は、第1バスバ20A、20Bと、第1ボルト21A、21Bによる締結によって接続されている。また、電力変換モジュール10は、筐体30の底部31の上面に固定されている。
筐体30は、樹脂製の底部31と、金属製の箱部32とにより構成される。底部31は、例えば、ポリアミドなどのエンジニアリングプラスチック樹脂により構成される。箱部32は、アルミニウムなどの金属材でダイキャストにより製造される。箱部32は、底部31上に設けられる電力変換モジュール10やターミナル40を覆うように、底部31に固定される。
ターミナル40は、樹脂製であり、筐体30の底部31と一体となって構成される。ターミナル40は、その上において、電力変換モジュール10と接続される第1バスバ20A、20Bと、外部機器200と接続される第2バスバ50A、50Bとを、第2ボルト51A、51Bによる締結により接続する。
第1バスバ20A、20B、及び、第2バスバ50A、50Bは、タフピッチ銅などで構成される板状の金属部材である。第2バスバ50A、50Bは、屈曲部を有するL字状に構成される。また、第1バスバ20A、20B、及び、第2バスバ50A、50Bは、両端の近傍にボルトによる締結の際にボルトが通るボルト穴が設けられている。
電力変換モジュール10、及び、ターミナル40には、第1ボルト21A、21B、及び、第2ボルト51A、51Bと螺合可能な螺合溝が設けられている。
第1バスバ20A、20Bにおいては、図左部に設けられるボルト穴を通るように設けられる第1ボルト21A、21Bが、電力変換モジュール10の螺合溝と螺合することにより、第1バスバ20A、20Bは電力変換モジュール10に締結される。第1バスバ20A、20Bの図右側(x軸正方向側)の端部と、第2バスバ50A、50Bの図左側(x軸負方向側)の端部とは、両者に設けられるボルト穴が重なるように積層される。そして、第2ボルト51A、51Bを、重なって配置された第1バスバ20A、20Bのボルト穴と第2バスバ50A、50Bのボルト穴とを通し、ターミナル40の螺合溝とを螺合させる。このようにして、第1バスバ20A、20Bと、第2バスバ50A、50Bと、が締結される。
シールド60は、鉄やアルミニウムなどの金属製であり、プレス工法と溶接とを適宜組み合わせて製造される。シールド60は、底部31の下面を覆うように固定され、電力変換モジュール10と外部機器200との間において伝播するノイズを遮断する。シールド60には開口61A、61Bが設けられており、第2バスバ50A、50Bが開口61A、61Bを通り外部機器200側へと到達する。
外部機器200には、上面(z軸正方向側の面)に開口を有する凹部201を有する。凹部201内において、第2バスバ50A、50Bは外部機器200と電気的に接続される。
図2は、第1バスバ20A及び第2バスバ50Aに沿った電力変換ユニット100のxz平面における断面図である。
この図によれば、L字状の第2バスバ50Aは、シールド60の開口61Aを通り、外部機器200の凹部201内まで延伸する。そして、第2バスバ50Aは、凹部201内に設けられる接続端子202と、第3ボルト203により締結されて電気的に接続される。
比較例として、ターミナル40と、筐体30の底部31とが別体として形成される例について説明する。
図3は、比較例におけるxz平面における電力変換ユニット100の断面図である。ターミナル40と底部31とは別体であり、底部31は、箱部32と同様に金属で構成されているものとする。
この図に示されるように、ターミナル40は、ボルト穴を備えるフランジ41を有する。そして、第4ボルト70がフランジ41の穴を通り、底部31に設けられる螺合溝と螺合することで、ターミナル40は底部31に固定される。このような構成となることで、電力変換ユニット100は、第4ボルト70による締結に用いられるフランジ41の幅だけx軸方向に長くなる。
不図示ではあるが、電力変換モジュール10の入力側においてもターミナルが別途設けられている。このターミナルは、ターミナル40及び底部31と一体となって樹脂により構成されている。
このように構成される第1実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
第1実施形態の電力変換ユニット100は、電力変換モジュール10と接続される第1バスバ20A、20Bと、外部機器200と接続される第2バスバ50A、50Bとが、ターミナル40の上において接続される。そして、ターミナル40と、筐体30の底部31との両者は、一体となって樹脂により形成される。
図3に示される比較例のように、底部31とターミナル40とが別体で構成される場合には、ターミナル40を底部31に固定するためには、第4ボルト70による締結に用いるフランジ41をターミナル40が有さなければならない。そのため、電力変換ユニット100は、フランジ41の幅(x軸方向)だけサイズが大きくなってしまう。
これに対して本実施形態においては、ターミナル40と底部31とが一体となって形成される。そのため、比較例のようにターミナル40と底部31とを締結する構成であるフランジ41が不要になり、電力変換ユニット100を小型化できる。さらに、ターミナル40のフランジ41における第4ボルト70による締結が不要になるため、構成の簡略化により部品コスト及び製造コストを低減できる。
また、底部31を樹脂化することで、底部31が金属製である場合と比較すると、ターミナル40上で締結される第1バスバ20A、20B、及び、第2バスバ50A、50Bと底部31との間の距離が十分大きくなり絶縁性を考慮しなくてもよくなるため、ターミナル40を小型化できる。また、底部31を樹脂で構成することで、底部31の肉薄形成及び軽量化を図ることができる。
(第2実施形態)
第1実施形態においては、ターミナル40が、筐体30の底部31に対して電力変換モジュール10が設けられる側、すなわち、底部31の上面側(z軸正方向側)であって筐体30の箱部32の内部に配置される例について示した。第2実施形態においては、ターミナル40が、底部31に対して外部機器200が設けられる側、すなわち、底部31の下面側(z軸負方向側)であって箱部32の外部に配置される例について説明する。
第1実施形態においては、ターミナル40が、筐体30の底部31に対して電力変換モジュール10が設けられる側、すなわち、底部31の上面側(z軸正方向側)であって筐体30の箱部32の内部に配置される例について示した。第2実施形態においては、ターミナル40が、底部31に対して外部機器200が設けられる側、すなわち、底部31の下面側(z軸負方向側)であって箱部32の外部に配置される例について説明する。
図4は、第2実施形態の電力変換ユニット100のxz平面の断面図である。
ターミナル40は、底部31に対して外部装置200が設けられる側(z軸負側)において、底部31と一体となって設けられる。そして、シールド60は、断面がターミナル40と略等しい開口62を有する。ターミナル40は、シールド60の開口62を通り、外部機器200の凹部201内に位置する。
また、第1バスバ20Aは、屈曲部を有するL字状に構成される。凹部201内において、第1バスバ20A及び第2バスバ50Aは、ターミナル40と第2ボルト51により締結される。
このように構成される第2実施形態により以下の効果を得ることができる。
第2実施形態の電力変換ユニット100によれば、電力変換モジュール10とターミナル40とは、底部31に対して互いに反対側、すなわち、箱部32の外部に配置される。そのため、図2に示される第1実施形態と比較すると、底部31の厚さ方向(z軸方向)の投影面において、電力変換モジュール10とターミナル40とを長手方向(x軸方向)に近接して配置することができるため、電力変換ユニット100の小型化を図ることができる。
第2実施形態の電力変換ユニット100によれば、底部31の下面(z軸負方向側の面)に設けられるターミナル40は、電力変換ユニット100と外部機器200との一体ユニットが構成される場合には、外部機器200の凹部201に収容される。このような一体ユニットを組み立てる場合には、底部31と箱部32とを接続させて筐体30を構成した状態で、第1バスバ20と外部機器200と接続される第2バスバ50とを第2ボルト51を用いて締結することができる。そのため、電力変換ユニット100と外部機器200とを接続させる際には筐体30がすでに組み立てられているので、電力変換ユニット100内へのゴミやちりなどの異物の混入を防ぐことができるとともに、取り扱いが容易になり製造工程を簡略化できる。
(第3実施形態)
第1及び第2実施形態においては、第1バスバ10Aと第1バスバ10Bとの間、及び、第2バスバ50Aと第2バスバ50Bとの間には何も設けられない例について説明した。第3実施形態においては、両者の間に樹脂からなる絶縁部材が設けられる例について説明する。
第1及び第2実施形態においては、第1バスバ10Aと第1バスバ10Bとの間、及び、第2バスバ50Aと第2バスバ50Bとの間には何も設けられない例について説明した。第3実施形態においては、両者の間に樹脂からなる絶縁部材が設けられる例について説明する。
図5Aは、第3実施形態の電力変換ユニット100の一部の斜視図である。
図5Bは、電力変換ユニット100をy軸正方向の側から見た図である。
図5Cは、電力変換ユニット100をx軸正方向の側から見た図である。
これらの図に示されるように、底部31のxy方向の面内における角部にz軸方向に延在する切り欠き33が設けられている。切り欠き33のy軸方向の内面と面一となるようにターミナル40が設けられ。
第1バスバ20Aは、等幅で屈曲部を有する板状部材が、屈曲部において折れ曲がることにより構成され、x軸方向に延在する第1バスバ20Axと、y軸方向に延在する第1バスバ20Ayと、z軸方向に延在する第1バスバ20Azと、xz面方向に設けられる第1バスバ締結部20Afとを有する。第1バスバ締結部20Afには第2ボルト51Aが通るボルト穴が設けられている。
第1バスバ20Bは、x軸方向に延在する第1バスバ20Bxと、y軸方向に延在する第1バスバ20Byと、z軸方向に延在する第1バスバ20Bzと、xz面方向に設けられる第1バスバ締結部20Bfを有する。第1バスバ締結部20Bfには第2ボルト51Bが通る穴が設けられている。
第1バスバ締結部20Afと、第2バスバ50Aとが、第2ボルト51Aによって締結される。また、第1バスバ締結部20Bfと、第2バスバ50Bとが、第2ボルト51Bによって締結される。
第1バスバ20Aと第1バスバ20Bとの間には、壁部80が設けられている。壁部80は、底部31及びターミナル40と一体となって樹脂により構成される。壁部80は、x軸方向に延在する壁部80xと、y軸方向に延在する壁部80yと、z軸方向に延在する壁部80zとを有する。
x軸方向に延在しz軸方向に高さを備える壁部80xによって、y軸方向に隣接する第1バスバ20Axと第1バスバ20Bxとが絶縁される。y軸方向に延在しz軸方向に高さを備える壁部80yによって、x軸方向に隣接する第1バスバ20Ayと第1バスバ20By(不図示)とが絶縁される。z軸方向に延在しy軸方向に幅を備える壁部80zによって、x軸方向に隣接する第1バスバ20Azと第1バスバ20Bzとが絶縁される。
このように構成される第3実施形態により以下の効果を得ることができる。
第3実施形態の電力変換ユニット100によれば、ターミナル40及び筐体30の底部31と一体となって形成される壁部80が設けられる。壁部80は、第1バスバ20Aと第1バスバ20Bとの間、及び、第2バスバ50Aと第2バスバ50Bとの間を絶縁する。このように構成されることで、壁部80を備えない場合と比較すると、衝撃や意図しない導電性部材の付着などにより、第1バスバ20Aと第1バスバ20Bと、及び、第2バスバ50Aと第2バスバ50Bとが接触するおそれを低減できる。
さらに、壁部80は、底部31、及び、ターミナル40と一体に樹脂により形成されるため、配置の自由度が高い。そのため、第2ボルト51A、51Bによる締結点の近傍に限らず、電力変換モジュール10とターミナル40との間の所望の場所に壁部80を配置することができる。
さらに、第2ボルト51A、51Bによる締結は、第2ボルト51A、51Bがターミナル40に対してy軸負の方向に押し付けられた状態で行われる。しかしながら、ターミナル40がさらに壁部80と一体となって構成されるため、ターミナル40の強度を向上するので製造不良を低減することができる。具体的には、ターミナル40がy軸方向に幅を備える壁部80zと一体となることで、ターミナル40のy軸方向の強度を向上させることができる。
(第4実施形態)
第1乃至第3実施形態において、電力変換モジュール10が空冷される例について説明したが、これに限らない。第4実施形態においては、筐体30の底部31などに冷媒流路が設けられ、電力変換モジュール10が冷媒によって冷却される例について説明する。
第1乃至第3実施形態において、電力変換モジュール10が空冷される例について説明したが、これに限らない。第4実施形態においては、筐体30の底部31などに冷媒流路が設けられ、電力変換モジュール10が冷媒によって冷却される例について説明する。
図6は、第4実施形態の電力変換ユニット100のxz平面における断面図である。
この図に示されるように、筐体30の底部31及びターミナル40は、一体となって構成される冷媒の流路90を備える。より詳細には、底部31において、z方向に厚みを持ちxy平面方向に設けられる第1流路91と、ターミナル40及び底部31においてz軸方向に延在するように設けられる第2流路92とが設けられる。流路90は、筐体30及びターミナル40の外部と連通する流入口(不図示)及び流出口(不図示)と接続され、流入口及び流出口を介して外部に設けられる冷却装置(不図示)と冷媒を循環可能に構成される。このように流路90が構成されることで、底部31の上面を介して電力変換モジュール10が冷却されるとともに、ターミナル40を介して第1バスバ20A、20B、及び、第2バスバ50A、50Bが冷却される。
図7は、比較例の電力変換ユニット100の断面図である。この比較例においては、図3に示された比較例と同様に、底部31は金属の別体として設けられている。底部31は金属製のため、内部に第1流路91を設けるのは難しい。そのため、底部31の上面(z軸正方向側の面)において、電力変換モジュール10の底面と接触するように開口や溝を形成し、その開口や溝を第1流路91として用いる。電力変換モジュール10と底部31との界面においては、冷媒の漏洩を防ぐために流路90を取り囲むようにシーリング部材93が設けられる。これに対し、本実施形態においては、一体となって構成される底部31及びターミナル40の内部に第1流路91を設けることで、シーリング部材93が不要である。
このように構成される第4実施形態により以下の効果を得ることができる。
第4実施形態に示される電力変換ユニット100によれば、底部31がターミナル40と一体となって樹脂で形成されることにより、底部31が金属で構成される場合と比較すると、底部31及びターミナル40の内部に流路90を設けることが比較的容易になる。
また、底部31が上面に開口する第1流路91を有する図7の比較例と比較すると、シーリング部材93が不要となり構成を簡略化できる。また、流路90を電力変換モジュール10と接触させる必要がなくなり、流路90の設計の自由度を向上させることができる。
また、外部機器200から伝わる熱は、精密機器である電力変換モジュール10に対して第2バスバ50を介して到達する前に、ターミナル40において冷却される。そのため、許容限界温度が高い高性能な電力変換ユニット100と、発熱量が大きい高出力な外部機器200とを組み合わせることが可能となり、電力変換ユニット100と外部機器200とからなるユニットの性能向上を実現できる。
(第1変形例)
第4実施形態においては、筐体30の底部31及びターミナル40には、一体となって構成される流路90を備えたがこれに限らない。第1変形例においては流路90の他の構成について説明する。
第4実施形態においては、筐体30の底部31及びターミナル40には、一体となって構成される流路90を備えたがこれに限らない。第1変形例においては流路90の他の構成について説明する。
図8は、第1変形例の電力変換ユニット100のxz平面における断面図である。
この図によれば、図6に示された第4実施形態と比較すると、ターミナル40内に設けられた第2流路92が省略されている。底部31に設けられる第1流路91がターミナル40の近傍まで延設されているので、底部31と一体形成されたターミナル40が冷却され、第1バスバ20A、20Bの温度上昇が抑制される。
このような第1変形例の電力変換ユニット100によれば、ターミナル40内に図6に示される第2流路92を設けなくても、ターミナル40の近傍まで延設された第1流路91によってターミナル40が冷却される。そのため、ターミナル40の構成を単純化できるとともに、電力変換ユニット100と外部機器200との間の熱伝導の遮断による一体型ユニットの性能向上を図ることができる。
(第2変形例)
第1変形例においては、ターミナル40が第2流路82を有さない例について説明した。第2変形例においては、ターミナル40が第2流路82を有さない場合の他の構成について説明する。
第1変形例においては、ターミナル40が第2流路82を有さない例について説明した。第2変形例においては、ターミナル40が第2流路82を有さない場合の他の構成について説明する。
図9は、第2変形例の電力変換ユニット100のxz平面における断面図である。
この図によれば、図8に示された第1変形例と比較すると、ターミナル40内に第1流路81内にまで到達する金属体93が設けられている。
このような第2変形例の電力変換ユニット100によれば、ターミナル40内に金属体93が設けられるので、図6のように第2流路92が設けられる場合と比較するとターミナル40の強度が上がるので第2ボルト51Aによる締結時における変形を抑制できる。さらに、熱伝導率の高い金属で構成される金属体93が第1流路91まで到達することにより、金属体93を介してターミナル40が冷却されるので、第1バスバ20A、20Bの温度上昇が抑制されて、一体型ユニットの性能向上を図ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
Claims (7)
- 直流と交流との電力の変換を行う電力変換モジュールと、
前記電力変換モジュールに接続され、前記電力の入出力を行う第1バスバと、
前記電力変換モジュールを収容する筐体と、
前記第1バスバと、外部機器に接続される第2バスバとの接続を行うターミナルと、を有する電力変換ユニットであって、
前記ターミナル、及び、前記筐体の少なくとも一部は、一体となって樹脂により形成される、電力変換ユニット。 - 請求項1に記載の電力変換ユニットであって、
前記ターミナルは、前記筐体の外に設けられる、電力変換ユニット。 - 請求項2に記載の電力変換ユニットであって、
前記ターミナルは、前記外部機器に設けられた凹部の内側に収容される、電力変換ユニット。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換ユニットであって、
前記第1バスバ、及び、前記第1バスバと接続される前記第2バスバは、複数設けられ、
前記ターミナル及び前記筐体の少なくとも一部には、前記樹脂により形成され、複数の前記第1バスバの間、及び、複数の前記第2バスバの間を絶縁する壁部が一体的に形成される、電力変換ユニット。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の電力変換ユニットであって、
前記筐体及び前記ターミナルの内部に、冷媒が流れる流路が形成される、電力変換ユニット。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の電力変換ユニットであって、
前記筐体の内部に、冷媒が流れる流路が形成され、
前記流路は、前記ターミナルの近傍まで延設される、電力変換ユニット。 - 請求項6に記載の電力変換ユニットであって、
前記ターミナルは、内部に金属体を有し、
前記金属体は、前記流路まで到達する、電力変換ユニット。
Priority Applications (5)
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