JP7111161B2 - 電力変換ユニット - Google Patents

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、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出力する端子を有する電力変換モジュールと、電力変換モジュールの端子に電気的に接続される第１バスバと、電力変換モジュールを収容する筐体と、第１バスバと第２バスバとを締結により接続するターミナルと、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。そして、ターミナルは、筐体の外に設けられ、かつ、外部機器に設けられた凹部の内側に収容される。別の例では、筐体及びターミナルの内部に、冷媒が流れる流路が形成される。さらに別の例では、筐体の内部に、冷媒が流れる流路が形成され、この流路は、ターミナルの近傍まで延設される。

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。 図２は、電力変換ユニットの断面図である。 図３は、比較例の電力変換ユニットの断面図である。 図４は、第２実施形態の電力変換ユニットの断面図である。 図５Ａは、第３実施形態の電力変換ユニットの一部の斜視図である。 図５Ｂは、電力変換ユニットの断面図である。 図５Ｃは、電力変換ユニットの断面図である。 図６は、第４実施形態の電力変換ユニットの断面図である。 図７は、比較例の電力変換ユニットの断面図である。 図８は、第１変形例の電力変換ユニットの断面図である。 図９は、第２変形例の電力変換ユニットの断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 (5)

1. 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出力する端子を有する電力変換モジュールと、
   前記電力変換モジュールの前記端子に電気的に接続される第１バスバと、
   前記電力変換モジュールを収容する筐体と、
   外部機器に電気的に接続される第２バスバと、
   前記第１バスバと前記第２バスバとを締結により接続するターミナルと、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、
   前記ターミナルは、前記筐体の外に設けられ、かつ、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。
2. 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出力する端子を有する電力変換モジュールと、
   前記電力変換モジュールの前記端子に電気的に接続される第１バスバと、
   前記電力変換モジュールを収容する筐体と、
   外部機器に電気的に接続される第２バスバと、
   前記第１バスバと前記第２バスバとを締結により接続するターミナルと、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、
   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。
3. 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出力する端子を有する電力変換モジュールと、
   前記電力変換モジュールの前記端子に電気的に接続される第１バスバと、
   前記電力変換モジュールを収容する筐体と、
   外部機器に電気的に接続され
   る第２バスバと、
   前記第１バスバと前記第２バスバとを締結により接続するターミナルと、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、
   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。
4. 請求項３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。
5. 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。

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