JP7601573B2 - パワーコンバータ、発電機とパワーコンバータを含む配列及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングとハウジング内に配置された母線配列とを含み、母線配列に沿って交流電流をガイドするように構成されたパワーコンバータに関する。

本発明は、それに加えて、発電機とパワーコンバータとを含む配列、及び車両にも関する。

パワーコンバータでは、入力側又は出力側交流電流が母線配列を介してガイドされることが多い。この場合の母線配列は、運転中に、例えばＩＣＮＩＲＰ（国際非電離放射線防護委員会）により規定された電磁両立性に関するガイドラインに従ってパワーコンバータのハウジングの外側では許容値内にその磁束密度を制限しなければならない交番磁界を放射することがある。結果として、パワーコンバータの周囲環境内の人間を非電離放射線に対して防護しなければならない。特に、電気車両において、パワーコンバータを使用する場合は、パワーコンバータは車両乗員の近くに置かれることがあり、それゆえに、車両乗員の防護用に指定限界値を守らねばならない。ガイドラインは、一般的に、特定の周波数範囲について、１ｋＨｚ未満の周波数範囲において交番磁界を制限する規定を含んでいる。

磁界を制限する様々なアプローチが周知である。例えば、ハウジングは、高価な高透磁性材料から形成してもよいが、しかし、結果として、パワーコンバータの重量が大きくなる。車両乗員とパワーコンバータとの距離の拡大、または著しく大きな渦電流を発生させるため、ハウジングに対する厚いケーシングの使用は、車両内の設置スペース上の制約から多くの場合、不可能である。磁界放射の低減という観点から母線配列形状の最適化も考えられるが、しかし、これによって、ハウジング内に母線配列を設置する自由度が制限される。サンドイッチ材料から、例えば、アルミニウム層とその上にメッキされた強磁性層からハウジングを形成することも周知であるが、しかし、結果として高コストになる。

その結果として、本発明の目的は、パワーコンバータのコスト及び重量の点で経済的に生産してもよく、しかも電気損失を小さくするパワーコンバータにおける電磁両立性を向上させる実現性を記載している。

この問題を解決するために、本発明によれば、最初に記載した種類のパワーコンバータは、ハウジングの壁と母線配列との間に配置された少なくとも１つの高透磁性材料製の平面磁束誘導エレメントを含んでいる。

本発明は、ハウジングの壁と母線配列との間に少なくとも１つの高透磁性材料製の平面磁束誘導エレメントを導入し、結果として、ハウジング全体ではなく、前記磁界を特に強力に放射するハウジング領域の特定の場所にだけシールドを提供することで、特に１ｋＨｚ未満の周波数範囲において交番磁界の放射に関するパワーコンバータの電磁両立性を向上させる考えに基づくものである。

この種の平面磁束誘導エレメントは、有利には経済的に生産してもよく、結果として重量が少し増加するだけであり、その設置場所に合うように正確に調整してもよい。これにより、パワーコンバータの構成プロセスの範囲内で磁束誘導エレメントを比較的遅く追加して、電磁両立性の規定に関する基準の変更又は地域差に柔軟に適合させられる。平面磁束誘導エレメントのヒステリシス損失及び渦電流損失は、磁束誘導エレメントの磁束密度及び磁束誘導エレメントの体積に実質上左右されるという理由から、平面磁束誘導エレメントは、電気損失が極めて小さいという利点も有する。有利には、磁束誘導エレメントの体積は平面設計であることから小さい。

パワーコンバータは、好ましくはインバータとして構成される。ハウジングは一般的に、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金のような、低透磁性材料から形成される。本発明の文脈では、用語「低透磁性」は、透磁率が１に近い、特に、０．９～１．１であることを特に意味すると理解されたい。本発明の文脈では、用語「高透磁性」は、透磁率が少なくとも５０、好ましくは少なくとも１００、特に好ましくは少なくとも１０００であることを特に意味すると理解されたい。壁はハウジングの天井又は別の内側を形成してもよい。一般的には、磁束誘導エレメントを壁自体に配置すること、または壁と母線配列との間のパワーコンバータの別のコンポーネント内に配置することを規定してもよい。

磁束誘導エレメントは、有利には強磁性又はフェリ磁性材料から形成される。磁束誘導エレメントは、例えば、変圧器の構築に使用されるような軟鉄材料から形成してもよい。磁束誘導エレメントの厚さは一般的には最大限４ｍｍ、好ましくは最大限２ｍｍ、特に好ましくは最大限１．２ｍｍ、及び／又は、少なくとも０．０５ｍｍ、好ましくは少なくとも０．１ｍｍ、特に好ましくは少なくとも０．５ｍｍである。

母線配列は、１本の母線又は複数本の母線を含んでもよい。母線は複数の母線群を形成してもよい。

本発明に係るパワーコンバータでは、磁束誘導エレメントは金属プレートから形成すると規定してもよい。この種の金属プレートは入手が容易で、経済的である。あるいは、磁束誘導エレメントはフェライトプレートから形成すると規定してもよい。

本発明に係るパワーコンバータの有利な実施形態において、ハウジングは、第１のハウジングエレメントと低透磁性材料から形成されたカバーエレメントとを含み、該カバーエレメントは、第１のハウジングエレメントの内部に配置し、磁束誘導エレメントは、第１のハウジングエレメントにより形成された壁と母線配列との間のカバーエレメント上に配置すると規定されている。磁束誘導エレメントによる透磁率の局所的な上昇は、特に好都合なのは低透磁性カバーエレメントの場合であるが、その理由は、一般的に、比較的小さな渦電流だけカバーエレメント内には誘導されず、従って、重要な周波数範囲における磁界に対するシールド効果は小さくしかならない。カバーエレメントは、好ましくは平面で、及び／又は、アルミニウムから形成される。

磁束誘導エレメントは、例えば、接着ボンド及び／又は溶接及び／又はネジ又はリベットのような締結エレメントによって、カバーエレメント上に固定してもよい。例えば、融着及び／又は圧延及び／又は焼結及び／又はメッキによって、磁束誘導エレメントをカバーエレメントに組込み可能である。

第１の壁に対して特に垂直に延びる第１のハウジングエレメントの第２の壁の中の少なくとも１つの開口部を通って母線配列を第１のハウジングエレメントから外部にガイドし、磁束誘導エレメントはカバーエレメントの開口側エッジ部上に配置すると規定してもよい。かかる領域は、測定によって重要な周波数範囲において第１の壁を介して交番磁界の放射に関して特に重要なことが確認されており、従って、開口側エッジ部への磁束誘導エレメントの取付けは電磁両立性の向上に特に大きく貢献することになる。さらに、複数の開口部を設け、各開口部を通って母線配列の個別の母線群をガイドすると規定してもよい。

有利な改良例において、カバーエレメントは、少なくとも１つの開口部方向を向いた突起部を含み、磁束誘導エレメントは、それら突起部に跨ると規定されている。突起部によって開口部を有する第２の壁の近くまでカバーエレメントを延長して、シールド効果を空間的に大きく延ばしてもよい。磁束誘導エレメントの形状は、通常は突起の形状にほぼ対応している。磁束誘導エレメントは、好ましくは突起間のギャップに対して平行な領域には及んでいない。

カバーエレメント内に誘導された渦電流によるシールド効果の増強を達成するには、磁束誘導エレメントが配置されたカバーエレメントの一部分の厚さを他の部分よりも大きくするのが好ましい。母線配列の対向側又は反対側のカバーエレメントの高さにより、厚さを大きくしてもよい。

カバーエレメントは、内部に磁束誘導エレメントを配置する陥凹部を有することも有利である。これにより磁束誘導エレメントの締結が容易になる。陥凹部の深さは好ましくは内部に配置された磁束誘導エレメントの厚さの最大限１．５倍、特に好ましくは最大限１．１倍である。

第１のハウジングエレメントは、典型的には、パワーコンバータの電力エレクトロニクスユニットを収納しており、電力エレクトロニクスユニットは、入力側で交流電流を受電するか、又は出力側で交流電流を供給するように構成されている。

本発明に係るパワーコンバータの場合、好ましくは、ハウジングは、少なくとも１つの開口部を有する第２のハウジングエレメントを含み、この開口部を通って母線配列を第２のハウジングエレメントの内部にガイドし、磁束誘導エレメントを、第２のハウジングエレメントによって形成され、少なくとも１つの開口部を有する第２の壁に対して垂直に延びる壁と母線配列との間に配置すると規定されている。第２のハウジングエレメントの第１の壁も同様にパワーコンバータの強力な放射領域であることが測定により証明されている。従って、電磁両立性の向上を磁束誘導エレメントによりこれら領域において達成してもよい。複数の開口部を設けて、各開口部を通って母線配列の別々の母線群をガイドしてもよい。

一般的には、カバーエレメント上に配置された既述の磁束誘導エレメントは、第１の磁束誘導エレメントと呼んでもよく、第２のハウジングエレメントの第１の壁と母線配列との間に配置された磁束誘導エレメントは、第２の磁束誘導エレメントと呼んでもよい。

磁束誘導エレメントは、好ましくは第１の壁に配置されている。この目標を達成するために、第１の壁は、磁束誘導エレメントを挿入するスロットを便宜的に有する。磁束誘導エレメントは、例えば、接着ボンド及び／又は溶接及び／又はネジ又はリベットのような締結エレメントによって、第１の壁に固定してもよい。例えば、融着及び／又は圧延及び／又は焼結及び／又はメッキによって、磁束誘導エレメントは第１の壁に組込むことも可能である。

特に好ましくは、母線配列は、特定の開口部を通って第１のハウジングエレメントから第２のハウジングエレメントの内部にガイドされるように、ハウジングエレメントを相対配置すると規定されている。従って、交番磁界の放射によって特に影響を受けるハウジングエレメント間の境界領域の電磁両立性を磁束誘導エレメントによって効果的に向上させられる。通常は、第１のハウジングエレメントの第２の壁及び第２のハウジングエレメントの第２の壁は、すなわち、それぞれ開口部を有する壁は、多数のピースの形で形成され、及び／又は、締結エレメントによって相互に固定される。特に好ましい実施形態によれば、第２のハウジングエレメント内の少なくとも１つの開口部の境界を定める第２のハウジングエレメントの一部分は、第１のハウジングエレメント内の少なくとも１つの開口部の内部に突出している。

パワーコンバータの特定の実施形態では、開口部を通り抜けるワンピース磁束誘導装置によって磁束誘導エレメントを形成すると規定されている。磁束誘導装置は、通常は完全な平面である。個々の磁束誘導エレメントを創出するための全ての実施形態は、磁束誘導装置に移行させてもよい。

通常、第２のハウジングエレメントは、発電機に母線配列を接続するための接続装置を収納している。この点において、第２のハウジングエレメントは、端子ボックス、接続ボックス又は分岐接続ボックスと解釈しても、そのように呼んでもよい。

本発明の根拠をなす目的は、発電機及び本発明に係るパワーコンバータを含む配列によって達成され、パワーコンバータは、交流通電を供給して発電機のロータリフィールドを発生させるように構成されている。

本発明の根拠をなす目的は、本発明に係る配列を含む車両によっても達成され、発電機は車両を駆動するように構成されている。

本発明のさらなる効果及び詳細は、以下に記載した代表的実施形態から、図面を併せて参照することにより明瞭になろう。これらの図面は略図である。
本発明に係るパワーコンバータの第１実施形態の基本図である。 第１実施形態の斜視基本図である。 第１実施形態の第２のハウジングエレメントの領域の斜視基本図である。 第２実施形態の第１のハウジングエレメントの領域の切取詳細図である。 本発明に係るパワーコンバータの第３実施形態の斜視基本図である。 本発明に係るパワーコンバータの第４実施形態の斜視基本図である。 本発明に係るパワーコンバータの第５実施形態の切取基本図である。 本発明に係るパワーコンバータの第６実施形態の斜視基本図である。 本発明に係る配列からなる車両の実施形態の斜視基本図である。

図１はパワーコンバータ１の第１実施形態の基本図である。

パワーコンバータ１は、第１のハウジングエレメント３及び第２のハウジングエレメント４を有するハウジング２を含む。ハウジング２は、低透磁性材料から、この場合は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成され、それによりパワーコンバータ１の重量を軽減する。パワーコンバータ１は、さらに、各々が３本の母線６ａ、６ｂ、６ｃ及び７ａ、７ｂ、７ｃを有する２つの母線群６、７を含む母線配列５が含まれる。母線配列５は、出力側がインバータとして構成されたパワーコンバータ１の電力エレクトロニクスユニット８に接続されており、各母線群６、７が三相交流をガイドする。加えて、パワーコンバータ１は、別の母線１０を介して電力エレクトロニクスユニット８の入力側に接続された直流電圧結線９を含んでいる。

電力エレクトロニクスユニット８、直流電圧結線９、及び母線１０は、第１のハウジングエレメント３内に完全に収納され、第１のハウジングエレメントは、その上、カバーエレメント１１と、電力エレクトロニクスユニット８とカバーエレメント１１との間に配置され、電力エレクトロニクスユニット８用の制御電子回路ユニットを含むプリント基板１２とを収納している。対照的に、第２のハウジングエレメント４は、発電機をパワーコンバータ１に接続するための接続ボックス又は分岐接続ボックスを形成し、その目的のため、第２のハウジングエレメント４は、接続装置３３（図９を参照）を収納している。

第１のハウジングエレメント３は、第１のハウジングエレメント３の天井を形成する第１の壁１３ａ（図２を参照）、側壁として形成された第２の壁１３ｂ、他の側壁、及び基部を形成する第３の壁１３ｃを有している。側壁は、第３の壁１３ｃから垂直に延び、従って、第１の壁１３ａによって遮断されたレシーブ体積を形成する。第２のハウジングエレメント４は、第１の壁１４ａ（図４を参照）、側壁として形成された第２の壁１４ｂ、他の側壁、及び第１の壁１４ａに対向する第３の壁（図示せず）を有する。

母線配列５は、電力エレクトロニクスユニット８から、第１のハウジングエレメント３の第２の壁１３ｂに配置された２つの開口部１５、１６を通って、さらには、第２のハウジングエレメント４の第２の壁１４ｂに形成された２つの開口部１７、１８を通って、第２のハウジングエレメント４の内部に延びている。第１の母線群６は、従って開口部１５、１７を通って延びて、第２の母線群７は、開口部１６、１８を通って延びている。第２のハウジングエレメント４の内部では、母線配列５は図１の平面内に延びている。

第１のハウジングエレメント３の内部では、母線配列５は、大部分が第３の壁１３ｃとカバーエレメント１１との間に延びている。第１の磁束誘導エレメント１９は、母線配列５と第１の壁１３ａとの間のカバーエレメント上に配置されている。第１の磁束誘導エレメントは、カバーエレメント１１の開口側エッジ部上に位置している。第２の磁束誘導エレメント２０は、前記壁と母線配列５との間の第２のハウジングエレメント４の第１の壁１４ａに配置されている。磁束誘導エレメント１９、２０は、それぞれが厚さ１ｍｍの平面で、軟鉄材料製の高透磁性金属シートから形成され、１ｋＨｚ以下の周波数範囲における交番磁界をシールドすることで、パワーコンバータ１の電磁両立性を向上させる。

図２は、パワーコンバータ１の斜視基本図であり、第１の磁束誘導エレメント１９は、カバーエレメント１１上に、第１のハウジングエレメント３の第１の壁１３ａは、側壁に接続していない位置に配列していることを示す。第１の磁束誘導エレメント１９は、十分にフラットなカバーエレメント１１に寄り掛かっている。

図３は、パワーコンバータ１の第２のハウジングエレメント４の領域を示した斜視基本図である。

開口部１７、１８を通り抜けた後の母線配列５の角度プロフィールを見られる。第２の磁束誘導エレメント２０は、内部に形成されたスロット中に置くことで、第１の壁１４ａに配置され、前記第１の壁に接着又は溶接される。

以下、パワーコンバータ１のさらなる実施形態について説明するが、類似又は機能的に類似のコンポーネントには同一の参照符号が付してある。別段の記述がない限りは、これらのさらなる実施形態は第１の実施形態に対応している。

図４は、母線配列５及び磁束誘導エレメント１９を除いたパワーコンバータ１の第２実施形態の第１のハウジングエレメント３の領域を示す切取詳細図である。

第１の磁束誘導エレメント１９を配置したカバーエレメント１１の一部分２１は、厚さが他の部分よりも大きい。その結果、カバーエレメント１１内に十分な大きさの渦電流を発生させて、シールド効果をさらに増強してもよい。

陥凹部２２は、さらに母線配列５とは逆向きのカバーエレメントの側面上の一部分２１に形成され、磁束誘導エレメント１９は、前記陥凹部内に配置される。陥凹部は、磁束誘導エレメント１９と同様に、深さ１ｍｍであり、その結果、陥凹部の縁２３が磁束誘導エレメント１９と同一平面で終わる。

図５は、パワーコンバータ１の第３実施形態の斜視基本図である。第３実施形態では、第１のハウジングエレメント３は、その第２の壁１３ｂに、開口部１５、１６を囲むフレーム状突起部２４を有する。カバーエレメント１１は、開口部１５、１６の方向を向き、突起部２４に寄り掛かかり、第１の磁束誘導エレメントが配置された部分２１にオフセット２６を介して接続された突起部２５ａ、２５ｂを有する。しかし、この一部分２１は、第２実施形態では厚くされていない。

図６は、パワーコンバータ１の第４実施形態の斜視基本図である。第４実施形態では、第１のハウジングエレメント３は同様に突起部２４を含む。カバーエレメント１１は、厚化部分２１から開口部１５、１６の方向に突出し、突起部２４に寄り掛かっている４つの突起部２５ａ～２５ｄを有する。第１の磁束誘導エレメント１９は、この場合も突起部２５ａ～２５ｄに及んでいる。

図７は、パワーコンバータ１の第５実施形態の切取基本図である。第５実施形態では、開口部１７、１８それぞれの境界を定める第２のハウジングエレメント４のカラー状部分２７が第１のハウジングエレメント３内の開口部１５、１６の内部に突出している。

図８は、パワーコンバータ１の第６実施形態の斜視基本図であり、第１のハウジングエレメント３の第１の壁１３ａ及び第２のハウジングエレメント４の第１の壁１４ａは、ワンピース天井エレメント２８によって形成されている。

第７実施形態（図示せず）によれば、磁束誘導エレメント１９、２０は、開口部１５～１８を通り抜けるワンピース磁束誘導装置によって形成されている。

上述した複数の実施形態は、通常は、組み合わせることができる。さらなる実施形態によれば、磁束誘導エレメント又は各磁束誘導エレメント１９、２０はフェライトプレートから形成してもよい。さらなる実施形態では、磁束誘導エレメント又は各磁束誘導エレメント１９、２０をカバーエレメント１１に、又は、第２のハウジングエレメント４の第１の壁１４ａに組み込み、例えば、融着、圧延、焼結又はメッキ工程によって、又は、ネジ又はリベットのような締結エレメントによって固定すると規定されている。

図９は、配列３１の実施形態を含む車両３０の実施形態の基本図である。この配列は、車両３０を駆動するように構成された発電機３２、及び上述した実施形態の１つに係るパワーコンバータ１を含んでいる。パワーコンバータ１は、交流電流を供給して発電機３２の回転磁界を発生させるように構成されている。母線配列５を介して発電機３２をパワーコンバータ１の電力エレクトロニクスユニット８に接続する接続装置３３が第２のハウジングエレメント４内に配置されている。

Claims (14)

1. ハウジング（２）と、前記ハウジング（２）の内部に配置された母線配列（５）とを含むパワーコンバータ（１）であって、
   前記パワーコンバータ（１）において、前記母線配列（５）に沿って交流電流が流れるように構成され、
   前記ハウジング（２）の壁（１３ａ、１４ａ）と前記母線配列（５）との間に配置された少なくとも１つの高透磁性材料製の平面磁束誘導エレメント（１９、２０）を有し、
   前記ハウジングは、第１のハウジングエレメント（３）と、低透磁性材料から形成されたカバーエレメント（１１）と、を含み、
   前記カバーエレメント（１１）は、前記第１のハウジングエレメント（３）の内部に配置され、
   前記第１のハウジングエレメント（３）によって形成された壁（１３ａ）と前記母線配列（５）との間の前記カバーエレメント（１１）上に、磁束誘導エレメント（１９）が配置されている、ことを特徴とするパワーコンバータ。
2. 前記磁束誘導エレメント（１９、２０）は、金属プレート又はフェライトプレートから形成されている、請求項１に記載のパワーコンバータ。
3. 前記母線配列（５）は、第１のハウジングエレメント（３）の第２の壁（１３ｂ）の中の少なくとも１つの開口部（１５、１６）を通って第１のハウジングエレメント（３）の外にガイドされ、磁束誘導エレメント（１９）は、カバーエレメント（１１）の開口側エッジ部上に配置されている、請求項２に記載のパワーコンバータ。
4. 前記カバーエレメント（１１）は、少なくとも１つの開口部（１５、１６）の方向を向いた突起部（２５ａ～２５ｄ）を有し、磁束誘導エレメント（１９）は、突起部（２５ａ～２５ｄ）に及んでいる、請求項３に記載のパワーコンバータ。
5. 前記磁束誘導エレメント（１９）が配置された前記カバーエレメント（１１）の一部分（２１）は厚さが他の部分よりも大きい、請求項２から４のいずれか一項に記載のパワーコンバータ。
6. 前記カバーエレメント（１１）は、内部に磁束誘導エレメント（１９）が配置された陥凹部（２２）を有する、請求項２から５のいずれか一項に記載のパワーコンバータ。
7. 前記第１のハウジングエレメント（３）は、パワーコンバータ（１）の電力エレクトロニクスユニット（８）を収納して、電力エレクトロニクスユニットは、入力側で前記交流電流を受電するか、又は出力側で交流電流を供給するように構成されている、請求項２から６のいずれか一項に記載のパワーコンバータ。
8. 前記ハウジング（２）は、少なくとも１つの開口部（１７、１８）を有する第２のハウジングエレメント（４）を含み、少なくとも１つの開口部を通って母線配列（５）は、第２のハウジングエレメント（４）の内部にガイドされ、磁束誘導エレメント（２０）が、第２のハウジングエレメント（４）により形成され、しかも前記少なくとも１つの開口部（１７、１８）を含む第２の壁（１４ｂ）に対して垂直に延びる壁（１４ａ）と母線配列（５）との間に配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のパワーコンバータ。
9. 前記磁束誘導エレメント（２０）は、第１の壁（１４ａ）に配置されている、請求項８に記載のパワーコンバータ。
10. 前記母線配列（５）が開口部（１５～１８）を通って第１のハウジングエレメント（３）から第２のハウジングエレメント（４）の内部にガイドされるように、ハウジングエレメント（３、４）は相対配置されている、請求項４に従属する場合は、請求項８又は９に記載のパワーコンバータ。
11. 前記磁束誘導エレメント（１９、２０）は、開口部（１５～１８）を通り抜けるワンピース磁束誘導装置によって形成されている、請求項１０に記載のパワーコンバータ。
12. 前記第２のハウジングエレメント（４）は、発電機（３２）に母線配列（５）を接続するための接続装置（３３）を収納している、請求項８から１１のいずれか一項に記載のパワーコンバータ。
13. 前記パワーコンバータ（１）は、交流電流を供給して発電機（３２）の回転磁界を発生させるように構成されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の発電機（３２）及びパワーコンバータ（１）を含む配列（３１）。
14. 前記発電機（３２）は、車両（３０）を駆動するように構成されている、請求項１３に記載の配列（３１）を含む車両（３０）。

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