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公開番号2020202722
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201217
出願番号2019110346
出願日20190613
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社SOKEN,株式会社デンソー
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20201120BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】コンデンサモジュールにおける発熱量の偏りを抑制できる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】回転電機10に設けられ、直流電源と多相の巻線14を有する回転電機との間において電力を変換する電力変換装置であって、複数のスイッチモジュールUM,VM,WMと、複数のコンデンサモジュールCM1〜CM3と、正極側導電体LUと、負極側導電体LDと、を備え、各モジュールは、正極側導電体及び負極側導電体の間に並列に接続されているとともに環状に配置されており、正極側導電体及び負極側導電体は、環状をなし、周方向において各スイッチモジュール及び各コンデンサモジュールの並び順序で、各モジュールの端子TP,TMに接続されており、各スイッチモジュールの両隣にコンデンサモジュールが配置されており、その両隣に配置されたコンデンサモジュールに含まれるコンデンサの容量が互いに等しい。
【選択図】 図2
特許請求の範囲【請求項1】
回転電機(10)に設けられ、直流電源(40)と多相の巻線(14)を有する前記回転電機との間において電力を変換する電力変換装置(20)であって、
スイッチング動作により前記直流電源から各相の前記巻線に流れる電流の通電方向を制御するスイッチング素子(22,23)を有する複数のスイッチモジュール(UM,VM,WM)と、
前記スイッチング動作により前記電流に発生する高周波振動を抑制するコンデンサ(26)を有する複数のコンデンサモジュール(CM1〜CM3)と、
前記直流電源の正極側に接続される正極側導電体(LU)と、
前記直流電源の負極側に接続される負極側導電体(LD)と、を備え、
複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールは、前記正極側導電体及び前記負極側導電体の間に並列に接続されており、
複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールは、環状に配置されており、
前記正極側導電体及び前記負極側導電体は、環状をなし、周方向において各前記スイッチモジュール及び各前記コンデンサモジュールの並び順序で、それらの各モジュールの端子(TP,TM)に接続されており、
各前記スイッチモジュールの両隣に前記コンデンサモジュールが配置されており、その両隣に配置された前記コンデンサモジュールに含まれる前記コンデンサの容量が互いに等しい、電力変換装置。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールは、前記スイッチモジュールと前記コンデンサモジュールとが周方向に交互に並ぶように配置されている請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
周方向に並ぶ複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールにおいて、隣り合う前記スイッチモジュールの間に、前記正極側導電体及び前記負極側導電体に異なる接続位置で接続される2つの前記コンデンサモジュールがそれぞれ配置されている請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項4】
周方向に並ぶ複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールにおいて、隣り合う前記スイッチモジュールの間に、2以上の前記コンデンサモジュールがそれぞれ配置され、当該2以上の前記コンデンサモジュールが、前記正極側導電体及び前記負極側導電体に同じ接続位置で接続されている請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記正極側導電体及び前記負極側導電体において、前記スイッチモジュール及び前記コンデンサモジュールにおける各前記端子との接続位置が、周方向において等間隔に配置されている請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項6】
複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールが並ぶ仮想円上において、隣り合う各モジュールの間隔が他よりも拡張された拡張部(19)が設けられており、その拡張部を挟んで両側に、それぞれ前記コンデンサモジュールが配置されている請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記回転電機は、
回転軸(13)と共に一体回転可能に設けられる回転子(RA)と、
前記回転子に径方向に対向する位置に設けられ、前記多相の巻線を備える筒状の固定子(SA)と、
前記固定子の径方向内側又は径方向外側に固定される円筒部(16A)を有するハウジング(16)と、を備え、当該回転電機に組み付けられる電力変換装置であって、
複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールは、前記ハウジングにおいて前記円筒部に沿って周方向に並べて配置されている請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、回転電機に設けられ、直流電源と回転電機との間において電力を変換する電力変換装置に関する。
続きを表示(約 6,200 文字)【背景技術】
【0002】
この種の電力変換装置としては、例えば下記特許文献1に見られるように、環状の正極側導電体及び負極側導電体を備える電力変換装置が知られている。この電力検出装置では、正極側導電体及び負極側導電体の間に、環状に配置された複数のスイッチモジュール及び複数のコンデンサモジュールが並列に接続されている。これらのモジュールでは、周方向に隣接する少なくとも2つのコンデンサモジュールによりコンデンサグループが形成されており、コンデンサグループ内ではコンデンサモジュールが密に配置されるとともに、コンデンサグループ間ではコンデンサモジュールが疎に配置される。これにより、コンデンサグループ間に、他の部品を配置するためのスペースが確保される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2016−19346号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、コンデンサグループ内のコンデンサモジュールが密に配置されると、環状に配置された複数のスイッチモジュール及び複数のコンデンサモジュールの周方向において、スイッチモジュールの一方側にコンデンサモジュールが隣接して配置される一方、他方側にコンデンサモジュールが隣接して配置されないことがある。この場合、スイッチモジュールから、このスイッチモジュールに最も近い一方側のコンデンサモジュールに含まれるコンデンサに集中して電流が流れ、コンデンサに流れる電流に偏りが生じる。この結果、コンデンサモジュールの発熱量に偏りが生じ、熱性能が悪化する。
【0005】
コンデンサモジュールにおける発熱量の偏りを抑制するために、スイッチモジュールの両隣にコンデンサモジュールを配置することも考えられる。しかし、両隣に配置されたコンデンサモジュールに含まれるコンデンサの容量が異なると、スイッチモジュールから両隣のコンデンサモジュールに同量の電流が流れた場合でも、容量の小さいコンデンサを含むコンデンサモジュールの発熱量が大きくなり、熱性能が悪化する。特許文献1では、コンデンサの容量については検討されていない。
【0006】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、コンデンサモジュールにおける発熱量の偏りを抑制できる電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するための第1の手段は、回転電機に設けられ、直流電源と多相の巻線を有する前記回転電機との間において電力を変換する電力変換装置であって、スイッチング動作により前記直流電源から各相の前記巻線に流れる電流の通電方向を制御するスイッチング素子を有する複数のスイッチモジュールと、前記スイッチング動作により前記電流に発生する高周波振動を抑制するコンデンサを有する複数のコンデンサモジュールと、前記直流電源の正極側に接続される正極側導電体と、前記直流電源の負極側に接続される負極側導電体と、を備え、複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールは、前記正極側導電体及び前記負極側導電体の間に並列に接続されており、複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールは、環状に配置されており、前記正極側導電体及び前記負極側導電体は、環状をなし、周方向において各前記スイッチモジュール及び各前記コンデンサモジュールの並び順序で、それらの各モジュールの端子に接続されており、各前記スイッチモジュールの両隣に前記コンデンサモジュールが配置されており、その両隣に配置された前記コンデンサモジュールに含まれる前記コンデンサの容量が互いに等しい。
【0008】
直流電力を複数相の交流電力に変換する電力変換装置では、複数のスイッチモジュール及び複数のコンデンサモジュールが備えられており、これらが正極側導電体及び負極側導電体の間に並列に接続されている。これら複数のスイッチモジュール及び複数のコンデンサモジュールが環状に配置され、これに対応させて正極側導電体及び負極側導電体が環状をしていると、周方向における各モジュールの並び順序により、コンデンサモジュールにおける発熱量が偏ることがある。この点、上記構成では、各スイッチモジュールの両隣にコンデンサモジュールを配置するとともに、その両隣に配置されたコンデンサモジュールに含まれるコンデンサの容量を互いに等しくする。この構成によれば、各スイッチモジュールから、容量の等しい両隣のコンデンサに略等しい電流が流れるため、各コンデンサモジュールにおける発熱量を均等化でき、コンデンサモジュールにおける発熱量の偏りを抑制できる。
【0009】
第2の手段では、複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールは、前記スイッチモジュールと前記コンデンサモジュールとが周方向に交互に並ぶように配置されている。
【0010】
上記構成によれば、各コンデンサモジュールに含まれるコンデンサに流れる電流を均等化しつつ、電力変換装置に必要なコンデンサモジュールの数を減らすことができ、電力変換装置の構成を簡略化できる。
【0011】
第3の手段では、周方向に並ぶ複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールにおいて、隣り合う前記スイッチモジュールの間に、前記正極側導電体及び前記負極側導電体に異なる接続位置で接続されている2つの前記コンデンサモジュールがそれぞれ配置される。
【0012】
上記構成によれば、各コンデンサモジュールの両隣にスイッチモジュールが配置されることがない。そのため、両隣のスイッチモジュールから各コンデンサモジュールに含まれるコンデンサに電流が流れ、このコンデンサに過度の電流が流れることを抑制できる。
【0013】
第4の手段では、周方向に並ぶ複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールにおいて、隣り合う前記スイッチモジュールの間に、2以上の前記コンデンサモジュールがそれぞれ配置され、当該2以上の前記コンデンサモジュールが、前記正極側導電体及び前記負極側導電体に同じ接続位置で接続されている。
【0014】
上記構成によれば、接続位置を同一にすることで、周方向に隣り合うスイッチモジュールの間に2以上のコンデンサモジュールを配置した場合であっても、これらのコンデンサモジュールに均等に電流を流すことができ、コンデンサモジュールにおける発熱量の偏りを抑制できる。
【0015】
第5の手段では、前記正極側導電体及び前記負極側導電体において、前記スイッチモジュール及び前記コンデンサモジュールにおける各前記端子との接続位置が、周方向において等間隔に配置されている。
【0016】
上記構成によれば、各スイッチモジュールから見た、両隣のコンデンサモジュールに含まれるコンデンサのインピーダンスを等しくすることができる。これにより、各コンデンサに流れる電流を等しくすることができ、コンデンサモジュールにおける発熱量の偏りを抑制できる。
【0017】
第6の手段では、複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールが並ぶ仮想円上において、隣り合う各モジュールの間隔が他よりも拡張された拡張部が設けられており、その拡張部を挟んで両側に、それぞれ前記コンデンサモジュールが配置されている。
【0018】
回転電機では、回転電機を冷却するための冷却水を循環させる循環通路が形成されることがある。この回転電機に電力変換装置を設け、電力変換装置を構成する複数のスイッチモジュール及び複数のコンデンサモジュールを環状に配置しようとすると、これらモジュールが並ぶ仮想円上に循環通路の一部が配置されることがあり、隣り合う各モジュールの間隔が他よりも拡張された拡張部が設けられることがある。この場合に、周方向における拡張部の一方側にスイッチモジュールが配置され、周方向における拡張部の他方側に、スイッチモジュールの両隣に配置されるコンデンサモジュールのうちの一方が配置されると、このスイッチモジュールから他方のコンデンサモジュール、つまり拡張部とは逆側に配置されたコンデンサモジュールに集中して電流が流れ、コンデンサモジュールの発熱量に偏りが生じる。上記構成では、拡張部を挟んで両側に、それぞれコンデンサモジュールが配置されている。そのため、拡張部によりコンデンサモジュールの発熱量に偏りが生じることを抑制できる。
【0019】
第7の手段では、前記回転電機は、回転軸と共に一体回転可能に設けられる回転子と、前記回転子に径方向に対向する位置に設けられ、前記多相の巻線を備える筒状の固定子と、前記固定子の径方向内側又は径方向外側に固定される円筒部を有するハウジングと、を備え、当該回転電機に組み付けられる電力変換装置であって、複数の前記スイッチモジュール及び複数の前記コンデンサモジュールは、前記ハウジングにおいて前記円筒部に沿って周方向に並べて配置されている。
【0020】
回転子と固定子とが径方向に対向配置され、かつ固定子の径方向内側又は径方向外側にハウジングの円筒部が固定されている回転電機では円筒部に沿って環状の空間が形成されており、その環状の空間に、電力変換装置のスイッチモジュール及びコンデンサモジュールが配置される構成となっている。この場合、回転電機において回転子及び固定子に対して径方向内側又は径方向外側に各モジュールが配置されることになり、回転電機において電力変換装置を効率良く配置できる。また、固定子とハウジングとが一体化され、そのハウジングに電力変換装置が組み付けられる構成では、電力変換装置において固定子の熱の影響を受けることも考えられるが、上記のとおり各コンデンサモジュールの配置が工夫されていることで好適な熱対策を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
回転電機システムの全体構成図。
第1実施形態に係る回転電機の横断面図。
比較例のインバータの概略構成図。
コンデンサに流れる電流とコンデンサモジュールの発熱量との関係を示す図。
コンデンサモジュールの電流増幅率の周波数特性を示す図。
第2実施形態に係るインバータの概略構成図。
第3実施形態に係る回転電機の横断面図。
第4実施形態に係るインバータの概略構成図。
その他の実施形態に係るスイッチモジュールの回路構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0022】
(第1実施形態)
以下、本発明に係る電力変換装置を、車載の回転電機システム100に適用した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【0023】
図1に示すように、本実施形態に係る電力変換装置20は、バッテリ40と回転電機10との間において電力を変換するものであり、インバータ21と、回転電機10を制御対象とする制御装置30と、を備えている。
【0024】
回転電機10は、回生発電及び力行駆動の機能を有し、具体的には、MG(Motor Generator)である。回転電機10は、バッテリ40との間で電力の入出力を行うものであり、力行時には、バッテリ40から供給される電力により車両に推進力を付与し、回生時には、車両の減速エネルギーを用いて発電を行い、バッテリ40に電力を出力する。
【0025】
回転電機10は、スター結線型の3相の巻線14を有する。巻線14は、U,V,W相巻線14U,14V,14Wを含む。回転電機10の各相の巻線14は、インバータ21を介して、直流の電源部であるバッテリ40に接続されている。バッテリ40は、充放電可能な蓄電池であり、具体的には、複数のリチウムイオン蓄電池が直列接続された組電池である。なお、バッテリ40は、他の種類の蓄電池であってもよい。本実施形態において、バッテリ40は「直流電源」に相当する。
【0026】
インバータ21は、高電位側のスイッチング素子である上アームスイッチ22(22A,22B,22C)、及び低電位側のスイッチング素子である下アームスイッチ23(23A,23B,23C)の直列接続体を有する複数のスイッチモジュールUM,VM,WMを備える。各上アームスイッチ22と下アームスイッチ23の接続点には、回転電機10の対応する相の巻線14の第1端が接続されている。なお、本実施形態では、スイッチ22,23として、電圧制御形の半導体スイッチング素子を用いており、より具体的にはIGBTを用いている。各スイッチには、フリーホイールダイオード24が逆並列にそれぞれ接続されている。
【0027】
また、インバータ21は、コンデンサ26(26A,26B,26C)を有する複数のコンデンサモジュールCM1〜CM3を備える。本実施形態では、インバータ21に、スイッチモジュールUM,VM,WMの個数と同数の3つのコンデンサモジュールCM1〜CM3が備えられており、各コンデンサモジュールCM1〜CM3に含まれるコンデンサ26の容量が互いに等しく設定されている。なお、本実施形態では、コンデンサ26として電解コンデンサを用いている。
【0028】
複数のスイッチモジュールUM,VM,WM及び複数のコンデンサモジュールCM1〜CM3は、正極側導電体LU及び負極側導電体LDの間に並列に接続されている。正極側導電体LUは、電源線LEによりバッテリ40の正極側に接続されており、負極側導電体LDは、接地線LGによりバッテリ40の負極側に接続されている。
【0029】
制御装置30は、指令値を取得し、回転電機10の制御量をその指令値に制御すべく、インバータ21を制御する。制御量は、例えばトルクである。具体的には、制御装置30は、インバータ21の制御において、デッドタイムを挟みつつスイッチ22,23を交互にオン状態とするスイッチング動作をすべく、スイッチ22,23それぞれに対応する駆動信号SCを、スイッチ22,23に出力する。
【0030】
各スイッチモジュールUM,VM,WMは、この駆動信号SCに基づくスイッチ22,23のスイッチング動作により、バッテリ40から各相の巻線14に流れる電流IMの通電方向を制御する。各コンデンサモジュールCM1〜CM3は、スイッチング動作により電流IMに発生する高周波振動をコンデンサ26により抑制する。
(【0031】以降は省略されています)

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