JP2023012919A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化と磁気干渉抑制とを両立させた電力変換装置を提供する。
【解決手段】
電力変換装置は、インバータ回路と、交流導体と、交流電流が流れたときに生じる磁気を検出する磁気センサと、前記交流導体と前記磁気センサを挟んで対向する第１磁性体および第２磁性体と、導電性部材で形成される第１筐体と第２筐体と、を備え、前記第１筐体は、前記第１磁性体と前記第２磁性体に挟まれた空間において、一方の開口を覆い、前記第２筐体は、前記空間の他方の開口を覆い、前記第１磁性体と前記第２磁性体のそれぞれの端部は、前記第１筐体又は前記第２筐体までの距離が前記第１磁性体と前記第２磁性体の配列方向の厚みより小さくなるように形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

本発明の背景技術として、下記の特許文献１は、磁気シールドの外部から磁気ノイズが及ぶ場合であっても電流検出の応答遅れが生じないように、磁気センサの側面と下面とを磁性体によりシールドしているコアレス電流測定装置について技術開示されている。

特開２０１９－１８４３５５号公報

特許文献１に記載の構成を踏まえて、さらなる顧客要請に応えるため、薄型の電力変換装置の構造であっても同様の効果が出るようにするために、本発明は、薄型化と磁気干渉抑制とを両立させた電力変換装置を提供することが目的である。

電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換するインバータ回路と、前記交流電流を伝達する交流導体と、前記交流電流が前記交流導体を流れたときに生じる磁気を検出する磁気センサと、前記交流導体と前記磁気センサを挟んで対向する第１磁性体および第２磁性体と、導電性部材で形成される第１筐体と第２筐体と、を備え、前記第１筐体は、前記第１磁性体と前記第２磁性体に挟まれた空間において、一方の開口を覆い、前記第２筐体は、前記空間の他方の開口を覆い、前記第１磁性体と前記第２磁性体のそれぞれの端部は、前記第１筐体又は前記第２筐体までの距離が前記第１磁性体と前記第２磁性体の配列方向の厚みより小さくなるように形成されている。

本発明によれば、薄型化と磁気干渉抑制とを両立させた電力変換装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の外観斜視図と筐体カバーを外した筐体内部図 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の分解斜視図とブロック図 本発明の第１の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の斜視図とＡ－Ａ断面図 図３（ｂ）をＲ方向から見た断面図 本発明の第１の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図 本発明の第１の実施形態に係る、筐体と磁性体との距離についての説明図 本発明の第２の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図 本発明の第３の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図 本発明の第４の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図 本発明の第５の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図 本発明の第６の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図 本発明の第７の実施形態に係る、磁気検出感度補正部についての図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（第１の実施形態および電力変換装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の外観斜視図と筐体カバーを外した筐体内部図である。

電力変換装置の筐体２ａは、筐体２ａの内部に収納しているインバータ回路に直流電流を供給する直流入力端子２２と、インバータから交流電流を外部へ出力する交流導体６と、インバータ回路を冷却する冷媒を筐体２ａ内部へ供給する冷媒流入口２１と、インバータ回路の制御信号を外部の制御装置と伝送する制御信号入出力端子７と、を備えている。筐体２ａの底部（ベース）の筐体２は、導電性部材である。この筐体２ａのカバーによって内部を密閉することにより、外部から異物や水が侵入することを防いでいる。

筐体２ａの内部には、直流入力端子２２から入力される入力電流を平滑化するコンデンサ２５と、直流電流を交流電流に変換する主回路部２４と、主回路部２４を冷却する冷媒流路２３と、交流導体６が生成する磁束を検出する磁気検出用基板８と、磁気検出用基板８を覆うように形成されている第１筐体１と、が収納されている。第１筐体１は、導電性部材である。磁気検出用基板８は、３相分の交流導体６にそれぞれ対応する３つの磁気センサ５（図３参照）を有しており、第２筐体２にねじ止めなどで固定されている。

図２は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の分解斜視図とブロック図である。

インバータ回路の主回路部２４は、直流入力端子２２と、コンデンサ２５と、ＩＧＢＴ素子２６と、ダイオード素子２７と、交流導体６と、により構成されている。コンデンサ２５は、直流入力端子２２の正極及び負極と並列に接続されている。ＩＧＢＴ素子２６とダイオード素子２７とを直列に接続してスイッチング素子として機能する部分は、コンデンサ２５と並列に接続されることで、ハーフブリッジ回路を構成している。ＩＧＢＴ素子２６は、図示されていない制御回路の信号に基づいてオンまたはオフされることによって直流電流を交流電流に変換している。

主回路部２４の上下の主面には、冷媒流路２３が設けられている。冷媒流路２３の内部には、冷媒流入口２１を介して外部から供給されるロングライフクーラントなどの冷媒が流れる。冷媒流路２３は、冷却性能を向上させるため内部にフィンが形成されている。主回路部２４は、冷媒流路２３や第２筐体２と絶縁するため絶縁性樹脂で封止されている。

冷媒流路２３が接触する主回路部２４の放熱面は、放熱グリス等を塗布することで冷媒流路２３との密着性が高められ、接触熱抵抗が低減されている。主回路部２４は、プリント基板などの配線材料にＩＧＢＴ素子２６およびダイオード素子２７を実装することで構成されている。

主回路部２４とコンデンサ２５は、はんだなどの接合材料によって電気的に接続されている。交流導体６は、ねじ締結やはんだ接合などにより主回路部２４と電気的に接続されている。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の斜視図とＡ－Ａ断面図である。

磁気センサ５の出力信号は、磁気検出用基板８の配線を介して制御信号入出力端子７から、筐体２ａ外部の図示されていないインバータ制御回路へ伝送される。磁気検出用基板８には磁気センサ５のほかに磁気センサ５に電力を供給する電源回路などが搭載される。交流導体６は磁気センサ５の下面を通過した後、第１筐体１の下面方向に突出させることで、モータ電流の磁束が磁気センサ５以外の電子部品に干渉することを抑制している。

第１磁性体３および第２磁性体４は磁気センサ５よりも紙面左右方向に長く形成されている。これによって、第１磁性体３および第２磁性体４の左右側面から回り込む磁束を抑制することができる。

図４は、図３（ｂ）をＲ方向から見た断面図である。

第１磁性体３と第２磁性体４は、電磁鋼板やフェライトコアなどで構築され、交流導体（配線）６と磁気センサ５を間に挟んで、それぞれが互いに対向する位置に配置されている。第１筐体１は、第１磁性体３と第２磁性体４とに挟まれた空間において、一方の開口を覆い、第２筐体２は他方の開口を覆っている配置になっている。これによって、交流導体６に電流が流れた際に発生する磁束のうち、左右に広がる磁束を集磁することで周囲へ漏洩することを抑制することができる。第１磁性体３と第２磁性体４は、磁気検出用基板８に設けられた図示しない貫通孔に固定される。この貫通孔によって、磁性体３，４の位置が磁気センサ５および交流導体６の中央から線対称に定められている。

磁気センサ５は、磁気検出用基板８上に第１磁性体３と第２磁性体４の配列方向に複数配置されており、交流導体６に流れる各相の電流が生成する磁束を検出するため、それぞれの相の交流導体６の上部に配置されている。磁気センサ５は、紙面左右方向の磁束を検出することにより、外部磁束の干渉を低減している。また、磁気センサ５は、交流導体６と近接させることによって磁束の検出感度を高めることができる。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図である。

第１筐体１と第２筐体２は、アルミなどの非磁性導体で構築され、第１磁性体３と第２磁性体４に挟まれた空間の開口部を覆うように配置されている。これによって、交流導体６にモータ電流１１が流れた際に発生する磁束９が、第１筐体１と第２筐体２に誘導電流１０を生じさせ、この誘導電流１０に起因する磁束がモータ電流１１に起因する磁束９を遮っている。こうすることで、各相の交流導体６の間であり磁気センサ５の側方のみに磁性体３，４を配置する構成にして、高さ方向（紙面上下方向）に磁気シールドを設けないことで薄型化に貢献させつつ、この空間から他相への磁束漏洩を抑制している。

本構造により、磁気センサ５の上面と交流導体６の下面に追加の磁性体を設けることなく、交流導体６に流れるモータ電流１１の磁束９が他相の磁気センサ５や周囲の回路へ干渉することを抑制することができる。これにより、電力変換装置の薄型化と電流検出精度の向上とが両立される。さらに、本構造は磁束９の漏洩を抑制する磁性体３，４および筐体１，２がそれぞれ分割されているため組み立て性が向上する。

第１筐体１は、磁気検出用基板８を覆うように配置され、図示しない制御基板を上部へ配置する際の固定対象物になるとともに、制御基板の下面にケース電位面を広く形成させることで制御回路の電位を安定化させる。

交流導体６は、銅などの導体で構築され、パワーモジュールの出力端子やモータと溶接やねじ止めにより電気的に接続される。また、交流導体６は、絶縁材料２８を介して第２筐体２に固定されている。そのため交流導体６と磁性体３，４および磁気センサ５は、第２筐体２と磁気検出用基板８を介して相対位置が定められている。

図６は、本発明の第１の実施形態に係る、筐体と磁性体との距離についての説明図である。

第１磁性体３と第２磁性体４の配列方向の厚み１２は、第１磁性体３または第２磁性体４が、それぞれ第１筐体１または第２筐体２と最も接近する箇所（磁性体の端部）の厚みを指している。第１磁性体３または第２磁性体４のそれぞれの端部から、第１筐体１または第２筐体２までの距離１３は、第１磁性体３または第２磁性体４が第１筐体１または第２筐体２と最も接近する箇所の間の距離を指している。距離１３は、磁性体３，４の端部の厚み１２よりも小さくなるように磁性体３，４が配置されている。この条件を達成できれば、磁性体３，４の中心部分の形状に限定はなく、たとえば、磁性体３，４の中心部分がくびれるような形状でもよい。また、磁性体３，４と筐体１，２は接触していてもよい。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図である。

第１筐体１は電子部品１４の設置箇所に対してのスペースを取りながら、第２筐体２と対向する面であって、磁気センサ５と第１磁性体３と第２磁性体４と交流導体６の上面に凸部１ａを有する。第１筐体１は、凸部１ａにより第１磁性体３と第２磁性体４のそれぞれの端部が第１筐体１と近接している。このようにしたので、磁気検出用基板８に磁気センサ５よりも大型な電子部品１４が搭載される場合に、第１磁性体３と第２磁性体４を大型化させる必要がない。また、前述した第１磁性体３と第２磁性体４の配列方向の厚み１２よりも第１筐体１または第２筐体２までの距離が小さくなるように配置されている。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図である。

第１筐体１は、磁気センサ５と第１磁性体３と第２磁性体４と交流導体６の上面において、外部方向に凹部１ｂを有する。凹部１ｂにより第１磁性体３と第２磁性体４の側面が第１筐体１で覆われるため、第１磁性体３および第２磁性体４と第１筐体１の隙間から、側方へ（紙面左右方向へ）漏洩する磁束を抑制することができる。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図である。

第１磁性体３と第２磁性体４は、それぞれが対向する面に磁性体凸部１５を有している。磁性体凸部１５は、それぞれの凸部分の延長線が、磁気センサ５の上面と交流導体６の下面よりも、第１筐体１および第２筐体２側に形成されている。このように、第１磁性体３と第２磁性体４の対向面に凸部１５を設けることで、交流導体６を流れるモータ電流の磁束が磁性体凸部１５へ誘導され、第１磁性体３と第２磁性体４それぞれの磁性体凸部１５に挟まれた空間あるいはその開口部分から周囲へ漏洩する磁束が抑制される。

（第５の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図である。

第１磁性体３と第２磁性体４は、磁性体凸部１５を有し、磁性体凸部１５によって磁気検出用基板８にそれぞれ固定されることで、高さ位置が決定する。これにより、第１磁性体３および第２磁性体４と磁気センサ５の相対位置を精度よく定めることができる。

なお、固定方法として、第１磁性体３と第２磁性体４それぞれの凸部１５に対して、接着剤を付着させることで磁性体３，４を磁気検出用基板８へ固定させることもできる。また、第１磁性体３と第２磁性体４を挿入するために磁気検出用基板８に設けられる貫通孔８ａの周囲に図示しない筐体電位配線を配置し、第１磁性体３と第２磁性体４を筐体電位配線にはんだ付けすることで第１磁性体３と第２磁性体４の電位を定めることができる。

（第６の実施形態）
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る、磁気センサ周辺部の断面図である。

本実施形態では、前述の交流導体６に替えて、磁気検出用基板８上に交流配線６ａが設けられており、この交流配線６ａにモータ電流１１が流れるように構成されている。このとき、磁気検出用基板８において、磁気センサ５を搭載する面の裏面に交流配線６ａを設けることによって、磁気センサ５と交流配線６ａの間を絶縁するために必要な沿面距離２９を確保しつつ、磁気センサ５と交流配線６ａを近接させることができる。これにより、磁気センサ５が磁束を検出する感度が向上する。さらに、交流配線６ａと磁気センサ５の位置が正確に定められるため、磁気センサ５の検出精度が向上する。

（第７の実施形態）
図１２は、本発明の第７の実施形態に係る、磁気検出感度補正部についての図である。

磁気センサ５は、交流導体６を流れるモータ電流の磁束を検出し、磁束検出感度補正部１７に磁束検出値を出力する。角度センサ２０は、モータの回転子と接続され、速度変換部１９に回転子位置信号を出力する。速度変換部１９は、角度センサ２０から入力される回転子位置信号に基づいて、磁束検出感度補正部１７にモータの回転子の角速度を算出する。この角速度は、交流導体６を流れるモータ電流の周波数と対応している。なお、磁束検出感度補正部１７、速度変換部１９は、図１の制御信号入出力端子と接続される図示しない筐体外部の制御部に搭載されている。

磁束検出感度補正部１７には、モータの回転子の角速度と、磁気センサ５における磁束検出感度との関係が予め設定されている。この関係に基づき、磁気センサ５から入力される磁束検出値と、速度変換部１９から入力される角速度と、を用いて、補正後磁束検出値を算出して電流算出部１８に出力する。電流算出部１８は、予め設定された磁束検出値とモータ電流との関係に基づき、入力された補正後磁束検出値からモータ電流を算出する。なお、電流算出部１８は、図１の制御信号入出力端子と接続される図示しない筐体外部の制御部に搭載されている。

これにより、第１筐体１および第２筐体２に発生する誘導電流１０に起因して変化する磁気センサ５の磁束検出感度の変化を補正し、モータ電流の検出精度を向上させることができる。

以上説明した本発明の第１から第７の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換するインバータ回路と、交流電流を伝達する交流導体６と、交流電流が交流導体を流れたときに生じる磁気を検出する磁気センサ５と、交流導体６と磁気センサ５を挟んで対向する第１磁性体３および第２磁性体４と、導電性部材で形成される第１筐体１と第２筐体２と、を備えている。第１筐体１は、第１磁性体３と第２磁性体４に挟まれた空間において、一方の開口を覆い、第２筐体２は、空間の他方の開口を覆い、第１磁性体３と第２磁性体４のそれぞれの端部は、第１筐体１又は第２筐体２までの距離が第１磁性体３と第２磁性体４の配列方向の厚みより小さくなるように形成されている。このようにしたことで、薄型化と磁気干渉抑制とを両立させた電力変換装置を提供できる。

（２）第１筐体１は、第２筐体２と対向する面に、第２筐体２に向かって突出するように形成された凸部１ａを有し、凸部１ａと第２筐体２との間に、磁気センサ５と、第１磁性体１と、第２磁性体２と、交流導体６と、を配置した。このようにしたことで、磁気センサ５よりも大型な電子部品が搭載される場合に、第１磁性体３と第２磁性体４を大型化させる必要がない。

（３）第１筐体１は、第２筐体２と対向する面に、第２筐体２から離れる方向に凹んで形成された凹部１ｂを有し、凹部１ｂと第２筐体２との間に、磁気センサ５と、第１磁性体と、第２磁性体と、交流導体６と、を配置した。このようにしたことで、第１磁性体３および第２磁性体４と第１筐体１の隙間から、側方へ（紙面左右方向へ）漏洩する磁束を抑制することができる。

（４）第１磁性体３と第２磁性体４は、それぞれ互いに対向する磁性体凸部１５を有し、磁性体凸部１５のそれぞれの凸部分の延長線は、磁気センサ５の上面と交流導体６の下面よりも、第１筐体１および第２筐体２側に形成されている。このようにしたことで、交流導体６を流れるモータ電流の磁束が磁性体凸部１５へ誘導され、第１磁性体３と第２磁性体４それぞれの磁性体凸部１５に挟まれた空間あるいはその開口部分から周囲へ漏洩する磁束が抑制される。

（５）磁気センサ５が配置された磁気検出用基板８を備え、第１磁性体３と第２磁性体４は、磁性体凸部１ａを有し、磁性体凸部１ａは、第１磁性体３と第２磁性体４とを磁気検出用基板８にそれぞれ固定させる。このようにしたことで、第１磁性体３および第２磁性体４と磁気センサ５の相対位置を精度よく定め、かつ第１磁性体３と第２磁性体４の電位を定めることができる。

（６）磁気センサ５が配置された磁気検出用基板８を備え、交流導体６は、磁気検出用基板８上に設けられた配線によって構成され、磁気検出用基板８において、交流導体６が配置されない面に磁気センサ５が配置される。このようにしたことで、磁気センサ５と交流配線６ａの間を絶縁するために必要な沿面距離を確保しつつ、磁気センサ５と交流配線６ａを近接させることができ、磁気センサ５が磁束を検出する感度が向上する。さらに、交流配線６ａと磁気センサ５の位置が正確に定められるため、磁気センサ５の検出精度が向上する。

（７）モータの回転子に接続された角度センサ２０から出力される回転子位置信号を角速度に変換する速度変換部１９と、磁気センサ５が出力する磁束検出値を補正する磁束検出感度補正部１７と、を備え、磁束検出感度補正部１７は、磁気センサ５から出力される磁束検出値と、速度変換部１９から出力される角速度と、予め設定された角速度と磁束検出感度との関係と、に基づき磁束検出値を補正する。このようにしたことで、第１筐体１および第２筐体２に発生する誘導電流１０に起因して変化する磁気センサ５の磁束検出感度の変化を補正し、モータ電流の検出精度を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１ 第１筐体
１ａ 凸部
１ｂ 凹部
２ 第２筐体（ベース部分）
２ａ インバータ筐体（全体）
３ 第１磁性体
４ 第２磁性体
５ 磁気センサ
６ 交流導体
６ａ 交流導体配線
７ 制御信号入出力端子
８ 磁気検出用基板
８ａ 貫通孔
９ 磁束
１０ 誘導電流
１１ モータ電流
１２ 配列方向の厚み
１３ 磁性体端部と筐体までの距離
１４ 電子部品
１５ 磁性体凸部
１７ 磁束検出感度補正部
１８ 電流算出部
１９ 速度変換部
２０ 角度センサ
２１ 冷媒流入口
２２ 直流入力端子
２３ 冷媒流路
２４ 主回路部
２５ コンデンサ
２６ ＩＧＢＴ素子
２７ ダイオード素子
２８ 絶縁材料
２９ 沿面距離

Claims (7)

1. 直流電流を交流電流に変換するインバータ回路と、
   前記交流電流を伝達する交流導体と、
   前記交流電流が前記交流導体を流れたときに生じる磁気を検出する磁気センサと、
   前記交流導体と前記磁気センサを挟んで対向する第１磁性体および第２磁性体と、
   導電性部材で形成される第１筐体と第２筐体と、を備え、
   前記第１筐体は、前記第１磁性体と前記第２磁性体に挟まれた空間において、一方の開口を覆い、
   前記第２筐体は、前記空間の他方の開口を覆い、
   前記第１磁性体と前記第２磁性体のそれぞれの端部は、前記第１筐体又は前記第２筐体までの距離が前記第１磁性体と前記第２磁性体の配列方向の厚みより小さくなるように形成されている
   電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記第１筐体は、前記第２筐体と対向する面に、前記第２筐体に向かって突出するように形成された凸部を有し、
   前記凸部と前記第２筐体との間に、前記磁気センサと、前記第１磁性体と、前記第２磁性体と、前記交流導体と、を配置した
   電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記第１筐体は、前記第２筐体と対向する面に、前記第２筐体から離れる方向に凹んで形成された凹部を有し、
   前記凹部と前記第２筐体との間に、前記磁気センサと、前記第１磁性体と、前記第２磁性体と、前記交流導体と、を配置した
   電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記第１磁性体と前記第２磁性体は、それぞれ互いに対向する磁性体凸部を有し、
   前記磁性体凸部のそれぞれの凸部分の延長線は、前記磁気センサの上面と前記交流導体の下面よりも、前記第１筐体および前記第２筐体側に形成されている
   電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記磁気センサが配置された磁気検出用基板を備え、
   前記第１磁性体と前記第２磁性体は、磁性体凸部を有し、
   前記磁性体凸部は、前記第１磁性体と前記第２磁性体とを前記磁気検出用基板にそれぞれ固定させる
   電力変換装置。
6. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記磁気センサが配置された磁気検出用基板を備え、
   前記交流導体は、前記磁気検出用基板上に設けられた配線によって構成され、
   前記磁気検出用基板において、前記交流導体が配置されない面に前記磁気センサが配置される
   電力変換装置。
7. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   モータの回転子に接続された角度センサから出力される回転子位置信号を角速度に変換する速度変換部と、
   前記磁気センサが出力する磁束検出値を補正する磁束検出感度補正部と、を備え、
   前記磁束検出感度補正部は、前記磁気センサから出力される磁束検出値と、前記速度変換部から出力される角速度と、予め設定された角速度と磁束検出感度との関係と、に基づき前記磁束検出値を補正する
   電力変換装置。

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