(57)【要約】【課題】端子台が片持ち支持され、反対側の端部で外部のケーブルと接続されるインバータに関し、端子台の支持端に加わる応力を低減する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示するインバータは、インバータ内部のバスバとモータから延びているパワーケーブルの端子を接続する端子台３を備える。端子台３は、インバータ内部で片持ち支持されている。端子台３は、端子５０を取り付けるための端子取付面３ａが、端子台３の支持端３ｅから先端３ｆへ向かう方向と交差する方向を向いている。端子取付面上に位置するバスバ先端９ａとパワーケーブルの端子５０を、挿通されるボルト５２によって締結できるように、ボルト５２を受けるナット５を備える。ナット５は、端子台から外れることなくボルト挿通方向に移動可能に取り付けられている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ内部のバスバとモータから延びているパワーケーブルの端子を接続する端子台を備えたインバータであり、
前記端子台は、
インバータ内部で片持ち支持されており、
前記端子を取り付けるための端子取付面が、端子台の支持端から支持端とは反対側の端部へ向かう方向と交差する方向を向いており、
端子取付面上に位置するバスバ先端とパワーケーブルの端子を、前記交差する方向に挿通されるボルトによって締結できるように、前記ボルトを受けるナットを備えており、
前記ナットが、端子台から外れることなく前記交差する方向に移動可能に取り付けられていることを特徴とするインバータ。
【請求項２】
前記ナットは、
側面に突出部を備えており、当該突出部によって端子台から外れないように係止されており、
ボルト挿入側の端面が、端子取付面よりも突出するまで移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
【請求項３】
端子取付面がインバータの筐体に設けられた開口に面しており、
前記ボルトは、前記開口を通して端子取付面上に位置するバスバ先端とパワーケーブルの端子に挿通されて端子台の前記ナットに締結されることを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ。
【請求項４】
前記端子台の本体は樹脂製であり、
インバータの出力電流であって前記バスバを流れる電流を計測する電流センサと前記バスバがインサート成形により本体と一体になっていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のインバータ。
【請求項５】
インバータは、
モータに交流電力を出力するためのスイッチング素子を収めた複数の平板型の半導体モジュールと複数の平板型の冷却プレートを積層した半導体積層ユニットを備えており、
前記バスバのパワーケーブル端子接続側とは反対側の端部が、半導体モジュールの電流出力端子に接続していることを特徴とする請求項４に記載のインバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車のモータを駆動するインバータに関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した周波数の交流電力に変換するインバータを備える。また、多くの電気自動車では、制動の際に車両の慣性エネルギを利用してモータに発電させ、発電した電力をインバータが直流に変換し、バッテリを充電する。
【０００３】
インバータとモータをつなぐ電気ケーブル（パワーケーブルと称する）には大電流が流れるため、太い導線が用いられる。パワーケーブルの一端はモータに接続し、他端はインバータに接続する。インバータとパワーケーブルの接続部分は高電圧となるため、接続部分を外部から隔離すべく、接続部分をインバータの筐体内部に設けることがある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１８７９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インバータを含む車載のデバイスには小型化が求められる。インバータの筐体内部には様々な部品が収納されるが、全体を小型化するため、部品の配置に工夫が求められる。様々な部品の配置を工夫し、インバータの筐体を小型化する結果、パワーケーブルの端子を接続するための端子台についてはレイアウトの自由度が小さくなり、場合によっては、端子台を片持ち支持で固定することが要求されることがある。他方、パワーケーブルは太くて剛性が高いため、片持ち支持された端子台の先端（端子台の支持端から離れた端部）あるいはその付近にてパワーケーブルが接続されると、パワーケーブルに引っ張られて端子台の支持端に応力集中が生じることがある。本明細書は、端子台が片持ち支持され、反対側の端部で外部のケーブルと接続されるインバータに関し、端子台の支持端に加わる応力を低減する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示するインバータは、インバータ内部のバスバとモータから延びているパワーケーブルの端子を接続する端子台を備える。その端子台は、インバータ内部で片持ち支持されている。そして、端子取付面は、端子台の支持端から支持端とは反対側の端部へ向かう方向と交差する方向を向いている。ここで、説明を簡単にするために、「支持端から支持端とは反対側の端部へ向かう方向と交差する方向」を、「片持ち梁横方向」と称する。端子取付面は、インバータの筐体に設けられた開口に面している。さらに、端子台は、端子取付面上に位置するバスバ先端とパワーケーブルの端子を、開口を通して片持ち梁横方向に挿通されるボルトによって締結できるように、ボルトを受けるナットを備えている。そのナットは、端子台から外れることなく片持ち梁横方向に移動可能に取り付けられている。より具体的には、ナットは、ボルトによってバスバ先端とパワーケーブルの端子を締結した後にも所定の長さだけ、端子台から外れることなく片持ち梁横方向に移動可能に取り付けられている。ナットを移動可能に取り付ける一態様では、ナットは、端子台の端子取付面に面して設けられた窪みであって内部空間に対して開口がボトルネック状に狭くなっている窪みに組み込まれている。一方、ナットの一態様は、側面に突出部を備えており、その突出部が窪みの開口のボトルネック部分に係止され、端子台から外れないように構成されている。そして、ナットのボルト挿入側の端面（前端面）が、端子取付面よりも突出するまで移動可能である。
【０００７】
上記の構造によれば、ボルトが筐体の開口を通して端子取付面上に位置するバスバ先端とパワーケーブルの端子に挿通されて端子台の前記ナットに締結される。そして、バスバ先端とパワーケーブルの端子がナットの前端面とボルトの間で締結された後も締結部（ボルトとナット）が所定の長さだけ移動できる。その所定長さがいわゆる「遊び」（クリアランス／アロウワンス）となり、パワーケーブルの剛性による引っ張り力を緩和し、支持端に加わる応力を低減する。
【０００８】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例のインバータの分解斜視図である。
【図２】端子台本体を除いたバスバと電流センサの図であってバスバと電流センサの位置関係を示す図である。
【図３】筐体の所定位置にセットされた端子台を示す図である。
【図４】図３における端子台のＹＺ平面断面図である。
【図５】端子台本体に設けられた窪みに遊嵌されたナットの拡大断面図である。
【図６】端子台のＹＺ断面図である（パワーケーブル締結状態）。
【図７】端子台のＹＺ断面図である（ナットが引き出された状態）。
【図８】ナットの斜視図である。
【図９】別の形状のナットの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施例の説明の前に、実施例のインバータの他の特徴を列記する。
【００１１】
（１）端子台は樹脂製である。端子台は、インバータの出力電流であってバスバを流れる電流を計測する電流センサとバスバがインサート成形により一体に製造されたものである。
【００１２】
（２）インバータは、モータに交流電力を出力するためのスイッチング素子を収めた複数の平板型の半導体モジュールと複数の平板型の冷却プレートを積層した半導体積層ユニットを備えている。バスバのパワーケーブル端子接続側とは反対側の端部が、半導体モジュールの電流出力端子に接続している。
【実施例】
【００１３】
図面を参照して実施例のインバータ２を説明する。図１にインバータ２の分解斜視図を示す。図１のインバータ２は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を昇圧後、モータ駆動に適した交流に変換するデバイスである。インバータ２は、主な部品として、大容量のコンデンサ２１、２３、半導体積層ユニット１０、リアクトル２２、端子台３、制御回路を搭載した制御基板２４を有する。それらの部品は全て、筐体２０に収められる。
【００１４】
半導体積層ユニット１０は、スイッチング素子（典型的にはＩＧＢＴ）を樹脂でモールドした平板型の複数の半導体モジュール１２と冷媒を通す平板型の複数の冷却プレート１５が交互に積層した構造を有する。半導体モジュール１２にモールドされたスイッチング素子のいくつかはインバータ回路を構成し、他のいくつかは電圧コンバータに使われる。インバータ回路と電圧コンバータに使われるスイッチング素子には大電流が流れるので発熱量が大きい。スイッチング素子を樹脂で平板状にモールドし、冷却プレートでサンドイッチすることによって効果的に冷却することができる。
【００１５】
インバータ回路は良く知られているように、主要な回路として、２個のスイッチング素子の直列接続回路を３セット並列に接続した回路である。２個のスイッチング素子の直列接続の中間点から交流電流が出力される。一つの半導体モジュール１２には２個のスイッチング素子と夫々のスイッチング素子に逆並列に接続するダイオード（還流ダイオード）がモールドされており、内部で２個のスイッチング素子が直列に接続されている。半導体モジュール１２の下面からは３本の金属平板の端子（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）が延びている。３本の端子は、それぞれ、スイッチング素子の直列接続の高電圧側端子１３ｃ、低電圧側端子１３ｂ、及び、直列接続の中間の端子１３ａである。中間の端子１３ａがインバータ回路の出力端子に相当し、モータへ供給する交流電力が出力される。その中間の端子１３ａには、バスバ９が接続している。図１では、高電圧側端子１３ｃと低電圧側端子１３ｂに接続するバスバは図示を省略している。また、半導体モジュール１２の上面からはスイッチング素子のゲートに加える信号（ＰＷＭ信号）を入力するための信号線（制御信号線１４）が延びている。
【００１６】
リアクトル２２は、半導体積層ユニット１０内の幾つかのスイッチング素子とともに電圧コンバータを構成する。コンデンサ２１は電圧コンバータの入力端に並列に接続され、コンデンサ２３は電圧コンバータの出力端（インバータ回路の入力端）に並列に接続される。コンデンサ２１、２３は、回路を流れる電流を平滑化するために備えられている。インバータ２は走行用モータに電力を供給するので大電流を扱うため、コンデンサ２１、２３には容量の大きいものが採用される。なお、図面では２個のインバータ回路に相当するだけの６個の半導体モジュール１２のみが示されており、電圧コンバータの回路用の半導体モジュール１２は図示を省略してある。
【００１７】
図１に示しているように、半導体積層ユニット１０やリアクトル２２の上方に、スイッチング素子を制御する回路を搭載した制御基板２４が載置される。なお、制御基板２４の上には、物理的には、図１に示すように、回路を構成するチップなどの電子部品が搭載される。半導体モジュール１２の上面から延びている制御信号線１４と、端子台３の上面に配置されたセンサ回路基板１８から延びている電流センサ信号線１９は制御基板２４と接続される。制御基板２４は、電流センサ（後述）のセンサデータに基づき、インバータ回路が所定の出力となるようにＰＷＭ信号を生成して半導体モジュール１２へ出力する。
【００１８】
インバータ回路を構成する半導体積層ユニット１０とバスバ９と端子台３の関係について詳しく説明する。インバータ２は、走行用の２個のモータへ電力を供給する。それゆえ、インバータ２は、２個のインバータ回路を備える。一つのインバータ回路はＵＶＷ３相を出力する。バスバ９は、インバータ回路の出力を通す導電体であり、その一端は、２個のスイッチング素子の直列接続の中間の端子（端子１３ａ）に接続している。
【００１９】
モータは３相交流モータが用いられるため、一つのインバータ回路の出力もＵＶＷ３相である。インバータ２は２個のモータを駆動するため、ＵＶＷ３相の出力が２セットで合計６本のバスバが半導体積層ユニット１０から延びている。バスバ９の他端（半導体積層ユニット１０に接続している端とは反対側の端部）は端子台３に埋め込まれている。端子台３は、インバータ内部のバスバ９とモータから延びているパワーケーブルの端子（図１では不図示。図３を用いて後に説明する）を接続するためのデバイスである。バスバ９の他端９ａは、端子台３の一側面３ａに面して露出している。
【００２０】
端子台３の本体４は樹脂製であり、内部に電流センサのコア１６がインサート成形により埋設されている。バスバ９もインサート成形によりコア１６と一緒に埋設される。図２に、本体４の図示を省略して半導体モジュール１２の端子１３ａとバスバ９とコア１６の位置関係を示す。電流センサは、Ｃ字状のコア１６と、コア１６のギャップ（Ｃ字の両端間の隙間）に配置される感磁素子（不図示）で構成される。感磁素子は、センサ回路基板１８に接続しており、感磁素子の出力はセンサ回路基板１８で処理され、センサ信号線１９を通じて制御基板２４へ送られる。コア１６はバスバ９を囲むように配置される。バスバ９に電流が流れるとその電流に起因して誘導磁界が発生する。コア１６にはその誘導磁界が集中する。コアのギャップに配置した感磁素子でコア１６を流れる誘導磁界を計測し、その強さからバスバ９を流れる電流の大きさを特定する。
【００２１】
図２に示すように、バスバ９の端子台側の先端９ａは直角に屈曲しており、端子台３の一面３ａの面上に位置する。端子台３の一面３ａを以後、端子取付面３ａと称する。また、端子取付面３ａの上に位置するバスバ先端を端面９ａと称する。端子台３がインバータ２の筐体２０に固定されると、端子取付面３ａが筐体２０に設けられた開口２０ａに面し、バスバ９の端面９ａが開口２０ａから露出する。次に、端子台３の取り付け構造について説明する。
【００２２】
端子台３の本体４の両側にはフランジ３ｂが設けられている。フランジ３ｂには貫通孔が設けられており、その貫通孔にボルトを通して端子台３はインバータ２の筐体２０に固定される。図３に、インバータ２の筐体２０に設置された端子台３を示す。なお、図３では、端子台３の固定状態は図示を省略している。図４に、図３のＹＺ平面でカットした端子台３の断面図を示す。なお、図４のＡＡ線より下側はバスバ９の端面９ａの孔を通る断面を示し、図４のＡＡ線より上側は、フランジ３ｂのボルト挿通孔を通る断面を示していることに留意されたい。
【００２３】
図３、図４に示すように、バスバ９の端面９ａは筐体２０の開口２０ａに面しており、開口２０ａを通じて、端面９ａにモータ（不図示）から延びるパワーケーブル５１の端子５０がボルト５２にて接続される。なお、図３では、２個のパワーケーブル５１のみを示しているが、６個全ての端面９ａにパワーケーブルが接続される。
【００２４】
図４に示すように、筐体２０の内側には突出部２０ｂが設けられており、その下面に端子台３のフランジ３ｂがボルト４１にて固定される。図４でみると、端子台３は、鉛直方向（Ｚ軸方向）の上端３ｅで筐体２０に固定され下方に延びる片持ち支持構造となる。以下、上端３ｅを片持ち支持端３ｅと称する。端子取付面３ａは、片持ち支持端３ｅとは反対側の端部３ｆの付近に位置している。パワーケーブル５１の端子５０を固定するボルト５２は、片持ち支持端３ｅから反対側の端部３ｆに向かう方向（即ち、図４のＺ軸方向）と交差する方向（図４のＹ軸方向であり、片持ち梁横方向と称する）で端子台３に挿通される。パワーケーブル５１は剛性が高くボルト５２でバスバ９の端面９ａと締結する際、その剛性により図４のＹ軸正方向に戻ろうとする。その力は片持ち支持された端子台３の先端３ｆ（支持端３ｅとは反対の端部）にて端子台３に曲げモーメントをもたらす。端子台３は片持ち支持構造であるので、曲げモーメントは支持端３ｅに集中的に作用する。ボルト５２を受けるナットが端子台３に固定されていると、曲げモーメントがダイレクトに支持端３ｅに作用し、支持端３ｅを疲労させ、その耐久性を低下させる。本実施例のインバータ２では、パワーケーブル５１の引張力による支持端３ｅへの応力集中を緩和する。そのメカニズムを次に説明する。
【００２５】
図４に示すように、端子台３の本体４には、ボルト５２を受けるナット５が取り付けられている。バスバ９の端面９ａとパワーケーブル５１の端子５０には貫通孔が設けられており、図５に、端子台本体４に設けられた窪み３ｃに遊嵌したナット５の拡大断面図を示す。端子５０を端面９ａの上に重ね、ボルト５２を貫通孔に通し、ボルト５２をナット５に締結することでパワーケーブル５１の端子５０が端子台３に（バスバ９に）固定される。図６に、パワーケーブル５１の端子５０を端子台３に締結した状態を示す。ナット５は、本体４の端子取付面３ａに開口するように設けられた窪み３ｃに遊嵌している。窪み３ｃには、その開口において、内側に向けてフランジ３ｄが設けられており、開口がボトルネック状に狭まっている。ナット５は側面に突出部５ｂが設けられており、その突出部５ｂがフランジ３ｄに引っ掛かり、ナット５は本体４から外れないようになっている。また、ナット５の長さに対して窪み３ｃの深さは余裕があり、ナット５はその軸線方向（図４、図５のＹ軸方向）に所定距離だけ移動することができる。ただし、前述したように、ナット５は本体４から外れることはない。図７に、ナット５がパワーケーブル５１に引っ張られて距離ｄだけ移動した状態を示す。このように、ナット５は、バスバ９の端面９ａに端子５０を締結したまま、端子台３の支持端３ｅに負荷を加えずに距離ｄだけ移動することができる。それゆえ、端子台３を片持ち支持している支持端３ｅに加わる応力を低減できる。
【００２６】
また、図５〜図７に示すように、ナット５の端面５ａは、本体４の端子取付面３ａよりも突出することができる。それゆえ、ナット５の端面５ａとボルト５２の間で、バスバ９の端面９ａとパワーケーブル５１の端子５０を共締めすることができる。この構造により、端子台の本体４に負荷を与えずに、バスバ９の端面９ａとパワーケーブル５１の端子５０を強固に締結することができる。
【００２７】
図８に、ナット５の斜視図を示す。図９に、変形例のナット１０５を示す。いずれのナットも、側面に突出部５ｂ、１０５ｂが設けられており、この突出部５ｂ、１０５ｂが、端子台の本体４に設けられた窪み３ｃの開口フランジ３ｄに引っ掛かり、ナット５（１０５）が端子台３から外れることを防止する。
【００２８】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。端子台３では、パワーケーブル５１の端子５０は、片持ち梁横方向（図中のＹ軸方向）に挿通されるボルト５２によって締結される。片持ち梁横方向に加わる力は、端子台３の支持端３ｅにダイレクトに曲げモーメントとして作用する。それゆえ、片持ち梁横方向に加わる力が大きいと、支持端３ｅに大きな集中応力が加わることになる。本明細書が開示する端子台では、パワーケーブル５１の端子が片持ち梁横方向に挿通されるボルト５２で固定される。パワーケーブル５１は太くて剛性が高く、ボルトで固定される前は端子台３から離れており、強く曲げられて端子台３に固定される。パワーケーブル５１には片持ち梁横方向に作用する復元力が働き、その復元力は片持ち支持された端子台３にとっては曲げモーメントとなる。本明細書が開示する技術は、バスバ９とパワーケーブル５１の端子５０をボルト５２とナット５で共締めした状態でボルト５２とナット５が片持ち梁横方向にずれることを許容する。特に、ボルト５２とナット５が、パワーケーブル５１を締結した状態からパワーケーブル５１がもとの位置に戻る方向（即ち復元力が弱まる方向）へ移動することを許容する。それゆえ、パワーケーブル５１に作用する復元力が弱まり、端子台３の支持端３ｅに加わる応力が緩和される。
【００２９】
本明細書が開示する技術は、実施例のインバータの構造に限定されるものではない。また、端子台の構造やナットの構造も実施例の構造に限定されるものではない。本明細書が開示した技術は、端子台が片持ち支持され、その端子台にケーブルが固定される構造に適用することができる。
【００３０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３１】
２：インバータ
３：端子台
３ａ：端子取付面
３ｂ、３ｄ：フランジ
３ｃ：窪み
３ｅ：支持端
３ｆ：先端
４：端子台本体
５：ナット
５ａ：端面
５ｂ：突出部
９：バスバ
９ａ：端面
１０：半導体積層ユニット
１２：半導体モジュール
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ：端子
１４：制御信号線
１５：冷却プレート
１６：コア
１８：センサ回路基板
１９：電流センサ信号線
２０：筐体
２０ａ：開口
２０ｂ：突出部
２１、２３：コンデンサ
２２：リアクトル
２４：制御基板
４１、５２：ボルト
５０：端子
５１：パワーケーブル
【図１】
2014017900.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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