JP6332450B2 - 動力ユニット - Google Patents

Description

本発明は、動力ユニットに関するものである。

本出願は、２０１４年７月１０日に出願された日本国特許出願の特願２０１４―１４２０８１に基づく優先権を主張するものであり、文献の参照による組み込みが認められる指定国については、上記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の記載の一部とする。

従来より、電力変換回路を構成する複数の電子部品と、電子部品を冷却する冷却器とを、ケース内に収容してなる電力変換装置が知られている。そして、当該電力変換装置において、電子部品と冷却器は、フレームに固定され、フレームと共に一体化されて一つの内部ユニットを構成している。内部ユニットは、ケースに固定されると共にケース内に密封されている。フレームは、ユニット固定部と、コンデンサを固定するコンデンサ固定部とを有する。コンデンサ固定部は、ユニット固定部よりも内側に配置されている。これによりケースの合成を高めつつ、コンデンサからケースに伝わる振動を抑制している（特許文献１）。

特開２０１１−１８２６３１号公報

ところで、電力変換装置が振動する要因として、以下の２つが挙げられる。第１の要因は、電力変換装置を構成する部品（上記特許文献１のコンデンサ）が振動の発生源となっていることである。第２の要因は、電力変換装置以外の構成で発生する振動が電力変換装置に伝わることで、電力変換装置が振動することである。

しかしながら、上記の特許文献１の技術においては、第１の要因により発生する振動に対して有効ではあるが、第２の要因により発生する振動に対しては振動抑制効果を十分に得ることができない、という問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、第１の要因により発生する振動だけではなく、第２の要因により発生する振動も抑制できる電子部品の動力ユニットを提供することである。

本発明は、第１部材及び第２部材を有する筐体により電子部品を収容し、第１部材と第２部材を締結部材で締結する。第１部材は、第１部材の表面上に、締結部材により締結されている締結部位を有する。そして、第１部材の表面上の所定の位置から締結部位に向かう方向に沿うようにリブを構成することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、第１部材の表面の剛性を高めつつ、電力変換装置がもつ振動の固有値を、他の部品がもつ振動の固有値からずらすことができるため、動力ユニットの振動を抑制できる。

本発明の実施形態に係る動力ユニットを示す図であり、（ａ）は動力ユニットの平面図を、（ｂ）は動力ユニットの側面図を示す。 図２（ａ）は筐体の平面図であり、図２（ｂ）は筐体の側面図である。 図３（ａ）は上部筐体の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のIII−III線に沿う断面図である。 図４（ａ）は筐体の平面図であり、図４（ｂ）は筐体の側面図である。 図５（ａ）は筐体の平面図であり、図５（ｂ）は筐体の側面図である。 図６（ａ）は上部筐体の平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のVI−VI線に沿う断面図である。 図７（ａ）は上部筐体の平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のVII−VII線に沿う断面図である。 図８（ａ）は上部筐体の平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のVIIIａ−VIIIａ線に沿う断面図であり、図８（ｃ）は図８（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置及び動力装置を一体化した動力ユニットを示す図である。動力ユニットは、電気自動車又はハイブリッド車両の等の駆動源として用いられ、車両に設けられている。動力ユニットは、動力装置１０、電力変換装置２０、変速装置３０、防振支持装置４０、バネ５０、ボルト６０及びリブ７１を備えている。

動力装置１０は、バッテリ（図示しない）から供給される電力により駆動するモータである。動力装置１０は、車両の駆動軸に連結され、電力変換装置２０からの交流電力により駆動する車両の駆動源である。動力装置１０が駆動すると、動力装置１０は振動を発する発生源（起振源）となる。振動による加振力はモータの回転数を整数倍した値で表される。またモータの回転数は、ロータ及びステータの極数と駆動周波数との関係で表される。

電力変換装置２０は、電子部品２１、基板２２、及び筐体２３を有している。電力変換装置２０はバッテリから供給される電力を変換し、変換された電力を動力装置１０に出力する。電力変換装置２０は電子部品２１を収容する構造体である。電子部品２１は、インバータ、整流器を構成する回路素子である。一例としてインバータを挙げると、電子部品２１は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子及びダイオードに相当する。

基板２２は、板状の回路基板である。基板２２は筐体２３に支持されている。筐体２３は、電子部品２１及び基板２２を収容する。筐体２３は、アルミ等の金属により構成されている。なお、筐体２３は金属に限らず樹脂等の部材で構成されてもよい。筐体２３はボルトにより動力装置１０に締結されている。すなわち、電力変換装置２０が動力装置１０に固定されることで、動力装置１０及び電力変換装置２０は一体化されている。そのため、動力装置１０が振動した場合には、振動は電力変換装置２０に伝搬する。また、インバータが駆動することで電力変換装置２０が振動した場合には、振動は動力装置１０に伝搬する。

筐体２３は、上部筐体２３ａと下部筐体２３ｂを有している。図２を用いて、筐体２３の構造を説明する。図２（ａ）は筐体２３の平面図を示し、図２（ｂ）は筐体２３の側面図を示す。なお、本実施形態に係る動力ユニットは、筐体２３にリブ７１を設けるように構成されているが、図２ではリブの図示を省略している。またリブ７１の具体的な構成は後述する。

上部筐体２３ａは板状の金属部材であって、下部筐体２３ｂの蓋になるように形成されている。下部筐体２３ｂは、筐体２３の本体部分となる。下部筐体２３ｂは、上部筐体２３ａにより覆われる面を開口し、開口した面以外の面は壁面になっている。下部筐体２３ｂの開口部が上部筐体２３ａにより塞いだ状態で、電子部品２１は、上部筐体２３ａ及び下部筐体２３ｂで形成される空間内に収容されている。上部筐体２３ａの質量は下部筐体２３ｂの質量よりも小さく、上部筐体２３ａの剛性は下部筐体２３ｂの剛性よりも低い。そのため、上部筐体２３ａは、下部筐体２３ｂよりも振動しやすい構造になっている。

上部筐体２３ａ及び下部筐体２３ｂは、ボルト６０により締結されている。図２（ａ）に示すように、上部筐体２３の表面は、矩形になっている。そして、上部筐体２３ａの表面において、四隅の部分がボルト６０による締結される部位（以下、締結部位とも称す。）となる。また、上部筐体２３ａの表面において、長辺に沿う部分には、四隅の締結部位の他に、四隅の間に位置する部分も締結部位となる。すなわち、締結部位は、矩形状の表面の外周部に設けられている。そして、上部筐体２３ａの表面の外周部と下部筐体２３ｂの側壁が、ボルト６０により締結されている。

図１に示すように、変速装置３０は、動力装置１０と駆動軸との間で、回転速度及びトルクを変換する。変速装置３０はボルト等により動力装置１０に締結されている。防振支持装置４０は、動力装置１０、電力変換装置２０、及び変速装置３０を、車体に支持している。また防振支持装置４０は、動力装置１０、電力変換装置２０、及び変速装置３０の各振動が車体に伝搬することを防ぐための装置である。防振支持装置４０は、樹脂で形成されている。防振支持装置４０は変速装置３０に固定されている。防振支持装置４０はバネ５０を介して車体に固定されている。

次に、筐体２３の振動について説明する。例えば、電子部品２１を構成するスイッチング素子のスイッチング動作により、電子部品２１が振動した場合には、電力変換装置２０が起振源となる。筐体２３は、電子部品２１を覆うような形状をしているため、筐体２３は、電力変換装置２０の他の部品と比べて振動し易い。また、例えば、動力装置１０が起振源となり振動が発生した場合には、振動は電力変換装置２０に伝搬する。動力装置１０は筐体２３に締結されているため、筐体２３が振動する。また、筐体２３の振動周波数が、変速装置３の固有値（固有振動周波数）と近接している場合には、共振によって、動力ユニットの騒音は大きくなる。

図３は、上部筐体２３ａの振動を説明するための図である。図３（ａ）は上部筐体２３ａの平面図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）のIII-III線に沿う断面図である。また図３（ｂ）の点線は、上部筐体２３ａの振動モードを表している。

上部筐体２３ａの表面の外周部はボルト６０により締結されている。そのため外周部の剛性は高くなっている。一方、表面の中央部分の剛性は低い。そのため、筐体２３に振動が伝わると、上部筐体２３ａは、図３（ｂ）の点線に示すように振動する。そして、振動による上部筐体２３ａの変形量は、上部筐体２３ａの表面のうち中央部分Ａで最も大きくなる。すなわち、中央部分Ａが振動の腹となり、外周部分が振動の節となる。また、図３（ｂ）の点線は１次モードの振動波形を示しているが、筐体２３には、１次モードの振動だけではなく、２次モードの振動も発生する。

１次モードの振動に対しては、例えば上部筐体２３ａの質量を増加させることで、抑制できる。一方、２次モードの振動の振動に対しては、上部筐体２３ａの質量を増加させただけでは、十分に抑制できない。２次モードの振動の振動に対しては、電力変換装置２０の固有値と周辺部品の固有値が近づかないように、上部筐体２３ａの固有値をずらすことで、抑制できる。そこで、本実施形態では、１次モードの振動だけではなく、２次モードの振動も抑制できるように、リブ７１が上部筐体２３ａに設けられている。

図４は筐体２３及びリブ７１を説明するための図である。図４（ａ）は筐体２３及びリブ７１の平面図を示し、図４（ｂ）は筐体２３及びリブ７１の側面図を示す。リブ７１は上部筐体２３ａの振動を抑制するための部材であり、上部筐体２３ａの表面に設けられている。リブ７１は、筐体２３の金属と同じ金属で形成されている。リブ７１は、３本の直線のレールの形状になるように形成されている。また、３本のリブ７１ａ、７１ｂ、７１ｃの中点が、同じ位置となり、当該中点が、上部筐体２３ａの中央部分Ａに位置する。リブ７１ａは、中央部分Ａからボルト６０に向かう方向に沿って形成されている。ボルト６０は、四隅に位置するボルト６０の間に位置するボルトであって、上部筐体２３ａの短辺に沿う方向で対向するボルトである。短辺は、上部筐体２３ａの矩形状の表面を形成する四辺のうち、短い方の辺である。

リブ７１ｂは、中央部分Ａからボルト６０に向かう方向に沿って形成されている。ボルト６０は、上部筐体２３ａの表面の四隅に位置し、上部筐体２３ａの表面の対角線上に位置する。また、リブ７１ｃは、中央部分Ａからボルト６０に向かう方向に沿って形成されている。

すなわち、上部筐体２３ａの表面上において、リブ７１ａ、７１ｂ、７１ｃは、中央部分Ａから各ボルト６０に向かう方向に沿うように形成されている。言い換えると、リブ７１ａ、７１ｂ、７１ｃは、一対のボルト６０間を結ぶ線上に形成されており、リブ７１ａ、７１ｂ、７１ｃの中点が上部筐体２３ａの表面の腹に位置する。一対のボルト６０は、上部筐体２３ａの表面上で、中央部分Ａを境に対向している。

上記のように、上部筐体２３ａにはリブ７１が設けられている。これにより、上部筐体２３ａの剛性がリブ７１によって高まる。さらに、リブ７１が、上部筐体２３ａの表面上の位置からボルト６０に向かう方向に沿って形成されているため、上部筐体２３ａの振動の固有値をずらすことができる。

ところで、電力変換装置２０の振動を抑制する方法として、以下の方法が挙げられる。例えば、防振部材を動力装置１０と電力変換装置２０との間に配置する方法である。しかしながら、防振部材を設ける分、コストが高くなる。また、他の方法として、電力変換装置２０を防音部材で覆うことも考えられる。しかしながら、防音部材を設ける分、コストが高くなる。

さらに他の方法として、筐体２３の振動面の質量を増加させることも考えられる。振動面は、筐体２３を構成する面のうち、振動が発生し易い面に相当する。しかしながら、単に質量増加だけで振動を抑制するためには、質量を大幅に増加しなければならない。また、筐体２３の振動面の剛性を高めることも考えられる。しかしながら、本実施形態のように、動力ユニットを構成する装置が密集して組み合わされている場合には、互いの装置間で共振することがないように、筐体２３の固有値は周囲の構成の固有値にから離れた値にしなければならない。そのため、結果的には筐体２３の質量が増加し、動力ユニットのサイズが大きくなってしまう。

一方、本実施形態では、リブ７１を筐体２３に設けることで、筐体２３の質量が増加し、１次モードの振動を抑制している。また、リブ７１が、上部筐体２３ａの表面の腹からボルト６０に向かい方向に沿って形成されているため、筐体２３の質量の増加を最小限に抑えつつ、２次モードの振動を抑制している。リブ７１を筐体２３に設けることで筐体２３の質量は増加するが、リブ７１による質量の増加に対して、筐体２３の固有値のずれ量が大きければ、筐体２３の固有値は、動力装置１０等の固有値から離すことができる。そのため、本実施形態は、単にリブ７１を筐体２３に設けるだけではなく、上部筐体２３ａの表面のうち、剛性の低い部分から高い部分に向けてリブを設けている。これにより、上部筐体２３ａの表面の剛性を高めつつ、動力装置１０等との共振を避けることができる。その結果として、本実施形態は、電力変換装置２０の振動を抑制し、動力ユニットの騒音を抑制できる。

また、電力変換装置２０が電気自動車等に搭載された場合には、簡易な構成、省スペース、かつ低コストで、電力変換装置２０の振動を抑制し、電力変換装置２０の騒音を抑制できる。その結果として、車室内の静寂性を向上させることができる。

また本実施形態において、上部筐体２３ａの表面が振動する場合には、ボルト６０による締結部位が振動波の節となり、表面の中央部分が振動波の腹に相当する。そのため、リブ７１は振動波の腹の部分から節の部分に向かって形成されている。これにより、上部筐体２３ａの表面のうち、振動による変形量が多い部分の剛性が高まり、動力装置１０等との共振を避けることができる。その結果として、電力変換装置２０の振動を抑制し、動力ユニットの騒音を抑制できる。

なお、本実施形態は、リブ７１を、上部筐体２３ａの表面の外側に設けたが、内側に設けてもよい。上部筐体２３の一対の表面のうち、内側の面は、電子部品２１を臨む面である。

また、本実施形態において、上部筐体２３ａの振動波の腹の部分が、上部筐体２３ａの表面の中央部分ではない場合には、リブ７１の中点を振動波の腹の位置に合わせることで、リブ７１の中点が表面の中央部分以外の位置になるように、リブ７１が構成されていてもよい。

また、本実施形態において、振動を抑制するための収容構造体は、電力変換装置２０に限らず、他の装置であってもよい。また上部筐体２３ａ及び下部筐体２３ｂを締結する締結部材は、ボルト６０に限らず、他の部材でもよい。

上記のボルト６０が本発明の「締結部材」に相当し、上部筐体２３ａが本発明の「第１部材」に相当し、下部筐体２３ｂが本発明の「第２部材」に相当し、リブ７１ａ〜７１ｃが本発明の「第１リブ」に相当する。

《第２実施形態》
本発明の他の実施形態に係る電力変換装置２０を、図５を用いて説明する。本実施形態では上述した第１実施形態に対して、リブ７１ａ〜７１ｃの先端部分がボルト６０に接している点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。図５（ａ）筐体２３の平面図を示し、図５（ｂ）は筐体２３の側面図を示す。

リブ７１ａの両端の端部は、ボルト６０と接している。リブ７１ｂ、７１ｃの両端の端部はボルト６０と接している。上部筐体２３ａの外周部は、ボルト６０で締結されているため、剛性が高くなっている。すなわち、リブ７１ａ〜７１ｃの端部が剛性の高い部分と接するように、リブ７１が設けられている。これにより、振動面の剛性を効果的に高めることができるので、質量増加を抑えながら、他部品との共振を避けることができる。その結果として、動力ユニットの騒音を抑制できる。

《第３実施形態》
本発明の他の実施形態に係る電力変換装置２０を、図６を用いて説明する。本実施形態では上述した第１実施形態に対して、上部筐体２３ａの構成が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１、第２実施形態の記載を適宜、援用する。図６（ａ）は上部筐体２３ａの平面図を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）のVI−VI線に沿う断面図を示す。なお、図６（ａ）の紙面の法線方向に沿った面が、図６（ｂ）で示される断面となる。

上部筐体２３ａは、中央部分Ａを中心とした肉厚部２３０を有している。肉厚部２３０の厚さは、肉厚部２３０以外の他部分の厚さよりも厚くなっている。肉厚部２３０以外の他の部分には、上部筐体２３ａの表面の外周部が含まれる。肉厚部２３０は、上部筐体２３ａと一体になるよう構成されている。すなわち、上部筐体２３ａは、VI−VI線に沿う断面において、振動の腹の部分が腹以外の他部分よりも厚くなるように構成されている。また、上部筐体２３ａの厚さは、振動の腹の部分で最も厚くなり、外周部に向かって徐々に小さくなっている。

これにより、本実施形態は、上部筐体２３ａの振動面となる表面の剛性を効果的に高めることができ、振動による変形量を抑制することできる。また他部品との共振を避けることができる。その結果として、動力ユニットの騒音を抑制できる。

《第４実施形態》
本発明の他の実施形態に係る電力変換装置２０を、図７を用いて説明する。本実施形態では上述した第１実施形態に対して、上部筐体２３ａにリブ７２ａ〜７２ｃを設ける点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１、第２実施形態の記載を適宜、援用する。図７（ａ）は上部筐体２３ａの平面図を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）のVII−VII線に沿う断面図を示す。なお、図７（ａ）の紙面の法線方向に沿った面が、図７（ｂ）で示される断面となる。

上部筐体２３ａの表面には、リブ７１ａ〜７１ｃ及びリブ７２ａ〜７２ｃが設けられている。リブ７２ａ〜７２ｃは、それぞれ半径の異なる円の形状になるように構成されている。リブ７２ａの直径が最も小さく、リブ７２ｃの直径が最も大きい。そして、円形状のリブ７２ａ〜７２ｃの中心点は同一となり、リブ７１ａ〜７１ｃの中心点は、上部筐体２３ａの表面の中央部分Ａに位置する。すなわち、リブ７１ａ〜７１ｃは上部筐体２３ａの表面の中央部分Ａを中心とした円に沿うように形成されている。

本実施形態において、上部筐体２３ａは、VII−VII線に沿う断面において、振動の腹の部分にリブ７２ａ〜７２ｃが設けられている。これにより、上部筐体２３ａの腹の部分の剛性が高まる。本実施形態は、第３実施形態のような肉厚部２３０を筐体２３に設けなくても、肉厚部２３０と同様の効果を、リブ７２ａ〜７２ｃによって発揮させることができる。また、第３実施形態のような肉厚部２３０を有する上部筐体２３ａを鋳造にて製造する場合には、高度な品質管理が求められる。一方、本実施形態のように、肉厚部２３０の代わりに、リブ７２ａ〜７２ｃを上部筐体２３ａに設けることで、上部筐体２３ａを鋳造にて容易に製造できる。そのため、品質管理を必要以上に高めることなく、上部筐体２３ａの鋳造品質を保つことができる。

上記のリブ７２ａ〜７２が本発明の「第２リブ」に相当する。

《第５実施形態》
本発明の他の実施形態に係る電力変換装置２０を、図８を用いて説明する。本実施形態では上述した第１実施形態に対して、リブ７１ａ〜７１ｃの形状が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１、第２実施形態の記載を適宜、援用する。図８（ａ）は上部筐体２３ａの平面図を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）のVIIIａ−VIIIａ線に沿う断面図を示し、図８（ｃ）は図８（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線に沿う断面図を示す。なお、VIIIａ−VIIIａ線に沿う断面及びVIIIｂ−VIIIｂ線に沿う断面は、上部筐体２３ａの中央部分Ａから、四隅に位置するボルト６０に向かう方向を法線方向とする面である。また、VIIIａ−VIIIａ線に沿う断面は、上部筐体２３ａの中央部分Ａと四隅に位置するボルト６０との間で、VIIIｂ−VIIIｂ線に沿う断面よりも、当該中央部分Ａに近い面である。

リブ７１ａ〜７１ｃは、中央部分Ａの厚さが最も厚く、ボルト６０に向かって徐々に薄くなっている。言い替えると、リブ７１ａ〜７１ｃは、上部筐体２３ａの腹の部分に近いほど、厚みが厚くなるように構成されている。例えば、リブ７１ｃの断面について、VIIIａ−VIIIａ線に沿う断面の面積をＳａとし、VIIIｂ−VIIIｂ線に沿う断面の面積Ｓｂとした場合には、Ｓａ＞Ｓｂが成立する。すなわち、リブ７１ｃをVIIIａ−VIIIａ線の断面で切ったとき断面積が、VIIIｂ−VIIIｂ線の断面で切ったとき断面積よりも大きくなるように、リブ７１ｃが形成されている。リブ７１ａ、リブ７１ｂも、リブ７１ｃと同様に形成されている。

本実施形態において、リブ７２ａ〜７２ｃの断面の面積が上部筐体２３ａの表面の腹の部分に近いほど大きくなるように、リブ７２ａ〜７２ｃが構成されている。これにより、本実施形態は、第３実施形態のような肉厚部２３０を筐体２３に設けなくても、肉厚部２３０と同様の効果を、リブ７１ａ〜７１ｃによって発揮させることができる。

２０…電力変換装置
２１…電子部品
２３…筐体
２３ａ…上部筐体
２３ｂ…下部筐体
６０…ボルト
７１、７１ａ〜７１ｃ、７２ａ〜７２ｃ…リブ

Claims (6)

1. 電子部品と、前記電子部品を収容する筐体とを有する電力変換装置と、
   前記筐体に締結される動力装置とを備える動力ユニットであって、
   前記筐体は、第１部材及び第２部材と、前記第１部材と前記第２部材を締結する締結部材とを有し、
   前記第１部材は、前記第１部材の表面上に、前記締結部材により締結されている締結部位と、リブとを有し、
   前記リブは、前記表面上の所定の位置から前記締結部位に向かう方向に沿って形成された第１リブを有し、
   前記筐体の固有値は、前記動力装置の固有値から離れていることを特徴とする動力ユニット。
2. 請求項１記載の動力ユニットにおいて、
   前記締結部位は、前記第１部材の振動により生じる振動波の節に相当し、
   前記所定の位置は、前記振動波の腹に相当する
   ことを特徴とする動力ユニット。
3. 請求項１又は２記載の動力ユニットにおいて、
   前記第１リブは、前記第１リブの端部で前記締結部位と接している
   ことを特徴とする動力ユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の動力ユニットにおいて、
   前記第１部材は、第１断面において、前記所定の位置の厚さが前記所定の位置以外の部分の厚さより厚くなるように形成されており、
   前記第１断面は、前記表面の法線方向に沿った面である
   ことを特徴とする動力ユニット。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の動力ユニットにおいて、
   前記リブは、前記表面上で前記所定の位置を中心とした円に沿って形成された第２リブを有することを特徴とする動力ユニット。
6. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の動力ユニットにおいて、
   前記第１リブは、前記第１リブを第２断面で切ったときの断面積が前記第１リブを第３断面で切ったときの断面積よりも大きくなるように形成されており、
   前記第２断面及び前記第３断面は、前記所定の位置から前記締結部位に向かう方向を法線方向とする面であり、
   前記第２断面は、前記所定の位置と前記締結部位の位置との間で、前記第３断面よりも前記所定の位置に近い面であることを特徴とする動力ユニット。

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