JP2017055660A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】制御回路に対する熱の伝達を抑制して冷却性を向上させることができる回転電機を提供すること。【解決手段】車両用電動発電機１００は、パワー素子を含む電力変換器５と、電力変換器５を制御する制御回路８と、冷却ファン４６が取り付けられた回転子４および固定子３を収納するフレーム１、２と、電力変換器５を冷却する冷却フィン６とを備えている。電力変換器５は、冷却フィン６の一方の面であって冷却ファン４６とは反対側に設けられており、フレーム２と冷却フィン６の間ならびに制御回路８と電力変換器５の間には、冷却ファン４６によってフレーム２内に取り込まれる冷却風の通路が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される回転電機に関する。

従来から、小型化のために、回転電機とこの回転電機を制御する制御回路とを一体化した構造が提案されている。例えば、制御回路を含む制御基板と回転電機のブラケットとの間を、高い剛性を有する金属性の固定部材を介して締結した回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第４４０２０９１号公報 特開２０１１−２３９５４２号公報 特開２００４−２１５３６８号公報 特開２０１３−１０２５９１号公報 特開２０１０−１６９６５号公報 特開２００１−２１１６６３号公報

ところで、特許文献１に開示されている構造では、剛性の高い金属性の固定部材に、制御基板とブラケットの両方が締結されているため、回転電機で発生した熱が、一般には伝熱性の高い材料（例えば、アルミニウム）で形成されたハウジングおよび金属製の固定部材を介して制御基板に伝わることになり、制御回路の冷却性が悪化するという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、制御回路に対する熱の伝達を抑制して冷却性を向上させることができる回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の回転電機は、パワー回路、制御回路、フレーム、冷却フィンを備える。パワー回路は、パワー素子を含んでいる。制御回路は、パワー回路を制御する。フレームは、冷却ファンが取り付けられた回転子および固定子を収納する。冷却フィンは、パワー回路を冷却する。パワー回路は、冷却フィンの一方の面であって冷却ファンとは反対側に設けられている。また、フレームと冷却フィンの間ならびに制御回路とパワー回路の間には、冷却ファンによってフレーム内に取り込まれる冷却風の通路が形成されている。

一実施形態の車両用電動発電機の全体構成を示す図である。 電力変換器を含む本実施形態の車両用電動発電機の結線図である。 冷却フィンと固定部材周辺の構造の変形例を示す図である。

以下、本発明の回転電機を適用した一実施形態の車両用電動発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示す一実施形態の車両用電動発電機１００は、フロントフレーム１、リアフレーム２、固定子３、回転子４、電力変換器５、冷却フィン６、ブラシ装置７、制御回路８、リアカバー９、プーリ１０等を含んで構成されている。

フロントフレーム１およびリアフレーム２は、回転子４と固定子３を収納して支持するためのものであり、共に椀形状を有し、これらの開口部同士を対向させて固定子３を挟み込んだ状態で、複数本のボルトによって相互に固定されている。これらのフロントフレーム１およびリアフレーム２は、例えばアルミダイカストにより形成される。固定子３は、回転子４と対向配置された固定子鉄心３１およびこの固定子鉄心３１に装備された固定子巻線３２とを有する。

回転子４は、界磁極としてのポールコア４２、４３を磁化させる界磁巻線４１や回転軸４４を備えており、フロントフレーム１およびリアフレーム２のそれぞれに設けられたベアリングボックスに収納される一対のベアリングにより回転自在に保持されている。ポールコア４２、４３の軸方向端面には冷却ファン４５、４６が取り付けられている。また、回転軸４４の前端にはプーリ１０がナットにより結合されている。さらに、リアフレーム２の外側に位置する回転軸４４の後端には、界磁巻線４１の両端のそれぞれに接続された一対のスリップリングが設けられている。これらのスリップリングおよびブラシ装置７を介して界磁巻線４１に対する励磁電流の供給が行われる。

電力変換器５は、パワー素子を含むパワー回路であって、固定子巻線３２に接続されて、固定子巻線３２に誘起された交流起電力を直流に変換する動作と、バッテリ（図示せず）に蓄積された直流電力を交流に変換して固定子巻線３２に供給する動作の少なくとも一方を行う。

冷却フィン６は、金属製であって、リアフレーム２に締結されて電力変換器５を冷却する。この冷却フィン６は、リアフレーム２と反対側の一方の面に電力変換器５が搭載される平板部６１と、この平板部６１の他方の面（リアフレーム２側）に突出するフィン突出部６２とを有し、これらが一体化されている。例えば、冷却フィン６は、アルミダイカストによって形成されている。回転子４とともに回転するリア側の冷却ファン４６によってリアフレーム２内に取り込まれる冷却風によって冷却フィン６が冷却される。

図２に示すように、電力変換器５は、パワー素子である複数（例えば３個）のローサイドスイッチング素子５３ａ、５３ｃ、５３ｅと複数（例えば３個）のハイサイドスイッチング素子５３ｂ、５３ｄ、５３ｆとを含んで構成されている。

３個のローサイドスイッチング素子５３ａ、５３ｃ、５３ｅおよび３個のハイサイドスイッチング素子５３ｂ、５３ｄ、５３ｆのそれぞれは、例えばＮチャネル型ＭＯＳ−ＦＥＴが用いられており、冷却フィン６の一方の面上に、直接あるいは配線基板を介して配置されている。

図２に示すように、電力変換器５は、３個のローサイドスイッチング素子５３ａ、５３ｃ、５３ｅと３個のハイサイドスイッチング素子５３ｂ、５３ｄ、５３ｆからなる三相ブリッジ回路であり、固定子３の三相巻線である固定子巻線３２に接続される。

ブリッジ回路は、発電動作時には同期整流を行って固定子巻線３２に誘起された交流電圧を直流に変換する整流動作を行う三相全波整流器として動作する。また、ブリッジ回路は、電動動作時には６個のスイッチング素子を固定子巻線３２の各相毎に所定のタイミングでオンオフ制御することにより、バッテリ１８から印加される直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ回路として動作する。

制御回路８は、車両用電動発電機１００に発電動作あるいは電動動作を行わせる制御を行っており基準電圧調整回路８Ａとインバータ制御回路８Ｂとを含んで構成されている。基準電圧調整回路８Ａは、発電動作時に、回転子の界磁巻線に通電する界磁電流を調整することにより、車両用電動発電機１００の出力電圧が基準電圧（調整電圧）となるように制御する。

インバータ制御回路８Ｂは、発電動作時には、電力変換器５に含まれる６個のスイッチング素子５３ａ〜５３ｆをオンオフ制御して電力変換器５に同期整流を行わせる同期整流制御信号等を生成する。また、電動動作時には、電力変換器５に含まれる６個のスイッチング素子５３ａ〜５３ｆをオンオフ制御して電力変換器５によって三相交流を発生する制御信号（ゲート入力信号）を生成する。

ところで、本実施形態では、制御回路８は、金属製（例えば、アルミニウム）の固定部材８１がインサート成形された樹脂ケース８２に収納されている。この固定部材８１には制御回路８が金属製のビス８３を用いて締結されている。図１に示す例では、制御回路８には制御基板８ａが含まれており、この制御基板８ａがビス８３によって固定部材８１に締結されている。また、固定部材８１は、金属製の締結部材であるボルト８４によって冷却フィン６に締結されている。

このように、本実施形態の車両用電動発電機１００では、制御回路８を固定する固定部材８１を冷却フィン６を介してリアフレーム２に締結しているため、リアフレーム２から制御回路８に対する熱の伝達を抑制することができ、制御回路８の冷却性を向上させることができる。また、金属製の固定部材８１や冷却フィン６を介して制御回路８を固定することができるため、車両用電動発電機１００の動作時においてリアフレーム２から制御回路８に伝わる振動の増幅を、間に樹脂材料で形成された部材を介在させる場合に比べて抑えることができる。

特に、回転子４とともに回転する冷却ファン４６によってリアフレーム２内に取り込まれる冷却風によって冷却フィン６が冷却されるため、冷却フィン６の温度を確実に下げて制御回路８の受熱を低減することができる。

ところで、上述した固定部材８１やボルト８４の材質等を工夫することにより、制御回路８の冷却性をさらに改善することができる。

（変形例１）
締結部材としてのボルト８４を、冷却フィン６よりも熱伝導率の低い材料で形成する。例えば、固定部材８１と冷却フィン６をアルミニウムを用いて形成し、ボルト８４をアルミニウムよりも熱伝導率の低いステンレスで形成する。これにより、冷却フィン６からボルト８４を介して固定部材８１に熱が伝わりにくくすることができる。

（変形例２）
固定部材８１を、冷却フィン６よりも熱伝導率の低い金属材料で形成する。例えば、冷却フィン６をアルミニウムを用いて形成し、固定部材８１をステンレスで形成する。この場合に、ボルト８４も冷却フィン６よりも熱伝導率の低い金属材料であるステンレスで形成するようにしてもよい。これにより、冷却フィン６から固定部材８１を介して制御回路８に熱が伝わりにくくすることができる。

（変形例３）
図３に示すように、固定部材８１と冷却フィン６の間に、冷却フィン６よりも熱伝導率の低い金属部材としての円筒部材８５を介在させる。例えば、固定部材８１と冷却フィン６をアルミニウムを用いて形成する場合に、これらの間にステンレスで形成された円筒部材８５を配置する。この場合に、ボルト８４も冷却フィン６よりも熱伝導率の低い金属材料であるステンレスで形成するようにしてもよい。これにより、冷却フィン６から円筒部材８５を介して固定部材８１に熱が伝わりにくくすることができる。

なお、上述した変形例１〜３は、単独で実施する場合の他に、２つあるいは３つを組み合わせることにより、冷却フィン６から制御回路８への受熱をさらに低減して制御回路８の冷却性をさらに向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、電動動作と発電動作を行う車両用電動発電機について説明したが、電動動作あるいは発電動作のみを行う車両用回転電機や、車両以外に用いられる回転電機についても本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、図２に示すように、１つのブリッジ回路を備える電力変換器について説明したが、ブリッジ回路の数は２つ以上であってもよい。また、上述した実施形態では、冷却フィン６や固定部材８１をアルミニウムで形成する具体例やボルト８４をステンレスで形成する具体例について説明したが、これらは他の材料（例えば、銅や鉄）を用いて形成するようにしてもよい。

また、パワー素子である複数のローサイドスイッチング素子やハイサイドスイッチング素子を冷却フィン６の一方の面上に直接あるいは配線基板を介して配置する場合について説明したが、同じ相巻線に対応する１組のローサイドスイッチング素子とハイサイドスイッチング素子をモジュール化して冷却フィン６上に配置してもよい。

上述したように、本発明によれば、フレームから制御回路に対する熱の伝達を抑制することができ、制御回路の冷却性を向上させることができる。

２ リアフレーム
３ 固定子
４ 回転子
５ 電力変換器
６ 冷却フィン
８ 制御回路
４６ 冷却ファン
８１ 固定部材
８４ ボルト
８５ 円筒部材

Claims (9)

1. パワー素子を含むパワー回路（５）と、
   前記パワー回路を制御する制御回路（８）と、
   冷却ファン（４６）が取り付けられた回転子（４）および固定子（３）を収納するフレーム（２）と、
   前記パワー回路を冷却する冷却フィン（６）と、を備え、
   前記パワー回路は、前記冷却フィンの一方の面であって前記冷却ファンとは反対側に設けられており、
   前記フレームと前記冷却フィンの間ならびに前記制御回路と前記パワー回路の間には、前記冷却ファンによって前記フレーム内に取り込まれる冷却風の通路が形成されることを特徴とする回転電機。
2. 前記制御回路と前記パワー回路との間に形成された冷却風の通路には、前記回転子の電流供給が行われるブラシ装置（７）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記冷却フィンの径方向外側に開口部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記制御回路は、樹脂ケースに収納されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記制御回路を前記冷却フィンに固定する固定部材（８１）を備え、
   前記固定部材は、前記冷却フィンよりも熱伝導率の低い締結部材（８４）を用いて前記冷却フィンに締結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記固定部材と前記冷却フィンの間に、前記冷却フィンよりも熱伝導率の低い部材（８５）を介在させることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
7. 前記固定部材は、前記冷却フィンよりも熱伝導率の低い金属材料で形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の回転電機。
8. 前記冷却フィンは、アルミニウムにより形成されており、
   前記固定部材は、ステンレスにより形成されたビスであることを特徴とする請求項７に記載の回転電機。
9. 前記冷却フィンは、金属製で、前記フレームに締結されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転電機。

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