JP3958593B2

JP3958593B2 - 車両用電源装置

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Publication number: JP3958593B2
Application number: JP2002020109A
Authority: JP
Inventors: 勝栗林; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-01-29
Also published as: US6977475B2; KR20030065397A; DE60332783D1; US20030141854A1; EP1331725A3; EP1331725A2; KR100494693B1; JP2003225000A; EP1331725B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エンジンに連結されたベルト駆動式車両用回転電機およびベルト駆動式車両用回転電機を制御するインバータユニットを備えた車両用電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来のベルト駆動式車両用回転電機を用いた車両用電源装置を示す概念図、図９は従来の回転電機の発電出力特性を示す図であり、縦軸は出力電流（Ａ）を、横軸は回転電機の回転速度（ｒ／ｍｉｎ）を示している。
図８において、回転電機２は、ベルト駆動式回転電機であり、固定子（図示せず）の電機子巻線３と、回転子（図示せず）の界磁巻線４とを備え、回転子がエンジン１の回転軸とベルト（図示せず）により連結されている。ここでは、電機子巻線３は、４ターンの３相のコイルをΔ結線して構成されている。
インバータユニット５は、複数のスイッチング素子８と各スイッチング素子８に並列に接続されたダイオード９とからなるインバータモジュール６と、インバータモジュール６に並列に接続されたコンデンサ７とを備えている。このコンデンサ７は、インバータモジュール６を流れる電流を平滑する役割を有する。
【０００３】
インバータモジュール６は、並列に接続されたスイッチング素子８およびダイオード９の２組を直列に接続したものを、並列に３つ配置し、それらの素子８、９を一体にパッケージ封入して構成されている。そして、電機子巻線３の各Δ結線端部が、直列に接続されたスイッチング素子８の中間点にそれぞれ接続されている。
インバータモジュール６は、スイッチング素子８のスイッチング動作が制御装置１０により制御される。そして、回転電機２は、電力が供給されて始動電動機として動作し、エンジン１を始動させる。また、回転電機２は、エンジン１の始動後、エンジン１により回転駆動されて交流発電機として動作し、三相交流電圧を発生する。
【０００４】
回転電機２の駆動用電源である３６Ｖ系の第１のバッテリ１１がインバータモジュール６に並列に接続されている。この回転電機２は、第１のバッテリ１１により、高電圧（３６Ｖ）で運転される。また、車両に搭載される電機負荷は一般的に１２Ｖを定格としているため、１２Ｖ系の第２のバッテリ１２が搭載されている。そこで、電気負荷駆動用の第２のバッテリ１２を充電できるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３がインバータモジュール６に並列に接続されている。
つまり、回転電機２によるエンジン１の始動時には、回転電機２の発生トルクを大きくする、即ち電機子巻線３への通電電流量を大きくする必要がある。そして、車両に搭載された電気負荷を駆動するための第２のバッテリ１２による運転では、配線でのロスが大きくなってしまい、さらに配線抵抗を小さくするために配線自体が大きくなってしまう。そこで、バッテリ電圧を高電圧化して、送電ロスを低減している。
【０００５】
ついで、このように構成された従来の車両用電源装置の動作について説明する。
まず、制御装置１０が、各スイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御し、第１のバッテリ１１の直流電力から三相交流電力を発生させる。この三相交流電力が回転電機２の電機子巻線３に供給され、回転子の界磁巻線４に回転磁界が与えられ、回転子が回転駆動される。そして、回転子の回転力がプーリおよびベルト（図示せず）を介してエンジン１に伝達され、エンジン１が回転駆動、即ち始動される。
そして、エンジン１が始動されると、エンジン１の回転力がベルトおよびプーリを介して回転電機２に伝達される。これにより、回転子が回転駆動され、電機子巻線３に三相交流電圧が誘起される。そこで、制御装置１０が、各スイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御し、電機子巻線４に誘起された三相交流電圧を直流に整流する。そして、インバータユニット５により整流された直流電力により、第１のバッテリ１１が充電される。また、インバータユニット５により整流された直流電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３により１２Ｖに変換されて第２のバッテリ１２に供給される。
【０００６】
ここで、制御装置１０により各スイッチング素子８をＯＦＦとして、従来の回転電機２をオルタネータモードで発電させる場合、回転電機２の起電力は回転子の回転速度に依存する。つまり、回転電機２の回転子の回転速度が低速となると、オルタネータモードでは調整系電圧を超える発電量が得られなくなる。そこで、回転子の回転速度が低速域にあるときには、回転電機２をインバータモードで発電させることになる。
一般的なベルト駆動式車両用回転電機では、トルク伝達プーリ比が２．５程度であり、一般的なエンジンの常用回転数域が１２００〜３０００ｒ／ｍｉｎであることから、回転電機２の常用回転速度域は３０００〜７５００ｒ／ｍｉｎとなる。
この回転電機２の発電は、図９に示されるように、回転速度が７０００ｒ／ｍｉｎ近傍でインバータモードからオルタネータモードに切り換えられている。従って、回転電機２は、その常用回転速度域の大部分において、インバータモードで発電されていることになる。
【０００７】
このインバータモードによる発電は、制御装置１０によりスイッチング素子８をスイッチングして行うものであり、回転電機２の回転速度が速くなるほど、スイッチング素子８をスイッチングする度合い、即ちスイッチング周波数が高くなる。また、インバータモードによる発電においてはスイッチング素子８に通電される電流は、オルタネータモードによる発電においてダイオード９に通電される電流に比べて、大電流となる。そこで、インバータモードによる発電においては、大電流がスイッチング素子８に連続して通電されることになる。そこで、スイッチング素子８における発熱量が大きくなるので、インバータユニット５の放熱設計が大規模なものとなり、インバータユニット５の冷却には冷却効率のよい水冷構造が一般的に採用されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のベルト駆動式車両用回転電機を用いた車両用電源装置では、回転電機２が、その常用回転速度域の大部分において、オルタネータモードに比べて発電損失が多いインバータモードで発電されているので、インバータに大掛かりな冷却構造が必要となるとともに、回転電機の発電効率が低下されるという課題があった。
また、回転電機２の高速回転域までスイッチング素子８を制御する必要があり、スイッチング周波数が高くなるので、制御装置１０の回路構成が複雑となり、高価格化を招いてしまうという課題もあった。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するために、回転電機の常用回転速度域においてオルタネータモードで回転電機を発電できるように回転電機の電機子巻線のターン数を設定し、エンジンの始動時に、スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御して回転電機を電動機として動作させ、かつ、エンジン始動後、スイッチング素子をＯＦＦとしてオルタネータモードで回転電機を発電させるように制御装置によりインバータユニットを制御するようにして、回転電機による発電効率を高め、インバータの冷却構造を簡素化および小型化し、かつ、制御装置の回路構成を簡素化して低価格化を図る車両用電源装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る車両用電源装置は、バッテリと、エンジンに連結されており、該エンジンの始動時、上記バッテリの電力により駆動されて該エンジンを始動し、かつ、該エンジンの始動後、該エンジンに駆動されて交流電力を発生する車両用回転電機と、上記バッテリの正負端子間に直列接続された一対のスイッチング素子および該スイッチング素子に並列接続されたダイオードを複数組有し、直列接続されたスイッチング素子の接続点を上記車両用回転電機に接続されたインバータと、上記エンジンの始動時に、上記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて上記バッテリの電力を上記車両用回転電機に供給して該車両用回転電機を駆動させ、上記エンジンの始動後に、上記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて上記車両用回転電機で発生する交流電力を直流電力に整流させ、その後上記エンジンの少なくとも常用回転速度域の全域で、上記スイッチング素子をＯＦＦとして上記ダイオード群により上記車両用回転電機で発生する交流電力を直流電力に整流させて上記バッテリを充電するように上記インバータを制御する制御装置とを備えたものである。
【００１１】
また、上記インバータの冷却方式を空冷方式とするものである。
【００１２】
また、上記インバータは、上記スイッチング素子およびダイオードがヒートシンク上に実装され、上記スイッチング素子およびダイオードで発生する熱がヒートシンクを介して放熱されるようにしたものである。
【００１３】
また、上記ヒートシンクが放熱フィンを有しているものである。
【００１４】
また、上記インバータが上記車両用回転電機に一体に取り付けられているものである。
【００１５】
また、上記インバータが、上記スイッチング素子で構成されたインバータ回路部と、上記ダイオードで構成された整流回路部とに分割構成され、該整流回路部が上記車両用回転電機に内蔵されているものである。
【００１６】
また、上記インバータが、上記車両用回転電機の冷却媒体により冷却されるようになっているものである。
【００１８】
上記車両用回転電機は、発電時の調整系電圧をＥ、回転子の磁極数をｐ、１磁極当たりの電機子巻線の直列導体数をｗとしたときに、{Ｅ／（ｐ^２・ｗ）}＜０．０４を満足するように構成されているものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るベルト駆動式車両用回転電機を適用した車両用電源装置を示す概念図である。図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源装置における回転電機の発電出力特性を示す図であり、図において、縦軸は出力電流（Ａ）を、横軸は回転電機の回転速度（ｒ／ｍｉｎ）を示している。図１において、回転電機２０はベルト駆動式車両用回転電機であり、その電機子巻線２１がそれぞれ５ターンの各相のコイルをΔ結線して構成されている。また、インバータユニット２２およびインバータモジュール２３は、インバータユニット５およびインバータモジュール６と同様に構成されている。
なお、他の構成は、図８に示される従来の車両用電源装置と同様に構成されている。
【００２０】
ついで、この実施の形態１における回転電機の発電特性について説明する。
図２から、電機子巻線２１の各相のコイルのターン数を５ターンと設定する回転電機２０では、インバータモード発電とオルタネータモード発電との切り換え回転速度が約２５００ｒ／ｍｉｎであり、エンジン機関常用回転速度域ではオルタネータモード発電できることが分かる。つまり、少なくともエンジン機関の常用回転速度域の全域において、回転電機２０をオルタネータモードで発電できる車両用電源装置を実現できる。
【００２１】
つぎに、この実施の形態１による車両用電源装置の動作について説明する。
まず、制御装置２４が、各スイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御し、第１のバッテリ１１の直流電力から三相交流電力を発生させる。この三相交流電力が回転電機２０の電機子巻線２１に供給され、回転子の界磁巻線４に回転磁界が与えられ、回転子が回転駆動される。そして、回転子の回転力がプーリおよびベルト（図示せず）を介してエンジン１に伝達され、エンジン１が回転駆動、即ち始動される。
そして、エンジン１が始動されると、エンジン１の回転力がベルトおよびプーリを介して回転電機２０に伝達される。これにより、回転子が回転駆動され、電機子巻線２１に三相交流電圧が誘起される。制御装置２４は、回転電機２０からの回転信号（ｆ）に基づいて回転子の回転速度をモニターしており、回転速度が２５００ｒ／ｍｉｎ未満のときに、各スイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御し、インバータモードにより回転電機２０を発電させる。そして、回転速度が２５００ｒ／ｍｉｎとなったときに各スイッチング素子８をＯＦＦとし、オルタネータモードにより回転電機２０を発電させる。これにより、インバータモジュール２３は直列接続された２つのダイオード９の組が並列に３組接続された三相全波整流回路となり、電機子巻線２１に誘起された三相交流電圧がインバータユニット２２により直流に整流される。そして、インバータユニット２２により整流された直流電力により、第１のバッテリ１１が充電される。また、インバータユニット５により整流された直流電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３により１２Ｖに変換されて第２のバッテリ１２に供給される。
【００２２】
このように、この実施の形態１によれば、電機子巻線２１の各相のコイルのターン数を５ターンに設定しているので、インバータモード発電とオルタネータモード発電との切り換え回転速度を２５００ｒ／ｍｉｎに低減できる。
従って、オルタネータモードに比べて発電損失の多いインバータモードでの発電が２５００ｒ／ｍｉｎ未満の回転速度域となる。言い換えれば、少なくともエンジン機関の常用回転速度域の全域において、回転電機２０をオルタネータモードで発電できるので、回転電機２０の発電効率が向上される。
また、回転電機２０の高速回転域までスイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御する必要がなく、インバータユニット２２の制御が簡易となる。その結果、制御装置２４の回路構成が簡易となり、低価格化を図ることができる。
【００２３】
また、この実施の形態１では、電機子巻線２１の各相のコイルのターン数を従来の車両用電源装置の電機子巻線２の各相のコイルのターン数に比べて多くしているので、同一トルクを発生させるために必要な電機子巻線への通電量を小さくすることができる。そこで、この実施の形態１によれば、従来の車両用電源装置に比べて、スイッチング素子８の通電容量を小さく設定することができるので、小さな電流容量のスイッチング素子８を採用でき、インバータユニット２２の容積およびコストを低減できるとともに、大掛かりなインバータユニット２２の放熱設計が不要となり、インバータユニット２２の小型化が図られる。
【００２４】
ここで、オルタネータモード発電においては、回転子の回転速度が速くなるにつれ、電機子巻線２１に誘起される電圧が大きくなる。そして、電機子巻線２１に誘起された電圧を三相全波整流した直流電圧が第１のバッテリ１１の電圧を超えると、初めて回転電機２０の発電を出力として取り出せることになる。そして、オルタネータモード発電の出力電流がインバータ発電モードの出力電流を越える回転子の回転速度がインバータモード発電とオルタネータモード発電との切り換え回転速度となる。
そして、電機子巻線２１の各相のコイルのターン数を増やすことにより、電機子巻線２１に誘起される電圧が大きくなる。従って、各相のコイルのターン数を増やすことにより、インバータモード発電とオルタネータモード発電との切り換え回転速度を低回転速度側にシフトできることになる。
【００２５】
本発明は、上記見知に基づいて、発電時の調整系電圧をＥ、回転子の磁極数をｐ、１磁極当たりの電機子巻線の直列導体数をｗとしたときに、{Ｅ／（ｐ^２・ｗ）}＜０．０４を満足するように回転電機を設計することで、インバータモード発電とオルタネータモード発電との切り換え回転速度をエンジン機関の常用回転速度域以下にできることを見出してなされたものである。
なお、上記実施の形態１においては、電源が３６Ｖ系の第１のバッテリ１１である関係上、調整系電圧は４２ｖとなり、回転子の磁極数が１６極であることから、ターン数ｗを５以上に設定すれば、{Ｅ／（ｐ^２・ｗ）}＜０．０４を満足している。そして、ターン数ｗは調整系電圧（Ｅ）および回転子の磁極数（ｐ）によって変化することは言うまでもないことである。
【００２６】
実施の形態２．
上記実施の形態２では、回転電機２０が、電機子巻線２１の各相のコイルのターン数を６ターンに設定している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００２７】
この実施の形態２による車両用電源装置では、図３に示されるように、回転電機２０が回転を開始した時点でオルタネータモード発電できることが分かる。
そして、この実施の形態２では、制御装置２４が回転電機２０からの回転信号（ｆ）に基づいて回転子が回転した時点でスイッチング素子８をＯＦＦとしてオルタネータモード発電を行わせるものとしている。
【００２８】
この実施の形態２によれば、インバータモード発電が行われない回路設計が可能となり、インバータユニット２２の冷却構造が簡素化される。
また、スイッチング素子８のＯＮ／ＯＦＦ制御は回転電機２０を始動電動機として動作させる場合のみであり、インバータユニット２２の制御が簡易となるので、制御装置２４の回路構成がさらに簡易となり、さらなる低価格化を図ることができる。
【００２９】
さらに、この実施の形態２においては、大電流を要するスイッチング素子８のＯＮ／ＯＦＦ制御は回転電機２０を始動電動機として動作させる場合のみであり、しかも制御時間も０．３秒〜１秒であるので、スイッチング素子８からの発熱は瞬時なものとなる。そこで、インバータユニット２２の冷却に冷却効率のよい水冷構造を必ずしも採用する必要はなく、この損失熱量を十分に受け入れられる熱容量を持ったヒートシンクの設計を行うことにより、インバータユニット２２の冷却に自然空冷方式を採用することが可能となる。そして、水冷構造の採用は、煩雑な配管が必要となり、組み付け性の悪化やコストアップをもたらすが、空冷方式を採用すれば、組み付け性が向上され、低価格化が図られる。
【００３０】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、回転電機２０を３６Ｖ系の第１のバッテリ１１で運転するものとしているが、この実施の形態３では、回転電機２０を１２Ｖ系の第２のバッテリ１２で運転するものとしている。
つまり、回転電機２０は、電機子巻線２１の各相のコイルのターン数を６ターンとしているので、電機子巻線２１への通電量を小さくしても、エンジン１を始動させるに十分なトルクを発生させることができる。そこで、送電ロスが小さくなり、１２Ｖ系の第２のバッテリ１２を用いて回転電機２０を運転することができる。
この実施の形態３によれば、回転電機２０を第２のバッテリ１２で運転するようにしているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が不要となり、インバータユニット２２のさらなる低価格化および小型化を実現できる。
【００３１】
実施の形態４．
上記実施の形態１では、インバータユニット２２を回転電機２０と別体で構成し、かつ、インバータユニット２２を回転電機２０と別置きに設置するものとしているが、この実施の形態４では、図４に示されるように、インバータユニット２２を回転電機２０のリアブラケット４４の端面（外壁面）に搭載するものとしている。
【００３２】
図４はこの発明の実施の形態４に係る車両用電源装置におけるインバータユニットの取付構造を説明する縦断面図、図５はこの発明の実施の形態４に係る車両用電源装置におけるインバータユニットの構造を説明する図であり、図５の（ａ）は一部破断側面図、図５の（ｂ）はその平面図である。
図４および図５において、回転電機２０は、シャフト４１に固着されてフロントブラケット４３およびリヤブラケット４４に回転自在に装着されたランデル型の回転子４０と、フロントブラケット４３およびリヤブラケット４４の側端部に挟持されて回転子４０を囲繞するように配設された固定子４２と、回転子４０の軸方向の両端面に固着されたファン４５と、シャフト４１のフロント側の端部に固着されたプーリ４６と、シャフト４１のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット４４の内壁面に配設されたブラシホルダ４７と、シャフト４１のリヤ側に装着された一対のスリップリング４９に摺接するようにブラシホルダ４７内に配設された一対のブラシ４８とを備えている。そして、この回転電機２０は、プーリ４６およびベルト（図示せず）を介してエンジン１に連結されている。
また、吸気孔４３ａ、４４ａがフロントブラケット４３およびリヤブラケット４４の端面に穿設され、排気孔４３ｂ、４４ｂがフロントブラケット４３およびリヤブラケット４４の側面に穿設されている。
【００３３】
そして、インバータユニット２２Ａは、スイッチング素子８からの発熱に起因する損失熱量を十分に受け入れられる熱容量を持つように放熱設計されたヒートシンク３０と、絶縁性樹脂によりヒートシンク３０の外周部に一体に成形された樹脂成形部３１と、スイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御するための電子部品が実装された制御回路基板３２と、電源端子３３、３４とを備えている。
【００３４】
ヒートシンク３０は、銅、アルミニウム等の良熱伝導体でＣ状に作製され、フィン３０ａがその内周面に周方向に複数形成され、３つの平坦面３０ｂがその外周面に形成されている。そして、並列に接続されるスイッチング素子８およびダイオード９の２組が、各平坦面３０ｂにそれぞれ固着されている。
樹脂成形部３１には、スイッチング素子８およびダイオード９の素子群と、制御回路基板３２とを収納する収納空間３１ａが形成されている。そして、ヒートシンク３０の各平坦面３０ｂが収納空間３１ａ内に露呈している。さらに、図示していないが、インサート導体が樹脂成形部３１にインサート成形されており、インサート導体の一部が接続端子として所定位置に露呈している。なお、電源端子３３、３４が樹脂成形部３１に取り付けられ、インバータユニットの正極および負極を構成する接続端子にそれぞれ電気的に接続されている。
【００３５】
そして、スイッチング素子８およびダイオード９が各平坦面３０ｂに固着され、制御回路基板３２の各端子がスイッチング素子８およびダイオード９の各端子に電気的に接続されて収納空間３１ａ内に取り付けられる。さらに、制御回路基板３２とインサート導体の接続端子とを結線した後、蓋３５により収納空間３１ａを密閉して、インバータユニット２２Ａが組み立てられる。
【００３６】
このように組み立てられたインバータユニット２２Ａが、フィン３０ａの長さ方向（図５の（ｂ）中紙面と直交する方向）をシャフト４１の軸心方向に一致するように、かつ、シャフト４１を取り囲むように配置され、取付金具（図示せず）によりリヤブラケット４４の端面（外壁面）に取り付けられている。そして、電機子巻線２１のΔ結線端部が直列接続されたスイッチング素子８の中間点に接続されているインサート導体の接続端子に結線される。さらに、電源端子３３、３４が第１のバッテリ１１に接続される。これにより、図１に示される回路と等価の電源回路が構成される。
【００３７】
この実施の態４においては、回転子４０が回転駆動されると、ファン４５が駆動される。これにより、図４中矢印に示されるように、冷却風が吸気孔４３ａ、４４ａからフロントおよびリヤブラケット４３、４４内に導入され、ファン４５により遠心方向に曲げられて排気孔４３ｂ、４４ｂから排出される冷却風の流れが形成される。そして、この冷却風により、電機子巻線２１が冷却される。この時、冷却風が、ヒートシンク３０のフィン３０ａに沿って流れ、スイッチング素子８およびダイオード９で発生した熱がフィン３０ａを介して冷却風に放熱される。
そして、回転電機２０のオルタネータモードで発電された電力は、インバータユニット２２Ａで直流に整流された後、電源端子３３、３４を介してバッテリに供給される。
【００３８】
なお、この実施の形態４においても、{Ｅ／（ｐ^２・ｗ）}＜０．０４を満足するように回転電機を設計し、上記実施の形態２と同様に、エンジン１の始動時に、スイッチング素子８をＯＮＮ／ＯＦＦ制御して回転電機２０を始動電動機として動作させ、またエンジン１の始動後スイッチング素子８をＯＦＦとして、エンジン機関の常用回転速度域のみならずエンジン機関の全回転速度域で回転電機２０をオルタネータモードで発電するようにしている。
【００３９】
上記実施の形態１では、インバータユニット２２が回転電機２０と別体で構成され、かつ、回転電機２０と別置きで設置されているので、接続されるハーネス類が長くなり、重量増加や耐外乱ノイズ性の悪化の問題があった。
しかしながら、この実施の形態４によれば、インバータユニット２２Ａがリヤブラケット４４に一体に取り付けられているので、接続されるハーネス類を短くでき、ハーネスの重量低減や耐外乱ノイズ性の向上が図られる。
また、ヒートシンク３０がスイッチング素子８からの発熱に起因する損失熱量を十分に受け入れられる熱容量を持つように放熱設計されているので、ヒートシンク３０の小型化、即ちインバータユニット２２Ａの小型化が図られ、インバータユニット２２Ａのリヤブラケット４４への搭載性が向上される。
【００４０】
また、インバータユニット２２Ａの冷却媒体が回転電機２０の冷却媒体（冷却風）と共用しているので、冷却構造が簡素化される。
また、インバータユニット２２Ａのヒートシンク３０にフィン３０ａを設け、ファン４５の駆動によって形成される冷却風がフィン３０ａに沿って流れることで、スイッチング素子８およびダイオード９で発生する熱がヒートシンク３０に伝達された後、フィン３０ａを介して冷却風に放熱される。従って、自然冷却構造に比べて、冷却効率が高く、ヒートシンク３０の小型化がさらに促進される。
【００４１】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５に係るベルト駆動式車両用回転電機を適用した車両用電源装置を示す概念図、図７はこの発明の実施の形態５に係る車両用電源装置におけるインバータユニットの取付構造を説明する縦断面図である。
【００４２】
上記実施の形態４では、スイッチング素子８とダイオード９とが併設されてインバータユニット２２Ａを構成するものとしているが、この実施の形態５では、図６に示されるように、スイッチング素子８からなるインバータ回路部（インバータユニット２２Ｂ）と、ダイオード９からなる三相全波整流回路部（整流器５１）とが別体に構成されているものとしている。また、回転電機２０を１２Ｖ系の第２のバッテリ１２で運転するようにしている。
【００４３】
インバータユニット２２Ｂは、ヒートシンク３０Ａと、絶縁性樹脂によりヒートシンク３０Ａの外周部に一体に成形された樹脂成形部３１Ａと、スイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御するための電子部品が実装された制御回路基板３２Ａと、電源端子３３、３４とを備えている。
【００４４】
ヒートシンク３０Ａは、銅、アルミニウム等の良熱伝導体でＣ状に作製され、３つの平坦面３０ｂがその外周面に形成されている。そして、並列に接続される２つのスイッチング素子８が、各平坦面３０ｂにそれぞれ固着されている。
樹脂成形部３１Ａには、スイッチング素子８と、制御回路基板３２Ａとを収納する収納空間３１ａが形成されている。そして、ヒートシンク３０Ａの各平坦面３０ｂが収納空間３１ａ内に露呈している。さらに、図示していないが、インサート導体が樹脂成形部３１Ａにインサート成形されており、インサート導体の一部が接続端子として所定位置に露呈している。なお、電源端子３３、３４が樹脂成形部３１Ａに取り付けられ、インバータユニットの正極および負極を構成する接続端子にそれぞれ電気的に接続されている。
【００４５】
そして、スイッチング素子８が各平坦面３０ｂに固着され、制御回路基板３２Ａの各端子がスイッチング素子８の各端子に電気的に接続されて収納空間３１ａ内に取り付けられる。さらに、制御回路基板３２Ａとインサート導体の接続端子とを結線した後、蓋３５により収納空間３１ａを密閉して、インバータユニット２２Ｂが組み立てられる。
【００４６】
整流器５１は、一面を素子実装面５２ａとし、複数のフィン５２ｂが他面に直立に形成された円弧状の第１のヒートシンク５２と、一面を素子実装面５３ａとし、複数のフィン５３ｂが他面に直立に形成され、第１のヒートシンク５２より大径の円弧状に形成され、第１のヒートシンク５２の外周に素子実装面５２ａ、５３ａを同一面位置となるように配設される第２のヒートシンク５３と、絶縁性樹脂により円弧状に成形され、第１および第２のヒートシンク５２、５３の素子実装面５２ａ、５３ａ上に配設されるサーキットボード５４とを備えている。
【００４７】
第１および第２のヒートシンク５２、５３は、銅、アルミニウム等の良熱伝導体で作製され、ダイオード９が各素子実装面５２ａ、５３ａのそれぞれに３つづつ実装されている。サーキットボード５４には、図示していないが、インサート導体がインサート成形されており、インサート導体の一部が接続端子として所定位置に露呈している。
そして、第２のヒートシンク５３が第１のヒートシンク５２の外周に素子実装面５２ａ、５３ａを同一面位置となるように配設され、サーキットボード５４が第１および第２のヒートシンク５２、５３の素子実装面５２ａ、５３ａ上に配設され、ダイオード９の各端子がサーキットボード５４の接続端子に結線されて、整流器５１が組み立てられる。
【００４８】
そして、図７に示されるように、インバータ回路部を構成するスイッチング素子８を組み込んだインバータユニット２２Ｂが回転電機２０のリヤブラケット４４の端面（外壁面）に取り付けられ、整流器５１がリヤブラケット４４の内壁面に取り付けられる。そして、直列に接続されたスイッチング素子８の中間点および直列に接続されたダイオード９の中間点が、電機子巻線２１のΔ結線端部に電気的に接続される。さらに、電源端子３３、３４が第２のバッテリ１２に接続される。これにより、図６に示される電源回路が構成される。
【００４９】
この実施の態５においては、回転子４０が回転駆動されると、ファン４５が駆動される。これにより、上記実施の形態４と同様に、冷却風が吸気孔４３ａ、４４ａからフロントおよびリヤブラケット４３、４４内に導入され、ファン４５により遠心方向に曲げられて排気孔４３ｂ、４４ｂから排出される冷却風の流れが形成される。そして、この冷却風により、電機子巻線２１が冷却される。この時、冷却風が、ヒートシンク３０Ａの内周面に沿って流れ、スイッチング素子８で発生した熱が冷却風に放熱される。また、冷却風が第１および第２のヒートシンク５２、５３のフィン５２ｂ、５３ｂに沿って流れ、ダイオード９で発生した熱がフィン５２ｂ、５３ｂを介して冷却風に放熱される。
そして、回転電機２０のオルタネータモードで発電された電力は、整流器５１で直流に整流された後、電源端子３３、３４を介して第２のバッテリ１２に供給される。
【００５０】
なお、この実施の形態５においても、{Ｅ／（ｐ^２・ｗ）}＜０．０４を満足するように回転電機を設計し、上記実施の形態２と同様に、エンジン１の始動時に、スイッチング素子８をＯＮＮ／ＯＦＦ制御して回転電機２０を始動電動機として動作させ、またエンジン１の始動後スイッチング素子８をＯＦＦとして、エンジン機関の常用回転速度域のみならずエンジン機関の全回転速度域で回転電機２０をオルタネータモードで発電するようにしている。
【００５１】
この実施の形態５によれば、インバータユニット２２Ｂがスイッチング素子８で構成されたインバータ回路部のみを有しているので、インバータユニット２２Ｂはエンジン１の始動時にのみ駆動される。従って、インバータユニット２２Ｂでの常時の損失発熱がなくなり、インバータユニット２２Ｂの放熱設計が容易となる。つまり、インバータユニット２２Ｂのヒートシンクはエンジン１の始動時の通電による発熱を冷却できるに十分な熱容量があるように設計すれば、放熱フィンを省略することが可能となる。これにより、インバータユニット２２Ｂの小型化が促進され、搭載性が格段に向上する。
【００５２】
この実施の形態５においても、インバータユニット２２Ｂがリヤブラケット４４に一体に取り付けられているので、接続されるハーネス類を短くでき、ハーネスの重量低減や耐外乱ノイズ性の向上が図られる。
また、インバータユニット２２Ｂの冷却媒体が回転電機２０の冷却媒体（冷却風）と共用しているので、冷却構造が簡素化される。
また、１２Ｖ系の第２のバッテリ１２で回転電機２０を運転するようにしているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が不要となり、小型化および低価格化が図られる。
【００５３】
なお、上記各実施の形態では、電機子巻線２１が３相分のコイルをΔ結線して構成されているものとしているが、この発明は、電機子巻線２１に代えて、３相分のコイルをＹ結線して構成された電機子巻線を採用しても、同様の効果が得られる。
また、上記各実施の形態では、電機子巻線２１が３相分のコイルを交流結線（例えばΔ結線）して構成されているものとしているが、電機子巻線を構成する相数が３相に限定されるものではなく、例えば４相、５相でもよい。
また、上記各実施の形態では、インバータユニットが水および空気を冷却媒体とする冷却方式により冷却されるものとして説明しているが、油を冷却媒体とする冷却方式を採用してもよい。
また、この発明による車両用電源装置は、ディーゼル自動車、エンジン自動車、ハイブリッド自動車の電源装置として適用できる。
【００５４】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００５５】
この発明によれば、バッテリと、エンジンに連結されており、該エンジンの始動時、上記バッテリの電力により駆動されて該エンジンを始動し、かつ、該エンジンの始動後、該エンジンに駆動されて交流電力を発生する車両用回転電機と、上記バッテリの正負端子間に直列接続された一対のスイッチング素子および該スイッチング素子に並列接続されたダイオードを複数組有し、直列接続されたスイッチング素子の接続点を上記車両用回転電機に接続されたインバータと、上記エンジンの始動時に、上記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて上記バッテリの電力を上記車両用回転電機に供給して該車両用回転電機を駆動させて上記エンジンを始動させ、上記エンジンの始動後に、上記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて上記車両用回転電機で発生する交流電力を直流電力に整流させ、その後上記エンジンの少なくとも常用回転速度域の全域で、上記スイッチング素子をＯＦＦとして上記ダイオード群により上記車両用回転電機で発生する交流電力を直流電力に整流させて上記バッテリを充電するように上記インバータを制御する制御装置とを備えているので、回転電機による発電効率を高め、インバータの冷却構造を簡素化および小型化でき、かつ、制御装置の回路構成を簡素化して低価格化が図られる車両用電源装置を実現できる。
【００５６】
また、上記インバータの冷却方式を空冷方式としているので、冷却構造が簡素化される。
【００５７】
また、上記インバータは、上記スイッチング素子およびダイオードがヒートシンク上に実装され、上記スイッチング素子およびダイオードで発生する熱がヒートシンクを介して放熱されるようにしているので、冷却媒体として空気を用いても、効率よくインバータを冷却することができる。
【００５８】
また、上記ヒートシンクが放熱フィンを有しているので、冷却効率がさらに向上される。
【００５９】
また、上記インバータが上記車両用回転電機に一体に取り付けられているので、ハーネス重量を低減できるとともに、耐外乱ノイズ性を高めることができる。
【００６０】
また、上記インバータが、上記スイッチング素子で構成されたインバータ回路部と、上記ダイオードで構成された整流回路部とに分割構成され、該整流回路部が上記車両用回転電機に内蔵されているので、インバータ回路部の小型化が図られ、インバータ回路部の搭載性が向上される。
【００６１】
また、上記インバータが、上記車両用回転電機の冷却媒体により冷却されるようになっているので、冷却構造が一元化され、小型化、低価格化が図られる。
【００６３】上記車両用回転電機は、発電時の調整系電圧をＥ、回転子の磁極数をｐ、１磁極当たりの電機子巻線の直列導体数をｗとしたときに、{Ｅ／（ｐ^２・ｗ）}＜０．０４を満足するように構成されているので、インバータモード発電とオルタネータモード発電との切り換え回転速度をエンジン機関の常用回転速度域以下にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るベルト駆動式車両用回転電機を適用した車両用電源装置を示す概念図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る車両用電源装置における回転電機の発電出力特性を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る車両用電源装置における回転電機の発電出力特性を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態４に係る車両用電源装置におけるインバータユニットの取付構造を説明する縦断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る車両用電源装置におけるインバータユニットの構造を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態５に係るベルト駆動式車両用回転電機を適用した車両用電源装置を示す概念図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係る車両用電源装置におけるインバータユニットの取付構造を説明する縦断面図である。
【図８】従来の車両用電源装置を示す概念図である。
【図９】従来の回転電機の発電出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１エンジン、８スイッチング素子、９ダイオード、１１第１のバッテリ、１２第２のバッテリ、２０回転電機、２１電機子巻線、２２、２２Ａインバータユニット（インバータ）、２２Ｂインバータユニット（インバータ回路部）、２４制御装置、３０ヒートシンク、３０ａフィン、５１整流器（整流回路部）。

Claims

バッテリと、
エンジンに連結されており、該エンジンの始動時、上記バッテリの電力により駆動されて該エンジンを始動し、かつ、該エンジンの始動後、該エンジンに駆動されて交流電力を発生する車両用回転電機と、
上記バッテリの正負端子間に直列接続された一対のスイッチング素子および該スイッチング素子に並列接続されたダイオードを複数組有し、直列接続されたスイッチング素子の接続点を上記車両用回転電機に接続されたインバータと、
上記エンジンの始動時に、上記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて上記バッテリの電力を上記車両用回転電機に供給して該車両用回転電機を駆動させて上記エンジンを始動させ、上記エンジンの始動後に、上記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて上記車両用回転電機で発生する交流電力を直流電力に整流させ、その後上記エンジンの少なくとも常用回転速度の全域で、上記スイッチング素子をＯＦＦとして上記ダイオード群により上記車両用回転電機で発生する交流電力を直流電力に整流させて上記バッテリを充電するように上記インバータを制御する制御装置
とを備えたことを特徴とする車両用電源装置。
上記インバータの冷却方式が空冷方式であることを特徴とする請求項１記載の車両用電源装置。
上記インバータは、上記スイッチング素子およびダイオードがヒートシンク上に実装され、上記スイッチング素子およびダイオードで発生する熱がヒートシンクを介して放熱されるようにしたことを特徴とする請求項２記載の車両用電源装置。
上記ヒートシンクが放熱フィンを有していることを特徴とする請求項３記載の車両用電源装置。
上記インバータが上記車両用回転電機に一体に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の車両用電源装置。
上記インバータが、上記スイッチング素子で構成されたインバータ回路部と、上記ダイオードで構成された整流回路部とに分割構成され、該整流回路部が上記車両用回転電機に内蔵されていることを特徴とする請求項５記載の車両用電源装置。
上記インバータが、上記車両用回転電機の冷却媒体により冷却されるようになっていることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の車両用電源装置。
上記車両用回転電機は、発電時の調整系電圧をＥ、回転子の磁極数をｐ、１磁極当たりの電機子巻線の直列導体数をｗとしたときに、{Ｅ／（ｐ^２・ｗ）}＜０．０４を満足するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の車両用電源装置。