JP4279810B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、インバータ制御を行うパワー素子ユニットを搭載した回転電機、特に、モータジェネレータ、パワーステアリングモータ等に用いられるインバータ一体型の車両用回転電機に関するものである。

従来、回転電機をインバータ制御するパワー素子ユニットは、例えば、特許文献１に開示されているように、複数のスイッチング素子（パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のパワー素子）と各スイッチング素子に並列に接続されたダイオードからなるインバータモジュールを備えている。

インバータモジュールは、上アームを構成するスイッチング素子及びダイオードと、下アームを構成するスイッチング素子及びダイオードとを直列に接続したものを１セットとし、このセットが３個並列に接続されている。

電機子巻線はＹ結線され、Ｙ結線の各相の端部は、交流配線を介して各相に対応する直列に接続した上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子との中間点に電気的に接続されている。

また、バッテリの各端子は、それぞれ直流配線を介して正極側端子がインバータモジュールの正極側に、負極端子がインバータモジュールの負極側に電気的に接続されている。

インバータモジュールにおいて、各スイッチング素子のスイッチング動作は、制御回路の指令により制御される。また、制御回路は界磁電流制御回路を制御して回転子の界磁巻線に流す界磁電流を調整する。

インバータモジュールのスイッチング素子は、回転電機を駆動する際に、そのスイッチング時及び導通時に大きな電力損失を発生するため、インバータモジュールを構成する各スイッチング素子の冷却が特に重要な課題となっている。

例えば、特許文献１に開示された冷却方式では、回転電機の軸方向の一端側においてインバータモジュールを含むパワー素子ユニットをヒートシンク上に円周方向に配置し、径方向に流通路を有する冷却フィンに添って順次隣の冷却フィンの流通路に冷却風を流すことによりヒートシンクを冷却するようにしている。

特開２００４−２７４９９２号公報（第１７−１９頁、図１−図５）

上記特許文献１に開示された回転電機における冷却方式は、径方向に流通路を有する冷却フィンに沿って順次隣の冷却フィンの流通路に冷却風を流すことによりヒートシンクを冷却するようにしているため、暖められた冷却風が隣の冷却フィンに流れることになり、冷却性能が低下するという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、インバータモジュールを構成するスイッチング素子の冷却性能を向上し、かつ、回転電機全体の大きさを小型化することができる車両用回転電機を提供することを目的とする。

この発明に係る車両用回転電機は、電機子巻線が配設された固定子と、回転軸を有し、上記固定子の内側に配設された回転子と、上記回転子に設けられた冷却ファンと、上記固定子を支持し固定するとともに、上記回転軸を回転できるように支持するハウジングと、上記回転軸の軸方向における上記ハウジングの一方の壁面の外側に上記一方の壁面を覆うように配設され、上記ハウジングの一方の壁面との間に空間を形成するカバーとを備え、
上記空間に一対のヒートシンクを設け、
上記ヒートシンクは上記軸方向に対面する板それぞれの対面側と反対の背面に立設され径方向に延在する冷却用フィンを有し、
上記電機子巻線に接続されるインバータ回路を構成する直列に接続された上アーム及び下アームのスイッチング素子を、上記回転軸の軸方向に互いに向き合わせて上記ヒートシンクの対面する板上に配置し、
上記カバーの径方向外周に、上記冷却用フィンの外周端に外気を吸入する通風孔を形成し、
上記ハウジングの一方の壁面に上記空間内の空気が上記ハウジング内に吸入される吸入孔を形成し、
上記ハウジングの径方向外周に上記ハウジング内の空気を排出する排出孔を形成し、
上記通風孔から吸入された外気を上記上アーム及び下アームのスイッチング素子それぞれに分配するガイドを設け、
上記冷却ファンを回転させることにより、上記外気が上記冷却用フィンの外周端から内周端へと上記通風孔から流通し、上記吸入孔を通って上記排出孔から排出されるようにしたものである。

この発明によれば、スイッチング素子の冷却性能を向上させ、かつ、車両用回転電機全体の大きさを小型化することができる。

以下、この発明に係る車両用回転電機の実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明に係る車両用回転電機の実施の形態１を示す断面図、図２は、図１のパワー素子ユニットを軸方向からみた側面図であり、パワー素子ユニットを一体的にまたは近接させて配置した回転電機である。

図１に示したように、回転電機１は、フロントブラケット１０及びリアブラケット１１からなるハウジングと、電機子巻線１６ａを有する固定子１６と、シャフト（回転軸）１３及び界磁巻線１４を有する回転子１５とを備え、固定子１６はハウジング内に支持固定され、回転子１５は固定子１６の内側に界磁巻線１４が電機子巻線１６ａと対向するように配置されるとともに、回転子１５のシャフト１３がハウジングに設けられた支持用ベアリング１２に支持され、回転子１５は固定子１６と同軸に回転できるように構成される。回転子１５の軸方向の両端面には、冷却ファン１７が固定されている。

シャフト１３のフロント側（フロントブラケット１０の外側）の端部にプーリ１８が固着され、シャフト１３のリヤ側（リアブラケット１１の外側）にブラシホルダ１９がリヤブラケット１１に取り付けられ、シャフト１３のリヤ側に一対のスリップリング２１が装着され、スリップリング２１と摺接する一対のブラシ２０がブラシホルダ１９内に配設されている。また、シャフト１３のリア側端部に回転位置検出センサ（レゾルバ等）２２が設けられている。プーリ１８は、図示していないベルトを介してエンジンの回転軸と連結され、エンジンの回転がプーリ１８に伝達される。ブラシホルダ１９、ブラシ２０及びスリップリング２１は界磁巻線１４に直流電力を供給する電力供給機構である。

リヤブラケット１１のさらにリア側には、ブラシホルダ１９等の電力供給機構を覆うカバー３０が設けられ、リヤブラケット１１とカバー３０との間の空間にパワー素子ユニット４が配設されている。カバー３０の軸方向外壁面に制御回路４４を搭載した制御回路基板４４ａが配設され、制御回路基板４４ａはプレート３２で覆われている。

パワー素子ユニット４は、軸方向において所定の隙間を形成して対向する一対の内側ヒートシンク５０及び外側ヒートシンク５１を有し、内側ヒートシンク５０及び外側ヒートシンク５１は図２に示した支柱６によりリアブラケット１１に固定され、図１及び図２により参照されるように、内側及び外側ヒートシンク５０，５１の軸方向の対向する内壁面に上アーム及び下アームの複数組のスイッチング素子４１ａ，４１ｂが周方向に配列され、内側及び外側ヒートシンク５０，５１は軸方向の対向する外壁面に径方向に流通路を有する冷却用フィン５０ａ，５１ａを備えている。内側ヒートシンク５０及び外側ヒートシンク５１を設けることにより、冷却効果が大きくなる。

冷却用フィン５０ａ，５１ａは内側及び外側ヒートシンク５０，５１の全面に設けてもよいし、周方向に一定の間隔で設けてもよい。

スイッチング素子４１ａ，４１ｂはそれぞれ、内側及び外側ヒートシンク５０ａ，５１ａに半田付けにより接合される。

カバー３０の周方向の壁面に各冷却用フィン５０ａ，５１ａの外周面に対向して近接する通風孔３１ａ，３１ｂが設けられている。通風孔３１ａ，３１ｂは、好ましくは、スイッチング素子４１ａ，４１ｂに対向するように開口したものとするのがよい。

冷却ファン１７の回転により、矢印Ｆで示すように、新鮮な外気が通風孔３１ａ，３１ｂから各冷却用フィン５０ａ，５１ａを通り、リアブラケット１１の吸入孔１１ａから吸入され排出孔１１ｂから抜け出る風路が形成され、内側及び外側ヒートシンク５０ａ，５１ａは常に外気の冷却風により冷却される。リアブラケット１１の吸入孔１１ａは、冷却フィン５０ａ，５１ａの内周端に近い部分に設けるのが冷却効果を上げる上で好ましい。

このように、内側及び外側ヒートシンク５０ａ，５１ａは常に新鮮な外気の冷却風により冷却されるので、スイッチング素子４１ａ，４１ｂを冷却する冷却性能が向上し、かつ、リアブラケット１１とカバー３０との間の空間を利用するものであるので、車両用回転電機全体の大きさを小型化することができる。

図２に示したように、パワー素子ユニット４は、内側ヒートシンク５０の壁面には回路的に並列に４個接続された下側アームのスイッチング素子４１ａからなるＵ，Ｖ，Ｗの３相の部位（Ｕ相部位、Ｖ相部位、Ｗ相部位）が搭載されてなり、図示されていないが、外側ヒートシンク５１の壁面には回路的に並列に４個接続された上側アームのスイッチング素子４１ｂからなるＵ，Ｖ，Ｗの３相の部位（Ｕ相部位、Ｖ相部位、Ｗ相部位）が搭載されてなる。スイッチング素子４１ａ，４１ｂは、ディスクリートタイプ、ＴＰＭタイプ、ベアチップタイプのいずれであってもよい。

このように、複数個のスイッチング素子４１ａ，４１ｂをそれぞれ並列に接続することによりスイッチング素子４１ａ，４１ｂの１個当たりの通電量を小さくすることができ、通電容量の小さい安価なスイッチング素子４１ａ，４１ｂを用いることができ、価格を低減することができる。

図３は、パワー素子ユニットを備えた回転電機の動作を説明するための回路図である。
図３に示したように、回転電機部１ａは、固定子に巻回された電機子巻線１６ａと、回転子に巻回された界磁巻線１４とを備え、電機子巻線１６ａは、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルをＹ結線（スター結線）して構成されている。パワー素子ユニット４は、複数のスイッチング素子（パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）４１ａ，４１ｂと各スイッチング素子４１ａ，４１ｂに並列に接続されたダイオード４２からなるインバータモジュール４０と、インバータモジュール４０に並列に接続されたコンデンサ４３とを備えている。インバータモジュール４０は、上アーム４６を構成するスイッチング素子４１ａ及びダイオード４２と、下アーム４７を構成するスイッチング素子４１ｂ及びダイオード４２とを直列に接続したものを１セットとし、当該セットが３個並列に接続されている。

電機子巻線１６ａにおけるＹ結線の各相の端部は、対応するセットにおける上アーム４６のスイッチング素子４１ａと下アーム４７のスイッチング素子４１ｂとの中間点に交流配線９を介して電気的に接続されている。また、バッテリ５の正極側端子及び負極側端子が、直流配線８を介してインバータモジュール４０の正極側及び負極側にそれぞれ電気的に接続されている。

インバータモジュール４０における各スイッチング素子４１ａ、４１ｂのスイッチング動作は、制御回路４４の指令により制御される。また、制御回路４４は、界磁電流制御回路４５を制御して回転子の界磁巻線１４に流す界磁電流を調整する。

図３に示した回路図において、エンジンの始動時には、バッテリ５から直流配線８を介して直流電力がパワー素子ユニット４に供給され、制御回路４４がインバータモジュール４０の各スイッチング素子４１ａ，４１ｂをＯＮ／ＯＦＦ制御し、直流電力が三相交流電力に変換される。変換された三相交流電力は交流配線９を介して回転電機部１ａの電機子巻線１６ａに供給され、バッテリ５から界磁電流制御回路４５により界磁電流が供給されている回転子の界磁巻線１４の周囲に回転磁界が与えられ、回転子が回転駆動され、回転子のシャフトに取り付けたプーリ、ベルト、クランクプーリ、クラッチ（ＯＮ）を介してエンジンが始動される。

一方、エンジンが始動されると、エンジンの回転動力がクランクプーリ、ベルト、回転電機部１ａの回転子のシャフトに取り付けられたプーリを介して回転子に伝達され、回転子が回転駆動されて電機子巻線１６ａに三相交流電圧が誘起され、制御回路４４が各スイッチング素子４１ａ，４１ｂをＯＮ／ＯＦＦ制御し、電機子巻線１６ａに誘起された三相交流電圧を直流電力に変換し、バッテリ５を充電する。

実施の形態２．
図４は、この発明に係る車両用回転電機の実施の形態２を示す断面図であり、図１と同一符号は同一部分または相当部分を示している。

図４において、各部の構成は上記実施の形態１とほぼ同一であり、上記実施の形態１と異なる点は、カバー３０の外周に１個の通風孔３１ｃが設けられ、内側及び外側ヒートシンク５０，５１の外周端を連結するように、断面が三角形状の突起６０ａを一体に形成したガイド６０が設けられている点である。

この実施の形態２では、冷却ファン１７が回転すると、矢印Ｆで示すように新鮮な外気が通風孔３１ｃから吸入され、吸入された外気が突起６０ａを形成したガイド６０によって２方向に分配され、分配された外気が各冷却用フィン５０ａ，５１ａを通って、リアブラケット１１の吸入孔１１ａから吸入され排出孔１１ｂから抜け出る風路が形成される。

このように、内側及び外側ヒートシンク５０，５１は常に新鮮な外気の冷却風により冷却されるので、スイッチング素子４１ａ，４１ｂを冷却する冷却性能が向上し、かつ、リアブラケット１１とカバー３０との間の空間を利用するものであるので、車両用回転電機全体の大きさを小型化することができる。また、吸入された外気をガイド６０によって分配する構造であるので、１個の通風孔３１ｃとすることができ、構造を簡単にすることができる。

なお、上記実施の形態１及び２では、スイッチング素子４１ａ，４１ｂをそれぞれヒートシンク５０，５１に設ける例を示したが、ヒートシンクはいずれか一方のスイッチング素子のみとし、他方のスイッチング素子は、例えば単なる樹脂板面に取り付けるようにしてもよく、さらには、両方のヒートシンクをなくして、例えば、スイッチング素子４１ａ，４１ｂをそれぞれ対を成す樹脂板面に取り付けるようにしてもよい。

また、回転子１５に界磁巻線１４、ブラシホルダ１９を配設した車両用回転電機について説明したが、この発明の上記実施の形態を、例えば、回転子の磁極を永久磁石で形成した界磁巻線１４、ブラシホルダ１９を備えていない車両用回転電機に適用することもできる。

この発明に係る車両用回転電機は、自動車等に搭載される回転電機として有効に利用することができる。

この発明に係る車両用回転電機の実施の形態１を示す断面図である。 図１のパワー素子ユニットを軸方向からみた側面図である。 パワー素子ユニットを備えた回転電機の動作を説明するための回路図である。 この発明に係る車両用回転電機の実施の形態２を示す断面図である。

符号の説明

１ 回転電機、１ａ 回転電機部、４ パワー素子ユニット、５ バッテリ、
６ 支柱、８ 直列配線、９ 交流配線、１０ フロントブラケット、
１１ リアブラケット、１１ａ 吸入孔、１１ｂ 排出孔、１２ 支持用ベアリング、
１３ シャフト、１４ 界磁巻線、１５ 回転子、１６ 固定子、１６ａ 電機子巻線、
１７ 冷却ファン、１８ プーリ、１９ ブラシホルダ、２０ ブラシ、
２１ スリップリング、２２ 回転位置検出センサ、３０ カバー、
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 通風孔、３２ プレート、４０ インバータモジュール、
４１ａ，４１ｂ スイッチング素子、４２ ダイオード、４３ コンデンサ、
４４ 制御回路、４４ａ 制御回路基板、４５ 界磁電流制御回路、４６ 上アーム、
４７ 下アーム、５０ 内側ヒートシンク、５０ａ，５１ａ 冷却用フィン、
５１ 外側ヒートシンク、６０ ガイド、６０ａ 突出部。

Claims (2)

1. 電機子巻線が配設された固定子と、回転軸を有し、上記固定子の内側に配設された回転子と、上記回転子に設けられた冷却ファンと、上記固定子を支持し固定するとともに、上記回転軸を回転できるように支持するハウジングと、上記回転軸の軸方向における上記ハウジングの一方の壁面の外側に上記一方の壁面を覆うように配設され、上記ハウジングの一方の壁面との間に空間を形成するカバーとを備え、
   上記空間に一対のヒートシンクを設け、
   上記ヒートシンクは上記軸方向に対面する板それぞれの対面側と反対の背面に立設され径方向に延在する冷却用フィンを有し、
   上記電機子巻線に接続されるインバータ回路を構成する直列に接続された上アーム及び下アームのスイッチング素子を、上記回転軸の軸方向に互いに向き合わせて上記ヒートシンクの対面する板上に配置し、
   上記カバーの径方向外周に、上記冷却用フィンの外周端に外気を吸入する通風孔を形成し、
   上記ハウジングの一方の壁面に上記空間内の空気が上記ハウジング内に吸入される吸入孔を形成し、
   上記ハウジングの径方向外周に上記ハウジング内の空気を排出する排出孔を形成し、
   上記通風孔から吸入された外気を上記上アーム及び下アームのスイッチング素子それぞれに分配するガイドを設け、
   上記冷却ファンを回転させることにより、上記外気が上記冷却用フィンの外周端から内周端へと上記通風孔から流通し、上記吸入孔を通って上記排出孔から排出されるようにしたことを特徴とする車両用回転電機。
2. 上記通風孔は、上記上アーム及び下アームのスイッチング素子それぞれに対応して上記カバーに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機。

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