JP4907694B2

JP4907694B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4907694B2
Application number: JP2009116398A
Authority: JP
Inventors: 篤武智; 正雄菊池; 仁志磯田; 政紀加藤; 暢彦藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: US20100289352A1; FR2945681B1; FR2945681A1; US8853898B2; JP2010268558A

Description

この発明は、例えば「アイドリングストップ車」などの省エネ自動車用の車両用発電電動機として用いることができる回転電機に関するものであり、特に固定子巻線に流される電流を制御するスイッチング回路部が一体に形成された回転電機に関するものである。

一般的な車両用回転電機においては、回転電機を制御するためのインバータを車両において回転電機とは別の場所に搭載する別体型が実用化されている。一方別体型で構成した場合、車両においてインバータを搭載するためのスペースを別に確保しなければならず、又回転電機とインバータを接続するハーネスの長さに起因する損失が発生してしまうという欠点を解消するために、様々なインバータ一体型の回転電機の開発が進められている。

従来装置として、回転電機に一体的または近接してパワー素子ユニットが設置されているものがあり、リヤブラケットのリヤ側に配設したカバーとリヤブラケットとの間の空間に、パワー素子ユニットを構成する複数のパワー素子（スイッチング素子）と、各パワー素子に接続された内側ヒートシンク及び外側ヒートシンクが支持具を介してリヤブラケットの外側面に設置されているものがあった（特許文献１参照）。

特開２００６−２１１８３５号公報（特に図１）

従来の回転電機は以上のように構成されていたので、固定子巻線で発生した熱が、外郭を形成するハウジングを通ってインバータ回路部へ至る経路が短いため、インバータ回路が固定子巻線から熱を受けることによって規格以上に温度が上昇してしまい、又規格温度を守るために、回転電機が十分な出力を出せないといった問題があった。またパワー回路ユニットやブラシホルダをリヤブラケットの外側に配置する構成のため、リヤブラケットの軸方向の長さが短く、熱の伝播経路が短くなるため、熱の影響を大きく受けることになるという問題があった。

さらにスイッチング素子の電位を持った面をヒートシンクに直接はんだ等によって接合しているため、ヒートシンクも電位を持つ構造になっており、ハウジング等にヒートシンクをネジ締結により固定する際、絶縁物を介して固定する必要があり、経年使用によって絶縁物が劣化し締結力が低下し、車体の振動によって部材が損傷するといった問題があった。

また、ヒートシンクが電位を持つと、衝突時の安全性を確保するために、ハウジングなどの電位を持たない部材とヒートシンクとの空間距離を十分に設ける必要があり、装置全体が大型化してしまうという問題があった。このような大型化を回避するためにヒートシンクを絶縁塗装することも考えられるが、コストがかさみ、更に塩水などにより劣化することもあり、信頼性の面で十分とは言えなかった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、固定子巻線で発生した熱がインバータ回路部へ伝わり難くするとともに、ヒートシンクが電位を持たないようにすることにより、信頼性が高く、小型の回転電機を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電機は、シャフト及び界磁巻線を有する回転子と、回転子を囲むように配置され固定子巻線を有する固定子と、負荷側一端部において固定子に固定されたハウジングと、ハウジング内に配置されるとともに、界磁巻線及び固定子巻線を制御するためのスイッチング素子がヒートシンクに搭載されたヒートシンクアセンブリとを有するものであって、ハウジングの一部を構成するとともにヒートシンクアセンブリを挟んで負荷側一端部とは軸方向において反対側に位置する反負荷側の端面内面にヒートシンクアセンブリを支持部材を介して固定するとともに、ヒートシンクがシャフトを通すように中抜き部のある円盤形状に形成されたものである。

この発明に係る回転電機によれば、シャフト及び界磁巻線を有する回転子と、回転子を囲むように配置され固定子巻線を有する固定子と、負荷側一端部において固定子に固定されたハウジングと、ハウジング内に配置されるとともに、界磁巻線及び固定子巻線を制御するためのスイッチング素子がヒートシンクに搭載されたヒートシンクアセンブリとを有するものであって、ハウジングの一部を構成するとともにヒートシンクアセンブリを挟んで負荷側一端部とは軸方向において反対側に位置する反負荷側の端面内面にヒートシンクアセンブリを支持部材を介して固定するとともに、ヒートシンクがシャフトを通すように中抜き部のある円盤形状に形成されたので、回転電機全体の回転軸方向の長さを大きくすることなく、固定子巻線からヒートシンクまでの熱の伝達経路を延ばし、スイッチング素子が受ける熱の影響を軽減することができるとともに、ヒートシンクの強度及び耐震性を向上させることが出来る。

この発明の実施の形態１による回転電機の全体構成を示す側面断面図である。リヤブラケットを示す斜視図である。ヒートシンクアセンブリを示す上面平面図である。ヒートシンクアセンブリを示す下面平面図である。ヒートシンクアセンブリを示す上面平面図である。扇形のヒートシンクアセンブリを示す平面図である。図３におけるＡ−Ａ線断面図である。図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。ヒートシンクを示す平面図である。ヒートシンクを示す平面図である。ヒートシンクと接続中継部材の取り付け状態を示す斜視図である。

実施の形態１．
以下この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による回転電機の全体構成を示す側面断面図、図２はリヤブラケットを示す斜視図、図３はヒートシンクアセンブリを示す上面平面図、図４はヒートシンクアセンブリを示す下面平面図、図５は熱の移動状態を示すためのヒートシンクアセンブリを示す上面平面図、図６は扇形のヒートシンクアセンブリを示す平面図である。

図１において、回転電機１はフロントブラケット１０及びリヤブラケット１１からなるハウジングと、固定子巻線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は回転電機１の負荷側において、フロントブラケット１０の一端部及びリヤブラケット１１の一端部により支持固定され、回転子１５は固定子１６の内側に界磁巻線１４が固定子巻線１６ａと対向するように配置されている。回転子１５のシャフト１３はハウジングに設けられた支持用ベアリング１２ａ、１２ｂにより回転自在に支持され、回転子１５は固定子１６に対して同軸に回転できるように構成されている。

回転子１５の軸方向の両端面には、冷却ファン１７ａ、１７ｂ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）の端部にはプーリ１８が固着され、シャフト１３のリヤ側（リヤブラケット１１の内側）においては、ブラシホルダ１９がヒートシンク１５１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内に配置されている。

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ためのものである。ヒートシンク１５１には、スイッチング素子を有するパワー主回路６１と、ブラシ２０に供給する電力をコントロールするためのスイッチング素子からなる界磁回路６２が上面（リヤ方向側）に搭載され、下面（フロント側）からブラシホルダ１９が取り付けられることによりヒートシンクアセンブリ１５０を構成している。ヒートシンクアセンブリ１５０は反負荷側となるリヤブラケット１１の端面から内方（固定子１６方向）に突出している突起部１１１に固定される。尚上記においては、リヤブラケット１１の端面に突起部１１１を設けた場合を示したが、ヒートシンク１５１に突起部を設けるようにしても良い。更にリヤブラケット１１及びヒートシンク１５１とは別に熱の伝達を遮断する絶縁物を設け、この絶縁物を介してリヤブラケット１１及びヒートシンク１５１を接続するようにしても良い。要するにリヤブラケット１１の端面内面にヒートシンクアセンブリ１５０を支持部材を介して固定するようにすればよい。又外部ケース２５内には制御回路４４が設けられ、制御回路４４から接続コネクタ２４を介してパワー主回路６１及び界磁回路６２に制御信号が送られる。

回転電機１にエンジンの回転がプーリ１８を介して伝達されると、界磁巻線１４に流した電流に応じた誘導電流が固定子巻線１６ａに流れる。この時固定子巻線１６ａは巻線の電気抵抗により発熱する。固定子巻線１６ａで発生した熱は、固定子１６へ伝わり、固定子１６とリヤブラケット１１の接触部を介して更にリヤブラケット１１へ伝播し、リヤブラケット１１全体へ広がってゆく。

ヒートシンクアセンブリ１５０は、リヤブラケット１１に反負荷側において取り付けられているため、リヤブラケット１１を介して固定子巻線１６ａにおいて発生した熱の影響を受ける。本発明による回転電機１においては、リヤブラケット１１の内部にヒートシンクアセンブリ１５０を配置しているため、リヤブラケット１１の軸方向の長さが長くなり、図１の破線矢印Ｐで示すように、固定子巻線１６ａからの熱の伝達経路が長くなる。さらにリヤブラケット１１の後端面から突出した突起部１１１にヒートシンクアセンブリ１５０を固定しているため、この分においても熱の伝達経路が長くなり、より一層熱による影響を軽減することができる。このようにパワー主回路６１及び界磁回路６２に熱が伝わり難くすることができるので、パワー主回路６１及び界磁回路６２の出力を確保し、無駄なエネルギーの消費を少なくすることができる。尚界磁巻線１４に流された電流によっても発熱するが、この熱は回転軸１３を介してブラシ２０に伝達され、ブラシホルダ１９内の空間部によって熱の伝達は遮断され、パワー主回路６１及び界磁回路６２にはほとんど影響を及ぼさない。

図１において、矢印Ｘ、Ｙにより冷却風の流れを示している。図２に示すリヤブラケット１１において、リヤブラケット１１の側壁には風路用の長穴１１ａが開いており、吸入風Ｘ及び排気風Ｙが通るようになっている。回転子１５の回転にともなってファン１７の径方向内側から外側へ空気が排出されファン１７の内側が負圧となる。回転電機１内部は接続中継部材２３で仕切られているため、接続中継部材２３のヒートシンク１５１側では放熱フィン１５１０へと空気が流れ込むため吸入風となり、接続中継部材２３のファン１７側では排出風となる。固定子巻線１６ａから伝熱した熱は、リヤブラケット１１の側壁を伝わる間に、吸入風Ｘ及び排気風Ｙによる冷却風により冷却される。特に固定子１６から遠い部分（吸入風Ｘが流れる部分）は、パワー主回路６１の径方向外周部に設けられており、パワー主回路６１を冷却する前の冷却風により冷却されるため、より冷却効果が高い。この冷却によりパワー主回路６１へ伝達される熱はより軽減される。

突起部１１１は、図３で示されている固定箇所１５２において、ヒートシンク１５１に固定されており、このように４箇所のみで固定されているので、熱の伝達経路における断面積が小さく熱が伝わりにくい。又固定箇所が少なくなるので、ヒートシンク１５１上におけるパワー主回路６１及び界磁回路６２の設置場所を広く確保することができる。さらに本発明ではヒートシンク１５１が図３に示すようにシャフト１３を通すように中抜き部のある円盤形状をしているので、扇状のヒートシンクより強度が高く、固定点が少なくても十分な耐振性を確保することができる。さらに図４に示すように、ヒートシンクの裏面であって、パワー主回路６１及び界磁回路６２が搭載された面とは反対側の面に配置された複数の放熱フィン１５１０は、径の中心に向かう互いに平行なストレートフィン形状となっている。又図４において、取り付け部１５１ａ、１５１ｂでブラシホルダ１９が取り付けられるようになっており、ブラシホルダ１９が取り付けられている部分の放熱フィン１５１０の高さは他の放熱フィン１５１０の高さよりも低くなるよう構成されている。

図５は熱の移動状態を示すための本発明によるヒートシンクアセンブリを示す上面平面図であり、図６はヒートシンクを扇形に形成した場合を示している。尚図６においては、ヒートシンクとブラシホルダ７０とが軸方向において同一平面内にあるためヒートシンクを扇形に形成する必要があるが、本発明においては、ヒートシンクの裏面にブラシホルダが取り付けられているため、円盤状に形成することができる。図５、図６においては、エンジンに搭載した際のエンジン外壁３００を示している。エンジン外壁３００は紙面垂直方向に延在している。図６に示すような配置関係において、扇形のヒートシンクでは、Ｚ部に示されるような扇形の端部に配置されているスイッチング素子４１ａに対しては矢印Ｒに示すように、ヒートシンクの一方側だけに放熱経路が存在しているため、扇形の中央に配置されているスイッチング素子よりも温度上昇しやすい。

さらにエンジンに取付けた際に、エンジン外壁３００側は、エンジン外壁３００の影響で周囲の空気が滞留しやすく、エンジン外壁３００のない側よりも温度上昇しやすい。図６においては、温度上昇しやすい扇形の端に配置されているスイッチング素子４１ａがさらに温度が上昇しやすいエンジン外壁３００側に配置されているため、他スイッチング素子に比べると更に温度が上昇してしまう。このように一部のスイッチング素子が局所的に温度上昇すると、その温度に拘束され、回転電機の出力を十分に出し切れないという問題が発生する。従ってヒートシンクを扇形にすると、図６に示されるような配置関係では扇形の端部がエンジン外壁３００側に配置されないように回転電機の配置を工夫しなければならなくなる。

これに対して一方図５において示される本発明によるヒートシンク１５１では、円盤状に形成されているので、パワー主回路６１及び界磁回路６２とも両側に放熱経路を持っており、左右の放熱抵抗がほぼ同じなので、固定子巻線１６ａから伝達される熱や、パワー主回路６１及び界磁回路６２で発生した熱が両方向に均等に拡散し、特定のパワー主回路６１及び界磁回路６２が局所的に温度上昇することを回避することができる。

さらに例えば、回転電機１をエンジンに取り付けた際の配置関係が図５に示すようであったとしても、左右への放熱経路が確保されているため、空気の滞留による局所的な温度上昇が抑制されることになる。更に各パワー主回路部６１、界磁回路部６２とも同じ環境の下に置かれるので、これらの回路部を保護するためにエンジンへの搭載方向を考慮する必要がない。従ってヒートシンクを扇形にした場合と比べると、例えばエンジン外壁３００が近接している場合でも、熱伝達という観点では、エンジン外壁３００との位置関係を考慮して配置する必要性がなくなる。

回転電機外部に接続するための外部接続端子は、車体を組立てる際の組立性を考慮して車体メーカーから所望の位置に出すよう要請されることが多い。これに対して外部接続端子とパワー主回路６１の位置関係は回転電機内部の設計によりある程度位置が制約されてしまう。そのため例えばヒートシンクを扇形にした場合のようにパワー主回路６１の搭載方向に制約がある場合は、外部接続端子を所望の位置に出すことが困難な場合がある。しかし本発明にかかる回転電機においては、ヒートシンク１５１が円盤状に形成されているので、パワー主回路６１の搭載方向を考慮する必要がなく、外部接続端子の位置のみ考慮して取付け位置を決定できるため、所望の位置に外部接続端子を出しやすくなり、また回転電機内部のパワー主回路６１と外部接続端子の配置を考える際の設計自由度も高くなる。

図７は図３におけるＡ−Ａ線断面図であり、パワー主回路６１部分の断面構造を示している。ヒートシンク１５１の上に、導電性金属の配線パターン１５４ａ、１５４ｂを両面に施した絶縁基板（例えばセラミック基板）１５３がはんだにより接合されており、さらに配線パターン１５４ａの上に半導体チップ（スイッチング素子）１６０がはんだにより取り付けられている。通常ヒートシンク１５１はアルミダイキャストにより製作される。ここで、アルミは線膨張係数がはんだに比べて大きいため、例えばヒートシンクを扇形に形成した場合、ヒートシンクの端部ほど高温、低温の繰り返しによりヒートシンクが膨張、収縮し、はんだへの繰返し疲労によりはんだにクラックが入り、熱抵抗が上昇して半導体チップ１６０で発生した熱がヒートシンクに伝わり難くなるという問題があった。一方本発明においては、ヒートシンクを端部を持たない円盤状に形成しているため、熱膨張によるはんだへのダメージを大きく抑えることができる。

実施の形態２．
上述のとおり、図４に示されるように、ヒートシンクの裏面に配置された複数の放熱フィン１５１０は、径の中心に向かう互いに平行なストレートフィン形状となっている。図８は図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。円盤状のヒートシンク１５１が熱膨張する際には、図８の破線で示すようにヒートシンク１５１は反る傾向がある。

このとき本発明におけるようなストレートフィン形状では、上方向の反りに対し、フィン高さの３乗に比例する高い断面係数を持つことになり、高温、低温の繰り返しによる反り及び反りによるはんだへのダメージを軽減することができる。更に本発明におけるようにフィンを平行に設けず、各フィンを中心に向けた放射状フィンに形成した場合と比べると、フィンの面積を大きくすることができるので、冷却能力も高くなる。

従って絶縁基板１５３が使えるようになり、ヒートシンク１５１をアース電位にすることができるようになる。即ちヒートシンク１５１が電位を持つと、衝突時の安全性を考慮して、ハウジングなどの電位を持たない部材との空間距離を十分に設ける必要があり、装置全体が大型化してしまう。一方大型化を回避するためにヒートシンクに絶縁塗装すると、コストが上昇してしまうとともに、塩水などの影響を受けると劣化してしまい、信頼性を損なってしまうというような問題があったが、本発明によればこのような問題はなくなる。

さらに絶縁基板を設けず、ヒートシンクに電位を持たせた場合、図９に示すように、上アーム用スイッチング素子と下アーム用スイッチング素子それぞれについてヒートシンク５０、５１を別々に設ける必要があった。この場合、外周側から内周方向へ冷却風を流すとき、上下アームのヒートシンク５０、５１間で、風路が拡大したり、又縮小することにより大きな圧力損失を受け、内側のヒートシンク５１が十分冷えないという問題があった。

一方本発明によるヒートシンク１５１は、アース電位であるため、図１０に示すようにヒートシンク１５１を一体化でき、風路が拡大したり、あるいは縮小するようなことがなくなるため、ヒートシンク１５１の中央まで冷却風がスムーズに流れ、内部においても高い冷却能力が得られる。内部まで高い冷却能力を保持できれば、温度上昇を抑えることができる。

図１１はヒートシンク１５１と接続中継部材２３の取り付け状態を示す斜視図である。ここで接続中継部材２３は固定子巻線１６ａとパワー主回路６１とを接続するための接続部材を支持するものである。図４に示されるリブ配置場所２３１の内周側には放熱フィンが設けられていないので、このリブ配置場所２３１に冷却風を通さないようにすれば、放熱フィンに集中して冷却風が流せるので冷却能力が高くなる。そこで本発明においては、冷却風路を制限するリブ２３２を、作製が容易な接続中継部材２３側に形成することによって、冷却能力を向上させたものである。尚ヒートシンク１５１はリブ２３２に固定されることにより、ヒートシンク１５１と接続中継部材２３は取り付けられる。

以上のように構成することにより、ヒートシンク１５１をダイキャストにより容易に製作することができるようになり、又ヒートシンク１５１側にリブを形成しないので、ヒートシンク１５１の重量を少しでも軽減でき、これにより回転電機１の重量を軽くし、更には車体の燃費を改善し、エネルギー消費を少なくすることができる。また、固定子１６や回転子１５から空気を介しても少なからずヒートシンクアセンブリ１５０に熱が伝達されることもあるが、この接続中継部材２３はターミナルを樹脂モールドした構成でできているため、固定子１６や回転子１５からの熱の影響を遮蔽する効果も併せ持っている。

１回転電機、１１リヤブラケット、１４界磁巻線、１５回転子、
１６固定子、１６ａ固定子巻線、２３接続中継部材、
１５０ヒートシンクアセンブリ、１５１ヒートシンク、１５３セラミック基板、
１５４ａ，１５４ｂ配線パターン、２３２リブ。

Claims

シャフト及び界磁巻線を有する回転子と、上記回転子を囲むように配置され固定子巻線を有する固定子と、負荷側一端部において上記固定子に固定されたハウジングと、上記ハウジング内に配置されるとともに、上記界磁巻線及び固定子巻線を制御するためのスイッチング素子がヒートシンクに搭載されたヒートシンクアセンブリとを有する回転電機において、上記ハウジングの一部を構成するとともに上記ヒートシンクアセンブリを挟んで上記負荷側一端部とは軸方向において反対側に位置する反負荷側の端面内面に上記ヒートシンクアセンブリを支持部材を介して固定するとともに、上記ヒートシンクが上記シャフトを通すように中抜き部のある円盤形状に形成されたことを特徴とする回転電機。
上記ヒートシンクの上記スイッチング素子が搭載された面とは反対側の面に複数の放熱フィンを設けるとともに、上記複数の放熱フィンは中心に向かう互いに平行なストレート形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
上記固定子巻線と上記スイッチング素子とを接続するための接続部材を支持する接続中継部材に、上記放熱フィンに対して冷却風を集中して流すためのリブを形成したことを特徴とする請求項２記載の回転電機。