JP5083665B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。

近年の環境問題に対する燃費規制やＣＯ₂排出量削減規制の強化、原油高騰による市場ニーズに対応するため、一部の車両カテゴリにおいては、信号待ちなどの一時停止時にエンジンを停止させるアイドルストップ機能を備えた車両が普及し始めている。

このアイドルストップを行う手段の一つとして、車両用交流発電機にモータ機能を追加し、一時停止後のエンジン始動を行う始動用電動機と発電を行う発電機能を一つにまとめた電動機兼発電機、いわゆるＩＳＧ（インテグレーテッド・スタータ・ジェネレータ）またはＭＧ（モータ・ジェネレータ）が用いられる。アイドルストップを行う回転電機に必要な機能としては、エンジンを再始動させるための起動トルク特性はもちろんのこと、近年の自動車のエレクトロニクス化に伴う車両負荷の増加により、走行時の発電特性においても高効率化、高出力化が望まれており、さらに構造面では回転電機本体と電力変換器を一体化構造とした小型の回転電機のニーズが高まっている。

アイドルストップ動作を行うＩＳＧまたはＭＧなどの回転電機本体と電力変換器とが一体化構造をなすものとしては、回転電機本体のリア側に電力変換器を搭載する構造が従来から知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
特開２００７−４９８４０号公報（第３−６頁、図１−４） 特開２００７−４９８４１号公報（第３−６頁、図１−４） 特開２００７−１６６８５７号公報（第４−１４頁、図１−１９）

ところで、特許文献１〜３に開示されているように、軸方向に一層あるいは二層に配列されて構成された電力変換器は、小型パッケージのＮチャネル型半導体素子が放熱板や冷却フィンに直接接合されるか、もしくは放熱シートなどによりグランド間との絶縁性を確保した状態で接続される。このように接続された半導体素子は露出した状態になっているため、外部からの水分の浸入、特に塩水の浸入や、さびやほこり等の異物の侵入により、半導体素子の電極間が短絡して誤動作を引き起こしたり故障に至るおそれがあり、環境性能を確保することが難しい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、電力変換器の環境性能を確保することができる車両用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、本発明の車両用回転電機は、界磁極を磁化させる界磁巻線を備える回転子と、回転子と対向配置された固定子鉄心およびこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、回転子と固定子とを支持するフレームと、
固定子巻線に接続されて、固定子巻線に誘起された交流起電力を直流に変換する動作と、バッテリに蓄積された直流電力を交流に変換して固定子巻線に供給する動作の少なくとも一方を行う電力変換器と、電力変換器の上部に設置されて電力変換器の冷却を行う冷却フィンとを備えており、フレームは、回転子に取り付けられるプーリ側に配置されるフロントフレームと、反プーリ側に配置されるリアフレームとを有し、リアフレームの軸方向外側端面には、電力変換器の形状に合わせた凹部が形成され、電力変換器は、凹部に収納した状態で樹脂により封止されている。特に、電力変換器を封止した樹脂は、耐熱性のシリコン樹脂であることが望ましい。

電力変換器全体を樹脂封止することにより、電力変換器を構成する半導体素子に対する外部からの水分の浸入、特に塩水の浸入やさびやほこり等の異物の侵入を防止することができ、半導体素子の電極間が短絡して誤動作を引き起こしたり故障に至るおそれがなくなるため、環境性能を確保することができる。また、冷却フィンを備えることにより、樹脂封止された電力変換器の冷却性を確保することができる。

また、上述した冷却フィンは、電力変換器に含まれるスイッチング素子の上面に当接した状態で配置されていることが望ましい。これにより、電力変換器の冷却性を向上させることができる。

また、上述したリアフレームの軸方向内側端面には、複数のフィン形状を有する冷却構造が形成されていることが望ましい。特に、上述したリアフレームの軸方向外側には、界磁巻線に電流を供給するブラシを収納するブラシ装置が設けられており、冷却フィンの間に形成された空間と、ブラシ装置の外周側の空間と、冷却構造を形成する複数のフィン形状の間の空間とが連結して通風路をなしていることが望ましい。これにより、樹脂封止された電力変換器の軸方向両側を冷却フィンおよびリアフレームによって冷却することができ、電力変換器の冷却性をさらに向上させることができる。

また、上述したリアフレームは、固定子巻線の複数の引出し線を個別に電力変換器側に引き出す複数の穴を有することが望ましい。これにより、引出し線間の短絡を防止することができ、さらに環境性能を向上させることができる。

また、上述した凹部の壁面高さは、電力変換器を封止した樹脂の表面よりも高いことが望ましい。これにより、凹部の壁面を利用して、例えば樹脂をポッティングするなどして樹脂封止を行うことができ、作業効率を上げることができる。

以下、本発明の車両用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は、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。図１に示す車両用電動発電機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、制御装置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。

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。

電力変換器５は、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、電力変換器５の上部（リア側）に設置されて電力変換器５の冷却を行う。

図２は、電力変換器５の具体例を示す斜視図である。また、図３は電力変換器５を含む本実施形態の車両用電動発電機１００の結線図である。図２および図３に示すように、電力変換器５は、出力端子５２ａ、出力バスバー５２ｂ、複数（例えば６個）のローサイドスイッチング素子５３ａ、５３ｃ、５３ｅ、５３ｇ、５３ｉ、５３ｋ、複数（例えば６個）のハイサイドスイッチング素子５３ｂ、５３ｄ、５３ｆ、５３ｈ、５３ｊ、５３ｍ、複数の（例えば６個）の引出線接続端子５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ、５４ｆと、金属基板５５とを含んで構成されている。

金属基板５５は、馬蹄形状を有し、例えば軽量化と高い熱伝導率・熱放射率を実現するために単一の板材としてのアルミニウム材により形成されている。出力バスバー５２ｂは、例えば銅板を用いて出力端子５２ａと一体形成されており、出力端子５２ａから延びて６個のハイサイドスイッチング素子５３ｂ、５３ｄ、５３ｆ、５３ｈ、５３ｊ、５３ｍが接続される出力端子配線である。

６個のローサイドスイッチング素子５３ａ、５３ｃ、５３ｅ、５３ｇ、５３ｉ、５３ｋおよび６個のハイサイドスイッチング素子５３ｂ、５３ｄ、５３ｆ、５３ｈ、５３ｊ、５３ｍ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、金属基板５５の一方の主面上に配置されている。具体的には、ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴとしては、上面からリード端子が下向きとなる向きにして見たときに、リード端子が左側からゲートＧ、ドレインＤ、ソースＳの順で配列された汎用小型パッケージング素子が用いられる。

６個の引出線接続端子５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ、５４ｆは、固定子巻線３２から引き出される複数（例えば６本）の引出線を接続するためのものである。これらの引出線接続端子５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ、５４ｆは、金属基板５５の一方の主面上であって、接続を容易にするために金属基板５５の外周部に、互いに周方向に離間して配置されている。

また、実際には、金属基板５５の一方の主面上には銅材を用いた基板配線パターンが絶縁膜を介して形成されており、金属基板５５の主面上にこの基板配線パターンを介して上述した出力端子５２ａ、出力バスバー５２ｂ、ローサイドスイッチング素子５３ａ、５３ｃ、５３ｅ、５３ｇ、５３ｉ、５３ｋ、ハイサイドスイッチング素子５３ｂ、５３ｄ、５３ｆ、５３ｈ、５３ｊ、５３ｍ、引出線接続端子５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ、５４ｆが配置されている。

図３に示す結線図によると、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からなる第１の三相ブリッジ回路と、３個のローサイドスイッチング素子５３ｇ、５３ｉ、５３ｋと３個のハイサイドスイッチング素子５３ｈ、５３ｊ、５３ｍからなる第２の三相ブリッジ回路とを含んでいる。これに対応して固定子巻線３２には２つの三相巻線３２Ａ、３２Ｂが含まれており、一方の三相巻線３２Ａが第１の三相ブリッジ回路に接続され、他方の三相巻線３２Ｂが第２のブリッジ回路に接続される。

第１および第２のブリッジ回路のそれぞれは、発電動作時には同期整流を行って三相巻線３２Ａ、３２Ｂ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。第１および第２のブリッジ回路のそれぞれは、電動動作時には６個のスイッチング素子を三相巻線３２Ａ、３２Ｂの各相毎に１２０度ずらした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。

制御装置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の出力電圧を制御する。

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１２個のスイッチング素子５３ａ〜５３ｍ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１２個のスイッチング素子５３ａ〜５３ｍ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、リアフレーム２の軸方向外側端面には電力変換器５の形状に合わせた凹部が形成されており、電力変換器５は、この凹部に収納した状態で樹脂２４（図１）により封止されている。

図４は、リアフレーム２への電力変換器５の搭載状態を示す斜視図である。図４に示す車両用電動発電機１００では、リアフレーム２の軸方向外側端面（リア側端面）に電力変換器５を取り付けた状態で、樹脂封止前であってリアカバー９や制御装置８が取り付けられる前の状態が示されている。また、図５はリアフレーム２の平面図である。図６は、リアフレーム２の軸方向外側端面の形状を示す斜視図である。図７は、リアフレーム２の裏面図である。図８は、リアフレーム２の軸方向内側端面の形状を示す斜視図である。

図５および図６に示すように、リアフレーム２の軸方向外側端面には電力変換器５の形状に合わせた凹部２１が形成されている。この凹部２１の外周部の壁面高さは、電力変換器５を封止した樹脂２４の表面よりも高くなるように設定されている。電力変換器５は、リアフレーム２の凹部２１に収納された状態で、塩水の浸入やさびやほこり等の異物の侵入により短絡が生じるおそれがある箇所（例えば、各スイッチング素子のリード端子）が少なくとも覆われるように樹脂２４により封止されている。封止樹脂としては、例えば、耐熱性のシリコン樹脂が用いられる。

このように電力変換器５が樹脂封止された状態では、スイッチング素子５３ａ〜５３ｍのそれぞれのパッケージ筐体の上面が樹脂表面から突出しており、これらの上面に熱伝導シート６１を介して当接するように冷却フィン６が配置される。図９は、冷却フィン６を搭載した状態を示す車両用電動発電機１００の斜視図である。冷却フィン６は、放射状に配置された冷却性良好な複数の板状部材（例えば、アルミニウム板）を含んでおり、この冷却フィン６をスイッチング素子５３ａ〜５３ｍの上面に当接させることにより、電力変換器５で発生する熱を効率よく放熱することができる。

なお、リアフレーム２は、固定子巻線３２の複数の引出し線を個別に電力変換器側に引き出す複数の穴２２を有している。これにより、引出し線間の短絡を防止して環境性能を向上させることができる。

また、図７および図８に示すように、本実施形態では、リアフレーム２の軸方向内側端面に、複数のフィン形状を有する冷却構造としてのフィン部２３が形成されている。図４に示すように、リアフレーム２の軸方向外側には、界磁巻線４１に電流を供給するブラシを収納するブラシ装置７が設けられている。そして、冷却フィン６の間に形成された空間と、ブラシ装置７の外周側の空間と、フィン部２３を形成する複数のフィン形状の間の空間とが連結して通風路をなしている。図１では、回転子４のリア側の冷却ファン４６の回転に伴って、リアカバー９の側面に設けられた通風孔９ａから導入されてこの通風路を通して流れる冷却風が矢印Ｆで示されている。

このように、本実施形態の車両用電動発電機１００では、電力変換器５全体を樹脂封止することにより、電力変換器５を構成するスイッチング素子のリード端子等に対する外部からの水分の浸入、特に塩水の浸入やさびやほこり等の異物の侵入を防止することができ、スイッチング素子のリード端子間が短絡して誤動作を引き起こしたり故障に至るおそれがなくなるため、環境性能を確保することができる。また、冷却フィン６を備えることにより、樹脂封止された電力変換器５の冷却性を確保することができる。また、冷却フィン６を電力変換器５に含まれるスイッチング素子の上面に当接した状態で配置することにより、電力変換器５の冷却性を向上させることができる。

また、リアフレーム２の軸方向内側端面には、複数のフィン形状を有するフィン部２３を設け、冷却フィン６の間に形成された空間と、ブラシ装置７の外周側の空間と、フィン部２３の複数のフィン形状の間の空間とを連結して通風路を形成することにより、樹脂封止された電力変換器５の軸方向両側を冷却フィン６およびリアフレーム２によって冷却することができ、電力変換器５の冷却性をさらに向上させることができる。

また、リアフレーム２の凹部２１の壁面高さを、電力変換器５を封止した樹脂２４の表面よりも高く設定しているため、凹部２１の壁面を利用して、例えば樹脂２４をポッティングするなどして樹脂封止を行うことができ、作業効率を上げることができる。

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に用いられる電力変換器（整流器）を樹脂封止する場合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３に示すように、２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１つあるいは３つ以上であってもよい。また、上述した実施形態では、金属基板５５をアルミニウム材により形成したが、他の金属材料（例えば銅材）により形成するようにしてもよい。

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。 電力変換器の具体例を示す斜視図である。 電力変換器を含む車両用電動発電機の結線図である。 リアフレームへの電力変換器の搭載状態を示す斜視図である。 リアフレームの平面図である。 リアフレームの軸方向外側端面の形状を示す斜視図である。 リアフレームの裏面図である。 リアフレームの軸方向内側端面の形状を示す斜視図である。 冷却フィンを搭載した状態を示す車両用電動発電機の斜視図である。

符号の説明

１００ 車両用電動発電機
１ フロントフレーム
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
７ ブラシ装置
８ 制御装置
９ リアカバー
１０ プーリ
２１ 凹部
２２ 穴
２３ フィン部
２４ 樹脂
６１ 熱伝導シート

Claims (7)

1. 界磁極を磁化させる界磁巻線を備える回転子と、
   前記回転子と対向配置された固定子鉄心およびこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、
   前記回転子と前記固定子とを支持するフレームと、
   前記固定子巻線に接続されて、前記固定子巻線に誘起された交流起電力を直流に変換する動作と、バッテリに蓄積された直流電力を交流に変換して前記固定子巻線に供給する動作の少なくとも一方を行う電力変換器と、
   前記電力変換器の上部に設置されて前記電力変換器の冷却を行う冷却フィンと、を備え、
   前記フレームは、前記回転子に取り付けられるプーリ側に配置されるフロントフレームと、反プーリ側に配置されるリアフレームとを有し、
   前記リアフレームの軸方向外側端面には、前記電力変換器の形状に合わせた凹部が形成され、
   前記電力変換器は、前記凹部に収納した状態で樹脂により封止されていることを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記電力変換器を封止した樹脂は、耐熱性のシリコン樹脂であることを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記冷却フィンは、前記電力変換器に含まれるスイッチング素子の上面に当接した状態で配置されていることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記リアフレームの軸方向内側端面には、複数のフィン形状を有する冷却構造が形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項４において、
   前記リアフレームの軸方向外側には、前記界磁巻線に電流を供給するブラシを収納するブラシ装置が設けられており、
   前記冷却フィンの間に形成された空間と、前記ブラシ装置の外周側の空間と、前記冷却構造を形成する前記複数のフィン形状の間の空間とが連結して通風路をなしていることを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記リアフレームは、前記固定子巻線の複数の引出し線を個別に前記電力変換器側に引き出す複数の穴を有することを特徴とする車両用回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記凹部の壁面高さは、前記電力変換器を封止した樹脂の表面よりも高いことを特徴する車両用回転電機。

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