CN101006633A - 旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明的旋转电机，包括旋转电机部及开关电路部，所述旋转电机部包括：具有转轴的转子、以及包围所述转子地配置且具有电枢绕组的定子，所述开关电路部靠近所述旋转电机部配置，且具有构成上臂及下臂的至少一对开关元件，进行所述旋转电机部的开关控制，所述开关电路部各臂的开关元件各自的漏极端子以不隔着绝缘物的形态连接在不同散热片上，所述不同散热片隔着绝缘物地相互一体化。

Description

旋转电机
技术领域
本发明涉及一种装设有进行变换控制等的功率元件单元的旋转电机，尤其涉及在电动发电机、动力转向马达等中使用的变换器一体型的车辆用旋转电机。
背景技术
一直以来，对旋转电机进行变换控制的功率元件单元一般与该旋转电机分开设置。因此，电气性地连接功率元件单元与旋转电机之间的交流配线的长度变长，由于配线阻抗，电压下降增加，从而存在旋转电机的转矩及速度下降的问题。尤其是在以12V或36V的低电压为电源的车辆用旋转电机中，电压下降的影响较大，例如，若存在0.5V的电压下降，则会产生约4％的电源电压损失。此外，虽然可以考虑通过采取加粗配线的措施来抑制电压下降，但存在配线重量增加、且成本增加的问题。
另外，即使不是低电压电源的旋转电机，若功率元件单元与旋转电机分开配置，也需要用长配线来连接它们，从而不仅使产品在布置上受到限制，还使配线的零件成本和安装成本增加。
因此，例如像专利文献1那样，可以考虑将控制装置一体地安装在车辆用旋转电机上。通过将控制装置一体地安装在后托架上，可以缩短连接的导线类，并可通过抑制电压下降来改善旋转电机的转矩特性、转速特性，此外，还可以避免重量增加和成本增加。
然而，如专利文献1等所示，在将控制装置配置在旋转电机附近时，需要确保功率元件的放热性，但由于旋转电机自身发热，因此其周围的温度环境较为严峻，将包括作为发热体的功率元件在内的控制电路配置在旋转电机附近会使温度进一步上升，从而存在破坏功率元件和控制元件的问题。此外，由于在旋转电机的空间内追加设置功率元件单元，因此存在装置整体大型化的问题。
图13是用于说明具有功率元件单元的旋转电机的动作的概略电路图。图中，旋转电机1包括：卷绕在定子上的电枢绕组16a、以及卷绕在转子上的励磁绕组14，所述电枢绕组16a通过对三相(U相、V相、W相)线圈进行Y连线(星形连线)而构成。功率元件单元4包括：由多个作为功率元件的开关元件(功率晶体管、MOSFET、IGBT等)41及与各开关元件41并联连接的二极管42构成的变换模块40、以及与该变换模块40并联连接的电容器43。在变换模块40中，将构成上臂46的开关元件41a及二极管42和构成下臂47的开关元件41b及二极管42这两方串联连接后作为一组，将这样的组并联地配置三个。
电枢绕组16a的Y连线的各相端部通过交流配线9分别电气性地连接在所述串联配置的上臂46的开关元件41a与下臂47的开关元件41b的中间点上。另外，蓄电池5的正极侧端子及负极侧端子通过串联配线8分别电气性地连接在变换模块40的正极侧及负极侧。在变换模块40中，各个开关元件41a、41b的开关动作由控制电路44的指令进行控制。另外，控制电路44通过控制励磁电流控制电路45来调整流入转子的励磁绕组14中的励磁电流。
在具有上述功率元件单元4的旋转电机1中，在发动机启动时，直流电从蓄电池5通过直流配线8向功率元件单元4供电。接着，控制电路44对变换模块40的各开关元件41a、41b进行通断控制，使直流电转换成三相交流电。然后，该三相交流电通过交流配线9向旋转电机1的电枢绕组16a供给。由此，在利用励磁电流控制电路45供给励磁电流的转子的励磁绕组14的周围产生旋转磁场，转子被驱动旋转，通过旋转电机用皮带轮、皮带、曲轴皮带轮、离合器(导通)，发动机启动。
另一方面，若发动机启动，则发动机的旋转动力便会通过曲轴皮带轮、皮带、旋转电机用皮带轮而传递给旋转电机1。由此，转子被驱动旋转，从而在电枢绕组16a中感应产生三相交流电压。于是，控制电路44对各开关元件41进行通断控制，将电枢绕组16a中感应产生的三相交流电转换成直流电，对蓄电池5充电。
图14表示在所述功率元件单元4中使用的现有功率模块的构成例。构成上臂46的功率元件41a和构成下臂47的功率元件41b连接在金属基板20上，并隔着放热润滑脂21与散热片22相连。由于两个功率元件41a、41b的连接部与交流配线9相连而具有各不相同的电位，因此在绝缘基板23上进行绝缘处理。功率元件41a、41b的热量通过绝缘基板23传递给散热片22，向空气中放热。功率元件的传热路径是作为发热体的芯片24、构成与外部的连接体的散热器25、以及连接它们的焊锡26，它们的热导率分别为0.0254W/m·K、0.0293W/m·K、0.0165W/m·K。
另一方面，绝缘基板23的热导率为0.07～0.09W/m·K，由于在传热路径上存在绝缘物，因此放热性大大降低。
如上所述，在将变换器配置在旋转电机附近时，需要确保功率元件的放热性，但由于旋转电机自身发热，因此其周围的温度环境较为严峻，将包括作为发热体的功率元件在内的控制装置配置在旋转电机附近会使温度进一步上升，从而存在破坏功率元件和控制元件的问题。
专利文献1：日本专利特开2003-225000号公报(权利要求5、段落编号[0039]、图4等)
发明的公开
发明所要解决的技术问题
为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于通过提高控制装置的冷却性、使装置整体小型化来消除由控制装置与旋转电机之间的配线引起的电压下降损失。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的旋转电机，其特征在于，包括旋转电机部及开关电路部，所述旋转电机部包括：具有转轴的转子、以及包围所述转子地配置且具有电枢绕组的定子，所述开关电路部靠近所述旋转电机部配置，且具有构成上臂及下臂的至少一对开关元件，进行所述旋转电机部的开关控制，所述开关电路部各臂的开关元件各自的漏极端子以不隔着绝缘物的形态连接在不同散热片上，所述不同散热片隔着绝缘物地相互一体化。
发明效果
采用本发明的旋转电机，由于无需在作为功率元件的开关元件与散热片之间设置绝缘层，因此可以提高热导率。其结果是，开关元件的放热量上升，功率元件单元的冷却性提高。此外，由于可以将散热片作为配线使用，因此可以减少配线零件的零件数目，另外，配线基板本身也可以小型化，从而实现装置整体的小型化。
附图说明
图1是表示本发明实施形态1的旋转电机的结构的剖视图。
图2是从上面看到的图1所示旋转电机的功率元件单元部的图。
图3是图1所示旋转电机的控制用主电路部分的装配分解图。
图4是沿图2的IV-IV线的剖视图。
图5是表示本发明实施形态2的旋转电机的结构的剖视图。
图6是从上面看到的图5所示旋转电机的功率元件单元部的图。
图7是表示本发明实施形态3的旋转电机的结构的剖视图。
图8是从上面看到的图7所示旋转电机的功率元件单元部的图。
图9是表示本发明实施形态4的旋转电机的结构的剖视图。
图10是从上面看到的图7所示旋转电机的功率元件单元部的图。
图11是表示本发明实施形态5的功率模块的构成例的剖视图。
图12是从上面看到的将图11的功率模块装入旋转电机后的状态的图。
图13是用于说明具有功率元件单元的旋转电机的动作的概略电路图。
图14是表示现有功率模块的构成例的剖视图。
(元件符号说明)
1  旋转电机
4  功率电路单元
5  蓄电池
13  转轴
14  励磁绕组
15  转子
16  定子
16a 电枢绕组
17  风扇
30  外部盖体
31、31a、31b  通风孔
40  变换模块
41、41a、41b  开关元件(功率元件)
43  平滑用电容器
44  控制电路
46  上臂
47  下臂
50  内侧散热片
51  外侧散热片
52、53、54、55、56、57  共同紧固固定部
58  绝缘部
59  绝缘板
60  U相部位
70  V相部位
80  W相部位
具体实施方式
下面参照附图对用于实施本发明的最佳形态进行详细说明。
实施形态1
图1是表示本发明实施形态1的旋转电机的结构的剖视图，在该旋转电机上一体地或靠近地配置有功率元件单元。
在图1中，旋转电机1包括：由前托架10及后托架11构成的壳体、通过支撑用轴承12可自由旋转地配设在该壳体上的轴13、固定在该轴13上并具有励磁绕组14的转子15、固定在所述壳体上以包围转子15的形态配设并具有电枢绕组16a的定子16、固定在转子15的轴向两端面上的风扇17、固接在轴13的前侧端部上的皮带轮18、以位于轴13的后侧外周的形态安装在后托架11上的刷握19、以与安装在轴13后侧的一对滑环21滑接的形态配设在刷握19内的一对电刷20、以及配设在轴13的后侧端部上的旋转位置检测传感器(解算器等)22。另外，该旋转电机1通过皮带轮18及皮带(未图示)与发动机的转轴(未图示)相连。
在本实施形态中，在旋转电机1上一体地或靠近地设置有功率元件单元4。即，在配设于后托架11后侧的盖体30与后托架11之间的空间内，构成功率元件单元4的多个功率元件(开关元件)41a、41b和连接在各功率元件41上的内侧散热片50及外侧散热片51通过支撑件(未图示)设置在后托架11的外侧面上。另外，在盖体30的外侧配设装设有所述控制电路44的控制电路基板44a。
此外，在盖体30及后托架11上设有通风孔31a、31b，通过转子15的风扇17的旋转形成如图示箭头F所示的风路，并穿过盖体30内部，对功率元件41、内侧散热片50、外侧散热片51、控制电路44等进行冷却。图2表示的是从上面看到的功率元件单元部4。电源电路部分为U、V、W这三相部位(U相部位60、V相部位70、W相部位80)，它们分别装设有作为一对散热片的内侧散热片50及外侧散热片51，在内侧散热片50上分别电路式地并联连接有四个上侧臂的功率元件41a(图示中空白)，在外侧散热片51上分别并联连接有四个下侧臂的功率元件41b(图示中斜线)。功率元件41可以是分立型、TPM型、裸片型中的任一种。
这样一来，通过并联连接多个开关元件41，可以减小每个开关元件的通电容量，从而可以廉价地构成。另外，在内侧功率元件41a及散热片50与外侧功率元件41b及散热片51之间存在使相互之间绝缘的合成树脂等绝缘物58。由于两个散热片50、51隔着绝缘物58固定，因此即使在上下的散热片之间产生电位差，由于隔着绝缘物，也可以缩小散热片之间的距离，从而可以小型化。
此外，52是对U相及V相的外侧散热片51之间进行共同紧固的固定部，同样，53是对V相及W相的外侧散热片51之间进行共同紧固的固定部，54是对U相的外侧散热片51与U相的内侧散热片50进行共同紧固的固定部，同样，55是对W相的外侧散热片51与W相的内侧散热片50进行共同紧固的固定部，另外，56是对U相的内侧散热片50与V相的内侧散热片50进行共同紧固的固定部，57是对V相的内侧散热片50与W相的内侧散热片50进行共同紧固的固定部。
下面利用图3所示的旋转电机的控制用主电路部分的装配分解图来对这些功率元件41a、41b、内侧散热片50、外侧散热片51及主电路配线结构的布置进行详细说明。下面一边参照图13所示的用于说明旋转电机动作的概略电路图一边进行说明。首先，在构成上部臂46的功率元件41a中，四个MOSFET利用焊锡等将构成其漏极端子的基板25接合在内侧散热片50上。另一方面，在构成下部臂47的功率元件41b中，虽未图示但也是四个MOSFET利用焊锡等将构成其漏极端子的基板接合在外侧散热片51上。由此，各散热片具有与它们各自接合的漏极端子相同的电位。
另一方面，功率元件41a的源极端子S利用配线板61四个一起引出，其一端通过过渡部配线层61a与下部臂47的外侧散热片51、即功率元件41b的漏极端子共同连接，并通过交流配线9与定子16的电枢绕组16a的U相导线相连。另外，功率元件41b的源极端子S利用配线板62四个一起引出，其一端通过延长部配线层62a延长至外侧散热片51的共同紧固固定部52，与U相配线板61的过渡部配线层61a一起共同紧固在U相散热片51上，且其本身通过接地部(托架等)接地。通过将各层配线板分别与附近的接地部相连，可以使配线板小型化。
此外，在图14的现有装置中，为了电气性连接上臂46与下臂47的功率元件(开关元件)41a、41b而需要配线，但采用本实施形态，散热片50、51兼作配线。例如，虽然U相的上臂46装设有四个开关元件41a，但在并联连接这四个漏极端子时并不使用铜线等配线，而是将四个开关元件41a直接连接在散热片50上，从而实现电气性地并联连接。下臂47的功率元件(开关元件)41b的漏极端子的并联连接也一样。另外，V相、W相的功率元件(开关元件)也一样。即，通过使散热片50、51兼作配线，可以减少铜线等配线，从而可以减小功率元件单元本身的尺寸。
此外，所述内侧散热片50的一方共同紧固固定部54与蓄电池5的正极端子相连，另一方共同紧固固定部56对图示形状的配线板64进行共同紧固固定而成为漏极端子D，且形成与下述电容器43连接的连接部。V相部位70、W相部位80的功率元件单元的布置也与U相部位60一样。由于三个部位(U相、V相、W相部位)的内侧散热片50为相同电位(蓄电池5的正极侧电位)，因此在各内侧散热片50上并不设置与蓄电池5相连的端子，通过在所述内侧散热片50的一部分表面上也形成漏极端子D使内侧散热片50之间相互电气性地连接，从而可以减少蓄电池连接端子的数目。另外，功率元件41a的栅极端子65、功率元件41b的栅极端子66也分别四个一起引出，利用未图示的电缆一直导出至图1所示外部盖体30外方的控制电路基板44a。
下面对电容器43的设置进行说明。电容器43具有图示的长方体形状，考虑到占空系数，其长度方向上的面沿着所述散热片结构体的背面进行配置。另外，从其一端面导出有P、N端子。在功率元件41b的源极侧配线板62的延长部配线层62a的一部分上、并在外侧散热片51的共同紧固固定部52的跟前部分上设置有具有与外侧散热片51的冷却片平行的面的电容器安装部E，另外，在从内侧散热片50的共同紧固固定部56导出的配线板64的一部分上也设置有具有与内侧散热片50的冷却片平行的面的电容器安装部G，将所述电容器安装部E钎焊连接到电容器的N端子上，将电容器安装部G钎焊连接到电容器的P端子上。
如上所述，通过将平滑用电容器43配置在连接在具有正极电位的内侧散热片上的配线板64与连接各相负极电位的配线板62之间，可提高用于安装所述电容器的占空系数，且缩短电容器与电源电路间的距离，可减小从电容器通过两个功率元件41a、41b流动的电流路径的面积(环径)，减少通过所述电流路径内的来自电枢绕组16a的外部磁场量，从而获得抗噪音性良好的旋转电机。
另外，通过将所述平滑用电容器43分别设置在各相中，可以提高所有相的抗噪音性。
图4表示的是沿图2的IV-IV线的剖视图。由图可知，在内侧散热片50上通过散热器25直接钎焊连接有上侧臂的功率元件41a的漏极侧，同样，在外侧散热片51上钎焊连接有下侧臂的功率元件41b的漏极侧，并用绝缘物58使相互之间封闭并一体化。即，采用本实施形态中的功率模块构成，由于在上臂46与下臂47的功率元件(开关元件)41a、41b上分别直接连接不同的散热片(内侧散热片50、外侧散热片51)，然后通过绝缘物使各个散热片(内侧散热片50、外侧散热片51)之间绝缘并一体化，因此在功率元件(开关元件)41与散热片50、51之间无需夹设热阻较大的绝缘物，从而可以提高放热性。
实施形态2
图5是表示本发明实施形态2的旋转电机的结构的剖视图，图6是从上面看到的功率元件单元部4的图。另外，图中与实施形态1中说明的图1及图2相同或相当的部分标有相同的符号标记。与实施形态1的不同点在于，在盖体30及后托架11上并非在轴向上设置通风孔31a、31b，而是在与轴向正交的方向上设置通风孔31a、31b，并以将各个功率元件41a、41b配置在由此形成的风路F中的形态夹着绝缘板59地设置上侧散热片50及下侧散热片51。
采用本实施形态2，通过夹着板状绝缘物59地重叠配置上侧散热片50及下侧散热片51，可以缩短散热片间的距离，实现小型化，并可以将功率元件的空间用作风路，因此有助于冷却性能的提高。另外，装设在散热片50、51上的功率元件41a、41b并列配设在转子15的径向上，因此具有连接有功率元件41a、41b的面可被有效冷却的特点。
实施形态3
图7是表示本发明实施形态3的旋转电机的结构的剖视图，图8是从上面看到的功率元件单元部4的图。若只对与上述实施形态2的不同点进行说明，则在于，将上侧散热片50及下侧散热片51在径向上同排地配置后固定在散热片安装部68上，并用绝缘物69使其相互之间绝缘、一体化。
采用本实施形态，由于在径向上同排地配置上侧散热片50及下侧散热片51，因此可以将散热片50、51的放热片面积较大的一侧的面沿着风路F直线地配置，利用一条风路来确保冷却用的风量，从而有助于实现轴向尺寸小的旋转电机。
实施形态4
图9是表示本发明实施形态4的旋转电机的结构的剖视图，图10是从上面看到的功率元件单元部4的图。本实施形态4的各散热片邻接配置成在转轴的轴向与径向上弯曲的L形。在上侧散热片50与下侧散热片51之间夹设有绝缘物69，并与安装部68一起一体地安装在后托架(未图示)上。旋转电机的冷却风的流动一般从轴向吸入后利用离心力向外径方向排出。若采用L形的散热片，则可以沿着吸入与排出方向配置散热片，因此具有可以减少通路上的压力损失、可以有效地冷却功率元件、并可以进一步小型化的特点。
实施形态5
图11是表示本发明实施形态5的功率模块的构成例的剖视图，图12是从上面看到的将所述功率模块装入旋转电机后的状态的图。
本实施形态5的各散热片相互独立地邻接配置，在利用绝缘物58一体地形成预先直接钎焊连接在散热器25、25上的芯片24、24后，通过钎焊而连接在各散热片上，从而构成功率模块。这样一来，可以作为一体地封装有上下臂的MOS芯片的TPM(转换功率模块)结构物进行处理，从而具有可以实现制造、装配工序的简化的特点。
另外，在上述实施形态中对转子15上配设有励磁绕组14、刷握19的旋转电机1进行了说明，但也可以适用于不具有励磁绕组14、刷握19的旋转电机1。另外，表示了内侧散热片50由U相部位60、V相部位70、W相部位80这三个部件构成的情况，但也可以将它们连接后作为一个部件，将U相、V相、W相的各上臂46的功率元件(开关元件)41装设在同一个散热片上，从而可使配线装配更为合理化。

Claims (9)

1、一种旋转电机，其特征在于，包括旋转电机部及开关电路部，所述旋转电机部包括：具有转轴的转子、以及包围所述转子地配置且具有电枢绕组的定子，所述开关电路部靠近所述旋转电机部配置，且具有构成上臂及下臂的至少一对开关元件，进行所述旋转电机部的开关控制，
所述开关电路部各臂的开关元件各自的漏极端子以不隔着绝缘物的形态连接在不同散热片上，所述不同散热片隔着绝缘物地相互一体化。
2、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述各散热片在转轴的径向上相互邻接地配置，各散热片的冷却面与轴向风路平行地配置。
3、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述各散热片相互隔着绝缘物地在转轴方向上邻接配置，各散热片的冷却面与径向风路平行地配置。
4、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述各散热片在转轴的径向上相互邻接地配置，各散热片的冷却面与径向风路平行地直列配置。
5、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述各散热片配置成在转轴的轴向与径向上邻接的L形，各散热片的冷却面沿着从轴向向径向弯曲的风路平行地配置。
6、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述上臂的开关元件与所述下臂的开关元件利用绝缘物封装成一体。
7、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，通过将多个连接在所述各散热片上的开关元件直接连接在同一散热片上来构成多个并列体。
8、如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，在连接在具有正极电位的散热片上的配线板与连接各相负极电位的配线板之间配置有平滑用电容器。
9、如权利要求8所述的旋转电机，其特征在于，所述平滑用电容器设置在各相中。
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