CN1988330A - 旋转电机及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明使得将逆变器组成一体的旋转电机的控制装置小型化，同时降低生产成本。是将控制旋转电机输出用的逆变器与旋转电机形成一体化的结构，构成逆变器的控制装置(14)由开关元件(16)以及散热器(17)组成，开关元件(16)的漏极端(16a)直接与散热器(17)接合，同时源极端(16b)及栅极端(16c)与设置在连接构件(19)上的金属图形(42)接合。
Description
技术领域
本发明涉及一种与逆变器组成一体的旋转电机，特别是涉及一种安装在电动汽车、混合式汽车、怠速停止车上的内装控制装置的旋转电机。
背景技术
在过去的与逆变器组成一体的旋转电机中，有一种是在铝基板上通过绝缘层形成金属图形的金属基板上安装开关元件。然后，为了将金属基板与控制基板进行电连接，设置以树脂来使金属图形进行反白口成形的连接构件。连接构件的连接端的一端与金属基板的接地区相连，另一端的连接端与控制基板的穿通孔相连。然后，金属基板通过油脂被固定在散热器上。(参照专利文献1)
[专利文献1]特开2004-254359号公报(图1)
发明内容
在过去的旋转电机中，因为金属基板上的金属图形形成为平面形，所以如果还要包含保护层等，则设置面积将会增大。另外，必须要设置在金属基板上安装元器件所需的空间、以及焊接连接端所需的空间。而且，金属基板与控制基板是通过连接构件的接头来连接的，连接工作复杂，还必须要再设置接头与基板连接所需的空间。因此，存在着整个装置大型化、同时生产成本提高的问题。
特别在与逆变器组成一体的旋转电机中，为了在旋转电机内部放置逆变器，必须要使控制装置小型化，大量的元器件个数以及要确保设置的空间是妨碍小型化的原因。
另一方面，旋转电机的控制装置配置在发动机的附近，如果考虑到开关元件的发热，则要在恶劣的温度条件下工作。因此，向金属基板的绝缘层传递大量的热量，存在着金属基板与绝缘层剥离的问题。
在采用高价的金属基板及油脂的过去的结构中，由于必须要设置具有绝缘性的基板的绝缘层及油脂，所以旋转电机的生产成本增大。
本发明是为了解决上述的问题而进行的，目的在于使得与逆变器组成一体的旋转电机的控制装置小型化，同时降低生产成本。
再有，目的在于提供一种旋转电机，它以具有导电性的散热器作为导电体来使用，同时能够以简单的结构使具有不同极性的布线之间绝缘。
如果采用与本发明相关的旋转电机，则能够使控制装置小型化，同时能够降低生产成本。
附图说明
图1表示的是根据本发明实施形态1的旋转电机的截面侧视图。
图2表示的是在根据本发明实施形态1的旋转电机中的电路图。
图3是图1中的A-A线剖面正视图。
图4表示的是根据本发明实施形态1的旋转电机的桥臂部分的侧视图。
图5表示的是根据本发明实施形态2的旋转电机的上桥臂与下桥臂的安装结构的侧视图。
图6表示的是根据本发明实施形态3的旋转电机的桥臂部分的平面图。
图7表示的是根据本发明实施形态4的旋转电机的桥臂部分的背面截面图。
标号说明
4旋转轴
5励磁绕组
6转子
7定子
7a电枢绕组
14控制装置
16开关元件
17散热器
19连接构件
42金属图形
71隔板
具体实施方式
实施形态1
以下根据附图来说明本发明的一个实施形态。
图1表示的是根据本发明的实施形态1的与逆变器组成一体的旋转电机的截面侧视图。
在图1中，旋转电机1具有：由前端盖(没有图示)及后端盖2构成的机壳；通过轴承3支持且相对于机壳可自由旋转的旋转轴4；固定在该旋转轴4上、同时具有励磁绕组5的转子6；固定在机壳上、同时包围转子6配置的且具有电枢绕组7a的定子7；固定在转子6的轴向的两端面上的风扇8；固定在旋转轴4的前侧的端部上的皮带轮9；位于旋转轴4的后侧外圆周的、安装在后端盖2上的刷握10；安装在旋转轴4的后侧的一对集电环11；与该集电环11滑动接触、并设置在刷握10内的一对电刷12；以及在旋转轴4的后侧端部上设置的旋转位置检测传感器(旋转变压器)13。
然后，该旋转电机1通过皮带轮9及皮带(没有图示)与发动机的旋转轴(未图示)连接。
控制装置14设置在后端盖2的后侧的罩壳15的内侧，控制装置14包括：多个开关元件16；以及连接这些开关元件16的散热器17。
控制基板18通过连接构件19与开关元件16相连。在罩壳15及后端盖2上设置通风孔，利用转子6上设置的风扇8的旋转，箭头W所示的风通过罩壳15的内部，从而冷却开关元件16、散热器17a～17b、控制基板18以及连接构件19。
图2是根据本发明的旋转电机的电路图。根据本发明的旋转电机1具有定子7的电枢绕组7a与转子6的励磁绕组5，与转子6连接的皮带轮9通过皮带与发动机的旋转轴连接。图中，电枢绕组7a由包括U相、V相、W相的三相绕组来构成Y联接(星形联接)。
控制装置14具有：由多个开关元件16与各开关元件16并联连接的二极管20组成的逆变器模块21；以及与该逆变器模块并联连接的电容器22。在逆变器模块21中，上桥臂由开关元件16及二极管20构成，同时下桥臂由开关元件16及二极管20构成，通过连接这些上桥臂与下桥臂来构成1组，再将该组配置3组，加以并联。
在发动机起动时，通过直流布线24由蓄电池23向控制装置24供给直流电。然后，具有控制电路的控制基板18来控制逆变器模块21的各开关元件16的开关，将直流电变为三相交流电。然后，该三相交流电通过交流布线25向定子7的电枢绕组7a供电。
因此，在转子6的励磁绕组5的周围产生了旋转磁场。而且由于在励磁绕组5中，由励磁电流控制电路26供给励磁电流，所以驱动转子16旋转，通过皮带轮9、皮带、曲轴轮及离合器来使发动机起动。
另一方面，在发动机起动以后，发动机的转矩通过曲轴轮、皮带、皮带轮9传递给旋转电机1。通过这样，驱动转子6旋转，在电枢绕组7a中产生的三相交流电通过控制基板18来转换成直流电，对蓄电池23充电。
图3是在图1中的A-A线剖面正视图。图2中所示的U相的上桥臂31安装在图3中的U相32的内侧散热器17a上，同时U相的下桥臂33安装在U相32的外侧散热器17b上。同样，V相的上桥臂34安装在V相35的内侧散热器17c上，同时V相的下桥臂36安装在V相35的外侧散热器17d上。而且，W相的上桥臂37安装在W相38的内侧散热器17e上，同时W相的下桥臂39安装在W相38的外侧散热器17f上。
图4表示的是U相的上桥臂31的立体图，其它的桥臂也是同样的结构。所谓开关元件16，意味着是一个IGBT(绝缘栅双极性晶体管)或者一个MOSFET(场效应晶体管)用树脂覆盖、而且形成为板状的单一的开关元件。例如，在利用MOSFET来形成开关元件16时，开关元件16具有以散热用的平面作为主端子的漏极端16a、源极端16及作为控制电极端的栅极端16c。
在该情况下，漏极端16a成为平面形的底座部分，源极端16b与栅极端16c成为具有与底座部分不同极性的引线端。漏极端16a是通过焊锡41与散热器17a直接接合的。散热器17a是利用具有散热性及导电性的铜、铝等构成的。
在散热器17a设置散热片的情况下，能够有效地散发在开关元件16上产生的热。在连接构件19上形成由铜等传导性好的金属组成的金属图形42，源极端16b与栅极端16c通过焊锡43与金属图形42接合。
在连接构件19上，具有2个以上的连接端的金属图形42通过树脂44形成一体。例如，也可以通过注射PBT(聚丁烯对酞酸盐)、PPS(聚二苯硫醚)、聚丙烯、聚苯乙烯、聚醚酮等的塑料来成形，或者也可以将环氧树脂等的热固化性树脂进行连续自动送进成形。
另外，在连接构件19上，源极端16a及栅极端16c的引线与连接端之间的接触部分的连接盘与金属图形61形成一体，源极端16b及栅极端16c的引线与金属图形42接合，金属图形42能够兼作为母线，由于有效地使用空间，所以能够使装置小型化。
散热器17a与金属图形42实质上平行地配置，由于向散热器17a传递在源极端16b产生的热，所以能够提高散热性。另外，由于漏极端16a、源极端16b及栅极端16c实质上配置在同一平面上，即散热器17a上的漏极端16a直接接合的面、与金属图形42的上表面实质上配置在同一平面上，所以即使上下振动，也很难剥离。
开关元件16的源极端16b与栅极端16c也可以形成L字形，甚至可以形成直线形。另外，由于漏极端16a的一侧容易受到来自开关元件16的热的影响，比源极端16b及栅极端16c更容易呈高温状态，所以焊锡41也可以用比焊锡43更高熔点的焊锡材料来构成。
在高温条件下开关元件16发热时，焊锡41容易在熔点附近软化，振动时可能会产生焊锡裂纹。因此作为焊锡41采用具有高熔点的焊锡材料，从而能够提高在高温条件下的可靠性。
另外，开关元件16的源极端16b及栅极端16c在与金属图形42接合时，也可以通过焊接来接合两者，来代替焊锡43。作为焊接，能够使用YAG(钇·铝·石榴石)激光、CO2激光等可以熔融两构件的焊接。焊接是构件之间的金属接合，因此焊接具有高于焊锡的强度。
再有，源极端16b及栅极端16c是由与金属图形42相同的材料构成的，即使在低温条件下，线膨胀也不会产生差异，能够确保装置的可靠性。另外，焊接部分在高温条件下的强度也高，而且有更高的抗振性。
因此，在要求更高的散热性的漏极端16a与散热器17a之间使用焊锡41，而要求抗振性的源极端16b及栅极端16c与金属图形42之间的接合是使用焊接，通过这样能够确保高可靠性、高散热性、高抗振性。
接着来说明图4中所示的结构的制造方法。
漏极端16a通过焊锡41与散热器17a接合之后，源极端16a及栅极端16c通过焊锡43与金属图形42接合。利用这样的焊锡的接合作业，能够由加热器加热装置、热风加热装置、高频加热装置等来进行。
另外，也可以在安装元器件之后进行连接作业。例如，在前道工序中，开关元件16的漏极端16a通过焊锡41与散热器17a接合。
在前道工序中，将由焊锡41接合的开关元件16与散热器17a安装在涂敷了焊锡43的具有金属图形42的连接构件19上。
然后，在后道工序中，开关元件16的源极端16b及栅极端16c通过焊锡43与连接构件19的金属图形42接合。也可以将上述顺序倒过来，即在前道工序中，将源极端16b及栅极端16c与金属图形42接合，在后道工序中，将漏极端16a与散热器17a接合。
接着来说明为了同时进行利用焊锡的连接作业的方法。
首先，将连接构件19安装在散热器17a上。然后，将焊锡41涂敷在散热器17a上。作为焊锡41，可以使用是糊状的、混合了助焊剂的焊锡，或者使用薄片状的固体焊锡上涂上的液体助焊剂那样的材料等。再有，焊锡43涂敷在金属图形42上的与各电极相对应的位置上。作为焊锡43能够使用糊状焊锡。
作为供给糊状焊锡的方法，能够采用通过分散器来涂敷的方法，或者通过掩模利用刮刀来涂敷的焊锡印制方法等。
另外，也可以在散热器17a上安装连接构件19之前涂敷焊锡。接着在规定的位置安装开关元件16。
在散热器17a上设置为了定位的框架，能够在规定的位置上安装开关元件16。关于焊锡接合作业，例如能够在采用从上下方向强制地进行对流的热风的回流炉内进行。金属图形42与散热器17a的开关元件16的接触面实质上配置在同一平面上，而且因为散热器17a与连接构件19之间的接触面积也很大，所以在焊锡接合作业时，能够从散热器17a向连接构件19传送热量，同时进行焊锡接合。
另外，也可以不使用焊锡43而使用焊接来接合。再有，也可以设定焊锡41的熔点高于焊锡43的熔点。
另一方面，在熔融焊锡时，涂敷在开关元件16的漏极端16a上的焊锡41及涂敷在源极端16b与栅极端16c上的焊锡43，由于表面张力，会有发生向不同方向的位置偏移的问题。
特别是因为开关元件16的源极端16b与栅极端16c之间的间隔小，所以当源极端16b与栅极端16c在同一金属图形42上进行焊锡接合，由于开关元件16的一点点的位置偏移，电极间有可能发生短路。
因此，在前道工序中，在连接构件19的金属图形42上通过焊锡43将开关元件16的漏极端16b及栅极端16c进行预先接合。
在这种情况时，利用对开关元件16定位用的夹具，能够高精度地进行定位。这样在前道工序中利用焊锡来接合的开关元件16与连接构件19安装在涂敷了焊锡41的散热器17a上。然后，开关元件16的漏极端16a与散热器17a通过焊锡41来接合。
如上所述，由于在前道工序中高精度地将开关元件16定位，所以能够确实地防止由于开关元件16的位置偏移而发生的电极间的短路。
即使是这种情况，也可以设定焊锡41的熔点高于焊锡43的熔点。另外，也可以不使用焊锡43而使用焊接来接合。
通过采用上述这样的结构，开关元件16的底座面不通过绝缘片而与散热器17接合，同时由于开关元件16的引线端16b、16c与连接构件19接合，所以能够使装置小型化，同时能够实现低成本。而且，由于没有绝缘层的粘结结构，所以不会有绝缘层剥离，提高了可靠性。
实施形态2
图5表示的是组装U相的下桥臂33与上桥臂31的状态的侧视图。
下桥臂33与上桥臂31组装成使开关元件16互相相对的状态。与上桥臂31的源极端16b接合的金属图形42一直延伸到下桥臂33的散热器17b处，金属图形42通过螺丝51固定在散热器17b上。
由于采用这样的结构，下桥臂33的漏极端16a与上桥臂31的源极端16b呈电连接，同上所述，上桥臂31的开关元件16与下桥臂33的开关元件16呈串联连接。
另外，为了抑制直流电源的变化，对电压的跳动进行滤波等，使用滤波电容器52。用树脂覆盖将下桥臂33的散热器17b与上桥臂31的源极端16b接合用的金属图形42，在该树脂的外侧的露出的部分上与滤波电容器52接合。通过这样，能够使整个装置小型化，同时能够减少零部件数量。
而且，在各桥臂的连接构件19上，多个开关元件16的源极端16b及栅极端16c与金属图形42接合，同时利用树脂44使成为电极端的金属图形42一体化，从同一方向引出，作为一对输出端，使其露出在散热器17a、17b的外面。据此，能够使整个装置小型化，同时由于在一对金属图形42之间磁场能够相抵消，所以能够减少对于周围零部件的磁场的影响。
另外，能够使上桥臂31的连接构件19设置在下桥臂33的散热器17的正上方，同时能够使下桥臂33的连接构件19设置在上桥臂31的散热器17a的正下方。也就是说，能够在上桥臂31与下桥臂33之间放置连接构件19，因为没有必要向外伸出，所以能够有效地充分利用上桥臂31与下桥臂33之间的空间，能够力图使装置小型化。
这样因为利用上桥臂31与下桥臂33之间的空间来立体地为连接构件19布线，所以布线面积变小，而且，因为能够像埋入上桥臂31与下桥臂33的各开关元件16的间隙中那样进行布线，所以能够使装置小型化。
实施形态3
图6是表示U相的下桥臂部分的平面图。在图中，多个开关元件16的漏极端16a通过焊锡41接合在同一散热器17b上。源极端16b及栅极端16c通过焊锡43分别与金属图形42接合。这样，多个开关元件16对于一个连接构件19以接近状态来接合，所以能够通过一个输出端与控制基板18连接。因此，不受噪声的影响，而且能够使装置小型化。
实施形态4
图7是表示U相的下桥臂部分的背面截面图。在开关元件16的源极端16b与栅极端16c之间设置形成树脂44的一部分的隔板71。由于这样设置隔板71，所以在开关元件16的源极端16b与栅极端16c上，在使焊锡43熔融时，能够抑制在各电极之间产生的焊锡桥接，同时还能够防止各电极之间的短路。另外，利用隔极71，能够容易地为开关元件16定位。上述结构对于为了使整个装置小型化、而将电极间的间隔变小的情况特别有效。
Claims (6)
1.一种旋转电机，包括固定在旋转轴上、同时具有励磁绕组的转子；与该转子对向配置、同时具有电枢绕组的定子；以及控制在所述电枢绕组中流动的电流用的控制装置，其特征在于，
所述控制装置由开关元件、以及与该开关元件接合的散热器组成，
所述开关元件由平面形的底座部、以及具有与该底座部不同的极性的引线端组成，
所述底座部与所述散热器直接接合，同时所述引线端与设置在连接构件上的金属图形接合，
所述底座部与所述散热器直接接合的面与所述金属图形的上表面实质上在同一平面上构成。
2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，
2个所述开关元件相对配置，同时在所述开关元件之间的空间内配置所述连接构件，而且从同一方向引出所述连接构件。
3.如权利要求1或者2中任一项所述的旋转电机，其特征在于，
多个所述开关元件与1个散热器及1个接合构件进行接合。
4.如权利要求1或者2中任一项所述的旋转电机，其特征在于，
设置隔开所述引线端之间用的隔板。
5.一种旋转电机的制造方法，其特征在于，
是权利要求1中所述的旋转电机的制造方法，在所述散热器上组装所述连接构件之后，将所述引线端与所述金属图形接合，同时将所述底座部与所述散热器接合。
6.一种旋转电机的制造方法，其特征在于，
是权利要求1中所述的旋转电机的制造方法，在将所述引线端与所述金属图形接合之后，将所述开关元件组装在所述散热器上，将所述底座部与所述散热器接合。
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