JP2005304199A - 車両用回転電機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来からの始動発電を行う回転電機は、インバータと回転電機本体は別体に構成されており、回転電機とインバータ間には３相ハーネスを有し、ここの部位での電圧ドロップや損失によって、同一の稼動電流時（インバータの熱的制限によって決まる）、始動および発電出力、効率の向上には限界があった。
【解決手段】 インバータユニット２２がリヤブラケット４４に一体に取り付けられ、回転電機２０の軸方向端面上に一体搭載されているので、接続されるハーネス類を短くでき、ハーネスの重量低減や耐外乱ノイズ性の向上が図られる。また、回転子４０として永久磁石４０ｃ，４０ｄを付加したクローポール型の回転子を構成しているので、インバータ基底電流が低減されることにより、インバータユニット２２のサイズを小型化でき、上記始動発電電機に一体搭載することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される車両用回転電機装置、特に回転電機と該回転電機を制御するインバータユニットとを組合せ、始動電動機と発電機の両機能を持たせるようにした車両用回転電機装置に関するものである。

近年、地球温暖化防止を背景にＣＯ２の排出量削減が求められている。そして、自動車におけるＣＯ２の削減は、燃費性能の向上を意味しており、その解決策の一つとして、電気自動車（ＥＶ）あるいはハイブリッド自動車（ＨＥＶ）の開発、実用化が進められている。
特に、ハイブリッド自動車に搭載される回転電機に要求される機能としては、車両停止時のアイドリングストップ、減速走行中のエネルギー回生、加速走行中のトルクアシスト等であり、これらの実現によって燃費性能の向上が可能となっている。

そして、このための回転電機として電動発電機がエンジンの外側に横置き式に搭載され、ベルトが電動発電機とクランク軸プーリとの間に掛け渡され、電動発電機とエンジンとの間で双方向の駆動力伝達が行われるようになっている。
そして、電動時には、バッテリの直流電力がインバータにより交流電力に変換される。この交流電力が電動発電機に供給され、電動発電機が回転駆動される。この回転力がベルトを介してエンジンに伝達され、エンジンが始動される。一方、発電時には、エンジンの駆動力の一部がベルトを介して電動発電機に伝達され、交流電力が発生する。この交流電力がインバータにより直流電力に変換され、バッテリに蓄えられる。

そして、この種従来技術として、例えば特許文献１または２では、回転電機の径方向外周あるいは軸方向端面に追設されたインバータと、該当回転電機の冷却ファンによる回転電機とインバータの冷却構造について述べられているが、必ずしも該当する回転電機の特性を発揮するに充分なインバータ装置のサイズや、一体搭載するためのインバータの小型化の方策等については何も開示されていない。

特開平１１−１２２８７５号公報（段落００２５〜００３４及び図１） 特開平１１−２７９０３号公報（段落００１３〜００１８及び図１）

従来からの始動発電を行う回転電機は、インバータと回転電機本体は別体に構成されており、回転電機とインバータ間には３相ハーネスを有し、ここの部位での電圧ドロップや損失によって、同一の稼動電流時（インバータの熱的制限によって決まる）、始動および発電出力、効率の向上には限界があった。
また、インバータには専用の冷却構造が必要であり、サイズが大きくなりコストも高価で、車両などに搭載する場合、作業が煩雑である上、回転電機の出力を決める稼動電流の増大にも限界があった。
さらに、３相ハーネスによってインバータと回転電機本体は連結されるため、搭載時の作業が煩雑で、コストも高価であった。加えて、この３相ハーネスはインバータによるスイッチングノイズが搬送されており、このノイズも搭載を検討する上で、大きな障害となっていた。

この発明は、界磁巻線を有する回転子と、上記回転子の外周に配置された、固定子巻線を有する固定子とで構成され、発電始動を行う回転電機と、上記回転電機の始動電動機運転時にバッテリの直流電力を交流電力に変換して上記固定子巻線に供給すると共に、上記回転電機の発電機運転時に上記固定子巻線で発生する交流電力を直流電力に変換して上記バッテリを充電するインバータユニットとを備えた車両用回転電機装置において、上記インバータユニットは、上記回転電機に一体的に搭載されると共に、上記固定子巻線と電気的に接続され、上記回転子は、相隣る磁極が異極をなすように形成された磁極部と界磁巻線を有する円筒部とからなる回転子鉄心と、上記磁極部間に配置され、上記界磁巻線と共に上記固定子鉄心に磁束を供給する永久磁石を含むと共に、上記永久磁石による磁束は、上記回転電機の実使用回転速度範囲において、無励磁無負荷誘起電圧または最低電気負荷発電状態における無励磁誘起電圧が、上記バッテリ電圧を超過しないように調整されている。

この発明によれば、回転電機と該回転電機を制御するインバータユニットとを組合せ、始動電動機と発電機の両機能を持たせるようにした車両用回転電機装置において、回転子の磁極間に配備された永久磁石により総磁束量を増加させインバータ電流を抑えることが可能となり、インバータユニットの小型化を実現し、限られた回転電機表面上に一体搭載できると共に、インバータ電流減により、インバータ部、回転電機部、３相ハーネス部での損失が低減でき、発電および始動出力と効率の向上できる。

実施の形態１．

図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用回転電機装置を示す縦断面図、図２は実施の形態１におけるインバータユニットの構造を説明する図で、（ａ）は一部破断側面図、（ｂ）はその平面図である。
図１および図２において、回転電機２０は、シャフト４１に固着されてフロントブラケット４３およびリヤブラケット４４に回転自在に装着されたクローポール型回転子４０と、フロントブラケット４３およびリヤブラケット４４の側端部に挟持されて回転子４０を囲繞するように配設された固定子４２と、回転子４０の軸方向の両端面に固着されたファン４５と、シャフト４１のフロント側の端部に固着されたプーリ４６と、シャフト４１のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット４４の内壁面に配設されたブラシホルダ４７と、シャフト４１のリヤ側に装着された一対のスリップリング４９に摺接するようにブラシホルダ４７内に配設された一対のブラシ４８とを備えている。そして、この回転電機２０は、プーリ４６およびベルト（図示せず）を介してエンジン（図示せず）に連結されている。
また、吸気孔４３ａ、４４ａがフロントブラケット４３およびリヤブラケット４４の端面に穿設され、排気孔４３ｂ、４４ｂがフロントブラケット４３およびリヤブラケット４４の側面に穿設されている。

そして、インバータユニット２２は、スイッチング素子８からの発熱に起因する損失熱量を十分に受け入れられる熱容量を持つように放熱設計されたヒートシンク３０と、絶縁性樹脂によりヒートシンク３０の外周部に一体に成形された樹脂成形部３１と、スイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御するための電子部品が実装された制御回路基板３２と、電源端子３３、３４とを備えている。
ヒートシンク３０は、銅、アルミニウム等の良熱伝導体でＣ状に作製され、フィン３０ａがその内周面に周方向に複数形成され、３つの平坦面３０ｂがその外周面に形成されている。そして、並列に接続されるスイッチング素子８およびダイオード９の２組が、各平坦面３０ｂにそれぞれ固着されている。
樹脂成形部３１には、スイッチング素子８およびダイオード９の素子群と、制御回路基板３２とを収納する収納空間３１ａが形成されている。そして、ヒートシンク３０の各平坦面３０ｂが収納空間３１ａ内に露呈している。さらに、図示していないが、インサート導体が樹脂成形部３１にインサート成形されており、インサート導体の一部が接続端子として所定位置に露呈している。なお、電源端子３３、３４が樹脂成形部３１に取り付けられ、インバータユニット２２の正極および負極を構成する接続端子にそれぞれ電気的に接続されている。

そして、スイッチング素子８およびダイオード９が各平坦面３０ｂに固着され、制御回路基板３２の各端子がスイッチング素子８およびダイオード９の各端子に電気的に接続されて収納空間３１ａ内に取り付けられる。さらに、制御回路基板３２とインサート導体の接続端子とを結線した後、蓋３５により収納空間３１ａを密閉して、インバータユニット２２が組み立てられる。
このように組み立てられたインバータユニット２２が、フィン３０ａの長さ方向（図５の（ｂ）中紙面と直交する方向）をシャフト４１の軸心方向に一致するように、かつ、シャフト４１を取り囲むように配置され、取付金具（図示せず）によりリヤブラケット４４の端面（外壁面）に取り付けられている。そして、固定子巻線２１のΔ結線端部が直列接続されたスイッチング素子８の中間点に接続されているインサート導体の接続端子に結線される。さらに、電源端子３３、３４が第１のバッテリ１１に接続される。

図３は実施の形態１おける永久磁石を備えたクローポール型回転子の構成を示す外観斜視図である。
図３において、回転子４０はクローポール型の回転子であり、固定子４２の内径に対して所定の空隙を介して対向する爪状の磁極４０ａおよび４０ｂを有し、磁極４０ａおよび４０ｂはそれぞれ所定の極数に形成されると共に、界磁巻線４を有する円筒部の外径側を覆うように交互に交差しており、相隣る磁極４０ａと４０ｂとは周方向に所定の間隔を介して一定のピッチで配列され、界磁巻線４により交互に異極となるように磁化される。そして、相隣る磁極４０ａと４０ｂとの間には一対の永久磁石４０ｃおよび４０ｄが介装され、これらの永久磁石４０ｃおよび４０ｄは各磁極４０ａおよび４０ｂが界磁巻線４による磁化と同一磁極になるように磁化されている。

図４は実施の形態１による車両用回転電機装置におけるシステム回路を示す概念図である。
図４において、回転電機２０は、ベルト駆動式回転電機であり、固定子（図示せず）の固定子巻線２１と、回転子（図示せず）の界磁巻線４とを備え、回転子がエンジン１の回転軸とベルト（図示せず）により連結されている。ここでは、固定子巻線２１は、４ターンの３相のコイルをΔ結線して構成されている。
インバータユニット２２は、複数のスイッチング素子８と各スイッチング素子８に並列に接続されたダイオード９とからなるインバータモジュール２３と、インバータモジュール２３に並列に接続されたコンデンサ７とを備えている。このコンデンサ７は、インバータモジュール２３を流れる電流を平滑する役割を有する。

インバータモジュール２３は、並列に接続されたスイッチング素子８およびダイオード９の２組を直列に接続したものを、並列に３つ配置し、それらの素子８、９を一体にパッケージ封入して構成されている。そして、固定子巻線２１の各Δ結線端部が、直列に接続されたスイッチング素子８の中間点にそれぞれ接続されている。
インバータモジュール２３は、スイッチング素子８のスイッチング動作が制御装置２４により制御される。そして、回転電機２０は、電力が供給されて始動電動機として動作し、エンジン１を始動させる。また、回転電機２０は、エンジン１の始動後、エンジン１により回転駆動されて交流発電機として動作し、三相交流電圧を発生する。

ついで、このように構成された従来の車両用電源装置の動作について説明する。
まず、制御装置２４が、各スイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御し、第１のバッテリ１１の直流電力から三相交流電力を発生させる。この三相交流電力が回転電機２０の固定子巻線２１に供給され、回転子４０の界磁巻線４に回転磁界が与えられ、回転子４０が回転駆動される。そして、回転子４０の回転力がプーリ４６およびベルト（図示せず）を介してエンジン１に伝達され、エンジン１が回転駆動、即ち始動される。
そして、エンジン１が始動されると、エンジン１の回転力がベルトおよびプーリ４６を介して回転電機２０に伝達される。これにより、回転子４０が回転駆動され、固定子巻線２１に三相交流電圧が誘起される。そこで、制御装置２４が、各スイッチング素子８をＯＮ／ＯＦＦ制御し、固定子巻線２１に誘起された三相交流電圧を直流に整流する。そして、インバータユニット２２により整流された直流電力により、バッテリ１１が充電される。

以上のように、上記実施の形態１では、インバータユニット２２がリヤブラケット４４に一体に取り付けられ、回転電機２０の軸方向端面上に一体搭載されているので、接続されるハーネス類を短くでき、ハーネスの重量低減や耐外乱ノイズ性の向上が図られる。
また、ヒートシンク３０がスイッチング素子８からの発熱に起因する損失熱量を十分に受け入れられる熱容量を持つように放熱設計されているので、ヒートシンク３０の小型化、即ちインバータユニット２２の小型化が図られ、インバータユニット２２のリヤブラケット４４への搭載性が向上される。

また、回転電機の冷却用ファン４５により、インバータユニット２２、回転子４０、固定子４２の順に冷却するように構成され、インバータユニット２２の冷却媒体が回転電機２０の冷却媒体（冷却風）と共用されているので、冷却構造が簡素化される。
また、インバータユニット２２のヒートシンク３０にフィン３０ａを設け、ファン４５の駆動によって形成される冷却風がフィン３０ａに沿って流れることで、スイッチング素子８およびダイオード９で発生する熱がヒートシンク３０に伝達された後、フィン３０ａを介して冷却風に放熱される。従って、自然冷却構造に比べて、冷却効率が高く、ヒートシンク３０の小型化がさらに促進される。

さらに、この実施の形態１においては、回転子４０として永久磁石４０ｃ，４０ｄを付加したクローポール型の回転子を構成しているので、インバータ基底電流が低減されることにより、インバータユニット２２のサイズを小型化でき、上記始動発電電機に一体搭載することができる。
すなわち、図５は回転子４０の相隣る磁極４０ａ，４０ｂ間に配備された永久磁石４０ｃ，４０ｄの効果を示す無負荷特性図である。図５より永久磁石４０ｃ，４０ｄにより総磁束量が増加していることが分かる。
図６には永久磁石４０ｃ，４０ｄによる始動特性の効果を表す。図中特性Aは永久磁石４０ｃ，４０ｄを装備しない駆動特性を示し、特性Bは永久磁石４０ｃ，４０ｄを装備した場合を示す。なだらかに減少する出力一定領域では、電源電圧の規制により永久磁石４０ｃ，４０ｄの効果は現れないが、インバータユニット２２の電流容量で決定されるトルク一定領域にて永久磁石４０ｃ，４０ｄの効果が顕著に表れる。特性AとBでのトルク一定領域でのインバータ電流は双方とも同じものである。このことは基底インバータ電流の低減が可能であることを意味している。
インバータユニット２２のスイッチング素子８での電流容量は、この基底インバータ電流とこの基底インバータ電流が流れる時間と始動時における素子温度によって決定される。通常基底インバータ電流が流れる時間は極短時間であるので、インバータユニット２２のサイズ（すなわちスイッチング素子８の電流容量になる）はインバータ電流と素子温度によって決定されることになる。
このように、回転子４０の相隣る磁極４０ａ，４０ｂ間に配備された永久磁石４０ｃ，４０ｄにより総磁束量が増加させインバータ電流を抑えることが可能となり、インバータユニット２２の小型化を実現し、限られた回転電機表面上に一体搭載できる。インバータ電流減により、インバータユニット部、回転電機部、３相ハーネス部での損失が低減でき、発電および始動出力の効率を向上できる。また、３相ハーネスが短縮でき、ここの部位での電圧ドロップが低減できることにより、始動電動動作時の電圧利用率が向上すると共に、主磁束を増加して基底トルクを増加でき始動特性を向上できる。

また、図７に永久磁石４０ｃ，４０ｄの配備による発電特性での効果を示す。図中特性Ｃは永久磁石４０ｃ，４０ｄがない場合での発電特性を示し、特性Ｄは永久磁石４０ｃ，４０ｄを回転子４０の磁極４０ａ，４０ｂ間に永久磁石４０ｃ，４０ｄを配備した場合の発電特性である。前述した通り永久磁石４０ｃ，４０ｄによる総磁束増加により、発電開始回転速度と全域での発電特性が向上している。
ベースとなる特性Ｃと同じ発電特性にするには、固定子巻線２１のコイルターン数を減少させると誘起される電力が低下し、特性Ｃとほぼ同等な発電特性に合わせることができる。固定子巻線２１のコイルターン数を減少させれば固定子コイル抵抗が低減し、同一発電出力時での発電効率が向上する。すなわち連続発電時での回転電機２０の温度低減が実現できることになり、小型化したインバータを一体搭載することが可能となる。

さらに、図８に実施の形態１における作用効果を説明する無負荷特性図を示す。
界磁電流を印加しない発電運転時において、回転子４０の磁極４０ａ，４０ｂ間に装備される永久磁石４０ｃ，４０ｄの磁束で誘起電圧を発生するが、電気負荷が不要となるような運転状態では、この磁束のみで電源系電圧を超過してしまう。（１２V系バッテリ電源の場合、図８中のＥ点）
永久磁石４０ｃ，４０ｄによる無励磁無負荷誘起電圧は、電源系電圧を超過する部分においては、３相短絡等の制御が必要であるが、一体搭載されたインバータユニット２２においては、これらの短絡電流を連続して受容するには、スイッチング素子数を増やすことが必要で、一体搭載のためには不適である。
このため、永久磁石４０ｃ，４０ｄによる磁束を上記無励磁無負荷誘起電圧が電源系電圧を超過しないように調整することによって、インバータ一体搭載構造に適応させることが可能となる。

さらに、図９に実施の形態１における作用効果を説明する電気負荷と無励磁誘起電圧の相関図を示す。
電気負荷要求は、例えば車両であれば、走行中は必要最小電気負荷が必ず存在し、この電気負荷量を下回ることはない。通常この必要最小電気負荷は、７〜１２A程度必要とされている。この場合において、図９における特性では、前述した３相短絡等の特別な制御が必要ないことが分かる。（図９において、電源系電圧１２Vの場合、Ｆ点よりも必要最小電気負荷の方が大きい）
従って、この場合においては、永久磁石４０ｃ，４０ｄは、図８で説明した場合に比べて磁束の調整（劣方向へ調整）代が小さくできるため、始動、発電特性をより向上できる。

実施の形態２．
図１０に実施の形態２における車両用回転電機装置を示すもので、インバータユニット２２を回転電機２０の径方向面上に一体搭載し、ハーネス５０を介して固定子巻線２１と電気的に接続したものである。なお、回転電機２０の軸端には回転位置を検出するためのレゾルバ６０が付設されている。
すなわち、実施の形態１で説明したように、回転子４０の相隣る磁極４０ａ，４０ｂ間磁極４０ａ，４０ｂ間に永久磁石４０ｃ，４０ｄを配備することによって、固定子巻線２１のコイルターン数を少なく設計でき、これにより駆動時出力が向上することに加え、発電時の効率が向上し、始動発電時の損失による発熱が抑えられるため、この実施の形態２のように、最大発熱部である固定子４２の下流側となる径方向面上にインバータユニット２２を搭載することが可能となり、回転電機２０の軸方向に搭載制約がある場合において、有効である。

実施の形態３．
図１１は上記回転電機２０の固定子スロットの部分断面図である。
図において、回転電機２０における固定子スロット内４２ａには、インシュレータ４２ｂを介して固定子巻線２１を構成する６本の固定子コイル２１ａが収容されている。図１１（ａ）では固定子コイル断面形状が丸状での例を示し、図１１（ｂ）には平角線を適用した例を示す。
図１１（ｂ）のように、平角線もしくは平角状に整列または成形された固定子コイルを適用することにより、丸線に比べて同じ固定子コイルターン数において、固定子スロット４２ａ内での占積率が上がり、固定子コイル抵抗が低減され、同一駆動特性においてインバータ電流を低減できる。これによりインバータユニット２２の小型化と、インバータユニット２２での発熱を抑えることができるので、インバータユニット２２の信頼性が向上する。また、発電特性において、立ち上がり回転速度が低い域から発電開始可能となる。

図１２に平角線を適用した固定子コイルターン部２１ｂの状態を示す。
固定子コイルターン部２１ｂでは、収容されるスロットから次の収容されるスロットまで１／２磁極ピッチで周回されるが、図１２に示す平角線では必ずエッジ部での曲げ加工を必要とされる。平角線のエッジ部では、曲げ加工が困難であるばかりか絶縁コーティングの剥れが問題となっていた。またこれらの問題を回避するために固定子コイルターン部の曲げ率を滑らかにするよう周回されるが、これでは固定子コイルエンド長が長くなり、固定子コイル抵抗の増加を招いていた。
固定子コイルターン部において、固定子コイル断面形状が丸状であれば、前述のような問題もなく、固定子コイルエンド長を短くでき、固定子コイル抵抗を低減できる。

この発明の実施の形態１による車両用回転電機装置を示す縦断面図である。 図１におけるインバータユニットの一部縦断側面図および平面図である。 図１における永久磁石を備えたクローポール型回転子の外観図である。 実施の形態１におけるシステム回路を示す概念図である。 実施の形態１における作用効果を説明するための第１の電気特性図である。 実施の形態１における作用効果を説明するための第２の電気特性図である。 実施の形態１における作用効果を説明するための第３の電気特性図である。 実施の形態１における作用効果を説明するための第４の電気特性図である。 実施の形態１における作用効果を説明するための第５の電気特性図である。 この発明の実施の形態２に係わる車両用回転電機装置を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態３を示す固定子スロット部の要部断面図である。 実施の形態３における固定子コイルターン部の要部構成図である。

符号の説明

２０ 回転電機、２１ 固定子巻線、２１ａ 固定子コイル、２１ｂ コイルターン部、２２ インバータユニット、４０ 回転子、４０ａ、４０ｂ 磁極、４０ｃ，４０ｄ 永久磁石、４２ 固定子。

Claims (7)

1. 界磁巻線を有する回転子と、上記回転子の外周に配置された、固定子巻線を有する固定子とで構成され、発電始動を行う回転電機と、
   上記回転電機の始動電動機運転時にバッテリの直流電力を交流電力に変換して上記固定子巻線に供給すると共に、上記回転電機の発電機運転時に上記固定子巻線で発生する交流電力を直流電力に変換して上記バッテリを充電するインバータユニットとを備えた車両用回転電機装置において、
   上記インバータユニットは、上記回転電機に一体的に搭載されると共に、上記固定子巻線と電気的に接続され、
   上記回転子は、相隣る磁極が異極をなすように形成された磁極部と界磁巻線を有する回転子鉄心と、上記相隣る磁極間に配置され、上記界磁巻線と共に上記固定子鉄心に磁束を供給する永久磁石を含むと共に、
   上記永久磁石による磁束は、上記回転電機の実使用回転速度範囲において、無励磁無負荷誘起電圧または最低電気負荷発電状態における無励磁誘起電圧が、上記バッテリ電圧を超過しないように調整されていることを特徴とする車両用回転電機装置。
2. 上記回転子はクローポール型回転子であり、上記永久磁石は上記回転子の爪状磁極部間に介装された一対の永久磁石で構成されていることを特徴とする請求項１記載の車両用回転電機装置。
3. 上記インバータユニットは上記回転電機の軸方向端面上に一体搭載されていることを特徴とする請求項１記載の車両用回転電機装置。
4. 上記インバータユニットは上記回転電機の径方向面上に一体搭載されていることを特徴とする請求項１記載の車両用回転電機装置。
5. 上記回転電機は冷却用ファンを有し、その冷却風により上記インバータユニット、回転子、固定子の順に冷却するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の車両用回転電機装置。
6. 上記固定子巻線は、平角線もしくは平角状に整列または成形された固定子コイルで構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の車両用回転電機装置。
7. 上記固定子巻線のコイルターン部の断面形状は丸状であることを特徴とする請求項６記載の車両用回転電機装置。