JP2006166538A - Rotary electric machine for vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両用回転電機に係り、特に、電力用のパワー半導体素子を実装した車両用回転電機に関する。 The present invention relates to a vehicular rotating electric machine, and more particularly to a vehicular rotating electric machine on which a power semiconductor element for electric power is mounted.
従来、例えば、特開平9−331645号公報や特開平8−336258号公報に記載のように、車両用発電機のエンドブラケットに、電子部品を搭載した基板を固定し、電子部品の発熱をエンドブラケットを介して放熱するものが知られている。 Conventionally, for example, as described in JP-A-9-331645 and JP-A-8-336258, a substrate on which an electronic component is mounted is fixed to an end bracket of a vehicular generator, and heat generation of the electronic component is ended. What dissipates heat through a bracket is known.
近年、環境の観点から、エンジンのアイドリングストップのニーズにより、一台の回転電機で駆動と発電の両方の機能を持った電動発電機のような回転電機がが開発されている。電動機としては、大出力化を図るため、300〜600A程度の大電流を流す必要がある。したがって、電力用のパワー半導体素子(例えば整流素子,電圧調整器,電力変換装置(インバータ等)など)にも大電流が流れるため、発熱量も大きくなっている。 In recent years, a rotating electrical machine such as a motor generator having both a drive function and a power generation function has been developed by a single rotating electrical machine in response to the need for idling stop of an engine from an environmental viewpoint. As an electric motor, it is necessary to flow a large current of about 300 to 600 A in order to increase the output. Therefore, a large amount of current flows through a power semiconductor element for power (for example, a rectifying element, a voltage regulator, a power converter (such as an inverter)), and the amount of heat generated is also large.
一方、特開平9−331645号公報や特開平8−336258号公報に記載のような車両用発電機においては、流れる電流もそれほど大きなため、車両用発電機のエンドブラケットに、電子部品を搭載した基板を固定し、電子部品の発熱をエンドブラケットを介して放熱する構造でも、十分に電子部品の冷却が可能である。しかしながら、上述のようなパワー半導体素子を用いたパワーモジュールに大電流を流す場合には、発熱量も大きく、前記従来技術の方式では、純分にパワーモジュールを冷却することはできず、パワーモジュールの信頼性が低下するという問題がある。 On the other hand, in a vehicular generator as described in JP-A-9-331645 and JP-A-8-336258, the flowing current is so large that electronic components are mounted on the end bracket of the vehicular generator. Even with a structure in which the substrate is fixed and the heat generated by the electronic component is dissipated through the end bracket, the electronic component can be sufficiently cooled. However, when a large current is passed through the power module using the power semiconductor element as described above, the amount of heat generated is large, and the power module cannot be cooled purely by the above-mentioned conventional method. There is a problem that the reliability of the system is lowered.
本発明の目的は、パワーモジュールの冷却性を向上させ、信頼性の向上した車両用回転電機を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a vehicular rotating electrical machine with improved cooling performance of a power module and improved reliability.
(1)上記目的を達成するために、本発明は、ロータと、ステータと、前記ロータを回転可能に支承するとともに、前記ステータを前記ロータに対して空隙を介して支持するフロント及びリアブラケットと、前記リアブラケットに取り付けられるとともに、前記ステータのステータコイルと電気的に接続される電力用パワーモジュールと、前記電力用パワーモジュールを覆うとともに、前記リアブラケットに取り付けられたカバーとからなる車両用回転電機であって、前記電力用パワーモジュールは、冷却板と、この冷却板の上に絶縁基板を介して実装された半導体素子と、前記冷却板の絶縁基板の取り付け面と反対側の面に形成された冷却フィンとからなり、前記冷却板の冷却フィンの取り付け面と前記リアブラケットの外面との間には隙間を設けて、前記冷却板は前記リアブラケットに取り付けられ、前記カバーに設けられた空気取り入れ部から導入された外気を、前記冷却板の冷却フィン取り付け面と前記リアブラケットの外面との間に導入して、前記冷却フィンを冷却するようにしたものである。
かかる構成により、パワーモジュールの冷却性を向上させ、回転電機の信頼性の向上し得るものとなる。
(1) In order to achieve the above object, the present invention includes a rotor, a stator, and a front and rear bracket that rotatably supports the rotor and supports the stator with respect to the rotor via a gap. A vehicle rotation comprising: a power module that is attached to the rear bracket and is electrically connected to a stator coil of the stator; and a cover that covers the power module and is attached to the rear bracket. The electric power module includes a cooling plate, a semiconductor element mounted on the cooling plate via an insulating substrate, and a surface of the cooling plate opposite to the mounting surface of the insulating substrate. And a gap between the cooling fin mounting surface of the cooling plate and the outer surface of the rear bracket. The cooling plate is attached to the rear bracket, and the outside air introduced from the air intake portion provided in the cover is introduced between the cooling fin mounting surface of the cooling plate and the outer surface of the rear bracket. Then, the cooling fin is cooled.
With this configuration, the cooling performance of the power module can be improved, and the reliability of the rotating electrical machine can be improved.
(2)上記(1)において、好ましくは、前記外気は、前記冷却フィンを通過した後、ステータコイルの冷却に利用されるとともに、前記冷却フィンは、前記カバーの空気取り入れ部から前記ステータコイルまでの流路の通風ガイドとしたものである。 (2) In the above (1), preferably, the outside air is used for cooling the stator coil after passing through the cooling fin, and the cooling fin extends from the air intake portion of the cover to the stator coil. This is a ventilation guide for the flow path.
(3)上記(1)において、好ましくは、前記冷却板の半導体素子取り付け面側に取り付けられ、前記半導体素子の周囲を囲むように形成された壁部を有する樹脂ケースと、前記半導体素子の表面を覆うように実装されたシール材を備えるようにしたものである。 (3) In the above (1), preferably, a resin case having a wall portion attached to the semiconductor element mounting surface side of the cooling plate and formed to surround the semiconductor element, and the surface of the semiconductor element It is made to provide the sealing material mounted so that it might cover.
(4)上記(3)において、好ましくは、前記樹脂ケースは、前記ロータに電流を供給するブラシを保持するブラシホルダー部が一体で形成されているものである。 (4) In the above (3), preferably, the resin case is integrally formed with a brush holder portion for holding a brush for supplying a current to the rotor.
本発明によれば、冷却を向上させ、かつ信頼性の高い車両用回転電機を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, cooling can be improved and the rotary electric machine for vehicles with high reliability can be provided.
以下、図1〜図6を用いて、本発明の一実施形態による車両用回転電機の構成について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態による車両用回転電機の全体構成について説明する。
Hereinafter, the configuration of a rotating electrical machine for a vehicle according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the overall configuration of the vehicular rotating electrical machine according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
図1は、本発明の一実施形態による車両用回転電機の全体構成を示す断面図である。なお、図1〜図6において、同一符号は、同一部分を示している。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a vehicular rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention. 1 to 6, the same reference numerals indicate the same parts.
本実施形態の回転電機は、主として、ロータと、ステータと、ハウジングを構成するブラケットから構成されている。最初にロータの構成について説明する。回転子軸1には、界磁コイル4を装着した爪型回転子コア3が固定されている。回転子3の両端には、フィン11が固定されている。回転子軸1の両端は、軸受7,8を介して一対のブラケット(フロントブラケット,リアブラケット)9,10により保持されている。
The rotating electrical machine of this embodiment is mainly composed of a rotor, a stator, and a bracket constituting a housing. First, the configuration of the rotor will be described. A claw-
リアブラケット10から突出する回転子軸1の一端側の周りには、界磁コイル4に電流を供給するためのスリップリング12が配置されている。スリップリング12には、ブラシ13を介して界磁電流が供給される。回転子軸1の一方の端部には、回転子の回転を検出するためマグネット16が取り付けられ、回転子軸1と一緒に回転する。回転検出用回路基板19には、マグネット16と隙間を介して、ホールIC19aが装着されている。マグネット16が回転することにより生じる磁界の変化は、ホールIC19aによって検出され、ロータの回転が検出される。回転子軸1の他方の端部には、プーリー2が固定されている。
A slip ring 12 for supplying a current to the field coil 4 is disposed around one end of the rotor shaft 1 protruding from the
次に、ステータの構成について説明する。ステータコア5にはステータコイル6が装着されている。ステータコア5は、爪型回転子3に対して、微小空隙を介して配置され、フロントブラケット9,リアブラケット10によって挟持されている。ステータコイル6は、U相,V相,W相の3相コイルがY結線されて1組のステータコイルを構成すると共に、このステータコイルが2組備えられている。
Next, the configuration of the stator will be described. A stator coil 6 is attached to the stator core 5. The stator core 5 is disposed with respect to the claw-
ブラシ13は、絶縁性を有する樹脂製のブラシホルダ24cによって保持されている。パワーモジュール18と、ブラシホルダ24cは、リアブラケット10の外面に対して、一体的にネジ止めされている。このとき、パワーモジュールの底面(冷却板となる金属板部)側と、リアブラケット10の外面の間には、隙間が形成されている。
The
また、リアブラケット10の外面には、ステータコイル6に誘起された電力を出力させる出力端子14が取り付けられている。さらに、パワーモジュール18と、マグネット16とは、リアカバー15により覆われている。リアカバー15の外周の円周方向には、図5を用いて後述するように、複数の外部空気取り入れ部15aが形成されている。回転子3の回転時には、冷却フィン11が回転することで、カバー15の外周部に設けた外部空気取り入れ部15aから外気が導入され、パワーモジュールの底面(冷却板となる金属板部)側と、リアブラケット10の外面の間の隙間を介して外気が導入され、パワーモジュールの底面を冷却し、さらに、その外気は、リアブラケット10とフロントブラケット9の内部(すなわち、回転電機の内部)に導入され、界磁コイル4及びステータコア5から生じる熱を奪って発電効率を高めている。
Further, an output terminal 14 for outputting electric power induced in the stator coil 6 is attached to the outer surface of the
すなわち、本実施形態では、パワーモジュールの底面(冷却板となる金属板部)側と、リアブラケット10の外面の間の隙間を介して導入された外気によって、パワーモジュールの底面を冷却する点に特徴がある。従来の方式では、パワーモジュールの底面に相当する電子部品の回路基板は、エンドブラケットの外面に取り付けられている。そして、外気は、エンドブラケットの内面側(回転電機の内面側)に導入される。そのため、導入された外気は、界磁コイル4及びステータコア5から生じる熱によって常温よりも高温となり、この温度の外気で電子部品の回路基板を冷却するような構造であるため、電子部品として300〜600A程度の大電流を流す電力用のパワー半導体素子を用いた場合、発熱量が大きく、十分な冷却が行えないこととなる。それに対して、本実施形態では、界磁コイル4及びステータコア5の熱によって昇温される前の常温の外気によって直接電力用のパワー半導体素子を冷却するようにしているため、冷却効率が向上し、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。
That is, in this embodiment, the bottom surface of the power module is cooled by the outside air introduced through the gap between the bottom surface (metal plate portion serving as a cooling plate) side of the power module and the outer surface of the
次に、図2〜図4を用いて、本実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの詳細構成について説明する。 Next, the detailed configuration of the power module used in the vehicular rotating electrical machine according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図2は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの構成を示す正面図である。図3は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの構成を示す部分断面図であり、図2のA−A断面及び図4のB−B断面を示している。図4は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの構成を示す背面図である。 FIG. 2 is a front view showing a configuration of a power module used in the vehicular rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a configuration of a power module used in a rotating electrical machine for a vehicle according to an embodiment of the present invention, showing a cross section taken along the line AA in FIG. 2 and a cross section taken along the line BB in FIG. FIG. 4 is a rear view showing the configuration of the power module used in the vehicular rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention.
パワーモジュール18は、図3に示すように、金属製の冷却板17と、樹脂製のブラシホルダ24cも一体的に形成された樹脂ケース24を主たる構造材としている。
As shown in FIG. 3, the
冷却板17の上には、絶縁基板22,23が固定されている。絶縁基板22,23の上には、ハンダにより半導体素子20,21が装着されている。半導体素子20,21は、それぞれ、電力用の半導体スイッチング素子20a,20b,20c,20d,20e,20fと、電力用半導体スイッチング素子21a,21b,21c,21d,21e,21fとから構成されている。これらの半導体素子は、例えば、MOS(相補型金属酸化膜半導体)−FETからなる。回転電機を電動機として用いる場合には、これらのスイッチング素子は、直流電源(例えば、バッテリ)からの直流電圧を交流電圧に変換するために用いられる。また、回転電機を発電機として用いる場合には、これらのスイッチング素子は、発電機の出力である交流電圧を直流電圧に変換して、バッテリに蓄電するために用いられる。
ここで、前述したように、ステータコイルは2組のY結線されたコイルから構成されるため、例えば、半導体素子20は第1組のコイルに対して設けられる。例えば、電力用の半導体スイッチング素子20a,20bは、U相上アームと下アームに設けられ、半導体スイッチング素子20c,20dは、V相上アームと下アームに設けられ、半導体スイッチング素子20e,20fは、W相上アームと下アームに設けられる。また、半導体素子21は第2組のコイルに対して設けられる。
Here, as described above, since the stator coil is composed of two sets of Y-connected coils, for example, the
一方、樹脂ケース24は、その外周に壁部24aを有している。図3に示すように、壁部24aは、樹脂ケース24が冷却板17と接する面とは反対側に設けられている。そして、樹脂ケース24には、バスバー25がモールド成形により一体的に埋め込まれている。半導体素子20,21とバスバー25とは、ワイヤボンディング26で接続されている。バスバー25の端部には、結線部25aが壁部24aから突出して設けられている。結線部25aは、図1に示したように、ステータコイル6に電気的に接続される。
On the other hand, the
また、樹脂ケース24には、ブラシホルダ24cも一体的に形成されている。
The
図3に示すように、冷却板17と樹脂ケース24は、接着樹脂等で接着され一体化されている。壁部24aは、冷却板17に取り付けられた半導体素子21の外周を囲むように設けられているため、電力用半導体素子20,21の表面をシリコンゲル27等のシール材で被覆し、半導体表面を保護したとき、壁部24aは、流れ止めとして機能する。
As shown in FIG. 3, the cooling
図1に示したように、冷却板17と樹脂ケース24は、リアブラケット10にネジ止めされる。このとき、樹脂ケース24がネジの締め付けトルクで割れ等が生じるのを防止するため、図3に示すように、樹脂ケース24のネジ取り付け部には、金属製のリングがモールド成形で埋め込まれている。
As shown in FIG. 1, the cooling
図4に示すように、冷却板17の背面側には、複数個の冷却フィン17aが放射状に形成されている。冷却フィン17aの高さは、図3に示すように、リアブラケット10に対する取り付けネジ部の高さと同じにしている。したがって、リアカバー15の外周の円周方向に形成された複数の外部空気取り入れ部15aから導入された外気は、パワーモジュールの底面(冷却板となる金属板部)側と、リアブラケット10の外面の間の隙間から冷却フィン17aに沿って回転電機の回転軸1の方向に進み、パワーモジュール18の底面を冷却する。すなわち、冷却フィン17が通風ガイドとして機能している。さらに、その外気は、図1に示したように、リアブラケット10の開口からリアブラケット10とフロントブラケット9の内部(すなわち、回転電機の内部)に導入され、界磁コイル4及びステータコア5を冷却する。
As shown in FIG. 4, a plurality of cooling fins 17 a are formed radially on the back side of the cooling
図1に示したように、金属製の冷却板17は、金属製のリアブラケット10に取り付けられている。パワーモジュール18のアースは、冷却板17に接続されているため、リアブラケット10を介して、車両のボディにアースされる。一方、リアブラケット10は、ステータコイル6等の発熱で昇温している。このステータコイル等の発熱が、冷却板17に伝わる量を低減するため、図4に示したように、3カ所の取り付け部17bのみとして、リアブラケット10と冷却板17の間の電気的接続をとるとともに、熱の影響が伝わることを極力低減するようにしている。
As shown in FIG. 1, the
次に、図5及び図6を用いて、本実施形態による車両用回転電機に用いるリアカバー15の構成について説明する。
Next, the configuration of the
図5は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるリアカバーの構成を示す斜視図である。図6は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるリアカバーに対するパイプの取り付け状態を示す断面図である。 FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the rear cover used in the vehicular rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which the pipe is attached to the rear cover used in the vehicular rotating electrical machine according to the embodiment of the present invention.
図5に示すように、リアカバー15の外周の円周方向には、複数の外部空気取り入れ部15aが形成されている。また、リアカバー15には、換気用のパイプ取り付け部15bが形成されている。そして、図6に示すように、リアカバー15には、換気用のパイプ28が装着され、スリップリング12とブラシ14の摺動時の気圧を大気と同じレベルにしている。これにより、スリップリング12の異常摩耗を防止することができる。
As shown in FIG. 5, a plurality of external air intake portions 15 a are formed in the circumferential direction of the outer periphery of the
以上説明したように、本実施形態によれば、リアブラケットと冷却板の間の隙間に導入した外気により冷却板を冷却するようにしているため、冷却板に取り付けられたパワーモジュールの冷却効率を向上させ、信頼性を向上することができる。
As described above, according to the present embodiment, the cooling plate is cooled by the outside air introduced into the gap between the rear bracket and the cooling plate, so that the cooling efficiency of the power module attached to the cooling plate is improved. , Reliability can be improved.
3…回転子
9,10…ブラケット
11…フィン
18…パワーモジュール
15…リアカバー
17…冷却板
17a…放熱フィン
20,21…パワー半導体素子
22,23…絶縁基板
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記電力用パワーモジュールは、冷却板と、この冷却板の上に絶縁基板を介して実装された半導体素子と、前記冷却板の絶縁基板の取り付け面と反対側の面に形成された冷却フィンとからなり、
前記冷却板の冷却フィンの取り付け面と前記リアブラケットの外面との間には隙間を設けて、前記冷却板は前記リアブラケットに取り付けられ、前記カバーに設けられた空気取り入れ部から導入された外気を、前記冷却板の冷却フィンの取り付け面と前記リアブラケットの外面との間に導入して、前記冷却フィンを冷却することを特徴とする車両用回転電機。 A rotor, a stator, a rotor that rotatably supports the rotor, and a front and rear bracket that supports the stator with respect to the rotor via a gap; a stator coil of the stator that is attached to the rear bracket; A rotating electrical machine for a vehicle comprising an electrically connected power module for power, and a cover for covering the power module for power and attached to the rear bracket,
The power module for power includes a cooling plate, a semiconductor element mounted on the cooling plate via an insulating substrate, and a cooling fin formed on a surface of the cooling plate opposite to the mounting surface of the insulating substrate. Consists of
A clearance is provided between a mounting surface of the cooling fin of the cooling plate and an outer surface of the rear bracket, and the cooling plate is attached to the rear bracket and is introduced from an air intake portion provided in the cover. Is introduced between the mounting surface of the cooling fin of the cooling plate and the outer surface of the rear bracket to cool the cooling fin.
前記外気は、前記冷却フィンを通過した後、ステータコイルの冷却に利用されるとともに、
前記冷却フィンは、前記カバーの空気取り入れ部から前記ステータコイルまでの流路の通風ガイドとなることを特徴とする車両用回転電機。 The rotating electrical machine for a vehicle according to claim 1,
The outside air is used for cooling the stator coil after passing through the cooling fins,
The rotating electrical machine for a vehicle according to claim 1, wherein the cooling fin serves as a ventilation guide for a flow path from the air intake portion of the cover to the stator coil.
前記冷却板の半導体素子取り付け面側に取り付けられ、前記半導体素子の周囲を囲むように形成された壁部を有する樹脂ケースと、
前記半導体素子の表面を覆うように実装されたシール材を備えたことを特徴とする車両用回転電機。 The rotating electrical machine for a vehicle according to claim 1,
A resin case having a wall portion attached to the semiconductor element mounting surface side of the cooling plate and formed so as to surround the periphery of the semiconductor element;
A vehicular rotating electrical machine comprising a sealing material mounted so as to cover a surface of the semiconductor element.
前記樹脂ケースは、前記ロータに電流を供給するブラシを保持するブラシホルダー部が一体で形成されていることを特徴とする車両用回転電機。 The rotating electrical machine for a vehicle according to claim 3,
The rotating electrical machine for a vehicle according to claim 1, wherein the resin case is integrally formed with a brush holder portion for holding a brush for supplying a current to the rotor.
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