JP2006166681A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パワーユニットの冷却性を向上させながら、制御回路基板を塩水などの環境的な要因からくる電触などの不具合から保護し、かつ、組立性、生産性の良い構造を提案するものである。
【解決手段】 車両用回転電機において、スイッチング素子とこれに並列接続された一対のインバータモジュールからなるパワー部と、上記パワー部を制御する制御回路部を有し、上記回転子に固着された遠心ファンによる冷却空気の流れに対して、上流側に制御回路部、下流側にパワー部を分離して配置すると共に、上記制御回路部には上記冷却空気が上記パワー部を経由して直線的に流れるように貫通孔を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンに連結されたベルト駆動式車両用回転電機およびベルト式車両用回転電機を制御する制御装置を備えた車両用回転電機に関するものである。

例えば、特許文献１（特開２００４−１５６５８９公報）に、アイドルストップ制御装置が示されている。この制御装置は、略円盤状のヒートシンク上に直接固定されたスイッチング素子や、ヒートシンク上に固定されたプリント配線層をもつ回路基板を有し、この回路基板上には制御ＩＣ等を装着している。また、このヒートシンクには全外周及び全内周に二重の側枠部が取り付けられ、外周側枠部を介してブラケットの後端外壁に固定されている。これらヒートシンクの内外周側枠部により囲まれたリング状の凹部に樹脂が注入され、これにより、スイッチング素子、回路基板、制御ＩＣ等が、容易に塩泥水などの環境的な要因から保護され、耐久性および信頼性が向上するように構成されている。

また、制御装置には、ヒートシンクを覆って樹脂カバーがブラケットに固定され、樹脂カバーに設けられた空気吸入孔から流入される冷却空気は、ヒートシンクを冷却しながらブラケット内に流入して固定子巻線や回転子巻線を冷却し、ブラケットから外部に吹き出される冷却構造をもっている。

特開２００４−１５６５８９公報（図９〜図１１、（００６８）〜（００７２）欄の記述を参照）

しかしながら、発熱素子であるスイッチング素子を固定するヒートシンクの近傍に回路基板を配置した場合、回路基板上の制御ＩＣ等の耐熱温度の低い電子部品が熱損傷をおこす問題がある。加えて、樹脂で一体的に封止されるため、スイッチング素子の熱が樹脂を伝導して回路基板上の電子部品の温度を上昇させる恐れもあった。
さらに、元来、熱に弱い電子部品や基板から構成される制御回路部は、熱の影響を受け易く、高温下で使用可能な部品や基板は高価であるため、システム全体がコスト高となる問題があった。

また、略円盤状のヒートシンクは、スイッチング素子や回路基板を樹脂封止するための枠部に利用しているため、ヒートシンクの形状やレイアウトが限定されてしまい、結果として制御装置の冷却設計を難しくし、ヒートシンクの容積を大きくする欠点があった。
また、遠心ファンにより流入される冷却空気の流れも、樹脂カバーの空気吸入孔から入った冷却空気が略円盤状のヒートシンクの上を中心に向かって流れ、ヒートシンク内周側のわずかな隙間を通ってブラケット内に流入し、半径方向に向かってブラケットから吹き出すため、冷却空気の圧力損失や冷却風路の曲がりによる損失が大きく、冷却効率が悪いものであった。

更に、ブラケットから遠い場所にヒートシンクなどの重量物を配置する構造のため、振動等による強度的な問題があった。
本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、パワーユニットの冷却性を向上させながら、制御回路基板を塩水などの環境的な要因からくる電触などの不具合から保護し、かつ、組立性、生産性の良い構造を提案するものである。

本発明は、エンジンの始動時には、バッテリの電力により駆動されて上記エンジンを始動し、かつ、上記エンジンの始動後は、エンジンに駆動されて交流電力を発生する車両用回転電機において、上記車両用回転電機は、上記バッテリの正負端子間に直列接続された一対のスイッチング素子および該スイッチング素子にそれぞれ並列接続されたダイオードを複数組有し、直列接続されたスイッチング素子の接続点を上記車両用回転電機の固定子巻線に接続されたパワー部と、上記エンジンの始動時に、上記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御により上記バッテリの電力を上記車両用回転電機に供給して回転子を駆動させ、発電時は、上記エンジンの常用回転速度域で、上記スイッチング素子およびダイオード群により上記車両用回転電機で発生する交流電力を直流電力に整流させて上記バッテリおよび車両電気負荷に充電するように上記パワー部を制御する制御回路部を有しており、上記回転子に固着された遠心ファンによる冷却空気の流れに対して、上流側に制御回路部、下流側にパワー部を分離して配置すると共に、上記制御回路部には上記冷却空気が上記パワー部を経由して直線的に流れるように貫通孔を設けたことを特徴とするものである。

この発明による車両用回転電機は、制御装置（インバータ）を発熱量の大きいパワー部と発熱量の小さい制御回路部とに分離して構成することで、伝熱抵抗を大きし、パワー部から制御回路部への熱の伝導を抑えると共に、制御回路部を冷却風路の上流に設置することで、制御回路部を通る冷却空気は、下流に設置した場合に比べて温度が低いため、耐熱温度の低い部品が多く実装される制御回路部を十分に冷却することができる効果を有するものである。更にこの発明によれば、冷却風路の下流に設置されたパワー部においても、制御回路部を通り抜けた冷却空気が直線的に流れるため、圧力損失が少なく効率よくパワー部を冷却することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による回転電機の構造を示す断面図である。
図１において、回転電機１０は、フロントブラケット１及びリヤブラケット２と、上記ブラケット１、２に支持用ベアリング３を介して回転自在に配設されているシャフト４と、このシャフト４に固定されると共に界磁巻線５を有する回転子６と、前記ケース４に固定されて回転子６を囲むように配設されると共に電機子巻線７を有する固定子８と、回転子６の軸方向の両端面に固定され回転子の回転に併せて回転する遠心ファン９と、シャフト４のフロント側の端部に固着されたプーリ１１と、シャフト４のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット２に取り付けられたブラシホルダ１２と、シャフト４のリヤ側に装着された一対のスリップリング１３に摺接するようにブラシホルダ１２内に配設された一対のブラシ１４と、シャフト４のリヤ側端部に配設された回転位置検出センサ（レゾルバ等）１５とを備えている。そして、この回転電機１０はプーリ１１及びベルト（図示せず）を介してエンジンの回転軸（図示せず）に連結されている。

本実施の形態では、回転電機１０に一体的または近接してパワー素子ユニット４０が設置されている。すなわち、リヤブラケット２の内側に配設支持されたパワーユニット支持部材１６に、パワー素子ユニット４０を構成する複数のパワー素子（後述するスイッチング素子）４１と、各パワー素子４１に電気的に接続される電極部材を兼ねた内側ヒートシンク１７及び外側ヒートシンク１８が設置されている。これらパワー素子４１、内側ヒートシンク１７、外側ヒートシンク１８のレイアウトについては、後述の図３により詳述する。

一方、リング状の制御回路基板２０は、バッテリ電源やＥＣＵとの接続用コネクタ２１や界磁電流調整部４５と共にケース３５に収納され、絶縁樹脂２２で封止されてパワーユニット支持部材１６に取り付けられる。パワーユニット支持部材１６には、パワー部のスイッチング素子を駆動、あるいは素子内部のセンシング出力を引き出すための信号端子（図示せず）と、パワー部と固定子巻線７との電気的接続を行う導体ターミナル２３が一体的に成形され、導体ターミナル２３には、パワーユニット支持部材１６に一体的に成形された電流検知用センサコア２４を通った固定子巻線のリード線２５が繋がっている。

このように構成することにより、制御回路基板２０に実装される電子部品の発熱が絶縁樹脂の熱伝導により、分散、均一化され、制御回路部全体の温度を低減させることができる。また、制御回路基板２０は樹脂封止されているので、塩水などの環境的な要因からくる電触などの不具合からの保護を容易にし、信頼性が向上する。更に、ケースを利用することで、簡単に制御回路基板を樹脂封止することができるため、作業工程が簡便で、生産性を向上させることができる。なお、上記ケース３５が上記パワー部と上記制御回路基板２０を電気的、機械的に接続される中継部材としての役割をすることができるので、配線部品の増加を防ぎ、回路構成の簡素化を図ることができる。

図２はパワー素子ユニット４０を備えた回転電機１０の動作を説明するための概略回路図である。図２において、回転電機１０は、固定子８の電機子巻線７と、回転子６の界磁巻線５を備え、回転子６に連結されたプーリ１１がエンジン（図示せず）の回転軸とベルトにより連結されている。ここで、電機子巻線７は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルをＹ結線（スター結線）して構成されている。パワー素子ユニット４０は、複数のパワー素子であるスイッチング素子（パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）４１a、４１bと各スイッチング素子４１a、４１bに並列に接続されたダイオード４２a、４２bからなるインバータモジュールと、このインバータモジュールに並列に接続されたコンデンサ４３とを備えている。

インバータモジュールは、上アーム４６を構成するスイッチング素子４１aおよびダイオード４２aと、下アーム４７を構成するスイッチング素子４１bおよびダイオード４２bとを２組直列に接続したものを１セットとし、当該セットが３個並列に配置されている。
電機子巻線７のＹ結線の各相の端部は、交流配線２８を介して前記直列に配置した上アーム４６のスイッチング素子４１と下アーム４７のスイッチング素子４１の中間接続点にそれぞれ電気的に接続されている。また、バッテリ２９の正極側端子および負極側端子が、直列配線３０を介してパワー素子ユニット４０の正極側および負極側にそれぞれ電気的に接続されている。

パワー素子ユニット４０において、それぞれのスイッチング素子４１のスイッチング動作は、制御回路４４の指令により制御される。また、制御回路４４は、界磁電流調整部４５を制御して回転子の界磁巻線５に流す界磁電流を調整する。
前記のようなパワー素子ユニット４０を備えた回転電機１０において、エンジンの始動時に、バッテリ２９から直流配線３０を介して直流電力がパワー素子ユニット４０に給電される。そして、制御回路４４がパワー素子ユニット４０の各スイッチング素子４１をＯＮ／ＯＦＦ制御し、直流電力が三相交流電力に変換される。そして、この三相交流電力が交流配線２８を介して回転電機１０の電機子巻線７に供給される。

これにより、界磁電流調整部４５により界磁電流が供給されている回転子の界磁巻線５の周囲に回転磁界が与えられ、回転子６が回転駆動され、回転電機用プーリ、ベルト、クランクプーリ、クラッチ（ＯＮ）を介してエンジンが始動される。
一方、エンジンが始動されると、エンジンの回転動力がクランクプーリ、ベルト、回転電機用プーリを介して回転電機１０に伝達される。これにより、回転子６が回転駆動されて電機子巻線７に三相交流電圧が誘起される。そこで、制御回路４４が各スイッチング素子４１をＯＮ／ＯＦＦ制御し、電機子巻線７に誘起された三相交流電力を直流電力に変換して、バッテリ２９を充電する。

図１に戻って、さらに、リヤブラケット２には通風孔２６、２７が設けられ、回転子６の遠心ファン９の回転により、図示矢印Ｆのような通風路を通して風がリヤブラケット２内部を通り抜け、パワー素子４１、内側ヒートシンク１７、外側ヒートシンク１８、制御回路４４、その他を冷却する。上記ファン９による冷却空気の流れに対して、上流側に制御回路部５０、下流側にパワー部６０が分離して配置される。パワー部６０は、パワーユニット支持部材１６に取り付けられ、固定子巻線７に供給する交流電力を制御するためのスイッチング素子を有している。

例えば、バッテリの正端子側のスイッチング素子４１aが、電極をなすヒートシンク１７に実装されている上アーム４６と、バッテリの負端子側のスイッチング素子４１bが、電極をなすヒートシンク１８に実装されている下アーム４７（図２参照）に分割構成されている。ヒートシンク１７、１８はスイッチング素子で発生した熱を直接伝導することができ、効率的にスイッチング素子を冷却することができる。この配置により、制御回路部５０を流れる冷却空気はパワー部６０の中を流れる冷却空気より温度が低く、制御回路部５０の冷却性が向上する。

また、リアブラケット６の外側の貫通穴２７から吸入された冷却空気は、制御回路部５０に設けられた空気吸入孔１９を通り、パワー部６０を経由して、直線的に流れるため、パワー部６０も効率よく冷却することができる。その後、パワー部６０を冷却した冷却空気は、遠心方向に曲げられ、固定子巻線７を冷却しながら排気孔３２から排出される。図３は、図１の回転電機をＡ−Ａ線から見た断面図であり、パワー素子ユニット４０のレイアウトを示す図である。

図３において、パワー素子ユニット４０を構成するパワー素子（スイッチング素子）４１は、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相の部位に分かれて配置されている。各部位には、それぞれ一対のヒートシンクである内側ヒートシンク１７および外側ヒートシンク１８がそれぞれ搭載されている。そして各ヒートシンク１７、１８には、ディスクリートタイプのパワー素子であるスイッチング素子４１a、４１bが並列に４個ずつ接続されている。なお、各ヒートシンク１７、１８はそれぞれ反対方向に配置された冷却フィンを備えており、また、互いに同電位（バッテリの正極側電位）である上側アームの内側ヒートシンク１７は、一体物から成り、下側アームの外側ヒートシンク１８は、３相の固定子巻線７に対応するように３分割されている。なお、内側ヒートシンク１７を外側ヒートシンク１８と同様に３分割して構成することも可能である。

例えば、Ｕ相部位について説明すると、内側ヒートシンク１７には、Ｕ相に対応する上側アーム４６のスイッチング素子４１a（図示斜線）が４個接続されている。また、外側ヒートシンク１８には、Ｕ相に対応する下側アーム４７のスイッチング素子４１b（図示白抜き）が４個接続されている。なお、前記４個のスイッチング素子は回路的に並列に接続している。このように複数個のスイッチング素子４１を並列接続することで１個のスイッチング素子当たりの通電容量を小さくすることができ、安価に構成できる。また、１個のスイッチング素子４１が小型化できるので、横一列に並べたり、正方形状に配置するというように配置の自由度が向上し、コンパクトな空間でのレイアウトに好都合となる。

以上のように、この実施形態１においては、制御装置（インバータ）を発熱量の大きいパワー部と制御回路部とに分離して構成することにより、伝熱抵抗が大きくなり、パワー部から制御回路部への熱の伝導を抑えることができる。
また、制御回路部を冷却風路の上流に設置することにより、制御回路部を通る冷却空気は、下流に設置した場合に比べて温度が低いため、耐熱温度の低い部品が多く実装される制御回路部を十分に冷却することができる。
更に、冷却風路の下流に設置されたパワー部においても、制御回路部に設けられた空気吸入孔を通り抜けた冷却空気が直線的に流れるため、圧力損失が少なくなり効率よくパワー部を冷却することができる。

また上記のような構成とすることにより、上記ケース３５には電流検知用のセンサコア２４が一体的に成形されるので、センサコア２４に流れる渦電流により発生する熱をケース３５の熱伝導により、分散することができ、コア２４の温度上昇を抑えることができる。また、制御回路基板２０をケース３５に組み付けるだけで、制御回路基板上２０のセンサとセンサコア２４の位置が決定するため、調整が不要で組立性が向上する。
また、上記ケース３５には上記パワー部６０の直列接続されたスイッチング素子４１の接点と固定子巻線７からのリード線を接続する導体ターミナル２５が一体的に成形され、その接合部は上記制御回路基板２０とともに絶縁樹脂２２にて封止されるため、接合部の発熱は、封止されている絶縁樹脂の熱伝導により分散され、接合部の温度上昇を抑えることができる。また、接合部が制御回路基板とともに樹脂で封止されるため、封止工程が１度で済み、生産性がよい。
なお、上記ケースにはバッテリ電源やECUとの接続用コネクタ２１が装備されているので、コネクタ２１をケース３５に固定、保持させることで耐振強度を向上させることができる。

実施の形態２.
図４はこの発明の実施の形態２による回転電機の構造を示す断面図である。この実施の形態２では、内側ヒートシンク１７、外側ヒートシンク１８、及びそれぞれに取り付けられた複数のパワー素子４１a、４１bからなるパワー素子ユニット６０が、リアブラケット２にリアブラケット２の外側に立てられたボルト（図示せず）により取り付けられている。上記パワー素子ユニット６０の外側には、全外周及び全内周に二重の側枠部３８、３９を有するケース３５が底板部３９を介してブラケット２の後端外壁に固定されている。また、制御回路４４を配設したリング状の制御回路基板２０が上記ケース３５の外側からその中央穴部を介して嵌めこみ設置され、更にその外側をカバー３７で覆われている。このケース３５に樹脂２２が注入され、ケース３５に固定された界磁電流調整部４５、コネクタ２１、回路基板２０、制御ＩＣ等が封止され、これらを塩泥水などの環境的な要因から保護し、耐久性および信頼性を向上するように構成されている。

更に、スイッチング素子４１を駆動、あるいは、素子内部のセンシング出力を引き出すための信号端子４８が上記ケース３５内に孔３１を通してインサート成形された樹脂成形部４９により制御回路基板２０に接続されている。スイッチング素子４１の近傍に実装された平滑コンデンサ３３の配線も樹脂成形部４９により接続されている。
当該回転電機の上記ケース３５には冷却空気の流れを形成する通風孔２６、２７が設けられ、回転子６の遠心ファン９の回転により、図示矢印Ｆのような通風路を通して風が通り抜け、排気孔３２から排出される。これにより、パワー素子４１、内側ヒートシンク１７、外側ヒートシンク１８、制御回路４４、その他を冷却する。なお、上記ファン９による冷却空気の流れに対して、上流側に制御回路部５０、下流側にパワー部６０が分離して配置され、更に、冷却風路の下流に設置されたパワー部６０においても、制御回路部に設けられた空気吸入孔を通り抜けた冷却空気が直線的に流れるため、圧力損失が少なくなり効率よくパワー部を冷却することができる。
図５は、図３の回転電機をＢ−Ｂ線から見た断面図であり、パワー素子ユニット６０のレイアウトを示す図である。

図５において、パワー素子ユニット６０を構成するパワー素子４１は、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相の部位に分かれて配置され、各部位には、それぞれ一対のヒートシンクである内側ヒートシンク１７および外側ヒートシンク１８が搭載されており、また、上側アームの内側ヒートシンク１７は一体物、または３分割で構成され、下側アームの外側ヒートシンク１８は３分割されている点、各ヒートシンク１７、１８にはスイッチング素子４１a、４１bが並列に４個ずつ接続され、各ヒートシンク１７、１８はそれぞれ反対方向に冷却フィンを備えている点は、実施の形態１と同一である。

実施の形態１と異なる点は、３相の部位の内、Ｕ、Ｗの部位に存在するヒートシンク１７、１８をＶ相ヒートシンクに対して実施の形態１より更に内側に傾斜させて配置したことである。このように配置することにより、実施の形態１よりもレイアウトの自由度が高く、スイッチング素子を冷却し易い構造となっている。
図６は図４に示す実施形態２の回転電機をリアブラケット側から見た側面図であり、特にカバー３７に設けられた通風孔と内部のパワー素子ユニット６０との配置関係を明らかにするものである。図７は上記回転電機のリアブラケット側に配置されるケース１７と制御基板１６とカバー３７の分解斜視図を示している。図６及び図７から分かるように、ケース３５の内側通風孔２６は上部が開放したＣ字状を有しており、カバー３７には上記ケース３５の内側通風孔２６の対応位置に３つの第１の貫通孔５１が、また上記ケース３５の外側通風孔２７の対応位置には３つの第２の貫通孔５２が設けられている。

従って、上記遠心ファンによる冷却空気の流れとして、カバー３７の内側に存在する第１の貫通孔５１と、外側に存在する第２の貫通穴５２を通した２つの流れがあり、それぞれを通した空気流がパワー素子ユニット６０の内側ヒートシンク１７及び外側ヒートシンク１８の冷却フィンに当接した後、遠心方向に曲げられ、固定子巻線７を冷却しながら排気孔３２から排出されるようになっている。
以上のように、本実施形態２においては、上流側に制御回路部、下流側にパワー部を分離して配置すると共に、上記制御回路部には上記冷却空気が上記パワー部を経由して直線的に流れるように貫通孔を設けたので、圧力損失が少なく効率よくパワー部を冷却することができる。

この発明の実施の形態１による回転電機の構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の動作を説明するための概略回路図である。 図１の回転電機をＡ−Ａ線から見た断面図である。 この発明の実施の形態２による回転電機の構造を示す断面図である。 図４の回転電機をＢ−Ｂ線から見た断面図である。 図４に示す実施形態２の回転電機をリアブラケット側から見た側面図である。 この発明の実施の形態２による回転電機のリアブラケット側の分解斜視図である。

符号の説明

１、２ ブラケット、
６ 回転子
１０ 回転電機、
１６ パワーユニット支持部材、
１７ 内側ヒートシンク、 バッテリ、
１８ 外側ヒートシンク、
１９ 貫通孔、
２０ 制御回路基板、
２６ 内側通風孔
２７ 外側通風孔
２９ バッテリ、
３５ ケース、
４０ パワー素子ユニット、
４１ パワー素子、
４２ ダイオード、
４４ 制御回路、
４５ 界磁電流調整部、
５０ 制御回路部、
５１、５２ 貫通孔
６０ パワー部。

Claims (10)

1. エンジンの始動時には、バッテリの電力により駆動されて上記エンジンを始動し、かつ、上記エンジンの始動後は、エンジンに駆動されて交流電力を発生する車両用回転電機において、上記車両用回転電機は、上記バッテリの正負端子間に直列接続された一対のスイッチング素子および該スイッチング素子にそれぞれ並列接続されたダイオードを複数組有し、直列接続されたスイッチング素子の接続点を上記車両用回転電機の固定子巻線に接続されたパワー部と、上記エンジンの始動時に、上記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御により上記バッテリの電力を上記車両用回転電機に供給して回転子を駆動させ、発電時は、上記エンジンの常用回転速度域で、上記スイッチング素子およびダイオード群により上記車両用回転電機で発生する交流電力を直流電力に整流させて上記バッテリおよび車両電気負荷に充電するように上記パワー部を制御する制御回路部を有しており、上記回転子に固着された遠心ファンによる冷却空気の流れに対して、上流側に制御回路部、下流側にパワー部を分離して配置すると共に、上記制御回路部には上記冷却空気が上記パワー部を経由して直線的に流れるように貫通孔を設けたことを特徴とする車両用回転電機。
2. 上記パワー部は、上記制御回路部と分離して設置され、上記スイッチング素子およびダイオードが電極部材を兼ねたヒートシンク上に実装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。
3. 上記ヒートシンクは、固定子巻線の相ごとに分割されていることを特徴とする請求項２記載の車両用回転電機。
4. 上記制御回路部はケース内に収納されて絶縁樹脂にて封止されると共に、パワー部より冷却風路の上流に設置されていることを特徴とする請求項１乃至３記載の車両用回転電機。
5. 上記制御回路部には上記冷却空気が上記パワー部を経由して直線的に流れるように貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１記載の車両用回転電機。
6. 上記ケースが、上記パワー部と上記制御回路基板を電機的・機械的に接続される中継部材としての役割をすることを特徴とする請求項４記載の車両用回転電機。
7. 上記ケースは、上記車両用回転電機の回転子の界磁巻線に供給する電流を制御する界磁電流調整部などの発熱部品を備えたことを特徴とする請求項４記載の車両用回転電機。
8. 上記ケースには電流検知用のセンサコアが一体的に成形されていることを特徴とする請求項４記載の車両用回転電機。
9. 上記ケースには上記パワー部の直列接続されたスイッチング素子の接点と固定子からのリード線を接続する導体ターミナルが一体的に成形され、その接合部は上記制御回路基板とともに絶縁樹脂にて封止されていることを特徴とする請求項４記載の車両用回転電機。
10. 上記ケースにはバッテリ電源やECUとの接続用コネクタが装備されたことを特徴とする請求項４記載の車両用回転電機。

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