JP2010268598A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシの温度を低減することができる車両用回転電機を提供すること。
【解決手段】回転子４と、固定子３と、回転子４と固定子３とを支持するフロントフレーム１およびリアフレーム２と、一対のブラシを収納するとともにスリップリングを覆うブラシ装置７と、固定子巻線３２に誘起された交流起電力を直流に変換する動作と、バッテリに蓄積された直流電力を交流に変換して固定子巻線３２に供給する動作の少なくとも一方を行う電力変換器５と、電力変換器５を覆うリアカバー９と、区画部材により区画されてリアカバー９の外部空間とブラシ装置７との間を連通する冷却風導入路１０とを備える。ブラシ装置７は、冷却ファン４６側に設けられた開口部７２と、冷却風導入路１０の一方端側に設けられた開口部７１とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。

近年の環境問題に対する燃費規制やＣＯ₂ 排出量削減規制の強化、原油高騰による市場ニーズに対応するため、一部の車両カテゴリにおいては、信号待ちなどの一時停止時にエンジンを停止させるアイドルストップ機能を備えた車両が普及し始めている。

このアイドルストップを行う手段の一つとして、車両用交流発電機にモータ機能を追加し、一時停止後のエンジン始動を行う始動用電動機と発電を行う発電機能を一つにまとめた電動機兼発電機、いわゆるＩＳＧ（インテグレーテッド・スタータ・ジェネレータ）またはＭＧ（モータ・ジェネレータ）が用いられる。アイドルストップを行う回転電機に必要な機能としては、エンジンを再始動させるための起動トルク特性はもちろんのこと、近年の自動車のエレクトロニクス化に伴う電気負荷の増加により、走行時の発電特性においても高効率化、高出力化が望まれており、さらに構造面では回転電機本体と電力変換器を一体化構造とした小型の回転電機のニーズが高まっている。

アイドルストップ動作を行うＩＳＧまたはＭＧなどの回転電機本体と電力変換器とが一体化構造をなすものとしては、回転電機本体のリア側に電力変換器を搭載する構造が従来から知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−１５６５８９号公報（第９−１４頁、図１−１２）

ところで、特許文献１に開示されている構造では、ブラシがほぼ密閉された空間に配置されているため、ブラシ周辺の空気の対流熱伝達による放熱量が小さく、ブラシ温度が上昇するという問題があった。特に、樹脂カバーに設けられた空気吸入孔を介して樹脂カバー内に導入された空気は、インバータのヒートシンクを通過して温度が上昇した後にブラシホルダに到達するため、この点でもブラシの冷却効果は低いと考えられる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、ブラシの温度を低減することができる車両用回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、界磁巻線と電気的に接続される一対のスリップリングを有する回転軸とスリップリング側の軸方向端面に固定された冷却ファンとを含む回転子と、回転子と対向配置された固定子鉄心およびこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、回転子と固定子とを支持するフレームと、スリップリングに摺接する一対のブラシを収納するとともにスリップリングを覆うブラシ装置と、固定子巻線に接続された半導体素子を有し、固定子巻線に誘起された交流起電力を直流に変換する動作と、バッテリに蓄積された直流電力を交流に変換して固定子巻線に供給する動作の少なくとも一方を行う電力変換器と、電力変換器を覆うリアカバーと、区画部材により区画されてリアカバーの外部空間とブラシ装置との間を連通する冷却風導入路とを備え、ブラシ装置は、冷却ファン側に設けられた第１の開口部と、冷却風導入路の一方端側に設けられた第２の開口部とを有している。

区画部材で区画された冷却風導入路を介して外部空間から冷却風を導入し、ブラシ装置の内部空間に導くことができるため、他の部品によって温度が上昇していない冷却風でブラシを直接冷却することができ、ブラシ温度を下げることができる。また、ブラシ装置に冷却ファン側の開口部を設けることにより、ブラシ装置の内部空間に強制的に冷却風を流すことができ、ブラシの温度を効果的に下げることができる。

また、上述したリアカバーの軸方向端面には第３の開口部が設けられており、冷却風導入路は、第３の開口部と第２の開口部との間を連通することが望ましい。これにより、リアカバーのリア側から吸入した冷却風を、電力変換器等の発熱による温度上昇を伴うことなくブラシ装置の内部空間に導くことができる。

また、上述した第２の開口部は、第１の開口部と反対側の軸方向端面に形成されていることが望ましい。これにより、ブラシ装置のリア側に配置された冷却風導入路から直接ブラシ装置の内部空間に冷却風を導入することができる。

また、車両に取り付けた状態において、第３の開口部は第２の開口部よりも低い位置に設けられていることが望ましい。これにより、雨水等が冷却風導入路を介してブラシ装置の内部空間に侵入することを防止することができる。

また、上述した冷却風導入路は、地面に平行で第２の開口部を一方端とする第１の通路と、地面に平行で第３の開口部を一方端とする第２の通路と、第１および第２の通路の他方端同士を連通する地面に対して鉛直方向に設けられた第３の通路とを有し、第３の通路の地面側を延長してリアカバーの外部空間に連通させることが望ましい。これにより、リアカバーの開口部（第３の開口部）から侵入した雨水等をブラシ装置に到達する前にリアカバーの外部に排出すること可能になる。

また、上述した回転軸に対して垂直な向きにブラシ装置を包囲するように、回転軸を中心に放射状に配置された複数の板状フィンを有し、これら複数の板状フィンを接触させることにより電力変換器を冷却する冷却フィンをさらに備え、冷却風導入路は、板状フィンと電力変換器を区画部材として形成されており、冷却風導入路は、その外周近傍に形成された第４の開口部と第２の開口部との間を連通することが望ましい。これにより、ブラシ装置の側面方向から吸入した冷却風を、電力変換器等の間を通すことなくブラシ装置の内部空間に導くことできる。

また、上述した第２の開口部は、回転軸と平行な側面に形成されていることが望ましい。これにより、ブラシ装置の側面方向に形成された冷却風導入路から直接ブラシ装置の内部空間に冷却風を導入することができる。

また、上述した冷却風導入路を形成する区画部材として用いられる電力変換器の領域には半導体素子が配置されていないことが望ましい。これにより、電力変換器に備わった半導体素子から冷却風導入路内の冷却風へ伝わる熱を最小限に抑え、冷却風の温度が上昇することを防止することができる。

第１の実施形態の車両用電動発電機の全体構成を示す断面図である。 第１の実施形態の車両用電動発電機の斜視図である。 電力変換器と冷却フィンの斜視図である。 冷却フィンの斜視図である。 ブラシ装置の斜視図である。 ブラシ装置の斜視図である リアカバーの斜視図である。 冷却風導入路の斜視図である。 冷却風導入路の斜視図である。 ブラシ装置内部での冷却風の流れの説明図である。 第２の実施形態の車両用電動発電機の全体構成を示す断面図である。 ブラシ装置の断面図である。 冷却フィンとブラシ装置との関係を示す図である。 冷却フィンとブラシ装置を含む横断面図である。 電力変換器と冷却風導入路との位置関係を示す図である。

以下、本発明の車両用回転電機を適用した一実施形態の車両用電動発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の車両用電動発電機の全体構成を示す断面図である。また、図２は第１の実施形態の車両用電動発電機の斜視図である。本実施形態の車両用電動発電機１００は、フロントフレーム１、リアフレーム２、固定子３、回転子４、電力変換器５、冷却フィン６、ブラシ装置７、制御装置８、リアカバー９、冷却風導入路１０、プーリ１２等を含んで構成されている。

フロントフレーム１およびリアフレーム２は、回転子４と固定子３を支持するためのものであり、共に椀形状を有し、これらの開口部同士を対向させて固定子３を挟み込んだ状態で、複数本のボルトによって相互に固定されている。

固定子３は、回転子４と対向配置された固定子鉄心３１およびこの固定子鉄心３１に装備された固定子巻線３２とを有する。

回転子４は、界磁極としてのポールコア４２、４３を磁化させる界磁巻線４１や回転軸４４を備えており、フロントフレーム１およびリアフレーム２のそれぞれに設けられたベアリングボックスに収納される一対のベアリングにより回転自在に保持されている。ポールコア４２、４３の軸方向端面には冷却ファン４５、４６が取り付けられている。また、回転軸４４の前端にはプーリ１２がナットにより結合されている。さらに、リアフレーム２の外側に位置する回転軸４４の後端には、界磁巻線４１の両端のそれぞれに接続された一対のスリップリング４７、４８が設けられている。

電力変換器５は、固定子巻線３２に接続されて、固定子巻線３２に誘起された交流起電力を直流に変換する動作と、バッテリに蓄積された直流電力を交流に変換して固定子巻線３２に供給する動作の少なくとも一方を行う。冷却フィン６は、スリップリング４７、４８およびブラシ装置７を包囲する位置であってリアフレーム２と電力変換器５の間に配置されており、電力変換器５の冷却を行う。ブラシ装置７は、スリップリング４７、４８に摺接する一対のブラシを収納するブラシホルダと、スリップリング４７、４８を覆うスリップリングカバーとが一体となっている。なお、ブラシホルダとスリップリングカバーとが一体になるとは、一体形成される場合と別々に形成されたものを組み合わせる場合が考えられるが、ブラシ装置７の内部空間の気密性を維持できるものであればいずれの構造を採用してもよい。制御装置８は、車両用電動発電機１００に発電動作あるいは電動動作を行わせる制御を行う。

図３は、電力変換器５と冷却フィン６の斜視図であり、電力変換器５側から見た形状が示されている。なお、図３には冷却風導入路１０も図示されているが、冷却風導入路１０の詳細については後述する。また、図４は冷却フィン６の斜視図であり、ブラシ装置７と組み合わされた状態をリアフレーム２側から見た形状が示されている。

図３に示すように、電力変換器５には、金属基板５１と、金属基板５１上に配線層や絶縁層を介して配置された複数個の半導体素子５２とが含まれている。これら複数個の半導体素子５２は、固定子巻線３２に誘起された交流起電力を直流に変換する動作を行うインバータと、バッテリに蓄積された直流電力を交流に変換して固定子巻線３２に供給する動作を行う同期整流回路の両方の機能を有する三相ブリッジ回路を構成するＭＯＳ−ＦＥＴによるスイッチング素子である。

また、図４に示すように、冷却フィン６は、回転軸４４を中心に放射状に配置された複数枚の板状フィン６１を有しており、これら複数枚の板状フィン６１がブラシ装置７を除く空間に配置されている。冷却フィン６の外周近傍には、冷却風吸入窓６２（図２および図３参照、この冷却風吸入窓６２が後述する第２の実施形態の第４の開口部に対応する）が形成されている。回転子４とともにリア側の冷却ファン４６が回転すると、冷却ファン４６の内周側に負圧が生じるため、冷却風吸入窓６２から冷却風が吸入され、放射状に配置された複数の板状フィン６１に沿ってこの冷却風が内周側に流れ、これにより板状フィン６１が冷却される。このようにして、冷却フィン６に接触するように配置された金属基板５１が冷却され、金属基板５１上に配置された半導体素子５２の冷却が行われる。

次に、ブラシ装置７の冷却構造の詳細について説明する。図５は、ブラシ装置７の斜視図であり、リア側（リアカバー９側）から見た形状が示されている。図６は、ブラシ装置７の斜視図であり、フロント側（冷却ファン４５側）から見た形状が示されている。図５および図６に示すように、ブラシ装置７は、リア側に冷却風導入用の開口部（第２の開口部）７１を有し、フロント側に冷却風吐出用の開口部（第１の開口部）７２を有する。

また、図７はリアカバー９の斜視図である。図７に示すように、リアカバー９は、軸方向端面に開口部（第３の開口部）９１を有し、側面に開口部９２を有する。開口部９２は、車両用電動発電機１００を車両に取り付けた状態で、地方向（地面側）に設けられている。

図８は、冷却風導入路１０の斜視図であり、ブラシ装置７とリアカバー９の間に配置された状態が示されている。また、図９は冷却風導入路１０の斜視図であり、ブラシ装置７との連結状態が示されている。図８、図９および図１に示すように、冷却風導入路１０は、区画部材（例えば樹脂材料により筒状に形成された区画部材が用いられている）により区画されており、リアカバー９とブラシ装置７との間を連通することにより、冷却風の通風路を形成するためものであって、車両に取り付けた状態で地面に平行となる第１の通路１４および第２の通路１５と、地面に対して鉛直方向となる第３の通路１６とを有する。

第１の通路１４は、一方端がブラシ装置７のリア側の開口部７１に連結され、他方端が第３の通路１６の一方端と連結されている。第３の通路１６は、一方端が第１の通路１４と連結されており、他方端がリアカバー９の側面の開口部９２と連結されている。第２の通路１５は、一方端がリアカバー９の軸方向端面の開口部９１と連結されており、他方端が第３の通路１６の途中箇所と連結されている。

このように、ブラシ装置７のリア側の開口部７１は、冷却風導入路１０を介してリアカバー９の２つの開口部９１、９２と連通している。回転子４とともにリア側の冷却ファン４６が回転して冷却ファン４６の内周側に負圧が生じると、この負圧部分にブラシ装置７の開口部７２が露出しているため、リアカバー９の開口部９１、９２から吸入された冷却風が、他の部品（電力変換器５や制御装置８）を冷却することなく冷却風導入路１０を介して直接ブラシ装置７の開口部７１に導かれる。したがって、図１０に矢印で冷却風の流れを示すように、ブラシ装置７の内部空間に露出しているブラシ７３、７４やスリップリング４７、４８を直接冷却することができる。

また、リアカバー９の軸方向端面に設けられた開口部９１から雨水等が侵入した場合であっても、この雨水等は第２の通路１５を通って第３の通路１６に到達した後、第３の通路１６内を鉛直方向に地面側に進行してリアカバー９の側面に設けられた開口部９２から排出される。したがって、開口部９１から冷却風導入路１０内に侵入した雨水等がブラシ装置７に到達することはなく、ブラシ７３、７４やスリップリング４７、４８の被水を防止することができる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、ブラシ装置７のリア側に設けられた開口部７１と、この開口部７１とリアカバー９との間に設けられた冷却風導入路１０とを用いてブラシ装置７の内部空間に冷却風を導入したが、他の経路を介してブラシ装置７の内部空間に冷却風を導入するようにしてもよい。

図１１は、第２の実施形態の車両用電動発電機の全体構成を示す断面図である。図１１に示す車両用電動発電機１００Ａは、図１等に示した車両用電動発電機１００に対して、冷却風導入路１０を削除するとともにブラシ装置７をブラシ装置７Ａに置き換えた点が主に異なっている。

図１２は、ブラシ装置７Ａの断面図である。本実施形態のブラシ装置７Ａは、第１の実施形態のブラシ装置７に対して、リア側の開口部がなくこの部分が閉塞されているとともに、側面に開口部７５が形成されている。この開口部７５は、通路７６を介してブラシ装置７Ａの内部空間と連通している。また、通路７６には互いに反対側から２枚（３枚以上であってもよい）の仕切板７７が突出しており、これらの仕切板７７によって迷路構造が形成されている。

図１３は、冷却フィン６とブラシ装置７Ａとの関係を示す図である。図１４は、冷却フィン６とブラシ装置７Ａを含む横断面図である。図１３および図１４に示すように、ブラシ装置７Ａの側面の開口部７５は、冷却フィン６に設けられた一部の板状フィン６１の内周側に露出している。本実施形態では、開口部７５の外周側に位置する一部の板状フィン６１と、これらの板状フィン６１に隣接する電力変換器５の金属基板５１とによって区画されて冷却風導入路が形成される。図１５に示すように、この冷却風導入路を区画するために用いられる金属基板５１の領域には、半導体素子５２が形成されていない領域Ａが用いられている。

このように、ブラシ装置７Ａの側面方向に形成された冷却風導入路を介して冷却風を導入することにより、電力変換器５等の間を通すことなくブラシ装置７Ａの内部空間に冷却風を導くことできる。また、冷却風導入路を形成する区画部材として用いられる金属基板５１の領域に半導体素子５２を配置していないため、電力変換器５に備わった半導体素子５２から冷却風導入路内の冷却風へ伝わる熱を最小限に抑え、冷却風の温度が上昇することを防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、電動動作と発電動作を行う車両用電動発電機について説明したが、電動動作あるいは発電動作のみを行う車両用回転電機について本発明を適用することができる。

上述したように、本発明によれば、区画部材で区画された冷却風導入路を介して外部空間から冷却風を導入し、ブラシ装置の内部空間に導くことができるため、他の部品によって温度が上昇していない冷却風でブラシを直接冷却することができ、ブラシ温度を下げることができる。また、ブラシ装置に冷却ファン側の開口部を設けることにより、ブラシ装置の内部空間に強制的に冷却風を流すことができ、ブラシの温度を効果的に下げることができる。

１ フロントフレーム
２ リアフレーム
３ 固定子
４ 回転子
５ 電力変換器
６ 冷却フィン
７ ブラシ装置
８ 制御装置
９ リアカバー
１０ 冷却風導入路
１２ プーリ
１４ 第１の通路
１５ 第２の通路
１６ 第３の通路
３１ 固定子鉄心
３２ 固定子巻線
４２、４３ ポールコア
４１ 界磁巻線
４４ 回転軸
４５、４６ 冷却ファン
４７、４８ スリップリング
５１ 金属基板
５２ 半導体素子
６１ 板状フィン
６２ 冷却風吸入窓
７１、７２、９１、９２ 開口部
１００ 車両用電動発電機

Claims (8)

1. 界磁巻線と電気的に接続される一対のスリップリングを有する回転軸と前記スリップリング側の軸方向端面に固定された冷却ファンとを含む回転子と、
   前記回転子と対向配置された固定子鉄心およびこの固定子鉄心に装備された固定子巻線とを有する固定子と、
   前記回転子と前記固定子とを支持するフレームと、
   前記スリップリングに摺接する一対のブラシを収納するとともに前記スリップリングを覆うブラシ装置と、
   前記固定子巻線に接続された半導体素子を有し、前記固定子巻線に誘起された交流起電力を直流に変換する動作と、バッテリに蓄積された直流電力を交流に変換して前記固定子巻線に供給する動作の少なくとも一方を行う電力変換器と、
   前記電力変換器を覆うリアカバーと、
   区画部材により区画されて前記リアカバーの外部空間と前記ブラシ装置との間を連通する冷却風導入路と、
   を備え、前記ブラシ装置は、前記冷却ファン側に設けられた第１の開口部と、前記冷却風導入路の一方端側に設けられた第２の開口部とを有することを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記リアカバーの軸方向端面には第３の開口部が設けられており、
   前記冷却風導入路は、前記第３の開口部と前記第２の開口部との間を連通することを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項２において、
   前記第２の開口部は、前記第１の開口部と反対側の軸方向端面に形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項２または３において、
   車両に取り付けた状態において、前記第３の開口部は前記第２の開口部よりも低い位置に設けられていることを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項４において、
   前記冷却風導入路は、地面に平行で前記第２の開口部を一方端とする第１の通路と、地面に平行で前記第３の開口部を一方端とする第２の通路と、前記第１および第２の通路の他方端同士を連通する地面に対して鉛直方向に設けられた第３の通路とを有し、
   前記第３の通路の地面側を延長して前記リアカバーの外部空間に連通させたことを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１において、
   前記回転軸に対して垂直な向きに前記ブラシ装置を包囲するように、前記回転軸を中心に放射状に配置された複数の板状フィンを有し、これら複数の板状フィンを接触させることにより前記電力変換器を冷却する冷却フィンをさらに備え、
   前記冷却風導入路は、前記板状フィンと前記電力変換器を前記区画部材として形成されており、
   前記冷却風導入路は、その外周近傍に形成された第４の開口部と前記第２の開口部との間を連通することを特徴とする車両用回転電機。
7. 請求項６において、
   前記第２の開口部は、前記回転軸と平行な側面に形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
8. 請求項６または７において、
   前記冷却風導入路を形成する前記区画部材として用いられる前記電力変換器の領域には前記半導体素子が配置されていないことを特徴とする車両用回転電機。

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