JP2013223307A - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換回路部および回転電機の冷却性を向上することができる制御装置一体型回転電機を提供する。
【解決手段】電力変換回路部２０と制御回路部３０との間に信号線４１を接続する信号線接続部材４２、４００を、電力変換回路部を冷却するヒートシンク２３の冷却フィン２３ａに対して、回転電機の径方向外側に配置し、リヤブラケット２の外部から冷却フィン２３を介して回転電機の内部に流入する冷却風６０の流通が信号線接続部材４２、４００により阻害されないように構成した。
【選択図】図３

Description

この発明は、回転電機とこの回転電機を制御する制御装置とを一体に固定してなる制御装置一体型回転電機に関するものである。

一般的な車両用回転電機においては、車両に搭載した回転電機を制御するための電力変換回路としてのインバータを、回転電機を設置しているスペースとは別のスペースに搭載するようにした、いわゆる別体型が実用化されている。回転電機と制御装置を別体型にして構成した場合、インバータを搭載するための車両におけるスペースを、回転電機を設置したスペースとは別に確保しなければならいことや、回転電機とインバータを接続するハーネスの長さに起因する損失が発生してしまうなどの課題があった。そこで、このような課題を解消するために、回転電機と制御装置とを一体化した制御装置一体型の回転電機の開発が進められている。

従来、スイッチング素子が搭載された電力変換回路部としてのインバータパワー回路部と、このインバータパワー回路部を制御する制御回路部とを、回転電機本体のリヤブラケット後方に搭載するようにした制御装置一体型回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来の制御装置一体型回転電機は、インバータパワー回路部に対してリヤブラケットの軸方向後方に配置された信号線接続部材により、インバータパワー回路と制御回路部との信号線の接続を行うように構成されている。そして、回転電機を冷却するための冷却風は、リヤブラケットの通風孔を介してリヤブラケットの外部から回転電機の軸方向に回転電機の内部に流入し、回転電機の内部を冷却してのち、リヤブラケットの半径方向端部に設けられた排出口から回転電機の外部に排出される。

特開２０１０−１０４２０５公報

前述の従来の制御装置一体型回転電機は、スイッチング素子が搭載されたインバータパワー回路部の軸方向後方にインバータパワー回路部と制御回路部とを接続する信号線接続部材が配置されているため、信号線の配線が多くなる場合には、回転電機のシャフトの延びる方向に対して垂直な平面に信号線接続部材が占有する領域が大きくなり、インバータパワー回路部を冷却するヒートシンクの冷却フィンを介して回転電機の内部へ流入する冷却風の通風を妨げることとなり、インバータパワー回路部および回転電機の冷却性を悪化させるという課題があった。

この発明は、従来の制御装置一体型回転電機における前述のような課題を解決するためになされたもので、電力変換回路部を冷却するヒートシンクの冷却フィンを介して回転電機の軸方向に回転電機の内部に流入する冷却風の通風が、信号線接続部材に阻害されることがなく、電力変換回路部および回転電機の冷却性を向上することができる制御装置一体型回転電機を提供することを目的とする。

この発明による制御装置一体型回転電機は、
回転電機と、前記回転電機を制御する制御装置とを備え、前記回転電機と前記制御装置
とが一体に固定されてなる制御装置一体型回転電機であって、
前記回転電機は、
電機子巻線を備えた固定子と、
前記固定子の一方の軸方向端部に固定されたフロントブラケットと、
前記固定子の他方の軸方向端部に固定されたリヤブラケットと、
界磁巻線を備え、前記固定子に所定の間隙を介して対向し、前記フロントブラケットと前記リヤブラケットに回動自在に支持された回転子と、
前記回転子に固定され、前記回転子とともに回転する冷却ファンと、
を備え、
前記制御装置は、
前記電機子巻線と外部の直流電源との間の電力変換を行う電力変換回路を備えた電力変換回路部と、
前記電力変換回路を制御する制御回路を備えた制御回路部と、
前記電力変換回路部と前記制御回路部との間に信号線を接続する信号線接続部材と、
を備え、
前記電力変換回路部は、
前記リヤブラケットの軸方向外側端部に固定された絶縁物製のケースと、
前記ケースに収納され、前記電力変換回路を構成するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を搭載し、前記ケースから前記リヤブラケットの半径方向内側に露出した冷却フィンを備えたヒートシンクと、
を有し、
前記制御回路部は、
前記ケースが固定された位置とは異なる位置で前記リヤブラケットの軸方向外側端面に固定され、
前記リヤブラケットは、
前記リヤブラケットの軸方向端部に設けられ、前記冷却ファンの回転により発生する冷却風を、前記リヤブラケットの外部から前記ヒートシンクの冷却フィンを介して前記リヤブラケットの内部に導入する通風孔と、
前記リヤブラケットの径方向端部に設けられ、前記リヤブラケットの内部に導入された前記冷却風を前記リヤブラケットの外部に排出する排出孔と、
を有し、
前記信号線接続部材は、
前記ヒートシンクの冷却フィンが配置されている前記リやブラケットの径方向位置よりも外側の径方向位置に配置されている、
ことを特徴とするものである。

この発明による制御装置一体型回転電機によれば、電力変換回路部が配置されているリヤブラケットの半径方向位置よりも外側の半径方向位置に配置されているため、電力変換回路部のヒートシンクを冷却する冷却風の通風を阻害することがなく、電力変換回路部の冷却効果を向上させることができる。

この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機のリヤ側の側面図であり、制御装置の保護カバーを外した状態で示している。 この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機のリヤ側の側面図であり、制御装置の保護カバーを取り付けた状態で示している。 この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機における、制御装置のカバーの側面図である。 この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機における、信号線ターミナルの平面図である。 この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機における、信号線ターミナの側面図である。 この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機の一部断面図である。 この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機のリヤ側の側面図であり、制御装置の保護カバーを外した状態で示している。 この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機の一部分を、図８の矢印Ａ方向から視た平面図である。 この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機における、信号線接続部材の平面図である。 この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機における、信号線接続部材の側面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機を、図に基づいて説明する。図１は、この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の断面図である。図２は、この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機のリヤ側の側面図であり、制御装置の保護カバーを外した状態で示している。図３は、この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機のリヤ側の側面図であり、制御装置の保護カバーを取り付けた状態で示している。図１乃至図３において、回転電機は、フロントブラケット１およびリヤブラケット２からなるハウジングと、電機子巻線３ａを有する固定子３と、シャフト５及び界磁巻線６を有する回転子４とを備えている。

固定子３は、フロントブラケット１の軸方向一端部及びリヤブラケット２の軸方向一端部により挟持されて、フロントブラケット１およびリヤブラケット２に固定されている。回転子４は、固定子３の内側に固定子３に対して同軸に配置されている。回転子４のシャフト５は、フロントブラケット１およびリヤブラケット２からなるハウジングに設けられた支持用ベアリング７により、回転自在に支持されている。回転子４は、シャフト５により固定子３に対して回転可能に構成されている。

回転子４の軸方向の両端面には、冷却ファン８が固定されている。シャフト５のフロント側（フロントブラケット１の軸方向外側）の端部にはプーリ９が装着されている。シャフト５のリヤ側に一対のスリップリング１０が装着され、スリップリング１０と摺接する一対のブラシ１１がブラシホルダ１２内に配置されている。ブラシ１１、ブラシホルダ１２、及びスリップリング１０は、界磁巻線６に直流電力を供給するためのものである。ブラシホルダ１２と、磁極位置検出センサ１３と、電力変換回路部としてのインバータパワー回路部２０と、インバータパワー回路部２０を制御するための制御回路部３０は、リヤブラケット２の軸方向の後方外側に搭載されている。

電力変換回路部としてのインバータパワー回路部２０は、図示していない車載バッテリーと電機子巻線３ａとの間の電力変換を行う電力変換回路を構成し、回転電機を電動機として動作させるときは、車載バッテリーからの直流電力を交流電力に変換して電機子巻線３ａに供給するインバータとして動作し、回転電機を発電機として動作させるときは、電機子巻線３ａに発生した交流電力を直流電力に変換して車載バッテリーに供給するコンバータとして動作する。

インバータパワー回路部２０は、２組設けられており、それぞれ図２に示すようにリヤ
ブラケット２の軸方向の外側端部に配置されている。それぞれのインバータパワー回路部２０は、電力変換回路を構成するためのパワー回路用半導体スイッチング素子（以下、単に、スイッチング素子と称する）を内包したパワー回路モジュール２１と、樹脂性のケース２２と、パワー回路モジュール冷却用のヒートシンク２３から構成されている。

この発明の実施の形態１では、各インバータパワー回路部２０におけるパワー回路モジュール２１は、電力変換回路を構成する３相ブリッジ回路の各相の上アームと下アームのスイッチング素子をすべて含んで３相１組のパワー回路モジュールとして構成されている。固定子３に設けられた電機子巻線３ａは、位相が電気角で約３０度ずれた２組の３相巻線から構成されており、図２に示すように、一方の３相巻線からの出力リード線３ｂＵ、３ｂＶ、３ｂＷは、一方のパワー回路モジュール２１に設けられた三相入出力用ターミナル２４と接続され、他方の３相巻線からの出力リード線３ｂＸ、３ｂＹ、３ｂＺは、他方のパワー回路モジュール２１に設けられた三相入出力用ターミナル２４と接続されている。なお、前述の各出力リード線３ｂＵ、３ｂＶ、３ｂＷ、および３ｂＸ、３ｂＹ、３ｂＺは、図１では３ｂとして表示している。

インバータパワー回路部２０のケース２２の内部空間は、パワー回路モジュール冷却用のヒートシンク２３により閉塞されている。防水用樹脂２５は、ケース２２の内部空間に充填されている。前述のパワー回路モジュール２１は、パワー回路モジュール冷却用のヒートシンク２３に搭載されて図１に示すようにケース２２の内部空間内に収納され、前述の防水用樹脂２５により防水されるとともに機械的に保護されている。

制御回路部３０は、回転電機およびインバータパワー回路部２０を制御するスイッチング素子が搭載された制御基板３１と、樹脂性のケース３２を備えている。また、この実施の形態１では、制御回路部３０は、界磁巻線６に供給する電力をコントロールするためのスイッチング素子を内包した界磁回路モジュール３３と、界磁回路モジュール３３を冷却するための界磁回路モジュール冷却用のヒートシンク３４ａをも有している。

制御回路部３０のケース３２の内部空間は、界磁回路モジュール冷却用のヒートシンク３４により閉塞されている。防水用樹脂３５は、ケース３２の内部空間に充填されている。前述の界磁回路モジュール３３は、界磁回路モジュール冷却用のヒートシンク３４に搭載されて図１に示すようにケース３２の内部空間内に収納され、前述の防水用樹脂３５により防水されるとともに機械的に保護されている。

パワー回路モジュール冷却用のヒートシンク２３の複数の冷却フィン２３ａ、および界磁回路モジュール冷却用のヒートシンク３４の複数の冷却フィン３４ａは、それぞれ回転電機のシャフト５の軸心に向かって伸びるように構成され、複数のフィン２３ａ間の通風路および複数のフィン３４ａ間の通風路は、シャフト５の延びる方向と平行な方向となるように配置されている。

インバータパワー回路部２０と制御回路部３０の軸方向の後方および外周は、樹脂製の保護カバー４０で覆われている。保護カバー４０には、前述のパワー回路モジュール冷却用のヒートシンク２３のフィン２３ａ、および界磁回路モジュール冷却用のヒートシンク３４のフィン３４ａの軸方向後方部に空気通風孔５０が設けられている。

２組のインバータパワー回路部２０は、インバータパワー回路部２０と制御回路部３０との間の信号を伝達するための信号線を接続するための信号線入出力端子２６ａ、２６ｂ（図１には、これらをまとめて、符号２６で表示している）をそれぞれ備えている。また、制御回路部３０は、前述の信号線を接続するための信号線入出力端子３６を備えている。

インバータパワー回路部２０のそれぞれの信号線入出力端子２６ａ、２６ｂは、各インバータパワー回路部２０のケース２２の軸方向端部から露出し、シャフト５の延びる方向に延びている。すなわち、信号線入出力端子２６ａ、２６ｂは、インバータパワー回路部２０のケース２２の反リヤブラケット２側の端部からシャフト５の延びる方向に延びている。制御回路部３０の信号線入出力端子３６は、制御回路部３０のケース３２の軸方向端部から露出し、シャフト５の延びる方向に延びている。すなわち、信号線入出力端子３６は、制御回路部３０のケース３６の反リヤブラケット２側の端部からシャフト５の延びる方向に延びている。

この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機において、回転電機に一体に搭載された制御装置は、電力変換回路部としてのインバータパワー回路部２０と制御回路部３０とにより構成されている。

前述の保護カバー４０は、インバータパワー回路部２０と制御回路部３０とに信号を伝達するための信号線であるところの信号線ターミナル４１がインサート成形されている。この実施の形態１において、信号線接続部材４００は、保護カバー４０における信号線ターミナル４１がインサート成形されている部分により構成される。

図４は、この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機における、制御装置の保護カバーの側面図、図５は、この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機における、信号線ターミナルの平面図、図６は、この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機における、信号線ターミナの側面図である。図１乃至図６に示すように、信号線ターミナル４１は、一方のインバータパワー回路部２０の信号線入出力端子２６ａに対応する信号線ターミナル郡４１ａと、他方のインバータパワー回路部２０の信号線入出力端子２６ｂに対応する信号線ターミナル郡４１ｂで構成されている。

信号線としての信号線ターミナル４１は、保護カバー４０に設けられた空気通風孔５０、および冷却フィン２３ａ、３４ａを通過する冷却風を阻害しないように、インバータパワー回路部２０の外周側となる保護カバー４０の側面を通るように配置されている。そして、保護カバー４０の信号線ターミナル４１をインサート成形している部分により構成されている信号線接続部材４００は、２組のパワー回路モジュール冷却用のヒートシンク２３の冷却フィン２３ａと界磁回路モジュール冷却用のヒートシンク３４の冷却フィン３４ａ、および空気通風口５０、がそれぞれ配置されているリやブラケットの径方向位置よりも外側の径方向位置に配置されている。

信号線ターミナル４１は、インバータパワー回路部２０と制御回路部３０の信号線入出力端子２６ａ、２６ｂ、３６とに、それぞれ溶接、圧入、半田付けなどで接続され、インバータパワー回路部２０と制御回路部３０の電気的な接続がなされている。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機において、回転子４が回転駆動されると冷却ファン８が駆動され、図１の矢印に示されるように、冷却風６０が制御装置の保護カバー４０に設けられた空気通風孔５０からパワー回路モジュール冷却用のヒートシンク２３の冷却フィン２３ａ、および界磁回路モジュール冷却用のヒートシンク３４の冷却フィン３４ａへ流れてこれ等を冷却する。そして、各モジュールを冷却した冷却風は、リヤブラケット２に設けられた通風孔５１を通過し、冷却ファン８による遠心力で回転電機の半径方向に曲げられ、電機子巻線３ａおよびリヤブラケット２を冷却しながら、リヤブラケット２の半径方向端部に設けられた排気孔５２から排出される。

この発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機によれば、信号線ターミナル４１、および信号線接続部材４００が、保護カバー４０の空気通風孔５０、冷却フィン２３ａ、３４ａを通過する冷却風の通風を妨げることがなく、冷却風がファン８に到達するまで略直線的に流れることになり、インバータパワー回路モジュール、界磁回路モジュール、および回転電機の冷却性を向上することができる。

また、信号線ターミナル４１が保護カバー４０にインサート成形されて保護カバー４０と一体に構成されていることにより、部品点数の削減、回転電機の小型化がなされる。

なお、保護カバー４０には信号線ターミナル４１だけでなく、インバータパワー回路部と電力入出力端子（図示せず）を接続するパワー系ターミナルをインサート成形して一体成形していても良い。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機について説明する。この発明の実施の形態２では、電力変換回路部であるインバータパワー回路部の信号線入出力端子は、インバータパワー回路部の反ヒートシンク側に設けられ、リヤブラケットの径方向に対して、その信号線入出力端子がインバータパワー回路部の外側端部に位置するように構成されている。また、制御回路部の信号線入出力端子は、制御回路部の反ヒートシンク側に設けられ、リヤブラケットの径方向に対して、その信号線入出力端子が制御回路部の外側端部に位置するように構成されている。

図７は、この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機の一部断面図、図８は、この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機のリヤ側の側面図であり、制御装置の保護カバーを外した状態で示している。図９は、この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機の一部分を、図８の矢印Ａ方向から視た平面図、図１０は、この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機における、信号線接続部材の平面図、図１１は、この発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機における、信号線接続部材の側面図である。図７乃至図１１に示すように、２組の電力変換回路部としてのインバータパワー回路２０の信号線入出力端子２６ａ、２６ｂ（図７には、符号２６にて示している）は、インバータパワー回路部２０の反ヒートシンク２０側に設けられ、制御回路３０の信号線入出力端子３６は、制御回路部３０の反ヒートシンク側に設けられている。

前述の実施の形態１の場合と同様に、インバータパワー回路部２０と制御回路部３０の後方および外周は、略円筒状の樹脂製の保護カバー４０で覆われており、この保護カバー４０には、パワー回路モジュール冷却用のヒートシンク２３の冷却フィン２３ａと、界磁回路モジュール冷却用のヒートシンク３４のフィン３４ａとの軸方向後方部に空気通風孔５０が設けられている。

インバータパワー回路部２０の信号線入出力端子２６ａ、２６ｂと、制御回路部３０の信号線入出力端子３６は、回転電機の径方向の同一平面上になく、信号線入出力端子２６ａ、２６ｂと信号線入出力端子３６との接続は、例えばフレキシブルプリント基板のような柔軟性のある部材を用いた信号線接続部材４２により接続されている。信号線接続部材４２は、空気通風孔５０、冷却フィン２３ａ、３４ａを通過する冷却風を阻害しないように、インバータパワー回路部２０および制御回路部３０の外周側となる保護カバー４０の側面内周側に沿って配置されている。

その他の構成は、実施の形態１と同様である。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機によれ
ば、信号線接続部材４２に可とう性のある材料を用いているので、回転電機の半径方向の同一平面上にない信号線接続端子２６と信号線接続端子３６の接続が容易となり、組立て性が向上する。

なお、実施の形態１および実施の形態２では、インバータパワー回路部および制御回路部の信号線入出力端子部は、その長辺が前記回転電機の径方向若しくは周方向に配置されるようにしたが、その長辺が前記回転電機の軸方向に配置されるように構成しても良い。

なお、この発明は、その発明の範囲内に於いて、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ フロントブラケット ２ リヤブラケット
３ 固定子 ３ａ 電機子巻線
３ｂ 電機子巻線の入出力リード線 ４ 回転子
５ シャフト ６ 界磁巻線
７ ベアリング ８ 冷却ファン
９ プーリ １０ スリップリング
１１ ブラシ １２ ブラシホルダ
１３ 磁極位置検出センサ ２０ インバータパワー回路
２１ パワー回路モジュール ２２ ケース
２３、３４ ヒートシンク ２３ａ、３４ａ 冷却フィン
２４ 三相入出力用ターミナル ２５、３５ 防水用樹脂
２６、３６ 信号線入出力端子部 ３０ 制御回路部
３１ 制御基板 ３２ ケース
３３ 界磁回路モジュール ４０ 保護カバー
４１ 信号線（信号線ターミナル） ４００、４２ 信号線接続部材
５０ 空気通風孔 ５１ 通風孔
５２ 排出孔 ６０ 冷却風

Claims (7)

1. 回転電機と、前記回転電機を制御する制御装置とを備え、前記回転電機と前記制御装置とが一体に固定されてなる制御装置一体型回転電機であって、
   前記回転電機は、
   電機子巻線を備えた固定子と、
   前記固定子の一方の軸方向端部に固定されたフロントブラケットと、
   前記固定子の他方の軸方向端部に固定されたリヤブラケットと、
   界磁巻線を備え、前記固定子に所定の間隙を介して対向し、前記フロントブラケットと前記リヤブラケットに回動自在に支持された回転子と、
   前記回転子に固定され、前記回転子とともに回転する冷却ファンと、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記電機子巻線と外部の直流電源との間の電力変換を行う電力変換回路を備えた電力変換回路部と、
   前記電力変換回路を制御する制御回路を備えた制御回路部と、
   前記電力変換回路部と前記制御回路部との間に信号線を接続する信号線接続部材と、
   を備え、
   前記電力変換回路部は、
   前記リヤブラケットの軸方向外側端部に固定された絶縁物製のケースと、
   前記ケースに収納され、前記電力変換回路を構成するスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子を搭載し、前記ケースから前記リヤブラケットの半径方向内側に露出した冷却フィンを備えたヒートシンクと、
   を有し、
   前記制御回路部は、
   前記ケースが固定された位置とは異なる位置で前記リヤブラケットの軸方向外側端面に固定され、
   前記リヤブラケットは、
   前記リヤブラケットの軸方向端部に設けられ、前記冷却ファンの回転により発生する冷却風を、前記リヤブラケットの外部から前記ヒートシンクの冷却フィンを介して前記リヤブラケットの内部に導入する通風孔と、
   前記リヤブラケットの径方向端部に設けられ、前記リヤブラケットの内部に導入された前記冷却風を前記リヤブラケットの外部に排出する排出孔と、
   を有し、
   前記信号線接続部材は、
   前記ヒートシンクの冷却フィンが配置されている前記リヤブラケットの径方向位置よりも外側の径方向位置に配置されている、
   ことを特徴とする制御装置一体型回転電機。
2. 前記冷却フィンは、前記回転電機の軸心に向かって延びるように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
3. 前記電力変換回路部と前記制御回路部とを覆う保護カバーを有し、
   前記信号線は、前記保護カバーに一体成型されており、
   前記信号線接続部材は、前記保護カバーにおける前記信号線を一体成型している部分により構成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置一体型回転電機。
4. 前記電力変換回路部と前記制御回路部とを覆う保護カバーを有し、
   前記信号線接続部材は、前記信号線を備えた可とう性を有する部材により構成され、前
   記保護カバーの内面部に配設されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置一体型回転電機。
5. 前記電力変換回路部は、前記冷却フィンが存在する位置とは異なる位置に、前記信号接続部材に接続される信号線入出力端子部を備えている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の制御装置一体型回転電機。
6. 前記信号線入出力端子部は、その長辺が前記回転電機の径方向若しくは周方向に配置されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の制御装置一体型回転電機。
7. 前記信号線入出力端子部は、その長辺が前記回転電機の軸方向に配置されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の制御装置一体型回転電機。
   

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