JP2015115966A - 電力変換装置付き回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱性能の高いコンパクトな電力変換装置を備えた回転電機を得ることを目的とする。【解決手段】固定子巻線を有する固定子と、回転子巻線を有する回転子と、回転子の回転位置信号を出力する回転位置検出センサと、固定子と回転子を収容するケースと、回転子巻線に接続される界磁モジュールと、固定子巻線に接続され、電流検出器と第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、界磁モジュールとパワーモジュールが固定されるヒートシンクと、回転位置検出センサからの回転位置信号に基づいて界磁モジュールとパワーモジュールに制御信号を出力する制御基板と、を備えている電力変換装置付き回転電機。第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子は直列に接続されており、電流検出器と第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子は絶縁樹脂でモールドされていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機に関し、特に、電力変換装置が搭載されている回転電機に関するものである。
オルタネータ（Alternator）は、発電機の一種で、エンジンなどから伝達される機械的運動エネルギーを交流の電気エネルギーへと変換する装置である。オルタネータまたはオルタネータ兼スタータには、電力変換装置が本体に搭載されている。電力変換装置には、複数のスイッチング素子を絶縁樹脂によりモールディングしてなるパワーモジュールが装備されている（例えば、特許文献１参照）。スイッチング素子には、パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が含まれる。
電力変換装置には、スイッチング素子に流れる相電流を検出する電流検出器が配設されている。電流検出器により複数の相電流を検出し、ターミナルに実装されているスイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によりオンオフする。高出力化のためにこの方法を採用すれば、電流検出器を配設するスペースと、電流検出器の発熱を冷却するための放熱構造が、電力変換装置には必要になる。パワーモジュールと電流検出器の間は接合され、回路を構成している。
国際公開第２０１２／１６９０４４Ａ１号
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、パワーモジュールに電流検出器を内蔵して生産性を向上させるとともに、放熱性能の高いコンパクトな電力変換装置を備えた回転電機を得ることを目的とするものである。
この発明にかかる電力変換装置付き回転電機は、固定子巻線を有する固定子と、回転子巻線を有する回転子と、回転子の回転位置信号を出力する回転位置検出センサと、固定子と回転子を収容するケースと、回転子巻線に接続される界磁モジュールと、固定子巻線に接続され、電流検出器と第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、界磁モジュールとパワーモジュールが固定されるヒートシンクと、回転位置検出センサからの回転位置信号に基づいて界磁モジュールとパワーモジュールに制御信号を出力する制御基板と、を備えている。第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子は直列に接続されており、電流検出器と第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子は絶縁樹脂でモールドされていることを特徴とする。
この発明に係る電力変換装置付き回転電機によれば、電力変換装置は、パワーモジュールに電流検出器が実装されているために、スイッチング素子の放熱構造と同様な放熱構造をとることができる。さらに、電流検出器は絶縁樹脂によりモールディングされているため、外部環境の影響を受けることが少ない。さらに、スイッチング素子をターミナルに実装する際に、電流検出器も同時に実装できるため、生産性が向上する。さらに、パワーモ
ジュールのスイッチング素子から構成される上下アームの近傍に電流検出器を実装できるので電力変換装置を小型化できるといった効果を奏するものである。
本発明の実施の形態に係る電力変換装置付き回転電機を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置をリヤ側から見た図である。 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置付き回転電機の電気回路図である。 本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの構成図である。 本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールの断面図である。 本発明の実施の形態２に係るパワーモジュールの構成図である。 本発明の実施の形態３に係るパワーモジュールの内部配線図である。 本発明の実施の形態３に係るパワーモジュールの構成図である。
以下に本発明にかかる、電力変換装置付き回転電機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態に係る電力変換装置付き回転電機を示す断面図である。機電一体型の電力変換装置付き回転電機１は、回転電機２と電力変換装置３とを備えている。回転電機２には、交流発電電動機（モータジェネレータ）が含まれる。回転電機２は、筒状の固定子４と、固定子４の内側に配置され、固定子４に対して回転する回転子５と、固定子４及び回転子５を支持する金属製のケース（支持体）６から構成されている。ケース６は、フロントブラケット７とリヤブラケット８とに分かれる。固定子４はフロントブラケット７及びリヤブラケット８に挟まれている。フロントブラケット７及びリヤブラケット８は、複数の締結ボルト９で締め付けられている。
固定子４は、固定子鉄心１０と固定子巻線（電機子巻線）１１を有している。筒状の固定子鉄心１０は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８のそれぞれに固定されている。固定子巻線１１は固定子鉄心１０に設けられている。回転子５は、回転軸１２と、回転子鉄心１３と、回転子巻線（界磁巻線）１４とを有している。回転子鉄心１３は回転軸１２の中間部に固定されている。回転軸１２は、回転子５の軸線上に配置され、フロントブラケット７及びリヤブラケット８を貫通している。回転軸１２は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８のそれぞれに軸受１５を介して回転自在に支持されている。回転子巻線（界磁巻線）１４は回転子鉄心１３に設けられている。
回転子鉄心１３の外周部は、固定子４の内周部に対向している。回転子鉄心１３には、回転子５と一体に回転する送風用の冷却ファン１６が設けられている。回転軸１２のフロントブラケット側の端部には、プーリ１７が固定されている。プーリ１７には、エンジンの回転軸と連動する伝達ベルト（図示せず）が巻き掛けられている。回転軸１２のリヤ側には、回転軸１２の回転位置に応じた回転位置信号を発生する回転位置検出センサ１８と、回転子巻線１４に電気的に接続された複数のスリップリング１９が設けられている。各々のスリップリング１９に対して、ブラシホルダ２１がリヤブラケット８に設けられている。ブラシホルダ２１はスリップリング１９が回転軸１２から接離する方向へブラシ２０を案内する。
スリップリング１９は、回転軸１２の外周部を囲む環状の導電性部材である。それぞれのスリップリング１９には、導電性のブラシ２０が接触している。ブラシ２０から回転子５に磁界を発生させる界磁電流がスリップリング１９に供給される。ブラシホルダ２１には、スリップリング１９に接触する方向へブラシ２０を個別に付勢する押圧ばね２２が設けられている。ブラシ２０は、押圧ばね２２の付勢力により、スリップリング１９に押し付けられている。回転子５が回転するとき、スリップリング１９はブラシ２０に対して摺動する。電力変換装置３は、リヤブラケット８に支持されている。
樹脂形成されたカバー３９は電力変換装置３を覆っている。電力変換装置３は、パワーモジュール２３、界磁モジュール２４、制御基板２５、外部接続用コネクタ２７、ヒートシンク２９、冷却フィン３４、導電バスバー構造体３１などから構成されている。導電バスバー構造体３１にはパワーモジュール２３と界磁モジュール２４が接続されている。パワーモジュール２３をＰＷＭ制御するための制御基板２５は、ドーナツ形状を有し、ヒートシンク２９と反対側のパワーモジュール平面部の上方に配置されている。ヒートシンク２９に固定された界磁モジュール２４とパワーモジュール２３は、冷却フィン３４に搭載されている。導電バスバー構造体３１は、電力入出力ターミナル２６と、Ｎターミナル２８と、ＡＣターミナル３３をモールディングして製作されている。パワーモジュール２３および界磁モジュール２４は、ヒートシンク２９に絶縁性の接着剤を使って固定されている。
図２はこの発明の実施の形態１における電力変換装置３をリヤ側から見た図である。外部機器（エンジン制御ユニット等）からの信号情報が外部接続用コネクタ２７を通じて電力変換装置３に伝送される。この図は、解りやすくするために、ドーナツ状の制御基板２５を取り付ける前の状態を表している。図には、１個の界磁モジュール２４と、６個のパワーモジュール２３が表示されている。回転位置検出センサ１８の信号端子１８ａは、制御基板２５に接続される。界磁モジュール２４は、バッテリ端子２４ａと、アース端子２４ｂと、界磁巻線接続端子２４ｃと、信号端子２４ｄとを有する。
各々のパワーモジュール２３は、Ｐ端子２３ａと、Ｎ端子２３ｂと、ＡＣ端子２３ｃと、信号端子２３ｄと、信号端子２３ｅとを有する。パワーモジュール２３のＰ端子２３ａは電力入出力ターミナル２６と接続されている。パワーモジュール２３のＮ端子２３ｂはＮターミナル２８に接続されている。パワーモジュール２３のＡＣ端子２３ｃはＡＣターミナル３３に接続されている。
図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の電気回路図である。この図に基づいて、電力変換装置３の動作を説明する。電力変換装置３は、固定子巻線１１に電気的に接続されている。図には、６個のパワーモジュール２３と１個の界磁モジュール２４が示されている。各々のパワーモジュール２３は、電力変換装置３の回路を構成する３相ブリッジ回路の１相分の回路を示している。パワーモジュール２３は、固定子電流を通電する２つのスイッチング素子３６を直列に接続した素子対と電流検出器３８とをモールディングして製作されている。
パワーモジュール２３のＡＣ端子２３ｃは、固定子巻線１１と接続される交流入出力である。信号端子２３ｄは、第１のスイッチング素子３６ａのドレインと第２のスイッチング素子３６ｂのソースとの接点に接続されている。パワーモジュール２３の信号端子２３ｅは、スイッチング素子３６のゲート電極に接続されている。２個のスイッチング素子３６は直列接続されている。右側のスイッチング素子３６が上アームに相当し、左側のスイッチング素子３６が下アームに相当する。電流検出器３８にはシャント抵抗を使用することが好ましい。
界磁モジュール２４は、界磁電流を通電する複数のスイッチング素子３２をモールディングして作製される。ここでは、界磁モジュール２４は３個のスイッチング素子３２を備えている。界磁モジュール２４は、制御基板２５からの制御信号に基づいて、バッテリ３０からの電力を調整して界磁電流として回転子巻線１４に供給する。
回転位置検出センサ１８の信号端子１８ａは制御基板２５の基板端子２５ａに接続される。界磁モジュール２４の信号端子２４ｄは制御基板２５の基板端子２５ｂに接続される。パワーモジュール２３の信号端子２３ｄと信号端子２３ｅは制御基板２５の基板端子２５ｃに接続される。外部接続用コネクタ２７の信号端子は制御基板２５の基板端子２５ｄに接続される。制御基板２５は、回転位置検出センサ１８からの回転子５の回転位置信号と、外部接続用コネクタ２７を通じて伝送されてくる外部機器（エンジン制御ユニット等）からの信号情報に基づいて、界磁モジュール２４及びパワーモジュール２３に制御信号を出力する。
エンジンの始動時には、バッテリ３０からの直流電力がパワーモジュール２３及び界磁モジュール２４のそれぞれに供給される。界磁モジュール２４は、制御基板２５の制御により、バッテリ３０からの直流電力を界磁電流に調整する。界磁モジュール２４からの界磁電流は、ブラシ２０及びスリップリング１９を介して回転子巻線１４に供給される。これにより、回転子５には、直流磁界が発生する。制御基板２５は、電流検出器３８により検出された複数の相電流の値からＰＷＭ制御により、パワーモジュール２３にスイッチング動作を行わせる。これにより、バッテリ３０からの直流電力が交流電力に変換される。
パワーモジュール２３で変換された交流電力は、固定子巻線１１に供給される。固定子４には回転磁界が発生し、回転子５が回転する。回転子５の回転により、プーリ１７が回転し、エンジンを始動する。エンジンの始動後には、エンジンからの回転動力がプーリ１７に伝達される。これにより、回転子５が回転し、固定子巻線１１に交流電力が誘起される。このとき、パワーモジュール２３では、電流検出器３８により検出された複数の相電流の値から制御基板２５のＰＷＭ制御により、スイッチング動作が行われる。これにより、固定子巻線１１に誘起された交流電力が直流電力に変換される。この後、パワーモジュール２３からの直流電力は、バッテリ３０に充電される。
次に、実施に形態１におけるパワーモジュール２３の実装形態について、図４を用いて説明する。電力変換装置３において、パワーモジュール２３は、３相ブリッジ回路の１相分の回路に相等する。第１のスイッチング素子３６ａと第２のスイッチング素子３６ｂは直列接続されている。第１のスイッチング素子３６ａのゲート電極と、第２のスイッチング素子３６ｂのゲート電極には信号端子２３ｅが接続されている。第１のターミナル４１の上に第１のスイッチング素子３６ａを配置し、第１のスイッチング素子３６ａの下面電極は半田を介して第１のターミナル４１と接合している。
第１のスイッチング素子３６ａの上面電極には、半田を介して第１の内部リード４３の一端が接合されており、第１の内部リード４３のもう一方の端部は半田を介して第２のターミナル４４と接合されている（上アームを構成）。第２のターミナル４４の上に第２のスイッチング素子３６ｂを配置し、第２のスイッチング素子３６ｂの下面電極は半田を介して第２のターミナル４４と接合している。第２のスイッチング素子３６ｂの上面電極には、半田を介して第２の内部リード４６の一端が接合されている。第２の内部リード４６のもう一方の端部は、半田を介して第３のターミナル４７と接合されている（下アームを構成）。
第３のターミナル４７の上には、半田を介して電流検出器３８の一端が接合されており、電流検出器３８のもう一方の端部は、半田を介して第４のターミナル４８と接合されている。電力変換装置３は、ターミナルの線膨張係数に近い線膨張係数を有する、例えばシリコン樹脂などの、絶縁樹脂３７を用いてモールディングされている。電流検出器３８の接合部の周囲を絶縁樹脂３７で固めているので、電流検出器３８は、外部環境の影響を受けにくいうえに、繰り返しの熱膨張、収縮による応力を緩和し寿命を伸ばすことができる。
図５は、パワーモジュールの断面図を示している。パワーモジュール２３は、ヒートシンク２９に、例えばシリコン絶縁接着剤５０を用いて固定されている。ヒートシンク２９は、冷却フィン３４にネジ等で取り付けられている。第２のターミナル４４と第３のターミナル４７と第４のターミナル４８は、最下層に配設されている。同様に、第１のターミナル４１と信号端子２３ｅも、最下層に配設されている。最下層に配設されているこれらの部材は、絶縁樹脂３７から露呈しているため、シリコン絶縁接着剤５０によってヒートシンク２９に直接接着することができる。電流検出器３８と第２のスイッチング素子３６ｂ（および第１のスイッチング素子３６ａ）は第２層に配設されている。
この実施の形態１によれば、パワーモジュール２３はヒートシンク２９の上に配設されているために、電流検出器３８の発熱はスイッチング素子と同様にターミナルを介してヒートシンクから放熱することができる。また、電流検出器３８とターミナルとの接合は、スイッチング素子とターミナルの接合と同じ半田付けであるため、１つの工程で同時に実装することができる。また、電流検出器３８の一方の電極は第３のターミナル４７に直接実装されているので、パワーモジュール２３のサイズ拡大以上に、電力変換装置を小さくすることができる。
実施の形態２．
実施に形態２におけるパワーモジュール２３の実装形態について、図６を用いて説明する。実施の形態１では、パワーモジュール２３のＰ端子２３ａと、Ｎ端子２３ｂが絶縁樹脂３７の別々の縁から導出されていたが、実施の形態２では、Ｐ端子２３ａとＮ端子２３ｂは同一の縁から導出されている。この構成により、Ｐ端子からＮ端子までの回路の経路が最も短くできるため、インダクタンスを小さくすることができる。
実施の形態３．
図７は実施の形態３を示すパワーモジュール２３の電気回路図を示す。実施の形態１および実施の形態２では、下アームとＮ端子２３ｂとの間に電流検出器３８を配設してあるが、ここでは上下アームの中間点とＡＣ端子２３ｃとの間に電流検出器３８を配設している。この構成により、上アーム（第１のスイッチング素子３６ａ）と下アーム（第２のスイッチング素子３６ｂ）に流れる電流値をそれぞれモニターできるため、電力変換装置におけるより精度の高い制御が可能になる。
図８は実施の形態３におけるパワーモジュール２３の実装形態を示す。実施の形態２では、Ｐ端子２３ａとＡＣ端子２３ｃは同一の縁から導出されている。この構成により、Ｐ端子からＡＣ端子２３ｃまでの回路の経路が最も短くできるため、インダクタンスを小さくすることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 電力変換装置付き回転電機、２ 回転電機、３ 電力変換装置、４ 固定子、５ 回転子、６ ケース（支持体）、７ フロントブラケット、８ リヤブラケット、９ 締結ボルト、１０ 固定子鉄心、１１ 固定子巻線、１２ 回転軸、１３ 回転子鉄心、１４ 回転子巻線、１５ 軸受、１６ 冷却ファン、１７ プーリ、１８ 回転位置検出センサ、１８ａ 信号端子、１９ スリップリング、２０ ブラシ、２１ ブラシホルダ、２２ 押圧ばね、２３ パワーモジュール、２３ａ Ｐ端子、２３ｂ Ｎ端子、２３ｃ ＡＣ端子、２３ｄ 信号端子、２３ｅ 信号端子、２４ 界磁モジュール、２４ａ バッテリ端子、２４ｂ アース端子、２４ｃ 界磁巻線接続端子、２４ｄ 信号端子、２５ 制御基板、２５ａ 基板端子、２５ｂ 基板端子、２５ｃ 基板端子、２５ｄ 基板端子、２６ 電流入出力ターミナル、２７ 外部接続用コネクタ、２８ Ｎターミナル、２９ ヒートシンク、３０ バッテリ、３１ 導電バスバー構造体、３２ スイッチング素子（界磁モジュール）、３３ ＡＣターミナル、３４ 冷却フィン、３６ スイッチング素子（パワーモジュール）、３６ａ 第１のスイッチング素子、３６ｂ 第２のスイッチング素子、３７ 絶縁樹脂、３８ 電流検出器、３９ カバー、４１ 第１のターミナル、４３ 第１の内部リード、４４ 第２のターミナル、４６ 第２の内部リード、４７ 第３のターミナル、４８ 第４のターミナル、５０ シリコン絶縁接着剤
この発明にかかる電力変換装置付き回転電機は、固定子巻線を有する固定子と、回転子巻線を有する回転子と、回転子の回転位置信号を出力する回転位置検出センサと、固定子と回転子を収容するケースと、回転子巻線に接続される界磁モジュールと、固定子巻線に接続され、電流検出器と第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、界磁モジュールとパワーモジュールが固定されるヒートシンクと、回転位置検出センサからの回転位置信号に基づいて界磁モジュールとパワーモジュールに制御信号を出力する制御基板と、を備えている。第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子は直列に接続されており、電流検出器と第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子は絶縁樹脂でモールドされていて、電流検出器は、第２のスイッチング素子と直列に取り付けられていて、パワーモジュールは、第１のスイッチング素子の下面電極に接合されている第１のターミナルと、第２のスイッチング素子の下面電極に接合されている第２のターミナルと、電流検出器の一端に接合されている第３のターミナルと、電流検出器の他端に接合されている第４のターミナルと、を備え、第１のターミナル、第２のターミナル、第３のターミナルおよび第４のターミナルは、ヒートシンクに直接接着されていることを特徴とする。

Claims (8)

  1. 固定子巻線を有する固定子と、
    回転子巻線を有する回転子と、
    前記回転子の回転位置信号を出力する回転位置検出センサと、
    前記固定子と前記回転子を収容するケースと、
    前記回転子巻線に接続される界磁モジュールと、
    前記固定子巻線に接続され、電流検出器と第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
    前記界磁モジュールと前記パワーモジュールが固定されるヒートシンクと、
    前記回転位置検出センサからの回転位置信号に基づいて前記界磁モジュールと前記パワーモジュールに制御信号を出力する制御基板と、を備え、
    前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子は直列に接続されており、前記電流検出器と前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子は絶縁樹脂でモールドされていることを特徴とする電力変換装置付き回転電機。
  2. 前記電流検出器は、前記第２のスイッチング素子と直列に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置付き回転電機。
  3. 前記パワーモジュールは、
    前記第１のスイッチング素子の下面電極に接合されている第１のターミナルと、
    前記第２のスイッチング素子の下面電極に接合されている第２のターミナルと、
    前記電流検出器の一端に接合されている第３のターミナルと、
    前記電流検出器の他端に接合されている第４のターミナルと、を備えていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置付き回転電機。
  4. 前記第２のターミナルの出力端子と前記第４のターミナルの出力端子は、前記絶縁樹脂の同一の側辺から導出されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置付き回転電機。
  5. 前記第１のターミナルの出力端子と前記第４のターミナルの出力端子は、前記絶縁樹脂の同一の側辺から導出されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置付き回転電機。
  6. 前記電流検出器は、一端が前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置付き回転電機。
  7. 前記パワーモジュールは、
    前記第１のスイッチング素子の下面電極に接合されている第１のターミナルと、
    前記第２のスイッチング素子の下面電極と前記電流検出器の一端に接続されている第２のターミナルと、
    前記第２のスイッチング素子の上面電極に接合されたリードと接続されている第３のターミナルと、
    前記電流検出器の他端に接続されている第４のターミナルと、を備えていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置付き回転電機。
  8. 前記第１のターミナルの出力端子と前記第４のターミナルの出力端子は、前記絶縁樹脂の同一の側辺から導出されていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置付き回転電機。
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