JP2015122856A - 回転電機一体型制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機一体型制御装置において、空冷のみによる、より簡素な構成で、パワー素子および電子制御装置の双方を効率良く冷却する。
【解決手段】この回転電機一体型制御装置は、ロータの回転とともに冷却ファンが回転する回転電機と、回転電機への電力供給のためのパワー素子と、パワー素子の駆動を制御するための電子制御装置と、を有する制御部と、を備える。
制御部は、パワー素子が載置される第１載置部と、第１載置部におけるパワー素子の載置面と反対の第１面に形成される第１放熱フィンと、を有する。また、電子制御装置が載置される第２載置部と、第２載置部における電子制御装置の載置面と反対の第２面に形成される第２放熱フィンと、を有する。
そして、冷却ファンの回転に伴う冷却風が、第１面と第２面との対向領域を通過するように、第１面と第２面とが互いに対向することによって、第１放熱フィンと第２放熱フィンが対向配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機と、回転電機を制御するための制御部と、が一体で構成された回転電機一体型制御装置に関する。

回転電機一体型制御装置においては、回転に伴う回転電機の発熱に加えて、電子制御装置や電力変換のためのパワー素子等が発熱する。このため、回転電機一体型制御装置には、従来よりも高い熱的信頼性が要求される。

特許文献１には、制御装置と電力変換器とが、熱的に互いに分離して配置された車両用回転電機が提案されている。この車両用回転電機は、制御装置に較べて発熱量の大きい電力変換器をフレームに配置して水冷および空冷によって冷却する方法を採用している。

特開２０１３−１４６１２０号公報

しかしながら、特許文献１の車両用回転電機では、水冷のために冷却液流路を設ける必要があるなど、構成が複雑になるという問題がある。また、空冷に際しては、電力変換器、すなわちパワー素子、が直接冷却風に晒されるため、劣化しやすくなる。また、このような構成の場合、素子の表面を保護するモールド部材等は冷却風に晒されるが、パワー素子に一般的に付属するヒートシンクが冷却風に晒されず、空冷が非効率になる。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、空冷のみによる、より簡素な構成において、パワー素子および電子制御装置の劣化を抑制しつつ双方を効率良く冷却することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明は、ロータ（２１０）とステータ（２２０）と冷却ファン（２４０）とを有し、ロータの回転とともに冷却ファンが回転する回転電機（２００）と、回転電機への電力供給のためのパワー素子（３１１）と、パワー素子の駆動を制御するための電子制御装置（３２０）と、を有する制御部（３００）と、を備える回転電機一体型制御装置であって、制御部は、パワー素子が載置されつつ熱的に接続される第１載置部（３１３）と、第１載置部におけるパワー素子の載置面と反対の第１面（３１３ａ）に形成され、パワー素子を冷却する第１放熱フィン（３１５）と、電子制御装置が載置されつつ熱的に接続される第２載置部（３２３）と、第２載置部における電子制御装置の載置面と反対の第２面（３２３ａ）に形成され、電子制御装置を冷却する第２放熱フィン（３２５）と、を有し、冷却ファンの回転に伴う冷却風が、第１面と第２面との対向領域を通過するように、第１面と第２面とが互いに対向することによって、第１放熱フィンと第２放熱フィンが対向配置されることを特徴としている。

これによれば、冷却風が第１面と第２面の対向領域を通るとき、第１放熱フィンと第２放熱フィンの双方から熱を奪う。したがって、水冷による構造の複雑化を回避しつつ、一つの通風路でパワー素子と電子制御装置の双方を効率よく冷却することができる。そして、冷却風が通過する対向領域には、電子制御装置およびパワー素子のいずれも配置されていない。このため、冷却風に混入した異物等によって電子制御装置およびパワー素子がダメージを受けることを抑制することができ、これらの劣化を抑制することができる。

第１実施形態に係る回転電機一体型制御装置の概略構成を示す断面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面を示す、ロータおよびステータの断面図である。 制御部の構成を示す回路図である。 第１放熱フィンおよび第２放熱フィンの構成を示す斜視図である。 図４に示す領域Ｖの正面図である。 第２実施形態に係る第１放熱フィンおよび第２放熱フィンの構成を示す上面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る回転電機一体型制御装置の概略構成について説明する。

本実施形態に係る回転電機一体型制御装置は、例えば車両に搭載される機電一体の回転電機一体型制御装置である。図１に示すように、この回転電機一体型制御装置１００は、機械的に駆動する回転電機２００と、回転電機２００の駆動を制御する制御部３００とを備えている。

回転電機２００は、例えばスタータを構成するモータであり、ロータ２１０とステータ２２０とを有している。ロータ２１０にはシャフト２３０および冷却ファン２４０が固定されている。シャフト２３０は、ロータ２１０とともに回転して図示しないエンジンに動力を伝達する。冷却ファン２４０は、ロータ２１０とともに回転して外部から回転電機２００の内部に冷却風を取り込む。

ロータ２１０は、図２に示すように、後述のステータ２２０と同軸の円筒状の部材であり、ステータ２２０の内周側に配置されている。そして、ロータ２１０の軸を含む空洞部２１１にシャフト２３０が挿入固定されている。また、ロータ２１０は、その内部にロータコイル２１２を有している。図１に示すように、ロータ２１０は、シャフト２３０とともに、軸Ｌを回転軸として一体的に回転するようになっている。さらに、ロータ２１０には、回転軸Ｌに直交する一面に冷却ファン２４０が固定されており、ロータ２１０の回転に伴って、回転軸Ｌの直交する面内で冷却ファン２４０が回転する。冷却ファン２４０は回転することによって外部から空気を取り込む。この空気の流れが冷却風となり、回転電機２００全体を冷却する。

ステータ２２０は、図２に示すように、円筒状のステータコア２２１と、ステータコア２２１の内壁から円筒の内側に向かって突出した複数の突極２２２を有し、それぞれの突極２２２にはステータコイル２２３が巻きつけられている。ステータコイル２２３には交流電流が流れるようになっており、ステータ２２０が電磁石として機能する。ステータ２２０により形成される磁場と、ロータコイル２１２に流れる電流により形成される磁場とが相互作用してロータ２１０に回転のモーメントが発生するようになっている。

なお、ロータ２１０とステータ２２０は、図１に示すように、モータケース２５０に収容されている。モータケース２５０には、回転軸Ｌに沿ってシャフト２３０を挿通するための挿通孔２５１が形成されている。挿通孔２５１には、シャフト２３０が歳差運動しないように軸受２５２が配置されている。

制御部３００は、回転軸Ｌに沿う方向において、回転電機２００と隣接して配置され、図１に示すように、電力変換器３１０と電子制御装置３２０を有し、これらによって回転電機２００の駆動を制御する。

電力変換器３１０は、図３に示すように、直流電源４００により供給される直流電流を交流電流に変換するインバータである。変換された電力は回転電機２００に供給されてロータ２１０の回転運動に用いられる。電力変換器３１０は、複数のパワー素子３１１と各パワー素子３１１に逆並列に接続された還流ダイオード３１２とを有している。パワー素子３１１はＭＯＳＦＥＴに代表されるスイッチング素子であり、適切なタイミングでオンオフ動作を繰り返す。これによって直流電流が交流電流に変換される。還流ダイオード３１２は負荷に相当する回転電機２００による誘導起電力からパワー素子３１１を保護するために接続されている。なお、図３に示すコンデンサ５００は、電力変換器３１０と並列に接続され、パワー素子３１１のスイッチング動作により生じる直流電圧の変動を抑制する。

パワー素子３１１はオン抵抗に起因して発熱するため、熱的信頼性を確保するために冷却が必要である。パワー素子３１１は、第１載置部としてのフレーム３１３に、熱伝導性接着材としてのはんだ３１４を介して熱的に接続されている。すなわち、パワー素子３１１の発した熱はフレーム３１３に伝導される。そして、フレーム３１３において、パワー素子３１１が接続された面と反対の第１面３１３ａには、第１放熱フィン３１５が形成されている。よって、フレーム３１３に伝導した熱は、第１放熱フィン３１５から放熱される。

電子制御装置３２０は、図３に示すように、電力変換器３１０におけるパワー素子３１１のゲート端子に接続され、パワー素子３１１のオンオフを制御する。図１に示すように、本実施形態における電子制御装置３２０は、基板３２１上に実装されている。電子制御装置３２０および基板３２１は、第２載置部としての筐体３２３に収容されて、外部からの衝撃等から保護されている。電子制御装置３２０は、基板３２１内部の図示しないスルーホール、および、熱伝導性接着材としてのはんだ３２４を介して筐体３２３と熱的に接続されている。すなわち、電子制御装置３２０が発した熱は筐体３２３に伝導される。そして、筐体３２３において、電子制御装置３２０が接続された面と反対の第２面３２３ａには、第２放熱フィン３２５が形成されている。よって、筐体３２３に伝導した熱は、第２放熱フィン３２５から放熱される。

なお、制御部３００は、アウターカバー６００によって覆われ、外部からの衝撃等から保護されている。アウターカバー６００はスナップフィットやねじ止め等の一般的な固定法によってモータケース２５０に固定されている。このアウターカバー６００は、図１に示すように、ロータ２１０の回転方向に沿って、一部に通風孔６１０が設けられている。

図１に示すように、フレーム３１３の第１面３１３ａと、筐体３２３の第２面３２３ａは、回転軸Ｌに沿う方向において互いに対向している。換言すれば、第１面３１３ａと第２面３２３ａの対向領域を冷却風が通過するように、回転電機２００と制御部３００が互いに組み付けられている。本実施形態における通風孔６１０は、回転軸Ｌに直交する方向において、第１面３１３ａと第２面３２３ａの対向領域とオーバーラップする位置に形成されている。すなわち、冷却風は、この通風孔６１０から回転電機一体型制御装置１００の内部に吸入され、第１放熱フィン３１５と第２放熱フィン３２５、および回転電機２００で熱を奪いつつ、モータケース２５０に設けられた排気孔２５３から外部に排気される。

次に、図４および図５を参照して、第１放熱フィン３１５および第２放熱フィン３２５の構成について詳しく説明する。

本実施形態における第１放熱フィン３１５および第２放熱フィン３２５は、アルミダイキャストによって成形されている。そして、その表面は、無加工の素地とされている。

図４に示すように、複数の第１放熱フィン３１５が、回転軸Ｌを中心として放射状に形成されている。図４では、１２枚の第１放熱フィン３１５が回転軸Ｌを中心として、３０度ごとに配置されている。

さらに、複数の第２放熱フィン３２５も、回転軸Ｌを中心として放射状に形成されている。図４では、１２枚の第２放熱フィン３２５が回転軸Ｌを中心として、３０度ごとに配置されている。

図４に示すように、第１放熱フィン３１５と第２放熱フィン３２５は、ロータ２１０の回転方向において互い違いに形成されている。具体的には、ロータ２１０の軸方向から見た場合、第２放熱フィン３２５は、第１放熱フィン３１５に対して、１５度回転した位置に形成されている。また、図５に示すように、第１放熱フィン３１５と第２放熱フィン３２５は、ロータ２１０の回転方向において、一部が互いにオーバーラップするように形成されている。

次に、本実施形態に係る回転電機一体型制御装置１００の作用効果について説明する。

この回転電機一体型制御装置１００は、図１に示すように、第１面３１３ａと第２面３２３ａが対向して形成され、その対向領域を冷却風が通過するようになっている。対向領域には、電子制御装置３２０およびパワー素子３１１のいずれも配置されていない。このため、冷却風に混入した異物等によって電子制御装置３２０およびパワー素子３１１がダメージを受けることがない。したがって、電子制御装置３２０とパワー素子３１１の経年劣化を抑制しつつ、一つの通風路で、これらを効率よく冷却することができる。

また、第１放熱フィン３１５と第２放熱フィン３２５が互い違いに形成され、回転方向においてオーバーラップするようになっている。このため、ロータ２１０の軸方向において、各放熱フィン３１５，３２５が対向配置されるよりもサイズダウンすることができる。さらに、第１載置部であるフレーム３１３からの熱輻射を第２放熱フィン３２５で受けることになるため、輻射熱の放熱が行いやすい。同様に、筐体３２３からの熱輻射を第２放熱フィン３２５で受けることになるため、輻射熱の放熱が行いやすい。すなわち、第１放熱フィン３１５と第２放熱フィン３２５が互い違いに形成されることによって、各放熱フィン３１５，３２５と対向する部材からの輻射熱を放熱しやすくすることができる。

また、第１放熱フィン３１５および第２放熱フィン３２５は、回転軸Ｌを中心として放射状に形成されている。冷却ファン２４０が回転することによって吸入される冷却風は、外部から回転軸Ｌに向かって流れこむため、各放熱フィン３１５，３２５が放射状に形成されていることにより、冷却風の経路を妨げることなく、各放熱フィン３１５，３２５による放熱効果を発揮させることができる。

また、制御部３００を保護するアウターカバー６００は、回転軸Ｌに直交する方向において、第１面３１３ａと第２面３２３ａの対向領域とオーバーラップする位置に通風孔６１０を有している。このため、回転電機２００内に較べて温度が十分に低い空気を、直接各放熱フィン３１５，３２５に供給することができる。したがって、電子制御装置３２０および電力変換器３１０を効率良く冷却することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、第１放熱フィン３１５および第２放熱フィン３２５が平板状である例について示した。これに対して、本実施形態における各放熱フィン３１５，３２５は、ロータ２１０の回転方向に曲げて形成されている。なお、各放熱フィン３１５，３２５を除く構成要素は、第１実施形態と同様であるため、詳しい記載を省略する。

第１放熱フィン３１５は、図６に示すように、ロータ２１０の回転が時計回りとなる方向から見た場合、ロータ２１０の回転軸Ｌから遠ざかるにしたがって、反時計回りに曲げられている。すなわち、冷却ファン２４０により生じる冷却風の流束に沿う方向に曲げられている。１２枚の第１放熱フィン３１５すべてが同一方向に曲げられることにより、全体として渦巻き状になるように形成されている。なお、本実施形態では、第２放熱フィン３２５も、図６に示すように、第１放熱フィン３１５と同様に反時計回りに曲げられて形成されている。

これによれば、各放熱フィン３１５，３２５が平板状である場合に較べて表面積を大きくすることができるから、より効率良く放熱させることができる。

また、各放熱フィン３１５，３２５が、冷却ファン２４０により生じる冷却風の流束に沿う方向に曲げられているから、各放熱フィン３１５，３２５を効率良く冷却風に晒すことができる。したがって、電子制御装置３２０および電力変換器３１０を効率良く冷却することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した各実施形態では、第１放熱フィン３１５および第２放熱フィン３２５の表面が素地である例について示したが、鏡面加工されていてもよい。表面が鏡面加工されていることにより、各放熱フィン３１５，３２５と対向する部材からの輻射熱を反射しやすくすることができる。具体的には、電力変換器３１０は電子制御装置３２０からの熱を受けにくくなる。同様に、電子制御装置３２０は電力変換器３１０からの熱を受けにくくなる。

また、上記した各実施形態では、電力変換器３１０を構成するパワー素子３１１が、はんだ３１４を介してフレーム３１３に接続される例を示した。また、電子制御装置３２０がはんだ３２４を介して筐体３２３に接続される例を示した。しかしながら、これらの接続の手段は、はんだ３１４，３２４に限定されない。例えば、一般的に知られた放熱グリスを用いることもできる。

また、上記した各実施形態では、第１放熱フィン３１５と第２放熱フィン３２５が互い違いに形成される例を示したが、これに限定されるものではない。

また、上記した各実施形態では、第１放熱フィン３１５と第２放熱フィン３２５が回転方向においてオーバーラップするように形成される例を示したが、これに限定されるものではない。

また、第２実施形態では、第１放熱フィン３１５および第２放熱フィン３２５の双方が同一方向に曲げられて渦巻き状に形成された例を示したが、渦巻き状に形成されるのは、第１放熱フィン３１５および第２放熱フィン３２５のいずれか一方であってもよい。

さらには、第１放熱フィン３１５および第２放熱フィン３２５の形状は渦巻き状でなくてもよく、冷却風が接触する沿面距離を長くするようにすれば、各放熱フィン３１５，３２５による放熱効果を向上させることができる。

また、第１放熱フィン３１５および第２放熱フィン３２５は、アルミダイキャスト以外の方法で成形されてもよい。ただし、成形性、コスト、熱伝導率の観点から、アルミダイキャストで成形されることが好ましい。

１００・・・回転電機一体型制御装置
２００・・・回転電機，２１０・・・ロータ，２２０・・・ステータ，２３５・・・第２放熱フィン，２４０・・・冷却ファン，２５０・・・モータケース
３００・・・制御部，３１０・・・電力変換器，３１１・・・パワー素子，３１３・・・フレーム，３１３ａ・・・第１面，３１５・・・第１放熱フィン，３２０・・・電子制御装置，３２３・・・筐体，３２３ａ・・・第２面，３２５・・・第２放熱フィン
６００・・・アウターカバー，６１０・・・通風孔

Claims (10)

1. ロータ（２１０）とステータ（２２０）と冷却ファン（２４０）とを有し、前記ロータの回転とともに前記冷却ファンが回転する回転電機（２００）と、
   前記回転電機への電力供給のためのパワー素子（３１１）と、前記パワー素子の駆動を制御するための電子制御装置（３２０）と、を有する制御部（３００）と、を備える回転電機一体型制御装置であって、
   前記制御部は、
   前記パワー素子が載置されつつ熱的に接続される第１載置部（３１３）と、
   前記第１載置部における前記パワー素子の載置面と反対の第１面（３１３ａ）に形成され、前記パワー素子を冷却する第１放熱フィン（３１５）と、
   前記電子制御装置が載置されつつ熱的に接続される第２載置部（３２３）と、
   前記第２載置部における前記電子制御装置の載置面と反対の第２面（３２３ａ）に形成され、前記電子制御装置を冷却する第２放熱フィン（３２５）と、を有し、
   前記冷却ファンの回転に伴う冷却風が、前記第１面と前記第２面との対向領域を通過するように、前記第１面と前記第２面とが互いに対向することによって、前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンが対向配置されることを特徴とする回転電機一体型制御装置。
2. 前記第１放熱フィンおよび前記第２放熱フィンをそれぞれ複数有し、
   前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンが互い違いに形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機一体型制御装置。
3. 前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンは、前記ロータの回転方向において、少なくとも一部が互いにオーバーラップするように形成されることを特徴とする請求項２に記載の回転電機一体型制御装置。
4. 前記第１放熱フィンおよび前記第２放熱フィンは、それぞれ前記ロータの回転軸を中心として放射状に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機一体型制御装置。
5. 前記第１放熱フィンおよび前記第２放熱フィンの少なくとも一方は、前記ロータの回転方向が時計回りとなる方向から見た場合、前記ロータの回転軸から遠ざかるにしたがって、反時計回りに曲げられた渦巻き状に形成されることを特徴とする請求項４に記載の回転電機一体型制御装置。
6. 前記制御部は、前記制御部を外部からの衝撃から保護するために、前記第１載置部、前記第１放熱フィン、前記第２載置部、および、前記第２放熱フィンを覆うアウターカバー（６００）を有し、
   前記アウターカバーは、前記ロータの回転軸に直交する方向において、前記第１面と前記第２面との対向領域とオーバーラップする位置に通風孔を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機一体型制御装置。
7. 前記第１放熱フィンおよび前記第２放熱フィンは、アルミダイキャストにより成形され、その表面が素地であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機一体型制御装置。
8. 前記第１放熱フィンおよび前記第２放熱フィンは、アルミダイキャストにより成形され、その表面が鏡面加工されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機一体型制御装置。
9. 前記パワー素子は、熱伝導性接着材（３１４）または放熱グリスを介して前記第１載置部に接続されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機一体型制御装置。
10. 前記電子制御装置は、熱伝導性接着材（３１４）または放熱グリスを介して前記第２載置部に接続されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の回転電機一体型制御装置。

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