JP2016182031A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】電解コンデンサの冷却性を確保しつつ防爆弁の機能を維持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】車両用回転電機は、固定子巻線２２と、固定子巻線２２に駆動用電圧を供給するインバータとしての電力変換器４と、端子２４Ａ、２４Ｂの引き出し面２４Ｃを除く金属ケース２４Ｄの面に防爆弁２４Ｅが形成されて電力変換器４に接続された電解コンデンサ２４と、電解コンデンサ２４を収容するコンデンサ収容部１５を有するフレーム１とを備えている。金属ケース２４Ｄの外径形状に沿うように側面および底面に沿った凹部１５Ａが形成され、防爆弁２４Ｅに対して凹部１５Ａの一部を拡大した隣接空間が備わっている。
【選択図】図１４

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。

従来から、電解コンデンサを用いて入力直流電源の電圧変動を平滑化するようにした回転電機用のインバータ装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このインバータ装置では、３個の電解コンデンサのそれぞれのケースを、コンデンサと相似形の水路が形成されたアルミフレームのコンデンサ挿入溝に挿入することで、電解コンデンサの冷却と固定を行っている。また、この電解コンデンサには、＋端子と−端子が設けられた面に防爆穴が配置されている。

特許第３７２９１７６号公報 特開２００７−２８２３０９号公報 特開２０１０−２５８０６６号公報 特開２００１−４１４９９号公報 特開平６−１０４１４３号公報 特開平１１−２７４００１号公報 特開平１０−２５７７１８号公報 特開２００８−１６６３０３号公報

ところで、特許文献１に開示された構造に用いられる電解コンデンサでは、＋端子と−端子が設けられた面（下面）に防爆穴が設けられているが、一般のアルミ電解コンデンサの中には、金属ケースの側面や底面（下面と反対の面）に防爆弁が設けられているものが多数存在する。しかし、上述した特許文献１の構造では、電解コンデンサのケース側面や底面がアルミフレームのコンデンサ挿入溝に覆われているため、防爆弁がケース側面や底面に設けられた電解コンデンサを用いた場合には、膨張時に防爆弁の機能が阻害されるという問題があった。

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、電解コンデンサの冷却性を確保しつつ防爆弁の機能を維持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、固定子巻線と、固定子巻線に駆動用電圧を供給するインバータと、端子の引き出し面を除く金属ケースの底面に防爆弁が形成されており、インバータに接続された電解コンデンサと、電解コンデンサを収容するコンデンサ収容部を有するフレームとを備えている。コンデンサ収容部は、金属ケースの外径形状に沿うように側面および底面に沿った凹部が形成され、防爆弁に対して凹部の一部を拡大した隣接空間を備えている。

また、本発明の車両用回転電機は、固定子巻線と、固定子巻線に駆動用電圧を供給するインバータと、端子の引き出し面を除く金属ケースの面に防爆弁が形成されており、インバータに接続された電解コンデンサと、金属ケースを包囲するとともに、防爆弁に対して隣接空間が確保されたコンデンサ収容部を有するフレームとを備えている。コンデンサ収容部は、金属ケースの少なくとも一部を収容するためにフレームの端面から突出する凸部を有しており、凸部は、電解コンデンサの金属ケースの外周を防爆弁が形成された領域を除いて覆っている。

一実施形態の車両用回転電機の全体構成を示す図である。 センター部とリア部によって形成される冷却液流路の説明図である。 電力変換器を含む車両用回転電機の結線図である。 電解コンデンサの実装例１を示す平面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 電解コンデンサの実装例２を示す平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 電解コンデンサの実装例３を示す平面図である。 電解コンデンサの実装例４を示す平面図である。 図９のＸ−Ｘ線断面図である。 電解コンデンサの実装例５を示す平面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。 電解コンデンサの実装例６を示す平面図である。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用回転電機について、図面を参照しながら説明する。図１に示す一実施形態の車両用回転電機１００は、フレーム１、固定子２、回転子３、電力変換器４、ブラシ装置５、制御装置６、回転センサ７、リアカバー８、プーリ９等を含んで構成されている。

フレーム１は、回転子３と固定子２を保持するためのものであり、リア部１Ａ、センター部１Ｂ、フロント部１Ｃの３つの分割部位によって構成されている。センター部１Ｂは、固定子２を内包する筒状部材であり、内部に冷却液流路１１を構成する凹部１１Ａを有する。リア部１Ａは、センター部１Ｂの一方の軸方向端部であるリア側（反プーリ側）を塞ぐ円盤状部材である。センター部１Ｂの冷却液流路１１はセンター部１Ｂの一方の軸方向端部において開口し、この開口部の両側に気密性維持のためのＯリング１２が配置されており、これらのＯリング１２に当接するようにリア部１Ａを取り付けて凹部１１Ａの開口面を閉塞することにより冷却液流路１１が形成される。また、リア部１Ａは、センター部１Ｂと反対側の軸方向端面に電力変換器４や電解コンデンサ２４が取り付けられているとともに、内径寄りに冷却風をフレーム１内部に導入するための複数個の吸入窓１３が設けられている。

冷却液流路１１は、図２に示すように、横断面がＣ字形状を有しており、その一方端に対応するリア部１Ａの一部に冷却液入口１１Ｂが、他方端に対応するリア部１Ａの一部に冷却液出口１１Ｃが設けられている。これらの冷却液入口１１Ｂおよび冷却液出口１１Ｃのそれぞれには、冷却液用配管１１Ｄ（図１）が接続されて冷却液の供給および排出が行われる。このような冷却液流路１１を通して冷却液を流すことにより、フレーム１が冷却される。

フロント部１Ｃは、センター部１Ｂの他方の軸方向端部であるフロント側（プーリ側）を塞ぐ円盤状部材であり、回転子３を挟んでリア部１Ａと反対側に位置している。フロント部１Ｃには、冷却風をフレーム１の外部に排出するための複数の排出窓１４が形成されている。

固定子２は、回転子３と対向配置されており、固定子鉄心２１およびこの固定子鉄心２１に巻回された固定子巻線２２とを有する。例えば、固定子巻線２２は、断面が四角形形状を有するＵ字状の導体セグメントを固定子鉄心２１の一方の軸方向端面側から固定子鉄心２１の各スロットに挿通し、スロットから各導体セグメントの飛び出し端部を固定子鉄心２１の他方の軸方向端面側に必要な長さだけ突出させ、各導体セグメントの飛び出し端部を周方向にそれぞれ捻り、各導体セグメントの飛び出し端部の先端部（接合部）を所定の組み合わせで溶接によって接合することにより構成されている。このようにして、直線部とターン部とを有するＵ字状の導体セグメントを溶接にて複数本直列接続することにより固定子巻線２２が形成されている。

回転子３は、界磁極としてのポールコア３１、３２と、これらを磁化させる界磁巻線３３と、回転軸３４と、周方向に隣接するポールコア３１、３２の各爪状磁極部の間に配置されてこれらの間に生じる漏れ磁束を低減する永久磁石３５と、ポールコア３１、３２のそれぞれの軸方向端面に取り付けられた冷却ファン３６、３７とを備えている。この回転子３は、フレーム１のセンター部１Ｂおよびフロント部１Ｃ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。また、回転軸３４の前端にはプーリ９がナットにより結合されている。さらに、フレーム１のリア部１Ａの外側に位置する回転軸３４の後端には、界磁巻線３３の両端のそれぞれに接続された一対のスリップリングが設けられている。これらのスリップリングには、ブラシ装置５に備わった一対のブラシが摺動可能な状態で接触しており、制御装置６から励磁電流が供給される。

電力変換器４は、固定子巻線２２に接続されて、固定子巻線２２に誘起された交流起電力を直流に変換する整流器としての動作（発電動作時）と、車両に搭載されたバッテリ（図示せず）に蓄積された直流電力を交流に変換して固定子巻線２２に駆動用電圧を供給するインバータとしての動作（電動動作時）を行う。なお、電力変換器４によってインバータとしての動作のみを行うようにしてもよい。

図３に示すように、電力変換器４は、２つのブリッジ回路４Ａ、４Ｂを備える。本実施形態の固定子巻線２２は、Ｙ結線された２組の三相巻線２２Ａ、２２Ｂを有しており、これら２組の三相巻線２２Ａ、２２Ｂが共通の固定子鉄心２１に所定の電気角ずらした状態で巻回されている。そして、一方の三相巻線２２Ａが一方のブリッジ回路４Ａに接続され、他方の三相巻線２２Ｂが他方のブリッジ回路４Ｂに接続されている。

一方のブリッジ回路４Ａは、三相巻線２２Ａのそれぞれの相巻線に接続された一対の負極側素子４０Ａおよび正極側素子４２Ａを３組備えている。負極側素子４０Ａは、三相巻線２２Ａの一の相巻線とバッテリの負極側端子との間に挿入されており、例えばＭＯＳトランジスタが用いられている。このＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン間には、アノードがバッテリの負極側端子となる向きにダイオードが並列接続されている。このダイオードはＭＯＳトランジスタの寄生ダイオード（ボディダイオード）によって実現されるが、別部品としてのダイオードをさらに並列接続するようにしてもよい。正極側素子４２Ａは、三相巻線２２Ａの一の相巻線とバッテリの正極側端子との間に挿入されており、例えばＭＯＳトランジスタが用いられている。このＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン間には、カソードがバッテリの正極側端子となる向きにダイオードが並列接続されている。このダイオードはＭＯＳトランジスタの寄生ダイオード（ボディダイオード）によって実現されるが、別部品としてのダイオードをさらに並列接続するようにしてもよい。

他方のブリッジ回路４Ｂは、三相巻線２２Ｂのそれぞれの相巻線に接続された一対の負極側素子４０Ｂおよび正極側素子４２Ｂを３組備えている。このブリッジ回路４Ｂは、基本的にはブリッジ回路４Ａと同じ構成を有しており、詳細な説明は省略する。

なお、本実施形態の車両用回転電機１００は、２組の三相巻線２２Ａ、２２Ｂおよび２つのブリッジ回路４Ａ、４Ｂを備えているが、１組の三相巻線と１つのブリッジ回路を組み合わせたり、３組以上を組み合わせるようにしてもよい。また、三相巻線を用いる場合を説明したが、それ以外の相数の多相巻線を用いるようにしてもよい。この場合には、相数に応じた数の負極側素子４０Ａ、４０Ｂと正極側素子４２Ａ、４２Ｂを用いればよい。さらに、三相巻線２２Ａ、２２Ｂは、Ｙ結線に限らずΔ結線を行うようにしてもよい。

また、図３に示す複数個の電解コンデンサ２４は、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂをオンオフする際に発生するスイッチングノイズを除去あるいは低減するためのものである。電解コンデンサ２４は、例えばアルミニウム電極が用いられたアルミ電解コンデンサであって、端子の引き出し面を除く側面および底面が金属ケースで覆われており、この金属ケースの側面あるいは底面に防爆弁が形成されている。図３に示す例では４つの電解コンデンサ２４が用いられているが、スイッチングノイズの大きさに応じて適宜その数を変更することができる。電解コンデンサ２４の実装状態については後述する。

本実施形態では、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのそれぞれは、フレーム側端部がフレーム１のリア部１Ａの軸方向端面に放熱部材を介して接触しており、反フレーム側端部が冷却風の通風路Ｗ（図１）に露出するように取り付けられている。

制御装置６は、ブラシ装置５を介して回転子３の界磁巻線３３に供給する励磁電流を制御するとともに、電力変換器４に備わった負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのオンオフ制御を行う。なお、励磁電流を制御する構成と、負極側素子４０Ａ等をオンオフ制御する構成とを分けて、別部品にて構成するようにしてもよい。回転センサ７は、回転子３の位置を検出する。制御装置６では、電動動作時にこの検出結果に基づいて負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのオンオフ制御が行われる。

リアカバー８は、ブラシ装置５、電力変換器４、制御装置６、回転センサ７、電解コンデンサ２４等の電気部品を覆ってこれらを異物から保護する。このリアカバー８は、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂや電解コンデンサ２４のそれぞれの反フレーム側端部の外径側に、通風路Ｗの一方端となる吸入窓８０を有する。

本実施形態の車両用回転電機１００はこのような構成を有しており、次に、電解コンデンサ２４の実装状態について説明する。

（実装例１）
図４および図５に示すように、電解コンデンサ２４は、端子２４Ａ、２４Ｂの引き出し面２４Ｃを除いて金属ケース２４Ｄで覆われており、この金属ケース２４Ｄの側面の端子２４Ａ、２４Ｂ寄りに防爆弁２４Ｅが形成されている。実装例１では、リア部１Ａの軸方向端面には、金属ケース２４Ｄの外径形状に沿った凹部１５Ａが形成されている。この実装例では、この凹部１５Ａが、金属ケース２４Ｄの反端子側の半分を収容して覆うコンデンサ収容部１５となっている。また、コンデンサ収容部１５に電解コンデンサ２４（金属ケース２４Ｄ）を収容した状態で、金属ケース２４Ｄに形成された防爆弁２４Ｅは、コンデンサ収容部１５の外部に露出しており、防爆弁２４Ｅに対して隣接空間が確保されている。実装例１では、この隣接空間は、コンデンサ２４の周囲の外部空間と一致している。

このように、冷却液流路１１を有する水冷式のフレーム１にコンデンサ収容部１５を備えることにより、電解コンデンサ２４の冷却性を確保することができる。また、このコンデンサ収容部１５に電解コンデンサ２４を収容した際に防爆弁２４Ｅを遮蔽せずに隣接空間を確保することにより、防爆弁２４Ｅの機能を維持することができる。

また、防爆弁２４Ｅの隣接空間がコンデンサ２４の周囲の外部空間と一致しているためため、防爆弁２４Ｅの機能を確実に維持するとともに、防爆弁２４Ｅが破裂した際にその状況を外部空間から観察することが可能となる。さらに、図５に示すように、コンデンサ収容部１５に隣接する位置に冷却液流路１１Ａが形成されているため、コンデンサ収容部１５の温度を下げて電解コンデンサ２４の冷却を確実に行うことが可能となる。

（実装例２）
図６および図７に示すように、実装例２では、実装例１に対して、リア部１Ａの軸方向端面から突出する凸部１５Ｂが追加されている。この凸部１５Ｂは、横断面がＣ字形状を有しており、リア部１Ａの軸方向端面から突き出した電解コンデンサ２４の金属ケース２４の外周を、防爆弁２４Ｅが形成された領域を除いて覆っている。この実装例では、凹部１５Ａと凸部１５Ｂがコンデンサ収容部１５となっている。

凸部１５Ｂを設けることにより、電解コンデンサ２４の固定を確実に行うことができるとともに、フレーム１の一部形状を変更することで対応することができ、部品点数やコスト増加を防止することができる。なお、凹部１５Ａを設けずに、凸部１５Ｂのみによってコンデンサ収容部１５を形成するようにしてもよい。

（実装例３）
図８に示すように、実装例３では、実装例２に対して、凸部１５Ｂが２つに分割されている。これにより、電解コンデンサ２４全体に対して固定や冷却の偏りを考慮して凸部１５Ｂを形成することが可能となる。

（実装例４）
図９および図１０に示すように、実装例４では、実装例２に対して、凸部１５Ｂの周囲に複数の冷却フィン１５Ｃが追加されている。これらの冷却フィン１５Ｃは、凸部１５Ｂの表面積を増加させるとともに、通風路Ｗに沿って配置することにより、放熱を促すことができる。これにより、電解コンデンサ２４の冷却性をさらに向上させることが可能になり、機能維持を実現した防爆弁２４Ｅが作動することを未然に防止することができる。なお、冷却フィン１５Ｃをリア部１Ａの外径よりも外側に突出させるようにしてもよい。また、図９および図１０に示す例では、図６に示した実装例２に対して、冷却フィン１５Ｃの形成位置に合わせて電解コンデンサ２４の防爆弁２４Ｅの位置が変更されている。

（実装例５）
図１１および図１２に示すように、実装例５では、電解コンデンサ２４は、金属ケース２４Ｄの側面の底面寄りに防爆弁２４Ｅが形成されている。また、凹部１５Ａが形成されている点は実装例１と同じであるが、この凹部１５Ａの一部を外径側に拡大した点が実装例１と異なっている。この拡大部分１５Ｄの内部空間が防爆弁２４Ｅの隣接空間として用いられ、この隣接空間が電解コンデンサ２４の周囲の外部空間に連通している。

（実装例６）
図１３および図１４に示すように、実装例６では、実装例５に対して、防爆弁２４Ｅの位置が変更されているとともに、防爆弁２４Ｅの位置に合わせて拡大部分１５Ｄの形状が変更されている。具体的には、電解コンデンサ２４は、金属ケース２４Ｄの底面に防爆弁２４Ｅが形成されている。また、凹部１５Ａの拡大部分１５Ｄは、金属ケース２４Ｄの側面から底面に沿って延びており、拡大部分１５Ｄの内部空間が防爆弁２４Ｅの隣接空間まで延びて、この隣接空間が電解コンデンサ２４の周囲の外部空間に連通している。

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、発電動作と電動動作の両方を行うことが可能な車両用回転電機１００について説明したが、電動動作のみを行う車両用回転電機についても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、冷却液流路を有する水冷式のフレームにコンデンサ収容部を備えることにより、電解コンデンサの冷却性を確保することができる。また、このコンデンサ収容部に電解コンデンサを収容した際に防爆弁を遮蔽せずに隣接空間を確保することにより、防爆弁の機能を維持することができる。

４ 電力変換器
１１ 冷却液流路
１５ コンデンサ収容部
２２ 固定子巻線
２４Ｄ 金属ケース
２４Ｅ 防爆弁
２４ 電解コンデンサ
１００ 車両用回転電機

Claims (6)

1. 固定子巻線（２２）と、
   前記固定子巻線に駆動用電圧を供給するインバータ（４）と、
   端子（２４Ａ、２４Ｂ）の引き出し面（２４Ｃ）を除く金属ケース（２４Ｄ）の底面に防爆弁（２４Ｅ）が形成されており、前記インバータに接続された電解コンデンサ（２４）と、
   前記電解コンデンサを収容するコンデンサ収容部を有するフレームと、を備え、
   前記コンデンサ収容部は、前記金属ケースの外径形状に沿うように側面および底面に沿った凹部が形成され、前記防爆弁に対して前記凹部の一部を拡大した隣接空間を備えることを特徴とする車両用回転電機。
2. 固定子巻線（２２）と、
   前記固定子巻線に駆動用電圧を供給するインバータ（４）と、
   端子（２４Ａ、２４Ｂ）の引き出し面（２４Ｃ）を除く金属ケース（２４Ｄ）の面に防爆弁（２４Ｅ）が形成されており、前記インバータに接続された電解コンデンサ（２４）と、
   前記金属ケースを包囲するとともに、前記防爆弁に対して隣接空間が確保されたコンデンサ収容部（１５）を有するフレーム（１）と、を備え、
   前記コンデンサ収容部は、前記金属ケースの少なくとも一部を収容するために前記フレームの端面から突出する凸部（１５Ｂ）を有しており、
   前記凸部は、前記電解コンデンサの金属ケースの外周を前記防爆弁が形成された領域を除いて覆っていることを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記隣接空間は、前記電解コンデンサの周囲の外部空間と一致あるいは連通していることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、
   前記コンデンサ収容部は、前記金属ケースの少なくとも一部を収容するために前記フレームの端面に形成された凹部（１５Ａ）を有することを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項２において、
   前記凸部の周囲に冷却風を流す冷却ファン（３７）をさらに備えることを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、
   前記フレームは、冷却液通路（１１）を通して流れる冷却液によって冷却され、前記コンデンサ収容部に隣接する位置に前記冷却液流路を有することを特徴とする車両用回転電機。

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