JP2016226096A

JP2016226096A - インバータ一体型回転電機

Info

Publication number: JP2016226096A
Application number: JP2015108105A
Authority: JP
Inventors: 友明島野; Tomoaki Shimano; 藤田　暢彦; Nobuhiko Fujita; 暢彦藤田; 洋介宇野; Yosuke Uno
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2035-05-28
Also published as: DE102015219476A1; JP6038230B1; DE102015219476B4

Abstract

【課題】スイッチング時の電圧変動に関する回路ループを小さくし、インダクタンスを抑えることで、搭載する平滑コンデンサの容量を小さくし、小型化することが可能となるインバータ一体型回転電機を提供する。【解決手段】インバータ２１ａ，２１ｂ及び界磁モジュール２３に対して並列に接続された平滑コンデンサ２７を備えたインバータ一体型回転電機において、インバータ２１ａ，２１ｂは、ｎ相のブリッジ回路を形成するｎ個のパワーモジュール２２を、回転電機本体に設けられた共通のヒートシンク２５に円周状に配置して構成され、平滑コンデンサ２７は、パワーモジュール２２と対応するｎ個の平滑コンデンサで構成されると共に、ヒートシンク２５上にパワーモジュール２２と同一平面上で、かつ、各パワーモジュールの間、及び一端側に位置するパワーモジュールと隣接する個所にそれぞれ分散して配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、固定子巻線や界磁巻線に電力を供給するインバータが回転電機本体に一体的に取り付けられたインバータ一体型回転電機に関するものである。

従来、固定子巻線を有する固定子、界磁巻線を有する回転子、固定子と回転子を支持するブラケット、界磁巻線に通電するブラシ、および磁極位置検出センサを有する回転電機本体に、固定子巻線や界磁巻線に電力を供給するインバータがリヤブラケット後部外側に取り付けられたインバータ一体型回転電機において、スイッチング時のサージや出力電圧変動を抑制するため、平滑コンデンサを搭載することが提案されている。（例えば特許文献１参照）

特開２０１０−１３６４９９号公報

しかし、特許文献１においては、スイッチング時のサージや出力電圧変動を抑制するための平滑コンデンサが１箇所に集中配置されているため、スイッチング時の電圧変動に関係する回路ループが大きくなり、インダクタンスが大きくなるため、搭載する平滑コンデンサの容量が大きくなり、大型化する課題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、スイッチング時の電圧変動に関する回路ループを小さくし、インダクタンスを抑えることで、搭載する平滑コンデンサの容量を小さくし、小型化することが可能となるインバータ一体型回転電機を提供することを目的とするものである。

本発明は、ｎ(３以上の整数)相の固定子巻線と界磁巻線を有する回転電機本体とこの回転電機本体と一体的に設けられ、前記回転電機本体の回転軸の回転角度に基づき前記固定子巻線に流す電流を制御するインバータと、
前記界磁巻線に流す電流を制御する界磁スイッチング回路部と、
前記インバータ及び前記界磁スイッチング回路部に対して並列に接続された平滑コンデンサとを備え、前記平滑コンデンサを外部の直流電源に接続するインバータ一体型回転電機において、
前記インバータは、ｎ相のブリッジ回路を形成するｎ個のパワーモジュールを、前記回転電機本体に設けられた共通のヒートシンクに円弧状に配置して構成され、
前記平滑コンデンサは、前記パワーモジュールと対応するｎ個の平滑コンデンサで構成されると共に、前記ヒートシンク上に前記パワーモジュールと同一平面上で、かつ、前記パワーモジュールの間、及び一端側に位置する前記パワーモジュールと隣接する個所にそれぞれ分散して配置されているものである。

本発明のインバータ一体型回転電機によれば、スイッチング時のサージや出力電圧変動を抑制するための平滑コンデンサをパワーモジュー近傍に分散配置させることで、スイッチング時の電圧変動に関する回路ループを小さくし、インダクタンスを抑えることで、搭載する平滑コンデンサの容量を小さくし、小型化することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ一体型回転電機を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るインバータ一体型回転電機の概略回路を示す回路図である。本発明の実施の形態１に係るインバータ一体型回転電機のパワー回路を示す平面図である。本発明の実施の形態１に係るインバータ一体型回転電機のパワーモジュールを示す平面図である。本発明の実施の形態２に係るインバータ一体型回転電機の平滑コンデンサ搭載部を示す部分断面図である。本発明の実施の形態２に係るインバータ一体型回転電機の平滑コンデンサ搭載部の他の例を示す部分断面図である。本発明の実施の形態３に係るインバータ一体型回転電機のパワーモジュールを示す側面図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１を説明する。
図１〜４において、回転電機はフロントブラケット１及びリヤブラケット２からなるハウジングと、ｎ(３以上の整数：図ではｎ＝３)相の２組の固定子巻線３ａ，３ｂを有する固定子３と、回転軸５及び界磁巻線６を有する回転子４とを備え、固定子３はフロントブラケット１の一端部及びリヤブラケット２の一端部により支持固定され、回転子４は固定子３の内側に配置されている。
回転子４の回転軸５はハウジングに設けられたフロントベアリング７ａ、リヤベアリング７ｂにより回転自在に支持され、回転子４は固定子３に対して同軸に回転できるように構成されている。

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。
回転軸５のフロント側（フロントブラケット１の外側）の端部にはプーリ９が装着され、回転軸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。
ブラシホルダ１２、ブラシ１１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。

回転電機は、磁極位置検出センサ１３と制御装置２０及び制御装置２０を内包する外部カバー１４を備え、ブラシホルダ１２と磁極位置検出センサ１３と制御装置２０はリヤブラケット２の後方外側に配置されている。
磁極位置検出センサ１３はリヤベアリング７ｂとブラシホルダ１２の間に配置されており、リヤブラケット２の後方端部に装着されている。
本実施例では、磁極位置検出センサ１３は巻線型のセンサを用いており、巻線に電流を通電することにより、センサとして機能する。

制御装置２０は、２組の固定子巻線３ａ，３ｂに電流を供給するための２組のインバータ２１ａ，２１ｂと、界磁巻線６に供給する電力をコントロールするための界磁回路用半導体スイッチング素子を内包した界磁スイッチング回路部を形成する界磁モジュール２３と、樹脂製のケース２４と、界磁モジュール２３を冷却するためのヒートシンク２５と、半導体スイッチング素子や回転電機の動作を制御するための制御回路が搭載された制御基板２６から構成される。(図２参照)

２組のインバータ２１ａ，２１ｂは、それぞれ固定子巻線３ａ，３ｂに電流を供給するためのｎ(図ではｎ＝３)相のブリッジ回路を形成するｎ(図ではｎ＝３)個のパワーモジュール２２と、界磁巻線６に供給する電力をコントロールするための界磁回路用半導体スイッチング素子を内包した界磁モジュール２３と、樹脂性のケース２４とパワーモジュール２２と界磁モジュール２３を冷却するためのヒートシンク２５と、半導体スイッチング素子や回転電機の動作を制御するための制御回路が搭載された制御基板２６から構成される。

ヒートシンク２５は回転軸５の周辺が中空となった略円環状であり、ケース２４も回転軸５の周辺が中空となるように構成されており、制御装置２０の回転軸周辺が中空となるように構成され、制御装置２０の中空部にブラシホルダ１２および磁極位置検出センサ１３が配置されている。
なお、ヒートシンク２５は、リヤブラケット２に固定、保持され、ヒートシンク３１とリヤブラケット２が同電位になるように構成されている。

各パワーモジュール２２はブリッジ回路の上下アームを形成する一対のパワー用半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂをモジュール化して構成されており、ＰＷＭスイッチング動作により電流制御される。(図４参照)
各パワーモジュール２２の電源とアース間にＰＷＭスイッチによる電圧変動を抑えるために、パワーモジュール２２の個数に対応した個数の平滑コンデンサ２７が接続される。
本実施の形態１では、２ｎ(図ではｎ＝３)個のパワーモジュール２２に対し、２ｎ(図ではｎ＝３)個、合計６個の平滑コンデンサ２７が設けられる。

そして、各パワーモジュール２２は、各組ごとに、共通のヒートシンク２５に間隔を置いて円弧状に配置され、各平滑コンデンサ２７は、ヒートシンク２５上にパワーモジュール２２と同一平面上で、かつ、各パワーモジュール２２の間、及び一端側に位置するパワーモジュール２２に隣接する個所にそれぞれ分散して配置される。
この状態で、２組のパワーモジュール２２及びこれに対応する平滑コンデンサ２７が、ヒートシンク２５の径方向の中心線ＣＬに対して他の組と互いに対称関係になるように配置される。(図３参照)

以上のように、本実施の形態によれば、インバータ２１ａ，２１ｂ及び界磁モジュール２３に対して並列に接続された平滑コンデンサ２７を備えたインバータ一体型回転電機において、インバータ２１ａ，２１ｂは、ｎ相のブリッジ回路を形成するｎ個のパワーモジュール２２を、回転電機本体に設けられた共通のヒートシンク２５に円弧状に配置して構成され、平滑コンデンサ２７は、パワーモジュール２２と対応するｎ個の平滑コンデンサで構成されると共に、ヒートシンク２５上にパワーモジュール２２と同一平面上で、かつ、各パワーモジュールの間、及び一端側に位置するパワーモジュール２２に隣接する個所にそれぞれ分散して配置されており、このようにスイッチング時のサージや出力電圧変動を抑制するための平滑コンデンサをパワーモジュール近傍に分散配置させることで、スイッチング時の電圧変動に関する回路ループを小さくし、インダクタンスを抑えることで、搭載する平滑コンデンサの容量を小さくし、小型化することが可能となる。

また、平滑コンデンサ２７が回転軸５の径方向に放射状に並んでいることで、平滑コンデンサ２７の組付け性を向上することができる。
更に、ブリッジ回路の上アーム、下アームを形成するパワー用半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂが１つにモジュール化されたパワーモジュール２２を用いることにより、小型化を図ることが可能となる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２を説明する。
図５は本発明の実施の形態２に係る平滑コンデンサ搭載部を示すもので、本実施の形態では、各平滑コンデンサ２７はヒートシンク２５の掘り込み部２５ａに収納されると共に、絶縁性レジン２８によってヒートシンク２５及びケース２４と一体的に絶縁固定されている。
平滑コンデンサ２７同士は直接接続されることはなく、基板または金属ターミナルを介して溶接により接続されている。
このようにすれば、インバータ２１ａ，２１ｂを大型化する必要がないため、車両レイアウトを変更することなく、スイッチング時のサージや出力電圧変動を抑制するための平滑コンデンサ２７を効果的に搭載することが可能となる。

なお、平滑コンデンサ２７と基板または金属ターミナルとの接続は、図６に示すように接続基板２９を介して半田付けにより行うこともできる。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３に係るパワーモジュール２２の側面図を示す。
本実施の形態では、固定子巻線３ａに電流を供給するためのパワーモジュール２２の側面が台形形状となっている。
台形形状とすることで、パワーモジュール２２成形後の離型が容易になり、生産性を向上することが可能となる。
界磁モジュール２３についても同様のことが言える。

なお、本発明は、本発明の範囲内において、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，３ｂ：固定子巻線、４：回転子、５：回転軸、６：界磁巻線、７ａ：フロントベアリング、７ｂ：リヤベアリング、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、１４：外部カバー
２０：制御装置、２１ａ，２１ｂ：インバータ、２２：パワーモジュール、２２ａ，２２ｂ：パワー用半導体スイッチング素子、２３：界磁モジュール、２４：ケース、２５：ヒートシンク、２５ａ:掘り込み部、２６：制御基板、２７：平滑コンデンサ、２８：絶縁性レジン、２９：接続基板

本発明は、ｎ(３以上の整数)相の固定子巻線と界磁巻線を有する回転電機本体と、
この回転電機本体と一体的に設けられ、前記回転電機本体の回転軸の回転角度に基づき前記固定子巻線に流す電流を制御するインバータと、
前記界磁巻線に流す電流を制御する界磁スイッチング回路部と、
前記インバータ及び前記界磁スイッチング回路部に対して並列に接続された平滑コンデンサとを備え、前記平滑コンデンサを外部の直流電源に接続するインバータ一体型回転電機において、
前記インバータは、ｎ相のブリッジ回路を形成するｎ個のパワーモジュールを、前記回転電機本体に設けられた共通のヒートシンクに円弧状に配置して構成され、
前記平滑コンデンサは、前記パワーモジュールと対応するｎ個の平滑コンデンサで構成されると共に、前記ヒートシンクの前記パワーモジュールが配置された面において、前記パワーモジュールの間、及び一端側に位置する前記パワーモジュールと隣接する個所にそれぞれ分散して前記ヒートシンクと一体的に絶縁固定されているものである。

本発明は、
ｎ(３以上の整数)相の固定子巻線と界磁巻線を有する回転電機本体と、
この回転電機本体と一体的に設けられ、前記回転電機本体の回転軸の回転角度に基づき前
記固定子巻線に流す電流を制御するインバータと、
前記界磁巻線に流す電流を制御する界磁スイッチング回路部と、
前記インバータ及び前記界磁スイッチング回路部に対して並列に接続された平滑コンデンサとを備え、前記平滑コンデンサを外部の直流電源に接続するインバータ一体型回転電機
において、
前記インバータは、ｎ相のブリッジ回路を形成するｎ個のパワーモジュールを、前記回転
電機本体に設けられた共通のヒートシンクに円弧状に配置して構成され、
前記平滑コンデンサは、前記パワーモジュールと対応するｎ個の平滑コンデンサで構成さ
れると共に、前記ヒートシンクの前記パワーモジュールが配置された面において、前記パワーモジュールの間、及び一端側に位置する前記パワーモジュールと隣接する個所にそれぞれ分散して前記ヒートシンクと一体的に絶縁固定され、かつ前記平滑コンデンサが前記ヒートシンクの掘り込み部にそれぞれ収納され、基板または金属ターミナルを介して互いに接続されているものである。

Claims

ｎ(３以上の整数)相の固定子巻線と界磁巻線を有する回転電機本体と
この回転電機本体と一体的に設けられ、前記回転電機本体の回転軸の回転角度に基づき前記固定子巻線に流す電流を制御するインバータと、
前記界磁巻線に流す電流を制御する界磁スイッチング回路部と、
前記インバータ及び前記界磁スイッチング回路部に対して並列に接続された平滑コンデンサとを備え、前記平滑コンデンサを外部の直流電源に接続するインバータ一体型回転電機において、
前記インバータは、ｎ相のブリッジ回路を形成するｎ個のパワーモジュールを、前記回転電機本体に設けられた共通のヒートシンクに円弧状に配置して構成され、
前記平滑コンデンサは、前記パワーモジュールと対応するｎ個の平滑コンデンサで構成されると共に、前記ヒートシンク上に前記パワーモジュールと同一平面上で、かつ、前記パワーモジュールの間、及び一端側に位置する前記パワーモジュールと隣接する個所にそれぞれ分散して配置されている
ことを特徴とすることを特徴とするインバータ一体型回転電機。
前記固定子巻線、前記インバータ、及び前記平滑コンデンサは、それぞれ２組設けられ、これら２組の前記パワーモジュール及びこれに対応する前記平滑コンデンサが、他の組と互いに対称関係になるように配置されていることを特徴とする請求項１記載のインバータ一体型回転電機。
前記平滑コンデンサが前記回転軸に対して放射状に並んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ一体型回転電機。
前記各パワーモジュールは、各相のブリッジ回路を形成する上下アームのパワー用半導体スイチング素子で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のインバータ一体型回転電機。
前記平滑コンデンサが前記ヒートシンクの掘り込み部に収納されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のインバータ一体型回転電機。
前記パワーモジュールの側面が台形形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のインバータ一体型回転電機。
３相の２組の固定子巻線と界磁巻線を有する回転電機本体と
この回転電機本体と一体的に設けられ、前記回転電機本体の回転軸の回転角度に基づき前記２組の固定子巻線に流す電流を制御する２組のインバータと、
前記界磁巻線に流す電流を制御する界磁スイッチング回路部と、
前記２組の各インバータ及び前記界磁スイッチング回路部に対して並列に接続された平滑コンデンサとを備え、前記平滑コンデンサを外部の直流電源に接続するインバータ一体型回転電機において、
前記２組の各インバータは、３相のブリッジ回路を形成する３個のパワーモジュールを、前記回転電機本体に設けられた共通のヒートシンクに円弧状に配置して構成され、
前記平滑コンデンサは、前記２組の各インバータの前記パワーモジュールと対応する６個の平滑コンデンサで構成されると共に、前記ヒートシンク上に前記２組の各インバータの前記パワーモジュールと同一平面上で、かつ、前記パワーモジュールの間、及び一端側に位置する前記パワーモジュールに隣接する個所にそれぞれ分散して配置され、
前記２組のインバータの前記パワーモジュール及びこれに対応する前記平滑コンデンサが、他の組と互いに対称関係になるように配置されていることを特徴とするインバータ一体型回転電機。