JP2018050410A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチングノイズ低減及び除去（ＥＭＣ対策）として使用されるコンデンサを搭載していながら、コンパクトな構成の制御装置一体型車両用回転電機を提供する。【解決手段】コンデンサを電力モジュールの搭載された基板と、回転子と固定子を保持するブラケットとの間に配置した。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車両装置に搭載される、制御装置一体型の回転電機に関するものである。

従来の制御装置一体型の回転電機において、制御装置の構成は、インバータ回路部と制御回路部とで構成されている。インバータ回路部は、直交変換を行うスイッチング素子から構成される電力モジュールと、インバータ回路の直流端子間に接続されたコンデンサと、スイッチング素子およびコンデンサを冷却するヒートシンクなどから構成されている。
このような制御装置はリヤブラケットの後方に配置されているが、コンデンサは、電力モジュールと略同一面に固定されるか（例えば特許文献１参照）、電力モジュールと重ならない略同一面に固定されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１５−６１４０８号公報 特開２０１５−１６３０４６号公報

このような制御装置では、インバータ回路を構成するスイッチング素子は、高周波スイッチングにより生じるリプル電流を吸収するために高温になりやすく、それによる寿命の低下といった問題が生じるため、コンデンサもスイッチング素子と同様にヒートシンクに密着させ冷却する構造をとっていた。
しかしながら、このような回転電機にあっては、リヤブラケット後方から見たときに、電力モジュールとコンデンサが重ならないように配置され、ヒートシンク上の略同一平面に配置されているので、大きな実装面積が必要という問題があった。
また、特許文献２のような構成の場合、電力モジュールの発熱を放熱するためのヒートシンクがコンデンサの搭載によって密集されるため、十分な冷却性能が得られないという問題があった。
また、使用されるコンデンサは、電力モジュールより高さが高いために、制御装置の高さが増してしまう。すなわち、回転電機全体の軸方向の長さが長くなってしまうという問題があった。
また、コンデンサの配置が回転電機本体より遠いため、車両からの振動による加振力が大きくなってしまうという問題があった。
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、スイッチング素子の冷却を妨げることなく、軸方向長さの短い制御装置一体型車両用回転電機を得ることを目的とするものである。

この発明に係わる車両用回転電機は、回転子および固定子を収容して保持するブラケットと、回転子の回転軸方向で、ブラケットに隣り合って配置されている基板と、この基板上に搭載され、固定子の巻線に流れる電流を制御する電力モジュールを備えており、電力モジュールのスイッチングノイズを低減するコンデンサは、ブラケットと基板との間に配設されていることを特徴とする。

この発明の車両回転電機は、回転電機本体の軸方向長さを変えることなく、コンデンサを実装することができる。

この発明の実施の形態１における回転電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の制御装置をリヤ側から見た平面図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の電気回路図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の別の電気回路図である。 この発明の実施の形態１におけるコンデンサモジュールの蓋を外した状態での平面図である。 図５ＡのＸ−Ｘ断面図である。 この発明の実施の形態１におけるコンデンサモジュール６００の底面図である。 この発明の実施の形態１の回転電機のコンデンサモジュール６００の搭載位置を示す配置図である。

実施の形態１．
以下、本発明を適用した実施の形態１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はこの発明の実施の形態１における回転電機を示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機における制御装置３をリヤ側から見た平面図（制御基板２５は図示せず）、図３および図４はこの発明の実施の形態１における回転電機の電気回路図である。図中、同一符号を付したものは、同一または相当の構成であることを表す。

図１において、回転電機１は、回転電機本体２と、回転電機本体２に配置された制御装置３とを有する機電一体型回転電機である。この実施の形態１では、回転電機１は交流発電電動機（モータジェネレータ）である。
回転電機本体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に対して回転可能な回転子５と、固定子４及び回転子５を支持するケース（支持体）６とを有している。

ケース６は、回転子５の軸線方向について固定子４を挟むフロントブラケット７及びリヤブラケット８と、フロントブラケット７及びリヤブラケット８の間を締め付ける複数の締結ボルト９とを有している。フロントブラケット７及びリヤブラケット８は金属製とされている。

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のそれぞれに固定された筒状の固定子鉄心１０と、固定子鉄心１０に設けられた固定子巻線（電機子巻線）１１とを有している。
回転子５は、軸線上に配置された回転軸１２と、回転軸１２の中間部に固定された回転子鉄心１３と、回転子鉄心１３に設けられた回転子巻線（界磁巻線）１４とを有している。

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を貫通している。また、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１５ａ、１５ｂを介して回転自在に支持されている。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と一体に回転され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７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。また、回転軸１２のリヤブラケット８側には、回転軸１２の回転位置に応じた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。

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。スリップリング１９には、回転子５に磁界を発生させるための界磁電流をスリップリング１９に供給するための導電性のブラシ２０がそれぞれ接触している。リヤブラケット８には、各スリップリング１９に対して接離する方向へブラシ２０を案内するブラシホルダ２１が設けられている。ブラシホルダ２１には、各スリップリング１９に接触する方向へ各ブラシ２０を個別に付勢する押圧ばね２２が設けられている。各ブラシ２０は、押圧ばね２２の付勢力により、スリップリング１９に押し付けられる。回転子５が回転されるときには、スリップリング１９がブラシ２０に対して摺動される。

制御装置３は、リヤブラケット８に支持され、樹脂形成されたカバー４０で覆われている。制御装置３は、バッテリ３０と接続されるバッテリ端子３０ａ、及び固定子巻線１１のリード線１１ａと制御装置３との間を中継する中間配線部材５０と電気的に接続される電力モジュール２３、及びバッテリ端子３０ａからの直流電力を調整して界磁電流として回転子巻線１４に供給する界磁モジュール２４、及び電力モジュール２３と界磁モジュール２４が配置されるヒートシンク２８、及びヒートシンク２８に配設された冷却フィン２９、及び電力モジュール２３と界磁モジュール２４が接続される導電バスバー構造体３１、及び電力モジュール２３と界磁モジュール２４のそれぞれを制御する制御回路部１００（図１では図示せず）を備えた制御基板２５、を有している。制御基板２５は、ヒートシンク２８と反対側の電力モジュール平面部の上方に配置されている。コンデンサ６０が複数個収納されたコンデンサモジュール６００は、ヒートシンク２８とリヤブラケット８の間に配設され、負端子６４は、ねじによってリヤブラケット８に固定されている。

図２において、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とを有し、ヒートシンク２８に固定されている。
電力モジュール２３は、界磁モジュール２４と同様にヒートシンク２８に固定されている。電力モジュール２３は、固定子電流を通電する２つのスイッチング素子２６を直列に接続した素子対をモールディングして製作され、Ｐ端子２３ａと、Ｎ端子２３ｂと、固定子巻線と接続される交流入出力であるＡＣ端子２３ｃと、信号端子２３ｄとを有する。信号端子２３ｄは、直列接続される一方のスイッチング素子２６のソースと他方のスイッチング素子２６のドレインとの接点に接続される端子、および各スイッチング素子２６のゲート電極に接続される端子である。

導電バスバー構造体３１は各電力モジュール２３が接続される電力入出力ターミナル３１ａと、Ｎ端子２３ｂが接続されるＮターミナル３１ｂと、ＡＣ端子２３ｃが接続されるＡＣターミナル３１ｃをモールディングして製作されている。ヒートシンク２８とリヤブラケット８の間に配設されたコンデンサモジュール６００の正端子６３はバッテリ端子３０ａと同電位の導体バスバー３１ｄに接続されている。
なお、図２では示さないが、前述した通り、ヒートシンク２８と反対側の電力モジュール平面部の上方に配置された制御基板２５には、電力モジュール２３の信号端子２３ｄ、界磁モジュール２４の信号端子２４ｄ、回転位置検出センサ１８の信号端子１８ａ、外部接続用コネクタ２７の信号端子などが制御回路部１００と電気的に接続されている。

次に、制御装置３の動作について、図３の電気回路図を使って説明する。
制御基板２５の制御回路部１００では、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を通じて外部機器（例えば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及び電力モジュール２３を制御する。エ
ンジンの始動時には、バッテリ３０からの直流電力が電力モジュール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では、制御回路部１００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動作が行われる。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。
一方、電力モジュール２３は、固定子巻線１１を構成する三相巻線の各相に接続され、制御回路部１００からの制御指令により、スイッチング動作が行われ、インバータ回路を構成する。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。電力モジュール２３で変換された交流電力は、ＡＣ端子２３ｃなどを介して固定子巻線１１に供給される。これにより、図１に示された固定子４には回転磁界が発生し、回転子５が回転される。回転子５の回転により、プーリ１７が回転され、エンジン（図示せず）が始動される。

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が回転され、固定子巻線１１に交流電力が誘起される。このとき、電力モジュール２３では、電流検出器（図示せず）により検出された複数の相電流の値から制御回路部１００の制御により、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、電力モジュール２３からの直流電力は、バッテリ３０に充電される。

これら電力モジュール２３のスイッチング動作によって発生するノイズは、コンデンサ６０によって低減または除去される。
また、コンデンサ６０は、図４のように、電力モジュール２３の正極と負極の間、すなわち、インバータ回路の各相の直流端子間に接続されていてもよい。この構成では、ノイズの低減、除去のみならず、直流端子間の電位の変動、すなわち、印加電圧の振幅の変動を平滑化することが可能である。

次に、本実施の形態１におけるコンデンサについて、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃを用いて説明する。図５Ａは、この発明の実施の形態１におけるコンデンサモジュール６００の蓋６５を外した状態での平面図、図５Ｂは図５ＡのＸ−Ｘ断面図、図５Ｃはこの発明の実施の形態１のコンデンサモジュール６００の底面図であり、リヤブラケット８と向かい合っている。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃのコンデンサは、導電性ターミナル６２を成形したケース６１に収納され、モジュール化されている。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃにおいて、コンデンサモジュール６００の３個のコンデンサ６０は、ケース６１と一体に成形された導電性ターミナル６２にはんだ等にて接続されている。ケース６１には、コンデンサ６０の正極から導電性ターミナル６２ａにより引出され、バッテリ３０と接続される正端子６３と、コンデンサ６０の負極から導電性ターミナル６２ｂにより引き出され、アース電位のリヤブラケット８に接続されている負端子６４を備えている。本実施の形態１では、負端子６４はコンデンサモジュール６００の固定を兼ねている。当然であるが収納されるコンデンサ６０は必要な静電容量、リプル電流の大きさなどにより数が決定されるため、３個の限りではない。

図６は、この発明の実施の形態１の回転電機のコンデンサモジュール６００の搭載位置を示す配置図であり、図２同様、回転電機１のリヤ側から見た平面図であるが、コンデンサモジュール６００は、電力モジュール２３の搭載面とリヤブラケット８の間に配設されているので、この図では制御基板２５、ヒートシンク２８は図示していない。破線で示された、ヒートシンク２８上に搭載された電力モジュール２３の搭載位置とは離れた位置にコンデンサモジュール６００は配置されている。

この実施の形態１によれば、コンデンサモジュール６００は、電力モジュール２３が搭載されたヒートシンク２８とリヤブラケット８の間に配置されているので、回転電機本体の軸方向長さを変えることなく、コンデンサ６０及びコンデンサモジュール６００を実装することができる。
また、リヤブラケット８にコンデンサモジュール６００を介してコンデンサ６０が固定されているので、振動環境のよい回転電機本体に取付けられていることから、耐振動性が向上する。
また、コンデンサモジュール６００内のコンデンサ６０の発熱を、リヤブラケット８に密着させることで冷却することができる。
また、リヤ側から見たときに、電力モジュール２３の配置されていない場所にコンデンサモジュール６００及びコンデンサ６０が搭載されているので、図１に示すようにヒートシンク２８の冷却フィン２９を配設する空間を確保することができ、電力モジュール２３の冷却を妨げない。
また、コンデンサ６０及びコンデンサモジュール６００は、バッテリ端子３０ａの近傍で、リヤブラケット８に固定されていることで、コンデンサ６０の正端子（コンデンサモジュールの正端子６３）とバッテリ３０との接続、及びコンデンサ６０の負端子（コンデンサモジュールの負端子６４）とアース電位のリヤブラケット８とを容易に接続できる。
また、コンデンサ６０を複数個並べてモジュール化しているので、故障時のメンテナンスが容易にできる。さらに、コンデンサの数量を変更すれば多機種に展開でき、制御装置の他の部品構成に与える影響も少ないので、生産効率も高い。
また、コンデンサ６０及びコンデンサモジュール６００の取り付けは、固定子４のリード線１１ａを電力モジュール２３まで中継する中間配線部材５０の取り付け時に実施でき、生産性がよい。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 回転電機、２ 回転電機本体、３ 制御装置、４ 固定子、５ 回転子、６ ケース、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、１５ａ、１５ｂ 軸受、１６ 冷却ファン、１７ プーリ、１８ 回転位置検出センサ、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 電力モジュール、２４ 界磁モジュール、２５ 制御基板、２６ スイッチング素子、２７ 接続用コネクタ、２８ ヒートシンク、２９ 冷却フィン、３０ バッテリ、３１ 導電バスバー構造体、４０ カバー、５０ 中間配線部材、６０ コンデンサ、６１ ケース、６２ 導電性ターミナル、６３ 正端子、６４ 負端子、６５ 蓋、６００ コンデンサモジュール

この発明に係わる車両用回転電機は、回転子および固定子を収容して保持するブラケット、回転子の回転軸方向で、ブラケットに隣り合って配置されているヒートシンク、ヒートシンクに配置され、固定子の巻線に流れる電流を制御する電力モジュール、電力モジュールの、ヒートシンクに配置される面と反対側に配設され、電力モジュールと電気的に接続される制御基板を備えており、電力モジュールのスイッチングノイズを低減するコンデンサは、ブラケットとヒートシンクとの間で、ヒートシンク上に搭載された電力モジュールの搭載位置から離れた位置に配設されていることを特徴とする。

この発明の車両回転電機は、回転電機本体の軸方向長さを変えることなく、コンデンサを実装することができるとともに、ヒートシンクの冷却フィンを配設する空間を確保することができ、電力モジュールの冷却を妨げない。

Claims (6)

1. 回転子および固定子を収容して保持するブラケット、前記回転子の回転軸方向で、前記ブラケットに隣り合って配置されている基板、この基板上に搭載され、前記固定子の巻線に流れる電流を制御する電力モジュールを備えた車両用回転電機において、前記電力モジュールのスイッチングノイズを低減するコンデンサは、前記ブラケットと前記基板との間に配設されていることを特徴とする車両用回転電機。
2. 前記コンデンサは前記ブラケットに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機。
3. 前記コンデンサが複数個収納されているコンデンサモジュールが前記ブラケットに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機。
4. 前記コンデンサの負極は前記ブラケットに接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の車両用回転電機。
5. 前記コンデンサは前記基板に配設されているバッテリ端子の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の車両用回転電機。
6. 前記電力モジュールは、前記固定子の３相巻線に交流電力を供給するインバータ回路を構成し、前記コンデンサは前記インバータ回路の各相の直流端子間に接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の車両用回転電機。

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