JP2021114846A

JP2021114846A - 回転電機

Info

Publication number: JP2021114846A
Application number: JP2020006507A
Authority: JP
Inventors: 潤田原; Jun Tawara; 誉橋場; Homare Hashiba; 聖光永; Sei Mitsunaga; 浩之東野; Hiroyuki Tono; 光範石崎; Mitsunori Ishizaki; 利昭柏原; Toshiaki Kashiwabara; 直司村上; Naoji Murakami; 義信内海; Yoshinobu Uchiumi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2040-01-20
Also published as: CN113141088A; FR3106450A1; FR3106450B1; US20210226506A1; JP6854936B1; DE102021200340A1; US11552525B2

Abstract

【課題】回転電機の軸方向に大型化することなく、電力供給ユニットを効率的に冷却できるようにした回転電機を提供する。【解決手段】回転電機本体１と電力供給ユニット２は一体に固定され、電力供給ユニット２を構成する金属筐体２６の回転電機本体１側に冷媒通路５７が設けられる。冷媒通路５７と回転電機本体１に供給する電力を制御する制御部品とは、回転電機本体１の軸方向の同一平面上に配置されると共に、冷媒通路５７は、電子部品より回転電機本体１の径方向の外側に配置される。【選択図】図１

Description

本願は、回転電機に関するものである。

パワー回路部を含む電力供給ユニットと回転電機本体とが一体化され、自動車などの車両に搭載される回転電機は、例えば特許文献１に開示されているように、従来から知られている。前記パワー回路部を含む電力供給ユニットは、回転電機が内燃機関を駆動する電動機として動作するときには、車両に搭載されたバッテリなどの直流電源からの直流電力を交流電力に変換して回転電機本体に供給する。又、回転電機が内燃機関により駆動されて発電機として動作するときには、前記電力供給ユニットは、回転電機本体が発電した交流電力を直流電力に変換して直流電源に供給する。パワー回路部は、周知のように複数の半導体スイッチング素子により構成されている。

前記パワー回路部を構成する半導体スイッチング素子などの電子部品は、電流が流れて動作することにより発熱するため冷却する必要がある。出力の増加、或いは電力供給ユニットの小型化により発熱密度が増大し、空冷で温度上昇を抑制できない場合は熱伝達の高い冷媒が用いられている。

独国特許出願公開第１０２０１１０８７６０２号明細書

パワー回路部の全体に発熱部品を配置すると、冷媒をパワー回路部全体に配置する必要がある。前記特許文献１のように、パワー回路部と回転電機本体との間に冷媒を配置すると、電力供給ユニットが回転電機の軸方向に大型化し、周囲の他の機器に干渉する課題が生じる。

本願は、前記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、回転電機の軸方向に大型化することなく、電力供給ユニットを効率的に冷却できるようにした回転電機を提供することを目的とする。

本願に開示される回転電機は、回転電機本体と電力供給ユニットとを備え、前記回転電機本体と前記電力供給ユニットとが前記回転電機本体の軸方向に並置されて一体に固定された回転電機であって、
前記回転電機本体は、
ハウジングに固定された固定子と、
前記ハウジングに回転自在に支持された回転子軸に固定された回転子と、
前記回転子と共に回転し、前記ハウジングに設けられた前記軸方向に開口する吸気口から前記ハウジングの内部に冷却風を吸入させ、前記ハウジングに設けられた排気口から前記冷却風を前記ハウジングの外部へ排出させる冷却ファンと、を備え、
前記電力供給ユニットは、
前記回転電機本体に供給する電力を制御する電力半導体モジュールと前記回転電機本体に供給する電力を制御する制御部品を備えたパワー回路部と、
前記パワー回路部を制御する制御回路部を備えた制御基板と、
前記パワー回路部と前記制御基板を搭載し、冷媒を流通させる冷媒通路を設けた金属筐体と、を備え、
前記冷媒通路は、前記金属筐体の前記回転電機本体側に設けられると共に、前記制御部品と前記軸方向の同一平面上に配置されていることを特徴とする。

本願に開示される回転電機によれば、軸方向に大型化することなく、電力供給ユニットを効率的に冷却できる回転電機を提供することができる。

実施の形態１による回転電機を示す要部断面図である。実施の形態１による回転電機の回路図である。実施の形態１による回転電機の電力供給ユニットを説明する図である。実施の形態１による回転電機の電力供給ユニットを説明する図である。

以下、本願による回転電機の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において、同一又は相当部分については同一符号を付している。

実施の形態１．
図１は実施の形態１による回転電機を示す要部断面図であって、図３のＡ−Ａ線の矢印方向から見た要部の断面を示している。図２は実施の形態１による回転電機の電力供給ユニットを主体とする回路図であり、図３及び図４は実施の形態１による回転電機の電力供給ユニットを説明する図である。なお、以下の説明で、単に軸方向と記載している場合は、回転電機、或いは回転電機本体の軸方向を意味し、径方向と記載している場合は、回転電機、或いは回転電機本体の径方向を意味している。

図１、図２、図３、及び図４において、回転電機１００は、回転電機本体１と、回転電機本体１の軸方向に並置されて回転電機本体１と一体化され、回転電機本体１に電力を供給する電力供給ユニット２を備えている。回転電機本体１は、内燃機関（図示せず）を駆動する電動機として動作し、或いは内燃機関により駆動されて発電する発電機として動作することができる。実施の形態１による回転電機１００は、内燃機関の始動用回転電機として構成されている。

回転電機本体１は、それぞれ、鉄などの金属材料を用いて椀状に形成された負荷側ブラケットとしてのフロントブラケット３、反負荷側ブラケットとしてのリヤブラケット４、フロントブラケット３及びリヤブラケット４からなるハウジング５、回転子軸６に固定された回転子７、回転子７に設けられた界磁巻線８、及び固定子９を備えている。固定子９は、固定子鉄心９１と、固定子鉄心９１に装着された固定子巻線９２を備えている。

回転子軸６は、フロントブラケット３に設けられたフロント側ベアリング１０と、リヤブラケット４に設けられたリヤ側ベアリング１１により、ハウジング５に回転可能に支持されている。回転子７は、回転子軸６に固定されており、ハウジング５の内部に回転可能に配設されている。固定子鉄心９１は、フロントブラケット３の軸方向の一端部とリヤブラケット４の軸方向の一端部により軸方向の両側から挟持され、ハウジング５に固定されている。固定子９の内周面は、回転子７の外周面に対し、所定のエアギャップを介して回転電機本体１の径方向に対向している。

フロントブラケット３から反回転電機本体１側に突出した回転子軸６のフロント側端部には、プーリ１２が装着されている。回転電機本体１は、プーリ１２とプーリ１２に巻き掛けられたベルト（図示せず）を介して内燃機関のクランク軸（図示せず）に連結されている。

回転子７のフロント側端面に固定された第１の冷却ファン１３、及び回転子７のリヤ側端面に固定された第２の冷却ファン１４は、回転子７と共に回転する。フロントブラケット３の軸方向の端部には、冷却風を回転電機本体１の内部に吸入する第１の吸気口１５が設けられ、リヤブラケット４の軸方向の端部には、冷却風を回転電機本体１の内部に吸入する第２の吸気口１６が設けられている。第１の吸気口１５と第２の吸気口１６は、回転子軸６の周囲に複数個設けられている。フロントブラケット３の外周面部には、回転電機本体１の内部から冷却風を外部へ排出する第１の排気口１７が設けられ、リヤブラケット４の外周面部には、回転電機本体１の内部から冷却風を外部へ排出す第２の排気口１８が設けられている。

第１の吸気口１５と第１の排気口１７とを連通する第１の通風路Ｒ１は、フロントブラケット３の軸方向の内側端面と回転子７の負荷側の軸方向端面との間に形成されている。第１の冷却ファン１３は、第１の通風路Ｒ１内に配置されている。第２の通風路Ｒ２は、後述する電力供給ユニット２の内周部と回転子軸６の外周面との間に形成され、回転電機１００の外部とリヤブラケット４の第２の吸気口１６とを連通する。第２の吸気口１６と第２の排気口１８とを連通する第３の通風路Ｒ３は、リヤブラケット４の軸方向の内側端面と回転子７の反負荷側の軸方向端面との間に形成されている。第２の冷却ファン１４は、第３の通風路Ｒ３の内部に配置されている。

第１の冷却風Ｗ１は、第１の冷却ファン１３の回転による遠心力により、フロントブラケット３の外部から第１の吸気口１５に吸入され、第１の通風路Ｒ１から第１の排気口１７を介して回転電機本体１の外部に排出される。第２の冷却風Ｗ２は、第２の冷却ファン１４の回転による遠心力により、電力供給ユニット２の外部から第２の通風路Ｒ２に吸入され、リヤブラケット４の第２の吸気口１６を介して第３の通風路Ｒ３に至り、第２の排気口１８を介して回転電機本体１の外部に排出される。

電力供給ユニット２は、後述する上アーム電力半導体スイッチング素子と下アーム電力半導体スイッチング素子とシャント抵抗とを含む電力半導体モジュール２０、固定子巻線９２に流れる電流を平滑化する平滑コンデンサ２１（図２参照）、コンデンサ或いはコイルなどを含みノイズを抑制する入力フィルタ２２、樹脂製のケース２３、樹脂製のカバー２４、制御基板２５、金属筐体２６、回転子７に電力を供給するブラシ２７、及び回転電機１００の回転を検出する回転センサ２８などにより構成されている。電力半導体モジュール２０、平滑コンデンサ２１、及び入力フィルタ２２は、パワー回路部を構成している。金属筐体２６は、ヒートシンクとしての機能し、図３及び図４に示すように、回転電機本体１の軸方向から見て円形状に形成されている。ここで、平滑コンデンサ２１、入力フィルタ２２、ブラシ２７、回転センサ２８はそれぞれ制御部品を構成し、電力半導体モジュール２０と同様に回転電機本体１に供給する電力を制御する。なお、入力フィルタ２２は、ノイズの抑制を必要としない場合には不要となることもある。

電力半導体モジュール２０は、１個が１相分として構成されており、回転電機本体１が３相回転電機である場合には３個設けられ、それぞれ並列接続される。即ち、実施の形態１では回転電機本体１は３相回転電機本体として構成されているので、図２に示すように、電力半導体モジュール２０は、Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗから構成されている。

Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗは、それぞれ、上アーム電力半導体スイッチング素子２９と下アーム電力半導体スイッチング素子３０との直列接続体、及び後述するシャント抵抗３１により構成されている。Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕと、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖと、Ｗ相電力半導体モジュール２０Ｗは、三相ブリッジ回路を構成している。

上アーム電力半導体スイッチング素子２９と下アーム電力半導体スイッチング素子３０は、それぞれ、例えばＦＥＴ(ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果型トランジスタ)とダイオードとの並列接続体により構成されている。

Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗに於ける、それぞれの上アーム電力半導体スイッチング素子２９と下アーム電力半導体スイッチング素子３０との直列接続部と、Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗに於ける、それぞれの交流端子３２との間には、電流センサとなるシャント抵抗３１がそれぞれ接続されている。なお、図２では、図の複雑化を避けるため、交流端子の符号３２は、Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕの交流端子のみに付してある。

Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗの正極側端子３３は、それぞれ、電力供給ユニット２の第１の正極側導体３４、入力フィルタ２２、電力供給ユニット２の第２の正極側導体３５、電力供給ユニット２の正極側端子３６、及び正極側ケーブル３７を介して、車両に搭載された直流電源としてのバッテリ３８の正極側端子３９に接続されている。なお、図２では、図の複雑化を避けるため、正極側端子の符号３９は、Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕの正極側端子のみに付してある。

Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗの負極側端子４０は、それぞれ、金属筐体２６、入力フィルタ２２、電力供給ユニット２の負極側端子４１、及び負極側ケーブル４２を介して、車両に搭載された直流電源としてのバッテリ３８の負極側端子４３に接続されている。バッテリ３８の負極側端子４３は、車両の接地電位にある車体４４に接続されている。なお、図２では、図の複雑化を避けるため、負極側端子の符号４０は、Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕの負極側端子のみに付してある。

Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗに於けるそれぞれの交流端子３２は、バスバー４５を介して回転電機本体１の固定子巻線９２の各相の巻線端子に接続されている。なお、図２では、図の複雑化を避けるため、バスバーの符号４５は、Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕの交流端子３２と固定子巻線９２とを接続するバスバーのみに付してある。

Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗの各正極側端子３３は、それぞれ電力供給ユニット２の第１の正極側導体３４に接続されている。Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗの各負極側端子４０は、それぞれ第１のねじ４６で金属筐体２６に接続されている。

更に、Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗは、それぞれ、接続導体４７、４８を介して平滑コンデンサ２１と並列に接続されている。なお、図２では、図の複雑化を避けるため、接続導体の符号４７、４８は、Ｗ相電力半導体モジュール２０Ｗに並列接続される平滑コンデンサ２１に接続される接続導体のみに付してある。

各平滑コンデンサ２１の正極側端子４９は、接続導体４７を介して電力供給ユニット２の第１の正極側導体３４に接続され、各平滑コンデンサ２１の負極側端子５０は、接続導体４８を介して金属筐体２６に接続されている。なお、図２では、図の複雑化を避けるため、正極側端子の符号４９と負極側端子の符号５０は、Ｗ相電力半導体モジュール２０Ｗに並列接続される平滑コンデンサ２１の正極側端子と負極側端子のみに付してある。

入力フィルタ２２の第１の正極端子５１は、電力供給ユニット２の第２の正極側導体３５に接続され、入力フィルタ２２の第２の正極端子５２は、電力供給ユニット２の第１の正極側導体３４に接続される。そして、入力フィルタ２２の負極端子５３は、金属筐体２６に接続されている。ここで、第１の正極側導体３４は、金属筐体２６と並行に配置されている。これにより、第１の正極側導体３４の平面部が金属筐体２６と対向する配置となり、正極と負極を並行にしてインダクタンスを低減し、ノイズあるいはスイッチング損失を抑制することができる。

又、Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕ、Ｖ相電力半導体モジュール２０Ｖ、及びＷ相電力半導体モジュール２０Ｗに於ける、それぞれの上アーム電力半導体スイッチング素子２９と下アーム電力半導体スイッチング素子３０の信号端子５４は、図１に示す制御基板２５に接続され、制御基板２５に設けられた制御回路部からの制御信号を受けるように構成されている。なお、図２では、図の複雑化を避けるため、信号端子の符号５４は、Ｕ相電力半導体モジュール２０Ｕに於ける下アーム電力半導体スイッチング素子３０の信号端子のみに付してある。

電力半導体モジュール２０は、上アーム電力半導体スイッチング素子２９、下アーム電力半導体スイッチング素子３０、及びシャント抵抗３１を、銅フレームにはんだ接合し、各フレーム間を銅板及びアルミニューム線で接続し、これらを樹脂封止して構成されている。或いは、電力半導体モジュール２０は、上アーム電力半導体スイッチング素子２９、下アーム電力半導体スイッチング素子３０、及びシャント抵抗３１を、絶縁被覆されたアルミニューム、銅などの金属基板もしくはセラミック基板にはんだ接合して構成される。

電力半導体モジュール２０は、上アーム電力半導体スイッチング素子２９、下アーム電力半導体スイッチング素子３０、及びシャント抵抗３１が発生する熱を放熱する放熱面５５を有している。電力半導体モジュール２０は、放熱面５５が金属筐体２６の反回転電機本体１側の表面である搭載面に突出して形成された突部５６の表面に対向して、金属筐体２６の突部５６に搭載される。

ここで、電力半導体モジュール２０の放熱面５５に、上アーム電力半導体スイッチング素子２９、下アーム電力半導体スイッチング素子３０、及びシャント抵抗３１の少なくとも一部分に導電性部材が露出している場合には、放熱面５５と金属筐体２６の搭載面との間に所定の距離を確保し、放熱面５５と金属筐体２６の搭載面との間に絶縁性を有する伝熱材を介在させて、電力半導体モジュール２０を金属筐体２６の突部５６に搭載させる。前記伝熱材としては、粘性及び流動性のあるグリース、ゲル、接着剤、もしくは流動性のないシート、テープなどを使用することができる。

電力半導体モジュール２０の放熱面５５が、上アーム電力半導体スイッチング素子２９、下アーム電力半導体スイッチング素子３０、及びシャント抵抗３１から絶縁されている場合は、前記伝熱材の他に導電性の伝熱材を使用することができ、放熱面５５と金属筐体２６の搭載面との間に距離を確保しなくてもよい。

金属筐体２６には、冷却機構として、電力半導体モジュール２０を搭載する突部５６に対応した金属筐体２６の内部の位置に、金属筐体２６の周方向に沿うように冷媒通路５７が形成される。金属筐体２６は冷媒５８の出入口となる出入口部５９を備え、冷媒通路５７の内部に冷媒５８を流通させる。これにより、電力半導体モジュール２０の上アーム電力半導体スイッチング素子２９、下アーム電力半導体スイッチング素子３０、及びシャント抵抗３１が発生した熱を、金属筐体２６に広範囲に効果的に伝熱させて温度上昇を抑制することができる。冷媒５８の出入口部５９を金属筐体２６の径方向に配置することにより、金属筐体２６を径方向に大型化する必要がなくなり、径方向に小型化することができる。ここで、金属筐体２６に多孔質金属を用いることにより、同じサイズでも表面積を拡大することができるため、冷却性を向上することができる。なお、出入口部５９の入口側と出口側とは、径方向の反対方向に配置されている。

図３は、回転電機１００を反負荷側から見た電力供給ユニットの説明図である。なお、図１は、図３のＡ−Ａ線に沿う断面を矢印方向から視た断面図である。
冷媒通路５７とブラシ２７は、リヤブラケット４の軸方向端面の外側において、軸方向の同一平面上に配置されている。電力半導体モジュール２０は、金属筐体２６の周方向に沿うように搭載されている。これにより、金属筐体２６の径方向に重複しない構成となり、回転電機１００の径方向を小型化することができる。又、電力半導体モジュール２０の負極側端子４０は、第１のねじ４６で金属筐体２６の冷媒５８の上に締結されており、これにより、電力半導体モジュール２０の負極側端子４０の冷却性を向上できるため、内部の電力半導体スイッチング素子とシャント抵抗の温度上昇を抑制することができる。更に、冷媒通路５７は、Ｕ字状に構成されており、圧力損失を低減することができる。

又、電力半導体モジュール２０の信号端子５４を電力半導体モジュール２０の一つの辺に配置し、金属筐体２６に搭載する際に外周側を向くように配置することで、制御基板２５の信号端子用の穴が外周に沿うように配置されるため、配線パターンのレイアウト性を向上することができる。更に、冷媒通路５７をＵ字状に構成することにより、冷媒５８の入口部と出口部を金属筐体２６の径方向の逆側に配置することができ、冷媒通路５７を一周させる必要がないため、圧力損失を低減することができる。

更に、冷媒通路５７をブラシ２７の軸方向における同一平面上の外周部に配置することにより、軸方向を小型化することができる。なお、ブラシ２７と同様に、冷媒通路５７と軸方向における同一平面上に平滑コンデンサ２１、回転センサ２８、入力フィルタ２２などの複数の制御部品を配置することによって、より軸方向を小型化することができる。また、ブラシ２７、平滑コンデンサ２１、回転センサ２８、及び入力フィルタ２２などの制御部品を金属筐体２６に直接搭載することにより、軸方向の大型化を抑制することができる。

ここで、温度上昇を抑制する必要のある平滑コンデンサ２１と入力フィルタ２２を、金属筐体２６を挟むように配置することにより、平滑コンデンサ２１と入力フィルタ２２のそれぞれの発熱の干渉を抑制でき、それぞれの温度上昇を抑制することができる。

半導体スイッチング素子とダイオードを用いてブリッジ回路に構成され、界磁回路部を構成する界磁回路モジュール６０（図３参照）が、金属筐体２６の突部５６、或いは突部５６以外の搭載面に搭載されている。そして、図示しないが、界磁回路モジュール６０を構成するブリッジ回路の上アーム側がバッテリ３８の正極側端子３９に接続され、下アーム側がバッテリ３８の負極側端子４３に接続されている。そして、界磁巻線８が界磁回路モジュール６０を構成するダイオードに並列に接続されている。界磁回路の電流は固定子巻線９２の電流より小さいため、界磁回路モジュール６０の発熱は電力半導体モジュール２０よりも小さい。従って、冷媒通路５７において発熱量の少ない界磁回路モジュール６０を発熱量の多い電力半導体モジュール２０の下流側に配置することにより、電力半導体モジュール２０は、低い温度の冷媒５８で冷却されるため冷却性を向上できる。

なお、図示しないが、金属筐体２６の突部５６が形成された面の反対側の面に於ける、電力半導体モジュール２０の搭載領域に相対する領域に、回転電機本体１の軸方向に垂直に突出して回転電機本体１の径方向に延長するように形成された放熱フィンを１個もしくは複数設けるようにしてもよい。

制御基板２５には、図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ：中央演算処理装置）などの電子部品が実装され、電力供給ユニット２に於けるパワー回路部及び界磁回路部の半導体スイッチング素子をオン／オフ制御する制御回路部を備えている。制御基板２５に設けられた制御回路部は、パワー回路部及び界磁回路部のスイッチング素子をオン／オフ制御し、パワー回路部にバッテリ３８の直流電力と固定子巻線９２の交流電力との間の電力変換を行なわせると共に、界磁回路部に界磁巻線８への界磁電流の制御を行わせる。

図４に示すように、制御基板２５は内部に空間のある円形で構成される。制御基板２５にも図示しない発熱部品が搭載され、冷媒５８により冷却される。この際、冷媒通路５７に沿うように、Ｕ字状に発熱部品を搭載することにより冷却性を向上することができる。なお、制御基板２５を冷媒通路５７に沿うようにＵ字状にしてもよい。

電力半導体モジュール２０及び制御基板２５などが、金属筐体２６の反回転電機本体１側の面である搭載面に搭載されている。制御基板２５は、電力半導体モジュール２０の反金属筐体２６側の表面に対して回転電機本体１の軸方向に間隔を介して、電力半導体モジュール２０と軸方向に並置され、金属筐体２６に搭載されている。又、樹脂製のケース２３が、金属筐体２６の搭載面に搭載された電力半導体モジュール２０、及び制御基板２５を内包するように、金属筐体２６の搭載面に搭載されている。樹脂製のケース２３の金属筐体２６と反対側の開口部は樹脂製のカバー２４により閉塞されており、金属筐体２６の搭載面に搭載された電力半導体モジュール２０、及び制御基板２５を、水又は粉塵などから保護している。冷媒通路５７の金属筐体２６の反回転電機本体１側の面に電力半導体モジュール２０を配置し、電力半導体モジュール２０の金属筐体２６の反回転電機本体１側の面に制御基板２５を配置することにより、電力供給ユニット２の径方向の広がりを抑制し、径方向に小型化することができる。

ここで、制御基板２５が埋没するまでポッティング材６１（図１参照）を樹脂製のケース２３の内部に充填しているので、防水性及び防塵性を向上させることができると共に、耐震性及び伝熱性を向上させることができる。更に、カバー２４をアルミニュームなどの金属製にすることにより伝熱性及び放熱性を向上し、ノイズの伝播を抑制できる。なお、場合によっては、樹脂製のケース２３の内部にポッティング材６１を充填しなくてもよい。

電力半導体モジュール２０に於ける上アーム電力半導体スイッチング素子２９と下アーム電力半導体スイッチング素子３０をオン／オフ制御することにより、電力供給ユニット２に流れる電流を高精度に制御して出力の精度を向上させ、効率を向上できるが、電力供給ユニット２の出力電圧が変動し、更に出力電流に電流リップルが生じる。

平滑コンデンサ２１は、電圧変動及び電流リップルを吸収するためのものであるが、電流リップルが平滑コンデンサ２１に印加されることにより、平滑コンデンサ２１が発熱して温度が上昇する。平滑コンデンサ２１の温度上昇は、平滑コンデンサ２１が劣化し、その寿命を短くする。そこで、平滑コンデンサ２１の劣化を抑制するために、平滑コンデンサ２１を収納したコンデンサケース６２が第２の冷却風Ｗ２に触れるように配置されている。なお、平滑コンデンサ２１は、電流リップルの量、温度上昇などを勘案して各相毎に複数個になる場合がある。

入力フィルタ２２はノイズを抑制するものであり、コイル或いはコンデンサで構成されるが、電流の通電により、コイル或いはコンデンサが発熱して温度が上昇する。コンデンサは温度上昇により寿命が劣化し、コイルは使用するコアが温度上昇により減磁してインダクタンスが低下する。そこで、入力フィルタ２２を収納した入力フィルタケース６３（図１参照）を第２の冷却風Ｗ２、或いは金属筐体２６に搭載し、冷媒通路５７に触れるように配置している。なお、入力フィルタ２２に使用するコイル或いはコンデンサは、電流、電圧、或いはノイズの抑制度合などを勘案して複数個になる場合がある。

ブラシ２７は、リヤブラケット４の反回転子７側、つまり電力供給ユニット２を搭載している側の外面部において、回転子軸６の周縁部の金属筐体２６に搭載されている。図示されていないが、界磁巻線８と電気的に接続された通電部が回転子軸６に取付けられており、ブラシ２７の摺動部がその通電部と接触することにより界磁回路部の出力を界磁巻線８に入力するように構成されている。

回転電機１００は、フロントブラケット３とリヤブラケット４に設けられた取付部（図示せず）を車両の車体４４、もしくは内燃機関にボルトで強固に固定される。リヤブラケット４及び車体４４は、固定子鉄心９１とフロントブラケット３を介して電気的に接続される。なお、金属筐体２６とバッテリ３８の負極側端子４３とを車体４４を介して電気的に接続することが可能な場合は、負極側ケーブル４２を省略することができる。

次に、回転電機１００に於ける電流の流れについて図２を中心に説明する。回転電機１００を電動機として動作させる場合と発電機として動作させる場合では、電流の流れが異なるが、ここでは、回転電機１００を電動機として動作させる場合について説明する。

回転電機本体１の固定子巻線９２に流れる電流は、バッテリ３８の正極側端子３９から正極側ケーブル３７、電力供給ユニット２の正極側端子３６を介して電力供給ユニット２に流れ込み、入力フィルタ２２、所定相の電力半導体モジュール２０の上アーム電力半導体スイッチング素子２９、及びシャント抵抗３１を介して固定子巻線９２に流れる。そしてその後、別の相のシャント抵抗３１、電力半導体モジュール２０の下アーム電力半導体スイッチング素子３０を介して金属筐体２６に流れ、電力供給ユニット２の負極側端子４１、負極側ケーブル４２を介してバッテリ３８の負極側端子４３に流れる。

制御基板２５に搭載されたＣＰＵでは、シャント抵抗３１により検出した電流値、回転センサ２８からの回転電機１００の回転速度及び／又は回転子７の回転位置情報、上アーム電力半導体スイッチング素子２９、下アーム電力半導体スイッチング素子３０の温度などの情報から、上アーム電力半導体スイッチング素子２９、及び下アーム電力半導体スイッチング素子３０をオン／オフ制御する制御パターンを演算する。制御基板２５に設けられている制御回路部は、ＣＰＵの演算結果に基づいて制御信号を発生し、上アーム電力半導体スイッチング素子２９、及び下アーム電力半導体スイッチング素子３０の信号端子に与える。

以上のように構成された実施の形態１による回転電機１００では、バッテリ３８の直流電力が、電力供給ユニット２で交流電力に変換され、固定子巻線９２に供給される。これにより、固定子鉄心９１に回転磁界が発生し、回転子７が回転する。そして、第１の冷却ファン１３及び第２の冷却ファン１４が、回転子７の回転に連動して回転する。これにより、回転電機１００のフロント側では、第１の吸気口１５から給気された第１の冷却風Ｗ１が第１の通風路Ｒ１を流通し、第１の排気口１７から回転電機１００の外部に排出される。そして、固定子巻線９２のコイルエンドが、第１の通風路Ｒ１を流通する第１の冷却風Ｗ１により冷却される。

一方、回転電機１００のリヤ側では、第２の冷却風Ｗ２が、電力供給ユニット２の内周部とブラシ２７の外周部との間に形成された第２の通風路Ｒ２を、回転電機１００の軸方向に負荷側に流れ、第２の吸気口１６から回転電機本体１の内部に流入し、第３の通風路Ｒ３を流通して、第２の排気口１８から回転電機本体１の外部に排出される。

平滑コンデンサ２１を収納したコンデンサケース６２、ブラシ２７、金属筐体２６、入力フィルタケース６３、リヤブラケット４、及び回転子７は、第２の冷却風Ｗ２にさらされる。従って、電力半導体モジュール２０で発生した熱は金属筐体２６を介して第２の冷却風Ｗ２に放熱され、平滑コンデンサ２１で発生した熱はコンデンサケース６２内の空気とコンデンサケース６２を介して第２の冷却風Ｗ２に放熱され、リヤ側ベアリング１１の摩擦熱と固定子９で発生した熱はリヤブラケット４を介して第２の冷却風Ｗ２に放熱され、界磁巻線８で発生した熱は回転子７を介して第２の冷却風Ｗ２に放熱される。これにより、回転電機１００の各構成部材の温度上昇が抑制される。又、固定子巻線９２のコイルエンドは、第３の通風路Ｒ３を流通する第２の冷却風Ｗ２により冷却される。

なお、図示していないが、平滑コンデンサ２１とコンデンサケース６２の内壁との間、又は入力フィルタ２２のコイル或いはコンデンサと入力フィルタケース６３の内壁との間に伝熱材を介在させることにより、平滑コンデンサ２１からコンデンサケース６２までの熱抵抗、又は入力フィルタ２２のコイル或いはコンデンサから入力フィルタケース６３までの熱抵抗を低減させることができ、平滑コンデンサ２１又は入力フィルタ２２のコイル或いはコンデンサの温度をより低減させることができる。又、平滑コンデンサ２１とコンデンサケース６２の内壁との間、又は入力フィルタ２２のコイル或いはコンデンサと入力フィルタケース６３の内壁との間に伝熱材を介在させ、耐振性を向上させることもできる。

平滑コンデンサ２１とコンデンサケース６２の内壁との間、又は入力フィルタ２２のコイル或いはコンデンサと入力フィルタケース６３の内壁との間に介在させる伝熱材としては、低粘度のグリース、ゲル、もしくは接着剤、シート、テープなどを使用することができ、或いはポッティング材６１と同一材料を使用することもできる。平滑コンデンサ２１が複数個設けられている場合は、伝熱材を各平滑コンデンサ間に介在させることで、各平滑コンデンサ間を熱的に接続して各平滑コンデンサ間の温度差を低減させることができる。そのため、各平滑コンデンサ間の温度差によって生じる電気抵抗の増減により、電気抵抗の低い平滑コンデンサが生じることがなく、特定の平滑コンデンサに電流が流れ過ぎてその寿命が短くなることを防ぐことができる。

又、平滑コンデンサ２１、入力フィルタ２２のコイル或いはコンデンサの外周の全周に渡って伝熱材を配置すれば、伝熱効果が更に高くなるが、平滑コンデンサ２１、入力フィルタ２２のコイル或いはコンデンサの外周の一部分に伝熱材を配置するだけでも、伝熱材が熱伝導率が空気の熱伝導率に対して１桁から２桁以上高いため、平滑コンデンサ２１、入力フィルタ２２のコイル或いはコンデンサに対する温度低減の効果は向上する。コンデンサケース６２、或いは入力フィルタケース６３は樹脂製でもよいが、アルミニュームなどの金属製にすることにより、伝熱性及び放熱性を更に向上させることができる。

実施の形態１による回転電機１００は前述のように構成されているので、軸方向の拡大を抑制し、電力半導体モジュール２０、界磁回路モジュール６０、制御基板２５、平滑コンデンサ２１、入力フィルタ２２、ブラシ２７、固定子９、界磁巻線８、回転子７、リヤ側ベアリング１１、フロント側ベアリング１０などの発熱を第１の冷却風Ｗ１及び第２の冷却風Ｗ２に放熱することにより温度を低減することができる。

更に、金属筐体２６に冷媒５８を流すことにより、電力供給ユニット２の冷却性を高めることができる。ここで、冷媒通路５７には、図１に示すように金属筐体２６のリヤブラケット４側に流路カバー６４を設けることができ、或いは銅、アルミニューム、ＳＵＳなどの金属のパイプを金属筐体２６に接着、かしめ、ろう付けなどで接続することにより形成することができ、或いは鋳造時に空洞を形成するなどで構成することができる。

バスバー４５を内蔵した配線部材６５は、リヤブラケット４に第２のねじ６６で締結される。第２のねじ６６の頭部が冷媒通路５７と軸方向で重なる場合には、第２のねじ６６に沿って流路カバー６４を突形状６７に形成し、流路カバー６４と第２のねじ６６を径方向の同一平面上に配置することにより、軸方向の拡大を抑制し、回転電機１００の軸方向を小型化することができる。流路カバー６４の突形状６７は、冷媒通路５７に突形状部を形成して冷媒５８の流れを急激に変化させないように作用するが、冷媒５８の流れを急激に変化させないように、突形状６７をテーパ又は円弧形状にすることにより、圧力損失の増加を抑制することができる。ここでは第２のねじ６６について説明したが、流路カバー６４の突形状６７、即ち、冷媒通路５７の突形状部に沿った外側の窪み形状部に、回転電機本体１の他の構成部材を配置しても同じ効果を得ることができる。

リヤブラケット４或いは配線部材６５と、金属筐体２６、流路カバー６４、或いは入力フィルタ２２との間の隙間を埋める部材６８を、それぞれとの間に介在させることで、第２の冷却風Ｗ２が金属筐体２６とリヤブラケット４との間から漏れることを防止し、第２の冷却風Ｗ２が確実にコンデンサケース６２、ブラシ２７、入力フィルタケース６３に触れて冷却することができる。これにより、電力供給ユニット２の外周部を冷媒５８で冷却することができ、内周部を第２の冷却風Ｗ２で冷却することができる。

又、金属筐体２６に搭載される流路カバー６４或いは入力フィルタ２２と、リヤブラケット４に搭載される配線部材６５を、隙間を埋める部材６８を介して金属筐体２６とリヤブラケット４で挟み込むことにより、耐振性を向上することができる。隙間を埋める部材６８は弾性のあるゴムなどがよい。更に、隙間を埋める部材６８にゴムのように熱を伝えにくい部材を用いることにより、回転電機本体１の熱を電力供給ユニット２に伝わりにくくすることができる。耐熱温度が回転電機本体１に使用される部材に比べて電力供給ユニット２に使用される部材の方が低い場合、隙間を埋める部材６８の断熱効果により、電力供給ユニット２の温度上昇を抑制することができる。

更に、図示しないが、バスバー４５と固定子巻線９２の接続部が、配線部材６５と金属筐体２６との間に露出する場合、隙間を埋める部材６８がバスバー４５と固定子巻線９２の接続部と金属筐体２６との間に介在することにより、絶縁性を確保できる。更に、第２の冷却風Ｗ２は各部の熱を奪って、温度が上昇して第２の排気口１８から、金属筐体２６とリヤブラケット４の間に排出されるが、隙間を埋める部材６８が金属筐体２６とリヤブラケット４との間を埋めるため、第２の吸気口１６に再度流入するのを防ぎ、温度上昇を抑制することができる。

なお、本願は前記の実施の形態１に限定されるものではなく、更に、実施の形態１に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、又は様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合又は省略する場合、更には、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１回転電機本体、２電力供給ユニット、３フロントブラケット、４リヤブラケット、５ハウジング、６回転子軸、７回転子、８界磁巻線、９固定子、９１固定子鉄心、９２固定子巻線、１０フロント側ベアリング、１１リヤ側ベアリング、１２プーリ、１３第１の冷却ファン、１４第２の冷却ファン、１５第１の吸気口、１６第２の吸気口、１７第１の排気口、１８第２の排気口、２０電力半導体モジュール、２０ＵＵ相電力半導体モジュール、２０ＶＶ相電力半導体モジュール、２０ＷＷ相電力半導体モジュール、２１平滑コンデンサ、２２入力フィルタ、２３ケース、２４カバー、２５制御基板、２６金属筐体、２７ブラシ、２８回転センサ、２９上アーム電力半導体スイッチング素子、３０下アーム電力半導体スイッチング素子、３１シャント抵抗、３２交流端子、３３、３６、３９、４９正極側端子、３４第１の正極側導体、３５第２の正極側導体、３７正極側ケーブル、３８バッテリ、４０、４１、４３、５０負極側端子、４２負極側ケーブル、４４車体、４５バスバー、４６第１のねじ、４７、４８接続導体、５１第１の正極端子、５２第２の正極端子、５３負極端子、５４信号端子、５５放熱面、５６突部、５７冷媒通路、５８冷媒、５９出入口部、６０界磁回路モジュール、６１ポッティング材、６２コンデンサケース、６３入力フィルタケース、６４流路カバー、６５配線部材、６６第２のねじ、６７突形状、６８部材、１００回転電機、Ｒ１第１の通風路、Ｒ２第２の通風路、Ｒ３第３の通風路、Ｗ１第１の冷却風、Ｗ２第２の冷却風。

本願に開示される回転電機は、回転電機本体と電力供給ユニットとを備え、前記回転電機本体と前記電力供給ユニットとが前記回転電機本体の軸方向に並置されて一体に固定された回転電機であって、
前記回転電機本体は、
ハウジングに固定された固定子と、
前記ハウジングに回転自在に支持された回転子軸に固定された回転子と、
前記回転子と共に回転し、前記ハウジングに設けられた前記軸方向に開口する吸気口から前記ハウジングの内部に冷却風を吸入させ、前記ハウジングに設けられた排気口から前記冷却風を前記ハウジングの外部へ排出させる冷却ファンと、を備え、
前記電力供給ユニットは、
前記回転電機本体に供給する電力を制御する電力半導体モジュールと前記回転電機本体に供給する電力を制御する制御部品を備えたパワー回路部と、
前記パワー回路部を制御する制御回路部を備えた制御基板と、
前記パワー回路部と前記制御基板を搭載し、冷媒を流通させる冷媒通路を設けた金属筐体と、を備え、
前記冷媒通路は、前記金属筐体の前記回転電機本体側に設けられると共に、前記制御部品より前記回転電機本体の径方向の外側に設けられ、前記冷媒通路と前記制御部品とは前記軸方向における同一平面上に配置されていることを特徴とする。

Claims

回転電機本体と電力供給ユニットとを備え、前記回転電機本体と前記電力供給ユニットとが前記回転電機本体の軸方向に並置されて一体に固定された回転電機であって、
前記回転電機本体は、
ハウジングに固定された固定子と、
前記ハウジングに回転自在に支持された回転子軸に固定された回転子と、
前記回転子と共に回転し、前記ハウジングに設けられた前記軸方向に開口する吸気口から前記ハウジングの内部に冷却風を吸入させ、前記ハウジングに設けられた排気口から前記冷却風を前記ハウジングの外部へ排出させる冷却ファンと、を備え、
前記電力供給ユニットは、
前記回転電機本体に供給する電力を制御する電力半導体モジュールと前記回転電機本体に供給する電力を制御する制御部品を備えたパワー回路部と、
前記パワー回路部を制御する制御回路部を備えた制御基板と、
前記パワー回路部と前記制御基板を搭載し、冷媒を流通させる冷媒通路を設けた金属筐体と、を備え、
前記冷媒通路は、前記金属筐体の前記回転電機本体側に設けられると共に、前記制御部品と前記軸方向の同一平面上に配置されていることを特徴とする回転電機。
前記冷媒通路は、前記制御部品より前記回転電機本体の径方向の外側に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記冷媒通路に突形状部を形成し、前記突形状部に沿った外側の窪み形状部に前記回転電機本体の構成部材が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
前記突形状部は、テーパ或いは円弧形状であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
前記冷媒通路、前記電力半導体モジュール、及び前記制御基板は、前記回転電機本体から前記軸方向に順に配置されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の回転電機。
前記冷媒通路の出入口部は、前記回転電機本体の径方向に配置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の回転電機。
前記冷媒通路の入口側と出口側とは、前記回転電機本体の径方向の反対方向に配置されていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の回転電機。
前記電力半導体モジュールを複数個備え、複数個の前記電力半導体モジュールはＵ字状に配置され、前記冷媒通路が複数個の前記電力半導体モジュールに沿うように配置されていることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の回転電機。
前記回転電機の界磁回路部を構成する界磁回路モジュールを備え、前記界磁回路モジュールは、前記電力半導体モジュールよりも前記冷媒通路の下流側に配置されていることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の回転電機。
前記制御基板、あるいは前記制御基板に搭載される発熱部品がＵ字状に配置されると共に、前記冷媒通路が前記制御基板、あるいは前記発熱部品に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の回転電機。
前記電力半導体モジュールに設けられた端子が前記金属筐体に接続されていることを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の回転電機。
前記吸気口に吸入する冷却風が前記軸方向のみに通過するように構成されていることを特徴とする請求項１から１１の何れか一項に記載の回転電機。
前記電力供給ユニットの正極側端子と前記電力半導体モジュールの正極側端子とを接続する正極側導体を備え、前記正極側導体と前記金属筐体は、並行に配置されていることを特徴とする請求項１から１２の何れか一項に記載の回転電機。
前記制御部品は、前記回転電機の回転を検出する回転センサ、前記回転子に電力を供給するブラシ、及びノイズを抑制する入力フィルタの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１から１３の何れか一項に記載の回転電機。
前記冷媒通路と前記回転電機本体との間に隙間を埋める部材を備えたことを特徴とする請求項１から１４の何れか一項に記載の回転電機。
前記制御部品は、前記金属筐体に搭載されていることを特徴とする請求項１から１５の何れか一項に記載の回転電機。
前記制御部品は、前記固定子に備えられた固定子巻線に流れる電流を平滑化する平滑コンデンサとノイズを抑制する入力フィルタを含み、前記平滑コンデンサと前記入力フィルタは、前記金属筐体を挟むように配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の回転電機。
前記冷媒通路と前記回転電機本体との間に隙間を埋める部材を備え、前記隙間を埋める部材と、前記金属筐体或いは前記回転電機本体との間に、前記入力フィルタと前記ハウジングを構成するリヤブラケットに搭載される配線部材の何れか若しくは両方を配置したことを特徴とする請求項１７に記載の回転電機。
前記金属筐体が多孔質金属で構成されていることを特徴とする請求項１から１８の何れか一項に記載の回転電機。