JP2023554060A - 他励同期機のための回転電気整流器 - Google Patents

Abstract

本発明は、他励同期機のための整流器（１００）に関する。整流器（１００）は、金属製のハウジング（１０２）を含み、ハウジング（１０２）はハウジング内部（１０１）を区画する。ハウジング（１０２）は、環状形状を有し経路開口（１０３）を囲む。ハウジング（１０２）は、ハウジング上部（１０４）とハウジング下部（１０５）とを含む。さらに、整流器は、ハウジング下部（１０５）上のハウジング内部（１０１）の中に配置された回路基板（１０６）を備える。回路基板（１０６）上には、交流電圧を整流する電気整流回路（１０７）が配置される。この整流回路（１０７）は、交流電圧を整流する少なくとも１つの整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導エネルギー伝送を持つ電気的な他励同期機のための回転電気整流器及びそのような整流器を有する同期機に関する。

いわゆる他励同期機は、それらのロータ内に、ロータ磁界を生成するための直流電圧を必要とする。この工程は「ロータ励磁」と呼ばれる。従来の他励同期機において、ロータ電圧は、いわゆるカーボンブラシのスリップリングの接点を用いて、直流電圧として回転するロータに伝達される。特に回転速度が高い場合において、カーボンブラシが擦り減ることにより摩耗し、その過程で好ましくない伝導性カーボンダストが発生するという欠点が証明されている。

このようなスリップリングを用いた直流電流の伝送の代替として、誘導的な（つまりワイヤレスの）回転ロータへの電圧の伝送を実現することが知られている。他励同期機の一部として、このような構造は「回転変圧器」又は誘導トランスミッタとも呼ばれる。

誘導エネルギー伝送の機能原理は回転変圧器に基づき、変圧器の１次コイルは回転変圧器又は同期機の固定子に配置され、２次コイルは回転ロータに配置されている。誘導エネルギー伝送に伴う交流電圧は、必ず最初に２次コイルにて生成されるので、適切な整流回路を用いて生成された交流電圧を電気的に整流する、つまり当該電圧を整流された電圧に変換する必要があり、整流回路は同様にロータ上に配置され得る。

本発明の目的は、他励同期機のための整流器の開発に新たな道を示すことにある。特に、このような整流器の改善された実施形態が考案され、技術的に単純な構造を特徴とし、しかしながら、高い回転速度でのロータひいては整流器の回転を可能にする、この特徴が、当業者には「高速安定性」という呼称としても知られている。

この目的は、独立特許請求項の主題によって解決される。好ましい実施形態は、従属特許請求項の主題である。

したがって、本発明の基本的なアイデアは、交流電圧を整流された電圧に整流するための整流器の電気整流回路を、環状の回路基板上に配置することにある。この環状回路基板は、金属製の同様に環状である金属ハウジングの中に配置される。よって、回路基板と整流回路とを持つこのハウジングは、他励同期機の回転可能なロータシャフトに容易に設けられ得て、ロータシャフトは、他励同期機の動作中に又は据付けの固定子に対して相対的に、指定された回転軸を中心に回転する。加えて、動作中に整流回路によって生成された排熱の効果的な放熱は、回路基板と金属製ハウジングとの面接触を通して、このハウジングによってここに導入された解決策により達成され得る。最後に、このハウジングは、ロータの回転速度が高い場合でさえ、整流回路の部品、特に整流回路上に配置された整流素子を機械的に安定させるために使用され得る。よって、本発明に係る整流器は、他励同期機に使用されるときに、要求された高速安定性を持つ。

電気的な回転変圧器のロータのための、又は他励同期機、特に車両のトラクションモータのための本発明に係る整流器は、金属製のハウジングを含み、金属製のハウジングはハウジング内部を区画する。ハウジングは、環状形状を有し電気同期機のロータシャフトを受け入れるための経路開口を囲む。ハウジングは、ハウジング上部とハウジング下部とを含む。さらに、整流器は、ハウジング下部上におけるハウジング内部の中に配置された回路基板を含む。回路基板上には、交流電圧を、好ましくは整流された電圧に、整流する電気整流回路が配置される。この整流回路は、交流電圧を整流する少なくとも１つの電気整流素子を含む。この整流素子は、整流ダイオード又はトランジスタ、特にＭОＳＦＥＴであり得る。

好ましい実施形態によれば、金属製のハウジングは、ハウジング内部を完全に囲む。このようにして、整流回路は、特に整流器の外部環境から良好に電気的に遮蔽され、特に他励同期機において使用されているときには、整流回路は、電磁干渉から電気的に遮蔽される。

特に、少なくとも１つの整流素子は、半田付け接続又は圧接によって、回路基板上にそれぞれ実装され得る。これにより、回路基板上の整流素子の容易な実装が可能になる。好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの整流素子は、ダイオードハウジングと共に、半径方向に対してハウジング下部の内周壁の内側に配置される。本発明に係る整流器を使用する回転変圧器のロータ又は本発明に係る整流器を使用する他励同期機のロータが、特に高い回転速度で回転するとき、ダイオードハウジングは、内周壁によって機械的に安定化される。

有利なさらなる発展形によれば、ハウジング上部は、経路開口を囲む、軸方向に延びる開口カラーを備える。このさらなる発展形において、少なくとも１つの整流素子は、ダイオードハウジングと共に、半径方向に対してハウジングカラーの外側に配置される。この方法は、整流素子とハウジング上部との間の良好な熱結合を実現する。これは、特に整流器の動作中、つまりハウジングが回転し、遠心力のために整流素子が開口カラーに対して半径方向の外側に押されたときに当てはまる。よって、動作中に整流素子によって生成された排熱は、ハウジング下部に加えて、ハウジング上部も介して効果的に放熱され得る。

好ましい実施形態によれば、回路基板は、ハウジング下部に水平に配置される。これにより、排熱は、動作中に、回路基板上に設けられた整流回路の素子によって、及び／又は整流回路の上流又は下流に配置された電気／電子素子よって生成され、ハウジングを介して整流器の外部環境に放熱され得る。これにより、整流回路の損傷を招く恐れのある、回路基板及び回路基板上に配置された整流回路の望ましくない加熱や過熱さえも、防がれ得る。

少なくとも１つの整流素子と整流器のハウジングとの間の熱結合がさらに改善されるように、有利なさらなる発展形によれば、好ましくは電気絶縁性である熱伝導手段、特にいわゆる「ギャップパッド」が、ダイオードハウジングとハウジング上部の開口カラーとの間に配置され得る。

特に、少なくとも１つの整流素子は、内周壁と開口カラーとの間に形成された中間空間内に配置され得る。この方法は、他励同期機のロータの一部として、整流器が高い回転速度で回転したときに、整流素子を機械的に安定させる。

上記で説明された有利なさらなる発展形と組合せられ得る、さらに有利なさらなる発展形によれば、回路基板とハウジングとの熱結合が改善されるように、回路基板とハウジング下部との間に存在する中間空間は、好ましくは導電性の熱伝導手段、特にいわゆる「ギャップパッド」により、少なくとも部分的に、好ましくは完全に、充填され得る。

別の有利なさらなる発展形によれば、回路基板とハウジング上部との間に存在する中間空間は、回路基板をハウジング内部内に機械的に固定するため、充填手段により、少なくとも部分的に、好ましくは完全に、充填され得る。好ましくは、充填手段は、注入成形コンパウンドであるか、注入成形コンパウンドを含み、特に好ましくは電気絶縁材料からなる。この対策により、特に動作中のハウジングが同期機内において高い回転速度で回転するときに、ハウジング内部における回路基板の固定が改良される。

好ましい実施形態において、少なくとも１つの整流素子、好ましくは少なくとも１つの整流ダイオードは、少なくとも１つの半田付け接続によって回路基板上に実装される。ここでは、古典的な半田付け接続が使用され得るが、ＳＭＤ設計の半田付け接続も代替的に又は追加的に考えられ得る。

別の好ましい実施形態において、少なくとも１つの整流素子は、回路基板の半径方向における内側の端部に完全に配置される。当該半径方向における内側の端部は、回路基板の半径方向における内側の端部から広がり、回路基板の半径方向の最大３０％、好ましくは最大２５％、特に好ましくは最大２０％にわたって延び得る。好ましくは、これは全ての整流素子に適用し得る。このようにして、それぞれの整流素子に作用する遠心力を小さく抑え得る。

有利なさらなる発展形によれば、少なくとも１つの整流素子は、当該整流素子の半径方向の長さよりも大きい軸方向の長さを有する。好ましくは、これは全ての整流素子に適用し得る。このようにしても、それぞれの整流素子に作用する遠心力を小さく抑え得る。好ましくは、軸方向の長さは、半径方向の長さの少なくとも２倍、好ましくは４倍である。

好ましくは、電気整流器１００は、少なくとも３ｋＷ、好ましくは少なくとも３０ｋＷの電力の出力を処理するように設計され得る。特に好ましくは、電気整流器１００は、３０ｋＷ－５００ｋＷ間の、最も好ましくは１００ｋＷ－３００ｋＷの間の電力の出力を処理するように設計され得る。

よって、整流器は、ロータ電流をトラクションモータのロータにワイヤレス伝送するために、トラクションモータにも使用され得る。

よって、本発明は、上記で説明された本発明に係る整流器を、車両のトラクションモータに使用することにも関する。

さらに、本発明は、固定子磁界を生成する、通電可能な同期機固定子を有する他励同期機に関する。さらに、同期機は、ロータ磁界を生成する、同期機固定子に対して相対的に回転可能であり通電可能な同期機ロータを含む。同期機ロータは、同期機ロータシャフトと上記で説明された本発明に係る電気整流器とを備え、同期機ロータシャフトは、整流器のハウジングによって囲まれた経路開口を通して係合し、ハウジングは同期機ロータシャフト上に、強固に、特に確実に取り付けられる。

本発明に係る同期機は、特に自動車両に用いられ得て、自動車両はエネルギー源としてバッテリーを備え得る。同期機は、特に自動車両を駆動するために使用され、つまり、特にトラクションモータとして形成される。好ましくは、この本発明に係るトラクションモータは、少なくとも３ｋＷの、好ましくは少なくとも３０ｋＷの、出力又は駆動力を有する。特に好ましくは、本発明に係るトラクションモータは、３０ｋＷ－５００ｋＷの間の、最も好ましくは１００ｋＷ－３００ｋＷの間の出力又は駆動力を有する。本発明に係るトラクションモータにおいて、低出力の電気モータよりもはるかに大きく生成された本発明に係るトラクションモータの排熱が、回転変圧器の固定子の中に存在する変圧器コアを介して、特に効果的に排熱され得る。

それぞれのケースを模式的に示す。
図１は、ハウジング上部を省略した本発明に係る整流器の例の透視図を示す。 図２は、図１に不図示のハウジング上部を別個に示す。 図３は、図１及び図２の整流器が組立てられた状態を示す。

図１は、ハウジング上部１０４及びハウジング下部１０５によって区画されたハウジング内部１０１（組立てられた状態において、両ハウジング部１０４，１０５は、整流器１００の金属製のハウジング１０２を形成する）が見えるように、ハウジング上部１０４を省略した本発明に係る整流器１００の例を示す。図２は、図１に不図示のハウジング上部１０４を別個の図として示す。

図１及び図２は、ハウジング１０２が、環状形状を有しており、経路開口１０３を囲むことを図示する。軸方向Ａは、環状ハウジング１０２の長手方向中心軸Ｍに沿って延びる。半径方向Ｒは、長手方向中心軸Ｍから離れて軸方向Ａに垂直に延びる。円周方向Ｕは、軸方向Ａに垂直に延び、半径方向Ｒにも垂直に延びており、長手方向中心軸Ｍの周りを回転する。整流器１００が他励同期機の同期機ロータに取り付けられたとき、長手方向中心軸Ｍは、回転するハウジング１０２についての回転軸Ｄと同一になる。この場合、整流器ロータの回転軸Ｄを中心に回転可能な同期機ロータシャフト（不図示）は経路開口１０３を通して係合し、ハウジング１０２は、この同期機ロータシャフト（不図示）に回転不能に設けられる。

ハウジング上部１０４及びハウジング下部１０５も、ハウジング１０２全体と同様に、このような環状形状を有しており、それぞれが経路開口１０３を囲む。加えて、ハウジング上部１０４は、経路開口１０３を囲む、軸方向に延びる開口カラー１１１を備える。

ハウジング１０２のハウジング下部１０５は、ハウジング底部１１２と、このハウジング底部１１２から軸方向に突出する内周壁１１０とを備え、内周壁１１０は経路開口１０３を囲む。有利には、内周壁１１０とハウジング底部１１２とは、互いに一体に形成されている。同期機のロータに設けられたハウジング１０２の状態では、ロータシャフト（不図示）は、経路開口１０３を通して係合し、よって内周壁１１０に対して水平に配置され得る。組立てられた状態では、ハウジング１０２は、環状のハウジング内部１０１を完全に囲んでいる。

図１は、ハウジング下部１０５のハウジング内部１０１に、回路基板１０６が配置されていることを示す。ハウジング下部１０５に配置された回路基板１０６には、交流電圧を、好ましくは整流電圧に、整流する電気整流回路１０７が、順番に配置される。回路基板１０６は、ハウジング下部１０５に水平に配置される。このようにして、排熱は、整流回路１０７の素子（特に作動中に回路基板１０６上に設けられた前記整流素子１０８ａ－１０８ｄ）によって生成されるが、ハウジング１０２を介して整流器１００の外部環境へ放熱され、経路開口１０３を通して係合する同期機の同期機ロータシャフトにも放熱される。

図１によれば、電気整流回路１０７は４つの整流素子１０８ａ－１０８ｄを含み、この例では、整流素子１０８ａ－１０８ｄは、対応するダイオードハウジング１０９ａ－１０９ｄを持つ整流ダイオードとしてそれぞれ形成されている。整流ダイオードの代替として、トランジスタ、特にＭОＳＦＥＴも使用され得る。整流素子１０８ａ－１０８ｄ又は整流ダイオードは、それぞれ半田付け接続によって回路基板１０６に実装され得る。ここで、典型的な半田付け接続が使用され得るが、一方でＳＭＤ設計における代替的又は追加的な半田付け接続もあり得る。適切なダイオードハウジング１０９ａ－１０９ｄを用いているとき、整流素子１０８ａ－１０８ｄは、スルーホール取り付けによって回路基板１０６に実装され得て、いずれの場合でも半田付け接続によって回路基板１０６に固定される。整流回路１０７は、回路基板１０６上に配置された電気素子をさらに備え得る。これらの素子は、特にＳＭＤ素子であり得て、よって、動作中に発生した排熱を回路基板１０６へ、そして回路基板１０６を介してハウジング１０２へ通し得る。特に、整流素子１０８ａ－１０８ｄを持つ整流回路１０７の下流に配置された電気／電子要素１０８ａ－１０８ｄ（具体的には特にＳＭＤ素子）は、回路基板１０６上に配置され得る。

電気整流器１００は、少なくとも３ｋＷ、好ましくは少なくとも３０ｋＷの電力の出力を処理するように設計され得る。特に好ましくは、電気整流器１００は、３０ｋＷ－５００ｋＷの間の、最も好ましくは１００ｋＷ－３００ｋＷの間の電力の出力を処理するように設計され得る。

図３は、組立てられた状態の整流器１００の断面図を示す。整流素子１０８ａ－１０８ｄは、回路基板１０６の半径方向における内側の端部に完全に配置され得る。この半径方向における内側の端部は、回路基板１０６の半径方向における内側の端部から広がり、回路基板の半径方向全体の最大３０％、好ましくは最大２５％、特に好ましくは最大２０％にわたって延び得る。このようにして、それぞれの整流素子１０８ａ－１０８ｄに作用する遠心力を小さく抑え得る。

追加として、４つの整流素子１０８ａ－１０８ｄは、内周壁１１０と開口カラー１１１との間に形成された中間空間１１４内に配置される。４つの整流素子１０８ａ－１０８ｄそれぞれは、ダイオードハウジング１０９ａ－１０９ｄを備える。４つの整流素子１０８ａ－１０８ｄは、それぞれのダイオードハウジング１０９ａ－１０９ｄと共に、半径方向に対して経路開口１０３を囲むハウジング下部１０５の内周壁１１０の内側に配置されている。加えて、４つの整流素子１０８ａ－１０８ｄは、それぞれのダイオードハウジング１０９ａ－１０９ｄと共に、半径方向に対して開口カラー１１１の外側に配置されている。

この例では、整流素子１０８ａ－１０８ｄは、半径方向Ｒに沿って測定されるそれぞれの半径方向の長さよりも大きい、軸方向に沿って測定される軸方向の長さをそれぞれが有する。このようにして、整流素子１０８ａ－１０８ｄに作用する遠心力も小さく抑え得る。

整流素子１０８ａ－１０８ｄと整流器１００のハウジング１０２との熱結合が改善されるように、高い熱伝導率を持つ材料の熱伝導手段１１５（例えば「ギャップパッド」１１６と呼ばれる）がそれぞれのダイオードハウジング１０９ａ－１０９ｄと開口カラー１１１との間に配置され得る。同様に、回路基板１０６とハウジング１０２との熱結合のために、回路基板１０６とハウジング下部１０５との間に存在する中間空間１１７は、好ましくは電気絶縁材料でできている熱伝導手段１１８、特に既述のギャップパッド１１９により、少なくとも部分的に、好ましくは完全に充填され得る。ハウジング内部１０１内に回路基板１０６を機械的に固定するために、回路基板１０６とハウジング上部１０４との間に存在する中間空間は、充填手段、好ましくは注入成形コンパウンド、特に好ましくは電気絶縁材料の充填手段により、少なくとも部分的に、好ましくは完全に充填され得る。

Claims (16)

1. 電気他励同期機、特にトラクションモータのための電気整流器（１００）であって、
   前記電気整流器（１００）は、環状形状を有し電気同期機のロータシャフトを受け入れるための経路開口（１０３）を囲む、ハウジング内部（１０１）を区画する金属製のハウジング（１０２）を有し、
   前記ハウジング（１０２）は、ハウジング上部（１０４）とハウジング下部（１０５）とを含み、
   前記電気整流器（１００）は、前記ハウジング下部（１０５）上におけるハウジング内部（１０１）の中に配置された回路基板（１０６）を有し、
   前記回路基板（１０６）上には、交流電圧を、好ましくは整流された電圧に、整流する電気整流回路（１０７）が配置され、
   前記電気整流回路（１０７）は、少なくとも１つの電気整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）を含み、前記電気整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）は、好ましくは整流ダイオードによって形成されている
   電気整流器（１００）。
2. 前記ハウジング（１０２）は、前記ハウジング内部（１０１）を完全に囲む、請求項１に記載の整流器。
3. 前記少なくとも１つの整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）は、ダイオードハウジング（１０９ａ－１０９ｄ）と共に、半径方向に対して前記ハウジング下部（１０５）の内周壁（１１０）の内側にそれぞれ配置されている、請求項１又は２に記載の整流器。
4. 前記ハウジング上部（１０４）は、前記経路開口（１０３）を囲む、軸方向に延びる開口カラー（１１１）を備え、
   前記少なくとも１つの整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）は、ダイオードハウジング（１０９ａ－１０９ｄ）と共に、半径方向に対して前記開口カラー（１１１）の外側に配置されている、請求項１－３のいずれか１項に記載の整流器。
5. 前記少なくとも１つの整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）は、前記内周壁（１１０）と前記開口カラー（１１１）との間に形成された中間空間に配置されている、請求項３又は４に記載の整流器。
6. 前記ダイオードハウジング（１０９ａ－１０９ｄ）と前記開口カラー（１１１）との間には、熱伝導手段（１１５）、特にギャップパッド（１１６）が配置されている、請求項４又は５に記載の整流器。
7. 前記回路基板（１０６）は、前記ハウジング下部（１０５）に水平に配置されている、請求項１－６のいずれか１項に記載の整流器。
8. 前記回路基板（１０６）と前記ハウジング下部（１０５）との間に存在する中間空間（１１７）は、好ましくは電気絶縁材料でできている熱伝導手段（１１８）、特にギャップパッド（１１９）により、少なくとも部分的に、好ましくは完全に、充填されている、請求項１－７のいずれか１項に記載の整流器。
9. 前記回路基板（１０６）と前記ハウジング上部（１０４）との間に存在する中間空間は、充填手段、好ましくは注入成形コンパウンド、特に好ましくは電気絶縁材料の充填手段により、少なくとも部分的に、好ましくは完全に、充填されている、請求項１－８のいずれか１項に記載の整流器。
10. 少なくとも２つ、好ましくは４つの整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）を備える、請求項１－９のいずれか１項に記載の整流器。
11. 前記少なくとも１つの整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）、好ましくは前記少なくとも１つの整流ダイオードは、少なくとも１つの半田付け接続によって前記回路基板（１０６）に実装されている、請求項１－１０のいずれか１項に記載の整流器。
12. 前記少なくとも１つの整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）、好ましくは全ての前記整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）は、前記回路基板（１０６）の半径方向における内側の端部に完全に配置されている、請求項１－１１のいずれか１項に記載の整流器。
13. 少なくとも１つの前記整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）、好ましくは全ての整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）は、当該整流素子（１０８ａ－１０８ｄ）の半径方向の長さよりも大きい軸方向の長さを有する、請求項１－１２のいずれか１項に記載の整流器。
14. 前記電気整流器（１００）は、３０ｋＷと２４０ｋＷとの間の、好ましくは１００ｋＷと１５０ｋＷとの間の電力出力を処理するために装備されている、請求項１－１３のいずれか１項に記載の整流器。
15. 電気他励同期機、特に車両のためのトラクションモータであって、
    前記電気他励同期機は、固定子磁界を生成する、通電可能な同期機固定子を有し、
    前記電気他励同期機は、ロータ磁界を生成する、前記同期機固定子に対して相対的に回転可能な、電気的に励起可能な同期機ロータを有し、
    前記同期機ロータは、同期機ロータシャフトを備えており、
    前記同期機ロータシャフトは、前記整流器（１００）の前記ハウジング（１０２）によって囲まれた経路開口（１０３）を通して係合し、
    請求項１－１４のいずれか１項に記載の整流器（１００）を有する、
    同期機。
16. 同期機又はトラクションモータは、少なくとも３ｋＷの、好ましくは少なくとも３０ｋＷの、特に好ましくは３０ｋＷ－５００ｋＷの間の、最も好ましくは１００ｋＷ－３００ｋＷの間の出力又は駆動力を有する、請求項１５に記載の同期機。