JP3974080B2 - インバータ一体型電動発電機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動発電機にインバータが一体化されたインバータ一体型電動発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、排ガスによる大気汚染の防止や燃料の節約等の観点から、信号待ち等で車両が停止したとき、エンジンのアイドリングを停止させる（アイドルストップ）技術が注目されている。この種の車両ではアイドルストップ後、発進時の駆動源の確保が問題となる。そこで、発電機（オルタネータ）に電動機（モータ）の機能を付与し、燃料による走行時は発電し、アイドルストップ後の発進時等に駆動力を発生する電動発電機（モータゼネレータ（ＭＧ））が開発されている。ＭＧは構造的及び機能的に、ハウジング、ステータ及びロータを含む回転部と、その回転を制御する制御装置に大別することができる。
【０００３】
従来の回転電機（特許文献１参照）の制御装置では、ＭＧを発電機として機能させるために、ロータが固定された回転軸の端部にブラシが接触され、リヤーカバーに取り付けたブラシホルダにより保持されている。また、ＭＧを電動機として機能させるために、インバータ及び磁極位置検出器が必要である。インバータが内部に搭載したスイッチ素子が直流を交流に変換し、磁極位置検出器はロータの回転方向の位置（位相）をステータコイルに知らせる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−６５６２０号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例において、ブラシを保持するブラシホルダと、インバータが収容されたインバータケース（不図示）とを軸方向に並べると、制御装置の軸方向長さが長くなる。また、スイッチ素子が作動時に熱を発生しやすく、発熱による温度上昇を抑制するためにはスイッチ素子の周辺に空気を流通させることが必要である。しかし、インバータの周辺に空気流通路を形成すると、その分制御装置の寸法が大きくなる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、インバータ一体型電動発電機の制御装置の構成要素を、安価に、スペース効率良く、しかも発熱による温度上昇を抑制しつつ、配置することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、インバータケースとブラシホルダとを半径方向内外に配置すること、及び両者間に形成される空気流通路での空気の流通を妨げない位置に極位置検出器を配置することを思い付いて、本発明を完成した。
【０００８】
本発明によるインバータ一体型電動発電機は、請求項１に記載したように、一端壁、他端壁及び周壁を有するハウジングと；周壁に固定されたステータ、及び一端壁及び他端壁に支持された回転軸に固定されステータと対向するロータと；他端壁に取り付けられた制御装置；とから成る。
【０００９】
制御装置は、回転軸が貫通する第１中空孔が形成され、直流を交流に変換するスイッチ素子を有し、他端壁に取り付けられた全体的にドーナツ形状のインバータケースと；回転軸に接触するブラシを保持し、主にインバータケースの第１中空孔に配置され、ハウジングの他端壁に固定されたブラシホルダと；回転軸が貫通する第２中空孔が形成され、外側面に空気案内部を有し、インバータケースに取り付けられた空気案内部材と；回転軸上のブラシよりも先端寄りに固定された第１磁極位置検出部材、及び第１磁極位置検出部材と対向する第２磁極位置検出部材と；を含む。
【００１０】
ブラシホルダの外周面とインバータケースの内周面との間に空気流通路が形成され、側面視で第１磁極ホルダと重なっている。
【００１１】
この発電電動機において、インバータを収容したドーナツ形状のインバータケースとブラシを保持するブラシホルダとを半径方向内外関係に配置し、ブラシホルダとインバータケースとの間に形成された空気流通路に空気を流通させる。側面視でブラシホルダと重なる位置に配置された第１及び第２磁極位置検出部材は空気流通路内の空気流れを妨げることなく、ロータの位相に関する信号をステータコイルに送る。
【００１２】
請求項２の発電電動機は、請求項１において、インバータケースはスイッチ素子が取り付けられた底壁、内周壁及び外周壁を有する。請求項３の発電電動機は、請求項２において、インバータケースと空気案内部材とは軸方向に並置され、第１中空孔と第２中空孔とは同じ形状である。
【００１３】
請求項４の発電電動機は、請求項２において、インバータケースとブラシホルダとは半径方向で内外関係に配置されている。請求項５の電動発電機は、請求項２において、空気案内部は放射状に形成された複数のフィンである。請求項６の電動発電機は、請求項５において、２磁極位置検出部材は隣接するフィン間に配置され、その太さはフィンの高さよりも小さい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜回転部（ハウジング、ステータ及びロータ）＞
回転部のハウジングは一端壁、他端壁及び周壁を含む。これらは一対（２つ）のハウジング片で構成されても、１つの部材で構成されても良い。ハウジングは制御装置側の他端壁に第１通気口を持ち、周壁に第１通気口に連通する第２通気口を持つ。
【００１５】
周壁部の内周面に固定されたステータはコアとコイルとを含む。両端壁で支持された回転軸にロータが固定されている。ロータはコアとコイルを含んでも、コアと永久磁石を含んでも良い。何れの場合も、ハウジングの他端壁に対向する側面にファンを持つことができる。
＜制御装置＞
▲１▼インバータケース
インバータケースは中心部に第１中空孔を備え、全体としてドーナツ形状を持ち、例えば、底壁、内周壁及び外周壁を含む。内部には複数のスイッチ素子から成るインバータを収容しており、ハウジングの他端壁に取り付けられている。
▲２▼ブラシ、ブラシホルダ
ブラシを保持するブラシホルダは、主にインバータケースの中空孔に収容され、ハウジングの他端壁に取り付けられている。つまり、ブラシホルダとインバータケースとは半径方向で内外関係に配置されている。ブラシホルダの幅とインバータケースとの幅はほぼ同じでも、何れが一方が他方よりも広くても良い。
▲３▼空気案内部材
空気案内部材（放熱部材）はインバータケースに取り付けられ、取付面と反対側に空気案内用フィン（放熱フィン）を有し、中心に第２中空孔を備えている。第２中空孔の形状や大きさは第１中空孔の形状と同じであっても、多少異なっても良い。
【００１６】
ブラシホルダの外周面と第１中空孔及び第２中空孔の内周面との間に、軸方向に延びる空気流通路が形成されている。空気流通路は円周方向全周（環状）に形成しても、一部分のみに形成しても良い。空気流通路はハウジングの他端壁の第１通気口に連通している。
▲４▼磁極位置検出器
制御装置の縦断面視で、磁極位置検出部材は回転軸の先端に取り付けられた磁極プレートと、インバータケースの第１中空孔の内周縁に取り付けられた磁極センサとを含むことができる。制御装置の側面視で、磁極位置検出部材はブラシホルダと重なっている。つまり、フィンが形成された側面から見たとき、ブラシホルダの輪郭内に磁極位置検出部材が位置している。元々ブラシホルダが存在する部分は空気が流通できないので、この領域に磁極位置検出部材を配置しても、空気の流通を妨げる心配はない。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
（構成）
図１にハイブリッド車全体の制御システムを示す。この制御システムはバッテリ１１２、負荷１１５及びＭＧ１１０から成る。図１，図２，図３及び図４に示すように、ＭＧ１１０はハウジング１０、ステータ３０及びロータ２５、及び制御装置１０５等を含む。
【００１８】
図２から図４において、一端が開口した容器形状の一対のハウジング１１及び１６内にステータ及びロータ２５が配置されている。つまり、左方ハウジングの端壁１２及び右方ハウジング１６の端壁１７に軸受を介して回転軸２０が回転可能に支持されている。端壁１２から突出した軸部分にプーリ２２が固定され、周壁１３及び１８に収容された中間部にロータ２５が取り付けられている。
【００１９】
ロータ２５は一対のロータコア２６ａ、２６ｂと、両ロータコア間に巻かれた界磁コイル２７とを含む。左方ハウジング１１の周壁部１２に取り付けられたステータ３０は、ステータコア３１とそのスロットに挿入されたステータコイル３２とを含み、ロータ２５と対向している。
【００２０】
ロータ２５の左側面の外周寄りにファン２８が形成され、これに対向して左方ハウジング１１の周壁１３に通気孔１３ａが形成されている。また端壁１２の表面から周壁１３の表面にかけて複数の通気孔１４が形成されている。ロータ２５の右側面にはファン２８ｂが形成され、これに対応して他方ハウジング１６の周壁１８の右寄り及び端壁１７に通気孔１８ａ，１７ａが形成されている。
【００２１】
図２及び図４から分かるように、制御装置１０５はインバータケース７０と、ブラシ４０及びブラシホルダ４２と、空気案内部材８０と、磁極位置部材１０１、１０３とを含む。図４及び図５から分かるように、ブラシ４０は所定厚さで、小判形状のブラシホルダ４２により保持され、回転軸の右端に取り付けたスリップリング１９にその内周部が接触している。
【００２２】
図５から分かるように、インバータケース７０は底壁部７１、内枠部７２、外枠部７３及び放射状に延びた複数の連結部７４を含み、全体としてドーナツ形状を持つ。内枠部７２が区画する、小判形状（ブラシホルダ４２の輪郭と相似形状）の中心孔７２ａ内に前記ブラシホルダ４２が配置されている。
【００２３】
インバータケース７０の底壁７１には内周壁７２、外周壁７３及び連結部７４により区画される空間内に、インバータ５０を構成する３組（合計６個）のトランジスタ（スイッチ素子）が配置されている。第１組（Ｕ相）のトランジスタ８８ａ、第２組（Ｖ相）のトランジスタ８８ｂ及び第３組（Ｗ相）のトランジスタ８８ｃが、ブスバーによりそれぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相のステータコイル３２に接続されている。また、界磁トランジスタ８９がロータ２５の界磁コイル２７に接続されている。
【００２４】
図２及び図３から分かるように、空気案内部材８０の中空形状の端壁８１は小判形状（ブラシホルダ４２の輪郭と相似形状で、第１中空孔７２ａとほぼ同形状）の中空孔８４が形成されるとともに外側面に放射状に複数のフィン８５が形成されている。ブラシホルダ４２の外周面と、内周壁７２の内周面及び端壁８１の中空孔８４との間には全周にわたって環状ｄえ軸方向に延びる空気流通路８６が形成されている。インバータケース７０と空気案内部材８０とはボルト等により結合されている。
【００２５】
外部信号が外部端子９１から制御回路９２に入力され、制御回路９２から各トランジスタ８８ａから８８ｃや界磁トランジスタ８９に入力される。
【００２６】
図２及び図３から分かるように、回転軸２０の右端にブラシ４０よりも更に先端寄りに取り付けられた磁極プレート１０１は外周に所定ピッチで形成された複数の突起１０２を有する。インバータケース７０は内周壁７２に、磁極プレート１０１に対向して磁極センサ１０３が半径方向に取り付けられ、制御装置内部に導入される。
【００２７】
なお、図４に示すように、空気案内部材８０は通気孔を持つカバー９４（図２及び図３では図示省略）により覆われている。
（作用）
この実施例の作用は以下の通りである。
（１）ＭＧ１１０が発電機として機能する場合
車両がエンジン（不図示）の駆動力により走行しているとき、エンジンの回転がベルトを介してプーリ２２に入力される。ロータ２５の界磁コイル２７に界磁トランジスタ８９、フライオイールダイオード９０、ブラシ４０及びスリップリング１９等を介してバッテリ１１２からフィールド電流が供給される。
【００２８】
ステータ３０に対してロータ２５が回転し、ステータコイル３２に三相交流が発生する。この三相交流はインバータ７０のトランジスタ８８ａ１，８８ａ２等に内蔵されたダイオードにより直流に整流され、その後バッテリ１１２に充電されるか、又は負荷１１５を駆動する。
（２）ＭＧ１１０が電動機として機能する場合
アイドルトップ後の発進時等は、バッテリ１１２の直流電流をトランジスタ８８ａ１、８８ａ２等のスイッチング作用で交流電流に整流し、ステータコイル３２に供給する。その際、着磁されたロータ２５の漏れ磁束を磁極プレート１０１で収束し、磁極センサ１０３のホール素子で検出し、ロータ２５の磁極の円周方向の位相に応じて、所定のステータコイル３２に電流を供給する。
【００２９】
その結果、ステータ３０に対してロータ２５即ち回転軸２０が回転し、駆動力がプーリ２２及びベルトを介してエンジンに伝達される。
（３）インバータ７０の冷却
上述したように、インバータ７０はＭＧ１１０が発電機として機能するときは交流を直流に変換し、電動機として機能するときは直流を交流に変換し、それに伴い発熱する。但し、ロータ２５のファン２８ｂによりインバータケース７０を厚さ方向（図４で左右方向）に横切る空気（風）の流れが発生され、温度上昇が抑制される。
【００３０】
詳述すると、ファン２８ｂの吸引力（送風力）により、空気案内部材８０の外部の空気がフィン８５に沿って半径方向（矢印ｘ参照）に引き込まれ、ブラシホルダ４２とインバータケース７０との間の空気流通路８６を軸方向に通過する。その際、トランジスタ８８ａ１等が冷却される。
【００３１】
空気はその後、右方ハウジング１６の端壁１７の通気口１７ａを通過し、左方ハウジング１１の周壁１８の通気口１８ａから半径方向外向きに（矢印ｙ参照）からＭＧ１１０の外部に流出する。
（効果）
この実施例によれば、以下の効果が得られる。
（１）第１に、制御装置１０５に従来のブラシ４０及びブラシホルダ４２を流用でき、制御装置１０５が安価である。流用できたのは、ブラシホルダ４２の形状、大きさは変更しないで、インバータケース７０の形状、大きさを工夫したことによる。
（２）第２に、インバータケース７０内のトランジスタ８８ａ１，８８ａ２等がファン８５によって引き込まれた空気により効率よく冷却される。これは、インバータケース７０の内面及び内側面（図１で左側面）に沿って積極的に空気を流通させたことによる。
（３）第３に、ＭＧ１１０の制御装置１０５内に、ブラシホルダ４２、インバータケース７０及び磁極位置検出部材１０１，１０３が効率よく収納される。これは、一つにはインバータケース７０を全体としてドーナツ形状とし、その中空孔８６にブラシホルダ４２を配置したことによる。つまり、中空孔７２ａの形状をブラシホルダ４２の輪部に対応させ、両者を半径方向で内外関係に配置したことにより、軸方向寸法の増加が抑制できる。
【００３２】
なお、インバータケース７０ではトランジスタ８８ａ１，８８ａ２等やブスバー等の配置を工夫して高集積化を図っており、その外径寸法は小さい。よって、インバータケース７０とブラシホルダ４２との内外配置による外形寸法の増大は最小限に抑制されている。
【００３３】
もう一つには、磁極プレート１０１及び磁極センサ１０３を側面視でブラシホルダ４２と重なる位置に配置（側面視重複配置）したことによる。この側面視重複配置は、インバータケース７０にブラシホルダ４２の輪部に相当する中空孔８６をあけた上で、磁極センサ１０３を内周縁に半径方向内向きに取り付けたことより実現された。なお、磁極センサ１０３はインバータケース７０の軸方向に所定の太さを持つが、フィン８５の高さよりも小さいので、空気案内部材８０から軸方向に突出する心配もない。
【００３４】
また、回転軸２０の先端（右端）に取り付けた磁極プレート１０１は、薄い鉄板などで構成されており、同様に空気案内部材８０からの突出する心配もない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のインバータ一体型電動発電機によれば、まず、制御装置に従来のブラシホルダを流用できるので、制御装置ひいては電動発電機が安価になる。また、インバータケースとブラシホルダとを半径方向内外関係に配置した結果、両者を軸方向に並置する場合に比べて制御装置の軸方向寸法が半減する。
【００３６】
更に、ブラシホルダとインバータケースとの間に形成された空気流通路に空気を流通させ、第１及び第２磁極位置検出部材を側面視でブラシホルダと重なる位置に配置したので、空気流通路を流通する空気によりインバータを効率よく冷却し、温度上昇を抑制できる。
【００３７】
請求項２の発電電動機によれば、底壁、内周壁及び外周壁が区画する空間内にスイッチ素子を収容でき、しかもこのスイッチ素子が中空孔及び開放側を流れる空気により効果的に冷却される。請求項３の発電電動機によれば、インバータケース及び空気案内部材の軸方向寸法の増加を防止でき、しかも第１及び第２中空孔内に回転軸及びブラシホルダを挿入、収容できる。
【００３８】
請求項４の発電電動機によれば、ブラシホルダ及びインバータケースの半径方向寸法の増加を防止できる。請求項５の発電電動機によれば、外部の空気を空気案内部材の第２中空孔ひいては空気流通路に効果的に導くことができる。請求項６の発電電動機によれば、磁極位置検出部材がフィンよりも突出することがなく、軸方向の寸法が最小限に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるハイブリッド車全体のシステムを示す説明図である。
【図２】本発明の実施例の斜視図である。
【図３】同じく右側面図である。
【図４】同じく縦断面図である。
【図５】実施例のインバータケースの内側斜視図（蓋は省略）である。
【符号の説明】
１０：ハウジング ２５：ロータ
３０：ステータ ４０：ブラシ
４２：ブラシホルダ ５０：インバータ
７０：インバータケース ７２ａ：中空孔
８０：空気案内部材 ８４：中空孔
８５：フィン ８６：空気流通路
８８ａ１，８８ａ２等：トランジスタ
１０１：磁極プレート １０３：磁極センサ

Claims (6)

1. 一端壁、他端壁及び周壁を有するハウジングと、
   前記周壁に固定されたステータ、及び前記一端壁及び前記他端壁に支持された回転軸に固定され前記ステータと対向するロータと、
   前記他端壁に取り付けられた制御装置とから成り、
   前記制御装置は、
   前記回転軸が貫通する第１中空孔が形成され、直流を交流に変換するスイッチ素子を有し、前記他端壁に取り付けられた全体的にドーナツ形状のインバータケースと、
   前記回転軸に接触するブラシを保持し、主に前記インバータケースの第１中空孔に配置され、前記ハウジングの他端壁に固定されたブラシホルダと、
   前記回転軸が貫通する第２中空孔が形成され、外側面に空気案内部を有し、前記インバータケースに取り付けられた空気案内部材と、
   前記回転軸上の前記ブラシよりも先端寄りに固定された第１磁極位置検出部材、及び前記第１磁極位置検出部材と対向する第２磁極位置検出部材と、を含み、前記ブラシホルダの外周面と前記インバータケースの内周面との間に空気流通路が形成され、側面視で前記第１磁極位置検出部材及び前記第２磁極位置検出部材が前記ブラシホルダと重なっていることを特徴とするインバータ一体型電動発電機。
2. 前記インバータケースは前記スイッチ素子が取り付けられた底壁、内周壁及び外周壁を有する請求項１に記載のインバータ一体型電動発電機。
3. 前記インバータケースと前記空気案内部材とは軸方向に並置され、前記第１中空孔と前記第２中空孔とは同じ形状である請求項２に記載のインバータ一体型電動発電機。
4. 前記インバータケースと前記ブラシホルダとは半径方向で内外関係に配置されている請求項２に記載のインバータ一体型電動発電機。
5. 前記空気案内部は放射状に形成された複数のフィンである請求項２に記載のインバータ一体型電動発電機。
6. 前記第２磁極位置検出部材は隣接する前記フィン間に配置され、その太さは該フィンの高さよりも小さい請求項５に記載のインバータ一体型電動発電機。

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