JP4156542B2 - 車両用回転電機装置 - Google Patents

Description

この発明は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される車両用回転電機装置、特に回転電機と該回転電機を制御するインバータユニットとを一体化した車両用回転電機装置に関するものである。

近年、地球温暖化防止を背景にＣＯ２の排出量削減が求められている。そして、自動車におけるＣＯ２の削減は、燃費性能の向上を意味しており、その解決策の一つとして、電気自動車（ＥＶ）あるいはハイブリッド自動車（ＨＥＶ）の開発、実用化が進められている。
特に、ハイブリッド自動車に搭載される回転電機に要求される機能としては、車両停止時のアイドリングストップ、減速走行中のエネルギー回生、加速走行中のトルクアシスト等であり、これらの実現によって燃費性能の向上が可能となっている。

そして、このための回転電機として電動発電機がエンジンの外側に横置き式に搭載され、ベルトが電動発電機とクランク軸プーリとの間に掛け渡され、電動発電機とエンジンとの間で双方向の駆動力伝達が行われるようになっている。
そして、電動時には、バッテリの直流電力がインバータにより交流電力に変換される。この交流電力が電動発電機に供給され、電動発電機が回転駆動される。この回転力がベルトを介してエンジンに伝達され、エンジンが始動される。一方、発電時には、エンジンの駆動力の一部がベルトを介して電動発電機に伝達され、交流電力が発生する、この交流電力がインバータにより直流電力に変換され、バッテリに蓄えられる。（例えば、特許文献１参照）

特開２００１−９５１０３号公報（図１、図２）

従来の車両用電動発電装置では、インバータが電動発電機から遠く離れて配設されているので、インバータと電動発電機との間を電気的に接続する交流配線の配線長さが長くなってしまう。その結果、交流配線での配線抵抗が大きくなり、交流配線での電圧降下が大きくなるので、電動発電機に所望のトルクを出力させるだけの電力を供給できなかったり、電動発電機を所望の回転速度まで回転を上げることができなくなったりするという事態を発生させてしまうという問題があった。
また、交流配線での電圧降下を抑えるために、交流配線の太さを大きくして配線抵抗を小さくすることも考えられる。しかし、この場合には、配線重量および配線コストが大幅に増加してしまうという問題があった。
さらに、エンジンルーム内においてインバータ及びその制御装置を新たに追加搭載するスペースを確保することが非常に困難になってきており、インバータ及びその制御装置を大幅に小型化することが必要であるという課題があった。

この発明は、上記の問題を解消するためになされたもので、特にインバータユニットを一体化した車両用回転電機装置において、インバータユニットを含めた回転電機装置の小型化とトルク特性および効率を向上させることができる車両用回転電機装置を提供するものである。

この発明による回転電機装置は、端面に吸気孔と、外周に排気孔を有する一対のブラケットに回転自在に支承されたシャフトと、上記一対のブラケット内に配設され、上記シャフトに固着されて内部に界磁巻線を装着すると共に両端面には冷却ファンを装着してなる回転子と、上記回転子の外周に該回転子を包囲するように上記一対のブラケットに固着され、電機子巻線が巻回された電機子鉄心からなる電機子とを有する回転電機と、バッテリの直流電力を交流電力に変換して上記電機子巻線に供給して上記回転子に回転動力を発生させるか、あるいは上記電機子巻線で発生する交流電力を直流電力に変換して上記バッテリを充電し、複数のスイッチング素子を含むインバータモジュールと、少なくとも界磁電流を制御する界磁電流制御装置或いは上記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置とを内蔵しているインバータユニットとを備えた車両用回転電機装置において、上記インバータユニットは、概略中空の円筒形状あるいは中空の多角柱形状を成し、少なくとも内周面あるいは反ブラケット側端面あるいは外周面の中の一箇所以上が金属材から成る多数の放熱フィンを有するヒートシンクを構成し、かつ上記ヒートシンクには上記インバータモジュールと、少なくとも上記界磁電流制御装置あるいは上記制御装置が実装され、上記インバータモジュールが実装された上記ヒートシンクの部分と、上記界磁電流制御装置あるいは上記制御装置が実装された上記ヒートシンク部分が互いに熱的影響を及ぼさないように周方向に分断する樹脂からなる熱伝導遮断部を設けて構成されており、上記一対のブラケットのどちらか一方の外側端面に一体に固定されると共に、軸方向端面に吸気孔を設けたカバーにより覆われ、かつ、上記冷却ファンにより上記カバーの軸方向端面の吸気孔から吸入された冷却風が上記回転電機を冷却する前に、上記放熱フィンを冷却するように配置されている。

この発明によれば、インバータユニットが、概略中空の円筒形状あるいは中空の多角柱形状を成し、少なくとも内周面あるいは反ブラケット側端面あるいは外周面の中の一箇所以上が金属材から成る多数の放熱フィンを有するヒートシンクを構成し、かつヒートシンクにはインバータモジュールと、少なくとも界磁電流制御装置あるいは制御装置が実装され、インバータモジュールが実装されたヒートシンクの部分と、界磁電流制御装置あるいは制御装置が実装されたヒートシンク部分が互いに熱的影響を及ぼさないように周方向に分断する樹脂からなる熱伝導遮断部を設けて構成されており、一対のブラケットのどちらか一方の外側端面に一体に固定されると共に、軸方向端面に吸気孔を設けたカバーにより覆われ、かつ、冷却ファンによりカバーの軸方向端面の吸気孔から吸入された冷却風が回転電機を冷却する前に、放熱フィンを冷却するように配置されているので、インバータユニットのヒートシンクを効果的に冷却してインバータユニット自体の小型化が実現できる。その結果、回転電機とインバータユニットの組合せで大幅な省スペースとなり、エンジンルーム内への搭載性が良好になると共に、インバータユニットを回転電機に一体に固定したので、インバータユニットと回転電機を接続する交流配線を削減でき、交流配線での電圧降下を抑えて回転電機のトルク特性を大幅に改善でき、さらに交流配線を削減することによる大幅な重量低減とコストダウンが実現できる。
また、樹脂からなる熱伝導遮断部によって周方向に分断されたそれぞれのヒートシンクにおいて、たとえば、比較的発熱量が大きく充分な冷却が必要なスイッチング素子とダイオードとコンデンサは多くの放熱フィンが立設された大きなシートシンクに実装し、比較的発熱量の小さい制御装置と界磁電流制御装置は小さな方のヒートシンクに実装して分けることができるので、充分な冷却が必要な電子部品を効率良く冷却でき、また、それぞれのヒートシンクを熱伝導遮断部によってお互いに熱的な影響を受けないようにしているので、耐熱性の違いによる品質信頼性の低下を防止する効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用回転電機装置におけるインバータユニットと回転電機を一体化した構造を示す縦断面図、図２は図１においてカバーを外した場合のインバータユニットをリヤ側から見た図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用回転電機装置を搭載したハイブリッド自動車におけるシステム回路の概念図である。なお、図２のＡ−Ａ線は図１の縦断面図に対応する切断線を示す。

図３において、回転電機２は巻線界磁式同期電動発電機であり、電機子（図示せず）の電機子巻線２４と回転子（図示せず）の界磁巻線２１を備えている。
また、この図の場合のインバータユニット４は、複数のスイッチング素子４１と各スイッチング素子４１に並列に接続されたダイオード４２とから成るインバータモジュール４０と、このインバータモジュール４０に並列に接続されたコンデンサ４３とを備えている。そして、インバータモジュール４０は、並列に接続されたスイッチング素子４１およびダイオード４２の組を２組直列に接続したものを並列に３つ配置して構成されている。
そして、電機子巻線２４の各Ｙ結線（スター結線）端部が、交流配線９（但し、本実施の形態１では廃止されている）を介して直列に接続されたスイッチング素子４１の中間点にそれぞれ電気的に接続されている。また、バッテリ５の正極側端子および負極側端子が、直列配線８を介してインバータモジュール４０の正極側および負極側にそれぞれ電気的に接続されている。
インバータモジュール４０は、制御装置４４によりスイッチング素子４１のスイッチング動作が制御される。また、制御装置４４は、界磁電流制御装置４５を制御して界磁巻線２１に流す界磁電流を調整する。
図１において、回転電機２は、ベアリング１０、１１を介してシャフト１６を軸支されてフロントブラケット１８とリヤブラケット１９とからなるケース内に回転自在に配設され、回転子鉄心２０Ａ、２０Ｂと界磁巻線２１を備えた回転子２０と、電機子鉄心２３の軸方向両端の径方向端部をフロントブラケット１８とリヤブラケット１９とに挟持されて回転子２０を囲繞するように配設された電機子２２とを備えている。そして、フロントブラケット１８とリヤブラケット１９とが通しボルト２５により締着一体化されている。また、回転電機用プーリ１２が回転子２０のシャフト１６のフロントブラケット１８からの延出端に固着されている。冷却ファン２８が回転子２０の軸方向両端面にそれぞれ固着されている。そして、一対のスリップリング２９がシャフト１６のリヤ側に装着されている。さらに、ブラシホルダ３０がシャフト１６のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット１９の外壁面に配設され、一対のブラシ３１がそれぞれスリップリング２９に摺接するようにブラシホルダ３０内に配設されている。また、吸気孔１８ａ、１９ａがフロントブラケット１８およびリヤブラケット１９の端面に穿設され、排気孔１８ｂ、１９ｂがフロントブラケット１８およびリヤブラケット１９の外周面に穿設されている。

インバータユニット４は、スリップリング２９を囲むようにしてブラシホルダ３０の部分だけ切り欠いた概略中空の円筒形状あるいは多角柱形状を成し、外部から内部への接続用サーキットターミナルを絶縁性樹脂で覆ってなるサーキットボード４ａと、サーキットボード４ａに一体に固着された内周面側ヒートシンク４０１、反リヤブラケット側ヒートシンク４０２、外周面側ヒートシンク４０３とから構成されている。これらそれぞれのヒートシンク４０１、４０２、４０３の素材には、例えば銅、アルミニウム等の良熱伝導性金属を用い、図２に示すようにそれぞれ放熱フィン４０１ａ、４０２ａ、４０３ａが概略中心方向に向かって放射状に立設されている。
そして、回路基板４０４が電気絶縁状態にヒートシンク４０２の反放熱フィン側面上に配設されてインバータユニット４内に収納されている。この回路基板４０４には、スイッチング素子４１、ダイオード４２およびコンデンサ４３が図３に示される回路を構成するように実装されている。このように構成されたインバータユニット４は、リヤブラケット１９の端面にシャフト１６を囲むように直接取り付けられており、電機子巻線２４のＹ結線端部から延びる口出し線２０１、２０２、２０３がリヤブラケット１９から絶縁ブッシュ３００を介して延出し、インバータユニット４のサーキットボード４ａの接続端子部４２０に電気的に直接接続されている。さらに、バッテリ５が直流配線８を介してインバータユニット４の電源端子（図示せず）に電気的に接続されている。そして、リヤブラケット１９の外端面に配設されたインバータユニット４、ブラシホルダ３０を囲むように、カバー５０が装着されており、このカバー５０には放熱フィン４０２ａに対向する面に吸気孔５０ａが穿設されている。

次にこのように構成された実施の形態１の回転電機装置のハイブリッド自動車におけるアイドリングストップ時の動作について説明する。
まず、アイドリングストップを開始するための条件が成立すると、エンジン（図示せず）は停止される。そして、エンジンを再始動する条件が揃うと、バッテリ５から直流配線８を介して直流電力がインバータユニット４に給電される。そこで、制御装置４４がインバータモジュール４０の各スイッチング素子４１をＯＮ／ＯＦＦ制御し、直流電力が三相交流電力に変換される。そして、この三相交流電力が電機子巻線２４から延びた口出し線２０１、２０２、２０３を介して回転電機２の電機子巻線２４に供給される。これにより、界磁電流制御装置４５により界磁電流が供給されている回転子２０の界磁巻線２１の周囲に回転磁界が与えられ、回転子が回転駆動される。
そして、この回転子２０の回転動力が回転電機用プーリ１２、ベルト（図示せず）、クランクプーリ（図示せず）を介してエンジンに伝達されて、エンジンが始動される。
そして、エンジンが始動されると、エンジンの回転動力がクランクプーリ、ベルト及び回転電機用プーリ１２を介して回転電機２に伝達される。これにより、回転子が回転駆動されて電機子巻線２４に三相交流電圧が誘起される。そこで、制御装置４４が各スイッチング素子４１をＯＮ／ＯＦＦ制御し、電機子巻線２４に誘起された三相交流電力を直流電力に変換して、バッテリ５を充電する。
このような一連のアイドルストップ動作において、回転電機２に直接取り付けられたインバータユニット４は、冷却ファン２８が両端面に固着された回転子２０が回転することによって冷却される。
回転子２０が回転駆動され、冷却ファン２８が回転駆動されると、図１中矢印に示されるように、冷却風がカバー５０の吸気孔５０ａから吸入されて放熱フィン４０２ａから４０１ａへと、同じく放熱フィン４０２ａから４０３ａに沿って流れて、スイッチング素子４１、ダイオード４２およびコンデンサ４３で発生した熱がこれら放熱フィン４０２ａ、４０１ａ、４０３ａを介して冷却風に放熱される。そして、この冷却風はリヤブラケット１９に設けられた吸気孔１９ａに導入されて冷却ファン２８によって遠心方向に曲げられて排気孔１９ｂから排出され、冷却風の流れが形成される。冷却ファン２８に遠心方向に曲げられた冷却風によって電機子巻線２４が冷却される。

従って、この実施の形態１では、インバータユニット４が冷却ファン２８によって強制的に形成された冷却風により、まず最初にインバータユニット４の放熱フィン４０１ａ、４０２ａ、４０３ａを冷却するように構成したので、回転電機２の電機子２２から発生する熱の影響をほとんど受けず、インバータユニット４内部のスイッチング素子４１などから発生する熱を効率よく外部に放熱することができ、インバータユニット４が効率よく冷却される。そこで、ヒートシンク４０１、４０２、４０３の放熱フィン４０１ａ、４０２ａ、４０３ａを小型化でき、その結果インバータユニット４の小型化が図られ、インバータユニット４のリヤブラケット１９への搭載性が向上される。さらに、インバータユニット４と回転電機２とが冷却ファン２８によって形成される冷却風により冷却されるので、インバータユニット４の冷却媒体が回転電機２の冷却媒体（冷却風）と共用され、冷却構造が簡素化される。

そして、インバータユニット４が回転電機２のリヤブラケット１９の外側端面に直接取り付けられ、電機子巻線２４の口出し線２０１、２０２、２０３がインバータユニット４に直接電気的に接続されているので、インバータユニットと電機子巻線２４との間の交流配線による抵抗増加がない。これにより、インバータユニット４と電機子巻線２４との間での電圧降下が最小となり、回転電機２のトルク特性を大幅に向上させることができる。
また、インバータユニット４を回転電機２に直接取り付けているので、取付スペースが削減でき、レイアウト性が向上する。
また、インバータユニット４から回転電機２への交流配線を削減できることによって、重量低減とコストダウンが実現できる。また、交流配線の誤配線などの市場トラブルが防止できる。
さらに、発熱量が大きいスイッチング素子と、比較的発熱量が大きいコンダンサを上記インバータユニットの放熱フィンによって効率良く冷却できる。

実施の形態２.
図４はこの発明の実施の形態２に係る車両用回転電機装置におけるインバータユニットと回転電機を一体化した構造を示す縦断面図、図５はインバータユニットの放熱フィンをリヤブラケット側から見た図である。
図４において、インバータユニット４は、スリップリング２９を囲むようにしてブラシホルダ３０の部分だけを切り欠いた概ね円筒形状あるいは多角柱形状を成し、外部から内部への接続用サーキットターミナルを絶縁性樹脂で覆ってなる蓋状のケース４ｂと、ケース４ｂに一体に固着されたヒートシンク４１０とから外観は構成されている。このヒートシンク４１０の素材には、例えば銅、アルミニウム等の良熱伝導性金属を用い、図５で示すようにそのヒートシンク４１０の外周面側には外周面側フィン４１０ａ、リヤブラケット側にはリヤブラケット側放熱フィン４１０ｂが概略シャフト１６と平行でかつ中心方向から放射状に拡って配設されている。
そして、回路基板４０４が電気絶縁状態にヒートシンク４１０の反リヤブラケット側フィン面上に配設されてインバータユニット４内に収納されている。この回路基板４０４には、スイッチング素子４１、ダイオード４２およびコンデンサ４３が図３に示される回路を構成するように実装されている。また同様に、回路基板４０５も電気絶縁状態にヒートシンク４１０上に配設されてインバータユニット４内に収納されている。この回路基板４０５には、制御装置４４および界磁電流制御装置４５が図３に示される回路を構成するように実装されている。
このように構成されたインバータユニット４は、リヤブラケット１９の外側端面に直接取り付けられており、電機子巻線２４のＹ結線端部から延びる口出し線２０１、２０２、２０３がリヤブラケット１９から絶縁ブッシュ３００を介して延出し、インバータユニット４のケース４ｂの接続端子部４２０に電気的に接続されている。
そして、リヤブラケット１９の外端面に配設されたインバータユニット４、ブラシホルダ３０を囲むようにカバー５０が装着されており、このカバー５０の外周面には外周面側放熱フィン４１０ａに対向する吸気孔５０ｂが穿設されている。また、カバー５０の開口側端部には、リヤブラケット１９の排気孔１９ｂから排気された高温の冷却風をカバー５０の吸気孔５０ｂ側に循環させないための仕切り壁５０ｃが排気孔１９ｂの外側周辺に設けられている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２において、回転子２０が回転駆動され、冷却ファン２８が回転駆動されると、図４中の矢印に示されるように、冷却風がカバー５０の吸気孔５０ｂから吸入されて、図５に示されているように外周面側放熱フィン４１０ａ、リヤブラケット側放熱フィン４１０ｂに沿って流れて、スイッチング素子４１、ダイオード４２、コンデンサ４３、制御装置４４および界磁電流制御装置４５で発生した熱がこれら放熱フィン４１０ａ、４１０ｂを介して冷却風に放熱される。そして、この冷却風はリヤブラケット１９に設けられた吸気孔１９ａに導入されて冷却ファン２８によって遠心方向に曲げられて排気孔１９ｂから排出され、冷却風の流れが形成される。尚、排気孔１９ｂから排出された冷却風は、カバー５０の吸気孔５０ｂの方向に循環しないようにカバー５０の開口側端部に設けられた仕切り壁５０ｃによって排気方向を制御されている。電機子巻線２４は、冷却ファン２８に遠心方向に曲げられた冷却風によって冷却される。なお、この仕切り壁５０ｃは冷却風の排気方向を制御するような導風壁であっても良い。

従って、この実施の形態２では、インバータユニット４が冷却ファン２８によって強制的に形成された冷却風により冷却されるので、インバータユニット４が効率よく冷却される。そこで、ヒートシンク４１０、放熱フィン４１０ａ、４１０ｂを小型にでき、インバータユニット４の小型化が図られ、インバータユニット４のリヤブラケット１９への搭載性が向上される。さらに、インバータユニット４と回転電機２とが冷却ファン２８によって形成される冷却風により冷却されるので、インバータユニット４の冷却媒体が回転電機２の冷却媒体（冷却風）と共用され、冷却構造が簡素化される。

そして、インバータユニット４が回転電機２のリヤブラケット１９の外側端面に直接取り付けられ、電機子巻線２４の口出し線２０１、２０２、２０３がインバータユニット４に直接電気的に接続されているので、インバータユニットと電機子巻線２４との間の交流配線による抵抗増加がない。これにより、インバータユニット４と電機子巻線２４との間での電圧降下が最小となり、回転電機２のトルク特性を大幅に向上させることができる。
また、インバータユニット４を回転電機２に直接取り付けているので、取付スペースが削減でき、レイアウト性が向上する。

また、吸気孔５０ｂから吸入された冷却風の流れる方向に沿って放熱フィン４１０ａ、４１０ｂを配設したので放熱フィンが効率良く冷却されるとともに、通風抵抗が大きくならないので冷却風量が減少することがないので、全体の冷却効率が悪くならないという効果がある。
また、排気孔１９ｂから排出される高温度の排気冷却風がカバー５０の吸気孔５０ｂに循環して吸入されないので、吸気孔５０ｂからは常に低温の冷却風が吸入され、インバータユニット４を効率良く冷却できる。
さらに、インバータユニット４を金属性のカバー５０で覆うことにより、インバータユニット４及びその結線類から発生するノイズを外部に放出しないようにする効果と、逆に外部からのノイズによってインバータユニット４が誤動作することを回避できる効果がある。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係る車両用回転電機装置におけるインバータユニットと回転電機を一体化した構造を示す縦断面図である。
図６において、インバータユニット４は、スリップリング２９を囲むようにしてブラシホルダ３０の部分だけを切り欠いた概ね中空の円筒形状あるいは多角柱形状を成し、外部から内部への接続用サーキットターミナルを絶縁性樹脂で覆ってなるサーキットボード４ａと、サーキットボード４ａに一体に固着された内周面側ヒートシンク４０１、リヤブラケット端面側ヒートシンク４０２、外周面側ヒートシンク４０３とから外観は構成されている。これらそれぞれのヒートシンク４０１、４０２、４０３の素材には、例えば銅、アルミニウム等の良熱伝導性金属を用い、それぞれ放熱フィン４０１ａ、４０２ａ、４０３ａが外表面に立設されている。
そして、回路基板４０４が電気絶縁状態にヒートシンク４０２の反放熱フィン面上に配設されてインバータユニット４内に収納されている。この回路基板４０４には、スイッチング素子４１、ダイオード４２およびコンデンサ４３が図３に示される回路を構成するように実装されている。
このように構成されたインバータユニット４は、リヤブラケット１９の内側端面に直接取り付けられており、電機子巻線２４のＹ結線端部から延びる口出し線２０１、２０２、２０３がインバータユニット４のサーキットボード４ａの接続端子部４２０に電気的に接続されている。
そして、インバータユニット４のサーキットボード４ａ上には、中央部に通風孔４０６ａの開いたドーナツ状の仕切り板４０６が一体状に固定されており、回転子２０及び電機子２２との間を仕切り、電機子巻線２４近辺の高温度の冷却風がインバータユニット側に循環しないように構成している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３において、回転子２０が回転駆動され、冷却ファン２８が回転駆動されると、図６中の矢印に示されるように、冷却風がリヤブラケット１９端面の吸気孔１９ａから吸入されて、放熱フィン４０２ａから４０１ａへと、同じく放熱フィン４０２ａから４０３ａに沿って流れて、スイッチング素子４１、ダイオード４２およびコンデンサ４３で発生した熱がこれら放熱フィン４０２ａ、４０１ａ、４０３ａを介して冷却風に放熱される。
そして、この冷却風は仕切り板４０６の中央に設けられた通風孔４０６ａに導入されて冷却ファン２８によって遠心方向に曲げられて排気孔１９ｂから排出され、冷却風の流れが形成される。電機子巻線２４は、冷却ファン２８に遠心方向に曲げられた冷却風によって冷却される。

従って、この実施の形態３では、インバータユニット４が冷却ファン２８によって強制的に形成された冷却風により冷却されるので、インバータユニット４が効率よく冷却される。そこで、ヒートシンク４０１、４０２、４０３の放熱フィン４０１ａ、４０２ａ、４０３ａを小型化でき、結果インバータユニット４の小型化が図られ、インバータユニット４のリヤブラケット１９への搭載性が向上される。さらに、インバータユニット４と回転電機２とが冷却ファン２８によって形成される冷却風により冷却されるので、インバータユニット４の冷却媒体が回転電機２の冷却媒体（冷却風）と共用され、冷却構造が簡素化される。

そして、インバータユニット４が回転電機２のリヤブラケット１９の内側端面に直接取り付けられ、電機子巻線２４の口出し線２０１、２０２、２０３がインバータユニット４に直接電気的に接続されているので、インバータユニットと電機子巻線２４との間の交流配線による抵抗増加がない。これにより、インバータユニット４と電機子巻線２４との間での電圧降下が最小となり、回転電機２のトルク特性を大幅に向上させることができる。
また、インバータユニット４を回転電機２に直接取り付けているので、取付スペースが削減でき、レイアウト性が向上する。
また、仕切り板４０６をインバータユニット４と一体に固定したので、仕切り板４０６の組み付け性が向上する。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４に係わる車両用回転電機装置におけるインバータユニットの他の構成を示す縦断面図である。
実施の形態４は、実施の形態２に対して特にインバータユニット構造が異なっており、同一符号部分は実施の形態２と同様に構成されている。
図７において、インバータユニット４は、外部から内部への接続用サーキットターミナルを絶縁性樹脂で覆ってなるサーキットボード４ａと、同じく絶縁性の樹脂でなる蓋状のケース４ｂと、ケース４ｂとサーキットボード４ａとに挟まれて一体に固着されているヒートシンク４１１と、サーキットボード４ａの他方の面に固着され外周面側フィン４１０ａとリヤブラケット側フィン４１０ｂが立設されたヒートシンク４１０で外観は構成されている。
そして、回路基板４０４が電気絶縁状態にヒートシンク４１０の反リヤブラケット側フィン面上に配設されてインバータユニット４内に収納されている。この回路基板４０４には、スイッチング素子４１、ダイオード４２およびコンデンサ４３が図３に示される回路を構成するように実装されている。また同様に、回路基板４０５も電気絶縁状態にヒートシンク４１１上に配設されてインバータユニット４内に収納されている。この回路基板４０５には、制御装置４４および界磁電流制御装置４５が図３に示される回路を構成するように実装されている。サーキットボード４ａは、回路基板４０４上のスイッチング素子４１と、回路基板４０５上の制御装置４４とを接続するための中継ターミナルとしての機能を果たしている。このように、実施の形態４は、ヒートシンク４１０上にスイッチング素子４１、ダイオード４２、コンデンサ４３を実装してなる回路基板４０４と、ヒートシンク４１１上に制御装置４４、界磁電流制御装置４５を実装してなる回路基板４０５とを軸方向に多段に重ねてなる構成を示している。

以上のように、比較的発熱量が大きく充分な冷却が必要なスイッチング素子４１とダイオード４２とコンデンサ４３とを、大きな放熱フィン４１０ａ、４１０ｂが立設されたヒートシンク４１０に実装し、比較的発熱量の小さい制御装置４４と界磁電流制御装置４５とをヒートシンク４１１に実装して分けたので、充分な冷却が必要な電子部品を効率良く冷却でき、また、それぞれのヒートシンクをサーキットボード４ａによってお互いに熱的な影響を受けないようにしているので、耐熱性の違いによる品質信頼性の低下を防止する効果がある。
また、スイッチング素子４１と、スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置４４とを同じインバータユニット４内に構成したので、両者をインバータユニット４内で直接接続でき、スイッチング素子４１と制御装置４４を接続するための特別な接続部の構成が省略できるとともに接続部の信頼性が向上する効果がある。
さらに、インバータユニット４内に構成した界磁電流制御装置４４は、回転子２０の内部に装着している界磁巻線２１にスリップリング２９を介して電気的に摺動接続されたブラシ３１を内蔵しているブラシホルダ４４の近傍に配置できるので、界磁電流を通電するための配線構成をコンパクト化できるともに、結線部の信頼性が向上できる。

実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５に係わる車両用回転電機装置におけるインバータユニットで、周方向に分割して配置した構成を示すリヤ側から見た外観図である。（但し、カバーを外した状態）
実施の形態５は、実施の形態１に対して特にインバータユニット構造が異なっており、同一符号部分は実施の形態１と同様に構成されている。
図８において、インバータユニット４の内周面側ヒートシンク４０１、反リヤブラケット側ヒートシンク４０２、外周面側ヒートシンク４０３は、たとえば樹脂などで構成された熱伝導遮断部４３０によってそれぞれが周方向に分断されており、それぞれのヒートシンクの分断部間で互いに熱的影響を及ぼさないように構成されている。
そして、熱伝導遮断部４３０によって周方向に分断されたそれぞれのヒートシンクにおいて、たとえば、比較的発熱量が大きく充分な冷却が必要なスイッチング素子４１とダイオード４２とコンデンサ４３は多くの放熱フィンが立設された大きなシートシンクに実装し、比較的発熱量の小さい制御装置４４と界磁電流制御装置４５は小さな方のヒートシンクに実装して分けるので、充分な冷却が必要な電子部品を効率良く冷却でき、また、それぞれのヒートシンクを熱伝導遮断部４３０によってお互いに熱的な影響を受けないようにしているので、耐熱性の違いによる品質信頼性の低下を防止する効果がある。

実施の形態６．
図９はこの発明の実施の形態６に係わる車両用回転電機装置におけるインバータユニットに使用されるスイッチング素子のオン抵抗と定格電圧の関係を示す特性図である。
図９において、現在一般的にインバータユニット４の中のスイッチング素子４１として使用されているＳｉ（シリコン）を組成材としたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴとＳｉＣ（炭化シリコン）組成材を用いたＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴとの定格電圧とオン抵抗の関係を比較して示している。
車両用回転電機の電動時や発電時には、電機子巻線や界磁巻線の蓄積磁気エネルギー量が非常に大きいため、それらが瞬時に放出される事故に対する対策としてインバータユニット４のスイッチング素子４１の定格電圧をバッテリ電圧の数十倍に設定する必要があり、例えば、この定格電圧を２５０（Ｖ）と仮定した場合には、図９の特性の比較から明らかなようにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗はＳｉ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の約１／１５程度まで低減できる。従って、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子として使用すれば、オン抵抗が低いため発熱量も大幅に低減でき、ヒートシンクの放熱フィン部が小型化できるので、ヒートシンクを含めたインバータユニット全体のさらなる小型化が可能となるとともに、抵抗損が低下するのでインバータも含めた回転電機としての効率が向上するという効果がある。

実施の形態７
図１０はこの発明の実施の形態７に係わる車両用回転電機装置におけるインバータユニットに使用されるスイッチング素子のオン抵抗と定格電圧の関係を示す特性図である。
図１０において、実施の形態６で説明したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴと、同じくＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ−ＳＩＴ（Static Induction Transistor:静電誘導トランジスタ）のある条件下での定格電圧とオン抵抗の関係を比較して示している。
図９の特性の比較から明らかなように、例えば、定格電圧を２５０（Ｖ）と仮定した場合には、ＳｉＣ−ＳＩＴのオン抵抗はＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の約１／数百程度まで低減できる。従って、ＳｉＣ−ＳＩＴをスイッチング素子として使用すれば、オン抵抗が低いため発熱量も大幅に低減でき、ヒートシンクの放熱フィン部が小型化できるので、ヒートシンクを含めたインバータユニット全体のさらなる小型化が可能となるとともに、抵抗損が低下するのでインバータも含めた回転電機としての効率がさらに向上するという効果がある。
また、ＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ−ＳＩＴは、現在一般的に採用されているＳｉ(シリコン)を組成材としたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴに比べて高耐電圧性を有しており、高いサージ電圧に対しても十分に耐え得るので高い信頼性が得られる。

実施の形態８．
図１１はこの発明の実施の形態１から７に係わる車両用回転電機装置における永久磁石を備えたクローポール型回転子の構成を示す外観斜視図である。
図１１において、回転子２０はクローポール型の回転子であり、回転子鉄心２０Ａおよび２０Ｂは電機子鉄心２３の内径に対して所定の空隙を介して対向する爪状の磁極部２０ａおよび２０ｂを有し、磁極部２０ａおよび２０ｂはそれぞれ所定の極数に形成されると共に、界磁巻線２１の外径側を覆うように交互に交差しており、相隣る磁極部２０ａと２０ｂとは周方向に所定の間隔を介して一定のピッチで配列され、界磁巻線２１により交互に異極となるように磁化される。そして、相隣る磁極部２０ａと２０ｂとの間には永久磁石２６、２７が介挿され、永久磁石２６、２７は各磁極部２０ａおよび２０ｂが界磁巻線２１による磁化と同一磁極になるように磁化されている。
前記界磁巻線２１と共に前記電機子鉄心２３に磁束を供給する永久磁石２６、２７を備えているので総磁束量が増加し、同じトルク特性を得るために必要なインバータモジュール４０でスイッチング制御して電機子巻線２４に供給する電流量が低減できるので、上記スイッチング素子４１での発熱量が減り、結果的にヒートシンク４０１、４０２、４０３、４１０の放熱フィン部４０１ａ、４０２ａ、４０３ａ、４１０ａ、４１０ｂが小型化でき、ヒートシンク４０１、４０２、４０３、４１０を含めたインバータユニット４全体が小型化できるとともに、抵抗損が低くなるので回転電機としての効率が向上する。

この発明の実施の形態１による車両用回転電機装置を示す縦断面図である。 図１においてカバーを外した場合のインバータユニットをリヤ側から見た図である。 この発明の実施の形態１による車両用回転電機装置を搭載したハイブリッド自動車におけるシステム回路を示す概念図である。 この発明の実施の形態２による車両用回転電機装置を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態２による車両用回転電機装置におけるインバータユニットの放熱フィンをリヤブラケット側から見た図である。 この発明の実施の形態３による車両用回転電機装置を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態４による車両用回転電機装置におけるインバータユニットで軸方向に分割して配置した構成を示す外観図である。 この発明の実施の形態５による車両用回転電機装置におけるインバータユニットで周方向に分割して配置した構成を示す外観図である。 この発明の実施の形態６に係わる車両用回転電機装置におけるインバータユニットに使用されるスイッチング素子のオン抵抗と定格電圧の関係を示す特性図である。 この発明の実施の形態７に係わる車両用回転電機装置におけるインバータユニットに使用されるスイッチング素子のオン抵抗と定格電圧の関係を示す特性図である。 この発明の実施の形態１から７に係わる車両用回転電機装置における永久磁石を備えたクローポール型回転子の外観図である。

符号の説明

２ 回転電機、４ インバータユニット、４ａ サーキットボード、４ｂ ケース、５ バッテリ、８ 直流配線、９ 交流配線、１０ ベアリング、１１ ベアリング、１２ プーリ、１６ シャフト、１８ フロントブラケット、１８ａ 吸気孔、１８ｂ 排気孔、１９ リヤブラケット、１９ａ 吸気孔、１９ｂ 排気孔、２０ 回転子、２０Ａ、２０Ｂ 回転子鉄心、２０ａ、２０ｂ 磁極部、２１ 界磁巻線、２２ 電機子、２３ 電機子鉄心、２４ 電機子巻線、２５ 通しボルト、２６、２７ 永久磁石、２８ 冷却ファン、２９ スリップリング、３０ ブラシホルダ、３１ ブラシ、４０ インバータモジュール、４１ スイッチング素子、４２ ダイオード、４３ コンデンサ、４４ 制御装置、４５ 界磁電流制御装置、５０ カバー、５０ａ、５０ｂ 吸気孔、５０ｃ 仕切り壁、
２０１、２０２、２０３ 口出し線、３００ 絶縁ブッシュ、４０１ 内周面側ヒートシンク、４０２ 反リヤブラケット側ヒートシンク、４０３ 外周面側ヒートシンク、４０１ａ、４０２ａ、４０３ａ 放熱フィン、４０４ 回路基板、４０５ 回路基板、４０６ 仕切り板、４０６ａ 通風孔、４１０ ヒートシンク、４１０ａ 外周面側放熱フィン、４１０ｂ リヤブラケット側放熱フィン、４１１ ヒートシンク、４２０ 接続端子部、４３０ 熱伝導遮断部

Claims (11)

1. 端面に吸気孔と、外周に排気孔を有する一対のブラケットに回転自在に支承されたシャフトと、上記一対のブラケット内に配設され、上記シャフトに固着されて内部に界磁巻線を装着すると共に両端面には冷却ファンを装着してなる回転子と、上記回転子の外周に該回転子を包囲するように上記一対のブラケットに固着され、電機子巻線が巻回された電機子鉄心からなる電機子とを有する回転電機と、
   バッテリの直流電力を交流電力に変換して上記電機子巻線に供給して上記回転子に回転動力を発生させるか、あるいは上記電機子巻線で発生する交流電力を直流電力に変換して上記バッテリを充電し、複数のスイッチング素子を含むインバータモジュールと、少なくとも界磁電流を制御する界磁電流制御装置或いは上記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置とを内蔵しているインバータユニットとを備えた車両用回転電機装置において、
   上記インバータユニットは、
   概略中空の円筒形状あるいは中空の多角柱形状を成し、少なくとも内周面あるいは反ブラケット側端面あるいは外周面の中の一箇所以上が金属材から成る多数の放熱フィンを有するヒートシンクを構成し、かつ上記ヒートシンクには上記インバータモジュールと、少なくとも上記界磁電流制御装置あるいは上記制御装置が実装され、上記インバータモジュールが実装された上記ヒートシンクの部分と、上記界磁電流制御装置あるいは上記制御装置が実装された上記ヒートシンク部分が互いに熱的影響を及ぼさないように周方向に分断する樹脂からなる熱伝導遮断部を設けて構成されており、上記一対のブラケットのどちらか一方の外側端面に一体に固定されると共に、軸方向端面に吸気孔を設けたカバーにより覆われ、
   かつ、上記冷却ファンにより上記カバーの軸方向端面の吸気孔から吸入された冷却風が上記回転電機を冷却する前に、上記放熱フィンを冷却するように配置されていることを特徴とする車両用回転電機装置。
2. 端面に吸気孔と、外周に排気孔を有する一対のブラケットに回転自在に支承されたシャフトと、上記一対のブラケット内に配設され、上記シャフトに固着されて内部に界磁巻線を装着すると共に両端面には冷却ファンを装着してなる回転子と、上記回転子の外周に該回転子を包囲するように上記一対のブラケットに固着され、電機子巻線が巻回された電機子鉄心からなる電機子とを有する回転電機と、バッテリの直流電力を交流電力に変換して上記電機子巻線に供給して上記回転子に回転動力を発生させるか、あるいは上記電機子巻線で発生する交流電力を直流電力に変換して上記バッテリを充電し、複数のスイッチング素子を含むインバータモジュールと、少なくとも界磁電流を制御する界磁電流制御装置或いは上記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置とを内蔵しているインバータユニットとを備えた車両用回転電機装置において、
   上記インバータユニットは、
   概略中空の円筒形状あるいは中空の多角柱形状を成し、少なくともブラケット側端面あるいは外周面の中の一箇所以上に金属材から成る多数の放熱フィンを有するヒートシンクを構成し、かつ上記ヒートシンクには上記インバータモジュールと、少なくとも上記界磁電流制御装置あるいは上記制御装置が実装され、上記インバータモジュールが実装された上記ヒートシンクの部分と、上記界磁電流制御装置あるいは上記制御装置が実装された上記ヒートシンク部分が互いに熱的影響を及ぼさないように周方向に分断する樹脂からなる熱伝導遮断部を設けて構成されており、上記一対のブラケットのどちらか一方の外側端面に一体に固定されると共に、外周面に吸気孔を配設したカバーにより覆われ、
   かつ、上記冷却ファンにより上記カバーの外周面の吸気孔から吸入された冷却風が上記回転電機を冷却する前に、上記放熱フィンを冷却するように配置されていることを特徴とする車両用回転電機装置。
3. 上記放熱フィンの一部または全部が概略中心方向に向かって放射状に配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の車両用回転電機装置。
4. 上記放熱フィンの一部または全部が概略シャフトと平行でかつ中心方向から放射状に拡がって配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の車両用回転電機装置。
5. 上記ブラケット外周に設けられた排気孔から排出される高温度の排気冷却風が上記カバーの吸気孔に循環して吸入されないように、上記カバーあるいは上記インバータユニットが固定されているブラケットに、仕切り壁あるいは排気方向を制御する導風壁を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の車両用回転電機装置。
6. 上記カバーの素材が金属であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の車両用回転電機装置。
7. 端面に吸気孔と、外周に排気孔を有する一対のブラケットに回転自在に支承されたシャフトと、上記一対のブラケット内に配設され、上記シャフトに固着されて内部に界磁巻線を装着すると共に両端面には冷却ファンを装着してなる回転子と、上記回転子の外周に該回転子を包囲するように上記一対のブラケットに固着され、電機子巻線が巻回された電機子鉄心からなる電機子とを有する回転電機と、
   バッテリの直流電力を交流電力に変換して上記電機子巻線に供給して上記回転子に回転動力を発生させるか、あるいは上記電機子巻線で発生する交流電力を直流電力に変換して上記バッテリを充電し、複数のスイッチング素子を含むインバータモジュールと、少なくとも界磁電流を制御する界磁電流制御装置或いは上記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置とを内蔵しているインバータユニットとを備えた車両用回転電機装置において、
   上記インバータユニットは、
   概略中空の円筒形状あるいは中空の多角柱形状を成し、少なくともブラケット側端面あるいは外周面の中の一箇所以上に金属材から成る多数の放熱フィンを有するヒートシンクを構成し、かつ上記ヒートシンクには上記インバータモジュールと、少なくとも上記界磁電流制御装置あるいは上記制御装置が実装され、上記インバータモジュールが実装された上記ヒートシンクの部分と、上記界磁電流制御装置あるいは上記制御装置が実装された上記ヒートシンク部分が互いに熱的影響を及ぼさないように周方向に分断する樹脂からなる熱伝導遮断部を設けて構成されており、上記一対のブラケットのどちらか一方の内側端面に一体に固定されると共に、上記回転子及び電機子との間を中心に通風孔が開いた概ねドーナツ状の仕切り板によって区切られ、
   かつ、上記冷却ファンにより上記ブラケットの軸方向端面の吸気孔から吸入された冷却風が上記回転電機を冷却する前に、上記放熱フィンを冷却するように配置されていることを特徴とする車両用回転電機装置。
8. 上記仕切り板上記インバータユニットに一体に固定されていることを特徴とする請求項７のいずれか１項に記載の車両用回転電機装置。
9. 上記スイッチング素子がＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴから成ることを特徴とする請求項１，２または７のいずれか１項に記載の車両用回転電機装置。
10. 上記スイッチング素子がＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ−ＳＩＴから成ることを特徴とする請求項１，２または７のいずれか１項に記載の車両用回転電機装置。
11. 上記回転子が、相隣る磁極が異極をなすようにクローポール型に形成された磁極部と界磁巻線を有する円筒部とからなる回転子鉄心と、
    前記回転子鉄心の磁気回路に設けられ、前記界磁巻線と共に前記電機子鉄心に磁束を供給する永久磁石を備えていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の車両用回転電機装置。

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