JP4369991B2 - 一体化オルタノ−スタータ用コントロール・パワー・モジュール - Google Patents

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Description

本発明はオルタネータ−スタータのような、兼用の回転電機に関するものであり、該回転電機は特に、一方では自動車の車載電源網に電気を供給してこの自動車のバッテリを充電するためのものであり、他方では、自動車の熱機関を始動させるためのものである。本発明は、より特定的には、このような回転電機を指令制御するためのコントロール・パワー・モジュールに関するものである。
自動車では、オルタネータによって、自動車の熱機関によって駆動されるロータインダクタの回転運動を、ステータのコイルに誘起される電流に変換させることが可能になる。オルタネータはまた、動作可逆であり、電気モータ、すなわち回転電機を兼ねて構成することができ、該回転電機によって、ロータのシャフトを介して、自動車の熱機関を回転駆動できるようになっている。この動作可逆なオルタネータはオルタノ−スタータまたはオルタネータ−スタータと称される。このオルタネータ−スタータによって、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、またこの逆も可能である。したがって、オルタノ−スタータは自動車の熱機関を始動させることができるとともに、自動車を駆動するためにモータ・モードで作動することができるのである。一般的に、ステータは三つのコイルを具備し、その結果、オルタネータは三相タイプである。変形例によっては、オルタネータは六相タイプであり、ピンを形成する導体のバーでコイルを作ることができる。オルタノ−スタータがスタータ・モードあるいはモータ・モードで作動する際、熱機関に極めて大きいトルクを伝達しなければならない。
多相で兼用タイプであるこの回転電機の作動については、オルタネータとして特に自動車のバッテリを充電し、かつ、スタータとして、熱機関とも呼ばれる、自動車の内燃機関始動のための駆動をするようになっている。
このために、オルタネータの電機子の相に接続されたパワー・ユニットは、モータ・モードではこれらの相の制御ブリッジとしての役割を果たすとともに、オルタネータ−スタータがオルタネータ・モードで作動する際には、整流ブリッジの代わりをつとめる。
図20は、国際公開第01/69762号パンフレットに記載されているような、背景技術でのオルタネータ−スタータを形成する回転電機を示している。
この図において、右側部分は回転電機の前部に対応し、左側部分は回転電機の後部に対応する。オルタネータを形成するこの回転電機は以下のものを含む。
−伝統的に二つのスリップ・リング706、707に結合されたインダクタを構成する、巻かれた構造のロータ743と、励磁電流をもたらす二つのブラシ。
−複数のコイルまたは巻回体を担持し、電機子507を構成する多相のステータ503であり、該多相のステータは、三相構造の最も多くの場合にはスター結線あるいはデルタ結線され、オルタネータとして作動するときには整流ブリッジに向けて、変換された電力を送り込むもの。
この整流ブリッジは、電機子の別々の相に接続され、アースとバッテリの給電端子の間に取り付けられる。この整流ブリッジは、たとえば、MOSFETタイプの複数のトランジスタに関係する複数のダイオードを有している。
このようなオルタネータのモータ・モードでの作動は、たとえば、インダクタに直流をかけることと、120°ほど位相をずらした信号をステータの相に、同期で送り込むことで行われるのだが、その信号は、理想的には正弦波だが、場合によっては台形波または矩形波である。
このブリッジは、オルタネータ・モードでの整流ブリッジであるとともにモータ・モードでの制御ブリッジであり、これは、コントロール・ユニットによって操作される。この整流・制御ブリッジによって構成されるパワー・ユニットおよびコントロール・ユニットは、コントロール・パワー・モジュールを構成し、回転電機の外部に設置され、該回転電機において、電気結線によってステータの各相の出力端子に結合されている。
さらに、ロータの角度位置を追跡するための手段も用意されており、それは、電気モータ・モードにおいて、適切な瞬間に、ステータの関係するコイルに電流を流すためのものである。
この手段は、好ましくは磁気タイプであるが、コントロール・ユニットに情報を送るものであり、たとえば仏国特許第2807231号明細書および仏国特許第2806223明細書に記載されている。
この手段というのは、回転電機のロータまたはプーリー701上の回転において狙いを定めた標的750と、少なくとも一つのセンサ752を含んでおり、そのセンサは、ホール効果つまり磁気抵抗のタイプで、標的の通過を検出するもので、その標的は好ましくは磁気タイプである。
好ましくは、少なくとも三つのセンサ752が用意され、これらセンサは、回転電機が具備する前部軸受体713または後部軸受体504によって担持されることで、ステータを固定した状態で、ロータを回転する状態で支持するようになっている。
センサ受け753は、ここではプラスチック製であり、アキシャアル方向の方向性をもった部分755を有している。これらの部分755は、ここでは孔754によって、軸受体504を通り抜けている。センサ752は部分755と連結し、標的750の非常に近くにあって、標的750と羽根505の間にラジアル状に設置される。センサ受けは、固定用ボルト757に取り付けられる。
センサ752の電気接続は、センサ受け753に収納され、そのセンサ受けは、穴付金具756によって、後部軸受体504の底部において、標的750とロータ743に対向する側面に固定されている。
ブラシ受け716は、参照符号を付していないボルトと穴付金具によって、後部軸受体504の底部の同一面に固定される。
ブラシ受け716は、知られているように、ブラシを案内するための二つのケージを具備しており、該ケージはそれぞれ、シャフト502の後端部に取り付けられたスリップ・リング706、707と協働する。ブラシは、ケージに収納されているバネの作用を受ける。
要望として、ある特定の場合に、オルタネータ−スタータの始動性能を向上させたいことがある。例えば、ロータを過励磁することで、より高い始動トルクを得るようにできる。
この過励磁は、慣用的なオルタネータと比べて、励磁コイルの端子への過電圧および/または励磁コイル内の過電流によって実現することができる。
これは、ロータのコイルを過励磁する電子ブースターによって行うことができ、スタータ・モードの場合に限り行われる。
この回転電機は、ここでは伝統的なオルタネータの構造を有しており、例えば、欧州特許出願公開第0515259号明細書に記載されているタイプであり、さらなる詳細についてはその明細書を参照することとする。
極輪741、742には、シャフト502に力をかける通過用の孔が開けられている。より正確には、シャフト502は、モーレット切りされた部分によって極輪を固定するために、極輪741、742より硬い。
このシャフト502は、ロータ743の両側に伸びており、該ステータと共にサブアセンブリを形成する。
両極輪は、フランジを介して、それぞれ羽根505の付いた送風ファン515を、ここでは電気溶接による固定状態で担持している。
この回転電機は、したがって、内部送風(空冷)を伴うものであり、そのロータは、アキシャル方向の端部の少なくとも一方に送風ファン515を担持している。変形例によっては、この回転電機は水冷される。
より正確には、ロータは、極輪741、742を伴うスプライシング743のついたロータであり、該極輪は、外縁部にアキシャル方向の方向性をもった、台形の形状をした歯を担持している。一つの極輪の歯は、他方の極輪の歯に向けられ、全体的に台形の形状である前記歯は、一方の極輪と他方の極輪に交互に重ねて配分されている。
例えば、仏国特許出願公開第2793085号明細書に記載されているように、永久磁石を極輪の各歯の間に挟み込むことで、磁界を強めることも、もちろん可能である。
ロータは、極輪のフランジの間に励磁コイルを担持している。このコイルは導電体構成要素を具備し、該導電体構成要素は螺旋形に巻かれている。このコイルが励磁コイルであり、該励磁コイルは、励磁されているとき、ロータを磁化することで、歯の力を借りて磁極を創出させる。ロータのコイルの端部は、それぞれスリップ・リングに接続されており、該スリップ・リングのそれぞれに対して、ブラシが擦る。ブラシは、回転電機の後部軸受体と連結されたブラシ受けによって担持され、この後部軸受体は中心に玉軸受けを担持しており、そしてその玉軸受けは、ロータを連結する状態で担持しているシャフトの後端部を、回転する状態で支持しているようになっている。
シャフトの前端部は、玉軸受け711によって回転する状態で支持され、その玉軸受けは、この回転電機の前部軸受体713に担持されている。シャフトの前端部はこの回転電機の外部でプーリー701を担持しており、このプーリーは動力伝達装置に属しており、そのプーリーと接触している少なくとも一つのベルトを具備している。動力伝達装置は、プーリーと、もう一つの他のプーリーのような、自動車の内燃機関によって回転駆動される装置との間の結合を確立する。
さらに、後部カバー511が後部軸受体504に取り付けられており、それは、とりわけブラシ受けを保護するためであり、その結果、前記の各係属手段はより良く保護され、それらの設置も容易となる。
ここで、オルタネータ−スタータである回転電機がオルタネータ・モードで作動するとき、つまり、発電機として作動するとき、プーリー701は、自動車の内燃機関によって、前述した少なくとも一本のベルトを介して回転駆動される。回転電機がスタータ・モードで作動するとき、つまり電気モータとして作動するとき、プーリーはベルトを介して自動車のエンジンを回転駆動させる。
前部と後部の各軸受体は、回転電機の内部送風のために窓をつけられているのだが、たとえばタイ・ロッド527によって互いに結合され、自動車の固定部分に取り付けられるようになっている回転電機の支持体に属している。この支持体は、外縁部にステータを固定し、このステータは通常、積層鋼板508で構成されてコイル、またはより一般的にはステータの巻線を取り付けるための溝を備えており、該コイルの出力は、前述した整流・制御ブリッジに結合されている。
ステータのコイルまたは巻回体は、たとえば国際公開第92/06527号パンフレットに記載されているように、導線またはバー状の巻回体で形成されており、そのバーは長方形の断面であってよい。
ステータはロータを囲んでおり、該ロータのブラシがオルタネータのレギュレータに結合されていることで、オルタネータの電圧を所望の電圧に維持するようになっており、その電圧は、ここでは12Vのバッテリに対して、例えば、14Vオーダである。
コントロール・パワー・モジュールとレギュレータとは、ここでは電子回路ケースに取り付けられており、この電子回路ケースは回転電機の外部に設置されている。レギュレータは、また、外部に設けられた、コントロール・パワー・モジュールのコントロール・ユニットに一体化することもできる。この電子回路ケースはスイッチ手段を担持しており、そのスイッチ手段は、パワースイッチング素子、制御ユニットおよび過励磁回路を具備している。過励磁回路がスタータ・モードで起動していることで、寒中での始動にせよ、たとえば赤信号での停止後の再始動の際にせよ、オルタネータ・スタータの始動トルクを最大にし、熱機関とも呼ばれる、自動車の内燃機関を容易に始動させるようになっており、その内燃機関が切られていることで、燃料の消費を減少させ、そうして「ストップ・アンド・ゴー」と呼ばれる機能を実現するようになっている。
この過励磁回路は、入力でバッテリおよび/またはオルタネータから送り込まれた車載電源網の電圧を受け、励磁コイルの端子で、この車載電源網の電圧より高い電圧を送り込む。
レギュレータは、オルタネータ−スタータが車載電源網に放電し、バッテリによる接続を解除されている場合(当業者に一般的に用いられる英語の用語である「load dump」の場合)には、励磁コイルに給電するパワースイッチング素子の即時のオフを指令制御することを可能にする手段を具備することができ、このことによって、オルタネータ、特にロータのオルタネータの急速な脱磁を実現するようになっている。
現状では、慣例であるのは、パワー・ユニットにおいて、整流ブリッジが、スイッチング素子のブリッジを形成するために接続されたパワー・トランジスタを具備し、該スイッチング素子のブリッジにおいて、トランジスタがオルタネータの電機子巻線にある電流と同期で制御される(同期整流)ことが実現できる。しかし、トランジスタを、比較的高機能のコントロール・ユニット、たとえば、マイクロコントローラ、オルタネータの電機子コイル中の電流の方向を検出する電流検出器、イメージブリッジなどを用いて操作することが必要である。これら整流ブリッジの一つは、仏国特許出願公開第2806553号明細書に記載されている。この整流ブリッジは、図1に示されている。この整流ブリッジは、三つの枝路B1、B2、B3で、それぞれ、少なくとも二つのトランジスタを具備しているものであり、それら枝路はそれぞれ、オルタネータ−スタータの相φ1、φ2、φ3、車載電源網の電源UaおよびアースGNDの間に接続されている。各トランジスタT1〜T6は、制御ユニットU1〜U6によって操作される。これら制御ユニットT1〜T6は全体で、スイッチング素子のブリッジによって形成されたパワー・ユニットのコントロール・ユニットを形成する。これら制御ユニットのそれぞれは、オルタネータの相の電圧と基準電圧を比較し、比較結果の値に応じて整流ブリッジのトランジスタの一つを指令制御するために用意されている。これら制御ユニットのそれぞれは、他のユニットとは区別される手段を具備しており、該手段は、他のユニットとは別々に比較を行い、基準電圧からの変化を補正するために用意されており、その結果、各ユニットは、相の電圧と同じ変化を有する信号と、基準電圧と同じ変化を有する信号以外、他のいかなる信号も必要としない。各制御ユニットU1〜U6は、パワー・トランジスタT1〜T6を指令制御する。
このコントロール・ユニットは、現状で知られているコントロール・ユニットの大部分のように、一定数の重要な電子部品を必要とするのだが、それはなぜなら、整流ブリッジのトランジスタによる制御ユニットを必要とするからである。
パワー・ユニットを製作するために用いられる部品は、したがって、第一の電子回路の基板に配置・接続されており、パワー・ステージを形成する。
コントロール・ユニットを製作するために用いられる部品は、第二の電子回路の基板に配置・接続される。
二つの電子回路の基板は、コントロール・パワー・モジュールを形成するものであり、電線によって全体が接続されている。ところが、これら二つの基板の電気結合は、二つのステージ間に多くの数の接続を必要とする。結果的に、コントロール・パワー・モジュールは比較的かさばることになり、このことから、該コントロール・パワー・モジュールをオルタノ−スタータの電気機械的な集合体を含むケースとは別のケースに配置することが必要となる。
このように、全体が同じケースに一体化されている伝統的なオルタネータとは逆に、オルタノ−スタータは二つのケース、つまり、オルタノ−スタータ自体を具備するケースとコントロール・パワー・モジュールを収容するケースとを必要とする。オルタネータ−スタータはしたがって、伝統的なオルタネータを超えるスペースを必要とする。さらに、オルタネータ−スタータは、ユーザーにとって、自動車への設置にかかる余計な難しさをもたらすことになるのだが、これは、二つのケースを一緒に接続するのが自動車製造者だからである。
国際公開第01/69762号パンフレット 仏国特許出願公開第2807231号明細書 仏国特許出願公開第2806223明細書 欧州特許出願公開第0515259号明細書 仏国特許出願公開第2793085号明細書 国際公開第92/06527号パンフレット 仏国特許出願公開第2806553号明細書
本発明はまさに、先行して開示した技術の不都合を改善することを目的とする。このために、本発明は、小型化し、オルタノ−スタータのケースに一体化することができるコントロール・パワー・モジュールを提案する。このモジュールはパワー・ユニットを具備し、該パワー・ユニットにおいて、整流ブリッジの同一枝路のトランジスタは、ドライバ回路によって操作され、該ドライバ回路は、トランジスタの近傍に設置され、管理回路によってコントロールされており、該管理回路はドライバ回路から距離をとって配置することができるものである。
このように、本発明はドライバ回路とパワー・ユニットの間の接続の長さを減少させるという利点を有している。これらの接続のいくつかは、測定、たとえばパワー・ユニット内に存在する電圧の測定のために用いられるもので、測定専用のこれらの接続の長さを減少させることは、大きな長さの接続線に影響を与えうる寄生の擾乱を除去することで、これらの測定の良好な精度を確保することを可能にする。
本発明のコントロール・ユニットのドライバ回路は、複数のトランジスタ、つまり、整流ブリッジの同一枝路のトランジスタを同時に操作することができる。このドライバ回路は、したがって、相当数の機能を含みながらも、ほとんどかさばらないという利点を有する。かさばりが比較的小さいことから、ドライバ回路は、ドライバ回路が操作するパワー・ユニットのトランジスタの近傍において、パワー・ステージに配置することができる。
より正確には、本発明は自動車用オルタネータ−スタータのコントロール・パワー・モジュールに関するものであり、該モジュールは、自動車のオルタネータ−スタータ、車載電源網およびアース線の間に接続されており、
−複数の枝路の付いたトランジスタのブリッジを含むパワー・ユニットと、
−オルタネータ−スタータの相の電圧を基準電圧と比較し、比較結果の値にしたがってパワー・ユニットのトランジスタを指令制御するためのコントロール・ユニットを具備しており、
該コントロール・ユニットが、
−パワー・ユニットの枝路のトランジスタの近傍に接続さている、パワー・ユニットのトランジスタのブリッジの各枝路用のドライバ回路と、
−ドライバ回路を指令制御するための管理回路を含んでいることを特徴としている。
図1は、既に説明してあり、先行技術によるコントロール・パワー・モジュールの概略図である。
図2は、本発明によるコントロール・パワー・モジュールを示す図である。
図3は、本発明のコントロール・ユニットにおけるドライバ回路のさまざまな接続を示す図である。
図4は、ドライバ回路と、ドライバ回路が操作するパワー・ユニットの各トランジスタの間の電気接続を示す図である。
図5は、本発明のコントロール・パワー・モジュールをオルタネータ−スタータのケースの後部に一体化した態様を示す図である。
図6は、本発明によるパワー・モジュールの実施態様の立面図である。
図7は、図6の線分A−Aにしたがった一断面図である。
図8は、もう一つの実施態様によるパワー・モジュールを実施した一断面図である。
図9〜11は、図6〜8に対応する実施態様のアース接続の態様を示す図である。
図12は、本発明のもう一つの実施態様である。
図13は、本発明によるパワー・電子モジュールを具備する後部軸受体の一断面図である。
図14は、図13で用いられた送風ファンの一実施例を示す図である。
図15、16、17、17aは、カバーの部位に製作された電子モジュールの出力の接続態様を示す図である。
図18、19は、回転電機のカバーの後方の、アキシャル方向の図である。
図20は、先行技術によるオルタネータ−スタータの一つを示す図である。
図21、22は、図7、12に示されたモジュールの一実施例を示す図である。
図23は、図12の一断面図である。
図面において、同一または類似の構成要素は同じ参照符号で表されるものとする。Uaと参照符号を付された車載電源網の電圧は、B+と称してもよい。
図2が示すものは、本発明のコントロール・パワー・モジュール100であり、オルタノ−スタータに接続されている。より正確には、この図2は、三相のオルタノ−スタータ3を示しており、該オルタノ−スタータの各相φ1、φ2、φ3は、パワー・ユニット1の枝路に接続されており、各枝路はそれぞれB1、B2、B3である。パワー・ユニット1を構成する、整流または制御ブリッジの3つの枝路のそれぞれは同一である。したがって、枝路B1のみ以下に詳述することとする。
整流ブリッジ1の枝路B1は、二つのスイッチング素子11、12を具備しており、該スイッチング素子は本発明において、パワー・トランジスタである。トランジスタ11は枝路B1の「ハイサイド」トランジスタである。このトランジスタは、オルタノ−スタータの相φ1と自動車の車載電源網の電源Uaの間に接続されている。トランジスタ12は、枝路B1の「ローサイド」トランジスタである。このトランジスタは、オルタノ−スタータの相φ1とアース線GNDの間に接続されている。
コントロール・パワー・モジュールはコントロール・ユニット50を具備し、該コントロール・ユニットは、一方では同一枝路の各パワー・トランジスタを操作するドライバ回路10、20、30を含み、好ましくは、これらのドライバ回路はオルタノ−スタータの相φ1、φ2、φ3の電位を、トランジスタ12を指令制御するためには整流ブリッジのアースの電位と比較し、そしてトランジスタ11を指令制御するためには整流ブリッジの出力Uaの電位と比較し、該コントロール・ユニットは、他方では、ドライバ回路10、20、30の管理回路2を含んでいる。
整流ブリッジの枝路ならびに該整流ブリッジを操作するドライバ回路は、本発明のモジュールの第一ステージ100bを形成する。管理回路2は第二ステージ100aを形成する。
ドライバ回路10は、出力で、二つのトランジスタ11および12のゲートに接続されている。このドライバ回路10はそれ自体が、自身の入力によって管理回路2に接続されている。
各ドライバ回路10、20、30は同一の管理回路2によってコントロールされる。このために、各ドライバ回路は、管理回路2から発せられたさまざまな信号を入力で受信する。これらの信号は、図3に示されている。
これらの信号は二つのカテゴリに分けられる。
−ドライバ回路の左側に指示された信号で、これは管理回路から発せられた信号であり、そして、
−ドライバ回路の右側に指示された信号で、パワー・ユニットで受信した、またはそのパワー・ユニットへ送信された、つまりドライバ回路が操作するトランジスタへ送信された信号である。
管理回路から受信した信号の一つは、ALGと名付けられた給電ブースターであり、該給電ブースターは、補助電源からトランジスタ11、12のゲートに供給された供給電圧である。ドライバ回路は、また、管理回路からセンサ信号SCも受信し、該信号は、回転電機のロータの位置を指示するために、オルタノ−スタータのロータの位置用のセンサによって供給される情報である。コントロール回路は、また、ドライバ回路に、スタータ・モードの認証情報VDと、オルタネータ・モードの認証情報VAも供給する。これら二つの信号によってドライバ回路は、オルタノ−スタータが、ある特定の瞬間にオルタネータまたはスタータのどちらとして作動するべきかを判断できる。
この図3には、パワー・ユニット、つまり整流ブリッジのトランジスタ11および12に受信され、送信された信号も示されている。ドライバ回路はオルタノ−スタータの給電電位Ua、つまり車載電源網の給電電位を受信する。このドライバ回路は、また、この線Uaの電位測定の入力である情報MUaも受信する。ドライバ回路は、出力で信号GHSを供給し、該信号はパワー・トランジスタ11のゲートの制御信号である。ドライバ回路は、また、オルタネータ−スタータから発せられた相の入力PH、並びに、相の入力電位の測定値MPHも受信する。ドライバ回路は、また、出力で、パワー・トランジスタ12のゲートの指令制御GLSも供給する。最後に、ドライバ回路はアースGNDの電位、並びに、アース電位の測定値MGNDを受信する。
図4では、本発明のコントロール・パワー・モジュール100のドライバ回路10、20、30が、さまざまな部品とさまざまな接続とともに示されている。この図4において、オルタノ−スタータ3は、ローサイド・トランジスタ12とハイサイド・トランジスタ11、ならびにドライバ回路の入力PHに相φ1の信号を供給する。該オルタノ−スタータはまた、入力MPHにおけるドライバ回路10の相の測定値も供給する。
この図4で示されるのは、測定値の入力MPH、MGNDおよびMUAで、図の単純化という単純な問題のために、ドライバ回路の左側に示されている。実際には、図3に示されているように、これら三つの入力はドライバ回路の右側、つまり、パワー・ユニット側に配置されている。
トランジスタ12は、アースGNDならびにドライバ回路の入力MGNDに接続されている。トランジスタ11は、電圧線Uaならびにドライバ回路の入力MUaに接続されている。
二つのコンパレータC11およびC12は、それぞれ、ドライバ回路の入力MUaとMPHの間と、入力MPHとMGNDの間に接続されている。コンパレータC11の出力信号は、相の値MPHと基準電圧の値MUaの間の比較値を供給する。コンパレータC12の出力信号は、相の値MPHとアースの値MGNDの間の比較値を供給する。これら比較値は、次に論理回路13によってデジタル的に処理されることで、トランジスタ11のゲートおよび/またはトランジスタ12のゲートが充電および/または放電するべきなのかどうかということを推定するようになっている。それぞれ11および12であるパワー・トランジスタのゲートG11およびG12は、電流源S11、S12によって充放電される。電流源S11は、たとえば、二つのトランジスタSHCおよびSHDから製作される。電流源S12は、たとえば二つのトランジスタSLCおよびSLDから製作される。このように、各トランジスタが電流源を構成する。
入力ALGは、高い電位であり、管理回路2によって送り込むことで、電流源S11、S12を介して、パワー・トランジスタ11、12のゲートを正確に充電するようになっている。この電位ALGは、たとえば、ALG=Ua+16ボルトであってよい。
図4のドライバ回路の作動は、次のとおりである。スタータ・モードでは、同期型の回転電機として作動するオルタノ−スタータのロータに配置されている位置センサは、ロータの位置を探知する。センサ信号は管理回路2に送信され、該管理回路がセンサ信号を処理し、ドライバ回路の入力SCに印加する。トランジスタ11、12のゲートG11、G12は、論理回路13および電流源S11、S12を介して、入力SCで受信された信号に応じて指令制御される。
オルタネータ・モードでは、パワー・トランジスタ11、12は同期整流として作動すること、すなわち、コンパレータC11、C12は、入力における相のレベルMPH検出を、入力におけるアース電位MGNDと入力における出力電位MUaとの関係において、行うのである。この比較結果の値は、論理回路13および電流源S11、S12を介してゲートG11、G12に印加される。
オルタネータ・モードかスタータ・モードかは、ドライバ回路上で、それぞれVA、VDである論理入力によって選択される。たとえば、オルタネータ・モードが選択されるとき、入力VAは、1という論理信号を受信し、入力VDは0という信号を受信する。スタータ・モードが選択されるときには逆である。たとえば、論理レベル1は、5ボルトの電圧であり、論理レベル0は無電圧である。
電位MUaとアースMGNDの相の測定値の入力MPHによって、接続PH、UaおよびGNDを流れる電流によって生成された擾乱効果を回避できる。これらの擾乱はたとえば、各構成部品間の接続の抵抗または電子回路の基板の回路基板上の抵抗によって引き起こされることがある。
各ドライバ回路は、測定すべき電位PH、VA、GNDの近傍に位置しているため、各測定入力のMPH、MVA、MGNDは、縮小された長さの接続線を用い、このことによって、これらの接続線をスルーしうる擾乱に対するこれらの入力の感度をかなり減少させることになり、このことは、本発明によって提案された基本構想をいっそう裏付けるものである。
逆に、管理回路2は、ドライバ回路から離すことができるのだが、これはなぜなら、その管理回路は、測定入力(MPH、MVA、MGND)とは逆に、あまり重大ではない電位(ALG電源、論理レベルVA、VD、SC)しか送信しないからである。
トランジスタ11、12のゲートは、オルタネータ−スタータの出力電位Uaを超える電位を有することができなければならない。この目的のために、コントロール回路は、端子ALGでUa+16ボルトの±1の電圧を送り込み、該電圧によって、トランジスタ11、12のゲートG11、G12に給電できるようになっている。もし、端子ALGへの電圧が十分でなければ、パワー・トランジスタ11、12はオフされる。
さて、本発明のコントロール・パワー・モジュール100の作動を説明しよう。休止モード、つまり自動車が停止し、接触キーが開いている(つまり、点火スイッチの錠の中で回転していない)ときには、トランジスタ11はオフし、一方ではトランジスタ12はオンしている。この条件は、論理入力VD、VAが二つとも0レベルであるときに得られる。自動車のエンジンが停止し、接触キーが開いているとき、管理回路2は不作動状態であり、ドライバ回路の入力ALGにUa+16ボルトの電圧を送り込めない。結果的に、トランジスタ12のゲートG12に最小値であるUa−1ボルトの電圧が印加される。
換言すれば、キーが開き、VD、VAがともに0であれば、トランジスタ11のゲートの電圧は0.2ボルト以下であり、トランジスタ12のゲートの電圧はUa−1ボルトより強い。言い換えれば、トランジスタ12がオンしている間は、トランジスタ11はオフしており、このことによってステータの電位はアースの電位に維持される。
ドライバ回路によって消費される電流は、これらの条件の下で、25℃において、10マイクロアンペア未満である。
自動車が停止しており、点火スイッチの錠の中で接触キーが回される(つまり、接触キーがオンする)と、コントロール回路2が始動されることになる。この管理回路2は、このとき作動状態であり、ドライバ回路の入力ALGにUa+16ボルトの電圧を送り込むことができる。これらの条件の下で、トランジスタ12のゲートG11の電位は、15±1ボルトに制限される。言い換えれば、キーがオンし、VD、VAがともに0であるとき、トランジスタ11のゲートの電圧は0.2ボルト以下のままであり、トランジスタ12のゲートの電圧は15±1ボルトに等しい。
スタータ・モードでは、認証入力VD、VAは二つとも0ではなくなっている。スタータ・モードは、また、センサ信号SCの入力も介入させる。したがって、スタータ・モードでは、整流ブリッジはインバータとして作動する。整流ブリッジの各枝路は、センサ信号SCと同期し、対応するドライバ回路に印加される。インバータとしての作動モードについては、VDが1であり、入力VAが0であるときに得られる。
このように、SC=0かつVA=0かつVD=1であれば、トランジスタ11のゲートG11の電圧は0.2ボルト未満であり、トランジスタ12のゲートG12の電圧は15±1ボルトに等しい。逆に、SC=1かつVA=0かつVD=1であれば、トランジスタ11のゲートG11の電圧は15±1ボルトに等しく、トランジスタ12のゲートG12の電圧は0.2ボルト未満である。コントロール・パワー回路100は、このときインバータとして作動し、それらの電圧は、管理回路2による処理の後、位置センサによって送り込まれる信号SC1、SC2、SC3に応じて、ロータの位置に結合している相Ph1、Ph2、およびPh3に印加されるようになる。
オルタネータのモードでは、整流ブリッジは、同期整流として作動する。この機能は、認証入力VAが1である一方で、入力VDが0であるときに作動状態となる。この場合、ドライバ回路のコンパレータC11、C12は、一方では相の電圧PHを電圧Uaと比較し、他方では、相の電圧PHをアースGNDの電位と比較する。比較結果によって、オルタネータ−スタータの電機子コイルを流れる電流に対して同期して、トランジスタ11、12をオフおよび/またはオンすることができる。トランジスタ11、12のゲートに対する効果は、以下のとおりである。
もし、PH>UaかつVD=0かつVA=1であれば、トランジスタ11のゲートG11の電圧は15±1ボルトに等しく、トランジスタ12のゲートG12の電圧は0.2ボルト未満であり、したがって、トランジスタ11はオンし、トランジスタ12はオフする。
もし、Ua>PH>GNDかつVD=0かつVA=1であれば、トランジスタ11のゲートG11の電圧は0.2ボルト未満、そして、トランジスタ12のゲートG12の電圧は0.2ボルト未満であり、したがって、トランジスタ11および12はともにオンする。
もし、GND>PHかつVD=0かつVA=1であれば、トランジスタ11のゲートG11の電圧は0.2ボルト未満、そして、トランジスタ12のゲートG12の電圧は15±1ボルトに等しく、したがって、トランジスタ12はオンし、トランジスタ11はオフする。
伝統的な整流モードでは、同期整流を省くために、コントロール回路2は整流ブリッジのすべてのパワー・トランジスタ11、12、21、22、31および32のオフを指令制御することができる。この作動モードは、二つの認証入力VDおよびVAの論理レベルが1であるときに得られる。整流は、このとき、MOSトランジスタ技術に起因する寄生の各固有ダイオードによって実行される。
この場合、VD=1かつVA=1のとき、トランジスタ11のゲートG11の電圧およびトランジスタ12のゲートG12の電圧はそれぞれ0.2ボルト未満である。
パワー・トランジスタ11および12のゲートの電圧は、定電流源によってコントロールされるのだが、その定電流源は単純化のために図面には示していない。オンのコントロールは、たとえば、100ミリアンペアのゲートの充電電流によって行われ、オフのコントロールは、たとえば、400ミリアンペアのゲートの放電電流によって行われる。
図5では、本発明のコントロール・パワー・モジュールをオルタノ−スタータの後部に一体化させる例が示されている。実際、整流ブリッジの同一枝路の二つのトランジスタを指令制御するために単一のドライバ回路を用いることにより、管理ユニット2への接続数を減少させることができる。
特に、ドライバ回路は、一方ではパワー・ユニットに向かう接続線だけを具備するように、他方では管理回路2に向かう接続線だけを具備するように製作される。このように、ドライバ回路は、該ドライバ回路が操作するパワー・トランジスタの近傍に容易に接続することができる。さらに、この実施例においては、ドライバ回路と管理回路2の間には四つの接続線だけが必要であり、これら四つの接続線のうち、三つはさらにすべてのドライバ回路に共通である。したがって、管理回路2をドライバ回路から分離することが容易である。この分離の結果として生じる管理回路2のサイズは、したがって、明らかに縮小されている。したがって、管理回路2は自動車の他の装備の中に一体化することができる。
図5の例では、コントロール・パワー・モジュール100はオルタノ−スタータの後部に一体化されている。図5では、相の出力とロータを伴ったオルタノ−スタータの後面が見える。 この図5の場合、各ドライバ回路は該ドライバ回路が指令制御するパワー・トランジスタの近傍に位置決めされ、全体がオルタノ−スタータの相の出力の近傍に位置している。たとえば、ドライバ回路10は、整流ブリッジの枝路B1のトランジスタ11、12のちょうど側部に接続され、トランジスタとドライバ回路の全体がオルタノ−スタータの相φ1の出力の近傍に配置されている。同様に、ドライバ回路20および整流ブリッジの枝路B2のトランジスタ21、22は、相φ2の出力の側部に配置され、ドライバ回路30および枝路B3のトランジスタはオルタノ−スタータの相φ3の出力の側部に配置されている。
図5の例では、整流ブリッジの各枝路は、複数のハイサイド・トランジスタと複数のローサイド・トランジスタを具備している。実際、伝統的に当てはまるように、複数のトランジスタ(多くの場合2〜4個)が並列に接続されることで、より強力な一つのパワー・トランジスタを形成するようになっている。単一のパワー・トランジスタであろうと、複数の並列に接続されたトランジスタであろうと、作動はいま説明したものと同一である。
回転電機のロータを担持するシャフト4(図5では円で概略化)の端部は、位置センサ5を具備しており、該位置センサはロータの位置に関する指示を管理回路2に供給する。ロータの位置のこれら情報は、管理回路2によって処理され、そしてドライバ回路10、20および30の入力SCに送信される。
好ましくは、管理ユニット2およびさまざまなドライバ回路の間に実現される接続線は、ロータを担持するシャフト4の周りに位置決めされた円弧を形成する。
図5の場合、コントロール・パワー・モジュール100はオルタノ−スタータのケースの中に一体化されている。この集合体は、バッテリの充電管理ケースのような、自動車の他の装備の中に一体化させることもできる。
また、パワー・ユニットだけをドライバ回路10、20、30のそれぞれに一体化させることも、管理回路2をオルタノ−スタータの外部のケースの中に配置することも可能である。たとえば、管理回路2はバッテリのケースまたはバッテリの管理ケースの中に一体化させたり、あるいは燃料消費の管理ケース(ボディ・コントローラ)の中に一体化させることができる。
もう一つの実施態様において、コントロール・パワー・モジュール100は、独立したケースに一体化され、そのケースはオルタノ−スタータの外側にあるが、先行技術のものより小型化されているものである。
図6は本発明によるコントロール・パワー・モジュール100の第一ステージ100bの実施例を示している。前述したように、この第一ステージは、ステータの相にそれぞれ対応している各整流アームに、測定・制御ドライバ回路10ならびに二つのパワー・トランジスタを具備している。したがって、整流・制御ブリッジの第一アームを考えたとき、ここには前述したドライバ回路10ならびに二つのパワー・トランジスタ11および12がある。
本発明によると、この第一のコントロール・パワー・ステージは、好ましくは独立した一つのケース内に製作されている。ブリッジの三つのアームは同一であるので、したがって、ブリッジの各アームについて同一のパワー・ケースを用いることが可能である。
立面図によってコントロール・パワー・モジュールの第一ステージを示す図6に見られるように、パワー用電子部品11および12は、金属トラック104の上に配置される。
好ましくは、用いられる技術は、チップの転写またはベアチップと呼ばれる技術であり、該技術において、保護ケースのない部品は直接支持体に固定される。実際、自動車のエンジン・フードの下に配置されるこの電子ケースは、強い熱応力を受けるので、プラスチック・ケースに依拠する部品を用いることは避けなければならない。好ましくは、したがって金属ケースに依拠する部品またはチップの転写と呼ばれる技術によって取り付けられた部品を用いることが望ましく、該技術において部品は金属トラック上に置かれる。金属トラック全体で得られる回路網は、リード・フレーム、と呼ばれるものを構成する。
スタータ・モードでの回転電機のコイルの相を指令制御するためには、非常に強い電流を流すことが必要である。これらの電流は、装置がおよそ12ボルトの伝統的な車載電源網の電圧下で作動する際、およそ1000アンペアの値に達することがある。したがって、例えば、ローサイド・トランジスタ11およびハイサイド・トランジスタ12は、それぞれ11a、11bおよび12a、12bである、少なくとも二つのパワー・トランジスタを並列配置することで構成することができる。
好ましくは、パワー・モジュール100bは、結合部TH1、TH2によってアクセス可能なサーミスタ102(温度センサ)を具備する。
ドライバ回路10は、パワー・トランジスタの部位で呈する温度をはっきりと下回る温度を受ける。これは、前述した機能のための制御信号あるいは測定信号ALG、SC、VD、GLS、GHS、THなどを構成するトラックについても同様である。
オルタネータ−スタータの指令制御が非常に強い電流の介在を行うため、あまりかさばらず、モジュール内で平衡状態に電流と温度を配分することに適している指令制御を実現するために、非常に多くの技術構想の問題が当業者に課せらている。
このように、本発明によると、ブリッジのアームに対応する各モジュールは相のそれぞれに結合され、他のモジュールから発せられる電流を通すことなく、独立して作動する。したがって、出力Uaを担持するトラックは、パワー・導体用の唯一の場所に結合されており、該導体はすべてのモジュールから発せられる電流を集める。モジュールのそれぞれは、したがって、他のモジュールに関係する電流を通すことも、これに擾乱されることもなく、独立して作動する。他方では、パワー・トランジスタ11aおよび12aは、好ましくは相φ1の入力に対して、金属トラック上に完全に対称に組み立てられる。このようにして、完全に均衡がとれたな電流の配分が得られる。同様に、ハイサイドのパワー・トランジスタ12aおよび12bについては、これらは同じ理由のために、可能な限り対称に金属トラックに取り付けられる。これは、並列で同一電流で作動しなければない各パワー・トランジスタ内の電流を不均衡にしないために非常に重要である。
したがって、本発明による、電流が良好に均衡化されたパワー・モジュールを得るために、図6に示されているように、ローサイド・パワー・トランジスタおよびハイサイド・パワー・トランジスタは、一方が他方に対してほぼ直交するように取り付けられる。この配置構成はさらに、信号線トラックまたは任意の電力線トラック上にいかなる被覆を設けることなく、すべての接続をワイヤ・ボンディングによって実現できるという利点を有している。したがって、すべての接続は短い長さの導体101で製作され、このことは、特に振動に耐える、信頼性のあるモジュールが得られるという利点を有する。実際、自動車の環境は非常に振動状態であり、ボンディングによる接続線は強い振動を受けるのだが、該振動は接続線を破断することや、オルタネータ−スタータ・システムの不作動に加担しうるものである。これらの接続線の長さを最大限に短縮することは自身の共振周波数を高め、このことはパワー・モジュールにかけられる振動に対しての感度を下げることになる。
先行して示したように、本発明の目的は、小型化したオルタネータ−スタータ用の指令制御を実現することであり、強力な冷却力を有し、時間経過における作動の大きな信頼性を有するものを得ることである。
およそ1000アンペアまで上げることができる電流を通流させることに適している、このようなパワー・モジュールを製作するために、現状技術はいくつかの解決法を提案している。
パワー・モジュールはDBCタイプ(「Direct Bounded Copper」を表す)の、三つの層のある基板のついた既知の技術によって製作することができる。第一の層は、電気回路の結合を形成する、エッチングされた金属トラックで構成され、第二の中間層は、たとえば酸化アルミニウムなどの、セラミックのような電気的な絶縁材のプレートであり、第三の層は銅あるいはニッケルメッキした銅で構成された金属プレートである。このように銅−アルミナ−銅のサンドイッチ構造が得られる。
DBCタイプの基板と、ろう付けまたは接着されたパワー用電子部品で構成される全体は、今度はこの集合体が、機械的な支持体と放熱器を形成する銅のプレートにろう付けされる。この技術において、銅のトラックは小さな厚みを有しており、その結果、強い電流を通すためには、トラックの面積をかなり増大させることが必要であり、このことは、パワー・モジュールのかさばりを大幅に増すことになる。さらに、この技術は強い電流を手段として用いる応用法には応用できないのだが、これはなぜなら、銅の小さな厚みによって与えられる熱容量が十分ではないからである、他方では、アルミナの脆弱性ということから、たとえば回転電機の後部への取り付けで一体化させるために優れて適合化された丸みを帯びた形状のような、特徴的な形状を製作することは非常に難しい。また、自動車のエンジン・ブロックの内部で呈するような振動に対して、アルミナは、ほとんど強度がない。
基板はまた、SMI(Substrat Metallique Isole「絶縁金属基板」)タイプであってもよい。この場合、セラミック・プレートは樹脂プレートに置き換えられ、該樹脂プレートは非常に薄い銅の金属トラックで構成された第一の層を支持することができる。熱放散用の第三の層はこの場合、アルミニウム製または銅製の金属プレートで構成することができる。
用いられる基板がDBCタイプの基板である場合、パワー・モジュールは頑丈で、強い出力に耐えるが、原価は高い。SMIタイプの基板の場合、裁断された金属トラックはより複雑となることがあり、該基板上により多くのパワー用電子部品を配置することができるが、モジュールは強い出力と厳しい環境の応力に対して抵抗がより弱くなっている。しかしながら、SMI技術には、銅製の補助境界面を付加することができ、該境界面はチップと薄い銅の金属トラックの間に介在させられることで、熱のより良い排出が可能となる。この解決法は実現が複雑で、経済面からはあまり満足できるものではない。
両方の場合、パワー用電子部品とパワー・モジュールについた外部冷却手段の間の熱径路は長いのであり、これはなぜなら、これら二つの技術が含んでいる、少なくとも基板のいくつもの層を通り抜けることが必要だからである。
本発明は伝統的なパワー・モジュールの不都合を改善することを目指すものであり、製造費が高くつかず、その構造において、外部冷却手段を用い、通過すべき熱的境界面を少なくして、効果的な冷却を可能にするパワー・モジュールを提供するものである。
例えば、図7に示されているように、パワー・モジュールはパワー・金属トラック104を具備しており、このトラックはたとえば、パワー用部品11aおよび11bを収容するためのもので、この部品は回転電機のステータのコイルの相の出力に結合されている。この同じ金属トラックは、また、モジュールの温度を計測するためのサーミスタ102を担持することもできる。このパワー・モジュールは、前述したように、その他のパワー・金属トラック104を具備することができる。したがって、図7に示されているように、もう一つの金属電力線トラックは、我々発明者の実施例においては出力+Uaに結合されているパワー用部品12を担持している。
好ましくは、これらの金属トラックは同一の導電性金属プレートから製作され、該プレートにおいて、金属トラックは、たとえばスタンピングによって製作される。好ましくは、そして本発明による小型モジュールを得るためには、好ましくは銅製である金属プレートから製作された金属トラックは、強い電流を通すために大きな厚みとなっている。このように、これらのトラックの厚みは0.6mmと2mmの間を可変することができる。前述した通常の技術によっては、基板自体の内部でこのような厚みのトラックを得ることができない。実際、トラック製作のために一般的に用いられる厚みは、400μmの厚みをほとんど超えることがない。明白な理由のために、伝統的なエッチング作業によって、このような厚みのトラックを製作することは考えられない。
トラックの一方に対する他方の良好な位置決めを確実にするために、スタンピング作業の際に金属ブリッジが製作される。明らかに、これらの金属ブリッジは、手順の最後に行われることになっている非分路化作業の際には、取り除かれることになっている。
好ましくは、このパワー・モジュールの製作を単純化するために、たとえば制御信号用の低電力用の金属トラックも同様に、大きな厚みのこの金属プレートから製作することもでき、その位置決めも同様に、金属ブリッジによって行うことができる。これら金属トラックの全体が、リード・フレームを構成する。
良好な機械的接着性を有するリード・フレームを得るためには、支持体を形成するための仕組みによって組み立てることが必要である。さらに、この支持体は強い電流の通過によって発散される熱を効果的に排出させるように適合していなければならない。したがって、本発明によると、金属トラック間に残されたフリー・スペースに、樹脂107を注入することが提案されている。この作業は、リード・フレームを、注入用の型を構成する二つのプレートの間に配することで、容易に行うことができる。したがって、樹脂の注入作業の後、トラック間のすべての隙間は樹脂で占められる。非分路化作業は、この作業の後に行うことができる。
好ましくは、この樹脂は、PPS(ポリフェニレンスルファイド)またはPA6.6(ポリアミド6.6)あるいはPBT(ポリブチレン・テレフタレート)のような熱可塑性のタイプである。PPSはさらに、耐炎性という利点を有している(規格UL94V0)。
リード・フレームと樹脂で形成された支持体の機械的接着性を高めるために、型がくりぬきを具備することで、図8に見られるように、樹脂が小さな部分140上で金属トラックを局所的に覆うようになっている。同様の考え方で、金属トラックの縁部は面取り141のような特徴的な形状を有することで、樹脂のよりよい密着を確実にできるようになっている。
非分路化作業の後、部品、特にパワー用の部品はたとえば、レーザーまたは炉(対流または赤外線)による加熱方法で、ろう付けすることによって、金属トラックと連結させることができる。このろう付け加工によって、部品と金属トラックの間の電気的接触と熱的接触とが可能になる。
したがって本発明によると、図8に示されているように、特にパワー用の部品117を担持している金属トラックが、前記部品を担持している面とは反対側の面114の外部からアクセスすることができる、パワー・電子モジュールが得られる。
本発明によるパワー・モジュールの支持体は、少なくとも金属・電力線トラックが部分的に上面および下面にアクセス可能となるように製作され、上面はパワー用電子部品を収容するようになっており、下面114は、図7に示されている放熱器113のような冷却装置と協働するようになっている。好ましくは、アクセス可能な金属トラックの下面の部分は、パワー用部品と正対しており、該部品は、該部分が前記パワー用部品のより良い冷却を得るために、反対側の上面に担持している。
これらの面114と放熱器113の上面115の間の良好な熱接触を確実にするために、好ましくは伸縮性であり、熱伝導だが導電性ではない構成要素108を設置することで、一方ではうまく熱の排出させ、他方では、金属トラックの間を電気的に絶縁するようにすることが考えられる。このような構成要素は、たとえば、エポキシ樹脂またはポリアミド樹脂(TVI)に含浸させたガラス繊維、つまり相転換用の熱伝導性である熱可塑性樹脂であってよい。二つの粘着面、あるいは、スペーサーを形成するガラス玉を具備している熱伝導性の接着剤108を有する熱伝導性かつ電気的な絶縁性の材料も適している。相転換用の樹脂は熱効果の下でクリープを起こすという利点を有する。したがって、ラジエータまたはパワー・モジュールの下面が平面性の欠陥を有していれば、この相転換用の樹脂は、これらの不均一性を埋めることに適している。好ましくは、外部と連通させるためにモジュールから出るように導かれるトラックは、好ましくはエルボ118を有しており、該エルボは、該トラックを放熱器113の上面115から離すように、モジュールの上方に向けられている。
ブリッジのアームのそれぞれに対応するこのようなモジュールは、大量生産用とすることができる。この場合、このモジュールは、熱排出の適性を保ちつつも、非常に強い機械的な接着性を呈するべきである。したがって、図7に示されているように、このパワー・モジュールの下にアース電位の基台を形成する金属プレート109を配置することが考えられる。この基台は、好ましくは現物型モールドによって作成された絶縁台輪110の中に維持される。機械的な耐性という理由のために、この台輪は好ましくはPPSで製作される。カバーはこの台輪に固定されるのだが、該カバーも同じ理由のためにPPS製である。
このカバーは、たとえば、台輪110を貫くネジ119で固定される。他の実施態様では、このカバーはたとえば、接着、または、超音波による溶接のような溶接手段あるいは摩擦を用いて固定することができる。
パワー・モジュールの内部、パワー・モジュールのカバー105の下では、充填材120を配置することで、電子部品の周りと、たとえばワイヤ・ボンディング・タイプの線接続の間のフリー・スペースを埋めることができる。この充填材120は、気密性という機能の他に、金属トラックと該金属トラックを取り巻く樹脂によって形成される支持体の機械的接着性を強化するという利点を有する。
図7に示された実施態様では、熱伝導性の電気的絶縁体が金属基台109と金属トラックの下面114との間に配置されている。図8において先行して説明したように、この熱伝導性の電気的絶縁体108はTVIつまり相転換用の熱伝導性の熱可塑性樹脂であってよい。好ましくは、この絶縁体は二つの面、一方では金属トラック側に、他方では金属基台109側に接着される。このように、この基台は金属トラックに対する効果的な保護を確実にし、該基台によって、したがって、良好な機械的接着性のあるモジュールが得られ、容易な取り扱いが可能になる。
この基台109は熱伝導性材料の中の一つで製作され、冷却すべき金属トラックの下面114と接触している放熱要素の部分をなす。
図7に見られるように、好ましくは保護用カバー105の材料でできた突起部106は、少なくとも一つの金属トラックを支える位置に来るものである。充填材120が電子部品の上に導入される場合、充填材はこの突起部の周りに配される。
この突起部は、一方では剛性モジュールの形成によるこのパワー・モジュール全体の良好な機械的接着性を確実にすることに、そして他方では、カバーを、たとえばネジ留めによって固定する際に、金属トラックを圧迫する位置に来るこの突起部が、パワー・モジュールの金属基台の下面122に微かに中高の膨らみ部121をもたらすことに貢献するものである。
このように、本発明によると、パワー・モジュールの下面122の、この膨らみ部は、放熱器へ熱をうまく排出することにも貢献するものである。実際、パワー・モジュールが、たとえばネジ留めによって放熱器113のネジ留めの孔111の部位に固定されるとき、膨らみ部は、ネジ留めの圧力の下、放熱要素113に対してパワー・モジュールを完全に押し当てることを確実にし、同時に、その圧力は、基台109と放熱器113の間の良好な電気接触ということを確実にする。ネジ留めの孔111は、ある実施態様によると基台の孔112を通って通過するのだが、PPS製の上部がネジ留めの応力に抗するために現物型モールドによっても製作することができる。
変形例によっては、TVIのような熱伝導製材料は、ラジエータとパワー・モジュールの間に配置することができる。この場合、アースの接触は、端子のような電気接続によってなされるものとし、その電気接続は空洞112の部位で、基台109をカバー・コネクタに結合するのであるが、この手段は、例えば、カバーの孔606を通って通過する。当然、その端子は放熱器113からは電気的に絶縁されるものとする。
変形例によっては、この突起部106は、台輪110の鋳造作業の際に、内壁またはトラックの一部にモールドされた小壁部分で置き換えることができる。もちろん、この小壁の高さは、カバー105の固定作業がこの小壁に、基台109の微かな膨らみ部をもたらすために十分な圧力をかけるように決定されるものである。
パワー用部品11aおよび11bは、アースとステータコイルの相の出力の間に結合されている。スタータ・モードでは、それらは非常に強い電流を運ぶ。アースへの接続が可能な限り最短にすることで、発熱を抑えるようにしなければならない。一つの解決法は、たとえば、アースのスタッドを台輪110の中に誘導し、これらの接続をこれらのスタッドに向けて実現することからなるだろう。しかしながら、これらの線の長さは、かなり長いものとなるだろう。
図7に見られるもう一つの解決法は、基台を形成する金属プレート109から直接アースに達することからなる。
図9および図10に見られるような第一の実施態様によると、ボス123が基台に製作される。このボスは、パワー回路を形成するために接続線126を収容するためのものである。これらの接続は、好ましくはワイヤ・ボンディング・タイプである。金属トラックの部位に樹脂モールドを行う際、明らかに、スタッドまたはボス123が上方に通過できるようにするために、樹脂のない空洞124を用意しなければならない。また、前述したTVIのような絶縁体108は、好ましくはこれらのスタッド123の周りに位置決めできるように事前に裁断しなければならないものである。このような配置構成は、短い長さの接続線が得られるという利点を有する。
変形例によっては、図11に示されているように、樹脂107と絶縁体108の開口部が製作されることで、アースを構成する金属基台109に直接達するようになっている。この解決法によってボス123を除くことができる。
図12は、オルタネータ−スタータ用のパワー・モジュール250の実施態様を示しており、該オルタネータ−スタータは、オルタネータ−スタータの制御・整流回路のブリッジの三つのアームのすべてのパワー用電子デバイスを一体化している。このように、参照符号200はパワー・サブ・モジュールを表す。このサブ・モジュールは、回転電機のステータにあるコイルの相の出力専用となっているブリッジ・アームのパワー用電子デバイスに対応する。これらサブ・モジュールのそれぞれのリード・フレームは、たとえば、図6で説明されたリード・フレームに対応している。
この実施態様は、一方では冷却装置に配置すべき部品数の面で、他方では組立時の廃棄物の観点から経済的であるという利点を有する。
好ましくは、これらサブ・モジュールのそれぞれは仕切壁201によって分離されている。この仕切壁201ならびに周縁台輪110は、好ましくは、同じ現物型モールド作業の際に製作される。好ましくは、これらの仕切壁とこの台輪は、接続用スタッド202および203を閉じこめている。図7および図12に見られるように、モジュールの上方に向けられたスタッド203はアースのスタッド203a、車載電源網の電圧に対応するB+あるいはUaのスタッド203b、低電力の信号用のスタッド203cに傾いている。スタッド202は金属・電力線トラック104および金属・制御線トラック130に向けられている。これらのスタッド202は、ワイヤ・ボンディング・タイプの線結合によって、前述した金属トラックに結合されている。金属・電力線トラックを対応するスタッド202に接続するために、複数の線結合を並列に配置することで、過剰な加熱なしで電流を運ぶようにすることが考えられる。
パワー・スタッド205は、ステータのコイルの相の出力線に直接接続される。このスタッド205は回転電機の作動時に強い振動を受ける。スタッド205を対応するスタッド202を介して結合する線結合204は、パワー・サブ・モジュールとの機械的および熱的な切断を構成し、該サブ・モジュールはパワー・モジュールの信頼性を高めることに貢献する。
これらのスタッド202は、スタッド203の部位にアクセス可能となるために上方に抜け出ている。好ましくは、スタッド202および203は、電子モジュールのリード・フレームを構成する金属トラックから直接製作される。これらの金属トラックは大きな厚みであるため、スタッド203は良好な剛性を有することになり、該剛性によって、たとえば金属トラックを具備するカバー511によって外部接続するための配置が容易になる。
このようなモジュールは、外部放熱器13に直接固定することができる。
第一の組立態様によると、たとえばネジ留めによって、台輪110と仕切壁201を外部放熱器に固定することが考えられる。サブ・モジュール200のそれぞれに専用となっている三つの区域において、外部放熱器上に非導電性の熱境界面が配置される。好ましくは、この境界面108はガラス球を含有する接着剤で構成され、これらガラス球は放熱器の上面とパワー・サブ・モジュールの間に一定の厚みを確保するために、スペーサーとしての役割を果たす。次に、この接着剤に、リード・フレームと、これらサブ・モジュールのそれぞれに対応する熱可塑性樹脂によって構成される支持体が配置される。もちろん、TVIまたは両面粘着テープのような、電気的に絶縁性の他のあらゆる熱境界面も同様に適している。実施態様によると、この支持体は、現物型モールドされた台輪110を具備していない点を除いて、図8で説明された支持体に対応している。この実施態様では、金属・電力線トラック104は、熱境界面を通って直接、冷却装置と接触しており、このことは、通過すべき熱境界面の数が少ないという結果から、熱の良好な排出に貢献する。変形例によっては、図7または図8に記載されたようなサブ・モジュールを接着することも考えることができる。
好ましくは、これらサブ・モジュールのそれぞれは、外部冷却装置への組立前に検査を受ける。
サブ・モジュールが外部冷却装置に固定される際、金属トラック104、130とスタッド間接続202との間に、線接続204が行われる。
パワー・モジュールの組立手順のこの段階で、好ましくはこれらサブ・モジュールのそれぞれをゲル120で覆うのだが、このゲルは、湿気と外部汚染の中でチップと接続線の気密性を確保するためのものである。
カバー105は最後に、台輪110の上部に取り付けられる。スタッド203の正面に、カバーが開口部を具備することで、これらのスタッド203がカバーを、出力信号(相の出力あるいは車載電源網+Ua)または管理ユニット2のコントロール信号を伴う接続の端まで通り抜けるようになっている。
図12に対応するこのような配置は、図23に、断面として見られる。
図12に示されているようなパワー・モジュール250は長方形の形状を有している。このモジュールは半円弧の形状を呈することで、たとえば、回転電機の後部に適合化することができることはよく分かることである。その円形状は、前述したパワー・リード・フレームの製作技術によって製作することができる。
図12に見られるように、パワー・モジュール250によって、台輪110に位置するスタッド203aによってアクセス可能な絶縁されたアースが得られる。この絶縁されたアースの利点はとりわけ、他の電気装備のアースを擾乱する強い電流のスイッチング時に裏付けられる。ブリッジの各アームについて、一つまたは複数のアースのスタッド203aを有することができる。好ましくは、B+のスタッド203bについてのように、電流をうまく均衡化するために単一のアースのスタッド203aを用いることになる。この場合、アースの二つのスタッド202aは、トランジスタの最も近くで接続を行うために、現物型モールドの台輪に結合され、アースの単一のスタッド203aは外部に向かって出ることになる。
この望ましい組立態様では、事前に検査されたモジュール(ブリッジのアーム)を固定したところであるが、該組立態様は、ブリッジの三つのアームの全体を形成するすべてのチップを単一の通路にろう付けするようになる方法に比べて、廃棄物の観点から非常に経済的であるという利点を有する。
放熱器が、後部軸受体から電気的に絶縁されている場合、放熱器は絶縁されたアースを構成し、該絶縁されたアースはバッテリのアースに直接、または自動車のシャシーを介して接続される。この配置構成および、図12に見られるように単一のパワー・モジュールに電子デバイスを含めることからなる第二の実施態様においては、アースのスタッド202aおよび203aは省かれ、図9〜11に記載されているものと同様のアースへの接続に置き換えられることになるのだが、該図面において、基台109は放熱器113の上面に置き換えられるものとする。
図13は、一体型電子デバイスのついたオルタノ−スタータの後部の断面側部図を示しており、該オルタネータ−スタータは、本発明による制御・整流用の電子デバイスの配置を含んでいる。既知のあらゆるオルタノ−スタータのように、図13に示されたオルタノ−スタータはロータ743を具備し、該ロータは回転シャフト502に固定されている。このロータ743はステータ503に取り囲まれ、該ステータは電機子コイル507を備えている。ステータ503は後部軸受体504と前部軸受体(図示せず)によって支持され、これら軸受体は回転シャフト502を、軸受506を介して維持している。
前述したように、オルタノ−スタータはMOSパワー・トランジスタの整流ブリッジを具備しており、該トランジスタはこれらパワー・トランジスタの制御ユニットに結合されている。この整流ブリッジとこれら制御ユニットは全体で、オルタノ−スタータのパワー用電子デバイスを形成する。このパワー用電子デバイスは、前述した一つまたは複数のパワー・モジュール100bにおいて、熱のブリッジ放熱器113の上面に取り付けられる。
好ましくは、管理ユニット2を含んでいるモジュール100aは、これも良好な冷却のために、この放熱器の上面に取り付けられる。この管理ユニット2は、好ましくはコントロール回路を具備しており、該回路によって、一方ではスタータとして作動するときのスタータ・モードと再スタート・モードを、他方では、オルタネータとして作動するときの電圧の調整を管理できるようになっている。このユニットは、ロータコイルの励磁ステージも具備しており、該ステージも良好な冷却を必要とする。
本発明によると、一つまたは複数のモジュールで製作されたパワー・モジュール100bをうまく冷却するために、ブリッジの放熱器113の回転電機の後部軸受体にアキシャル方向に向けられた面は、オルタノ−スタータにおいて、長手方向またはラジアル状の、冷却用流体の流れ517を通すための内壁を形成する。この通過用のもう一つの内壁517は、したがって、後部軸受体504の上面によって形成される。放熱器113の下面は、送風用の溝517を形成するフィン518を具備している。
保護用カバー511は、好ましくは流れの通路517の正面に位置するラジアル状の開口部519を具備している。このように、冷却用流体、特に空気は、これらの開口部519によってオルタノ−スタータの後部に導入され、次に、ブリッジ放熱器113の下で通路517を循環し、こうしてパワー電子モジュール100bならびにモジュール100aを冷却する。羽根505を担持している送風ファン515は回転シャフト502またはロータ743に固定され、通路517の内部での空気の吸気を確実に行う。
より効果的な冷却のために、送風ファン515は好ましくは、重ねられた二重の送風ファンで構成することができ、該二重送風ファンの第一送風ファンの少なくとも一つの羽根は、図14に見られるように、第二送風ファンの少なくとも二つの羽根の間に位置決めされる。したがって、図14に示されているように、送風ファン515は本発明によると、少なくとも二つの送風ファン515aと515bを具備しており、該送風ファンを以下ではそれぞれ、第一送風ファンと第二送風ファンと称する。第二送風ファン515bはたとえば、溶接スポットまたはリベット打ちによる既知の仕方で、図13のロータ743の極輪742に関してアキシャル方向の端部530(前面)に固定するためのものである。
ここでは、送風ファン515aおよび515bは金属製であり、経済的に鋼板製となっている。各送風ファンは、それぞれ515cである、ほぼ平円形となっているフランジ部分を具備し、該フランジは、回転シャフト502を通すための中央の円形開口部515dと、一連の送風用の羽根を備えており、該羽根はフランジ515cに対してアキシャル方向に突出し、それらの間に送風用の溝を設けており、該溝は本実施例においては、外部に向かって分散している。
第一送風ファン515aが、第一の羽根515eと呼ばれる一列目の羽根を具備しているのに対し、第二送風ファン515bは、第二の羽根515fと呼ばれる二列目の羽根を具備している。
このように、好ましくは、送風ファンの一方の少なくとも二つの連続する羽根が、他方の送風ファンの少なくとも一つの羽根に設置される。
第一の羽根515eは、実施態様においては、第二の羽根515fよりラジアル方向で短くなっている。
羽根515eおよび515fはラジアル方向にほぼ同じ長さ、同じ形状そして同じアキシャル方向のサイズを有しており、その結果、これらの羽根は、他の羽根515eよりラジアル方向に短くなっている二つの第一の羽根515gを除いて、全体的に同一である。
羽根515e、515fおよび515gは、関係するフランジ515cの外縁部に設置される。
第一の羽根515e、515gは、ここではそれぞれ二つの第二の羽根515fの間に配置されている。
この配置により、送風ファンのパワーを高め、羽根に対する冷却用の空気の流束が逸れるという危険性を減じることが可能になる。実際、空気が第二の羽根515fから逸れても、第一の羽根515e、515gによって、第二の羽根515fで空気を再び収束させることが可能になるものである。したがって、各第一の羽根515e、515gは、配置、つまり設置されるのだが、送風用の流路515hに隣接する二つの第二の羽根515fの間に設けられており、内縁部から羽根の外縁部にかけて広がっている。この実施態様では、少なくとも一つの第一の羽根は、したがって、連続する二つの第二の羽根の間に挟み込まれている。
第一の羽根515e、515gおよび第二の羽根515fは、ここでは、関係する金属フランジ515cから裁断し、折り曲げることによって得られ、好ましくは膨らみのある形状を有している。
したがって、分散する溝は、部分的にはフランジの一つの外縁と羽根によって画定される。
第一および第二の羽根はラジアル方向に大きな長さを有しており、したがって送風に関しては非常に高性能となっている。好ましくは、羽根515e、515fおよび515gは、ラジアル方向の長さが、アキシャル方向の高さを超える長さを有している。
変形例によっては、羽根は平らでラジアル方向の方向性をもっており、送風ファンは遠心力式となっている。変形例によっては、羽根はアキシャル方向および/またはラジアル方向に対して傾いている。変形例によっては、羽根はラジアル方向の長さよりアキシャル方向に高い。
フランジ515cはここでは、外縁部に傾斜部分を呈しており、好ましくはプレスで経済的に裁断され、該傾斜部分は、フランジ515cの平面外での折り曲げ後に、ここではふくらんだ羽根になる。より正確には、羽根はラジアル方向に円弧の形状をした断面を有している。
第一の羽根515eは、流量と効率を高めつつ、本回転電機のノイズを減少させることを目的としている。その設置については、第一の羽根が冷却用流体を圧縮することで、該冷却用流体が第二の羽根515fと接触するように行われる。空気の再循環と旋風はこのようにして妨げられ、空気の流れは、より層流的であり、ほとんど摩擦とノイズがなく行われる。この配置によって、ロータの前極輪によって担持されている前方の送風ファン(図示せず)省くことが必要であれば、オルタネータは変形例によっては単一の送風ファンを有することができるようになっている。
もちろん、第二の羽根515fの配置と第一の羽根515e、515gのさまざまな組み合わせを考えることもできるものである。
たとえば、第二の羽根の間に、複数の第一の羽根を配置することもできるものである。同一の送風ファン装置515の内部において、第二の羽根の間に配置される第一の羽根の数は、一定または変化できるものであってよい。ここでは、隣接する二つの第二の羽根、つまり連続する羽根の間に一つの第二の羽根が配置されている。
同様に、間に第一の羽根のない、連続する複数の第二の羽根515fを有することも考えることができる。
第一および第二の羽根の配分は、冷却すべき回転電機に応じて決定されることで、空力学的に最小のノイズで最良の冷却が得られるようになっている。
第一の羽根515eは、角度的に規則的に、あるいは図14に示された場合のように、不規則に配分することができる。不規則な配置は、変形例によっては、図14の羽根515gのように、他とは長さの異なるいくつかの羽根を有することで得られる。
不規則な配置により、送風ファンの作動ノイズをよりいっそう減じることが可能になる。第二の羽根515fでも同様であり、該羽根は、図13に示されたように、角度的に不規則な配分を有することができる。このように、送風ファンあたり一部分の割合で、二つの部分に分割された不規則な一連の羽根が得られる。
変形例によっては、熱的に絶縁した被覆のような熱絶縁手段は、第一および第二送風ファンの二つのフランジ515cの間に介在させられ、第一送風ファン515aはこの場合、ファイバーで強化されたプラスチック製であってよい。羽根515e、515f、515gは、アキシャル方向に同一方向に、フランジ515cの平面に直角に伸びている。
変形例によっては、それらの羽根は、仏国特許出願公開第2602925号明細書に記載されているように、関係するフランジの面に対して傾き、湾曲していてもよい。
角度インデックス手段が、二つのフランジ515cの間に介在することで、良好な角度位置、したがって第二の羽根に対する第一の羽根の良好な方向付けが得られる。これを行うために、各フランジ515cは内縁部に溝515kを有している。溝515kはここでは同一物である。したがって、良好な角度位置を得るためには、溝を、たとえば物差しを用いて重ねるだけで十分である。次に、各送風ファンを、たとえば溶接またはリベット打ちによって一緒に固定することで、操作可能で移送可能な集合体を形成する。
好ましくは、第一のフランジは、孔または515mとして点線で示されている溝のような、少なくとも一つの間隙を有しており、該間隙によって、たとえば溶接やリベット打ちによって回転電機のロータに第二のフランジを固定することが可能になる。好ましくは、複数の孔または溝が用意される。
変形例によっては、各フランジは、たとえば溶接によってロータに固定される。
羽根515e、515fおよび515gが、ここではすべてアキシャル方向に同一の高さ、つまり、羽根の自由な縁部が同一の水平面内にあることが理解できるものである。より正確には、羽根515e、515gは、アキシャル方向に羽根515fより低い高さを有しており、幅の違いは第一のフランジ515cの厚みに等しい。
変形例によっては、羽根515e、515fはアキシャル方向に長さが異なっており、羽根515fは、たとえば羽根515e、515gに対してアキシャル方向に突出して伸びている。これは、羽根の自由な縁部すべてが同一面内にはないという結果となる。
いずれの場合も、仏国特許出願公開第2811156号明細書の図16にあるように、そして図14の点線で部分的に見られるように、蓋515pを羽根515e、515fおよび515gの自由な縁部に、またはフランジ515cから最も離れている自由な縁部に固定することができる。
変形例によっては、送風ファンの一方の少なくとも一つの羽根は、張り出した部分にフィンを備えており、該フィンは、仏国特許出願公開第2811156号明細書の図11〜13に記載・確認できるように、関係する送風ファンのフランジの平面に対して傾いて、または直角に伸びている。一般的には本発明によって、前述の仏国特許出願公開第2811156号明細書にあるものと同じ、異なったサイズの二列の羽根がついた配置構成を得ることができ、これは単純で経済的である。たとえば、送風ファンの少なくとも一つの、少なくとも一つの羽根および好ましくは少なくともいくつかの羽根は、本明細書に係る図6、図15および図2のように、ウェーブ状、または、アキシャル方向に細くなっていく高さ、あるいは、ラジアル方向に対して平らで傾いていることができる。
この送風ファン装置515によって、風圧損失とノイズが減少させられ、効率と空気の流量が高められ、そして冷却用流体の安定した流れが得られ、したがって、該流体によって、コントロール・パワー・モジュール100a、100bの効果的な冷却がもたらされる。このように、複雑な羽根の配置構成を有する送風ファン装置が得られ、良好な機械的耐性を有しつつ比較的低い原価で、羽根に高い冷却力を与えるものである。
さらなる詳細については、2003年2月27日に出願された、仏国特許出願公開第0302425号明細書を参照することとする。
このように製作されて、ブリッジ放熱器113は、後部軸受体504の上方に中二階を形成する。
本発明によると、ブリッジ放熱器113は下面に、冷却用のフィン518を具備している。これらの冷却用フィンは通路517に配置され、選択された経路にしたがった冷却用流体の流れを確実にするのだが、これはつまり、流体が、ブリッジ放熱器の下面の中央をかすめて通るために、回転シャフトの最大限に近くを通り抜けるようにするということである。こうしてブリッジ放熱器の下面は、好ましくは、ブリッジ放熱器の外縁部とシャフトに近い内縁部の間に位置している、ラジアル状のあらゆる距離において冷却される。 隣接するフィンは通路517において冷却用流体を案内するラジアル方向の溝を形成する。したがって、これらの溝は後部軸受体によって形成された下面、二つの隣接するフィンに向き合った二つの側面、ならびに、二つの隣接するフィンの間に形成されたブリッジ放熱器のU字の底部を具備している。
好ましくは、放熱器113は下面113bにフィン518を、上面113aに一つ/複数のコントロール・パワー・モジュール100a、100bを含んでおり、該放熱器は単体である。変形例によっては、パワー・モジュール100bを担持する放熱器113は、二つの部分からなるブリッジ放熱器を形成する、フィンのついた装置上に組み立てられる。
この流体は、次に、後部軸受体504に製作された通気口504a〜504dによって排出される。これら通気口504a〜504dは、好ましくは、図20に示されているもののように、オルタネータの軸受体に製作されたものと同一である。好ましくは、フィン518は流体流束の方向においてラジアル方向に配置され、該流体流束は、後部軸受体504の中央の通気口504bおよび504cに向けて集中する。
このように、空気(または他のあらゆる冷却用流体)は側面でオルタノ−スタータの中に吸引され、後部軸受体504の中央の通気口504b、504cに向けて流れて、軸受体504の側面の通気口504a、504dによって排出される前に、すべての長さにわたって放熱要素、つまり、フィン518をかすめて通る。したがって、パワー用電子デバイス100bは、ブリッジ放熱器113の冷却後、フィン518を介して伝導または対流によって冷却される。
また、ブリッジ放熱器113のように、パワー・モジュール100bが回転シャフトに押しつけられていないことに加えて、好ましくは、この回転シャフト502とブリッジ放熱器113の間に空間522があり、該空間によってまた、空気は通流することができる。この空間522は流体が流れるためのアキシャル方向の流路を形成する。本発明の実施態様によると、通気口523aおよび523bは、保護用カバー511に製作される。このとき、空気はこれら通気口523aおよび523bによってオルタネータ−スタータの中に吸入され、次に空間522によって、回転シャフト502に沿って排出され、そしてブリッジ放熱器113の下で流れの通路517に合流するものであり、このことは、放熱器113の冷却を向上させることに貢献する。このように、パワー用電子デバイスは、一方では通路517によって側面を、他方では空間522によってアキシャル方向に冷却される。空間522をスルーするこのアキシャル方向の補助的な空気の流れにより、さらに、ブラシ受けのケージまたは電機子コイルのヘアピース体のような、オルタネータの内部を、回転電機内の全体的な空気の流量を増加させることで、最もうまく冷却することが可能になる。
オルタノ−スタータの後部での冷却用流体の流れの径路は、図13において、矢印Fと点線によって示されている。
本発明の好ましい実施態様によると、偏向板524が、後部軸受体504に製作された通気口504aおよび504dの下流に配置されている。これらの偏向板524により、入力の流体流束を出力の流体流束から離すことで、オルタノ−スタータから出る流体が即座に通路17に再導入されないようにすることができる。このように、オルタノ−スタータの内部から発せられる熱い流体の深刻な再循環が避けられる。
これらの偏向板524は軸受体504の上、軸受体の側面の通気口504aおよび504dの近傍に固定することができる。これら偏向板は、また、たとえば、図13に示されているように、保護用カバーの端部を持ち上げることで、保護用カバー511内に製作することもできる。
図13に示された本発明の実施態様では、保護用カバー511はオルタノ−スタータのすべての後方部分を覆っているのだが、これはつまり、該カバーがブリッジ放熱器113に取り付けられたパワー用電子デバイス100b、100aおよび後部軸受体504の全体を覆うということである。この場合、保護用カバー511は、後部軸受体の側面の通気口の下流に位置し、流体をオルタノ−スタータの外に排出させるようになっている通気口を具備することができる。該保護用カバーはまた、これらの通気口に加えて、もしくはこれらの代わりに、偏向板524を具備することもできる。これら偏向板は、カバー自体の中に製作することができる。
保護用カバー511はまた、ブリッジ放熱器と軸受体504の上部に取り付けられたパワー用電子デバイスを覆うこともできるのだが、これはつまり、該カバーは通気口504aおよび504dを具備する軸受体の側面部は覆わないということである。この場合、偏向板は軸受体504に固定することができる、もしくは、カバーの端部を持ち上げることで製作することができる。
図13に示されているように、送風ファン515は、それらの羽根505の少なくとも一部のアキシャル方向の端部に、蓋515pを担持している。この蓋は、空気の流束Fが送風ファンの羽根505の部位を通ることを強制し、このことは、ステータコイルのヘアピース体507と放熱器によって担持される電子デバイスをより良く冷却することに有利に作用する。
好ましくは、後部軸受体504に製作された通気口504bおよび504dの外縁部525が、羽根505の内縁部に完全に正対していることで、すべての冷却流束Fを送風ファンの羽根505の間を通すようになっている。したがって、残留流束だけが、カバーの頂部515pと後部軸受体504のアキシャル方向の下面の間を通過できる。
好ましくは、通気口504bおよび504dは軸受506の収納部の近傍にあり、その結果、収納部は効果的に冷却することができ、これは、送風ファンが上述したように二つの送風ファンの重なりで構成されていれば、より効果的になる。
第一の実施態様では、図13に見られるように、放熱器113は、後部軸受体504から電気的に絶縁されている。したがって、放熱器113は、とりわけ管理ユニット2の電子デバイスの一つ/複数のモジュール100bに含まれているパワー用電子デバイスのための絶縁されたアースを構成する。後部軸受体から放熱器を電気的に絶縁することは、電磁的、熱的の両立という点でより優れた性能を得ることに貢献する。
第一の変形実施例によると、ブリッジ放熱器113は、組立用タイ・ロッド527によって後部軸受体504に固定されており、該タイ・ロッドは電気的に絶縁され、好ましくは熱的に伝導性ではなく、したがってステータから発散される熱に対して熱バリアを構成する。
好ましくは、タイ・ロッド527は、一般的に軸受体504をステータ503の磁気回路508に固定するために用いられているものと同一物である。電気的に絶縁性のワッシャ527bが、ブロック用のナット527aと放熱器113の上面113aの間に介在させられる。肩部527dを具備するスペーサー527cは、放熱器の下面113bと後部軸受体504のアキシャル方向の外面の間に介在させられる。
第二の変形例によると、放熱器113はネジ528によって電気的に絶縁して後部軸受体504と連結しており、該ネジの頭部は軸受体504のアキシャル方向の下面側に向けられている。この実施態様では、導電性のないスペーサー528aが、放熱器113の下面113bと後部軸受体504のアキシャル方向の上面の間に配置される。ネジ528は、筒体に押し当たる位置にくるのだが、該筒体は、後部軸受体504のアキシャル方向の厚みの中に配置された肩部に対して電気的に絶縁している。
もちろん、軸受体に放熱器を固定する他の手段を考えることができる。
もちろん、スペーサー527cまたは528aが、ブリッジ放熱器113あるいは軸受体504と連結することで、固定用スタッドを構成するようにすることができる。この場合、絶縁ワッシャのような電気的および熱的な絶縁手段は、これら固定用スタッドの端部に配置されなければならないことになる。
制御・パワー用電子デバイスを担持する放熱器が、このように、回転電機の後部軸受体のアキシャル方向の外面から距離をとって配置されることで、空気によって冷却される中二階構造を構成するようになっており、その空気は主に、この中二階構造と後部軸受体のアキシャル方向の上面の間にラジアル状に導入される。
図7に記載された実施態様によると、パワー・モジュール100bは、基台109と放熱器の上面113aの間の直接電気接触によってアース接続される。
アースのケーブル529は、ネジ留めまたは溶接のような固定手段529bによって放熱器に電気的に接続されているのだが、好ましくは、絶縁されたアースを構成するために、自動車のバッテリの負極端子に接続されている。
前述したように、一つまたは複数のパワー・モジュール100bから出ている信号用接続あるいはコントロール接続に対応するスタッド203は、回転電機の後方に向けて、電気接続の端部へアキシャル方向に向けられている。好ましくは、これらのスタッド203はプラスチック製のカバー511に達しており、該カバーは現物型モールドによって、金属・電力線トラックと金属・制御線トラックとを含んでいる。好ましくは、カバーはすべての金属トラックを閉じこめているのだが、該金属トラックによって、一方ではパワー・モジュールの間、そして他方ではパワー・モジュール100bと管理ユニット2の間のすべての接続を実現できる。このように、この配置はカバーの下での導線接続を行わないという利点を有しており、このことによって看過できないほどの経済的な利益がもたらされる。実際、低パワーおよび高パワーのすべての接続は、金属トラックを備えたカバーの組立部位の単一通路で実現される。空間を確保できるようにするカバーの下でのこれらの導線接続を省くことは、したがって、たとえば回転電機のアキシャル方向の長さを減少させることとなる。
図15、図16、図17、および図17aは、スタッド203と、現物型モールドによってカバー511に含まれている金属トラック600の間の電気接続の可能な手段を記載している。
図15に示されているように、スタッド203は、接続すべきトラック600に製作された、閉じているかあるいは半分閉じている孔601を通って通過する。好ましくは、スタッド203の端部は、溶接手段によって固定するために、トラック600の反対側から出る。参照符号602はこのように行われた溶接を表している。
好ましくは、スタッド203の端部605は、カバー511のアキシャル方向の上縁部とほぼ同じアキシャル方向の高さで、好ましくは最小の高さであり、回転電機の操作時にこれらの溶接を無効にしてしまうことを避けるようになっている。これらの金属トラックは後部カバー511内に製作された開口部606によってアクセス可能である。
スタッド203の形状は、位置決めのための許容値に適合化されている。
図16は、好ましくはパワー用であるスタッド203と、関連づけられた金属トラックの間の、ボルト−ナットタイプのネジ留め手段による電気結合の変形実施例を示している。それ自体は知られているように、グローバータイプの裂け目のあるワッシャ608はボルトの下面と金属トラックの外面の間に介在させられているのに対し、スタッド103はナットと金属トラックの下面の間に挟まれている。この実施態様では、好ましくは、モジュール100bのカバー105の部分611は、一つまたは三つのブリッジのアームを含んでおり、ネジ留めを目的として回転をブロックするためにナット607と接触する位置にくる。
図17は、図15に記載されているような、溶接によって実現された接続を示しており、該接続は、ワニスタイプ、接着剤タイプ、またはシリコーンタイプの保護物を具備することで、塩分を含んだ霧や湿気のタイプの化学的侵襲を避けるようになっている。この保護物はまたは、図15で説明されたボルト−ナットによる固定手段にも適用可能である。
図17aは、L型レーザーの溶接によって実現された接続を示しており、該接続において、スタッド203は金属トラックを通過しない。この場合、トラック203は湾曲部610を有しており、該湾曲部は、カバー511が回転電機の後部に取り付けられるとき、応力の下で金属トラック600と接触する位置にくるように適合化されている。この実施態様は、十分に密閉したカバー511が得られるという利点を有する。
図18は、回転電機の後部から見た本発明による後部カバーを示している。この実施態様は、中二階構造を形成する放熱器113が後部軸受体504から電気的に絶縁されている場合に対応している。したがって、好ましくは、カバー511は、大電力用の単一の金属トラック600aしか具備しておらず、始動の段階では、およそ1000アンペアの電流を通流させることができる。この金属トラック600aは、好ましくはブラシ受けの接続650B+を包むものであり、自動車の車載電源網に接続された正極端子B+に専用となっているのだが、したがって、図19に示されているように中二階構造が絶縁されていないとき、必要なアースの600bの他方に干渉することなく、該接続に必要なすべての場所を占めるように設計されている。
図18および図19に見られるように、回転シャフトの中央の近傍に配置されているドライバ回路10、20および30を、前述した管理モジュール2と接続することは非常に容易である。したがって、本発明によると、オルタネータ−スタータ・タイプの回転電機を得ることが可能であり、該回転電機は、機械的に連結している後部軸受体上に、作動に必要なパワー、制御、コントロール用のすべての電子デバイスを具備している。もちろん、この場合に、電子的な機能は、本発明の範囲を超えずに外部ケースに移動させることができる。前述したような後部軸受体の構造によって、中二階構造の形状をした構造による一つまたは複数のパワー・モジュールを非常にうまく冷却することも可能になるのだが、この構造は、ラジアル状に、好ましくは補助的にアキシャル方向に導入される冷却用流体によって冷却されるものである。この冷却は、一つまたは複数のパワー・電子モジュールが図6〜12にしたがって製作されるとさらに効果的である。
好ましくは、現物型モールドされたトラックを介してカバーに接続されている、一つまたは複数のモジュールにパワー用電子デバイスを一体化させることにより、極めて容易に、パワー用および/または制御用電子デバイス、を取り付けることが可能になり、したがって経済的になる。さらに、パワー・金属トラックをカバーに一体化させることにより、容易にコネクタ630をカバーのあらゆる場所に配置することで、自動車の構成配置に適合化することが可能になる。
図19は、カバー511の第二の変形実施例を構成しており、該カバーは本発明による、放熱器用の金属トラックを具備し、該放熱器は後部軸受体504と同じ電位の中二階構造を形成する。この場合、パワー・モジュールは放熱器に対して電気的に絶縁されている。この実施態様では、前述した固定用スタッドを形成するスペーサー527cまたは528aを電気的に絶縁する必要はなくなっている。したがって、これらの固定用スタッドの端部または中二階構造と後部軸受体の間に配置されている電気的に絶縁されたワッシャまたは筒は省くことができ、こうして後部軸受体・中二階構造の集合体にさらなる機械的剛性を与えるようになっている。
この実施態様では、カバーは図18に記載されたものに加えて、アース専用のパワー・トラック600bを一体化させる。コネクタ630に達するために、二つのパワー・トラック600aおよび600bは、カバーの区域652で重なりあっており、該カバーが、好ましくはこの場所に余剰の厚みを有することで、二つのトラックがこの場所で現物型モールドされたままであるようになっている。この場所で、トラックの現物型モールドは電気的絶縁を保証するように行われるものである。この交差を実行するために、二つのトラックのうちの少なくとも一つは、少なくとも一つのエルボ部分を有するものである。
この実施態様において、ブラシ受けのアースの接続651は、また、好ましくはアースのトラック600bによっても実現される。
図18および図19に見られるように、たとえばCaN、Lan、Lin、BSPタイプの既知のプロトコルを介して、または単純な導線結合によって外部電子ケースと通信するようになっているコネクタ653を用意することもできる。
好ましくは、フィルタ用コンデンサ653は、図19に見られるように、カバー511を介して接続することができる。これらのコンデンサ653は、パワー・トラックUaとアースの間に溶接されているのだが、たとえば、現物型モールド、クリッピング、接着によってカバーの一部をなしている。同様に、これらコンデンサをカバーの弱いパワーの金属トラックの間に配置することもできる。
図21および図22は、オルタネータの後部軸受体の二つの実施態様を示しており、制御・コントロール用の電子デバイスを、本発明による中二階構造を形成する軸受体放熱器113に一体化している。
これら二つの図面において、固定用スタッド528aは電気的に絶縁されておらず、結果として、軸受体放熱器113は電気的に絶縁されていない。電子モジュール100bのアースはしたがって、スタッド203aの部位に接続されている。
図21は、パワー用電子デバイス100bに対応しており、該電子デバイスは三つのモジュールに配分され、それぞれが図7に記載されているようにブリッジのアームに対応しているのに対し、図21はパワー用電子デバイスの配置に対応しており、図13に記載されているように、ブリッジの三つのアームを単一モジュールに一体化している。
これら二つの図面において、符号100aは管理回路2のモジュール100aに専用の場所を表し、該モジュールは接続用スタッド203cも有している。
図21に見られるように、パワー用スタッド203aと203bとが突き合わせになっていることで、たとえば、前述したように、カバー511の金属トラックの部位で、単一の通路に電気的に接続されるようになっている。
たとえばパワー・モジュール100bの収納部111に挿入されている各ビス680は、これらパワー・モジュールを放熱器113に固定することを確実に行う。
背景技術でのコントロール・パワー・モジュールの概略図 本発明によるコントロール・パワー・モジュールを示す図 本発明のコントロール・ユニットにおけるドライバ回路のさまざまな接続を示す図 ドライバ回路と、ドライバ回路が操作するパワー・ユニットのトランジスタの間の電気接続を示す図 本発明のコントロール・パワー・モジュールをオルタネータ−スタータのケースの後部に一体化した態様を示す図 本発明によるパワー・モジュールの実施態様の立面図 図6の線分A−Aにしたがった断面図 もう一つの実施態様によるパワー・モジュールを実施した断面図 図6に対応する実施態様のアース接続の態様を示す図 図7に対応する実施態様のアース接続の態様を示す図 図8に対応する実施態様のアース接続の態様を示す図 本発明の他の実施態様を示す図 本発明によるパワー・電子モジュールを具備する後部軸受体の断面図 図13で用いられた送風ファンの実施例を示す図 カバーの部位に製作された電子モジュールの出力の接続態様を示す図 カバーの部位に製作された電子モジュールの出力の接続態様を示す図 カバーの部位に製作された電子モジュールの出力の接続態様を示す図 カバーの部位に製作された電子モジュールの出力の接続態様を示す図 回転電機のカバーの、アキシャル方向の後面図 回転電機のカバーの、アキシャル方向の後面図 背景技術でのオルタネータ−スタータを示す図 図7および図12に示されたモジュールの実施例を示す図 図7および図12に示されたモジュールの実施例を示す図 図12の断面図
符号の説明
1 パワーユニット
2 管理回路 コントロール回路
3 オルタノ−スタータ オルタネータ−スタータ
10 ドライバ回路
11、12 スイッチング素子 パワートランジスタ
20 ドライバ回路
21、22 スイッチング素子 パワートランジスタ
30 ドライバ回路
31、32 スイッチング素子 パワートランジスタ
50 コントロール・ユニット
100 コントロール・パワー・モジュール
113 放熱器
200 パワー・サブ・モジュール
504 後部軸受体
506 軸受
511 カバー
515 送風ファン
600 トラック
630 コネクタ

Claims (21)

  1. 自動車用の多相のオルタネータ−スタータのコントロール・パワー・モジュール(100)であり、該モジュールは、自動車のオルタネータ−スタータ(3)の各相と、車載電源網(Ua)と、アース線(GND)の間に接続され、
    −複数の枝路(B1〜B3)の付いたパワートランジスタのブリッジを含むとともに該各枝路は前記オルタネータ−スタータの一つの相にそれぞれ対応するパワー・ユニット(1)と、
    −オルタネータ−スタータの相(φ)の電圧を基準電圧(Ua、GND)と比較し、比較結果の値に応じてパワートランジスタを指令制御するためのコントロール・ユニット(50)を具備するものであって、
    第一ステージ(100b)であって、前記オルタネータースタータ(3)に一体化され、複数の一体化、小型化された電子・パワー・サブ・モジュール(100b、200)によって形成されており、該電子・パワー・サブ・モジュール(100b、200)の各々は、オルタネータースタータのステータ巻線の各相(φ1、φ2、φ3)の出力位置に配置されている第一ステージと、
    第二ステージ(100a)であって、前記電子・パワー・サブ・モジュール(100b、200)とは異なるケースによって形成され、管理回路(2)を備える第二ステージとを含んでおり、
    該電子・パワー・サブ・モジュール(100b、200)の各々は、パワー・トランジスタのブリッジの枝路(B1、B2、B3)および該枝路(B1、B2、B3)の全部のパワー・トランジスタ(11、12;21、22;31、32)を操作し、該パワー・トランジスタの最短位置に設置されたドライバ回路(10、20、30)を一体化し、該管理回路(2)は各ドライバ回路(10、20、30)の全体の作動を制御し、該ドライバ回路とともにコントロール・ユニット(50)を形成することを特徴とする、コントロール・パワー・モジュール。
  2. 前記オルタネータ−スタータの後方に一体化されることを特徴とする、請求項1に記載のコントロール・パワー・モジュール。
  3. 前記第二ステージが前記オルタネータ−スタータのケースの外部にあることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載のコントロール・パワー・モジュール。
  4. 前記オルタネータ−スタータが三相で、各相の三つの枝路(B1,B2,B3)の一つがそれぞれ前記パワーユニットに接続され、かつ該三つの枝路が同じものであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つに記載にコントロール・パワー・モジュール。
  5. 前記管理回路(2)の指令制御が、すべてのドライバ回路に共通であることを特徴とする、請求項1〜のいずれか一つに記載のコントロール・パワー・モジュール。
  6. パワートランジスタが、並列に接続されたパワートランジスタの集合であることを特徴とする、請求項1〜のいずれか一つに記載のコントロール・パワー・モジュール。
  7. 前記各ドライバ回路(10、20、30)が、管理回路(2)から発せられたさまざまな信号(ALG、SC、UA、VD)を、入力で、受信することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一つに記載のコントロール・パワー・モジュール。
  8. 前記各ドライバ回路(10、20、30)が、測定信号である、車載電源網の供給電位(UA)と、アース(GND)電位と、相(PH)の電位とのそれぞれの測定信号(MUA、MGND、MPH)を、入力で、受信することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一つに記載のコントロール・パワー・モジュール。
  9. 前記、各ドライバ回路は、測定すべき電位(PH、VA、GND)の近傍に位置しており、各測定入力(MPH、MVA、MGND)は、縮小された長さの接続線を用い、このことにより、これらの接続線をスルーしうる擾乱に対するこれらの入力の感度を減少させることになることを特徴とする、請求項8に記載のコントロール・パワー・モジュール。
  10. 前記測定信号(MPH、MVA、MGND)の各接続線が、パワートランジスタ(12、22、32)のアース(GND)の電位と、パワートランジスタ(11、21、31)の供給電圧(UA)と、パワートランジスタ(11、12、21、22、31、32)の相(PH)の電圧とに接続されることを特徴とする、請求項8又は請求項9に記載のコントロール・パワー・モジュール。
  11. 前記パワー回路からの各測定信号が、前記各ドライバ回路(10、11、12)の二つのコンパレータ(C11、C12)に接続されることを特徴とする、請求項8〜10のいずれか一つに記載のコントロール・パワー・モジュール。
  12. 前記各ドライバ回路(10、20、30)が、同一の管理回路(2)によってコントロールされることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一つに記載のコントロール・パワー・モジュール。
  13. 前記各ドライバ回路(10、20、30)が、同一枝路(B1、B2、B3)の各パワートランジスタ(11、12、21、22、31、32)を操作することを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一つに記載のコントロール・パワー・モジュール。
  14. 前記ブリッジの各枝路が、ゲートを持つパワートランジスタを少なくとも二つ有し、かつ、前記各ドライバ回路(10、20、30)が、同一の枝路のパワートランジスタ(11、12;21、22;31、32)の各ゲートに接続されることを特徴とする、請求項13に記載のコントロール・パワー・モジュール。
  15. 前記各ドライバ回路(10、20、30)が、相(φ1、φ2、φ3)の電位をパワートランジスタ(12、22、32)の一つを指令制御するために整流ブリッジのアースの電位と比較し、そして、他のパワートランジスタ(11、21、31)を指令制御するために前記整流ブリッジの出力電圧(Ua)の電位と比較することを特徴とする、請求項14に記載のコントロール・パワー・モジュール。
  16. 前記各ドライバ回路(10、20、30)が、パワートランジスタ(11、12、21、22、31、32)のゲートの供給信号電圧(ALG)を管理回路(2)から受信することを特徴とする、請求項14又は請求項15に記載のコントロール・パワー・モジュール。
  17. 前記信号電圧(ALG)が、補助電源によって供給されることを特徴とする、請求項16に記載のコントロール・パワー・モジュール。
  18. 前記管理回路(2)から送り込まれる信号電圧(ALG)が、16V±1Vの電圧であることを特徴とする、請求項16又は請求項17に記載のコントロール・パワー・モジュール。
  19. 前記各ドライバ回路(10、20、30)が、管理回路(2)から、信号(SC)、すなわち、オルタネータ−スタータが具備する、オルタネータ−スタータのロータの位置用のセンサによって供給される情報を示す信号を、受信することを特徴とする、請求項7〜18のいずれか一つに記載のコントロール・パワー・モジュール。
  20. 前記、各ドライバ回路(10、20、30)が、管理回路(2)から、オルタネータ−スタータについて、スタータ・モードの認証情報(VD)か、又は、オルタネータ・モードの認証情報(VA)かを受信することを特徴とする、請求項7〜18のいずれか一つに記載のコントロール・パワー・モジュール。
  21. 前記各ドライバ回路(10、20、30)が、前記各ドライバ回路の入力に受信された信号に応じて、前記パワートランジスタの各ゲートを指令制御するため、論理回路(13)と電流源(S11、S12)とを備えることを特徴とする、請求項14に記載のコントロール・パワー・モジュール。
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