JP4889517B2 - 回転電機装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばハイブリッドカーなどの車両に搭載されるインバータと制御装置と回転電機が一体になった制御装置一体型の回転電機装置、特に、発電機と始動電動機を兼ねる発電電動機などとして好ましく用いることができる回転電機装置に関する。

従来の制御装置一体型の回転電機装置は、ファン付きロータとステータを支持するフロント及びリアブラケットと、スイッチング素子を実装した一つのヒートシンクと、ヒートシンクを覆うカバーとをリアブラケットに接続し、カバーの一端に吸気孔を設け、冷却風はヒートシンクの冷却フィン、ステータを通過してリアブラケットの排気孔から排出されるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−１６６５３８号公報（第１頁、図１）

上記のような従来の回転電機装置では、リアブラケットから排出された高温空気が還流して、カバーの吸気孔より再流入し、周囲温度に比べ温度が上昇するため、これを吸気するヒートシンクは温度上昇し、その結果、ヒートシンクに実装されたスイッチング素子を有するパワー回路は同様に温度上昇して、故障に至る恐れがあるという課題があった。また、このような状況下でスイッチング素子の温度を冷却するには、ヒートシンクを大きくする必要があり、装置が大型化するという課題があった。

この発明は上記のような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、ブラケットから機外に排出された高温の冷却風が還流するのを防いで冷却効率を高め、ヒートシンクを小型化することができる制御装置一体型の回転電機装置を提供することを目的としている。

この発明に係る回転電機装置は、ステータに対する軸方向の一側部に設けられヒートシンクを具備するパワー回路部と、このパワー回路部を保持すると共に、機外方向から該パワー回路部を経た冷却風が上記ステータの一側部で放射方向に排出されるように設けられた排気部を有するブラケットと、このブラケットの排気部に設けられ、該排気部から排出された冷却風を上記ステータの軸方向他側部方向に偏向させる金属製気流制御部材とを備え、上記ブラケットは冷却風を軸方向に上記ステータ側に流入させるための通風孔を有するリアブラケットからなり、上記パワー回路部は該リアブラケットの通風孔の外側部に配設され、かつ、上記リアブラケットに固定されて上記パワー回路部を包囲すると共に軸方向外側から外気を流入させるための上記通風孔に連通する吸気孔を有するカバーケースが設けられているものであって、上記気流制御部材に一体形成された上記気流制御部材の固定部は上記パワー回路部の上記ヒートシンクと共に上記カバーケースに対して共締めされているものである。

この発明においては、ブラケットの排気部に、排出された冷却風をステータの軸方向他側部方向に偏向させる金属製気流制御部材を設けたことにより、排気部から排出された冷却風がブラケットの軸方向他側部方向に流れることで還流が防止され、パワー回路部の冷却効果が高められることで、吸気温度が低減されヒートシンクの温度も低減されて、ヒートシンクを小さくでき、装置を小型化できるとともに、気流制御部材に一体形成された固定部はパワー回路部のヒートシンクと共にカバーケースに対して共締めされているので、気流制御部材とヒートシンクとの熱伝達を確保して放熱性を向上でき、しかも、接続点数を少なくして、部品コストを低減できる。

実施の形態１．
図１〜図３はこの発明の実施の形態１による制御装置一体型の回転電機装置を説明するもので、図１は全体構成を示す側面断面図、図２は図１の回転電機装置をリアブラケット側から見た背面図、図３は図１に示された気流制御部材を示す斜視図である。なお、各図を通じて同一符号は同一部分を示すものとする。図において、制御装置一体型の回転電機装置１は、ブラケットとしてのリアブラケット２、及びフロントブラケット３に支持されたステータ４と、これらリアブラケット２及びフロントブラケット３にベアリング５Ａ及び５Ｂを介して回転自在に支承されたロータ６を備え、ロータ６の中心はシャフト７によって構成されている。

上記ステータ４の軸方向の一側部（図１の左方向、後方側）には、ステータ４に巻装されたステータコイル４ａに電流を供給するパワー回路部８、パワー回路部８を制御する制御基板９、ロータ６の界磁巻線６ａに界磁電流を供給するためのブラシ１０などが配設され、パワー回路部８、ブラシ１０はリアブラケット２に固定されたカバーケース１１によって包囲され、制御基板９はカバーケース１１の外側部（図１の左側）に固定されて蓋１１ａによって覆われている。また、図示省略しているエンジン制御ユニットなどと通信するためのコネクタ１２がカバーケース１１に取り付けられており、該コネクタ１２と制御基板９とは図示省略している信号線によって接続されている。

パワー回路部８は図示省略している通常一般的なインバータ回路を構成する上アームのヒートシンク８１Ａ、スイッチング素子８２Ａ、下アームのヒートシンク８１Ｂ、スイッチング素子８２Ｂからなり、ヒートシンク８１Ａ、８１Ｂはターミナル（図示省略）を樹脂封止された絶縁部材８３、８４と共にカバーケース１１を介してリアブラケット２に軸方向に組みつけられている。なお、図１ではＵ、Ｖ、Ｗの３相からなるパワー回路部８の内、Ｖ相の分が図示されている。ロータ６の軸方向一側（図の左側、後方端面）にはファン６ｂが装着されており、ファン６ｂの回転により吸気された冷却風は、図１に示す破線矢印Ａの経路にて示すように、カバーケース１１の後方側端面に設けられ、リアブラケット２の通風孔２ｂ、排気部２ａに連通する複数の吸気孔１１ｂから外気を軸方向に吸入し、ヒートシンク８１Ａ、８１Ｂのフィン、ステータ４の一側部のステータコイル４ａ部を通過して、リアブラケット２の排気部２ａより放射方向に排出される。

そして、上記リアブラケット２の図１中下側の排気部２ａには、該排気部２ａから放射方向に排出された冷却風をステータ４の軸方向他側部方向（図１の右方向）に偏向させる図３に示す形状の気流制御部材１３が設けられている。該気流制御部材１３は、リアブラケット２とカバーケース１１の間に固定部（フランジ）１３ａを挟み込む如く取り付けられ、フィン部１３ｂがカバーケース１１の右側端面とリアブラケット２の排気部２ａとの間付近から略軸方向外側に突出され、排気部２ａから排出された冷却風が軸方向他側部方向（図１の右方向）に偏向するように湾曲して形成され、排気部２ａの放射方向外側に該排気部２ａから離間して延在している。なお、該気流制御部材１３の材質は樹脂でも差し支えないが、リアブラケット２からの放熱性を考慮する場合には、金属製とすることは望ましい。

また、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相から構成されているパワー回路部８は、図２に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の上アームのヒートシンク８１Ａ、及び下アームのヒートシンク８１Ｂの対が、周方向に分かれて配設されている。そして、カバーケース１１の複数の吸気孔１１ｂは、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各相のヒートシンク８１Ａ、８１Ｂの直前にそれぞれ設けられ、背面側から見たときに図２に示すように、全てのヒートシンク８１Ａ、８１（計６個）の放熱フィンが吸気孔１１ｂを通して直接見えるように設けられ、吸入される外気が直接フィンに当たるように構成されている。なお、気流制御部材１３は、この例では還流の多いＶ相部位のみに設置しているが、必要に応じてＵ相部位、Ｗ相部位にも同様に設置可能である。

なお、気流制御部材１３は、固定部（フランジ）１３ａをヒートシンク８１Ａ、８１Ｂと共にカバーケース１１に対してボルト１４、ナット１５で共締めすることができる。また、シャフト７の軸方向他側部（図１の右端部）にはプーリ１６が装着されており、該プーリ１６に、何れも図示省略しているエンジン（内燃機関）の出力軸との間で駆動ベルトが巻き懸けられ、回転電機装置１を発電機として用いるときは該エンジンの回転力によって駆動ベルト及びプーリ１６を介して駆動され、エンジンの始動電動機として用いるときは図示省略しているバッテリーの電力によりプーリ１６及び駆動ベルトを介してエンジンのクランクシャフト（図示省略）を回転させるように構成されている。

次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。なお、回転電機装置１を発電機または電動機として動作させること自体は公知の従来装置と全く同様であるので説明を省略する。回転電機装置１のロータ６が発電機または電動機として回転すると、ファン６ｂによって機外から外気が破線矢印Ａで示すようにカバーケース１１の吸気孔１１ｂからカバーケース１１内に取り入れられ、ヒートシンク８１Ａ、８１Ｂを経てリアブラケット２の通風孔２ｂを通り、ステータ４の一側部のステータコイル４ａ側方部を順次通過して、リアブラケット２の排気部２ａより放射方向に排出され、気流制御部材１３によって軸方向他側部方向（図１の右方向）に偏向されて機外に排出される。

上記のように実施の形態１によれば、リアブラケット２の排気部２ａに、排出される冷却風をステータ４の軸方向他側部方向（図１の右側方向）に偏向させる気流制御部材１３を設けたことにより、排気部２ａから排出された高温の冷却風の還流が抑制され、スイッチング素子８２Ａ、８２Ｂを有するパワー回路部８の冷却効果が高められる。その結果、ヒートシンク８１Ａ、８１Ｂの温度は低減して、装置を小型化できる。また、気流制御部材１３はリアブラケット２からの熱が伝導されることで放熱板としても機能しており、冷却風との接触面積を大きくしていることでリアブラケット２の温度を低減することができる。その結果、リアブラケット２に組み付けたヒートシンク８１Ａ、８１Ｂへの受熱が小さくなり、ヒートシンク温度を低減して、装置を小型化できる。さらに、リアブラケット２の排気部２ａからの異物混入を防ぐことができ、製品の破損を抑制して、信頼性を向上させることができる。

また、従来装置では複数のスイッチング素子が一つのヒートシンクに実装されていたため、スイッチング素子間で熱干渉が発生してスイッチング素子温度のばらつきがあったので、スイッチング素子温度は最大温度基準で設計されるため、ヒートシンクを大きくする必要があった。これに対し実施の形態１では、ヒートシンクは複数に分割されていることで、各相への熱干渉を減らし、かつ、気流制御部材１３を個別に配置することで、局所的な温度分布を無くして、ヒートシンク温度を低減させ、装置を小型化できる。また、気流制御部材１３はエンジンのハウジングの形状によって、還流の大きい相のみに設置することができ、部品コストを低減することができる。さらに、還流を抑制できるため、エンジンのハウジングに近接して設置することができ、設置スペースを小さくすることができる。また、気流制御部材１３はヒートシンク８１Ａ、８１Ｂとカバーケース１１を共締めする構造であるため、接続点数が少なく、合理的であり、部品コストを低減することができる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施形態２による回転電機装置の要部を示す断面図である。図において、気流制御部材１７はリアブラケット２の排気部２ａの径方向外側に突出され該排気部２ａの外方を風路を介して覆った後、ステータ４の軸方向他側部方向（図４の右側方向）に長く伸びて延在するように延出して形成されている。その他の構成、符号は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。上記のように構成された実施の形態２においては、冷却風は矢印Ｂに示す経路となり、前軸方向から機外へ排出されることで、還流が一層抑制されると共に、冷却風の一部はステータ４の外側面に衝突される。ステータ４の温度は排気温度よりも高温であるため、冷却風の排気によりステータ４も冷却される。

上記のように実施の形態２によれば、気流制御部材１７を軸方向他側部方向（図４の右側方向）に長く伸びて延在するように延出したことにより、還流が一層抑制されると共に、ステータ４を冷却するための通風経路を形成することができる。このため、ステータ４からリアブラケット２、ヒートシンク８１Ａ、８１Ｂへの受熱を小さくでき、ヒートシンク温度を低減できる。その結果、装置を一層小型化できる。また、気流制御部材１７は長く伸びて延在していることで表面積が増大し冷却風との接触面積が大きくなり、よりリアブラケット２の温度を低減できる。また、リアブラケット２の排気部２ａからの異物混入をより一層防ぐことができ、製品の破損を抑制して、信頼性を向上させることができる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による回転電機装置の要部を示す断面図である。上記実施の形態２との違いは気流制御部材１８の内側にフィン１８ａ及び外部にフィン１８ｂからなる凹凸をそれぞれ設けたことである。なお、フィン１８ａ、１８ｂは、気流制御部材１８を例えば金属で構成する場合には、形成するときにプレス等を用いて、凹凸形状を設ければ良い。また、樹脂で一体注型してもよい。なお、該凹凸は気流制御部材１８の両面に設けた例で示しているが、内側及び外側の何れか一方のみに設けても相応の効果が得られることは勿論である。その他の構成は実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態３においては、内側のフィン１８ａはファン６ｂの回転時に気流制御部材１８を用いてリアブラケット２を強制冷却するのに主に使用される。一方、外側のフィン１８ｂはファン６ｂの停止後に気流制御部材１８を用いてリアブラケット２を自然空冷するのに主に使用される。特に、外側のフィン１８ｂはアイドルストップ時のエンジン停止状態ではファン６ｂが回転しないため、ヒートシンク８１Ａ、８１Ｂは冷却されずに、発熱体であるステータ４からの受熱を受けて温度上昇するが、自然空冷されることで、ヒートシンク８１Ａ、８１Ｂの温度上昇を小さくでき、効率良くアイドルストップを可能にする。また、気流制御部材１８のフィン１８ａの凸部に冷却風が衝突することで、ステータ４の外表面方向に排気流が多く流れることにより、ステータ４も効率良く冷却される。

上記のように実施の形態３によれば、気流制御部材１８の内側及び外側にフィン１８ａ、１８ｂからなる凹凸を設けたことにより、ファン６ｂの回転時及び停止時のリアブラケット２の温度を低減することができる。このため、ヒートシンク８１Ａ、８１Ｂの温度上昇も抑制されることで装置を小型化できる。また、フィン１８ａ、１８ｂにより、回転時には気流制御部材１８とステータ４の強制冷却が行なわれ、停止時には気流制御部材１８の自然冷却が促進されることでスイッチング素子８２Ａ、８２Ｂの温度を低減でき、効率良くアイドリングストップを行うことができる。また、ステータ４の外表面に向けて冷却風の流れが発生することで、ステータ４の温度を低減することができ、ヒートシンク８１Ａ、８１Ｂの受熱を小さくすることで、装置を小型化できる。また、気流制御部材１８にフィン１８ａ、１８ｂからなる凹凸を設けたことで、気流制御部材１８の剛性が向上し、耐振動性も向上するという効果が得られる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４による回転電機装置の要部を示す断面図である。この実施の形態４では、実施の形態２に示す気流制御部材１７とカバーケース１１を一体成形して、気流制御部材付カバーケース１９としたことである。なお、気流制御部材付カバーケース１９の図の左端部側には吸気孔１９ａが設けられ、右端部側には気流制御部１９ｂが形成されている。その他の構成は実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
この実施の形態４では、上記構造により、実施の形態２と同様の作用効果が得られる他気流制御部１９ｂがカバーケースと一体的に樹脂成形されることで、部品点数が減り、工作性もよくなり、安価で簡単な構成とすることができる。また、一体化されていることで、気流制御部１９ｂの剛性が向上され、耐振動性を向上させることができるとういう効果も得られる。

なお、上記実施の形態の説明では、回転電機装置１をハイブリッドカーなどの発電機兼始動電動機として用いる場合について説明したが、用途や使用方法などは必ずしも実施の形態に限定されるものではないことは言うまでもない。また、パワー回路部８をリアブラケット２側に設けた場合について説明したが、フロントブラケット３側に設置することも差し支えない。その他、例えばパワー回路部８の温度を検知する熱センサを設け、アイドリングストップ時に該熱センサが予め設定された所定値を超えたときに、車両に標準装備されているバッテリーにより電動ファンを回転させて冷却する機能を付加するなど、この発明の精神の範囲内で種々の変形や変更が可能であることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１による制御装置一体型の回転電機装置の全体構成を示す側面断面図。 図１の回転電機装置をリアブラケット側から見た背面図。 図１に示された気流制御部材を示す斜視図。 この発明の実施形態２による回転電機装置の要部を示す断面図。 この発明の実施形態３による回転電機装置の要部を示す断面図。 この発明の実施形態４による回転電機装置の要部を示す断面図。

符号の説明

１ 回転電機装置、 ２ リアブラケット（ブラケット）、 ２ａ 排気部、 ２ｂ 通風孔、 ３ フロントブラケット、 ４ ステータ、 ４ａ ステータコイル、 ５Ａ、５Ｂ ベアリング、 ６ ロータ、 ６ａ 界磁巻線、 ６ｂ ファン、 ７ シャフト、 ８ パワー回路部、 ８１Ａ、８１Ｂ ヒートシンク、 ８２Ａ、８２Ｂ スイッチング素子、 ８３、８４ 絶縁部材、 ９ 制御基板、 １０ ブラシ、 １１ カバーケース、 １１ａ 蓋、 １１ｂ 吸気孔、 １２ コネクタ、 １３、１７、１８ 気流制御部材、 １３ａ 固定部（フランジ）、 １３ｂ フィン部、 １４ ボルト、 １５ ナット、 １６ プーリ、 １８ａ、１８ｂ フィン（凹凸）、 １９ 気流制御部材付カバーケース、 １９ａ 吸気孔、 １９ｂ 気流制御部。

Claims (4)

1. ステータに対する軸方向の一側部に設けられヒートシンクを具備するパワー回路部と、このパワー回路部を保持すると共に、機外方向から該パワー回路部を経た冷却風が上記ステータの一側部で放射方向に排出されるように設けられた排気部を有するブラケットと、このブラケットの排気部に設けられ、該排気部から排出された冷却風を上記ステータの軸方向他側部方向に偏向させる金属製気流制御部材とを備え、上記ブラケットは冷却風を軸方向に上記ステータ側に流入させるための通風孔を有するリアブラケットからなり、上記パワー回路部は該リアブラケットの通風孔の外側部に配設され、かつ、上記リアブラケットに固定されて上記パワー回路部を包囲すると共に軸方向外側から外気を流入させるための上記通風孔に連通する吸気孔を有するカバーケースが設けられているものであって、上記気流制御部材に一体形成された上記気流制御部材の固定部は上記パワー回路部の上記ヒートシンクと共に上記カバーケースに対して共締めされていることを特徴とする制御装置一体型の回転電機装置。
2. 上記パワー回路部は上記ステータの周方向に分割して配設された複数のヒートシンクを備え、上記気流制御部材は、該複数のヒートシンクに応じて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機装置。
3. 気流制御部材は、上記排気部の径方向外側に突出され該排気部の外方部を覆った後上記ステータの軸方向他側部方向に長く伸びて延在するように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機装置。
4. 上記気流制御部材は、表面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の回転電機装置。

Images