JP5508778B2 - Inverter unit-integrated rotating electrical machine - Google Patents

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Description

本発明はインバータ装置一体型回転電機装置に関し、特に、車両走行時(エンジン動作時)には発電機として動作し、エンジン停止時には始動機として動作する装置に関する。   The present invention relates to an inverter device-integrated rotating electrical machine device, and more particularly to a device that operates as a generator when a vehicle travels (when an engine is operating) and operates as a starter when the engine is stopped.

近年、地球温暖化防止のため車両の二酸化炭素排出量低減が進められており、その対策として車両停止時におけるエンジン停止(アイドリングストップ)が検討されている。アイドリングストップ機構として様々な方式が考えられており、そのなかで従来の車両用発電機でエンジン始動を行う方式が提案されている。この車両用発電機を電動機として駆動するためにはインバータ装置が必要となり、これを車両用発電機と一体化させることで小型,軽量の車両用発電機兼エンジン始動装置となる。   In recent years, reduction of carbon dioxide emissions from vehicles has been promoted to prevent global warming, and as a countermeasure, engine stop (idling stop) when the vehicle is stopped is being studied. Various systems are considered as an idling stop mechanism, and among them, a system for starting an engine with a conventional vehicle generator has been proposed. In order to drive the vehicular generator as an electric motor, an inverter device is required. By integrating this with the vehicular generator, a small and light vehicular generator / engine starter is obtained.

従来の車両用発電機を電動機として駆動する方法では、駆動のためにバッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ装置が必要になる。しかし、このインバータ装置は他の部品と比べて熱に弱いため、車両用発電機と一体化させて小型にした場合、インバータ装置の温度上昇が高くなり、インバータ装置の耐熱温度を超える恐れがあった。従来では特開2004−274992号公報に記載のようにインバータ装置の軸方向より冷却風を吸入しインバータ装置を通過後、電動機のハウジング内に流入するような構造となっており、冷却効率を上げるためには多数の放熱フィンを配置する必要があり、装置全体の軸方向の寸法が大きくなる、放熱フィンの配置によるコストがかかるなどの問題があった。   In the conventional method of driving a vehicular generator as an electric motor, an inverter device that converts the DC power of the battery into AC power is required for driving. However, since this inverter device is less susceptible to heat than other components, when it is integrated with a vehicle generator and made smaller, the temperature rise of the inverter device increases and there is a risk of exceeding the heat resistance temperature of the inverter device. It was. Conventionally, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-294992, cooling air is sucked from the axial direction of the inverter device, passes through the inverter device, and then flows into the housing of the motor, thereby increasing the cooling efficiency. Therefore, it is necessary to arrange a large number of radiating fins, and there are problems such as an increase in the axial dimension of the entire apparatus and a cost due to the arrangement of the radiating fins.

特開2004−274992号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-294992

本発明が解決しようとする課題は、コスト増大を抑制、又は装置の大型化の抑制を図るとともに、冷却性能の向上をさせることである。   The problem to be solved by the present invention is to suppress the increase in cost or to suppress the enlargement of the apparatus and to improve the cooling performance.

上記の目的を達成するために、回転電機のリア側ハウジングとインバータ装置のケースの結合部分に設けられた空気吸入孔と、リア側ハウジングの軸方向壁面に設けられた通風孔と、リア側ハウジングの径方向壁面に設けられた排出孔とで形成される冷却風通路に、冷却風をスムーズに通過させることで冷却性能を向上させる。   In order to achieve the above object, an air suction hole provided in a joint portion between a rear housing of a rotating electrical machine and a case of an inverter device, a ventilation hole provided in an axial wall surface of the rear housing, and a rear housing The cooling performance is improved by allowing the cooling air to smoothly pass through the cooling air passage formed by the discharge hole provided in the radial wall surface.

本発明によれば、コスト増大を抑制、又は装置の大型化の抑制を図るとともに、冷却性能の向上をさせることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while suppressing a cost increase or suppression of the enlargement of an apparatus, a cooling performance can be improved.

本発明の一実施例のインバータ装置一体型回転電機装置の構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 上記実施例のエンジン動作時のおける回転電機のファンによる冷却風の流れを表した図(エアガイド有り)。The figure (with an air guide) showing the flow of the cooling air by the fan of the rotary electric machine at the time of engine operation of the said Example. 上記実施例のエンジン動作時のおける回転電機のファンによる冷却風の流れを表した図(エアガイド無し)。The figure showing the flow of the cooling air by the fan of the rotary electric machine at the time of engine operation of the above embodiment (no air guide). エアガイドによる半導体素子温度の変化を表した図。The figure showing the change of the semiconductor element temperature by an air guide. 本実施の形態のインバータ装置一体型回転電機装置を用いた車両のブロック図。The block diagram of the vehicle using the inverter apparatus integrated rotary electric machine apparatus of this Embodiment.

次に本発明の一実施例であるインバータ装置一体型回転電機の構造について説明する。   Next, the structure of an inverter apparatus-integrated dynamoelectric machine according to an embodiment of the present invention will be described.

図1は本発明の一実施例のインバータ装置一体型回転電機の断面図である。この回転電機100の固定子1はフロント側ハウジング2とリア側ハウジング3の収納空間に収納され、固定子1の外周はフロント側ハウジング2に覆われた構造になっている。固定子1の外周とフロント側ハウジング2の間の熱伝導を向上させるために、固定子1の外周とフロント側ハウジング2の間に、熱伝導率のよい樹脂などを入れても良い。   FIG. 1 is a cross-sectional view of an inverter unit-integrated dynamoelectric machine according to an embodiment of the present invention. The stator 1 of the rotating electrical machine 100 is housed in the housing space of the front housing 2 and the rear housing 3, and the outer periphery of the stator 1 is covered with the front housing 2. In order to improve the heat conduction between the outer periphery of the stator 1 and the front side housing 2, a resin having a good thermal conductivity may be inserted between the outer periphery of the stator 1 and the front side housing 2.

回転子4はルンデル型のロータコア5を用いており、ブラシ,スリップリングを介して界磁電流を界磁コイルに通電することで発電や駆動に必要な界磁磁束を出力する。この界磁電流は、インバータ装置内の制御装置から供給されており、発電や駆動に最適な界磁電流を出力している。ロータコア間に磁石を挿入することで界磁磁束の出力を向上させることもできる。   The rotor 4 uses a Rundel-type rotor core 5 and outputs a field magnetic flux necessary for power generation and driving by applying a field current to the field coil via a brush and a slip ring. This field current is supplied from a control device in the inverter device, and outputs a field current optimum for power generation and driving. The output of the field magnetic flux can be improved by inserting a magnet between the rotor cores.

回転子4のロータコア5はシャフトに固定されており、当該シャフトは、フロント側ハウジング2,リア側ハウジング3に取り付けられているベアリングによって支持されている。シャフト先端にはプーリが固定されており、エンジンのクランクシャフトプーリに掛けられているベルトによって連れ回されることによって回転電機100は発電機として動作する。   The rotor core 5 of the rotor 4 is fixed to a shaft, and the shaft is supported by bearings attached to the front side housing 2 and the rear side housing 3. A pulley is fixed to the tip of the shaft, and the rotating electrical machine 100 operates as a generator by being driven by a belt that is hung on the crankshaft pulley of the engine.

また、回転電機100を始動機として動作する場合は、ベルトを介してエンジンのクランクシャフトプーリを駆動し、エンジンを始動させる。インバータ装置は樹脂製のケース7内に制御装置や電力制御用スイッチング半導体素子8をモールドした構造となっている。インバータ装置90のケース7のリア側には、ブラシやヒートシンクを保護するためにカバー9を付けている。ここで回転電機100とインバータ装置はリア側ハウジング3とケース7で結合され一体となっている。   When the rotating electrical machine 100 is operated as a starter, the engine crankshaft pulley is driven via a belt to start the engine. The inverter device has a structure in which a control device and a power control switching semiconductor element 8 are molded in a resin case 7. A cover 9 is attached to the rear side of the case 7 of the inverter device 90 to protect the brush and the heat sink. Here, the rotating electrical machine 100 and the inverter device are coupled together by the rear housing 3 and the case 7 to be integrated.

フロント側ハウジング2には径方向壁面にフロント側吸入孔10a、軸方向壁面にはフロント側排出孔12aが設置されている。またリア側ハウジング3とケース7の結合部分にはリア側吸入孔10bとなる間隙が設けられており、リア側ハウジング3の径方向壁面には通風孔11となる穴が、軸方向壁面には排出孔12bが設置されている。リア側ハウジング3とケース7の間にはリア側吸入孔10bを介して冷却風が通過できる構造となっている。 Front suction hole 10a in the radial direction toward the wall surface on the front side housing 2, the front-side discharge hole 12a is provided on the shaft Direction wall. Furthermore the binding moiety of the rear housing 3 and the case 7 and a gap is provided as a rear-side suction hole 10b, the radial direction toward the wall surface of the rear housing 3 holes serving as vent holes 11, axis Direction wall Is provided with a discharge hole 12b. A cooling air can pass between the rear housing 3 and the case 7 through the rear suction hole 10b.

なお、リア側吸入孔10bは、リア側ハウジング3の外壁とケース7の外壁が対向することによって形成される。これらリア側ハウジング3の外壁とケース7の外壁は、少なくとも一方が、好ましくは双方の対向表面が平坦であることが望ましい。なお、ケース7の軸方向壁面と対向する面は、当該対向する面の端部から開口部11までが、平坦となるように形成されるようにしてもよい。これにより、後述の図2に示されるように、回転電機100内に流入空気の流入損失を小さくすることができるので、流入空気を多くすることができ、冷却効率を向上させることができる。   The rear-side suction hole 10b is formed by the outer wall of the rear-side housing 3 and the outer wall of the case 7 facing each other. It is desirable that at least one of the outer wall of the rear side housing 3 and the outer wall of the case 7 is flat, preferably the opposing surfaces thereof are flat. In addition, you may make it form the surface facing the axial direction wall surface of case 7 from the edge part of the said facing surface to the opening part 11 so that it may become flat. Thereby, as shown in FIG. 2 described later, since the inflow loss of the inflow air can be reduced in the rotating electrical machine 100, the inflow air can be increased, and the cooling efficiency can be improved.

なお、リア側吸入孔10bを形成する間隙の軸方向の断面積は、開口部の開口面積よりも大きいことが望ましい。これにより、リア側ハウジング3の外壁とケース7の外壁によって形成される空間に、流入空気が滞留してしまうことを防止できる。   The axial cross-sectional area of the gap forming the rear suction hole 10b is desirably larger than the opening area of the opening. Thereby, inflow air can be prevented from staying in the space formed by the outer wall of the rear housing 3 and the outer wall of the case 7.

また、ケース7とリア側ハウジング3の軸方向空隙dは、リア側ハウジング3の径Rと前記開口部の開口面積をAとしたときに、A/(2×π×R)<d<10mmの範囲内に収まることが望ましい。これにより、流入空気の流速を、冷却のために最適化することができる。   The axial gap d between the case 7 and the rear housing 3 is A / (2 × π × R) <d <10 mm, where A is the diameter R of the rear housing 3 and the opening area of the opening. It is desirable to be within the range. This allows the flow rate of the incoming air to be optimized for cooling.

回転子4のロータコア5端面にはファン6が取り付けられており、回転電機100が発電機として動作している場合はファン6が回転することにより、冷却風をリア側吸入孔10bより取り込み、リア側ハウジング3とケース7の間隙を通過し半導体素子8を冷却しつつ、通風孔11へと導き回転電機内に流入させる。   A fan 6 is attached to the end surface of the rotor core 5 of the rotor 4. When the rotating electrical machine 100 is operating as a generator, the fan 6 rotates to take in cooling air from the rear side suction hole 10 b, and While passing through the gap between the side housing 3 and the case 7 and cooling the semiconductor element 8, the semiconductor element 8 is led to the ventilation hole 11 and flows into the rotating electrical machine.

通風孔11から回転電機内に流入した冷却風は固定子1を冷却しながら排出孔12bより回転電機外に排出される。また、吸入孔10bと排出孔12bの間にはエアガイド13が取り付けられている。エアガイド13はリア側ハウジング3と一体化としているが、インバータ装置90やカバー9などの部品と一体化しても良い。   Cooling air flowing into the rotating electrical machine from the ventilation holes 11 is discharged outside the rotating electrical machine from the discharge holes 12b while cooling the stator 1. An air guide 13 is attached between the suction hole 10b and the discharge hole 12b. The air guide 13 is integrated with the rear housing 3, but may be integrated with components such as the inverter device 90 and the cover 9.

図2はエアガイド13が設置されている回転電機のファンによる冷却風の流れを表している。エアガイド13が取り付けられていることにより排出孔12bより排出された排出空気を吸入孔10bより遠ざかるように導くことができるので、熱せられた排出空気は再び吸入孔10bにから吸入されることが防止され、冷却効率を向上させることができる。なお、前記エアガイドは、排出孔12b側に屈曲する屈曲部13aを有している。これにより、熱せられた排出空気は再び吸入孔10bにから吸入されることがさらに防止することができる。   FIG. 2 shows the flow of cooling air by the fan of the rotating electrical machine where the air guide 13 is installed. Since the air guide 13 is attached, the discharged air discharged from the discharge hole 12b can be guided away from the suction hole 10b, so that the heated discharge air can be sucked again from the suction hole 10b. The cooling efficiency can be improved. The air guide has a bent portion 13a bent toward the discharge hole 12b. As a result, the heated exhaust air can be further prevented from being sucked into the suction hole 10b again.

なお、図3に、エアガイド13が設置されていない回転電機のファンによる冷却風の流れを示す。エアガイド13が取り付けられていない場合、排出孔12bから排出された高温の空気が吸入孔10bより吸入され、回転子1およびインバータ装置の冷却が十分に行えない。   FIG. 3 shows the flow of cooling air by the fan of the rotating electrical machine where the air guide 13 is not installed. When the air guide 13 is not attached, the high-temperature air discharged from the discharge hole 12b is sucked from the suction hole 10b, and the rotor 1 and the inverter device cannot be sufficiently cooled.

図4はエアガイドの取り付けの有無による半導体素子温度の変化を表している。エアガイド無しの場合に比べエアガイドを取り付けた場合の方が、半導体素子温度の上昇が抑えられており効率的に冷却を行うことができている。   FIG. 4 shows changes in the semiconductor element temperature depending on whether or not the air guide is attached. When the air guide is attached compared to the case without the air guide, the increase in the temperature of the semiconductor element is suppressed and cooling can be performed efficiently.

インバータ装置90には、電力制御用スイッチング半導体素子8が設けられている。電力制御用スイッチング半導体素子8には、例えばMOS−FETが用いられる。本実施形態では、駆動時の大電流を通電するために、アーム毎に電力制御用スイッチング半導体素子8を複数個を並列に接続して電流容量を増やしている。   The inverter device 90 is provided with a power control switching semiconductor element 8. For example, a MOS-FET is used as the power control switching semiconductor element 8. In this embodiment, in order to energize a large current during driving, a plurality of power control switching semiconductor elements 8 are connected in parallel for each arm to increase the current capacity.

また、発電時には、電力制御用スイッチング半導体素子8のスイッチングタイミングを制御して同期整流を行うことで、従来のダイオード整流方式に比べ損失を低減している。電力制御用スイッチング半導体素子8は、アルミ製の冷却板に取り付けられており、回転子4に取り付けられているファン6により外部から冷却風を取込むことで冷却される。   Further, during power generation, the loss is reduced as compared with the conventional diode rectification method by controlling the switching timing of the power control switching semiconductor element 8 to perform synchronous rectification. The power control switching semiconductor element 8 is attached to an aluminum cooling plate, and is cooled by taking in cooling air from the outside by a fan 6 attached to the rotor 4.

図5は、従来の車両用発電装置の代わりに本実施の形態のインバータ装置一体型回転電機装置を用いた車両のブロック図である。回転電機装置21のプーリとエンジン22のクランクシャフトプーリ221との間には、回転駆動用のベルト222が架け回されている。   FIG. 5 is a block diagram of a vehicle in which the inverter unit-integrated dynamoelectric device of the present embodiment is used instead of the conventional vehicle power generation device. Between the pulley of the rotating electrical machine device 21 and the crankshaft pulley 221 of the engine 22, a rotation driving belt 222 is wound around.

キーによるエンジン始動時には、従来の車両用始動機(スタータモータ)23によってエンジン22は始動される。車両が暖気状態となった後のアイドリングストップ状態にあっては、回転電機装置21が始動機として動作することでエンジン22を再始動する。回転電機装置21を用いてエンジンを再始動する場合は、ベルト222を介してエンジンのクランクシャフトプーリ221を駆動し、エンジン21が完爆する回転数まで駆動する。   When the engine is started by the key, the engine 22 is started by a conventional vehicle starter (starter motor) 23. In the idling stop state after the vehicle is warmed up, the rotating electrical machine device 21 operates as a starter to restart the engine 22. When restarting the engine using the rotating electrical machine device 21, the crankshaft pulley 221 of the engine is driven via the belt 222, and the engine 21 is driven to a rotational speed at which the engine 21 completes explosion.

エンジン22が再始動すると、クランクシャフトプーリ221の回転によりプーリも連れ回され、回転電機装置21は通常の発電機として動作し、バッテリ24と車両側電装品に電力を供給する。アイドリングストップの動作は、車両側制御器25と回転電機装置のインバータ装置90に内蔵されている制御器とにより制御される。このように回転電機装置21により、車両停止時には自動的にアイドリングストップを行うことで、従来の車両より燃費を向上させることができる。   When the engine 22 is restarted, the pulley is also rotated by the rotation of the crankshaft pulley 221, and the rotating electrical machine device 21 operates as a normal generator to supply power to the battery 24 and the vehicle-side electrical component. The idling stop operation is controlled by the vehicle-side controller 25 and a controller built in the inverter device 90 of the rotating electrical machine apparatus. In this way, the rotating electrical machine device 21 automatically performs idling stop when the vehicle is stopped, so that the fuel efficiency can be improved over the conventional vehicle.

本実施例は発電,エンジン始動用の回転電機に適する方法であるが、エンジンの振動を低減する手段や、車両加速時の駆動力をアシストするような手段にも適用できる。   The present embodiment is a method suitable for a rotating electrical machine for power generation and engine starting, but can also be applied to means for reducing engine vibration and means for assisting driving force during vehicle acceleration.

1 固定子
2 フロント側ハウジング
3 リア側ハウジング
4 回転子
5 ロータコア
6 ファン
7 ケース
8 電力制御用スイッチング半導体素子
9 カバー
10a フロント側吸入孔
10b リア側吸入孔
11 通風孔
12a フロント側排出孔
12b リア側排出孔
13 エアガイド
21 回転電機装置
22 エンジン
23 車両用始動機
24 バッテリ
25 車両側制御器
90 インバータ装置
100 回転電機
221 クランクシャフトプーリ
222 ベルト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stator 2 Front side housing 3 Rear side housing 4 Rotor 5 Rotor core 6 Fan 7 Case 8 Switching semiconductor element 9 for power control Cover 10a Front side suction hole 10b Rear side suction hole 11 Ventilation hole 12a Front side discharge hole 12b Rear side Discharge hole 13 Air guide 21 Rotating electrical machine device 22 Engine 23 Vehicle starter 24 Battery 25 Vehicle side controller 90 Inverter device 100 Rotating electrical machine 221 Crankshaft pulley 222 Belt

Claims (3)

回転子と、該回転子に回転空隙を介して対向配置された固定子と、当該回転子の回転軸に嵌め合わされたファンと、当該回転子と当該固定子と当該ファンを収納する回転電機側ハウジングと、を備える回転電機装置と、
前記回転電機の駆動および前記回転電機の出力電力を制御するインバータ回路と、当該インバータ回路を収納するインバータ側ハウジングと、を備えるインバータ装置と、を有し、
前記回転電機側ハウジングは、前記回転子の回転軸を支持する支持部が形成された径方向壁面に、開口部が形成され、
前記インバータ装置は、前記インバータ側ハウジングが前記軸方向壁面と空間を介して対向するように、かつ当該インバータ側ハウジングと前記回転電機側ハウジングによって当該空間と繋がる空気吸入孔を設けるように、前記回転電機装置に固定され、
冷却空気は、前記ファンが回転することによって、前記空気吸入孔から前記空間及び前記開口部を介して前記回転電機側ハウジング内に流入され、
前記回転電機側ハウジングは、前記回転軸の軸方向と略平行に形成された軸方向壁面を有し、
記軸方向壁面は、前記開口部から流入した冷却空気を排出するための空気排出孔が形成され、
さらに前記軸方向壁面は、当該径方向壁面から突出しかつ前記冷却空気を前記空気吸入孔に導くエアガイドを有し、
前記エアガイドは、前記軸方向壁面から突出し、かつ、前記空気排出孔側に向かって屈曲する屈曲部を有するインバータ装置一体型回転電機装置。
A rotor, a stator disposed opposite to the rotor via a rotation gap, a fan fitted to a rotation shaft of the rotor, and the rotating electrical machine side housing the rotor, the stator, and the fan A rotating electrical machine device comprising a housing;
An inverter circuit comprising: an inverter circuit that controls driving of the rotating electrical machine and output power of the rotating electrical machine; and an inverter-side housing that houses the inverter circuit,
The rotating electrical machine housing is, in the radial wall surface of the support portion for supporting is formed a rotary shaft of said rotor, an opening is formed,
In the inverter device, the rotation is performed so that the inverter-side housing faces the axial wall surface through a space and an air suction hole connected to the space by the inverter-side housing and the rotating electrical machine-side housing is provided. Fixed to the electrical equipment,
Cooling air flows into the rotating electrical machine side housing from the air suction hole through the space and the opening as the fan rotates,
The rotating electrical machine housing has an axial and axial wall surface substantially in parallel to the formation of the rotary shaft,
Before Symbol axial wall surface, air discharge hole for discharging the cooling air flowing in from the opening is formed,
Further prior Symbol axial wall surface has an air guide for guiding projecting from those該径direction wall and the cooling air to the air suction hole,
The air guide, the axial wall or al projects, and an inverter-integrated rotating electric machine having a bent portion that is bent toward the front Symbol air discharge hole side.
請求項1に記載のインバータ装置一体型回転電機装置であって、
記径方向壁面の前記インバータ側ハウジングと対向する面は、当該対向する面の端部から前記開口部までが、平坦となるように形成されるインバータ装置一体型回転電機装置。
The inverter device-integrated dynamoelectric device according to claim 1,
Before the inverter housing and the opposing surfaces of Ki径direction wall surfaces, the end of the opposing surfaces to said opening, an inverter-integrated rotating electric machine system which is formed to be flat.
請求項1または2に記載のいずれかのインバータ装置一体型回転電機装置であって、
前記インバータ装置の前記インバータ回路は、MOS−FET型トランジスタで構成され、前記回転電機装置が発電動作時は同期整流を行うインバータ装置一体型回転電機装置。
The inverter device-integrated dynamoelectric device according to claim 1 or 2,
The inverter circuit of the inverter device includes a MOS-FET type transistor, and is an inverter device-integrated rotating electrical machine device that performs synchronous rectification when the rotating electrical machine device performs a power generation operation.
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