JP5562395B2 - 回転電機の組立方法 - Google Patents

Description

この発明は、制御装置が回転電機本体に搭載された例えばオルタネータまたはオルタネータ兼スタータなどの回転電機の組立方法に関するものである。

従来、制御装置が回転電機本体に搭載された回転電機においては、制御装置は、直流電流を交流電流、または交流電流を直流電流に変換する電力モジュールと、界磁巻線に界磁電流を供給する界磁モジュールと、電力モジュールおよび界磁モジュールを制御する制御回路部とで構成されており、リヤブラケットの後方に配置されている。
制御装置の構成としては、例えば、特許文献１の制御装置では、複数のパワーモジュール（電力モジュール）がヒートシンクの表面上に絶縁層を介して搭載され、そのアース端子は樹脂ケースにインサート成形されたアース電位接続用端子に接続されている。界磁モジュールも同様である。このアース電位接続用端子はリング状の開口部を備えており、ヒートシンクと共にリヤブラケットにネジ締結されるようになっている。（例えば、特許文献１）
また、特許文献２の制御装置では、各々の電子モジュールが単体で絶縁され、ヒートシンクに搭載されている。この電子モジュールは、箱型のハウジングとハウジング内に配置された複数の半導体素子（パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）と、ハウジングに一体的に成形された電力接続部材（金属トラック）とからなり、ハウジングの底面には電力接続部材に絶縁接着されたアルミまたは、銅製のプレートが装着された構成になっている。（例えば、特許文献２）

特開２０１１−２３９５４２号公報 特表２００８−５４３２６６号公報

従来の特許文献１のような回転電機の制御装置にあっては、電力モジュールや界磁モジュールなどの電子モジュールのアース端子が樹脂ケースに形成されたアース電位接続端子を経由してヒートシンクに接地しているため、電子モジュールとヒートシンクの間の絶縁耐圧チェックが困難という課題があった。また、特許文献２のような回転電機の制御装置にあっては、電子モジュール単体で絶縁耐圧チェックが完了しているので、ヒートシンクとの絶縁耐圧チェックは不要であるが、電子モジュールの発熱を底面に接着された金属プレートからヒートシンクへ伝達するときのロスが大きく、電子モジュール内の半導体素子の冷却性の確保が難しいうえ、電子モジュールのハウジングの底面に金属製のプレートを装着するため、電子モジュールの構成が複雑になるという課題があった。

この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、電子モジュールの構造の簡素化を図りながら、制御装置を回転電機本体に取り付ける直前に電子モジュールとヒートシンクの絶縁耐圧を確認できるようにすることで、市場への不良品の流出を未然に防止することができる制御装置一体型の回転電機の組立方法を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機の組立方法は、制御装置が回転電機本体に搭載された回転電機の組立方法であって、前記制御装置を構成する複数の電子モジュールが絶縁層を介してヒートシンクの表面上に搭載され、前記電子モジュールのアース端子が前記ヒートシンクから離間して配置される工程と、前記搭載後に前記電子モジュールと前記ヒートシンク間の絶縁耐圧試験を実施する工程と、前記絶縁耐電圧試験実施後に前記アース端子と前記ヒートシンクが電気的に接続される工程とを備えていることを特徴とするものである。

この発明の回転電機の組立方法によれば、制御装置を構成する複数の電子モジュールが絶縁層を介してヒートシンクの表面上に搭載され、前記電子モジュールのアース端子が前記ヒートシンクから離間して配置される工程と、前記搭載後に前記電子モジュールと前記ヒートシンク間の絶縁耐圧試験を実施する工程と、前記絶縁耐電圧試験実施後に前記アース端子と前記ヒートシンクが電気的に接続される工程とを備えているため、ヒートシンクに電子モジュールが搭載された時点では、電子モジュールのアース端子がヒートシンクから離間して配置されており、電子モジュールとヒートシンクの間の絶縁耐圧チェックが可能である。さらに、この電子モジュールの接着面は、電位をもった電力接続部材が露出されており、電子モジュールの発熱は絶縁層（接着剤または絶縁シートなど）のみを介してヒートシンクに伝導されるので、冷却性能を容易に確保できる。また、電子モジュール自体の構成もシンプルにできるため、電子モジュール自体の小型化、ひいては制御装置の小型化もできる効果がある。

この発明の実施の形態１における回転電機を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の制御基板取り付け前の状態の制御装置をリヤ側から見た側面図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の電気回路を示す説明図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の図２のI−I矢視断面を示す断面図（絶縁耐圧チェック前）である。 この発明の実施の形態１における回転電機の図２のI−I矢視断面を示す断面図（絶縁耐圧チェック後）である。 この発明の実施の形態２における回転電機のアース端子の取り付け状態を示す断面図（絶縁耐圧チェック後）である。 この発明の実施の形態３における回転電機のアース端子の取り付け状態を示す断面図（絶縁耐圧チェック後）である。 この発明の実施の形態４における回転電機の制御基板取り付け前の状態の制御装置をリヤ側から見た側面図である。 この発明の実施の形態４における回転電機の図７のII−II矢視断面を示す断面図（絶縁耐圧チェック後）である。

以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における回転電機を示す縦断面図、図２はこの発明の実施の形態１における回転電機の制御基板取り付け前の状態の制御装置をリヤ側から見た側面図、図３はこの発明の実施の形態１における回転電機の電気回路を示す説明図、図４ａはこの発明の実施の形態１における回転電機の図２のI−I矢視断面を示す断面図（絶縁耐圧チェック前）、図４ｂはこの発明の実施の形態１における回転電機の図２のI−I矢視断面を示す断面図（絶縁耐圧チェック後）である。図１から図３において、回転電機１は、回転電機本体２と、回転電機本体２に搭載された制御装置３とを有する制御装置一体型回転電機であり、この例では、回転電機１は例えばオルタネータ兼スタータなどの交流発電電動機（モータジェネレータ）である。

回転電機本体２は、筒状の固定子４と、固定子４の内側に配置され、固定子４に対して回転可能な回転子５と、固定子４及び回転子５を支持するケース（支持体）６とを有している。
ケース６は、回転子５の軸線方向の前後についており、固定子４を挟む金属製のフロント（前）ブラケット７およびリヤ（後）ブラケット８と、フロントブラケット７及びリヤブラケット８間を締め付ける複数の締結ボルト９とを有している。
固定子４は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８のそれぞれに固定された筒状の固定子鉄心１０と、固定子鉄心１０に設けられた固定子巻線（電機子巻線）１１とを有している。
回転子５は、回転子５の軸線上に配置された回転軸１２と、回転軸１２の中間部に固定された回転子鉄心１３と、回転子鉄心１３に設けられた回転子巻線（界磁巻線）１４とを有している。

回転軸１２は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８を貫通している。また、回転軸１２は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８のそれぞれに軸受１５を介して回転自在に支持されている。
回転子鉄心１３の外周部は、固定子４の内周部に対向している。回転子鉄心１３の前後には、回転子５と一体に回転する送風用の冷却ファン１６が設けられている。
回転軸１２のフロントブラケット７側の端部には、プーリ１７が固定されている。プーリ１７には、エンジン（図示せず）の回転軸と連動する伝達ベルト（図示せず）が巻き掛けられている。また、回転軸１２のリヤブラケット８側には、回転軸１２の回転位置に応じた信号を発生する回転位置検出センサ１８と、回転子巻線１４に電気的に接続された複数のスリップリング１９が設けられている。スリップリング１９は、回転軸１２の外周部を囲む環状の導電性部材である。

スリップリング１９には、回転子５に磁界を発生させるための界磁電流をスリップリング１９に供給するための導電性のブラシ２０がそれぞれ接触している。リヤブラケット８には、各スリップリング１９に対して接離する方向へブラシ２０を案内するブラシホルダ２１が設けられている。ブラシホルダ２１には、各スリップリング１９に接触する方向へ各ブラシ２０を個別に付勢する押圧ばね２２が設けられている。各ブラシ２０は、押圧ばね２２の付勢力により、スリップリング１９に押し付けられる。回転子５が回転されるときには、スリップリング１９がブラシ２０に対して摺動する。

制御装置３は、リヤブラケット８に支持され、絶縁樹脂で成形されたカバー３９で覆われており、固定子巻線１１に電気的に接続された電力モジュール２３と、バッテリ（外部直流電源）３０からの電力を調整して界磁電流として回転子巻線１４に供給する界磁モジュール２４と、これらの電子モジュールが実装されるヒートシンク２９と配線部材３１、および電力モジュール２３及び界磁モジュール２４のそれぞれを制御する制御回路部２５とを有している。
界磁モジュール２４は、界磁電流を通電する半導体素子３２群をモールディングして作製され、バッテリ端子２４ａとアース端子２４ｂと界磁巻線接続端子２４ｃと信号端子２４ｄとを有する。また、裏面には電位をもった電力接続部材３３が露出されており、絶縁性の接着剤または絶縁シートからなる絶縁層３４を介してヒートシンク２９に固定されている。

電力モジュール２３は、固定子電流を通電する２つの半導体素子３６を直列に接続した素子対をモールディングして作製され、バッテリ端子２３ａとアース端子２３ｂと交流出力端子２３ｃと信号端子２３ｄとを有する。信号端子２３ｄは、直列接続される一方の半導体素子３６のソースと他方の半導体素子３６のドレインとの接点に接続される端子、および各半導体素子３６のゲート電極に接続される端子である。また、界磁モジュール２４と同様に、電力モジュール２３の裏面には電位をもった電力接続部材３３が露出されており、絶縁性の接着剤または絶縁シートからなる絶縁層３４を介してヒートシンク２９に固定されている。
制御回路部２５は、各種の電子部品２８を制御基板２６に実装して構成され、電力モジュール２３の信号端子２３ｄ、界磁モジュール２４の信号端子２４ｄ、回転位置検出センサ１８の信号端子１８ａ、外部からの信号線接続用コネクタ２７の信号端子などに電気的に接続されている。

次に、制御装置３の動作について説明する。制御回路部２５では、回転位置検出センサ１８からの回転子５の回転位置信号と、外部接続用コネクタ２７を通じて入力された例えばエンジン制御ユニットなどの外部機器（図示せず）からの信号情報に基づいて、界磁モジュール２４及び電力モジュール２３を制御する。
エンジンの始動時には、バッテリ３０からの直流電力が電力モジュール２３及び界磁モジュール２４のそれぞれに供給される。界磁モジュール２４では、制御回路部２５の制御により、バッテリ３０からの直流電力を界磁電流に調整する動作が行われる。界磁モジュール２４からの界磁電流は、ブラシ２０及びスリップリング１９を介して回転子巻線１４に供給される。これにより、回転子５には、直流磁界が発生する。
一方、電力モジュール２３は、制御回路部２５の制御により、スイッチング動作が行われる。これにより、バッテリ３０からの直流電力が交流電力に変換される。電力モジュール２３で変換された交流電力は、固定子巻線１１に供給される。これにより、固定子４には回転磁界が発生し、回転子５が回転する。回転子５の回転により、プーリ１７が回転され、エンジンが始動される。

エンジンの始動後には、エンジンからの回転動力がプーリ１７に伝達されて回転子５が回転され、固定子巻線１１に交流電力が誘起される。このとき、電力モジュール２３では、制御回路部２５の制御によりスイッチング動作が行われて、固定子巻線１１に誘起された交流電力を直流電力に変換する。この電力モジュール２３からの直流電力は、外部のバッテリ３０に充電される。

次に、電子モジュール（電力モジュール２３、界磁モジュール２４）とその配線構造について、図４ａおよび図４ｂにもとづき電力モジュール２３を用いて説明する。界磁モジュール２４も基本的な構成は電力モジュール２３と同様であるので説明は省略する。電力モジュール２３は、半導体素子３６と電力接続部材３３とが絶縁樹脂４０でモールド成形されており、半導体素子３６を冷却するためのヒートシンク２９に絶縁性接着剤または絶縁シートなどの絶縁層３４を介して実装されている。電力モジュール２３のバッテリ端子２３ａは、配線部材３１にインサート成形されたバッテリターミナル３７に接合されている。また、電力モジュール２３のアース端子２３ｂも配線部材３１にインサート成形されたアース電位の接続線に接続されており、そのアースターミナル（アース端子）３８は、図４ａに示すようにヒートシンク２９から離間するように隙間をあけて配置されている。このため、半導体素子３６の実装された電力接続部材３３とヒートシンク２９との間の絶縁耐圧チェックをすることができる。つまり、制御装置３の組み立てが完了した後に絶縁耐圧チェックができる。絶縁耐圧チェック後の工程は、各電力モジュール２３のアース端子２３ｂが接合されたアースターミナル３８のリング状の開口部４１を、図４ｂに示すようにヒートシンク２９にボルトまたはネジなどの締結部材４３でネジ締めして電気的に接続し、制御装置３を回転電機本体２に取り付けるだけなので、市場への不良品に流出を防ぐことができる。

また、電力モジュール２３に搭載された半導体素子３６（パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）の発熱は、電力接続部材３３、絶縁層３４（絶縁接着剤または絶縁シート）、ヒートシンク２９の順に伝導するため、電力モジュール２３単体で絶縁するよりも、効率よく冷却することができる。
さらに、電力モジュール２３は、電力接続部材３３と半導体素子３６と絶縁樹脂４０と半導体素子３６を電気接続する配線３５のみの簡素な構成が可能である。
また、電力モジュール２３のアース端子２３ｂは、配線部材３１のアースターミナル３８によって中継されているので、電力モジュール２３のアース端子２３ｂ位置によらず、任意の空きスペースにヒートシンク２９との接続位置を設定できるので、電力モジュール２３の実装の自由度が向上する。
また、電力モジュール２３を構成する電力接続部材３３も、アース端子２３ｂの取り出し位置を気にする必要がないので小さく構成でき、電力モジュール２３を小型化できる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２における回転電機のアース端子の取り付け状態を示す断面図（絶縁耐圧チェック後）である。上記実施の形態１では、絶縁耐圧チェック後の工程は、各電力モジュール２３のアース端子２３ｂが接合されたアースターミナル３８のリング状の開口部４１をヒートシンク２９に締結部材４３でネジ締めし、制御装置３を回転電機本体２に取り付けた場合について説明したが、実施の形態２では、図５に示すようにアースターミナル３８のリング状の開口部４１の位置を制御装置３の取り付け位置と同じ位置にして、ヒートシンク２９を挟み込むようにしてリヤブラケット８に取り付けている。この構成により、電力モジュール２３のアース接続用の締結部材４３の本数を減らすことができ、部品点数の低減によるコスト低減が可能になる。
この構成は電力モジュール２３について説明したが、界磁モジュール２４についても同様の構成をとることは可能である。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３における回転電機のアース端子の取り付け状態を示す断面図（絶縁耐圧チェック後）である。上記実施の形態１および２では、絶縁耐圧チェック後にアースターミナル３８に備えられたリング状の開口部４１にてヒートシンク２９に締結部材４３でネジ締めした場合について説明したが、実施の形態３では、図６に示すようにアースターミナル３８はヒートシンク２９に溶接またはろう付けなどの溶着部４２により直接電気的に接続されている。この構成により、アースターミナル３８とヒートシンク２９の接合する端部を単純な形状にすることができ、ネジなどの他の部品が不要になって部品点数の低減によるコスト低減が可能になる。また、溶着による接合のため、確実に接合することができ、耐振性や信頼性を確保することが可能となる。
この構成は電力モジュール２３について説明したが、界磁モジュール２４についても同様の構成をとることは可能である。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４における回転電機の制御基板取り付け前の状態の制御装置をリヤ側から見た側面図、図８はこの発明の実施の形態４における回転電機の図７のII−II矢視断面を示す断面図（絶縁耐圧チェック後）である。上記実施の形態１から３では電力モジュール２３のアース端子２３ｂは、配線部材３１のアースターミナル３８を介してヒートシンク２９に接続されていたが、実施の形態４では、図７および図８に示すように電力モジュール２３のアース端子２３ｂがリング状の開口部４１を備え、ヒートシンク２９に締結部材４３で直接ネジ締めされている。この構成により、電力モジュール２３のアース端子２３ｂを接続するための配線部材３１が不要になって部品点数の低減によるコスト低減が可能になる。また、電力モジュール２３のアース端子２３ｂが直接ヒートシンク２９に接続されるため、アース回路の経路が単純で、信頼性の確保が容易となる。
この構成は電力モジュール２３について説明したが、界磁モジュール２４についても同様の構成をとることは可能である。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 回転電機、２ 回転電機本体、３ 制御装置、２３ 電力モジュール、２４ 界磁モジュール、２９ ヒートシンク、３８ アース端子。

Claims (8)

1. 制御装置が回転電機本体に搭載された回転電機の組立方法であって、前記制御装置を構成する複数の電子モジュールが絶縁層を介してヒートシンクの表面上に搭載され、前記電子モジュールのアース端子が前記ヒートシンクから離間して配置される工程と、前記搭載後に前記電子モジュールと前記ヒートシンク間の絶縁耐圧試験を実施する工程と、前記絶縁耐電圧試験実施後に前記アース端子と前記ヒートシンクが電気的に接続される工程とを備えていることを特徴とする回転電機の組立方法。
2. 上記絶縁層は絶縁性の接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の組立方法。
3. 上記絶縁層は絶縁シートであることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の組立方法。
4. 上記アース端子は配線部材を介して所望の位置に導出されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機の組立方法。
5. 上記アース端子と上記ヒートシンクの接続はネジ締めであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機の組立方法。
6. 上記ネジ締めは上記回転電機本体に上記ヒートシンクを取り付ける位置であることを特徴とする請求項５に記載の回転電機の組立方法。
7. 上記アース端子と上記ヒートシンクの接続は溶着であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機の組立方法。
8. 上記電子モジュールのアース端子は直接上記ヒートシンクにネジ締め接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機の組立方法。