JP5587320B2 - 電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングと、ハウジング内に収容されるステータ及びロータを含む、統合型始動発電機（ＩＳＧ）に関する。好ましくは、統合型始動発電機は自動車両において使用されるが、他の用途においても統合型始動発電機を使用することができる。統合始動発電機は、好ましくは、プーリを介して、そのような車両の補助ベルトに機械的に結合される。

車両における電力要求が増大するに応じて、交流機（発電機）設計の傾向（トレンド）は、より大きな電力容量に向かっている。同時に、交流機のハウジングが車両のエンジン室内のより少ない空間を占めるよう、交流機のハウジングをよりコンパクトにすることの要求がある。

更に、内燃機関（エンジン）による燃料消費の減少の増大する必要が、統合型始動発電機（ＩＳＧ）の開発を引き起こし、統合型始動発電機は、従来的な交流機の代替を提示している。交流機と同様に、車両の電気系統に電力供給し且つその電池を充電するために、ＩＳＧはエンジンの運転中に電力を発生する。しかしながら、ＩＳＧは、従来的な交流機／発電機の機能を、単一のＩＳＧ内の始動モータの交流機／発電機と組み合わせる。よって、ＩＳＧは、交流機モードから始動機モード及びその逆に切り替え可能である。ＩＳＧの重量は、典型的には、別個の交流機及び始動機モータ部品の重量の組み合わせよりも少なく、ＩＳＧは、車両が信号で待機しているときのような不要なエンジンアイドリングの期間を避けるために、エンジンを自動的に停止し、次に、急速に再始動し得る。これは燃料消費及び排気物質を減少する。更に、始動機モードにおいて、ＩＳＧは従来的な始動機モータよりも高速でエンジンを回転することができ、それは燃料効率及びより確実なエンジン始動を更に助ける。

交流機と同様に、ＩＳＧは、ステータ及びロータを含む。しかしながら、上述されたＩＳＧの二重機能性は、ＩＳＧが、交流機において普通見られるものに加えて、他の部品を必要とすることを意味する。具体的には、ＩＳＧは、エンジンを始動するのに必要な高電流を生成するために、様々な電気部品を含む。更に、ＩＳＧの始動−停止機能を効率的に制御し或いは車両のエンジン管理系統と通信する複雑な電子機器が必要である。その上、ＩＳＧは、従来的な交流機と同じコンパクトさの要求に直面する。

典型的なベルト駆動ＩＳＧ（ＢＩＳＧ）は、ロータ及びステータを収容するハウジングを有する。ロータ及びステータのための電気接続部は、ハウジングの外に出て、好ましくは付近に配置される別個の制御ユニットに至る。ロータ及びステータの電気接続部は、典型的には、数百アンペアのオーダの高電流を運び、スイッチトリラクタンス構成においては、運転中に毎秒何千回も切り換えられる。よって、ＩＳＧハウジングと制御ユニットとの間のケーブル布線は嵩張り、柔軟性に欠け、高電力要求の故に重く、ケーブル内を流れる高電流の急速切換えに起因する有意なＥＭＣ挑戦を提示する。更に、比較的長いケーブル布線は、電気損失も導入する。また、ケーブル布線の長さを最小限化し、且つ、エンジン室の混雑した地域において制御ユニットをＢＩＳＧ付近に取り付けることによって、これらの問題を軽減する必要は、更なる挑戦を提示する。従来的なＩＳＧのこれらの側面は、それらの有意な利点にも拘わらず、これらの装置の取込みを妨げている。

本発明の第一の特徴によれば、ハウジングと、ハウジング内に収容されるステータ及びロータとを含む、統合型始動発電装置が提供され、当該装置は、当該装置を始動機又は発電機のいずれかとして構成するよう動作可能であり且つハウジング内に完全に収容される制御電子機器と、スイッチトリラクタンス機械とを更に含み、制御電子機器は、スイッチトリラクタンス機械のステータ巻線を切り換えるよう動作可能である。

制御電子機器をハウジング内に統合することによって、別個の制御ユニットに嵩張るケーブル布線を走らせる必要が除去される。更に、ハウジングは、典型的には、アルミニウムのような導電性材料から製造されるので、スイッチング電流によって生成されるＥＭＣは、既知のファラデー箱効果によって更に遮蔽され且つ閉じ込められる。

第二の特徴において、本発明は、始動機モードの間に電流を受け取り且つ発電機モードの間に電流を供給するための高電流端子を含む統合型始動発電装置を提供し、高電流端子は、当該装置のハウジングの壁内の孔を通じる真鍮ロッドと、真鍮ロッドに接着されるゴム塗膜とを含み、ゴム塗膜は、真鍮ロッドと孔の縁部との間に配置され、且つ、当該装置のハウジングから真鍮ロッドを絶縁する電気絶縁体として作用するよう配置され、孔の縁部に対するシールとして作用し且つ孔内に端子を位置決める１つ又はそれよりも多くの段付き構成も含む。

この構成は、コスト及び製造の複雑性を増し且つ追加的な故障モードを導入する別個のシール部品の必要を回避する。

付属の図面を参照して、一例によって、本発明の好適実施態様をより具体的に記載する。

車両のエンジン用の統合型始動発電機（ＩＳＧ）を示す斜視図である。 図１のＩＳＧを示す正面図である。 図１のＩＳＧを示す背面図である。 後方カバーが取り外された状態の図３を示す内部図である。 前方カバーが取り外された状態の図１のＩＳＧのハウジングの内部を示す斜視図である。 パワーＰＣＢの頂部マスク層を示す概略図である。 図６のパワーＰＣＢの内部層を示す概略図である。 線Ａ−Ａに沿う図２のＩＳＧを示す断面図である。 線Ｂ−Ｂに沿う図２のＩＳＧを示す断面図である。 線Ｃ−Ｃに沿う図２のＩＳＧを示す断面図である。 所定位置にステータ巻線を備える図１のＩＳＧのハウジングを示す内部図である。 高電流端子を示す正面図である。 図１２Ａの端子を示す斜視図である。 図１２Ａの端子を通じて示す断面図である。 代替的なＢ端子を含む車両のエンジン用の代替的なＩＳＧを示す正面図である。 図１３のＩＳＧを示す斜視図である。 図１３の代替的なＢ端子を示す正面図である。 図１３の代替的なＢ端子を示す斜視図である。 図１３の代替的なＢ端子を示す縦断面図である。

図１、２、及び、３を参照すると、車両のエンジン用の統合型始動発電機（ＩＳＧ）１は、専用の統合型の電子制御装置を備えるブラシレスモータを含むスイッチトリラクタンスモータを有する。スイッチトリラクタンスモータは、プーリ３とエンジンのクランクシャフトとの間に接続されるベルト（図示せず）によって駆動される。エンジンを始動するためのトルクは、ステータ電磁石へのスチール製ロータの磁力吸引によってもたらされる。永久磁石は不要であり、ロータは「かご形」又は巻線を保有しない。１２ＶのＩＳＧ１は、最大で６５Ｎｍのクランキングトルク、２．４ｋＷのクランキング出力、及び、３ｋＷの生成電力を供給する。

ＩＳＧ１は、正面７と背面９とを備える、概ね円筒形のダイカストアルミニウム製のハウジング５を含む。ハウジング５は、第一に、ステータ組立体と、関連する駆動シャフト及び軸受とを収容する。アルミニウム製の前方カバー１１がハウジング５の正面７に取り外し可能に取り付けられる。後方カバー１３がＩＳＧ１の背面９に取り外し可能に取り付けられる。ハウジング５の後部は、キャビティ１４（図４）を形成するよう軸方向に内向きに突出し、キャビティ１４は、電気部品及び電子部品を受け入れ、キャビティ１４は、通常運転中、後方カバー１３によって閉じられる。

ＩＳＧ１は、吸入管及び排出管１５，１７を備える冷却装置を含む。冷却装置は、電気部品、電子部品、及び、ステータ組立体を冷却するために、エンジンからの液体冷媒を利用する。図５は、前方カバー１１及び後方カバー１３が省略された状態のハウジング５を示している。ハウジング５の内部は、全部で１５個のリブ１９を備えて鋳造され、リブ１９は、ハウジング５の後部付近のそれらの根部から前方に向かって軸方向に延び、正面７の手前で終端している。他の実施態様では、他の数及び構成のリブを使用し得る。

リブ１９は、不均一な長さを有し、排出管１７からハウジング５の周縁の周りに１８０度で見られるときに、それらの最前方部分が正面７に向かって益々近接して延びるように配置される。リブ１９は、それらの間に複数の軸方向通路２１を形成するよう円周方向に離間している。

ハウジング５の後方に向かって、ハウジング５の内部の周りで円周方向に延び且つリブ１９の根部を一体に接合する鋳造隆起部２３がある。隆起部２３は内向きに突出して、各リブの根部に狭い段部２５を形成し、段部２５は、リブ１９の面に対して垂直である。隆起部２３は、更に、隣接するリブ１９の間の各軸方向通路２１内に陥凹棚部２７を形成する。陥凹棚部２７は段部２５の後方にあり、故に、交互に離間した陥凹棚部２７及び段部２５は、キャストレイテッドパターンを形成する。

ハウジング５の後方に向かって、並びに、隆起部２３に隣接して、隔壁２９がある。隔壁２９は、ハウジング５の長手軸に対して垂直であり、隆起部２３の陥凹棚部２７の後方にある。電気部品及び電子部品を収容するキャビティ１４は、隔壁２９の反対側（即ち、後方）にある。

図６及び７を参照すると、ＩＳＧ１は、概ね円筒形のパワープリント基板（ＰＣＢ）２を有する。図６及び７は、基板の層の一部の図であり、基板の部品配置の理解をもたらす。パワー回路は、Ｈブリッジ、ステータの３つの相を切り換えるよう２４個のパワーＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を使用する完全四分円スイッチング回路である。ＦＥＴ２０２は、パッド２０１に熱的に貼り付けられ、パッド２０１は、以下に説明されるように、基板から熱を取り去り、基板を通じて下に伝導するのを助ける。相巻線から接続部を取るために、僅かにより大きなパッド２０３が使用される。

上述のように、ＦＥＴ２０２は、パワーＰＣＢ２の円周の周りに配置される。ＦＥＴは何百アンペアも切り換え得るので、ＦＥＴは切換運転中に有意な熱を生成する。ハウジング５の後部でキャビティ１４内の電気部品及び電子部品から放出される熱は、約４００Ｗに達する。ハウジング５内のステータ組立体によって放出される熱は、約１２００Ｗに達する。ＦＥＴを冷却するために、パワーＰＣＢ２のその部分は、熱マット３０を介して、隔壁２９に熱的に結合され、隔壁２９は、以下に簡略に記載されるように、液体冷却される。

図４も参照すると、相巻線は、三対（各相毎に一対）で隔壁２９を通過する。対１０５Ａは相Ａを取り扱い、対１０５Ｂは相Ｂを取り扱い、対１０５Ｃは相Ｃを取り扱う。巻線は隔壁２９を通じて導かれ、パッド２０３に取り付けられるクランプを使用して巻線を締め付け得る。

より好ましくは、クリンプ留め巻線終端部を基板２内の孔に通し、基板を通過してネジ山付きクリンプに至る一組のネジを使用してクリンプ留め巻線終端部を基板上のパッドに固定し得るよう、ステータ巻線の両端部はクリンプ留めされ、且つ、軸方向ネジ山がクリンプ内に設けられる。これはパワーＰＣＢ２上のステータ巻線のためのコンパクトで確実な終端をもたらす。

基板の熱要求及び電流運搬要求の観点から、基板は、高い量の銅を備える高荷重基板である。第一の実施態様において、基板は、１２オンス（即ち、１平方フィート当たり１２オンス）の銅の４つの層を有する。他の実施態様において、基板は、６オンスの銅の８つの層を有する。図７を参照すると、基板は、パッド２０１と整合する各層にヒートシンク地域２０６を有し、それらはＦＥＴから熱を取り去り、熱パッド３０を通じて下に導き、冷却壁２９に移す。

基板は両面を備え、ＦＥＴと反対の側には、大きな平滑コンデンサ２０４が保持される。運転中に生成されるリップル電流の観点から、コンデンサ２０４は冷却を必要とする。これはコンデンサ２０４を冷却隔壁２９内に形成されるウェル２０５内に挿入することによって達成される。コンデンサ２０４は、熱ペーストを使用してウェル２０５に熱結合される。

基板は、６つの接地点２０７を有するリングも含み、接地点２０７は、接地点を形成する孔にネジを通し且つハウジング５のアルミニウムダイカスト内に直接的に固定することによって、パワー基板用の固定点としても使用される（図８、９、及び、１０）。同時に、好ましくは、これらの器具は、絶縁スペーサ２１２を使用して第二（制御）ＰＣＢ２０９を取り付けるためにも使用される。この制御ＰＣＢ２０９は、パワーＰＣＢ上に取り付けられる多方向コネクタ２１１を介してパワーＰＣＢに電気的に接続される。組立中、このコネクタは、ネジ２１３がダイカスト製のハウジング５内に通じるよう適合される前に、制御ＰＣＢ２０９を位置決めるのにも役立つ。図８、９、１０、及び、１１を参照すると、ステータ組立体３０１は、ハウジング５内に据え付けられている。ステータ組立体３０１は、円筒形のスチール製のスリーブ３０３内に収容され、スリーブ３０３は、上方端部３０５と下方端部３０７とを備える外壁を有する。ステータ巻線３０２がスリーブ３０３内に収容される。スリーブ３０３は、その下方端部３０７がリブ１９の根部にある段部２５に位置し且つ段部２５によって支持されるよう、ハウジング５内に挿入される。

スリーブ３０３の外壁は、ハウジング５の内部の周縁の周りでリブ１９の面と接触する。スリーブ３０３の上方端部３０５は、リブ１９の最前方部分を越えてハウジング５の正面７に向かって延び、それによって、軸方向通路２１を一体に接合し、リブ１９の前方で、ハウジング５とスリーブ３０３の外壁との間に円周導管３１１を形成する。

よって、リブ１９の間の軸方向通路２１は、スリーブ３０３の外壁によってリブ１９の面に沿って閉塞されるが、ハウジング５の正面７及び軸方向通路２１の根部の両方で開放されたままである。

使用中、エンジンの水ポンプは、液体冷媒を加圧下で反対側にある隔壁２９の周りの吸入管１５を通じてキャビティ１４に押し込み、そして、軸方向通路２１を介して排出管１７に出し、それによって、キャビティ１４及びステータハウジングから熱を取り除く。

下方チャンバを通じる冷媒の速度は、約毎分２リットルの容量流速で毎秒約０．２〜０．５５メートルである。これは電気部品及び電子部品からの熱抽出に関して最適である。それは冷媒汚染物がこの重要な冷却地域に埋設されるようになる可能性も減少する。

制御ＰＣＢ２０９は制御端子２１５を有し、制御端子２１５はダイキャスト製のハウジングから出て、車両通信バス内への接続として使用される。これは、例えば、ＩＳＧ１に関する状況情報をエンジン管理系統に提供するために使用され得るし、エンジン管理系統が発電機運転中に出力電圧及び電流のようなパラメータを制御し且つ始動機動作中に始動トルク及び速度を制御するのを可能にするためにも使用され得る。

制御ＰＣＢ２０９は、制御回路のための独立動作電圧を提供する単端一次インダクタコンバータ（ＳＥＰＩＣ）も含む。その場合には、これは発電機が制御ＰＣＢによって選択可能な電圧を生成するのを可能にすると同時に、制御ＰＣＢがその独自の独立した電源電圧を伴って機能するのを依然として可能にする。

パワーＰＣＢ２は、所定の抵抗率を有する地域２０８（図７）も含む。

制御ＰＣＢ２０９が機械を通じる電流の流れを決定し得るよう、ビア２１０がこの領域内に接続性をもたらす。

ＩＳＧは、ロータシャフト２１９の端部に隣接して取り付けられる第三の小さいＰＣＢ２１７も含む。ロータシャフト２１９は小さい磁石２２１を支持し、磁石２２１は基板２１７上のホール効果センサと相互作用し、ロータの角位置に関する情報をもたらす。使用中のモータ及び発電機の正しい動作を保証するよう、これはステータ巻線のスイッチングを同期するために使用される。代替的に、制御ＰＣＢ２０９は、ステータ巻線のスイッチングのための適切な位置及び適切な同期を決定するよう、巻線内の電流及び電圧の変動を感知し得る。

図１及び２も参照すると、制御端子２１５に加えて、ＩＳＧ１は、正出力端子２２３を有する。ＩＳＧ１の本体は負端子として使用され、よって、これは実装を単純化する。何故ならば、機械に対して行われることが必要とされる唯一の接続は、正端子を介してであり、制御コネクタを介してでもあるからである。

図１２Ａ、１２Ｂ、及び、１２Ｃを参照すると、端子２２３は、ＩＳＧ１のハウジング内の孔を通過するよう設計される真鍮ロッド２２５を含む。真鍮ロッドがパワー回路２０９と車両の電気系統及び電池との両方に接続可能であるよう、真鍮ロッド２２５は両端部にネジ山を備える。

パワー端子２２３は、接着ゴム部２２７によって取り囲まれている。ゴム部２２７は、ＩＳＧ１が車両上に位置付けられるときに高電流正端子が偶発的な短絡から守られるよう、ロッド２２９の外側部分を遮蔽する働きをし、また、ゴム部は、ハウジング５内の孔を封止するよう配置される封止部２３１を形成する。

図１３乃至１５の代替的なＩＳＧ１’は、代替的な正出力端子２２３’を含む。代替的な正出力端子２２３’は、より容易に製造可能であり、増大された頑丈さ（ロバストネス）をもたらす。

Claims (7)

1. 統合型始動発電装置であって、
   ハウジングと、スイッチトリラクタンス機械と、当該装置を始動機又は発電機のいずれかとして構成するよう動作可能である制御電子機器とを含み、
   前記スイッチトリラクタンス機械は、該ハウジング内に収容されるステータ巻線及びロータとを含み、
   前記制御電子機器は、前記ハウジング内に完全に収容され、前記制御電子機器は、パワープリント基板（ＰＣＢ）を含み、前記スイッチトリラクタンス機械のステータ巻線を切り換えるよう動作可能であり、
   前記ステータ巻線は、前記パワーＰＣＢで前記ハウジング内で終端させられ、
   前記ステータ巻線のスイッチングは、パワー電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用して実施され、該パワーＦＥＴは、前記パワーＰＣＢの周縁の周りに配置される、
   始動発電装置。
2. 前記パワーＦＥＴは、前記パワーＰＣＢを介して前記ハウジングの液体冷却壁に熱結合される、請求項１に記載の始動発電装置。
3. 前記パワーＰＣＢは、所定の抵抗率を有する伝導性材料の所定地域を含み、発電機動作又はモータ動作における出力電流又は入力電流は、それぞれ、前記地域を通じて流され、それによって、前記それぞれの動作モードにおいて当該始動発電装置に出入りする前記電流の流れは、前記地域上の所定の位置の間の電位差を測定することによって決定可能である、請求項１又は２に記載の始動発電装置。
4. 複数の高出力コンデンサが前記パワーＰＣＢ上に保持され、前記ハウジングの前記液体冷却壁に形成されるウェル内に挿入され且つ熱結合される、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の始動発電装置。
5. 前記パワーＰＣＢは、前記パワーＰＣＢの平面に対して概ね垂直に延びる多方向コネクタを更に含み、該コネクタは、制御ＰＣＢを機械的に位置決めし且つ該制御ＰＣＢに電気的に接続する、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の始動発電装置。
6. 前記制御ＰＣＢは、始動機動作又は発電機動作の間を選択するために、前記パワーＰＣＢと連絡するよう配置される、請求項５に記載の始動発電装置。
7. 前記制御ＰＣＢは、多方向コネクタと、制御端子とを含み、前記制御ＰＣＢは、前記多方向コネクタを介して前記パワーＰＣＢに電気的に接続され、前記制御端子は、車両通信バスに結合可能である、請求項５又は６に記載の始動発電装置。

Images