JP5611367B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

この発明は、電流が電機子巻線に供給されることにより回転子が回転する回転電機に関する。
従来、電機子巻線の温度を検出する温度検出装置を備え、回転子の回転速度情報が入力されることにより、回転子の回転速度に対応した電機子巻線の保護温度が設定されたマップを用いて電機子巻線の保護温度を算出し、電機子巻線の温度と算出された保護温度とを比較して、電機子巻線の過熱保護を行う回転電機が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−355959号公報
しかしながら、回転電機の始動時等、電機子巻線の温度が過渡的に変化するときには、温度検出装置が検出する電機子巻線の温度と、実際の電機子巻線の温度との間に差異が生じてしまう。電機子巻線の過渡的な温度の変化に対応して電機子巻線の過熱保護を行うためには、電機子巻線を冷却する冷却装置が必要となり、これにより、回転電機が大型化してしまうという問題点があった。
この発明は、小型化を図ることができる回転電機を提供するものである。
この発明に係る回転電機は、電機子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に回転可能に設けられた回転子と、パワー回路用半導体スイッチング素子を有し、前記電機子巻線に電流を供給するパワー回路部と、前記回転子の回転速度に対応した通電許可時間が設定され、前記パワー回路部による電流の供給を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記電機子巻線への通電時間の積算時間が前記通電許可時間よりも長いときに、前記パワー回路部による電流の供給を停止する。
この発明に係る回転電機によれば、制御装置は、回転子の回転速度に対応した通電許可時間が設定され、電機子巻線への通電時間の積算時間が通電許可時間よりも長いときに、パワー回路部による電流の供給を停止するので、回転電機の始動時等、電機子巻線の温度が過渡的に変化するときであっても、電機子巻線の過渡的な温度の変化に対応して電機子巻線の過熱保護を行うことができる。これにより、電機子巻線を冷却する冷却装置が不要となり、回転電機の小型化を図ることができる。
この発明の実施の形態1に係る回転電機を示す断面図である。 図1の回転電機の通電許可時間マップを示す図である。 図1の制御基板によるパワー回路部への電流の供給の制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態2に係る回転電機の通電許可時間マップを示す図である。 この発明の実施の形態3に係る回転電機の制御基板によるパワー回路部への電流の供給の制御を示すフローチャートである。
以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当の部材、部位については、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に係る回転電機を示す断面図である。図において、回転電機は、ブラケット1と、ブラケット1内に収容された固定子2と、固定子2の内側に回転可能に設けられた回転子3と、回転子3を貫通し回転子3に固定された回転軸4と、固定子2および回転子3のそれぞれに電流を供給する電流供給装置5と、電流供給装置5による電流の供給を制御する制御基板(制御装置)6と、回転軸4の回転速度を検出するレゾルバ7とを備えている。レゾルバ7が回転軸4の回転速度を検出することにより、回転子3の回転速度が検出される。
固定子2は、固定子本体8と、固定子本体8に設けられた電機子巻線9とを有している。回転子3は、回転子本体10と、回転子本体10に設けられ起磁力を発生させる界磁巻線11と、リング形状に形成され回転子本体10とともに回転するファン12と、ファン12の内側に配置され回転子本体10とともに回転するスリップリング13とを有している。
電流供給装置5は、スリップリング13に接触するブラシ14と、ブラシ14を保持するブラシホルダ15と、スリップリング13およびブラシ14を介して界磁巻線11に電流を供給する界磁回路部16と、電機子巻線9に接続された配線部材17と、配線部材17を介して電機子巻線9に交流の電流を供給するパワー回路部18とを有している。
また、電流供給装置5は、界磁回路部16およびパワー回路部18に渡って設けられたヒートシンク19と、ヒートシンク19に設けられた冷却フィン20と、パワー配線等のターミナルがインサートされ、界磁回路部16およびパワー回路部18が収容されたケース21と、界磁回路部16およびパワー回路部18のそれぞれに電気的に接続された中継基板22と、中継基板22に設けられ制御基板6と中継基板22とを電気的に接続するコネクタ23とを有している。
ファン12は、ファン12が回転することにより電流供給装置5に向かう風を発生させるように配置されている。
ヒートシンク19は、円盤形状に形成されている。ヒートシンク19の一方の面には、複数の凸部(図示せず)が形成されている。界磁回路部16およびパワー回路部18のそれぞれは、絶縁性接着剤を介してヒートシンク19の別々の凸部に固着されている。したがって、界磁回路部16およびパワー回路部18のそれぞれは、ヒートシンク19における同一の面に配置されている。ケース21は、接着剤を介してヒートシンク19に固着されている。ケース21は、界磁回路部16およびパワー回路部18が配置されたヒートシンク19の面と同一の面に配置されている。ケース21のパワー配線には、界磁回路部16のパワー配線端子とパワー回路部18のパワー配線端子とが接続されている。界磁回路部16およびパワー回路部18をケース21内に収容し、さらに、中継基板22およびコネクタ23を界磁回路部16およびパワー回路部18と電気的に接続した後、ケース21内を樹脂封止することで、電子モジュール24が形成されている。
冷却フィン20は、ヒートシンク19における界磁回路部16およびパワー回路部18が取り付けられている面とは反対側の面に配置されている。また、冷却フィン20は、ファン12の回転により発生する風が冷却フィン20に当たるように配置されている。
冷却フィン20には、ブラシホルダ15が挿入される凹部が形成されている。凹部に挿入されたブラシホルダ15は、ケース21にインサートされたターミナルを介して界磁回路部16と電気的に接続されている。冷却フィン20に凹部が形成されることにより、冷却フィン20の冷却能力が低下するものの、ヒートシンク19全体への熱の拡散により、凹部による冷却フィン20冷却能力の低下が抑制される。
ファン12とヒートシンク19との間に、ブラシホルダ15および配線部材17が配置されている。ブラシホルダ15および配線部材17により、ファン12の回転により発生する風の流路である冷却風路が形成されている。
電子モジュール24は、ブラケット1内に収容されている。制御基板6およびレゾルバ7は、ブラケット1の外側に配置されている。
界磁回路部16は、界磁巻線11に電流を供給する界磁用半導体スイッチング素子と、界磁用半導体スイッチング素子に電気的に接続されたコンデンサ等の電子部品と、界磁用半導体スイッチング素子および電子部品が搭載された金属フレームとを有している。界磁回路部16は、界磁用半導体スイッチング素子、電子部品および金属フレームがトランスファーモールド成形により箱状に樹脂封止されたモールド成形型モジュールとなっている。金属フレームは、熱伝導性のよい銅または銅合金から構成されている。
パワー回路部18は、電機子巻線9に電流を供給するパワー回路用半導体スイッチング素子と、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度を検出する検温ダイオード(第1の温度検出装置)と、パワー回路用半導体スイッチング素子および検温ダイオードが搭載された金属フレームとを有している。パワー回路部18は、パワー回路用半導体スイッチング素子、検温ダイオードおよび金属フレームがトランスファーモールド成形により箱状に樹脂封止されたモールド成形型モジュールとなっている。金属フレームは、熱伝導性のよい銅または銅合金から構成されている。パワー回路部18には、上下アームが設けられている。パワー回路部18には、露出する複数の接続端子が設けられている。この接続端子には、検温ダイオードに電気的に接続しているものが含まれている。
制御基板6は、回転子3の回転速度に対応した通電許可時間が設定された通電許可時間マップを有している。通電許可時間マップには、図2に示すように、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度の上昇値ΔTごとに、通電許可時間が対応されている。パワー回路用半導体スイッチング素子の温度の上昇値ΔTとは、パワー回路用半導体スイッチング素子の実際の温度と、パワー回路用半導体スイッチング素子の限界の温度との差異から算出される。通電許可時間は、回転子3の回転速度に対応した重み付けがされている。つまり、通電許可時間マップでは、回転子3の回転速度が大きくなるにつれて通電許可時間が長くなるようになっている。
回転電機の動作モードには、エンジンを再び始動させるための再始動、車の動力を増加させるアシスト、発電、回生発電、アイドリングストップ等の動作モードがある。何れの動作モードにおいても、パワー回路部18のパワー回路用半導体スイッチング素子における異常過熱の発生を防止するために、過熱保護を行う必要がある。
パワー回路用半導体スイッチング素子において、動作時間は短いが流れる電流が大きく発熱量の大きい再始動やアシスト等の駆動時が特に温度上昇が大きくなる。そのため、動作前のパワー回路用半導体スイッチング素子の温度によってはアイドリングストップ(+再始動)や駆動の動作を行わない場合や、動作を行う場合であってもパワー回路用半導体スイッチング素子の素子限界温度を超えないように動作可能な通電時間とする必要がある。ただし、アイドリングストップの場合は、パワー回路用半導体スイッチング素子自体は発熱をしないが、例えば、パワー回路用半導体スイッチング素子以外の部分である固定子2等からの受熱によりヒートシンク19を介して、パワー回路用半導体スイッチング素子が温度上昇する場合も考慮する必要がある。
次に、回転電機の過熱保護の動作について説明する。図3は図1の制御基板6によるパワー回路部18への電流の供給の制御を示すフローチャートである。回転電機による動力が発生する前である動作前では、制御基板6は、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度と、パワー回路用半導体スイッチング素子に電流を供給するために必要な温度である次動作可能温度とを比較する(ステップS1)。パワー回路用半導体スイッチング素子の温度は、検温ダイオードにより検出される。次動作可能温度は、直後の動作、例えば、アイドリングストップ+再始動や駆動等を行う場合によって必要な温度上昇分を考慮して決められている。パワー回路用半導体スイッチング素子の温度と次動作可能温度とを比較することにより、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度によっては、例えば、極短時間のアシストしか行うことができずに、回転電機が過熱保護をすぐに開始してしまうことが防止される。
ステップS1で、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度が次動作可能温度よりも高いと制御基板6が判定すると、次動作に移行しない(ステップS2)。これにより、回転電機の過熱保護が開始される。
一方、ステップS1で、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度が次動作可能温度よりも低いと制御基板6が判定すると、制御基板6はパワー回路用半導体スイッチング素子から電機子巻線9への電流の供給を開始させて、回転電機の次動作が開始する(ステップS3)。
また、制御基板6は、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度とレゾルバ7による回転子3の回転速度とを用い、通電許可時間マップを参照して通電許可時間を決め、動作開始から積算時間をカウントする(ステップS4)。
その後、制御基板6は、積算時間と通電許可時間とを比較する(ステップS5)。ステップS5で、積算時間が通電許可時間よりも短いと制御基板6が判定すると、回転電機の動作が継続される(ステップS6)。積算時間が通電許可時間よりも短い場合で、動作中に回転子3の回転速度が変化した場合には、制御基板6は、通電許可時間マップを参照し、現在の回転子3の回転速度に対応した通電許可時間に変更する。
ステップS5で、積算時間が通電許可時間よりも長いと制御基板6が判定すると、回転電機の過熱保護が発生し、回転電機の動作が停止する(ステップS7)。
以上説明したように、この発明の実施の形態1に係る回転電機によれば、制御基板6は、回転子3の回転速度に対応した通電許可時間が設定され、電機子巻線9への通電時間の積算時間が通電許可時間よりも長いときに、パワー回路部18による電流の供給を停止するので、回転電機の始動時等、電機子巻線9の温度が過渡的に変化するときであっても、電機子巻線9の過渡的な温度の変化に対応して電機子巻線9の過熱保護を行うことができる。これにより、電機子巻線9を冷却する冷却装置が不要となり、回転電機の小型化を図ることができる。
また、回転電機は、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度を検出する検温ダイオードを備え、制御基板6は、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度に対応して、パワー回路部18による電流の供給を制御するので、駆動を開始する直前のパワー回路用半導体スイッチング素子の温度により次の動作を行うか否かを決めることができる。これにより、パワー回路用半導体スイッチング素子を確実に保護することができる。
また、制御基板6は、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度に対応した通電許可時間が設定されているので、通電許可時間を長く設定することができる。
また、通電許可時間は、回転子3の回転速度に対応した重み付けがされているので、通電許可時間を長く設定することができる。
界磁回路部16およびパワー回路部18のそれぞれは、ヒートシンク19における同一の面に配置され、中継基板22が界磁回路部16およびパワー回路部18に電気的に接続されているので、電子モジュール24内で、界磁回路部16およびパワー回路部18のそれぞれの接続端子の位置が散らばっている場合であっても、界磁回路部16およびパワー回路部18のそれぞれを制御基板6に電気的に容易に接続することができる。
ヒートシンク19が円盤形状に形成され、界磁回路部16およびパワー回路部18のそれぞれは、ヒートシンク19における同一の面に配置され、冷却フィン20は、ヒートシンク19における界磁回路部16およびパワー回路部18が取り付けられている面とは反対側の面に配置されているので、ブラケット1内における配置スペースを有効に使用することができ、ヒートシンク19のサイズを大きくすることができ、界磁回路部16およびパワー回路部18の設置スペース確保や冷却フィン20の面積の確保を容易に行うことができる。
電機子巻線9とパワー回路部18とが配線部材17を介して電気的に接続されているので、固定子2の位置と電子モジュール24の配線取付位置とが大きく離れた場合であっても、電機子巻線9とパワー回路部18との電気的接続を容易に行うことができる。これにより、電機子巻線9およびパワー回路部18のそれぞれの配置位置の自由度を向上させることができる。
実施の形態2.
図4はこの発明の実施の形態2に係る回転電機の通電許可時間マップを示す図である。実施の形態1では、動作前のパワー回路用半導体スイッチング素子の温度に基づいて動作開始後の通電許可時間を決めていたが、実施の形態2では、さらに、制御基板6は、B端子電圧に対応した許可通電時間が設定された通電許可時間マップを有している。新たな通電許可時間マップには、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度の上昇値ΔTごとに、B端子電圧および回転子3の回転速度に対応した通電許可時間が設定されている。
回転子3の回転速度が変化しなくても、パワー回路用半導体スイッチング素子に印加されるB端子電圧に対応して、パワー回路用半導体スイッチング素子に供給される電流が変化するので、B端子電圧の変化によってパワー回路用半導体スイッチング素子における発熱量が変化して、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度変化量が変化する。
以上説明したように、この発明の実施の形態2に係る回転電機によれば、制御基板6は、B端子電圧に対応した通電許可時間が設定されているので、B端子電圧の変化によって発生するパワー回路用半導体スイッチング素子の温度変化量に対応して、通電許可時間を設定することができる。これにより、過熱保護をするときの条件を細分化することができ、温度推定の精度向上につながり、回転電機の動作可能な条件を増やすことができ、過大な冷却性能が不要となり回転電機の小型軽量化を図ることができる。
また、制御基板6は、パワー回路部18による電流の供給の開始前におけるパワー回路用半導体スイッチング素子の温度およびB端子電圧に対応した通電許可時間が設定されているので、駆動を開始する直前のパワー回路用半導体スイッチング素子の温度およびB端子電圧により次の動作を行うか否かを決めることができる。これにより、パワー回路用半導体スイッチング素子を確実に保護することができる。
実施の形態3.
図5はこの発明の実施の形態3に係る回転電機の制御基板6によるパワー回路部18への電流の供給の制御を示すフローチャートである。実施の形態3では、回転電機の過熱保護により回転電機の動作が停止した後(ステップS7)、再び動作を開始(動作を継続)する場合には(ステップS8)、制御基板6は、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度が所定の温度よりも低くなったか否か、または、パワー回路部18による電流の供給の停止から所定の時間が経過したか否かを判定する(ステップS9)。
ステップS9で、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度が所定の温度よりも低くなったと制御基板6が判定するか、または、パワー回路部18による電流の供給の停止から所定の時間が経過したと制御基板6が判定すると、回転電機の次動作が開始する(ステップS3)。
一方、ステップS9で、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度が所定の温度よりも低くないと制御基板6が判定するか、または、パワー回路部18による電流の供給の停止から所定の時間が経過していないと制御基板6が判定すると、パワー回路部18による電流の供給を停止したままとなる(ステップS7)。
一方、ステップS8で再び動作を開始(動作を継続)しない場合には、別の動作へ移動する(ステップS10)。
以上説明したように、この発明の実施の形態3に係る回転電機によれば、制御基板6は、通電時間の積算時間が通電許可時間よりも長くなったことによりパワー回路部18による電流の供給を停止した後、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度が所定の温度よりも低くなるまで、または、パワー回路部18による電流の供給の停止から所定の時間が経過するまで、パワー回路部18による電流の供給を停止したままとするので、再動作した直後に積算時間が通電許可時間を越えることによる停止が発生することを防ぐことができる。
実施の形態4.
この発明の実施の形態4に係る回転電機は、ヒートシンク19の温度を検出するサーミスタ(第2の温度検出装置)をさらに備えている。制御基板6は、ヒートシンク19の温度に対応した通電許可時間マップをさらに有している。これにより、次動作可能温度や通電許可時間についての細分化を図ることができ、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度推定の精度が向上する。
動作中は、回転子3が回転しているので、冷却風によりヒートシンク19が冷却される。したがって、ヒートシンク19の温度は、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度よりも低くなる。しかしながら、アイドリングストップ時には、例えば、固定子2からの受熱によりヒートシンク19の温度は、動作停止後から上昇する。一方、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度は、動作停止により、低下する。その結果、動作停止後の時間の経過とともに、パワー回路用半導体スイッチング素子とヒートシンク19との間の温度差がなくなり、さらには、ヒートシンク19の温度がパワー回路用半導体スイッチング素子の温度よりも高くなる場合がある。
ヒートシンク19の温度がパワー回路用半導体スイッチング素子の温度よりも高い場合には、ヒートシンク19によるパワー回路用半導体スイッチング素子の冷却効果が低下するので、通電許可時間を短くする必要がある。したがって、実施の形態4では、動作開始前のヒートシンク19の温度とパワー回路用半導体スイッチング素子の温度とを比較して、ヒートシンク19の温度がパワー回路用半導体スイッチング素子の温度よりも低い場合には、実施の形態1と同様に、パワー回路用半導体スイッチング素子の温度を用いて、通電許可時間が決められ、ヒートシンク19の温度がパワー回路用半導体スイッチング素子の温度よりも高い場合には、ヒートシンク19の温度を用いて、通電許可時間が決められるようになっている。
以上説明したように、この発明の実施の形態4に係る回転電機によれば、ヒートシンク19の温度を検出するサーミスタを備え、制御基板6は、ヒートシンク19の温度に対応して、パワー回路部18による電流の供給を制御するので、ヒートシンク19の温度がパワー回路用半導体スイッチング素子の温度よりも高い場合にも、パワー回路用半導体スイッチング素子の過熱保護を確実に行うことができる。
なお、上記実施の形態4では、第2の温度検出装置として、ヒートシンク19の温度を検出するサーミスタを例に説明したが、ヒートシンク19の温度以外に、ブラケット1内の温度を検出する温度検出装置であればよい。
1 ブラケット、2 固定子、3 回転子、4 回転軸、5 電流供給装置、6 制御基板(制御装置)、7 レゾルバ、8 固定子本体、9 電機子巻線、10 回転子本体、11 界磁巻線、12 ファン、13 スリップリング、14 ブラシ、15 ブラシホルダ、16 界磁回路部、17 配線部材、18 パワー回路部、19 ヒートシンク、20 冷却フィン、21 ケース、22 中継基板、23 コネクタ。24 電子モジュール。

Claims (7)

  1. 電機子巻線を有する固定子と、
    前記固定子の内側に回転可能に設けられた回転子と、
    パワー回路用半導体スイッチング素子を有し、前記電機子巻線に電流を供給するパワー回路部と、
    前記回転子の回転速度に対応した通電許可時間が設定され、前記パワー回路部による電流の供給を制御する制御装置とを備え、
    前記通電許可時間は、前記回転子の回転速度に対応した重み付けがされており、
    前記制御装置は、前記パワー回路用半導体スイッチング素子から前記電機子巻線への電流の供給を開始した通電開始からの通電時間の積算時間が前記通電許可時間よりも長いときに、前記パワー回路部による電流の供給を停止することを特徴とする回転電機。
  2. 前記パワー回路用半導体スイッチング素子の温度を検出する第1の温度検出装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記パワー回路用半導体スイッチング素子の温度に対応して、前記パワー回路部による電流の供給を制御することを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
  3. 前記制御装置は、前記パワー回路用半導体スイッチング素子の温度に対応した前記通電許可時間が設定されていることを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
  4. 前記制御装置は、前記通電時間の積算時間が前記通電許可時間よりも長くなったことにより前記パワー回路部による電流の供給を停止した後、前記パワー回路用半導体スイッチング素子の温度が所定の温度よりも低くなるまで、または、前記パワー回路部による電流の供給の停止から所定の時間が経過するまで、前記パワー回路部による電流の供給を停止したままとすることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の回転電機。
  5. 前記制御装置は、バッテリ端子電圧に対応した前記通電許可時間が設定されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4の何れか1項に記載の回転電機。
  6. 前記制御装置は、前記パワー回路部による電流の供給の開始前における前記パワー回路用半導体スイッチング素子の温度およびバッテリ端子電圧に対応した前記通電許可時間が設定されていることを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
  7. 前記パワー回路部に設けられたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの温度を検出する第2の温度検出装置とをさらに備え、
    前記制御装置は、前記ヒートシンクの温度に対応して、前記パワー回路部による電流の供給を制御することを特徴とする請求項1ないし請求項の何れか1項に記載の回転電機。
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