JP5661167B1 - 電力供給ユニット一体型回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】電力電子回路を搭載した場合、軸方向の長さが長大化し重量化する。【解決手段】回転子軸、回転子、固定子、固定子と回転子に電力を供給するため反負荷側ブラケットに取り付けた電力供給ユニットを備え、反負荷側ブラケットの外側端面に、電力供給ユニットを直接取り付け、電力供給ユニットの取り付け位置に対向する反負荷側ブラケットの内側端面に、複数の放熱用フィンを直接取り付け、回転子軸に、放熱用フィンを冷却する冷却ファンを取り付け、反負荷側ブラケットの外周面に、冷却ファンの排気口を設けると共に反負荷側ブラケットの端面に冷却ファンの吸気口を設け、吸気口と放熱用フィンとを薄板状ガイドで覆うことによって、冷却通風路を形成し、冷却ファンの回転時に、この冷却ファンによって吸気口から吸い込まれた冷却風を、放熱用フィンを経て内径負圧部へ導いた後に排気口から排出するものである。【選択図】図1

Description

この発明は、回転電機本体に、この回転電機の固定子巻線、或は界磁巻線に電力を供給する電力供給ユニットを取り付けた電力供給ユニット一体型回転電機に関するものである。
車両用回転電機は、回転電機と、この回転電機を制御するインバータを備えている。省スペース性と搭載性の容易さ、又、回転電機とインバータを接続する配線ハーネスの縮小化などから、回転電機とインバータを一体化させた、電力供給ユニット一体型回転電機の開発が進められている。
例えば、特許文献1に記載のオルタネータ、又はオルタネータ/スタータの後部に一体化された電力電子装置を冷却する装置において、電力電子回路を搭載した上面と、上面と反対側で後部軸受けの方を向く底面を有する熱放散ブリッジを備え、底面は冷却流体通路の長手方向壁を形成し、冷却流体通路の他方の長手方向壁は、ステータを指示している後部軸受けにより形成され、熱放散ブリッジの底面は流体通路内に配置された複数個の冷却フィンを有し、熱放散ブリッジは2個の固定スタッドによって後部軸受けに固定され、冷却フィンの全ての軸方向端部は、後部軸受けから所定の間隔を置いた位置にあるものが示されている。
特許文献2には、ファンとリヤブラケット間に配置された電力供給ユニット、ファンの径方向外側に位置する部位に形成された排気口、及び電力供給ユニットより底部側に開口する吸気口を有するリヤブラケット、ファンの回転時ファンの内径側に発生する負圧によって吸気口から吸いこまれる空気を、ファンの負圧部に導いた後に排気口に送る通風路を構成する仕切り部材、モジュール取付部の裏面に突設された第1放熱フィンなどによって構成された電力供給ユニット一体型回転電機が示されている。
特許第4392352号公報 特許第5014445号公報
特許文献1において、熱放散ブリッジは電力電子回路を搭載し、更に熱を径方向に広げるためには厚みが6mm程度必要で、又後部軸受けは軸受けを保持するために5mm程度必要であり、軸方向に厚みのある構造物を2つ備え、更に、それらの間に隙間を設ける必要があるため、軸方向の長さが長大化し、重量化する、という課題があった。
特許文献2においては、リヤブラケットがモジュール取付部まで覆っているため、大型化し、重量化している。
この発明は、上記の課題に鑑み、熱放散ブリッジと後部軸受けを一体化し、軸方向を短小化して軽量化する電力供給ユニット一体型回転電機を提供することを目的とするものである。
この発明に係わる電力供給ユニット一体型回転電機は、負荷側ブラケット及び反負荷側ブラケットに回転可能に支持された回転子軸、この回転子軸に嵌着され界磁巻線を有する回転子、この回転子を囲繞するように配置され固定子巻線を有する固定子、及びこの固定子と上記回転子に電力を供給するため上記反負荷側ブラケットに取り付けた電力供給ユニットを備えた電力供給ユニット一体型回転電機であって、上記反負荷側ブラケットの外側端面に、上記電力供給ユニットを直接取り付け、この電力供給ユニットの取り付け位置に対向する上記反負荷側ブラケットの内側端面に、その径方向に複数の放熱用フィンを直接取り付け、この放熱用フィンと上記回転子間における上記回転子軸に、上記放熱用フィンを冷却する冷却ファンを取り付け、上記反負荷側ブラケットの外周面に、上記冷却ファンの排気口を設けると共に、上記反負荷側ブラケットの端面に、上記冷却ファンの吸気口を設け、この吸気口と上記放熱用フィンとを薄板状ガイドで覆うことによって、上記冷却ファンの内径負圧部近接に出口部を有する冷却通風路を形成し、上記冷却ファンの回転時に、この冷却ファンの内径側に発生する負圧によって上記吸気口から吸い込まれた冷却風を、上記放熱用フィンを経て上記冷却ファンの内径負圧部へ導いた後に上記排気口から排出するものである。
この発明の電力供給ユニット一体型回転電機によれば、反負荷側ブラケットにその径方向に複数の放熱用フィンを直接取り付け、この放熱用フィンを薄板状ガイドで覆い冷却通風路を形成したので、コンパクトな構造で電力供給ユニットの冷却を可能にすると共に、軸長の短小化と軽量化も可能にすることができる。
この発明の実施の形態1における電力供給ユニット一体型回転電機の要部断面図である。 図1中の矢印A方向から見た平面図である。 この発明の実施の形態1における電力供給ユニット一体型回転電機の変形例1を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態1における電力供給ユニット一体型回転電機の変形例2を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態1における電力供給ユニット一体型回転電機の変形例3を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態1における電力供給ユニット一体型回転電機の変形例4を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態1における電力供給ユニット一体型回転電機の変形例5を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態2における電力供給ユニット一体型回転電機の要部断面図である。 この発明の実施の形態1における電力供給ユニット一体型回転電機の排気口を説明するための要部断面図である。
以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一或は相当部分を示す。
実施の形態1.
図1、図2に基づいてこの発明の実施の形態1に係る電力供給ユニット一体型回転電機を説明する。
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力供給一体型回転電機の要部断面図、図2は、図1中の矢印A方向から見た上面図である。
図1において、200は回転電機部を示し、300はこの回転電機部200に電力を供給する電力供給ユニットを示している。
回転電機部200は、負荷側ブラケット(以下、フロントブラケットという。)1、及び反負荷側ブラケット(以下、リヤブラケットという。)2からなるハウジングと、フロントブラケット1及びリヤブラケット2で支持された回転子軸4と、この回転子軸に嵌着され界磁巻線5を有する回転子6と、この回転子を囲繞するように配置され固定子巻線31と固定子鉄心32とを有する固定子3とを備えている。
回転子軸4は、フロントブラケット1に設けたフロント側ベアリング(軸受部)71と、リヤブラケット2に設けたリヤ側ベアリング(軸受部)72により回転自在に支持され、回転子6は、固定子3に対して同軸に回転できるように構成している。
回転子6の軸方向の負荷側(以下、フロント側という。)には、冷却ファン81が設けられ、反負荷側(以下、リヤ側という。)には、冷却ファン82が設けられている。
回転子軸4のフロント側端部、即ち、フロントブラケット1の外側には、プーリー9を装着すると共に、回転子軸4のリヤ側端部、即ち、リヤブラケット2側には、ブラシ100及び回転センサ110を配置する。プーリー9は、図示していないベルトを介してエンジンの回転軸に連結し、回転エネルギーを伝達する。ブラシ100は、界磁巻線5に直流電力を供給するものである。
リヤブラケット2の外側端面には、回転電機部200に電力を供給する電力供給ユニット300が直接取り付けられている。
この電力供給ユニット300は、固定子巻線31或は界磁巻線5に電力を供給する電力電子回路120、ブラシ100、回転センサ110などで構成され、回転センサ110には、ホール素子やレゾルバを用い、電力電子回路120は、半導体スイッチング素子や、制御回路を内蔵し、固定子巻線31や界磁巻線5への電力供給を制御する。電力電子回路120の外側は、樹脂カバー130で覆い電力電子回路120を保護している。
フロントブラケット1では、回転子6と対向する面に、フロントブラケット側の吸気口11を配置し、外周側面にフロントブラケット側の排気口12を配置し、回転子軸4の軸端には、冷却ファン81が装着されている。
回転子6が回転駆動すると、冷却ファン81及び冷却ファン82が駆動し、フロントブラケット1側では図1の矢印で示すように、冷却風W1は、フロントブラケットの吸気口11から吸入し、遠心方向に曲げられ、回転子6及び固定子3を冷却して排気口12から排出する(リヤブラケット2側の冷却風Wについては後述、0015参照)。
次に、リヤブラケット2側について説明する。
リヤブラケット2の内側には、次の各部材が配置されている。
すなわち、リヤブラケット2の内部は、電力電子回路120(電力供給ユニットの一部)の取り付け位置に対向するリヤブラケット2の内側端面にその径方向に長手側縁部を直接取り付けた複数の放熱用フィン23、この放熱用フィンと回転子6間における回転子軸4に取り付けられ放熱用フィン23を冷却する冷却ファン82、リヤブラケット2の外周面に設けた冷却ファンの排気口22、リヤブラケット2の外側端面すなわち電力電子回路120の搭載面に設けた冷却ファンの吸気口21、この吸気口と放熱用フィン23とを覆い且つ放熱用フィン23の他方の長手側縁部に固着され冷却通風路を形成する薄板状ガイド140、リヤブラケット2と一体成形され、吸気口21の外周側口縁部において薄板状ガイド140の一端部を取り付けた隆起部24などで構成されている。なお、隆起部24は放熱用フィン23と同じ高さに設定されている。
又、薄板状ガイド140の一端部は、冷却通風路の入口部140aを形成し、冷却ファン82の内径負圧部近接に位置する他端部は、冷却通風路の出口部140bを形成している。
上記の構成において、回転子6が回転駆動すると、冷却ファン81と共に冷却ファン82が駆動する。この駆動により図1の矢印で示すように、リヤブラケット2側の冷却風Wは、冷却ファン82の内径側に発生する負圧によって吸気口21から吸入され、冷却通風路の入口部140aを経て、冷却通風路内を放熱用フィン23で電力電子回路120を冷却しながら通過し、更に冷却通風路の出口部140bを経て、冷却ファン82の内径負圧部へ導かれた後に遠心方向に曲げられ、回転子6及び固定子3を冷却しながら排気口22から排出される。
ここで、薄板状ガイド140は、空気の流れを導く役割のため、厚みが1mm程度或は2mm程度でよく、又、放熱用フィン23と接触させるため、軸方向を短くすると共に軽量化できる。
放熱用フィン23、吸気口21、排気口22、隆起部24の形成は、リヤブラケット2を型で作成する際に、軸方向に抜く型にすることで容易に作成できる。
なお、リヤブラケットの隆起部24に対する薄板状ガイド140の取り付けは、ねじやリベットを用いてもよいし、溶接による接合でもよい。
ここで、放熱用フィン23の一部と薄板状ガイド140に、ねじやリベットを用いるか、薄板状ガイド140と放熱用フィン23の接触部を溶接して固定するようにすれば、薄板状ガイド140の振動を抑制し、耐振性を向上することができる。
次に、図2に基づき、吸気口21、排気口22、放熱用フィン23、還流防止用隔壁リブ25、電力半導体部品121などの相関位置について説明する。
放熱用フィン23は、リヤブラケット2の全周に渡って配置してもよいが、図2に示すように、発熱体である電力電子回路120中の電力半導体部品121の近接に配置してもよい。電力半導体部品121は、半導体スイッチング素子を内蔵した電子部品であり、発熱するため冷却が必要な部品である。
吸気口21及び排気口22は、リヤブラケットの全周に渡って配置してもよいが、吸気口21と排気口22が近い場合、排気された温まった空気が吸気口21に再び吸入される、いわゆる還流により温度が上昇する。そこで、図2に示すように、吸気口21と排気口22をブラケットの周方向に互い違いに千鳥状に配置し、位置関係を遠くすることで、冷却風Wの還流を抑制することができる。ここで、吸気口21の位置を、発熱体である電力電子回路120中の電力半導体部品121の近接に配置することで、効率よく冷却することができる。つまり、図2においては、吸気口21を、放熱用フィン23を配置した対向部分にすることで、効率よく冷却することができる。
更に、互いに隣り合う上記吸気口と上記排気口との間のリヤブラケット2に、還流防止用隔壁リブ25を配置することで、還流をより抑制できる。
還流防止用隔壁リブ25は、吸気口21と排気口22の位置関係に応じて、図2のように放射方向、或は後述の図6に示す還流防止用隆起部25aのように周方向に配置するとよい。
ここで、図2は、図1の矢印方向A、すなわち樹脂カバー130の一部を切り取り、樹脂カバーの外側から見た図であり、樹脂カバー130の中にある電力半導体部品121を実線で示し、リヤブラケット2の内側にある放熱用フィン23は点線で示している。
又、この図2では、吸気口21によりリヤブラケット2の内側の薄板状ガイド140が見えている。又、排気口22により固定子3の固定子鉄心32と薄板状ガイド140が見えている。排気口22におけるリヤブラケット2の軸方向の抜き量は、図9に示すように、貫通させてもよいが、図1に示すように、軸方向の途中までとすることで、リヤブラケット2の強度を向上し、又、残した部分を固定子3との固定に使用できるため、接続を強化することができる。
次に、図3に基づいて実施の形態1の変形例1を説明する
図3の変形例1は、放熱用フィン23の内周側端部23bを、回転子軸4のリヤ側ベアリング72の近接まで延長し、図3ではリヤブラケット2を介しリヤ側ベアリング72の外輪に接触させたものである。
このように、放熱用フィン23をリヤ側ベアリング72に接触させることでリヤ側ベアリング72の冷却性能の向上を図っている。
次に、図4に基づいて実施の形態1の変形例2を説明する
図4の変形例2は、薄板状ガイド140の端部141を、吸気口21を覆うように折り曲げ延在させ、この延在部を、吸気口21の外周側口縁部に固定することにより当該部に冷却通風路の入口部140aを形成したものである。
このように、薄板状ガイド140の端部141を、1回以上曲げて、冷却風Wの経路が吸気口21から内周に向かうように傾斜を設けることで、圧損を低減し、風量を増加させて放熱用フィンの冷却性能を向上できる。この場合、薄板状ガイド140のリヤブラケット2側の固定は、リヤブラケット2の平面部に薄板状ガイド140との固定部を設け、ねじ止め或は溶接で固定する。
次に、図5に基づいて実施の形態1の変形例3を説明する
図5の変形例3は、放熱用フィン23の軸方向高さを、半径方向の内周側と外周側で異なるようにして、放熱用フィン23に段差部23aを設け、リヤ側の冷却ファン82の形状に合わせた空間部を形成し、この空間部に冷却ファン82の羽部を配置可能にしたものである。
オルタネータなどの車両用回転電機に使用される吸引タイプのファンは、外周付近の板を起こした形状が多い。そこで、図5に示すように、放熱用フィン23の形状を、冷却ファン82の形状に合わせて段差部23aを設けることで、軸方向を短くすることができる。この場合、薄板状ガイド140の内周側は、放熱用フィン23の段差部23aまでにすると冷却風Wが内周部まで行き渡ってよい。
次に、図6に基づいて実施の形態1の変形例4を説明する。
図6の変形例4は、図1、図2、図3の内方に隆起した隆起部24を、外方すなわちリヤブラケット2の外側端面に、周方向に延在させて還流防止用隆起部25aを形成したものであり、この還流防止用隆起部25aは、図2の還流防止用隔壁リブ25と同様に機能する。
次に、図7に基づいて実施の形態1の変形例5を説明する。
図7の変形例5は、樹脂カバー130を樹脂ケース131と樹脂カバー132のように分割したものである。これら樹脂ケース131と樹脂カバー132の役割は、防塵、防水であり、樹脂ケース131にポッティング材を満たすことでも機能を果たすことができる。
又、この変形例5では、電力電子回路120において、半導体素子などで構成するパワー部品(図示せず)と、制御回路を搭載する制御基板120aがある場合、パワー部品をリヤブラケット2側に配置する。ここで、パワー部品より制御基板120aの方が径方向に大きい場合、樹脂ケース131の側面を、制御基板120aとパワー部品(図示せず)の外形に合わせることで、吸気口21を広くでき冷却風Wの流量を増やすことができる。
すなわち、電力供給ユニットの、パワー回路装置の径方向の大きさが、軸方向のモータと逆側ほど大きい場合に、上記のように構成することにより、径方向に張り出したパワー回路装置(制御基板120a)の反負荷側ブラケットの投影部に吸気口21の配置が可能となり、吸気口21を広くできるので、冷却風Wの流量を増やすことができる。
樹脂ケース131の上面には、樹脂カバー132で蓋をする。なお、図1〜図7における樹脂カバー130も、同様に樹脂ケース131と樹脂カバー132のように分割することができる。これらの役割は防塵、防水であり、樹脂ケース131にポッティング材を満たすことでも機能を果たすことができる。
実施の形態2.
図8に基づいてこの発明の実施の形態2に係る電力供給ユニット一体型回転電機を説明する。
図8は、この発明の実施の形態2に係る電力供給一体型回転電機の要部断面図である。
図8の電力供給ユニット一体型回転電機では、リヤブラケット2の端面において、リヤ側ベアリング72の近接(電力電子回路120の内周側)、すなわち後述の樹脂カバー130と樹脂カバー150間に、冷却通風路の出口部140bに合流する第2吸気口26を設けたものである。
リヤブラケット2の後方外側には、回転電機部200に電力を供給する電力供給ユニット300である、ブラシ100と回転センサ110、電力電子回路120を配置し、リヤブラケット2に搭載している。電力電子回路120は、半導体スイッチング素子や、制御回路を内蔵し、固定子巻線31や界磁巻線5への電力供給を制御する。電力電子回路120のリヤブラケットの反対側には樹脂カバー130を配置し、電力電子回路120を保護する。又、ブラシ100及び回転センサ110のリヤブラケット2の反対側に樹脂カバー150を配置し、ブラシ100及び回転センサ110を保護する。
リヤブラケット2の、電力電子回路120の搭載面の外周側に吸気口21を配置し、側面側に排気口22を配置する。吸気口21の内周側の回転電機部200側に放熱用フィン23を配置する。放熱用フィン23の先端には、放熱用フィン23からリヤブラケット2の外周付近にかけて薄板状ガイド140を設ける。
又、リヤブラケット2の、電力電子回路120の搭載面の内周側と、ブラシ100及び回転センサ110の外周側の間に第2吸気口26を配置する。
この電力供給ユニット一体型回転電機では、回転子6が回転駆動すると冷却ファン81(図示せず)及び冷却ファン82が駆動し、図8の矢印で示すように、冷却風Wは、リヤブラケットの吸気口21から吸入し、薄板状ガイド140に沿って放熱用フィン23を通過して電力電子回路120を冷却し、遠心方向に曲げられ、回転子6及び固定子3を冷却して排気口22から排出する。一方、冷却風W2はリヤブラケットの第2吸気口26から吸入し、放熱用フィン23を通過すると共に冷却風Wと合流して排気口22から排出する。
放熱用フィン23及び吸気口21、排気口22、第2吸気口26の形成は、リヤブラケット2を型で作成する際に、軸方向に抜く型にすることで容易に作成できる。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1:フロントブラケット(負荷側ブラケット)、
11:フロントブラケット側の吸気口、
12:フロントブラケット側の排気口、
2:リヤブラケット(反負荷側ブラケット)
21:リヤブラケット側の吸気口、
22:リヤブラケット側の排気口、
23:放熱用フィン、 23a:段差部、 24:隆起部、
25a:還流防止用隆起部、 25:還流防止用隔壁リブ、
26:リヤブラケットの第2吸気口、 3:固定子、 31:固定子巻線、
32:固定子鉄心、 4:回転子軸、 5:界磁巻線、 6:回転子、
71:フロント側ベアリング(軸受部)、 72:リヤ側ベアリング(軸受部)、
81:フロント側の冷却ファン、 82:リヤ側の冷却ファン、
9:プーリー、 100:ブラシ、 110:回転センサ、
120:電力電子回路、 121:電力半導体部品、 130:樹脂カバー、
140:薄板状ガイド、 200:回転電機部、 300:電力供給ユニット、
W:リヤブラケット側の冷却風、 W1:フロント側の冷却風、
W2:リヤブラケット側の第2冷却風。

Claims (10)

  1. 負荷側ブラケット及び反負荷側ブラケットに回転可能に支持された回転子軸、この回転子軸に嵌着され界磁巻線を有する回転子、この回転子を囲繞するように配置され固定子巻線を有する固定子、及びこの固定子と上記回転子に電力を供給するため上記反負荷側ブラケットに取り付けた電力供給ユニットを備えた電力供給ユニット一体型回転電機であって、
    上記反負荷側ブラケットの外側端面に、上記電力供給ユニットを直接取り付け、
    この電力供給ユニットの取り付け位置に対向する上記反負荷側ブラケットの内側端面に、その径方向に複数の放熱用フィンを直接取り付け、
    この放熱用フィンと上記回転子間における上記回転子軸に、上記放熱用フィンを冷却する冷却ファンを取り付け、
    上記反負荷側ブラケットの外周面に、上記冷却ファンの排気口を設けると共に、上記反負荷側ブラケットの端面に、上記冷却ファンの吸気口を設け、
    この吸気口と上記放熱用フィンとを薄板状ガイドで覆うことによって、上記冷却ファンの内径負圧部近接に出口部を有する冷却通風路を形成し、
    上記冷却ファンの回転時に、この冷却ファンの内径側に発生する負圧によって上記吸気口から吸い込まれた冷却風を、上記放熱用フィンを経て上記冷却ファンの内径負圧部へ導いた後に上記排気口から排出することを特徴とする電力供給ユニット一体型回転電機。
  2. 上記吸気口の外周側口縁部には、上記反負荷側ブラケットと一体成形された隆起部を設け、この隆起部に上記薄板状ガイドを取り付け、上記隆起部に上記冷却通風路の入口部を形成したこと特徴とする請求項1に記載の電力供給ユニット一体型回転電機。
  3. 上記吸気口の外周側口縁部には、上記冷却ファンの吸気口を覆うように上記薄板状ガイドを折り曲げ延在させ、この折り曲げ延在部に上記冷却通風路の入口部を形成したこと特徴とする請求項1に記載の電力供給ユニット一体型回転電機。
  4. 上記放熱用フィンは、上記回転子軸の軸受部まで延長し且つこの軸受部に接触させたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力供給ユニット一体型回転電機。
  5. 上記放熱用フィンには、段差部を設け、上記冷却ファンの羽部を配置可能にした空間部を形成したことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力供給ユニット一体型回転電機。
  6. 上記排気口と上記吸気口は、上記反負荷側ブラケットの周方向に互い違いに千鳥状に配置したことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力供給ユニット一体型回転電機。
  7. 互いに隣り合う上記吸気口と上記排気口との間に、還流防止用隔壁リブを設けたことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力供給ユニット一体型回転電機。
  8. 上記電力供給ユニットのパワー回路装置の径方向の大きさが、軸方向のモータと逆側ほど大きく、径方向に張り出した上記パワー回路装置の上記反負荷側ブラケットの投影部に上記吸気口を配置したことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力供給ユニット一体型回転電機。
  9. 上記吸気口は、上記放熱用フィンと対向し且つ上記電力供給ユニットの電力半導体部品の近接に配置したことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力供給ユニット一体型回転電機。
  10. 上記反負荷側ブラケットの端面に、上記冷却通風路の出口部に合流する第2吸気口を設けたことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電力供給ユニット一体型回転電機。
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