JP5787226B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。

従来から、ダイオードの負極側素子をハウジング（フレーム）に埋め込み、ハウジング内に冷却水を循環させることでこの負極側素子を冷却するとともに、正極側素子をハウジングから離れた冷却フィンに固定し、熱伝導率の高い絶縁体を介してハウジングに熱を伝えると同時に冷却ファンにより吸入した冷却風を用いてこの正極側素子を冷却するようにした回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−２０２２３４号公報

ところで、負極側素子と正極側素子には同じ電流が流れるため、それぞれの素子の発熱量は同じであると考えられるが、冷却水を用いて冷却されるハウジングから離れて正極側素子が配置されているため、正極側素子に対する冷却能力が負極側素子に比べると低下し、正極側素子の温度が高くなるおそれがあるという問題があった。

また、冷却水を用いてハウジングを冷却しており、回転子のリア側に設けられた冷却ファンの外径側に通風用の窓を設けることができないため、ハウジング内に取り込んだ冷却風の排出が効率よく行えず、ハウジング内に滞留した冷却風の温度が上昇して回転子の温度が高くなるおそれがあるという問題があった。特に、この冷却風の滞留は、正極側素子を冷却するために外部から導入される冷却風量の低下の原因になるため、冷却能力が低下することが懸念され、改善の必要がある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、水冷式のフレームを用いる場合に負極側素子と正極側素子の両方を効率よく冷却することができる車両用回転電機を提供することにある。また、本発明の他の目的は、水冷式のフレームを用いる場合に回転子を効率よく冷却することができる車両用回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、回転子と、回転子と対向配置された固定子と、固定子に備わった固定子巻線に誘起される交流電流を直流電流に変換してバッテリに供給、または、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換して固定子巻線に供給する電力変換器と、回転子および固定子を保持するとともに電力変換器が固定されるフレームとを備える車両用回転電機において、フレームは、冷却液流路を有し、この冷却液流路を通して流れる冷却液によって冷却され、電力変換器は、固定子巻線とバッテリの負極側端子との間に挿入される負極側素子と、固定子巻線とバッテリの正極側端子との間に挿入される正極側素子とを有し、負極側素子および正極側素子のそれぞれのフレーム側端部を、フレームの軸方向端面に接触させ、あるいは、放熱部材を介して接触させるとともに、負極側素子および正極側素子のそれぞれの反フレーム側端部を、冷却風の通風路に配置している。冷却液で冷却される水冷式のフレームに負極側素子および正極側素子のそれぞれの一方端側を直接的あるいは間接的に接触させて冷却するとともに、他方端側を冷却風で冷却することにより負極側素子と正極側素子の両方を効率よく冷却することができる。

また、上述したフレームは、電力変換器が軸方向端面に取り付けられるリア部と、回転子を挟んでリア部と反対側に位置するフロント部とを有し、回転子は、軸方向端面に冷却ファンを有し、冷却ファンを回転させることにより、負極側素子および正極側素子のそれぞれの反フレーム側端部が配置された通風路を通して流れる冷却風を、リア部に設けられた吸入窓を通してフレームの内部に導入し、フロント部に設けられた排出窓から排出する。冷却風をフレームのリア部からフロント部に向けて一方向に流すことにより、リア部側とフロント部側の両方から冷却風を取り込む場合に比べて、冷却風の干渉をなくして冷却風量の低下を抑えることができ、冷却風によって回転子を効率よく冷却することができる。

また、上述した排出窓は、フロント部の外径側のみに形成されている。通風経路となるフロント部の外径側に冷却風の排出窓を設けることにより、冷却風による冷却能力を向上させることができる。

また、上述した冷却ファンは、回転子の軸方向端面であってフロント部側に設けられており、冷却風を排出窓に向けて押し出す向きに傾斜する羽根形状を有することが望ましい。これにより、フロント部に設けられた排出窓から排出する冷却風量を増加させて、冷却風による冷却能力をさらに向上させることができる。

また、上述した冷却ファンは、回転子の軸方向端面であってフロント部側とリア部側の両側に設けられていることが望ましい。これにより、さらに冷却風量を増加させて冷却能力を向上させることができる。

また、リア部側の冷却ファンは、冷却風をフロント部側へ押し込む向きに傾斜する羽根形状を有することが望ましい。これにより、さらに軸方向の冷却風量を増加させて冷却能力を向上させることができる。

また、上述した負極側素子および正極側素子のそれぞれの反フレーム側の端部には放熱フィンが形成されていることが望ましい。これにより、負極側素子および正極側素子の放熱性を高めて空冷によってさらに効率よくこれらの素子を冷却することが可能となる。

また、上述した電力変換器を覆うリアカバーをさらに備え、リアカバーは、負極側素子および正極側素子のそれぞれの反フレーム側端部の外径側に、通風路の一方端となる吸入窓を有することが望ましい。これにより、外部から取り入れて温度が上昇する前の冷却風で負極側素子および正極側素子を冷却することができ、空冷の効果をさらに高めることができる。

また、上述した負極側素子および正極側素子の少なくとも一方とフレームとの間には電気絶縁部材が挿入されていることが望ましい。これにより、負極側素子や正極側素子、あるいは、放熱部材を介在させている場合にはこの放熱部材を、間隔を開けずに直接フレームに接触させることが可能になり、負極側素子や正極側素子の熱をフレームに伝達して効率よくこれらの素子を冷却することができる。

また、上述した負極側素子および正極側素子のそれぞれのフレーム側端部を放熱部材を介してフレームの軸方向端面に接触させるとともに、負極側素子および正極側素子のそれぞれを他の部品と接続するために用いられるバスバーを放熱部材として用いることが望ましい。これにより、別部品としての放熱部材を追加する必要がないため、部品点数の低減によるコスト低減が可能となる。また、バスバー上に負極側素子や正極側素子を配置することにより、電力変換器の組み立て作業が容易となる。

また、上述した回転子は、周方向に隣接する爪状磁極部の間に配置された永久磁石を有することが望ましい。これにより、フレームのリア部からフロント部に向けて一方向に流す冷却風によって、回転子の爪状磁極部間に備わった永久磁石を冷却することができ、永久磁石の減磁を防止することができる。

また、上述した固定子巻線は、それぞれの断面が四角形形状を有する複数の導体セグメントの端部同士を接合することにより構成されていることが望ましい。固定子巻線を導体セグメントで構成することにより固定子巻線の高占積率化、低抵抗化を実現することができ、水冷式のフレームとともに固定子の温度を低減することができ、冷却風によって主に回転子を効率的に冷却することが可能となる。また、これに伴って、高出力化した際に各部の温度を許容範囲に収めることが容易となる。

一実施形態の車両用回転電機の全体構成を示す図である。 センター部とリア部によって形成される冷却液流路の説明図である。 フロント部の平面図である。 冷却ファンの羽根形状を示す平面図である。 電力変換器を含む車両用回転電機の結線図である。 負極側素子および正極側素子と放熱部材の具体的な形状を示す平面図である。 負極側素子および正極側素子の変形例を示す平面図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用回転電機について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の車両用回転電機の全体構成を示す図である。図１に示す車両用回転電機１００は、フレーム１、固定子２、回転子３、電力変換器４、ブラシ装置５、制御装置６、回転センサ７、リアカバー８、プーリ９等を含んで構成されている。

フレーム１は、回転子３と固定子２を保持するためのものであり、リア部１Ａ、センター部１Ｂ、フロント部１Ｃの３つの分割部位によって構成されている。センター部１Ｂは、固定子２を内包する筒状部材であり、内部に冷却液流路１１を構成する凹部１１Ａを有する。リア部１Ａは、センター部１Ｂの一方の軸方向端部であるリア側（反プーリ側）を塞ぐ円盤状部材である。センター部１Ｂの冷却液流路１１はセンター部１Ｂの一方の軸方向端部において開口し、この開口部の両側に気密性維持のためのＯリング１２が配置されており、これらのＯリング１２に当接するようにリア部１Ａを取り付けて凹部１１Ａの開口面を閉塞することにより冷却液流路１１が形成される。また、リア部１Ａは、センター部１Ｂと反対側の軸方向端面に電力変換器４が取り付けられているとともに、内径寄りに冷却風をフレーム１内部に導入するための複数個の吸入窓１３が設けられている。

図２は、センター部１Ｂとリア部１Ａによって形成される冷却液流路１１の説明図である。図２に示すように、冷却液流路１１は、横断面がＣ字形状を有しており、その一方端に対応するリア部１Ａの一部に冷却液入口１１Ｂが、他方端に対応するリア部１Ａの一部に冷却液出口１１Ｃが設けられている。これらの冷却液入口１１Ｂおよび冷却液出口１１Ｃのそれぞれには、冷却液用配管１１Ｄ（図１）が接続されて冷却液の供給および排出が行われる。このような冷却液流路１１を通して冷却液を流すことにより、フレーム１が冷却される。

フロント部１Ｃは、センター部１Ｂの他方の軸方向端部であるフロント側（プーリ側）を塞ぐ円盤状部材であり、回転子３を挟んでリア部１Ａと反対側に位置している。フロント部１Ｃには、外径側に冷却風をフレーム１の外部に排出するための複数の排出窓１４が形成されている。

図３は、フロント部１Ｃの平面図である。図３に示すように、フロント部１Ｃの外径側の端部には径方向に所定間隔で延在する複数のリブ１５によって区画される複数の排出窓１４が形成されている。なお、図３ではリブ１５の延在方向を径方向としたが、冷却風の排出方向に合わせて径方向からずらして傾斜させるようにしてもよい。

固定子２は、回転子３と対向配置されており、固定子鉄心２１およびこの固定子鉄心２１に巻回された固定子巻線２２とを有する。例えば、固定子巻線２２は、断面が四角形形状を有するＵ字状の導体セグメントを固定子鉄心２１の一方の軸方向端面側から固定子鉄心２１の各スロットに挿通し、スロットから各導体セグメントの飛び出し端部を固定子鉄心２１の他方の軸方向端面側に必要な長さだけ突出させ、各導体セグメントの飛び出し端部を周方向にそれぞれ捻り、各導体セグメントの飛び出し端部の先端部（接合部）を所定の組み合わせで溶接によって接合することにより構成されている。このようにして、直線部とターン部とを有するＵ字状の導体セグメントを溶接にて複数本直列接続することにより固定子巻線２２が形成されている。

回転子３は、界磁極としてのポールコア３１、３２と、これらを磁化させる界磁巻線３３と、回転軸３４と、周方向に隣接するポールコア３１、３２の各爪状磁極部の間に配置されてこれらの間に生じる漏れ磁束を低減する永久磁石３５と、ポールコア３１、３２のそれぞれの軸方向端面に取り付けられた冷却ファン３６、３７とを備えている。この回転子３は、フレーム１のセンター部１Ｂおよびフロント部１Ｃのそれぞれに設けられたベアリングボックスに収納される一対のベアリングにより回転自在に保持されている。また、回転軸３４の前端にはプーリ９がナットにより結合されている。さらに、フレーム１のリア部１Ａの外側に位置する回転軸３４の後端には、界磁巻線３３の両端のそれぞれに接続された一対のスリップリングが設けられている。これらのスリップリングには、ブラシ装置５に備わった一対のブラシが摺動可能な状態で接触しており、制御装置６から励磁電流が供給される。

図４は、冷却ファンの羽根形状を示す平面図である。図４(ａ）にはフロント部１Ｃ側に取り付けられた冷却ファン３６の羽根形状が、図４（ｂ）にはリア部１Ａ側に取り付けられた冷却ファン３７の羽根形状がそれぞれ示されている。図４（ａ）に示すフロント部１Ｃ側の冷却ファン３６は、鉄板等の板材をプレス成形することにより形成されており、ポールコア３１の軸方向端面と平行なベース部３６Ａと、このベース部３６Ａの一部を切り起こして形成されるブレード部３６Ｂとを有する。ブレード部３６Ｂを切り起こす角度（ベース部３６Ａとブレード部３６Ｂとの角度）は、９０度よりも大きい角度に設定されている。従来から、この角度を９０°未満に設定した斜流ファンをフロント部側に用いた車両用交流発電機が知られているが、本実施形態では、ブレード部３６Ｂの傾斜の向きをこの斜流ファンと反対にした「逆斜流」の冷却ファン３６が用いられており、回転時に冷却風をフレーム１のフロント部１Ｃの排出窓１４に向けて押し出している。

同様に、図４（ｂ）に示すリア部１Ａ側の冷却ファン３７は、鉄板等の板材をプレス成形することにより形成されており、ポールコア３１の軸方向端面と平行なベース部３７Ａと、このベース部３７Ａの一部を切り起こして形成されるブレード部３７Ｂとを有する。ブレード部３７Ｂを切り起こす角度（ベース部３７Ａとブレード部３７Ｂとの角度）は、９０度未満の角度に設定されている。なお、この例では冷却ファン３７を斜流ファンとしたが、ブレード部を切り起こす角度が９０°の遠心ファンを用いるようにしてもよい。

電力変換器４は、固定子巻線２２に接続されて、固定子巻線２２に誘起された交流起電力を直流に変換する動作（発電動作時）と、車両に搭載されたバッテリ（図示せず）に蓄積された直流電力を交流に変換して固定子巻線２２に供給する動作（電動動作時）の少なくとも一方を行う。

図５は、電力変換器４を含む車両用回転電機１００の結線図である。図５に示すように、電力変換器４は、２つのブリッジ回路４Ａ、４Ｂを備える。本実施形態の固定子巻線２２は、Ｙ結線された２組の三相巻線２２Ａ、２２Ｂを有しており、これら２組の三相巻線２２Ａ、２２Ｂが共通の固定子鉄心２１に所定の電気角ずらした状態で巻回されている。そして、一方の三相巻線２２Ａが一方のブリッジ回路４Ａに接続され、他方の三相巻線２２Ｂが他方のブリッジ回路４Ｂに接続されている。

一方のブリッジ４Ａは、三相巻線２２Ａのそれぞれの相巻線に接続された一対の負極側素子４０Ａおよび正極側素子４２Ａを３組備えている。負極側素子４０Ａは、三相巻線２２Ａの一の相巻線とバッテリの負極側端子との間に挿入されており、例えばＭＯＳトランジスタが用いられている。このＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン間には、アノードがバッテリの負極側端子となる向きにダイオードが並列接続されている。このダイオードはＭＯＳトランジスタの寄生ダイオード（ボディダイオード）によって実現されるが、別部品としてのダイオードをさらに並列接続するようにしてもよい。正極側素子４２Ａは、三相巻線２２Ａの一の相巻線とバッテリの正極側端子との間に挿入されており、例えばＭＯＳトランジスタが用いられている。このＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン間には、カソードがバッテリの正極側端子となる向きにダイオードが並列接続されている。このダイオードはＭＯＳトランジスタの寄生ダイオード（ボディダイオード）によって実現されるが、別部品としてのダイオードをさらに並列接続するようにしてもよい。

他方のブリッジ回路４Ｂは、三相巻線２２Ｂのそれぞれの相巻線に接続された一対の負極側素子４０Ｂおよび正極側素子４２Ｂを３組備えている。このブリッジ回路４Ｂは、基本的にはブリッジ回路４Ａと同じ構成を有しており、詳細な説明は省略する。

なお、本実施形態の車両用回転電機１００は、２組の三相巻線２２Ａ、２２Ｂおよび２つのブリッジ回路４Ａ、４Ｂを備えているが、１組の三相巻線と１つのブリッジ回路を組み合わせたり、３組以上を組み合わせるようにしてもよい。また、三相巻線を用いる場合を説明したが、それ以外の相数の多相巻線を用いるようにしてもよい。この場合には、相数に応じた数の負極側素子４０Ａ、４０Ｂと正極側素子４２Ａ、４２Ｂを用いればよい。さらに、三相巻線２２Ａ、２２Ｂは、Ｙ結線に限らずΔ結線を行うようにしてもよい。

また、図５に示すコンデンサ２４、２６、２８は、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂをオンオフする際に発生するスイッチングノイズを除去あるいは低減するためのものである。図５に示す例では３つのコンデンサ２４、２６、２８が用いられているが、スイッチングノイズの大きさに応じて適宜その数を変更することができる。また、コンデンサ２４等がなくてもスイッチングノイズが許容できる大きさに収まる場合には、コンデンサ２４等を省略するようにしてもよい。

本実施形態では、図１に示すように、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのそれぞれは、フレーム側端部がフレーム１のリア部１Ａの軸方向端面に放熱部材４４を介して接触しており、反フレーム側端部が冷却風の通風路Ｗに露出するように取り付けられている。

図６は、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂと放熱部材４４の具体的な形状を示す平面図である。図６において、一方の電力変換器４Ａは、６個の負極側素子４０Ａおよび６個の正極側素子４２Ａと、各負極側素子４０Ａのソースが共通に接続されるバスバー４６Ａと、各正極側素子４２Ａのドレインが共通に接続されるバスバー４６Ｂと、三相巻線２２Ａの各相巻線が個別に接続される３つのバスバー４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅとを備える。図５に示した結線図では、三相巻線２２Ａの各相巻線に対応して１つの負極側素子４０Ａと１つの正極側素子４２Ａを図示したが、図６に示した例では、負極側素子４０Ａおよび正極側素子４２Ａのそれぞれが別々にパッケージングされた２つのＭＯＳトランジスタによって実現されている。この点は、他方の電力変換器４Ｂにおいても同様である。なお、２つのＭＯＳトランジスタに代えて定格電流が大きな１つのＭＯＳトランジスタを用いるようにしてもよい。

バスバー４６Ａは、バッテリの負極側端子との接続を行う配線として用いられ、例えば熱伝導性に優れるとともに低抵抗の銅板によって構成されている。バスバー４６Ｂは、バッテリの正極側端子との接続を行う配線として用いられ、バスバー４６Ａと同様に、例えば熱伝導性に優れるとともに低抵抗の銅板によって構成されている。バスバー４６Ｃは、三相巻線２２Ａに含まれるＵ相巻線の一方端と負極側素子４０Ａおよび正極側素子４２Ａとの接続を行う配線として用いられる。バスバー４６Ｄは、三相巻線２２Ａに含まれるＶ相巻線の一方端と負極側素子４０Ａおよび正極側素子４２Ａとの接続を行う配線として用いられる。バスバー４６Ｅは、三相巻線２２Ａに含まれるＷ相巻線の一方端と負極側素子４０Ａおよび正極側素子４２Ａとの接続を行う配線として用いられる。これら３つのバスバー４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅのそれぞれは、バスバー４６Ａ等と同様に、例えば熱伝導性に優れるとともに低抵抗の銅板によって構成されている。

また、図６において、他方の電力変換器４Ｂは、６個の負極側素子４０Ｂおよび６個の正極側素子４２Ｂと、各負極側素子４０Ｂのソースが共通に接続されるバスバー４６Ａと、各正極側素子４２Ｂのドレインが共通に接続されるバスバー４６Ｂと、三相巻線２２Ｂの各相巻線が個別に接続される３つのバスバー４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈとを備える。

バスバー４６Ａは、バッテリの負極側端子との接続を行う配線として用いられる。バスバー４６Ｂは、バッテリの正極側端子との接続を行う配線として用いられる。図６に示す例では、バスバー４６Ｂは、２つのブリッジ回路４Ａ、４Ｂにおいて共通の部品が用いられているが、ブリッジ回路４Ａ、４Ｂのそれぞれ用に分割した部品としてもよい。

バスバー４６Ｆは、三相巻線２２Ｂに含まれるＸ相巻線の一方端と負極側素子４０Ａおよび正極側素子４２Ａとの接続を行う配線として用いられる。バスバー４６Ｇは、三相巻線２２Ｂに含まれるＹ相巻線の一方端と負極側素子４０Ａおよび正極側素子４２Ａとの接続を行う配線として用いられる。バスバー４６Ｈは、三相巻線２２Ｂに含まれるＺ相巻線の一方端と負極側素子４０Ａおよび正極側素子４２Ａとの接続を行う配線として用いられる。これら３つのバスバー４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈのそれぞれは、バスバー４６Ｃ等と同様に、例えば熱伝導性に優れるとともに低抵抗の銅板によって構成されている。

ところで、図６に示すように、バスバー４６Ｂは、正極側素子４２Ａ、４２Ｂの下側に配置されている。また、バスバー４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ、４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈは、負極側素子４０Ａ、４０Ｂの下側に配置されている。これらのバスバー４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ、４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈは、上述した放熱部材４４として機能するものであり、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂとフレーム１のリア部１Ａとの間に配置されて、これらの間で効率よく熱を伝える役目をなしている。

一般には、リア部１Ａはボディアースであってバッテリの負極側端子に接続されるため、上述したバスバー４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ、４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈとリア部１Ａは異なる電位を有する。このため、これらの間には、電気絶縁部材としての絶縁シート４８（図６）が挿入されており、絶縁シート４８を介した状態で電力変換器４のリア部１Ａへ電極変換器４の組み付けが行われる。

また、本実施形態の負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのそれぞれを構成する各ＭＯＳトランジスタは、銅等の金属板によって形成されたヒートシンク４９（図１）を有しており、このヒートシンク４９が放熱部材４４としてのバスバー４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ、４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈの表面に接触した状態で取り付けられている。

制御装置６は、ブラシ装置５を介して回転子３の界磁巻線３３に供給する励磁電流を制御するとともに、電力変換器４に備わった負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのオンオフ制御を行う。なお、励磁電流を制御する構成と、負極側素子４０Ａ等をオンオフ制御する構成とを分けて、別部品にて構成するようにしてもよい。回転センサ７は、回転子３の位置を検出する。制御装置６では、電動動作時にこの検出結果に基づいて負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのオンオフ制御が行われる。

リアカバー８は、ブラシ装置５、電力変換器４、制御装置６、回転センサ７等の電気部品を覆ってこれらを異物から保護する。このリアカバー８は、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのそれぞれの反フレーム側端部の外径側に、通風路Ｗの一方端となる吸入窓８０を有する。

本実施形態の車両用回転電機１００はこのような構成を有しており、次に、回転子３を回転したときにリアカバー８およびフレーム１内に導入される冷却風の流れと、電力変換器４の負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂの冷却について説明する。

回転子３が回転するとこれに取り付けられた冷却ファン３６、３７が回転する。リア側の冷却ファン３７の回転に伴ってその内径側が負圧となるため、リアカバー８の径方向側面に設けられた吸入窓８０から冷却風がリアカバー８内に取り込まれる。この取り込まれた冷却風は、通風路Ｗを通して内径側に導入され、フレーム１のリア部１Ａに設けられた吸入窓１３を通してフレーム１内に取り込まれる。さらに、この冷却風は回転子３と固定子２の間の隙間を通った後にフレーム１のフロント部１Ｃに設けられた排出窓１４から排出される。特に、フロント側の冷却ファン３６は、ブレード部３６Ｂが逆斜流になっており、リア側から流れる冷却風を引き込むとともに、フロント部１Ｃの排出窓１４に向けて少ない通風抵抗で冷却風を押し出して排出することができる。

また、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのそれぞれは、放熱部材４４としてのバスバー４６Ｂ等の表面に接触した状態で取り付けられている。さらに、この放熱部材４４は、絶縁シート４８を介して直接（この「直接」は「断熱部材や空気層を介さず」の意味で用いられている）フレーム１のリア部１Ａに接触している。このフレーム１は、冷却液流路１１に冷却液を流すことにより冷却されており、放熱部材４４が取り付けられるリア部１Ａの温度を低温（例えば、水冷式ではなく空冷式のフレーム冷却を行った場合に比べて）に維持することが可能であり、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのそれぞれのフレーム側端部を放熱部材４４を通して効率よく冷却することが可能となる。

一方、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのそれぞれの反フレーム側端部は、リアカバー８の径方向側面の吸入窓８０につながる通風路Ｗに露出しており、吸入窓８０からリアカバー８内に導入された温度上昇前の冷却風によって効率よく冷却することが可能となる。

このように、本実施形態の車両用回転電機１００では、冷却液で冷却される水冷式のフレーム１に負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのそれぞれの一方端側を直接的あるいは間接的に接触させて冷却するとともに、他方端側を冷却風で冷却することにより負極側素子４０Ａ、４０Ｂと正極側素子４２Ａ、４２Ｂの両方を効率よく冷却することができる。

また、冷却風をフレーム１のリア部１Ａからフロント部１Ｃに向けて一方向に流すことにより、リア部１Ａ側とフロント部１Ｃ側の両方から冷却風を取り込む場合に比べて、冷却風の干渉をなくして冷却風量の低下を抑えることができ、冷却風によって回転子３を効率よく冷却することができる。

また、通風経路となるフロント部１Ｃの外径側に冷却風の排出窓１４を設けることにより、冷却風による冷却能力を向上させることができる。特に、フロント部１Ｃ側に設けられた冷却ファン３６のブレード部３６Ｂを、冷却風を排出窓１４に向けて押し出す向きに傾斜させることにより、フロント部１Ｃに設けられた排出窓１４から排出する冷却風量を増加させて冷却風による冷却能力をさらに向上させることができる。また、回転子３の両方の軸方向端面に冷却ファン３６、３７を設けることにより、冷却風量を増加させて冷却能力を向上させることができる。なお、冷却ファン３７の羽根形状を、図４（ｂ）に示すようにフロント部１Ｃ側に冷却風を押し込む向きに傾斜させることにより、さらに軸方向の冷却風量を増加させて冷却能力を向上させることができる。

また、リアカバー８の吸入窓８０を、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂのそれぞれの反フレーム側端部の外径側に設けることにより、リアカバー８の外部から取り入れて温度が上昇する前の冷却風でこれらの素子を冷却することができ、空冷の効果をさらに高めることができる。

また、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂとフレーム１のリア部１Ａとの間（具体的には、バスバー４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ、４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈとリア部１Ａとの間）に絶縁シート４８を挿入することにより、これらを間隔を開けずに直接接触させることが可能になり、負極側素子４０Ａ、４０Ｂや正極側素子４２Ａ、４２Ｂの熱をフレーム１に伝達して効率よくこれらの素子を冷却することができる。

また、バスバー４６Ｂ等を放熱部材４４として用いることにより、別部品としての放熱部材４４を追加する必要がないため、部品点数の低減によるコスト低減が可能となる。また、バスバー４６Ｂ等の上に負極側素子４０Ａ、４０Ｂや正極側素子４２Ａ、４２Ｂを配置することにより、電力変換器４の組み立て作業が容易となる。

また、爪状磁極部間に永久磁石３５を配置した回転子３を用いた場合であっても、フレーム１のリア部１Ａからフロント部１Ｃに向けて一方向に流す冷却風によって、回転子３の爪状磁極部間に備わった永久磁石３５を冷却することができるため、永久磁石３５の減磁を防止することができる。

また、固定子巻線２２を導体セグメントで構成することにより固定子巻線２２の高占積率化、低抵抗化を実現することができ、水冷式のフレーム１とともに固定子２の温度を低減することができ、冷却風によって主に回転子３を効率的に冷却することが可能となる。また、これに伴って、高出力化した際に各部の温度を許容範囲に収めることが容易となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、フレーム側端部にヒートシンク４９を備えた負極側素子４０Ａ等を用いたが、図７に示すように、さらに反フレーム側に突出する放熱フィン４７を追加した負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂを用いるようにしてもよい。これにより、負極側素子４０Ａ、４０Ｂおよび正極側素子４２Ａ、４２Ｂの放熱性を高めて空冷によってさらに効率よくこれらの素子を冷却することが可能となる。

また、上述した実施形態では、バスバー４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ、４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈの上に負極側素子４０Ａ、４０Ｂを搭載し、バスバー４６Ｂの上に正極側素子４２Ａ、４２Ｂを搭載した場合について説明したが、バスバー４６Ａの上に負極側素子４０Ａ、４０Ｂを搭載したり、これらバスバーと搭載する各素子の組合せを適宜変更するようにしてもよい。また、バスバー４６Ａについてはその電位がリア部１Ａの電位と同じであるため、これらの間の絶縁シート４８を省略することができる。また、バスバー上に各素子を搭載するのではなく、バスバーとは別部材の放熱部材（例えば、銅やアルミニウムの板材を用いる場合が考えられる）を用い、この放熱部材の上に各素子を搭載したり、各素子をフレーム１のリア部１Ａ上に直接搭載するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、発電動作と電動動作の両方を行うことが可能な車両用回転電機１００について説明したが、いずれか一方の動作のみを行う車両用回転電機についても本発明を適用することができる。

上述したように、本発明によれば、冷却液で冷却される水冷式のフレームに負極側素子および正極側素子のそれぞれの一方端側を直接的あるいは間接的に接触させて冷却するとともに、他方端側を冷却風で冷却することにより負極側素子と正極側素子の両方を効率よく冷却することができる。

１ フレーム
１Ａ リア部
１Ｂ センター部
１Ｃ フロント部
２ 固定子
３ 回転子
４ 電力変換器
４Ａ、４Ｂ ブリッジ回路
８ リアカバー
１１ 冷却液流路
１３、８０ 吸入窓
１４ 排出窓
２１ 固定子鉄心
２２ 固定子巻線
２２Ａ、２２Ｂ 三相巻線
３１、３２ ポールコア
３５ 永久磁石
３６、３７ 冷却ファン
４０Ａ、４０Ｂ 負極側素子
４２Ａ、４２Ｂ 正極側素子
４４ 放熱部材
４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ、４６Ｆ、４６Ｇ、４６Ｈ バスバー
４７ 放熱フィン
４８ 絶縁シート
１００ 車両用回転電機

Claims (10)

1. 回転子と、前記回転子と対向配置された固定子と、前記固定子に備わった固定子巻線に誘起される交流電流を直流電流に変換してバッテリに供給、または、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換して前記固定子巻線に供給する電力変換器と、前記回転子および前記固定子を保持するとともに前記電力変換器が固定されるフレームとを備える車両用回転電機において、
   前記フレームは、冷却液流路を有し、この冷却液流路を通して流れる冷却液によって冷却され、
   前記電力変換器は、前記固定子巻線と前記バッテリの負極側端子との間に挿入される負極側素子と、前記固定子巻線と前記バッテリの正極側端子との間に挿入される正極側素子とを有し、
   前記負極側素子および前記正極側素子のそれぞれのフレーム側端部を、前記フレームの軸方向端面に接触させ、あるいは、放熱部材を介して接触させるとともに、前記負極側素子および前記正極側素子のそれぞれの反フレーム側端部を、冷却風の通風路に配置し、
   前記フレームは、前記電力変換器が軸方向端面に取り付けられるリア部と、前記回転子を挟んで前記リア部と反対側に位置するフロント部とを有し、
   前記回転子は、軸方向端面に冷却ファンを有し、
   前記冷却ファンを回転させることにより、前記負極側素子および前記正極側素子のそれぞれの反フレーム側端部が配置された前記通風路を通して流れる冷却風を、前記リア部に設けられた吸入窓を通して前記フレームの内部に導入し、前記フロント部に設けられた排出窓から排出し、
   前記排出窓は、前記フロント部の外径側のみに形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記冷却ファンは、前記回転子の軸方向端面であって前記フロント部側に設けられており、冷却風を前記排出窓に向けて押し出す向きに傾斜する羽根形状を有することを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または２において、
   前記冷却ファンは、前記回転子の軸方向端面であって前記フロント部側と前記リア部側の両側に設けられていることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項３において、
   前記リア部側の前記冷却ファンは、冷却風を前記フロント部側へ押し込む向きに傾斜する羽根形状を有することを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記負極側素子および前記正極側素子のそれぞれの反フレーム側の端部には放熱フィンが形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記電力変換器を覆うリアカバーをさらに備え、
   前記リアカバーは、前記負極側素子および前記正極側素子のそれぞれの反フレーム側端部の外径側に、前記通風路の一方端となる吸入窓を有することを特徴とする車両用回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記負極側素子および前記正極側素子の少なくとも一方と前記フレームとの間には電気絶縁部材が挿入されていることを特徴とする車両用回転電機。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記負極側素子および前記正極側素子のそれぞれのフレーム側端部を前記放熱部材を介して前記フレームの軸方向端面に接触させるとともに、
   前記負極側素子および前記正極側素子のそれぞれを他の部品と接続するために用いられるバスバーを前記放熱部材として用いることを特徴とする車両用回転電機。
9. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記回転子は、周方向に隣接する爪状磁極部の間に配置された永久磁石を有することを特徴とする車両用回転電機。
10. 請求項１〜９のいずれかにおいて、
    前記固定子巻線は、それぞれの断面が四角形形状を有する複数の導体セグメントの端部同士を接合することにより構成されていることを特徴とする車両用回転電機。

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