JP5807784B2

JP5807784B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5807784B2
Application number: JP2012174548A
Authority: JP
Inventors: 知晋岡村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: DE102013108139A1; JP2014036445A

Description

本発明は、乗用車やトラックに搭載される車両用回転電機などに用いられる電力変換装置に関する。

従来から、冷却フィンの上面にパワー素子を配置するとともに冷却フィンの下面に突起を配置し、突起を有する下面側に冷却風を流してパワー素子を冷却するようにした電力電子回路の冷却構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この冷却構造では、半径方向で流体の流れ方向にフィンを配置するとともに、このフィンを軸受け周辺のスロット（吸入口）に向かって集束させている。

特表２００６−５０４３８６号公報

ところで、特許文献１に開示された冷却構造では、パワー素子の位置によって突起の密度が異なり、冷却性能に差が生じるため、パワー素子の位置によっては必ずしも十分な冷却性能が得られないという問題があった。例えば、特許文献１では電力電子回路が径方向に２列に配置された例が示されているが、それぞれの電力電子回路に対応する冷却構造が同じではないため、それぞれの回路に含まれるパワー素子の冷却性能に差が生じる。

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、電力変換装置に含まれるパワー素子の冷却性能を高めることができ、複数のパワー素子を均等に冷却することができる電力変換装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、中心軸と非平行の向きに配置され、中心軸に対して外径側から内径側に向けて冷却媒体が流れる第１の放熱フィンと、第１の放熱フィンの一方の面に配置され、中心軸に対して放射状に形成された複数の第２の放熱フィンと、第１の放熱フィンの他方の面に配置されるとともに、中心軸を中心とする径方向に沿って中心軸側に偏って配置されたパワー素子と、パワー素子のオンオフタイミングを制御する制御素子とを備え、パワー素子が制御素子よりも内径側に配置されており、第１および第２の放熱フィンによってパワー素子が冷却される。これにより、第２の放熱フィンが密に配置されることにより放熱面積の広い箇所にパワー素子を配置することができるとともに、外径側から内径側に向けて冷却媒体の流速が増す位置にパワー素子を配置して冷却することができるため、パワー素子の冷却性能を高めることができる。

一実施形態の車両用交流発電機の断面図である。リヤ側から見た電力変換装置の斜視図である。整流器モジュールの内部構成を示す図である。第１および第２の放熱フィンと整流器モジュールの２つのパワー素子との位置関係を示す図である。第２の放熱フィンの変形例を示す図である。第２の放熱フィンの他の変形例を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の断面図である。図１に示すように、第１の実施形態の車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、電力変換装置４、フレーム５、リヤカバー６等を含んで構成されている。

固定子２は、固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に巻回した固定子巻線２２とを備えている。回転子３は、ポールコア３１を回転軸３２に通して、界磁巻線３３を両側から挟み込んだ構造を有している。ポールコア３１の軸方向端面には、冷却ファン３４、３５が溶接等によって取り付けられており、冷却ファン３４、３５とともに回転子３が回転する。固定子２は、この回転子３と対向配置されている。

電力変換装置４は、固定子巻線２２の出力電圧である交流電圧を整流器モジュール４１を用いて整流して直流の出力電力を得るためのものであり、整流器モジュール４１の冷却を行う放熱フィン４２を有する。

整流器モジュール４１は、三相の固定子巻線２２の出力を三相全波整流回路で整流する場合に、１組の上アーム素子および下アーム素子としての２つのパワー素子４１ａ、４１ｂ（具体的には２つのパワーＭＯＳトランジスタ）と、これらのオンオフタイミングを制御する制御素子４１ｃとを含んでいる（図３）。特に、２つのパワー素子４１ａ、４１ｂは、制御素子４１ｃやその他の図示しない素子に比べて発熱量が大きいため、優先的に冷却を行う必要がある。また、本実施形態では、三相巻線としての固定子巻線２２が２つ備わっており、図２に示すように、それぞれの固定子巻線２２に対応して３個、全体で６個の整流器モジュール４１が用いられている。

また、図２に示すように、放熱フィン４２は、回転軸３２に対して垂直方向に延在する第１の放熱フィン４３と、回転軸３２に対して放射状に形成されているとともに第１の放熱フィン４３からフロント側（固定子２や回転子３が配置された側）に向かって延在する第２の放熱フィン４４とを有する。第１および第２の放熱フィン４３、４４を有する放熱フィン４２は、例えばアルミダイカストにより一体形成されている。

フレーム５は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３を回転軸３２を中心に回転可能な状態で支持するとともに、回転子３のポールコア３１の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２を固定する。また、フレーム５は、固定子鉄心２１の軸方向端面から突出した固定子巻線２２に対向した部分に冷却風の吐出窓（図示せず）が、軸方向端面の内径側に冷却風の吸入窓５２がそれぞれ設けられている。具体的には、図１に示すように、リヤ側のフレーム５の軸方向端面の中央部には、回転子３を回転可能な状態で支持するために用いられる軸受け７を収容する軸受け収容部５３が形成されており、この軸受け収容部５３の外径側に隣接するように複数の吸入窓５２が形成されている。

リヤカバー６は、フレーム５のリヤ側に突出する回転軸３２の後方端部とともに、リヤ側の外部に取り付けられる電力変換装置４やブラシ装置、ＩＣレギュレータなどの電気部品の全体を覆って、これらを保護するためのものである。リヤカバー６は、樹脂材料（あるいは金属材料でもよい）によって形成されている。このリヤカバー６とリヤ側のフレーム５との間には、電力変換装置４の第１の放熱フィン４３の径方向外側に冷却媒体としての冷却風を吸入するための開口８が設けられている。

次に、整流器モジュール４１に含まれる２つのパワー素子４１ａ、４１ｂを他の素子に比べて優先的に冷却する構造について説明する。図２に示すように、第１の放熱フィン４３の一方の面側に第２の放熱フィン４４が配置されており、第１の放熱フィン４３の他方の面側に整流器モジュール４１が配置されている。したがって、整流器モジュール４１に含まれる２つのパワー素子４１ａ、４１ｂも、第１の放熱フィン４３を挟んで第２の放熱フィン４４と反対側に配置されている。

しかも、これら２つのパワー素子４１ａ、４１ｂは、回転軸３２（中心軸）を中心とする径方向に沿って回転軸３２側に偏って配置されている。具体的には、図４に示すように、第１の放熱フィン４３の表面を、回転軸３２に近い領域Ａと遠い領域Ｂに２分割したときに、２つのパワー素子４１ａ、４１ｂは近い領域Ａ内に配置されている。また、これら２つの領域Ａ、Ｂ内に配置された第２の放熱フィン４４を比べると、領域Ａ内の第２の放熱フィン４４の方が領域Ｂ内の第２の放熱フィン４４よりも密に配置されている。

回転子３に取り付けられたリヤ側の冷却ファン３５が回転すると、図４に矢印Ｆで示すように、第２の放熱フィン４４の外径側から導入された冷却風が第２の放熱フィン４４の間を通って内径側に流れ、フレーム５に形成された吸入窓５２に導かれる。第２の放熱フィン４４は、放射状に形成されているため、入口側（外径側）よりも出口側（内径側）の方が冷却風が通る流路が狭く（流路断面積が小さく）なっており、入口側から出口側に進むにしたがって流速が速くなる。このように、２つのパワー素子４１ａ、４１ｂは、冷却風の流速が速くなる領域Ａに配置されているため、パワー素子４１ａ、４１ｂの冷却性能を高めることができる。また、この領域Ａでは、領域Ｂよりも密に第２の放熱フィン４４が配置されているため、放熱面積の増大によってパワー素子４１ａ、４１ｂの冷却性能をさらに高めることができる。さらに、図４に示すように、第２の放熱フィン４４は、外径側から内径側まで切れ目なく形成されており、第１の放熱フィン４３から第２の放熱フィン４４の先端まで熱が伝わりやすくなっており、パワー素子４１ａ、４１ｂの放熱が促進される。

ところで、本実施形態の電力変換装置４に備わった６個の整流器モジュール４１は、回転軸３２からの距離が同じになるように、すなわち、６個の整流器モジュール４１に備わった合計１２個のパワー素子４１ａ、４１ｂについて回転軸３２からの距離が等しくなるように配置されている。しかも、放熱フィン４２におけるパワー素子４１ａ、４１ｂの位置関係が同じになるように各整流器モジュール４１が配置されている。したがって、６個の整流器モジュール４１に備わった合計１２個のパワー素子４１ａ、４１ｂを均等に冷却することが可能となる。なお、上記の距離が等しいとは、最大距離と最小距離との比率が１０％未満であることを意味する。

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、第２の放熱フィン４４を外径側から内径側まで切れ目なく形成したが、図５に示すように、途中に切れ目を入れるようにしてもよい。これにより、第１の放熱フィン４３の外径側から導入された冷却風の流れに対向する放熱面を第２の放熱フィン４４に複数設けることができ、第２の放熱フィン４４からの放熱を促すことができる。さらに、図６に示すように、途中に切れ目を入れた第２の放熱フィン４４において、パワー素子４１ａ、４１ｂの位置に近い放熱フィン４４０の周方向幅を広くしてもよい。これにより、放熱フィン４４０は、冷却風の流れに対向する放熱面を含めた放熱面積を拡大できるので、パワー素子４１ａ、４１ｂの冷却をさらに促進できる。

また、上述した実施形態では、整流器モジュール４１に備わった２つのパワー素子４１ａ、４１ｂとして例えば能動素子としての２つのパワーＭＯＳトランジスタが用いられていることを示したが、バイポーラトランジスタやダイオード等の他の素子を用いるようにしてもよい。また、パワー素子４１ａ、４１ｂが整流器モジュール４１に内蔵された場合について説明したが、パワー素子４１ａ等がモジュール化されておらず、単体の素子として放熱フィン４２に搭載される場合についても本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、２つの三相巻線を備える交流発電機について説明したが、１つしか三相巻線を備えない場合や、三相以外の多相巻線を有する交流発電機においては、それらに応じた数の整流器モジュールを配置し、本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、電力変換装置４に１つの放熱フィン４２が含まれる場合について説明したが、この放熱フィン４２は、複数に分割したものを用いるようにしてもよい。例えば、１あるいは複数の整流器モジュール４１毎に分割したり、パワー素子４１ａ、４１ｂを極性毎に分割したりする場合が考えられる。

また、上述した実施形態では、回転軸３２に対して第１の放熱フィン４３が垂直方向に延在する場合を考えたが、垂直以外で回転軸３２と非平行となるように傾斜した第１の放熱フィン４３を用いるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、車両用交流発電機１に備わった電力変換装置４について説明したが、車両用交流発電機１以外の車両用回転電機、あるいは車両以外に搭載された回転電機について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、外径側から内径側に向けて冷却媒体の流速が増す位置にパワー素子を配置して冷却することができるため、パワー素子の冷却性能を高めることができる。

４電力変換装置
３２回転軸
４３第１の放熱フィン
４４第２の放熱フィン
４１ａ、４１ｂパワー素子

Claims

中心軸（３２）と非平行の向きに配置され、前記中心軸に対して外径側から内径側に向けて冷却媒体が流れる第１の放熱フィン（４３）と、
前記第１の放熱フィンの一方の面に配置され、前記中心軸に対して放射状に形成された複数の第２の放熱フィン（４４）と、
前記第１の放熱フィンの他方の面に配置されるとともに、前記中心軸を中心とする径方向に沿って前記中心軸側に偏って配置されたパワー素子（４１ａ、４１ｂ）と、
前記パワー素子のオンオフタイミングを制御する制御素子（４１ｃ）と、
を備え、前記パワー素子が前記制御素子よりも内径側に配置されており、前記第１および第２の放熱フィンによって前記パワー素子が冷却されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、
前記複数の第２の放熱フィンは、前記中心軸に対して外径側よりも前記パワー素子が配置された内径側に密に形成されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または２において、
前記複数の第２の放熱フィンに沿って流れる前記冷却媒体は、前記冷却媒体が前記複数の第２の放熱フィンに導入される入口側よりも出口側の方が流速が速くなっており、
前記パワー素子は、前記冷却媒体の流速が速くなる領域に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記複数の第２の放熱フィンに沿って外径側よりも内径側の方が前記冷却媒体が通る流路が狭くなっていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記第１の放熱フィンは、前記中心軸に対して垂直な向きに形成されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記複数の第２の放熱フィンの一部は、前記中心軸に対して外径側から内径側まで一体ではなく、途中に切れ目を有することを特徴とする電力変換装置。
請求項６において、
前記パワー素子の位置に対応する位置にある切れ目を有する前記第２の放熱フィンは、他の前記第２の放熱フィンよりも周方向の幅が広いことを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記複数の第２の放熱フィンの一部は、前記中心軸に対して外径側から内径側まで切れ目なく形成されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜８のいずれかにおいて、
前記中心軸を中心とする周方向に沿った複数の位置であって、前記中心軸からの径方向距離が等しい位置に、複数の前記パワー素子のそれぞれが配置されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜９のいずれかにおいて、
前記第１の放熱フィンの表面を、前記中心軸に近い領域と遠い領域に２分割したときに、前記パワー素子は、前記近い領域内に配置されていることを特徴とする電力変換装置。