JP6009609B1 - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents
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例えば、固定子を支持する一対のハウジングの一方の外側に、スイッチング素子を有するパワーモジュールが配置された回転電機であって、パワーモジュールは、冷却フィンが形成されたヒートシンクに搭載され、冷却フィン側をハウジング面に対向させ、この対向間に、ハウジング面を遮りヒートシンクとの間で風路を構成するプレートを介在させて、ハウジングに固定されている。これにより、吸入口より吸入した外気が、ヒートシンクとプレート間の風路を通り、ハウジングに設けた窓から排気されることで、パワーモジュールを効果的に冷却するようにしたものである(例えば、特許文献1参照)。
例えば、エンジンのクランク軸に連結された回転軸と共に回転する回転界磁極と、電機子コイルを有しハウジングに固定された電機子と、複数のMOSFETにより構成され、電機子コイルと外部のバッテリーとの間に接続された交流−直流変換手段と、この交流−直流変換手段のMOSFETを、電機子コイルに発生する交流出力を直流出力に変換してバッテリーを充電する発電モード、またはバッテリーから電機子コイルに通電する電動モードに切換えて作動させる切換手段とを備え、MOSFETはSiCを素材として形成したものである(例えば、特許文献2参照)。
このため、回転電機の軸方向のスペースが僅かしか確保できないような車種では、回転電機の端部カバーが干渉する不具合や、外部機器との接続コネクタや固定用のねじを取り付けるための作業空間を確保できない等の不具合が発生し、エンジンルーム内のレイアウトによって取り付けが制約されるという問題があった。
従って、回転電機の小型化,軽量化が図られ、低コスト化が可能となる。
この発明の実施の形態1による制御装置一体型回転電機を、図面に基づいて説明する。なお、以下に示す図面においては、分かりやすくするため、各部材の縮尺が実際とは異なる部分がある。また、この発明に直接関係しない構成は図示を省略している。
図1は、制御装置一体型回転電機の断面図であり、車両に搭載して、駆動の補助および発電に用いる交流発電電動機に適用した例を示している。図2は、図1の中のパワー回路部のリア側から見た上面図である。
回転電機本体2は、固定子巻線4が巻装された固定子5と、固定子5の軸方向の両端部に配置されて固定子5を支持する一対のブラケット、すなわち、フロントブラケット6およびリアブラケット7と、固定子5の内周側に配置され、回転子巻線8が卷装された回転子9と、回転子9の中心に固定された回転子軸10と、回転子軸10を回転自在に保持するために、フロントブラケット6に固定されたフロント軸受11、およびリアブラケット7に固定されたリア軸受12を備えている。
また、回転子9の軸方向両端部には、回転子9の回転により冷却風を発生させる冷却ファン13および冷却ファン14が設けられている。
さらに、回転子軸10の回転位置検出センサ16より先端側には、回転子巻線8に電流を供給するための一対のスリップリング17が設けられている。そして、回転電機本体2のリアブラケット7の外側には、ブラシホルダ18によって保持されてスリップリング17に摺接する一対のブラシ19が取り付けられている。
図2は、パワー回路部20の上面図である。図2に示すように、金属ベースが用いられた金属基板30に、モールド封止されたスイッチング素子31などが、はんだ等の金属接合または導電性樹脂などで接合されている。スイッチング素子31は、二組の3相インバータ回路の構成に必要な12個が搭載されている。
本願では、このスイッチング素子31として、SiC(Silicon Carbide)を材料としたSiC−MOSFET、もしくはGaN(Gallium-Nitride)を材料としたGaN−MOSFETを使用している。
また、図示は省略しているが、界磁回路部も金属基板30上に構成されており、外部のバッテリーおよび回転子巻線8に電気的に接続するための電源配線と、制御回路部21の制御基板41に接続するための制御信号配線とを備えている。すなわち、本願のパワー回路部20には界磁回路部も含んでいる。
また、配線ケース33の内側には、全体にエポキシ等の封止樹脂34が注入され封止されているが、図ではスイッチング素子31が見えるように、部分的に図示している。
なお、パワー回路部20の基板は金属基板30として説明したが、基板の材料はこれに限定せず、セラミックや高耐熱のガラスエポキシ樹脂などを用いてもよい。
制御回路部21は、図1に示すように、制御回路ケース40の内側に制御基板41が収容されている。制御基板41は、ねじやリベット(図示せず)、または熱溶着などで制御回路ケース40に固定されている。制御基板41に用いる基板の材料は、電気的特性と機械的特性に優れたガラスエポキシ樹脂を用いている。この制御基板41には、パワー回路部20および界磁回路部(図示せず)を制御するための電子部品と、外部機器との間で信号の送受信を行うための外部接続コネクタ(図示せず)が実装されている。
制御信号接続部32の接続リードと制御基板41とがはんだ付けされた後に、エポキシ等の封止樹脂42を注入して制御基板41が封止されている。
また、制御装置3のリアブラケット7側とは反対側の外面には、カバー22が設置されている。
制御回路部21は、外部機器および回転位置検出センサ16からの情報に基づいて、パワー回路部20と図示しない界磁回路部とを制御する。
制御回路部21は、パワー回路部20のスイッチング素子31のON/OFFを制御し、固定子巻線4に励起された3相交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力が外部バッテリーに供給され、バッテリーが充電される。
一例として、スイッチング素子31から金属基板30を介してリアブラケット7までの熱抵抗を約10K/W、スイッチング素子31の発熱量を5Wとすると、スイッチング素子31とリアブラケット7の温度差は約50Kとなる。
また、リアブラケット7は、支持している固定子5が最大で約200℃になるため、受熱により温度上昇する。
もし、スイッチング素子31をSi−MOSFETで構成した場合は、Si−MOSFETの耐熱が約175℃であるため、上記の温度上昇では使用できない。
これに対し、本実施の形態の、SiC−MOSFETもしくはGaN−MOSFETを使用したスイッチング素子31は、耐熱が200℃以上である。従って、リアブラケット7で冷却可能である。
これにより、背景技術の項で説明した特許文献1のような、スイッチング素子の冷却のためのヒートシンクを設ける必要がなくなり、回転電機の小型化が可能になる。
さらに、金属基板30とすることで、パワー回路部20の冷却性能を上げるための放熱材料(グリス,接着剤等)が不要となるため、材料および作業工程を減らすことができ、低コスト化が図られる。
制御回路部21で発生する熱量による温度上昇は、例えば、約10K程度である。しかし、制御回路部21は、リアブラケット7の支柱部7aを介して回転電機本体2と熱的に接続されており、固定子5からの受熱によっても制御回路部21の温度が上昇する。そこで、受熱による影響を低減するため、制御回路ケース40は樹脂製とし、リアブラケット7へのねじ止め個所は、制御基板41から離れた制御回路ケース40の外周に配置している。
このように、制御回路部21は、配置位置をパワー回路部20の外側にし、リアブラケット7との固定位置を制御回路ケース40の外周に配置し受熱を低減することと、風路23を形成し制御回路部21を冷却することで、温度上昇を低減することにより、搭載する電子部品に、耐熱の低い安価な部品を使用することが可能である。
なお、これまでの説明では、回転電機は、車両に搭載して駆動の補助および発電に用いる交流発電電動機として説明したが、これに限定するものではない。
さらに、制御回路部をパワー回路部から分離して回転電機本体から遠ざけて配置したことで、耐熱の低い電子部品が使用可能となり低コスト化が可能となる。
図3は、実施の形態2による制御装置一体型回転電機を示す部分断面図である。実施の形態1と同様に、車両の駆動補助および発電に用いる交流発電電動機へ適用した例であり、回転電機本体と制御装置とを備えている。
図3に示す部分は、制御装置3の制御回路部21をリアブラケット7へ固定する固定部の周辺のみを拡大したものである。図3に示す以外の構造は、実施の形態1と同等なので、図示および説明は省略する。また、図1,図2と同等部分は同一符号を付している。
組立は、リアブラケット7に支持部材43をねじ44で固定した後、その支持部材43に制御回路部21の制御回路ケース40を組み合わせて、ねじ45で固定する。
支持部材43とリアブラケット7、支持部材43と制御回路ケース40をそれぞれ固定するねじ44,45は別々であり、支持部材43内部でねじ44,45同士の距離を確保することで、熱伝導するのを防いでいる。
支持部材43により断熱することで、制御回路部21の温度上昇を抑制することができるので、制御回路部21に使用する電子部品は、耐熱の低いものでもよく、安価な部品が使用可能となる。
さらに、制御回路ケース40を、PPS,PBT等の熱伝導率の低い樹脂材料で構成することで、制御回路部の断熱効果が高められる。
図4は、図3の変形例であり、図3と同じ固定部の周辺のみを拡大して図示した断面図である。
図4に示すように、図3の場合のパワー回路部20の金属基板30と配線ケース33の一部を径方向に延長し、さらにその配線ケース33の部分を回転電機の軸方向に延長して、高さを図3の支持部材43と同程度にし、この部分を、ねじ固定部33aとしたものである。配線ケース33は樹脂製なので、ねじ固定部33aに図3の支持部材43の機能を持たせたものである。すなわち、制御回路部21を固定する機能を、パワー回路部20の側に集約して持たせたものである。これにより、図3と同様の効果を期待でき、さらに部品点数を削減できる。
これにより、制御回路部に耐熱の低い電子部品の使用が可能となり低コスト化できる。
図5は、実施の形態3による制御装置一体型回転電機を示す部分断面図である。実施の形態2の図3と対応する部分なので、同一部分は同一符号で示して説明は省略し、相違点を中心に説明する。また、図示以外の部分や回転電機の全体構成について図1と同様である。
先の実施の形態2では、制御回路部21の制御回路ケース40を熱可塑性樹脂で形成していたが、本実施の形態では、金属製の制御回路ケース46としたものである。さらに、制御回路ケース46の固定側とは反対の面に、金属製の蓋47を設けている。その他の構成は実施の形態2の図3と同じである。
制御回路ケース46の内部に制御基板41をねじ等で固定した後、エポキシの封止樹脂42で封止し、さらに、その上から金属製の蓋47で覆ったものである。
制御回路ケース46を構成する金属材料は、熱伝導率の高いアルミや銅を用いることが望ましい。そうすることで、放熱性が高まり、制御回路部21の内部の温度分布が均一化され、最高温度を低減できる。また、制御回路ケース46から外気への放熱が促進される。
さらに、蓋47により、制御基板41の全周を金属で覆うことでノイズ対策にもなる。
また、制御回路ケースの外側に金属製の蓋を設けることで、上記効果に加えて外部からのノイズの侵入を阻止できる。
5 固定子、6 フロントブラケット、7 リアブラケット、7a 支柱部、
8 回転子巻線、9 回転子、10 回転子軸、11 フロント軸受、12 リア軸受、
13,14 冷却ファン、15 プーリー、16 回転位置検出センサ、
17 スリップリング、18 ブラシホルダ、19 ブラシ、20 パワー回路部、
21 制御回路部、22 カバー、23 風路、30 金属基板、
31 スイッチング素子、32 制御信号接続部、33 配線ケース、
33a ねじ固定部、34 封止樹脂、40 制御回路ケース、41 制御基板、
42 封止樹脂、43 支持部材、44,45 ねじ、46 制御回路ケース、
47 蓋
Claims (5)
- 回転電機本体とこの回転電機本体を制御する制御装置とが一体に構成された制御装置一体型回転電機であって、
前記回転電機本体は、フロントブラケットおよびリアブラケットからなる一対のブラケットと、固定子巻線を有し両端が前記一対のブラケットに固定された固定子と、回転子巻線を有し前記固定子の内側に配置されて前記一対のブラケットに回転自在に支持された回転子と、前記回転子の軸方向両端部にあって前記回転子の回転により冷却風を発生させる冷却ファンとを備え、
前記制御装置は、前記固定子巻線と外部の直流電源との間で電力変換を行うパワー回路部と、前記パワー回路部を制御する制御回路部とを備え、
前記パワー回路部は、SiCまたはGaNの半導体材料が用いられたスイッチング素子が基板に搭載されて構成されており、
前記基板の前記スイッチング素子が搭載された面の反対側の面が前記リアブラケットの外面側に接した状態で、前記パワー回路部が前記リアブラケットに固定され、前記パワー回路部の前記リアブラケットへの固定側とは反対側に、前記パワー回路部から隙間を空けて前記制御回路部が配置され、前記隙間が、径方向の外周側から前記冷却風を取り込む風路となっていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。 - 請求項1に記載の制御装置一体型回転電機において、
前記パワー回路部の前記基板は、金属ベースが用いられた金属基板であることを特徴とする制御装置一体型回転電機。 - 請求項1または請求項2に記載の制御装置一体型回転電機において、
前記制御回路部は、回路を構成する電子部品と前記電子部品を収容する制御回路ケースとで構成され、前記制御回路ケースは、樹脂製の支持部材を介して前記リアブラケットに固定されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。 - 請求項3に記載の制御装置一体型回転電機において、
前記制御回路ケースは、熱伝導率の低い樹脂材料で構成されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。 - 請求項3に記載の制御装置一体型回転電機において、
前記制御回路ケースは、金属材料で構成されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
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