JP6227056B1 - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】耐振性を確保した制御装置一体型回転電機を得る。【解決手段】外部電源と回転電機本体の固定子巻線との間に設けられたパワー回路部を備えた制御装置一体型回転電機であって、パワー回路部は、外部電源と電気的に接続される正極側電力入出力用端子（１１）および負極側電力入出力用端子（７１）と、外部電源と固定子巻線との間で電力変換を行うパワーモジュールと、パワーモジュールの冷却を行う１つのヒートシンク（２３）とを有しており、正極側電力入出力用端子は、絶縁材（２５）を介して１つのヒートシンクに固定され、負極側電力入出力用端子は、１つのヒートシンクに直接固定されている。【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機と、この回転電機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に関するものである。

自動車等の車両に搭載される制御装置一体型回転電機は、回転電機の電機子巻線と回転電機の外部に設けられたバッテリとの間で、電力変換を行なう電力変換回路を備えている。この電力変換回路は、通常、半導体からなるスイッチング素子を内蔵した複数のパワーモジュールを備えている。そして、電力変換回路は、これらのスイッチング素子のゲートに加えるゲート信号の制御により、インバータあるいはコンバータとして動作する。

回転電機を電動機として動作させるときは、電力変換回路をインバータとして動作させる。この場合のインバータは、バッテリの直流電力を交流電力に変換して、回転電機の電機子巻線に供給する。

一方、回転電機を発電機として動作させるときは、電力変換回路をコンバータとして動作させる。この場合のコンバータは、回転電機の電機子巻線に誘起された交流電力を直流電力に変換して、バッテリに供給する。

このように構成された従来の制御装置一体型回転電機は、回転電機の電機子巻線の正極側電力入出力用端子を備えている。さらに、複数のパワーモジュールの負極側電力入出力用端子は、アルミダイキャスト製ヒートシンクを介し、アルミダイキャスト製ブラケットリヤに電気接続されるとともに、ブラケットリヤの一端を用いて、バッテリ負極端子に電気的に接続されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１２６６０２号公報

しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。従来装置において、アルミダイキャスト製ブラケットリヤは、外部に露出しているため、負極部が露出する。従って、正極側電力入出力用端子と負極側電力入出力用端子の耐振性を向上させることが重要となる。

本発明は、従来の回転電機における前述のような課題を解決するためになされたものであり、耐振性を確保した制御装置一体型回転電機を得ることを目的とするものである。

本発明に係る制御装置一体型回転電機は、外部電源と回転電機本体の固定子巻線との間に設けられたパワー回路部を備えた制御装置一体型回転電機であって、パワー回路部は、外部電源と電気的に接続される正極側電力入出力用端子および負極側電力入出力用端子と、正極側電力入出力用端子および負極側電力入出力用端子を介して外部電源と接続されるとともに、固定子巻線と接続され、外部電源と固定子巻線との間で電力変換を行うパワーモジュールと、パワーモジュールの冷却を行う１つのヒートシンクとを有しており、正極側電力入出力用端子は、絶縁材を介して１つのヒートシンクに固定され、負極側電力入出力用端子は、１つのヒートシンクに直接固定されており、正極側電力入出力用端子および負極側電力入出力用端子は、いずれか一方の端子が、略等ピッチ配列された２以上の偶数の凹部を備えたハーネス取付台に取り付けられる構造を有しており、いずれか他方の端子が、略等ピッチ配列された３以上の奇数の凹部を備えたハーネス取付台に取り付けられる構造を有しているものである。

本発明によれば、正極側電力入出力用端子、負極側電力入出力用端子が、ともに同じ１つのヒートシンクに固定される構成を備えている。この結果、耐振性を確保した制御装置一体型回転電機を得ることができる。

本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の縦断面図である。 本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の回路図である。 本発明の実施の形態１による制御装置一体型発電機のパワー回路部の構成を示すリヤ側の一部破断側面図である。 本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の正面図である。 本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の側面図である。 本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の断面図である。 本発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機の側面図である。 本発明の実施の形態３による制御装置一体型回転電機の正面図である。 本発明の実施の形態３による制御装置一体型回転電機の側面図である。 本発明の実施の形態４による制御装置一体型回転電機の正面図である。 本発明の実施の形態４による制御装置一体型回転電機にハーネスが装着された正面図である。

以下、本発明の制御装置一体型回転電機の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の縦断面図である。図１において、車両用の制御装置一体型回転電機１００は、フロントブラケット１とリヤブラケット２により支持された固定子鉄心３と、この固定子鉄心３の内側空間内に挿入された回転子鉄心４とを備えている。回転子鉄心４は、固定子鉄心３の内周面に空隙を介して対向する複数の回転子磁極を備えている。

コイル片が固定子鉄心３のスロット内に挿入された電機子巻線としての固定子巻線３００は、固定子鉄心３に固定されている。本実施の形態１では、固定子巻線３００は、６相結線されている。

界磁巻線としての回転子巻線７は、回転子鉄心４に固定されている。固定子鉄心３と固定子巻線３００は、回転電機本体１０２の固定子５を構成し、回転子鉄心４と回転子巻線７は、回転電機本体１０２の回転子１３を構成している。

また、フロントブラケット１とリヤブラケット２は、複数のボルト１０１により互いに接近する方向に締め付けられ、固定子鉄心３を強固に挟持している。

回転子鉄心４の中心部を貫通した回転子軸６は、フロントブラケット１に支持されたフロント側軸受６１と、リヤブラケット２に支持されたリヤ側軸受６２により、回動自在に支持されている。

回転子鉄心４のフロント側端面およびリヤ側端面にそれぞれ固定されたフロント側冷却ファン５１およびリヤ側冷却ファン５２は、回転子鉄心４とともに回転することで、フロントブラケット１およびリヤブラケット２の外部から内部に空気を流入させる。この結果、回転電機本体１０２の内部が冷却される。

回転子軸６のフロント側端部には、プーリ１２が固定されている。プーリ１２には、エンジンの回転軸と連動する伝達ベルト（図示せず）が巻き掛けられている。回転子軸６の周面に固定された一対のスリップリング８は、ブラシホルダー９０に支持されている一対のブラシ９と摺動接触している。

シンクロレゾルバにより構成された磁極位置検出センサー１０は、回転子軸６のリヤ側端部に固定されたセンサー回転子１１１と、このセンサー回転子１１１に対向してリヤブラケット２に固定されたセンサー固定子１１２と、このセンサー固定子１１２に固定されたセンサー巻線１１３とを備えている。

制御回路を備えた制御回路基板４０は、樹脂製の基板収納ケース４１内に収納されている。制御回路基板４０に設けられた制御回路は、後述するパワーモジュール２１のスイッチング動作を制御する。基板収納ケース４１は、ヒートシンク２３の外側面部に固定されている。

パワー回路部２０は、リヤブラケット２の外部に固定されており、電機子巻線である固定子巻線３００と、図示していないバッテリとの間の電力変換を行なう電力変換回路を備えている。この電力変換回路は、後述する６個のパワーモジュール２１により構成され、６相インバータもしくは６相コンバータとして動作する。

図２は、本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の回路図である。図２に示すように、本実施の形態１では、それぞれのパワーモジュール２１は、直列接続された２個の半導体スイッチング素子と、それぞれの半導体スイッチング素子に逆並列接続された２個のダイオードが樹脂に封入され、１個のパッケージとして構成されている。

１個のパワーモジュール２１に封入された２個の半導体スイッチング素子は、前述したように、直列接続されている。そして、一方の半導体スイッチング素子とこれに逆並列接続されたダイオードが、６相ブリッジ回路のうちの１相分の正極側アームを構成する。さらに、他方の半導体スイッチング素子とこれに逆並列接続されたダイオードが１相分の負極側アームを構成する。

そして、２個の半導体スイッチング素子の直列接続点のそれぞれが、６相固定子巻線のうちの１相の固定子巻線３００に接続される。従って、前述のように構成された６個のパワーモジュール２１は、それぞれ後述のＢターミナル２４に接続されるターミナル２２ａに接続される。

図３は、本発明の実施の形態１による制御装置一体型発電機のパワー回路部の構成を示すリヤ側の一部破断側面図である。図３において、パワー回路部２０は、６相電力変換回路を構成し、固定子巻線３００の通電を制御する６個のパワーモジュール２１と、これらのパワーモジュール２１が絶縁層（図示せず）を介して搭載されたヒートシンク２３と、バッテリの正極側に電気的に接続される正極側電力入出力用端子ボルト１１と、この正極側電力入出力用端子ボルト１１と電気的に接続されているＢターミナル２４およびＢバスバー３０と、パワー回路ケース２５とを備えている。

先の図１に示されているように、ヒートシンク２３は、アルミダイキャスト等の金属材料により形成され、中央部に貫通穴２３１を備えている。このヒートシンク２３のフロント側表面には、回転電機本体１０２の固定子側に、軸方向に延びる多数の冷却フィン２３ａが一体に形成されている。ヒートシンク２３の貫通穴２３１は、回転子軸６により貫通されている。

図３に示されているように、パワー回路ケース２５は、樹脂により形成されており、環状の外側ケース部２５１と、環状の内側ケース部２５２とを備えている。内側ケース部２５２には、その貫通穴２５４を包囲する内壁２５５が形成されている。この内壁２５５は、パワー回路ケース２５の内壁を構成している。

パワー回路ケース２５は、ヒートシンク２３のリヤ側表面に固定されている。その結果、パワー回路ケース２５の外側ケース部２５１および内側ケース部２５２と、ヒートシンク２３のリヤ側表面とにより包囲されるパワーモジュール収納部２５７が形成される。

前述の６個のパワーモジュール２１は、図３に示されているように、パワーモジュール収納部２５７内に収納され、互いに間隔を介してコの字状に配置されている。また、パワーモジュール収納部２５７内には、制御回路基板４０に接続された制御回路基板接続部２６０が挿入されている。

この制御回路基板接続部２６０は、制御回路基板４０に形成されている制御回路からのゲート信号を、それぞれのパワーモジュール２１の半導体スイッチング素子のゲートに与えるためのものである。

パワー回路防水用樹脂２８は、パワーモジュール２１と制御回路基板接続部２６０とを収納したパワーモジュール収納部２５７内に充填される。その結果、パワーモジュール２１と制御回路基板接続部２６０は、パワー回路防水用樹脂２８内に埋設され、パワー回路防水用樹脂２８により、防水保護される。

外部のバッテリの正極に電気的に接続されるターミナルとしてのＢターミナル２４は、パワー回路ケース２５の内側ケース部２５２とケース連結部２５３にモールディングされている。

Ｂターミナル２４は、それぞれ６個のパワーモジュール２１のターミナル２２ａ、および制御回路基板接続部２６０のターミナル２６０ａに、溶接もしくは半田付けなどにより電気的および機械的に接続される。なお、Ｂターミナル２４は、パワー回路ケース２５のケース連結部２５３の上面部に露出している。

外部のバッテリの正極に電気的に接続されるバスバー（以下、Ｂバスバーと称する）３０は、正極側電力入出力用端子ボルト１１に電気的に接続され、絶縁材として構成されたパワー回路ケース２５を介してヒートシンク２３に固定される。

図４は、本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の正面図である。また、図５は、本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の側面図である。さらに、図６は、本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機の断面図であり、図４におけるＡ−Ａ’断面図に相当する。

正極側電力入出力用端子ボルト１１と負極側電力入出力用端子ボルト７１は、それぞれ、図４、図５に示されたような位置関係となっている。また、図６に示すように、負極側電力入出力用端子ボルト７１は、ヒートシンク２３に直接、固定され、その一方で、正極側電力入出力用端子ボルト１１は、絶縁材として構成されたパワー回路ケース２５を介してヒートシンク２３に固定されている。

以上のように構成された本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機１００において、正極側電力入出力用端子ボルト１１は、制御装置一体型回転電機１００の外部に設けられたバッテリの正極側にバッテリハーネス等（図示せず）を介して電気的に接続される。

また、プーリ１２は、内燃機関の出力軸に設けられた内燃機関側のプーリ（図示せず）に、ベルトを介して連結される。

制御装置一体型回転電機１００を電動機として動作させた場合には、各パワーモジュール２１により構成された電力変換回路をインバータとして動作させるようにする。すなわち、制御回路基板４０に設けられている制御回路からのゲート信号により、各パワーモジュール２１の半導体スイッチング素子がスイッチング制御されることで、電力変換回路をインバータとして動作させる。

これにより、バッテリから正極側電力入出力用端子ボルト１１、Ｂターミナル２４およびＢバスバー３０を介して、各パワーモジュール２１のターミナル２２ａに直流電力が入力される。そして、入力された直流電力は、パワーモジュール２１により構成されたインバータにより６相交流電力に変換される。さらに、変換後の６相交流電力は、各パワーモジュール２１のターミナル２２ｂを介して、６相の固定子巻線３００の各相の巻線に供給される。

その結果、固定子巻線３００が発生する回転磁界と、回転子１３に設けられた回転子巻線（界磁巻線）７の発生する磁界との相互作用により、回転子１３が駆動される。さらに、回転子１３が駆動されることで、プーリ１２からベルトを介して、内燃機関に動力が伝達されることになる。

一方、制御装置一体型回転電機１００を発電機として動作させる場合には、内燃機関の動力がベルトを介してプーリ１２に伝達されて回転子１３が駆動されている状態に相当し、この場合には、各パワーモジュール２１により構成された電力変換回路をコンバータとして動作させるようにする。

すなわち、制御回路基板４０に設けられている制御回路からのゲート信号により、各パワーモジュール２１の半導体スイッチング素子がスイッチング制御されることで、電力変換回路をインバータとして動作させる。

固定子巻線３００の各相巻線に誘起された交流電力は、各パワーモジュール２１のターミナル２２ｂを介して、各パワーモジュール２１に印加される。この結果、交流電力は、各パワーモジュール２１により構成されたコンバータにより直流電力に変換される。さらに、変換後の直流電力は、各パワーモジュール２１のターミナル２２ａからＢバスバー３０、ターミナル２４、およびスペーサ４２、ナット３６を介して、バッテリに供給されることになる。

本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機１００は、上述したように、正極側電力入出力用端子および負極側電力入出力用端子が、ともに同じ１つのヒートシンクに固定される固定構造を備えている。この結果、耐振性が確保される。

さらに、このような固定構造を備えることで、両端子ともに冷却効率がよくなる。この結果、ヒートサイクル時において、ナット３６に熱膨張や熱収縮が起こりにくくなり、ナット３６の緩みを防止することができる。

また、本発明の実施の形態１による制御装置一体型回転電機１００は、図４に示したように、正極側電力入出力用端子と前記負極側電力入出力用端子との間に空間部がある。この結果、制御装置一体型回転電機１００が浸水した場合、常時、溜水することはなく、絶縁性が確保できる。

従って、制御装置一体型回転電機のさらなる高電圧化（例えば約５０Ｖ）を行う場合にも、車両メンテナンス時において回転電機の着脱を行う際に、人体に感電するおそれをなくすことができる。

また、このような空間部があることで、車両が衝突した際にも、正極側電力入出力用端子ボルトあるいは車両側の正極側電力供給ハーネスを空間部に脱落させることができる。この結果、正極側電力入出力用端子ボルトあるいは車両側の正極側電力供給ハーネスが負極側電力入出力用端子ボルトと電気的に短絡することがなく、火災焼損を防止でき、衝突安全性の面でも優れた効果を得ることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、正極側電力入出力用端子、負極側電力入出力用端子を１つのヒートシンクに固定する構成を有している。この結果、耐振性を確保した制御装置一体型回転電機を実現できる。

また、正極側電力入出力用端子ボルトと負極側電力入出力用端子ボルトとの間に空間部を備える構成を有している。この結果、制御装置一体型回転電機が浸水した場合にも、常時、溜水することはなく、絶縁性を確保した制御装置一体型回転電機を実現できる。

さらに、空間部があることで、車両が衝突した際にも、正極側と負極側が短絡することを防止し、火災焼損を防止することができ、衝突安全性の向上を図ることもできる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機の側面図である。図７に示すように、本発明の実施の形態２による制御装置一体型回転電機１００は、先の実施の形態１における図５の構成と比較して、正極側電力入出力用端子１１がリヤ側に移動するように配置されている。

このような配置とすることで、正極側電力入出力用端子１１と負極側電力入出力用端子７１を、それぞれ回転電機の回転子軸の軸方向で離間させることができる。この結果、異物浸入時に、正極側と負極側の絶縁性が確保できる。

以上のように、実施の形態２によれば、正極側電力入出力用端子と負極側電力入出力用端子を軸方向で離間させる構成をさらに備えている。この結果、絶縁性をさらに向上させた制御装置一体型回転電機を実現できる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３による制御装置一体型回転電機の正面図である。また、図９は、本発明の実施の形態３による制御装置一体型回転電機の側面図である。

本発明の実施の形態３による制御装置一体型回転電機１００は、正極側電力入出力用端子１１を軸方向に延在し、負極側電力入出力用端子７１を回転電機の径方向に延在させている。このようなレイアウトによっても、径方向で正極側電力入出力用端子１１と負極側電力入出力用端子７１とが離間されるため、先の実施の形態２のレイアウトと同様に、異物浸入時に対する絶縁性を確保することができる。

なお、図示は省略するが、図８、図９とは異なり、正極側電力入出力用端子１１を径方向に延在し、負極側電力入出力用端子７１を軸方向に延在させたレイアウトとした場合にも、図８、図９と同様の効果を奏することができる。

以上のように、実施の形態３によれば、正極側電力入出力用端子と負極側電力入出力用端子を、延在方向を異ならせた上で離間させる構成をさらに備えている。この結果、先の実施の形態２と同様に、絶縁性をさらに向上させた制御装置一体型回転電機を実現できる。

実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４による制御装置一体型回転電機の正面図である。また、図１１は、本発明の実施の形態４による制御装置一体型回転電機にハーネスが装着された正面図である。

正極側電力入出力用端子のハーネス取付台には、略等ピッチ配列された奇数の凹部が設けられた構成を有している。また、負極側電力入出力用端子のハーネス取付台には、略等ピッチ配列された偶数の凹部が設けられた構成を有している。図１０、図１１の例では、正極側電力入出力用端子のハーネス取付台には、３個の凹部が設けられており、負極側電力入出力用端子のハーネス取付台には、２個の凹部が設けられている。

このように、両端子の取付構造を異ならせることで、市場メンテナンス時に、機構的に相互の誤組付がなく、バッテリ逆接続を防止できる。この結果、発煙発火を未然に防止することができる。

なお、図示は省略するが、図１０、図１１とは異なり、正極側電力入出力用端子のハーネス取付台には、略等ピッチ配列された偶数の凹部を設け、負極側電力入出力用端子のハーネス取付台には、略等ピッチ配列された奇数の凹部を設けた場合にも、図１０、図１１と同様の効果を奏することができる。

また、このように、ハーネス取付台を略等ピッチに配列された凹部を有する構造とすることで、ハーネス取付時の締め付けトルクを凹部にほぼ均等に作用させることができる。この結果、凹部の損傷を防止することができる。

以上のように、実施の形態４によれば、ハーネス取付台が、正極側電力入出力用端子と負極側電力入出力用端子とで凹部の個数が異なる形状を有しているとともに、凹部が等ピッチで配列されている。この結果、バッテリ逆接続を防止できるとともに、締め付けトルクによる凹部の損傷を防止することができる。

１ フロントブラケット、２ リヤブラケット、３ 固定子鉄心、４ 回転子鉄心、５ 固定子、６ 回転子軸、７ 回転子巻線、８ スリップリング、９ ブラシ、１０ 磁極位置検出センサー、１１ 正極側電力入出力用端子、１２ プーリ、１３ 回転子、２０ パワー回路部、２１ パワーモジュール、２２ａ、２２ｂ ターミナル、２３ ヒートシンク、２３ａ 冷却フィン、２４ ターミナル、２５ パワー回路ケース、２８ パワー回路防水用樹脂、３０ バスバー、３６ ナット、４０ 制御回路基板、４１ 基板収納ケース、４２ スペーサ、５１ フロント側冷却ファン、５２ リヤ側冷却ファン、６１ フロント側軸受、６２ リヤ側軸受、７１ 負極側電力入出力用端子、９０ ブラシホルダー、１００ 制御装置一体型回転電機、１０１ ボルト、１０２ 回転電機本体、１１１ センサー回転子、１１２ センサー固定子、１１３ センサー巻線、２３１ 貫通穴、２５１ 外側ケース部、２５２ 内側ケース部、２５３ ケース連結部、２５４ 貫通穴、２５５ 内壁、２５７ パワーモジュール収納部、２６０ 制御回路基板接続部、３００ 固定子巻線。

Claims (5)

1. 外部電源と回転電機本体の固定子巻線との間に設けられたパワー回路部を備えた制御装置一体型回転電機であって、
   前記パワー回路部は、
   前記外部電源と電気的に接続される正極側電力入出力用端子および負極側電力入出力用端子と、
   前記正極側電力入出力用端子および前記負極側電力入出力用端子を介して前記外部電源と接続されるとともに、前記固定子巻線と接続され、前記外部電源と前記固定子巻線との間で電力変換を行うパワーモジュールと、
   前記パワーモジュールの冷却を行う１つのヒートシンクと
   を有しており、
   前記正極側電力入出力用端子は、絶縁材を介して前記１つのヒートシンクに固定され、
   前記負極側電力入出力用端子は、前記１つのヒートシンクに直接固定されており、
   前記正極側電力入出力用端子および前記負極側電力入出力用端子は、
   いずれか一方の端子が、略等ピッチ配列された２以上の偶数の凹部を備えたハーネス取付台に取り付けられる構造を有しており、
   いずれか他方の端子が、略等ピッチ配列された３以上の奇数の凹部を備えたハーネス取付台に取り付けられる構造を有している
   制御装置一体型回転電機。
2. 前記正極側電力入出力用端子と前記負極側電力入出力用端子は、空間部を介して互いに離間して配置されている
   請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
3. 前記正極側電力入出力用端子のハーネス取付台の座面位置と、前記負極側電力入出力用端子のハーネス取付台の座面位置とは、軸方向で前記空間部を介して互いに離間されている
   請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。
4. 前記正極側電力入出力用端子のハーネス取付台の座面位置と、前記負極側電力入出力用端子のハーネス取付台の座面位置とは、径方向で前記空間部を介して互いに離間されている
   請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。
5. 前記正極側電力入出力用端子および前記負極側電力入出力用端子の一方は、回転電機の軸方向に延在し、前記正極側電力入出力用端子および前記負極側電力入出力用端子の他方は、前記回転電機の径方向に延在している
   請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。

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