JP6230658B2 - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、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、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、或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、バッテリの直流電力をインバータにより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、回転電機の電機子巻線に誘起された交流電力をコンバータにより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制御装置一体型回転電機において、回転電機の電機子巻線の電力入出力用端子と電力変換回路を構成するパワーモジュールの交流側端子である電力入出力用端子との間、及びパワーモジュールの直流側端子を構成する電力入出力用端子において、バスバーは、一箇所の電気的接続部と、この電気的接続部以外の少なくとも一箇所の機械的接続部とを備え、一箇所の電気的接続部によりターミナルに電気的に接続され、少なくとも一箇所の機械的接続部により絶縁物を介してヒートシンクまたはブラケットに機械的に接続されるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１２−０８１０６８号

しかしながら、特許文献１に示されたような従来の制御装置一体型回転電機においては、バスバーに電力入出力用端子ボルトを直接圧入したものであるので、外部から電力入出力用端子ボルト頭部へ塩水などが浸透することにより、バスバーの圧入周辺部が電蝕劣化し、最終的にエンジンの振動を受け、バスバーの圧入周辺部に亀裂を生じさせ、パワーモジュールに正常な電力が供給できない課題があった。
また、バスバーには機械的接合面となる圧入長さが必要であり、しかも上記の課題を鑑み、電気的発熱に関係なく、不必要にバスバーの厚みを大きくする必要があり、大型化を招くといった問題があった。

この発明は、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、主に電力入出力用端子ボルトとバスバーとの電気接続面において耐電蝕性を向上させるとともに、電力入出力用端子ボルトとバスバーを小型化する制御装置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と、前記パワー回路部に設けられ、前記外部電源と電気的に接続される電力入出力用端子ボルトと、前記電力入出力用端子ボルトに圧入されたプレートと、前記プレートに当接された電力入出力導体と、前記電力入出力導体に接続されるバスバーと、前記バスバーと前記固定子巻線とに接続されたパワーモジュールと、前記パワーモジュールを搭載し、前記パワーモジュールを冷却するヒートシンクと、前記ヒートシンクに固定された前記パワー回路部のケース連結部と、を備え、前記電力入出力用端子ボルトは、前記電力入出力導体に設けられた貫通孔に貫通されており、前記電力入出力用端子ボルトはナットと螺合しており、スペーサを介して前記電力入出力導体に固定され、前記ケース連結部に埋設されている前記プレートに圧入されており、前記電力入出力用端子ボルトと前記バスバーは離間されているものである。

この発明の制御装置一体型回転電機によれば、電力入出力用端子ボルトとバスバーとの電気接続面において、耐電蝕性を向上させるとともに、電力入出力用端子ボルトとバスバーを小型化することができる。

この発明の実施の形態１による制御装置一体型発電機の縦断面図である。 この発明の実施の形態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。 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の回路図である。 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のパワー回路部の要部を示す縦断面図である。

実施の形態１．
図１は、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。この実施の形態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のフロント側端面及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及びリヤ側冷却ファン５２は、回転子鉄心４と共に回転してフロントブラケット１及びリヤブラケット２の外部から内部に空気を流入させ、回転電機本体１０２の内部を冷却している。
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に対向してリヤ側ブラケット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、リヤ側ブラケット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相インバータ若しくは６相コンバータとして動作する。

図３は、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の回路図である。
図３に示すように、この実施の形態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て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おり、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し、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前記１相分の負極側アームを構成する。そしてその２個の半導体スイッチング素子の直列接続点が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２は、この発明の実施の形態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２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電力入出力用端子ボルト１１と、この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とＢバスバー３０と、パワー回路ケース２５とを備えている。

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２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、環状の外側ケース部２５１と、環状の内側ケース部２５２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、前述のヒートシンク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２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、前述の制御回路基板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、溶接若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、電力入出力用端子ボルト１１の両側にネジ３１、３２により、ヒートシンク２３に固定される。ここで、図１と図４とでは、切断面が異なっており、図４においてＢバスバー３０は、図面奥側に設けられている。Ｂターミナル２４は、パワーモジュール２１とヒートシンク２３との間に配置されている。Ｂターミナル２４は、銅製の金属部材により形成されている。
図４に示すように、形成された雌ネジがヒートシンク２３のリヤ側表面から絶縁材３３を介して挿入されたネジ３１と螺合することにより、ケース連結部２５３を介して、ヒートシンク２３に固定されている。
パワー回路ケース２５のケース連結部２５３に設けられているＢターミナル２４は、ナット３６の締め付け力によりスペーサ４２を介して、電力入出力用端子ボルト１１と電気的に接続される。

具体的には、図４に示すように、電力入出力用端子ボルト１１は、その頭部がボルト固定部材に当接してＢターミナル２４に設けられた貫通孔に貫通されている。そして、電力入出力用端子ボルト１１は、ナット３６と螺合し、スペーサ４２を介してＢターミナル２４に固定され、ケース連結部２５３に埋設されているプレート４３に圧入されている。
以上のように構成された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１００において、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るとすれば、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、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。
これにより、バッテリから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、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、プーリ１２からベルトを介して内燃機関に動力を伝達することになる。

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ときは、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あり、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、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。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、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て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。

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１００は、前述のように構成されているので、電力入出力用端子ボルト１１頭部から塩水が浸入し、プレート４３が電蝕時に溶解しても、バスバー３０が溶解しにくい構造であるので、パワーモジュール２１に電力が供給できる。プレート４３は、例えばアルミニウムなどの金属部材により形成されている。プレート（ＡＬ）をバスバー（Ｃｕ）よりイオン化傾向の大きい材料にして、アルミニウムなどのイオン化傾向の大きい金属を銅材に接触させておくと、アルミニウムが犠牲的に腐食して銅材バスバーの腐食を抑制することができる。アルミニウムが先に腐食して電子を放出することで銅に電子を供給し、銅の電子放出を妨げることで防食効果が得られる。また、プレート材の選択として、アルミニウム以外に銅よりイオン化傾向の大きい金属である鉄、亜鉛を用いてもよい。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、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、 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：電力入出力用端子ボルト、 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：ターミナル、 ２２ｂ：ターミナル、 ２３：ヒートシンク、 ２４：Ｂ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：Ｂバスバー、 ３１：ネジ、 ３２：ネジ、 ３３：絶縁材、 ３６：ナット、 ４０：制御回路基板、 ４１：基板収納ケース、 ４２：スペーサ、 ４３：プレート、 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、 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、 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 (4)

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と、
   前記パワー回路部に設けられ、前記外部電源と電気的に接続される電力入出力用端子ボルトと、
   前記電力入出力用端子ボルトに圧入されたプレートと、
   前記プレートに当接された電力入出力導体と、
   前記電力入出力導体に接続されるバスバーと、
   前記バスバーと前記固定子巻線とに接続されたパワーモジュールと、
   前記パワーモジュールを搭載し、前記パワーモジュールを冷却するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに固定された前記パワー回路部のケース連結部と、を備え、
   前記電力入出力用端子ボルトは、前記電力入出力導体に設けられた貫通孔に貫通されており、
   前記電力入出力用端子ボルトはナットと螺合しており、スペーサを介して前記電力入出力導体に固定され、前記ケース連結部に埋設されている前記プレートに圧入されており、
   前記電力入出力用端子ボルトと前記バスバーは離間されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
2. 前記プレートは前記バスバーよりもイオン化傾向の大きい金属であることを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
3. 前記プレートは、アルミニウム、鉄、亜鉛のうちのいずれかの金属であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。
4. 前記電力入出力導体は、前記ケース連結部の上面に露出して形成されていることを特徴する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の制御装置一体型回転電機。

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