JP7047613B2 - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機と制御装置とを一体化した制御装置一体型回転電機に関する。

回転電機を制御する制御装置として、特許文献１に開示されているように、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールを備えているものがある。かかる制御装置において、半導体モジュールの放熱を行うべく、放熱基板に半導体モジュールが接触配置されている。

特開２００７－１１００２５号公報

しかしながら、スイッチング素子の温度を検出する感温素子を、半導体モジュールに内蔵した構成において、外部からの電磁ノイズが、感温素子に影響するおそれがあるという課題がある。すなわち、外部からの電磁ノイズの影響によって、感温素子にノイズ電流が流れ、感温素子の出力に影響を与えることが懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、感温素子へのノイズの影響を抑制することができる、制御装置一体型回転電機を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、ステータ（２２）及びロータ（２３）を内蔵した金属製のハウジング（２０）を備えた回転電機（２）と、
上記回転電機を駆動制御する制御装置（３）と、を有し、
上記制御装置は、スイッチング素子（４１）と該スイッチング素子の温度を検出する感温素子（４２）とを内蔵した半導体モジュール（４）と、
上記半導体モジュールを放熱させる金属製の放熱部材（５）と、
上記半導体モジュール及び上記放熱部材を覆うカバー（６）と、を有し、
上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子に電気的に接続されていると共に上記放熱部材に熱的に接続されたリードフレーム（４３）を備えており、
上記カバーは、上記放熱部材に対向配置された導電部材（６１）を、保持してなり、
上記放電部材と上記導電部材とは、互いの対向方向に当接せずに対向配置されており、
上記導電部材は、上記ハウジングに電気的に接続されている、制御装置一体型回転電機（１）にある。

上記制御装置一体型回転電機においては、上記導電部材が、上記ハウジングに電気的に接続されている。これにより、外部からの電磁ノイズに起因して、リードフレームにノイズ電流が流れても、当該ノイズ電流の少なくとも一部を、導電部材を介してハウジングへ逃がすことができる。その結果、上記感温素子にノイズ電流が流れることを抑制することができる。すなわち、感温素子へのノイズの影響を抑制することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、感温素子へのノイズの影響を抑制することができる、制御装置一体型回転電機を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、制御装置一体型回転電機の側面説明図。 図１のII線矢視相当の、制御装置一体型回転電機の平面説明図。 図２のIII－III線矢視断面相当の、制御装置一体型回転電機の一部の断面説明図。 導電部材がハウジングに電気的に接続されていない場合の、ノイズ電流の電流経路を示す、等価回路図。 実施形態１における、ノイズ電流の電流経路を示す、等価回路図。 実施形態２における、制御装置一体型回転電機の断面説明図。 参考形態における、制御装置一体型回転電機の断面説明図。 実施形態３における、制御装置一体型回転電機の断面説明図。 実施形態４における、制御装置一体型回転電機の平面説明図。 図９のＸ－Ｘ線矢視断面相当の、制御装置一体型回転電機の一部の断面説明図。 図９のXI－XI線矢視断面相当の、制御装置一体型回転電機の一部の断面説明図。

（実施形態１）
制御装置一体型回転電機に係る実施形態について、図１～図３を参照して説明する。
本実施形態の制御装置一体型回転電機は、図１に示すごとく、回転電機２と、制御装置３と、を有する。回転電機２は、ステータ２２及びロータ２３を内蔵した金属製のハウジング２０を備えている。制御装置３は、回転電機２を駆動制御する。

図２、図３に示すごとく、制御装置３は、半導体モジュール４と、放熱部材５と、カバー６と、を有する。半導体モジュール４は、スイッチング素子４１と感温素子４２とを内蔵している。感温素子４２は、スイッチング素子４１の温度を検出する素子である。
放熱部材５は、半導体モジュール４を放熱させる金属製の部材である。カバー６は、半導体モジュール４及び放熱部材５を覆う部材である。

図３に示すごとく、半導体モジュール４は、リードフレーム４３を備えている。リードフレーム４３は、スイッチング素子４１に電気的に接続されていると共に、放熱部材５に熱的に接続されている。
カバー６は、導電部材６１を保持してなる。導電部材６１は、放熱部材５に対向配置されている。
そして、導電部材６１は、ハウジング２０に電気的に接続されている。

本形態の制御装置一体型回転電機１は、車両に搭載される車両用の回転電機とすることができる。この場合、回転電機２は、例えば車両のエンジンにより駆動され、発電する発電機（すなわち、オルタネータ）としての機能、及び、エンジンを始動させる電動機（すなわち、スタータモータ）としての機能を有している。このような回転電機２は、ＩＳＧ（Integrated Starter Generator の略）とも称される。回転電機２は、図１に示すごとく、ステータ２２とロータ２３とを有している。また、回転電機２は、ロータ２３と一体化されたシャフト２４を有する。ステータ２２とロータ２３とシャフト２４とは、金属製のハウジング２０内に収容されている。

ステータ２２は、ステータコアと、三相のステータコイルとを有する。この三相のステータコイルに位相がずれた交流電流を流すことにより、ステータ２２は、ロータ２３を回転させる回転磁界を発生する。シャフト２４は、ロータ２３と一体的に形成され、ロータ２３とともに回転する。

シャフト２４の軸方向における、回転電機２の一端に、図１に示すごとく、制御装置３が固定されている。このようにして、制御装置一体型回転電機１は、回転電機２と制御装置３とを一体化してなる。以下において、シャフト２４の軸方向を、単に「軸方向」ともいう。すなわち、回転電機２と制御装置３とが並ぶ並び方向が、軸方向と一致している。また、回転電機２に対して、制御装置３が配置された側を、後方、その反対側を前方というものとする。図１等において、軸方向を矢印Ｘにて示すと共に、前方をＸｆ、後方をＸｒにて示す。

図３に示すごとく、制御装置３は、樹脂等の絶縁体からなる基体フレーム３０に、半導体モジュール４を含む制御装置３の構成部品を搭載している。
制御装置３は、回転電機２に駆動力を発生させるために、バッテリから回転電機２に供給される電力を制御する。また、バッテリを充電するために、回転電機２の発生した電力を変換してバッテリに供給する。制御装置３は、直流電力と三相交流電力との間の電力変換を行うインバータ回路を有する。半導体モジュール４は、インバータ回路を構成している。

各半導体モジュール４は、スイッチング素子４１を有する。スイッチング素子４１としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（すなわち、金属酸化物型電界効果トランジスタ）、又は、ＩＧＢＴ（すなわち、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いることができる。また、半導体モジュール４は、感温素子４２を有する。感温素子４２としては、例えば、感温ダイオードを用いることができる。感温ダイオードは、定電流を流すことで温度に応じた電圧を出力する素子である。より具体的には、感温ダイオードは、温度上昇に伴って電圧が低下する素子である。

半導体モジュール４は、スイッチング素子４１に電気的に接続されたリードフレーム４３を有する。リードフレーム４３の一部は、突出して、他の電子部品との間の電気的接続を図るための端子となる。リードフレーム４３は、スイッチング素子４１及び感温素子４２と共に、モールド樹脂４４にてモールドされて一体化されている。また、リードフレーム４３の一部は、半導体モジュール４の厚み方向にも露出して、放熱面４３１を形成している。放熱面４３１に、接着材１１を介して、放熱部材５が熱的に接続されている。

放熱部材５は、半導体モジュール４における、回転電機２と反対側に配置されている。導電部材６１の少なくとも一部は、放熱部材５における、半導体モジュール４と反対側に配置されている。

すなわち、図３に示すごとく、軸方向Ｘにおいて、その前側Ｘｆから後側Ｘｒに向って、回転電機２、半導体モジュール４、放熱部材５、導電部材６１が、この順に並んで配置されている。
放熱部材５は、放熱基板部５１と複数のフィン５２とを有する。放熱基板部５１は、接着材１１を介して半導体モジュール４の放熱面４３１に密着する。フィン５２は、放熱基板部５１から放熱基板部５１の法線方向に突出している。

フィン５２は、放熱基板部５１から、軸方向Ｘの後方Ｘｒへ向かって突出している。すなわち、フィン５２は、導電部材６１へ向かって突出している。ただし、フィン５２は、導電部材６１に対して当接していない。つまり、放熱部材５と導電部材６１との間には、間隙が存在し、両者は互いに電気的に絶縁されている。

放熱部材５と導電部材６１とは、両者の間に、充分大きい電気的な容量成分が形成されるように、互いに近づけて対向配置してある。放熱部材５と導電部材６１との間の間隔は、例えば、放熱部材５の隣り合うフィン５２同士の間隔以下とする。

なお、本形態において、図２に示すごとく、３個の放熱部材５が周方向に並んで配置されている。すなわち、制御装置３は、３個の半導体モジュール４を、周方向に並べて配置し、各半導体モジュール４に対応して、放熱部材５が配置されている。軸方向Ｘにおける導電部材６１に対する位置関係は、３個の放熱部材５において、略同等である。

図１、図２に示すごとく、導電部材６１は、３個の放熱部材５と軸方向Ｘに重なるように、カバー６に固定されている。カバー６は、樹脂からなる。図３に示すごとく、カバー６は、軸方向Ｘに直交する底壁部６２と、底壁部６２の外周端縁から軸方向Ｘの前方へ立設した側壁部６３とを有する。導電部材６１は、底壁部６２の内側面、すなわち、底壁部６２における前方Ｘｆ側の面に、固定されている。

本形態において、導電部材６１は、鉄板であり、磁性部材でもある。また、図２に示すごとく、底壁部６２は、略円形状を有する。導電部材６１は、底壁部６２の略全体にわたり形成されており、略円形状を有する。

本形態において、図３に示すごとく、導電部材６１は、金属製のボルト１２を介して、ハウジング２０に電気的に接続されている。すなわち、軸方向Ｘに立設したボルト１２が、カバー６の一部を貫通し、ハウジング２０の雌ネジ部に螺合している。ここで、ボルト１２の頭部１２１が、カバー６に固定された導電部材６１に電気的に接続されている。また、ボルト１２の脚部１２２が、ハウジング２０に螺合して電気的に接続されている。これにより、導電部材６１とハウジング２０とが電気的に接続されている。なお、ハウジング２０は、車体等に固定されることで、接地されている。また、ボルト１２は、制御装置３の基体フレーム３０を、軸方向Ｘに貫通している。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記制御装置一体型回転電機１においては、導電部材６１が、ハウジング２０に電気的に接続されている。これにより、外部からの電磁ノイズに起因して、リードフレーム４３にノイズ電流が流れても、当該ノイズ電流の少なくとも一部を、導電部材６１を介してハウジング２０へ逃がすことができる。その結果、感温素子４２にノイズ電流が流れることを抑制することができる。すなわち、感温素子４２へのノイズの影響を抑制することができる。

すなわち、仮に、図４に等価回路を示すごとく、導電部材６１がハウジング２０に電気的に接続していないとすると、ノイズ電流Ｉｎは、リードフレーム４３及び半導体モジュール４内の寄生容量Ｃ４等を介して、感温素子４２に伝搬することとなる。なお、図４、図５において、符号Ｎは、ノイズ電流源を示す。

これに対し、本形態の制御装置一体型回転電機１のように、導電部材６１が、ハウジング２０に電気的に接続されていると、図５の等価回路のように、ノイズ電流Ｉｎの一部Ｉｎ１が、リードフレーム４３と放熱部材５との間の容量成分Ｃ２、及び、放熱部材５と導電部材６１との間の容量成分Ｃ１を、通過することとなる。すなわち、放熱部材５に対向配置された導電部材６１を、ハウジング２０に接続して、放熱部材５と導電部材６１とを通過する電流経路のインピーダンスを低くすることで、この電流経路へのノイズ電流Ｉｎ１の流入を大きくすることができる。その結果、感温素子４２へ流れるノイズ電流Ｉｎ２を小さくすることができる。

また、放熱部材５は、半導体モジュール４における、回転電機２と反対側に配置されている。そして、導電部材６１の少なくとも一部は、放熱部材５における、半導体モジュール４と反対側に配置されている。これにより、放熱部材５を介して半導体モジュール４の熱を放熱しやすい。そして、導電部材６１を放熱部材５に対向配置させやすい。その結果、放熱部材５と導電部材６１とを通る電流経路のインピーダンスを低減しやすい。

以上のごとく、本実施形態によれば、感温素子へのノイズの影響を抑制することができる、制御装置一体型回転電機を提供することができる。

（実施形態２）
本形態は、図６に示すごとく、導電部材６１と放熱部材５との間には、空気よりも誘電率の高い誘電体１３が配置されている、制御装置一体型回転電機１の形態である。
すなわち、鉄板からなる導電部材６１における前側面に、誘電体１３を配置する。誘電体１３は、例えば、誘電体膜を成膜することにより形成してもよいし、誘電体の板状体を配置することにより形成してもよい。

誘電体１３としては、例えば、セラミック等が挙げられる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においては、誘電体１３が導電部材６１と放熱部材５との間に介在している。そのため、導電部材６１と放熱部材５との間に形成される容量成分の静電容量を大きくすることができる。これにより、この容量成分を通る電流経路のインピーダンスを小さくすることができる。その結果、ノイズ電流を、放熱部材５と導電部材６１とを介して、ハウジング２０へ逃がしやすくなる。それゆえ、感温素子４２へのノイズの重畳を、抑制することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（参考形態）
本形態は、図７に示すごとく、導電部材６１と放熱部材５とが、互いに電気的に接続されている、制御装置一体型回転電機１の形態である。
すなわち、実施形態１（図３参照）においては、導電部材６１と放熱部材５との間に間隙が設けられ、両者は導通していないが、本形態においては、図７に示すごとく、導電部材６１と放熱部材５とが互いに導通している。具体的には、放熱部材５のフィン５２が、導電部材６１に当接している。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態においては、リードフレーム４３と導電部材６１との間の容量成分を通る電流経路のインピーダンスを、一層低減することができる。すなわち、放熱部材５と導電部材６１との間のインピーダンスは、略ゼロとなり、リードフレーム４３からハウジング２０への電流経路のインピーダンスは、リードフレーム４３と放熱部材５との間のインピーダンスに近く、小さくなる。その結果、ノイズ電流を、放熱部材５と導電部材６１とを介して、ハウジング２０へ逃がしやすくなる。それゆえ、感温素子４２へのノイズの重畳を、一層抑制することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本形態は、図８に示すごとく、導電部材６１が、放熱部材５へ向かって突出した導電突出部６１１を有する、制御装置一体型回転電機１の形態である。
そして、導電突出部６１１と放熱部材５とは、互いに電気的に接続されている。これにより、導電部材６１と放熱部材５とが互いに電気的に接続されている。

導電突出部６１１は、例えば、鉄板からなる導電部材６１の一部を曲げ加工することで、形成することができる。
本形態において、導電突出部６１１は、軸方向Ｘに立設している。そして、導電突出部６１１は、放熱部材５のフィン５２の一部の側面に重なるように接触している。
その他の構成は、参考形態と同様である。

本形態においても、参考形態と同様に、リードフレーム４３からハウジング２０への電流経路のインピーダンスを小さくすることができる。
また、導電突出部６１１を介して、導電部材６１と放熱部材５との電気的接続を行うため、設計自由度を向上させることができる。例えば、カバー６と放熱部材５との間の軸方向Ｘにおける位置関係を所定の距離に保ちつつ、導電部材６１と放熱部材５とを電気的に接続することができる。それゆえ、各部の寸法公差を比較的緩和することができ、製造容易な制御装置一体型回転電機１を得ることができる。
その他、参考形態と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本形態は、図９～図１１に示すごとく、導電部材６１の少なくとも一部が、回転電機２と制御装置３との並び方向に直交する方向において、放熱部材５に対向配置されている、制御装置一体型回転電機１の形態である。

本形態においては、導電部材６１の一部が、放熱部材５に対して、径方向から対向している、径方向対向部６１３である。また、実施形態１と同様に、導電部材６１の他の一部は、放熱部材５に対して、軸方向から対向している軸方向対向部６１２である。

軸方向対向部６１２は、カバー６の底壁部６２の前側面に固定されている。径方向対向部６１３は、カバー６の側壁部６３の内周側面に固定されている。軸方向対向部６１２も径方向対向部６１３も、回転電機２のハウジング２０に電気的に接続されている。

本形態においては、図９に示すごとく、径方向対向部６１３は、カバー６の全周にわたり、連続して形成されている。ただし、径方向対向部６１３の形成領域は、例えば、放熱部材５に近接する部分など、周方向の一部のみに形成されていてもよい。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態においては、放熱部材５に対して、径方向から導電部材６１を対向配置させているため、放熱部材５から径方向外側への電流経路のインピーダンスを低減することができる。

特に、本形態においては、軸方向と径方向との双方に、導電部材６１を放熱部材５に対向させているため、ノイズ電流の流れる電流経路を多くすることができ、感温素子４２へのノイズの重畳をより低減しやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

上記実施形態においては、導電部材６１をカバー６の内側面に固定した形態を示したが、導電部材６１の配置は、これに限られるものではない。例えば、導電部材を、カバーの内部に埋設したものとしてもよいし、カバー自体を導電部材としてもよい。
また、導電部材とハウジングとの電気的接続は、ボルトによる導通に限らず、例えば、導電ワイヤー等を介する導通とすることもできる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 制御装置一体型回転電機
２ 回転電機
２０ ハウジング
３ 制御装置
４ 半導体モジュール
４１ スイッチング素子
４２ 感温素子
４３ リードフレーム
５ 放熱部材
６ カバー
６１ 導電部材

Claims (6)

1. ステータ（２２）及びロータ（２３）を内蔵した金属製のハウジング（２０）を備えた回転電機（２）と、
   上記回転電機を駆動制御する制御装置（３）と、を有し、
   上記制御装置は、スイッチング素子（４１）と該スイッチング素子の温度を検出する感温素子（４２）とを内蔵した半導体モジュール（４）と、
   上記半導体モジュールを放熱させる金属製の放熱部材（５）と、
   上記半導体モジュール及び上記放熱部材を覆うカバー（６）と、を有し、
   上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子に電気的に接続されていると共に上記放熱部材に熱的に接続されたリードフレーム（４３）を備えており、
   上記カバーは、上記放熱部材に対向配置された導電部材（６１）を、保持してなり、
   上記放電部材と上記導電部材とは、互いの対向方向に当接せずに対向配置されており、
   上記導電部材は、上記ハウジングに電気的に接続されている、制御装置一体型回転電機（１）。
2. 上記導電部材と上記放熱部材との間には、空気よりも誘電率の高い誘電体（１３）が配置されている、請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
3. 上記導電部材と上記放熱部材とは、互いに電気的に接続されている、請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
4. 上記導電部材は、上記放熱部材へ向かって突出した導電突出部（６１１）を有し、該導電突出部と上記放熱部材とが、互いに電気的に接続されている、請求項３に記載の制御装置一体型回転電機。
5. 上記放熱部材は、上記半導体モジュールにおける、上記回転電機と反対側に配置され、上記導電部材の少なくとも一部は、上記放熱部材における、上記半導体モジュールと反対側に配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の制御装置一体型回転電機。
6. 上記導電部材の少なくとも一部（６１３）は、上記回転電機と上記制御装置との並び方向に直交する方向において、上記放熱部材に対向配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の制御装置一体型回転電機。

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