JP7094320B2

JP7094320B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP7094320B2
Application number: JP2020075803A
Authority: JP
Inventors: 義信内海; 光範石崎; 利昭柏原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2040-04-22
Also published as: JP2021175235A

Description

本願は、回転電機に関するものである。

電気自動車またはハイブリッド自動車等には、インバータ等を備えた電力変換装置が搭載されている。この電力変換装置は、発熱量が多いため、これを冷却するための冷却構造が必要となる。例えば、特許文献１には、電力変換装置の半導体モジュールを冷却するための冷媒流路を備える冷却構造が開示されており、電力変換装置を収納するケースとケースを密封する蓋部との間にシール部を設けている。このシール部には、冷媒が外部に排出されるようにシール強度の低い低強度部を形成しており、冷媒流路内で内圧が過剰に上昇した場合、低強度部が最初に破損することにより、ケース内側に冷媒が漏洩することを防止できる構造となっている。

特許第６１３６７３０号公報

しかしながら、特許文献１の冷却構造では、ケースの開口部端部と蓋部とが、シール部４１を介して面接触しており、シール部は、液状ガスケットなどの非金属材料で形成されていることから、熱伝導を阻害する要因となるなど、ケースと蓋部を積極的に熱伝導させるような構造とはなっていない。

本願は、上述のような問題を解決するためになされたもので、効率よく熱伝導を行うことができる冷却構造体を備えた回転電機を提供することを目的とする。

本願に開示される回転電機は、
リヤブラケットとフロントブラケットに保持され、回転子と固定子とからなるモータ部、
リヤブラケットに固定されたインバータ部を備えたものであって、インバータ部は、パワーモジュールを搭載する金属材料からなる上蓋と、上蓋と重ね合わされて冷却液通路を形成する金属材料からなる下蓋とで構成される冷却構造体を有し、冷却構造体は、上蓋の端部及び下蓋の端部の少なくとも一方に凹部が、他方に凸部が形成されており、重ね合わされた状態で凹部と凸部との係合が、回転子の回転軸方向に対し垂直に固定されているとともに、上蓋と下蓋とが回転子の回転軸方向にねじで固定され、凹部と凸部は互いの金属表面が直接接触していることを特徴とする。

本願に開示される回転電機によれば、冷却構造体により、効率よく熱伝導を行うことが可能となる。

実施の形態１に係る回転電機の構造を示す断面図である。実施の形態１に係るインバータＡＳＳＹの部品配置図である。実施の形態１に係るステータとインバータＡＳＳＹとの接続を説明する図である。実施の形態１に係るインバータＡＳＳＹに構成された冷却構造体を説明する図であり、図４Ａは平面図、図４Ｂは、Ａ－Ａ断面図である。実施の形態２に係るインバータＡＳＳＹに構成された冷却構造体を説明する図であり、図５Ａは平面図、図５Ｂは、Ｂ－Ｂ断面図である。実施の形態３に係るインバータＡＳＳＹに構成された冷却構造体を説明する図であり、図６Ａは平面図、図６Ｂは、Ｃ－Ｃ断面図である。実施の形態４に係るインバータＡＳＳＹに構成された冷却構造体を説明する図であり、図７Ａは平面図、図７Ｂは、Ｄ－Ｄ断面図である。実施の形態５に係るインバータＡＳＳＹに構成された冷却構造体を説明する図であり、図８Ａは平面図、図８Ｂは、Ｅ－Ｅ断面図である。

以下、本願に係る電力制御装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施の形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係わる回転電機の構造を示す断面図、図２は、インバータアセンブリ（以下、ＡＳＳＹと称す）の部品配置図、図３はステータとインバータＡＳＳＹの電気接続を説明する断面図、図４は、冷却構造体を説明する図であり、図４ＡはインバータＡＳＳＹ４０の背面から見た平面図である。図４Ｂは、図４Ａ中、Ａ―Ａ部の断面図である。図１と図３で示される断面は異なる部分の断面を示している。

図１において、回転電機１は、界磁巻線２ａが巻かれた回転子２、三相固定子巻線３ａが巻かれた固定子３、回転子２および固定子３を収容するフロントブラケット４とリヤブラケット５、回転子２の回転状態を検出する磁極位置検出センサー６、電力を供給するためのパワーモジュール９、パワーモジュール９を制御する制御モジュール１７などから構成されている。回転電機１は、構成部品を大きく２つに分けると、モータ部３０とインバータＡＳＳＹ４０とで構成されている。

まずモータ部３０について説明する。回転子２は、両端部がそれぞれ、軸受７、８を介してフロントブラケット４とリヤブラケット５に回転自在に支持された回転軸１１を備える。回転軸１１の一端部は、フロントブラケット４より突出している。回転軸１１の先端部には、図示しない内燃機関と双方向にトルクを授受するためのプーリ１２が取り付けられており、プーリ１２と内燃機関とは、ベルトを介して接続されている。

回転子２の界磁巻線２ａは、界磁電流を供給するためのスリップリング１３を有し、スリップリング１３は、リヤブラケット５よりリヤ側に突き出ている。界磁巻線２ａに通電するためのスリップリング１３を摺設するブラシ１６がブラシホルダ１６ａに保持されている。

回転子２の界磁鉄心の端面には冷却風を発生させるための空冷ファン２０、２１が取り付けられている。磁極位置検出センサー６は、リヤブラケット５の外側でスリップリング１３と軸受８との間に回転軸１１と同軸に配置されている。そして、磁極位置検出センサ―６は、回転軸１１、すなわち回転子２の磁極位置を検出する。磁極位置検出センサー６は、センサーステータ６ａとセンサーロータ６ｂより構成され、センサーステータ６ａの内側に鉄心のみのセンサーロータ６ｂが回転自在に設けられている。

次に、図１および図２において、インバータＡＳＳＹ４０について説明する。インバータＡＳＳＹ４０は、パワーモジュール９、界磁モジュール１０、上蓋３１、下蓋３２、ケース１４、および制御モジュール１７などから構成される。パワーモジュール９は、駆動時の電機子電流の供給及び発電時の電機子電流の整流を行うためのスイッチング素子を周辺回路とともにまとめてモジュール化したものである。界磁モジュール１０は、界磁電流を制御するためのスイッチング素子を周辺回路とともにまとめてモジュール化したものである（図２参照）。パワーモジュール９と界磁モジュール１０は上蓋３１に搭載されている。ケース１４には、各モジュールの電力系の端子と接続されるターミナルを備えている。制御モジュール１７は、パワーモジュール９および界磁モジュール１０を制御するための制御回路が搭載されている。前述した、磁極位置検出センサー６のセンサーステータ６ａは上蓋３１に装着され、信号配線は制御モジュール１７に接続される。パワーモジュール９および界磁モジュール１０は、スイッチング素子等を配線用のリードフレームに搭載し、全体を樹脂成形した構造としている。詳細は後述するが、上蓋３１と下蓋３２とが重ね合わされて、内部に冷却液通路が形成される冷却構造体３５（図４Ｂ参照）を構成している。

次に固定子３とインバータＡＳＳＹ４０の電気接続を説明する。図３において、コネクティングボード１８には、固定子口出し線３ｂとパワーモジュール９を接続するためのターミナル１９がインサート成形されている。コネクティングボード１８はリヤブラケット５のリヤ側に図示しないネジで固定される。

固定子口出し線３ｂはリヤブラケット５を貫通して、コネクティングボード１８にインサート成形されたターミナル１９に１９ａの箇所において溶接で接続される。その後、モータ部のリヤブラケット５のリヤ側にインバータＡＳＳＹ４０が装着される。

接続箇所１９ａの逆端側の１９ｂに、インバータＡＳＳＹ４０のケース１４にインサート成形されたターミナル１４a（図２、図３参照）がネジで固定され接続される。ケース１４にインサート成形されたターミナル１４aとパワーモジュール９のＡＣ端子９ａは溶接等で接合される。各パワーモジュールのマイナス端子９ｂ（図２参照）は上蓋３１にネジで固定され接続され、上蓋３１がアースになる。

このように構成されたインバータＡＳＳＹ４０に構成された冷却構造体３５について図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。冷却構造体３５は、上蓋３１と下蓋３２が面接触で重ね合わせられ、ねじ３４で固定されている。上蓋３１に形成されている溝と下蓋３２により、冷却液通路３１ａが構成される。図４Ｂに示すように、上蓋の凹部３１ｂと下蓋の凸部３２ａが締代を有して結合される。上蓋３１と下蓋３２は金属材料で構成され、上蓋の凹部３１ｂと下蓋の凸部３２ａは互いの金属表面が直接接触している。上蓋３１の上にはパワーモジュール９、界磁モジュール１０が搭載されている。冷却液通路３１ａの出入口にはニップル３３ａ、３３ｂが取付けられる。

上蓋３１と下蓋３２が分離して別々に構成しているのは、（１）円弧状の冷却液通路を連続形成する場合、中子で鋳造するのが高価で生産性が悪いこと、（２）中ぐり切削ができないこと、の理由からである。

図１に示すように、下蓋３２とリヤブラケット５との間に冷却気体通路３６が形成される。これにより、回転子２に備えた空冷ファン２０、２１により、外部から、冷却気体通路３６を経由してモータ部３０に冷却風を送り込む。

図４Ａのハッチング部は、冷却構造体３５に形成された、冷却液通路３１ａの径方向の通路の状態を示す。冷却液通路３１ａは、図２で示したパワーモジュール９の下部に位置しており、回転軸１１が装着される空間の周囲に、円弧状に形成されている。インバータＡＳＳＹ４０の装着組立後、インバータＡＳＳＹ４０の中央の回転軸１１が通る空間に、ブラシホルダ１６ａが配置され、インバータＡＳＳＹ４０に固定される。その後、リヤカバー１５が装着される。

ニップル３３ａは、円弧状に形成された冷却液通路３１ａに冷却液を流入するように取り付けられ、ニップル３３ｂは、ニップル３３ａの取り付け位置と径方向反対側に冷却液を流出するように取り付けられている。

以上のように本実施の形態１によれば、上蓋の凹部３１ｂと下蓋の凸部３２ａとが係合して冷却構造体３５を構成する。上蓋の凹部３１ｂと下蓋の凸部３２ａは締代を有し、上蓋の凹部３１ｂと下蓋の凸部３２ａは互いの金属表面が直接接触することで、下蓋３２の表面を冷却し、上蓋３１に効率よく熱伝導することができる。

また、ねじ３４と上蓋の凹部３１ｂ、下蓋の凸部３２ａとの係合を複合させて冷却構造体３５を固定する。ねじ３４は回転子の回転軸方向に固定され、上蓋の凹部３１ｂ、下蓋の凸部３２ａとの係合は回転軸方向に対して垂直に固定される。そのため、強固に固定できることに加え、３次元的なエンジン振動が作用しても上蓋の凹部３１ｂ、下蓋の凸部３２ａとの係合部が摩擦することなく、その摩擦熱の影響を受けずにパワーモジュール９が冷却される。

また、冷却液通路３１ａを冷媒が通過することによる液体冷却と冷却気体通路３６を冷却風が通ることによる気体冷却との相乗の効果によって、パワーモジュール９が迅速かつ十分に冷却される。さらにネジ固定箇所を減らすことができるので小型化でき、ねじ本数を少なくできるので生産性の向上、コスト低減が可能となる。

また、冷却液通路３１ａをパワーモジュール９の下部に位置するように構成したので、冷却液通路を別の部分に構成するのに比べ、省スペース化を図ることができ、インバータＡＳＳＹ４０を小型化できる。さらに、パワーモジュールの直下から冷却できるので、効率よく冷却できる。

また、ニップル３３ａ、３３ｂをそれぞれ、冷却液通路３１ａの入口と出口の両端に取り付けたことにより、三又あるいは四又などに分岐されている通路に比べ、冷却液通路３１ａ内の冷却液を円滑に流すことができるとともに、部品点数を削減でき、コスト低減が可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２に係るインバータＡＳＳＹ４０に構成された冷却構造体３５を図５により説明する。図５Ａは、実施の形態２に係るインバータＡＳＳＹ４０の背面から見た平面図である。図５Ｂは、図５Ａで一点鎖線で示されたＢ―Ｂ部の断面図である。インバータＡＳＳＹ４０の冷却構造体３５以外の基本的な構成は実施の形態１と同様であるので説明を省く。

実施の形態１と同様、冷却液通路３１ａは、上蓋３１と下蓋３２が面接触で重ね合わせられ、上蓋３１と下蓋３２がねじで固定され、上蓋の凹部３１ｂと下蓋の凸部３２ａが締代を有して結合される。上蓋３１と下蓋３２は金属材料で構成され、上蓋の凹部３１ｂと下蓋の凸部３２ａは互いの金属表面が直接接触する。上蓋３１の上にはパワーモジュール９、界磁モジュール１０が搭載される。上蓋３１と下蓋３２との間に冷却液通路３１ａが構成されている。実施の形態１に新たに加えられた構造として、下蓋３２のリヤブラケット５に、冷却フィン３２ｂを備えている。この冷却フィン３２ｂは、空冷ファン２０、２１が回転子２と共に回転することにより、外部から冷却気体通路３６に流れ込む冷却風による空冷の効率を高めることができる。

以上のように本実施の形態２によれば、下蓋３２に冷却フィン３２ｂを備えたことにより、フィン放熱とモータへ流れ込む冷却風により、インバータＡＳＳＹ４０の冷却性能をさらに向上できる

実施の形態３．
実施の形態３に係るインバータＡＳＳＹ４０に構成された冷却構造体３５を図６により説明する。図６Ａは、実施の形態３に係るインバータＡＳＳＹ４０の背面から見た平面図である。図６Ｂは、図６ＡのＣ―Ｃ部の断面図である。実施の形態１、２の構成要素と類似要素には同符号を付す。基本的な構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

インバータＡＳＳＹ４０に構成された冷却構造体３５の下蓋３２の外周の全周または一部に上蓋３１方向に突出した下蓋の凸部３２ｃを設け、この下蓋の凸部３２ｃと上蓋３１の外周部に締代を設けて係合し、ねじ３４の固定と複合させた。

以上のように本実施の形態３によれば、下蓋３２の外周の全周または一部に上蓋方向に突出した下蓋の凸部３２ｃを設け、この下蓋の凸部３２ｃと上蓋３１の外周部に締代を設けて係合し、ねじ固定と複合させたので、下蓋３２の固定を強固にできる。さらにネジ３４と、本構成による圧入係合の複合固定で下蓋３２を固定するので、ネジ３４の固定箇所を減らすことができ、小型化と生産性の向上が可能になる。またネジ３４の本数を少なくできるのでコスト低減できる。

実施の形態４．
実施の形態４に係るインバータＡＳＳＹ４０に構成された冷却構造体３５を図７により説明する。図７Ａは、実施の形態４を示すインバータＡＳＳＹ４０の背面から見た平面図である。図７Ｂは、図７Ａ中、Ｄ―Ｄ部の断面図である。ただし、実施の形態１、２、３の構成要素と類似要素には同符号を付す。基本的な構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

インバータＡＳＳＹ４０の上蓋３１の外周の全周または一部に上蓋３１方向に突出した上蓋の凸部３１ｃを設け、この上蓋の凸部３１ｃと下蓋３２の外周部に締代を設けて係合し、ねじ３４の固定と複合させた。

以上のように本実施の形態４によれば、上蓋３１の外周の全周または一部に上蓋３１方向に突出した上蓋の凸部３１ｃを設け、この上蓋の凸部３１ｃと下蓋３２の外周部に締代を設けて係合し、ねじ固定と複合させたので、下蓋３２の固定を強固にできる。さらにネジ３４と、本構成による圧入係合の複合固定で下蓋３２を固定するので、ネジ３４の固定箇所を減らすことができ、小型化と生産性の向上が可能になる。またネジ３４の本数を少なくできるのでコスト低減できる。

実施の形態５．
実施の形態５に係るインバータＡＳＳＹ４０に構成された冷却構造体３５を図８により説明する。図８Ａは、実施の形態５を示すインバータＡＳＳＹ４０の背面から見た平面図である。図８Ｂは、図８Ａ中、Ｅ-Ｅ部の断面図である。ただし、実施の形態１，２，３，４の構成要素と類似要素には同符号を付す。基本的な構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

図８Ｂに示すように、上蓋３１と下蓋３２が対向する面において、下蓋３２の一部に上蓋３１の方向に突出した下蓋の凸部３２ｄを設け、上蓋３１の冷却液通路３１ａを形成する内周部に締代を設けて係合し、ねじ３４の固定と複合させた。

以上のように本実施の形態５によれば、下蓋３２の一部に上蓋３１の方向に突出した下蓋の凸部３２ｄを設け、上蓋３１の冷却液通路３１ａを形成する内周部に締代を設けて係合し、ねじ固定と複合させたので、下蓋３２の固定を強固にできる。さらに、ネジ３４と、本構成による圧入係合の複合固定で下蓋３２を固定するので、ネジ３４の固定箇所を減らすことができ、小型化と生産性の向上が可能になる。またネジ３４の本数を少なくできるのでコスト低減できる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：回転電機、２：回転子、２ａ：界磁巻線、３：固定子、３ａ：三相固定子巻線、３ｂ：固定子口出し線、４：フロントブラケット、５：リヤブラケット、６：磁極位置検出センサー、６ａ：センサーステータ、６ｂ：センサーロータ、７：軸受、８：軸受、９：パワーモジュール、１０：界磁モジュール、１１：回転軸、１２：プーリ、１３：スリップリング、１４：ケース、１５：リヤカバー、１６：ブラシ、１６ａ：ブラシホルダ、１７：制御モジュール、１８：コネクティングボード、２０、２１：空冷ファン、３０：モータ部、３１：上蓋、３１ａ：冷却液通路、３１ｂ：上蓋の凹部、３１ｃ：上蓋の凸部、３２：下蓋、３２ａ、３２ｃ、３２ｄ：下蓋の凸部、３２ｂ：冷却フィン、３３ａ、３３ｂ：ニップル、３４：ネジ、３５：冷却構造体、３６：冷却気体通路、４０：インバータＡＳＳＹ

Claims

リヤブラケットとフロントブラケットに保持され、回転子と固定子とからなるモータ部、
前記リヤブラケットに固定されたインバータ部を備えた回転電機において、
前記インバータ部は、パワーモジュールを搭載する金属材料からなる上蓋と、前記上蓋と重ね合わされて冷却液通路を形成する金属材料からなる下蓋とで構成される冷却構造体を有し、
前記冷却構造体は、前記上蓋の端部及び前記下蓋の端部の少なくとも一方に凹部が、他方に凸部が形成されており、重ね合わされた状態で前記凹部と前記凸部との係合が、前記回転子の回転軸方向に対し垂直に固定されているとともに、前記上蓋と前記下蓋とが前記回転子の回転軸方向にねじで固定され、前記凹部と前記凸部は互いの金属表面が直接接触していることを特徴とする回転電機。
前記冷却液通路は、前記回転子の回転軸周りの半周に円弧状に構成され、冷却液を流入する第１のニップルと前記冷却液を流出する第２のニップルは、それぞれ径方向反対側の前記上蓋の側部に対向するように配設されて前記冷却液通路の両端部と連通し、前記冷却液通路を形成している前記下蓋の面と反対側の冷却風の通路側の面に、冷却液を冷却するために外周側から前記回転軸方向に延びるフィンを設けたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記冷却構造体は、前記パワーモジュールのマイナス端子が前記上蓋に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
前記パワーモジュールは、前記冷却液通路に応じて前記上蓋上に回転軸周りの半周に円弧状に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。
前記上蓋の外周に形成された締代と係合する凸部が前記下蓋に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記下蓋の外周に形成された締代と係合する凸部が前記上蓋に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機。