JP7094420B1

JP7094420B1 - 回転電機

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Publication number: JP7094420B1
Application number: JP2021078948A
Authority: JP
Inventors: 浩之東野; 洋介宇野; 佐武郎田中; 利昭柏原; 義信内海; 潤田原; 寛之矢原; 貴哉武藤; 翔太森川; 直秀前田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2041-05-07
Also published as: DE102022201095A1; JP2022172766A; US20220360145A1; FR3122790A1; CN115395734A

Abstract

【課題】小型化を図ることができるとともに電力変換器におけるパワーモジュールの冷却性と耐振性を両立させることができる回転電機を提供することを目的とする。【解決手段】回転電機本体における反外部装置接続部側ブラケットおよび電力変換器における放熱部材には、回転電機本体と電力変換器を機械的に接続する第１接続部および第２接続部からなる複数の接続部を設け、第１接続部および第２接続部の断面中心が固定子の外径より内径側に配置させるとともに、周方向に隣接する２つの接続部の間にパワーモジュールを配置した。【選択図】図３

Description

本願は、回転電機に関するものである。

自動車等に搭載される回転電機においては、回転電機本体と、この回転電機本体を制御するインバータを含む電力変換器とを備えており、省スペース性と搭載性の容易さ、回転電機本体とインバータを接続する配線ハーネスの縮小化などから、回転電機本体とインバータを一体化させた機電一体型の回転電機が開発されている。

また、インバータまたは整流回路を含む電力変換器を備えた回転電機では、これを冷却する冷却構造および回転電機本体に電力変換器を取り付け固定する構造を備えている。（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）

特許第５７２９２６８号公報特許第４３９２３５２号公報特許第５６０２２１４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された回転電機においては、リヤフレームに設けられた凸部が固定子の内径側に配置されるとともに、リヤフレームとパワーモジュールとが直接接合されているため、電動機として使用する場合、固定子で発生する熱がパワーモジュールに伝導されることになり、パワーモジュールの温度を悪化させる懸念がある。
また、特許文献２に開示された回転電機においては、電力変換器を固定支持する複数の固定スタッドが固定子の内径側に分散配置されているため、径方向冷却通路が閉塞されることになり、必ずしもパワーモジュールの冷却性が最適なものではなかった。

さらに、特許文献３に開示された回転電機においては、回転電機とインバータとが容易に分解ができるようにリヤブラケットに備えられた支柱が固定子鉄心の外径側に配置されているため、回転電機が外径側に大きくなり、車両への搭載性を悪化させていた。
また、リヤブラケットとヒートシンクとの間の径方向通路に接続部を設けるため、接続部の接触断面積が大きい場合は、リヤブラケットとヒートシンクとの間の径方向通路が小さくなり、パワーモジュールの冷却性が悪化する。逆に、接続部の接触断面積が小さい場合、パワーモジュールの冷却性が向上するが、耐振性が低下し、アルミワイヤボンディングなどのジャンパー線を用いたパワーモジュールの半導体素子に断線を生じる恐れがある。

本願に開示された回転電機は、回転電機本体と、前記回転電機本体の回転軸の一方に設けられ、集電器を介して前記回転電機本体と電気を受給する電力変換器と、前記回転電機本体の回転軸の他方に取付けられた外部装置接続部とを備えた回転電機であって、前記回転電機本体は、ハウジングを構成する外部装置接続部側ブラケットおよび反外部装置接続部側ブラケットと、前記外部装置接続部側ブラケットおよび前記反外部装置接続部側ブラケットに回転可能に支持され、前記ハウジング内に配設された回転子と、前記回転子に装着され、回転に伴って送風するファンと、前記外部装置接続部側ブラケットおよび前記反外部装置接続部側ブラケットに軸方向両側から保持されて、前記回転子を囲繞するように配設された固定子とを備え、前記電力変換器は、上下アームを構成する電力用半導体素子を１組以上含むパワーモジュールを複数有するパワー回路部と、前記パワー回路部を制御する制御部と、前記パワー回路部を冷却する放熱部材とを備え、前記反外部装置接続部側ブラケットおよび前記放熱部材には、前記回転電機本体と前記電力変換器とを機械的に接続する第１接続部および第２接続部からなる複数の接続部を設け、前記第１接続部および前記第２接続部をその断面中心が前記固定子の外径より内径側に位置させるとともに、周方向に隣接する２つの前記接続部の間に前記パワーモジュールを配置したことを特徴とするものである。

本願に開示された回転電機によれば、小型化を図ることができるとともに電力変換器におけるパワーモジュールの冷却性と耐振性を両立させることができる。

実施の形態１に係る回転電機の外観を示す斜視図である。図１における回転電機の回転軸に沿った断面を示す概要図である。実施の形態１に係る回転電機を回転軸に直交する断面の反プーリ側から見た概要図である。実施の形態１に係る回転電機の要部構成を示す断面図である。実施の形態２に係る回転電機を回転軸に直交する断面の反プーリ側から見た概要図である。実施の形態３に係る回転電機の回転軸に沿った断面を示す概要図である。実施の形態３に係る回転電機を回転軸に直交する断面の反プーリ側から見た概要図である。実施の形態４に係る回転電機を回転軸に直交する断面の反プーリ側から見た概要図である。図２および図７における回転電機の要部を拡大して示す断面図である。回転電機の変形例を示す概要図である。

以下、本願における実施の形態について図面に基づいて説明する。
なお、各図において、同一または相当する部分には、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機の外観を示す斜視図である。
図において、回転電機１００は、回転電機本体２００と、回転電機本体２００の回転軸上の一方に配置された電力変換器３００と、回転軸上の他方に取り付けられた外部装置接続部４００とから構成されている。

ここで、回転電機本体２００は、ハウジングを構成する外部装置接続部側ブラケット１および反外部装置接続部側ブラケット２と、外部装置接続部側ブラケット１および反外部装置接続部側ブラケット２に固定支持された固定子３とにより外形が形成され、外部装置接続部４００に接続されたギア装置（図示せず）または内燃機関を駆動あるいは補助する電動機として、さらにはギア装置または内燃機関によって駆動される発電機として動作する。
また、電力変換器３００は、回転電機本体２００を制御するためのインバータ回路あるいは回転電機本体２００により発電された電力を変換するコンバータ回路として動作する。
なお、外部装置接続部４００としてプーリを図示しているが、外部装置と接続することが可能な種々の構造とすることができる。

図２は、図１における回転電機の回転軸に沿った断面を示す概要図である。
図において、回転電機本体２００は、外部装置接続部側ブラケット１と反外部装置接続部側ブラケット２とに嵌合されて支持された固定子３と、外部装置接続部側ブラケット１および反外部装置接続部側ブラケット２に軸受９、１０を介して回転可能に支持された回転軸４と、回転軸４に取り付けられ、固定子３に対向して配置された回転子５と、回転子５および電力変換器３００を電気的に接続する集電器１６を備えている。
ここで、固定子３は、外形が円形であり、固定子鉄心３ａと、この固定子鉄心３ａの両端部から突出して固定子鉄心３ａに装着された固定子巻線３ｂとを備えている。また、集電器１６は、回転軸４に取り付けられたスリップリング１６ａと、スリップリング１６ａに接触して通電するブラシ１６ｂと、ブラシ１６ｂを保持するブラシホルダ１６ｃによって構成されている。

一方、回転子５は、回転軸４により支持された回転子鉄心５ａと、この回転子鉄心５ａに巻かれた界磁巻線５ｂと、回転子鉄心５ａの回転軸方向の両端に取り付けられ、回転軸４によって駆動されて冷媒流れを発生させるファン７、８とを備えている。
ファン７，８は、回転子鉄心５ａに取り付けられた主板７ａ，８ａと、ブレード７ｂ，８ｂを有し、回転軸４の回転に伴ってブレード７ｂ，８ｂが回転され、冷媒の流れを発生させる。

なお、外部装置接続部側ブラケット１には、回転軸方向外部装置接続部側端面に外部装置接続部側冷媒流入部１ａが形成されるとともに半径方向端面に外部装置接続部側流路流出部１ｂが形成され、外部装置接続部側ファン７の回転を動力として外部装置接続部側ブラケット１内部に冷媒を流入させるとともに外部装置接続部側ブラケット１内部から冷媒を流出させるように構成されている。
また、反外部装置接続部側ブラケット２には、回転軸方向外部装置接続部側端面に反外部装置接続部側ブラケット冷媒流入部２ａが形成されるとともに半径方向端面に反外部装置接続部側ブラケット冷媒流出部２ｂが形成され、反外部装置接続部側ファン８の回転を動力として反外部装置接続部側ブラケット２内部に冷媒を流入させるとともに反外部装置接続部側ブラケット２内部から冷媒を流出させるように構成されている。

次に、電力変換器３００の構成について説明する。
電力変換器３００は、接続部６を介して反外部装置接続部側ブラケット２の回転軸方向反外部装置接続部側に固定されており、電力変換器３００全体を囲うカバー１５と、パワー回路部２１と、パワー回路部２１を制御する制御部１３と、パワー回路部２１を冷却するため熱的に結合された放熱部材１１を備えている。
なお、接続部６は、反外部装置接続部側ブラケット２から突出して設けられた第１接続部６ａと、放熱部材１１に突出して設けられ、第１接続部６ａに当接する第２接続部６ｂによって構成されている。また、制御部１３は、基板１３ａと、この基板１３ａに取り付けられ、電気的に接続された電子部品１３ｂとを備えている。

さらに、放熱部材１１には、冷却能力を向上させる目的で、複数のフィン１２が形成されている。また、制御部１３およびパワー回路部２１の外周を包囲するケース１４が設けられており、ケース１４の外部にパワーモジュール２２を外部回路に接続する入出力端子１８が設けられている。
さらにまた、パワー回路部２１の電力用半導体素子がファン８におけるブレード８ｂの最内径部より径方向外側に配置されており、これによって冷却作用を良好なものとすることができる。

図３は、図２における電力変換器３００の内部配置を回転軸に直交する方向に断面して示す概要図である。
図において、パワー回路部２１は、上下アームを構成する電力用半導体素子２３を1組以上含んだパワーモジュール２２を備えており、電力用半導体素子２３は、図４に示すように配線部材２４に接合部材２５を介して接続され、モールド樹脂２６により一体に構成されている。
また、接続部６は、その断面中心Ｃ１が固定子３の外径Ｄ１より内側に位置するように設けられるとともに、周方向に隣接する２つの接続部６の間に複数のパワーモジュール２２が配置されている。さらに、これらのパワーモジュール２２は、回転軸４を中心として周方向に配置されており、二つのパワーモジュール２２の周方向に見た間には、少なくとも一つの接続部６が配置されることになる。

このように、反外部装置接続部側ブラケット２と放熱部材１１との間の径方向に流れる冷媒の通路内に接続部６を設置することによって、パワーモジュール２２それぞれに冷媒が分岐されて流れることになり、パワーモジュール２２を効率よく冷却することができる。このとき、接続部６の断面積Ａ１は、接続部６の間に設置されたパワーモジュールの底面積Ａ２よりも小さくすることが望ましい。

また、電力変換器３００の半径方向外周面には、電力変換器冷媒流入部１９が形成されるとともに電力変換器３００の回転軸方向外部装置接続部側端面には、電力変換器冷媒流出部２０が形成され、ファン８の回転を動力として電力変換器３００へ冷媒を流入させるとともに電力変換器３００から冷媒を流出させるように構成されている。

なお、電力変換器３００は、回転電機本体２００の回転軸方向反外部装置接続部側に設けられているため、電力変換器冷媒流出部２０から流出した冷媒が電力変換器冷媒流出部２０でもある反外部装置接続部側ブラケット冷媒流入部２ａを介して回転電機本体２００側に流入することになる。

以上のように構成された回転電機１００においては、パワーモジュール２２のそれぞれに冷媒を分岐させるように接続部６を配置したため、冷却性を向上させることができ、さらに、接続部６の上にパワーモジュール２２が搭載されていないことによって、冷却性の向上を図ることができる。加えて、接続部６は、その断面積Ａ１がパワーモジュール２２の底面積Ａ２よりも小さい構成することによって、パワーモジュール２２下の冷却通路を確保することができ、冷却性を向上させることができる。また、固定子鉄心３ａの外径Ｄ１よりも内径側に接続部６を配置したため、小型化と安全性の向上を図ることができる。特に、接続部６を少なくとも３個以上分散配置することによって、パワーモジュール２２の冷却性の向上とともに耐振性を両立させることができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る回転電機の電力変換器内部の配置を回転軸に直交する方向に断面して示す概要図である。
図において、電力変換器３００は、周方向に隣接する２つの接続部６の断面中心Ｃ１同士を結ぶ線Ｌ１上にパワーモジュール２２を配置するように構成されている。
なお、その他の構成は、実施の形態１と同じであるため、同一符号を付し、その説明を省略する。

このように構成された回転電機１００においては、パワーモジュール２２をより外周側に寄せて配置しつつ、接続部６を固定子３の外径Ｄ１より外側に配置しないように構成することによって、小型化を維持したまま、電力変換器３００の中央側に大きな領域を設けることができる。従って、この領域に例えばパワーモジュール２２と入出力端子１８とを電気的に接続する電気配線またはその固定部材、さらにはフィルター回路を構成するリアクトルおよびコンデンサなどその他の電子部品を搭載することができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る回転電機の軸方向断面図、図７は、図６における電力変換器３００の内部配置を回転軸に直交する方向に断面して示す概要図である。
実施の形態３においては、放熱部材１１の中央部に穴を設けて空間を形成し、この空間部に集電器１６を配置したものである。また、ブラシ１６ｂの摩耗粉が制御部１３側に侵入しないように制御部１３と集電器１６とを区分するケース１４が設けられている。
その他の構成は、実施の形態２と同じであるため、その説明を省略する。

このように構成された回転電機１００においては、半径方向の小型化を維持したまま、軸方向にも小型化することができる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４に係る回転電機の電力変換器内部の配置を回転軸に直交する方向に断面して示す概要図である。
実施の形態４においては、周方向に隣接する接続部６の間に２個のパワーモジュール２２を配置したものである。
その他の構成は、実施の形態１または２と同じであるため、同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

このように構成された回転電機１００においては、接続部６の間に複数のパワーモジュール２２を配置することによって、パワーモジュール２２の発熱密度を分散することができるため、パワーモジュール２２の温度上昇を抑制することができる。さらに、パワーモジュールを小型とすることによって、配置の自由度を向上させることができる。

以上、本願の実施の形態について説明したが、これらは一例を示したものであり、本願は、各実施の形態の特徴的な構成を適宜組み合わせて回転電機を構成してもよく、また、以下に説明するように種々の形態を採ることができる。
すなわち、上述の実施の形態においては、接続部６の断面形状を円形により示しているが、例えば、矩形、多角形、楕円形など、種々の形状を取り得る。また、図では接続部６を同一半径上に４個の等間隔に設置したものを示しているが、同一半径上に限らず配置してもよく、４個に限らず２個以上ならいくつでもよく、その設置間隔は等間隔でなくてもよい。

さらに、図２および図７に示す接続部６は、反外部装置接続部側ブラケット２における第１接続部６ａと、放熱部材１１における第２接続部６ｂとをそれぞれ突出するように構成したが、図９（Ａ）に示すように反外部装置接続部側ブラケット２における第１接続部６ａのみを突出させ、放熱部材１１における第２接続部６ｂは平面状としてもよく、図９（Ｂ）に示すように第２接続部６ｂのみを突出させてもよい。
また、図９（Ｃ）に示すように、放熱部材１１に凹部を設けて第２接続部６ｂを形成し、この凹部に第１接続部６ａを挿入してもよく、図９（Ｄ）に示すように反外部装置接続部側ブラケット２に凹部を設けて第１接続部６ａを形成し、この凹部に第２接続部６ｂを挿入してもよい。
さらに、図９（Ｅ）に示すように、第１接続部６ａと第２接続部６ｂとの間に、反外部装置接続部側ブラケット２および放熱部材１１よりも熱伝導率が低い、あるいは絶縁性が良い、例えば樹脂などの中間部材３１を設けてもよい。

また、パワー回路部２１としては、２組３相全波整流を構成するように上下アーム６組の電力用半導体素子を備えてもよく、この場合、パワーモジュール２２には、例えば、上下アームが２組で４個の電力用半導体素子を備えていたり、上下アームが３組で６個の電力用半導体素子を備えていたり、種々の構成を採ることができる。また、上下アームが1組のパワーモジュール２２を５個有する５相の電力変換器であったり、６個ある６相の電力変換器であったり、７個ある７相の電力変換器であったり、種々の相数を持った電力変換器でもよい。さらに、パワーモジュール２２は、例えば、上下アーム１組のパワーモジュールと上下アーム２組のパワーモジュールとを１つずつ以上含むように、混在して配置してもよい。

さらに、放熱部材１１には、回転電機本体２００に備える界磁巻線５ｂへの電流量を制御する電気回路３２を配置してもよく、その電気回路は、外観がパワーモジュール２２と同様にモールド樹脂２６などの封止材で封止されたような電気回路モジュールでもよい。このような場合も含めて、図１０に示すように、３個のパワーモジュール２２と１個の電気回路３２を配置してもよく、その並びはどのような順でもよい。また、電気回路３２ではなく、パワーモジュール２２が４個ある形態とすることもできる。

１：外部装置接続部側ブラケット、２：反外部装置接続部側ブラケット、
３：固定子、３ａ：固定子鉄心、３ｂ：固定子巻線、４：回転軸、
５：回転子、５ａ：回転子鉄心、５ｂ：界磁巻線、６：接続部、
６ａ：第１接続部、６ｂ：第２接続部、７：ファン、７ａ：主板、
７ｂ：ブレード、８：ファン、８ａ：主板、８ｂ：ブレード、１１：放熱部材、
１２：フィン、１３：制御部、１４：ケース、１５：カバー、１６：集電器、
１９：電力変換器冷媒流入部、２０：電力変換器冷媒流出部、２１：パワー回路部、
２２：パワーモジュール、２３：電力用半導体素子、２４：配線部材、
２５：接合部材、２６：モールド樹脂、１００：回転電機、
２００：回転電機本体、３００：電力変換器、４００：外部装置接続部

Claims

回転電機本体と、前記回転電機本体の回転軸の一方に設けられ、集電器を介して前記回転電機本体と電気を受給する電力変換器と、前記回転電機本体の回転軸の他方に取付けられた外部装置接続部とを備えた回転電機であって、
前記回転電機本体は、ハウジングを構成する外部装置接続部側ブラケットおよび反外部装置接続部側ブラケットと、前記外部装置接続部側ブラケットおよび前記反外部装置接続部側ブラケットに回転可能に支持され、前記ハウジング内に配設された回転子と、前記回転子に装着され、回転に伴って送風するファンと、前記外部装置接続部側ブラケットおよび前記反外部装置接続部側ブラケットに軸方向両側から保持されて、前記回転子を囲繞するように配設された固定子とを備え、
前記電力変換器は、上下アームを構成する電力用半導体素子を１組以上含むパワーモジュールを複数有するパワー回路部と、前記パワー回路部を制御する制御部と、前記パワー回路部を冷却する放熱部材とを備え、
前記反外部装置接続部側ブラケットおよび前記放熱部材には、前記回転電機本体と前記電力変換器とを機械的に接続する第１接続部および第２接続部からなる複数の接続部を設け、前記第１接続部および前記第２接続部をその断面中心が前記固定子の外径より内径側に位置させるとともに、周方向に隣接する２つの前記接続部の間に前記パワーモジュールを配置したことを特徴とする回転電機。
２つの前記接続部の断面中心を結ぶ線上に、前記パワーモジュールを配置したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記接続部は、前記反外部装置接続部側ブラケットと前記放熱部材との間の径方向通路内に設けられ、前記接続部によって前記パワーモジュールそれぞれに冷媒が分岐するように構成され、かつ、前記接続部の断面積が前記接続部の間に設置された前記パワーモジュールの底面積よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
前記パワー回路部は、２組３相全波整流を構成する上下アーム６組の前記電力用半導体素子を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
前記電力用半導体素子は、樹脂部材によりモールドされ、前記樹脂部材は、前記固定子の外径内に配置された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。
前記パワー回路部は、前記集電器よりも反外部装置接続部側に配置された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。
前記電力用半導体素子は、前記ファンのブレードの最内径部より径方向外側に配置されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機。
前記反外部装置接続部側ブラケットの前記第１接続部と前記放熱部材の前記第２接続部との間に、前記反外部装置接続部側ブラケットおよび前記放熱部材よりも熱伝導率の低い部材を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機。