JP7109587B2

JP7109587B2 - 回転電機

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Publication number: JP7109587B2
Application number: JP2020560644A
Authority: JP
Inventors: 雄二白形; 健太藤井; 大輔佐々木; 俊吾宮城; 寛之矢原; 浩之東野; 潤田原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2038-12-17
Also published as: WO2020129111A1; JPWO2020129111A1; CN113169622A; EP3902118A1; EP3902118A4

Description

本願は、回転電機に関するものである。

回転電機は、回転子及び固定子から構成される回転電機本体部と、回転電機本体部に電力を供給するインバータ及び制御回路から構成される電力供給ユニットを備えている。省スペース性と搭載性の容易さ、また、回転電機本体部とインバータとを接続する配線ハーネスの短縮等から、回転電機本体部と電力供給ユニットと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。

例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている回転電機において、インバータは回転電機の端に取り付けられている。インバータのヒートシンクにはフィンが形成されており、回転子の端部に装着された送風ファンにより発生した冷却風がフィンを通過することでインバータを冷却している。

特表２０１６－５３７９５９号公報特開２０１７－１１２８０７号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、パワーモジュールのヒートシンク及びそのフィンは、周方向及び径方向に延在しており、フィンは軸方向に突出している。よって、パワーモジュール、ヒートシンク、及びフィンは、周方向に広がって配置されており、周方向の配置面積が大きくなっている。そのため、複数個のパワーモジュールを搭載しようとすると、電力供給ユニットの外径が大きくなる課題があった。

特許文献２の技術では、パワーモジュールのヒートシンク及びフィンは、周方向及び軸方向に延在しており、フィンは径方向内側に突出している。よって、パワーモジュール、ヒートシンク、及びフィンは、周方向に広がって配置されており、周方向の配置面積が大きくなっている。そのため、複数個のパワーモジュールを搭載しようとすると、電力供給ユニットの外径が大きくなる課題があった。

また、特許文献２の技術では、冷却風を、回転軸付近を軸方向に流す必要があるため、冷却効率を向上させるためには、電力供給ユニットの軸方向の端部に、開口部を設ける必要があり、制御回路等の部品の配置が制限される。

例えば、回転電機を、自動車のエンジンルームに搭載する場合、限られた空間に設置できることが求められている。回転電機の外径の制約がある場合は、パワーモジュール及びヒートシンクの搭載により、回転電機の外径が拡大することを抑制する必要がある。

そこで、パワーモジュール及びヒートシンクの搭載によって、回転電機の外径が拡大することを抑制することができる回転電機が望まれる。

本願に係る回転電機は、
複数相の巻線を備えた固定子と、
前記固定子の径方向内側に配置された回転子と、
前記回転子の磁極に具備したファンと、
前記回転子と一体回転する回転軸と、
前記固定子及び前記回転子を収容すると共に、前記回転軸を回転可能に支持するブラケットと、
前記巻線への通電をオンオフする電力用半導体素子を設けたパワーモジュールと、
前記パワーモジュールのヒートシンク固定面に熱的に接続されたヒートシンクと、
前記電力用半導体素子を制御する制御回路と、
前記ヒートシンクの配置空間において冷媒が流れる冷媒流路と、
前記冷媒流路を形成する流路構成部材と、
前記パワーモジュール及び前記制御回路を覆うカバーと、を備え、
前記電力用半導体素子の前記ヒートシンク固定面は、前記回転軸の径方向及び軸方向に延在し、
前記冷媒流路では、前記ヒートシンクの配置空間において径方向に前記冷媒が流れ、
前記流路構成部材は、軸方向における前記パワーモジュール及び前記ヒートシンクと、前記ブラケットとの間に配置され、前記パワーモジュール及び前記ヒートシンクを軸方向の一方側から支持し、
前記流路構成部材の支持面は、径方向内側の部分に対して、径方向外側の部分が、軸方向の他方側に突出しており、
前記パワーモジュール及び前記ヒートシンクは、径方向内側に向かうに従って、軸方向の一方側に移動するように、径方向に対して傾いて配置され、
前記カバーには、前記ヒートシンクの配置空間の径方向外側の部分に前記冷媒が流れるカバーの開口部が設けられており、
前記ブラケットの軸方向の他方側の壁部には、軸方向に貫通するブラケットの開口部が設けられ、
前記ファンは、前記ヒートシンクの配置空間を流れた冷媒を、前記ブラケットの開口部を通って軸方向の一方側に吸引し、
前記冷媒は、前記カバーの開口部を通って径方向内側に流れた後、前記ヒートシンクの配置空間において径方向内側に流れるに従って軸方向の一方側に移動し、その後、前記ブラケットの開口部を通って軸方向の一方側に流れるものである。

本願に係る回転電機によれば、パワーモジュールのヒートシンク固定面は、径方向及び軸方向に延在し、ヒートシンクは、ヒートシンク固定面の周方向の一方側又は他方側に配置される。よって、パワーモジュール及びヒートシンクが周方向に延在することを抑制することができ、パワーモジュール及びヒートシンクの周方向の配置面積が大きくなることを抑制できる。よって、パワーモジュール及びヒートシンクの搭載によって、回転電機の外径が拡大することを抑制できる。

実施の形態１に係る回転電機の斜視図である。実施の形態１に係る回転電機を、回転軸の軸心を通る平面で切断した断面図である。実施の形態１に係る１つのパワーモジュール及びヒートシンクの斜視図である。実施の形態１に係る１つのパワーモジュールに設けられた電力用半導体素子の回路図である。実施の形態１に係る、対にされた２つのパワーモジュール及びヒートシンクを径方向外側から見た側面図である。実施の形態２に係る回転電機を、回転軸の軸心を通る平面で切断した断面図である。実施の形態３に係る回転電機を、回転軸の軸心を通る平面で切断した要部断面図である。実施の形態３に係る回転電機を、回転軸の軸心を通る平面で切断した要部断面図である。

以下、本願に係る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。各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。なお、各図間の図示では、対応する各構成部のサイズ及び縮尺は、それぞれ独立している。

１．実施の形態１
実施の形態１に係る回転電機１００について図面を参照して説明する。図１は、回転電機１００の斜視図である。図２は、回転電機１００を、ヒートシンク１１０及び回転軸４の軸心Ｃを通る平面で切断した模式的な断面図である。図３は、１つのパワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０の斜視図である。図４は、１つのパワーモジュール１６０に設けられた電力用半導体素子の回路図であり、図５は、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０を径方向外側Ｙ２から見た側面図である。

本願において、回転軸４の軸心Ｃに平行な方向を軸方向Ｚと定義し、軸方向の一方側Ｚ１をフロント側Ｚ１と称し、軸方向の一方側Ｚ１とは反対側である軸方向の他方側Ｚ２をリア側Ｚ２と称する。径方向Ｙ及び周方向Ｘは、回転軸４の軸心Ｃについての径方向及び周方向である。

＜回転電機本体部２００＞
回転電機１００は、回転電機本体部２００を備えている。回転電機本体部２００は、複数相の巻線を備えた固定子３と、固定子３の径方向内側Ｙ１に配置された回転子６、回転子６と一体回転する回転軸４と、固定子３及び回転子６を収容すると共に、回転軸４を回転可能に支持するブラケットと、を備えている。

本実施の形態では、ブラケットは、フロント側Ｚ１のフロント側ブラケット１及びリア側Ｚ２のリア側ブラケット２から構成されている。フロント側ブラケット１は、円筒状の外周壁と、外周壁のフロント側Ｚ１端部から径方向内側Ｙ１に延びた円板状の側壁とを有しており、側壁の中心部に回転軸４が貫通し、フロント側ベアリング７１が固定される貫通孔が設けられている。リア側ブラケット２は、円筒状の外周壁と、外周壁のリア側Ｚ２端部から径方向内側Ｙ１に延びた円板状の側壁とを有しており、側壁の中心部に回転軸４が貫通し、リア側ベアリング７２が固定される貫通孔が設けられている。フロント側ブラケット１とリア側ブラケット２は、軸方向Ｚに延びたボルト１５によって連結されている。

回転軸４のフロント側Ｚ１の端部は、フロント側ブラケット１の貫通孔を貫通して、フロント側ブラケット１よりもフロント側Ｚ１に突出しており、この突出部にプーリ９が固定されている。プーリ９と、エンジンのクランクシャフトに固定されたプーリ９との間にベルトが掛け渡され（不図示）、回転電機１００とエンジンとの間で、回転駆動力の伝達を行う。

回転軸４のリア側Ｚ２の端部は、リア側ブラケット２の貫通孔を貫通して、リア側ブラケット２よりもリア側Ｚ２に突出しており、この突出部に一対のスリップリング９０が設けられている。一対のスリップリング９０は、回転子６の界磁巻線６２に接続されている。

回転子６は、界磁巻線６２と界磁鉄心６１とを備えている。回転子６は、ランデル型（クローポール型ともいう）とされている。界磁鉄心６１は、円筒状の中心部と、中心部のフロント側Ｚ１の端部から中心部の径方向外側Ｙ２まで延びたフロント側の爪部と、中心部のリア側Ｚ２の端部から中心部の径方向外側Ｙ２まで延びたリア側の爪部と、を備えている。界磁巻線６２の絶縁処理された銅線は、界磁鉄心６１の中心部の外周面に同心状に巻回されている。フロント側の爪部とリア側の爪部とは、周方向Ｘに交互に設けられており、互いに異なる磁極となる。例えば、フロント側の爪部とリア側の爪部は、それぞれ６個又は８個設けられる。

固定子３は、微小な隙間をあけて回転子６を取り囲むよう配設され、スロットを設けた円筒状の固定子鉄心３１と、固定子鉄心３１のスロットに巻装された複数相の巻線３２と、を備えている。複数相の巻線３２は、例えば、１組の３相巻線、２組の３相巻線、又は１組の５相巻線等とされ、回転電機の種類に応じて設定される。

複数相の巻線３２は、固定子鉄心３１からフロント側Ｚ１に突出したフロント側コイルエンド部、固定子鉄心３１からリア側Ｚ２に突出したリア側コイルエンド部を有している。複数相の巻線３２のリード線は、リア側ブラケット２を貫通して、リア側Ｚ２に延びている（不図示）。

フロント側ブラケット１とリア側ブラケット２とは、軸方向Ｚに間隔を空けて設けられている。固定子鉄心３１は、フロント側ブラケット１のリア側Ｚ２の開口端部とリア側ブラケット２のフロント側Ｚ１の開口端部とにより軸方向両端から挟持されている。

回転子６（界磁鉄心６１）のフロント側Ｚ１の端部には、複数のブレードを有するフロント側送風ファン８１が固定され、回転子６（界磁鉄心６１）のリア側Ｚ２の端部には、複数のブレードを有するリア側送風ファン８２が取り付けられ、それらは、回転子６と一体回転する。フロント側送風ファン８１及びリア側送風ファン８２は、径方向外側Ｙ２に配置されたフロント側コイルエンド部及びリア側コイルエンド部等を冷却する。

リア側ブラケット２は、リア側送風ファン８２の径方向外側Ｙ２の部分に、周方向に分散して複数の開口部２２（以下、排気開口部２２と称す）を設けており、リア側Ｚ２の部分に、周方向に分散して複数の開口部２１（以下、吸気開口部２１と称す）を設けている。

＜電力供給ユニット３００＞
回転電機１００は、回転電機本体部２００に電力を供給する電力供給ユニット３００を備えている。電力供給ユニット３００は、回転電機本体部２００のリア側Ｚ２に配置され、回転電機本体部２００に固定されている。電力供給ユニット３００は、複数の電力用半導体素子を有し、直流電源と複数相の巻線との間で直流交流変換を行うインバータと、電力用半導体素子をオンオフ制御する制御回路１７０とを備えている。本実施の形態では、インバータは、電力用半導体素子を設けたパワーモジュール１６０により構成されている。また、電力供給ユニット３００は、パワーモジュール１６０のヒートシンク固定面１６に熱的に接続されたヒートシンク１１０と、ヒートシンク１１０の配置空間において、冷媒が流れる冷媒流路１８０と、を備えている。

電力供給ユニット３００は、リア側ブラケット２からリア側Ｚ２に突出した回転軸４の突出部に設けられた一対のスリップリング９０に接触する一対のブラシと、ブラシ及びスリップリング９０を介して界磁巻線６２に供給する電力をオンオフする界磁巻線用の電力用半導体素子（不図示）とを備えている。界磁巻線用の電力用半導体素子（スイッチング素子）は、制御回路１７０によりオンオフ制御される。また、回転軸４のリア側Ｚ２の突出部には、回転軸４の回転情報を検出する回転センサ９２が備えられている。回転センサ９２には、ホール素子、レゾルバ、磁気センサ、電磁誘導方式等が用いられる。

電力供給ユニット３００は、カバー１０１を備えている。カバー１０１は、制御回路１７０、パワーモジュール１６０、及びヒートシンク１１０等のリア側Ｚ２及び径方向外側Ｙ２を覆っている。カバー１０１は、フロント側Ｚ１に開口する有底筒状に形成されている。径方向外側Ｙ２を覆うカバー１０１の外周壁１０１ｂには、インバータを外部の直流電源に接続するための正極側電源端子１５１及び負極側電源端子１５２、並びに制御回路１７０を外部の制御装置に接続するための制御用コネクタ１５３が設けられている。

カバー１０１の外周壁１０１ｂには、カバー開口部１０１ｃが設けられており、外側に開口している。リア側Ｚ２を覆うカバー１０１のリア側底壁１０１ａには、開口部が設けられていない。カバー１０１のフロント側Ｚ１は開口しており、開口部は、回転電機本体部２００（リア側ブラケット２）により覆われている。

制御回路１７０は、板状（本例では、円板状）の回路基板１０３を備えている。制御回路１７０は、回路基板１０３を覆うケース１０２を備えている。回路基板１０３は、制御回路１７０を構成する電子部品が実装されたプリント基板、セラミック基板、金属基板等により構成されている。特に、車載機器においては高い振動耐久性が必要なため、回路基板１０３は、ケース１０２に、ねじ、熱加締め、リベット、接着等により固定されている。固定点は、例えば５０～６０ｍｍ間隔で配置されている。この間隔は一例であり、振動条件及び製品形状に合わせて変えられてもよい。

回路基板１０３は、リア側ブラケット２のリア側Ｚ２に間隔を空けて配置されている。回路基板１０３は、径方向Ｙ及び周方向Ｘに延在している。本実施の形態では、回路基板１０３の表面は、軸方向Ｚに直交している。なお、回路基板１０３の表面は、軸方向Ｚに直交する平面に対して、例えば、３０度以内の角度で傾いていてもよい。ケース１０２は、回路基板１０３のフロント側Ｚ１を覆っている。また、ケース１０２は、回路基板１０３の外周側を覆う周壁を備えている。回路基板１０３のリア側Ｚ２は、カバー１０１のリア側底壁１０１ａにより覆われている。

ケース１０２は、後述するパワーモジュール１６０の制御用接続部材１６４が貫通する開口部（不図示）が設けられている。制御用接続部材１６４は、回路基板１０３に接続される。

回転軸４は、リア側ブラケット２から回路基板１０３のフロント側Ｚ１の面（本例ではケース１０２のフロント側Ｚ１の面の直前）まで、リア側Ｚ２に延出している。よって、回転軸４は、回路基板１０３及びケース１０２を貫通しておらず、回路基板１０３及びケース１０２のフロント側Ｚ１に隙間を空けて配置されている。この構成によれば、回路基板１０３及びケース１０２に、回転軸４をよけるための開口部を設ける必要がなくなる。よって、回路基板１０３の外径を減少させ、パワーモジュール１６０の外径を小型化、低コスト化することができる。

なお、リア側ブラケット２と軸方向Ｚに見て重複する範囲内に電子部品を配置できれば、回路基板１０３に回転軸４が貫通する貫通孔が設けられてもよい。また、回路基板１０３は、リア側ブラケット２と軸方向Ｚに見て重複する範囲内に収まれば、円板状でなくてもよく、２枚以上の回路基板により構成されてもよく、それぞれの回路基板の材料が異なっていてもよい。

電力供給ユニット３００は、１つの相の巻線に対して、図４に示すような、直流電源の正極側に接続される正極側の電力用半導体素子１６６Ｈと、直流電源の負極側に接続される負極側の電力用半導体素子１６６Ｌとが直列接続された直列回路を１セット設けている。正極側の電力用半導体素子１６６Ｈと負極側の電力用半導体素子１６６Ｌとが直列接続されている接続点が、対応する相の巻線に接続される。例えば、１組の３相の巻線が設けられる場合は、３セットの直列回路が設けられ、２組の３相の巻線が設けられる場合は、６セットの直列回路が設けられる。なお、正極側及び負極側の電力用半導体素子１６６Ｈ、１６６Ｌの双方又は一方が、それぞれ、並列に接続された２つの以上の電力用半導体素子により構成されてもよい。

電力用半導体素子には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子が用いられる。これらは、モータなどの機器を駆動するインバータに用いられるもので、数アンペアから数百アンペアの定格電流を制御するものである。電力用半導体素子の材料として、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）などが用いられてもよい。

本実施の形態では、１つのパワーモジュール１６０は、正極側の電力用半導体素子１６６Ｈと負極側の電力用半導体素子１６６Ｌとの１つの直列回路を設けている。図３及び図４に示すように、パワーモジュール１６０は、正極側の電力用半導体素子１６６Ｈのコレクタ端子に接続された正極側接続部材１６１と、負極側の電力用半導体素子１６６Ｌのエミッタ端子に接続された負極側接続部材１６２と、正極側の電力用半導体素子１６６Ｈのエミッタ端子と負極側の電力用半導体素子１６６Ｌのコレクタ端子との接続点に接続された巻線接続部材１６３と、正極側及び負極側の電力用半導体素子１６６Ｈ、１６６Ｌのゲート端子等に接続された制御用接続部材１６４と、を備えている。正極側接続部材１６１、負極側接続部材１６２、巻線接続部材１６３、制御用接続部材１６４には、導電性が良好で熱伝導率の高い銅または銅合金などの金属を用いてもよく、表面はＡｕ、Ｎｉ、Ｓｎなどの金属材料でめっきされていてもよい。また、各端子の金属及びめっきの材質は、２種類以上で構成されてもよい。なお、１つのパワーモジュール１６０には、１つの電力用半導体素子が設けられてもよく、或いは３つ以上の電力用半導体素子が設けられてもよい。電力用半導体素子の数に合わせて、接続部材等の構成が変更される。

正極側接続部材１６１は、正極側電源端子１５１に接続される正極側配線部材に接続され、負極側接続部材１６２は、負極側電源端子１５２に接続される正極側配線部材に接続され、巻線接続部材１６３は、対応する相の巻線に接続される巻線配線部材に接続され、制御用接続部材１６４は、制御回路１７０に接続される。

電力用半導体素子は、金属基板又はセラミック基板の配線パターン、バスバー等に、はんだ、銀ペースト等の導電性材料で接合されている。金属基板は、アルミ、銅等のベース材料で構成される。セラミック基板は、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素等で構成される。バスバーは、鉄、アルミ、銅等で構成される。配線パターン及びバスバーを合わせてリードと称す。

パワーモジュール１６０は、ヒートシンク１１０が熱的に接続されたヒートシンク固定面１６を有している。本実施の形態では、電力用半導体素子は、金属基板、セラミック基板、バスバー等の一方側の面に固定され、金属基板、セラミック基板、バスバー等の他方側の面が、ヒートシンク固定面１６を構成している。なお、電力用半導体素子が固定される金属基板、セラミック基板、バスバー等の面と同じ側に、ヒートシンク固定面１６が設けられてもよい。また、互いに反対側になるパワーモジュール１６０の２つの面が、ヒートシンク固定面１６とされてもよく、それぞれの面に、ヒートシンク１１０が熱的に接続されてもよい。

本実施の形態では、ヒートシンク固定面１６とヒートシンク１１０と間の接続には、接触熱抵抗を低減するため、伝熱材が介在している。金属基板、セラミック基板の場合は、伝熱材には、例えばグリース、接着剤、シート、ゲル等の導電性もしくは絶縁性を有する材料、又ははんだ、銀ペースト等の導電性部材が用いられる。ヒートシンク１１０との絶縁が必要なリードの場合は、伝熱材には、絶縁性を有する材料が用いられる。これらにより、パワーモジュール１６０とヒートシンク１１０が伝熱材を介して熱的に接続されるため、部材及び接合工程を削減し熱抵抗を低減できる。

リードとヒートシンク１１０が同電位の場合は、はんだ等の導電性部材で接続してもよく、或いは、電力用半導体素子に接合されたリードを、ばね又はねじ等によりヒートシンク１１０に機械的に押圧させてもよい。接合から機械的な押圧に変えることで、熱抵抗を低減しつつ、温度サイクル及び高温での劣化が軽減され、長期信頼性が向上する。また、ヒートシンク１１０は、パワーモジュール１６０と一体的にモジュール化されていてもよい。

パワーモジュール１６０は、封止樹脂１６５を備えている。封止樹脂１６５は、電力用半導体素子、正極側接続部材１６１、負極側接続部材１６２、巻線接続部材１６３、制御用接続部材１６４、及びその他の構成部品を封止する。封止樹脂１６５には、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等のポッティング樹脂、フッ素樹脂等の電力用半導体素子の表面のコーティング材料、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ＡＢＳ)等の成形材料が用いられる。封止樹脂１６５によって電力用半導体素子等の構成部品を覆うことで、例えば、異物が混入した場合、塩、泥等が入った水等がかかった場合でも絶縁性を確保することができる。また、エポキシ樹脂等の硬度が高い材料を使うことで、部品を固定でき耐振性を向上できる。なお、封止樹脂１６５以外の方法でパワーモジュール１６０を絶縁し固定できれば、封止樹脂１６５はなくてもよい。

＜冷却機構の配置構成＞
パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０は、軸方向Ｚにおけるリア側ブラケット２と回路基板１０３（本例では、ケース１０２）との間の空間に配置されている。パワーモジュール１６０のヒートシンク固定面１６は、径方向Ｙ及び軸方向Ｚに延在している。冷媒流路１８０では、ヒートシンク１１０の配置空間において径方向Ｙに冷媒としての空気が流れる。なお、冷媒は、空気以外の媒体（例えば、冷却水）であってもよい。

この構成によれば、パワーモジュール１６０のヒートシンク固定面１６は、径方向Ｙ及び軸方向Ｚに延在し、ヒートシンク１１０は、ヒートシンク固定面１６の周方向Ｘの一方側又は他方側に配置される。よって、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０が周方向Ｘに延在することを抑制することができ、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０の周方向Ｘの配置面積が大きくなることを抑制できる。よって、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０の搭載によって、電力供給ユニット３００の外径が拡大することを抑制できる。

ヒートシンク１１０は、ヒートシンク固定面１６の周方向Ｘの一方側又は他方側に配置される。そして、ヒートシンク１１０の配置空間において、冷媒が径方向Ｙに流れる冷媒流路１８０が設けられるので、軸方向Ｚに間隔を空けて配置されたリア側ブラケット２と回路基板１０３との間の空間を利用して冷媒流路１８０を設けることができる。そのため、冷媒をパワーモジュール１６０のリア側Ｚ２に流すために、回路基板１０３の配置面積を小さくする必要がない。また、冷媒が径方向Ｙに流れるので、冷媒を、径方向内側Ｙ１の回転軸４のリア側Ｚ２の突出部付近を通過させることができる。そのため、回転軸４のリア側Ｚ２の突出部付近に設けられたスリップリング９０及びブラシ、回転センサ９２、及びリア側ベアリング７２も効率的に冷却させることができる。

本実施の形態では、ヒートシンク固定面１６は、平面とされており、軸心Ｃを通る平面に沿って延在している。なお、ヒートシンク固定面１６は、径方向Ｙ及び軸方向Ｚに延在していれば、凹凸があってもよく、曲面であってもよい。また、ヒートシンク固定面１６は、軸心Ｃを通り、ヒートシンク固定面１６に交差する平面に対して、例えば、３０度以内の角度で傾いていてもよい。

本実施の形態では、パワーモジュール１６０は、直方体状に形成されており、各接続部材１６１～１６４が、直方体状の部分から突出している。ヒートシンク固定面１６は、直方体の１つの面とされている。直方体の各辺は、軸方向Ｚに平行又は直交するように配置されている。パワーモジュール１６０の周方向Ｘの幅は、径方向Ｙの幅及び軸方向Ｚの幅よりも短くなっている。なお、直方体の各辺は、軸方向Ｚに平行又は直交せずに、傾いて配置されていてもよい。また、パワーモジュール１６０は、直方体状以外の形状に形成されてもよい。

制御用接続部材１６４は、パワーモジュール１６０のリア側Ｚ２の面からリア側Ｚ２に突出しており、パワーモジュール１６０のリア側Ｚ２に配置された回路基板１０３に接続される。正極側接続部材１６１、負極側接続部材１６２、巻線接続部材１６３は、パワーモジュール１６０のヒートシンク固定面１６とは反対側の面から突出している。

ヒートシンク１１０は、パワーモジュール１６０のヒートシンク固定面１６に熱的に接続される。ヒートシンク１１０は、ヒートシンク固定面１６の周方向Ｘの一方側又は他方側に配置される。ヒートシンク１１０は、電力用半導体素子、及び導通経路に電流が流れるときに発生する熱、他の部品から入ってくる熱を外部に放熱する役割を有している。ヒートシンク１１０は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属、セラミック、樹脂等の５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料を用いて構成される。

ヒートシンク１１０は、径方向Ｙ及び軸方向Ｚに延在し、ヒートシンク固定面１６に熱的に接続される板状の基礎部１１０ａと、基礎部１１０ａからヒートシンク固定面１６とは反対側に突出した複数の突出部１１０ｂとを備えている。複数の突出部１１０ｂを設けることより、放熱面積を増やすことができる。本実施の形態では、複数の突出部１１０ｂのそれぞれは、軸方向Ｚに互いに間隔を空けて、周方向Ｘ及び径方向Ｙに延在した板状に形成されている。本実施の形態では、複数の板状の突出部１１０ｂは、周方向Ｘ及び径方向Ｙに平行に延在した平板とされている。なお、複数の板状の突出部１１０ｂは、周方向Ｘ及び径方向Ｙに延在していればよく、周方向Ｘ及び径方向Ｙに平行な平面（軸方向Ｚに直交する平面）に対して、例えば、３０度以内の角度で傾いていてもよい。

基礎部１１０ａは、パワーモジュール１６０のヒートシンク固定面１６と同等の面積の面を有する直方体状に形成されている。基礎部１１０ａの周方向Ｘの幅は、径方向Ｙの幅及び軸方向Ｚの幅よりも短くなっている。突出部１１０ｂは、矩形平板状に形成されている。なお、基礎部１１０ａは、ヒートシンク固定面１６に固定される面を有していれば、直方体状以外の形状に形成されてもよく、突出部１１０ｂは、矩形平板状以外の板状に形成されてもよい。また、放熱性を確保できれば、ヒートシンク１１０に、複数の突出部１１０ｂが設けられなくてもよい。

各接続部材を除いたパワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０の全体外形の周方向Ｘの幅は、径方向Ｙの幅及び軸方向Ｚの幅よりも短くなっている。よって、ヒートシンク固定面１６が径方向Ｙ及び軸方向Ｚに延在するように配置することで、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０の周方向Xの配置面積を小さくできる。

本実施の形態では、図５に示すように、ヒートシンク固定面１６が周方向Ｘの一方側を向く向きで、パワーモジュール１６０が配置されている。そして、ヒートシンク固定面１６の周方向Ｘの一方側にヒートシンク１１０が固定され、ヒートシンク１１０の周方向Ｘの一方側に、冷媒としての空気が径方向Ｙに流れる冷媒流路１８０が形成されている。なお、図５では、右側を周方向Ｘの一方側とし、左側を周方向Ｘの他方側としている。ヒートシンク固定面１６が周方向Ｘの他方側を向く向きで、パワーモジュール１６０が配置されてもよく、ヒートシンク固定面１６の周方向Ｘの他方側にヒートシンク１１０が固定されてもよい。

ヒートシンク１１０の径方向外側Ｙ２のカバー１０１の部分には、カバー開口部１０１ｃが設けられている。よって、冷媒としての空気をヒートシンク１１０の周方向Ｘの一方側の流路に集中的に流すことができ、冷却効率を高めることができる。なお、ヒートシンク１１０及びパワーモジュール１６０の数に合わせて、カバー開口部１０１ｃが複数設けられてもよい。

本実施の形態では、図５に示すように、カバー開口部１０１ｃの開口面積は、ヒートシンク１１０の配置領域に応じた面積とされている。カバー開口部１０１ｃと、ヒートシンク１１０及びパワーモジュール１６０との隙間が小さくなるように、ヒートシンク１１０及びパワーモジュール１６０の径方向外側Ｙ２の端面が、カバー開口部１０１ｃの径方向位置と同等になるように配置されている。よって、空気をヒートシンク１１０の周方向Ｘの一方側の流路に効率的に流すことができる。

図２に示すように、ヒートシンク１１０の配置空間のリア側Ｚ２にはケース１０２が配置され、ヒートシンク１１０の配置空間のフロント側Ｚ１にはリア側ブラケット２が配置されているので、冷媒をヒートシンク１１０の配置空間に集めることができ、冷却効率を高めることができる。

本実施の形態では、図２に矢印で示すように、冷媒流路１８０では、冷媒としての空気が、カバー１０１のカバー開口部１０１ｃを通って外側から吸引された後、ヒートシンク１１０の配置空間を径方向内側Ｙ１に流れる。なお、空気は逆向きに流れてもよい。

カバー１０１に金属材料が用いられた場合、外部のノイズを反射あるいは吸収して電力供給ユニット３００への影響を軽減し、また、電力供給ユニット３００から出るノイズを反射あるいは吸収して周辺機器への影響を軽減することができる。

２．実施の形態２
次に、実施の形態２に係る回転電機１００について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。図６は、本実施の形態に係る回転電機１００を、ヒートシンク１１０及び回転軸４の軸心Ｃを通る平面で切断した模式的な断面図である。

本実施の形態では、図６に示すように、回転電機１００は、冷媒流路１８０を形成する流路構成部材１０４を備えており、流路構成部材１０４は、軸方向Ｚにおけるパワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０と、リア側ブラケット２との間に配置されている。

この構成によれば、ヒートシンク１１０の配置空間のフロント側Ｚ１には流路構成部材１０４が配置されているので、冷媒をヒートシンク１１０の配置空間に集めることができ、冷却効率を高めることができる。

本実施の形態では、流路構成部材１０４は、径方向Ｙ及び周方向Ｘに延びる板状に形成されており、軸方向Ｚに見て、ヒートシンク１１０が配置されている領域を包含する領域に配置されている。また、流路構成部材１０４は、リア側ブラケット２のリア側Ｚ２の吸気開口部２１の一部のリア側Ｚ２を覆うように配置されている。この構成によれば、冷媒が、ヒートシンク１１０の配置空間の径方向内側Ｙ１の端部まで到達する前に、吸気開口部２１に吸入されることを防止できる。なお、吸気開口部２１の一部が覆われていても、周方向Ｘに分散して設けられた吸気開口部２１も通って冷媒が流れるため、流れの大きな妨げにはならない。

また、冷媒流路１８０を冷媒が十分通過し、ヒートシンク１１０の放熱性が十分確保できる場合、流路構成部材１０４がリア側ブラケット２のリア側Ｚ２の吸気開口部２１の一部のリア側Ｚ２を覆わないように配置されてもよい。この場合、冷媒流路１８０で生じる圧力損失を低減でき、冷媒流路１８０を通過する冷媒の流量を増加することができる。さらに、流路構成部材１０４には穴が開いていてもよい。

３．実施の形態３
次に、実施の形態３に係る回転電機１００について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。図７及び図８は、本実施の形態に係る回転電機１００を、ヒートシンク１１０及び回転軸４の軸心Ｃを通る平面で切断した模式的な断面図である。

本実施の形態では、図７及び図８に示すように、実施の形態２と同様に、回転電機１００は、冷媒流路１８０を形成する流路構成部材１０４を備えており、流路構成部材１０４は、軸方向Ｚにおけるパワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０と、リア側ブラケット２との間に配置されている。

しかし、本実施の形態では、流路構成部材１０４は、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０をフロント側Ｚ１から支持しており、流路構成部材１０４の支持面は、径方向内側Ｙ１の部分に対して、径方向外側Ｙ２の部分が、リア側Ｚ２に突出している。そのため、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０は、径方向内側Ｙ１に向かうに従って、フロント側Ｚ１に移動するように、径方向Ｙに対して傾いて配置されている。

この構成によれば、ヒートシンク１１０の配置空間において、冷媒が径方向内側Ｙ１に移動するに従って、フロント側Ｚ１に移動するため、リア側ブラケット２のリア側Ｚ２の吸気開口部２１を通ってフロント側Ｚ１に流れる冷媒の圧力損失を低減することができる。これにより、冷媒の流量を増加させることができ、冷却効率を高めることができる。

また、複数の板状の突出部１１０ｂのそれぞれは、径方向内側Ｙ１に向かうに従って、フロント側Ｚ１に移動するように、径方向Ｙに対して傾いている。この構成によれば、フロント側Ｚ１に傾いた板状の突出部１１０ｂに沿って、冷媒を流すことができるため、フロント側Ｚ１に流れる冷媒の圧力損失をより確実に低減することができる。

径方向Ｙに対する、板状の突出部１１０ｂ、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０の傾きは、０度から３０度の範囲内（例えば、２０度）とされる。なお、径方向Ｙに対する板状の突出部１１０ｂの傾きと、径方向Ｙに対するパワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０の傾きとは、同じ角度でなくてもよい。例えば、板状の突出部１１０ｂの傾きが、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０の傾きよりも大きくされてもよい。或いは、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０は、径方向Ｙに対して傾いてなく、板状の突出部１１０ｂのみが、径方向Ｙに対して傾いていてもよい。

図７に示すように、流路構成部材１０４は、径方向及び周方向に延在する板状部１０４ａと、板状部１０４ａの径方向外側Ｙ２の部分からリア側Ｚ２に突出した突出部１０４ｂとを有してもよい。或いは、図８に示すように、流路構成部材１０４は、径方向及び周方向に延在する板状部１０４ａと、径方向内側Ｙ１に向かうに従って、板状部１０４ａからのリア側Ｚ２の突出高さが次第に低くなる三角柱状の傾斜部１０４ｃとを有してもよい。流路構成部材１０４は、パワーモジュール１６０及びヒートシンク１１０を傾いて支持できれば、どのような形状であってもよく、単数又は複数の部材から構成されてもよい。

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フロント側ブラケット、２リア側ブラケット、３固定子、４回転軸、６回転子、１６ヒートシンク固定面、３２巻線、１００回転電機、１０１カバー、１０１ｃカバー開口部（開口部）、１０２ケース、１０３回路基板、１０４流路構成部材、１１０ヒートシンク、１１０ａ基礎部、１１０ｂ突出部、１６０パワーモジュール、１６６Ｈ、１６６Ｌ電力用半導体素子、１７０制御回路、１８０冷媒流路、２００回転電機本体部、３００電力供給ユニット、Ｃ軸心、Ｘ周方向、Ｙ径方向、Ｙ１径方向内側、Ｙ２径方向外側、Ｚ軸方向、Ｚ１フロント側（軸方向の一方側）、Ｚ２リア側（軸方向の他方側）

Claims

複数相の巻線を備えた固定子と、
前記固定子の径方向内側に配置された回転子と、
前記回転子の磁極に具備したファンと、
前記回転子と一体回転する回転軸と、
前記固定子及び前記回転子を収容すると共に、前記回転軸を回転可能に支持するブラケットと、
前記巻線への通電をオンオフする電力用半導体素子を設けたパワーモジュールと、
前記パワーモジュールのヒートシンク固定面に熱的に接続されたヒートシンクと、
前記電力用半導体素子を制御する制御回路と、
前記ヒートシンクの配置空間において冷媒が流れる冷媒流路と、
前記冷媒流路を形成する流路構成部材と、
前記パワーモジュール及び前記制御回路を覆うカバーと、を備え、
前記電力用半導体素子の前記ヒートシンク固定面は、前記回転軸の径方向及び軸方向に延在し、
前記冷媒流路では、前記ヒートシンクの配置空間において径方向に前記冷媒が流れ、
前記流路構成部材は、軸方向における前記パワーモジュール及び前記ヒートシンクと、前記ブラケットとの間に配置され、前記パワーモジュール及び前記ヒートシンクを軸方向の一方側から支持し、
前記流路構成部材の支持面は、径方向内側の部分に対して、径方向外側の部分が、軸方向の他方側に突出しており、
前記パワーモジュール及び前記ヒートシンクは、径方向内側に向かうに従って、軸方向の一方側に移動するように、径方向に対して傾いて配置され、
前記カバーには、前記ヒートシンクの配置空間の径方向外側の部分に前記冷媒が流れるカバーの開口部が設けられており、
前記ブラケットの軸方向の他方側の壁部には、軸方向に貫通するブラケットの開口部が設けられ、
前記ファンは、前記ヒートシンクの配置空間を流れた冷媒を、前記ブラケットの開口部を通って軸方向の一方側に吸引し、
前記冷媒は、前記カバーの開口部を通って径方向内側に流れた後、前記ヒートシンクの配置空間において径方向内側に流れるに従って軸方向の一方側に移動し、その後、前記ブラケットの開口部を通って軸方向の一方側に流れる回転電機。
数相の巻線を備えた固定子と、
前記固定子の径方向内側に配置された回転子と、
前記回転子の磁極に具備したファンと、
前記回転子と一体回転する回転軸と、
前記固定子及び前記回転子を収容すると共に、前記回転軸を回転可能に支持するブラケットと、
前記巻線への通電をオンオフする電力用半導体素子を設けたパワーモジュールと、
前記パワーモジュールのヒートシンク固定面に熱的に接続されたヒートシンクと、
前記電力用半導体素子を制御する制御回路と、
前記ヒートシンクの配置空間において冷媒が流れる冷媒流路と、を備え、
前記電力用半導体素子の前記ヒートシンク固定面は、前記回転軸の径方向及び軸方向に延在し、
前記冷媒流路では、前記ヒートシンクの配置空間において径方向に前記冷媒が流れ、
前記ヒートシンクは、径方向及び軸方向に延在し、前記ヒートシンク固定面に固定される板状の基礎部と、前記基礎部から前記ヒートシンク固定面とは反対側に突出した複数の突出部とを備えている回転電機。
前記複数の突出部のそれぞれは、軸方向に互いに間隔を空けて、周方向及び径方向に延在した板状に形成されている請求項２に記載の回転電機。
前記複数の突出部のそれぞれは、径方向内側に向かうに従って、軸方向の一方側に移動するように、径方向に対して傾いている請求項３に記載の回転電機。
前記制御回路は、板状の回路基板を備え、前記回路基板は、前記ブラケットの軸方向の他方側に間隔を空けて配置されると共に、前記回転軸の径方向及び周方向に延在し、
前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとは、軸方向における前記ブラケットと前記回路基板との間の空間に配置されている請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記回転軸は、前記ブラケットから前記回路基板の軸方向の一方側の面まで、軸方向の他方側に延出している請求項５に記載の回転電機。
前記制御回路は、前記回路基板の軸方向の一方側を覆うケースを備え、前記ケースの軸方向の一方側の面が、前記冷媒が流れる流路を構成する請求項５又は６に記載の回転電機。
前記パワーモジュール及び前記制御回路を覆うカバーを更に備え、
前記カバーには、前記冷媒が流れる開口部が少なくとも１つ以上設けられている請求項２から４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記冷媒流路を形成する流路構成部材を更に備え、
前記流路構成部材は、軸方向における前記パワーモジュール及び前記ヒートシンクと、前記ブラケットとの間に配置される請求項２から４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記流路構成部材は、前記パワーモジュール及び前記ヒートシンクを軸方向の一方側から支持し、
前記流路構成部材の支持面は、径方向内側の部分に対して、径方向外側の部分が、軸方向の他方側に突出しており、
前記パワーモジュール及び前記ヒートシンクは、径方向内側に向かうに従って、軸方向の一方側に移動するように、径方向に対して傾いて配置されている請求項９に記載の回転電機。