JPH07507438A - 半導体スイッチを有する電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 半導体スイッチを有する電気機械 本発明は、請求の範囲第１、項の上位概念に記載の電気機械に関する。

電気機械を作動する際、巻線の中に過失熱が発生し、損失熱は外部に放出されな ければならない。このために通常は換気冷却装置が用いられる。ドイツ特許出願 公開第ＤＥ−Ａ−３９３２４８１号公報から、冷却流体チャネルを電気機械の巻 線と接続してユニットを形成して、冷却効果を強化し、これにより電気機械の出 力密度を高めることが公知である。

このような電気機械を制御するために、比較的高い所要スイッチング能力に起因 して電気スイッチ又は半導体スイッチとも呼称される電子スイッチング素子を有 する電子出力装置が必要である。半導体スイッチの中にも損失熱が発生し、損失 熱は、半導体スイッチを破壊することもある過熱を防止するために放出されなけ ればならない。このために、半導体素子を、損失熱を吸収して放出する特別の冷 却体に熱伝導接触させることか公知である。この場合、冷却体からの熱放出は、 空気又は液体による冷却により行われる。

電気スイッチにより制御される従来の電気機器又は機械では電気スイッチは、制 御する電気機器とは別個に配置され、電気スイッチを冷却するためと電気機器を 冷却するためとには通常は別個の冷却循環路が設けられている。これは、例えば 電気スイッチを介してスイッチング又は転流され発電機作動及び電動機作動する 電気機械に当てはまる。電気機械は、車両例えば自動車を駆動するために使用さ れる場合には出力密度か高くコンパクトでなければならない。これは、例えばＰ 、　Ｅｈｒｈａｒｔ著“乗用車及びバスのための磁石形（磁気抵抗形）電動機の 電気伝動装置”　（ＶＤＴ報告恥、　１７８．１９９１．６１１〜６２２頁）に 記載されている。このような用途に適する電動機は、例えばヨーロッパ特許出願 公開第ＥＰ−Ａ−１５９００５号公報及びドイツ特許出願公開第ＤＥ−Ａ−３９ ３２４８１号公報がら公知である。このような電動機のための電動機は、ヨーロ ッパ特許出願公開第ＥＰ−Ａ−３４０６８６号公報に開示されている。このよう な電動機は、例えば約１゜００Ｖの動作電圧及びこれに応じた電流において数１ ００ｋＷの電力を有する。

本発明のｉ題は、発電機作動及び電動機作動する口頭に記載の形式の電気機械の 所要スペースをさらに小さくし、同時にこの電気機械の動作特性を改善すること にある。

界磁巻線が、制御回路により制御可能な例えば８１ＭＯ３，ＩＧＢＴＳＭＯ８Ｆ ＥＴ等の出力トランジスタの形の半導体スイッチに接続されかつ流体形冷却装置 に熱交換接触し、流体形冷却装置の界磁巻線と一体的に統合されてユニットを形 成１、ている冷却流体チャネルの中で冷却装置が冷却流体例えば冷却液の強制流 動を発生する電気機械から出発して、上記課題は、半導体スイッチもユニットの 一部であり、冷却流体チャネルの中の冷却流体に同様に熱交換接触していること により解決される。従って半導体スイッチは、電気機械の中に内蔵されて一部に 冷却される。有利には冷却流体チャネルの内面に装着されて冷却流体に直接に熱 交換接触する半導体スイッチは、従来の通常の寸法に比してよりコンパクトに形 成できる。さらに、スイッチングされる界磁巻線が半導体スイッチの空間的近辺 に位置するので、リード線のインダクタンスカ吠幅に減少され、これにより半導 体スイッチのスイッチング速度が高められ、これにより電気機械の動作特性が改 善される。さらに、ねし接続及びプラグ接続を、小コストで確実に機能する直接 的な巻線のワイヤの溶接又はのはんだ付けにより置換できる。チップ面との直接 の接触は、多重ボンディングを介して又は銅板又は銅条片を介して可能である。

引張り負荷を防止するためにこの領域は鋳物により保護する。

１つの有利な実施例では、例えばヨーロッパ特許出願公開第ＥＰ−Ａ−１５９０ ０５号公報に記載のように電気機械の界磁巻線は回転子巻線を形成し、固定子の 周方向で分散配置されている。リード線をできるだけ短く保持するために、半導 体スイッチは固定子に、自身に接続されている１つ又は複数の界磁巻線の空間的 近辺に配置されている。

有利には永久磁石回転子とりわけ永久磁石外側回転子を有する機械の固定子は、 有利には界磁巻線を備える成層鉄心と、半導体スイッチの少なくとも一部を収容 する中央凹部とを有する。これに応じて冷却流体チャネルの部分もこの凹部を貫 通する。しかし、半導体スイッチの少なくとも一部は、固定子の軸方向に対する 一面の領域内でも、冷却流体チャネルのこの領域内で走行する部分に熱交換接触 している。両方の場合にもともと存在する構造空間又はもともとすでに冷却流体 チャネルの部分のために用いられている構造空間を、半導体スイッチを設けるた めに用いることができる。しかしこの配置は、界磁巻線が冷却流体の流れ方向で 半導体スイッチの後ろで冷却流体に熱交換接触するように定め、これにより半導 体スイッチの冷却を優先的に保持しなければならない。熱伝導を改善するために 熱交換の全領域内で高い流速が強制されなければならない。作動の際に圧力損失 を防止してエネルギー消費量をできるだけ小さく保持するために、本発明の１つ の有利な実施例では１つの冷却流体循環路を、ゾーン毎に（電子出力装置、電動 機の巻線）それぞれ配置されている冷却流体のためのそれぞれの循環路により置 換する。

半導体スイッチは少なくとも部分的に、それらのアクティブ領域が冷却流体チャ ネルの内面から背いて位置するように配置できる。半導体スイッチの例えば外側 を冷却流体チャネルの壁に装着できる。有利には半導体スイッチは、冷却流体チ ャネル壁の一体的な一部を形成する。

冷却流体への熱放出を促進するために本発明の１つの有利な実施例では、冷却流 体チャネル及び／又は半導体スイッチの冷却流体にされている表面の少なくとも 一部が、冷ｊＪ］流体の境界層摩さを減少する表面ミクロ構造を設けられている 。

このようなミクロ構造は、（例えば鮫の皮膚等）自然界から知られている。

冷却流体としては、ガス例えば圧力印加されているガス（例えばＮ、）を用いる ことかできる。し７かし、例えば水又は油とりわけ鉱油又はパラフィン浦又は合 成石油等の冷却液かイｊ利である。多くの場合、２相流体例えば冷媒又はＣＯ７ か好適である。次に本発明の有利な実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は流体により冷却される電気スイッチにより制御される電気機械を概念的 に示す部分断面図、第２図〜第６図は第１図の電気機械の変形実施例の部分断面 図、第７図及び第８図は冷却循環路の概念図である。

第１図は、固定子７７と、回転軸線７９を中心に回転可能な回転子８１とをイラ する電気機械を示す。本機械は、必要に応して電動機としても発電機としても作 動できる。固定子７７は、周方向で分散配置されている図示されていない極の回 りに巻線８５を（ｆａえるほぼリング状に形成されている軟鉄成層鉄心８３を有 する。

周方向に交互に逆方向の極性を有する多数の永久磁石８７て成層鉄心８３を回転 子８１か取り囲んでいる。成層鉄心８３と巻線７５とは、固定した例えばプレー ト状のが架部材により保持されている（合成樹脂から成る）固定子ケーシング８ ９の中に設けられている。このタイプの電気機械は、ヨーロッパ特言１出願公開 第ＥＰ−Ａ−１５９００５号公報から公知であり、従って本明細書では説明を省 く。

例えば１００ｋＷ等の非常に大きい出力のための上記タイプの電気機械に比較的 小さいスペースしか割当てられないこともあるので、巻線８５は、冷却流体循環 路の中の供給接続チャネル９５及び排出接続チャネル９６を介して冷却装置に接 続されている。

成層鉄心８３は中央凹部９７を包囲し、中央凹部９７の中て固定子ケーシング８ ９か別の１つの室９９を形成している。室９９は、冷却装置の冷却流体循環路の 中に供給接続チャネル９５と巻線８５の室９３との間に位置し、従って室９９は 、冷却流体が巻線８５により加熱される前に冷却流体により貫流される。室９９ の中で、巻線８５に配置されている電気スイッチ１０１が、スイッチングされる 巻線８５の直接の近辺に取付けられる。電気スイッチ１０１は従来の出力トラン ジスタでもよいが、しかし有利には液体により冷却される出力トランジスタ装置 であり、この場合、半導体素子にこの全面を被覆して素材結合されている金属電 極が、絶縁担体に素材結合されており、絶縁担体及び／又は半導体素子の少な（ とも１つの平面がほぼ全面にわたり直接に冷却流体にさらされている。なお素材 結合とは、蒸着、融着、溶接、はんだ等により素材として一体に結合しているこ とをいう。この場合、半導体素子のための制御及び保護回路も絶縁担体の上に装 着され、冷却流体に熱交換接触している。電気スイッチ１０１と巻線８５との間 の接続線は、直接に固定子ケーシング８９を貫通走行し、有利には着脱可能な接 続端子等を用いないで例えば溶接又ははんだ付は等により直接に弁１０１に接続 されている。巻線８５のワイヤ端部を直接に半導体素子に溶接することも可能で ある。

第２図は、固定子７７ｍと、回転軸７９ｍの周りを回転する回転子８１ｍを有す る電気機械の他の変形例を示す。これは第１図の電気機械に対して、電気スイッ チ１０１ｍは冷却流体が貫流している固定子ケーシング８９ｍの室９９ｍの中に 配置されているのではなく、分離壁１０３によって室９９ｍから分離されている 点においてのみ相違する。この分離壁１０３は半導体スイッチ１０１ｍの支持の 基礎として形成されており、これ故、半導体スイッチ１０１ｍの活性部分に対し て反射側の平面上においても同様に冷却流体と直接に熱交換することが保証され る。なおこの熱交換は巻線との熱交換の前に行われることが好ましい。

第３図は、軸方向で懸架プレート９１ｎの両側にそれぞれ１つの回転子７７ｎを 備え、それぞれの回転子７７ｎに、それぞれ１つの共通の回転軸線７９ｎを中心 に回転する永久磁石回転子８１ｎが配置されている例えば自動車の駆動装置とし て使用可能な２重電動機を示す。詳しくは図示されていないがしかし第１図にお いて配置されている巻線に配置されている電気スイッチ１０１ｎは、固定子７７ ｎの軸方向端面の領域内に配置され、この場合も電気スイッチ１ｏｉｎは、これ によりスイッチングされる巻線の直接の近辺に配置されている。第３図の実施例 では弁１０１ｎは、分離壁を介して分離されて巻線の冷却装置の冷却流体循環路 に熱交換接触している。分離壁は、半導体素子の絶縁担体であることもあるが、 しかし第１図と同様に、冷却流体流路の途中に位置する室の中に配置されている こともある。電気機械が同時に第１図及び第２図にも第３図にも対応して配置さ れている電気スイッチを有することが可能であることは自明である。

第４図及び第５図には、第１図に対して変形された本発明の実施例が軸方向に対 して縦断面又は横断面で示されている。第１図と同一部分は、同一の参照番号に より示されているが、しかし区別するためにａが添付される。第１図では電気ス イッチ１０１の上部平面のみが冷却流体に直接に接触するが、この実施例では電 気スイッチ１０１ａはすべての側で、従って非常に効果的に冷却流体により直接 に冷却される。第５図は示すように電気スイッチ１０１ａの絶縁担体１ａは、室 ９９ａの底面に固定され例えばエラストマ又は合成樹脂等から成る、保持案内溝 ４ａの中に保持されている。絶縁担体２ａには電気スイッチ１０１ａの半導体素 子（例えばＩＧＢＴ）だけでなく、第１図〜第３図では別個に示されていない所 属の制御及び保護回路３ａも装着されている（第４図）。従って半導体素子１ａ と制御及び保護回路３ａとの間の接続線は、非常に短く保持でき、絶縁担体２ａ に装着されているすべての素子を一緒に冷却できる。例えば冷却流体の作用によ り又は例えば衝撃及びローレンツ力等の力の作用により損傷されるのを防止する ために、電気端子を鋳物により保護するとよい。第４図には例として電気スイッ チから固定子８１ａの巻線８５ａへの非常に短く保持されているリード線が示さ れている。外側の（制御端子を含む）電気端子は５ａにより示されている。

第６図は、本発明の別の１つの変形実施例の軸方向に対する横断面を示す。同一 機能の部分は、第１図と同一の参照番号により示されるが、区別するために文字 すが添付される。第５図に対して電気スイッチ１０１ｂは９０°回転され、その 絶縁担体２ｂは、半径方向平面の中に電動機の長手軸線に平行に位置する。この 場合にもすべての側が冷却流体により冷却される。

第７図には概念的に冷却流体循環路のための１つの有利な実施例が示されている 。冷却流体はポンプ３０により、損失熱を排出する熱交換器４０が途中に挿入接 続されている外側の循環路の中を循環される。再び冷却された冷却流体はまず初 めに、損失熱を発生する半導体素子と冷却流体との間の熱交換を促進するために 、電子出力装置２０の冷却ゾーンの中に流入する。この冷却ゾーンは比較的大き い流速を発生する付加的な（内部の）循環ポンプ３２を有する。同様のことが、 流速を高める（内部の）循環ポンプ３１を有する電動機１０の巻線のための冷却 ゾーンでも行われる。これら２つの内部の冷却流体循環により非常に効果的な熱 交換が可能となり、この場合、高い流速がポンプ３０のみにより発生され全冷却 流体量が高い流速で循環される場合に比して、外側の冷却循環路の循環ポンプ３ ０は大幅に小さい出力でよい。

冷却流体循環路の１つの変形実施例が、第８図に示されている。この場合にも電 子出力装置２０のために高い流速が保証され、冷却流体循環路のための駆動出力 の全量は比較的小さく保持されるにもかかわらず、ただ１つの循環ポンプ３３で 十分である。これは、熱交換器４０から到来する冷却流体が循環ポンプ３３に（ 例えばベンチュリノズル等の）ノズル装置３４を介して供給されることにより可 能となる。このノズル装置３４の中には、電動機１０の巻線の冷却ゾーンに対し て同様に開かれている電子出力装置２０の熱交換器を通らない冷却循環路の戻り 管も連通している。このようにして、１単位時間当りの電子出力装置２０の熱交 換器を通らない冷却循環路の中で循環される冷却流体量が、熱交換器４ｏを通る 冷却循環路の中で循環される冷却流体の全量に比して大幅に大きくなる。（例え ば油等の）冷却流体を介して吸収される熱は、熱交換器４０で、例えば電動機１ ０の駆動電気エネルギーを供給する図示されていない内燃機関の冷却水循環路５ ０に放出できる。

本発明の利点は、スペースを節約でき電気機械の動作特性を改善できる外に、と りわけ電子出力装置のためのプラグコンセント接続器及び冷却接続管が不要なこ とにある。これは、取付けを簡単化するだけでなく、機械の動作信頼性を高める 。電子出力装置のための別個のケーシングは不要となる。

補正書の翻訳文提出書 装置”（ＶＤＩ報告Ｎｏ、　１７８．１９９１．６１１〜６２２頁）に記載され ている。このよう（特許法第１８４条の８）

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．巻線（８５）が出力トランジスタ等の形式の制御可能な半導体スイッチ（１ ０１）に接続され、前記巻線（８５）は液体形冷却装置に熱交換接触し、液体形 冷却装置の前記巻線（７５）と一体的に統合されてユニットと形成する冷却流体 チャネル（９３，９９）の中で前記冷却装置が冷却流体の強制流動を発生する電 気機械において、 半導体スイッチ（１０１）も前記ユニットの一部であり、冷却流体チャネル（９ ３，９９）の中の冷却流体に同様に熱交換接触していることを特徴とする電気機 械。
2. ２．巻線（８５）が固定子巻線を形成し、固定子（７７）の周方向で分数配置さ れ、半導体スイッチ（１０１）が前記固定子（７７）に、前記半導体スイッチ（ １０１）に接続されている前記巻線（８５）の空間的近辺に取付けられているこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電気機械。
3. ３．固定子（７７）に例えば前記固定子（７７）を包囲する永久磁石形外側回転 子である永久磁石形回転子（８１）が配置されていることを特徴とする請求の範 囲第２項に記載の電気機械。
4. ４．固定子（７７）が、巻線（８５）を備える成層鉄心（８３）と中央凹部（９ ７；９７ｍ）を有し、半導体スイッチ（１０１：１０１ｍ）の少なくとも一部が 、冷却流体チャネル（９３，９９）の前記凹部（９７）の中に延在する領域（９ ９，９９ｍ）に熱交換接触していることを特徴とする請求の範囲第２項又は第３ 項に記載の電気機械。
5. ５．半導体スイッチ（１０１ｎ）の一部が、固定子（７７ｎ）の軸方向端面に接 近する領域で冷却流体チャネルに熱交換接触していることを特徴とする請求の範 囲第２項から第４項のうちのいずれか１項に記載の電気磯城。
6. ６．巻線（８５）が、冷却流体チャネル（９３，９９）を形成するケーシング（ ８９）例えば合成樹脂ケーシングにより包囲され、冷却流体チャネル（９３，９ ９）の中の冷却流体に熱交換接触していることを特徴とする請求の範囲第１項か ら第５項のうちのいずれか１項に記載の電気機械。
7. ７．巻線（８５）が、冷却流体の流れ方向で半導体スイッチ（１０１）の後で冷 却流体に熱交換接触していることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のう ちのいずれか１項に記載の電気機械。
8. ８．半導体スイッチ（１０１）が、冷却流体チャネル（９３，９９）の内面に装 着されていることを特徴とする請求の範囲第１項から第７項のうちのいずれか１ 項に記載の電気機械。
9. ９．半導体スイッチ（１０１ｍ）のアクティブ領域が、冷却流体チャネル（９９ ｍ）の内面から背いて配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項から第 ７項のうちのいずれか１項に記載の電気機械。
10. １０．半導体スイッチ（１０１，１０１ｍ，１０１ｎ）が、冷却流体チャネル（ ９３，９９；９９ｍ）の壁の一体的な一部を形成することを特徴とする請求の範 囲第８項又は第９項に記載の電気機械。
11. １１．半導体スイッチ（１０１ａ，１０１ｂ）のすべての側が、冷却流体に熱交 換接触していることを特徴とする請求の範囲第１項から第８項のうちのいずれか １項に記載の電気機械。
12. １２．半導体スイッチ（１０１ａ，１０１ｂ）の絶縁担体（２ａ，２ｂ）が、固 定子（７７ａ，７７ｂ）のケーシングの中に固定されている保持案内溝の中に保 持されていることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の電気機械。
13. １３．保持案内溝（４ａ，４ｂ）が、エラストマ又は合成樹脂から成ることを特 徴とする請求の範囲第１２項に記載の電気機械。
14. １４．半導体素子のための制御及び保護回路（３ａ）、半導体スイッチ（１０１ ａ）の絶縁担体（２ａ）に装着されていることを特徴とする請求の範囲第１項か ら第１３項のうちのいずれか１項に記載の電気機械。
15. １５．半導体スイッチ（１０１，１０１ａ，１０１ｂ）の電気端子が鋳物により 保護されていることを特徴とする請求の範囲第１項から第１４項のうちのいずれ か１項に記載の電気機械。
16. １６．冷却流体チャネル（９３，９９；９９ｍ）の冷却流体にされている壁表面 の少なくとも一部又は半導体スイッチ（１０１，１０１ｍ）の表面の一部が、冷 却流体の境界の層流の厚さを減少する表面ミクロ構造を設けられていることを特 徴とする請求の範囲第１項から第１５項のうちのいずれか１項に記載の電気機械 。
17. １７．冷却流体が液体有利には水又は油例えば鉱油又はパラフィン油又は合成油 又は２相流体有利には冷媒又はＣＯ２であることを特徴とする請求の範囲第１項 から第１６項のうちのいずれか１項に記載の電気機械。
18. １８．循環路の中で案内される冷却流体を少なくとも電子出力装置（２０）の冷 却ゾーンの中に、循環路自身の中に比して大幅により大きい単位時間当たり冷却 流体量で循環する手段（３１，３２，３４）が設けられていることを特徴とする 請求の範囲第１項から第１７項のうちのいずれか１項に記載の電気機械。