JPH09163681A

JPH09163681A - 電気車用回転電機

Info

Publication number: JPH09163681A
Application number: JP7322734A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Kawamata; 昭一川又; Fumio Tajima; 文男田島; Suetaro Shibukawa; 末太郎渋川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 1997-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】制御回路の冷却と小型化が同時に図られる電気
車用回転電機を提供する。【解決手段】永久磁石６を有する永久磁石回転子と、鉄
心４と該鉄心に巻回される巻線５と該巻線を冷却する冷
却機構１３とを有する固定子とを備え、鉄心４は、巻線
が巻回された突極部u1,u2,u3,v1,v2,v3,w1,w2,w3と巻線
が巻回されていないダミー突極部120とに分かれて構成
され、該ダミー突極部120は、冷却機構１３と電気車用
回転電機駆動制御用のパワースイッチング素子ＰＭを取
り付ける素子取付部１２とを具備し、該素子取付部１２
に取り付けられたパワースイッチング素子ＰＭを冷却機
構１３によって冷却する電気車用回転電機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気車用回転電機
に係り、特に、低速走行する電気車に用いられる電気車
用回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】低速走行する電気車に用いられる電気車
用回転電機の従来技術としては、特開平５−１８９９３
２号公報に開示されているような、鉄心の軸方向投影形
状が略半円形状である略半円形型モータがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の電気車用回転電
機は、数ワット〜数十ワットの出力を対象としており、
数キロワット以上の出力に適用しようとすると、電気車
用回転電機を駆動制御する制御回路が大きくなり回転電
機自体の体格が大きくなると同時に、制御回路の冷却に
も問題があった。

【０００４】したがって、本発明の目的は、制御回路の
冷却と小型化が同時に図られる電気車用回転電機を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する電気
車用回転電機は、永久磁石を有する永久磁石回転子と鉄
心と該鉄心に巻回される巻線と該巻線を冷却する冷却機
構とを有する固定子と前記永久磁石回転子及び前記固定
子を支持するブラケットとを備えた電気車用回転電機に
おいて、前記鉄心は、前記巻線が巻回された突極部と前
記巻線が巻回されていないダミー突極部とに分かれて構
成され、該ダミー突極部は、前記冷却機構と前記電気車
用回転電機駆動制御用のパワースイッチング素子を取り
付ける素子取付部とを具備し、該素子取付部に取り付け
られた前記パワースイッチング素子を前記冷却機構によ
って冷却するものである。

【０００６】また、前記鉄心は、当該鉄心に前記巻線が
巻回されて磁束通路を形成する磁束通路部と、該磁束通
路部の外周部に位置し磁束通路として機能しない非磁束
通路部とに分かれて構成され、該非磁束通路部は、前記
冷却機構と前記電気車用回転電機駆動制御用のパワース
イッチング素子を取り付ける素子取付部とを具備し、該
素子取付部に取り付けられた前記パワースイッチング素
子を前記冷却機構によって冷却するものでも良い。

【０００７】上記本発明によれば、制御回路の冷却と小
型化が同時に図られる電気車用回転電機が提供される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照し説明する。図１は、本発明による一実
施例の電気車用回転電機を示す半切断面図である。本発
明による第１の実施例を示すものであり、図１〜図４を
用いて説明する。図１において、電気車用回転電機１
は、固定子２と永久磁石回転子３とハウジング９とブラ
ケット１０，１０１とから構成される。なお、ハウジン
グ９は固定子２と一体になったものでも可である。

【０００９】そして、固定子２は、ハウジング９の内周
面に支持固定された鉄心４と、この鉄心４に巻回された
多相の巻線５と、巻線５の温度上昇を防止するために巻
線５を冷却する冷却機構１３とから成る。また、鉄心４
は、鉄心４の軸方向側端面の位置にあって当該電気車用
回転電機駆動制御用のパワースイッチング素子としての
パワーモジュールＰＭを取り付ける素子取付部１２と、
巻線５を冷却する冷却機構と同じ冷却機構１３とを具備
している。即ち、例えば、鉄心４の軸方向に貫通した穴
を複数個形成し該穴に冷却水を流入し、巻線５を冷却す
る冷却機構１３はパワーモジュールＰＭを冷却する冷却
機構１３と兼用されているものである。

【００１０】一方、永久磁石回転子３は、例えば積層珪
素鋼板からなる回転子鉄心７と、該回転子鉄心７に固定
された永久磁石６と、回転子鉄心７に挿入されたシャフ
ト８とで構成される。そして永久磁石回転子３は、ベア
リング１１，111を有するブラケット１０,101にて回転
自在に支持され、素子取付部１２に取り付けられたパワ
ーモジュールＰＭを含む制御回路(図示せず)により所定
回転数で駆動される。

【００１１】図２は、図１の電気車用回転電機を駆動す
る制御回路を示す図である。図１に示した電気車用回転
電機を駆動する制御回路の主回路部を示している。図に
示す主回路部は、バッテリ等の直流電圧を、パワースイ
ッチング素子のスイッチングにより交流電圧に変換しモ
ータに供給するものである。例えば、図２に示した３相
電気車用回転電機では、６個のパワースイッチング素子
ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３，ＴＲ４，ＴＲ５，ＴＲ６がＴ
Ｒ１とＴＲ４，ＴＲ２とＴＲ５，ＴＲ３とＴＲ６の対に
されて直流電源Ｅに直列に接続され、それぞれの接続点
がモータＢＬＭ(即ち、電気車用回転電機１)のモータ端
子ｕ，ｖ，ｗに接続されている。そしてスイッチング動
作する各パワースイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ６は、
制御回路ＣＳにより制御され、モータＢＬＭが所定回転
数で駆動される。

【００１２】図３は、図２の主回路部を一体化したパ
ワーモジュールの構成を示す図である。図２で示した半
導体からなるパワースイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ６を
一体に集積したパワーモジュールＰＭの概略の回路構成
を示している。パワーモジュールＰＭは、基本的に直流
電源Ｅに接続される電源端子Ｅｃ及びＥｅ、モータＢ
ＬＭのモータ端子ｕ，ｖ，ｗに接続する出力端子Ｕ，
Ｖ，Ｗ、制御回路ＣＳからの制御信号を接続するベース
端子Ｂｕ１，Ｂｕ２，Ｂｖ１，Ｂｖ２，Ｂｗ１，Ｂｗ２
の各端子で構成される。尚、図２と図３の符号は対応し
ている。

【００１３】図４は、図１で示した電気車用回転電機の
ＡＡ断面図である。図において、鉄心４は、回転磁界を
作るために３相の巻線５が巻回された磁極鉄心の部分
と、巻線５が巻回されていない磁極鉄心の部分とに分け
られる。ここで、巻線５が巻回された９箇所の磁極鉄心
の部分を突極部(u1,u2,u3,v1,v2,v3,w1,w2,w3)と、巻線
５が巻回されていない１箇所の磁極鉄心の部分をダミー
突極部120と定義する。

【００１４】そして、鉄心４のダミー突極部120は、当
該鉄心４のダミー突極部120の軸方向側端面の一部に、
パワースイッチング素子としてのパワーモジュールＰＭ
が取り付けられるスペースとしての素子取付部１２を具
備している。即ち、素子取付部１２は、ダミー突極部12
0の軸方向側端面に位置し、当該電気車用回転電機１を
駆動制御するパワーモジュールＰＭが取り付けられる部
位である。

【００１５】かつ、鉄心４のダミー突極部120には望ま
しくは素子取付部１２の近傍には、巻線５を冷却するた
めの冷却機構１３と「同様の構造」の冷却機構１３が設け
られている。なお、ここでいう「同様の構造」とは、固定
子２の巻線５を冷却するための冷却機構１３をパワース
イッチング素子ＰＭを冷却する冷却機構１３と兼用する
という意味であり、必ずしも構造や形状が同じという意
味ではない。上記構成により、パワースイッチング素子
ＰＭは電気車用回転電機１に内蔵され、巻線５を冷却す
る冷却機構と兼用された冷却機構１３によって冷却され
るので、制御回路の冷却と小型化が同時に図られる。

【００１６】ところで、固定子の鉄心にダミー突極部を
有する構造の回転電機は、回転子に永久磁石を用いた永
久磁石回転子においてのみ実現される。すなわち、永久
磁石の磁力を利用して、固定子の鉄心に巻線を巻回しな
いダミー突極部を設けるものである。このような永久磁
石回転子を用いた回転電機は、遊技場用や身障者用の電
気車のような比較的低速走行の用途車に適している。そ
して、上記電気車用回転電機の寸法が比較的大きくなる
ので、ダミー突極部の寸法は大きくなり、パワーモジュ
ールの取付スペースやパワーモジュールを冷却する冷却
機構の設置スペースが電気車用回転電機の内部に確保さ
れ易いものとなっている。

【００１７】具体的には図４において、鉄心４の磁極鉄
心には、巻線５がｕ相,ｖ相,ｗ相の如く、それぞれ位相
の異なる回転磁界を発生するように巻かれている。これ
により、鉄心４の一方は、巻線５を巻回した９箇所の突
極部u1,u2,u3,v1,v2,v3,w1,w2,w3、すなわち、巻線５に
流れる電流と永久磁石回転子３の永久磁石６との間の電
磁力によって積極的に駆動トルクを発生するトルク発生
部で構成される。そして、鉄心４の他方は、巻線５を巻
回しない１箇所のダミー突極部120、すなわち、永久磁
石回転子３との間に積極的なトルクは発生せず、いわゆ
る非トルク発生部で構成される。

【００１８】すなわち、本実施例の非トルク発生部とし
てのダミー突極部120は、鉄心４の１箇所に纏められ、
突極部(u1,u2,u3,v1,v2,v3,w1,w2,w3)と同じギャップを
有して永久磁石回転子３の周囲を覆うように配置され、
パワーモジュールＰＭの取付部としての素子取付部１２
と、素子取付部１２を冷却する即ちパワースイッチング
素子としてパワーモジュールＰＭを冷却する冷却機構１
３とが設けられるスペースを提供している。

【００１９】このように、素子取付部１２の役割は、電
気車用回転電機１を制御駆動するための主回路部である
３対のパワースイッチング素子で構成されているパワー
モジュールＰＭを、巻線５を冷却するための冷却機構１
３と兼用されている冷却機構１３で冷却することにあ
る。

【００２０】従って本発明によれば、パワーモジュール
ＰＭが、巻線５の冷却と兼用された冷却機構１３によっ
て積極的に冷却されるので、パワーモジュールＰＭ自体
の小型化と信頼性の向上、および、パワーモジュールＰ
Ｍの内蔵による電気車用回転電機１の小型化などが図ら
れる効果が得られる。

【００２１】図５は、本発明による他の実施例の電気車
用回転電機を示す断面図である。本発明による第２の実
施例を示すもので、第１の実施例と異なる所は、第１の
実施例における１箇所のダミー突極部120が、第２の実
施例においては、３箇所のダミー突極部121，122，123
に分かれている点にある。

【００２２】即ち、９箇所の突極部(u1,u2,u3,v1,v2,v
3,w1,w2,w3)の間に均等３分割されているダミー突極部1
21，122，123が設けられ、各ダミー突極部にパワーモジ
ュールＰＭが取り付けられる３箇所の素子取付部１２が
設けられている。従って、それぞれのパワーモジュール
ＰＭ１(ＴＲ１とＴＲ４の対)、ＰＭ２(ＴＲ２とＴＲ５
の対)及びＰＭ３(ＴＲ３とＴＲ６の対)を冷却する冷却
機構１３も、３箇所に分けて配置されている点にある。

【００２３】このような構成において、例えば、鉄心４
の巻線５のＵ相巻線(ｕ１、ｕ２、ｕ３)はパワーモジュ
ールＰＭ１に接続される。同様に、Ｖ相巻線(ｖ１、ｖ
２、ｖ３)はパワーモジュールＰＭ２に、Ｗ相巻線(ｗ
１、ｗ２、ｗ３)はパワーモジュールＰＭ３に接続され
る。従って、第２の実施例では、パワーモジュールＰＭ
１〜ＰＭ３と巻線５との間の配線がＵ相、Ｖ相、Ｗ相と
も同じ長さとなり、配線抵抗のバラツキによる抵抗損が
低減できるという新たなる効果が得られる。なお、均等
分割であれば、２分割でも４分割でも可である。

【００２４】図６は、本発明による電気車用回転電機の
第３の実施例を示す斜視図である。本実施例の第１の実
施例と異なる所は、鉄心４のダミー突極部120に相当す
る位置の軸方向に、略凹部形状の切欠部１４を形成し、
形成された該切欠部１４に、パワーモジュールＰＭ１，
ＰＭ２，ＰＭ３のための素子取付部１２と冷却機構１
３とを設けている点にある。換言すれば、素子取付部１
２は、軸方向に延長しダミー突極部120に穿たれた略凹
部形状の切欠部１４に位置していると言える。なお、冷
却機構１３は素子取付部１２の近傍に設置されることが
望まれる。

【００２５】そして、素子取付部１２が設けられる切欠
部１４の軸方向に延長している側面は、広い面積を有し
ており、従って、冷却機構１３の冷却面積も広く確保す
ることができる。本実施例では、比較的大きなパワーモ
ジュールＰＭ１〜ＰＭ３であっても取り付けられる利点
と、大きい冷却効果が得られる利点がある。

【００２６】図７は、本発明による電気車用回転電機の
第４の実施例を示す斜視図である。本実施例の第３の実
施例と異なる所は、鉄心４のダミー突極部120に相当す
る位置の軸方向に形成した略凹部形状の切欠部１４の代
わりに、軸方向に延長している平坦部１５を形成した点
にある。すなわち、鉄心４の形状は、軸方向投影形状が
略半円形状となっており、軸方向に延長して形成された
平坦部１５に、パワーモジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ
３のための素子取付部１２および冷却機構１３とが設け
られている。すなわち、素子取付部１２は、ダミー突極
部120の外周部を軸方向投影形状が略半円形状となるよ
う軸方向に平行に切断して形成した平坦部１５に位置し
ている。

【００２７】本実施例においても、第３の実施例と同様
に平坦部１５の面積が広くなり、更なる温度上昇の低減
効果が得られる。また、第４の実施例における平坦部１
５および第３の実施例における切欠部１４に、パワーモ
ジュールＰＭ以外に図２に示した制御回路ＣＳなどを取
り付けても良く、この場合は、制御回路ＣＳなども内蔵
され、さらに電気車用回転電機の小型化が図られる。本
実施例は、鉄心の軸方向投影形状が略半円形状である略
半円形型モータ、例えば、ゴルフカートや身障者用電動
車のような低速走行する電気車に用いられる回転電機に
おいて、主回路部のパワースイッチング素子とその冷却
機構を鉄心に実装して小型化を図るのに適しているもの
である。

【００２８】図８は、本発明による電気車用回転電機の
第５の実施例を示す断面図である。本実施例の鉄心４の
軸方向の投影形状は、略半円形状であり第４の実施例と
同じであるが、本実施例の第４の実施例と異なる所は、
第１の実施例と同様に鉄心４の軸方向側端面に、素子取
付部１２と冷却機構１３とを設けている点にある。本実
施例は、例えば、ゴルフカートなどのようにモータ径方
向寸法が制限される電気車に適用されれば、車両スペー
スの有効活用に繋がる。

【００２９】なお、本実施例の場合、突極部(u1,u2,v1,
v2,w1,w2)は６箇所である。また、第５の実施例には第
４の実施例における平坦部１５に相当する部分があるの
で、鉄心４の軸方向側端面と平坦部１５の側面の両方の
面を使って、パワーモジュールＰＭや制御回路ＣＳなど
を取り付けても良く、この場合は、パワーモジュールＰ
Ｍからの発熱が分散しパワーモジュールの信頼性が向上
する効果が得られる。図９は、本発明による電気車用回
転電機の第６の実施例を示す断面図である。本実施例の
第１の実施例と異なる所は、鉄心４が、永久磁石６の有
効磁束φが通り巻線５が巻回されている突極部(u1,u2,u
3,v1,v2,v3,w1,w2,w3)を含み磁束通路を形成する磁束通
路部１６ａと、磁束通路部１６ａの外周部に位置し磁束
通路として機能しない非磁束通路部１６ｂとに、明確に
分けて構成されている点にある。そして、該非磁束通路
部１６に、パワーモジュールＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の
ための素子取付部１２および冷却機構１３とを設けてい
る。

【００３０】本実施例においては、鉄心４の軸方向投影
形状は、非円形で直線部分を有する「いびつ」な形状とな
っており、素子取付部１２は、鉄心４が有する非磁束通
路部１６の直線部分の軸方向に延長されて形成される平
坦部１５に設けられている。しかしながら、第１の実施
例と同様に鉄心４の軸方向側端面に設けられても可であ
る。さらに、図９においては、電気車用回転電機１は、
固定子２と永久磁石回転子３とブラケット１０，101と
から構成される。ハウジング９がなく、固定子２の鉄心
４がハウジング９を兼務している形になっている。

【００３１】そして、第６の実施例の場合は、モータ性
能を落とすことなく、電気車用回転電機１の小型化を図
ることができるものである。尚、本発明についてはゴル
フカートを例に取り説明したが、本発明を出力が限定さ
れた電気自動車の駆動用モータに適用しても同様の効果
が得られる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、制御回路の冷却と小型
化が図られる電気車用回転電機が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例の電気車用回転電機を示
す半切断面図である。

【図２】図１の電気車用回転電機を駆動する制御回路を
示す図である。

【図３】図２の主回路部を一体化したパワーモジュール
の構成を示す図である。

【図４】図１で示した電気車用回転電機のＡＡ断面図で
ある。

【図５】本発明による他の実施例の電気車用回転電機を
示す断面図である。

【図６】本発明による電気車用回転電機の第３の実施例
を示す斜視図である。

【図７】本発明による電気車用回転電機の第４の実施例
を示す斜視図である。

【図８】本発明による電気車用回転電機の第５の実施例
を示す断面図である。

【図９】本発明による電気車用回転電機の第６の実施例
を示す断面図である。

【符号の説明】

１…電気車用回転電機、２…固定子、３…永久磁石回転
子、４…鉄心、５…巻線、６…永久磁石、７…回転子鉄
心、８…シャフト、９…ハウジング、１０，101…ブラ
ケット、１１，111…ベアリング、１２…素子取付部、
１３…冷却機構、１４…切欠部、１５…平坦部、１６ａ
…磁束通路部、１６ｂ…非磁束通路部、120，121，12
2，123…ダミー突極部、ＰＭ，ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３
…パワーモジュール、ＴＲ，ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３，
ＴＲ４，ＴＲ５，ＴＲ６…パワースイッチング素子、Ｂ
ＬＭ…モータ、u1,u2,u3,v1,v2,v3,w1,w2,w3…突極部、
ＣＳ…制御回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】永久磁石を有する永久磁石回転子と、鉄心
と該鉄心に巻回される巻線と該巻線を冷却する冷却機構
とを有する固定子と、前記永久磁石回転子及び前記固定
子を支持するブラケットとを備えた電気車用回転電機に
おいて、前記鉄心は、前記巻線が巻回された突極部と前記巻線が
巻回されていないダミー突極部とに分かれて構成され、該ダミー突極部は、前記冷却機構と前記電気車用回転電
機駆動制御用のパワースイッチング素子を取り付ける素
子取付部とを具備し、該素子取付部に取り付けられた前記パワースイッチング
素子を前記冷却機構によって冷却することを特徴とする
電気車用回転電機。
【請求項２】請求項１において、前記素子取付部は、軸
方向に延長し前記ダミー突極部に穿たれた略凹部形状の
切欠部に位置していることを特徴とする電気車用回転電
機。
【請求項３】請求項１において、前記素子取付部は、前
記ダミー突極部の外周部を軸方向投影形状が略半円形状
となるよう軸方向に平行に切断して形成した平坦部に位
置していることを特徴とする電気車用回転電機。
【請求項４】請求項１において、前記素子取付部は、前
記ダミー突極部の軸方向側端面に位置していることを特
徴とする電気車用回転電機。
【請求項５】請求項４において、前記ダミー突極部は、
均等３分割されていることを特徴とする電気車用回転電
機。
【請求項６】永久磁石を有する永久磁石回転子と、鉄心
と該鉄心に巻回される巻線と該巻線を冷却する冷却機構
とを有する固定子と、前記永久磁石回転子及び前記固定
子を支持するブラケットとを備えた電気車用回転電機に
おいて、前記鉄心は、当該鉄心に前記巻線が巻回されて磁束通路
を形成する磁束通路部と、該磁束通路部の外周部に位置
し磁束通路として機能しない非磁束通路部とに分かれて
構成され、該非磁束通路部は、前記冷却機構と前記電気車用回転電
機駆動制御用のパワースイッチング素子を取り付ける素
子取付部とを具備し、該素子取付部に取り付けられた前記パワースイッチング
素子を前記冷却機構によって冷却することを特徴とする
電気車用回転電機。
【請求項７】請求項１ないし請求項６のいずれか１項記
載の電気車用回転電機を備えたことを特徴とする電気
車。