JPWO2013069104A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

この発明に係わる回転電機は、フロント側ブラケットおよびリヤ側ブラケットから構成されたケースと、ケース内に配置された界磁巻線を有する回転子と、ケース内に配置された固定子巻線を有する固定子と、制御回路や界磁巻線に電流を供給するための界磁回路部が含まれた制御部と、固定子巻線に流れる固定子電流を制御するパワー回路部と、制御部とパワー回路部を冷却するために配置されたヒートシンクと、パワー回路部、界磁回路部の信号端子を防水する第１の防水部と、制御部およびパワー回路部の一部が露出する貫通穴が形成され、制御部、パワー回路部とヒートシンク部を防水する第２の防水部と、第２の防水部の貫通穴に配置され、制御部、パワー回路部とヒートシンクとの間を絶縁する絶縁部とを備えたものである。

Description

この発明は、スイッチング素子を搭載したモジュールをヒートシンクに絶縁して取り付けた回転電機に関し、電動機とパワー回路を含む制御部が一体化された特に自動車等に搭載される制御装置一体型の回転電機に関するものである。

回転電機に用いられるパワー回路部が各相ごとにモジュール化されており、各モジュール底面がヒートシンクに接合されるが、それぞれの接合面がフラットで一枚の金属板で構成され、非絶縁でかつ裏面とヒートシンク間で防水処理がされていない構成が［特許文献１］に記載されている。

パワー回路部がモールド封止型モジュールで構成されており、複数のモジュールが円盤状のヒートシンクに絶縁性接着剤で固定され、ヒートシンク上のすべてのモジュールを封止樹脂でポッティングした構成が［特許文献２］に記載されている。

特表２００８−５４３２６６号公報 特開２０１１−１４７３１９号公報

上述した従来の回転電機においては、信号端子、モジュール裏面とヒートシンク間の防水のためにヒートシンク上に搭載したパワー回路部すべてを一括で樹脂封止すると、封止樹脂とスイッチング素子、ワイヤ、半田等の材料ごとに線膨張率が違うため温度変化による熱応力が各部に発生しやすくなる。そのため、長期信頼性を向上するには封止樹脂の線膨張率のあわせこみ等の多大な労力が必要であった。
使用する樹脂の量が多くなることで全体の重量増加やコストアップにつながっていた。また、作業性も悪化していた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、防水構造を確保しつつ封止樹脂を低減した構造を得ることができる回転電機を提供するものである。

この発明に係る回転電機は、フロント側ブラケットおよびリヤ側ブラケットから構成されたケースと、前記ケース内に配置された界磁巻線を有する回転子と、前記ケース内に配置された固定子巻線を有する固定子と、制御回路や前記界磁巻線に電流を供給するための界磁回路部が含まれた制御部と、前記固定子巻線に流れる固定子電流を制御するパワー回路部と、前記制御部と前記パワー回路部を冷却するために配置されたヒートシンクと、前記パワー回路部、前記界磁回路部の信号端子を防水する第１の防水部と、前記制御部および前記パワー回路部の一部が露出する貫通穴が形成され、前記制御部、前記パワー回路部と前記ヒートシンク部を防水する第２の防水部と、前記第２の防水部の貫通穴に配置され、前記制御部、前記パワー回路部と前記ヒートシンクとの間を絶縁する絶縁部とを備えたものである。

この発明に係る回転電機によれば、全体を樹脂封止せずに信号端子、モジュール裏面とヒートシンク間にそれぞれ防水部を設けることで封止樹脂を無くすことができ、パワー回路部の重量低減や樹脂封止をする手間を省けるためコスト低減につながる。また、樹脂封止を無くすことで温度サイクルによりモジュールに加わる熱応力の影響を減らすことができる回転電機を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係わる回転電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる回転電機における制御部およびパワー回路部を示す展開斜視図である。 この発明の実施の形態１に係わる回転電機における制御部およびパワー回路部を示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係わる回転電機における制御部およびパワー回路部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係わる回転電機におけるパワー回路部を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる回転電機における制御部を示す断面図である。

この発明の実施の形態２に係わる回転電機におけるパワー回路部を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係わる回転電機におけるパワー回路部を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係わる回転電機におけるパワー回路部を示す断面図である。 この発明の実施の形態５に係わる回転電機におけるパワー回路部の１相分を示す展開斜視図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図５に基づいて説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機を示す断面図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機における制御部およびパワー回路部を示す展開斜視図である。図３はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機における制御部およびパワー回路部を示す平面図である。
図４はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機における制御部およびパワー回路部を示す斜視図である。図５はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機におけるパワー回路部を示す断面図、すなわち、図４のＡ部の断面図である。図６はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機における制御部を示す断面図である。

図１において、この実施の形態１における回転電機１は、例えばアルミニウム製のフロント側ハウジング２及びリヤ側ハウジング３から構成されたケース４と、このケース４内に設けられ一端部にプーリ５が取り付けられたシャフト６と、このシャフト６に取り付けられた回転子７と、この回転子７の側ハウジング２側に冷却風を発生させるために取り付けられた例えば遠心ファンからなるフロントファン８と、回転子７のリヤ側ハウジング３側に冷却風を発生させるために取り付けられた例えば遠心ファンからなるリヤファン９と、ケース４内の内壁面でフロント側ハウジング２及びリヤ側ハウジング３に固定された固定子１０と、シャフト６の他端部に固定され回転子７に界磁電流を供給するためのスリップリング１１と、このスリップリング１１に摺動する一対のブラシ１２と、リヤ側ハウジング３側に固定されブラシ１２を収納したブラシホルダ１３とを備えている。

なお、プーリ５は図示しない内燃機関と双方向に出力を授受するために、ベルトを介して内燃機関と接続されている。また、回転子７にはスリップリング１１を持ち、リヤ側ハウジング３側に固定されたブラシホルダ１３からブラシ１２を解して界磁電流が供給される。

回転子７は、導線が券回されて形成され、電流を流して磁束を発生する界磁巻線１４と、この界磁巻線１４を覆って設けられその磁束によって磁極が形成される界磁鉄心１５とを備えている。

界磁鉄心１５は、一対の交互に噛み合った第１のポールコア体１６及び第２のポールコア体１７とから構成されている。第１のポールコア体１６及び第２のポールコア体１７は鉄製で、かつ爪形状の爪状磁極１８、１９をそれぞれ有している。隣り合う各爪状磁極１８、１９は、両爪状磁極間で磁束が漏れないよう、また、界磁巻線１４を冷却するための冷却風通路となるよう、ある一定の磁極間隙間が形成されるように配設されている。

固定子１０は、固定子鉄心２０と、この固定子鉄心２０のスロット（図示せず）に導線が巻回され、回転子７の回転に伴い、界磁巻線１４の磁束の変化で交流が生じる固定子巻線２１とを備えている。この固定子巻線２１は例えば３個の巻線部（図示せず）を３相Ｙ形結線あるいは３相■形結線した３相交流巻線により構成されている。

レゾルバ２２はシャフト６のブラシホルダ１３側に取り付けられている。回転電機１のリヤ側には後述する制御部３０、パワー回路部４０等を保護するためにこれらを覆うようにカバー２３が取り付けられている。

回転電機１には界磁回路部やスイッチング回路を制御するための制御部３０が例えばブラシホルダ１３の側部に備えられている。制御部３０からの指示により界磁電流が調整されており、１つにパッケージングされて回転電機１に搭載される。

駆動時の固定子電流の供給及び発電時の固定子電流の整流を行うためのスイッチング素子を１相分のスイッチング素子と周辺回路をまとめたパワー回路部４０として備えられ、図２および図３に示すように３相分間隔を置いて配置されている。

制御回路や界磁巻線１４に電流を供給するための界磁回路部が含まれた制御部３０および固定子巻線２１に流れる固定子電流を通電するパワー回路部４０は例えば１枚の円盤状の第２の防水部２４によってヒートシンク２５との間が防水されている。そして、第２の防水部２４の裏面には制御部３０およびパワー回路部４０の冷却のための例えば１枚の円盤状のヒートシンク２５が配置されている。ヒートシンク２５の制御部３０およびパワー回路部４０の位置には冷却フィン２５１がそれぞれ複数配置されている。

また、制御部３０およびパワー回路部４０などの制御機器部品は図２に示す展開斜視図のように、ヒートシンク２５に第２の防水部２４が搭載され、第２の防水部２４の制御部３０およびパワー回路部４０の位置にはそれぞれ貫通穴２４ａが形成されている。そして、第２の防水部２４の各貫通穴２４ａにはそれぞれ例えば両面にグリス３７を配置した絶縁部３６が収容される。パワー回路部４０、制御部３０は、図２に示すように、それぞれが１つのモジュールからなる。

第２の防水部２４の貫通穴２４ａ周縁部にはそれぞれ制御部３０およびパワー回路部４０が載置される。制御部３０およびパワー回路部４０は蓋体３２，３５により閉塞されている。

さらに、パワー回路部４０、界磁回路部の信号端子を防水する第１の防水部３４、そして配線部材３１が搭載される。配線部材３１に封止材３３を収容する収容穴３１ａが形成されている。

次に、パワー回路部４０のモジュールの構成は、図５に示すように、金属フレーム３８がインサート成型された樹脂ケース４１を用いて、樹脂ケース４１内の金属フレーム３８に固定子巻線２１に電流を供給するためのパワー回路用半導体スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ等）４２が半田や樹脂等を用いて接合される。

金属フレーム３８内のパワー配線端子、信号端子等とは電導性の良好な金属の接続部(例えば金やアルミニウムや銅等)により接続されている。

樹脂ケース４１に蓋体３５が液体パッキン等によりで接合されることで防水構造となっている。樹脂ケース４１内は、耐振性や防水、信頼性向上のため樹脂等によりポッティングされていてもよい。

第２の防水部２４の貫通穴２４ａ周縁部が樹脂ケース４１とヒートシンク２５部を防水することになる。図は一例として、第２の防水部２４の貫通穴２４ａ内に配置された絶縁部３６と第２の防水部２４との間には隙間Ｇが設けられている。

制御部３０も同様で、図６に示すように、金属フレーム３８がインサート成型された樹脂ケース４３を用いて、樹脂ケース４３内の金属フレーム３８に界磁巻線１４に電流を供給するための界磁用半導体スイッチング素子４４及びコンデンサ等の電子部品が接合され、さらに制御回路が組み込まれた第２の防水部２４が搭載される。樹脂ケース４３に蓋体３２を液体パッキン等を用いてつけることで防水構造となる。また、樹脂ケース４３内は封止樹脂等によりポッティングされていてもよい。

第２の防水部２４の貫通穴２４ａ周縁部が樹脂ケース４３とヒートシンク２５部を防水する第２の防水部２４となる。図は一例として、第２の防水部２４の貫通穴２４ａ内に配置された絶縁部３６と第２の防水部２４との間には隙間Ｇが設けられている。

パワー回路部４０は、樹脂ケース４１底面の貫通穴２４ａ部には放熱性向上のため金属フレーム３８が露出しており、それぞれＰ，Ｎ，ＡＣ等の電位を持っている。また、制御部３０も同様に樹脂ケース４３底面に電位を持った金属フレーム３８が露出している。

上述した実施の形態は、パワー回路部４０、制御部３０に樹脂ケース４１，４３を用いた場合であるが、モールド樹脂封止タイプのモジュールを用いても可能である。

また、金属フレーム３８は熱伝導性及び電導性の良好な金属、例えば熱伝導性のより銅または銅合金を用いる。

パワー回路部４０、制御部３０の信号端子は配線部材３１と半田やレーザー、溶接、圧接等により接合される。

パワー回路部４０、制御部３０は円盤状のヒートシンク２５に搭載される。図５および図６に示す通り、樹脂ケース４１，４３底面の貫通穴２４ａ部には金属フレーム３８が露出しているため、ヒートシンク２５間と絶縁する必要がある。

そこで、絶縁シートやセラミック等の絶縁物の両面にグリス３７を塗布した絶縁部３６を介してヒートシンク２５上に複数配置される。絶縁部３６は放熱も兼ねているため、熱伝導率の高い絶縁材料を使うことや、絶縁部３６とモジュール、ヒートシンク２５間に塗布するグリス３７の厚みを低減する必要がある。

絶縁耐圧に関しては低耐圧系では、所定の絶縁耐圧を確保する沿面距離が短いため絶縁物の厚みが薄くてよく、樹脂ケース４１，４３固定用のネジを締め付けることで塗布したグリス３７の厚みを薄くでき熱抵抗低減を図ることが可能である。

また、グリス３７の代わりに放熱性の接着剤等を用いても可能である。

絶縁部３６と第２の防水部２４はヒートシンク２５の同一平面状に配置され、絶縁部３６の外周には隙間Ｇを介して第２の防水部２４があり、パワー回路部４０、制御部３０の樹脂ケース４１，４３は第２の防水部２４を介してネジ等によりヒートシンク２５に固定され、第２の防水部２４を押さえつける構造となっている。

第２の防水部２４と絶縁部３６の間は隙間がほとんどなくても製造可能であるが、隙間Ｇを設けることで、グリス３７の排斥スペースを確保でき、はみ出したグリス３７分だけ沿面距離を稼ぐことができる。

ヒートシンク２５は、円盤状の形状をしており、同一面上に搭載されたパワー回路部４０、制御部３０の裏面側それぞれに冷却用の冷却フィン２５１が配置されている。ヒートシンク２５を円盤状にすることで、リヤ側ブラケット３のカバー２３内の配置スペースを有効に使うことができ、ヒートシンク２５のサイズを最大限とることができ、パワー回路部４０、制御部３０の設置スペース確保やフィン面積を確保することが可能である。

回転電機１は、基本的な構成要素が回転運動をするため、円筒形にすることで体積が最小となる。自動車のエンジンルームは、車室拡大を最大限に追及するために、コンパクト化され、また、安全性の観点からも、エンジンルーム内に搭載されるエンジンや回転電機は小型化が要求されてきた。

そのため、パワー回路部４０を円形に構成し、制御装置一体型の回転電機１の円筒の頂部に集約配置することは、上記制約を満足するために重要である。すなわち、パワー回路部４０を円板上の限られたスペースに効率よく配置することが、製品の小型化達成のために特に必要とされている。

これらのような配置上の工夫により、回転電機１のパワー回路部４０、制御部３０を一括で樹脂封止せずに防水可能なため、ポッティングする領域を低減でき半導体スイッチング素子やその接合部等への熱応力低減や軽量化、さらにコスト低減可能な構成とすることを実現している。

パワー回路部４０のモジュール底面には樹脂ケース４１から金属フレーム３８底面の全面ないしは一部が露出している。

パワー回路部４０のモジュール底面とヒートシンク２５間は絶縁する必要がある。例えば自動車用の場合、１００Ｖ以上の電圧はかからないため、２０μｍ程度あればよいが導電性の異物が混入した場合においても絶縁を確保する必要がある。そのため絶縁シートやセラミック等の絶縁材料を用いた絶縁部３６とすることで最低限必要な耐圧を確保することができる。

また、絶縁部３６の上下にはグリス３７を塗布して熱抵抗の低減を図っている。パワー回路部４０のモジュールはヒートシンク２５にネジ等で固定されるため、固定することでグリス３７が排斥される。また、絶縁部３６の外周には第２の防水部２４があり、第２の防水部２４も一緒に固定されることで、防水対策となっている。

パワー回路部４０のモジュールの信号端子は、端子周辺に第１の防水部３４を取り付け、その上に配線部材３１をヒートシンク２５にネジ等で固定すると同時に加圧している。信号端子と配線部材３１を接合後、配線部材３１内を封止樹脂によりポッティングすることで信号端子周りの防水対策となっている。

また、パワー回路部４０のモジュールとヒートシンク２５間にグリス３７が介在することで、ヒートシンク２５からパワー回路部４０のモジュールへの熱応力を緩和することができる。

図２では、ヒートシンク２５のパワー回路部４０のモジュール搭載面は平坦な面となっているが、第２の防水部２４、絶縁部３６のグリス３７により吸収できるくらいの凹凸や平面度であればヒートシンク２５表面を削らなくても使用可能である。

図２は、パワー回路部４０のモジュール底面、ヒートシンク２５の搭載面がともにフラットにしてあるが、それぞれがフラットでない場合は下記の通りとなる。

制御部３０のモジュール底面も樹脂ケース４３から金属フレーム３８底面の全面ないしは一部が露出しており、パワー回路部４０と同様に、制御部３０のモジュール底面とヒートシンク２５間は絶縁する必要があり、上述したパワー回路部４０と同様な構成とすることにより同様の効果を奏する。

このように、パワー回路部４０、制御部３０のモジュールの絶縁、防水対策として、第１の防水部３４、第２の防水部２４、絶縁部３６を用いることで、パワー回路部４０、制御部３０のモジュール全体を樹脂封止する必要がなくなり、モジュール単位となるため封止樹脂からの熱応力を低減することができる。

また、使用する樹脂量が減るため、重量低減やコストダウンにつながる。さらに、樹脂封止を無くすことで温度サイクルによりパワー回路部４０、制御部３０のモジュールに加わる熱応力の影響を減らすことができる。

パワー回路部４０、制御部３０のモジュールとヒートシンク２５間を接着剤等で固定しないことにより、温度サイクル時にヒートシン２５から加わる熱応力の影響を和らげることができる。また、絶縁物が介在することで異物が混入しても絶縁を確保できる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図７に基づいて説明する。図７はこの発明の実施の形態２に係わる回転電機におけるパワー回路部を示す断面図である。

図７に示す通り、ヒートシンク２５がパワー回路部４０、制御部３０の樹脂ケース４１，４３底面側にそれぞれが凸状部２５２を設けた段差のある構成とした場合でも可能である。

ヒートシンク２５に設けた凸状部２５２により、絶縁部３６と第２の防水部２４との間の隙間Ｇの容積が増大し、グリス３７が排斥されるスペースをさらに確保することで、ヒートシンク２５との沿面距離をさらに稼ぐことができる。

このように、パワー回路部４０、制御部３０のモジュールの絶縁、防水対策として、第１の防水部３４、第２の防水部２４、絶縁部３６を用いることで、パワー回路部４０、制御部３０のモジュール全体を樹脂封止する必要がなくなり、モジュール単位となるため封止樹脂からの熱応力を低減することができる。また、使用する樹脂量が減るため、重量低減やコストダウンにつながる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３を図８に基づいて説明する。図８はこの発明の実施の形態３に係わる回転電機におけるパワー回路部を示す断面図である。

図８に示す通り、ヒートシンク２５に凸状部２５２を設け、パワー回路部４０、制御部３０の樹脂ケース４１，４３底面側が凹形状の場合、絶縁距離を伸ばすことができ、パワー回路部４０、制御部３０の樹脂ケース４１，４３からヒートシンク２５までの構造がラビリンス構造に近づけることができるため防水対策となる。

このように、パワー回路部４０、制御部３０のモジュールの絶縁、防水対策として、第１の防水部３４、第２の防水部２４、絶縁部３６を用いることで、パワー回路部４０、制御部３０のモジュール全体を樹脂封止する必要がなくなり、モジュール単位となるため封止樹脂からの熱応力を低減することができる。また、使用する樹脂量が減るため、重量低減やコストダウンにつながる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４を図９に基づいて説明する。図９はこの発明の実施の形態４に係わる回転電機におけるパワー回路部を示す断面図である。

上述した実施の形態１では、パワー回路部４０、制御部３０のモジュール底面とヒートシンク２５間を絶縁するのに絶縁部３６を用いたが、図９に示すように、第２の防水部２４と絶縁部３６を一体化して絶縁することも可能である。

第２の防水部２４が絶縁部３６を兼ねることで、同一の部材を用いることができるため部品点数の削減や、製造時の工数低減につながる。

ヒートシンク２５のパワー回路部４０、制御部３０搭載位置に凸状部２５２を設けることで、第２の防水部２４を薄くすることができ、熱抵抗低減につながる。

第２の防水部２４は熱伝導性の良い材料を用いる。

この実施の形態４によれば、第２の防水部２４が絶縁部３６を兼ねることで、防水性能を兼ね備えたまま部品点数の削減や製造時の組み付け性が向上し工数低減が可能となる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５を図１０に基づいて説明する。図１０はこの発明の実施の形態５に係わる回転電機におけるパワー回路部の１相分を示す展開斜視図である。

上述した実施の形態１では、ヒートシンク２５は円盤状で一体ものであったが、パワー回路部４０、制御部３０ごとに分割されていても可能である。

図１０に示す通り、ヒートシンク２５が分割されて構成することで、ヒートシンク２５を含めたモジュールの一つ一つのサイズが小さくなり温度変化による形状変化が小さくなることからパワー回路部４０や制御部３０に加わる熱応力を低減することが可能となる。

ヒートシンク２５のサイズが円盤状に比べて小さくなることで、平面度の向上や生産性向上によるコスト低減が可能となる。

実施の形態５によれば、ヒートシンク２５を分割で構成することで、熱応力による変形量の低減や生産性向上によるコスト低減が可能となる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、防水構造を確保しつつ封止樹脂を低減した構造を得ることができる回転電機の実現に好適である。

Claims (5)

1. フロント側ブラケットおよびリヤ側ブラケットから構成されたケースと、前記ケース内に配置された界磁巻線を有する回転子と、前記ケース内に配置された固定子巻線を有する固定子と、制御回路や前記界磁巻線に電流を供給するための界磁回路部が含まれた制御部と、前記固定子巻線に流れる固定子電流を制御するパワー回路部と、前記制御部と前記パワー回路部を冷却するために配置されたヒートシンクと、前記パワー回路部、前記界磁回路部の信号端子を防水する第１の防水部と、前記制御部および前記パワー回路部の一部が露出する貫通穴が形成され、前記制御部、前記パワー回路部と前記ヒートシンク部を防水する第２の防水部と、前記第２の防水部の貫通穴に配置され、前記制御部、前記パワー回路部と前記ヒートシンクとの間を絶縁する絶縁部とを備えたことを特徴とする回転電機。
2. 前記絶縁部は低熱抵抗の絶縁物とグリスから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
3. 前記絶縁部と前記第２の防水部の間には隙間が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記絶縁部と前記第２の防水部を一体化したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
5. 前記ヒートシンクは前記制御部、前記パワー回路部ごとに分割したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。

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