JP2007159202A - 回転電機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータを一体に組み込んだ回転電機の制御装置を小型化するとともに、生産コストを低くする。
【解決手段】回転電機の出力を制御するためのインバータと回転電機が一体化されたものであって、インバータを構成する制御装置１４はスイッチング素子１６とヒートシンク１７から構成され、スイッチング素子１６におけるドレイン電極端子１６ａはヒートシンク１７に直接接合されるとともに、ソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃは接続部材１９に設けられた金属パターン４２に接合される。
【選択図】図４

Description

この発明は、インバータを一体に組み込んだ回転電機に関するものであり、特に電気自動車、ハイブリッド車、アイドルストップ車に搭載される制御装置を内蔵した回転電機に関するものである。

従来のインバータを一体に組み込んだ回転電機においては、アルミニウム基板上に絶縁層を介して金属パターンが形成された金属基板にスイッチング素子が実装されているものがあった。そして金属基板と制御基板を電気的に接続するため、金属パターンを樹脂で鋳ぐるみ成形した接続部材が設けられていた。接続部材の接続端子の一方は金属基板のランドスペースに接続され、他方の接続端子は制御基板のスルーホールに接続されている。そして金属基板はグリースを介してヒートシンクに固定されている（特許文献１参照）。

特開２００４−２５４３５９号公報（図１）

従来の回転電機においては、金属基板上の金属パターンは平面状に形成されているので、レジスト等も含めると設置面積が大きくなる。また、金属基板に部品を搭載するためのスペース及び接続端子を半田接合するためのスペースを設ける必要があった。さらに、金属基板と制御基板は接続部材の端子を介して接続されており、接続作業が複雑で、又端子と基板を接続するためのスペースを設けることも必要であった。従って装置全体が大型化してしまうとともに、生産コストが大きくなってしまうという問題点があった。

特にインバータを一体に組み込んだ回転電機においては、インバータを回転電機内に収納するため、制御装置を小型化することが必要であり、多くの部品点数や設置スペースの確保は小型化を妨げる原因となっていた。

一方、回転電機の制御装置はエンジンの近くに配置され、スイッチング素子の発熱を考慮すると特に厳しい高温条件の下で運転されることになる。従って、金属基板上の絶縁層に多量の熱が伝達されることとなり、金属基板と絶縁層が剥離してしまうという問題点があった。
高価な金属基板やグリースを用いた従来の構造においては、絶縁性を有する基板の絶縁層及びグリースを設ける必要があったので、回転電機の生産コストが大きくなってしまっていた。

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、インバータを一体に組み込んだ回転電機の制御装置を小型化すると共に、生産コストを低くすることを目的とするものである。

更に導電性を有するヒートシンクを導電体として使用するとともに簡単な構造で異なる極性を有する配線同士を絶縁することのできる回転電機を提供することを目的とするものである。

この発明の請求項１に係る回転電機は、シャフトに固定されると共に界磁巻線を有する回転子と、この回転子に対して対向して配置されるとともに電機子巻線を有する固定子と、電機子巻線に流れる電流を制御するための制御装置とを有するものであって、制御装置はスイッチング素子と、このスイッチング素子が接合されるヒートシンクから構成され、スイッチング素子は平面状のベース部と、このベース部とは異なる極性を有するリード端子からなり、ベース部はヒートシンクに直接接合されると共に、リード端子は接続部材に設けられた金属パターンに接合され、ベース部がヒートシンクに直接接合される面と、金属パターンの上面とが略同一平面になるよう構成されたものである。

この発明の請求項１に係る回転電機によれば、シャフトに固定されると共に界磁巻線を有する回転子と、この回転子に対して対向して配置されるとともに電機子巻線を有する固定子と、電機子巻線に流れる電流を制御するための制御装置とを有するものであって、制御装置はスイッチング素子と、このスイッチング素子が接合されるヒートシンクから構成され、スイッチング素子は平面状のベース部と、このベース部とは異なる極性を有するリード端子からなり、ベース部はヒートシンクに直接接合されると共に、リード端子は接続部材に設けられた金属パターンに接合され、ベース部がヒートシンクに直接接合される面と、金属パターンの上面とが略同一平面になるよう構成されたので、制御装置を小型化すると共に、生産コストを低くすることができる。

実施の形態１．
以下この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１によるインバータを一体的に組み込んだ回転電機を示す断面側面図である。

図において、回転電機１は，フロントブラケット（図示せず）及びリヤブラケット２から構成されるケースと、ケースに対して軸受３を介して回転自在に支持されているシャフト４と、このシャフト４に固定されると共に界磁巻線５を有する回転子６と，ケースに固定されるとともに回転子６を囲むように配設され、更には電機子巻線７ａを有する固定子７と、回転子６の軸方向の両端面に固定されたファン８と、シャフト４のフロント側の端部に固着されたプーリ９と、シャフト４のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット２に取り付けられたブラシホルダ１０と、シャフト４のリヤ側に装着された一対のスリップリング１１と、このスリップリング１１に摺接するようにブラシホルダ１０内に配設された一対のブラシ１２と、シャフト４のリヤ側端部に配設された回転位置検出センサ（レゾルバ等）１３を備えている。

そして、この回転電機１はプーリ９及びベルト（図示せず）を介してエンジンの回転軸（図示せず）に連結されている。
制御装置１４はリヤブラケット２の後ろ側に設置したカバー１５の内側に設けられており、制御装置１４は複数のスイッチング素子１６と、これらスイッチング素子１６に接続されたヒートシンク１７により構成されている。

制御基板１８は接続部材１９によりスイッチング素子１６と接続されている。カバー１５及びリヤブラケット２には通風孔が設けられ、回転子６に設けられたファン８の回転により、矢印Ｗに示されるような風が、カバー１５の内部を通りぬけ、スイッチング素子１６、ヒートシンク１７ａ〜１７ｂ、制御基板１８及び接続部材１９が冷却される。

図２は本発明による回転電機における電気回路図である。本発明による回転電機１は固定子７の電機子巻線７ａと回転子６の界磁巻線５を備え、回転子６に連結されたプーリ９がエンジンの回転軸とベルトを介して接続されている。ここで、電機子巻線７ａは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相のコイルがＹ結線（スター結線）になるように構成されている。

制御装置１４は複数のスイッチング素子１６及び各スイッチング素子１６に対し並列に接続されたダイオード２０からなるインバータモジュール２１と、このインバータモジュール２１に対して並列に接続されたコンデンサ２２とを備えている。インバータモジュール２１においては、上アームがスイッチング素子１６及びダイオード２０によって構成されると共に、下アームがスイッチング素子１６及びダイオード２０によって構成され、これら上アームと下アームとを直列に接続することによって１セットが構成され、更に当該セットが３個並列に配置されている。

エンジンの始動時にバッテリ２３から直流配線２４を介して直流電力が制御装置１４に供給される。そして、制御回路を有した制御基板１８がインバータモジュール２１の各スイッチング素子１６を開閉制御し、直流が三相交流に変換される。そして、この三相交流が交流配線２５を介して固定子７の電機子巻線７ａに供給される。

従って回転子６の界磁巻線５の周りに回転磁界が発生する。更に界磁巻線５には界磁電流制御回路２６から界磁電流が供給されているので、回転子１６は回転駆動され、プーリ９、ベルト、クランクプーリ及びクラッチを介してエンジンが始動される。

一方、エンジンが始動された後においては、エンジンの回転力がクランクプーリ、ベルト、プーリ９を介して回転電機１に伝達される。これにより、回転子６が回転駆動されて、電機子巻線７ａにおいて発生した三相交流が制御基板１８によって直流に変換され、バッテリ２３が充電される。

図３は図１におけるＡ−Ａ線断面正面図である。図２において示されたＵ相の上アーム３１は図３におけるＵ相３２の内側ヒートシンク１７ａに取付けられるとともに、Ｕ相の下アーム３３はＵ相３２の外側ヒートシンク１７ｂに取付けられる。同様にＶ相の上アーム３４はＶ相３５の内側ヒートシンク１７ｃに取付けられるとともに、Ｖ相の下アーム３６はＶ相３５の外側ヒートシンク１７ｄに取付けられる。更にＷ相の上アーム３７はＷ相３８の内側ヒートシンク１７ｅに取付けられるとともに、Ｗ相の下アーム３９はＷ相３８の外側ヒートシンク１７ｆに取付けられる。

図４はＵ相の上アーム３１を示す側面図であり、他のアームも同様に構成されている。スイッチング素子１６とは、一個のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）又は一個のＭＯＳＦＥＴ（電解効果トランジスタ）が樹脂により被覆され、更に板状に形成された単一のスイッチング素子を意味する。例えば、スイッチング素子１６をＭＯＳＦＥＴにより形成した場合、スイッチング素子１６は熱を拡散するための平面を主端子とするドレイン電極端子１６ａ、ソース電極端子１６ｂ及び制御電極端子としてのゲート電極端子１６ｃを備えていることになる。

この場合ドレイン電極端子１６ａが平面状のベース部となり、ソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃがベース部とは異なる極性を有するリード端子となる。ドレイン電極端子１６ａはヒートシンク１７ａと半田４１により直接接合されている。ヒートシンク１７ａは放熱性及び導電性を有する銅、アルミニウム等により構成される。

ヒートシンク１７ａにフィンを設けた場合、スイッチング素子１６において発生した熱を効率的に放熱させることができる。接続部材１９においては、銅などの伝導性の優れた金属からなる金属パターン４２が形成されており、ソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃは金属パターン４２に半田４３を介して接合される。

接続部材１９においては、２つ以上の接続端子を有する金属パターン４２が樹脂４４により一体的に成形されている。例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエーテルケトン等のプラスチックを射出することによって成形してもよく、又エポキシなどの熱硬化性樹脂をトランスファ−成形してもよい。

また、接続部材１９においては、ソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃのリードと接続端子との接触部であるランドが金属パターン６１に一体的に成形されており、ソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃのリードが金属パターン４２と接合され、金属パターン４２がブスバーを兼ねることができ、空間を効率的に使うことで、装置を小型化することができるようになる。

ヒートシンク１７ａと金属パターン４２は略平行になるように配置されており、ソース電極端子１６ｂにおいて発生した熱をヒートシンク１７ａに伝達させることにより、放熱性を向上させることができる。また、ドレイン電極端子１６ａ、ソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃは略同一平面上に配置されており、即ち、ヒートシンク１７ａにおけるドレイン電極端子１６ａが直接接合される面と、金属パターン４２の上面は略同一平面になるよう配置されているので、上下方向に振動しても剥離し難くなる。

スイッチング素子１６のソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃはＬ字形状に形成してもよく、更に直線状に形成してもよい。またドレイン電極端子１６ａ側の方がスイッチング素子１６からの発熱の影響を受け易く、ソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃ側よりも高温状態になり易いので、半田４１は半田４３よりも高融点の半田材で構成してもよい。

高温条件下でスイッチング素子１６が発熱した場合、半田４１は融点付近では軟化しやすく、振動時に半田クラックが発生する可能性がある。そこで半田４１として高融点を有する半田材を用いることにより、高温条件下での信頼性を向上させることができる。

また、スイッチング素子１６のソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃと金属パターン４２を接合するに際して、半田４３の代わりに、溶接によって両者を接合しても良い。溶接としては、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、ＣＯ２レーザ等の両部材を溶融できるものを使用することができる。溶接は部材同士の金属結合であり、従って溶接は半田よりも高い強度を有する。

さらに、ソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃは金属パターン４３と同じ材料で構成されており、低い温度条件下においても線膨張において差異が生じず、装置の信頼性を確保することができる。また、溶接部分は高温条件下における強度も高く、更に耐振動性も高い。

そこで放熱性がより要求されるドレイン端子１６ａとヒートシンク１７ａの間においては半田４１を使用し、耐振動性が要求されるソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃと金属パターン４２との接合に関しては溶接を用いることにより、高信頼性、高放熱性、耐振動性を確保することができる。

次に図４において示された構造の製造方法について説明する。
ドレイン電極端子１６ａはヒートシンク１７ａに対し半田４１を介して接合した後、ソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃは金属パターン４２に対し半田４３を介して接合する。このような半田による接合作業は、ヒータ加熱装置、熱風加熱装置、高周波加熱装置などによって行われる。

また、接続作業を部品を組み付けた後に行うようにしてもよい。例えば、前工程において、スイッチング素子１６のドレイン電極端子１６ａをヒートシンク１７ａに対し半田４１を介して接合する。
前工程において半田４１により接合されたスイッチング素子１６とヒートシンク１７ａは、半田４３が塗布された金属パターン４２を有する接続部材１９に組付けられる。

そして、後工程において、スイッチング素子１６のソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃが接続部材１９の金属パターン４２に半田４３を介して接合される。上記順序を逆にしても良く、即ち前工程において、ソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃを金属パターン４３に接合し、後工程において、ドレイン電極端子１６ａをヒートシンク１７ａに接合してもよい。

次に半田による接続作業を同時に行うための方法について説明する。
先ず接続部材１９がヒートシンク１７ａに組付けられる。そして半田４１がヒートシンク１７ａ上に塗布される。半田４１としては、ペースト状であってフラックスが混ぜられた半田、シート状の固形半田に液体フラックスをつけたようなものなどを使用することができる。更に半田４３が金属パターン４２上の各電極に対応する位置に塗布される。半田４３としてはペースト半田を使用することができる。

ペースト半田の供給としては、ディスペンサにより塗布する方法、あるいはマスクを介してスキージにより塗ることによるはんだ印刷方法などを採用することができる。
また、接続部材１９をヒートシンク１７ａに組み付ける前に半田を塗布するようにしてもよい。次にスイッチング素子１６が所定の位置に搭載される。

ヒートシンク１７ａには位置決めするための枠が設けられており、スイッチング素子１６を所定の位置に載置することができる。半田接合作業は、例えば、上下方向から強制的に対流させた熱風を用いたリフロー炉内で行うことができる。金属パターン４２と、ヒートシンク１７ａのスイッチング素子１６との接触面は略同一平面上になるように配置されており、更にヒートシンク１７ａと接続部材１９との接触面積も大きいので、半田接合作業時においてヒートシンク１７ａから接続部材１９に熱が伝達されるようになり、同時に半田接合を行うことができる。

また、半田４３を用いる代わりに溶接により接合してもよい。更には半田４１の融点が半田４３の融点よりも高くなるように設定してもよい。
一方、半田が溶融する時において、スイッチング素子１６のドレイン電極端子１６ａに塗布された半田４１及びソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃに塗布された半田４３は、表面張力により、複雑な方向に位置ずれが発生する場合がある。

特に、スイッチング素子１６のソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃとの間の間隔は小さいので、スイッチング素子１６の僅かな位置ずれにより、ソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃが同一の金属パターン４２上において半田接合され、電極間で短絡が生じるおそれがある。
そこで、前工程においてスイッチング素子１６のソース電極端子１６ｂ及びゲート電極端子１６ｃを接続部材１９の金属パターン４２に半田４３を介して予め接合する。

この場合、スイッチング素子１６を位置決めするための冶具を用いることにより、精度良く位置決めをすることが可能である。このように前工程で半田により接合されたスイッチング素子１６と接続部材１９は、半田４１を塗布されたヒートシンク１７ａに組付けられる。さらにその後、スイッチング素子１６のドレイン電極端子１６ａとヒートシンク１７ａは半田４１を介して接合される。

以上のように前工程でスイッチング素子１６が精度良く位置決めされているので、スイッチング素子１６が位置ずれすることによって発生する電極間の短絡を確実に防止することができる。
この場合においても、半田４１の融点が半田４３の融点よりも高くなるように設定してもよい。また、半田４３を用いる代わりに溶接により接合してもよい。

以上のように構成することにより、スイッチング素子１６のベース面は絶縁シートを介さずにヒートシンク１７に接合するとともに、スイッチング素子１６のリード端子１６ｂ、１６ｃは接続部材１９に接合したので、装置を小型化することができるとともに、低コストを実現できる。さらに、絶縁層の接着構造がなくなるので、絶縁層が剥離することがなくなり、信頼性が向上する。

実施の形態２．
図５はＵ相の下アーム３３と上アーム３１を組付けた状態を示す側面図である。
下アーム３３と上アーム３１は、スイッチング素子１６が向かい合うような状態になるように組付けられる。上アーム３１のソース電極端子１６ｂが接合された金属パターン４２は、下アーム３３のヒートシンク１７ｂにまで延設され、金属パターン４２はねじ５１によりヒートシンク１７ｂに固定される。

このように構成することにより、下アーム３３のドレイン電極端子１６ａと上アーム３１のソース電極端子１６ｂは電気的に接続されることとなり、前述のとおり、上アーム３１のスイッチング素子１６と下アーム３３のスイッチング素子１６が直列に接続されることとなるのである。

また、直流電源の変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑にするため、平滑コンデンサ５２が用いられている。下アーム３３のヒートシンク１７ｂと上アーム３１のソース電極端子１６ｂとを接合するための金属パターン４２を覆う樹脂の外側であって、露出した部分において、平滑コンデンサ５２は接合されている。これにより装置全体を小型化することができると共に、部品点数を削減することができる。

更に各アームの接続部材１９においては、複数のスイッチング素子１６のソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃを金属パターン４２に接合すると共に、電極端子となる金属パターン４２を樹脂４４により一体化して、同一方向から引き出し、一対の出力端子としてヒートシンク１７ａ、１７ｂの外に露出させるようにしている。これにより、装置全体を小型化することができると共に、一対の金属パターン４２同士において磁界を相殺させることができるので、周囲の部品に及ぼす磁界の影響を少なくさせることができる。

また、上アーム３１の接続部材１９は下アーム３３のヒートシンク１７ｂの真上に設置させることができると共に、下アーム３３の接続部材１９は上アーム３１のヒートシンク１７ａの真下に設置させることができる。即ち、接続部材１９を上アーム３１と下アーム３３の間に収容することができ、外に出す必要がなくなるので、上アーム３１と下アーム３３の間の空間を有効に活用することができ、装置の小型化を図ることができる。

このように接続部材１９を上アーム３１と下アーム３３の間の空間を利用して立体的に配線することで、配線面積を小さくし、かつ、上アーム３１と下アーム３３の各スイッチング素子１６の隙間を埋めるように配線することができるので、装置の小型化を図ることができる。

実施の形態３．
図６はＵ相の下アーム部を示す平面図である。図において、複数のスイッチング素子１６のドレイン電極端子１６ａは同一のヒートシンク１７ｂ上に半田４１によって接合される。ソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃはそれぞれ金属パターン４２に半田４３によって接合される。このように複数のスイッチング素子１６を一つの接続部材１９に対して、接近した状態で接合したので、一つの出力端子を介して制御基板１８と接続することができる。従ってノイズに影響されず、又装置全体を小型化することができる。

実施の形態４．
図７はＵ相の下アーム部を示す背面断面図である。スイッチング素子１６のソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃの間に樹脂４４の一部を形成する仕切り壁７１を設置したものである。このように仕切り壁７１を設けることにより、スイッチング素子１６のソース電極端子１６ｂとゲート電極端子１６ｃにおいて、半田４３を溶融させる時に、各電極間で、半田ブリッジが発生するのを抑制することができるとともに、また各電極間が短絡するのを防止することができる。また仕切り壁７１により、容易にスイッチング素子１６を位置決めすることができる。上記構成は装置全体を小型化するために、電極間の間隔を短くする場合に特に有効である。

この発明の実施の形態１による回転電機を示す断面側面図である。 この発明の実施の形態１による回転電機における電気回路図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面正面図である。 この発明の実施の形態１による回転電機のアーム部を示す側面図である。 この発明の実施の形態２による回転電機の上アームと下アームの組付け構造を示す側面図である。 この発明の実施の形態３による回転電機のアーム部を示す平面図である。 この発明の実施の形態４による回転電機のアーム部を示す背面断面図である。

符号の説明

４ シャフト、５ 界磁巻線、６ 回転子、７ 固定子、７ａ 電機子巻線、
１４ 制御装置、１６ スイッチング素子、１７ ヒートシンク、１９ 接続部材、
４２ 金属パターン、７１ 仕切り壁。

Claims (6)

1. シャフトに固定されると共に界磁巻線を有する回転子と、この回転子に対して対向して配置されるとともに電機子巻線を有する固定子と、上記電機子巻線に流れる電流を制御するための制御装置とを有する回転電機において、上記制御装置はスイッチング素子と、このスイッチング素子が接合されるヒートシンクから構成され、上記スイッチング素子は平面状のベース部と、このベース部とは異なる極性を有するリード端子からなり、上記ベース部は上記ヒートシンクに直接接合されると共に、上記リード端子は接続部材に設けられた金属パターンに接合され、上記ベース部が上記ヒートシンクに直接接合される面と、上記金属パターンの上面とが略同一平面になるよう構成されたことを特徴とする回転電機。
2. ２つの上記スイッチング素子を向かい合わせて配置すると共に、上記スイッチング素子の間の空間内に上記接続部材を配置し、更に上記接続部材を同一方向から引き出したことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 複数の上記スイッチング素子が１つのヒートシンク及び１つの接合部材に接合されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転電機。
4. 上記リード端子間を仕切るための仕切り壁を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の製造方法であって、上記接続部材を上記ヒートシンクに組み付けた後、上記リード端子が上記金属パターンに接合されると共に、上記ベース部を上記ヒートシンクに接合することを特徴とする回転電機の製造方法。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の製造方法であって、上記リード端子を上記金属パターンに接合した後に、上記スイッチング素子を上記ヒートシンクに組み付け、上記ベース部を上記ヒートシンクに接合することを特徴とする回転電機の製造方法。

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