JP2011035961A

JP2011035961A - インバータ装置一体型回転電機装置

Info

Publication number: JP2011035961A
Application number: JP2009177188A
Authority: JP
Inventors: Sho Yaegaki; 翔八重垣; Kenichi Yoshida; 健一吉田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: JP5508778B2

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、コスト増大を抑制、又は装置の大型化の抑制を図るとともに、冷却性能の向上をさせることである。
【解決手段】回転電機のリア側ハウジングとインバータ装置のケースの結合部分に設けられた空気吸入孔と、リア側ハウジングの軸方向壁面に設けられた通風孔と、リア側ハウジングの径方向壁面に設けられた排出孔とで形成される冷却風通路に、冷却風をスムーズに通過させることで冷却性能を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明はインバータ装置一体型回転電機装置に関し、特に、車両走行時（エンジン動作時）には発電機として動作し、エンジン停止時には始動機として動作する装置に関する。

近年、地球温暖化防止のため車両の二酸化炭素排出量低減が進められており、その対策として車両停止時におけるエンジン停止（アイドリングストップ）が検討されている。アイドリングストップ機構として様々な方式が考えられており、そのなかで従来の車両用発電機でエンジン始動を行う方式が提案されている。この車両用発電機を電動機として駆動するためにはインバータ装置が必要となり、これを車両用発電機と一体化させることで小型，軽量の車両用発電機兼エンジン始動装置となる。

従来の車両用発電機を電動機として駆動する方法では、駆動のためにバッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ装置が必要になる。しかし、このインバータ装置は他の部品と比べて熱に弱いため、車両用発電機と一体化させて小型にした場合、インバータ装置の温度上昇が高くなり、インバータ装置の耐熱温度を超える恐れがあった。従来では特開２００４−２７４９９２号公報に記載のようにインバータ装置の軸方向より冷却風を吸入しインバータ装置を通過後、電動機のハウジング内に流入するような構造となっており、冷却効率を上げるためには多数の放熱フィンを配置する必要があり、装置全体の軸方向の寸法が大きくなる、放熱フィンの配置によるコストがかかるなどの問題があった。

特開２００４−２７４９９２号公報

本発明が解決しようとする課題は、コスト増大を抑制、又は装置の大型化の抑制を図るとともに、冷却性能の向上をさせることである。

上記の目的を達成するために、回転電機のリア側ハウジングとインバータ装置のケースの結合部分に設けられた空気吸入孔と、リア側ハウジングの軸方向壁面に設けられた通風孔と、リア側ハウジングの径方向壁面に設けられた排出孔とで形成される冷却風通路に、冷却風をスムーズに通過させることで冷却性能を向上させる。

本発明によれば、コスト増大を抑制、又は装置の大型化の抑制を図るとともに、冷却性能の向上をさせることができる。

本発明の一実施例のインバータ装置一体型回転電機装置の構造図。上記実施例のエンジン動作時のおける回転電機のファンによる冷却風の流れを表した図（エアガイド有り）。上記実施例のエンジン動作時のおける回転電機のファンによる冷却風の流れを表した図（エアガイド無し）。エアガイドによる半導体素子温度の変化を表した図。本実施の形態のインバータ装置一体型回転電機装置を用いた車両のブロック図。

次に本発明の一実施例であるインバータ装置一体型回転電機の構造について説明する。

図１は本発明の一実施例のインバータ装置一体型回転電機の断面図である。この回転電機１００の固定子１はフロント側ハウジング２とリア側ハウジング３の収納空間に収納され、固定子１の外周はフロント側ハウジング２に覆われた構造になっている。固定子１の外周とフロント側ハウジング２の間の熱伝導を向上させるために、固定子１の外周とフロント側ハウジング２の間に、熱伝導率のよい樹脂などを入れても良い。

回転子４はルンデル型のロータコア５を用いており、ブラシ，スリップリングを介して界磁電流を界磁コイルに通電することで発電や駆動に必要な界磁磁束を出力する。この界磁電流は、インバータ装置内の制御装置から供給されており、発電や駆動に最適な界磁電流を出力している。ロータコア間に磁石を挿入することで界磁磁束の出力を向上させることもできる。

回転子４のロータコア５はシャフトに固定されており、当該シャフトは、フロント側ハウジング２，リア側ハウジング３に取り付けられているベアリングによって支持されている。シャフト先端にはプーリが固定されており、エンジンのクランクシャフトプーリに掛けられているベルトによって連れ回されることによって回転電機１００は発電機として動作する。

また、回転電機１００を始動機として動作する場合は、ベルトを介してエンジンのクランクシャフトプーリを駆動し、エンジンを始動させる。インバータ装置は樹脂製のケース７内に制御装置や電力制御用スイッチング半導体素子８をモールドした構造となっている。インバータ装置９０のケース７のリア側には、ブラシやヒートシンクを保護するためにカバー９を付けている。ここで回転電機１００とインバータ装置はリア側ハウジング３とケース７で結合され一体となっている。

フロント側ハウジング２には軸方向壁面にフロント側吸入孔１０ａ、径方向壁面にはフロント側排出孔１２ａが設置されている。またリア側ハウジング３とケース７の結合部分にはリア側吸入孔１０ｂとなる間隙が設けられており、リア側ハウジング３の軸方向壁面には通風孔１１となる穴が、径方向壁面には排出孔１２ｂが設置されている。リア側ハウジング３とケース７の間にはリア側吸入孔１０ｂを介して冷却風が通過できる構造となっている。

なお、リア側吸入孔１０ｂは、リア側ハウジング３の外壁とケース７の外壁が対向することによって形成される。これらリア側ハウジング３の外壁とケース７の外壁は、少なくとも一方が、好ましくは双方の対向表面が平坦であることが望ましい。なお、ケース７の軸方向壁面と対向する面は、当該対向する面の端部から開口部１１までが、平坦となるように形成されるようにしてもよい。これにより、後述の図２に示されるように、回転電機１００内に流入空気の流入損失を小さくすることができるので、流入空気を多くすることができ、冷却効率を向上させることができる。

なお、リア側吸入孔１０ｂを形成する間隙の軸方向の断面積は、開口部の開口面積よりも大きいことが望ましい。これにより、リア側ハウジング３の外壁とケース７の外壁によって形成される空間に、流入空気が滞留してしまうことを防止できる。

また、ケース７とリア側ハウジング３の軸方向空隙ｄは、リア側ハウジング３の径Ｒと前記開口部の開口面積をＡとしたときに、Ａ／（２×π×Ｒ）＜ｄ＜１０mmの範囲内に収まることが望ましい。これにより、流入空気の流速を、冷却のために最適化することができる。

回転子４のロータコア５端面にはファン６が取り付けられており、回転電機１００が発電機として動作している場合はファン６が回転することにより、冷却風をリア側吸入孔１０ｂより取り込み、リア側ハウジング３とケース７の間隙を通過し半導体素子８を冷却しつつ、通風孔１１へと導き回転電機内に流入させる。

通風孔１１から回転電機内に流入した冷却風は固定子１を冷却しながら排出孔１２ｂより回転電機外に排出される。また、吸入孔１０ｂと排出孔１２ｂの間にはエアガイド１３が取り付けられている。エアガイド１３はリア側ハウジング３と一体化としているが、インバータ装置９０やカバー９などの部品と一体化しても良い。

図２はエアガイド１３が設置されている回転電機のファンによる冷却風の流れを表している。エアガイド１３が取り付けられていることにより排出孔１２ｂより排出された排出空気を吸入孔１０ｂより遠ざかるように導くことができるので、熱せられた排出空気は再び吸入孔１０ｂにから吸入されることが防止され、冷却効率を向上させることができる。なお、前記エアガイドは、排出孔１２ｂ側に屈曲する屈曲部１３ａを有している。これにより、熱せられた排出空気は再び吸入孔１０ｂにから吸入されることがさらに防止することができる。

なお、図３に、エアガイド１３が設置されていない回転電機のファンによる冷却風の流れを示す。エアガイド１３が取り付けられていない場合、排出孔１２ｂから排出された高温の空気が吸入孔１０ｂより吸入され、回転子１およびインバータ装置の冷却が十分に行えない。

図４はエアガイドの取り付けの有無による半導体素子温度の変化を表している。エアガイド無しの場合に比べエアガイドを取り付けた場合の方が、半導体素子温度の上昇が抑えられており効率的に冷却を行うことができている。

インバータ装置９０には、電力制御用スイッチング半導体素子８が設けられている。電力制御用スイッチング半導体素子８には、例えばＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる。本実施形態では、駆動時の大電流を通電するために、アーム毎に電力制御用スイッチング半導体素子８を複数個を並列に接続して電流容量を増やしている。

また、発電時には、電力制御用スイッチング半導体素子８のスイッチングタイミングを制御して同期整流を行うことで、従来のダイオード整流方式に比べ損失を低減している。電力制御用スイッチング半導体素子８は、アルミ製の冷却板に取り付けられており、回転子４に取り付けられているファン６により外部から冷却風を取込むことで冷却される。

図５は、従来の車両用発電装置の代わりに本実施の形態のインバータ装置一体型回転電機装置を用いた車両のブロック図である。回転電機装置２１のプーリとエンジン２２のクランクシャフトプーリ２２１との間には、回転駆動用のベルト２２２が架け回されている。

キーによるエンジン始動時には、従来の車両用始動機（スタータモータ）２３によってエンジン２２は始動される。車両が暖気状態となった後のアイドリングストップ状態にあっては、回転電機装置２１が始動機として動作することでエンジン２２を再始動する。回転電機装置２１を用いてエンジンを再始動する場合は、ベルト２２２を介してエンジンのクランクシャフトプーリ２２１を駆動し、エンジン２１が完爆する回転数まで駆動する。

エンジン２２が再始動すると、クランクシャフトプーリ２２１の回転によりプーリも連れ回され、回転電機装置２１は通常の発電機として動作し、バッテリ２４と車両側電装品に電力を供給する。アイドリングストップの動作は、車両側制御器２５と回転電機装置のインバータ装置９０に内蔵されている制御器とにより制御される。このように回転電機装置２１により、車両停止時には自動的にアイドリングストップを行うことで、従来の車両より燃費を向上させることができる。

本実施例は発電，エンジン始動用の回転電機に適する方法であるが、エンジンの振動を低減する手段や、車両加速時の駆動力をアシストするような手段にも適用できる。

１固定子
２フロント側ハウジング
３リア側ハウジング
４回転子
５ロータコア
６ファン
７ケース
８電力制御用スイッチング半導体素子
９カバー
１０ａフロント側吸入孔
１０ｂリア側吸入孔
１１通風孔
１２ａフロント側排出孔
１２ｂリア側排出孔
１３エアガイド
２１回転電機装置
２２エンジン
２３車両用始動機
２４バッテリ
２５車両側制御器
９０インバータ装置
１００回転電機
２２１クランクシャフトプーリ
２２２ベルト

Claims

回転子と、該回転子に回転空隙を介して対向配置された固定子と、当該回転子の回転軸に嵌め合わされたファンと、当該回転子と当該固定子と当該ファンを収納する回転電機側ハウジングと、を備える回転電機装置と、
前記回転電機の駆動および前記回転電機の出力電力を制御するインバータ回路と、当該インバータ回路を収納するインバータ側ハウジングと、を備えるインバータ装置と、を有し、
前記回転電機側ハウジングは、前記回転子の回転軸を支持する支持部が形成された軸方向壁面に、開口部が形成され、
前記ファンは、前記軸方向壁面における前記回転子が配置された側の面と対向して配置され、
前記インバータ装置は、前記インバータ側ハウジングが前記軸方向壁面と空間を介して対向するように、前記回転電機装置に固定され、
冷却空気は、前記ファンが回転することによって、前記開口部から前記回転電機側ハウジング内に流入され、
前記インバータ側ハウジングの前記軸方向壁面と対向する面は、当該対向する面の端部から前記開口部までが、平坦となるように形成されるインバータ装置一体型回転電機装置。
請求項１に記載されたインバータ装置一体型回転電機装置であって、
当該インバータ装置一体型回転電機装置は、エンジンに機械的に連結され、
前記回転電機装置は、前記エンジンの作動時には前記エンジンの回転動力により前記回転子が回転することにより前記固定子に電力を発生させ、前記エンジンの始動には前記固定子との磁気的な作用により前記回転子が回転して前記エンジンに回転動力を与えるインバータ装置一体型回転電機装置。
請求項１または２に記載のいずれかのインバータ装置一体型回転電機装置であって、
前記インバータ側ハウジングと前記軸方向壁面と対向することによって形成される空間の前記回転軸方向の断面積は、前記開口部の開口面積より大きいインバータ装置一体型回転電機装置。
請求項１ないし３に記載のいずれかのインバータ装置一体型回転電機装置であって、
前記インバータ側ハウジングと前記軸方向壁面との距離をｄ、前記回転電機側ハウジングの径Ｒ、前記開口部の開口面積をＡとしたときに、Ａ／（２×π×Ｒ）＜ｄ＜１０mmを満たすインバータ装置一体型回転電機装置。
請求項１ないし４に記載のいずれかのインバータ装置一体型回転電機装置であって、
前記軸方向壁面の前記インバータ側ハウジングと対向する面は、当該対向する面の端部から前記開口部までが、平坦となるように形成されるインバータ装置一体型回転電機装置。
請求項１に記載のインバータ装置一体型回転電機装置であって、
前記回転電機側ハウジングは、前記回転軸と略平行に形成された径方向壁面を有し、当該径方向壁面には、前記開口部から流入した冷却空気を排出するための空気排出孔が形成され、
前記空気排出孔と前記軸方向壁面との間の前記径方向壁面に形成され、かつ前記空気排出孔より排出される空気が前記空気吸入孔から遠ざかるように突出するエアガイドを有するインバータ装置一体型回転電機装置。
請求項６に記載のインバータ装置一体型回転電機装置であって、
前記エアガイドは、前記空気排出孔側に屈曲する屈曲部を有するインバータ装置一体型回転電機装置。
請求項１ないし７に記載のいずれかのインバータ装置一体型回転電機装置であって、
前記インバータ装置の前記インバータ回路は、ＭＯＳ−ＦＥＴ型トランジスタで構成され、前記回転電機装置が発電動作時は同期整流を行うインバータ装置一体型回転電機装置。