JP2013255296A

JP2013255296A - 制御装置一体型回転電機

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Publication number: JP2013255296A
Application number: JP2012127689A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Isoda; 仁志磯田; Yoshinobu Uchiumi; 義信内海; Nobuhiko Fujita; 暢彦藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2032-06-05
Also published as: JP5373936B1; FR2991524A1; FR2991524B1; US20130320786A1; US8970076B2

Abstract

【課題】磁極位置検出センサ、ブラシホルダの冷却性を向上することができると共に、回転電機の軸方向寸法を低減することができる制御装置一体型回転電機を提供する。
【解決手段】冷却ファン８による第一の冷却風が、インバータ装置２０の径方向外側から流入し、ヒートシンク３１を冷却して、リヤブラケット２ｂの内周を通り、リヤブラケットの外周側に設けられた排気孔５２を通って排出される第一の冷却風通路と、冷却ファン８による第二の冷却風が、インバータ装置の中空部２０ａに回転軸５の軸方向後方から流入し、ブラシホルダ１２および磁極位置検出センサ１３を冷却して、リヤブラケットの内周を通り、前記排気孔５２を通って排出される第二の冷却風通路が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機本体に、電機子巻線や界磁巻線に電力を供給するインバータ装置がリヤブラケット後部外側に取り付けられた車両用制御装置一体型回転電機に関するものである。

従来装置として、スイッチング素子、制御回路が搭載されたインバータ装置が回転電機本体のリヤブラケット後方に搭載され、冷却風がインバータ装置の径方向外側から流入し、リヤブラケットのベアリング保持部外周に設けられた通風孔を通過し、リヤブラケットの径方向外側に設けられた排気孔から排出されことにより、インバータ装置のヒートシンクが冷却される構成が開示されている。（例えば特許文献１参照）

特開２００６−３３９８６号公報

上記の従来装置によれば、回転子に取り付けられたファンにより生成された冷却風は、インバータ装置の径方向外側から流入し、リヤブラケットのベアリング保持部外周に設けられた通風孔を通過し、リヤブラケットの径方向外側に設けられた排気孔から排出され、インバータ装置のヒートシンクを冷却するが、冷却風の通路が、径方向外側から流入し、径方向外周側に排出されるように形成されるため、回転軸中心近辺に配置されている磁極位置検出センサ、ブラシホルダ、リヤベアリングの冷却が十分にできないという問題があった。
また、ブラシホルダと電機子巻線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が同一平面上になく、軸方向で距離を持っているため、回転電機の軸方向寸法が長くなり、回転電機の大型化に繋がるという問題点があった。

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、磁極位置検出センサ、ブラシホルダの冷却性を向上することができると共に、回転電機の軸方向寸法を低減することができる制御装置一体型回転電機を提供することを目的とする。

この発明は、フロントブラケットとリヤブラケットに支持された固定子および回転子を有し、前記回転子は前記フロントブラケットおよびリヤブラケットに設けられたフロントベアリングおよびリヤベアリングにより回転自在に支持された回転軸上に、起磁力を発生させる界磁巻線と冷却風を生成する冷却ファンを有し、前記リヤベアリングの軸方向後方に、前記回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出センサ、および前記界磁巻線に電流を通電するブラシが内包されているブラシホルダが配置されると共に、前記固定子の電機子巻線に固定子電流を通電するインバータ装置は、前記回転軸およびブラシホルダに対応する中空部を有し、前記リヤブラケットの後方外側に搭載され、前記固定子電流を通電する固定子電流用スイッチング素子と、前記スイッチング素子を冷却するための略円環状のヒートシンクと、前記スイッチング素子を制御する制御回路が搭載された制御基板から構成されている制御装置一体型回転電機において、前記冷却ファンによる第一の冷却風が、前記インバータ装置の径方向外側から流入し、前記ヒートシンクを冷却して、前記リヤブラケットの内周を通り、前記リヤブラケットの外周側に設けられた排気孔を通って排出される第一の冷却風通路と、前記冷却ファンによる第二の冷却風が、前記インバータ装置の中空部に前記回転軸の軸方向後方から流入し、前記ブラシホルダおよび前記磁極位置検出センサを冷却して、前記リヤブラケットの内周を通り、前記排気孔を通って排出される第二の冷却風通路を形成したものである。

この発明の制御装置一体型回転電機によると、第一の冷却風によりインバータ装置のヒートシンクを冷却し、スイッチング素子の温度を低減することができるだけでなく、インバータ装置の中空部を軸方向後方から流入する第二の冷却風によりインバータ装置の内周側面、ブラシホルダおよび磁極位置検出センサを冷却することができ、インバータ装置、ブラシホルダ、および磁極位置検出センサの温度を低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機を示す縦断面図である。実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機をリヤ側から見た平面図である。実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機の概略回路図である。実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機の要部を示す縦断面図である。実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機の外周カバーおよび防水用樹脂を除いた状態をリヤ側から見た平面図である。実施の形態１におけるインバータ装置の制御基板を除いた要部をリヤ側から見た図である。実施の形態１におけるインバータ装置をフロント側から見た平面図である。実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機のリヤブラケットをリア側から見た平面図である。実施の形態１におけるインバータ装置のパワーモジュールを示す平面図である。実施の形態１におけるインバータ装置の界磁モジュールを示す平面図である。実施の形態１における樹脂ケースのＢターミナルおよび電力入出力端子ボルトを示す側面図である。

実施の形態１．
図１〜図１１はこの発明の実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機を示すものである。
図において、回転電機１はフロントブラケット２ａ及びリアブラケット２ｂからなるハウジング２と、電機子巻線３ａを有する固定子３と、回転軸５及び界磁巻線６を有する回転子４とを備え、固定子３はフロントブラケット２ａの一端部及びリアブラケット２ｂの一端部により支持固定され、回転子４は固定子３の内側に配置されている。
回転軸５はハウジング２に設けられたフロントベアリング７ａ、リヤベアリング７ｂにより回転自在に支持され、回転子４は固定子３に対して同軸に回転できるように構成されている。

回転子４の軸方向の両端面には、冷却ファン８が固定されている。回転軸５のフロント側（フロントブラケットの外側）の端部にはプーリ９が装着され、回転軸５のリヤ側に一対のスリップリング１０が装着され、スリップリング１０と摺接する一対のブラシ１１がブラシホルダ１２内に配置されている。
ブラシホルダ１２、ブラシ１１及びスリップリング１０は界磁巻線６に直流電力を供給するためのものである。

回転電機１は、磁極位置検出センサ１３とインバータ装置２０及びインバータ装置を内包する外部カバー１４を備え、ブラシホルダ１２と磁極位置検出センサ１３とインバータ装置２０はリアブラケット２ｂの後方外側に配置されている。
磁極位置検出センサ１３はリヤベアリング７ｂとブラシホルダ１２の間に配置されており、リアブラケット２ｂの後方端部に装着されている。
本実施の形態では、磁極位置検出センサ１３は巻線型のセンサを用いており、巻線に電流を通電することにより、センサとして機能する。
また、磁極位置検出センサ１３の外径はスリップリング１０の外径よりも大きくなっている。

インバータ装置２０は、電機子巻線３ａ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２１を内包したパワーモジュール２２と、界磁巻線６に供給する電力をコントロールするための界磁回路用半導体スイッチング素子２３を内包した界磁モジュール２４と、樹脂性のケース３０とパワーモジュール２２と界磁モジュール２４を冷却するためのヒートシンク３１と、半導体スイッチング素子２１、２３や回転電機１の動作を制御するための制御回路が搭載された制御基板３２から構成される。
回転電機１のリアブラケット２ｂにはインバー装置固定用のネジ穴２ｂ１（図８では４箇所）が配設されており、ヒートシンク３１の固定部３１ａ（図６では４箇所）は、ボルト１５（図５では４箇所）によりリアブラケット２ｂに固定、保持され、ヒートシンク３１とリアブラケット２ｂが同電位になるように構成されている。

図４に示すように、ヒートシンク３１はリアブラケット２ｂ側に延在するフィン３１ｂを有し、ヒートシンクのフィン３１ｂと軸方向反対側にパワーモジュール２２、界磁モジュール２４が熱伝導性のよい絶縁層（図示しない）を介して搭載されており、パワーモジュール２２、界磁モジュール２４の軸方向後方側に制御基板３２が搭載されている。
また、パワーモジュール２２、界磁モジュール２４、制御基板３２はヒートシンク３１及び樹脂ケース３０に内包されており、ヒートシンク３１と樹脂ケース３０で構成される空間はエポキシ、シリコン、ウレタンなどの防水用樹脂３３で充填され、パワーモジュール２２、界磁モジュール２４と制御回路３２は防水用樹脂３３で樹脂封止されている。

ヒートシンク３１は図６に示すように回転軸周辺が中空となった略円環状であり、樹脂ケース３０も図５に示すように回転軸周辺が中空となっていて、インバータ装置２０の回転軸周辺に中空部２０ａが形成され、この中空部２０ａにブラシホルダ１２が配置されている。
このとき、ブラシホルダ１２とパワーモジュール２２のスイッチング素子２１は同一平面状になる位置に配置されている。本実施の形態においては、制御基板３２もブラシホルダ１２と同一平面上に配置されるように構成されている（図４）。

本実施の形態の回転電機１では、回転子４が回転駆動されると冷却ファン８が駆動され、図１及び図４の矢印に示されるように、外部カバー１４の径方向外周に設けられた第一の冷却風流入孔５０ａから、ヒートシンク３１のベース面とリアブラケット２ｂ後端面の間に存在するヒートシンク３１のフィン３１ｂ間へ流れ、リアブラケット２ｂのリヤベアリング保持部外周に設けられた通風孔５１を通過した後、遠心方向に曲げられ、電機子巻線３ａおよびリアブラケット２ｂを冷却しながらリアブラケット２ｂの径方向外周側に設けられた排気孔５２から排出される第一の冷却風６０が流れる第一の冷却風通風路が形成されている。
更に、第一の冷却風通風路と共に、外部カバー１４の軸方向後方にインバータ装置２０の中空部２０ａに対向するように設けられた第二の冷却風流入孔５０ｂから、インバータ装置の中空部２０ａおよびブラシホルダ１２周囲を通過し、磁極位置検出センサ１３およびリヤブラケット２ｂの磁極位置検出センサ装着部２ｂ２の周囲を通過し、リヤブラケット２ｂのベアリング保持部外周に設けられた通風孔５１を通過した後、遠心方向に曲げられ、電機子巻線３ａおよびブラケット２を冷やしながらブラケット２の径方向外周側に設けられた排気孔５２から排出される第二の冷却風６１が流れる第二の冷却風通風路が形成されている。

第一の冷却風６０がインバータ装置２０のヒートシンク３１のフィン３１ｂを通過することにより、ヒートシンク３１を冷却することができ、パワー回路用半導体スイッチング素子２１および界磁回路用半導体スイッチング素子２３の温度を低減することができるだけでなく、第二の冷却風６１がインバータ装置２０の中空部２０ａ、ブラシホルダ１２の周囲およびリヤブラケット２ｂの磁極位置検出センサ装着部２ｂ２の周囲を通過することにより、インバータ装置２０、ブラシ１１および磁極位置検出センサ１３の温度を低減することができる。さらに、第二の冷却風６１がリアブラケット２ｂのリヤベアリング保持部の周囲を通過することにより、リヤベアリング７ｂの温度も低減することができる。

ブラシホルダ１２が磁極位置検出センサ１３とリヤベアリング７ｂの間に配置されている場合、磁極位置検出センサ１３を装着するためのリヤブラケット端部をブラシホルダ１２の後方までのばさなければならず、第二の冷却風６１は磁極位置検出センサ１３の径方向外側は通過するが、ブラシホルダ１２の軸中心周辺を通過しにくいため、ブラシホルダ１２の冷却性の向上する効果が小さく、ブラシ温度１１を低減する効果が小さいが、磁極位置検出センサ１３をブラシホルダ１２とリヤベアリング７ｂの間に配置することにより、磁極位置検出センサ１３を装着するためのリヤブラケット端部はブラシホルダ１２の前方まででよく、ブラシホルダ１２の軸中心周辺も冷却することができ、ブラシ１１の温度を低減する効果が大きい。

また、インバータ装置２０の中空部２０ａにブラシホルダ１２が配置されており、パワー回路用半導体スイッチング素子２１、界磁回路用半導体スイッチング素子２３がブラシホルダ１２と同一平面上の位置に配置されていることにより、回転電機の軸方向の長さを低減することができ、回転電機の小型化が可能となる。
本実施の形態においては、制御基板３２もブラシホルダ１２と同一平面上になる位置に配置されており、回転電機の軸方向の長さをさらに低減することができ、回転電機の小型化がさらに可能となっている。

パワーモジュール２２は、外部のバッテリと電力を入出力するための電力入出力用ボルト１６と同電位となるＢターミナル２２ａと電機子巻線３ａの出力線と同電位となるＡＣターミナル２２ｂとリアブラケット２ｂと同電位となるＧＮＤターミナル２２ｃと内部の半導体スイッチング素子２１などを制御するための信号線ターミナル２２ｄを有しており、信号線ターミナル２２ｄは制御基板に半田付け、圧接、溶接などで直接接続されている（図７及び図９）。
このパワーモジュール２２は、図２に示すように一対の３相電機子巻線３ａに対し各相一個づつ接続され、合計６個設けられている。

樹脂ケース３０は、電力入出力用ボルト１６と、同電位となるＢターミナル３０ａと、電機子巻線３ａの出力線と同電位となるＡＣターミナル３０ｂと、リアブラケット２ｂと同電位となるＧＮＤターミナル３０ｃがインサート成形されている(図７)。なお、電力入出力用ボルト１６と同電位となるＢターミナル３０ａは、図１１に示すように一体に形成されている。
樹脂ケース３０の内周側面には、Ｂターミナル３０ａが配置され、パワーモジュール２２のＢターミナル２２ａと接続されている。
また、樹脂ケース３０の外周側面には、ＡＣターミナル３０ｂとＧＮＤターミナル３０ｃが配置され、ＡＣターミナル３０ｂはパワーモジュール２２のＡＣターミナル２２ｂおよび電機子巻線３ａの出力線に接続される。
ＧＮＤターミナル３０ｃはパワーモジュール２２のＧＮＤターミナル２２ｃと接続されると共に、ヒートシンク３１もしくはリアブラケット２ｂに接続されている。
本実施の形態では、樹脂ケースのＧＮＤターミナル３０ｃは、ヒートシンク３１の固定保持部３１ａと同一箇所でボルト１５により共締めされている(図５)。

また、界磁モジュール２４も図１０に示すように、パワーモジュール２２と同様に、電力入出力用ボルト１６と同電位となるＢターミナル２４ａ、ブラシ１１に通電するための、ブラシプラスターミナル２４ｂ１、ブラシマイナスターミナル２４ｂ２、リヤブラケットと同電位となるＧＮＤターミナル２４ｃおよび内部の半導体スイッチング素子２３などを制御するための信号線ターミナル２４ｄを有しており、図５に示すように信号線ターミナル２４ｄは制御基板３２に半田付け、圧接、溶接などで直接接続されており、Ｂターミナル２４ａは、樹脂ケース３０の内周側面に配置されたＢターミナル３０ａと接続されている。

パワーモジュール２２、界磁モジュール２４の信号線ターミナル２２ｄ、２４ｄが制御基板３２に直接接続されていることにより、信号線ターミナル２２ｄ、２４ｄと制御基板３２を接続するための信号線接続部材が必要とならず、回転電機を小型化することができる。
もしくは、インバータ装置の中空部２０ａを大きくとることができるため、さらにインバータ装置２０、ブラシ１１、磁極位置検出センサ１３の冷却性を向上することができる。
また、樹脂ケース３０の側面にＢターミナル３０ａとＡＣターミナル３０ｂとＧＮＤターミナル３０ｃを配置することにより、回転電機の軸方向長さを低減することができ、回転電機の小型化が可能となる。

各パワーモジュール２２のＢターミナル２２ａは樹脂ケース３０のＢターミナル３０ａに接続され、電力入出力用ボルト１６に接続されている(図７)。
回転電機１が駆動動作を行う場合は、電力入出力用ボルト１６から入力される電流が樹脂ケース３０のＢターミナル３０ａを通り、各パワーモジュール２２のＢターミナル２２ａに分配される。
回転電機１が発電動作を行う場合は、電機子巻線３ａから出力される電流が、パワーモジュール２２のＢターミナル２２ａを通り、樹脂ケース３０のＢターミナル３０ａに集まり、電力入出力用ボルト１６に出力される。
このため、樹脂ケース３０のＢターミナル３０ａには大電流が流れ、樹脂ケース３０のＢターミナル３０ａの発熱が大きくなるが、樹脂ケース３０のＢターミナル３０ａを内周側側面に配置することにより、インバータ装置の中空部２０ａすなわち第二の冷却風路を通過する第二の冷却風６１により、樹脂ケース３０のＢターミナル３０ａ周辺を効果的に冷却することができ、樹脂ケース３０のＢターミナル３０ａの温度を低減することができる。
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。

１：回転電機
２：ハウジング、２ａ：フロントブラケット、２ｂ：リヤブラケット、２ｂ１：ネジ穴、２ｂ２：磁極位置検出センサ装着部
３：固定子、３ａ：電機子巻線
４：回転子
５：回転軸
６：界磁巻線
７ａ：フロントベアリング、７ｂ：リヤベアリング
８：冷却ファン
９：プーリ
１０：スリップリング
１１：ブラシ
１２：ブラシホルダ
１３：磁極位置検出センサ
１４：外部カバー
１５：ボルト
１６：電力入出力用ボルト
２０：インバータ装置、２０ａ：中空部
２１：パワー回路用半導体スイッチング素子
２２：パワーモジュール、２２ａ：Ｂターミナル、２２ｂ：ＡＣターミナル、
２２ｃ：ＧＮＤターミナル、２２ｄ：信号線ターミナル
２３：界磁回路用半導体スイッチング素子
２４：界磁モジュール、２４ａ：Ｂターミナル、２４ｂ１：ブラシプラスターミナル、２４ｂ２:ブラシマイナスターミナル、２４ｃ：ＧＮＤターミナル、
２４ｄ：信号線ターミナル
３０：樹脂ケース、３０ａ：Ｂターミナル、３０ｂ：ＡＣターミナル、
３０ｃ：ＧＮＤターミナル
３１：ヒートシンク、３１ａ：固定保持部、３１ｂ：フィン
３２：制御基板
３３：防水用樹脂
５０ａ：第一の冷却風流入孔、５０ｂ：第二の冷却風流入孔
５１：通風孔
５２：排出孔
６０：第一の冷却風
６１：第二の冷却風

Claims

フロントブラケットとリヤブラケットに支持された固定子および回転子を有し、
前記回転子は前記フロントブラケットおよびリヤブラケットに設けられたフロントベアリングおよびリヤベアリングにより回転自在に支持された回転軸上に、起磁力を発生させる界磁巻線と冷却風を生成する冷却ファンを有し、
前記リヤベアリングの軸方向後方に、前記回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出センサ、および前記界磁巻線に電流を通電するブラシが内包されているブラシホルダが配置されると共に、
前記固定子の電機子巻線に固定子電流を通電するインバータ装置は、前記回転軸およびブラシホルダに対応する中空部を有し、前記リヤブラケットの後方外側に搭載され、前記固定子電流を通電する固定子電流用スイッチング素子と、前記スイッチング素子を冷却するための略円環状のヒートシンクと、前記スイッチング素子を制御する制御回路が搭載された制御基板から構成されている制御装置一体型回転電機において、
前記冷却ファンによる第一の冷却風が、前記インバータ装置の径方向外側から流入し、前記ヒートシンクを冷却して、前記リヤブラケットの内周を通り、前記リヤブラケットの外周側に設けられた排気孔を通って排出される第一の冷却風通路と、
前記冷却ファンによる第二の冷却風が、前記インバータ装置の中空部に前記回転軸の軸方向後方から流入し、前記ブラシホルダおよび前記磁極位置検出センサを冷却して、前記リヤブラケットの内周を通り、前記排気孔を通って排出される第二の冷却風通路を形成した
ことを特徴とする制御装置一体型回転電機。
前記磁極位置検出センサは前記リヤベアリングと前記ブラシホルダの間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の制御装置一体型回転電機。
前記磁極位置検出センサは、巻線に電流が流れることによりセンサとして機能する巻線型であり、前記リヤブラケット後端に組みつけられていることを特徴とする請求項１または２記載の制御装置一体型回転電機。
前記インバータ装置の中空部内に前記ブラシホルダが配置されており、前記ブラシホルダと前記インバータ装置のスイッチング素子が同一平面上にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の制御装置一体型回転電機。
前記インバータ装置の制御基板が、前記ブラシホルダと同一平面上であることを特徴とする請求項４記載の制御装置一体型回転電機。
前記インバータ装置は、樹脂ケースに収納され、前記樹脂ケースの内周、外周の側面には電力供給用ターミナルがインサート成形されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の制御装置一体型回転電機。
前記スイッチング素子は、前記スイッチング素子を制御する信号線ターミナルと前記電機子巻線に電流を通電するための電力供給用ターミナルを有するパワーモジュールに含まれ、前記信号線ターミナルが前記制御基板に直接接続されると共に、前記電力供給用ターミナルが前記樹脂ケースにインサート成形された電力供給用ターミナルに接続されていることを特徴とする請求項６記載の制御装置一体型回転電機。
前記樹脂ケースの電力供給用ターミナルのうち、外部のバッテリと電力を入出力するための電力入出力用ボルトと同電位となるターミナルが前記樹脂ケースの内周側面に配置されていることを特徴とする請求項６または７記載の制御装置一体型回転電機。
前記磁極位置検出センサ及びインバータ装置を内包する外部カバーを備え、前記外部カバーは、前記第一の冷却風路と連通する冷却風流入孔と、前記第二の冷却風路と連通する冷却風流入孔を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の制御装置一体型回転電機。
前記界磁巻線に接続される界磁回路用半導体スイッチング素子を含む界磁モジュールが前記樹脂ケースに収納されていることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一つに記載の制御装置一体型回転電機。