JP2018186588A - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】制御装置の耐振性を向上させることができる制御装置一体型回転電機を得る。【解決手段】回転電機本体２と、回転電機本体２に設けられ、回転電機本体２との間で電力の送受を行う制御装置３とを備え、制御装置３は、パワーモジュール２５と、パワーモジュール２５を制御する制御基板２６と、制御基板２６に設けられ、制御基板２６における部品実装面に対して垂直な方向に延びる垂直部３１１を含むフィン３１と、パワーモジュール２５、制御基板２６およびフィン３１の周囲を囲むケース２８と、ケース２８の内側に充填されたシリコーンゲル２９とを有している。【選択図】図３

Description

この発明は、回転電機本体および回転電機本体との間で電力の送受を行う制御装置を一体化した制御装置一体型回転電機に関する。

従来、回転電機本体と、回転電機本体との間で電力の送受を行う制御装置とを一体化した制御装置一体型回転電機であって、制御装置が、直流電力を交流電力に変換し、また、交流電力を直流電力に変換するパワー回路部と、パワー回路部を制御する制御回路部とを有した制御装置一体型回転電機が知られている。パワー回路部は、モールド成形された複数のパワーモジュールを有し、それぞれのパワーモジュールがヒートシンクに配置されている。制御回路部は、制御基板を有し、制御基板にはパワーモジュールの端子が接続されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／１８８８０３号

しかしながら、制御装置一体型回転電機がエンジンルーム内に設置して使用される場合に、制御基板が振動するので、制御装置の耐振性が悪いという課題があった。

この発明は、上述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、制御装置の耐振性を向上させることができる制御装置一体型回転電機を提供するものである。

この発明に係る制御装置一体型回転電機は、回転電機本体と、回転電機本体に設けられ、回転電機本体との間で電力の送受を行う制御装置とを備え、制御装置は、パワーモジュールと、パワーモジュールを制御する制御基板と、制御基板に設けられ、制御基板における部品実装面に対して垂直な方向に延びる垂直部を含むフィンと、パワーモジュール、制御基板およびフィンの周囲を囲むケースと、ケースの内側に充填されたゲル状粘弾性部材とを有している。

この発明に係る制御装置一体型回転電機によれば、制御装置は、制御基板における部品実装面に対して垂直な方向に延びる垂直部を含むフィンと、パワーモジュール、制御基板およびフィンの周囲を囲むケースと、ケースの内側に充填されたゲル状粘弾性部材とを有しているので、制御装置の耐振性を向上させることができる。

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断面図である。 図１のシリコーンゲルによってポッティングされたパワーモジュールおよび制御基板を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って視た矢視断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿って視た矢視断面図である。 実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機の変形例を示す平面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿って視た矢視断面図である。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿って視た矢視断面図である。 この発明の実施の形態２に係る制御装置一体型回転電機を示す平面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿って視た矢視断面図である。 図８のＸ−Ｘ線に沿って視た矢視断面図である。 この発明の実施の形態３に係る制御装置一体型回転電機を示す平面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿って視た矢視断面図である。 図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿って視た矢視断面図である。

以下、この発明の実施の形態に係る制御装置一体型回転電機を図面に基づいて説明する。各図には、説明を明確にするために、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を記載している。なお、本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。各図においては、理解の容易のために、各部材の縮尺が実際とは異なる場合があり、また、本発明の特徴に関係しない構成は省略している。

実施の形態１．
実施の形態１では、制御装置一体型回転電機を車両に搭載して駆動の補助および発電に用いられる交流発電電動機に適用した例を示す。図１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断面図である。

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１Ａは、回転電機本体２と、回転電機本体２との間で電力の送受を行う制御装置３とを備えている。回転電機本体２は、回転軸４と、回転軸４に固定された回転子５とを備えている。回転子５は、回転子鉄心６と、回転子鉄心６に巻装された回転子巻線７とを備えている。

また、回転電機本体２は、フロントブラケット８と、フロントブラケット８に軸方向に隣り合うように設けられたリアブラケット９と、フロントブラケット８に設けられた軸受１０と、リアブラケット９に設けられた軸受１１とを備えている。回転軸４は、軸受１０および軸受１１を介してフロントブラケット８およびリアブラケット９に回転可能に支持されている。

また、回転電機本体２は、フロントブラケット８およびリアブラケット９に軸方向に挟み込まれて保持された固定子１２を備えている。固定子１２は、固定子鉄心１３と、固定子鉄心１３に巻装された固定子巻線１４とを備えている。

また、回転電機本体２は、回転軸４におけるフロントブラケット８から外側へ突出した端部に取り付けられたプーリ１５と、回転軸４におけるリアブラケット９から外側へ突出した部分に設置され、回転子５の回転状態を検出する回転位置検出装置１６と備えている。

また、回転電機本体２は、回転子鉄心６に電流を供給する一対のスリップリング１７と、それぞれのスリップリング１７に摺接する一対のブラシ１８と、一対のブラシ１８を保持するブラシホルダ１９とを備えている。

制御装置３は、固定子巻線１４に電気的に接続されたパワー回路部２０と、回転子巻線７に電気的に接続された界磁回路部２１と、パワー回路部２０および界磁回路部２１を制御する制御回路部２２と、パワー回路部２０および制御回路部２２を冷却するヒートシンク２３とを備えている。ヒートシンク２３は、安価で熱伝導性が良好なアルミニウム合金から構成されている。ヒートシンク２３は、リアブラケット９に固定されている。ヒートシンク２３におけるリアブラケット９側の面には、冷却能力を高めるための放熱フィン２４が形成されている。

パワー回路部２０は、ヒートシンク２３における放熱フィン２４が形成された面とは反対側の面に搭載された６個のパワーモジュール２５を備えている。パワーモジュール２５は、絶縁樹脂を用いたモールド成形によって形成されている。パワーモジュール２５は、スイッチング素子として２個のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を内蔵している。また、パワーモジュール２５は、外部の図示しないバッテリーに電気的に接続される電源配線２５１と、固定子巻線１４に電気的に接続される図示しない固定子巻線配線と、制御回路部２２における制御基板２６に接続される制御信号端子２５２と、ヒートシンク２３に対して同電位となるグランド配線２５３とを備えている。制御信号端子２５２は、パワーモジュール２５のリード部である。６個のパワーモジュール２５によって二組の三相インバータ回路が形成されている。

界磁回路部２１は、ヒートシンク２３におけるパワーモジュール２５が搭載されている面と同じ面に搭載された１個の界磁モジュール２７を備えている。界磁モジュール２７は、絶縁樹脂を用いたモールド成形によって形成されている。界磁モジュール２７は、外部の図示しないバッテリーに電気的に接続される電源配線２７１と、ブラシ１８に通電するための図示しないブラシ配線と、制御回路部２２における制御基板２６に接続される制御信号端子２７２と、ヒートシンク２３に対して同電位となる図示しないグランド配線とを備えている。制御基板２６には、電気的特性と機械的特性の良いガラスエポキシ樹脂が基材として用いられている。また、制御基板２６には、パワー回路部２０および界磁回路部２１を制御するための部品２６１が実装されている。

また、制御装置３は、ヒートシンク２３に固定されたケース２８をさらに備えている。ケース２８は、ねじおよび接着剤を用いてヒートシンク２３に固定されている。ケース２８は、パワーモジュール２５、界磁モジュール２７および制御基板２６を囲んでいる。ケース２８は、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）、ＰＢＴ（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｙｌｅｎ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）などの熱可塑性樹脂を用いて形成されている。ケース２８は、天井部および底部に開口部が形成された形状となっている。

また、制御装置３は、ケース２８の内側に充填されたゲル状粘弾性部材であるシリコーンゲル２９が充填されている。シリコーンゲル２９によって、パワーモジュール２５、界磁モジュール２７および制御基板２６が一体的にポッティングされている。

また、制御装置一体型回転電機１Ａは、制御装置３におけるリアブラケット９とは反対側の部分に設けられた制御装置カバー３０を備えている。制御装置３は、リアブラケットおよび制御装置カバー３０によって囲われている。

本発明の実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機１Ａは、駆動を補助する電動機の機能と、発電する発電機の機能とを備えている。

次に、制御装置一体型回転電機１Ａが、電動機として機能する場合について説明する。制御装置一体型回転電機１Ａが電動機として機能する場合には、外部のバッテリーからパワー回路部２０に供給された直流電力が、パワー回路部２０のスイッチング素子のオンオフ制御によって、三相交流電力に変換されて、固定子巻線１４に供給される。

また、外部のバッテリーから界磁回路部２１に供給された直流電力が、界磁回路部２１で調整された回転子巻線７に供給される。これにより、回転子巻線７の周囲に回転磁界が生じ、回転軸４が回転する。

回転軸４の回転力は、プーリ１５およびプーリ１５に巻き掛けられた図示しない伝動ベルトを介して、図示しないエンジンに伝達される。制御回路部２２は、外部機器から入力される情報および回転位置検出装置１６から入力される情報に基づいて、パワー回路部２０および界磁回路部２１を制御する。

次に、制御装置一体型回転電機１Ａが、発電機として機能する場合について説明する。制御装置一体型回転電機１Ａが発電機として機能する場合には、エンジンの回転力が伝動ベルトおよびプーリ１５を介して回転軸４に伝達される。これにより、回転子５が回転して、固定子巻線１４に三相交流電力が励起される。制御回路部２２は、パワー回路部２０のスイッチング素子のオンオフ制御によって、固定子巻線１４に励起された三相交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、外部のバッテリーに供給され、このバッテリーが充電される。

次に、シリコーンゲル２９によるポッティング構造について詳細に説明する。図２は図１のシリコーンゲル２９によってポッティングされたパワーモジュール２５および制御基板２６を示す平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って視た矢視断面図、図４は図２のＩＶ−ＩＶ線に沿って視た矢視断面図である。

パワーモジュール２５は、図示しない高熱伝導絶縁樹脂を介してヒートシンク２３におけるリアブラケット９側の面とは反対側の面に配置されている。パワーモジュール２５の電源配線２５１およびグランド配線２５３は、ケース２８に一体に形成された銅の電源配線２８１およびグランド配線２８２にそれぞれ溶接によって接続されている。

制御装置３は、制御基板２６における両面に固定されたフィン３１を備えている。それぞれのフィン３１は、制御基板２６の部品実装面に対して垂直な方向に延びる垂直部３１１を有している。フィン３１は、制御基板２６と同じ材料であるガラスエポキシ樹脂、ケース２８と同じ材料であるＰＰＳなどの軽量で機械的特性に優れた絶縁性の樹脂から構成されている。フィン３１は、制御基板２６の基材部分に、図示しない接着剤および図示しないねじを用いて固定されている。

制御基板２６には、パワーモジュール２５における複数の制御信号端子２５２が半田３２を用いて接続されている。

制御基板２６に固定されたフィン３１は、ケース２８の内側に配置されている。また、フィン３１は、パワーモジュール２５および界磁モジュール２７とともにシリコーンゲル２９によってポッティングされている。

シリコーンゲル２９の中に配置された板形状の制御基板２６は、シリコーンゲル２９との接触面積の大きい方向である、部品実装面に対して垂直の方向、言い換えれば、Ｚ方向の振動および衝撃に対しては、減衰力が大きく作用する。一方、制御基板２６は、接触面積の小さい方向である、部品実装面に対して平行の方向、言い換えれば、Ｘ方向およびＹ方向の振動および衝撃に対しては、作用する減衰力が小さい。

しかしながら、制御基板２６には、制御基板２６の部品実装面に対して垂直の方向に延びる垂直部３１１を有するフィン３１が固定されているので、制御基板２６の部品実装面に対して平行の方向の振動および衝撃に対しても、減衰力が大きく作用する。

フィン３１は、制御基板２６に実装されている部品２６１に対してではなく、制御基板２６の基材部分に対して固定されているので、減衰力は、部品２６１に集中して作用することがなく、制御基板２６の全体に作用する。

以上説明したように、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１Ａによれば、外部からのＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の何れの方向の振動および衝撃に対しても、制御基板２６の振動が減衰され、制御基板２６自体の割れ、制御基板２６に実装された部品２６１の脱落、半田３２に発生するクラックなどを防止し、制御装置３の耐振性を高めることが可能になる。

また、フィン３１は、制御基板２６の両面に配置されているため、シリコーンゲル２９とフィン３１との間の接触面積が大きくなり、制御基板２６に対してより大きい減衰力がバランスよく作用する。

また、フィン３１は軽量な樹脂から構成されているので、制御基板２６の固有振動数を低くすることなく、耐振性の高い制御装置一体型回転電機１Ａを提供できる。

図５は実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機１Ａの変形例を示す平面図、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿って視た矢視断面図、図７は図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿って視た矢視断面図である。フィン３１は、制御基板２６の部品実装面に対して垂直な方向に延びる垂直部３１１と、制御基板２６の部品実装面に対して平行な方向に延びる平行部３１２とを有してもよい。垂直部３１１には、制御基板２６の基材の厚みと同じ幅の溝３１３が形成され、溝３１３には、制御基板２６の基材の周縁部が挟み込まれている。これにより、制御基板２６およびフィン３１が互いに固定されている。この場合、フィン３１は、振動の変位が大きい制御基板２６の周縁部に固定されているため、より効率的に振動を減衰させることができるとともに、フィン３１と制御基板２６との位置決め固定が容易にでき、制御装置一体型回転電機１Ａの生産性が向上する。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る制御装置一体型回転電機を示す平面図、図９は図８のＩＸ−ＩＸ線に沿って視た矢視断面図、図１０は図８のＸ−Ｘ線に沿って視た矢視断面図である。実施の形態２では、実施の形態１と同様に、制御装置一体型回転電機を車両に搭載して駆動の補助および発電に用いられる交流発電電動機に適用した例を示す。この発明の実施の形態２に係る制御装置一体型回転電機１Ｂにおいて、制御基板２６の構成、フィン３１の構成、制御基板２６とフィン３１との間の固定方法は、実施の形態１と同様である。

制御装置３は、フィン３１および制御基板２６とケース２８の内壁との間に設けられた接着剤３３を備えている。接着剤３３は、シリコーンゲル２９よりも弾性率が高いシリコーン系の材料から構成されている。接着剤３３によって、フィン３１および制御基板２６は、ケース２８の内壁に固定されている。接着剤３３は、パワーモジュール２５および界磁モジュール２７とともにシリコーンゲル２９によってポッティングされている。

以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る制御装置一体型回転電機１Ｂによれば、外部からのＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の何れの方向の振動および衝撃に対しては、実施の形態１と同様に制御基板２６の振動が減衰される。また、この制御装置一体型回転電機１Ｂによれば、ケース２８に対する制御基板２６の全体の変位を小さくすることができる。これにより、制御装置一体型回転電機１Ｂの耐振性をより向上させることができる。

実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態３に係る制御装置一体型回転電機を示す平面図、図１２は図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿って視た矢視断面図、図１３は図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿って視た矢視断面図である。実施の形態３では、実施の形態１および実施の形態２と同様に、制御装置一体型回転電機を車両に搭載して駆動の補助および発電に用いられる交流発電電動機に適用した例を示す。この発明の実施の形態３に係る制御装置一体型回転電機１Ｃにおいて、フィン３１は、制御基板２６の部品実装面に対して垂直な方向に制御基板２６からパワーモジュール２５に向かって延びる垂直部３１１と、垂直部３１１との間にパワーモジュール２５の制御信号端子２５２が挟まれる係合部３１４とを有している。係合部３１４は、制御信号端子２５２に固定されている。

フィン３１は、実施の形態１と同様にガラスエポキシ樹脂、ＰＰＳ樹脂などの軽量で機械的特性に優れた絶縁性材料から成形されている。フィン３１は、制御基板２６の基材部分に、接着剤およびねじを用いて固定されるとともに、制御信号端子２５２にも固定されている。実施の形態１と同様に、パワーモジュール２５および界磁モジュール２７は、シリコーンゲル２９によってポッティングされている。

以上説明したように、この発明の実施の形態３に係る制御装置一体型回転電機１Ｃによれば、外部からのＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の何れの方向の振動および衝撃に対しては、実施の形態１と同様に制御基板２６の振動が減衰される。また、この制御装置一体型回転電機１Ｃによれば、パワーモジュール２５の制御信号端子２５２と制御基板２６とがフィン３１により固定されるため、振動および温度変化がある場合であっても、制御信号端子２５２と制御基板２６との間の変位が発生し難くなり、半田３２に作用する応力を小さくすることができ、制御装置一体型回転電機１Ｃの耐振性のみならず、制御装置一体型回転電機１Ｃの温度変形耐性も向上することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、組み合わせ、変形させ、または、省略することができる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 制御装置一体型回転電機、２ 回転電機本体、３ 制御装置、４ 回転軸、５ 回転子、６ 回転子鉄心、７ 回転子巻線、８ フロントブラケット、９ リアブラケット、１０ 軸受、１１ 軸受、１２ 固定子、１３ 固定子鉄心、１４ 固定子巻線、１５ プーリ、１６ 回転位置検出装置、１７ スリップリング、１８ ブラシ、１９ ブラシホルダ、２０ パワー回路部、２１ 界磁回路部、２２ 制御回路部、２３ ヒートシンク、２４ 放熱フィン、２５ パワーモジュール、２６ 制御基板、２７ 界磁モジュール、２８ ケース、２９ シリコーンゲル、３０ 制御装置カバー、３１ フィン、３２ 半田、３３ 接着剤、２５１ 電源配線、２５２ 制御信号端子、２５３ グランド配線、２６１ 部品、２７１ 電源配線、２７２ 制御信号端子、２８１ 電源配線、２８２ グランド配線、３１１ 垂直部、３１２ 平行部、３１３ 溝、３１４ 係合部。

この発明に係る制御装置一体型回転電機は、回転電機本体と、回転電機本体に設けられ、回転電機本体との間で電力の送受を行う制御装置とを備え、制御装置は、パワーモジュールと、パワーモジュールを制御する制御基板と、制御基板に固定され、制御基板における部品実装面に対して垂直な方向に延びる垂直部を含むフィンと、パワーモジュール、制御基板およびフィンの周囲を囲むケースと、ケースの内側に充填されたゲル状粘弾性部材とを有し、垂直部は、ゲル状粘弾性部材と接触することによって、部品実装面に対して平行の方向についての制御基板の振動を減衰させる。

Claims (7)

1. 回転電機本体と、
   前記回転電機本体に設けられ、前記回転電機本体との間で電力の送受を行う制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、パワーモジュールと、前記パワーモジュールを制御する制御基板と、前記制御基板に設けられ、前記制御基板における部品実装面に対して垂直な方向に延びる垂直部を含むフィンと、前記パワーモジュール、前記制御基板および前記フィンの周囲を囲むケースと、前記ケースの内側に充填されたゲル状粘弾性部材とを有している制御装置一体型回転電機。
2. 前記垂直部は、前記制御基板における両面に設けられている請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
3. 前記フィンは、樹脂から構成されている請求項１または請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。
4. 前記フィンは、前記制御基板の周縁部に固定されている請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の制御装置一体型回転電機。
5. 前記フィンは、前記部品実装面に対して平行な平行部を含み、
   前記平行部は、複数の前記垂直部と一体に形成され、
   複数の前記垂直部には、前記制御基板の周縁部が嵌められる溝が形成されている請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の制御装置一体型回転電機。
6. 前記フィンまたは前記制御基板は、前記ゲル状粘弾性部材よりも弾性率が高い接着剤を用いて前記ケースに固定されている請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の制御装置一体型回転電機。
7. 前記フィンは、絶縁性材料から構成されており、
   前記フィンは、前記パワーモジュールのリード部と係合されている請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の制御装置一体型回転電機。

Images