JP2660879B2 - 半導体スイッチを有する電気機械 - Google Patents

半導体スイッチを有する電気機械

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の電気
機械に関する。
電気機械を作動する際、巻線の中に損失熱が発生し、
損失熱は外部に放出されなければならない。このために
通常は換気冷却装置が用いられる。ドイツ特許出願公開
第DE−Ａ−3932481号公報から、冷却流体チャネルを電
気機械の巻線と接続してユニットを形成して、冷却効果
を強化し、これにより電気機械の出力密度を高めること
が公知である。
このような電気機械を制御するために、比較的高い所
要スイッチング能力に起因して電気スイッチ又は半導体
スイッチとも呼称される電子スイッチング素子を有する
電子出力装置が必要である。半導体スイッチの中にも損
失熱が発生し、損失熱は、半導体スイッチを破壊するこ
ともある過熱を防止するために放出されなければならな
い。このために、半導体素子を、損失熱を吸収して排出
する特別の冷却体に熱伝導接触させることが公知であ
る。この場合、冷却体からの熱放出は、空気又は液体に
よる冷却により行われる。
電気スイッチにより制御される従来の電気機器又は機
械では電気スイッチは、制御する電気機器とは別個に配
置され、電気スイッチを冷却するためと電気機器を冷却
するためとには通常は別個の冷却循環路が設けられてい
る。これは、例えば電気スイッチを介してスイッチング
又は転流され発電機作動及び電動機作動する電気機械に
当てはまる。電気機械は、車両例えば自動車を駆動する
ために使用される場合には出力密度が高くコンパクトで
なければならない。これは、例えばP.Ehrhart著“乗用
車及びバスのための磁石形（磁気抵抗形）電動機の電気
伝動装置”（VDI報告No.178,1991,611〜622頁）に記載
されている。このような用途に適する電動機は、例ばヨ
ーロッパ特許出願公開第EP−Ａ−159005号公報及びドイ
ツ特許出願公開第DE−Ａ−3932481号公報から公知であ
る。このような電動機のための制御回路は、ヨーロッパ
特許出願公開第EP−Ａ−340686号公報に開示されてい
る。このような電動機は、例えば約1000Vの動作電圧及
びこれに応じた電流において数100kWの電力を有する。
ヨーロッパ特許出願公開第EP−Ａ−0231785号公報
は、巻線が整流器ダイオードと電子式電圧調整器とに接
続され、これらの素子が巻線と同様に、チャネルの中を
流れる冷却流体に熱交換接触している自動車の発電機を
開示している。
本発明の課題は、発電機作動及び電動機作動する冒頭
に記載の形式の電気機械の所要スペースをさらに小さく
し、同時にこの電気機械の動作特性を改善することにあ
る。
界磁巻線が、制御回路により制御可能な例えばBIMO
S、IGBT、MOSFET等の出力トランジスタの形の半導体ス
イッチに接続されかつ流体形冷却装置に熱交換接触し、
流体形冷却装置の界磁巻線と一体的に統合されてユニッ
トを形成している冷却流体チャネルの中で冷却装置が冷
却流体例えば冷却液の強制流動を発生する電気機械から
出発して、上記課題は、半導体スイッチもユニットの一
部であり、冷却流体チャネルの中の冷却流体に同様に熱
交換接触していることにより解決される。従って半導体
スイッチは、電気機械の中に内蔵されて一緒に冷却され
る。有利には冷却流体チャネルの内面に装着されて冷却
流体に直接に熱交換接触する半導体スイッチは、従来の
通常の寸法に比してよりコンパクトに形成できる。さら
に、スイッチングされる界磁巻線が半導体スイッチの空
間的近辺に位置するので、リード線のインダクタンスが
大幅に減少され、これにより半導体スイッチのスイッチ
ング速度が高められ、これにより電気機械の動作特性が
改善される。さらに、ねじ接続及びプラグ接続を、小コ
ストで確実に機能する直接的な巻線のワイヤの溶接又は
半田付けにより置換できる。チップ面との直接の接触
は、多重ボンディングを介して又は銅板又は銅条片を介
して可能である。引張り負荷を防止するためにこの領域
は鋳物により保護する。
１つの有利な実施例では、例えばヨーロッパ特許出願
公開第EP−Ａ−159005号公報に記載のように電気機械の
界磁巻線は回転子巻線を形成し、固定子の周方向で分散
配置されている。リード線をできるだけ短く保持するた
めに、半導体スイッチは固定子に、自身に接続されてい
る１つ又は複数の界磁巻線の空間的近辺に配置されてい
る。
有利には永久磁石回転子とりわけ永久磁石外側回転子
を有する機械の固定子は、有利には界磁巻線を備える成
層鉄心と、半導体スイッチの少なくとも一部を収容する
中央凹部とを有する。これに応じて冷却流体チャネルの
部分もこの凹部を貫通する。しかし、半導体スイッチの
少なくとも一部は、固定子の軸方向に対する端面の領域
内でも、冷却流体チャネルのこの領域内で走行する部分
に熱交換接触している。両方の場合にもともと存在する
構造空間又はもともとすでに冷却流体チャネルの部分の
ために用いられている構造空間を、半導体スイッチを設
けるために用いることができる。しかしこの配置は、界
磁巻線が冷却流体の流れ方向で半導体スイッチの後ろで
冷却流体に熱交換接触するように定め、これにより半導
体スイッチの冷却を優先的に保持しなければならない。
熱伝導を改善するために熱交換の全領域内で高い流速が
強制されなければならない。作動の際に圧力損失を防止
してエネルギー消費量をできるだけ小さく保持するため
に、本発明の１つの有利な実施例では１つの冷却流体循
環路を、ゾーン毎に（電子出力装置、電動機の巻線）そ
れぞれ配置されている冷却流体のためのそれぞれの循環
路により置換する。
半導体スイッチは少なくとも部分的に、それらのアク
ティブ領域（エミッター，ベース，コレクター等の電流
が流れる部分）が冷却流体チャネルの内面から背いて位
置するように配置できる。半導体スイッチの例えば外側
を冷却流体チャネルの壁に装着できる。有利には半導体
スイッチは、冷却流体チャネル壁の一体的な一部を形成
する。
冷却流体への熱放出を促進するために本発明の１つの
有利な実施例では、冷却流体チャネル及び／又は半導体
スイッチの冷却流体にさらされている表面の少なくとも
一部に、冷却流体の境界層厚さを減少する表面ミクロ構
造を設けられている。このようなミクロ構造は、（例え
ば鮫の皮膚等）自然界から知られている。
冷却流体としては、ガス例えば圧力印加されているガ
ス（例えばN2）を用いることができる。しかし、例えば
水又は油とりわけ鉱油又はパラフィン油又は合成石油等
の冷却液が有利である。多くの場合、２相流体例えば冷
媒又はCO2が好適である。次に本発明の有利な実施例を
図面を用いて詳細に説明する。
第１図は流体により冷却される電気スイッチ（半導体
スイッチ）により制御される電気機械を概念的に示す部
分断面図、第２図〜第６図は第１図の電気機械の変形実
施例の部分断面図、第７図及び第８図は冷却循環路の概
念図である。
第１図は、固定子77と、回転軸線79を中心に回転可能
な回転子81とを有する電気機械を示す。本機械は、必要
に応じて電動機としても発電機としても作動できる。固
定子77は、周方向で分散配置されている図示されていな
い極の回りに巻線85を備えるほぼリング状に形成されて
いる軟鉄成層鉄心83を有する。周方向に交互に逆方向の
極性を有する多数の永久磁石87で成層鉄心83を回転子81
が取り囲んでいる。成層鉄心83と巻線75とは、固定した
例えばプレート状の懸架部材により保持されている（合
成樹脂から成る）固定子ケーシング89の中に設けられて
いる。このタイプの電気機械は、ヨーロッパ特許出願公
開第EP−Ａ−159005号公報から公知であり、従って本明
細書では説明を省く。
例えば100kW等の非常に大きい出力のための上記タイ
プの電気機械に比較的小さいスペースしか割当てられな
いこともあるので、巻線85は、冷却流体循環路の中の供
給接続チャネル95及び排出接続チャネル96を介して冷却
装置に接続されている。
成層鉄心83は中央凹部97を包囲し、中央凹部97の中で
固定子ケーシング89が別の１つの室99を形成している。
室99は、冷却装置の冷却流体循環路の中に供給接続チャ
ネル95と巻線85の室と93との間に位置し、従って室99
は、冷却流体が巻線85により加熱される前に冷却流体に
より貫流される。室99の中で、巻線85に配置されている
電気スイッチ101が、スイッチングされる巻線85の直接
の近辺に取付けられる。電気スイッチ101は従来の出力
トランジスタでもよいが、しかし有利には液体により冷
却される出力トランジスタ装置であり、この場合、半導
体素子にこの全面を被覆して素材結合されている金属電
極が、絶縁担体に素材結合されており、絶縁担体及び／
又は半導体素子の少なくとも１つの平面がほぼ全面にわ
たり直接に冷却流体にさらされている。なお素材結合と
は、蒸着、融着、溶接、はんだ等により素材として一体
に結合していることをいう。この場合、半導体素子のた
めの制御及び保護回路も絶縁担体の上に装着され、冷却
流体に熱交換接触している。電気スイッチ101と巻線85
との間の接続線は、直接に固定子ケーシング89を貫通
し、有利には着脱可能な接続端子等を用いないで例えば
溶接又ははんだ付け等により直接に電気スイッチ101に
接続されている。巻線85のワイヤ端部を直接に半導体素
子に溶接することも可能である。
第２図は、固定子77mと、回転軸79mの周りを回転する
回転子81mを有する電気機械の他の変形例を示す。これ
は第１図の電気機械に対して、電気スイッチ（半導体ス
イッチ）101mは冷却流体が貫流している固定子ケーシン
グ89mの室99mの中に配置されているのではなく、分離壁
103によって室99mから分離されている点においてのみ相
違する。この分離壁103は半導体スイッチ101mの支持の
基礎として形成されており、これ故、半導体スイッチ10
1mの活性部分に対して反対側の平面上においても同様に
冷却流体と直接に熱交換することが保証される。なおこ
の熱交換は巻線との熱交換の前に行われることが好まし
い。
第３図は、軸方向で懸架プレート91nの両側にそれぞ
れ１つの固定子77nを備え、それぞれの固定子77nに、そ
れぞれ１つの共通の回転軸線79nを中心に回転する永久
磁石回転子81nが配置されている例えば自動車の駆動装
置として使用可能な２重電動機を示す。詳しくは図示さ
れていないがしかし第１図において配置されている巻線
に配置されている電気スイッチ（半導体スイッチ）101n
は、固定子77nの軸方向端面の領域内に配置され、この
場合も電気スイッチ101nは、これによりスイッチングさ
れる巻線の直接の近辺に配置されている。第３図の実施
例では電気スイッチ101nは、分離壁を介して分離されて
巻線の冷却装置の冷却流体循環路に熱交換接触してい
る。分離壁は、半導体素子の絶縁担体であることもある
が、しかし第１図と同様に、冷却流体流路の途中に位置
する室の中に配置されていることもある。電気機械が同
時に第１図及び第２図にも第３図にも対応して配置され
ている電気スイッチを有することが可能であることは自
明である。
第４図及び第５図には、第１図に対して変形された本
発明の実施例が軸方向に対して縦断面又は横断面で示さ
れている。第１図と同一部分は、同一の参照番号により
示されているが、しかし区別するためにａが添付され
る。第１図では電気スイッチ101の上部平面のみが冷却
流体に直接に接触するが、この実施例では電気スイッチ
101aはすべての側で、従って非常に効果的に冷却流体に
より直接に冷却される。第５図に示すように電気スイッ
チ101aの絶縁担体1aは、室99aの底面に固定され例えば
エラストマ又は合成樹脂等から成る、保持案内溝4aの中
に保持されている。絶縁担体2aには電気スイッチ101aの
半導体素子（例えばIGBT）だけでなく、第１図〜第３図
では別個に示されていない所属の制御及び保護回路3aも
装着されている（第４図）。従って半導体素子1aと制御
及び保護回路3aとの間を接続線は、非常に短く保持で
き、絶縁担体2aに装着されているすべての素子を一緒に
冷却できる。例えば冷却流体の作用により又は例えば衝
撃及びローレンツ力等の力の作用により損傷されるのを
防止するために、電気端子を鋳物により保護するとよ
い。第４図には例として電気スイッチから固定子81aの
巻線85aへの非常に短く保持されているリード線が示さ
れている。外側の（制御端子を含む）電気端子は5aによ
り示されている。
第６図は、本発明の別の１つの変形実施例の軸方向に
対する横断面を示す。同一機能の部分は、第１図と同一
の参照番号により示されるが、区別するために文字ｂが
添付される。第５図に対して電気スイッチ101bは90゜回
転され、その絶縁担体2bは、半径方向平面の中に電動機
の長手軸線に平行に位置する。この場合にもすべての側
が冷却流体により冷却される。
第７図には概念的に冷却流体循環路のための１つの有
利な実施例が示されている。冷却流体はポンプ30によ
り、損失熱を排出する熱交換器40が途中に挿入接続され
ている外側の循環路の中を循環される。再び冷却された
冷却流体はまず始めに、損失熱を発生する半導体素子と
冷却流体との間の熱交換を促進するために、電子出力装
置20の冷却ゾーンの中に流入する。この冷却ゾーンは比
較的大きい流速を発生する付加的な（内部の）循環ポン
プ32を有する。同様のことが、流速を高める（内部の）
循環ポンプ31を有する電動機10の巻線のための冷却ゾー
ンでも行われる。これらの循環ポンプ32,31はそれぞれ
電気スイッチ101の周辺または巻線85の周辺で流体を流
動させることにより電気スイッチ101と流体、あるいは
巻線85と流体の間の熱交換効率を高める。この目的のた
めにこれらの部材の周辺で小さな循環路で流体を流動さ
せる。これらの循環ポンプはこれらの目的を達成するも
のであれば形式を問わない。これら２つの内部の冷却流
体循環により非常に効果的な熱交換が可能となり、この
場合、高い流速がポンプ30のみにより発生され全冷却流
体量が高速で循環される場合に比して、外側の冷却循環
路の循環ポンプ30は大幅に小さい出力でよい。本発明の
電気機械は大電力用なので、電動機10の内部空間も電子
出力装置20の内部空間も比較的大きいので、循環ポンプ
31,32をその空間内に配置することは可能である。これ
らをポンプ31,32はその内部空間での冷却流体の小さな
循環流を作る。
冷却流体循環路の１つの変形実施例が、第８図に示さ
れている。この場合にも電子出力装置20のために高い流
速が保証され、冷却流体循環路のための駆動出力の全量
は比較的小さく保持されるにもかかわらず、ただ１つの
循環ポンプ33で十分である。これは、熱交換器40から到
来する冷却流体が循環ポンプ33に（例えばベンチュリノ
ズル等の）ノズル装置34を介して供給されることにより
可能となる。このノズル装置34の中には、電子出力装置
20から直接流出した冷却流体が流入し、下流は循環ポン
プ33に接続されている。このポンプ33により加圧された
冷却流体は電子出力装置20に戻る。電子出力装置20の中
の冷却流体の一部は電動機10および熱交換器40を通っ
て、上記ノズル装置34に戻り、同様にポンプ33で加圧さ
れて電子出力装置20の中に流入する。このようにして、
１単位時間当りの電子出力装置20の熱交換器を通らない
冷却循環路の中で循環される冷却流体量が、熱交換器40
を通る冷却循環路の中で循環される冷却流体の全量に比
して大幅に大きくなる。（例えば油等の）冷却流体を介
して吸収される熱は、熱交換器40で、例えば電動機10の
駆動電気エネルギーを供給する図示されていない内燃機
関の冷却水循環路50に放出できる。なお循環ポンプ33は
この目的を達するものであれば形式を問わない。
本発明の利点は、スペースを節約でき電気機械の動作
特性を改善できる外に、とりわけ電子出力装置のための
プラグコンセント接続器及び冷却接続管が不要なことに
ある。これは、取付けを簡単化するだけでなく、機械の
動作信頼性を高める。電子出力装置のための別個のケー
シングは不要となる。

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】巻線（85）が制御可能な半導体スイッチ
    （101）に接続され、 上記巻線（85）は流体形冷却装置と直接に熱交換接触
    し、 該巻線（85）と冷却流体チャンネル（93,99）が一体的
    に形成されたユニットを形成し、 上記流体形冷却装置は前記冷却流体チャンネルの中に冷
    却流体の強制流動を発生する、 大出力領域内で作動する電気機械において、 上記半導体スイッチ（101）が前記ユニットの一部であ
    り、 上記半導体スイッチも上記冷却流体と直接に熱交換接触
    し、 上記巻線（85）が、固定子（77）の周方向に分散配置さ
    れた固定子巻線を形成し、 上記半導体スイッチ（101）が当該半導体スイッチ（10
    1）に接続されている上記巻線（85）の空間的近辺にお
    いて上記固定子に取付けられていることを特徴とする電
    気機械。
  2. 【請求項２】固定子（77）に例えば前記固定子（77）を
    包囲する永久磁石形外側回転子である永久磁石形回転子
    （81）が配置されていることを特徴とする請求の範囲第
    １項に記載の電気機械。
  3. 【請求項３】固定子（77）が、巻線（85）を備える成層
    鉄心（83）と中央凹部（97;97m）を有し、半導体スイッ
    チ（101:101m）の少なくとも一部が、冷却流体チャネル
    （93,99）の前記凹部（97）の中に延在する領域（99,99
    m）に熱交換接触していることを特徴とする請求の範囲
    第１項又は第２項に記載の電気機械。
  4. 【請求項４】半導体スイッチ（101n）の一部が、固定子
    （77n）の軸方向端面に接近する領域で冷却流体チャネ
    ルに熱交換接触していることを特徴とする請求の範囲第
    １項から第３項のうちのいずれか１項に記載の電気機
    械。
  5. 【請求項５】巻線（85）が、冷却流体チャネル（93,9
    9）を形成するケーシング（89）例えば合成樹脂ケーシ
    ングにより包囲され、冷却流体チャネル（93,99）の中
    の冷却流体に熱交換接触していることを特徴とする請求
    の範囲第１項から第４項のうちのいずれか１項に記載の
    電気機械。
  6. 【請求項６】巻線（85）が、冷却流体の流れ方向で半導
    体スイッチ（101）の後で冷却流体に熱交換接触してい
    ることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のうち
    のいずれか１項に記載の電気機械。
  7. 【請求項７】半導体スイッチ（101）が、冷却流体チャ
    ネル（93,99）の内面に装着されていることを特徴とす
    る請求の範囲第１項から第６項のうちのいずれか１項に
    記載の電気機械。
  8. 【請求項８】半導体スイッチ（101m）のアクティブ領域
    が、冷却流体チャネル（99m）の内面から背いて配置さ
    れていることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項
    のうちのいずれか１項に記載の電気機械。
  9. 【請求項９】半導体スイッチ（101,101m,101n）が、冷
    却流体チャネル（93,99;99m）の壁の一体的な一部を形
    成することを特徴とする請求の範囲第７項又は第８項に
    記載の電気機械。
  10. 【請求項１０】半導体スイッチ（101a,101b）のすべて
    の側が、冷却流体に熱交換接触していることを特徴とす
    る請求の範囲第１項から第７項のうちのいずれか１項に
    記載の電気機械。
  11. 【請求項１１】半導体スイッチ（101a,101b）の絶縁担
    体（2a,2b）が、固定子（77a,77b）のケーシングの中に
    固定されている保持案内溝の中に保持されていることを
    特徴とする請求の範囲第10項に記載の電気機械。
  12. 【請求項１２】保持案内溝（4a,4b）が、エラストマ又
    は合成樹脂から成ることを特徴とする請求の範囲第11項
    に記載の電気機械。
  13. 【請求項１３】半導体素子のための制御及び保護回路
    （3a）、半導体スイッチ（101a）の絶縁担体（2a）に装
    着されていることを特徴とする請求の範囲第１項から第
    12項のうちのいずれか１項に記載の電気機械。
  14. 【請求項１４】半導体スイッチ（101,101a,101b）の電
    気端子が鋳物により保護されていることを特徴とする請
    求の範囲第１項から第13項のうちのいずれか１項に記載
    の電気機械。
  15. 【請求項１５】冷却流体チャネル（93,99;99m）の冷却
    流体にされている壁表面の少なくとも一部又は半導体ス
    イッチ（101,101）の表面の一部が、冷却流体の境界の
    層流の厚さを減少する表面ミクロ構造を設けられている
    ことを特徴とする請求の範囲第１項から第14項のうちの
    いずれか１項に記載の電気機械。
  16. 【請求項１６】冷却流体が液体有利には水又は油例えば
    鉱油又はパラフィン油又は合成油又は２相流体有利には
    冷媒又はCO2であることを特徴とする請求の範囲第１項
    から第15項のうちのいずれか１項に記載の電気機械。
  17. 【請求項１７】循環路の中で案内される冷却流体を少な
    くとも電子出力装置（20）の冷却ゾーンの中に、循環路
    自身の中に比して大幅により大きい単位時間当たり冷却
    流体量で循環する手段（31,32,34）が設けられているこ
    とを特徴とする請求の範囲第１項から第16項のうちのい
    ずれか１項に記載の電気機械。
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