JP4402057B2 - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

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Description

この発明は、回転電機を駆動制御する制御装置が一体となった制御装置一体型回転電機の構造に関するものである。
例えば、特許文献1(特開2004−156589号公報)にアイドルストップ制御装置が示されている。この制御装置は、略円盤状のヒートシンク上に直接固定されたスイッチング素子や、ヒートシンク上に固定されたプリント配線層をもつ回路基板を有し、この回路基板上に制御IC等を装着している。また、このヒートシンクには全外周及び全内周に二重の側枠部が取り付けられ、外周側枠部を介してブラケットの後端外壁に固定されている。これらヒートシンクの内外周側枠部により囲まれたリング状の凹部に樹脂が注入され、これにより、スイッチング素子、回路基板、制御IC等が容易に塩泥水などから保護されるように構成されている。
また、制御装置には、ヒートシンクを覆って樹脂カバーがブラケットに固定され、樹脂カバーに設けられた空気流入孔から流入される冷却空気は、ヒートシンクを冷却しながらブラケット内に流入して固定子巻線や回転子巻線を冷却し、ブラケットから外部に吹き出される冷却構造を備えている。
特開2004−156589号公報(図9〜図11、段落[0068]〜[0072]参照)
上記従来の技術において、発熱素子であるスイッチング素子を固定するヒートシンクの近傍に回路基板を配置した場合、回路基板上の制御IC等の耐熱温度の低い電子部品が熱損傷を起こす問題がある。加えて、樹脂で一体的に封止されるため、スイッチング素子の熱が樹脂を伝導して回路基板上の電子部品の温度を上昇させる問題もあった。
また、略円盤状のヒートシンクは、スイッチング素子や回路基板を樹脂封止するための枠部に利用しているため、ヒートシンクの形状やレイアウトが限定されてしまう問題があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、パワー回路部と制御回路部を備えた制御装置一体型回転電機の冷却性能を向上させるとともに、効率的なパターン設計により小型化された制御回路部が実装された回転電機を提供することを目的としている。
この発明に係る制御装置一体型回転電機は、固定子及び上記固定子の回りを回転する回転軸に配設された回転子を有する回転電機と、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を有し交流電力を回転電機に供給し、回転軸を取り囲むように略コ字形状に配置されたパワー回路部と、略コ字形状のパワー回路部と同一面内の空いた空間に配置されブラシが収納されたブラシホルダと、パワー回路部のスイッチング素子を制御する制御回路部と、回転軸上に配設され上記回転軸の回転を検出する回転位置検出センサを備え、制御回路部は、回転軸方向から見てパワー回路部がおよそ配設されていないブラシホルダの回転軸方向リヤ側の位置に配設されていると共に、回転軸方向から見て回転位置検出センサに重ならないように径方向外側にずらして配設されていることを特徴とする。
この発明の制御装置一体型回転電機によれば、制御回路部を回転軸方向から見てパワー回路部がおよそ配設されていない位置に配置したので、制御回路の形状によらずパワー回路を冷却するための冷却構造を最適化できるとともに、制御回路部の存在によりパワー回路部への冷却空気の流入が阻害されることがなくなる。また、制御回路部においてパワー回路部からの熱伝導や輻射熱による熱的悪影響もなくなる。
また、パワー回路部と制御回路部とを回転軸方向に重ねることなくずらしたので、パワー回路部のスイッチング素子のON/OFF動作による制御回路部に対するEMIの影響も抑制される。
さらに、制御回路部を回転軸上の回転位置検出センサに重ならないように径方向外側にずらして配設しているので、制御回路部から回転位置検出センサへのノイズ影響も少なくなる。
以下、この発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による制御装置一体型の回転電機を示す断面図である。図1において、本実施の形態の制御装置一体型回転電機1は、交流発電電動機(モータジェネレータ)である回転電機2と、この回転電機2を駆動制御するための制御装置3と、回転電機2の回転位置を検出する回転位置検出センサ4と、外部接続用のコネクタ5及び電源端子6を備えている。
回転電機2は、ケースとしてのフロントブラケット20及びリアブラケット21と、上記ケースにベアリングを介して回転自在に支持されている回転軸22と、上記ケースに固定されると共に電機子巻線23aを有する固定子23と、回転軸22に固定されると共に界磁巻線24aを有する回転子24と、回転子24の軸方向両端面に固定される冷却ファン24bと、回転軸22のフロント側の端部に固着されたプーリ25と、回転軸22のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット21に取り付けられたブラシホルダ26と、回転軸22のリヤ側に装着された一対のスリップリング27に摺接するようにブラシホルダ26内に配置された一対のブラシ28と、回転軸22のリヤ側端部に設置された回転位置検出センサ4を備えている。そして、この回転電機2は、プーリ25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3は、直流電力を交流電力又は交流電力を直流電力に変換するパワー回路部30と、界磁巻線24aに界磁電流を供給する界磁回路部31と、パワー回路部30及び界磁回路部31を制御する制御回路部32を備え、外部接続用コネクタ5及び電源端子6を介して外部に接続される。
パワー回路部30は、複数のパワー素子(後述するスイッチング素子)30a及び30bと、当該パワー素子30a及び30bに電気的に接続される電極部材を兼ねた内側ヒートシンク30g及び外側ヒートシンク30を備えている。各パワー素子間の接続は、樹脂にインサート成形された導電性部材30iと、ヒートシンク30g及び30hとによって行われ、中継配線部材34bにより制御回路部32に電気的に接続される。
また、パワー回路部30は、回転電機2のリアブラケット21の一端壁に配置され、後述するように回転軸22を囲むようにレイアウトされ、外部からの異物の進入を防ぐためのカバー34に覆われている。
制御回路部32は、制御回路基板32aと、制御回路基板32aを収納するための樹脂製のケース33を備えている。ケース33は、防水カバー33a等により制御回路基板32aへの塩泥水の浸入を防ぐような防水構造を有し、ケース33内の結露による水滴を排出するための水抜き孔33bが備わっている。本例では、ケース33内に絶縁樹脂33cを充填することで、制御回路部32の耐絶縁性と耐環境性を向上させている。
界磁回路部31は、制御回路基板32aと同一基板上に実装することも可能であり、また、制御回路基板32aと分離して構成してもよい。本例では、制御回路部32のケース33に取付けている。
回転位置検出センサ4は、ステータ40とロータ41から構成され、ブラシ28より回転軸22上のリヤ側に配設されており、制御回路部32と同様に、防水構造によって略密閉されている。本例では、リアブラケット21に取り付けられたシールパッキン42によって防水構造がなされ、ケース33と同様に水抜き孔43が備わっている。なお、この回転位置検出センサ4は、回転電機2の電動駆動時のベクトル制御のために使用される。
外部接続用コネクタ5は、制御回路部32の近傍に配設され、制御回路部32と電気的に接続されている。
図2は、本実施の形態の回転電機2の動作を説明するための回路図である。図において、交流発電電動機である回転電機2は、固定子23の電機子巻線23aと、回転子24の界磁巻線24aを備え、固定子23の電機子巻線23aは、3相(U相、V相、W相)のコイルにより構成されている。パワー回路部30では、上アーム30Aを構成するスイッチング素子(パワートランジスタ、MOSFET、IGBT等)30a及び並列ダイオードと、下アーム30Bを構成するスイッチング素子30b及び並列ダイオードとを2組直列に接続したものを1セットとし、当該セットを3個並列に配置することによりインバータを構成している。そして、当該インバータにはコンデンサ102が並列に接続されている。電機子巻線23aの各相の端部は、交流配線を介して上記直列に接続した上アーム30Aのスイッチング素子30aと下アーム30Bのスイッチング素子30bの中間接続点にそれぞれ接続されている。また、バッテリ101の正極端子及び負極端子が、直列配線を介して上記パワー回路部30の正極側及び負極側に接続されている。
界磁回路部31は、ブラシ28とスリップリング27(図1参照)を介して界磁巻線24aを挟んで直列接続される2つの半導体素子31a及び31bと、シャント抵抗31cに並列接続されるフライホイールダイオード31dを備える。上側の半導体素子31aのドレインは電源端子6の接続されたヒートシンク30gと接続され、下側の半導体素子31bのソースは、シャント抵抗31cを介して、リアブラケット21に接地される。
制御回路部32は、パワー回路部30の上アーム30Aのスイッチング素子30aと下アーム30Bのスイッチング素子30bのスイッチング動作を制御すると共に、界磁回路部31を制御して回転子の界磁巻線24aに流す界磁電流を調整する。
次に、図2に基づいて、本実施の形態の回転電機2の回路動作の概要を説明する。エンジン始動時に、バッテリ101から直流電力が電源端子6を介してパワー回路部30に給電される。制御回路部32は、パワー回路部30の各スイッチング素子30a、30bをON/OFF制御して、上記直流電力を三相交流電力に変換する。そして、この三相交流電力が交流発電電動機である回転電機2の電機子巻線23aに供給される。一方、制御回路部32からの指令に基づき、界磁回路部31は回転子24の界磁巻線24aに界磁電流を供給する。界磁巻線24aの周囲に発生する磁束と、固定子23の電機子巻線23aに流れる電流とが鎖交することで、駆動トルクが発生する。この駆動トルクにより、回転子24が回転駆動され、プーリ25からベルト(図示せず)を介してエンジンのクランクシャフトへと伝達され、エンジンが始動する。
一方、エンジン運転状態では、エンジンの回転動力がクランクシャフトからベルト(図示せず)を介してプーリ25へ伝達される。この駆動力により、回転電機2の回転軸22に固定された回転子24が回転する。これにより、回転子24の界磁巻線24aの発生する磁束が、固定子23の電機子巻線23aと鎖交するため、電機子巻線23aに三相交流電圧が誘起される。そして、制御回路部32がパワー回路部30の各スイッチング素子30a、30bをON/OFF制御し、電機子巻線23aに誘起された三相交流電力を直流電力に変換して、バッテリ101を充電する。
一方、図1に戻って、回転電機2の回転子24が回転することにより、回転子24に固定された冷却ファン24aが冷却空気流Fを発生させる。この冷却空気流Fは、リヤ側のカバー34の吸入孔34aから吸入され、回転軸方向に沿って設けられたヒートシンク30g及び30hの放熱フィンの間を通り抜け、各スイッチング素子30a、30bを冷却する。その後、リアブラケット21の通風孔を通った冷却空気流Fは、径方向に90度に曲げられ、固定子23を冷却しながら、排気される。
図3はこの発明の実施の形態1による制御装置一体型の回転電機を回転軸方向から見たときの正面図であり、図4は図3において回転電機2のカバー34と制御回路部32のケース33を外したときの正面図である。
本実施の形態の回転電機において、制御装置3はリアブラケット21の一端壁の軸方向に配設されており、制御装置3の制御回路部32は、図3及び図4に示すように、回転軸方向から見てパワー回路部30がおよそ配設されていない位置(図4の二点鎖線32)にレイアウトされている。また、制御回路部32は、回転軸22上に配設された回転位置検出センサ4に重ならないように、径方向外側にずらして配設されている。さらに、制御回路部32と、パワー回路部30又は回転位置検出センサ4との接続部は、制御回路部32の一辺32aに集中されて配置され、一方、外部接続用コネクタ5との接続部は上記とは別の一辺32bに設けられている。
以上のように本実施の形態によれば、制御回路部32を回転軸方向から見てパワー回路部30がおよそ配設されていない位置に配置したので、制御回路部32の存在によりパワー回路部30への冷却空気の流入が阻害されることがなくなる。また、パワー回路部30を覆うカバー34に設けられた吸入孔34aの位置や大きさを最適化でき、パワー回路部30を十分に冷却することができる。さらに、制御回路部32にとって、パワー回路部30からの熱伝導や輻射熱による熱的悪影響もなくなる。
また、パワー回路部30と制御回路部32とを回転軸方向に重ねることなくずらしたので、回転電機2の稼動時のパワー回路部30のスイッチング素子30a、30bのON/OFF動作による制御回路部31に対するEMIの影響も抑制される。
また、制御回路部32を回転軸22上の回転位置検出センサ4に重ならないように径方向外側にずらして配設しているので、制御回路部32から回転位置検出センサ4へのノイズ影響も少なくなる。
また、制御回路部32において、パワー回路部30及び回転位置検出センサ4との接続部を、制御回路部32の一辺32aに集中させたので、制御回路部32のパターン回路の配線設計がやり易くなると共に組立性が向上し、制御回路部32を小型化することができる。
また、制御回路部32において、パワー回路部30及び回転位置検出センサ4との接続部を、制御回路部32の一辺32aに集中させると共に、外部接続用コネクタ5との接続部を上記一辺とは異なる一辺32bに配置したので、制御回路部32のパターン回路の配線設計がより容易となり、回路構成が合理化でき、制御回路部32を信頼性の高い簡素なものにできる。
また、制御回路部32を回転軸方向から見て略矩形状としたので、実装されるカスタムICやドライバといった素子の配置の自由度が向上する。そのため、制御回路部32のパターン設計を合理化でき、これにより、制御回路部32の小型化がさらに可能となる。更に、制御回路部32の辺に接続部を集中させることにより、当該接続部の半田付け作業が容易になり、かつ、半田の接合状態が容易に確認できるといった組立性と信頼性が向上する。
また、パワー回路部30を冷却するための孔34aを有するカバー34と制御回路部32を収容するカバー33とを備え、パワー回路部30と制御回路部32を熱的に分離しているので、相互に熱影響を受け難く、高い冷却性能を確保することができる。
また、制御回路部32を収容するケース33内は樹脂封止され、制御回路部32の防水をしている。このような簡単な構成を採用することにより、制御回路部32の絶縁性及び耐環境性が向上するだけでなく、熱伝導性の良い樹脂を用いることで制御回路基板32a上の素子の外部への熱伝導性を向上することができ、温度上昇を抑制させることができる。
また、図4において、パワー回路部30を構成するスイッチング素子は、U、V、Wの3相の部位に分かれている。各部位には、それぞれ一対のヒートシンクである内側ヒートシンク30g及び外側ヒートシンク30hがそれぞれ配設されている。そして、各ヒートシンク30g、30hには、ディスクリートタイプのパワー素子である各スイッチング素子30a及び30bが数個ずつ並列に接続されている(図示せず)。各ヒートシンク30g及び30hには回転軸方向の冷却風路に沿った冷却フィンを備えている。このような構成によれば、パワー回路部30の各スイッチング素子30a及び30bの冷却効率が増大すると共に、パワー回路部30のコンパクト化・最適化が図れる。
実施の形態2.
図5はこの発明の実施の形態2による制御装置一体型の回転電機の一部を示す断面図である。図6はこの発明の実施の形態2による制御装置一体型の回転電機を回転軸方向から見たときの正面図である。
実施の形態1では、制御回路部32に対する外部接続用コネクタ5の位置は、パワー回路部30及び回転位置検出センサ4との接続部(径方向内側の辺)と対向する位置(径方向外側の辺)にあった。本実施の形態では、略矩形状の制御回路部32の径方向内側の長辺32aにパワー回路部30、界磁回路部31および回転位置検出センサ4との接続部を集中させ、外部接続用コネクタ5との接続部は、周方向外側の短辺32bに設けるようにした。
上記構成により、制御回路部32のパターン設計は、実施の形態1よりも、やや難しくなるが、制御回路部32の占める回転軸方向から見た面積を周方向に大きくとることができるので、外部接続用コネクタ5の径方向への突出量を抑えることができる。また、外部接続用コネクタ5、回転位置検出センサ4、パワー回路部30の接続配線を合理的に配置することができ、制御回路部32を小型化できる。
また、図5及び図6に示すように、制御回路部32の収容ケース33は、パワー回路部30のカバー34または外部接続用コネクタ5とともに樹脂により一体成形されている。そして、このような構成を採用することにより、部品点数が削減するとともに、制御回路部32の収容ケース33とパワー回路部30のカバー34とを個々に固定する必要がなくなるため組立性が向上する。
さらに、制御回路部32を収容するケース33には、パワー回路部30と制御回路部32とを繋ぐ中継配線部材34bがインサート成形されており、また、外部接続用コネクタ5と制御回路部32とを繋ぐ中継配線部材もインサート成形されている。そして、このような構成により、パワー回路部30と制御回路部32を繋ぐ中継配線部材34b又は外部接続用コネクタ5と制御回路部32とを繋ぐ中継配線部材は、共に高い絶縁性能が確保されるとともに、成形後のケース33の取り扱いが容易となり組立性が向上する。
また、制御回路部32を収容するケース33は、制御回路基板32aの収容される空間と回転位置検出センサ4の収容部とが共用されている。このように構成することにより、回転位置検出センサ4自身およびそれから引き出されるリード線40aを容易に防水することができる。
また、制御回路部32の収容ケース33は、防水カバー33a等により制御回路基板32a及び回転位置検出センサ4への塩泥水の浸入を防ぐような防水構造を有し、ケース33内の結露による水滴を排出するための水抜き孔33bが備わっている。当該構造により、制御回路部32及び回転位置検出センサ4の耐絶縁性と耐環境性を向上させている。
なお、制御回路部32の収容ケース33に、制御回路部32と回転位置検出センサ4とを接続するための中継配線部材40bをインサート成形してもよい(図示せず)。この場合、回転位置検出センサ4のリード配線40aの耐振性と耐絶縁性を向上させることができる。
実施の形態3.
図7はこの発明の実施の形態3による制御装置一体型回転電機を示す断面図であり、図8は図7の回転電機のカバーと制御回路部のケースを外したときの回転軸方向から見た正面図である。
上記実施の形態1及び2では、制御装置一体型回転電機1の後方から冷却風がカバー34の孔34aを通ってパワー回路部30に略軸方向に流入するように構成されると共に、パワー素子であるスイッチング素子30a及び30bが配設されている各ヒートシンク30g及び30hには、軸方向の冷却風路に沿った冷却フィンが備えられていた。本実施の形態3では、パワー回路部30のカバー34の径方向の側壁に設けられた吸入孔34aから冷却空気を吸入する構成とする。そして、スイッチング素子30a及び30bを実装したヒートシンク30g及び30hは、馬蹄形状をしており、回転軸の径方向の冷却風路に沿った冷却フィンを備えている。このような構成によれば、制御回路部32の形状によらずパワー回路部30を冷却するための風路孔の位置や大きさを最適化できる。
そして、この例では、各スイッチング素子間の接続は、樹脂にインサート成形された導電性部材30iと、ヒートシンク30g及び30hとによって行われている。ここで、各スイッチング素子間の接続に用いられる導電性素材30iは、直接、制御回路部32に接続することも可能である。この場合、制御回路部32とパワー回路部30とを繋ぐ中継配線部材を省略することができるため、部品の集約による部品点数と接合点数が削減され、組立性が向上し、耐絶縁性も向上する。
また、制御回路部32の収容ケース33には、制御回路部32と回転位置検出センサ4とを接続するための中継配線部材40bがインサート成形されており、回転位置検出センサ4のリード配線40aの耐振性と耐絶縁性を向上させている。
実施の形態4.
図9はこの発明の実施の形態4による制御装置一体型回転電機を示す断面図である。上述した実施の形態においては、制御回路部32の収容ケース33は、パワー回路部30のカバー34又は外部接続用コネクタ5と樹脂にて一体成形されているものを示したが、これに限られるものではない。
例えば、図9に示すように、制御回路部32が小型化されている場合は、制御回路部32の収容ケース33と外部接続用コネクタ5を、ブラシホルダー26に樹脂にて一体成形してもよい。この場合、ブラシホルダー26に制御回路部32を配設して、配線の半田付けを行い、更に耐環境性向上のために絶縁樹脂33cにより樹脂封止を行う。そして、上記の工程をブラシホルダー26単体で行えるため、上述した実施の形態より、さらに工作性と回転電機の組立性が向上する。また、絶縁樹脂33cにより樹脂封止することによって、制御回路部32の熱はブラシホルダー26に熱伝導してブラシホルダー全体で間接的に冷却される効果がある。
この発明の実施の形態1によ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の回転電機の動作を説明するための回路図である。 この発明の実施の形態1による制御装置一体型回転電機を回転軸方向から見たときの正面図である。 図3の回転電機のカバーと制御回路部のケースを外したときの回転軸方向から見た正面図である。 この発明の実施の形態2による制御装置一体型回転電機の一部を示す断面図である。 この発明の実施の形態2による制御装置一体型回転電機を回転軸方向から見たときの正面図である。 この発明の実施の形態3による制御装置一体型回転電機を示す断面図である。 図7の回転電機のカバーと制御回路部のケースを外したときの回転軸方向から見た正面図である。 この発明の実施の形態4による制御装置一体型回転電機を示す断面図である。
符号の説明
1 制御装置一体型回転電機、2 回転電機、22 回転軸、23 固定子、
24 回転子、24b 冷却ファン、26 ブラシホルダ、28 ブラシ、
3 制御装置、30 パワー回路部、30a,30b スイッチング素子、
30g,30h ヒートシンク、30i 導電性部材、31 界磁回路部、
32 制御回路部、32a,32b 制御回路部の辺、33 ケース、
33a 防水カバー、33b 水抜き孔、33c 絶縁樹脂、34 カバー、
34a 吸入孔、34b 中継配線部材、4 回転位置検出センサ、
40a リード配線、40b 中継配線部材、42 シールパッキン、5 コネクタ、
6 電源端子。

Claims (10)

  1. 固定子及び上記固定子の回りを回転する回転軸に配設された回転子を有する回転電機と、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を有し上記交流電力を上記回転電機に供給し、上記回転軸を取り囲むように略コ字形状に配置されたパワー回路部と、上記略コ字形状のパワー回路部と同一面内の空いた空間に配置されブラシが収納されたブラシホルダと、上記パワー回路部の上記スイッチング素子を制御する制御回路部と、上記回転軸上に配設され上記回転軸の回転を検出する回転位置検出センサを備え、上記制御回路部は、上記回転軸方向から見て上記パワー回路部がおよそ配設されていない上記ブラシホルダの上記回転軸方向リヤ側の位置に配設されていると共に、上記回転軸方向から見て上記回転位置検出センサに重ならないように径方向外側にずらして配設されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
  2. 上記制御回路部において、上記制御回路部は回転軸方向から見て矩形状とし、上記パワー回路部及び上記回転位置検出センサとの接続部を上記制御回路部の径方向内側の長辺に集中させると共に、外部接続用コネクタとの接続部を上記径方向内側の長辺とは異なる一辺に配置したことを特徴とする請求項1に記載の制御装置一体型回転電機。
  3. 上記パワー回路部を収容すると共に冷却風流入用の孔を有するカバーと、上記制御回路部を収容するケースとを有し、上記パワー回路部と上記制御回路部を熱的に分離していることを特徴とする請求項1に記載の制御装置一体型回転電機。
  4. 上記制御回路部を収容するケースと上記パワー回路部を収容するカバーを、樹脂により一体的に成形したことを特徴とする請求項3に記載の制御装置一体型回転電機。
  5. 上記制御回路部を収容するケースには、上記制御回路部と上記パワー回路部とを繋ぐ中継配線がインサート成形されていることを特徴とする請求項3に記載の制御装置一体型回転電機。
  6. 上記制御回路部を収容するケースは、上記回転位置検出センサの収容する機能を兼ねていることを特徴とする請求項3に記載の制御装置一体型回転電機。
  7. 上記制御回路部を収容するケースは、上記制御回路部と上記回転位置検出センサとを繋ぐ中継配線がインサート成形されていることを特徴とする請求項6に記載の制御装置一体型回転電機。
  8. 上記制御回路部を収容するケースは、外部接続用コネクタと樹脂にて一体成形されていることを特徴とする請求項3に記載の制御装置一体型回転電機。
  9. 上記制御回路部を収容するケースには、外部接続用コネクタと上記制御回路部を繋ぐ中継配線がインサート成形されていることを特徴とする請求項8に記載の制御装置一体型回転電機。
  10. 上記制御回路部を収容するケース内は樹脂封止され制御回路部の防水をしていることを特徴とする請求項3に記載の制御装置一体型回転電機。
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