JP4851575B2 - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車両に搭載される、制御装置一体型回転電機に関するものであり、特に制御装置一体型回転電機の制御装置として使用されるインバータパワー回路の冷却構造に関するものである。

特許文献１に開示されている「回転電気機器のための電力相互接続部品」には、車両に電力を供給するため、及び車両のエンジンを駆動するための車両用発電電動機の構成が示されている。上記特許文献には、回転電機に搭載されるインバータパワー回路のパワーモジュールに電力を入出力するための電力相互接続部品の構成が記載されている。

特表２００８−５４３２６１号公報

特許文献１に示されているような車両用発電電動機においては、電力相互接続部品には電流が流れるため発熱し、電力相互接続部品の発熱が熱伝導によりパワーモジュールに伝わり、固定子パワーモジュールの温度上昇が大きくなるという問題点があった。

この発明はこのような問題を解決するために、バッテリ端子からインバータパワー回路へ電力を入出力する部材を、パワーモジュールを冷却するためのヒートシンクと別部品でバスバーとして構成し、バスバーをフィン形状にすることにより、ヒートシンクに搭載されているパワーモジュールの温度上昇を低減する制御装置一体型回転電機を提案するものである。

この発明に係る制御装置一体型回転電機は、ブラケットに支持された鉄心と固定子巻線からなる固定子、冷却ファンを有する回転子、固定子巻線に固定子電流を通電する制御装置であるインバータパワー回路、及びインバータパワー回路にバッテリからの電力を供給するバスバーを備えたものにおいて、インバータパワー回路は、前記固定子電流のスイッチング機能をもつパワーモジュールと、パワーモジュールを、絶縁層を介して搭載しているヒートシンクと、パワーモジュールを収容し、パワーモジュールの各ターミナルを保持する絶縁物ケースを有するものであり、一方、バスバーは、前記インバータパワー回路のターミナルに接続されるとともに、冷却フィンを備えたものである。

この発明の制御装置一体型回転電機によれば、制御装置であるインバータパワー回路のパワーモジュールを搭載するヒートシンクにより、パワーモジュールを冷却すると共に、パワー回路への電流入出力回路であるバスバーにもフィンを形成し、バスバー自体の冷却性を向上させることにより、パワーモジュールの発熱を、電気的に接続しているパワーモジュールのターミナルを介してバスバーからも放熱することができ、パワーモジュールの温度上昇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断面図である。 実施の形態１に係る完成前のインバータパワー回路を背面方向から見た正面図である。 実施の形態１に係る完成後のインバータパワー回路にバスバーを取り付けたものを背面方向から見た正面図である。 実施の形態１に係るインバータパワー回路とバスバーの接続構造を示す一部拡大断面図である。 実施の形態１に係るバスバーとパワーモジュールとの位置関係を示す一部拡大断面図である。 実施の形態１に係るバスバーとパワーモジュールとの別の位置関係を示す一部拡大断面図である。 実施の形態１に係るバスバー周辺の通風路を示す一部拡大断面図である。 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に使用されるバスバーを示す正面図である。

実施の形態１．
図１〜図７おいて、実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機は、一体に結合されたフロントブラケット１とリヤブラケット２からなるブラケットに支持された固定子３を備えている。固定子３は固定子鉄心３Ｂとこれに巻回された固定子巻線３Ａからなる。固定子３の内周に対向して、回転子４が設けられる。回転子４は界磁巻線７を有し、フロントブラケット１に設けられた軸受とリヤブラケット２に設けられた軸受に支承されたシャフト６に固定されて回転する。回転子４には回転電機の内部を空気により冷却するための冷却ファン５が取り付けられている。

この制御装置一体型回転電機は、インバータパワー回路２０と、この回路に電気的、機械的に取り付けられた金属部材からなるバスバー３０を有している。インバータパワー回路２０とバスバー３０との関係の詳細は、図２、図３に基づいて後述する。インバータパワー回路２０は固定子巻線３Ａに交流電力を供給するためのものであり、バスバー３０は回転電機のバッテリ端子１１（図３参照）からインバータパワー回路２０へ電力を入出力するためのものである。インバータパワー回路２０とバスバー３０はリヤブラケット２に内包され、回転電機の固定子３及び回転子４よりもリヤ側に配置されている。インバータパワー回路２０はリヤブラケット２に保持、固定されている。リヤブラケット２の後方にはインバータパワー回路２０を制御する制御基板４０が搭載された樹脂ケース４１がリヤブラケット２に保持、固定されている。

シャフト６上にはスリップリング８が設けられ、また、スリップリング８にブラシ９が摺接して界磁巻線７に電流を供給する。シャフト６の前端（フロント側）にはプーリ１２が、また、後端（リヤ側）には磁極位置検出センサ１０がそれぞれ取り付けられている。インバータパワー回路２０は信号線出力部２６を介して制御基板４０に接続される。

次に、インバータパワー回路について詳述する。図２はインバータパワー回路２０に中継基板の取り付け及び防水用樹脂を充填する前の状態を示す正面断面図であり、図３は中継基板を取り付け、防水用樹脂を充填した後、バスバーを取り付けた状態を示す正面図である。

図において、インバータパワー回路２０は、樹脂ケース２５と、樹脂ケース２５の一側を塞ぐ略ドーナツ状のヒートシンク２３と、樹脂ケース２５とヒートシンク２３で区画された空間内において、絶縁層（図示せず）を介してヒートシンク２３上に取り付けられた複数（図では６個）のパワーモジュール２１を備えている。

ヒートシンク２３は、パワーモジュール２１が設置された側と反対の側に冷却フィン２３ａを有している。パワーモジュール２１は、バッテリ電位と接続するターミナル２２a、アース電位と接続するターミナル２２ｂ、固定子巻線と電気的接続をするためのターミナル２２ｃ、パワーモジュールの信号線ターミナル２２ｄを有している。樹脂ケース２５には、バッテリ電位と接続するターミナル２４aと、アース電位と接続するターミナル２４ｂと、固定子巻線と電気的接続をするためのターミナル２４ｃを有している。そして、ターミナル２４ａとターミナル２２a、ターミナル２４ｂとターミナル２２ｂ、ターミナル２４ｃとターミナル２２ｃは半田付けで接続されている。パワーモジュール２１は、ヒートシンク２３と樹脂ケース２５で区画される空間に配置されているが、この空間は防水用樹脂２８で充填されるため、パワーモジュール２１は防水用樹脂２８中に埋入されている。

図３に示すように、インバータパワー回路２０には、略コ字形をなすバスバー３０と信号線接続中継部品２７とが組み付けられる。バスバー３０は回転電機のバッテリに接続されるバッテリ端子１１を有するとともに、コ字形の各辺には冷却フィン３０ａが設けられている。バスバー３０とパワーモジュール２１は軸方向に略重なるように配置され、図５に示すように、両者は当接しているか、あるいは、図６に示すように、両者は離して配置されるかのいずれかである。バスバー３０はパワーモジュール２１側の略下半分が防水用樹脂２８に埋入されているが、冷却フィン３０ａは、通常は、防水用樹脂２８に埋入されない位置に設けられている。

バスバー３０のコ字形の両端及びコーナーはバッテリ電位と接続するターミナル２４a
に接続されている。両者の接続構造は、図４に示すように、バスバー３０が、ボルト３１により、ケース２５のバッテリ電位と接続するターミナル２４aに電気的に接続されてい
る。このとき、ヒートシンク２３がバッテリ電位とならないように、ヒートシンク２３とボルト３１の間には絶縁部材３２が介装されている。

回転電機のバッテリ端子１１からインバータパワー回路２０へ電力を入出力するバスバー３０は、パワーモジュール２１に対してヒートシンク２３と反対側に配置されており、前述の通り、ヒートシンク２３のフィン２３aはパワーモジュール２１と反対側に延びている。

パワーモジュール２１は、バッテリ電位と接続するターミナル２２a、アース電位と接
続するターミナル２２ｂ、固定子巻線と電気的接続をするためのターミナル２２ｃ、パワーモジュールの信号線ターミナル２２ｄを有しており、ターミナル２４ａとターミナル２２a、ターミナル２４ｂとターミナル２２ｂ、ターミナル２４ｃとターミナル２２ｃは半田付けで接続され、電気的接続と同時に放熱路ともなる。

インバータパワー回路２０は、ケース２５のアース電位と接続するターミナル２４ｂとリヤブラケット２が電気的に接続されるように接触してリヤブラケット２にボルト（図示せず）で固定されている。

また、パワーモジュール２１の信号線ターミナル２２ｄは、信号線接続中継端子板２７に接続されて信号線出力部２６に集約され、リヤブラケット２の後方に搭載された、パワーモジュール２１のスイッチングを制御するための制御基板４０へ接続される。このとき、信号線接続中継端子板２７は、コ字形のバスバー３０の内側で、バスバー３０と略同一平面上に位置するように防水用樹脂２８に埋入されている。バスバー３０と信号線接続中継端子板２７を略同一平面上に配置することにより、回転電機の軸方向の長さを伸ばす必要がなく、回転電機の小形化が可能となる。

上記のように、パワーモジュール２１はヒートシンク２３により冷却される。一方、バスバー３０は冷却フィン３０ａを有するため温度上昇が抑えられる。また、パワーモジュール２１の発熱は、ターミナル２２ａ、ターミナル２４ａを通してバスバー３０に伝わりバスバー３０から放熱される。さらに、図５に示すように、バスバー３０がパワーモジュール２１と防水用樹脂２８内で当接している場合には、パワーモジュール２１は直接バスバー３０によっても冷却されることになり、パワーモジュール２１の温度上昇が一層低減する。

図６に示すように、バスバー３０がパワーモジュール２１に直接接触していない場合においても、バスバー３０はパワーモジュール２１とともに防水用樹脂２８に埋入されていることにより、パワーモジュール２１の発熱は、防水用樹脂２８を通してバスバー３０に伝わり、バスバー３０から放熱するため、パワーモジュール２１の温度上昇抑制に一定の効果を有する。

図７はインバータパワー回路２０周辺の一部を拡大して示す縦断面図である。リヤブラケット２には空気吸入孔２ａ、２ｂ、２ｃ及び空気排出孔２ｄが形成されている。空気吸入孔２ａはバスバー３０の後方、空気吸入孔２ｂはバスバー３０の外周側、空気吸入孔２ｃはヒートシンク２３の外周側にそれぞれ位置している。また、インバータパワー回路２０内周側とリヤブラケット２との間には空気通風路６１が形成されている。

回転子４が回転することにより、ファン５により冷却風が生成され、空気吸入孔２ａより吸入される冷却風６０a及び空気吸入孔２ｂより吸入される冷却風６０ｂは、バスバー
３０の周囲を通り、さらに空気通風路６１を通過し、この間にバスバー３０が冷却される。また、空気吸入孔２ｃより吸入される冷却風６０ｃはヒートシンク２３沿いを通過し、ヒートシンク２３が冷却される。冷却風６０a、６０ｂ、６０ｃはリヤブラケット２の空気排出孔２ｄより回転電機の外部に排出される。

上記のように、リヤブラケット２のバスバー３０後方もしくは外周側に空気吸入孔６０ａ、６０ｂを形成し、インバータパワー回路２０の内周側に空気通風路６１を形成することにより、バスバー３０の周囲に冷却風が通過するため、バスバー３０はさらに冷却され、パワーモジュール２１の温度上昇を一層低減することができる。

上記のようにパワーモジュール２１の温度上昇を低減することにより、製品の寿命を延ばすことが可能となる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る回転電機のバスバーを示す。本実施の形態においては、バスバー３０のＢ端子入出力ボルト１１からバスバー３０に至る導電性の連絡部３０ｂの断面積を、バスバー３０の他の部分の断面積より小さく構成し、ヒューズの機能を持たせている。

パワーモジュール２１のスイッチング素子が故障により短絡した場合、バッテリ電位であるＢ端子入出力ボルト１１からアース電位であるブラケット２までが短絡状態となり大電流が流れ、回転電機の発火が懸念されるが、上記のようにバスバー３０にヒューズ機能も持たせることにより、大電流が流れた場合にはバスバー３０の連絡部３０ｂでバスバー３０が電源から切断されるため、回転電機の発火を防ぐことが可能となる。

１：フロントブラケット、 ２：リヤブラケット、
２ａ、２ｂ、２ｃ：空気吸入孔、 ２ｄ：空気排出孔、
３：固定子、 ３Ａ：固定子巻線、
３Ｂ：固定子鉄心、 ４：回転子、
５：ファン、 ６：シャフト、
７：界磁巻線、 ８：スリップリング、
９：ブラシ、 １０：磁極位置検出センサ、
１１：バッテリ端子ボルト、 １２：プーリ、
２０：インバータパワー回路、 ２１：パワーモジュール、
２２ａ：バッテリ電位を接続するためのターミナル、
２２ｂ：アース電位と接続するためのターミナル、
２２ｃ：固定子巻線と接続するためのターミナル、
２２ｄ：信号線ターミナル、 ２３：ヒートシンク、
２３ａ：冷却フィン、 ２４：ターミナル、
２４ａ：バッテリ電位を接続するためのターミナル、
２４ｂ：アース電位と接続するためのターミナル、
２４ｃ：固定子巻線と接続するためのターミナル、
２５：樹脂ケース、 ２６：信号線出力部、
２７：信号線接続中継端子板、 ２８：防水用樹脂、
３０：バスバー、 ３０ａ：冷却フィン、
３０ｂ：導電性の連絡部、 ３１：ボルト、
３２：絶縁部材、 ４０：制御基板、
４１：ケース、 ５０：コネクティングボード、
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ：冷却風、 ６１：空気通風路。

Claims (8)

1. ブラケットに支持された鉄心と固定子巻線からなる固定子、冷却ファンを有する回転子、前記固定子巻線に固定子電流を通電する制御装置であるインバータパワー回路、及び前記インバータパワー回路にバッテリからの電力を供給するバスバーを備えた制御装置一体型回転電機において、前記インバータパワー回路は、前記固定子電流のスイッチング機能をもつパワーモジュールと、前記パワーモジュールを、絶縁層を介して搭載しているヒートシンクと、前記パワーモジュールを収容し、前記パワーモジュールの各ターミナルを保持する絶縁物ケースを有するものであり、一方、前記バスバーは、前記インバータパワー回路のターミナルに接続されるとともに、冷却フィンを備えていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
2. 前記パワーモジュールは、絶縁物ケースと前記ヒートシンクとの区画内において防水用樹脂により埋入され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。
3. 前記バスバーは、前記パワーモジュールに対して前記ヒートシンクとは反対側で且つ前記パワーモジュールと軸方向において略重なる位置に配置され、前記バスバーの前記パワーモジュールに対向する側が前記防水用樹脂に埋入していることを特徴とする請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。
4. 前記バスバーの前記防水用樹脂に埋入している箇所が前記パワーモジュールに当接していることを特徴とする請求項３に記載の車両用制御装置一体型回転電機。
5. 前記パワーモジュールを制御回路に接続する信号線接続中継端子板を、前記防水用樹脂中に埋入して設けたことを特徴とする請求項２に記載の制御装置一体型回転電機。
6. 前記信号線中継端子板は、前記バスバーと略同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の制御装置一体型回転電機。
7. 前記ブラケットの前記バスバー外周側もしくは後方に空気吸入孔が設けられ、前記バスバー周辺を通る空気通風路が形成され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。
8. 前記バッテリから前記バスバーへ通電する連絡部の断面積を前記バスバーより小さく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。

Images