JP5360602B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。
従来から、突出端子と固定端子とを有するインバータモジュールにおいて、互いに隣接するモジュール同士で突出端子と固定端子とを連結して電気的接続を行うとともに、各モジュールをモータの中心軸周りに環状配置した機電一体型モータ用電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
また、バスバーを、バスバー端子よりも小さいネジを介して複数箇所同時に弾性部材を用いて締結するようにした電動パワーステアリング装置(例えば、特許文献2参照。)や、整流器の出力端子とGND端子の相互接続を放熱フィンを用いて行うようにした車両用交流発電機(例えば、特許文献3参照。)や、バスバーを用いて電源端子やGND端子を相互接続するようにした車両用インバータ一体型モータ(例えば、特許文献4参照。)が知られている。さらに、電力半導体モジュールの電力入出力用の主端子をバスバーに溶接するようにした電力変換装置(例えば、特許文献5参照。)や、モータジェネレータを収容するケースとこのモータジェネレータの制御を行うPCUを収容するケースとをコネクタを介して接続するようにした回転電機の電気接続構造(例えば、特許文献6参照。)が知られている。
特開2008−131794号公報 特開2009−126350号公報 特開2000−341919号公報 特開2003−324903号公報 特開2006−269702号公報 特開2009−195080号公報
ところで、上述した特許文献5に開示された構造では、電力入出力用の主端子とバスバーとの接続を溶接によって行っているため、電力半導体モジュールに含まれる素子が故障した場合等において交換が容易でないという問題があった。また、特許文献1に開示された構造では、複数の端子のそれぞれについて別々に接続を行っているため、端子数が増加したときに、接続するための構造が端子数だけ必要になり、部品点数が多くなるとともに組付工程が複雑になるという問題があった。また、特許文献2に開示された構造は、ネジを介して付勢部材を端子台に押圧しているため、車両用発電機のような高振動下では必要な固定力が得られないおそれがあるという問題があった。また、バスバーが細い場合にはこのバスバーの幅に合わせてネジも細くする必要があり、必要な固定力を得ることがさらに難しくなる。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、故障時等における半導体パッケージの交換が可能であって、端子数が増加した場合の部品点数削減や組付工程の簡略化が可能であり、端子接続の十分な固定力を確保することができる車両用回転電機を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、界磁巻線を有する回転子と、回転子と対向配置された固定子と、固定子に備わった固定子巻線に誘起される交流電流を直流電流に変換してバッテリに供給、または、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換して固定子巻線に供給する電力変換器とを備える。電力変換器は、それぞれがスイッチング素子を有する複数の半導体パッケージと、スイッチング素子と固定子巻線とを接続する端子台とを含んで構成されている。半導体パッケージは、スイッチング素子と固定子巻線との間で流れる電流が流れる電流入出力端子と、電気信号を入出力する信号端子とを有する。端子台は、電流入出力端子に接続される電流入出力ターミナル電極と、信号端子に接続される信号ターミナル電極とを有する。また、半導体パッケージは、着脱可能な固定手段によって、固定子を保持するフレーム、このフレームに電気的に接続されてスイッチング素子の冷却を行う冷却用部材、端子台のいずれかに固定され、電流入出力端子と電流入出力ターミナル電極とが、着脱可能な第1の接続手段によって接続され、信号端子と信号ターミナル電極とが、着脱可能な第2の接続手段によって接続されている。
半導体パッケージの固定と、半導体パッケージの端子と端子台のターミナル電極との接続の両方を着脱可能に行うことにより、スイッチング素子が故障した場合にこのスイッチング素子が含まれる半導体パッケージの交換を容易に行うことができる。
また、上述した信号端子は、電流入出力端子よりも細く、信号ターミナル電極は、電流入出力ターミナル電極よりも細く、固定手段および第1の接続手段のそれぞれは、ネジであり、第2の接続手段は、ネジによって取り付けられる押付部材であることが望ましい。
付勢部材や弾性部材を使わずにネジを使うことで、高温、高振動の環境下でも、固定力が低下することなく固定や接続を行うことができる。また、溶接を用いないため、スイッチング素子に電気的なストレスの印加がなく、組み付け時にスイッチング素子が故障することを防止することができる。また、信号端子および信号ターミナル電極は、電流入出力端子および電流入出力ターミナル電極よりも通電電流が少ないため、細くすることができ、これにより、半導体パッケージのサイズを小さくすることができる。その際、信号端子と信号ターミナル電極は、直接ネジ止めしないため、信号線等の太さによらずネジのサイズを決めることができ、高振動下に必要な固定力を得ることができる。
また、上述した複数の半導体パッケージのそれぞれに対応して、信号端子と信号ターミナル電極のそれぞれが複数設けられ、複数の信号端子は、半導体パッケージの1つの側面から引き出されるとともに、複数の信号ターミナル電極と接続される複数の接続箇所が一直線上に配置され、押付部材は、複数の接続箇所を挟んだ両端がネジによって固定されることが望ましい。
複数の信号端子を半導体パッケージの片側の面から引き出し、一直線上に並べることにより、押付部材の大きさを小さくすることができる。また、複数の信号端子が一直線上に並ぶため、押付部材の両端の2箇所をネジ止めすることで、すべての信号端子を所定の力で押さえることができる。しかも、複数の信号端子と複数の信号ターミナル電極とを接続する場合でも、必要なネジは2本で済み、部品点数の低減および組付工程の簡略化が可能となる。
また、上述した複数の半導体パッケージは、回転子の回転軸を中心とした円弧上に等間隔で配置され、半導体パッケージは、スイッチング素子のオン/オフタイミングを制御する制御回路を備え、信号端子には、円弧上に隣接する2つの半導体パッケージに備わった制御回路を相互に接続する複数の相互接続用端子が含まれ、複数の相互接続用端子は、回転軸を中心とした径方向に並んで配置され、複数の相互接続用端子に対応する複数の信号ターミナル電極は、半導体パッケージに対して立体的に交差することが望ましい。径方向に端子を配置し、立体交差させることにより、端子台の信号ターミナル電極を直線的に配置することができ、信号ターミナル電極の長さを最短にするとともに、部品形状の単純化と材料低減が可能となる。
また、上述した半導体パッケージは、回転子の回転軸に垂直な面に対して傾斜して実装されることが望ましい。これにより、径方向に沿った実装面積を小さくすることができる。一般に、プーリ等が配置される回転軸に沿った向きは、搭載スペースに比較的余裕があることが多いが、径方向に沿った向きには、同じ駆動ベルトを用いて連結される各種の補機が配置されるため搭載スペースに余裕がないことが多い。このような場合に、径方向に沿った実装面積を小さくすることは特に有効となる。
また、上述した電流入出力端子は、信号端子よりも回転子の回転軸に近い内周側に配置され、電流入出力ターミナル電極は、信号ターミナルよりも回転子の回転軸に近い内周側に配置されることが望ましい。電流入出力ターミナル電極を内径側に配置することにより、電流入出力ターミナル電極の長さを短くすることができ、配線抵抗低減と材料削減が可能となる。
また、上述した電流入出力ターミナル電極は1本のバスバーで構成され、この1本のバスバーに複数の半導体パッケージに備わった電流入出力端子が接続されることが望ましい。電流入出力ターミナル電極を1本のバスバーによって構成し、途中に接続箇所を直列に挟まないことにより、配線抵抗を低減することができる。
また、上述した第2の接続手段は、コネクタ構造を有し、信号端子はコネクタオス端子であり、信号ターミナル電極はコネクタメス端子であることが望ましい。コネクタ構造を採用することにより、ネジが緩んだ場合であっても電気的な接続を保つことができ、接続の信頼性を向上させることができる。また、押付部材をネジで固定しているため、通常のコネクタでの接続よりも良好な耐振動性を実現することができる。
また、上述した複数の半導体パッケージのそれぞれに対応して、信号端子と信号ターミナル電極のそれぞれが複数設けられ、端子台は、電流入出力ターミナル電極が含まれる第1の端子台と、信号ターミナル電極が含まれる第2の端子台に分かれており、第2の端子台が押付部材として用いられ、押付部材がネジによって第1の端子台あるいはフレームに固定され、第2の接続手段は、コネクタ構造を有し、信号端子はコネクタオス端子であり、信号ターミナル電極はコネクタメス端子であることが望ましい。コネクタ構造とすることにより、ネジが緩んだ場合であっても電気的な接続を保つことができ、接続の信頼性を向上させることができる。また、押付部材をネジで固定しているため、通常のコネクタでの接続よりも良好な耐振動性を実現することができる。
一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。 整流器モジュールの構成を示す図である。 制御回路の詳細構成を示す図である。 整流器モジュール内部の実装状態を示す平面図である。 図4のV−V線断面図である。 6つの整流器モジュールの実装状態における配置を示す図である。 整流器モジュールの外観形状を示す平面図である。 端子台の概略形状を示す図である。 端子台の周方向断面図である。 押付部材を用いた押圧による接続状態を示す斜視図である。 駆動信号入力に用いられるコネクタの配置を示す図である。 固定子巻線と各整流器モジュールとの接続状態を示す図である。 整流器モジュールと端子台の変形例を示す図である。 リヤフレームの軸方向端面に搭載される端子台の変形例を示す図である。 端子台の周方向断面図である。 押付部材を用いた押圧による接続状態を示す斜視図である。 端子台の周方向断面の他の例を示す図である。 押付部材の周辺構造を示す斜視図である。 電流入出力端子の接続を行う端子台と通信端子等の接続を行う端子台とを分割した端子台の変形例を示す図である。 電流入出力端子の接続を行う端子台と通信端子等の接続を行う端子台とを分割した端子台の変形例を示す図である。 第2の端子台の周方向の部分的な展開図である。 通信端子に対応する第2の端子台の周方向の断面図である。 駆動信号入力端子に対応する第2の端子台の周方向の断面図である。
以下、本発明の車両用回転電機を適用した一実施形態の車両用発電機について、図面を参照しながら説明する。図1は、一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態の車両用発電機1は、2つの固定子巻線2、3、界磁巻線4、2つの整流器モジュール群5、6、発電制御装置7、端子台10を含んで構成されている。2つの整流器モジュール群5、6および端子台10が電力変換器に対応する。
一方の固定子巻線2は、多相巻線(例えばX相巻線、Y相巻線、Z相巻線からなる三相巻線)であって、固定子鉄心(図示せず)に巻装されている。同様に、他方の固定子巻線3は、多相巻線(例えばU相巻線、V相巻線、W相巻線からなる三相巻線)であって、上述した固定子鉄心に、固定子巻線2に対して電気角で30度ずらした位置に巻装されている。本実施形態では、これら2つの固定子巻線2、3と固定子鉄心によって固定子が構成されている。
界磁巻線4は、固定子鉄心の内周側に対向配置された界磁極(図示せず)に巻装されて回転子を構成している。励磁電流を流すことにより、界磁極が磁化される。界磁極が磁化されたときに発生する回転磁界によって固定子巻線2、3が交流電圧を発生する。
一方の整流器モジュール群5は、一方の固定子巻線2に接続されており、全体で三相全波整流回路が構成され、固定子巻線2に誘起される交流電流を直流電流に変換する。この整流器モジュール群5は、固定子巻線2の相数に対応する数(三相巻線の場合には3個)の整流器モジュール5X、5Y、5Zを備えている。整流器モジュール5Xは、固定子巻線2に含まれるX相巻線に接続されている。整流器モジュール5Yは、固定子巻線2に含まれるY相巻線に接続されている。整流器モジュール5Zは、固定子巻線2に含まれるZ相巻線に接続されている。
他方の整流器モジュール群6は、一方の固定子巻線3に接続されており、全体で三相全波整流回路が構成され、固定子巻線3に誘起される交流電流を直流電流に変換する。この整流器モジュール群6は、固定子巻線3の相数に対応する数(三相巻線の場合には3個)の整流器モジュール6U、6V、6Wを備えている。整流器モジュール6Uは、固定子巻線3に含まれるU相巻線に接続されている。整流器モジュール6Vは、固定子巻線3に含まれるV相巻線に接続されている。整流器モジュール6Wは、固定子巻線3に含まれるW相巻線に接続されている。
発電制御装置7は、界磁巻線4に流す励磁電流を制御する励磁制御回路であって、励磁電流を制御することにより車両用発電機1の発電電圧(各整流器モジュールの出力電圧)を制御する。また、発電制御装置7は、通信端子および通信線を介してECU8(外部制御装置)と接続されており、ECU8との間で双方向のシリアル通信(例えば、LIN(Local Interconnect Network)プロトコルを用いたLIN通信)を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。
端子台10は、固定子巻線2と整流器モジュール5X、5Y、5Zとの接続、固定子巻線3と整流器モジュール6U、6V、6Wとの接続、各整流器モジュール5X等の通信線の相互接続、各整流器モジュール5X等の出力端子の相互接続を行うものである。端子台10の具体例については後述する。
本実施形態の車両用発電機1はこのような構成を有しており、次に、整流器モジュール5X等の詳細について説明する。
図2は、整流器モジュール5Xの構成を示す図である。なお、他の整流器モジュール5Y、5Z、6U、6V、6Wも同じ構成を有している。図2に示すように、整流器モジュール5Xは、3つのMOSトランジスタ50、51、52、電流検出素子53、制御回路54を備えている。MOSトランジスタ50は、ソースが固定子巻線2のX相巻線に接続され、ドレインがMOSトランジスタ52を介してバッテリ9の正極端子に接続されたハイサイド側のスイッチング素子である。MOSトランジスタ51は、ドレインがX相巻線に接続され、ソースが電流検出素子53を介してバッテリ9の負極端子(アース)に接続されたローサイド側のスイッチング素子である。
MOSトランジスタ52は、ハイサイド側のMOSトランジスタ50とバッテリ9の正極端子との間に挿入され、ドレインがMOSトランジスタ50のドレイン側に接続されたスイッチング素子であり、バッテリ逆接続時およびロードダンプサージ抑止のための保護用に用いられる。MOSトランジスタ50、51のみが備わった従来構成では、バッテリ9が逆接続されたときに、MOSトランジスタ50、51のボディーダイオードを介して大電流が流れるが、逆接続時にこの保護用のMOSトランジスタ52をオフすることにより、MOSトランジスタ50、51のボディダイオードを介して流れる電流を阻止することができる。また、車両用発電機1に接続されたバッテリ9が外れた場合に固定子巻線2のX相巻線に大きなロードダンプサージが発生するが、このときにMOSトランジスタ52をオフすることにより、車両用発電機1から電気負荷12等に大きなサージ電圧が印加されることを阻止することができる。なお、整流動作のみに着目した場合には、上述したMOSトランジスタ52は省略するようにしてもよい。
ところで、本実施形態では、外部からMOSトランジスタ50等を駆動して整流器モジュール5X等にインバータ動作をさせることにより、車両用発電機1に電動動作を行わせることができる。図1に示す電動制御装置14は、回転センサ15によって検出した回転子の位置に応じて、ハイサイド側のMOSトランジスタ50をオンオフする駆動信号HMと、ローサイド側のMOSトランジスタ51をオンオフする駆動信号LMを各整流器モジュール毎に生成する。例えば、整流器モジュール5Xでは、制御回路54は、入力された駆動信号HMに応じてハイサイド側のMOSトランジスタ50を駆動し、入力された駆動信号LMに応じてローサイド側のMOSトランジスタ51を駆動する。
図3は、制御回路54の詳細構成を示す図である。図3に示すように、制御回路54は、制御部100、電源102、バッテリ電圧検出部110、動作検出部120、130、140、温度検出部150、電流検出部160、ドライバ170、172、174、通信回路180、受信部182、184を備えている。
電源102は、エンジン始動に伴って固定子巻線2のX相巻線に所定の相電圧が発生したときに動作を開始し、制御回路54に含まれる各素子に動作電圧を供給する。この動作自体は、発電制御装置7において従来から行われている動作と同じであり、同じ技術を用いて実現することができる。
ドライバ170は、出力端子(G1)がハイサイド側のMOSトランジスタ50のゲートに接続されており、MOSトランジスタ50をオンオフする駆動信号を生成する。同様に、ドライバ172は、出力端子(G2)がローサイド側のMOSトランジスタ51のゲートに接続されており、MOSトランジスタ51をオンオフする駆動信号を生成する。ドライバ174は、出力端子(G3)が保護用のMOSトランジスタ52のゲートに接続されており、MOSトランジスタ52をオンオフする駆動信号を生成する。
バッテリ電圧検出部110は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器(AD)によって構成されており、バッテリ9の正極端子の電圧に対応するデータを出力する。制御部100は、このデータに基づいてロードダンプなどの高電圧サージの発生を検出する。
動作検出部120は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器(AD)によって構成されており、ハイサイド側のMOSトランジスタ50のソース・ドレイン間電圧(図2、図3のB−C端子間電圧)に対応するデータを出力する。制御部100は、このデータに基づいて、ドライバ170の駆動状態に対応するMOSトランジスタ50の動作状態を監視し、適宜MOSトランジスタ50の制御や故障検知を行う。
動作検出部130は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器(AD)によって構成されており、ローサイド側のMOSトランジスタ51のソース・ドレイン間電圧(図2、図3のC−D端子間電圧)に対応するデータを出力する。制御部100は、このデータに基づいて、ドライバ172の駆動状態に対応するMOSトランジスタ51の動作状態を監視し、適宜MOSトランジスタ51の制御や故障検知を行う。
動作検出部140は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器(AD)によって構成されており、保護用に用いられるMOSトランジスタ52のソース・ドレイン間電圧(図2、図3のA−B端子間電圧)に対応するデータを出力する。制御部100は、このデータに基づいて、ドライバ174の駆動状態に対応するMOSトランジスタ52の動作状態を監視し、適宜MOSトランジスタ52の制御や故障検知を行う。
温度検出部150は、定電流源、ダイオード、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器(AD)によって構成されており、温度によって変化するダイオードの順方向電圧降下に対応するデータを出力する。制御部100は、このデータに基づいて整流器モジュール5Xの温度を検出する。
電流検出部160は、差動増幅器とその出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル変換器(AD)によって構成されており、電流検出素子53(例えば抵抗)の両端電圧(図2、図3のD−GND端子間電圧)に対応するデータを出力する。制御部100は、このデータに基づいてローサイド側のMOSトランジスタ51のソース・ドレイン間に流れる電流を検出する。
受信部182は、電動制御装置14から入力される駆動信号HMを受信する。この駆動信号HMは、制御部100からドライバ170に送られ、MOSトランジスタ50が駆動される。
受信部184は、電動制御装置14から入力される駆動信号LMを受信する。この駆動信号LMは、制御部100からドライバ172に送られ、MOSトランジスタ51が駆動される。
通信回路180は、発電制御装置7と同様の通信手段であって、発電制御装置7とECU8の間を接続する通信端子および通信線に共通に接続されており、ECU8との間で双方向のシリアル通信(例えば、LINプロトコルを用いたLIN通信)を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。
例えば、通信頻度として、1通信あたり20ms程度でECU8との間で通信メッセージを送受信しているような場合を考えると、1秒間に50回の通信を行うことができる。したがって、本実施形態において6個の通信モジュール5X等を追加してそのための通信メッセージの送受信が増加しても、発電制御装置7とECU8との間で発電状態を含む通信メッセージやダイアグ情報等の通信メッセージの送受信を行う発電制御に支障はないといえる。
次に、整流器モジュール5Xの構造および配置について説明する。なお、他の整流器モジュール5Y、5Z、6U、6V、6Wも同じ構造および配置を有しており、詳細な説明は省略する。
図4は、整流器モジュール5X内部の実装状態を示す平面図である。図5は、図4のV−V線断面図である。これらの図において用いられている各端子に付された符号(X、BATT、GND、L1、L2、L3、HM、LM)は、図2において同じ符号が付された各端子に対応している。
図4および図5において、ハイサイド側のMOSトランジスタ50、ローサイド側のMOSトランジスタ51、保護用のMOSトランジスタ52のそれぞれは、同一の製造方法で同一のサイズに形成されている。また、ドレインを共通にするMOSトランジスタ50とMOSトランジスタ52はリードフレームの同一のアイランドaに搭載され、MOSトランジスタ51はアイランドbに搭載されている。これら2つのアイランドa、bの面積は、搭載するMOSトランジスタの数に比例する面積比となるように、すなわち、アイランドaの面積がアイランドbの面積の2倍になるように設定されている。さらに、MOSトランジスタ50、51、52が搭載されたアイランドa、bは、全て断面方向に同一の放熱構造(ヒートシンクの配置等)を備えており、整流器モジュール5Xは、構成する部品全体をモールド樹脂で封止する半導体パッケージとして形成されている。
図6は、6つの整流器モジュール5X、5Y、5Z、6U、6V、6Wの実装状態における配置を示す図である。図7は、整流器モジュール5Xの外観形状を示す平面図である。
図6に示すように、6つの整流器モジュール5X、5Y、5Z、6U、6V、6Wは、車両用発電機1のリヤフレーム60の軸方向端面上に、発電制御装置7やブラシ装置20が搭載された領域を除いて回転子の回転軸を中心とした円弧上に均等(等間隔)に配置されている。なお、図6では、整流器モジュール5X、5Y、5Z、6U、6V、6Wの順番に配置されている場合を図示したが、固定子巻線2、3の引出線の位置等に応じてこの順番は適宜変更される。6つの整流器モジュール5X、5Y、5Z、6U、6V、6Wを円環状ではなく円弧上に配置することにより、各整流器モジュールの実装領域として用いなかった残りの領域に発電制御装置7等の他の部品を配置することが可能になる。
図4および図7に示すように、整流器モジュール5X等のそれぞれは、平面形状が長方形を有しており、パッケージ内周側側面30とパッケージ外周側側面32のそれぞれに固定端子40、42が設けられている。これらの固定端子40、42は、図2に示すGND端子を兼ねており、リヤフレーム60(図6)にネジ(このネジが着脱可能な固定手段に対応する)によって締め付けることにより、半導体パッケージの固定とボディアースとしてのリヤフレーム60への電気的接続が同時に行われる。なお、リヤフレーム60に直接整流器モジュール5X等を取り付ける代わりに、リヤフレーム60に電気的に接続されてMOSトランジスタ50等の冷却を行う冷却用部材(放熱フィン)に固定端子40、42をネジ締めするようにしてもよい。
また、2つのパッケージ周方向側面34、36の内の一方のパッケージ周方向側面36からは、通信端子46(L1、L2、L3)と駆動信号入力端子47(HM、LM)が引き出され、パッケージ内周側側面30には出力端子45が設けられている。この出力端子45は、バスバー(後述する)にネジによって締め付けることによって接続される。3本の通信端子46と2本の駆動信号入力端子47は、回転子の回転軸を中心とした径方向に並んで配置されている。これらの通信端子46および駆動信号入力端子47は、出力端子45よりも細くなっている。また、パッケージ外周側側面32に設けられたステータ端子48は、固定子巻線2に含まれるX相巻線から引き出された引出線にネジによって締め付けることによって接続される。上述した通信端子46、駆動信号入力端子47が信号端子に、出力端子45が電流入出力端子にそれぞれ対応する。また、通信端子46が相互接続端子に対応する。
上述した通信端子46は、6つの整流器モジュール5X、5Y、5Z、6U、6V、6Wにおいて相互に接続されている。同様に、出力端子45は、6つの整流器モジュール5X、5Y、5Z、6U、6V、6Wにおいて相互に接続されている。これらの相互接続は、端子台10を用いて行われる。次に、端子台10の詳細について説明する。
図8は、端子台10の概略形状を示す図であり、各整流器モジュール5Xを覆う位置に端子台10が実装された状態が示されている。実際には、さらに端子台10や発電制御装置7、ブラシ装置20の全体を覆うようにリアカバーが取り付けられるが、このリアカバーは図8では省略されている。
図8に示すように、端子台10は、周方向に隣接する2つの整流器モジュールから引き出された3本の通信端子46を相互に接続する複数本の相互接続用ターミナル電極200と、各整流器モジュールから引き出された2本の駆動信号入力端子47に接続された複数本の駆動信号入力ターミナル電極202と、各整流器モジュール5X等から引き出された出力端子45を相互接続する電流入出力ターミナル電極210とを備えている。電流入出力ターミナル電極210は、1本のバスバーで構成されている。相互接続用ターミナル電極200、駆動信号入力ターミナル電極202が信号ターミナル電極に対応する。
端子台10は、これらの相互接続用ターミナル電極200と駆動信号入力ターミナル電極202と電流入出力ターミナル電極210を用いてインサート成型することにより、絶縁樹脂によって形成されている。なお、図8では、相互接続用ターミナル電極200と駆動信号入力ターミナル電極202と電流入出力ターミナル電極210については、形状をわかりやすくするために実線で示したが、通信端子46や駆動信号入力端子47、出力端子45と接合される箇所を含む一部の領域以外は、樹脂材料で形成された端子台10内に埋設されている。
また、相互接続用ターミナル電極200は、隣接する2つの整流器モジュール間隔に対応する長さを有する3本を1組として合計5組(合計15本)が用いられている。このように同じ形状の相互接続用ターミナル電極200を5組用いて部品の共用化を図ることにより、部品点数の低減によるコスト低減が可能となる。各整流器モジュール5X等には径方向に並んだ3本の通信端子46が備わっているが、径方向位置が同じ通信端子46同士が相互に接続されている。
図9は、端子台10の周方向断面図であり、通信端子46の先端近傍が示されている。図9に示すように、各整流器モジュールから引き出された通信端子46は、先端部分が回転子の回転軸と平行な向きに折り曲げられて延在しており、周方向に沿った両側から、立体的に交差するように設けられた相互接続用ターミナル電極200で挟み込んで押圧して接触させた状態でこれらの間を電気的に接続している。この押圧は、押付部材300によって行われる。この押付部材300とこの押付部材300を取り付けるために用いられるネジが、着脱可能な第2の接続手段に対応する。
図10は、押付部材300を用いた押圧による接続状態を示す斜視図である。一直線上に並んだ3本の通信端子46のそれぞれは、その両側に2本の相互接続用ターミナル電極200が配置されており、これら2本の相互接続用ターミナル電極200で通信端子46を挟み込んだ状態で押付部材300によって一方向から押圧される。また、3本の通信端子46とともに一直線上に配置された2本の駆動信号入力端子47のそれぞれは、その片側に1本の駆動信号入力ターミナル電極202が配置されており、駆動信号入力端子47と駆動信号入力ターミナル電極202とを接触させた状態で押付部材300によって一方向から押圧される。押付部材300は、3本の通信端子46と2本の駆動信号入力端子47に対応する合計5箇所の接続箇所を挟んだ両端がネジ302によって端子台10に締め付け固定される。
また、図10に示すように、2本の駆動信号入力端子47に対応する2本の駆動信号入力ターミナル電極202は、その近傍で折り曲げられて先端がコネクタ310の電極として用いられる。このコネクタ310は、端子台10と一体形成されたものであって、電動制御装置14から各整流器モジュールに2種類の駆動信号HM、LMを入力するための信号線を接続するためのものであり、図11に示すように、対応する整流器モジュールの近傍に配置されている。
また、上述したように、電流入出力ターミナル電極210は、1本のバスバーで構成されている。このバスバーによって構成された電流入出力ターミナル電極210は、相互接続用ターミナル電極200や駆動信号入力ターミナル電極202よりも太く、かつ回転子の回転軸を中心として内周側に配置されている。このバスバーに各整流器モジュール5X等の出力端子45がネジによる締め付けによって電気的に接続されている。出力端子45をバスバーに接続するために用いられるネジが、着脱可能な第1の接続手段に対応する。電流入出力ターミナル電極210を1本のバスバーによって構成し、途中に接続箇所を直列に挟まないことにより、配線抵抗を低減することができる。
内周側の電流入出力ターミナル電極210とこれに接続される出力端子45を幅が広い(太い)導体を用いて形成することにより、相互接続する際の円周方向の長さを短くし、大電流が流れる導体の抵抗値を下げている。反対に、大電流が流れない通信端子46や相互接続用ターミナル電極200については、幅を狭く(細く)することにより、省スペースと材料削減を実現している。
また、本実施形態では、各整流器モジュールは、ネジ締めによる固定あるいは電気的な接続を行うとともに、押付部材300を用いて電気的な接続を行うことにより、MOSトランジスタ50等の故障時の交換を容易にしている。このため、固定子巻線2、3との電気的な接続もネジ締めによって行われている。図12は、固定子巻線2、3と各整流器モジュールとの接続状態を示す図である。固定子巻線2、3の各相巻線からは、端部に貫通孔(あるいはネジ穴)を有する端子が取り付けられた引出線が引き出されており、この端子が各整流器モジュールのステータ端子48にネジ締めにより電気的に接続される。なお、図12に示した例は、端子台10を介さずに固定子巻線2、3と各整流器モジュールを接続したが、端子台10にこれらの間の接続用のターミナル電極を設け、このターミナル電極と、固定子巻線2、3の引出線の端子やステータ端子48との接続をネジ締めによって行うようにしてもよい。
ところで、リヤフレーム60の軸方向端面に配置した6つの整流器モジュール5X、5Y、5Z、6U、6V、6Wは、図13に示すように、リヤフレーム60の軸方向端面(回転軸に垂直な面)に対して半導体パッケージの主面(例えばヒートシンクが配置された下面)が所定の傾斜をなすように配置してもよい。これにより、回転軸を中心とした径方向に沿った実装面積を小さくすることができる。一般に、プーリ等が配置される回転軸に沿った向きは、搭載スペースに比較的余裕があることが多いが、径方向に沿った向きには、同じ駆動ベルトを用いて連結される各種の補機が配置されるため搭載スペースに余裕がないことが多い。このような場合に、径方向に沿った実装面積を小さくすることは特に有効となる。
このように、本実施形態の車両用発電機1では、整流器モジュール5X等の固定と電気的な接続の両方をネジあるいは押付部材300を用いた着脱可能な手段で行うことにより、MOSトランジスタ50等のスイッチング素子が故障した場合にこのスイッチング素子が含まれる整流器モジュール5X等の交換を容易に行うことができる。
また、付勢部材や弾性部材を使わずに押付部材300の取り付けにネジを使うことで、高温、高振動の環境下でも、固定力が低下することなく固定や接続を行うことができる。また、溶接を用いないため、MOSトランジスタ50等に電気的なストレスの印加がなく、組み付け時にMOSトランジスタ50等が故障することを防止することができる。また、通信端子46や相互接続用ターミナル電極200は、出力端子45および電流入出力ターミナル電極210よりも通電電流が少ないため、細くすることができ、これにより、整流器モジュール5X等のサイズを小さくすることができる。その際、通信端子46と相互接続用ターミナル電極200は、直接ネジ止めしないため、信号線等の太さによらずネジのサイズを決めることができ、すなわち、太いものを用いることができるため、高振動下に必要な固定力を得ることができる。
また、3本の通信端子46と2本の駆動信号入力端子47を整流器モジュール5X等の片側の面から引き出し、一直線上に並べることにより、押付部材300の大きさを小さくすることができる。また、複数の通信端子46等が一直線上に並ぶため、押付部材300の両端の2箇所をネジ止めすることで、すべての端子を所定の力で押さえることができる。しかも、複数の通信端子46等と複数の相互接続用ターミナル電極200等とを接続する場合でも、必要なネジは2本で済み、部品点数の低減および組付工程の簡略化が可能となる。
また、径方向に通信端子46と駆動信号入力端子47を配置し、相互接続用ターミナル電極200や駆動信号入力ターミナル電極202と立体交差させることにより、端子台10において相互接続用ターミナル電極200を直線的に配置することができ、相互接続用ターミナル電極200の長さを最短にするとともに、部品形状の単純化と材料低減が可能となる。
(端子台の変形例1)
図8等に示した例では、リヤフレーム60の軸方向端面に各整流器モジュール5X等を搭載し、その上に端子台10を配置したが、リヤフレーム60の軸方向端面に端子台を配置し、その上に各整流器モジュール5X等を配置するようにしてもよい。
図14は、リヤフレーム60の軸方向端面に搭載される端子台の変形例を示す図である。図14に示す端子台10Aは、整流器モジュール5X等のヒートシンクに対応する貫通穴220(6箇所)を有する。リヤフレーム60は、各貫通穴220による隙間を埋めるように、軸方向端面が部分的に突起した突起部60Aを有している。整流器モジュール5X等を端子台10Aに取り付けた際(固定端子40、42を端子台10Aに取り付ける場合、端子台10A内にグランド電極を設け、このグランド電極に固定端子40、42をネジ締めする必要がある。または端子台10のネジ部に貫通穴が設けられている場合、リヤフレーム60のネジ固定部分を貫通穴による隙間を埋めるように突起させる必要がある。)に、ヒートシンクが突起部60Aの端面に当接するようになっており、整流器モジュール5X等の冷却が行われる。なお、リヤフレーム60の軸方向端面に冷却用部材(放熱フィン)が配置される場合には、この冷却用部材に突起部60Aが形成される。
図15は、端子台10Aの周方向断面図であり、通信端子46の先端近傍が示されている。また、図16は押付部材を用いた押圧による接続状態を示す斜視図である。図15および図16に示すように、整流器モジュール5X等から引き出された通信端子46および駆動信号入力端子47は、水平方向(リヤフレーム60の軸方向端面と平行な向き)に延出しており、これらと平行になるように端部の形状および向きが設定された相互接続用ターミナル電極230と駆動信号入力ターミナル電極232が端子台10Aに設けられている。この変形例では、相互接続用ターミナル電極230は、周方向に複数に分割されておらず、全体が一続きとなっている。なお、駆動信号入力ターミナル電極232については、対応する整流器モジュール5X等と駆動信号HM、LM入力用のコネクタ(図示せず、図11に示したコネクタ310と同様のコネクタが端子台10Aにも設けられている)と接続できればよいため、全体が一続きにはなっていない。
押付部材300Aは、通信端子46と相互接続用ターミナル電極230を重ねるとともに、駆動信号入力端子47と駆動信号入力ターミナル電極232を重ねた状態で、一方向から押圧する。この押付部材300Aは、3本の通信端子46と2本の駆動信号入力端子47に対応する合計5箇所の接続箇所を挟んだ両端がネジ302によって端子台10Aに締め付け固定される。
図17は、端子台の周方向断面の他の例を示す図である。また、図18は押付部材の周辺構造を示す斜視図である。図17および図18に示す端子台10Bは、図15および頭16に示した端子台10Aに対して、相互接続用ターミナル電極240、駆動信号入力ターミナル電極242の先端形状が変更されている。相互接続用ターミナル電極240は、整流器モジュール5X等から引き出された通信端子46の先端形状に対応したコネクタ形状を有している。具体的には、相互接続用ターミナル電極240の先端は、断面コの字型のコネクタメス端子を形成しており、このコネクタメス端子にL字形状に折れ曲がった通信端子46の先端部分(この先端部分がコネクタオス端子に対応する)を挿入することで、これらの間の電気的な接続が行われる。駆動信号入力ターミナル電極242と駆動信号入力端子47についても同様である。押付部材300Bは、3本の通信端子46と2本の駆動信号入力端子47の全体を、これらの挿入方向に押圧した状態で両端をネジ302によって締め付け固定する。
このようなコネクタ構造とすることにより、ネジ302が緩んだ場合であっても電気的な接続を保つことができ、接続の信頼性を向上させることができる。また、押付部材300Bをネジ302で固定しているため、通常のコネクタでの接続よりも良好な耐振動性を実現することができる。
(端子台の変形例2)
図19および図20は、電流入出力端子210の接続を行う端子台と通信端子46等の接続を行う端子台とを分割した端子台の変形例を示す図である。図19には、電流入出力ターミナル電極210が含まれる第1の端子台10−1の概略的な形状が示されている。また、図20には通信端子46および駆動信号入力端子47が含まれる第2の端子台10−2の概略的な形状が示されている。また、図21は第2の端子台10−2の周方向の部分的な展開図である。図22は、通信端子46に対応する第2の端子台10−2の周方向の断面図である。図23は、駆動信号入力端子47に対応する第2の端子台10−2の周方向の断面図である。
図19に示すように、第1の端子台10−1は、バスバーにより構成される電流入出力ターミナル電極210を含んでおり、各整流器モジュール5X等の出力端子45がネジによって締め付け固定され、電気的な接続が行われる。なお、整流器モジュール5X等のステータ端子48については、図12を用いて説明した場合と同じであり、第1の端子台10−1を介さずに固定子巻線2、3と各整流器モジュールのステータ端子48とをネジ締めによって接続する場合と、第1の端子台10−1にこれらの間の接続用のターミナル電極を設け、このターミナル電極と、固定子巻線2、3の引出線の端子やステータ端子48との接続をネジ締めによって行う場合の両方が考えられる。
また、第2の端子台10−2には、全体が一続きになった相互接続用ターミナル電極250と、各整流器モジュール毎に設けられた駆動信号入力ターミナル電極252とが含まれている。これらのターミナル電極の先端は、断面コの字型のコネクタメス端子を形成しており、このコネクタメス端子にL字形状に折れ曲がった通信端子46や駆動信号入力端子47の先端部分を挿入することで、これらの間の電気的な接続が行われる。また、駆動信号入力ターミナル電極252の他方端側には駆動信号HM、LM入力用のコネクタ310Aが設けられている。
第2の端子台10−2は、通信端子46等に相互接続用ターミナル電極250等を押圧する押付部材として用いられる。この押圧によって通信端子46等に相互接続用ターミナル電極250等との電気的な接続を行った状態で、第2の端子台10−2の複数箇所に設けられたネジ穴にネジ(図示せず)を通して第1の端子台10−1(あるいはリヤフレーム60)に締め付け固定を行っている。
コネクタ構造とすることにより、ネジが緩んだ場合であっても電気的な接続を保つことができ、接続の信頼性を向上させることができる。また、押付部材を兼ねる第2の端子台10−2をネジで固定しているため、通常のコネクタでの接続よりも良好な耐振動性を実現することができる。
また、図22および図23に示すように、径方向に通信端子46や駆動信号入力端子47を配置し、第2の端子台10−2側のターミナル電極と立体交差させることにより、第2の端子台10−2の相互接続用ターミナル電極250を各整流器モジュール間で直線的に配置することができ、相互接続用ターミナル電極250の長さを最短にするとともに、部品形状の単純化と材料低減が可能となる。なお、これらの第1および第2の端子台10−1、10−2は、図13に示した例と同様に、各整流器モジュール5X等とともに傾斜して配置するようにしてもよい。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、2つの固定子巻線2、3と2つの整流器モジュール群5、6を備えるようにしたが、一方の固定子巻線2と一方の整流器モジュール群5を備える車両用発電機についても本発明を適用することができる。また、上述した実施形態では、Y結線された2つの固定子巻線2、3を備えた車両用発電機1について説明したが、Δ結線された固定子巻線を備える車両用発電機についても本発明を適用することができる。
また、上述した実施形態では、各整流器モジュール5X等を用いて発電動作と電動動作の両方を行う場合について説明したが、発電動作のみを行うようにしてもよい。この場合には、図1に示した電動制御装置14、回転センサ15や、電動動作に必要な構成(駆動信号入力端子47、駆動信号入力ターミナル電極202、受信部182、184等)を省略することができる。
また、上述した実施形態では、2つの整流器モジュール群5、6のそれぞれに3つの整流器モジュールを含ませるようにしたが、整流器モジュールの数は3以外であってもよい。例えば、5相や7相の固定子巻線に対応して整流器モジュールが5あるいは7になった場合であっても、これらを円弧上に均等配置すればよい。また、上述した実施形態では、各整流器モジュール5X等のそれぞれは、平面形状が長方形形状の場合について説明したが、台形形状を有する場合でもよい。
上述したように、本発明によれば、整流器モジュール(半導体パッケージ)の固定と、半導体パッケージの端子と端子台のターミナル電極との接続の両方を着脱可能に行うことにより、MOSトランジスタ50等が故障した場合にこのMOSトランジスタ50等が含まれる整流器モジュールの交換を容易に行うことができる。
1 車両用発電機
2、3 固定子巻線
4 界磁巻線
5、6 整流器モジュール群
5X、5Y、5Z、6U、6V、6W 整流器モジュール
7 発電制御装置
8 ECU
9 バッテリ
10 端子台
12 電気負荷
14 電動制御装置
15 回転センサ
20 ブラシ装置
40、42 固定端子
45 出力端子
46 通信端子
47 駆動信号入力端子
48 ステータ端子
50、51、52 MOSトランジスタ
60 リヤフレーム
200 相互接続用ターミナル電極
202 駆動信号入力ターミナル電極
210 電流入出力ターミナル電極

Claims (13)

  1. 界磁巻線を有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子と、前記固定子に備わった固定子巻線に誘起される交流電流を直流電流に変換してバッテリに供給、または、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換して前記固定子巻線に供給する電力変換器とを備える車両用回転電機において、
    前記電力変換器は、それぞれがスイッチング素子を有する複数の半導体パッケージと、前記スイッチング素子と前記固定子巻線とを接続する端子台とを含んで構成され、
    前記半導体パッケージは、前記スイッチング素子と前記固定子巻線との間で流れる電流が流れる電流入出力端子と、電気信号を入出力する信号端子とを有し、
    前記端子台は、前記電流入出力端子に接続される電流入出力ターミナル電極と、前記信号端子に接続される信号ターミナル電極とを有し、
    前記半導体パッケージは、着脱可能な固定手段によって、前記固定子を保持するフレーム、このフレームに電気的に接続されて前記スイッチング素子の冷却を行う冷却用部材、前記端子台のいずれかに固定され、
    前記電流入出力端子と前記電流入出力ターミナル電極とが、着脱可能な第1の接続手段によって接続され、
    前記信号端子と前記信号ターミナル電極とが、着脱可能な第2の接続手段によって接続されることを特徴とする車両用回転電機。
  2. 請求項1において、
    前記信号端子は、前記電流入出力端子よりも細く、
    前記信号ターミナル電極は、前記電流入出力ターミナル電極よりも細く、
    前記固定手段および前記第1の接続手段のそれぞれは、ネジであり、
    前記第2の接続手段は、ネジによって取り付けられる押付部材であることを特徴とする車両用回転電機。
  3. 請求項2において、
    複数の前記半導体パッケージのそれぞれに対応して、前記信号端子と前記信号ターミナル電極のそれぞれが複数設けられ、
    複数の前記信号端子は、前記半導体パッケージの1つの側面から引き出されるとともに、複数の前記信号ターミナル電極と接続される複数の接続箇所が一直線上に配置され、
    前記押付部材は、前記複数の接続箇所を挟んだ両端がネジによって固定されることを特徴とする車両用回転電機。
  4. 請求項3において、
    前記複数の半導体パッケージは、前記回転子の回転軸を中心とした円弧上に等間隔で配置され、
    前記半導体パッケージは、前記スイッチング素子のオン/オフタイミングを制御する制御回路を備え、
    前記信号端子には、円弧上に隣接する2つの前記半導体パッケージに備わった前記制御回路を相互に接続する複数の相互接続用端子が含まれ、
    前記複数の相互接続用端子は、前記回転軸を中心とした径方向に並んで配置され、
    前記複数の相互接続用端子に対応する複数の前記信号ターミナル電極は、前記半導体パッケージに対して立体的に交差することを特徴とする車両用回転電機。
  5. 請求項4において、
    前記半導体パッケージは、前記回転子の回転軸に垂直な面に対して傾斜して実装されることを特徴とする車両用回転電機。
  6. 請求項1〜5のいずれかにおいて、
    前記電流入出力端子は、前記信号端子よりも前記回転子の回転軸に近い内周側に配置され、
    前記電流入出力ターミナル電極は、前記信号ターミナルよりも前記回転子の回転軸に近い内周側に配置されることを特徴とする車両用回転電機。
  7. 請求項6において、
    前記電流入出力ターミナル電極は1本のバスバーで構成され、この1本のバスバーに複数の前記半導体パッケージに備わった前記電流入出力端子が接続されることを特徴とする車両用回転電機。
  8. 請求項1〜7のいずれかにおいて、
    前記第2の接続手段は、コネクタ構造を有し、
    前記信号端子はコネクタオス端子であり、前記信号ターミナル電極はコネクタメス端子であることを特徴とする車両用回転電機。
  9. 請求項2において、
    複数の前記半導体パッケージのそれぞれに対応して、前記信号端子と前記信号ターミナル電極のそれぞれが複数設けられ、
    前記端子台は、前記電流入出力ターミナル電極が含まれる第1の端子台と、前記信号ターミナル電極が含まれる第2の端子台に分かれており、
    前記第2の端子台が前記押付部材として用いられ、
    前記押付部材がネジによって前記第1の端子台あるいは前記フレームに固定され、
    前記第2の接続手段は、コネクタ構造を有し、
    前記信号端子はコネクタオス端子であり、前記信号ターミナル電極はコネクタメス端子であることを特徴とする車両用回転電機。
  10. 請求項9において、
    前記複数の半導体パッケージは、前記回転子の回転軸を中心とした円弧上に等間隔で配置され、
    前記半導体パッケージは、前記スイッチング素子のオン/オフタイミングを制御する制御回路を備え、
    前記信号端子には、円弧上に隣接する2つの前記半導体パッケージに備わった前記制御回路を相互に接続する複数の相互接続用端子が含まれ、
    前記複数の相互接続用端子は、前記回転軸を中心とした径方向に並んで配置され、
    前記複数の相互接続用端子に対応する複数の前記信号ターミナル電極は、前記半導体パッケージに対して立体的に交差することを特徴とする車両用回転電機。
  11. 請求項10において、
    前記半導体パッケージは、前記回転子の回転軸に垂直な面に対して傾斜して実装されることを特徴とする車両用回転電機。
  12. 請求項9〜11のいずれかにおいて、
    前記電流入出力端子は、前記信号端子よりも前記回転子の回転軸に近い内周側に配置され、
    前記電流入出力ターミナル電極は、前記信号ターミナルよりも前記回転子の回転軸に近い内周側に配置されることを特徴とする車両用回転電機。
  13. 請求項12において、
    前記電流入出力ターミナル電極は1本のバスバーで構成され、この1本のバスバーに複数の前記半導体パッケージに備わった前記電流入出力端子が接続されることを特徴とする車両用回転電機。
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