JP5528505B2

JP5528505B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5528505B2
Application number: JP2012134854A
Authority: JP
Inventors: 直秀前田; 暢彦藤田; 政紀加藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: US9166460B2; US20130334934A1; FR2992115A1; JP2013258879A; FR2992115B1

Description

本発明は、回転電機に関するものである。

従来より、交流回転電機として、電機子巻線を持つ固定子に電流を通電するスイッチング素子を備えたパワーアセンブリと、パワーアセンブリを制御する制御回路を備えた制御アセンブリと、回転子の回転状態を検出する回転センサとが搭載されたものがある。

例えば、特許文献１に開示の回転電機は、スイッチング回路を持つパワーブロックと、スイッチング回路を制御するための制御回路を含む制御基板と、制御基板を収容するケースと、スリップリングよりもさらにリヤ側に設けられた回転センサとを備えている。そして、制御基板を収容するケースの剛性を高めるため固定用部材を当該ケースに設け、制御基板とリヤブラケットとをそれぞれ固定用部材に締結している。これにより、固定用部材でケースの剛性を上げ、制御回路部の耐振性を高めることが企図されている。

また、特許文献２に開示の電動パワーステアリング用モータ装置においては、パワー素子と制御回路とをケースに入れて制御回路部を構成し、その制御回路部をモータ本体の外周に取り付け、ロータの回転センサをハウジング内部に固定し、回転センサの取付位置を電気的に補正する補正手段を設けることが提案されている。回転センサをハウジング内部に固定することで、輸送時の破損を防止するとともに、内部に配置することで困難になった回転センサの位置調整は、電気的に行うようにしている。

特開２００８−７２７７６号公報特開２００４−１２９３６２号公報

ところで、回転電機においては、回転センサの精度を如何にして向上させるかという課題と、電気部品を如何にして効率よく冷却させるかという課題とがある。これらに関し、上述した特許文献１に開示の構成では、回転センサは、パワーブロックやスリップリングよりもさらにリヤ側に設けられ、回転センサの精度を如何にして向上させるかという課題には対応していない。また、前述したように特許文献１に開示の構成は、制御回路部の耐振性を高めることは企図されているものの、パワーブロックの冷却効率を問題とした構成ではない。

また、上述した特許文献２に開示の構成では、制御回路とパワー素子とを一つの制御回路部として、モータの外周に配置しているが、かかる構成は、電動パワーステアリング用モータ装置を前提とした構成である。電動パワーステアリング用モータ装置は、ドライバがハンドルを切るときにトルクをアシストする製品であり、モータの回転子は低速でしか回転しないか、またはハンドルを切らないと動作しないため、回転子にファンをつけて冷却風を発生させることができない。すなわち、特許文献２に開示の構成は、このような製品に使用される前提の構造である。このため、車両用発電機等の常時使用される機器に、特許文献２の構造を採用する場合、冷却性能が不足することが懸念される。また、回転子にファンをつけて冷却風を発生させることを前提としないため、ファンによるパワー素子の冷却効率を問題とした構成ではない。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、回転センサの精度向上と電気部品の冷却性向上との両立を図ることができる内部レイアウトを備えた回転電機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の回転電機は、フロントハウジング及びリヤハウジングと、電機子巻線を有し、前記フロントハウジング及びリヤハウジングに対して一体的に固定された固定子と、回転軸となるシャフト及び界磁巻線を有し、前記固定子に対面して配置された回転子と、前記フロントハウジング及びリヤハウジングに対して一体的に固定され、前記回転子を回転自在に保持する前部軸受及び後部軸受と、前記シャフトに対して一体的に固定され、前記界磁巻線に界磁電流を供給するためのスリップリングと、前記固定子への通電を行うスイッチング素子及びヒートシンクを有するパワーアセンブリと、前記スイッチング素子の制御を行う制御回路を有する制御アセンブリと、前記シャフトに対して一体的に固定されたセンサロータ及び前記リヤハウジングに対して一体的に固定された回転検出部、を有する回転センサと、前記スリップリングに電流を供給するためのブラシを保持するブラシホルダとを備え、前記スイッチング素子の搭載面及び前記制御回路の制御素子の搭載面が共に、前記回転軸と平行になるように配置されており、前記回転センサは、前記後部軸受と前記スリップリングとの間に配置されている。

本発明によれば、回転センサの精度向上と電気部品の冷却性向上との両立を図ることができる内部レイアウトを具備することができる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の構造を示す断面図である。実施の形態１に係る回転電機の電気回路図である。実施の形態１に係る回転電機のリヤハウジング外側を示す図である。実施の形態２に関する、図１と同態様の図である。実施の形態３に関する、図３と同態様の図である。

以下、本発明に係る回転電機の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。また、以下の実施の形態は、電動機として使用することで、接続されたエンジンの再始動を行い、発電機として使用することで、車両機器への電力供給やバッテリへの充電を行うことができる回転電機の例として説明する。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る回転電機の構造を示す断面図であり、図２は、回転電機の電気回路図であり、図３は、回転電機のリヤハウジング外側を、カバーを外した状態で示す図である。

図１において、回転電機１は、フロントハウジング７及びリヤハウジング８の２種類のハウジングと、回転子４と、固定子６とを備える。回転子４は、界磁巻線２と、その界磁巻線２を覆うようにして当該界磁巻線２を保持する界磁鉄心３と、回転軸となるシャフト４ａとを含む。かかる回転子４は、前後一対の軸受としてのフロントベアリング（前部軸受）２２及びリヤベアリング（後部軸受）２３を介してフロントハウジング７及びリヤハウジング８に回転自在に保持されている。

固定子６は、電機子巻線５を有しており、回転子４の外周側に位置するようにフロントハウジング７及びリヤハウジング８に固定されている。回転子４の片側端部には、図示しない内燃機関と双方向にトルクを授受するためにプーリ１２が取り付けられており、ベルトを介して内燃機関と接続されている。なお、本明細書及び請求の範囲の記載は、プーリ側をフロント側、反プーリ側をリヤ側として記述する。

回転子４は、界磁電流を供給するためのスリップリング１３を持ち、ブラシホルダ１４からブラシを介して界磁電流の供給を受ける。界磁電流は、電流値として要求される発生トルクや発電量を出力できるように後述する界磁回路において調整される。

回転電機１には、制御アセンブリ１０と、パワーアセンブリ１８とが搭載されている。制御アセンブリ１０には、制御回路モジュール２５と、界磁モジュール１１とが含まれる。

界磁回路１１ａは、冷却用のヒートシンク１１ｂ及び各種配線を備えたケースに一体化され、界磁モジュール１１として一まとまりにパッケージングされ、回転電機１に搭載される。また、回転子４の界磁鉄心の端面それぞれには、冷却風を発生させるためのファン１９，２０が取り付けられている。

制御回路モジュール２５は、界磁回路１１ａやスイッチング素子を制御するものであり、各種部品が搭載されている制御基板２５ａと、その制御基板を保護するケースとを有している。制御回路モジュール２５のケースには、界磁モジュール１１やパワーモジュール９と接続するための信号配線やパワー配線と接続するための端子を備えている。また、制御回路モジュール２５は、外部コントローラ（図示せず）と接続するためのコネクタを備えている。

パワーアセンブリ１８は、パワーモジュール９と、パワーモジュール９の冷却のためのヒートシンク１７とを含んでいる。パワーモジュール９は、駆動時の電機子電流の供給及び発電時の電機子電流の整流を行うためのスイッチング素子を周辺回路とともにまとめたものである。パワーモジュール９は、パワーアセンブリ１８のケースによって保護されており、パワーアセンブリ１８のケースには、スイッチング素子の制御のための信号配線やパワー配線２７（図３参照）、固定子６と接続される端子等が設けられている。

回転電機１のリヤ側には、パワーアセンブリ１８や制御アセンブリ１０等を保護すべくこれらを覆うようなカバー２１が取り付けられている。

次に、本実施の形態１に係る回転電機の動作を説明する。電動機として動作する場合には、制御アセンブリ１０の制御回路モジュール２５から界磁モジュール１１に界磁電流を流すように指示を行い、それにより、界磁巻線２が励磁される。次に、パワーアセンブリ１８に三相交流波形を流すことで回転子４が回転し、トルクを出力する。

一方、発電機として動作する場合は、外部コントローラから必要な発電電流の指示を受け、制御回路モジュール２５が要求された発電電流に応じた界磁電流を流すように界磁モジュール１１に指示を出す。また、制御アセンブリ１０が相電圧を測定し、出力電圧を超えた場合にスイッチング素子を切り替えるようにパワーアセンブリ１８に指示することで、電機子巻線５に発生する交流電流を直流電流に整流する。

本実施の形態１では、スイッチング回路や制御回路がパワーモジュール９や制御回路モジュール２５として構成されていることにより、それぞれで性能検査を行えるため、回転電機への組付け時に不良品を組付けすることがなく、回転電機の歩留まりが向上する。

また、パワーアセンブリ１８は、スイッチング素子搭載面Ｆ１が回転子４の回転軸に平行になるようリヤハウジング８に搭載されており、パワーアセンブリ１８のヒートシンク１７は、軸方向の吸気で冷却されるようなフィンを持ち、カバー２１には、対応する部分に吸気口５１があいている。また、制御アセンブリ１０は、制御基板２５ａの搭載面（制御回路の制御素子の搭載面）Ｆ２が回転軸に平行になるように配置されており、また、界磁モジュール１１もまた、界磁回路１１ａの搭載面Ｆ３が回転子４の回転軸に平行になるように搭載され、界磁モジュール１１のヒートシンク１１ｂも、軸方向の吸気で冷却されるようなフィンを持ち、カバー２１には、対応する部分に吸気口５２があいている。制御アセンブリ１０は、パワーアセンブリ１８の吸気口５１や冷却経路を塞ぐことなく、配置することが可能となっている。

本実施の形態１では、冷却風は、回転子４の界磁鉄心３の端面に取り付けられたファン１９，２０によって発生する。ファン１９，２０は、回転電機１で最も高温となる電機子巻線５を冷却するために、リヤハウジング８内外の関係でみると、吸気窓８ａを介して軸方向から吸気し、排気窓８ｂを介して径方向に排気するようになっている。そこで、本実施の形態１では、パワーアセンブリ１８や制御アセンブリ１０の冷却を軸方向から吸気される構造とすることで、電機子巻線５を冷却するための軸方向からの吸気態様に効率良く合わせることができる。これにより、回転電機全体の冷却風路を単純化することができ、吸気量の増大を大きな抵抗なく行うことができ、冷却効率を向上することができる。また、吸気と排気との方向が異なっているため、排気された高温空気を再度吸い込んでしまうことが少なく、各部品をより効率的且つ確実に冷却することができる。

さらに、本実施の形態１では、リヤベアリング２３のすぐリヤ側に回転センサ１５が搭載されている。回転センサ１５の一例として、レゾルバを示す。レゾルバは、シャフト４ａに固定されるレゾルバロータ（センサロータ）１５ａと、リヤハウジング８に一体に固定されているレゾルバステータ（回転検出部）１５ｂとからなる。シャフト４ａにおけるレゾルバロータ配置部は、シャフト４ａを、リヤベアリング挿入部よりもさらにリヤ側に延長することで形成されている。このように構成することにより、第１に、レゾルバロータ配置部はリヤベアリング挿入部と同軸加工（同時加工でもある）ができる利点がある。また、第２に、組立時にシャフト４ａを界磁鉄心３へ圧入する場合でも、レゾルバロータ配置部とリヤベアリング挿入部との同軸性を保つことができる利点がある。このような２つの利点により、回転子４の回転軸に対するレゾルバのフレを低減することができ、レゾルバの検出精度を向上させることができる。同様に、レゾルバステータ１５ｂを支持するリヤハウジングのレゾルバステータ挿入部はリヤハウジングのベアリング挿入部と同軸加工（同時加工でもある）することで、回転軸に対するレゾルバステータ１５ｂの偏心を低減することができ、これによっても、レゾルバの検出精度を向上させることができる。

さらに、本実施の形態１では、レゾルバステータ１５ｂのリヤ側はレゾルバ保護カバー（回転センサ保護カバー）２４に覆われている。回転子４は、レゾルバロータ配置部のさらにリヤ側にスリップリング１３を持つため、レゾルバ保護カバー２４にはシャフトが貫通するための挿通穴２４ａが開いている。ブラシホルダ１４は、スリップリング１３の位置に対応して、レゾルバ保護カバー２４のリヤ側に配置されており、詳細には、ブラシホルダ１４は、レゾルバ保護カバー２４のリヤ側に接続されている。本実施の形態１では、レゾルバ保護カバー２４とブラシホルダ１４とを組み合わせ、且つ、さらにブラシホルダ１４をその外側からカバー２１で覆うことによって、レゾルバやスリップリング１３を異物や水から保護することができる。特に、回転センサ１５の中央にはシャフト４ａが貫通しているため、レゾルバ保護カバー２４だけでは防水が不十分とならないよう、レゾルバ保護カバー２４とブラシホルダ１４とを組み合わせることで、より高い防水性を確保している。

図１から明らかであるように、本実施の形態１の回転電機１では、回転センサ１５と、制御アセンブリ１０の一部とが、回転子４の回転軸と直交する方向（径方向）に並んでいる。これにより、制御アセンブリ１０と回転センサ１５との接続経路の大部分は、径方向に沿って配置されている（例えば図３の回転センサ信号接続部２６を参照）。よって、回転軸方向へ接続配線を延ばす必要がなくなり、接続経路を短くすることができ、センサ信号に乗る外部ノイズの影響を低減することができ、回転電機の誤作動を防止することができるという利点を得ることができる。なお、パワーモジュール９、制御回路モジュール２５、界磁モジュール１１等の接続態様は、図２に例示されており、図２における符号１６はバッテリを示す。

また、図３に示されるように、本実施の形態１の回転電機１では、パワーアセンブリ１８が二つ設けられており、両者の隣り合う周方向端面が近接するように配置されている。また、各パワーアセンブリ１８の周方向端面と制御アセンブリ１０の周方向端面とが近接するように配置されている。このようにアセンブリ同士が近接して配置されていることで、アセンブリ間を接続するパワー配線２７や信号配線を短くすることができ、パワー配線２７での損失や、信号配線に乗る外部ノイズの影響を低減することができる。

以上のように構成された本実施の形態１によれば、回転センサの精度向上と電気部品の冷却性向上との両立を図ることができる内部レイアウトを提供することができる。すなわち、シャフトの回転軸に対する振れはベアリングに近い方が小さくなるので、回転センサをリヤベアリングのすぐリヤ側に回転センサを配置することで、回転軸に対する回転センサのセンサロータの偏心やフレを低減することができ、回転センサの検出精度を向上させることができ、さらに、パワーアセンブリと制御アセンブリとをそれぞれ軸方向に平行に装着し、パワーアセンブリの冷却フィンを軸に平行に設けることで、冷却風経路の抵抗を減少させて、冷却性が向上させることができる。

さらに、本実施の形態１では、次のような利点が得られる。パワーアセンブリと制御アセンブリとを分けることで、製造時に各部品ごとに不良品をチェックすることができ、製品の歩留まりを向上することができる。パワーアセンブリと制御アセンブリとをそれぞれ軸方向に平行に装着することで回転電機の外径を小さくすることができる。また、リヤベアリングのリヤ側にスリップリングを配置することで、スリップリング径を細くすることができるため、１回転あたりのブラシとの摺動距離が短くなり、ブラシ、スリップリングの寿命を延ばすことができ、さらに車両の走行距離が延び、結果的に回転電機の寿命が延びる。また、回転センサのセンサロータに対して回転検出部を正確な位置で固定することができる。シャフトにおけるセンサロータ配置部とリヤベアリング挿入部とは同軸加工ができ、リヤハウジングにおける回転検出部挿入部とベアリング挿入部とも同軸加工できるので、回転センサの軸受に対する偏心を低減し、これによっても、回転検出精度を向上させることができる。

さらに、制御アセンブリには、制御回路をモジュール化した制御回路モジュールと、界磁巻線に電力を供給するための界磁回路をモジュール化した界磁モジュールとが搭載されているので、制御回路と界磁回路を一つのアセンブリにすることで、回転電機への搭載性が向上している。

また、回転センサと、制御アセンブリの一部とは、回転軸と直交する方向に並んでいるので、回転センサと制御アセンブリの接続配線を短くすることができ、スイッチング素子のオン／オフ時に発生するスイッチングノイズ等のノイズ等、外部から配線にのるノイズの影響を低減することができる。

また、パワーアセンブリと制御アセンブリとの周方向端面が近接している場合、各アセンブリの端面に電源端子あるいは、信号端子を配置することで、それぞれを接続するパワー配線や信号配線の長さを短くすることができ、コストを低減することができる。特に信号配線は短くすることで外部からのノイズの影響を低減することも可能となり、回転電機の誤作動を防止することができ、信頼性が向上する。

回転センサは、そのリヤ側から、回転センサ保護カバーで覆われており、さらに、回転センサ保護カバーのリヤ側には、ブラシホルダが接続されているので、回転センサやスリップリングを異物や水から保護することができる。

実施の形態２．
次に、図４に基づいて、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、実施の形態２に関する、図１と同態様の図である。本実施の形態２の回転電機１０１における制御アセンブリ１１０では、制御基板２５ａと界磁回路１１ａとが共通のケース内に収容され一モジュールとして一まとまりにパッケージングされており、界磁回路１１ａ側にヒートシンク１１ｂが設けられ、制御基板２５ａ側にヒートシンク２５ｂが設けられている。これにより、制御回路と界磁回路との信号配線をケース内にインサートすることができ、両者の接続が簡単に行え、生産性が向上する。また、接続部の保護、信号配線を短くできることによる外部ノイズの影響を低減することができる。さらに、制御回路に関するモジュールと、界磁回路に関するモジュールとを一体化することで、部品スペースを低減することができ、回転電機への搭載性が向上する。

実施の形態３．
次に、図５に基づいて、本発明の実施の形態３について説明する。図５は、実施の形態３に関する、図３と同態様の図である。本実施の形態３の回転電機２０１では、外部と授受される電源経路において、回転電機内のパワー配線を略１本とし、すなわち、アセンブリ間の電流経路を符号Ｃで示されるように略１本とする。これにより、パワーアセンブリ同士、及び、パワーアセンブリと制御アセンブリとが、それぞれ、一本の電流経路で接続されるので、パワーアセンブリ間にかかる電圧のアンバランスを防止でき、アンバランスによるパワーアセンブリの破損を防止できる。なお、本実施の形態３においても、上記の構成以外については、前述の実施の形態１又は実施の形態２と同様であるものとする。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

１，１０１，２１０回転電機、２界磁巻線、３界磁鉄心、４回転子、４ａシャフト、５電機子巻線、６固定子、７，８ハウジング、９パワーモジュール、１０制御アセンブリ、１１界磁モジュール、１１ａ界磁回路、１１ｂヒートシンク、１３スリップリング、１４ブラシホルダ、１５回転センサ、１７ヒートシンク、１８パワーアセンブリ、２２フロントベアリング（前部軸受）、２３リヤベアリング（後部軸受）、２４回転センサ保護カバー、２５制御回路モジュール、２５ａ制御基板、２７パワー配線。

Claims

フロントハウジング及びリヤハウジングと、
電機子巻線を有し、前記フロントハウジング及びリヤハウジングに対して一体的に固定された固定子と、
回転軸となるシャフト及び界磁巻線を有し、前記固定子に対面して配置された回転子と、
前記フロントハウジング及びリヤハウジングに対して一体的に固定され、前記回転子を回転自在に保持する前部軸受及び後部軸受と、
前記シャフトに対して一体的に固定され、前記界磁巻線に界磁電流を供給するためのスリップリングと、
前記固定子への通電を行うスイッチング素子及びヒートシンクを有するパワーアセンブリと、
前記スイッチング素子の制御を行う制御回路を有する制御アセンブリと、
前記シャフトに対して一体的に固定されたセンサロータ及び前記リヤハウジングに対して一体的に固定された回転検出部、を有する回転センサと、
前記スリップリングに電流を供給するためのブラシを保持するブラシホルダとを備え、
前記スイッチング素子の搭載面及び前記制御回路の制御素子の搭載面が共に、前記回転軸と平行になるように配置されており、
前記回転センサは、前記後部軸受と、前記スリップリングとの間に配置されており、
前記リヤハウジングには、吸気窓及び排気窓が形成されており、冷却風は、前記吸気窓を介して前記リヤハウジング内に前記回転軸方向に吸気され、前記排気窓を介して前記リヤハウジング外へ径方向に排気される、
回転電機。
前記制御アセンブリには、前記制御回路をモジュール化した制御回路モジュールと、前記界磁巻線に電力を供給するための界磁回路をモジュール化した界磁モジュールとが搭載されている、
請求項１の回転電機。
前記制御アセンブリには、前記制御回路と前記界磁巻線に電力を供給するための界磁回路とが共通のケース内に収容され一モジュールとしてパッケージングされており、
前記制御回路側及び前記制御界磁回路側それぞれにヒートシンクが設けられている、
請求項１の回転電機。
前記パワーアセンブリ及び前記制御アセンブリを覆うカバーを備えており、
前記カバーには、前記制御回路側及び前記制御界磁回路側それぞれの前記ヒートシンクへの前記回転軸方向の吸気を行う吸気口が設けられている、
請求項３の回転電機。
前記回転センサと、前記制御アセンブリの一部とは、前記回転軸と直交する方向に並んでいる、
請求項１乃至４の何れか一項の回転電機。
複数の前記パワーアセンブリを備え、前記パワーアセンブリと前記制御アセンブリとの周方向端面が近接している、
請求項１乃至５の何れか一項の回転電機。
前記パワーアセンブリ同士、及び、該パワーアセンブリと前記制御アセンブリとは、それぞれ、一本の電流経路で接続されている、
請求項６の回転電機。
前記回転センサは、そのリヤ側から、回転センサ保護カバーで覆われており、該回転センサ保護カバーのリヤ側には、前記ブラシホルダが接続されている、
請求項１乃至７の何れか一項の回転電機。
前記回転子の界磁鉄心の端面には、ファンが取り付けられており、
前記吸気窓を介した前記回転軸方向の吸気と、前記排気窓を介した径方向の排気とは、前記回転子の回転に伴う前記ファンの回転によって行われる、
請求項１乃至８の何れか一項の回転電機。