JP6398019B1 - 回転電機ユニット - Google Patents

Abstract

回転電機ユニットは、ステータ、及び、該ステータに対して回転自在に設けられると共にエンジンの回転軸と共に回転するロータを有し、スタータモータ及び発電機の少なくとも一方を構成する回転電機と、前記回転電機の動作を制御する制御回路部及び前記制御回路部を収容するケースを有するコントロールユニットと、前記ロータと共に回転する円筒状のファンと、前記ファンの外側を囲むケーシングと、前記コントロールユニットを前記ケーシングに固定するステーと、を備え、前記ステーが、前記ケースを囲むリング状又は弧状に形成されて前記ケーシングに固定されたステー本体と、前記ケースから前記ステー本体まで延びる複数の腕部と、を備え、前記ケースと前記ステーとが一体に形成され、前記ケース及び前記複数の腕部が、前記ファンの径方向において前記ファンの内側に配置されている。

Description

本発明は、回転電機ユニットに関する。

従来、車両のエンジン等に設けられる回転電機の動作は、コントロールユニットによって制御されている。例えば、回転電機を始動する際には、コントロールユニットから回転電機に電力が供給される。また、回転電機において発電する際には、回転電機からコントロールユニットに電力が供給される。

一般に、コントロールユニットは熱に弱い電子部品を有する。このため、従来では、回転電機はエンジンの近くに配されるが、コントロールユニットはエンジンから離れた位置に配される。特許文献１には、エンジンにおいて生じる熱やコントロールユニットの自己発熱による熱気の影響を抑制できるように、エンジンルーム内にコントロールユニットを配置する構成が開示されている。

特開２０１０−１９５１４６号公報

しかしながら、従来のようにコントロールユニットが回転電機から離れた位置に配置されると、コントロールユニットと回転電機とを接続する配線が長くなり、配線における電圧損失が大きくなる、という問題がある。例えば、回転電機を始動する際には、電力をより高い電圧でコントロールユニットから回転電機に供給する必要があるため、消費電力が大きくなってしまう。また、回転電機において発電する際には、発電された電力が配線において無駄に消費され、実質的な発電量が減少してしまう。

一方、上記配線を短くするためには、コントロールユニットを回転電機と同様にエンジンの近くに配する必要がある。しかし、この場合には、コントロールユニットを積極的に冷却するとともに、コントロールユニットの機械的強度を向上する必要がある。

本発明の一態様は、回転電機とコントロールユニットとの間における電圧損失を抑制できると共に、コントロールユニットを効率よく冷却することが可能な回転電機ユニットを提供することを目的とする。

本発明の一態様としての回転電機ユニットは、ステータ、及び、該ステータに対して回転自在に設けられると共にエンジンの回転軸と共に回転するロータを有し、スタータモータ及び発電機の少なくとも一方を構成する回転電機と、前記回転電機の動作を制御する制御回路部及び前記制御回路部を収容するケースを有するコントロールユニットと、前記ロータと共に回転する円筒状のファンと、前記ファンの外側を囲むケーシングと、前記コントロールユニットを前記ケーシングに固定するステーと、を備え、前記ステーが、前記ケースを囲むリング状又は弧状に形成されて前記ケーシングに固定されたステー本体と、前記ケースから前記ステー本体まで延びる複数の腕部と、を備え、前記ケースと前記ステーとが一体に形成され、前記ケース及び前記複数の腕部が、前記ファンの径方向において前記ファンの内側に配置され、前記ファンが、前記回転電機の軸方向において前記ステー本体の一方側に配置され、前記複数の腕部が、前記軸方向において前記ステー本体の他方側に延びている。

本発明の一態様によれば、コントロールユニットを回転電機と同様にエンジンの近くに配しても、コントロールユニットのケースがステーと一体に形成されているので、制御回路部の熱を、ケースからステーに効率よく逃がし、ファンによりステーから外部に放散することができる。
また、本発明の一態様によれば、ケースがステーと一体に形成されているので、コントロールユニットの機械的強度が向上される。エンジン本体部から振動が伝わっても、ステーとケースの間で緩みが生じないので、コントロールユニットの位置が安定する。また、回転電機ユニットの構成部品点数が少なくなるため、製造工数やコストの削減を図ることができる。
また、本発明の一態様によれば、ケースとステー本体との間において、腕部のない領域は、ファンの吸気口となる。これにより、コントロールユニットの特に制御回路部を効率よく冷却することができる。また、コントロールユニットの特に制御回路部の熱を、複数の腕部に分散して逃がすことができる。腕部の周りにも空気が流れるため、腕部の熱を効率よく空気中に放散することができる。

本発明の実施形態に係る回転電機ユニットをエンジンの回転軸に接続した状態を示す概略断面図である。 図１のII−II矢視断面図である。 実施形態に係るケース及びステーの斜視図である。

以下、図１〜３を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１，２に示すように、本実施形態に係る回転電機ユニット１は、回転電機２、コントロールユニット３及びファン４を備える。

回転電機２は、ステータ１１、及び、ステータ１１に対して回転自在に設けられるロータ１２を有する。ステータ１１は、鉄心部１３に複数のコイル１４を取り付けて構成されている。鉄心部１３は、周方向に配列された複数のティース部（不図示）を備える。複数のコイル１４は、各ティース部に巻き付けられている。すなわち、複数のコイル１４は、ステータ１１の周方向に配列されている。

ロータ１２は、有底円筒状に形成されたロータ本体１５と、ロータ本体１５の周方向に配列される複数の永久磁石１６を備える。複数の永久磁石１６は、例えば、ロータ本体１５の径方向に向く面の磁極がロータ本体１５の周方向に交互に現れるように配列される。本実施形態において、ロータ本体１５は、円盤状の底壁部１７と、円筒状の周壁部１８とを備える。底壁部１７は、回転軸１０２に固定されている。周壁部１８は、底壁部１７の外周部からエンジン１００の本体部１０１とは反対側に設けられている。底壁部１７と周壁部１８とは一体に構成することができる。複数の永久磁石１６は、ロータ本体１５に固定されている。例えば、ロータ本体１５の周壁部１８の内周面に、永久磁石１６が固定されてもよい。ステータ１１は、複数のコイル１４が複数の永久磁石１６と径方向に対向するように、ロータ１２内に収容されている。

また、ロータ１２は、エンジン１００の回転軸１０２と共に回転するように設けられる。回転軸１０２としては、例えばクランクシャフトが挙げられる。本実施形態のロータ１２は、ロータ１２の軸線Ｌ２が回転軸１０２の軸線Ｌ１と一致するように、回転軸１０２の端部に直接固定されている。なお、ロータ１２は、無端ベルト、ギヤ等の伝動機構（不図示）を介して、回転軸１０２と連結されてもよい。ファン４及びロータ１２が同軸上に直接連結された場合、回転電機ユニット１の構成部品点数を少なく設定できる。

本実施形態の回転電機２は、エンジン１００の回転軸１０２を電力によって回転駆動するスタータモータとして構成される。また、回転電機２は、エンジン１００の回転軸１０２の回転によって発電する発電機として構成される。回転電機２は、スタータモータ又は発電機の一方又は両方を構成してもよい。回転電機２の軸方向は、ロータ１２の軸線Ｌ２に沿う方向である。

コントロールユニット３は、不図示の配線によって回転電機２に電気接続され、回転電機２の動作を制御する。コントロールユニット３は、例えば回転電機２をスタータモータとして機能させる際に、回転電機２に供給される電力を制御する。また、コントロールユニット３は、例えば回転電機２が発電機として機能する際に、回転電機２において発電された電力の電圧や電流を適宜調整した上で、発電電力をバッテリ（不図示）に充電したり、各種電気部品（不図示）に直接供給したりする。

コントロールユニット３の外観形状は、任意であってよいが、本実施形態では略直方体に形成されている。コントロールユニット３は、制御回路部３１と、制御回路部３１を収容するケース３２と、を備えている。制御回路部３１は、基板３３に実装された電子部品３４を備えている。これらの電子部品３４等により、制御回路部３１は、回転電機２の動作を制御することができる。ケース３２の形状は、図１に例示する多角形に限らず、円形など任意であってよい。基板３３としては、リジッド基板、フレキシブル基板、リジッドフレキシブル基板が挙げられる。

ケース３２の内部には、樹脂３５が充填されている。この樹脂３５により、制御回路部３１がケース３２に固定されると共に、制御回路部３１がコントロールユニット３の外部環境から気密又は液密に封止される。制御回路部３１は、コントロールユニット３の外部に設けられる上述のバッテリ、各種電気部品等と電気接続するためのコネクタ３６に接続されている。コネクタ３６の端部は、ケース３２の外部に突出されている。基板３３上には、制御系の電子部品３４のほかにも、コンデンサ３７、パワー系部品３８等が実装されてもよい。本実施形態のケース３２は、コネクタ３６が配される切欠部３９を有する。

本実施形態において、ステータ１１は、コントロールユニット３の底部から突出する突起部１９の先端に固定されている。これにより、ステータ１１及びコントロールユニット３が、回転電機２の軸方向に配列された上で互いに固定されている。このため、ステータ１１とコントロールユニット３とを電気接続する配線をより短く設定できる。また、ステータ１１がコントロールユニット３と共にファン４の内部に設けられることでも、ステータ１１とコントロールユニット３とを電気接続する配線をより短く設定できる。

ファン４は、複数の羽根２２を円筒状に配列した羽根部２１を有する。本実施形態のファン４は、ファン４の軸線Ｌ４を中心に回転することで、空気を羽根部２１の径方向における内側から外側に流す遠心ファンである。ファン４は、ロータ１２と共に回転するように構成されている。すなわち、ファン４は、前述したロータ１２と同様に、エンジン１００の回転軸１０２と共に回転するように設けられる。ファン４は、軸方向において回転軸１０２から遠い側の端部に、複数の羽根２２と一体化されたリング部２３を有する。リング部２３は、ファン４の周方向で全周にわたり設けられている。

本実施形態のファン４は、ファン４の軸線Ｌ４がロータ１２のＬ２と一致するように、ロータ１２に固定されている。すなわち、ファン４が、ロータ１２を介してエンジン１００の回転軸１０２に固定されている。具体的には、ロータ１２のロータ本体１５がファン４の羽根部２１と同じ径寸法であり、ロータ本体１５及び羽根部２１が一体の円筒状に形成されている。なお、ファン４は、ロータ１２を介することなく回転軸１０２と連結されてもよい。また、ファン４が、無端ベルト、ギヤ等の伝動機構（不図示）を介して、回転軸１０２又はロータ１２と連結されてもよい。

本実施形態のケーシング５は、ファン４の径方向におけるファン４の外側を囲むように略円筒状に構成されている。ファン４の軸方向においては、ケーシング５は、ファン４と重なり合う領域のみならず、ファン４の外側の領域まで設けられてもよい。ケーシング５は、ファン４の軸線Ｌ４の方向の一方の側において、エンジン１００の本体部１０１に一体化されている。本体部１０１としては、例えばエンジンブロックが挙げられる。ケーシング５の形状は、円筒状に限ることはなく、少なくとも筒状に形成されていればよい。

ケーシング５は、例えばファン４の周方向に間隔をあけて配置される複数の棒状部５１を略円筒状に配列して構成されてもよい。例えばエンジン１００の本体部１０１からファン４の軸方向に突出する棒状部５１がケーシング５を構成してもよい。あるいは本体部１０１とは別体の部材とされる棒状部５１の一端部が、本体部１０１に対してネジ止め等によって固定されてもよい。

ケーシング５は、ファン４から流される空気の排気口５２を有する。例えばケーシング５の周方向において、複数の棒状部５１の間にそれぞれ排気口５２が構成されてもよい。ケーシング５の軸方向において、排気口５２が設けられる範囲は、ケーシング５の軸方向の範囲の一部でもよい。

また、ケーシング５は、ファン４の軸線Ｌ４の方向の他方の側において、コントロールユニット３を保持するステー６と固定されている。これにより、コントロールユニット３は、ステー６を介してケーシング５に固定される。本実施形態のステー６は、ケース３２を囲むステー本体４１を有する。本実施形態のステー本体４１は、固定部４３において、ケーシング５に対してネジ止め等によって固定されている。例えば、複数の固定部４３と複数の棒状部５１とがそれぞれ対応するように設けられてもよい。固定部４３は、ステー本体４１の周方向に間隔をあけて配置されている。ステー本体４１は、周方向の全体に及ぶリング状でもよい。ステー本体４１が、周方向の一部が切り欠かれた弧状に形成されてもよい。

図３に示すように、本実施形態においては、ケース３２とステー６とが一体に形成されている。これにより、コントロールユニット３を回転電機２と同様にエンジン１００の近くに配しても、制御回路部３１の熱を、ケース３２からステー６に効率よく逃がし、ファン４によりステー６から外部に放散することができる。また、ケース３２がステー６と一体に形成されているため、コントロールユニット３の機械的強度が向上される。エンジン１００の本体部１０１から振動が伝わっても、ケース３２とステー６との間で緩みが生じないので、コントロールユニット３の位置が安定する。また、回転電機ユニット１の構成部品点数が少なくなるため、製造工数やコストの削減を図ることができる。

ステー６及びステー６と一体に形成されるケース３２は、例えばアルミニウムなど熱伝導率の高い材料によって構成されてよい。一体形成の手法としては、特に限定されないが、例えば、ダイカスト等の鋳造法、切削等の機械加工法が挙げられる。

本実施形態では、図１に示すように、ステー６は、ケース３２を囲むリング状又は弧状に形成されたステー本体４１に加えて、ケース３２からステー本体４１まで延びる複数の腕部４２を備える。コントロールユニット３のケース３２は、ファン４の径方向においてファン４の内側に配置されている。また、複数の腕部４２は、ファン４の径方向においてファン４の内側に配置されている。ファン４の軸方向においては、ケース３２及び複数の腕部４２がファン４の外側であってもよい。
ケース３２とステー本体４１との間において、腕部４２のない領域は、ファン４の吸気口４４となる。ファン４の回転に伴って、空気がケース３２とステー本体４１との隙間にある吸気口４４を通るように流れる。これにより、コントロールユニット３の特に制御回路部３１を効率よく冷却することができる。
また、コントロールユニット３の特に制御回路部３１の熱を、複数の腕部４２に分散して逃がすことができる。腕部４２の周りにも空気が流れるため、腕部４２の熱を効率よく空気中に放散することができる。
なお、本実施形態においては、ケース３２の全体が、ファン４の径方向においてファン４の内側に配置されている。このため、吸気口４４を通る空気は、ケース３２の外面を効果的に冷却することができる。また、腕部４２のうち、少なくとも、ステー本体４１とケース３２の間において、腕部４２が吸気口４４に面する部分は、ファン４の径方向においてファン４の内側に配置されている。このため、吸気口４４を通る空気は、腕部４２の外面を効果的に冷却することができる。腕部４２のうちステー本体４１の主面上に形成されている部分は、ファン４の径方向においてファン４の外側に達していてもよい。

また、本実施形態においては、複数の腕部４２が、回転電機２の軸方向に延びる板状に形成されている。この場合、腕部４２の主面は、板厚方向の両側又は片側の一方の面であることから、腕部４２の主面の法線は、回転電機２の軸方向に垂直となる。板状の腕部４２の主面が、ファン４が回転した際に生じる空気の流れに沿うため、腕部４２の熱を効率よく空気中に放散することができる。また、腕部４２は軸方向の寸法が大となるため、ケース３２及びステー本体４１との接続強度も向上することができる。

また、本実施形態においては、図２に示すように、ファン４が、回転電機２の軸方向においてステー本体４１の一方側に配置され、複数の腕部４２が、当該軸方向においてステー本体４１の他方側に延びている。このように、腕部４２がファン４の軸方向においてはファン４の外側に位置することで、ファン４の内側における空気の流れＦが腕部４２により乱されることを抑制することができる。

また、本実施形態においては、ステー本体４１が、回転電機２の軸方向を板厚方向とする板状に形成されている。なお、ステー本体４１の主面は、板厚方向の両側又は片側の面である。図２に示す例では、ステー本体４１の断面が、軸方向の寸法よりも径方向の寸法が大きい形状となっている。
また、複数の腕部４２が、ステー本体４１の一方の主面から軸方向に延びている。これにより、腕部４２がステー本体４１の内周のみから径方向に延びている場合と比べて、腕部４２とステー本体４１との接続強度を高くすることができる。また、図２に示すように、ケース３２とステー本体４１との間に設けられる吸気口４４と、ケーシング５に設けられる排気口５２との間が、ステー本体４１により仕切られる。そのため、空気の流れＦが安定する。
なお、ケース３２とステー本体４１との間に延びる腕部４２において、腕部４２のケース３２から遠い側の端部は、ステー本体４１の主面上に形成されてもよく、ステー本体４１の内周に形成されてもよい。ここで、ステー本体４１の内周とは、ケース３２の外周と対向する側である。ステー本体４１の断面が、径方向の寸法よりも軸方向の寸法が大きい形状でもよい。例えばステー本体４１が円筒状、又は円筒の周方向の一部を切り欠いた形状であってもよい。

また、本実施形態においては、固定部４３が、複数の腕部４２の延びる先に配されている。固定部４３に腕部４２が近接することで、ステー６とケーシング５との接続強度を高くすることができる。エンジン１００の本体部１０１からケーシング５に伝わる振動に対して、回転電機ユニット１の耐久性を高くすることができる。エンジン１００の本体部１０１側からケーシング５を経て伝わる熱が、ステー本体４１及び複数の腕部４２から効率的に放散される。

また、本実施形態においては、ステータ１１がインナーステータであり、ロータ１２がアウターロータである。ロータ１２がアウターロータとなることで、ロータ１２と共に回転するファン４を、ロータ１２と組み合わせて配置する構造が簡潔化され、回転の際に損失を低減することができる。

ケース３２及び複数の腕部４２がファン４の径方向においてファン４の内側に配置される構成において、ロータ１２がアウターロータであることにより、ファン４を合理的にロータ１２と一体化することができる。

また、本実施形態では、インナーステータとされたステータ１１が、コントロールユニット３に固定される。コントロールユニット３から回転電機２に電力を供給する際、配線を介してステータ１１のコイル１４に通電される。コントロールユニット３とステータ１１との間がより確実に固定される。上述したように、コントロールユニット３の振動が抑制されるに伴い、ステータ１１の位置も安定する。

以上、本発明の詳細について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

ファン４は、ロータ１２の径方向においてロータ１２の外側に配置されてもよい。ファン４は、ロータ１２に接触することなく、直接エンジン１００の回転軸１０２に取り付けられてもよい。
ファン４の外側に流れ出た空気は、例えばエンジン１００の本体部１０１や、エンジン１００を水冷で冷却するためのラジエータ等の冷却に利用してもよい。

回転電機２は、径方向においてステータ１１とロータ１２とが対向するように配置されたラジアルギャップ型回転電機に限らず、例えば軸方向においてステータとロータとが対向するように配置されたアキシャルギャップ型回転電機であってもよい。また、回転電機２は、例えば、スタータモータのみを構成してもよいし、発電機のみを構成してもよい。

１ 回転電機ユニット
２ 回転電機
３ コントロールユニット
４ ファン
５ ケーシング
６ ステー
１１ ステータ
１２ ロータ
３１ 制御回路部
３２ ケース
４１ ステー本体
４２ 腕部
４３ 固定部
１００ エンジン
１０２ 回転軸
Ｌ１ 回転軸の軸線
Ｌ２ ロータの軸線
Ｌ４ ファンの軸線

Claims (5)

1. ステータ、及び、該ステータに対して回転自在に設けられると共にエンジンの回転軸と共に回転するロータを有し、スタータモータ及び発電機の少なくとも一方を構成する回転電機と、
   前記回転電機の動作を制御する制御回路部及び前記制御回路部を収容するケースを有するコントロールユニットと、
   前記ロータと共に回転する円筒状のファンと、
   前記ファンの外側を囲むケーシングと、
   前記コントロールユニットを前記ケーシングに固定するステーと、
   を備え、
   前記ステーが、前記ケースを囲むリング状又は弧状に形成されて前記ケーシングに固定されたステー本体と、前記ケースから前記ステー本体まで延びる複数の腕部と、
   を備え、
   前記ケースと前記ステーとが一体に形成され、
   前記ケース及び前記複数の腕部が、前記ファンの径方向において前記ファンの内側に配置され、
   前記ファンが、前記回転電機の軸方向において前記ステー本体の一方側に配置され、
   前記複数の腕部が、前記軸方向において前記ステー本体の他方側に延びている
   ことを特徴とする回転電機ユニット。
2. 前記複数の腕部が、前記回転電機の軸方向に延びる板状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機ユニット。
3. 前記ステー本体が、前記回転電機の軸方向を板厚方向とする板状に形成され、
   前記複数の腕部が、前記ステー本体の一方の主面から軸方向に延びていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機ユニット。
4. 前記ステー本体が前記ケーシングに固定される固定部が、前記複数の腕部の延びる先に配されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機ユニット。
5. 前記ステータがインナーステータであり、前記ロータがアウターロータであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機ユニット。

Images