JP2016007108A - 制御部一体型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、制御部の小型化を図りつつ、平滑コンデンサの冷却性能を向上させることを目的とするものである。
【解決手段】制御モジュール２５の基板は、パワーモジュール２１及び界磁モジュール２２の冷却用ヒートシンク２３とは反対側の面に対向して配置されている。制御モジュール２５の基板には、スイッチング素子３２ａ，３２ｂがスイッチングするときに発生するサージを抑制する複数のスナバ回路３７が設けられている。各スナバ回路３７は、制御モジュール２５の基板の各パワーモジュール２１に対向する部分に構成されている。制御部２には、回転電機の動作により発生する直流電源の電圧変動を抑制するための平滑コンデンサが設けられている。平滑コンデンサは、冷却用ヒートシンク２３に接触している。
【選択図】図１

Description

この発明は、駆動部に制御部が搭載されている制御部一体型回転電機に関するものである。

従来の電力変換装置では、スイッチング素子のサージを抑制するスナバコンデンサ基板が、スイッチング素子を搭載したモジュール上面に取り付けられている。また、出力電圧の変動を抑制する平滑コンデンサは、冷却部材上に固定されており、バスバー及び配線板を介してモジュール本体に接続されている。平滑コンデンサとしては、セラミックコンデンサが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３３３４７６号公報

上記のような従来の電力変換装置では、制御基板とスナバコンデンサ基板とを別々にしているため、部品点数が増え、制御部が大きくなり、製造コストが上昇する。また、平滑コンデンサ専用のコンデンサ基板を用いる例も示されているが、この場合も部品点数が増え、制御部が大きくなり、製造コストが上昇する。さらに、温度特性に優れるセラミックコンデンサを用いていても、平滑コンデンサに大きな電圧変動がかかる場合には冷却が必要であり、高温で使用される回転電機に特許文献１に記載の制御部を一体化することは困難である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、制御部の小型化を図りつつ、平滑コンデンサの冷却性能を向上させることができる制御部一体型回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る制御部一体型回転電機は、回転子と、複数相の固定子巻線を含む固定子とを有している駆動部、及び固定子巻線に流れる電流を制御するスイッチング素子を含む複数のパワーモジュールと、パワーモジュールを冷却するための冷却用ヒートシンクと、パワーモジュールを制御する制御モジュールとを有しており、かつ、駆動部に固定されている制御部を備え、制御部は、スイッチング素子のスイッチングサージを抑制する複数のスナバ回路と、直流電源の電圧変動を抑制するための平滑コンデンサとをさらに有しており、スナバ回路は、制御モジュールの基板のパワーモジュールに対向する部分に構成されており、平滑コンデンサは、冷却用ヒートシンクに接触している。

この発明の制御部一体型回転電機は、スナバ回路が制御モジュールの基板のパワーモジュールに対向する部分に構成されており、平滑コンデンサが冷却用ヒートシンクに接触しているので、制御部の小型化を図りつつ、平滑コンデンサの冷却性能を向上させることができる。

この発明の実施の形態１による制御部一体型回転電機の断面図である。 図１の制御部一体型回転電機の電気回路図である。 図１の制御部保護カバー及び制御モジュールを取り外した状態の制御部一体型回転電機を示す背面図である。 この発明の実施の形態２による制御部一体型回転電機を示す背面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による制御部一体型回転電機の断面図であり、この例では自動車に搭載される車両用回転電機を示している。また、図２は図１の制御部一体型回転電機の電気回路図である。図において、回転電機は、大きく分けて、回転電機本体としての駆動部１と、電力変換装置（インバータアセンブリ）としての制御部２とを有している。制御部２は、駆動部１の軸方向端部に固定されている。

駆動部１は、主として、回転子３、固定子４、フロントハウジング５、リヤハウジング６、第１の軸受（フロントベアリング）７、第２の軸受（リヤベアリング）８、及びプーリ９を有している。回転子３及び固定子４は、フロントハウジング５及びリヤハウジング６の内側に収容されている。第１の軸受７は、フロントハウジング５に保持されている。第２の軸受８は、リヤハウジング６に保持されている。第２の軸受８のサイズは、第１の軸受７のサイズよりも小さい。

回転子３は、第１及び第２の軸受７，８により回転自在に支持された回転軸１０、回転軸１０に固定された界磁鉄心１１、及び界磁鉄心１１に巻かれた界磁巻線１２を有している。回転軸１０の第１の軸方向端部（図１の右端部）は、フロントハウジング５外へ突出しいる。

プーリ９は、回転軸１０の第１の軸方向端部に固定されている（以下、プーリ９側をフロント側、プーリ９とは反対側をリヤ側と呼ぶ）。プーリ９は、ベルト（図示せず）を介して内燃機関（図示せず）に接続されており、内燃機関と双方向にトルクを授受する。

回転子３の第２の軸方向端部（図１の左端部）は、リヤハウジング６よりもリヤ側へ突出している。回転子３の第２の軸方向端部には、界磁巻線１２に界磁電流を供給するためのスリップリング１３が設けられている。

リヤハウジング６の界磁鉄心１１とは反対側には、ブラシホルダ１４が配置されている。ブラシホルダ１４には、複数のブラシ１５が保持されている。ブラシ１５の先端は、スリップリング１３の外周面に接している。

界磁鉄心１１のフロント側の端面には、第１の遠心ファン１６が固定されている。界磁鉄心１１のリヤ側の端面には、第２の遠心ファン１７が固定されている。第１及び第２の遠心ファン１６，１７は、回転子３の回転により冷却風を発生させる。

固定子４は、固定子鉄心１８と、固定子鉄心１８に巻かれた複数相の固定子巻線（電機子巻線）１９とを有している。固定子鉄心１８は、回転子３を囲繞するように配置されている。固定子巻線１９は、固定子鉄心１８の内周側に設けられた複数のスロットに保持されている。

制御部２は、リヤハウジング６のリヤ側に配置されおり、リヤハウジング６に対して固定されている。また、制御部２には、各固定子巻線１９から引き出された接続端部が接続されている。さらに、制御部２は、主として、複数（ここでは６つ）のパワーモジュール２１、界磁モジュール２２、冷却用ヒートシンク２３、ケース２４、及び制御モジュール２５を有している。

各パワーモジュール２１は、直流電源（バッテリ）３１の正極と負極との間に直列に接続され、固定子巻線１９に流れる電流を制御する第１及び第２のスイッチング素子３２ａ，３２ｂと、直流電源３１の正極に接続される第１の直流端子３３ａと、直流電源３１の負極に接続される第２の直流端子３３ｂと、第１及び第２のスイッチング素子３２ａ，３２ｂの接続線から引き出され、固定子巻線１９の対応する１相に接続される交流端子３４と、スイッチング素子３２ａ，３２ｂの制御を行うための第１及び第２の制御端子３５ａ，３５ｂとを有している。

即ち、パワーモジュール２１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３２ａ，３２ｂを周辺回路とともにまとめたものである。また、界磁モジュール２２は、界磁電流を制御するためのスイッチング素子３６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２１及び界磁モジュール２２は、スイッチング素子等を配線用のリードフレームに搭載し、全体を樹脂成型した構造となっている。また、パワーモジュール２１及び界磁モジュール２２は、これらを冷却するための冷却用ヒートシンク２３に搭載されている。冷却用ヒートシンク２３は、スリップリング１３及びブラシホルダ１４の周囲を取り囲むように配置されている。

リヤハウジング６の外側でスリップリング１３と第２の軸受８との間には、回転子３の回転位相を検出する回転センサ（磁極位置検出センサ）２６が設けられている。回転センサ２６は、リヤハウジング６に固定されたセンサステータ２６ａと、回転軸１０に固定されたセンサロータ２６ｂとを有している。

センサステータ２６ａからの信号配線は、制御モジュール２５に接続されている。リヤハウジング６には、回転センサ２６を覆う回転センサ保護カバー２７が取り付けられている。

制御部２の中央には、回転軸１０の第２の軸方向端部が通る空間が設けられている。そして、ブラシホルダ１４は、制御部２の中央の空間に配置され、制御部２に固定される。

制御部２には、制御部２及びブラシ１５等を保護し電気的に絶縁するための制御部保護カバー２８が被せられている。制御部保護カバー２８には、冷却風を吸入するための複数の吸入口２８ａが設けられている。

制御モジュール２５は、パワーモジュール２１及び界磁モジュール２２を制御するための制御回路が設けられた環状（又はＣ字状）の基板を有している。制御モジュール２５の基板は、パワーモジュール２１及び界磁モジュール２２の冷却用ヒートシンク２３とは反対側の面（上面）に対向して配置されている。

制御モジュール２５の基板には、スイッチング素子３２ａ，３２ｂがスイッチングするときに発生するサージを抑制する複数（図２に１つにまとめて示す）のスナバ回路３７が設けられている。各スナバ回路３７は、制御モジュール２５の基板のパワーモジュール２１に対向する部分に構成されている。また、制御部２には、回転電機の動作により発生する直流電源の電圧変動を抑制するための平滑コンデンサ３８が設けられている。

各パワーモジュール２１には、各スイッチング素子３２ａ，３２ｂの直流端子と交流端子とからそれぞれ分岐された４本のスナバ回路接続用端子３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ（図２では省略）が設けられている。これらのスナバ回路接続用端子３９ａ〜３９ｄは、スナバ回路３７の直近で制御モジュール２５の基板に接続されている。また、スナバ回路接続用端子３９ａ〜３９ｄは、互いに平行、かつ制御モジュール２５の基板に直角に配置されている。

ケース２４は、パワーモジュール２１、界磁モジュール２２及び制御モジュール２５を囲うように冷却用ヒートシンク２３のパワーモジュール２１側に配置されている。

図３は図１の制御部保護カバー２８及び制御モジュール２５を取り外した状態の制御部一体型回転電機を示す背面図（図１の左側からケース２４を見た図）である。各パワーモジュール２１の平面形状は、矩形である。パワーモジュール２１は、２個１組で３箇所に分けて配置されている。各組において、互いに隣り合うパワーモジュール２１は、対称に構成されている。

各組において、スナバ回路接続用端子３９ａ〜３９ｄは、パワーモジュール２１の互いに隣り合う端部に配置されている。パワーモジュール２１には、第１及び第２の制御端子３５ａ，３５ｂ以外にも、制御モジュール２５に接続される第３ないし第５の制御端子３５ｃ，３５ｄ，３５ｅが設けられている。これらの制御端子３５ａ〜３５ｅは、各パワーモジュール２１のスナバ回路接続用端子３９ａ〜３９ｄとは反対側の端部に配置されている。

各パワーモジュール２１において、第１の直流端子３３ａは、スリップリング１３に対向する端部（ケース２４の中央側の端部）に配置されている。また、各パワーモジュール２１において、第２の直流端子３３ｂ及び交流端子３４は、第１の直流端子３３ａとは反対側の端部に配置されている。

ケース２４の中央には、矩形の開口が設けられている。また、ケース２４には、直流電源３１の正極に接続されるバスバー４０がインサート成形されている。バスバー４０は、図３では部分的に示すが、ケース２４の開口の３辺（図３の左辺、右辺及び下辺）に沿ってＵ字状に配置されている。

平滑コンデンサ３８は、冷却用ヒートシンク２３に設けられた穴に収容されており、冷却用ヒートシンク２３に接触している。また、平滑コンデンサ３８は、ケース２４にインサートされているバスバー４０に接続されている。また、ケース２４には、パワーモジュール２１及び界磁モジュール２２の電力系の端子と接続される複数の端子、及び複数のＧＮＤ端子が設けられている。

このような制御部一体型回転電機では、制御モジュール２５の基板のパワーモジュール２１の上面に対向する部分にスナバ回路３７が設けられているので、パワーモジュール２１のスイッチングサージを効果的に抑制することができる。

また、各パワーモジュール２１に対応してスナバ回路３７が構成されているので、各スナバ回路３７のコンデンサを小容量化することができる。これにより、制御部２の小型化を図ることができる。

さらに、平滑コンデンサ３８が冷却用ヒートシンク２３に接触しているので、冷却性を向上させ、平滑コンデンサ３８の寿命を延ばすことができる。

さらにまた、パワーモジュール２１にスナバ回路接続用端子３９ａ〜３９ｄが設けられているので、接続経路を最短にすることができ、スイッチングサージをより効果的に抑制することができる。

また、スナバ回路接続用端子３９ａ，３９ｂが互いに平行に配置されているので、接続経路に発生するノイズを低減することができる。

さらに、ケース２４にインサート成形されているバスバー４０が、パワーモジュール２１に接続されており、かつ、平滑コンデンサ３８にも接続されているため、平滑コンデンサ３８とパワーモジュール２１との接続を１箇所で行うことができ、工作性を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、図４はこの発明の実施の形態２による制御部一体型回転電機を示す背面図であり、図３と同様に制御部保護カバー２８及び制御モジュール２５を取り外した状態を示している。実施の形態２では、各組のパワーモジュール２１が、共通のスナバ回路接続用端子３９ａ，３９ｂを介して、対応するスナバ回路３７に接続されている。

スナバ回路接続用端子３９ａ，３９ｂは、各組の互いに隣り合うパワーモジュール２１間に配置されている。また、スナバ回路接続用端子３９ａは、パワーモジュール２１の近傍でバスバー４０から分岐して形成されている。さらに、スナバ回路接続用端子３９ｂは、パワーモジュール２１の近傍で、パワーモジュール２１の第２の直流端子３３ｂが接続された接地線から分岐して形成されている。

各パワーモジュール２１は、バスバー４０及びスナバ回路接続用端子３９ａと、接地線及びスナバ回路接続用端子３９ｂとを介して、対応するスナバ回路３７に接続されている。また、スナバ回路接続用端子３９ａ，３９ｂは、ケース２４に部分的にインサート成形されており、ケース２４側に設けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような構成によれば、制御モジュール２５の基板に対するスナバ回路接続用端子３９ａ，３９ｂの相対位置の精度を向上させ、基板の取り付け性を向上させることができる。

１ 駆動部、２ 制御部、３ 回転子、４ 固定子、１９ 固定子巻線、２１ パワーモジュール、２３ 冷却用ヒートシンク、２４ ケース、２５ 制御モジュール、３１ 直流電源、３２ａ，３２ｂ スイッチング素子、３７ スナバ回路、３８ 平滑コンデンサ、３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ スナバ回路接続用端子、４０ バスバー。

Claims (6)

1. 回転子と、複数相の固定子巻線を含む固定子とを有している駆動部、及び
   前記固定子巻線に流れる電流を制御するスイッチング素子を含む複数のパワーモジュールと、前記パワーモジュールを冷却するための冷却用ヒートシンクと、前記パワーモジュールを制御する制御モジュールとを有しており、かつ、前記駆動部に固定されている制御部
   を備え、
   前記制御部は、前記スイッチング素子のスイッチングサージを抑制する複数のスナバ回路と、直流電源の電圧変動を抑制するための平滑コンデンサとをさらに有しており、
   前記スナバ回路は、前記制御モジュールの基板の前記パワーモジュールに対向する部分に構成されており、
   前記平滑コンデンサは、前記冷却用ヒートシンクに接触している制御部一体型回転電機。
2. 前記制御部は、前記パワーモジュールを囲うように前記冷却用ヒートシンクの前記パワーモジュール側に配置されているケースをさらに有しており、
   前記ケースには、前記パワーモジュールに接続されるバスバーがインサート成形されている請求項１記載の制御部一体型回転電機。
3. 前記平滑コンデンサは、前記バスバーに接続されている請求項２記載の制御部一体型回転電機。
4. 前記パワーモジュールには、前記制御モジュールの基板に接続されている複数のスナバ回路接続用端子が設けられている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の制御部一体型回転電機。
5. 前記スナバ回路接続用端子は、互いに平行に配置されている請求項４記載の制御部一体型回転電機。
6. 前記パワーモジュールは、複数のスナバ回路接続用端子を介して前記スナバ回路に接続されており、
   前記スナバ回路接続用端子は、前記パワーモジュールの近傍で、前記ケースに設けられた接地線と前記バスバーとを分岐して形成されている請求項２又は請求項３に記載の制御部一体型回転電機。

Images