JP2018121458A - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】複数個のパワーモジュールのスペースファクタを向上し、しかも冷却効率を向上して、小型化を図る。【解決手段】複数のパワーモジュール９は周方向に円環状に配列され、複数のパワーモジュールの各々は軸方向に見た形状が非等脚の台形であり、各々のパワーモジュールの上底９ＴＢが径方向内側に、下底９ＬＢが径方向外側に、それぞれ位置し、各々のパワーモジュールの一方の脚９ＬＰ１の傾斜度と他方の脚９ＬＰ２の傾斜度とが異なっており、相隣るパワーモジュールの一方の脚と他方の脚とが径方向に延在する隙間９ｇ９を介して対向し、ヒートシンク３１には、それぞれ径方向に延在して放射状に配設された複数のフィン３１ａが、複数のパワーモジュールの側に複数のパワーモジュールに対向して設けられている構造。【選択図】図４

Description

この発明は、固定子と回転子とを有するモータの第１のアセンブリ、および前記モータを制御する制御装置の第２のアセンブリを備え、前記第１のアセンブリと前記第２のアセンブリとが一体に同軸状に組み付けられた制御装置一体型回転電機、特に第２のアセンブリに内包されモータの通電制御を行うパワーモジュールおよび当該パワーモジュールを冷却するヒートシンクの構造に関するものである。

従来のこの種の制御装置一体型回転電機においては、例えば、長方形形状のパワーモジュールを矩形波状に配置し、パワーモジュール下のヒートシンク冷却フィンが矩形波状に配置されたインバータが例示されている。（特許文献１参照）

特許第5373936号公報

従来の制御装置一体型回転電機、例えば特許文献１に開示の事例、では次のような技術的課題が挙げられる。すなわち、長方形形状のパワーモジュールを矩形波状に配置し、パワーモジュール下のヒートシンク冷却フィンを矩形波状に配置しているので、冷却風路が中心に向いていなく外気の導入効率が悪いので、冷却効率が悪かった。また長方形のパワーモジュールを矩形波状に配置しているので、デッドスペースができる。

この発明は、このような従来における技術的課題を解決するためになされたもので、複数個のパワーモジュールのスペースファクタを向上し、しかも冷却効率を向上して、小型化を図ることを目的とするものである。

この発明に係る制御装置一体型回転電機は、固定子と回転子とを有するモータの第１のアセンブリ、および前記モータを制御する制御装置の第２のアセンブリを備え、前記第１のアセンブリと前記第２のアセンブリとが一体に同軸状に組み付けられた制御装置一体型回転電機であって、
前記制御装置は、前記モータに電力を供給する複数のパワーモジュールと、これら複数のパワーモジュールを冷却するヒートシンクとを有し、
前記複数のパワーモジュールは周方向に円環状に配列され、
前記複数のパワーモジュールの各々は軸方向に見た形状が非等脚の台形であり、
前記非等脚の台形の各々のパワーモジュールの上底が径方向内側に、下底が径方向外側に、それぞれ位置し、
前記非等脚の台形の各々のパワーモジュールの一方の脚の傾斜度と他方の脚の傾斜度とが異なっており、
相隣るパワーモジュールの前記一方の脚と前記他方の脚とが径方向に延在する隙間を介して対向し、
前記ヒートシンクには、それぞれ径方向に延在して放射状に配設された複数のフィンが、前記複数のパワーモジュールの側に前記複数のパワーモジュールに対向して設けられている
ものである。

この発明による制御装置一体型回転電機は、複数のパワーモジュールの各々は軸方向に見た形状が非等脚の台形であり、非等脚の台形の各々のパワーモジュールの上底が径方向内側に、下底が径方向外側に、それぞれ位置し、非等脚の台形の各々のパワーモジュールの一方の脚の傾斜度と他方の脚の傾斜度とが異なっており、相隣るパワーモジュールの一方の脚と他方の脚とが径方向に延在する隙間を介して対向し、ヒートシンクには、それぞれ径方向に延在して放射状に配設された複数のフィンが、複数のパワーモジュールの側に複数のパワーモジュールに対向して設けられているので、複数個のパワーモジュールのスペースファクタが向上し、しかも冷却効率が向上する効果がある。

この発明の実施の形態１を示す図で、回転電機の縦断側面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、インバータアセンブリ（第２のアセンブリ）を、保護カバーを取り外した状態で、正面側（リヤ側）から見た正面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、ヒートシンクをそのフィン側（リヤ側）から見た正面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、インバータアセンブリ（第２のアセンブリ）のＢラインターミナル（電源端子）およびＧＮＤラインターミナル（電源端子）の近傍の構造を正面側（リヤ側）から見た正面図である。 この発明の実施の形態２を示す図で、インバータアセンブリ（第２のアセンブリ）を、保護カバーを取り外した状態で、正面側（リヤ側）から見た正面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１から図４によって説明する。図１は回転電機の縦断側面図、図２はインバータアセンブリ（第２のアセンブリ）を、保護カバーを取り外した状態で、正面側（リヤ側）から見た正面図、図はヒートシンクをそのフィン側（リヤ側）から見た正面図、図４はインバータアセンブリ（第２のアセンブリ）のＢラインターミナル（電源端子）およびＧＮＤラインターミナル（電源端子）の近傍の構造を正面側（リヤ側）から見た正面図である。

図１において、回転電機１は、界磁巻線２ａが巻かれた回転子２、三相固定子巻線３ａが巻かれた固定子３、回転子２および固定子３を収容するフロントブラケット４とリヤブラケット５、回転子２の回転状態を検出する磁極位置検出センサー６、電力を供給するための電子モジュールであるパワーモジュール９および界磁モジュール１０、電子モジュール（パワーモジュール９および界磁モジュール１０）を制御する制御基板１７、およびパワーモジュール９および界磁モジュール１０に内包されている可制御半導体スイッチング素子（図示せず）のスイッチングサージを吸収するコンデンサ２０、等から構成されている。
回転電機１は、大きな構成部品としてモータ本体を構成する第１のアセンブリ４０と、前記モータに電力を供給する複数のパワーモジュールおよびこれら複数のパワーモジュールを冷却するヒートシンクを含む制御装置を構成する第２のアセンブリ３０とで構成されている。

まず第１のアセンブリ４０について説明する。
回転子２は、両端部がそれぞれ軸受７，８を介してフロントブラケット４とリヤブラケット５に回転自在に支持された回転軸１１とを備えている。回転軸１１の一端部は、フロントブラケット４よりフロント側に突出して、その先端部に、図示しない内燃機関と双方向にトルクを授受するためのプーリ１２が取り付けられており、このプーリ１２はベルト（図示省略）を介して内燃機関と連結される。

回転子２の界磁巻線２ａに界磁電流を供給するためのスリップリング１３を持ち、スリップリングはリヤブラケット５よりリヤ側に突き出ている。界磁巻線２ａに通電するためのスリップリング１３に摺接するブラシ１６が、ブラシホルダ１６ａに保持されている。
回転子２の界磁鉄心の両端面には冷却風を発生させるためのフロント側のファン２１Ｆおよびリヤ側のファン２１Ｒが取り付けられている。ファン２１Ｆ，２１Ｒは何れも遠心ファンである。

磁極位置検出センサー６は、回転軸１１すなわち回転子２の磁極位置を検出する。磁極位置検出センサー６は、回転軸１１リヤブラケット５の外側でスリップリング１３とベアリング８との間に位置して回転軸１１と同軸的に配置されている。磁極位置検出センサー６は、センサーステータ６ａとセンサーロータ６ｂより構成され、前記センサーステータ６ａの内側に鉄心のみのセンサーロータ６ｂが回転自在に設けられている。

コネクティングボード１８には、固定子口出し線３ｂとパワーモジュール９とを接続するためのコネクティングターミナル１８ａがインサート成形されている。
コネクティングボード１８はリヤブラケット５のリヤ側にネジで固定される。
固定子口出し線３ｂはリヤブラケット５を貫通してリヤ側に露出しており、この露出部分でコネクティングボード１８のターミナル１８ａのフロント側端部に溶接されている。
この溶接後に、第２のアセンブリ３０がリヤブラケット５のリヤ側に取り外し可能に組付けられ、コネクティングボード１８のコネクティングターミナル１８ａのリヤ側端部と、第２のアセンブリ３０のケース１４にインサート成形されたターミナル１４aとがネジで固定され、固定子巻線（電機子巻線）３ａとパワーモジュール９とがコネクティングターミナル１８ａを介して電気的に接続される。

次に第２のアセンブリ３０について説明する。
第２のアセンブリ３０は、モータ駆動時の電機子電流の供給を行うインバータ及び発電時の電機子電流の整流を行うコンバータの機能を実行するスイッチング素子をその周辺回路とともにまとめた複数のパワーモジュール９と、界磁電流を制御するためのスイッチング素子をその周辺回路とともにまとめた界磁モジュール１０と、パワーモジュール９と界磁モジュール１０とが搭載されパワーモジュール９と界磁モジュール１０とを冷却するヒートシンク３１と、各モジュールの電力系の端子と接続されるターミナルを備えたケース１４と、パワーモジュール９と界磁モジュール１０とを制御するための制御回路が構成された制御基板１７と、スイッチングサージを吸収するコンデンサ２０とで構成されている。

ブラシホルダ１６ａはヒ−トシンク３１の中央の回転軸１１が通る空間３１ｓに配設されている。ブラシホルダ１６ａは、ケース１４にインサート成形されたターミナルを介して、界磁モジュール１０と接続される。
磁極位置検出センサー６のセンサーステータ６ａはヒートシンク３１に装着されている。磁極位置検出センサー６の出力信号の配線は制御基板１７に接続される。

パワーモジュール９や界磁モジュール１０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、全体を樹脂成形した構造としている。各パワーモジュール９は、いずれも台形形状に構成され、台形の斜辺がほぼ径方向に向かうよう円環状に配列されている。正面側（リヤ側）から見てパワーモジュール９の直下に位置するヒートシンク冷却フィン３１ａが径方向に向かうように配列している。
ヒートシンク３１には、それぞれ径方向に延在して放射状に配設された複数のフィン３１ａが、複数のパワーモジュールの側に、複数のパワーモジュール９，９，・・・に対向して設けられている。
また、図３に例示のように、複数のフィン３１ａ間を、遠心ファン２１Ｆ，２１Ｒの回転によって生じる冷却風が、径方向中心に向けて流れるように構成されている。

図２，図４に例示のように、円環状に配列された複数のパワーモジュール９，９，９，９，・・・の各々は、軸方向に見た形状が非等脚の台形であり、非等脚の台形の各々のパワーモジュールの上底９ＴＢが径方向内側に、下底９ＬＢが径方向外側に、それぞれ位置している。非等脚の台形の各々のパワーモジュールの一方の脚９ＬＰ１の傾斜度と他方の脚９ＬＰ２の傾斜度とが異なっており、図示の例では、一方の脚９ＬＰ１の傾斜度は０°、他方の脚９ＬＰ２の傾斜度は約−４５°である。

相隣るパワーモジュールの前記一方の脚９ＬＰ１と前記他方の脚９ＬＰ２とが、径方向に延在する隙間９ｇ９を介して対向し、この隙間９ｇ９は、その径方向内端から径方向外端に亘る間隔が、図２，図４に図示のようにほぼ同じである。従って、複数のパワーモジュール９，９，・・・のスペースファクタが良くなり、径方向の小型化が可能となる。
なお、相隣るパワーモジュールの前記一方の脚９ＬＰ１と前記他方の脚９ＬＰ２とが、径方向に延在する隙間９ｇ９を介して対向し、この隙間９ｇ９は、その径方向内端から径方向外端に亘る間隔が、図２，図４に図示のようにほぼ同じである構造を形成できれば、必ずしも、一方の脚９ＬＰ１の傾斜度は０°とし他方の脚９ＬＰ２の傾斜度は約−４５°としなくても、一方の脚９ＬＰ１の傾斜度を約＋４５°、他方の脚９ＬＰ２の傾斜度０°としてもよく、また、４５°±α、０°±αとしてもよい。

Ｂラインターミナルとも言われるバッテリ側共通ターミナル３２と、ＧＮＤラインターミナルとも言われる接地側共通ターミナル３３は、ケース１４の内側に、軸方向に平行をなして配置され、各パワーモジュール９，９，・・・の各々のＢ端子と言われる電源端子９ａとＧＮＤ端子と言われる電源単位９ｂに溶接等でそれぞれ接合される。各パワーモジュール９，９，・・・のＢ端子（電源端子）９ａとＧＮＤ端子（電源端子）９ｂの溶接個所は制御基板１７の下側（フロント側）で接合され、各パワーモジュール９，９，・・・の信号端子９ｃは制御基板に接続される。

非等脚の台形の各々のパワーモジュール９，９，・・・の各々の電源端子９ａ，９ｂは、それぞれ上底９ＴＢに、周方向および軸方向に位置的にずれて、設けられている。
非等脚の台形の各々のパワーモジュール９，９，・・・の各々の複数の信号端子の列９ｃは、それぞれ下底９ＬＢに設けられている。

バッテリ側共通ターミナル３２および接地側共通ターミナル３３は、軸方向に見た形状が何れもＵ字状であり、周方向に円環状に配列された複数のパワーモジュール９，９，・に囲まれる空間３１ｓ内に、絶縁して配設されている。
バッテリ側共通ターミナル３２は、コネクティングターミナル１８ａと同電位（Ｂ電圧あるいはバッテリ電圧）であり、ケース１４の外部へ延在するＢラインターミナル外部接続端子３２０に接続されている。
接地側共通ターミナル３３は、リヤブラケット５と同電位（ＧＮＤ電位あるいは接地電位）であり、ケース１４の外部へ延在するＢラインターミナル外部接続端子３２０に接続されている。
接地側共通ターミナル３３およびバッテリ側共通ターミナル３２は、軸方向に平行に配設され、前記接地側共通ターミナルに流れる電流の方向と前記バッテリ側共通ターミナルに流れる電流の方向とが逆向きである。

第２のセンブリ３０の組立後、第１のアセンブリ４０のリヤブラケット５のリヤ側に第２のセンブリ３０が装着され、その後保護カバー１５が搭載される。

以上のように本実施の形態１によれば、パワーモジュールを台形形状で構成し、台形の斜辺部をほぼ径方向に向かうよう円環状に配列したことで、デットスペースが減りパワーモジュールを外径方向へ配置でき、パワーモジュール下のヒートシンク冷却フィンが径方向に向かうように配列しているので、ヒートシンク冷却フィンが等ピッチで効率よく配置でき、パワーモジュールが効率よく冷却される。
また、ヒートシンク冷却フィンが径方向に向かうように配列されるので、冷却風が中心へ向かって効率よく導入され、冷却性が向上できる。
また全てパワーモジュールが同形状で構成しているので、コスト低減できる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２を説明する。図５はインバータアセンブリ（第２のアセンブリ）を、保護カバーを取り外した状態で、正面側（リヤ側）から見た正面図である。ただし、実施の形態１の構成要素と類似要素には同符号を付す。基本的な構成は実施の形態１と同様であるので説明を省く。

制御装置の各パワーモジュール９，９，・・の各々の複数の信号端子の列９ｃは、図５に例示のように、周方向に一列に構成され、全てのパワーモジュールの信号端子９ｃが、インバータ機能を有する第２のアセンブリ３０のケース１４の外壁側（台形の底辺）に配置されている。

以上のように本実施の形態２によれば、信号端子９ｃをケースの外壁側に配置したので、制御基板の部品搭載が有効に活用できる。また制御基板の部品搭載面積が有効に活用できるので、インバータを小型化できる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、組み合わせ、変形、省略することができる。
なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

１ 回転電機、２ 回転子、２ａ 界磁巻線、３ 固定子、３ａ 三相固定子巻線、
３ｂ 固定子口出し線、４ フロントブラケット、５ リヤブラケット、
６ 磁極位置検出センサー、６ａ センサーステータ、６ｂ センサーロータ、
７ 軸受、８ 軸受、９ 非等脚の台形状のパワーモジュール、
９ａ パワーモジュールのＢ端子（電源端子）、ｂ パワーモジュールのＧＮＤ端子（電源端子）、９ｃ パワーモジュールの信号端子、９ＬＢ 非等脚の台形状のパワーモジュールの下底、９ＬＰ１ 非等脚の台形状のパワーモジュールの一方の脚、
９ＬＰ２ 非等脚の台形状のパワーモジュールの他方の脚、９ＴＢ 非等脚の台形状のパワーモジュールの上底、９ｇ９ パワーモジュール間の隙間、１０ 界磁モジュール、
１１ 回転軸、１２ プーリ、１３ スリップリング、１４ ケース、１４ａ ケースにインサート成形されたターミナル、１５ カバー、１６ ブラシ、１６ａ ブラシホルダ、１７ 制御基板、１８ コネクティングボード、１８ａ コネクティングターミナル、１９ａ コネクティングボードにインサートされたターミナルのステータコイル側との接続箇所、１９ｂ コネクティングボードにインサートされたターミナルのパワーモジュール側との接続箇所、２０ コンデンサ、２１Ｆ フロント側ファン、２１Ｒ リヤ側ファン、３０ インバータアセンブリ（第２のアセンブリ）、３１ ヒートシンク、
３１ａ ヒートシンク冷却フィン、３１ｓ パワーモジュールに囲まれる空間、３２ Ｂラインターミナル（バッテリ側共通ターミナル）、３２０ Ｂラインターミナル外部接続端子、３３ ＧＮＤラインターミナル（接地側共通ターミナル）、３３０ ＧＮＤラインターミナル外部接続端子、４０ モータアセンブリ（第１のアセンブリ）

この発明に係る制御装置一体型回転電機は、固定子と回転子とを有するモータの第１のアセンブリ、および前記モータを制御する制御装置の第２のアセンブリを備え、前記第１のアセンブリと前記第２のアセンブリとが一体に同軸状に組み付けられた制御装置一体型回転電機であって、
前記制御装置は、前記モータに電力を供給する複数のパワーモジュールと、これら複数のパワーモジュールを冷却するヒートシンクとを有し、
前記複数のパワーモジュールは周方向に円環状に配列され、
前記複数のパワーモジュールの各々は軸方向に見た形状が非等脚の台形であり、
前記非等脚の台形の各々のパワーモジュールの上底が径方向内側に、下底が径方向外側に、それぞれ位置し、
前記非等脚の台形の各々のパワーモジュールの一方の脚の傾斜度と他方の脚の傾斜度とが異なっており、
前記非等脚の台形の各々のパワーモジュールの周方向の向きが同じであり、
相隣るパワーモジュールの前記一方の脚と前記他方の脚とが径方向に延在する隙間を介して対向しており、
前記隙間の、その径方向内端から径方向外端に亘る間隔が同じであり、
前記ヒートシンクには、それぞれ径方向に延在して放射状に配設された複数のフィンが、前記複数のパワーモジュールの側に前記複数のパワーモジュールに対向して設けられている
ものである。

この発明による制御装置一体型回転電機は、複数のパワーモジュールは周方向に円環状に配列され、複数のパワーモジュールの各々は軸方向に見た形状が非等脚の台形であり、非等脚の台形の各々のパワーモジュールの上底が径方向内側に、下底が径方向外側に、それぞれ位置し、非等脚の台形の各々のパワーモジュールの一方の脚の傾斜度と他方の脚の傾斜度とが異なっており、前記非等脚の台形の各々のパワーモジュールの周方向の向きが同じであり、相隣るパワーモジュールの一方の脚と他方の脚とが径方向に延在する隙間を介して対向しており、当該隙間の、その径方向内端から径方向外端に亘る間隔が同じであるので、複数個のパワーモジュールのスペースファクタが向上し、しかも、ヒートシンクには、それぞれ径方向に延在して放射状に配設された複数のフィンが、複数のパワーモジュールの側に複数のパワーモジュールに対向して設けられているので、冷却効率が向上する効果がある。

Claims (10)

1. 固定子と回転子とを有するモータの第１のアセンブリ、および前記モータを制御する制御装置の第２のアセンブリを備え、前記第１のアセンブリと前記第２のアセンブリとが一体に同軸状に組み付けられた制御装置一体型回転電機であって、
   前記制御装置は、前記モータに電力を供給する複数のパワーモジュールと、これら複数のパワーモジュールを冷却するヒートシンクとを有し、
   前記複数のパワーモジュールは周方向に円環状に配列され、
   前記複数のパワーモジュールの各々は軸方向に見た形状が非等脚の台形であり、
   前記非等脚の台形の各々のパワーモジュールの上底が径方向内側に、下底が径方向外側に、それぞれ位置し、
   前記非等脚の台形の各々のパワーモジュールの一方の脚の傾斜度と他方の脚の傾斜度とが異なっており、
   相隣るパワーモジュールの前記一方の脚と前記他方の脚とが径方向に延在する隙間を介して対向し、
   前記ヒートシンクには、それぞれ径方向に延在して放射状に配設された複数のフィンが、前記複数のパワーモジュールの側に前記複数のパワーモジュールに対向して設けられている
   ことを特徴とする制御装置一体型回転電機。
2. 前記複数のフィン間を、冷却風が径方向中心に向けて流れ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. 前記隙間の、その径方向内端から径方向外端に亘る間隔が同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置一体型回転電機。
4. 前記隙間が、その径方向内端から径方向外端に亘って直線状に延在していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置一体型回転電機。
5. 前記複数のパワーモジュールの各々が、その複数の信号端子の列を、前記下底に有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の制御装置一体型回転電機。
6. 前記複数のパワーモジュールの各々の前記信号端子の列が周方向に一列であ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. 前記複数のパワーモジュールの各々が、その対を成す電源端子を、前記上底に有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の制御装置一体型回転電機。
8. 前記複数のパワーモジュールの各々の対を成す電源端子の接地側端子が接地側共通ターミナルに接続され、前記複数のパワーモジュールの各々の前記対を成す電源端子のバッテリ側端子がバッテリ側共通ターミナルに接続されていることを特徴とする請求項１から７に記載の制御装置一体型回転電機。
9. 前記接地側共通ターミナルおよび前記バッテリ側共通ターミナルが、周方向に円環状に配列された前記複数のパワーモジュールに囲まれる空間内に絶縁して配設されていることを特徴とする請求項８に記載の制御装置一体型回転電機。
10. 前記接地側共通ターミナルおよび前記バッテリ側共通ターミナルが、軸方向に平行に配設され、前記接地側共通ターミナルに流れる電流の方向と前記バッテリ側共通ターミナルに流れる電流の方向とが逆向きであることを特徴とする請求項８または９に記載の制御装
    置一体型回転電機。
    

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