JP4600366B2

JP4600366B2 - 車両用交流発電機

Info

Publication number: JP4600366B2
Application number: JP2006231708A
Authority: JP
Inventors: 考司近藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2026-08-29
Also published as: JP2008061293A; US7876006B2; DE102007034014A1; US20080054766A1

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。

近年、車両走行抵抗の低減のためのスラントノーズ化やエンジンまわりの各種装着品の増加、および車室内居住空間確保というニーズからエンジンルームが近年ますます狭小化し、発電機の周囲温度が高くなる傾向にあるとともに発電機の小型化が求められている。一方、快適性や安全性の向上のための各種の電気負荷の増加により、発電機の発電能力の向上も求められ、発電機自身の発熱も増加してきた。以上のことから、発電機を構成する各種部品の中でも、温度上昇の高い機能部品である整流素子（ダイオード）を持つ整流装置の冷却性を小型かつ低コストで確保、実現する必要がある。

これに対し、整流素子を放熱板に設けた穴部に打ち込み嵌合させ、従来実施していた半田付けを廃止することにより、半田の熱疲労に伴う不具合を解消し、更には整流素子のディスクを放熱板より硬い材質で形成することでディスクの変形を抑制し、整流素子を放熱板に圧入することにより発生する半導体ペレット応力を低減する構造が知られている。また、整流素子のディスク厚さを厚くし、放熱板に圧入する位置より離れた位置に半導体ペレットを配置して、圧入することにより発生する半導体ペレットへの応力を低減する構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、放熱板をアルミダイカストにより鋳造することで複雑なサブフィンを形成し、放熱面積を拡大することで放熱板を大型化することなく冷却性の確保を図る構造が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−１１９０２９号公報（第３−４頁、図１−９）特開２００４−１１２８６０号公報（第４−６頁、図１−５）

ところで、放熱板に整流素子を圧入する場合、圧入締代の精度や、プレス等塑性加工により加工された放熱板は整流素子の圧入部の硬度が高いため、特許文献１のようにディスクを放熱板よりも硬い材質で形成した場合であっても、十分に半導体ペレットの応力を低減することが困難な場合がある。また、整流素子のディスク厚さを厚くし、放熱板に圧入する位置より離れた位置に半導体ペレットを配置すると、整流素子自体が大きくなり、整流素子を少なくとも６個使用する整流装置が小型化できないという問題がある。

また、特許文献２で開示されているような複雑なサブフィンを形成する場合においては、サブフィンを含む放熱板は鋳造加工された物を用いることが望ましいが、鋳造加工品は塑性加工品同様に表層の硬度が高く、整流素子のディスク硬度を高く設定した従来構造においても十分に半導体ペレットの応力を低減することが困難な場合がある。

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、放熱板や整流素子のディスクの硬さに関係なく整流素子に用いられている半導体ペレットの応力を低減することができる車両用交流発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、本発明の車両用交流発電機は、複数の整流素子と放熱板とを含む整流装置が内蔵されている。放熱板は、整流素子が圧入される打ち込み孔を有しており、整流素子は、半導体ペレットと、この半導体ペレットが凹部の内側底面に半田付けされるディスクとを含んで構成されている。半導体ペレットが半田付けされるディスクの面は放熱板の厚さ範囲内に設定され、ディスクの放熱板への圧入範囲がディスクの底面から半導体ペレットが半田付けされる面までの範囲内に設定されており、ディスクと放熱板が対向する部位の非圧入部の放熱板側には隙間が形成されている。

整流素子と放熱板に対向する整流素子の圧入部位は、凹形状を有するディスクの中実部のみが充てられている。ディスクの中空部を含む整流素子全体を放熱板に圧入した従来構成の場合には、圧入によりディスクの中空部（中実部以外の部位）が変形し、半導体ペレットおよびディスクと半導体ペレットの接合用半田も、すり鉢状に変形してしまう。しかし、本発明の構造では、ディスクの剛性が高い中実部のみを圧入部としているため、このようなすり鉢状に変形することはなく、半導体ペレットや半導体ペレットとディスクの接合用半田に加わる応力を大幅に低減することが可能になる。なお、放熱板に対する整流素子の固定力と半導体ペレットや半田の応力低減とを両立するための最適値は、ディスクの中空部分以外の全て（中実部全体）を圧入嵌合部位とすることである。

また、上述した放熱板に圧入されるディスクの外周面には、放熱板への圧入長さを越えてローレット加工面が形成されていることが望ましい。整流素子と放熱板の圧入部においてディスクにローレット加工が施されている場合に、整流素子を放熱板に圧入する際の圧入荷重と半導体ペレットおよび半導体ペレットとディスクを接合する半田に発生する応力は概ね比例するが、ディスクにローレットを設けることにより整流素子や放熱板の部品加工精度を厳しく設定することなく圧入荷重を低減することができるため、半導体ペレットや半導体ペレット接合用の半田に発生する応力の低減が可能となる。しかも、放熱板への圧入長さを超えて、例えば外周全体についてローレット加工を施す場合には、高い位置精度の確保が不要になるためこの加工を容易に行うことができる。

また、上述したディスクと放熱板が対向する部位の放熱板側圧入部は、機械加工が施されていることが望ましい。これにより、鋳造加工や塑性加工により生じた表面硬化層が除去され、放熱板の整流素子圧入部位の硬度を低くすることが可能となり、圧入によるディスクの変形が抑制され、半導体ペレットの応力をさらに低減することが可能となる。

また、上述したディスクと放熱板が対向する部位の非圧入部に形成された隙間は、ディスクおよび放熱板とは異なる材料で充填されていることが望ましい。ディスクと放熱板との間の隙間にこれらとは異なる材料を充填することにより、水や道路の凍結防止材等が被液した場合であっても、腐食やこれに伴って発生するさまざまな不具合を未然に防止することが可能となる。

また、上述した隙間に充填される材料は、低弾性材料であることが望ましい。これにより、ディスクと放熱板とが異なる材料で形成されている場合に、温度変化時に線膨張率の違いにより発生するこれらの間で作用する応力を減らして、ディスクに作用する応力の増大を防止することができる。なお、低弾性材料を充填する方法は、隙間部のみに充填する場合の他、整流装置全体を塗装等の膜で覆うことによっても、同様の効果を得ることができる。

また、上述した隙間に充填される材料は、良好な熱伝導性を有することが望ましい。これにより、ディスクと放熱板との間に部分的に隙間を形成する場合であっても、この隙間を良好な熱伝導性の材料でこの隙間を充填することにより、整流素子の熱を放熱板に効率よく熱伝導させることが可能となり、整流素子の冷却性向上を図ることが可能となる。

以下、本発明の半導体装置を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、ブラシ装置４、整流装置５、フレーム６、リヤカバー７、プーリ８等を含んで構成されている。

固定子２は、固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に形成された複数個のスロットに所定の間隔で巻き回された三相の固定子巻線２３とを備えている。回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが複数の磁極爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア３２の端面には、冷却ファン３４が溶接等によって取り付けられ、同様に、リヤ側のポールコア３２の端面には、冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。

ブラシ装置４は、整流装置５から回転子３の界磁巻線に３１に励磁電流を流すためのものであり、回転子３の回転軸３３に形成されたスリップリング３６、３７のそれぞれに押圧するブラシ４１、４２を有する。

整流装置５は、三相の固定子巻線２３の出力電圧である三相交流電圧を整流して直流の出力電力を得るためのものであり、配線用電極を内部に含む端子台５１と、所定の間隔で配置された正極側放熱板５２および負極側放熱板５３と、それぞれの放熱板に設けられた打ち込み孔に圧入することにより取り付けられた複数個の半導体装置としての整流素子５４、５５（後述する）とを含んで構成されている。

フレーム６は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム６は、固定子鉄心２１の軸方向端面から突出した固定子巻線２３に対向した部分に冷却風の吐出窓６１が、軸方向端面に冷却風の吸入窓６２がそれぞれ設けられている。リヤカバー７は、リヤ側のフレーム６の外側に取り付けられるブラシ装置４、整流装置５およびＩＣレギュレータ１２の全体を覆って、これらを保護するためのものである。

上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ８にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁巻線３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線２３に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置５の出力端子からは直流の出力電力が取り出される。

次に、整流装置５の詳細について説明する。図２は、整流装置５の詳細構造を示す平面図である。なお、以下では主に負極側放熱板５３に圧入された整流素子５５について説明するが、正極側放熱板５２と整流素子５４についても同様であり、詳細な説明は省略する。

整流装置５は、正極側放熱板５２と負極側放熱板５３を有している。負極側放熱板５３には６箇所に圧入孔５６が形成されており、それぞれの圧入孔５６に負極側整流素子５５が圧入されている。圧入によって負極側整流素子５５を負極側放熱板５３に取り付けることにより、半田付けによって取り付けた場合に比べて作業工数およびコストの低減が可能になる。

図３は、負極側放熱板５３および負極側整流素子５５の断面図である。図３に示すように、負極側整流素子５５は、ディスク５００、半導体ペレット５１０、リード５２０を含んで構成されている。ディスク５００は、一方の端面に凹部５０４が形成された円筒形状を有している。この凹部５０４の内側底面が半導体ペレット５１０が半田付けされる接合面５０６となる。

負極側整流素子５５は、ディスク５００の接合面５０６上に半導体ペレット５１０が半田５１２によって半田付けされ、さらに半導体ペレット５１０の上部にリード５２０が半田５１４によって半田付けされている。また、半導体ペレット５１０の全体を覆うようにシリコンゴムあるいは樹脂からなる保護層５２２が形成されている。

ところで、本実施形態では、半導体ペレット５１０が半田付けされるディスク５００の接合面５０６は負極側放熱板５３の厚さ範囲内（負極側放熱板５３の表面および裏面に挟まれた肉厚部分の範囲内）に設定され、ディスク５００の負極側放熱板５３への圧入範囲がディスク５００の底面から半導体ペレット５１０が半田付けされる接合面５０６までの範囲内に設定されている。

具体的には、負極側放熱板５３と負極側整流素子５５の対向する部位において、負極側放熱板５３と負極側整流素子５５の圧入部５０２は、ディスク５００の中実部分となっている部位のみが対応している。逆に凹形状であるディスク５００の中空部（非中実部分）については、負極側放熱板５３との間に隙間５３０が設けられている。

なお、負極側放熱板５３側の圧入部５０２は、旋盤等による機械加工が施されている方が望ましい。また、負極側整流素子５５と負極側放熱板５３の間に隙間５３０を設ける手法は、図３に示すように、負極側放熱板５３側を段付き形状にして逃がした場合の他に、図４に示すように、負極側整流素子５５のディスク５００側を段付き形状にして逃がすようにしてもよい。どちらの場合も、同じように半導体ペレット５１０の応力低減効果が得られる。但し、図４に示す構造とすることにより、負極側整流素子５５を負極側放熱板５３に、ディスク５００の中空部側（リード５２０側）から圧入する場合に、圧入時に加わる半導体ペレット５１０への応力も低減可能となる。

図５は、負極側整流素子の変形例を示す断面図である。図５に示す負極側整流素子５５Ａのディスク５００Ａの外周面には、少なくとも負極側放熱板５３に対向する圧入部にローレット加工５４０が施されている。このローレット加工５４０は、好ましくは圧入部の圧入長さを超えて、さらに好ましくはディスク５００Ａの外周面全体にわたって施されている。なお、図４に示すようにディスク側を段付き形状にして隙間５３０を形成する場合にディスク外周面（圧入部のみ）にローレット加工を施してもよい。この場合も、負極側整流素子圧入時に加わる半導体ペレット５１０への応力を効果的に低減することができる。

図６は、他の変形例を示す断面図である。図６に示す変形例の構造では、図４に示す構造に対して、隙間５３０に所定の材料５５０が充填されている。この材料５５０は、ディスク５００および負極側放熱板５３とは異なる低弾性および良好な熱伝導性を有する。なお、図６に示した構造は、図４に示した構造に対して材料５５０を追加したものであるが、同様に、図３や図５に示した構造に材料５５０を追加するようにしてもよい。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１の整流装置５では、負極側放熱板５３は、負極側整流素子５５が圧入される打ち込み孔（圧入孔５６）を有しており、負極側整流素子５５は、半導体ペレット５１０と、この半導体ペレット５１０が凹部の内側底面に半田付けされるディスク５００とを含んでおり、半導体ペレット５１０が半田付けされるディスク５００の接合面５０６は負極側放熱板５３の厚さ範囲内に設定され、ディスク５００の負極側放熱板５３への圧入範囲がディスク５００の底面から接合面５０６までの範囲内に設定されている。すなわち、負極側整流素子５５と負極側放熱板５３に対向する負極側整流素子５５の圧入部５０２は、凹形状を有するディスク５００の中実部のみが充てられている。ディスク５００の中空部を含む負極側整流素子５５全体を負極側放熱板５３に圧入した従来構成の場合には、圧入によりディスク５００の中空部（中実部以外の部位）が変形し、半導体ペレット５１０およびディスク５００と半導体ペレット５１０の接合用半田５１２も、すり鉢状に変形してしまう。しかし、本発明の構造では、ディスク５００の剛性が高い中実部のみを圧入部５０２としているため、このようなすり鉢状に変形することはなく、半導体ペレット５１０や半導体ペレット５１０とディスク５００の接合用半田５１２に加わる応力を大幅に低減することが可能になる。

また、負極側整流素子５５を負極側放熱板５３に圧入する際の圧入荷重と半導体ペレット５１０および半導体ペレット５１０とディスク５００を接合する半田５１２に発生する応力は概ね比例するが、ディスク５００にローレットを設けることにより負極側整流素子５５や負極側放熱板５３の部品加工精度を厳しく設定することなく圧入荷重を低減することができるため、半導体ペレット５１０や半導体ペレット接合用の半田５１２に発生する応力の低減が可能となる。しかも、負極側放熱板５３への圧入長さを超えて、例えば外周面全体についてローレット加工を施す場合には、ローレット加工に際して高い位置精度の確保が不要になるためこの加工を容易に行うことができる。

また、ディスク５００と負極側放熱板５３が対向する部位の放熱板側圧入部５０２に機械加工を施すことにより、鋳造加工や塑性加工により生じた表面硬化層を除去することができ、負極側放熱板５３の整流素子圧入部位の硬度を低くすることが可能となり、圧入によるディスク５００の変形が抑制され、半導体ペレット５１０の応力をさらに低減することが可能となる。

また、ディスク５００と負極側放熱板５３との間の隙間５３０にこれらとは異なる材料５５０を充填することにより、水や道路の凍結防止材等が被液した場合であっても、腐食やこれに伴って発生するさまざまな不具合を未然に防止することが可能となる。

また、隙間５３０に充填される材料５５０を低弾性材料とすることにより、ディスク５００と負極側放熱板５３とが異なる材料で形成されている場合に、温度変化時に線膨張率の違いにより発生するこれらの間で作用する応力を減らして、ディスク５００に作用する応力の増大を防止することができる。なお、低弾性材料を充填する方法は、隙間５３０のみに充填する場合の他、隙間５３０内部を含む整流装置５全体を塗装等の膜で覆うことによっても、同様の効果を得ることができる。

また、隙間５３０に充填される材料５５０を良好な熱伝導性を有する材料とすることにより、負極側整流素子５５の熱を負極側放熱板５３に効率よく熱伝導させることが可能となり、負極側整流素子５５の冷却性向上を図ることが可能となる。

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、整流装置５の各放熱板に形成した貫通した圧入孔に整流素子を圧入したが、貫通しない凹部を設けておいて、この凹部に整流素子を圧入するようにしてもよい。また、上述した実施形態では、車両用交流発電機の整流装置に用いられる整流素子について説明したが、その他の用途に用いられる整流素子を含む各種の半導体装置に本発明を適用することができる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。整流装置の詳細構造を示す平面図である。負極側放熱板および負極側整流素子の断面図である。負極側放熱板および負極側整流素子の変形例の断面図である。負極側放熱板および負極側整流素子の他の変形例の断面図である。負極側放熱板および負極側整流素子の他の変形例の断面図である。

符号の説明

５整流装置
５２正極側放熱板
５３負極側放熱板
５４正極側整流素子
５５負極側整流素子
５６圧入孔
５００ディスク
５０２圧入部
５０４凹部
５０６接合面
５１０半導体ペレット
５１２、５１４半田
５２０リード
５２２保護層
５３０隙間

Claims

複数の整流素子と放熱板とを含む整流装置が内蔵された車両用交流発電機において、
前記放熱板は、整流素子が圧入される打ち込み孔を有しており、
前記整流素子は、半導体ペレットと、この半導体ペレットが凹部の内側底面に半田付けされるディスクとを含んで構成されており、
前記半導体ペレットが半田付けされる前記ディスクの面は前記放熱板の厚さ範囲内に設定され、前記ディスクの前記放熱板への圧入範囲が前記ディスクの底面から前記半導体ペレットが半田付けされる面までの範囲内に設定されており、
前記ディスクと前記放熱板が対向する部位の非圧入部の前記放熱板側には隙間が形成されており、
前記放熱板に圧入される前記ディスクの外周面には、前記放熱板への圧入長さを越えてローレット加工面が形成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
請求項１において、
前記ディスクと前記放熱板が対向する部位の放熱板側圧入部は、機械加工が施されていることを特徴とする車両用交流発電機。
請求項１または２において、
前記隙間は、前記ディスクおよび前記放熱板とは異なる材料で充填されていることを特徴とする車両用交流発電機。
請求項３において、
前記隙間に充填される材料は、低弾性材料であることを特徴とする車両用交流発電機。
請求項３または４において、
前記隙間に充填される材料は、良好な熱伝導性を有することを特徴とする車両用交流発電機。