JP5542977B1

JP5542977B1 - 回転電機

Info

Publication number: JP5542977B1
Application number: JP2013010769A
Authority: JP
Inventors: 直秀前田; 暢彦藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2033-01-24
Also published as: US9143019B2; US20140203675A1; JP2014143833A; FR3001349B1; FR3001349A1

Abstract

【課題】軽量で、冷却性に優れた回転電機を得る。
【解決手段】ヒートシンク１７の冷却フィン３２が形成されたヒートシンク面をハウジング８に対向させ、対向したハウジング面と前記冷却フィン３２間には、対向した前記ハウジング面を遮り、前記ヒートシンク１７との間で風路を構成するプレート２６を介在させて、吸入口３４より外気を吸入し、外気が前記ヒートシンク１７と前記プレート２６間の前記風路を通り、前記ハウジング８に設けた窓３３を通って、回転子４の冷却ファン２０で、前記ハウジング８に設けた排気口３５より排気されるように構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンに連結される車両用等の回転電機に関し、特に、発生する熱を放熱する冷却構造に係わるものである。

従来より、車両用の回転電機においては、電機子巻線を持つ固定子に電流を供給するスイッチング素子を有する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有する制御アセンブリを、回転電機に搭載することが提案されている。（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１の回転電機においては、電力用半導体素子と絶縁基板とヒートシンクで構成されるパワーモジュールがブラケット（ハウジング）に搭載されおり、ヒートシンクにはフィンが形成されている。回転子にはファンが取り付けられており、回転子の回転により冷却風を発生させる。ブラケットには冷却風を通す窓があり、前記フィンを通った冷却風が、ブラケットの前記窓を経由してブラケットの開口部から排気されるように構成されている。

特開２００４−３１２８５２号公報（第２実施例、図３、図５）特開２０１０−２６８５４１号公報（実施の形態３、図７）

特許文献１では、ブラケット端面全体にわたってパワーモジュールが搭載されており、ヒートシンクに構成されるフィンを有効活用するため、ブラケットの窓は回転電機の中心である回転軸付近に設ける必要がある。しかし、ブラケットは回転子や固定子を保持する必要があり、構造的な要因から一般的に金属材料が使用される。このため、窓以外の部分を塞ぐため、回転電機の重量が増加する懸念がある。また、前述のようにブラケットは固定子を保持しているため、固定子からの熱伝達により高温になる。このためブラケットとヒートシンクで、風路を構成する場合、ブラケットからの冷却風への放熱（輻射）や、ブラケットからヒートシンクへの放射熱で、パワーモジュールを搭載したヒートシンクの冷却効率が悪化する。

一方、特許文献２では、ヒートシンクの一面にスイッチング素子を有するパワー回路部を搭載し、他面にフィンを備え、ヒートシンクのフィンの対向側に固定子の巻線とパワー回路部を接続する中継プレートを備え、ヒートシンクと中継プレートで風路を構成することが提案されている。

特許文献２では、パワー回路部を搭載したヒートシンクがハウジングの内側に搭載されているため、冷却風の吸気口と排気口が近く、排気が還流し、吸気の温度が上昇してしまう問題があった。また、中継プレートには固定子巻線とパワー回路部を接続するためのバスバーを備える必要がある。バスバーは接続部以外を絶縁する必要があり、中継プレートが厚くなってしまう。中継プレートが厚くなると、回転電機の軸方向寸法が大きくなる。また、回転電機の軸方向寸法を変えないようにするためには、ヒートシンクのフィンを短くして中継プレートの厚みを吸収する必要がある。前者の場合、回転電機の大型化により、回転電機の重量が増加する。後者の場合には、フィンが短くなることでヒートシンクの
冷
却性が悪化する。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、より軽量で、冷却性に優れた回転電機を提案するものである。

この発明に係る回転電機は、電機子巻線を有する固定子と、前記固定子の軸方向の両端部に配置され、前記固定子を支持する一対のハウジングと、前記固定子の内周側に配置され、界磁巻線と界磁コアを有し、回転軸が前記一対のハウジングに軸受により回転自在に保持される回転子と、前記回転子の軸方向端部に設けられた冷却ファンと、前記電機子巻線に流れる電機子電流を制御するスイッチング素子を有するパワーモジュールと、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御するスイッチング素子を有する界磁モジュールと、前記一対のハウジングのうちの一方のハウジングに対して前記回転子と前記固定子の反対側に装着され、前記パワーモジュールのスイッチング素子を搭載し冷却するヒートシンクと、前記パワーモジュールのスイッチング素子を搭載した前記ヒートシンクを被う保護カバーとを備える回転電機において、前記ヒートシンクには、前記スイッチング素子が搭載された面と反対側の面に冷却フィンが突出して形成され、前記ヒートシンクの冷却フィンが形成されたヒートシンク面を前記一方のハウジングに対向させ、対向したハウジング面と前記冷却フィン間には、対向した前記ハウジング面から前記ヒートシンクへの熱放射を防ぐように、対向した前記ハウジング面を遮り、前記ヒートシンクとの間で風路を構成するプレートを介在させて、前記保護カバーに設けた吸入口より外気を吸入し、外気が前記ヒートシンクと前記プレート間の前記風路を通り、前記一方のハウジングに設けた窓を通って、前記回転子の前記冷却ファンで、前記一方のハウジングに設けた排気口より排気されるように構成したものである。

この発明の回転電機によれば、対向したハウジング面と冷却フィン間に、対向した前記ハウジング面から前記ヒートシンクへの熱放射を防ぐように、対向した前記ハウジング面を遮り、ヒートシンクとの間で風路を構成するプレートを介在させたので、風路を通る外気によりフィンが冷却されて、前記ヒートシンクに搭載されたスイッチング素子を効果的に冷却できる。プレートとヒートシンクとの間で風路を構成することで、外気をより回転軸中心に近い場所まで導入することができ、回転軸中心に近い場所にある部品を効果的に冷却できる。対向したハウジング面と冷却フィン間に、対向した前記ハウジング面から前記ヒートシンクへの熱放射を防ぐように、対向した前記ハウジング面を遮るプレートを介在させたので、固定子から受熱するハウジングの熱が、風路を通る外気やヒートシンクに放熱されることを防ぐことができる。

この発明の実施の形態１に係わる回転電機の縦断面図である。実施の形態１に係わる回転電機の電気回路図である。実施の形態１に係わる回転電機のインバータアセンブリの平面図である。実施の形態２に係わる回転電機のインバータアセンブリの平面図である。

以下の実施の形態では、電動機として使用することで連結される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を例として説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の縦断面図、図２は実施の形態１に係
わる回転電機の電気回路図、図３は実施の形態１に係わる回転電機のインバータアセンブリのフロント側平面図である。

図１において、回転電機１は、電機子巻線５を有する固定子６と、固定子６の軸方向の両端部に配置され、固定子６を支持する一対のハウジング７，８と、固定子６の内周側に配置され、界磁巻線２と界磁コア３を有し、回転軸３１が一対のハウジング７，８に軸受２２，２３を介して回転自在に保持される回転子４を備えている。前記ハウジング７はフロントハウジングで、フロント軸受（ベアリング）２２により回転軸３１を保持している。前記ハウジング８はリヤハウジングで、リヤ軸受（ベアリング）２３により回転軸３１を保持している。

界磁コア３はクローポール型で、この界磁コア３に界磁巻線２が覆われて保持されている。回転子４のフロント端部には、図示しない内燃機関（エンジン）との間でトルクを授受するプーリ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る。回転子４は界磁電流を供給するスリップリング１３を有し、スリップリング１３は界磁巻線２と接続され、リヤハウジング８よりリヤ側に突出した回転軸３１の外周に固定されている。ブラシホルダ１４はブラシをスリップリング１３に押圧して摺動可能に接触させ、界磁電流がブラシを経てスリップリング１３に供給される。

回転子４の軸方向両端部、即ち、界磁コア３の両端部には、回転子４の回転により冷却風を発生させる冷却ファン１９，２０が設けられている。回転子４の回転位相を検出する回転センサ１５が、スリップリング１３とリヤ軸受２３の間で回転センサカバー２４で覆われて回転軸３１に搭載されている。回転センサ１５は回転軸３１に固定されたセンサロータと回転位相を検知する回転検知部から構成される。

パワーモジュール９は、駆動時における電機子電流の供給制御及び発電時における電機子電流の整流制御を行うスイッチング素子と周辺回路を有し、これらを、電気的な配線を行うリードフレーム上に配置し樹脂材でモールドしたものである。界磁モジュール１１は、界磁電流を供給制御するスイッチング素子と周辺回路を有し、これらを、電気的な配線を行うリードフレーム上に配置し樹脂材でモールドしたものである。制御モジュール１０は、前記パワーモジュール９と前記界磁モジュール１１のスイッチング素子の制御を行う制御回路を有する。

ヒートシンク１７は、図１，図３に示すように、回転軸３１に垂直に配置され、回転軸３１との間で間隔を設けて取り巻く環状板であり、アルミニウムや銅等の熱伝導体である。ヒートシンク１７には、例えば、パワーモジュール９が、図３で下部と両側部に、界磁モジュール１１が上部にそれぞれ分散配置され、パワーモジュール９と界磁モジュール１１が直接又は絶縁物を介在させて固定され、搭載されたパワーモジュール９のスイッチング素子と界磁モジュール１１のスイッチング素子が冷却される。パワーモジュール９，界磁モジュール１１，制御モジュール１０はケース１８に収納され、各モジュールと外部との接続用ターミナルを備えている。インバータアセンブリ２５は、パワーモジュール９，界磁モジュール１１，制御モジュール１０，ケース１８及びヒートシンク１７で構成されている。

インバータアセンブリ２５（図３，図１参照）は、リヤハウジング８のリヤ側に装着され、中央孔には回転軸３１とブラシホルダ１４が配置される。ブラシホルダ１４のブラシと界磁モジュール１１が接続され、ブラシホルダ１４とリヤハウジング８の間の回転センサ１５の固定子からの信号配線が制御モジュール１０に接続される。さらに、パワーモジュール９と電機子巻線５が接続される。なお、実施の形態１では、ヒートシンク１７は全体が一体となっているが、パワーモジュール９のスイッチング素子が搭載されたヒートシ
ンクと界磁モジュール１１のスイッチング素子が搭載されたヒートシンクなどに分割され、回転軸３１の周りに分散配置されていてもよい。インバータアセンブリ２５とブラシホルダ１４は、インバータアセンブリ２５の外周に設けた保護カバー２１で覆われている。

インバータアセンブリ２５のヒートシンク１７には、パワーモジュール９又は界磁モジュール１１のスイッチング素子が搭載された面と反対側の面に複数の冷却フィン３２が突出して形成され、ヒートシンク１７の冷却フィン３２が形成されたヒートシンク面をリヤハウジング８に対向させて、ヒートシンク１７をリヤハウジング８に対して回転子４と固定子６の反対側に装着している。ヒートシンク１７の複数の冷却フィン３２は、ヒートシンク１７の径方向に放射状に９０°間隔でまとめて形成されており、分散して搭載されたパワーモジュール９と界磁モジュール１１のスイッチング素子の位置に対応している。ヒートシンク１７の複数の冷却フィン３２は、リヤハウジング８方向に延びるように突出して形成されている。ヒートシンク１７はリヤハウジング８と同様に、車両のアース電位に保持されている。

ヒートシンク１７の冷却フィン３２と、それに対向したリヤハウジング面間には、対向したリヤハウジング面を遮り、ヒートシンク１７との間で径方向の風路を構成するプレート２６を介在させている。プレート２６は複数の冷却フィン３２のリヤハウジング８側の先端部に固定させると良い。

プレート２６はリヤハウジング８のリヤ側に沿う円環状であり（図１，図３参照）、ヒートシンク１７の外周から内周の手前まで延びている。換言すれは、プレート２６は、冷却フィン３２が形成されたヒートシンク１７の面と対向しヒートシンク１７の面のほぼ全体を覆う円環状に構成されている。これにより、広い範囲で風路を構成することができ、ヒートシンクの冷却性を向上することができる。リヤハウジング８の中央部には、回転軸３１を保持するリヤ軸受２３を収納する部分があり、このリヤ軸受２３収納部の外径側に風路を兼ねた窓３３が形成されている。ヒートシンク１７の冷却フィン３２が形成されていない箇所には（図３参照）、プレート２６に切り込みを設けており、ヒートシンク１７の装着用ボルト（図示せず）を配置している。

前記窓３３は風路以上の大きさであり、これにより回転電機の重量の軽減を図っている。換言すれば、プレート２６の内周側が対向するリヤハウジング８に形成された窓３３の一部を遮るように径方向で回転軸３１に向かって構成されている。保護カバー２１には外周面部に外気を吸入する第１吸入口３４が設けられている。このため、外気（冷却風）は第１吸入口３４から、つまり径方向から内側に吸入され、ヒートシンク１７とプレート２６間の風路を通り、（軸方向に）リヤハウジング８の窓３３を通り、回転子４の冷却ファン２０で（界磁コア３の端面を径方向外側に排出され）、リヤハウジング８の周面部に設けた排気口３５より外部に排気される（この第１の経路は図１にＡで示す）。

これにより、ヒートシンク１７のフィン３２が冷却され、ヒートシンク１７に搭載されたパワーモジュール９と界磁モジュール１１のスイッチング素子が効果的に冷却され、合わせてリヤ軸受２３も冷却され、回転子４と固定子６が冷却される。プレート２６により冷却風路の一方の壁を構成することで、内周部（回転軸３１付近）まで冷却風を導入できるため、リヤハウジング８の窓３３を大きくしても冷却能力は変わらず、その結果、回転電機を軽量化することができる。また、回転軸３１付近まで冷却風を導入できるため、ブラシホルダ、リヤ軸受の冷却性が向上する。

また、保護カバー２１には回転軸３１付近に冷気を吸入する第２吸入口３６が設けられている。このため、冷気は第２吸入口３６から、つまり軸方向から吸入され、ヒートシンク１７と回転軸３１間の風路を通り、リヤハウジング８の窓３３を通り、回転子４の冷却
ファン２０で、リヤハウジング８に設けた排気口３５より排気される（この第２の経路は図１にＢで示す）。これにより、スリップリング１３とブラシホルダ１４と回転センサ１５が冷却され、合わせてリヤ軸受２３も冷却され、回転子４と固定子６が冷却される。前記のように冷気の経路を冷却を要する部品ごとに分けることで、各経路の構成を最適化できる。同時に各経路の周囲の部品は低温の外気で冷却することができるため、より効率的に冷却することができる。

また、リヤハウジング８は回転電機で高温となる固定子６や回転子４を保持しているため、これらの部品からの伝熱により高温となる。このため、リヤハウジング８と冷却フィン３２付きヒートシンク１７との間にプレート２６を入れることにより、リヤハウジング８からヒートシンク１７への熱放射を防ぐことができる。さらに吸入側の風路をリヤハウジング８で構成しないため、より低い外気（冷却風）でヒートシンク１７を冷却することができ、インバータアセンブリ２５の温度を下げることができる。

また、インバータアセンブリ２５の形状や大きさにより、リヤハウジング８の径方向からはみ出す場合においても、プレート２６を用いることにより風路を構成することができ、回転電機の冷却性を向上できる。さらに、プレート２６でインバータアセンブリ２５のリヤハウジング８からのはみ出し部分を塞ぐことで、リヤハウジング８からの排気の還流の防止や、リヤハウジング８側からの内部への異物の侵入を防止することができる。

プレート２６は鉄やアルミニウム等の金属板を使用してプレス加工等で製造すると良い。プレス加工で製作することで安価に製造できる。また、風路を構成するだけであり、構造強度の要求は小さいため、０．５ｍｍ程度と金属板の厚さも薄くすることができ、回転電機の軸方向寸法を小さくできる。プレート２６はＰＰＳやＰＢＴなどの樹脂を成形して製造してもよい。前記金属板の加工と同様に安価に製造することができる。樹脂製とすることで、リヤハウジング８からの伝熱が悪くなるため、冷却フィン３２付きヒートシンク１７への熱の伝達を減らすことができ、インバータアセンブリ２５の温度を低減することができる。

プレート２６の内周側先端部には、風向ガイド２８が一体に設けられ、外気の流入方向を径方向から軸方向にスムーズに変更し、リヤハウジング８の窓３３の風路に導いている。これにより風路の抵抗を下げることができ、冷却風の流速が上がり、インバータアセンブリ２５の冷却性が向上する。

また、プレート２６と、対向するリヤハウジング８間には、インバータアセンブリ２５をリヤハウジング８に固定する場合、部品の寸法誤差を吸収するために隙間が存在し、この隙間から外気が吸入され、ヒートシンク１７とプレート２６間の風路の外気の量を減少させる問題がある。そのため、実施の形態１では、プレート２６の外周側端部には、前記隙間を塞ぐ周方向に長い吸気ストッパ２７が一体に設けられている（図３参照）。図３では、ヒートシンク１７に対するプレート２６の上部に設けられているが、ヒートシンク１７に対するプレート２６の両側部や下部にも設けてもよい。

図２の回転電機の電気回路図について説明する。実施の形態１では三相の電機子巻線５を２組備えている。電動機として動作させる場合には、制御回路（アセンブリ）１０から界磁モジュール（アセンブリ）１１に界磁電流を流すように指示を行い、界磁巻線２が励磁される。次に制御回路１０からパワーモジュール（アセンブリ）９を制御して電機子巻線５に三相交流電流を流すことで、回転子４が回転し、トルクを出力する。

一方で発電機として動作させる場合には、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１０が要求された発電電流に応じた電流を界磁巻線２が流すように界磁
モジュール１１に指示を出す。また、制御回路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モジュール９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。

実施の形態２．
図４は実施の形態２における回転電機のインバータアセンブリ２５のフロント側から見た平面図である。ヒートシンク１７の冷却フィン３２が突出している部分のみにプレート２６を設ける。インバータアセンブリ２５において高温となるのはパワーモジュール９や界磁モジュール１１のスイッチング素子部分であり、少なくとも両者が固定されているヒートシンク１７の裏面に冷却フィンを突出しておく必要がある。逆にその他の部分の冷却フィン３２を省くことで、ヒートシンク１７の軽量化や歩留まりの向上、インバータアセンブリ２５のリヤハウジング８への取付け構造の自由度の確保ができる。インバータアセンブリ２５とリヤハウジング８の間には、電機子巻線５とパワーモジュール９の接続配線やインバータアセンブリ２５のリヤハウジング８への装着部分があり、冷却風の吸入が難しい場所が存在する。ヒートシンク１７の冷却フィン３２の対向部分のみにプレート２６を配置することで、冷却効果を変えずにプレート２６を小さくすることができ、軽量化やプレート２６の材料歩留まり向上によるコスト低減を実現できる。さらに、外気の吸入口を冷却フィンの構成部にすることで一カ所の冷却風の風量を増加させることができ、冷却性が向上する。

前述した部分以外では、実施の形態２においても、実施の形態１で実施した構成が適用できる。図４では４枚のプレート２６を搭載しており、この中、両側部のプレート２６は同一形状のものを用いているが、特に冷却する必要がある部分以外のプレート２６を減らしてもよい。こうすることで、特に冷却する必要がある部分の冷却性を保ちながら、プレート２６を減らすことで回転電機のコストを減らすことができる。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１回転電機２界磁巻線
３界磁コア４回転子
５電機子巻線６固定子
７フロントハウジング８リヤハウジング
９パワーモジュール１０制御モジュール
１１界磁モジュール１２プーリ
１３スリップリング１４ブラシホルダ
１５回転センサ１６バッテリ
１７ヒートシンク１８ケース
１９冷却ファン２０冷却ファン
２１保護カバー２２フロント軸受
２３リヤ軸受２４回転センサカバー
２５インバータアセンブリ２６プレート
２７吸気ストッパ２８風向ガイド、
３１回転軸３２冷却フィン
３３窓３４吸入口
３５排気口３６吸入口

Claims

電機子巻線を有する固定子と、
前記固定子の軸方向の両端部に配置され、前記固定子を支持する一対のハウジングと、
前記固定子の内周側に配置され、界磁巻線と界磁コアを有し、回転軸が前記一対のハウジングに軸受により回転自在に保持される回転子と、
前記回転子の軸方向端部に設けられた冷却ファンと、
前記電機子巻線に流れる電機子電流を制御するスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御するスイッチング素子を有する界磁モジュールと、前記一対のハウジングのうちの一方のハウジングに対して前記回転子と前記固定子の反対側に装着され、前記パワーモジュールのスイッチング素子を搭載し冷却するヒートシンクと、
前記パワーモジュールのスイッチング素子を搭載した前記ヒートシンクを被う保護カバーとを備える回転電機において、
前記ヒートシンクには、前記スイッチング素子が搭載された面と反対側の面に冷却フィンが突出して形成され、
前記ヒートシンクの冷却フィンが形成されたヒートシンク面を前記一方のハウジングに対向させ、
対向したハウジング面と前記冷却フィン間には、対向した前記ハウジング面から前記ヒートシンクへの熱放射を防ぐように、対向した前記ハウジング面を遮り、前記ヒートシンクとの間で風路を構成するプレートを介在させて、
前記保護カバーに設けた吸入口より外気を吸入し、外気が前記ヒートシンクと前記プレート間の前記風路を通り、前記一方のハウジングに設けた窓を通って、前記回転子の前記冷却ファンで、前記一方のハウジングに設けた排気口より排気されるように構成したことを特徴とする回転電機。
前記プレートは、前記冷却フィンが形成された前記ヒートシンクの面と対向し前記ヒートシンクの面を覆う円環状に構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記プレートは、前記ヒートシンクの面と対向し、前記ヒートシンクに形成された前記冷却フィンを覆うように構成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記プレートと前記ヒートシンクとの間で前記風路を構成し、前記プレートの内周側が対向する前記一方のハウジングに形成された窓の一部を遮るように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
前記プレートは金属板で形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記プレートは樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記プレートは前記プレートと対向する前記一方のハウジング間の間隙を塞ぎ、前記間隙からの外気の吸入を防ぐ吸気ストッパを有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
前記プレートは、その内周側先端部に冷却風の方向を径方向から軸方向に変更する風向ガイドを有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。