JP5602786B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機、特に、回転電機自身を制御する制御装置を搭載した回転電機に関するものである。

近年、地球温暖化を背景とした輸送機器への燃費改善要求が高まっている。これにともない、車両電装品で消費される電力の供給や、車バッテリへの充電を行う界磁巻線式回転電機においても、小型軽量化が急務になっている。しかしながら、近年、電装品の数とこれによる消費電力は増加傾向にあり、車両用回転電機には、より発電量が大きく、効率の高い発電性能を求められている。このため、これらの要求に対応すべく、低損失ダイオードを搭載したオルタネータや、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのパワー半導体素子で構成された電力変換装置としてのパワー回路部を搭載したモータジェネレータなどの車両用回転電機の開発が行われている。

車両用回転電機の発熱量は、大量の電流が流れる固定子の巻線部や回転子の巻線部の銅損と、発電時に生じる鉄損に大部分を占められている。このとき、車両用回転電機に一体に備えられた整流器やインバータ部などの電力変換装置としてのパワー回路部は、前述の銅損と鉄損に起因した熱を、固定子、回転子、パワー回路部を保持するハウジングを介して受熱する。これらの熱は、パワー回路部に備えられたヒートシンクから、パワー回路部で生じた熱とともに排出される。

図１２は、従来の回転電機における、パワー回路部とリヤブラケットとの固定を説明する説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。図１２において、パワー回路部３０に設けられたヒートシンク３０１は、パワー回路部３０内に設けられているパワー半導体素子を内蔵したパワー半導体モジュール（図示せず）の金属製の端子に対して電気的に絶縁されている。ターミナル３０２は、パワー半導体モジュールの金属製の端子に溶接もしくは半田付けにより電気的に接続されている。パワー半導体素子と電気的に接続されたターミナル３０２は、回転電機のリヤブラケット７に設けられたパワー回路部固定用ボス７１に、ボルトなどにより締め付けられて機械的に固定されるとともに電気的に接続されている。ターミナル３０２は、パワー回路部３０をリヤブラケット７に固定する固定部としての機能も有する。

リヤブラケット７にパワー回路部３０のターミナル３０２が固定されることで、パワー回路部３０のパワー半導体素子により構成されている電力変換回路の下アーム側の端子は、直接、リヤブラケット７に接するように配置される。このため、パワー回路部３０は、回転電機のリヤブラケット７とターミナル３０２の接触部であるパワー回路部固定用ボス７１からパワー回路部３０の内部に、数［W］から数十［Ｗ］の熱量を受ける。

リヤブラケット７と直接接するパワー回路部３０のターミナル３０２は、パワー回路部３０の上面まで金属部材で接続されており、かつリヤブラケット７が良熱伝導性のアルミニウムで構成されているため、リヤブラケット７から受熱した熱量の多くをパワー回路部３０に伝熱する。この結果、パワー回路部３０の近傍は、パワー半導体素子の通電損失による発熱とリヤブラケット７からの受熱によって、熱が集中する。

したがって、パワー回路部３０には、パワー半導体素子の温度を許容温度内に収めるために、高い放熱性能をもつヒートシンク３０１を設置する必要がある。この性能を満たすため、ヒートシンク３０１は、大型化もしくは放熱フィンが高密度化され、パワー回路部３０のサイズ増大や空気流路抵抗の増加による冷却風量低下に起因した放熱性低下が問題となる。

このように、パワー回路部３０に設けられたヒートシンク３０１は、現状として、パワー回路部３０で生じた熱のみを放出するのではなく、パワー回路部３０以外の部分で生じた熱を排出している。この結果、車両用回転電機のパワー回路部３０に設けられたヒートシンク３０１は、パワー回路部３０の発熱とハウジングであるリヤブラケット７からの受熱を放熱し、パワー回路部３０に於けるパワー半導体素子を許容温度以下にできる放熱能力を備える必要がある。このような問題により、ヒートシンク３０１のサイズを縮小することは難しく、これが、パワー回路部３０の小型化の弊害の一つとなっている。

特に、モータジェネレータのような、パワー回路部やこのパワー回路部を制御する制御回路部を備える回転電機は、オルタネータなどと比較して部品点数が多く、回転電機の小型化、軽量化などの要求が厳しい。また、設定できるヒートシンクのサイズに制限がある場合は、ハウジングから多量の熱量を受けるパワー回路部に搭載されたパワー半導体素子の温度上昇が大きくなり、故障の原因となる。

例えば、特許文献１に示された制御装置一体型回転電機は、パワー回路部が導電スタッドを介して回転電機のリヤブラケットと接続されているが、導電スタッドは、パワー回路部とリヤブラケットとの間に空間を設けるように設置される。これにより、固定子で生じた熱がパワー回路部へ流入するのを防止し、冷却風も容易に通風できるためパワー回路部の温度上昇を低減するようにしている。

特許第４３５１５９２号公報

しかしながら、特許文献１に示された従来の回転電機では、パワー回路部と回転電機のハウジングとの間に空間を設ける必要があり、製品サイズの増大（特に軸方向の長さの増大）につながる。また、パワー回路部の放熱性能は、パワー回路部の発熱のみではなく、回転電機の他の部材で発生した熱も排出する機能を担っている。このため、パワー回路部以外の部材の固定子や回転子で生じた熱の排熱部が減少するため、パワー回路部以外の部材の温度が上昇する。この結果、他の発熱部でも放熱対策などが必要性となり、部材追加によるコスト増大や製品サイズアップが生じるという課題がある。

この発明は、従来の回転電機における前述のような課題を解消するためになされたもので、パワー回路部の受熱量を低減し、製品サイズの小型化やパワー回路部の過度の温度上昇を防止するとともに、高い生産性を有する回転電機を提供することを目的とする。

この発明による回転電機は、
ハウジングに回転自在に支持されている回転子軸と、
前記ハウジングに固定されると共に電機子巻線を有する固定子と、
前記回転子軸に固定されると共に界磁鉄心及び界磁巻線を有する回転子と、
前記電機子巻線と外部の直流電源との間の電力変換を行うインバータとして作用するＭＯＳ−ＦＥＴで構成されたパワー回路部と、
前記パワー回路部に設けられた配線部材と、
前記パワー回路部に設けられた放熱用のヒートシンクと、
を備え、
前記ヒートシンクもしくは前記配線部材を前記ハウジングに固定することにより、前記パワー回路部を前記ハウジングに搭載するようにした回転電機であって、
前記ヒートシンクもしくは前記配線部材と、前記ハウジングとの間に挿入された放熱プレートを備え、
前記放熱プレートと前記ヒートシンクもしくは前記配線部材との間は、前記放熱プレートと前記ハウジングとの間の熱抵抗よりも大きな熱抵抗を備えるように構成されている、
ことを特徴とするものである。

この発明による回転電機によれば、ヒートシンクもしくは配線部材とハウジングとの間に挿入された放熱プレートを備えているので、パワー回路部の受熱量を低減し、製品サイズの小型化やパワー回路部の過度の温度上昇を防止するとともに、高い生産性を有する回転電機を提供することができる。

この発明の実施の形態１による回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態１による回転電機におけるリヤブラケットの斜視図であって、パワー回路部を搭載した状態で示している。 この発明の実施の形態１による回転電機の回路図である。 この発明の実施の形態１による回転電機における、パワー回路部とリヤブラケットとの固定部を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１による回転電機における放熱プレートの変形例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による回転電機における放熱プレートの別の変形例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による回転電機における放熱プレートのさらに別の変形例を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による回転電機における放熱プレートを示す説明図である。 この発明の実施の形態３による回転電機における放熱プレートを示す説明図である。 この発明の実施の形態４による回転電機における放熱プレートを示す説明図である。 この発明の実施の形態４による回転電機における放熱プレートの変形例とパワー回路部の固定を説明する説明図である。 従来の回転電機における、パワー回路部とリヤブラケットとの固定を説明する説明図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による回転電機を図に基づいて説明する。図１は、この発明の実施の形態１による回転電機の断面図、図２は、この発明の実施の形態１による回転電機におけるリヤブラケットの斜視図であって、パワー回路部を搭載した状態を示している。この実施の形態１で説明する回転電機は、車両用の交流発電電動機（モータジェネレータ）を示しているが、車両用の交流発電機でも適用可能である。

図１および図２において、回転電機１００は、ハウジングとしてのフロントブラケット６及びハウジングとしてのリヤブラケット７と、フロントブラケット６に固定されたベアリング１９ａと、リヤブラケット７に固定されたベアリング１９ｂと、これらのベアリング１９ａ、１９ｂに回転自在に支持されている回転子軸１と、フロントブラケット６及びリヤブラケット７に挟持されて固定された固定子５と、固定子５に装着された電機子巻線５１と、回転子軸１に固定されると共に界磁鉄心２及び界磁巻線３を有する回転子１０と、回転子軸１のフロント側の端部に固着されたプーリ２０を備えている。回転電機１００は、プーリ２０に掛けられたベルト（図示せず）を介して、エンジンの回転子軸（図示せず）に連結される。

なお、以下の説明において、回転子軸１の軸方向の中心部からみて、フロントブラケット６が設置されている側を回転電機１００のフロント側、リヤブラケット７が設置されている側を回転電機１００のリア側と称する。また、フロントブラケット６とリヤブラケット７は、それぞれハウジングと称する場合がある。

回転電機１００の駆動の際の発熱により、回転子１０や固定子５の温度が上昇するため、回転子１０の軸方向両端面には冷却ファン１２、１３が設けられている。フロントブラケット６およびリヤブラケット７は、軽量化と生産性の観点からアルミダイカスト成形により製作されている。回転子軸１のリア側に装着された一対のスリップリング４と、回転子軸１のリア側外周に位置するようにリヤブラケット７に取り付けられたブラシホルダ８０と、一対のスリップリング４に摺接するようにブラシホルダ８０内に配置された一対のブラシ８を備えている。後述する界磁回路部３１からの界磁電流は、一対のブラシ８と一対のスリップリング４を介して界磁巻線３に供給される。

回転電機１００のリヤブラケット７の軸方向外側端部には、外部の直流電源としての車載バッテリ（図示せず）からの直流電力を交流電力に変換し、または電機子巻線５１からの交流電力を直流電力に変換する電力変換回路を備えた２組のパワー回路部３０と、回転子１０の界磁巻線３に界磁電流を供給する界磁回路部３１と、パワー回路部３０及び界磁回路部３１を制御する制御回路部３２が搭載されている。制御装置２００は、２組のパワー回路部３０と、界磁回路部３１と、制御回路部３２と、これらを覆う制御装置カバー２０１により構成される。回転電機１００は、リヤブラケット７の軸方向外側端部に制御装置２００を搭載した、いわゆる制御装置一体型回転電機である。

回転電機１００の電機子巻線５１は、例えば位相が３０度ずれた２組の３相電機子巻線により構成されており、これらの３相電機子巻線は、３相電力変換回路を備えた２組のパワー回路部３０により、それぞれ独立して制御され得るように構成されている。

図３は、この発明の実施の形態１による回転電機の回路図であり、前述の２組の３相電機子巻線のうちの１組のみを示している。図３において、Ｙ結線された３相の電機子巻線５１の各相の端子は、パワー回路部３０における６個のパワー半導体素子３０ａにより構成された電力変換回路の交流側端子に接続されている。パワー回路部３０における電力変換回路の直流側端子は、車載バッテリＢと平滑コンデンサＣに接続されている。界磁回路部３１は、２個の半導体素子３ａを介して車載バッテリＢおよび平滑コンデンサＣに接続されている。

回転電機１００を電動機として動作せるときは、パワー回路部３０の電力変換回路がインバータとして動作するように、制御回路部３２によりパワー半導体素子３０ａがスイッチング制御される。これにより、車載バッテリＢからの直流電力は、電力変換回路により交流電力に変換されて電機子巻線５１に供給され、電機子巻線５１は回転磁界を発生して界磁巻線３が発生する直流磁束と協働して、回転子１０を回転させる。このとき、界磁巻線３に流れる界磁電流は、制御回路部３２による半導体素子３ａのスイッチング制御により必要に応じて調節される。

一方、回転電機１００を発電機として動作せるときは、パワー回路部３０の電力変換回路がコンバータとして動作するように、制御回路部３２によりパワー半導体素子３０ａがスイッチング制御される。これにより、回転している回転子１０の界磁巻線３による直流
磁界により電機子巻線５１に発生した交流電力は、電力変換回路により直流電力に変換されて車載バッテリＢに供給される。このとき、界磁巻線３に流れる界磁電流は、制御回路部３２による半導体素子３ａのスイッチング制御により必要に応じて調節される。

図１および図２に戻り、後述のように構成された２組のパワー回路部３０は、前述の複数のパワー半導体素子３０ａと、パワー半導体素子３０ａに対して電気的に絶縁されたヒートシンク３０１を備えている。各パワー半導体素子３０ａは、樹脂にインサート成形されて相互に電気的に接続されている。また、各パワー回路部３０の信号線接続端子３０４は、制御回路部３２における制御回路基板３２１に設けられている制御回路に、信号線接続部材（図示せず）を介して接続されている。また、パワー回路部３０の各相の交流側端子３１２は、電機子巻線５１の各相の端子に接続されている。制御回路部３２の制御回路基板３２１に設けられた制御回路は、リード線接続部３２２を介してエンジン制御装置ＥＣＵ（図示せず）からのリード線（図示せず）に接続される。

制御回路部３２は、制御回路基板３２１と、制御回路基板３２１を収納するための樹脂製のケース３２３を備えている。ケース３２３は、内部に収納された制御回路基板３２１への塩泥水の浸入を防ぐために、防水カバー（図示せず）などにより密封された防水構造を有している。界磁回路部３１は、前述の制御回路基板３２１と同一基板上に実装することも可能であるが、この実施の形態１では制御回路基板３２１とは分離して構成されている。界磁回路部３１は、樹脂製のケース３１１と、このケース３１１内に収納された半導体素子３ａと、ケース３１１の開口部を閉塞するヒートシンク３１３とを備えている。ヒートシンク３１３は、複数の冷却フィンを備えている。

パワー回路部３０は、樹脂製のケース３０３と、このケース３０３内に収納されたパワー半導体素子３０ａを内蔵したパワー半導体モジュールの金属製の端子に溶接もしくは半田付けにより電気的に接続されたターミナル３０２と、ケース３０３の開口部を閉塞してケース３０３に固定されたヒートシンク３０１とを備えている。パワー半導体素子３０ａは、樹脂にインサート成形されており、ヒートシンク３０１に搭載されている。このパワー半導体素子３０ａは、ヒートシンク３０１とは電気的に絶縁されている。ヒートシンク３０１は、パワー回路部３０に設けられたパワー半導体素子３０ａは通電時に発熱をともなうため、パワー回路部３０のパワー半導体素子３０ａの放熱用として設けられており、複数枚の冷却フィンが設けられている。パワー回路部３０の配線部材としてのターミナル３０２は、パワー回路部３０をリヤブラケット７に固定するための固定部の機能を備える。

モータジェネレータなどの回転電機では、内部に発電電流の整流機能およびインバータなどの電力変換機能を併せ持つパワー回路部３０を備える。パワー回路部３０を構成するパワー半導体素子３０aは、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング可能なパワー半導体素子により構成され、配線部材もしくは放熱部材などと一括にトランスファー成形されたものや、樹脂性のケースもしくは囲いに覆われ、シリコーンゲルなどでポッティングされるなどしてパワーモジュール化されている。このパワーモジュール化されたパワー半導体素子３０ａは、前述したようにヒートシンク３０１に搭載されている。

図２に示すように、２組のパワー回路部３０は、放熱プレート３０５を介して、回転電機１００のリヤブラケット７の軸方向外側端部に設けられたパワー回路部固定用ボス７１（図１、図２には図示されていない）に固定されている。パワー回路部３０のターミナル３０２とリヤブラケット７との間に挿入された金属製の放熱プレート３０５は、回転電機１００の固定子などで発生しリヤブラケット７を通じてパワー回路部３０のターミナル３０２へ流入する熱を、雰囲気に放熱させるものであり、パワー回路部３０がリヤブラケット７などの他部材から受ける熱量を低減し、小型軽量で生産性が高い回転電機を供給することを可能とする。

この発明の実施の形態１による回転電機によれば、パワー回路部３０のターミナル３０２とリヤブラケット７に設けられたパワー回路部固定用ボス７１との間に挿入された金属製の放熱プレート３０５により、固定子５などで生じリヤブラケット７を通じてパワー回路部３０に流入しようとする熱が雰囲気に放熱されるので、パワー回路部３０の受熱量を低減することができる。これによって、パワー回路部３０に搭載されるヒートシンク３０１に必要とされる放熱性能を下げることが可能となる。この結果、パワー回路部３０のヒートシンク３０１の小型化、ヒートシンク３０１の放熱フィン枚数低減およびフィンピッチの拡大、などが可能となる。これにより、パワー回路部３０の小型化による回転電機のサイズ低減や、冷却風の流路抵抗低減による回転電機の放熱性向上が可能となる。

図４は、この発明の実施の形態１による回転電機における、パワー回路部とリヤブラケットとの固定部を説明する説明図である。図４において、回転電機１００のリヤブラケット７の軸方向外側端部に設置されるパワー回路部３０と、リヤブラケット７に設けられたパワー回路部固定用ボス７１との間に、金属製の放熱プレート３０５が挿入される。これにより、回転電機１００の固定子５などで生じ、リヤブラケット７を通じてパワー回路部３０のターミナル３０２へ流入しようとする熱は、放熱プレート３０５を通ってパワー回路部３０に伝わるようになり、パワー回路部３０への受熱量が軽減される。

放熱プレート３０５とパワー回路部３０は、リヤブラケット７のパワー回路部固定用ボス７１に、ねじ、ボルト、リベット、かしめ、などで固定される。ここで、リヤブラケット７に近い側から放熱プレート３０５、パワー回路部３０のターミナル３０２の順にリヤブラケット７に重ねられて一体に固定される。

放熱プレート３０５と、パワー回路部３０の固定部であるターミナル３０２と、リヤブラケット７のパワー回路部固定用ボス７１とが接触する面は、前述のいずれかの固定方法により、面同士が加圧された状態で固定される。前述のようにして固定された放熱プレート３０５には、リヤブラケット７からパワー回路部３０に流入しようとする熱量の一部が流入する。この放熱プレート３０５は、回転子１０に固定された冷却ファン１３が回転子１０の回転によって生じる冷却風の流れ方向に対して、垂直方法に最大面積を持つ面が対面するように設置される。

また、放熱プレート３０５は、図４に示すように、パワー回路部３０のターミナル３０２の平面形状とほぼ同様の平面形状をなした平板状に形成されており、１個のパワー回路部３０を固定すべきリヤブラケット７の一対のパワー回路部固定用ボス７１に跨って配置される。この放熱プレート３０５は、一対のパワー回路部固定用ボス７１に接する固定部以外の部分に、複数の貫通穴３０５ａが形成されている。これにより、放熱プレート３０５の固定部以外の部分の表面は、雰囲気空気が流通しこの雰囲気空気にさらされることになり、リヤブラケット７から受けた熱は、その一部が雰囲気空気へ容易に放出される。

図５は、この発明の実施の形態１による回転電機における放熱プレートの変形例を示す説明図で、（ａ）は放熱プレートをリヤブラケットに取り付けた状態を示す平面図、（ｂ）は放熱プレートの斜視図である。図５において、放熱プレート３０６は、複数個の貫通穴３０６ａを備える。放熱プレート３０６に形成された貫通穴３０６ａの開口面は、回転子１０が回転する際に、回転子１０に設けられた冷却ファン１３の生じる冷却風の流れ方向に対して、略垂直に設置されている。これにより、放熱プレート３０６を設置することによる冷却風の流路抵抗の増大を最小限に抑えることが可能である。

また、放熱プレート３０６は、貫通穴３０６ａの形成時に同時に切り起こしのフィン部３０６ｂを備える。これにより、放熱プレート３０６は、雰囲気への放熱面積が増大に起因した放熱能力向上により、リヤブラケット７から伝わる熱を効率よく雰囲気に放出できるようなる。また、切り起こしのフィン部３０６ｂや、貫通穴３０６ａが設けられていることで、放熱プレート３０６に外力が作用した際の変形に対する強度耐性を向上できる。

図６は、この発明の実施の形態１による回転電機における放熱プレートの別の変形例を示す説明図である。図６において、放熱プレート３０７は、パワー回路部３０を搭載するヒートシンク３０１もしくはパワー回路部３０のターミナル３０２との接触面に、低熱伝導領域としての四角断面形状のライン上の凹凸部３０７ｂを備えたものである。また、放熱プレート３０７は、前述と同様の貫通穴３０７ａを備えている。このように構成した放熱プレート３０７によれば、放熱プレート３０７とパワー回路部３０のヒートシンク３０１とターミナル３０２との接触面積を制限することができる。

このように、放熱プレート３０７の表面に凹凸部３０７ｂを備えることで、放熱プレート３０７とパワー回路部３０との接触部の熱抵抗を増大させ、リヤブラケット７から流入する熱量をパワー回路部３０側に伝わり難くする効果がある。前述の凹凸部３０７ｂは、放熱プレート３０７を板金加工や鋳造によって成形する際に、同時に成形することが可能であり、製造コストの増大を回避できる。

なお、放熱プレート３０７における凹凸部３０７ｂの形状は、四角形断面である必要はなく、三角形や四角形以上の多角形でもよい。また凹凸部３０７ｂは、ライン状である必要は無く、ラインが交差した格子状であっても、複雑な不規則形状でも良い。

図７は、この発明の実施の形態１による回転電機における放熱プレートのさらに別の変形例を示す説明図であり、（ａ）は放熱プレートの斜視図、（ｂ）は放熱プレートの取り付け状態を説明する説明図である。図７の（ａ）に示すように、放熱プレート３０８は、リヤブラケット７の一対のパワー回路部固定用ボス７１に対応する位置に設けられた貫通穴の周縁部に、低熱伝導領域としての環状突起３０８ｂを一対備えている。また、放熱プレート３０８は、前述と同様の貫通穴３０８ａを備えている。

放熱プレート３０８は、図７の（ｂ）に示すように、一対の環状突起３０８ｂがパワー回路部３０側となるようにリヤブラケット７の一対のパワー回路部固定用ボス７１に載置される。パワー回路部３０のターミナル３０２は、放熱プレート３０８の一対の環状突起３０８ｂの軸方向端面に載置され、ボルトなどにより放熱プレート３０８と一体にリヤブラケット７の軸方向外側端部に固定される。

このように構成された放熱プレート３０８により、放熱プレート３０８とパワー回路部３０との接触部の熱抵抗を増大させ、リヤブラケット７から流入する熱量をパワー回路部３０側に伝わりにくくする効果がある。前述の一対の円形の環状突起３０８ｂは、放熱プレート３０８を板金加工や鋳造によって成形する際に、同時に成形することが可能であり、製造コストの増大を回避できる。

なお、放熱プレート３０８の低熱伝導領域として、円形の環状突起３０８ｂで構成したが、放熱プレートのリヤブラケット７との接触部から、パワー回路部との接触部までの間で伝熱面積が縮小するようにした低熱伝導領域であれば、他の構成であってもよい。例えば、放熱プレート３０８の環状突起３０８ｂは、円形の環状である必要はなく、直線状であったり、点状であったりしてもよい。

図６および図７に示す放熱プレートは、前述のように低熱伝導領域を備えていることで、パワー回路部３０と放熱プレートの接触部は、水はけのよい状態で固定される。この結果、パワー回路部の放熱プレートとの接触面と、放熱プレートの接触面に露出する金属材料とが、異種金属の組み合わせになる場合、回転電機１００に水などの異種金属接触腐食を生じさせる異物が進入した場合でも、異物がすぐに除去される。この結果、異種金属接触腐食の進行を防止することができる。

前述の放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８は、リヤブラケット７のパワー回路部固定用ボス７１から受けた熱を放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８中に効率よく熱拡散し、広い面積で雰囲気空気に熱交換されるように、銅、アルミニウム、もしくは銅系やアルミニウム系の合金とすることが好ましい。また、図４では、放熱プレート３０５は、薄い平板状の形状をなしているが、厚みを持つブロック状や面方向で厚みのことなる異厚形状でも良い。放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８をこのような構造とすることで、他部材からリヤブラケット７を通じてパワー回路部３０に流入する熱量をさらに低減することができ、パワー回路部３０の温度上昇低減と、これに起因したパワー回路部３０の小型化、パワー回路部３０の放熱用のヒートシンク３０１の小型化、パワー回路部３０の半導体モジュールなどのチップサイズの縮小が可能となる。

その結果、回転電機１００の小型軽量化や材料コストの削減が可能となる。また、放熱プレート３０５を設置することで回転電機全体に占める放熱面積が増加し、固定子５などのパワー回路部３０以外の部材の温度を低減する効果もある。さらに、リヤブラケット７におけるパワー回路部３０と対抗する面と、パワー回路部３０との間に放熱プレート３０５が設置されることで、リヤブラケット７の表面の輻射熱がパワー回路部３０に伝わるのを回避して放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８で外部雰囲気に排熱することができる。

また、パワー回路部３０が必要とするヒートシンク３０１の放熱性能も抑えられるため、ヒートシンク３０１の必要な冷却フィンの枚数を削減することが可能となる。これにより回転電機内部への冷却風流入時の風路抵抗が小さくなり、回転電機内部への冷却風量を増やすことが可能になる。その結果、固定子５や回転子１０の発熱を効率よく外部に排出可能となり、回転電機全体の温度上昇抑制効果が得られる。

さらに、ヒートシンク３０１の冷却フィンの数を少なくすることができる結果、フィンピッチを拡大することができ、外部からの粉塵、異物などの堆積による冷却フィンの目詰まりによる不具合を回避できる。さらに、パワー回路部３０のスイッチングノイズや制御回路部３２のスイッチングノイズ、回転子１０の界磁巻線３に界磁電流を供給するブラシ８やスリップリング４に界磁電流が通電した際のノイズなどが生じた際に、ノイズによって誤動作を生じやすい制御ＩＣやセンサー類を、放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８のパワー回路部３０を固定している面に対する反対側の面に固定することで、ノイズの悪影響を低減することができる。

また、パワー回路部３０などをリア側から覆う制御装置カバー２０１を金属もしくは導電性の樹脂などで作製し、放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８と接触するように配置することで、パワー回路部３０およびその付近に配置される部材は、グランド電位の部材で覆われることになるため、回転電機１００が車両に搭載されて固定された際に、接続される外部配線部材などによるノイズによる影響が低減される。

さらに、放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８とパワー回路部３０とを固定するリヤブラケット７のパワー回路部固定用ボス７１を、回転子軸１を支持するベアリング１９ａ、１９ｂ、回転センサーなどの部材の近くに設置することで、ベアリング１９ａ、１９ｂや回転センサーの温度低減や温度上昇抑制効果が得られる。

なお、この発明の実施の形態１による回転電機における放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８は、図面には平板形状を示したが、平板形状に限定されるものではなく、段差を持つ折れ曲がった形状や、湾曲した形状でも同様の効果がある。また、放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８が回転電機１００の回転子軸１に対して垂直に設置されるため、冷却１３ファンによって排気されようとする冷却風が排出経路中やその近傍にあるリヤブラケット７や、制御装置カバー２０１などに当たって、回転電機１００の内部を還流した場合でも、還流した空気がパワー回路部３０に到達するのを防止する。

回転電機１００の内部を還流する空気は、冷却風路中で各部材から受熱し、雰囲気温度よりも高温となる。この内部に還流する空気がパワー回路部３０に到達すると、パワー回路部３０は擬似的に、より高温の雰囲気に設置されているのと同じ状態となり、回転電機１００外部の雰囲気温度から見たときの温度上昇は大きくなる。そこで回転電機内部に還流する空気を、冷却１３が回転電機外部に冷却風を排出する経路に導くことで、高温な空気が回転電機１００の内部で停滞するのを防止でき、パワー回路部３０の温度上昇を防止することができる。

車載用の回転電機の中でも、高効率オルタネータやモータジェネレータのような車載用回転電機では、パワー半導体素子として低損失ダイオードやＭＯＳ−ＦＥＴを使用する。これらの素子は、オルタネータのレクチファイアに搭載されるダイオードと比較して発熱量が小さいため、同などの発電量で比較すると自己発熱による素子の温度上昇が小さい。このような場合、パワー回路部３０とリヤブラケット７との間に前述の放熱プレート３０５、３０６、３０７、３０８を配置し、パワー回路部３０の受熱量を小さくすることで、パワー半導体素子の温度上昇を大きく低減することが可能となる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２による回転電機における放熱プレートを示す説明図であり、（ａ）は放熱プレートの斜視図、（ｂ）は放熱プレートの取り付け状態を説明する説明図である。図８において、２組のパワー回路部３０とリヤブラケット７との間に設置されるそれぞれの放熱プレート３０９は、連結部３０９ｃにより一体に連結されている。連結されたそれぞれの放熱プレート３０９は、実施の形態１の場合と同様に、複数の貫通穴３０９ａを備える。放熱プレート３０９は、この例では１枚の金属板をプレス加工により成形することで一体に連結した構成とされている。又、一体に連結された放熱プレート３０９は、前述の図７の場合と同様の目的で、それぞれ肉厚部としての一対の環状突起３０９ｂを備えている。この環状突起３０９ｂの形状は円形でなくともよいことは、前述の実施の形態１の場合と同様である。

各放熱プレート３０９が一体に連結されていることで、放熱プレート３０９の表面積が増加し、放熱プレート３０９の放熱性能が向上するとともに、リヤブラケット７の軸方向外側端部に搭載される各部材とリヤブラケット７との間の輻射熱のシールドとして作用する面積が増加し、パワー回路部３０およびその付近に搭載される他の部材の受熱を低減することができる。また、放熱プレート３０９およびパワー回路部３０の耐振性や構造強度も向上する。

なお、相互に連結されたそれぞれの放熱プレート３０９は、一枚の金属からプレス加工で成形することで一体に連結する代わりに、別々に成形した放熱プレート３０９を溶接により連結したり、それぞれの放熱プレート３０９をインサート材として樹脂により一括にインサート成形したり、鋳造によって連結された形状に成形したり、ねじ、ボルト、リベット、かしめ、などによって連結することができる。図８に示すように、放熱プレート３０９に環状突起３０９ｂを備えることで、リヤブラケット７と放熱プレート３０９間に隙間を形成することができ、パワー回路部３０への熱の遮断性能をさらに向上させることができる。

なお、環状突起３０９ｂに代えて、プレス加工により垂直壁面部を形成することで構成してもよい。そのとき、垂直壁面部をパワー回路部３０側とすることで、放熱プレート３０９とパワー回路部３０間の熱抵抗を大きくすることができ、熱の遮断性が向上する。すなわち、熱抵抗は、放熱プレート３０９の厚み／断面積／熱伝導率に基づくものであるため、放熱プレート３０９とパワー回路部３０間の熱抵抗を大きくし、リヤブラケット７と放熱プレート３０９間の熱抵抗を小さくすることが、熱の遮断性に対して有効であるが、リヤブラケット７のパワー回路部固定用ボス７１と放熱プレート３０９との接触を面接触とし、その面接触部とパワー回路部３０との間に、厚みが例えば放熱プレート３０と同じ厚みの板を垂直に立ち上げた加工により突起部を形成すれば、その垂直壁面部の断面積を小さくできる。

この場合、垂直壁面部の厚みつまり高さを、少なくとも放熱プレート３０９の板材の厚さより大きくし、かつ垂直壁面部の断面積は厚みがその板厚程度と小さくすることができることになり、熱抵抗を大きくすることができる。

また、放熱プレート３０９に肉厚部を形成する別の方法として、平面とは別のドーナツ状の部材を放熱プレート３０９に一体に固定するようにしてもよい。その場合、このドーナツ状の部材は、熱伝導率が悪い材質で構成すると、更に熱の遮断性を増すことができる。例えば、ドーナツ状の部材をアルミ材で形成すれば、１００〜２００［Ｗ／ｍｋ］の熱伝導率となるが、鉄系の材質の部材とすれば、熱伝導率が１０〜２０［Ｗ／ｍＫ］程度の材質のものが入手可能である。この他に、高温での圧縮耐久性の高いいわゆるエンジニアリングプラスチックを用いても良い。また、放熱プレート３０９の固定部以外のパワー回路部３０側に前述のドーナツ状の部材を配置してもよい。

さらに、放熱プレート３０９を、図８に示すような形状をとする場合、放熱プレート３０９の上に、パワー回路部３０以外の部材も同時に搭載することが可能になるため、製品製造時にパワー回路部３０もしくはパワー回路部３０の周辺の部材を放熱プレート３０９上に組上げたあとに、回転電機と合体させることで、生産性が向上する。

実施の形態３．
実施の形態３では、放熱プレートを複数枚重ねて、パワー回路部とリヤブラケットのパワー回路部固定用ボスとの間に設置するようにしたものである。図９は、この発明の実施の形態３による回転電機における放熱プレートを示す説明図であり、（ａ）は放熱プレートの斜視図、（ｂ）は放熱プレートの取り付け状態を説明する説明図である。図９は、２枚の放熱プレート３１０１、３１１１を重ねた状態を示している。図９の（ａ）、（ｂ）において、図の上部にある放熱プレート３１０１は、複数の貫通穴３１０１ａと、貫通穴３１０１ａの形成時に同時に切り起こしの複数のフィン部３１０１ｂを貫通穴３１０１ａの図に於ける左側部に備える。図の下部にある放熱プレート３１１１は、複数の貫通穴３１１１ａと、貫通穴３１１１ａの形成時に同時に切り起こしの複数のフィン部３１１１ｂを貫通穴３１１１ａの図に於ける右側部に備える。放熱プレート３１０１、３１１１の貫通穴３１０１ａ、３１０１ｂの大きさ、及びその設けられた位置は、同一である。

前述のように形成された放熱プレート３１０１、３１１１は、図９の（ａ）に示すように重ねられる。その結果、放熱プレート３１０１のフィン部３１０１ｂは、放熱プレート３１１１の貫通穴３１１１ａを貫通して放熱プレート３１１１の図における下方に突出することになる。その結果、放熱プレート３１１１の貫通穴３１１１ａの図における左右の側縁部に、フィン部３１０１ｂ、３１１１ｂが交互に配置されることとなる。

図９の（ｂ）に示すように、放熱プレート３１０１と放熱プレート３１１１は、放熱プレート３１１１がリヤブラケット７側となるように重ねられて、リヤブラケット７のパワー回路部固定用ボス７１に載置され、放熱プレート３１０１の上にパワー回路部３０のターミナル３０２が搭載される。そして、他の実施の形態と同様に、ボルトなどによりこれ等が一体にリヤブラケット７のパワー回路部固定用ボス７１に固定される。

この実施の形態３によれば、リヤブラケット７からパワー回路部３０へ流入しようとする熱は、複数枚の放熱プレート３１０１、３１１１に分散され放熱されるため、パワー回路部３０の受熱量をさらに低減することが可能となる。

なお、重ねられる放熱プレート同士が当接するそれぞれの面の少なくとも一方には、低熱伝導領域をそれぞれ設けてもよい。この場合、複数枚の放熱プレート間に通風可能な空間ができ、放熱面積をさらに大きくとることが可能になるとともに、リヤブラケット７からパワー回路部３０への伝熱経路の熱抵抗がさらに大きくなるため、パワー回路部３０の受熱量がさらに低減される。また、回転電機全体にしめる放熱面積も拡大されるため、回転電機全体の放熱の能力が向上する。

実施の形態４．
図１０は、この発明の実施の形態４による回転電機における放熱プレートを示す説明図である。図１０において、２組のパワー回路部３０とリヤブラケット７との間に設置されるそれぞれの放熱プレート３１２１は、図８に示す前述の実施の形態２と同様に、連結部３１２１ｃにより一体に連結されている。連結されたそれぞれの放熱プレート３１２１は、実施の形態２の場合と同様に、複数の貫通穴３１２１ａを備える。放熱プレート３１２１は、この例では１枚の金属板をプレス加工により成形することで一体に連結した構成とされている。又、一体に連結された放熱プレート３１２１は、前述の図７の場合と同様の目的で、それぞれ肉厚部としての一対の環状突起３１２１ｂを備えている。この環状突起３１２１ｂの形状は円形でなくともよいことは、前述の実施の形態１の場合と同様である。

この実施の形態４では、放熱プレート３１２の環状突起３１２１ｂと、パワー回路部３０のヒートシンク３０１もしくはパワー回路部３０のターミナル３０２との間に、低熱伝導部材３１３１を配置するとともに、放熱プレート３１２１とリヤブラケット７との間に熱良導部材３１４を配置することを特徴とする。

リヤブラケット７からパワー回路部３０に伝わる熱量中の、パワー回路部３０に伝わる熱量と放熱プレート３１２１に伝わる熱量の割合は、リヤブラケット７から放熱プレート３１２１の放熱面までの熱抵抗と、リヤブラケット７からパワー回路部３０の放熱面までの熱抵抗の割合に大きく影響を受ける。すなわち、リヤブラケット７から放熱プレート３１２１の放熱面までの熱抵抗を小さくし、リヤブラケット７からパワー回路部３０の放熱面までの熱抵抗を大きくすることで、パワー回路部３０への熱流量を小さくすることが可能である。パワー回路部３０と放熱プレート３１２１との間に、低熱伝導部材３１３１を設けることで、リヤブラケット７からパワー回路部３０への熱抵抗が、リヤブラケット７から放熱プレート３１２１への熱抵抗と比較して大幅に大きくなる。このため、パワー回路部３０のパワー半導体素子が受ける熱量をさらに低減することが可能となる。

この低熱伝導部材３１３１は、ＰＰＳやＰＢＴ等の樹脂系材料や、ステンレス鋼などの熱伝導率が小さい金属材料からなる。また樹脂系材料を使用する場合、パワー回路部３０を構成する部材の帯電防止や、回路上グランド電位となるリヤブラケット７とパワー回路部３０のターミナル３０２などが接続される必要がある場合などは、導電性のポリマーや導電性コンパウンドを内包する樹脂を使用したり、金属カラーなどの金属製インサート部材を一体成形たりして、パワー回路部３０とリヤブラケット７との導電パスを形成する。

また、放熱プレート３１２１とリヤブラケット７との間に、熱良導部材３１４が配置される。この熱良導部材３１４は、硬度が低い金属や、高放熱フィラーや高放熱ポリマーと樹脂などからなるシート、高熱伝導コンパウンドを含むグリスなどにより形成する。このように、放熱プレート３１２１とパワー回路部３０との間に低熱伝導部材３１３１を配置し、放熱プレート３１２１とリヤブラケット７との間に熱良導部材３１４を配置することで、リヤブラケット７から放熱プレート３１２１との間の熱抵抗は小さくなると共に、放熱プレート３１２１とパワー回路部３０との間の熱抵抗は大きくなる。

その結果、リヤブラケット７の熱を放熱プレート３１２１に効率よく引き込み、パワー回路部３０への伝熱量を小さくすることができる。また、放熱プレート３１２１とリヤブラケット７およびパワー回路部３０と接触する部分に熱良導部材３１４と低熱伝導部材３１３１を配置することで、水などの異物が浸入した際に生じる異種金属腐食の発生を防止でき、信頼性が向上する。また、この熱良導部材３１４は、パワー回路部３０と放熱プレート３１２１がリヤブラケット７に固定される際に適度に変形し、放熱プレート３１２１とリヤブラケット７との真接触面積を向上する。

図１１は、この発明の実施の形態４による回転電機における放熱プレートの変形例とパワー回路部の固定を説明する説明図である。図１１において、放熱プレート３１５は、パワー回路部３０への一対の固定部３１５ｄと、放熱プレート３１５とリヤブラケット（図示せず）との一対の固定部３１５ｅが、別々に設けられている。この放熱プレート３１５は、２組のパワー回路部３０（一方のパワー回路部のみしか図示せず）とリヤブラケット７との間に設置されるそれぞれの放熱プレート（一方の放熱プレートのみしか図示せず）が図８に示す前述の実施の形態２と同様に、連結部３１５ｃにより一体に連結されている。連結されたそれぞれの放熱プレート３１５は、実施の形態２の場合と同様に、複数の貫通穴３１５ａを備える。放熱プレート３１５は、この例では１枚の金属板をプレス加工により成形することで一体に連結した構成とされている。

なお、図示していないが、図１０の場合と同様に、パワー回路部３０と放熱プレート３１５の固定部３１５ｄとの間に前述と同様の低熱伝導部材３１３１が挿入され、放熱プレート３１５の固定部３１５ｅとリヤブラケット７との間に前述と同様の熱良導部材３１４が挿入される。

放熱プレート３１５に、パワー回路部３０への一対の固定部３１５ｄと、放熱プレート３１５とリヤブラケット（図示せず）との一対の固定部３１５ｅを別々に設けることで、リヤブラケット７からパワー回路部３０への熱抵抗をさらに大きく取ることができると共に、リヤブラケット７から放熱プレート３１５までの熱抵抗を小さいままに保つことができる。

すなわち、リヤブラケット７からパワー回路部３０への熱抵抗と、リヤブラケット７から放熱プレート３１５への熱抵抗との差が大きくなり、パワー回路部３０の受熱量がさらに小さくなる。またこの構造では、リヤブラケット７からパワー回路部３０までの熱抵抗の中で、リヤブラケット７からパワー回路部３０までの熱抵抗が最大であり、リヤブラケット７から放熱プレート３１５までの熱抵抗および放熱プレート３１５からパワー回路部３０までの熱抵抗は、リヤブラケット７からパワー回路部３０までの熱抵抗に比べて小さくなる。

モータジェネレータのような、始動や回生を行う回転電機では、パワー回路部３０に数十［A］の電流が通電し、大きな発熱が生じる。この際、前述の構造をとることで、パワー回路部３０はリヤブラケット７からの受熱を防ぎつつ、パワー回路部３０の発熱を放熱プレート３１５に逃がし、パワー半導体素子の温度上昇を低減する効果がある。前述のように放熱プレート３１５とパワー回路部３０との間に低熱伝導部材３１３１を設けることで、さらにパワー回路部３０への受熱を防止できる。また、前述のように放熱プレート３１５とリヤブラケット７との間に、熱良導部材３１４を設けることで、リヤブラケット７から放熱プレート３１５への受熱量が増えた場合でもパワー回路部３０の温度上昇を抑えるとともに、回転電機全体の放熱性能を向上することができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内に於いて、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。

１００ 回転電機 １ 回転子軸
２ 界磁鉄心 ３ 界磁巻線
４ スリップリング ５ 固定子
６ フロントブラケット ７ リヤブラケット
８ ブラシ ８０ ブラシホルダ
１０ 回転子 １２、１３ 冷却ファン
１９ａ、１９ｂ ベアリング ２０ プーリ
３０ パワー回路部 ３１ 界磁回路部
３２ 制御回路部 ５１ 電機子巻線
２００ 制御装置 ２０１ 制御装置カバー
３０ａ パワー半導体素子 ３ａ 半導体素子
３０４ 信号線接続端子 ３２１ 制御回路基板
３１２ 交流側端子 ３２２ リード線接続部
３２３ ケース ３１１ ケース
３１３ ヒートシンク ３０２ ターミナル
３０３ ケース
３０５、３０６、３０７、３０８、３０９、３１０１ 放熱プレート
３１１１、３１２１、３１５ 放熱プレート
３０５ａ、３０６ａ、３０７ａ、３０８ａ、３０９ａ 貫通穴
３１０１ａ、３１１１ａ、３１２１ａ、３１５ａ 貫通穴
３０６ｂ、３１０１ｂ フィン部 ３０７ｂ 凹凸部
３０８ｂ、３０９ｂ、３１２ｂ 環状突起
３０９ｃ 連結部 ３１３１ 低熱伝導部材
３１４ 熱良導部材
３１５ｄ、３１５ｅ 固定部

Claims (8)

1. ハウジングに回転自在に支持されている回転子軸と、
   前記ハウジングに固定されると共に電機子巻線を有する固定子と、
   前記回転子軸に固定されると共に界磁鉄心及び界磁巻線を有する回転子と、
   前記電機子巻線と外部の直流電源との間の電力変換を行うインバータとして作用するＭＯＳ−ＦＥＴで構成されたパワー回路部と、
   前記パワー回路部に設けられた配線部材と、
   前記パワー回路部に設けられた放熱用のヒートシンクと、
   を備え、
   前記ヒートシンクもしくは前記配線部材を前記ハウジングに固定することにより、前記パワー回路部を前記ハウジングに搭載するようにした回転電機であって、
   前記ヒートシンクもしくは前記配線部材と、前記ハウジングとの間に挿入された放熱プレートを備え、
   前記放熱プレートと前記ヒートシンクもしくは前記配線部材との間は、前記放熱プレートと前記ハウジングとの間の熱抵抗よりも大きな熱抵抗を備えるように構成されている、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記放熱プレートは、貫通穴と前記貫通穴の形成時に切り起こされたフィン部を備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記放熱プレートは、前記ヒートシンクもしくは前記配線部材に対向する側の面に低熱伝導領域を備えている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記配線部材と前記ヒートシンクを備えた前記パワー回路部は、複数設けられ、
   前記放熱プレートは、前記複数のパワー回路部に個別に対応する複数の放熱プレートを連結して構成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一項に記載の回転電機。
5. 前記放熱プレートは、
   複数の放熱プレートを重ねて構成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の回転電機。
6. 前記ヒートシンクもしくは前記配線部材と、前記放熱プレートとの間に挿入された熱伝導率の低い低熱伝導部材を備えている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れか一項に記載の回転電機。
7. 前記ハウジングと前記放熱プレートとの間に挿入された熱伝導率の高い熱良導部材を備えている、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のうちの何れか一項に記載の回転電機。
8. 前記放熱プレートは、
   前記ヒートシンクもしくは前記配線部材に固定される固定部と、
   前記固定部とは異なる位置に設けられ、前記ハウジングに固定される固定部と、
   を備えている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のうちの何れか一項に記載の回転電機。

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