JP6723398B1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、電力供給ユニットのパワーモジュールの冷却性能を向上させつつ、径方向および軸方向の寸法を縮小できる回転電機を得る。【解決手段】パワーモジュール１６０は、ヒートシンク１１０のパワーモジュール搭載面１１１ａに搭載されている状態で、カバー１０１内の制御部１０４と電動機２００との間に配置され、前記ヒートシンク１１０は、前記パワーモジュール搭載面１１１ａが軸方向と平行となり、冷媒が流れる冷媒流路１１３の流路方向が回転軸４と直交する面と平行、かつ前記回転軸４と交差しないように配置され、開口部１０５が、前記カバー１０１の周壁部１０１ａに形成され、リヤブラケット用吸気口２１が、リヤブラケット２の制御部１０４と相対する領域に形成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、自動車などに搭載される回転電機に関し、特に、電動機とパワー回路を含む電力供給ユニットとが一体化された回転電機に関するものである。

自動車に搭載される回転電機は、電動機とこの電動機を制御するインバータとを備えている。この種の回転電機には、省スペース性、搭載性の容易さ、電動機とインバータとを接続する配線ハーネスの縮小化などが求められる。

従来の回転電機では、インバータが電動機の軸方向の端部に取り付けられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。インバータのヒートシンクには、フィンが形成されており、電動機の回転子の軸方向の端部に装着されたファンにより発生した冷却風がフィンを通過することでインバータを冷却している。

特表２０１６−５３７９５９号公報 特開２０１７−１１２８０７号公報

特許文献１に記載の従来の回転電機は、インバータを構成するパワーモジュールを冷却するヒートシンクを有する。ヒートシンクは、パワーモジュール搭載面と、パワーモジュール搭載面の反対側の面である放熱面と、を有する。ヒートシンクは、パワーモジュール搭載面を電動機の軸方向と直交させ、かつ放熱面を電動機に向けて、設置される。放熱面には、複数のフィンが設けられており、径方向に延びる通風路がフィン間に形成されている。

そこで、フィンの放熱面積を大きくしてパワーモジュールの冷却性を向上させるためには、フィン間に形成される通風路の長さを長くする必要がある。しかしながら、通風路の長さを長くすると、インバータの径方向の寸法が大きくなるという課題がある。

特許文献２に記載の従来の回転電機は、インバータを構成するパワーモジュールを冷却するヒートシンクを有する。ヒートシンクは、パワーモジュール搭載面と、パワーモジュール搭載面の反対側の面である放熱面と、を有する。ヒートシンクは、パワーモジュール搭載面を電動機の軸方向と平行とし、かつ放熱面を径方向の内方に向けて、設置される。放熱面には、複数のフィンが設けられており、軸方向に延びる通風路がフィン間に形成されている。ファンにより発生した冷却風は、通風路を軸方向に流れる。したがって、通風路の入口側にスペースを確保するためには、パワーモジュールの電動機と反対側にパワーモジュールから離してインバータの他の部品を搭載する必要がある。また、パワーモジュールの冷却性を向上させるには、通風路の長さを長くして放熱面積を大きくする必要がある。そのため、インバータの軸方向の寸法が大きくなるという課題がある。

回転電機を自動車のエンジンルームに搭載する場合、回転電機には、限られた空間に設置できることが求められている。そこで、搭載スペースが僅かしか確保できない車種の自動車に特許文献１，２に記載の従来の回転電機を搭載する場合、部品が干渉する、外部機器との接続コネクタおよび固定用のねじを取り付けるための作業空間を確保できないという不具合が生じる。最悪の場合、スペースの関係上、回転電機を搭載できない場合がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電力供給ユニットのパワーモジュールの冷却性能を向上させつつ、径方向および軸方向の寸法を縮小できる回転電機を提供することにある。

本発明に係る回転電機は、電動機と、前記電動機に電力を供給する電力供給ユニットと、を備え、前記電動機と前記電力供給ユニットとは、前記電動機を前記電動機の回転軸の軸方向の第１方向に位置させて前記軸方向に並んで配置されており、前記電力供給ユニットは、パワーモジュールと、前記パワーモジュールでの発熱を放熱するヒートシンクと、前記パワーモジュールの動作を制御する制御部と、を有する。前記ヒートシンクは、パワーモジュール搭載面および前記パワーモジュール搭載面と反対側のパワーモジュール非搭載面を有する基部と、前記パワーモジュール非搭載面に形成されたフィンと、を備え、前記フィンに沿って冷媒が流れる冷媒流路が形成されており、前記制御部は、前記電動機と相対するように前記電動機の前記軸方向の第２方向に配置され、前記パワーモジュールは、前記ヒートシンクの前記パワーモジュール搭載面に搭載されている状態で、前記制御部と前記電動機との間に配置されている。前記ヒートシンクは、前記パワーモジュール搭載面が前記軸方向と平行となり、前記冷媒が流れる前記冷媒流路の流路方向が前記回転軸と直交する面と平行、かつ前記回転軸と交差しないように配置され、吸気口が、前記電動機の前記軸方向の第２方向に位置するブラケットの前記制御部と相対する領域に形成されている。

この発明によれば、ヒートシンクは、パワーモジュール搭載面が軸方向と平行となり、冷媒が流れる冷媒流路の流路方向が回転軸と直交する面と平行、かつ回転軸と交差しないように配置されている。そこで、電力供給ユニットの径方向の寸法を大きくすることなく、冷媒流路の長さを長くして放熱面積を大きくできる。これにより、回転電機の径方向の寸法を小さくしつつ、パワーモジュールの冷却性能を向上させることができる。さらに、ヒートシンクに搭載されたパワーモジュールの軸方向の電動機と反対側に、かつパワーモジュールに近づけて電力供給ユニットの他の部品を配置できるので、回転電機の軸方向寸法を小さくできる。

この実施の形態１に係る回転電機を示す斜視図である。 この実施の形態１に係る回転電機を示す片側断面図である。 この実施の形態１に係る回転電機におけるパワーモジュールをヒートシンクに取り付けた状態を示す斜視図である。 この実施の形態１に係る回転電機におけるパワーモジュールをヒートシンクに取り付けた状態を示す側面図である。 この実施の形態１に係る回転電機における制御部を取り除いた状態の電力供給ユニットを示す平面図である。 この実施の形態１に係る回転電機の電力供給ユニットにおけるパワーモジュールの配置を説明する平面図である。 この実施の形態２に係る回転電機における制御部を取り除いた状態の電力供給ユニットを示す平面図である。

以下、この発明に係る回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。なお、各図間の図示では、対応する各構成部のサイズおよび縮尺は、それぞれ独立している。また、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、省略したりすることが可能である。

実施の形態１．
図１は、この実施の形態１に係る回転電機を示す斜視図、図２は、この実施の形態１に係る回転電機を示す片側断面図、図３は、この実施の形態１に係る回転電機におけるパワーモジュールをヒートシンクに取り付けた状態を示す斜視図、図４は、この実施の形態１に係る回転電機におけるパワーモジュールをヒートシンクに取り付けた状態を示す側面図、図５は、この実施の形態１に係る回転電機における制御部を取り除いた状態の電力供給ユニットを示す平面図、図６は、この実施の形態１に係る回転電機の電力供給ユニットにおけるパワーモジュールの配置を説明する平面図である。なお、図５および図６は、カバーおよび制御部を取り外した状態を図１のＡ方向から見た平面図である。また、説明の便宜上、回転子の回転軸の軸心と平行な方向を軸方向とし、回転軸の半径方向を径方向とし、回転軸の軸心を中心とする回転方向を周方向とする。また、電動機のフロント側を軸方向の第１方向とし、リヤ側を軸方向の第２方向とする。

図１および図２において、回転電機は、電動機２００と、電動機２００に電力を供給する電力供給ユニット３００と、を備える。電動機２００と電力供給ユニット３００とは、電動機２００を軸方向の第１方向に位置させて軸方向に並んで配置されている。

電動機２００は、鉄などの金属材料で作製されたフロントブラケット１およびリヤブラケット２を有するハウジングと、固定子鉄心３１および固定子巻線３２を有する固定子３と、回転軸４、界磁巻線５および回転子鉄心６を有する回転子７と、を備えている。

フロントブラケット１とリヤブラケット２とは、固定子鉄心３１を軸方向から挟んで配置され、締結ボルト８により締め付けられて一体に構成されている。これにより、固定子３は、固定子鉄心３１をフロントブラケット１とリヤブラケット２とにより加圧状態に挟まれて、ハウジングに保持されている。

界磁巻線５は、回転子鉄心６に装着されている。回転子鉄心６は、軸心位置に挿入された回転軸４に固定されている。回転軸４は、フロントブラケット１およびリヤブラケット２の軸心位置に設けられた軸受７１，７２に回転可能に支持されている。これにより、回転子７は、固定子３の径方向の内方に、かつ固定子３と同軸に、ハウジング内に配置されている。

回転子鉄心６の軸方向の第１方向の端部には、冷却ファン８１が固定されている。回転子鉄心６の軸方向の第２方向の端部には、冷却ファン８２が固定されている。フロントブラケット１から軸方向の第１方向に突出する回転子７の端部には、プーリー９が固定されている。プーリー９は、図示されていないが、ベルトを介してエンジンの回転軸に連結されて、回転エネルギーをエンジンに伝達する。回転軸４のリヤブラケット２から軸方向の第２方向に突出する回転軸４の端部には、図示されていないが、ブラシ、ブラシを保持するブラシホルダおよび回転センサが配置されている。回転センサには、ホール素子、レゾルバ、磁気センサ、電磁誘導方式センサなどが用いられる。なお、電動機２００の軸方向の第１方向が負荷側となり、軸方向の第２方向が反負荷側となる。

回転子鉄心６と軸方向に相対するフロントブラケット１の面には、フロントブラケット用吸気口１１が設けられている。冷却ファン８１の径方向の外方に位置するフロントブラケット１の側面には、フロントブラケット用排気口１２が設けられている。一方、回転子鉄心６と軸方向に相対するリヤブラケット２の面には、リヤブラケット用吸気口２１が設けられている。冷却ファン８２の径方向の外方に位置するリヤブラケット２の側面には、リヤブラケット用排気口２２が設けられている。リヤブラケット２の軸心位置には、リヤベアリング格納空間２３が設けられている。リヤブラケット用吸気口２１は、リヤブラケット用排気口２２とリヤベアリング格納空間２３との間のリヤブラケット２の径方向領域内に形成される。

電力供給ユニット３００は、後述するパワーモジュール１６０と、パワーモジュール１６０で発生した熱を放熱するヒートシンク１１０と、パワーモジュール１６０の動作を制御する制御部１０４と、カバー１０１と、を備える。

カバー１０１は、周壁部１０１ａと底部１０１ｂとを有する椀状に形成され、電動機２００のリヤブラケット２に取り付けられて、電力供給ユニット３００の外殻を構成する。カバー１０１内には、パワーモジュール１６０、ヒートシンク１１０、制御部１０４に加えて、ブラシホルダおよび回転センサが収納されている。カバー１０１には、外部のバッテリに接続される正極側バッテリ端子１５１および負極側バッテリ端子１５２、さらに外部のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｕｎｉｔ）などの外部部品に接続される制御用コネクタ１５３が設けられている。

カバー１０１が金属で作製された場合には、外部から電力供給ユニット３００内に入るノイズを反射、あるいは吸収して電力供給ユニット３００への影響を軽減できる。また、電力供給ユニット３００から出るノイズを反射、あるいは吸収して、周辺機器への影響を軽減できる。さらに、カバー１０１の放射率を低くすることで、周囲の熱源からの受熱を低減し、電力供給ユニット３００の温度上昇を抑制できる。カバー１０１の強度が高められるので、電力供給ユニット３００に外力が加わったときに変形しにくくなり、変形による故障を防ぐことができる。

ここで、カバー１０１は、金属に限定されず、樹脂、セラミックなどで作製されてもよい。また、カバー１０１は、金属をインサート成形、あるいはアウトサート成形した樹脂成型品、金属および樹脂の２つ以上の材料からなる複合材料などで構成してもよい。また、カバー１０１は、リヤブラケット２ではなく、底部１０１ｂを電動機２００と相対させて、電力供給ユニット３００を構成する部品に取り付けられてもよい。

制御部１０４は、プリント基板、セラミック基板、金属基板などの材料で構成されており、制御回路を構成する部品が搭載された制御基板１０３と、制御基板１０３が収納されるケース１０２と、を備える。制御部１０４は、制御基板１０３の部品実装面が軸方向と直交し、かつケース１０２を電動機２００に向けて、カバー１０１内の軸方向の第２方向に収納されている。制御基板１０３は、ねじ、熱加締め、リベット、接着などの固定手段でケース１０２に固定されているが、製品の使用上で壊れなければ、固定手段はこれらの手段に限定されない。また、ケース１０２に対する制御基板１０３の固定点の数は、振動条件、製品形状に合わせて最適化される。

ケース１０２には、図示していないが、パワーモジュール１６０、回転センサなどと制御基板１０３とを接続するための開口部が設けられている。回転軸４の軸方向の第２方向の端部が、制御基板１０３に実装されている部品よりも軸方向の第１方向に位置している。そこで、回転軸４の軸方向の第２方向の端部とのぶつかりを回避するための開口部を制御基板１０３に設ける必要がなくなる。これにより、電動機２００を軸方向から制御基板１０３に投影した時の投影面積内のほとんどの領域に部品を配置できる。そこで、制御基板１０３の投影面積内の部品を配置できない無駄な面積が少なくなり、制御部１０４の小型化、低コスト化が可能となる。

なお、電動機２００を軸方向から制御基板１０３に投影した時の投影面積内の回転軸４と相対する領域を除く面積に部品が配置可能な場合には、回転軸４が貫通するようにケース１０２および制御基板１０３を構成してもよい。制御基板１０３は、円形の外形に形成されているが、カバー１０１内に収まれば外形は円形に限定されない。制御基板１０３は、１枚の基板で構成されてもよく、２枚以上の基板により構成されてもよい。さらに、制御基板１０３は、１種類の材料で構成されてもよく、複数の材料で構成されてもよい。また、冷媒流路を構成する凹凸をケース１０２の電動機２００と相対する面に設けてもよい。これにより、制御基板１０３に搭載される発熱部品での発熱が、ケース１０２の電動機２００と相対する面に構成された冷媒流路を流通する冷却風に放熱される。また、冷媒流路を構成する凹凸をリヤブラケット２のケース１０２と相対する面に設けてもよい。これにより、固定子鉄心３１を介してリヤブラケット２に伝達された固定子巻線３２での発熱が、リヤブラケット２のケース１０２と相対する面に構成された冷媒流路を流通する冷却風に放熱される。

パワーモジュール１６０は、図３および図４に示されるように、例えば、上アームおよび下タームを構成する２つの電力用半導体素子が直列に接続された状態で封止樹脂１６５により樹脂封止されて構成されている。パワーモジュール１６０は、正極端子１６１、負極端子１６２、交流端子１６３および制御端子１６４を備える。パワーモジュール１６０は、正極端子１６１および負極端子１６２とバッテリとを接続して、直流電力を授受している。パワーモジュール１６０は、交流端子１６３と固定子巻線３２とを接続して、交流電力を授受している。パワーモジュール１６０は、制御端子１６４と制御基板１０３とを接続し、電力用半導体素子の動作を制御する電気信号を授受している。正極端子１６１、負極端子１６２、交流端子１６３および制御端子１６４は、例えば、銅、銅合金などの導電性が良好で熱伝導性の高い金属が用いられる。さらに、これら端子の表面は、Ａｕ、Ｎｉ、Ｓｎなどの金属材料でめっきされてもよい。また、これらの端子の材料およびめっきの材料は、２種類以上の材料で構成してもよい。

封止樹脂１６５は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などのポッティング樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ＡＢＳ)などの成形材料などで構成される。また、電力用半導体素子の表面がフッ素樹脂によりコーティングされていてもよい。電力用半導体素子および他の実装部品が封止樹脂１６５で覆われることにより、異物が混入したり、塩、泥などが含まれた水がかかっても、電力用半導体素子および他の実装部品の絶縁性を確保することができる。また、封止樹脂１６５にエポキシなどの高硬度の材料を用いることで、電力用半導体素子および他の実装部品を強固に固定でき、耐振性を向上することができる。なお、封止樹脂１６５以外の方法で電力用半導体素子および他の実装部品を絶縁状態に固定できれば、封止樹脂１６５は省略することができる。

電力用半導体素子は、電力用電界効果トランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ：Ｐｏｗｅｒ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などで構成される。これらは、モータなどの機器を駆動するインバータ回路に用いられるもので、数アンペアから数百アンペアの定格電流を制御するものである。電力用半導体素子の材料として、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）などが用いられる。

電力用半導体素子は、アルミまたは銅のベース材料で構成された金属基板、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素などからなるセラミック基板の配線パターン、鉄、アルミ、銅などのバスバーなどに、はんだ、銀ペーストなどの導電性材料で接合されている。ここで、金属基板、セラミック基板の配線パターンおよびバスバーをリードと呼ぶ。

パワーモジュール１６０は、図３および図４に示されるように、ヒートシンク１１０の基部１１１のパワーモジュール搭載面１１１ａに搭載されている。そして、電力用半導体素子が接合されたリードの非搭載面が、ヒートシンク１１０の基部１１１に熱的に接続される。なお、リードの搭載面は、電力半導体素子が接合されている面であり、リードの非搭載面は、搭載面と反対側の面である。

また、電力用半導体素子とヒートシンク１１０の基部１１１との間の接触熱抵抗を低減するため、伝熱材がリードとパワーモジュール搭載面１１１ａとの間に配置されている。伝熱材には、グリース、接着剤、シート、ゲルなどの絶縁性を有する材料、はんだ、銀ペーストなどの導電性部材などが用いられる。また、リードと基部１１１との間に絶縁性を確保する必要がある場合には、絶縁性の伝熱材が用いられる。これにより、電力用半導体素子と基部１１１とが低熱抵抗な状態に接続される。

また、リードとヒートシンク１１０とが同電位の場合には、リードと基部１１１とは、半田、銀ペーストなどの導電性部材により接続される。あるいは、ばね、ねじなどによりリードを基部１１１に機械的に押し付けてもよい。接続方式を接合から機械的な押し付けに変えることで、リードと基部１１１との間の熱抵抗を低減しつつ、温度サイクルおよび高温によるリードと基部１１１との間の接続状態の劣化が抑えられ、当該接続状態の長期信頼性が向上される。

ヒートシンク１１０は、電力用半導体素子および通電経路に電流が流れるときに発生する熱を冷却風に放熱する役割を有する。ヒートシンク１１０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などの金属、樹脂、セラミック等の材料であって、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料で構成される。基部１１１のパワーモジュール搭載面１１１ａと反対側の面であるパワーモジュール非搭載面１１１ｂには、パワーモジュール非搭載面１１１ｂから直角に突出するフィン１１２が互いに離れて、相対して、平行に複数本形成されている。冷媒流路１１３が、フィン１１２間に形成される。冷媒である冷却風がフィン１１２に沿って流れる冷媒流路１１３の流路方向が、冷媒流路１１３の長さ方向、すなわちヒートシンク１１０の長さ方向となる。封止樹脂１６５からの正極端子１６１および負極端子１６２の突出方向、封止樹脂１６５からの制御端子１６４の突出方向、および冷媒流路の長さ方向は，互いに直交している。冷却風がフィン１１２の表面に接しながら冷媒流路１１３を流れることで、電力用半導体素子で発生する熱が冷却風に放熱される。基部１１１とフィン１１２とからなるヒートシンク１１０は、押し出し加工、かしめ、圧入、切削、ダイキャスト、鋳造、鍛造、切おこし、ろう付け、摩擦撹拌接合などによって製造される。

基部１１１のパワーモジュール非搭載面１１１ｂに複数本のフィン１１２が形成されているが、フィン１１２は１本以上あればよい。また、パワーモジュール搭載面１１１ａとパワーモジュール非搭載面１１１ｂとが平行な平坦面である場合について説明しているが、パワーモジュール搭載面１１１ａとパワーモジュール非搭載面１１１ｂとの間の面間距離は、基部１１１の各部において一定でなくてもよい。すなわち、基部１１１の板厚は、一定でなくてもよい。パワーモジュール搭載面１１１ａとパワーモジュール非搭載面１１１ｂとは平坦面である必要はなく、湾曲する面であってもよい。

リードの非搭載面がヒートシンク１１０の基部１１１を熱的に接続されているが、リードの搭載面を基部１１１を熱的に接続してもよく、リードの搭載面と非搭載面との両面に基部１１１を熱的に接続してもよい。つまり、電力半導体素子で発生する発熱を冷却風に放熱できれば、ヒートシンク１１０の基部１１１におけるリードの取り付け位置、リードの個数および形状などは特定されない。

つぎに、パワーモジュール１６０の配置について図５および図６を参照しつつ説明する。ここで、リヤブラケット２には３つのリヤブラケット用吸気口２１が形成されている。説明の便宜上、３つのリヤブラケット用吸気口を添え字ａ，ｂ，ｃによって区別し、リヤブラケット用吸気口を総称するときには、参照符号のみを用いる。また、電力供給ユニット３００は、６つのパワーモジュール１６０を備える。説明の便宜上、６つのパワーモジュールを添え字ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆによって区別し、パワーモジュールを総称するときには、参照符号のみを用いる。

６つのパワーモジュール１６０は、それぞれ、ヒートシンク１１０の基部１１１のパワーモジュール搭載面１１１ａに搭載されている。パワーモジュール１６０ａ，１６０ｄが搭載されたヒートシンク１１０は、フィン１１２同士を隙間なく相対させて、制御端子１６４を軸方向の第２方向に向けて、リヤブラケット２の軸方向の第２方向に配置されている。ヒートシンク１１０に搭載されたパワーモジュール１６０ａ，１６０ｄは、軸方向から見た時に、リヤベアリング格納空間２３の径方向外方の領域に配置されている。ヒートシンク１１０は、パワーモジュール搭載面１１１ａが回転軸４の軸方向と平行となるように配置されている。さらに、ヒートシンク１１０は、フィン１１２間に形成される冷媒流路１１３の流路方向が、回転軸４の軸心と直交する平面と平行に、かつ回転軸４の軸心を通る径方向に対して傾斜するように配置されている。すなわち、冷媒流路１１３の流路方向は、回転軸４と交差していない。なお、図示されていないが、リヤブラケット２又はケース１０２に固定部が設けられており、ヒートシンク１１０が当該固定部に固定されている。

パワーモジュール１６０ｂ，１６０ｅおよびパワーモジュール１６０ｃ，１６０ｆは、パワーモジュール１６０ａ，１６０ｄと同様に配置されている。これにより、パワーモジュール１６０ａ，１６０ｄ、パワーモジュール１６０ｂ，１６０ｅおよびパワーモジュール１６０ｃ，１６ｆは、電動機２００と制御部１０４との間に、回転軸４の軸心を中心として９０度の等角ピッチに配置されている。制御端子１６４は、封止樹脂１６５から軸方向の第２方向に延びている。ここで、９０度で等角ピッチ配置されるとは、図５において、回転電機を回転軸４の軸心まわりに時計回りに９０度回転させる前のヒートシンク１１０に搭載されたパワーモジュール１６０ｂ，１６０ｅと９０度回転させた後のヒートシンク１１０に搭載されたパワーモジュール１６０ａ，１６０ｄとが重なることを意味する。

図１に示されるように、開口部１０５が、フィン１１２同士を隙間なく相対して配置されたヒートシンク１１０の各対の外径側端部と径方向に相対するように、カバー１０１の周壁部１０１ａに形成されている。開口部１０５は、ヒートシンク１１０の対の外径側外部の端面と同じ大きさを有している。これにより、冷媒流路１１３の外径側端部が流路入口となり、冷媒流路１１３の内径側端部が流路出口となる。３つのリヤブラケット用吸気口２１ａ，２１ｂ，２１ｃが、軸方向の第２方向を向くリヤブラケット２の面のリヤベアリング格納空間２３の径方向外方の領域に形成されている。リヤブラケット用吸気口２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、カバー１０１の底部１０１ｂと相対するリヤブラケット２の領域内に形成されている。そして、図５に示されるように、ヒートシンク１１０の各対の冷媒流路１１３の流路出口は、軸方向から見た時に、リヤブラケット用吸気口２１ａ，２１ｂ，２１ｃ内に位置している。また、冷媒流路１１３の流路入口は、流路出口に対して径方向外方に位置している。

ここで、図６に示されるように、無限平面Ｉがヒートシンク１１０の冷媒流路１１３の流路出口と交わる任意の点において、冷却風が冷媒流路１１３を流れる方向Ｈと無限平面Ｉの回転方向Ｊの前方の垂線Ｑとのなす角Ｇが０°より大きく、９０°以下となっている。無限平面Ｉは、回転子７の回転軸４の軸心を全て含む平面である。また、冷媒流路１１３の流路入口は、流路出口に対して径方向外方に位置している。さらに、冷媒流路１１３の流路出口は、軸方向から見た時に、リヤブラケット用吸気口２１内に位置している。これにより、冷媒流路１１３の流路出口から排出された冷却風が、その流速ベクトルを消失することなく、リヤブラケット用吸気口２１に吸い込まれる。そのため、冷却風量を増加させることができ、電力供給ユニット３００の冷却性を向上させることができる。

このように構成された回転電機では、回転子７が回転駆動されると、冷却ファン８１，８２が回転駆動される。これにより、電動機２００のフロント側では、図２中矢印Ｗ１で示されるように、冷却風がフロントブラケット用吸気口１１からフロントブラケット１内に流入する。

一方、電動機２００のリヤ側では、図２中矢印Ｗ２で示されるように、冷却風が開口部１０５からカバー１０１内に流入する。カバー１０１内に流入した冷却風は、ヒートシンク１１０のフィン１１２間の冷媒流路１１３の流路入口に流入する。冷媒流路１１３内に流入した冷却風は、冷媒流路１１３内を外径側から内径側に流れて、流路出口から流出する。冷媒流路１１３の流路出口から流出した冷却風は、流れ方向が軸方向に変えられて、リヤブラケット用吸気口２１からリヤブラケット２内に流入する。パワーモジュール１６０の電力用半導体素子で発生した熱が、ヒートシンク１１０の基部１１１に伝熱され、フィン１１２間の冷媒流路１１３を流れる冷却風に放熱される。これにより、パワーモジュール１６０の電力用半導体素子が冷却される。

実施の形態１では、パワーモジュール搭載面１１１ａが軸方向と平行となり、冷媒流路１１３の流路方向が回転軸４の軸心と直交する平面と平行、かつ回転軸４と交差しないように、ヒートシンク１１０が配置されている。これにより、冷媒流路１１３の流路方向は、径方向に対して傾斜している。

冷媒流路の流路方向が径方向となっている特許文献１では、冷媒流路の長さを長くすると、電力供給ユニットの径方向の寸法が大きくなる。実施の形態１では、冷媒流路１１３の流路方向が径方向に対して傾斜しているので、電力供給ユニット３００の径方向寸法を大きくすることなく、冷媒流路１１３の長さを長くすることができる。その結果、電力供給ユニット３００の径方向の寸法を大きくすることなく、ヒートシンク１１０の放熱面積を大きくでき、パワーモジュール１６０の冷却性を向上させることができる。

特許文献２では、ヒートシンクは、パワーモジュール搭載面を電動機の軸方向と平行とし、かつ放熱面を径方向の内方に向けて設置される。放熱面に形成される冷媒流路の流路方向が軸方向となっている。そのため、制御部などの部品は、冷媒流路の流路入口から軸方向の第２方向に離して配置される必要があり、電力供給ユニットの軸方向寸法が増大する。実施の形態１では、パワーモジュール搭載面１１１ａが軸方向と平行となり、冷媒流路１１３の流路方向が回転軸４の軸心と直交する平面と平行となっている。これにより、制御部１０４などの部品をヒートシンク１１０に近づけてヒートシンク１１０の軸方向の第２方向に配置できるので、特許文献２に比べて、電力供給ユニット３００の軸方向寸法を小さくすることができる。

これらのことから、搭載スペースが僅かしか確保できない車種の自動車に実施の形態１による回転電機を搭載しても、部品が干渉する、外部機器との接続コネクタおよび固定用のねじを取り付けるための作業空間を確保できないという不具合の発生が抑制される。そこで、実施の形態１による回転電機は、エンジンルーム内のレイアウトによって取り付けが制約されるような自動車用の回転電機として好適である。

開口部１０５は、ヒートシンク１１０の冷媒流路１１３の外径側端部と径方向に相対するように形成されている。そこで、開口部１０５からカバー１０１内に流入した冷却風が流路入口から冷媒流路１１３内に効率よく流入する。これにより、冷媒流路１１３を流れる冷却風の流量が確保され、パワーモジュール１６０の冷却性を向上させることができる。そこで、冷却風を効率よく冷媒流路１１３に流入させるためには、流路入口が開口部１０５に近づくようにヒートシンク１１０を配置することが望ましい。

冷媒流路１１３の流路出口は、軸方向から見た時に、リヤブラケット用吸気口２１内に位置している。これにより、冷媒流路１１３の流路出口から排出された冷却風が、その流速ベクトルを消失することなく、リヤブラケット用吸気口２１に吸い込まれる。そのため、冷却風量を増加させることができ、電力供給ユニット３００の冷却性を向上させることができる。また、冷媒流路１１３の流路出口から排出された冷却風が、リヤブラケット用吸気口２１の近傍に集められて、パワーモジュール１６０の冷却に寄与する。そのため、パワーモジュール１６０の冷却性がさらに向上される。

リヤブラケット用吸気口２１は、リヤベアリング格納空間２３の径方向外方の領域に形成される。そこで、冷却風の通風抵抗を下げるには、リヤベアリング格納空間２３を避けて、リヤブラケット用吸気口２１を径方向外方に拡張して面積を大きくすることになる。

特許文献１では、ヒートシンクの冷媒流路の流路方向が径方向となっている。そこで、冷媒流路の流路出口とリヤベアリング格納空間との間の径方向距離を変えずに、リヤブラケット用吸気口を径方向外方に拡張しても、冷却風の通風抵抗を効果的に下げられない。つまり、リヤブラケット用吸気口の径方向外方への拡張分だけ冷媒流路の流路出口を径方向外方にシフトさせる必要がある。これにより、冷媒流路の冷媒出口から流出した冷却風は、流れ方向を軸方向に変えられて、拡張されたリヤブラケット用吸気口に効率的に流入することができる。その結果、冷却風の通風抵抗が下がり、冷却風の流量が多くなり、パワーモジュールの冷却性が向上される。このように、特許文献１では、冷却風の通風抵抗を下げてパワーモジュールの冷却性を向上させるには、電力供給ユニットの径方向寸法が大きくなってしまう。

実施の形態１では、冷媒流路１１３の流路方向は、径方向に対して傾斜し、かつ回転軸４と交差していない。さらに、冷媒流路１１３の流路出口は、軸方向から見た時に、リヤブラケット用吸気口２１内に位置している。そして、径方向に対する冷媒流路１１３の流路方向の傾斜角度を大きくすることで、冷媒流路１１３の流路入口の径方向位置を変えることなく、流路出口とリヤベアリング格納空間２３との間の径方向距離を大きくできる。そのため、径方向に対する冷媒流路１１３の流路方向の傾斜角度を調整することにより、冷媒流路１１３の冷媒出口から流出して流れ方向を軸方向に変えられた冷却風を、拡張されたリヤブラケット用吸気口２１に効率的に流入させることができる。これにより、冷媒流路１１３の流路入口の径方向位置を変えることなく、リヤブラケット用吸気口２１の面積を大きくでき、冷却風の通風抵抗を小さくできる。その結果、冷媒流路１１３を流れる冷却風の流量が増大し、電力供給ユニット３００を大径化することなく、パワーモジュール１６０の冷却性を向上させることができる。

実施の形態１では、パワーモジュール１６０が搭載された２つのヒートシンク１１０は、フィン１１２同士を隙間なく相対させて配置されている。これにより、フィン１１２間の冷媒流路１１３を流れる冷却風の風速が増大され、パワーモジュール１６０の冷却効率が高められる。

実施の形態１では、パワーモジュール１６０が搭載された３対のヒートシンク１１０が９０度で等角ピッチに配置されているので、３対のヒートシンク１１０の冷媒流路１１３のそれぞれに均等に冷却風が導かれる。これにより、パワーモジュール１６０が均等に冷却される。

なお、上記実施の形態では、パワーモジュール１６０が搭載された２つのヒートシンク１１０は、フィン１１２同士を隙間なく相対させて配置されているが、２つのヒートシンク１１０は、フィン１１２同士を隙間をあけて相対させて配置されてもよい。この場合、相対して配置されたフィン１１２間の隙間が冷媒流路となる。そこで、冷媒流路の断面積が大きくなり、冷媒流路を流れる冷却風の流量が増大されるので、冷媒流路を流れる冷却風の温度上昇が低減される。これにより、冷却風の通風経路の後段に位置する部品群を効果的に冷却することができる。

また、上記実施の形態１では、パワーモジュール１６０が搭載された３対のヒートシンク１１０が９０度で等角ピッチに配置されているが、３対のヒートシンク１１０は、等角ピッチに配置される必要はない。例えば、回転軸４の軸心を中心として、６０度、１２０度の間隔で３対のヒートシンク１１０を配置してもよい。つまり、回転電機を回転軸４の軸心まわりに６０度回転させたパワーモジュール１６０ａ，１６０ｄおよびｈ−とシンク１１０が回転させる前のパワーモジュール１６０ｂ，１６０ｅおよびヒートシンク１１０に重なり、さらに１２０度回転させた後のパワーモジュール１６０ａ，１６０ｄおよびヒートシンク１１０が回転させる前のパワーモジュール１６０ｃ，１６０ｆおよびヒートシンク１１０に重なるように、３対のヒートシンク１１０を配置してもよい。

本発明では、パワーモジュール１６０が搭載された３対のヒートシンク１１０がこのように配置されることを、回転軸４の軸心を対称軸とする回転対称に配置されているとする。つまり、パワーモジュール１６０が搭載された３対のヒートシンク１１０が回転軸４の軸心を対称軸とする回転対称に配置されている場合、回転電機を回転軸４の軸心まわりに任意の角度回転させたときに、３対のパワーモジュール１６０の任意の１対のパワーモジュール１６０およびヒートシンク１１０が、回転させる前の他の２対のパワーモジュール１６０およびヒートシンク１１０に一致する。

実施の形態２．
図７は、この実施の形態２に係る回転電機における制御部を取り除いた状態の電力供給ユニットを示す平面図である。

図７において、パワーモジュール１６０ａ，１６０ｄが搭載されたヒートシンク１１０は、フィン１１２同士を隙間なく相対させて、制御端子１６４を軸方向の第２方向に向けて、リヤブラケット２の軸方向の第２方向に配置されている。ヒートシンク１１０に搭載されたパワーモジュール１６０ａ，１６０ｄは、軸方向から見た時に、リヤベアリング格納空間２３の径方向外方の領域に配置されている。ヒートシンク１１０は、パワーモジュール搭載面１１１ａが回転軸４の軸方向と平行となるように配置されている。さらに、ヒートシンク１１０は、フィン１１２間に形成される冷媒流路１１３の流路方向が、回転軸４の軸心と直交する平面と平行に、かつ回転軸４の軸心を通る径方向に対して傾斜するように配置されている。すなわち、冷媒流路１１３の流路方向は、回転軸４と交差していない。

パワーモジュール１６０ｂ，１６０ｅおよびパワーモジュール１６０ｃ，１６０ｆは、パワーモジュール１６０ａ，１６０ｄと同様に配置されている。これにより、パワーモジュール１６０ａ，１６０ｄ、パワーモジュール１６０ｂ，１６０ｅおよびパワーモジュール１６０ｃ，１６ｆは、電動機２００と制御部１０４との間に、回転軸４の軸心を中心として等角ピッチに配置されている。制御端子１６４は、封止樹脂１６５から軸方向の第２方向に延びている。

ここで、ヒートシンク１１０に搭載されたパワーモジュール１６０ａ，１６０ｄの対、ヒートシンク１１０に搭載されたパワーモジュール１６０ｂ，１６０ｅの対およびヒートシンク１１０に搭載されたパワーモジュール１６０ｃ，１６ｆの対は、径方向位置および冷媒流路１１３の径方向に対する傾斜角度が互いに異なっている。

このように、実施の形態２による回転電機は、ヒートシンク１１０に搭載されたパワーモジュール１６０の３対の径方向位置および冷媒流路１１３の径方向に対する傾斜角度が互いに異なっている点を除いて、上記実施の形態１による回転電機と同様に構成されている。

したがって、実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
実施の形態２では、ヒートシンク１１０に搭載されたパワーモジュール１６０の３対の径方向位置および冷媒流路１１３の径方向に対する傾斜角度が互いに異なっている。そこで、パワーモジュール１６０の対毎に、ヒートシンク１１０の大きさを変えることができる。また、パワーモジュール１６０の対毎に、リヤブラケット用吸気口２１の大きさを変えることができる。そのため、パワーモジュール１６０の対の冷却効率を対毎に変えることができる。これにより、パワーモジュール１６０の電力用半導体素子の発熱量が異なった場合でも、電力用半導体素子の発熱量に応じてパワーモジュール１６０の冷却効率を調整することにより、電力半導体素子のそれぞれが同じ温度となるように冷却できる。その結果、電力供給ユニット３００の信頼性を向上させることができる。

なお、上記各実施の形態では、固定子巻線３２が２組の三相巻線から構成されていることを想定して６つのパワーモジュール１６０を配置しているが、パワーモジュール１６０の個数は、固定子巻線３２の構成に応じて変更される。例えば、固定子巻線３２が１組の三相巻線で構成されている場合には、３つのパワーモジュール１６０が配置される。

また、上記各実施の形態では、パワーモジュール１６０は、上アームと下アームの２つの電力用半導体素子を封止樹脂１６５で封止して構成されているが、パワーモジュールは、１つの電力用半導体素子を封止樹脂で封止して構成されてもよい。

また、上記各実施の形態では、ヒートシンク１１０に搭載された３対のパワーモジュール１６０が互いに離れて回転軸４と直交する平面上に配置されているが、ヒートシンク１１０に搭載された６つのパワーモジュール１６０を互いに離れて回転軸４と直交する平面上に配置してもよい。そして、６つのパワーモジュール１６０は、回転軸４を対称軸として回転対称に配置されてもよく、６つのパワーモジュール１６０を径方向位置および冷媒通路の流路方向を変えて配置されてもよい。

また、上記各実施の形態では、開口部１０５は、冷媒流路１１３の流路入口と径方向に相対するように周壁部１０１ａに形成されているが、冷媒流路１１３を流れる冷却風の流量を十分確保できれば、開口部１０５と冷媒流路１１３の流路入口とが周方向にずれていてもよい。

また、上記各実施の形態では、リヤブラケット用吸気口２１がパワーモジュール１６０の対数、すなわち３つ設けられているが、リヤブラケット用吸気口２１は、パワーモジュール１６０の対数より多く設けられてもよい。

また、上記各実施の形態において、リヤブラケット用吸気口２１は、冷却ファン８２の最外径位置よりも径方向内方に位置していることが望ましい。これにより、リヤブラケット２内で冷却ファン８２に遠心方向に曲げられた冷却風が、リヤブラケット用吸気口２１からカバー１０１内に流入することが防止される。そこで、リヤブラケット用吸気口２１からカバー１０１内への冷却風の流入による冷却効率の低下が抑制される。

２ リヤブラケット、４ 回転軸、２１ リヤブラケット用吸気口、１０１ カバー、１０１ａ 周壁部、１０１ｂ 底部、１０２ ケース、１０３ 制御基板、１０４ 制御部、１０５ 開口部、１１０ ヒートシンク、１１１ 基部、１１１ａ パワーモジュール搭載面、１１１ｂ パワーモジュール非搭載面、１１２ フィン、１１３ 冷媒流路、１６０ パワーモジュール、２００ 電動機、３００ 電力供給ユニット。

Claims (13)

1. 電動機と、
   前記電動機に電力を供給する電力供給ユニットと、を備え、
   前記電動機と前記電力供給ユニットとは、前記電動機を前記電動機の回転軸の軸方向の第１方向に位置させて前記軸方向に並んで配置されており、
   前記電力供給ユニットは、パワーモジュールと、前記パワーモジュールでの発熱を放熱するヒートシンクと、前記パワーモジュールの動作を制御する制御部と、を有し、
   前記ヒートシンクは、パワーモジュール搭載面および前記パワーモジュール搭載面と反対側のパワーモジュール非搭載面を有する基部と、前記パワーモジュール非搭載面に形成されたフィンと、を備え、前記フィンに沿って冷媒が流れる冷媒流路が形成されており、
   前記制御部は、前記電動機と相対するように前記電動機の前記軸方向の第２方向に配置され、
   前記パワーモジュールは、前記ヒートシンクの前記パワーモジュール搭載面に搭載されている状態で、前記制御部と前記電動機との間に配置され、
   前記ヒートシンクは、前記パワーモジュール搭載面が前記軸方向と平行となり、前記冷媒が流れる前記冷媒流路の流路方向が前記回転軸と直交する面と平行、かつ前記回転軸と交差しないように配置され、
   吸気口が、前記電動機の前記軸方向の第２方向に位置するブラケットの前記制御部と相対する領域に形成されている回転電機。
2. 前記冷媒流路の内径側端部は、前記軸方向から見た時に、前記吸気口内に位置している請求項１記載の回転電機。
3. 前記電力供給ユニットは、底部および周壁部を有する椀状のカバーをさらに備え、
   前記カバーが、前記底部が前記電動機と相対して、前記パワーモジュールおよび前記制御部を覆うように配置されている請求項１又は請求項２記載の回転電機。
4. 開口部が前記周壁部に形成されており、
   前記冷媒流路の外径側端部と前記開口部とは、径方向に相対して配置されている請求項３記載の回転電機。
5. 前記ヒートシンクに搭載された前記パワーモジュールが複数配置されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記ヒートシンクに搭載された前記パワーモジュールは、前記回転軸を対称軸として回転対称に配置されている請求項５記載の回転電機。
7. 前記ヒートシンクに搭載された前記パワーモジュールは、前記回転軸を中心として等角ピッチに配置されている請求項６記載の回転電機。
8. 前記ヒートシンクに搭載された前記パワーモジュールが前記パワーモジュール非搭載面を相対させて並んでいるパワーモジュールの対が、複数対配置されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記パワーモジュールの対は、前記回転軸を対称軸として回転対称に配置されている請求項８記載の回転電機。
10. 前記パワーモジュールの対は、前記回転軸を中心として等角ピッチに配置されている請求項９記載の回転電機。
11. 前記制御部は、制御回路が構成された制御基板と、前記制御基板が収納されるケースと、を備え、前記制御基板を前記軸方向と直交させ、前記ケースを前記電動機に向けて配置されている請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の回転電機。
12. 前記回転軸は、前記制御基板に実装されている部品より前記軸方向の第１方向に位置している請求項１１記載の回転電機。
13. 上記冷媒が流通する流路を構成する凹凸が前記ブラケットと相対する前記ケースの面に形成されている請求項１１又は請求項１２記載の回転電機。

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