WO2013157066A1

WO2013157066A1 - 回転電機

Info

Publication number: WO2013157066A1
Application number: PCT/JP2012/060220
Authority: WO
Inventors: 政紀加藤; 藤田　暢彦
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2013-10-24
Also published as: JPWO2013157066A1; US20140354087A1; EP2840686B1; EP2840686A1; EP2840686A4; CN104137396B; CN104137396A; US9935526B2; JP5774208B2

Abstract

　電力変換回路を構成するスイッチング素子３２がモールド成形されたパワーモジュール３４と、スイッチング素子３２を制御する制御回路３５からなるモールド成形されたドライバモジュール３７と、パワーモジュール３４とドライバモジュール３７とが内部に収納されるハウジング３９と、ハウジング３９に固定されてスイッチング素子３２の冷却を行うヒートシンク３８と、によりパワーモジュール構成体を構成し、パワーモジュール３４とドライバモジュール３７とを、下から順に重なるようにヒートシンク３８上に搭載した。

Description

回転電機

　この発明は、回転電機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。

　従来から、回転電機の制御装置が回転電機本体に搭載された回転電機は知られており、この回転電機本体に搭載された制御装置は、直流電力を交流電力、又は交流電力を直流電力に変換する電力変換回路を備えたパワーモジュール構成体と、回転電機の界磁巻線に界磁電流を供給する界磁回路部と、パワーモジュール構成体および界磁回路部を制御する制御回路部とから構成されており、回転電機のリヤブラケットの後方に配置されている。

　前述の制御装置に於けるパワーモジュール構成体の構成としては、頂面、底面、側面によって構成された箱型のハウジング内に配置されているＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチング素子等の電子電力部品と、このスイッチング素子にワイヤーボンディングにより配線接続されるとともにハウジングに一体成形された電力接続部とにより電力変換回路が形成され、又、スイッチング素子を制御するＡＳＩＣ（集積回路）からなる制御要素もハウジング内に配置されている。前述のハウジング内は、絶縁と機械的保護を兼ねたシリコーン樹脂タイプ又はエポキシ樹脂タイプのゲル状の保護ゲルによって封止されている（例えば、特許文献１）。

特表２００８―５４３２６６号公報

　特許文献１に記載された従来の回転電機に於いては、パワーモジュール構成体のスイッチング素子やＡＳＩＣ等の電子部品、さらにはスイッチング素子に配線接続されているワイヤーボンディングは、前述したように保護ゲルにより封止されているが、回転電機の稼働時の振動によりワイヤーボンディングが断線する恐れがあり、さらに、スイッチング素子やＡＳＩＣ等の電子部品は耐振性が低いため、パワーモジュール構成体の信頼性が低いといった課題があった。

　又、前述の電子部品は、略同一平面上に配置されているため、これ等の電子部品の実装面積が大きくなり、パワーモジュール構成体が大型化してしまうという課題があった。

　この発明は、従来の回転電機に於ける前述の課題を解決するためになされたものであり、耐振動性を向上させることで信頼性を向上させ、さらに小型化させることができるパワーモジュール構成体を備えた制御装置を搭載した回転電機を得ることを目的とする。

　この発明による回転電機は、
　回転子軸に固定された回転子と、
　前記回転子と対向して配置され、固定子巻線を備えた固定子と、
　前記回転子軸を回動自在に支持するとともに、前記固定子を保持するケースと、
　前記ケースに固定され、前記固定子巻線と外部の直流電源との間の電力変換を行う電力変換回路を設けたパワーモジュール構成体及び前記電力変換回路を制御する制御回路部を有する制御装置と、
を備えた回転電機であって、
　前記パワーモジュール構成体に設けられた前記電力変換回路は、
　外部の直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記固定子巻線に供給し、又は、前記固定子巻線に発生した交流電力を直流電力に変換して前記直流電源に供給するように、前記制御回路部により制御され、
　前記パワーモジュール構成体は、
　前記電力変換回路を構成するスイッチング素子が絶縁樹脂によりモールド成形されたパワーモジュールと、絶縁樹脂によりモールド成型され前記スイッチング素子を制御する制御回路からなるドライバモジュールと、
　前記パワーモジュール及び前記ドライバモジュールが内部に収納されたハウジングと、
　前記ハウジングに搭載され、前記スイッチング素子の冷却を行うヒートシンクと、
を備え、
　前記パワーモジュールとドライバモジュールは、ヒートシンク側が前記パワーモジュールとなるように重ねられて、前記ヒートシンクに搭載されている、
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、前記パワーモジュール構成体は、前記電力変換回路を構成するスイッチング素子が絶縁樹脂によりモールド成形されたパワーモジュールと、絶縁樹脂によりモールド成型され前記スイッチング素子を制御する制御回路からなるドライバモジュールと、前記パワーモジュール及び前記ドライバモジュールが内部に収納されたハウジングと、前記ハウジングに搭載され、前記スイッチング素子の冷却を行うヒートシンクとを備え、前記パワーモジュールとドライバモジュールは、ヒートシンク側が前記パワーモジュールとなるように重ねられて、前記ヒートシンクに搭載されているので、回転電機の稼働時にワイヤーボンディング部が断線することなく、パワーモジュール構成体の耐振性が向上することで信頼性を向上させることができ、更に、パワーモジュール構成体を小型化した回転電機を得ることができる。

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による回転電機のカバーおよび信号中継装置の取付前の状態をリヤブラケット側から見た正面図である。この発明の実施の形態１による回転電機に於けるパワーモジュール構成体の断面図である。この発明の実施の形態１による回転電機に於けるパワーモジュールの平面図である。この発明の実施の形態１による回転電機に於けるパワーモジュールの内部構造を示す構成図である。この発明の実施の形態１による回転電機に於けるドライバモジュールの平面図である。この発明の実施の形態１による回転電機に於けるドライバモジュールの内部構造を示す構成図である。この発明の実施の形態１による回転電機於けるパワーモジュール構成体のハウジングの内部構造を示す構成図である。この発明の実施の形態２による回転電機に於けるパワーモジュール構成体の断面図である。この発明の実施の形態３による回転電機に於けるパワーモジュール構成体の断面図である。

実施の形態１．
　以下、図を参照してこの発明の実施の形態１による回転電機について説明する。なお、各図に於いては便宜上後述する絶縁樹脂を簡略化している。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による回転電機のカバーおよび信号中継装置の取付前の状態をリヤブラケット側から見た正面図である。尚、以下の説明では、各図に於いて、同一又は相当部分には同一符号を付して説明する。

　図１及び図２に於いて、この実施の形態１に於ける回転電機１は、回転電機本体２と、この回転電機本体２に搭載された制御装置３とからなる制御装置一体型回転電機であり、車両用の交流発電電動機の例を示している。回転電機本体２は、複数のボルト４を用いて一体化されたフロントブラケット５およびリヤブラケット６からなるケース７と、ケース７に支持された軸受８、９に回転自在に支持され、両端をケース７から延出した回転子軸１０と、ケース７内で回転子軸１０に同軸に固定されて回転子軸１０とともに回転する回転子１１と、回転子１１の外周側を覆うようにケース７の内周面に保持された固定子１２と、回転子軸１０の一端に取り付けられ、回転子１２の回転角度を検出する回転位置検出センサ１３と、回転子軸１０の他端に固定されたプーリ１４とを備える。

　又、回転電機本体２は、回転子１１の軸方向の両端部に取り付けられる遠心ファン１５、１６と、回転子軸１０の軸方向の一側に固定され、後述する回転子巻線２０に電流を供給する一対のスリップリング１７と、スリップリング１７に摺接するようにケース７に支持されるブラシホルダ１８に収納された一対のブラシ１９と、を備えている。

　ケース７を構成する前述のフロントブラケット５およびリヤブラケット６は、金属製であり、略椀形状をなしている。フロントブラケット５およびリヤブラケット６は、各々回転子軸１０の軸方向の両端の中央部に回転電機本体２の内部と外部とを連通する貫通穴が形成され、回転子軸１０がこの連通穴を貫通している。この回転子軸１０は、前述の軸受８、９により回転可能に支持されている。

　又、略椀形状のフロントブラケット５およびリヤブラケット６の底部には、吸気孔５ａ、６ａがそれぞれ複数形成され、同様にフロントブラケット５およびリヤブラケット６の外周両肩部には排気孔５ｂ、６ｂが複数形成されている。

　回転子１１は、電流が流されて磁束を発生する回転子巻線２０と、回転子軸１０に固定されるとともに、回転子巻線２０が巻装され、回転子巻線２０に発生した磁束によって磁極が形成される一対の回転子鉄心２１とから構成される。一対の回転子鉄心２１は、鉄製で、それぞれ、例えば８つの爪状磁極が外周縁に周方向に等角ピッチで回転子軸１０の軸方向に突設され、爪状磁極をかみ合わせるように対向して回転子軸１０に固定されている。

　回転子１１を取り囲むように配設された固定子１２は、フロントブラケット５およびリヤブラケット６のそれぞれに固定された固定子鉄心２２と、固定子鉄心２２に巻装された固定子巻線２３と、を備えている。固定子巻線２３は、それぞれスター結線からなる２つの３相交流巻線により構成されている。回転子軸１０のフロントブラケット５側の端部に固定されたプーリ１４は、エンジン（図示せず）の回転軸と連動する伝達ベルト（図示せず）が巻き掛けられ、この伝達ベルトを介してエンジンの回転軸に連結される。

　制御装置３は、固定子巻線２３に電気的に接続されたパワーモジュール構成体２４と、図示していない直流電源としてのバッテリからの直流電力を調整して界磁電流を回転子巻線２０に供給する界磁回路部２５と、パワーモジュール構成体２４及び界磁回路部２５のそれぞれを制御する制御回路部２６と、パワーモジュール構成体２４及び界磁回路部２５のそれぞれと制御回路部２６との間で制御信号の送受信を行うための信号中継装置２７とを有している。制御装置３は、リヤブラケット６に支持されるとともに、絶縁樹脂で成形されたカバー２８で覆われている。

　制御回路部２６には、信号中継装置２７を通じて、回転位置検出センサ１３からの信号が送られる。又、制御回路部２６には、外部機器（例えばエンジン制御ユニット等）との間で信号の送受信を行うための外部接続用のコネクタ２９が設けられている。制御回路部２６は、外部機器及び回転位置検出センサ１３のそれぞれからの情報に基づいて、界磁回路部２５及びパワーモジュール構成体２４を制御する。

　界磁回路部２５は、制御回路部２６により制御されて回転子巻線２０への界磁電流を調整する。界磁回路部２５により調整された界磁電流は、回転子１１の回転子巻線２０に供給され、これにより回転子１１に磁界が発生する。

　パワーモジュール構成体２４は、制御回路部２６により制御され、固定子巻線２３から受けた交流電力を直流電力に変換してバッテリ若しくは車載電子機器へ供給するコンバータとして動作し、又はバッテリからの直流電力を交流電力に変換して固定子巻線２３へ供給するインバータとして動作する。

　信号中継装置２７は、パワーモジュール構成体２４及び界磁回路部２５のそれぞれに電気的に接続された信号中継用部材３０と、この信号中継用部材３０に設けられ制御回路部２６に接続された信号中継用接続部３１とを有している。パワーモジュール構成体２４及び界磁回路部２５のそれぞれと制御回路部２６との間の信号の送受信は、この信号中継装置２７を介して行われる。

　前述のパワーモジュール構成体２４と界磁回路部２５と制御回路部２６は、図１および図２に示すように、回転子軸１０の周囲にあって、リヤブラケット６の外部表面に固定されている。制御回路部２６は図示されていないが、パワーモジュール構成体２４と界磁回路部２５にそれぞれコネクタにより電気的に接続されている。

　次に、パワーモジュール構成体２４の構造について説明する。図３は、この発明の実施の形態１による回転電機に於けるパワーモジュール構成体の断面図である。図３に於いて、パワーモジュール構成体２４は、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子３２が絶縁樹脂３３でモールド成形されたパワーモジュール３４と、スイッチング素子３２を制御する制御回路であるＡＳＩＣである集積回路３５が絶縁樹脂３６でモールド成形されたドライバモジュール３７と、スイッチング素子３２を冷却するためのヒートシンク３８と、パワーモジュール３４とドライバモジュール３７とヒートシンク３８とを固定するハウジング３９と、から構成されている。

　ヒートシンク３８は、ハウジング３９の一端側開口部を閉塞し、その周側部が一端側開口部の内壁に接着されて固定されている。ヒートシンク３８の反ハウジング側の表面には、その表面から垂直にハウジング３９の外側に延びる複数個のフィン５６が設けられている。

　図４は、この発明の実施の形態１による回転電機に於けるパワーモジュールの平面図である。図５は、この発明の実施の形態１による回転電機に於けるパワーモジュールの内部構造を示す構成図である。図４及び図５に示す１個のパワーモジュール３６は、３相の電力変換回路としての３相ブリッジ回路を構成している。図４及び図５に於いて、パワーモジュール３４は、電力変換回路の各相の上アーム及び下アームをそれぞれ構成する６個のスイッチング素子３２と、バッテリと電気的に接続される端子である正端子４０と、アース（接地）と電気的に接続される端子である負端子４１と、固定子巻線２３と電気的に接続される端子である電源端子としてのＡＣ端子４２と、スイッチング素子３２へ制御信号を入力するための端子である複数の信号端子４３ａ、４３ｂと、を備えている。尚、スイッチング素子３２の温度センサ（図示せず）も信号端子４３ａ、４３ｂに含まれ、正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２が電源端子を構成している。

　各端子４１、４２、４３、４４は図３、図４、図６によく示されているように、同一平面上に間隔を介して並置されている。

　図５に示すように、２個の正端子４０と、２個の負端子４１と、３個のＡＣ端子４２と、複数個の信号端子４３ａ、４３ｂは、相互に間隔を介して配置されている。これ等の端子間の間隔内には、絶縁樹脂３３が充填されて各端子間を絶縁している。６個のスイッチング素子３６の各電極は、前述のように、対応する各端子４０、４１、４２、４３ａ、４３ｂに半田等により電気的に接続され、絶縁樹脂３３により一体にモールドされて一体に固定されている。

　正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２は、略四角形をなす絶縁樹脂３３の一方の側面から導出されて略Ｌ字状に屈曲しており、信号端子４３ａ、４３ｂは、正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２が導出されている側面と対向する他方の側面から導出されて略Ｌ字状に屈曲している。

　図６は、この発明の実施の形態１による回転電機に於けるドライバモジュールの平面図である。図７は、この発明の実施の形態１による回転電機に於けるドライバモジュールの内部構造を示す構成図である。図６及び図７に於いて、ドライバモジュール３７は、パワーモジュール３４のスイッチング素子３２を制御する要素であり、モールド成形によってパッケージ化された集積回路３５をガラスエポキシ基板等の多層基板４４上に搭載し、これらを略四角形の絶縁樹脂３６でモールド成形したものである。

　又、ドライバモジュール３７は、パワーモジュール３４の信号端子４３ａ、４３ｂと電気的に接続される信号端子４５ａ、４５ｂを備えている。ドライバモジュール３７の信号端子４５ａ、４５ｂは、絶縁樹脂３６の一方の側面から導出され、この側面は、パワーモジュール３４の信号端子４３ａ、４３ｂが絶縁樹脂３３から導出している側面と同じ側であり、更に、絶縁樹脂３６から導出したドライバモジュール３７の信号端子４５ａ、４５ｂの端子配列と、絶縁樹脂３３から導出したパワーモジュール３４の信号端子４３ａ、４３ｂの端子配列とが同じになるように構成されている。

　又、ドライバモジュール３７は、ハウジング３９と電気的に接続される信号端子４６を備え、この実施の形態１に於いては、信号端子４６も信号端子４５a、４５ｂが絶縁樹脂３６から導出している一方の側面から導出するように構成している。

　図８は、この発明の実施の形態１による回転電機於けるパワーモジュール構成体のハウジングの内部構造を示す構成図である。ハウジング３９は、両端に開口部を有し、パワーモジュール３４の正端子４０、負端子４１及びＡＣ端子４２と電気的に接続される電力接続部材４７と、ドライバモジュール３７の信号端子４６と電気的に接続される信号接続部材４８とが、絶縁樹脂４９により一体的にインサート成形されて構成されており、各端子の入出力又は信号がハウジング３９の外部へ導出され得るように構成されている。

　これらの電力接続部材４７、信号接続部材４８は、ハウジング３９の他端側開口部（反ヒートシンク３８搭載面側）に沿って配置されている。更に、パワーモジュール３４にドライバモジュール３７を重ねる方向から見たときに、電力接続部材４７は、パワーモジュール３４の正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２と重なる位置に配設されるとともに、信号接続部材４８も、信号端子４３ａ、４３ｂ、４５ａ、４５ｂ、及び４８と重なる位置に配設されている。

　又、ＡＣ端子４２と電気的に接続される電力接続部材４７のＡＣ接続部５０は、ハウジング３９の他端側から、ハウジング３９の外部へ導出されている。

　さらに、図１および図３に示すように、信号接続部材４８に於ける信号中継用部材３０と電気的に接続される接続部５１が絶縁樹脂４９から外部に導出されており、加えて、図２に示すように、絶縁樹脂４９から導出された接続部５１（この実施の形態１では２ヶ所）は、回転子軸１０に沿って直線上に整列して配設されている。

　又、ハウジング３９の一端側（ヒートシンク３８搭載面側）と、他端側（反ヒートシンク３８搭載面側）を除く他の外形部には、パワーモジュール構成体２４をリヤブラケット６に取り付けるための一対のフランジ部５２が形成されている。このフランジ部５２には、回転子軸１０に対して垂直な取付面５２ａが構成されている。更に、一対のフランジ部５２には、ハウジング３９から外部に導出された電力接続部材４７のそれぞれの端部であってバッテリと同電位の接続部５３と、アース（接地）と同電位の接続部５４とが露出して形成されている。

　このように、ハウジング３９に、ドライバモジュール３７とパワーモジュール３４とが、この順序でハウジング３９の一端側（ヒートシンク３８搭載面側）開口部から組み付けられ、ヒートシンク３８をハウジング３９の一端側開口部を覆うように取り付け、パワーモジュール３４をヒートシンク３８上に搭載することにより、ドライバモジュール３７及びパワーモジュール３４はハウジング３９内に収納される。

　そして、パワーモジュール３４の正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２と電力接続部材４７との電気的接続、ドライバモジュール３７の信号端子４６と信号接続部材４８との電気的接続、パワーモジュール３４の信号端子４３ａ、４３ｂとドライバモジュール３７の信号端子４５ａ、４５ｂとの電気的接続とがなされた後に、ハウジング３９内には、シリコーン又はエポキシ樹脂等からなるゲル状の保護ゲル５５が充填される。

　ヒートシンク３８に於けるパワーモジュール３４の反搭載面側には、回転子軸１０に対して平行な複数の冷却フィン５６が設けられている。この冷却フィン５６は、図１および図２に示すように、パワーモジュール構成体２４がリヤブラケット６に組み付けられた際には、回転子軸１０の中心に対して内向きとなるように配設される。なお、この実施の形態１に於けるヒートシンク３８は、アルミ製の引き抜き材から製作されている。

　以上のように構成されたこの発明の実施の形態１による回転電機１は、電動機と発電機の両方の機能を併せ持つが、先ず、電動機としての動作を説明する。エンジンの始動時には、直流電力がバッテリからパワーモジュール構成体２４に供給される。制御回路部２６が、パワーモジュール構成体２４のスイッチング素子３２をＯＮ／ＯＦＦ制御し、パワーモジュール構成体２４にバッテリから入力された直流電流が３相交流電流に変換されて固定子巻線２３に供給される。

　又、制御回路部２６から入力される制御信号に応じた電流が供給されている回転子巻線２０の周囲に回転磁界が発生し、回転子１１が回転される。回転子１１の回転力が、プーリ１４から伝達ベルトを介してエンジンに伝達されてエンジンが始動される。

　次いで、発電機としての動作を説明する。エンジンが始動されると、エンジンの回転力がエンジンの回転子軸、伝達ベルト及びプーリ１４を介して回転子軸１０に伝達される。これにより、回転子１１が回転され、固定子巻線２３に３相交流電圧が誘起される。そこで、制御回路部２６がパワーモジュール構成体２４のスイッチング素子３２をＯＮ／ＯＦＦ制御し、固定子巻線２３に誘起された３相交流電力を直流電力に変換し、この直流電力によりバッテリが充電される。

　回転子１１が回転している時には、遠心ファン１５、１６が回転子１１の回転に連動して回転する。フロントブラケット５側では、空気が吸気孔５ａからフロントブラケット５内に吸入され、回転子軸１０の軸方向に流れて回転子１１に到達し、遠心ファン１５により遠心方向に曲げられる。遠心方向に曲げられた空気は、固定子巻線２３のコイルエンドを冷却して、排気孔５ｂからフロントブラケット５の外部に排出される。

　一方リヤブラケット６側では、空気が吸気孔６ａからリヤブラケット６内に吸入され、回転子軸１０の軸方向に流れて回転子１１に到達し、遠心ファン１６により遠心方向に曲げられる。遠心方向に曲げられた空気は、固定子巻線２３のコイルエンドを冷却して、排気孔５ｂからリヤブラケット６の外部に排出される。

　尚、リヤブラケット６側から吸入される空気は、吸気孔６ａに吸入される前に、パワーモジュール構成体２４のヒートシンク３８に形成された冷却フィン５６を通過するため、スイッチング素子３２等も同様に冷却される。

　このように構成された回転電機１に於いて、パワーモジュール３４のインバータ回路を構成するスイッチング素子３２は絶縁樹脂３３でモールド成形されており、ドライバモジュール３７の集積回路３５はモールド成形されているので、回転電機１の稼働時にワイヤーボンディング部が断線することなく、パワーモジュール構成体２４の耐振性が向上する。更に、この実施の形態１では、モールド成形によりスイッチング素子３２や集積回路３５の半田接続部も保護されているので、さらに耐振性が向上しパワーモジュール構成体２４の信頼性が向上する。

　又、パワーモジュール３４と、ドライバモジュール３７とが、下から順に重なるようにヒートシンク３８上に搭載されて、ハウジング３９内に収納されているので、インバータ回路等の電力変換回路を構成するパワーモジュール３４と、集積回路３５を備えたドライバモジュール３７とを平面配置する場合と比較して実装面積を小さくできるので、パワーモジュール構成体２４を小型化することができる。

　更に、スイッチング素子３２と集積回路３５は、それぞれ絶縁樹脂３３、３６によりモールド成形されているので、モールド成形後の動作チェックにより、各々の電気的接続部、例えば、ワイヤーボンディング部や、あるいは半田接続部の不良を検出できる。そのため、スイッチング素子３２と集積回路３５をハウジング３９に搭載して電気的接続を行い、パワーモジュール構成体２４全体として動作チェックを行う場合と比較して、部品の廃棄を最小限に留めることができ、パワーモジュール構成体２４の生産性が向上する。

　又、パワーモジュール３４とドライバモジュール３７とが重なるように配置されているので、パワーモジュール３４のインバータ回路とドライバモジュール３７の集積回路３５との距離を縮めることができ、これらの電気的接続に必要な配線の長さを短くすることができるので、電磁ノイズによる誤動作を防止することができる。

　尚、この実施の形態１では、２個のパワーモジュール３４にそれぞれ設けられた２つのインバータ回路を１つの集積回路３５で制御しているため、複数の集積回路で複数のインバータ回路を制御する場合と比較し、集積回路３５を備えたドライバモジュール３７から導出される外部配線を大幅に減らすことができるので、制御装置３および回転電機１の生産性が向上する。

　又、この施の形態１では、パワーモジュール３４の信号端子４３ａ、４３ｂとドライバモジュール３７の信号端子４５ａ、４５ｂとを、各々の略四角形の絶縁樹脂３３、３６の同じ側の一側面から導出させるとともに、パワーモジュール３４の正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２で構成される電源端子は、信号端子４３が絶縁樹脂３３から導出している側面と対向する側面から導出されている。これにより、信号端子４３ａ、４３ｂと信号端子４５ａ、４５ｂとの電気的接続を容易に行うことができ、更に、正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２とハウジング３９の電力接続部材４７との電気的接続に際して、信号端子４３ａ、４３ｂ及び信号端子４５ａ、４５ｂが干渉することがないので、電気的接続を容易に行うことができる。

　又、正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２と、信号端子４３ａ、４３ｂとが、それぞれ絶縁樹脂３３の対向する側面から導出されているので、電流容量の小さい信号端子４３ａ、４３ｂの電気的接続と、電流容量の大きい正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２の電気的接続の方法を変えることができる。例えば、信号端子４３ａ、４３ｂには容易に行うことができる半田接続を行い、正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２には、レーザー溶接等で強固に接続することが可能となる。

　なお、この実施の形態では、正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２と、信号端子４３ａ、４３ｂとは、絶縁樹脂３３の対向する側面から導出するものとしたが、これに限られず、絶縁樹脂３３の別々の側面から導出すればよい。

　更に、ハウジング３９内には、シリコーン又はエポキシ樹脂等からなるゲル状の保護ゲル５５が充填されているので、パワーモジュール３４の正端子４０、負端子４１、ＡＣ端子４２及び信号端子４３ａ、４３ｂや、ドライバモジュール３７の信号端子４５ａ、４５ｂ、４６は、この保護ゲル５５によって保護されており、このため何も充填しない場合と比較し、各端子間の絶縁性が向上する。これにより、容易に各端子のファインピッチ配列を行うことができ、パワーモジュール３４およびドライバモジュール３７の小型化、すなわちパワーモジュール構成体２４を小型化することができる。尚、保護ゲル５５はゲル状であればよく、シリコーン又はエポキシ樹脂に限定されるものではない。

　これに加えて、パワーモジュール３４にドライバモジュール３７を重ねる方向から見たときに、電力接続部材４７は、パワーモジュール３４の正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２と重なる位置に配設されるとともに、信号接続部材４８も、信号端子４３ａ、４３ｂ、及び信号端子４５ａ、４５ｂ、４６と重なる位置に配設されている。これにより、正端子４０、負端子４１およびＡＣ端子４２と電力接続部材４７との電気的接続に要する距離を短くすることができ、信号端子４３ａ、４３ｂ、信号端子４５ａ、４５ｂおよび信号端子４６と信号接続部材４８との電気的接続に要する距離も短くすることができるので、パワーモジュール構成体２４を小型化することができる。

　又、ドライバモジュール３７の信号端子４５と電気的に接続されている信号接続部材４８の先端に設けられた接続部５１は、ハウジング３９を構成している絶縁樹脂４９から直線上に整列して導出されており、さらに回転子軸１０に沿った方向に設けられているため、信号中継装置２７の信号中継用部材３０との電気的接続が容易となり、又信号中継用部材３０の形状および構造も簡素化することができる。

　更に、ハウジング３９には、パワーモジュール構成体２４をリヤブラケット６に取り付けるためのフランジ部５２が形成されているので、パワーモジュール構成体２４の固定を容易に行うことができる。

　又、この一対のフランジ部５２には、ハウジング３９から外部に導出された電力接続部材４７のそれぞれの端部であってバッテリと同電位の接続部５３と、アース（接地）と同電位の接続部５４とが露出して形成されているため、パワーモジュール構成体２４をリヤブラケット６および外部機器に固定する際に、同時に電気的接続を行うことができ、回転電機１の生産性が向上するとともに、フランジ部５２とは別の箇所で電気的接続を行う場合と比較して、回転電機１を小型化することができる。加えて、フランジ部５２には、回転子軸１０と直交する取付面５２ａを有しているので、ハウジング３９とリヤブラケット６とが、回転子軸１０の軸方向からねじ等を用いて締結することができるため、回転電機１の生産性が向上する。

　更に、ヒートシンク３８には回転子軸１０に平行な冷却フィン５６が設けられ、この冷却フィン５６は、パワーモジュール構成体２４がリヤブラケット６に組み付けられた際に回転子軸１０の中心に対して内向きとなるように配設されているので、遠心ファン１６により軸方向から吸気された冷却風が、ヒートシンク３８の冷却フィン５６の間を通る風路が形成され、冷却効率が向上するので、パワーモジュール構成体２４の信頼性がさらに向上する。加えて、冷却フィン５６は、ヒートシンク３８に於けるパワーモジュール３４の反搭載面側に設けられているので、パワーモジュール３４とドライバモジュール３７は、回転子軸１０の径方向外側に向かって積み重ねられることになり、パワーモジュール３４とドライバモジュール３７とを平面配置する場合と比較し、回転電機１の全長を短くすることができるので、エンジンルーム内での回転電機１の車両搭載性が向上する。

　更には、パワーモジュール３４のＡＣ端子４２と電気的に接続されるハウジング３９の電力接続部材４７は、ハウジング３９に於けるヒートシンク３８の反搭載面側に配設されているため、パワーモジュール構成体２４がリヤブラケット６に取り付けられると、この電力接続部材４７は回転子軸１０の径方向外側に向かって配設されることになるので、回転子巻線２０との距離を短くすることができ、電力接続部材４７と回転子巻線２０との電気的接続が容易となり、回転電機１の生産性が向上する。

　又、この実施の形態１に於けるドライバモジュール３７は、集積回路３５が多層基板であるガラスエポキシ基板４４に搭載されているので、端子配列を自由に設定することが可能となり、設計の自由度が向上する。なお、基板４４はガラスエポキシ基板に限られず、その他の多層基板であってもよいが、ガラスエポキシ基板の場合はセラミック基板に比べて一般的に安価であるため、コストを低減させることができる。さらに、絶縁樹脂３６によるパッケージ化により、基板４４の面外方向への熱膨張を抑制できるので、ガラスエポキシ基板４４のスルーホールと集積回路３５の端子との半田接合部にかかる応力を低減することができる。

　加えて、複数のパワーモジュール３４は、それぞれインバータ回路等の電力変換回路（この実施例では３相）を絶縁樹脂３３内に備えているので、個別の部品により電力変換回路を構成する場合に比べて、電力変換回路の正端子４０、負端子４１を共用でき、パワーモジュール構成体２４を小型化することができる。又、正端子４０、負端子４１を共用しているため、絶縁樹脂３３から導出する端子数も削減できるため、ハウジング３９の電力接続部材４７との電気的接続が容易になり、パワーモジュール構成体２４の生産性が向上する。

　加えて、ヒートシンク３８をアルミ製の引き抜き材から製作しているため、鋳造によって製作した場合よりも安価であり、コストを低減させることができる。更に、ヒートシンク３８が冷却フィン５６を備えている場合は、冷却フィン５６の間隔を小さくすることが可能になるので、設計自由度が増すとともに、パワーモジュール構成体２４の冷却性を向上させることができる。

実施の形態２．
　次に、この発明の実施の形態２による回転電機について説明する。図９は、この発明の実施の形態２による回転電機に於けるパワーモジュール構成体の断面図である。前述の実施の形態１では、スイッチング素子３２で構成された電力変換回路と、これを制御する集積回路３５とを別々にモールド成形して、パワーモジュール３４及びドライバモジュール３７を構成し、それぞれハウジング３９内に収納していたが、この実施の形態２では、図９に示すように、スイッチング素子３２で構成されたインバータ回路と、これを制御する集積回路３５とを重ねて配置したものを、絶縁樹脂３３により一体的にモールド成形してハウジング３９内に収納している。尚、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　このように構成された実施の形態２による回転電機１に於いて、パワーモジュール３４の電力変換回路を構成するスイッチング素子３２は絶縁樹脂３３でモールド成形されており、ドライバモジュール３７の集積回路３５も絶縁樹脂３３でモールド成形されているので、回転電機１の稼働時にワイヤーボンディング部が断線することなく、パワーモジュール構成体２４の耐振性が向上し、信頼性が向上する。加えて、この実施の形態２では、モールド成形によりスイッチング素子３２や集積回路３５の半田接続部も保護されているので、さらに耐振性が向上しパワーモジュール構成体２４の信頼性が向上する。

　又、パワーモジュール３４及びドライバモジュール３７のモールド成形時に、信号端子４３ａ、４３ｂ及び４５ａ、４５ｂの電気的接続を行うことができるので、これらパワーモジュール３４およびドライバモジュール３７をハウジング３９に収納してから行う電気的接続の箇所を減らすことができ、パワーモジュール構成体２４全体としての製造工数を削減することができる。又、絶縁樹脂３６を用いたモールド成形を行うための製造金型等が不要になるためコストを低減することができる。更に、パワーモジュール３４及びドライバモジュール３７を積み重ねるよりも、厚み方向の大きさを小さくできるため、部品レイアウトの自由度が増すとともに、パワーモジュール構成体２４を小型化することができる。

実施の形態３．
　次に、この発明の実施の形態３による回転電機について説明する。図１０は、この発明の実施の形態３による回転電機に於けるパワーモジュール構成体の断面図である。前述の実施の形態１では、絶縁樹脂によりモールド成形された集積回路３５を、絶縁樹脂３６によって、さらにモールド成形した場合であり、前述の実施の形態２では、絶縁樹脂によりモールド成形された集積回路３５を、絶縁樹脂３３によって、さらにモールド成形した場合であるが、この実施の形態３では、図１０に示すように、絶縁樹脂によりモールド成形された集積回路３５を基板４４に搭載し、これをパワーモジュール３４の絶縁樹脂３３の上に載置している。尚、他の構成は上記実施の形態１及び２と同様に構成されている。

　この実施の形態３のように構成することにより、パワーモジュール３４のインバータ回路を構成するスイッチング素子３２は絶縁樹脂３３でモールド成形されており、集積回路３５もモールド成形されているので、回転電機１の稼働時にワイヤーボンディング部が断線することなく、パワーモジュール構成体２４の耐振性が向上する。

　更に、スイッチング素子３２と集積回路３５は、それぞれモールド成形されているので、モールド成形後の動作チェックにより、各々の電気的接続部（例えば、ワイヤーボンディング部や、あるいは半田接続部）の不良を検出できるので、部品の廃棄を最小限に留めることができ、パワーモジュール構成体２４の生産性が向上する。加えて、前述の実施の形態２に於けるパワーモジュール構成体２４の構造よりも、厚み方向の大きさをさらに小さくできるため、部品レイアウトの自由度がさらに増すとともに、パワーモジュール構成体２４をさらに小型化することができる。

　尚、各実施の形態１乃至３では、スイッチング素子３２をＭＯＳＦＥＴとして説明したが、これに限られず、例えばパワートランジスタやＩＧＢＴ等であってもよい。

　又、各実施の形態１乃至３では、車両用の交流発電電動機について説明したが、これに限られず、車両用交流発電機などの車両用回転電機は一般に、使用環境が厳しいため耐振性の要求が厳しく、又エンジンルーム内のレイアウトの問題から車両用回転電機の小型化の要求も強いことから、いずれの車両用回転電機に於いても本発明を適用することができる。なお、他の用途に用いられる交流発電電動機、交流発電機等の回転電機に適用しても同様の効果を奏する。

　尚、この発明は、その発明の範囲内に於いて、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

　この発明は、回転電機の分野、とりわけ自動車等の車両に搭載して内燃機関を始動し、若しくは内燃機関により駆動されて発電する、発電電動機等の回転電機の分野に利用可能である。

１　回転電機、３　制御装置、６ａ　吸気孔、７　ケース、１０　回転子軸、１１　回転子、１２　固定子、１６　遠心ファン、２３　固定子巻線、２４　パワーモジュール構成体、３２　スイッチング素子、３３、３６　絶縁樹脂、３４　パワーモジュール、３５　集積回路、３７　ドライバモジュール、３８　ヒートシンク、３９　ハウジング、４０　正端子、４１　負端子、４２　ＡＣ端子、４３　信号端子、４４　基板、４５　信号端子、４６　信号端子、４７　電力接続部材、４８　信号接続部材、５２　フランジ部、５２ａ　取付面、５３、５４　接続部、５５　保護ゲル、５６　冷却フィン

Claims

　回転子軸に固定された回転子と、
　前記回転子と対向して配置され、固定子巻線を備えた固定子と、
　前記回転子軸を回動自在に支持するとともに、前記固定子を保持するケースと、
　前記ケースに固定され、前記固定子巻線と外部の直流電源との間の電力変換を行う電力変換回路を設けたパワーモジュール構成体及び前記電力変換回路を制御する制御回路部を有する制御装置と、
を備えた回転電機であって、
　前記パワーモジュール構成体に設けられた前記電力変換回路は、
　外部の直流電源からの直流電力を交流電力に変換して前記固定子巻線に供給し、又は、前記固定子巻線に発生した交流電力を直流電力に変換して前記直流電源に供給するように、前記制御回路部により制御され、
　前記パワーモジュール構成体は、
　前記電力変換回路を構成するスイッチング素子が絶縁樹脂によりモールド成形されたパワーモジュールと、絶縁樹脂によりモールド成型され前記スイッチング素子を制御する制御回路からなるドライバモジュールと、
　前記パワーモジュール及び前記ドライバモジュールが内部に収納されたハウジングと、
　前記ハウジングに搭載され、前記スイッチング素子の冷却を行うヒートシンクと、
を備え、
　前記パワーモジュールとドライバモジュールは、ヒートシンク側が前記パワーモジュールとなるように重ねられて、前記ヒートシンクに搭載されている、
ことを特徴とする回転電機。
　前記パワーモジュ－ルは、負端子と、正端子と、電源端子と、パワーモジュール側の信号端子とが、矩形に形成された前記絶縁樹脂から導出され、
　前記ドライバモジュールは、ドライバモジュール側の信号端子が前記絶縁樹脂から導出され、
　前記ハウジングは、前記電源端子を前記パワーモジュール構成体から外部へ導出する電力接続部材と、前記ドライバモジュール側の信号端子を前記パワーモジュール構成体から外部へ導出する信号接続部材とを有しており、
　前記パワーモジュ－ル側の信号端子及び前記ドライバモジュール側の信号端子は、各々の前記絶縁樹脂の同一の側面から導出するとともに同一の端子配列をなし、
　前記パワーモジュールの前記負端子と正端子と電源端子は、前記絶縁樹脂の前記側面とは異なる側面から導出されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
　前記ハウジングは、内部に保護ゲルが充填されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
　前記パワーモジュールと前記ドライバモジュールは、前記ヒートシンクに重ねて搭載されたとき、前記電力接続部材は、前記電源端子と重なる位置に配設され、前記信号接続部材は、前記パワーモジュ－ル側の信号端子及び前記ドライバモジュール側の信号端子と重なる位置に配設されている、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の回転電機。
　前記パワーモジュール構成体から外部に導出された前記信号接続部材は、前記回転子軸に沿って直線状に整列して前記ハウジングに配設されている、
ことを特徴とする請求項２乃至４のうちの何れか一項に記載の回転電機。
　前記ハウジングは、前記パワーモジュール構成体を前記ケースに取り付けるフランジ部を備えている、
ことを特徴とする請求項２乃至５のうちの何れか一項に記載の回転電機。
　前記フランジ部は、前記電力接続部材と電気的に接続され、それぞれバッテリ電位およびアース電位と同電位である接続部を有する、
ことを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
　前記フランジ部は、前記回転子軸に対して垂直な取付面を有している、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の回転電機。
　前記回転子の軸方向端部に設けられた遠心ファンと、
　前記ケースの一端に設けられ、前記遠心ファンにより冷却風が吸気される吸気孔と、
　前記回転子軸に対して内向きかつ平行に、前記ヒートシンクに設けられた冷却フィンと、を備えた、
ことを特徴とする請求項２乃至８のうちの何れか一項に記載の回転電機。
　前記冷却フィンは、前記ヒートシンクに於ける前記パワーモジュールの反搭載面側に設けられている、
ことを特徴とする請求項９に記載の回転電機。
　前記固定子巻線接続端子と接続されている前記電力接続部材は、前記ケースに於ける前記ヒートシンクの反搭載面側に設けられている、
ことを特徴とする請求項１０に記載の回転電機。
　前記パワーモジュールは、前記電力変換回路を構成する全てのスイッチング素子を備えている、
ことを特徴とする請求項２乃至１１のうちの何れか一項に記載の回転電機。
　前記パワーモジュールと、前記ドライバモジュールとが、一体にモールド成形されて構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
　前記制御回路が基板に搭載され、この基板が前記パワーモジュール上に載置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
　前記制御回路は、多層基板に搭載され、これらが一体にモールド成形されている、
ことを特徴とする請求項１又は１４に記載の回転電機。
　前記多層基板は、ガラスエポキシ基板である、
ことを特徴とする請求項１５に記載の回転電機。
　前記ヒートシンクは、アルミ製の引き抜き材からなる、
ことを特徴とする請求項１乃至１６のうちの何れか一項に記載の回転電機。
　前記回転電機は、車両用回転電機である、
ことを特徴とする請求項１乃至１７のうちの何れか一項に記載の回転電機。