JP2007189865A - 制御装置一体型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性、コスト、冷却性の向上を図る。
【解決手段】複数の半導体スイッチング要素により構成されたインバータブリッジ４０と、前記インバータブリッジの各アーム４６，４７毎に設けられ対応アームの前記半導体スイッチング要素４１a，４１bが装着され当該装着された前記半導体スイッチング要素を冷却する複数のヒートシンク５０，５１とが、回転電機１上に設けられた制御装置一体型回転電機であって、前記半導体スイッチング要素が並列をなす複数の半導体スイッチング素子４１a１〜ｎ，４１b１〜ｎで構成され、当該並列をなす複数の半導体スイッチング素子が共通の前記ヒートシンク上に装着されている。
【選択図】図４

Description

この発明は、自動車等に搭載されて使用される制御装置一体型回転電機、特に、複数の半導体スイッチング要素により構成されたインバータブリッジと、前記半導体スイッチング要素を冷却するヒートシンクとが回転電機上に設けられた制御装置一体型回転電機に関するものである。

地球環境温暖化問題、また、省資源化の観点から、近年ハイブリッド自動車が登場してきている。これは、エンジンと電動機を組み合わせたパワーユニットにて構成されるシステムであり、その機能としては、例えば、赤信号において車両停止時はエンジンを停止し、青信号に変わると運転者のブレーキ、アクセルの操作より判定し、自動的かつ迅速に電動機を用いてエンジンを再始動するというアイドリングストップ機能や、車両加速時にはその状況に応じモータで加速アシストを行い、内燃機関であるエンジンの負担を軽減するといったシステムである。しかし、このシステムは高電圧のバッテリや高出力のモータが必要であり、システムとして高コストとなっている。

これに対し、より一般に普及させることを目的とし、より低コスト化を実現するためアイドリングストップのみのシステムに限定したシステムも開発されてきている。

このシステムとして例えば特開２００４−２７４９９２（特許文献１）のようなインバータ一体型交流モータが提案されている。これは構造的には従来のオルタネータにインバータ機能を一体に構成したものであり、従来のオルタネータの発電機能にエンジンを始動するためのモータ機能を付加したものである。

図１０は、インバータを有するパワー素子ユニットを備えた制御装置、回転電機、バッテリ等の接続関係を示す従来の制御装置一体型回転電機における概略回路図である。

図１０において、回転電機１は、固定子に巻回された電機子巻線１６ａと、回転子に巻回された界磁巻線１４を備え、上記電機子巻線１６ａは、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルをＹ結線（スター結線）して構成されている。

パワー素子ユニット４は、複数のパワー素子であるスイッチング素子（パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）４１と各スイッチング素子４１に並列に接続されたダイオード４２からなるインバータモジュールと言われているインバータブリッジ４０と、このインバータブリッジ４０に並列に接続されたコンデンサ４３とを備えている。

インバータモブリッジ４０は、上アーム（高電位側アーム）４６を構成するスイッチング素子４１aおよびダイオード４２と、下アーム（低電位側アーム）４７を構成するスイッチング素子４１bおよびダイオード４２とを２組直列に接続したものを１セットとし、当該セットが３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）分、３個並列に配置して構成されている。

電機子巻線１６ａのＹ結線の各相の端部は、交流配線９を介して、ＵＶＷ各相における前記直列に配置した上アーム４６のスイッチング素子４１aと下アーム４７のスイッチング素子４１bの中間点にそれぞれ電気的に接続されている。

また、バッテリ５の正極側端子および負極側端子が、直流配線８を介してインバータブリッジ４０の正極側および負極側にそれぞれ電気的に接続されている。インバータブリッジ４０において、それぞれのスイッチング素子４１a、４１bのスイッチング動作は、制御回路４４の指令により制御される。また、制御回路４４は、界磁電流制御回路４５を制御して回転子の界磁巻線１４に流す界磁電流を調整する。

前記のようなパワー素子ユニット４を備えた回転電機１において、エンジンの始動時に、バッテリ５から直流配線８を介して直流電力がパワー素子ユニット４に給電される。そして、制御回路４４がインバータブリッジ４０の各スイッチング素子４１a、４１bをＯＮ／ＯＦＦ制御し、直流電力が三相交流電力に変換される。そして、この三相交流電力が交流配線９を介して回転電機１の電機子巻線１６ａに供給される。これにより、界磁電流制御回路４５により界磁電流が供給されている回転子の界磁巻線１４の周囲に回転磁界が与えられ、回転電機１の回転子が回転駆動され、回転電機用プーリ、ベルト、クランクプーリ、クラッチ(ON)を介してエンジンが始動される。

一方、エンジンが始動されると、エンジンの回転動力がクランクプーリ、ベルト、回転電機用プーリを介して回転電機１に伝達される。これにより、回転電機１の回転子が回転駆動されて電機子巻線１６ａに三相交流電圧が誘起される。そこで、制御回路４４が各スイッチング素子４１をＯＮ／ＯＦＦ制御し、電機子巻線１６ａに誘起された三相交流電力を直流電力に変換して、バッテリ５を充電する。

特開２００４−２７４９９２（図１、図３及びその説明）

従来の回転電機では制御回路のパワー部を構成する三相回路の各アームにおいて半導体スイッチング素子を１個で構成されている。また、自動車用の発電機として求められる連続使用の発電電流、さらに、エンジントルクの要求にもよるがエンジン始動時は、短時間で発電電流の１．５倍から２倍以上の電流を流す必要があった。従って、スイッチング素子が１個であることから、回転電機の発電や駆動時の電流や時間条件、また、回転電機の冷却性やヒートシンクや配線部材等の構成に応じた設計の自由度がなく、結果的に設計的に無駄な容量や大きさのスイッチング素子を使用せざるを得なかった。
また、設計的自由度がないために、発電や駆動時のどちらかを優先すると他方の稼動時に電流の抑制が必要なため高出力化への制約となっていた。
また、スイッチング素子が１個しかないために素子故障は回転電機の稼動不具合に直結するため、回転電機の信頼性にも課題があった。
更に、上述した自動車用の回転電機に求められる電流に１素子で対応出来る能力を持つディスクリートの汎用の素子は一般的に選択の余地は少ない。このため、スイッチング素子を新規に開発する必要があるが、新規に開発したのではスイッチング素子が高コストとなるという問題も有った。
また、自動車などの車両等に搭載する場合は、小型、軽量化の制約条件にも対応する必要がある。

この発明は、前述のような実情に鑑みてなされたもので、信頼性、コスト、冷却性の向上を図ることを目的とするものである。

この発明に係る制御装置一体型回転電機は、複数の半導体スイッチング要素により構成されたインバータブリッジと、前記インバータブリッジの各アーム毎に設けられ対応アームの前記半導体スイッチング要素が装着され当該装着された前記半導体スイッチング要素を冷却する複数のヒートシンクとが、回転電機上に設けられた制御装置一体型回転電機であって、前記半導体スイッチング要素が並列をなす複数の半導体スイッチング素子で構成され、当該並列をなす複数の半導体スイッチング素子が共通の前記ヒートシンク上に装着されているものである。

この発明は、複数の半導体スイッチング要素により構成されたインバータブリッジと、前記インバータブリッジの各アーム毎に設けられ対応アームの前記半導体スイッチング要素が装着され当該装着された前記半導体スイッチング要素を冷却する複数のヒートシンクとが、回転電機上に設けられた制御装置一体型回転電機であって、前記半導体スイッチング要素が並列をなす複数の半導体スイッチング素子で構成され、当該並列をなす複数の半導体スイッチング素子が共通の前記ヒートシンク上に装着されているので、信頼性、コスト、冷却性の向上を図ることができる効果がある。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を図１〜図４により説明する。図１はインバータを有するパワー素子ユニットを備えた制御装置、回転電機、バッテリ等の接続関係の事例を示す制御装置一体型回転電機における概略回路図、図２は制御装置一体型回転電機の事例の縦断側面図、図３は制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー素子ユニット部を示す正面図、図４は制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー部の組み立て分解斜視図である。なお、図１〜図４の各図中、同一符合は同一部分を示す。また、図１において、前述の従来の事例を示す図１０と同一の部分または相当する部分には図１０と同一符号を付してある。

先ず、制御装置一体型回転電機における概略回路図を示す図１により、その回路構成および動作を主体に説明する。

図１において、回転電機１は、固定子に巻回された電機子巻線１６ａと、回転子に巻回された界磁巻線１４を備え、上記電機子巻線１６ａは、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルをＹ結線（スター結線）して構成されている。

パワー素子ユニット４は、複数のパワー要素である半導体スイッチング要素で構成されインバータモジュールと言われているインバータブリッジ４０と、このインバータブリッジ４０に並列に接続されたコンデンサ４３とを備えている。このインバータブリッジ４０は、本実施の形態１では、図示のように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相毎に上下アームを有する３相のインバータブリッジを例示してある。

前記インバータブリッジ４０は、互に並列接続された複数の半導体スイッチング素子４１a１，４１ａｎからなる高電位側の半導体スイッチング要素４１aで構成された上アーム（高電位側アーム）４６と、互に並列接続された複数の半導体スイッチング素子４１ｂ１，４１ｂｎからなる低電位側の半導体スイッチング要素４１ｂで構成された上アーム（高電位側アーム）４７とを２組直列に接続したものを１セットとし、当該セットが３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）分、３個並列に接続されることにより構成されている。

なお、前記半導体スイッチング素子４１a１，４１ａｎ，４１ｂ１，４１ｂｎは、例えば、周知のパワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子であり、アーム単位でゲート制御信号が供給される。換言すれば、Ｕ相の前記上アーム（高電位側アーム）４６の前記並列接続された複数の半導体スイッチング素子４１a１，４１ａｎには共通の同じゲート制御信号ＵＨＧＳが、制御回路４４の３相ゲートドライバ４４ＧＤから供給され、Ｕ相の前記下アーム（低電位側アーム）４７の前記並列接続された複数の半導体スイッチング素子４１ｂ１，４１ｂｎには共通の同じゲート制御信号ＵＬＧＳが、前記３相ゲートドライバ４４ＧＤから供給される。

同様に、Ｖ相の前記上アーム（高電位側アーム）４６の前記並列接続された複数の半導体スイッチング素子４１a１，４１ａｎには共通の同じゲート制御信号ＶＨＧＳが、前記３相ゲートドライバ４４ＧＤから供給され、Ｖ相の前記下アーム（低電位側アーム）４７の前記並列接続された複数の半導体スイッチング素子４１ｂ１，４１ｂｎには共通の同じゲート制御信号ＶＬＧＳが、前記３相ゲートドライバ４４ＧＤから供給される。Ｗ相の前記上アーム（高電位側アーム）４６の前記並列接続された複数の半導体スイッチング素子４１a１，４１ａｎには共通の同じゲート制御信号ＷＨＧＳが、前記３相ゲートドライバ４４ＧＤから供給され、Ｗ相の前記下アーム（低電位側アーム）４７の前記並列接続された複数の半導体スイッチング素子４１ｂ１，４１ｂｎには共通の同じゲート制御信号ＵＬＧＳが、前記３相ゲートドライバ４４ＧＤから供給される。

また、前記半導体スイッチング素子に並列接続される周知のフライホイールダイオードは図１では図示してないが、前記各半導体スイッチング素子４１a１，４１ａｎ，４１ｂ１，４１ｂｎと一体化してモジュール化してもよいし、前記並列接続された複数の半導体スイッチング素子に個別に設けずに共通に設けてもよい。

電機子巻線１６ａのＹ結線の各相の端部は、交流配線９を介して、ＵＶＷ各相における前記直列に接続された上アーム（高電位側アーム）４６の半導体スイッチング素子４１a１，４１a２と下アーム（低電位側アーム）４７の半導体スイッチング素子４１b１，４１b２との中間点にそれぞれ電気的に接続されている。

また、バッテリ５の正極側端子および負極側端子が、直流配線８を介してインバータブリッジ４０の正極側および負極側にそれぞれ電気的に接続されている。インバータブリッジ４０において、それぞれの半導体スイッチング素子４１a１，４１ａ２，４１b１，４１ｂ２のスイッチング動作は、制御回路４４の指令により制御される。また、制御回路４４は、界磁電流制御回路４５を制御して回転子の界磁巻線１４に流す界磁電流を調整する。

前記のようなパワー素子ユニット４を備えた回転電機１において、エンジンの始動時に、バッテリ５から直流配線８を介して直流電力がパワー素子ユニット４に給電される。そして、制御回路４４がインバータブリッジ４０のＵＶＷ各相の各半導体スイッチング素子４１a１，４１ａ２，４１b１，４１ｂ２をＯＮ／ＯＦＦ制御し、直流電力が三相交流電力に変換される。そして、この三相交流電力が交流配線９を介して回転電機１の電機子巻線１６ａに供給される。これにより、界磁電流制御回路４５により界磁電流が供給されている回転子の界磁巻線１４の周囲に回転磁界が与えられ、回転電機１の回転子が回転駆動され、回転電機用プーリ、ベルト、クランクプーリ、クラッチ(ON)を介してエンジンが始動される。

一方、エンジンが始動されると、エンジンの回転動力がクランクプーリ、ベルト、回転電機用プーリを介して回転電機１に伝達される。これにより、回転電機１の回転子が回転駆動されて電機子巻線１６ａに三相交流電圧が誘起される。そこで、制御回路４４が各相の各半導体スイッチング素子４１a１，４１ａ２，４１b１，４１ｂ２をＯＮ／ＯＦＦ制御し、電機子巻線１６ａに誘起された三相交流電力を直流電力に変換して、当該直流電力によりバッテリ５を充電する。

次に、制御装置一体型回転電機の具体的構造の事例を示す図２〜図４により、その具体的構造を主体に説明する。

図２に示すように、回転電機１は、フロントブラケット１０及びリヤブラケット１１からなるケースと、当該ケースに支持用ベアリング１２を介して回転自在に配設されているシャフト１３と、このシャフト１３に固定されると共に界磁巻線１４を有する回転子１５と、前記ケースに固定されて回転子１５を囲むように配設されると共に電機子巻線１６ａを有する固定子１６と、回転子１５の軸方向の両端面に固定されたファン１７と、シャフト１３のフロント側の端部に固着されたプーリ１８と、シャフト１３のリヤ側外周に位置するようにリヤブラケット１１に取り付けられたブラシホルダ１９と、シャフト１３のリヤ側に装着された一対のスリップリング２１に摺接するようにブラシホルダ１９内に配設された一対のブラシ２０と、シャフト１３のリヤ側端部に配設された回転位置検出センサ（レゾルバ等）２２を備えている。

そして、この回転電機１はプーリ１８及びベルト（図示せず）を介してエンジンの回転軸（図示せず）に連結されている。

本実施の形態１では、回転電機１に一体的または近接してパワー素子ユニット４が設置されている。すなわち、リヤブラケット１１のリヤ側に配設したカバー３０とリヤブラケット１１との間の空間に、パワー素子ユニット４を構成する複数の半導体スイッチング要素４１a、４１bと、各半導体スイッチング要素４１に接続された内側ヒートシンク５０及び外側ヒートシンク５１が支持具（図示せず）を介してリヤブラケット１１の外側面に設置されている。また、カバー３０の外側には、前述した制御回路４４を搭載した制御回路基板４４ａが配設されている。また、前記制御回路４４を搭載した制御回路基板４４ａは前記カバー３０を介して前記回転電機１に一体的に取り付けられている。なお、前記制御回路４４を搭載した制御回路基板４４ａは前記カバー３０を介して前記回転電機１に直接一体に取り付けられる場合が多いが、自動車のボディの一部を介して間接的に一体に取り付けられる場合もある。

さらに、カバー３０およびリヤブラケット１１には通風孔３1ａ、３1bが設けられ、回転子１５のファン１７の回転により、図示矢印Ｆのような風路を形成して、カバー３０内部を通り抜け、半導体スイッチング要素４１a、４１b、内側ヒートシンク５０、外側ヒートシンク５１、制御回路基板４４ａ上の制御回路４４等を冷却する。

また、図３に示すように、パワーユニット部４は、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相の部位（Ｕ相部位６０、Ｖ相部位７０、Ｗ相部位８０）に分かれており、各部位にはそれぞれ一対のヒートシンクである内側ヒートシンク５０及び外側ヒートシンク５１が搭載され、内側ヒートシンク５０には上側アーム（高電位側アーム）の半導体スイッチング要素４１a（図示白抜き）が装着され当該半導体スイッチング要素４１aは図示のように回転電機１の周方向に並設され回路的に並列をなす４個（即ち複数個）の前記半導体スイッチング素子４１a１，・・４１ａｎで構成されており、同様に、外側ヒートシンク５１には下側アーム（低電位側アーム）の半導体スイッチング要素４１b（図示斜線）が装着され当該半導体スイッチング要素４１ｂは図示のように回転電機１の周方向に並設され回路的に並列をなす４個（即ち複数個）の前記半導体スイッチング素子４１ｂ１，・・４１ｂｎで構成されている。

また、前記Ｕ相部位６０、Ｖ相部位７０、Ｗ相部位８０は、図示のように、回転電機１の回転軸１３を取り巻くように該回転軸１３の周りに該回転軸１３から径方向にほぼ等距離に位置しており、各々、前記回転軸１３と直交する同一平面上に位置している。
換言すれば、前記Ｕ相部位６０の前記内側ヒートシンク５０、外側ヒートシンク５１、前記半導体スイッチング要素４１ａ，４１ｂと、前記Ｖ相部位７０の前記内側ヒートシンク５０、外側ヒートシンク５１、前記半導体スイッチング要素４１ａ，４１ｂと、前記Ｗ相部位８０の前記内側ヒートシンク５０、外側ヒートシンク５１、前記半導体スイッチング要素４１ａ，４１ｂとは、図示のように、回転電機１の回転軸１３を取り巻くように該回転軸１３の周りに該回転軸１３から径方向にほぼ等距離に位置しており、各々、前記回転軸１３と直交する同一平面上に位置している。

次に、パワー部の組立て分解図を示す図４により、前記半導体スイッチング要素４１a、４１b、内側ヒートシンク５０、外側ヒートシンク５１及びパワー部配線構造のレイアウトの詳細を、概略回路図を示す図１を参照しながら説明する。

先ず上部アーム（高電位側アーム）４６を構成する半導体スイッチング要素４１aは、４個のＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチング素子）４１ａ１〜ｎがそのドレイン端子Ｄ（図１も参照）となるベース板２５を内側ヒートシンク５０に半田などの電気良導体で且つ熱良導体により接合されている。

一方、下部アーム（低電位側アーム）４７を構成する半導体スイッチング要素４１bも、やはり４個のＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチング素子）４１ｂ１〜ｎがそのドレイン端子Ｄ（図１も参照）となるベース板２５を外側ヒートシンク５１に半田などの電気良導体で且つ熱良導体によりにより接合されている。

これにより各ヒートシンクはそれぞれが接合されるドレイン端子Ｄと同一電位を持つこととなる。

また、半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎ（半導体スイッチング要素４１a）のソース端子６５Ｓ（図１のＳも参照）は配線板６１により４個の半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎに共通に取り出し、その一端を渡り部配線層６１aを介して下部アーム（低電位側アーム）４６の外側ヒートシンク５１すなわち半導体スイッチング要素４１bのドレイン端子Ｄ（図１のＤも参照）と共通接続されると共に、固定子１６の電機子巻線１６ａのＵ相リード線と交流配線９を介して接続される。また、半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎ（半導体スイッチング要素４１a）のゲート端子６５Ｇも、前記ソース端子６５Ｓと同様に、４個の半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎに共通に取り出されている。更に、前記ソース端子６５Ｓと前記ゲート端子６５Ｇは、対応半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎを半導体スイッチングさせるのに好都合なように、ペアで取り出されている。

また、半導体スイッチング素子４１ｂ１〜ｎ（半導体スイッチング要素４１b）のソース端子６６Ｓ（図１のＳも参照）は配線板６２により４個の半導体スイッチング素子４１ｂ１〜ｎに共通に取り出し、その一端を延在部配線層６２aを介して外側ヒートシンク５１の共締め固定部５２まで延在して、Ｕ相配線板６１の渡り部配線層６１aと共にＵ相ヒートシンク５１に共締めされると共に、それ自体、アース部（ブラケット等）を通して接地Ｅされる。また、半導体スイッチング素子４１ｂ１〜ｎ（半導体スイッチング要素４１ｂ）のゲート端子６６Ｇも、前記ソース端子６６Ｓと同様に、４個の半導体スイッチング素子４１ｂ１〜ｎに共通に取り出されている。更に、前記ソース端子６６Ｓと前記ゲート端子６６Ｇは、対応半導体スイッチング素子４１ｂ１〜ｎを半導体スイッチングさせるのに好都合なように、ペアで取り出されている。

なお、図４において、半導体スイッチング要素４１ｂにおける前記半導体スイッチング素子４１ｂ１〜ｎの１個だけにソース端子Ｓおよびゲート端子Ｇを図示し、他の残りの要素は配線構造を明瞭に示すためにソース端子およびゲート端子は図示省略してある。同様に、後述の図５〜図７についても半導体スイッチング要素４１ｂにおける前記半導体スイッチング素子４１ｂ１〜ｎの１個だけにソース端子Ｓおよびゲート端子Ｇを図示し、他の残りの要素は配線構造を明瞭に示すためにソース端子およびゲート端子は図示省略してある。また、前記半導体スイッチング要素４１ａ即ち前記半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎ，前記半導体スイッチング要素４１ｂ即ち前記半導体スイッチング素子４１ｂ１〜ｎの各々における前記ソース端子Ｓおよびゲート端子Ｇは、図２に図示してあるように、樹脂絶縁等の絶縁５８が施されてる。この絶縁５８は、前記ソース端子Ｓおよびゲート端子Ｇ間の絶縁、これら端子と前記ドレイン端子Ｄや前記ヒートシンク５０，５１との絶縁を確保するために施されている。また、この絶縁５８は、図４〜図９においては、図示省略してある。

このように、この発明の実施の形態１は、低コストである電流容量の小さい半導体スイッチング素子を、複数個並列接続することにより、パワー部（インバータブリッジ部）を小型、低コスト化するものである。

さらには、半導体スイッチング素子を複数個並列接続の構成とすることにより、半導体スイッチング素子からの発熱を放熱するヒートシンク上に複数個の素子を分散配置することが出来、従来に比べ、放熱性能を向上できるものである。

さらには、半導体スイッチング素子を複数個並列接続する構成であるので、複数個の内、いくつかの半導体スイッチング素子が故障した場合でも、他の正常な半導体スイッチング素子により、性能は低下するものの、動作を継続することが出来るものである。

さらには半導体スイッチング素子のドレイン端子となるベース板をヒートシンクに直接接続するので、半導体スイッチング素子を例えば金属基板上に実装し更にそれをヒートシンクに取付け放熱するのに比べ、半導体スイッチング素子とヒートシンク間の熱抵抗を低減することが出来るので、効果的に半導体スイッチング素子を冷却することが出来るので、その分出力の向上やより環境温度が高い環境での使用が可能となる。

換言すれば、この発明の実施の形態１は、複数の半導体スイッチング要素により構成されたインバータブリッジと、前記インバータブリッジの各アーム毎に設けられ対応アームの前記半導体スイッチング要素が装着され当該装着された前記半導体スイッチング要素を冷却する複数のヒートシンクとが、回転電機上に設けられた制御装置一体型回転電機であって、前記半導体スイッチング要素が並列をなす複数の半導体スイッチング素子で構成され、当該並列をなす複数の半導体スイッチング素子が共通の前記ヒートシンク上に装着されている制御装置一体型回転電機であるので、このような構成により、流通量が多く安価な小電流容量のスイッチング素子を並列使用することで、大電流容量のスイッチング素子を１個使用する場合より低コストでパワー回路を構成することが出来る。また、複数個の半導体スイッチング素子を並列接続にて構成することにより、半導体スイッチング素子を搭載するヒートシンク上に分散配置することが出来るので、半導体スイッチング素子１個使いに比べヒートシンクの放熱効率を高めることが出来、半導体スイッチング素子の温度低減に有効である。さらに、複数個で構成するので、万一、一部の半導体スイッチング素子が故障し機能しなくなった場合でも、特性は制限されるものの残りの半導体スイッチング素子で機能を維持できるので、フェールセーフとして有効である。

さらに、図示のように、同一相の高電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と低電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とが前記回転電機の径方向に並設されているので、また、並設された前記高電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と前記低電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とが前記回転電機の径方向に対向し、各々の前記ヒートシンクは夫々対応半導体スイッチング素子の裏側に配設されているので、また、半導体スイッチング素子周りの冷却風により半導体スイッチング素子を効果的に直接冷却することが出来る。

また、前記各アームにおける前記複数の半導体スイッチング素子は互いに前記回転電機の周方向に離間していると共に、前記回転電機の回転によって生じる冷却風が前記半導体スイッチング素子および前記ヒートシンクの周りに前記回転電機の回転軸の延在方向に流れるように構成されており、この構成により、半導体スイッチング素子周りの冷却風の流れを整流でき効果的に半導体スイッチング素子を直接冷却することが出来る。

また、並設された前記高電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と前記低電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とが前記回転電機の周方向のほぼ同じ位置に配設されているので、この構成により、半導体スイッチング素子周りの冷却風の流れを整流でき効果的に半導体スイッチング素子を直接冷却することが出来る。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２について、図５により説明する。図５は制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー部（インバータ部）の片アーム（低電位側アーム）の事例を示す斜視図であり、前述の図１〜４と同一又は相当する部分には同一符号を付し、図１〜４と実質的に異なる部分を主に説明し、その他についての説明は割愛する。

本実施の形態２では、前述の実施の形態１（図１〜４）に比べ力行時の要求トルクが小さい車両に適用する場合の事例であり、前述の図４と比較すれば分かるように、図４に比べて半導体スイッチング要素４１ｂの半導体スイッチング素子を１個減らした構成としてある。

このように、インバータブリッジ４０の各相の上下アーム（高電位側アーム及び低電位側アーム）を構成する半導体スイッチング要素４１ａ，４１ｂをヒートシンク５０，５１を介して並列接続された複数個の半導体スイッチング素子で４１ａ１〜ｎで構成する構造とすることにより、ヒートシンク５０，５１及びその近傍の構造は変えることなく例えば要求トルクに応じるなど必要に応じて半導体スイッチング素子を減らすことにより、その分、簡単に低コストで、より信頼性の高い制御装置一体型回転電機を実現、提供できる。換言すれば、半導体スイッチング素子を１個減らすだけで、或は増やすだけで、他のヒートシンクや配線部材をそのまま使用ができるため新規部品も必要がなく標準化が可能で、低コストで、より信頼性の高い制御装置一体型回転電機を実現、提供できる。

さらに、半導体スイッチング素子を減らすにあたっては力行時に必要な電流容量によって判断している。力行時に最大電流が流れるのは短時間ではあるが、半導体スイッチング素子の信頼性を高めるためにも、力行時に流れる最大電流を対象にして並列接続の半導体スイッチング素子の数を決めるのが好ましい。なお、力行時に最大電流が短時間流れる場合は、短時間過渡状態であるが、この場合は、発熱あるいは放熱の観点では、殆ど無視できる程度であり半導体スイッチング素子が実装されるヒートシンクの冷却性に対し依存が小さいので、ヒートシンクの冷却性を考慮する必要は特段無い。

さらに、前記電流容量において力行温度上昇値（力行時の温度上昇値）と連続発電時（回転電機１の連続発電時）の飽和温度との合計が半導体スイッチング素子の許容温度を超えないように設定している。このように設定することで、連続発電飽和温度は並列数を減らすことで半導体スイッチング素子１個当たりの発熱量は増加するが、半導体スイッチング素子1個当たりのヒートシンクの面積（放熱面積）は増え冷却性は向上し、力行時を含め有効に半導体スイッチング素子の能力を活用できる。

また、回転電機の構造上、ヒートシンクのサイズを大きくできたり、ファンのサイズを大きくできる場合は、連続発電時の飽和温度上昇値を抑えることができるため、この温度上昇値と力行時の温度上昇値の総和が半導体スイッチング素子の許容温度を超えないように並列数を更に減らして設定することもできる。

このように、半導体スイッチング素子を並列設定して上記のように、発電と力行の温度上昇値を考慮しながら並列数を設定することで設計自由度が高い回転電機とすることができる。

なお、本願のように制御装置一体型回転電機の場合、発電後のアイドリングストップ等の停止時にファンによる冷却が止まるため、半導体スイッチング素子の温度が回転電機の固定子や回転子からの熱影響で上昇する場合がある。この場合は、発電と力行の温度上昇値に加えて停止後の半導体スイッチング素子の温度上昇も加味して、半導体スイッチング素子許容温度以下になるように並列数や冷却設計を施すと、より半導体スイッチング素子に対して熱的に安全なものとすることができる。

実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３について、図６により説明する。図６は制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー部（インバータ部）の片アーム（低電位側アーム）の事例を示す斜視図であり、前述の図１〜５と同一又は相当する部分には同一符号を付し、図１〜５と実質的に異なる部分を主に説明し、その他についての説明は割愛する。

本実施の形態３では、図６に示されている構造から分かるように、制御装置一体型回転電機に必要とされる電流容量に応じ、例えば、前述のこの発明の実施の形態２と同様に半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎ，４１ｂ１〜ｎ（４１ａ１〜ｎは図示省略）を１個減らしてあるが、当該半導体スイッチング素子の前記ヒートシンク５０，５１（５０は図示省略）上の配置位置を出力線導出側（交流配線９に隣接している共締め固定部５２に近い側）に集中配置したものである。

このような配置にすることにより配線抵抗を低減でき、配線抵抗による発熱を低減することができ、その分、ヒートシンクから放熱する熱量が低減するので、その分出力の向上やより環境温度が高い環境での使用が可能となる。

このように、半導体スイッチング素子を並列設定し、半導体スイッチング素子の配置位置を考慮しながら、並列数や冷却設計を施すと、より設計自由度が高く熱的に安全な回転電機とすることができる。

実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態４について、図７により説明する。図７は制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー部（インバータ部）の片アーム（低電位側アーム）の事例を示す斜視図であり、前述の図１〜６と同一又は相当する部分には同一符号を付し、図１〜６と実質的に異なる部分を主に説明し、その他についての説明は割愛する。

本実施の形態４では、図７に示されている構造から分かるように、制御装置一体型回転電機に必要とされる電流容量に応じ、例えば、前述のこの発明の実施の形態２，３と同様に半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎ，４１ｂ１〜ｎ（４１ａ１〜ｎは図示省略）を１個減らしてあるが、当該半導体スイッチング素子の前記ヒートシンク５０，５１（５０は図示省略）上の配置位置を当該ヒートシンクの当該半導体スイッチング素子取り付け側の面の全面に亘って分散配置したものである。

このような配置にすることにより半導体スイッチング素子からの熱をヒートシンクに分散させ放熱することが出来、ヒートシンク上の温度分布が小さくなるので、ヒートシンクの放熱能力を十分に発揮できる。さらには、並列接続された半導体スイッチング素子の温度差も小さくなり、温度偏差分が小さいので半導体スイッチング素子の使用上限温度に対する余裕が大きくなるので、その分出力の向上やより環境温度が高い環境での使用が可能となる。

このように、半導体スイッチング素子を並列設定し、実施例３同様に、半導体スイッチング素子の配置位置を考慮しながら、並列数や冷却設計を施すと、より設計自由度が高く熱的に安全な回転電機とすることができる。

実施の形態５．
以下、この発明の実施の形態５について、図８により説明する。図８は制御装置一体型回転電機の事例における１相分のパワー部（インバータ部）の他の事例を示す正面図であり、前述の図１〜７と同一又は相当する部分には同一符号を付し、図１〜７と実質的に異なる部分を主に説明し、その他についての説明は割愛する。

本実施の形態５では、図８に示されている構造から分かるように、制御装置一体型回転電機に必要とされる電流容量に応じ、例えば、前述のこの発明の実施の形態１に比べて半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎ，４１ｂ１〜ｎ（４１ａ１〜ｎは図示省略）を２個減らし、当該半導体スイッチング素子を、上下アーム（高電位側アーム及び低電位側アーム）のヒートシンク５０，５１上に、互いに回転電機１の周方向にずれることなく、回転電機１の径方向に、真っ向から相対向する位置に配設してある。

このような配置にすることにより、両ヒートシンク間を流れる冷却風は半導体スイッチング素子間の空間Ｐｓｇを通風するので、半導体スイッチング素子周りの冷却風の流れを整流でき、効果的に半導体スイッチング素子とヒートシンンク内面を直接冷却することが出来る。このように、効果的に半導体スイッチング素子の温度を低減することが出来るので、その分出力の向上やより環境温度が高い環境での使用が可能となる。

このように、半導体スイッチング素子を並列設定し、半導体スイッチング素子の配置位置を、ヒートシンクを含むパワー部全体の冷却性を考慮しながら設定することで、より設計自由度が高く熱的に安全な回転電機とすることができる。

実施の形態６．
以下、この発明の実施の形態６について、図９により説明する。図９は制御装置一体型回転電機の事例における１相分のパワー部（インバータ部）の他の事例を示す正面図であり、前述の図１〜８と同一又は相当する部分には同一符号を付し、図１〜８と実質的に異なる部分を主に説明し、その他についての説明は割愛する。

本実施の形態６では、図９に示されている構造から分かるように、制御装置一体型回転電機に必要とされる電流容量に応じ、例えば、前述の図２に比べて半導体スイッチング素子４１ａ１〜ｎ，４１ｂ１〜ｎ（４１ａ１〜ｎは図示省略）を２個減らし、当該半導体スイッチング素子を、上下アーム（高電位側アーム及び低電位側アーム）のヒートシンク５０，５１上に、回転電機１の径方向に、真っ向から相対向する配置とせずに、互いに回転電機１の周方向にずれた位置に配置したものである。

このような配置にすることにより、両ヒートシンク間を流れる冷却風は半導体スイッチング素子とヒートシンク間の空間を分散して通風するので、半導体スイッチング素子周りの冷却風の通風抵抗を減ずることができ、結果的に風量が増加する。従って、効果的に各々の半導体スイッチング素子とヒートシンンク内面を直接冷却することが出来る。このように、効果的に半導体スイッチング素子の温度を低減することが出来るので、その分出力の向上やより環境温度が高い環境での使用が可能となる。

このように、半導体スイッチング素子を並列設定し、半導体スイッチング素子の配置位置を、実施例５同様に、ヒートシンクを含むパワー部全体の冷却性を考慮しながら設定することで、より設計自由度が高く熱的に安全な回転電機とすることができる。

前述のように、この発明の実施の形態１〜６に共通して言えることは、信頼性、コスト、冷却性の向上を図ることができる利点があり、また、サイズ、冷却性、コストを最適化し易い利点がある。また、一般的に大量に流通しており低コストである電流容量の小さい半導体スイッチング素子を、複数個並列接続することにより、パワー部を低コスト化することが出来る。さらには、半導体スイッチング素子を複数個並列接続の構成とすることにより、半導体スイッチング素子からの発熱を放熱するヒートシンク上に複数個の素子を分散配置することが出来、従来に比べ、放熱性能を向上できるものである。さらには、半導体スイッチング素子を複数個並列接続する構成であるので、複数個の内、いくつかの半導体スイッチング素子が故障した場合でも、他の正常な半導体スイッチング素子により、性能は低下するものの、動作を継続することが出来る。

この発明の実施の形態１を示す図で、インバータを有するパワー素子ユニットを備えた制御装置、回転電機、バッテリ等の接続関係の事例を示す制御装置一体型回転電機における概略回路図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、制御装置一体型回転電機の事例の縦断側面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー素子ユニット部を示す正面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー部の組み立て分解斜視図である。 この発明の実施の形態２を示す図で、制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー部（インバータ部）の片アーム（低電位側アーム）の事例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３を示す図で、制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー部（インバータ部）の片アーム（低電位側アーム）の他の事例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４を示す図で、制御装置一体型回転電機の事例におけるパワー部（インバータ部）の片アーム（低電位側アーム）の更に他の事例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態５を示す図で、制御装置一体型回転電機の事例における１相分のパワー部（インバータ部）の他の事例を示す正面図である。 この発明の実施の形態６を示す図で、制御装置一体型回転電機の事例における１相分のパワー部（インバータ部）の更に他の事例を示す正面図である。 インバータを有するパワー素子ユニットを備えた制御装置、回転電機、バッテリ等の接続関係を示す従来の制御装置一体型回転電機における概略回路図である。

符号の説明

１ 回転電機、
４ パワー回路ユニット、
５ バッテリ、
１３ 回転軸、
１４ 界磁巻線、
１５ 回転子、
１６ 固定子、
１６ａ 電機子巻線、
１７ ファン、
３０ 外部カバー、
３１，３１a，３１b 通風孔、
４０ インバータブリッジ、
４１，４１a，４１b 半導体スイッチング要素、
４１a１〜ｎ，４１b１〜ｎ 半導体スイッチング素子、
４３ 平滑用コンデンサ、
４４ 制御回路、
４６ 上アーム（高電位側アーム）、
４７ 下アーム（低電位側アーム）、
５０ 内側ヒートシンク、
５１ 外側ヒートシンク、
５２，５３，５４，５５，５６，５７ 共締め固定部、
５８ 絶縁、
５９ 絶縁板、
６０ Ｕ相部位、
７０ Ｖ相部位、
８０ Ｗ相部位。

Claims (14)

1. 複数の半導体スイッチング要素により構成されたインバータブリッジと、前記インバータブリッジの各アーム毎に設けられ対応アームの前記半導体スイッチング要素が装着され当該装着された前記半導体スイッチング要素を冷却する複数のヒートシンクとが、回転電機上に設けられた制御装置一体型回転電機であって、前記半導体スイッチング要素が並列をなす複数の半導体スイッチング素子で構成され、当該並列をなす複数の半導体スイッチング素子が共通の前記ヒートシンク上に装着されている制御装置一体型回転電機。
2. 請求項１に記載の制御装置一体型回転電機において、同一相の高電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と低電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とが前記回転電機の径方向に並設されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
3. 請求項２に記載の制御装置一体型回転電機において、並設された前記高電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と前記低電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とが前記回転電機の径方向に対向し、各々の前記ヒートシンクは夫々対応半導体スイッチング素子の裏側に配設されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
4. 請求項３に記載の制御装置一体型回転電機において、前記各アームにおける前記複数の半導体スイッチング素子は互いに前記回転電機の周方向に離間していると共に、前記回転電機の回転によって生じる冷却風が前記半導体スイッチング素子および前記ヒートシンクの周りに前記回転電機の回転軸の延在方向に流れることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
5. 請求項２に記載の制御装置一体型回転電機において、並設された前記高電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と前記低電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とが前記回転電機の周方向のほぼ同じ位置に配設されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
6. 請求項２に記載の制御装置一体型回転電機において、並設された前記高電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と前記低電位側アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とが前記回転電機の周方向にずれた位置に配設されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一に記載の制御装置一体型回転電機において、前記並列の数は、前記インバータブリッジに必要な電流容量に応じて決められていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
8. 請求項７に記載の制御装置一体型回転電機において、前記電流容量は力行時に必要な電流容量であることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
9. 請求項１〜請求項６の何れか一に記載の制御装置一体型回転電機において、前記並列の数は、前記共通の前記ヒートシンク上に装着された並列をなす複数の半導体スイッチング素子の各々の力行時の温度上昇値と連続発電飽和温度との合計の温度が当該スイッチング素子の許容温度を超えないような数であることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
10. 請求項１〜請求項６の何れか一に記載の制御装置一体型回転電機において、前記共通の前記ヒートシンク上に装着された並列をなす複数の半導体スイッチング素子の各々が、当該ヒートシンク上の出力線導出側寄りに位置していることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
11. 請求項１〜請求項６の何れか一に記載の制御装置一体型回転電機において、前記共通の前記ヒートシンク上に装着された並列をなす複数の半導体スイッチング素子の各々が、当該ヒートシンク上に分散して位置していることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
12. 請求項１〜請求項６の何れか一に記載の制御装置一体型回転電機において、前記共通の前記ヒートシンク上に装着された並列をなす複数の半導体スイッチング素子の各々が、当該ヒートシンクに熱良導体により一体に接続されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
13. 請求項１〜請求項６の何れか一に記載の制御装置一体型回転電機において、前記共通の前記ヒートシンク上に装着された並列をなす複数の半導体スイッチング素子の各々が、当該ヒートシンクに電気良導体により一体に接続されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
14. 請求項１〜請求項６の何れか一に記載の制御装置一体型回転電機において、前記半導体スイッチング素子の各々における各端子は端子間を絶縁する絶縁が施されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。

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