JP5774207B2

JP5774207B2 - 回転電機

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Publication number: JP5774207B2
Application number: JP2014510979A
Authority: JP
Inventors: 雄二白形; 中島　泰; 泰中島; 藤田　暢彦; 暢彦藤田; 政紀加藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: US20140361648A1; EP2840687A4; JPWO2013157065A1; EP2840687A1; EP2840687B1; CN104137397B; CN104137397A; US9812929B2; WO2013157065A1

Description

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、回転電機を制御する制御装置を回転電機本体に搭載した回転電機は周知である。この従来の回転電機に於ける制御装置は、回転電機本体のリヤブラケットに配置されており、直流電力と交流電力との間の電力変換を行なう電力変換回路部と、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、電力変換回路部と界磁回路部を制御する制御回路部とを備えている。

例えば、特許文献１に記載された回転電機は、リヤブラケットの軸方向の端面に配置された制御装置を備えている。この制御装置は、電力変換回路の上アームを構成する複数のスイッチング素子をモジュール化した第１のパワーモジュールと、この第１のパワーモジュールを搭載し、バッテリの正極側端子に接続された第１のヒートシンクと、電力変換回路の下アームを構成する複数のスイッチング素子をモジュール化した第２のパワーモジュールと、この第２のパワーモジュールを搭載した第２のヒートシンクと、前述の上アームを構成する複数のスイッチング素子の負極側電極に接続された配線板と、この配線板と回転電機の電機子巻線の端末部である固定子リードとの間に接続された中継部材とを備えている。

又、特許文献２に示された従来の回転電機は、リヤブラケットの軸方向の端面に配置された制御装置を備えている。この制御装置は、固定子の各相毎に、上アームと下アームを構成する一対のスイッチング素子を樹脂により封止した各相対応のモジュールを備えている。これらのモジュールは、ヒートシンクとの対向面にリードフレームが露出するように構成され、リヤブラケットに固定されたヒートシンクの表面に形成された凸状部に、絶縁部材を介して固定されている。

特表２００８−１３６２７３号公報特表２０１１−１４７３１９号公報

周知のように、自動車の内燃機関が配置されたルームに搭載される回転電機は、限られたスペースに設置されるため小型化されることが構成上の必須要件となっている。そのため、前述の従来の回転電機のようにインバータの各相の上下アームを別々のモジュールにより構成した場合、各モジュールを回転電機のケースを構成するブラケットに搭載するために必要な投影面積が増えるだけでなく、ブラケットに搭載するモジュールの数も増えることから、各モジュールを実装するときの組み立て工数が多くなるという課題があった。

又、前述の従来の回転電機のように、ヒートシンクにバッテリの正極側に接続されてバッテリの正極側の電位を持たせる構成とした場合、そのヒートシンクは、回転電機のハウジングを構成するブラケットや他の部品との間に沿面距離を確保する必要があるため、ヒートシンクの形状やサイズに制限が加えられ、更に、ヒートシンクに前述の電位を持たせているため、ヒートシンクの電食対策が必要となる課題があった。

又、前述のモジュールを搭載したヒートシンクをブラケットに接触させて固定した場合、ブラケットを介して固定子からの熱がヒートシンクに容易に伝達され、ヒートシンクの温度が上昇し、その結果、モジュールに設けられているスイッチング素子の温度が上昇し、スイッチング素子に悪影響を与える等の課題があった。

この発明は、従来の回転電機に於ける前述のような課題を解決するためになされたもので、組み立てが容易で、且つ信頼性の高い制御装置を備えた回転電機を得ることを目的としたものである。

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を備えたパワーモジュールと、
前記パワーモジュールを内部に収納したハウジングと、
前記ハウジングに固定され、前記パワーモジュールを冷却するヒートシンクと、
を備え、
前記パワーモジュールは、
前記スイッチング素子の第１の電極に接続された第１のリードフレームと、
前記スイッチング素子の第２の電極に接続された第２のリードフレームと、
前記スイッチング素子の第３の電極に接続された第３のリードフレームと、
前記スイッチング素子と、前記第１のリードフレームと、前記第２のリードフレームと、前記第３のリードフレームとを一体にモールドすると共に、前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームと前記第３のリードフレームとを相互に絶縁するモールド樹脂と、
を備え、
前記パワーモジュール構成体のハウジングは、開口部を備えた内部空間を備え、
前記ヒートシンクは、絶縁部材を介して前記パワーモジュールを固着しており、前記ハウジングの前記開口部を閉塞して前記ハウジングに固着され、
前記ヒートシンクに固着された前記パワーモジュールは、前記ハウジングの前記内部空間に挿入され、
前記パワーモジュールが挿入された前記ハウジングの内部空間には、樹脂が充填されている、
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を備えたパワーモジュールと、前記パワーモジュールを内部に収納したハウジングと、前記ハウジングに固定され、前記パワーモジュールを冷却するヒートシンクとを備え、前記パワーモジュールは、前記スイッチング素子の第１の電極に接続された第１のリードフレームと、前記スイッチング素子の第２の電極に接続された第２のリードフレームと、前記スイッチング素子の第３の電極に接続された第３のリードフレームと、前記スイッチング素子と、前記第１のリードフレームと、前記第２のリードフレームと、前記第３のリードフレームとを一体にモールドすると共に、前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームと前記第３のリードフレームとを相互に絶縁するモールド樹脂とを備え、前記ヒートシンクは、絶縁部材を介して前記パワーモジュールを固着しており、前記ハウジングの前記開口部を閉塞して前記ハウジングに固着され、前記パワーモジュール構成体のハウジングは、開口部を備えた内部空間を備え、前記ヒートシンクに固着された前記パワーモジュールは、前記ハウジングの前記内部空間に挿入され、前記パワーモジュールが挿入された前記ハウジングの内部空間には、樹脂が充填されているので、組み立てが容易で、且つ従来のようなヒートシンクの電触対策等を必要としない信頼性の高い制御装置を備え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り、図２のＡ−Ａ線に沿って矢印の方向から視た断面を示している。この発明の実施の形態１による回転電機の正面図であり、制御装置のカバーを取り外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、パワーモジュール構成体の分解断面図である。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、パワーモジュールの内部構成図である。

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、図の基づいて詳細に説明する。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であり、図２のＡ−Ａ線に沿って矢印の方向から視た断面を示している。図２は、この発明の実施の形態１による回転電機の正面図であり、制御装置のカバーを取り外した状態で示している。図１及び図２に於いて、回転電機１は、回転電機本体２と、回転電機本体２に搭載された制御装置３とを有する制御装置一体型回転電機であり、例えば、内燃機関により駆動される車両に搭載される。この実施の形態１では、回転電機１は、ブラシ付の交流発電電動機（ＡＣモータジェネレータ）として構成されている。尚、以下の説明では、各図において、同一または相当部分には同一符号を付して説明する。

回転電機本体２は、筒状の固定子４と、固定子４の内側空間部に配置され固定子４に対して回転可能な回転子５と、固定子４及び回転子５を支持するケース６とを有している。ケース６は、固定子４をその軸方向両端部で挟持するフロントブラケット７及びリヤブラケット８と、このフロントブラケット７とリヤブラケット８との間に装架され、フロントブラケット７とリヤブラケット８とを互いに接近する方向に締め付ける複数の締結ボルト９とを有している。フロントブラケット７とリヤブラケット８は金属製である。略椀形状のフロントブラケット７及びリヤブラケット８の底部には、吸気孔がそれぞれ複数形成され、同様にフロントブラケット７およびリヤブラケット８の外周両肩部には排気孔が複数形成されている。

固定子４は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８との間に挟持されて前述の締結ボルト９により締め付けられた筒状の固定子鉄心１０と、この固定子鉄心１０に設けられた電機子巻線としての固定子巻線１１とを有している。この実施の形態１に於いては、固定子巻線１１は、回転電機１の電機子巻線を構成している。固定子巻線１１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５は、回転子５の軸線上に配置された回転子軸１２と、この回転子軸１２の軸方向の中間部に固定された一対の回転子鉄心１３と、これ等の回転子鉄心１３により包囲された界磁巻線としての回転子巻線１４とを有している。一対の回転子鉄心１３は、所謂、クローポール形磁極を構成している。この一対の回転子鉄心１３は鉄製であり、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。回転子巻線１４は、一対の磁極鉄心により包囲されている。

回転子軸１２は、フロントブラケット７及びリヤブラケット８を貫通し、フロントブラケット７及びリヤブラケット８のそれぞれに設けられた一対の軸受１５を介して回転自在に支持されている。回転子鉄心１３の外周部は、固定子４の内周部に所定の間隙を介して対向している。又、回転子鉄心１３の軸方向両端部には、回転子５と一体に回転される送風用の一対の冷却ファン１６が設けられている。

回転子軸１２のフロントブラケット７側の軸方向端部には、プーリ１７が固定されている。プーリ１７は、車両に搭載された内燃機関（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回転電機１と内燃機関との間で動力の授受を行なう。又、回転子軸１２のリヤブラケット８側の軸方向端部近傍には、回転子軸１２の回転に応じた信号を発生する回転位置検出センサ１８と、回転子巻線１４に電気的に接続された一対のスリップリング１９が設けられている。これ等のスリップリング１９は、回転子軸１２の外周部を囲む環状の導電性部材により構成されている。

導電性材料により構成された一対のブラシ２０は、リヤブラケット８に固定されたブラシホルダ２１に保持され、各スリップリング１９に接触する方向に一対の押圧バネ２２によりそれぞれ付勢されている。ブラシ２０とスリップリング１９は、回転子５の回転にともなって摺動接触し、界磁電流をブラシ１９とスリップリング１９を介して固定子巻線１４に供給する。

制御装置３は、固定子巻線１１に電気的に接続された２個のパワーモジュール構成体２３と、直流電源としての車載バッテリ（図示せず）からの直流電力を調整して界磁電流として回転子巻線１４に供給する１個の界磁回路部２４と、パワーモジュール構成体２３と界磁回路部２４を制御する１個の制御回路部２５と、パワーモジュール構成体２３と界磁回路部２４と制御回路部２５との間で制御信号の送受信を行うための信号中継装置２６とを有している。制御装置３は、後述するように、リヤリヤブラケット８の軸方向端部に固定されており、絶縁樹脂により構成されたカバー３８により覆われている。又、制御回路部２５には、外部機器（例えば内燃機関制御ユニット等）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２７が設けられている。

制御回路部２５は、制御回路を有する制御基板２５１を備え、この制御基板２５１は樹脂２５２により保護されている。この制御回路部２５には、信号中継装置２６を通じて回転位置検出センサ１８からの信号が送信されると共に、コネクタ２７を介して内燃機関制御ユニット等の外部機器からの信号が送信される。制御回路部２５は、これ等の送信された信号による情報に基づいて、界磁回路部２４及びパワーモジュール構成体２３にそれぞれ設けられたスイッチング素子をスイッチング制御する。

界磁回路部２４は、モールド樹脂によりモールドされたスイッチング素子等の電子部品により構成されており、制御回路部２５によりスイッチング素子がスイッチング制御され、回転子巻線１４への界磁電流を調整する。界磁回路部２４には、冷却フィン２４１を備えたヒートシンクが設けられている。界磁回路部２４により調整された界磁電流は、回転子巻線１４に供給されて回転子巻線１４に直流磁界を発生させる。回転子巻線１４に発生した直流磁界による磁束は、回転子５の周面に於いて一方の回転子鉄心１３から他方の回転子鉄心１３に至るように流れ、その間に固定子巻線１１と鎖交する。

同一構成の２個のパワーモジュール構成体２３は、電力変換回路を構成する６個のスイッチング素子を備えた後述するパワーモジュール３０をそれぞれ備えている。これ等のスイッチング素子により構成された電力変換回路は、バッテリ(図示せず)からの直流電力を交流電力に変換して固定子巻線１１に供給するインバータ回路として動作し、又は、固定子巻線１１からの交流電力を直流電力に変換してバッテリを充電すると共に車載機器に直流電力を供給するコンバータ回路として動作する。電力変換回路を構成するスイッチング素子３６は、例えば、パワートランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子により構成される。２個のパワーモジュール構成体２３は、２組の電機子巻線に１対１で対応する３相電力変換回路を構成している。

信号中継装置２６は、パワーモジュール構成体２３と界磁回路部２４のそれぞれに電気的に接続された信号中継用部材２８と、この信号中継用部材２８に設けられ、制御回路部２５に接続される信号中継用接続部２９とを有している。パワーモジュール構成体２３及び界磁回路部２４と制御回路部２５との間の信号の送受信は、前述のように構成された信号中継装置２６を介して行われる。

次に、パワーモジュール構成体２３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、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、パワーモジュール構成体の分解断面図である。図３及び図４に於いて、パワーモジュール構成体２３は、後述するように構成されたパワーモジュール３０と、絶縁部材３１を介してパワーモジュール３０を固着したヒートシンク３２と、ハウジング３３と、このハウジング３３に一体にモールドされた３個の電力接続部材５４と、これらの電力接続部材５４にそれぞれ電気的に接続された３個の交流端子５５と、複数の信号接続部材５６とから構成されている。

ハウジング３３は、絶縁樹脂により構成され、第１の開口部３３１と、第２の開口部３３２と、前述の電力接続部材５４と交流端子５５と信号接続部材５６との各一部分をモールドして固定する端子固定部３３３を備えている。

ヒートシンク３２は、ハウジング３３の第１の開口部３３１を閉塞するようにこの第１の開口部３３１に嵌合され、その周縁部が接着剤により第１の開口部３３１の内壁部に固着されている。ヒートシンク３２の第１の平面部３２１に載置されたパワーモジュール３０は、ハウジング３３の内部空間内に収納され、その内部空間内に充填されたシリコーン又はエポキシ樹脂等のゲル材からなる保護ゲル３４により保護されている。ヒートシンク３２の第２の平面部３２２には、複数の冷却フィン３２３が形成されている。ヒートシンク３２は、例えばアルミニウム材を引き抜きにより形成するのが望ましい。

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正面図である。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、パワーモジュールの内部構成図である。図５及び図６に示す１個のパワーモジュール３０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５及び図６に於いて、パワーモジュール３０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３６と、これらのスイッチング素子３６の第１の電極としての正極側電極に接続導体３９４を介してそれぞれ接続された２個の第１のリードフレームとしての正極側リードフレーム４１と、各スイッチング素子３６の第２の電極としての負極側電極に接続導体３９４を介してそれぞれ電気的に接続された２個の第２のリードフレームとしての負極側リードフレーム４２と、各相の上アームと下アームを構成する一対のスイッチング素子３６の直列接続部に接続導体３９４を介して電気的に接続された３個の交流側リードフレーム４３と、各スイッチング素子３６の第３の電極としての制御電極にリードワイヤ３９５を介してそれぞれ電気的に接続された６個の第３のリードフレームとしての制御用リードフレーム４４とを備えている。

各リードフレーム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。又、これ等のリードフレーム４１、４２、４３、４４の底面は、パワーモジュールの底面に於いて露出している。

２個の正極側リードフレーム４１はバッテリの正極側端子に接続され、２個の負極側リードフレーム４２はバッテリの負極側端子に接続される。又、３個の交流側リードフレーム４３は、前述のハウジング３３に設けられた３個の交流接続部５４及び交流端子５５を介して固定子巻線１１の巻線端１１１に接続される（図１参照）。

又、パワーモジュール３０は、スイッチング素子３６の温度を測定する温度センサ（図示せず）に接続された５個の温度センサ用リードフレーム４５を備え、他の構成要素と同様にモールド樹脂３７により一体にモールドされている。

図６に示すように、２個の正極側リードフレーム４１と、２個の負極側リードフレーム４２と、３個の交流側リードフレーム４３と、６個の制御用リードフレーム４４と、５個の温度センサ用リードフレーム４５は、相互に間隔を介して配置されている。これ等のリードフレーム間の間隔内には、モールド樹脂３７が充填されて各リードフレーム間を絶縁している。６個のスイッチング素子３６の各電極は、前述のように、対応する各リードフレーム４１、４２、４３、４４に半田等により電気的に接続され、モールド樹脂３７により一体にモールドされて一体に固定されている。

前述の６個の制御用リードフレーム４４、及び５個の温度センサ用リードフレーム４５は、長方形をなすモールド樹脂３７の一方の側面部から一部分が導出され、その導出された部分が図３及び図４に示すようにＬ字状に屈曲するように構成されている。又、前述の２個の正極側リードフレーム４１と、２個の負極側リードフレーム４２と、３個の交流側リードフレーム４３は、それぞれモールド樹脂３７の他方の側面部から一部分が導出され、その導出された部分が図３及び図４に示すようにＬ字状に屈曲するように構成されている。

図３、図４に示すように、パワーモジュール３０のヒートシンク３２と対向する面には、各リードフレーム４１、４２、４３、４４が露出している。又、モールド樹脂３７は、各リードフレーム４１、４２、４３、４４よりもヒートシンク３２側に突出しているが、モールド樹脂３７のヒートシンク３２と対向する面を各リードフレーム４１、４２、４３、４４の面と略同一平面とするようにしてもよい。

ヒートシンク３２は、その第１の平面部３２１に、絶縁部材３１によりパワーモジュール３０を固着した状態で、ハウジング３３の第１の開口部３３１に嵌合されてハウジング３３に固着される。ここで、絶縁部材３１は、ヒートシンク３２とパワーモジュール３０との間の絶縁だけでなく、これ等を相互に固着する役割と、パワーモジュール３０とヒートシンク３２との間の熱伝導の役割とを果たす必要があるので、接着性能を備えると共に熱伝導率の高い材料により構成されていることが望ましい。

以上のように構成された２個のパワーモジュール構成体２３と、前述の１個の界磁回路部２４と、前述の１個の制御回路部２５は、図２に示すように、回転子軸１２の周囲を取り囲むように配置されて、リヤブラケット６の軸方向端部に固定される。ここで、２個のパワーモジュール構成体２３は、そのハウジング３３に形成された一対のフランジ部５１により、リヤブラケットにネジ（図示せず）により固定される。フランジ部５１は、回転子軸１２と直交する方向の取り付け面を備えており、リヤブラケット８側からフランジ部５１にネジ締結ができるように構成されている。

２個のパワーモジュール構成体２３は、回転子軸１２の図２に於ける下半部を囲むようにＶ字状に配置される。そして各パワーモジュール構成体２３に於けるヒートシンク３２の複数の冷却フィン３２３は、ヒートシンク３２の第２の平面部３２２から回転子軸１２に向かって垂直に延びている。

界磁回路部２４は、回転子軸１２の図２に於ける上半部を閉塞するように配置され、界磁回路部２４に設けられた一対のフランジ部２４１を介してボルト（図示せず）によりリヤブラケット６に固定される。界磁回路部２４に設けられたヒートシンクの冷却フィン２４２は、回転子軸１２に向かって垂直に延びている。

制御回路部２５は、界磁回路部２４に対して回転電機１の半径方向の外側に配置され、且つ長さ方向が界磁回路部２４の長さ方向に沿うように配置されて、リヤブラケット６に固定されている。

回転電機１に於いては固定子４が動作中に高温になるため、固定子４と接しているリヤブラケット８は固定子４からの伝熱により温度が上昇し、従ってリヤブラケット８に接している部品等についても固定子４からの伝熱の影響を受けて温度が上昇することとなる。この発明の実施の形態１によれば、パワーモジュール構成体２３は、ハウジング３３のフランジ部５１を用いてリヤブラケット８に固定されており、パワーモジュール構成体２３とリヤブラケット８はフランジ部５１を介して接しているが、ヒートシンク３２とリヤブラケット８は直接接してはいない。パワーモジュール構成体２３からヒートシンク３２への熱抵抗は大きく、又、ヒートシンク３２とリヤブラケット８は直接接してはいないため、ヒートシンク３２への伝熱は低減される。

このように、この発明の実施の形態１による回転電機によれば、パワーモジュール構成体２３は、ハウジング３３のフランジ部５１によりリヤブラケット８に固定されるので、高温になる固定子からリヤブラケット８を介してのヒートシンク３２への直接の伝熱経路を無くすことができるため、ヒートシンク３２の温度上昇を低減することができる。又、ヒートシンク３２の温度上昇が少なくなることで、ヒートシンク３２に絶縁部材３１を介して固定されているパワーモジュール３０のスイッチング素子３６の温度上昇を低減することができる。

この発明の実施の形態１による回転電機に於いて、パワーモジュール構成体２３のスイッチング素子、及び界磁回路部２４のスイッチング素子は、前述したように、回転位置検出センサ１８及び外部機器のそれぞれからの情報に基づいて、制御回路部２５によりスイッチング制御される。

即ち、内燃機関の始動時には、バッテリからの直流電力がパワーモジュール構成体２３及び界磁回路部２４のそれぞれに供給される。界磁回路部２４では、制御回路部２５によるスイッチング素子のスイッチング制御等により、バッテリからの直流電力を界磁電流に調整する動作が行われる。界磁回路部２４からの界磁電流は、ブラシ２０及びスリップリング１９を介して回転子巻線１４に供給され、これにより、回転子５には、直流磁界が発生する。

一方、パワーモジュール構成体２３に設けられている電力変換回路は、制御回路部２５によるスイッチング素子３６のスイッチング制御によりインバータとして動作し、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１１に供給する。これにより、固定子４には回転磁界が発生して回転子５が回転し、プーリ１７及び伝達ベルトを介して内燃機関を始動する。

内燃機関の始動後には、内燃機関からの回転動力が伝達ベルトを介してプーリ１７に伝達される。これにより、回転子５が回転され、固定子巻線１１に交流電力が誘起される。このとき、パワーモジュール構成体２３に於ける電力変換回路は、制御回路部２５によるスイッチング素子３６のスイッチング制御によりコンバータとして動作し、固定子巻線１１に誘起された交流電力を直流電力に変換してバッテリを充電すると共に、必要に応じて車載電子機器に供給する。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による回転電機は、パワーモジュール３０とヒートシンク３２との接着に用いる絶縁部材３１として、シリコーン系の接着材を用いるようにしたものである。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

自動車に搭載されて用いられる回転電機１において使用される電圧の大きさは、一般的には、１００［Ｖ］以上にはならない。このため、絶縁部材３１に必要な厚さは２０［μｍ］程度あれば、半導体モジュール３０とヒートシンク３２間の絶縁が確保される。そのため、絶縁部材３１に高価な絶縁シート等の材料を用いなくても、シリコーン系の接着剤等を使用しても絶縁耐圧を確保可能である。

回転電機１が取り付けられる内燃機関の近傍の空間は高温になるため、パワーモジュール３０のリードフレーム４１、４２、４３、４４が銅又は銅合金により形成され、ヒートシンク３２がアルミニウムで形成された場合、銅の線膨張率が１７×１０―⁶（１／℃）でアルミの線膨張率が２４×１０―⁶（１／℃）と差があるため、パワーモジュール２３の温度上昇に伴い絶縁部材３１には熱応力が加わることになる。しかし、絶縁部材３１として用いているシリコーン系の材料は、エポキシ系の材料（例えば絶縁シート等）にくらべて弾性率が低く伸びが大きいため、熱応力の影響を緩和することができる。

実施の形態２によれば、絶縁部材３１としてシリコーン系の接着剤を用いることで、材料の弾性率が低く伸びのある材料となるため熱応力による影響を緩和することが可能である。

この発明の実施の形態１及び実施の形態２による回転電機によれば、1つのパワーモジュールに電力変換回路を構成する上下アームのうち複数組分を一体化することで、リードフレームのパワー配線を共通化することができるため半導体モジュールの小型化が可能となる。

又、パワーモジュールは、電力変換回路の上下アームを構成するスイッチング素子を複数組備えており、パワーモジュールの底面には、電力変換回路の各アームに対応する電位を有するリードフレームが露出しているが、パワーモジュールは絶縁部材介してヒートシンクに固着されるので、ヒートシンクは電位をもたず電蝕対策や、他の部品との絶縁に必要な距離を減らすことができ、ヒートシンクの形状や配置の自由度を向上させることができる。

更に、電力変換回路の複数のアームを1つのパワーモジュールとすることで個別にモジュール化した場合に比べてブラケットに固定する数を低減できるため、製作時の工数低減につながる。

又、パワーモジュールを備えたパワーモジュール構成体は、フラン時を介してブラケットに固定されているので、固定子からヒートシンクへの伝熱経路を低減することができるため、パワーモジュール、特にそのスイッチング素子の温度上昇を低減することができる。

又、パワーモジュールをヒートシンクに固定する絶縁部材を、弾性率の低い、例えばシリコーン系の材料により構成することで、エポキシ系の材料、例えば絶縁シート等、に比べて、弾性率が低く、又、材料の伸びが増加する。そのため、絶縁部材に加わるリードフレームとヒートシンクとの間の熱応力の影響を吸収することができ、長期信頼性を増やすことができる。

以上述べたこの発明の実施の形態１及び実施の形態２による回転電機は、以下特徴を備えている。
（１）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を備えたパワーモジュールと、
前記パワーモジュールを内部に収納したハウジングと、
前記ハウジングに固定され、前記パワーモジュールを冷却するヒートシンクと、
を備え、
前記パワーモジュールは、
前記スイッチング素子の第１の電極に接続された第１のリードフレームと、
前記スイッチング素子の第２の電極に接続された第２のリードフレームと、
前記スイッチング素子の第３の電極に接続された第３のリードフレームと、
前記スイッチング素子と、前記第１のリードフレームと、前記第２のリードフレームと、前記第３のリードフレームとを一体にモールドすると共に、前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームと前記第３のリードフレームとを相互に絶縁するモールド樹脂と、
を備え、
前記パワーモジュール構成体のハウジングは、開口部を備えた内部空間を備え、
前記ヒートシンクは、絶縁部材を介して前記パワーモジュールを固着しており、前記ハウジングの前記開口部を閉塞して前記ハウジングに固着され、
前記ヒートシンクに固着された前記パワーモジュールは、前記ハウジングの前記内部空間に挿入され、
前記パワーモジュールが挿入された前記ハウジングの内部空間には、樹脂が充填されている、
ことを特徴とする。
このように構成した回転電機によれば、組み立てが容易で、且つ従来のようなヒートシンクの電触対策等を必要としない信頼性の高い制御装置を備えた回転電機を得ることができる。又、この構成により、パワーモジュール構成体をコンパクトで且つ強固に構成することができる。

（２）前記パワーモジュール構成体は、前記ハウジングが前記ケースに固定されることにより前記回転電機に搭載されることを特徴とする。
このように構成することにより、固定子からヒートシンクへの伝熱経路を低減することができるため、パワーモジュール、特にスイッチング素子の温度を低減することができる。

（３）前記モールド樹脂によりモールドされた前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームと前記第３のリードフレームは、同一平面上に並置されていることを特徴とする。
この構成により、各リードフレームの配置が容易であり、且つ各リードフレーム相互間の絶縁を容易に行うことができる。又、パワーモジュールの厚みを少なくすることができる。

（４）前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームは、前記モールド樹脂の一方の側面部から前記モールド樹脂の外部に導出されており、前記第３のリードフレームは、前記モールド樹脂の前記一方の側部に対向する他方の側部から前記モールド樹脂の外部に導出されていることを特徴とする。
この構成により、パワーモジュール構成体のパワー配線を回転電機本体側に集約し、信号配線を回転電機本体とは反対側に集約することができ、回転電機本体側とその反対側とで接続導体等の厚さの異なる部材を使用することができ、パワーモジュール構成体のハウジングを回転電機のケースに取り付けるための作業性を向上させることが可能である。

（５）前記固定子巻線は、３相電機子巻線により構成され、前記電力変換回路は、３相ブリッジ回路により構成され、前記スイッチング素子は、前記３相ブリッジ回路の各相の上アームと下アームにそれぞれ接続され、前記パワーモジュールは、前記３相ブリッジ回路の全ての前記スイッチング素子を一体化したものであることを特徴とする。
この構成により、パワーモジュールのパワー端子の削減による小型化、実装面積の低減を図ることができる。

（６）前記絶縁部材は、弾性率の低い材料により構成されていることを特徴とする。
従って、絶縁部材に弾性率の低い、例えばシリコーン系の材料を用いることで、エポキシ系の材料（例えば絶縁シート等）にくらべて、弾性率が低く、又、材料の伸びが増加する。そのため、絶縁部材に加わるリードフレーム−ヒートシンク間の熱応力の影響を吸収することができ、長期信頼性を増やすことができる。

（７）前記回転子に固定された界磁巻線と、スイッチング素子を備えた界磁回路部とを備え、前記界磁回路部は、前記スイッチング素子が制御回路部によりスイッチング制御されて前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御することを特徴とする。
従って、回転電機をブラシ付きモータとすることで、性能が同じであれば固定子、回転子のサイズを小型化することが可能である。

（８）前記界磁回路部のスイッチング素子は、モールド樹脂によりモールドされていることを特徴とする。
この構成により、界磁回路部に対する固定子から受熱を低減することが可能である。

尚、前述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。

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、２回転電機本体、３制御装置、４固定子、５回転子、６ケース、７フロントブラケット、８リヤブラケット、９締結ボルト、１０固定子鉄心、１１固定子巻線、１１１固定子巻線の巻線端、１２回転子軸、１３回転子鉄心、１４回転子巻線、１５軸受、１６冷却ファン、１７プーリ、１８回転位置検出センサ、１９スリップリング、２０ブラシ、２１ブラシホルダ、２２押圧ばね、２３パワーモジュール構成体、３０パワーモジュール、３１絶縁部材、３２ヒートシンク、３２３、２４２冷却フィン、３３ハウジング、３６スイッチング素子、３７モールド樹脂、３９４接続導体、３９５リードワイヤ、４１正極側リードフレーム、４２負極側リードフレーム、４３交流側リードフレーム、４４制御用リードフレーム、４５温度センサ用リードフレーム、５４交流接続部、５５交流端子、５１、２４１フランジ部

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を備えたパワーモジュールと、
前記パワーモジュールを内部に収納したハウジングと、
前記ハウジングに固定され、前記パワーモジュールを冷却するヒートシンクと、
を備え、
前記パワーモジュールは、
前記スイッチング素子の第１の電極に接続された第１のリードフレームと、
前記スイッチング素子の第２の電極に接続された第２のリードフレームと、
前記スイッチング素子の第３の電極に接続された第３のリードフレームと、
前記スイッチング素子と、前記第１のリードフレームと、前記第２のリードフレームと、前記第３のリードフレームとを一体にモールドすると共に、前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームと前記第３のリードフレームとを相互に絶縁するモールド樹脂と、
を備え、
前記パワーモジュール構成体のハウジングは、開口部を備えた内部空間を備え、
前記ヒートシンクは、絶縁部材を介して前記パワーモジュールを固着しており、前記ハウジングの前記開口部を閉塞して前記ハウジングに固着され、
前記ヒートシンクに固着された前記パワーモジュールは、前記ハウジングの前記内部空間に挿入され、
前記パワーモジュールが挿入された前記ハウジングの内部空間には、樹脂が充填されている、
ことを特徴とする回転電機。
前記パワーモジュール構成体は、前記ハウジングが前記ケースに固定されることにより前記回転電機に搭載される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記モールド樹脂によりモールドされた前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームと前記第３のリードフレームは、同一平面上に間隔を介して並置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
前記第１のリードフレームと前記第２のリードフレームは、前記モールド樹脂の一方の側面部から前記モールド樹脂の外部に導出されており、
前記第３のリードフレームは、前記モールド樹脂の前記一方の側部に対向する他方の側部から前記モールド樹脂の外部に導出されている、
ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の回転電機。
前記固定子巻線は、３相電機子巻線により構成され、
前記電力変換回路は、３相ブリッジ回路により構成され、
前記スイッチング素子は、前記３相ブリッジ回路の各相の上アームと下アームにそれぞれ接続され、
前記パワーモジュールは、前記３相ブリッジ回路の全ての前記スイッチング素子を一体化したものである、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の回転電機。
前記絶縁部材は、弾性率の低い材料により構成されている、
ことを特徴とする請求項１から５のうちの何れか一項に記載の回転電機。
前記回転子に固定された界磁巻線と、
スイッチング素子を備えた界磁回路部と、
を備え、
前記界磁回路部は、前記スイッチング素子が制御回路部によりスイッチング制御されて前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する、
ことを特徴とする請求項１から６のうちの何れか一項に記載の回転電機。
前記界磁回路部のスイッチング素子は、モールド樹脂によりモールドされている、
ことを特徴とする請求項７に記載の回転電機。