WO2005101620A1

WO2005101620A1 - 車両用回転電機装置

Info

Publication number: WO2005101620A1
Application number: PCT/JP2005/005923
Authority: WO
Inventors: Masaru Kuribayashi; Yoshihito Asao
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2005-10-27
Also published as: US7345439B2; EP1737106B1; KR20060032142A; CN1788405A; JP2005304199A; US20060138979A1; EP1737106A4; EP1737106A1; KR100727744B1; CN100511927C

Abstract

【課題】　従来からの始動発電を行う回転電機は、インバータと回転電機本体は別体に構成されており、回転電機とインバータ間には３相ハーネスを有し、ここの部位での電圧ドロップや損失によって、同一の稼動電流時（インバータの熱的制限によって決まる）、始動および発電出力、効率の向上には限界があった。【解決手段】　インバータユニット２２がリヤブラケット４４に一体に取り付けられ、回転電機２０の軸方向端面上に一体搭載されているので、接続されるハーネス類を短くでき、ハーネスの重量低減や耐外乱ノイズ性の向上が図られる。また、回転子４０として永久磁石４０ｃ，４０ｄを付加したクローポール型の回転子を構成しているので、インバータ基底電流が低減されることにより、インバータユニット２２のサイズを小型化でき、上記始動発電電機に一体搭載することができる。

Description

明細書

車両用回転電機装置

技術分野

[0001] この発明は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される車両用回転電機装置、特に回転電機と該回転電機を制御するインバータユニットとを組合せ、始動電動機と発電機の両機能を持たせるようにした車両用回転電機装置に関するものである背景技術

[0002] 近年、地球温暖化防止を背景に C02の排出量削減が求められている。そして、自動車における C02の削減は、燃費性能の向上を意味しており、その解決策の一つとして、電気自動車 (EV)あるいはハイブリッド自動車 (HEV)の開発、実用化が進められている。

特に、ハイブリッド自動車に搭載される回転電機に要求される機能としては、車両停止時のアイドリングストップ、減速走行中のエネルギー回生、加速走行中のトルクァシスト等であり、これらの実現によって燃費性能の向上が可能となっている。

[0003] そして、このための回転電機として電動発電機がエンジンの外側に横置き式に搭載され、ベルトが電動発電機とクランク軸プーリとの間に掛け渡され、電動発電機とェンジンとの間で双方向の駆動力伝達が行われるようになつている。

そして、電動時には、バッテリの直流電力がインバータにより交流電力に変換される。この交流電力が電動発電機に供給され、電動発電機が回転駆動される。この回転力がベルトを介してエンジンに伝達され、エンジンが始動される。一方、発電時には、エンジンの駆動力の一部がベルトを介して電動発電機に伝達され、交流電力が発生する。この交流電力がインバータにより直流電力に変換され、ノッテリに蓄えられる。

[0004] そして、この種従来技術として、例えば特許文献 1または 2では、回転電機の径方向外周あるいは軸方向端面に追設されたインバータと、該当回転電機の冷却ファンによる回転電機とインバータの冷却構造について述べられている力必ずしも該当する回転電機の特性を発揮するに充分なインバータ装置のサイズや、一体搭載するためのインバータの小型化の方策等にっ、ては何も開示されて、な、。

[0005] 特許文献 1：特開平 11 122875号公報（段落 0025〜0034及び図 1)

特許文献 2：特開平 11— 27903号公報 (段落 0013〜0018及び図 1)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 従来力の始動発電を行う回転電機は、インバータと回転電機本体は別体に構成されており、回転電機とインバータ間には 3相ハーネスを有し、ここの部位での電圧ド口ップゃ損失によって、同一の稼動電流時 (インバータの熱的制限によって決まる）、始動および発電出力、効率の向上には限界があった。

また、インバータには専用の冷却構造が必要であり、サイズが大きくなりコストも高価で、車両などに搭載する場合、作業が煩雑である上、回転電機の出力を決める稼動電流の増大にも限界があった。

さら〖こ、 3相ハーネスによってインバータと回転電機本体は連結されるため、搭載時の作業が煩雑で、コストも高価であった。力！]えて、この 3相ハーネスはインバータによるスイッチングノイズが搬送されており、このノイズも搭載を検討する上で、大きな障害となっていた。

課題を解決するための手段

[0007] この発明は、界磁卷線を有する回転子と、上記回転子の外周に配置された、固定子卷線を有する固定子とで構成され、発電始動を行う回転電機と、上記回転電機の始動電動機運転時にバッテリの直流電力を交流電力に変換して上記固定子卷線に供給すると共に、上記回転電機の発電機運転時に上記固定子卷線で発生する交流電力を直流電力に変換して上記バッテリを充電するインバータユニットとを備えた車両用回転電機装置において、上記インバータユニットは、上記回転電機に一体的に搭載されると共に、上記固定子卷線と電気的に接続され、上記回転子は、相隣る磁極が異極をなすように形成された磁極部と界磁卷線を有する円筒部とからなる回転子鉄心と、上記磁極部間に配置され、上記界磁卷線と共に上記固定子鉄心に磁束を供給する永久磁石を含むと共に、上記永久磁石による磁束は、上記回転電機の実使用回転速度範囲において、無励磁無負荷誘起電圧または最低電気負荷発電状態における無励磁誘起電圧が、上記バッテリ電圧を超過しないように調整されている発明の効果

[0008] この発明によれば、回転電機と該回転電機を制御するインバータユニットとを組合せ、始動電動機と発電機の両機能を持たせるようにした車両用回転電機装置にお!ヽて、回転子の磁極間に配備された永久磁石により総磁束量を増加させインバータ電流を抑えることが可能となり、インバータユニットの小型化を実現し、限られた回転電機表面上に一体搭載できると共に、インバータ電流減により、インバータ部、回転電機部、 3相ハーネス部での損失が低減でき、発電および始動出力と効率の向上できる。発明を実施するための最良の形態

[0009] 実施の形態 1.

[0010] 図 1はこの発明の実施の形態 1に係る車両用回転電機装置を示す縦断面図、図 2 は実施の形態 1におけるインバータユニットの構造を説明する図で、 (a)は一部破断側面図、（b)はその平面図である。

図 1および図 2において、回転電機 20は、シャフト 41に固着されてフロントブラケット 43およびリャブラケット 44に回転自在に装着されたクローポール型回転子 40と、フロントブラケット 43およびリャブラケット 44の側端部に挟持されて回転子 40を囲繞するように配設された固定子 42と、回転子 40の軸方向の両端面に固着されたファン 45 と、シャフト 41のフロント側の端部に固着されたプーリ 46と、シャフト 41のリャ側外周に位置するようにリャブラケット 44の内壁面に配設されたブラシホルダ 47と、シャフト 41のリャ側に装着された一対のスリップリング 49に摺接するようにブラシホルダ 47内に配設された一対のブラシ 48とを備えている。そして、この回転電機 20は、プーリ 46 およびベルト（図示せず）を介してエンジン（図示せず）に連結されて!ヽる。

また、吸気孔 43a、 44aがフロントブラケット 43およびリャブラケット 44の端面に穿設され、排気孔 43b、 44bがフロントブラケット 43およびリャブラケット 44の側面に穿設されている。

[0011] そして、インバータユニット 22は、スイッチング素子 8からの発熱に起因する損失熱量を十分に受け入れられる熱容量を持つように放熱設計されたヒートシンク 30と、絶縁性榭脂によりヒートシンク 30の外周部に一体に成形された榭脂成形部 31と、スイツチング素子 8を ONZOFF制御するための電子部品が実装された制御回路基板 32 と、電源端子 33、 34とを備えている。

ヒートシンク 30は、銅、アルミニウム等の良熱伝導体で C状に作製され、フィン 30a がその内周面に周方向に複数形成され、 3つの平坦面 30bがその外周面に形成されている。そして、並列に接続されるスイッチング素子 8およびダイオード 9の 2組が、各平坦面 30bにそれぞれ固着されて!、る。

榭脂成形部 31には、スイッチング素子 8およびダイオード 9の素子群と、制御回路基板 32とを収納する収納空間 31aが形成されている。そして、ヒートシンク 30の各平坦面 30bが収納空間 31a内に露呈している。さらに、図示していないが、インサート導体が榭脂成形部 31にインサート成形されており、インサート導体の一部が接続端子として所定位置に露呈している。なお、電源端子 33、 34が榭脂成形部 31に取り付けられ、インバータユニット 22の正極および負極を構成する接続端子にそれぞれ電気的に接続されている。

[0012] そして、スイッチング素子 8およびダイオード 9が各平坦面 30bに固着され、制御回路基板 32の各端子がスイッチング素子 8およびダイオード 9の各端子に電気的に接続されて収納空間 31a内に取り付けられる。さらに、制御回路基板 32とインサート導体の接続端子とを結線した後、蓋 35により収納空間 31aを密閉して、インバータュ- ット 22が組み立てられる。

このように組み立てられたインバータユニット 22が、フィン 30aの長さ方向（図 5の（b )中紙面と直交する方向）をシャフト 41の軸心方向に一致するように、かつ、シャフト 4 1を取り囲むように配置され、取付金具（図示せず）によりリャブラケット 44の端面 (外壁面）に取り付けられている。そして、固定子卷線 21の Δ結線端部が直列接続されたスイッチング素子 8の中間点に接続されているインサート導体の接続端子に結線される。さらに、電源端子 33、 34が第 1のノッテリ 11に接続される。

[0013] 図 3は実施の形態 1おける永久磁石を備えたクローポール型回転子の構成を示す外観斜視図である。

図 3において、回転子 40はクローポール型の回転子であり、固定子 42の内径に対して所定の空隙を介して対向する爪状の磁極 40aおよび 40bを有し、磁極 40aおよび 40bはそれぞれ所定の極数に形成されると共に、界磁卷線 4を有する円筒部の外径側を覆うように交互に交差しており、相隣る磁極 40aと 40bとは周方向に所定の間隔を介して一定のピッチで配列され、界磁卷線 4により交互に異極となるように磁ィ匕される。そして、相隣る磁極 40aと 40bとの間には一対の永久磁石 40cおよび 40dが介装され、これらの永久磁石 40cおよび 40dは各磁極 40aおよび 40bが界磁卷線 4による磁化と同一磁極になるように磁ィ匕されて、る。

[0014] 図 4は実施の形態 1による車両用回転電機装置におけるシステム回路を示す概念図である。

図 4において、回転電機 20は、ベルト駆動式回転電機であり、固定子（図示せず）の固定子卷線 21と、回転子（図示せず)の界磁卷線 4とを備え、回転子がエンジン 1 の回転軸とベルト（図示せず）により連結されている。ここでは、固定子卷線 21は、 4 ターンの 3相のコイルを Δ結線して構成されて、る。

インバータユニット 22は、複数のスイッチング素子 8と各スイッチング素子 8に並列に接続されたダイオード 9とからなるインバータモジュール 23と、インバータモジユール 23に並列に接続されたコンデンサ 7とを備えている。このコンデンサ 7は、インバータモジュール 23を流れる電流を平滑する役割を有する。

[0015] インバータモジュール 23は、並列に接続されたスイッチング素子 8およびダイオード 9の 2組を直列に接続したものを、並列に 3つ配置し、それらの素子 8、 9を一体にパッケージ封入して構成されている。そして、固定子卷線 21の各 Δ結線端部が、直列に接続されたスイッチング素子 8の中間点にそれぞれ接続されて、る。

インバータモジュール 23は、スイッチング素子 8のスイッチング動作が制御装置 24 により制御される。そして、回転電機 20は、電力が供給されて始動電動機として動作し、エンジン 1を始動させる。また、回転電機 20は、エンジン 1の始動後、エンジン 1により回転駆動されて交流発電機として動作し、三相交流電圧を発生する。

[0016] ついで、このように構成された従来の車両用電源装置の動作について説明する。

まず、制御装置 24が、各スイッチング素子 8を ONZOFF制御し、第 1のバッテリ 11 の直流電力から三相交流電力を発生させる。この三相交流電力が回転電機 20の固定子卷線 21に供給され、回転子 40の界磁卷線 4に回転磁界が与えられ、回転子 40 が回転駆動される。そして、回転子 40の回転力がプーリ 46およびベルト（図示せず）を介してエンジン 1に伝達され、エンジン 1が回転駆動、即ち始動される。

そして、エンジン 1が始動されると、エンジン 1の回転力がベルトおよびプーリ 46を介して回転電機 20に伝達される。これにより、回転子 40が回転駆動され、固定子卷線 21に三相交流電圧が誘起される。そこで、制御装置 24が、各スイッチング素子 8 を ONZOFF制御し、固定子卷線 21に誘起された三相交流電圧を直流に整流する。そして、インバータユニット 22により整流された直流電力により、ノッテリ 11が充電される。

[0017] 以上のように、上記実施の形態 1では、インバータユニット 22がリャブラケット 44に一体に取り付けられ、回転電機 20の軸方向端面上に一体搭載されているので、接続されるハーネス類を短くでき、ハーネスの重量低減ゃ耐外乱ノイズ性の向上が図られる。

また、ヒートシンク 30がスイッチング素子 8からの発熱に起因する損失熱量を十分に受け入れられる熱容量を持つように放熱設計されてヽるので、ヒートシンク 30の小型ィ匕、即ちインバータユニット 22の小型化が図られ、インバータユニット 22のリャブラケット 44への搭載性が向上される。

[0018] また、回転電機の冷却用ファン 45により、インバータユニット 22、回転子 40、固定子 42の順に冷却するように構成され、インバータユニット 22の冷却媒体が回転電機 20の冷却媒体 (冷却風）と共用されているので、冷却構造が簡素化される。

また、インバータユニット 22のヒートシンク 30にフィン 30aを設け、ファン 45の駆動によって形成される冷却風がフィン 30aに沿って流れることで、スイッチング素子 8およびダイオード 9で発生する熱がヒートシンク 30に伝達された後、フィン 30aを介して冷却風に放熱される。従って、自然冷却構造に比べて、冷却効率が高ぐヒートシンク 3 0の小型化がさらに促進される。

[0019] さらに、この実施の形態 1においては、回転子 40として永久磁石 40c, 40dを付カロしたクローポール型の回転子を構成しているので、インバータ基底電流が低減されることにより、インバータユニット 22のサイズを小型化でき、上記始動発電電機に一体搭載することができる。

すなわち、図 5は回転子 40の相隣る磁極 40a, 40b間に配備された永久磁石 40c, 40dの効果を示す無負荷特性図である。図 5より永久磁石 40c, 40dにより総磁束量が増加していることが分かる。

図 6には永久磁石 40c, 40dによる始動特性の効果を表す。図中特性 Aは永久磁石 40c, 40dを装備しない駆動特性を示し、特性 Bは永久磁石 40c, 40dを装備した場合を示す。なだらかに減少する出力一定領域では、電源電圧の規制により永久磁石 40c, 40dの効果は現れないが、インバータユニット 22の電流容量で決定されるトルクー定領域にて永久磁石 40c, 40dの効果が顕著に表れる。特性 Aと Bでのトルク一定領域でのインバータ電流は双方とも同じものである。このことは基底インバータ電流の低減が可能であることを意味して、る。

インバータユニット 22のスイッチング素子 8での電流容量は、この基底インバータ電流とこの基底インバータ電流が流れる時間と始動時における素子温度によって決定される。通常基底インバータ電流が流れる時間は極短時間であるので、インバータュニット 22のサイズ (すなわちスイッチング素子 8の電流容量になる）はインバータ電流と素子温度によって決定されることになる。

このよう【こ、回転子 40のネ目隨る磁極 40a, 40bf¾【こ酉己備された永久磁石 40c, 40d により総磁束量が増カロさせインバータ電流を抑えることが可能となり、インバータュ- ット 22の小型化を実現し、限られた回転電機表面上に一体搭載できる。インバータ電流減により、インバータユニット部、回転電機部、 3相ハーネス部での損失が低減でき、発電および始動出力の効率を向上できる。また、 3相ハーネスが短縮でき、ここの部位での電圧ドロップが低減できることにより、始動電動動作時の電圧利用率が向上すると共に、主磁束を増カロして基底トルクを増加でき始動特性を向上できる。また、図 7に永久磁石 40c, 40dの配備による発電特性での効果を示す。図中特性 Cは永久磁石 40c, 40dがない場合での発電特性を示し、特性 Dは永久磁石 40c, 4 Odを回転子 40の磁極 40a, 40b間に永久磁石 40c, 40dを配備した場合の発電特性である。前述した通り永久磁石 40c, 40dによる総磁束増加により、発電開始回転速度と全域での発電特性が向上している。ベースとなる特性 Cと同じ発電特性にするには、固定子卷線 21のコイルターン数を減少させると誘起される電力が低下し、特性 Cとほぼ同等な発電特性に合わせることができる。固定子卷線 21のコイルターン数を減少させれば固定子コイル抵抗が低減し、同一発電出力時での発電効率が向上する。すなわち連続発電時での回転電機 20の温度低減が実現できることになり、小型化したインバータを一体搭載することが可能となる。

[0021] さらに、図 8に実施の形態 1における作用効果を説明する無負荷特性図を示す。

界磁電流を印加しない発電運転時において、回転子 40の磁極 40a, 40b間に装備される永久磁石 40c, 40dの磁束で誘起電圧を発生するが、電気負荷が不要となるような運転状態では、この磁束のみで電源系電圧を超過してしまう。（12V系バッテリ電源の場合、図 8中の E点）

永久磁石 40c, 40dによる無励磁無負荷誘起電圧は、電源系電圧を超過する部分においては、 3相短絡等の制御が必要である力一体搭載されたインバータユニット

22においては、これらの短絡電流を連続して受容するには、スイッチング素子数を増やすことが必要で、一体搭載のためには不適である。

このため、永久磁石 40c, 40dによる磁束を上記無励磁無負荷誘起電圧が電源系電圧を超過しなヽように調整することによって、インバーター体搭載構造に適応させることが可能となる。

[0022] さら〖こ、図 9に実施の形態 1における作用効果を説明する電気負荷と無励磁誘起電圧の相関図を示す。

電気負荷要求は、例えば車両であれば、走行中は必要最小電気負荷が必ず存在し、この電気負荷量を下回ることはない。通常この必要最小電気負荷は、 7〜12A程度必要とされている。この場合において、図 9における特性では、前述した 3相短絡等の特別な制御が必要ないことが分かる。（図 9において、電源系電圧 12Vの場合、 F点よりも必要最小電気負荷の方が大き、）

従って、この場合においては、永久磁石 40c, 40dは、図 8で説明した場合に比べて磁束の調整 (劣方向へ調整)代が小さくできるため、始動、発電特性をより向上できる。 [0023] 実施の形態 2.

図 10に実施の形態 2における車両用回転電機装置を示すもので、インバータュ- ット 22を回転電機 20の径方向面上に一体搭載し、ハーネス 50を介して固定子卷線 21と電気的に接続したものである。なお、回転電機 20の軸端には回転位置を検出するためのレゾルバ 60が付設されて!、る。

すなわち、実施の形態 1で説明したように、回転子 40の相隣る磁極 40a, 40b間磁極 40a, 40b間に永久磁石 40c, 40dを配備することによって、固定子卷線 21のコィルターン数を少なく設計でき、これにより駆動時出力が向上することに加え、発電時の効率が向上し、始動発電時の損失による発熱が抑えられるため、この実施の形態 2のように、最大発熱部である固定子 42の下流側となる径方向面上にインバータュニット 22を搭載することが可能となり、回転電機 20の軸方向に搭載制約がある場合において、有効である。

[0024] 実施の形態 3.

図 11は上記回転電機 20の固定子スロットの部分断面図である。

図において、回転電機 20における固定子スロット内 42aには、インシユレータ 42bを介して固定子卷線 21を構成する 6本の固定子コイル 21aが収容されている。図 11 (a )では固定子コイル断面形状が丸状での例を示し、図 11 (b)には平角線を適用した例を示す。

図 11 (b)のように、平角線もしくは平角状に整列または成形された固定子コイルを適用することにより、丸線に比べて同じ固定子コイルターン数において、固定子スロット 42a内での占積率が上がり、固定子コイル抵抗が低減され、同一駆動特性においてインバータ電流を低減できる。これによりインバータユニット 22の小型化と、インバータユニット 22での発熱を抑えることができるので、インバータユニット 22の信頼性が向上する。また、発電特性において、立ち上がり回転速度が低い域力も発電開始可能となる。

[0025] 図 12に平角線を適用した固定子コイルターン部 21bの状態を示す。

固定子コイルターン部 21bでは、収容されるスロットから次の収容されるスロットまで 1Z2磁極ピッチで周回されるが、図 12に示す平角線では必ずエッジ部での曲げカロェを必要とされる。平角線のエッジ部では、曲げ力卩ェが困難であるば力りか絶縁コーティングの剥れが問題となっていた。またこれらの問題を回避するために固定子コィルターン部の曲げ率を滑らかにするよう周回されるが、これでは固定子コイルエンド長が長くなり、固定子コイル抵抗の増加を招ヽて、た。

固定子コイルターン部において、固定子コイル断面形状が丸状であれば、前述のような問題もなぐ固定子コイルエンド長を短くでき、固定子コイル抵抗を低減できる。図面の簡単な説明

[0026] [図 1]この発明の実施の形態 1による車両用回転電機装置を示す縦断面図である。

[図 2]図 1におけるインバータユニットの一部縦断側面図および平面図である。

[図 3]図 1における永久磁石を備えたクローポール型回転子の外観図である。

[図 4]実施の形態 1におけるシステム回路を示す概念図である。

[図 5]実施の形態 1における作用効果を説明するための第 1の電気特性図である。

[図 6]実施の形態 1における作用効果を説明するための第 2の電気特性図である。

[図 7]実施の形態 1における作用効果を説明するための第 3の電気特性図である。

[図 8]実施の形態 1における作用効果を説明するための第 4の電気特性図である。

[図 9]実施の形態 1における作用効果を説明するための第 5の電気特性図である。

[図 10]この発明の実施の形態 2に係わる車両用回転電機装置を示す縦断面図である。

[図 11]この発明の実施の形態 3を示す固定子スロット部の要部断面図である。

[図 12]実施の形態 3における固定子コイルターン部の要部構成図である。

符号の説明

[0027] 20 回転電機、 21 固定子卷線、 21a 固定子コイル、 21b コイルターン部、 22 ィンノータユニット、 40 回転子、 40a、 40b 磁極、 40c, 40d 永久磁石、 42 固定子。

Claims

請求の範囲

[1] 界磁卷線を有する回転子と、上記回転子の外周に配置された、固定子卷線を有する固定子とで構成され、発電始動を行う回転電機と、

上記回転電機の始動電動機運転時にバッテリの直流電力を交流電力に変換して上記固定子卷線に供給すると共に、上記回転電機の発電機運転時に上記固定子卷線で発生する交流電力を直流電力に変換して上記バッテリを充電するインバータュ- ットとを備えた車両用回転電機装置にぉ、て、

上記インバータユニットは、上記回転電機に一体的に搭載されると共に、上記固定子卷線と電気的に接続され、

上記回転子は、相隣る磁極が異極をなすように形成された磁極部と界磁卷線を有する回転子鉄心と、上記相隣る磁極間に配置され、上記界磁卷線と共に上記固定子鉄心に磁束を供給する永久磁石を含むと共に、

上記永久磁石による磁束は、上記回転電機の実使用回転速度範囲において、無励磁無負荷誘起電圧または最低電気負荷発電状態における無励磁誘起電圧が、上記バッテリ電圧を超過しなヽように調整されてヽることを特徴とする車両用回転電機装置。

[2] 上記回転子はクローポール型回転子であり、上記永久磁石は上記回転子の爪状磁極部間に介装された一対の永久磁石で構成されていることを特徴とする請求項 1 記載の車両用回転電機装置。

[3] 上記インバータユニットは上記回転電機の軸方向端面上に一体搭載されていることを特徴とする請求項 1記載の車両用回転電機装置。

[4] 上記インバータュ -ットは上記回転電機の径方向面上に一体搭載されて、ることを特徴とする請求項 1記載の車両用回転電機装置。

[5] 上記回転電機は冷却用ファンを有し、その冷却風により上記インバータユニット、回転子、固定子の順に冷却するように構成されて、ることを特徴とする請求項 1なヽし 4 の！ヽずれかに記載の車両用回転電機装置。

[6] 上記固定子卷線は、平角線もしくは平角状に整列または成形された固定子コイルで構成されて、ることを特徴とする請求項 1な、し 5の、ずれかに記載の車両用回転電機装置。

上記固定子卷線のコイルターン部の断面形状は丸状であることを特徴とする請求項 6記載の車両用回転電機装置。