(57)【要約】【課題】回転電機に過電流時が流れた場合に適切に過電流を遮断でき、通常状態での効率等の性能に影響を与えない制御装置一体型回転電機を得る。【解決手段】電機子電流を通電するためのスイッチング素子を有したパワーモジュール２０、界磁電流を通電するためのスイッチング素子を有した界磁モジュール２１、パワーモジュール及び界磁モジュールを制御する制御モジュール２５を備え、外部電源２６からパワーモジュール２０と界磁モジュール２１に電力を入出力するバスバー２３は、外部電源と接続される外部接続部２７と、パワーモジュール及び界磁モジュールと接続されるモジュール接続部２８と、外部接続部とモジュール接続部を接続する中間接続部２９で構成され、中間接続部２９は外部接続部およびモジュール接続部よりも融点が低い材料で構成されている。【選択図】図３
2018137856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線に電機子電流を通電するためのスイッチング素子を有したパワーモジュール、界磁巻線に界磁電流を通電するためのスイッチング素子を有した界磁モジュール、前記パワーモジュール及び前記界磁モジュールを制御する制御モジュールを備えた制御装置を回転電機と一体にしたものにおいて、外部電源から前記パワーモジュールと前記界磁モジュールに電力を入出力するバスバーは、前記外部電源と接続される外部接続部と、前記パワーモジュール及び前記界磁モジュールと接続されるモジュール接続部と、前記外部接続部と前記モジュール接続部を接続する中間接続部で構成され、前記中間接続部は前記外部接続部および前記モジュール接続部よりも融点が低い材料で構成されていることを特徴とする制御装置一体型回転電機。
【請求項２】
前記外部接続部および前記モジュール接続部は銅で構成し、前記中間接続部はアルミで構成したことを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
【請求項３】
前記中間接続部は、前記外部接続部と前記モジュール接続部を接続する半田で構成したことを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
【請求項４】
前記バスバーを保持するケースに、前記中間接続部が溶融した場合に溶融した中間接続部の材料を収容する収納部が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の制御装置一体型回転電機。
【請求項５】
前記中間接続部は、複数のワイヤーで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばエンジンに接続される回転電機の過電流保護を行うための構造を有した制御装置一体型回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から回転電機において、回転電機を駆動制御する制御回路に過電流が流れた場合の保護について種々提案されている。
交流発電機で発電された電流を整流器で整流してバッテリに充電する車両用交流発電機において、整流器の出力端子と外部への補助出力端子間をヒュージブルリンクで接続することで、回路に過大な電流が流れた場合に回路や電気機器を保護するようにしたものがある(例えば特許文献１参照)。
【０００３】
また、固定子巻線に固定子電流を供給する制御装置であるインバータパワー回路を備えた制御装置一体型回転電機において、インバータパワー回路にバッテリから電力を供給するバスバーを備え、そのバスバーの一部の断面積を他の部分の断面積よりも小さく構成してヒューズの機能を持たせ、過電流時の発熱で溶断させるようにしたものがある(例えば
特許文献２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−８０１１７号公報（図４）
【特許文献２】特開２０１１−９７８０６号公報（段落００２７、図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のように整流器の出力端子と補助出力端子間をヒュージブルリンクで接続する場合、二つの出力端子を備える必要があり、部品点数の増加によるコストアップや回転電機が大型化する。また、ヒュージブルリンクが外部に露出している場合、ヒュージブルリンクに異物が当たることで切断される可能性がある。
【０００６】
また、特許文献２のように制御装置のバスバーの一部の断面積を小さくすると、その部分の抵抗が上がり、その結果過電流時にその部分を発熱させて溶断させてしまう。一方で通常動作時でも発熱が発生するため、制御装置の損失が増えて効率が悪化する。また、バスバーの発熱により周囲部品の温度が上昇するため、回転電機の使用温度に制限が掛かる。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、回転電機に過電流時が流れた場合に適切に過電流を遮断でき、通常状態での効率等の性能に影響を与えない制御装置一体型回転電機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係わる制御装置一体型回転電機は、電機子巻線に電機子電流を通電するためのスイッチング素子を有したパワーモジュール、界磁巻線に界磁電流を通電するためのスイッチング素子を有した界磁モジュール、パワーモジュール及び界磁モジュールを制御する制御モジュールを備えた制御装置を回転電機と一体にしたものにおいて、外部電源からパワーモジュールと界磁モジュールに電力を入出力するバスバーは、外部電源と接続される外部接続部と、パワーモジュール及び界磁モジュールと接続されるモジュール接続部と
、外部接続部とモジュール接続部を接続する中間接続部で構成され、中間接続部は外部接続部およびモジュール接続部よりも融点が低い材料で構成されているものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、パワーモジュールや界磁モジュールのスイッチング素子が短絡故障を起こして回転電機に過電流が流れた場合に、バスバーの中間接続部が切断されることで、通電を終了することができ、回転電機の発煙や発火を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる制御装置一体型回転電機の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係わる制御装置一体型回転電機の制御装置の平面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係わる制御装置のバスバーの断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係わる制御装置一体型回転電機の回路図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係わる制御装置のバスバーの断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係わる制御装置のバスバーの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機について図１から図４に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る制御装置一体型回転電機の断面図、図２はこの発明の実施の形態１の制御装置一体型回転電機における制御装置の平面図、図３はこの発明の実施の形態１のバスバーの断面図、図４はこの発明の制御装置一体型回転電機の回路図である。
【００１２】
図１において、回転電機１は、界磁巻線２とこの界磁巻線２を覆う界磁鉄心３とを有する回転子４と、回転子４の外周側に隙間を介して設けられ電機子巻線５を保持する固定子６と、回転子４に固定された回転軸となるシャフト７と、このシャフト７をフロントベアリング８を介して回転自在に保持するフロントブラケット９と、シャフト７をリヤベアリング１０を介して回転自在に保持するリヤブラケット１１を備えている。なお、固定子６は両ブラケット９、１１に固定されている。
【００１３】
シャフト７のフロント側端部には図示しない内燃機関と双方向にトルクを授受するためにプーリ１２が取り付けられており、プーリ１２に装着されたベルト（図示省略）を介して内燃機関と接続されている。シャフト７のリヤ側端部には回転子４の界磁巻線２に界磁電流を供給するためのスリップリング１３を持ち、スリップリング１３はリヤブラケット１１よりリヤ側に突出している。回転子４の界磁鉄心３の端面には冷却風を発生させるためのファン１４、１５が取り付けられている。また、回転子４の回転位相を検知するための回転センサ１６のロータがスリップリング１３とリヤベアリング１０の間に搭載されている。
【００１４】
リヤブラケット１１のさらにリヤ側には、回転電機１の制御装置としてのインバータアセンブリ１７と、スリップリング１３に接触するブラシを支えるブラシホルダ１８が設けられ、インバータアセンブリ１７の外周にはインバータアセンブリ等を保護するための保護カバー１９が搭載され、保護カバー１９には冷却風を吸入するための吸入口１９ａが空いている。
ブラシホルダ１８とリヤブラケット１１の間には回転センサ１６の固定子が配置され、回転センサ１６の信号配線がインバータアセンブリ１７に接続される。
【００１５】
インバータアセンブリ１７は、回転電機１の駆動時の電機子電流の供給及び発電時の電機子電流の整流を行うためのスイッチング素子を周辺回路とともにまとめたパワーモジュール２０と、界磁電流を制御するためのスイッチング素子を周辺回路とともにまとめた界磁モジュール２１と、パワーモジュール２０と界磁モジュール２１が搭載された冷却用ヒートシンク２２と、図示しない外部電源と各モジュール２０、２１の電力系の端子と接続されるバスバー２３を備えたケース２４と、パワーモジュール２０と界磁モジュール２１を制御するための制御回路が構成された制御モジュール２５で構成されている。
パワーモジュール２０と界磁モジュール２１と制御モジュール２５の電気的な接続関係は後述する図４の回路図で説明する。
【００１６】
回転電機１の制御装置としてのインバータアセンブリ１７は、図２に示すように、パワーモジュール２０や界磁モジュール２１はスイッチング素子等を配線用のリードフレームに搭載し、全体を樹脂成型した構造としている。インバータアセンブリ１７の中央には回転軸のシャフト７が通る空間があり、この空間には界磁巻線２に通電するためのブラシホルダ１８が配置され、空間の周囲にインバータアセンブリ１７が固定される。
【００１７】
次に外部電源（バッテリ）２６と、パワーモジュール２０および界磁モジュール２１の電力系の端子とを接続するバスバー２３について、図２、図３に基づいて詳しく説明する。
バスバー２３は、外部電源（バッテリ）２６と接続するための外部接続端子を備えた外部接続部２７と、各モジュール２０、２１に接続し電力を入出力するモジュール接続部２８と、外部接続部２７とモジュール接続部２８を接続する中間接続部２９で構成されている。実施の形態１では中間接続部２９は外部接続部２７とモジュール接続部２８より融点の低い材料を使用する。
【００１８】
図２、図３に示す様に、この発明の実施の形態１ではバスバー２３を外部接続部２７、モジュール接続部２８、中間接続部２９で構成し、中間接続部２９を外部接続部２７及びモジュール接続部２８よりも融点が低い素材で構成し、中間接続部２９と外部接続部２７との接続及び中間接続部２９とモジュール接続部２８との接続は圧着または蒸着または溶接などで行い、ねじを用いずに固定している。
【００１９】
バスバー２３の材料について一例をあげると、外部接続部２７及びモジュール接続部２８は銅で製造し、中間接続部２９をアルミの導電板で製造することで、バスバー２３の抵抗を低く保つことができ、制御装置の損失を低く保つことができる。
これにより、各モジュール２０、２１を構成するスイッチング素子がショート故障を起こした場合に、流れる大電流によってバスバー２３が発熱する。発熱によってバスバー２３が高温となると最初に融点の低い中間接続部２９が溶断し、これによってバスバー２３が遮断され、電流を停止することができ、回転電機１の発煙や発火を防止することができる。
【００２０】
図４はこの発明の実施の形態１の制御装置一体型回転電機の回路図であり、実施の形態１では三相の電機子巻線５を２組備えている。
図４において、インバータアセンブリ１７は、電機子巻線５に電機子電流を通電するためのスイッチング素子を周辺回路とともにまとめた２組のパワーモジュール２０と、界磁巻線２に界磁電流を通電制御するためのスイッチング素子を周辺回路とともにまとめた界磁モジュール２１と、外部電源（バッテリ）２６と各モジュール２０、２１の電力系の端子と接続されるバスバー２３と、パワーモジュール２０と界磁モジュール２１を制御するための制御回路が構成された制御モジュール２５で構成されている。
【００２１】
次に、この発明の実施の形態１の制御装置一体型回転電機の動作を図４に基づいて説明
する。
回転電機１を電動機として動作する場合には、制御モジュール２５から界磁モジュール２１に界磁電流を流すように指示を行い、界磁巻線２が励磁される。次にパワーモジュール２０に三相交流波形を流すことで回転子４が回転し、トルクを出力する。
一方で回転電機１を発電機として動作する場合は、外部コントローラから必要な発電電流の指示を受け、制御モジュール２５が要求された発電電流に応じた界磁電流を流すように界磁モジュール２１に指示を出す。また、制御モジュール２５が相電圧を測定し、出力電圧が所定値を超えた場合にスイッチング素子を切り替えるようにパワーモジュール２０に指示することで、電機子巻線５に発生する交流電流を直流電流へ整流を行う。
【００２２】
回転電機１を駆動する場合にはパワーモジュール２０のスイッチング素子を所定の順番にオン・オフをして電機子巻線５に通電を行うが、特に回転電機１が低速の状態でオン・オフする場合にはスイッチング素子で大電流を遮断することになり、大きなサージ電圧が発生する。特にスイッチング素子にＭＯＳＦＥＴ等を使用すると、このサージ電圧が耐量を越えてアバランシェ崩壊を起こす。スイッチング素子はアバランシェ崩壊を起こした状態で大電流を通電するため、スイッチング素子がショート故障する可能性がある。スイッチング素子がショート故障を起こした場合、回転電機１には大電流が通電され続けることになり、電流経路の各部が発熱し、最悪の場合回転電機１が発煙または発火を起こす危険がある。
【００２３】
この発明の実施の形態１のように、外部電源２６とパワーモジュール２０および界磁モジュール２１とを接続するバスバー２３を、外部接続部２７、モジュール接続部２８、中間接続部２９で構成し、中間接続部２９を外部接続部２７及びモジュール接続部２８よりも融点が低い素材で構成することで、スイッチング素子がショート故障を起こした場合に、流れる大電流によってバスバー２３が発熱する。発熱によってバスバー２３が高温となると最初に融点の低い中間接続部２９が溶断し、これによってバスバー２３が遮断され、電流を停止することができ、回転電機１の発煙や発火を防止することができる。
【００２４】
また、図２及び図３のように、バスバー２３を保持するケース２４に溶けた中間接続部２９の材料を収納する収納部３０を設けてもよい。中間接続部２９が溶融した場合に溶融した部分が収納部３０に移動するようにすることで、早期にバスバー２３を切断できる。
中間接続部２９が溶融しただけでは、溶融した材料がその場に留まるので、導通したままとなるため、溶けた材料を逃がすスペースとして収納部３０を設け、バスバー２３の接続部から導電物質が除去されるようにすることで、確実に電流を遮断することができる。
【００２５】
以上のように実施の形態１の発明は、バスバー２３は外部接続部２７とモジュールと接続されるモジュール接続部２８と両者を接続する中間接続部２９で構成され、バスバー２３に過電流が流れた場合に中間接続部２９が切断される構造を備えている。このような構造とすることで、パワーモジュール２０や界磁モジュール２１のスイッチング素子が短絡故障を起こして回転電機１に過電流が流れる場合に、中間接続部２９が切断されることで、通電を終了することができ、回転電機１の発煙や発火を防止することができる。
【００２６】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る制御装置一体型回転電機について図５に基づいて説明する。
図５は制御装置のバスバーの断面図であり、バスバー２３は実施の形態１と同様に、外部接続部２７とモジュール接続部２８と両者を接続する中間接続部２９で構成されているが、中間接続部２９がアルミなどの導電板に代わって半田で構成されている。その他の構成は実施の形態１と同じにつき、説明を省略する。
【００２７】
実施の形態２の発明によれば、中間接続部２９を実施の形態１よりも低温で溶融するように構成することができ、パワーモジュール２０や界磁モジュール２１のスイッチング素子が短絡故障を起こして回転電機１に過電流が流れる場合に、速やかにバスバー２３を切断できる。さらに外部接続部２７とモジュール接続部２８を簡易に接続することが可能となり、制御装置の生産性が向上する。
【００２８】
また、図５に示すように、実施の形態１と同様に、バスバー２３を保持するケース２４に溶けた中間接続部２９の半田を収納する収納部３０を設けてもよい。中間接続部２９が溶融した場合に、溶融した部材が収納部３０に移動するようにすることで、早期にバスバーを切断できる。
中間接続部２９が溶融しただけでは、溶融した状態で中間接続部２９はその場に留まるので、バスバー２３の導通が維持されてしまう。このためケース２４に中間接続部２９が溶融した場合に流れて外部接続部２７とモジュール接続部２８の導通を遮断できるように溶融した中間接続部２９を収納する収納部３０を用意する。バスバー２３の接続部から導電物質が除去されるようにすることで、確実に過電流時にバスバー２３の通電を遮断することができる。
【００２９】
以上のように実施の形態２の発明は、バスバー２３の中間接続部２９を半田で構成するようにしているから、外部接続部２７とモジュール接続部２８との接続を簡易に行うことが可能となり、工作性が向上する。また、半田の融点は銅やアルミなどと比べて低いので、過電流が流れた場合により確実にバスバーを切断することができる。
【００３０】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る制御装置一体型回転電機について図６に基づいて説明する。
図６はこの発明の実施の形態３の制御装置のバスバーの断面図であり、バスバー２３は実施の形態１と同様に、外部接続部２７とモジュール接続部２８と両者を接続する中間接続部２９で構成されているが、中間接続部２９が複数本の銅やアルミのワイヤーで構成されている。その他の構成は実施の形態１と同じにつき、説明を省略する。
【００３１】
ワイヤーの中間接続部２９は外部接続部２７とモジュール接続部２８にワイヤーボンディング工法で接続される。このように構成することで、通常の使用条件では十分な低抵抗の接続を実現できる。一方でスイッチング素子のショート故障等で大電流が流れる場合には、ワイヤーが切断され、電流を遮断することができる。これによってバスバー２３が遮断され、電流を停止することができ、回転電機１の発煙や発火を防止することができる。
【００３２】
以上のように実施の形態３の発明は、中間接続部２９として複数のワイヤーを使用し、外部接続部２７とモジュール接続部２８を接続する。中間接続部２９にワイヤーを使用することで過電流が流れるとワイヤーの電流容量の上限を超えて、ワイヤーが切断する。これにより、制御装置に流れる電流を遮断し、回転電機１の発煙や発火を防止することができる。
【００３３】
以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、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、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１：回転電機、２：界磁巻線、３：界磁鉄心、４：回転子、５：電機子巻線、
６：固定子、７：シャフト（回転軸）、９：フロントブラケット、
１１：リヤブラケット、１７：インバータアセンブリ、１８：ブラシホルダ、
１９：保護カバー、２０：パワーモジュール、２１：界磁モジュール、
２２：冷却用ヒートシンク、２３：バスバー、２４：ケース、２５：制御モジュール、
２６：外部電源（バッテリ）、２７：外部接続部、２８：モジュール接続部、
２９：中間接続部、３０：収納部
【図１】
2018137856.tif 000003
【図２】
2018137856.tif 000004
【図３】
2018137856.tif 000005
【図４】
2018137856.tif 000006
【図５】
2018137856.tif 000007
【図６】
2018137856.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月10日(2018.1.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線に電機子電流を通電するためのスイッチング素子を有したパワーモジュール、界磁巻線に界磁電流を通電するためのスイッチング素子を有した界磁モジュール、前記パワーモジュール及び前記界磁モジュールを制御する制御モジュールを備えた制御装置を回転電機と一体にしたものにおいて、外部電源から前記パワーモジュールと前記界磁モジュールに電力を入出力するバスバーは、前記外部電源と接続される外部接続部と、前記パワーモジュール及び前記界磁モジュールと接続されるモジュール接続部と、前記外部接続部と前記モジュール接続部を接続する中間接続部で構成され、前記中間接続部は前記外部接続部および前記モジュール接続部よりも融点が低い材料で構成され、前記パワーモジュール又は前記界磁モジュールのスイッチング素子の短絡故障による過電流が流れた場合に、前記中間接続部を溶断するようにしたことを特徴とする制御装置一体型回転電機。
【請求項２】
前記外部接続部および前記モジュール接続部は銅で構成し、前記中間接続部はアルミで構成したことを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
【請求項３】
前記中間接続部は、前記外部接続部と前記モジュール接続部を接続する半田で構成したことを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
【請求項４】
前記バスバーを保持するケースに、前記中間接続部が溶融した場合に溶融した中間接続部の材料を収容する収納部が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の制御装置一体型回転電機。
【請求項５】
前記中間接続部は、複数のワイヤーで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の制御装置一体型回転電機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この発明に係わる制御装置一体型回転電機は、電機子巻線に電機子電流を通電するためのスイッチング素子を有したパワーモジュール、界磁巻線に界磁電流を通電するためのスイッチング素子を有した界磁モジュール、パワーモジュール及び界磁モジュールを制御する制御モジュールを備えた制御装置を回転電機と一体にしたものにおいて、外部電源からパワーモジュールと界磁モジュールに電力を入出力するバスバーは、外部電源と接続される外部接続部と、パワーモジュール及び界磁モジュールと接続されるモジュール接続部と、外部接続部とモジュール接続部を接続する中間接続部で構成され、中間接続部は外部接続部およびモジュール接続部よりも融点が低い材料で構成され、パワーモジュール又は界磁モジュールのスイッチング素子の短絡故障による過電流が流れた場合に、中間接続部を溶断するようにしたものである。