JP6485705B2

JP6485705B2 - 電力変換装置および回転電機

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Inventors: 伸男磯貝; 磯貝　　伸男
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Description

本発明は、一以上の半導体モジュールをハウジング内に含む電力変換装置と、当該電力変換装置を一以上有する回転電機に関する。

従来では、例えば下記の特許文献１において、組み立てが容易で信頼性の高い制御装置を備えることを目的とする回転電機に関する技術が開示されている。この回転電機は、ケースに固定され、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電力変換回路を制御する制御回路部を制御装置として有する。パワーモジュール構成体は、パワーモジュール，ハウジング，ヒートシンクを備える。パワーモジュールは、第１のリードフレーム，第２のリードフレーム，第３のリードフレームを備える。ハウジングは、第１の開口部，第２の開口部，電力接続部材，信号接続部材を備える。

特許第５７７４２０７号公報

しかし、特許文献１の回転電機を製造するには、リードフレームと信号接続部材との電気的な接続をハウジングの内部で行う必要がある。例えば溶接を行う溶接電極などのような接続用器具は、第２の開口部からハウジングの内部に入れなければならず、干渉によるハウジングの損傷防止のために第２の開口部を大きく確保しなければならない。結果として、ハウジングの体格が大きくなるため、回転電機の体格も大きくならざるを得ないという問題点があった。

本開示はこのような点に鑑みてなしたものであり、従来よりも小型化できる電力変換装置および回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、ハウジング（２０４）の内部に一以上の半導体素子（Ｑ１，Ｑ２，Ｄ１，Ｄ２）を備える半導体モジュール（２０３）によって、回転電機（１０）の固定子巻線（１４ａ）と外部の直流電源（Ｅ）との間で電力を変換する電力変換装置において、前記半導体モジュールの所定面（Ｓ２）と直接的または間接的に面接触して冷却する冷却器（２０２）と、前記半導体モジュールから延びて前記冷却器とは反対方向に曲げられた複数の外部リードフレーム（２０３ｄ）と、前記ハウジングの内部に配置されるとともに、前記ハウジングから延びて前記外部リードフレームと同一方向に曲げられた複数の接続部材（２０４ａ）と、前記外部リードフレームの先端部（Ｔ２）と前記接続部材の先端部（Ｔ１）とは、ともに前記所定面に対向する前記ハウジングの対向面（Ｓ１）から突出して延びており、前記先端部どうしが電気的に接続された接続部（２０７）と、前記対向面から前記接続部まで、前記外部リードフレームと前記接続部材とを含めて囲うキャップ部（２０８）と、前記ハウジングと前記冷却器とで囲まれた空間（ＳＰ２）と、前記キャップ部の内部空間（ＳＰ１）とに充填された絶縁性の樹脂（２０９）とを有する。この構成によれば、外部リードフレームと接続部材の各先端部はともに半導体モジュールの対向面から突出して延びている。そのため、ハウジングに大きな開口部を確保する必要がないので、外部リードフレームと接続部材が延びる方向の長さが抑えられるので、ハウジング全体の体格を従来よりも小型化できる。

第２の発明は、前記半導体モジュールは、前記一以上の半導体素子がモールド樹脂（２０３ａ）によりモールドされる。この構成によれば、素子実装の小型化を図ることができる。

第３の発明は、前記半導体モジュールは、前記所定面を含めて前記冷却器によって冷却される冷却部位（２０３ｂ）に配置され、前記外部リードフレームよりも板厚が大きい内部リードフレーム（２０３ｃ）を有する。この構成によれば、半導体素子で生じる熱を効率良く冷却器に伝導することができる。

第４の発明は、前記半導体モジュールは、上アームに配置される前記半導体素子（Ｑ１，Ｄ１）と、下アームに配置される前記半導体素子（Ｑ２，Ｄ２）とが直列接続された素子ペアを一以上有する。この構成によれば、内部リードフレームや外部リードフレームの数を低減でき、実装面積の低減によって小型化を図ることができる。

第５の発明は、前記複数の外部リードフレームは、前記半導体モジュールにおける対向する二面から延びる。この構成によれば、電位差が大きな外部リードフレームを二面に分けることで、腐食に対する信頼性を向上することができる。

第６の発明は、前記半導体モジュールの前記所定面と前記冷却器との間に介在され、前記樹脂よりも熱伝導性が高い絶縁部材を有する。この構成によれば、半導体モジュールで生じる熱を効率良く冷却器に伝導して、半導体モジュールを冷却することができる。

第７の発明は、前記キャップ部の先端部位（２０８ｂ）は、前記ハウジングに設けられた被嵌合部位（２０４ｅ）と嵌合する嵌合部位（２０８ａ）を有する。この構成によれば、嵌合によるラビリンス構造とすることで充填された樹脂の漏れをより確実に防止することができる。

第８の発明は、前記キャップ部は、前記ハウジングの一部として前記半導体モジュールを囲う。この構成によれば、キャップ部はハウジングの一部として機能するので、小型化に寄与する。

第９の発明は、回転子（２１）と、前記回転子に対向して設けられる固定子（１４）と、前記回転子を回転自在に支持するとともに前記固定子を保持するフレーム（１２，１２Ｆ，１２Ｒ）とを有する回転電機（１０）において、請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換装置を一以上有する。この構成によれば、電力変換装置の体格が小さくなるので、回転電機の体格も従来より小型化できる。

第１０の発明は、前記電力変換装置の前記ハウジングは、前記フレームの外側面（ＳＯ）に固定される。この構成によれば、固定子で発生した熱が冷却器に伝導するのを抑制することができる。

なお「半導体素子」は、スイッチング素子，ダイオード，トランジスタ，ＩＣ，ＬＳＩなどを含む。「スイッチング素子」は、スイッチング動作が可能な任意の半導体素子を適用できる。例えば、ＦＥＴ（具体的にはＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ等）、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタなどが該当する。「電力変換装置」は、回転電機の巻線と直流電源との間で電力を変換できれば、任意に構成してよい。「半導体モジュール」は、一以上の半導体素子，外部リードフレーム，内部リードフレーム，ハウジングなどを含む。「ハウジング」は、一以上の半導体素子，外部リードフレーム，内部リードフレームが備えられることを条件として、任意の形状や任意材料を適用してよい。「冷却器」は、空冷式でもよく、水冷式でもよい。「樹脂」は、絶縁性を示せば任意の材料を適用してよい。「回転電機」は、回転する部材（例えば軸やシャフト等）を有する機器であれば任意である。例えば、発電機，電動機，電動発電機等が該当する。発電機には電動発電機が発電機として作動する場合を含み、電動機には電動発電機が電動機として作動する場合を含む。

回転電機の構成例を模式的に一部断面で示す断面図である。図１に示す矢印II方向から見た平面図である。電力変換装置の外観を模式的に示す平面図である。ハウジングの構成例を示す模式図である。半導体モジュールの第１構成例を示す模式図である。半導体モジュールの第２構成例を示す模式図である。半導体モジュールの第３構成例を示す模式図である。半導体モジュールと冷却器とを接着する様子を示す模式図である。接続対象の先端部を合わせた状態を示す模式図である。接続後の先端部を示す模式図である。第１嵌合例を模式的に示す断面図である。電力変換装置の第１構成例を模式的に示す断面図である。対向する二面から複数の外部リードフレームが延びる半導体モジュールの構成例を示す断面図である。電力変換装置の第２構成例を模式的に示す断面図である。電力変換装置の第３構成例を模式的に示す断面図である。第２嵌合例を模式的に示す断面図である。第３嵌合例を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。磁性材は、主に軟磁性材であるが、磁束が流れることを条件として材料や構成などを問わない。固定は、例えばボルトやネジ等の締結部材を用いて行う締結でもよく、母材を溶かして溶接等を行う接合でもよく、接着剤を用いる接着でもよく、二種類以上を組み合わせてもよい。

〔実施の形態１〕
実施の形態１は図１〜図１２を参照しながら説明する。実施の形態１では、一面から複数の外部リードフレームが延びる半導体モジュールを適用する。

図１に示す回転電機１０は、インナーロータ型であって、固定子１４，回転子２１，冷却ファン１３などをフレーム１２内に有する。

フレーム１２は、上述した要素を収容できれば任意の形状で成形してよく、図１は一例に過ぎない。本形態のフレーム１２は、図１に示すフロントフレーム１２Ｆやリアフレーム１２Ｒなどを有する。フレーム１２には、複数の冷却風吐出孔２２や複数の冷却風吸入孔２３などが設けられる。フレーム１２はブラケットや筐体などに相当する。なお、後述する電力変換装置２０内に配置が困難な大きさの電子部品（例えばコイル，コンデンサ等）やセンサ（例えば回転角検出センサ等）などをフレーム１２内に収容してもよい。

「電機子」に相当する固定子１４は、固定子巻線１４ａや固定子コア１４ｂなどを有する。固定子巻線１４ａは、三相以上の巻線であり、固定子コア１４ｂに含まれるスロットに収容されて組み込まれる。本形態の固定子コア１４ｂは、渦電流の発生を抑制して鉄損を低く抑えるために、多数の電磁鋼板を積層した積層鋼板で構成する。固定子１４は、後述する回転子２１との間にエアギャップを介して配置される。エアギャップの大きさ（あるいは間隔）は、固定子１４と回転子２１との間で磁束が流れ、かつ、接触等により損傷を防止する限りにおいて任意に設定してよい。

回転子２１は、一対の回転子コア２１ａ，２１ｃや、回転子巻線２１ｂなどを有する。回転子コア２１ａと回転子コア２１ｃは、磁性体で成形され、所定形状を軸方向に対向させて構成される。本形態の回転子コア２１ａ，２１ｃは、固定子コア１４ｂと同様に積層鋼板で構成するとともに、それぞれ複数の爪状磁極を有する（図示せず）。各爪状磁極は、固定子コア１４ｂ側の端部において周方向に並べて設けられ、軸方向に所定ピッチで先細り状に形成される。周方向は、径方向と直交する方向であって図２に示す。

回転子コア２１ａ，２１ｃの所定形状は、例えば爪状磁極を有する部位が図１に示すようなＬ字状の断面形状であり、爪状磁極以外の部位が円形状である。断面形状はＬ字状に限らず、Ｊ字状やＵ字状などのような他の形状でもよい。円形状には、円環形状，円板形状，円筒形状などを含む。回転子コア２１ａの爪状磁極と、回転子巻線２１ｂの爪状磁極とは、噛み合わせるように対向させて互い違いに設けられる。回転子コア２１ａ，２１ｃは、少なくとも爪状磁極を含めて磁性体で成形される。

「界磁巻線」に相当する回転子巻線２１ｂは、回転子コア２１ａと回転子コア２１ｃとの間に挟まれるように設けられる。回転子巻線２１ｂへの通電によって、回転子コア２１ａの爪状磁極と、回転子コア２１ｃの爪状磁極とは、互いに異なる磁極（すなわちＮ極またはＳ極）で磁化される。

複数の冷却ファン１３は、冷却部の一例である。各冷却ファン１３は、固定子巻線１４ａに近づけて、回転子２１の軸方向端面に固定される。回転子２１とともに冷却ファン１３が回転すると、冷却風吸入孔２３から冷却風を吸入し、冷却風吐出孔２２から冷却風を吐出する。冷却風がフレーム１２内を流れることで、ブラシホルダ１６や固定子１４などを含めて回転電機１０の全体を冷却することができる。

「シャフト」とも呼ばれる回転軸２４は、フレーム１２との間に軸受１９が介在されることにより、回転自在に支持される。この回転軸２４は、回転子２１と直接的（あるいは間接的）に固定され、回転子２１と一体に回転する回転体でもある。

回転軸２４は、一端側（例えば図１の左側）にプーリ１１が固定部材２５を用いて固定され、他端側（例えば図１の右側）にスリップリング１８が固定されている。図示しないが、プーリ１１には車両に搭載される内燃機関の回転軸との間で伝達ベルトが巻き掛けられる。回転電機１０と内燃機関との間は、伝達ベルトを介して動力の授受が行われる。

レギュレータ１５は、外部装置３０から送信された情報に基づいて回転子巻線２１ｂへの界磁電流を調整する。このレギュレータ１５は、電力変換装置２０に備えられるスイッチング素子の制御端子との接続を含んでもよい。この接続により、外部装置３０から回転電機１０の回転や停止を制御できる。また、レギュレータ１５は、電力変換装置２０と接続されてもよいし、接続されていなくてもよい。

スリップリング１８は、導電線を用いて回転子巻線２１ｂと接続されている。このスリップリング１８は、ブラシホルダ１６に含まれるブラシ１７と接触することで、電力や信号等を伝達可能に接続される。絶縁性のブラシホルダ１６は、ブラシ１７を収容して保持するとともに、回転子巻線２１ｂとレギュレータ１５との間で電力や信号を伝達するために接続するターミナルを含む。ブラシ１７には、陽極用と陰極用のブラシがある。

外部装置３０は、固定子巻線１４ａや回転子巻線２１ｂに電流を流して回転電機１０の回転制御を行ったり、固定子巻線１４ａで発電した電力を直流電源Ｅに充電する制御を行ったりする。この外部装置３０は、例えばＥＣＵやコンピュータ等を含む。ＥＣＵは「Electronic Control Unit」の頭文字からなる略称である。なお、外部装置３０は図１に示すように回転電機１０の外部に備えてもよく、図２に示す電力変換装置２０と同様に回転電機１０に備えてもよい。

直流電源Ｅは、燃料電池，太陽電池，リチウムイオン電池，鉛蓄電池などのうちで一以上を含む。燃料電池や太陽電池は、直流電力を出力できる一次電池に相当する。リチウムイオン電池や鉛蓄電池は、直流電力の放電と蓄電ができる二次電池に相当する。本形態の回転電機１０は、力行と回生が行える点でリチウムイオン電池や鉛蓄電池のような二次電池が適する。

図２に示すリアフレーム１２Ｒの外側面ＳＯには、一以上の電力変換装置２０が固定される。電力変換装置２０は、回転電機１０の巻線（すなわち固定子巻線１４ａや回転子巻線２１ｂ）と直流電源Ｅとの間で電力を変換して伝達する。力行時の直流電源Ｅは、電力変換装置２０を介して回転電機１０の巻線に電力を供給する。回生時の直流電源Ｅは、回転電機１０の巻線から電力変換装置２０を介して電力を蓄電する。

図２は、ブラシホルダ１６を囲むように、三つの電力変換装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを外側面ＳＯに固定した例を示す。それぞれが電力変換装置２０に相当する電力変換装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、隣り合う電力変換装置の相互間で電力や信号等を伝達可能に接続される。複数の電力変換装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは端子部２０１の形状を除いて同等の構成であるので、以下では電力変換装置２０Ａを代表して説明する。

図３に示す電力変換装置２０Ａは、ハウジング２０４を基体として、端子部２０１，２０５、冷却器２０２、半導体モジュール２０３などを有する。端子部２０１は、車両側ハーネスと接続するための出力端子であって、当該車両側ハーネスを介して直流電源Ｅと接続される。端子部２０５は、他の電力変換装置２０と接続する部位である。すなわち、電力変換装置２０Ａの端子部２０１は出力端子に相当する。電力変換装置２０Ｂ，２０Ｃの端子部２０１と、電力変換装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの端子部２０５は、いずれも他の電力変換装置２０と接続する部位である。

冷却器２０２は、半導体モジュール２０３と面接触して、半導体モジュール２０３を冷却する。本形態の冷却器２０２は、空冷式の冷却フィンやヒートシンクを適用する。図３の冷却器２０２は、複数のフィン部２０２ａと、一の本体部２０２ｂとを有する。

半導体モジュール２０３は、図８〜図１２に示すように、一以上の半導体素子がモールド樹脂２０３ａでモールドされており、ハウジング２０４の内部に備えられる。本形態の半導体素子には、後述するようにスイッチング素子やダイオードを適用する。なお、図３に示すように、半導体モジュール２０３の一部がハウジング２０４から露出するように構成される。

図４に示すハウジング２０４は、絶縁性の樹脂で成形される本体部２０４ｄを基体として、複数の接続部材２０４ａ、一以上の端子部２０４ｂ、複数の壁部２０４ｃなどを有する。本体部２０４ｄは、長手方向Ｘが幅方向Ｙよりも長くなるように成形される。なお、長手方向Ｘと幅方向Ｙは、いずれも図２に示す外側面ＳＯに沿う方向である。

複数の接続部材２０４ａには、図３に破線で示すようにハウジング２０４の内部に配置される接続部材２０４ａと、図４に示すようにハウジング２０４から外部に延びて幅方向Ｙに曲げられた接続部材２０４ａとを含む。

一以上の端子部２０４ｂは、図３に示すように接続部材２０４ａと接続されるとともに、図４に示すように幅方向Ｙに突出して設けられた部位である。なお、図４に示されるように端子部２０４ｂは接続部材２０４ａよりも突出して成形してもよく、図示を省略するが接続部材２０４ａよりも突出しないように成形してもよい。

複数の壁部２０４ｃは、図４に示すように接続部材２０４ａや端子部２０４ｂとは反対側の幅方向Ｙ方向に突出しており、かつ、長手方向Ｘに向かい合うように設けられた部位である。長手方向Ｘにおける壁部２０４ｃの相互間には、二点鎖線で示す半導体モジュール２０３が配置される。図示しないが、図４における壁部２０４ｃと半導体モジュール２０３の上側には、図３に示すように冷却器２０２が配置される。

半導体モジュール２０３に含まれる回路構成例について、図５〜図７を参照しながら説明する。半導体モジュール２０３は、図５に示す半導体モジュールＭ１、図６に示す半導体モジュールＭ２、図７に示す半導体モジュールＭ３などのうちで一以上を含む。なお半導体モジュール２０３には、半導体モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３のほかに、後述する図８〜図１２に示す内部リードフレーム２０３ｃや外部リードフレーム２０３ｄなども有する。半導体モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３の各実現形態は任意であり、例えば基板上に半導体素子を配置して接続することで実現してもよく、半導体チップで実現してもよい。

図５に示す半導体モジュールＭ１は、ＩＧＢＴのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２や、還流用のダイオードＤ１，Ｄ２などを有する。スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１は上アームに配置され、スイッチング素子Ｑ２とダイオードＤ２は下アームに配置される。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２は直列接続された素子ペアである。ダイオードＤ１はスイッチング素子Ｑ１に並列接続され、ダイオードＤ２はスイッチング素子Ｑ２に並列接続される。スイッチング素子Ｑ１は、入力端子（例えばコレクタ端子など）が接続端子Ｐｄに接続され、制御端子（例えばゲート端子など）が接続端子Ｐg1に接続される。スイッチング素子Ｑ２は、出力端子（例えばエミッタ端子など）が接続端子Ｐｓに接続され、制御端子が接続端子Ｐg2に接続される。スイッチング素子Ｑ１の出力端子とスイッチング素子Ｑ２の入力端子とは接続点Ｐ１で接続されるとともに、接続端子Ｐm1に接続される。接続端子Ｐｄ，Ｐg1，Ｐg2，Ｐｓ，Ｐm1は、それぞれが内部リードフレーム２０３ｃで接続されたり、外部リードフレーム２０３ｄとして半導体モジュール２０３の外部に延びたりする。

図６に示す半導体モジュールＭ２は、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２などを有する。半導体モジュールＭ２は半導体モジュールＭ１と比べて、素子内部に寄生ダイオードを持つために外付けのダイオードＤ１，Ｄ２が無い点が相違する。スイッチング素子Ｑ１の出力端子とスイッチング素子Ｑ２の入力端子とは接続点Ｐ２で接続されるとともに、接続端子Ｐm1に接続される。接続端子Ｐｄ，Ｐg1，Ｐg2，Ｐｓ，Ｐm1は、それぞれが内部リードフレーム２０３ｃで接続されたり、外部リードフレーム２０３ｄとして半導体モジュール２０３の外部に延びたりする。図示を省略するが、半導体モジュールＭ１に適用したＩＧＢＴや、半導体モジュールＭ２に適用したＭＯＳＦＥＴに代えて、ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ，ＧＴＯ，パワートランジスタなどを適用してもよい。

図７に示す半導体モジュールＭ３は、ダイオードＤ１，Ｄ２などを有する。半導体モジュールＭ３は半導体モジュールＭ１と比べて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が無い点が相違する。ダイオードＤ１とダイオードＤ２は直列接続された素子ペアである。ダイオードＤ１のカソード端子は接続端子Ｐｋに接続される。ダイオードＤ２のアノード端子は接続端子Ｐａに接続される。ダイオードＤ１のアノード端子とダイオードＤ２のカソード端子とは接続点Ｐ３で接続されるとともに、接続端子Ｐm2に接続される。接続端子Ｐｋ，Ｐａ，Ｐm2は、それぞれが内部リードフレーム２０３ｃで接続されたり、外部リードフレーム２０３ｄとして半導体モジュール２０３の外部に延びたりする。

電力変換装置２０の構成例について、図８〜図１２を参照しながら説明する。図８〜図１２では、半導体モジュール２０３に含まれるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２やダイオードＤ１，Ｄ２の図示を省略する。交差方向Ｚは、幅方向Ｙに交差する方向であり、本体部２０２ｂの長手方向に沿う方向である。

図８において、半導体モジュール２０３の所定面Ｓ２と、冷却器２０２の本体部２０２ｂとを面接触して接着するために、絶縁性の接着剤２０６を介在させる。接着剤２０６は、後述する図１２に示す樹脂２０９よりも熱伝導性が高い材料の接着剤を用いるとよい。半導体モジュール２０３に内在される内部リードフレーム２０３ｃは、外部リードフレーム２０３ｄよりも板厚を大きくして、冷却部位２０３ｂに配置するとよい。冷却部位２０３ｂは、冷却器２０２と間接的に接する所定面Ｓ２を含む部位である。すなわち、内部リードフレーム２０３ｃは、冷却効率を高めるために、一部または全部がモールド樹脂２０３ａから露出してもよい。半導体モジュール２０３から延びる外部リードフレーム２０３ｄは、幅方向Ｙにおいて冷却器２０２とは反対方向に曲げられる。

図９において、ハウジング２０４から延びる接続部材２０４ａにかかる先端部Ｔ１と、半導体モジュール２０３から延びる外部リードフレーム２０３ｄにかかる先端部Ｔ２とを揃える。接続部材２０４ａは、外部リードフレーム２０３ｄと同様に、幅方向Ｙにおいて冷却器２０２とは反対方向に曲げられる。先端部Ｔ１，Ｔ２は、ハウジング２０４の対向面Ｓ１から外側の幅方向Ｙ（例えば図９では左側）に突出して延びている。

図１０に示す接続部２０７は、先端部Ｔ１，Ｔ２を接続した部位である。電気的に接続が行えれば任意であり、本形態では溶接やハンダ付け等で接続を行う。先端部Ｔ１，Ｔ２がハウジング２０４の外側にあるので、接続作業を行い易い。そのため、接続部材２０４ａと外部リードフレーム２０３ｄとは、ハウジング２０４の側面（例えば図１０では下側面）に接近して延びていてもよい。

図１１において、対向面Ｓ１から接続部２０７まで外部リードフレーム２０３ｄと接続部材２０４ａとを含めて囲うキャップ部２０８を設ける。キャップ部２０８を設けることによって、キャップ部２０８の内部空間ＳＰ１と、ハウジング２０４と冷却器２０２とで囲まれた空間ＳＰ２とが生じる。

キャップ部２０８は、断面がＪ字状に成形される本体部位２０８ｃを基体とする。キャップ部２０８は、ハウジング２０４の対向面Ｓ１と接触するように設けられる。本体部位２０８ｃの一端部位２０８ｂは「先端部位」に相当し、嵌合部位２０８ａが設けられる。嵌合部位２０８ａは、ハウジング２０４の対向面Ｓ１に設けられる被嵌合部位２０４ｅと嵌合する。本形態では、嵌合部位２０８ａを凸形状とし、被嵌合部位２０４ｅを凹形状とする。なお、キャップ部２０８は樹脂２０９で形成されてもよい。

またキャップ部２０８において、一端部位２０８ｂとは反対側の他端部位２０８ｄは、冷却器２０２の本体部２０２ｂに面接触するように設けられる。他端部位２０８ｄと本体部２０２ｂとの間は、後述する樹脂２０９の漏れを防止するため、図示しない接着剤で接着するとよい。当該接着剤は、接着剤２０６と同じ材料の接着剤でもよく、接着剤２０６とは異なる材料の接着剤でもよい。

さらにキャップ部２０８は、対向面Ｓ１から幅方向Ｙに突出する高さが突出高Ｈ１である。突出高Ｈ１は、端子部２０４ｂが対向面Ｓ１から幅方向Ｙに突出する突出高Ｈ２よりも小さくなるように設定するとよい。この設定によれば、キャップ部２０８がハウジング２０４よりも突出しないので、電力変換装置２０の体格を小さく抑えられる。

図１２に示す電力変換装置２０は、内部空間ＳＰ１と空間ＳＰ２とに樹脂２０９を充填した完成状態である。樹脂２０９は、ハウジング２０４の内部が被水したり、当該内部に粉塵が入ったりするのを防止する機能を担う。また樹脂２０９は、半導体モジュール２０３で発生した熱を冷却器２０２，ハウジング２０４およびキャップ部２０８を介して放熱する機能をも担う。絶縁性の樹脂２０９は、ハウジング２０４と冷却器２０２との間における開口側から充填する。樹脂２０９は、例えば充填後に固化する材料でもよく、充填後に液漏れしない程度の粘度を有する材料でもよい。

上述した実施の形態１によれば、以下に示す各作用効果を得ることができる。

（１）電力変換装置２０は、図３〜図１２に示すように、半導体モジュール２０３の所定面Ｓ２と間接的に面接触して冷却する冷却器２０２と、半導体モジュール２０３から延びて冷却器２０２とは反対方向に曲げられた複数の外部リードフレーム２０３ｄと、ハウジング２０４の内部に配置されるとともにハウジング２０４から延びて外部リードフレーム２０３ｄと同一方向に曲げられた複数の接続部材２０４ａと、外部リードフレーム２０３ｄの先端部Ｔ２と接続部材２０４ａの先端部Ｔ１とが接続された接続部２０７と、対向面Ｓ１から接続部２０７まで外部リードフレーム２０３ｄと接続部材２０４ａとを含めて囲うキャップ部２０８と、ハウジング２０４と冷却器２０２とで囲まれた空間ＳＰ２とキャップ部２０８の内部空間ＳＰ１とに充填された絶縁性の樹脂２０９とを有する。この構成によれば、外部リードフレーム２０３ｄと接続部材２０４ａの先端部Ｔ１，Ｔ２は、ともに所定面Ｓ２に対向するハウジング２０４の対向面Ｓ１から突出して延びている。ハウジング２０４に大きな開口部を確保する必要がなく、外部リードフレーム２０３ｄと接続部材２０４ａが延びる方向の長さが抑えられる。よって、半導体モジュール２０３を含めた電力変換装置２０全体の体格を従来よりも小型化できる。

（２）半導体モジュール２０３は、図５〜図１２に示すように、一以上の半導体素子がモールド樹脂２０３ａによりモールドされる構成とした。この構成によれば、素子実装の小型化を図ることができる。

（３）半導体モジュール２０３は、図８に示すように、所定面Ｓ２を含めて冷却器２０２によって冷却される冷却部位２０３ｂに配置され、外部リードフレーム２０３ｄよりも板厚が大きい内部リードフレーム２０３ｃを有する構成とした。この構成によれば、半導体素子（特に図５，図６に示すスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２）で生じる熱を効率良く冷却器２０２に伝導することができる。

（４）半導体モジュール２０３は、図５〜図７に示すように、上アームに配置される半導体素子であるスイッチング素子Ｑ１やダイオードＤ１と、下アームに配置される半導体素子であるスイッチング素子Ｑ２やダイオードＤ２とが直列接続された素子ペアを一以上有する構成とした。この構成によれば、内部リードフレーム２０３ｃや外部リードフレーム２０３ｄの数を低減でき、実装面積の低減によって小型化を図ることができる。

（６）図８〜図１２に示すように、半導体モジュール２０３の所定面Ｓ２と冷却器２０２との間に介在され、樹脂２０９よりも熱伝導性が高い絶縁部材である接着剤２０６を有する構成とした。この構成によれば、半導体モジュール２０３で生じる熱を効率良く冷却器２０２に伝導して、半導体モジュール２０３を冷却することができる。

（７）キャップ部２０８の先端部位に相当する一端部位２０８ｂは、図１１，図１２に示すように、ハウジング２０４に設けられた被嵌合部位２０４ｅと嵌合する嵌合部位２０８ａを有する構成とした。この構成によれば、ラビリンス構造とすることで充填された樹脂２０９の漏れをより確実に防止することができる。

（８）キャップ部２０８は、図４に示す壁部２０４ｃと同様に、図１１，図１２に示すようにハウジング２０４の一部として半導体モジュール２０３を囲う構成とした。この構成によれば、キャップ部２０８はハウジング２０４の一部として機能するので、小型化に寄与する。

（９）回転電機１０は、図１に示すように、回転子２１と、回転子２１に対向して設けられる固定子１４と、回転子２１を回転自在に支持するとともに固定子１４を保持するフレーム１２と、電力変換装置２０とを有する構成とした。この構成によれば、電力変換装置２０の体格が小さくなるので、回転電機１０の体格も従来より小型化できる。

（１０）電力変換装置２０のハウジング２０４は、図２に示すように、フレーム１２の外側面ＳＯに固定される構成とした。この構成によれば、固定子１４で発生した熱が冷却器２０２に伝導するのを抑制することができる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２は図１３〜図１５を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１と相違する点を説明する。

実施の形態２では、図１３に示すように、対向する二面から複数の外部リードフレーム２０３ｄが延びる半導体モジュール２０３を適用する。例えば、図１４の上側に延びる外部リードフレーム２０３ｄを高電圧用（例えば数百ボルト）とし、図１４の下側に延びる外部リードフレーム２０３ｄを低電圧用（例えば数ボルト〜数十ボルト）として分けるとよい。同一面から延びる複数の外部リードフレーム２０３ｄにおける相互間で電位差が小さくなるので、ショート等による損傷を抑制することができる。

図１３の半導体モジュール２０３を用いて電力変換装置２０を構成すると、図１４のようになる。図１４の上側に延びる外部リードフレーム２０３ｄは接続端子の機能を担う。

図１４の電力変換装置２０は、下側にキャップ部２０８を備える。これに対して、さらに上側にもキャップ部２０８を備えた電力変換装置２０を図１５に示す。図１５の電力変換装置２０は、半導体モジュール２０３が全てハウジング２０４の内部に備えられるため、半導体モジュール２０３が露出しない。上側のキャップ部２０８は、内部空間ＳＰ１や空間ＳＰ２に樹脂２０９を充填するために、一以上の貫通孔２０８ｅを有する。貫通孔２０８ｅは、樹脂２０９を充填してもよく、図示しない蓋部材で塞いでもよい。

上述した実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができるとともに、次の作用効果を得ることができる。

（５）複数の外部リードフレーム２０３ｄは、図１３〜図１５に示すように、半導体モジュール２０３における対向する二面から延びる構成とした。図示を省略するが、対向することなく、異なる二面から延びる構成としてもよい。これらの構成によれば、電位差が大きな外部リードフレーム２０３ｄを二面に分けることで、腐食に対する信頼性を向上することができる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１，２に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態１，２では、図１１に示すように、嵌合部位２０８ａを凸形状とし、被嵌合部位２０４ｅを凹形状として嵌合する構成とした。この形態に代えて、嵌合部位２０８ａを凹形状とし、被嵌合部位２０４ｅを凸形状として嵌合する構成としてもよい。また、図１６，図１７に示すように嵌合部材２１０，２１１を用いて嵌合する構成としてもよい。図１６では、嵌合部位２０８ａと被嵌合部位２０４ｅの双方を凹形状とし、棒状または板状の嵌合部材２１０を用いて嵌合する。図１７では、嵌合部位２０８ａと被嵌合部位２０４ｅの双方を凸形状とし、筒状の嵌合部材２１１を用いて嵌合する。嵌合する部位の形状が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、図２に示すように、三つの電力変換装置２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを外側面ＳＯに固定する構成とした。この形態に代えて、外側面ＳＯに固定できる限りの範囲内において、三つを除く一以上の電力変換装置２０を外側面ＳＯに固定する構成としてもよい。電力変換装置２０の数が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、図５〜図７に示すように、半導体モジュール２０３は半導体モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３のうちで一以上を含む構成とした。この形態に代えて、半導体モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３を一以上で任意に組み合わせて含めてもよい。例えば回転電機１０が三相であれば、半導体モジュールＭ１を三つ組み合わせたり、半導体モジュールＭ２，Ｍ３をそれぞれ三つ組み合わせたりしてもよい。半導体モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３には、コイル，コンデンサ，抵抗器などの電子部品を含めてもよい。半導体モジュール２０３に含める半導体モジュールの数や電子部品が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、図９〜図１２，図１４，図１５に示すように、半導体モジュール２０３の所定面Ｓ２と冷却器２０２の本体部２０２ｂとの間に接着剤２０６を介在させて、間接的に面接触させる構成とした。この形態に代えて、所定面Ｓ２と本体部２０２ｂとを直接的に面接触させる構成としてもよい。この場合は、内部リードフレーム２０３ｃが半導体モジュール２０３から露出しないように構成するとよい。間接的か直接的かの相違に過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、図３に示すように、複数のフィン部２０２ａを有する空冷式の冷却器２０２を適用する構成とした。この形態に代えて、水冷式の冷却器を適用する構成としてもよい。水冷式の冷却器は、冷却流体を導入する導入口、冷却流体が流れる冷却水路、冷却流体を排出する排出口などを有する。冷却流体は、例えば冷却水や冷却油などが該当し、外部に設けられるポンプとの間で循環する。冷却流体によって強制的に半導体モジュール２０３を冷却することができる。その他については、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、図１に示すように、インナーロータ型の回転電機１０に適用した。この形態に代えて、アウターロータ型の回転電機１０に適用してもよい。また、対向する回転子コア２１ａ，２１ｃに代えて、回転子コア２１ａ，２１ｃを一体化した回転子コアを適用してもよい。回転子２１に回転子巻線２１ｂを備える構成に代えて、回転子巻線２１ｂを備えない構成としてもよい。回転子巻線２１ｂに通電する必要が無くなるので、ブラシホルダ１６やスリップリング１８などが不要になる。フロントフレーム１２Ｆとリアフレーム１２Ｒとに代えて、フロントフレーム１２Ｆとリアフレーム１２Ｒとを一体化させた一体フレームでフレーム１２を構成してもよい。フレーム１２には、上述した水冷式の冷却器と同様に、さらに導入口，冷却水路，排出口を設けてもよい。冷却流体による強制冷却と、冷却風による冷却と合わせて、回転電機１０をさらに冷却することができる。いずれの構成にせよ、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、図１に示すように、固定子コア１４ｂと回転子コア２１ａ，２１ｃを積層鋼板で構成し、さらに回転子コア２１ａ，２１ｃは爪状磁極を備える構成とした。この形態に代えて、固定子コア１４ｂおよび回転子コア２１ａ，２１ｃの少なくとも一方を単体の磁性体で構成してもよく、起磁力源となる一以上の永久磁石を備える構成としてもよく、磁性材と永久磁石を組み合わせる構成としてもよい。永久磁石を備える構成では、磁極を流れる磁束によるリラクタンストルクに加えて、永久磁石によるマグネットトルクが加わるので、さらにトルク性能を向上させることができる。爪状磁極を永久磁石で構成すれば、回転子巻線２１ｂの巻数を低減したり、無くしたりすることが可能になる。回転子巻線２１ｂが小さくなる（あるいは無くなる）分だけ、回転電機１０の体格を小さく抑制できる。その他については、起磁力源の相違に過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、図１に示すように、回転子２１と冷却ファン１３を別体に成形して固定する構成とした。この形態に代えて、回転子２１（具体的には回転子コア２１ａ，２１ｃ）と冷却ファン１３を一体成形する構成としてもよい。別体成形か一体成形かの相違に過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

１０回転電機
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ電力変換装置
２０２冷却器
２０３半導体モジュール
２０３ｄ外部リードフレーム
２０４ハウジング
２０４ａ接続部材
２０７接続部
２０８キャップ部
２０９樹脂

Claims

ハウジング（２０４）の内部に一以上の半導体素子（Ｑ１，Ｑ２，Ｄ１，Ｄ２）を備える半導体モジュール（２０３）によって、回転電機（１０）の固定子巻線（１４ａ）と外部の直流電源（Ｅ）との間で電力を変換する電力変換装置において、
前記半導体モジュールの所定面（Ｓ２）と直接的または間接的に面接触して冷却する冷却器（２０２）と、
前記半導体モジュールから延びて前記冷却器とは反対方向に曲げられた複数の外部リードフレーム（２０３ｄ）と、
前記ハウジングの内部に配置されるとともに、前記ハウジングから延びて前記外部リードフレームと同一方向に曲げられた複数の接続部材（２０４ａ）と、
前記外部リードフレームの先端部（Ｔ２）と前記接続部材の先端部（Ｔ１）とは、ともに前記所定面に対向する前記ハウジングの対向面（Ｓ１）から突出して延びており、前記先端部どうしが電気的に接続された接続部（２０７）と、
前記対向面から前記接続部まで、前記外部リードフレームと前記接続部材とを含めて囲うキャップ部（２０８）と、
前記ハウジングと前記冷却器とで囲まれた空間（ＳＰ２）と、前記キャップ部の内部空間（ＳＰ１）とに充填された絶縁性の樹脂（２０９）とを有する電力変換装置（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）。
前記半導体モジュールは、前記一以上の半導体素子がモールド樹脂（２０３ａ）によりモールドされた請求項１に記載の電力変換装置。
前記半導体モジュールは、前記所定面を含めて前記冷却器によって冷却される冷却部位（２０３ｂ）に配置され、前記外部リードフレームよりも板厚が大きい内部リードフレーム（２０３ｃ）を有する請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記半導体モジュールは、上アームに配置される前記半導体素子（Ｑ１，Ｄ１）と、下アームに配置される前記半導体素子（Ｑ２，Ｄ２）とが直列接続された素子ペアを一以上有する請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記複数の外部リードフレームは、前記半導体モジュールにおける対向する二面から延びる請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記半導体モジュールの前記所定面と前記冷却器との間に介在され、前記樹脂よりも熱伝導性が高い絶縁部材を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記キャップ部の先端部位（２０８ｂ）は、前記ハウジングに設けられた被嵌合部位（２０４ｅ）と嵌合する嵌合部位（２０８ａ）を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記キャップ部は、前記ハウジングの一部として前記半導体モジュールを囲う請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
回転子（２１）と、前記回転子に対向して設けられる固定子（１４）と、前記回転子を回転自在に支持するとともに前記固定子を保持するフレーム（１２，１２Ｆ，１２Ｒ）とを有する回転電機（１０）において、
請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換装置を一以上有する回転電機。
前記電力変換装置の前記ハウジングは、前記フレームの外側面（ＳＯ）に固定された請求項９に記載の回転電機。