JP2005537775A - 電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造 - Google Patents

電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造 Download PDF

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Abstract

【課題】 電力用部品の放熱性要求と、電力用部品及び制御用部品の電気絶縁性要求に対応できる単純、省スペース、安価な構造の電気モータの装置構造を提供する。
【解決手段】 制御用電子部品12a、12b、12cが装着される第1配線基板11と、電力用電子部品17が装着され、そして電気絶縁性を有するにも拘らず熱伝導性が良好である基層が備えられる第2配線基板16と、第2配線基板16の基層に熱伝導性を有するように接触させて配置される冷却用部材3とを備えることを特徴とする。

Description

本発明は、電気モータの電力用電子部品、及び、制御用電子部品が搭載される筐体装置の構造に関する。この筐体装置は、電気モータ自体も含むものとする。
本発明は、一般的に言えば、電子的に転流が行われるブラシレス直流モータの分野に関する。この種のモータは、極めて多様な領域で用いられている。例えば、自動車の技術分野においては、送風機、冷却ポンプ用として、又は、操舵(操縦)システムの支援のために用いられている。他の分野について、極めてまれな例についても挙げるなら、例えば、配電網部における送風機(冷却ファン)、又は、データ処理装置用のディスクドライブに用いられるスピンドルモータが挙げられる。
電子的に転流が行われるブラシレス直流モータは、基本的に、軸と、この軸上に配置される1つ又は複数の永久磁石を有するロータ構造部と、ステータ鉄心及び相巻線を含むステータ構造部とを備えている。ロータ構造部及びステータ構造部を互いに相対的に軸支するために、軸には軸心方向に間隔をおいて2つの軸受が配置されている。
図1は三相直流モータの駆動を制御する切替回路を示す回路図である。
三相直流モータの駆動制御回路は、図1に例示したような6個のパワートランジスタと、図示されていない直流モータの運転を制御する駆動制御用電子部品を備えている。従来技術における直流モータ用の駆動制御用電子部品は、完結した統合ユニットとして構成されるプリント配線基板上の直流モータにはめ込まれるか、あるいは、他の方法により直流モータと接続されるのが普通である。配線基板とモータとの間の接続は、接続ワイヤ及び導電部を介して行われ、それらの接続は、配線基板に半田付け接続、はめ込み接続、又は、他の同様の技術によって接続される。はめ込み接続部、半田付け接続部、又は、モータと配線基板との間の導電部の長さ寸法が長いと、直流モータの電気抵抗が高められ、それによりモータ巻線にかかる電圧が低減してしまう。
電気モータの電力用電子部品、特に、劣悪な環境で用いられて高い負荷がかかる電気モータの電力用電子部品、例えば、原動機付き車両(自動車)に用いられる電気モータの電力用電子部品は、頻繁に100℃を超える温度にまで加熱される。この種の電力用電子部品は、その使用される場所での過熱を回避するために、これを冷却することによって、それが早期に故障してしまうことを防止することが必要である。
また、電気モータにおける電力用電子部品と制御用電子部品とは、互いに接続される必要があり、電気的に絶縁された配線基板上に装着される。そのため、従来の配線基板における基層は、通常、良好な電気絶縁性を有するプラスチック材料により形成される。しかし、そのようなプラスチック材料は、熱伝導性があまり良くない。
また、電気絶縁性を有するにも拘らず、熱伝導性が良好である配線基板の材料が知られている(例えば、非特許文献1参照)。
会社刊行物「The T−Lam System − T−Guide for performance」THERMAGON社、米国オハイオ州、1999年11月16日)。
本発明の課題は、一方では、電力用電子部品に発生する熱を良好に熱放出させることに対する要求、また他方では、電力用電子部品及び制御用電子部品の双方の良好な電気絶縁性を持たせることに対する要求に対して、単純かつ省スペース型で、しかも、安価な構造で対応させることができる電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造を提供することである。
この課題を解決するために、本発明では、請求項1に記載の筐体装置構造が提案される。
すなわち、本発明の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造は、制御用電子部品が装着される第1配線基板と、電力用電子部品が装着され、そして電気絶縁性を有するにも拘らず熱伝導性が良好である基層が備えられる第2配線基板と、前記第2配線基板の基層に熱伝導性を有するように接触させて配置される冷却用部材(冷却体)とを備えることを特徴とする。
本発明では、一方では、電力用電子部品に発生する熱を良好に熱放出させることに対する要求、また他方では、電力用電子部品及び制御用電子部品の双方の良好な電気絶縁性を持たせることに対する要求に対して、単純かつ省スペース型で、しかも、安価な構造で対応させることができる電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造を提供できる。
本発明によれば、電力用電子部品群を制御用電子部品群から分離させ、これら両部品群を、堅固性が異なる2つの別々な配線基板上に、互いに間隔をおいて配置し、さらに、電力用電子部品を支持する配線基板に対してのみ冷却用部材(冷却体)を配置することによって、上記課題は、意外なほど簡単で、安価な構造により解決することができる。その場合、高価な配線基板材料は、費用を抑制するために、第2配線基板にのみ用いられ、第1配線基板に対しては用いられない。第1配線基板は、良好な電気絶縁性を有するが、熱伝導性はあまり良くない通常の配線基板用のプラスチック材料で構成させることができる。
本発明は、一方では、電力用半導体の冷却体に対する良好な熱的結合を達成させ、他方では、電力用電子部品及び制御用電子部品の間の更なる熱的分離を達成させるという利点を有するものである。従って、電力用電子部品からの高温の発熱が、制御用電子部品の運転に悪影響を与えることがなくなる。しかも、全電子部品群を搭載することについて、モータ筐体内にわずかな占有空間しか要求しない非常に小型の構造が得られる。本発明による装置構造は、特に、相巻線と制御線について必要不可欠となる固有接続を不要にできるので、製造技術的に更に有利である。
両配線基板は、従来技術で知られているようなケーブルを差し込む技術手法により接続されるのではなく、特別な電力用半導体の外被を使用することによって、必要に応じて曲げられうる、電力用半導体の接続リードピンにより接続されることが好ましい。
本発明の更なる構成としては、第2配線基板の銅層の上側に、そこから間隔をおいて、それに略平行に、第1配線基板が配置される。第1配線基板のプラスチック層は、その両面が銅層によって覆われることが好ましく、それにより、この配線基板の下側表面にも導電路を形成することが可能になる。このことにより、設置スペースを抑制することができ、電力用電子部品と制御用電子部品とが各々別の配線基板上に配置されるにも拘わらず、両配線基板の対向して配置される導電路を簡単に接続させることができ、それらの配線基板上の電子部品も簡単に接続させることができる。
冷却用部材(冷却体)、特に、アルミニウムの厚い壁を備える冷却用部材は、第2配線基板に熱伝導性を有するように直接に接合される。
それにより、第1配線基板上に配置される制御用電子部品が、運転中、実質的に加熱されることがなくなり、そのため、特別な冷却手段を必要としないようにできるからである。
第2配線基板は、銅層と、良好な熱伝導性を有し且つ良好な電気絶縁性を有するセラミック層(担持層)と、熱伝導性が良好である金属、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成される金属層とを有する3層からなる構造で実施されることが好ましい。
このようなタイプの好ましい配線基板材料は、前記した会社刊行物に記載されており、「Thermagon Impcb」という名称で販売されている。
本発明の他の好ましい実施態様は、特許請求の範囲における従属請求項2〜14に記載されている。
すなわち、前記第2配線基板は、銅層と、良好な電気絶縁性及び熱伝導性が良好である材料により構成されて、前記銅層と接触するように設けられる担持層と、熱伝導性が良好である金属により構成されて、熱伝導性を有するように前記担持層に接続される金属層との3層からなる構造を備え、前記金属層は、熱伝導性を有するように前記冷却用部材(冷却体)に結合される。前記第2配線基板に半田付け接続された電力用電子部品の外被から、途中で折り曲げられて、制御用電子部品が装着された第1配線基板に半田付け接続される接続リードピンが設けられる。前記担持層は、高い熱伝導性及び良好な電気絶縁性を有するセラミック材料により構成され、前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成される。
前記第1配線基板は、電気絶縁性を有するプラスチック材料により構成される基層の上側に銅層を備えると共に、前記第2配線基板から間隔をおいて配置され、前記第2配線基板の上側で、該第2配線基板に対して略平行に配置され、間隔保持具により、前記冷却体の上側に直接に支持され、前記冷却体の側壁により直接に支持される。前記第1配線基板の基層の両面は、銅層により覆われ、下部側銅層に形成された導電路は、前記第2配線基板の対向する表面上の電力用電子部品に接続される。
前記冷却用部材は、前記金属層と熱伝導させるために大きな面積で接触されると共に、金属、特にアルミニウムにより構成される冷却体を備え、接続されたモータ筐体を備える。前記冷却体は、前記第1配線基板及び第2配線基板及びそれらに配置される部品を搭載するための搭載空間部を備え、そのフランジ部を介して、対向するモータ筐体のフランジ部と接続され、各フィン相互の隙間の空間を周囲の空気が通り抜けるように設けられる冷却用放熱フィン部を備え、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される。前記冷却体の側壁には、前記配線基板用の固定手段が設けられる。
次に、本発明の実施形態を示す図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
図1は、三相直流モータ用の駆動制御用電子装置の回路図を示すものである。
この直流モータ24は3組の相巻線U、112;V、114;W、116を有しており、それらは、図1においては、星形結線回路110として示されている。3組の相巻線112、114、116は、正側の電源母線118と、負側の電源母線120との間に接続される。正側の電源母線118は、電位+UBATを導いており、負側の電源母線120は、電位−UBATを導いている。相巻線112、114、116は、制御信号に応じて6つの電力用スイッチング素子T1、122;T2、124;T3、126;T4、128;T5、130;T6、132を介して各電源母線118、120に接続される。
電力用スイッチング素子122〜132は、好ましくは、パワートランジスタである。これらのパワートランジスタは、図1にG1〜G6として示される制御端子を備えている。これらの制御端子は、特に、パワートランジスタのゲートに相当している。直流モータ24の運転を制御するためには、パワートランジスタのゲートに適当な制御信号を加えることによって、モータの相巻線112、114、116に電流を流すことができる。電子的に転流されるブラシレス直流モータの制御方法については、例えば、ドイツ特許出願公開第10033561号明細書、及び、米国特許第6400109号明細書に記載されており、それらを参照されたい。
図2は、本発明の実施形態による装置構造の基本的な構造をブロック図の形式で示すものである。
図2において、符号24は、ブラシレス直流モータを示し、符号26は、冷却体を示し、符号28は、電力用電子部品を示し、符号30は、制御用電子部品を示すものである。また、電池出力線は、32で示されている。図2に示された本発明の一実施形態による装置構造は、図3に、さらに詳細に示される。
図3は、本発明の実施形態による筐体装置構造を部分切断して示した縦断面図である。
図3において、符号1は、モータ筐体を示し、以下、符号2は電気モータを、符号3はアルミニウムにより構成される冷却体(冷却用部材)を、符号4は、電気モータ2における電力用電子部品28及び制御用電子部品30のための搭載空間部を各々示す。
搭載空間部4は、円筒状の側壁5により周囲を取り囲まれる。円筒状の側壁5は、冷却体3と一体に、冷却体3から上側に突出する部分として形成され、上部リング状フランジ部6で終端する。上部リング状フランジ部6は、モータ筐体1の下部リング状フランジ部7と、ねじ8により、気密状態を保つように結合される。
搭載空間部4は、円筒状の側壁5内に、冷却体3によって形成される床面9を有する。床面9の下側面には、周方向に等間隔に複数枚が肋骨状に分布される冷却用放熱フィン部10が配設されている。冷却用放熱フィン部10の隣接するフィン相互間の隙間10aには、周囲の空気が通流する。
搭載空間部4の内部では、第1配線基板11が、床面9上に、間隔保持具12により支持される。この第1配線基板11は、堅牢であり電気絶縁性であるが熱伝導性はあまり良くないプラスチック材料、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)により構成される基層と、該基層の片側表面又は両側表面上に、該表面(場合によっては基層の両表面)に良く知られた方法で導電路を形成するために施される銅コーティングとを備える従来型の構造を有している。
上記した本実施形態と代替可能な実施形態においては、配線基板11は、間隔保持具12による代わりに、ソケットによるか、あるいは、冷却体3の円筒状側壁5に、固定的に結合される他の保持装置により支持させることができる。ソケットによる場合には、配線基板11は、例えば、ねじによりソケットに取付けて支持させることができる。その代替として、配線基板11を、側壁5内に設けられた配線基板11に対応する凹所の内に収納させて、支持させるようにしてもよい。本実施形態では、配線基板11を、特に耐振性を有するように支持できるという利点を有している。
配線基板11は、その上側表面に制御用電子部品12a、12b、12cを支持している。さらに、配線基板11の開口部内には、コンデンサ13が搭載されている。コンデンサ13は、接続リードピン14を介して配線基板11に電気的に接続される。コンデンサ13は、冷却体3の金属の床面9に対して金属製の支持体(金属支持体)15を介して直接に支持されており、それにより、コンデンサ13から発生した熱が、支持体15を介して、冷却体3に直接に伝導されるようになっている。
床面9には、さらに、第2配線基板16が取り付けられる。第2配線基板16は、上部銅層と、電気絶縁性であっても熱伝導性が良好であるセラミック材料により構成される担持層と、熱伝導性が良好であるアルミニウム又はアルミニウム合金のような金属材料により構成される金属層との3層を備える3層構造を有している。この配線基板16の上側表面には、第1配線基板11に折り曲げられた接続リードピン18を介して半田付け接続される複数の電力用電子部品の外被(以下、単に電力用電子部品とも記載する)17が、半田付けにより接続されている。電力用電子部品の外被17内には、通常の電力用電子部品28がカプセル状に搭載されている。
配線基板11の上側表面からは、モータ接続リード線19a、19bが電気モータ2まで導かれるように配線される。これらのモータ接続リード線19a、19bは、実質上の信号線及び電力線を含んで構成される。さらに、配線基板11には、電池出力線21用の差込プラグ20が設けられている。電池出力線21は、搭載空間部4から側壁5を貫通するブッシング22を介して外部へ導出される。
上記した装置構造によれば、運転中に発熱する部品、すなわち、第一に電力用電子部品の外被17がその中に存在する電力用電子部品28及びコンデンサ13と共に冷却体3への直接結合によって良好に冷却され、それらの部品が許容し得ないほど過熱される事態を避けることができる。
制御用電子部品12a〜12cは、従来と同様な材料の安価な配線基板11の上に配置されることによって、配線基板16と同様な高価な配線基板材料の上に配置される場合に比べて材料コストを節約できる。図3に示したように、配線基板11及び16を、搭載空間部4内に上下に配置させることによって設置スペースを抑制することができる。
図4は、本発明の実施形態で使用可能な複数のパワートランジスタを配置した例を示す斜視図である。
より具体的には、パワートランジスタ、例えば、図1に示されたトランジスタ122〜132に対応するトランジスタ122′〜132′を、支持板140、例えば、第2配線基板16上に配置した例を示すものである。パワートランジスタは、各々電力用電子部品の外被17と、第1配線基板11に直接に接続できる接続リードピン18とを備える。
本実施形態による装置構造は、全体的に言って、例えば、原動機付き車両(自動車)のような劣悪な使用環境に適用される場合であっても、小型で、壊れにくい全体構造であり、長時間の連続耐久運転を可能とする信頼性を有するように電気モータ2へ適用することが可能である。
このように本実施形態では、本発明の課題である「電力用部品の放熱性要求と、電力用部品及び制御用部品の電気絶縁性要求に対応できる単純、省スペース、安価な構造の電気モータの装置構造を提供する」ということについて、意外なほど簡単で、安価な構造により解決することができる。
また、本実施形態では、電力用電子部品からの高温の発熱が、制御用電子部品の運転に悪影響を与えることがなくなり、制御用電子部品が、運転中、実質的に加熱されることがなくなり、そのため、特別な冷却手段を必要としないようにできる。また、非常に小型の構造が得られ、設置スペースを抑制することができ、各々別の配線基板上に配置される電力用電子部品と制御用電子部品とを簡単に接続させることができ、製造技術的に有利となる。
また、本実施形態は、制御用電子部品12a、12b、12cを装着した第1配線基板11と、電力用電子部品17を装着すると共に電気絶縁性を有するが良好な熱伝導性を有する基層の第2配線基板16と、この第2配線基板16に熱的に接触する冷却用部材3と、この冷却用部材3に結合されるモータ筐体1とを備え、モータの電力用電子部品17及び制御用電子部品12a、12b、12cを搭載した装置構造となっている。第1配線基板11は、従来の基板材料を用いた方式で構成でき、第2配線基板16に配置される電力用電子部品17を良好に冷却するために、冷却用部材3に接して熱を伝導できる第2配線基板16を設けるように構成されているので、小型かつ安価で、モータの運転に対して信頼性ある全体構造を提供できる。
以上述べた説明、図、及び特許請求の範囲に開示された特徴は、本発明の実施に際して、単独でも任意の組合せでも用いることができる。又、本発明は前記した実施形態に記載された内容に限られるものではなく、例えば、制御用電子部品と電力用電子部品が配線基板に装着されて冷却用部材を備える電気モータであれば他の構成のものにも適用可能であり、前記効果を得ることができる。
三相直流モータの電子駆動制御装置の回路図である。 本発明の一実施形態による装置構造の基本的な構造を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による筐体装置構造を部分切断して示した縦断面図である。 本発明の一実施形態で使用可能な複数のパワートランジスタを配置した例を示す斜視図である。
符号の説明
1 モータ筐体、
2 電気モータ、
3 冷却体(冷却用部材)、
4 搭載空間部、
5 円筒状側壁、
6 冷却体のリング状フランジ部、
7 モータ筐体のリング状フランジ部、
8 ねじ、
9 床面、
10 冷却用放熱フィン部、
10a 隙間、
11 第1配線基板、
12 間隔保持具、
12a 制御用電子部品、
12b 制御用電子部品、
12c 制御用電子部品、
13 コンデンサ、
14 接続リードピン、
15 金属支持体、
16 第2配線基板、
17 電力用電子部品の外被(電力用電子部品)、
18 接続リードピン、
19a モータ接続リード線、
19b モータ接続リード線、
20 電池ケーブル用差込プラグ、
21 電池出力線、
22 ブッシング、
24 直流モータ、
26 冷却体(冷却用部材)、
28 電力用電子部品、
30 制御用電子部品、
32 電池出力線、
110 星形結線回路、
112 相巻線U、
114 相巻線V、
116 相巻線W、
118 正側の電源母線、
120 負側の電源母線、
122/122′ 電力用スイッチング素子T1、
124/124′ 電力用スイッチング素子T2、
126/126′ 電力用スイッチング素子T3、
128/128′ 電力用スイッチング素子T4、
130/130′ 電力用スイッチング素子T5、
132/132′ 電力用スイッチング素子T6、
G1〜G6 制御端子。

Claims (14)

  1. 制御用電子部品(12a〜12c)が装着される第1配線基板(11)と、
    電力用電子部品(17)が装着され、そして電気絶縁性を有するにも拘らず熱伝導性が良好である基層が備えられる第2配線基板(16)と、
    前記第2配線基板(16)の基層に熱伝導性を有するように接触させて配置される冷却用部材(3)と
    を備える
    ことを特徴とする電気モータ(2)の電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  2. 前記第2配線基板(16)は、
    銅層と、
    良好な電気絶縁性及び熱伝導性が良好である材料により構成されて、前記銅層と接触するように設けられる担持層と、
    熱伝導性が良好である金属により構成されて、熱伝導性を有するように前記担持層に接続される金属層と
    の3層からなる構造を備え、
    前記金属層は、
    熱伝導性を有するように前記冷却用部材(3)に結合される
    ことを特徴とする請求項1に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  3. 前記担持層は、
    高い熱伝導性及び良好な電気絶縁性を有するセラミック材料により構成され、
    前記金属層は、
    アルミニウム又はアルミニウム合金により構成される
    ことを特徴とする請求項2に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  4. 前記冷却用部材は、
    前記金属層と熱伝導させるために大きな面積で接触されると共に、金属、特にアルミニウムにより構成される冷却体を備える
    ことを特徴とする請求項2又は3に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  5. 前記第1配線基板(11)は、
    電気絶縁性を有するプラスチック材料により構成される基層の上側に銅層を備えると共に、前記第2配線基板(16)から間隔をおいて配置される
    ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  6. 前記第1配線基板(11)は、
    前記第2配線基板(16)の上側で、該第2配線基板(16)に対して略平行に配置される
    ことを特徴とする請求項5に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  7. 前記第1配線基板(11)の基層の両面は、銅層により覆われ、
    下部側銅層(11a)に形成された導電路は、
    前記第2配線基板の対向する表面(16a)上の電力用電子部品(17)に接続される
    ことを特徴とする請求項5又は6に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  8. 前記第2配線基板(16)に接続された電力用電子部品の外被(17)から、途中で折り曲げられて、制御用電子部品(12a〜12c)が装着された第1配線基板(11)に接続される接続リードピン(18)が設けられる
    ことを特徴とする請求項5乃至7の何れか1項に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  9. 前記第1配線基板(11)は、
    間隔保持具(12)により、前記冷却体(3)の上側に直接に支持される
    ことを特徴とする請求項4乃至8の何れか1項に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  10. 前記第1配線基板(11)は、
    前記冷却体(3)の側壁(5)により直接に支持され、
    前記冷却体(3)の側壁(5)には、
    前記配線基板(11)用の固定手段が設けられる
    ことを特徴とする請求項4乃至8の何れか1項に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  11. 前記冷却体(3)は、
    前記第1配線基板(11)及び第2配線基板(16)及びそれらに配置される部品を搭載するための搭載空間部(4)を備え、そのフランジ部(6)を介して、対向するモータ筐体(1)のフランジ部(7)と接続される
    ことを特徴とする請求項4乃至10の何れか1項に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  12. 前記冷却体(3)は、
    各フィン相互の隙間の空間を周囲の空気が通り抜けるように設けられる冷却用放熱フィン部(10)を備える
    ことを特徴とする請求項4乃至11の何れか1項に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  13. 前記冷却体(3)は、
    アルミニウム又はアルミニウム合金から構成される
    ことを特徴とする請求項4乃至12の何れか1項に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
  14. 冷却用部材(3)は、接続されたモータ筐体(1)を備える
    ことにより特徴づけられる請求項1乃至13の何れか1項に記載の電気モータの電力用電子部品及び制御用電子部品を搭載する装置構造。
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