JP2010273443A - モータ及びそのモータを備えたポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 制御基板に変形や湾曲を生じることなく、制御基板に対する冷却性能を向上したモータ及びそのモータを備えたポンプを提供する。
【解決手段】 本発明のモータは、ステータ３及びロータ２と、モータの通電制御を行う制御基板４と、ステータ３及び制御基板４を収容する収容室１６を有するフレーム１２と、収容室１６内に突出した凸設部５と、収容室１６に充填材６として充填された伝熱性部材と、からなる。そして、制御基板４は半導体素子４１を備えており、半導体素子４１の放熱面と凸設部５が面で対向すると共に、対向した二面の間に充填材６を充填した。これにより、制御基板４がフレーム１２や凸設部５に直接接触しないため、制御基板４に応力がかかり変形・湾曲を生じることを防止でき、且つ凸設部５により冷却性能を向上できる。更に、上記モータをポンプ１に備えたことで、制御基板４の変形や湾曲を防止し且つ冷却性能を向上できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータ及びそのモータを備えたポンプに関し、殊にモータに内蔵されモータの通電制御を行う制御基板に生じた熱を外部に放出するための冷却手段に関するものである。

従来からモータは外部の電力供給源から電源部を介して供給された電力を制御基板がモータの駆動電力に変換することで回転するものである。詳しくは、外部の電力供給源から電源部に供給された電力を用いて、制御基板がステータに対してスイッチング駆動を伴う通電制御を行い、ステータに対してロータを吸引反発させることで、モータが回転するものである。

また、上記モータを備えたポンプはモータにより羽根車が回転することで液体や気体等の流体を吸排するものである。そして、上記ポンプはケーシング及びフレームで外装を形成しており、その内側の空間は分離板によって、羽根車等を配置した流体の流動するポンプ室と、制御基板等を配置した流体から遮断された収容室と、に分けられている。

上記ポンプ室には、マグネットを有したロータと、ロータと一体で回転する羽根車と、両端の固定された中心軸と、が配置されており、上記中心軸を回転中心としてロータ及び羽根車が回転自在となっている。そして、上記収容室には、制御基板と、電磁鋼板を積層した固定子鉄心にインシュレータで絶縁してコイルを巻いたステータと、が配置されており、ステータはカラゲ端子により制御基板に接続されていた。更に、空気よりも伝熱性の良いシリコンやエポキシ系樹脂等の伝熱性部材が充填材としてステータとフレームの隙間に充填されており、制御基板の通電制御によりステータのコイル等に生じた熱を充填材を介してフレームに伝達して、ステータを冷却していた。

また、ステータの通電制御を行う制御基板はダイオードやＦＥＴ等の半導体素子を用いてスイッチング駆動を行うことで通電制御を行っており、上記半導体素子がスイッチング駆動の際に発熱するものであった。そのため、制御基板とフレームの隙間にも充填材を充填したものや、特許文献１等のように、半導体素子とフレームの間にシリコンゴム等のシート部材を配置することで、半導体素子に生じた熱をシート部材を介してフレームに伝達して放熱するものがあった。特に、シート部材を配置したものは安定した放熱を行うために、シート部材と制御基板の接触面及びシート部材とフレームの接触面を夫々密着させる必要があり、制御基板でシート部材を所定の応力でフレームに押し付けることで夫々の接触面を密着させていた。

また、フレームは充填材やシート部材から伝達された熱を効率良く外部に放出するために充填材やシート部材より伝熱性の良いアルミニウムや銅、マグネシウム等の金属材料が好適に用いられていた。

特開２００８−１２８０７６号公報

しかし、特許文献１等では、電磁鋼板を積層して形成した固定子鉄心の積み上げ公差等により、制御基板がシート部材から浮き上がり隙間を生じてしまい、生じた熱をシート部材に伝達できなくなるという問題があった。また、制御基板に配置する半導体素子を特許文献１とは反対側の面に設けたものでは、上記積み上げ公差等で制御基板からシート部材にかかる応力をシート部材が吸収しきれず、制御基板に変形や湾曲を生じることがあった。そして、制御基板に変形や湾曲が生じると、制御基板と半導体素子や配線等の間に接触不良等の不具合が発生してしまうという問題があった。

そこで、本発明は上記事情を鑑みて発明したものであり、積み上げ公差等によって制御基板に不具合が生じることを防止すると共に、制御基板、特に半導体素子に生じた熱を確実にフレームに伝達できるモータ及びポンプを提供することを課題とした。

上記課題を解決するために、本発明のモータは、コイル３１を有するステータ３と、コイル３１への通電制御を行う制御基板４と、制御基板４の通電制御により回転するロータ２と、ステータ３及び制御基板４を収容する収容室１６を有するフレーム１２と、フレーム１２に取り付けられ収容室１６に突出した凸設部５と、収容室１６に充填材６として充填された伝熱性部材と、からなっている。そして、制御基板４は外部から供給された電力をモータの駆動電力に変換する半導体素子４１を備えており、上記半導体素子４１の放熱面が凸設部５の受熱面に対向すると共に、半導体素子４１の放熱面と上記放熱面に対向する凸設部５の受熱面の間に上記充填材６が充填されていることを特徴としている。

このような構成としたことで、半導体素子４１と凸設部５の対向する二面の間に充填材６が充填されているため、半導体素子４１が凸設部５やフレーム１２に直接接触することのないものとなる。そして、半導体素子４１に生じた熱は充填材６である伝熱性部材から凸設部５を介してフレーム１２に伝達されて外部に放出される。

また、請求項２に係る発明は、半導体素子４１の放熱面と上記放熱面に対向する凸設部５の受熱面の間の距離を規定する手段を備えたものであることを特徴としている。

また、請求項３に係る発明は、凸設部５を複数設けたものであることを特徴としている。

また、本発明のポンプ１は、上記請求項１〜３のいずれかに記載のモータを備えたことを特徴としている。

上記のように、本発明のモータは、半導体素子が凸設部及びフレームに直接接触しないため、制御基板に応力を加えてフレームや凸設部に押し付ける必要がなくなり、積み上げ公差等で制御基板に変形や湾曲が生じることを防止できる。そのため、制御基板に接触不良等の不具合の発生を防止することができて、生産性及び安全性の向上したものとなっている。そして、半導体素子に生じた熱が凸設部を介してフレームに伝達されるため、フレームと同様に充填材として用いた伝熱性部材やシート部材より伝熱性の良い材料を凸設部に用いることで、充填材やシート部材のみでフレームに伝達したものに比べて半導体素子に対する冷却性能を向上できる。

また、半導体素子の放熱面と該放熱面に対向する凸設部の受熱面の間の距離を規定する手段を設けたことで、上記対向する二面の間を所定の距離に位置決め及び保持することができる。そのため、上記所定の距離を互いの絶縁を確保し且つ半導体素子に対する冷却性能を充填材やシート部材のみでフレームに伝達したものより向上した距離に規定すれば、安全性及び半導体素子に対する冷却性能をより向上することができる。

また、凸設部を複数設けたことで、制御基板の発熱量の大きい部位が分散して複数存在していても凸設部の形状を大きくすることなく個々で対応できる。そのため、発熱量の大きい部位が分散して存在しても、一つの凸設部で全ての部位に対応させたものより各部位の間に位置する発熱量の小さい部位に対応した分の凸設部を減らすことができて、低減した分の重量を削減できる。

また、本発明のポンプは上記いずれかのモータを備えたことで、制御基板に接触不良等の不具合が生じることを防止すると共に、半導体素子に対する冷却性能を向上することができる。

本発明の実施形態の一例のポンプの断面図である。 半導体素子と凸設部の間の距離を規定する手段を備えた例のポンプの断面図である。 凸設部を部分凸設部とした例のポンプの断面図である。 同上のポンプのフレームの斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。なお、図１〜３に示すポンプ１の断面図はいずれもモータの回転中心となる中心軸２１の軸方向に沿って切断したものであり、平面視とは上記軸方向に沿って視たものである。

本発明のポンプ１は、図１に示すように、流体を吸排する羽根車１５と、羽根車１５を回転させるモータと、を備えたものである。そして、上記羽根車１５及びモータは、外装を形成するケーシング１１及びフレーム１２と、フレーム１２とケーシング１１により形成された空間をポンプ室１４と収容室１６に分ける分離板１３と、で形成された空間内に配置されている。更に、上記分離板１３は内側にロータ２及び中心軸２１を有し外側にステータ３を有した有底円筒形状のものとなっており、分離板１３の一端である開口側の外方に羽根車１５が位置し、他端である底面の裏側である外側の外方に制御基板４が位置している。

つまり、ポンプ室１４には、ロータ２と、ロータ２に一体で形成された羽根車１５と、が配置されており、収容室１６には、コイル３１を有するステータ３と、ステータ３にカラゲ端子３３で接続された制御基板４と、後述の凸設部５と、が配置されている。そして、上記フレーム１２は分離板１３と略同じ軸芯を有した円筒形状のものであり、収容室１６の内周に軸方向に沿ったテーパを有すると共に、上記テーパは制御基板４側に向かう程内周の径を狭めている。そのため、上記テーパによりステータ３は分離板１３とフレーム１２の間に圧入して取り付けられるものとなっている。更に、上記収容室１６には充填材６が充填されており、制御基板４及び圧入されたステータ３は充填材６により収容室１６に固定されている。

上記制御基板４は分離板１３の底面に平行な板面を有しており、上記底面に対向する面にはモータの回転を検知する回転検知部４２が配置されており、反対側の面には制御基板４に供給された電力をモータの駆動電力に変換する半導体素子４１が配置されている。そして、半導体素子４１は板面に平行な放熱面を有しており、上記放熱面に対向する受熱面を有する凸設部５が、放熱面から中心軸２１の軸方向に沿って所定の距離離れた位置で、フレーム１２から収容室１６内に突出して配設されている。なお、上記所定の距離とは半導体素子４１から直近のフレーム１２に至る距離より短く、且つ半導体素子４１から凸設部５を絶縁した距離である。

上記凸設部５はフレーム１２の内周に沿ってフレーム１２の軸芯とほぼ同じ軸芯を有し中心を円形状に開口した平面視環状のものであり、フレーム１２と同様に充填材６より伝熱性のよい金属材料等でフレーム１２に密着してあるいは一体で形成されている。そして、半導体素子４１の放熱面と対向する凸設部５の受熱面の間にも充填材６が充填されており、半導体素子４１と凸設部５が充填材６を介して接触しており、互いが直接接触することのないものとなっている。そのため、半導体素子４１に生じた熱が充填材６を介して凸設部５に伝達された後、凸設部５からフレーム１２へと伝達されており、半導体素子４１は凸設部５を介して冷却されている。なお、凸設部５を環状としているが、凸設部５の中心を多角形状に開口したものでよく、放熱面と受熱面が対向していれば、上記環状に限らずフレーム１２の内面の形状や半導体素子４１の配置等に応じて適宜設計変更するものである。

また、収容室１６を形成するフレーム１２の羽根車１５の反対側に位置する端部には電源基板７１を備えた電源部７が延設されており、電源部７と収容室１６は連通している。そして、電源基板７１は、外部の電力供給源（特に図示しない）を接続する外部コネクタ７２と、制御基板４の配線（特に図示しない）を接続する中間コネクタ７３と、を有しており、電力供給源からの電力を制御基板４に供給している。

そのため、上記電源基板７１は制御基板４と異なり発熱量の大きい部材が配置されておらず、発熱量の小さいものとなっており、電源部７に充填材６が充填されていない。つまり、電源基板７１に生じた熱は電源部７内の空気を介してフレーム１２に伝達されて外部へと放出されている。また、符号１７は電源部７及び収容室１６に流体や、埃、塵等が入り込むことを防止する蓋であり、外部コネクタ７２の挿通された貫通孔が設けられている。なお、制御基板４が電源基板７１を兼ねたものであれば、電源部７は外部コネクタ７２だけで構成されたものであってよい。

このように、制御基板４の半導体素子４１の放熱面に対向する受熱面を有する凸設部５をフレーム１２から収容室１６内に突設したことで、半導体素子４１に生じた熱が凸設部５を介してフレーム１２に伝わるものとなる。つまり、金属材料等からなる凸設部５を設けたことで、充填材６やシート部材で直接フレーム１２に熱を伝達していたものに比べて同じ距離でも凸設部５の方が伝熱性がよいため、半導体素子４１に対する冷却性能を向上したものとなっている。そして、半導体素子４１と凸設部５が所定の距離離れたものであるため、半導体素子４１と凸設部５が直接接触することがないものとなっている。そのため、凸設部５と制御基板４の間に圧力が略かからずにすみ、制御基板４に変形や湾曲等が生じることを回避でき、制御基板４の接触不良等の不具合を防止している。もちろん、半導体素子４１と直近のフレーム１２は放熱面と受熱面の間の距離より離れているため、半導体素子４１がフレーム１２に接触しないものである。

また、他の実施形態として、制御基板４の放熱面と該放熱面に対向する凸設部５の受熱面の間の距離を規定する手段を備えたものを、図２に基づいて説明する。なお、前述の例で説明した構成と同じものには同一の符号を付けて説明を省略し、本例の特徴等の差異点について以下で説明する。

フレーム１２の内周の所定の位置に外周方向に向かって凹んだ切り欠き部８が形成されており、ステータ３の取付時に固定子鉄心３２の制御基板４側の端部が上記切り欠き部８に当接するものとなっている。つまり、ステータ３がフレーム１２に圧入された際に、切り欠き部８の上記固定子鉄心３２の端部の面に平行な側面にステータ３が当接することで上記位置に位置決め及び保持されるものである。そして、上記ステータ３の位置決め及び保持に伴いステータ３にカラゲ端子３３を介して取り付けられた制御基板４も位置決め及び保持されるため、制御基板４の半導体素子４１の放熱面と軸方向に沿って対向した凸設部５の受熱面の間が所定の距離に規定される。なお、上記切り欠き部８は充填材６の充填時にステータ３が制御基板４側に浮き上がることで接触してステータ３を位置決め及び保持するものであってもよい。

つまり、カラゲ端子３３によって接続されたステータ３と制御基板４の間の距離は略一定であるため、上記半導体素子４１と凸設部５の対向する二面の間を所定の距離に規定する手段はステータ３の制御基板４側を所定の位置に位置決め及び保持するものであればよい。例えば、ステータ３を所定の位置に位置決めする治具と、位置決めした上記位置でステータ３をフレーム１２に固定するビス等の固定具と、からなる手段でもよい。

このように、半導体素子４１と凸設部５の対向する二面の間を所定の距離に規定する手段を設けたことで、モータあるいはモータを備えたポンプ１の組立時に、軸方向に沿って対向した放熱面と受熱面の間を所定の距離に規定して保持することができる。そして、上記対向する二面の間を所定の距離に確保することができるため、凸設部５と半導体素子４１の絶縁を確実に行うと共に、半導体素子４１に生じた熱を効果的に凸設部５に伝達することができる。また、上記手段がステータ３の制御基板４側を基準に位置決め及び保持するため、固定子鉄心３２の積み上げ公差等で半導体素子４１と凸設部５の対向する二面の間の距離に誤差が生じることを防止している。そして、上記規定する手段をフレーム１２に凹ませて形成した切り欠き部８としたことで、上記手段を容易に形成することができると共に、ステータ３を圧入するだけで上記距離に規定し且つ保持することができる。

また、他の実施形態として、凸設部５をフレーム１２から収容室１６内に複数突出して設けたものを、図３及び図４に基づいて説明する。なお、前述の二つの例で説明した構成と同じものには同一の符号を付けて説明は省略し、本例の特徴等の差異点について以下に説明する。

図４に示すように、平面視略長方形状で収容室１６内に突出した凸設部５と、平面視略三角形状で収容室１６内に突出した凸設部５と、の二つがフレーム１２に一体で形成されている。そして、夫々の凸設部５の受熱面に対向する制御基板４の部位には半導体素子４１等の発熱量の大きい部材が受熱面に放熱面等を対向した向きで配置されており、上記部位で生じた熱が凸設部５を介してフレーム１２に伝達されている。また、制御基板４は上記半導体素子４１の配置された部位以外に発熱量の大きい部位のないものである。つまり、凸設部５は制御基板４の発熱量の大きい部位毎に受熱面を対向させた形状で夫々突設されており、カラゲ端子３３の挿通された部位や電源部７に接続する配線の配置された部位等の発熱量の小さい部位には凸設部５が対向していないものとなっている。

なお、半導体素子４１と凸設部５の対向する二面の間が所定の距離離れていることで半導体素子４１で生じた熱が放熱面の面方向に沿って拡散するため、拡散する量に応じて受熱面は対向する放熱面より大きい寸法であることが好ましい。もちろん、上記間の距離が十分小さく、半導体素子４１から生じた熱が略拡散しないで凸設部５に至るものであれば、凸設部５の受熱面を半導体素子４１の放熱面と略同じ寸法としてもよい。

このように、凸設部５をフレーム１２から複数突設したことで、凸設部５の面積及び体積を環状でフレーム１２の全周に沿って設けたものより小さく抑えられて、総重量を削減している。そして、凸設部５の受熱面の寸法を対向する半導体素子４１の放熱面より大きいあるいは略同じとしたことで、凸設部５の形状及び寸法が制御基板４の発熱量の大きい部位に対して最も適したものとなり、より総重量を削減することができる。

また、半導体素子４１の位置等の発熱量の大きい部位毎に凸設部５を設けられるため、半導体素子４１等の発熱量の大きい部材を一箇所に纏めて制御基板４に配置する必要がなくなり、制御基板４の一部が過剰に温度上昇することを防止できる。そして、発熱量の大きい部材を分散して配置できるため、凸設部５や充填材６が過熱することを抑制して、発熱量の大きい部位を効率良く冷却することができる。そのため、発熱量の大きい部位が分散すると共に、各部位を効率良く冷却できるため、制御基板４の温度上昇を抑えられて、連続使用時間が延び使い勝手を向上することができる。

また、図４に示すように、フレーム１２の外面に軸方向に沿ったリブ状あるいは凸設部５の平面に沿った帯状の放熱フィン１２１を複数備えることで、フレーム１２の外側の表面積を増加でき、より効率良くフレーム１２が外部へ放熱できる。なお、符号１２２はポンプ１を構造体や外部装置に載置するあるいは取り付けるために用いるフレーム１２と一体で形成されたベース部である。

１ ポンプ
１１ ケーシング
１２ フレーム
１３ 分離板
１４ ポンプ室
１５ 羽根車
１６ 収容室
１７ 蓋
２ ロータ
２１ 中心軸
３ ステータ
３３ カラゲ端子
４ 制御基板
４１ 半導体素子
５ 凸設部
６ 充填材
７ 電源部
８ 切り欠き部

Claims (4)

1. コイルを有するステータと、上記コイルへの通電制御を行う制御基板と、上記制御基板の通電制御により回転するロータと、上記ステータ及び制御基板を収容する収容室を有するフレームと、上記フレームに取り付けられ上記収容室に突出した伝熱用の凸設部と、上記収容室に充填材として充填された伝熱性部材と、からなり、上記制御基板は外部から供給された電力をモータの駆動電力に変換する半導体素子を備えており、上記半導体素子の放熱面が上記凸設部の受熱面に面で対向すると共に、上記半導体素子と上記放熱面に対向した上記凸設部の受熱面の間に上記充填材が充填されていることを特徴とするモータ。
2. 前記半導体素子の放熱面と上記放熱面に対向する前記凸設部の受熱面の間の距離を規定する手段を備えたものであることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記凸設部を複数設けたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータを備えたものであることを特徴とするポンプ。

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