JP2015231245A - バスバー、モータ制御装置およびモータ制御装置の組立方法 - Google Patents

バスバー、モータ制御装置およびモータ制御装置の組立方法 Download PDF

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信之 海原
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Abstract

【課題】接合工程を不要とし、組付時間を短縮するとともに、設備・製造コストを低減することのできるバスバー、モータ制御装置およびモータ制御装置の組立方法を提供する。【解決手段】バスバー12は、平板状導体からなる本体部13と、本体部13から折り曲げられて垂直方向に延出した端子14とを備えている。端子14は、先端には開口部が設けられている。開口部の内側には、突起形状を有する第1接点部16および第2接点部17がそれぞれ対向して一体に形成されている。対向する第1接点部16の間隔d1は、第2接点部の間隔d2より大きい間隔に設定されている。スイッチング素子10を押し込んで屈曲した平角状の電極11を挿入すると、第1接点部16および第2接点部17はリード11に対して水平方向の保持力を付与してリード11を押圧し保持する。このとき、第2接点部17に発生する保持力は、第1接点部16の保持力より大きくなる。【選択図】図3

Description

本発明は、バスバー、モータ制御装置およびモータ制御装置の組立方法に関し、特に、複数の電子部品のリードを接続する構造を備えるバスバー、モータ制御装置およびモータ制御装置の組立方法に関するものである。
従来、電動パワーステアリング装置等に用いられる車載用のモータコントロールユニットにおいて、電動モータへの供給電圧を制御するのにモータ制御装置(ECU)が使用されている。このモータ制御装置は、車載バッテリ等の外部電源から供給される直流電圧を3相の交流電圧に変換するインバータ回路、およびインバータ回路を駆動させる制御回路を備えている。
通常、モータ制御装置内の導電部材の接続には、バスバーが使用されている。一般的に、バスバーと他の導電部材(例えば、電子部品のリードやタブ端子など)、あるいはバスバー同士の電気的接続は、溶接またははんだ付けなどにより行われている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のバスバーの接続方法は、半導体素子のリードをバスバー本体部に形成した複数の筒状部に挿入したままの状態で保持し、リードと筒状部とを溶接により接合する。
特開2005−129498号公報
しかしながら、このようなモータ制御装置では、インバータ回路に半導体素子からなるスイッチング素子として複数のパワーMOSFET(以下、FETという)を使用している。このため、溶接によりバスバーをFETと電気的に接続を行なう場合には、FETのリードを1箇所ずつ接合する必要がある。これにより、バスバーとFETとの溶接工程が組付時間を増加させる要因の一つとなっている。また、初期固体ばらつきによるFETの面位置のずれが発生するため、位置決めに時間を要する。さらに、組付時間を短縮させるために設備を増やして対応すると、設備費用が増大し、製造コストの増加を招くことになる。
なお、このような課題は、モータ制御装置に限らず、FET等のパワー部品を備える各種電子機器に共通して存在している。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、接合工程を不要とし、組付時間を短縮するとともに、設備・製造コストを低減することのできるバスバー、モータ制御装置およびモータ制御装置の組立方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、バスバーにおいて、外部電源から電圧を供給される本体部と、前記本体部に一体的に形成され、スイッチング素子の屈曲した電極が電気的に接続される複数の端子と、を備え、前記端子は、前記本体部から折り曲げて形成され、開口部に挿入された前記電極を挟み保持する接点部を有し、前記接点部は、前記端子の先端側の前記開口部の内面に突出して設けられ前記電極を保持する第1接点部と、前記端子の前記本体部に近い前記開口部の内面に突出して設けられ前記電極を保持する保持力が前記第1接点部より大きい第2接点部とからなることを要旨とする。
上記構成によれば、バスバーの本体部から折り曲げて形成された端子に、開口側から第1接点部および第2接点部からなる突起形状を有する接点部を開口部の内面に設け、スイッチング素子の電極を挿入する。開口部の本体部側の第2接点部は、先端側の第1接点部より大きい保持力を有し、電極を挟んだ状態で押圧し保持する。電極を第1接点部に挿入してスイッチング素子本体の高さ方向の面位置を合わせ、さらに電極を第2接点部まで挿入して圧入固定することにより、バスバーにスイッチング素子が確実に保持される。これにより、スイッチング素子の電極とバスバーとを溶接やはんだ付け等により接合させる必要がなく、組付時間を短縮することができる。また、スイッチング素子の電極とバスバーとの間の接触抵抗をインバータの正常な動作状態を確保できる低い抵抗値に抑えて、電気的に接続し確実に導通させることができる。
請求項2に記載の発明は、モータ制御装置において、第1分割体および第2分割体を結合してなるハウジングと、前記第2分割体に設けられる請求項1に記載のバスバーと、電動モータへ駆動電圧を供給するインバータに含まれる複数のスイッチング素子と、前記第1分割体に設けられ、前記スイッチング素子に接触して前記スイッチング素子の発熱を放出するヒートシンクと、外部電源から前記バスバーへ電圧を供給する樹脂モジュールと、を備え、前記スイッチング素子は、前記ヒートシンクに載置され押し付けられるとともに、前記スイッチング素子の屈曲した電極が前記バスバーの第2接点部に押圧されて保持されることを要旨とする。
上記構成によれば、ハウジングの第2分割体にバスバーが設けられ、第1分割体にヒートシンクが設けられる。第1分割体と第2分割体とが結合された状態で、スイッチング素子は、ヒートシンク上に載置され押し付けられて、屈曲した電極がバスバーの第2接点部まで挿入されて、第2接点部により付与される保持力により確実に保持される。これにより、スイッチング素子の面位置のずれ(初期固体ばらつき)を吸収し、複数のスイッチング素子の電極を同時にバスバーに挿入し確実に保持することができる。この結果、複数のスイッチング素子をバスバーに一度に電気的に接続することが可能になるので、組付時間を短縮し、設備および製造コストを低減することができる。
請求項3に記載の発明は、モータ制御装置の組立方法において、第1分割体および第2分割体を結合してなるハウジングと、前記第2分割体に設けられる請求項1に記載のバスバーと、電動モータへ駆動電圧を供給するインバータに含まれる複数のスイッチング素子と、前記第1分割体に設けられ、前記スイッチング素子に接触して前記スイッチング素子の発熱を放出するヒートシンクと、外部電源から前記バスバーへ電圧を供給する樹脂モジュールと、を備え、前記バスバーの第1接点部に前記スイッチング素子の屈曲した電極を挿入し、前記スイッチング素子の高さ方向の面位置を合わせて前記スイッチング素子を仮固定する工程と、前記スイッチング素子を前記ヒートシンクに押し付け、前記電極を前記バスバーの第2接点部まで挿入して前記スイッチング素子を本固定する工程と、を備えることを要旨とする。
上記構成によれば、スイッチング素子の電極をバスバーの接点部に挿入することによりスイッチング素子をバスバーに組み付け、電気的に接続することができる。電極を第1接点部に挿入して仮固定する工程によりスイッチング素子の面位置が合わせられる。次に、複数のスイッチング素子をヒートシンクに押し付けて電極を第2接点部まで挿入して本固定する工程により電極とバスバーとが固定され電気的に接続される。これにより、スイッチング素子の面位置のずれを吸収し、複数のスイッチング素子の電極を同時にバスバーに挿入することができる。この結果、複数のスイッチング素子を一度にバスバーに接続することが可能になるので、組付時間を短縮し、設備および製造コストを低減することができる。
本発明によれば、溶接やはんだ付け等の接合工程を不要とし、組付時間を短縮するとともに、設備・製造コストを低減することのできるバスバー、モータ制御装置およびモータ制御装置の組立方法を提供できる。
本発明の一実施形態に係るモータ制御装置を含むモータコントロールユニットの概略構造を示す部分断面図。 図1のモータ制御装置の動作を説明するための回路図。 本発明の一実施形態に係るバスバーの接点部の形状を示す斜視図。 仮工程におけるバスバーとスイッチング素子との接続状態を示す側面図。 本工程におけるバスバーとスイッチング素子との接続状態を示す側面図。
以下、本発明の実施形態に係るモータ制御装置について、図に基づいて具体的に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るモータ制御装置3を含むモータコントロールユニット1の概略構造を示す部分断面図である。本実施形態のモータコントロールユニット(以下、モータ装置という)1は、電動モータ2およびモータ制御装置3から構成され、例えば電動パワーステアリング装置に搭載されて、操舵機構にアシスト力を付与するための動力源として用いられるものである。
図1に示すように、モータ装置1は、電動モータ2と、複数のスイッチング素子10を含む電子部品を通じて電動モータ2へ供給する駆動電圧を制御するモータ制御装置3とが一体化された構造からなる。電動モータ2およびモータ制御装置3は、回転軸線mを中心に円筒状に形成されたモータハウジング(第1分割体)4およびECUハウジング(第2分割体)5の内部にそれぞれ収容されている。モータハウジング4およびECUハウジング5は、ねじ等により一体に結合されている。
モータ制御装置3は、電動モータ2に近い方から上方向に順に配置されたヒートシンク9、スイッチング素子10、バスバー12および樹脂モジュール18を備えている。ヒートシンク9、バスバー12および樹脂モジュール18は、図示しない支持構造を介して、それぞれモータハウジング4およびECUハウジング5に固定されている。
バスバー12は、回転軸線mに直交して水平方向(図中、左右方向)に延びる平板状導体から形成されている。バスバー12は、ヒートシンク9上に配置された複数のスイッチング素子10の接続配線部である電極(例えば、ゲート、ソース、ドレインの3端子、以下、リードという)を挟み保持する。バスバー12とこれらリードとは、接触した状態で接触抵抗が低い抵抗値に抑えられ、電気的に接続され導通している。
ヒートシンク9は、熱伝導性のよい金属材料(例えば、アルミまたはアルミ合金)からなり、回転軸線mに直交して水平方向に延びるように配置されている。ヒートシンク9には、インバータ回路を中心に構成されるパワー系回路のスイッチング素子10等の各種電子部品が実装されている。実装された電子部品のうち、インバータ回路を構成するスイッチング素子10は、ヒートシンク9とバスバー12との間に配置される。これにより、スイッチング素子10の発熱を放出する放熱面はヒートシンク9に対向した位置でヒートシンク9の表面に密着して固定されている。
スイッチング素子10は、樹脂モジュール18からバスバー12を介して供給される外部電源6の直流電圧から、電動モータ2に供給するための交流電圧を生成する。生成された交流電圧は図示しない電源系バスバーを介して電動モータ2に供給される。電動モータ2は、供給される交流電圧に基づいて駆動し、電動モータ2に結合されたモータ出力軸8を回転させる。
樹脂モジュール18は、例えば棒状、または平板状の導体からなるバスバー部材を一体的に収容し、後述する平滑コンデンサを含むノイズを除去するフィルタ等の電子部品を樹脂封止した構造からなる。樹脂モジュール18は、回転軸線mに直交して水平方向(図中、左右方向)に延びるように形成されている。また、樹脂モジュール18は、バスバー12との対向面と反対側の面からECUハウジング5の外部に導出される配線部(例えば、電線、またはバスバー部材)7を介して後述するバッテリなどの外部電源6に接続されている。
また、樹脂モジュール18は、外部電源6から配線部7を介して供給される直流電圧に含まれるノイズをフィルタ等を通じて除去するとともに、ノイズが除去された直流電圧をバスバー部材を介してスイッチング素子10等に供給する。
次に、図2は、図1のモータ制御装置3の動作を説明するための回路図である。
図2に示すように、モータ制御装置3は、大容量の平滑コンデンサ19と、平滑コンデンサ19に並列に接続され電動モータ2へ駆動電圧を供給するインバータ20とを備えている。モータ制御装置3には、外部電源(以下、バッテリという)6と、インバータ20を介して電動モータ2が接続される。図2において、電動モータ2は、図示しない3相の巻線(U相、V相、およびW相巻線)を有する3相ブラシレスモータである。また、バッテリ6は、インバータ20に接続され電動モータ2を駆動する低電圧(例えば、12V)、または高電圧(例えば、100V以上)の直流電源である。
平滑コンデンサ19は、バッテリ6の正負両極の電源線21と接地線22との間に設けられている。平滑コンデンサ19は、バッテリ6と双方からインバータ20に電力を供給する。特に、平滑コンデンサ19からは、インバータ20に瞬間的に大電力を供給する。具体的には、平滑コンデンサ19は電荷を蓄積し、バッテリ6からインバータ20に流れる電流が不足するときには蓄積した電荷を放電する。このように、平滑コンデンサ19は、電流リップルを吸収し電動モータ2を駆動するための電源電圧を平滑するコンデンサとして機能している。
インバータ20は、複数(本実施形態では、6個)のスイッチング素子(例えば、FET,IGBTなど)10a,10b,10c,10d,10e,10fを含んでいる。これら6個のスイッチング素子10a〜10fを2個ずつ直列に接続して上下アーム(例えば、10a,10d)が形成された3つの回路は、電源線21と接地線22との間に並列に設けられている。上下アームのスイッチング素子10のそれぞれの接続点は、電動モータ2のU相、V相、およびW相の巻線の一端に直接接続されている。そして、電動モータ2の3相の巻線の他端は、図示しない共通の接続点(中性点)に接続されている。
インバータ20に含まれる各スイッチング素子10a〜10fは図示しない制御回路により制御される。より具体的には、制御回路は、モータ回転角度などの入力されたデータに基づき、電動モータ2に供給すべき3相の駆動電流(U相、V相、およびW相電流)の目標値(目標電流)を決定し、図示しない電流センサ等により検出した各相電流値を目標電流に一致させるためのPWM信号を出力する。制御回路から出力された各相のPWM信号は、インバータ20に含まれるスイッチング素子10a〜10fのゲート端子にそれぞれ供給されている。
次に、本発明の実施形態に係るバスバー12周辺の接続構造について説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係るバスバー12の接点部15の形状を示す斜視図である。
図3に示すように、バスバー12は、平板状導体(例えば、銅または銅合金)からなる本体部13と、本体部13の一端から折り曲げられて垂直方向(図中、下方)に延出した端子14とを備えている。端子14は、例えば、平板を折り曲げ加工などにより形成され、先端には開口部が設けられている。開口部の内側には、開口部の先端側から順に第1接点部16および第2接点部17がそれぞれ突起形状を有して一体に形成されている。ここで、対向する第1接点部16の間隔(頂点間距離)d1は、リード11の断面が略長方形状の短辺の長さとほぼ等しいものにしている。これにより、リード11とバスバー12とが確実に接触し、リード11を第1接点部16の頂点で保持できる。さらに、第2接点部の間隔(頂点間距離)d2は、第1接点部16の間隔d1より小さい(d2<d1)間隔に設定されている。
ここで、スイッチング素子10を矢印方向(図中、上方)に押し込んで、屈曲した平角状のリード11を挿入すると、第1接点部16および第2接点部17は、リード11に対してそれぞれ水平方向の保持力を付与する。バスバー12を形成する部材が有するばね性により生じるこれらの保持力により、リード11が押圧され保持される。このとき、第2接点部17に発生する保持力は、第1接点部16に発生する保持力より大きくなる。
次に、本発明の実施形態に係るモータ制御装置3の組立方法について説明する。
図4は、仮工程におけるバスバー12とスイッチング素子10との接続状態を示す側面図、図5は、本工程におけるバスバー12とスイッチング素子10との接続状態を示す側面図である。
図4に示すように、スイッチング素子10が矢印方向(図中、上方)に押し込まれて、リード11が挿入されると、バスバー12のリード11が第1接点部16に接触し、第1接点部16がリード11を保持力(以下、押付荷重という)P1で水平方向に押圧する。リード11は、押付荷重P1で保持され、スイッチング素子10がバスバー12に仮固定される(仮固定工程)。なお、第1接点部16のリード11に対する押付荷重P1は、少なくともスイッチング素子10の自重を支えられる程度のものである。これにより、押付荷重P1は低荷重であるため、第1接点部16にリード11を挿入することにより、各スイッチング素子10の高さ方向のずれ(個体ばらつき調整幅)tを吸収し、面位置を合わせることができる。
次に、図5に示すように、ヒートシンク9上に配置されたすべてのスイッチング素子10を同時に矢印方向(図中、上方)に第2接点部17まで圧入により押し込む。このとき、スイッチング素子10をバスバー12に押し込むときの荷重をヒートシンク9で受ける。バスバー12の第2接点部17のばね性により生じる押付荷重P2でリード11が水平方向に押圧され、スイッチング素子10がバスバー12に本固定される(本固定工程)。これにより、リード11が第2接点部17に密着し、押付荷重P2によりリード11とバスバー12との間の接触抵抗をインバータ20(図2参照)の正常な動作状態を確保できる低い抵抗値に抑えて、電気的に接続し確実に導通させることができる。
以上により、リード11とバスバー12との接続箇所が多数あっても、スイッチング素子10の面位置のずれtを接続時に吸収した上で、スイッチング素子10を同時にバスバー12に押し込み、圧入固定することができる。そして、バスバー12とスイッチング素子10は、ばね性を有したバスバー12の第2接点部17の押付荷重P2により押圧され、電気的に接続される。
次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係るバスバー12およびモータ制御装置3の作用および効果について説明する。
上記実施形態によれば、バスバー12の本体部13から下方に折り曲げられて形成された端子14の開口部の内面に突起形状を有する接点部15を設ける。接点部15は、開口部の先端側から順に第1接点部16および第2接点部17からなり、スイッチング素子10を上方に押し込んでリード(電極)11を挿入すると、スイッチング素子10のリード11が接点部15に挟まれ保持される。対向する第2接点部17の間隔d2は、第1接点部16の間隔d1より小さく形成されているので、第2接点部17の保持力は第1接点部16の保持力より大きくなる。第1接点部16および第2接点部17は、それぞれリード11に対し押付荷重P1,P2を付与しリード11を押圧する。また、スイッチング素子10は、モータハウジング(第1分割体)4に設けられたヒートシンク9上に載置され押し付けられて、スイッチング素子10のリード11がECUハウジング(第2分割体)5に設けられたバスバー12の第2接点部17に保持される。
また、スイッチング素子10のリード11をバスバー12の接点部15に挿入することによりスイッチング素子10をバスバー12に組み付け、電気的に接続することができる。スイッチング素子10は、第1接点部16にリード11を仮固定する工程と、スイッチング素子10をヒートシンク9に押し付けた状態で、第2接点部17まで挿入して本固定する工程とにより、バスバー12に固定される。第1接点部16での保持によりスイッチング素子10本体の高さ方向の面位置を合わせ、第2接点部17での保持によりバスバー12にスイッチング素子10を圧入固定することができる。
これにより、スイッチング素子10のリード11とバスバー12とを溶接やはんだ付け等により接合させる必要がなく、組付時間を短縮することができる。また、リード11とバスバー12との間の接触抵抗をインバータ20の正常な動作状態を確保できる低い抵抗値に抑えて、電気的に接続し確実に導通させることができる。
また、スイッチング素子10の面位置のずれ(固体ばらつき調整幅)tを接続時に吸収した上で、複数のスイッチング素子10のリード11を同時にバスバー12の端子14に挿入することができる。この結果、複数のスイッチング素子10を一度にバスバー12に電気的に接続することが可能になるので、組付時間を短縮し、設備および製造コストを低減することができる。
以上のように、本発明の実施形態によれば、溶接やはんだ付け等の接合工程を不要とし、組付時間を短縮するとともに、設備・製造コストを低減することのできるバスバー、モータ制御装置およびモータ制御装置の組立方法を提供できる。
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。
上記実施形態では、バスバー12の接続対象としてスイッチング素子(FET)10のリード11を例示したが、これに限定されるものでなく、例えば電源回路のコイルのリードなどモータ制御装置3に搭載される適宜の部材を採用することができる。また、バスバー12側も同様に、例えば外部電源から基板に電圧を供給するバスバーや、基板間に接続されるバスバー等に適用してもよい。
上記実施形態では、スイッチング素子10を押し込みによる荷重を受ける相手部材として、ヒートシンク9を例示したが、これに限定されるものでなく、例えば、専用の冶具を設けてスイッチング素子10を押し込むようにしてもよいし、他の部品に適用することもできる。
上記実施形態では、バスバー12として外部電源6から電圧を供給する電源系のバスバーを例示したが、これに限定されるものでなく、例えば、基板と基板との間に接続される信号系のバスバーにも適用することができる。
上記実施形態では、電動モータ2およびモータ制御装置3が一体化されたモータ装置1を例示したが、これに限定されるものでなく、電動モータから分離されたモータ制御装置にも適用することができる。
上記実施形態では、モータ制御装置3のバスバー12とスイッチング素子10との接続構造を例示したが、これに限定されるものでなく、電気的に接続されるバスバーと、FET等のスイッチング素子に接触するヒートシンクとを備える各種電子機器に適用することができる。
1:モータ装置(モータコントロールユニット)、2:電動モータ、
3:モータ制御装置(ECU)、4:モータハウジング(第2分割体)、
5:ECUハウジング(第1分割体)、6:バッテリ(外部電源)、7:配線部、
8:モータ出力軸、9:ヒートシンク、
10,10a〜10f:スイッチング素子(FET)、11:リード、12:バスバー、13:バスバー本体部、14:バスバー端子、15:接点部、16:第1接点部、
17:第2接点部、18:樹脂モジュール、19:平滑コンデンサ、20:インバータ、21:電源線、22:接地線、
P1,P2:第1,第2接点部押付荷重(保持力)、d1,d2:第1,第2接点部間隔、t:スイッチング素子面位置のずれ、m:回転軸線

Claims (3)

  1. 外部電源から電圧を供給される本体部と、
    前記本体部に一体的に形成され、スイッチング素子の屈曲した電極が電気的に接続される複数の端子と、を備え、
    前記端子は、前記本体部から折り曲げて形成され、開口部に挿入された前記電極を挟み保持する接点部を有し、
    前記接点部は、前記端子の先端側の前記開口部の内面に突出して設けられ前記電極を保持する第1接点部と、前記端子の前記本体部に近い前記開口部の内面に突出して設けられ前記電極を保持する保持力が前記第1接点部より大きい第2接点部とからなることを特徴とするバスバー。
  2. 第1分割体および第2分割体を結合してなるハウジングと、
    前記第2分割体に設けられる請求項1に記載のバスバーと、
    電動モータへ駆動電圧を供給するインバータの複数のスイッチング素子と、
    前記第1分割体に設けられ、前記スイッチング素子に接触して前記スイッチング素子の発熱を放出するヒートシンクと、
    外部電源から前記バスバーへ電圧を供給する樹脂モジュールと、を備え、
    前記スイッチング素子は、前記ヒートシンクに載置され押し付けられるとともに、前記スイッチング素子の屈曲した電極が前記バスバーの第2接点部に密着して保持されることを特徴とするモータ制御装置。
  3. 第1分割体および第2分割体を結合してなるハウジングと、
    前記第2分割体に設けられる請求項1に記載のバスバーと、
    電動モータへ駆動電圧を供給するインバータの複数のスイッチング素子と、
    前記第1分割体に設けられ、前記スイッチング素子に接触して前記スイッチング素子の発熱を放出するヒートシンクと、
    外部電源から前記バスバーへ電圧を供給する樹脂モジュールと、を備え、
    前記バスバーの第1接点部に前記スイッチング素子の屈曲した電極を挿入し、前記スイッチング素子の高さ方向の面位置を合わせて前記スイッチング素子を仮固定する工程と、前記スイッチング素子を前記ヒートシンクに押し付け、前記電極を前記バスバーの第2接点部まで挿入して前記スイッチング素子を本固定する工程と、を備えることを特徴とするモータ制御装置の組立方法。
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