JP2017184541A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向における寸法を小さくして、容易に組み立て可能な放熱構造を有するモータを提供する。【解決手段】モータ１００は、上下方向に伸びる回転軸１０１ａを有するロータ１０１と、該ロータに対向するステータ１０２と、該ステータを保持するハウジング１と、該ハウジングに取り付けられるヒートシンク２と、電子部品が実装されてヒートシンク上に配される回路基板３と、を備える。電子部品が発熱素子４ａを含む。ハウジングが、筒状の筒部１ａと、該筒部の端面を覆う蓋部１ｂと、を有する。ヒートシンクが、蓋部の上面に接し、固定部材を用いて蓋部に取り付けられる。発熱素子が熱伝導部材を介してヒートシンクに接する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータに関する。

従来、モータは、ロータ、ステータ、および、回路基板等が搭載された制御部を有する。外部電源等から制御部を介してステータに電力が供給されると、ロータはステータに対して相対的に回転可能となる。

回路基板には、各種の素子や配線等が配置される。外部電源等から回路基板に電流が流れると、回路基板上の素子や配線等は発熱する。このような発熱は、素子自身が破壊されるだけでなく、回路基板等を変形させるおそれがある。そのため、素子等から生じる熱をモータの外部等へ放散させるなどの対応が必要になる。

上述のような放熱対応の一つとして、たとえば特許文献１では、金属材料等からなるヒートシンクが制御部の周辺に配置される。具体的には、円筒形状のモータケースの上部に該上部を覆う第１フレーム部材が取り付けられ、モータケースの下部に該下部を覆う第２フレーム部材が取り付けられる。ヒートシンクは、第１フレーム部材の上部に配置され、ネジで第１フレームに固定される。ヒートシンクの上面にパワー基板が配置され、下面に制御基板が配置され、側面には半導体モジュールが配置される。これにより、パワー基板及び制御基板の電子部品、半導体モジュールで生じた熱がヒートシンク及び第１フレーム部材に伝導する。従って、これら自身の温度上昇は抑制され、これらの損傷、破壊が抑制又は防止される。

特開２０１４−２２５９９８号公報

しかしながら、特許文献１では、第１フレーム部材及び第２フレーム部材をモータケースの上面及び下面にさらに追加している。そのため、ロータの回転軸線の軸方向における寸法が増加する。また、モータの部品数が増加する。従って、組み立て工程数及び製造コストが増加する。

本発明は、上記の状況を鑑みて、軸方向における寸法を小さくして、容易に組み立て可能な放熱構造を有するモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の例示的なモータは、上下方向に伸びる回転軸を有するロータと、該ロータに対向するステータと、該ステータを保持するハウジングと、該ハウジングに取り付けられるヒートシンクと、電子部品が実装されてヒートシンク上に配される回路基板と、を備える。電子部品は発熱素子を含む。ハウジングは、筒状の筒部と、該筒部の端面を覆う蓋部と、を有する。ヒートシンクは、蓋部の上面に接し、固定部材を用いて蓋部に取り付けられる。発熱素子は熱伝導部材を介してヒートシンクに接する。

本発明の例示的なモータによれば、軸方向における寸法を小さくして、容易に組み立て可能な放熱構造を有するモータを提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るモータの構成例を示す概略縦断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るヒートシンクと回路基板との間の構成例を示す概略縦断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態の変形例に係るヒートシンクと回路基板との間の構成例を示す概略縦断面図である。 図４は、本発明の第２実施形態に係るヒートシンクと回路基板との間の構成例を示す概略縦断面図である。

以下に図面を参照して本発明の例示的な実施形態を説明する。なお、本明細書では、ロータ１０１の回転軸（後述する図１のシャフト１０１ａ参照）が延びる方向を単に「軸方向」と呼ぶ。さらに、該軸方向において、シャフト１０１ａからヒートシンク２に向かう方向を単に軸方向の「上方」と呼び、ヒートシンク２からシャフト１０１ａに向かう方向を単に軸方向の「下方」と呼ぶ。また、シャフト１０１ａを中心とする径方向を単に「径方向」と呼ぶ。また、各構成要素の表面において、軸方向の上方に向く面を「上面」と呼び、軸方向の下方に向く面を「下面」と呼び、径方向に向く面を「側面」と呼ぶ。

＜１．第１実施形態＞
＜１−１．モータの概略構成＞
まず、本発明の例示的な第１実施形態に係るモータ１００について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ１００の構成例を示す概略縦断面図である。図１は、ロータ１０１の回転軸線を含む切断面でモータ１００を切断した場合の断面を示す。図１のモータ１００は車両などに搭載されるモータである。

モータ１００は、ロータ１０１と、環状のステータ１０２と、ハウジング１と、ヒートシンク２と、回路基板３と、ベアリング５と、カバー１０４と、コネクタ１０５と、を備える。

ロータ１０１はシャフト１０１ａと複数のマグネット１０１ｂとを有する。シャフト１０１ａは軸方向の上下方向に伸びる回転軸である。ステータ１０２は、モータ１００の電機子であり、ロータ１０１と対向して配される。ハウジング１は、ロータ１０１及びステータ１０２などを収容する金属製の筐体であり、ステータ１０２及びベアリング５を保持する。

ヒートシンク２は、たとえばアルミニウム、銅などの熱伝導性が良好な材料を用いて形成され、ネジ６を用いてハウジング１に取り付けられる。回路基板３は、モータ１００の制御回路を搭載し、ヒートシンク２の上に配される。制御回路は、ヒートシンク２とハウジング１（後述する蓋部１ｂ）とに設けられた貫通孔を介してステータ１０２と電気的に接続される。

また、回路基板３の下面には位置検出センサ１０３が設けられる。位置検出センサ１０３は、その中心がシャフト１０１ａの回転軸線上に位置し、ロータ１０１の回転角度を検出する。

ベアリング５は、シャフト１０１ａを回転可能に支持する軸受である。ベアリング５は、たとえばボールベアリング又はスリーブ軸受などで構成される。カバー１０４は、回路基板３を保護する部材であり、ヒートシンク２及び回路基板３の上に設けられて、これらの上面を覆う。

コネクタ１０５は、外部接続端子であり、配線１０５ａを介して回路基板３と外部電源（図示省略）及びその他の外部装置（図示省略）とを電気的に接続する。外部電源からコネクタ１０５及び回路基板３を介してステータ１０２に電力が供給されると、ロータ１０１はステータ１０２に対して相対的に回転可能となる。

＜１−２．ハウジングの構成＞
ハウジング１は、筒状の筒部１ａと、蓋部１ｂと、下蓋１ｃと、を有する。蓋部１ｂは、筒部１ａと同一部材により形成され、筒部１ａの上方側の端面を覆う。下蓋１ｃは、筒部１ａの下方側の開口した端面を覆い、図示しない固定手段により筒部１ａの下方端に取り付けられる。下蓋１ｃの中央部分には、中央開口１０ａが形成される。中央開口１０ａには、ベアリング５が取り付けられ、シャフト１０１ａが挿通される。なお、図１の例示に限定されず、筒部１ａと蓋部１ｂとは別部材であってもよい。

蓋部１ｂは、突出部１１と、環状の環状部１２と、突壁部１３と、挿通孔１４と、を有する。突出部１１は環状部１２の内周端から軸方向に突出する。つまり、環状部１２は突出部１１の外周端に連続して形成される。突出部１１の内側は上方に向けて凹んでおり、その底面の中央部分には、シャフト１０１ａが挿通される中央開口１０ｂが形成される。

中央開口１０ｂの周囲には、中央開口１０ｂに沿って突壁部１３が形成される。突壁部１３は、突出部１１の底面から軸方向の下方に延びる。突壁部１３の内側にはベアリング５が取り付けられる。すなわち、突壁部１３は、突出部１１内に配されてベアリング５を保持する保持部である。蓋部１ｂの中央開口１０ｂに取り付けられたベアリング５は、下蓋１ｃの中央開口１０ａに取り付けられたベアリング５と共に、シャフト１０１ａを回転可能に支持する。

突壁部１３の外側には、複数の挿通孔１４が形成される。これらの挿通孔１４にはネジ６が挿通される。なお、図１では、ヒートシンク２を蓋部１ｂに取り付けて固定する固定部材としてネジ６を用いているが、この例示に限定されず、固定部材はリベットなどの他の部材であってもよい。

また、蓋部１ｂの上面及び下面（特に突出部１１の外面及び内面）において、挿通孔１４の周囲には研磨加工などが施され、挿通孔１４の周囲の表面粗さはハウジング１の他の部分（たとえば筒部１ａの外周面）の表面粗さよりも小さくされる。こうすれば、ネジ６及びヒートシンク２が蓋部１ｂに密着し易くなる。従って、ネジ６を用いてヒートシンク２を蓋部１ｂにより強固に取り付けて固定することができる。

＜１−３．ヒートシンクの構成＞
ヒートシンク２は、図１に示すように、蓋部１ｂの上面に接し、ネジ６を用いて蓋部１ｂに取り付けられる。モータ１００では、ハウジング１とヒートシンク２との間にフレーム等の他の部材が介在しないので、たとえばフレームが介在する従来構造のモータよりも軸方向の寸法を小さくすることができ、容易に組立を行うことができる。さらに、部品数を低減して、モータ１００の製造コストも削減することもできる。

ヒートシンク２は、収納部２１と、挿通開口２２と、ネジ孔２３と、を有する。収納部２１は、ヒートシンク２の下面において、図１に示すように蓋部１ｂに面した凹部である。本実施形態において、ヒートシンク２は単一の部材である。なお、この例示に限定されず、ヒートシンク２は、複数の部材から構成されてもよい。

収納部２１の底面には、挿通開口２２とネジ孔２３とが形成される。挿通開口２２は、軸方向にヒートシンク２を貫通し、回路基板３の下面に配された位置検出センサ１０３に向かって開口している。挿通開口２２内では、シャフト１０１ａの上端部が位置検出センサ１０３に対して軸方向の下方に配される。

ネジ孔２３は挿通開口２２の径方向外側に設けられる。ヒートシンク２が蓋部１ｂに取り付けられる際、ネジ６が挿入孔１４を介してネジ孔２３に固定される。

収納部２１内には、蓋部１ｂの少なくとも一部が配され、特に、突出部１１全体が収納部２１に嵌まる。なお、図１の例示に限定されず、突出部１１の少なくとも一部が収納部２１に配されていればよい。こうすれば、軸方向におけるモータ１００の寸法をさらに小さくできる。

収納部２１の底面には蓋部１ｂの突出部１１が接する。従って、ハウジング１の突出部１１をヒートシンク２に直接に当てて、軸方向におけるハウジング１に対するヒートシンク２の位置決めを行うことができる。

また、収納部２１の周囲では、環状部１２がヒートシンク２の下面に接する。従って、ヒートシンク２をハウジング１の環状部１２に直接に当てて、軸方向におけるハウジング１に対するヒートシンク２の位置決めをより確実に行うことができる。

ヒートシンク２の下面（特に収納部２１の底面）において、蓋部１ｂと接する部分の少なくとも一部（特に突出部１１と接する領域）には、研磨加工などが施され、その表面粗さはヒートシンク２の下面以外の表面（たとえば側面）の表面粗さよりも小さくされる。こうすれば、ヒートシンク２が蓋部１ｂにネジ止めされる際、ヒートシンク２と蓋部１ｂとの間の密着性が高まり、特に突出部１１が収納部２１の底面に密着し易くなる。従って、ネジ６を用いてフランジ部１ｄにヒートシンク２をより強固に取り付けることができる。さらに、ヒートシンク２が熱をハウジング１に伝え易くなるので、ヒートシンク２の放熱性を向上させることができる。

なお、収納部２１の底面において、図１では挿通開口２２が形成されているが、この例示に限定されず、挿通開口２２に代えて凹部が形成されてもよい。凹部が形成される場合、該凹部内にシャフト１０１ａの上端部が配され、該凹部の底面に位置検出センサ１０３が設けられる。なお、位置検出センサ１０３はたとえばヒートシンク２に設けられた図示しない貫通孔を介して回路基板３に接続される。

また、収納部２１は、図１では凹部で形成されるが、この例示に限定されず、蓋部１ｂに向かって開口する貫通孔で形成されてもよい。但し、この場合、ネジ孔２３はヒートシンク２の下面において収納部２１の径方向外側に設けられ、挿通孔１４は蓋部１ｂの環状部１２に設けられる。

＜１−４．回路基板の構成＞
回路基板３は、エポキシなどの樹脂材料を用いた基板である。回路基板３は、たとえば図示しないネジ又はリベットなどを用いてヒートシンク２の上面に取り付けられる。図２は、本発明の第１実施形態に係るヒートシンク２と回路基板３との間の構成例を示す概略縦断面図である。図２は、軸方向に平行な面でヒートシンク２及び回路基板３を切断した場合の縦断面を示す。

回路基板３には、電子部品４が実装される。電子部品４は、発熱量が比較的多い発熱素子４ａと、発熱量が比較的少ない低発熱素子４ｂと、を含む。発熱素子４ａは、たとえば、ＦＥＴ（Field Emission Transistor）などのスイッチング素子である。低発熱素子４ｂは、たとえばコンデンサなどである。

発熱素子４ａは、図２に示すように、回路基板３上のヒートシンク２に対向する面（すなわち回路基板３の下面）に実装されて、ヒートシンク２と回路基板３との間に配される。発熱素子４ａの下面（たとえばヒートシンク２に対向する面）には、放熱グリス７が塗布される。図２において発熱素子４ａは、放熱グリス７を介してヒートシンク２に接する。発熱素子４ａから放熱グリス７を介してヒートシンク２に熱が伝わることにより、発熱素子４ａで発生した熱をヒートシンク２に伝え易くすることができる。

発熱素子４ａを除く少なくとも一部の電子部品４（たとえば低発熱素子４ｂ）は回路基板３上のヒートシンク２と反対側の面（回路基板３の上面）に実装される。こうすれば、軸方向の寸法が発熱素子４ａよりも大きい電子部品４がヒートシンク２と回路基板３との間に配されない。そのため、放熱グリス７を介してヒートシンク２と発熱素子４ａとを容易に接触させることができる。従って、回路基板３に実装された発熱素子４ａで発生する熱をヒートシンク２に伝え易くなり、発熱素子４ａの温度上昇を抑制することができる。

なお、図２の例示に限定されず、発熱素子４ａの下面とヒートシンク２との間には、放熱グリス７以外の放熱剤、他の熱伝導部材などが設けられていてもよい。放熱剤、熱伝導部材などは、熱伝導性、電気絶縁性、及び低熱膨張性に優れていれば良く、放熱グリス７の代わりに設けられていてもよいし、放熱グリス７と共に設けられてもよい。

＜１−５．第１実施形態の変形例＞
次に、第１実施形態のモータ１００の変形例について説明する。図３は、第１実施形態の変形例に係るヒートシンク２と回路基板３との間の構成例を示す概略縦断面図である。図３は、軸方向に平行な面でヒートシンク２及び回路基板３を切断した場合の縦断面を示す。

図３に示すように、ヒートシンク２の上面には、回路基板３の下面に実装された発熱素子４ａに対応する位置に収容凹部２ａが形成される。収容凹部２ａには、発熱素子４ａが収容される。発熱素子４ａの下面は収容凹部２ａの底面と放熱グリス７を介して接する。なお、発熱素子４ａ以外の電子部品４（たとえば低発熱素子４ｂ）が回路基板３の下面に実装される場合、同様にして、該電子部品４の少なくとも一部が収容凹部２ａに収容されてもよい。さらに、回路基板３の下面に実装された電子部品４の軸方向における寸法が異なる場合、対応する電子部品４の寸法に応じて収容凹部２ａの深さが設定されてもよい。こうすれば、回路基板３をヒートシンク２に接近させて配置することができる。従って、モータの軸方向の寸法をより短縮することができる。

＜２．第２実施形態＞
＜２−１．回路基板の構成＞
次に、本発明の例示的な第２実施形態に係るモータ１００について説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係るヒートシンク２と回路基板３との間の構成例を示す概略縦断面図である。図４は、軸方向に平行な面でヒートシンク２及び回路基板３を切断した場合の縦断面を示す。なお、本実施形態の基本的な構成は先に説明した第１実施形態と同じである。そのため、第１実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号又は同じ名称を付してその説明を省略する場合がある。

回路基板３は、所謂銅インレイ（Ｃｕ Inlay）構造を有する基板である。回路基板３を貫通する貫通孔３ｂ内には、金属部材３ａが配される。本実施形態では、金属部材３ａには、銅が用いられているが、他の金属材料が用いられてもよい。金属部材３ａは、図３に示すように回路基板３を貫通する。

電子部品４（特に発熱素子４ａ）は回路基板３上のヒートシンク２と反対側の面（すなわち回路基板３の上面）に実装される。発熱素子４ａは金属部材３ａの上面に設けられる。放熱グリス７は回路基板３の下面のうちの少なくとも金属部材３ａの下面に塗布される。従って、発熱素子４ａは、金属部材３ａ及び放熱グリス７を含む熱伝導部材を介してヒートシンク２に接する。

こうすれば、回路基板３のヒートシンク２と反対側の面に実装された発熱素子４ａで発生した熱を金属部材３ａ及び放熱グリス７を含む熱伝導部材を介してヒートシンク２に伝えて放熱することができる。また、たとえば、軸方向の寸法が発熱素子４ａよりも大きい電子部品４がヒートシンク２と回路基板３との間に配されない。これにより、金属部材３ａ及び放熱グリス７を介してヒートシンク２と発熱素子４ａとを容易に接触させることができる。従って、回路基板３に実装された発熱素子４ａで発生する熱をヒートシンク２に伝え易くなり、発熱素子４ａの温度上昇を抑制することができる。

＜３．その他＞
以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明の範囲は上述の実施形態に限定されない。本発明は、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。また、上述の実施形態は適宜任意に組み合わせることができる。

たとえば、上述の第１及び第２実施形態では本発明が車載モータに適用される場合を示したが、本発明は車載モータ以外のモータに適用されてもよい。

本発明は、たとえば車載モータに利用可能であり、さらに他の用途のモータにも利用可能である。

１・・・ハウジング、１ａ・・・筒部、１ｂ・・・蓋部、１ｃ・・・下蓋、１０ａ，１０ｂ・・・中央開口、１１・・・突出部、１２・・・環状部、１３・・・突壁部、１４・・・挿通孔、２・・・ヒートシンク、２ａ・・・収容凹部、２１・・・収納部、２２・・・挿通開口、２３・・・ネジ孔、３・・・回路基板、３ａ・・・金属部材、３ｂ・・・貫通孔、４・・・電子部品、４ａ・・・発熱素子、４ｂ・・・低発熱素子、５・・・ベアリング、６・・・ネジ、７・・・放熱グリス、１００・・・モータ、１０１・・・ロータ、１０１ａ・・・シャフト、１０１ｂ・・・マグネット、１０２・・・ステータ、１０３・・・位置検出センサ、１０４・・・カバー、１０５・・・コネクタ、１０５ａ・・・配線

Claims (12)

1. 上下方向に伸びる回転軸を有するロータと、該ロータに対向するステータと、該ステータを保持するハウジングと、該ハウジングに取り付けられるヒートシンクと、電子部品が実装されて前記ヒートシンク上に配される回路基板と、を備え、
   前記電子部品が発熱素子を含み、
   前記ハウジングが、筒状の筒部と、該筒部の端面を覆う蓋部と、を有し、
   前記ヒートシンクが、前記蓋部の上面に接し、固定部材を用いて前記蓋部に取り付けられ、
   前記発熱素子が熱伝導部材を介して前記ヒートシンクに接することを特徴とするモータ。
2. 前記ヒートシンクは収納部を有し、該収納部が前記蓋部に面した凹部又は貫通孔で形成され、
   前記蓋部の少なくとも一部が前記収納部に配されることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記蓋部が、軸方向に突出する突出部と、該突出部の外周端に連続して形成される環状の環状部と、を有し、
   前記突出部の少なくとも一部が前記収納部内に配され、
   前記環状部が前記ヒートシンクに接することを特徴とする請求項２に記載のモータ。
4. 前記突出部が前記凹部の底面に接することを特徴とする請求項３に記載のモータ。
5. 前記回転軸を支持する軸受と、該軸受を保持する保持部と、をさらに備え、
   前記保持部が前記突出部内に配されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のモータ。
6. 前記固定部材がネジ又はリベットであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のモータ。
7. 前記蓋部が挿通孔を有し、該挿通孔に前記固定部材が挿通され、
   前記蓋部における前記挿通孔の周囲の表面粗さが前記筒部の外周面の表面粗さよりも小さいことを特徴とする請求項６に記載のモータ。
8. 前記発熱素子が前記ヒートシンクと前記回路基板との間に配されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のモータ。
9. 前記発熱素子を除く少なくとも一部の前記電子部品が前記回路基板上の前記ヒートシンクと反対側の面に実装されることを特徴とする請求項８に記載のモータ。
10. 前記熱伝導部材が前記回路基板を貫通する金属部材を含み、
    前記発熱素子が前記回路基板上の前記ヒートシンクと反対側の面に実装されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のモータ。
11. 前記熱伝導部材が放熱グリスを含むことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載のモータ。
12. 前記発熱素子がスイッチング素子であることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載のモータ。

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