JP2019187202A - モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】体格の大型化を抑えつつ放熱性能を確保することができるモータ装置を提供する。【解決手段】モータ装置１１は、モータ１２、主ヒートシンク１３、第１の基板１５および第２の基板１６を有している。主ヒートシンク１３は、モータ１２の端部に設けられている。主ヒートシンク１３は、半筒状の第１の分割体２１および半筒状の第２の分割体２２が組み合わせられることにより有底有蓋の円筒状をなしている。第１の基板１５は、第１の分割体２１の内周面に固定されている。第１の基板１５に設けられた発熱素子１８は、放熱材３１を介して第１の分割体２１の内周面に接触している。第２の基板１６は、第２の分割体２２の内周面に固定されている。第２の基板１６に設けられた発熱素子１９は、放熱材３３を介して第２の分割体２２の内周面に接触している。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ装置に関する。

従来、たとえば特許文献１に記載されるように、モータ、その駆動回路であるインバータ、およびヒートシンクが一体的に設けられたモータ装置が知られている。インバータは、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などの発熱素子を有している。発熱素子の発熱に伴う温度上昇を抑えるために、インバータはヒートシンクに取付けられている。発熱素子の熱は、ヒートシンクを介して放熱される。

特開２０１７−０３４９５８号公報

近年では、モータの駆動回路に対して冗長化が要求されることがある。この場合、モータには複数系統のインバータが設けられるところ、これらインバータを設けるスペースを確保する必要がある。また、インバータの数が増える分だけトータルとしての発熱量が増大するところ、この発熱量の増大に応じてヒートシンクの体積を確保する必要がある。したがって、モータ装置の体格が大型化することが懸念される。

本発明の目的は、体格の大型化を抑えつつ放熱性能を確保することができるモータ装置を提供することにある。

上記目的を達成し得るモータ装置は、モータと、基板と、放熱部材とを有している。基板は、発熱素子が設けられた部品面を有し、前記モータの端部において前記部品面が前記モータの軸線に沿うように設けられている。放熱部材は、前記モータの端部における前記部品面よりも外縁側に位置するように、かつ前記モータの端部の外縁に沿うように設けられて前記発熱素子との間で熱交換を行う。

この構成によれば、放熱部材をたとえばモータの端部における中央に設ける場合に比べて、放熱部材の体積を確保しやすい。たとえば要求される放熱性能に応じて、モータの端部の外縁に沿った方向における放熱部材の長さを調節することも可能である。したがって、体格の大型化を抑えつつ放熱性能を確保することができる。

上記のモータ装置において、前記放熱部材は、前記モータの端部の外縁に沿った筒状に設けられていて、前記基板は前記放熱部材の内部に収容されていることが好ましい。
この構成によれば、放熱部材の体積を容易に確保できる。放熱部材の表面積も確保できるため、放熱性能が向上する。

上記のモータ装置において、前記基板は複数設けられる一方、前記放熱部材はその周方向において少なくとも前記基板の数と同数の分割体に分割されていてもよい。この場合、複数の前記基板は、それぞれ異なる前記分割体に取り付けられていることが好ましい。

この構成によれば、基板を分割体に容易に取り付けることができる。
上記のモータ装置において、前記基板は２つ設けられていて、２つの前記基板における前記部品面と反対側の面の間には、副放熱部材が介在されていてもよい。

この構成によれば、発熱素子の熱は、基板を介して副放熱部材にも伝達される。
上記のモータ装置であって、前記発熱素子の前記部品面と反対側の面は、放熱材を介して前記放熱部材に接触していることが好ましい。

この構成によれば、発熱素子の熱は放熱材を介して効率的に放熱部材に伝達される。

本発明のモータ装置によれば、体格の大型化を抑えつつ放熱性能を確保することができる。

モータ装置の第１の実施の形態の要部を示す断面図。 第１の実施の形態における主ヒートシンクの分解斜視図。 比較例としてのモータ装置を示す斜視図。 比較例におけるモータ装置の要部を示す断面図。 第２の実施の形態における主ヒートシンクの断面図。

＜第１の実施の形態＞
以下、モータ装置の第１の実施の形態を説明する。
図１に示すように、モータ装置１１は、モータ１２、主ヒートシンク１３、副ヒートシンク１４、第１の基板１５、第２の基板１６、および第３の基板１７を有している。

モータ１２は、三相のブラシレスモータであって２系統の巻線群を有している。モータ１２は、２系統の巻線群に対する給電を通じて動作する。主ヒートシンク１３は、モータ１２の端部に設けられている。主ヒートシンク１３は、アルミニウムなどの熱伝導性に優れる金属材料によって有蓋有底の筒状に設けられている。副ヒートシンク１４、第１の基板１５、第２の基板１６、および第３の基板１７は、主ヒートシンク１３の内部に設けられている。主ヒートシンク１３は、放熱器としての機能だけでなく、第１の基板１５、第２の基板１６および第３の基板１７などを収容するケースとしても機能する。

図２に示すように、主ヒートシンク１３は、第１の分割体２１および第２の分割体２２を有している。第１の分割体２１および第２の分割体２２は、それぞれ平面部分が開口した半筒状をなしている。第１の分割体２１および第２の分割体２２は、互いの開口部分を突き合わせた状態で相互に固定される。

図１に示すように、副ヒートシンク１４は、主ヒートシンク１３と同じ金属材料によって板状あるいは直方体状に設けられている。副ヒートシンク１４は、主ヒートシンク１３の内底面に立設されている。副ヒートシンク１４は、第１の分割体２１と第２の分割体２２との境界部分に対応する位置に設けられている。副ヒートシンク１４は、互いに反対側に位置する第１の面１４ａおよび第２の面１４ｂを有している。第１の面１４ａは、第１の分割体２１の内周面側を向いている。第２の面１４ｂは、第２の分割体２２の内周面側を向いている。

第１の基板１５は、第１の分割体２１の内周面と副ヒートシンク１４の第１の面１４ａとの間に設けられている。第１の基板１５の副ヒートシンク１４と反対側の面（図１中の左側面）である部品面１５ａには、発熱素子１８が設けられている。発熱素子１８は、通電により熱を発生する電子部品である。発熱素子１８としては、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）が挙げられる。第１の基板１５に設けられるＭＯＳＦＥＴは、モータ１２の第１系統の巻線群に対して電力を供給するインバータの構成要素である。第１の基板１５は、部品面１５ａがモータ１２の軸線Ｏに沿うように設けられている。

第１の基板１５は、スペーサを介して第１の分割体２１の内周面に対してボルトによって固定される。発熱素子１８の副ヒートシンク１４と反対側の面（図１中の左側面）は、放熱材３１を介して第１の分割体２１の内周面に接触している。また、第１の基板１５の副ヒートシンク１４側の面（図１中の右側面）と副ヒートシンク１４の第１の面１４ａとの間には放熱材３２が介在されている。放熱材３１，３２としては、たとえば熱伝導性および電気絶縁性に優れる放熱グリスが採用される。

第２の基板１６は、第２の分割体２２の内周面と副ヒートシンク１４の第２の面１４ｂとの間に設けられている。第２の基板１６は、第１の基板１５と同様の構成を有している。第２の基板１６の副ヒートシンク１４と反対側の面（図１中の右側面）である部品面１６ａには、ＭＯＳＦＥＴなどの発熱素子１９が設けられている。第２の基板１６に設けられるＭＯＳＦＥＴは、モータ１２の第２系統の巻線群に対して電力を供給するインバータの構成要素である。第２の基板１６は、部品面１６ａがモータ１２の軸線Ｏに沿うように設けられている。

第２の基板１６は、スペーサを介して第２の分割体２２の内周面に対してボルトによって固定される。発熱素子１９の副ヒートシンク１４と反対側の面（図１中の右側面）は、放熱材３３を介して第２の分割体２２の内周面に接触している。第２の基板１６の副ヒートシンク１４側の面（図１中の左側面）と副ヒートシンク１４の第２の面１４ｂとの間には、放熱材３４が介在されている。

第３の基板１７は、副ヒートシンク１４のモータ１２と反対側の端部（図１中の上端部）に固定されている。第３の基板１７には、回転角センサなどの電子部品が設けられる。
＜第１の実施の形態の作用＞
図１に矢印Ｘ１で示されるように、第１の基板１５に設けられた発熱素子１８の熱は、放熱材３１を介して第１の分割体２１に効率的に伝達される。また、図１に矢印Ｘ２で示されるように、発熱素子１８の熱は、第１の基板１５および放熱材３２を介して副ヒートシンク１４にも伝達される。

図１に矢印Ｘ３で示されるように、第２の基板１６に設けられた発熱素子１９の熱は、放熱材３３を介して第２の分割体２２に効率的に伝達される。また、図１に矢印Ｘ４で示されるように、発熱素子１８の熱は、第２の基板１６および放熱材３４を介して副ヒートシンク１４にも伝達される。

第１の分割体２１に蓄えられる熱Ｑ１、第２の分割体２２に蓄えられる熱Ｑ２、および副ヒートシンク１４に蓄えられる熱Ｑ３は、それぞれ大気に放散される。副ヒートシンク１４に蓄えられる熱Ｑ３の一部分は、主ヒートシンク１３（第１の分割体２１、あるいは第２の分割体２２）を介して大気に放散される。

ここで、ヒートシンクの放熱能力は、その体積で決まる。体積が大きいほどヒートシンクの熱抵抗が小さくなるため、ヒートシンクの放熱能力は高くなる。たとえばヒートシンクの表面積が同じで厚みが異なる場合、厚みが厚いほどヒートシンクの体積は大きくなる。このため、厚みが厚くなるほどヒートシンクの放熱能力は高くなる。また、ヒートシンクの厚みが同じで表面積が異なる場合、表面積が広いほどヒートシンクの体積が大きくなる。このため、表面積が広くなるほどヒートシンクの放熱能力は高くなる。

この点、主ヒートシンク１３は、モータ１２の端部の周縁に沿って、第１の基板１５、第２の基板１６および第３の基板１７の全体を囲むかたちで設けられている。このため、主ヒートシンク１３においては、発熱素子１８，１９の熱を逃がすために必要とされる体積を十分に、かつ容易に確保することができる。したがって、発熱素子１８，１９の熱は、主ヒートシンク１３を通じて効率的に放熱される。

また、主ヒートシンク１３においては十分な広さの表面積を確保することができるところ、この表面積を確保することができる分だけ主ヒートシンク１３の厚みを薄くすることが可能である。主ヒートシンク１３の厚みを薄くできる分だけ、主ヒートシンク１３の外径を縮小することもできる。

また、発熱素子１８，１９の発熱量によっては、副ヒートシンク１４の厚みをより薄くして体積を減少させたり、モータ装置１１として副ヒートシンク１４を割愛した構成を採用したりすることができる。主ヒートシンク１３の内部における副ヒートシンク１４の占有体積が減少あるいは無くなる分だけ、主ヒートシンク１３の内部空間をより有効に使用したり、主ヒートシンク１３の外径を縮小したりすることができる。

また、第１の基板１５、第２の基板１６および第３の基板１７は、有蓋有底の円筒状をなす主ヒートシンク１３の内部に収容されている。このため、水あるいは粉塵などが第１の基板１５、第２の基板１６および第３の基板１７に付着することが抑制される。すなわち、主ヒートシンク１３が、第１の基板１５、第２の基板１６および第３の基板１７を保護するケースを兼ねるため、別個にケースあるいはカバーなどを設ける必要がない。

また、図２に示すように、第１の分割体２１の内部に第１の基板１５を、第２の分割体２２の内部に第２の基板１６を取り付けた状態で、これら第１の基板１５と第２の基板１６とを互いの開口部分（分割面）を突き合わせた状態で相互に固定することにより、モータ１２の制御部が構築される。モータ１２の制御部とは、ロータ、ステータおよび巻線群などのモータ１２の機械部分以外の構成をいう。対称的な半筒状の分割体同士（２１，２２）を固定するだけで、モータ１２の制御部を構築することができるため、当該制御部の組立工数を低減することができる。分割体同士（２１，２２）の単なる固定にとどまらず、基板（１５，１６）、主ヒートシンク１３（２１，２２）、放熱材（３１〜３４）の実質的な同時位置決めも可能である。

＜比較例＞
ちなみに、モータ装置として主ヒートシンク１３を割愛した構成を採用することも考えられる。この場合、第１の基板１５および第２の基板１６の放熱構造として、たとえばつぎのようなヒートシンクが採用される。

図３に示すように、ヒートシンク４１は、円板状の第１の部分４２および直方体状の第２の部分４３を有している。第１の部分４２は、モータ１２の端部に固定されている。第２の部分４３は、第１の部分４２のモータ１２と反対側の面（図３中の上面）に立設されている。第２の部分４３は、第１の基板１５と第２の基板１６との間に位置している。第１の基板１５，第２の基板１６、第３の基板１７、およびヒートシンク４１は、合成樹脂製のケース４４に収容されている。

図４に示すように、第１の基板１５は、発熱素子１８をヒートシンク４１の第２の部分４３側（図４中の右側）へ向けた姿勢で設けられている。第１の基板１５は、スペーサを介して第２の部分４３に対してボルトによって固定される。発熱素子１８の第１の基板１５と反対側の面（図４中の右側面）は、放熱材４５を介して第２の部分４３に接触している。

第２の基板１６は、発熱素子１９をヒートシンク４１の第２の部分４３側（図４中の左側）へ向けた姿勢で設けられている。第２の基板１６は、スペーサを介して第２の部分４３に対してボルトによって固定される。発熱素子１９の第２の基板１６と反対側の面（図４中の左側面）は、放熱材４６を介して第２の部分４３に接触している。

図４に矢印Ｘ５で示されるように、第１の基板１５に設けられた発熱素子１８の熱は、放熱材４５を介してヒートシンク４１の第２の部分４３に伝達される。また、図４に矢印Ｘ６で示されるように、発熱素子１９の熱も、放熱材４６を介してヒートシンク４１の第２の部分４３に伝達される。第２の部分４３に蓄えられる熱Ｑ４は、大気に放散される。

発熱素子１８，１９からの熱をすべてヒートシンク４１の第２の部分４３で受け止め、かつ効率的に放熱するためには、第２の部分４３の体積を発熱素子１８，１９の発熱量に応じて確保する必要がある。第２の部分４３の体積を増やすためには、たとえば第１の基板１５と第２の基板１６との対向方向（図４中の左右方向）における第２の部分４３の厚みをより厚くしたり、第１の部分４２のモータ１２と反対側の面（図４中の上面）を基準とする第２の部分４３の高さをより高くしたりすればよい。

しかし、ケース４４の内部において確保できるヒートシンク４１（特に、第２の部分４３）の設置スペースには限界がある。また、ケース４４の内部に設けられる各種の電子部品との兼ね合いで、第２の部分４３の設置スペースが制約を受けることも考えられる。このため、第２の部分４３において、発熱素子１８，１９の熱を受け止めて逃がすために必要とされる体積を確保することが困難となるおそれがある。

この点、本実施の形態によれば、主ヒートシンク１３は、モータ１２の端部の外縁に沿って、第１の基板１５、第２の基板１６および第３の基板１７の全体を囲むかたちで設けられる。このため、主ヒートシンク１３の設置スペースを容易に確保することができる。また、主ヒートシンク１３において、体格を大型化することなく、発熱素子１８，１９の熱を逃がすために必要とされる体積を十分に、かつ容易に確保することができる。さらに、本実施の形態によれば、発熱素子１８，１９の発熱量によるものの、比較例におけるヒートシンク４１の第２の部分４３に対応する部分である副ヒートシンク１４の体格の小型化したり、割愛したりすることも可能である。このため、主ヒートシンク１３の内部においてスペース的な余裕を持たせやすい。

＜第１の実施の形態の効果＞
したがって、第１の実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）主ヒートシンク１３は、モータ１２の端部の外縁に沿って、第１の基板１５、第２の基板１６および第３の基板１７の周囲を囲むように設けられている。このため、主ヒートシンク１３の設置スペースを確保しやすい。また、主ヒートシンク１３に要求される体積を容易に確保することができる。発熱素子１８，１９の発熱量によっては、副ヒートシンク１４を割愛することも可能である。したがって、モータ装置１１の体格の大型化を抑えつつ放熱性能を確保することができる。

（２）主ヒートシンク１３は、有蓋有底の筒状に設けられている。このため、主ヒートシンク１３は、第１の基板１５、第２の基板１６および第３の基板１７を収容するケースとしての機能を兼用することができる。

（３）モータ装置１１によれば、モータ１２が２系統の巻線群を有する場合に限らず、モータ１２が１系統の巻線群のみを有する場合であれ、主ヒートシンク１３の構成を変更することなく対応できる。この場合、第１の基板１５および第２の基板１６のいずれか一方を、第１の分割体２１または第２の分割体２２の内部に設ければよい。

＜第２の実施の形態＞
つぎに、モータ装置の第２の実施の形態を説明する。本実施の形態は、ヒートシンクの構成の点で第１の実施の形態と異なる。

図５に示すように、主ヒートシンク５１は、アルミニウムなどの熱伝導性に優れる単一の金属材料が一体成形されてなる。主ヒートシンク５１は、モータ１２側（図５中の下側）が開口する有蓋筒状に設けられている。主ヒートシンク５１の内周面には、互いに対向する第１の傾斜面５２、および第２の傾斜面５３が設けられている。第１の傾斜面５２および第２の傾斜面５３は、主ヒートシンク５１におけるモータ１２と反対側の端部（図５中の上端部）へ向かうにつれて、互いに近接するように傾斜している。

第１の基板１５は、発熱素子１８を第１の傾斜面５２側（図４中の左側）へ向けた姿勢で設けられている。第１の基板１５は、スペーサを介して第１の傾斜面５２に対してボルトによって固定される。発熱素子１８の第１の基板１５と反対側の面（図５中の左側面）は、第１の傾斜面５２に対して接触している。

第２の基板１６は、発熱素子１９を第２の傾斜面５３側（図５中の右側）へ向けた姿勢で設けられている。第２の基板１６は、スペーサを介して第２の傾斜面５３に対してボルトによって固定される。発熱素子１９の第２の基板１６と反対側の面（図５中の右側面）は、第２の傾斜面５３に対して接触している。

ちなみに、発熱素子１８と第１の傾斜面５２との間、および発熱素子１９と第２の傾斜面５３との間には、それぞれ放熱グリスなどの放熱材を介在させてもよい。また、図５では図示を割愛しているが、発熱素子１８，１９の発熱量などに応じて、副ヒートシンク１４に相当する構成を設けてもよい。

＜第２の実施の形態の効果＞
したがって、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態における（１）〜（３）の効果に加え、以下の効果を得ることができる。

（４）主ヒートシンク５１は、同一の金属材料により一体成形されている。このため、モータ装置１１の部品点数を低減させることができる。
（５）主ヒートシンク５１の内周面には、第１の傾斜面５２および第２の傾斜面５３が設けられている。第１の傾斜面５２には第１の基板１５が、第２の傾斜面５３には第２の基板１６が取付けられる。このため、主ヒートシンク５１の内径が主ヒートシンク５１の全長にわたって一定に維持される場合に比べて、主ヒートシンク５１の内周面に対する第１の基板１５および第２の基板１６の取り付け作業が簡単になる。

＜他の実施の形態＞
なお、第１および第２の実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・第１の実施の形態において、発熱素子を有する基板が３つ、４つまたはそれ以上設けられてもよい。この場合、主ヒートシンク１３は、その周方向において少なくとも発熱素子を有する基板の数と同数の分割体に分割されていてもよい。発熱素子を有する各基板は、異なる分割体に取り付けられるようにしてもよい。

・第１および第２の実施の形態では、主ヒートシンク１３，５１を第１の基板１５、第２の基板１６および第３の基板１７などを収容するケースとして兼用したが、主ヒートシンク１３，５１を収容するケースを別途設けてもよい。このようにすれば、主ヒートシンク１３，５１を保護することができる。

・第１の実施の形態において、主ヒートシンク１３は、互いに反対側に位置する２つの端部のうち少なく一方が開口した筒状であってもよい。また、主ヒートシンク１３は、モータ１２の端部における外縁の全周にわたって設けなくてもよい。たとえば主ヒートシンク１３は、軸線に直交する方向に切断した断面形状がＣ字状となる筒状に設けてもよい。また、主ヒートシンク１３は、筒状でなくてもよい。たとえば第１の分割体２１および第２の分割体２２を、それぞれ円弧板状に設けてもよい。これら円弧板状の分割体は、モータ１２の端部における部品面１５ａ，１６ａよりも外縁側に位置し、かつモータ１２の端部の外縁に沿って設けられていればよい。これらの構成を採用する場合、主ヒートシンク１３にケースを兼用させなくてもよい。

・第２の実施の形態において、主ヒートシンク５１は、互いに反対側に位置する２つの端部がそれぞれ開口した筒状であってもよい。この構成を採用する場合、主ヒートシンク５１にケースを兼用させなくてもよい。

・第１および第２の実施の形態において、主ヒートシンク１３，５１がケースを兼用しない場合、モータ装置１１には、第１の基板１５、第２の基板１６、第３の基板１７、主ヒートシンク１３（第１の分割体２１、第２の分割体２２）、および副ヒートシンク１４を収容する合成樹脂製のケースあるいはカバーを別途設けてもよい。

・第１および第２の実施の形態において、製品仕様などによっては、モータ装置１１として第３の基板１７を割愛した構成を採用してもよい。

１１…モータ装置、１２…モータ、１３，５１…主ヒートシンク（放熱部材）、１４…副ヒートシンク（副放熱部材）、１５…第１の基板、１５ａ…部品面、１６…第２の基板、１６ａ…部品面、１８，１９…発熱素子、２１…第１の分割体、２２…第２の分割体、３１，３３…放熱材。

Claims (5)

1. モータと、
   発熱素子が設けられた部品面を有し、前記モータの端部において前記部品面が前記モータの軸線に沿うように設けられた基板と、
   前記モータの端部における前記部品面よりも外縁側に位置するように、かつ前記モータの端部の外縁に沿うように設けられて前記発熱素子との間で熱交換を行う放熱部材と、を有しているモータ装置。
2. 請求項１に記載のモータ装置であって、
   前記放熱部材は、前記モータの端部の外縁に沿った筒状に設けられていて、前記基板は前記放熱部材の内部に収容されているモータ装置。
3. 請求項２に記載のモータ装置であって、
   前記基板は複数設けられる一方、前記放熱部材はその周方向において少なくとも前記基板の数と同数の分割体に分割されていて、
   複数の前記基板は、それぞれ異なる前記分割体に取り付けられているモータ装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のモータ装置であって、
   前記基板は２つ設けられていて、２つの前記基板における前記部品面と反対側の面の間には、副放熱部材が介在されているモータ装置。
5. 請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載のモータ装置であって、
   前記発熱素子の前記部品面と反対側の面は、放熱材を介して前記放熱部材に接触しているモータ装置。