JP2022512383A - 互いに分離された複数の放熱体を備えた電気装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気装置、特に電子整流式装置に関する。この装置は、ハウジングと、ハウジング内に収容された制御器とを備えている。制御器は、回転磁場を生成するために装置を制御するように構成されている。本発明によれば、ハウジングは、中空空間を包囲しているハウジングカップと、ハウジングカバーとを有している。この装置は、ハウジングカップに収容された軸受台を備えており、この軸受台はハウジングカップと熱伝導結合している。装置は冷却板も備えており、冷却板は、ハウジングカップおよび制御ユニットの少なくとも１つのコンポーネントまたは複数のコンポーネントと熱伝導結合している。この装置は、半導体スイッチを含むインバータを備えており、この半導体スイッチは軸受台と熱伝導結合している。軸受台と冷却板が、中空空間の一部を互いの間に挟み込んでおり、中空空間のこの一部に、制御ユニットおよびインバータが収容されている。

Description

本発明は、電気装置、特に電子整流式装置に関する。この装置は、ハウジングと、ハウジング内に収容された制御器とを備えている。制御器は、回転磁場を生成するために装置を制御するように構成されている。

本発明によれば、ハウジングは、中空空間を包囲しているハウジングカップと、ハウジングカバーとを有している。この装置は、ハウジングカップに収容された軸受台を備えており、この軸受台はハウジングカップと熱伝導結合している。装置は冷却板も備えており、冷却板は、ハウジングカップおよび制御ユニットの少なくとも１つのコンポーネントまたは複数のコンポーネントと熱伝導結合している。この装置は、半導体スイッチを含むインバータを備えており、この半導体スイッチは軸受台と熱伝導結合している。軸受台と冷却板が、中空空間の一部を互いの間に挟み込んでおり、中空空間のこの一部に、制御ユニットおよびインバータが収容されている。制御ユニットのコンポーネント、特に電子コンポーネント、例えば集積回路、コンデンサまたは抵抗は、冷却板と軸受台の間に形成された中空空間内に突出していることが好ましい。インバータの半導体スイッチも、こうして形成された中空空間内に突出しており、したがってこの装置は、非常に単純に、かつコンパクトに構成され得る。こうして、制御ユニットのコンポーネントとインバータの半導体スイッチとが互いに独立して冷却され得ることが有利な点である。そうして、互いに異なる複数の放熱体で互いに異なる温度レベルが生成され得ることが有利な点であり、これにより、制御ユニットの半導体およびインバータの半導体に共通の単一の放熱体の場合と比べると、他の放熱体より低い温度のコンポーネントからの損失熱が妨げられることなく放出され得る。

好ましい一実施形態では、制御ユニットとインバータとが、特に各相ごとに、それぞれ少なくとも１つの差込コンタクトにより、相互に電気的に結合している。こうして、例えばプリント基板を含む制御ユニットを、冷却板と一緒にコンパクトなアセンブリとしてハウジングカップに嵌め込むことができ、かつ差込コンタクトによりインバータと結合できることが有利な点である。差込コンタクトはそれぞれ圧接コンタクトとして形成されることが好ましい。こうして冷間溶接結合が生成され得ることが有利な点である。

好ましい一実施形態では、冷却板がハウジングカップ内に焼嵌めされており、このように形成されたプレス結合により、冷却板の端面とハウジングカップのハウジングカップ壁とが熱伝導結合している。こうして冷却板とハウジングカップ壁との間の摩擦結合による結合が形成され得ることが有利な点である。こうして装置が簡単に製造され得る。このために例えば、ハウジングカップを、冷却板とハウジングカップとを結合すべき領域で、ハウジングカップ縁まで加熱することができ、これによりハウジングカップの直径が加熱によって拡張される。このハウジングカップの拡張された状態で、好ましくは既に制御ユニット、特に制御ユニットを含む回路基板を備えている冷却板を、ハウジングカップの中空空間に嵌め込むことができる。ハウジングカップを冷却することで、ハウジングカップ壁が冷却板の端面へと収縮し、これにより冷却板は、そのように形成されたプレスフィットにより、ハウジングカップと摩擦結合によって固く結合する。

好ましい一実施形態では、ハウジングカバーが、冷却板と差込結合部によって差込結合し、かつ／または、係合結合部によって係合結合している。こうして制御ユニットが、ハウジングカバーと一緒に予め組み立てられたアセンブリとして、ハウジング開口部を閉じる際に中空空間に挿入され得ることが有利な点である。ハウジングカップ開口部が閉じられる最中に制御ユニットが嵌め込まれるときに、制御ユニットがインバータと電気的に結合され得ることがさらに好ましい。

ハウジングカバーは、ハウジングカップとの係合結合のため、例えば係合突起を有することができ、この係合突起は、ハウジングカップの対応する空隙内に形状結合で噛み合ってそこで係合するように形成されている。

好ましい一実施形態では、ハウジングカバーが、外側に向いた差込端部を備えており、この差込端部の差込コンタクトが制御ユニットと電気的に結合している。ハウジングカバーと、冷却板を備えた制御ユニットとを含む上述のアセンブリのコンポーネントを、相互の差し込み合わせ、ネジ固定またははんだ付けすることにより、組み立て済みのアセンブリとすることができる。

好ましい一実施形態では、冷却板が端面に突起部を有し、この突起部でハウジングカップ壁と特に押圧接触する。冷却板が、この実施形態ではハウジングカップに圧入され得ることが有利な点である。つまり冷却板は、前述のように、ハウジングカップ内に焼嵌めされる必要がなく、したがってハウジングカップ内への冷却板の容易な圧入により、制御ユニットが容易にハウジングカップと結合され得ることが有利な点である。

好ましい一実施形態では、ハウジングカバーと冷却板と制御ユニットとが、相互に特に固く結合し、かつ一緒にアセンブリを形成しており、このアセンブリは、ハウジングカップと特に分離可能に結合され得る。こうして装置は非常に簡単に、ハウジングカップ内へのアセンブリの差込または圧入によって提供され得る。

好ましい一実施形態では、インバータが、制御ユニットおよび／または冷却板と機械的および電気的に結合しており、かつアセンブリの構成要素である。こうしてインバータ、特にインバータの半導体スイッチも、制御ユニットと一緒にハウジングカップと結合し得ることが有利な点である。電気端子、特にインバータの出力端子、例えばインバータのうち、装置の固定子の固定子コイルと結合する相端子は、ハウジングカップにアセンブリを嵌め込む際に、差込結合部によって固定子コイルの端子と結合され得る。

インバータの半導体スイッチは、装置の軸受台との熱伝導結合を形成するために、熱伝導手段と、例えばディスペンシングによって結合でき、これに関してはアセンブリを中空空間に入れることで、インバータの半導体スイッチが軸受台に押し付けられ、これにより、熱伝導手段で形成された熱伝導層が、軸受台と半導体スイッチとの間に形成される。熱伝導手段は、例えば熱伝導ペーストまたは粒子充填樹脂である。粒子が充填された、特にセラミック粒子が充填された樹脂は、装置のコンポーネントをつなぎ合わせた後、例えば紫外線を使って硬化させ得る。このためにハウジングカップは例えば、紫外線源を中空空間内の熱伝導結合の領域に挿入し得る開口部を有することができる。

本発明は電気装置の製造方法にも関し、この装置は、ハウジングカップと、ハウジングカップのハウジング開口部を閉じるよう形成されたハウジングカバーとを備えている。この方法では１つのステップで、軸受台が、ハウジングカップに嵌め込まれ、かつハウジングカップと形状結合および／または摩擦結合によって結合しかつ熱伝導結合する。

さらなるステップでは、冷却板が、ハウジングカップ内で、制御ユニットおよび制御ユニットと結合したインバータと共に、インバータの半導体スイッチが軸受台と熱伝導結合するように嵌め込まれる。その際にまたはさらなるステップで、冷却板が、ハウジングカップ内で軸受台に対して平行に延在するように、摩擦結合および／または形状結合によって熱伝導結合する。この熱伝導結合は、プレスフィットによって形成されることが好ましい。

この方法の好ましい一変形形態では、制御ユニット、冷却板およびインバータが、ハウジングカバーと特に固く結合したアセンブリを構成し、このとき、ハウジングカップにこのアセンブリを嵌め込むと、ハウジング開口部が閉じられる。こうして装置が簡単に提供され得ることが有利な点である。

冷却板が、ハウジングカップにアセンブリを嵌め込む際に、ハウジングカップと、圧入または焼嵌めにより摩擦結合によって結合されることが好ましい。それにより、冷却板からハウジングカップへの良好な熱伝導が生成され得ることが有利な点である。

以下では、図およびさらなる例示的実施形態に基づいて本発明を説明する。さらなる有利な変形形態は、従属請求項および図において説明されている特徴の組合せから明らかである。

電気装置に関する１つの例示的実施形態を示す図であり、この電気装置の電気コンポーネントはコンパクトにアセンブリ内にまとめられており、これに関し、制御ユニットを冷却するための冷却板は軸受台に平行に延在しており、かつ制御ユニットの電気コンポーネントは冷却板と軸受台の間の中空空間に配置されている。 装置の製造方法に関する１つの例示的実施形態を示す図であり、この方法では装置の電気コンポーネントが、装置のハウジングカップに嵌め込まれる前に差し込み合わされ、その後、コンパクトなアセンブリとしてハウジングカップに挿入され、それによりハウジングカップが閉じられ得る。 装置の製造方法に関する１つの例示的実施形態を示す図であり、この方法では、ハウジングカバーと制御ユニットとインバータとを含む予め組み立てられたアセンブリがハウジングカップと結合され、その際にハウジングカップの開口部が閉じられる。

図１は、装置１に関する１つの例示的実施形態を示している。装置１は、回転子２、特に永久磁石で形成された回転子と、固定子コイルを含む固定子３とを備えている。装置１は、ハウジングカップ５およびハウジングカバー６を含むハウジング４も備えている。ハウジングカップ５は中空空間７を包囲しており、中空空間７には、回転子２、固定子３、および固定子を通電させるためのインバータ、ならびにインバータを制御するための制御ユニットが収容されている。インバータは、この例示的実施形態では、パワー半導体１６，１７、特に、電界効果トランジスタなどの半導体スイッチが結合された回路基板１２を含んでいる。制御ユニットは、この例示的実施形態では、回路基板１４であって、装置１を電気的に制御するための処理ユニット１５、特にマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサが結合された回路基板１４を含んでいる。

装置１は軸受台１１も含んでおり、軸受台１１は、中空空間７に収容されており、かつハウジングカップ５内に焼嵌めされている。装置１は冷却板１３も含んでおり、冷却板１３は、中空空間７に収容されており、かつハウジングカップ５内に焼嵌めされている。こうして軸受台１１も冷却板１３も、冷却板１３の端面２２または軸受台１１の端面２５を介して、ハウジングカップ５と熱伝導結合している。

制御ユニット、特に制御ユニットのうち損失熱を生成するコンポーネント、例えば処理ユニット１５は、冷却板１３と熱伝導結合し、かつ、回路基板１４を通して、損失熱を冷却板１３に伝導し得る。

インバータは、この例示的実施形態では、軸受台１１と熱伝導結合している回路基板１２、例えばセラミック回路基板を含んでいる。こうして半導体スイッチ１６，１７は回路基板１２を通して、特にスラグダウン（Ｓｌｕｇ－Ｄｏｗｎ）配置で、軸受台１１に損失熱を伝導することができ、そこから損失熱４０は軸受台１１の端面２５を介してハウジングカップ５に放出され得る。

軸受台１１は、この例示的実施形態では、回転子軸受３８のための凹部を有しており、この凹部内に回転子軸受３８が配置されている。回転子２は、この例示的実施形態では、回転子シャフト４１を含んでおり、回転子シャフト４１は、軸受台１１における貫通孔を介して、および回路基板１２における貫通孔を介して突出している。この例示的実施形態では、制御ユニットの回路基板１４とインバータの回路基板１２とは、互いの間に、中空空間７のうち装置１の長手方向軸１０に沿った長手区間９に広がっている一部３５を挟み込んでいる。長手方向軸１０は、この例示的実施形態では、回転子シャフト４１の長手方向に同軸で延びている。制御ユニットは、この例示的実施形態では、回転子位置センサ１８、特にホールセンサ、ＡＭＲセンサ（ＡＭＲ＝Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｅ－Ｍａｇｎｅｔｏ－Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）、またはＧＭＲセンサ（ＧＭＲ＝Ｇｉａｎｔ－Ｍａｇｎｅｔｏ－Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）を備えており、回転子位置センサ１８は、回路基板１４と結合し、かつ回転子シャフト４１の一方の端部に向かい合っており、こうして回転子２の回転子位置を検出し得る。

回路基板１４，１２と結合している電気コンポーネント、特に電気部品は、中空空間７のうちの長手区間９に形成された一部３５の内部へと延在している。つまり、インバータの回路基板１２に結合している電気コンポーネントと、制御ユニットの回路基板１４に結合している電気コンポーネントとは、特に長手方向軸１０に沿って、互いに向かって突出している。回路基板１２，１４は、この例示的実施形態では、ウェブ材状の結合要素によって相互に機械的に結合しており、この結合要素のうち例示的に１つの結合要素３４に符号が付けられている。制御ユニット、特に制御ユニットの回路基板１４は、電気結合線により、回路基板１２と、したがってインバータと電気的に結合している。こうしてインバータは電気結合線を介し、制御ユニットから、特に処理ユニット１５から制御信号を受信し得る。この電気結合線のうち例示的に１本の結合線２０に符号が付けられている。結合線２０は、回路基板１２と電気的に結合しているソケット１９に通じている。こうして回路基板１４は、冷却板１３と一緒に、インバータとの結合のために差し込み合わされ得る。

このために結合要素３４は、差込要素としても形成されている。こうして制御ユニットとインバータとは、予め組み立てられた、特に差し込み合わされたアセンブリとして、ハウジングカップ開口部８を介してハウジングカップ５の中空空間７に嵌め込まれ得る。

制御ユニット、特に回路基板１４は、この例示的実施形態では、ハウジングカバー６に向いた差込結合部、特にソケット２１および２３を備えており、この差込結合部はそれぞれ、ハウジングカバー６によって包囲された中空空間内に突出している。ハウジングカバー６は、この例示的実施形態では、ハウジングカバー６に付加成形された差込結合部２６を有しており、差込結合部２６は差込コンタクトを含んでおり、この差込コンタクトのうち例示的に１つの差込コンタクト２７に符号が付けられている。差込コンタクト２７は、ハウジングカバー６を介して、ハウジングカバー６で包囲された中空空間内に導かれ、かつそこで差込結合部２１に挿入され得る。冷却板１３は、この例示的実施形態では、特に分離可能で機械的な差込結合部３３により、ハウジングカバー６と結合している。こうしてハウジングカバー６は容易に、回路基板１４および冷却板１３と電気的にも機械的にも差込結合され得る。この例示的実施形態では、差込結合部３３と、回路基板２５、特にＥＭＣフィルタ（ＥＭＣ＝Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍａｇｎｅｔｉｃ－Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）が電気的および機械的に結合している。

こうしてハウジングカバー６は、冷却板１３および制御ユニットの回路基板１４との差込結合により、ならびに制御ユニット、特に回路基板１４とインバータの回路基板１２のさらなる差込結合により、予め組み立てられたアセンブリとして、ハウジングカップ５の中空空間７にハウジングカップ開口部８を介して挿入され得る。

図２は、図１に示した軸受台１１をハウジングカップ５と結合するためのプロセスステップを示している。このためにハウジングカップ５は、軸受台１１とハウジングカップ５の結合箇所からハウジングカップ５のハウジングカップ縁まで長手方向軸１０に沿って延在している長手区間２８において、熱線２９によって加熱される。するとハウジングカップ５は、長手区間２８に沿ったこの領域で膨張するので、ハウジングカップ５の直径が加熱によって拡大する。このときに、軸受台１１が長手区間２８の領域のハウジングカップ５内に摩擦なく挿入され得る。長手区間２８におけるハウジングカップ５を冷ますことで、ハウジングカップ５、特にハウジングカップ壁が、軸受台１１上で収縮し、かつ軸受台１１の端面をプレスし、これによりプレスフィットが生成され得る。

図３は、図１に示した装置１を製造するためのプロセスステップに関する１つの例示的実施形態を示している。図３は、予め組み立てられたアセンブリ３２であって、ハウジングカバー６と、このハウジングカバー６と一緒に差し込まれて回路基板１４を含む制御ユニットと、冷却板１３と、制御ユニットと差込結合された回路基板１２を含むインバータとを含む、予め組み立てられたアセンブリ３２を示している。この例示的実施形態では、インバータの回路基板１２と、パワー半導体、特に半導体スイッチ３６，３７とが、はんだ付けされており、半導体スイッチ３６，３７は、図１とは対照的に、回路基板１２，１４の間の長手区間９に形成された中空空間内に突出するのではなく、インバータの回路基板１２から軸受台１１に向かって延在している。つまり半導体スイッチ３６，３７は、スラグアップ（Ｓｌｕｇ－Ｕｐ）技術により、軸受台１１と熱伝導結合している。

図２に示した軸受台１１は、図３ではハウジングカップ５内に焼嵌めされた軸受台１１’として図示されている。軸受台１１上には、熱伝導手段３０、特に熱伝導ペーストまたは熱伝導接着剤が、特に半導体スイッチ３６，３７と対向するように塗布されている。こうしてアセンブリ３２は、ハウジングカップ開口部８を通り、半導体スイッチ３６，３７が軸受台１１に載るまでハウジングカップ５に嵌め込まれ得る。このときに、ハウジングカップ５はハウジングカバー６で閉じられる。

ハウジングカップ５は、アセンブリ３２とつなぎ合わせる前に、冷却板１３の結合箇所からハウジングカップ縁まで長手方向軸１０に沿って延在する長手区間３１において、熱線２９によって加熱され得る。こうして冷却板１３は、ハウジングカップ５の中空空間７に嵌め込まれた後、ハウジングカップ５を冷ますことでハウジングカップ５内に焼嵌めされ得る。図３とは対照的に、冷却板１３はハウジングカップ５に圧入され得る。

Claims (10)

1. ハウジング（４）と、前記ハウジング（４）内に収容された制御器（１４、１５）とを備えた電気装置（１）、特に電子整流式電動機であって、
   前記制御器（１４、１５）が、回転磁場を生成するために前記装置（１）を制御するように構成されており、
   前記ハウジング（４）が、中空空間（７）を包囲しているハウジングカップ（５）とハウジングカバー（６）とを有しており、
   前記装置（１）が軸受台（１１）を備え、前記軸受台（１１）が、前記ハウジングカップ（５）に収容されるとともに前記ハウジングカップ（５）と熱伝導結合しており、
   前記装置（１）が、前記ハウジングカップ（５）および前記制御ユニットのうちの少なくとも１つのコンポーネント（１５）または複数のコンポーネント（１４、１５）と熱伝導結合する冷却板（１３）を備えており、
   前記装置（１）が、半導体スイッチ（１６、１７、３６、３７）を含むインバータ（１２）を備え、かつ前記半導体スイッチ（１６、１７、３６、３７）が前記軸受台（１２）と熱伝導結合しており、
   前記軸受台（１２）と前記冷却板（１３）とが、互いの間に前記中空空間（７）の一部（９）を挟み込み、かつ前記中空空間（７）の前記一部（９、３５）に前記制御ユニット（１４）および前記インバータ（１２）が収容されている、
   ことを特徴とする電気装置（１）。
2. 前記制御ユニット（１３）と前記インバータ（１２）とが、特に各相に対して、少なくとも１つの差込コンタクト（１９、２０）により相互に電気的に結合していることを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記冷却板（１３）が前記ハウジングカップ（５）内に焼嵌めされており、このように形成されたプレス結合により、前記冷却板（１３）の端面（２２）が前記ハウジングカップのハウジングカップ壁と熱伝導結合していることを特徴とする請求項１または２の記載の装置（１）。
4. 前記ハウジングカバー（６）が、前記冷却板（１３）と差込結合部（２１、３３）によって差込結合し、かつ／または、係合結合部によって係合結合していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置（１）。
5. 前記冷却板（１３）が前記端面（２２）に突起部を有し、かつ前記突起部で前記ハウジングカップ（５）の前記壁と押圧接触していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（１）。
6. 前記ハウジングカバー（６）と前記冷却板（１３）と前記制御ユニット（１４）とが、相互に結合し、かつ一緒にアセンブリを形成しており、前記アセンブリが、前記ハウジングカップ（５）と分離可能に結合していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の装置（１）。
7. 前記インバータ（１２）が、前記制御ユニット（１４）および／または前記冷却板（１３）と機械的および電気的に結合し、かつ前記アセンブリの構成要素であることを特徴とする請求項６に記載の装置（１）。
8. 電気装置（１）の製造方法であって、
   前記装置が、ハウジングカップ（５）と、前記ハウジングカップのハウジング開口部を閉じるように形成されたハウジングカバー（６）とを備え、
   １つのステップで、軸受台（１１）が、前記ハウジングカップ（５）に嵌め込まれ、かつ前記ハウジングカップ（５）と形状結合および／または摩擦結合により結合かつ熱伝導結合し、
   さらなるステップでは、冷却板（１３）と、制御ユニット（１４）と、前記制御ユニット（１４）と結合したインバータ（１２）とが、前記ハウジングカップ（５）内に、前記インバータ（１２）の半導体スイッチ（１６、１７、３６、３７）が前記軸受台（１１）と熱伝導結合されるように嵌め込まれ、
   前記冷却板（１３）が、前記軸受台（１１）に対して平行に延在するように、前記ハウジングカップ（５）と摩擦結合および／または形状結合によって熱伝導結合される、方法。
9. 前記制御ユニット（１２）、前記冷却板（１３）および前記インバータ（１２）が、前記ハウジングカバーと特に固く結合したアセンブリ（３２）を構成することにより、前記ハウジングカップ（５）に前記アセンブリ（３２）を嵌め込むと前記ハウジングカップ開口部（８）が閉じられることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記冷却板（１３）が、前記ハウジングカップ（５）に前記アセンブリ（３２）を嵌め込む際に、前記ハウジングカップ（５）と圧入または焼嵌め（２９）により摩擦結合によって結合されることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
    

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