JP4936019B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に高圧電源で動作するインバータ装置やサーボアンプなどのモータ制御装置に関するものであり、特にモータ制御装置に使用されているヒートシンクの小型化と、装置全体の部品点数削減を実現するための構成に関するものである。

従来のモータ制御装置、例えばインバータ装置は、発熱部品である複数のパワー半導体モジュールが装着され、前記複数のパワー半導体モジュールを冷却するためのヒートシンクが装着されている（例えば、特許文献１参照）。また、装置全体の部品点数削減のためには、前記ヒートシンクを複雑な形状が製作可能なダイカストで製作することが効果的であり、一般的に使用されている。
従来のモータ制御装置、例えばインバータ装置においては、図７から図９に示す構成がとられてきた。
図７から図９において、ヒートシンク１にはボス１ａおよび係合部１ｂおよびフィン１ｃが設けられ、前記ボス１ａ上に基板６が配置され、ネジ７で前記ヒートシンク１に取りつけられている。前記基板６の下面にある前記ヒートシンク１の上には第１のパワー半導体モジュール２および第２のパワー半導体モジュール４が配置されている。なお、前記パワー半導体モジュール２は、ネジ３で前記ヒートシンク１の上面に密着して取りつけられており、前記パワー半導体モジュール４はネジ５で前記ヒートシンク１の上面に密着して取りつけられている。また、前記係合部１ｂにはファン８が取りつけられ、前記フィン１ｃに冷却風を当てることにより前記ヒートシンク１の冷却効率を向上させている。
この構成において、前記ヒートシンク１はダイカストで製作されており、前記基板６を取りつけるための前記ボス１ａや、前記ファン８を取りつけるための前記係合部１ｂを設けることにより、部品点数の削減を実現している。
特開２００４−３４９５４８号公報

しかしながら、従来のモータ制御装置のヒートシンクにおいては次のような問題があった。
すなわち、ダイカストは熱伝導性が悪く、フィンピッチもあまり小さくできない。そのため、冷却効率が悪くヒートシンクの小型化の妨げになっていた。そのため、ヒートシンクを小型化してモータ制御装置の小型化を実現するのには限界があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、部品点数を極力増やすことなく、ヒートシンクを小型化することにより、装置の小型化およびコストダウンが容易にできるモータ制御装置を提供することを目的とするものである。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクに密着する複数のパワー半導体モジュールと、前記複数のパワー半導体モジュールと電気的に接続された基板と、外気の流れを発生させ、前記ヒートシンクに冷却風を当てるファンを備えたモータ制御装置において、前記ヒートシンクを、第１のヒートシンクと第２のヒートシンクからなる２種類のヒートシンクを組み合わせて製作し、前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクのそれぞれに、少なくとも１個以上の前記パワー半導体モジュールを密着させ、かつ、前記第１のヒートシンクを、ダイカストヒートシンクとし、第２のヒートシンクを押し出し、あるいはかしめ方式のヒートシンクとすることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクの内、少なくともいずれか１つのヒートシンクにフィンが備えられていることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクにフィンを備え、前記第２のヒートシンクのフィンを、第１のヒートシンクのフィンよりも風下に配置したことを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、前記第２のヒートシンクのフィンピッチが、前記第１のヒートシンクのフィンピッチよりも小さいことを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、前記２種類のヒートシンクの間に断熱材を挿入したことを特徴とするものである。

本発明によれば、次のような効果がある。
請求項１，２に記載の発明によると、ヒートシンクを、第１のヒートシンクと第２のヒートシンクからなる２種類のヒートシンクを組み合わせて製作し、第１のヒートシンクを、複雑な形状が可能なダイカストヒートシンクにすることにより、基板を取りつけるためのボスやファンを取りつけるための係合部が容易に設けられ、装置の部品点数が削減される。また、第２のヒートシンクを、押し出し、あるいはかしめ方式のヒートシンクにすることにより、冷却効率を向上させ、ヒートシンクを小型化するとともに、モータ制御装置を小型化することができる。
請求項３に記載の発明によると、パワー半導体モジュールの熱が良好に伝達されて高温になりやすい前記第２のヒートシンクのフィンを、第１のヒートシンクのフィンよりも風下に配置することで、第１のヒートシンクが、高温の第２のヒートシンクの影響を受けることがない。
請求項４に記載の発明によると、押し出し、あるいはかしめ方式のヒートシンクのフィンピッチを、ダイカストで製作した場合の製作可能なフィンピッチよりも小さくすることにより、放熱面積が大きくなり冷却効率が向上するので、ヒートシンクを小型化することができ、モータ制御装置を小型化することができる。
請求項５に記載の発明によると、２つのヒートシンク間の熱移動を遮断することができるため、第１のヒートシンクと第２のヒートシンクのそれぞれに装着されているパワー半導体モジュール同士の影響を無視することができ、ヒートシンクの小型化を効率的に行うことができ、モータ制御装置を小型化することができる。

本発明の第１実施例におけるモータ制御装置を示す分解斜視図である。 図１におけるモータ制御装置の組立て斜視図である。 図２におけるモータ制御装置を示す図で、（ａ）は右側面図、（ｂ）は背面図である。 本発明の第２実施例におけるモータ制御装置を示す分解斜視図である。 図４におけるモータ制御装置の組立て斜視図である。 図５におけるモータ制御装置を示す図で、（ａ）は右側面図、（ｂ）は背面図である。 従来技術におけるモータ制御装置を示す分解斜視図である。 図７におけるモータ制御装置の組立て斜視図である。 図８におけるモータ制御装置を示す図で、（ａ）は右側面図、（ｂ）は背面図である。

符号の説明

１ ヒートシンク
１ａ ボス
１ｂ 係合部
１ｃ フィン
２ 第１のパワー半導体モジュール
３ 第１のパワー半導体モジュール固定用のネジ
４ 第２のパワー半導体モジュール
５ 第２のパワー半導体モジュール固定用のネジ
６ 基板
７ 基板固定用のネジ
８ ファン
９ 第１のヒートシンク
９ａ ボス
９ｂ 係合部
９ｃ 中空穴
１０ 第２のヒートシンク
１０ａ フィン
１１ 第２のヒートシンク固定用のネジ
１２ 断熱材

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例におけるモータ制御装置を示す分解斜視図である。図２は、図１におけるモータ制御装置の組立て斜視図である。図３は図２におけるモータ制御装置を示す図で、（ａ）は右側面図、（ｂ）は背面図である。
図１から図３において、２は第１のパワー半導体モジュール、４は第２のパワー半導体モジュール、６は基板、８はファン、９は第１のヒートシンク、１０は第２のヒートシンクである。

前記第１のヒートシンク９には、ボス９ａおよび係合部９ｂおよび中空穴９ｃが設けられており、前記ボス９ａ上に前記基板６が配置され、ネジ７で前記第１のヒートシンク９に取りつけられている。前記基板６の下面にある前記第１のヒートシンク９の上には前記第１のパワー半導体モジュール２が配置されており、ネジ３で前記第１のヒートシンク９の上面に密着して取りつけられている。前記第２のヒートシンク１０の上には前記第２のパワー半導体モジュール４が配置されており、ネジ５で前記第２のヒートシンク１０の上面に密着して取りつけられている。前記第２のヒートシンク１０は、前記第１のヒートシンク９の前記中空穴９ｃの位置に配置されており、ネジ１１で前記第１のヒートシンク９に取りつけられている。また、前記第２のヒートシンク１０にはフィン１０ａが設けられており、前記第１のヒートシンク９の前記係合部９ｂにファン８が取りつけられ、前記フィン１０ｃに冷却風を当てることにより前記第２のヒートシンク１０の冷却効率を向上させている。
ここで、前記第１のヒートシンク９にフィンを設ける空間がある場合は、前記第１のヒートシンク９にフィンを設け、前記ファン８にて冷却風を当てることにより、前記第１のヒートシンク９の冷却効率を向上させることも可能である。

この構成において、前記第１のヒートシンク９は、ダイカストで製作されており、前記基板６を取りつけるための前記ボス９ａや前記ファン８を取りつけるための前記係合部９ｂを設けることにより装置全体部品点数の削減が可能である。また、前記第２のヒートシンク１０は、熱伝導性の良いかしめ等のヒートシンクを使用し、前記フィン１０ａのフィンピッチが、ダイカストで製作した場合の製作可能なフィンピッチよりも小さく設けられている。これにより、前記第２のヒートシンク１０の放熱面積が大きくなり冷却効率が向上するため、前記第２のヒートシンク１０の小型化が可能である。
また、上述したように、前記第１のヒートシンク９を、ダイカストヒートシンクとし、第２のヒートシンク１０を押し出し、あるいはかしめ方式等の熱伝導性が良い材料を用いたヒートシンクとした場合、熱伝導性が良くパワー半導体モジュールの熱が良好に伝達されて高温になりやすい前記第２のヒートシンク１０のフィン１０ａは、第１のヒートシンク９のフィン（図示せず）よりも風下に配置されることになり、第１のヒートシンク９が高温の風の影響を受け、冷却性が悪くなるということがない。
ここで、前記第１のパワー半導体モジュール２と前記第２のパワー半導体モジュール４は、通常の使用形態ではほとんどの場合において、発熱量が異なっている。そのため、必然的に発熱量が大きい方のパワー半導体モジュールを冷却効率が高い前記ヒートシンク１０に取りつけることになる。つまり、前記第２のパワー半導体モジュール４が前記第１のパワー半導体モジュール２よりも発熱量が高く、そのため、前記第２のパワー半導体モジュール４は、冷却効率のよい第２のヒートシンクに１０に取りつけられている。

また、故障限界温度についても、前記第１のパワー半導体モジュール２と前記第２のパワー半導体モジュール４で異なる場合がある。前記第２のパワー半導体モジュール４が前記第１のパワー半導体モジュール２よりも故障限界温度が高い場合について考えた場合、前記第２のパワー半導体モジュール４が取りつけられている前記第２のヒートシンク１０が前記第１のパワー半導体モジュール２が取りつけられている前記第１のヒートシンク９よりも温度を高くすることが可能であり、前記第２のヒートシンク１０を限界まで小型化した場合、前記第２のヒートシンク１０の温度は前記第１のヒートシンク９の温度よりも高くなる。ここで、前記第１のヒートシンク９と前記第２のヒートシンク１０は、ネジで締結されているとはいえ別部品であるため、お互いの部品に対してある程度の断熱効果があり、温度が低い前記第１のヒートシンク９への温度が高い前記第２のヒートシンク１０からの熱移動をある程度防ぐことができる。このため前記第１のヒートシンク９の小型化においては、前記第２のヒートシンク１０の影響をある程度排除することができる。なお、前記第１のパワー半導体モジュール２が前記第２のパワー半導体モジュール４よりも故障限界温度が高い場合についても同様の考え方ができる。

図４は、実施例２の構成を示す本発明のモータ制御装置の分解斜視図である。図５は、図４におけるモータ制御装の斜視図である。図６（ａ）は図５におけるモータ制御装置の右側面図、図６（ｂ）は図５におけるモータ制御装置の背面図である。
図４から図６において、２は第１のパワー半導体モジュール、４は第２のパワー半導体モジュール、６は基板、８はファン、９は第１のヒートシンク、１０は第２のヒートシンク、１２は断熱材である。

前記第１のヒートシンク９にはボス９ａおよび係合部９ｂおよび中空穴９ｃが設けられており、前記ボス９ａ上に前記基板６が配置され、ネジ７で前記第１のヒートシンク９に取りつけられている。前記基板６の下面にある前記第１のヒートシンク９の上には前記第１のパワー半導体モジュール２が配置されており、ネジ３で前記第１のヒートシンク９の上面に密着して取りつけられている。前記第２のヒートシンク１０の上には前記第２のパワー半導体モジュール４が配置されており、ネジ５で前記第２のヒートシンク１０の上面に密着して取りつけられている。前記第２のヒートシンク１０は前記第１のヒートシンク９の前記中空穴９ｃの位置に前記断熱材１２を介して配置されており、ネジ１１で前記第１のヒートシンク９に取りつけられている。また、前記第２のヒートシンク１０にはフィン１０ａが設けられており、前記第１のヒートシンク９の前記係合部９ｂにファン８が取りつけられ、前記フィン１０ｃに冷却風を当てることにより前記第２のヒートシンク１０の冷却効率を向上させている。
ここで、前記第１のヒートシンク９にフィンを設ける空間がある場合は、前述した実施例１と同様に、前記第１のヒートシンク９にフィンを設け、前記ファン８にて冷却風を当てることにより、前記第１のヒートシンク９の冷却効率を向上させることも可能である。この場合、熱伝導性が良くパワー半導体モジュールの熱が良好に伝達されて高温になりやすい前記第２のヒートシンクのフィンは、第１のヒートシンクのフィンよりも風下に配置されることになり、第１のヒートシンクが高温の風の影響を受け、冷却性が悪くなるということがない。

この構成において、前記第１のヒートシンク９はダイカストで製作されており、前記基板６を取りつけるための前記ボス９ａや前記ファン８を取りつけるための前記係合部９ｂを設けることにより装置全体部品点数の削減が可能である。また、前記第２のヒートシンク１０は熱伝導性の良いかしめ等のヒートシンクを使用し、前記フィン１０ａのフィンピッチが、ダイカストで製作した場合の製作可能なフィンピッチよりも小さく設けられている。これにより、前記第２のヒートシンク１０の放熱面積が大きくなり冷却効率が向上するため、前記第２のヒートシンク１０の小型化が可能である。
ここで、前記第１のパワー半導体モジュール２と前記第２のパワー半導体モジュール４は、通常の使用形態ではほとんどの場合において、発熱量が異なっている。そのため、必然的に発熱量が大きい方のパワー半導体モジュールを冷却効率が高い前記ヒートシンク１０に取りつけることになる。つまり、前記第２のパワー半導体モジュール４が前記第１のパワー半導体モジュール２よりも発熱量が高く、そのため、前記第２のパワー半導体モジュール４は、冷却効率のよい第２のヒートシンクに１０に取りつけられている。

また、故障限界温度についても、前記第１のパワー半導体モジュール２と前記第２のパワー半導体モジュール４で異なる場合がある。前記第２のパワー半導体モジュール４が前記第１のパワー半導体モジュール２よりも故障限界温度が高い場合について考えた場合、前記第２のパワー半導体モジュール４が取りつけられている前記第２のヒートシンク１０が前記第１のパワー半導体モジュール２が取りつけられている前記第１のヒートシンク９よりも温度を高くすることが可能であり、前記第２のヒートシンク１０を限界まで小型化した場合、前記第２のヒートシンク１０の温度は前記第１のヒートシンク９の温度よりも高くなる。ここで、前記第１のヒートシンク９と前記第２のヒートシンク１０は、ネジで締結されているとはいえ別部品であるため、お互いの部品に対してある程度の断熱効果がある。さらに、前記第１のヒートシンク９と前記第２のヒートシンク１０は前記断熱材１２によって断熱されており、温度が低い前記第１のヒートシンク９への温度が高い前記第２のヒートシンク１０からの熱移動をほぼ防ぐことができる。このため前記第１のヒートシンク９の小型化においては、前記第２のヒートシンク１０の影響をほぼ排除することができる。なお、前記第１のパワー半導体モジュール２が前記第２のパワー半導体モジュール４よりも故障限界温度が高い場合についても同様の考え方ができる。

主に高圧電源で動作するインバータ装置やサーボアンプなどのモータ制御装置に関するものであり、特にモータ制御装置に使用されているヒートシンクの小型化と、装置全体の部品点数削減を実現するための構成に関するもので、部品点数を極力増やすことなく、ヒートシンクを小型化することにより、装置の小型化およびコストダウンが容易にできるモータ制御装置を製造、提供する分野に利用することができる。

Claims (5)

1. ヒートシンクと、前記ヒートシンクに密着する複数のパワー半導体モジュールと、前記複数のパワー半導体モジュールと電気的に接続された基板と、外気の流れを発生させ、前記ヒートシンクに冷却風を当てるファンを備えたモータ制御装置において、
   前記ヒートシンクを、第１のヒートシンクと第２のヒートシンクからなる２種類のヒートシンクを組み合わせて製作し、前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクのそれぞれに、少なくとも１個以上の前記パワー半導体モジュールを密着させ、かつ、前記第１のヒートシンクを、ダイカストヒートシンクとし、第２のヒートシンクを押し出し、あるいはかしめ方式のヒートシンクとすることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクの内、少なくともいずれか１つのヒートシンクにフィンが備えられていることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクにフィンを備え、前記第１のヒートシンクのフィンを、第２のヒートシンクのフィンよりも風上に配置したことを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記第２のヒートシンクのフィンピッチが、前記第１のヒートシンクのフィンピッチよりも小さいことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記第１のヒートシンクと第２のヒートシンクの間に断熱材を挿入したことを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載のモータ制御装置。

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