JP4936022B2 - 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の放熱効果を上げるためのヒートシンク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、高熱を発するパワー半導体モジュールを用いているため、パワー半導体モジュールをヒートシンクに密着させ冷却効果を上げている。更に冷却効果を上げるためにファンを用い強制空冷にて冷却効果を上げている（例えば、特許文献１参照）。
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４又は図５、図６に示す構成がとられてきた。図４から図６において、ヒートシンク１に対し、例えばヒートシンク1に備えられたネジ穴1ｂに、基板４が配置され、ネジ５で基板４は取付けされている。基板４の下面にあるヒートシンク１の上にはインバータ部ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）素子等を備えたパワー半導体モジュール２が実装されている。なお、パワー半導体モジュール２はネジ３でヒートシンク１の上面に密着して取付けられている。ヒートシンク１の地側には、ファン６及びケーブル６ａ、コネクタ６ｂ、ケーブル７、コネクタ７ａを取付けたファンケース８が取付けされている。なお、コネクタ７ｂは、コネクタ４ｂに接続される。
この構成における、図６のヒートシンク１は、中央にフィン１ｇ、両側面に側板１ｆを設け、フィン１ｇと側板１ｆは、天側に垂直に形成されている。地側のフィン１ｇは、ファン６を取付けたファンケース８を取付けるため、短く形成されている。ヒートシンク１は複雑な形状を形成するためダイカストにて成型されている。
特開２００４−３４９５４８号公報

しかしながら、従来のモータ制御装置に使用するヒートシンクは、次のような問題があった。
（１）パワー半導体モジュールの熱を放熱させるための放熱能力をもったヒートシンクを採用する必要があり、ある一定の放熱面積（大きさ）を持つヒートシンクが必要であった。
（２）自然空冷による放熱面積が足りない場合、強制的に空気の流れを作るため、ある一定の風速及び風量を持つファンが必要であった。
（３）ファン両端部のヒートシンクのフィンにおいては、空気の流れが悪いため、ヒートシンクの隅々まで有効的に使用することができなかった。そのため、風速及び風量の高いファンを採用する必要があった。風速及び風量の高いファンは、消費電力が大きいため、電源回路の構成が大きくなり、モータ制御装置の基板構成が大きくなる。また、風速及び風量の高いファンは、ファン自体の構成が大きくなり外形が大きくなる。そのため、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。
（４）風速及び風量の高いファンを採用する場合、ファン自体の部品点数及び材料費が増え、コストアップとなる。またモータ制御装置の基板も部品点数が増えるためコストアップとなる。そのため、モータ制御装置のコストダウンを実現するのには限界があった。
（５）製造工程またはファン交換時にファンを取り付ける場合、ファンの風向が逆方向になるように誤って取り付ける可能性があった。ファン風向が逆方向の場合、冷却性能が正しい風向の場合より低くなり、モータ制御装置の品質が低下する。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化が容易にできるとともに、部品費を削減し、コストダウンすることができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

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、冷却風が風上側である底面側から、風下側である上方側に向かって流れる方向に沿って形成されたフィンを備えるとともに、風下側にベルマウスと、ボスで構成したファン載置部が形成されたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに密着する複数の外部電極端子を備えたパワー半導体モジュールと、
前記複数の外部電極端子が接続される基板と、
載置面に、前記ヒートシンクの前記ボスと嵌合する穴を有して前記ファン載置部に載置されるとともに、前記ヒートシンクに取付ける接続ケーブルを備え、かつファンケースで前記ヒートシンクに固定されたファンと、
ベルマウスと側板との間を、風上側から前記ベルマウスに向かうなだらかな円弧で形成されたガイドと、
前記ヒートシンクに形成した、前記ファンの取り付け方向を1方向に拘束するための、前記ボスとは異なる突起と、
前記ファンの載置面に形成した、前記ヒートシンクの前記突起と係合する、前記穴とは異なる凹部と、
を備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記ヒートシンクのベルマウス側のフィンの端部を、前記ガイドの円弧状の傾斜に合わせて短くしたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、前記凹部が、前記ファンの側部に形成した切欠きである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及び請求項３に記載の発明によると、ヒートシンクにファンを直接載置するため、ケーブル配線の引き回しが簡素化され、交換が容易に行なえるようになり、顧客での取替えが簡単に行なうことができ、メンテナンス性の向上を行なうことができる。
また、ヒートシンクのフィン形状に沿って空気が進み、十分な流速を発生させるため、ヒートシンクのフィンの放熱能力を上げることができ、ヒートシンクの小型化ができる。また、ファンを必ず通過して空気を排気するため、空気の流れが均等化され、ファンが効率良く使用される。そのため、最低限必要な風速及ぶ風量のファンを採用することができ、モータ制御装置基板の小型化及びファンの小型ができる。ヒートシンクの小型化及びモータ制御装置基板の小型化、ファンの小型によりモータ制御装置を小型化することができる。また、ヒートシンクの小型化及びモータ制御装置基板の小型化、ファンの小型により、ヒートシンクの材料費及びモータ制御装置基板の部品費、ファンの部品費を抑えることができ、モータ制御装置のコストダウンができる。
ヒートシンクのフィン形状に沿って風が進むため、風溜りが無くなり騒音が減少し、モータ制御装置の品質を向上させることができる。
組立作業においてファンの取り付け方向を間違えることが無くなり、作業の効率化を図ることができるとともに、品質低下を防止することができる。
請求項２記載の発明によると、ファンの風量及び風速を最適にするファンとフィン間の距離を確保することができ、最低限必要な風速及ぶ風量のファンを採用することができる。
また、最低限必要な風速及ぶ風量のファンを採用することができるため、モータ制御装置基板の小型化及びファンの小型ができ、モータ制御装置を小型化することができる。また、モータ制御装置基板の部品費及びファンの部品費を抑えることができ、モータ制御装置のコストダウンができる。

本発明の実施例におけるモータ制御装置を示す斜視図である。 図１におけるモータ制御装置の分解斜視図である。 図１におけるモータ制御装置のヒートシンクを示す図で、（ａ）は天側から見た斜視図、（ｂ）は反天側（底面側）からみた底面図、（ｃ）は右側面図、（ｂ）は基板が載置される側とは反対の側から見た背面図である。 従来技術におけるモータ制御装置を示す斜視図である。 図４におけるモータ制御装置の分解斜視図である。 図５におけるモータ制御装置のヒートシンクを示す図で、（ａ）は右側面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は平面図である。

符号の説明

１ ヒートシンク
１ａ ネジ穴
１ｂ ネジ穴
１ｃ ベルマウス
１ｄ ボス
１ｅ ササエ
１ｆ 側板
１ｇ フィン
１ｈ ガイド
１ｉ 突起
２ パワー半導体モジュール
３ パワー半導体モジュール固定用のネジ
４ 基板
４ａ ネジ通し穴
４ｂ コネクタ
５ 基板固定用のネジ
６ ファン
６ａ ケーブル
６ｂ コネクタ
６ｃ 穴
６ｄ 切欠き
７ ケーブル
７ａ コネクタ
７ｂ コネクタ
８ ファンケース
Ａ 天側

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、本発明の実施例におけるモータ制御装置を示す斜視図である。図２は、図１におけるモータ制御装置の分解斜視図である。図３は、図１におけるモータ制御装置のヒートシンクを示す図で、（ａ）は天側（上方側）から見た斜視図、（ｂ）は反天側（底面側）からみた底面図、（ｃ）は右側面図、（ｂ）は基板が載置される側とは反対の側から見た背面図である。
図１から図３において、１はヒートシンク、２はインバータ部ＩＧＢＴ素子等を含むパワー半導体モジュールであり、複数本の外部電極端子を持つ構造になっている。４はパワー半導体モジュール２の外部電極端子が接続される第１の基板である。６はケーブル及びコネクタを備えたファンである。７はファン６と基板４を接続するケーブルである。８はファン６をヒートシンク１に固定するファンケースである。

前記ヒートシンク１は、例えば直方体をしており、正面（基板が載置される側の面）は平面状に形成され、パワー半導体モジュール２をヒートシンク１に取付けるためのネジ穴１ａが複数個形成されている。
また、外部電極端子が接続される基板４をヒートシンク１に取付けるためのネジ穴１ｂが複数個形成されている。
背面側の上部にはベルマウス１ｃとファン６及びケーブル６ａ、コネクタ６ｂ、ケーブル７、コネクタ７ａを取付けるための、ボス１ｄとササエ１ｅが複数個形成されている。前記ヒートシンク１のボス１ｄで、前記ファン６の載置部を構成し、前記ボス１ｄをファン６の載置面に設けた穴６ｃに嵌合させる。
また、前記ヒートシンク１のファン６を直接載置するフィン１ｇの部分には、前記ファン６の取り付け方向を1方向に拘束する突起１ｉを形成するとともに、前記ファン６の載置面に前記突起１ｉと係合する凹部、例えば切欠き６ｄを形成している。前記ファン６をヒートシンク１に載置する場合は、ヒートシンク１のボス１ｄにファンの穴６ｃを嵌合するとともに、ヒートシンク１の突起１ｉにファン６の切欠き６ｄを係合させて正しい取り付けがなされるようにする。
また、背面側の略中央部から下部にかけては、両側面に側板１ｆ、フィン１ｇ、ベルマウス１ｃと側板１ｆとの間をなだらかな円弧で形成するガイド１ｈが形成されている。

前記パワー半導体モジュール２は、前記ヒートシンク１のネジ穴１ａの上に配置し、ネジ３を使用し仮固定する。

前記基板４は、前記ヒートシンク１のネジ穴１ｂの上に配置し、ネジ５を基板４のネジ通し穴４ａを通して、ネジ穴１ｂに締付固定させる。前記パワー半導体モジュール２も締付固定させる。この状態で前記パワー半導体モジュール２の端子を基板４に半田付けする。

前記ファン６は、ファン載置部を構成する前記ヒートシンク１のボス１ｄの上に載置する。その際、ファン６の切欠き６ｄがヒートシンク１の突起１ｉに嵌合するように載置する。ケーブル６ａ、コネクタ６ｂ及び前記ケーブル７、コネクタ７ａを前記ヒートシンク１のササエ１ｅに配置し、前記ファンケース８で前記ヒートシンク１に固定させる。なお、コネクタ７ｂは前記基板４のコネクタ４ｂに取付ける。

本発明のモータ制御装置は、ヒートシンク１のフィン部分ベルマウス１ｃ及びガイド１ｈを形成しているので、ファン６の吸引によりベルマウス１ｃ及びガイド１ｈのフィン形状に沿って空気が進み、十分な流速を発生させるため、ヒートシンク１のフィンの放熱能力を上げることができ、ヒートシンク１を小型化している。さらに、ヒートシンク１のフィン形状により、空気の流れが均等化され、ファン６が効率良く使用される。そのため、最低限必要な風速及び風量のファン６を採用することができ、モータ制御装置基板の小型化及びファン６の小型ができる。ヒートシンク１の小型化及びモータ制御装置基板の小型化、ファン６の小型により、モータ制御装置の小型化を図る。
また、最適なファン６の採用により、モータ制御装置基板の部品費を及びファン６の部品費を抑えることができ、モータ制御装置のコストダウンができる。
さらに、ヒートシンク１のフィン形状に沿って風が進むため、風溜りが無くなり騒音が減少し、モータ制御装置の品質を向上させることができる。また、ボス１ｄとササエ１ｅは、ヒートシンク１にファン６を直接載置するため、ケーブル６の配線引き回しを簡素化することができ、交換が容易に行なえるようになる。交換が容易に行なえることができるため、顧客での取替えが簡単に行なうことができ、メンテナンス牲の向上を行なうことができる。
また、ファン６の切欠き６ｄとヒートシンク１の突起１ｉを嵌合させることにより、ファン６を常に正しい方向に載置することができる。ファン６を反対方向に載置しようした場合、突起１ｉによりファン６が浮き上がるために載置することができない。そのためファンの取付けミスが無くなり、モータ制御装置の品質を向上させることができる。

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の放熱効果を上げるためのヒートシンクに関するもので、装置の小型化が容易にできるとともに、部品費を削減し、コストダウンすることが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 (3)

1. 冷却風が風上側である底面側から、風下側である上方側に向かって流れる方向に沿って形成されたフィンを備えるとともに、風下側にベルマウスと、ボスで構成したファン載置部が形成されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに密着する複数の外部電極端子を備えたパワー半導体モジュールと、
   前記複数の外部電極端子が接続される基板と、
   載置面に、前記ヒートシンクの前記ボスと嵌合する穴を有して前記ファン載置部に載置されるとともに、前記ヒートシンクに取付ける接続ケーブルを備え、かつファンケースで前記ヒートシンクに固定されたファンと、
   ベルマウスと側板との間を、風上側から前記ベルマウスに向かうなだらかな円弧で形成されたガイドと、
   前記ヒートシンクに形成した、前記ファンの取り付け方向を1方向に拘束するための、前記ボスとは異なる突起と、
   前記ファンの載置面に形成した、前記ヒートシンクの前記突起と係合する、前記穴とは異なる凹部と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記ヒートシンクのベルマウス側のフィンの端部を、前記ガイドの円弧状の傾斜に合わせて短くしたことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記凹部が、前記ファンの側部に形成した切欠きであることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。

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