JP5446937B2 - 電子回路内蔵型モータ - Google Patents

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Description

本発明は、電子回路内蔵型モータに関する。
従来、ステータに巻回された複数相の巻線に通電することにより回転磁界を発生させ、当該回転磁界によってロータを回転させるモータが知られている。このようなモータを駆動するために、スイッチング素子によって複数相の巻線への巻線電流を切り換える技術が公知である。
特開2002−345211号公報
ところで、例えば特許文献1では、巻線電流を切り換えるスイッチング素子を有する半導体モジュールは、プリント基板上に設けられており、プリント基板上に形成された配線パターンを介してモータを駆動する巻線やコンデンサなどの電子部品と接続されている。このようなプリント基板上において配線パターンを形成する銅箔は、通常100μm以下程度と非常に薄い。そのため、半導体モジュールと巻線とをプリント基板を介して接続する場合、要求される通電量を通電可能にするためには、プリント基板上に大きな面積を確保する必要があり、装置全体を小型化することが困難であった。
また、例えば半導体モジュールと巻線とをプリント基板を介さずに接続する巻線用端子を設けて接続する場合であって、巻線用端子と巻線との接続箇所が、モータと半導体モジュールとの間に設けられる場合、例えば溶接治具等を用いるためのスペース等によって装置全体の体格が大型化するという問題点があった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、装置全体の体格を小型化可能な電子回路内蔵型モータを提供することにある。
請求項1に記載の発明は、モータケースと、ステータと、ロータと、シャフトと、ヒートシンクと、半導体モジュールと、を備える電子回路内蔵型モータである。筒状のモータケースは、外郭を形成する。ステータは、モータケースの径内側に配置され、複数相を構成するように巻線が巻回される。ロータは、ステータの径内側に配置される。シャフトは、ロータと共に回転する。ヒートシンクは、モータケースの軸方向端部から立設される。半導体モジュールは、半導体チップ、樹脂部、および、巻線用端子を有する。半導体チップは、モータの駆動に係る複数相の巻線に流れる巻線電流を切り換えるスイッチング素子を構成する。樹脂部は、半導体チップを封止する。巻線用端子は、樹脂部に突設され、巻線と直接接続される。
本発明では、巻線用端子の巻線との接続部は、モータケースの軸方向における樹脂部のモータケース側の端部よりも反モータケース側であって、径方向外側を向く樹脂部の幅広側面の径方向外側に位置する。
本発明の半導体モジュールは、巻線と直接接続できる巻線用端子を有しているので、プリント基板を介さずに半導体モジュールと巻線とを接続することができる。したがって、接続に要する部品点数を削減できる。また、巻線と半導体モジュールとをプリント基板を介さずに接続できるので、プリント基板の銅箔の厚みに囚われることなく、所望の大きさで巻線用端子を形成することができる。例えば、巻線の一端と半導体モジュールとを近接させ、太く短い端子部を形成して接続することにより、装置全体を小型化するとともに、インピーダンスを低減することができるので、モータ駆動の信頼性を向上することができる。
また、例えば、巻線用端子と巻線とを接続する場合、接続箇所の周辺に例えば溶接治具を用いるためのスペースを確保する必要があった。本発明では、巻線用端子と巻線との接続部は、モータケースの軸方向における樹脂部のモータケース側の端部よりも反モータケース側に設けられている。これにより、モータケースと半導体モジュールとの間における巻線用端子と巻線とを接続するためのスペースを小さくすることができ、装置全体の軸方向における体格の小型化に寄与する。
また、半導体モジュールは、半導体チップ面の垂線がシャフトの中心線に対して非平行となるように縦配置される。つまり、軸方向へ立ち上がった状態で半導体モジュールを配置している。これにより、径方向のスペース確保に一層寄与する。
請求項2に記載の発明では、接続部は、モータケースの軸方向における樹脂部の反モータケース側の端部よりもモータケース側に位置する。すなわち、接続部は、モータケースの軸方向において、樹脂部のモータケース側の端部と反モータケース側の端部との間に位置する。したがって、巻線用端子と巻線とを接続するための軸方向における治具を用いるためのスペースが樹脂部の配置される領域と重なることにより、装置全体の軸方向における体格を小型化することができる。また、接続部を樹脂部の反モータケース側端部よりもモータケース側に設けることにより、巻線用端子および巻線の軸方向長さを抑えることができ、インピーダンスを低減することができる。
具体的には、巻線用端子と巻線とは以下のように接続される。
請求項3に記載の発明では、巻線用端子は、折り曲げられて巻線を挟持することにより接続部を構成する。これにより、比較的容易に巻線用端子と巻線とを直接接続することができる。
請求項4に記載の発明では、接続部は、折り曲げられる前の状態において、樹脂部の側方に設けられる。これにより、リードフレームを有効に利用することができ、リードフレームを小型化することができる。
請求項5に記載の発明では、巻線用端子は、樹脂部のモータケース側の端面から突設される。請求項6に記載の発明では、巻線用端子は、樹脂部のモータケース側の端面から突出する垂下部、垂下部から樹脂部の厚み方向に形成される中間部、中間部からモータケースから離れる方向に形成される起立部を有する。また、接続部は、起立部の先端に形成される。垂下部、中間部、起立部を適切なサイズに設計することにより、接続部を樹脂部のモータケース側端部よりも反モータケース側に容易に配置することができる。
請求項7に記載の発明では、巻線用端子は、樹脂部のモータケース側の端面と垂直な樹脂部の幅狭側面から突設される。また、請求項8に記載の発明では、巻線用端子は、樹脂部のモータケース側の端面と垂直な樹脂部の幅広側面から突設される。モータケース側端面と垂直な樹脂部の側面から巻線用端子を突設させることにより、モータケース側端面とモータケースとの間の絶縁を確保するためのスペースを省くことができるので、装置全体の軸方向における体格をより小型化することができる。
請求項9に記載の発明では、巻線用端子は、切欠部を有する。これにより、切欠部に巻線を挿入することにより適切に巻線を位置決めすることができる。
請求項10に記載の発明では、接続部は、厚肉に形成される。これにより、巻線が巻線用端子の厚みに対して太い場合であっても、接続部のみを厚肉に形成することにより、リードフレーム全体を厚くすることなく、巻線用端子と巻線とを確実に接続することができる。
請求項11に記載の発明では、半導体モジュールは、他の半導体モジュールと連結する連結部材を有する。連結部材は、樹脂部に埋設される埋設部、および、樹脂部から露出する露出部を有する。露出部は、他の半導体モジュールの樹脂部に埋設される埋設部と連続的に一体形成される。連結部材により複数の半導体モジュールが連結されて、連結半導体モジュールを構成するので、組み付け等が容易になる。
請求項12に記載の発明では、半導体モジュールは、巻線への通電を制御する制御部を有する基板と接続される制御用端子を有する。巻線用端子と制御用端子とは、樹脂部の異なる面に設けられる。請求項13に記載の発明では、巻線用端子と制御用端子とは、樹脂部を挟んで反対方向に突設される。基板および巻線の位置に応じて制御用端子および巻線用端子を形成することにより、基板と制御用端子、また、巻線と巻線用端子を容易に接続することができ、装置を簡素化することができる。
請求項14に記載の発明では、モータケース、半導体モジュール、および、基板は、この順で配列される。これにより、巻線用端子がモータケース側、制御用端子が基板側、となるように、モータケースと基板との間に半導体モジュールを配置して接続することにより、スペースを有効に活用することができ、装置の小型化に寄与する。
請求項15に記載の発明では、半導体モジュールは、ヒートシンクに直接的または間接的に接触するように配置される。これにより、半導体モジュールから発生する熱を効率よく放熱できる。特に、請求項14に記載の構成を採用することにより、装置の小型化に寄与する
電動パワーステアリング装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の第1実施形態による電子回路内蔵型モータの平面図である。 本発明の第1実施形態による電子回路内蔵型モータの側面図である。 図3のIV−IV線断面図である。 本発明の第1実施形態による電子回路内蔵型モータの斜視図である。 本発明の第1実施形態による電子回路内蔵型モータの分解斜視図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールの斜視図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールの正面図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールの側面図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールの巻線用端子を折り曲げる前の状態を示す平面図である。 本発明の第1実施形態において治具を用いる状態を示す模式的な斜視図である。 本発明の第1実施形態において治具を用いる状態を示す模式的な正面図である。 本発明の第1実施形態において治具を用いる状態を示す模式的な側面図である。 本発明の第2実施形態による半導体モジュールの斜視図である。 本発明の第2実施形態による半導体モジュールの正面図である。 本発明の第2実施形態による半導体モジュールの側面図である。 本発明の第2実施形態による半導体モジュールの巻線用端子を折り曲げる前の状態を示す平面図である。 本発明の第2実施形態による連結半導体モジュールの製造途中における平面図である。 図18のP方向矢視図である。 本発明の第3実施形態による半導体モジュールを示す図であり、(a)は斜視図、(b)は巻線用端子を折り曲げる前の状態を示す平面図である。 本発明の第4実施形態による半導体モジュールを示す図であり、(a)は斜視図、(b)は巻線用端子を折り曲げる前の状態を示す平面図である。 本発明の第5実施形態による半導体モジュールを示す図であり、(a)は斜視図、(b)は巻線用端子を折り曲げる前の状態を示す平面図である。 本発明の第6実施形態による半導体モジュールを示す図であり、(a)は斜視図、(b)は巻線用端子を折り曲げる前の状態を示す平面図である。 本発明の第7実施形態による連結半導体モジュールの折り曲げる前の状態を示す図である。 本発明の第7実施形態による半導体モジュールを示す正面図である。 本発明の第7実施形態において半導体モジュールと巻線とを接続した状態を示す模式図であり、(a)は平面図であり、(b)は側面図である。 本発明の第8実施形態による連結半導体モジュールの巻線用端子を折り曲げる前の状態を示す図である。 本発明の第8実施形態において半導体モジュールと巻線とを接続した状態を示す模式図であり、(a)は平面図であり、(b)は側面図である。 本発明の第9実施形態による連結半導体モジュールの巻線用端子を折り曲げる前の状態を示す図である。 本発明の第9実施形態において半導体モジュールと巻線とを接続した状態を示す模式図であり、(a)は平面図であり、(b)は側面図である。 参考例による半導体モジュールの斜視図である。 参考例において治具を用いる状態を示す模式的な斜視図である。 参考例において治具を用いる状態を示す模式的に正面図である。 参考例において治具を用いる状態を示す模式的な側面図である。 参考例において、連結半導体モジュールの製造途中における平面図である。
以下、本発明による電子回路内蔵型モータを図面に基づいて説明する。なお、以下、複数の実施形態および参考例において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
第1実施形態は、車両の電動パワーステアリング装置(以下、「EPS」という。)の回路内蔵型モータに本発明を適用したものである。
最初に、電動パワーステアリング(以下「EPS」という)の電気的構成を、図1に基づいて説明する。ここで示す電気的構成は、以下の実施形態にも共通する。
電子回路内蔵型モータ1は、モータ30、パワー部50、及び、制御部70を備えている。図1に示すように、電子回路内蔵型モータ1は、車両のステアリング91の回転軸たるコラム軸92に取り付けられたギア93を介しコラム軸92に回転トルクを発生させ、ステアリング91による操舵をアシストする。具体的には、ステアリング91が運転者によって操作されると、当該操作によってコラム軸92に生じる操舵トルクをトルクセンサ94によって検出し、また、車速情報をCAN(Controller Area Network)から取得して(不図示)、運転者のステアリング91による操舵をアシストする。もちろん、このような機構を利用すれば、制御手法によっては、操舵のアシストのみでなく、高速道路における車線キープ、駐車場における駐車スペースへの誘導など、ステアリング91の操作を自動制御することも可能である。
モータ30は、上記ギア93を正逆回転させるブラシレスモータである。このモータ30へ電力供給を行うのがパワー部50である。パワー部50は、電源51からの電源ラインに介在するチョークコイル52、シャント抵抗53、54、55、アルミ電解コンデンサ56、57、58及び二組のインバータである第1インバータ60、第2インバータ68を有している。なお、第1インバータ60と第2インバータ68とは、略同様の構成となっているため、以下、第1インバータ60について主に説明する。
第1インバータ60は、電界効果トランジスタの一種である7つのMOSFET(metal−oxide−semiconductor field−effect transistor)61、62、63、64、65、66、67で構成されている。これらMOSFET61〜67は、スイッチング素子である。具体的には、ゲートの電位により、ソース−ドレイン間がON(導通)またはOFF(遮断)される。
以下、MOSFET61〜67を、単に、FET61〜67と記述し、必要に応じてFET(Su+)61、FET(Sv+)62、FET(Sw+)63、FET(Su−)64、FET(Sv−)65、FET(Sw−)66と記述する。なお、電源51に最も近いFET67は、逆接保護のためのものである。すなわち、このFET67は、FET61〜66とは反対向きに接続されており、電源の誤接続がなされた場合に、逆向きの電流が流れないようにする電源リレーである。
ここで、残りの6つのFET61〜66の接続について説明しておく。FET61〜66は、モータ30の駆動に係る複数相、本実施形態では三相の巻線に流れる巻線電流を切り換えるスイッチング素子である。
FET61〜66のゲートは、後述するプリドライバ71の6つの出力端子に接続されている。
FET61〜66のソースとドレインの接続関係は、以下の通りである。すなわち、FET(Su+)61では、ドレインが電源ラインに接続され、ソースがFET(Su−)64のドレインに接続されている。FET(Sv+)62では、ドレインが電源ラインに接続され、ソースがFET(Sv−)65のドレインに接続されている。FET(Sw+)63では、ドレインが電源ラインに接続され、ソースがFET(Sw−)66のドレインに接続されている。
FET(Su−)64では、ドレインがFET(Su+)61のソースに接続され、ソースがグランドに接続されている。FET(Sv−)65では、ドレインがFET(Sv+)62のソースに接続され、ソースがグランドに接続されている。FET(Sw−)66では、ドレインがFET(Sw+)63のソースに接続され、ソースがグランドに接続されている。
また、図1中で上下ペアとなるFET61〜66同士の接続点がそれぞれ、モータ30のU相コイル、V相コイル、W相コイルに接続されている。具体的には、FET(Su+)61とFET(Su−)64との接続点がU相コイルに接続され、FET(Sv+)62とFET(Sv−)65との接続点がV相コイルに接続され、FET(Sw+)63とFET(Sw−)66との接続点がW相コイルに接続されている。
また、FET(Su+)61の電源ラインとFET(Su−)64のグランドとの間には、アルミ電解コンデンサ56が並列に接続されている。同様に、FET(Sv+)62の電源ラインとFET(Sv−)65のグランドとの間にはアルミ電解コンデンサ57が並列に接続されており、FET(Sw+)63の電源ラインとFET(Sw−)66のグランドとの間にはアルミ電解コンデンサ58が並列に接続されている。以下、アルミ電解コンデンサを単に「コンデンサ」と記述する。
チョークコイル52は、電源ノイズを低減する。また、コンデンサ56〜58は、電荷を蓄えることで、FET61〜66への電力供給を補助したり、サージ電圧などのノイズ成分を抑制したりする。なお、逆接保護用のFET67が設けられているため、電源の誤接続があっても、コンデンサ56〜58が損傷することはない。
シャント抵抗53〜55は、回路に通電される電流量を検出するためのものである。
制御部70は、上記プリドライバ71、カスタムIC72、位置センサ73、マイコン74、及び、検出電圧増幅部77を備えている。カスタムIC72は、機能ブロックとして、レギュレータ部75、及び、位置センサ信号増幅部76を含む。
レギュレータ部75は、電源を安定化する安定化回路である。このレギュレータ部75は、各部へ供給される電源の安定化を行う。例えばマイコン74は、このレギュレータ部75により、安定した所定電源電圧(例えば5V)で動作することになる。
位置センサ信号増幅部76には、位置センサ73からの信号が入力される。位置センサ73は、後述するように、モータ30の回転位置信号を出力する。位置センサ信号増幅部76は、この回転位置信号を増幅してマイコン74へ出力する。
検出電圧増幅部77は、パワー部50に設けられたシャント抵抗53〜55の両端電圧を検出し、当該両端電圧を増幅してマイコン74へ出力する。
したがって、マイコン74には、モータ30の回転位置信号、及び、シャント抵抗53〜55の両端電圧が入力される。また、マイコン74には、コラム軸92に取り付けられたトルクセンサ94から操舵トルク信号が入力される。さらにまた、マイコン74には、CANを経由して車速情報が入力される。
これにより、マイコン74は、操舵トルク信号及び車速情報が入力されるとステアリング91による操舵を車速に応じてアシストするように、回転位置信号に合わせ、プリドライバ71を介し、インバータ60、68を制御する。インバータ60、68の制御は、具体的には、プリドライバ71を介したFET61〜66のON/OFFによって行う。つまり、6つのFET61〜66のゲートはプリドライバ71の6つの出力端子に接続されているため、プリドライバ71により、これらゲート電位が変化させられる。
また、マイコン74は、検出電圧増幅部77から入力されるシャント抵抗53〜55の両端電圧に基づき、モータ30へ供給する電流を正弦波に近づけるべくインバータ60、68を制御する。
次に、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1の構成について説明する。図2は電子回路内蔵型モータ1の平面図であり、図3は図2の矢印K方向に見た側面図であり、図4は図3のIV−IV線断面図であり、図5は斜視図であり、図6は分解斜視図である。なお、図2〜図6は、半導体モジュール501〜506等の組み付け構造を示すものであり、電力供給構造については図示していない。また、図2、図3、図5では、カバー103及びプリント基板801を省略して示している。
最初に、図4に基づいて、電子回路内蔵型モータ1の構成を説明しておく。
電子回路内蔵型モータ1は、モータハウジングとして、円筒状のモータケース101と、モータケース101に対し出力側に螺着されるフレームエンド102と、電子回路部分を覆う有底円筒状のカバー103とを備えている。カバー103には、図示しないコネクタが取り付けられ、このコネクタを経由して後述するバスバー16〜19へ電力が供給される。
ここでモータ30は、モータケース101と、モータケース101の径内側に配置されたステータ201と、ステータ201の径内側に配置されたロータ301と、ロータ301と共に回転するシャフト401とを有している。
ステータ201は、モータケース101の径内方向に突出する12個の突極202を有している。この突極202は、モータケース101の周方向に所定間隔で設けられている。突極202は、磁性材料の薄板を積層してなる積層鉄心203と、積層鉄心203の軸方向外側に嵌合するインシュレータ204とを有している。このインシュレータ204には、巻線205が巻回されている。巻線205は、U相、V相、及び、W相の三相巻線を構成している。本実施形態では、巻線205は、2系統のU相、V相、及び、W相の三層巻線を構成し、系統毎に第1インバータ60または第2インバータ68により通電が制御されている。また、巻線205の取出線206は、6箇所から引き出されており、モータケース101の軸方向端部に設けられた6つの穴から電子回路側へ引き出されている。取出線206は、モータケース101の軸方向の端部106から半導体モジュール501〜506の径方向外側に引き出されている。取出線206と巻線用端子508とは、半導体モジュール501〜506の径方向外側の空間において、取出線206が巻線用端子508に挟持されるようにして電気的に接続される。
具体的には、半導体モジュール501の巻線用端子508は、第1インバータ60のU相の取出線206uと接続する。これにより、半導体モジュール501は、巻線205のU相に接続され、U相の巻線電流のオン/オフを切り換える。半導体モジュール502の巻線用端子508は、第1インバータ60のV相の取出線206vと接続する。これにより、半導体モジュール502は、巻線205のV相に接続され、V相の巻線電流のオン/オフを切り換える。半導体モジュール503の巻線用端子508は、第1インバータ60のW相の取出線206wと接続する。これにより、半導体モジュール503は、巻線205のW相に接続され、W相の巻線電流のオン/オフを切り換える。
また同様に、半導体モジュール504の巻線用端子508は、第2インバータ68のU相の取出線206uと接続する。これにより、半導体モジュール504は、巻線205のU相に接続され、U相の巻線電流のオン/オフを切り換える。半導体モジュール505の巻線用端子508は、第2インバータ68のV相の取出線206vと接続する。これにより、半導体モジュール505は、巻線205のV相に接続され、V相の巻線電流のオン/オフを切り換える。半導体モジュール506の巻線用端子508は、W相の取出線206wと接続する。これにより、半導体モジュール506は、巻線第2インバータ68の205のW相に接続され、W相の巻線電流のオン/オフを切り換える。
なお、取出線206u、206v、206wが、取出線206を構成している。
ロータ301は、例えば鉄等の磁性体から筒状に形成されている。ロータ301は、ロータコア302と、当該ロータコア302の径外側に設けられた永久磁石303とを有している。永久磁石303は、N極とS極とを周方向に交互に5極ずつ有し、計10極を有している。
シャフト401は、ロータコア302の軸中心に形成された軸穴304に固定されている。また、シャフト401は、モータケース101の端部の軸受け104と、フレームエンド102に設けられた軸受け105とによって、回転可能に軸支されている。これにより、シャフト401は、ステータ201に対し、ロータ301と共に回転可能となっている。さらにまた、シャフト401は、電子回路側へ延び、電子回路側の先端には、回転位置を検出するためのマグネット402が設けられている。シャフト401の電子回路側の先端付近には、樹脂製のプリント基板801が配置される。プリント基板801は、モータケース101と一体に形成されたヒートシンク601とカバー103との間に形成された離間スペースに配置される。プリント基板801には、制御部70(図4中には不図示、図1参照)が形成される。すなわち、プリント基板801上には、エッチング処理等による配線パターンが形成され、ここに制御部70を構成するICなどが実装される。プリント基板801は、その中央に、位置センサ73(図4中には不図示、図1参照)を有している。これにより、マグネット402の回転位置、すなわちシャフト401の回転位置が、位置センサ73によって検出される。なお、本実施形態では、シャフト401の中心線を延長した仮想直線を「モータの回転軸」とする。
図2〜図6に示すように、モータケース101には、ヒートシンク601が形成されている。ヒートシンク601は、モータケース101の軸方向の端部106から立設されている。ヒートシンク601は、モータケース101と一体形成されている。ヒートシンク601は、軸方向に垂直な断面形状が略台形状である2つの柱状部材602から構成され、2つの柱状部材602がモータ30の回転軸を挟むよう並べられている。さらに、柱状部材602は、モータ30の回転軸を中心として円弧状に切り欠かれた円弧部609を有している。この円弧部609により、ヒートシンク601の中心には、円柱状の空間が形成される。言い換えれば、ヒートシンク601は、肉厚の軸方向視八角形状の筒形状とも言える。もちろん、八角形状には限定されず、例えば軸方向視六角形状としてもよい。2つの柱状部材602は不連続となるように形成されている。柱状部材602の不連続部分は、モータ30の回転軸を中心として切り欠かれた円弧部609、および円弧部609の両側に形成される平面状の切欠面603、604から構成される。
また、ヒートシンク601の柱状部材602は、径外方向へ向く側面のうち切欠面603、604と連続する側面よりも幅広に形成された側壁面605を有している。側壁面605は、円周方向に計6つ形成されている。柱状部材602の径方向内側であって各側壁面605と対応する位置には、円弧部609によって形成されるモータ30の回転軸を中心とする円柱状の空間に開口する収容部606が形成されている。この収容部606は、その径方向外側に、コンデンサ701〜706の外径に合わせた円弧面を有している。また、収容部606は、側壁面605と対応する位置であって、柱状部材602を挟んで半導体モジュール501〜506の反対側に形成されている。なお、ヒートシンク601において、収容部606が形成された部位は薄肉となっているが、収容部606からモータケース101の端部106までの間は、収容部606が設けられていない部分と同様に厚肉となる厚肉部607が形成されている。
ヒートシンク601の径外方向を向く側壁面605には、半導体モジュール501〜506が配置されている。以下、半導体モジュール501〜506を、必要に応じてU1半導体モジュール501、V1半導体モジュール502、W1半導体モジュール503、U2半導体モジュール504、V2半導体モジュール505、W2半導体モジュール506と記述することとする。半導体モジュール501〜503は、第1バスバー16および第2バスバー17によって連結されて連結半導体モジュール10を構成している。また、半導体モジュール504〜506は、第1バスバー18および第2バスバー19によって連結されて連結半導体モジュール20を構成する。半導体モジュール501〜506は、モータケース101側の端面112に突設される巻線用端子508を有し、モータケース101と反対側の端面111に突設される制御用端子509及びコンデンサ用端子510を有している。すなわち、巻線用端子508と、制御用端子509およびコンデンサ用端子510とは、後述する樹脂部11を挟んで反対側に突設されている。
次に、半導体モジュール501〜506の配置について説明する。
半導体モジュール501〜506は、モータケース101の軸方向の端部106に立設されたヒートシンク601に対し取り付けられている。半導体モジュール501〜506は、ヒートシンク601の径外方向を向く側壁面605に一つずつ配置されている。本形態では、連結半導体モジュール10のバスバー16、17を折り曲げることにより、半導体モジュール501〜503により構成される連結半導体モジュール10をモータ30の回転軸の周囲に配置している。同様に、連結半導体モジュール20のバスバー18、19を折り曲げることにより、半導体モジュール504〜506により構成される連結半導体モジュール20をモータ30の回転軸の周囲に配置している。半導体モジュール501〜506は、樹脂部11によってモールドされた半導体チップの面の方向に広がる板状であり、相対的に面積の大きな面の一方が放熱面となっている。半導体モジュール501〜506は、放熱面が側壁面605に面接触するように配置されている。このとき、側壁面605は平面で構成されており、これに合わせて、半導体モジュール501〜506の放熱面も平面となっている。半導体モジュール501〜506とヒートシンク601との間には、放熱絶縁シート570(図7等参照)が設けられ、半導体モジュール501〜506とヒートシンク601との間の絶縁を確保している。なお、放熱絶縁シート570等のシート状の部材が半導体モジュール501〜506とヒートシンク601との間に介在している場合であっても、「半導体モジュール501〜506とヒートシンク601とが面接触している」とみなすものとする。
半導体モジュール501〜506は、上述のごとくヒートシンク601の側壁面605に配置されることで、ちょうど半導体チップ面の垂線がシャフト401の中心線に垂直となっている。すなわち、本実施形態において半導体モジュール501〜506は、縦配置されている。
ヒートシンク601の収容部606には、それぞれコンデンサ701、702、703、704、705、706が収容されている。これらのコンデンサ701〜706を、必要に応じて、U1コンデンサ701、V1コンデンサ702、W1コンデンサ703、U2コンデンサ704、V2コンデンサ705、W2コンデンサ706と記述する。図1との対応関係について言及すれば、コンデンサ701〜703が第1インバータ60に設けられ、コンデンサ704〜706が第2インバータ68に設けられる。U1コンデンサ701がコンデンサ56に対応する。また、V1コンデンサ702がコンデンサ57に対応する。さらにまた、W1コンデンサ703がコンデンサ58に対応する。なお、第2インバータ68については、U2コンデンサ704がU相コンデンサであり、V2コンデンサ705がV相コンデンサであり、W2コンデンサ706がW相コンデンサである。
コンデンサ701〜706は、ヒートシンク601の収容部606に収容されて半導体モジュール501〜506に対して一つずつ、ヒートシンク601を挟んで径方向内側の半導体モジュール501〜506の近傍に配置されている。コンデンサ701〜706は円柱状を呈し、その軸がシャフト401の中心線に平行となるように配置されている。また、樹脂部11の外部に設けられるコンデンサ701〜706は、半導体モジュール501〜506のコンデンサ用端子510と直接接続されている。具体的には、U1半導体モジュール501とU1コンデンサ701が接続され、V1半導体モジュール502とV1コンデンサ702が接続され、W1半導体モジュール503とW1コンデンサ703が接続される。また、U2半導体モジュール504とU2コンデンサ704が接続され、V2半導体モジュール505とV2コンデンサ705が接続され、W2半導体モジュール506とW2コンデンサ706が接続される。
また、シャフト401が電子回路側へ延びていることは既に述べたが、図2等に示すように、このシャフト401が貫通した状態で、チョークコイル52が配置されている。チョークコイル52は、ヒートシンク601の中心に形成された円弧部609によって形成される円柱形状の空間に配置されている。チョークコイル52はドーナツ状の鉄心にコイル線が巻回されてなり、コイル端は、柱状部材602の一方の切欠面603の間を通り、径外方向へ引き出されている。
なお、チョークコイル52のコイル端は電源ラインに介在するように接続されるが(図1参照)、図2〜図6は、電力供給構造については図示していない。
このように、径方向外側から径方向内側へ向かって、モータケース101の外径の範囲内に、巻線用端子508と取出線206の接続部、半導体モジュール501〜506、ヒートシンク601、コンデンサ701〜706、チョークコイル52の順で配置され、径方向の空間が有効に活用されている。
ところで、このようにモータ30の駆動制御のためにはパワー部50及び制御部70が必要となる。これらのパワー部50及び制御部70が、いわゆるコントロールユニット(ECU)として構成されるのであるが、電子回路内蔵型モータ1は、このECUの内蔵構成に特徴を有する。
なお、EPSに用いられるモータ30は、その出力が500W〜2kW程度であり、電子回路内蔵型モータ1全体に占めるパワー部50及び制御部70の物理的な領域は、20〜40%程度となる。また、モータ30の出力が大きいため、パワー部50が大型化する傾向にあり、パワー部50及び制御部70の占める領域のうちの70%以上がパワー部50の占める領域となる。
パワー部50を構成する部品で大きなものは、チョークコイル52、コンデンサ56〜58、そして、FET61〜67である。
ここで、FET61〜67を有する半導体モジュール501〜506について詳述する。まず、図1との対応関係について言及すると、半導体モジュール501〜503が第1インバータ60を構成し、半導体モジュール504〜506が第2インバータ68を構成する。すなわち、U1、V1、W1の3つの半導体モジュール501〜503によって第1インバータ60が構成されており、U2、V2、W2の3つの半導体モジュール504〜506によって第2インバータ68が構成されている。ここで、第1インバータ60について詳細に説明すると、U1半導体モジュール501が、U相に対応するFET61、64を有している。また、V1半導体モジュール502が、V相に対応するFET62、65を有している。さらにまた、W1半導体モジュール503が、W相に対応するFET63、66及び逆接保護用のFET67を有している。
半導体モジュール501〜506は、それぞれ対応するFET61〜67を構成する図示しない半導体チップを有する。半導体チップは、樹脂部11に封止されている。
ここで、連結半導体モジュール10、20について詳述する。
図2〜図6に示すように、本実施形態の連結半導体モジュール10は、U1半導体モジュール501、V1半導体モジュール502、及びW1半導体モジュール503が、第1バスバー16及び第2バスバー17により連結されたものである。また、連結半導体モジュール20は、U2半導体モジュール504、V2半導体モジュール505、及びW1半導体モジュール506が、第1バスバー18及び第2バスバー19により連結されたものである。第1バスバー16、18は電源ラインに接続され、第2バスバー17、19はグランドに接続されることにより、バスバー16〜19を経由して半導体モジュール501〜506に電力が供給される。すなわち、バスバー16〜19は、半導体モジュール501〜506を機械的に連結するとともに、電気的に接続している、といえる。本実施形態においては、連結半導体モジュール10が第1インバータ60を構成し、連結半導体モジュール20が図1に示す第2インバータ68を構成している。換言すると、本実施形態の電子回路内蔵型モータ1は、2組のインバータ60、68を有している。これにより、インバータ60、68のそれぞれに流れる電流を半分に減らしている。なお、バスバー16〜19が「連結部材」を構成している。
連結半導体モジュール10、20は、実質的に同一の構造であるため、以降、連結半導体モジュール10について主に説明する。
第1バスバー16及び第2バスバー17は、U1半導体モジュール501、V1半導体モジュール502、及びW1半導体モジュール503の樹脂部11に埋設される図示しない埋設部、及び、樹脂部11に埋設されていない露出部161を有している。埋設部と露出部161とは、連続的に一体形成されている。露出部161には、直線部から円弧状に膨らんで形成される屈曲部162が形成されている。同様に、第2バスバー17は、樹脂部11に埋設される図示しない埋設部、および、樹脂部11に埋設されていない露出部171を有している。埋設部と露出部171とは、連続的に一体形成されている。露出部171には、直線部から円弧状に膨らんで形成される屈曲部172が形成されている。
第1バスバー16及び第2バスバー17は、屈曲部162、17によって折り曲げ可能に構成される。図2〜図5に示すように、半導体モジュール501〜503は、ヒートシンク601の径方向外側においてヒートシンク601の側壁面605に面接触するように配置される。これにより、放熱を促進することができる。また、露出部161、171には円弧状に形成された屈曲部162、172が形成されているので、折り曲げたときに発生する応力集中を回避し、樹脂部11の損傷を防止することができる。
本実施形態では、図2〜図5に示すように、連結半導体モジュール10、20は、巻線用端子508がモータケース101側、コンデンサ用端子510および制御用端子509がプリント基板801側、となるように縦配置される。したがって、モータケース101、半導体モジュール501〜506、およびプリント基板801は、この順で配列されている。
半導体モジュール501〜506は、樹脂部11のモータケース101の反対側の端面111に略垂直に突設されるコンデンサ用端子510、及び制御用端子509を有している。
コンデンサ用端子510は、ヒートシンク601に沿って径内方向に折り曲げられコンデンサ701〜706の端子と直接接続される。これにより、半導体モジュール501〜506とコンデンサ701〜706とは、プリント基板等の別部材を介することなく直接接続される。
制御用端子509の先端部は、制御部70(図1参照)を構成するプリント基板801(図4、6参照)のスルーホールに挿通され、半田付けされる。これにより、半導体モジュール501〜506が、制御部70に電気的に接続される。
ここで、巻線用端子508について詳述する。なお、ここではV1半導体モジュール502を一例とし、図7〜図10に基づいて説明する。
V1半導体モジュール502が電子回路内蔵型モータ1に縦配置されたとき、樹脂部11のモータケース101側の端面112に設けられる巻線用端子508は、図10に破線で示す箇所で折り曲げられて、巻線205の取出線206を挟持する。図7〜図9に示すように、巻線用端子508は、垂下部581、中間部582、起立部583、および、接続部584から構成される。垂下部581、中間部582、起立部583、および、接続部584は、一体に形成されている。
垂下部581は、電子回路内蔵型モータ1に配置されたとき、モータケース101側に配置される樹脂部11のモータケース101側の端面112から略垂直に突設される。本実施形態では、垂下部581は、中間部582および起立部583等と比較して、小さく形成される。すなわち、巻線用端子508は、樹脂部11が破損しない程度であって樹脂部11にできるだけ近い位置において、樹脂部11のモータケース101側の端面112と平行に樹脂部11の厚み方向であってヒートシンク601から離れる方向(図10においては紙面手前側)に約90°折り曲げられる。また、垂下部581は、樹脂部11の幅方向(図10における紙面横方向)の中心からずれて設けられている。
中間部582は、垂下部581から樹脂部11の厚み方向に約90°折り曲げられる。本実施形態では、中間部582は、電子回路内蔵型モータ1に配置されたとき、径外方向から周方向に延びるL字形状に形成されている。また、中間部582は、モータケース101の端部106と水平になっている。
起立部583は、中間部582の周方向に延びた側からモータケース101の端部106から離れる方向に立ち上がるように約90°折り曲げられる。起立部583と垂下部581とは、樹脂部11の幅方向における位置がずれて形成されている。
接続部584は、起立部583の先端に形成され、ヒートシンク601側に開口するU字形状に折り曲げられ、モータケース101の軸方向の端部106に形成された穴から取り出される巻線205の取出線206を挟持する。接続部584と取出線206とは、溶接されることにより電気的に接続される。これにより、巻線用端子508と巻線205の取出線206とは、直接接続される。
巻線用端子508のモータケース101側の端部と、モータケース101の端部106との間には所定のギャップ(以下、「巻線−モータケース間領域」といい、図13中に記号「G1」で示す。)が形成されている。この巻線−モータケース間領域G1を形成することにより、巻線用端子508とモータケース101との絶縁を確保している。
本実施形態では、半導体モジュール501〜506が電子回路内蔵型モータ1に配置されたとき、巻線用端子508の接続部584は、モータケース101の軸方向において、樹脂部11のモータケース101側の端面112とモータケース101の反対側の端面111との間に位置している。なお、モータケース101側の端面112が「モータケース側の端部」に対応し、モータケース101の反対側の端面111が「反モータケース側の端部」に対応している。
ここで、巻線用端子508と巻線205の取出線206とを治具を用いて接続する場合について説明する。
図11〜図13に示すように、治具191は、溶接電極192および冷やし金193を備える。溶接電極192は、抵抗の大きな金属で形成され、図示しない電源と接続されている。溶接電極192は、巻線用端子508の接続部584を挟持した状態で通電されることにより、接続部584と取出線206とを溶接する。冷やし金193は、熱容量の大きい金属で形成される。冷やし金193は、巻線用端子508と取出線206とを溶接するときに発生する熱を放熱し、溶接時の熱が樹脂部11側へ伝達されるのを抑制する。ここで、モータケース101の軸方向において、巻線用端子508の反モータケース101側の端部と治具191のモータケース101側の端部との間の領域を「治具領域」(図13中において記号「S1」で示す。)、治具領域S1と上述の巻線−モータケース間領域G1とを合わせた領域を「溶接領域」(図13中おいて記号「T1」で示す)とする。
図13に示すように、本実施形態における治具領域S1は、軸方向において樹脂部11が配置される領域(以下、「樹脂部領域」といい、記号「R1」で示す。)と重なっている。すなわち、溶接領域T1は、樹脂部領域R1と重なっている。
ここで、参考例による半導体モジュールを図31〜図34に基づいて説明する。図31は巻線用端子182と巻線205の取出線206とが接続された状態における模式的な斜視図である。また、図32〜図34には巻線用端子182と巻線205の取出線206と治具を用いて接続する状態を示す図であり、図32は斜視図、図33は正面図、図34は側面図である。
参考例による半導体モジュール181の巻線用端子182は、垂下部183、中間部184、起立部185、および、接続部186から構成される。巻線用端子182の垂下部183は、第1実施形態における巻線用端子508の垂下部581と比較して、モータケース101の軸方向に長く形成されている。また、巻線用端子182の接続部186は、モータケース101の軸方向において、樹脂部11のモータケース101側の端面112よりもモータケース101側に位置している。ここで、図34中に記号S2で示す治具領域は、樹脂部領域R2と重なっていない。すなわち、治具領域S2と巻線用端子−モータケース間領域G2を合わせた領域である溶接領域T2は、樹脂部領域R2と重なっていない。
これに対し、図13に示すように、本実施形態では、治具領域S1と樹脂部領域R1とが重なっているので、また、溶接領域T1と樹脂部領域R1とが重なっているので、参考例と比較して、電子回路内蔵型モータ1の軸方向における体格を小型化することができる。
以上詳述したように、本発明の半導体モジュール501〜506は、巻線205の取出線206と直接接続できる巻線用端子508を有しているので、プリント基板801を介さずに半導体モジュール501〜506と巻線205の取出線206とを接続することができる。したがって、接続に要する部品点数を削減できる。また、プリント基板801を介さずに半導体モジュール501〜506と巻線205とを接続できるので、プリント基板801の銅箔の厚みに囚われることなく、所望の大きさで巻線用端子508を形成することができる。例えば、巻線の一端と半導体モジュールとを近接させ、巻線用端子508を太く短く形成して接続することにより、インピーダンスを低減することができ、モータの信頼性を向上することができる。
また、巻線用端子508と巻線205の取出線206との接続部584は、樹脂部11のモータケース101側の端面112と反モータケース101側の端面111との間に位置している。すなわち、モータケース101の軸方向における樹脂部11のモータケース101側の端面112よりも反モータケース101側であって、反モータケース101側の端面111よりもモータケース101側に位置している。すなわち、巻線用端子508と巻線205とを接続するための治具を用いるための軸方向におけるスペースである治具領域S1と樹脂部領域R1とが重なっている。これにより、電子回路内蔵型モータ1の軸方向における体格を小型化することができる。また、接続部584を樹脂部11の反モータケース101側の端面111よりもモータケース101側に設けることにより、巻線用端子508および巻線205の軸方向長さを抑えることができ、インピーダンスを低減することができる。
巻線用端子508は、折り曲げられて巻線205の取出線206を挟持することにより接続部584を構成する。これにより、比較的容易に巻線用端子508と巻線205とを直接接続することができる。
また巻線用端子508は、モータケース101側の樹脂部11の端面112から突設される。巻線用端子508は、モータケース101側の端面112から突出する垂下部581、垂下部581から樹脂部11の厚み方向に折り曲げられて形成される中間部582、中間部582からモータケース101から離れる方向に折り曲げられて形成される起立部583を有する。また、接続部584は、起立部583の先端に形成される。垂下部581、中間部582、および起立部583を適切なサイズに設計することにより、巻線用端子508を折り曲げて、容易に接続部584を樹脂部11のモータケース101側の端面112と反モータケース101側の端面111との間に配置することができる。
連結半導体モジュール10を構成する半導体モジュール501〜503は、他の半導体モジュールと連結するバスバー16、17を有する。バスバー16は、樹脂部11に埋設される埋設部、および、樹脂部11から露出する露出部161を有する。バスバー17も同様に、樹脂部11に埋設される埋設部、および、樹脂部11から露出する露出部171を有する。露出部161、171は、他の半導体モジュールに埋設される埋設部と連続的に一体形成される。バスバー16、17により、複数、本発明では3つ、の半導体モジュールが連結されて連結半導体モジュールを構成するので、組み付け等が容易になる。なお、連結半導体モジュール20においても同様である。
半導体モジュール501〜506は、巻線205への通電を制御する制御部70を有するプリント基板801と接続される制御用端子509を有する。巻線用端子508と制御用端子509とは、樹脂部11の異なる面に設けられる。本実施形態では、巻線用端子508と制御用端子509とは、樹脂部11を挟んで反対方向に突設される。プリント基板801および巻線205の位置に応じて制御用端子509および巻線用端子508が形成されているので、プリント基板801と制御用端子509、また、巻線205と巻線用端子508とを容易に接続することができ、装置を簡素化することができる。
本実施形態では、モータケース101、半導体モジュール501〜506、および、プリント基板801とは、この順で配列されている。これにより、巻線用端子508がモータケース101側、制御用端子509がプリント基板801側となるように、モータケース101とプリント基板801との間に半導体モジュール501〜506を配置して接続することにより、スペースを有効に活用することができ、電子回路内蔵型モータ1の小型化に寄与する。特に本実施形態では、モータケース101の軸方向端部106から立設されるヒートシンク601を備え、半導体モジュールがヒートシンクに放熱絶縁シート570を介して接触するように縦配置される。これにより、半導体モジュールから発生する熱を効率よく放熱でき、またスペースを有効に活用することができ、装置の小型化に寄与する。特に、半導体モジュールを軸方向へ立ち上がった状態で配置することにより、径方向のスペース確保に一層寄与する。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による半導体モジュールを図14〜図19に示す。なお、電子回路内蔵型モータの構成は第1実施形態と同様であるため、1つの半導体モジュールの近傍のみを図示し、上記実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図18に示すように、本実施形態の連結半導体モジュール210は、第1バスバー16および第2バスバー17によって半導体モジュール207、208、および、209が連結されている。半導体モジュール207〜209は実質的に同様の構成であるので、ここでは半導体モジュール208について図14〜図17に基づいて説明する。
半導体モジュール208は、樹脂部11のモータケース101側の端面112から突設される巻線用端子212を有している。巻線用端子212は、垂下部213、中間部214、起立部215、および、接続部216を有している。垂下部213、中間部214、起立部215、および、接続部216は、一体に形成されている。
垂下部213は、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられたときモータケース101側に配置される樹脂部11のモータケース101側の端面112から略垂直に突設される。
中間部214は、樹脂部11の端面112の幅方向と垂直に樹脂部11の厚み方向であってヒートシンク601から離れる方向(図17においては紙面手前方向)に約90°折り曲げられる。中間部214は、電子回路内蔵型モータ1に配置されたとき、ヒートシンク601と反対方向に延びて形成される。
起立部215は、モータケース101の端部106から離れる方向に立ち上がって形成される。本実施形態では、起立部215と中間部214とはL字形状に形成され、起立部215と中間部214との間では折り曲げられていない。
接続部216は、起立部215の先端に形成され、ヒートシンク601側に開口するU字形状に折り曲げられ、モータケース101の軸方向の端部106に形成された穴から取り出された巻線205の取出線206を挟持する。接続部216と取出線206とは、溶接されることにより電気的に接続される。これにより、巻線用端子508と巻線205の取出線206とは、直接接続される。
本実施形態では、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられたとき、接続部216は、モータケース101の軸方向において、樹脂部11のモータケース101側の端面112とモータケース101の反対側の端面111との間に位置しているので、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
図18は、連結半導体モジュール210がリードフレーム188から切り離される前の状態を示す平面図であり、図19は、図18のP方向矢視図である。
図17および図18に示すように、本実施形態の巻線用端子212は、折り曲げられる前の状態、すなわち電子回路内蔵型モータ1に組み付けられる前の状態において、中間部214と起立部215とでL字形状に形成される部分が、モータケース101側に配置される端面112の一方の端部113を取り囲むように形成される。起立部215の先端に形成される接続部216は、樹脂部11の側方であって、バスバー16、17によって一体に形成される隣の半導体モジュール207の樹脂部11との間に形成される。また、リードフレーム188の下端部189は、垂下部213および中間部214によって構成されている。すなわち、リードフレーム188の下端部189と第1バスバー16との間に接続部216が形成される。
ここで、参考例における連結半導体モジュールを図35に示す。図35は、連結半導体モジュール180がリードフレーム187から切り離される前の状態を示す平面図である。
参考例による連結半導体モジュール180の巻線用端子182は、折り曲げられる前の状態において、樹脂部11の下方に大きく突出している。そのため、リードフレーム187の面積が大きいものとなっている。
一方、図18に示す本実施形態のリードフレーム188は、接続部216が樹脂部11の側方に形成されているので、図35に示す参考例と比較して、リードフレームを有効に利用しており、リードフレームの小型化を実現している。
また本実施形態では、リードフレーム188は、一部が厚肉に形成されて、樹脂部11から露出する放熱部569を構成している(図19参照)。この放熱部569が、放熱絶縁シート570を介してヒートシンク601の側壁面と面接触することにより、半導体モジュール208で発生した熱を効率よく放熱することができる。本実施形態のリードフレーム188の厚肉部は、バスバー16、17が延びる方向に連続的に形成されており、接続部216はこの厚肉部に形成されている。すなわち、接続部216は、厚肉に形成されている。これにより、巻線205が巻線用端子508の厚みに対して相対的に太い場合であっても、接続部216が厚肉に形成されているので、リードフレーム全体を厚くすることなく、巻線用端子508と巻線205とを確実に接続することができる。
以下、巻線用端子の形状の変形例を第3実施形態から第9実施形態に示す。なお、電子回路内蔵型モータの構成は第1実施形態と同様であるため、1つの半導体モジュールまたは連結半導体モジュールの近傍のみを図示し、上記実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態による半導体モジュールを図20に示す。図20(a)は斜視図、図20(b)は巻線用端子を折り曲げる前の形状を示す平面図である。第3実施形態は、第1実施形態の変形例である。
図20に示すように、本発明の第3実施形態による半導体モジュール221の巻線用端子222は、樹脂部11のモータケース101側に配置される端面112から突設される。巻線用端子222は、垂下部223、中間部224、折返部225、起立部226、および、接続部227から構成される。垂下部223、中間部224、折返部225、起立部226、および、接続部227は、一体に形成される。
垂下部223は、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられたとき、モータケース101側に配置される樹脂部11のモータケース101側の端面112から略垂直に突設される。本実施形態では、垂下部223は、中間部224および起立部226等と比較して、小さく形成される。すなわち、巻線用端子222は、樹脂部11が破損しない程度であって樹脂部11にできるだけ近い位置において、樹脂部11のモータケース101側の端面112と平行に樹脂部11の厚み方向であってヒートシンク601から離れる方向(図20(b)においては紙面手前側)に折り曲げられる。また、垂下部223は、樹脂部11の幅方向の中心からずれて設けられている。
垂下部223から折り曲げられて形成される中間部224は、先端に形成される折返部225において、樹脂部11方向に約180°折り返される。
折返部225から延びる起立部226は、中間部224と略直行する方向に形成される。起立部226は、モータケース101の端部106から離れる方向に約90°折り曲げられる。垂下部223と起立部226とは、樹脂部11の幅方向における位置がずれて形成されている。
接続部227は、起立部226の先端に形成され、ヒートシンク601側に開口するU字形状に折り曲げられ、巻線205の取出線206を挟持し、溶接される。これにより、巻線用端子222と巻線205の取出線206とは直接接続される。
接続部227は、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられた状態において、モータケース101の軸方向において、樹脂部11のモータケース101側の端面112とモータケース101の反対側の端面111との間に位置している。これにより、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
また、本実施形態では、巻線用端子222を折り曲げる前の状態において、接続部227は、巻線用端子222が樹脂部11の端面112から突出する突出方向(図20(b)における紙面下方向)と反対方向に起立部226から延びて形成されているので、第1実施形態と比較して折り曲げる箇所が多くなるものの、第1実施形態および第2実施形態と同程度の組み付け性を維持しつつ、第1実施形態と比較して、リードフレームを小型化することができる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態による半導体モジュールを図21に示す。図21(a)は斜視図、図21(b)は巻線用端子を折り曲げる前の形状を示す平面図である。
図21に示すように、本発明の第4実施形態による半導体モジュール231の巻線用端子232は、樹脂部11のモータケース101側に配置される端面112から突設される。巻線用端子232は、垂下部233、中間部234、起立部235、および、先端部236から構成される。垂下部233、中間部234、起立部235、および、先端部236は、一体に形成されている。
垂下部233は、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられたとき、モータケース101側に配置される樹脂部11のモータケース101側の端面112から略垂直に突設される。本実施形態では、垂下部233は、中間部234および起立部235等と比較して、小さく形成される。すなわち、巻線用端子232は、樹脂部11が破損しない程度であって樹脂部11にできるだけ近い位置において、樹脂部11のモータケース101側の端面112と平行に樹脂部11の厚み方向であってヒートシンク601から離れる方向(図21(b)における紙面手前側)に折り曲げられる。また、垂下部233は、樹脂部11の幅方向の中心からずれて設けられている。
垂下部233から折り曲げられて形成される中間部234は、電子回路内蔵型モータ1に配置されたとき、径外方向から周方向に延びるL字形状に形成される。また、中間部234は、モータケース101の端部106と水平になっている。
起立部235は、中間部234の周方向に延びる先端側からモータケース101の端部106から離れる方向に折り曲げられる。垂下部233と起立部235とは、樹脂部11の幅方向における位置がずれて形成されている。
先端部236は、巻線205の端部を反モータケース101側から覆うように、モータケース101の端部106側に開口するように折り返され、起立部235の反中間部234側の側面との間に巻線205の取出線206を挟持し、溶接される。これにより、巻線用端子232と巻線205の取出線206とは直接接続される。すなわち本実施形態では、起立部235の先端側の一部および先端部236が接続部237を構成している。接続部237は、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられた状態において、モータケース101の軸方向において、樹脂部11のモータケース101側の端面112とモータケース101の反対側の端面111との間に位置している。これにより、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
また、図21(b)に示すように、巻線用端子232は、折り曲げる前の状態においてL字形状に形成されている。換言すると、巻線用端子232の起立部235及び先端部236は、中間部234の反垂下部233側の端部からバスバー16、17と平行する方向(図21(b)における紙面横方向)に直線状に形成されている。したがって、先端部236がバスバー16、17と直行する方向(図21(b)における紙面下方向)に突出していない。これにより、第1実施形態と比較して、リードフレームを小型化することができる。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態による半導体モジュールを図22に示す。図22(a)は斜視図、図22(b)は巻線用端子を折り曲げる前の形状を示す平面図である。なお、第5実施形態は、第4実施形態の変形例である。
図22に示すように、本発明の第5実施形態による半導体モジュール241の巻線用端子242は、樹脂部11のモータケース101側に配置される端面112から突設される。巻線用端子242は、垂下部243、中間部244、起立部245、および、先端部246から構成される。垂下部243、中間部244、起立部245、および、先端部246は、一体に形成される。
垂下部243は、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられたとき、モータケース101側に配置される樹脂部11のモータケース101側の端面112から略垂直に突設される。本実施形態では、垂下部243は、中間部244および起立部245等と比較して、小さく形成される。すなわち、巻線用端子242は、樹脂部11が破損しない程度であって樹脂部11にできるだけ近い位置において、樹脂部11のモータケース101側の端面112と平行に樹脂部11の厚み方向であってヒートシンク601から離れる方向(図22(b)における紙面手前側)に折り曲げられる。また、垂下部243は、樹脂部11の幅方向の中心からずれて設けられている。
垂下部243から折り曲げられて形成される中間部244は、電子回路内蔵型モータ1に配置されたとき、径外方向から周方向に延びるL字形状に形成される。また、中間部244は、モータケース101の端部106と水平になっている。
起立部245は、中間部244の周方向に延びる先端側からモータケース101の端部106から離れる方向に折り曲げられる。垂下部243と起立部245とは、樹脂部11の幅方向における位置がずれて形成されている。
本実施形態では、図22(b)に示すように、起立部245と先端部246との間に切欠部247が形成されている。この切欠部247を形成するために、折り曲げる前の状態において直線状に形成される中間部244の反垂下部243側の端部、起立部245、および、先端部246は、第4実施形態と比較して太く形成されている。本実施形態では、切欠部247に巻線205の取出線206が挿通され、切欠部247の底部248にて折り返される。そして起立部245と先端部246とで巻線205の取出線206を挟持し、溶接される。これにより、巻線用端子242と巻線205の取出線206とは直接接続される。すなわち本実施形態では、起立部245の先端側の一部、切欠部247、底部248、および先端部246が、接続部249を構成している。接続部249は、モータケース101の軸方向において、樹脂部11のモータケース101側の端面112とモータケース101の反対側の端面111との間に位置している。これにより上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
また、図22(b)に示すように、巻線用端子242は、折り曲げる前の状態においてL字形状に形成されている。換言すると、巻線用端子242の起立部245及び先端部246は、中間部244の反垂下部243側の端部からバスバー16、17と平行する方向(図21(b)における紙面横方向)に直線状に形成されている。したがって、先端部246がバスバー16、17と直行する方向(図22(b)における紙面下方向)に突出していない。これにより、第1実施形態と比較して、リードフレームを小型化することができる。さらに、本実施形態では、切欠部247において取出線206の位置決めができる。
(第6実施形態)
本発明の第6実施形態による半導体モジュールを図23に示す。図23(a)は斜視図、図23(b)は巻線用端子を折り曲げる前の形状を示す平面図である。なお、第6実施形態は、第5実施形態の変形例である。
図23に示すように、本発明の第5実施形態による半導体モジュール251の巻線用端子252は、樹脂部11のモータケース101側に配置される端面112から突設される。巻線用端子252は、垂下部253、中間部254、起立部255、および、先端部258から構成される。垂下部253、中間部254、起立部255、および、先端部258は、一体に形成される。
垂下部253は、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられたとき、モータケース101側に配置される樹脂部11のモータケース101側の端面112から略垂直に突設される。本実施形態では、垂下部253は、中間部254および起立部255等と比較して、小さく形成される。すなわち、巻線用端子252は、樹脂部11が破損しない程度であって樹脂部11にできるだけ近い位置において、樹脂部11のモータケース101側の端面112と平行に樹脂部11の厚み方向であってヒートシンク601から離れる方向(図23(b)においては紙面手前側)に折り曲げられる。また、垂下部253は、樹脂部11の幅方向の中心からずれて設けられている。
垂下部253から折り曲げられて形成される中間部254は、電子回路内蔵型モータ1に配置されたとき、径外方向に延びるL字形状に形成される。また、中間部254は、モータケース101の端部106と水平になっている。
起立部255は、モータケース101の端部106から離れる方向に折り曲げられる。垂下部253と起立部255とは、樹脂部11の幅方向における位置がずれて形成されている。
本実施形態の起立部255は、中間部254の反垂下部253側から延びる幅狭部256、及び幅狭部256の先端部258側において幅狭部256よりも幅広に形成される幅広部257から構成される。また、先端部258は、幅広部257と同じ幅で形成される。
起立部255の幅広部257と先端部258との間には、切欠部259が形成されている。本実施形態では、切欠部259に巻線205の取出線206が挿通され、切欠部259の底部260にて折り返される。そして幅広部257と先端部258とで巻線205の取出線206を挟持し、溶接される。これにより、巻線用端子252と巻線205の取出線206とは直接接続される。すなわち、本実施形態では、起立部255の幅広部257、切欠部259、底部260、および先端部258が、接続部261を構成している。
接続部261は、モータケース101の軸方向において、樹脂部11のモータケース101側の端面112とモータケース101の反対側の端面111との間に位置している。これにより上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
また、図23(b)に示すように、巻線用端子252は、折り曲げる前の状態においてバスバー16、17と平行する方向に延びる鍵型に形成されており、先端部258がバスバー16、17と直行する方向(図23(b)における紙面下方向)に突出していない。これにより、第1実施形態と比較して、リードフレームを小型化することができる。また、起立部255の幅広部257と先端部258との間には、切欠部259が形成されているので、第5実施形態と同様、切欠部259において取出線206の位置決めができる。
さらに、本実施形態では、起立部255において、接続部261を構成する幅広部257のみが幅広に形成されている。すなわち、起立部255において、接続部261ではない幅狭部256は、幅広部257と比較して幅狭に形成されている。これにより、巻線用端子252の熱容量が小さくなるので、接続部261と取出線206とを溶接するときに発生する熱が樹脂部11側へ伝わりにくくなる。
(第7実施形態)
本発明の第7実施形態による半導体モジュールを図24〜26に示す。なお、図24においては、コンデンサ用端子を省略している。
図24〜図26に示すように、本発明の第7実施形態による連結半導体モジュール270を構成する半導体モジュール271の巻線用端子272は、樹脂部11のモータケース101側の端面112から突設される。巻線用端子272は、垂下部273、中間部274、起立部275、および、接続部276から構成される。垂下部273、中間部274、起立部275、および、接続部276は、一体に形成される。
垂下部273は、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられたときモータケース101側に配置される樹脂部11のモータケース101側の端面112から略垂直に突設される。
中間部274は、樹脂部11の厚み方向であってヒートシンク601から離れる方向に垂下部273から約90°折り曲げられる。中間部274は、電子回路内蔵型モータ1に配置されたとき、ヒートシンク601と反対方向に延びて形成される。
起立部275は、モータケース101の端部106から離れる方向に立ち上がって形成される。本実施形態では、第2実施形態と同様、起立部275と中間部274とはL字形状に形成され、起立部275と中間部274との間では折り曲げられていない。
接続部276は、起立部275の先端に形成され、ヒートシンク601と反対方向に開口するU字形状に折り曲げられ、巻線205の取出線206を挟持し、溶接される。これにより、巻線用端子272と巻線205の取出線206とは、直接接続される。
本実施形態では、電子回路内蔵型モータ1に組み付けられたとき、接続部216は、モータケース101の軸方向において、樹脂部11のモータケース101側の端面112と反モータケース101側の端面111との間に位置しているので、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
また、本実施形態では、巻線用端子272は、折り曲げられる前の状態において、中間部274と起立部275とでL字形状に形成される部分が、樹脂部11の端面112の一方の端部113を取り囲むように形成される。起立部275の先端に形成される接続部276は、樹脂部11の側方に形成されているので、リードフレームを有効に利用しており、リードフレームの小型化を実現している。
本実施形態では、接続部276は、垂下部273、中間部274および起立部275よりも肉厚に形成されている(図25参照)。これにより、巻線205が巻線用端子272の厚みに比べて太い場合であっても、接続部276を厚肉に形成することにより、巻線用端子と巻線とを確実に接続することができる。
(第8実施形態)
本発明の第8実施形態による半導体モジュールを図27及び図28に示す。なお、図27においては、コンデンサ用端子を省略している。
図27及び図28に示すように、本発明の第8実施形態による連結半導体モジュール280を構成する半導体モジュール281の巻線用端子282は、樹脂部11のモータケース101側の端面112と垂直な幅狭側面114から突設される。巻線用端子282は、バスバー16、17と平行に設けられている。巻線用端子282は、折り曲げる前の状態において、略直線状に形成されている。
巻線用端子282は、中間部283および接続部284から構成される。中間部283は、幅狭側面114側に鋭角をなすように折り返される。接続部284は、樹脂部11の幅広側面115と平行する方向に開口する方向に折り返され、巻線205の取出線206を挟持し、溶接される。これにより、巻線用端子282と巻線205の取出線206とは、直接接続される。巻線用端子282は、折り曲げられて全体として軸方向視略S字形状をなす。
接続部284は、モータケース101の軸方向における位置が、樹脂部11のモータケース101側の端面112と反モータケース101の端面111との間に位置しているので、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。また、接続部284は、折り曲げられる前の状態において、樹脂部11の側方に形成されているので、リードフレームを小型化することができる。
さらに、本実施形態では、巻線用端子282は、樹脂部11のモータケース101側の端面112と垂直な幅狭側面114から突設されている。樹脂部11のモータケース101側の端面112からリードやタイバーを露出させないことにより、半導体モジュール281のモータケース101側の端面112とモータケース101の端部106との間の絶縁を省略することができる。具体的には、例えば、半導体モジュール281のモータケース101側の端面112とモータケース101の端部106との間の隙間G3を小さくすることができる。なお、図28(b)中おいて、半導体モジュール281とモータケース101との間に隙間G3が設けられているが、樹脂部11の端面112からリードやタイバーが露出していない場合、半導体モジュール281とモータケース101との間に隙間を形成しなくてもよい。すなわち、半導体モジュール281の樹脂部11とモータケース101とは、接触していてもよい。
(第9実施形態)
本発明の第9実施形態による半導体モジュールを図29及び図30に示す。なお、図29においては、コンデンサ用端子を省略している。
図29及び図30に示すように、本発明の第9実施形態による連結半導体モジュール290を構成する半導体モジュール291の巻線用端子292は、樹脂部11のモータケース101側の端面112と垂直な幅広側面115から突設される。本実施形態では、巻線用端子292は、制御用端子509およびコンデンサ用端子510と直行する方向に設けられている。巻線用端子292は、折り曲げる前の状態において、略直線状に形成される。
巻線用端子292は、中間部293および接続部294から構成される。接続部294は、樹脂部11側に開口する方向に折り曲げられ、巻線205の取出線206を挟持し、溶接される。これにより、巻線用端子292と巻線205の取出線206とは、直接接続される。巻線用端子292は、折り曲げられて全体として軸方向視略J字形状をなす。
接続部294は、モータケース101の軸方向における位置が、樹脂部11のモータケース101側の端面112と反モータケース101側の端面111との間に位置しているので、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
また、本実施形態では、巻線用端子292は、樹脂部11のモータケース101側の端面112と垂直な幅広側面115から突設されている。樹脂部11のモータケース101側の端面112からリードやタイバーを露出させないことにより、半導体モジュール291のモータケース101側の端面112とモータケース101の端部106との間の絶縁を省略することができる。具体的には、例えば、半導体モジュール281のモータケース101側の端部とモータケース101の端部106との間の隙間G4を小さくすることができる。なお、図30(b)中において、半導体モジュール291とモータケース101との間に隙間G4が設けられているが、樹脂部11の端面112からリードやタイバーが露出していない場合、半導体モジュール281とモータケース101との間に隙間を形成しなくてもよい。すなわち、半導体モジュール291の樹脂部11とモータケース101とは、接触していてもよい。
また、巻線用端子292を予め曲げたうえで樹脂部11を形成すれば、巻線用端子292を曲げることによる応力を緩和することができる。
(他の実施形態)
上記実施形態では、ヒートシンクはモータケースの軸方向端部の中心に立設されていた。他の実施形態では、ヒートシンクを周縁部から筒状に立設し、半導体モジュールを径方向内側に面接触させて配置してもよい。
上記実施形態では、半導体モジュールは連結部材で連結されて連結半導体モジュールを構成していた。他の実施形態では、連結部材により複数の半導体モジュールを連結しなくてもよい。
また、半導体モジュールは、半導体チップ面の垂線がシャフトの中心線に対して垂直に設けられていたが、垂直に限らず、傾いて配置されていてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
1:電子回路内蔵型モータ、10、20:連結半導体モジュール、11:樹脂部、16〜19:バスバー(連結部材)、30:モータ、50:パワー部、51:電源、56〜58:コンデンサ、60,68:インバータ、61〜67:FET(スイッチング素子)、111:反モータケース側の端面(反モータケース側の端部)、112:モータケース側の端面(モータケース側の端部)、113:端部、114:幅狭側面、115:幅広側面、161、171:露出部、162、172:屈曲部、201:ステータ、205:巻線、206:取出線、301:ロータ、401:シャフト、501〜506:半導体モジュール、508:巻線用端子、509:制御用端子、510:コンデンサ用端子、581:垂下部、582、中間部、583:起立部、584:接続部、601:ヒートシンク、701〜706:コンデンサ、801:プリント基板

Claims (15)

  1. 外郭を形成する筒状のモータケースと、
    前記モータケースの径内側に配置され複数相を構成するように巻線が巻回されたステータと、
    前記ステータの径内側に配置されるロータと、
    前記ロータと共に回転するシャフトと、
    前記モータケースの軸方向端部から立設されるヒートシンクと、
    モータの駆動に係る複数相の前記巻線に流れる巻線電流を切り換えるスイッチング素子を構成する半導体チップ、前記半導体チップを封止する樹脂部、および前記樹脂部に突設され前記巻線と直接接続される巻線用端子を有する半導体モジュールと、
    を備え、
    前記半導体モジュールは、前記半導体チップ面の垂線が前記シャフトの中心線に対し非平行となるように、前記ヒートシンクの径方向外側に縦配置され、
    前記巻線用端子の前記巻線との接続部は、前記モータケースの軸方向における前記樹脂部の前記モータケース側の端部よりも反前記モータケース側であって、径方向外側を向く前記樹脂部の幅広側面の径方向外側に位置することを特徴とする電子回路内蔵型モータ。
  2. 前記接続部は、前記モータケースの軸方向における前記樹脂部の反モータケース側の端部よりも前記モータケース側に位置することを特徴とする請求項1に記載の電子回路内蔵型モータ。
  3. 前記巻線用端子は、折り曲げられて前記巻線を挟持することにより前記接続部を構成することを特徴とする請求項1または2に記載の電子回路内蔵型モータ。
  4. 前記接続部は、折り曲げられる前の状態において、前記樹脂部の側方に設けられることを特徴とする請求項3に記載の電子回路内蔵型モータ。
  5. 前記巻線用端子は、前記樹脂部の前記モータケース側の端面から突設されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子回路内蔵型モータ。
  6. 前記巻線用端子は、前記樹脂部の前記モータケース側の端面から突出する垂下部、前記垂下部から前記樹脂部の厚み方向に形成される中間部、および、前記中間部から前記モータケースから離れる方向に形成される起立部を有し、
    前記接続部は、前記起立部の先端に形成されることを特徴とする請求項5に記載の電子回路内蔵型モータ。
  7. 前記巻線用端子は、前記樹脂部の前記モータケース側の端面と垂直な前記樹脂部の幅狭側面から突設されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子回路内蔵型モータ。
  8. 前記巻線用端子は、前記樹脂部の前記モータケース側の端面と垂直な前記樹脂部の前記幅広側面から突設されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子回路内蔵型モータ。
  9. 前記巻線用端子は、切欠部を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の電子回路内蔵型モータ。
  10. 前記接続部は、厚肉に形成されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の電子回路内蔵型モータ。
  11. 前記半導体モジュールは、前記樹脂部に埋設される埋設部、および、前記樹脂部から露出する露出部を有し、前記露出部が他の半導体モジュールの樹脂部に埋設された埋設部と連続的に一体形成されることにより、前記他の半導体モジュールと連結する連結部材を備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の電子回路内蔵型モータ。
  12. 前記半導体モジュールは、前記巻線への通電を制御する制御部を有する基板と接続される制御用端子を有し、
    前記巻線用端子と前記制御用端子とは、前記樹脂部の異なる面に設けられることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の電子回路内蔵型モータ。
  13. 前記巻線用端子と前記制御用端子とは、前記樹脂部を挟んで反対方向に突設されることを特徴とする請求項12に記載の電子回路内蔵型モータ。
  14. 前記モータケース、前記半導体モジュール、および、前記基板は、この順で配列されることを特徴とする請求項13に記載の電子回路内蔵型モータ。
  15. 記半導体モジュールは、前記ヒートシンクに直接的または間接的に接触するように配置されることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の電子回路内蔵型モータ。
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