JP6156206B2 - 電力変換装置及び電動モータ - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置及び電動モータに関し、特に、電力変換回路を構成する複数の電子部品が実装された配線基板を筐体内に収納する電力変換装置及びそれを備えた電動モータに適用して有効な技術に関するものである。

様々な機器の駆動源に用いられる電動モータにおいては、電力変換装置を備えた電動モータが知られている。特許文献１には、電力変換装置としてのインバータモジュールを一体化したインバータ一体型交流モータが開示されている。また、特許文献２には、電動モータに一体化される電力変換装置にも適用が可能な基板内蔵用筐体が開示されている。
この基板内蔵用筐体は、断面がコ字状の凹形状からなる２つの筐体部品を各々の開口部側が互いに向かい合うように連結して形成された筐体内に、複数の配線基板をその板厚方向に所定の間隔を置いて収納した構造になっている。そして、各配線基板は、その周縁部が筐体の側壁部から筐体内側に突出する取付座に固定されている。そして、各配線基板には、その厚さ方向において互いに反対側に位置する第１及び第２の実装面の各々に、発熱する電子部品が実装されている。そして、電子部品から放出される熱は、自然対流により筐体に伝達され、筐体から外部に放散されるようになっている。

特開２００７−１１６８４０号公報 特開２０１２−２２７３９９号公報

しかしながら、特許文献２に開示の基板内蔵用筐体においては、以下の問題点があった。
すなわち、特許文献２に開示の基板内蔵用筐体では、筐体の側壁部からその内側に突出する取付座（支持体）に配線基板の周縁部を固定しているため、配線基板の厚さ方向において互いに反対側に位置する第１及び第２の実装面側にそれぞれ空間領域が存在する。

一方、特許文献２には詳細に記載されていないが、筐体の底部及び側壁部で囲まれた収納部に配線基板を収納する構造では、一般的に配線基板と筐体の側壁部との間に隙間部が設けられている。
ここで、配線基板の第１及び第２の実装面の各々が重力の方向において互いに反対側に位置する場合、重力の方向に対して第１の実装面を下面とし、第２の実装面を上面としたとき、配線基板の下面（第１の実装面）に実装された電子部品の発熱による熱気は、配線基板の下面の表面付近に溜まる。

この配線基板の下面の表面付近に溜まった熱気のうち、配線基板の周縁部の熱気は、配線基板と筐体の側壁部との間の隙間部を通して、配線基板の下面側の空間領域と上面（第２の実装面）側の空間領域とに亘って自然対流（熱気の排出と冷気の流入）が発生するため留まることはない。
しかしながら、配線基板の中央部の熱気は、配線基板と筐体の側壁部との間の隙間部までの距離が遠いため、活発な自然対流は望めない。

このため、配線基板の下面側の中央部に熱気が溜まり、更なる電子部品の発熱により、配線基板の下面側の内気温度が上昇する。この結果、内気温度が電子部品の許容温度を超過し、電子部品の性能が著しく低下するといった不具合を招く要因となる。この不具合は電力変換装置及びそれを備えた電動モータの熱に対する信頼性の低下を意味する。

特に、電力変換装置では、電力変換回路を構成する複数の電子部品が配線基板に実装されるが、この複数の電子部品の中には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などのパワートランジスタからなるスイッチンク素子を搭載したパワー部品が含まれている。このパワー部品は、扱う電力が大きく、発熱量も大きいため、熱に対する信頼性を高めることは重要である。
そこで、本発明者は、配線基板を支持する支持体に着目し、本発明をなした。
本発明の目的は、熱に対する信頼性の高い電力変換装置及びそれを備えた電動モータを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る電力変換装置は、互いに反対側に位置する第１及び第２の面を有し、電力変換回路を構成する複数の電子部品が少なくとも前記第１の面に実装された配線基板と、底部及び側壁部で囲まれた収納部に前記配線基板を収納する筐体と、前記配線基板の前記第１の面が前記底部と対向し、かつ前記配線基板が前記底部及び側壁部から離間した状態で前記配線基板の周縁部を支持する複数の第１の支持体と、前記複数の第１の支持体よりも前記配線基板の内側で前記配線基板を支持し、かつ前記配線基板に形成された貫通孔を通して前記配線基板の前記第２の面側の第２の空間領域と連通すると共に前記第１の面側の第１の空間領域と連通する流路が設けられた第２の支持体とを備えていることを特徴としている。

また、この本発明の一態様に係る電力変換装置において、第２の支持体は、前記底部から前記配線基板に向かって突出すると共に前記流路を囲むようにして配置された複数の突起によって構成されていることが好ましい。
また、この本発明の一態様に係る電力変換装置において、前記第２の支持体は、前記配線基板側の一端側に前記貫通孔に挿入される挿入部を有し、前記挿入部は、段部と、前記段部から突出する突起片とで構成されていることが好ましい。

また、この本発明の一態様に係る電力変換装置において、前記第２の支持体は、前記配線基板が締結部材によって締結固定される基板締結固定部を有していることが好ましい。
更に、本発明の一態様に係る電動モータは、上述の何れかの電力変換装置を備えていることを特徴としている。

本発明によれば、熱に対する信頼性の高い電力変換装置及びそれを備えた電動モータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るインバータを備えた電動モータの概略構成を示す断面図である。 図１の電動モータの平面図である。 図１の電動モータの底面図である。 図１のインバータの平面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図１のインバータ筐体を抽出して示す斜視図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図１のインバータにおいて、熱気の対流状態を矢印で示した図（（ａ）平面図，（ｂ）は断面図）である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図１乃至図３に示すように、本実施形態に係る電動モータ１は、モータ部１０ａとインバータ部１０ｂとを備えたインバータ一体型電動モータである。

モータ部１０ａは、モータ筐体１１と、このモータ筐体１１の収納部に収納されたロータコア１２及びマグネット１３とを備えている。また、モータ部１０ａは、モータ筐体１１の内外に亘って延在し、かつ軸方向に互いに離間する２つのベアリング１５，１６を介してモータ筐体１１に軸支されたシャフト１４を備えている。そして、モータ部１０ａは、ロータコア１２及びマグネット１３より得られる回転力をシャフト１４により外部へ伝達するように構成されている。

モータ筐体１１は、円形筒型形状からなり、金属製の材料で形成されている。モータ筐体１１の側壁部の外側には、モータ部１０ａを外気により冷却するための複数の凸状フィン１７が放射状に設けられている。
インバータ部１０ｂには、電力変換装置としてのインバータ２０が搭載されている。インバータ２０は、電力を直流から交流に変換してモータ部１０ａに供給する電力変換回路を備えている。また、インバータ２０は、モータ部１０ａのシャフト１４の回転数及びトルクなどの運転を制御する制御回路も備えている。

インバータ２０は、図１、図４及び図５に示すように、配線基板２３と、この配線基板２３を収納する筐体としてのインバータ筐体２１とを備えている。インバータ筐体２１は、底部２１ａ及び側壁部２１ｂと、この底部２１ａ及び側壁部２１ｂで囲まれた収納部２２と、底部２１ａとは反対側に設けられた開口部とを備えている。インバータ筐体２１は、モータ筐体１１と同様に、円形筒型形状からなり、金属製の材料で形成されている。すなわち、収納部２２は、平面形状が円形状で形成されている。

インバータ筐体２１は、側壁部２１ｂの開口部側にシール部２１ｃを備えている。このシール部２１ｃは、側壁部の外壁にインバータ筐体２１の外周に沿ってゴム状のオーリング２８が設けられている。このシール部２１ｃは、モータ筐体１１の開口部内に挿入されている。すなわち、モータ筐体１１とインバータ筐体２１とは、モータ筐体１１の開口部内にインバータ筐体２１のシール部２１ｃを挿入することによって直列に連結され、両者の連結部はシール部２１ｃにより水密構造となる。このため、モータ筐体１１の収納部及びインバータ筐体２１の収納部２２は密閉状態となる。また、インバータ筐体２１は、インバータ筐体２１がモータ筐体１１と連結されることにより、収納部２２が底部２１ａ及び側壁部２１ｂと共にモータ筐体１１で囲まれた構造になる。

配線基板２３は、その厚さ方向において互いに反対側に位置する第１及び第２の実装面２３ｘ，２３ｙを有している。また、配線基板２３の平面形状は、インバータ筐体２１の収納部２２の平面形状に合わせて円形状で形成されている。配線基板２３は、インバータ筐体２１の収納部２２の平面サイズよりも小さい平面サイズで形成されている。これは、後述するが、配線基板２３とインバータ筐体２１の側壁部２１ｂとの間に隙間部４０を設けるためである。配線基板２３は、例えばガラスエポキシなどの樹脂からなる基材の表裏面に配線パターンが形成された構成になっている。

配線基板２３の第１及び第２の実装面２３ｘ，２３ｙの各々には、電力変換回路や制御回路を構成する複数の電子部品２４，２５が実装されている。配線基板２３の第１の実装面２３ｘに実装された複数の電子部品２４の中には、ダイオード、電界コンデンサなどの大型でかつ発熱量の大きい電子部品が含まれている。また、複数の電子部品２４の中には、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワートランジスタからなるスイッチング素子を搭載したパワーモジュール２４ａも含まれている。このパワーモジュール２４ａは、扱う電力が大きいため発熱量も大きく、大型である。

インバータ筐体２１は、配線基板２３の周縁部を支持する複数の第１の支持体２６を備えている。本実施形態では、４つの第１の支持体２６を備えている。４つの第１の支持体２６の各々は、インバータ筐体２１の側壁部２１ｂから側壁部２１ｂの内側に突出するようにして形成され、配線基板２３が固定される基板固定部を有している。４つの第１の支持体２６の各々は、インバータ筐体２１を平面視したとき、インバータ筐体２１の中心を軸にして時計回りで９０°ずらした位置に配置されている。すなわち、４つの第１の支持体２６の各々は、インバータ筐体２１の中心を直交して通る２つの直線状に配置されている。４つの第１の支持体２６の各々は、例えばインバータ筐体２１の底部２１ａ及び側壁部２１ｂと一体に形成されている。

配線基板２３は、インバータ筐体２１の収納部２２の中に複数の第１の支持体２６に支持された状態で収納されている。具体的には、配線基板２３は、その第１の実装面２３ｘがインバータ筐体２１の底部２１ａと対向し、かつインバータ筐体２１の底部２１ａ及び側壁部２１ｂから離間した状態で４つの第１の支持体２６に支持されている。配線基板２３は、その周縁部が４つの第１の支持体２６の各々の基板固定部に締結部材４２によって締結固定されている。

配線基板２３とインバータ筐体２１の側壁部２１ｂとの間には、隙間部４０が設けられている。この隙間部４０は、配線基板２３の外周に沿って環状に形成されている。
インバータ筐体２１の収納部２２は、配線基板２３を収納することにより、配線基板２３を境にして配線基板２３の第１の実装面２３ｘ側の第１の空間領域２２ａと、配線基板２３の第２の実装面２３ｙ側の第２の空間領域２２ｂとに区分けされる。第１の空間領域２２ａは、主に、インバータ筐体２１の底部２１ａ及び側壁部２１ｂと、配線基板２３とで周囲を囲まれている。第２の空間領域２２ｂは、インバータ筐体２１がモータ筐体１１に直列に連結されているので、主に、インバータ筐体２１の側壁部２１ｂと、配線基板２３と、モータ筐体１１とで周囲を囲まれている。

インバータ筐体２１は、複数の第１の支持体２６よりも配線基板２３の内側で配線基板２３を支持し、かつ配線基板２３に形成された貫通孔２３ａを通して配線基板２３の第２の実装面２３ｙ側の第２の空間領域２２ｂと連通すると共に、配線基板２３の第１の実装面２３ｘ側の第１の空間領域２２ａと連通する流路３１が設けられた第２の支持体３０を備えている。

本実施形態において、第２の支持体３０は、平面視したとき、配線基板２３の中心と重なる中央部の位置、換言すればインバータ筐体２１の収納部２２の中央部に１つ配置されている。
また、本実施形態において、第２の支持体３０は、図１、図４乃至図７に示すように、インバータ筐体２１の底部２１ａから配線基板２３に向かって突出すると共に、流路３１を囲むようにようにして互いに離間して配置された複数の突起３２で構成されている。本実施形態の第２の支持体３０は３つの突起３２で構成されている。流路３１は、突起３２で囲まれた領域と、３つの突起３２の各々の間の開口部とで構成されている。３つの突起３２の各々は、例えばインバータ筐体２１の底部２１ａと一体に形成されている。

第２の支持体３０は、配線基板２３側の一端側に、配線基板２３の貫通孔２３ａ内に挿入される挿入部３３を有している。この挿入部３３は、段部３４と、この段部３４から突出する突起片３５とで構成され、配線基板２３の貫通孔２３ａ内に挿入されている。この挿入部３３は、インバータ筐体２１の収納部２２に配線基板２３を収納するとき、配線基板２３の貫通孔２３ａ内に挿入されることによって、配線基板２３の位置決めがなされる。

第２の支持体３０は基板締結固定部３６を有している。この基板締結固定部３６には、配線基板２３が締結部材４３によって締結固定されている。この基板締結固定部３６は、３つの突起３２のうちの１つの突起３２と一体に形成されている。
インバータ筐体２１の側壁部２１ｂの外側には、インバータ部１０ｂを外気により冷却するための複数の凸状フィン２７が放射状に設けられている。

インバータ筐体２１の収納部２２には、インバータ筐体２１の側壁部２１ｂから内側に突出する部品固定部２９（図６参照）が設けられている。この部品固定部２９は、インバータ筐体２１の底部２１ａ及び側壁部２１ｂと一体に形成されている。この部品固定部２９には、配線基板２３の第１の実装面２３ｘに実装された電子部品２４のうち、発熱量が高い例えばパワーモジュール２４ａが締結部材によって締結固定される。

なお、本実施形態のインバータ２０は、図示していないが、外部から電源供給及び制御信号を配線基板２３に伝送するケーブルや、このケーブルをインバータ筐体２１に挿入して水密保持する継手や、インバータ部１０ｂからモータ部１０ａに電源供給及び制御信号を転送するケーブル等も備えている。
また、締結部材４２，４３としては、ボルトとナットとを組み合わせた部材、若しくはネジ部材を用いることができる。

次に、本実施形態のインバータ２０における熱気の対流について、図８を用いて説明する。
配線基板２３の第１及び第２の実装面２３ｘ，２３ｙの各々が重力の方向に対して互いに反対側に位置する場合、第１の実装面２３ｘを下面とし、第２の実装面２３ｙを上面としたとき、配線基板２３の第１の実装面２３ｘ（下面）に実装された電子部品２４の発熱による熱気は、配線基板２３の第１の実装面２３ｘの表面付近に溜まる。

この配線基板２３の第１の実装面２３ｘの表面付近に溜まった熱気のうち、配線基板２３の周縁部付近の熱気は、配線基板２３とインバータ筐体２１の側壁部２１ｂとの間の隙間部４０を通して、配線基板２３の第１の実装面２３ｘ側の第１の空間領域２２ａと第２の実装面２３ｙ側の第２の空間領域２２ｂとに亘って自然対流が発生するため留まることはない。

一方、配線基板２３の第１の実装面２３ｘの表面付近に溜まった熱気のうち、配線基板２３の中央部付近の熱気は、配線基板２３とインバータ筐体２１の側壁部２１ｂとの間の隙間部４０までの距離が遠いが、本実施形態のインバータ２０では隙間部４０及び４つの第１の支持体２６よりも配線基板２３の内側で配線基板２３の中央部を支持する第２の支持体３０を備えており、この第２の支持体３０には配線基板２３の第２の実装面２３ｙ側の第２の空間領域２２ｂと連通すると共に、第１の実装面２３ｘ側の第１の空間領域２２ａと連通する流路３１が設けられているので、配線基板２３の中央部付近の熱気においても、第２の支持体３０の流路３１を通して、配線基板２３の第１の実装面２３ｘ側の第１の空間領域２２ａと第２の実装面２３ｙ側の第２の空間領域２２ｂとに亘って自然対流が発生するため留まることはない。すなわち、配線基板２３の中央部付近にも配線基板２３の第１の実装面２３ｘ側の第１の空間領域２２ａと第２の実装面２３ｙ側の第２の空間領域２２ｂとを連通する流路３１が形成されることになり、自然対流が活発化して熱の対流が改善される。この結果、配線基板２３の第１の実装面２３ｘ側の内気温度上昇を抑制することが可能となり、内気温度が電子部品２４の許容温度を超過して電子部品２４の性能が著しく低下するといった不具合を抑制できるので、インバータ２０及びこのインバータ２０を備えた電動モータ１の熱に対する信頼性を高めることができる。

ここで、本実施形態の図面を参照して従来の構造について説明すると、配線基板２３の周縁部のみがインバータ筐体２１の第１の支持体２６に支持固定された従来の構造においては、上下振動を受けた時に第１の支持体２６から遠い配線基板２３の中央部が大きく振動（共振）する。特に、配線基板２３の中央部に電子部品として比較的重量が重いコンデンサやパワーモジュール２４ａが実装されている場合には振動が顕著になる。この振動により、配線基板２３の中央部付近に半田により実装された電子部品が繰り返し揺らされることで半田クラックやリード切断などの不具合が発生するおそれがある。

これに対し、本実施形態のインバータ２０では、振動に対して最も弱い配線基板２３の中央部を第２の支持体３０で支持しているので、配線基板２３の振動を低減することができる。また、本実施形態のインバータ２０では、第２の支持体３０の基板締結固定部３６に配線基板２３の中央部を締結部材４３で締結固定しているので、更に配線基板２３の振動を低下することができる。この結果、配線基板２３の中央部付近に半田により実装された電子部品が繰り返し揺らされることで発生する半田クラックやリード切断などの不具合を抑制することができるので、インバータ２０及びそれを備えた電動モータ１の品質向上を図ることができる。

本実施形態のインバータ２０は、第２の支持体３０の一端側に、配線基板２３の貫通孔２３ａに挿入される挿入部３３が設けられているので、インバータ筐体２１の収納部２２に配線基板２３を収納する際に、配線基板２３を容易に位置決めすることができ、その後、配線基板２３を締結部材で締結固定する締結工程を容易に行うことができる。
なお、前述の実施形態では、配線基板２３の第１及び第２の実装面２３ｘ，２３ｙの各々が重力の方向に対して互いに反対側に位置する場合について説明したが、配線基板２３の第１及び第２の実装面２３ｘ，２３ｙの各々が重力の方向と直交する方向に対して互いに反対側に位置する場合においても、第２の支持体３０を備えることにより、自然体流が活発化して熱気の対流が改善されるので、インバータ２０及びこのインバータ２０を備えた電動モータ１の熱に対する信頼性を高めることができる。

なお、前述の実施形態では、配線基板２３の中央部を第２の支持体３０で支持する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１の支持体２６よりも配線基板２３の内側であれば効果が得られる。
また、前述の実施形態では、第２の支持体３０を１つ設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第２の支持体３０は２以上設けてよい。

また、前述の実施形態では、第２の支持体３０を互いに離間する３つの突起３２で構成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、互いに隣り合う２つの突起の一部を連結するようにしてもよい。
また、前述の実施形態では、平面形状が円形状の配線基板２３を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば平面形状が方形状若しくは多角形状の配線基板を用いてもよい。

また、前述の実施形態では、配線基板２３の互いに反対側に位置する第１及び第２の実装面２３ｘ，２３ｙの各々に電子部品２４，２５を実装した場合について説明したが、本発明はこれら限定されるものではなく、少なくとも、配線基板２３の片方の実装面、すなわちインバータ筐体２１の底部２１ａと対向する側の第１の実装面２３ｘに電子部品２４が実装されていればよい。

以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
以上説明したように、本発明に係る電力変換装置及び電動モータは、熱に対する信頼性を高めることができるという効果を有し、電力変換回路を構成する複数の電子部品が実装された配線基板を筐体内に収納する電力変換装置及びそれを備えた電動モータに有用である。

１…電動モータ
１０ａ…モータ部、１０ｂ…インバータ部、１１…モータ筐体、１２…ロータコア、１３…マグネット、１４…シャフト、１５，１６ベアリング、１７…凸状フィン
２０…インバータ（電力変換装置）、２１インバータ筐体、２１ａ…底部、２１ｂ…側壁部、２２…収納部、２２ａ…第１の空間領域、２２ｂ…第２の空間領域
２３…配線基板、２３ａ…貫通孔、２３ｘ…第１の実装面（下面）、２３ｙ…第２の実装面（上面）、２４…電子部品、２５…電子部品、２６…第１の支持体、２７…凸状フィン
３０…第２の支持体、３１…流路、３２…突起、３３…挿入部、３４…段部、３５…突起片、３６…基板締結固定部、３７…締結部材、
４０…隙間部、４２，４３…締結部材

Claims (5)

1. 互いに反対側に位置する第１及び第２の面を有し、電力変換回路を構成する複数の電子部品が少なくとも前記第１の面に実装された配線基板と、
   底部及び側壁部で囲まれた収納部に前記配線基板を収納する筐体と、
   前記配線基板の前記第１の面が前記底部と対向し、かつ前記配線基板が前記底部及び側壁部から離間した状態で前記配線基板の周縁部を支持する複数の第１の支持体と、
   前記複数の第１の支持体よりも前記配線基板の内側で前記配線基板を支持し、かつ前記配線基板に形成された貫通孔を通して前記配線基板の前記第２の面側の第２の空間領域と連通すると共に前記第１の面側の第１の空間領域と連通する流路が設けられた第２の支持体とを備えていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記第２の支持体は、前記底部から前記配線基板に向かって突出すると共に前記流路を囲むようにして配置された複数の突起によって構成されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記第２の支持体は、前記配線基板側の一端側に前記貫通孔に挿入される挿入部を有し、
   前記挿入部は、段部と、前記段部から突出する突起片とで構成されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記第２の支持体は、前記配線基板が締結部材によって締結固定される基板締結固定部を有していることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力変換装置を備えたことを特徴とする電動モータ。

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