JP6505311B2 - 電動機および換気扇 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品が実装された回路基板を有する電動機および電動機により羽根が駆動される換気扇に関する。

従来より、回路基板に実装された電子部品で発生する熱を、効率良く放熱するための部品を備える電動機が用いられている。特許文献１には、放熱板が一体成型された基板保持部材を備えるブラシレスモーターが開示されている。また、特許文献１に開示された回路基板は、ポッティング材料でコーティングされている。

特許文献１の基板保持部材は、回路基板を搭載する円板状の基板搭載部と、基板搭載部の外周に沿って一体成型された円環状の放熱板とを含む。基板搭載部は、中央に円形の開口部を有し、開口部に沿って基板搭載面側に突起した円筒状の突起部が形成されている。そして、基板搭載部に搭載された回路基板上にポッティング材料が塗布されることにより、放熱板による回路基板の放熱性の確保、およびポッティング材料による回路基板の防水性の確保を実現している。

特開２０１３−２４７７９０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたブラシレスモーターは、放熱板を使用しているため構造が複雑になり、また回路部品で発生した熱は回路基板を介して放熱板に伝わるため放熱効率が良くない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回路基板で発生する熱を簡易な構成で効率良く放熱可能な電動機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電動機は、筒状形状を呈するステーターと、有底の円筒形状を呈してステーターを内部に収容するフレームと、ステーターの内側に配置されるローターと、ローターに連結されてステーターの中心軸に沿って延びるシャフトと、ローターを挟んでフレームの底面と反対側に設けられて、シャフトをステーターの中心軸を中心として回転可能に保持する軸受けと、を備える。また、電動機は、フレームの底面と向かい合う底面を有する有底の円筒形状を呈し、フレームの底面に向かって突出して軸受けを保持するブラケットハウジングを備えたブラケットと、ステーターの中心軸に沿った方向においてブラケットの底面とステーターとの間の領域に設けられた基板保持部と、を備える。また、電動機は、ステーターの中心軸に沿った方向において、ステーターおよびローターと、ブラケットハウジングとの間の領域に設けられて基板保持部に保持された回路基板と、回路基板におけるブラケットの底面側の面であって中心軸に沿って見た場合にブラケットハウジングと重複する位置に実装された電子部品と、ブラケットハウジングと電子部品とに挟まれた状態で設けられた放熱シートと、を備える。ブラケットハウジングは、軸受けを保持する軸受け保持部としての機能と、電子部品で発生した熱をブラケットの全体に伝熱する伝熱部としての機能と、電子部品で発生した熱をブラケットの外部に放熱する放熱板としての機能と、放熱シートを保持する機能と、を有する。

本発明にかかる電動機は、回路基板に実装された電子部品で発生する熱を簡易な構成で効率良く放熱可能な電動機が得られる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる電動機であるＤＣブラシレスモーターの側面図 本発明の実施の形態１にかかるＤＣブラシレスモーターの断面図であり、図１のＡ部分を拡大した部分拡大断面図 本発明の実施の形態１にかかるＤＣブラシレスモーターにおけるブラケットの平面図であって、図１に示す矢印Ｂの方向から見た平面図 本発明の実施の形態２にかかる換気扇の断面図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電動機および換気扇を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電動機であるＤＣ（Direct Current）ブラシレスモーターの側面図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかるＤＣブラシレスモーターの断面図であり、図１のＡ部分を拡大した部分拡大断面図である。図３は、本発明の実施の形態１にかかるＤＣブラシレスモーターにおけるブラケットの平面図であって、図１に示す矢印Ｂの方向から見た平面図である。なお、図１では、ＤＣブラシレスモーターの内部構造を説明するために、一部を断面で示している。

ＤＣブラシレスモーター１は、ＤＣブラシレスモーター１の外郭を構成するフレーム２と、ＤＣブラシレスモーター１の外郭を構成するとともに第２の軸受け１０を保持するブラケットハウジング１２を備えたブラケット３を備える。また、ＤＣブラシレスモーター１は、フレーム２とブラケット３とで構成される外郭の内部に、筒状形状を呈して鉄心５とコイル６とインシュレーター１６とを有するステーター４と、筒状形状を呈してステーター４の内側に配置されるローター７と、ローター７に連結されてステーター４の中心軸４ｃに沿って延びるシャフト８と、を備える。シャフトの一端８ａ側は、フレーム２の外部に突出している。

また、ＤＣブラシレスモーター１は、シャフト８をステーター４の中心軸４ｃを中心として回転可能に保持する軸受けである第１の軸受け９と、シャフト８をステーター４の中心軸４ｃを中心として回転可能に保持する軸受けである第２の軸受け１０と、を備える。

また、ＤＣブラシレスモーター１は、フレーム２とブラケット３とで構成される外郭の内部に、ステーター４の中心軸４ｃに沿った方向においてブラケットの底面３ｃとステーター４との間の領域に設けられた基板保持部１３と、基板保持部１３に保持された回路基板１５と、回路基板における搭載面に実装された電子部品１７と、コイル６と回路基板１５とを電気的に接続する出力ピン１４と、後述するブラケットハウジング１２と電子部品１７とに挟まれた状態で設けられた放熱シート１８と、を備える。

フレーム２は、有底の円筒形状を呈しており、金属により構成されている。フレーム２は、フレームの底面２ｃに一体形成された円環形状のフレームハウジング１１を有する。フレームハウジング１１は、フレームの底面２ｃからブラケット３側、すなわちフレーム２の内部側に突出し、第１の軸受け９の周囲を囲んだ状態に形成されて、第１の軸受け９を保持している。

また、筒状形状を呈するステーター４の一部は、フレーム２の内側に圧入されている。ステーター４は、鉄心５と、鉄心５に巻回されたコイル６とを備える。また、ステーター４には、鉄心５とコイル６とを絶縁するとともにコイル６の位置を規定するインシュレーター１６が設けられている。

ブラケット３は、フレームの底面２ｃと向かい合う底面を有する有底の円筒形状を呈しており、金属により構成されている。ブラケット３は、ブラケットの底面３ｃに一体形成された円環形状のブラケットハウジング１２を有する。ブラケットハウジング１２は、ブラケットの底面３ｃからフレームの底面２ｃに向かって、すなわちブラケット３の内部側に突出し、第２の軸受け１０の周囲を囲んだ状態に形成されて、第２の軸受け１０を保持している。また、ブラケット３の内側には、筒状形状を呈するステーター４の一部が圧入されている。

フレーム２の外周部分には、図２に示すようにフレームフランジ２ａが設けられている。フレームフランジ２ａには、ネジ孔２ｂが設けられている。また、ブラケット３の外周部分には、ブラケットフランジ３ａが設けられている。ブラケットフランジ３ａには、ネジ孔３ｂが設けられている。フレーム２とブラケット３とは、フレーム２のネジ孔２ｂとブラケット３のネジ孔３ｂとを用いて、ねじ２０によりねじ止め固定されている。

シャフト８は、ローター７との連結部分よりもフレーム２側で第１の軸受け９に保持されており、ローター７との連結部分よりもブラケット３側で第２の軸受け１０に保持されている。第１の軸受け９は、ローター７を挟んでフレームの底面２ｃと反対側に設けられてシャフト８を保持する。第２の軸受け１０は、ローター７を挟んでフレームの底面２ｃと反対側に設けられてシャフト８を保持する。第１の軸受け９は、フレーム２に形成されたフレームハウジング１１により外周を保持されている。第２の軸受け１０は、ブラケット３に形成されたブラケットハウジング１２により外周を保持されている。

ステーター４の中心軸４ｃに沿った方向における、ステーター４およびローター７と、ブラケットハウジング１２との間の領域には、第２の軸受け１０を挿通可能な円形の開口部１５ａを中央に有した円環形状を呈する回路基板１５が設けられている。

回路基板１５の搭載面である、回路基板１５におけるブラケットの底面３ｃ側の面には、ローター７を回転させるための駆動部、制御部および電源部を構成する複数の電子部品１７が実装されている。回路基板１５の搭載面は、ブラケットの底面３ｃ側を向いている。駆動部は、ワンチップインバータ集積回路（Integrated circuit：ＩＣ）を含む６個のディスクリート素子と、モータドライバＩＣと、を組み合せた三相ブリッジドライバを用いて構成される。制御部には、マイクロコンピュータが用いられる。電源から電源部に交流電力が供給されると、電源部は、交流電力を直流電力に変換し、各電子部品に適した電圧で直流電力を供給する。

基板保持部１３は、絶縁性を有する樹脂により構成され、第２の軸受け１０を挿通可能な円形の開口部１３ａを中央に有した円環形状を呈している。基板保持部１３は、ステーター４の中心軸４ｃに沿った方向における、ステーター４のブラケットの底面３ｃ側に固定されている。基板保持部１３には、出力ピン１４を通すための貫通孔１３ｂが形成されている。出力ピン１４は、コイル６と電気的に接続されている。貫通孔１３ｂに挿通された出力ピン１４は、基板保持部１３における回路基板１５の搭載面側に突き出し、回路基板１５とはんだ付けにより電気的に接続されている。

また、基板保持部１３の開口部１３ａおよび回路基板１５の開口部１５ａの径は、第２の軸受け１０を挿入できるように第２の軸受け１０の径よりも大きい。基板保持部１３は、インシュレーター１６の上端部に当接することにより、シャフト８の軸方向において位置決めされている。

ＤＣブラシレスモーター１が駆動する際の回路基板１５における主な発熱部品は駆動部および電源部を構成する電子部品１７となる。図１および図２において、回路基板１５の面内におけるブラケットハウジング１２の端面の直下の位置、すなわち回路基板１５の面内において中心軸４ｃに沿って見た場合にブラケットハウジング１２と重複する位置に配置されている電子部品１７は、駆動部を構成する電子部品１７のうち動作時の発熱量が多い発熱部品である。ここで、電子部品１７のうち動作時の発熱量が多い発熱部品を回路基板１５の面内におけるブラケットハウジング１２の端面の直下の位置に配置している理由は、後述するように該発熱部品で発生した熱をブラケットハウジング１２に伝熱するためである。したがって、電子部品１７のうち動作時の発熱量が多い発熱部品は、ブラケットハウジング１２の形状に合わせて、回路基板１５の面内において円環形状に配置されている。

回路基板１５においてブラケットハウジング１２の端面の直下の位置に配置された電子部品１７の上には円環形状を呈する放熱シート１８が配置されている。放熱シート１８は、第２の軸受け１０を挿通可能とするために回路基板１５の面内において第２の軸受け１０と重複しない位置、且つ回路基板１５においてブラケットハウジング１２と重複する位置に設けられている。放熱シート１８の上面は、ブラケット３に形成されたブラケットハウジング１２の端部に当接している。放熱シート１８は、シリコン系ゴムにより構成されている。

上記のように構成されたＤＣブラシレスモーター１を駆動するには、電源から電源部へ交流電力が供給される。電源部は、供給された交流電力を直流電力に変換し、回路基板１５に実装された各電子部品に適した電圧で各電子部品に直流電力を供給する。駆動部は、制御部から送信される制御指令に従ってコイル６を駆動することで、回転軸に負荷が接続されたローター７を回転させるための駆動トルクを発生させる。

以下では、図１および図２に示した、回路基板１５の面内におけるブラケットハウジング１２の端面の直下の位置に配置された電子部品１７で発生した熱の放熱について説明する。

ＤＣブラシレスモーター１は、上述したように回路基板１５における電子部品１７の上に放熱シート１８が配置され、放熱シート１８の上面にはブラケット３に形成されたブラケットハウジング１２の端部が当接している。放熱シート１８を介して電子部品１７をブラケットハウジング１２に熱的に接続させることにより、電子部品１７で発生した熱は、放熱シート１８に伝熱され、さらにブラケットハウジング１２に伝熱される。そして、ブラケットハウジング１２に伝熱された熱は、ブラケット３の全体に伝熱される。これにより、電子部品１７で発生した熱は、ブラケットハウジング１２を含むブラケット３の全体を通してＤＣブラシレスモーター１の外部へ放出される。

すなわち、ＤＣブラシレスモーター１は、回路基板１５の面内においてブラケットハウジング１２と重複する位置に実装された電子部品１７で発生した熱を回路基板１５を介さずにブラケット３に伝熱させて、ブラケット３の全体を通してＤＣブラシレスモーター１の外部へ放出させることができるため、電子部品１７の温度上昇を抑制することができる。そして、ブラケット３は、金属により構成されているため、効率良く放熱を行うことができる。これにより、ＤＣブラシレスモーター１では、駆動時の温度上昇に起因した電子部品１７の誤動作、故障および短寿命化を抑制することができる。そして、回路基板１５に実装される電子部品１７のうち、相対的に発熱量の多い発熱部品を回路基板１５の面内においてブラケットハウジング１２と重複する位置に実装することが好ましい。

したがって、ブラケットハウジング１２は、第２の軸受け１０を保持する軸受け保持部としての機能と、電子部品１７で発生した熱をブラケット３の全体に伝熱する伝熱部としての機能、および電子部品１７で発生した熱をＤＣブラシレスモーター１の外部に放熱する放熱板としての役割を有する。また、ブラケット３は、ＤＣブラシレスモーター１の外郭の一部を構成するとともに、電子部品１７で発生した熱をＤＣブラシレスモーター１の外部に放熱するための放熱板としての機能を有する。

すなわち、ＤＣブラシレスモーター１では、回路基板１５の面内においてブラケットハウジング１２と対向する位置に、駆動部を構成する電子部品１７のうち動作時の発熱量が多い発熱部品を実装し、第２の軸受け１０を保持するブラケットハウジング１２を、伝熱部および放熱板として用いている。これにより、ＤＣブラシレスモーター１では、放熱板といった別部品を用いる必要がなく、回路基板１５に実装された電子部品１７で発生する熱を簡易な構成で効率良く放熱可能な構造が実現されている。また、ＤＣブラシレスモーター１では、放熱板を別部品として設ける場合に必要となる放熱板の作成および取り付けが不要であり、材料コスト、加工コストおよび取り付けコストが不要であるため、製造コストが抑制されたＤＣブラシレスモーター１が実現されている。

また、放熱シート１８は、シリコン系ゴムにより構成されており、柔軟性およびクッション性を有し、密着性に優れている。放熱シート１８には、電子部品１７とブラケットハウジング１２の底面との距離よりも厚みの厚い物が用いられる。そして、放熱シート１８は、電子部品１７とブラケットハウジング１２とに挟まれて、電子部品１７の表面の形状に倣って変形して電子部品１７の上面に密着する。これにより、電子部品１７で発生した熱は、効率良く放熱シート１８に伝熱される。また、放熱シート１８が圧縮変形することによって、シャフト８の軸方向の組み立て誤差に起因して回路基板１５へ応力が印加されることを緩和することができる。放熱シート１８の取り付けは、電子部品１７とブラケットハウジング１２との間に挟み込むだけでよく、非常に容易である。

なお、放熱シート１８は、円環形状ではなく、ブラケットハウジング１２と熱的に接続する電子部品１７の上部に選択的に配置されてもよい。

また、駆動部を構成する電子部品として、ワンチップインバータ集積回路の代わりに絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）を用いてもよい。

また、制御部は、マイクロコンピュータの代わりに、プログラマブルロジックコントローラ（Programmable Logic Controller：ＰＬＣ）を電子部品により構成して用いてもよい。

上述したように、本実施の形態１にかかるＤＣブラシレスモーター１は、第２の軸受け１０を保持するブラケットハウジング１２を放熱経路の一部に用いて、電子部品１７から放熱シート１８、ブラケットハウジング１２、ブラケット３の全体、の順で放熱経路が構成されている。これにより、本実施の形態１にかかるＤＣブラシレスモーター１は、放熱板を別部品として備えることなく、回路基板１５に実装された電子部品１７で発生する熱を簡易な構成で効率良く放熱可能な電動機を実現できる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる換気扇の断面図である。図４では、図面の理解の容易のために一部のハッチングを省略している。本実施の形態２にかかる換気扇３１は、上記実施の形態１で説明したＤＣブラシレスモーター１が筐体３２に取り付けられて構成されている。ＤＣブラシレスモーター１は、フレーム２のネジ孔２ｂと、ブラケット３のネジ孔３ｂと、筐体３２に設けられた図示しないねじ孔にねじを通してねじ止めすることにより、ブラケットフランジ３ａが筐体３２に当接した状態で固定されている。そして、ＤＣブラシレスモーター１のシャフト８の先端には、羽根３３が固定されている。

換気扇３１は、ＤＣブラシレスモーター１が取り付けられた筐体３２を天井板３４に埋め込み設置し、グリル３５を下から筐体３２に取り付けることにより設置される。

ＤＣブラシレスモーター１に通電して駆動させると、駆動トルクが発生してシャフト８が回転し、羽根３３を回転させる。羽根３３が回転すると、図４の矢印Ｃで示す空気の流れが発生する。

実施の形態１で説明したとおり、ＤＣブラシレスモーター１は、回路基板１５に実装された電子部品１７で発生した熱をブラケット３に伝熱させて、ブラケット３の全体を通してＤＣブラシレスモーター１の外部へ放熱できる。

そして、ＤＣブラシレスモーター１は、ブラケットフランジ３ａが筐体３２に接した状態で筐体３２に固定されている。このため、ブラケット３に伝わった熱が換気扇３１の筐体３２へ伝わる。これにより、換気扇３１は、電子部品１７で発生してブラケット３に伝わった熱を、ブラケット３および筐体３２を通してＤＣブラシレスモーター１の外部へ放出させることができる。

したがって、換気扇３１は、ＤＣブラシレスモーター１の回路基板１５で発生する熱を効率良く放熱可能であり安価な換気扇３１を実現できる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ ＤＣブラシレスモーター、２ フレーム、２ａ フレームフランジ、２ｂ ネジ孔、２ｃ フレームの底面、３ ブラケット、３ａ ブラケットフランジ、３ｂ ネジ孔、３ｃ ブラケットの底面、４ ステーター、４ｃ 中心軸、５ 鉄心、６ コイル、７ ローター、８ シャフト、８ａ シャフトの一端、９ 第１の軸受け、１０ 第２の軸受け、１１ フレームハウジング、１２ ブラケットハウジング、１３ 基板保持部、１３ａ，１５ａ 開口部、１３ｂ 貫通孔、１４ 出力ピン、１５ 回路基板、１６ インシュレーター、１７ 電子部品、１８ 放熱シート、３１ 換気扇、３２ 筐体、３３ 羽根、３４ 天井板、３５ グリル。

Claims (3)

1. 筒状形状を呈するステーターと、
   有底の円筒形状を呈して前記ステーターを内部に収容するフレームと、
   前記ステーターの内側に配置されるローターと、
   前記ローターに連結されて前記ステーターの中心軸に沿って延びるシャフトと、
   前記ローターを挟んで前記フレームの底面と反対側に設けられて、前記シャフトを前記中心軸を中心として回転可能に保持する軸受けと、
   前記フレームの底面と向かい合う底面を有する有底の円筒形状を呈し、前記フレームの底面に向かって突出して前記軸受けを保持するブラケットハウジングを備えたブラケットと、
   前記中心軸に沿った方向において前記ブラケットの底面と前記ステーターとの間の領域に設けられた基板保持部と、
   前記中心軸に沿った方向において、前記ステーターおよび前記ローターと、前記ブラケットハウジングとの間の領域に設けられて前記基板保持部に保持された回路基板と、
   前記回路基板における前記ブラケットの底面側の面であって前記中心軸に沿って見た場合に前記ブラケットハウジングと重複する位置に実装された電子部品と、
   前記ブラケットハウジングと前記電子部品とに挟まれた状態で設けられた放熱シートと、
   を備え、
   前記ブラケットハウジングは、前記軸受けを保持する軸受け保持部としての機能と、前記電子部品で発生した熱を前記ブラケットの全体に伝熱する伝熱部としての機能と、前記電子部品で発生した熱を前記ブラケットの外部に放熱する放熱板としての機能と、前記放熱シートを保持する機能と、を有すること、
   を特徴とする電動機。
2. 前記基板保持部と前記回路基板とは、前記軸受けを挿通可能な開口部が設けられ、前記放熱シートは、前記回路基板の面内において前記軸受けと重複しない位置に設けられていること、
   を特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 請求項１または２に記載の電動機と、
   前記シャフトに連結された羽根と、
   前記羽根を内部に収容する筐体と、
   を備えることを特徴とする換気扇。

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