JP6685377B1 - 制御装置一体型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】制御装置一体型モータの耐振性と冷却性を向上させる。【解決手段】モータ２の軸上に制御装置３が積み上げられて一体化された構成において、制御装置３の側において、ヒートシンク１６に搭載されたパワーモジュール１７を含むパワー回路部の上層部に、制御基板２０を樹脂材２５にて包囲した状態でケース２１内に保持して固定することで耐振性を確保する。加えて、ヒートシンク１６の内部において、パワー回路部の表面部に冷却媒体を直接触れさせることで冷却性を確保する。【選択図】図１

Description

本願は、制御装置をモータに一体化させた制御装置一体型モータに関するものである。

モータと制御装置であるインバータが一体に設けられた装置において、インバータのパワーモジュールがモータの金属筐体と放熱用の金属板に挟持され、インバータのパワーモジュールと制御基板とが筐体内に階層的に配設された技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、回転電気機械の電子的アセンブリの電力ブロックと制御ブロックとの間に冷却媒体流路が設けられた技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第2014/188803号 特開2015-163046号公報

従来の技術にあっては、モータをエンジンルームに固定する構成である場合に、モータに一体に設けられた制御装置にエンジンの振動が伝わり、制御装置内に配設された制御基板が振動するという問題があった。
また、制御装置を安定的に動作させるためには、構成要素である発熱部品の冷却性を向上させる必要があった。

本願は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、制御基板の耐振性の改善と、制御装置の冷却性の改善により、制御装置一体型モータ全体としての信頼性を向上させることを目的とするものである。

本願に係わる制御装置一体型モータは、モータの軸方向端面上に制御装置が搭載され、上記制御装置が上記モータに一体形成された制御装置一体型モータにおいて、上記制御装置は、ヒートシンク、上記ヒートシンク上に搭載されたパワー回路部、上記パワー回路部から上方に突出した制御信号端子部、上記制御信号端子部の上端側に接続され、上記軸方向に上記パワー回路部と分離されて配置された制御基板、上記制御基板を覆うケース、上記ケースに充填され、上記制御基板を包囲する樹脂材を備え、上記ケースの底面部と上記パワー回路部の上面部との間に冷却媒体流路が構成され、上記冷却媒体流路に上記パワー回路部の表面部が露出されたものである。

本願の制御装置一体型モータによれば、制御装置を構成する制御基板がケースの中に樹脂材に包囲された状態で安定的に保持される構造であるため、制御基板の耐振性を改善することができ、なおかつ、制御装置内のパワー回路部の表面部に冷却媒体が接触する構造であるため、制御装置の冷却効率を改善することができ、制御装置一体型モータの信頼性を向上させることが可能となる。

実施の形態１による制御装置一体型モータを示す要部断面側面図である。 図１の制御装置の拡大断面側面図である。 図１の制御装置の要部断面平面図である。 実施の形態２による制御装置一体型モータを示す要部断面側面図である。 実施の形態３による制御装置一体型モータを示す要部断面側面図である。

実施の形態１．
本願の実施の形態１による制御装置一体型モータ１（制御装置一体型回転電機）について、図１から図３を用いて説明する。図１は、モータ２（モータ本体部）と制御装置３とが軸方向に重ねられて設けられ一体となるように固定された制御装置一体型モータ１の要部断面側面図であり、図２は、図１の制御装置３を拡大した拡大断面側面図であり、図３は、軸に垂直なヒートシンク１６の平面図であり、ヒートシンク１６を軸方向に見下ろした要部断面平面図である。なお、図１、図２と後述する図４、図５は、図３のＡ−Ａ線に沿った断面側面図である。

本願のモータ２と制御装置３が一体化された制御装置一体型モータ１において、制御装置３とは、例えばインバータであるが、パワーモジュールを含むパワー回路部である発熱部品と制御基板を構成要素として含むインバータ以外の装置であってもよいことは言うまでもない。なお、各図においては、技術内容理解の容易化のため、各部材の縮尺を実際とは異なるように表示している部分があり、また、本願の特徴に関係しない構成部についてはその記載を省略している。

まず、制御装置一体型モータ１を構成するモータ２について説明する。
図１に示すように、モータ２の回転軸４には回転子５が固定されており、その回転子５には回転子巻線６が巻装されている。
フロントブラケット７とリアブラケット８は、いずれもモータ２の筐体を構成する部材であり、協同でモータ２の内部構成部を被覆している。
そして、フロントブラケット７およびリアブラケット８は、軸受９および軸受１０を介して回転軸４を回転可能に支持し、回転子５の外周側に位置する固定子巻線１２が巻装された固定子１１を挟み込んで保持している。
図１の例では、フロントブラケット７はモータ２の軸方向下方部を覆う部材であり、リアブラケット８はモータ２の軸方向上方部を覆う部材であり、制御装置３のヒートシンク１６はリアブラケット８の軸方向端面上に搭載されて固定されている。

また、回転子５の表面部には、フロントブラケット７およびリアブラケット８に向かって突出するひれ状等の回転子冷却ファン１３および１４が設けられている。回転子冷却ファン１３および１４は、回転子５の回転にともなって、モータ２の筐体内に冷却媒体の流れを作り、モータ２の軸近傍に位置するフロントブラケット７およびリアブラケット８の軸方向両端面からモータ２の外周面に至る第一の流路Ｗ１および第二の流路Ｗ２が生じる構成となっている。

フロントブラケット７には、冷却媒体をモータ２の外部から導入する導入口７ａとモータ２の内部を通過した冷却媒体をモータ２の内部から排出する排出口７ｂとが設けられている。そして、図１の第一の流路Ｗ１に沿って、モータ２の底面部の軸近傍に位置する導入口７ａから軸に沿ってフロントブラケット７の内部に取り込まれた空気等の冷却媒体は、回転軸４から遠ざかる方向、つまり遠心方向に流されてモータ２の内部を冷却し、フロントブラケット７の外周面に穿たれた排出口７ｂから外部へ排出される。
リアブラケット８には、冷却媒体を制御装置３の冷却媒体流路を含むモータ２の外部から導入する導入口８ａとモータ２の内部を通過した冷却媒体をモータ２の内部から排出する排出口８ｂとが設けられている。そして、図１の第二の流路Ｗ２に沿って、モータ２の上面部の軸近傍に位置する導入口８ａから軸に沿ってリアブラケット８の内部に取り込まれた冷却媒体は、回転軸４から遠ざかる方向に流されてモータ２の内部を冷却し、リアブラケット８の外周面に穿たれた排出口８ｂから排出される。

また、回転軸４のフロントブラケット７から突出した先端部にはプーリー１５が取り付けられている。そして、回転軸４のリアブラケット８から突出した他端部には、回転子５の回転状態を検出する回転位置検出センサ（図示せず）と、回転子巻線６に電流を供給するブラシ（図示せず）とが設けられている。
また、フロントブラケット７およびリアブラケット８の外周面には、モータ２をエンジンに取り付けるためのエンジン取付部７ｃおよび８ｃが設けられている。

次に、制御装置一体型モータ１を構成する制御装置３について説明する。
制御装置３は、モータ２の駆動により発生する回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための制御機能を備えている。
図１から図３に例示するように、制御装置３の構成要素であるヒートシンク１６は、パワー回路部を構成するパワーモジュール１７を実装する底面部と、その底面部から紙面上側の軸方向に突出してケース２１を支持する壁面部によって主に構成され、例えば安価で熱伝導性が良好なアルミニウム合金を材料として形成される。そして、ヒートシンク１６の底面部の裏面側がモータ２のリアブラケット８の上面側、つまり、モータ２の軸方向上端面側に固定保持されている。
図１等に例示するように、ヒートシンク１６の実装面となるヒートシンク１６の内底面には、発熱部品であるパワーモジュール１７が搭載されている。
ここで、パワーモジュール１７の実装面はヒートシンク１６の内底面だけに限ったものではなく、ヒートシンク１６の冷却媒体流路を囲む面部であれば内底面とは向きが異なる面部、例えば壁面側等を実装面とすることができ、ヒートシンク１６の内底面以外の実装面にパワーモジュール１７を実装することが可能である。
なお、パワーモジュール１７は単体でパワー回路部を構成する場合と、パワーモジュール１７を主構成部とし、このパワーモジュール１７以外に、パワーモジュール周辺に搭載されたコンデンサ、コイル等の電力用電子部品を含めてパワー回路部を構成する場合とがある。図１から図３では、パワー回路部としてパワーモジュール１７のみを記載しているが、パワー回路部を構成するパワーモジュール１７以外の図示しないコンデンサ、コイル等が、ヒートシンク１６の実装面となる内底面あるいは内壁面等に配設される場合があることは言うまでもない。

また、ヒートシンク１６には、内部に冷却媒体流路を形成するための開口部が穿たれている。ヒートシンク１６の外周部には第一の開口部１６ａが設けられ、ヒートシンク１６の底面部には、パワーモジュール１７と回転軸４との間に開口された第二の開口部１６ｂが設けられる。ヒートシンク１６の内部の第一の開口部１６ａと第二の開口部１６ｂとの間が制御装置３の冷却媒体流路となり、所定方向に冷却媒体が流動し、周囲の熱を奪ってヒートシンク１６の内部を冷却する。
冷却媒体は、第一の開口部１６ａからヒートシンク１６の内部の冷却媒体流路に導入され、ヒートシンク１６の冷却媒体流路を構成する内面である実装面、例えば、リアブラケット８と対向する面の反対の面に搭載されたパワーモジュール１７の周囲を通過して、冷却媒体流路に表面部を露出させた制御装置３の構成部、つまり、ヒートシンク１６、パワーモジュール１７およびケース２１等を冷却し、第二の開口部１６ｂから排出される。

図１に示すように、軸方向に見て、ヒートシンク１６の第二の開口部１６ｂはモータ２のリアブラケット８の導入口８ａに対向するようにヒートシンク１６の第二の開口部１６ｂが配設されている。第二の開口部１６ｂの近傍に流れる冷却媒体は、モータ２の内部の気流のためにリアブラケット８の導入口８ａに向かって流れ、制御装置３の内部とモータ２の内部とを順に通過する第二の流路Ｗ２が形成される。よって、制御装置３側に気流を発生させるための構成部を追加的に設けることなく、第一の開口部１６ａから外気等の冷却媒体をヒートシンク１６の内部に吸入することができ、冷却媒体流路に表面部が露出したヒートシンク１６、パワーモジュール１７等の構成部を冷媒流によって冷却した後、第二の開口部１６ｂからモータ２側に排出でき、本願のような冷却媒体流路を持たないものよりも制御装置３の冷却性を改善することができる。

第二の流路Ｗ２は、図１に示すように、ヒートシンク１６内の回転軸４に向かう方向の冷却媒体流路に、リアブラケット８内の回転軸４から遠ざかる方向の冷却媒体流路を繋げた経路となっている。しかし、この第二の流路Ｗ２の中間に外気を導入することは可能である。図１の例では、リアブラケット８の導入口８ａとヒートシンク１６の第二の開口部１６ｂとの間に隙間が形成されており、この隙間が外部と繋がって開放されているため、ヒートシンク１６を通過していない冷却媒体をこの隙間から取り入れて導入口８ａに供給することが可能である。ここで、導入口８ａと第二の開口部１６ｂとの間から外気を取り入れる必要がない構成にあっては、軸方向に生じた導入口８ａと第二の開口部１６ｂとの間の隙間を封止材によって封止し、第二の流路Ｗ２として示した主となる流路のみを冷却媒体の流路として確保することが可能である。

また、ヒートシンク１６のリアブラケット８と対向する面の反対の面となる内面側には冷却媒体を挿通させる冷却媒体流路が設けられているが、冷却性を向上させるためには、その冷却媒体流路に露出させるヒートシンク１６の表面積を増大させることが有用である。例えば、ヒートシンク１６の表面積を稼ぐためには、ヒートシンク１６の内底面からフィン状の突起部１６ｃを突出させた構造を適用することが可能である。
また、図３に示すように、ヒートシンク１６の内部には２個以上のパワーモジュール１７が配設され、それら複数のパワーモジュール１７を囲む壁面状の突起部１６ｄがヒートシンク１６の実装面となる内底面から隆起して設けられ、さらに、隣り合うパワーモジュール１７間には冷却フィン１６ｅが設けられている。これら突起部１６ｃおよび１６ｄ、冷却フィン１６ｅはヒートシンク１６に一体となるように作り込まれている。
そして、後述する制御基板２０を収納するケース２１は、ヒートシンク１６の突起部１６ｃおよび１６ｄ、冷却フィン１６ｅの上端部に固定して支持することができる。

ヒートシンク１６に搭載されるパワーモジュール１７は、例えば、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄe−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を２個内蔵し、６個のパワーモジュール１７によって３相インバータ回路を２組構成している。
それらのＭＯＳＦＥＴは、セラミック基板等の配線パターンにはんだで接合され、外部のバッテリー（図示せず）との電気的接続に用いる配線部を備えている。ＭＯＳＦＥＴの配線部とは、電源配線１７ａと、固定子巻線１２に電気的に接続される図示しない固定子巻線配線と、制御基板２０との接続用の制御信号端子部１７ｂと、ヒートシンク１６と同電位となるグランド配線１７ｃである。

なお、本願においては、パワーモジュール１７は、ヒートシンク１６の内底面等に搭載されている本体構成部を指すものであり、その本体構成部から上方に突出して制御基板２０に接続される制御信号端子部１７ｂはパワーモジュール１７の本体構成部とは区別して示している。つまり、ここで言うパワーモジュール１７は、制御信号端子部１７ｂ以外の本体構成部によって構成される。
また、電源配線１７ａ、制御信号端子部１７ｂ、グランド配線１７ｃおよび固定子巻線配線の材料には、導電性が良好で熱伝導率の高い銅または銅合金等が使われている。

さらに、図３に示すように、パワーモジュール１７の表面部、つまり、ヒートシンク１６に固定されている面と反対側の面には、冷却媒体流路に向かって突出する冷却フィン１８が設けられている。この冷却フィン１８は、一つのパワーモジュール１７に複数設けることができ、冷却媒体の流れを妨げない形状に形成されている。
このように構成されたパワーモジュール１７は、例えば、高熱伝導絶縁樹脂（図示せず）を介してヒートシンク１６内部の底面に固定されている。

ここで、ＭＯＳＦＥＴ、基板と電源配線１７ａ、固定子巻線配線、グランド配線１７ｃを含むパワーモジュール１７の表面部の一部、制御信号端子部１７ｂおよびヒートシンク１６の各構成部の固定箇所付近の表面部の一部は、防水絶縁部材１９で覆われている。防水絶縁部材１９は、例えば、絶縁性と防水性を備えたフッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂等により構成され、上記の防水処理が必要な個所に薄膜コーティングされている。

上述の例では、パワーモジュール１７がＭＯＳＦＥＴをセラミック基板等の配線パターンにはんだ接合されてなる構成であることを示したが、これに限らず、モールド樹脂を用いて成形されたパワーモジュール１７を用いてもよいことは言うまでもない。
また、上述の例では、個々のパワーモジュール１７がＭＯＳＦＥＴを２個内蔵し、６個のパワーモジュール１７によって２組３相のインバータ回路を構成する場合について説明したが、これに限らず、個々のパワーモジュール１７がＭＯＳＦＥＴを４個内蔵し、３個のパワーモジュール１７によって２組３相のインバータ回路を構成してもよく、あるいは、個々のパワーモジュール１７がＭＯＳＦＥＴを６個内蔵し、２個のパワーモジュール１７によって２組３相のインバータ回路を構成してもよい。

制御回路を構成する制御基板２０は、薄板状で、基材として電気的特性と機械的特性を満たすガラスエポキシ樹脂を用いることができ、基板両面に電気部品が実装され、少なくとも１つ以上のパワーモジュール１７が実装されている。
また、制御基板２０は、ヒートシンク１６に搭載されたパワーモジュール１７の本体構成部より上層部に階層的に配設され、パワーモジュール１７から突出する制御信号端子部１７ｂの上端部に接続され、両者の係合部にはんだ接合部２４ｂが形成されて固定されている。

制御基板２０を収容するケース２１は、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）、ＰＢＴ（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）等の熱可塑性樹脂で形成され、天井部が開口しており、ケース２１の底面部には制御信号端子部１７ｂを挿通させるための貫通孔２１ａが開口されている。
さらに、このケース２１は、制御基板２０を取り囲む形状をなし、ヒートシンク１６の上端、すなわち、突起部１６ｃおよび１６ｄ、冷却フィン１６ｅの上端に支持されており、ケース２１はヒートシンク１６上に積み上げられた状態で固定されている。
制御基板２０をケース２１に収容した状態でパワーモジュール１７よりも上層部に配置することで、発熱体であるパワーモジュール１７と制御基板２０とを軸方向に分離させることが可能で、ヒートシンク１６の内部に形成された冷却媒体流路にパワーモジュール１７の表面部を露出させることで、パワーモジュール１７の表面部に冷却媒体を直接触れさせることが可能となっている。

また、制御基板２０をケース２１内の所定の位置に固定するための複数の柱状の制御基板支持部材２２が、ケース２１の底面部からケース２１の内部に軸方向に沿って突出するように設けられている。
これら制御基板支持部材２２の下端部は、ケース２１の底面部に開口された貫通孔２１ｂに嵌合しており、その嵌合部において制御基板支持部材２２とケース２１とが固定されている。
なお、制御基板支持部材２２はケース２１中に制御基板２０を浮かせた状態に固定する役割を果たしており、ケース２１の底面部の貫通孔２１ｂに嵌合させて固定する以外に、ケース２１の内底面に載置した状態で固定することも可能であり、制御基板支持部材２２の下端部とケース２１との固定方法は適宜変更することが可能である。

例えば、制御基板支持部材２２は制御信号端子部１７ｂと同じ材料からななり、制御基板２０の高さ方向の位置決め平面部２２ａを有した形状をなしている。
ケース２１はネジあるいは接着剤等によってヒートシンク１６の上に固定され、パワーモジュール１７の配置空間（下層階）と制御基板２０の配置空間（上層階）が分離されている。
貫通孔２１ａは、制御信号端子部１７ｂを挿入させた後、接着剤等により封止される。図２の例では、ケース２１の内底面に接着剤等が固化してなる固定部２３が配設された状態を示している。

制御基板２０のケース２１への位置決め時には、組み立て治具等を使用せず、制御基板支持部材２２の位置決め平面部２２ａに制御基板２０の裏面を載置し、制御基板２０にあらかじめ開口された位置決め孔に制御基板支持部材２２の突起状の嵌合部２２ｂを嵌合させて制御基板２０の位置決めをする。制御基板支持部材２２と制御信号端子部１７ｂとは制御基板２０にはんだ接合され、はんだ接合部２４ａと２４ｂが形成される。ここで、制御基板支持部材２２と制御信号端子部１７ｂのはんだ接合部２４ａ、２４ｂが形成される部分には、防水絶縁部材１９のコーティングがなされておらず、はんだ接合部２４ａ、２４ｂによる固定性能を阻害してはいない。

また、制御基板２０が固定されたケース２１内には樹脂材２５が充填されている。この樹脂材２５はポッティングによって形成された場合はポッティング材と呼ばれる。制御基板２０はケース２１内に浮かせた状態で固定されているため、樹脂材２５は制御基板２０の全表面を覆った状態に充填される。樹脂材２５がケース２１内に充填されることで、制御基板２０が樹脂材２５に包囲されてケース２１と一体化した状態が得られる。制御基板２０は、樹脂材２５が持つ弾性および減衰性により、外部から加えられた振動等に起因するダメージから保護される。よって、制御基板２０の振動を抑制でき、制御装置３の耐振性が向上する。
ここで用いる樹脂材２５としてはゲル状粘弾性部材を用いることができ、例えば、シリコーンゲルを適用することが可能である。樹脂材２５は、例えば、２液タイプのシリコーンゲルを使用すれば、低温かつ短時間で硬化させることができるため作業性が良い。

樹脂材２５をシリコーンゲルとした場合、硬化後の樹脂材２５の弾性率が低くなり、樹脂材２５の硬化収縮によって制御基板２０に生じる応力が小さくなる。さらに、硬化後の周囲温度の変化により制御基板２０に発生する熱応力が小さくなり、信頼性が高いポッティングが可能となる。
また、開口されたケース２１の天井部はカバー２６によって封止され、制御装置３が構成されている。

以上のような本願の実施の形態１による制御装置一体型モータ１は、駆動補助としての電動機の機能と、発電のための発電機の機能とを備えており、フロントブラケット７のエンジン取付部７ｃと、リアブラケット８のエンジン取付部８ｃを介してエンジン（図示せず）に固定されている。

制御装置一体型モータ１を駆動補助として機能させる際には、外部バッテリーから制御基板２０に供給された直流電力が、パワーモジュール１７のスイッチング素子のＯＮ/ＯＦＦ制御によって３相交流電流に変換されて固定子巻線１２に供給される。また、外部バッテリーから供給される直流電力が、調整されて回転子巻線６に供給されることで、回転子巻線６の周囲に回転磁界が生じ、回転軸４が回転される。回転軸４の回転はプーリー１５から図示していない伝動ベルト（図示せず）を介してエンジン（図示せず）に伝達される。

制御装置一体型モータ１を発電機として機能させる際には、エンジンの回転力が伝動ベルトおよびプーリー１５を介して回転軸４に伝達される。これにより、回転子５が回転して固定子巻線１２に３相交流電力が励起される。制御基板２０はパワーモジュール１７のスイッチング素子のＯＮ/ＯＦＦを制御し、固定子巻線１２に励起された３相交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力が外部バッテリーに供給され、バッテリーが充電される。

次に、実施の形態１の制御装置一体型モータ１によって得られる効果について詳述する。
この制御装置一体型モータ１では、パワーモジュール１７と制御基板２０を配置する空間をケース２１で分離した上で、パワーモジュール１７とケース２１との間に位置するヒートシンク１６の内部に冷却媒体流路を形成している。よって、パワーモジュール１７と制御基板２０の発熱が干渉することなく、冷却媒体によって積極的に冷却媒体流路に露出したパワーモジュール１７の表面部を冷却することができ、制御装置３の冷却性を向上させることができる。また、パワーモジュール１７をポッティング対象から除外し、制御基板２０のみを樹脂材２５により封止したため、パワーモジュール１７にもポッティングを施した場合よりも制御装置３を軽量化することができ、制御基板２０の耐振性を向上させることができ、ひいては制御装置一体型モータ１の信頼性を向上させることが可能である。

上述したように、制御装置一体型モータ１では、回転子５が回転駆動にともなって回転子冷却ファン１３および１４も回転し、図１から図３の第一の流路Ｗ１および第二の流路Ｗ２で示すような気流（冷媒が気体である場合）が発生する。フロントブラケット７側の第一の流路Ｗ１は、フロントブラケット７の回転軸４の近傍に穿たれた導入口７ａから冷却媒体となる外気等を吸入し、外気は遠心方向に曲げられ、回転子５および固定子１１を冷却して排出口７ｂから昇温した外気を排出する。リアブラケット８側の第二の流路Ｗ２は、ヒートシンク１６の側面に設けられた第一の開口部１６ａから外気等を吸入し、ヒートシンク１６内を通過し、ヒートシンク１６の内底面の回転軸４近傍に穿たれた第二の開口部１６ｂから排出され、リアブラケット８の導入口８ａ、排出口８ｂを経て排出されるか、または外部に排出される。
したがって、リアブラケット８側の第二の流路Ｗ２により、モータ２の内部だけでなく、制御装置３のヒートシンク１６の内部にも一続きとなる気流が発生し、制御装置３側の第二の流路Ｗ２によってパワーモジュール１７を効率的に冷却することが可能となる。

また、制御装置３の効率的な冷却のために、ヒートシンク１６のパワーモジュール１７が搭載される面から突出するフィン状の突起部１６ｃが設けられている。突起部１６ｃは、パワーモジュール１７に干渉しない領域に配置され、図１から図３に例示するように、ヒートシンク１６の第一の開口部１６ａから第二の流路Ｗ２に沿って設けられる。冷却媒体流路により多くの表面部が露出するように突起部１６ｃを設けることで、突起部１６ｃと冷却媒体との接触性が向上し、さらに、ヒートシンク１６の表面積を増大させることができるために、ヒートシンク１６の冷却能力をより一層向上させることが可能となる。
さらに、隣り合う二つのパワーモジュール１７の間にヒートシンク１６に一体形成された冷却フィン１６ｅを設けているため、パワーモジュール１７が発生させる熱をより効率的に冷却させることができる。
ここで、上述したフィン状の突起部１６ｃおよび冷却フィン１６ｅは、ヒートシンク１６の内底面からケース２１の底面に達する高さに形成することで、ケース２１を載置する土台面積を増した状態が得られ、より安定的にケース２１を支持することが可能となる。

また、図３に示すように、パワーモジュール１７の冷却媒体流路に露出する表面部には、放熱に寄与する面積を稼ぐため、冷却フィン１８が立設されている。冷却フィン１８は、パワーモジュール１７の本体構成部から突出するひれ状の放熱板であり、その表面が冷却媒体流路に平行となるように配設されている。図３には、一つのパワーモジュール１７に３枚の平板状の冷却フィン１８が所定間隔を隔てて平行配置されたものを示しているが、これに限らず、冷却フィン１８の個数および配置を適宜変更して用いること、また、その形状を適宜変更して用いることが可能であることは言うまでもない。このようにパワーモジュール１７にも冷却フィン１８を形成しているため、パワーモジュール１７の本体部上面からの放熱を効果的に行うことが可能である。
また、上述したフィン状のヒートシンク１６の突起部１６ｃおよびパワーモジュール１７の冷却フィン１８によって、冷却媒体の流れを整えることができるため、パワーモジュール１７の冷却能力をさらに向上させることが可能である。

また、パワーモジュール１７とヒートシンク１６との固定箇所およびその周囲が、防水性と絶縁性を有する防水絶縁部材１９で覆われた構成であるため、ヒートシンク１６の第一の開口部１６ａ、第二の開口部１６ｂから水等の液体および微小な固体等の異物が侵入しても、制御装置３内部の構成部を保護することができ、絶縁性が損なわれることはなく、制御装置３の故障を防ぐことが可能となる。
また、パワーモジュール１７の防水対策を防水絶縁部材１９の薄膜コーティングによって行っているため、パワーモジュール１７の周囲をポッティングすることで保護する場合よりも、制御装置３自体の重量増加を抑制することが可能である。加えて、パワーモジュール１７に過電流が流れて異常高温となるような事態にあっても、この防水絶縁部材１９自体が薄膜であり質量が小さいため、延焼を防止することができる。

また、上述したように、制御基板２０を弾性率が低い樹脂材２５、例えばシリコーンゲルを選択してポッティングすることにより、樹脂材２５の硬化収縮により制御基板２０に発生する応力を小さく抑制でき、さらに、樹脂材２５の硬化後に周囲温度の変化により制御基板２０に発生する熱応力を小さく抑制することができ、結果、信頼性の高いポッティングを実施することが可能である。

ここで、樹脂材２５として弾性率が低いシリコーンゲルを使用することで、制御基板２０の振動を抑制しきれない場合について考察する。制御基板２０の振動を抑制しきれない場合、制御信号端子部１７ｂのはんだ接合部２４ｂあるいは制御基板２０に実装されている電子部品にクラックが入り、制御基板２０自体の破損に至る場合がある。振動による制御基板２０の破損を避けるため、本願の構成においては、制御基板２０をケース２１から立設された制御基板支持部材２２に固定し、制御基板２０の振動を抑制し、制御装置３の耐振性を向上させている。
制御基板２０は、制御信号端子部１７ｂとケース２１から立設された制御信号端子部１７ｂと同一材料の制御基板支持部材２２ではんだ接合部２４ａを介して固定されているため、制御基板支持部材２２を設けたことによる周囲の温度変化の影響は限定的であり耐熱衝撃性が損なわれることがない。
以上のように、本願の実施の形態１によれば、優れた耐振性と冷却性を両立した上で、耐熱衝撃性を兼ね備えた信頼性の高い制御装置一体型モータ１を得ることが可能となる。

実施の形態２．
図４は、本願の実施の形態２による制御装置一体型モータ１を示す要部断面側面図である。上述の実施の形態１では、制御基板支持部材２２がケース２１の底面部に固定されており、パワーモジュール１７とは接していなかったが、この実施の形態２のものは、図４に示すように、軸方向に沿って伸びる柱状の制御基板支持部材３２がヒートシンク１６の内底面に実装されたパワーモジュール１７の上面部から突出して設けられている。

この制御基板支持部材３２は、例えば、制御信号端子部１７ｂと同一の材料によって形成され、制御基板２０にはんだ接合等によって固定される。
ここで、制御基板支持部材３２は、少なくとも制御信号端子部１７ｂよりも太い柱状に形成することで、制御基板２０との固定強度を確保でき、制御基板２０の耐振性を向上させることができ、なおかつ、制御信号端子部１７ｂにかかる応力を低減することができ、制御基板２０と制御信号端子部１７ｂとの接続信頼性を確保することが可能となる。

また、制御基板支持部材３２は、図４に例示したように、パワーモジュール１７の本体構成部から突出する複数の制御信号端子部１７ｂの並びの両端部に、制御信号端子部１７ｂと平行に配設され、縦並ぶ複数の制御信号端子部１７ｂを挟んで保護しつつ、安定的に制御基板２０を支持することができる。
さらに、冷却媒体流路に露出する制御基板支持部材３２の柱状部外周面とパワーモジュール１７への固定部分は、防水絶縁部材１９によって被覆することで、冷却媒体に含まれる水分および油分等の液体の異物、あるいは微小な固形の異物等による浸食を防止することが可能となる。

なお、図４においては記載を省略しているが、実施の形態１のものと同様に、制御基板支持部材３２の先端部には、制御基板２０の底面部を支持する位置決め平面部２２ａと、その位置決め平面部２２ａから突出して設けられ位置決め用の突起状の嵌合部２２ｂが設けられており、制御基板２０をケース２１内の所定の高さに浮かせた状態で所定の配置となるように位置決めすることが可能である。

図４に示すように、制御信号端子部１７ｂと制御基板支持部材３２は、それらの材料、軸方向に沿った長手方向の寸法、固定方法がともに同一であるため、周囲の温度変化に対し、より等しい変位を示す。そして、制御基板２０は、制御基板支持部材３２および制御信号端子部１７ｂとではんだ接合されているため、それら接合部に生じる応力のバランスを保つことができ、破壊に至るような応力は発生せず、耐熱衝撃性が損なわれることがない。

また、制御基板支持部材３２をグランド配線１７ｃに電気的に接続した場合、制御基板２０から発生する電気的ノイズを抑制できるという効果が得られる。
さらに、パワーモジュール１７に接する制御基板支持部材３２を冷却媒体流路に露出させた構造となるため、制御基板支持部材３２の表面部からの放熱が可能となり、冷却性をより向上させることが可能である。

なお、制御基板支持部材３２は、パワーモジュール１７から突出させる構造とする以外に、実装面となるヒートシンク１６の内底面から突出させた構造とすることも可能である。その場合、制御基板支持部材３２は、パワーモジュール１７が実装された領域の周囲に立設させることができる。
このように、制御基板支持部材３２は、ケース２１内に制御基板２０を浮かせて保持する役割を果たすものであり、ケース２１より下層部に位置する構成部であるパワーモジュール１７またはヒートシンク１６から突出させた部材によって構成することが可能である。このような制御基板支持部材３２を用いることで、結果、耐振性と冷却性を両立し、なおかつ耐熱衝撃性を兼ね備えた信頼性の高い制御装置一体型モータ１を得ることができる。

実施の形態３．
図５は、本願の実施の形態３による制御装置一体型モータ１を示す要部断面側面図である。上述の実施の形態１では、モータ２と制御装置３との間、すなわち、リアブラケット８とヒートシンク１６との間には、空隙部が形成されていたが、この実施の形態３では、モータ２と制御装置３との間には断熱材４０を介在させた構成としている。図５に示すように、断熱材４０は、発熱部品であるパワーモジュール１７の直下となる領域を中心に、ヒートシンク１６の裏面とリアブラケット８の軸方向上端面との間に配設される。このように、空隙部であった領域に断熱材４０を追加的に配設したことで、制御装置３とモータ２との熱的な分離を積極的に行うことが可能となる。

このとき、断熱材４０の形状は、ヒートシンク１６の第二の開口部１６ｂとリアブラケット８の導入口８ａに近接する領域にあっては、冷却媒体の流れを妨げないように、断熱材４０の表面部を傾斜させ、冷却媒体流路に沿った滑らかな面部に構成することで冷却性を向上させることができる。
また、断熱材４０を設けることで、モータ２と制御装置３との熱的な授受を防止する以外に、モータ２と制御装置３との接触面積を増大させることで、固定状態をより安定的に保つことが可能となり、制御装置一体型モータ１の信頼性を向上させることが可能となる。

本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 制御装置一体型モータ、 ２ モータ、 ３ 制御装置、
４ 回転軸、 ５ 回転子、 ６ 回転子巻線、 ７ フロントブラケット、
７ａ、８ａ 導入口、 ７ｂ、８ｂ 排出口、 ７ｃ、８ｃ エンジン取付部、
８ リアブラケット、 ９、１０ 軸受、 １１ 固定子、 １２ 固定子巻線、
１３、１４ 回転子冷却ファン、 １５ プーリー、 １６ ヒートシンク、
１６ａ 第一の開口部、 １６ｂ 第二の開口部、 １６ｃ、１６ｄ 突起部、
１６ｅ、１８ 冷却フィン、 １７ パワーモジュール、 １７ａ 電源配線、
１７ｂ 制御信号端子部、 １７ｃ グランド配線、 １９ 防水絶縁部材、
２０ 制御基板、 ２１ ケース、 ２１ａ、２１ｂ 貫通孔、
２２、３２ 制御基板支持部材、 ２２ａ 位置決め平面部、 ２２ｂ 嵌合部、
２３ 固定部、 ２４ａ、２４ｂ はんだ接合部、 ２５ 樹脂材、
２６ カバー、 ４０ 断熱材、 Ｗ１ 第一の流路、 Ｗ２ 第二の流路

Claims (20)

1. モータの軸方向端面上に制御装置が搭載され、上記制御装置が上記モータに一体形成された制御装置一体型モータにおいて、
   上記制御装置は、ヒートシンク、上記ヒートシンク上に搭載されたパワー回路部、上記パワー回路部から上方に突出した制御信号端子部、上記制御信号端子部の上端側に接続され、上記軸方向に上記パワー回路部と分離されて配置された制御基板、上記制御基板を覆うケース、上記ケースに充填され、上記制御基板を包囲する樹脂材を備え、
   上記ケースの底面部と上記パワー回路部の上面部との間に冷却媒体を挿通させる冷却媒体流路が構成され、上記冷却媒体流路に上記パワー回路部の表面部が露出されたことを特徴とする制御装置一体型モータ。
2. 上記モータの筐体上に上記ヒートシンクが固定され、上記ヒートシンク上に上記ケースが固定されたことを特徴とする請求項１記載の制御装置一体型モータ。
3. 上記ヒートシンクには上記パワー回路部を冷却する上記冷却媒体を挿通させる開口部が設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の制御装置一体型モータ。
4. 上記ヒートシンクの上記開口部は、上記ヒートシンクの外周部に開口された第一の開口部と、上記ヒートシンクに搭載された上記パワー回路部と上記モータの軸との間に開口された第二の開口部とを有し、上記冷却媒体は上記第一の開口部から上記ヒートシンクに搭載された上記パワー回路部の周囲を通過して上記第二の開口部に至ることを特徴とする請求項３記載の制御装置一体型モータ。
5. 上記モータの筐体は、上記制御装置の上記第二の開口部に対向する位置に設けられた上記冷却媒体を取り入れる導入口と、上記筐体の外周部に設けられた上記冷却媒体を排出する排出口を備えたことを特徴とする請求項４記載の制御装置一体型モータ。
6. 上記ヒートシンクと上記モータの筐体との間に、断熱材を介在させたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の制御装置一体型モータ。
7. 上記ヒートシンクに搭載された上記パワー回路部の上面部には、冷却フィンが設けられたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の制御装置一体型モータ。
8. 上記ヒートシンクの上記パワー回路部の搭載面側には、フィン状の突起部が設けられたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の制御装置一体型モータ。
9. 上記樹脂材はゲル状粘弾性部材であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の制御装置一体型モータ。
10. 上記パワー回路部および上記制御信号端子部の表面部の少なくとも一部を覆う防水絶縁部材が配設されたことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の制御装置一体型モータ。
11. 上記制御基板を支持する制御基板支持部材が設けられたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の制御装置一体型モータ。
12. 上記制御基板支持部材と上記制御信号端子部は同一材料によって構成されたことを特徴とする請求項１１記載の制御装置一体型モータ。
13. 上記パワー回路部から突出し上記制御基板に至る上記制御信号端子部と上記制御基板とを接続するはんだ接合部が設けられたことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項記載の制御装置一体型モータ。
14. 上記制御基板支持部材と上記制御基板とを固定するはんだ接合部が設けられたことを特徴とする請求項１１記載の制御装置一体型モータ。
15. 上記制御基板支持部材は柱状体に構成され、上記制御基板支持部材の上端部に、上記制御基板の裏面を支持する位置決め平面部が設けられたことを特徴とする請求項１１記載の制御装置一体型モータ。
16. 上記制御基板支持部材の上端部に、上記制御基板に設けられた位置決め部に嵌合する嵌合部が上記位置決め平面部から突出して設けられたことを特徴とする請求項１５記載の制御装置一体型モータ。
17. 上記制御基板支持部材は、上記ケースの底面部、上記パワー回路部、上記ヒートシンクのいずれかから立設されたことを特徴とする請求項１１記載の制御装置一体型モータ。
18. 上記パワー回路部は上記ヒートシンクに複数個が搭載され、隣り合う上記パワー回路部の間に上記ヒートシンクの内底面から隆起した冷却フィンが設けられたことを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項記載の制御装置一体型モータ。
19. 上記制御装置はインバータであることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項記載の制御装置一体型モータ。
20. 上記インバータの回路は２組３相に構成され、
    ６個の上記パワー回路部が個々に２個のスイッチング素子を備えるか、
    ３個の上記パワー回路部が個々に４個のスイッチング素子を備えるか、
    ２個の上記パワー回路部が個々に６個のスイッチング素子を備えた構成であることを特徴とする請求項１９記載の制御装置一体型モータ。

Images