JP7807528B2 - 電動機および空気調和機 - Google Patents

電動機および空気調和機

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Description

本開示は、電動機および空気調和機に関する。
近年、空気調和機の省エネルギ化、暖房能力向上のため、空気調和機のファンモータ(ファン用電動機)の高出力化が求められている。また、風路の確保のためファンモータの小型化も求められる。これにより、内蔵インバータ基板の温度上昇が課題となっている。
特許文献1では、基板の放熱パターンにて放熱性向上を実現している。
図1は、従来の電動機の断面図である。従来の電動機は、放熱用基板パターン2Aが形成されている内蔵基板11と、モールド樹脂12と、固定子鉄心21と、巻線22と、回転軸31と、ロータマグネット40と、パワーIC(Integrated Circuit)80とを有する。
国際公開第2012/077246号
しかしながら、特許文献1が開示している技術では、上記の要求には不十分である。
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱性能を向上させることができる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、本開示に係る電動機は、インバータ回路を含む基板と、基板のベタパターンにリフローにてはんだ付けされた金属板を有し、基板及び金属板は、樹脂にて一体成型されてモールド固定子となっており、金属板をはんだ付けするベタパターンが高電圧部である。金属板は、複数に分割されてベタパターンに配置されている。
本開示に係る電動機は、放熱性能を向上させることができるという効果を奏する。
従来の電動機の断面図 実施の形態1に係る電動機の断面図 実施の形態1に係る電動機の断面図 実施の形態1に係る電動機の断面図 実施の形態1に係る電動機の断面図 実施の形態1に係る電動機の内蔵基板回路図 実施の形態1に係る電動機の内蔵基板断面図 実施の形態1に係る電動機の内蔵基板断面図 実施の形態1に係る電動機の内蔵基板断面図 実施の形態1に係る電動機の内蔵基板断面図 実施の形態1に係る電動機の内蔵基板模式図 実施の形態1に係る電動機の断面図 実施の形態2に係る空気調和機の模式図 実施の形態1に係る電動機が有する制御部がプロセッサによって実現される場合のプロセッサを示す図 実施の形態1に係る電動機が有する制御部が処理回路によって実現される場合の処理回路を示す図
以下に、実施の形態に係る電動機および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態1.
(構成)
実施の形態1に係る電動機について説明する。図12は、実施の形態1に係る電動機1の断面図である。
この電動機1はブラシレスDC(Direct Current)モータである。
電動機1は、電磁鋼板を積層することによって構成される固定子鉄心21と巻線22を絶縁するため、固定子鉄心21と一体成型されたインシュレータ23を有する。インシュレータ23と一体成型された固定子鉄心21の各スロットに巻線22が巻きつけられ、固定子20が構成される。巻線22は、銅またはアルミなどで構成される。パワーICと、マイクロコンピュータと、回転子30の位置を検知する磁気センサ(ホールICなど)を含む回路を備える内蔵基板11は、出力側軸受33と固定子20との間にて回転軸31の軸線方向に対して垂直に配置され、インシュレータ23に固定される。また、内蔵基板11のパワーICと巻線22は、巻線端子を介して接続される。内蔵基板11には、上位システム(例えば、エアーコンディショナのユニット側の基板)と接続するリード線13を有するリード口出し部14が配置される。内蔵基板11には、オペアンプ、コンパレータ、レギュレータ、ダイオード、抵抗、コンデンサ、インダクタ、ヒューズなどの受動部品が配置される。
パワーICは、パワートランジスタ6個、ゲートドライブ回路、保護回路などで構成される(IPM:インテリジェント・パワー・モジュールとも呼ぶ)。パワートランジスタが6個個別に構成される場合がある。このときゲートドライブ回路は一つのICで構成される場合と三相別々のIC3個で構成される場合もある。
ゲートドライブ回路と制御部が一つのICで構成される場合もある。また、制御部は一つの専用IC(制御IC)、または、マイクロコンピュータなどで構成される場合がある。
パワートランジスタ6個、ゲートドライブ回路、保護回路、制御部が一つのICで構成される場合もある。
パワートランジスタは、スーパージャンクションMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、プレーナMOSFET、および、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などで構成される。
パワートランジスタには大きな電流が流れるので、発熱が多く放熱が問題となる場合がある。
前記では、ロータ磁束位置を磁極センサにて検出しているが、巻線22に流れる電流、巻線22に印加および発生する電圧よりロータ磁極位置を推測し制御(センサレス制御)する場合もある。電流検出のため、シャント抵抗、および、電流センサの信号をオペアンプなどで増幅する場合がある。また、この電流信号から過電流保護のための制御部への信号を生成するためコンパレータを用いる場合がある。
パワートランジスタのゲートを駆動する電圧(例えば、15V)とマイクロコンピュータ電源電圧(例えば、5V)が異なる場合があるので、その場合、外部から供給される一つの電源からもう一つの電源を生成するため、レギュレータを用いる。例えば、外部から15V電源が供給され、レギュレータで5V電源を生成する。このレギュレータはゲートドライブ回路、または、パワーICに内蔵される場合もある。
磁気センサ50は、出力信号がデジタルのもの(以下、ホールIC)とアナログのもの(ホール素子)の2つの方式がある。ホールICには更に以下の方式がある。
・センサ部と増幅部が別々の半導体チップで構成され、センサ部はシリコン以外の半導体で構成され、増幅部はシリコンで構成される。(以下、非シリコン型ホールIC)
・センサ部と増幅部が一つのシリコン半導体チップで構成される。
非シリコン型ホールICは、2つのチップが内蔵されるため、センサ中心位置がICボディの中心と異なった位置に配置される。非シリコン型ホールICのセンサ部は、アンチモン化インジウム(InSb)などの半導体が用いられる。これらの非シリコン半導体には、シリコン半導体と比べ、感度向上、応力歪みによるオフセットが小さいなどの長所がある。
磁気センサ50がないセンサレス制御の場合もある。この場合電流検出抵抗や電流検出用トランスなどで検出された電流値から磁極位置を推定し制御を行う。必要に応じて電流検出抵抗や電流検出用トランスなどで検出された信号をオペアンプなどを用いて増幅する場合もある。
過電流検出部は、過電流検出抵抗の電圧を監視し、一定以上の電圧となったらパワートランジスタをOFFすることにより過電流保護を実現する。過電流検出部は、制御部に内蔵される場合と、ゲートドライブ回路に内蔵される場合がある。
ブラシレスDCモータは、回転子マグネットの磁極位置に応じて、パワーIC内の6つ(3相の場合)のパワートランジスタを適切なタイミングでスイッチングすることにより回転動力を得る。このスイッチング信号は制御部が生成する。この動作原理を以下に示す。
・磁気センサ50、または、電流値により回転子30の磁極位置を推測する。
・回転子30の磁極位置、および、システム(例えば、ユニット側の基板)から出力される速度指令信号に応じてパワートランジスタをスイッチングする。
過電流検出部(制御部、または、パワーIC内部)は過電流検出抵抗の両端電圧が一定電圧以上になったとき、パワートランジスタを強制的にOFFすることにより過電流保護を実現する。また、感温素子からの信号を受け、パワートランジスタを強制的にOFFすることにより過熱保護を実現する。
通電方式には、120°通電、150°通電、正弦波通電がある。
モールド固定子10は、固定子20と内蔵基板11を一体成型すると共に、内部に回転子30を収容可能に形成された凹部が設けられる。また、固定子20と内蔵基板11を別々に一体成型する場合もある。
パワートランジスタ、IPM、および、パワーIC(以下、パワートランジスタなど)の放熱タブに接続される放熱パターン(ベタパターン)に金属板がはんだにて取り付けられる。金属板は他の面実装部品と同じようにリフローにて自動実装可能なため安い加工費で取り付け可能である。金属板はアルミなどはんだ付け不可な金属な場合もある。はんだ付け可能とするためメッキなどのコーティングを施す場合がある。金属板がアルミである場合は、ニッケル(Ni)と錫(Sn)のメッキを施す。更に言うと、金属板がはんだ付け不可な金属である場合、金属板のはんだ付け部にはんだ付け可能となるような、メッキおよびコーティングが施されてもよい。
金属板を配置することにより金属板がヒートシンクのような役割を果たし、広く熱を拡散することができ放熱性が向上する。より体積の大きい金属板を配置するとより放熱性が向上する。
金属板は基板の反ステータ側に配したほうがより放熱性が向上するが、基板面積などの制約によりパワートランジスタなどをステータ側に配置しなければいけない場合がある。その場合、放熱タブに接続されるパターンはスルーホールを介して、金属板がはんだ付けされる放熱パターンに接続される。
パワートランジスタなどでは放熱タブを備えていないものもある。その場合は高温となるパッケージ下部に放熱パターンを設け、それと接続される放熱パターンに金属板がはんだ付けされる。
金属板は複数に分割して配置される場合もある。大きな金属板を配置するよりも分割した方が、一体成型時の樹脂の通り道ができ成型が良いとなる場合がある。更に言うと、金属板を分割することにより、内蔵基板11の上部に樹脂の厚みが厚いところと薄いところができ、放熱性能低下を最小限に抑え、樹脂成型時の流動性を良くし生産性を向上することができる。
金属板ははんだ付け部の断面積より、基板から離れた部分の断面積が大きい形状でもよい。その場合、金属板と異電圧パターンが近接するが、基板を樹脂にて一体成型しているため金属板と異電圧パターンの間はその樹脂にて絶縁される。このような形状に基板面積、高さ制約がある中で、より大きい体積の金属板を配置でき放熱性がより向上する。
基板に対しステータと反対側にヒートシンクが設けられる場合がある。ヒートシンクは樹脂にて一体成型される。この場合、金属板とヒートシンクの間に樹脂が配置されヒートシンク(金属、例えばアルミ)と金属板の絶縁が保たれる。
ヒートシンクは一体成型ではなく、放熱シート、または、放熱シリコンを介してモールド固定子10に取り付けられる場合もある。
回転子30は、モールド固定子10の内側に配置され固定子鉄心21と対向して回転軸31の外周側に配置された永久磁石で構成されるマグネットを有する。マグネットは、フェライト磁石、または、希土類磁石(サマリウム鉄窒素、ネオジウムなど)を熱可塑性の樹脂材料と混合して構成されるボンド磁石を射出成型にて作製される。射出成型用の金型には磁石が組み込まれており、配向をかけながら成型が行われる。
マグネットは、内蔵基板11の磁気センサ50側の外径はそれ以外の外径(メインマグネット部)より小さくなっており(センサマグネット部)、内蔵基板11に実装される磁気センサ50に磁束が流入しやすくなっている。磁気センサ50は固定子20の巻線22から発生する磁束の影響を極力小さくするため、巻線22から遠い位置、つまり、回転軸31に近い位置に配置される。
図面ではメインマグネット部とセンサマグネット部が一つのマグネットで構成されているが、別々のマグネットで構成してもよい。
回転軸31の一端には回転自在に支持する出力側軸受33が設けられている。回転軸31の他端には回転自在に支持する反出力側軸受34が設けられている。
導電性ブラケットは、モールド固定子10の凹部の開口部を塞ぐようにしてモールド固定子10の内周部に嵌め込まれると共に、反出力側軸受34の外輪が内側に嵌め込まれる。
図12には、モールド樹脂12、回転子絶縁部32、ロータマグネット40、ブラケット60および圧入部61も示されている。
図2は、実施の形態1に係る電動機の断面図である。図2に示される電動機は、放熱用基板パターン2Aが形成されている内蔵基板11と、モールド樹脂12と、固定子鉄心21と、巻線22と、回転軸31と、ロータマグネット40と、パワーIC80と、金属板3とを有する。
図3は、実施の形態1に係る電動機の断面図である。図3に示される電動機は、放熱用基板パターン2Aが形成されている内蔵基板11と、モールド樹脂12と、固定子鉄心21と、巻線22と、回転軸31と、ロータマグネット40と、パワーIC80と、金属板3とを有する。図3には、樹脂の通り道も示されている。
図4は、実施の形態1に係る電動機の断面図である。図4に示される電動機は、放熱用基板パターン2Aが形成されている内蔵基板11と、モールド樹脂12と、固定子鉄心21と、巻線22と、回転軸31と、ロータマグネット40と、パワーIC80と、金属板(変形例1)3Aと、基板パターン2とを有する。図4には、「異電圧の他パターンと近接するが樹脂があるのでOK」という文言も示されている。
図5は、実施の形態1に係る電動機の断面図である。図5に示される電動機は、放熱用基板パターン2Aが形成されている内蔵基板11と、モールド樹脂12と、固定子鉄心21と、巻線22と、回転軸31と、ロータマグネット40と、パワーIC80と、金属板3と、ヒートシンク6とを有する。図5には、「ヒートシンク(金属)と金属板の間に樹脂があり絶縁される」という文言も示されている。
図6は、実施の形態1に係る電動機の内蔵基板回路図である。図6には、グランド79に接続されている制御部70と、制御部70に接続されているパワーIC80と、パワーIC80に接続されている巻線22と、磁気センサ50と、一方が制御部70とパワーIC80とに接続されていて他方がグランド79に接続されている過電流検出抵抗75と、高圧電源77と、低圧電源78とが示されている。制御部70は、速度指令信号(システム→電動機)を受信し、回転数信号(電動機→システム)を送信する。制御部70は、低圧電源78に接続されている。パワーIC80は、パワートランジスタ81と、ゲートドライブ回路82と、保護回路など83を有する。ゲートドライブ回路82は、制御部70、高圧電源77、低圧電源78、グランド79およびパワートランジスタ81に接続されている。保護回路など83の一つの端部はゲートドライブ回路82に接続されており、保護回路など83の別の一つの端部はグランド79に接続されており、保護回路など83の更に別の一つの端部は制御部70と過電流検出抵抗75とを結ぶ配線に接続されている。制御部70と過電流検出抵抗75とを結ぶ配線には、過電流検出信号が流れる。パワートランジスタ81は、U相上アームパワートランジスタ81A、V相上アームパワートランジスタ81B、W相上アームパワートランジスタ81C、U相下アームパワートランジスタ81D、V相下アームパワートランジスタ81EおよびW相下アームパワートランジスタ81Fを有する。図6には、U相を意味する「U」、V相を意味する「V」およびW相を意味する「W」も示されている。巻線22は、U相巻線22U、V相巻線22VおよびW相巻線22Wを有する。
図7は、実施の形態1に係る電動機の内蔵基板断面図である。図7に示される内蔵基板11について、内蔵基板11の二つの平面の各々には放熱用基板パターン2Aが形成されている。内蔵基板11の内部には、複数のスルーホール4が形成されている。内蔵基板11の一方の平面には、金属板3が配置されている。内蔵基板11の他方の平面には、パワートランジスタ81と、放熱タブ端子81Tとが配置されている。放熱タブ端子81Tは、内蔵基板11の他方の平面の側の放熱用基板パターン2Aに接している。パワートランジスタ81の一部は、放熱タブ端子81Tの二つの平面のうちの内蔵基板11の側でない平面に位置している。パワートランジスタ81の別の一部は、内蔵基板11の他方の平面と内蔵基板11の他方の平面の側の放熱用基板パターン2Aとに接している。
図8は、実施の形態1に係る電動機の内蔵基板断面図である。図8に示される内蔵基板11について、内蔵基板11の二つの平面の各々には放熱用基板パターン2Aが形成されている。内蔵基板11の内部には、複数のスルーホール4が形成されている。内蔵基板11の一方の平面には、金属板3が配置されている。内蔵基板11の他方の平面には、パワーIC(放熱タブなし)80Aが配置されている。
図9は、実施の形態1に係る電動機の内蔵基板断面図である。図9に示される内蔵基板11について、内蔵基板11の二つの平面のうちの一方には放熱用基板パターン2Aが形成されている。放熱用基板パターン2Aには、金属板3と、パワートランジスタ81と、放熱タブ端子81Tとが配置されている。パワートランジスタ81の一部は、放熱タブ端子81Tの二つの平面のうちの放熱用基板パターン2Aの側でない平面に位置している。パワートランジスタ81の別の一部は、内蔵基板11の二つの平面のうちの一方と放熱用基板パターン2Aとに接している。
図10は、実施の形態1に係る電動機の内蔵基板断面図である。図10に示される内蔵基板11について、内蔵基板11の二つの平面のうちの一方には放熱用基板パターン2Aが形成されている。放熱用基板パターン2Aには、金属板3とパワーIC(放熱タブなし)80Aとが配置されている。
図11は、実施の形態1に係る電動機の内蔵基板模式図である。図11に示される内蔵基板11について、円盤状の内蔵基板11の中心部に回転軸貫通穴35が形成されている。内蔵基板11の二つの平面のうちの一方には、金属板(変形例1)3Aが取り付けられる金属板はんだ付け部5が位置している。金属板(変形例1)3Aは、金属板はんだ付け部5に取り付けられる。
以下に、実施の形態1に係る電動機を更に説明する。実施の形態1に係る電動機は、インバータ回路を含む基板を内蔵しており、当該基板は、樹脂にて一体成型されている。実施の形態1に係る電動機は、当該基板のベタパターンにリフローにてはんだ付けされた金属板を有する。金属板をはんだ付けするパターンは、高電圧部である。実施の形態1に係る電動機は、放熱性能を向上させることができる。他面実装部品と同様に金属板をリフローにてはんだ実装可能なため、実施の形態1に係る電動機の加工費は安い。金属板が高電圧扱いとなるが、樹脂にてモールドされるので絶縁距離は問題ない。
実施の形態2.
(構成)
実施の形態2に係る空気調和機(エアーコンディショナ)について説明する。
空気調和機は室内機と、室内機に接続される室外機とを備える。室内機には室内機用送風機が搭載されており、室外機には室外機用送風機が搭載されている。室外機用送風機および室内機用送風機は、それぞれ駆動源として実施の形態1で説明された電動機を内蔵している。すなわち、実施の形態2に係る空気調和機には、実施の形態1で説明された電動機が搭載されている。
特に業務用空気調和機はより高出力を求められ高い放熱性能を求められるので、実施の形態2に係る空気調和機が大きく効果を発揮する。
図13は、実施の形態2に係る空気調和機(エアーコンディショナ)200の模式図である。空気調和機200は、電動機1と室内機基板211とが搭載されている室内機210と、室外機用送風機223が搭載されている室外機220とを有する。
なお、電動機は、空気調和機の他にも、例えば換気扇、家電機器、工作機などに搭載して利用することができる。
図14は、実施の形態1に係る電動機が有する制御部70がプロセッサ91によって実現される場合のプロセッサ91を示す図である。つまり、制御部70の機能は、メモリ92に格納されるプログラムを実行するプロセッサ91によって実現されてもよい。プロセッサ91は、CPU(Central Processing Unit)、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、又はDSP(Digital Signal Processor)である。図14には、メモリ92も示されている。
制御部70の機能がプロセッサ91によって実現される場合、当該機能は、プロセッサ91と、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせとによって実現される。ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ92に格納される。プロセッサ91は、メモリ92に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御部70の機能を実現する。
制御部70の機能がプロセッサ91によって実現される場合、電動機は、制御部70によって実行されるステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ92を有する。メモリ92に格納されるプログラムは、制御部70をコンピュータに実行させるものであるともいえる。
メモリ92は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、EEPROM(登録商標)(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等の不揮発性若しくは揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はDVD(Digital Versatile Disk)等である。
図15は、実施の形態1に係る電動機が有する制御部70が処理回路93によって実現される場合の処理回路93を示す図である。つまり、制御部70は、処理回路93によって実現されてもよい。
処理回路93は、専用のハードウェアである。処理回路93は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、又はこれらを組み合わせたものである。制御部70の一部は、残部と別個の専用のハードウェアで実現されてもよい。
制御部70の複数の機能について、当該複数の機能の一部がソフトウェア又はファームウェアで実現され、当該複数の機能の残部が専用のハードウェアで実現されてもよい。このように、制御部70の複数の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって実現することができる。
以上の実施の形態に示した構成は、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、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。
1 電動機(モータ)、2 基板パターン、2A 放熱用基板パターン、3 金属板、3A 金属板(変形例1)、4 スルーホール、5 金属板はんだ付け部、6 ヒートシンク、10 モールド固定子、11 内蔵基板、12 モールド樹脂、13 リード線、14 リード口出し部、20 固定子、21 固定子鉄心、22 巻線、22U U相巻線、22V V相巻線、22W W相巻線、23 インシュレータ、30 回転子、31 回転軸、32 回転子絶縁部、33 出力側軸受、34 反出力側軸受、35 回転軸貫通穴、40 ロータマグネット、50 磁気センサ、60 ブラケット、61 圧入部、70 制御部、75 過電流検出抵抗、77 高圧電源、78 低圧電源、79 グランド、80 パワーIC、80A パワーIC(放熱タブなし)、81 パワートランジスタ、81A U相上アームパワートランジスタ、81B V相上アームパワートランジスタ、81C W相上アームパワートランジスタ、81D U相下アームパワートランジスタ、81E V相下アームパワートランジスタ、81F W相下アームパワートランジスタ、81T 放熱タブ端子、82 ゲートドライブ回路、83 保護回路など、91 プロセッサ、92 メモリ、93 処理回路、200 空気調和機(エアーコンディショナ)、210 室内機、211 室内機基板、220 室外機、223 室外機用送風機。

Claims (4)

  1. インバータ回路を含む基板と、
    前記基板のベタパターンにリフローにてはんだ付けされた金属板を備え、
    前記基板及び前記金属板は、樹脂にて一体成型されてモールド固定子となっており、
    前記金属板をはんだ付けする前記ベタパターンが高電圧部であり、
    前記金属板は、複数に分割されて前記ベタパターンに配置されている
    電動機。
  2. 前記金属板は、はんだ付け部の断面積より、前記基板から離れた部分の断面積のほうが大きい
    請求項1に記載の電動機。
  3. 前記金属板がはんだ付け不可な金属であって、前記金属板のはんだ付け部にはんだ付け可能となるような、メッキおよびコーティングが施されている
    請求項1又は2に記載の電動機。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の電動機が搭載された空気調和機。
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