WO2022230007A1

WO2022230007A1 - 回転電機

Info

Publication number: WO2022230007A1
Application number: PCT/JP2021/016597
Authority: WO
Inventors: 善彦大西; 功園田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-11-03
Also published as: CN117099293A; EP4333274A1; US20240006963A1; JPWO2022230007A1

Abstract

制御基板の発熱部の放熱構造を備える回転電機であって、発熱素子を主面上に有する前記制御基板と、前記主面に対向して配置され、前記主面に対向する対向面に、前記発熱素子を収容する凹部を有するヒートシンクと、前記発熱素子と前記凹部との間の隙間に形成される放熱材とを備える。

Description

回転電機

　　本開示は、回転電機に関する。

　　従来の回転電機（例えば、発動機等）には、制御基板の発熱素子（例えばスイッチング素子等）の放熱のために、放熱材を介してヒートシンクに放熱する構造が設けられる。このような構造では、制御基板は、ハウジング等のモータ構成部品にねじ固定され、制御回路部品とパワー回路部品とが通常実装される。パワー回路部品には放熱材を設けて、パワー回路部品の上面からヒートシンクへの放熱性能を確保している（特許文献１、２参照）。

ＷＯ２０１９／０６４８９９Ａ１公報特開２０１５－１２６０９８号公報

　　特許文献１では、パワー回路内の発熱素子で発生した熱を、発熱素子の上面から放熱グリスを介して上面ヒートシンクの放熱させている。さらに、熱を制御基板内に伝熱させて制御基板の背面から、放熱グリスを介して下面ヒートシンクに放熱させている。この場合、特に発熱素子の放熱に有効な発熱素子上面の放熱面積が小さく、高出力化等で発熱素子の発熱量が増加した場合にヒートシンクへの放熱量が不足する。

　　特許文献２では、ヒートシンクに発熱素子の形状に対応した凹部を形成する事で発熱素子の上面及び側面も放熱面として、放熱性能を向上させ構造が記載されている。この場合、発熱素子の側面とヒートシンクの凹部との隙間を設定する際に、発熱素子の幅、制御基板に対する実装位置、発熱素子間距離、及びヒートシンクとの組立位置等のばらつきを考慮する必要がある。そのため、発熱素子の数が増えると側面の隙間を広げる必要があり、放熱性能が低下する。

　　本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、発熱素子のヒートシンクに対する放熱面積を広げて放熱性能を向上させることが可能な回転電機を提供する。

　　本開示に係る態様の回転電機は、制御基板の発熱部の放熱構造を備える回転電機であって、発熱素子を主面上に有する前記制御基板と、前記主面に対向して配置され、前記主面に対向する対向面に、前記発熱素子を収容する凹部を有するヒートシンクと、前記発熱素子と前記凹部との間の隙間に形成される放熱材とを備える。

　　本開示によれば、発熱素子のヒートシンクに対する放熱面積を広げることが可能な回転電機を提供できる。

本実施形態に係る回転電機の概略横断面図である。本実施形態に係る放熱構造の断面図である。本実施形態に係るヒートシンク組立工程図（放熱材塗布）である。本実施形態に係るヒートシンクの発熱素子の領域の上面透過図である本実施形態に係るヒートシンク組立工程図（放熱材押し広げ）である。本実施形態に係るヒートシンク組立工程図（ねじ締め）である。変形例１に係る放熱構造の断面図である。変形例２に係る放熱構造の断面図である。変形例３に係る放熱構造の断面図である。

　　図１は、本実施形態に係る回転電機１００を、軸方向に対して垂直に切断した概略横断面図である。回転電機としては、インナーロータ型の発電電機、電動モータ等が挙げられる。本実施形態では、電動モータを例に説明を行う。
　　また、本実施形態では、回転電機１００の軸心Ｏに沿う軸方向を「軸方向」という。また、軸方向に対して垂直な断面を「横断面」という。
　　回転電機１００は、制御ユニット１と、多相巻線のモータ２とを備える。

　　制御ユニット１は、制御回路部Ｓ１及びパワー回路部Ｓ２を実装する制御基板４と、制御基板４の端部と接続するよう配置されるコネクタ５と、制御基板４と接続されているヒートシンク５０と、制御基板４及びヒートシンク５０を内蔵するカバー６と、を有する。

　　制御基板４の軸方向上部の主面４ａには、制御回路部Ｓ１及びパワー回路部Ｓ２の多数の電子部品が実装される。制御基板４としては、例えば一般的なガラスエポキシ基板であればよく、本実施形態では１～２ｍｍ程度の厚さである。制御回路部Ｓ１には、ＣＰＵ３０、及びＩＣ３４等が実装され、パワー回路部Ｓ２にはスイッチング素子（発熱素子）３１、シャント抵抗（発熱素子）３２、コンデンサ３３、及びチョークコイル（図示せず）等が実装される。本実施形態では、パワー回路部Ｓ２のスイッチング素子３１及びシャント抵抗３２は、以降発熱素子とも記載し、放熱材３５で覆われている。パワー回路部Ｓ２の発熱は、放熱材３５を介して後述するヒートシンク５０に放熱される。放熱材３５によって、放熱に必要な面積をより広く確保し、ヒートシンク５０に安定して効率良く放熱する。

　　制御基板４は、後述のモータ２のケース（収容部）２５又はハウジング２７に、複数のねじ５５で固定される。コネクタ５から入力された電源及び情報は端子を通り、それぞれ制御回路部Ｓ１及びパワー回路部Ｓ２に供給される。
　　モータ２は、軸心Ｏを有する回転（出力）軸２１と、ロータ２２と、ステータ２３と、ケース２５と、ハウジング２７と、から主に構成されている。ロータ２２の周囲には、図示しない永久磁石が複数対配置され、ステータ２３には多相の巻線２４がボビン２４ａ、２４ｂに巻装されて、配置されている。巻線２４の端部から延出したターミナル部２８ａが軸方向上方へ伸びて、ハウジング２７の孔部を通して制御基板４のパワー回路部Ｓ２と接続される。これにより、巻線２４へ電流が供給されて出力軸２１が回転する。

　　ヒートシンク５０は、高熱伝導率の材料、例えばアルミニウム等から形成される。そのため、絶縁性を維持できるようにヒートシンク５０と発熱素子との間に、隙間を設ける。その隙間に放熱材３５を設けて、発熱素子で発生した熱をヒートシンク５０に放熱する。放熱性能を向上させるには隙間を小さくするか、放熱面積を広げる必要がある。
　　図２に、本実施形態の放熱構造６０の断面図を示す。発熱素子とヒートシンク５０の対向面に略円錐台の凹部５０ａを設け、発熱素子を覆う。その際、略円錐台の凹部５０ａの平面（底面）５０ｂと発熱素子の上面（すなわち、スイッチング素子３１の上面３１ａ及びシャント抵抗３２の上面３２ａ）との間に第１の隙間を設ける。また、ヒートシンク５０の略円錐台の凹部５０ａが形成されていない平面５０ｃと制御基板４又はパワー回路部Ｓ２の発熱素子以外の実装部品の上面との間に、第２の隙間に設ける。ここで、第１の隙間の高さ（距離）が第２の隙間の高さ（距離）よりも大きい。
　　これにより、放熱面積を拡大することができ、ヒートシンク５０への放熱性能が向上する。但し、本実施形態は、発熱素子からヒートシンク５０への放熱性能の向上であって、発熱素子の温度勾配に関して、発熱量に応じてヒートシンク５０の厚さを調整する必要がある。

　　ここで、図３Ａから図３Ｄに、本実施形態のヒートシンク５０の組立工程の一例を示す。
　　図３Ａに示すように、放熱材３５として例えば流動性のある放熱グリス３５ａを使用し、発熱素子の上面中央付近に所定量を塗布する。次に、図３Ｂの上面図に示すように、発熱素子（ここでは、スイッチング素子３１の例を示す）に対し、ヒートシンク５０の略円錐台の凹部５０ａを位置決めする。位置決めについては、例えば制御基板４とヒートシンク５０に組立基準穴を設けるなどすればよい。
　　次に、図３Ｃに示すように、ヒートシンク５０を制御基板４との間に所定の隙間を有するように組立する。その際、放熱グリス３５ａはヒートシンク５０の略円錐台の凹部５０ａの形状に沿って放射状に広がる。ここで、放熱グリス３５ａ及びヒートシンク５０の表面との間に隙間があると放熱性能が低下する。そのため、放熱グリス３５ａをヒートシンク５０の表面との間に隙間が生じないように、略円錐台の凹部５０ａの側部のテーパ角度を、放熱グリス３５ａの粘度に応じて設定する。例えば、発熱素子の側面及び発熱素子の近傍の制御基板４の主面４ａに対して、テーパ角度を３０°～６０°に設定すればよい。この場合、ヒートシンク５０の面に沿って放熱グリス３５ａを広げることができる。これにより、放熱性能を向上させつつ、放熱グリス３５ａの使用量を最適化することができる。

　　ヒートシンク５０と制御基板４との間、及び、略円錐台５０ａと発熱素子との間の隙間量のばらつきが大きくなると、発熱素子のヒートシンク５０への放熱性能のばらつきも大きくなる。そこで、本実施形態では、図３Ｄに示すように、上記ケース２５に制御基板４を固定する複数のねじ５５ａ～５５ｃ等に加えて、パワー回路部Ｓ２を制御基板４に固定するねじ５５ｄ～５５ｆを流用する。すなわち、ねじ５５ｄ～５５ｆも用いて制御基板４を介してヒートシンク５０を固定する事により、隙間量のばらつきをより高精度に抑える。これにより、発熱素子のヒートシンク５０への放熱性能を安定させることが可能となる。

　　なお、上記実施形態は、適宜、変形、省略したりすることが可能である。
　　以下、上記実施形態の変形例１～３について記載する。上記実施形態と同様の部材の説明については、記載を省略する。

　変形例１
　　図４に、上記実施形態の変形例である放熱構造７０の断面図を示す。
　　変形例１では、制御基板４の発熱素子周辺で高温になる領域を、電子部品を実装しない領域とする。具体的には、ヒートシンク１５０の略円錐台の凹部５０ａが形成されていない平面１５０ｃを、電子部品を実装しない領域に設定する。ここで、上記実施形態のように高さを変えずに、平面１５０ｃは略円錐台の平面５０ｂと同じ高さになるように形成してもよい。これにより、発熱素子のヒートシンク１５０への放熱性能を向上させ、また、アルミの使用量を抑えることが可能となる。

　変形例２
　　図５に上記実施形態の変形例である放熱構造８０の断面図を示す。
　変形例２では、カバー６を金属、例えばアルミ、鉄等の熱伝導率の高い部品で形成する。さらに、ヒートシンク２５０とカバー６との間の隙間にも、放熱材４０を設ける。
　この場合、ヒートシンク２５０から外気への放熱面をさらに増やすことができる。そのため、発熱素子の発熱量が増加しても、発熱素子の温度勾配を考慮したヒートシンク２５０の厚さの増加を抑えることができる。

　これにより、例えば、発熱素子の発熱に対し、発熱素子上面から及び略円錐台の凹部の上側平面からヒートシンク２５０内に放熱する経路と、発熱素子を実装した制御基板４を介して制御基板表面に広がり、ヒートシンクの略円錐台以外の平面からヒートシンク２５０内に放熱される経路を形成できる。すなわち、ヒートシンク２５０への放熱面積の拡大を図ると共に、放熱経路を増やすことができる。これにより、隙間の距離のばらつき等を抑えることができ、回転電機の放熱性能のさらなる向上と安定化が可能となる。

　変形例３
　　図６に上記実施形態の変形例である放熱構造９０の断面図を示す。
　　変形例３では、例えば上記実施形態で別の部材であったヒートシンク及びカバーを一体にして、ヒートシンク３５０として形成している。ヒートシンク３５０は、例えばアルミダイキャスト等で形成する。これにより、ヒートシンクから外部への熱伝達性を高め、更にヒートシンク５０の厚さを抑える事が可能となる。

　　上記の実施形態及び変形例のいずれかによれば、発熱素子のヒートシンクに対する放熱面、特に発熱素子上面側の放熱面積を広げることが可能となる。従って、ヒートシンクへの放熱性能の向上と安定化を実現し、ヒートシンクの大型化を抑えて、高品質の回転電機を提供する事が可能となる。

　１…制御ユニット　２…モータ　４…制御基板　４ａ…主面　５…コネクタ　６…カバー　２１…出力（回転）軸　２２…ロータ　２３…ステータ　２４…巻線　２４ａ、２４ｂ…ボビン　２５…ケース　２６ａ、２６ｂ…軸受　２７…ハウジング　２８…環状ターミナル部　３０…ＣＰＵ　３４…ＩＣ　３１…スイッチング素子（発熱素子）　３２…シャント抵抗（発熱素子）　３３…コンデンサ　３４…ＩＣ　３５…放熱材　５０、１５０、２５０、３５０…ヒートシンク　５０ａ…凹部　６０、７０、８０、９０…放熱構造　１００…回転電機
　

Claims

　　制御基板の発熱部の放熱構造を備える回転電機であって、
　　発熱素子を主面上に有する前記制御基板と、
　　前記主面に対向して配置され、前記主面に対向する対向面に前記発熱素子を収容する凹部を有するヒートシンクと、
　　前記発熱素子と前記凹部との間の隙間に形成される放熱材と、
　を備える、回転電機。
　　前記凹部は円錐台の断面形状を有し、
　　前記円錐台の底面と前記発熱素子の上面との間の距離が、前記ヒートシンクの前記対向面における前記円錐台の非形成領域部と前記制御基板の前記主面との間の距離以上である、請求項１記載の回転電機。
　　前記放熱材は放熱グリスであり、前記放熱グリスが前記発熱素子及び前記発熱素子の近傍を覆う、請求項１または２記載の回転電機。
　　前記発熱素子の側面及び前記発熱素子の近傍の前記制御基板の前記主面に対して、前記ヒートシンクの前記凹部のテーパ角度が３０°～６０°である、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。
　　モータを収容するケースを備え、
　　前記制御基板を介して前記ヒートシンクを前記ケースにねじ固定する、
　請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機。
　　前記制御基板及び前記ヒートシンクを内部に有するカバーを備え、
　　前記カバーと前記ヒートシンクとの間に前記放熱材を有する、
　請求項１から５のいずれか１項に記載の回転電機。
　　前記ヒートシンクと前記カバーを一体で構成する、請求項６に記載の回転電機。