JP2005080438A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】製造容易で、冷却効率の良い比較的安価なヒートシンクを有してなるブラシレスモータを提供する。
【解決手段】ヒートシンク３１は、本体部３２と上部露出部３３とが一体形成されてなり、本体部３２には、本体部冷却フィン３５が、上部露出部３３には、段部３４の上に上部冷却フィン３８が、それぞれ複数形成されており、これらは、ダイキャスト製造における抜き方向に沿うように形成されたものとなっており、しかも、上部露出部３３の裏側には、肉抜き部３９が設けられており、軽量化が図られて、冷却性の向上と共に、製造容易で軽量、安価なヒートシンクを用いたブラスレスモータが実現されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータに係り、特に、車両用空調装置の送風ファンの回転駆動に用いられるブラシレスモータにおける半導体素子の冷却効率の向上等を図ったものに関する。

従来、この種のブラシレスモータとしては、例えば、ブラシレスモータのステータが固着されたモータホルダを有し、このモータホルダに固着されたステータにロータが回転可能に支持されるよう設けられると共に、このモータホルダのステータが位置する面と反対側の面側に下部ケースが取り付けられて、モータホルダと下部ケースとの間に形成される空間に、ステータに巻装されたコイルへの通電制御を行う電子回路基板が収納されるよう構成されてなるものが公知・周知となっている（例えば、特許文献１参照）。
この従来のブラシレスモータにおいては、電子回路に用いられるトランジスタの放熱を行うためのヒートシンクが、その上面部分のみがモータホルダの上面側に突出するようにして、モータホルダと下部ケースの間に形成される収納部に収納されて設けられている。
そして、かかるヒートシンクは、収納部に収納された部位と共に上面部分にも、放熱の効率を向上させるために複数の放熱フィンが形成されたものとなっている。

特開平１１−３４６４５８号公報

しかしながら、上記従来例におけるヒートシンクの放熱フィンは突条に形成されているが、モータホルダの上面に突出する部位に設けられた放熱フィンと、収納部に位置する部位に設けられた放熱フィンは、その突出方向が相互に直交する方向となっているために、押し出し工法では製造可能であるが、ダイキャスト製法ではそれぞれの放熱フィンの抜き方向が異なるために製造することができない。ところが、このようなブラシレスモータにあっては小型化と大出力化という相反する要求を満足する必要が生ずる場合があるが、そのような場合、放熱フィンの数を増やしたり、また、形状をより複雑化する等により放熱効率を向上させることが必要となるが、押し出し工法では型が複雑になり製造コストの高騰を招き、また、場合によって複雑な形状の放熱フィンには対応できないこともある。したがって、製造の容易さや、製造コストの面からダイキャスト製法に適し、放熱効率の良好なヒートシンクが望まれる。
さらに、上述した従来例においては、モータホルダの上面に突出した放熱フィンに風を導くために、放熱フィンの両端部にガイド壁を延設した構造となっているが、送風ファン下面とヒートシンクとの間では非常に不規則な空気の流れとなるために、上述のようなガイド壁を設けても十分に空気流を導くことは期待できない。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、製造容易で、冷却効率の良い比較的安価なヒートシンクを有してなるブラシレスモータを提供することにある。
本発明の他の目的は、電子回路基板に機械的な負荷を与えることなく、安全、確実なヒートシンクの固定を可能とすることにある。
本発明の他の目的は、送風ファンの回転により生じた空気の流れにケーシングから露出されたヒートシンクの一部分を晒すことができ、放熱の促進を図ることのできる構造を有してなるブラシレスモータを提供することにある。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るブラシレスモータは、
ブラシレスモータの制御基板を収納保持すると共に、前記ブラシレスモータを回転可能に支持するよう構成されてなるケーシングの外部に一部が露出するよう当該ケーシング内に保持、収納されてなるヒートシンクであって、前記ケーシング内の部位と前記外部へ露出された部位の双方に冷却フィンが形成されてなるヒートシンクを具備してなるものである。
特に、ヒートシンクはダイキャスト製法により形成されるものであって、冷却フィンは、ダイキャスト製法における抜き方向に沿うように形成され、ケーシングの外部に露出される露出部は、冷却フィンが形成されると共に、当該冷却フィンが形成された裏側の部位には肉抜き部が形成されてなるものが好適である。
また、ブラシレスモータの基本構成としては、例えば、回転軸の一端に取着されたセンサマグネットの回転に伴う磁極変化を検出し、ステータに設けられた励磁コイルへの通電を制御することによって回転磁界を生じさせ、回転軸に固着されたロータを回転せしめるよう構成されてなるものが好適である。
かかる構成においては、ヒートシンクの冷却フィンはダイキャスト製法での抜き方向に沿うように形成され、しかも、露出部の裏側には、肉抜き部が形成されているので、ダイキャスト製法に適すると共に、軽量化によるコストダウンを図ることのできる冷却性の良好なヒートシンクを備えたブラシレスモータが提供されることとなるものである。

本発明によれば、ヒートシンクの冷却性能が向上するため、ブラシレスモータ自体の高効率化による低消費電力化が可能となり、そのようなブラシレスモータを車両装置に用いることにより、燃費の向上に寄与することができるという効果を奏するものである。
また、本発明によれば、ヒートシンクの冷却性能が向上するため、高入力化が可能となり、ひいては大出力化に対応できるブラシレスモータを提供することができる。
さらに、ヒートシンクは肉抜き部分を有する構造であるために、軽量化と共にコストダウンが図れる。
また、本発明によれば、ヒートシンクをモータホルダの表面に形成された凹所に設けるような構成としたので、送風ファンの下端側とヒートシンクの冷却フィンとの間に、例えば、異物が入り込んで送風ファン回転に支障を来すようなことがなくなり、送風ファンに対する干渉防止が図れる。さらに、モータホルダの表面に凹所を形成したので、冬季に送風ファンの下面側とモータホルダの表面側との間における凍結を招くような平面部分を減らし、送風ファンとモータホルダの表面との間の凍結防止を確実に図ることが可能となる。
またさらに、凹所の一部に外側へ抜ける部位を設けることで、凹所における空気の流れを確保し、それにより冷却フィンへの冷却風の増加を図ることができ、ヒートシンクの冷却性能を確実に向上することができると共に、凹所の一部に外側へ抜ける部位を設けることで、凹所へ雨水が流入してきても排水が可能となり、モータ故障の原因を確実に排除することができる。
また、ケーシング内に設けられたヒートシンク押さえに当接される留め点部を、ヒートシンクが固着される制御基板の外側に位置するヒートシンクの部位に設けるように構成したので、従来と異なり、制御基板に機械的な負担を掛けることなく比較的重量物であるヒートシンクを確実に固定することができる。さらに、ヒートシンクをケーシング側に当接させるための留め点部を、制御基板の外側の位置に設けたことにより、従来と異なり、ヒートシンクをケーシング側に当接させるために回路基板に切り欠きを設ける必要が無くなり、そのため、比較的回路基板の縁近傍に設けられることが多い大電流通電用の幅広の配線パターンの確保が従来に比して確実に容易となる。そして、制御基板における適切なパターン設計が行えることとなり、無駄スペースが減るため、基板サイズの最適化が可能となり、コストダウンを図ることができる。
さらにまた、ヒートシンクのトランジスタ取り付け部には、予備のスペースを設けるようにすることで、例えば、制御基板に逆接続防止回路などをオプションで設けるような場合に、その追加回路において冷却が必要となるトランジスタの取り付けが可能となり、新たに別個のヒートシンクを設ける必要がなく、回路追加によるコストアップを極力低く抑えることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図９を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態におけるブラスレスモータの全体構成について、図１及び図２を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態におけるブラシレスモータは、ケーシング１にその基部が固定されたステータ２と、このステータ２に回転自在に設けられた回転軸１２に固着されたロータ３と、ステータ２に巻装された励磁コイル７への通電制御を行う制御基板４とに大別されてなるものである（図１参照）。かかる構成を有してなるブラシレスモータは、例えば、車両用空調装置における送風ファン５の回転駆動に用いられるもので、送風ファン５は、回転軸１２の先端部１２ａにおいて固着されたものとなっている（図１参照）。

ステータ２は、積層コア６と、積層コア６に巻回された励磁コイル７と、上部保持部材８ａ及び下部保持部材８ｂとを有してなり、ロータ３の内側に配設されたものとなっている。積層コア６は、その中央部に支持筒９が貫通されており、この支持筒９に積層コア６が例えば圧入、固定されたものとなっている。上部保持部材８ａ及び下部保持部材８ｂは、上述の支持筒９が嵌挿される中空円筒孔１０ａ，１０ｂがそれぞれ形成されてなり、これら中空円筒孔１０ａ，１０ｂを介して積層コア６の上部及び下部にそれぞれ設けられて積層コア６を上下から挟持するようにして保持するものとなっている（図１参照）。
下部保持部材８ｂは、図１においては図示されていないが、外方に張り出した部位を有し、この部位がモータホルダ２１に固定されるようになっており、この下部保持部材８ｂのモータホルダ２１への固定により、ロータ３及びステータ２がモータホルダ２１の上面に保持されるようになっている。

ロータ３は、大凡椀型に形成されたヨーク１１を有し、その開放面がケーシング１側に、閉成面が上面を形成するようにして、その閉成面の中央部に穿設された軸通孔１１ａに回転軸１２が挿通されて回転軸１２に固着されたものとなっている。そして、ヨーク１１の内周面には、複数のマグネット１３が周方向で適宜な間隔を隔てて固着されている。
また、回転軸１２は、軸受け１４ａ，１４ｂを介して支持筒９内に支持されており、その先端部１２ａには、シロッコ型の送風ファン５が例えば、圧入により固定されている（図１参照）。

ケーシング１は、モータホルダ２１と基板カバー２２とからなり、両者の間に収納空間２３が形成されて後述する制御基板４が収納されるようになっている。本発明の実施の形態においては、基板カバー２２がモータホルダ２１の裏面側、すなわち、換言すれば、ロータ３やステータ２が位置する側の面（表面）と反対側の面側でねじ止めされるようになっている（図１及び図２参照）。
モータホルダ２１の下面側においては、制御基板４がモータホルダ２１に突出形成された支持柱２４にねじ止めされてケーシング１内部に保持、収納されるようになっている。そして、先の回転軸１２の他端は、このケーシング１内部へ伸びており、制御基板４に穿設された貫通孔２５に臨むようになっている。この回転軸１２の他端近傍には、円盤状に形成されてなるセンサマグネット２６が固着されており、このセンサマグネット２６に対向する制御基板４の適宜な位置には、ホール素子２７が設けられて、センサマグネット２６の磁束変化を検出することで、回転軸１２の回転、すなわち、ロータ３の回転位置が検出可能となっている（図１参照）。

制御基板４は、外部から入力される制御信号に基づいて、励磁コイル７への通電を制御するよう複数の通電制御用のトランジスタ２８を主たる構成要素としてなる公知・周知の構成を有する回路が設けられているものである。この制御基板４において、通電制御用の複数のトランジスタ２８は、制御基板４の一側端近傍において半田付けされると共に、ヒートシンク３１にねじ止めされている（図１参照）。また、制御基板４には、外部との電気信号の授受のためにコネクタ２９が取着されている（図２及び図５参照）。

本発明の実施の形態におけるヒートシンク３１は、複数のトランジスタ２８が固着される本体部３２と、この本体部３２の上部に形成された上部露出部３３とが一体形成されてなるもので、上部露出部３３に形成された段部３４が、後述するようにモータホルダ２１の上面から突出されるように取り付けられたものとなっている（図１参照）。
以下、本発明の実施の形態におけるヒートシンク３１の構成及びその取り付け等についてより具体的に、図３乃至図９を参照しつつ説明する。
まず、本体部３２は、複数のトランジスタ２８が横並びに取り付けられる取付部３２ａが形成されている（図１、図６及び図８参照）。本発明の実施の形態においては、この取付部３２ａの横方向（図６において紙面表裏方向）の幅は、制御基板４においてヒートシンク３１が必要とされるトランジスタ２８の数よりも一つ分余分な幅に設定されている。これは、ユーザの所望により、例えば、電源逆接続用回路などを追加する場合において、その回路でヒートシンクを必要とするトランジスタがある場合に、この予備スペースのあるヒートシンク３１に取り付けできるようにしておくことで、別個に新たなヒートシンクを設ける必要をなくすためである。

さらに、この本体部３２の取付部３２ａと反対側の面には、複数の本体部冷却フィン３５が本体部３２の長手軸方向（図６において紙面表裏方向）で適宜な間隔を隔てて複数形成されている（図６及び図７参照）。本発明の実施の形態における本体部冷却フィン３５は、図１に示されたように大凡短冊状の外観形状を有してなり、その肉厚（図１において紙面表裏方向の厚み）は、大凡２ｍｍ前後に設定されたものとなっている。
そして、本体部３２は、その下端面、すなわち、後述する上部本体部３２と反対側の端面において、制御基板４にねじ止めされたものとなっている（図１及び図６参照）。
また、先の本体部冷却フィン３５の下端（上部露出部３３と反対側の端部）は、本体部３２の制御基板４にねじ止めされる先の下端面よりも、やや上部露出部３３側の位置に設定されており、本体部冷却フィン３５の下端端面は、ケーシング１の基板カバー２２に対する留め点部３５ａとなっている（図６及び図７参照）。すなわち、ヒートシンク３１は、先に述べたように本体部３２の下端面が制御基板４にねじ止めされるようになっていると共に、基板カバー２２の底部に突設されたヒートシンク押さえ３６に本体部冷却フィン３５の下端面が留め点部３５ａとなって当接するようになっている（図１、図２及び図７参照）。このため、ヒートシンク３１は、モータホルダ２１と基板カバー２２との間に挟持されることとなり、これによって、従来と異なり、ヒートシンク３１による制御基板４への機械的な負担が軽減されたものとなっている。なお、本発明の実施の形態においては、全ての本体部冷却フィン３５の下端面がヒートシンク押さえ３６に当接しているのではなく、図７で言えば、中央付近の４つの本体部冷却フィン３５の下端面がヒートシンク押さえ３６に当接するようになっている。
また、本発明の実施の形態におけるヒートシンク押さえ３６は、基板カバー２２の一部を切り欠き、その部位を起こすようにしてなるものであるが、勿論、このような構造に限定される必要はないものである。

一方、上部露出部３３は、本体部３２の上部端から本体部３２に対して全体が直交するように取付部３２ａ側へ張り出して形成されたものとなっている（図１及び図６参照）。この上部露出部３３の平面外形形状（図５に表された形状参照）は、長方形全体をやや円弧状に湾曲させた形状となっている（図５参照）。
また、この上部露出部３３には、外形形状が上部露出部３３のそれとほぼ相似で、かつ、上部露出部３３よりも若干小さな段部３４が形成されており、段部３４周囲の平面部分３３ａは、モータホルダ２１の裏面側に対してＯリング３７を介して接合されるようになっている（図１及び図５参照）一方、段部３４には、複数の上部冷却フィン３８が突設されている（図５及び図６参照）。
かかる構成を有してなるヒートシンク３１は、ダイキャスト製法により形成されてなるものであるが、上部露出部３３の裏面には、そのダイキャスト製法における抜き方向に沿う肉抜き部３９が凹設されている（図８参照）。

一方、上述のヒートシンク３１に対応してモータホルダ２１には、上部露出部３３の段部３４をモータホルダ２１の表面側へ突出させるために、先に述べた段部３４の平面外形形状（図５参照）とほぼ同一形状、寸法の露出孔４０が穿設されており、この露出孔４０から段部３４が突出されるようになっている（図１及び図４参照）。
また、本発明の実施の形態におけるモータホルダ２１の表面には、凹所４１が形成されたものとなっている（図１、図３及び図４参照）。すなわち、モータホルダ２１は、その外形平面形状が円形に形成されたものとなっており、その表面部分は、円環状の一部が切り欠かれた円環状表面部４２が形成されるようにして、その円環状表面部４２の内側に凹所４１に形成されたものとなっている（図１、図３及び図４参照）。なお、本発明の実施の形態においては、凹所４１の深さは、大凡５ｍｍ程度となっている。
そして、円環状表面部４２の切欠部４３も凹所４１の一部となっており、この部位にヒートシンク３１の段部３４が位置するようになっている（図４参照）。
したがって、送風ファン５の直下に位置する凹所４１においては、先の切欠部４３を介して凹所４１から外部への空気の流れが形成され易くなっており、そのため、上部冷却フィン３８における放熱が、その空気の流れによって促進されて冷却性がより向上されるものとなっている。

さらに、本発明の実施の形態においては、露出孔４０の周囲には、シール面が確保されている（図４の×印部分参照）。すなわち、本発明の実施の形態におけるブラシレスモータは、その製造工程の最終段階において、段部３４が突出する露出孔４０の部分における気密性のテストが行われることになっている。これは、図９に概略の様子が示されるように、段部３４の外形寸法とほぼ同一か、又は若干大きい装着凹部５１ａを有してなる気密テスト用治具５１を段部３４に覆い被せて、吸気管５２を介して装着凹部５１ａから空気を吸い出し、装着凹部５１ａにおける真空度の値によって露出孔４０における気密性の良否を判断する試験である。この気密性試験の際、装着凹部５１ａ周囲の環状端面５１ｂを段部３４の周囲の面に密着させる必要がある。そのため、段部３４の周囲のモータホルダ２１の面には、環状端面５１ｂを密着させるだけの面、すなわち、シール面が必要であり、本発明の実施の形態においては、図４において×印を付した部位、すなわち、環状端面５１ｂの面積相当の部位がシール面として確保されたものとなっている。
なお、段部３４の周囲にどの程度のシール面を確保するかは、気密テスト用治具５１の環状端面５１ｂの大きさに依存するが、環状端面５１ｂとシール面との気密性の確保という観点から、段部３４の周囲に少なくとも大凡４ｍｍ程度の幅でシール面が確保されるようにするのが好適である。

次に、モータホルダ２１の円環状表面部４２と上部冷却フィン３８の頂部及び送風ファン５の下端との位置関係について説明する。
通常、送風ファン５の下端とモータホルダ２１の間隔、すなわち、本発明の実施の形態においては、円環状表面部４２と送風ファン５の下端との間隔Ｌ１（図１参照）は、冬季にこの間に付着した水滴が凍結して、送風ファン５の回転が阻害されるようなことが十分に回避できる程度の大きさに、試験やシュミレーション等の種々のデータに基づいて設定される。本発明の実施の形態においては、凡そ４ｍｍ乃至６ｍｍの範囲に設定されている。
そして、本発明の実施の形態においては、垂直方向（回転軸１２の軸方向）における上部冷却フィン３８の頂部の位置は、円環状表面部４２の表面位置と同一に設定されたものとなっている（図１参照）。

なお、上部冷却フィン３８の頂部の位置は、このように必ずしも円環状表面部４２の表面位置と一致する必要はなく、例えば、円環状表面部４２の表面位置よりも凹所４１の底部側に位置するようにしてもよい。この場合、上部冷却フィン３８の頂部の位置を円環状表面部４２の表面位置よりも凹所４１の底部側にあまり下げすぎると、上部冷却フィン３８としての機能が低下するので、そのような機能低下を招かない範囲に設定することが必要である。本発明の実施の形態においては、凹所４１の深さが大凡５ｍｍ程度であることに鑑みて、円環状表面部４２の表面位置からの上部冷却フィン３８の頂部の位置を下げる場合、最大で大凡−２ｍｍ程度が好ましい。

また、これとは逆に、上部冷却フィン３８の頂部の位置を円環状表面部４２の表面位置よりも上方向の位置に設定するようにしてもよい。本発明の実施の形態においては、上部冷却フィン３８の頂部の位置は、円環状表面部４２の表面位置から最大で大凡＋２ｍｍ程度出るようにしても、円環状表面部４２と異なり、上部冷却フィン３８が離散的に設けられたものであるので、換言すれば、複数の上部冷却フィン３８の頂部が全体として一つの面を形成している訳ではないので、この間で冬季に水滴が凍結して送風ファン５の回転に支障を来すような状態に至る可能性は極めて低く問題は無い。
なお、円環状表面部４２と凹所４１の底部との間隔、換言すれば、凹所４１の深さは、本発明の実施の形態においては大凡５ｍｍとしたが、これに限定される必要はなく、適宜な大きさに設定して良いものであるが、大凡２乃至１０ｍｍ程度の範囲が好適である。

本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの構成例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの底面図である。 本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの側面図あって、ヒートシンクが臨まれる側面側における側面図である。 本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの平面図であって、送風ファンが取り付けられていない状態における平面図である。 本発明の実施の形態におけるブラシレスモータに用いられる制御基板の平面図である。 本発明の実施の形態におけるブラシレスモータに用いられる制御基板の側面図である。 本発明の実施の形態におけるブラシレスモータに用いられる制御基板の底面図である。 本発明の実施の形態におけるブラシレスモータに用いられるヒートシンクの底面側からの全体斜視図である。 本発明の実施の形態におけるブラシレスモータの露出孔における気密テストの概略の様子を示す模式図である。

符号の説明

１…ケーシング
４…制御基板
２１…モータホルダ
２２…基板カバー
３１…ヒートシンク
３２…本体部
３３…上部露出部
３４…段部
３５…本体部冷却フィン
３８…上部冷却フィン
４０…肉抜き部
４１…凹所
４２…円環状表面部

Claims (8)

1. ブラシレスモータの制御基板を収納保持すると共に、前記ブラシレスモータを回転可能に支持するよう構成されてなるケーシングの外部に一部が露出するよう当該ケーシング内に保持、収納されてなるヒートシンクであって、前記ケーシング内の部位と前記外部へ露出された部位の双方に冷却フィンが形成されてなるヒートシンクを具備してなることを特徴とするブラシレスモータ。
2. ヒートシンクはダイキャスト製法により形成されるものであって、冷却フィンは、ダイキャスト製法における抜き方向に沿うように形成され、ケーシングの外部に露出される露出部は、冷却フィンが形成されると共に、当該冷却フィンが形成された裏側の部位には肉抜き部が形成されてなることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
3. ヒートシンクは、制御基板の周縁部に固着される端面が形成されると共に、前記制御基板の周縁部に当該ヒートシンクが前記端面で固着された状態において、ケーシングの底部から突出形成されたヒートシンク押さえに当接される留め点部が、前記制御基板の外側に位置するように形成されてなることを特徴とする請求項１記載又は請求項２記載のブラシレスモータ。
4. 留め点部は、ヒートシンクのケーシング内部に位置する部位に形成された冷却フィンの端部であることを特徴とする請求項３記載のブラシレスモータ。
5. ケーシングは、ブラシレスモータが回転可能に支持されるモータホルダと、前記モータホルダに取り付けられて前記モータホルダとの間に制御基板の収納空間を形成する基板カバーとからなり、
   前記ブラシレスモータのロータが位置する前記モータホルダの表面側には凹所が形成され、当該凹所にヒートシンクの露出部が露出されてなることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載のブラシレスモータ。
6. モータホルダの表面部と凹所の底部との距離は、大凡２乃至１０ｍｍの範囲に設定されてなることを特徴とする請求項５記載のブラシレスモータ。
7. 露出部に形成された冷却フィンの頂部は、モータホルダの表面部を基準として大凡−２ｍｍ乃至＋２ｍｍの範囲に位置するよう形成されてなることを特徴とする請求項６記載のブラシレスモータ。
8. ヒートシンクの露出部の周囲のモータホルダの面には、気密テスト用の治具が接合可能なシール面が確保されてなることを特徴とする請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７記載のブラシレスモータ。

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