(57)【要約】【課題】モータに取り付けた場合にモータ性能を犠牲にすることなく、かつ小型化できるパワーモジュールおよびパワーモジュール一体型モータを提供する。【解決手段】パワー半導体素子と回路基板と放熱ベースとケースと入出力端子を設けたパワーモジュール９ａにおいて、入出力端子を、ケースの一側面から突設したピン型の端子としたパワーモジュール。モータの固定子１６の鉄心に、回転子のシャフト１４と平行な方向にパワーモジュール取り付け部１０ａとなる穴を設け、この穴に、パワーモジュール９ａを挿入することで、小型化されたパワーモジュール一体型モータ１９ａが得られる。固定子１６に冷却管１２が設けられている場合は、冷却管１２の外側にパワーモジュール取り付け部１０ａを設けることで、パワーモジュール９ａの冷却も効率的に行える。【選択図】          図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子とこのパワー半導体素子を搭載した回路基板と前記パワー半導体素子からの発熱を放熱する放熱ベースとケースと前記回路基板に電力及び電気信号の授受を行う入出力端子からなるパワーモジュールにおいて、
前記入出力端子を、前記ケースの一側面から突設したピン型の端子としたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記入出力端子の一部を接触型電極として前記ケースの上部に取り付けたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記放熱ベースの放熱面に曲率を持たせていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記ケースにおける前記端子を形成した側面と隣接する両側面が傾斜していることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
モータの固定子鉄心に、回転子の軸心と平行な方向にパワーモジュール取り付け部となる穴を設け、この穴に、請求項１から４のいずれかの項に記載のパワーモジュールを挿入したことを特徴とするパワーモジュール一体型モータ。
【請求項６】
前記固定子鉄心に冷却機構が設けられている場合は、当該冷却機構の外側に前記パワーモジュール取り付け部となる穴が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール一体型モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボアンプやインバータに用いられると共に、パワー変換回路を構成するパワーモジュールおよびそのパワーモジュールをモータと一体化したパワーモジュール一体型モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールは、例えば特開平８−７９５６号公報（特許文献１）に記載されているように、パワー半導体素子の熱をインバータやサーボアンプのヒートシンク平面、あるいはモータのブラケット平面に搭載して放熱を効率よく行うため、取り付け面は平滑になっており、その制御端子および出力端子を上方に取り出したパワーモジュールとなっていた。
その構成を、図９を用いて簡単に説明する。図において１は放熱ベース、２は回路基板、３はパワー半導体素子、４はワイヤ、５はケース、６はカバー、７はパワー端子、８は制御端子、９はパワーモジュールである。
以上の構成において、パワーモジュール９は、パワー半導体素子３とパワー端子７と制御端子８を回路基板２に実装したものを放熱ベース１に固着し、ワイヤ４により電気的に接続したものを、ケース５やカバー６によって囲い、パワー端子７や制御端子８はケースおよびカバーにモールドされており、パワー端子７および制御端子８はパワーモジュール９の上方から外部へ取り出す構成となっている。
【０００３】
このような構成のパワーモジュールを、モータの固定子の一部に取り付け、パワーモジュール一体型モータとしたものが特開平９−１６３６８１号公報（特許文献２）に開示されている。
その構成を図１０を用いて説明する。永久磁石を有する永久磁石回転子１５と回転子鉄心１３と前記鉄心に巻回される巻線１１と前記巻線を冷却する冷却管１２とを有する固定子１６とを備え、回転子鉄心１３は巻線１１が巻回された突極部と巻線が巻回されていないダミー突極部１７に分かれて構成され、前記ダミー突極部１７は、冷却管１２と駆動制御用のパワーモジュール９を取り付けるパワーモジュール取り付け部１０とを具備し、前記パワーモジュール取り付け部に取り付けられたパワーモジュール９を冷却管によって冷却するパワーモジュール一体型モータ１９となっていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−７９５６号公報
【特許文献２】
特開平９−１６３６８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパワーモジュール９においては、パワー端子７や制御端子８が放熱ベース１に対して垂直な方向に向いているため、これをパワーモジュール取り付け部１０に取り付けると、これらの端子７，８はモータのラジアル方向に向くことになる。そのため、モータと結線するために必要なスペースが大きくなり、この結果、パワーモジュール取り付け部１０が固定子部分の多くを占め、モータが大型化し、ダミー突極部１７が存在しているためモータ性能が犠牲になっている。
したがって、本発明の目的は、モータに取り付けた場合にモータ性能を犠牲にすることなく、しかも小型化できるパワーモジュールおよびそのパワーモジュールをモータと一体化したパワーモジュール一体型モータを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、請求項１記載の発明のパワーモジュールは、パワー半導体素子とこのパワー半導体素子を搭載した回路基板と前記パワー半導体素子からの発熱を放熱する放熱ベースとケースと前記回路基板に電力及び電気信号の授受を行う入出力端子からなるパワーモジュールにおいて、前記入出力端子を、前記ケースの一側面から突設したピン型の端子としたことを特徴とする。
請求項１記載の発明においては、入出力端子をケースの一側面に形成しているため、パワーモジュールの厚みが薄くなる。これにより、モータに取り付けた場合にモータ性能を犠牲にすることなく、しかも小型化が可能となる。
【０００７】
請求項２記載の発明のパワーモジュールは、前記入出力端子の一部を接触型電極として前記ケースの上部に取り付けたことを特徴とするものであり、パワーモジュールをモータのパワーモジュール取り付け部に挿入するだけでモータとパワーモジュールの電気的接触を取ることが可能となり、また挿抜するだけで容易に交換できる。
請求項３記載の発明のパワーモジュールは、前記放熱ベースの放熱面に曲率を持たせていることを特徴とするものであり、パワーモジュール一体型モータの固定子部分を小型化することができる。
請求項４記載の発明のパワーモジュールは、前記ケースにおける前記端子を形成した側面と隣接する両側面が傾斜していることを特徴とするものであり、パワーモジュールが扇型であるため、モータの固定子にパワーモジュールを効率よく搭載することができ、パワーモジュール一体型モータを小型化できる。
【０００８】
請求項５記載の発明のパワーモジュール一体型モータは、モータの固定子鉄心に、回転子の軸心と平行な方向にパワーモジュール取り付け部となる穴を設け、この穴に、請求項１から４のいずれかの項に記載のパワーモジュールを挿入したことを特徴とするものであり、モータを大型化することなく、モータ性能も犠牲にしない制御部としてのパワーモジュールとモータを一体化することができる。
請求項６記載の発明のパワーモジュール一体型モータは、前記固定子鉄心に冷却機構が設けられている場合は、当該冷却機構の外側に前記パワーモジュール取り付け部となる穴が形成されていることを特徴とするものであり、固定子に巻かれる巻線の発熱を冷却する冷却機構が、パワーモジュールからの発熱を冷却する機構として有効に機能する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態を示すパワーモジュールの側断面図、図２はその斜視図である。
図１において、第１実施形態のパワーモジュール９ａは、放熱ベース１、回路基板２、パワー半導体素子３、ワイヤ４を有している。パワー半導体素子３ははんだ等により、回路基板２に実装しており、アルミ太線ワイヤ４によってパワー端子７や制御端子８と電気的な接続を行っている。
【００１０】
パワー端子７として１ｍｍ×３ｍｍの銅板に金メッキが施してあるピンを使い、制御端子８には１ｍｍの銅製金メッキピンを使用した。パワー端子７と制御端子８は図２に示すように樹脂製ケース５の同一側面にモールドしており、これら端子からモータやパワーモジュール９ａを駆動する制御部への電気的接続ができるようにしている。樹脂製ケース５は銅製の放熱ベース１にシリコーン系接着剤により固定することで、パワー半導体素子３、アルミ太線ワイヤ４などのスイッチング部を保護している。
【００１１】
次に本発明の第１実施形態のパワーモジュール９ａをモータに組み込んだパワーモジュール一体型モータについて、図３を使って説明する。図３はパワーモジュール一体型モータ１９ａの断面図である。図において、１０ａはパワーモジュール取り付け部、１１は巻線、１２は水冷式の冷却管、１３は回転子鉄心、１４はシャフト、１５は希土類の磁性材料をリング状に成形し、円周方向に４極の着磁を行った永久磁石回転子である。モータは４極１２スロットとし、パワーモジュール９ａを軸方向に挿入できるパワーモジュール取り付け部１０ａを２箇所加工した。
【００１２】
パワーモジュール取り付け部１０ａはパワーモジュール９ａの形状に合せて、固定子１６を軸方向に削って、穴のあいた形状をしている。また、モータとパワーモジュールを冷却する冷却管１２を固定子１６の巻線１１とパワーモジュール取り付け部１０ａ間の同一円周上に複数個設置した。このパワーモジュール一体型モータ１９ａのパワーモジュール取り付け部１０ａにパワーモジュール９ａをパワー端子７と制御端子８を手前側になるように挿入し、隙間を樹脂接着剤により固定した。このため、パワーモジュール９ａのパワー端子７や制御端子８はパワーモジュール一体型モータ１９ａの外に出ている。
このパワー入端子７にモータ巻線１１を結線し、制御端子８と外部の制御回路とを結線し、外部の制御回路から信号を送ることで、パワーモジュール９ａのスイッチングを介してパワーモジュール一体型モータ１９ａの回転子鉄心１３が回転する。
【００１３】
この第１実施形態によれば、パワー半導体素子３と回路基板２と放熱ベース１とケース５とパワー端子７および制御端子８からなるパワーモジュールにおいて、パワー端子７および制御端子８を、ケース５の一側面から突設したピン型の端子としたことにより、モータのパワーモジュール取り付け部１０ａを小さくできるためパワーモジュール一体型モータ１９ａの固定子に効率よくパワーモジュール９ａを搭載でき、パワーモジュール一体型モータ１９ａを小型化することができる。また、パワーモジュール９ａはモータに挿抜するだけで容易に固定することができる。なおパワーモジュール９ａの搭載数は３つ以上でもよい。
【００１４】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について図４に基づいて説明する。
図４は本発明の第２実施形態を示すパワーモジュールの斜視図である。図において７ａはパワー入力端子、７ｂはパワー出力端子であり、８は制御端子である。パワー出力端子７ｂは１ｍｍ厚の銅板に金メッキを施して接触型電極となっており、パワーモジュール９ｂの上部に取り出されている。パワー入力端子７ａと制御端子８はそれぞれ１ｍｍ×３ｍｍ、０．５ｍｍ角の銅製ピンに金メッキが施してあり、パワーモジュール９ｂの同一側面に取り出されている。
このパワーモジュール９ｂをパワーモジュール一体型モータのパワーモジュール取り付け部から挿入する。パワーモジュール９ｂと取り付けるパワーモジュール一体型モータの取り付け部内部にはモータ巻線とつながっているピン型端子が突出しており、パワーモジュール９ｂを挿入すると接触電極型のパワー出力端子７ｂが取り付け部内部のピン型端子と接触し、モータ巻線との電気的な接続が取れるようにしている。
この第２実施形態によれば、パワーモジュール一体型モータのパワーモジュール取り付け部より、パワーモジュールを挿入するだけでモータとパワーモジュールの電気的接触をとることができ、また挿抜するだけで容易に交換できる。
【００１５】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態について図５と図６を用いて説明する。
図５は本発明の第３実施形態を示すパワーモジュールの斜視図、図６はその正面図である。これらの図において、９ｃはパワーモジュール、１は放熱ベース、５はケース、７はパワー端子、８は制御端子である。
図５、図６におけるパワーモジュール９ｃはパワー端子７と制御端子８が取り付けられている面からみて、放熱ベース１とケース５の下部を円弧状に加工している。また、パワーモジュール一体型モータ１９ａにおけるパワーモジュール取り付け部１０ａの上下面は円弧状に加工している。このため、固定子１６の冷却管外部に効率的にパワーモジュール９ｃを配置できることから、パワーモジュール一体型モータ１０ａの固定子部分を小型化することができる。なお、パワーモジュールの搭載数は３つ以上の多数にしてもよい。
【００１６】
＜第４実施形態＞
図７は本発明の第４実施形態を示すパワーモジュールの正面図である。９ｄはパワーモジュールであり、１は放熱ベース、５はケース、７はパワー端子、８は制御端子である。パワーモジュール９ｄはパワー端子７と制御端子８が取り付けられている面からみて、放熱ベース１とケース５の下部を円弧状に加工しており、さらにケース５の側面はケース断面が扇型になるように傾斜をつけた。また、パワー端子７と制御端子８はケースの形状に合わせて円弧状になるように配置している。このような構成とすることにより、パワーモジュール９ｄの高さを小さく出来る。
このパワーモジュール９ｄを４台用意し、図８に示すようにパワーモジュール一体型モータ１９ｄに取り付けた。パワーモジュール取り付け部１０ｄの形状はパワーモジュール９ｄと同じになるように上面と下面は半円弧状に、側面は傾斜を持たせて扇型に軸方向に削って加工している。パワーモジュール取り付け部１０ｄは固定子に４箇所加工されている。
【００１７】
このパワーモジュール一体型モータ１９ｄのパワーモジュール取り付け部１０ｄにパワーモジュール９ｄをパワー端子７と制御端子８を手前側になるように挿入し、隙間を樹脂接着剤により固定する。これにより、固定子の冷却管の外部に効率的にパワーモジュール９ｄを搭載することができる。さらにパワーモジュールの搭載数は５つ以上の多数にすることもできる。
この実施形態によれば、パワーモジュールの放熱ベース下部とケース上部を半円弧状に、側面を傾斜させた扇型にしているためモータの固定子にパワーモジュールを効率よく搭載することができ、パワーモジュール一体型モータを小型化できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば次の効果を奏する。
（１）請求項１記載の発明によれば、入出力端子をケースの一側面に形成しているため、パワーモジュールの厚みが薄くなる。これにより、モータに取り付けた場合にモータ性能を犠牲にすることなく、しかも小型化が可能となる。
（２）請求項２記載の発明によれば、入出力端子の一部を接触型電極としてケースの上部に取り付けることにより、パワーモジュールをモータのパワーモジュール取り付け部に挿入するだけでモータとパワーモジュールの電気的接触を取ることが可能となり、また挿抜するだけで容易に交換できる。
（３）請求項３記載の発明によれば、放熱ベースの放熱面に曲率を持たせることにより、パワーモジュール一体型モータの固定子部分を小型化することができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、ケースにおける両側面を傾斜させたことにより、パワーモジュールが扇型となるため、モータの固定子にパワーモジュールを効率よく搭載することができ、パワーモジュール一体型モータを小型化できる。
（５）請求項５記載の発明によれば、モータの固定子鉄心に、回転子の軸心と平行な方向にパワーモジュール取り付け部となる穴を設け、この穴に、パワーモジュールを挿入することにより、モータを大型化することなく、モータ性能も犠牲にしない制御部としてのパワーモジュールとモータを一体化することができる。
（６）請求項６記載の発明によれば、固定子鉄心に冷却機構が設けられているモータの場合に、当該冷却機構の外側にパワーモジュール取り付け部となる穴を形成することにより、固定子に巻かれる巻線の発熱を冷却する冷却機構が、パワーモジュールからの発熱を冷却する機構として有効に機能する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す側断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態のパワーモジュール一体型モータを示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す斜視図である。
【図５】本発明の第３実施形態を示す斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態を示す正面図である。
【図７】本発明の第４実施形態を示す正面図である。
【図８】本発明の第４実施形態のパワーモジュール一体型モータを示す断面図である。
【図９】従来のパワーモジュールを示す断面図である。
【図１０】従来例を示すパワーモジュール一体型モータの断面図である。
【符号の説明】
１  放熱ベース
２  回路基板
３  パワー半導体素子
４  ワイヤ
５  ケース
６  ケースカバー
７  パワー端子
７ａ  パワー入力端子
７ｂ  パワー出力端子
８  制御端子
９  モータ一体型パワーモジュール
９ａ  モータ一体型パワーモジュール
９ｂ  モータ一体型パワーモジュール
９ｃ  モータ一体型パワーモジュール
９ｄ  モータ一体型パワーモジュール
１０  パワーモジュール取り付け部
１０ａ  パワーモジュール取り付け部
１０ｂ  パワーモジュール取り付け部
１１  巻線
１２  冷却管
１３  回転子鉄心
１４  シャフト
１５  永久磁石回転子
１６  固定子
１７  ダミー突極部
１８  ハウジング
１９  パワーモジュール一体型モータ
１９ａ  パワーモジュール一体型モータ
１９ｂ  パワーモジュール一体型モータ
１９ｄ  パワーモジュール一体型モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004236470.tif 000008
【図７】
2004236470.tif 000009
【図８】
2004236470.tif 000010
【図９】
2004236470.tif 000011
【図１０】
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