JP4879772B2 - 電気機器 - Google Patents

Description

この発明は電気機器に関するものであり、特に内燃機関や回転電機などの発熱する構造体と回路基板を搭載する部分とが一体的に構成された電気機器の冷却構造に関するものである。

従来から電力用のインバータ回路などに用いられる回路基板においては、回路基板を構成する素子による発熱が大きいので、回路基板を冷却する必要があり、回路基板にはヒートシンクが取り付けられることにより冷却されていた。

この際、回路基板とヒートシンクの間には接着剤を介在させて回路基板とヒートシンクとを接着固定し、接着剤が熱を伝導させることによって、回路基板で発生した熱をヒートシンクに伝え、ヒートシンクが空気などの冷媒に曝されることにより放熱されていた。

あるいはまた、ネジなどの締結部材を用いて、回路基板とヒートシンクとの間にグリースを挟んで両者を固定するものもあった。この場合、グリースが熱を伝導させることによって回路基板で発生した熱をヒートシンクに伝えていた。

またインバータと電動機とを一体に構成したコンパクトな構成を有するインバータ一体型電動機において、インバータの下側に複数の放熱フィンを持った放熱板が固定され、かつ、電動機本体の両側面に放熱板の両側壁が固定されて、電動機本体とインバータとが一体になる構成を有することにより、一つの冷却ファンの駆動により、電動機やインバータを同時に冷却できるものもあった（特許文献１参照）。

特開平６−３０５４７号公報

従来の電気機器の冷却構造は以上のように構成されており、接着剤やグリース等の有機材料は、金属に比べると２桁程度熱伝導率が小さいため、回路基板とヒートシンクとの間における熱抵抗は大きなものとなっていた。

その結果、回路基板から冷媒空気に至るまでの熱抵抗を所望のものにするためには、ヒートシンクを大きなものにせざるを得ず、電気機器自体が大型化してしまうという問題点があった。

また、ヒートシンクに回路基板、あるいは回路基板を収納したケースを取り付ける際には、ねじなどの取り付け部品や取り付けるためのスペースが必要となってしまい、コストがかかってしまうという問題点もあった。さらには、電動機などでは巻線部の発熱が大きく、電動機に取り付けた回路基板に電動機本体から熱が伝わることにより、温度が上昇してしまうという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、回路基板の裏面側にヒートシンクなどの冷却部材を形成しなくても、高い放熱性能が実現できるとともに、低コスト化を図ることのできる電気機器の冷却構造を提供することを目的とするものである。

この発明に係る電気機器は、シャフトに一体的に取り付けられるとともに界磁巻線が巻回されているロータと、ロータに対向して配置されるとともに巻線が巻回されたステータと、ステータに取り付けられるとともに反負荷側に設けられたエンドブラケットと、制御回路が収納された制御回路ケースとエンドブラケットとの間に設けられるとともに界磁巻線及び巻線に流れる電流を調整するための回路基板及びパワー部とを設けたものであって、回路基板の裏面と制御回路ケースとの間に形成され、回路基板を冷却するための冷却風が通る冷却通路と、制御回路ケースに一体的に形成され、回路基板の裏面側において冷却風の乱流を促進して回路基板を冷却する突起を設けたものである。更に回路基板の裏面又はパワー部とエンドブラケットとの間に形成され、回路基板又はパワー部を冷却するための冷却風が通る冷却通路と、回路基板の裏面又はパワー部に対向する側であってエンドブラケットの表面に形成され、回路基板の裏面側又はパワー部において冷却風の乱流を促進して回路基板又はパワー部を冷却する突起とを設けたものである。

この発明に係る電気機器によれば、回路基板の裏面と制御回路ケースとの間に形成され、回路基板を冷却するための冷却風が通る冷却通路と、制御回路ケースに一体的に形成され、回路基板の裏面側において冷却風の乱流を促進して回路基板を冷却する突起を設けるようにし、あるいは回路基板の裏面又はパワー部とエンドブラケットとの間に形成され、回路基板又はパワー部を冷却するための冷却風が通る冷却通路と、回路基板の裏面又はパワー部に対向する側であってエンドブラケットの表面に形成され、回路基板の裏面側又はパワー部において冷却風の乱流を促進して回路基板又はパワー部を冷却する突起を設けたので、ヒートシンク等の冷却部材を固定するためのねじなどの固定部品や、冷却部材を固定するためのスペースをなくすことができる。更に回路基板又はパワー部と制御回路の間を電磁気的にシールドすることができ、スイッチングノイズが制御回路に及ぼす影響を軽減させることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電気機器の冷却構造を示す断面図である。図において、回路基板１はケース２内に収納されており、ケース２は、固定部材３に取り付けられて固定されている。

ケース２および固定部材３は、例えば耐熱性が優れているとともに、高い強度を有するエンジニアリングプラスティック等で形成されており、電気機器の機種に従って、射出成形により種々の形状に成形されるものである。

また、例えばアルミダイキャストによる成形によって、ケース２および固定部材３を種々の形状に加工することができる。ケース２および固定部材３は、エンジニアリングプラスティック等の射出成形とアルミダイキャスト成形の組合せで形成することもできる。さらにケース２および固定部材３には、内部を保護するためにカバー５が取り付けられている。

回路基板１の裏面と固定部材３との間には空間が設けられており、回路基板１を冷却するための冷却風が通る冷却通路６が形成されている。また、固定部材３の表面であって、回路基板１の裏面に対向する側には複数の突起７が形成されている。

突起７が設けられた冷却通路６に冷却風が流れると、複数の突起７によって冷却風が乱されて乱気流が発生する。流れが乱された冷却風は、対向して配置された回路基板１の裏面側に順次形成された温度境界層を乱すため、回路基板１に発生した熱がより多く冷却風に伝達されることになる。

したがって、回路基板１の裏面側にヒートシンクなどの冷却部材を形成しなくても、放熱性能を高めることができる。従来は、ヒートシンクを回路基板の裏面に固定するために接着剤を設ける必要があり、熱伝導率の小さい接着剤によって、回路基板で発生した熱が冷却風に伝わり難くなっていたが、本発明によれば、回路基板１の裏面に接着剤を塗布する必要がないので、放熱性能を向上させることができる。

更に冷却構造を構成する突起７が固定部材３側に一体的に形成されることによって、新たに冷却部材を取り付けるためのねじなどの取り付け部品や、冷却部材を固定するためのスペースが不要となり、装置全体を小型化できるとともに、低コスト化を図ることができるようになる。

固定部材３が、例えばエンジンなどの内燃機関、更にはモータまたは発電機などの回転電機に取り付けられるような場合には、内燃機関や回転電機は多くの熱を発生するため、内燃機関や回転電機が出力の大きな機器である場合に、ケース２に内蔵した回路基板１にこれらの機器から熱が伝わることによって、回路基板１の温度が上昇してしまうというおそれがある。

これに対して本発明においては、固定部材３側に冷却構造を構成する突起７を形成して、従来のように回路基板１側に熱伝導性の良い材料からなるヒートシンクを設置することがないため、上記機器から伝わる熱を低減することができ、内燃機関や回転電機のような熱を多く発生する電気機器に取り付けられる場合に特に有効となる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による電気機器の冷却構造を示す断面図である。図において固定部材３は、回路基板１とは別の回路基板４を収納するためのケースとしての役割も有している。

回路基板１には、発熱が大きい部品を選択的に搭載し、回路基板４には、比較的熱に弱い部品を選択的に搭載する。回路基板１は冷却構造によって積極的に冷却されるため、発熱が大きな部品でも大きく温度上昇することがなく、誤動作などが生じない。また、ケース２と固定部材３の間に熱伝導性の良い材料からなるヒートシンクを設置することがないため、回路基板１で発生する熱が、固定部材３を介して回路基板４に伝わることがないため、回路基板４に搭載された部品が熱による誤動作を生じない。

本実施形態において示した２つの回路基板１、４として、電力を制御するためのスイッチング素子から構成されるスイッチング回路と、これらスイッチング回路を制御するための制御回路を用いることができる。

図２におけるケース２内に収納された回路基板１にはスイッチング回路が構成され、このスイッチング回路は、冷却通路６及び突起７から構成される冷却構造によって冷却される。一方、突起７が形成されている固定部材３内に収納された回路基板４には制御回路が構成されている。

電力を制御するためのスイッチング回路は熱を多く発生させるため、冷却する必要があるのに対し、制御回路は熱に弱い部品が搭載されている場合が多い。そのような場合には、特にスイッチング回路と制御回路を分離して、別々のケースに収納する必要が生じることとなるが、図２に示したような構造では、スイッチング回路と制御回路は完全に隔離されており、熱的絶縁性能は高いため、スイッチング回路から発生した熱が制御回路に伝わり難くなり、制御回路の温度が上昇することはない。

また、従来のようにスイッチング回路の裏面にヒートシンクを接着固定する場合には、ヒートシンクがスイッチング素子の発熱によって高温になり、熱伝導性の高いヒートシンクから制御回路側に熱が伝達され、制御回路の温度が上昇してしまうという問題点があった。

これに対して本発明においては、固定部材３側に冷却通路６及び突起７から構成される冷却構造を形成しているので、冷却構造にはスイッチング回路から熱が伝わることが全くなく、制御回路に熱が伝わる心配がない。さらに、固定部材３を例えばエンジニアリングプラスティックなどの熱伝導率の小さい樹脂で製作することによって、熱的な絶縁性能をさらに向上させることができる。

また上記のようにスイッチング回路と制御回路を分離して、空間的に離れて設置させることにより、スイッチングノイズが制御回路に影響を及ぼすことをなくすこことができる。

固定部材３の一部分であって、回路基板１と回路基板４の間に位置する部分（例えば図２において、回路基板１の真下に位置するａで示される部分）をアルミニウムなどの金属で構成するようにすることもできる。これにより回路基板１と回路基板４の間を電磁気的にシールドすることができ、スイッチングノイズが制御回路に及ぼす影響を更に軽減させることができる。

図３はこの発明の実施の形態２による別の電気機器の冷却構造を示す断面図である。図３に示した構造では、回路基板１が存在せず、金属板からなる配線部材８がケース２内に内蔵されており、更に金属板からなる配線部材８に電子部品９が搭載されることにより、例えばスイッチング回路などの回路を構成しているものである。

配線部材８の裏面１０は、冷却通路６に露出しており、冷却風によって、熱伝導率が大きな配線部材８を介して電子部品９において発生した熱を効率よく放熱することができる。また図３に示した構造においては、電子部品９を搭載するための基板も不要になるため、更に低コスト化を図ることができる。
尚上記構成においては、固定部材３側に設けられた冷却構造として、突起７を設けた場合について説明したが、他の構成によっても冷却構造を形成するようにしてもよい。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による電気機器を示す断面図である。図４において示された電気機器は回転電機であり、ロータ２１がシャフト２７に一体的に取り付けられているとともに、ステータ２２がロータ２１に対向して配置されている。

またシャフト２７とともに回転するプーリ２０は図示しないベルト等を介して負荷とつながっており、反負荷側のエンドブラケット２３にはスイッチング素子２４等から構成されるパワー部２５が取り付けられ、パワー部２５におけるスイッチング素子２４を制御するための制御回路部２６がシャフト２７の反負荷側方向であって、パワー部２５の外側にある制御回路ケース２８内に収納されて取り付けられている。

パワー部２５におけるスイッチング素子２４は回転電機のステータ２２に巻回された巻線２２ａに入力される電流を調整するためのものである。また本実施形態においては、ロータ２１に界磁巻線２９が巻回されており、この界磁巻線２９はブラシ３０を介してレギュレータ回路部３６の回路基板３１に接続され、界磁巻線２９に流れる電流が調整される。

これらのパワー部２５ならびにレギュレータ回路部３６は、回転電機が電動機として動作する場合にはそのトルクを制御するとともに、発電機として動作する場合には出力電流を調整する。

レギュレータ回路からなる回路基板３１は、ケース３２内に収納されており、ケース３２は回転電機のエンドブラケット２３に固定される。ケース３２は、エンドブラケット２３に設けられた収納空間内に収納される。回路基板３１の裏面３１ａと制御回路ケース２８との間には空間が設けられており、回路基板３１を冷却するための冷却風が通る冷却通路３３が形成されている。

又複数の突起３４が、制御回路部２６を収納した制御回路ケース２８に一体的に形成されており、回路基板３１の裏面３１ａ側において冷却風の乱流を促進することにより対向して配置された回路基板３１を冷却する。冷却風は、ロータ２１に一体的に取り付けられたファン３５によって発生させることができ、これにより効率よく冷却することができる。

このように制御回路ケース２８に冷却構造を構成する突起３４を一体的に構成することによって、ヒートシンク等の冷却部材を固定するためのねじなどの固定部品や、冷却部材を固定するためのスペースをなくすことができる。

また、熱伝導率が小さい接着剤などを用いてヒートシンクを回路基板裏面に取り付けなくても、効率よく冷却することが可能となる。この場合の突起３４は、乱流を促進するためのものであって伝熱面を拡大させるものではないため、樹脂で形成しても良く、制御回路ケース２８がどのような素材で構成されていても形成することができる。

また、本実施の形態における冷却構造を構成する突起３４は、制御回路ケース２８に設けられているが、回路基板３１を収納するケース３２をブラシ３０を収納するブラシホルダ３７に固定すれば、ケース３２およびブラシホルダ３７をエンドブラケット２３と制御回路ケース２８の間の空間にコンパクトに収納することができる。ブラシは、接触抵抗による発熱が大きいが、本構成によれば、ブラシの熱がケースに伝わりにくくなるため、回路基板に伝わる熱を低減することができる。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による電気機器を示す断面図であり、本実施形態においても、実施の形態３と同様にこの電気機器は回転電機である。図５において、レギュレータ回路からなる回路基板３１は、ケース３２内に収納されており、ケース３２は回転電機のエンドブラケット２３に固定される。

エンドブラケット２３はアルミダイキャスト成形によって作製され、ケース３２は、エンドブラケット２３に設けられた収納空間内に収納される。回路基板３１の裏面３１ａとエンドブラケット２３との間には空間が設けられており、回路基板３１を冷却するための冷却風が通る冷却風路４１が形成されている。

また、回路基板３１の裏面３１ａに対向する側であって、エンドブラケット２３の表面には突起４２が形成されている。突起４２は回路基板３１の裏面３１ａ側において冷却風の乱流を促進することにより、対向して配置された回路基板３１を冷却する。

また、パワー部２５においても、レギュレータ回路部と同様に、エンドブラケット２３には、突起４３が一体的に形成されており、突起４２と同様に冷却風の乱流を促進することにより、対向して配置されたスイッチング素子を冷却する。これらの突起４２、４３をアルミダイキャスト成形によってエンドブラケット２３と一体的に成形することによって、コンパクトな冷却構造を設けることができ、更には固定のためのねじ等の部品が不要となる。

これらの回路を冷却するための冷却風は、ロータ２１に一体的に取り付けられたファン３５によって発生させることができ、これにより効率よく冷却することができる。

図５に示した構成においては、回転電機のエンドブラケット２３に突起４２，４３を設けたので、エンドブラケット２３から空気中に伝わる熱量を多くすることができ、回路基板を冷却するだけでなく、回転電機のコイル２２ａ、２９等が発熱することにより、エンドブラケット２３の温度が上昇することを抑制することができるので、エンドブラケット２３から回路基板に伝わる熱量も低減させることができる。

また従来であれば、回路基板の裏面側に熱伝導性の優れた金属により作成されたヒートシンクが取り付けられていたため、コイルからの発熱がエンドブラケットからヒートシンクを介して回路基板に到達し、回路基板上の電子部品の温度を上昇させていたが、図５に示した構成によれば、冷却構造を構成する突起４２，４３と回路基板は別々に構成されているため、コイル２２ａ、２９などの回転電機による発熱が、回路基板３１に到達しにくくなり、回路基板３１上に搭載された電子部品の温度を低くすることができる。

特に、ステータ２２に巻回された巻線２２ａの電流を制御するためのパワー部２５の回路は発熱が格段に大きいために、従来においては、大型化した冷却構造が回転電機の回転によって振動し、回路基板上の電子部品や接続部を破壊するおそれがあった。

これに対して本願発明においては、回路基板３１と冷却構造は別々に構成されているため、回路基板３１は冷却構造が振動しても、振らされることがなく、耐振性が向上する。なお、自動車用オルタネータは、搭載スペースを縮小させるとともに、衝突した際の安全性を向上させるため、装置全体をコンパクトに構成して、出力密度が大きくなる傾向にある。

従って、レギュレータ回路における損失の増大が顕著であり、装置全体をコンパクトに構成するとともに、放熱性を向上させることが必要となっている。従来と異なり本願発明においては、レギュレータ回路の基板裏面にヒートシンクを取り付けるための接着剤が不要となり、放熱性能を向上させることができる。

また本実施形態においても、図３に示した構成と同様、レギュレータ回路を収納するためのケースに内蔵された金属配線部材に直接電子部品を搭載することができる。これにより基板を省略することができるので、基板を固定するためのスペースが不要になるとともに、金属配線による伝熱性能が向上し、装置全体をコンパクトに構成することができるとともに、放熱性を向上させることができる。

また、上記実施形態で示したスイッチング素子に限らず、オルタネータに搭載される整流素子など冷却が必要な半導体素子に対しても上記と同様の冷却構造を採用することにより、装置全体をコンパクトに構成することができるとともに、放熱性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１による電気機器の冷却構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態２による電気機器の冷却構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態２による別の電気機器の冷却構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による電気機器を示す断面図である。 この発明の実施の形態４による電気機器を示す断面図である。

符号の説明

１ 回路基板、２ ケース、３ 固定部材、４ 回路基板、６ 冷却風路、７ 突起、２３ エンドブラケット。

Claims (3)

1. シャフトに一体的に取り付けられるとともに界磁巻線が巻回されているロータと、
   上記ロータに対向して配置されるとともに巻線が巻回されたステータと、
   上記ステータに取り付けられるとともに反負荷側に設けられたエンドブラケットと、
   制御回路が収納された制御回路ケースと上記エンドブラケットとの間に設けられるとともに上記界磁巻線に流れる電流を調整するための回路基板と、
   上記回路基板の裏面と上記制御回路ケースとの間に形成され、上記回路基板を冷却するための冷却風が通る冷却通路と、
   上記制御回路ケースに一体的に形成され、上記回路基板の裏面側において冷却風の乱流を促進して上記回路基板を冷却する突起とを設けたことを特徴とする電気機器。
2. シャフトに一体的に取り付けられるとともに界磁巻線が巻回されているロータと、
   上記ロータに対向して配置されるとともに巻線が巻回されたステータと、
   上記ステータに取り付けられるとともに反負荷側に設けられたエンドブラケットと、
   制御回路が収納された制御回路ケースと上記エンドブラケットとの間に設けられるとともに上記界磁巻線に流れる電流を調整するための回路基板と、
   上記回路基板の裏面と上記エンドブラケットとの間に形成され、上記回路基板を冷却するための冷却風が通る冷却通路と、
   上記回路基板の裏面に対向する側であって上記エンドブラケットの表面に形成され、上記回路基板の裏面側において冷却風の乱流を促進して上記回路基板を冷却する突起とを設けたことを特徴とする電気機器。
3. シャフトに一体的に取り付けられるとともに界磁巻線が巻回されているロータと、
   上記ロータに対向して配置されるとともに巻線が巻回されたステータと、
   上記ステータに取り付けられるとともに反負荷側に設けられたエンドブラケットと、
   制御回路が収納された制御回路ケースと上記エンドブラケットとの間に設けられるとともに上記巻線に流れる電流を調整するためのパワー部と、
   上記パワー部と上記エンドブラケットとの間に形成され、上記パワー部を冷却するための冷却風が通る冷却通路と、
   上記はパワー部に対向する側であって上記エンドブラケットの表面に形成され、上記パワー部において冷却風の乱流を促進して上記パワー部を冷却する突起とを設けたことを特徴とする電気機器。

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