JP2008187798A - 電力変換回路を内蔵したモータおよびそれを搭載した機器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電力変換回路では、プリント基板に放熱用の板金部品を必要とし、さらにプリント基板のＧＮＤ端子と半田付けを行う必要があるため、基板作成時の半田作業と別途半田作業が必要となり、加工費が多くかかる。また、プリント基板上のＩＣ位置は、金属製放熱板との位置関係を考慮する必要があり、実装位置に制約が出る。また、ＩＣとプリント基板がリフロー半田にて結合されるため、ＤＩＰ（フロー）もしくは手ハンダ付けに比べ半田の機械的強度が弱くなる。
【解決手段】パッケージ化された半導体モジュール（主回路ＩＣ２）をプリント基板１に表面実装して電力変換回路を構成し、前記電力変換回路が構成された電力変換回路基板をモータに内蔵する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールを用いて構成された電力変換回路基板を、内蔵したモータ、および前記モータを用いた機器に関するものである。

近年、集積回路（以下ＩＣと略す）を封止するパッケージは小型化が進み、表面実装に対応するパッケージも多く使われるようになった。特にモータ内部に実装されるＩＣは小型化の要求から前記の表面実装対応のパッケージが使われる例が増えている。しかしモータで使われるＩＣは比較的大きな許容消費電力が要求されるため実装に工夫が必要であった。そのため例えば、ＩＣをプリント基板の端部に配置するとともに、ＩＣの放熱用リードフレーム付近のプリント基板を切り欠き、その切り欠き部においてプリント基板の裏側にある放熱板を折り曲げてＩＣの放熱用リードフレームの半田付け面と略等しい高さの面を作り、放熱用リードフレームを放熱板に半田付けする構成としたモータ用集積回路の放熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、かかる表面実装ＩＣはリフロー半田により、プリント基板に実装されることが前提となっている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−２５９６６６号公報（第２−第３頁、図１） 特開２００５−３３３０９９号公報（第３−４頁、図１、図２）

特許文献１に示される従来の電力変換回路では、プリント基板に放熱用の板金部品を必要とし、さらにプリント基板のＧＮＤ端子と半田付けを行う必要があるため、基板作成時の半田作業と別途半田作業が必要となり、加工費が多くかかる。
また、プリント基板上のＩＣ位置は、金属製放熱板との位置関係を考慮する必要があり、実装位置に制約が出て、表面実装ＩＣ化による電力変換回路基板や、その電力変換回路基板を具備するモータおよびそのモータを搭載した機器の小型化の効果が充分得られていなかった。

また、特許文献２に示される従来の電力変換回路においては、ＩＣとプリント基板がリフロー半田にて結合されるため、ＤＩＰ（フロー）もしくは手ハンダ付けに比べ半田の機械的強度が弱くなる。電力変換回路基板上のパワー部品の場合、マイコン等のデバイスに比べ発熱量が大きく、ＩＣの周囲の温度上昇は大きくなり、半田部の歪も大きくなる。半田強度の低下と半田部の歪の増加により、ＩＣリード部周辺の熱収縮による半田部の電気的接合寿命が、電力変換回路基板の寿命となる。したがって、半田強度の低下と半田部の歪の増加に対する対策が、電力変換回路基板や、モータおよびそれを搭載した機器の寿命に直結する重要な課題となる。

また、半導体チップがリード面に対し反プリント基板側にくるため、ＩＣ上のチップが熱破壊等を起こした場合、樹脂モールドの薄い表面実装（フラット）パッケージでは、チップの破壊エネルギーでＩＣパッケージが破壊し、ＩＣの反プリント基板側に発煙が発生する。特に高圧のパワー部品の場合、このことが顕著になり、金属ケース等を用い、電力変換回路基板全体を覆う必要があり、電力変換回路基板を搭載した機器としては、トータルのコストがアップすることになる。

また、表面実装ＩＣはパッケージサイズが小さくなるため、同一の発熱量に対し放熱をしない場合、素子の温度上昇が大きくなり、電力変換回路としての運転範囲が狭くなる。金属の放熱フィンを用いることで素子の温度を下げようとすれば、高圧のリードと、放熱フィンの絶縁距離が必要となり、そのためには、パッケージの厚みを厚くする必要があり、表面実装ＩＣの小型化といった特徴に反する。また放熱フィンの取り付けには通常ねじ締め等の作業を必要とし、加工費のためのコストを上昇させることになる。さらにＩＣのパッケージ上にねじ締め用の穴が必要となり、さらにパッケージサイズを大きくする。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、表面実装ＩＣの適用による小型化・加工費低減等の効果を維持しつつ、電力変換回路基板およびそれを内蔵したモータおよびそれを搭載した機器の小型化、安全性・信頼性の向上、トータルコストの削減および、そのモータを搭載した機器の性能向上を目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係るモータは、パッケージ化された半導体モジュールをプリント基板に表面実装して電力変換回路を構成し、前記電力変換回路が構成された電力変換回路基板を内蔵したことを特徴とするものである。

本発明は、前記のように構成したので、電力変換回路基板の小型化・加工費低減等が可能となり、モータの小型化、安全性・信頼性の向上、トータルコストの削減を図ることが可能となる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータのロータおよびブラケットを除く側面断面図（上図）および上面透視図（下図）である。
図１において、１はモータを駆動するための電力変換回路を実装したプリント基板（電力変換回路基板ともいう）である。この電力変換回路は、前記特許文献２に示されるように、少なくとも1つ以上のスイッチング素子と、該スイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオードからなる半導体回路部とを有する半導体モジュールをプリント基板にリフロー半田により表面実装することにより構成される。また、半導体モジュールを、少なくとも1つ以上のスイッチング素子と、該スイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオードと、交流電源を整流するダイオード整流回路と、半導体モジュールの温度を検出する温度検出手段とを有する構成としてもよい。

２は前記電力変換回路のうちモータのステータコアの巻き線に電圧を印加する電圧型インバータの主回路を内蔵する主回路ＩＣ、３はステータコアに巻き線を巻いて構成されるモータのステータ、４はステータ３および電力変換回路を実装したプリント基板（電力変換回路基板）１を機械的に結合しかつベアリングハウジング９を構成するモールド樹脂、５はステータ３の巻き線と電力変換回路基板１を、半田付けを用いて電気的に結合するためのモータ端子である。６はロータの回転速度もしくは回転位置をロータが発生する磁束密度変化により検出するホールＩＣ、７は電力変換回路基板１とモータ外部の回路とを電気的に結合するためのモータ外部接続リードである。８はロータ貫通用の穴で、ここに下から主軸とベアリングとを組み合わされたロータがはまり、ベアリングハウジング９とベアリングを嵌合させ、なおかつ金属ブラケットをモールド樹脂４による構造体に嵌合させることでモータを構成する（図示せず）。

このように、プリント基板１を本来モールドが必要なステータ３と電気的に接続したのち一体にモールドすることで、電力変換回路を実装したプリント基板１に対し、新たにモールドのための加工時間を追加することなく、モールド樹脂４でモールドすることができる。これにより、発熱量が大きくパッケージが小さい表面実装形態である主回路ＩＣ２の周囲が、空気に比べ熱伝導率が高いモールド樹脂４で充填され、表面実装ＩＣの課題である放熱の問題が加工費の増加を伴うことなく解決される。また、主回路ＩＣ２の内部もしくは周囲に温度検出素子を実装すれば、モールド樹脂４により内部のＩＣチップと周辺の熱抵抗は非モールドにくらべ著しく小さく、温度検出の精度が高まり、ＩＣチップの熱限界の直前までモータの運転が可能となる。特に空調機では立ち上がりの熱交換性能が高いほど快適性があがるので、同一素子を用い最大限の出力が得られるモータは非常に有用である。

１０は主回路ＩＣ２の端子部にモールド成型前に塗布される応力緩和樹脂で、塗布によりＩＣの端子部に硬いモールド樹脂４の進入を防ぎ、モールド後、モータおよび電力変換回路の損失等に起因する熱応力により、主回路ＩＣ２の端子および半田部に応力が発生したときに、端子の変形を許容し、半田部の歪を緩和する。

また、ＩＣ端子応力緩和樹脂１０に、耐水性の高いシリコン樹脂等を用いると、モータ外部接続リード７とモールド樹脂４との隙間から、モールド樹脂４と電力変換回路基板１の界面を伝わり、進入する水分に起因して発生する主回路ＩＣ２の、高圧端子周辺の絶縁劣化防止の効果も得られ、モータおよび機器の安全性・信頼性向上の効果が得られる。これは高圧化により、回路損失・モータ損失を低減することで、機器全体の損失を低減している空調機の室内外の送風機用モータで効果が大きい。特に直接風雨にさらされる室外機の送風用モータで効果が大きい。

１５は主回路ＩＣ２の高圧電力端子であり、１６は主回路ＩＣ２の低圧電力端子である。主回路ＩＣ２の高圧電力端子１５のうちモータとの接続端子は、プリント基板１上の配線量が少なくなるように、主回路ＩＣ２から、モータ端子５の側にアサインされている。また主回路ＩＣ２の高圧電力端子１５のうち高圧直流入力端子１５ａは、モータ外部接続リード７の高圧配線近傍に配置され、同じくプリント基板１上の配線量が少なくなるように配置されている。

前記のような配置とすることで、絶縁距離が必要で、なおかつパターン幅が必要な高圧電力配線を、最小となるような配置とすることができ、その結果、主回路ＩＣ２の下や、プリント基板１の裏側にその他の配線を引き回すことができ、有効にプリント基板を使うことができる。これにより、図１に示すようにプリント基板１は、円形であるステータ３断面の１／２以下の面積の、半月形状とすることができる。これまでの表面実装ＩＣを用いない電力変換回路基板では、ＩＣの実装面積および高圧配線に多くの面積が必要なため、ステータの断面積と同等の円形の基板となり、角形状の基板基材の形状に対し材料取りが悪かった。さらに中心にベアリングを通すための直径２０ｍｍ以上の穴が必要なため、その部分はプリント基板基材を捨ててまったく使用できないため、著しく材料取りが悪かった。

本実施の形態では、前記のようにプリント基板１をステータ３断面の１／２以下の面積をもつ形状とすることができるので、たとえば、５０Ｗクラスのモータでは従来基板の取り数が１４４回路／ｍ²であったものが５０４回路／ｍ²と、３．５倍になり、プリント基板の材料費を２／７に低減することができる。

課題のところで述べたように、主回路ＩＣ２の端子をリフロー半田でプリント基板１に半田付けを行った場合、加工費の低減や、半田のブリッジ・半田の不濡れ防止等の信頼性向上は可能であるが、フロー半田や手半田を行う場合と比べ一般的に半田強度が落ちる。
本実施の形態では、主回路ＩＣ２の端子部に応力緩和樹脂１０を塗布したのち、モールド樹脂４でモールドするため、ベアリングハウジング等の強度を要求される部分に使用される硬いモールド樹脂４で、主回路ＩＣ２およびプリント基板１は固定されるが、主回路ＩＣ２の端子は、低応力のＩＣ端子応力緩和樹脂１０で覆われていることで拘束されることなく変形可能なため、熱によるモータ内の各部品の収縮差に起因する端子半田部の歪の量を、モールド樹脂４により端子が固定され変形できない場合に比べ低減することができる。さらにモールド樹脂４の線膨張係数を他のモータの内蔵部品と近いものを選定することでも、半田の歪量を低減することができる。なお、前記のように自己発熱が大きな主回路ＩＣ２の端子に応力緩和の措置をとったが、ステータ３の発熱が大きく、電力変換回路基板１全体にその影響がおよぶ場合は、ホールＩＣ６やその他の表面実装部品にもＩＣ端子応力緩和樹脂１０をＩＣ足部もしくはＩＣ全体に塗布しても良い。

図２は、図１の主回路ＩＣの側面断面図である。図２において、１１はＩＣの半導体チップで内部にスイッチング素子、前記スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードからなる半導体回路部を備えている。１２はＩＣパッケージで、ＩＣの材料をモールドすることで構造体を形成している。１３は金属製のリードフレームで、ＩＣチップ１１をダイボンディングにより結合し、さらに折り曲げにより表面実装が可能な外部接続端子（高圧電力端子１５および低圧電力端子１６）を形成する。１４はボンディングワイヤで、ＩＣチップ１１とリードフレーム１３のうち外部接続端子を形成するリードフレームと電気的接合をとる。前記ボンディングワイヤ１４には一般的にアルミや金が使われ、接合は通常超音波溶接が用いられる。

図２に示すように、半導体ＩＣチップ１１を、金属製のリードフレーム１３よりプリント基板側に配置したため、ＩＣチップ１１が熱破壊した場合、金属製のリードフレーム１３がバリアとなり、ＩＣパッケージ１２はプリント基板側に破壊する。これにより、図１の断面図で示される主回路ＩＣ２の下側に破壊、発煙が発生するが、モータにおいてモールドの厚い方向に発生するため、モールドを突き破り発煙がモータの外部に一度に流出することはない。

通常モータの厚さを薄くして機器を小型化したい場合、主回路ＩＣ２上部のモールド樹脂４は薄くならざるを得ず、さらに使用者と機器が同一室内に存在し、故障時の発煙が使用者の不安につながる空調機の室内送風機用モータで特に効果が大きい。ＩＣチップ１１の破壊エネルギーは電圧の二乗に比例するため、１５Ｖ系電源で使用するＩＣに比べ、１４０Ｖ系電源では約１００倍、２８０Ｖ系の約４００倍の破壊エネルギーとなり、高圧系の電力変換回路を用いたモータにおいて、図１、図２の構造は非常に有効である。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２におけるモータのロータおよびブラケットを除く側面断面図（上図）および上面透視図（下図）で、図４は図３の主回路ＩＣの側面断面図である。なお、本実施の形態２以降において、特に断らない限り、実施の形態１と同一または相当部品は同一符号を付して説明は省略する。
本実施の形態は、基本的に実施の形態１と同様の構成である。実施の形態１と相違する点は、電力変換回路を実装したプリント基板（電力変換回路基板）１とモータのステータ３とを一体にモールドするモールド樹脂４が図３に示すように、主回路ＩＣ２の上部において周辺より厚く形成されていることと、主回路ＩＣ２のＩＣチップ１１が図４に示すように、金属製のリードフレーム１３より、反プリント基板側に配置されていることである。

課題のところで述べたように、主回路ＩＣ２の端子をリフロー半田でプリント基板１に半田付けを行った場合、加工費の低減や、半田のブリッジ・半田の不濡れ防止等の信頼性向上は可能であるが、フロー半田や手半田を行う場合と比べ一般的に半田強度が落ちる。
本実施の形態では、モールド樹脂４の線膨張係数を他のモータ内蔵部品と近いものを選定することにより、半田の歪量を低減し、電力変換回路基板の寿命を向上することができる。なお、図１に示すように主回路ＩＣ２の端子部に応力緩和樹脂１０をモールド前に塗布する構造としてもよい。

また、図４に示すように半導体ＩＣチップ１１を、金属製のリードフレーム１３より反プリント基板側に配置したため、ＩＣチップ１１が熱破壊した場合、金属製のリードフレーム１３がバリアとなり、ＩＣパッケージ１２は反プリント基板側に破壊する。これにより、図３の断面図で示される主回路ＩＣ２の上側に破壊、発煙が発生するが、モータにおいて主回路ＩＣ２の上部のモールド樹脂４を周辺より厚くすることで強度を高めているため、モールド樹脂を突き破り発煙がモータの外部に一度に流出することはない。

また、図４に示される内部構造の主回路ＩＣ２は規格化され大量生産に適しているため、実施の形態１に示したＩＣ構造のものが安価に手に入らない場合、本実施の形態の主回路ＩＣ２を用いれば多少モータの形状は大きくなるが、モールド樹脂成型時の金型形状の変更のみで追加の加工費の増加を伴わないので、安価にＩＣチップの破壊時の発煙対策ができる。通常モータの厚さを薄くする必要のない空調機の室外送風機用モータで特に効果が大きい。ＩＣチップ１１の破壊エネルギーは電圧の二乗に比例するため、１５Ｖ系電源で使用するＩＣに比べ、１４０Ｖ系電源では約１００倍、２８０Ｖ系の約４００倍の破壊エネルギーとなり、高圧系の電力変換回路を用いたモータにおいて、図３、図４の構造も非常に有効である。
その他の効果は実施の形態１と同じである。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３におけるモータのロータおよびブラケットを除く側面断面図（上図）および上面透視図（下図）である。
本実施の形態の場合も、基本的に実施の形態１と同様の構成である。実施の形態１と相違する点は、主回路ＩＣ２の上側に、電力変換回路を実装したプリント基板（電力変換回路基板）１とモータのステータ３とを一体にモールドするモールド樹脂４に金属板２０を埋め込み配置する構成としたことである。この金属板２０は、主回路ＩＣ２の金属バリア兼ヒートスプレッダとして機能するものである。この場合、主回路ＩＣ２には主に図４に示したものが用いられる。

本実施の形態では、主回路ＩＣ２の上側に金属板２０をモールド樹脂４と一体に埋め込み配置する構成としたので、主回路ＩＣ２のＩＣチップが熱破壊したとき、金属板２０がバリアとなるため、これまでの実施の形態で述べてきた発煙対策の効果をさらに高めることができる。また、金属板２０が主回路ＩＣ２のＩＣチップのヒートスプレッダとして作用するため、主回路ＩＣ２周辺の熱容量のアップ、および熱伝導率の向上をはかることができ、電力変換回路の過渡熱耐力を向上することができる。このことは、モータとしては高温時の加速力が向上することとなる。本実施の形態のモータを空気調和機の送風機用に搭載した場合、冷房時の立ち上がり風量をかせぐことができ、使用者の快適性を向上させることができる。また高温の水がモータ内を流れ、高温状態での運転耐力が要求される、給湯器用の循環ポンプに適用した場合にも、効果が大きい。

なお、主回路ＩＣ２の内部構造が図４の場合について述べたが、図２のものを用いた場合はＩＣ上部の熱抵抗が小さいため、金属板２０との熱抵抗が小さくなり、さらに電力変換回路の過渡熱耐力は図４の場合に比べ向上する。
その他の効果は、実施の形態１、２の効果と同じである。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４におけるモータのロータおよびブラケットを除く側面断面図（上図）および上面透視図（下図）である。
本実施の形態の場合も、基本的に実施の形態１と同様の構成である。実施の形態１と相違する点は、Ｌ形状の外部放熱用金属板２１を主回路ＩＣ２の上部を覆うように配置する構成としたことである。この外部放熱用金属板２１は、電力変換回路を実装したプリント基板（電力変換回路基板）１とステータ３とをモールド樹脂４で成型しモータ完成後、モータのケーシング内に取り付けられる。なお、外部放熱用金属板２１の主回路ＩＣ２上側部分は放熱をよくするために部分的に厚く形成されている。したがって、モールド樹脂４にはこの外部放熱用金属板２１の肉厚部分がはまる凹部２１ａが形成されている。また、図６の下図では示していないが、外部放熱用金属板２１は主回路ＩＣ２の部分を覆うようにモータケーシング内に取り付けられている。

本実施の形態では、外部放熱用金属板２１を主回路ＩＣ２の上部を覆うように配置し、モータに接触させることにより、主回路ＩＣ２周辺の熱容量のアップおよび熱伝導率の向上をはかることができ、電力変換回路の過渡熱耐力を向上することができる。モータとしては高温時の加速力が向上し、本実施の形態のモータを空気調和機の送風機用に実装した場合、冷房時の立ち上がり風量をかせぐことができ、快適性能を向上させることができる。また高温の水がモータ内を流れ、高温状態での運転耐力が要求される、給湯器用の循環ポンプに適用した場合にも、効果が大きい。また、外部放熱用金属板２１は主回路ＩＣ２のスイッチングにより発生する放射ノイズの遮蔽板としての効果も得られ、一つの部品で二つの機能が得られ、機器全体を低コスト化できる。

課題のところで述べたように、表面実装ＩＣはパッケージサイズが小さくなるため、同一の発熱量に対し放熱をしない場合、素子の温度上昇が大きくなり、電力変換回路としての運転範囲が狭くなる。金属の放熱フィンを用いることで素子の温度を下げようとすれば、ＩＣの高圧端子と放熱フィンの絶縁距離が必要となり、そのためには、パッケージの厚みを厚くする必要がある。さらに放熱フィン取り付け用のねじ穴も設ける必要があり、さらにパッケージが大きくなる。このことは表面実装ＩＣの小型化といった特徴に反する。これに対し本実施の形態では、主回路ＩＣ２をモールド樹脂４でＩＣの端子の周囲を絶縁していることで、ＩＣの表面実装化による、回路・モータ・機器の小型化の効果を得つつ、外部放熱用金属の適用を可能ならしめている。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５における換気扇およびモータの側面断面図である。図７において、１はモータを駆動するための電力変換回路を実装したプリント基板（電力変換回路基板）である。２は電力変換回路のうちモータのステータまき線に電圧を印加する電圧型インバータの主回路を内蔵する主回路ＩＣである。主回路ＩＣ２の内部構造は、図４のものを用いる。３はステータコアに巻き線を巻いて構成されるモータのステータ、４はステータ３を絶縁するモールド樹脂で、ステータ３と一体にモールドされる。５はステータ３の巻き線と電力変換回路基板１を半田付けを用いて電気的に結合するためのモータ端子である。６はロータの回転速度もしくは回転位置をロータが発生する磁束密度変化により検出するホールＩＣである。２２は換気扇の金属筐体、２３は換気扇を取り付けている天井壁、２４は換気扇グリル、２５はシロッコファン、２６はモータシャフト、２９はロータである。２７はモータの金属製ケーシングで、ベアリングハウジング９の機能をも有する。２８はコンバータ（図示せず）が商用電源のＡＣ１００Ｖを整流し得られた、直流電圧を平滑化するための電解コンデンサである。この電解コンデンサ２８は、モールド樹脂４の成型圧力および温度に耐えられないので、前記電解コンデンサ２８を実装した電力変換回路基板１をステータ３と同時にモールドすることは難しい。
本実施の形態では、図７に示されるように、電力変換回路基板１はモールド樹脂４でモールドされないため、電解コンデンサ２８を実装した電力変換回路基板１を、モータに内蔵することが可能である。

実施の形態１〜４では表面実装ＩＣを適用した電力変換回路基板１をモータに内蔵することで従来の電力変換回路基板に対し基板基材の材料取りを高めたが、本実施の形態では、表面実装主回路ＩＣを適用した電力変換回路基板１をモータに内蔵することで縮減したインバータ回路面積分のスペースにコンバータ回路を実装し、インバータコンバータ双方の電力変換回路を一枚の基板内に収めモータに内蔵するものである。このことで商用ＡＣ電源をダイレクトに入力でき、高効率を維持したまま可変速運転が可能なモータが得られる。

図７で電力変換回路基板１上の、ステータ側の面に主回路ＩＣ２を配置し、モールド樹脂４は主回路ＩＣ２およびホールＩＣ６の位置でそれらと嵌合するようにくぼみを持っている。主回路ＩＣ２とモールド樹脂４が接触することにより熱的結合をもつことで、発熱量が大きくパッケージが小さい表面実装形状の主回路ＩＣ２の周囲に空気に比べ熱伝導率が高いモールド樹脂に放熱でき、表面実装ＩＣの課題である放熱の問題が加工費の増加を伴うことなく解決される。また金属放熱板を用いず放熱するため、表面実装ＩＣ化で小型化したパッケージの放熱面と高圧端子の絶縁距離低下の課題に対する効果がある。特にＩＣが高圧化するほど、ＩＣパッケージの小型化の効果を犠牲にしないで、小型の電力変換回路基板ならびにそれを内蔵するモータを得ることができる。

また接触面どうしの平面度が十分確保できない場合は接触面にグリス（図示せず）を塗ることで熱抵抗を下げることができる。また表面実装部品をプリント基板の一面に集めたことで、一回の半田付けで電力変換回路基板を製作できるので、加工費の低減および、基材単価の安価な紙基板や、片面基板を用いることができさらにコストを低減できる。

先に述べたように本実施の形態では、電力変換回路基板１はモールド樹脂４でモールドされないため、各ＩＣの端子にモールド樹脂４が付着しないので、ＩＣの金属端子の変形が自由にできるため、半田部の歪が低減される。またステータ側への放熱が行われることでＩＣの温度上昇が緩和され、半田部への歪が緩和される、寿命の長い電力変換回路、モータおよび換気扇が得られる。

図７で金属製ケーシング２７は、電力変換回路基板１とステータ３とが電気的に結合されたのち、モールド樹脂４と嵌合させモータに取り付けられる。この金属製ケーシング２７および換気扇筐体２２により不燃材である金属によりエンクローズされ、電力変換回路の発煙に対しバリアとなる。また換気扇は天井に取り付けられ、モータ周辺は使用者から見えない機器であるため、見えない部分がすべて金属でエンクローズされていることで、使用者の安心感が増す。

また金属製ケーシング２７はおよび換気扇金属筐体２２は、主回路ＩＣ２のスイッチングにより発生する放射ノイズの遮蔽板としての効果も得られる。発生放射ノイズはスイッチの時間当たりの電圧変動スピードｄＶ／ｄｔや、電流変動スピードにｄｉ／ｄｔに依存し、それらに比例するため、同一のスイッチ時間の主回路素子を用いた場合、１５Ｖ電源を使用する場合に比べ、１４０Ｖ系電源では約１０倍、２８０Ｖ系の約２０倍の放射エネルギーとなり、高圧の電力変換回路において、図７の構造は特に顕著である。

課題のところで述べた、表面実装ＩＣはパッケージサイズが小さくなるため、同一の発熱量に対し放熱をしない場合、素子の温度上昇が大きくなり、電力変換回路としての運転範囲が狭くなる。金属の放熱フィンを用いることで素子の温度を下げようとすれば、高圧端子と、放熱フィンの絶縁距離が必要となり、そのためには、パッケージの厚みを厚くする必要があり、表面実装ＩＣの小型化といった特徴に反する。本実施の形態では主回路ＩＣ２の高圧端子をモールド樹脂４で絶縁していることで、ＩＣの表面実装化による、小型化の効果を得つつ放熱効果を高めることができる。

コンバータも含めたすべての電力変換回路基板１をモータに内蔵し、金属製ケーシング２７に不燃バリアと、放射ノイズに対するシールドおよびベアリングハウジングの３つの機能をもたせることで、モータおよび機器全体材料使用効率を高め、低コスト化できる。

本実施の形態では、仮にケーシングが金属でない場合でも、主回路ＩＣ２の熱破壊時の、発煙の課題は、プリント基板１もしくはモールド樹脂４がバリアとなり、その効果が得られる。

なお、本実施の形態のモータに代えて、実施の形態１〜４に示したように電力変換回路基板１とステータ３とを一体にモールドして構成した構造体を金属製ケーシングに内蔵したモータを使用することもできる。

本発明の実施の形態１におけるモータのロータおよびブラケットを除く側面断面図（上図）および上面透視図（下図）である。 図１の主回路ＩＣの側面断面図である。 本発明の実施の形態２におけるモータのロータおよびブラケットを除く側面断面図（上図）および上面透視図（下図）である。 図３の主回路ＩＣの側面断面図である。 本発明の実施の形態３におけるモータのロータおよびブラケットを除く側面断面図（上図）および上面透視図（下図）である。 本発明の実施の形態４におけるモータのロータおよびブラケットを除く側面断面図（上図）および上面透視図（下図）である。 本発明の実施の形態５における換気扇およびモータの側面断面図である。

符号の説明

１ プリント基板（電力変換回路基板）、２ 主回路ＩＣ、３ ステータ、４ モールド樹脂、５ モータ端子、６ ホールＩＣ、７ モータ外部接続リード、８ ロータ貫通穴、９ ベアリングハウジング、１０ ＩＣ端子応力緩和樹脂、１１ ＩＣチップ、１２ ＩＣパッケージ、１３ リードフレーム、１４ ボンディングワイヤ、１５ 高圧電力端子、１６ 低圧電力端子、２０ 金属板、２１ 外部放熱用金属板、２２ 換気扇金属筐体、２３ 天井壁、２４ 換気扇グリル、２５ シロッコファン、２６ モータシャフト、２７ 金属製ケーシング、２８ 電解コンデンサ、２９ ロータ。

Claims (17)

1. パッケージ化された半導体モジュールをプリント基板に表面実装して電力変換回路を構成し、前記電力変換回路が構成された電力変換回路基板を内蔵したことを特徴とするモータ。
2. パッケージ化された半導体モジュールをプリント基板に表面実装して電力変換回路を構成し、前記電力変換回路が構成された電力変換回路基板をステータと電気的に接続したのち一体にモールドしたことを特徴とするモータ。
3. 前記モールド前に、前記半導体モジュールの端子部もしくはＩＣ全体に事前に端子応力緩和樹脂を塗布したことを特徴とする請求項２記載のモータ。
4. 前記半導体モジュールは金属製のリードフレームを備え、前記半導体モジュール内の半導体チップを、前記リードフレームよりプリント基板側に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のモータ。
5. 前記半導体モジュールを、前記プリント基板上のステータ側と反対側の面に配置し、前記半導体モジュール上のモールド樹脂の肉厚を周辺より薄くし、その薄い部分からモータ外部に放熱することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のモータ。
6. 前記半導体モジュールを、前記プリント基板上のステータ側と反対側の面に配置し、前記半導体モジュール上のモールド樹脂の肉厚を周辺より厚くしたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のモータ。
7. 前記半導体モジュールを、前記プリント基板上のステータ側と反対側の面に配置し、前記半導体モジュール上のモールド樹脂に金属板を配置したことを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載のモータ。
8. 前記半導体モジュールを、前記プリント基板のステータ側の面に配置したことを特徴とする請求項1〜３のいずれかに記載のモータ。
9. 前記半導体モジュールは、少なくとも１つ以上のスイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードからなる半導体回路部とを備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のモータ。
10. 前記半導体モジュールは、少なくとも１つ以上のスイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオードと、交流電源を整流するダイオード整流回路と、前記半導体モジュールの温度を検出する温度検出手段とから構成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のモータ。
11. 前記半導体モジュール以外の構成素子も、前記プリント基板に表面実装されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のモータ。
12. 前記プリント基板は、ステータの断面積の１／２より小さいことを特徴とする請求項1〜１１のいずれかに記載のモータ。
13. 前記プリント基板にはコンバータ回路を含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のモータ。
14. 前記電力変換回路基板とステータとを一体にモールドして構成された構造体を金属製ケーシングに内蔵し、前記金属板を前記金属製ケーシングに取り付けたことを特徴とする請求項７、９〜１３のいずれかに記載のモータ。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載のモータを搭載したことを特徴とする空気調和機。
16. 請求項１〜１４のいずれかに記載のモータを搭載したことを特徴とする換気扇。
17. 請求項１〜１４のいずれかに記載のモータを搭載したことを特徴とするポンプ。

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