JP2014096915A - 自動車用電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の特許文献にはモータの相電流を切り離すための構成が提案されているが、モータ内部での相短絡に対する対策が考慮されていないため、ステアリングアシストが出来なくなるだけではなく相短絡電流によるブレーキトルクの発生を除外できない。

【解決手段】 上記課題を解決するために、本発明では、機電一体型に適した制御回路の小型化を実現するためにインバータは１個とし、モータ内部に独立した２個の３相巻線からなるモータを構成し、それぞれの独立した３相巻線の中性点にモータリレーを配置したものである。

【選択図】 図８

Description

本発明は、電動パワーステアリングモータに用いられる中性点スイッチの接続構成に関するものである。

本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。この公報には、１つのモータに巻数違いの２系統の巻線と２つの独立したインバータで駆動する構造において、３相巻線の入力側に２系統の独立した６個のリレーが配置されている。また、特許文献２がある。この公報には、巻数の同じ２系統の巻線と２個のインバータから構成され、３相巻線の入力側に６個の独立したリレーが配置されたものが開示されている。また、特許文献３には、特許文献２と同等な構成において、１つのティースに第一系統の巻線と第二系統の巻線が具備されたものが開示されている。

特開2012-90383号公報 特開2011-45212号公報 特開2003-40123号公報

上記、特許文献には全て２つの独立した３相インバータから構成されており、またモータリレーはモータの入力側に配置したものである。そのために、インバータを２セット配置しなければならないため制御回路部が大きくなり機電一体型の電動パワーステアリングモータには採用し難い。また、モータリレーがモータの３相巻線の入力側に配置されているため、モータ内部での相短絡が発生した場合には、モータリレーを切り離してもモータ内部で短絡回路が出来てしまい、運転者がステアリングを動作させた場合、モータ内部での短絡電流によりステアリング動作が重くなり、運転者に違和感を与える可能性がある。

上記課題を解決するために、本発明では、モータ内部で結線された３相巻線を複数の３相巻線グループに分け、各グループを独立した３相巻線として機能するように３相巻線の結線を切断する切換手段を配置する。

本発明では、いずれかのグループで相短絡が発生した場合であっても、不具合の起きた巻線グループを切換手段で切り離すことができるので、残った正常な巻線グループを使って継続して動作が可能となる。

機電一体型電動パワーステアリングモータの斜視図 モータ部のみの斜視図 モータ部の軸方向断面図 ８極-１２スロット構造の相配置の説明図 ８極-１２スロット構造でモータリレーを中性点に配置した回路構成図 ８極-１２スロットと１０極-１２スロットの相配置説明図 ８極-１２スロットのモータ構成図 １０極-１２スロットのモータ構成図 モータの相短絡検出構造の一例の説明図 相短絡検出の状況を説明する説明図 相短絡を検出するまでのフローチャート 相短絡検出のための他の検出手段を示した構成図 相短絡発生時のタイミングチャート 三角結線としたときのモータ構成図

以下、実施例を図面１から図面１４を用いて説明する。

本実施例では、電動パワーステアリングモータのモータと制御部が一体構造で構成される機電一体型電動パワーステアリング（ＥＰＳと略す）モータ構造について説明する。

本実施例のモータはU相とV相とW相とからなる複数のコイルを結線して一つの３相巻線を構成する電動アクチュエータであり、３相巻線は、U相とV相とW相とを結線した複数の巻線グループを並列に接続された回路から成る。

巻線グループの各相の巻線同士が接続される接続部には、各巻線グループを独立して他の巻線グループから切断できる切換手段を有している。その切換手段によって、ある巻線グループを他の巻線グループから切断しても、残った巻線グループは並列接続が維持されるので、残った巻線グループで一つの３相巻線を構成する。

このような構成を採用することで、複数の巻線グループのいずれかに不具合が生じた場合であっても、不具合の生じた巻線グループを独立して他の巻線グループから切り離すことができるので、残った巻線グループで引続き動作を継続することができる。

図１は、本実施例の電動パワーステアリングモータの構造をより具体的に説明する実施例の一例である。機電一体EPSモータ１はモータ部１００と制御部２００から構成されている。制御部２００にはコネクタ２０１が設けられており電源が供給されるようになっている。制御部２００にはモータを駆動するためのインバータや制御基板が実装されている。モータ部１００は、制御部２００から３相の駆動電源が供給される構造となっている。
図示しないが、モータ部１００の右側にはモータのトルクを出力できる出力軸が設けられている。

図２を用いてモータ部１００の構造について詳しく説明する。図２は先に説明した図１の制御部２００を取り除いた構造を示したものである。モータ部１００はアルミハウジング１７の内部に、モータを構成するためのステータ、ロータ、コイルから構成されている（図示せず）。制御部２００との電気的な接続点は３相巻線に接続されるＵ相端子１３ｕ、Ｖ相端子１３ｖ、Ｗ相端子１３ｗとリレー駆動用の電源端子１６である。リレー駆動用の電源端子１６は、２個のリレーを独立して開閉制御できるように２つ用意されている。
この信号は電流容量が小さいことからマイナス側ボディーアースとした。端子基板１８は樹脂でモールドされて構成されており、この樹脂基板の上部には２個のモータリレー１１Ｙ１とモータリレー１１Ｙ２が実装されている。また、端子基板１８の中心部にはモータ用シャフト２に磁極検出用のレゾルバロータ１２が圧入されている。

図３を用いて、モータ部１００の断面構造について説明する。アルミハウジング１７にはステータコア４が焼嵌めで固定されている。このステータコア４には樹脂ボビン３１にコイル３０が巻装されている。ステータコア４の内周部にはシャフト２を基準にロータコア５が設けられており、そのロータコア５の外周部には磁石６が配置されると共に、磁石６の外周部に磁石カバー７が設けられている。磁石カバー７は非磁性体の材料で構成されている。シャフト２の軸受けには出力軸側に配置されるＦベアリング９はアルミハウジング１７によって保持されている。また、出力軸の先端には動力伝達のためのギア３が設けられている。反出力側の軸受けには、Ｒベアリング８が設けられており、Ｒベアリング８の外輪はベアリングカバー１０により保持されている。このベアリングカバー１０は端子基板１８と同じネジ穴でアルミハウジング１７にネジ止め（図示せず）固定されている。
端子基板１８には先にも述べたように、制御部２００に電気的に接続するための３相端子、Ｕ相端子１３ｕ〜Ｗ相端子１３ｗが設けられている。また、３相巻線の中性点を電気的に開閉するための２つのモータリレー１１Ｙ１と１１Ｙ２および、これらのモータリレーを制御するためのリレー電源端子が設けられている。これらのリレーは半導体スイッチに置き換えても同様の効果がある。

図４は８極-１２スロット構造の相配置を示したものである。８極-１２スロットは隣り合うティースの電気的位相が１２０度であるため、Ｕ相の隣はＶ相かＷ相となる。この図では、右回りにＶ相を定義した。その結果、機械角９０度で１組の３相巻線が構成できるため、３相巻線としては、１相を４個のコイルを直列接続してもよいし、２直２並列、４並列の３通りの接続方法がある。たとえば、この構造の場合Ｕ相コイルの隣はＶ相コイルとその反対側がＷ相コイルであることから、コイル間の接触が発生した場合には相短絡が発生することになる。

次に図５を用いてモータ内部での相短絡の可能性に関して説明する。先ず、構成について説明する。このモータ構造は先に示した８極-１２スロット構造で１相４並列構造の巻線接続において、３相の中性点にモータリレー１１Ｙを一つ配置した構造を示している。このモータリレーには電気的な接続をオン-オフするための接点１１Ｓとその制御を行う励磁巻線１１Ｘから構成されている。この励磁巻線のコントロールはリレー制御部ＣＯＮに電気的に接続されオン-オフ動作が出来るように構成されている。また、モータの３相巻線はインバータＩＮＶに接続されている。リレー制御部ＣＯＮ及びインバータＩＮＶは制御部２００の中に納められている。また、これらの制御部２００にはバッテリーＢｔが接続されている。

相短絡は、３相巻線のうち例えばＵ相巻線の場合、Ｖ相巻線またはＷ相巻線と電気的に繋がることで発生する。発生のメカニズムとしては、相間の隙間に遺物が混入した場合や電線同士の擦れによる機械的傷の発生や絶縁被服の劣化によるもの等が考えられるが、発生頻度としては相当低い値である。しかし、一度相短絡が発生してしまうと制御ではコントロールできなくなるため、相短絡部を切り離すことが必要となる。このモータリレー１１Ｙはノーマルオープンとなっており、通常はオフとなっている。電動アシストする場合にオンさせて動作させる。そのために、常に電流が流れるため損失が発生しているため冷却が重要である。図４で示したようにＵ相コイルとＶ、Ｗ相コイルは隣同士のため相短絡の発生する可能性がある。図５に示した一点鎖線がその相短絡を示している。Ｕ相コイルとＶ相コイルが相短絡を起こした場合、ステアリング動作時に実線の矢印で示したループで中性点を介して短絡電流が流れてしまう。Ｗ相においても同様である。この相短絡が発生すると、ステアリングを動作させた場合にモータの逆起電圧により、短絡部において短絡電流が流れ、ステアリング動作を妨げようとする力が発生する。この、短絡電流を発生させないようにするには、モータリレー１１Ｙを切り離すことで実現できる。しかし、モータリレー１１Ｙを切り離すとモータ動作が出来なくなるため、ステアリングアシストが不可能となり、運転者はステアリング動作に不便を感じるようになる。そこで、本実施例では、モータ内部に独立した２つのモータを構成し、それぞれのモータの中性点にモータリレーを設けた構造としたものである。この構造により、インバータは１個として機電一体型に適した制御回路の小型化を実現する。

図６に電動パワーステアリングとして広く採用されている２極３スロット構造の８極-１２スロット構造を（ａ）に１０極-１２スロット/１４極-１２スロット構造を（ｂ）として相配置を示す。先にも述べたように８極-１２スロット構造は隣り合う相が他の相となるため、相短絡を機械的に防ぐためには図示したように各スロットの全てに絶縁紙５０〜６１を入れることが有効である。それに比べ、１０極-１２スロットは同相コイルが２個連続して並ぶことから、各相の絶縁紙５０〜５５の半分の枚数となる。しかし、絶縁紙をスロット間に設けるとコイルの占積率の低下、コスト上昇を招くため極力使用数を低減することが必要である。

図７にモータ巻線を２並列回路で構成した２種類示の接続方法について示した。（ａ）はモータの機械的な構造において右半分と左半分に機械的に分けた構造を示したものである。この構成は、機械的にモータを左右に分けることができることから、相短絡の発生する可能性がある部位はＷ４とＵ１およびＷ２とＵ３の２箇所になることから、絶縁紙は５０と５６に低減させることが可能である。（ｂ）の星型配置ではＹ結線（スター結線）内の相短絡の可能性は低くなるが、もう一方のＹ結線との相短絡の可能性が発生する。この場合、短絡経路が長くなるため短絡電流も大きくなると考えられる。Ｙ結線を跨る相短絡を防止するためには、各スロット間に絶縁紙が必要である。

図８に１０極-１２スロット、１４極-１２スロットでの結線構造について図７同様に２つの方式を示す。（ａ）は機械的に２つのモータ巻線を分けた場合、（ｂ）は星型に各相巻線を配置した場合を示したものである。これらの場合にも、機械的に左右にモータ巻線を分けた（ａ）の場合は絶縁紙は２枚と簡略化でき、（ｂ）は１モータ駆動時にもモータとしてはバランス良く回転できるが、理想的には６枚の絶縁紙が必要となる。
図９に２系統に分けたモータの相短絡発生時を検出する手段の一例について説明する。回路構成は図８に示した（ａ）の左右分割方式を示す。２つの独立したＹ結線は中性点が独立しており、電気的には接続されていない。また、同相の相電流を同時に測定できる電流検出器Ｃ１とＣ２が配置されそれぞれのＹ結線のモータ電流を監視できるように構成されている。

例えば、Ｕ４コイルとＶ３コイルは隣同士の配置されるため、その境界面で相短絡が発生したとすると、図９に示した一点差線の短絡回路が発生する。その結果、Ｕ相コイルとＶ相コイルの相抵抗が低下し３相のアンバランスが発生する。その結果、電流検出器Ｃ２を流れるＵ相電流が増加する現象が発生する。また、２つのＹ結線の中性点電位もバラツキが発生する。よって、相短絡の発生を相電流のアンバランスから検出するか、中性点電位の変動から検出すれば、どちらのＹ結線のモータが相短絡を起こしたか検出することが出来る。

図１０に相電流の変化から相短絡の発生を検出するタイミングチャートを示す。それぞれの電流検出器Ｃ１とＣ２に流れる電流を示している。通常は、同じ電流が流れているが相短絡が発生すると、相抵抗が小さくなるため相電流が増加する。制御回路側では常に電流の大きさを比較しており、電流がアンバランスになった場合、電流値が大きくなった側のモータが相短絡を発生したと判断しモータリレー１１Ｙ２をオフする。

図１１にその検出アルゴリズムのフローチャートを示す。検出はそれぞれのＹ結線に流れる電流を比較し、電流検出器の電流が大きくなった方のモータリレーをオフする。その後に、上位システムに異常を連絡すると共に運転者に異常を報告するようになっている。

以上の説明は電流値のみを比較したが、実際には位相も変化するため、相電流の位相も判定基準に使うことも出来る。

上記は、電流検出器を２個用いた構造で説明したが、各相に１つずつ電流検出器を設けた場合を示したもので説明する。図１２は中性点のモータリレーに電流検出器を備えた構造を示したものである。それぞれのモータリレー１１Ｙ１の内部には３相の電流検出器が設けられており、各相を流れる電流を足し算している。通常は３相電流の足し算結果は常にゼロで有るが、ゼロ以外になった場合にはリレー部をオフするように動作する。同様にモータリレー１１Ｙ２も同様である。以上述べた構造のモータリレーを各中性点に配置することで、相短絡を含めたモータ異常を検出しインバータからの電流入力を切り離すと共に、相短絡時に発生する逆起電圧の短絡回路を切り離す。

図１３にそのタイミングチャートを示す。３相の電流検出器ＣＴ２信号は各相の電流を足し算した結果であり、通常はほぼゼロとなっているが、相短絡が発生すると相電流の合計値が変動するため、変動が発生した場合にモータリレーの励磁コイルをオフするように動作する。

以上述べたように、電動パワーステアリングシステムにおいてモータのコイルに異常が発生して、モータアシストが停止してしまうとステアリング動作が不能になり人力だけで動作させなければならなくなるが、今後、高齢者のドライバーが増えてくると人力だけでのステアリング動作は運転に対して快適さを失ってしまう。そこで、本実施例では、機電一体でコンパクトに設計された電動パワーステアリングシステムにおいて、モータ巻線を複数個の独立した３相巻線で構成し、更にそれらをＹ結線接続となるように構成し、その中性点部分にモータリレーを配置し、更に、相電流を検出する手段を設け、その電流値の値もしくは位相、更には中性点電位から複数個のモータの異常が発生したモータを特定し、その中性点に設けられたリレーを電気的に切り離すことで、正常動作が可能なモータにより電動アシストが継続できるシステムとしたものである。また、モータリレーを複数個に分けることで、１個あたりの体積が減るため機電一体型のようにレイアウトスペースの制約が大きい構造ではリレーの搭載レイアウトの自由度が高まる。

図１４は、図７，８で説明したＹ結線の中性点にリレーを設けたものに対し、各相の接続点にリレーを設けた三角結線（デルタ結線）のモータ構成図を示したものである。

図１４の構成について説明する。三角結線は２つの独立した３相巻線で構成されている。各相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルは２個のコイルが直列に接続されている。リレーはＵ相とＶ相間に設けたものがモータリレー１１△１ｕでＶ相とＷ相の間に設けられたものがモータリレー１１△１ｖ、同様にＷ相とＵ相の間に設けられたものがモータリレー１１△１ｗとなっている。これらのリレーは電気信号（図示せず）で励磁巻線に電流が流れることでオン、オフ動作をするようになっている。励磁巻線に電流が流れない場合にはこれらのリレーのスイッチは開放となっており、各相のコイルは切り離された状態となっている。もう一方の三角巻線も同様に各相の接続部分にリレーが設けられている。

このリレーは、機械的なリレー構造で説明したが、半導体を用いたリレーでも同様の効果があるため、モータと制御回路の構成により使い分けるのが良い。また、どちらの方式のリレーを用いても制御回路側に設けたほうが温度管理の観点からは管理が容易になる。
よって、信頼性の面からも制御回路側に配置するほうが好ましい。

２つの独立した三角結線は同相のリレー同士を接続して各相の巻線が並列に接続されるように構成されている。また、独立した２つの３相結線の異常を検出するための電流検出器は３相巻線のどこかの相に１対の電流センサを設けた。この図の場合はＵ相とＶ相の接続部分に繋がるリレーの配線部分に設けたものである。電流検出器Ｃ１及びＣ２の機能としては、並列接続されているため通常はほぼ同じ電流が流れることになるが、片側の３相巻線で内部短絡が発生した場合には、それぞれの電流検出器に流れる電流値にアンバランスが発生するため、そのタイミングを見て異常電流のリレーを切り離す検出器の役割である。この異常発生時には、三角結線内に設けられた３個のリレーを同時に切り離すことで、モータの内部短絡による短絡電流のブレーキトルクの発生を抑制できる効果がある。この図では、リレーを６個用いた構成で説明したが、複数のリレーを１つにモジュール化された構造のものを使用すれば、より少ないリレーの数で電流の流れを制御することが可能になる。

以上の実施例は、機電一体型の電動パワーステアリングを例に説明したが、制御回路とモータが別体で構成される電動パワーステアリングシステムにも応用できる。また、自動車用に用いられる信頼性が要求される、ステアリング関係のモータに加えブレーキアシストモータやハイブリッド自動車用主機モータ、電気自動車用のモータ等にも応用できることは言うまでも無い。

１ 機電一体EPSモータ
１００ モータ部
２００ 制御部
２０１ コネクタ
２ シャフト
３ ギア
４ ステータコア
５ ロータコア
６ 磁石
７ 磁石カバー
８ Ｒベアリング
９ Ｆベアリング
１０ ベアリングカバー
１１Ｙ１ モータリレー
１１Ｙ２ モータリレー
１２ レゾルバロータ
１３ｕ Ｕ相端子
１３ｖ Ｖ相端子
１３ｗ Ｗ相端子
１６ 電源端子
１７ アルミハウジング
１８ 端子基板
３０ コイル
３１ ボビン
Ｃ１、Ｃ２ 電流検出器
ＣＴ１、ＣＴ２ ３相電流検出器

Claims (9)

1. U相とV相とW相とからなる複数のコイルを結線して一つの３相巻線を構成する電動アクチュエータにおいて、
   前記３相巻線は、U相とV相とW相とを結線した複数の巻線グループを並列に接続された回路から成り、
   前記巻線グループの各相の巻線同士が接続される接続部に、各巻線グループを独立して他の巻線グループから切断できる切換手段を有し、
   前記切換手段によって、ある巻線グループを他の巻線グループから切断した場合、残りの巻線グループが並列に結線されることにより一つの３相巻線を構成することを特徴とすることを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記巻線グループはY結線で構成され、前記接続部はY結線の中性点であることを特徴とする請求項１記載の電動アクチュエータ。
3. 前記巻線グループは三角結線で構成され、前記接続部はU相とV相とW相がそれぞれ結線される部分であることを特徴とする請求項１記載の電動アクチュエータ。
4. 前記巻線グループは、近接する最小限の相の巻線単位で構成され、かつそれぞれの巻線グループを直列または並列接続して構成されることを特徴とする請求項１記載の電動アクチュエータ。
5. 前記複数の巻線グループ同士の境目に電気的な絶縁物を配置したことを特徴とする請求項１記載の電動アクチュエータ。
6. 前記巻線グループを並列に接続した請求項１記載の電動アクチュエータの制御方法であって、
   異なる巻線グループの同相巻線を流れる電流値のアンバランスを基点に信号を作成し、該信号を基に励磁巻線電流を切断することを特徴とする電動アクチュエータ。
7. 前記巻線グループを並列に接続した請求項２記載の電動アクチュエータの制御方法であって、
   異なる巻線グループの中性点電位のアンバランスを基点に信号を作成し、該信号を基に励磁巻線電流を切断することを特徴とする自動車用電動アクチュエータ。
8. 前記巻線グループを並列に接続した請求項１記載の電動アクチュエータの制御方法であって、
   各巻線グループの３相巻線を相電流の合計値のアンバランスを基点に信号を作成し、該信号を基に励磁巻線電流をオフすることを特徴とする電動アクチュエータ。
9. 前記巻線グループを並列に接続した請求項２記載の電動アクチュエータの制御方法であって、
   前記切換手段の内部に中性点に接続される各相の電流を測定できる機能を有し、更にその相電流の合計値がゼロにならない場合に、前記切換手段の励磁コイルの電流を遮断する機能を有していることを特徴とする電動アクチュエータ。