JP2016036244A - 駆動装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基準位置からの配線長の相間ばらつきを低減可能な駆動装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置を提供することにある。
3相以上の回転電機は、第1巻線組および第2巻線組が巻回されるステータ、ステータに対して相対回転可能に設けられるロータ、および、ロータと共に回転するシャフトを有する。
基板は、回転電機の軸方向の一方の側に設けられる。
第2巻線組の通電を切り替える第2インバータ部を構成する第2駆動素子は、基板の第1駆動素子が配置される面と同一の面であって、第1駆動素子が配置される領域である第1領域と回転電機の軸中心を挟んで反対側の領域である第2領域に配置される。
第2取出線は、第2巻線組から相毎に取り出され、基板に配列される。
第1取出線および第1駆動素子と、第2取出線および第2駆動素子とは、基板上の基準位置側からの相配列が逆順である。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による駆動装置、および、電動パワーステアリング装置を図1〜図11に示す。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
モータ10は、三相ブラシレスモータであって、後述するステータ12に巻回される第1巻線組13および第2巻線組14を有する。第1巻線組13は、U相コイル131、V相コイル132、および、W相コイル133から構成される。第2巻線組14は、U相コイル141、V相コイル142、および、W相コイル143から構成される。
本実施形態のSW素子51〜56、61〜66は、MOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)であるが、IGBT等の他の素子を用いてもよい。
本実施形態では、SW素子51〜56が「第1駆動素子」、SW素子61〜66が、「第2駆動素子」に対応する。また、SW素子51〜53、61〜63が「高電位側素子」、SW素子54〜56、64〜66が「低電位側素子」に対応する。
電流検出素子67、68、69は、第2巻線組14の各相に対応してSW素子64〜66の低電位側に設けられ、第2巻線組14の各相に通電される電流を検出する。
本実施形態の電流検出素子57〜59、67〜69は、シャント抵抗である。
本実施形態では、電源リレー71、72および逆接保護リレー73、74は、いずれもMOSFETであるが、IGBT等の他の素子を用いてもよい。本実施形態では、電源リレー71、72が「リレー」に対応する。
マイコン81は、トルクセンサ103や回転角センサ85等からの信号に基づき、第1巻線組13および第2巻線組14への通電に係る指令値を演算する。
ASIC82は、プリドライバ、信号増幅部、および、レギュレータ等から構成される。プリドライバは、指令値に基づいて駆動信号を生成し、生成された駆動信号を第1インバータ部50および第2インバータ部60に出力する。詳細には、プリドライバは、生成された駆動信号を、SW素子51〜56、61〜66のゲートに出力する。SW素子51〜56、61〜66が駆動信号に従ってスイッチング動作することで、第1インバータ部50および第2インバータ部60から第1巻線組13および第2巻線組14に指令値に応じた交流電流が通電される。これにより、モータ10が駆動される。
信号増幅部は、電流検出素子57〜59、67〜69の検出信号(本実施形態では両端電圧)や、回転角センサ85の検出値を増幅し、マイコン81に出力する。また、レギュレータは、マイコン81等に供給される電圧を安定化させる安定化回路である。
コンデンサ86、87およびチョークコイル89は、フィルタ回路を構成し、バッテリ109を共有する他の装置から伝わるノイズを低減するとともに、駆動装置1からバッテリ109を供給する他の装置に伝わるノイズを低減する。また、コンデンサ86、87は、電荷を蓄えることで、第1インバータ部50および第2インバータ部60への電力供給を補助する。
図3〜図8に示すように、駆動装置1は、モータ10、フレーム部材20、ECU40、および、カバー部材90等を備える。
図3に示すように、モータ10は、モータケース11、ステータ12、第1巻線組13、第2巻線組14、ロータ15、および、シャフト16等を有する。
底部111の略中央には、シャフト16の一端161が挿通される軸孔112が形成される。また、底部111には、ベアリング166が嵌合する。
本実施形態では、第1モータ線135が「第1取出線」、第2モータ線145が「第2取出線」に対応する。
シャフト16の他端162には、マグネット18を保持するマグネット保持部17が設けられる。
また、フレーム部材20には、モータ線135が挿通されるモータ線挿通孔24、および、モータ線145が挿通されるモータ線挿通孔25が形成される。これにより、モータ線135、145は、ECU40側に取り出される。
フレーム部材20のECU側端面31には、基板固定部32、リレー収容室33、34、ASIC収容室35、端子逃がし溝36、および、接着溝37が形成される。
ECU40は、各種電子部品が実装される基板41を有する。
基板41は、モータ領域内に収まる形状に形成される。本実施形態では、フレーム部材20のECU側端面31に形成される接着溝37の径方向内側に収まる形状に形成される。すなわち本実施形態では、基板41に実装され、ECU40を構成するSW素子51〜56、61〜66、電流検出素子57〜59、67〜69、コンデンサ86、87、および、チョークコイル89が、モータ領域内に収まっている。
ここで、基板41のモータ10側の面を発熱素子実装面42、モータ10と反対側の面を電子部品実装面43とする。本実施形態では、発熱素子実装面42が「一方の面」に対応する。
回転角センサ85は、発熱素子実装面42に略中心であって、フレーム部材20から露出するマグネット18と対向する箇所に実装される。ここで、シャフト16の軸線および軸線の延長線をモータ10の軸中心Oとすると、回転角センサ85は、発熱素子実装面42の軸中心Oに実装される(図3参照)。
なお、本実施形態では、領域R1〜R3を矩形の領域として示したが、SW素子51〜56、61〜66および電流検出素子57〜59、67〜69の実装箇所に応じ、例えば各素子の外縁により定義される矩形以外の領域等、どのように定義してもよい。
すなわち、本実施形態では、SW素子51〜56、61〜66、電流検出素子57〜59、67〜69、電源リレー71、72、逆接保護リレー73、74、および、ASIC82が、発熱素子70を構成する。
本実施形態では、電力供給領域Rinが「基準位置」に対応する。
なお、第1U相モータ線136、第1V相モータ線137、第1W相モータ線138間の距離は、モータ線同士が接触しない範囲で可及的小さくなるように配置することで、磁束漏れをより低減することができる。第2モータ線145についても同様である。
第2インバータ部60および第2モータ線145についても同様である。
マイコン81は、ASIC82が実装される領域の裏側であって、少なくとも一部が重複する箇所に実装される。
カバー本体91の周壁92の端部には、挿入部921が形成される。挿入部921は、フレーム部材20の接着溝37に挿入され、接着剤により固定される。これにより、フレーム部材20とカバー部材90との間からの水滴等の浸入が防止される。
給電用コネクタ96は、開口部961がモータ10と反対側の端部に形成され、軸方向端部側からバッテリ109と接続される図示しないハーネスを接続可能に形成される。また、給電用コネクタ96は、基板41と接続される給電コネクタ端子962を有する。給電コネクタ端子962は、基板41に形成される端子挿通孔965に挿通され、はんだ等により基板41と接続される。これにより、ECU40は、バッテリ109と接続される。
モータ10は、第1巻線組13および第2巻線組14が巻回されるステータ12、ステータ12に対して相対回転可能に設けられるロータ15、および、ロータ15と共に回転するシャフト16を有する3相モータである。
第1巻線組13の通電を切り替える第1インバータ部50を構成するSW素子51〜56は、基板41の一方の面である発熱素子実装面42に配置される。
第2モータ線145は、第2巻線組14から相毎に取り出され、基板41に配列される。
換言すると、U相を第1相、V相を第2相、W相を第3相とすると、第1モータ線135およびSW素子51〜56は、電力供給領域Rinの側から、第1相(U相)、第2相(V相)、第3相(W相)の順に配列され、また、第2モータ線145およびSW素子61〜66は、電力供給領域Rinの側から、第3相(W相)、第2相(V相)、第1相(U相)の順に配列される。
電源リレー71、72を電力供給領域Rinに配置することで、基板41における配線が容易となり、基板41の実装面積を有効に活用することができる。
SW素子51〜56、61〜66は、基板41のフレーム部材20側の面である発熱素子実装面42に、フレーム部材20に対して放熱可能に実装される。すなわち、フレーム部材20が、モータ10の外郭としての機能、および、ヒートシンクとしての機能を兼ね備えている。これにより、別途にヒートシンクを設ける場合と比較し、部品点数を低減できるとともに、駆動装置1の体格、特に軸方向における体格を小型化することができる。
第1モータ線135は、第1領域R1の径方向外側にて基板41と接続される。第2モータ線145は、第2領域R2の径方向外側にて基板41と接続される。これにより、基板41の実装面積を有効に活用することができる。
これにより、第1巻線組13または第2巻線組14の各相に通電される電流を適切に検出することができる。
モータ線136、137、138は、基板41上において、直線上に配置される。また、モータ線146、147、148は、基板41上において、直線上に配置される。
本実施形態の駆動装置1は、モータ10とECU40とが同軸に設けられ、軸方向における体格が小型化されており、かつ、モータ領域内に装置全体の大部分が収まるように構成されている。これにより、搭載スペースが狭い箇所にも搭載可能となる。また、本実施形態の駆動装置1は、モータケース11とフレーム部材20との間にOリング39が設けられており、また、フレーム部材20とカバー部材90とが接着剤にて固定されており、防水構造となっている。そのため、駆動装置1をエンジンルームへ搭載してもよく、例えばラックアシストタイプの電動パワーステアリング装置にも好適に適用可能である。
本実施形態の第2実施形態による駆動装置を図12〜図17に示す。なお、図12は、図15のXII−XII線の断面図である。なお、本実施形態に係る各図においては、コンデンサ86、87を適宜省略した。
駆動装置2は、回転電機としてのモータ210、フロントフレームエンド215、リアフレームエンド220、コントローラとしてのECU240、コネクタ280、および、カバー部材290等を備える。本実施形態では、リアフレームエンド220が「フレーム部材」に対応する。なお、駆動装置2の電気的構成は、上記実施形態と同様であるので、説明を省略する。
ステータ212には、フロントフレームエンド215およびリアフレームエンド220が固定される。また、本実施形態では、モータケースが省略されており、ステータ212が露出している。その他の点については、上記実施形態のステータ12と同様である。すなわち本実施形態の駆動装置2では、ステータ212が剥き出しとなっており、防水構造とはなっていない。そのため、本実施形態の駆動装置2は、車室内に設けられることが好ましく、コラムアシスト型の電動パワーステアリング装置に好適に適用される。
本実施形態では、モータケースが省略されているので、ステータ212を投影した領域を「モータ領域」と捉えるものとする。
放熱部230は、フレーム部222のECU240側に立設される。
放熱部230の軸中心Oには、軸孔231が形成される。軸孔231には、ベアリング167が設けられ、シャフト16の他端162が挿通される。これにより、シャフト16の他端162に設けられるマグネット18がECU240側に露出する。
放熱部230の外側には、基板固定部232が形成される。放熱部230のECU240側には、放熱面235が形成される。
コネクタ受部236には、放熱部230から径方向外側に突出して形成される。コネクタ受部236のECU240側には、コネクタ280が配置される。コネクタ受部236とコネクタ280とは、離間している。
ECU240は、各種電子部品が実装される基板241を有する。
基板241は、リアフレームエンド220を投影した領域内に収まる形状に形成される。また、基板241に実装され、ECU240を構成するSW素子51〜56、61〜66、電流検出素子57〜59、67〜69、コンデンサ86、87、および、チョークコイル89が、モータ領域内に収まっている。
ここで、基板241のモータ210側の面を発熱素子実装面242、モータ10と反対側の面を電子部品実装面243とする。本実施形態では、発熱素子実装面242が「一方の面」に対応する。
本実施形態では、SW素子51〜56、61〜66、電流検出素子57〜59、67〜69、電源リレー71、72、逆接保護リレー73、74、および、ASIC82は、放熱ゲルを介して、リアフレームエンド220の放熱部230の放熱面235に放熱可能な状態で当接する。これにより、SW素子51〜56、61〜66、電源リレー71、72、逆接保護リレー73、74、および、ASIC82にて生じた熱は、放熱ゲルを経由して、リアフレームエンド220に放熱される。また、電子部品実装面243において、ASIC82と少なくとも一部が重複する領域には、マイコン81が実装される(図12、図17参照)。
基板241に実装される各種電子部品の配置等は、上述の点を除き、上記実施形態と同様である。
基板241の発熱素子実装面242側であって、電源リレー71、72および逆接保護リレー73、74の外側のコネクタ固定部252には、コネクタ280が設けられる。
コネクタ280は、樹脂等で形成され、基板241から径方向外側に突出した状態にて
固定され、リアフレームエンド220のコネクタ受部236のECU240側に配置される。なお、コネクタ280は、リアフレームエンド220のフレーム部222およびコネクタ受部236よりもECU240側に設けられており、「コネクタは、フレーム部材よりもコントローラ側に配置される」という概念に含まれるものとする。
本実施形態のコネクタ280は、給電用コネクタ283と信号用コネクタ284とが一体に形成される。また、コネクタ280の外周には、フランジ部285が形成される。
側壁292には、コネクタ280に応じた形状の切欠部293が形成される。これにより、コネクタ280の開口部281側は、カバー部材290から露出する。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第3実施形態を図18に示す。図18は、模式的な断面図であって、コネクタ等、一部の部材の記載を省略した。また、SW素子等のハッチングを省略した。後述の図19および図20も同様である。
ECU340は、基板341、中間部材350、および、ヒートシンク355が、モータ10側からこの順で設けられる。基板341のモータ10側の面である発熱素子実装面342には、SW素子51〜56、61〜66が実装される。発熱素子実装面342側におけるSW素子51〜56、61〜66等の配置は、図10と同様である。すなわち、上記実施形態と同様、第1モータ線135およびSW素子51〜56と、第2モータ線136およびSW素子61〜66とは、電力供給領域Rin側からの相配列が逆順となっている。本実施形態では、発熱素子実装面342が「一方の面」に対応する。
なお、基板341のモータ10と反対側の実装面343を「一方の面」とし、実装面343にSW素子51〜56、61〜66を実装してもよい。
電子部品181、182は、例えばリレー、コンデンサ、コイル、マイコン、ASIC等である。電子部品181、182は、基板341や板状部351のヒートシンク355側の面に実装してもよい。
このように構成しても上記実施形態と同様の効果を奏する。
図19に示すように、本発明の第4実施形態の駆動装置4は、ECU440が第3実施形態と異なる。第4実施形態では、SW素子51〜56、61〜66が板状部351のモータ10側の面に配置される。第4実施形態では、板状部351を「基板」とみなす。SW素子51〜56、61〜66は、板状部351のヒートシンク355側の面に配置してもよい。
このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(ア)フレーム部材
上記実施形態では、フレーム部材は、フレーム固定ねじによりモータケースに固定される。他の実施形態では、ねじ以外の部材によってフレーム部材をモータケースに固定してもよい。また、圧入により、フレーム部材をモータケースに固定してもよい。これにより、部品点数を低減することができる。また、径方向における体格を小型化することができる。第3実施形態〜第5実施形態では、フレーム部材が省略されている。他の実施形態では、第3実施形態〜第5実施形態のように、中間部材を備える駆動装置において、フレーム部材を設けてもよい。
上記実施形態では、発熱素子は、放熱ゲルを介してフレーム部材と当接する。他の実施形態では、放熱ゲルに替えて、放熱シートを用いてもよいし、発熱素子とフレーム部材とが直接的に当接するように構成してもよい。また、上記実施形態では、SW素子は、モールド部から放熱スラグが露出して形成される。他の実施形態では、SW素子は、放熱スラグが露出していなくてもよい。電源リレー、逆接保護リレー、および、ASICについても同様である。
さらにまた、これらの素子類とは異なる電子部品を発熱素子として、フレーム部材に対して背面放熱可能となるように基板の発熱素子実装面に実装してもよい。さらにまた、発熱素子実装面に実装される電子部品の一部または全部は、フレーム部材に対して放熱させなくてもよい。
また、第1取出線および第1駆動素子と、第2取出線および第2駆動素子とは、電力供給領域以外の箇所を基準位置とし、当該基準位置からの相配列が逆順となるようにしてもよい。
上記実施形態では、基板は、基板固定ねじによりフレーム部材に固定される。他の実施形態では、基板をフレーム部材に固定する手法は、ねじを用いるのに限らず、どのようであってもよい。
第1実施形態では、コネクタ部は、1つの給電用コネクタ、および、2つの信号用コネクタから構成される。他の実施形態では、これらのコネクタの一部または全部を複数設けてもよい。これらのコネクタは、第1実施形態のようにそれぞれ別個に設けてもよいし、一部または全部を第2実施形態のように一体に形成してもよい。
すなわち、コネクタの数、コネクタの開口部の向き、および、カバー部材との一体もしくは別体については、どのような組み合わせとしてもよい。
第1実施形態では、カバー部材は接着剤にてフレーム部材に固定される。また、第2実施形態では、かしめによりフレーム部材に固定される。カバー部材のフレーム部材への固定方法は、これに限らず、例えばねじ等で固定する等、どのように固定してもよい。
上記実施形態では、回転電機は3相のブラシレスモータである。他の実施形態では、回転電機は、ブラシレスモータに限らず、3相以上のどのようなモータであってもよい。また、回転電機は、モータ(電動機)に限らず、発電機であってもよいし、電動機および発電機の機能を併せ持つ所謂モータジェネレータであってもよい。
上記実施形態では、ギアと接続される出力端は、モータを挟んでECUと反対側に設けられる。換言すると、上記実施形態の駆動装置では、出力端、モータ、ECUが、この順で配列される。他の実施形態では、出力端は、ECUを挟んでモータと反対側に設けてもよい。換言すると、他の実施形態の駆動装置では、モータ、ECU、出力端が、この順で配列されてもよい。
上記実施形態では、駆動装置は、電動パワーステアリング装置に適用される。他の実施形態では、駆動装置を電動パワーステアリング装置以外の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
8・・・電動パワーステアリング装置
10、210・・・モータ(回転電機)
13・・・第1巻線組 14・・・第2巻線組
135・・・第1モータ線(第1取出線)
145・・・第2モータ線(第2取出線)
20・・・フレーム部材 220・・・リアフレームエンド(フレーム部材)
41、241、341・・・基板
50・・・第1インバータ部 51〜56・・・SW素子(第1駆動素子)
60・・・第1インバータ部 61〜66・・・SW素子(第2駆動素子)
Claims (12)
- 第1巻線組(13)および第2巻線組(14)が巻回されるステータ(12、212)、前記ステータに対して相対回転可能に設けられるロータ(15)、および、前記ロータと共に回転するシャフト(16)を有する3相以上の回転電機(10、210)と、
前記回転電機の軸方向の一方の側に設けられる基板(41、241、341、351、355)と、
前記基板の一方の面(42、242、342)に配置され、前記第1巻線組の通電を切り替える第1インバータ部(50)を構成する第1駆動素子(51〜56)と、
前記基板の前記第1駆動素子が配置される面と同一の面であって、前記第1駆動素子が配置される領域である第1領域と前記回転電機の軸中心を挟んで反対側の領域である第2領域に配置され、前記第2巻線組の通電を切り替える第2インバータ部(60)を構成する第2駆動素子(61〜66)と、
前記第1巻線組から相毎に取り出され、前記基板に配列される第1取出線(135)と、
前記第2巻線組から相毎に取り出され、前記基板に配列される第2取出線(145)と、
を備え、
前記第1取出線および前記第1駆動素子と、前記第2取出線および前記第2駆動素子とは、前記基板上の基準位置側からの相配列が逆順であることを特徴とする駆動装置。 - 前記基準位置は、前記第1領域、前記第2領域および前記回転電機の軸中心を含む領域である駆動素子領域の外側であって、電源(109)からの電力を前記第1インバータ部および前記第2インバータ部に供給する配線パターンを含む領域である電力供給領域であることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
- 前記基板の前記第1駆動素子および前記第2駆動素子が配置される面と同一の面の前記電力供給領域に配置され、前記電源と前記第1インバータ部または前記第2インバータ部との間に通電される電流の導通または遮断を切り替え可能なリレー(71、72)をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の駆動装置。
- 前記回転電機と前記基板との間に設けられるフレーム部材(20、220)をさらに備え、
前記第1駆動素子および前記第2駆動素子は、前記基板の前記フレーム部材側の面(42)に前記フレーム部材に対して放熱可能に配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記第1取出線は、前記第1領域の径方向外側にて前記基板と接続され、
前記第2取出線は、前記第2領域の径方向外側にて前記基板と接続されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記基板における前記第1駆動素子および前記第2駆動素子が配置される面と同一の面の前記第1駆動素子と前記第1取出線との間、または、前記第2駆動素子と前記第2取出線との間に配置され、前記第1巻線組または前記第2巻線組の各相に通電される電流を検出する電流検出素子(57〜59、67〜69)をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の駆動装置。
- 前記第1駆動素子および前記第2駆動素子は、前記回転電機の軸中心側に高電位側素子(51〜53、61〜63)が配置され、前記高電位側素子の外側に低電位側素子(54〜56、64〜66)が配置されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の駆動装置。
- 前記第1取出線と前記第2取出線とは、前記基板上における前記回転電機の軸中心を基準として点対称に配置されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の駆動装置。
- 前記第1取出線および前記第2取出線は、真ん中に配置される相を基準に両側に配置される相が対称に配置されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の駆動装置。
- 前記第1取出線および前記第2取出線は、前記基板上において、同一円周上に配置されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の駆動装置。
- 前記第1取出線は、前記基板上において、直線上に配置され、
前記第2取出線は、前記基板上において、直線上に配置されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 請求項1〜11のいずれか一項に記載の駆動装置(1〜5)と、
前記回転電機から出力されたトルクを駆動対象(102)に伝達する動力伝達部(9)と、
を備え、
前記回転電機のトルクにより前記駆動対象を駆動することで、運転者による操舵部材(101)の操舵を補助することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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