JP5752276B2

JP5752276B2 - 駆動装置一体型回転電機

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Publication number: JP5752276B2
Application number: JP2013555040A
Authority: JP
Inventors: 阿久津　悟; 悟阿久津; 浅尾　淑人; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2032-01-25
Also published as: US20150303776A1; CN103931086B; US9570960B2; EP3713053A1; EP2808982A1; EP3713053B1; WO2013111277A1; CN103931086A; EP2808982A4; EP2808982B1; JPWO2013111277A1

Description

この発明は、回転電機とこの回転電機に電力を供給して駆動する駆動装置とを一体に固定した駆動装置一体型回転電機に関するものである。

従来の駆動装置一体型回転電機に於いては、駆動装置に於ける３相インバータ部が１組であり、この３相インバータ部が回転電機の軸心の周りに偏在して配置されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４２００８８５号公報

特許文献１に示された従来の駆動装置一体型回転電機に於いては、３相インバータ部の配置が、３相インバータ部が発生する熱を放熱させる放熱部としての回転電機のヒートマスに対して偏って配置されており、放熱部としての回転電機のヒートマスを有効に使用しておらず、回転電機のヒートマスが大きいにもかかわらず駆動装置に対しては少ない発熱量しか許容出来ず、回転電機に通電する電流容量を増大させ、回転電機の出力の増大を図ることが困難であるという課題があった。

この発明は、従来の駆動装置一体型回転電機に於ける前述のような課題を解決するためになされたもので、回転電機に通電する電流容量の増大を可能とし、回転電機の出力の増大を図り得る駆動装置一体型回転電機を提供することを目的とする。

この発明による駆動装置同軸一体型回転電機は、
回転電機とこの回転電機に電力を供給して駆動する駆動装置とを一体に固定した駆動装置一体型回転電機であって、
前記駆動装置は、前記回転電機の固定子巻線に電力を供給し得る第１のインバータ部と第２のインバータ部とを備え、
前記第１のインバータ部と前記第２のインバータ部は、前記回転電機の軸心に対して線対称に配置されて前記回転電機のフレームに当接されたヒートシンク部に装着され、
前記ヒートシンク部は、少なくとも前記第１のインバータ部に対応する部位のヒートマスと前記第２のインバータ部に対応する部位のヒートマスとが略同一となるように構成され、
前記第１のインバータ部と前記第２のインバータ部の双方を動作させたときに前記第１のインバータ部と前記第２のインバータ部に通電する夫々の駆動電流の値は、前記第１のインバータ部と前記第２のインバータ部とのうちの一方のみを動作させたときに前記ヒートシンク部と前記フレームとの放熱性から許容される電流の値に等しくなるように設定されている、
ことを特徴とするものである。

この発明の駆動装置一体型回転電機によれば、インバータ部の放熱を分散し、インバータ部が装着されたヒートシンク部のヒートマスを有効に活用することにより、駆動電流を向上して、出力を向上させた駆動装置一体型回転電機を得ることができる。

この発明の実施の形態１による駆動装置同軸一体型回転電機の軸方向断面図である。この発明の実施の形態１による駆動装置同軸一体型回転電機に於ける、回転電機と駆動装置との接続部を示す平面図である。この発明の実施の形態１による駆動装置同軸一体型回転電機の回路図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による駆動装置同軸一体型回転電機の軸方向断面図である。図２は、この発明の実施の形態１による駆動装置同軸一体型回転電機に於ける、回転電機と駆動装置との接続部を示す平面図である。図１及び図２に於いて、駆動装置一体型回転電機１に於ける回転電機２は、ブラシレスタイプの永久磁石型同期電動機であって、電磁鋼板を積層して形成された固定子鉄心３には樹脂製のインシュレータ４を介して３相の２組の固定子巻線である第１及び第２の固定子巻線５ａ、５ｂが巻回されている。第１及び第２の固定子巻線５ａ、５ｂは、樹脂製のターミナルホルダ６に収められた巻線ターミナル７によって、夫々の組がΔ結線されている。

尚、前述の第１及び第２の固定子巻線は、Ｙ結線としても良い。又、固定子巻線は、３相の１組の固定子巻線であっても良いが、以下の説明では、固定子巻線が第１及び第２の２組の固定子巻線を備えている場合について説明する。

巻線ターミナル７には、駆動装置８に電気的に接続するためのモータターミナル９ａ、９ｂが各組毎に取り付けられている。第１及び第２のモータターミナル９ａ、９ｂは、夫々３相分を１組として、回転電機２の軸心Ｘの延びる方向に対して線対称となる位置で軸方向に延出されて配置されている。固定子鉄心３は、アルミニウム製のフレーム１０に嵌入され、回転電機２の固定子１１を構成している。フレーム１０の一端部（フロント側端部）には底部１０１が設けられている。底部１０１の中央部には、回転子１２の一端を支持するためのフロントベアリング１３を収納するフロントベアリングボックス部１４が形成されている。

フレーム１０の底部１０１は、他の機構部としての減速機構（図示せず）に嵌合するためのインロー部１０２が設けられており、減速機構に対する取り付け部１５を構成している。回転子１２のシャフト１６の外周部には、界磁磁束を発生させる永久磁石１７が取り付けられている。又、シャフト１６のフロント側端部には、減速機構と連結するためのカップリングであるボス１８が取り付けられている。

フレーム１０の他方の端部は開口しており、その開口部は駆動装置８のヒートシンク部１９の一端に連結されている。ヒートシンク部１９は、アルミニウム合金のダイキャスト成形品によって形成されており、その他端が駆動装置８のカバー２３に接合されている。リアホルダー２０は、フレーム１０の開口部内に嵌入され、その中央部には回転子１２の一端を支持するためのリアベアリング２1を収納するリアベアリングボックス部２２が形成されている。前述の第１及び第２のモータターミナル９ａ、９ｂは、回転電機の軸心Ｘの延びる方向に対して線対称に配置され、図２に良く示されているように、リアホルダー２０を貫通している。

駆動装置８は、マイクロコンピュータ２４及び第１及び第２のＦＥＴ駆動回路２５ａ、２５ｂが搭載されたガラスエポキシ製の制御基板２６と、パワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子が搭載され３相分を１組とした２組のインバータ部２７ａ、２７ｂを有している。以下、インバータ部２７ａを第１のインバータ部、インバータ部２７ｂを第２のインバータ部と称する。制御基板２６と、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂとの間には、リードフレーム２８が設けられている。

リードフレーム２８は、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂに電力を供給する銅製のターミナル（図示せず）と、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂとコンデンサ（図示せず）及びコイル（図示せず）を接続する銅製のターミナル（図示せず）とを樹脂にインサート成形して一体的に形成されている。又、リードフレーム２８には、コネクタ部（図示せず）と制御基板２６、及び第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂとを接続する銅製のターミナル（図示せず）も一体にインサート成型されている。

第１の及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂは、ヒートシンク部１９に設けられた第１の突起部２９ａ、及び第２の突起部２９ｂに夫々密着するように実装され、パワー素子の発熱をヒートシンク部１９に伝熱するように構成されている。第１及び第２の突起部２９ａ、２９ｂは回転電機２の軸心Ｘの延びる方向に延出するように形成されている。第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂは、回転電機２の軸心Ｘに対して線対称となる位置に配置されている。

更に、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂには、第１及び第２のインバータ部信号ターミナル３０ａ、３０ｂ、及び第１及び第２のインバータ部モータターミナル３１ａ、３１ｂが夫々設けられている。第１及び第２のインバータ部信号ターミナル３０ａ、３０ｂは、制御基板２６に接続され、第１及び第２のインバータ部モータターミナル３１ａ、３１ｂは、ヒートシンク部１９を貫通して突出した第１及び第２のモータターミナル９ａ、９ｂに接続されている。

図３は、この発明の実施の形態１による駆動装置同軸一体型回転電機の回路図である。図３に於いて、回転電機２は、前述のように、ブラシレスタイプのモータであり、三相Δ結線された２組の電機子巻線である第１の固定子巻線５ａ、及び第２の固定子巻線５ｂを備えている。第１のインバータ部２７ａは、６個の電界効果型トランジスタ（以下，ＦＥＴと称する）から成る第１のスイッチング素子Ｓａと、３個の第１のシャント抵抗Ｒａと、３個の第１の平滑コンデンサＣａとにより構成されている。第２のインバータ部２７ｂは、６個のＦＥＴからなる第２のスイッチング素子Ｓｂと、３個の第２のシャント抵抗Ｒｂと、３個の第２の平滑コンデンサＣｂとにより構成されている。

第１のインバータ部２７ａと第２のインバータ部２７ｂの正極側端子は、相互に接続されてチョークコイルＣＬを介して直流電源であるバッテリーＢＡＴの正極側に接続され、負極側端子は、第１及び第２のシャント抵抗Ｒａ、Ｒｂを介してグランドレベルＧＮＤに接続されている。又、第１のインバータ部２７ａの交流側出力端子は、第１の固定子巻線５ａの夫々の端子に接続され、第１の固定子巻線５ａに３相交流電力を供給する。第２のインバータ部２７ｂの交流側出力端子は、第２の固定子巻線５ｂの夫々の端子に接続され、第２の固定子巻線５ｂに３相交流電力を供給する。

第１のＦＥＴ駆動回路２５ａは、マイクロコンピュータ２４からの指令に基づいて、第１のインバータ部２７ａの各第１のスイッチング素子Ｓａのゲートに与える制御信号を制御して第１のインバータ部２７ａを駆動する。第２のＦＥＴ駆動回路２５ｂは、マイクロコンピュータ２４からの指令に基づいて、第２のインバータ部２７ｂの各第２のスイッチング素子Ｓｂのゲートに与える制御信号を制御して第２のインバータ部２７ｂを駆動する。

回転電機２は、第１及び第２の固定子巻線５ａ、５ｂの双方、若しくは一方、が付勢されることにより回転子１２が回転する。

尚、固定子巻線を１組とした場合は、第１のインバータ部２７ａと第２のインバータ部２７ｂとを必要に応じて切り替え、何れか一方を動作させて固定子巻線を駆動するようにし、又は、第１のインバータ部２７ａと第２のインバータ部２７ｂとを同時に動作させて固定子巻線を駆動するようにすることができる。

次に、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂが発生する熱の放熱作用について説明する。図１に於いて、ヒートシンク部１９は、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂの夫々に対応してそれ等の直下に存在する夫々の部位の体積に基づくヒートマスが、略同等となるように構成されている。そして、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂから夫々直下のヒートシンク部１９の部位を介してフレーム１０へ熱伝導される熱伝達経路は、略同等となるように構成されている。従って、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂの夫々の発熱は、略同等に分散されて放熱される。

いま、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂに通電する夫々の駆動電流の設定値をＩｗ、一方のインバータ部のみを単独で使用した際に、ヒートシンク部１９のヒートマス、ヒートシンク部１９及びフレーム１０への放熱性から許容される電流値をＩｓ、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂの内部抵抗をＲｉとすると、下記の式（１）を略満足するように夫々の値が設定されている。

Ｉｗ^２×Ｒｉ×２＝Ｉｓ^２×Ｒｉ・・・・・式（１）

周知のように、電流の２乗に抵抗値を乗じた値は損失を示しているので、前述の式（１）は、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂのうちの一方を単独で動作させた際の損失（＝発熱）と、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂの双方を動作させた際の損失（＝発熱）が等しいことを表している。このように、一方のインバータ部を単独で使用した場合の損失と両方のインバータ部を使用した場合の損失が等しくなるのは、ヒートシンク部１９のヒートマスと、ヒートシンク部１９及びフレーム１０への放熱性とから許容される発熱量が、一方のインバータ部を単独で使用する場合と、両方のインバータ部を使用する場合とで略同一となるように構成されているためである。換言すれば、第１のインバータ部２７ａと第２のインバータ部２７ｂとを同時に動作させるとき、双方のインバータ部のうちの一方のみを動作させたときの損失と同等の損失となる電流が、双方のインバータ部に通電される。

前述の式（１）式の左辺をＩｗに変形すると、下記の式（２）式となり、ＩｗはＩｓの１／√２倍となることが分かる。

Ｉｗ＝Ｉｓ／√２・・・・・・・・・・・式（２）

ここで、インバータ部は２個存在するので、全電流は［１／√２×２＝２／√２］となる。即ち、一方のインバータ部を単独で使用した際の電流値Ｉｓの√２倍の電流を流せることになり、その分モータの出力を向上させることができる。

又、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂからの熱伝達経路は、回転電機２の軸心Ｘの延びる方向に対して略平行となっており、熱伝達経路が短く、放熱性が良好なものとなる。更に、前述の熱伝達経路が回転電機２の軸心Ｘの延びる方向に対して略平行となっていることにより、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂの熱が駆動装置８の内部に放熱されることが少なくなり、駆動装置８の内部の温度上昇を抑制することができる。

更に、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂの放熱面、及び、ヒートシンク部１９のインバータ実装面は、回転電機２の軸心Ｘの延びる方向に対して垂直方向となるように構成されており、熱伝達経路が短く、放熱性が良好なものとなる。又、前述の構成により、第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂの熱が駆動装置８の内部に放熱されることが少なくなり、駆動装置８の内部の温度上昇を抑制することができる。

３相を１組として２組巻回されている第１及び第２の固定子巻線５ａ、５ｂは、前述したように、夫々第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂに別々に接続されており、独立した回路を構成している。このため、２つのインバータ部の間の相互作用がなく、２つのインバータ部の間のアンバランスが抑制され、発熱が均一化される。

第１及び第２の固定子巻線５ａ、５ｂの夫々に対応する第１及び第２のモータターミナル９ａ、９ｂは、回転電機２の軸心Ｘの延びる方向に対して線対称に配置されている。換言すれば、第１の固定子巻線５ａと第１のインバータ部２７ａとの接続部と、第２の固定子巻線５ｂと第２のインバータ部２７ｂとの接続部とは、回転電機の軸心Ｘの延びる方向に対して線対称に配置されている。このため、第１及び第２のモータターミナル９ａ、９ｂと、第１及び第２の固定子巻線５ａ、５ｂは、電気的、熱的にも略線対称な配置となっており、第１及び第２のモータターミナル９ａ、９ｂと、第１及び第２の固定子巻線５ａ、５ｂ、及び第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂの放熱が分散されると共に、２つのインバータの間のアンバランスが抑制され、発熱が均一化する。

リードフレーム２８には、回転電機２の第１及び第２の固定子巻線５ａ、５ｂに流れる電流のリップルを吸収する前述の第１及び第２の平滑コンデンサＣａ、Ｃｂが収納されており、ターミナル（図示せず）を介して対応する第１及び第２のインバータ部２７ａ、２７ｂに接続されている。又、リードフレーム２８にはノイズを吸収する前述のチョークコイルＣＬも収納されており、ターミナル（図示せず）を介してコネクタ部（図示せず）に接続されている。コネクタ部には電源コネクタおよび信号コネクタが設けられている。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態１による駆動装置同軸一体型回転電機に於いては、３相インバータを２組とし、各インバータ部はモータの軸に対して線対称にヒートシンク部に実装されており、ヒートシンク部に於ける各インバータ部に対応する部位の体積即ちヒートマスは略同等であり、且つインバータ部からヒートシンク部へ、そしてヒートシンク部からフレームへと熱伝導する熱伝達経路が略同等となるように構成されているので、夫々のインバータ部の放熱性が略同等となり、インバータ部の放熱が分散され、アンバランスが抑制され発熱が均一化すると共に、駆動装置内部の温度上昇が抑制され、ひいては駆動電流を向上することができ、回転電機の出力を向上させることができる。

又、この発明の実施の形態１による駆動装置同軸一体型回転電機に於いては、他の機構部としての減速機構等への取り付け部１５、回転電機２、駆動装置８の順で、同軸上に一体的に構成されているので、駆動装置の熱が回転電機に伝達しやすく、駆動装置の放熱性が向上し、ひいては駆動電流を向上することができ、回転電機の出力が向上すると共に、装置を小型化することができる。

実施の形態２．
前述の実施の形態１では、取り付け部１５、回転電機２、駆動装置８の順で、同軸上に一体的に構成されていたが、この発明の実施の形態２による駆動装置は、取り付け部１５、駆動装置８、回転電機２の順で、同軸上に一体的に構成するようにしたものである。

このように構成されたこの発明の実施の形態２による駆動装置同軸一体型回転電機によれば、駆動装置の熱が取り付け部を通して減速機構等の相手側機器に伝達しやすく、駆動装置の放熱性が向上し、ひいては駆動電流を向上することができ、回転電機の出力が向上すると共に、装置を小型化することができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３による駆動装置同軸一体型回転電機は、前述の実施の形態１又は実施の形態２による駆動装置同軸一体型回転電機を、電動パワーステアリングシステムに適用したものである。この場合、回転電機は、電動パワーステアリング装置に於けるアシストトルクを発生させる電動機として用いられる。

実施の形態３による駆動装置同軸一体型回転電機においては、回転電機の出力が向上すると共に、装置を小型化できるので、電動パワーステアリングシステムが軽量になり、ひいては車両の軽量化が図れるため、車両の燃費が向上し、二酸化炭素の排出量を削減できる効果がある。

尚、この発明は、その発明の範囲内に於いて、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明による駆動装置一体型回転電機は、例えば、車両の電動パワーステアリングシステムの分野等、回転電機の出力を利用するあらゆる分野に利用することができる。

１駆動装置同軸一体型回転電機、２回転電機、３固定子鉄心、４インシュレータ、５ａ第１の固定子巻線、５ｂ第２の固定子巻線、６ターミナルホルダ、７巻線ターミナル、８駆動装置、９ａ第１のモータターミナル、９ｂ第２のモータターミナル、１０フレーム、１１固定子、１２回転子、１３フロントベアリング、１４フロントベアリングボックス部、１５取り付け部、１６シャフト、１７永久磁石、１８ボス、１９ヒートシンク部、２０リアホルダー、２１リアベアリング、２２リアベアリングボックス部、２３カバー、２４マイクロコンピュータ、２５ａ第１のＦＥＴ駆動回路、２５ｂ第２のＦＥＴ駆動回路、２６制御基板、２７ａ第１のインバータ部、２７ｂ第２のインバータ部、２８リードフレーム、２９ａ第１の突起部、２９ｂ第２の突起部、３０ａ第１のインバータ部信号ターミナル、３０ｂ第２のインバータ部信号ターミナル、３１ａ第１のインバータ部モータターミナル、３１ｂ第２のインバータ部モータターミナル、Ｒａ第１のシャント抵抗、Ｒｂ第２のシャント抵抗、Ｓａ第１のスイッチング素子、Ｓｂ第２のスイッチング素子、Ｃａ第１の平滑コンデンサ、Ｃｂ第２の平滑コンデンサ、ＣＬチョークコイル、ＢＡＴバッテリー、ＧＮＤグランドレベル

Claims

回転電機とこの回転電機に電力を供給して駆動する駆動装置とを一体に固定した駆動装置一体型回転電機であって、
前記駆動装置は、前記回転電機の固定子巻線に電力を供給し得る第１のインバータ部と第２のインバータ部とを備え、
前記第１のインバータ部と前記第２のインバータ部は、前記回転電機の軸心に対して線対称に配置されて前記回転電機のフレームに当接されたヒートシンク部に装着され、
前記ヒートシンク部は、少なくとも前記第１のインバータ部に対応する部位のヒートマスと前記第２のインバータ部に対応する部位のヒートマスとが略同一となるように構成され、
前記第１のインバータ部と前記第２のインバータ部の双方を動作させたときに前記第１のインバータ部と前記第２のインバータ部に通電する夫々の駆動電流の値は、前記第１のインバータ部と前記第２のインバータ部とのうちの一方のみを動作させたときに前記ヒートシンク部と前記フレームとの放熱性から許容される電流の値に等しくなるように設定されている、
ことを特徴とする駆動装置一体型回転電機。
前記双方のインバータ部に通電する夫々の電流値は、前記一方のインバータ部にのみ通電する際の電流値の１／√２倍である、
ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置一体型回転電機。
前記第１のインバータ部から前記ヒートシンク部を経由する熱伝導経路と、前記第２のインバータ部から前記ヒートシンク部を経由する熱伝導経路とは、前記回転電機の軸心に対して線対称であり、かつ前記軸心の延びる方向に略平行である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置一体型回転電機。
前記第１のインバータ部と前記第２のインバータ部の夫々の放熱面と、前記ヒートシンク部に於ける前記夫々のインバータ部を装着している部位の面とは、前記回転電機の軸心の延びる方向に対して垂直方向に配置されている、
ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の駆動装置一体型回転電機。
前記固定子巻線は、第１の固定子巻線と第２の固定子巻線とから構成され、
前記第１の固定子巻線は、前記第１のインバータ部に接続され、
前記第２の固定子巻線は、前記第２のインバータ部に接続されている、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の駆動装置一体型回転電機。
前記第１の固定子巻線と前記第１のインバータ部との接続部と、前記第２の固定子巻線と前記第２のインバータ部との接続部とは、前記回転電機の軸心に対して線対称に配置されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の駆動装置一体型回転電機。
他の機構部に取り付けられる取り付け部を備え、
前記取り付け部と前記回転電機と前記駆動装置とは、前記取り付け部、前記回転電機、前記駆動装置の順に一体に構成されている、
ことを特徴とする請求項１から６のうちの何れか一項に記載の駆動装置一体型回転電機。
他の機構部に取り付けられる取り付け部を備え、
前記取り付け部と前記回転電機と前記駆動装置とは、前記取り付け部、前記駆動装置、前記回転電機、の順に一体に構成されている、
ことを特徴とする請求項１から６のうちの何れか一項に記載の駆動装置一体型回転電機。
前記回転電機は、電動パワーステアリング装置に於けるアシストトルクを発生させる電動機である、
ことを特徴とする請求項１から８のうちの何れか一項に記載の駆動装置一体型回転電機。