JP6198775B2 - 電動駆動装置 - Google Patents
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また、特許文献1と特許文献2とも制御基板にセンサが実装されているため制御基板の実装面積がその分小さくなるという課題があった。
前記回転角度センサの被検出部は、前記シャフトの端部先端に設けられた突部を有し磁性を有するレゾルバ回転子で構成され、前記回転角度センサのセンサ部は、前記レゾルバ回転子の外周に設けられるレゾルバ固定子鉄心と、このレゾルバ固定子鉄心に巻回される励磁巻線と出力巻線で構成されるコイル、および前記コイルと前記制御基板とを電気的に接続する接続部材とで構成され、前記コイルは前記レゾルバ回転子の周辺を全周囲うように配置され、前記センサ部の前記レゾルバ固定子鉄心を前記ヒートシンクに設けられた凹部に配設すると共に、前記ヒートシンクおよび前記制御基板の配置は、前記モータのシャフトの回転軸に垂直な面に沿った配置としたものである。
また、回転角度センサであるレゾルバは半導体を用いた磁気センサと比べて構造が単純であり、耐振動性が向上する。また磁気センサと比べて耐熱温度が高くなるため電動駆動装置の使用温度範囲を広げることができるという効果がある。また、ヒートシンクに凹部を設けた構造とすることによって、レゾルバの一部をヒートシンクに埋め込む配置とすることで、電動駆動装置の軸方向のサイズを短縮できるという効果がある。
さらに、レゾルバはコイルがレゾルバ回転子の周辺を全周囲うように配置されているため、レゾルバ回転子が偏心してもその影響が小さくなる構成となっている。
図1は、この発明の実施の形態1における電動駆動装置の全体構成を示す概略構成図である。
図1において、電動駆動装置は永久磁石型モータ100と制御部であるECU(Electronic Control Unit)が一体となった構造となっている。
まず、永久磁石型モータ100について説明する。
永久磁石型モータ(以下、単にモータともいう。)100は、電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心1と固定子鉄心1に巻き回された電機子巻線2と固定子鉄心1を固定するフレーム3を有する。フレーム3はモータの前面部に設けられたハウジング4とボルト6によって固定されている。ハウジング4には軸受け5Aが設けられ、軸受け5Aは軸受け5Bとともにシャフト7を回転自在に支持する。軸受け5Bはフレーム3と一体あるいは別体に設けられた壁部8に支持されている。
シャフト7の他方の先端部には、回転角度センサの被検出部であるセンサ用永久磁石10が設けられている。シャフト7には回転子鉄心11が圧入されていて、回転子鉄心11には永久磁石12が固定されている。なお、図1では永久磁石12は回転子鉄心11の表面に固定されている例を示しているが、回転子鉄心11の中に埋め込まれた構造としてもよい。
ECU200には、トルクセンサからの信号を受ける第1のコネクタ13と、車速などの自動車の情報を受け取る第2のコネクタ14と、電源供給用の電源コネクタ15が設けられている。さらに、ECU200にはモータを駆動するためのインバータ回路があり、インバータ回路はMOS-FET等のスイッチング素子SWを有する。このスイッチング素子SWは例えば、ベアチップをDBC(Direct Bonded Copper)基板に実装した構成や、ベアチップを樹脂でモールドしたモジュールとした構成などが考えられる。
スイッチング素子SWはモータ駆動のための電流が流れるため発熱する。そこで、スイッチング素子SWは接着剤や絶縁シートなどを介してヒートシンク16と接触させ放熱する構造となっている。
スイッチング素子SWの発熱の影響で温度変化が大きいヒートシンク16への基板20の固定はネジ止めとしたので、接着剤に比べて温度上昇やヒートサイクルに強いという効果がある。
磁気センサ19はシャフト7の回転軸と同軸上で、かつセンサ用永久磁石10と相対応する位置に配置されていて、センサ用永久磁石10の発生する磁界を検出し、その向きを知ることでモータの回転子の回転角度を検出する。
ECU200はこの回転角度に応じて適切な駆動電流をモータ100に供給する。
このようにモータ100のフレーム3に固定されることによって、ヒートシンク16の熱をモータ100のフレーム3に伝達させることができる。
センサ部300は、基板20と磁気センサ19と支持部材22と接続部材21が一体となって組み立てられている。センサ部300の接続部材21はヒートシンク16と中間部材23を貫通して制御基板17に電気的に接続される。接続法としてはプレスフィットやはんだがある。制御基板17の配置はモータ100の回転軸に垂直な面に沿う配置としている。このような構成であれば、センサ部300と電気的に接続される接続部材21が延在する方向が制御基板17と垂直になるため、接続部材21をプレスフィットやはんだで固定する際、組み付けが容易であるという効果がある。
ヒートシンク16にはスイッチング素子SWが接着剤や絶縁シートを介して固定されている。第1のコネクタ13と第2のコネクタ14と電源コネクタ15を具備したECU200のケース18は、ヒートシンク16と接着剤やネジによって固定される。ヒートシンク16は永久磁石モータ100のフレーム3と焼き嵌めやボルトによって固定される。
基板20に磁気センサ19が実装されており、基板20には接続部材21と一体となった支持部材22が設けられ、接続部材21と基板20はプレスフィットやはんだで固定されている。なお、この磁気センサ19は、磁気抵抗効果素子(MR素子)、異方性磁気抵抗層素子(Anisotropic Magneto-resistance、AMR素子)、巨大磁気抵抗効果素子(Giant Magneto-resistance、GMR素子)、トンネル磁気抵抗素子(Tunneling Magneto-resistance、TMR素子)などで構成すればよい。
基板20にはネジ穴25が3つ設けられていて、この穴25を利用して、ヒートシンク16とネジによって固定される。なお、ネジ穴25の数は3つに限らないし、ネジ穴25の位置も図3の位置に限らない。図3のように制御基板17と回転角度のセンサ部300を別々の基板で構成することで、制御基板17に磁気センサ19を実装するのと比べて制御基板の実装面積を拡大できるという効果もある。
図4は円筒形状を有する構成例を示す。永久磁石10Mは図の矢印Yの方向に着磁されており、2極の永久磁石となっている。なお、この矢印Yは回転子の回転軸7aに垂直な平面上にある。永久磁石10Mは、ネオジのボンド磁石やネオジの焼結磁石、フェライト磁石などで構成され、永久磁石支持部10Sによって固定されている。
固定は接着剤でもよいし、ボンド磁石の場合は永久磁石支持部10Sと一体成形として互いを固定する構成にしてもよい。永久磁石10Mが発生する磁界への影響を小さくするため、永久磁石支持部10Sは、ステンレス系やアルミニウム系の非磁性金属や樹脂で構成するとよい。さらに永久磁石支持部10Sはシャフト7に圧入するなどして固定されている。
また、図5のように直方体形状磁石を用いた場合には、図4の円筒形状磁石と同様に、発生する磁束密度が均一となり、磁気センサ付近の磁束密度も均一となるため回転角度検出の精度を向上することができるという効果に加えて、直方体磁石は作成が容易で、焼結磁石の場合は複雑な形状と比べて材料歩留まりを向上できるという効果も得られる。
(1)制御基板17と回転角度の検出部であるセンサ部300を別々の基板で構成することで制御基板17の実装面積を拡大できる。
(2)軸受け5Bとシャフト7端の回転角度センサの被検出部である永久磁石10との間の距離が小さくなるため振れ、偏心が小さくなる。その結果、回転角度検出の精度が向上し、モータの振動騒音を低減できるという効果が得られる。さらには、インバータ回路や制御基板17からの回転角度センサへのノイズ干渉を小さくすることができるという効果が得られる。
(3)センサ部300と制御基板17を電気的に接続する接続部材21がインバータ回路部分を貫通しているため、電動駆動装置を小型化できるという効果がある。
また、センサ部300と制御基板17は直接電気的に接続されているため、電動駆動装置を小型化できるという効果がある。
(4)センサ部300と制御基板17の電気的接続は、中間部材23によって位置決めされる構成となっているため、部品の精度の要求値を緩和することができるという効果がある。
(5)センサ部300と制御基板17の電気的接続はプレスフィットを用いることで、はんだを使わずに接続可能となる。接続部材21同士の間隔が小さくできるため、多くの接続部材21を並べて配置してもはんだによる接続の場合と比べて幅が小さくなるため電動駆動装置の小型化が可能となる。
(6)従来の特許文献1のものでは、回転センサが備えられた制御基板が回路部よりも後方に位置しているので軸受けから回転センサまでの距離が長いのに対し、本実施の形態1の構成では磁気センサ19が軸受け5Bに近い配置となっているため、軸受け5Bとセンサ用永久磁石10の距離が近い。このため、シャフトの端部での振れ、偏心が小さくなるため、結果としてセンサ用永久磁石の振れ、偏心が小さくなり、回転角度検出の精度が向上し、モータの振動・騒音が小さくなるという効果が得られる。
(7)更に、図1の実施の形態1においては、ヒートシンク16に凹部24を設けておりセンサ部300の基板20に実装された磁気センサ19とヒートシンク16の表面との間の距離を大きくしている。モータ駆動時にはヒートシンク16はスイッチング素子SWの発熱により温度が上昇する。もし、凹部24が設けられておらずヒートシンク16と磁気センサ19の距離が非常に近いと、ヒートシンク16の熱が磁気センサ19に伝わり、磁気センサ19の温度が非常に高くなってしまい、回転角度検出の精度が低下する場合や、過度の温度上昇により磁気センサ19が動作しなくなる場合も考えられる。
しかしながら、ヒートシンクに凹部24を設けることで、ヒートシンク16と磁気センサ19の距離を大きくすることができるので熱が伝わりにくくなり、磁気センサ19の温度上昇を低減し、回転角度の精度を向上できるという効果がある。
本実施の形態1の電動駆動装置を自動車の電動パワーステアリング装置に用いると装置を小型化できるという効果が得られる。また、モータの回転角度検出の精度が向上するため、振動・騒音が小さくなるという効果も得られる。
なお、本実施の形態1ではモータは永久磁石型モータとしているが、モータは誘導電動機でも、シンクロナスリラクタンスモータでも、スイッチドリラクタンスモータでも良いことは言うまでもない。
しかしながら、このような構成では、磁気検出素子の位置精度や多極に着磁されたリング形状永久磁石の着磁波形歪みや偏心などが角度誤差に与える影響が非常に大きい。
従って、電動パワーステアリング装置用の回転センサとしては課題が大きい。一方、本実施の形態1の構成では、回転軸と同軸上の位置に回転角度センサの検出部である磁気センサを設けたため、位置ずれの角度誤差への影響が小さい。また、被検出部であるセンサ用永久磁石は2極に着磁されているため、着磁波形の歪みが発生しにくく角度誤差を小さくできるという効果が得られる。さらに、2極の着磁で1Xの回転センサとして機能することが可能となるため、任意の極数のモータの駆動に対応できる。したがって、異なる極数のモータでも回転センサの設計を共通化できるという効果が得られる。さらに2極であるため構成が単純であるという効果もある。
図7は、磁気センサを2個搭載したこの発明の実施の形態2におけるセンサ部の説明図であり、(a)は前側から見た図、(b)は横側から見た図である。
図7において、基板20に磁気センサ19A、19Bが実装されている。この実施の形態2において図3と異なるのは、磁気センサが基板20の表と裏に1つずつ計2個の磁気センサ19Aと磁気センサ19Bが実装されている点である。また、2個の磁気センサ19A、19Bの位置は、モータの回転軸上に並ぶような位置となっている。
このような配置とすることで、被検出部であるセンサ用永久磁石が発生する磁界を検出する際、2個の磁気センサ19A、19Bがほぼ同じ向きの磁束密度ベクトルを検出することができるため、2個の磁気センサとも角度検出の精度を向上することができる。
なお、基板20にはネジ穴25が3つ設けられていて、この穴25を利用して、ヒートシンクとネジによって固定される。なお、ネジ穴25の数は3つに限らないし、ネジ穴の位置も図7の位置に限らない。
ヒートシンク16には凹部24が設けられており、この凹部24があることによってヒートシンク表面と磁気センサ19Aとの距離、ヒートシンク表面と磁気センサ19Bとの距離が大きくできる。その結果、ヒートシンク16の熱が磁気センサ19Aと磁気センサ19Bに伝わりにくくなることで、磁気センサ19Aと磁気センサ19Bの温度上昇を抑制することができる。その結果、回転角度の精度を向上できるという効果が得られる。
図9は、この発明の実施の形態3における電動駆動装置の全体構成を示す概略構成図であり、中間部材に接続部材が一体となって構成された例である。
図1との相違点としては、センサ部300と中間部材23間を電気的に接続する第1の接続部材である接続部材21Fと、中間部材23と制御基板17を電気的に接続する第2の接続部材である接続部材21Rが中間部材23と一体になるように構成されている点である。例えば、中間部材23はインバータ回路部のバスバーを樹脂でインサート成形した構成とし、接続部材21Fと接続部材21Rも一体に成形された構成とすればよい。
接続部材21Fと接続部材21Rは中間部材23と一体となって構成されている。センサ部300は基板20と磁気センサ19を有し、接続部材がない。このように、センサ部300が組み立てられた状態では接続部材がないため、突出した部分がなく、センサ部300の構造が単純となり、ハンドリング上も有利であるという効果がある。
図11は、この発明の実施の形態4における電動駆動装置の全体構成を示す概略構成図であり、ヒートシンク16から見てモータ100とは反対側にセンサ部300を設けた構成の説明図である。
アルミニウム等の非磁性の金属で構成されたヒートシンク16に凹部24を設け、この凹部24のヒートシンク16の肉厚は他の部位より薄肉となっている。このヒートシンク薄肉部16Tを介して、センサ用永久磁石10の発生する磁束がヒートシンク16のモータ100とは反対側に到達する。この磁束を磁気センサ300が検出することによりモータ100の回転子の回転角度を検出することができる。
図11との相違点は、センサ部300に磁気センサ19Aと磁気センサ19Bの2つの磁気センサが搭載されている点である。なお、センサ部300の接続部材は図7のように、2つの磁気センサ19Aと磁気センサ19Bに対応した接続部材21aと接続部材21bとに分けた構成となっているが、図12では簡単のため省略して示している。
図13はこの発明の実施の形態5における電動駆動装置の全体構成を示す概略構成図であり、センサ部300とヒートシンク16との間に磁気シールド26を設けた構造の説明図である。磁気シールド26は鉄などの磁性材料の板を板金加工などで加工し、ヒートシンク16にネジ止めされる。このようにセンサ部300とヒートシンク16との間に磁気シールド26を設けると、大電流が流れるスイッチング素子SWやインバータ回路のバスバーなどが発生する磁束が遮蔽され、磁気センサ19にほとんど影響が及ばないため、回転角度検出の精度が向上するという効果がある。
図14はこの発明の実施の形態6における電動駆動装置の全体構成を示す概略構成図であり、回転角度センサをレゾルバ500とした構成の説明図である。
図1との相違点はレゾルバ500をヒートシンク16に設けた点と、シャフト7の一方の端部に被検出部としてセンサ用永久磁石ではなく、レゾルバ回転子(図14では図示しない)を圧入して設けた点である。
なお、図15では5Xの例を示したが、1Xでもよいことは言うまでもない、また、モータの極対数に応じて設計すればよい。
さらに、レゾルバ500はコイル503がレゾルバ回転子501の周辺を全周囲うように配置されているため、レゾルバ回転子501が偏心してもその影響が小さくなる構成となっている。一方、モータの極数に応じて多極に着磁されたリング形状の磁石の外周側に磁気検出素子を配置する構成も考えられるが、このような構成で偏心の影響を小さくするにはリング形状の磁石の周辺に磁気検出素子を多数個配置する必要がありコストアップやセンサの大型化につながる。
7:シャフト、7a:回転軸、8:壁部、9:プーリー、10、10M、
10C:センサ用永久磁石、10S:永久磁石支持部、
13:第1のコネクタ、14:第2のコネクタ、15:電源コネクタ、
16:ヒートシンク、16T:ヒートシンク薄肉部、17:制御基板、
18:ケース、19、19A、19B:磁気センサ、20:基板、
21、21a、21b、21F、21R:接続部材、22:支持部材、
23:中間部材、24:凹部、25:ネジ穴、26:磁気シールド、
SW:スイッチング素子、100:永久磁石型モータ、
200:制御部(ECU)、300:センサ部、401:シャフト、
402:トルクセンサ、403:ギヤボックス、404:ハウジング、
405:タイロッド、406:ラックブーツ、500:レゾルバ、
501:レゾルバ回転子、502:レゾルバ固定子鉄心、
503:コイル、504:ネジ穴、505:カバー
Claims (5)
- モータと、このモータの出力軸側とは反対側に配置された駆動装置部である制御部とを備えた電動駆動装置であって、前記モータの出力軸側とは反対側のシャフトの端部に回転角度センサの被検出部を設け、前記シャフトの回転軸と同軸上の位置に回転角度センサの検出部であるセンサ部を設け、前記制御部には、ヒートシンクと、このヒートシンクに取り付けられ前記モータを駆動するための駆動素子を有するインバータ回路部と、前記インバータ回路部の出力を制御する制御基板が設けられた電動駆動装置において、
前記制御基板は前記ヒートシンクとは別体に構成されており、
前記回転角度センサの被検出部は、前記シャフトの端部先端に設けられた突部を有し磁性を有するレゾルバ回転子で構成され、
前記回転角度センサのセンサ部は、前記レゾルバ回転子の外周に設けられるレゾルバ固定子鉄心と、このレゾルバ固定子鉄心に巻回される励磁巻線と出力巻線で構成されるコイル、および前記コイルと前記制御基板とを電気的に接続する接続部材とで構成され、
前記コイルは前記レゾルバ回転子の周辺を全周囲うように配置され、
前記センサ部の前記レゾルバ固定子鉄心を前記ヒートシンクに設けられた凹部に配設すると共に、前記ヒートシンクおよび前記制御基板の配置は、前記モータのシャフトの回転軸に垂直な面に沿った配置としたことを特徴とする電動駆動装置。 - 前記センサ部は前記ヒートシンクから見てモータ側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電動駆動装置。
- 前記ヒートシンクと前記制御基板の間に中間部材が設けられ、前記センサ部と前記制御基板の間の電気的接続は前記中間部材によって位置決めされることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電動駆動装置。
- 前記中間部材には、前記センサ部と電気的に接続される第1の接続部材と、前記制御基板と電気的に接続される第2の接続部材が一体となるように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の電動駆動装置。
- 前記センサ部と前記制御基板の間の電気的接続にはプレスフィットが用いられていることを特徴とする請求項1に記載の電動駆動装置。
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