JP6595436B2 - 回路一体型モータ - Google Patents

Description

本発明は、回路と一体にして提供される回路一体型モータに関する。

従来から、車両に搭載された電動パワーステアリングに使用されるためのモータとそのモータを制御するための回路とを一体にして提供される回路一体型モータにおいて、効率よく放熱を行う技術が知られている。例えば、特許文献１は、電子制御装置が収納されているハウジングが半径方向に大型化するのを抑制し、熱を効率的に外部に放熱する電動パワーステアリング装置を開示する。この電動パワーステアリング装置は、内部に放熱基体を有している中間筒部の両面に電源回路部の金属基板と電力変換部の金属基板を配置することによって、発生する熱を外部に効率よくハウジングに放熱できる。

また、特許文献２は、モータケースと制御ユニットケースとが、モータの回転軸方向で一体的に結合されることによって、小型でコンパクトな構造を実現するモータ駆動装置を開示する。このモータ駆動装置は、制御ユニットケースの一部として金属ダイキャスト製のヒートシンクを備える。ＦＥＴブリッジ回路などを有するパワーモジュール表面が、このヒートシンクのモータ回転軸に対して垂直方向に広がる平板部に熱伝導部材を介して取り付けられている。さらに、パワーモジュールの裏面が放熱板とネジを用いてヒートシンクに熱が伝えられる。

特開２０１６−０５４５８５号公報 特開２０１５−１３４５９８号公報

本発明は、径方向および軸方向の両方において小型化を図ると共に放熱性を向上し、さらに組み立てが容易な回路一体型モータを提供する。

上記課題を解決するために、回転軸を有し、モータハウジングに収容されるモータと、回転軸の軸方向においてモータハウジングに隣接して配置され、モータハウジングに接続されるヒートシンクと、回転軸の軸方向において、ヒートシンクを挟んでモータハウジングとは反対側に配置される蓋体と、ヒートシンクおよび／またはモータハウジングの内側に配置される基板と、基板に実装され、モータを駆動するための駆動回路が封入されたモジュールと、を備える回路一体型モータであって、モジュールは、基板と対向する底面と、底面の面積よりも大きく底面に直交する２つの対向する主側面を有するほぼ直方体形状であり、ヒートシンクは、モジュールが挿入される挿入部を有し、挿入部の内面は、少なくとも２つの主側面と直接的または間接的に接触する回路一体型モータが提供される。
これによれば、モジュールが軸方向に大きな面積の主側面を有することで径方向に小型化を図り、またヒートシンクが軸方向に長くなったモジュールが挿入される挿入部を有することで軸方向に小型化を図ると共に、モジュールが発する熱を効率的に放熱できる回路一体型モータを提供することができる。

さらに、ヒートシンクは、回転軸の周方向に外周部を有し、外周部が前記モータハウジングと接続されることを特徴としてもよい。
これによれば、ヒートシンクの外周部とモータハウジングを接続することで、モジュールが発する熱を大きな表面積を有するモータハウジングへ効率的に放熱できる。

さらに、駆動回路は、冗長化のため独立した第１モジュールと第２モジュールから構成され、挿入部は、第１モジュールが挿入される第１挿入部と第２モジュールが挿入される第２挿入部から構成されることを特徴としてもよい。
これによれば、信頼性を向上するためにモジュールを冗長化した場合でも、挿入部を２つ作製しておくことで部品を共通化できる。

さらに、蓋体は、回転軸の軸方向に延びるコネクタ端子を有し、ヒートシンクは、コネクタ端子を回転軸の軸方向に通すための貫通孔を有し、貫通孔を通過するコネクタ端子が基板と接続されることを特徴としてもよい。
これによれば、ヒートシンクを介して、蓋体と基板の組み立てが回転軸の軸方向の挿入で行えるため、回路一体型モータの組み立てを容易にすることができる。

さらに、モータは、基板の方向に向けて複数の端子からなる第１端子群を備え、基板は、第１端子群に接続される複数の端子からなる第２端子群を備え、モータハウジングは、第１端子群と第２端子群の近傍に端子接続用開口部を備えることを特徴としてもよい。
これによれば、基板とモータの組み立てが回転軸の軸方向の挿入で行えるため、回路一体型モータの組み立てを容易にすることができる。

さらに、挿入部の内面が主側面と間接的に接触する場合、放熱用の充填剤を介して挿入部の内面と主側面が接触することを特徴としてもよい。
これによれば、モジュールの組み立て精度や挿入部の成形精度を上げなくても、容易に熱伝導性の良いヒートシンクを提供することができる。

本発明によれば、径方向および軸方向の両方において小型化を図ると共に放熱性を向上し、さらに組み立てが容易な回路一体型モータを提供することができる。

本発明に係る第一実施例の回路一体型モータの、（Ａ）上面図、（Ｂ）斜視図、（Ｃ）Ａ−Ａ断面における断面図。 本発明に係る第一実施例の回路一体型モータの分解斜視図。 本発明に係る第一実施例の回路一体型モータのヒートシンクの、（Ａ）上面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）側面図。 本発明に係る第一実施例の回路一体型モータの蓋体の、（Ａ）上面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）側面図。 本発明に係る第一実施例の回路一体型モータの基板の、（Ａ）上面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）側面図、（Ｄ）底面図、（Ｅ）斜め上方からの斜視図、（Ｆ）斜め下方からの斜視図。 本発明に係る第一実施例の回路一体型モータのモジュールの、（Ａ）斜視図、（Ｂ）側面図、（Ｃ）変形例の斜視図、（Ｄ）変形例の側面図。 本発明に係る第一実施例の回路一体型モータにおける、（Ａ）ヒートシンクと基板を組み合わせた場合の、図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面における断面図、（Ｂ）ヒートシンクと基板を組み合わせた場合の斜め上方からの斜視図、（Ｃ）ヒートシンクと基板を組み合わせた場合の斜め下方からの斜視図、（Ｄ）ヒートシンクだけの斜め下方からの斜視図。 本発明に係る第一実施例の回路一体型モータのモジュールのブロック図。 本発明に係る第一実施例の回路一体型モータの冗長化したモジュールのブロック図。

＜第一実施例＞
図１および図２を参照し、本実施例における回路一体型モータ１００を説明する。回路一体型モータ１００は、車両に設けられる電動パワーステアリング制御装置に使用され、ステアリングを回動操作する際のトルクを補助するため、操舵装置に対して操舵トルクを発生させる。回路一体型モータ１００は、たとえば、運転者がステアリングを回動操作することにより回動するステアリングシャフトの回動方向と回動トルクとが検出されると、ステアリングシャフトの回動方向と同じ方向へ回動するようにモータ２０を駆動し、操舵を支援するトルクを発生させる。回路一体型モータ１００は、主に、かかる操舵支援トルクを発生させるためのモータ２０と、モータ２０の回転速度や回転トルクを制御する半導体素子等からなる駆動回路とを一体的に組み込んで構成される。

回路一体型モータ１００は、回転トルクを出力する回転軸２１を有するモータ２０と、モータ２０を収容するモータハウジング１０と、モータハウジング１０に接続されるヒートシンク３０と、ヒートシンク３０に接続される蓋体４０と、ヒートシンク３０および／またはモータハウジング１０の内側に配置される基板５０と、基板５０に実装され、モータ２０を駆動するための駆動回路が封入されたモジュール５１とを備える。モータ２０は、大きなトルクを発生させるに有利な３相交流により駆動される。モータハウジング１０は、内部にモータ２０を収容するためのアルミ合金などから作製され、筒状をなす。

筒状のモータハウジング１０の一端側には、モータ２０の出力軸たる回転軸２１が突出し、他端側には、ヒートシンク３０と蓋体４０が接続されている。ヒートシンク３０は、回転軸２１の軸方向においてモータハウジング１０に隣接して配置され、一端側を、モータハウジング１０にねじ止め等により強固に密着させて接続されている。ヒートシンク３０の他端側は、蓋体４０に接続されている。ヒートシンク３０は、アルミ合金等の熱伝導性のよい材質から作製される。

ヒートシンク３０は、回転軸２１の周方向の最もモータハウジング１０に近い部分に外周部３３を有し、外周部３３がモータハウジングの上端と接続される。このような構成により、ヒートシンク３０の外周部３３とモータハウジング１０を接続することで、モジュール５１が発する熱を大きな表面積を有するモータハウジング１０へ効率的に放熱することができる。

ヒートシンク３０は、図３に示すように、内部に、両側にある蓋体４０と基板５０の間を貫通する、２つの挿入部３１すなわち第１挿入部３１１と第２挿入部３１２と、２つの貫通孔３２を有する。挿入部３１は、モジュール５１が挿入される孔であり、挿入されるモジュール５１とほぼ同じ形および同じ大きさまたはやや大きい大きさを有する孔である。貫通孔３２は、後述するコネクタ端子４１を回転軸２１の軸方向に通すための孔である。

図１（Ｃ）の断面図が示すように、ヒートシンク３０のモータハウジング１０側の面は、孔以外はほぼ平坦である。一方、ヒートシンク３０の蓋体４０側の面は、挿入部３１が位置する中心部は厚みが厚くなるように隆起し、貫通孔３２付近は凹んでいる。挿入部３１が位置する中心部の厚みは、モジュール５１の基板５０の面からの高さにほぼ等しく、モジュール５１の広い面で直接的／間接的に接触することで、モジュール５１が発する熱を吸収しやすくなっている。

また、蓋体４０は、回転軸２１の軸方向において、ヒートシンク３０を挟んでモータハウジング１０とは反対側に配置され、回転軸２１が突出した側を筒状の外形を有する回路一体型モータ１００の底部とすれば、回路一体型モータ１００の頂部に当たる。蓋体４０は、図４にも示すように、頂部に当たる部分に、外部の電源ケーブルや制御ケーブル（図示せず）などと接続するためのコネクタ４２と、そのコネクタ４２から回転軸２１の軸方向に延びるコネクタ端子４１を有する。

コネクタ端子４１は、ヒートシンク３０の貫通孔３２を介して基板５０と電気的に接続され、基板５０を通してモータ２０に電源や、ステアリングシャフトの回動トルク等の情報信号をモジュール５１に提供する。蓋体４０は、ヒートシンク３０にねじ止め等により強固に接続されている。

基板５０は、筒状のヒートシンク３０とモータハウジング１０の境界付近に配置され、回転軸２１と垂直な面を有するプリント基板である。基板５０は、一面側にモジュール５１と、主に他面側にモータ２０を駆動するために必要な回路の一部を構成する電子部品群（たとえば、後述するＰＷＭ制御回路等）と、これらを結線する基板面および基板内部に配線された信号線とを有する。基板５０は、モジュール５１がヒートシンク３０側に位置するように、ヒートシンク３０とモータハウジング１０の内側に配置される。なお、基板５０の基板自体が、本実施例より蓋体４０側に配置され、基板５０のすべての構成要素がヒートシンク３０の内部に配置されてもよい。

モジュール５１は、モータ２０を駆動するための駆動回路をセラミック製やプラスチック製のカバーにより封入したものである。後述するように、モジュール５１は、基板５０に対するフットプリントが小さく、高さが高いので、ＳＩＰ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｉｎｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）で封入してもよい。モジュール５１が実装されている基板５０の面の反対側の面にある電子部品に比し、モジュール５１は、モータ２０の回転速度や回転トルクを制御する半導体素子から構成されるので、発熱量は大きい。

モジュール５１は、ヒートシンク３０側に配置され、モジュール５１が実装されている基板５０の面の反対側の面にある電子部品は、モータハウジング１０側に配置される。なお、モータハウジング１０側には、モータ２０に電源を供給するための第２端子群５２が、基板５０の方向に向けて複数の端子からなるモータ２０の第１端子群２２と電気的に接続するために対向して近傍に配置される。また、図２では蓋体４０とヒートシンク３０の間に、追加的な基板５０’があるが、基板５０にすべての電子部品が搭載できるならば不要である。

モジュール５１は、図６にも示すように、それぞれ形状と大きさの等しい、底面５１３と上面５１６、２つの主側面５１４、および２つの副側面５１５を有する直方体の形状をなす。モジュール５１は、基板５０と対向する底面５１３と、底面５１３と平行で同形同大の上面５１６と、底面５１３の面積よりも大きく底面５１３に直交する２つの対向する主側面５１４と、主側面５１４より面積の小さい２つの副側面５１５を有する直方体である。モジュール５１は、発熱量が大きいため、なるべく体積に対して表面積の大きい所謂平たい直方体であることが好ましい。主側面５１４は、底面５１３の長辺から立ち上る面である。

底面５１３と主側面５１４の境界付近には、駆動回路を基板５０に電気的に接続するためのリード線５１７／５１７’が設けられる。リード線５１７は、図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、基板５０に設けられたスルーホールに挿入されタイプであり、リード線５１７’は、図６（Ｃ）および（Ｄ）に示すように、基板５０の表面にマウントされるタイプである。

モジュール５１は、図７にも示すように、ヒートシンク３０の挿入部３１に挿入され、挿入部３１の内面に接触する。挿入部３１の厚みは、基板５０の面からのモジュール５１の高さにほぼ等しい。熱伝導性の良い材料で作製されたヒートシンク３０の挿入部３１の内面は、上面５１６や底面５１３とほぼ同形同大に形成され、主側面５１４および副側面５１５に直接接触することが好ましい。また、挿入部３１の内面は、少なくとも主側面５１４に直接接触していてもよい。また、挿入部３１の内面が主側面５１４や副側面５１５に直接接していない場合であっても、熱伝導性の良い放熱用の充填剤を介して間接的に接していても良い。これによれば、モジュール５１の組み立て精度や挿入部３１の成形精度を上げなくても、容易に熱伝導性の良くすることができる。

このように、モジュール５１は、基板５０からの高さが高く、基板５０に対するフットプリントが小さいので径方向に小型化を図ることができると共に、モジュール５１が回転軸２１の軸方向に２つの大きな面積の主側面５１４を有することでモジュール５１が発する熱を効率的に放熱できる。また、ヒートシンク３０が軸方向に長くなったモジュール５１が挿入される挿入部３１を有することで、軸方向に長くなることを抑え小型化を図ることができる。このように、回路一体型モータ１００は、径方向および軸方向に小型化が図られたことで、操舵装置内のラックと平行な方向に設けることが容易になる。

また、上述したように、蓋体４０が回転軸２１の軸方向に延びるコネクタ端子４１を有し、ヒートシンク３０は、コネクタ端子４１を回転軸２１の軸方向に通すための貫通孔３２を有し、貫通孔３２を通過するコネクタ端子４１が基板５０と接続される。これにより、ヒートシンク３０を介して、蓋体４０と基板５０の組み立てが回転軸２１の軸方向の挿入で行えるため、回路一体型モータ１００の組み立てを容易にすることができる。

また、上述したように、モータ２０は、基板５０の方向に向けて複数の端子からなる第１端子群２２を備え、基板５０は、第１端子群２２に接続される複数の端子からなる第２端子群５２を備え、モータハウジング１０は、第１端子群２２と第２端子群５２の近傍に端子接続用開口部１１を備える。モータハウジング１０から蓋体４０まで組み上げたところで、端子接続用開口部１１を通して、近傍に配置された第１端子群２２と第２端子群５２を溶接等で容易に接続することができる。かかる構成を有することで、基板５０とモータ２０の組み立てが回転軸２１の軸方向の挿入で行えるため、回路一体型モータ１００の組み立てを容易にすることができる。

なお、モジュール５１に封入される駆動回路は、図８に示されるような、３相のモータ２０の各相Ｕ／Ｖ／Ｗに対応した相回路ＣＵ／ＣＶ／ＣＷを並列に接続して構成されるブリッジ回路である。このブリッジ回路は、その各相にＰＷＭ信号（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を出力するＰＷＭ回路から制御を受けると共に、全体的に演算部からの制御を受けるインバータ回路である。

ブリッジ回路は、電源ラインを経由してバッテリの正極側に接続され、グランドラインを経由して接地される。ブリッジ回路の各相回路ＣＵ／ＣＶ／ＣＷは、電源ライン側に設けられる高電位側スイッチング素子と、グランドライン側に設けられる低電位側スイッチング素子と、最もグランドライン側に設けられるシャント抵抗と、を直列に有する。高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子は、通常、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）が用いられる。

高電位側スイッチング素子は、ドレインが電源ラインに接続されている。また、高電位側スイッチング素子のソースは、低電位側スイッチング素子のドレインに接続されている。低電位側スイッチング素子のソースは、シャント抵抗を介して、グランドラインに接続されている。高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子は、ＰＷＭ回路で生成されたＰＷＭ信号がゲートに入力され、ソース−ドレイン間がオン／オフされる。

シャント抵抗は、低電位側スイッチング素子より低電位側（グランド側）に設けられ、ブリッジ回路からモータ２０の各相に供給される電流を検出する。通常、モータ２０は、正弦波を通電させることにより駆動電力を供給される。その際、各相Ｕ／Ｖ／Ｗの電流値のフィードバックが演算部に必要となるため、シャント抵抗は、各相回路ＣＵ／ＣＶ／ＣＷに各相の電流検出を行なうために設けられている。

高電位側スイッチング素子と低電位側スイッチング素子の接続点は、それぞれ、モータ２０の相に接続されている。また、低電位側スイッチング素子とシャント抵抗の接続点は、それぞれ、各相回路ＣＵ／ＣＶ／ＣＷの相電流値がＡＤ変換器（図示せず）を介してフィードバックするため演算部に接続されている。

演算部は、シャント抵抗から得られる相電流値と、他のセンサ（たとえばモータ２０の回転角を検出するマグネットレゾルバー）やＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、図示せず）から得られるステアリングの操舵トルク値信号、車速、回転角などを入力として受け取る。演算部は、その車速の時の運転者がステアリングに与える操舵トルク値信号や、シャント抵抗が検出した相電流値に基づき、モータ２０がステアリングに付与すべき補助力に対応した相毎の指令電圧を算出し、ＰＷＭ回路に出力する。なお、演算部は、ＣＰＵとメモリを備えるマイクロコンピュータにより構成される。

ＰＷＭ回路は、演算部が出力した各相の指令電圧に基づいてデューティ値を生成する。そして、ＰＷＭ回路は、このデューティ値に基づいて、モータ２０を回転駆動させるＰＷＭ信号を生成し、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子に出力する。このＰＷＭ信号は、それぞれ、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子のゲートに入力されて、ブリッジ回路は、直流電源としてのバッテリの電力をＰＷＭ制御によって変換し、モータ２０へ供給する。

これらのブリッジ回路に使用されるスイッチング素子が１つでも故障すると、モータ２０を制御することができず、電動パワーステアリング制御装置の機能を果たすことができない。したがって、本実施例では、ブリッジ回路すなわちモジュール５１は、図９にも示すように、制御機構の冗長化のため、第１モジュール５１１と第２モジュール５１２の２つから構成され、両者に含まれる駆動回路は、同一であり、独立してモータ２０を駆動する。このように、基板５０に複数のモジュール５１を搭載する場合であっても、モジュール５１（第１モジュール５１１と第２モジュール５１２）は、高さが高くて基板５０に対するフットプリントが小さいので基板５０に容易に搭載することができ、また、これらが挿入される挿入部３１（第１挿入部３１１と第２挿入部３１２）から構成されることで、信頼性を向上するためにモジュール５１を冗長化した場合でも、部品を共通化できる共に、容易にモジュール５１を冗長化して搭載することが可能となる。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

１００ 回路一体型モータ
１０ モータハウジング
１１ 端子接続用開口部
２０ モータ
２１ 回転軸
２２ 第１端子群
３０ ヒートシンク
３１ 挿入部
３１１ 第１挿入部
３１２ 第２挿入部
３２ 貫通孔
３３ 外周部
４０ 蓋体
４１ コネクタ端子
４２ コネクタ
５０ 基板
５１ モジュール
５１１ 第１モジュール
５１２ 第２モジュール
５１３ 底面
５１４ 主側面
５１５ 副側面
５１６ 上面
５１７ リード線
５２ 第２端子群

Claims (6)

1. 回転軸を有し、モータハウジングに収容されるモータと、
   前記回転軸の軸方向において前記モータハウジングに隣接して配置され、前記モータハウジングに接続されるヒートシンクと、
   前記回転軸の軸方向において、前記ヒートシンクを挟んで前記モータハウジングとは反対側に配置される蓋体と、
   前記ヒートシンクおよび／または前記モータハウジングの内側に配置される基板と、
   前記基板に実装され、前記モータを駆動するための駆動回路が封入されたモジュールと、
   を備える回路一体型モータであって、
   前記モジュールは、前記基板と対向する底面と、前記底面の面積よりも大きく前記底面に直交する２つの対向する主側面を有する略直方体形状であり、
   前記ヒートシンクは、前記モジュールが挿入される挿入部を有し、
   前記挿入部の内面は、少なくとも２つの前記主側面と直接的または間接的に接触する、
   回路一体型モータ。
2. 前記ヒートシンクは、前記回転軸の周方向に外周部を有し、前記外周部が前記モータハウジングと接続されることを特徴とする請求項１に記載の回路一体型モータ。
3. 前記駆動回路は、冗長化のため独立した第１モジュールと第２モジュールから構成され、前記挿入部は、前記第１モジュールが挿入される第１挿入部と前記第２モジュールが挿入される第２挿入部から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の回路一体型モータ。
4. 前記蓋体は、前記回転軸の軸方向に延びるコネクタ端子を有し、
   前記ヒートシンクは、前記コネクタ端子を前記回転軸の軸方向に通すための貫通孔を有し、
   前記貫通孔を通過する前記コネクタ端子が前記基板と接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回路一体型モータ。
5. 前記モータは、前記基板の方向に向けて複数の端子からなる第１端子群を備え、
   前記基板は、前記第１端子群に接続される複数の端子からなる第２端子群を備え、
   前記モータハウジングは、前記第１端子群と前記第２端子群の近傍に端子接続用開口部を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回路一体型モータ。
6. 前記挿入部の内面が前記主側面と間接的に接触する場合、放熱用の充填剤を介して前記挿入部の内面と前記主側面が接触することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回路一体型モータ。