JP6721267B2 - 駆動装置一体型回転電機、及びそれを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車両用回転電機として用いられる駆動装置一体型回転電機、及びそれを用いた電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来、この種の駆動装置一体型回転電機として、例えば特開２０１６−３２９７７号公報（特許文献１）に、電動パワーステアリング装置への電力供給を十分に冗長化させつつ、他の車載装置への電源変動を抑制可能にするために、電源コネクタ、インバータ、三相巻線をそれぞれ２組有し、同じ電流容量の電源コネクタを２組設けたダブルインバータ方式駆動装置一体型回転電機が開示されている。

特開２０１６−３２９７７号公報（図２）

特許文献１に開示された駆動装置一体型回転電機においては、一方の電力供給ラインに異常があった場合に、他方の電力供給ラインによって、コントローラへの電力供給を継続することができ、従って、電動パワーステアリング装置に対する電力供給を十分に冗長化させることができる利点がある。しかし、この駆動装置一体型回転電機は、２組の電源コネクタを設置するスペースと、当該コネクタを挿抜する空間を確保するために装置が大型化する課題がある。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、装置を大型化することなく２組の電源コネクタを設けることができる駆動装置一体型回転電機、及びそれを用いた電動パワーステアリング装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る駆動装置一体型回転電機は、第１三相巻線と第２三相巻線を有する回転電機と、前記第１三相巻線に駆動電流を供給する第１インバータ部と、前記第２三相巻線に駆動電流を供給する第２インバータ部と、前記第１インバータ部を第１車両電源に接続する第１電源コネクタと、前記第２インバータ部を第２車両電源に接続する第２電源コネクタと、を備え、
前記第１車両電源の電圧を前記第２車両電源の電圧より高くし、前記第１電源コネクタの電流容量を前記第２電源コネクタの電流容量より小さくしたものである。

この発明によれば、装置を大型化することなく２組の電源コネクタを設けることができるため、搭載性、組み付け作業性が良好な駆動装置一体型回転電機を得ることができる。
この発明の上記目的以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

この発明の実施の形態１に係る駆動装置一体型回転電機の側面図である。 この発明の実施の形態１に係る駆動装置一体型回転電機の反出力軸側端面図である。 この発明の実施の形態１に係る駆動装置一体型回転電機の回路ブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る駆動装置一体型転電機を車両に搭載した電動パワーステアリング装置の構成図である。 この発明の実施の形態２に係る駆動装置一体型回転電機の回路ブロック図である。

以下、この発明に係る駆動装置一体型転電機、及びそれを用いた電動パワーステアリング装置の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る駆動装置一体型回転電機の側面図、図２はその反出力軸側端面図を示し、図３はその駆動装置一体型回転電機の回路ブロック図である。
図１から図３において、回転電機１は永久磁石同期モータであって、図示しないステータには三相巻線が２組巻回され、三相２重化モータとなっている。回転電機１の出力軸側端部には、車両のステアリング機構に連結されるカップリング、プーリ等の連結機構２が取り付けられている。また、回転電機１の連結機構２と反対側の端部には、駆動装置３が同軸的に一体に取り付けられており、駆動装置一体型回転電機４ａを構成している。

駆動装置３の端部には、第１電源コネクタ５ａ、第２電源コネクタ５ｂ、第１信号コネクタ６ａ、第２信号コネクタ６ｂが設けられている。第１電源コネクタ５ａは図３に示すように第１車両電源７ａに接続され、第２電源コネクタ５ｂは第１車両電源７ａよりも電源電圧が低い第２車両電源７ｂに接続されている。

駆動装置３は、第１電源回路８ａ、第２電源回路８ｂ、第１入力回路９ａ、第２入力回路９ｂ、第１ＣＰＵ１０ａ、第２ＣＰＵ１０ｂ、第１ＦＥＴ駆動回路１１ａ、第２ＦＥＴ駆動回路１１ｂ、パワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子で構成され三相分を１組とした第１インバータ部１２ａ、第１インバータ部１２ａと同様に構成された第２インバータ部１２ｂの２組を有している。第１電源回路８ａ、第２電源回路８ｂ、第１入力回路９ａ、第２入力回路９ｂ、第１ＣＰＵ１０ａ、第２ＣＰＵ１０ｂ、第１ＦＥＴ駆動回路１１ａ、第２ＦＥＴ駆動回路１１ｂは、駆動装置３の制御回路を構成している。

第１入力回路９ａには、第１信号コネクタ６ａを介して操舵機構を構成する第１操舵センサ１３ａの信号と、車速などの車両信号が入力され、さらに装置内部の配線により回転電機１の図示しないロータの回転角度を検出する第１回転センサ１４ａの信号が入力されている。第２入力回路９ｂにも同様に、第２信号コネクタ６ｂを介して操舵機構を構成する第２操舵センサ１３ｂの信号と、車速などの車両信号が入力され、さらに装置内部の配線により回転電機１の図示しないロータの回転角度を検出する第２回転センサ１４ｂの信号が入力されている。第１インバータ部１２ａ、第２インバータ部１２ｂは、それぞれ第１電源コネクタ５ａ、第２電源コネクタ５ｂを介して、第１車両電源７ａ、第２車両電源７ｂに接続されている。第１インバータ部１２ａ、第２インバータ部１２ｂの三相出力は、装置内部の配線により、それぞれ回転電機１の第１三相巻線１５ａ、第２三相巻線１５ｂに接続され、駆動電流を供給する。

第１電源コネクタ５ａの電流容量は、第２電源コネクタ５ｂの電流容量よりも小さくなっている。電流容量が小さいと言うことは、コネクタ端子のサイズ（主として端子の幅）が小さくなっていると言うことであり、つまり電源コネクタのサイズ自体が小さくなっていることを意味する。このため、電源コネクタを設置するスペースが小さくて済み、装置の大型化を防いでいる。なお、コネクタは、その外形寸法のものを物理的に配置できれば良いわけではなく、車両に搭載された状態でコネクタを挿抜する空間を確保する必要があり、コネクタを小型化することはコネクタ自体のサイズ縮小分以上に装置の小型化に効果が得られる。ここで、コネクタの電流容量とはコネクタに通電することができる許容電流値のことであり、例えば一定の電流を連続して通電した際のコネクタの温度上昇値がコネクタ端子の材質、コネクタハウジングの材質、使用環境等を考慮して許容される範囲内に収まる値となるように設定される。

第１電源コネクタ５ａと第２電源コネクタ５ｂの２組の電源コネクタの電流容量は、それぞれの組の電源電圧と電流容量の積が概ね等しい値となるように設定されている。例えば、高電圧側の第１車両電源７ａの電源電圧が低電圧側の第２車両電源７ｂの電源電圧の４倍であるとすると、第１車両電源７ａに接続される第１電源コネクタ５ａの電流容量は、第２車両電源７ｂに接続される第２電源コネクタ５ｂの電流容量の１／４となる。これは、２組の三相巻線、即ち第１三相巻線１５ａ、第２三相巻線１５ｂにより発揮される回転電機１の出力が等しくなるように設計されているためであり、２組の駆動回路、即ち第１ＦＥＴ駆動回路１１ａ、第２ＦＥＴ駆動回路１１ｂに供給する必要がある電力、つまり電圧と電流の積は等しいことを意味する。故に、高電圧側の第１電源コネクタ５ａの電流容量は電圧が高い分小さくすることが可能となっている。

第１三相巻線１５ａ、第２三相巻線１５ｂの２組の三相巻線により発揮される回転電機１の出力が等しくなるようにする方法としては、高電圧側の第１インバータ部１２ａの変調率を低電圧側の第２インバータ部１２ｂの変調率に対し電源電圧の比（第２車両電源７ｂの電源電圧／第１車両電源７ａの電源電圧）で小さくするか、あるいは高電圧側の第１三相巻線１５ａの誘起電圧定数を低電圧側の第２三相巻線１５ｂの誘起電圧定数に対し電源電圧の比（第１車両電源７ａの電源電圧／第２車両電源７ｂの電源電圧）で大きくする等がある。

ここで、車両電源が異なる電源電圧で２組用意されているのは、電源を２重にして冗長性を確保することに加え、２つの電源の構成を異なるものとし、同一の原因により同時に故障が発生することを回避するためである。近年は電気自動車、プラグインハイブリッド車、ハイブリッド車等の高電圧バッテリーを搭載した車両が増加しており、従来の鉛バッテリーによる１２Ｖ電源と、これらの高電圧バッテリーから降圧した電源、例えば４８Ｖ電源を用意することは比較的容易に行えるようになっている。

以上のように、駆動装置一体型回転電機４ａは、コネクタ、電源回路、入力回路、ＣＰＵ、ＦＥＴ駆動回路、インバータ部、三相巻線、回転センサを含み、回転電機１を駆動制御するすべての要素が２重に構成された完全２系統となっているため、どちらか一方の系統が故障しても、他の系統が影響を受けることなく駆動を継続でき、信頼性が大幅に向上するものとなっている。

次に、本実施の形態に係る駆動装置一体型回転電機４ａが搭載された車両の電動パワーステアリング装置について説明する。図４は、実施の形態１に係る駆動装置一体型転電機を車両に搭載した電動パワーステアリング装置の構成図である。
図４において、運転者が操作するハンドル４０にはステアリングシャフト４１が連結されている。ステアリングシャフト４１には運転者の操舵角または操舵トルクを検知する第１操舵センサ１３ａ、第２操舵センサ１３ｂが取り付けられている。操向輪である前輪４１ａ、４１ｂのナックルアーム４２ａ、４２ｂにはラック軸４３に連結されたタイロッド４４ａ、４４ｂが接続されており、ラック軸４３の動きがタイロッド４４ａ、４４ｂと、ナックルアーム４２ａ、４２ｂを経て前輪４１ａ、４１ｂに伝わる。これにより、前輪４１ａ、４１ｂが操向される。ラック軸４３には転舵モータである駆動装置一体型回転電機４ａが取り付けられており、駆動装置一体型回転電機４ａの出力がラック軸４３を動かす動力となっている。第１操舵センサ１３ａ、第２操舵センサ１３ｂからの入力信号と車速などの車両信号に基づき、駆動装置３が回転電機１を適切に制御することにより、運転者の操作に応じた転舵がなされる電動パワーステアリング装置４５を形成している。

なお、本実施の形態では、第１電源コネクタ５ａと第２電源コネクタ５ｂ、および第１信号コネクタ６ａと第２信号コネクタ６ｂは、駆動装置３の軸方向端面から反出力軸側に導出しているが、各コネクタの導出方向はこれに限定されるものではなく、径方向に導出しても良い。また、駆動装置３に径方向突出部を設け、径方向突出部から各コネクタを出力軸側に導出しても良い。さらに、それぞれのコネクタは、同一方向に導出することに限定されるものではなく、車両のレイアウトに応じて、適宜別の方向に導出しても良い。

このように構成された駆動装置一体型回転電機４ａにおいては、２組の電源電圧を異なるものとし、高電圧側の第１電源コネクタ５ａのサイズを小さくしたため、コネクタ、制御回路、インバータ、三相巻線を２重化しても装置の外形が小さく、車両への搭載性、コネクタの挿抜性が良好なものとなる。また、製造コストも低減することができる。このような特徴を有する駆動装置一体型回転電機４ａは、高い信頼性、冗長性と、小型化、軽量化を両立できるものとなるため、特に車両の電動パワーステアリング装置４５に用いられる装置として好適なものとなる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る駆動装置一体型回転電機について説明する。図５は、実施の形態２に係る駆動装置一体型回転電機４ｂを示す回路ブロック図である。実施の形態２では、第１電源コネクタ５ａを介して入力される第１車両電源７ａと第２電源コネクタ５ｂを介して入力される第２車両電源７ｂとを切り替えて、どちらか一方のみを第１電源回路８ａ、第１インバータ部１２ａ、第２電源回路８ｂ、第２インバータ部１２ｂに接続する切り替え手段である電源切り替え装置５０を有する構成となっている。その他の構成は、実施の形態１と同様であり、同一符号を付すことにより重複説明を省略する。

実施の形態２に係る駆動装置一体型回転電機４ｂは、いずれか一方の車両電源が故障しても装置の２組の制御回路、インバータ、三相巻線には正常に電力が供給できるので、装置は正常時と同じ出力を発揮することができる。なお、本実施の形態では第１三相巻線１５ａと第２三相巻線１５ｂの誘起電圧定数は等しくなるように構成されている。

このように構成された駆動装置一体型回転電機４ｂは、実施の形態１に係る駆動装置一体型回転電機４ａと同様に、２組の電源電圧を異なるものとし、高電圧側の第１電源コネクタ５ａのサイズを小さくしたため、コネクタ、制御回路、インバータ、三相巻線を２重化しても装置の外形が小さく、車両への搭載性、コネクタの挿抜性が良好なものとなる。さらに、第１車両電源７ａと第２車両電源７ｂのいずれか一方が故障しても、電源切り替え装置５０を正常側の車両電源に切り替えることにより、性能低下することなく正常に動作させることができる。このような特徴を有する駆動装置一体型回転電機４ｂは、高い信頼性、冗長性と、小型化、軽量化を両立できるものとなるため、実施の形態１に係る駆動装置一体型回転電機４ａと同様、特に車両の電動パワーステアリング用として好適なものとなる。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、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。

１ 回転電機、２ 連結機構、３ 駆動装置、４ａ、４ｂ 駆動装置一体型回転電機、５ａ 第１電源コネクタ、５ｂ 第２電源コネクタ、６ａ 第１信号コネクタ、６ｂ 第２信号コネクタ、７ａ 第１車両電源、７ｂ 第２車両電源、８ａ 第１電源回路、８ｂ 第２電源回路、９ａ 第１入力回路、９ｂ 第２入力回路、１０ａ 第１ＣＰＵ、１０ｂ 第２ＣＰＵ、１１ａ 第１ＦＥＴ駆動回路、１１ｂ 第２ＦＥＴ駆動回路、１２ａ 第１インバータ部、１２ｂ 第２インバータ部、１３ａ 第１操舵センサ、１３ｂ 第２操舵センサ、１４ａ 第１回転センサ、１４ｂ 第２回転センサ、１５ａ 第１三相巻線、１５ｂ 第２三相巻線、４０ ハンドル、４１ ステアリングシャフト、４１ａ、４１ｂ 前輪、４２ａ、４２ｂ ナックルアーム、４３ ラック軸、４４ａ、４４ｂ タイロッド、４５ 電動パワーステアリング装置、５０ 電源切り替え装置。

Claims (7)

1. 第１三相巻線と第２三相巻線を有する回転電機と、
   前記第１三相巻線に駆動電流を供給する第１インバータ部と、
   前記第２三相巻線に駆動電流を供給する第２インバータ部と、
   前記第１インバータ部を第１車両電源に接続する第１電源コネクタと、
   前記第２インバータ部を第２車両電源に接続する第２電源コネクタと、を備え、
   前記第１車両電源の電圧を前記第２車両電源の電圧より高くし、前記第１電源コネクタの電流容量を前記第２電源コネクタの電流容量より小さくしたことを特徴とする駆動装置一体型回転電機。
2. 前記第１車両電源の電圧と前記第１電源コネクタの電流容量の積と、前記第２車両電源の電圧と前記第２電源コネクタの電流容量の積を等しくした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。
3. 前記第１インバータ部の変調率を前記第２インバータ部の変調率より小さくした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。
4. 前記第１三相巻線の誘起電圧定数を前記第２三相巻線の誘起電圧定数より大きくした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。
5. 前記第１電源コネクタと前記第２電源コネクタは、それぞれ前記第１インバータ部あるいは前記第２インバータ部と独立して設けられていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の駆動装置一体型回転電機。
6. 前記第１電源コネクタと前記第２電源コネクタは、前記第１インバータ部と前記第２インバータ部に対して共通に設けられ、前記第１電源コネクタと前記第２電源コネクタのどちらか一方を、前記第１インバータ部と前記第２インバータ部に選択して接続できる切り替え手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置一体型回転電機。
7. 運転者が操作するハンドルに連結されたステアリングシャフトと、
   前記ステアリングシャフトに取り付けられ、運転者の操舵角または操舵トルクを検知する第１操舵センサ及び第２操舵センサと、
   前記ステアリングシャフトに連結されたラック軸と、
   前記ラック軸に取り付けられた駆動装置一体型回転電機と、を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記駆動装置一体型回転電機は、請求項１から６の何れか一項に記載の駆動装置一体型回転電機であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

Images