JPWO2016117114A1 - 電動駆動装置 - Google Patents

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Abstract

モータとインバータとを接続する接続部材に流れる3相交流電流による磁場が、磁気センサの位置において相殺されて低減されるように接続部材を線対称に配置するとともに、予め定めた要求値Kに対して、Fsum=sin(2θa+π/4)−sin(2θb−π/12)+sin(2θc−5π/12)、およびFdiff=sin(2θa−π/4)−sin(2θb+π/12)+sin(2θc+5π/12)が、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たすように、接続部材を配置する。

Description

本発明は、モータの駆動を制御するECU(Elecronic Control Unit)を備えた電動駆動装置に関するものである。
電動パワーステアリング装置等に用いられる電動駆動装置において、モータのトルクリップルを低減するためには、モータの回転子の角度位置を精度よく検出することが求められる。しかしながら、モータ自身が発生する磁場の影響によって、モータの回転子の角度位置を検出する磁気センサの検出精度が低下してしまうという課題があった。
このような課題を解決するための従来の電動駆動装置として、モータの電機子と磁気センサとの間に蓋部を配置して、電機子が発生する磁場の影響がセンサに及ばないよう抑制することで、角度位置を検出する精度を向上させたものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、別の電動駆動装置として、センサマグネットを保持するホルダに対して磁気誘導部を当接して設けることにより、磁気センサがセンサマグネットの磁場を精度よく検出できるようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。
特開2008−219995号公報 特開2013−7731号公報
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献1の電動駆動装置では、蓋部を設けることにより、電機子が発生する磁場の影響がセンサに及ばないようにしているが、蓋部が新たな部品として追加で必要となる。また、特許文献2の電動駆動装置では、磁気誘導部を設けることにより、検出対象の磁場以外の磁場の影響を抑制しているが、磁気誘導部を構成する部品が追加で必要となる。
このように、新たな部品が追加で必要となることにより、モータの構造が複雑化して大重量化、高コスト化するとともに、生産性が低下してしまうという課題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、新たな部品を追加することなく、モータ自身が発生する磁場による磁気センサへの影響を抑制して、モータの回転子の角度位置を高精度に検出できる電動駆動装置を得ることを目的とする。
本発明に係る電動駆動装置は、電流位相が互いに2π/3異なる3相を有する第1の電機子巻線と、第1の電機子巻線に電圧を印加するための第1のインバータと、第1の電機子巻線と第1のインバータを接続する3本の接続線を有する第1の接続部材と、第1の電機子巻線に対して電流位相が、π/6−π/12≦Δθ≦π/6+π/12の範囲内の位相遅れΔθだけ遅れた3相を有する第2の電機子巻線と、第2の電機子巻線に電圧を印加するための第2のインバータと、第2の電機子巻線と第2のインバータを接続する3本の接続線を有する第2の接続部材と、第1の接続部材と第2の接続部材の間に配置され、回転子が回転することで生じる磁場の変化によって回転子の回転角度を検出する磁気センサと、を備えた電動駆動装置であって、第1の接続部材の接続線と第2の接続部材の接続線とを組にした下記3組の接続線が、磁気センサの検出軸であるx軸を対称軸として互いに線対称となるように配置され、「接続線の第1組:第1の接続部材のうちの1つの接続線Bと、第2の接続部材のうちの接続線Bより電流位相が位相遅れΔθだけ遅れた接続線との組、接続線の第2組:第1の接続部材のうちの接続線Bより電流位相が2π/3進んだ接続線Aと、第2の接続部材のうちの接続線Aとの電流位相差が位相遅れΔθより大きい接続線との組、接続線の第3組:第1の接続部材のうちの接続線Bより電流位相が2π/3遅れた接続線Cと、第2の接続部材のうちの接続線Cとの電流位相差が位相遅れΔθより大きい接続線との組」、x軸と直交する磁気センサのもう一方の検出軸をy軸とし、接続線A、接続線B、接続線Cと磁気センサとを結ぶ各直線が、y軸となす角をそれぞれθa、θb、θcとするとき、出力トルクに含まれるトルクリプルの許容値から決定される要求値Kに対して、Fsum=sin(2θa+π/4)−sin(2θb−π/12)+sin(2θc−5π/12)、およびFdiff=sin(2θa−π/4)−sin(2θb+π/12)+sin(2θc+5π/12)が、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たすものである。
また、本発明に係る別の電動駆動装置は、電流位相が互いに2π/3異なる3相を有する第1の電機子巻線と、第1の電機子巻線に電圧を印加するための第1のインバータと、第1の電機子巻線と第1のインバータを接続する3本の接続線を有する第1の接続部材と、第1の電機子巻線に対して電流位相が、π/6−π/12≦Δθ≦π/6+π/12の範囲内の位相遅れΔθだけ遅れた3相を有する第2の電機子巻線と、第2の電機子巻線に電圧を印加するための第2のインバータと、第2の電機子巻線と第2のインバータを接続する3本の接続線を有する第2の接続部材と、第1の接続部材と第2の接続部材の間に配置され、回転子が回転することで生じる磁場の変化によって回転子の回転角度を検出する磁気センサと、を備えた電動駆動装置であって、第1の接続部材の接続線と第2の接続部材の接続線とを組にした下記3組の接続線が、磁気センサを中心として互いに点対称に配置され、「接続線の第1組:第1の接続部材のうちの1つの接続線Bと、第2の接続部材のうちの接続線Bより電流位相が位相遅れΔθだけ遅れた接続線との組、接続線の第2組:第1の接続部材のうちの接続線Bより電流位相が2π/3進んだ接続線Aと、第2の接続部材のうちの接続線Aとの電流位相差が位相遅れΔθより大きい接続線との組、接続線の第3組:第1の接続部材のうちの接続線Bより電流位相が2π/3遅れた接続線Cと、第2の接続部材のうちの接続線Cとの電流位相差が位相遅れΔθより大きい接続線との組」、x軸と直交する磁気センサのもう一方の検出軸をy軸とし、接続線A、接続線B、接続線Cと磁気センサとを結ぶ各直線が、y軸となす角をそれぞれθa、θb、θcとするとき、出力トルクに含まれるトルクリプルの許容値から決定される要求値Kに対して、Fsum=sin(2θa+π/4)+√2sin(π/12)sin(2θb+π/4)−√2cos(π/12)sin(2θc+π/4)、およびFdiff=sin(2θa−π/4)+√2sin(π/12)sin(2θb−π/4)−√2cos(π/12)sin(2θc−π/4)が、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たすものである。
本発明では、モータとインバータとを接続する接続部材に流れる3相交流電流による磁場が、磁気センサの位置において相殺されて低減されるように接続部材を最適配置している。この結果、新たな部品を追加することなく、モータの回転子の角度位置を高精度に検出できる電動駆動装置を得ることができる。
本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置を備えた電動パワーステアリング装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置の側断面図である。 本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置の電気回路図である。 本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置のモータの正断面図である。 本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置における、磁気センサと第1の接続部材および第2の接続部材との位置関係を示す概略図である。 回転座標系における3相交流電流ベクトルを示す説明図である。 本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置における、第1の接続部材の3本の接続線を異なる象限に分けて配置する場合の第1の接続部材および第2の接続部材の配置例を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置における、第1の接続部材の3本の接続線を同一の象限に配置する場合の第1の接続部材および第2の接続部材の配置例を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る電動駆動装置における、第1の接続部材の3本の接続線を異なる象限に分けて配置する場合の第1の接続部材および第2の接続部材の配置例を示す図である。 本発明の実施の形態2に係る電動駆動装置における、第1の接続部材の3本の接続線を同一の象限に配置する場合の第1の接続部材および第2の接続部材の配置例を示す図である。
以下、本発明における電動駆動装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置100を備えた電動パワーステアリング装置を示す構成図である。図1に示す電動駆動装置100は、モータ6とECU4とが一体となって構成されている。なお、本実施の形態1のモータ6としては、永久磁石型モータを想定する。
ECU4は、モータ6を駆動するためのインバータ回路と、制御基板とを備えている。車両の運転者が、ステアリングホイール(図示せず)を操舵すると、そのトルクがステアリングシャフト(図示せず)を介してシャフト1に伝達される。このとき、トルクセンサ2が検出したトルク値は、電気信号に変換され、ケーブル(図示せず)を通じて、第1のコネクタ3を介してECU4に伝達される。
一方、車速等の車両情報は、電気信号に変換され、第2のコネクタ5を介してECU4に伝達される。ECU4は、このような車速や操舵のトルク等の車両情報から、必要なアシストトルクを演算し、インバータ回路を介してモータ6に電流を供給する。ECU4への電力は、バッテリーやオルタネータから電源コネクタ8を介して供給される。
モータ6は、ハウジング7の内部にあるラック軸(図示せず)の矢印Xで示す移動方向に沿って平行に配置されている。モータ6が発生したトルクは、ベルト(図示せず)とボールネジ(図示せず)が内蔵されたギヤボックス9によって減速され、ラック軸を矢印Xの方向に動かす推力を発生させる。これにより、タイロッド10が動き、タイヤが転舵して車両を旋回させることができる。このように、運転手の操舵力がモータ6のトルクによってアシストされることにより、運転者は少ない操舵力で車両を旋回させることができる。なお、ラックブーツ11は、異物が電動パワーステアリング装置内に侵入しないようにするためのものである。
図2は、本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置100の側断面図である。以下、図2を用いて、本実施の形態1の電動駆動装置100の構成要素および機能についてより詳細に説明する。
モータ6は、電磁板を積層して構成された固定子鉄心12と、固定子鉄心12に巻回された電機子巻線13と、固定子鉄心12を固定するフレーム14とを備えて構成される。ここで、フレーム14は、ECU4とは反対側のハウジング15に、ボルト16によって固定されている。
ハウジング15には第1の軸受17が設けられ、第1の軸受17は、第2の軸受18とともにシャフト19を回転自在に支持している。第2の軸受18は、フレーム14と一体あるいは別体に設けられた壁部36によって支持されている。
シャフト19の出力軸側端部にはプーリー20が圧入されていて、プーリー20は電動パワーステアリング装置のベルトに駆動力を伝達する働きをする。シャフト19の他端部には、センサ用永久磁石21が設けられている。シャフト19は回転子鉄心22に圧入されており、回転子鉄心22には永久磁石23が固定されている。
ECU4は、トルクセンサ2からの信号を受ける第1のコネクタ3と、車速等の車両情報を受け取る第2のコネクタ5と、電力の供給を受ける電源コネクタ8とを備えている。また、ECU4は、モータ6を駆動するためのインバータ回路を備えており、インバータ回路は、MOSFET等のスイッチング素子24を用いて構成される。このスイッチング素子24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てモジュール化した構成等により実現可能である。
ここで、スイッチング素子24は、モータ6を駆動するための電流が流れるために発熱する。そこで、スイッチング素子24は、接着剤や絶縁シート等を介してヒートシンク25と接触させることにより放熱する構造となっている。
インバータ回路は、スイッチング素子24の他にも、平滑コンデンサやノイズ除去用コイル、電源リレーやそれらを電気的に接続するバスバー等を有しているが、図2では省略している。インバータ回路は、電機子巻線13の一部または別部材となるターミナルで構成される接続部材103やバスバーを介して、電機子巻線13と電気的に接続される。接続部材103は、ヒートシンク25を貫通する必要があるため、ヒートシンク25には接続部材103が通る穴部(図示せず)が設けられている。
バスバーは、樹脂と一体成形されて中間部材26を形成している。また、中間部材26に隣接して、制御基板27が設けられている。この制御基板27は、第1のコネクタ3および第2のコネクタ5から受け取った情報に基づき、モータ6を適切に駆動するために、スイッチング素子24に対して制御信号を送る。制御信号は、制御基板27とスイッチング素子24とを電気的に接続する接続部材28によって伝達される。この接続部材28は、ワイヤボンディングやプレスフィット、はんだ等で固定される。
これらのインバータ回路と制御基板27は、ケース29によって覆われている。ケース29は、樹脂で構成してもよいし、アルミ等の金属であってもよい。また、樹脂とアルミ等の金属とを組み合わせたものでもよい。制御基板27は、モータ6のシャフト19の軸線方向に対して垂直に配置されている。
ヒートシンク25のモータ6側には、センサ部30がある。センサ部30は、磁気センサ31、基板32、接続部材28および支持部材33を有し、磁気センサ31が実装された基板32が、ヒートシンク25にネジ(図示せず)で固定されている。
回転子34は、回転子鉄心22およびセンサ用永久磁石21を備えて構成される。磁気センサ31は、回転子34の回転軸上に配置され、回転子34のシャフト19の出力側端部とは反対側の端部に設けられたセンサ用永久磁石21に対して、空隙を隔てて配置される。磁気センサ31は、センサ用永久磁石21が形成する磁場の変化を検出することで、回転子34の回転角度を検出する。ECU4は、検出された回転角度に応じて適切な駆動電流をモータ6に供給する。
接続部材28は、支持部材33によって支持され、センサ部30の基板32と制御基板27とを電気的に接続している。この接続はプレスフィットでもよいし、はんだでもよい。なお、接続部材28は、ヒートシンク25および中間部材26を貫通する必要があるため、ヒートシンク25と中間部材26には、接続部材28が通る穴部(図示せず)が設けられている。更に、図示はしないが、中間部材26は、接続部材28を位置決めできるようなガイドが設けられた構成となっている。
なお、図2では、磁気センサ31が制御基板27とは別の基板32に実装されている例を示したが、磁気センサ31を制御基板27に実装した構成とし、センサ用永久磁石21からヒートシンク25を介して漏れてくる磁束を検出する構造でもよい。また、中間部材26と制御基板27との位置関係が、図2と逆に配置された構成でもよい。
ヒートシンク25には、凹部35を設けており、センサ部30の基板32に実装された磁気センサ31とヒートシンク25の表面との間の距離を大きくしている。また、ヒートシンク25は、ネジや焼き嵌め等によって、モータ6のフレーム14に固定される。このようにモータ6のフレーム14に固定されることによって、ヒートシンク25の熱を、モータ6のフレーム14に伝達させることができる。
図3は、本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置100の電気回路図である。モータ6は、3相交流U1、V1、W1が印加される第1の電機子巻線40と、3相交流U2、V2、W2が印加される第2の電機子巻線41とを有している。なお、図3ではY結線としているがΔ結線でもよい。また、図3に示すモータ6は、第1の電機子巻線40および第2の電機子巻線41以外の構成は省略している。
第1のインバータ42は、第1の電機子巻線40に3相交流電流を供給する。同様に、第2のインバータ43は、第2の電機子巻線41に3相交流電流を供給する。ECU4には、バッテリー等の電源44から直流電力が供給されており、ノイズ除去用のコイル68を介して、第1の電源リレー45および第2の電源リレー46が接続されている。第1の電源リレー45および第2の電源リレー46は、それぞれ2個のMOSFETで構成され、故障時等には開放されて、過大な電流が流れないようになっている。
なお、図3に示すECU4は、第1のインバータ42および第2のインバータ43のみを記載し、他の構成は省略している。また、図3では、電源44がECU4の内部にあるかのように描かれているが、実際には、電力は、バッテリー等の外部の電源44から、電源コネクタ8を介して供給される。
また、図3では、コイル68、第1の電源リレー45および第2の電源リレー46の順に接続されているが、第1の電源リレー45、第2の電源リレー46が、電源44、コイル68よりも電源44に近い位置に設けられてもよいことは言うまでもない。
また、第1のコンデンサ47および第2のコンデンサ48は、平滑コンデンサである。図3ではそれぞれ、1個のコンデンサで構成されているが、複数のコンデンサを並列に接続されて構成してもよいことは言うまでもない。
第1のインバータ42は、図3に示すように、6個のMOSFETを用いたブリッジで構成される。第1のインバータ42では、MOSFET49とMOSFET50とが直列接続されており、MOSFET51とMOSFET52とが直列接続されており、MOSFET53とMOSFET54とが直列接続されている。そして、これら3組のMOSFETが並列に接続されている。
図3の、MOSFET50、MOSFET52、MOSFET54のGND(グランド)側には、それぞれ、第1のシャント55、第2のシャント56、第3のシャント57が1つずつ接続されている。これらのシャント抵抗は、電流値の検出に用いられる。なお、図3では、シャントが3個の例を示したが、2個のシャントであってもよいし、1個のシャントであっても電流検出は可能であるため、そのような構成であってもよいことは言うまでもない。
モータ6への電流は、図3に示すように、MOSFET49、MOSFET50の間から、第1の接続部材101やバスバー等を介して、モータ6のU1相へ供給される。また、同様に、MOSFET51、MOSFET52の間から、モータ6のV1相へ、MOSFET53、MOSFET54の間から、モータ6のW1相へ、それぞれ電流が供給される。
一方、第2のインバータ43も、同様の構成であり、第2のインバータ43では、MOSFET61とMOSFET62とが直列接続されており、MOSFET63とMOSFET64とが直列接続されており、MOSFET65とMOSFET66とが直列接続されている。そして、これら3組のMOSFETが並列に接続されている。
図3の、MOSFET62、MOSFET64、MOSFET66のGND(グランド)側には、それぞれ、第1のシャント58、第2のシャント59、第3のシャント60が1つずつ接続されている。これらのシャント抵抗は、電流値の検出に用いられる。なお、図3では、シャントが3個の例を示したが、2個のシャントであってもよいし、1個のシャントであっても電流検出は可能であるため、そのような構成であってもよいことは言うまでもない。
モータ6への電流は、図3に示すように、MOSFET61、MOSFET62の間から、第2の接続部材102やバスバー等を介して、モータ6のU2相へ供給される。また、同様に、MOSFET63、MOSFET64の間から、モータ6のV2相へ、MOSFET65、MOSFET66の間から、モータ6のW2相へ、それぞれ電流が供給される。
なお、図3では、故障時において、モータ6と第1のインバータ42および第2のインバータ43と接続を電気的に切断するモータリレーを示していないが、モータリレーは、中性点N1、N2に設ける場合と、モータ6とインバータ間に設ける場合とが考えられる。
第1のインバータ42は、制御回路(図示せず)により制御され、第1の電機子巻線40に所望の3相交流電流を供給する。同様に、第2のインバータ43は、第2の電機子巻線41に所望の3相交流電流を供給する。ここで、制御回路は、モータ6に備えられた磁気センサ31によって検出した回転角度に応じて、MOSFET49〜54、61〜66をスイッチングすることにより、第1の電機子巻線40および第2の電機子巻線41を制御する。なお、磁気センサ31としては、GMRセンサやAMRセンサ等が用いられる。
図4は、本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置100のモータ6の正断面図である。図4に示すモータ6は、固定子70と、固定子70に囲まれた回転子34とを備えて構成される。また、固定子70は、第1の電機子巻線40と、第2の電機子巻線41と、固定子鉄心12とを備えて構成される。
固定子鉄心12は、電磁鋼板等の磁性体で構成される環状のコアバック71とコアバック71から周方向内側に延びるティース72とから構成される。隣り合うティース72の間に形成されたスロット73には、第1の電機子巻線40および第2の電機子巻線41が納められている。図示しないが、第1の電機子巻線40および第2の電機子巻線41と固定子鉄心12との間には、絶縁紙等が挿入されて電気的絶縁を確保している。
図4に示すティース72は、全部で48個形成されており、従ってスロット73も48個となっている。1つのスロット73には、第1の電機子巻線40または第2の電機子巻線41のコイルが4本ずつ納められている。第1の電機子巻線40には、U1相、V1相、W1相の3相交流が印加され、第2の電機子巻線41には、U2相、V2相、W2相の3相交流が印加される。
第1の電機子巻線40および第2の電機子巻線41の配置は、図4に示すように、1番目のスロット73から順にU1、U2、W1、W2、V1、V2となっており、7番目以降もU1、U2、W1、W2、V1、V2の順に配置されていて、48番目まで同様の順に配置されている。
但し、1番目のスロット73のU1と7番目のスロット73のU1とは電流の向きが互いに逆となるように、第1の電機子巻線40および第2の電機子巻線41が配置されている。即ち、1番目のスロット73から7番目のスロット73に巻かれた分布巻の構成となっており、第1の電機子巻線40および第2の電機子巻線41は、計6個のティースを跨いでいる。
これは電気角180度に相当し、短節巻係数が1となるため、永久磁石23が発生する磁束を有効に利用できる。この結果として、小型高トルクのモータ6が得られ、永久磁石23の量を少なくできるため、巻線係数が小さいモータに比べて低コスト化が実現できる。
固定子70の内側には、回転子鉄心22の表面に永久磁石23を備えた回転子34が設けられている。永久磁石23は、周方向に8個並んでおり8極の構成となっている。隣り合う永久磁石23の極性は互いに逆となっている。また、回転子鉄心22には突起74が設けられている。
突起74と永久磁石23との間には、漏れ磁束を低減するための空隙75が形成されている。この突起74は、モータ6の空隙長を小さくする効果があり、インダクタンスが大きくなる。これによって弱め磁束制御が効果を発揮しやすくなり、高速回転時のトルク向上ができるという効果がある。固定子鉄心内径と突起との空隙長をできるだけ小さくし、突起を大きくすることが効果的であるので、固定子内径と突起との空隙長に比べ、固定子内径と永久磁石両端部との空隙長は大きくなる。
すなわち、通常の表面磁石型モータにおける磁石位置決め用の突起の高さと永久磁石の高さとの関係とは逆の関係であり、かつ、軸方向にわたって突起を設けることが突起体積を大きくすることに特に効果的である。すなわち、永久磁石外径部分を除いて、永久磁石側面も突起に囲われ、永久磁石が回転子鉄心に埋め込まれた構成となる。
回転子鉄心22には、周方向に沿って等分間隔で穴部76が形成されている。穴部76を設けることで重量およびイナーシャを低減できる。また、回転子鉄心22は、電磁鋼板等を積層して構成されており、電磁鋼板同士はカシメ部77によって互いに連結されている。回転子鉄心22の中央にはシャフト19が貫通している。
通常、永久磁石23の割れや欠けによる永久磁石23の飛散防止のため、回転子34の外径表面にはステンレス等の薄板から構成される金属製の円筒を被せる。
図5は、本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置100における、磁気センサ31と第1の接続部材101および第2の接続部材102との位置関係を示す概略図である。
モータ6の第1の電機子巻線40には、3本の接続線を有する第1の接続部材101を介して、3相交流が印加される。また、第2の電機子巻線41には、3本の接続線を有する第2の接続部材102を介して、3相交流が印加される。図5(a)の断面図および図5(b)の側面図には、これら合計6本の接続線と、磁気センサ31との相対距離rおよび角度θをそれぞれ示している。rとθの下付き文字は、3相交流の各相を表す。
磁気センサ31の位置には、第1の接続部材101および第2の接続部材102に流れる電流により、図5に示す磁場Bが生じる。以下の説明では、磁場Bのx成分、y成分を、それぞれ、B_x、B_yと表す。ここで、x軸、y軸、z軸は、図5(a)の断面図および図5(b)の側面図に示す方向である。つまり、x軸およびy軸は互いに直交する磁気センサ31の検出軸を示す。
具体的には、図5に示すように、z軸は、回転子34の回転軸に沿った方向軸であり、x軸およびy軸に直交する。そして、第1の接続部材101と第2の接続部材102とは、z軸の磁気センサ31の位置における垂直断面において、磁気センサ31を通るx軸を対称軸として線対称となるように配置されている。
図5(a)に示すように、第1の接続部材101および第2の接続部材102と磁気センサ31との距離rのy成分を、それぞれ、ly1、ly2とする。また、図5(b)に示すように、第1の接続部材101の長さのうち、磁気センサ31の位置を基準にしてz軸正方向側の長さをlz1、z軸負方向側の長さをlz2とする。また、第1の接続部材101のz軸正方向側の端部と磁気センサ31のなす角をθ1、第1の接続部材101のz軸負方向側の端部と磁気センサ31のなす角をθ2とする。
また、第1の接続部材101のU1相、V1相、W1相に流れる電流を、それぞれ、iu1、iv1、iw1とする。同様に、第2の接続部材102のU2相、V2相、W2相に流れる電流を、それぞれ、iu2、iv2、iw2とする。すると、第1の接続部材101および第2の接続部材102に流れるこれらの電流が、磁気センサ31の位置に発生する磁場Bは、下式(1)で表される。ここで、μ0は真空の透磁率である。
Figure 2016117114
図6は、回転座標系における3相交流電流ベクトルを示す説明図である。3相交流電流ベクトルの絶対値をI、q軸からの位相角をθβとすると、d軸電流idおよびq軸電流iqは、下式(2)で表される。
Figure 2016117114
第2の電機子巻線41を流れる3相交流の電流位相は、第1の電機子巻線40を流れる3相交流の電流位相に対して、位相遅れΔθだけ遅れている。以下の説明では、位相遅れΔθ=π/6であることを想定するが、位相遅れΔθは必ずしもπ/6である必要はなく、π/6±π/12の範囲内にあればよい。
このとき、第1の接続部材101の3本の接続線および第2の接続部材102の3本の接続線の各相に流れる電流は、電気角をθとすると、下式(3)で表される。
Figure 2016117114
また、第1の接続部材101および第2の接続部材102と、磁気センサ31との相対距離rを、y軸方向について解くと、下式(4)で表される。
Figure 2016117114
ここで、図5に示すように、第1の接続部材101の3本の接続線と第2の接続部材102の3本の接続線とが、磁気センサ31の検出軸であるx軸を対称軸として互いに線対称に配置されている場合には、下式(5)が成立する。
Figure 2016117114
また、第1の接続部材101の3本の接続線が、磁気センサ31より右側(y軸の正領域)にあり、第2の接続部材102の3本の接続線が、磁気センサ31より左側(y軸の負領域)にあることを考慮すると、下式(6)が得られる。
Figure 2016117114
ここで、図5に示すように、第1の接続部材101の3本の接続線のうちの1つの接続線B(V1相)と、第2の接続部材102の3本の接続線のうちの接続線Bより位相遅れΔθ(=π/6)だけ遅れた接続線(V2相)とは、x軸を対称軸として互いに線対称に配置される。
また、互いに線対称に配置された第1の接続部材101と第2の接続部材102の3組の接続線のうち、上記の接続線Bを含む組以外の2組は、お互いの電流位相差が、位相遅れΔθより大きくなるように配置される。
すなわち、第1の接続部材101の3本の接続線うちの接続線Bより電流位相が2π/3進んだ接続線A(U1相)と、第2の接続部材102の3本の接続線のうちの接続線Aとの電流位相差が、位相遅れΔθより大きい接続線(W2相)とは、x軸を対称軸として互いに線対称に配置される。
また、第1の接続部材101の3本の接続線うちの接続線Bより電流位相が2π/3遅れた接続線C(W1相)と、第2の接続部材102の3本の接続線のうちの接続線Cとの電流位相差が、位相遅れΔθより大きい接続線(U2相)とは、x軸を対称軸として互いに線対称に配置される。
このとき、下式(7)が成立する。
Figure 2016117114
上式(1)、(3)、(6)、および(7)より、第1の接続部材101および第2の接続部材102に流れる電流が、磁気センサ31の位置に形成する磁場Bの、x成分Bi_xおよびy成分Bi_yは、下式(8)で表される。
Figure 2016117114
センサ用永久磁石21の形成する磁場が、上式(8)で表される磁場Bによって歪まされることにより、磁気センサ31により検出する回転角度に誤差が生じてしまう。そこで、第1の接続部材101および第2の接続部材102の配置を工夫することにより、磁気センサ31に対する磁場Bの影響を抑制することを考える。
上式(8)のうち、第1の接続部材101および第2の接続部材102の配置により変化する係数の和および差は、下式(9)で与えられる。よって、下式(9)の変数FsumおよびFdiffを小さくできれば、磁気センサ31に対する磁場Bの影響を低減できる。
Figure 2016117114
図5(a)の断面図をx軸およびy軸で区切ると、磁気センサ31の置かれた平面は4つの象限に分類できるが、第1の接続部材101は、これら4つの象限のうちの、磁気センサ31の右側(y軸の正領域)の2つの象限に配置される。この際、第1の接続部材101の3本の接続線は、これら2つの象限に分けて配置することも可能であるし、3本の接続線を全て同一の象限に配置することも可能である。
図7は、本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置100における、第1の接続部材101の3本の接続線を異なる象限に分けて配置する場合の第1の接続部材101および第2の接続部材102の配置例を示す図である。
第1の接続部材101の3本の接続線を、2つの象限に分けて配置する場合は、図7に示すように、接続線B(V1相)より電流位相が2π/3進んだ接続線A(U1相)と、接続線B(V1相)より電流位相が2π/3遅れた接続線C(W1相)とを、別の象限に配置する。そして、接続線Bは、接続線Aと接続線Cの間の、接続線Aと接続線Cとの中間よりも接続線A側に、接続線Aと近接させて配置する。
第1の接続部材101および第2の接続部材102をこのように配置した上で、更に、モータ6の出力トルクに含まれるトルクリプルの許容値から決定される予め定めた要求値Kに対して、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たすように、第1の接続部材101および第2の接続部材102を配置する。この結果、第1の接続部材101および第2の接続部材102に流れる3相交流電流による磁場が、磁気センサ31の位置において相殺されて低減されるので、磁気センサ31の検出精度を向上させることができる。
図8は、本発明の実施の形態1に係る電動駆動装置100における、第1の接続部材101の3本の接続線を同一の象限に配置する場合の第1の接続部材101および第2の接続部材102の配置例を示す図である。
第1の接続部材101の3本の接続線を、同一の象限に配置する場合は、図8に示すように、x軸とy軸とからの距離が等しい2本の直線(すなわち、y軸とπ/4なした2本の直線)によって区切られる4つの象限において、接続線A(U1相)と接続線B(V1相)とは、別の象限に配置する。そして、接続線C(W1相)は、接続線Aと接続線Bの間の、接続線Aと接続線Bとの中間よりも接続線A側に、接続線Aと近接させて配置する。
第1の接続部材101および第2の接続部材102をこのように配置した上で、更に、モータ6の出力トルクに含まれるトルクリプルの許容値から決定される予め定めた要求値Kに対して、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たすように、第1の接続部材101および第2の接続部材102を配置する。この結果、第1の接続部材101および第2の接続部材102に流れる3相交流電流による磁場が、磁気センサ31の位置において相殺されて低減されるので、磁気センサ31の検出精度を向上させることができる。
なお、以上の説明では、上式(7)の関係が成り立つ場合についての配置方法を説明したが、上式(7)の代わりに、下式(10)または下式(11)が成り立つ場合でも、接続線Bとして、V1相の接続線の代わりに、W1相の接続線またはU1相の接続線を用いることで、同様の手順により、第1の接続部材101および第2の接続部材102の最適な配置方法を得ることができる。
Figure 2016117114
以上のように、実施の形態1では、モータとインバータとを接続する接続部材に流れる3相交流電流による磁場が、磁気センサの位置において相殺されて低減されるように接続部材を線対称に配置している。また、予め定めた要求値Kに対して、上式(9)のFsumおよびFdiffが、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たすように、接続部材を配置している。この結果、新たな部品を追加することなく、モータの回転子の角度位置を高精度に検出できる電動駆動装置を得ることができる。
実施の形態2.
先の実施の形態1では、第1の接続部材101および第2の接続部材102を、x軸を対称軸として線対称に配置する方法について説明したが、本実施の形態2では、第1の接続部材101および第2の接続部材102を、磁気センサ31を中心として点対称に配置する方法について説明する。
第2の電機子巻線41を流れる3相交流の電流位相は、第1の電機子巻線40を流れる3相交流の電流位相に対して、位相遅れΔθだけ遅れている。以下の説明では、位相遅れΔθ=π/6であることを想定するが、位相遅れΔθは必ずしもπ/6である必要はなく、π/6±π/12の範囲内にあればよい。
本実施の形態2では、図7に示すように、第1の接続部材101の3本の接続線のうちの1つの接続線B(V1相)と、第2の接続部材102の3本の接続線のうちの接続線Bより位相遅れΔθ(=π/6)だけ遅れた接続線(V2相)とは、磁気センサ31を中心として点対称に配置される。
また、磁気センサ31を中心として点対称に配置された第1の接続部材101と第2の接続部材102の3組の接続線のうち、上記の接続線Bを含む組以外の2組は、お互いの電流位相差が、位相遅れΔθより大きくなるように配置される。
すなわち、第1の接続部材101の3本の接続線うちの接続線Bより電流位相が2π/3進んだ接続線A(U1相)と、第2の接続部材102の3本の接続線のうちの接続線Aとの電流位相差が、位相遅れΔθより大きい接続線(W2相)とは、磁気センサ31を中心として点対称に配置される。
また、第1の接続部材101の3本の接続線うちの接続線Bより電流位相が2π/3遅れた接続線C(W1相)と、第2の接続部材102の3本の接続線のうちの接続線Cとの電流位相差が、位相遅れΔθより大きい接続線(U2相)とは、磁気センサ31を中心として点対称に配置される。
このとき、先の実施の形態1における上式(7)の代わりに下式(12)が成立する。
Figure 2016117114
上式(1)、(3)、(6)、および(12)より、第1の接続部材101および第2の接続部材102に流れる電流が、磁気センサ31の位置に形成する磁場Bの、x成分Bi_xおよびy成分Bi_yは、下式(13)で表される。
Figure 2016117114
センサ用永久磁石21の形成する磁場が、上式(13)で表される磁場Bによって歪まされることにより、磁気センサ31により検出する回転角度に誤差が生じてしまう。そこで、第1の接続部材101および第2の接続部材102の配置を工夫することにより、磁気センサ31に対する磁場Bの影響を抑制することを考える。
上式(13)のうち、第1の接続部材101および第2の接続部材102の配置により変化する係数の和および差は、下式(14)で与えられる。よって、下式(14)の変数FsumおよびFdiffを小さくできれば、磁気センサ31に対する磁場Bの影響を低減できる。
Figure 2016117114
図9は、本発明の実施の形態2に係る電動駆動装置100における、第1の接続部材101の3本の接続線を異なる象限に分けて配置する場合の第1の接続部材101および第2の接続部材102の配置例を示す図である。
第1の接続部材101の3本の接続線を、2つの象限に分けて配置する場合は、図9に示すように、接続線B(V1相)と、接続線Bより電流位相が2π/3進んだ接続線A(U1相)とを、別の象限に配置する。そして、接続線Bより電流位相が2π/3遅れた接続線C(W1相)は、接続線Aと接続線Bの間の、接続線Aと接続線Bとの中間よりも接続線A側に、接続線Aと近接させて配置する。
第1の接続部材101および第2の接続部材102をこのように配置した上で、更に、モータ6の出力トルクに含まれるトルクリプルの許容値から決定される予め定めた要求値Kに対して、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たすように、第1の接続部材101および第2の接続部材102を配置する。この結果、第1の接続部材101および第2の接続部材102に流れる3相交流電流による磁場が、磁気センサ31の位置において相殺されて低減されるので、磁気センサ31の検出精度を向上させることができる。
図10は、本発明の実施の形態2に係る電動駆動装置100における、第1の接続部材101の3本の接続線を同一の象限に配置する場合の第1の接続部材101および第2の接続部材102の配置例を示す図である。
第1の接続部材101の3本の接続線を、同一の象限に配置する場合は、図10に示すように、x軸とy軸とからの距離が等しい2本の直線によって区切られる4つの象限において、接続線A(U1相)と接続線B(V1相)とは、別の象限に配置する。そして、接続線C(W1相)は、接続線Aと接続線Bの間の、接続線Aと接続線Bとの中間よりも接続線A側に、接続線Aと近接させて配置する。
第1の接続部材101および第2の接続部材102をこのように配置した上で、更に、モータ6の出力トルクに含まれるトルクリプルの許容値から決定される予め定めた要求値Kに対して、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たすように、第1の接続部材101および第2の接続部材102を配置する。この結果、第1の接続部材101および第2の接続部材102に流れる3相交流電流による磁場が、磁気センサ31の位置において相殺されて低減されるので、磁気センサ31の検出精度を向上させることができる。
なお、以上の説明では、上式(11)の関係が成り立つ場合についての配置方法を説明したが、上式(11)の代わりに、下式(15)または下式(16)が成り立つ場合でも、接続線Bとして、V1相の接続線の代わりに、W1相の接続線またはU1相の接続線を用いることで、同様の手順により、第1の接続部材101および第2の接続部材102の最適な配置方法を得ることができる。
Figure 2016117114
以上のように、実施の形態2では、モータとインバータとを接続する接続部材に流れる3相交流電流による磁場が、磁気センサの位置において相殺されて低減されるように接続部材を点対称に配置している。また、予め定めた要求値Kに対して、上式(14)のFsumおよびFdiffが、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たすように、接続部材を配置している。この結果、新たな部品を追加することなく、モータの回転子の角度位置を高精度に検出できる電動駆動装置を得ることができる。
なお、実施の形態1および実施の形態2では、第1の接続部材101および第2の接続部材102を、x軸に平行に配置したが、y軸に平行に配置する場合でも同様の効果を得られる。また、第1の接続部材101の3本の接続線同士の距離、および第2の接続部材102の3本の接続線同士の距離は、磁気センサ31までの距離に比べて十分に小さいため、第1の接続部材101および第2の接続部材102を、磁気センサ31として同心円状に配置する場合でも同様の効果を得られる。
また、実施の形態1および実施の形態2では、位相遅れΔθ=π/6であることを想定したが、前述のように、位相遅れΔθは必ずしもπ/6である必要はなく、π/6±π/12の範囲内にあればよい。具体的には、上式(8)、(9)、(13)、(14)は、位相遅れΔθ=π/6において最大の効果が得られるように算出されたものではあるが、これらの式に含まれる三角関数の変化率から明らかなように、位相遅れΔθがπ/6±π/12の範囲内、すなわち、π/12≦Δθ≦π/4であれば、Δθ=π/6の場合と比較して効果は制限されるものの、一定の効果を得ることが可能である。

Claims (7)

  1. 電流位相が互いに2π/3異なる3相を有する第1の電機子巻線と、
    前記第1の電機子巻線に電圧を印加するための第1のインバータと、
    前記第1の電機子巻線と前記第1のインバータを接続する3本の接続線を有する第1の接続部材と、
    前記第1の電機子巻線に対して電流位相が、π/6−π/12≦Δθ≦π/6+π/12の範囲内の位相遅れΔθだけ遅れた3相を有する第2の電機子巻線と、
    前記第2の電機子巻線に電圧を印加するための第2のインバータと、
    前記第2の電機子巻線と前記第2のインバータを接続する3本の接続線を有する第2の接続部材と、
    前記第1の接続部材と前記第2の接続部材の間に配置され、回転子が回転することで生じる磁場の変化によって前記回転子の回転角度を検出する磁気センサと、
    を備えた電動駆動装置であって、
    前記第1の接続部材の接続線と前記第2の接続部材の接続線とを組にした下記3組の接続線が、前記磁気センサの検出軸であるx軸を対称軸として互いに線対称となるように配置され、
    接続線の第1組:前記第1の接続部材のうちの1つの接続線Bと、前記第2の接続部材のうちの前記接続線Bより電流位相が前記位相遅れΔθだけ遅れた接続線との組、
    接続線の第2組:前記第1の接続部材のうちの前記接続線Bより電流位相が2π/3進んだ接続線Aと、前記第2の接続部材のうちの前記接続線Aとの電流位相差が前記位相遅れΔθより大きい接続線との組、
    接続線の第3組:前記第1の接続部材のうちの前記接続線Bより電流位相が2π/3遅れた接続線Cと、前記第2の接続部材のうちの前記接続線Cとの電流位相差が前記位相遅れΔθより大きい接続線との組、
    前記x軸と直交する前記磁気センサのもう一方の検出軸をy軸とし、前記接続線A、前記接続線B、前記接続線Cと前記磁気センサとを結ぶ各直線が、前記y軸となす角をそれぞれθa、θb、θcとするとき、出力トルクに含まれるトルクリプルの許容値から決定される要求値Kに対して、
    Fsum=sin(2θa+π/4)−sin(2θb−π/12)+sin(2θc−5π/12)、および
    Fdiff=sin(2θa−π/4)−sin(2θb+π/12)+sin(2θc+5π/12)
    が、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たす
    電動駆動装置。
  2. 電流位相が互いに2π/3異なる3相を有する第1の電機子巻線と、
    前記第1の電機子巻線に電圧を印加するための第1のインバータと、
    前記第1の電機子巻線と前記第1のインバータを接続する3本の接続線を有する第1の接続部材と、
    前記第1の電機子巻線に対して電流位相が、π/6−π/12≦Δθ≦π/6+π/12の範囲内の位相遅れΔθだけ遅れた3相を有する第2の電機子巻線と、
    前記第2の電機子巻線に電圧を印加するための第2のインバータと、
    前記第2の電機子巻線と前記第2のインバータを接続する3本の接続線を有する第2の接続部材と、
    前記第1の接続部材と前記第2の接続部材の間に配置され、回転子が回転することで生じる磁場の変化によって前記回転子の回転角度を検出する磁気センサと、
    を備えた電動駆動装置であって、
    前記第1の接続部材の接続線と前記第2の接続部材の接続線とを組にした下記3組の接続線が、前記磁気センサを中心として互いに点対称に配置され、
    接続線の第1組:前記第1の接続部材のうちの1つの接続線Bと、前記第2の接続部材のうちの前記接続線Bより電流位相が前記位相遅れΔθだけ遅れた接続線との組、
    接続線の第2組:前記第1の接続部材のうちの前記接続線Bより電流位相が2π/3進んだ接続線Aと、前記第2の接続部材のうちの前記接続線Aとの電流位相差が前記位相遅れΔθより大きい接続線との組、
    接続線の第3組:前記第1の接続部材のうちの前記接続線Bより電流位相が2π/3遅れた接続線Cと、前記第2の接続部材のうちの前記接続線Cとの電流位相差が前記位相遅れΔθより大きい接続線との組、
    前記x軸と直交する前記磁気センサのもう一方の検出軸をy軸とし、前記接続線A、前記接続線B、前記接続線Cと前記磁気センサとを結ぶ各直線が、前記y軸となす角をそれぞれθa、θb、θcとするとき、出力トルクに含まれるトルクリプルの許容値から決定される要求値Kに対して、
    Fsum=sin(2θa+π/4)+√2sin(π/12)sin(2θb+π/4)−√2cos(π/12)sin(2θc+π/4)、および
    Fdiff=sin(2θa−π/4)+√2sin(π/12)sin(2θb−π/4)−√2cos(π/12)sin(2θc−π/4)
    が、Fsum<KおよびFdiff<Kなる関係を満たす
    電動駆動装置。
  3. 前記x軸と前記y軸とによって区切られる4つの象限において、
    前記接続線Aと前記接続線Cとは、異なる象限に配置され、
    前記接続線Bは、前記接続線Aと前記接続線Cの間の、前記接続線Aと前記接続線Cの中間よりも前記接続線A側に配置された
    請求項1に記載の電動駆動装置。
  4. 前記x軸と前記y軸とによって区切られる4つの象限において、
    前記第1の接続部材の3本の接続線は、同一の象限に配置され、
    前記x軸と前記y軸とからの距離が等しい2本の直線によって区切られる4つの象限において、
    前記接続線Aと前記接続線Bとは、異なる象限に配置され、
    前記接続線Cは、前記接続線Aと前記接続線Bの間の、前記接続線Aと前記接続線Bの中間よりも前記接続線A側に配置された
    請求項1に記載の電動駆動装置。
  5. 前記x軸と前記y軸とによって区切られる4つの象限において、
    前記接続線Aと前記接続線Bとは、異なる象限に配置され、
    前記接続線Cは、前記接続線Aと前記接続線Bの間の、前記接続線Aと前記接続線Bの中間よりも前記接続線C側に配置された
    請求項2に記載の電動駆動装置。
  6. 前記x軸と前記y軸とによって区切られる4つの象限において、
    前記第1の接続部材の3本の接続線は、同一の象限に配置され、
    前記x軸と前記y軸とからの距離が等しい2本の直線によって区切られる4つの象限において、
    前記接続線Aと前記接続線Bとは、異なる象限に配置され、
    前記接続線Cは、前記接続線Aと前記接続線Bの間の、前記接続線Aと前記接続線Bの中間よりも前記接続線A側に配置された
    請求項2に記載の電動駆動装置。
  7. 前記位相遅れΔθは、Δθ=π/6である
    請求項1から6のいずれか1項に記載の電動駆動装置。
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