JPWO2018096596A1

JPWO2018096596A1 - 回転電動機

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Publication number: JPWO2018096596A1
Application number: JP2018552304A
Authority: JP
Inventors: 孝信梶原; 大前　勝彦; 勝彦大前; 俊祐伏江; 時義谷川; 宏幸宮西; 充紀藤田; 智裕井上; 有紀岡部; 淳也鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2036-11-22
Also published as: WO2018096596A1; US20190372432A1; JP7210283B2; EP3547509A4; EP3547509A1; US11025140B2; CN109937530A

Abstract

モータの出力軸が延びる方向に制御装置及びヒートシンクが配置された回転電動機において、制御装置に搭載される半導体装置の放熱性及び絶縁性が確保され、且つ全体として小型な回転電動機を提供するため、制御装置は、モータの固定子巻線に対応して設けられた駆動回路を有する半導体装置を含み、半導体装置は、その主面がヒートシンクに密着しており、半導体装置とヒートシンクとの密接面には、冷却面積を大きくするためにヒートシンクの外縁部に沿うように駆動回路が形成されている。

Description

本発明は、回転電動機に関し、特に制御装置一体型の回転電動機に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置、又はインテグレーテッド・スターター・ジェネレーター等に使用される回転電動機においては、パワー用の半導体素子を搭載した半導体装置を使用し、制御装置とモータが一体になっている。

例えば、従来の回転電動機としての電動パワーステアリング装置は、主にドライバの操舵力をアシストするためのモータと、このモータを制御する制御装置と、モータの出力を減速してステアリングシャフトに伝達する減速機構との連結装置と、ドライバの操舵力等を検出するセンサ類により構成されている。

そして、電動パワーステアリング装置の小型化の１つの対策として、モータと制御装置とを一体化した電動パワーステアリング装置が既に存在している。また制御装置に搭載される半導体モジュール（半導体装置）は、ヒートシンクと絶縁するために絶縁シートを介在させる構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば、従来の電動パワーステアリング装置に搭載されるパワーモジュール（半導体装置）のヒートシンクと接する放熱面は、放熱性を向上させるため放熱面積を大きくするために略扇形に形成された構成となっている（例えば、特許文献２参照）。

特許第５３６５８７２号特許第５５１８１０８号

上記の特許文献１に示された従来の回転電動機は、モータの出力軸が延びる方向にモータと制御装置とを並置して一体化した構成を有している。この従来の電動パワーステアリング装置において、インバータ回路を構成する主要部品であるパワーモジュールは、その平面の延びる方向がモータの出力軸方向に対して略平行に配置（以下、この配置を縦置きと称する。）されている。そのため、電動パワーステアリング装置の軸長が長くなるばかりでなく、ヒートシンクも縦置きされるので、放熱性が悪いという課題があった。

また、上記の従来の電動パワーステアリング装置は、半導体装置が縦置きされ、モータの固定子巻線と半導体装置との接続が、モータより遠い位置に存在する半導体装置の上面端で行なわれるように構成されており、組立てが複雑になるという課題があった。

さらに、半導体モジュールとヒートシンクとの間に絶縁シートを介在させる構成になっているため、絶縁シートの生産性、加工性からコストを考慮すると長方形となり、それに合わせて半導体装置も長方形に限定され、従って設計自由度が低く、電動パワーステアリング装置の小型化を阻害するという課題があった。

一方、上記の特許文献２に示された従来の電動パワーステアリング装置に搭載されるパワーモジュールは、制御端子は平面方向に長い端子であれば隣の端子と互いに干渉する。また、制御端子間距離が短くなるため絶縁性に劣るという課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、制御装置に搭載される半導体装置の放熱性及び絶縁性が良く、小型な回転電動機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る回転電動機は、モータの出力軸が延びる方向に制御装置及びヒートシンクが配置されており、前記制御装置は、前記モータの固定子巻線に対応して設けられた駆動回路を有する半導体装置を含み、前記半導体装置は、その主面が前記ヒートシンクに密着しており、前記半導体装置とヒートシンクとの密接面には、冷却面積を大きくするために前記ヒートシンクの外縁部に沿うように前記駆動回路が形成されている。

本発明の回転電動機によれば、モータの出力軸が延びる方向に制御装置及びヒートシンクが配置されており、制御装置に含まれる半導体装置は、その主面が前記ヒートシンクに密着しており、半導体装置とヒートシンクとの密接面には、冷却面積を大きくするために前記ヒートシンクの外縁部に沿うように形成されているので、半導体装置からヒートシンクへの放熱性及び絶縁性が良く、モータの出力軸長を短くできるので、組立てが簡単で小型化できるという効果が得られる。

本発明の実施の形態１による回転電動機を示す一部断面図である。本発明の実施の形態１による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置の配置例（その１）を示す平面図である。本発明の実施の形態１による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置の配置例（その２）を示す平面図である。本発明の実施の形態１による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置の配置例（その３）を示す平面図である。本発明の実施の形態１による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置の配置例（その４）を示す平面図である。本発明の実施の形態１による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置の配置例（その５）を示す平面図である。本発明の実施の形態１による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置の回路構造（その１）を示す平面図である。図７の半導体装置のＡ−Ａ‘断面図である。本発明の実施の形態１による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置の回路構造（その２）を示す平面図である。本発明の実施の形態１による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置を取出して示した斜視図である。本発明の実施の形態１による回転電動機の全体回路構成図である。本発明の実施の形態１による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置内のスイッチング回路例を示す図である。本発明の実施の形態２による回転電動機を示す一部断面図である。本発明の実施の形態２による回転電動機に一体化された制御装置における半導体装置の配置例を示す平面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による回転電動機を、電動パワーステアリング装置を例に取り、上記の添付図面に基づいて説明する。
図１において、回転電動機１は、主にドライバの操舵力をアシストするためのモータ２と、後述する半導体装置を冷却するためのヒートシンク５と、モータ２を制御する制御装置６と、モータ２の出力を減速してステアリング軸（図示せず）に伝達するギア部８とで構成されている。これらモータ２と制御装置６とヒートシンク５とギア部８とは、モータ２の出力軸が延びる方向（以下、軸線方向と称する。）に順次並置されて一体化されている。

モータ２は、２重３相回転電動機を構成しており、３相デルタ結線された第１の固定子巻線２ａ及び３相デルタ結線された第２の固定子巻線２ｂが巻回された積層鉄心からなる固定子２１と、この固定子２１の中央空間内に挿入された回転子２２と、この回転子２２の中心部に配設された出力軸２４と、固定子２１と回転子２２と出力軸２４とを内部に収納するヨーク２３とで構成されている。第１の固定子巻線２ａと第２の固定子巻線２ｂは、互いに独立した２個の固定子巻線を形成している。第１の固定子巻線２ａ及び後述する第１のインバータ回路５１１ａは、モータ２の第１の制御系統を構成し、第２の固定子巻線２ｂ及び後述する第２のインバータ回路５１１ｂは、モータ２の第２の制御系統を構成する。

制御装置６は、マイクロコンピュータ（以下、ＣＰＵと称する。）３１を搭載した制御基板３と、ヒートシンク５に当接した独立した２個の半導体装置である第１の半導体装置５１ａ及び第２の半導体装置５１ｂと、ヒートシンク５と制御基板３との間に介在しこれらを所定の間隔を介して対向させる中継部材４と、制御基板３と第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂ（以下、符号５１で総称することがある。）と中継部材４とを内部に収納するハウジング７とで構成されている。

上記の第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂは、後述するように、ヒートシンク５の外縁部に沿うように長方形、多角形、又は曲線形状等の同形状又は異形状の駆動回路部分を１組以上有するように形成されている。その主面を構成する実装面である表面、及び放熱面である裏面は、モータ２の軸線方向に対して垂直に配置されている。第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの各主面の面積は、外縁部の側面と、内縁部の側面と、外縁部と内縁部とを結ぶ側縁部の側面との、何れの側面の面積よりも大きく形成されている。

第１及び第２の固定子巻線２ａ及び２ｂの巻線端２５ａ及び２５ｂは、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂへ向かってモータ２の軸線方向に延出している。そして、これらの巻線端２５ａ及び２５ｂは、制御基板３を貫通して中継部材４をガイドとして使用しながら、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの巻線制御端子５２ａ及び５２ｂ（以下、符号５２で総称することがある。）に、それぞれ接続されている。また、中継部材４をガイドとして使用することにより、巻線の振動対策にも寄与する。

尚、第１及び第２の固定子巻線２ａ及び２ｂの巻線端２５ａ及び２５ｂは、制御基板３を貫通せずに制御基板３の周縁部を経由して中継部材４をガイドとして第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの各制御端子５２ａ及び５２ｂに接続するようにしても良い。

また、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの各制御端子５２ａ及び５２ｂと、第１及び第２の固定子巻線２ａ及び２ｂの各巻線端２５ａ及び２５ｂとを接続する位置は、図１に示す中継部材４と第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５２ｂとの間のみならず、制御基板３と中継部材４との間、又は第１及び第２の固定子巻線２ａ及び２ｂと制御基板３との間の空間であっても良い。これらの空間の位置まで各制御端子５２ａ及び５２ｂと各巻線端２５ａ及び２５ｂを延出することで、それらの接続を実現することができ、制御装置一体型の回転電動機の組立て性能を考慮してそれらの接続位置を任意に選択することができる。

制御装置６におけるＣＰＵ３１は、モータ２へ供給する電流に見合う制御量を演算し、その演算結果に基づいた制御信号を出力する。ＣＰＵ３１から出力された制御信号は、第１の制御端子（接続端子）５３ａ及び第２の制御端子（接続端子）５３ｂを介して第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂへそれぞれ伝達される。また、後述するように、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂから各制御端子５３ａ及び５３ｂ（以下、符号５３で総称することがある。）を介してＣＰＵ３１へモータ２の端子電圧・電流等が伝達され、ＣＰＵ３１において、それらをモニタするように構成されている。

ヒートシンク５は、モータ２の出力軸に嵌め込まれると共に、モータ２の軸線方向に対して垂直方向に延びる平面を備えている。ヒートシンク５の軸線方向の一端面（図１の上側の端面）側に、ハンドル又はタイヤにモータ２からのアシストトルクを伝達するギア部８が密着して固定され、軸線方向の他端面（図１の下側の端面）の平面に、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの主面が密着して固定されている。ここで、半導体装置５１ａ及び５１ｂの主面とは、半導体装置５１ａ及び５１ｂの外表面のうち最も大きな表面積を備えて略平面的に広がる表面を意味し、所謂、側面以外の実装面である表面、若しくは放熱面である裏面がこれに該当する。

第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの動作により発生する熱は、ヒートシンク５を介して放熱されると共に、ヒートシンク５を介してギア部８にも伝達されて放熱される。そのため、ヒートシンク５は、放熱性のよい材料、例えばアルミニウム又は銅製のものとすることが望ましい。ヒートシンク５の中央部には、ベアリング８１が固定されている。このベアリング８１は、モータ２の出力軸２４を回動自在に支持すると共に出力軸２４の軸心の位置決めの役目を担っている。

中継部材４には、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂをヒートシンク５に密着させるため各第１の突起部４１ａ及び第２の突起部４１ｂが、それぞれ第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂに対応して設けられている。これらの第１及び第２の突起部４１ａ及び４１ｂ（以下、符号４１で総称することがある。）は、それぞれ、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂをヒートシンク５側に押圧することで、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂをヒートシンク５に密着させている。

図１に示すように、制御装置６は、モータ２の軸線方向において、モータ２とヒートシンク５との間に配置され、制御装置６の中央にはモータ２の出力軸２４が貫通している。このように構成された制御装置一体型の回転電動機１の組立て順は、先ず、中継部材４と第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂとを重ね、更にその上に制御基板３を積み重ねて制御装置６を組付ける。そして、この制御装置６をモータ２の軸線方向に組合せた後、ハウジング７及びヒートシンク５を組付け、最後にギア部８を一体化する。

或いは、別の組立て順序として、先ず、モータ２の上に制御基板３と、中継部材４と、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂとを順次積み重ね、次に、ハウジング７と、ヒートシンク５とを装着し、最後に、ギア部８を組付けてもよい。更には、ハウジング７が複数に分割されている場合、ヒートシンク５の上部（図１ではヒートシンク５の下部）に第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂを搭載し、次に、中継部材４と、制御基板３とを組み上げてモータ２と接続した後、ハウジング７とギア部８とを組付けてもよい。

次に、発熱の大きなパワー素子である上記のスイッチング用の半導体素子とリレー用の半導体素子を内蔵した第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂ等の配置及び形状について説明する。
図２に示す、半導体装置５１ａ及び５１ｂの配置を示す制御装置内部の平面図において、ヒートシンク５の上記の他端面（図１の下側の端面）の平面に、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂが密着して固定されている状態を示している。

図２において、ヒートシンク５には、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂが搭載されている。第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂは、大電流を流すと発熱量が大きくなるので、放熱効果を大きくしないと大電流を流すことはできない。制御装置６全体は、モータ２の、図１における上部に配置され、制御装置６を構成する各部品がモータ２と一体に固定されている。更に、長方形を３つ組み合わせた凸形状の半導体装置５１ａ及び５１ｂと密着したヒートシンク５は、制御装置６のハウジング７に固定されている。

第１の半導体装置５１ａと第２の半導体装置５１ｂは、ヒートシンク５の表面のほぼ全面に、出力軸２４を挟んで両側に、又は囲んで均等に配置されている。そして、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂは、ヒートシンク５との接触面積を大きくするためにヒートシンク５の外形形状に沿うように長方形を３つ組み合わせた凸形を成している。

以上述べたように、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの主面、すなわち基板面は、冷却面積を有効に取るために、凸形に形成されており、また、凸形以外に制御装置６の形状によっては、図３、図４、及び図５に示すように、出力軸２４を避け、制御装置６の外縁部に沿うように長方形、多角形、又は曲線形状を組み合わせた同形状又は異形状の半導体装置となっている。

また、図６に示すように、他部品の実装エリアやモジュール搭載スペースから、２つのインバータ回路と、１つのリレー５４とに集約した計３つの異形状の半導体装置としても良い。

次に、図７において、図２の実装面側のモールド樹脂を除いた異形状の半導体装置５１の内部配線構造を示す。また、図７の半導体装置５１のＡ−Ａ’断面を図８に示す。
この半導体装置５１は、Ｕ相アーム５１２とＶ相アーム５１３とＷ相アーム５１４とで構成され、各アームは、１つのスイッチング素子から成る上アームと１つのスイッチング素子から成る下アームとで構成される。半導体素子１０１、リードフレーム１０２、巻線制御端子５２、制御端子５３、ワイヤ１０５、インナーリード１０６、コンデンサ１０７、シャント抵抗器１０８、及びモールド樹脂１０９ａ及び１０９ｂ（以下、符号１０９で総称することがある。）等を含んで構成される。

図８に示す例では、リードフレーム１０２の上側の面（以下、実装面１０２ａと称す。）には、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＣチップ、又はＬＳＩチップ等の半導体素子１０１が、はんだ、銀等の接合部材１０３を介して実装されている。リードフレーム１０２は、銅板又は銅合金板であり、その表面を、金、銀、ニッケル、又はスズ等の金属めっき（図示せず。）で被膜されている。

半導体素子１０１の電極パッドは、ワイヤボンディングで接続されたワイヤ１０５、又は銅板若しくは銅合金板の材料で作成されたインナーリード１０６を介して巻線制御端子５２及び制御端子５３と電気的に接続され、外部と信号の入出力を行っている。ワイヤ１０５とインナーリード１０６は互いに置き換えが可能である。ワイヤ１０５は、金、銀、アルミ、又は銅等から成り、ワイヤ線径は２０μｍから５００μｍ程度である。

また、半導体装置５１のヒートシンク５に接する主面で放熱面側のモールド樹脂１０９ｂは、半導体装置５１とヒートシンク５との間を絶縁し、ヒートシンク５へ放熱を良くするために、熱伝導率が３〜１５Ｗ／ｍ・Ｋの高い樹脂を使用している。

また、同様に図３についても実装面側のモールド樹脂１０９ａを除いた異形状の半導体装置５１の内部配線構造を図９に示す。１つの半導体装置５１に、インバータ回路５１１のＵ相アーム５１２、Ｖ相アーム５１３、Ｗ相アーム５１４、及びリレー５４が集約されており、各相とリレーは、ヒートシンク５の外形形状に合せて（ここではモータ・インバータの円形）オフセットされている。また、端子の長さは、接続先の制御基板に合せて長くしても構わない。

次に、上記では実装部品で高さが一番大きい部品に合わせて平面になるようにモールド樹脂１０９ａで成形し覆ったが、図１０に示す半導体装置５１では、実装部品のレイアウトに合わせて、半導体素子１０１とその上に搭載するインナーリード１０６、コンデンサ１０７、及びシャント抵抗器１０８等の高さに合わせて凸状の突部１１０を形成する。

また、モールド樹脂１０９は、成形金型を使用した樹脂注入による工程で製作されるため、長方形に限定されず、図２〜６のような主面が異形状の半導体装置５１であっても製作可能となる。また、異形状におけるリードフレームや、ワイヤの内部配線レイアウトについては、Ｕ相アーム５１２、Ｖ相アーム５１３、Ｗ相アーム５１４、及びリレー５４の組合せ毎の回路単位でヒートシンク５の外形形状に合せてオフセット配置されているため、回路毎にモジュール内部で配線接続されていない。従って、オフセットするのは容易であり、複雑な回路構成とはならない。

また、図４及び図５の例においては、内部配線がＵ相、Ｖ相、Ｗ相、及びリレー毎の回路単位で図７又は図９のように構成されており、ヒートシンク５の外形形状に合せてリードフレーム１０２の長さを延長しているため複雑な回路構成とはならない。

次に、本実施の形態１による回転電動機を、図１１の回路図を用いて、電気回路的な視野で説明する。
図１１において、本実施の形態１による回転電動機１は、ドライバの操舵力をアシストする駆動力を発生するモータ２と、第１の駆動回路としての第１のインバータ回路５１１ａと、第２の駆動回路としての第２のインバータ回路５１１ｂと、制御基板３に搭載されたＣＰＵ３１と、車両に搭載されたバッテリ１２と、このバッテリ１２から第１のインバータ回路５１１ａへの電源供給を制御する、半導体素子により構成された第１のリレー５４ａと、バッテリ１２から第２のインバータ回路５１１ｂへの電源供給を制御する、半導体素子により構成された第２のリレー５４ｂと、ドライバの操舵トルクや車速等を検出するセンサ類１１とを備えている。図１において述べた第１及び第２の固定子巻線２ａ及び２ｂは巻線端２５ａ及び２５ｂを有している。

第１のインバータ回路５１１ａは、第１の半導体装置５１ａに内蔵されており、半導体素子から成る６個のスイッチング素子Ｔ１ａ、Ｔ２ａ、Ｔ３ａ、Ｔ４ａ、Ｔ５ａ、及びＴ６ａと、３個のシャント抵抗Ｒｕａ、Ｒｖａ、及びＲｗａと、１個の平滑コンデンサＣ１ａとで構成されている。６個のスイッチング素子Ｔ１ａ〜Ｔ６ａのうち、スイッチング素子Ｔ１ａ、Ｔ３ａ、及びＴ５ａは、三相ブリッジ回路のＵ相上アーム、Ｖ相上アーム、及びＷ相上アームにそれぞれ挿入され、スイッチング素子Ｔ２ａ、Ｔ４ａ、及びＴ６ａは、三相ブリッジ回路のＵ相下アーム、Ｖ相下アーム、及びＷ相下アームにそれぞれ挿入されている。

後述のモータ電流検出のために設けられたシャント抵抗Ｒｕａ、Ｒｖａ、及びＲｗａは、スイッチング素子Ｔ２ａ、Ｔ４ａ、及びＴ６ａと車両のグランドレベルとの間にそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｔ１ａ、Ｔ３ａ、及びＴ５ａの共通接続部と車両のグランドレベルとの間に接続された平滑コンデンサＣ１ａは、第１のインバータ回路５１１ａに供給される電源電圧を平滑化するために設けられている。

スイッチング素子Ｔ１ａとスイッチング素子Ｔ２ａとの直列接続部であるＵ相交流端子は、モータ２の第１の固定子巻線２ａのＵ相端子に接続され、スイッチング素子Ｔ３ａとスイッチング素子Ｔ４ａとの直列接続部であるＶ相交流端子は、第１の固定子巻線２ａのＶ相端子に接続され、スイッチング素子Ｔ５ａとスイッチング素子Ｔ６ａとの直列接続部であるＷ相交流端子は、第１の固定子巻線２ａのＷ相端子に接続されている。

スイッチング素子Ｔ１ａ、Ｔ３ａ、及びＴ５ａによりそれぞれ構成された三相ブリッジ回路の各相の上アームの一端は、相互に共通接続されて第１のインバータ回路５１１ａの正極側直流端子を構成し、第１のリレー５４ａを介してバッテリ１２の正極側端子に接続されている。一方、スイッチング素子Ｔ２ａ、Ｔ４ａ、及びＴ６ａによりそれぞれ構成された三相ブリッジ回路の各相の下アームの一端は、第１のインバータ回路５１１ａの負極側直流端子を構成し、それぞれシャント抵抗Ｒｕａ、Ｒｖａ、及びＲｗａを介して車両のグランドレベルに接続されている。

第２のインバータ回路５１１ｂは、第２の半導体装置５１ｂに内蔵されており、半導体素子から成る６個のパワー素子としてのスイッチング素子Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂ、及びＴ３ｂ、並びにＴ４ｂ、Ｔ５ｂ、及びＴ６ｂと、３個のシャント抵抗Ｒｕｂ、Ｒｖｂ、及びＲｗｂと、１個の平滑コンデンサＣ１ｂとで構成されている。６個のスイッチング素子のうち、スイッチング素子Ｔ１ｂ、Ｔ３ｂ、及びＴ５ｂは、三相ブリッジ回路のＵ相上アーム、Ｖ相上アーム、及びＷ相上アームにそれぞれ挿入され、スイッチング素子Ｔ２ｂ、Ｔ４ｂ、及びＴ６ｂは、三相ブリッジ回路のＵ相下アーム、Ｖ相下アーム、及びＷ相下アームにそれぞれ挿入されている。

モータ電流検出のために設けられたシャント抵抗Ｒｕｂ、Ｒｖｂ、及びＲｗｂは、スイッチング素子Ｔ２ｂ、Ｔ４ｂ、及びＴ６ｂと車両のグランドレベルとの間にそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｔ１ｂ、Ｔ３ｂ、及びＴ５ｂの共通接続部と車両のグランドレベルとの間に接続された平滑コンデンサＣ１ｂは、第２のインバータ回路５１１ｂに供給される電源電圧を平滑化するために設けられている。

スイッチング素子Ｔ１ｂとスイッチング素子Ｔ２ｂとの直列接続部であるＵ相交流端子は、モータ２の第２の固定子巻線２ｂのＵ相端子に接続され、スイッチング素子Ｔ３ｂとスイッチング素子Ｔ４ｂとの直列接続部であるＶ相交流端子は、第２の固定子巻線２ｂのＶ相端子に接続され、スイッチング素子Ｔ５ｂとスイッチング素子Ｔ６ｂとの直列接続部であるＷ相交流端子は、第２の固定子巻線２ｂのＷ相端子に接続されている。

スイッチング素子Ｔ１ｂ、Ｔ３ｂ、及びＴ５ｂによりそれぞれ構成された三相ブリッジ回路の各相の上アームの一端は、相互に共通接続されて第２のインバータ回路５１１ｂの正極側直流端子を構成し、第２のリレー５４ｂを介してバッテリ１２の正極側端子に接続されている。

一方、スイッチング素子Ｔ２ｂ、Ｔ４ｂ、及びＴ６ｂによりそれぞれ構成された三相ブリッジ回路の各相の下アームの一端は、第２のインバータ回路５１１ｂの負極側直流端子を構成し、それぞれシャント抵抗Ｒｕｂ、Ｒｖｂ、及びＲｗｂを介して車両のグランドレベルに接続されている。

制御基板３に搭載されたＣＰＵ３１は、車両に搭載されたセンサ類１１からの情報によりモータ２を駆動する目標電流値に相当する制御量を演算し、その演算した制御量を、ライン３２を介して第１及び第２のインバータ回路５１１ａ及び５１１ｂの各スイッチング素子のゲートに与え、これらのスイッチング素子をＰＷＭ制御する。

モータ２は、第１のインバータ回路５１１ａ及び第２のインバータ回路５１１ｂによりＰＷＭ制御された三相交流電力により駆動され、所望のアシストトルクを発生して上記のギア部８を介してステアリング軸（図示せず）に加える。ＣＰＵ３１により演算された目標電流制御量は、第１のインバータ回路５１１ａと第２のインバータ回路５１１ｂとに振り分けられ、第１の固定子巻線２ａと第２の固定子巻線２ｂとで電流量を分担する。この分担割合は任意に設定可能である。

第１のインバータ回路５１１ａのＵ相交流端子、Ｖ相交流端子、及びＷ相交流端子から取り出された第１の固定子巻線２ａのＵ相端子電圧Ｍｕａ、Ｖ相端子電圧Ｍｖａ、及びＷ相端子電圧Ｍｗａは、それぞれ、信号ライン３３を介してＣＰＵ３１へ入力される。また、第１のインバータ回路５１１ａの各シャント抵抗Ｒｕａ、Ｒｖａ、及びＲｗａと各スイッチング素子Ｔ２ａ、Ｔ４ａ、及びＴ６ａとの接続部から取り出された、第１の固定子巻線２ａに流れるＵ相モータ電流Ｉｕａ、Ｖ相モータ電流Ｉｖａ、及びＷ相モータ電流Ｉｗａは、信号ライン３３を介してＣＰＵ３１に入力される。

同様に、第２のインバータ回路５１１ｂのＵ相交流端子、Ｖ相交流端子、及びＷ相交流端子から取り出された第２の固定子巻線２ｂのＵ相端子電圧Ｍｕｂ、Ｖ相端子電圧Ｍｖｂ、及びＷ相端子電圧Ｍｗｂは、それぞれ、信号ライン３３を介してＣＰＵ３１へ入力される。また、第２のインバータ回路５１１ｂの各シャント抵抗Ｒｕｂ、Ｒｖｂ、及びＲｗｂと各スイッチング素子Ｔ２ｂ、Ｔ４ｂ、及びＴ６ｂとの接続部から取り出された、第２の固定子巻線２ｂに流れるＵ相モータ電流Ｉｕｂ、Ｖ相モータ電流Ｉｖｂ、及びＷ相モータ電流Ｉｗｂは、信号ライン３３を介してＣＰＵ３１に入力される。

以上のように構成された本実施の形態１による回転電動機において、ＣＰＵ３１からの出力に基づいて、例えば所定の分担量に基づいて、第１の固定子巻線２ａと第２の固定子巻線２ｂの電流量を制御し、所望のアシストトルクをモータ２に発生させる。

すなわち、ＣＰＵ３１は、前述したようにセンサ類１１から入力される、ドライバによる操舵トルクと車速等の情報に基づいて、モータ２の目標電流制御量を算出し、その算出した目標電流制御量に対する上記の分担量に対応したゲート信号を、信号ライン３２を介して第１のインバータ回路５１１ａの各スイッチング素子のゲートに与え、これらのスイッチング素子をＰＷＭ制御する。

同様に、上記の算出した目標電流制御量に対する上記の分担量に対応したゲート信号を、信号ライン３２を介して第２のインバータ回路５１１ｂの各スイッチング素子のゲートに与え、これらのスイッチング素子をＰＷＭ制御する。

モータ２は、第１のインバータ回路５１１ａによりＰＷＭ制御された三相交流電力によって付勢される第１の固定子巻線２ａと、第２のインバータ回路５１１ｂによってＰＷＭ制御された三相交流電力により付勢される第２の固定子巻線２ｂとにより駆動され、運転者の操舵トルクと車速に対応したアシストトルクを発生してステアリング軸（図示せず）に加える。

尚、ＣＰＵ３１からの指令により第１及び第２のリレー５４ａ及び５４ｂ（以下、符号５４で総称することがある。）の開閉を制御し、第１のインバータ回路５１１ａ又は第２のインバータ回路５１１ｂのうちの何れか一方のみを選択してモータ２を駆動するようにし、他方の系統を休止状態とすることも可能である。

次に、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂ内のスイッチング素子について説明する。
第１及び第２の固定子巻線２ａ及び２ｂの巻線端２５ａ及び２５ｂにそれぞれ接続される各相の上アーム及び下アームにそれぞれ接続された半導体素子から成る６個ずつのスイッチング素子Ｔ１ａ〜Ｔ６ａ及びＴ１ｂ〜Ｔ６ｂを、それぞれ１つのパッケージに内蔵して第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂを形成した場合について説明したが、半導体装置５１に内蔵する回路は、以下述べるように種々の形態が可能である。

図１２は、本実施の形態１による回転電動機における半導体装置における上下アームの例を示している。図１２（ａ）は、各相毎の上下１対のアームの半導体素子から成る２個のスイッチング素子Ｔ１及びＴ２のみを１個の半導体装置に内蔵させた場合を示している。同図（ｂ）は、半導体素子から成る３個のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を内蔵して１個の半導体装置としたものであり、１個のスイッチング素子Ｔ３は、モータ２の巻線端２５ａ及び２５ｂと、上下一対のアームのスイッチング素子Ｔ１及びＴ２の接続点との間に挿入されている。このスイッチング素子Ｔ３は、モータ２の巻線端２５ａ及び２５ｂと上下アームの各スイッチング素子Ｔ１及びＴ２との接続をオン／オフ制御できるものであり、いわばモータリレーの役目を担っている。

同図（ｃ）は、上下１対の半導体素子から成るスイッチング素子Ｔ１及びＴ２と電流検出用のシャント抵抗Ｒを内蔵して１個の半導体装置を構成したものある。同図（ｄ）は、上下２対の半導体素子からなるスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４を内蔵して１個の半導体装置を構成したものである。同図（ｄ）に示すタイプの半導体装置は、特にＨブリッジを構成することが可能で、ブラシ付きモータの制御に適している。

このように、複数のスイッチング素子を、モータのタイプ、機能等を考慮して内蔵することにより、種々の半導体装置の形態を採ることが可能である。尚、図１２（ａ）〜（ｄ）における〇印は、半導体装置から導出される端子を示している。

また、リレーは、スイッチング素子と１つ半導体装置へ集約することが可能であり、モータ用と同等の半導体素子を複数個並列接続したり、２個のチップを同一基板上に搭載し、外見上は１個の部品とすることもできる。このように複数の半導体素子を搭載したものが半導体装置である。また、インバータ回路のみ、リレーのみの半導体装置を別体にすることが可能であり、出力軸２４を避け制御装置の外縁部に沿うように多角形を組み合わせたインバータ回路の半導体装置を２個とし、長方形のリレーの半導体装置を１個として構成された、図６に示すような半導体装置の配置となる。なお、半導体装置の配置を示す図２〜図６には、巻線制御端子５２及び制御端子５３は図示されていないが、制御基板３の回路パターンや、巻線端の配置に合せて半導体装置５１から延出されているものとする。

以上のように、本実施の形態の回転電動機の構成によれば、モータ２の直径に収まる制御装置と一体化が可能で全体の小型化に寄与する。また、長方形の絶縁部材に限定されずに異形状な半導体装置が搭載可能で、従来よりも放熱面積を広く取れ、制御端子の長さを自由に決定でき放熱性の向上や小型化、並びに高い絶縁性に寄与する。

また、高さが大きい実装部品に合わせて一部凸状の突部１１０を形成することで、高さが低い実装部品に合わせて低くすることが可能なため、モールド樹脂の使用量が削減でき材料費低減の効果がある。

実施の形態２．
上記の実施の形態１は、モータの出力方向、すなわちモータのフロント側に制御装置を搭載した場合を示し、更に詳しく言えば、モータのフロント側に、制御装置とヒートシンクとギア部とを、その順番にて順次モータの軸線方向に並置してこれらを一体化した回転電動機を示した。

一方、以下述べる本実施の形態２による回転電動機は、モータの反出力側、すなわちモータのリア側に制御装置を搭載したものであり、更に詳しく言えば、モータのリア側にヒートシンクと制御装置とをその順番にて順次モータの軸線方向に並置してこれらを一体に固定すると共に、モータのフロント側にモータの軸線方向にギア部を並置してこれらを一体に固定したものである。

図１３は、本実施の形態２よる回転電動機の断面図を示す。図１３において、制御装置６は、モータ２の反出力側、すなわちモータ２の反フロント側であるリア側に、モータ２の軸線方向に配置されて搭載されている。より具体的に述べれば、回転電動機１は、モータ２と、ヒートシンク５と、制御装置６と、ギア部８とで構成されており、モータ２の軸線方向に、制御装置６、ヒートシンク５、モータ２、及びギア部８が、この順序に並置されて一体化されている。

制御装置６は、モータ２のリア側に固定されたヒートシンク５の反モータ側端面に密着して固定された第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂと、中継部材４と、制御基板３の順に積み重ねて組付けられている。中継部材４には、上記の実施の形態１と同様に、第１及び第２の突起部４１ａ及び４１ｂが形成されている。第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂは、これらの第１及び第２の突起部４１ａ及び４１ｂによりヒートシンク５に押圧されている。第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの各巻線制御端子５２ａ及び５２ｂは、それぞれヒートシンク５を貫通したモータ２の第１及び第２の固定子巻線２ａ及び２ｂの巻線端２５ａ及び２５ｂに接続されている。

モータ２のフロントブラケット９は、出力軸２４を回転自在に支持するベアリング８２を固定するだけでなく、ギア部８とモータ２のヨーク２３とを組付けることができる構造を備えている。

上記の実施の形態１との大きな相違点は、モータ２の第１及び第２の固定子巻線２ａ及び２ｂの巻線端２５ａ及び２５ｂの導出方向が実施の形態１の場合と異なるので、第１及び第２のパワーモジュールである半導体装置５１ａ及び５１ｂと、中継部材４と、巻線端２５ａ及び２５ｂとの接続方法が異なる点である。

すなわち、実施の形態１では、モータ２の巻線端２５ａ及び２５ｂは、制御基板３と中継部材４を経由して、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの各巻線制御端子５２ａ及び５２ｂに接続されるか、又は、中継部材４内の導体を介して第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの各巻線制御端子５２ａ及び５２ｂに接続されていた。

一方、本実施の形態２の構成では、モータ２の巻線端２５ａ及び２５ｂは、直接、第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの各巻線制御端子５２ａ及び５２ｂに接続することができる。
尚、本実施の形態２では、ヒートシンク５に貫通穴を設け、この貫通穴に各巻線端２５ａ及び２５ｂを通すことが必要である。ヒートシンク５の貫通穴が各巻線端２５ａ及び２５ｂのガイドの役目を成し、貫通穴と巻線間の非導電性ブッシュを介入させヒートシンク５との絶縁性を確保すると共に、巻線の振動対策とすることもできる。

ヒートシンク５は、モータ２のヨーク２３と当接しており、ヒートシンク５の熱はヨーク２３へも伝熱される。逆にモータ２の発熱の方が大きい場合は、モータ２側の熱をヒートシンク５へ伝達することも可能である。

尚、上記の実施の形態１と同様に、第１及び第２の固定子巻線２ａ及び２ｂの巻線端２５ａ及び２５ｂは、ヒートシンク５を貫通して第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの近傍を通り、中継部材４を利用して第１及び第２の半導体装置５１ａ及び５１ｂの各巻線制御端子５２ａ及び５２ｂに接続するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態２による回転電動機によれば、モータのフロント側に制御装置を配置した実施の形態１の場合と同様な部品構成を用いて制御装置をモータのリア側に配置することにより、実施の形態１の場合と同一の基本構造で設計でき、また、一部の部品は共用できるという効果を奏する。更に、ヒートシンクと中継部材と制御基板とにモータの出力軸を貫通させるための穴を設ける必要がなく、空いたスペースに各電気部品を配置できる効果がある。

また、半導体装置は軸長を短くするため制御基板を貫通して回転センサ等のセンサ類１１を取り付けた場合においても、実施の形態１と同じく、図１４に示すようにセンサ類１１を避けた形で半導体装置を配置することが可能である。また、実施の形態１の図２〜図６と同様の配置が可能で小型化に寄与できる。

実施の形態３．
上記の実施の形態１及び２は、２個の固定子巻線を備えた２重３相モータと、２個の固定子巻線を個別に駆動する複数個の駆動回路を備えた制御装置とを備え、対応する半導体装置を搭載となっているが、３個以上の固定子巻線を備えた多重多相モータと、３個以上の固定子巻線を個別に駆動する３個以上の駆動回路を備えた制御装置とを備え、対応する半導体装置を搭載であっても良い。この場合、インバータ回路、リレー、固定子巻線、及び巻線端は３個以上となり、モータについても１つ制御系統で駆動されるように変更しても同様の効果が得られる。

或いは、１個の固定子巻線を備えたモータと、１個の固定子巻線を個別に駆動する１個の駆動回路を備えた制御装置とを備え、対応する半導体装置を搭載であっても良い。この場合、インバータ回路、リレー、固定子巻線、及び巻線端は１つずつとなり、モータについても１つ制御系統で駆動されるように変更しても同様の効果が得られる。
この場合には、図２〜図５の左右の半導体装置５１ａ及び５１ｂ、すなわち駆動回路５１１ａ及び５１１ｂ、が一個のモジュールに合体した形状、又は合体せずに、半導体装置５１ａ又は５１ｂが一個のモジュールの形状となる。

なお、上記実施の形態１〜３では、最良の実施の形態の一例を示したものであり、発明の意図を逸脱しない範囲で、適宜、組み合わされたり、変形、省略、変更が与えられたりしても良い。固定子巻線２ａ，２ｂ、巻線端２５、センサ類１１、突起部４１、半導体装置５１、半導体素子１０１、接合部材１０３、巻線制御端子５２、制御端子（接続端子）５３、ワイヤ１０５、インナーリード１０６、コンデンサ１０７、及びシャント抵抗器１０８は、複数又は１つ図示しているが、当然ながら個数は限定されるものではなく、求められる機能に応じて、適宜選択される。

１回転電動機、２モータ、２ａ，２ｂ固定子巻線、３制御基板、４中継部材、５ヒートシンク、６制御装置、７ハウジング、８ギア部、９フロントブラケット、１１センサ類、１２バッテリ、２１固定子、２２回転子、２３ヨーク、２４出力軸、２５ａ，２５ｂ巻線端、３１ＣＰＵ、４１，４１ａ，４１ｂ突起部、４２，４２ａ，４２ｂフレーム、５１，５１ａ，５１ｂ半導体装置、５４リレー、５２，５２ａ，５２ｂ，５３、５３ａ，５３ｂ制御端子（接続端子）、８１，８２ベアリング、１０１半導体素子、１０２リードフレーム、１０３接合部材、１０５ワイヤ、１０６インナーリード、１０７コンデンサ、１０８シャント抵抗器、１０９ａ，１０９ｂモールド樹脂、１１０突部、５１２Ｕ相アーム，５１３Ｖ相アーム，５１４Ｗ相アーム、Ｔ１ａ〜Ｔ６ａ，Ｔ１ｂ〜Ｔ６ｂ，Ｔ１〜Ｔ４スイッチング素子、Ｒｕａ，Ｒｖａ，Ｒｗａ，Ｒｕｂ，Ｒｖｂ，Ｒｗｂ，Ｒシャント抵抗、Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ平滑コンデンサ。

Claims

モータの出力軸が延びる方向に制御装置及びヒートシンクが配置された回転電動機において、
前記制御装置は、前記モータの固定子巻線に対応して設けられた駆動回路を有する半導体装置を含み、前記半導体装置は、その主面が前記ヒートシンクに密着しており、
前記半導体装置とヒートシンクとの密接面には、冷却面積を大きくするために前記ヒートシンクの外縁部に沿うように前記駆動回路が形成されている
回転電動機。
前記駆動回路が、同形状又は異形状の回路部分を１組以上有するように形成されている
請求項１に記載の回転電動機。
前記同形状又は異形状は、長方形、多角形、又は曲線形状である
請求項２に記載の回転電動機。
前記モータと前記制御装置と前記ヒートシンクとが順次並置されており、前記ヒートシンクは、ギア部に接続されている
請求項１に記載の回転電動機。
前記制御装置と前記ヒートシンクと前記モータとが順次並置されており、前記モータは、フロントブラケットを介してギア部に接続されている
請求項１に記載の回転電動機。
前記制御装置は、制御基板と、前記制御基板を取り付けた中継部材と、前記中継部材によって前記半導体装置が前記ヒートシンクに密着されるように前記中継部材と前記半導体装置との間に設けられたモールド樹脂の突起部とをさらに含む
請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電動機。
前記半導体装置が複数個設置される場合、それらの半導体装置同士の間に電気部品が配置可能な平面空間が存在する
請求項５に記載の回転電動機。
前記ヒートシンクの中心にセンサが配置されている
請求項５に記載の回転電動機。