DE102015218663A1

DE102015218663A1 - Steuerung für eine elektrische drehende Maschine

Info

Publication number: DE102015218663A1
Application number: DE102015218663.6A
Authority: DE
Inventors: Masashi Yamasaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: JP2016073098A; CN105471328B; JP6056827B2; DE102015218663B4; US9692350B2; US20160094175A1; CN105471328A

Abstract

Eine ECU (401), die als „Steuerung für eine elektrische drehende Maschine” fungiert, steuert die Ansteuerung einer Motoreinheit mit zwei Wicklungsgruppen. In der ECU (401) werden Komponenten mit unterschiedlichen Wärmeableitungseigenschaften als Schaltelemente zwischen zwei Systemen von Wechselrichtern (Umwandlungsschaltung für elektrische Energie) (601, 602) verwendet. Beispielsweise wird eine „Komponente X” als Schaltelement (61) eines ersten Wechselrichters (601) verwendet, der als „normale Schaltung” wirkt, und eine „Komponente Y”, die ein besseres Wärmeleitvermögen hat, wird als Schaltelement (63) verwendet, die sich von den Schaltelementen (61) unterscheiden und einem zweiten Wechselrichter (602) zugeordnet sind, der als „spezielle Schaltung” fungiert. Im Ergebnis wird das Schaltelement (63) (Komponente Y) des zweiten Wechselrichters (602) wahrscheinlich über eine längere Lebensdauer verfügen als das Schaltelement (61) (Komponente X) des ersten Wechselrichters (601). Dementsprechend lässt sich die Wahrscheinlichkeit reduzieren, dass beide Systeme zur selben Zeit ausfallen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Steuerung für eine elektrische drehende Maschine, die die Bestromung einer elektrischen drehenden Maschine steuert.
HINTERGRUND
In herkömmlichem Sinne ist eine Steuerung, die eine Vielzahl von Systemen von in Bezug auf eine Energiequelle parallel angeordneten Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie umfasst, bekannt. So offenbart zum Beispiel die JP 2011-229228 A eine elektrische Vorrichtung mit zwei Systemen von Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie, wobei der physikalische Aufbau eines Kühlkörpers und dergleichen für Elektromotoren mit unterschiedlichen Leistungsabgaben leicht abgeändert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Im Übrigen sind in einer Steuerung für eine elektrische drehende Maschine mit mehreren Systemen von auf einer redundanten Bauweise beruhenden Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie die zur Bildung jedes Systems verwendeten Elektronikkomponenten allgemein von derselben Bauweise, sodass die Leistungsabgaben jedes Systems einer Umwandlungsschaltung für elektrische Energie gleich groß sind. Genauer gesagt werden für alle Systeme Komponenten mit derselben Teileanzahl und von denselben Herstellern verwendet. Darüber hinaus werden nach Möglichkeit Komponenten aus derselben Charge verwendet, wenn die Komponenten nach Produktionschargen kontrolliert werden.
Indem auf diese Art und Weise für jedes System strikt Elektronikkomponenten mit derselben Bauweise verwendet werden, schreitet eine Leistungsverschlechterung aufgrund von Wärmeerzeugung mit derselben Rate voran. Im Ergebnis kann es sein, dass die Elektronikkomponenten alle auf einmal ihr Lebensdauerende erreichen und folglich mehrere Systeme zur selben Zeit ausfallen. Wenn eine solche Situation eintritt, wird ein Ziel der redundanten Bauweise nicht erreicht, das da lautet: „Wenn ein System ausfällt, ermögliche eine Weiterführung des Betriebs mit anderen Systemen”. Die JP 2011-229228 A gibt jedoch keinerlei Verweis auf die Möglichkeit, dass zwei Systeme von Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie zur selben Zeit versagen.
In Anbetracht dieses Aspekts besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, eine Steuerung für eine elektrische drehende Maschine bereitzustellen, bei der die Wahrscheinlichkeit verringert ist, dass mehrere Systeme von Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie zur selben Zeit ausfallen.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung steuert eine Steuerung für eine drehende elektrische Maschine die Bestromung einer elektrischen drehenden Maschine mit einer Vielzahl von Wicklungsgruppen und umfasst eine Vielzahl von Systemen von Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie sowie einen Kühlkörper.
Die Vielzahl der Systeme der Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie entspricht der Vielzahl der Wicklungsgruppen und sie wandelt eine von einer Gleichstromquelle stammende elektrische Energie entsprechend einem Schaltbetrieb einer Vielzahl von in Brückenschaltung verschalteten Schaltelementen um und gibt diese aus.
Der Kühlkörper nimmt Wärme auf, die durch die Bestromung der Vielzahl von Schaltelementen erzeugt wird.
Eine spezielle Umwandlungsschaltung für elektrische Energie aus der Vielzahl der Systeme der Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie ist eine „spezielle Schaltung”, und eine andere Umwandlungsschaltung für elektrische Energie aus der Vielzahl von Systemen der Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie ist eine „normale Schaltung”. Eine Wärmeableitungseinrichtung von der Vielzahl der Schaltelemente zum Kühlkörper der „speziellen Schaltung” ist im Vergleich zur „normalen Schaltung” anders ausgelegt, und zwar derart, dass, wenn die „spezielle Schaltung” und die „normale Schaltung” derselben Bestromungsbedingung unterliegen, ein Temperaturanstieg der Vielzahl der Schaltelemente der „speziellen Schaltung” im Vergleich zur „normalen Schaltung” klein gehalten wird, und die „spezielle Schaltung” und die „normale Schaltung” geben unter derselben Bestromungsbedingung dieselbe Menge an elektrischer Energie ab.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist unter der Vielzahl von Systemen der Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie eine „spezielle Schaltung” mit einer relativ langen Lebensdauer mit Absicht anders ausgelegt als eine andere, „normale Schaltung”. Des Weiteren ist eine Wärmeableitungseinrichtung von der Vielzahl der Schaltelemente zum Kühlkörper in der speziellen Schaltung anders als bei der normalen Schaltung, sodass, wenn die spezielle Schaltung und die normale Schaltung derselben Bestromungsbedingung unterliegen, ein Temperaturanstieg der Vielzahl der Schaltelemente von der speziellen Schaltung im Vergleich zur normalen Schaltung klein gehalten wird. Dementsprechend ist die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass die Vielzahl der Systeme der Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie zur selben Zeit ausfallen.
Hier müssen, wenn alle Systeme normal arbeiten, die spezielle Schaltung und die normale Schaltung dieselben Ausgangskennlinien haben. Deshalb besteht das Konzept der vorliegenden Offenbarung nicht darin, die die spezielle Schaltung und die normale Schaltung bildenden Schaltelemente so festzulegen, dass sie stark voneinander abweichende elektrische Eigenschaften besitzen. Stattdessen unterscheiden sich letztlich nur die Wärmeableitungseigenschaften. Anders ausgedrückt sind in der vorliegenden Offenbarung beruhend auf dem Konzept, dass eine längere Lebensdauer gewährleistet werden kann, indem lediglich ein Temperaturanstieg eines bestromten Schaltelements klein gehalten wird, die „spezielle Schaltung” und die „normale Schaltung” unterschiedlich ausgelegt.
Des Weiteren bestehen bei realistischer Sichtweise Schwankungen bei kumulativen Komponententoleranzen, Drahtwiderständen aufgrund von Verlöten und dergleichen etc. selbst dann, wenn wie bei einer herkömmlichen Steuerung für alle Systeme Komponenten von demselben Hersteller, mit derselben Teileanzahl und aus derselben Charge verwendet werden. Dementsprechend ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine solche Vielzahl von Systemen zur selben Zeit ausfällt, nicht so hoch.
Unter Heranziehung eines statistischen Lösungsansatzes ist jedoch zu bedenken, dass, wenn für eine herkömmliche Steuerung eine Wahrscheinlichkeit P besteht, dass die Vielzahl von Systemen zur selben Zeit ausfallen, die Steuerung der vorliegenden Offenbarung dann eine Wahrscheinlichkeit Q besitzt, dass die Vielzahl der Systeme zur selben Zeit ausfallen, wobei Q kleiner ist als P. Kurz ausgedrückt, legt die vorliegende Offenbarung eine Wirkung in Richtung einer „Reduzierung der Wahrscheinlichkeit” an den Tag, dass die Vielzahl der Systeme der Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie zur selben Zeit ausfallen.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind nachstehend als Beispiele für die unterschiedliche Auslegung der „speziellen Schaltung” und „normalen Schaltung” vier Beispiele (1) bis (4) angegeben. Diese Beispiele können miteinander kombiniert werden.

(1) Für die Schaltelemente werden Komponenten mit unterschiedlichen Wärmeableitungseigenschaften verwendet. Für die Schaltelemente der speziellen Schaltung werden im Vergleich zu den Schaltelementen der normalen Schaltung Komponenten mit besseren Wärmeableitungseigenschaften verwendet. So können zum Beispiel Komponenten von verschiedenen Herstellern, Komponenten aus verschiedenen Chargen, Komponenten mit unterschiedlicher Kapselung und dergleichen verwendet werden.

Für die nachstehenden Beispiele (2) und (3) wird eine sogenannte Auslegung mit „rückseitiger Wärmeableitung” angenommen. Mit anderen Worten umfasst die Vielzahl der Schaltelemente einen rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt auf einer Fläche der Vielzahl der Schaltelemente, die von einem Substrat abgewandt ist, wobei die Vielzahl der Schaltelemente am Substrat angebracht ist. Der Kühlkörper weist eine Wärmeaufnahmefläche auf, die dem rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt zugewandt ist. Darüber hinaus ist eine isolierende Wärmeableitungsschicht zwischen dem rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt und der Wärmeaufnahmefläche vorgesehen, wobei die isolierende Wärmeableitungsschicht die Isolierung gewährleistet und Wärme von den Schaltelementen zum Kühlkörper ableitet. Die isolierende Wärmeableitungsschicht entspricht in der Isolierwirkung einem Wärmeableitungsfett, einer isolierenden Wärmeableitungsschicht und dergleichen.
In Bezug auf die Auslegung mit rückseitiger Wärmeableitung sind die nachstehenden Beispiele (2) oder (3) anwendbar.

(2) Eine Dicke der isolierenden Wärmeableitungsschicht, mit anderen Worten ein Wärmeableitungsabstand durch die isolierende Wärmeableitungsschicht zwischen dem rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt und der Wärmeaufnahmefläche, ist in der speziellen Schaltung anders ausgelegt. Der Wärmeableitungsabstand der speziellen Schaltung ist kürzer als der Wärmeableitungsabstand der normalen Schaltung.
(3) Für die isolierende Wärmeableitungsschicht werden Materialien mit unterschiedlichem Wärmeleitvermögen verwendet. Ein für die isolierende Wärmeableitungsschicht in der speziellen Schaltung verwendetes Material hat ein größeres Wärmeleitvermögen als die isolierende Wärmeableitungsschicht der normalen Schaltung.
(4) Eine Dicke eines entsprechenden Abschnitts des Kühlkörpers ist eine andere. Die Dicke eines der speziellen Schaltung entsprechenden Kühlkörpers ist größer als die Dicke eines der normalen Schaltung entsprechenden Kühlkörpers.

Wie vorstehend dargelegt, kann ein Temperaturanstieg der Schaltelemente der speziellen Schaltung im Vergleich zu den Schaltelementen der normalen Schaltung um beispielsweise 10°C verringert werden. In diesem Fall kann die Lebensdauer der speziellen Schaltung beruhend auf der Arrhenius-Gleichung, dass diese sich alle 10°C halbiert, mit der doppelten Lebensdauer der normalen Schaltung angesetzt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Offenbarung lässt sich zusammen mit deren zusätzlichen Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen am besten anhand der folgenden Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen nachvollziehen. In diesen zeigen:
1 ein Blockschema, das die Gesamtheit einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung zeigt, in der eine ECU (Steuerung für eine elektrische drehende Maschine) gemäß jeder Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet wird;
2 eine schematische Ansicht, die eine Schaltung der ECU jeder Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 eine Querschnittsansicht, die eine Antriebsvorrichtung zeigt, die mit der ECU jeder Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgestattet ist;
4A eine Seitenansicht der ECU in der Antriebsvorrichtung von 3;
4B eine vergrößerte Ansicht des Bereichs IVb von 4A;
5 eine richtungsgebundene Ansicht in Richtung V von 4A;
6 eine vergrößerte Querschnitts- und schematische Ansicht, die eine ECU gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
7 eine vergrößerte Querschnitts- und schematische Ansicht, die eine ECU gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
8 ein Kennliniendiagramm, das ein Verhältnis zwischen der Dicke einer isolierenden Wärmeableitungsschicht (einem Wärmeableitungsabstand) und einem Temperaturanstieg eines Schaltelements zeigt;
9 eine vergrößerte Querschnitts- und schematische Ansicht, die eine ECU gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
10 eine vergrößerte Querschnitts- und schematische Ansicht, die eine ECU gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
11 ein Kennliniendiagramm, das eine Beziehung zwischen der Dicke eines Kühlkörpers und dem Temperaturanstieg eines Schaltelements zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird eine Steuerung für eine elektrische drehende Maschine gemäß einer Vielzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Ausgestaltungen, die für eine Vielzahl von Ausführungsformen im Wesentlichen dieselben sind, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und deren Erläuterungen werden um der Kürze willen weggelassen.
(Gemeinsame Ausgestaltungen)
Eine ECU, die als „Steuerung für eine elektrische drehende Maschine” fungiert, ist in jeder Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten und wird unter Bezugnahme auf 1 bis 5 erläutert. Hier deckt der Begriff „die vorliegende Ausführungsform”, wie er bei der Erläuterung gemeinsamer Ausgestaltungen verwendet wird, alle nachfolgenden Ausführungsformen ab, sprich die erste, zweite, dritte und vierte Ausführungsform. Diese ECU steuert die Bestromung einer Motoreinheit. Die Motoreinheit fungiert als „elektrische drehende Maschine”, die ein Lenkunterstützungsmoment in einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung eines Fahrzeugs erzeugt. Die ECU der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere einstückig mit der Motoreinheit verbunden, um eine sogenannte „elektromechanisch integrierte” Antriebsvorrichtung (oder Betätigungseinheit) zu bilden.
1 zeigt die Ausgestaltung der Gesamtheit eines Lenksystems 100. Das Lenksystem 100 umfasst eine Handhabe 91, eine Säulenwelle 92, ein Ritzelzahnrad 96, einen Zahnstangenschaft 97, Fahrzeugräder 98 und eine elektrische Servolenkungsvorrichtung 90.
Ein Drehmomentsensor 93, der ein Lenkdrehmoment erfasst, ist an der Säulenwelle 92 vorgesehen, die mit der Handhabe 91 verbunden ist. Das Ritzelzahnrad 96, das an einer distalen Spitze der Säulenwelle 92 vorgesehen ist, kämmt mit dem Zahnstangenschaft 97. An jedem Ende des Zahnstangenschafts 97 ist eines der beiden Fahrzeugräder 98 über eine Spurstange oder dergleichen vorgesehen. Wenn der Fahrer die Handhabe 91 dreht, dreht sich die Säulenwelle 92, die mit der Handhabe 91 verbunden ist. Die Drehung der Säulenwelle 92 wird durch das Ritzelzahnrad 96 in eine Linearbewegung des Zahnstangenschafts 97 umgewandelt. Dann werden die beiden Fahrzeugräder 98 mit einem Winkel beruhend auf einem Verlagerungsbetrag des Zahnstangenschafts 97 eingeschlagen.
Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 90 umfasst eine Antriebsvorrichtung 1 und ein Untersetzungsgetriebe 94. In der elektrischen Servolenkungsvorrichtung 90 gibt eine Motoreinheit 30 ein Lenkunterstützungsmoment beruhend auf dem Lenkdrehmoment, der Fahrzeuggeschwindigkeit und dergleichen aus. Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 90 überträgt das Lenkunterstützungsmoment über das Untersetzungsgetriebe 94 auf die Säulenwelle 92.
Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 90 ist darüber hinaus nicht auf eine wie in 1 gezeigte, säulenmontierte Bauart begrenzt, sondern kann auch eine zahnstangenmontierte elektrische Servolenkungsvorrichtung sein.
Als Nächstes werden die elektrischen Ausgestaltungen der Motoreinheit 30 und der in der Antriebsvorrichtung 1 enthaltenen ECU 40 mit Bezugnahme auf 2 erläutert. Der Einfachheit halber sind in 2 ein Teil der Steuerleitungen und dergleichen weggelassen.
Die Motoreinheit 30 ist ein dreiphasiger bürstenloser Wechselstrommotor und umfasst eine erste Wicklungsgruppe 31 und eine zweite Wicklungsgruppe 32, die als „Vielzahl von Wicklungsgruppen” fungieren. Die erste Wicklungsgruppe 31 umfasst eine U-Phasen-Spule 311, eine V-Phasen-Spule 312 und eine W-Phasen-Spule 313. Die zweite Wicklungsgruppe 32 umfasst eine U-Phasen-Spule 321, eine V-Phasen-Spule 322 und eine W-Phasen-Spule 323.
Die ECU 40 umfasst Stromquellenrelais 51, 52, Rückwärtsschutzrelais 53, 54, Kondensatoren 55, 56, eine Drosselspule 59, Schaltelemente 611 bis 616, 621 bis 626, einen Drehwinkelsensor 65, einen Mikroprozessor 67 und eine ASIC 68. Ein erster Wechselrichter 601 und ein zweiter Wechselrichter 602, die als „Vielzahl von Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie” fungieren, sind aus den Schaltelementen 611 bis 616 und 621 bis 626 aufgebaut. In der vorliegenden Ausführungsform sind die in der ECU 40 enthaltenen Elektronikkomponenten auf einem Substrat 41 angebracht.
Das Stromquellenrelais 51, das Rückwärtsschutzrelais 53, der Kondensator 55 und der erste Wechselrichter 601 sind so angeordnet, dass sie der ersten Wicklungsgruppe 31 entsprechen. Diese Elektronikkomponenten werden, wenn sie mit der ersten Wicklungsgruppe 31 kombiniert sind, als „erstes System 501” bezeichnet. Darüber hinaus sind das Stromquellenrelais 52, das Rückwärtsschutzrelais 54, der Kondensator 56 und der zweite Wechselrichter 602 so angeordnet, dass sie der zweiten Wicklungsgruppe 32 entsprechen. Diese Elektronikkomponenten werden, wenn sie mit der zweiten Wicklungsgruppe 32 kombiniert sind, als „zweites System 502” bezeichnet. Anders ausgedrückt, umfasst die ECU 40 der vorliegenden Ausführungsformen zwei Systeme von Wechselrichtern 601, 602, die zwei Wicklungsgruppen 31, 32 entsprechen.
Der Schaltungsaufbau des ersten Systems 501 ist derselbe wie derjenige des zweiten Systems 502. Dementsprechend wird der Schaltungsaufbau des ersten Systems 501 nachfolgend erläutert, und Erläuterungen des Schaltungsaufbaus des zweiten Systems 502 werden der Kürze halber gegebenenfalls ausgelassen.
Im ersten Wechselrichter 601 liegen die sechs Schaltelemente 611 bis 616 in einer Brückenschaltung vor und schalten die Bestromung der ersten Wicklungsgruppe 31. Im zweiten Wechselrichter 602 liegen die sechs Schaltelemente 621 bis 626 in Brückenschaltung vor und schalten die Bestromung der zweiten Wicklungsgruppe 32. Die Schaltelemente 611 bis 616, 621 bis 626 können zum Beispiel MOSFETs (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren) sein. Alternativ können IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) oder äquivalente Elemente verwendet werden.
Die Schaltelemente 611, 612, 613 befinden sich auf der Hochspannungsseite des ersten Wechselrichters 601. Des Weiteren sind die Drains der Schaltelemente 611, 612, 613 mit einer positiven Klemme einer Batterie 49 verbunden, die als „Gleichstromquelle” fungiert. Die Sources der Schaltelemente 611, 612, 613 sind mit den Drains der Schaltelemente 614, 615, 616 verbunden, die sich auf der Niederspannungsseite befinden. Die Sources der niederspannungsseitigen Schaltelemente 614, 615, 616 sind mit der negativen Klemme der Batterie 49 über Stromerfassungselemente 571, 572, 573 verbunden. Die Verbindungspunkte zwischen den hochspannungsseitigen Schaltelementen 611, 612, 613 und den niederspannungsseitigen Schaltelementen 614, 615, 616 sind an eine jeweilige Phasenspule 311, 312, 313 der ersten Wicklungsgruppe 31 angeschlossen. Dasselbe gilt für den zweiten Wechselrichter 602.
Die Stromerfassungselemente 571, 572, 573 des ersten Systems 501 und die Stromerfassungselemente 581, 582, 583 des zweiten Systems können zum Beispiel Nebenschlusswiderstände sein und erfassen einen Strom, der in einer jeweiligen Phase jedes Systems der Wicklungsgruppen 31, 32 fließt.
Das Stromquellenrelais 51 des ersten Systems 501 ist zwischen der Batterie 49 und dem ersten Wechselrichter 601 vorgesehen und stellt eine Verbindung zwischen der Batterie 49 und dem ersten Wechselrichter 601 her bzw. unterbricht diese.
Das Rückwärtsschutzrelais 53 ist zwischen dem Stromquellenrelais 51 und dem ersten Wechselrichter 601 vorgesehen, sodass die Richtung einer parasitären Diode entgegengesetzt zur Richtung des Stromquellenrelais 51 ist. Das Rückwärtsschutzrelais 53 verhindert, dass ein Rückstrom zum ersten Wechselrichter 601 fließt, wenn die Klemmen der Batterie 49 umgekehrt angeschlossen werden, und schützt die ECU 40.
Bei dem Stromquellenrelais 51 und dem Rückwärtsschutzrelais 53 kann es sich um MOSFET- oder IGBT-Halbleiterrelais handeln, in derselben Art und Weise wie eine Halbbrückenschaltung eines Wechselrichters.
Der Kondensator 55 des ersten Systems 501 und die Drosselspule 59 bilden eine Filterschaltung an einem Eingangsabschnitt des ersten Wechselrichters 601, um das elektrische Rauschen zu reduzieren, das von anderen, die Batterie 49 mitbenutzenden Vorrichtungen übertragen wird, und um das elektrische Rauschen zu verringern, das von der Antriebsvorrichtung 1 auf diese anderen Vorrichtungen übertragen wird. Darüber hinaus speichert der Kondensator 55 eine elektrische Ladung und trägt dazu bei, den ersten Wechselrichter 601 mit elektrischer Energie zu versorgen.
Dasselbe gilt für das Stromquellenrelais 52, das Rückwärtsschutzrelais 54 und den Kondensator 56 des zweiten Systems 502.
Der Drehwinkelsensor 65 umfasst ein magnetisches Erfassungselement und erfasst einen Drehwinkel eines Rotors 34 durch Erfassung eines Magnetfelds eines Magneten 38 (siehe 3), der an einem zweiten Ende 352 einer später noch zu beschreibenden Welle 35 angeordnet ist.
Aus dem Mikroprozessor 67 und der ASIC 68, bei der es sich um eine integrierte Schaltungskomponente handelt, ist eine Steuerbedieneinheit 66 gebildet. Beruhend auf Signalen vom Drehmomentsensor 93, vom Drehwinkelsensor 65 und dergleichen, berechnet der Mikroprozessor 67 Anweisungswerte, die sich auf die Bestromung der ersten Wicklungsgruppe 31 und zweiten Wicklungsgruppe 32 beziehen.
Die ASIC 68 umfasst eine Voransteuerung, einen Signalverstärker und einen Regler. Die Voransteuerung erzeugt ein Steuersignal auf Grundlage eines Anweisungswerts und gibt das erzeugte Steuersignal an den ersten Wechselrichter 601 und den zweiten Wechselrichter 602 aus. Der Signalverstärker verstärkt Signale, die von den Stromerfassungselementen 571 bis 573, 581 bis 583 sowie vom Drehwinkelsensor 65 und dergleichen erfasst werden, und gibt die verstärkten Signale an den Mikroprozessor 67 weiter. Der Regler stabilisiert Spannungen, die dem Mikroprozessor 67 und dergleichen zugeführt werden.
Als Nächstes wird die Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung 1 mit Bezug auf 3 bis 5 erläutert. Wo es zweckmäßig erscheint, wird die Richtung einer Mittelachse O der Motoreinheit 30 als „Axialrichtung” bezeichnet, und eine radiale Richtung der Motoreinheit 30 wird als „Radialrichtung” bezeichnet.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst die Antriebsvorrichtung 1 ein Motorgehäuse 10, einen Kühlkörper 20, die Motoreinheit 30, die ECU 40 und einen Steuerungsdeckel 80.
Das Motorgehäuse 10 ist aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium und dergleichen gebildet, und ist einstückig aus einem Zylinderabschnitt 11 und einem Unterteil 12 so gebildet, dass es eine Napfform hat. Die Motoreinheit 30 sitzt im Inneren des Zylinderabschnitts 11. Im Motorgehäuse 10 der vorliegenden Ausführungsform ist das Unterteil 12 an einer der ECU 40 entgegengesetzten Seite angeordnet, und eine Öffnungsseite befindet sich dort, wo die ECU 40 vorgesehen ist. Das Unterteil 12 weist in seiner Mitte eine Wellenbohrung 13 auf, durch die ein erstes Ende 351 der Welle 35 eingeführt ist, und einen ausgesparten Abschnitt 16, der ein erstes Lager 36 aufnimmt. Das erste Ende 351 der Welle 35 ist drehbar im ersten Lager 36 gelagert, das im ausgesparten Abschnitt 16 aufgenommen ist.
Ein Befestigungsabschnitt 17 ist so ausgebildet, dass er an der Öffnungsseite des Zylinderabschnitts 11 in Radialrichtung nach außen vorsteht. Der Befestigungsabschnitt 17 dient zur Befestigung eines Flanschabschnitts 25 des Kühlkörpers 20. Eine Gewindebohrung 18 ist im Befestigungsabschnitt 17 ausgebildet.
Der Kühlkörper 20 ist aus einem Metall mit guten Wärmeleitungseigenschaften gebildet, wie zum Beispiel aus Aluminium. Der Kühlkörper 20 ist als Stufenplatte geformt und weist den Flanschabschnitt 25 und einen Einbauabschnitt 26 auf. Des Weiteren ist der Kühlkörper 20 einer ersten Fläche 42 eines Substrats 41 zugewandt, wie nachfolgend beschrieben wird, und nimmt Wärme auf, die aus der Bestromung der Schaltelemente 611 bis 616, 621 bis 626 erzeugt wird.
Der Flanschabschnitt 25 liegt an einer Stirnfläche des Befestigungsabschnitts 17 des Motorgehäuses 10 an. Hierbei ist der Kühlkörper 20 am Motorgehäuse 10 über eine mit der Gewindebohrung 18 verschraubten Befestigungsschraube 19 befestigt.
Der Einbauabschnitt 26 ist in eine Innenwand des Zylinderabschnitts 11 des Motorgehäuses 10 eingepasst. Dabei ist ein O-Ring 29 an der Außenumfangswand des Einbauabschnitts 26 vorgesehen. Der O-Ring 29 verhindert, dass Wassertröpfchen und dergleichen zwischen das Motorgehäuse 10 und den Kühlkörper 20 eindringen.
Die Mitte des Kühlkörpers 20 weist eine Wellenbohrung 23 auf, durch die das zweite Ende 352 der Welle 35 eingeführt ist, sowie einen ausgesparten Abschnitt 27, in welchem ein zweites Lager 37 aufgenommen ist. Das zweite Ende 352 der Welle 35 ist im zweiten Lager 37, das im ausgesparten Abschnitt 27 sitzt, drehbar gelagert.
Eine Klebstoffnut 28 ist am Randbereich einer zur ECU 40 weisenden Stirnfläche des Kühlkörpers 20 ausgebildet. In die Klebstoffnut 28 wird Klebstoff zur Verbindung mit dem Steuerungsdeckel 80 eingefüllt.
Die Motoreinheit 30 weist einen Stator 33 auf, um den die erste und zweite Wicklungsgruppe 31, 32 gewickelt sind, einen Rotor 34 und die Welle 35. Die Motoreinheit 30 ist im Motorgehäuse 10 aufgenommen.
Der Stator 33 ist im Wesentlichen ringförmig und z. B. aus geschichteten Stahlblechen und dergleichen gebildet. Des Weiteren ist der Stator 33 an der Innenseite des Zylinderabschnitts 11 fixiert. Wenn die erste und zweite Wicklungsgruppe 31, 32 mit Wechselstrom beaufschlagt werden, wird im Stator 33 ein rotierendes Magnetfeld erzeugt.
Der Rotor 34 weist einen Rotorkern 341 und einen Permanentmagneten 342 auf. Der Rotorkern 341 ist im Wesentlichen zylinderförmig und aus einem magnetischen Werkstoff wie etwa Eisen und dergleichen gebildet. Der Rotorkern 341 ist des Weiteren koaxial zum Stator 33 angeordnet. Der Permanentmagnet 342 ist radial außerhalb des Rotorkerns 341 so angeordnet, dass sich Nordpole und Südpole miteinander abwechseln.
Die Welle 35 ist stabförmig und z. B. aus Metall gebildet. Die Welle 35 ist an der axialen Mitte des Rotorkerns 341 befestigt. Ferner ist die Welle 35 drehbar im ersten Lager 36 und zweiten Lager 37 gelagert und dreht sich einstückig mit dem Rotor 34.
Das erste Ende 351 der Welle 35 ist durch die im Unterteil 12 des Motorgehäuses 10 ausgebildete Wellenbohrung 13 eingeführt und steht aus dem Motorgehäuse 10 hervor. Ein am ersten Ende 351 ausgebildetes Abtriebsende (nicht dargestellt) ist mit dem Untersetzungsgetriebe 94 (siehe 1) verbunden. Der Magnet 38, der dazu vorgesehen ist, dass der Drehwinkelsensor 65 den Drehwinkel erfasst, ist am zweiten Ende 352 der Welle 35 gehalten.
Wie in 3 bis 5 gezeigt ist, ist die ECU 40 innerhalb des Steuerungsdeckels 80 an einer der Motoreinheit 30 entgegengesetzten Seite des Kühlkörpers 20 aufgenommen, wo verschiedene Elektronikkomponenten am Substrat 41 angebracht sind. Nachstehend wird die Fläche des Substrats 41, die dem Kühlkörper 20 zugewandt ist, als erste Fläche 42 bezeichnet, und die von dem Kühlkörper 20 abgewandte Fläche des Substrats wird als zweite Fläche 43 bezeichnet.
Wie in 4 und 5 gezeigt, sind die Schaltelemente 611 bis 616, 621 bis 626, die Stromerfassungselemente 571, 572, 573, 581, 582, 583, die Stromquellenrelais 51, 52, die Rückwärtsschutzrelais 53, 54 und die ASIC 68 an der ersten Fläche 42 des Substrats 41 angebracht. Relativ große Elektronikkomponenten, darunter die Kondensatoren 55, 56, die Drosselspule 59 und der Mikroprozessor 67, sind an der zweiten Fläche 43 des Substrats 41 angebracht.
Des Weiteren sind eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen radial außerhalb der Bereiche gebildet, in denen die vorstehend beschriebenen Elektronikkomponenten montiert sind. Durch diese Durchgangsöffnungen sind Motorleitungen 315, die sich jeweils von einer Phasenspule 311, 312, 313 der ersten Wicklungsgruppe 31 erstrecken, und Motorleitungen 325 gesteckt, die sich jeweils von einer Phasenspule 321, 322, 323 der zweiten Wicklungsgruppe 32 erstrecken.
Bezüglich der Positionierung der Elektronikkomponenten auf der ersten Fläche 42 sind die Schaltelemente 611 bis 626 (nachstehend kollektiv mit der Bezugszahl „61” bezeichnet) des ersten Wechselrichters 601 und die Schaltelemente 621 bis 626 (nachstehend kollektiv mit der Bezugszahl „62” bezeichnet) des zweiten Wechselrichters 602 jeweils zu einer Gruppe zusammengefasst.
Eine Symmetrieachse S verläuft durch die Mittelachse O. Hierbei sind der Anbringungsbereich der Schaltelemente 61 des ersten Wechselrichters 601 und der Anbringungsbereich der Schaltelemente 62 des zweiten Wechselrichters 602 um die Symmetrieachse S symmetrisch zueinander. Des Weiteren sind das Stromquellenrelais 51 und das Rückwärtsschutzrelais 53 des ersten Systems 501 sowie das Stromquellenrelais 52 und das Rückwärtsschutzrelais 54 des zweiten Systems 502 auch um die Symmetrieachse S symmetrisch zueinander positioniert.
Wie in 4A und 4B gezeigt, haben die Schaltelemente 61, die im ersten Wechselrichter 601 enthalten und an der ersten Fläche 42 angebracht sind, eine „Rückseite”, die vom Substrat 41 abgewandt und einer Wärmeaufnahmefläche 24 des Kühlkörpers 20 zugewandt ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird diese Wärme, wenn die Schaltelemente 61 bestromt sind und Wärme erzeugen, nicht durch die am Substrat 41 angebrachten Relaisabschnitte und dann durch das Substrat 41 zum Kühlkörper 20 abgeführt. Stattdessen wird diese Wärme direkt von der Rückseite zur Wärmeaufnahmefläche 24 des Kühlkörpers 20 abgeleitet. Dementsprechend werden die Abschnitte der Rückseite der Schaltelemente 61, die Wärmeableitungswege bilden, als „rückseitiger Wärmeableitungsabschnitt 64” bezeichnet.
Wie in 4B gezeigt, ist eine isolierende Wärmeableitungsschicht 71 zwischen dem rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt 64 der Schaltelemente 61 und der Wärmeaufnahmefläche 24 des Kühlkörpers 20 vorgesehen. Bei der isolierenden Wärmeableitungsschicht 71 kann es sich um ein gelartiges Element handeln, bei dem es sich in erster Linie um Silikon mit einem wärmeleitfähigen Füllstoff, ein komprimiertes Flachkörperelement oder dergleichen handelt. Wenn die Schaltelemente 61 bestromt sind und Wärme erzeugen, wird diese Wärme vom rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt 64 zur Wärmeaufnahmefläche 24 des Kühlkörpers 20 durch die isolierende Wärmeableitungsschicht 71 hindurch geleitet. Im Ergebnis kann verhindert werden, dass die Schaltelemente 61 aufgrund von Überhitzung ausfallen.
Die obige Ausgestaltung gemäß den Schaltelementen 61 des ersten Wechselrichters 601 ist dieselbe wie die der Schaltelemente 62 des zweiten Wechselrichters 602.
Der Steuerungsdeckel 80 deckt die eine vom Motorgehäuse 10 abgewandte Seite der ECU 40 ab. Der Steuerungsdeckel 80 umfasst eine Umfangswand 81 und einen Vorsprung 82, der an einem Spitzenabschnitt der Umfangswand 81 ausgebildet ist. Der Vorsprung 82 wird ferner in die Klebstoffnut 28 des Kühlkörpers 20 eingeführt und an dieser Klebstoffnut 28 mittels Klebstoff befestigt. Dementsprechend wird verhindert, dass Wassertröpfchen und dergleichen zwischen den Kühlkörper 20 und den Steuerungsdeckel 80 eindringen, und der Steuerungsdeckel 80 ist mit dem Kühlkörper 20 verbunden.
Ein Stromversorgungsstecker 83 und ein Signalstecker 84 sind einstückig an einer vom Motorgehäuse 10 abgewandten Stirnfläche des Steuerungsdeckels 80 ausgebildet. Dem Stromversorgungsstecker 83 wird elektrische Energie von der Batterie 49 zugeführt, und externe Signale wie zum Beispiel CAN-Signale oder Drehmomentsignale gehen in den Signalstecker 84 ein.
Wie vorstehend erläutert, umfasst die ECU 40 der vorliegenden Ausführungsform zwei Systeme aus Wechselrichtern 601, 602 und steuert die Motoreinheit 30 durch Steuerung der Bestromung der beiden Wicklungsgruppen 31, 32 an. Mit anderen Worten wird von den beiden Systemen aus Wechselrichtern 601, 602 elektrische Energie von der Batterie 49 gemäß einem Schaltbetrieb der Schaltelemente 61, 62 umgewandelt und ausgegeben. Nun sei angenommen, dass die Schaltelemente 61, 62 von einem der Systeme einen Ausfall aufgrund eines Kurzschlusses oder einer Stromkreisunterbrechung erleiden. In diesem Falle würde der Wechselrichter des ausgefallenen Systems den Betrieb einstellen und die Motoreinheit 30 kann dann nur noch vom Wechselrichter des normal arbeitenden Systems weiter angesteuert werden. So kann beispielsweise im Falle der elektrischen Servolenkungsvorrichtung 90 das Lenkunterstützungsmoment auch dann abgegeben werden, wenn ein System versagt.
Mit anderen Worten verhindern die beiden Systeme aus Wechselrichtern 601, 602 eine Totalunterbrechung der Drehmomentabgabe bei Ausfall eines Systems und sind in redundanter Art und Weise ausgelegt, um eine Zuverlässigkeit vom Gesichtspunkt der Ausfallsicherheit her zu gewährleisten.
Im Übrigen sind die elektrischen Eigenschaften der verschiedenen Elektronikkomponenten in den Wechselrichtern 601, 602, einschließlich der Schaltelemente 61, 62, so angesetzt, dass sie für beide Systeme im Wesentlichen identisch sind. Wenn allerdings die Eigenschaften der Schaltelemente 61, 62, die von den Elektronikkomponenten der beiden Systeme die meiste Wärme erzeugen, genau dieselben sind, schreitet die Leistungsverschlechterung aufgrund von Wärmeerzeugung mit derselben Rate voran. Im Ergebnis kann es sein, dass die Elektronikkomponenten ihr Lebensdauerende alle auf einmal erreichen und folglich die beiden Systeme zur selben Zeit ausfallen. Wenn zum Beispiel eine solche Situation eintritt, wird ein Ziel der redundanten Bauweise nicht erreicht, das da lautet: „Wenn ein System ausfällt, ermögliche die Fortsetzung des Betriebs mit anderen Systemen”.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der ECU (Steuerung für eine elektrische drehende Maschine) der vorliegenden Offenbarung darin, unter der Voraussetzung, über mehrere Systeme von Wechselrichtern (Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie) zu verfügen, die Wahrscheinlichkeit dessen zu reduzieren, dass mehrere Systeme zur selben Zeit ausfallen.
Aus diesem Grund ist von den in der ECU enthaltenen mehreren Systemen aus Wechselrichtern ein spezieller Wechselrichter (d. h. eine ganz bestimmte Umwandlungsschaltung für elektrische Energie) eine „spezielle Schaltung” und unterscheidet sich von einem anderen Wechselrichter (d. h. einer anderen Umwandlungsschaltung für elektrische Energie), der eine „normale Schaltung” darstellt. Des Weiteren ist im Vergleich zur normalen Schaltung die Wärmeableitungseinrichtung von den Schaltelementen der speziellen Schaltung zum Kühlkörper absichtlich zum Teil anders ausgelegt, sodass unter denselben Bestromungsbedingungen der Temperaturanstieg der Schaltelemente der speziellen Schaltung klein gehalten wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind mit der Aufgabe der Reduzierung der Wahrscheinlichkeit, dass beide Systeme aus Wechselrichtern 601, 602, die ein Beispiel für „multiple Systeme” darstellen, zur selben Zeit ausfallen, die Auslegungen der beiden Systeme teilweise voneinander verschieden.
Nachstehend sind die ECUs 40 der ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsform mit den Bezugszahlen 401 bis 404 bezeichnet, und die spezifischen Aspekte der Wärmeableitungseinrichtungen, die teilweise voneinander abweichen, werden der Reihe nach für jede Ausführungsform erläutert. Hier ist in der ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsform der erste Wechselrichter 601 jeweils ein Beispiel für eine „normale Schaltung”, und der zweite Wechselrichter 602 ein Beispiel für eine „spezielle Schaltung”.
Des Weiteren sind in der ECU 401 bis 404 jeder Ausführungsform, wie mit Bezug auf 3 bis 5 erläutert, die beiden Systeme aus Wechselrichtern 601, 602 auf einem Substrat 41 positioniert und um die Symmetrieachse S zueinander symmetrisch. Zusätzlich wird die Auslegung mit „rückseitiger Wärmeableitung” verwendet, bei der die von den Schaltelementen 61, 62 erzeugte Wärme von dem rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt 64 durch die isolierende Wärmeableitungsschicht 71 zur Wärmeaufnahmefläche 24 des Kühlkörpers 20 abgeleitet wird.
(Erste Ausführungsform)
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird mit Bezug auf 6 erläutert. Hierbei beruht 6 auf einer Querschnittsansicht entlang VI-VI von 4A, in der der erste Wechselrichter 601 auf der linken Seite von 6 und der zweite Wechselrichter 602 auf der rechten Seite von 6 gezeigt ist. Der erste Wechselrichter 601 fungiert als „normale Schaltung” und umfasst die sechs Schaltelemente 611 bis 616, wobei von diesen ein repräsentatives „Schaltelement 61” dargestellt ist. Hier würde bei einer herkömmlichen Auslegung der zweite Wechselrichter 602 die sechs Schaltelemente 621 bis 626 aufweisen und von diesen wäre ein repräsentatives „Schaltelement 62” mit denselben Eigenschaften wie das Schaltelement 61 dargestellt.
Wie jedoch in 6 eigentlich dargestellt ist, werden in einer ECU 401 der ersten Ausführungsform für die beiden Systeme aus Wechselrichtern 601, 602 Komponenten verwendet, die andere Wärmeableitungseigenschaften haben als die Schaltelemente. So verwendet zum Beispiel der erste Wechselrichter 601, der eine „normale Schaltung” darstellt, eine „Komponente X” als Schaltelement 61. Dann verwendet der zweite Wechselrichter 602, der eine „spezielle Schaltung” darstellt, eine „Komponente Y” mit besseren Wärmeableitungseigenschaften als das Schaltelement 63, das sich vom Schaltelement 61 unterscheidet.
Bei der Komponente X und der Komponente Y kann es sich zum Beispiel um gleichwertige Komponenten von verschiedenen Herstellern, um Komponenten mit derselben Teileanzahl aber aus verschiedenen Produktionschargen, um Komponenten mit unterschiedlicher Kapselung, und dergleichen handeln. Es sei beispielsweise angenommen, dass Chips der Schaltelemente dieselben elektrischen Eigenschaften haben und bei Bestromung dieselbe Wärmemenge erzeugen. Selbst in einem solchen Fall kann die Effizienz, mit der die Wärme vom Inneren des Chips zur Oberfläche der Kapselung abgeleitet wird, durchaus unterschiedlich sein, wenn die die Chips umhüllenden Kapselungen (die Kunststoffformabschnitte) zum Beispiel über ein jeweils anderes Wärmeleitvermögen verfügen. Derselbe Unterschied kann sich bei Komponenten von verschiedenen Herstellern oder auch denselben Komponenten aus unterschiedlichen Produktionschargen zeigen.
Demzufolge wird die „Komponente Y” als Komponente mit besseren Wärmeableitungseigenschaften im Schaltelement ausgewählt, und die „Komponente X” wird als Komponente mit schlechteren Wärmeableitungseigenschaften im Schaltelement ausgewählt. Im Ergebnis wird das Schaltelement 63 (Komponente Y) des zweiten Wechselrichters 602 wahrscheinlich über eine längere Lebensdauer verfügen als das Schaltelement 61 (Komponente X) des ersten Wechselrichters 601. Dementsprechend ist die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass beide Systeme zur selben Zeit ausfallen. In der elektrischen Servolenkungsvorrichtung 90 kann eine Totalunterbrechung des Lenkunterstützungsmoments verhindert und die Zuverlässigkeit kann vom Standpunkt der Ausfallsicherheit her gewährleistet werden.
Des Weiteren können in den Wechselrichtern 601, 602, neben den Schaltelementen 61, 63, die die Halbbrückenschaltung bilden, auch die die Stromquellenrelais 51, 52 und die Rückwärtsschutzrelais 53, 54 bildenden Halbleiterrelais so hergestellt sein, dass sie mit Blick auf die beiden Systeme in Bezug auf die Wärmeableitungseinrichtungen differieren.
Natürlich müssen in der ECU 401 der ersten Ausführungsform, wenn die beiden Systeme normal arbeiten, der erste Wechselrichter 601 und zweite Wechselrichter 602 die erste Wicklungsgruppe 31 und zweite Wicklungsgruppe 32 so steuern, dass sie dieselbe Menge elektrischer Energie abgeben. Mit anderen Worten geben die spezielle Schaltung und die normale Schaltung, wenn sie denselben Bestromungsbedingungen unterliegen, weitestgehend dieselbe Menge an elektrischer Energie ab. Folglich geht die Intention der Verwendung von „unterschiedlichen Komponenten” in der ersten Ausführungsform aber nicht so weit, dass zum Beispiel Komponenten verwendet werden, die sich in Bezug auf fundamentale Betriebsprinzipien unterscheiden, oder Komponenten, die sich in grundlegenden Spezifikationsnennwerten unterscheiden. Letztendlich sollten während des Normalbetriebs die Funktionen dieselben sein, und nur die Wärmeableitungseigenschaften der Schaltelemente sollen sich voneinander unterscheiden.
Darüber hinaus bestehen bei realistischer Betrachtung, auch wenn in den beiden Systemen Komponenten vom selben Hersteller, mit derselben Teileanzahl und aus derselben Charge verwendet werden und die Schaltelemente so ausgelegt sind, dass sie über dieselben Wärmeableitungseigenschaften verfügen, Schwankungen der kumulativen Komponententoleranzen, Drahtwiderstände aufgrund von Verlötung und dergleichen etc. Demzufolge ist die Wahrscheinlichkeit, dass derartige zwei Systeme aus Wechselrichtern 601, 602 zur selben Zeit versagen, nicht so hoch.
Verfolgt man jedoch einen statistischen Ansatz, ist zu bedenken, dass, wenn eine herkömmliche ECU eine Wahrscheinlichkeit P hat, dass die beiden Systeme zur selben Zeit ausfallen, die ECU 401 der ersten Ausführungsform dann eine Wahrscheinlichkeit Q hat, dass die beiden Systeme zur selben Zeit ausfallen, wobei Q kleiner ist als P. Dementsprechend zeigt die erste Ausführungsform einen Effekt der „Reduzierung der Wahrscheinlichkeit”, dass die beiden Systeme aus Wechselrichtern 601, 602 zur selben Zeit ausfallen.
Als Nächstes werden die ECUs der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung nacheinander erläutert. In jeder der Ausführungsformen haben die beiden Systeme dieselbe Ausgestaltung, abgesehen von der Wärmeableitungseinrichtung, die als „Unterschied zwischen den zwei Systemen” bezeichnet wird. Darüber hinaus sind in der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform „das Schaltelement 61 des ersten Wechselrichters 601” und „das zweite Schaltelement 62 des zweiten Wechselrichters 602” jeweils dieselbe Komponente.
(Zweite Ausführungsform)
Eine ECU der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird mit Bezugnahme auf 7 und 8 erläutert.
Wie in 7 gezeigt, ist in der ECU 402 der zweiten Ausführungsform im Vergleich zwischen den beiden Systemen aus Wechselrichtern 601, 602 die Dicke der isolierenden Wärmeableitungsschichten 71, 705, oder anders ausgedrückt ein Wärmeableitungsabstand durch die isolierenden Wärmeableitungsschichten 71, 705 zwischen dem rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt 64 und der Wärmeaufnahmefläche 24 jeweils anders.
So ist beispielsweise im ersten Wechselrichter 601 die isolierende Wärmeableitungsschicht 71 mit einer Dicke D1 von 1,0 mm angesetzt, und im zweiten Wechselrichter 602 ist die isolierende Wärmeableitungsschicht 705 mit einer Dicke D2 von 0,5 mm angesetzt. Diese Auslegung kann verwirklicht werden, indem die Höhe und die Dicke des Substrats 41 konstant angesetzt und ein Stufenabschnitt 205 an einem dem zweiten Wechselrichter 602 zugewandten Teilbereich des Kühlkörpers 21 vorgesehen wird.
Wie in 8 gezeigt ist, besteht ein proportionales Verhältnis zwischen der Dicke der isolierenden Wärmeableitungsschichten 71, 705 (oder dem Wärmeableitungsabstand) und einem Temperaturanstieg der Schaltelemente 61, 62. In der Realität kann, um die Isolierung aufrechtzuerhalten, die Dicke nicht den Wert 0 erreichen, aber an einem hypothetischen Dickenlimit von 0 mm werden 100% der von den Schaltelementen 61, 62 erzeugten Wärme abgeführt und der Temperaturanstieg wird folglich mit 0°C angenommen.
Unter der Annahme, dass eine Leistungsverschlechterung der Schaltelemente 61, 62 durch chemische Reaktionen hervorgerufen wird, die mit der Zeit eine Zersetzung verursachen, kann als Regel die Arrhenius-Gleichung der alle 10°C stattfindenden Halbierung angewendet werden, oder, anders ausgedrückt, „wenn die Temperatur um 10°C ansteigt, reduziert sich die Lebensdauer um die Hälfte”. Wenn die Temperatur der Schaltelemente bei einer Dicke von 1,0 mm für die isolierende Wärmeableitungsschicht um 25°C ansteigt und dann die Dicke der isolierenden Wärmeableitungsschicht um 0,5 mm verringert wird, ergibt sich ein Unterschied von 12,5°C. Ausgehend davon darf man eine Lebensdauer von 2^1,25 oder ungefähr den 2,4-fachen Wert erwarten.
(Dritte Ausführungsform)
Eine ECU der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird mit Bezug auf 9 erläutert.
Wie in 9 gezeigt ist, werden in der ECU 403 der dritten Ausführungsform im Vergleich zwischen den beiden Systemen aus Wechselrichtern 601, 602 Materialien mit unterschiedlichem Wärmeleitvermögen als isolierende Wärmeableitungsschichten 71, 72 verwendet.
So wird zum Beispiel ein „Material α” als isolierende Wärmeableitungsschicht 71 des ersten Wechselrichters 601 und ein „Material β” als isolierende Wärmeableitungsschicht 72 des zweiten Wechselrichters 602 verwendet. Insbesondere unter Verwendung von Gegenständen mit unterschiedlichen Mengen an wärmeleitfähigem Füllstoff oder von Gegenständen mit unterschiedlich wärmeleitendem Füllmaterial (Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid usw.) oder dergleichen ist das Wärmeleitvermögen der isolierenden Wärmeableitungsschicht 72 des zweiten Systems größer angesetzt als das Wärmeleitvermögen der isolierenden Wärmeableitungsschicht 71 des ersten Systems. Im Ergebnis wird das Schaltelement 62 des zweiten Wechselrichters 602 wahrscheinlich eine längere Lebensdauer haben als das Schaltelement 61 des ersten Wechselrichters 601.
(Vierte Ausführungsform)
Eine ECU der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird mit Bezug auf 10 und 11 erläutert.
Wie in 10 gezeigt ist, sind in der ECU 404 der vierten Ausführungsform im Vergleich zwischen den beiden Systemen aus Wechselrichtern 601, 602 die Dicken der entsprechenden Abschnitte des Kühlkörpers 22 jeweils anders.
So ist zum Beispiel ein dem ersten Wechselrichter 601 entsprechender erster Abschnitt 221 des Kühlkörpers 22 mit einer Dicke H1 von 4 mm angesetzt, und ein dem zweiten Wechselrichter 602 entsprechender zweiter Abschnitt 222 des Kühlkörpers 22 ist mit einer Dicke H2 von 8 mm angesetzt.
Wie in 11 gezeigt ist, besteht ein umgekehrt proportionales Verhältnis zwischen der Dicke des Kühlkörpers 22 und dem Temperaturanstieg der Schaltelemente 61, 62.
Ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform kann unter der Annahme, dass eine Leistungsverschlechterung der Schaltelemente 61, 62 durch chemische Reaktionen hervorgerufen wird, die mit der Zeit eine Zersetzung verursachen, als Regel die Arrhenius-Gleichung der alle 10°C stattfindenden Halbierung angewendet werden, oder, mit anderen Worten, „wenn die Temperatur um 10°C ansteigt, reduziert sich die Lebensdauer um die Hälfte”. Wenn bei einer Dicke des Kühlkörpers von 4 mm der Temperaturanstieg 10°C beträgt und bei einer Dicke des Kühlkörpers von 8 mm der Temperaturanstieg 5°C beträgt, ergibt sich bei Änderung der Dicke des Kühlkörpers von 4 mm auf 8 mm ein Unterschied von 5°C. Ausgehend davon darf man eine Lebensdauer von 2^0,5 oder ungefähr den 1,4-fachen Wert erwarten.
Die vorstehend erwähnte zweite, dritte und vierte Ausführungsform ist jeweils so ausgelegt, dass der Temperaturanstieg des zweiten Wechselrichters 602, der als „spezielle Schaltung” fungiert, im Vergleich zum ersten Wechselrichter 601, der als „normale Schaltung” fungiert, klein gehalten wird. Dementsprechend wird ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform der zweite Wechselrichter 602 wahrscheinlich eine längere Lebensdauer haben als der erste Wechselrichter 601. Dementsprechend kann die Wahrscheinlichkeit reduziert werden, dass die beiden Systeme zur selben Zeit ausfallen.
Überdies können die vorstehend beschriebene erste, zweite, dritte und vierte Ausführungsform miteinander kombiniert werden. Im Ergebnis einer solchen Kombination können die Wärmeableitungseinrichtungen der normalen Schaltung und der speziellen Schaltung noch stärker unterschiedlich ausgelegt werden.
(Andere Ausführungsformen)
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen fungieren die beiden Systeme aus Wechselrichtern 601, 602 als „Vielzahl von Systemen”. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch auch auf eine ECU (Steuerung für eine elektrische drehende Maschine) mit drei oder mehr Systemen aus Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie anwendbar. In diesem Fall können die mehreren Systeme in eine Gruppe aus mindestens einer „speziellen Schaltung” und eine Gruppe aus mindestens einer „normalen Schaltung” aufgeteilt werden. Die „speziellen Schaltungen” können darüber hinaus gemäß der Ausprägung der Wärmeableitungseigenschaften in mehrere Gruppen unterteilt und so angesetzt werden, dass sie stufenartige Lebensdauern haben.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird die Antriebsvorrichtung beispielhaft so dargestellt, dass sie einteilig aus der Motoreinheit und der ECU (Steuerung für eine elektrische drehende Maschine) gebildet ist. Die vorliegende Offenbarung lässt sich allerdings auch auf eine ECU anwenden, die separat von einer Motoreinheit (elektrische drehende Maschine) ausgebildet ist und mit dieser über einen Kabelbaum verbunden ist.
Die Steuerung für eine elektrische drehende Maschine der vorliegenden Offenbarung steuert eine elektrische drehende Maschine als Zielobjekt. Dieses Zielobjekt ist nicht auf einen dreiphasigen Wechselstrom-Synchronmotor in Permanentmagnetbauart beschränkt und umfasst Mehrphasenmotoren mit vier oder mehr Phasen, bürstenlose Gleichstrommotoren, Induktionsmotoren und dergleichen mehr. Des Weiteren ist das Zielobjekt nicht auf einen Motor beschränkt, der bei Bestromung ein Drehmoment abgibt (Elektromotor), sondern kann auch einen Stromgenerator umfassen, der bei Aufnahme eines Drehmoments Energie erzeugt.
Beispielsweise im Falle eines Gleichstrommotors entspricht eine H-Brückenschaltung den „Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie”.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die beiden Systeme aus Wechselrichtern 601, 602 auf einem Substrat 41 angeordnet und um die Symmetrieachse S zueinander symmetrisch. Es kann für jedes System allerdings auch ein separates Substrat vorgesehen sein, und der Wechselrichter jedes Systems kann asymmetrisch positioniert sein.
Die Ausführungsform, die der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform entspricht und bei der „als Schaltelemente Komponenten verwendet werden, die unterschiedliche Wärmeableitungseigenschaften haben” sowie die der vorstehend beschriebenen vierten Ausführungsform entsprechende Ausführungsform, bei der „entsprechende Abschnitte des Kühlkörpers unterschiedliche Dicken aufweisen”, sind nicht auf Auslegungen mit rückseitiger Wärmeableitung beschränkt. Stattdessen können diese Ausführungsformen auf Auslegungen angewendet werden, bei denen die Wärme nur zum Kühlkörper durch das Substrat abgeleitet wird, auf dem die Schaltelemente angebracht sind.
In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform, bei der für die Schaltelemente unterschiedliche Komponenten verwendet werden, sind die Schaltelemente nicht wie vorstehend beschrieben auf die Schaltelemente eingeschränkt, die die Halbbrückenschaltungen bilden, sondern umfassen auch Halbleiterrelais wie zum Beispiel die Stromquellen- und Rückwärtsschutzrelais 51 bis 54. Obwohl im Schaltplan von 2 nicht dargestellt, beispielsweise in einer Auslegung, bei der Halbleitermotorrelais zwischen der Wechselrichterschaltung und der Motoreinheit angeordnet sind, können für diese Halbleitermotorrelais Komponenten verwendet werden, die für jedes System anders sind.
Die Steuerung für eine elektrische drehende Maschine der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf eine wie in 2 gezeigte, säulenmontierte Bauart beschränkt, sondern kann auch auf eine zahnstangenmontierte Bauart einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung angewendet werden. Darüber hinaus kann die Steuerung für eine elektrische drehende Maschine über die elektrische Servolenkungsvorrichtung hinaus auch auf fahrzeugmontierte Vorrichtungen angewendet werden, oder kann über fahrzeugmontierte Vorrichtungen hinaus auf verschiedene Arten von Vorrichtungen angewendet werden.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist eine Vielfalt von Ausführungsformen denkbar, ohne vom Kern der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2011-229228 A [0002, 0004]

Claims

Steuerung für eine elektrische drehende Maschine zum Steuern der Bestromung einer elektrischen drehenden Maschine (30) mit einer Vielzahl von Wicklungsgruppen (31, 32), aufweisend: eine Vielzahl von Systemen von Umwandlungsschaltungen (601, 602) für elektrische Energie, die der Vielzahl der Wicklungsgruppen entsprechen, wobei die Vielzahl der Systeme der Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie eine von einer Gleichstromquelle (49) stammende elektrische Energie entsprechend einem Schaltbetrieb einer Vielzahl von in Brückenschaltung verschalteten Schaltelementen (611–616, 621–626) umwandelt und ausgibt; und einen Kühlkörper (20, 21, 22), der dazu ausgelegt ist, Wärme aufzunehmen, die durch die Bestromung der Vielzahl von Schaltelementen erzeugt wird, wobei es sich bei einer speziellen Umwandlungsschaltung für elektrische Energie der Vielzahl von Systemen der Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie um eine spezielle Schaltung handelt, es sich bei einer anderen Umwandlungsschaltung für elektrische Energie der Vielzahl von Systemen der Umwandlungsschaltungen für elektrische Energie um eine normale Schaltung handelt, eine Wärmeableitungseinrichtung von der Vielzahl von Schaltelementen zum Kühlkörper der speziellen Schaltung im Vergleich zur normalen Schaltung anders ausgelegt ist, und zwar derart, dass, wenn die spezielle Schaltung und die normale Schaltung derselben Bestromungsbedingung unterliegen, ein Temperaturanstieg der Vielzahl von Schaltelementen der speziellen Schaltung im Vergleich zur normalen Schaltung klein gehalten wird, und die spezielle Schaltung und die normale Schaltung unter derselben Bestromungsbedingung dieselbe Menge an elektrischer Energie abgeben.
Steuerung für eine elektrische drehende Maschine nach Anspruch 1, wobei Komponenten, die für die Vielzahl der Schaltelemente verwendet werden, in der speziellen Schaltung eine andere Wärmeableitungseigenschaft haben als bei der normalen Schaltung.
Steuerung für eine elektrische drehende Maschine nach Anspruch 1 oder 2, darüber hinaus aufweisend: eine isolierende Wärmeableitungsschicht (71, 705, 72), wobei die Vielzahl der Schaltelemente einen rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt (64) an einer Fläche der Vielzahl der Schaltelemente aufweist, die von einem Substrat (41) abgewandt ist, wobei die Vielzahl der Schaltelemente am Substrat angebracht ist, der Kühlkörper eine Wärmeaufnahmefläche (24) aufweist, die dem rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt zugewandt ist, die isolierende Wärmeableitungsschicht zwischen dem rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt und der Wärmeaufnahmefläche angeordnet ist, und die isolierende Wärmeableitungsschicht dazu ausgelegt ist, die Isolierung aufrechtzuerhalten und Wärme von der Vielzahl der Schaltelemente zum Kühlkörper abzuleiten.
Steuerung für eine elektrische drehende Maschine nach Anspruch 3, wobei ein Wärmeableitungsabstand durch die isolierende Wärmeableitungsschicht zwischen dem rückseitigen Wärmeableitungsabschnitt und der Wärmeaufnahmefläche in der speziellen Schaltung anders ist als bei der normalen Schaltung.
Steuerung für eine elektrische drehende Maschine nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein für die isolierende Wärmeableitungsschicht verwendetes Material in der speziellen Schaltung ein anderes Wärmeleitvermögen hat als bei der normalen Schaltung.
Steuerung für eine elektrische drehende Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Dicke eines Abschnitts des Kühlkörpers (22) entsprechend der speziellen Schaltung anders ist als bei der normalen Schaltung.