JP2012010576A - 電動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モータの巻線に供給する電流を切り替えるスイッチング素子を樹脂モールドした2個のパワーモジュール60は、シャフトの回転中心を含む平面を挟んで設けられる。この2個のパワーモジュール60の間に第1平滑コンデンサ77、第2平滑コンデンサ78、チョークコイル76が設けられる。大型の電子部品を2個のパワーモジュール60の間に集約することで、コントローラの体格を小さくすると共に、電子部品とパワーモジュール60との間を接続する配線のインピーダンスを低減することができる。
【選択図】 図13
Description
特許文献1、2では、特許文献1の図5又は特許文献2の図5に示されるように、入力電源の電圧変動を平滑化する3個のコンデンサ(74)を1列に設けている。また、6個のパワーモジュール(IPM70)を2列に平行に設けている。そして3個のコンデンサの列と6個のパワーモジュールの列とをL状に配置している。電源(71)から供給される電流は、第1バスバー(72a、72b)からコンデンサを経由し、第2バスバー(73a、73b)を通りパワーモジュールに流れる。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、体格を小型化可能な電動装置を提供することにある。
複数のパワーモジュールは、巻線に供給する電流を切り替えるスイッチング素子、このスイッチング素子をモールドするモールド部、およびモールド部から突出する端子を有する。この複数のパワーモジュールは、シャフトの軸方向の一方にシャフトの回転中心を含む平面を挟んで設けられる。
電源コネクタは、スイッチング素子に電流を供給する。第1コンデンサは、電源コネクタに電気的に接続し、電源ノイズを低減する。チョークコイルは、電源とスイッチング素子との間に電気的に直列接続し、スイッチング素子に供給される電源変動を減衰する。第2コンデンサは、スイッチング素子と電気的に並列接続し、スイッチング素子による通電の切り替えにより生じるリップル電流を吸収する。第1コンデンサ、第2コンデンサ及びチョークコイルの少なくとも1つは、パワーモジュールとパワーモジュールとの間に設けられる。
また、第1コンデンサ、第2コンデンサ及びチョークコイルとパワーモジュールの端子とを電気的に接続する配線を短くかつ幅広くすることで、配線のインピーダンスを低くすることができる。これにより、第1コンデンサ及び第2コンデンサの性能を向上し、電源ノイズを抑制することができる。
さらに、配線のインピーダンスを低くすることで、電源からコントローラを経由しモータへ供給される電流の低減を抑制することができる。したがって、モータの出力トルクを高めることができる。また、モータの出力トルクが同じ条件であれば、スイッチング素子及び配線の発熱を抑制することができる。
これにより、電源コネクタ、第1コンデンサ、チョークコイルおよび第2コンデンサを電気的に接続する配線を短かくすることで、配線のインピーダンスを低くすることができる。これにより、第1コンデンサ及び第2コンデンサの性能を向上し、電源ノイズを抑制することができる。
さらに、配線のインピーダンスを低くすることで、電源からコントローラを経由しモータへ供給される電流の低減を抑制することができる。したがって、モータの出力トルクを高めることができる。また、モータの出力トルクが同じ条件であれば、スイッチング素子及び配線の発熱を抑制することができる。
また、クロストークを低減し、電源のノイズを抑制することができる。
これにより、チョークコイルと位置センサとの距離が遠くなり、チョークコイルの漏れ磁束が位置センサに与える影響を低減することができる。このため、位置センサは、マグネットの磁束の変化を正確に検出することが可能になる。したがって、ロータの位置を正確に検出することができる。
巻線に電流が流れると、巻線の外側を周回するように磁場が発生し(右ねじの法則)、磁束がコアを流れる。つまり、磁場は、巻線の延びる方向に対して垂直な方向に発生する。このため、コアの径方向及び軸方向にチョークコイルの漏れ磁束が大きくなる。したがって、チョークコイルの径方向及び軸方向に重ならないように位置センサを設けることで、チョークコイルの漏れ磁束が位置センサに与える影響を低減することができる。
なお、以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による電動装置を図1〜図17に示す。本実施形態の電動装置1は、電動パワーステアリング装置(以下、「EPS」という。)に用いられる。図1に示すように、電動装置1は、コラム軸6に設けられたギアボックスのギア7と噛合している。電動装置1は、ステアリング5の操舵トルクを検出するトルクセンサ8から出力されるトルク信号、及び図示しないCAN(Controller Area Network)から取得する車速信号に基づいて正逆回転することで、操舵のアシスト力を発生する。
まず、コントローラ3の電気的構成を説明する。コントローラ3は、大電流をモータ2に供給するパワー部100、及びこのパワー部100を制御する制御部90から構成されている。
第1平滑コンデンサ77とチョークコイル76とは、フィルタ回路を構成し、電源75を共有する他の装置から伝わるノイズを低減する。また、電動装置1から電源75を共有する他の装置へ伝わるノイズを低減する。
他方のインバータ89は、上述した一方のインバータ80と同様の構成であるので説明を省略する。
検出電圧増幅部97は、シャント抵抗99の両端電圧を検出し、その両端電圧を増幅してマイコン94へ出力する。
本実施形態の電動装置1は、モータ2のシャフト35の軸方向の一方の端部にコントローラ3を備えている。
まず、モータ2について説明する。モータ2は、モータケース10、ステータ20、ロータ30、シャフト35等を備えている。
モータケース10のコントローラ3側には、樹脂ガイド16が設けられる。樹脂ガイド16は、略環状に形成され、中心部が開口している。また、樹脂ガイド16には、6つの孔17が設けられる。
なお、パワー基板70は、特許請求の範囲に記載の「プリント基板」に相当する。
一方、シャフト35は、コントローラ3の反対側の端部に出力端37を有している。シャフト35の反コントローラ3側には、内部にギア7を有する図示しないギアボックスが設けられる。出力端37は、シャフト35が回転することによって、回転駆動される。出力端37はギアボックスのギア7と連結し、出力端37が回転することによりコラム軸6に駆動力が印加される。
コントローラ3は、モータケース10を軸方向に投影した領域であるモータケース領域に収まるように設けられている。コントローラ3は、パワーモジュール60、電源コネクタとしてのパワーコネクタ79、第1平滑コンデンサ77、第2平滑コンデンサ78、チョークコイル76、ヒートシンク50、パワー基板70及び制御基板40等から構成されている。
ヒートシンク50のモータ2における径方向外側には、パワーモジュール60がシャフト35と略平行に縦置き配置される。パワーモジュール60は、各放熱ブロック51に対して1個ずつ配置される。
パワーモジュール60は、MOSを構成する図示しない半導体チップ、銅で形成された配線パターン、半導体チップをモールドするモールド部61、モールド部61の一方から突出する制御端子64及び他方から突出するパワー端子65を有する。
パワーモジュール60は、銅で形成された配線パターンに半導体チップおよびシャント抵抗99等が搭載され、樹脂で形成されるモールド部61によりモールドされている。
一方のパワーモジュール60が図1に示す一方のインバータ80を一体に樹脂モールドしている。
他方のパワーモジュール60が他方のインバータ89を一体に樹脂モールドしている。
パワー端子65は、モールド部61からパワー基板70側に突出する。パワー端子65は、後述するパワー基板70に形成されるスルーホール73に挿通され、はんだ等によりパワー基板70と電気的に接続される。このパワー端子65を経由してモータ2へ駆動電流が供給される。
本実施形態では、制御基板40側には、モータ2の駆動制御に係る例えば2A程度の小さい電流が通電される。一方、パワー基板70側には、モータ2を駆動する例えば80A程度の大電流が通電される。そのため、パワー端子65は、制御端子64よりも太く形成される。
第1平滑コンデンサ77及び第2平滑コンデンサ78は、略円柱状に形成されている。第1平滑コンデンサ77及び第2平滑コンデンサ78は、第1平滑コンデンサ77の軸と第2平滑コンデンサ78の軸とがモータ2のシャフト35の軸と略平行になるように設けられている。
パワー基板70は、図17に示すように、4層基板である。第1層111及び第4層114の厚さは例えば約35μmである。第2層112及び第3層113の厚さは例えば約70μmである。なお、パワー基板70には厚さ例えば約20μmのめっき層110が形成されるので、第1層111及び第4層114は、めっき層110と合わせると厚さが約55μmとなる。第1層111〜第4層114はビアホール115のめっき層110により結線される。
第1層111〜第4層114に形成される配線101〜107の電流の流れを説明する。
電源75から供給される電流は、パワーコネクタ79の端子Aから第1層111及び第4層114の配線101に流れる。この配線101からノイズ成分は第1平滑コンデンサ77のリード線B、Cを通り、第3層113の配線102に吸収される。この配線102からパワーコネクタ79の端子Yを通りグランドに吸収される。
第2平滑コンデンサ78は、第2層112の配線104に一方のリード線I、Jを接続し、第3層113の配線102に他方のリード線K、Lを接続することで、MOS81〜86への電力供給を補助し、またMOS81〜86の電流の切り替えにより生じるリップル電流を吸収する。
制御基板40上のマイコン94は、位置センサ93、トルクセンサ8、シャント抵抗99等からの信号に基づき、車速に応じてステアリング5の操舵をアシストするように、プリドライバ91を介してPWM制御により作出されたパルス信号を生成する。
(1)本実施形態では、第1平滑コンデンサ77、第2平滑コンデンサ78及びチョークコイル76が2つのパワーモジュール60の間に設けられる。シャフト35の軸方向の一方から見たとき、4個の第2平滑コンデンサ78は、その4個の第2平滑コンデンサ78の軸を結ぶ仮想線Zが略長方形になるように設けられる。そしてこの第2平滑コンデンサ78よりも径の小さい第1平滑コンデンサ77は、その軸が長方形の仮想線Zの対角線上の交点に位置するように設けられる。このため、第1コンデンサ及び4個の平滑コンデンサを設置する空間を小さくすることができる。したがって、コントローラ3の体格を小さくすることで、電動装置1の体格を小型化することができる。
(2)本実施形態では、チョークコイル76は、その軸がシャフトの軸に垂直になるように設けられる。チョークコイル76の軸方向の外壁と第2平滑コンデンサ78とを隣接させ、第1平滑コンデンサ77、第2平滑コンデンサ78及びチョークコイル76を設置する空間を小さくすることができる。
本発明の第2実施形態による電動装置を図21〜図29に示す。
本実施形態では、ヒートシンク250は、2つの放熱ブロック251を有し、1個の放熱ブロック251に対して2個のモジュールユニット260、270が設けられている。つまり、ヒートシンク250には、4個のモジュールユニット260、270が設けられている。
半導体モジュール261〜264、271〜274が特許請求の範囲に記載の「パワーモジュール」に相当する。
半導体モジュール261〜264、271〜274の端子266、276は、パワー基板70に設けられたスルーホール277に挿通され、はんだ等によりパワー基板70と電気的に接続される。
第1層211〜第4層214に形成される配線221〜233の電流の流れを図1及び図26〜図29を参照して説明する。
電源75から供給される電流は、パワーコネクタ79の端子Aから第4層214の配線221に流れる。この配線221からノイズ成分は、第1平滑コンデンサ77のリード線B、Cを通り、第1層211の配線222及び第3層213の配線223に吸収される。この配線222、223からパワーコネクタ79の端子Yを通りグランドに吸収される。
第2平滑コンデンサ78は、第3層212の配線225に一方のリード線I、Jを接続し、第1層211の配線222及び第3層213の配線223に他方のリード線K、Lを接続することで、MOS81〜86への電力供給を補助し、またMOS81〜86の電流の切り替えにより生じるリップル電流を吸収する。
制御基板40から出力される制御信号は、図21〜図23に示すターミナル278、及びパワー基板70の第1層211及び第4層214の配線232、233を経由し、半導体モジュール261〜264、271〜274へ電送され、半導体モジュール261〜264、271〜274のMOSのオン/オフを制御する。これにより、第1実施形態と同様にモータ2が駆動制御される。
また、本実施形態では、MOSごとに樹脂モールドされた半導体モジュール261〜264、271〜274を用いている。半導体モジュール261〜264、271〜274は、ヒートシンク250のパワー基板70と向き合う面に配置される。これにより、コントローラ3の空間を有効に利用し、電動装置を小型化することができる。
本発明の第3実施形態による電動装置を図30〜図34に示す。
本実施形態は、第1実施形態の変形例である。本実施形態では、第1平滑コンデンサ77、4個の第2平滑コンデンサ78及びチョークコイル76の配置が第1実施形態とは、異なっている。これらの大型電子部品は、図30に示すように、パワーコネクタ79側から第1平滑コンデンサ77、チョークコイル76及び4個の第2平滑コンデンサ78の順にパワー基板70に実装されている。4個の第2平滑コンデンサ78は、シャフト35の軸方向の一方から見たとき、4個の第2平滑コンデンサ78の軸を結ぶ仮想線Zが略正方形になるように設けられている。
第1層311〜第4層314に形成される配線321〜328の電流の流れを図1及び図31〜図33を参照して説明する。
電源75から供給される電流は、パワーコネクタ79の端子Aから第1層311及び第4層314の配線321に流れる。この配線321からノイズ成分は、第1平滑コンデンサ77のリード線B、Cを通り、第1層311及び第4層314の配線322及び第3層313の配線323に流れる。この配線322、323からパワーコネクタ79の端子Yを通りグランドに流れる。
第2平滑コンデンサ78は、第2層312の配線325に一方のリード線I、Jを接続し、第3層313の配線323に他方のリード線K、Lを接続することで、MOS81〜86への電力供給を補助し、またMOS81〜86の通電の切り替えにより生じるリップル電流を吸収する。
本実施形態においても、上記(1)〜(5)と同様の効果を奏する。
本発明の第4実施形態による電動装置を図34〜図39に示す。
本実施形態では、パワーコネクタ79側から第1平滑コンデンサ77、チョークコイル76および4個の第2平滑コンデンサ78の順にパワー基板70に実装されている。パワーコネクタ79と制御コネクタ45とが同じ方向に設けられている。
シャフト35の制御基板40側の端部に筒状の取付部材38が嵌合している。この取付部材38にマグネット36が固定されている。
制御基板40のモータ2側には、シャフト35の軸線上に位置センサ93が実装されている。位置センサ93として、その内部に設けられた素子を通過する磁束に応じて抵抗値が変化するMRセンサが例示される。位置センサ93は、シャフト35と共に回転するマグネット36による磁界の変化を検出する。これにより、ロータ30の位置が検出される。
チョークコイル76は、筒状のコア761及びこのコア761に巻回される巻線762を有し、コア761の軸とシャフト35の軸とが略垂直になるように設けられる。チョークコイル76のコア761は、このコア761の軸を含む断面が略矩形に形成される。
この配置において、位置センサ93とチョークコイル76の軸方向の端部とは、図39に示す縦断面視において、距離Lを離して配置されている。この距離Lは、チョークコイル76の漏れ磁束の影響を受けることなく、位置センサ93がマグネット36による磁界の変化を正確に検出することの可能な距離である。
チョークコイル76の巻線762に電流が流れると、巻線762の外側を周回するように磁場が発生する(右ねじの法則)。つまり、チョークコイル76の磁場は、巻線762の延びる方向に対して垂直な方向に発生する。このため、コア761の径方向及び軸方向にチョークコイルの漏れ磁束が大きくなる。したがって、チョークコイルの径方向に重ならないように位置センサ93を設けることで、チョークコイル76の漏れ磁束が位置センサ93に与える影響を低減することができる。このため、位置センサ93は、マグネット36の磁束の変化を正確に検出することが可能になる。したがって、ロータ30の位置が正確に検出される。
また、本実施形態においても、上記(1)〜(5)と同様の効果を奏する。また、パワー基板70のクロストークを低減することが可能になるので、電源のノイズを抑制することができる。
上述した実施形態では、モータのギアボックスと反対側にコントローラを設けた。これに対し、本発明は、モータとギアボックスとの間にコントローラを設けてもよい。この場合、モータのシャフトは、対峙するヒートシンクの間に形成される空間を通過しつつ、制御基板およびパワー基板を貫通し、ギアボックス側へ延設される。
上述した実施形態では、2系統のインバータによりモータを駆動した。これに対し、本発明は、1系統または3系統以上のインバータによりモータを駆動してもよい。
上述した実施形態では、第1平滑コンデンサ、第2平滑コンデンサ及びチョークコイルとパワーモジュールとをパワー基板の配線により電気的に接続した。これに対し、本発明は、それらの大型の電子部品とパワーモジュールとを例えばバスバー等によって接続してもよい。
上述した実施形態では、スイッチング素子としてMOSFETを用いたものを説明した。これに対し、本発明は、通電の切り替え機能を有するものであれば、どのようなスイッチング素子を用いてもよい。
上述した実施形態では、第1平滑コンデンサ、第2平滑コンデンサ及びチョークコイルを挿入実装部品として説明した。これに対し、本発明は、これらの電子部品を表面実装部品としてもよい。
上述した実施形態では、ヒートシンクは2個の放熱ブロックを連結部によって一体に形成した。これに対し、本発明は放熱ブロックを別々に形成してもよい。
上述した実施形態では、第1平滑コンデンサ、第2平滑コンデンサ及びチョークコイルの全てを2個のパワーモジュールの間に設けた。これに対し、第1平滑コンデンサ、第2平滑コンデンサ及びチョークコイルは、その一部を2個のパワーモジュールの間の外側に設けてもよい。
このように、本発明は、上述した実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
2・・・モータ
3・・・コントローラ
10・・・モータケース
20・・・ステータ
26・・・巻線
30・・・ロータ
35・・・シャフト
60・・・パワーモジュール
61・・・モールド部
64・・・制御端子(端子)
65・・・パワー端子(端子)
75・・・電源
76・・・チョークコイル
77・・・第1平滑コンデンサ(第1コンデンサ)
78・・・第2平滑コンデンサ(第2コンデンサ)
81〜86・・・MOSFET(スイッチング素子)
Claims (11)
- 筒状のモータケース、このモータケースの径内側に設けられ複数相を形成する巻線が巻回されるステータ、このステータに対し相対回転可能に設けられるロータ、及びこのロータと共に回転するシャフトを有するモータと、
前記巻線に供給する電流を切り替えるスイッチング素子、このスイッチング素子をモールドするモールド部、及びこのモールド部から突出する端子を有し、前記シャフトの軸方向の一方に前記シャフトの回転中心を含む平面を挟んで設けられる複数のパワーモジュールと、
前記スイッチング素子に電流を供給する電源コネクタと、
前記電源コネクタに電気的に接続し、電源ノイズを低減する第1コンデンサと、
前記電源と前記スイッチング素子との間に電気的に直列接続し、前記スイッチング素子に供給される電源変動を減衰するチョークコイルと、
前記スイッチング素子と電気的に並列接続し、前記スイッチング素子の通電の切り替えにより生じるリップル電流を吸収する第2コンデンサと、を備え、
前記第1コンデンサ、前記第2コンデンサ及び前記チョークコイルの少なくとも1つは、前記パワーモジュールと前記パワーモジュールとの間に設けられることを特徴とする電動装置。 - 前記第2コンデンサは、偶数個の略円柱状の平滑コンデンサを有し、
前記第2コンデンサは、偶数個の前記平滑コンデンサの軸と前記シャフトの軸とが略平行になり、かつ、前記シャフトの軸方向の一方から見たとき、4個の前記平滑コンデンサの軸を結ぶ仮想線が略長方形になるように設けられることを特徴とする請求項1に記載の電動装置。 - 前記第1コンデンサは、略円柱状に形成され、前記第1コンデンサの軸と前記シャフトの軸とが略平行になり、かつ、前記シャフトの軸方向の一方から見たとき、4個の前記平滑コンデンサの軸を結ぶ前記仮想線の対角線上に設けられることを特徴とする請求項2に記載の電動装置。
- 前記チョークコイルは、略環状に形成され、前記チョークコイルの軸と前記シャフトの軸とが略垂直になるように設けられることを特徴とする請求項2または3に記載の電動装置。
- 一方の前記パワーモジュール側に設けられる前記平滑コンデンサと他方の前記パワーモジュール側に設けられる前記平滑コンデンサとの距離は、一方の前記パワーモジュール側に設けられる2個の前記平滑コンデンサの距離、又は他方の前記パワーモジュール側に設けられる2個の前記平滑コンデンサの距離よりも近いことを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の電動装置。
- 前記シャフトの軸方向から見たとき略長方形になる前記仮想線の長辺と略平行に延び、前記第1コンデンサ、前記第2コンデンサ及び前記チョークコイルと前記パワーモジュールとの間に設けられるヒートシンクを備えることを特徴とする請求項2〜5のいずれか一項に記載の電動装置。
- 電源コネクタから前記スイッチング素子に電流を供給する配線は、前記第1コンデンサの軸方向の一方に設けられ、前記第1コンデンサ、前記チョークコイルおよび前記第2コンデンサが実装されるプリント基板の配線であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の電動装置。
- 前記スイッチング素子による通電の切り替えを制御するマイコンを有する制御基板を前記第1コンデンサの軸方向の他方に備えることを特徴とする請求項7に記載の電動装置。
- 前記電源コネクタ側から前記第1コンデンサ、前記チョークコイルおよび前記第2コンデンサの順にプリント基板に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の電動装置。
- 前記シャフトの前記制御基板側の端部に設けられるマグネットと、
前記シャフトの軸線上に設けられ、前記マグネットの磁束の変化を検出する位置センサと、を備え、
前記シャフトの軸に垂直な仮想平面に前記位置センサと前記チョークコイルとを投影したとき、前記位置センサと前記チョークコイルとは離れていることを特徴とする請求項8または9に記載の電動装置。 - 前記チョークコイルは、筒状のコア及びこのコアに巻回される巻線を有し、前記コアの軸と前記シャフトの軸とが略垂直になるように設けられ、
前記コアは、該コアの軸を含む断面が略矩形に形成されることを特徴とする請求項10に記載の電動装置。
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