JP2016034204A - 駆動装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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、電子部品を基板に高密度に実装可能である駆動装置、および、これを用いた電動パワーステアリング装置を提供することにある。
回転電機は、巻線が巻回されるステータ、ステータに対して相対回転可能に設けられるロータ、および、ロータとともに回転するシャフトを有する。
基板は、フレーム部材の回転電機と反対側に固定される。
巻線に通電される電流を切り替えるインバータ部を構成する駆動素子は、基板のフレーム部材側の面である第1の面にフレーム部材に対して放熱可能に実装される。
電子部品は、基板の第1の面と反対側の面である第2の面であって、集積回路部品が配置される領域と少なくとも一部が重複する箇所に実装される。電子部品は、例えば制御回路部品であるマイコンとすることができる。
本発明の駆動装置は、回転電機の駆動制御に係る各種電子部品が高密度実装される基板が回転電機の軸方向の一側に設けられるフレーム部材に固定されており、特に、軸方向における体格が小型化されている。そのため、搭載スペースが狭い箇所にも搭載可能となる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による駆動装置、および、電動パワーステアリング装置を図1〜図11に示す。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。
モータ10は、三相ブラシレスモータであって、後述するステータ12に巻回される第1巻線組13および第2巻線組14を有する。第1巻線組13は、U相コイル131、V相コイル132、および、W相コイル133から構成される。第2巻線組14は、U相コイル141、V相コイル142、および、W相コイル143から構成される。本実施形態では、第1巻線組13および第2巻線組14が「巻線」に対応する。
本実施形態のSW素子51〜56、61〜66は、MOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)であるが、IGBT等の他の素子を用いてもよい。
本実施形態では、SW素子51〜56、61〜66が、「駆動素子」に対応する。
電流検出素子67、68、69は、第2巻線組14の各相に対応してSW素子64〜66の低電位側に設けられ、第2巻線組14の各相に通電される電流を検出する。
本実施形態の電流検出素子57〜59、67〜69は、シャント抵抗である。
本実施形態では、電源リレー71、72および逆接保護リレー73、74は、いずれもMOSFETであるが、IGBT等の他の素子を用いてもよい。本実施形態では、電源リレー71、72および逆接保護リレー73、74が「リレー」に対応する。
マイコン81は、トルクセンサ103や回転角センサ85等からの信号に基づき、第1巻線組13および第2巻線組14への通電に係る指令値を演算する。
ASIC82は、プリドライバ821、信号増幅部822、および、レギュレータ823等から構成される。
レギュレータ823は、電源の電圧(例えば12[V])を所定電圧(例えば5[V])に調整してマイコン81等に出力する。すなわち、レギュレータ823は、マイコン81等に供給する電圧を安定化させる安定化回路である、といえる。
図3〜図8に示すように、駆動装置1は、モータ10、フレーム部材20、ECU40、および、カバー部材90等を備える。
図3に示すように、モータ10は、モータケース11、ステータ12、第1巻線組13、第2巻線組14、ロータ15、および、シャフト16等を有する。
底部111の略中央には、シャフト16の一端161が挿通される軸孔112が形成される。また、底部111には、ベアリング166が嵌合する。
また、第2モータ線145は、第2U相モータ線146、第2V相モータ線147、および、第2W相モータ線148から構成され、電源リレー71、72側から、第2W相モータ線148、第2V相モータ線147、第2U相モータ線146の順に配列される。
これにより、第1モータ線135からの磁束漏れと第2モータ線145からの磁束漏れとが相殺される。また、モータ10の軸中心Oに実装される回転角センサ85における磁束漏れの影響を低減でき、検出誤差を低減することができる。
ここで、「対称」とは、磁束漏れを相殺できる程度であれば、製造上の誤差程度は許容されるものとする。
シャフト16の他端162には、マグネット18を保持するマグネット保持部17が設けられる。
また、フレーム部材20には、モータ線135が挿通されるモータ線挿通孔24、および、モータ線145が挿通されるモータ線挿通孔25が形成される。これにより、モータ線135、145は、ECU40側に取り出される。
フレーム部材20のECU側端面31には、基板固定部32、リレー収容室33、34、ASIC収容室35、端子逃がし溝36、および、接着溝37が形成される。
ECU40は、各種電子部品が実装される基板41を有する。
基板41は、モータ領域内に収まる形状に形成される。本実施形態では、基板41は、フレーム部材20のECU側端面31に形成される接着溝37の径方向内側に収まる形状に形成される。すなわち本実施形態では、基板41に実装され、ECU40を構成するSW素子51〜56、61〜66、電流検出素子57〜59、67〜69、コンデンサ86、87、および、チョークコイル89が、モータ領域内に収まっている。換言すると、ECU40全体がモータ領域内に収まっている、ともいえる。
ここで、基板41のモータ10側の面を発熱素子実装面42、モータ10と反対側の面を大型部品実装面43とする。本実施形態では、発熱素子実装面42が「第1の面」、大型部品実装面43が「第2の面」に対応する。
回転角センサ85は、発熱素子実装面42に略中心であって、フレーム部材20から露出するマグネット18と対向する箇所に実装される。回転角センサ85は、発熱素子実装面42の軸中心Oに実装される(図3参照)。
これにより、インピーダンスを低減可能であるとともに、基板41における各相の配線長のばらつきが低減されるので、各相のインピーダンスのばらつきを低減することができる。なお、ここでいう「対称」とは、インピーダンスを低減可能な程度であって、製造誤差等は許容されるものとする。
SW素子61〜66およびモータ線145の配置についても同様である。
すなわち、本実施形態では、SW素子51〜56、61〜66、電流検出素子57〜59、67〜69、電源リレー71、72、逆接保護リレー73、74、および、ASIC82が、発熱素子70を構成する。
マイコン81は、ASIC82が実装される領域の裏側であって、少なくとも一部が重複する箇所に実装される。
カバー本体91の周壁92の端部には、挿入部921が形成される。挿入部921は、フレーム部材20の接着溝37に挿入され、接着剤により固定される。これにより、フレーム部材20とカバー部材90との間からの水滴等の浸入が防止される。
給電用コネクタ96は、開口部961がモータ10と反対側の端部に形成され、軸方向端部側からバッテリ109と接続される図示しないハーネスを接続可能に形成される。また、給電用コネクタ96は、基板41と接続される給電コネクタ端子962を有する。給電コネクタ端子962は、基板41に形成される端子挿通孔965に挿通され、はんだ等により基板41と接続される。これにより、ECU40は、バッテリ109と接続される。
ここで、ASIC82の放熱について説明する。ASIC82には、プリドライバ821やレギュレータ823等が含まれて集積回路をなしているため、発熱量が比較的大きい。また、ASIC82は、基板41において占有する面積が大きい。
モータ10は、第1巻線組13および第2巻線組14が巻回されるステータ12、ステータ12に対して相対回転可能に設けられるロータ15、および、ロータと共に回転するシャフト16を有する。
フレーム部材20は、モータ10の軸方向の一側に設けられる。
巻線組13、14に通電される電流を切り替えるインバータ部50、60を構成するSW素子51〜56、61〜66は、基板41のフレーム部材20側の面である発熱素子実装面42に、フレーム部材20に対して放熱可能に実装される。
マイコン81は、基板41の発熱素子実装面42と反対側の面である大型部品実装面43であって、ASIC82が配置される領域と少なくとも一部が重複する箇所に実装される。
SW素子51〜56とSW素子61〜66とを、基板41の中央の領域である駆動素子実装領域R3において、軸中心Oを挟んで反対側に設け、その外側に、基板41において比較的専有面積の大きいASIC82を配置することで、基板41の発熱素子実装面42の実装面積を有効に活用し、各素子類を適切に配置することができる。
これにより、基板41の発熱素子実装面42の実装面積を有効に活用し、各素子類を適切に配置することができる。
比較的体格が大きい部品であるコンデンサ86、87を、フレーム部材20とは反対側の面である大型部品実装面43側に実装することで、発熱素子70のフレーム部材20側への放熱を阻害せず、発熱素子70により生じる熱をフレーム部材20側へ適切に放熱させることができる。また、コンデンサ86、87を、少なくとも一部が第1領域R1または第2領域R2に重複する箇所に配置することで、他の箇所に配置する場合と比較し、ノイズ低減効果が高まる。
本実施形態の駆動装置1は、モータ10とECU40とが同軸に設けられ、モータ10の駆動制御に係る各種電子部品が高密度実装される基板がモータ10の軸方向の一側に設けられるフレーム部材20に固定されており、特に、軸方向における体格が小型化されている。そのため、搭載スペースが狭い箇所にも搭載可能となる。また、本実施形態の駆動装置1は、モータケース11とフレーム部材20との間にOリング39が設けられており、また、フレーム部材20とカバー部材90とが接着剤にて固定されており、防水構造となっている。そのため、駆動装置1をエンジンルームへ搭載してもよく、例えばラックアシストタイプの電動パワーステアリング装置にも好適に適用可能である。
本実施形態の第2実施形態による駆動装置を図12〜図17に示す。なお、図12は、図15のXII−XII線の断面図である。なお、本実施形態に係る各図においては、コンデンサ86、87を適宜省略した。
駆動装置2は、回転電機としてのモータ210、フロントフレームエンド215、リアフレームエンド220、コントローラとしてのECU240、コネクタ280、および、カバー部材290等を備える。本実施形態では、リアフレームエンド220が「フレーム部材」に対応する。なお、駆動装置2の電気的構成は、上記実施形態と同様であるので、説明を省略する。
ステータ212には、フロントフレームエンド215およびリアフレームエンド220が固定される。また、本実施形態では、モータケースが省略されており、ステータ212が露出している。その他の点については、上記実施形態のステータ12と同様である。すなわち本実施形態の駆動装置2では、ステータ212が剥き出しとなっており、防水構造とはなっていない。そのため、本実施形態の駆動装置2は、車室内に設けられることが好ましく、コラムアシスト型の電動パワーステアリング装置に好適に適用される。
本実施形態では、モータケースが省略されているので、ステータ212を投影した領域を「モータ領域」と捉えるものとする。
放熱部230は、フレーム部222のECU240側に立設される。放熱部230には、基板固定部232が形成される。放熱部230のECU240側には、放熱面235が形成される。
コネクタ受部236には、放熱部230から径方向外側に突出して形成される。コネクタ受部236のECU240側には、コネクタ280が配置される。コネクタ受部236とコネクタ280とは、離間している。
ECU240は、各種電子部品が実装される基板241を有する。
基板241は、リアフレームエンド220を投影した領域内に収まる形状に形成される。また、基板241に実装され、ECU240を構成するSW素子51〜56、61〜66、電流検出素子57〜59、67〜69、コンデンサ86、87、および、チョークコイル89が、モータ領域内に収まっている。
ここで、基板241のモータ210側の面を発熱素子実装面242、モータ10と反対側の面を大型部品実装面243とする。本実施形態では、発熱素子実装面242が「第1の面」、大型部品実装面243が「第2の面」に対応する。
本実施形態では、SW素子51〜56、61〜66、電流検出素子57〜59、67〜69、電源リレー71、72、逆接保護リレー73、74、および、ASIC82は、放熱ゲルを介して、リアフレームエンド220の放熱部230の放熱面235に放熱可能な状態で当接する。これにより、SW素子51〜56、61〜66、電源リレー71、72、逆接保護リレー73、74、および、ASIC82にて生じた熱は、放熱ゲルを経由して、リアフレームエンド220に放熱される。
基板241に実装される各種電子部品の配置等で特に言及していない点については、上記実施形態と同様である。
基板241の発熱素子実装面242側であって、電源リレー71、72および逆接保護リレー73、74の外側のコネクタ固定部252には、コネクタ280が設けられる。
コネクタ280は、樹脂等で形成され、基板241から径方向外側に突出した状態にて固定され、リアフレームエンド220のコネクタ受部236のECU240側に配置される。なお、コネクタ280は、リアフレームエンド220のフレーム部222およびコネクタ受部236よりもECU240側に設けられており、「コネクタは、フレーム部材よりもコントローラ側に配置される」という概念に含まれるものとする。
本実施形態のコネクタ280は、給電用コネクタ283と信号用コネクタ284とが一体に形成される。また、コネクタ280の外周には、フランジ部285が形成される。
側壁292には、コネクタ280に応じた形状の切欠部293が形成される。これにより、コネクタ280の開口部281側は、カバー部材290から露出する。
このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(ア)フレーム部材
上記実施形態では、フレーム部材は、フレーム固定ねじによりモータケースに固定される。他の実施形態では、ねじ以外の部材によってフレーム部材をモータケースに固定してもよい。また、圧入により、フレーム部材をモータケースに固定してもよい。これにより、部品点数を低減することができる。また、径方向における体格を小型化することができる。
上記実施形態では、ECUには、インバータ部およびリレーは、2組ずつ設けられる。他の実施形態では、インバータ部およびリレーを3組以上設けてもよい。
上記実施形態では、発熱素子は、放熱ゲルを介してフレーム部材と当接する。他の実施形態では、放熱ゲルに替えて、放熱シートを用いてもよいし、発熱素子とフレーム部材とが直接的に当接するように構成してもよい。また、上記実施形態では、SW素子は、モールド部から放熱スラグが露出して形成される。他の実施形態では、SW素子は、放熱スラグが露出していなくてもよい。電源リレー、逆接保護リレー、および、ASICについても同様である。
さらにまた、これらの素子類とは異なる電子部品を発熱素子として、フレーム部材に対して背面放熱可能となるように基板の発熱素子実装面に実装してもよい。
上記実施形態では、基板は、基板固定ねじによりフレーム部材に固定される。他の実施形態では、基板をフレーム部材に固定する手法は、ねじを用いるのに限らず、どのようであってもよい。
第1実施形態では、コネクタ部は、1つの給電用コネクタ、および、2つの信号用コネクタから構成される。他の実施形態では、これらのコネクタの一部または全部を複数設けてもよい。これらのコネクタは、第1実施形態のようにそれぞれ別個に設けてもよいし、一部または全部を第2実施形態のように一体に形成してもよい。
また、コネクタの数、コネクタの開口部の向き、および、カバー部材との一体もしくは別体については、どのような組み合わせとしてもよい。
第1実施形態では、カバー部材は接着剤にてフレーム部材に固定される。また、第2実施形態では、かしめによりフレーム部材に固定される。カバー部材のフレーム部材への固定方法は、これに限らず、例えばねじ等で固定する等、どのように固定してもよい。
上記実施形態では、回転電機は三相ブラシレスモータである。他の実施形態では、回転電機は、三相ブラシレスモータに限らず、どのようなモータであってもよい。また、回転電機は、モータ(電動機)に限らず、発電機であってもよいし、電動機および発電機の機能を併せ持つ所謂モータジェネレータであってもよい。また、巻線は、2系統に限らず、3系統以上設けてもよい。
上記実施形態では、駆動装置は、電動パワーステアリング装置に適用される。他の実施形態では、駆動装置を電動パワーステアリング装置以外の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記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。
8・・・電動パワーステアリング装置
10、210・・・モータ(回転電機)
20、220・・・フレーム部材
41、241・・・基板
51〜56、61〜66・・・SW素子(駆動素子)
81・・・マイコン(電子部品、演算回路部品)
82・・・ASIC(集積回路部品)
821・・・プリドライバ 822・・・信号増幅部
823・・・レギュレータ
Claims (7)
- 巻線(13、14)が巻回されるステータ(12、212)、前記ステータに対して相対回転可能に設けられるロータ(15)、および、前記ロータと共に回転するシャフト(16)を有する回転電機(10、310)と、
前記回転電機の軸方向の一側に設けられるフレーム部材(20、320)と、
前記フレーム部材の前記回転電機と反対側の固定される基板(41、241)と、
前記基板の前記フレーム部材側の面である第1の面(42、242)に前記フレーム部材に対して放熱可能に実装され、前記巻線に通電される電流を切り替えるインバータ部(50、60)を構成する駆動素子(51〜56、61〜66)と、
前記駆動素子に駆動信号を出力するプリドライバ(821)、電源(109)の電圧を所定電圧に調整して出力するレギュレータ(823)、および、入力された信号を増幅する信号増幅部(822)の少なくとも1つを含み、前記第1の面に前記フレーム部材に対して放熱可能に実装される集積回路部品(82)と、
前記基板の前記第1の面と反対側の面である第2の面(43、243)であって、前記集積回路部品が配置される領域と少なくとも一部が重複する箇所に実装される電子部品(81)と、
を備えることを特徴とする駆動装置(1、2)。 - 前記電子部品は、演算処理を実行する演算回路部品であることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
- 前記インバータ部は、2つであって、
一方の前記インバータ部を構成する前記駆動素子が実装される第1領域は、他方の前記インバータ部を構成する前記駆動素子が実装される第2領域と、前記回転電機の軸中心を挟んで反対側であることを特徴とする請求項1または2に記載の駆動装置。 - 前記第1領域、前記第2領域、および、前記回転電機の軸中心を含む領域を駆動素子実装領域とすると、
前記集積回路部品は、前記駆動素子実装領域の外側に配置されることを特徴とする請求項3に記載の駆動装置。 - 前記第1の面に実装され、前記電源と前記インバータ部との間に通電される電流の導通または遮断を切り替え可能なリレー(71〜74)をさらに備え、
前記リレーは、前記駆動素子実装領域を挟んで、前記集積回路部品と反対側に配置されることを特徴とする請求項4に記載の駆動装置。 - 前記第2の面であって、少なくとも一部が前記第1領域または前記第2領域に重複する箇所に実装されるコンデンサ(86、87)をさらに備えることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の駆動装置。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の駆動装置と、
前記回転電機から出力されたトルクを駆動対象(102)に伝達するギア(9)と、
を備え、
前記回転電機のトルクにより前記駆動対象を駆動することで、運転者による操舵部材(101)の操舵を補助することを特徴とする電動パワーステアリング装置(8)。
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