KR101727392B1

KR101727392B1 - 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR101727392B1
Application number: KR1020150115450A
Authority: KR
Inventors: 다꾸로 가나자와; 하루아끼 모또다
Original assignee: 히다치 오토모티브 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2017-04-14
Also published as: JP6294195B2; DE102015215855B4; CN105406652B; KR20160030358A; US9590553B2; JP2016059149A; CN105406652A; DE102015215855A1; US20160072423A1

Abstract

본 발명의 과제는, 전력 변환 장치의 용장 시스템에 있어서의 신뢰성 향상을 목적으로 한다.
통 형상의 모터 케이스, 복수 상의 스테이터, 로터를 갖는 모터(200)와, 모터(200)에의 통전을 전환하는 전력 변환부(300)와, 전력 변환부(300)를 제어하는 제어 기판(400)과, 상기 전력 변환부 및 상기 제어 기판이 실장되는 금속제의 덮개를 구비하고, 상기 전력 변환부는, 제1 전력 변환부와 제2 전력 변환부를 갖고, 상기 덮개는, 상기 모터의 직경 방향과 대략 평행한 면으로부터 상기 모터측으로 돌출되는 볼록부를 갖고, 상기 볼록부는, 상기 제1 전력 변환부 및 상기 제2 전력 변환부를 서로 이격하도록 형성된다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}

본 발명은 전력을 직류로부터 교류 또는 교류로부터 직류로 변환하는 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히 기전 일체 방식에 사용되는 전력 변환 장치의 용장화 방법에 관한 것이다.

종래, 모터 및 전력 변환 장치의 하우징이 직접 접속되거나, 또는 동일 하우징 내에 양쪽이 배치되는 기전 일체 방식의 전력 변환 장치가 알려져 있다. 이러한 전력 변환 장치에는, 실장 스페이스의 제약으로부터, 소형화나 경량화가 강하게 요구되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 히트 싱크, 파워 모듈, 제어 배선부, 파워 배선부, 제어 커넥터 및 파워 커넥터가, 모터의 축 방향으로 배치됨으로써, 구동 장치의 축 방향에 있어서의 체격을 소형화할 수 있는 발명이 기재되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2011-250489호 공보

한편, 전력 변환 장치 내의 부품에 1차 고장이 발생해도, 전력 변환 장치로부터 모터에의 전력 공급을 계속하고, 모터를 계속해서 구동하는 용장계의 전력 변환 장치에서는, 1차 고장에 의한 영향으로 2차 고장이 발생하지 않도록 구성할 필요가 있다. 또한, 전력 변환 장치를 구성하는 부품, 예를 들어 주 회로의 반도체 장치가 파괴되었을 때에, 다른 회로가 파괴의 영향을 받지 않도록 하기 위해 추가 부재를 배치한 경우, 부품 개수가 증가하고, 전력 변환 장치의 소형화가 어려워진다.

본 발명은 상술한 과제에 비추어 이루어진 것이며, 전력 변환 장치의 용장 시스템에 있어서의 신뢰성 향상을 목적으로 하는 것이다.

본 발명의 전력 변환 장치는, 통 형상의 모터 케이스, 상기 모터 케이스에 배치되는 복수 상의 스테이터, 및 상기 스테이터의 내측에 배치되는 로터를 갖는 모터와, 상기 모터에의 통전을 전환하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부를 제어하는 제어 기판과, 상기 전력 변환부 및 상기 제어 기판이 실장되는 금속제의 덮개를 구비하고, 상기 전력 변환부는, 제1 전력 변환부와 제2 전력 변환부를 갖고, 상기 덮개는, 상기 모터의 직경 방향과 대략 평행한 면으로부터 상기 모터측으로 돌출되는 볼록부를 갖고, 상기 볼록부는, 상기 제1 전력 변환부 및 상기 제2 전력 변환부를 서로 이격하도록 형성된다.

본 발명의 전력 변환 장치에 따르면, 볼록부를 경계로 하여 배치된 제1 전력 변환부와 제2 전력 변환부의 한쪽이 고장났을 때에도, 그 영향을 다른 쪽에 파급시키는 것을 억제할 수 있으므로, 전력 변환 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시예 1의 구동 장치(100)의 구성도.
도 2는 덮개(330)의 형상의 개략을 도시하는 사시도.
도 3은 실시예 1의 구동 장치(100)의 회로 구성도.
도 4는 전력 변환부의 모터 접속 개소의 예.
도 5는 모터 배선의 접속부의 예.
도 6은 실시예 2의 구동 장치에 있어서의 전력 변환부의 실장 구조의 예.
도 7은 실시예 3의 구동 장치(100)의 구성도.
도 8은 실시예 3의 절연 금속 기판의 구성도의 예.
도 9는 실시예 4의 전력 변환 장치의 커넥터 배치의 예.
도 10은 실시예 5의 전동 파워 스티어링 장치의 개략도.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일 요소에 대해서는 동일한 부호를 기재하고, 중복되는 설명은 생략한다.

실시예 1

본 실시예에서는, 전력을 변환하는 전력 변환 장치(300) 및 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 모터(200)를 구비한 구동 장치(100)의 예를 설명한다.

도 1은 본 실시예의 구동 장치(100)의 구성예를 나타내는 도면이며, 모터(200)의 축 방향 단면으로 나타낸 것이다. 구동 장치(100)는, 권선이 감긴 고정자(스테이터)(202)와 회전자(로터)(204)를 포함하는 모터부(200)와, 모터에 원하는 전력을 공급하기 위한 회로를 포함하는 전력 변환 장치(300)를 구비한다.

모터(200)의 고정자(202)는, 전자 강판에 고정자 권선이 장착된 구조이다. 고정자(202)는, 원통 형상의 모터 금속 하우징(201)의 내면측에 원 형상으로 배치된다. 고정자(202)는, 압입이나 수축 끼워 맞춤 등으로 고정된다. 또한, 모터 금속 하우징(201)의 개구부의 반대측(도면 중 하측)에는, 베어링(203)을 고정하기 위한 공간이 마련된다. 당해 공간에, 압입에 의해 베어링(203)이 고정된다.

모터 금속 하우징(201)의 개구부에는, 다른 한쪽의 베어링(203)을 고정하기 위한 금속 커버(207)가 구비된다. 베어링(203)은, 금속 커버(207)에 압입으로 고정된다. 또한 금속 커버(207)는, 나사 고정이나 압입 등으로 모터 금속 하우징(201)에 고정된다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 금속 커버(207)를 접속하기 위한 스피곳 구조가 모터 금속 하우징(201)에 형성되어 있다.

고정자(202)의 고정자 권선은, U, V, W상의 삼상 권선으로 구성되고, 절연성의 수지에 의해 몰드된 터미널 버스 바(208)로, 각 고정자 권선의 배선이 전기적으로 결선되어 있다. 또한, 고정자 권선의 결선 방법으로서는, Y 결선 또는 Δ 결선을 들 수 있다. 또한, 터미널 버스 바(208)로부터는, U, V, W상의 금속 배선이, 각각 2개씩 합계 6개 축 방향으로 연장되어 있고, 금속 커버(207)에 형성된 구멍을 관통하고 있다.

회전자(204)는, 샤프트(205)와, 회전축의 외주에 고정된 영구 자석으로 구성된다. 회전자(204)는, 고정자 권선에 전류를 흘림으로써 발생하는 회전 자장 및 베어링(203)에 의해 회전할 수 있다. 또한, 영구 자석의 재료로서는, 네오디뮴이나 페라이트 등을 들 수 있다. 또한, 샤프트(205)의 전력 변환 장치(300)측의 단부에는, 위치 검출용 자석(210)이 접속되어 있다.

전력 변환 장치(300)는, 전력 변환부(310) 및 전력 변환부(320), 제어 기판(400), 덮개(330)를 구비한다.

덮개(330)는, 알루미늄 등의 금속으로 형성된다. 덮개(330)는, 모터(200)의 직경 방향과 대략 평행한 면으로부터 모터(200)의 축 방향으로 돌출되는 볼록부(331)를 갖는다. 덮개(330)는, 볼록부(331)가 형성되는 측과는 반대측에, 냉각을 위한 핀을 갖는다. 또한, 덮개(330)에는, 금속 기둥(332)이 형성된다. 금속 기둥(332)은, 볼록부(331)와 동일한 방향을 향해 돌출된다. 금속 기둥(332)의 선단에는, 후술하는 바와 같이, 제어 기판(400)이 고정된다. 전력 변환부(310) 및 전력 변환부(320), 제어 기판(400)이 구비된 전력 변환 장치(300)는, 나사 고정이나 압입 등으로 모터 금속 하우징(201)에 고정된다.

덮개(330)의 볼록부(331)는, 당해 볼록부(331)를 경계로 하여, 공간을 2개로 이격하도록 형성된다. 볼록부(331)에 대해 일측에는, 전력 변환부(310)가 배치된다. 볼록부(331)에 대해 타측에는, 전력 변환부(320)가 배치된다. 전력 변환부(310) 및 전력 변환부(320)는, 몰드 수지에 의해, 리드 프레임 및 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)이 밀봉된 구성이다. MOSFET은, 납땜 등에 의해, 금속제의 리드 프레임에 전기적으로 접속된다.

이와 같이, 제1 전력 변환부(310)와 제2 전력 변환부(320)가 볼록부(331)에 의해 이격되어 있음으로써, 예를 들어 한쪽의 전력 변환부의 모듈이 파괴되었을 때의 충격이나 분진 등의 영향이 다른 쪽에 미치는 것을 억제할 수 있다. 파괴 모드로서는, 전력 변환부에 사용되는 반도체 소자나, 전해 콘덴서 등의 파열 등을 들 수 있다.

또한, MOSFET 등이 실장되는 덮개(330)는, 금속제의 부재이며, 전자적인 차폐 부재로서 기능함과 함께, 방열 부재로서도 기능한다. 금속제의 덮개(330)와 볼록부(331)를 일체로 구성함으로써, 부품 개수를 삭감할 수 있다.

전력 변환부(310)는, 영역(311) 및 영역(312)을 갖는다. 영역(311)은, 볼록부(331)가 형성되는 측의 덮개(330)의 면과 접하는 영역이다. 영역(311)이 설치되는 덮개(330)의 면은, 모터(200)의 직경 방향과 대략 평행한 면이다. 영역(312)은, 모터(200)의 축 방향과 대략 평행한 볼록부(331)의 면과 접하는 영역이다. 즉, 영역(311)이 접하는 덮개(330)의 면과, 영역(312)이 접하는 볼록부(331)의 면은, 대략 직교하는 관계에 있다. 영역(311)과 영역(312)의 2개의 면에 의해 냉각됨으로써, 전력 변환부(310)는 효율적으로 냉각된다.

전력 변환부(310)의 영역(311) 및 영역(312)은, 리드 프레임(313)에 의해 접속된다. 리드 프레임(313)은, 몰드 수지에 덮이지 않고, 몰드 수지로부터 노출되는 부분을 갖는다. 당해 노출부를 지지점으로 하여, 리드 프레임(313)은 절곡된다. 이와 같이, 리드 프레임(313)을 굽히는 것만으로, 영역(311)과 영역(312)을 대략 직교하여 배치할 수 있다.

당해 몰드 수지는, 영역(311)에 위치하는 리드 프레임의 덮개(330)측의 면 및 영역(312)에 위치하는 리드 프레임의 볼록부(331)측의 면을 덮도록 형성된다. 당해 몰드 수지는, 전기적인 절연의 역할을 함과 함께, 열을 전도하는 역할을 한다. 예를 들어, 몰드 수지 두께를 0.3㎜ 이하, 수지 열전도율을 3W/(m·K) 이상으로 함으로써, 전력 변환부(310)에서 발생한 열을 덮개(330)에 효율적으로 방열함과 함께, 절연성도 확보할 수 있다.

전력 변환부(310)는, 나사 등에 의해, 덮개(330)에 고정된다. 전력 변환부(310)는, 예를 들어, 영역(311) 및 영역(312)의 양쪽을 나사로 덮개(330)에 고정한다.

전력 변환부(310)는, 당해 몰드 수지와 덮개(330) 사이에 그리스 등의 부재를 개재시킴으로써, 양호한 접촉을 확보하는 구성으로 해도 된다. 그러한 그리스는, 영역(311) 및 영역(312)의 양쪽에 설치해도 되고, 또는 어느 한쪽에 설치해도 된다.

또한, 도시하고 있지 않지만, 전력 변환부(310)의 영역(311)에는, 후술하는 스위칭부(10) 및 모터측 반도체 릴레이(11)가 실장된다. 전력 변환부(310)의 영역(312)에는, 후술하는 전해 콘덴서(314), 초크 코일(13), 션트 저항(14)이 실장된다. 여기서, 체적이 큰 전해 콘덴서(314)나 초크 코일(13)은, 볼록부(331)와 모터 금속 하우징(201) 사이에 있는 공간에 배치되게 된다.

션트 저항(14)은, MOSFET과 함께, 땜납 등으로 접속된다. 전해 콘덴서(314)나 초크 코일(13)은, 예를 들어 용접 등으로 접속된다. 전해 콘덴서(314)나 초크 코일(13)의 단자와 대향하는 볼록부(331)에는, 전기적인 절연 거리를 유지하기 위한 홈이나 구멍 등이 있어도 된다.

전력 변환부(310)의 영역(312)측에는, 신호 배선(315)이 설치된다. 신호 배선(315)은, MOSFET의 게이트 배선이나, 션트 저항의 전압 검출 단자에 접속된다. 신호 배선(315)은, 리드 프레임과 동일 재료로 형성할 수 있지만, 스위칭부(10)에 전류를 입출력하는 배선 폭보다는 좁게 형성된다.

전력 변환부(310)의 영역(312), 전력 변환부(320)의 영역(322)의 모터(200)측에는, MOSFET의 게이트 배선이나 션트 저항의 전압을 검출하기 위한 단자에 접속되는, 복수의 신호 배선(315) 및 신호 배선(325)이 구비되어 있다. 신호 배선(315) 및 신호 배선(325)은 리드 프레임과 동일 부재이며, 스위칭부(10)에 전류를 입출력하는 배선 폭보다는 좁은 것이다.

전력 변환부(320)는, 이상 설명한 전력 변환부(310)와 마찬가지의 구성이므로, 중복되는 설명은 생략한다. 전력 변환부(320)에 있어서의 영역(321)은, 전력 변환부(310)에 있어서의 영역(311)에 대응한다. 영역(322)은, 영역(312)에 대응한다. 리드 프레임(323)은, 리드 프레임(313)에 대응한다. 전해 콘덴서(324)는, 전해 콘덴서(314)에 대응한다. 신호 배선(325)은, 신호 배선(315)에 대응한다. 그 밖에, 도시되지 않는 구성도 마찬가지이다.

제어 기판(400)은, 예를 들어 유리 에폭시 기판(FR4)과 금속 배선으로 형성되는 다층 기판이다. 제어 기판(400)은, 모터측으로부터 돌출되는 전기 배선(209)을 피하도록, 양측을 절결한 형상으로 형성된다. 제어 기판(400)에는, 덮개(330)의 금속 기둥(332)과 대향하는 위치에 구멍이 형성된다. 제어 기판(400)은, 나사 등으로 덮개(330)의 금속 기둥(332)에 고정된다. 제어 기판(400)에는, 볼록부(331) 근방에 있어서, 전력 변환부(310)의 신호 배선(315) 및 전력 변환부(320)의 신호 배선(325)과 전기적으로 접속하기 위한 스루홀이 형성된다.

제어 기판(400)의 대략 중앙부에는, 모터의 위치를 검출하기 위한 위치 검출용 센서(401)가 설치된다. 위치 검출용 센서(401)와 대향하는 위치에는, 일정한 갭을 개재하여 위치 검출용 자석(210)이 배치된다. 또한, 볼록부(331)와 대향하는 위치에는, 2개의 전력 변환부에 공통되는 제어 회로 부품이 실장되어 있고, 예를 들어 후술하는 마이크로컴퓨터(41)가 배치된다.

또한, 제어 기판(400)에는, 전력 변환부(310)에 게이트 신호를 출력하는 드라이버 IC(402), 전력 변환부(320)에 게이트 신호를 출력하는 드라이버 IC(403)가 설치된다. 모터(200)의 축 방향에서 보았을 때에, 드라이버 IC(402)는 볼록부(331)에 대해 일측에 배치되고, 드라이버 IC(403)는 볼록부에 대해 타측에 배치된다. 그 밖에, 도시는 되지 않지만, 제어 기판(400)에는, 안정된 전력을 공급하기 위한 레귤레이터부(44)나, 전류 검출용의 증폭부(45)가, 전력 변환부(310)에 대향하는 영역에 배치된다.

한편, 볼록부(331)를 경계로 하여 전력 변환부(310)에 대향하는 제어 기판부에는, 전력 변환부(310)를 제어하기 위한 회로 부품이 실장되어 있고, 예를 들어 전력 변환부(310)에 게이트 신호를 출력하는 드라이버 IC(402)나, 안정된 전력을 공급하기 위한 레귤레이터부(44), 나아가서는 전류 검출용의 증폭부(45)가 있다. 또한, 전력 변환부(320)에 대향하는 위치에 관해서도 구성은 마찬가지이며, 설명은 생략한다.

2개의 전력 변환부(310) 및 전력 변환부(320)에 공통되는 부품이 볼록부(331)와 대향하는 영역에 설치되고, 각각의 전력 변환부에 대응하는 부품이 볼록부(331)를 경계로, 각각의 전력 변환부와 대향하는 영역에 설치되어 있다. 이와 같이 구성함으로써, 전력 변환부(310) 또는 전력 변환부(320) 중 어느 하나의 고장의 영향을 타측에 미치는 것을 억제할 수 있어, 전력 변환 장치의 신뢰성 향상에 기여한다.

또한, 모터(200)의 금속 하우징(201)에는, 전력 변환 장치(300)측의 덮개(330)를 접속하기 위한 나사 고정부가 구비되어 있고, 예를 들어 모터 금속 하우징(201)의 전력 변환 장치(300)측 단부의, 모터 직경의 외측에 있다. 또한, 도면 중에서는 모터 금속 하우징(201)은 모터(200)의 내부 부품과 전력 변환 장치(300)의 양쪽을 덮는 구조로 되어 있지만, 전력 변환 장치(300)를 덮는 영역은 별도 부품이어도 상관없다.

도 2는 덮개(330)의 형상을 도시하는 개략 사시도이다. 도 2에 있어서는, 금속 기둥(332) 등의 구성은 생략하여 도시하고 있다.

도 3은 구동 장치(100)의 회로 구성을 도시한다. 전술한 바와 같이, 전력 변환 장치(300)는, 전력 변환부(310) 및 전력 변환부(320), 제어 기판(400)을 갖는다. 전력 변환 장치(300)의 입력측에는, 예를 들어 배터리 등의 전원이 접속된다. 전력 변환 장치(300)의 출력측에는, 예를 들어 브러시리스 삼상 모터가 접속된다. 또한, 전력 변환부(320)의 회로 구성은, 전력 변환부(310)와 동일하다.

전력 변환부(310)는, 반도체 소자인 MOSFET을 갖고 있다. 전력 변환부(310)의 스위칭부(10)는, 6개의 MOSFET으로 구성된다. 스위칭부(10)의 각 상은, 하이 사이드용 및 로우 사이드용으로서 2개의 MOSFET을 구비한다. 전력 변환부(310)는, 스위칭부(10)의 각 MOSFET의 게이트 전위를 개별적으로 변화시킴으로써, 전원(30)으로부터 입력되는 직류 전력을 삼상 교류 전력으로 변환한다.

또한, 하이 사이드측의 MOSFET의 소스 전위와, 로우 사이드측의 MOSFET의 드레인 전위가 동일 전위로 되는 각 상의 중성점에는, 모터측 반도체 릴레이(11)가 구비된다. 모터측 반도체 릴레이(11)도 MOSFET이며, 도면 중에서는 당해 MOSFET의 소스 전극측이 모터의 각 상의 권선과 전기적으로 접속된다.

전력 변환부(310)는, 전해 콘덴서(314) 및 초크 코일(13)을 갖는다. 전해 콘덴서(314) 및 초크 코일(13)은, 스위칭부(10)보다도 전원측에 배치된다. 전해 콘덴서(314)는, 스위칭부(10)의 정극측 배선과, 스위칭부(10)의 접지측 배선 사이에 배치된다. 초크 코일(13)은, 전해 콘덴서(314)보다도 전원측에 배치된다. 초크 코일(13)은, 스위칭부(10)의 정극측 배선과 전원 사이에 배치된다. 전해 콘덴서(314)는, 예를 들어 도전성 고분자 하이브리드 전해 콘덴서를 포함한다. 또한, 전해 콘덴서(314)와 초크 코일(13)은, 필터 회로를 형성한다. 당해 필터 회로는, 스위칭부(10)에서 발생하는 노이즈가 외부에 영향을 미치는 것을 피하고 있다. 또한, 당해 필터 회로는, 외부로부터의 노이즈가 전력 변환 장치에 영향을 미치는 것도 억제하고 있다.

전력 변환부(310)는, 전해 콘덴서(314)의 접지측 배선과 스위칭부(10)의 접지측 배선 사이에, 션트 저항(14)을 갖는다. 션트 저항(14)은, 저항 자신에 전류가 흘렀을 때에 발생하는 전위차를 검출함으로써, 모터(200)의 U상, V상, W상에 흐르는 전류를 각각 검출한다.

또한, 전력 변환부(310)는, 초크 코일(13)의 또한 전원측에, 전원측 반도체 릴레이(12)를 갖는다. 전원측 반도체 릴레이(12)는, 모터측 반도체 릴레이(11)와 마찬가지로, MOSFET으로 구성된다. 전원측 반도체 릴레이(12)는, 2개의 MOSFET의 소스 전극을 동일 전위로 함으로써 쌍방향 릴레이를 구성하고 있다.

제어 기판(400)은, 드라이버 IC(402), 드라이버 IC(403), 마이크로컴퓨터(41), 위치 검출부(42), 레귤레이터부(44), 증폭부(45)를 갖는다.

레귤레이터부(44)는, 마이크로컴퓨터(41)나 드라이버 IC(402), 드라이버 IC(403) 등에 안정된 전원을 공급하는 기능을 갖는다. 레귤레이터부(44)는, 전용 IC 또는 디스크리트 부품으로 구성된다. 레귤레이터부(44)는, 회로로서는 스위칭 레귤레이터나 리니어 레귤레이터 등이다.

위치 검출부(42)는, 예를 들어 GMR(Giant Magneto Resistive effect) 센서나 홀 IC로 구성된다. 위치 검출부(42)는, 모터 샤프트(205)의 단부에 장착된 위치 검출용 자석(210)의 자장을 검출하고, 회전자(204)의 위치를 특정한다. 또한, 위치 검출부(42)에서 검출한 모터 회전자(204)의 위치 정보는, 마이크로컴퓨터(41)에 송신된다.

증폭부(45)는, 션트 저항(14)에서 검출한 전압을 증폭하고, 마이크로컴퓨터(41)에 전류값 정보를 송신한다. 증폭부(45)의 회로 구성은, 예를 들어 연산 증폭기와 저항이나 콘덴서 등의 수동 부품을 포함한다.

마이크로컴퓨터(41)는, 위치 검출부로부터 모터(200)의 위치 정보를 얻는다. 또한, 마이크로컴퓨터(41)는, 증폭부(45)로부터 모터 전류 정보를 얻는다. 마이크로컴퓨터(41)는, 필요하면, 별도 구비되어 있는 토크 검출부(43)로부터 토크 정보를 얻는다. 마이크로컴퓨터(41)는, 이들 정보를 이용하여, 모터 회전수 및 토크 출력이 원하는 값으로 되도록, 드라이버 IC(402) 및 드라이버 IC(403)에 제어 신호를 생성, 출력함으로써, 전력 변환 장치(300)를 제어한다.

다음으로, 이상(고장) 시의 동작에 관해 설명한다. 전력 변환부(310) 또는 전력 변환부(320) 중 어느 하나에서, 스위칭부(10)의 MOSFET이 쇼트 고장난 경우를 상정한다. 전력 변환 장치(300)는, 이상을 검지 후, 이상이 있었던 측의 전원측 반도체 릴레이(12) 혹은 모터측 반도체 릴레이(11) 또는 이들 양쪽을 오프한다. 전원측 반도체 릴레이(12)는, 전원(30)으로부터 스위칭부(10) 또는 모터(200)에 단락 전류가 흐르는 것을 방지한다. 모터측 반도체 릴레이(11)는, 모터(200)의 회전자(204)가 회전됨으로써 발생하는 역기전력이, 정상측의 전력 변환부에 영향을 미치는 것을 방지한다.

도 4는 전력 변환부(310)의 영역(311)에 있어서의 모터 출력 배선(209)의 접속 부분을 도시하는 도면이다. 도 4는 모터(200)측에서 본 도면이다. 도면 중에서는, 모터(200)측에서 보았을 때에, 도면 중 우측에 볼록부(331)가 위치한다. 또한, 전력 변환부(320)도 마찬가지의 구성을 갖는다. 이하에서는, 전력 변환부(310)의 예로 설명을 한다.

전력 변환부(310)는, 개방부(318) 및 단자(319)를 갖는다. 개방부(318) 및 단자(319)는, 모터 출력 배선(209)과 전기적으로 접속하기 위해 설치된다. 개방부(318) 및 단자(319)는, U상, V상, W상의 각 상에 대응하여 설치된다.

도 5는 모터 배선(209)의 선단부의 확대도이다. 모터 배선(209)은, 당해 모터 배선(209)의 선단부에 있어서, 두갈래부(220)가 형성된다. 두갈래부(220)는, 모터(200)와 전력 변환 장치(300)를 접속할 때에, 당해 두갈래부(220)의 골부에 단자(319)가 압접되도록 설치된다. 모터 배선(209)의 두갈래부(220)와, 전력 변환부(310)의 단자(319)가 압접됨으로써, 이들이 전기적으로 접속된다.

또한, 도 4 및 도 5에서 도시한 모터 배선의 접속 구조는 일례이며, 압력을 가함으로써 양호한 접촉 상태를 실현하고, 낮은 접촉 전기 저항을 나타내는 단자 구조이면, 이들 구조에 한정되는 것은 아니다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 실시 휴대의 전력 변환 장치는, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

(1) 전력 변환부(310)와 전력 변환부(320)가, 금속제의 덮개(330)의 볼록부(331)를 경계로 분리하여 배치됨으로써, 한쪽의 전력 변환부가 파괴되었을 때의 영향을 다른 쪽의 전력 변환부에 미치는 것을 억제한다. 이에 의해, 신뢰성이 높은 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.

(2) 전력 변환부는, 모터(200)의 직경 방향과 대략 평행한 면과, 모터(200)의 축 방향과 대략 평행한 볼록부(331)의 면의 2개의 냉각면에 의해 냉각된다. 이에 의해, 전력 변환부에서 발생한 열을 효과적으로 덮개 및 외부에 릴리프시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 전력 변환부의 소형화에 기여한다.

(3) 전력 변환부에 있는 2개의 냉각면의 사이에 위치하는 리드 프레임을 수지로부터 노출하고, 노출부를 지지점으로 하여 몰드 성형 후에 리드 프레임을 굽힘으로써, 전력 변환부의 냉각면을 90° 어긋나게 할 수 있다. 이에 의해, 복수 냉각면을 갖는 전력 변환부를 용이하게 제조하는 것을 가능하게 한다.

(4) 금속제의 덮개와 볼록부를 일체로 함으로써, 종래는 별도의 부재였던 히트 싱크를 삭감하고, 부품 개수를 저감시킬 수 있다.

(5) 전해 콘덴서나 초크 코일과 같은 비교적 대형의 부품을 제어 기판과 덮개 사이에 있는 공간에 배치함으로써, 전력 변환 장치를 보다 소형화로 할 수 있다.

(6) 2개의 전력 변환부에 공통되는 제어 부품을 볼록부와 대향하는 위치에 배치함으로써, 1차 고장의 영향으로 공통 제어 부품이 2차 고장에 이르는 것을 억제하여, 보다 신뢰성이 높은 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.

(7) 전력 변환부는, 덮개의 모터의 직경 방향과 평행한 면에 암형 단자를 구비하고, 모터로부터 돌출되는 단자의 선단은 수형 단자로 함으로써, 덮개를 폐쇄하는 공정과 모터와 전력 변환 장치를 전기적으로 접속하는 공정을 동시에 행하는 것을 실현하여, 생산 공정을 삭감한다.

실시예 2

도 6은 다른 실시 형태의 전력 변환 장치에 있어서의 전력 변환부의 구성예이다. 도 6에 있어서는, 전력 변환부(310)의 영역(311)은, 금속제의 판상 부재(316)에 의해, 덮개(330)에 고정된다. 실시예 1과 동일한 구조를 갖는 부분에 대해서는, 기재 및 설명을 생략한다.

본 실시 형태에서는, 전력 변환부(310)의 영역(311)은, 한쪽의 면측에 덮개(330)가 배치됨과 함께, 다른 쪽의 면측에 판상 부재(316)가 배치된다. 영역(311)은, 스위칭(10)이나 모터측 반도체 릴레이(11)가 실장되는 영역이다. 판상 부재(316)는, 덮개(330)의 면(317)과 접하도록, 덮개(330)에 나사 등으로 고정된다. 면(317)은, 전력 변환부(330)가 배치되는 측이다.

또한, 도면 중에는 나타내어져 있지 않지만, 전력 변환부(310) 내에 있는 MOSFET의 드레인측에는, 구리 등으로 이루어진 판상의 배선(예를 들어, 클립)이 광폭으로 접속되어 있다. 또한, 판상의 배선을 덮는 수지의 두께는, 예를 들어 0.3㎜, 수지의 열전도율을 3W/(m·k)로 함으로써, 수지가 열전도와 절연의 기능을 담당한다.

이상과 같은 구성으로 함으로써, 스위칭부 및 모터측 반도체 릴레이가 위치하는 영역의 냉각면은, 2배로 증가한다. 또한, 금속판으로부터 덮개에의 방열 경로를 확보함으로써 전력 변환부의 방열 성능을 더욱 개선한다. 그 결과, 전력 변환부의 가일층의 소형화를 실현한다. 또한, 전력 변환부를 판상의 부재로 고정함으로써, 전력 변환부와 덮개 사이에 가해지는 압력을 균등하게 할 수 있고, 접촉 열저항이 작은 충분한 방열 면적을 확보할 수 있다. 또한, 금속판이 전력 변환부를 고정하므로, 전력 변환부에 고정을 위한 구멍 등을 배치할 필요가 없어, 방열 면적을 충분히 확보할 수 있다.

실시예 3

도 7 및 도 8을 사용하여, 또 다른 실시 형태를 나타낸다. 도 7은 본 실시예의 실장 형태를, 도 1과 마찬가지로 모터축 방향 단면으로 나타낸 것이다. 전술한 실시예에서는, 전력 변환부(310) 및 전력 변환부(320)로서, 리드 프레임과 MOSFET의 베어 칩을 사용하고 있었지만, 본 실시 형태에 있어서는, 전력 변환부(310) 및 전력 변환부(320)는, 복수의 디스크리트형 MOSFET을 실장한 절연 금속 기판으로 구성된다.

도 8은 MOSFET(54)이 실장된 절연 금속 기판(50)이다. 절연 금속 기판(50)은, 금속 베이스(51), 절연층(52), 배선층(53)으로 구성된다. 금속 베이스(51)는, 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 철로 구성되는 수백㎛ 내지 수㎜ 정도의 두께의 부재이다. 절연층(52)은, 금속 베이스(51)와 배선층(53) 사이에 배치되고, 금속 베이스(51)와 배선층(53)을 전기적으로 분리한다. 절연층(52)은, 예를 들어 100㎛ 정도의 얇은 층이다. 배선층(53)은, 예를 들어 구리나 알루미늄으로 구성되는 수십㎛ 내지 수백㎛ 정도의 두께의 층이다.

절연 금속 기판(50)의 배선층(53)에는, 수지 밀봉된 디스크리트형의 MOSFET(54)이나, 전해 콘덴서(314), 전해 콘덴서(324)가 리플로우 공정에서 납땜된다. 여기서, 디스크리트형의 MOSFET으로서는, 예를 들어 한 변이 6㎜ 정도인 패키지가 사용된다. 전해 콘덴서는, 종래의 전해 콘덴서와 비교하여, 소형, 고성능의 도전성 고분자 하이브리드 전해 콘덴서가 사용된다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 배선층(53)이 배치되는 측과는 반대측의 금속 베이스(51)의 면에는, 절결(55)이 형성된다. 절결(55)은, 예를 들어 V자 형상으로 할 수 있다. 전력 변환부(310)는, 절결(55)을 경계로 하여, 영역(311)과, 영역(312)으로 나뉜다. 영역(311)에는, 스위칭부(10)나 모터측 반도체 릴레이(11)가 실장된다. 영역(312)에는, 전해 콘덴서(314), 션트 저항(14), 전원측 반도체 릴레이(12)가 실장된다.

전력 변환부(310)는, 각 부품을 리플로우 납땜한 후에, 절결(55)을 지지점으로 하여 구부러짐으로써, 90°로 분리된 2개의 냉각면을 갖게 된다. 굽힘의 방법으로서는, 예를 들어 프레스 등을 들 수 있다.

전력 변환부(310)의 영역(311)에는, 凹자 형상으로 성형된 암형 단자(341)가 설치된다. 암형 단자(341)는, 도 5에 도시되는 바와 같은 두갈래부(220) 형상으로 된 모터 출력 배선(209)과 접속된다. 이러한 구성으로 함으로써, 전력 변환 장치(300)와 모터(200)의 기계적 접속 및 전기적 접속을 일괄적으로 행할 수 있다. 또한, 전력 변환부(320)에 관해서도 동일 구성으로 되므로, 설명은 생략한다.

이상과 같은 구성으로 함으로써, 절연 금속 기판과 디스크리트형의 MOSFET을 사용하는 실장 방식에 있어서도, 전력 변환 장치의 소형화, 고신뢰화를 가능하게 한다. 또한, 전력 변환부의 회로 부품을 1회의 리플로우 공정에서 모두 실장하는 것을 가능하게 하므로, 생산성을 대폭으로 개선할 수 있다.

실시예 4

도 9는 전력 변환 장치(300)의 커넥터의 배치에 관한 다른 실시예이다. 도 9는 덮개(330)를 모터(200)측에서 본 도면이다. 도면 중의 점선으로 둘러싸인 영역은, 볼록부(331)가 형성되어 있는 영역이다.

파워계 커넥터(361) 및 파워계 커넥터(362)는, 볼록부(331)의 면 중, 모터(200)의 축 방향과 평행한 면에 근접하여 배치된다. 파워계 커넥터(361) 및 파워계 커넥터(362)는, 도 5와 같은 수형 단자 형상을 하고 있다. 파워계 커넥터(361) 및 파워계 커넥터(362)는, 전력 변환부(310) 및 전력 변환부(320)에 설치된 암형 단자에 접속된다. 당해 암형 단자는, 전력 변환부(310) 중, 영역(311) 또는 영역(312)의 어느 측에 설치해도 되고, 전력 변환부(320)도 마찬가지이다. 암형 단자에 압접 접속된 파워계 커넥터(361) 및 파워계 커넥터(362)는, 나사 등에 의해 덮개(330)에 고정된다.

제어계 커넥터(370)는, 파워계 커넥터(361) 및 파워계 커넥터(362) 사이에 배치된다. 제어계 커넥터(370)는, 제어 기판(400)에 납땜된다. 파워계 커넥터(361) 및 파워계 커넥터(362), 제어계 커넥터(370)는, 덮개(330)와 모터(200) 사이에 배치된다.

이상과 같이, 전력 변환부에 전력을 공급하는 배선을 전력 변환부(310)측 및 전력 변환부(320)측의 각각에 구비함으로써, 한쪽의 전력 변환부가 고장나도 동작을 계속할 수 있다. 이에 의해, 보다 신뢰성이 높은 전력 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한, 파워계 커넥터의 사이에 제어계 커넥터를 배치함으로써, 전력 변환 장치의 소형화를 가능하게 한다.

실시예 5

도 10은 전동 파워 스티어링 장치를 도시한 것이다. 구동 장치(100)는, 지금까지의 실시예에서 설명한 어느 하나의 구성을 채용하고 있다. 구동 장치(100)는, 차량의 스티어링(501)의 축에 장착된 기어(502)를 통해 토크를 전달하고, 스티어링(501)의 동작을 보조한다. 또한 구동 장치(100)는, 스티어링(501)에 구비된 토크 센서의 토크 정보나, 차량으로부터 얻어지는 차속 정보도 사용함으로써, 고응답·고성능으로 스티어링(501)의 동작을 보조한다.

이상과 같이, 전동 파워 스티어링 장치에 소형·신뢰성이 높은 본 실시예의 구동 장치를 채용함으로써, 좁은 차량 스페이스 내에서도 구동 장치를 배치하는 것을 가능하게 하고, 다양한 차종에 전개하는 것을 가능하게 한다.

또한, 지면에 대해 전력 변환 장치(300)의 볼록부(331)가 수직으로 위치하도록 구동 장치(100)를 배치함으로써, 전해 콘덴서의 전해액이 누설된 경우에, 다른 쪽의 전력 변환부에 액이 흐르는 것을 억제한다.

또한, 모든 실시예에 있어서, 전력 변환 장치(300)는 모터측 반도체 릴레이(11)를 구비한 구성으로 되어 있지만, 어느 하나의 전력 변환부가 고장났을 때의 영향을 피하는 것이 가능하면, 모터측 반도체 릴레이(11)는 삭제해도 된다.

10 : 스위칭부
11 : 모터측 반도체 릴레이
12 : 전원측 반도체 릴레이
13 : 초크 코일
14 : 션트 저항
41 : 마이크로컴퓨터
42 : 위치 검출부
43 : 토크 검출부
44 : 레귤레이터부
45 : 증폭부
50 : 절연 금속 기판
51 : 금속 베이스
52 : 절연층
53 : 금속 배선
54 : MOSFET
55 : 절결
100 : 구동 장치
200 : 모터
201 : 모터 금속 하우징
202 : 고정자
203 : 베어링
204 : 회전자
205 : 샤프트
207 : 금속 커버
208 : 터미널 버스 바
209 : 모터 출력 배선
210 : 위치 검출용 자석
310 : 제1 전력 변환부
311 : 제1 전력 변환부의 영역 1
312 : 제1 전력 변환부의 영역 2
313 : 리드 프레임
314 : 콘덴서
315 : 신호 배선
316 : 금속판
320 : 제2 전력 변환부
321 : 제2 전력 변환부의 영역 1
322 : 제2 전력 변환부의 영역 2
323 : 리드 프레임
324 : 콘덴서
325 : 신호 배선
330 : 덮개
331 : 볼록부
332 : 금속 기둥
400 : 제어 기판
401 : 위치 검출 센서
402 : 드라이버 IC
403 : 드라이버 IC
361 : 파워계 커넥터
362 : 파워계 커넥터
370 : 제어계 커넥터
501 : 핸들
502 : 기어
503 : 토크 센서

Claims

통 형상의 모터 케이스, 상기 모터 케이스에 배치되는 복수 상(相)의 스테이터 및 상기 스테이터의 내측에 배치되는 로터를 갖는 모터와,
상기 모터에의 통전을 전환하는 전력 변환부와,
상기 전력 변환부가 실장되는 금속제의 덮개를 구비하고,
상기 전력 변환부는, 제1 전력 변환부와 제2 전력 변환부를 갖고,
상기 덮개는, 상기 모터의 직경 방향과 평행한 면으로부터 상기 모터측으로 돌출되는 볼록부를 갖고,
상기 볼록부는, 상기 제1 전력 변환부 및 상기 제2 전력 변환부를 서로 이격하도록 형성되고,
상기 전력 변환부는, 제1 영역과 제2 영역을 갖고,
상기 전력 변환부의 상기 제1 영역은, 상기 모터의 직경 방향과 평행한 상기 덮개의 면에 실장되고,
상기 전력 변환부의 상기 제2 영역은, 상기 모터의 축 방향과 평행한 상기 볼록부의 면에 실장되는, 전력 변환 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 전력 변환부는, 금속제의 리드 프레임과, 상기 리드 프레임에 전기적으로 접속된 반도체 소자와, 상기 반도체 소자를 덮는 수지를 갖고,
상기 리드 프레임은, 상기 전력 변환부의 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 접속하고,
상기 리드 프레임은, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 접속하는 부분에 있어서, 상기 수지로부터 노출되어 있는 전력 변환 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 덮개와 상기 모터 사이에 배치되는 제어 기판을 구비하고,
상기 제어 기판은, 상기 제1 전력 변환부를 제어하는 제1 제어 회로 부품과, 상기 제2 전력 변환부를 제어하는 제2 제어 회로 부품과, 상기 제1 전력 변환부 및 상기 제2 전력 변환부를 제어하는 공통 제어 회로 부품을 갖고,
상기 제1 제어 회로 부품은, 상기 볼록부의 돌출 방향을 따라, 상기 제1 전력 변환부와 대향하여 배치되고,
상기 제2 제어 회로 부품은, 상기 볼록부의 돌출 방향을 따라, 상기 제2 전력 변환부와 대향하여 배치되고,
상기 공통 제어 회로 부품은, 상기 볼록부의 돌출 방향을 따라, 상기 볼록부와 대향하여 배치되는 전력 변환 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 덮개는, 상기 전력 변환부가 실장되는 측과는 반대측의 면에, 방열용의 핀을 갖는 전력 변환 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 전력 변환부를 사이에 두고 상기 덮개와 대향하는 영역에 배치되는 금속판을 구비하고,
상기 금속판은, 상기 덮개에 고정되고,
상기 전력 변환부는, 해당 전력 변환부의 일측에 있어서 상기 덮개와 열적으로 접촉함과 함께, 해당 전력 변환부의 타측에 있어서 상기 금속판과 열적으로 접촉하는 전력 변환 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 덮개와 상기 모터 사이에 배치되는 제어 기판을 구비하고,
상기 전력 변환부는, 콘덴서를 갖고,
상기 콘덴서는, 상기 모터의 직경 방향과 평행한 상기 덮개의 면과, 상기 모터의 축 방향과 평행한 상기 볼록부의 면과, 상기 제어 기판에 둘러싸인 공간에 배치되는 전력 변환 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 덮개에 실장된 상기 전력 변환부는, 상기 모터에 대해, 상기 모터의 축 방향에 평행한 방향에서 장착되고,
상기 모터는, 상기 전력 변환부를 향해 돌출되는 배선을 갖고,
상기 전력 변환부는, 상기 배선과 접속되는 단자를 갖고,
상기 단자는, 상기 모터의 직경 방향과 평행한 상기 덮개의 면에 배치되는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서,
상기 전력 변환부는, 금속 베이스와, 상기 금속 베이스 상에 절연재를 통해 실장되는 금속 배선 및 반도체 소자를 갖고,
상기 금속 베이스는, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 접속하는 부분에 있어서 굽힘부를 갖는 전력 변환 장치.
제9항에 있어서,
상기 굽힘부는, 상기 금속 베이스에 형성된 절결부를 지지점으로 상기 금속 베이스를 굽힘 가공함으로써 형성되는 전력 변환 장치.
제1항, 제3항, 제9항, 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 변환부는, 전력의 입출력을 행하는 커넥터를 갖고,
상기 커넥터는, 상기 제1 전력 변환부와 전력의 입출력을 행하는 제1 전력 배선과, 상기 제2 전력 변환부와 전력의 입출력을 행하는 제2 전력 배선을 갖고,
상기 제1 전력 배선은, 상기 제2 전력 배선과는 독립적으로 설치되는 전력 변환 장치.
감속 기구와,
상기 감속 기구에 연결된 모터와,
상기 모터에 전력을 공급하는 전력 변환 장치를 구비하고,
상기 전력 변환 장치는, 제1항, 제3항, 제9항, 또는 제10항 중 어느 한 항에 기재된 전력 변환 장치인 전동 파워 스티어링 장치.
통 형상의 모터 케이스, 상기 모터 케이스에 배치되는 복수 상(相)의 스테이터 및 상기 스테이터의 내측에 배치되는 로터를 갖는 모터와,
상기 모터에의 통전을 전환하는 전력 변환부와,
상기 전력 변환부가 실장되는 금속제의 덮개와,
상기 덮개와 상기 모터 사이에 배치되는 제어 기판을 구비하고,
상기 전력 변환부는, 제1 전력 변환부와 제2 전력 변환부를 갖고,
상기 덮개는, 상기 모터의 직경 방향과 평행한 면으로부터 상기 모터측으로 돌출되는 볼록부를 갖고,
상기 볼록부는, 상기 제1 전력 변환부 및 상기 제2 전력 변환부를 서로 이격하도록 형성되고,
상기 전력 변환부는, 콘덴서를 갖고,
상기 콘덴서는, 상기 모터의 직경 방향과 평행한 상기 덮개의 면과, 상기 모터의 축 방향과 평행한 상기 볼록부의 면과, 상기 제어 기판에 둘러싸인 공간에 배치되는, 전력 변환 장치.