JP7361885B2

JP7361885B2 - 回転電機装置および電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP7361885B2
Application number: JP2022510308A
Authority: JP
Inventors: 巧五百原; 悠介小林; 航尾崎; 能州冨岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2023-10-16
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: JPWO2021192203A1; WO2021192203A1; US20230150568A1; EP4131737A4; CN115298935A; CN115298935B; EP4131737A1

Description

本願は、回転電機装置および電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来の回転電機の出力軸の軸方向に隣接して制御ユニットが一体化された回転電機装置において、回転電機のハウジング内にステータ、ロータ等が内蔵され、その軸方向に隣接して制御ユニットが積層状に組立てられた構造が存在する。また冗長性を考慮して、回転電機の巻線組が２組で、これらを駆動するいわゆるインバータ回路も独立に２組備えた装置も開示されている（例えば特許文献１）。

特許第５４３５２８４号公報

回転電機の出力軸の軸方向に隣接して、回転電機と制御ユニットが一体化された電動パワーステアリング装置用の回転電機装置では、回転電機を駆動するためのインバータ、インバータ駆動回路等から電圧ノイズが発生する。発生した電圧ノイズは、回転電機装置の電源、信号ターミナル、基板を伝搬しコネクタから回転電機装置の外部に伝搬する。または、発生した電圧ノイズは、ヒートシンク、回転電機のケースを伝搬し回転電機のフランジを介して回転電機装置の外部に伝搬する。そのため、ノイズを回転電機装置の外部に伝搬させないように、ノイズを減衰させるためのフィルタ回路、電磁シールドが必要である。

回転電機を駆動するためのインバータなどのパワーモジュール、パワーモジュールを駆動する駆動回路は、その配線を短くするために回転電機の近くに配置することが望ましい。そこで、パワ－モジュールと、パワーモジュールを駆動する駆動回路が実装された制御基板を隣接配置する。また、フィルタ回路はノイズを減衰させた後の配線へ再度ノイズが重畳することを防止するために、シールドの開口部近くに配置する必要がある。そのためフィルタ回路は、インバータ駆動回路が実装されている制御基板とは別のフィルタ回路を実装する専用の配線基板をシールド開口部近くに配置する必要がある。この専用の配線基板の設置は、回転電機装置の小型化、低コスト化の障害となっていた。このため、回転電機装置を備えた電動パワーステアリング装置の小型化、低コスト化の障害となっていた。

そこで、本願に係る回転電機装置は、フィルタ回路を実装するための専用の配線基板を不要としつつ、ノイズ除去能力の高いフィルタ回路を備えた回転電機装置を得ること、およびそのような回転電機装置を備えた電動パワーステアリング装置を得ることを目的とする。

本願に係る回転電機装置は、
回転軸と巻線とを有する回転電機と、
回転電機に対して回転軸の軸方向の一方側に配置され、回転電機に固定された、回転電機の巻線に電力を供給するパワーモジュールと、
パワーモジュールを駆動する駆動回路が実装され、回転軸の軸方向の一方側へ伸びる制御基板と、
パワーモジュール及び駆動回路を包囲し、制御基板の一部が軸方向の一方側に延出して通過する外部接続用開口部を有する電磁シールドと、
電磁シールドの外側に配置され、制御基板と接続された外部接続端子と、
制御基板に実装された、外部接続端子へ伝搬するノイズ成分を減衰させるフィルタ回路とを備える回転電機装置。
ものである。

本願に係る電動パワーステアリング装置は、上記の回転電機装置を備えたものである。

本願に係る回転電機装置および電動パワーステアリング装置によれば、フィルタ回路を実装するための専用の配線基板を不要としつつ、電磁シールドの外部接続用開口部の近くにノイズ除去能力のあるフィルタ回路を設けることができる。よって、フィルタ回路を実装する専用の配線基板を廃止することができるため、小型化、コスト低減に寄与することができる。そして、本願に係る回転電機装置を備えた電動パワーステアリング装置の小型化、コスト低減に寄与することができる。

実施の形態１に係る回転電機装置の全体構成図である。実施の形態１に係る回転電機装置の回路図である。実施の形態２に係る回転電機装置の全体構成図である。実施の形態２に係る回転電機装置の回路図である。実施の形態３に係る電動パワーステアリング装置の構成図である。従来の回転電機装置の全体構成図である。

以下、本願の実施の形態について図面を参照して説明する。

１．実施の形態１
実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１における回転電機装置１００の全体構成図である。図２は、実施の形態１に係る回転電機装置１００の回路図である。

＜全体構成＞
図１は回転電機装置１００の全体構成を説明するための断面図である。車両のバッテリから回転電機装置１００に電源を供給するための電源コネクタ１には電源ターミナル２が内蔵されており、パワーモジュール４へ電流を供給している。また、車両との信号のやりとりをする信号コネクタ９には信号ターミナル１０が内蔵されており、制御基板１９に接続されている。また、電源ターミナル２は、制御基板１９にも接続されており、制御基板に実装された電源回路１５にも電源電流を供給している。回転電機装置１００は、Ｙ結線またはΔ結線の三相ブラシレスモータの制御回路一体型のものであってもよいし、負荷の駆動により発電して回生電力をバッテリ充電に利用する機能を有するものであってもよい。回転電機装置１００は、電動パワーステアリング装置１５０だけでなく、車両の車輪駆動用を含めて様々な用途に用いられる。

ここで制御基板１９は、印刷配線基板であり、電源回路１５、入出力回路１４、ＣＰＵ１６、駆動回路１７、フィルタ回路１１を実装している。制御基板１９に接続された電源ターミナル２から電源電流を供給され、電源回路１５は、制御基板１９に実装された各回路に一定電圧の電流を供給する。信号ターミナル１０を介して車両センサ３１からは、例えば操舵角情報、操舵トルク情報、車両速度情報等の車両の情報を供給される。入力信号は、入出力回路１４を経てＣＰＵ１６に伝達される。ＣＰＵ１６は、入力情報に応じて出力すべき情報を演算し、駆動回路１７を制御する。制御基板１９に接続された駆動信号ターミナル１８からは、駆動回路１７の出力信号が、パワーモジュール４に伝達され、パワーモジュール４が給電端子６を介して、回転電機２０の巻線３０に電力を供給する。

回転電機装置１００を駆動する場合に、パワーモジュール４、パワーモジュール４を駆動する駆動回路１７からノイズが発生する。このノイズを低減させるために、電磁シールド３を設けている。有底筒型の電磁シールド３は、回転電機２０に筒状周縁部が接続され、パワーモジュール４、パワーモジュール４を駆動する駆動回路１７を包囲している。電磁シールド３の底部には、外部接続用開口部１２が設けられている。

制御基板１９は、回転電機２０の出力軸２１と逆側に延びる延出部を有している。制御基板１９の延出部は、電磁シールド３の外部接続用開口部１２を通過して、電源ターミナル２、信号ターミナル１０と接続している。制御基板１９の、電源ターミナル２、信号ターミナル１０との接続部の手前にフィルタ回路１１が実装されており、外部へのノイズの伝達を遮断している。

また、パワーモジュール４は、ヒートシンク７によって冷却されており、パワーモジュール４とヒートシンク７の間はマイカシート等を介して密着されており、電気的には遮断されつつ、熱伝導が確保されている。ヒートシンク７は、回転電機２０と電気的に接続されており、同一の電位となっている。

主に、制御基板１９と制御基板１９に実装された各種回路、各種部品とパワーモジュール４、ヒートシンク７からなる、回転電機２０の制御部は、回転電機２０に組付けられたフレーム５によって覆われ、電源コネクタ１、信号コネクタ９によって外部と接続される。回転電機２０にはフランジ８が設けられており、回転電機装置１００はこのフランジ８によって、車両に組付けられる。

＜従来例＞
ここで、従来のノイズ対策について触れておく。図６は、従来例の回転電機装置１０２の全体構成図である。

従来は図６の様な構成によってノイズ対策を実施している。電源ターミナル２から電源コネクタ１を経由して回転電機装置１０２の外部に伝搬するノイズを低減するために、制御基板１９とは別のフィルタ回路１１を実装するフィルタ回路実装基板２２が必要であった。

また、信号ターミナル１０から信号コネクタ９を経由して回転電機装置１００外部に伝搬するノイズを低減するためのフィルタ回路１１は制御基板１９に実装され、電磁シールド３の外部接続用開口部１２の近くに配置することが困難であった。このため、フィルタ回路１１でノイズを減衰させた後の信号ターミナル１０に磁気ノイズが重畳するなどして、十分にノイズを減衰させることができなかった。

＜ノイズの伝搬メカニズム＞
回転電機装置１００から発生するノイズの伝搬メカニズムについて説明する。回転電機装置１００の主要なノイズ源は、回転電機２０を駆動するためのパワーモジュール４である。

図１において、回転電機装置１００の外部から電源コネクタ１に供給された電源は電源ターミナル２を経由してパワーモジュール４に供給される。信号コネクタ９を経由して車両センサ３１から伝達される車両の情報に関する信号は、入出力回路１４を介してＣＰＵ１６に伝達される。入力情報に応じて出力を算出したＣＰＵ１６によって駆動回路１７が制御され、駆動回路１７の駆動信号は、駆動信号ターミナル１８を経由してパワーモジュール４に伝達され、パワーモジュール４は前記インバータ駆動信号に応じて回転電機２０に電流を供給する。回転電機２０を駆動する時、パワーモジュール４に供給されている電源電圧変動、回転電機２０への供給電流変化が発生し電圧、電流の変化はそれぞれ電圧ノイズ、磁気ノイズとなって周辺へ伝搬する。

電圧ノイズは電源ターミナル２、信号ターミナル１０、制御基板１９等を経由して電源コネクタ１、信号コネクタ９から回転電機装置１００外部に伝搬する。また、給電端子６から伝搬する電圧ノイズは回転電機２０を経由し回転電機装置１００の取り付け部のフランジ８から回転電機装置１００の外部へ伝搬する。さらに、パワーモジュール４は放熱のためにヒートシンク７に取り付けられているため、容量結合によりパワーモジュール４からヒートシンク７へ伝搬した電圧ノイズは回転電機２０を経由しモータ取り付け部のフランジ８から回転電機装置１００の外部へ伝搬する。

回転電機２０の供給電流によって発生する磁気ノイズは、パワーモジュール４周辺に放出される。パワーモジュール４以外のノイズ源である駆動回路１７、ＣＰＵ１６、電源回路１５で発生したノイズは信号ターミナル１０、制御基板１９を経由し信号コネクタ９から回転電機装置１００外部に伝搬する。

＜ノイズの低減＞
本願に係る回転電機装置１００は、出力軸２１と巻線３０とを有する回転電機２０を備えている。また、回転電機装置１００は、回転電機２０に対して出力軸２１の軸方向の反出力側に配置され、回転電機２０に固定された、回転電機２０の巻線３０に電力を供給するパワーモジュール４を備えている。また、回転電機装置１００は、パワーモジュール４を駆動する駆動回路１７が実装され、出力軸２１の軸方向の反出力側へ伸びる延出部を有する制御基板１９を備えている。さらに、回転電機装置１００は、パワーモジュール４及び駆動回路１７を包囲し、制御基板１９の延出部が通過する外部接続用開口部１２を有する電磁シールド３を備えている。そして、回転電機装置１００は、電磁シールド３の外側に配置され、制御基板１９の延出部と接続された電源ターミナル２と信号ターミナル１０とを備えている。また、回転電機装置１００は、制御基板１９の延出部に実装された、電源ターミナル２と信号ターミナル１０へ伝搬するノイズ成分を減衰させるフィルタ回路１１を備えている。

フィルタ回路１１は、電源コネクタ１、信号コネクタ９、回転電機２０を経由して回転電機装置１００外部へ伝搬する電圧ノイズを減衰するために実装されている。発生、伝搬するノイズの、回転電機装置１００の外部への放出を減少させることができる。

このように、電磁シールド３と制御基板１９とフィルタ回路１１を設けることで、フィルタ回路用の別基板を使用することなく、効果的なノイズ除去をすることができる。

また、本願に係る回転電機装置１００は、パワーモジュール４と回転電機２０の間に位置し、パワーモジュール４との間で熱伝達をし、回転電機２０と同電位であるヒートシンク７を備えている。そして、電磁シールド３は有底筒状で、筒状周縁部は、回転電機２０と接続し、底部に外部接続用開口部１２を有するものである。

電磁シールド３が、回転電機２０と接続されているので、電磁シールド３からのノイズ放射を低減でき、高いシールド効果を得ることができる。

また、本願に係る回転電機装置１００は、電磁シールド３の筒状周縁部が、ヒートシンク７とパワーモジュール４との間の熱伝達部よりも出力軸２１の出力方向の部分で回転電機２０またはヒートシンク７に接続されたものである。

電磁シールド３はパワーモジュール４とヒートシンク７の取り付け位置よりも回転電機２０に近い位置で回転電機２０と同電位のヒートシンク７または回転電機２０に接続されており、パワーモジュール４からヒートシンク７に伝搬するノイズが電磁シールド３に流れることがないため、安定した電位の回生経路を得ることができ、高いフィルタ効果を得ることが可能である。

また、本願に係る回転電機装置１００は、電源ターミナル２と信号ターミナル１０が、電磁シールド３の外部接続用開口部１２よりも外側の位置で制御基板１９の前記延出部と接続するものである。

電磁シールド３は、パワーモジュール４から放出される磁気ノイズが回転電機装置１００の内部のフィルタ回路１１よりも電源コネクタ１、信号コネクタ９に近い位置にある電源ターミナル２、信号ターミナル１０、および制御基板１９に与える影響を軽減し、回転電機装置１００の外部に与える影響を軽減するために配置されている。

これによって、効果的なノイズ除去をすることができる。

２．実施の形態２
実施の形態２について説明する。図３は、実施の形態２に係る回転電機装置１０１の全体構成図である。図４は、実施の形態２に係る回転電機装置１０１の回路図である。

実施の形態２に係る回転電機装置１０１の回路図の図４は、実施の形態１に係る回転電機装置１００の回路図の図２と比較して、電磁シールド３に中継部品１３の一端が接続されており、他の一端が制御基板１９の接地部分に接続されている点だけが異なる。

実施の形態２に係る回転電機装置１０１の構成図の図３では、実施の形態１に係る回転電機装置１００の構成図の図１と比較して、以下３点が異なっている。
（１）中継部品１３が電磁シールド３の外部接続用開口部１２と制御基板１９の延出部のフィルタ回路１１の近傍に接続されている。
（２）フィルタ回路１１が、制御基板１９の延出部の電磁シールド３の外部接続用開口部１２を通過する位置に設置されている。
（３）有底筒状の電磁シールド３の筒状周縁部は、ヒートシンク７に接続しており、回転電機２０と直接接続していない。

＜実施の形態２におけるノイズの低減＞
本願に係る回転電機装置１０１は、前記フィルタ回路が、制御基板１９の延出部の、電磁シールド３の外部接続用開口部１２を通過する位置に実装されたものである。

フィルタ回路１１は、電源コネクタ１、信号コネクタ９、回転電機２０を経由して回転電機装置１０１の外部へ伝搬する電圧ノイズを減衰するために実装されている。また、フィルタ回路１１を出力軸２１と平行に配置され外部接続用開口部１２よりも電源コネクタ１、信号コネクタ９に近い位置まで延長された制御基板１９の外部接続用開口部１２近傍に実装することで、ノイズを減衰させた後のフィルタ回路１１よりも電源コネクタ１、信号コネクタ９の側に配置された制御基板１９、電源ターミナル２、信号ターミナル１０に磁気ノイズが重畳することがなく、フィルタ回路１１の前後および外部接続用開口部１２の内外をフィルタ回路１１と電磁シールド３で分離することができるため、高いフィルタ効果を得ることが可能である。

本願に係る回転電機装置１０１は、フィルタ回路１１が中継部品１３を介して電磁シールド３と接続されたものである。

中継部品１３を用いてフィルタ回路１１と電磁シールド３を電気的に接続することで、中継部品１３は、パワーモジュール４からヒートシンク７、回転電機２０を経由してフランジ８から回転電機装置１０１の外部へ伝搬する電圧ノイズ、もしくは給電端子６から回転電機２０を経由してフランジ８から回転電機装置１０１の外部へ伝搬する電圧ノイズを、フィルタ回路１１へ回生する経路として動作する。

これにより、ノイズを外部へ伝達することを抑制することができる。

本願に係る回転電機装置１０１は、中継部品１３が電磁シールド３の外部接続用開口部１２に接続されたものである。

中継部品１３を用いてフィルタ回路１１と電磁シールド３を最短ルートで電気的に接続することで、中継部品１３は、回転電機装置１０１の外部へ伝搬する電圧ノイズを、フィルタ回路１１へ回生する最短の経路として効率的に動作する。

これにより、ノイズを外部へ伝達することを効果的に抑制することができる。

本願に係る回転電機装置１０１は、電磁シールド３の電位がフィルタ回路１１の接地電位として用いられるものである。

中継部品１３を用いてフィルタ回路１１と電磁シールド３を電気的に接続することで、電磁シールド３をフィルタ回路１１の接地電位として使用することができる。これにより、中継部品１３は、パワーモジュール４からヒートシンク７、回転電機２０を経由してフランジ８から回転電機装置１０１の外部へ伝搬する電圧ノイズ、もしくは給電端子６から回転電機２０を経由してフランジ８から回転電機装置１０１の外部へ伝搬する電圧ノイズを、フィルタ回路１１へ回生する経路として動作する。

これにより、ノイズを外部へ伝達することをより効果的に抑制することができる。

なお、有底筒状の電磁シールド３の筒状周縁部が、ヒートシンク７に接続しており、回転電機２０と直接接続していない場合であっても、ヒートシンク７は回転電機２０と電気的に接続しており同電位に維持されているので、電磁シールド３の筒状周縁部が回転電機２０に直接接続している場合と同様の効果を得ることができる。

３．実施の形態３
図５は、実施の形態３に係る電動パワーステアリング装置１５０の構成図である。回転電機装置１００を車両に搭載される電動パワーステアリング装置１５０に適用した例について説明する。

図５は電動パワーステアリング装置１５０の全体構成図であり、ラック式の電動パワーステアリング装置１５０の例である。運転者がハンドル１５１によって、車両のステアリング機構に操舵トルクを発生させると、トルクセンサ１５２は、その操舵トルクを検出して回転電機装置１００に出力する。また速度センサ１５３は車両の走行速度を検出して回転電機装置１００に出力する。回転電機装置１００は、トルクセンサ１５２および速度センサ１５３からの入力に基づいて操舵トルクを補助する補助トルクを発生し車両の前輪１５４のステアリング機構に供給する。トルクセンサ１５２および速度センサ１５３は、図２における車両センサ３１の一部である。回転電機装置１００は、トルクセンサ１５２および速度センサ１５３以外の入力に基づいて補助トルクを発生してもよい。

電動パワーステアリング装置１５０に適用する回転電機装置１００を小型化することで、車両への搭載性が向上する。回転電機装置１００をコスト削減することで、電動パワーステアリング装置１５０全体のコスト削減にも繋がる。回転電機装置１００に替えて、回転電機装置１０１を用いた場合も同様である。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

２電源ターミナル、３電磁シールド、４パワーモジュール、７ヒートシンク、１０信号ターミナル、１１フィルタ回路、１２外部接続用開口部、１３中継部品、１７駆動回路、１９制御基板、２０回転電機、２１出力軸、１００、１０１回転電機装置、１５０電動パワーステアリング装置

Claims

回転軸と巻線とを有する回転電機と、
前記回転電機に対して前記回転軸の軸方向の一方側に配置され、前記回転電機に固定された、前記回転電機の前記巻線に電力を供給するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールを駆動する駆動回路が実装され、前記回転軸の前記軸方向の一方側へ伸びる制御基板と、
前記パワーモジュール及び前記駆動回路を包囲し、前記制御基板の一部が前記軸方向の一方側に延出して通過する外部接続用開口部を有する電磁シールドと、
前記電磁シールドの外側に配置され、前記制御基板と接続された外部接続端子と、
前記制御基板に実装された、外部接続端子へ伝搬するノイズ成分を減衰させるフィルタ回路とを備える回転電機装置。
前記フィルタ回路は、前記制御基板の、前記電磁シールドの前記外部接続用開口部を通過する位置に実装された請求項１に記載の回転電機装置。
前記パワーモジュールと前記回転電機の間に位置し、前記パワーモジュールとの間で熱伝達をし、前記回転電機と同電位であるヒートシンクを備え、
前記電磁シールドは有底筒状で、筒状周縁部は、前記回転電機または前記ヒートシンクと接続し、底部に前記外部接続用開口部を有する請求項１または２に記載の回転電機装置。
前記電磁シールドの前記筒状周縁部は、前記ヒートシンクと前記パワーモジュールとの間の熱伝達部よりも前記回転軸の前記軸方向の他方側の部分で前記回転電機または前記ヒートシンクに接続された請求項３に記載の回転電機装置。
前記フィルタ回路は、中継部品を介して前記電磁シールドと接続された請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機装置。
前記中継部品は、前記電磁シールドの前記外部接続用開口部に接続された請求項５に記載の回転電機装置。
前記電磁シールドの電位が前記フィルタ回路の接地電位として用いられる請求項５または６に記載の回転電機装置。
前記外部接続端子は、前記電磁シールドの前記外部接続用開口部よりも外側の位置で前記制御基板と接続する請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機装置。
請求項１から８のいずれか一項に記載の回転電機装置を備えた電動パワーステアリング装置。