CN101258667A - 电动动力转向装置用马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可满足严格的尺寸限制且能发挥出所期望的性能的EPS用马达。在同轴配设在连接于转向车轮的齿条轴的周围、向齿条轴供给转向辅助力的齿条助力式的电动动力转向装置用马达中，马达为6极9槽的结构，表示所述马达的磁加感(2PΦ)与电加感(ZI/a)的比值的加感比(2PΦ/(ZI/a))为100～300。据此，可以得到均衡满足形状、输出、转向感、成本等的EPS用马达。此外，关于加感比，因为设定最适合EPS规格的数值，所以可以与其相对应地决定马达各部分的规格，可实现优化设计及削减设计工时。

Description

电动动力转向装置用马达

技术领域

本发明涉及一种作为电动动力转向装置的驱动源而使用的马达，特别是涉及一种适用于在马达中央部插通车辆的齿条轴的齿条助力式电动动力转向装置的有效技术。

背景技术

为了辅助汽车等的转向力，近年来很多车辆安装了所谓的动力转向装置。作为这样的动力转向装置，近年从减轻发动机负荷及减轻重量等的角度出发，安装有电气式动力转向装置(所谓的电动动力转向装置)的车辆有所增加。这种电动动力转向装置(以下简称为EPS)一般适用于齿轮齿条式的转向装置，根据马达的配置位置，可大体分为3种类型。即，已知有如下的三种类型：从马达位置距离驾驶员较近的一侧开始在转向轴上配置马达的管柱助力式，在转向轴和齿条轴的连接部安装马达的齿轮助力式，与齿条轴同轴状地安装马达的齿条助力式。

专利文献1中的EPS是其中的齿条助力式的装置，通过与齿条轴同轴地设置的马达施加转向辅助力。图3是表示专利文献1的齿条助力式EPS的构成的截面图。图3的EPS51将与齿条轴52同轴设置的马达53所产生的转向辅助力，通过滚珠丝杠机构54传递给齿条轴52。齿条轴52通过未图示的转向横拉杆或转向臂等将转向车轮连接在两端，并与转向轴55以齿条齿轮方式相连接，根据驾驶员的转向操作在轴方向(图中的左右方向)上动作。马达53是在圆筒状的轭部56内，同轴插入磁铁57、圆筒状的转子轴58以及转子芯59的结构，在转子轴58中插通有齿条轴52。

在EPS51中，当操作方向盘使转向轴55转动时，齿条轴52向对应于该转动的方向移动从而实现转向操作。根据该操作，如果未图示的转向力矩传感器动作，则根据该检测力矩向马达53供给适当的电力。在马达53动作后，该转动通过滚珠丝杠机构54被传递给齿条轴52。即，通过滚珠丝杠机构54，马达53的转动被转换为齿条轴52的轴方向的运动，向齿条轴52施加转向辅助力。根据该转向辅助力和手动转向力，转向车轮被转向，从而减轻驾驶员的方向盘操作负担。

专利文献1：特开平10-152058号公报

专利文献2：特开2004-180449号公报

但是，图3的齿条助力式EPS，从希望在发动机室内紧凑(细短)地进行设置的需求出发，很多时候对于其尺寸(体格)(特别是外形尺寸)有严格的限制。例如，在小型乘用车用的EPS中，一般来说，如果外径超过100mm则缺乏产品性，需要在外径100mm以下的范围内构成马达，并确立能够满足需求性能的最佳规格。此外，贯通马达内部的齿条轴本身大致有20-30mm左右的外径，其插穿的转子轴的内径也需要有20-40mm左右。因此，在齿条助力式EPS用的马达中，在齿条轴贯通中央的结构中，必须将外径控制在100mm以下。而且，要求以此尺寸得到所期望的输出，并且能实现低摩擦、低转矩波动、低成本。

但是，这样的小型高性能且低成本的EPS用马达，在决定规格时，需要非常细致且繁琐的调整。即，在设计马达的结构时，存在关于磁铁及绕组等的各种参数，这些参数处于折衷选择关系的情况不少。因此，对于熟练的设计者来说，很多情况下，设定各规格以满足上述各要素是非常困难的，需要能够易于优化设计的设计方针。

发明内容

本发明的目的是可容易设计EPS用马达，该EPS用马达可满足严格的尺寸限制，而且关于输出、齿槽转矩及转矩波动等能够发挥出所期望的性能。

本发明的电动动力转向装置用马达，同轴配设在连接于转向车轮的齿条轴的周围，向所述齿条轴供给转向辅助力，其特征在于，表示所述马达的磁加感(磁気装荷)(2PΦ)与电加感(電気装荷)(ZI/a)的比值的加感比(2PΦ/(ZI/a))为100～300。

在本发明中，将加感比设定为100～300，可以得到均衡满足尺寸、输出、转向感、成本等的EPS用马达。另外，在马达结构设计时，如果按照上述数值决定马达各部分的规格，可以得到适于EPS的规格设定。

在上述电动动力转向装置用马达中，也可以使用6极9槽结构的无刷马达作为上述马达。

另外，所述马达可包括定子和转子，所述定子包括壳体、固定在所述壳体的内周侧的定子芯和卷绕在所述定子芯上的绕组，所述转子包括用于插通转向装置的齿条轴的圆筒状的转子轴、外装在所述转子轴的外周上的圆筒状的转子芯、安装在所述转子芯外周的磁铁以及外装在所述磁铁外侧的磁铁罩。此时，可以将上述外径设定为85mm以上且100mm以下。

根据本发明的电动动力转向装置用马达，在与转向车轮连接的齿条轴的周围同轴地设置电动动力转向装置用马达，在该马达中，将该马达的磁加感与电加感的比设定为100～300，由此可以得到能够平衡良好地满足尺寸、输出、转向感、成本等的EPS用的最佳马达。此外，关于在马达结构设计时成为问题的作为参数之一的加感比，若与上述数值相对应地决定马达各部的规格，则能得到适于EPS的规格设定，因此可以实现EPS用马达的优化设计。此外，因为可以减少设计工时，所以可以削减产品开发费用，降低产品成本。

附图说明

图1是显示本发明的EPS用马达的构成的截面图。

图2是比较磁加感型马达与电加感型马达的空气隙量与有效磁通量的关系的说明图。

图3是表示齿条助力式的EPS构造的截面图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。图1是显示本发明的EPS用马达的结构的截面图。图1的马达1作为与图3同样的齿条助力式的EPS的动力源进行使用，齿条轴2贯通马达1的内部。但是，图1的马达1与图3的马达53不同，是无刷马达。马达1的转动通过滚珠丝杠机构3传递给齿条轴2，成为转向辅助力。

马达1是在外侧配置定子11、在内侧配置转子21的内转子型的装置。定子11包括壳体12、固定在壳体12的内周侧的定子芯13和卷绕在定子芯13上的绕组14。壳体12由铁等形成，其外径控制在100mm之内。定子芯13层叠多层钢板而构成，在定子芯13的内周侧突起设置有多个(此处是9个)齿。在齿之间形成的槽(同样是9个)中，形成卷绕有线圈的绕组14。绕组14通过供电配线15与电池(未图示)相连接。

转子21被配设在定子11的内侧，同轴配置有圆筒状的转子轴22、转子芯23、磁铁24以及磁铁罩25。在转子轴22的内侧插通有齿条轴2。在转子轴22的外周上外装有圆筒状的转子芯23。在转子铁心23的外周上固定有6极结构的磁铁24。

磁铁24使用的是小型且具有高磁通密度的钕磁铁等稀土类磁铁。如此，通过在磁铁24中使用稀土类磁铁，可实现马达的小型化，并且，转子21的惯性减少且转向感也得以改善。磁铁24的形状呈环状，在圆周方向上N、S交替配置多个磁极。此外，也可以使用多个磁瓦作为磁铁24。在磁铁24的外侧，外装有磁铁罩25，即使万一磁铁破损，也不会因其碎片而锁死马达1。

在壳体12的图中右端侧，安装有铝压铸制的壳体31。在壳体31中，收容有支承转子21的右端侧的轴承32和检测转子21的转动的旋转变压器33。旋转变压器33由固定在壳体31侧的旋转变压器定子34和固定在转子21侧的旋转变压器转子35构成。在旋转变压器定子34上卷绕有线圈36，设置有励磁线圈和检测线圈。在旋转变压器定子34的内侧配设有固定在转子轴22上的旋转变压器转子35。旋转变压器转子35通过层叠金属板而构成，在三个方向上形成有凸部。

如果转子轴22转动，则旋转变压器转子35也在旋转变压器定子34内转动。旋转变压器定子34的励磁线圈被施加高频信号，根据凸部的临近和远离，从检测线圈输出的信号的相位发生变化。通过将该检测信号和基准信号进行比较，从而检测出转子21的转动位置。于是，根据转子21的转动位置，适当切换通向绕组14的电流，旋转驱动转子21。

在壳体12的图中左端侧，安装有铝压铸制的壳体41。在壳体41中，安装有滚珠丝杠机构3。滚珠丝杠机构3包括螺母部42、形成于齿条轴2的外周的螺旋部43、在螺母部42和螺旋部43之间安装的多个滚珠44。齿条轴2在绕轴的旋转被限制的状态下，由螺母部42以可以在左右方向自由往复移动的方式进行支撑，并随着螺母部42的转动在左右方向上移动。

螺母部42固定在转子轴22的左端部，通过固定在壳体41上的角轴承45而保持为可自由转动。在拧入壳体41的开口部的轴承固定用垫圈46a、46b和形成在壳体41内部的台阶部47之间，角轴承45以轴方向的动作受到限制的状态被固定。此外，螺母部42和角轴承45之间的轴方向的动作，由拧入螺母部42左端的轴承固定用垫圈48和形成在螺母部42外周的台阶部49进行限制。

在具备这样的马达1的EPS中，首先操作方向盘、转向轴进行转动，齿条轴2向对应于该转动的方向移动、进行转向操作。根据该操作，若未图示的转向力矩传感器进行动作，则对应于检测力矩，电力从电池通过供电配线15被供给到绕组14。若电力供给到绕组14，则马达1进行动作、转子轴22转动。若转子轴22转动，则与此连接的螺母部42转动，通过滚珠丝杠机构3的作用，对齿条轴2传递轴方向的转向辅助力。据此，促进齿条轴2的移动，辅助转向力。

但是，在这样的EPS用马达中，在决定能够满足要求性能的各规格时，为了抑制马达尺寸并得到高输出，如何分配磁加感与电加感成为问题。在此，磁加感是马达磁通量的总和，电加感是安培导体数的总和。磁加感大的马达，定子铁芯13及磁铁24的比例变大，一般来说马达会大型化。与此相对，电加感大的马达，马达可以小型化，但是绕组温度易于上升。作为决定磁加感与电加感的分配的要素，有惯性变化导致的对特性的影响、磁铁使用量变化导致的对成本的影响、因绕组空间小而导致的对缠绕特性的影响、铁量变化导致的对重量的影响等，需要考虑到各种要素。

除了这些要素之外，特别是，在EPS用马达中，还要重视伴随着零件公差及装配误差的、因磁铁24与定子齿之间的空气隙量变化而引起的对特性的影响。图2是比较磁加感型马达与电加感型马达的空气隙量与有效磁通量(对转矩作用的磁通量；从磁铁24通过齿返回到磁铁24的磁通)的关系的说明图。从图2可知，向磁加感分配较多的磁加感型马达与向电加感分配较多的电加感型马达相比，在空气隙量相同的情况下，有效磁通的Max.值较大(参照图2的P、Q点)。所以，磁加感分配较大的马达属于高转矩型马达，可以提高输出。

但是，如图2A、B所示，在磁加感型马达中，相对于空气隙变化的有效磁通的变化，比电加感型马达大。因此，如果空气隙量出现偏差，则有效磁通将大幅变化，即使在装配公差内，转矩误差及起伏也将变大，齿槽效应(コギング)及转矩波动增大。在EPS马达中，齿槽效应及转矩波动会导致转向感的恶化，因此不好。此外，在磁加感型马达中，因为磁加感较大，所以需要大量使用高价的磁铁，从而导致成本提高，并且铁的使用量也增加，导致重量增加。

也就是说，磁加感型马达虽然可以输出转矩，但其偏差较大，相反，电加感型马达虽然转矩偏差较小，但不能得到大的转矩。因此，为了在严格限制尺寸的情况下获得需要的转矩，并且抑制转矩偏差、提高转向感，考虑到这些长处和短处，分析了适用于EPS的6P9S马达的加感分配。其结果是，根据发明人的实验，发现了如下的现象，即，在下式所示的加感比M中，如果将M值设定在100～300的范围中，则可以得到均衡满足尺寸、输出、转向感、成本等的EPS用马达

式1

$M=\frac{2\mathrm{P\Φ}}{\frac{\mathrm{ZI}}{a}}$

P：极数    Z：有效导体数    a：并联电路数/2

Φ：1极的有效磁通    I：额定相电流有效值

在此，有效导体数Z是作用于转矩的导体数。导体数是槽数S与绕组数T的乘积(S×T)，例如，在10槽6匝的马达中，导体数是6×10＝60个。有效导体数是其中作用于转矩的部分，例如，在3相马达中是导体数的2/3。所以，就前面的例子来说，Z＝60×2/3＝40。额定相电流有效值I是流向某相(例如，3相马达中的U相)的马达额定电流(在EPS中是允许最大电流值)的有效值。并联电路数a显示的是，例如在3相马达中有几组U、V、W相的电路。

在发明人的实验中，在6极(P＝6)9槽的马达中，在设M＝130(Φ＝98069(Mx/极)、Z＝108(根)、I＝84(Arms)、a＝1)时，可以将马达1的外径(壳体12的外径)抑制在100mm以下，并且在输入电压为12V时，可实现输出为750W、齿槽转矩为20mNm以下的马达。此时，由于齿条轴外径等的关系，很难将马达的外径抑制成不足85mm，在本发明的马达中，马达外径设定成90～100mm，优选是设定成85～95mm左右。此外，本发明的100≤M≤300的条件，对于6极9槽的马达特别有效。

此外，在M值超过300的磁加感型马达中，由于铁芯变大，所以重量变大，并且由于磁铁也变大，所以成本增加。还有，在9槽的马达中，内径的偏差变大，因此空气隙的偏差较大，转矩的波动增大、转向感恶化。相反，在M值不足100的电加感型马达中，由于线圈匝数增加，所以易于发热，需要考虑绝缘、槽内的绕组容积率、绕组冷却措施。此外，电加感型马达是输出依赖于电力供应量的类型，因此有易受外部干扰的倾向，控制的偏差的影响易于显现，有成为不易控制的马达的倾向。

这样，本发明的EPS用马达，作为EPS用能得到最佳特性，可均衡满足尺寸、输出、转向感、成本等。该小型高输出的EPS马达，最终可以节省燃料，并且，通过降低基于转子小型化的惯性，可提高转向感。另外，在本发明的EPS用马达中，对于在设计马达结构时成为问题的作为参数之一的加感比M，因为事先设定了适于EPS规格的数值，所以在结构设计时，与其相对应地决定马达各部分的规格即可。也就是说，根据本发明，可以得到最适于EPS的设计方针。因此，与过去相比，可以易于得到小型高输出、低摩擦、低转矩波动、低成本的EPS用马达，可以实现优化设计，并且可以削减设计工时。所以，可以相应地削减产品开发费用，可实现降低产品成本。

此外，根据发明人的实验，比较磁加感部分占主要部分的磁加感径(此处与转子径相同)与电加感部分占主要部分的电加感径(此处与定子铁芯径相同)

的比值，可知

为佳。

本发明并不限于上述实施例，不言而喻，在不脱离其要点的范围内，可以进行各种变更。

例如，上述的M＝130的马达仅仅是一个例子，不言而喻可以适当制造其他规格的马达。

Claims (4)

1.一种电动动力转向装置用马达，同轴配设在连接于转向车轮的齿条轴的周围，向所述齿条轴供给转向辅助力，其特征在于，

表示所述马达的磁加感(2PΦ)与电加感(ZI/a)的比值的加感比(2PΦ/(ZI/a))为100～300。

2.根据权利要求1所述的电动动力转向装置用马达，其特征在于，所述马达是6极9槽的无刷马达。

3.根据权利要求1所述的电动动力转向装置用马达，其特征在于，所述马达包括定子和转子，

所述定子包括壳体、固定在所述壳体的内周侧的定子芯和卷绕在所述定子芯上的绕组，

所述转子包括用于插通转向装置的齿条轴的圆筒状的转子轴、外装在所述转子轴的外周上的圆筒状的转子芯、安装在所述转子芯外周的磁铁以及外装在所述磁铁外侧的磁铁罩。

4.根据权利要求3所述的电动动力转向装置用马达，其特征在于，所述马达的所述壳体的外径为85mm以上且100mm以下。

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