JP2005033924A

JP2005033924A - 電動機および電動機を搭載した電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2005033924A
Application number: JP2003196653A
Authority: JP
Inventors: Takeo Fukuda; 武雄福田; Shigemitsu Akutsu; 重光圷; Hirobumi Shin; 博文新; Takashi Kuribayashi; 隆司栗林; Mitsuo Nakazumi; 充男中住; Hiroyuki Baba; 弘幸馬場
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-03
Also published as: US20050012421A1; US7253546B2; EP1499003A1

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置に好適な、接続線が交差せず、レイアウトが容易で小型化可能な巻線構造を有する電動機を提供する。
【解決手段】本発明に係る電動機は、複数の永久磁石から成る回転子と、周方向に３の倍数から成る電気子巻線とを有し、電気子巻線の３極毎または３の倍数極毎を隣接して直列接続することによって各々１相とし、３相電力によって駆動する電動機であって、電気子巻線を直列接続する接続線が隣接する電気子巻線の上を跨がないように配置した。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動パワーステアリング装置に好適な電動機および、電動機を搭載した電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動パワーステアリング装置は、自動車を運転中、運転者がステアリングホイール（操舵ハンドル）を操作するとき、電動機を連動させて操舵力を補助する支援装置である。電動パワーステアリング装置では、運転者のハンドル操舵によりステアリング軸に生じる操舵トルクを検出する操舵トルク検出部からの操舵トルク信号、および、車速を検出する車速検出部からの車速信号を利用し、モータ制御部の制御動作に基づいて、補助操舵力を出力する支援用の電動機を駆動制御し、運転者の操舵力を軽減している。
【０００３】
ステアリングホイールに加えられた操舵トルクは、ラックアンドピニオン機構の出力軸に伝達されるとともに、操舵トルクに応じて電動機が発生した補助トルクを摩擦係合伝達手段及びウォームギヤ機構を介してピニオン軸に伝達し、ラックアンドピニオン機構によって車輪を操舵する。このような電動パワーステアリング装置として、特許文献１に開示されるものがある。
【０００４】
特許文献１に開示される電動パワーステアリング装置では、電動機の無通電状態において車両を直進走行させるときに、電動機による操舵トルクの変動の影響を小さくして、操舵感覚を高め、さらに電動機の出力を効率良く高めることで操縦性を高めることを目的としている。このため、電動機を、周方向に９極又はその倍数極の電気子巻線を有する環状のアウタステータと、このアウタステータの内部に配置し周方向に８極の永久磁石を有するインナロータとで構成し、各電気子巻線を３相電力により駆動するように接続している。
【０００５】
上記特許文献１に開示される電動機の電気子巻線では、特許文献１の図９に示すように、電気子巻線を直列接続する接続線が隣接する電気子巻線の上を跨ぐように接続されている。また、特許文献１の図１１では電気子巻線を直列接続する接続線が隣接しない電気子巻線を接続している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２７５３２５公報（第９図および第１１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の電動機において、電気子巻線を隣接して直列接続する接続線は、隣接する電気子巻線の上を跨ぐように接続している。このため、跨いだ分、接続線が長くなる。また、隣接しない電気子巻線を接続する場合には、当然に１相あたりの接続線の長さが、他の相の電気子巻線を跨ぐ分長くなる。
【０００８】
図１０は従来の電動機における電気子巻線の接続線および中性線を示す図である。図１１は、例としてＵ相の突極１０１ａ〜１０１ｃと電気子巻線１００ａ〜１００ｃの巻回数を概念的に示した図である。隣接し合う３極の電気子巻線１００ａ，１００ｂ，１００ｃを直列接続することでＵ相の巻線とし、隣接し合う３極の電気子巻線１００ｄ，１００ｅ，１００ｆを直列接続することでＶ相の巻線とし、隣接し合う３極の電気子巻線１００ｇ，１００ｈ，１００ｉを直列接続することでＷ相の巻線とした。
【０００９】
図１０に示すように、従来の電動機において、電気子巻線１００ａ〜１００ｃ，１００ｄ〜１００ｆ，１００ｇ〜１００ｉをそれぞれ隣接して直列接続する接続線１１０は隣接する電機子巻線を跨ぎ、交差している（図中の楕円で囲んだ部位）。また、接続線１１０と同じ上側に、中性線１２０を取り回しているため、電動機のレイアウトが難しく、組み付け時に間違えやすい。
【００１０】
また、図１１に示すように、隣接する突極１０１ａ〜１０１ｃに同一回数巻回するためには、必然的に真中の突極１０１ｂの上側で接続線１１０が交差する。図１１では、１つの突極に５回づつ巻いたことを示している。そこで、接続線１１０が交差せず、レイアウトが容易で小型化可能な巻線構造を有する電動機が望まれる。
【００１１】
本発明の目的は、上記の要望に応えるものであり、例えば電動パワーステアリング装置に好適な、接続線が交差せず、レイアウトが容易で小型化可能な巻線構造を有する電動機を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電動機は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
【００１３】
本発明に係る第１の電動機（請求項１に対応）は、複数の永久磁石から成る回転子と、周方向に３の倍数から成る電気子巻線とを有し、電気子巻線の３極毎または３の倍数極毎を隣接して直列接続することによって各々１相とし、３相電力によって駆動する電動機であって、電気子巻線を直列接続する接続線が隣接する電気子巻線の上を跨がないように配置したことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る電動機によれば、電気子巻線を直列接続する接続線が隣接する電気子巻線の上を跨がないように配置したので、跨いでいない分、接続線が短くなるので、接続線の抵抗が小さくなり、トルクの出力性能が向上する。
【００１５】
本発明に係る第２の電動機（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、各相の中性線を接続する中性線結線を有し、接続線が中性線結線と回転軸方向に対して反対側に配置されることを特徴とする。上記の構成によれば、電動機のレイアウトが簡易化する。また、接続線が中性線結線と回転軸方向に対して反対側に配置されるので、組み付け時に間違える可能性が少なくなる。
【００１６】
本発明に係る第１の電動パワーステアリング装置（請求項３に対応）は、ステアリング系に操舵補助力を与える電動機と、運転者の入力を検出する操舵トルク検出部と、少なくとも操舵トルク検出部からの信号に応じて電動機の制御を行う制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置において、電動機の電気子巻線を直列接続する接続線が隣接する電気子巻線の上を跨がないように配置したことを特徴とする。また、電動機の各相の中性線を接続する中性線結線を有し、接続線が中性線結線と回転軸方向に対して反対側に配置されることを特徴とする。これにより、トルクの出力性能が向上することで、より操舵補助力を的確に与えることができ、操舵感覚を高めることが可能となり、レイアウトが簡易化する。
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に従って説明する。
【００１７】
実施形態で説明される構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また各構成の組成については例示にすぎない。従って本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【００１８】
図１〜図４を参照して本発明に係る電動機を備える電動パワーステアリング装置の全体的構成、機械的機構の要部構成、および電子回路ユニットのレイアウトを説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る電動機を備える電動パワーステアリング装置１０の全体構成を示す。電動パワーステアリング装置１０は例えば乗用車両に装備される。電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングホイール１１に連結されるステアリング軸１２等に対して補助用の操舵力（操舵トルク）を与えるように構成されている。ステアリング軸１２の上端はステアリングホイール１１に連結され、下端にはピニオンギヤ１３が取り付けられている。ピニオンギヤ１３に対して、これに噛み合うラックギヤ１４ａを設けたラック軸１４が配置されている。ピニオンギヤ１３とラックギヤ１４ａによってラック・ピニオン機構１５が形成される。ラック軸１４の両端にはタイロッド１６が設けられ、各タイロッド１６の外側端には前輪１７が取り付けられる。上記ステアリング軸１２に対し動力伝達機構１８を介して電動機１９が設けられている。
【００２０】
電動機１９は、操舵トルクを補助する回転力（トルク）を出力し、この回転力を、動力伝達機構１８を経由して、ステアリング軸１２に与える。またステアリング軸１２には操舵トルク検出部２０が設けられている。操舵トルク検出部２０は、運転者がステアリングホイール１１を操作することによって生じる操舵トルクをステアリング軸１２に加えたとき、ステアリング軸１２に加わる当該操舵トルクを検出する。また２１は車両の車速を検出する車速検出部であり、２２はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置２２は、操舵トルク検出部２０から出力される操舵トルク信号Ｔと車速検出部２１から出力される車速信号Ｖを取り入れ、操舵トルクに係る情報と車速に係る情報に基づいて、電動機１９の回転動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。また電動機１９には、レゾルバ等によって構成されるモータ回転角検出部２３が付設されている。モータ回転角検出部２３の回転角信号ＳＧ２は制御装置２２にフィードバックされている。上記のラック・ピニオン機構１５等は図１中で図示しないギヤボックス２４に収納されている。
【００２１】
上記において電動パワーステアリング装置１０は、通常のステアリング系の装置構成に対し、操舵トルク検出部２０、車速検出部２１、制御装置２２、電動機１９、動力伝達機構１８を付加することによって構成されている。なお、電動機１９は例えば、ブラシレスモータから構成される。
【００２２】
上記構成において、運転者がステアリングホイール１１を操作して自動車の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリング軸１２に加えられた操舵トルクに基づく回転力はラック・ピニオン機構１５を介してラック軸１４の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド１６を介して前輪１７の走行方向を変化させようとする。このときにおいて、同時に、ステアリング軸１２に付設された操舵トルク検出部２０は、ステアリングホイール１１での運転者による操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置２２へ出力する。また車速検出部２１は、車両の車速を検出して車速信号Ｖに変換し、この車速信号Ｖを制御装置２２へ出力する。
【００２３】
制御装置２２は、操舵トルク信号Ｔおよび車速信号Ｖに基づいて電動機１９を駆動するためのモータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を発生する。電動機１９は３相電動機であり、そのモータ電流はＵ相とＶ相とＷ相から成る３相交流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗである。上記の駆動制御信号ＳＧ１は３相交流であるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗである。かかるモータ電流によって駆動される電動機１９は、動力伝達機構１８を介して補助操舵力をステアリング軸１２に作用させる。以上のごとく電動機１９を駆動することにより、ステアリングホイール１１に加えられる運転者による操舵力が軽減される。
【００２４】
図２は、電動パワーステアリング装置１０の機械的機構の要部と電気系の具体的構成に示す。ラック軸１４の左端部および右端部の一部は断面で示されている。ラック軸１４は、車幅方向（図２中左右方向）に配置される筒状ハウジング３１の内部に軸方向へスライド可能に収容されている。ハウジング１２から突出したラック軸１４の両端にはボールジョイント３２がネジ結合され、これらのボールジョイント３２に左右のタイロッド１６が連結されている。ハウジング３１は、図示しない車体に取り付けるためのブラケット３３を備えると共に、両端部にストッパ３４を備えている。
【００２５】
図２において、３５はイグニションスイッチ、３６は車載バッテリ、３７は車両エンジンに付設された交流発電機（ＡＣＧ）である。交流発電機３７は車両エンジンの動作で発電を開始する。制御装置２２に対してバッテリ３６または交流発電機３７から必要な電力が供給される。制御装置２２は電動機１９に付設されている。
【００２６】
図３は図２中のＡ−Ａ線断面図である。図３では、ステアリング軸１２の支持構造、操舵トルク検出部２０、動力伝達機構１８、ラック・ピニオン機構１５の具体的構成と、電動機１９および制御装置２２のレイアウトとが明示される。
【００２７】
図３において、上記ギヤボックス２４を形成するハウジング２４ａにおいてステアリング軸１２は２つの軸受け部４１，４２によって回転自在に支持されている。ハウジング２４ａの内部にはラック・ピニオン機構１５と動力伝達機構１８が収納され、さらに上部には操舵トルク検出部２０が付設されている。ステアリング軸１２の下端部に設けられたピニオン１３は軸受け部４１，４２の間に位置している。ラック軸１４は、ラックガイド４５で案内され、かつ圧縮されたスプリング４６で付勢された当て部材４７でピニオン１３側へ押え付けられている。動力伝達機構１８は、電動機１９の出力軸に結合される伝動軸４８に固定されたウォームギヤ４９とステアリング軸１２に固定されたウォームホイール５０とによって形成される。操舵トルク検出部２０は、ステアリング軸１２の周りに配置される操舵トルク検出センサ２０ａと、操舵トルク検出センサ２０ａから出力される検出信号を電気的に処理する電子回路部２０ｂとから構成されている。
【００２８】
図４は図３中のＢ−Ｂ線断面図である。図４では電動機１９および制御装置２２の内部の具体的構成が明示される。
【００２９】
電動機１９は、回転軸５１に固定された永久磁石により成るインナロータ（回転子）５２と、インナロータ５２の周囲に配置された、電気子巻線５３を有する環状のアウタステータ（固定子）５４，５５とを備える。回転軸５１は、２つの軸受け部５６，５７によって回転自在に支持される。回転軸５１の先部は電動機１９の出力軸１９ａとなっている。電動機１９の出力軸１９ａは、トルクリミッタ５８を介して、回転動力が伝達されるように伝動軸４８に結合されている。
【００３０】
伝動軸４８には前述の通りウォームギヤ４９が固定され、これに噛み合うウォームホイール５０が配置されている。回転軸５１の後端部には、電動機１９のインナロータ５２の回転角（回転位置）を検出する前述のモータ回転角検出部（位置検出部）２３が設けられる。モータ回転角検出部２３は、回転軸５１に固定された回転子２３ａと、この回転子２３ａの回転角を磁気的な作用を利用して検出する検出素子２３ｂとから構成される。モータ回転角検出部２３には例えばレゾルバが用いられる。アウタステータ５４，５５の電気子巻線５３には３相交流であるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが供給される。以上の電動機１９の構成要素は、モータケース５９の内部に配置される。
【００３１】
図５は図４のＣ−Ｃ線断面図であり、電動機１９の断面構造を示す。なお、制御装置２２は省略してある。アウタステータ５４は、筒状部６１の外周面から９個の突極６２ａ〜６２ｉを等ピッチで放射状に延している。これら放射状に配置した９個の突極６２ａ〜６２ｉに３極毎に電気子巻線５３ａ〜５３ｉを巻くことで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成している。
【００３２】
インナロータ５２は、周方向に８個（８極）の永久磁石５２ａ〜５２ｈを有した回転体である。８個の永久磁石５２ａ〜５２ｈは、径方向（内・外面方向）に着磁した円弧状部材であり、周方向にＮ極とＳ極とが交互に配列するように並べたものである。
【００３３】
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係る電動機１９の電気子巻線の模式図である。（ａ）は、突極６２ａ〜６２ｉに巻いた９極の電気子巻線５３ａ〜５３ｉの、隣接し合う３極ずつを直列接続して各々１相とすることで、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）にしたことを示す。具体的には、隣接し合う３極の電気子巻線５３ａ，５３ｂ，５３ｃを直列接続することでＵ相の巻線とし、隣接し合う３極の電気子巻線５３ｄ，５３ｅ，５３ｆを直列接続することでＶ相の巻線とし、隣接し合う３極の電気子巻線５３ｇ，５３ｈ，５３ｉを直列接続することでＷ相の巻線とした。図６（ｂ）に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の一方の端Ｕ_０，Ｖ_０，Ｗ_０はバッテリ３６に接続され、他方の端はＮ_０で中性線結線される。電気子巻線５３ａ〜５３ｉの巻き方向は、図７に示す通りである。
【００３４】
図７は、電気子巻線５３ａ〜５３ｉの巻き方向および中性線を示した図である。Ｕ相の巻線である隣接し合う３極の電気子巻線５３ａ，５３ｂ，５３ｃは、それぞれ、電気子巻線５３ａは反時計回り、電気子巻線５３ｂは時計回り、電気子巻線５３ｃは反時計回りに巻かれている。このとき、真中の電気子巻線５３ｂの上側で接続線６３が交差しないように、電気子巻線５３ａから電気子巻線５３ｂへ接続する際には、電気子巻線５３ａの下側から接続線６３を出し、電気子巻線５３ｂの下側へ入るように巻く。同様に、電気子巻線５３ｂから電気子巻線５３ｃへ接続する際には、電気子巻線５３ｂの下側から接続線６３を出し、電気子巻線５３ｃの下側へ入るように巻く。
【００３５】
各端子のうち電位の基準となる中性極Ｎ_０に接続される中性線は、電気子巻線５３ａ〜５３ｉの上側に取り回す。このため、接続線６３は電気子巻線５３ａ〜５３ｉの下側に取り回され、中性線は電気子巻線５３ａ〜５３ｉの上側に取り回されることになる。従って、電動機１９のレイアウトが容易となり、小型化が可能となる。また、接続線と中性線が同じ側ではないので、間違える可能性が少ない。
【００３６】
図８は、例としてＵ相の突極６２ａ〜６２ｃと電気子巻線５３ａ〜５３ｃの巻回数を概念的に示した図である。電気子巻線５３ａ〜５３ｉの巻き方向は図７で示したようにする。このように巻いた場合、電気子巻線５３ａと電気子巻線５３ｂが隣接する部分の電気子巻線５３ａの側は４回巻線が通り、電気子巻線５３ｂ側は６回巻線が通る。この場合、電気子巻線５３ｂと電気子巻線５３ｃが隣接する部分の電気子巻線５３ｂの側は６回巻線が通り、電気子巻線５３ｃ側は４回巻線が通る。他の相と隣接する部分の電気子巻線の巻回数は５回となる。なお、ここでの巻回数は例示であり、実際とは異なる。また、電気子巻線５３ａと電気子巻線５３ｂが隣接する部分の電気子巻線５３ａの側を６回巻線が通り、電気子巻線５３ｂ側を４回巻線が通るようにしてもよい。この場合、電気子巻線５３ｂと電気子巻線５３ｃが隣接する部分の電気子巻線５３ｂの側は４回巻線が通り、電気子巻線５３ｃ側は６回巻線が通る。
【００３７】
図９は、本発明に係る電動機と従来の電動機の電気角とトルクの関係を比較して示した図である。実線が従来の電動機の電気角とトルクの関係を示し、破線が本発明に係る電動機１９の電気角とトルクの関係を示している。本発明に係る電動機１９では、接続線６３が隣接する電気子巻線の上を跨がず、交差しないように巻かれている。このため、跨いでいない分、接続線６３が短くなる。従って、接続線６３の抵抗が小さくなり、トルクの出力性能の向上が期待される。しかし、図８で示したように、電気子巻線５３ａ〜５３ｃの巻回数が電気子巻線５３ａ〜５３ｃの隣接する部分に応じて異なることによる影響が考えられる。そこで、実験をしたところ、図９で示すような結果が出た。接続線６３が短くなった影響と電気子巻線５３ａ〜５３ｃの巻回数の影響により、全体として、従来の電動機と同等かより性能がよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００３９】
本発明に係る電動機は、複数の永久磁石から成る回転子と、周方向に３の倍数から成る電気子巻線とを有し、電気子巻線の３極毎または３の倍数極毎を隣接して直列接続することによって各々１相とし、３相電力によって駆動する電動機に適用可能なものである。電動機の電気子巻線を直列接続する接続線が隣接する電気子巻線の上を跨がないように配置したので、跨いでいない分、接続線が短くなる。従って、接続線の抵抗が小さくなり、トルクの出力性能が向上する。また、各相の中性線を接続する中性線結線を有し、接続線が中性線結線と回転軸方向に対して反対側に配置されるので、電動機のレイアウトが簡易化する。また、トルクの出力性能が向上し、レイアウトが簡易化した電動機を電動パワーステアリング装置に搭載することで、より操舵補助力を的確に与えることができ、操舵感覚を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動機を備える電動パワーステアリング装置の全体構成を示す図である。
【図２】電動パワーステアリング装置の機械的機構の要部と電気系の具体的構成に示す図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図３中のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ線断面図であり、電動機の断面構造を示す図である。
【図６】本発明に係る電動機の電気子巻線の模式図である。
【図７】電気子巻線の巻き方向および中性線を示した図である。
【図８】Ｕ相の突極と電気子巻線の巻回数を概念的に示した図である。
【図９】本発明に係る電動機と従来の電動機の電気角とトルクの関係を比較して示した図である。
【図１０】従来の電動機における電気子巻線の接続線および中性線を示す図である。
【図１１】Ｕ相の突極と電気子巻線の巻回数を概念的に示した図である。
【符号の説明】
１０電動パワーステアリング装置
１３ピニオンギヤ
１４ラック軸
１５ピニオン機構
１８動力伝達機構
１９電動機
１９ａ出力軸
３６バッテリ
４９ウォームギヤ
５０ウォームホイール
５１回転軸
５２インナロータ
５２ａ〜５２ｈ永久磁石
５３ａ〜５３ｉ電気子巻線
５４アウタステータ
６２ａ〜〜６２ｉ突極

Claims

複数の永久磁石から成る回転子と、
周方向に３の倍数から成る電気子巻線とを有し、
前記電気子巻線の３極毎または３の倍数極毎を隣接して直列接続することによって各々１相とし、３相電力によって駆動する電動機において、
前記電気子巻線を直列接続する接続線が隣接する前記電気子巻線の上を跨がないように配置したことを特徴とする電動機。
前記各相の中性線を接続する中性線結線を有し、
前記接続線が前記中性線結線と回転軸方向に対して反対側に配置されることを特徴とする請求項１記載の電動機。
ステアリング系に操舵補助力を与える電動機と、運転者の入力を検出する操舵トルク検出手段と、少なくとも前記操舵トルク検出手段からの信号に応じて前記電動機の制御を行う制御装置とを備えた電動パワーステアリング装置において、
前記電動機を請求項１または２記載の電動機としたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。