JP2006121821A - シンクロナスリラクタンスモータおよびシンクロナスリラクタンスモータを搭載した電動ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トルクリップルを抑えることができるシンクロナスリラクタンスモータとそのシンクロナスリラクタンスモータを搭載した電動ステアリング装置を提供する。
【解決手段】 ２種類以上のフラックスバリア帯７２ａ，７２ｂの形状を有するロータを備えたシンクロナスリラクタンスモータ１９において、フラックスバリア帯７２ａ，７２ｂは偶数個からなり、偶数個のフラックスバリア帯７２ａ，７２ｂのうち、ロータ回転中心７０ａを中心とする点対称の関係にある少なくとも１組のフラックスバリア帯７２ａ，７２ｂの形状を同等とした。
【選択図】 図６

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置やステアバイワイヤ装置などの電動ステアリング装置に好適なシンクロナスリラクタンスモータおよび、シンクロナスリラクタンスモータを搭載した電動ステアリング装置に関する。

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、モータ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モータを駆動制御し、運転者の操舵力を軽減している。

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に用いるモータとしてシンクロナスリラクタンスモータを説明する（例えば、特許文献１参照）。

シンクロナスリラクタンスモータは、ロータにマグネットを用いないリラクタンストルクにて回転するブラシレスモータであり、構造としては一般的にはステータに３相巻線を
行い、ロータはフラックスバリアと呼ぶ空気の溝を内部に持つ構造である。性能上フリクションやコギングトルクがほとんど発生しない利点がある。高価な希土類磁石を使わない点で低コストが可能でありリサイクル製にも優れる。

図１１に従来のモータを示す。４個の極を有し、２４個の固定子のスロットを有するシンクロナスリラクタンスモータを示す。

固定子１００には、本体１０１、内周面１０２に形成された複数個のスロット１０３および歯１０４が備えられ、回転子１１０には、本体１１１、所定の幅および長さを有する複数のフラックスバリア１１２が形成されている。回転子１１０の本体１１１は磁性物質からなり、複数のフラックスバリア１１２は非磁性物質からなり、ｄ軸を境界にし、ｑ軸を中心にして放射状に配置されている。

このように構成されたシンクロナスリラクタンスモータの動作を説明する。先ず、固定子１００の巻き線コイルに電流が印加されロータに磁界が生じる。回転子内部にはフラックスバリア１１２が設けられているため、磁束の通りやすい方向（ｄ軸方向）と通りにくい方向（ｑ軸方向）が生じる。このｄ軸とｑ軸とのインダクタンス差によりトルクが発生し、回転子が回転する。

このように回転子１１０が回転する際、固定子１００のスロット開口部１０３ａとフラックスバリアの相対的な位置によりトルクリップルが発生する。すなわち、固定子１００のスロット開口部１０３ａと回転子リブ１１３の相対的な位置の変化により発生する。
特開２００１−１０３７１９公報

従来のロータ（回転子）構造ではロータ内部に設けられる空気層のスリットあるいは非磁性物質からなるフラックスバリアが３〜７本程度で有限であるため回転子のリブがステータ（固定子）のティース（歯）に対向する場合・しない場合による磁気抵抗変動の高調波が発生する。この高調波成分がトルク波形に重なり、トルクリップルが発生する。磁石式ブラシレスモータに対しシンクロナスリラクタンスモータは一般的にはトルクリップルを下げることが難しかった。

本発明の目的は、トルクリップルを抑えることができるシンクロナスリラクタンスモータとそのシンクロナスリラクタンスモータを搭載した電動ステアリング装置を提供することにある。

本発明に係るシンクロナスリラクタンスモータおよびシンクロナスリラクタンスモータを搭載した電動ステアリング装置は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

本発明に係る第１のシンクロナスリラクタンスモータ（請求項１に対応）は、２種類以上のフラックスバリア帯の形状を有するロータを備えたシンクロナスリラクタンスモータにおいて、フラックスバリア帯は偶数個からなり、偶数個のフラックスバリア帯のうち、ロータ回転中心を中心とする点対称の関係にある少なくとも１組のフラックスバリア帯の形状を同等としたことで特徴づけられる。

本発明に係る第１の電動ステアリング装置（請求項２に対応）は、モータによって操舵力を発生させ車両の転舵を行う電動ステアリング装置であって、モータとして第１のシンクロナスリラクタンスモータを用いたことで特徴づけられる。

本発明によれば、２種類以上のフラックスバリア帯の形状を有するロータを備えたシンクロナスリラクタンスモータにおいて、フラックスバリア帯は偶数個からなり、偶数個のフラックスバリア帯のうち、ロータ回転中心を中心とする点対称の関係にある少なくとも１組のフラックスバリア帯の形状を同等としたため、あるフラックスバリア帯が発生させるトルクリップルに対して位相の違うトルクリップルと足し合わせることが可能となるためトルク変動を下げることができる。従って、電動ステアリング装置に用いた場合には滑らかな操舵フィールと低騒音を達成できる。また、同じ磁路（スリット）形状を点対称に配置することで径方向に発生するトルクを均一とすることができ、偏荷重が発生しにくい。これにより振動を抑制することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に従って説明する。

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。

図１〜図４を参照して本発明に係るモータ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。

図１は、本発明に係るモータ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を介してモータ１９が設けられている。

モータ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、モータ１９の回転動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。またモータ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。

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、モータ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、モータ１９は、シンクロナスリラクタンスモータから構成される。

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。

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。モータ１９はシンクロナスリラクタンスモータであり、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モータ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。以上のごとくモータ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。

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３１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。

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はモータ１９に付設されている。

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、モータ１９および制御装置２２のレイアウトとが明示される。

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、モータ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。

図４は図３中のＢ−Ｂ線断面図である。図４ではモータ１９および制御装置２２の内部の具体的構成が明示される。

モータ１９は、回転軸５１に固定されたロータ５２と、ロータ５２の周囲に配置された、巻線５３を有する環状のステータ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の先部はモータ１９の出力軸１９ａとなっている。モータ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。

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、モータ１９のロータ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。ステータ５４，５５の巻線５３には３相交流であるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが供給される。以上のモータ１９の構成要素は、モータケース５９の内部に配置される。

図５は図４のＣ−Ｃ線断面図であり、モータ１９の断面構造を示す。なお、制御装置２２は省略してある。４個の極を有し、２４個の固定子のスロットを有するシンクロナスリラクタンスモータを示す。

図６は、本発明に係るモータの断面を示す。図５と図６に示すように、固定子６０には、本体６１、内周面６２に形成された複数個のスロット６３および歯６４が備えられ、回転子７０には、本体７１、所定の幅および長さを有する複数のフラックスバリア８０が形成されている。回転子７０の本体７１は磁性物質からなり、複数のフラックスバリア８０は非磁性物質あるいは空気層のスリットからなり、ｄ軸を境界にし、ｑ軸を中心にして放射状に配置されている。ここでは、点対称の位置にあるフラックスバリア帯７２ａでは、７つのフラックスバリアがあり、点対称位置にあるフラックスバリア７２ｂでは６つのフラックスバリアがあり、それぞれの点対称位置では同形状のフラックスバリア帯となっている。また、フラックスバリア帯７２ａとフラックスバリア帯７２ｂでは異なる形状をしている。

このように構成されたシンクロナスリラクタンスモータ１９の動作を説明する。先ず、固定子６０の巻き線コイルに印加された電流によりインダクタンスが発生し、フラックスバリア８０によるｄ軸とｑ軸とのインダクタンス差によりトルクが発生すると、そのトルクにより回転子が回転する。

このように回転子７０が回転する際、固定子６０のスロット開口部６３Ａａとフラックスバリア８０の相対的な位置によりトルクリップルが発生し、すなわち、固定子６０のスロット開口部６３ａと回転子リブ７３の相対的な位置の変化により発生する。本発明では中心７０ａに対して点対称に同形状のフラックスバリア帯７２ａ，７２ｂを配置することで、向かい合う部分の発生トルクを同等として、偏荷重を防止する。また、フラックスバリア帯７２ａによるリップル波形とフラックスバリア帯７２ｂによるリップル波形とを異ならせリップル同士が打ち消し合うようにする。例えば、それぞれのリップル波形が逆位相となるように設定する。

図７は、そのときのトルク変動を示したものである。横軸は、回転角度を示し、縦軸はトルクを示す。曲線Ｃ１０はフラックスバリア帯７２ａにより発生するトルクリップルを示し、曲線Ｃ１１はフラックスバリア帯７２ｂにより発生するトルクリップルを示す。曲線Ｃ１２は、Ｃ１０、Ｃ１１の合成トルクを示し、合成トルクは変動が少なくなっていることが分かる。上記のようにあるフラックスバリア帯でトルクリップルが発生したとしても、別のフラックスバリア帯が発生する位相が異なるトルクリップルにより打ち消すことが可能であり、合力としてのトルク変動値を下げることができる。

また、図８と図９は、フラックスバリア帯の形状を点対称にした場合と点対称でない場合の比較を示す図である。図８は、フラックスバリア帯８１，８２が同一形状でフラックスバリア帯８３，８４が同一の点対称の場合である。この場合にはフラックスバリア帯８１，８２では矢印９０，９１で示す力が発生し、フラックスバリア帯８３，８４では、矢印９２，９３で示す力が発生する。しかし、図９で示すようにフラックスバリア９４ａ，９４ｂが同一で、フラックスバリア９５ａ，９５ｂが同一であり点対称ではない場合では、フラックスバリア９４ａ，９４ｂでは矢印９６ａ，９６ｂで示す力が発生し、フラックスバリア９５ａ，９５ｂでは矢印９７ａ，９７ｂで示す力が発生する。このように、本発明の点対称では力が点対称に発生するので、対極同士で同等のトルクを発生させるため、円滑にモータが回転する。また、トルクリップルも抑制され、このモータを用いた電動パワーステアリング装置では操舵フィール向上する。さらに、各磁路に均等にトルクがかかり、偏荷重による耐久性劣化を防ぐことができる。さらに、図１０は、図８と同様フラックスバリア帯（磁路）の形状を点対称に配置したものであり、フラックスバリア帯８１，８２に矢印９８ａ，９８ｂで示す内径方向に作用する力が発生し、フラックスバリア帯８３，８４に矢印９９ａ，９９ｂで示す内径方向に作用する力が発生する。これらの力はつりあっているために偏荷重が発生しない。これにより振動を抑制することができる。

なお、上記は４極の例であるが、仮に６極の場合には３極／３極が同等のトルクを発生するようにすればよい。また、フラックスバリアの数が６個と７個の場合を示したが、ロータ回転中心を中心とする点対称の関係にある少なくとも１組のフラックスバリア帯の形状を同等とすれば、その数、形状に限定されない。例えばスリット幅を変更してもよい。

本発明は、電動ステアリング装置の使用に好適なモータに利用される。

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。 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２中のＡ−Ａ線断面図である。 図３中のＢ−Ｂ線断面図である。 図４のＣ−Ｃ線断面図であり、モータの断面構造を示す図である。 本発明に係るモータの回転子の断面の模式図である。 本発明に係るモータのトルクの変動を示すグラフである。 本発明に係るモータの回転子断面の模式図である。 本発明に係るモータの回転子断面の模式図である。 本発明に係るモータの回転子断面の模式図である。 従来のモータの断面を示す図である。

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 ロータ
６０ 固定子
７０ 回転子
７２ａ フラックスバリア帯
７２ｂ フラックスバリア帯

Claims (2)

1. ２種類以上のフラックスバリア帯の形状を有するロータを備えたシンクロナスリラクタンスモータにおいて、
   前記フラックスバリア帯は偶数個からなり、
   前記偶数個のフラックスバリア帯のうち、ロータ回転中心を中心とする点対称の関係にある少なくとも１組のフラックスバリア帯の形状を同等としたことを特徴とするシンクロナスリラクタンスモータ。
2. モータによって操舵力を発生させ車両の転舵を行う電動ステアリング装置であって、前記モータとして請求項１記載のモータを用いたことを特徴とする電動ステアリング装置。

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