JP2007161158A - ブラシレスモータ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量でありながら安価で信頼性の高いブラシレスモータ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】コイル４４が巻装された円筒状のステータ２１と、該ステータ２１と対向する磁極５７及び出力軸５２を備えたロータ５１と、ロータ５１の回転角度を検出する角度検出器２２と、前記ステータ２１及び前記角度検出器２２を内装するフレーム２３，２３Ａ，２３Ｂと、該フレームに対して前記ロータ５１を回転自在に支持する軸受装置２８，３２とを有するブラシレスモータ１４であって、前記フレーム２３，２３Ａは、被取付部８６に固定するフランジ部２４が一体成型され、且つ前記ステータ２１をその一方の端面が前記フランジ部２４に対向するように配置した構成とされている。
【選択図】図７

Description

本発明は、コイルが巻装された円筒状のステータと、該ステータと対向して磁極及び出力を備えたロータと、ロータの回転角度を検出する角度検出器と、前記ステータ及び前記角度検出器を内装するフレームと、該フレームに対して前記ロータを回転自在に支持する軸受装置とを有するブラシレスモータ及びこれを使用した電動パワー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の操舵補助力を発生する駆動源として用いられるモータにおいては、運転者の操舵に応じてその何倍もの力で操舵補助しながらも好適な操舵フィーリングを得るためには、高い制御性が要求される。また、上記モータは、車体の軽量化、衝突時の安全確保といった点から、小型軽量であることが要求される。そのため、近年はブラシ付きＤＣモータに代えて、制御性に優れ、小型軽量化し易いブラシレスモータが好適に用いられるようになってきている。

電動パワーステアリング装置用のブラシレスモータは、その要求機能の高さから、徹底した最適設計が施されている。ロータにおいても、電動パワーステアリング装置用のモータとして要求されるトルクを得るための磁束量を確保しながらも、小型軽量化及び低慣性化を図るために、最高水準の表面磁束密度を有する永久磁石が用いられる。
一方、ステータにおいては、小型軽量化及び銅損低減を図るために、巻線係数が高くかつ集中巻が可能なスロットコンビネーションが選択され、さらに、磁場解析による鉄製機械と銅製機械の比率の最適設計や磁路設計の最適化や、分割コアや平角線などを用いた高密度巻線が施されている。

このような最適設計が施された電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータは、モータ定数（単位銅損当たりの発生トルク，Ｎｍ／√Ｗ）は略上限に達しており、同じ体格のモータであればモータ定数も略同じになる傾向にある。
一方、モータコイルに限らずモータを構成する部品には使用温度の限界があり、銅損によりその温度を超えるとモータは焼損に至ってしまう。

よって、モータの体格を維持したまま更に大きなトルクを発生させようとしたり、発生トルクを維持したまま更に小型軽量化を図ろうとしたりする場合は、モータコイルからモータが取付けられる装置への伝熱及び雰囲気環境への伝熱を増やすことで、許容できる銅損を大きくする手段が必要である。
また、電動パワーステアリング装置において、あってはならない故障であるセルフステアを防ぐために、フレームとステータの空転を確実に防止することが必須である。したがって、フレームとステータとは一般的に広く用いられているものの、緩んだり剥がれたりした際に空転してしまう可能性のある、圧入や焼きばめ、接着等の嵌合方法と併用して、機械的な回り止めを設けることが望ましい。

このため、従来、減速機のギヤが嵌合される円筒状のハウジングと、このハウジングのギヤとは反対側に嵌合されたフレームとを有し、フレームにはステータが固定され、ステータ内にはロータが回転可能に軸支され、ロータにはフレームと対向する位置でレゾルバ用ロータを固定し、このレゾルバ用ロータに対向するレゾルバ用ステータをハウジングに取付け、レゾルバに取付けられるセンサコネクタの開口部をモータの外側に向けて配置するようにした回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１１７７３６号公報（第１頁、図１〜図３）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、ステータに巻装されたモータコイルで発生する熱を、モータ本体よりも熱容量及び表面積が遥かに大きい減速機の筐体へ伝熱させることで許容できる銅損を大きくしようとしても、フレームはハウジングを介して減速機の筐体に取付けられるため、ステータと減速機筐体との距離を短縮することが困難であり、さらに、フレームとハウジングの間には接合部が存在するため、この接合部での熱抵抗を小さくすることが困難であり、モータコイルで発生する熱を伝熱によって拡散することが困難であるという未解決の課題がある。また、フレームは薄鋼板から成型するので、断面積及び材質が制限されてしまうので、熱抵抗を小さくしたり、熱伝導率の高い材質を用いたりすることが困難であるという未解決の課題もある。さらに、このようなフレームでは、雰囲気環境への伝導、対流、放射による伝熱を促すためにフィンを設けるなど、フレームの表面積を拡大する加工を施すことが困難であるという未解決の課題もある。

さらにまた、上記のフレームにおいては、フレームとステータの間に機械的な回り止めを設けようとした場合、フレーム内径側から外側に押し出す形で凹部を設けることは加工上困難である。一方、フレーム外側から内側にへこます形で凹部を設けようとした場合は、内径に突起ができるので後切削が出来ず、ステータ固定部の精度を維持することが困難であるという未解決の課題もある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、小型軽量でありながら安価で信頼性の高いブラシレスモータを提供すると共に、このブラシレスモータを使用した電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係るブラシレスモータは、コイルが巻装された円筒状のステータと、該ステータと対向して磁極及び出力軸を備えたロータと、ロータの回転角度を検出する角度検出器と、前記ステータ及び前記角度検出器を内装するフレームと、該フレームに対して前記ロータを回転自在に支持する軸受装置とを有するブラシレスモータであって、前記フレームは、被取付部に固定するフランジ部が一体成型され、且つ前記ステータをその一方の端面が前記フランジ部に対向するように配置したことを特徴としている。

また、請求項２に係るブラシレスモータは、請求項１に係る発明において、前記フレームは、高熱伝導率を有する材料で形成されていることを特徴としている。
さらに、請求項３に係るブラシレスモータは、請求項２に係る発明において、前記フレームは、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム及びマグネシウム合金の何れか一方で形成されていることを特徴としている。

さらにまた、請求項４に係るブラシレスモータは、請求項１乃至３の何れか１つの発明において、前記フレームは鋳造によって一体成形されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項５に係るブラシレスモータは、請求項１乃至４の何れか１つの発明において、前記ステータの両端面に突出しているコイルエンド部と、前記フレームとの間に存在する隙間の少なくとも一方に空気より高い熱伝導率を有する材料で形成された伝熱材を介挿したことを特徴としている。

また、請求項６に係るブラシレスモータは、請求項１乃至５の何れか１つの発明において、前記出力軸は前記フランジ部側に配置され、且つ当該出力軸に対して予圧側軸受装置、前記ロータの磁極、固定側軸受装置及び前記角度検出器がその順に配置されていることを特徴としている。
さらに、請求項７に係るブラシレスモータは、請求項１乃至６の何れか１つの発明において、前記フレームは、前記角度検出器と対向する外周部にフィン状のリブが多数形成されていることを特徴としている。

さらにまた、請求項８に係るブラシレスモータは、請求項７に係る発明において、前記リブはフレームに一体成型されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項９に係るブラシレスモータは、請求項１乃至８の何れか１つの発明において、前記フレームは、前記ステータの嵌合面に１個所又は複数個所の凹部が形成され、前記ステータは前記フレームとの嵌合面に前記凹部に係合する凸部が形成されていることを特徴としている。

また、請求項１０に係るブラシレスモータは、請求項９に係る発明において、前記凹部は、フレームに一体成形されていることを特徴としている。
さらに、請求項１１に係るブラシレスモータは、請求項９に係る発明において、前記凹部は軸方向に延長する溝で構成されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項１２に係るブラシレスモータは、請求項１１に係る発明において、前記凹部は、その長さが前記ステータの軸方向長さ以上の長さに選定されていることを特徴としている。

なおさらに、請求項１３に係るブラシレスモータは、請求項９乃至１２の何れか１つに係る発明において、前記ステータの凸部は、スロット数と同数で且つ等間隔に配設されていることを特徴としている。
また、請求項１４に係るブラシレスモータは、請求項１乃至１３の何れか１つの発明において、前記ステータは、フレームに嵌合する円周方向に延長するステータヨークと該ステータヨークの円周方向中央部から内方に延長し、モータコイルが巻装される磁脚部とで軸方向と直交する断面形状がＴ形に形成された複数の分割コアを、前記ステータヨークの円周方向の両端を隣接する分割コアのステータヨークの円周方向端に連接させて円環状に形成されていることを特徴としている。

さらにまた、請求項１５に係るブラシレスモータは、請求項１４に係る発明において、前記分割コアは、ステータヨークの外周面における円周方向両端に夫々前記凹部に係合する凸部を構成する半部が突出形成されていることを特徴としている。
なおさらに、請求項１６に係るブラシレスモータは、請求項１５に係る発明において、各分割コアは、隣接する分割コアの半部同士を溶接することにより、円環状に連結されていることを特徴としている。
また、請求項１７に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリング機構に伝達する操舵補助力を発生するモータとして請求項１乃至１６の何れか１項に記載のブラシレスモータを適用したことを特徴としている。

請求項１に係る発明によれば、フレームに被取付部に固定するフランジ部が一体成型され、且つステータをその一方の端面が前記フランジ部に対向するように配置し、前記角度検出器を前記ステータの他方の端面と軸方向に対向して配設したので、フレームからフランジ部までの間には部品間の接合部が無く、且つステータを被取付部としての例えば減速機に近づけることができ、ステータから減速機筐体までの間の熱抵抗を小さくすることが可能であり、ステータに巻装したモータコイルから被取付部への伝熱を増やして、許容できる銅損を大きくでき、小型、軽量なブラシレスモータを提供できる。

また、請求項２に係る発明によれば、フレームを高い熱伝導率を有する材質で形成するので、モータコイルが巻装されているステータから被取付部までの熱抵抗を従来例よりも小さくすることができ、モータコイルから本ブラシレスモータが取付けられる被取付部への伝熱が増え、許容できる銅損を大きくできるので、小型、軽量なブラシレスモータを提供することができる。

さらに、請求項３に係る発明によれば、フレームが鉄よりも高い熱伝導率を有するアルミ、アルミニウム合金、マグネシウム及びマグネシウム合金の何れか一方で形成されているので、モータコイルが巻装されているステータから被取付部までの間の熱抵抗を従来例より小さくすることができ、モータコイルから被取付部への伝熱が増え、許容できる銅損を大きくできるので、小型、軽量なブラシレスモータを提供できる。

さらにまた、請求項４に係る発明によれば、フレームが鋳造によって一体成型されているので、フレームとフランジ部とを容易に高精度で一体成型することができる。
なおさらに、請求項５に係る発明によれば、ステータの両端面に突出しているコイルエンド部と、フレームとの間に存在する隙間の少なくとも一方に空気よりも高い熱伝導率を有する材料で形成された伝熱材を介挿したので、コイルエンド部からフレームへの伝熱が増え、許容できる銅損を大きくできるので、小型、軽量なブラシレスモータを提供できる。

また、請求項６に係る発明によれば、出力軸がフランジ部側に配置され、且つ当該出力軸に対して予圧側軸受装置、前記ロータの磁極、固定側軸受装置及び前記角度検出器がその順に配置されているので、モータコイルが巻装されているステータから被取付部までの間の距離を短縮できるので、熱抵抗が従来例よりも小さくすることができ、モータコイルから被取付部への伝熱が増え、許容できる銅損を大きくできるので、小型、軽量なブラシレスモータを提供できる。さらにフレーム材質とロータ材質の線膨張係数差によりモータ温度変化時にフレームとロータの軸方向位置ずれが生じても、角度検出器は固定側軸受装置の近傍に配置しているので、角度検出器の回転部と固定部の軸方向位置ずれは生じにくく、角度検出器の軸方向位置ずれによる精度低下や誤動作を抑制することができ、信頼性の高いブラシレスモータを提供することができる。

さらに、請求項７に係る発明によれば、フレームは角度検出器と対向する外周部にフィン状のリブが多数形成されているので、雰囲気環境への電動、対流、放射による伝熱を従来例よりも増すことができるので、角度検出器はモータコイルの銅損によって生じた熱の影響を受けにくくなり、角度検出器の温度上昇によるドリフトや精度低下を抑制することができ、信頼性の高いブラシレスモータを提供することができる。しかも、モータコイルが許容できる銅損を大きくできるので、小型、軽量なブラシレスモータを提供することができる。さらに、軽量化のためにこの部位のフレーム厚さを薄肉化しても、フィン状のリブによりフレームの剛性を維持できるので、小型、軽量なブラシレスモータを提供することができる。

さらにまた、請求項８に係る発明によれば、リブはフレームに一体成型されるので、フィン状リブを容易に設けることができ、安価でありながら信頼性が高く、且つ小型、軽量なブラシレスモータを提供することができる。
なおさらに、請求項９に係る発明によれば、フレームはステータとの嵌合面に１個所以上の凹部が形成され、ステータはフレームとの嵌合面に前記凹部に係合する凸部が形成されているので、凹部及び凸部がフレームとステータとの間の機械的な回り止めとして機能し、ステータの空転を確実に防止して信頼性の高いブラシレスモータを提供することができる。

また、請求項１０に係る発明によれば、凹部がフレームに一体成型されているので、フレームとステータとの間の機械的な回り止めを容易に形成することができ、安価でありながら信頼性が高いブラシレスモータを提供することができる。
さらに、請求項１１に係る発明によれば、フレームの凹部が軸方向に延長する溝で構成されているので、フレームへのステータの嵌合を容易に行うことができ、安価でありながら信頼性が高いブラシレスモータを提供することができる。

さらにまた、請求項１２に係る発明によれば、凹部は、その長さが前記ステータの軸方向長さ以上の長さに選定されている野手、軸方向に同一形状のステータを嵌合することができ、同一形状で打ち抜かれた電磁鋼板を積み重ねたステータを嵌合でき、安価でありながら信頼性が高いブラシレスモータを提供することができる。
なおさらに、請求項１３に係る発明によれば、ステータの凸部の数はスロット数と同数で且つ等間隔に配設されているので、均一な磁路を形成することができ、コギングトルク及びトルクリップルの小さい高性能なブラシレスモータを提供することができる。

また、請求項１４に係る発明によれば、ステータは、フレームに嵌合する円周方向に延長する外周側基部と該外周側基部の円周方向中央部から内方に延長し、モータコイルが巻装されるヨークとで軸方向と直交する断面形状がＴ形に形成された複数の分割コアを、前記ステータヨークの円周方向の両端を隣接する分割コアのステータヨークの円周方向端に連接させて円環状に形成されているので、分割コアにモータコイルを巻装した後に各分割コアのステータヨークを連接させてステータを構成することができ、ステータを容易に形成することができる。

さらに、請求項１５に係る発明によれば、分割コアは、ステータヨークの外周面における円周方向両端に夫々前記凹部に係合する凸部を構成する半部が突出形成されているので、分割コア同士の接合部の面積を半部分だけ広くすることができ、これによってステータ剛性が高くなり、騒音及び振動が小さい高性能なブラシレスモータを提供することができる。

さらにまた、請求項１６に係る発明によれば、各分割コアは、隣接する分割コアの半部同士を溶接することにより、円環状に連結されているので、分割コアのモータコイルで発生する磁束は溶接部を通りにくく、ステータ剛性を高めつつも鉄損の増加を抑制することができ、騒音、振動が小さく、且つ鉄損の小さい高性能なブラシレスモータを提供することができる。
なおさらに、請求項１７に係る発明によれば、ステアリング機構に伝達する操舵補助力を発生するモータとして請求項１乃至１６の何れか１項に記載のブラシレスモータを適用したので、小型、軽量でありながら安価で信頼性が高い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合の一実施形態を示す全体構成図であって、図中、１は電動パワーステアリング装置であり、この電動パワーステアリング装置１は、運転者が操舵するステアリング機構２を備えている。
このステアリング機構２は、ステアリングホイール３に運転者から作用される操舵力が伝達される入力軸４ａと出力軸４ｂとを有するステアリングシャフト４を有し、このステアリングシャフト４は、入力軸４ａの一端がステアリングホイール３に連結され、他端は操舵トルク検出手段としての操舵トルクセンサ５を介して出力軸４ｂの一端に連結されている。

そして、出力軸４ｂに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント６を介してロアシャフト７に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント８を介してピニオンシャフト９に伝達される。このピニオンシャフト９に伝達された操舵力はステアリングギヤ１０を介してタイロッド１１に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ここで、ステアリングギヤ１０は、ピニオンシャフト９に連結されたピニオン１０ａとこのピニオン１０ａに噛合するラック１０ｂとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン１０ａに伝達された回転運動をラック１０ｂで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト４の出力軸４ｂには、操舵補助力を出力軸４ｂに伝達する操舵補助機構１２が連結されている。この操舵補助機構１２は、出力軸４ｂに連結した減速ギヤ１３と、この減速ギヤ１３に連結された操舵補助力を発生するブラシレスモータ１４とを備えている。
そして、このブラシレスモータ１４が、操舵トルクセンサ５で検出されるステアリングホイール３に付与されて入力軸４ａに伝達された操舵トルクが入力されると共に、車速を検出する車速センサ１５から出力される車速検出値が入力された制御装置１６によって駆動制御される。

この制御装置１６は、車速検出値をパラメータとした操舵トルクと操舵補助指令値との関係を記憶した制御マップを参照して、操舵補助指令値を算出し、算出した操舵補助指令値とブラシレスモータに流れるモータ電流とに基づいてフィードバック制御を行ってモータ電流指令値を算出し、算出したモータ電流指令値をインバータ回路で構成されるモータ駆動回路１７に供給して、このモータ駆動回路１７でモータ電流指令値と後述するブラシレスモータ１４のロータ回転角を検出するレゾルバからの角度検出信号とに基づいて３相モータ駆動電流を形成し、この３相モータ駆動電流をブラシレスモータ１４に供給することにより、ブラシレスモータ１４で、操舵補助指令値に応じた操舵補助力を発生する。

ブラシレスモータ１４は、図２〜図４に示すように、ステータ２１及びロータ回転角を検出する回転角検出器としてのレゾルバ２２とを収容するフレーム２３を有し、このフレーム２３は、ステータ２１を収容する円筒状のフレーム半体２３Ａと、レゾルバ２２を収容するフレーム半体２３Ｂとに２分割され、両者が接合面でネジ止めされている。

フレーム半体２３Ａには、外周面のフレーム半体２３Ｂとは反対側の端部に被取付部としての減速ギヤ１３に取付けられるフランジ部２４が一体成型されていると共に、フレーム半体２３Ｂ側の外周面に雌ねじを形成した突出部２５とケーブル引出し口を形成する突出板部２６とが一体成型され、内周面にフレーム半体２３Ｂ側端面から軸方向に延長するステータ２１を嵌合する大径部２７と、その先に予圧軸受装置２８を収納する小径部２９とが形成されている。予圧軸受装置２８は、例えば深溝玉軸受２８ａとこの深溝玉軸受２８ａの外輪を軸方向にフレーム半体２３Ｂ側に押圧する予圧バネ２８ｂとで構成されている。また、フレーム半体２３Ａの大径部２７の内周面には、フレーム半体２３Ｂ側端面から軸方向にステータ２１の軸方向長さと略等しい長さで延長するブラシレスモータのスロット数と同数の断面円弧状の凹部３０が等間隔に形成されている。

ここで、フレーム半体２３Ａは、従来のフレームを構成する鋼板より熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム及びマグネシウム合金の何れか１つをダイキャスト機による鋳造によってフランジ部２４、突出部２５、突出板部２６、大径部２７、小径部２９及び凹部３０が一体成型されている。
また、フレーム半体２３Ｂは、図３及び図６で特に明らかなように、フレーム半体２３Ａとは反対側の内周面にレゾルバ２２を収容する大径部３１が形成され、この大径部３１と連結して例えば深溝玉軸受で構成される固定軸受装置３２を嵌合する小径部３３が形成されていると共に、外周部におけるレゾルバ２２と対向する位置に半径方向に突出するフィン状のリブ３４が円周方向に所定間隔を保って多数一体成型され、さらに外周部におけるフレーム半体２３Ａの突出板部２６に対向する位置にケーブル引出し口３５が一体成型されている。

ここで、フレーム半体２３Ｂものフレーム半体２３Ａと同様にアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム及びマグネシウム合金の何れか１つをダイキャスト機による鋳造によって大径部３１、小径部３３、リブ３４及びケーブル引出し口３５が一体成型されている。
このように、フレーム半体２３Ａ及び２３Ｂを共に鋳造によって製作するが、インロー部などの高い精度が必要な部位は適宜切削加工が施されている。
そして、フレーム半体２３Ａの大径部２７内にステータ２１が嵌合されている。このステータ２１は、図５及び図６で特に明らかなように、１２個の電磁鋼板を積層したＴ形の分割コア４１を円環状に連接させた構成を有する。

各分割コア４１の夫々は、軸方向と直交する断面が、図５に示すように、外周面が円弧状で円周方向に延長するステータヨーク４２と、このステータヨーク４２の内周面における円周方向の中央部に内方に中心軸に向かって延長する磁脚部４３とでＴ形に形成された鉄心で構成され、磁脚部４３の先端にハット部４３ａが形成されている。そして、磁脚部４３にモータコイル４４が集中巻で巻装されている。ハット部４３ａは、Ｔ形の分割コア４１を１２個組み合わせて円環状にした状態において、若干のスロット開口幅が形成される形状であり、そのスロット開口幅はモータコイル４４に使用されるマグネットワイヤの直径以下に設定されている。ステータヨーク４２のフレーム半体２３Ａに嵌合される面は、フレームの曲率と略同じ曲率であるが、磁脚部４３の首部の真裏にあたる部位が平取りしてあるので、フレーム半体２３Ａへの嵌合時に２点で線接触する形状となっている。

一方、ステータヨーク４２のスロット側は、磁脚部４３の首部中心線に直交する直線形状とされている。隣接する分割コア４１が突き当たる部位は、モータコイル４４が施される磁脚部４３の中心線に対して回転中心で交差する±１５°の直線形状であり、互いに面接触する形状とされている。
また、外周側基部４２の外周面における円周方向の両端部にフレーム半体２３Ａの凹部３０に係合する断面が４分の１円状の凸半部４５が軸方向の全域にわたって形成されている。したがって、分割コア４１同士を連接させたときに、図５で拡大図示したように、双方の凸半部４５で断面半円形のフレーム半体２３Ａに形成した凹部３０に係合する凹部３０と同一の曲率でその中心点をフレーム半体２３Ａの凹部３０の中心点よりもステータ中心軸側に若干ずらした形状の凸部４６が形成される。そして、各分割コア４１を円環状に連接させた状態で、凸部４６をレーザ溶接等で溶接することにより、円環状のステータ２１が構成され、このステータ２１が、フレーム半体２３Ａの大径部２７に凸部４６を凹部３０に係合させて嵌合されている。このとき、フレーム半体２３Ａに形成したステータ２１のヨーク４３を突き当てるステータヨーク突き当て部４７とステータ２１の先端を突き当てるステータ先端突き当て部４８は、その両部でステータ２１の端面に接触する形状としており、さらにその部位におけるコイルエンドとの間の隙間には、エポキシ系樹脂からなる伝熱体４９が充填されている。

各相のモータコイル４４の終端は、Ｙ結線中点、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に絶縁された四層構造の円環状のバスバー５０に連結され、このバスバー５０がフレーム半体２３Ａに焼きばめ嵌合されている。
このように、ステータ２１を分割コア方式にすることにより、一体コア方式に巻線を施す際に必要な巻線ノズルを通すための空間や、巻線をスロットに落とし込む際のガイドのための空間など、巻線構成のためだけに生じる無駄なスロット空間が不要となるので、高密度な巻線が可能となる。

また、分割コア４１において、ハット部４３ａによって形成されるスロット開口幅を、モータコイル４４に使用されるマグネットワイヤの直径以下に設定することにより、モータコイル４４が緩んだり断線してもエアギャップに噛み込まないので、電動パワーステアリング装置においてあってはならない故障であるモータロックによるステアリングホイールロックを防止することができる。

また、分割コア４１において、ステータヨーク４２のフレーム半体２３Ａに間項される面を、フレーム嵌合時に２点で線接触する形状としたことにより、トルク発生時に磁脚部５６に反力がかかってもＴ形の分割コア４１が倒れにくいので、騒音、振動を低減することができる。
さらに、Ｔ形の分割コア４１において、ステータヨーク４２のスロット側を磁脚部５６の首部中心線に直交する直線形状としたことにより、巻線時にステータヨーク４２が干渉しないので、高密度な巻線が可能である。

さらにまた、Ｔ形の分割コア４１において、隣接する分割コア４１のステータヨーク４２が突き当たる部位の外周側に半割れ状の凸半部４５を設けたことにより、単純な円環状のステータヨーク部を分割した分割コア方式よりも突き当たる面積が広く、トルク発生時に磁脚部５６に反力がかかってもＴ形の分割コア４１が倒れにくい。なおさらに、外周側に突出した凸半部４５を溶接するので、溶接部を通る磁束は少なく、ヒステリシス損を小さくすることができる。これらの効果により、騒音、振動及び鉄損を低減できる。

また、凸部は４６は、外周側に突出しているので、ステータヨーク４２のスロット側を磁脚部５６の首部中心線に直交する直線形状としたことに起因する磁路細りを防止することができる。
また、その凸部４６は、フレーム半体２３Ａに設けてなる凹部に対して、径方向には隙間が大きいが、回転方向には隙間が殆どない形状なので、分割コア４１同士を溶接する際に生じるビードや膨らみを取り除くことなくフレーム半体２３Ａに焼ばめすることができる。さらに、ブラシレスモータ１４の雰囲気温度のみが急激に上昇してフレーム半体２３Ａのみが高温になったり、予期せぬ外力などでフレーム半体２３Ａに割れが生じたりしてフレーム半体２３Ａとステータ２１のしめしろが無くなってしまった場合でもステータ２１は空転しないので、トルク低下やトルクリップル、回転方向によるトルク差、さらには電動パワーステアリング装置においてあってはならない故障であるセルフステアといった現象を確実に防ぐことができる。

また、前述したように、フレーム半体２３Ａの凹部３０はフレーム半体２３Ｂを取付ける側からステータ嵌合部をへてステータヨーク突き当て部位よりも若干深い位置まで同一形状で延長しているので、電磁鋼板の形状を積圧方向によって変える必要が無く、同一形状のＴ形の電磁鋼板でステータ２１を構成できる。
これらの特徴は、Ｔ形の分割コア４１がスロット数と同数個連結されており、連結部を折り曲げることにより円環状のステータ２１となる展開コア方式のステータで適用しても同様の効果が得られる。
また、フレーム半体２３Ｂの大径部３１には、レゾルバ２２を構成するレゾルバステータ２１ｓが内嵌されている。

一方、フレーム半体２３Ａ及び２３Ｂには、これらに保持された予圧軸受装置２８及び固定軸受装置３２によってロータ５１が回転自在に支持されている。このロータ５１は、フレーム半体２３Ａから突出する出力軸５２と、予圧軸受装置２８及び固定軸受装置３２の内輪に内嵌する小径部５３及び５４と、これら小径部５３及び５４間に形成された大径部５５とを有するシャフト５６と、このシャフト５６のステータ２１との対向位置に固定された磁極部５７と、小径部５４より外側に配設され、レゾルバステータ２１ｓと対向してレゾルバ２２を構成するレゾルバロータ２２ｒとで構成されている。このようにロータ５１は、フレーム半体２３Ａのフランジ部２４側から見て、予圧軸受装置２８、磁極部５７、固定軸受装置３２、レゾルバロータ２２ｒ、ロックナット７５という順序で組み付けられている。

ここで、磁極部５７は、特に図６で明らかなように、シャフト５６を挿通する円筒状のロータヨーク５８と、このロータヨーク５８の外周面に円周方向に等間隔で接着された８枚の永久磁石５９と、これら永久磁石５９の外周面を覆うオーステナイト系の非磁性ステンレスでなるキャップ６０とで構成されている。そして、磁極となる永久磁石５９は極毎に分割されたセグメント磁石であり、その形状は外周側の円弧中心を意図的に回転中心からずらした蒲鉾型に形成されている。

磁極部５７を構成する永久磁石５９の外周部はキャップ６０で覆われており、キャップ６０はすきまばめであるが、接着剤を併用することで永久磁石５８に固定されており、さらに、キャップ６０の端面をリベットでかしめることによりさらに強固に固定されている。また、予圧軸受装置２８は、内輪をシャフト５６へ圧入した後に止め輪６１を嵌めることで、シャフト５６と内輪のズレによる過大な予圧が生じることを防止している。さらに、固定軸受装置３２は、内輪をシャフト５６へ圧入した後にレゾルバロータ２２ｒを介してロックナット７５で締め付けることで、シャフト５６に加わるアキシアル荷重によるシャフト５６と内輪のズレを防止している。

また、レゾルバロータ２２ｒは、固定軸受装置３２の内輪に軸方向から当接する大径部７１とこの大径部７１と連接する小径部７２とを有するシャフト５６に外嵌されたレゾルバシャフト７３の小径部７２に外嵌され、その軸方向位置がロックナット７５で固定されている。
そして、上記構成を有するブラシレスモータ１４が被取付部としての減速ギヤ１３に図７に示すように取付けられている。ここで、減速ギヤ１３は、図７に示すように、ハウジング８１に一対の軸受装置８２及び８３によって回転自在に支持されたウォームギヤ８４と、このウォームギヤ８４に噛合する同様にハウジング８１に回転自在に支持されたウォームホイール８５とで構成されている。
そして、ハウジング８１のウォームギヤ８４の中心軸と直交する端面にモータ取付部８６が形成され、このモータ取付部８６にブラシレスモータ１４のフレーム半体２３Ａの取付端がインロー結合されると共に、フランジ部２４がネジ止めされている。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
今、車両が停車しているものとすると、この状態で、ステアリングホイール３を右切り（又は左切り）する所謂据え切り状態とすると、このときのステアリングホイール３に付加される操舵トルクが操舵トルクセンサ５で検出され、検出された操舵トルクが制御装置１６に入力されると共に、車速センサ１５で検出した零の車速検出値が制御装置１６に入力される。

このため、制御装置１６で操舵トルク及び車速検出値をもとに制御マップを参照して、比較的大きな操舵補助指令値を算出し、この操舵補助指令値とモータ電流検出値との偏差でフィードバック制御を行うことによりモータ電流指令値を算出し、このモータ電流指令値をモータ駆動回路１７に出力することにより、このモータ駆動回路１７で、レゾルバ２２で検出されるロータ回転角に基づいて三相モータ電流がブラシレスモータ１４に出力される。

したがって、ブラシレスモータ１４が回転駆動されて、比較的大きな操舵補助力を発生し、この操舵補助力を出力軸５２を介して減速ギヤ１３のウォームギヤ８４に伝達し、このウォームギヤ８４に噛合するウォームホイール８５を回転させてステアリングシャフト４の出力軸４ｂにステアリングホイール３の回転方向と同一方向に大きな操舵補助トルクを与えることができ、ステアリングホイール３を軽く操舵することができる。
この状態から車両を走行させると車速検出値の増加に応じて同一操舵トルクであっても算出される操舵補助指令値が小さい値となり、これに応じてブラシレスモータ１４が回転駆動されるので、このブラシレスモータ１４で発生する操舵補助力が据え切り時より小さくなり、車速に応じた最適な操舵補助力を発生することができる。

このとき、ブラシレスモータ１４におけるステータ２１のモータコイル４４に比較的大電流のモータ電流を供給することにより、回転磁界を発生させて、ロータ５１を回転駆動するものであるが、モータ駆動電流が大電流となることにより、このモータコイル４４で発熱を生じる。この発熱は、ステータ２１の分割コア４１を介してフレーム半体２３ａに伝導され、このフレーム半体２３ａが通常の鋼製のフレームより高い熱伝導率のアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム及びマグネシウム合金の何れか１つで構成され、しかも被取付部としての減速ギヤ１３のハウジング８１におけるモータ取付部８６に取付けられるフランジ部２４が鋳造により一体成型されているので、フレーム半体２３Ａとフランジ部２４との間に接合部が無く、ステータから減速ギヤ１３のハウジング８１までの間の熱抵抗が小さくなるので、モータコイル４４で発生した熱を効果的に減速ギヤ１３のハウジング８１に伝熱させてモータコイル４４が許容できる銅損を従来例よりも大きくすることができる。また、ステータ２１がフランジ部２４側に配設されているので、ステータ２１と減速ギヤ１３のハウジング８１との間の距離を最小として熱抵抗を小さくすることができ、より大きな伝熱効果を発揮することができる。

さらに、上記実施形態では、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム及びマグネシウム合金の何れか１つをダイキャスト機で鋳造するようにしているので、従来例のように薄鋼板を絞る場合のように肉厚の制限がなく、且つ比重は薄鋼板に対して約１／３であるので、従来例の薄鋼板フレームの円筒部厚さに対し、約３倍の肉厚にすることができる。その上、アルミニウム合金は、鉄の３倍の熱伝導率を有する材質であり、さらにステータ先端突き当て部４８を設け、コイルエンドとの間に伝熱体４９を充填することで、銅損によるコイルエンドの熱をステータ先端突き当て部４８及び伝熱体４９を介してフレーム半体２３Ａへ伝熱できる。これらの効果により、従来例と同じ重さのフレームでありながら、１０倍以上の熱量を減速ギヤ１３のハウジング８１へ伝熱できるので、モータコイル４４が許容できる銅損を従来例より大幅に大きくすることができる。

また、ロータ５１の磁極部５７及びステータ２１が８極１２スロットというスロットコンビネーションとされているので、最も基本的な２極３スロット形式の４倍の構成である。このように磁極部５７とステータ２１の構成を基本構成の２ｎ倍（ｎは整数）としたことにより径方向の磁気吸引力が相殺されるため回転時のロータ振動を小さくできるという利点がある。また、このスロットコンビネーションの巻線係数は“０．８６６”であり、且つ集中巻であることから、銅損に対して大きなトルクを得ることができるという利点がある。

しかし、各々の磁極による鎖交磁束の変化量がそのままコギングトルク及びトルクリップルとして現れるため、電動パワーステアリング装置に適用するためには運転者に不快な振動と騒音を与えるコギングトルク及びトルクリップルを低減する必要がある。本実施形態では、磁極となる永久磁石５９は極毎に分割されたセグメント磁石であり、その形状は外周側の円弧中心を意図的に回転中心からずらした蒲鉾型に形成されている。このような磁極により、鎖交磁束の変化量を正弦波化し、コギングトルク及び正弦波通電時のトルクリップルを低減することができる。

また、フレーム半体２３Ｂでは、フィン状のリブ３４をレゾルバ２２が内包される位置に設けているので、この部位の雰囲気環境への伝導、対流、放射による伝熱を従来例よりも増すことができ、レゾルバ２２の固定側はモータコイル４４の銅損によって生じた熱の影響を受けにくくなり、レゾルバ信号のドリフトや精度低下、誤動作を防ぐことができる。

さらに、レゾルバ２２は、固定軸受装置３２の最寄り位置に配置したので、モータ温度が変化した際のフレーム材質とシャフト材質の線膨張係数差によりレゾルバステータ２１ｓとレゾルバロータ２２ｒの軸方向ズレを防止することができる。特に、本実施形態のようにシャフト材質とフレーム材質の線膨張係数差が大きい組み合わせの場合、その効果は顕著である。

また、磁極部５７とレゾルバロータ２２ｒを機械的に位置決めすることで、両者の位相がずれた際に生じるトルク低下やトルクリップル、回転方向によるトルク差、さらには電動パワーステアリング装置においてはあってはならないセルフステアといった現象を確実に防止することができる。
また、磁極部５７を構成する永久磁石５９をキャップ６０で覆うことにより、永久磁石５９に欠けや割れが生じたり、永久磁石５９がロータヨーク５８から剥がれたりした場合であっても永久磁石５９がエアギャップに噛み込まないので、電動パワーステアリング装置においてあってはならない故障であるモータロックによるホイールステアリングロックを確実に防止することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図８及び図９について説明する。
この第２の実施形態では、上述した第１の実施形態において、２つに分割したフレーム半体２３Ａ及び２３Ｂを一体に構成したものである。
すなわち、第２の実施形態では、図８に示すように、外周部にフランジ部４２を一体成型し、且つステータ２１を収容する大径部９１と、この大径部９１に連接する固定軸受装置３２を嵌合する小径部９２と、この小径部９２に連接するレゾルバ２２を収容する中径部９３とを有する円筒状の１つのフレーム２３を構成し、このフレーム２３のフランジ部２４側の端面に予圧軸受装置２８を収容する軸受ホルダ９４をインロー結合し、さらに各相のモータコイル４４の終端を連結するバスバー５０及びモータケーブルのケーブル引出し口３５をフランジ部２４側に配置し、レゾルバケーブル９５については第１の実施形態と同様としたことを除いては前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、図４との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

この第２の実施形態によると、フレーム２３が一体構造化されていることに加え、各相のモータコイル４４の終端を連結するバスバー５０をフランジ部２４側に配置したことにより、ステータ２１からフィン状のリブ３４を設けた部位までの間の接触部が無くなり、さらに、ステータ２１からフィン状のリブ３４を設けた部位までの距離が短くなるので、モータコイル４４が許容できる銅損をさらに大きくすることができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、ステータ２１を分割コア方式とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、積層鋼板で一体化したステータを形成する展開コア方式であってもよい。
また、上記第１及び第２の実施形態においては、ロータ回転角を検出する回転角検出器としてレゾルバ２２を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ホール素子などの磁気検出素子や、ロータリエンコーダ等の任意の回転角検出器を適用することができる。

さらに、上記第１の実施形態ではフレーム半体２３Ａ及び２３Ｂを、第２の実施形態ではフレーム２３をダイキャスト機で鋳造する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ロストワックスや砂型，マグネシウム及びマグネシウム合金の場合は射出成型など，他の鋳造方法を適用するようにしてもよい。
さらにまた、上記第１及び第２の実施形態においては、本発明のブラシレスモータ１４を電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、電動ブレーキ装置やその他の車載機器等の任意の機器の回転駆動源として適用することができる。

本発明によるブラシレスモータを電動パワーステアリング装置に適用した場合の第１の実施形態を示す概略構成図である。 本発明のブラシレスモータのフランジ部側の外観斜視図である。 本発明によるブラシレスモータのフレーム半体２３Ｂ側の外観斜視図である。 図２のブラシレスモータの拡大縦断面図である。 図４のＡ−Ａ線上の断面図である。 本発明のブラシレスモータの分解斜視図である。 本発明のブラシレスモータを減速ギヤに取付た状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す縦断面図である。 図８のＢ矢視外観図である。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置、２…ステアリング機構、３…ステアリングホイール、４…ステアリングシャフト、４ａ…入力軸、４ｂ…出力軸、１０…ステアリングギヤ、１２…操舵補助機構、１３…減速ギヤ、１４…ブラシレスモータ、１６…制御装置、１７…モータ駆動回路、２１…ステータ、２２…レゾルバ、２３…フレーム、２３Ａ，２３Ｂ…フレーム半体、２４…フランジ部、２８…予圧軸受装置、３０…凹部、３２…固定軸受装置、４１…分割コア、４２…ステータヨーク、４３…磁脚部、４４…モータコイル、４６…凸部、５１…ロータ、５２…出力軸、５７…磁極部、５８…ロータヨーク、５９…永久磁石、６０…キャップ、８１…ハウジング、８４…ウォームギヤ、８５…ウォームホイール、８６…モータ取付部、９１…大径部、９２…小径部、９３…中径部

Claims (17)

1. コイルが巻装された円筒状のステータと、該ステータと対向する磁極及び出力軸を備えたロータと、ロータの回転角度を検出する角度検出器と、前記ステータ及び前記角度検出器を内装するフレームと、該フレームに対して前記ロータを回転自在に支持する軸受装置とを有するブラシレスモータであって、
   前記フレームは、被取付部に固定するフランジ部が一体成型され、且つ前記ステータをその一方の端面が前記フランジ部に対向するように配置したことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記フレームは、高熱伝導率を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記フレームは、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム及びマグネシウム合金の何れか一方で形成されていることを特徴とする請求項２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記フレームは鋳造によって一体成形されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
5. 前記ステータの両端面に突出しているコイルエンド部と、前記フレームとの間に存在する隙間の少なくとも一方に空気より高い熱伝導率を有する材料で形成された伝熱材を介挿したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
6. 前記出力軸は前記フランジ部側に配置され、且つ当該出力軸に対して予圧側軸受装置、前記ロータの磁極、固定側軸受装置及び前記角度検出器がその順に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
7. 前記フレームは、前記角度検出器と対向する外周部にフィン状のリブが多数形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
8. 前記リブはフレームに一体成型されていることを特徴とする請求項７に記載のブラシレスモータ。
9. 前記フレームは、前記ステータの嵌合面に１個以上の凹部が形成され、前記ステータは前記フレームとの嵌合面に前記凹部に係合する凸部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
10. 前記凹部は、フレームに一体成型されていることを特徴とする請求項９に記載のブラシレスモータ。
11. 前記凹部は軸方向に延長する溝で構成されていることを特徴とする請求項９に記載のブラシレスモータ。
12. 前記凹部は、その長さが前記ステータの軸方向長さ以上の長さに選定されていることを特徴とする請求項１１に記載のブラシレスモータ。
13. 前記ステータの凸部は、スロット数と同数で且つ等間隔に配設されていることを特徴とする請求項９乃至１２の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
14. 前記ステータは、フレームに嵌合する円周方向に延長するステータヨークと該ステータヨークの円周方向中央部から内方に延長し、モータコイルが巻装される磁脚部とで軸方向と直交する断面形状がＴ形に形成された複数の分割コアを、前記ステータヨークの円周方向の両端を隣接する分割コアのステータヨークの円周方向端に連接させて円環状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
15. 前記分割コアは、ステータヨークの外周面における円周方向両端に夫々前記凹部に係合する凸部を構成する半部が突出形成されていることを特徴とする請求項１４記載のブラシレスモータ。
16. 各分割コアは、隣接する分割コアの半部同士を溶接することにより、円環状に連結されていることを特徴とする請求項１５に記載のブラシレスモータ。
17. ステアリング機構に伝達する操舵補助力を発生するモータとして請求項１乃至１６の何れか１項に記載のブラシレスモータを適用したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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