JP2007181327A

JP2007181327A - モータ及び電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2007181327A
Application number: JP2005377656A
Authority: JP
Inventors: Ryozo Masaki; 良三正木; Yuji Enomoto; 裕治榎本; Motoya Ito; 元哉伊藤; Masahide Yamazaki; 政英山崎
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP4713335B2

Abstract

【課題】電磁ノイズの影響を受けることなく、トルクセンサとモータを一体化したモータ及び電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】８極以上の極数を有し、磁性粉末材を一体成型した１対の爪型磁極１１と爪型磁極１１に磁束を発生するコイル１７とから構成される１相分の固定子を複数備えたｎ相固定子（ｎは２以上の整数）と、磁束により回転軸２４にトルクを発生する回転子２２を具備しており、回転子２２は、内側を中空構造とするとともに、回転軸２４のトルクを検出するトルクセンサ２６を内側の中空構造部分に内蔵した。回転子２２は、内側表面と内蔵するトルクセンサ２６との間に、磁束遮蔽体２８を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ及び電動パワーステアリング装置に関し、特にトルクを用いて制御するシステムに適したモータ技術に関する。

トルクセンサを用いてモータを制御するものとして、例えば、電動パワーステアリング装置が上げられる。電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵力を検出して、その大きさと方向に応じてモータでタイヤを操舵する力をアシストするものであり、自動車の利便性・快適性を向上する装置として多く利用され始めている。図１０に、電動パワーステアリング装置のシステム構成図の一例を示す。電動パワーステアリング装置は、ハンドル１と、ハンドル１の操作によって回転するステアリングシャフト２と、ステアリングシャフト２によって操舵されるタイヤ３ａ、３ｂと、操舵をアシストするアシストトルクを発生する３相モータ５と、ステアリングシャフト２の操舵トルクを検出するトルクセンサ４と、検出した操舵トルクを入力としてアシストトルクを演算し、それに基づいて３相モータ５を制御するコントローラ６と、バッテリー７とを有して構成される。

運転者がハンドル１を操作すると、ステアリングシャフト２を介して、タイヤ３ａ、３ｂが転舵される。そのとき、運転者の操舵トルクτがステアリングシャフト２に取付けられたトルクセンサ４により検出される。この操舵トルクτがコントローラ６に入力されると、コントローラ６では３相磁石モータ５が発生すべきアシストトルクの指令値τ_ＭＲを算出する。次に、コントローラ６は、３相モータ５が発生するトルクがこのアシストトルク指令τ_ＭＲどおりになるように制御演算を行い、バッテリー７の直流電力を交流電力に変換して３相電圧を３相モータ５に印加する。

この電動パワーステアリング装置に主に適用されているモータは、図１１（ａ）（ｂ）に示すような固定子６１、回転子６４から構成される。回転子６４には、回転軸方向にコイルを巻く。このため、コイルエンド６２、６３は、モータトルクには寄与しない無駄なスペースとなってしまう。そのため、モータの小型化を図る上で、問題となることがあった。

一方、モータ・発電機の形態の１つとして、コイルに流す電流により磁束を発生することができる爪型磁極を有するモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、コイルエンドの無駄なスペースをなくすことができ、小型化を達成する提案がなされている。さらに、爪型磁極を有する固定子を圧粉磁心により一体成型することにより、損失、騒音が少ないモータが開発されている。
特開２００１−１６１０５４号公報

電動パワーステアリングは、運転者のハンドル操作におけるトルク変化を検出して、モータのアシストトルクを制御することで、ハンドル操作を快適にする車載装置である。上述の運転者のハンドル操作におけるトルク変化を検出するには、通常トルクセンサと呼ばれるセンサを用いることが知られている。このトルクセンサには、種々のものが提案されているが、一般的にモータとトルクセンサは別体で取付けることがよく行われている。

モータとトルクセンサが近接されて設置されると、モータ駆動時に回転磁界の変化が生じ、当該磁束変化がトルクセンサに影響して、問題となることがある。また、電流の変化による影響も問題になることがある。そのため、トルクセンサとモータを一体にする場合、トルクセンサの検出信号にこれらの電磁ノイズの影響を生じてしまうという問題点があった。

本発明は、従来の問題点を解決するものであり、電磁ノイズの影響を受けることなく、トルクセンサとモータを一体化したモータ及び電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するに当って、以下のような対応を図るものである。
固定子の３相コイルに電流を流して回転磁界を発生させ、回転子が回転軸を駆動する３相モータにおいて、回転子の内側に中空部を設ける。この回転子の中空部を、３相コイルの電流による回転磁界の影響を受けないように、磁界を遮蔽する構造とした上で、回転軸のトルクを検出するトルクセンサを中空部に内蔵する。このような構成をとることにより、トルクセンサはノイズの影響を受けることなく、モータとトルクセンサをコンパクトに一体化することを可能にした。

また、低損失化を図るモータとして、圧粉磁心を用いた爪型磁極モータが提案されている。この爪型磁極モータは８極以上の極数を有する構造を容易に設計・製作することができ、多極化に適したモータであるともいえる。

ところで、極数を８極以上の多極に設計すると、回転磁束は主に回転子の外周表面、及び、表面下の浅い部分を通ることになり、回転子の中心部には、ほとんど磁束がない状態となる。そのため、８極以上の多極化したモータは回転子の中心部が中空部となっていても、モータの特性には影響を及ぼさない。なお、モータの極数が多いほど、その傾向が大きくなるので、中空部を大きくすることができる。

これらの事実から、上記の課題を解決する本発明を説明する。まず、圧粉磁心を用いて、８極以上の極数を有する爪型磁極を一体成型する。次に、回転軸に対して同心円状に巻いたコイルを、２つの成型した爪型磁極を１対として挟み込むようにすることで、１相分の固定子を構成する。この１相分の固定子を複数同心円状に重ねることにより、ｎ相固定子（ｎは２以上の整数）とする。このモータの回転子を中空構造とし、回転軸のトルクを検出するトルクセンサをこの回転子の内側に内蔵することで、発熱が少なく、より小型・コンパクトなトルクセンサを内蔵したモータを提供することができる。さらに、回転子の内側に磁束遮蔽体を配置することで、より回転磁界の影響を受けない構造にすることができる。

別の解決手段としては、回転子をボンド磁石と磁性粉末材を用いて、一体成型するものとする。この成形において、内部に設けるトルクセンサに回転磁界の影響を与えないように、ロータの半径方向で内部のトルクセンサに近づくに従って、透磁率を低くなるようにする。このような特性により、ロータを成形すると、ロータが磁気遮蔽の働きを有することが可能であり、内部に設けるトルクセンサへの磁気的な影響をより少なくして、改善することが可能となる。

また、モータのステータに駆動電力を供給する電力線のモータへの引き込み口の位置から出来るだけ離した位置からトルクセンサの検出信号を引き出すようにする。トルクセンサを動作させる為の電源線がある場合は、この電源線も同様に電力線のモータへの引き込み口の位置から出来るだけ離した位置からトルクセンサの検出信号を引き出すようにする。

本発明によれば、従来の方式に対して、小型で、信頼性を向上させたトルクセンサ内蔵のモータ及び電動パワーステアリング装置が提供可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、図面を用いて、本発明のモータ及び電動パワーステアリング装置の実施例を説明する。

実施例を説明する。図１は、本実施例の３相モータの構成図である。また、図２は本実施例の３相モータ５を用いた電動パワーステアリング装置の一例を示すシステム構成図である。図２のシステム構成は図１０に示した従来のシステム構成と比較して、トルクセンサを内蔵した３相モータ５をステアリングシャフト２の回転軸に取り付けた構造としている。このため、装置全体をコンパクトにまとめることができる。

まず、図１の３相モータ５について説明する。固定子は、固定子コア１１〜１６と固定子コイル１７〜１９から構成されている。固定子コイル１７を同一形状の固定子コア１１、１２を向い合せにして挟み込むことにより、１相分の固定子を形成する。図３にその分解図を示す。固定子コア１１、１２にはそれぞれ内周円上に爪型磁極を有していることを示している。図３に示すように、この実施例では、極数を２４極としており、そして先に説明したとおり、磁束は回転子２２の周表面付近を主に通るため、回転子２２を中空とすることができる。極数が多いほうが回転子２２の周表面近くを磁束が通ることになるため、８極以上が好ましく、８極の場合よりも２４極モータの方が更に有効に利用できる効果がある。

同様に、固定子コイル１８と固定子コア１３、１４の組合せ、固定子コイル１９と固定子コア１５、１６の組合せにより、それぞれ１相分の固定子を形成している。この固定子コイル１７〜１９に３相電圧を印加することで、３相固定子とすることができる。なお、固定子コイル１７の端部がｕ相の電力引出し線２０である。図１において、３相の固定子にはそれぞれ位置センサ７１〜７３が配置され、回転子２２の位置を検出している。位置センサ７１〜７３は、各相固定子コアの間に挿入されたスペーサ７４〜７６に固定している。スペーサ７４〜７６は各相で発生する磁束が他の相に影響しないようにするために用いられており、これにより、３相の誘起電圧を均一に保持することができる。また、そのスペーサ７４〜７６に位置センサ７１〜７３を配置することで、位置センサを別途設けるスペースは必要ない。そのため、３相モータ５の容積を大幅に増やすことなく、回転子２２の位置を検出することができ、位置センサ付モータの小型化を達成できる。

次に、回転子２２及びその内部について説明する。図６（ａ）（ｂ）に回転子２２の断面図及び軸方向から見た側面図を示す。回転子２２は、回転子磁性部材２３と回転子構造部材２８から構成されている。図６の場合、回転子磁性部材２３は磁石である。磁束は回転子構造部材２８を通るが、回転子構造部材２８の内部には影響を与えない。固定子コイル１７〜１９による回転磁界を発生することで、ステアリングシャフト上の出力軸２５を回転させる。

また、図１に示すように、回転子２２の内部には、トルクセンサ２６が収納されている。トルクセンサ２６は、ステアリングシャフト上の入力軸２４と、出力軸２５の間に配置されている。トルクセンサ２６の固定部は、トルクセンサ固定部材２７により、モータ５の固定子側に固定されており、トルクセンサ２６の回転部は入力軸２４、及び出力軸２５に取り付けられている。従って、運転者がハンドルを操舵すると、入力軸２４に操舵トルクτが発生し、トルクセンサ２６により操舵トルクτを検出することができる。前述したように、操舵トルクτにより演算されるアシストトルク指令値τ_ＭＲどおりのアシストトルクτ_Ｍを３相モータ５の回転子２２が出力する。回転子２２は出力軸２５に取り付けられており、出力軸には、操舵トルクτとアシストトルクτ_Ｍを加算したトルクが発生する。これにより、小さい操舵トルクτでタイヤ３ａ、３ｂを転舵することができる。

さて、トルクセンサ２６の詳細について説明する。図１において、トルクセンサ２６だけを取り出したものが図４である。このトルクセンサ２６を分解した分解図を図５に示す。トルクセンサ２６の回転部は、入力軸取付部材３１により入力軸２４に、出力軸取付部材３２により出力軸２５にそれぞれ取り付けられており、その間にトーションバー３３を配置している。このトーションバー３３は操舵トルクτにほぼ比例してねじれ角θを生じる構造となっている。また、入力軸取付部材３１にはセンサ回転部磁性部材３４が、出力軸取付部材３２にはセンサ回転部磁性部材３５〜３７、及びスペーサ４２が取り付けられている。なお、センサ回転部磁性部材３４、３５〜３７は、いずれも磁束を通しやすい磁性体であり、歯形状の凹凸部を有している。一方、トルクセンサ固定部材２７には、センサ固定部磁性部材３８、３９、センサコイル４０、４１、及びスペーサ４３が配置されている。このセンサコイル４０に電流を流すと、その電流により固定部磁性部材３８、センサ回転部磁性部材３４、３５を磁路とした閉ループで磁束が発生する。同様に、センサコイル４１に電流を流すと、固定部磁性部材３９、センサ回転部磁性部材３６、３７を磁路とする閉ループで磁束が発生する。

トルクセンサ２６の検出原理について述べる。操舵トルクτが発生すると、トーションバー３３がそれに応じてねじれ角θを生じる。このトーションバー３３のねじれにより、センサ回転部磁性部材３４とセンサ回転部磁性部材３５は相対的にずれを生じる。これにより、双方の歯形状の凹凸部には相対的な位置関係が変化する。そのため、センサコイル４０の電流により生じる磁束が変化する。つまり、センサコイル４０に対するインダクタンスＬ１が変化する。従って、センサコイル４０の電流変化を検出することにより、インダクタンスＬ１を計測できる。一方、センサコイル４１は固定部磁性部材３９、センサ回転部磁性部材３６、３７を磁路とするインダクタンスＬ２を検出することができる。ここで、センサ回転部磁性部材３６、３７は出力軸取付部材３２に固定されているので、磁気回路としては一定である。そのため、インダクタンスＬ２を基準として、インダクタンスＬ１を検出すれば、温度等によるインダクタンス変化を配慮することができる。以上のようにして、ねじれ角θに応じたセンサ出力を得られるので、操舵トルクτを精度良く検出することができる。また、センサコイル４０、４１で検出するインダクタンスはいずれもトルクセンサ２６の内部で磁路が閉じているので、回転子２２からの磁束の影響を受けにくい特徴がある。従って、このようなトルクセンサを用いることで、３相モータ５にトルクセンサを内蔵しても、精度良くトルクを検出できる。

図７は回転子磁性部材２３が図６と異なる他の例であり、回転子磁性部材２３を軸方向から見た側面図である。回転子磁性部材２３はボンド磁石５３、磁性粉末材で成形する高透磁率磁性部材５１、及び低透磁率磁性部材５２で構成されており、一体成型により生産する。これにより、均一の性能、高精度の寸法精度の回転子を低コストで提供することができる。この構造を採用することで、磁束は高透磁率磁性部材５１を主に通るので、その内側に配置した低透磁率磁性部材５２を通る磁束は、磁路が長くなることも含めて、より少なくなる。さらに、回転子構造部材２８を磁束遮蔽体とすることにより、いっそう回転子の磁束がトルクセンサ２６に影響することを防止できる。

図８は、３相モータ５における３相モータの電力引出し線２０ａ〜２０ｆとトルクセンサ引出し線２１ａ、２１ｂの引出し方法を示すモータ外形を軸方向から見た側面図である。電力引出し線２０ａ〜２０ｆは図８の上方部から引出しており、トルクセンサ引出し線２１ａ、２１ｂは下方部から引出している。電力線に対して、トルクセンサの信号線をほぼ１８０°異なる方向とすることにより、トルクセンサの信号線が受ける電力線による電磁ノイズの影響を最小限にすることができる。なお、３相モータと外部機器の配線の関係で、必ずしも、トルクセンサ引出し線２１を１８０°とすることができない場合もあるが、最低限、機械角９０°以上離した方向から引き出すことが望ましい。

図９は、３相モータと遊星歯車機構を組合せた図１と異なる他の実施例における電動パワーステアリング装置に適した構成図である。図１の回転子２２が出力軸２５に取り付けられていたのに対して、図９では、サンギア５４に回転子２２を取り付けている。これにより、３相モータ５からの出力トルクはサンギア５４に出力され、プラネタリギア５５、リングギア５７を介して、出力軸取付部材５７に減速されて伝達される。出力軸取付部材５７は出力軸２５に取り付けられているので、これらのギアにより減速比（１／Ｎ）（ここで、Ｎ＞１とする。）の割合で、３相モータ５の速度に対して減速される。逆に、３相モータ５のトルクに対して、出力軸２５でのトルクはＮ倍に増加されるので、要求される出力軸２５でのアシストトルクτ_Ｍを一定とすると、モータトルクの最大定格を（１／Ｎ）に小さくすることができる。この実施例を採用することにより、よりコンパクトなトルクセンサ付モータを用いた電動パワーステアリング装置を実現することができる。

以上が、電動パワーステアリング装置に適用した実施例であるが、トルクセンサを用いる製品に適用できることはいうまでもない。また、トルクセンサとして、トーションバーを用いた場合について説明したが、他の検出原理を持つトルクセンサを用いても良い。

実施例の３相モータの構成図。実施例の３相モータを用いた電動パワーステアリング装置の一例を示すシステム構成図。実施例の３相モータの固定子を分解した分解図。実施例の３相モータに内蔵するトルクセンサの組立図。実施例の３相モータに内蔵するトルクセンサの分解図。実施例の３相モータの回転子構造部材の断面図及び軸方向から見た側面図。実施例の３相モータの回転子磁性部材を軸方向から見た側面図。実施例の３相モータの電力引出し線とトルクセンサ引出し線の引出し方法を示すモータ外形を軸方向から見た側面図。実施例の３相モータと遊星歯車機構を組合せた電動パワーステアリング装置に適した第２の例を示す構成図。従来の電動パワーステアリング装置の構成例を示すシステム構成図。従来のモータの断面図。

符号の説明

１：ハンドル
２：ステアリングシャフト
３ａ、３ｂ：タイヤ
４：トルクセンサ
５：３相モータ
６：コントローラ
７：バッテリー
１１〜１６：固定子コア
１７〜１９：固定子コイル
２０：電力引出し線
２１：トルクセンサ引出し線
２２：回転子
２３：回転子磁性部材
２４：入力軸
２５：出力軸
２６：トルクセンサ
２７：トルクセンサ固定部材
２８：回転子構造部材
３１：入力軸固定部材
３２：出力軸固定部材
３３：トーションバー
３４〜３７：センサ回転部磁性部材
３８，３９：センサ固定部磁性部材
４０，４１：センサコイル
４２，４３：スペーサ
５１：高透磁率磁性部材
５２：低透磁率磁性部材
５３：ボンド磁石
５４：サンギア
５５：プラネタリギア
５６：リングギア
５７：出力軸取付部材
６１：固定子
６２、６３：コイルエンド
６４：回転子
６５：エンドブラケット

Claims

８極以上の極数を有し、磁性粉末材を一体成型した１対の爪型磁極と該爪型磁極に磁束を発生するコイルとから構成される１相分の固定子を複数備えたｎ相固定子（ｎは２以上の整数）と、前記磁束により回転軸にトルクを発生する回転子を具備しており、前記回転子は、内側を中空構造とするとともに、前記回転軸のトルクを検出するトルクセンサを前記内側の中空構造部分に内蔵したことを特徴とするモータ。
請求項１記載のモータにおいて、
前記回転子は、内側表面と内蔵するトルクセンサとの間に、磁束遮蔽体を配置したことを特徴とするモータ。
請求項１記載のモータにおいて、
前記回転子は、ボンド磁石と圧粉磁心とを一体成型により形成したものからなり、かつ、回転子内側部の透磁率が回転子外側部の透磁率よりも低いことを特徴とするモータ。
請求項１記載のモータにおいて、
前記コイルは、引出し線がモータの周方向の機械角９０度以内の位置に集中し、前記トルクセンサの引出し線が前記引出し線すべてと機械角９０度以上離れた個所から引出されたことを特徴とするモータ。
操舵トルクによりモータがアシストするアシストトルクを制御する電動パワーステアリング装置において、
前記モータは、請求項１〜４のいずれか１項に記載のモータであり、内蔵するトルクセンサは、前記操舵トルクを検出することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
コイルに流す３相電流により回転磁界を発生する固定子と、前記回転磁界により回転軸にトルクを発生する回転子とを備えたモータにおいて、
前記回転子は、内側を中空構造とするとともに、前記回転軸のトルクを検出するトルクセンサを前記内側の中空構造部分に内蔵し、かつ、前記コイルにより発生する回転磁界が前記トルクセンサの信号に影響することを防止する遮蔽構造にしたことを特徴とするモータ。
磁性粉末材を一体成型した１対の爪型磁極と該爪型磁極に磁束を発生するコイルとから構成される１相分の固定子を複数備えたｎ相固定子（ｎは２以上の整数）と、前記磁束により回転軸にトルクを発生する回転子を具備しており、前記固定子は、他の固定子との間に磁気遮蔽部材を配置するとともに、該磁気遮蔽部材に前記回転子の位置を検出する位置センサを配置したことを特徴とするモータ。