JP2007318974A - ブラシレスモータ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束密度の飽和の影響を受け難いブラシレスモータの提供。
【解決手段】希土類ネオジウムを含む１０極の永久磁石１１がロータヨーク９に周設され、外径が４５ｍｍ乃至５５ｍｍであるロータと、スロット数が１２であり、外径が７５ｍｍ乃至８５ｍｍであるステータコア３を有し、最大電流時の起磁力が７００アンペアターン以上であるステータとを備えるブラシレスモータ。ステータコア３は、ティース幅ｂがロータの外径の０．１４倍以上である構成である。
【選択図】図４

Description

本発明は、ブラシレスモータ、及び該ブラシレスモータを操舵補助用に備え、トルクセンサが検出した操舵トルクに応じてブラシレスモータを駆動制御する電動パワーステアリング装置に関するものである。

運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置は、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルクセンサが入力軸に加わる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用のモータを駆動制御するものである。

このような電動パワーステアリング装置では、操舵補助用のモータには、高出力化に対応する為、近年、ブラシレスモータが採用されるようになって来ている。ブラシレスモータは、ロータに永久磁石を備え、ステータに回転磁界を発生させる波形形成回路を、ロータの（回転）位置に基づき制御することにより、ロータを回転させるモータであり、ブラシが無いので、ブラシによる損失、機械的なノイズ及びブラシによる電気的なノイズは発生しない。

特許文献１には、回転子の磁極数が１０であり、固定子のティース間の溝数（スロット数）が１２である電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータが開示されている。
特開２００３−２５０２５４号公報

電動パワーステアリング装置の操舵補助用のブラシレスモータでは、例えば、ステータコアのティースを細くすると、磁束密度の飽和が発生し、この影響により電流−トルク関係の線形性が大きく崩れ、操舵補助制御が困難になるという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１〜６発明では、磁束密度の飽和の影響を受け難いブラシレスモータを提供することを目的とする。
第７発明では、第１〜６発明の何れかに記載されたブラシレスモータを操舵補助用のモータとして備える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。

第１発明に係るブラシレスモータは、希土類ネオジウムを含む１０極の永久磁石がロータヨークに周設され、外径が４５ｍｍ乃至５５ｍｍであるロータと、スロット数が１２であり、外径が７５ｍｍ乃至８５ｍｍであるステータコアを有し、最大電流時の起磁力が７００アンペアターン以上であるステータとを備えるブラシレスモータにおいて、前記ステータコアは、ティース幅が前記ロータの外径の０．１４倍以上であることを特徴とする。

第２発明に係るブラシレスモータは、前記ステータコアは、スロット開口幅が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。

第３発明に係るブラシレスモータは、前記ステータコアは、ヨーク幅がティース幅の４５％以上であることを特徴とする。

第４発明に係るブラシレスモータは、前記永久磁石は、ロータの径方向の厚さが２ｍｍ以上であることを特徴とする。

第５発明に係るブラシレスモータは、前記ステータコアは、磁化力が１００００Ａ／ｍであるときの磁束密度が１．７９テスラ以上である電磁鋼板により構成されていることを特徴とする。

第６発明に係るブラシレスモータは、前記永久磁石の残留磁束密度が１．３０テスラ以上である場合、前記ロータヨークの径方向の最小厚さが５ｍｍ以上であることを特徴とする。

第７発明に係る電動パワーステアリング装置は、車両の操舵部材に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵補助用の請求項１乃至６の何れか１項に記載されたブラシレスモータとを備え、前記トルクセンサが検出した操舵トルクに応じて前記ブラシレスモータを駆動し、操舵補助するように構成してあることを特徴とする。

第１発明に係るブラシレスモータによれば、ロータは、外径が４５ｍｍ乃至５５ｍｍであり、ステータは、スロット数が１２であり、外径が７５ｍｍ乃至８５ｍｍであるステータコアを有し、最大電流時の起磁力が７００アンペアターン以上であり、ステータコアは、ティース幅が、ロータの外径の０．１４倍以上であるので、磁束密度の飽和の影響を受け難いブラシレスモータを実現することができる。

第２発明に係るブラシレスモータによれば、ステータコアは、スロット開口幅が０．５ｍｍ以上であるので、磁束密度の飽和の影響を受け難いブラシレスモータを実現することができる。

第３発明に係るブラシレスモータによれば、ステータコアは、ヨーク幅がティース幅の４５％以上であるので、磁束密度の飽和の影響を受け難いブラシレスモータを実現することができる。

第４発明に係るブラシレスモータによれば、永久磁石は、ロータの径方向の厚さが２ｍｍ以上であるので、磁束密度の飽和の影響を受け難いブラシレスモータを実現することができる。

第５発明に係るブラシレスモータによれば、ステータコアは、磁化力が１００００Ａ／ｍであるときの磁束密度が１．７９テスラ以上である電磁鋼板により構成されているので、磁束密度の飽和の影響を受け難いブラシレスモータを実現することができる。

第６発明に係るブラシレスモータによれば、永久磁石の残留磁束密度が１．３０テスラ以上である場合、ロータヨークの径方向の最小厚さが５ｍｍ以上であるので、磁束密度の飽和の影響を受け難いブラシレスモータを実現することができる。

第７発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、車両の操舵部材に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵補助用の請求項１乃至６の何れか１項に記載されたブラシレスモータとを備え、トルクセンサが検出した操舵トルクに応じてブラシレスモータを駆動し、操舵補助するように構成してあるので、第１〜６発明の何れかに記載されたブラシレスモータを操舵補助用のモータとして備える電動パワーステアリング装置を実現することができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の構成を示す模式図である。この電動パワーステアリング装置は、例えば舵取りの為の操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）６７と、操舵部材６７の操舵に応じて駆動される操舵補助用のブラシレスモータであるモータ５２と、モータ５２の回転を減速歯車機構６８を介して舵取機構６３，６３に伝える伝動手段６４と、モータ５２を駆動制御する駆動制御装置５１とを備えている。操舵部材６７は、入力軸６６に連結されている。

伝動手段６４は、入力軸６６に図示しないトーションバーを介して連結される出力軸６９と、出力軸６９にユニバーサルジョイントを介して連結される連結軸７０と、連結軸７０にユニバーサルジョイントを介して連結されるピニオン軸６１と、ピニオン軸６１のピニオンに噛合するラック歯を有し、左右の操向輪７１，７１に舵取機構６３，６３を介して連結されるラック軸６２とを備えている。入力軸６６及び伝動手段６４は操舵軸６５を構成している。

入力軸６６の周りには、操舵部材６７を操作することにより入力軸６６に加わる操舵トルク値を、トーションバーに生じる捩れによって検出するトルクセンサ５３が配置されており、トルクセンサ５３が検出した操舵トルク値に基づいて、駆動制御装置５１が操舵補助用のモータ５２を駆動制御するように構成してある。
減速歯車機構６８は、モータ５２の出力軸に繋がるウォームと、出力軸６９の途中に嵌合されるウォームホイールとを備えており、モータ５２の回転をウォーム及びウォームホイールから出力軸６９に伝達するように構成してある。

このような構成の電動パワーステアリング装置では、操舵部材６７の操作による舵取り操作力を入力軸６６、トーションバー（図示せず）、出力軸６９、連結軸７０、及びピニオン軸６１を介してラック軸６２に伝達し、ラック軸６２を軸長方向へ移動させ、舵取機構６３，６３を作動させる。また、それと共に、トルクセンサ５３が検出した操舵トルク値に基づき、駆動制御装置５１がモータ５２を駆動制御し、モータ５２の駆動力を出力軸６９に伝達することにより、運転者の操舵力を補助し労力負担を軽減する。

図２は、本発明に係るブラシレスモータの実施の形態であるモータ５２の回転軸を通る平面における側縦断面図である。
モータ５２は、有底円筒形状のモータケース１が、ステータコア３の外周面を内周面で支持し、一方側に設けられた底の中央部には貫通孔が設けられている。ステータコア３には、最大電流時の起磁力が７００アンペアターン以上になるように、ステータコイル５が巻かれてステータを構成している。

ステータコア３は、外径が７５〜８５ｍｍであり、磁化力が１００００Ａ／ｍであるときの磁束密度が１．７９テスラ以上である電磁鋼板により構成され、図３の横断面図に示すように、１２個のスロットを有している。また、例えば、ヨーク幅ａが４．４ｍｍ、ティース幅ｂが７．７ｍｍであり、ヨーク幅ａがティース幅ｂの４５％以上となっており、スロット開口幅ｃが０．５ｍｍ以上である。

回転軸７のステータコイル５に対向する位置には、ロータヨーク９が周設されており、ロータヨーク９の外周面には、図４の横断面図に示すように、希土類ネオジウムを含む１０極の永久磁石１１がリング状に貼付けられている。ロータヨーク９及び永久磁石１１全体は、保護管１０に収納され、外径が４５〜５５ｍｍであるロータを構成している。
上述したステータコア３のティース幅ｂ（７．７ｍｍ）は、ロータの外径の０．１４倍以上に定められている。

永久磁石１１は、ロータの径方向の厚さｄが２ｍｍ以上に定められており、永久磁石１１の残留磁束密度が１．３０テスラ以上である場合、ロータヨーク９の径方向の最小厚さは５ｍｍ以上に定められている。
また、永久磁石１１のロータの径方向の厚さｄが２ｍｍ以上であれば、１．３０テスラ以上の十分な残留磁束密度を得ることができる。

モータケース１の他方側の開口部は、ブラケット２が塞いでおり、ブラケット２は、その中央部に設けられた貫通孔の内周面で、回転軸７の他方側である出力軸側軸受８を支持している。
ステータコア３は、開口部からモータケース１内周面に周設された段差部２５迄、一部を残して圧入されており、圧入されていない部分は、ブラケット２と嵌め合う為のインローとなっている。

回転軸７の一方側である反出力軸側軸受１８は、有底円筒形状のエンドハウジング２０の他方側の底中央部に設けられた貫通孔の内周面で支持されている。エンドハウジング２０は、一方側の端部に鍔部が周設されており、この鍔部がモータケース１の底に当接する迄、開口部から圧入又は挿入されている。
エンドハウジング２０の円筒部の外周面には、バスバーハウジング１４が周設され、エンドハウジング２０の円筒部の内部には、ロータの回転位置を検出するレゾルバ（回転角センサ）１２のレゾルバロータ１９と、その外周部に設けられたレゾルバステータ１６とが収納されている。

レゾルバ１２の電源供給線及び信号線は、コネクタ１３により駆動制御装置５１と接続され、コネクタ１３は、エンドカバー２１に設けられた孔に着設されたグロメット１７に挿設されている。
モータケース１の周面の底に隣接する側には、駆動制御装置５１と接続する為のコネクタ２３が突設されている。コネクタ２３のモータ側各端子は、モータケース１の外周面に設けられた孔を貫通して、モータケース１内に突出し、バスバー１５の各端子にネジ２２で各ネジ止めされている。

エンドカバー２１は、モータケース１の底と略重なる形状で、モータケース１の底、エンドハウジング２０及びレゾルバ１２を覆って、異物混入を防止する。エンドカバー２１は、周縁部に設けられた３つの孔、及びこの３つの孔に各対応してモータケース１の底に設けられた３つの孔を貫通した各ネジ２４により、エンドハウジング２０に設けられた３つのネジ穴にネジ止めされている。

以上のような構成のモータ５２で、ステータコア３のティース幅ｂが、例えばロータの外径の０．１３倍である場合、図５に示すように、相電流５０Ａ（実効値）で既に磁束密度の飽和の影響が顕著であるが、ティース幅ｂがロータの外径の０．１４倍である場合、７７Ａ程度で漸く飽和の影響が現れる。このとき、ターン数を９としているので、起磁力は略７００アンペアターンとなる。
以上より、磁化力が１００００Ａ／ｍであるときの磁束密度が１．７９テスラ未満である電磁鋼板をステータコア３に使用すると、更に低い電流値で磁束密度の飽和の影響が現れることになる。従って、磁化力が１００００Ａ／ｍであるときの磁束密度が１．７９テスラ以上である電磁鋼板をステータコア３に使用し、ステータコア３のティース幅ｂをロータの外径の０．１４倍以上とすることにより、磁束密度の飽和の影響を受け難くすることができる。

また、以上のような構成のモータ５２で、ステータコア３のスロット開口幅ｃと平均（出力）トルクとの関係は、図６の特性図で示される。ここで、スロット開口幅が０．７５ｍｍのときに、平均（出力）トルクが最大となるが、１％のトルク低下まで許容すると、スロット開口幅は０．５ｍｍ以上となる。但し、コギングトルクが大きくなるので、スロット開口幅には上限が有る。

また、以上のような構成のモータ５２で、ステータコア３のヨーク幅ａ／ティース幅ｂ（％）と（出力）トルク比率（％；最大値を１００とする）との関係は、図７の特性図で示される。ここで、（出力）トルクの低下が１％まで許容されるとすると、ステータコア３のヨーク幅ａは、ティース幅ｂの４５％以上である必要がある。
また、以上のような構成のモータ５２で、ロータヨーク９の径方向の最小厚さ（ｍｍ）と（出力）トルク（Ｎｍ）との関係は、図８の特性図で示される。ここで、ロータヨーク９の径方向の最小厚さが５（ｍｍ）以上であれば、（出力）トルクの低下を０．１％以内に抑制することが可能となる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置の実施の形態の構成を示す模式図である。 本発明に係るブラシレスモータの実施の形態の構成を示す側縦断面図である。 ステータコアの断面形状例を示す横断面図である。 ロータ及びステータコアの断面形状例を示す横断面図である。 ティース幅が、ロータの外径の０．１３倍である場合、及び０．１４倍である場合の相電流とトルク定数との関係を示す特性図である。 スロット開口幅と平均（出力）トルクとの関係を示す特性図である。 ステータコアのヨーク幅／ティース幅（％）と（出力）トルク比率（％；最大値を１００とする）との関係を示す特性図である。 ロータヨークの径方向の最小厚さ（ｍｍ）と（出力）トルク（Ｎｍ）との関係を示す特性図である。

符号の説明

１ モータケース、１ｄ （モータケースの）底、２ ブラケット、３ ステータコア、５ ステータコイル、７ 回転軸（シャフト）、８ 出力軸側軸受、９ ロータ（ヨーク）、１１ 永久磁石、１４ バスバーハウジング、１５ バスバー、１８ 反出力軸側軸受、２０ エンドハウジング、２１ エンドカバー、２５ 段差部、２３ コネクタ、５１ 駆動制御装置、５２ モータ（ブラシレスモータ）、５３ トルクセンサ、６７ 操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）

Claims (7)

1. 希土類ネオジウムを含む１０極の永久磁石がロータヨークに周設され、外径が４５ｍｍ乃至５５ｍｍであるロータと、スロット数が１２であり、外径が７５ｍｍ乃至８５ｍｍであるステータコアを有し、最大電流時の起磁力が７００アンペアターン以上であるステータとを備えるブラシレスモータにおいて、
   前記ステータコアは、ティース幅が前記ロータの外径の０．１４倍以上であることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記ステータコアは、スロット開口幅が０．５ｍｍ以上である請求項１記載のブラシレスモータ。
3. 前記ステータコアは、ヨーク幅がティース幅の４５％以上である請求項１又は２記載のブラシレスモータ。
4. 前記永久磁石は、ロータの径方向の厚さが２ｍｍ以上である請求項１乃至３の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
5. 前記ステータコアは、磁化力が１００００Ａ／ｍであるときの磁束密度が１．７９テスラ以上である電磁鋼板により構成されている請求項１乃至４の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
6. 前記永久磁石の残留磁束密度が１．３０テスラ以上である場合、前記ロータヨークの径方向の最小厚さが５ｍｍ以上である請求項１乃至５の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
7. 車両の操舵部材に加わる操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵補助用の請求項１乃至６の何れか１項に記載されたブラシレスモータとを備え、前記トルクセンサが検出した操舵トルクに応じて前記ブラシレスモータを駆動し、操舵補助するように構成してある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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