JP2009022120A - 電動パワーステアリング装置の電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】電磁気的アンバランスの発生を抑制すること。
【解決手段】ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいてステアリング機構に操舵補助力を付与する電動モータにおいて、ヨーク１６と、ヨーク１６の内周壁に固定された永久磁石１８と、ヨーク１６内に回転自在に配置された出力軸２４と、出力軸２４に固定されて、コア２６の外周面に形成されたスロット３８にコイル巻線４０が波巻方式で巻き付けられたアマチュア２８と、アマチュア２８に隣接して出力軸２４に固定された複数個のセグメント３４を有するコンミテータ３０と、セグメント３４のいずれかに接触する複数個のブラシ３２とを備え、アマチュア２８のスロット３８は２１個で構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置の電動モータに係り、特に、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいてステアリング機構に操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置の電動モータに関する。

自動車用の操舵系では、外部動力源を用いて操舵アシストを行うに際して、電動モータを動力源とする電動パワーステアリング（ＥＰＳ;Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）が広く採用されている。

電動パワーステアリング装置においては、電動モータの電源に車載バッテリを用いているため、直接的なエンジンの駆動損失がなく、且つ、電動モータが操舵アシスト時にのみ起動されるため、走行燃費の低下を抑えることができる。

電動パワーステアリング装置は、電動モータの装着部位によってコラムアシスト型やピニオンアシスト型に分類され、その型式に応じてステアリングシャフトやステアリングギアピニオンなどに対してアシストが行われる。電動モータには、永久磁石式の直流モータが用いられていることが多く、その駆動力が歯車減速機により減速されてアシスト対象に伝達されるようになっている。

直流モータとしては、例えば、４極・２２スロット・重巻・４ブラシ方式、４極・２１スロット・重巻・４ブラシ方式、４極・２１スロット・波巻・２ブラシ方式によるものなどが提案されている（特許文献１参照）。

ところで、電動パワーステアリング装置に用いる電動モータとして、ブラシとコンミテータとからなる機械的整流子を有するものを用いる場合、ロストルクを小さくするためには、ブラシとコンミテータとの接触圧力を非常に小さく設定する必要があり、電気的接触抵抗にばらつきが生じることがある。

この際、直流モータとして、重巻・４ブラシ方式のものを用いた場合、４つの並列回路（コイル）を備えているため、ブラシの接触抵抗にばらつきがあると、各コイルの通電電流が均等でなくなり、電動モータ内に電磁的アンバランスが生じ、制御の安定性を欠き、振動・騒音が増加することがある。

このため、従来の電動パワーステアリング装置に、重巻・４ブラシ方式の電動モータを用いるに際しては、ブラシとコンミテータとの接触を安定させるために、スプリング圧力、ブラシの表面状態、コンミテータの表面状態、ブラシホルダとブラシとのクリアランスなどを厳しく管理することが余儀なくされていた。この場合、ブラシスプリングの荷重を大きくし、ブラシの接触圧力を強くすれば、接触抵抗のばらつきは小さくできるが、ロストルクが大きくなり、また機械的接触による振動音が大きくなり好ましくない。また均圧線を設けると、接触抵抗のばらつきはキャンセルできるが高コストとなる。

一方、電動モータとして２ブラシ方式のものを用いると、ブラシの配列が直列のみであって、並列回路数は２回路となるため、ブラシの接触抵抗にばらつきがあっても、並列コイルの通電電流が均等となり、電磁的アンバランスは生じないが、ブラシの電流密度が高く、発熱が大きくなることがある。

また、電動モータを低振動・低騒音化したものが提案されている（特許文献２参照）。
特開２００５−２７５００号公報 特開平１１−３３４６１５号公報

従来技術では、電動モータの低振動・低騒音化を図っているが、電動モータ内部に電磁的アンバランスが生じると、制御の安定性が低下することが危惧される。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、電磁気的アンバランスの発生を抑制することにある。

前記目的を、本発明は、ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいてステアリング機構に操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置の電動モータにおいて、筒状のヨークと、前記ヨークの内周壁に固定された複数の永久磁石と、前記ヨーク内に回転自在に配置された出力軸と、前記出力軸に固定されてコアの外周面に、前記出力軸の軸線方向に沿って形成されたスロットにコイル巻線が波巻方式で巻回されたアマチュアと、前記アマチュアに隣接して前記出力軸に固定された複数個のセグメントを有するコンミテータと、前記コンミテータのいずれかのセグメントに接触する４以上のブラシとを備え、前記アマチュアのスロットは、複数個であって、奇数個で構成されてなることを特徴とする。

本発明によれば、電動モータのアマチュアにおけるスロットを複数個であって、奇数個とし、コイル巻線を波巻方式でスロットに巻き付け、ブラシを４以上で構成し、並列回路数を２回路としたため、ブラシの接触抵抗にばらつきが生じても、並列コイルの通電電流が均等となり、電磁的アンバランスが生じるのを抑制することができ、制御の安定性を高めることができるとともに、振動・騒音の低減を図ることができる。

また、ブラシは、そのカーボン含有率は４０％以上で、ブラシのコンミテータへの押付け力は１６０ｇｆ以下であって、同極ブラシのコンミテータへの押付け力に差を持たせてなる構成を採用することで、ブラシとコンミテータの接触が安定する。さらに、ブラシを４個以上で構成することで、電流密度を低くし、発熱も小さくすることができる。

さらに、カーボン含有率が４０％以上、前記ブラシの前記コンミテータへの押付け力が１６０ｇｆ以下の場合において、４個以上のブラシ、スロット数として奇数を組み合わせることにより、更に振動・騒音の低減を図ることが出来る。

本発明によれば、電磁的アンバランスが生じるのを抑制することができ、制御の安定性を高めることができるとともに、振動・騒音の低減を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明が適用された電動パワーステアリング装置のブロック構成図である。図１において、操舵用ハンドル１の軸（ステアリングシャフト）２は、ステアリング機構の一要素として、減速ギア４、ユニバーサルジョイント５ａ、５ｂ、ピニオンラック機構７を介して、走行車輪のタイロッド８に連結されている。軸２には操舵用ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ３が設けられ、減速ギア４には電動モータ１０が連結されている。

電子制御回路１３は、パワーステアリング装置の制御手段として、バッテリ１４からイグニッションキー１１を介して電力が供給されており、トルクセンサ３で検出された操舵トルクと車速センサ１２で検出された車速に基づいて電流指令演算を行い、演算された電流指令値Ｉに基づいて電動モータ１０に供給する電流ｉを制御するようになっている。

電子制御回路１３は、例えば、比較器、微分補償器、比例演算器および積分演算器を備え、実際に電動モータ１０に流れるモータ電流値ｉが電流指令値Ｉに一致するように、電流フィードバック制御を実行するようになっている。そして、電子制御回路１３においては、ハンドル１が操作されて、軸２から操舵トルクが発生しているときに、トルクセンサ３によって検出された操舵トルクが大きく、また車速センサ１２により検出された車速が０あるいは低速の場合は電流指令値Ｉを大きく設定し、トルクセンサ３により検出された操舵トルクが小さく、また車速センサ１２により検出された車速が高速の場合には、電流指令値Ｉを小さく設定し、走行状態に応じて最適の操舵補助力を電動モータ１０から減速ギア４を介して軸２に伝達させるようになっている。

電動モータ１０は、図２に示すように、ほぼ円筒状に形成されたヨーク１６と、ヨーク１６の内周壁に固定された複数、例えば、４極の永久磁石（マグネット）１８と、ヨーク１６内に配置されて、その両端側が軸受２０、２２に回転自在に支持された出力軸２４と、出力軸２４に固定された円環状のコア２６を有するアマチュア２８と、アマチュア２８に隣接して出力軸２４に固定されたコンミテータ３０と、コンミテータ３０に相対向して配置された４個のブラシ３２を備えて構成されている。

コンミテータ（整流子）３０は、図３に示すように、複数個のセグメント３４を備えている。各セグメント３４は、出力軸２４の軸線方向に沿って形成されたスリット３６によって分離されて、出力軸２４の周方向に沿って配置されている。各ブラシ３２はいずれかのセグメント３４と接触するように配置されている。

一方、アマチュア２８のコア２６には、図４に示すように、出力軸２４の軸線方向に沿ってスロット３８が形成されており、このコア２６には、２１個のスロット３８が円周方向に沿って一定間隔を保って形成されている。各スロット３８には、コイル巻線４０が波巻方式で形成されている。

すなわち、図４に示すように、＃１〜＃２１のスロット３８には、２１個のセグメント３４に対応して、コイル巻線４０が波巻方式で巻き付けられている。

この際、界磁部として、４極の永久磁石（マグネット）１８を用いた場合、各コイル巻線４０の同極間における距離は２磁極ピッチＰ１以上に保たれ、各コイル巻線４０のコイル辺とコイル辺の間隔はｙに保たれ、各コイル巻線４０の異極間の距離はｙｂまたはｙｆの距離に保たれている。そして波巻方式で各スロット３８にコイル巻線４０を巻き付けると、永久磁石（マグネット）１８が４極の場合でも、途中で起電力の方向が変わる点は２箇所となり、４個のブラシ３２のうち一対のブラシ３２の一方が正極のブラシに、他方が負極のブラシに、他の２つのブラシ３２がコイル巻線４０を短絡するためのブラシになり、並列回路数は２個となる。なお、同極ブラシはコイル巻線で短絡されている。

一方、スロット３８にコイル巻線４０を重巻方式で巻き付けると、図６に示すように、相隣接する磁極間でコイル巻線４０が重ね合わされて巻き付けられ、相隣接する磁極間におけるコイル巻線４０の磁極ピッチはＰ２となり、並列回路数は４個となる。このため、スロット３８にコイル巻線４０を重巻方式で巻き付けたのでは、ブラシ３２の接触抵抗にばらつきがあると、各コイルの通電電流が均等でなくなり、電動モータ１０内に電磁気的アンバランスが生じる。

本実施例によれば、アマチュア２８のコア２６の各スロット３８にコイル巻線４０を波巻方式で巻き付けるようにしたため、電動モータ１０として４ブラシのものを用いても、並列回路数は２回路となり、同極ブラシ３２は同電位となるので、ブラシ３２とコンミテータ３０の電気的接触抵抗にばらつきがあっても、コイル巻線４０のうち並列となるコイルの通電電流は均等となり、電動モータ１０の電磁的アンバランスを極めて小さくすることができ、制御の安定性を高めることができるとともに、振動・騒音の低減を図ることが可能になる。

また、本実施例によれば、ブラシ３２の接触抵抗のばらつきを許容できるので、ブラシ３２に対する接触抵抗の管理を厳しくしなくても、ブラシ３２に対する接触圧力を下げることができ、電動モータ１０のロストルクを低減することができる。さらに、スロット３８が奇数個（２１個）で構成されているため、コギングトルクを小さくすることができる。

さらに、電動モータ１０として、２１スロットのものを用いることで、並列コイルのバランスが良くなり、小型化も可能となる。

前記実施例においては、電動モータ１０として、２１スロット・４ブラシのものを用いたが、ブラシ３２としては４個以上のものであれば、スロット３８を奇数個として、各スロット３８にコイル巻線４０を波巻方式で巻き付ければ、例えば、スロット３８が２３スロットであっても、制御の安定性が高く、振動・騒音の小さい電動モータ１０を構成することができる。

また同極ブラシ３２の接触圧力に積極的に差を設けることで、接触抵抗に差が生じても、並列コイルの通電電流は均等となるため、同極ブラシ３２の一方のブラシ接触圧力を小さくしても、ロストルクを低減することができる。

また、波巻方式を用いることで、１つのブラシ３２が故障（オープン）しても、電動モータの特性に大きな変化はなく、フェールセーフの観点からも電動パワーステアリング装置に適している。

また、電動モータ１０として、４個のブラシ３２を用いているため、ブラシ３２の電流密度は小さく、発熱も小さくすることができる。

また、電動モータ１０を構成するに際しては、ブラシ３２の幅・材料・接触圧力を適正化することで、騒音・振動の小さい電動モータ１０を実現することができる。

例えば、複数のブラシのうち少なくとも１つのブラシ３２の周方向の幅を、コンミテータ３０の１つのセグメント３０の幅よりも大きくし、ブラシ３２のカーボン含有率を４０％以上とし、１つのブラシ３２のセグメント３４に対する押付け力を１６０ｇｆ以下とし、同極ブラシ３２のコンミテータ３０（セグメント３４）への押付け力に差を持たせることで、騒音・振動の小さい電動モータ１０を実現することができる。

本実施例によれば、ブラシ３２の幅・材料・接触圧力を適正化することで、騒音・振動の小さい電動モータ１０を実現することができる。

本発明に適用された電動パワーステアリング装置のブロック構成図である。 電動モータの断面図である。 ブラシとコンミテータとの関係を説明するための斜視図である。 アマチュアのコアに形成されたスロットと磁極との関係を説明するための断面図である。 波巻方式を適用したときのブラシとコイルとの関係を説明するための図である。 重巻方式を適用したときのブラシとコイルとの関係を説明するための図である。

符号の説明

３ トルクセンサ、１０ 電動モータ、１２ 車速センサ、１３ 電子制御回路、１６ ヨーク、１８ 永久磁石、２４ 出力軸、２６ コア、２８ アマチュア、３０ コンミテータ、３２ ブラシ、３４ セグメント、３８ スロット

Claims (4)

1. ステアリングシャフトに発生する操舵トルクに基づいてステアリング機構に操舵補助力を付与する電動パワーステアリング装置の電動モータにおいて、
   筒状のヨークと、前記ヨークの内周壁に固定された複数の永久磁石と、前記ヨーク内に回転自在に配置された出力軸と、前記出力軸に固定されてコアの外周面に、前記出力軸の軸線方向に沿って形成されたスロットにコイル巻線が波巻方式で巻回されたアマチュアと、前記アマチュアに隣接して前記出力軸に固定された複数個のセグメントを有するコンミテータと、前記コンミテータのいずれかのセグメントに接触する４以上のブラシとを備え、前記アマチュアのスロットは、複数個であって、奇数個で構成されてなる電動パワーステアリング装置の電動モータ。
2. 前記ブラシは、その周方向における幅が、前記コンミテータの１つのセグメントの幅よりも大きく形成され、同極ブラシのコンミテータへの押付け力に差を持たせてなる、請求項１記載の電動パワーステアリング装置の電動モータ。
3. 前記ブラシは、そのカーボン含有率は４０％以上で、前記ブラシの前記コンミテータへの押付け力は１６０ｇｆ以下である、請求項１記載の電動パワーステアリング装置の電動モータ。
4. 前記アマチュアのスロット数は、２１である、請求項１、２または３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置の電動モータ。

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