JP2009083655A - 電動パワーステアリング装置 - 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を備えた電動パワーステアリング装置において、電動モータ１０は、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モータを備えた電動パワーステアリング装置に関する。

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、外乱オブサーバを用いて制御の安定性を図るようにしたものも提案されている（特許文献２参照）。
特開２００５−２７５００号公報 特開平８−３１０４１７号公報

従来技術では、外乱オブザーバを用いて電動モータの制御の安定性を維持するようにしているが、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。

前記目的を達成するために、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モータと、前記電動モータの出力を制御する制御装置を備えた電動パワーステアリング装置において、前記制御装置は、モータ出力の制御目標値である電流指令値を演算する演算手段と、実際にモータに流れるモータ電流値を検出するモータ電流検出手段と、 前記演算手段で演算されたモータ出力の制御目標値である電流指令値と前記モータ電流検出手段により検出されたモータ電流値に基づいて、制御器出力基準における希望するモータ制御特性と実際のモータ制御特性との差を演算し、演算結果に応じて前記モータ電流をフィードバック制御する制御手段と、を備え、前記電動モータは、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個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、ブラシを複数個で構成し、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。さらにブラシを４個で構成したため、ブラシの電流密度を低くすることができるとともに、発熱も小さくすることができる。

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、本発明の一実施例を示す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装置として、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。図７に、制御系の伝達関数を示す。５０は、制御対象のモータ１０を示し、５０ｂは、モータ要素、５０ａは、比例定数Ｋを示す。５１は、電流指令値Ｉに対する実際のモータ電流値ｉの応答特性を定義するためのフィードフォワード補償器である。５２は、加算器で、５３と５４は加算要素で、５５は、希望するモータ特性の逆特性を示す回路要素である。５６は、加算器で、回路要素５５の出力と回路要素５２の出力Ｕ２との差、具体的には、制御器出力基準における希望するモータ制御特性と実際の制御特性の差を演算するものである。すなわち、電子制御回路１３は制御装置として、 モータ出力の制御目標値である電流指令値を演算する演算手段と、 実際にモータに流れるデータ電流値を検出するモータ電流検出手段と、 前記演算手段で演算されたモータ出力の制御目標値である電流指令値と前記モータ電流検出手段により検出されたモータ電流値に基づいて制御器出力基準における希望するモータ制御特性と、実際のモータ制御特性との差を演算してフィードバック制御する制御手段とを備えている。

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（軸方向）に沿って形成されたスリット３６によって互いに分離されており、各セグメント３４は、スリット３６を間にして、出力軸２４の周方向に沿って一定の間隔を保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複数個、例えば、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、同極間における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。

波巻方式で各スロットにコイル巻線を巻き付け、永久磁石(マグネット)が４極で、４個のブラシを設けると、あるセグメントに接続されたコイル片は、ほぼ１８０度反対側のセグメントに接続される。同極ブラシは１８０度対峙した位置に設けているため、同極ブラシに接触したセグメント間のコイル片には電流が流れない。同極ブラシ間のコイルは短絡回路となり、有効回路になっていない。異極ブラシ間のコイルが有効回路になるため、見かけ上、この有効回路(並列回路)は２個となっている。

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、外乱オブザーバを用いた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、外乱オブザーバを用いた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。

本発明の一実施例を示す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。 この発明で使用する制御系の伝達関数を示すブロック図である。

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 (3)

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モータと、前記電動モータの出力を制御する制御装置を備えた電動パワーステアリング装置において、
   前記制御装置は、
   モータ出力の制御目標値である電流指令値を演算する演算手段と、
   実際にモータに流れるモータ電流値を検出するモータ電流検出手段と、
   前記演算手段で演算されたモータ出力の制御目標値である電流指令値と前記モータ電流検出手段により検出されたモータ電流値に基づいて、制御器出力基準における希望するモータ制御特性と実際のモータ制御特性との差を演算し、演算結果に応じて前記モータ電流をフィードバック制御する制御手段と、を備え、
   前記電動モータは、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複数のブラシとを備え、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。
2. 前記アマチュアのスロット数は、２１である、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記ブラシは、４個以上で構成されてなる、請求項１または２記載の電動パワーステアリング装置。

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