JP2016048985A - コラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、コラム型電動パワーステアリング装置に使用するにあたり、大型化することなく、騒音を低減させることが可能なコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータを提供することにある。【解決手段】コラム型電動パワーステアリング装置Ｓにおいて、ステアリングコラムＳ１０に配設され、ステアリングシャフトＳ３の運動をアシストするコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータＭに関する。このモータＭは、シャフト１と、表面永久磁石型の回転子３と、回転磁界を発生させる固定子２と、を備えて構成されており、回転子コア３１表面に配置されたマグネット３２は、逆ラジアル配向に着磁されている。【選択図】図２

Description

本発明はコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータにかかり、特に、表面永久磁石界磁方式が有効に活用されたコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータに関するものである。

現在、車両のハンドルに対しては、パワーステアリング装置が採用されることが一般的である。
これは、一般的に知られているように、ハンドルの操舵力を補填し、ハンドリングを容易かつ快適に行うための装置である。
このパワーステアリング装置としては、油圧ポンプの圧力を利用する油圧式が初期に開発されていたが、現在では、モータを使用して操舵力を補助する電動パワーステアリング装置が主流である。
このようにモータを使用する形式の装置としては、ピニオン式やラック式等の形式のものも提案されているが、所謂「コラム式」と称する方式では、ＥＣＵやモータを車室内に配置することができるため防水性を確保しやすく、エンジンからの熱の影響も少ないという利点がある。
このような「コラム式」の電動パワーステアリング装置のついての技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、コラム式の電動パワーステアリング装置についての技術が開示されている。
当該技術における電動パワーステアリング装置においては、ステアリングホイールが取り付けられたステアリングシャフトの他端側は、自在継手を介して、インターミディエイトに連結されている。このステアリングシャフトは、円筒状の入力軸内に、出力軸の一部が貫挿されて構成されており、入力軸の基端部には、ステアリングホイールが固定され、出力軸の先端部には、自在継手が連結されている。
入力軸と出力軸の間には、トーションバーが設けられ、入力軸の回転に追従して出力軸が回転可能となっている。そして、ステアリング操作に基づく、回転及び操舵トルクはラックとピニオン軸に伝達され、ピニオン軸の回転にてラックが車幅方向に往復動するように構成されており、これに従い、ラックの両端に連結したタイロッドを介して操舵輪の舵角が変更される構成となっている。
そして、入力軸には、ステアリングコラムが装備されており、このステアリングコラムには、モータが設けられている。このモータは、入力軸を回転制御してステアリング操作をする際に、ステアリングホイールに対して補助操舵力を付与するように構成されている。

特開２０１３−２３６４５５号公報

このように、特許文献１に記載されたようなコラム式の電動パワーステアリング装置が知られている。
一方、上記に、コラム型電動パワーステアリング装置の利点を説明したが、欠点としては、ステアリング近傍に、モータを有するアシスト機構が配置されるため、車室内での作動音が気になりやすいという問題があった。
このため、静音性を高くしたいという要望があり、このため、使用されるモータに対しても作動音をできるだけ小さくしたいという要望がある。
静音性を確保するため、磁気音からくる騒音を低減させるためには、モータとして使用されるブラシレスモータにおいて、電機子のティースを線形を維持したまま太くする方法や、永久磁石のマグネット長（軸方向の長さ）を大きくする方法が考えられるが、どちらもモータの体格を大きくすることとなり、装置の小型化が求められる昨今において、適切な対応とはなりづらい。
更に、電動パワーステアリング装置においては、更なる俊敏な駆動補助の要請もあった。

本発明の目的は、上記各問題点を解決することにあり、コラム型電動パワーステアリング装置に使用するにあたり、大型化することなく、騒音を低減させることが可能なコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、コラム型電動パワーステアリング装置に使用するにあたり、より俊敏なステアリング操舵補助を実現可能なコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータを提供することにある。

上記課題は、本発明に係るコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータによれば、コラム型電動パワーステアリング装置において、ステアリングコラムに配設され、ステアリングシャフトの運動をアシストするモータであって、該モータは、回転中心軸となるシャフトと、該シャフトに固定されて共に回転可能に支持される回転子コアと、該回転子コアの外側面周方向に配置された複数のマグネットと、を備えた表面永久磁石型の回転子と、該回転子の外側面を覆うように配設され、電源装置より電源が供給されることにより、回転磁界を発生させる固定子と、を備えて構成されており、前記マグネットは、逆ラジアル配向に着磁されていることにより解決される。

このように本発明では、コラム型電動パワーステアリング装置用のブラシレスモータに、表面永久磁石型の回転子を使用し、この永久磁石（マグネット）に逆ラジアル配向の着磁を行った。
これにより、磁束を集向点に集中させることができ、磁束密度波形を正弦波に近い波形にすることが可能となるため、モータを大型化することなく、騒音を低減させることが可能となる。

また、このとき、請求項２に記載のように、前記マグネットは、複数の前記マグネットは、磁極が交互に配設されており、周方向に隣接する前記マグネット間には、空間が介在していると好適である。
このように構成されていると、異極のマグネットが接触することを回避できるため、磁束密度波形をより理想的な正弦波曲線に近づけることができる。

更に、請求項３に記載のように、前記回転子コアには、軸方向に貫通する貫通孔が複数形成されており、隣接する前記貫通孔の間には、前記回転子コア外側面と前記シャフトとを連結する連結部が形成されており、前記連結部は、前記回転子コアにおいて、前記空間が形成される位置から前記シャフトへと向かう位置に形成されていると好適である。

このように構成されていることにより、貫通孔を形成した分、回転子コアの重量が小さくなるため、回転子コアの機動力が向上する。
また、マグネット間の空間から中心に向かう連結部が磁気通路の役割を果たし、回転子コアにおいて、磁気が潤滑に流れるようになる。
よって、俊敏なステアリング操舵補助につながる。

本発明によれば、表面永久磁石型の回転子を使用し、この永久磁石（マグネット）に逆ラジアル配向の着磁したため、磁束を集向点に集中させて、磁束密度波形を正弦波に近い波形にすることが可能となる。
よって、逆ラジアル配向着磁により、ブラシレスモータを大型化することなく、騒音を低減することができる。
また、回転子コアに貫通孔及び連結部を形成したことにより、回転子の軽量化と磁気流路の円滑化を行うことが可能となり、モータの機動性を向上させることができる。
以上のように、本発明によれば、ブラシレスモータをコラム型電動パワーステアリング装置に対して使用するにあたり、大型化することなく、騒音を低減させることができる。
また、モータの機動性を向上させ、電動パワーステアリング装置において、俊敏な駆動補助に寄与することができる。

本発明の一実施形態に係るコラム型電動パワーステアリング装置を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るモータの径方向断面を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るマグネットの配向方向を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るマグネットの表面磁束波形を示すチャートである。 改変例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する構成は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
本実施形態は、コラム型電動パワーステアリング装置に好適に適用されるブラシレスモータに関するものであり、このブラシレスモータとしては、表面永久磁石界磁式モータ（ＳＰＭ）が採用され、マグネットにおいては逆ラジアル配向が採用されている。
これにより、磁束密度を大きくし、大型化することなく静音を実現できる。

図１乃至図４は、本発明の一実施形態を示すものであり、図１はコラム型電動パワーステアリング装置を示す説明図、図２はモータの径方向断面を示す説明図、図３はマグネットの配向方向を示す説明図、図４はマグネットの表面磁束波形を示すチャートである。
なお、図５は改変例を示す説明図である。

最初に、図１により、本実施形態に係る、コラム型の電動パワーステアリング装置Ｓについて説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置Ｓは、コラム型が採用されており、ステアリングホイールＳ２、ステアリングシャフトＳ３、自在継手Ｓ４、インターミディエイトＳ５、ラックＳ６、ピニオン軸Ｓ７、タイロッドＳ８、を有して構成されている。
ステアリングホイールＳ２の基端部には、ステアリングシャフトＳ３が連結されており、このステアリングシャフトＳ３の他端部には、自在継手Ｓ４を介して、インターミディエイトＳ５が連結されている。

ステアリングシャフトＳ３は、入力軸Ｓ３ａと、出力軸Ｓ３ｂと、を有して構成されており、円筒状の入力軸Ｓ３ａ内に、出力軸Ｓ３ｂの一部が貫挿されている。
入力軸Ｓ３ａの基端部には、ステアリングホイールＳ２が固定され、出力軸Ｓ３ｂの先端部には、自在継手Ｓ４が連結されている。
また、入力軸Ｓ３ａと出力軸Ｓ３ｂの間には、図示しないトーションバーが設けられ、入力軸Ｓ３ａの回転に追従して出力軸Ｓ３ｂを回転させるようになっている。

そして、ステアリング操作に基づく、回転及び操舵トルクはラックＳ６及びピニオン軸Ｓ７に伝達され、ピニオン軸Ｓ７の回転によって、ラックＳ６が車幅方向に往復運動する。これにより、ラックＳ６の両端に連結したタイロッドＳ８を介して操舵輪Ｓ９の舵角が変更される。

ステアリングシャフトＳ３の入力軸Ｓ３ａには、ステアリングコラムＳ１０が装備されている。ステアリングコラムＳ１０には、コラム型電動パワーステアリング装置用モータとしてのモータＭが設けられている。このモータＭは、入力軸Ｓ３ａを回転制御してステアリング操作をする際に、ステアリングホイールＳ２に対して補助操舵力を付与する。
なお、このモータＭに関しては、本発明の主要構成であるため、後に詳述する。

簡単に説明すると、ステアリングホイールＳ２の操作に基づいて入力軸Ｓ３ａが回転すると、出力軸Ｓ３ｂとの間にずれが生じ、このずれが図示しないトーションバーのねじれとなって現れる。つまり、出力軸Ｓ３ｂは、操舵輪Ｓ９の路面抵抗等で、入力軸Ｓ３ａの回転に対して遅れが生じて、これにより図示しないトーションバーにねじれが生じる。
そして、このトーションバーのねじれ角を図示しないトルクセンサにて検出し、入力軸Ｓ３ａ（ステアリングホイールＳ２）にかかる操舵トルクが検出され、その検出された操舵トルクに基づいて、ステアリング操作する際の補助操舵力が算出されて、モータＭが駆動制御されるよう構成されている。

次いで、図２により、本実施形態に係るモータＭの構成の一例について簡単に説明する。
このモータＭは、前述の通り、ブラシレスの表面永久磁石界磁式モータ（ＳＰＭモータ）である。
モータＭは、出力軸となるシャフト１と、ステータ２（「固定子」に相当）と、ロータ３（「回転子」に相当）と、を備えて構成されている。

ステータ２は、略円筒状に形成されており、図示は省略するが、径方向内側に延びる複数のティースと、これらティースに巻回された巻線と、を備えて構成されている。
このステータ２を構成する巻線には、図示しない電源装置より電源が供給され、これによりステータ２には回転磁界が発生することとなり、この回転磁界によりロータ３が回転する。

ロータ３の中心には軸方向に貫通するシャフト１が固定されているとともに、このロータ３はステータ２の内側に回転可能に支持されている。
ロータ３は、略円筒状のロータコア３１（「回転子コア」に相当）と、ロータコア３１の外周側面に固定された複数のマグネット３２と、を有して構成されている。
本実施形態においては、Ｎ極が５個、Ｓ極が５個の１０個のマグネット３２が使用されており、ロータコア３１の外周側面周方向に沿って、Ｎ極とＳ極が交互となるよう等間隔に配置（突設）されている。
このように、本実施形態においては、表面磁石型（ＳＰＭ）のロータ３が使用されている。

なお、これらのマグネット３２は、上記の通り等間隔となる一定の空間を有して配設されている。
つまり、周方向に隣接するマグネット３２，３２間には、空間Ｋが介在するように構成されている。
この空間Ｋが介在することにより、異極のマグネット３２，３２が接触することがないので、理想的な正弦波に近い磁束密度波形を得ることができる。

また、ロータコア３１には、軸方向に貫通する貫通孔Ｈ１が複数形成されている。なお、本実施形態においては、１０個の貫通孔Ｈ１が形成されている。
そして、この貫通孔Ｈ１，Ｈ１間は、放射状に中心に向かって延びる１０本のスポークＨ２となるよう構成されており、このスポークＨ２が「連結部」に相当する。
このスポークＨ２は、空間Ｋが位置する部分から中心に向かって(シャフト１に向かって)延びている。
このように、貫通孔Ｈ１を形成することにより、ロータコア３１が軽量化されるため、モータＭの機動性が向上する。
また、ロータコア３１において空間Ｋが形成された位置となる部分から中心に向かって延びるスポークＨ２が磁気通路となり、隣接するマグネット３２，３２間の磁気がロータコア３１において潤滑に流れるようになる。

また更に、マグネット３２において、ロータコア３１周方向中央部分は、ロータ３の円弧形状に沿うように湾曲した形状に形成されているとともに、マグネット３２の周方向両端側であって、径方向外側の角部は、面取りされている。
つまり、当該角部は、傾斜面（断面平面視においては直線状）となっている。
なお、当該面取り部分を「面取り部３２ａ」と以下記す。
更に、マグネット３２の側面部分もまた、面取りされている。
そして、本実施形態に係るマグネット３２は、逆ラジアル配向となるように形成されている。

このように構成されているため、図示しない電源装置より電源が供給されると、ステータ２に回転磁界が発生し、ロータ３に組み込まれた複数のマグネット３２との相互作用により、ロータ３が回転する。
この回転力はシャフト１により出力される。

次いで、図２及び図３により、マグネット３２の配列及びマグネット３２の構造について詳細に説明する。
上記の通り、マグネット３２，３２間には空間Ｋが介在するように、マグネット３２は配置されるとともに、ロータコア３１には、空間Ｋ存在位置から放射状に延びるスポークＨ２が、隣接する貫通孔Ｈ１，Ｈ１間に形成されるように構成されている。
これにより、軽量化と磁気通路の最適化が実現され、モータＭの性能を向上させている。

また、上記の通り、マグネットの側面部分上端辺及び下端辺は面取りされている。
更に、マグネット３２の周方向両端側であって、径方向外側の角部には、面取り部３２ａ，３２ａが各々形成されている。
そして、マグネット３２は、逆ラジアル配向となるように形成されていることから、磁極中心線Ｌ（ロータ３の径方向に沿い、各マグネット３２の周方向中心を通る線である）に近づくように傾斜する磁束が生じ、この磁束は磁極中心線Ｌ上の集向点Ｏ（磁極中心線Ｌ上の、ロータコア３１径方向外側に集向する）に集向する。
このとき、マグネット３２には、面取り部３２ａ，３２ａが形成されているため、図３に示すように、効率良く集向点Ｏに磁束を集向させることができる。

このように、マグネット３２を、集向点Ｏに磁束を集向させる形状としたことにより、表面磁束の形状が正弦波に近い形状となるため（下記及び図４参照）、誘起電圧の歪みを低減することができる。
図４において、パラレル配向の場合のマグネット３２の表面磁束と、ラジアル配向の場合のマグネット３２の表面磁束の波形を比較した。
図４に示すように、パラレル配向の場合には、表面磁束の波形は台形状となるが、逆ラジアル配向の場合には、表面磁束波形は正弦波曲線形状となる。
このように、逆ラジアル配向をとることにより、誘起電圧の歪みが低減されて正弦波曲線に近くなり、よって、騒音を小さくすることができる。
また、面取り部３２ａを形成することによって、マグネット３２の周方向端部において磁束ベクトルが成す角度が大きくなるため、極間短絡磁束が低減し、有効鎖交磁束が増加する。
よって、体格を小さくすることが可能となる。

（改変例）
次いで、改変例について説明する。
改変例においては、マグネット３２が逆ラジアル配向されることは上記実施形態と同様であるが、ロータコア３１に対するマグネット３２の配設方法が異なっている。
この他は、上記実施形態と同様の、出力軸となるシャフト１と、ステータ２と、を備えて構成されたものである。
よって、相違点のみの説明にとめる。

ロータ１０３は、略円筒状（正確には、後述する円弧状凹溝１３１ａが複数周方向に並んだ断面を有する筒状である）のロータコア１３１と、ロータコア１３１の外周側面に固定された複数のマグネット１３２と、を有して構成されている。
ここで、ロータ１０３の形状について説明する。
図５に示すように、ロータコア１３１の側面は、内側に凸となった断面円弧状の円弧状凹溝１３１ａ（軸方向に沿って延びる溝である）が複数周方向に並んだ形状をとっている。

この円弧状凹溝１３１ａには、マグネット１３２が配設されるよう構成されており、よって、この円弧状凹溝１３１ａは、配設されたマグネッ１３２の集向点を中心とした円弧形状に穿たれるとよい。
また、隣接する円弧状凹溝１３１ａ，１３１ａ間は、径方向外側方向へ略三角形状に盛り上がっており、当該部分を「突起部１３１ｂ」と記す。
このように隣接する極間に略三角形状の突起部１３１ｂが介在すると、Ｎ極とＳ極間の磁路長が短絡し、その分、ロータ１０３径方向のマグネット１３２厚を削減することができる。また、これと同時に、慣性を低減することができる。

マグネット１３２は、外側面がロータ１０３の略周形状に沿うように、ロータ１０３周方向中央部分が外側に盛り上がるよう緩やかに湾曲した形状に形成されている。そして、内側面は、ロータ１０３の外側面に形成されている円弧状凹溝１３１ａの円弧形状に沿うように湾曲した突縁形状に形成されている。
以下、このマグネット１３２の内側面（ロータコア１３１に形成された円弧状凹溝１３１ａに取付けられる面）を「マグネット内側面１３２ｂ」と記す。
更に、マグネット１３２は、逆ラジアル配向となるように形成されている。

改変例においては、以上のように構成されているため、マグネット１３２は、円弧状凹溝１３１ａに整合して嵌まり込む。
なお、マグネット１３２は、逆ラジアル配向となるように形成されていることから、磁極中心線（ロータ１０３の径方向に沿い、各マグネット１３２の周方向中心を通る線である）に近づくように傾斜する磁束が生じ、この磁束は磁極中心線Ｌ上の集向点Ｏに集向する。

従来の瓦型等のマグネットでは、マグネット組成向きに対して目標配向の傾き差が大きく、磁束配向により反りを加える向きに力が働き、このため中央部がクラックに弱いという問題が生じていたが、本例に係るマグネット１３２は、上記のように、凸レンズ形状に構成されているため、この問題を解消することができる。

つまり、マグネット１３２は、外側面がロータ３の略周形状に沿うように、ロータ３周方向中央部分が外側に盛り上がるよう緩やかに湾曲した形状に形成されるとともに、マグネット内側面１３２ｂは、円弧状凹溝１３１ａの円弧形状に沿うように湾曲（つまり、ロータ１０３周方向中央部分が内側に凸となるように緩やかに湾曲）した形状に形成されている。
このように、マグネット１３２のロータ１０３周方向中央部分が両端部に比して厚みが大きくなるような凸レンズ形状に構成されているため、反りによる中央部クラックが発生することを有効に防止することができる。

以上のように、本発明においては、逆ラジアル配向を採用するにあたり、マグネット３２の両端部において、配向方向の厚さを極端に薄く形成することなく、面取りするのみで、有効磁束を増大させたり、マグネット１３２の形状を凸レンズ形状とすることにより、逆ラジアル配向を有効に活用して磁束密度を大きくし、これをコラム型電動パワーステアリング装置Ｓに好適に適用し、装置を大型化することなく静音を実現することができる。

１・・シャフト、２・・ステータ（固定子）、３，１０３・・ロータ（回転子）、
３１，１３１・・ロータコア（回転子コア）、
１３１ａ・・円弧状凹溝，１３１ｂ・・突起部、
３２，１３２・・マグネット、３２ａ・・面取り部、
１３２ｂ・・マグネット内側面、
Ｋ・・空間、Ｌ・・磁極中心線、Ｏ・・集向点、
Ｍ・・モータ（コラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータ）、
Ｈ１・・貫通孔、Ｈ２・・スポーク（連結部）、
Ｓ・・コラム型電動パワーステアリング装置、Ｓ２・・ステアリングホイール、
Ｓ３・・ステアリングシャフト、Ｓ３ａ・・入力軸、Ｓ３ｂ・・出力軸、
Ｓ４・・自在継手、Ｓ５・・インターミディエイト、
Ｓ６・・ラック、Ｓ７・・ピニオン軸、Ｓ８・・タイロッド、Ｓ９・・操舵輪、
Ｓ１０・・ステアリングコラム

Claims (3)

1. コラム型電動パワーステアリング装置において、ステアリングコラムに配設され、ステアリングシャフトの運動をアシストするモータであって、
   該モータは、
   回転中心軸となるシャフトと、
   該シャフトに固定されて共に回転可能に支持される回転子コアと、該回転子コアの外側面周方向に配置された複数のマグネットと、を備えた表面永久磁石型の回転子と、
   該回転子の外側面を覆うように配設され、電源装置より電源が供給されることにより、回転磁界を発生させる固定子と、を備えて構成されており、
   前記マグネットは、逆ラジアル配向に着磁されていることを特徴とするコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータ。
2. 複数の前記マグネットは、磁極が交互に配設されており、
   周方向に隣接する前記マグネット間には、空間が介在していることを特徴とする請求項１に記載のコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータ。
3. 前記回転子コアには、軸方向に貫通する貫通孔が複数形成されており、
   隣接する前記貫通孔の間には、前記回転子コア外側面と前記シャフトとを連結する連結部が形成されており、
   前記連結部は、前記回転子コアにおいて、前記空間が形成される位置から前記シャフトへと向かう位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のコラム型電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータ。

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