JP2016082695A - 電動パワーステアリングモータのロータ、これを備えた電動パワーステアリングモータ、及びこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクが小さくなるように組み立てられる電動パワーステアリングモータのロータ、これを備えた電動パワーステアリングモータ、及びこれらの製造方法を提供する。【解決手段】ロータコアが２つの独立したコア１２，１３で構成された段スキュー構造をとり、２つの前記コアと、シャフト６との締結に、焼嵌めを用いるように電動パワーステアリングモータ１００のロータを構成する。前記ロータコアの磁気中心が、２つの前記コアがシャフト先端部から寸法を管理して焼嵌めされることにより調整されるように構成しても良い。【選択図】図４

Description

本発明は電動パワーステアリングモータのロータ、これを備えた電動パワーステアリングモータ、及びこれらの製造方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００４−１５３９１３号公報（特許文献１）および特開平８−３２２１７２号公報（特許文献２）がある。これらの公報には、モータのロータに設けられるロータコアに段スキューが設けられており、そのロータコアの外周部に磁石が接着されるとともに、そのロータコアとシャフトは焼嵌めで固定されているものが開示されている。また、特開２００５−３０４１７８号公報（特許文献３）には、ロータに段スキューが無いものが開示されている。

特開２００４−１５３９１３公報 特開平８−３２２１７２号公報 特開２００５−３０４１７８号公報

上記特許文献にはロータの組立にロータコアとシャフトの締結が焼嵌めという手段で固定することは述べられているが、実際にモータとしての特性であるコギングトルクに関する記載はなく、単純にシャフトとロータコアの焼嵌めである場合、コギングトルクを小さくできるように組み立てることは難しい。すなわち、段スキューによるコギングトルクは、片側の磁石とステータコアで発生するコギングトルクと、もう一方の磁石とステータコアで発生するコギングトルクの大きさが一致しないと打ち消すとこはできないためである。また、それぞれのコギングトルクの大きさの他、位相に関しては特開昭６１−１９９４４７号公報に、理論スキュー角に対して前後で最小になるところを選ぶという記載があるように、実際の磁気回路でスキュー角を適正に決めることが望ましい。

コギングトルクの大きさは、それぞれの永久磁石から出た磁束がステータコアを鎖交して戻る磁路を形成した状態で、ロータの回転に伴う磁気エネルギーの変化の度合いで大きさが決定される。そのことから、コギングトルクの大きさを同じにするためには、ロータのそれぞれの永久磁石とステータコアの重なり幅を同じにする必要がある。言い換えれば、ステータの積厚の中心部、すなわちステータ磁気回路の磁気中心位置とロータの段スキューの境目位置（ロータの磁気的中心）を一致させることが重要である。

そこで本発明は、コギングトルクが小さくなるように組み立てられる電動パワーステアリングモータのロータ、これを備えた電動パワーステアリングモータ、及びこれらの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ロータコアが２つの独立したコアで構成された段スキュー構造をとる電動パワーステアリングモータのロータであって、２つの前記コアと、シャフトとの締結に、焼嵌めを用いたことを特徴とする。

本発明によれば、コギングトルクが小さくなるように組み立てられる電動パワーステアリングモータのロータ、これを備えた電動パワーステアリングモータ、及びこれらの製造方法を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

機電一体型電動パワーステアリングモータの側面図 断面図 ロータ斜示図 ロータの側面図 ハウジングの断面図 ハウジング断面図 ロータ斜示図 コギングトルクの合成波形を説明する説明図

以下、図面を用いて実施例を説明する。

図１は、モータとＥＣＵが機電一体で構成される電動パワーステアリング（以下ＥＰＳと略す）モータユニットのモータ部（ＥＰＳモータ１００）のみを示したものである。ＥＰＳモータ１００はハウジング２の中のモータ構成部品が納められており、ＥＰＳシステムのギア駆動にはＥＰＳモータ１００に設けたプーリ１とベルトを介して動力の伝達機構が構成されている。また、ＥＣＵ（不図示）が図１の右側に接続され、モータに設けた３相端子Ｕ、Ｖ、Ｗ相２０ｕ、２０ｖ、２０ｗとＥＣＵとが電気的に接続される構造となっている。また、ＥＰＳモータ１００にはロータの磁極位置を検出するための磁極センサ３が設けられている。

図２は、図１に示したモータの断面図を示したものである。構成について説明する。モータの中心部にはシャフト６が配置されその先端部にはプーリ１が配置されている。シャフト６の中心部には、プーリ側に配置されるＦロータコア１２と、そのＦロータコア１２に接触して配置されるＲロータコア１３とが設けられている。それぞれのロータコアはシャフト６に対しては焼嵌めで締結されている。Ｆロータコア１２及びＲロータコア１３の外周部にはセグメント型の永久磁石が配置されている。Ｆロータコア１２に対してはＦ磁石１２ｍが設けられるとともにＲロータコア１３にはＲ磁石１３ｍが設けられている。これらの永久磁石は、残留磁束密度が１．４Ｔ程度のものを用いている。先に説明したロータコアの左右にはＦベアリング７とＲベアリング８が設けられている。Ｆベアリング７はハウジング２に固定され、もう一方のＲベアリング８はベアリングケース９に固定されている。ハウジング２の内周部にはステータコア４が設けられており、そのステータコア４にはボビンが設けられその外周部にコイル５が巻装されている。ハウジング２はアルミダイカストで構成されており、先に説明したＥＣＵとはハウジングに設けたＯリング溝１１で気密を確保するようにしている。

図３にロータ構造を示す。ロータは第一の回転部と、第一の回転部に対して機械的に位相をずらした第二の回転部とから構成されている。第一の回転部と第二の回転部は、各々８枚の永久磁石を備えている。第一の回転部では、Ｆロータコア１２の表面にＦ磁石１２ｍが８枚設けられている。第二の回転部では、Ｒロータコア１３の表面にＲ磁石１３ｍが８枚設けられている。どちらのロータコアにも磁石の回転防止と位置決め固定を目的とした磁石固定部１２Ｓ及び１３Ｓが磁石の個数と同じ数設けられている。永久磁石とロータコアは接着剤で固定され、接着剤が乾燥したのち金属製の保護カバー（不図示）が設けられる。

第一の回転部と第二の回転部の位相はコギングトルクの波形を打ち消す位相としている。例えば、８Ｐ１２Ｓ（ロータの磁極数が８極、ステータのスロット数が１２個）の場合、コギングトルクの主な次数は２４次成分となるため機械角で１５度の振動周期となる。よって、この１／２の７．５度前後でコギングトルクを完全に打ち消す位相となるため、その位相に合わせて２つのロータコアをシャフトに焼嵌めする。

本発明で焼嵌めを採用した理由について説明する。１つ目は、シャフトを機械的にロータコアに圧入しないため、コンタミの発生が抑制できることである。２つ目は、例えば積層鋼板で構成されたロータコアに対してシャフトを圧入すると、シャフトの圧入荷重でロータコアの内周部に変形が発生し２個のロータコアの境界面で隙間の発生が考えられることである。また、この隙間に金属製のコンタミが挟まり後々にコンタミがモータ内部に出てくる可能性がある。３つ目は、ロータコアを焼嵌めすることでパンチングオイルが気化し、油分がコア表面から取れることで接着剤の接着条件が安定する効果があることである。

図４を用いてシャフト６とロータコアの組立に関して説明する。コギングトルクを小さくするには、ステータコアの磁気的中心に対して、段スキューで構成されるロータコアの磁気的中心を如何に合わせるかということがポイントとなる。この磁気中心がずれてしまうと、第一の回転部が作るコギングトルクの大きさと第二の回転部が作るコギングトルクの大きさが一致しなくなるため、スキューをして打ち消す場合、位相をいくら最適に合わせても波高値が異なった場合打ち消しきれなくなるためである。

ＥＰＳモータで許容されるコギングトルクの大きさは、モータの最大トルクに対して０．２％以下で数ミリＮｍと非常に小さい。ステータコアとロータコアの磁気中心がずれてしまうと、コギングトルクの２４次成分が残ってしまい、運転者がステアリング操作をした場合にゴツゴツと手に感じる振動が出る。そのために、ステータの磁気中心とロータの磁気中心を合わせることが非常に重要である。

具体的にロータ軸中心をステータ軸中心に合わせる１つの組立方法について説明する。合わせたい場所はロータコアの２つのロータコアの境目であり、この境目と組み立ての基準となるシャフト先端との距離を一定に管理する。

この距離を管理する１つの方法として、図４に示すように、ロータコアの焼嵌めを２回に分けて行う。この場合、図４（ｂ）に示すように、シャフトの端面を基準に管理寸法１の位置で１回目の焼嵌めを行う。次に、図４（ｃ）に示すように、２回目に１回目で焼嵌めしたロータコア端面に突き当てでＲロータコア１３を焼嵌めする。この時、Ｆロータコア１２の磁石固定部を基準にしたり、ロータコアに設けた穴を基準にしたりすることにより、Ｆロータコア１２に対してＲロータコア１３の角度を出すことにより、スキュー角を管理するように焼嵌めを実施する。なお、ロータの最外周部を基準にした方が、精度が上がり、スキュー角度の誤差を小さくすることができる。

図４に示した方法の他に、磁気中心の磁石固定部を治具により位置決めし１回の焼嵌めで製作する方法もある。１回での焼嵌めは、図４に示した２回の焼嵌めによる方法に比べ、２個のロータコアの穴の重なり精度を上げることができる。ただし、１回での焼嵌めは焼嵌め時の温度を上げて２個のロータコアの隙間を大きくして焼嵌めをする必要があるため、要求されるモータ特性に合わせて選択することが望ましい。

図５はハウジング２に焼嵌めされるステータコア４の磁気中心ｓについて説明する。ステータの磁気中心を実際にロータの軸中心に合わせるためには、毎回ロータコアの積厚を測定し、管理寸法２を調整しながら焼嵌めすることが望ましいが、作業が複雑となるため、ステータコアの焼嵌めにおいては、ハウジング端面の基準位置からステータコア端面までの距離を管理寸法２として一定に管理することもできる。ステータコアの積厚偏差に関する積厚の変動は図中の矢印の部分で発生する。一般的なコアの積厚偏差は±コア１枚分の厚みとなるため、ステータコアの積厚偏差は０．５ｍｍの板厚の場合±０．５となる。ステータにおいては、磁気的中心部ではその１／２が磁気中心の誤差となり、最大で±０．２５ｍｍの誤差が発生することになる。

図６はロータとステータの組立基準について示したものである。図５で説明したようにステータはハウジング端面からコア端面までの距離で管理した。ロータに関しては、ステータと同じようにコア端面で管理すると、直列に２段で構成されるロータコアにおいては、それぞれのコアに対して±０．５ｍｍの偏差が発生すると、ステータとの磁気的な中心が最大で０．７５ｍｍとなり第一の回転部が作るコギングトルクと第二の回転部が作るコギングトルクの大きさにばらつきが大きくなってしまい、うまく打ち消せなくなってしまう問題が発生する。そこで、図４でも説明したように、シャフト先端に対するロータコアの基準位置はコアとコアの境目を基準とした。また、シャフト先端とハウジング端面の距離を管理寸法３として組み立てることで、ロータコアの積厚偏差を図中の矢印で示したように磁気中心から離すことで、第一の回転部が作るコギングトルクの大きさと、第二の回転部が作るコギングトルクの大きさを均一にすることで、合成波形のコギングトルクを大幅に低減できるようにしたものである。

図７は磁石とロータコアの位置決めに関する説明図である。磁石の回転方向の位置決めは、磁石固定部１３ｓとなるが、軸方向に関しては他方のロータコアに設けた磁石固定部１２ｓの端面に突き当てて固定することにした。これにより、磁石間の隙間は無くなり磁気中心にぴったり磁石端面が揃うため、均一なロータを製作することができる。

図８は、第一の回転部が作るコギングトルクの波形と、第二の回転部が作るコギングトルクの波形及び合成されたコギングトルクの波形を示したものである。

第一の回転部が作るコギングトルクは直流の摩擦に加えて交流的に変動するコギングトルクが加わった形で表される。直流分は鉄心のヒステリシス損やベアリングの摩擦損から決定されるものである。段スキューは、この交流的に変動するコギングトルクの位相を打ち消すように、第一の回転部が作るコギングトルクと第二の回転部が作るコギングトルクの位相を反転するように角度を調整している。図に示したように、位相と大きさを調整することで小さくすることができる。この角度は磁気回路の飽和具合によって変化する。まら、コギングトルクの大きさは、本発明の中で説明したが第一の回転部と第二の回転部が作るコギングトルクの大きさがほぼ等しくなるように、ロータコアとステータコアの磁気的な中心部が極力一致するように、ロータの組立基準をロータコア間の接触部としたことである。

以上説明した如く、本発明では、ステータの積厚に対して１／２の位置にロータコアの磁気中心が一致するように、また、磁気中心に対して、それぞれの磁石を接触するように組み立てる。これにより、磁石の軸方向位置を規制できるので、磁石の回転方向の各磁石の磁束のばらつきを低減でき磁気エネルギーの変動を小さく抑えることができる。この時、磁石の軸方向位置決めは他方の永久磁石の回転止めの端部に磁石を突き当てることで、結果的に永久磁石同士が接触させることができる。

本発明では、段スキューで構成される電動パワーステアリングモータにおいて、ロータコアとシャフトの締結に焼嵌めの手段を用いることで、シャフトとロータコアの機械的な圧入等によるロータコアの変形を抑えることができることで、ロータの軸中心を精度良く組み立てることができる。それにより、接触圧入で発生するコンタミの発生も抑制できることから、電動パワーステアリングに適した組立を実現できる。その結果、電動パワーステアリング用モータに要求されるコギングトルクを低減することができる。

更に、２つのロータコアの接触部を磁気中心となるように組み立てることから、ロータコアの積厚偏差の影響を受けないため、ロータコアの端面基準で組み立てた場合に比べてコギングトルクを小さくできることから、電動パワーステアリングシステムとして運転者が手に感じるコギングトルクの影響を小さくでき良好なステアリング特性を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ プーリ
２ ハウジング
３ 磁極センサ
４ ステータコア
５ コイル
６ シャフト
７ Ｆベアリング
８ Ｒベアリング
９ ベアリングケース
１０ ベベル型トメワ
１１ Ｏリング溝
１２ Ｆロータコア
１３ Ｒロータコア
１２ｍ Ｆ磁石
１３ｍ Ｒ磁石
２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ ３相端子Ｕ，Ｖ，Ｗ
１００ ＥＰＳモータ

Claims (8)

1. ロータコアが２つの独立したコアで構成された段スキュー構造をとる電動パワーステアリングモータのロータであって、
   ２つの前記コアと、シャフトとの締結に、焼嵌めを用いた電動パワーステアリングモータのロータ。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリングモータのロータであって、
   前記ロータコアの磁気中心が、２つの前記コアがシャフト先端部から寸法を管理して焼嵌めされることにより調整された電動パワーステアリングモータのロータ。
3. 請求項１又は２に記載の電動パワーステアリングモータのロータであって、
   一方の前記コアに張り付けられる永久磁石が、他方の前記コアに設けた磁石位置決め部に軸方向に接するように設けられた電動パワーステアリングモータのロータ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電動パワーステアリングモータのロータを備えた電動パワーステアリングモータ。
5. ロータコアが２つの独立したコアで構成された段スキュー構造をとる電動パワーステアリングモータのロータの製造方法であって、
   シャフトの軸方向端面を基準に所定の位置で第１コアを前記シャフトに焼嵌めする第１工程と、
   前記第１工程で焼嵌めした第１コアの軸方向端面に、第２コアを突き当てて焼嵌めする第２工程とを有する電動パワーステアリングモータのロータの製造方法。
6. 請求項５に記載の電動パワーステアリングモータのロータの製造方法であって、
   前記第２工程において、前記第１コアの磁石固定部又は前記第１コアに設けた穴を基準に、前記第１コアに対して前記第２コアの角度を調整する電動パワーステアリングモータのロータの製造方法。
7. ロータコアが２つの独立したコアで構成された段スキュー構造をとる電動パワーステアリングモータの製造方法であって、
   ステータは、ハウジング端面からステータコア端面までの距離を管理して構成し、
   ロータは、シャフト先端から２つの前記コアの境目までの距離を管理して構成する電動パワーステアリングモータの製造方法。
8. 請求項７に記載の電動パワーステアリングモータの製造方法であって、
   シャフト先端とハウジング端面の距離を管理する電動パワーステアリングモータの製造方法。