JP4366823B2 - Brushless motor control device for power steering - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の操舵力を低減させる電動式パワーステアリング装置に最適なブラシレスモータの制御装置に関し、特にモータショートやロックがなく、巻線が簡単にできて小型化、低コスト化を図ったブラシレスモータの制御装置に関する。また、本発明は、コイルの巻き方を改良することにより、ブラシレスモータにおけるインダクタンス特性を改善したブラシレスモータの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電動式パワーステアリング装置のアシスト駆動源としてはブラシ付モータが一般的に使用されており、さらにまた、操舵における慣性の低減、モータの耐久性の向上等のためにブラシレスモータが使用されている。
【0003】
モータのコイルの巻線方法としては、重ね巻と波巻とがある。重ね巻でコイルが巻かれたモータには、1)巻線の成形、ステータコアへのインサートが簡単で製造しやすく、2)小型化しやすく、3)巻線構造が簡単でコイルがばらけ難く、絶縁に対する信頼性も高い、といった特性がある。このことより、電動式パワーステアリング装置のアシスト駆動源としてのブラシレスモータでは、一般に重ね巻が使用されていた。
【0004】
一方、波巻でコイルが巻かれたモータには、コイルがループ状になっていないので、重ね巻のモータよりもインダクタンスが小さく、駆動電流の変化に対するモータ出力の応答性がよい、電流変動が小さい、などの利点がある。
【0005】
従来のモータにおけるコイルの波巻方法としては、特開平7−163074号公報に記載されている方法がある。この公報に示された波巻方法は、固定子コアのスロットに各相のコイルを波巻で挿入する多相モータの固定子巻線方法であって、各相のコイルを構成する導体を夫々複数に分けて分束コイルを形成し、これらの分束コイルを各相並行に順次スロットに挿入して固定子巻線を形成するものである。
【0006】
ところで、従来の電動パワーステアリング装置の動力源としては、例えば特開平9−149616号公報で示されるようなブラシレスモータが用いられている。図19はそのブラシレスモータの径方向断面図を示しており、ロータ200の外周側にステータコア201が配置され、ステータコア201の内周側より開口したスロットにコイル202が巻回され、ステータコア201の外周はモータハウジング203となっている。つまり、このブラシレスモータのステータコア201は、内周側(ロータ側)にスロット開口部があり、この開口部を通してスロットにコイル202を巻回している。
【0007】
一方、電動パワーステアリング装置で用いるモータはショート(短絡)やロックが発生すると操舵不能になってしまうので、モータにマグネット飛散防止のカバーを付けたり、コイルを絶縁剤でコーティングしたりして高い信頼性を持たせるようにしている。また、モータのショートやロックが発生しても、車両への影響を防ぐために、特開平10−243687号公報に示すようにモータのコイルの中点にリレーを設けたり、実用新案登録第2585705号に示すように、モータの出力軸にクラッチを設けているものがある。即ち、特開平10−243687号公報では、ブラシレスモータの駆動回路部は複数のスイッチング素子から構成されるブリッジ回路を備え、ブリッジ回路の入力端子に電源が接続され、ブリッジ回路の出力端子にブラシレスモータが接続され、ブラシレスモータの中性点に閉ループ開放用のスイッチ手段が接続されている。
【0008】
なお、電動パワーステアリング装置用のモータではないが、分割コアを用いたブラシレスモータは例えば特開平11−234928号公報にも開示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のブラシレスモータのようにスロット開口部が内周側(ロータ側)にあると、コイルをスロットに挿入(巻回)するときにコイルをロータ側から治具などを用いて押し込むことになるので、このコイル挿入時にコイルに傷が付き易い。コイルの傷は、モータショートの原因になる。
【0010】
また、電動パワーステアリング装置のモータショートは、操舵時にモータの発電制動が発生してステアリングが重くなり、最悪の場合には操舵不能となってしまうので、絶対にあってはならないことである。このため、コイル間に絶縁紙を挟み込んだり、コイルを絶縁剤でコーティングして絶縁性を高めることによって、ショートに対するモータの信頼性を上げるようにしている。従って、モータ製造上において付随的な作業工程が生じ、コストダウンの面で問題となっていた。また、ショートが発生した場合はリレーをオフしたり、クラッチをオフして発電制動が働くのを防いでいる。この場合においてもリレーやクラッチその他の機器が必要となり、コストダウンの面で問題となっていた。
【0011】
また、ステータの内周にはスロット開口部による凹凸が形成されるので、メンテナンスの不備などでモータ内に異物が入り込むと、その異物がステータの凹部に引っ掛かり、更にロータとの間の隙間に挟まれ、モータが回転不能になってしまうことが可能性としてあった。
【0012】
一方、従来の電動式パワーステアリング装置では、電動式パワーステアリング装置のアシスト駆動源に使用するモータにトルクリップルがあると、そのリップルがアシストトルクの変動になりステアリング操舵の滑らかさを損ない、運転者に違和感を感じさせてしまうという問題点があった。
【0013】
電動式パワーステアリング装置のアシスト駆動源のモータは、運転者が操舵するステアリングの操舵速度に応じ、ほとんど動かさない状態(ステアリングを保舵した状態)から高速で回転した状態(急操舵時)まで使用される。その速度全域においてトルクリップルが小さく、また、安定した出力(ステアリングに追従した回転数、操舵力に見合ったトルク)が求められている。
【0014】
また、ブラシレスモータを矩形波駆動で制御する電動式パワーステアリング装置では、小型で、効率良く安定した出力を得るために、モータを多相や多極にしている。多相や多極のモータは、高速で回転させると、転流(励磁相を切替えること)から次の転流までの時間が極めて短く、インダクタンスの大きいモータでは、電気的定数が大きく電流の立ち上がりが遅いので、電流が充分に立ち上がる前に次の転流の時期がきてしまい、電流が狙い通り流れないためにモータ出力が不足し安定しないという問題点があった。なお、トルクは電流に比例するので、電流が流れないとトルクもその分小さくなるという問題点となる。
【0015】
この問題点について図面を参照して具体的に説明する。従来の電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータの巻線展開の代表例を図10に示す。図11は、他の従来の電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータの巻線展開の代表例である。これらは、どちらも3相6極の重ね巻の例である。各相毎に1極に付き励磁コイル76をループ状に形成し、それを数回巻き重ねている。かかる従来のブラシレスモータは、外周面に永久磁石が固定された回転自在のロータと、このロータの外周面を包囲する複数相の励磁コイル76と、円筒形のヨーク部の内周面に励磁コイル76を保持する複数個のティース70を形成して成るステータコアとを備えるものである。
【0016】
電動パワーステアリング装置のアシスト動力源に使用するモータは、操舵に必要なトルクと回転速度を共に確保した大きな出力が必要である。12Vバッテリを電源としている自動車で、この出力を得るためには、当然大きな電流が必要となる。
【0017】
また、出力が大きいモータでも、高回転型のトルク定数の小さいモータであれば、コイルの導体数、つまりコイルのターン数は比較的少ないが、電動式パワーステアリング装置の場合、減速ギア比を大きくして、トルクを確保しようとすると、減速部のスペースが大きくなり、また、モータ慣性によってステアリング操舵フィーリングが悪化するといった問題があり、減速比を著しく大きくすることができない。つまり、電動パワーステアリング装置のモータは、トルク定数は大きく、かつ、大きな電流で使用する。
【0018】
このため、電動式パワーステアリング装置のモータは、コイルの導体数、つまりコイルのターン数が多く、しかも抵抗は小さい構成になっている。
【0019】
具体的には、1極当たりのコイル導体数は20ターン以上になっており、しかも抵抗を小さくするために太い線を巻いたり、数本の束ねたコイルを巻いている。
【0020】
このようなモータにおける1つの相のインダクタンスLは、概ね励磁コイル76の巻数Nの2乗に比例する。電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータは、巻数が多いので、インダクタンスは大きい。インダクタンスには自己インダクタンスと相互インダクタンスがあるが、このブラシレスモータは自己インダクタンスが支配的であり、1相の励磁コイルで見るとソレノイドと同様な構成であるので、インダクタンスLは下記の一般式(1)で示すことができる。
【0021】
L=μ・S・N2/I …(1)
ここで、Sはティース70の断面積であり、Iはティース70の長さであり、μは、ティース70の透磁率である。
【0022】
電気的時定数τは、
τ=L/R …(2)
で示される。ここで、Rは励磁コイル76の抵抗値である。
【0023】
このブラシレスモータの1相当りのインダクタンスは例えば300μH、コイル抵抗は0.05オーム程度であり、電気時定数τは6ミリ秒程度である。また、本例のブラシレスモータは3相6極であるので1回転に18回の転流があり(3相×6極=18)、このモータを1000rpmで回転させると3.3ミリ秒に1回転流する(1/{(1000/60)*18}=0.0033)。
【0024】
つまり、ブラシレスモータの電気的時定数τ(6ミリ秒程度)よりも転流時間(3ミリ秒程度)の方が短いことになる。電気的時定数τは電流の最終値の63%になる時間なので、その電気的時定数τの値よりも短時間に転流すると、電流が本来の流れる最終値に対して僅かしか流れないことになる。
【0025】
さらにまた、ブラシレスモータを矩形波駆動で制御する電動式パワーステアリング装置では、転流時に立ち上がる励磁相(ON相)と立ち下がる励磁相(OFF相)の相電流が一致していないと、モータに流れる全相電流が変動するのでトルクリップルの原因となる。これに対しては、転流時の相電流の電流変化率を制御することにより、トルクリップルを大幅に抑制できるが、インダクタンスの大きいブラシレスモータは電流の立ち上がりが遅く、高速で回転した時は転流時間が短く制御しきれないという問題点があった。図12は、従来の電動式パワーステアリング装置用ブラシレスモータの励磁電流の転流時における状態を示す波形図である。実線が各相の実際の電流値であり、点線が本来流れるべき各相の電流値である。この図に示されているように、従来のブラシレスモータでは、電流が本来の流れる最終値に対して僅かしか流れないと共に、転流時に立ち上がる励磁相(ON相)と立ち下がる励磁相(OFF相)の相電流が一致していない。
【0026】
さらにまた、上記公報に示されたモータにおけるコイルの波巻方法では、1つの相を所定のターン数で巻き、1つの相が巻き終わると、次の相を巻くというように、各相毎にコイルを巻いている。このように各相毎にコイルを巻くと、1つのコイルと他の1つのコイルとの渡し部分であるコイルエンドの形状は、図26に示すように、最初に巻いた相のコイル375aがステータスロット372の奥(ステータコア374の外周側)に、最後に巻いた相のコイル375cがスロット開口部372a(ステータコア374の内周側)に位置することになる。なお、コイル375bは2番目に巻いたコイルである。
【0027】
このように各相ステータスロット372におけるコイル375の径方向位置が異なるため、各相によりコイルエンド371の長さにバラツキが生じてしまい、また、ステータスロット372内の位置によって磁束の通り易さにもバラツキがあるため、コイル375の位置によってインダクタンスが異なっていた。つまり、ステータスロット372内でのコイル375(375a,375b,375c…)の位置に偏りがあるので、各相の間でインダクタンスにアンバランスが生じていた。
【0028】
このアンバランスが原因で、従来のモータにおけるコイルの波巻方法では、電流変動やトルクリップルが大きくなるという問題点があった。波巻でコイルを巻いたモータは、元来インダクタンスが小さいので、相間においてインダクタンスにアンバランスがあると、それが電流変動やトルクリップルに大きく影響してしまう欠点がある。
【0029】
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の第1の目的は、アシスト駆動力源となるブラシレスモータを矩形波駆動で制御する電動式パワーステアリング装置において、ブラシレスモータが低速回転であるか高速回転であるかに拘わらず安定した所望の出力トルクを得ることができると共に、ブラシレスモータを高速で回転させたときにおいても、トルクリップルを大幅に抑制することができ、滑らかなステアリング操舵感を得ることができる電動式パワーステアリング装置に最適なブラシレスモータの制御装置を提供することにある。
【0030】
また、本発明の第2の目的は、モータショートやロックがなく、巻線が簡単にできて小型化、低コスト化を図った電動パワーステアリング装置に最適なブラシレスモータの制御装置を提供することにある。さらに、本発明の第3の目的は、各相のコイルを波巻で巻いたモータにおける各相のインダクタンスを均等にして、電流変動やトルクリップルが小さいブラシレスモータの制御装置を提供することにある。
【0031】
本発明は、外周面に永久磁石が固定された回転自在のロータと、ロータの外周面を包囲する複数相の励磁コイルと、円筒形のヨーク部と、前記ヨーク部の内周面に前記励磁コイルを保持する複数個のティースを形成して成るステータコアとを備え、前記励磁コイルが極に対応するコイル毎にループを形成しない波巻で前記ステータコアに巻回されているパワーステアリング用ブラシレスモータの制御装置に関し、本発明の上記目的は、前記パワーステアリング用ブラシレスモータの各励磁相に供給する矩形波の励磁信号を生成する駆動手段と、前記各励磁相毎に前記励磁信号の方向決定及びオン・オフの切替えを行う制御手段とを備え、前記制御手段は、前記励磁信号として前記励磁コイルに供給する励磁電流を生成する駆動回路を含み、矩形波制御による前記励磁電流の切替え時に、前記励磁電流が立ち上がる励磁相と立ち下がる励磁相の電流変化率を一致させるか又は同程度にする駆動信号を前記駆動回路に供給するようになっていることにより達成され、前記パワーステアリング用ブラシレスモータのティースは、その内周側を隣接したティース同士で結合した一体構造となっていると共に、内周面は凹凸がなく概ね真円であり、前記ティースの内側を前記ロータが回転するようになっていることにより、或いは前記各励磁コイルのコイルエンドの引出し位置の一端が、各隣接する他相のコイルエンドに対して、前記ステータコアの内周側に配置され、前記各励磁コイルのコイルエンドの引出し位置の他端が、各隣接する他相のコイルエンドに対して前記ステータコアの外周側に配置されていることにより、より効果的に達成される。
【0038】
【発明の実施の形態】
本発明の電動式パワーステアリング装置のアシスト駆動源となるブラシレスモータにおいて、多相の励磁コイルを、極毎にループを成形しない波巻で巻いたので、ブラシレスモータのインダクタンスを小さくすることができ、ブラシレスモータが低速回転であるか高速回転であるかに拘わらず安定した所望の出力トルクを得ることができると共に、ブラシレスモータを高速で回転させたときにおいても、トルクリップルを大幅に抑制することができ、電磁音、磁歪音及び作動音も低減することができ、滑らかなステアリング操舵感を得ることができる。
【0039】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施例に係る電動式パワーステアリング装置(コラムタイプ)の概略構成図である。ステアリングホイール1に作用された操舵力は、入力軸2aと出力軸2bとから構成されたステアリングシャフト2に伝達される。この入力軸2aの一端はステアリングホイール1に連結され、他端はトルクセンサ3を介して出力軸2bの一端に連結されている。そして、出力軸2bに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント4を介してロアシャフト5に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント6を介してピニオンシャフト7に伝達される。操舵力は、さらにステアリングギヤ8を介してタイロッド9に伝達されて転舵輪を転舵させる。ステアリングギヤ8は、ピニオン8aとラック8bとを有するラックアンドピニオン形に構成され、ピニオン8aに伝達された回転運動をラック8bで直進運動に変換している。
【0040】
ステアリングシャフト2の出力軸2bには、補助操舵力(アシスト力)を出力軸2bに伝達する減速ギヤ10が連結されており、減速ギヤ10には、補助操舵力を発生する、ブラシレスモータ12の出力軸が連結されている。トルクセンサ3は、ステアリングホイール1に配設されて入力軸2aに伝達された操舵トルクを検出するものであり、例えば、操舵トルクを入力軸2a及び出力軸2b間に介挿したトーションバーの捩じれ角変位に変換し、この捩じれ角変位をポテンショメータで検出するように構成され、ドライバがステアリングホイール1を操舵することによって、ステアリングシャフト2に生じる捩じれの大きさと方向に応じたアナログ電圧から成るトルク検出信号TVを出力する。そして、トルクセンサ3は、例えばステアリングホイール1が中立状態にある場合には、所定の中立電圧V0をトルク検出信号TVとして出力し、これよりステアリングホイール1を右切りするとそのときの操舵トルクに応じて中立電圧V0より増加する電圧を、左切りするとそのときの操舵トルクに応じて中立電圧V0より減少する電圧を出力するようになっている。
【0041】
コントローラ13はブラシレスモータ12を駆動制御し、操舵系への操舵補助力の制御を行うコントローラであって、車載のバッテリ16から電源供給されることによって作動するようになっている。そして、バッテリ16の負極は接地され、その正極はエンジン始動を行うイグニッションスイッチ14及びヒューズ15aを介してコントローラ13に接続されると共に、ヒューズ15bを介してコントローラ13に直接接続されており、ヒューズ15bを介して供給される電源は、例えばメモリバックアップ用に使用される。そして、コントローラ13はトルクセンサ3からのトルク検出信号TVと、例えば変速機の出力軸に配設された車速センサ17からの車速検出信号VPとに基づきブラシレスモータ12を駆動制御する。
【0042】
図2は、本発明の実施例に係る電動式パワーステアリング装置のモータの構成(コラムタイプ)を示す断面図である。ブラシレスモータ12は、円筒形のハウジング22と、このハウジング22の軸心に沿って配設され、軸受23a及び23bによって回転自在の回転軸24に固定された永久磁石25と、この永久磁石25を包囲するようにハウジング22内周面に固定され、且つ、3相の励磁コイル26a,26b及び26cが巻き付けられたステータ26とから構成されており、回転軸24及び永久磁石25によって回転自在のロータ27が形成されている。
【0043】
一方、ロータ27を構成する永久磁石25は、例えばS極及びN極がそれぞれ3極ずつ、計6極が周方向に等間隔に着磁されている。ここで、この場合にはS極及びN極が3極ずつ、計6極に着磁された永久磁石25を適用しているが、S極及びN極が周方向に交互に且つ等間隔に着磁されているならば、S極及びN極の2極でも良く、また、複数極でもよい。
【0044】
図3は、本発明の実施例に係る電動式パワーステアリング装置の他の構成(ラック同軸タイプ)を示す断面図である。
【0045】
本電動式パワーステアリング装置において、ステアリングギアボックス54は、車幅方向に延びるラック軸55が左右に貫通していて、ロアステアリングシャフト53Cのピニオンとラック軸55のラックとが噛み合っている。また、ラック軸55の左右に延びる両端部には、ボールジョイント56A,56Bを介してタイロッド57A,57Bが連結され、タイロッド57A,57Bの図示しない外端側は、図示しない転舵輪を回転自在に支持するナックルに、転舵力伝達可能に結合されている。なお、ラック軸55の両端部とタイロッド57A,57Bとの間には、それぞれダストブーツ55A,55Bが外嵌していて、これにより、ステアリングギアボックス54内やハウジング59内にゴミ等が入り込むことを防止している。
【0046】
ラック軸55は、図示しない車体にブラケット58A,58Bを介して固定された円筒状のハウジング59内を挿通している。具体的には、ハウジング59は、ステアリングギアボックス54に近い側から、そのステアリングギアボックス54に結合した連結部59Aと、比較的肉厚の円筒部59Bと、この円筒部59Bの外周面にかしめ止めされた比較的肉薄の円筒部59Cと、この円筒部59Cの端部に螺合して固定される予圧部材59Dとから構成されていて、連結部59A,予圧部材59Dのそれぞれがブラケット58A,58Bを介して車体に固定されている。
【0047】
これらのうち、比較的肉薄の円筒部59Cは、円筒部59Bに固定されて比較的長く軸方向に延びる大径部59aと、予圧部材59Dが螺合される小径部59bと、大径部59a及び小径部59b間を連結するテーパ部59cとから構成されている。そして、ハウジング59の内側には、ラック軸55を非接触に且つ同軸に包囲するように円筒状の回転軸60Aが配設され、この回転軸60Aの外周面には円筒状の永久磁石60Bが固定されている。この永久磁石60Bは、S極及びN極が周方向に交互に且つ等間隔に着磁された磁石であって、これら回転軸60A及び永久磁石60Bによって回転自在のロータ60が構成されている。
【0048】
図4はコントローラ13の構成を示すブロック図であり、コントローラ13は、例えば制御回路61、FETゲート駆動回路62、モータ駆動回路64、電流検出回路66及びロータ位置検出回路68とから構成されている。
【0049】
制御回路61は、例えばマイクロコンピュータ等で構成され、少なくとも外部接続機器との入出力処理を行うインタフェース部と、ROM,RAM等の記憶部とを備えている。そして、トルクセンサ3からのアナログ電圧から成るトルク検出信号TVに対して、所定の中立電圧V0よりも高いか否かによってトルクの発生方向を検出し所定の処理を行ってトルク検出値Tを求め、また、車速センサ17からの出力軸の回転に応じたパルス信号から成る車速検出信号VP をもとに、単位時間当りのパルス数を積算して車速検出値Vを算出する。そして、これら検出値T及びVPに基づいて、例えばPID制御(比例・積分・微分)によりブラシレスモータ12に供給するモータ駆動信号SMを算出し、このモータ駆動信号SMに基づいてPWM(Pulse Width Modulation)信号を形成し、このPWM信号に基づいてパルス幅変調信号PWMを形成してFETゲート駆動回路62に出力する。
【0050】
FETゲート駆動回路62は、例えばマルチプレクサ等で構成され、制御回路61からのパルス幅変調信号PWM及び方向信号と、ロータ位置検出回路68からの上段側ゲート信号Ga1〜Gc1及び下段側ゲート信号Ga2〜Gc2を入力し、方向信号が正回転の場合にはゲート信号Ga1〜Gc2で指定されたモータ駆動回路64の対応するトランジスタのゲート端子に、パルス幅変調信号PWMが“HIGH”である間所定の電圧供給を行い、方向信号が逆回転の場合には、上段側ゲート信号Ga1〜Gc1を下段側ゲート信号、下段側ゲート信号Ga2〜Gc2を上段側ゲート信号として処理し、それぞれ対応するトランジスタのゲート端子に、パルス幅変調信号PWMが“HIGH”である間所定の電圧供給を行う。
【0051】
電流検出回路66は、例えば電流検出抵抗を有し、この電流検出抵抗の両端に発生した電圧を増幅すると共にノイズ除去し、モータ電流検出信号Iとして制御回路61に出力する。電流検出回路66では、モータ電流検出信号Iの実効値が得られるよう、それぞれの信号に対し充分なフィルタ処理を行っているものとする。モータ駆動回路64は、6個の電界効果トランジスタ(FET)Ta1,Tb1,Tc1,Ta2,Tb2,Tc2から構成されている。これらFETTa1〜Tc2は、Ta1とTa2,Tb1とTb2というように対応する一対のFETが直列に接続され、これら直列に接続された直列回路のそれぞれが電源の両端子間に並列に配設されると共に、直列関係にあるFETの接続部分が、各励磁コイル26a〜26cの外端(スター結線の中心側とは逆側)に導通されている。
【0052】
そして、各FETTa1〜Tc2のゲート電圧が、上述した位相検出素子31の出力に基づいてFETゲート駆動回路62によって制御されるようになされている。モータ駆動回路64での各励磁コイル26a〜26cへの励磁電流の方向及び大きさは、具体的には図5に示すようになる。ここで、図5においてU相が励磁コイル26aに対応し、V相が励磁コイル26bに対応し、というように各相が各励磁コイルに対応し、W相が励磁コイル26eに対応している。
【0053】
これによって、図6及び図7に示す本発明の巻線展開図において、上方に向かう電流(図5におけるプラスの相)及び下方に向かう電流(図5におけるマイナスの相)が流れることから、N極及びS極が発生する。よって、ロータ27の永久磁石のN又はS極と励磁コイル26に発生したN又はS極との間の磁気吸引力及び反発力によりロータ27が回転する。
【0054】
本実施例に係る電動式パワーステアリング装置のアシスト駆動源となるブラシレスモータの巻線の実施例に係る展開図を、図6から図8に示す。図6は、本発明の第1の実施例に係るブラシレスモータの巻線展開図である。図7は、本発明の第2の実施例に係るブラシレスモータの巻線展開図である。図8は、本発明の第3の実施例に係るブラシレスモータの巻線展開図である。
【0055】
図6及び図7はそれぞれ3相6極のブラシレスモータの巻線の例である。1つの励磁コイル26(U相)の巻線は、巻線溝aを通し、相数分の溝ピッチを離した巻線溝bを通ってティース70を往復した後、同ピッチで次の巻線溝cを通るように巻いていき、ステータ26を1周して元の巻線溝aに戻るように巻いている。その次に、更に同じ軌跡を通り、同様にステータ26を1周して元の巻線溝aに励磁コイル26の線を戻す。このような巻線を繰り返して、励磁コイル26の導体数を所定の数にしている。
【0056】
励磁コイル26は1本の線材を巻いたものでも良いし、数本の線材を束ねたものでよい。本ブラシレスモータでは、図6〜図8に示すように励磁コイル26をループ状に成形していないので、当該モータのインダクタンスに影響する励磁コイルのターン数は0であり、本ブラシレスモータの自己インダクタンスは極めて小さい。また、本ブラシレスモータでは、図10又は図11に示すような従来の重ね巻と同じ導体数にしているので、励磁コイルの電気抵抗は重ね巻とほぼ同じであり、インダクタンスだけを小さくしている。
【0057】
例えば、図6及び図7に示すように巻いたブラシレスモータの1相当りのインダクタンスは80μH以下、抵抗は0.05オーム程度であるので、電気時定数τは、τ=L/R=80μH/0.05オーム=1.6ミリ秒以下になる。
【0058】
本ブラシレスモータは3相6極であるので、1回転に18回の転流があり(3相×6極=18)、このモータを1000rpmで回転させると3.3ミリ秒に1回転流する(1/{(1000/60)*18}=0.0033)。
【0059】
このことにより、本ブラシレスモータは、高速で回転しているときでも転流期間(約3ミリ秒)よりも電気的時定数τ(1.6ミリ秒)が小さく、励磁電流を充分安定して流すことができる。
【0060】
次に、他の実施例に係る電動式パワーステアリング装置について、以下に説明する。アシスト駆動源となるブラシレスモータの駆動制御において、転流時の相電流の電流変化率を制御して、励磁電流の切替え時に励磁電流の立ち上がる相と立ち下がる相の電流変化率を一致させることにより、そのブラシレスモータのトルクリップルを大幅に抑制できる。
【0061】
具体例を、図4に示すコントローラ13を参照して説明する。FETゲート駆動回路62は、ブラシレスモータ35の各励磁相a〜cに供給する励磁信号を生成する。制御回路61はFETゲート駆動回路62に対し、励磁電流の切替え時に励磁電流の立ち上がる相と立ち下がる相の電流変化率を一致させるか又は同程度にする駆動信号を供給する。
【0062】
これは、ブラシレスモータ35が回転するとモータコイルに逆起電力が発生し、電流が流れ難くなり、OFF相は早く電流が停止し、ON相は電流の立ち上がりが遅れるといった現象が起こるので、これを制御的に補正することである。現実的には、ブラシレスモータ35の印加電圧に余裕がないので、ON相の電流の立ち上がりは早く立ち上げることはできない。OFF相の電流の立ち下げを遅らすことで、相電流を一致させている。
【0063】
ここで、ブラシレスモータ35のインダクタンスが大きいと、ON相の電流の立ち上がりが遅くなり、OFF相にその間通電することになる。いつまでも電流を流し続けると次の転流時期になってしまい、本来の励磁区間から大幅に逸脱し好ましくない。
【0064】
本ブラシレスモータでは、インダクタンスが従来のブラシレスモータのものより小さいので、高速回転でも、図9に示すように、ON相とOFF相の相電流を一致させることができ、トルクリップルを抑制できる。
【0065】
上述の実施例では3相6極のブラシレスモータについて説明したが、本発明に係るブラシレスモータは3相に限定されるものではなく、また、極数も6極に限定されるものではない。図8の巻線展開図で示すように、5相4極のブラシレスモータでも上述の実施例と同様の作用及び効果がある。また、本発明に係る電動式パワーステアリング装置は、図3に示すようなB/Sラックタイプのブラシレスモータはもちろん、図2に示すようなコラムタイプのブラシレスモータにも上述の実施例と同様の作用及び効果がある。
【0066】
また、電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータは下記の構造的特徴があり、コイルをループ状に成形していない波巻は製造しやすく信頼性も問題ない。
【0067】
1.モータの外径(ステータコアの内径)が大きく(特にB/Sラックタイプ)、巻線が成形しやすい。
【0068】
2.巻線のターン数が多く、重ね巻のステータコアを流用でき設計の自由度が大きく、重ね巻と同様に小型化しやすい。
【0069】
3.電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータは、モータがロックするとステアリング操作が不能となるので、充分な保護、フェールセーフを設けている。励磁コイルに対しても樹脂で固めるなど機械的強度や電気的絶縁の補強を施しており、波巻にしても信頼性の低下はない構造になっている。
【0070】
以上、矩形波駆動での電動式パワーステアリング装置の実施例を説明したが、電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータを正弦波駆動で制御する場合もある。正弦波駆動でもブラシレスモータのインダクタンスが大きいと、励磁電流の立ち上がりが遅れるため各相の電流のバランスが崩れ、トルクリップルの原因となる。したがって、正弦波駆動の電動式パワーステアリング装置に上述の実施例を適用しても、上述の実施例と同様の作用及び効果がある。
【0071】
本発明のブラシレスモータはコイルをステータコアの外周側から巻回するようにしているので、コイルをスロットに押し込まずに巻線ができるので、コイルに傷が付くこともなく、コイルによるモータショートが起きない。また、ステータの内周面にスロット開口による凹凸がないので、ステータとロータとの間の隙間が全周に亙って等しい。そのため、モータ内に異物が入ったとしても、その異物がステータとロータの間に挟み込まれることがなく、モータがロックされることはない。このように、簡易な構成でモータの信頼性が著しく向上し、リレーやクラッチがなくても十分な安全性を確保できる利点がある。
【0072】
本発明は、コラム式及びピニオン式電動パワーステアリング装置のブラシレスモータに適用できることは勿論、ラックアシスト式電動パワーステアリング装置のブラシレスモータにも適用可能である。
【0073】
以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【0074】
本発明のブラシレスモータ120は、上述の実施例における図1に示す電動パワーステアリング装置において、その動力源としてブラシレスモータ12の換わりに適用する。ステアリングホイール1に作用されたドライバの操舵力は、入力軸2a及び出力軸2bで構成されるステアリングシャフト2に伝達される。入力軸2aの一端はステアリングホイール1に連結され、他端はトルクセンサ3を介して出力軸2bの一端に連結されている。そして、出力軸2bに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント4及び6を介してピニオンシャフト7に伝達される。操舵力は、更にステアリングギア8を介してタイロッド9に伝達され、転舵輪を転舵させる。ステアリングギア8は、ピニオン8a及びラック8bを有するラックアンドピニオン型で構成され、ピニオン8aに伝達された回転運動をラック8bで直進運動に変換している。
【0075】
ステアリングシャフト2の出力軸2bには、補助操舵力(アシスト力)を出力軸2bに伝達する減速ギア10が連結されており、減速ギア10には補助操舵力を発生するブラシレスモータ120が連結されている。トルクセンサ3は入力軸2aに伝達された操舵トルクを検出するものであり、例えば操舵トルクを入力軸2a及び出力軸2b間に介挿されたトーションバーの捩れ角変位に変換し、この捩れ角変位をポテンショメータで検出するように構成され、ドライバがステアリングホイール1を操舵することによって、ステアリングシャフト2に生じる捩れの大きさと方向に応じたアナログ電圧のトルク検出信号TVを出力する。そして、トルクセンサ3は、例えばステアリングホイール1が中立状態にある場合には、所定の中立電圧V0をトルク検出信号TVとして出力し、この位置よりステアリングホイール1を右切りすると、その操舵トルクに応じて中立電圧V0より増加する電圧を、左切りするとその操舵トルクに応じて中立電圧V0より減少する電圧を出力するようになっている。
【0076】
CPU等で成るコントローラ13はブラシレスモータ120を駆動制御し、操舵系への操舵補助力の制御を行うユニットであり、車載バッテリ16から電源供給されることによって作動するようになっている。バッテリ16の負極は接地され、その正極はエンジン始動を行うイグニションスイッチ14及びヒューズ15aを介してコントローラ13に接続されると共に、ヒューズ15bを介してコントローラ13に直接接続されており、ヒューズ15bを介して供給される電源は、例えばメモリバックアップ用に使用される。そして、コントローラ13は、トルクセンサ3からのトルク検出信号TVと、例えば変速機の出力軸に配設された車速センサ17からの車速検出信号VPとに基づいてブラシレスモータ120を駆動制御する。
【0077】
次に、本発明に係るブラシレスモータ120の第4の実施例を図13に示して説明する。即ち、図13はブラシレスモータ120のステータコアの断面構造を示しており、ステータコアは円環状のヨーク部分121と、多数の巻線用凹部(スロット)を具備した放射状の隔壁で成るティース部分122とで構成されており、ティース部分122は内周側の結合部122aで隣接したティース同士を結合した一体構造となっている。つまり、ティース部分122のスロット開口部は外周側に形成されている。また、ヨーク部分121とティース部分122とは脱着可能(嵌着)になっており、ティース部分122はヨーク部分121の内周に嵌着される構造となっている。
【0078】
図13のステータコアを用いて、ブラシレスモータ120として組立てた例を図13に対応させて図14に示す。先ずティース部分122で成るステータコアを多数枚積層して円筒状の積層体を形成し、その積層体のティース部分122の各スロット123に外周側からコイル124を巻回し、ティース部分122に巻線をした後に、多数枚を積層した円筒状のヨーク部分121(コア)にティース部分122を嵌着して固定している。その際、スロット123の表面は、粉体塗装125により絶縁を施している。この絶縁は、絶縁紙等の他の絶縁方法でも良い。ヨーク部分121の外周はモータハウジング126となっており、ティース部分122の中心部にはマグネット127を層設されたロータ128が配設されている。マグネット127はリング型マグネットを使用しており、ロータ128の外周はほぼ真円になっている。
【0079】
このように本発明のブラシレスモータ120では、コイル124をティース部分122の外径側から直接スロット123に巻回するようにしているので、コイル124をスロット123に押し込む必要がない。このため、コイルには過大な力や局部的な力が加わることがなく、コイル124に傷が付くことがない。また、一体構造のティース部分122の内周面122bには凹凸がなく、ほぼ真円になっている。一体構造のティース部分122の内側をロータ128が回転するが、ロータ128の外周(マグネット127)はほぼ真円になっており、ステータ(ティース部分122の内周面122b)とロータ128の間の隙間は全周にわたってほぼ等しい。従って、万が一、モータ内に異物が入ってもステータとロータの間に引っかかる所がないので、異物が挟み込まれてモータが回転不能になることはない。ロータ128のマグネット表面に補強のカバーを付けても、同様に作用する。
【0080】
上記ブラシレスモータ120の磁気回路は、マグネット127のある磁極から隙間を介してティース部分122→ヨーク部分121→ティース部分122を通り、再度隙間を介してマグネット127の対磁極に戻る主磁路の他に、ティース部分122内径の結合部122aを通る短絡磁路が形成されている。しかしながら、電動パワーステアリング装置用のモータでは、この短絡磁路による性能劣化は2%以下でほとんど影響はない。スロット開口部の広い外周側からコイルを巻回するので、スロットの巻線占積率が上げられ、10%以上の性能向上ができる。
【0081】
次に、本発明に係るブラシレスモータの第5の実施例を図13に対応させて図15に示すが、本実施例ではティース部分122の外径側に設けたスロット開口部に、円周方向(両方向)に突出した鍔部122cを設けている。この鍔部122cはコイル124を巻回する時にコイル線をバラけ難くし、また、ヨーク部分121にティース部分122を嵌着するときにコイル124が接触するのを防ぐ作用をする。更に、ティース部分122とヨーク部分121の接触面を大きくすることで嵌着動作を安定させ、磁路を確保するためにも有効である。図15のステータコアを用いたブラシレスモータ120Aの径方向断面図を、図14に対応させて図16に示す。
【0082】
更に、本発明に係るブラシレスモータの第6の実施例を図17に示す。本例では、上記第5の実施例のティース部分122に巻線124をしているが、ヨーク部分は積層コアではなく、プレス成形したヨーク121aでモータの外箱(ハウジング)を構成している。コイル124を巻回したティース部分122を円筒状のヨーク121aに嵌着させると共に、ロータ128を組み込んでブラシレスモータを構成している。この場合、従来のモータの外箱よりヨーク121aを厚くするなどの磁気的な配慮が必要になるが、ヨーク専用部材が不要となるため、モータを小型化、低コスト化することができる。
【0083】
同様にヨーク部分を積層コアではなく、電動パワーステアリング装置のハウジング121bをヨークとした第7の実施例を図18に示す。本例では、ロータの軸は中空シャフト140となっており、その中空シャフト140の内側にラック141を同軸に配置している。本例では、ラック141のハウジングがモータのハウジングを兼ねており、ヨーク部分としても機能している。
【0084】
本発明のモータは、それぞれのコイルにおけるコイルエンドの引出し位置の一端が、隣接する他相のコイルエンドに対してステータの内周側に配置され、当該コイルエンドの引出し位置の他端が、隣接する他相のコイルエンドに対してステータの外周側に配置され、全ての励磁コイルの傾斜が均一になると共に、コイルエンド側から見た場合の長さも同一に配置することができるので、各相のインダクタンスを均等にすることができ、電流変動やトルクリップルを小さくすることができる。
【0085】
そこで、本発明のモータを電動式パワーステアリング装置のアシスト駆動源として用ることにより、従来のものよりも滑らかなステアリング操舵感を得ることができる電動式パワーステアリング装置を実現することができる。
【0086】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図20は本発明の第8の実施例に係る3相ブラシレスモータの軸方向から見た断面構造図であり、図21はその巻線展開図である。すなわち、図20はステータを軸方向から見た図であり、1つの励磁コイルと他の励磁コイルとの渡し部分であるコイルエンド301の引廻しを示すものである。
【0087】
1つのコイルエンド301の引出し位置である両端部A及びBにおいて、一方の端部Aが隣接した他相のコイルエンド301aに対してスロット302の外周側Oに、他方の端部Bが隣接した他相のコイルエンド301bに対して内周側Iになるように、励磁コイルを巻いている。全体でみると、全てのコイルエンド301がスロット302の外周側Oから内周側Iへと斜めに巻線されて、配置されるように構成されている。すなわち、本ブラシレスモータでは、ステータコア304のスロット302に多相の励磁コイルを波巻で巻いており、それぞれの励磁コイルにおけるコイルエンド301の引出し位置の一端(端部A)が、隣接する他相のコイルエンド301aに対してステータコア304の外周側Oに配置され、コイルエンド301の引出し位置の他端(端部B)が、隣接する他相のコイルエンド301bに対してステータの内周側Iに配置されている。
【0088】
一方、励磁コイルの巻き方は図2で示す巻線展開図に示すように、励磁コイル326の1つ(U相)の巻線はスロット302aを通り、コイルエンド311を経由して相数分の溝ピッチだけ離れたスロット302bを通ってティース303を往復した後、コイルエンド312を経由して同ピッチで次のスロット302cを通るように順次巻いていき、ステータを1周して元のスロット302aに戻るように巻いている。その次に、更に同じ軌跡を通り、同様にステータを1周して元のスロット302aに励磁コイル326の線を戻す。このような巻線を繰り返して、励磁コイル326の導体数を所定のターン数にしている。
【0089】
このように巻くことで、各相の励磁コイル326は、スロット302内の外周側Oと内周側Iに交互に一部が重畳して配設される。全ての相の励磁コイル326が同様の傾斜をもって、また、コイルエンド301の長さも等しく配設されるので、スロット302内の磁束の通りにバラツキがあっても、相内でそのバラツキが打ち消し合われ、相間のインダクタンスが等しくなる。
【0090】
励磁コイル326は1本の線材を巻いたものでも良いし、数本の線材を束ねたものでよい。本ブラシレスモータでは、図21に示すように励磁コイル326をループ状に成形していないので、当該モータのインダクタンスに影響する励磁コイルのターン数は0であり、本ブラシレスモータの自己インダクタンスは極めて小さい。また、本ブラシレスモータでは、従来の重ね巻と同じ導体数にしているので、励磁コイルの電気抵抗は重ね巻とほぼ同じであり、インダクタンスだけを小さくすることができる。
【0091】
図22は本発明の第8の実施例に係るブラシレスモータ320の構成を示す断面図であり、ブラシレスモータ320は、円筒形のハウジング322と、このハウジング322の軸心に沿って配設され、軸受323a及び323bによって回転自在の回転軸324に固定された永久磁石325と、この永久磁石325を包囲するようにハウジング322内周面に固定され、且つ、3相の励磁コイル326a,326b及び326cが巻回されたステータ321とから構成されており、回転軸324及び永久磁石325によってロータ327が形成されている。
【0092】
一方、ロータ327を構成する永久磁石325は、例えばS極及びN極がそれぞれ3極ずつ、計6極が周方向に等間隔に着磁されている。ここで、この場合にはS極及びN極が3極ずつ、計6極に着磁された永久磁石325を適用しているが、S極及びN極が周方向に交互に且つ等間隔に着磁されているならば、S極及びN極の2極でも良く、また、複数極でもよい。
【0093】
例えば、図20及び図21に示すように巻いたブラシレスモータの1相当りのインダクタンスは80μH以下、抵抗は0.05オーム程度であるので、電気時定数τは、τ=L/R=80μH/0.05オーム=1.6ミリ秒以下になる。
【0094】
本ブラシレスモータは3相6極であるので、1回転に18回の転流があり(3相×6極=18)、このモータを1000rpmで回転させると3.3ミリ秒に1回転流する(1/{(1000/60)*18}=0.0033)。このことにより、本ブラシレスモータは、高速で回転しているときでも転流期間(約3ミリ秒)よりも電気的時定数τ(1.6ミリ秒)が小さく、励磁電流を充分安定して流すことができる。
【0095】
上述の実施例では3相6極のブラシレスモータについて説明したが、本発明に係るモータは3相に限定されるものではなく、また、極数も6極に限定されるものではない。図23の巻線展開図で示すような、5相4極のブラシレスモータでも、上述の実施例と同様の作用及び効果がある。
【0096】
上述のようにコイルをステータに巻線する方法としては、例えばステータコア304に直接巻かずに、全ての相の励磁コイル326を波巻状に形成した後に、その形成した励磁コイル326をステータコア304のスロット302に挿入する方法を用いる。ここで、予め巻線機側の治具に、各相の励磁コイル326を波巻状に所定のターン数だけ巻き、励磁コイル326を仮成形する。この仮成形したコイルを、ステータ304のスロット302に順次又は同時に挿入して、成形する。
【0097】
この励磁コイル326は、複数本のマグネットワイヤを束ね、それを成形したコイルであっても、1本のマグネットワイヤを成形したコイルでもよい。なお、図20においては、配置が分かり易いように、モデル化してコイルエンド301を示している。
【0098】
励磁コイルを波巻で巻いたモータは、重ね巻きのモータに比べて、元来インダクタンスが小さいので、相間においてインダクタンスがアンバランスであると、そのアンバランスが大きく作用して、大きな電流変動及び大きなトルクリップルが生じるという悪影響がでる。しかしながら、本実施例のブラシレスモータにあっては、図20に示すように各励磁コイルのコイルエンド301の引出し位置が、全ての相に等しく配置されているので、スロット302内における磁束の通りにバラツキがあっても、相内でそのバラツキを打ち消し合い、相間のインダクタンスを等しくする。
【0099】
これにより、本実施例のブラシレスモータによれば、従来の波巻のブラシレスモータと比較して、相間におけるインダクタンスを極めてバランスの良いものにすることができ、電流変動及びトルクリップルを大幅に低減することができる。
【0100】
図24は、本発明に係るブラシレスモータの各相の励磁コイルの配置についての第9の実施例を示す断面構造図である。
【0101】
本実施例のブラシレスモータでは、スロット開口部352aがステータ内周側Iではなく、外周側O(ステータのヨーク部分356側)に設けられている。つまり、ステータをティース部分(コア)353とヨーク部分(コア)356とに分割した構造のモータである。この構成によれば、スロット352の外周側から励磁コイルを挿入して巻くことができる。そして、励磁コイルの巻線が終了した後に、ティース部分353とヨーク部分356とを嵌着する。なお、351はコイルエンドを示しており、一端部Aが外周側Oに、他端部Bが内周側Iに位置するように巻回されている。
【0102】
図25は、本発明に係るブラシレスモータの各相の励磁コイルの配置についての第10の実施例を示す断面構造図である。
【0103】
本実施例のブラシレスモータは、図23の巻線展開図に示す5相4極のモータの例である。本実施例においても、図20及び図24に示すブラシレスモータと同様に、各コイルエンド361の引出し位置である端部A,B(スロット362における径方向の位置)は、一方の端部Aが他相のコイルエンド361aに対してスロット362の外周側Oに、他方の端部Bが他相のコイルエンド361bに対して内周側Iになるように、各励磁コイル326が巻かれている。
【0104】
図24及び図25に示すブラシレスモータの各励磁コイルも、図20の場合と同様に全て均一な長さ及び傾斜となるようにコイルエンドの引出し位置が配置されているので、図20に示すブラシレスモータと同様に、スロット内における磁束の通りにバラツキがあっても、相内でそのバラツキが打ち消され、相間のインダクタンスを等しくする。これにより、従来の波巻のブラシレスモータと比較して、相間におけるインダクタンスを極めてバランスの良いものにすることができ、電流変動及びトルクリップルを大幅に低減することができる。
【0105】
なお、上述の実施例では、3相及び5相のモータを実施例としたが、本発明に係るモータは、これに限定されるものではなく、他の任意の相数のモータに適用することができる。また、上述の実施例では、ブラシレスモータを実施例としたが、本発明に係るモータは、これに限定されるものではなく、ブラシレスモータ以外の他の種類のモータにも適用することができる。
【0106】
これらにより、本発明のモータは電流変動及びトルクリップルが大幅に低減されているので、本発明のモータを電動式パワーステアリング装置のアシスト駆動源として用いることによって、従来のものよりも滑らかなステアリング操舵感を得ることができる電動式パワーステアリング装置を実現することができる。
【0107】
第11の実施例は、ステータコアのスロットに、多相のコイルを、上述の第1の実施例で参照した図6に示すように波巻で巻いたブラシレスモータにおいて、上述の第4の実施例で参照した図13、図14に示すように、ステータコアが、ティースの内周側を隣接したティース同士で結合され外周側に開口部を持ったティース部分122と、ティース部分122の外周側で磁路を形成するヨーク部分121とで構成され、ティース部分122の外周側から巻線をした後にヨーク部分121を固着した構成のブラシレスモータとする。
【0108】
すなわち、第11の実施例のブラシレスモータは、前述の第1の実施例で示したようにコイルを波巻で形成し、かつ、第4の実施例で示したようにステータコアがティースの内周側を隣接したティース同士で結合され外周側に開口部を持ったティース部分122(以下、「分割コア」という。)を有するブラシレスモータである。
【0109】
これらにより、第11の実施例のブラシレスモータは、コイルを波巻としたので、ブラシレスモータのインダクタンスを小さくすることができ、ブラシレスモータが低速回転であるか高速回転であるかに拘わらず安定した所望の出力トルクを得ることができると共に、ブラシレスモータを高速で回転させたときにおいても、トルクリップルを大幅に抑制することができ、電磁音、磁歪音及び作動音も低減することができ、滑らかなステアリング操舵感を得ることができる電動式パワーステアリング装置を提供することができる。
【0110】
さらに、第11の実施例のブラシレスモータは、ステータコアを「分割コア」としたので、コイル巻回時にコイルを傷つけることがなく、ティース部分122とロータ128との間の隙間が均一であり、モータショートやロックに対する信頼性が著しく向上する。また、巻線を外側から巻回するので巻線が簡単にでき、生産性が向上すると共に、占積率が向上し、波巻のような複雑な巻線も簡単にできる。ティース部分122の内周に凹凸がないのでコギングトルクが小さく、電動パワーステアリング装置に利用した場合には、さらに滑らかなステアリング操舵感を得ることができる。更に、ヨーク部分121をモータ又はモータを含む電動パワーステアリング装置の外箱(モータハウジング126)にすることで、モータを小型化できると共に、低コスト化を実現することができる。
【0111】
第12の実施例は、前述の第11の実施例のブラシレスモータにおいて、さらに、図20に示すように、各コイルのコイルエンド301の引出し位置の一端が、隣接する他相のコイルエンド301bに対して、前記ステータコアの内周側Iに配置され、前記各コイルのコイルエンド301の引出し位置の他端が、隣接する他相のコイルエンド301aに対して前記ステータコアの外周側Oに配置されている(以下、「整列巻」という。)構成を有するブラシレスモータである。
【0112】
すなわち、第12の実施例のブラシレスモータは、第11の実施例と第8の実施例とを組み合わせたものであり、コイルが波巻でかつ「整列巻」で形成されていると共に、ステータコアを「分割コア」としたものである。
【0113】
これらにより、第12の実施例のブラシレスモータは、前述の第12の実施例のブラシレスモータが備える効果を有すると共に、コイルの各相のインダクタンスを均等にすることができ、電流変動及びトルクリップルのさらなる削減をすることができる。
【0114】
第13の実施例は、前述の第11の実施例のブラシレスモータ又は第12の実施例のブラシレスモータを、自動車の操舵力を低減させるパワーステアリング装置におけるアシスト駆動源として用いるものである。
【0115】
これらにより、第13の実施例のブラシレスモータは、操舵係を低速に回転させたときでも高速に回転させたときでも、より滑らかなステアリング操舵感を得ることができ、電磁音、磁歪音及び作動音も低減することができ、小型化できると共に、低コスト化できる電動式パワーステアリング装置を実現することができる。
【0116】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、アシスト駆動源となるブラシレスモータにおいて、多相の励磁コイルを、極毎にループを成形しない波巻で巻いたので、ブラシレスモータのインダクタンスを小さくすることができ、ブラシレスモータが低速回転であるか高速回転であるかに拘わらず安定した所望の出力トルクを得ることができると共に、ブラシレスモータを高速で回転させたときにおいても、トルクリップルを大幅に抑制することができ、電磁音、磁歪音及び作動音も低減することができ、滑らかなステアリング操舵感を得ることができる電動式パワーステアリング装置を提供することができる。
【0117】
また、本発明のブラシレスモータによれば、コイル巻回時にコイルを傷つけることがなく、ティース部分とロータとの間の隙間が均一であり、モータショートやロックに対する信頼性が著しく向上する。また、巻線を外側から巻回するので巻線が簡単にでき、生産性が向上すると共に、占積率が向上し、波巻のような複雑な巻線も簡単にできる。ティース部分の内周に凹凸がないのでコギングトルクが小さく、電動パワーステアリング装置に利用した場合には、滑らかなステアリング操舵感を得ることができる。更に、ヨーク部分をモータ又はモータを含む電動パワーステアリング装置の外箱にすることで、モータを小型化できると共に、低コスト化を実現することができる。
【0118】
また、本発明によれば、それぞれのコイルにおけるコイルエンドの引出し位置の一端が、隣接する他相のコイルエンドに対してステータの内周側に配置され、当該コイルエンドの引出し位置の他端が、隣接する他相のコイルエンドに対してステータの外周側に配置され、全ての励磁コイルの傾斜が均一になると共に、コイルエンド側から見た場合の長さも同一に配置することができるので、各相のインダクタンスを均等にすることができ、電流変動やトルクリップルが小さいブラシレスモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る電動式パワーステアリング装置(コラムタイプ)の概略構成図である。
【図2】本発明の実施例に係る電動式パワーステアリング装置のブラシレスモータの構成(コラムタイプ)を示す断面図である。
【図3】本発明の実施例に係る電動式パワーステアリング装置の他の構成(ラック同軸タイプ)を示す断面図である。
【図4】図1におけるコントローラの構成を示すブロック図である
【図5】励磁電流の波形図である。
【図6】本発明の第1の実施例に係る電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータの巻線展開図である。
【図7】本発明の第2の実施例に係る電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータの巻線展開図である。
【図8】本発明の第3の実施例に係る電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータの巻線展開図である。
【図9】本発明の実施例に係る電動式パワーステアリング装置用ブラシレスモータの励磁電流の転流時における状態を示す波形図である。
【図10】従来の電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータの巻線展開図である。
【図11】他の従来の電動式パワーステアリング装置用のブラシレスモータの巻線展開図である。
【図12】従来の電動式パワーステアリング装置用ブラシレスモータの励磁電流の転流時における状態を示す波形図である。
【図13】本発明に係るブラシレスモータの第4の実施例を示すステータコアの構造図である。
【図14】本発明に係るブラシレスモータの第4の実施例を示す径方向断面構造図である。
【図15】本発明に係るブラシレスモータの第5の実施例を示すステータコアの構造図である。
【図16】本発明に係るブラシレスモータの第5の実施例を示す径方向断面構造図である。
【図17】本発明に係るブラシレスモータの第6の実施例を示す軸方向断面構造図である。
【図18】本発明に係るブラシレスモータの第7の実施例を示す軸方向断面構造図である。
【図19】従来のブラシレスモータのステータコアの構造図である。
【図20】本発明に係るブラシレスモータの各相の励磁コイルの配置についての第8の実施例を示す断面構造図である。
【図21】本発明の第8の実施例に係る3相ブラシレスモータの巻線展開図である。
【図22】本発明の実施例に係るブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図23】本発明の実施例に係る5相ブラシレスモータの巻線展開図である。
【図24】本発明に係るブラシレスモータの各相の励磁コイルの配置についての第9の実施例を示す断面構造図である。
【図25】本発明に係るブラシレスモータの各相の励磁コイルの配置についての第10の実施例を示す断面構造図である。
【図26】従来のブラシレスモータの各相の励磁コイルの配置についての一例を示す断面構造図である。
【符号の説明】
1 ステアリングホイール
2 ステアリングシャフト
3 トルクセンサ
4 ユニバーサルジョイント
5 ロアシャフト
6 ユニバーサルジョイント
7 ピニオンシャフト
8 ステアリングギヤ
9 タイロッド
10 減速ギヤ
12 ブラシレスモータ
13 コントローラ
14 イグニッションスイッチ
15 ヒューズ
16 バッテリ
17 車速センサ
22 ハウジング
23 軸受
24 回転軸
25 永久磁石
26 励磁コイル
27 ロータ
70 ティース
120 ブラシレスモータ
121 ヨーク部分
122 ティース部分
123 スロット
124 コイル
125 粉体塗装
126 モータハウジング
127 マグネット
128 ロータ
301 コイルエンド
302 スロット
302a スロット開口部
303 ティース
304 ステータコア
320 ブラシレスモータ
321 ステータ
322 ハウジング
323 軸受
324 回転軸
325 永久磁石
326 励磁コイル
327 ロータ
351 コイルエンド
352 スロット
352a スロット開口部
353 ティース部分
356 ヨーク部分
361 コイルエンド
362 スロット
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a brushless motor that is optimal for an electric power steering device that reduces the steering force of an automobile.Control unitIn particular, there are no motor shorts or locks, and the brushless motor can be easily wound and reduced in size and cost.Control unitAbout. In addition, the present invention provides a brushless with improved inductance characteristics in a brushless motor by improving the winding method of the coil.For motor control devicesRelated.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a motor with a brush is generally used as an assist drive source for an electric power steering apparatus. Further, a brushless motor is used for reducing inertia in steering and improving durability of the motor. Yes.
[0003]
As a winding method of the motor coil, there are lap winding and wave winding. For motors with coils wound in lap winding, 1) winding is easy to manufacture and inserts into the stator core, 2) easy to miniaturize, 3) simple winding structure and difficult to break the coil, It has the characteristic that the reliability with respect to insulation is also high. For this reason, a lap winding is generally used in a brushless motor as an assist drive source of an electric power steering apparatus.
[0004]
On the other hand, a coil-wound motor is not looped, so the inductance is smaller than that of a lap motor, the motor output is more responsive to changes in drive current, and current fluctuations There are advantages such as being small.
[0005]
As a method of winding a coil in a conventional motor, there is a method described in JP-A-7-163074. The wave winding method disclosed in this publication is a stator winding method for a multi-phase motor in which coils of each phase are inserted into the slots of the stator core by wave winding, and the conductors constituting the coils of each phase are respectively connected. Divided coils are formed in a plurality of pieces, and these bundled coils are sequentially inserted into slots in parallel with each phase to form stator windings.
[0006]
By the way, as a power source of the conventional electric power steering apparatus, for example, a brushless motor as disclosed in JP-A-9-149616 is used. FIG. 19 is a radial sectional view of the brushless motor. The stator core 201 is disposed on the outer peripheral side of the rotor 200, and the coil 202 is wound around a slot opened from the inner peripheral side of the stator core 201. Is a motor housing 203. That is, the stator core 201 of this brushless motor has a slot opening on the inner peripheral side (rotor side), and the coil 202 is wound around the slot through this opening.
[0007]
On the other hand, if the motor used in the electric power steering device is short-circuited or locked, it becomes impossible to steer. Therefore, it is highly reliable to attach a cover to prevent scattering of the magnet and coat the coil with an insulating agent. I try to have sex. Also, in order to prevent the influence on the vehicle even if the motor is short-circuited or locked, a relay is provided at the midpoint of the motor coil as shown in JP-A-10-243687, or utility model registration No. 2585705. As shown in FIG. 1, there is a motor provided with a clutch on the output shaft. That is, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-243687, the drive circuit unit of the brushless motor includes a bridge circuit composed of a plurality of switching elements, a power source is connected to the input terminal of the bridge circuit, and the brushless motor is connected to the output terminal of the bridge circuit. And a switch means for opening a closed loop is connected to the neutral point of the brushless motor.
[0008]
Although not a motor for an electric power steering device, a brushless motor using a split core is also disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-234928.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the slot opening is on the inner peripheral side (rotor side) as in the conventional brushless motor described above, the coil is pushed in from the rotor side using a jig or the like when the coil is inserted (wound). As a result, the coil is easily damaged when the coil is inserted. Coil damage can cause a motor short circuit.
[0010]
In addition, the motor short-circuit of the electric power steering apparatus must be absolutely impossible because the power generation braking of the motor occurs at the time of steering and the steering becomes heavy, and in the worst case, the steering becomes impossible. For this reason, the reliability of the motor with respect to a short circuit is improved by inserting insulating paper between coils or coating a coil with an insulating agent to enhance insulation. Therefore, an accompanying work process has occurred in manufacturing the motor, which has been a problem in terms of cost reduction. Further, when a short circuit occurs, the relay is turned off or the clutch is turned off to prevent the dynamic braking from working. Even in this case, relays, clutches and other devices are required, which is a problem in terms of cost reduction.
[0011]
In addition, since irregularities are formed on the inner circumference of the stator due to the slot opening, if foreign matter enters the motor due to inadequate maintenance, the foreign matter is caught in the concave portion of the stator and further caught in the gap between the rotor. As a result, the motor may become unable to rotate.
[0012]
On the other hand, in the conventional electric power steering device, if there is a torque ripple in the motor used as the assist drive source of the electric power steering device, the ripple becomes a fluctuation of the assist torque, which impairs the smoothness of steering. There was a problem that made it feel uncomfortable.
[0013]
The motor of the assist drive source of the electric power steering device is used from a state where it hardly moves (a state where the steering wheel is held) to a state where it rotates at a high speed (during a sudden steering) according to the steering speed of the steering that the driver steers. Is done. Torque ripple is small in the entire speed range, and a stable output (the number of rotations following the steering and the torque commensurate with the steering force) is required.
[0014]
In addition, in an electric power steering apparatus that controls a brushless motor by rectangular wave drive, the motor is multiphase or multipolar in order to obtain a small, efficient and stable output. When a multi-phase or multi-pole motor is rotated at a high speed, the time from commutation (switching the excitation phase) to the next commutation is extremely short. For motors with large inductance, the electrical constant is large and the current rises. Therefore, there is a problem that the next commutation time comes before the current rises sufficiently, and the motor does not flow as intended, so that the motor output is insufficient and unstable. Since the torque is proportional to the current, there is a problem that if the current does not flow, the torque decreases accordingly.
[0015]
This problem will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 10 shows a typical example of winding development of a brushless motor for a conventional electric power steering apparatus. FIG. 11 is a representative example of the winding development of a brushless motor for another conventional electric power steering apparatus. These are both examples of three-phase, six-pole lap windings. An excitation coil 76 is formed in a loop for each phase, and is wound several times. Such a conventional brushless motor includes a rotatable rotor having a permanent magnet fixed on the outer peripheral surface, a multi-phase excitation coil 76 surrounding the outer peripheral surface of the rotor, and an excitation coil on the inner peripheral surface of a cylindrical yoke portion. And a stator core formed with a plurality of teeth 70 for holding 76.
[0016]
The motor used for the assist power source of the electric power steering apparatus needs a large output that secures both the torque and the rotational speed necessary for steering. In order to obtain this output in an automobile using a 12V battery as a power source, naturally a large current is required.
[0017]
In addition, even if the motor has a large output, the number of coil conductors, that is, the number of turns of the coil is relatively small if the motor is a high rotation type motor with a small torque constant. However, in the case of an electric power steering device, the reduction gear ratio is increased. If the torque is to be secured, there is a problem that the space of the speed reduction portion is increased and the steering steering feeling is deteriorated due to the motor inertia, and the speed reduction ratio cannot be remarkably increased. That is, the motor of the electric power steering apparatus has a large torque constant and is used with a large current.
[0018]
For this reason, the motor of the electric power steering apparatus has a configuration in which the number of conductors of the coil, that is, the number of turns of the coil is large and the resistance is small.
[0019]
Specifically, the number of coil conductors per pole is 20 turns or more, and in order to reduce resistance, a thick wire is wound or several bundled coils are wound.
[0020]
The inductance L of one phase in such a motor is approximately proportional to the square of the number N of turns of the exciting coil 76. A brushless motor for an electric power steering apparatus has a large inductance, and thus has a large inductance. Inductance includes self-inductance and mutual inductance, but this brushless motor is dominant in self-inductance and has the same configuration as a solenoid when viewed from a single-phase exciting coil. Therefore, inductance L is expressed by the following general formula (1 ).
[0021]
L = μ ・ S ・ N2/ I (1)
Here, S is the cross-sectional area of the teeth 70, I is the length of the teeth 70, and μ is the magnetic permeability of the teeth 70.
[0022]
The electrical time constant τ is
τ = L / R (2)
Indicated by Here, R is the resistance value of the exciting coil 76.
[0023]
This brushless motor has an inductance equivalent to 1, for example, 300 μH, a coil resistance of about 0.05 ohms, and an electrical time constant τ of about 6 milliseconds. In addition, since the brushless motor of this example has 3 phases and 6 poles, there are 18 commutations per rotation (3 phases × 6 poles = 18), and when this motor is rotated at 1000 rpm, it is 1 in 3.3 milliseconds. Rotating flow (1 / {(1000/60) * 18} = 0.0033).
[0024]
That is, the commutation time (about 3 milliseconds) is shorter than the electrical time constant τ (about 6 milliseconds) of the brushless motor. Since the electrical time constant τ is 63% of the final value of the current, if the current is commutated in a shorter time than the value of the electrical time constant τ, the current will flow slightly against the original final value. become.
[0025]
Furthermore, in an electric power steering device that controls a brushless motor by rectangular wave drive, if the phase currents of the excitation phase (ON phase) that rises during commutation and the excitation phase (OFF phase) that falls are not matched, Since the flowing all-phase current fluctuates, it causes torque ripple. On the other hand, torque ripple can be significantly suppressed by controlling the current change rate of the phase current during commutation. However, a brushless motor with a large inductance has a slow rise in current, and when rotating at high speed, There was a problem that the flow time was too short to control. FIG. 12 is a waveform diagram showing a state at the time of commutation of excitation current of a conventional brushless motor for an electric power steering apparatus. A solid line is an actual current value of each phase, and a dotted line is a current value of each phase that should flow. As shown in this figure, in the conventional brushless motor, the current flows only slightly with respect to the final flow value, and the excitation phase that rises at the time of commutation (ON phase) and the excitation phase that falls (OFF phase) ) Phase currents do not match.
[0026]
Furthermore, in the method of winding a coil in the motor disclosed in the above publication, one phase is wound with a predetermined number of turns, and when one phase finishes winding, the next phase is wound. A coil is wound. When the coil is wound for each phase in this way, the shape of the coil end, which is a transfer portion between one coil and the other coil, is the status of the coil 375a of the first wound phase as shown in FIG. The coil 375c of the last wound phase is located in the slot opening 372a (inner peripheral side of the stator core 374) in the back of the lot 372 (outer peripheral side of the stator core 374). The coil 375b is a coil wound second.
[0027]
Thus, since the radial position of the coil 375 in each phase status lot 372 is different, the length of the coil end 371 varies depending on each phase, and the magnetic flux can be easily passed depending on the position in the status lot 372. Because of the variation, the inductance varies depending on the position of the coil 375. That is, since the position of the coil 375 (375a, 375b, 375c...) In the status lot 372 is biased, the inductance is unbalanced between the phases.
[0028]
Due to this imbalance, the conventional coil winding method in a motor has a problem that current fluctuation and torque ripple become large. A motor wound with a coil by wave winding inherently has a small inductance. Therefore, if there is an imbalance in inductance between phases, there is a drawback that it greatly affects current fluctuation and torque ripple.
[0029]
  The present invention has been made for the above-described circumstances, and a first object of the present invention is to provide a low-speed brushless motor in an electric power steering apparatus that controls a brushless motor serving as an assist driving force source by rectangular wave driving. A stable desired output torque can be obtained regardless of whether the rotation is high speed or high speed, and even when the brushless motor is rotated at a high speed, torque ripple can be greatly suppressed and smooth. Ideal for electric power steering devices that can provide a steering feelBrushless motor control deviceIs to provide.
[0030]
  A second object of the present invention is to provide a brushless motor that is optimal for an electric power steering apparatus that is free from motor short-circuiting or locking, can be easily wound, and is reduced in size and cost.Control unitIs to provide. Furthermore, the third object of the present invention is to equalize the inductance of each phase in a motor in which the coils of each phase are wound in a wave, and to reduce current fluctuation and torque ripple.Brushless motor control deviceIs to provide.
[0031]
  The present inventionA rotatable rotor having a permanent magnet fixed on the outer peripheral surface, a multi-phase excitation coil surrounding the outer peripheral surface of the rotor, a cylindrical yoke portion, and the excitation coil held on the inner peripheral surface of the yoke portion And a stator core formed by forming a plurality of teeth, and a control device for a brushless motor for power steering, wherein the exciting coil is wound around the stator core in a wave winding that does not form a loop for each coil corresponding to a pole.In relation to the above of the present inventioneachMy goal is,Drive means for generating a rectangular wave excitation signal to be supplied to each excitation phase of the brushless motor for power steering, and control means for determining the direction of the excitation signal and switching on / off for each excitation phase The control means includes a drive circuit for generating an excitation current to be supplied to the excitation coil as the excitation signal, and switching between the excitation phase in which the excitation current rises and the excitation phase in which the excitation current falls when the excitation current is switched by rectangular wave control. The teeth of the brushless motor for power steering are achieved by supplying a drive signal that matches or has the same rate of current change to the drive circuit. In addition, the inner peripheral surface is substantially circular with no irregularities, and the rotor rotates inside the teeth. Or one end of the coil end drawing position of each excitation coil is arranged on the inner peripheral side of the stator core with respect to each adjacent other phase coil end, and each excitation coil This is achieved more effectively by arranging the other end of the coil end lead-out position on the outer peripheral side of the stator core with respect to each adjacent coil end of the other phase.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the brushless motor serving as the assist drive source of the electric power steering apparatus of the present invention, the multi-phase excitation coil is wound with a wave winding that does not form a loop for each pole, so the inductance of the brushless motor can be reduced, Regardless of whether the brushless motor is rotating at low speed or high speed, a stable desired output torque can be obtained, and torque ripple can be greatly suppressed even when the brushless motor is rotated at high speed. In addition, electromagnetic noise, magnetostrictive noise and operating noise can be reduced, and a smooth steering feeling can be obtained.
[0039]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric power steering apparatus (column type) according to an embodiment of the present invention. The steering force applied to the steering wheel 1 is transmitted to the steering shaft 2 composed of the input shaft 2a and the output shaft 2b. One end of the input shaft 2 a is connected to the steering wheel 1, and the other end is connected to one end of the output shaft 2 b via the torque sensor 3. The steering force transmitted to the output shaft 2 b is transmitted to the lower shaft 5 via the universal joint 4 and further transmitted to the pinion shaft 7 via the universal joint 6. The steering force is further transmitted to the tie rod 9 via the steering gear 8 to steer the steered wheels. The steering gear 8 is configured in a rack and pinion type having a pinion 8a and a rack 8b, and the rotational motion transmitted to the pinion 8a is converted into a straight motion by the rack 8b.
[0040]
A reduction gear 10 for transmitting an auxiliary steering force (assist force) to the output shaft 2b is connected to the output shaft 2b of the steering shaft 2. The brushless motor 12 that generates the auxiliary steering force is connected to the reduction gear 10. The output shaft is connected. The torque sensor 3 is disposed on the steering wheel 1 and detects the steering torque transmitted to the input shaft 2a. For example, the torsion bar twisting the steering torque interposed between the input shaft 2a and the output shaft 2b. Torque detection comprising an analog voltage corresponding to the magnitude and direction of torsion occurring in the steering shaft 2 when the driver steers the steering wheel 1 is converted to angular displacement and detected by a potentiometer. The signal TV is output. For example, when the steering wheel 1 is in a neutral state, the torque sensor 3 outputs a predetermined neutral voltage V0 as a torque detection signal TV. When the steering wheel 1 is turned to the right, the torque sensor 3 responds to the steering torque at that time. When the voltage increasing from the neutral voltage V0 is turned to the left, a voltage decreasing from the neutral voltage V0 is output according to the steering torque at that time.
[0041]
The controller 13 is a controller that controls the drive of the brushless motor 12 and controls the steering assist force to the steering system, and is operated by being supplied with power from a vehicle-mounted battery 16. The negative electrode of the battery 16 is grounded, and the positive electrode is connected to the controller 13 via the ignition switch 14 and the fuse 15a for starting the engine, and is directly connected to the controller 13 via the fuse 15b. For example, the power supplied through the memory is used for memory backup. Then, the controller 13 drives and controls the brushless motor 12 based on the torque detection signal TV from the torque sensor 3 and the vehicle speed detection signal VP from the vehicle speed sensor 17 disposed on the output shaft of the transmission, for example.
[0042]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration (column type) of the motor of the electric power steering apparatus according to the embodiment of the present invention. The brushless motor 12 includes a cylindrical housing 22, a permanent magnet 25 which is disposed along the axis of the housing 22, and is fixed to a rotatable rotating shaft 24 by bearings 23 a and 23 b, and the permanent magnet 25. The rotor is fixed to the inner peripheral surface of the housing 22 so as to surround it, and is composed of a stator 26 around which three-phase exciting coils 26a, 26b, and 26c are wound. The rotor is rotatable by a rotating shaft 24 and a permanent magnet 25. 27 is formed.
[0043]
On the other hand, the permanent magnet 25 constituting the rotor 27 has, for example, three S poles and three N poles, and a total of six poles magnetized at equal intervals in the circumferential direction. Here, in this case, the permanent magnet 25 magnetized to 6 poles, 3 poles each of S and N poles, is applied, but the S poles and N poles are alternately arranged at equal intervals in the circumferential direction. As long as it is magnetized, it may be two poles, S pole and N pole, or a plurality of poles.
[0044]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration (rack coaxial type) of the electric power steering apparatus according to the embodiment of the present invention.
[0045]
In this electric power steering apparatus, the steering gear box 54 has a rack shaft 55 extending in the vehicle width direction extending through the left and right sides, and the pinion of the lower steering shaft 53C and the rack of the rack shaft 55 are engaged with each other. Further, tie rods 57A and 57B are connected to both ends of the rack shaft 55 extending left and right via ball joints 56A and 56B, and an unillustrated outer end side of the tie rods 57A and 57B can rotate a steered wheel (not shown). It is connected to the supporting knuckle so that the steering force can be transmitted. In addition, dust boots 55A and 55B are externally fitted between both ends of the rack shaft 55 and the tie rods 57A and 57B, respectively, so that dust or the like enters the steering gear box 54 or the housing 59. Is preventing.
[0046]
The rack shaft 55 is inserted through a cylindrical housing 59 fixed to a vehicle body (not shown) via brackets 58A and 58B. Specifically, the housing 59 is caulked from the side close to the steering gear box 54 to the connecting portion 59A coupled to the steering gear box 54, the relatively thick cylindrical portion 59B, and the outer peripheral surface of the cylindrical portion 59B. A relatively thin cylindrical portion 59C that is stopped, and a preload member 59D that is screwed into and fixed to the end of the cylindrical portion 59C, each of the connecting portion 59A and the preload member 59D are brackets 58A, It is fixed to the vehicle body via 58B.
[0047]
Among these, the relatively thin cylindrical portion 59C includes a large-diameter portion 59a that is fixed to the cylindrical portion 59B and relatively long and extends in the axial direction, a small-diameter portion 59b into which the preload member 59D is screwed, and a large-diameter portion 59a. And a tapered portion 59c that connects the small diameter portions 59b. A cylindrical rotation shaft 60A is disposed inside the housing 59 so as to surround the rack shaft 55 in a non-contact and coaxial manner, and a cylindrical permanent magnet 60B is disposed on the outer peripheral surface of the rotation shaft 60A. It is fixed. The permanent magnet 60B is a magnet in which S and N poles are alternately magnetized in the circumferential direction at equal intervals, and a rotatable rotor 60 is constituted by the rotating shaft 60A and the permanent magnet 60B.
[0048]
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the controller 13. The controller 13 includes, for example, a control circuit 61, an FET gate drive circuit 62, a motor drive circuit 64, a current detection circuit 66, and a rotor position detection circuit 68. .
[0049]
The control circuit 61 is composed of, for example, a microcomputer and includes at least an interface unit that performs input / output processing with an externally connected device, and a storage unit such as a ROM and a RAM. Then, the torque generation direction is detected for the torque detection signal TV comprising the analog voltage from the torque sensor 3 depending on whether it is higher than a predetermined neutral voltage V0, and a predetermined process is performed to obtain a torque detection value T. The vehicle speed detection value V is calculated by integrating the number of pulses per unit time based on the vehicle speed detection signal VP comprising a pulse signal corresponding to the rotation of the output shaft from the vehicle speed sensor 17. Based on these detection values T and VP, a motor drive signal SM to be supplied to the brushless motor 12 is calculated by, for example, PID control (proportional / integral / differential), and PWM (Pulse Width Modulation) is calculated based on the motor drive signal SM. ) Signal is formed, and a pulse width modulation signal PWM is formed based on this PWM signal and output to the FET gate drive circuit 62.
[0050]
The FET gate drive circuit 62 is configured by, for example, a multiplexer or the like, and includes a pulse width modulation signal PWM and a direction signal from the control circuit 61, and upper stage gate signals Ga1 to Gc1 and lower stage side gate signals Ga2 to Ga2 from the rotor position detection circuit 68. When Gc2 is input and the direction signal is forward rotation, a predetermined value is applied to the gate terminal of the corresponding transistor of the motor drive circuit 64 specified by the gate signals Ga1 to Gc2 while the pulse width modulation signal PWM is “HIGH”. When a voltage is supplied and the direction signal is reversely rotated, the upper gate signals Ga1 to Gc1 are processed as lower gate signals, and the lower gate signals Ga2 to Gc2 are processed as upper gate signals, respectively. A predetermined voltage is supplied to the terminal while the pulse width modulation signal PWM is “HIGH”.
[0051]
The current detection circuit 66 has, for example, a current detection resistor, amplifies the voltage generated at both ends of the current detection resistor, removes noise, and outputs the amplified current to the control circuit 61 as a motor current detection signal I. In the current detection circuit 66, it is assumed that sufficient filtering is performed on each signal so that the effective value of the motor current detection signal I can be obtained. The motor driving circuit 64 includes six field effect transistors (FETs) Ta1, Tb1, Tc1, Ta2, Tb2, and Tc2. In these FETs Ta1 to Tc2, a pair of corresponding FETs such as Ta1 and Ta2, Tb1 and Tb2 are connected in series, and each of the series circuits connected in series is arranged in parallel between both terminals of the power supply. At the same time, the connecting portion of the FETs in series relation is electrically connected to the outer ends of the respective excitation coils 26a to 26c (the side opposite to the center side of the star connection).
[0052]
The gate voltages of the FETs Ta1 to Tc2 are controlled by the FET gate drive circuit 62 based on the output of the phase detection element 31 described above. The direction and magnitude of the excitation current to each excitation coil 26a to 26c in the motor drive circuit 64 is specifically as shown in FIG. Here, in FIG. 5, the U phase corresponds to the excitation coil 26a, the V phase corresponds to the excitation coil 26b, and so on, each phase corresponds to each excitation coil, and the W phase corresponds to the excitation coil 26e. .
[0053]
As a result, in the winding development view of the present invention shown in FIGS. 6 and 7, an upward current (positive phase in FIG. 5) and a downward current (negative phase in FIG. 5) flow. A pole and an S pole are generated. Therefore, the rotor 27 is rotated by the magnetic attractive force and the repulsive force between the N or S pole of the permanent magnet of the rotor 27 and the N or S pole generated in the exciting coil 26.
[0054]
6 to 8 show development views according to embodiments of the windings of the brushless motor, which is an assist drive source of the electric power steering apparatus according to the present embodiment. FIG. 6 is an exploded view of the winding of the brushless motor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a developed winding view of a brushless motor according to a second embodiment of the present invention. FIG. 8 is an exploded view of the winding of the brushless motor according to the third embodiment of the present invention.
[0055]
6 and 7 are examples of windings of a brushless motor having three phases and six poles, respectively. The winding of one exciting coil 26 (U phase) passes through the winding groove a, passes through the winding groove b separated by the number of phases, and then reciprocates the teeth 70, and then the next winding at the same pitch. Winding is performed so as to pass through the wire groove c, and the stator 26 is wound around once so as to return to the original winding groove a. Next, the same path is followed, and the stator 26 is similarly turned around and the line of the exciting coil 26 is returned to the original winding groove a. Such winding is repeated so that the number of conductors of the exciting coil 26 is set to a predetermined number.
[0056]
The exciting coil 26 may be a single wire wound or a bundle of several wires. In this brushless motor, since the exciting coil 26 is not formed in a loop as shown in FIGS. 6 to 8, the number of turns of the exciting coil that affects the inductance of the motor is 0, and the self-inductance of the brushless motor is Is extremely small. Moreover, in this brushless motor, since the number of conductors is the same as that of the conventional lap winding as shown in FIG. 10 or FIG. 11, the electric resistance of the exciting coil is almost the same as that of the lap winding, and only the inductance is reduced. .
[0057]
For example, as shown in FIGS. 6 and 7, since the inductance corresponding to 1 of the wound brushless motor is 80 μH or less and the resistance is about 0.05 ohm, the electrical time constant τ is τ = L / R = 80 μH / 0.05 ohm = 1.6 milliseconds or less.
[0058]
Since this brushless motor has 3 phases and 6 poles, there are 18 commutations per rotation (3 phases × 6 poles = 18), and if this motor is rotated at 1000 rpm, it will flow once per 3.3 milliseconds. (1 / {(1000/60) * 18} = 0.0033).
[0059]
As a result, even when the brushless motor is rotating at high speed, the electrical time constant τ (1.6 milliseconds) is smaller than the commutation period (about 3 milliseconds), and the excitation current is sufficiently stable. It can flow.
[0060]
Next, an electric power steering apparatus according to another embodiment will be described below. In the drive control of the brushless motor that is the assist drive source, by controlling the current change rate of the phase current at the time of commutation, by matching the current change rate of the rising phase and falling phase of the exciting current when switching the exciting current The torque ripple of the brushless motor can be greatly suppressed.
[0061]
A specific example will be described with reference to the controller 13 shown in FIG. The FET gate drive circuit 62 generates excitation signals to be supplied to the excitation phases a to c of the brushless motor 35. The control circuit 61 supplies the FET gate drive circuit 62 with a drive signal that makes the current change rates of the rising phase and falling phase of the exciting current coincide with each other or the same when switching the exciting current.
[0062]
  This is because when the brushless motor 35 rotates, a counter electromotive force is generated in the motor coil, current becomes difficult to flow, the current stops early in the OFF phase, and the rise of the current is delayed in the ON phase. It is to correct in a controlled manner. In reality, the brushless motor 35Applied voltageTherefore, the ON phase current cannot rise quickly. The phase currents are matched by delaying the fall of the OFF-phase current.
[0063]
Here, when the inductance of the brushless motor 35 is large, the rise of the ON-phase current is delayed, and the OFF-phase is energized during that time. If current continues to flow indefinitely, the next commutation time will be reached, which is not preferable because it deviates significantly from the original excitation interval.
[0064]
In this brushless motor, since the inductance is smaller than that of the conventional brushless motor, the phase currents of the ON phase and the OFF phase can be matched even at high speed rotation, and torque ripple can be suppressed.
[0065]
In the above-described embodiment, a three-phase six-pole brushless motor has been described. However, the brushless motor according to the present invention is not limited to three phases, and the number of poles is not limited to six. As shown in the winding development view of FIG. 8, a five-phase four-pole brushless motor has the same operations and effects as the above-described embodiment. The electric power steering apparatus according to the present invention is not limited to the B / S rack type brushless motor as shown in FIG. 3 but also the column type brushless motor as shown in FIG. There are actions and effects.
[0066]
Further, the brushless motor for an electric power steering apparatus has the following structural features, and a wave winding in which a coil is not formed in a loop shape is easy to manufacture and there is no problem in reliability.
[0067]
1. The outer diameter of the motor (inner diameter of the stator core) is large (particularly B / S rack type), and the winding is easy to mold.
[0068]
2. The number of turns of the winding is large, and the lap winding stator core can be used, and the degree of freedom of design is large, and it is easy to miniaturize like lap winding.
[0069]
3. The brushless motor for an electric power steering apparatus is provided with sufficient protection and fail-safe because the steering operation becomes impossible when the motor is locked. The excitation coil is also reinforced with mechanical strength and electrical insulation, such as being hardened with resin, and has a structure that does not deteriorate reliability even when wave winding.
[0070]
In the above, the embodiment of the electric power steering device by the rectangular wave drive has been described. However, the brushless motor for the electric power steering device may be controlled by the sine wave drive. If the inductance of the brushless motor is large even in sine wave drive, the rise of the excitation current is delayed, and the current balance of each phase is lost, causing torque ripple. Therefore, even if the above-described embodiment is applied to a sine wave drive electric power steering apparatus, the same operations and effects as the above-described embodiment are obtained.
[0071]
In the brushless motor of the present invention, since the coil is wound from the outer peripheral side of the stator core, the coil can be wound without being pushed into the slot, so that the coil is not damaged and the motor is short-circuited. Absent. Further, since there is no unevenness due to the slot opening on the inner peripheral surface of the stator, the gap between the stator and the rotor is the same over the entire circumference. Therefore, even if a foreign object enters the motor, the foreign object is not sandwiched between the stator and the rotor, and the motor is not locked. Thus, the reliability of the motor is remarkably improved with a simple configuration, and there is an advantage that sufficient safety can be secured even without a relay or clutch.
[0072]
The present invention can be applied not only to a brushless motor of a column type and pinion type electric power steering apparatus, but also to a brushless motor of a rack assist type electric power steering apparatus.
[0073]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0074]
The brushless motor 120 of the present invention is applied in place of the brushless motor 12 as a power source in the electric power steering apparatus shown in FIG. The driver's steering force applied to the steering wheel 1 is transmitted to the steering shaft 2 composed of the input shaft 2a and the output shaft 2b. One end of the input shaft 2 a is connected to the steering wheel 1, and the other end is connected to one end of the output shaft 2 b via the torque sensor 3. Then, the steering force transmitted to the output shaft 2 b is transmitted to the pinion shaft 7 via the universal joints 4 and 6. The steering force is further transmitted to the tie rod 9 via the steering gear 8 to steer the steered wheels. The steering gear 8 is configured as a rack and pinion type having a pinion 8a and a rack 8b, and the rotational motion transmitted to the pinion 8a is converted into a straight motion by the rack 8b.
[0075]
A reduction gear 10 that transmits an auxiliary steering force (assist force) to the output shaft 2b is connected to the output shaft 2b of the steering shaft 2, and a brushless motor 120 that generates the auxiliary steering force is connected to the reduction gear 10. ing. The torque sensor 3 detects the steering torque transmitted to the input shaft 2a. For example, the torque sensor 3 converts the steering torque into a torsion angle displacement of a torsion bar inserted between the input shaft 2a and the output shaft 2b. The displacement is detected by a potentiometer, and when the driver steers the steering wheel 1, a torque detection signal TV having an analog voltage corresponding to the magnitude and direction of the twist generated in the steering shaft 2 is output. For example, when the steering wheel 1 is in a neutral state, the torque sensor 3 outputs a predetermined neutral voltage V0 as a torque detection signal TV. When the steering wheel 1 is turned to the right from this position, the torque sensor 3 responds to the steering torque. When the voltage increasing from the neutral voltage V0 is turned to the left, a voltage decreasing from the neutral voltage V0 according to the steering torque is output.
[0076]
A controller 13 composed of a CPU or the like is a unit that controls the driving of the brushless motor 120 and controls the steering assist force to the steering system, and operates when power is supplied from the in-vehicle battery 16. The negative electrode of the battery 16 is grounded, and its positive electrode is connected to the controller 13 via the ignition switch 14 and the fuse 15a for starting the engine, and is directly connected to the controller 13 via the fuse 15b, and via the fuse 15b. The power supplied is used for memory backup, for example. Then, the controller 13 drives and controls the brushless motor 120 based on the torque detection signal TV from the torque sensor 3 and the vehicle speed detection signal VP from the vehicle speed sensor 17 disposed on the output shaft of the transmission, for example.
[0077]
Next, a fourth embodiment of the brushless motor 120 according to the present invention will be described with reference to FIG. That is, FIG. 13 shows a cross-sectional structure of the stator core of the brushless motor 120. The stator core includes an annular yoke portion 121 and a teeth portion 122 formed of a radial partition wall having a large number of winding recesses (slots). The teeth portion 122 has an integral structure in which adjacent teeth are coupled to each other at a coupling portion 122a on the inner peripheral side. That is, the slot opening of the tooth portion 122 is formed on the outer peripheral side. Further, the yoke part 121 and the tooth part 122 are detachable (fitted), and the tooth part 122 is structured to be fitted to the inner periphery of the yoke part 121.
[0078]
FIG. 14 shows an example of assembly as a brushless motor 120 using the stator core of FIG. 13 corresponding to FIG. First, a large number of stator cores composed of teeth portions 122 are laminated to form a cylindrical laminate, and coils 124 are wound around the slots 123 of the teeth portions 122 of the laminate from the outer periphery, and windings are wound around the teeth portions 122. After that, the tooth portion 122 is fitted and fixed to a cylindrical yoke portion 121 (core) in which a large number of sheets are stacked. At that time, the surface of the slot 123 is insulated by the powder coating 125. This insulation may be another insulation method such as insulating paper. The outer periphery of the yoke portion 121 is a motor housing 126, and a rotor 128 in which a magnet 127 is layered is disposed at the center of the tooth portion 122. The magnet 127 uses a ring magnet, and the outer periphery of the rotor 128 is almost a perfect circle.
[0079]
As described above, in the brushless motor 120 of the present invention, the coil 124 is directly wound around the slot 123 from the outer diameter side of the tooth portion 122, so there is no need to push the coil 124 into the slot 123. For this reason, an excessive force or a local force is not applied to the coil, and the coil 124 is not damaged. Further, the inner peripheral surface 122b of the tooth portion 122 having an integral structure has no irregularities and is almost a perfect circle. The rotor 128 rotates inside the integrally structured tooth portion 122, but the outer periphery (magnet 127) of the rotor 128 has a substantially perfect circle. The gap is almost equal over the entire circumference. Therefore, even if a foreign object enters the motor, there is no place to be caught between the stator and the rotor, so the foreign object is not caught and the motor cannot be rotated. Even if a reinforcing cover is attached to the magnet surface of the rotor 128, the same effect is obtained.
[0080]
The magnetic circuit of the brushless motor 120 includes a main magnetic path that passes from the magnetic pole of the magnet 127 through the tooth portion 122 → the yoke portion 121 → the tooth portion 122 through the gap and returns to the counter magnetic pole of the magnet 127 through the gap again. In addition, a short-circuit magnetic path passing through the coupling portion 122a having the inner diameter of the tooth portion 122 is formed. However, in the motor for the electric power steering apparatus, the performance deterioration due to the short-circuit magnetic path is 2% or less, and there is almost no influence. Since the coil is wound from the wide outer periphery side of the slot opening, the winding space factor of the slot is increased, and the performance can be improved by 10% or more.
[0081]
Next, a fifth embodiment of the brushless motor according to the present invention is shown in FIG. 15 corresponding to FIG. 13, but in this embodiment, the slot opening provided on the outer diameter side of the tooth portion 122 is arranged in the circumferential direction. A flange 122c protruding in both directions is provided. The flange portion 122 c makes it difficult for the coil wire to be broken when the coil 124 is wound, and also prevents the coil 124 from coming into contact when the tooth portion 122 is fitted to the yoke portion 121. Furthermore, by increasing the contact surface between the tooth portion 122 and the yoke portion 121, it is effective to stabilize the fitting operation and secure a magnetic path. A radial sectional view of a brushless motor 120A using the stator core of FIG. 15 is shown in FIG. 16 corresponding to FIG.
[0082]
Furthermore, FIG. 17 shows a sixth embodiment of the brushless motor according to the present invention. In this example, the coil portion 124 is wound around the tooth portion 122 of the fifth embodiment, but the yoke portion is not a laminated core, but a press-molded yoke 121a constitutes the outer box (housing) of the motor. . A tooth portion 122 around which a coil 124 is wound is fitted into a cylindrical yoke 121a, and a rotor 128 is incorporated to constitute a brushless motor. In this case, magnetic considerations such as making the yoke 121a thicker than the outer box of the conventional motor are necessary, but since a member dedicated to the yoke is not necessary, the motor can be reduced in size and cost.
[0083]
Similarly, FIG. 18 shows a seventh embodiment in which the yoke portion is not a laminated core but the housing 121b of the electric power steering apparatus is a yoke. In this example, the shaft of the rotor is a hollow shaft 140, and a rack 141 is coaxially disposed inside the hollow shaft 140. In this example, the housing of the rack 141 also serves as the motor housing, and also functions as a yoke portion.
[0084]
In the motor of the present invention, one end of the coil end drawing position in each coil is arranged on the inner peripheral side of the stator with respect to the adjacent coil end of the other phase, and the other end of the coil end drawing position is adjacent. It is arranged on the outer peripheral side of the stator with respect to the coil ends of the other phases, and the inclination of all the exciting coils is uniform, and the length when viewed from the coil end side can be arranged to be the same. Can be made uniform, and current fluctuation and torque ripple can be reduced.
[0085]
Therefore, by using the motor of the present invention as an assist drive source for the electric power steering apparatus, an electric power steering apparatus that can obtain a smoother steering feeling than the conventional one can be realized.
[0086]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 20 is a sectional structural view of the three-phase brushless motor according to the eighth embodiment of the present invention as seen from the axial direction, and FIG. That is, FIG. 20 is a diagram when the stator is viewed from the axial direction, and shows the routing of the coil end 301 that is a transfer portion between one excitation coil and another excitation coil.
[0087]
At both ends A and B, which are the drawing positions of one coil end 301, the other end B is adjacent to the outer peripheral side O of the slot 302 with respect to the coil end 301a of the other phase to which one end A is adjacent. An exciting coil is wound so as to be on the inner peripheral side I with respect to the coil end 301b of the other phase. As a whole, all the coil ends 301 are arranged so as to be wound obliquely from the outer peripheral side O to the inner peripheral side I of the slot 302. That is, in this brushless motor, a multiphase exciting coil is wound in a slot 302 of the stator core 304 in a wave winding, and one end (end A) of the coil end 301 in each exciting coil is adjacent to another phase. The other end (end B) of the coil end 301 is positioned on the outer peripheral side O of the stator core 304 with respect to the coil end 301a of the stator. Is arranged.
[0088]
On the other hand, the winding method of the exciting coil is as shown in the winding development diagram shown in FIG. 2. One winding (U phase) of the exciting coil 326 passes through the slot 302 a and passes through the coil end 311 to the number of phases. After reciprocating the teeth 303 through the slots 302b separated by the groove pitch, the coils are sequentially wound so as to pass through the next slots 302c at the same pitch via the coil end 312, and the stator is rotated once to return to the original slots. It is rolled back to 302a. Next, the same path is followed, and the stator is made one turn and the line of the exciting coil 326 is returned to the original slot 302a. Such winding is repeated to make the number of conductors of the exciting coil 326 a predetermined number of turns.
[0089]
By winding in this way, the excitation coils 326 of the respective phases are arranged so as to partially overlap each other on the outer peripheral side O and the inner peripheral side I in the slot 302. Since the excitation coils 326 of all phases have the same inclination and the lengths of the coil ends 301 are equally arranged, even if there is a variation according to the magnetic flux in the slot 302, the variation cancels out in the phase. The inductance between the phases becomes equal.
[0090]
The exciting coil 326 may be one wound with a single wire or may be a bundle of several wires. In this brushless motor, since the exciting coil 326 is not formed in a loop as shown in FIG. 21, the number of turns of the exciting coil that affects the inductance of the motor is 0, and the self-inductance of the brushless motor is extremely small. . In addition, since the brushless motor has the same number of conductors as that of the conventional lap winding, the electric resistance of the exciting coil is substantially the same as that of the lap winding, and only the inductance can be reduced.
[0091]
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a configuration of a brushless motor 320 according to an eighth embodiment of the present invention. The brushless motor 320 is disposed along a cylindrical housing 322 and an axis of the housing 322. A permanent magnet 325 fixed to a rotatable rotating shaft 324 by bearings 323a and 323b, and fixed to the inner peripheral surface of the housing 322 so as to surround the permanent magnet 325, and three-phase exciting coils 326a, 326b and 326c The rotor 327 is formed by the rotating shaft 324 and the permanent magnet 325.
[0092]
On the other hand, the permanent magnet 325 constituting the rotor 327 has, for example, three S poles and three N poles, and a total of six poles magnetized at equal intervals in the circumferential direction. Here, in this case, a permanent magnet 325 magnetized with a total of 6 poles, 3 poles each of S and N poles, is applied, but the S poles and N poles are alternately arranged at equal intervals in the circumferential direction. As long as it is magnetized, it may be two poles, S pole and N pole, or a plurality of poles.
[0093]
For example, as shown in FIG. 20 and FIG. 21, the equivalent of 1 of the wound brushless motor has an inductance of 80 μH or less and a resistance of about 0.05 ohm, so the electrical time constant τ is τ = L / R = 80 μH / 0.05 ohm = 1.6 milliseconds or less.
[0094]
Since this brushless motor has 3 phases and 6 poles, there are 18 commutations per rotation (3 phases × 6 poles = 18), and if this motor is rotated at 1000 rpm, it will flow once per 3.3 milliseconds. (1 / {(1000/60) * 18} = 0.0033). As a result, even when the brushless motor is rotating at high speed, the electrical time constant τ (1.6 milliseconds) is smaller than the commutation period (about 3 milliseconds), and the excitation current is sufficiently stable. It can flow.
[0095]
In the above-described embodiment, a three-phase six-pole brushless motor has been described. However, the motor according to the present invention is not limited to three phases, and the number of poles is not limited to six. The five-phase four-pole brushless motor as shown in the winding development view of FIG. 23 has the same operations and effects as the above-described embodiment.
[0096]
As described above, as a method for winding the coil around the stator, for example, the exciting coils 326 of all phases are formed in a wave-like shape without being wound directly around the stator core 304, and the formed exciting coil 326 is then attached to the stator core 304. A method of inserting into the slot 302 is used. Here, the exciting coil 326 of each phase is wound around the jig on the winding machine side in a wave shape by a predetermined number of turns, and the exciting coil 326 is temporarily formed. The temporarily formed coils are inserted into the slots 302 of the stator 304 sequentially or simultaneously to be formed.
[0097]
The exciting coil 326 may be a coil in which a plurality of magnet wires are bundled and formed, or a coil in which one magnet wire is formed. In FIG. 20, the coil end 301 is shown as a model so that the arrangement can be easily understood.
[0098]
A motor in which an exciting coil is wound in a wave winding has a smaller inductance than a lap winding motor. Therefore, if the inductance is unbalanced between the phases, the imbalance acts greatly, resulting in a large current fluctuation and a large amount. There is an adverse effect that torque ripple occurs. However, in the brushless motor of this embodiment, as shown in FIG. 20, the drawing positions of the coil ends 301 of the respective exciting coils are arranged equally in all phases, so that the magnetic flux in the slot 302 is as follows. Even if there is a variation, they cancel each other out within the phase and equalize the inductance between the phases.
[0099]
Thereby, according to the brushless motor of the present embodiment, the inductance between phases can be made extremely balanced as compared with the conventional wave winding brushless motor, and the current fluctuation and torque ripple are greatly reduced. be able to.
[0100]
FIG. 24 is a sectional structural view showing a ninth embodiment regarding the arrangement of the excitation coils of the respective phases of the brushless motor according to the present invention.
[0101]
In the brushless motor of this embodiment, the slot opening 352a is provided not on the stator inner peripheral side I but on the outer peripheral side O (stator yoke portion 356 side). That is, the motor has a structure in which the stator is divided into a tooth portion (core) 353 and a yoke portion (core) 356. According to this configuration, the exciting coil can be inserted and wound from the outer peripheral side of the slot 352. Then, after the winding of the exciting coil is completed, the tooth portion 353 and the yoke portion 356 are fitted. Reference numeral 351 denotes a coil end, which is wound so that one end A is positioned on the outer peripheral side O and the other end B is positioned on the inner peripheral side I.
[0102]
FIG. 25 is a sectional structural view showing a tenth embodiment of the arrangement of the excitation coils for each phase of the brushless motor according to the present invention.
[0103]
The brushless motor of the present embodiment is an example of a five-phase four-pole motor shown in the winding development view of FIG. Also in this embodiment, as in the brushless motor shown in FIGS. 20 and 24, the end portions A and B (the radial positions in the slots 362) that are the drawing positions of the coil ends 361 are the same as the end portions A. Each excitation coil 326 is wound such that the other phase coil end 361a is on the outer peripheral side O of the slot 362 and the other end B is on the inner peripheral side I with respect to the other phase coil end 361b. .
[0104]
Since each of the exciting coils of the brushless motor shown in FIG. 24 and FIG. 25 is arranged so that the coil ends are uniformly lengthed and inclined as in the case of FIG. 20, the brushless shown in FIG. Similar to the motor, even if there is a variation in the magnetic flux in the slot, the variation is canceled out in the phase, and the inductance between the phases is made equal. Thereby, compared with the conventional wave winding brushless motor, the inductance between phases can be made into a very well-balanced thing, and an electric current fluctuation and a torque ripple can be reduced significantly.
[0105]
In the above-described embodiment, a three-phase motor and a five-phase motor are described as an embodiment. However, the motor according to the present invention is not limited to this, and may be applied to a motor having any other number of phases. Can do. In the above-described embodiments, the brushless motor is described as an embodiment. However, the motor according to the present invention is not limited to this, and can be applied to other types of motors other than the brushless motor.
[0106]
  As a result, the current fluctuation and torque ripple of the motor of the present invention are greatly reduced. Therefore, the motor of the present invention can be used as an assist drive source for an electric power steering apparatus.UseThus, it is possible to realize an electric power steering apparatus that can obtain a steering feeling that is smoother than the conventional one.
[0107]
The eleventh embodiment is a brushless motor in which a multiphase coil is wound in a wave winding as shown in FIG. 6 referred to in the first embodiment described above in the stator core slot. 13 and 14 referred to in FIG. 14, the stator core has a tooth portion 122 that is coupled with adjacent teeth on the inner peripheral side of the teeth and has an opening on the outer peripheral side, and a magnetic core on the outer peripheral side of the tooth portion 122. The brush portion motor is configured with a yoke portion 121 that forms a path, and has a configuration in which the yoke portion 121 is fixed after winding from the outer peripheral side of the tooth portion 122.
[0108]
That is, in the brushless motor of the eleventh embodiment, the coil is formed by wave winding as shown in the first embodiment, and the stator core is the inner circumference of the teeth as shown in the fourth embodiment. This is a brushless motor having a tooth portion 122 (hereinafter referred to as a “divided core”) that is joined by teeth adjacent to each other and has an opening on the outer peripheral side.
[0109]
As a result, the brushless motor of the eleventh embodiment has a coiled wave winding, so that the inductance of the brushless motor can be reduced and stable regardless of whether the brushless motor is rotating at low speed or high speed. A desired output torque can be obtained, and even when the brushless motor is rotated at a high speed, torque ripple can be greatly suppressed, and electromagnetic noise, magnetostrictive noise and operating noise can be reduced, and smooth It is possible to provide an electric power steering device that can obtain a good steering feeling.
[0110]
Further, in the brushless motor of the eleventh embodiment, since the stator core is a “divided core”, the coil is not damaged when the coil is wound, and the gap between the tooth portion 122 and the rotor 128 is uniform. Reliability for short circuit and lock is remarkably improved. Further, since the winding is wound from the outside, the winding can be simplified, the productivity is improved, the space factor is improved, and a complicated winding such as a wave winding can be simplified. Since there is no unevenness on the inner periphery of the tooth portion 122, the cogging torque is small, and when used in an electric power steering apparatus, a smoother steering feeling can be obtained. Furthermore, by using the yoke portion 121 as a motor or an outer box (motor housing 126) of an electric power steering apparatus including the motor, the motor can be reduced in size and cost can be reduced.
[0111]
In the twelfth embodiment, in the brushless motor of the eleventh embodiment, as shown in FIG. 20, one end of the drawing position of the coil end 301 of each coil is connected to the adjacent coil end 301b of the other phase. On the other hand, the other end of the drawing position of the coil end 301 of each coil is arranged on the outer peripheral side O of the stator core with respect to the adjacent coil end 301a of the other phase. (Hereinafter, referred to as “aligned winding”).
[0112]
In other words, the brushless motor of the twelfth embodiment is a combination of the eleventh embodiment and the eighth embodiment. The coil is formed by wave winding and “aligned winding”, and the stator core is This is a “split core”.
[0113]
As a result, the brushless motor of the twelfth embodiment has the effects provided by the brushless motor of the twelfth embodiment, can equalize the inductance of each phase of the coil, and can reduce current fluctuation and torque ripple. Further reductions can be made.
[0114]
In the thirteenth embodiment, the brushless motor of the eleventh embodiment or the brushless motor of the twelfth embodiment is used as an assist drive source in a power steering device that reduces the steering force of an automobile.
[0115]
As a result, the brushless motor of the thirteenth embodiment can obtain a smoother steering feeling even when the steering wheel is rotated at a low speed or at a high speed. An electric power steering device that can reduce noise, reduce the size, and reduce the cost can be realized.
[0116]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the brushless motor serving as the assist drive source, the multi-phase excitation coil is wound in a wave winding that does not form a loop for each pole, so that the inductance of the brushless motor can be reduced. A stable desired output torque can be obtained regardless of whether the brushless motor rotates at a low speed or a high speed, and torque ripple is greatly suppressed even when the brushless motor is rotated at a high speed. Therefore, it is possible to provide an electric power steering device that can reduce electromagnetic noise, magnetostrictive noise, and operation noise, and can obtain a smooth steering feeling.
[0117]
Further, according to the brushless motor of the present invention, the coil is not damaged when the coil is wound, the gap between the tooth portion and the rotor is uniform, and the reliability with respect to the motor short circuit and the lock is remarkably improved. Further, since the winding is wound from the outside, the winding can be simplified, the productivity is improved, the space factor is improved, and a complicated winding such as a wave winding can be simplified. Since there is no unevenness on the inner periphery of the tooth portion, the cogging torque is small, and when used in an electric power steering device, a smooth steering feeling can be obtained. Furthermore, by making the yoke part an outer case of a motor or an electric power steering apparatus including the motor, the motor can be reduced in size and cost can be reduced.
[0118]
Further, according to the present invention, one end of the coil end drawing position in each coil is disposed on the inner peripheral side of the stator with respect to the adjacent coil end of the other phase, and the other end of the coil end drawing position is Since it is arranged on the outer peripheral side of the stator with respect to the coil ends of the adjacent other phases, the inclination of all the excitation coils becomes uniform, and the length when viewed from the coil end side can be arranged the same. The inductance of each phase can be made uniform, and a brushless motor with small current fluctuation and torque ripple can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric power steering apparatus (column type) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration (column type) of a brushless motor of the electric power steering apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration (rack coaxial type) of the electric power steering apparatus according to the embodiment of the present invention.
4 is a block diagram showing a configuration of a controller in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a waveform diagram of excitation current.
FIG. 6 is a winding development view of the brushless motor for the electric power steering apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a developed winding view of a brushless motor for an electric power steering apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a developed winding view of a brushless motor for an electric power steering apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a waveform diagram showing a state at the time of commutation of excitation current of the brushless motor for an electric power steering apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a winding development view of a brushless motor for a conventional electric power steering apparatus.
FIG. 11 is a winding development view of a brushless motor for another conventional electric power steering apparatus.
FIG. 12 is a waveform diagram showing a state of a conventional brushless motor for an electric power steering device when an exciting current is commutated.
FIG. 13 is a structural diagram of a stator core showing a fourth embodiment of a brushless motor according to the present invention.
FIG. 14 is a radial sectional view showing a fourth embodiment of the brushless motor according to the present invention.
FIG. 15 is a structural diagram of a stator core showing a fifth embodiment of the brushless motor according to the present invention.
FIG. 16 is a radial sectional view showing a fifth embodiment of the brushless motor according to the present invention.
FIG. 17 is an axial sectional view showing a sixth embodiment of a brushless motor according to the present invention.
FIG. 18 is an axial sectional view showing a seventh embodiment of the brushless motor according to the present invention.
FIG. 19 is a structural diagram of a stator core of a conventional brushless motor.
FIG. 20 is a sectional structural view showing an eighth embodiment regarding the arrangement of excitation coils for each phase of the brushless motor according to the present invention.
FIG. 21 is a developed winding view of a three-phase brushless motor according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a configuration of a brushless motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a developed winding view of a five-phase brushless motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a sectional structural view showing a ninth embodiment of the arrangement of the excitation coils for the respective phases of the brushless motor according to the present invention.
FIG. 25 is a sectional structural view showing a tenth embodiment of the arrangement of the excitation coils for each phase of the brushless motor according to the present invention.
FIG. 26 is a cross-sectional structure diagram showing an example of the arrangement of excitation coils for each phase of a conventional brushless motor.
[Explanation of symbols]
1 Steering wheel
2 Steering shaft
3 Torque sensor
4 Universal joint
5 Lower shaft
6 Universal joint
7 Pinion shaft
8 Steering gear
9 Tie Rod
10 Reduction gear
12 Brushless motor
13 Controller
14 Ignition switch
15 fuse
16 battery
17 Vehicle speed sensor
22 Housing
23 Bearing
24 Rotating shaft
25 Permanent magnet
26 Excitation coil
27 Rotor
70 teeth
120 brushless motor
121 Yoke part
122 Teeth
123 slots
124 coils
125 powder coating
126 motor housing
127 magnet
128 rotor
301 Coil end
302 slots
302a Slot opening
303 Teeth
304 Stator core
320 brushless motor
321 stator
322 housing
323 Bearing
324 axis of rotation
325 Permanent magnet
326 Excitation coil
327 rotor
351 Coil end
352 slots
352a Slot opening
353 teeth
356 Yoke part
361 Coil end
362 slots

Claims (3)

外周面に永久磁石が固定された回転自在のロータと、ロータの外周面を包囲する複数相の励磁コイルと、円筒形のヨーク部と、前記ヨーク部の内周面に前記励磁コイルを保持する複数個のティースを形成して成るステータコアとを備え、前記励磁コイルが極に対応するコイル毎にループを形成しない波巻で前記ステータコアに巻回されているパワーステアリング用ブラシレスモータの制御装置において、前記パワーステアリング用ブラシレスモータの各励磁相に供給する矩形波の励磁信号を生成する駆動手段と、前記各励磁相毎に前記励磁信号の方向決定及びオン・オフの切替えを行う制御手段とを備え、前記制御手段は、前記励磁信号として前記励磁コイルに供給する励磁電流を生成する駆動回路を含み、矩形波制御による前記励磁電流の切替え時に、前記励磁電流が立ち上がる励磁相と立ち下がる励磁相の電流変化率を一致させるか又は同程度にする駆動信号を前記駆動回路に供給するようになっていることを特徴とするパワーステアリング用ブラシレスモータの制御装置。A rotatable rotor having a permanent magnet fixed on the outer peripheral surface, a multi-phase excitation coil surrounding the outer peripheral surface of the rotor, a cylindrical yoke portion, and the excitation coil held on the inner peripheral surface of the yoke portion A control core of a brushless motor for power steering, wherein the excitation coil is wound around the stator core in a wave winding that does not form a loop for each coil corresponding to a pole, and a stator core formed with a plurality of teeth. Drive means for generating a rectangular wave excitation signal to be supplied to each excitation phase of the brushless motor for power steering, and control means for determining the direction of the excitation signal and switching on / off for each excitation phase The control means includes a drive circuit that generates an excitation current to be supplied to the excitation coil as the excitation signal, and controls the excitation current by rectangular wave control. For power steering, the drive circuit is configured to supply a drive signal that makes the current change rate of the excitation phase where the excitation current rises and the fall of the excitation phase coincide with each other or the same level when switching. Brushless motor control device. 前記パワーステアリング用ブラシレスモータのティースは、その内周側を隣接したティース同士で結合した一体構造となっていると共に、内周面は凹凸がなく概ね真円であり、前記ティースの内側を前記ロータが回転するようになっている請求項1に記載のパワーステアリング用ブラシレスモータの制御装置。The teeth of the brushless motor for power steering have an integral structure in which the inner peripheral sides are joined together by adjacent teeth, and the inner peripheral surface is substantially round with no irregularities, and the inner side of the teeth is the rotor. The control device for a brushless motor for power steering according to claim 1, wherein 前記各励磁コイルのコイルエンドの引出し位置の一端が、各隣接する他相のコイルエンドに対して、前記ステータコアの内周側に配置され、前記各励磁コイルのコイルエンドの引出し位置の他端が、各隣接する他相のコイルエンドに対して前記ステータコアの外周側に配置されている請求項1又は2に記載のパワーステアリング用ブラシレスモータの制御装置。One end of the coil end extraction position of each excitation coil is disposed on the inner peripheral side of the stator core with respect to each adjacent other phase coil end, and the other end of the coil end extraction position of each excitation coil is 3. The control device for a brushless motor for power steering according to claim 1, wherein the controller is disposed on an outer peripheral side of the stator core with respect to each adjacent coil end of another phase.
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