JP4546213B2

JP4546213B2 - モータおよびモータを搭載した電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4546213B2
Application number: JP2004306858A
Authority: JP
Inventors: 康夫清水; 勝浩齋藤; 尚三好; 篤彦米田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP2006121818A

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に好適なモータおよび、モータを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置は、自動車を運転中、運転者がステアリングホイール（操舵ハンドル）を操作するとき、モータを連動させて操舵力を補助する支援装置である。電動パワーステアリング装置では、運転者のハンドル操舵によりステアリング軸に生じる操舵トルクを検出する操舵トルク検出部からの操舵トルク信号、および、車速を検出する車速検出部からの車速信号を利用し、モータ制御部の制御動作に基づいて、補助操舵力を出力する支援用のモータを駆動制御し、運転者の操舵力を軽減している。

ステアリングホイールに加えられた操舵トルクは、ラックアンドピニオン機構の出力軸に伝達されるとともに、操舵トルクに応じてモータが発生した補助トルクを摩擦係合伝達手段及びウォームギヤ機構を介してピニオン軸に伝達し、ラックアンドピニオン機構によって車輪を操舵する。

特許文献１には、電動パワーステアリング装置等に用いられるブラシレスモータが開示されている。

電動パワーステアリング装置に用いられる、モータの回転軸（ロータ）は弾性部材を介してカップリングによりステアリングギヤボックスのハウジングに回転自在に支持されるウォームギヤに連結されている。このウォームギヤは、ピニオンギヤ軸に一体的に設けられるウォームホィールギヤに噛み合わされモータの発生トルクを倍力している。モータは、ピニオン軸に対して概ね直角方向に突出してステアリングギヤボックスのハウジングに固定される。したがって、モータとハウジングとの固定時の剛性は低くなり、モータ通電時の作動振動がハウジングに伝達され騒音を発生するという課題があった。

上記の課題を解決するためには、モータの剛性を大きくとることが必要である。

図９は、従来のモータの回転軸に垂直な断面図である。モータ１００は、モータハウジング１０１内に９個のＴ字状の分割コア１０２ａ〜１０２ｉからなるアウターコア１０２が納められ、それらのコア１０２ａ〜１０２ｉの突極部１０３ａ〜１０３ｉにコイル１０４ａ〜１０４ｉが捲かれている。そして、モータ１００の中心部には、回転軸１０５とインナーコア１０６と８極リング磁石１０７ａ〜１０７ｈと磁石カバー１０８からなるロータ１０９が設けられている。各コア１０２ａ〜１０２ｉは、断面略Ｔ字状の連結部の部分１１０ａ〜１１０ｉ，１１１ａ〜１１１ｉにそれぞれ半円弧状の凸部１１２ａ〜１１２ｉと凹部１１３ａ〜１１３ｉが設けられそれぞれ嵌合されて構成される。

図９に示すように、モータ１００のアウターコア１０２は複数個（９個）の分割コア１０２ａ〜１０２ｉから構成されている。これらの分割コア１０２ａ〜１０２ｉは、分割コア１０２ａ〜１０２ｉのＴ字の連結部の部分１１０ａ〜１１０ｉ，１１１ａ〜１１１ｉを密着させて形成したときのリングの外径よりもモータハウジング１０１の内径を小さく設定し、モータハウジング１０１の内径に固定されている。そのため、各コア１０２ａ〜１０２ｉの連結部の外径部１１４ａ〜１１４ｉ，１１５ａ〜１１５ｉでそれぞれ接触し、各コア１０２ａ〜１０２ｉの連結部の内径部１１６ａ〜１１６ｉ，１１７ａ〜１１７ｉでは接触していないように納められている。
特開平１１−２３４９２８公報

図９で示した従来のモータでは、次のような課題が存在する。図９に示すように、モータ１００のアウターコア１０２は、複数個（９個）の分割コア１０２ａ〜１０２ｉから構成され、モータハウジング１０１の内径に比べて分割コア１０２ａ〜１０２ｉの集合体であるアウターコア１０２の外径が大きく設定されているので、図１０に示すようにシメシロによる力Ｒ１，Ｒ２が発生する（図１０では、例として一つの分割コア１０２ａを示す）。分割コア１０２ａの形状は、断面略Ｔ字状の連結部の部分１１０ａ，１１１ａにそれぞれ半円弧状の凸部１１２ａと凹部１１３ａが設けられそれぞれ嵌合されて構成される。したがって、凸部１１２ａと凹部１１３ａの接触から、これらの力Ｒ１，Ｒ２は例えば図１０のように作用する。このときモータハウジング１０１の内径方向に作用する力Ｐはゼロとなるので緊迫力にはならない。しかも曲げモーメントＭが発生して傾きを生じさせ不安定となる不具合を発生させる。これらにより剛性不足が発生し、モータ通電時にアウターコア１０２が振動しこの振動が剛性不足によりハウジング１０１に伝達され騒音を発生するという課題がある。したがって分割コアの集合体であるアウターコアの剛性を高くすることが望まれていた。特に電動パワーステアリング装置に用いると、モータの振動が直接的にハンドルに伝達され、操舵フィーリングを低下させる課題があった。

本発明の目的は、例えば電動パワーステアリング装置に好適な、アウターコアの剛性が高く、騒音の発生を抑えることができるモータとモータを搭載した電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明に係るモータおよびモータを搭載した電動パワーステアリング装置は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

本発明に係る第１のモータ（請求項１に対応）は、複数のコアを組み合わせてリング形状となるステータを備えるモータであって、各コアの形状は、リング形状となったときの径方向に対して所定幅を持った連結部と突極部とからなる断面略Ｔ字状をしており、複数のコアを組み合わせてリング形状としたステータをモータハウジングに納めたときに、前記モータの軸直方向の断面で見たときに、隣り合う前記コア同士が、前記連結部の内径部の１点で接触することで、各コアは、連結部の内径部で接触し、外径部で非接触であることで特徴づけられる。

本発明に係る第２のモータ（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくはモータハウジングの内径は、複数のコアの幅を持った連結部全面を隙間なく接触させて形成した際のリングの外径よりも小さく設定したことで特徴づけられる。

本発明に係る第３のモータ（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくはモータは複数のマグネットが備えられたインナーロータを備え、複数相の交流波形により駆動されるブラシレスモータであることで特徴づけられる。

本発明に係る第１の電動パワーステアリング装置（請求項４に対応）は、モータによって操舵力を発生させ車両の転舵を行う電動パワーステアリング装置であって、モータとして第１〜第３のモータのいずれか１つを用いたことで特徴づけられる。

本発明に係るモータは、高い剛性を付与することができ、モータ通電時にアウターコアの振動が抑制されしかもこの振動がハウジングに伝達され難くなる効果を有する。また、このモータを搭載した電動パワーステアリング装置は、振動伝達の小さい滑らかな操舵フィーリングと騒音が少ないものとすることができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に従って説明する。

実施形態で説明される構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また各構成の組成については例示にすぎない。従って本発明は、以下に説明される実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

図１〜図４を参照して本発明に係るモータを備える電動パワーステアリング装置の全体的構成、機械的機構の要部構成、および電子回路ユニットのレイアウトを説明する。

図１は、本発明に係るモータを備える電動パワーステアリング装置１０の全体構成を示す。電動パワーステアリング装置１０は例えば乗用車両に装備される。電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングホイール１１に連結されるステアリング軸１２等に対して補助用の操舵力（操舵トルク）を与えるように構成されている。ステアリング軸１２の上端はステアリングホイール１１に連結され、下端にはピニオンギヤ１３が取り付けられている。ピニオンギヤ１３に対して、これに噛み合うラックギヤ１４ａを設けたラック軸１４が配置されている。ピニオンギヤ１３とラックギヤ１４ａによってラックアンドピニオン機構１５が形成される。ラック軸１４の両端にはタイロッド１６が設けられ、各タイロッド１６の外側端には前輪１７が取り付けられる。上記ステアリング軸１２に対し動力伝達機構１８を介してモータ１９が設けられている。

モータ１９は、操舵トルクを補助する回転力（トルク）を出力し、この回転力を、動力伝達機構１８を経由して、ステアリング軸１２に与える。またステアリング軸１２には操舵トルク検出部２０が設けられている。操舵トルク検出部２０は、運転者がステアリングホイール１１を操作することによって生じる操舵トルクをステアリング軸１２に加えたとき、ステアリング軸１２に加わる当該操舵トルクとその作用方向を検出する。また２１は車両の走行速度を検出する車速検出部であり、２２はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置２２は、操舵トルク検出部２０から出力される操舵トルク信号Ｔと車速検出部２１から出力される車速信号Ｖを取り入れ、操舵トルクに係る情報と車速に係る情報に基づいて、モータ１９の回転動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。またモータ１９には、レゾルバ等によって構成されるモータ回転角検出部２３が付設されている。モータ回転角検出部２３の回転角信号ＳＧ２は制御装置２２にフィードバックされている。上記のラックアンドピニオン機構１５等は図１中で図示しないギヤボックス２４に収納されている。

上記において電動パワーステアリング装置１０は、通常のステアリング系の装置構成に対し、操舵トルク検出部２０、車速検出部２１、制御装置２２、モータ１９、動力伝達機構１８を付加することによって構成されている。なお、電動機１９は例えば、ブラシレスモータから構成される。

上記構成において、運転者がステアリングホイール１１を操作して自動車の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリング軸１２に加えられた操舵トルクに基づく回転力はラックアンドピニオン機構１５を介してラック軸１４の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド１６を介して前輪１７の走行方向を変化させようとする。このときにおいて、同時に、ステアリング軸１２に付設された操舵トルク検出部２０は、ステアリングホイール１１での運転者による操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置２２へ出力する。また車速検出部２１は、車両の車速を検出して車速信号Ｖに変換し、この車速信号Ｖを制御装置２２へ出力する。

制御装置２２は、操舵トルク信号Ｔおよび車速信号Ｖに基づいて電動機１９を駆動するためのモータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を発生する。電動機１９は３相電動機であり、そのモータ電流はＵ相とＶ相とＷ相から成る３相交流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗである。上記の駆動制御信号ＳＧ１は３相交流であるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗである。かかるモータ電流によって駆動される電動機１９は、動力伝達機構１８を介して補助操舵力をステアリング軸１２に作用させる。以上のごとくモータ１９を駆動することにより、ステアリングホイール１１に加えられる運転者による操舵力が軽減される。

図２は、電動パワーステアリング装置１０の機械的機構の要部と電気系の具体的構成に示す。ラック軸１４の左端部および右端部の一部は断面で示されている。ラック軸１４は、車幅方向（図２中左右方向）に配置される筒状ハウジング３１の内部に軸方向へスライド可能に収容されている。ハウジング３１から突出したラック軸１４の両端にはボールジョイント３２がネジ結合され、これらのボールジョイント３２に左右のタイロッド１６が連結されている。ハウジング３１は、図示しない車体に取り付けるためのブラケット３３を備えると共に、両端部にストッパ３４を備えている。

図２において、３５はイグニションスイッチ、３６は車載バッテリ、３７は車両エンジンに付設された交流発電機（ＡＣＧ）である。交流発電機３７は車両エンジンの動作で発電を開始する。制御装置２２に対してバッテリ３６または交流発電機３７から必要な電力が供給される。制御装置２２はモータ１９に付設されている。

図３は図２中のＡ−Ａ線断面図である。図３では、ステアリング軸１２の支持構造、操舵トルク検出部２０、動力伝達機構１８、ラックアンドピニオン機構１５の具体的構成と、電動機１９および制御装置２２のレイアウトとが明示される。

図３において、上記ギヤボックス２４を形成するハウジング２４ａにおいてステアリング軸１２は２つの軸受け部４１，４２によって回転自在に支持されている。ハウジング２４ａの内部にはラックアンドピニオン機構１５と動力伝達機構１８が収納され、さらに上部には操舵トルク検出部２０が付設されている。ステアリング軸１２の下端部に設けられたピニオン１３は軸受け部４１，４２の間に位置している。ラック軸１４は、ラックガイド４５で案内され、かつ圧縮されたスプリング４６で付勢された当て部材４７でピニオン１３側へ押え付けられている。動力伝達機構１８は、電動機１９の出力軸に結合される伝動軸４８に固定されたウォームギヤ４９とステアリング軸１２に固定されたウォームホイール５０とによって形成される。操舵トルク検出部２０は、ステアリング軸１２の周りに配置される操舵トルク検出センサ２０ａと、操舵トルク検出センサ２０ａから出力される検出信号を電気的に処理する電子回路部２０ｂとから構成されている。

図４は図３中のＢ−Ｂ線断面図である。図４ではモータ１９および制御装置２２の内部の具体的構成が明示される。

モータ１９は、回転軸５１に固定された永久磁石により成るロータ５２と、ロータ５２の周囲に配置された、巻線５３を有する複数のコアからなるアウターコア５４とを備える。回転軸５１は、２つの軸受け部５６，５７によって回転自在に支持される。回転軸５１の先部はモータ１９の出力軸１９ａとなっている。モータ１９の出力軸１９ａは、トルクリミッタ５８を介して、回転動力が伝達されるように伝動軸４８に結合されている。

伝動軸４８には前述の通りウォームギヤ４９が固定され、これに噛み合うウォームホイール５０が配置されている。回転軸５１の後端部には、モータ１９のロータ５２の回転角（回転位置）を検出する前述のモータ回転角検出部（位置検出部）２３が設けられる。モータ回転角検出部２３は、回転軸５１に固定された回転子２３ａと、この回転子２３ａの回転角を磁気的な作用を利用して検出する検出素子２３ｂとから構成される。モータ回転角検出部２３には例えばレゾルバが用いられる。ステータ５４，５５の巻線５３には３相交流であるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが供給される。以上のモータ１９の構成要素は、モータハウジング５９の内部に配置される。

図５は図４のＣ−Ｃ線断面図であり、モータ１９の断面構造を示す。なお、制御装置２２は省略してある。アウターコア５４は、９個のコア５４ａ〜５４ｉからなり各コア５４ａ〜５４ｉには、ティース部（突極）６２ａ〜６２ｉを放射状に延している。これら放射状に配置した９個のティース部６２ａ〜６２ｉに巻線５３ａ〜５３ｉを巻くことで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を構成している。

ロータ５２は、周方向に８個（８極）の永久磁石５２ａ〜５２ｈを有した回転体である。８個の永久磁石５２ａ〜５２ｈは、径方向（内・外面方向）に着磁した円弧状部材であり、周方向にＮ極とＳ極とが交互に配列するように並べたものである。

本発明に係る電動機の第１の実施形態について説明する。

図５に示すように、モータ１９は、モータハウジング５９内に９個のＴ字状の分割コア５４ａ〜５４ｉからなるアウターコア５４が納められ、それらのコアの突極部６２ａ〜６２ｉにコイル５３ａ〜５３ｉが捲かれている。そして、モータ１９の中心部には、回転軸５１とインナーコア６３と８極リング磁石５２ａ〜５２ｈと磁石カバー６４からなるロータ５２が設けられている。各コア５４ａ〜５４ｉは、断面略Ｔ字状の連結部の部分７０ａ〜７０ｉ，７１ａ〜７１ｉにそれぞれ半円弧状の凸部７２ａ〜７２ｉと凹部７３ａ〜７３ｉが設けられそれぞれ嵌合されて構成される。

複数のコア５４ａ〜５４ｉを組み合わせてリング形状となるステータ５４を備えるモータ１９であって、各コア５４ａ〜５４ｉの形状は、リング形状となったときの径方向に対して所定幅を持った連結部７０ａ〜７０ｉ，７１ａ〜７１ｉと突極部６２ａ〜６２ｉからなる断面略Ｔ字状をしており、複数のコア５４ａ〜５４ｉを組み合わせてリング形状としたステータ５４をモータハウジング５９に納めたときに、各コア５４ａ〜５４ｉは、連結部７０ａ〜７０ｉ，７１ａ〜７１ｉの内径部で接触し、外径部で非接触であることを特徴とするモータである。また、モータハウジング５９の内径は、複数のコア５４ａ〜５４ｉの幅を持った連結部全面を隙間なく接触させて形成した際のリングの外径よりも小さく設定した。

図６は、従来のモータと本発明のモータのハウジングとコアの納めた状態の比較を示す概念図である。図６（ａ）は、従来型のものであり、ハウジング８０の内径と、コア５４ａ〜５４ｉを連結部で密着させたときに形成される場合を示すが、コア５４ａ〜５４ｉは製作上の公差を有するので、図６（ａ）のような密着はあり得ない。実際には、例えば図６（ｂ）のように、従来のハウジング８１の内径と、コア５４ａ〜５４ｉを連結部で密着させたときに形成されるリングの外径が大きく、連結部の内径部９０ａ〜９０ｉ，９１ａ〜９１ｉに隙間が生じる。このとき接触点Ａ点、Ｂ点とＣ点の距離ｌが小さいので押しつけ力が小さく剛性が低くなる。図６（ｃ）は、本発明のモータハウジング８２の内径は、複数のコア５４ａ〜５４ｉの所定幅を持った連結部全面を接触させて形成したリングの外径よりも小さく設定した場合である。この場合には、連結部の内径部９０ａ〜９０ｉ，９１ａ〜９１ｉで接触している。

図７でこのときのコアでの作用を説明する。ここでは、例としてコア５４ａについて述べる。コア５４ａは、連結部７０ａ，７１ａの内径部９０ａ，９１ａと、ハウジング５９の部分と点８３，８４で接触する。このとき、コア５４ａに作用する力は、隣のコアから受ける力Ｒ１，Ｒ２と、ハウジングから受ける力Ｐ１，Ｐ２である。力Ｒ１，Ｒ２は、発生する力Ｒ１，Ｒ２が分割コア５４ａをモータハウジング５９の内径に押し付ける方向に作用していることが分かる。このときモータハウジング５９の内径方向に作用する力Ｐ１，Ｐ２が大きくできるので緊迫力を発生させ、作用点が下方にあるので曲げモーメントＭも発生しない。これらにより、高い剛性を付与することができ、モータ通電時にアウターコアの振動が抑制されしかもこの振動がハウジングに伝達され難くなる効果を有する。

次に、第２の実施形態を説明する。第２実施形態では、図８に示すように、コア９２ａ〜９２ｉの連結部９３ａ〜９３ｉ，９４ａ〜９４ｉは、複数のコア９２ａ〜９２ｉの連結部９３ａ〜９３ｉ，９４ａ〜９４ｉ全面を隙間なく接触させて形成したリングの外径が、モータハウジング９５の内径よりも大きくなるように形成した。それにより、モータハウジング９５に複数のコア９２ａ〜９２ｉを組み合わせてリング形状としたステータを納めたときに、各コア９２ａ〜９２ｉは、連結部の内径部９６ａ〜９６ｉ，９７ａ〜９７ｉで接触する。

それにより、第１の実施形態で説明したコアに働く作用により、コア９２ａ〜９２ｉは、連結部の内径部９６ａ〜９６ｉ，９７ａ〜９７ｉと、ハウジング９５の部分と点９８ａ〜９８ｉ，９９ａ，９９ｉ，９７で接触する。このとき、コア９４ａに作用する力は、図７で示したように、隣のコアから受ける力Ｒ１，Ｒ２と、ハウジングから受ける力Ｐ１，Ｐ２である。力Ｒ１，Ｒ２は、発生する力Ｒ１，Ｒ２が分割コアをモータハウジング９５の内径方向に押し付ける方向に作用していることが分かる。このときモータハウジング９５の内径方向に作用する力Ｐが大きくできるので緊迫力を発生させ、作用点が内径部にあるので曲げモーメントＭも発生しない。これらにより、高い剛性を付与することができ、モータ通電時にアウターコアの振動が抑制されしかもこの振動がハウジングに伝達され難くなる効果を有する。

なお、本発明でのモータは、電動パワーステアリング装置に用いる場合を説明したが、それに限らず、ステアバイワイヤ方式のステアリング装置でのモータとして用いることができる。

本発明は、電動パワーステアリング装置の使用に好適なモータに利用される。

本発明に係るモータを備える電動パワーステアリング装置の全体構成を示す図である。電動パワーステアリング装置の機械的機構の要部と電気系の具体的構成に示す図である。図２中のＡ−Ａ線断面図である。図３中のＢ−Ｂ線断面図である。図４のＣ−Ｃ線断面図であり、モータの断面構造を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るモータのコア部の従来との比較を説明する図である。本発明に係るモータのコア部に作用する力を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係るモータのコア部の従来との比較を説明する図である。従来のモータの断面構造を示す図である。従来のモータでの各コアに作用する力を示す図である。

符号の説明

１０電動パワーステアリング装置
１３ピニオンギヤ
１４ラック軸
１５ピニオン機構
１８動力伝達機構
１９電動機
１９ａ出力軸
３６バッテリ
４９ウォームギヤ
５０ウォームホイール
５１回転軸
５２ロータ
５２ａ〜５２ｈ永久磁石
５３ａ〜５３ｉ巻線
５４ａ〜５４ｉコア
６２ａ〜６２ｉティース部

Claims

複数のコアを組み合わせてリング形状となるステータを備えるモータであって、
各コアの形状は、前記リング形状となったときの径方向に対して所定幅を持った連結部と突極部とからなる断面略Ｔ字状をしており、
複数の前記コアを組み合わせてリング形状としたステータをモータハウジングに納めたときに、
前記モータの軸直方向の断面で見たときに、隣り合う前記コア同士が、前記連結部の内径部の１点で接触することで、前記各コアは、前記連結部の内径部で接触し、外径部で非接触であることを特徴とするモータ。
前記モータハウジングの内径は、前記複数のコアの前記幅を持った連結部全面を隙間なく接触させて形成した際のリングの外径よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１記載のモータ。
前記モータは複数のマグネットが備えられたインナーロータを備え、複数相の交流波形により駆動されるブラシレスモータであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のモータ。
モータによって操舵力を発生させ車両の転舵を行う電動パワーステアリング装置であって、前記モータとして請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のモータを用いたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。