JP5030974B2 - 電動パワーステアリング装置用モータ - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用されるモータに関し、特に、モータ中央部に車両のラック軸が挿通されるラックアシスト式の電動パワーステアリング装置に適用して有効な技術に関する。

自動車等の操舵力補助のため、従来より多くの車両にいわゆるパワーステアリング装置が装備されている。このようなパワーステアリング装置としては、近年、エンジン負荷軽減や重量低減等の観点から、電気式の動力操舵装置（いわゆる電動パワーステアリング装置）を搭載した車両が増大している。この電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳと略記する）は、一般にラック・アンド・ピニオン式の操舵装置に適用され、モータの配置場所によって、大きく３つのタイプに分類される。すなわち、モータ位置が運転者に近い側から、ステアリング軸上にモータを配したコラムアシスト式、ステアリング軸とラック軸の接続部にモータを配したピニオンアシスト式、ラック軸と同軸状にモータを配したラックアシスト式の３種類が知られている。

特許文献１のＥＰＳは、そのうちのラックアシスト式の装置であり、ラック軸に同軸的に設けたモータによって操舵補助力が付与される。図４は、特許文献１のようなラックアシスト式のＥＰＳの構成を示す断面図である。図４のＥＰＳ５１では、ラック軸５２と同軸状に設けたモータ５３が発生する操舵補助力は、ボールねじ機構５４を介してラック軸５２に伝達される。ラック軸５２の両端には、図示しないタイロッドやナックルアーム等を介して、操向車輪が連結される。一方、ラック軸５２は、ステアリング軸５５とラック・アンド・ピニオン結合され、運転者の転舵操作により軸方向（図中左右方向）に作動する。モータ５３は、円筒状のヨーク５６内に、マグネット５７、円筒状のロータシャフト５８及びロータコア５９を同軸的に挿入させた構成となっている。ロータシャフト５８内には、ラック軸５２が挿通されている。

ＥＰＳ５１では、ハンドルが操作されてステアリング軸５５が回転すると、この回転に応じた方向にラック軸５２が移動して転舵操作がなされる。この操作により、図示しないステアリングトルクセンサが作動すると、この検出トルクに基づいてモータ５３に適宜電力が供給される。モータ５３が作動すると、その回転はボールねじ機構５４を介してラック軸５２に伝達される。すなわち、ボールねじ機構５４によって、モータ５３の回転がラック軸５２の軸方向の運動に変換され、ラック軸５２に操舵補助力が付与される。この操舵補助力と手動操舵力とにより操向車輪が転舵され、運転者のハンドル操作負担が軽減される。
特開平10-152058号公報 特開2004-180449号公報 特開2006-109677号公報

一方、ＥＰＳにおいては、エンジンルーム内に装置をコンパクトにレイアウトするため、そこで使用するモータには、ブラシレス、ブラシ付を問わず、小型化、高性能化が求められている。特に、エンジンレイアウトと干渉し易いラックアシスト式のＥＰＳでは、モータ体格への要求は厳しく、小型化が必須となっている。また、ＥＰＳでは、製品コストの低減も求められており、このため、そこで使用されるモータには、組付性（組付容易性）や性能を損なうことのない最適な小型化が求められている。

そこで、本発明の発明者らは、このようなＥＰＳ用モータのロータに着目し、ロータ部分の最適な小型化について検討した。この場合、まずモータの組付性を考慮すると、マグネットの着磁工程は、マグネットをロータコアに取り付けた後に行う必要がある。これは、ＥＰＳ用モータでは、高性能化に伴い、マグネットが強磁力仕様となっているため、ロータコアに着磁済みのマグネットを正確に取り付ける作業は非常に手間がかかるためである。また、モータの性能面から見ると、ロータシャフトの内部にはラック軸が存在するため、ロータシャフト内側に磁気が漏出すると、ラック軸の摺動性が悪化したり、異音、振動等が発生したりするおそれがある。このため、ＥＰＳ用モータのロータでは、マグネットとロータコア及びロータシャフトの３点の部品は、各部品を組み付けた後に着磁が可能であり、かつ、磁気漏れのない構造で設計する必要がある。

しかしながら、このような小型で高性能かつ組付性に優れた低コストのＥＰＳ用モータは、仕様を決定するに当たり、非常に繊細かつ煩雑な調整が必要となる。すなわち、モータの構造設計に際しては、マグネットやロータコア等の寸法に関して種々のパラメータが存在し、それらがトレードオフの関係にある場合も少なくない。このため、前述の諸要素を満足し得るように各仕様を設定することは、熟練した設計者にとっても困難である場合が多く、設計の最適化を容易に図り得る設計上の指針が求められていた。

本発明の目的は、ＥＰＳ用モータに課せられた厳しい体格制限を満たしつつ、モータの組付性や性能を損なうことなく、モータの小型を図り、商品性を向上させることにある。

本発明の電動パワーステアリング装置用モータは、操向車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配置され、巻線が巻装され外径が１００mm以内に形成されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置され内部に前記ラック軸が挿通されるロータとを有し、前記ラック軸に対し操舵補助力を供給する電動パワーステアリング装置用のモータであって、前記ロータは、前記ラック軸が挿通される円筒状のロータシャフトと、前記ロータシャフトの外周に外装された円筒形状のロータコアと、前記ロータコアの外周部に固定された複数極構成のマグネットとを有し、前記ロータシャフトの径方向の厚さ寸法ｔs（２〜３ｍｍ）と、前記マグネットの着磁時に前記ロータコアにおいて最も磁束密度が高くなる部分における前記ロータコアの径方向の厚さ寸法ｔacとの比をＲ（＝ｔac／ｔs）とし、前記厚さ寸法ｔacの部位における前記マグネットの単位長さ（ｍｍ）当たりの有効磁束量をＢｍ（Ｗｂ／ｍｍ）としたとき、前記Ｂｍと前記Ｒの比（Ｂｍ：Ｒ）を、前記マグネットの磁束が前記ロータシャフトの内部に漏れ出さないＲ＝５.４・Ｂｍの関係となる線分を基準として、その上下略１０％の範囲内となるＢｍ：Ｒ＝１：５〜６に設定したことを特徴とする。

本発明にあっては、前述のｔacとｔsの比Ｒと、マグネットの単位長さ当たりの有効磁束量Ｂｍとの比（Ｂｍ：Ｒ）を１：５〜６に設定することにより、ロータシャフト内部への磁気漏出が抑えられる。これにより、ロータシャフト内側に配されたラック軸の摺動性の悪化や、異音、振動等の発生が抑えられる。

前記電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記比Ｒを０.４〜１.６に設定しても良い。この場合、Ｒを１.６以下に設定することによりロータ外径が抑えられ、モータ外径が抑えることができる。また、Ｒを０.４以上に設定することにより、ロータコアにおけるマグネットホルダ配置部位の断面積が大きくなり、マグネット着磁時における磁気飽和を回避でき、着磁効率の確保が図られる。

さらに、前記電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記ステータの外径を１００mm以内とし、前記寸法ｔsを２〜３ｍｍとしても良い。

本発明の電動パワーステアリング装置用モータによれば、操向車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配置される電動パワーステアリング装置用のモータにて、ロータシャフトの径方向の厚さ寸法ｔsとマグネットホルダが配置された部位におけるロータコアの径方向の厚さ寸法ｔacとの比Ｒ（＝ｔac／ｔs）と、マグネットの単位長さ当たりの有効磁束量Ｂｍとの比（Ｂｍ：Ｒ）を１：５〜６に設定することにより、ロータシャフト内部への磁気漏出を防止しつつ、モータの小型を図ることができる。また、モータの構造設計に際し問題となるパラメータについて、前記数値に合わせてモータ各部の仕様を決定すればＥＰＳに適した仕様設定が得られるので、ＥＰＳ用モータの最適設計が可能となる。また、設計工数の削減も図られるため、製品開発費用を削減でき、製品コストの低減も可能となる。

本発明によるＥＰＳ用モータの構成を示す断面図である。 図１のモータにおけるロータの断面構造を示す説明図である。 ロータシャフトの厚さｔsとエリアＡにおけるロータコアの厚さｔacとの比Ｒ（＝ｔac／ｔs）と、エリアＡにおけるマグネットの単位長さ当たりの有効磁束量Ｂｍとの関係を示す説明図である。 ラックアシスト式のＥＰＳの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ モータ ２ ラック軸
３ ボールねじ機構 １１ ステータ
１２ ハウジング １３ ステータコア
１４ 巻線 １５ 給電配線
２１ ロータ ２２ ロータシャフト
２３ ロータコア ２４ マグネット
２５ マグネットカバー ２６ マグネットホルダ
３１ ハウジング ３２ ベアリング
３３ レゾルバ ３４ レゾルバステータ
３５ レゾルバロータ ３６ コイル
４１ ハウジング ４２ ナット部
４３ スクリュー部 ４４ ボール
４５ アンギュラーベアリング
４６ａ,４６ｂ ベアリング固定用リング
４７ 段部 ４８ ベアリング固定用リング
４９ 段部 ５１ 電動パワーステアリング装置
５２ ラック軸 ５３ モータ
５４ ボールねじ機構 ５５ ステアリング軸
５６ ヨーク ５７ マグネット
５８ ロータシャフト ５９ ロータコア
Ａ ロータコアにおけるマグネットホルダが配置された部位
ｔs ロータシャフトの径方向の厚さ寸法
ｔac マグネットホルダが配置された部位におけるロータコアの径方向の厚さ寸法
Ｒ ｔsとｔacの比
Ｂｍ 有効磁束量

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明のＥＰＳ用モータの構成を示す断面図である。図１のモータ１もまた、図４と同様のラックアシスト式のＥＰＳの動力源として使用され、モータ１の内部をラック軸２が貫通する構成となっている。但し、図１のモータ１は、図４のモータ５３と異なり、ブラシレスモータとなっている。モータ１の回転は、ボールねじ機構３を介してラック軸２に伝達され、操舵補助力となる。

モータ１は、外側にステータ１１、内側にロータ２１を配したインナーロータ型の装置構成となっている。ステータ１１は、ハウジング１２と、ハウジング１２の内周側に固定されたステータコア１３、及び、ステータコア１３に巻装された巻線１４とを備えた構成となっている。ハウジング１２は、鉄等の磁性体にて形成されている。モータ１においては、ハウジング１２の外径は、ＥＰＳとしての商品性を考慮して１００ｍｍ以内に抑えられている。ステータコア１３は、鋼板を多数積層した構成となっている。ステータコア１３の内周側には、複数個（ここでは９個）のティースが突設されている。ティース間に形成されたスロット（同９個）には、コイルが巻装され巻線１４が形成される。巻線１４は、給電配線１５を介してバッテリ（図示せず）と接続されている。

ロータ２１は、ステータ１１の内側に配置されている。ロータ２１は、円筒状のロータシャフト２２と、ロータコア２３、マグネット２４、及び、マグネットカバー２５とから構成されている。ロータコア２３とマグネット２４、マグネットカバー２５は、ロータシャフト２２と同軸状に配されている。ロータシャフト２２の内側には、ラック軸２が挿通される。ロータシャフト２２の外周には、円筒形状のロータコア２３が外装されている。ロータコア２３の外周には、６極構成のマグネット２４が固定されており、当該モータ１は、６極９スロット構成となっている。

マグネット２４には、小型で高磁束密度が得られるネオジウム鉄磁石等の希土類磁石が使用される。このように、マグネット２４に希土類磁石を用いることにより、モータの小型化が図れると共に、ロータ２１のイナーシャが低減され操舵フィーリングも向上する。マグネット２４は、リング形状となっており、周方向に沿って複数の磁極がＮ,Ｓ交互に配置されている。なお、マグネット２４として、複数個のセグメントマグネットを用いても良い。マグネット２４の外側には、マグネットカバー２５が外装されている。これにより、万が一マグネットが破損しても、その破片によりモータ１がロックしないようになっている。

ハウジング１２の図中右端側には、アルミダイカスト製のハウジング３１が取り付けられている。ハウジング３１内には、ロータ２１の右端側を支持するベアリング３２と、ロータ２１の回転を検知するレゾルバ３３が収容されている。レゾルバ３３は、ハウジング３１側に固定されたレゾルバステータ３４と、ロータ２１側に固定されたレゾルバロータ３５とから構成されている。レゾルバステータ３４にはコイル３６が巻装されており、励磁コイルと検出コイルが設けられている。レゾルバステータ３４の内側には、ロータシャフト２２に固定されたレゾルバロータ３５が配置される。レゾルバロータ３５は、金属板を積層した構成となっており、三方向に凸部が形成されている。

ロータシャフト２２が回転すると、レゾルバロータ３５もまたレゾルバステータ３４内にて回転する。レゾルバステータ３４の励磁コイルには、高周波信号が付与されている。このため、レゾルバロータ３５の凸部の近接離反により、レゾルバステータ３４の検出コイルから出力される信号の位相が変化する。この検出信号と基準信号とを比較することにより、ロータ２１の回転位置が検出される。そして、ロータ２１の回転位置に基づき、巻線１４への電流が適宜切り替えられ、ロータ２１が回転駆動される。

ハウジング１２の図中左端側には、アルミダイカスト製のハウジング４１が取り付けられている。ハウジング４１内には、ボールねじ機構３が組み込まれている。ボールねじ機構３は、ナット部４２と、ラック軸２の外周に形成されたスクリュー部４３と、ナット部４２とスクリュー部４３との間に介装された多数のボール４４とから構成されている。ラック軸２は、軸回りの回転が規制された状態でナット部４２に支持されており、ナット部４２の回転に伴って、ラック軸２は左右方向に移動する。

ナット部４２は、ロータシャフト２２の左端部に固定されており、ハウジング４１に固定されたアンギュラーベアリング４５によって、回転自在に保持されている。アンギュラーベアリング４５は、ハウジング４１の開口部にねじ込まれたベアリング固定用リング４６ａ,４６ｂと、ハウジング４１の内部に形成された段部４７との間で、軸方向の動きが規制された状態で固定されている。また、ナット部４２とアンギュラーベアリング４５との間の軸方向の動きは、ナット部４２の左端にねじ込まれたベアリング固定用リング４８と、ナット部４２の外周に形成された段部４９とによって規制される。

このようなモータ１を備えたＥＰＳでは、まず操向ハンドルが操作されてステアリング軸が回転し、この回転に応じた方向にラック軸２が移動して転舵操作がなされる。この操作により、図示しないステアリングトルクセンサが作動すると、検出トルクに応じて、バッテリから給電配線１５を介して巻線１４に電力が供給される。巻線１４に電力が供給されるとモータ１が作動し、ロータシャフト２２が回転する。ロータシャフト２２が回転すると、これと結合されたナット部４２が回転し、ボールねじ機構３の作用により、ラック軸２に対し軸方向の操舵補助力が伝達される。これにより、ラック軸２の移動が促進され、操舵力が補助される。

ところで、このようなＥＰＳ用モータにおいて、要求仕様を満たしつつ、組付性や性能を損なうことなくモータの小型を図るには、(1)マグネット２４がロータアッセンブリ状態で着磁できること、(2)ロータシャフト２２の内部にマグネット２４の磁気が漏れないこと、が必要となる。このため、モータ１においても、前述のように、マグネット２４とロータコア２３及びロータシャフト２２の３点の部品は、上記(1)(2)を満たす構造で設計する必要がある。

図２は、モータ１におけるロータ２１の断面構造を示す説明図である。図２に示すように、ロータシャフト２２の外側には、ロータコア２３が取り付けられている。さらに、ロータコア２３の外側には、マグネット２４が固定されている。マグネット２４は、非磁性体（例えば、合成樹脂）にて形成されたマグネットホルダ２６によって、周方向及び径方向に抜け止めされた状態でロータコア２３の外周に取り付けられる。

このようなロータ２１では、マグネット２４を着磁する際、図２に矢印にて示したような状態で磁束が流れる。ロータ２１は、着磁時に最も強い磁界に当てられ、その際、ロータ２１が磁束を通しにくい構造の場合、マグネット２４を効率良く着磁できない。ここで、着磁時に最も磁束密度が高くなる部分は図２の符号Ａ（以下、エリアＡと称す）部分である。従って、このエリアＡが小さいと磁束が飽和し、着磁効率が低下する。一方、エリアＡを必要以上に大きく取ると、ロータ外径が大きくなりモータ小型化の妨げとなる。

エリアＡの大きさは、マグネット２４を着磁する際に必要となる磁束量と、エリアＡ部の透磁率に依存している。従って、透磁率の高い材料（例えば、珪素鋼板）を選定して、ロータコア２３を形成すれば、エリアＡのサイズを極小化でき、ロータ２１を小径化しモータ１の小型化を図ることが可能となる。また、ロータ２１の重量も低減されるため、ロータイナーシャが減少し、ステアリングフィール（操舵感）の向上も図られる。

一方、高透磁率材料によってロータコア２３を形成してエリアＡを極小化する場合、ロータシャフト２２の断面積を必要強度分のみとすれば、さらにロータ２１を小径化できる。しかしながら、ロータシャフト２２の断面積を小さくすると、マグネット２４の磁束が、エリアＡからロータシャフト２２の内部に漏れ出してしまうおそれがある。そこで、本発明らは、ロータシャフト２２の径方向の厚さｔsと、エリアＡにおけるロータコア２３の径方向の厚さｔacとの比Ｒ（＝ｔac／ｔs）に着目した。そして、この比ＲとエリアＡにおけるマグネット２４の単位長さ当たりの有効磁束量Ｂｍ（Ｗｂ／ｍｍ）との関係をＢｍ：Ｒ＝１：５〜６に設定すると、磁束漏出が生じないことが分かった。

図３は、前記のＲとＢｍの関係を示す説明図であり、ロータシャフト２２を炭素鋼にてｔs＝２.５ｍｍに形成すると共に、ロータコア２３を珪素鋼板にて形成し、雰囲気温度２０°Ｃとした場合のデータである。図３の線分Ｌは、Ｒ＝５.４×Ｂｍの関係となっており、発明者らの実験では、この関係が成立する場合には、マグネット２４の磁束がロータシャフト２２の内部に漏れ出さないことが判明した。また、実験では、線分Ｌの上下１０％の範囲内（図３における破線の範囲内）でも磁束漏出は認められず、Ｂｍ：Ｒ＝１：５〜６の範囲に設定すれば磁気漏出問題は生じないことが分かった。

一方、Ｒが大きくなると、それに伴ってロータ２１の外径も大きくなるため、モータ小型化の観点からすると、Ｒ＝１.６程度を上限とすることが望ましい。すなわち、図２の条件では、ｔacを４ｍｍ以下（ｔs＝２.５ｍｍに対してＲ＝ｔac／ｔs＝１.６；Ｂｍ＝０.２９６）とすることが好ましい。また、Ｒが小さくなると、それに伴ってエリアＡの断面積が小さくなり、磁束飽和が生じるため、コギング等のモータ性能悪化の観点から、Ｒ＝０.４程度を下限とすることが望ましい。すなわち、図２の条件では、ｔacを１ｍｍ以上（ｔs＝２.５ｍｍに対してＲ＝ｔac／ｔs＝０.４）とし、Ｂｍ＝０.０７４以上の値を確保することが好ましい。

このように本発明によるＥＰＳ用モータでは、前述のような設定により、ロータシャフト２２内部への磁気漏出を防止でき、磁気漏出によるラック軸の摺動性悪化を防止し、異音、振動等の発生を防止することが可能となる。また、磁気漏出を防止しつつ、しかも、組付性を損なわずにモータの小型化を図ることができ、小型高出力のＥＰＳモータによる省燃費も可能となる。さらに、ロータの小型化により、イナーシャが低減し、ステアリングフィールも向上する。

加えて、本発明によるＥＰＳ用モータでは、モータの構造設計に際し問題となるパラメータについて、ＥＰＳ仕様に適した数値が予め設定されている。従って、モータの構造設計に際しては、それに合わせてモータ各部の仕様を決定すれば良い。つまり、本発明により、ＥＰＳに最適なモータ設計指針が得られる。このため、小型で低コストなＥＰＳ用モータを従来に比して容易に構成でき、最適設計が可能となると共に設計工数の削減も図られる。従って、製品開発費用もその分削減され、製品コストの低減も図られる。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施例では、ハウジング外径が１００ｍｍ程度のＥＰＳ用モータにて、ロータシャフト２２の断面積を必要強度分確保する場合に一般的な寸法であるｔs＝２.５ｍｍの場合についてＲとＢｍの関係を説明したが、ロータシャフト２２の厚さｔsが他の寸法（例えば、２〜３ｍｍ）においても同様の条件にてモータ設計が可能である。

Claims (3)

1. 操向車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配置され、巻線が巻装され外径が１００mm以内に形成されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置され内部に前記ラック軸が挿通されるロータとを有し、前記ラック軸に対し操舵補助力を供給する電動パワーステアリング装置用のモータであって、
   前記ロータは、前記ラック軸が挿通される円筒状のロータシャフトと、前記ロータシャフトの外周に外装された円筒形状のロータコアと、前記ロータコアの外周部に固定された複数極構成のマグネットとを有し、
   前記ロータシャフトの径方向の厚さ寸法ｔs（２〜３ｍｍ）と、前記マグネットの着磁時に前記ロータコアにおいて最も磁束密度が高くなる部分における前記ロータコアの径方向の厚さ寸法ｔacとの比をＲ（＝ｔac／ｔs）とし、
   前記厚さ寸法ｔacの部位における前記マグネットの単位長さ（ｍｍ）当たりの有効磁束量をＢｍ（Ｗｂ／ｍｍ）としたとき、
   前記Ｂｍと前記Ｒの比（Ｂｍ：Ｒ）を、前記マグネットの磁束が前記ロータシャフトの内部に漏れ出さないＲ＝５.４・Ｂｍの関係となる線分を基準として、その上下略１０％の範囲内となるＢｍ：Ｒ＝１：５〜６に設定したことを特徴とする電動パワーステアリング装置用モータ
2. 請求項１記載の電動パワーステアリング装置用モータにおいて、
   前記ロータは、前記ロータコアの外側に取り付けられ前記マグネットを前記ロータコアの外周部に固定するマグネットホルダを有し、
   前記Ｂｍは、前記ロータコアの前記マグネットホルダが配置された部位における、前記マグネットによる有効磁束量であることを特徴とする電動パワーステアリング装置用モータ。
3. 請求項１又は２記載の電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記比Ｒが０.４〜１.６であることを特徴とする電動パワーステアリング装置用モータ。

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