JP5887810B2 - 電動パワーステアリング用電動機及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリング用電動機及び電動パワーステアリング装置に関する。

例えば、特許文献１には、永久磁石はその外側面を除き、樹脂接合層に包埋された状態で回転子ヨークの外周面に接合・固定されている永久磁石付回転子が記載されている。また、特許文献２には、帯板状の永久磁石を磁石埋込孔の内部に配置した状態で、永久磁石における他方の幅広外側面と磁石埋込孔における傾斜内側面との間の隙間に、磁性体の角柱スペーサを挿入し、その隙間内で角柱スペーサを挿入方向と直交する方向に移動させたＩＰＭ（（Interior Permanent Magnet）モータが記載されている。

実開平６−８０３５０号公報（図１、請求項１） 特開２００９−２２１２８号公報

特許文献１に開示された技術は、回転子ヨークの外周面に樹脂接合層を設けるための金型が必要になり、ロータやモータの製造コストが高くなる。また、特許文献２に開示された技術は、高価な希土類磁石の成分を低減することについての検討がなされていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、希土類磁石成分を低減し、モータの製造コストを低減できる電動パワーステアリング用電動機及び電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、電動パワーステアリング用電動機は、ロータヨーク及び前記ロータヨークの外周に、ロータヨーク内で閉磁路ができるように埋め込まれ、磁束密度が１．２Ｔ以上かつ保磁力が１４００ｋＡ／ｍ以下である複数の平板状のマグネットを含むロータと、前記ロータヨークの外側に所定の間隔を有して環状に配置されるステータコア及び前記ステータコアを励磁し、前記ロータにリラクタンストルク及びマグネットトルクを生じさせる励磁コイルを含むステータと、を含むことを特徴とする。

上記構成により、ロータヨーク内の閉磁路により、マグネットのパーミアンス係数が向上し、減磁耐力が向上する。このため、マグネットをＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合には、磁石全体の質量に対してＮｄを２０質量％以下としても、磁束密度を確保することができる。または、マグネットは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を磁石全体の質量に対してＮｄを２０質量％以下とし、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石にＮｄよりも安価な希土類元素、例えばＰｒ等を添加することで磁束密度を確保することができる。

また、上記構成により、マグネットの保磁力を小さくしても、減磁するおそれを低減できることから、マグネットの保磁力を向上させる希土類を低減できる。例えば、マグネットをＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合、添加するＤｙ又はＴｂの少なくとも１つ以上を２質量％以下とすることができる。その結果、保磁力が１４００ｋＡ／ｍ以下かつ飽和磁束密度１．２Ｔ以上の磁石を使用することができる。

また、電動パワーステアリング用電動機は、アシスト指令がない場合、電力が供給されていない状態となり、アシスト指令の待機状態となる。そして、ステアリングホイールが直進状態に戻る方向の力（セルフアライニングトルク）が出力軸から操舵力アシスト機構へ作用する。この作用により、電動パワーステアリング用電動機は、空回りとなり、励磁コイルが通電しない状態でロータが回転する。

上述の構成により、ロータの閉磁路で磁束がループすることにより、マグネットが埋め込まれたロータヨークからステータコアへ鎖交する磁束量は小さくなる。また、例えば、低保磁力を低減したマグネットを使用する場合、マグネットが埋め込まれたロータヨークからステータコアへ鎖交する磁束量がより小さくなる。このため、ステータコアで生じる磁区が向きを変えるときのヒステリシス損が緩和される。ヒステリシス損は、電動機が空回りした場合のロストルクの増加の要因となる。つまり、上記構成により、電動機は、励磁コイルに通電されていない状態で、ロータが回転させられる場合において、ロータの回転に対する摩擦力を小さくすることができる。そして、電動パワーステアリング用電動機のロータが空回りした場合のロストルクの増加を抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記マグネットは、前記ロータヨークの外周方向に沿って埋め込まれ、複数設けられているセグメント磁石であることが好ましい。

上記構成により、ロータヨーク内に埋め込むことが容易となり、ロータヨーク内で閉磁路ができる。これにより、ロータの閉磁路で磁束がループすることにより、マグネットが埋め込まれたロータヨークからステータコアへ鎖交する磁束量は小さくなる。

本発明の望ましい態様として、前記励磁コイルは、前記ステータコアに集中巻きされていることが好ましい。

上記構成により、集中巻きされている励磁コイルは、分布巻きに比較してコイルエンドが短くなることからコイル量を低減できる。その結果、コストを低減でき、ブラシレスモータをコンパクトとすることができる。

本発明の望ましい態様として、前記励磁コイルは、前記ステータコアに分布巻きされていることが好ましい。

上記構成により、磁極数が増え、トルクリップルを抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記ステータコアにトロイダル巻きされていることが好ましい。

上記構成により、分布巻きと同等の磁束分布を発生すると共に、分布巻きに比較してコイルエンドが短くなる。その結果、トルクリップルを抑制すると共に、ブラシレスモータをコンパクトとすることができる。

本発明の望ましい態様として、前記電動パワーステアリング用電動機により補助操舵トルクを得る電動パワーステアリング装置であることが好ましい。

上記構成により、ロストルクを抑制することができるので、操舵者に補助操舵トルクが伝達されても違和感を抑制した状態で、動作することができる。

本発明によれば、希土類磁石成分を低減し、モータの製造コストを低減できる電動パワーステアリング用電動機及び電動パワーステアリング装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係るブラシレスモータを備える電動パワーステアリング装置の構成図である。 図２は、本実施形態の電動パワーステアリング装置が備える減速装置の一例を説明する正面図である。 図３は、中心軸を含む仮想平面で本実施形態のモータの構成を切って模式的に示す断面図である。 図４は、本実施形態のモータの構成を中心軸に直交する仮想平面で切って模式的に示す断面図である。 図５は、本実施形態のロータを模式的に示す説明図である。 図６は、回転子ヨークの外周面に磁石を貼り付けた比較例のブラシレスモータのパーミアンス直線を説明する説明図である。 図７は、本実施形態のブラシレスモータのパーミアンス直線を説明する説明図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、本実施形態に係るブラシレスモータを備える電動パワーステアリング装置の構成図である。まず、図１を用いて、本実施形態のブラシレスモータを備える電動パワーステアリング装置８０の概要を説明する。

電動パワーステアリング装置８０は、操舵者から与えられる力が伝達する順に、ステアリングホイール８１と、ステアリングシャフト８２と、操舵力アシスト機構８３と、ユニバーサルジョイント８４と、ロアシャフト８５と、ユニバーサルジョイント８６と、ピニオンシャフト８７と、ステアリングギヤ８８と、タイロッド８９とを備える。また、電動パワーステアリング装置８０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）９０と、トルクセンサ９１ａと、車速センサ９１ｂとを備える。

ステアリングシャフト８２は、入力軸８２ａと、出力軸８２ｂとを含む。入力軸８２ａは、一方の端部がステアリングホイール８１に連結され、他方の端部がトルクセンサ９１ａを介して操舵力アシスト機構８３に連結される。出力軸８２ｂは、一方の端部が操舵力アシスト機構８３に連結され、他方の端部がユニバーサルジョイント８４に連結される。本実施形態では、入力軸８２ａ及び出力軸８２ｂは、鉄等の磁性材料から形成される。

ロアシャフト８５は、一方の端部がユニバーサルジョイント８４に連結され、他方の端部がユニバーサルジョイント８６に連結される。ピニオンシャフト８７は、一方の端部がユニバーサルジョイント８６に連結され、他方の端部がステアリングギヤ８８に連結される。

ステアリングギヤ８８は、ピニオン８８ａと、ラック８８ｂとを含む。ピニオン８８ａは、ピニオンシャフト８７に連結される。ラック８８ｂは、ピニオン８８ａに噛み合う。ステアリングギヤ８８は、ラックアンドピニオン形式として構成される。ステアリングギヤ８８は、ピニオン８８ａに伝達された回転運動をラック８８ｂで直進運動に変換する。タイロッド８９は、ラック８８ｂに連結される。

操舵力アシスト機構８３は、減速装置９２と、ブラシレスモータ１０とを含む。減速装置９２は、出力軸８２ｂに連結される。ブラシレスモータ１０は、減速装置９２に連結され、かつ、補助操舵トルクを発生させる電動機である。なお、電動パワーステアリング装置８０は、ステアリングシャフト８２と、トルクセンサ９１ａと、減速装置９２とによりステアリングコラムが構成されている。ブラシレスモータ１０は、ステアリングコラムの出力軸８２ｂに補助操舵トルクを与える。すなわち、本実施形態の電動パワーステアリング装置８０は、コラムアシスト方式である。

コラムアシスト方式の電動パワーステアリング装置８０は、操作者とブラシレスモータ１０との距離が比較的近く、ブラシレスモータ１０のトルク変化又は摩擦力が操舵者に影響を与えるおそれがある。このため、電動パワーステアリング装置８０では、ブラシレスモータ１０の摩擦力の低減が求められる。

図２は、本実施形態の電動パワーステアリング装置が備える減速装置の一例を説明する正面図である。図２は、一部を断面として示してある。減速装置９２はウォーム減速装置である。減速装置９２は、減速装置ハウジング９３と、ウォーム９４と、玉軸受９５ａと、玉軸受９５ｂと、ウォームホイール９６と、ホルダ９７とを備える。

ウォーム９４は、ブラシレスモータ１０のシャフト２１にスプライン、または弾性カップリングで結合する。ウォーム９４は、玉軸受９５ａと、ホルダ９７に保持された玉軸受９５ｂとで回転自在に減速装置ハウジング９３に保持されている。ウォームホイール９６は、減速装置ハウジング９３に回転自在に保持される。ウォーム９４の一部に形成されたウォーム歯９４ａは、ウォームホイール９６に形成されているウォームホイール歯９６ａに噛み合う。

ブラシレスモータ１０の回転力は、ウォーム９４を介してウォームホイール９６に伝達されて、ウォームホイール９６を回転させる。減速装置９２は、ウォーム９４及びウォームホイール９６によって、ブラシレスモータ１０のトルクを増加する。そして、減速装置９２は、図１に示すステアリングコラムの出力軸８２ｂに補助操舵トルクを与える。

図１に示すトルクセンサ９１ａは、ステアリングホイール８１を介して入力軸８２ａに伝達された運転者の操舵力を操舵トルクとして検出する。車速センサ９１ｂは、電動パワーステアリング装置８０が搭載される車両の走行速度を検出する。ＥＣＵ９０は、ブラシレスモータ１０と、トルクセンサ９１ａと、車速センサ９１ｂと電気的に接続される。

ＥＣＵ９０は、ブラシレスモータ１０の動作を制御する。また、ＥＣＵ９０は、トルクセンサ９１ａ及び車速センサ９１ｂのそれぞれから信号を取得する。すなわち、ＥＣＵ９０は、トルクセンサ９１ａから操舵トルクＴを取得し、かつ、車速センサ９１ｂから車両の走行速度Ｖを取得する。ＥＣＵ９０は、イグニッションスイッチ９８がオンの状態で、電源装置（例えば車載のバッテリ）９９から電力が供給される。ＥＣＵ９０は、操舵トルクＴと走行速度Ｖとに基づいてアシスト指令の補助操舵指令値を算出する。そして、ＥＣＵ９０は、その算出された補助操舵指令値に基づいてブラシレスモータ１０へ供給する電力値Ｘを調節する。ＥＣＵ９０は、ブラシレスモータ１０から誘起電圧の情報又は後述するレゾルバからロータの回転の情報を動作情報Ｙとして取得する。

ステアリングホイール８１に入力された操舵者（運転者）の操舵力は、入力軸８２ａを介して操舵力アシスト機構８３の減速装置９２に伝わる。この時に、ＥＣＵ９０は、入力軸８２ａに入力された操舵トルクＴをトルクセンサ９１ａから取得し、かつ、走行速度Ｖを車速センサ９１ｂから取得する。そして、ＥＣＵ９０は、ブラシレスモータ１０の動作を制御する。ブラシレスモータ１０が作り出した補助操舵トルクは、減速装置９２に伝えられる。

出力軸８２ｂを介して出力された操舵トルク（補助操舵トルクを含む）は、ユニバーサルジョイント８４を介してロアシャフト８５に伝達され、さらにユニバーサルジョイント８６を介してピニオンシャフト８７に伝達される。ピニオンシャフト８７に伝達された操舵力は、ステアリングギヤ８８を介してタイロッド８９に伝達され、操舵輪を転舵させる。次に、ブラシレスモータ１０について説明する。

図３は、中心軸を含む仮想平面で本実施形態のモータの構成を切って模式的に示す断面図である。図４は、本実施形態のモータの構成を中心軸に直交する仮想平面で切って模式的に示す断面図である。図３に示すように、ブラシレスモータ１０は、ハウジング１１と、軸受１２と、軸受１３と、レゾルバ１４と、ロータ２０と、ブラシレスモータ用ステータとしてのステータ３０とを備える。

ハウジング１１は、筒状ハウジング１１ａと、フロントブラケット１１ｂとを含む。フロントブラケット１１ｂは、略円板状に形成されて筒状ハウジング１１ａの一方の開口端部を閉塞するように筒状ハウジング１１ａに取り付けられる。筒状ハウジング１１ａは、フロントブラケット１１ｂとは反対側の端部に、この端部を閉塞するように底部１１ｃが形成される。底部１１ｃは、例えば、筒状ハウジング１１ａと一体に形成される。筒状ハウジング１１ａを形成する磁性材料としては、例えばＳＰＣＣ（Steel Plate Cold Commercial）等の一般的な鋼材や、電磁軟鉄等が適用できる。また、フロントブラケット１１ｂは、ブラシレスモータ１０を所望の機器に取り付ける際のフランジの役割を果たしている。

軸受１２は、筒状ハウジング１１ａの内側であって、フロントブラケット１１ｂの略中央部分に設けられる。軸受１３は、筒状ハウジング１１ａの内側であって、底部１１ｃの略中央部分に設けられる。軸受１２は、筒状ハウジング１１ａの内側に配置されたロータ２０の一部であるシャフト２１の一端を回転可能に支持する。軸受１３は、シャフト２１の他端を回転可能に支持する。これにより、シャフト２１は、中心軸Ｚｒを中心に回転する。

レゾルバ１４は、シャフト２１のフロントブラケット１１ｂ側に設けられる端子台１５によって支持される。レゾルバ１４は、ロータ２０（シャフト２１）の回転位置を検出する。レゾルバ１４は、レゾルバロータ１４ａと、レゾルバステータ１４ｂとを備える。レゾルバロータ１４ａは、シャフト２１の円周面に圧入等で取り付けられる。レゾルバステータ１４ｂは、レゾルバロータ１４ａに所定間隔の空隙を介して対向して配置される。

ステータ３０は、筒状ハウジング１１ａの内部にロータ２０を包囲するように筒状に設けられる。ステータ３０は、筒状ハウジング１１ａの内周面１１ｄに例えば嵌合されて取り付けられる。ステータ３０の中心軸は、ロータ２０の中心軸Ｚｒと一致する。ステータ３０は、筒状のステータコア３１と、励磁コイル３７とを含む。ステータ３０は、ステータコア３１に励磁コイル３７が巻きつけられる。

図４に示すように、ステータコア３１は、複数の分割コア３２を含む。複数の分割コア３２は、中心軸Ｚｒを中心とした周方向（図３に示す筒状ハウジング１１ａの内周面１１ｄに沿う方向）に等間隔で並んで配置される。以下、中心軸Ｚｒを中心とした周方向を単に周方向という。ステータコア３１は、複数の分割コア３２が組み合わされて構成される。そして、ステータコア３１が筒状ハウジング１１ａ内に圧入されることで、ステータ３０は、環状の状態で筒状ハウジング１１ａの内部に設けられる。なお、ステータコア３１と筒状ハウジング１１ａとは、圧入の他に接着、焼き嵌め又は溶接等によって固定されてもよい。

分割コア３２は、略同形状に形成された複数のコア片が中心軸Ｚｒ方向に積層されて束ねられることで形成される。分割コア３２は、電磁鋼板などの磁性材料で形成される。分割コア３２は、バックヨーク３３と、ティース３４とを有する。バックヨーク３３は、円弧状の部分を含む。バックヨーク３３は、複数の分割コア３２が組み合わされると、環状形状を形成する。ティース３４は、バックヨーク３３の内周面からロータ２０に向かって延びる部分である。

図４に示す励磁コイル３７は、線状の電線である。励磁コイル３７は、分割コア３２のティース３４の外周にインシュレータ３７ａを介して集中巻きされる。この構成により、磁極数を低減でき、かつ分布巻きに比較してコイルエンドが短くなることからコイル量を低減できる。その結果、コストを低減でき、ブラシレスモータ１０をコンパクトとすることができる。

励磁コイル３７は、分割コア３２のティース３４の複数の外周に分布巻きされていてもよい。この構成により、磁極数が増え、磁束の分布が安定することからトルクリップルを抑制することができる。

励磁コイル３７は、バックヨーク３３の外周にトロイダル巻きされていてもよい。この構成により、分布巻きと同等の磁束分布を発生すると共に、分布巻きに比較してコイルエンドが短くなることからコイル量を低減できる。その結果、トルクリップルを抑制すると共に、ブラシレスモータ１０をコンパクトとすることができる。

インシュレータ３７ａは、励磁コイル３７と分割コア３２とを絶縁するための部材であり、耐熱部材で形成される。このように構成されたステータコア３１が図４に示すように複数組み合わされることにより、ステータ３０は、ロータ２０を包囲できる形状となる。つまり、ステータコア３１は、後述するロータヨーク２２の外側に所定の間隔を有して環状に配置される。

ロータ２０は、筒状ハウジング１１ａに対して中心軸Ｚｒを中心に回転できるように、筒状ハウジング１１ａの内部に設けられる。ロータ２０は、シャフト２１と、ロータヨーク２２と、マグネット２３とを含む。シャフト２１は、筒状に形成される。ロータヨーク２２は、筒状に形成される。なお、ロータヨーク２２は、外周が円弧状である。この構成により、ロータヨーク２２は、外周が複雑形状である場合に比較して、打ち抜き加工の加工工数を低減できる。

ロータヨーク２２は、電磁鋼板、冷間圧延鋼板などの薄板が、接着、ボス、カシメなどの手段により積層されて製造される。ロータヨーク２２は、順次金型の型内で積層され、金型から排出される。ロータヨーク２２は、例えばその中空部分にシャフト２１が圧入されてシャフト２１に固定される。なお、シャフト２１とロータヨーク２２とは、一体で成型されてもよい。

マグネット２３は、ロータヨーク２２の外周方向に沿って埋め込まれ、複数設けられている。マグネット２３は、永久磁石であり、Ｓ極及びＮ極がロータヨーク２２の周方向に交互に等間隔で配置される。これにより、図４に示すロータ２０の極数は、ロータヨーク２２の外周側にＮ極と、Ｓ極とがロータヨーク２２の周方向に交互に配置された１４極である。

マグネット収容孔２４は、ロータヨーク２２に空けられた貫通孔である。マグネット収容孔２４は、外周部に複数設けられて等間隔に配置されている。マグネット２３は、ロータヨーク２２のマグネット収容孔２４に収容され、例えば、磁力により取り付けられる。本実施形態では、マグネット２３は、ロータヨーク２２の外周方向に沿って埋め込まれ、複数設けられている分割形状（セグメント構造）のセグメント磁石である。図５は、本実施形態のロータを模式的に示す説明図である。

図５に示すように、ロータヨーク２２の外周側にＮ極が着磁されているマグネット２３と、ロータヨーク２２の外周側にＳ極が着磁されているマグネット２３とは、ロータヨーク２２の周方向に交互に等間隔で配置される。ステータコア３１と、ロータヨーク２２との所定の間隔であるギャップ長は、Ｌｇである。

フラックスバリア２５は、マグネット２３のＳ極とＮ極との磁束短絡を防止するために、ロータヨーク２２に設けられた貫通孔である。フラックスバリア２５は、磁束の通過を抑制又は遮断できるものであればよく、空隙又は非磁性材料の絶縁材であればよい。

ロータヨーク２２にフラックスバリア２５を備えることで、ロータヨーク２２の外周に磁気抵抗の差が生じる。例えば、マグネット２３の長辺に接するロータヨーク２２の外周寄り部分は磁気的凹部２７となり、フラックスバリア２５近傍は、ブリッジ部２６とよばれる磁気的凸部となる。

このため、ロータヨーク２２の外周には、磁気的凹部２７と磁気的凸部であるブリッジ部２６とが交互に配置され、磁気的凹部２７がｑ軸と、磁気的凸部であるブリッジ部２６がｄ軸とそれぞれ呼ばれている。また、マグネット２３は、磁気的凸部であるブリッジ部２６を備えるように、ロータヨーク２２に埋め込まれ閉磁路を構成する。そして、磁気的凹部２７では磁束密度が磁気的凸部であるブリッジ部２６よりも低くなっている。ブリッジ部２６の磁路幅であるフラックスバリア２６からロータヨーク２２の外周までの距離をＷｂとする場合、ロータヨーク２２を構成する薄板の厚み以上とすることが好ましい。本実施形態のブラシレスモータ１０は、ブリッジ部２６の磁路幅であるＷｂを増加させることで、ロストルクをコントロールすることができる。

マグネット２３がロータヨーク２２に埋め込まれ閉磁路を構成することにより、下記式（１）に示すように、ロータ２０の全トルクＴ_ｔは、マグネット２３のマグネットトルクＴ_ｍに加え、ロータヨーク２２の外周に生じる磁気的凹凸によるリラクタンストルクＴ_ｒが生じる。その結果、ロータヨーク２２からステータコア３１へ鎖交する磁束が低減してもロータ２０に生じる全トルクＴ_ｔは向上する。

図６は、回転子ヨークの外周面に磁石を貼り付けた比較例のブラシレスモータのパーミアンス直線を説明する説明図である。図６には、マグネットのＢ−Ｈ減磁曲線が示されており、Ｑ_ｃ１がＢ−Ｈ減磁曲線の屈曲点である。電動パワーステアリング用電動機であるブラシレスモータ１０は、励磁コイル３７に通電されず、ロータ２０が空回り状態の場合と、励磁コイル３７に通電され、ロータ２０が励磁により回転する場合とがある。

また、ブラシレスモータ１０は、ＥＣＵ９０のアシスト指令がない場合、電力が供給されていない状態となり、アシスト指令の待機状態となる。そして、ステアリングホイール８１が直進状態に戻る方向の力（セルフアライニングトルク）が出力軸８２ｂから操舵力アシスト機構８３へ作用する。この作用により、ブラシレスモータ１０は、ロータ２０が空回りとなり、励磁コイル３７が通電しない状態でロータ２０が回転する。

図６に示すように、パーミアンス直線ＰＣｓ０は、励磁コイル３７に通電されず、ロータ２０が空回り状態の動作点を示す。また、パーミアンス直線ＰＣｓｌは、励磁コイル３７に通電され、ロータ２０が励磁により回転する場合を示す。なお、パーミアンス係数は、パーミアンス直線ＰＣｓ０及びパーミアンス直線ＰＣｓｌの傾きで求めることができる。

比較例のブラシレスモータのパーミアンス直線は、磁石がロータの表面に貼り付けられているため、ロータ２０の回転により、パーミアンス直線ＰＣｓ０が振れ角ｒｓθで変化し、また、パーミアンス直線ＰＣｓｌが振れ角ｒｓｌで変化してしまうおそれがあった。このため、比較例のブラシレスモータは、パーミアンス直線ＰＣｓｌが振れ角ｒｓｌで変化した場合にＢ−Ｈ減磁曲線の屈曲点Ｑ_ｃ１に対してマージンを持たせるために、マグネット自体の保磁力Ｈ_ｃ１の値を大きくした磁石にする必要がある。

例えば、マグネットをＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合、Ｎｄを２０質量％より大きくし、添加するＤｙ又はＴｂの少なくとも１つ以上を２質量％よりも大きく添加して、飽和磁束密度及び保磁力を高める必要がある。特に、保磁力を高める添加希土類元素、例えばＤｙ又はＴｂは価格が高いことが多く、比較例のブラシレスモータは、製造コストが増加してしまうおそれがある。

図７は、本実施形態のブラシレスモータのパーミアンス直線を説明する説明図である。図７には、本実施形態のマグネット２３のＢ−Ｈ減磁曲線が示されており、Ｑ_ｃ２がＢ−Ｈ減磁曲線の屈曲点である。図７に示すように、パーミアンス直線ＰＣｉ０は、励磁コイル３７に通電されず、ロータ２０が空回り状態の動作点を示している。また、パーミアンス直線ＰＣｉｌは、励磁コイル３７に通電され、ロータ２０が励磁により回転する場合を示している。

本実施形態のブラシレスモータ１０は、ロータヨーク２２にマグネット２３を埋め込み、ギャップ長Ｌｇを小さくすることができる。このため、パーミアンス直線ＰＣｉｌのパーミアンス係数は、図６に示すパーミアンス直線ＰＣｓｌのパーミアンス係数よりも大きくなる。例えば、図７に示すパーミアンス直線ＰＣｉｌは、Ｂ−Ｈ減磁曲線の屈曲点Ｑ_ｃ２に対してマージンを持たせるために必要なマグネット自体の保磁力Ｈ_ｃ２の値が上述した保磁力Ｈ_ｃ１よりも小さくすることができる。

また、ロータヨーク２２にマグネット２３を埋め込み、ロータヨーク２２内に閉磁路ができているので、ロータの閉磁路で磁束がループする。これにより、マグネット２３が埋め込まれたロータヨーク２２からステータコア３１へ鎖交する磁束量が小さくなる。その結果、図６に示すロータ２０の回転により、パーミアンス直線ＰＣｓｌが振れ角ｒｓｌで変化してしまうおそれを抑制することができる。

例えば、マグネット２３は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合、マグネット２３は、Ｎｄも２０質量％以下とすることができる。または、マグネット２３は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を磁石全体の質量に対してＮｄを２０質量％以下とし、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石にＮｄよりも安価な希土類元素、例えばＰｒ等を添加することで磁束密度を確保することができる。

マグネット２３をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合、マグネット２３は、添加するＤｙ又はＴｂの少なくとも１つ以上を２質量％以下とすることができる。保磁力を高める添加希土類元素の使用を低減できるため、本実施形態のブラシレスモータ１０は、製造コストの増加を抑制することができる。

（評価例）
評価例１、評価例２及び磁石がロータの表面に貼り付けられている上述した比較例を用意し、パーミアンス係数及びステータコア３１と、ロータヨーク２２との所定の間隔であるギャップに鎖交している平均の磁束密度を解析した。評価例１及び評価例２に使用したマグネットは、同一の平板状のセグメント磁石を使用した。比較例は、ロータの表面に貼り付けるため、ロータの曲率に沿った円弧状のセグメント磁石である。評価例１、評価例２及び評価例のセグメント磁石は、飽和磁束密度が１．３Ｔ、保磁力が１４００ｋＡ／ｍである。

また、評価例１は、上述したギャップ長Ｌｇを０．６ｍｍとした本実施形態のブラシレスモータ１０である。評価例２は、ギャップ長Ｌｇを０．６ｍｍとし、かつフラックスバリア２５をロータヨーク２２の外周まで延長しブリッジ部２６をなくしたブラシレスモータ１０の変形例である。評価例２は、ブリッジ部２６をなくしたため、ロータ２０の閉磁路で磁束がループしない例といえる。解析結果は、下記の表１に示す。

表１に示すように、比較例のパーミアンス係数は、１．１以上４．６以下と変動することがわかる。評価例１のパーミアンス係数は、３．０以上６．０以下であり、評価例２のパーミアンス係数、２．７以上５．４以下である。評価例１のパーミアンス係数は、評価例２のパーミアンス係数よりも大きくなる。評価例１及び評価例２のパーミアンス係数は、比較例のパーミアンス係数よりも安定している。評価例１は、フラックスバリア２５を有し磁気的な短絡が抑制されているとともに閉磁路を構成している。このため、評価例１は、評価例２と比較してパーミアンス係数が向上していると考えられる。なお、評価例１におけるブリッジ部２６の磁路幅であるＷｂは、ロータヨーク２２を構成する薄板の厚みと同じである。

表１に示すように、比較例のギャップの磁束密度は、０．５１Ｔであり、評価例１及び評価例２のギャップの磁束密度よりも高いことがわかる。評価例１のギャップの磁束密度は、０．４１Ｔであり、評価例２のギャップの磁束密度、０．４７Ｔよりも小さくなる。

ロータの閉磁路で磁束がループすることにより、マグネット２３が埋め込まれたロータヨーク２２からステータコア３１へ鎖交する磁束量が小さくなる。このため、ステータコアで生じる磁区が向きを変えるときのヒステリシス損が緩和される。ヒステリシス損は、ブラシレスモータ１０のロータ２０が空回りした場合のロストルクの増加の要因となる。つまり、ブラシレスモータ１０は、励磁コイル３７に通電されていない状態で、ロータ２０が回転させられる場合において、ロータ２０の回転に対する摩擦力を小さくすることができる。このため、評価例１は、評価例２と比較してロストルクが向上していると考えられる。また、評価例１におけるブリッジ部２６の磁路幅であるＷｂは、ロータヨーク２２を構成する薄板の厚みよりも増加させると、ステータコア３１と、ロータヨーク２２との所定の間隔であるギャップに鎖交している平均の磁束密度を低減させることができる。

上述したように、比較例１は、飽和磁束密度が１．３Ｔ、保磁力１４００ｋＡ／ｍの永久磁石では、パーミアンス係数が変動する。このため、例えば、結晶粒を微細化した磁紛を用いて熱間押出成形により形成されたマグネットであるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石に、添加するＤｙ又はＴｂの少なくとも１つ以上を、２質量％を超えて添加することより保磁力を向上させ、減磁のおそれを低減する必要がある。

また、評価例１は、評価例２よりもロータヨーク２２内の閉磁路により、マグネットのパーミアンス係数が向上し、かつ安定するため減磁耐力が向上する。このため、結晶粒を微細化した磁紛を用いて熱間押出成形により形成されたマグネットをＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合には、磁石全体の質量に対してＮｄを２０質量％以下としても、磁束密度１．２Ｔ以上を確保することができる。また、マグネットの保磁力を小さくしても、減磁するおそれを低減できることから、マグネットの保磁力を向上させる希土類を低減できる。例えば、マグネットをＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合、添加するＤｙ又はＴｂの少なくとも１つ以上を２質量％以下とすることができる。その結果、保磁力が１４００ｋＡ／ｍ以下かつ飽和磁束密度１．２Ｔ以上の磁石を使用することができる。

マグネット２３は、熱間押出成形により形成された、平板状のセグメント磁石であることが好ましい。熱間押出成形により形成され、結晶粒を微細化した磁紛を用いることで、マグネット２３を平板状のセグメント磁石としても、マグネット２３の保磁力を高めることができる。また、上述したように、マグネット２３は、ロータヨーク２２内で閉磁路ができるように埋め込まれることにより、マグネットトルクＴ_ｍの減少分を、リラクタンストルクＴ_ｒで補いロータ２０に生じる全トルクＴ_ｔを維持することができる。これにより、マグネット２３には、保磁力が１４００ｋＡ／ｍ以下かつ飽和磁束密度１．２Ｔ以上の磁石を使用することができる。焼結磁石は、結晶粒を微細化した磁紛を用いた熱間押出成形により形成された磁石よりも、保磁力を高めるために保磁力を向上させる希土類を多く含むことが多い。

例えば、マグネット２３をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合には、磁石全体の質量に対してＮｄを２０質量％以下としても、ロータ２０の閉磁路で必要な磁束密度を確保することができる。または、マグネット２３は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を磁石全体の質量に対してＮｄを２０質量％以下とし、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石にＮｄよりも安価な希土類元素、例えばＰｒ等を添加することで磁束密度を確保することができる。

また、マグネット２３の保磁力を小さくしても、減磁するおそれを低減できることから、マグネット２３は、マグネット２３の保磁力を向上させる希土類を低減できる。例えば、マグネット２３をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合、マグネット２３は、添加するＤｙ又はＴｂの少なくとも１つ以上を２質量％以下とすることができる。その結果、マグネット２３は、マグネット２３には、保磁力が１４００ｋＡ／ｍ以下かつ飽和磁束密度１．２Ｔ以上の磁石を使用することができる。上述したブラシレスモータ１０は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石で構成する場合でも、マグネット２３は、添加するＤｙ又はＴｂの少なくとも１つ以上を２質量％以下とすることができる。

上述したように本実施形態のブラシレスモータ１０は、ロータヨーク２２及びロータヨーク２２の外周に、ロータヨーク２２内で閉磁路ができるように埋め込まれ、磁束密度が１．２Ｔ以上かつ保磁力が１４００ｋＡ／ｍ以下である複数の平板状のマグネット２３を含むロータ２０と、ロータヨーク２２の外側に所定の間隔を有して環状に配置されるステータコア３１及び前記ステータコア３１を励磁し、ロータ２０にリラクタンストルクＴ_ｒ及びマグネットトルクＴ_ｍを生じさせる励磁コイル３７を含むステータ３０と、を含む。

上記構成により、ロータヨーク２２内の閉磁路により、マグネット２３のパーミアンス係数が向上し、減磁耐力が向上する。このため、マグネット２３をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合には、磁石全体の質量に対してＮｄを２０質量％以下としても、磁束密度を確保することができる。または、マグネット２３は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を磁石全体の質量に対してＮｄを２０質量％以下とし、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石にＮｄよりも安価な希土類元素、例えばＰｒ等を添加することで磁束密度を確保することができる。

また、マグネット２３の保磁力を小さくしても、減磁するおそれを低減できることから、マグネット２３は、マグネット２３の保磁力を向上させる希土類を低減できる。例えば、焼結磁石により形成されたマグネット２３をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石で構成する場合、マグネット２３は、添加するＤｙ又はＴｂの少なくとも１つ以上を２質量％以下とすることができる。その結果、保磁力が１４００ｋＡ／ｍ以下かつ飽和磁束密度１．２Ｔ以上の磁石を使用することができる。

電動パワーステアリング装置８０は、上述したブラシレスモータ１０により補助操舵トルクを得る。電動パワーステアリング装置８０は、ブラシレスモータ１０がロストルクを抑制しているので、操舵者が違和感を抑制した状態で、動作することができる。このため、電動パワーステアリング装置８０は、コラムアシスト方式であっても、低振動とすることができる。

以上のように、本実施形態の電動パワーステアリング装置は、コラムアシスト方式を例にして説明しているが、ピニオンアシスト方式及びラックアシスト方式についても適用することができる。

１０ ブラシレスモータ
１１ ハウジング
１１ａ 筒状ハウジング
１１ｂ フロントブラケット
１１ｃ 底部
１１ｄ 内周面
１２、１３ 軸受
１４ レゾルバ
１４ａ レゾルバロータ
１４ｂ レゾルバステータ
１５ 端子台
２０ ロータ
２１ シャフト
２２ ロータヨーク
２３ マグネット
３０ ステータ
３１ ステータコア
３２ 分割コア
３３ バックヨーク
３４ ティース
３７ 励磁コイル
３７ａ インシュレータ
８０ 電動パワーステアリング装置
８１ ステアリングホイール
８２ ステアリングシャフト
８２ａ 入力軸
８２ｂ 出力軸
８３ 操舵力アシスト機構
８４、８６ ユニバーサルジョイント
８５ ロアシャフト
８７ ピニオンシャフト
８８ ステアリングギヤ
８８ａ ピニオン
８８ｂ ラック
８９ タイロッド
９０ ＥＣＵ
９１ａ トルクセンサ
９１ｂ 車速センサ
９２ 減速装置
９３ 減速装置ハウジング
９４ ウォーム
９４ａ ウォーム歯
９５ａ、９５ｂ 玉軸受
９６ ウォームホイール
９６ａ ウォームホイール歯
９７ ホルダ
９８ イグニッションスイッチ
９９ 電源装置
Ｚｒ 中心軸

Claims (7)

1. 複数の薄板が中心軸と平行な方向に積層された状態のロータヨーク及び前記ロータヨークの外周に、ロータヨーク内で閉磁路ができるように埋め込まれ、磁束密度が１．２Ｔ以上かつ保磁力が１４００ｋＡ／ｍ以下である複数の平板状のマグネットを含むロータと、
   前記ロータヨークの外側に所定の間隔を有して環状に配置されるステータコア及び前記ステータコアを励磁し、前記ロータにリラクタンストルク及びマグネットトルクを生じさせる励磁コイルを含むステータと、
   前記中心軸に直交する仮想平面での前記平板状のマグネットの短辺の両側にあって、前記ロータヨークを貫通する貫通孔によって磁束の通過を抑制又は遮断できるフラックスバリアと、を含み、
   前記複数の平板状のマグネットが前記ロータヨークの外周方向に沿って埋め込まれており、
   前記フラックスバリアと前記ロータヨークの外周との間にあるブリッジ部と、前記中心軸に直交する仮想平面での前記平板状のマグネットの短辺と、に接するように前記貫通孔が配置され、
   前記ブリッジ部の磁路幅である前記フラックスバリアから前記ロータヨークの外周までの最小距離が、前記薄板の厚み以上であって、前記中心軸に直交する仮想平面での前記平板状のマグネットの長辺に接する前記ロータヨークの外周寄り部分よりも小さくなっており、
   前記マグネットは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石であって、磁石全体の質量に対してＮｄが２０質量％以下である、
   電動パワーステアリング用電動機。
2. 前記マグネットは、磁石全体の質量に対して添加されるＤｙ又はＴｂの少なくとも１つ以上が２質量％以下である請求項１に記載の電動パワーステアリング用電動機。
3. 前記ロータヨークの外周が円である、請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング用電動機。
4. 前記励磁コイルは、前記ステータコアに集中巻きされている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング用電動機。
5. 前記励磁コイルは、前記ステータコアに分布巻きされている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング用電動機。
6. 前記励磁コイルは、前記ステータコアにトロイダル巻きされている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング用電動機。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング用電動機により補助操舵トルクを得ることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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