JP6007609B2 - 回転電機及びこれを備えた車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機及びこれを備えた車両用操舵装置に関する。

従来、ロータに永久磁石が設けられた永久磁石式の回転電機が広く知られている。こうした回転電機は、例えば車両用操舵装置において運転者のステアリング操作を補助するためのアシスト力を発生させる操舵力補助装置の駆動源として用いられている（例えば、特許文献１）。ここで、車両用操舵装置においては、低速走行時には大きな操舵力が必要となるため、回転電機には大きなトルクを出力することが求められる。一方、高速走行時には、大きな操舵力は必要とされないものの、緊急事態等に備えて素早い操舵を可能とすべく、回転電機には高速で回転できることが求められる。

しかし、永久磁石式の回転電機では、通常、永久磁石で作られる磁束が一定であるため、ステータのコイルに発生する誘起電圧（逆起電圧）は回転速度に比例して大きくなる。そして、この誘起電圧が電源電圧の上限に達すると、それ以上ロータを高速回転させることができなくなる。そこで、永久磁石で作られる磁束量をロータが十分に高速回転できるような量に抑える設計をすることが考えられるが、この場合には低速回転域でのトルクが不足する虞がある。こうした点を踏まえ、近年では、ステータで形成される磁界によって永久磁石を不可逆的に減磁又は増磁させて該永久磁石で作られる磁束を調整することにより、高速回転可能かつ低速回転域で大きなトルクを出力可能とした回転電機が提案されている（例えば、特許文献２）。なお、不可逆的に減磁又は増磁させるとは、ステータで形成される磁界がなくなった後も、永久磁石の磁気特性（残留磁束密度等）が該磁界の形成前の状態に戻らないように着磁することをいう。

特開２０１１−５１３８７号公報 特開２０１０−１２４６０８号公報

ところで、近年、回転電機の小型化の要請が強まっており、特に上記特許文献１のように車両の限られたスペースに搭載されるものでは、その傾向が顕著である。
一方、永久磁石を着磁（磁化）する際には、強い磁界を永久磁石に印加する必要がある。そして、強い磁界を形成するには、コイルに大きな電流を流す必要があるため、コイルの導線の線径を太くすることが望ましい。しかし、ステータの各ティースに回転磁界を形成するコイル（駆動コイル）とは別に、駆動コイルの導線よりも線径の太い導線を巻回してなるコイル（着磁コイル）をさらに設けようとすると、その小型化の要請に反して回転電機が大型化する。このように永久磁石を着磁させる構成を持つ回転電機では、大型化し易いことから搭載性が低く、特に車両用操舵装置のように小型化の要請が強い用途への適用が困難であるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、搭載性に優れ、高速回転可能かつ低速回転域で大きなトルクを出力可能な回転電機及びこれを備えた車両用操舵装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ロータコア及び前記ロータコアに固定された永久磁石を有するロータと、前記ロータの外周に配置され、回転磁界を発生させるステータと、前記ロータの回転角を検出する回転角センサと、を備えた回転電機において、前記ステータのステータコアは、円弧状の円弧バック、及び前記円弧バックから径方向内側に延びる複数のティースを有する第１コアと、前記円弧バックの外面によって構成される基準円の内側で該円弧バックと周方向に並ぶように配置された内側バック、及び前記内側バックから径方向内側に延びるティースを有する第２コアと、を有し、前記第１コアのティースには、駆動用導線が巻回されてなる駆動コイルが設けられ、前記第２コアのティースには、前記駆動用導線よりも線径の太い着磁用導線が巻回されてなる着磁コイルが設けられたことを要旨とする。

上記構成によれば、第２コアが第１コアの円弧バックの外面によって構成される基準円よりも内側に配置されるため、ステータの外形形状が円の一部を切り欠いたような形状となる。そのため、ステータが切り欠かれたような形状となった分だけ回転電機を小型化することが可能になり、その搭載性を向上させることができる。また、回転角センサにより検出されるロータの回転角に基づいて着磁コイルに着磁電流を供給することで、第２コアのティースに対して所定位置にある永久磁石を不可逆的に減磁又は増磁することができる。これにより、回転電機を高速回転可能かつ低速回転域で大きなトルクを出力可能とすることができる。

ここで、ステータの内周にはロータが配置されているため、第２コアの内側バックを基準円の内側に配置した量に応じて、第２コアのティースの径方向長さは、第１コアのティースよりも短くなる。そのため、仮に着磁コイルを第１コアのティースのいずれかに設けるとともに駆動コイルを残りの第１コアのティース及び第２コアのティースに設けた場合、第２コアのティースに設けられた駆動コイルの巻き数が他のものより少なくなり、各駆動コイルで形成される回転磁界の大きさがばらついてしまう。この点、上記構成では、駆動コイルは第１コアのティースに設けられているため、各駆動コイルで形成される回転磁界の大きさがばらつくことを抑制でき、ロータの円滑な回転を確保することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機を備えた車両用操舵装置であることを要旨とする。
上記構成によれば、回転電機が小型化されるため、該回転電機を容易に車両に搭載することができる。そして、低速走行時に永久磁石を不可逆的に増磁しておくことで十分なアシスト力を付与して良好な操舵フィーリングを実現できるとともに、高速走行時に永久磁石を不可逆的に減磁しておくことで容易に素早い操舵が可能になる。

本発明によれば、搭載性に優れ、高速回転可能かつ低速回転域で大きなトルクを出力可能な回転電機及びこれを備えた車両用操舵装置を提供することができる。

一実施形態の車両用操舵装置の概略構成を示す軸方向に沿った断面図。 一実施形態のモータの軸方向と直交する断面図。 （ａ）は永久磁石を不可逆的に減磁させるときのモータを示す拡大模式図、（ｂ）は永久磁石を不可逆的に増磁させるときのモータを示す拡大模式図。 別例のモータの軸方向と直交する断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、車両用操舵装置１は、ステアリング操作により回転するピニオン軸２と、ピニオン軸２の回転に応じて軸方向に往復動するラック軸３とを備えている。また、車両用操舵装置１は、ラック軸３が挿通される略円筒状のラックハウジング５を備えている。ラックハウジング５は、筒状に形成されたセンターハウジング６と、センターハウジング６の軸方向一端側（図１における左側）に固定されたギアハウジング７と、センターハウジング６の軸方向他端側（図１における右側）に固定されたエンドハウジング８とからなる。

ラック軸３は、ギアハウジング７に設けられたラックガイド１１、及びエンドハウジング８に設けられた図示しないブッシュ（すべり軸受）により、その軸方向に沿って往復動可能に支持されている。また、ラックハウジング５内には、ピニオン軸２がラック軸３と斜交する状態で回転可能に支持されており、ラック軸３は、ラックガイド１１によって付勢されることによりピニオン軸２と噛合している。なお、ピニオン軸２には、ステアリングシャフトが連結されており、その先端にはステアリングホイール（ともに図示略）が固定されている。そして、車両用操舵装置１は、ステアリング操作に伴ってピニオン軸２が回転し、その回転がラック軸３の軸方向移動に変換されることにより、ラック軸３の両端に設けられた転舵輪（図示略）の舵角、すなわち車両の進行方向を変更するようになっている。

また、車両用操舵装置１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置（ＥＰＳアクチュエータ）２０を備えている。本実施形態の車両用操舵装置１は、所謂ラックアシスト型の電動パワーステアリング装置として構成されている。そして、操舵力補助装置２０は、その駆動源となる回転電機としてのモータ２１と、モータ２１の回転をラック軸３の軸方向移動に変換するボール螺子装置２２とを備えている。

詳述すると、図１及び図２に示すように、モータ２１は、センターハウジング６の内周に固定されるステータ２４と、ステータ２４の内側に回転可能に設けられるロータ２５とを備えたブラシレスモータとして構成されている。つまり、本実施形態では、センターハウジング６はモータハウジングとしても機能している。ロータ２５は、中空円筒状に形成されたモータシャフト２６、及びモータシャフト２６の外周に固定される複数（本実施形態では、１０個）の永久磁石２７を有している。すなわち、本実施形態では、モータシャフト２６がロータコアとして機能しており、ロータ２５は、表面磁石型のロータとして構成されている。各永久磁石２７は、長方形板状に形成されるとともに、径方向内側と外側とで異なる極性（Ｎ極、Ｓ極）が現れるように磁化させている。また、永久磁石２７は、ロータ２５の外周に周方向に異なる極性が交互に並ぶように配置されている。なお、本実施形態の永久磁石２７には、サマリウム−コバルト系の磁石が用いられている。そして、モータ２１は、モータシャフト２６内にラック軸３が挿通されることにより、ラック軸３と同軸に配置されている。

また、図１に示すように、モータ２１は、センターハウジング６の軸方向一端側に配置され、ロータ２５（モータシャフト２６）の回転角を検出する回転角センサとしてのレゾルバ３１を備えている。レゾルバ３１は、センターハウジング６の内周に固定される円環状のセンサステータ３２と、モータシャフト２６に固定されるセンサロータ３３とを備えたバリアブルリラクタンス型のレゾルバとして構成されており、コネクタ３４を介して制御装置３５に接続されている。なお、制御装置３５には、レゾルバ３１以外に車速センサ３６等の各種センサが接続されている。

このように構成されたモータ２１では、レゾルバ３１により検出されたロータ２５の回転角に応じて制御装置３５から三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の駆動電流がステータ２４に供給されることにより形成される回転磁界と、永久磁石２７との間に生じる磁気的な吸引力及び反発力によってモータシャフト２６（ロータ２５）が回転するようになっている。

ボール螺子装置２２は、ラック軸３に形成された螺子部４１、モータシャフト２６の軸方向他端側に固定されたボール螺子ナット４２、及び螺子部４１とボール螺子ナット４２との間に介在された複数のボール４３により構成されている。具体的には、ボール螺子ナット４２は略円筒状に形成されており、ボール螺子ナット４２の内周及び螺子部４１の外周には、それぞれ螺子溝が螺刻されている。各ボール４３は、これら対向する各螺子溝により形成された螺旋状の転動路内に転動可能に配設されており、螺子部４１及びボール螺子ナット４２は、これら各ボール４３を介して螺合されている。これにより、各ボール４３は、ラック軸３とボール螺子ナット４２（モータシャフト２６）との間の相対回転に伴い、その負荷（摩擦力）を受けつつ転動路内を転動する。そして、各ボール４３の転動によってラック軸３とボール螺子ナット４２との軸方向の相対位置が変位することにより、モータシャフト２６の回転がラック軸３の往復動に変換され、操舵系にアシスト力が付与されるようになっている。

ここで、本実施形態のモータ２１は、ステータ２４で形成される磁界（着磁磁界）によって、ロータ２５の永久磁石２７を不可逆的に減磁又は増磁させることにより永久磁石２７で作られる磁束を調整可能に構成されている。なお、不可逆的に減磁又は増磁させるとは、ステータ２４で形成される磁界がなくなった後も、永久磁石の磁気特性（残留磁束密度等）が該磁界の形成前の状態に戻らないように着磁することをいう。

詳述すると、図２に示すように、センターハウジング６は、その軸方向と直交する断面視で、円の一部を直線状に切り欠いた（中心方向に後退させた）筒状をなしており、円弧状の円弧部５１、及び円弧部５１の両端を連結する直線状の直線部５２を有している。ステータ２４のステータコア５３は、円弧部５１の内側に固定された第１コア５４と、直線部５２の内側に固定された第２コア５５とを備えている。

第１コア５４は、円弧状の円弧バック６１、及び円弧バック６１から径方向内側に延びる複数（本実施形態では、９本）のティース６２を有している。円弧バック６１の外径は、センターハウジング６の円弧部５１の内径と略等しく形成されており、円弧バック６１の外面は円弧部５１の内面全体に当接している。また、ティース６２は、円弧バック６１に対して周方向に等角度間隔で設けられている。そして、各ティース６２には、インシュレータ６３を介して駆動用導線（エナメル線）６４が巻回されることにより、駆動コイル６５が設けられている。図１に示すように、各駆動コイル６５は、それぞれコネクタ６６を介して制御装置３５に接続されている。なお、本実施形態では、各相の駆動コイル６５がそれぞれ３個ずつ設けられている。また、図２に示すように、第１コア５４は、その円弧バック６１がティース６２毎に周方向で分割された複数の分割コア６７からなる。

第２コア５５は、直線状の内側バック７１、及び内側バック７１の両端から径方向内側に延びる複数（本実施形態では、２本）のティース７２を有している。そして、第２コア５５は、円弧バック６１の外面をその一部とする基準円Ｃの内側に配置されている。換言すれば、第２コア５５は、円弧バック６１の外面の半径と等しい半径を有する基準円Ｃの内側に配置されている。また、内側バック７１は、その外面がセンターハウジング６の直線部５２の内面全体に当接するとともに、その周方向両側端面が円弧バック６１の周方向両側端面にそれぞれ当接しており、円弧バック６１と周方向に並んで配置されている。そして、各ティース７２には、インシュレータ７３を介して着磁用導線７４が巻回されることにより、着磁コイル７５が設けられている。この着磁用導線７４の線径は、駆動用導線６４の線径よりも太く形成されている。また、各着磁コイル７５は、コネクタ６６を介して制御装置３５（図１参照）に接続されており、駆動コイル６５とは独立して制御装置３５から電流が供給されるようになっている。なお、着磁用導線７４の線径が太いため、着磁コイル７５には制御装置３５から大きな電流が容易に供給されるようになっている。

次に、本実施形態の永久磁石２７を不可逆的に減磁又は増磁させる態様について説明する。
制御装置３５は、車速センサ３６により検出される車速が所定車速以上の状態が所定時間継続した場合には、永久磁石２７が不可逆的に減磁するように着磁コイル７５に着磁電流を供給する。これに対し、制御装置３５は、車速が所定車速未満の状態が所定時間継続した場合には、永久磁石２７が不可逆的に増磁するように着磁コイル７５に着磁電流を供給する。なお、本実施形態では、永久磁石２７の磁化方向が反転しない範囲で永久磁石２７を不可逆的に減磁又は増磁させる。

具体的には、制御装置３５は、永久磁石２７を不可逆的に減磁させる際には、図３（ａ）に示すように、いずれか１つの永久磁石２７と第２コア５５のティース７２とが対向する状態で、該永久磁石２７の磁化方向と反対方向の着磁磁界が形成されるように各着磁コイル７５に着磁電流を供給する。そして、この着磁磁界が着磁コイル７５によって形成されると、ティース７２から永久磁石２７をその磁化方向と反対方向に通過する磁束（着磁磁束）が発生することで、該永久磁石２７が不可逆的に減磁される。これにより、永久磁石２７で作られる磁束が減少する。なお、この着磁磁束は、モータシャフト２６と、ティース７２と対向する永久磁石２７に隣り合って配置された永久磁石２７と、第１コア５４のティース６２又は第２コア５５の内側バック７１とを通る。図３では、永久磁石２７の磁化方向を実線矢印で模式的に示すとともに、第２コア５５のティース７２で作られる着磁磁束を破線矢印で模式的に示している。そして、制御装置３５は、ロータ２５を回転させて第２コア５５のティース７２と対向する永久磁石２７を切り替え、複数回に亘って第２コア５５のティース７２に着磁電流を供給することにより各永久磁石２７を順次減磁させる。なお、制御装置３５は、レゾルバ３１により検出されるロータ２５の回転角に基づいて永久磁石２７と第２コア５５のティース７２との相対位置を判断する。

一方、制御装置３５は、永久磁石２７を不可逆的に増磁させる際には、図３（ｂ）に示すように、いずれか１つの永久磁石２７と第２コア５５のティース７２とが対向する状態で、該永久磁石２７の磁化方向と同一方向の着磁磁界が形成されるように各着磁コイル７５に着磁電流を供給する。そして、この着磁磁界が着磁コイル７５によって形成されると、ティース７２から永久磁石２７をその磁化方向と同一方向に通過する着磁磁束が発生することで、該永久磁石２７が不可逆的に増磁される。これにより、永久磁石２７で作られる磁束が増加する。なお、制御装置３５は、減磁させる場合と同様に複数回に亘って第２コア５５のティース７２に着磁電流を供給して各永久磁石２７を順次増磁させる。

次に、本実施形態のモータの作用について説明する。
図２に示すように、第２コア５５が基準円Ｃよりも内側に配置されるため、ステータ２４の外形形状が円の一部を切り欠いたような形状となる。そして、センターハウジング６もステータ２４の外形形状に合わせて円の一部を切り欠いたような形状とされているため、ステータ２４が切り欠かれたような形状となった分だけモータ２１が小型化される。

ここで、ステータ２４の内周にはロータ２５が配置されているため、第２コア５５の内側バック７１を基準円Ｃの内側に配置した量（基準円Ｃからの後退量）に応じて、第２コア５５のティース７２の径方向長さは、第１コア５４のティース６２よりも短くなる。そのため、仮に着磁コイル７５を第１コア５４のティース６２のいずれかに設けるとともに駆動コイル６５を残りのティース６２及び第２コア５５のティース７２に設けた場合、第２コア５５のティース７２に設けられた駆動コイル６５の巻き数が他のものより少なくなり、各駆動コイル６５で形成される回転磁界の大きさがばらついてしまう。この点、本実施形態では、着磁コイル７５が第２コア５５のティース７２に設けられ、駆動コイル６５は第１コア５４のティース６２のみに設けられているため、各駆動コイル６５で形成される回転磁界の大きさがばらつくことが抑制される。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）第２コア５５を円弧バック６１の外面によって構成される基準円Ｃよりも内側に配置し、ステータ２４が切り欠かれたような形状となった分だけモータ２１を小型化したため、モータ２１が車両に搭載される他の装置との干渉を避けることができ、その搭載性を向上させることができる。これにより、モータ２１を容易に車両に搭載することができる。

また、レゾルバ３１により検出されるロータ２５の回転角に基づいて着磁コイル７５に着磁電流を供給することで、第２コア５５のティース７２に対して所定位置にある永久磁石２７を不可逆的に減磁又は増磁することができる。これにより、モータ２１は、高速で回転することができるとともに、低速回転域で大きなトルクを出力することができる。そして、制御装置３５は、車速が所定車速未満のときに永久磁石２７を増磁させるため、低速走行時に十分なアシスト力を付与して良好な操舵フィーリングを実現できる。また、制御装置３５は、車速が所定車速以上のときに永久磁石２７を減磁させるため、高速走行時に容易に素早い操舵が可能となる。

（２）特に、駆動コイル６５を第１コア５４のティース６２のみに設けるとともに、着磁コイル７５を第２コア５５のティース７２のみに設けることで、各駆動コイル６５で形成される回転磁界の大きさがばらつくことを抑制でき、ロータ２５の円滑な回転を確保することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記実施形態では、ロータ２５の回転角を検出する回転角センサとしてレゾルバ３１を用いたが、これに限らず、例えばセンサマグネットとホールＩＣとからなる回転角センサ等を用いてもよい。

・上記実施形態では、永久磁石２７としてサマリウム−コバルト系の磁石を用いたが、これに限らず、例えばフェライト系やネオジム系の磁石等の他の磁石を用いてもよい。
・上記実施形態では、長方形板状に形成された複数の永久磁石２７をモータシャフト２６の外周に固定したが、これに限らず、周方向に異なる極性が交互に並ぶように着磁されたリング状の永久磁石を固定してもよい。また、永久磁石をモータシャフト２６の外周に固定せず、モータシャフト２６内に埋設する態様で固定してもよい。つまり、ロータ２５を所謂埋込磁石型のロータとしてもよい。なお、永久磁石２７の数が適宜変更可能であることはいうまでもない。

・上記実施形態において、車速以外の条件で永久磁石２７を不可逆的に減磁又は増磁させてもよい。また、永久磁石２７を不可逆的に減磁又は増磁させる際に、永久磁石２７の磁化方向を反転させてもよい。

・上記実施形態では、第１コア５４をティース６２毎に分割された複数の分割コア６７を連結することにより構成したが、例えばティース６２毎に分割されていない一体の第１コアを用いてもよい。また、第１コア５４と第２コア５５とを一体で形成してもよい。

・上記実施形態では、第２コア５５に複数のティース７２を形成したが、その数は１つでもよく、適宜変更可能である。なお、第１コア５４に形成されるティース６２の数も適宜変更可能であるが、各相の駆動コイル６５を少なくとも１個ずつ設けることができるように３つ以上形成することが好ましい。

・上記実施形態において、第２コア５５の内側バック７１を例えばティース７２毎に周方向に分割した分割コアにより構成してもよい。また、第２コア５５の内側バック７１は直線状でなくてもよく、基準円Ｃの内側に配置される形状であれば、例えばＶ字状等としてもよい。

・上記実施形態では、ステータコア５３が第１コア５４及び第２コア５５をそれぞれ１つずつ有する構成としたが、これに限らず、複数の第１コア５４及び第２コア５５を有する構成としてもよい。具体的には、図４に示す例では、ステータコア５３は、径方向において対向する位置に２つの第１コア５４と、これら第１コア５４の周方向両端部間にそれぞれ配置される２つの第２コア５５とからなり、ステータ２４の外形形状が円の二箇所を直線状に切り欠いた形状とされている。なお、各第１コア５４には、ティース６２が３本ずつ設けられるとともに、各第２コア５５には、ティース７２がそれぞれ２本ずつ設けられており、各第１コア５４及び各第２コア５５は、モータ２１の中心に関してそれぞれ対象な形状とされている。

・上記実施形態において、着磁コイル７５を第１コア５４のティース６２のいずれかに設けるとともに、駆動コイル６５を残りのティース６２及び第２コア５５のティース７２に設けてもよい。

・上記実施形態では、本発明の車両用操舵装置をラックアシスト型の電動パワーステアリング装置として構成したが、これに限らず、例えばコラムアシスト型等の他の形式の電動パワーステアリング装置として構成してもよい。

・上記実施形態では、本発明の回転電機を車両用操舵装置に搭載される操舵力補助装置の駆動源として用いられるモータに適用したが、これに限らず、他の装置の駆動源として用いられるモータや、発電機等に適用してもよい。

１…車両用操舵装置、６…センターハウジング、２１…モータ、２４…ステータ、２５…ロータ、２６…モータシャフト、２７…永久磁石、３１…レゾルバ、３５…制御装置、５１…円弧部、５２…直線部、５３…ステータコア、５４…第１コア、５５…第２コア、６１…円弧バック、６２，７２…ティース、６４…駆動用導線、６５…駆動コイル、７１…内側バック、７４…着磁用導線、７５…着磁コイル、Ｃ…基準円。

Claims (2)

1. ロータコア及び前記ロータコアに固定された永久磁石を有するロータと、
   前記ロータの外周に配置され、回転磁界を発生させるステータと、
   前記ロータの回転角を検出する回転角センサと、を備えた回転電機において、
   前記ステータのステータコアは、
   円弧状の円弧バック、及び前記円弧バックから径方向内側に延びる複数のティースを有する第１コアと、
   前記円弧バックの外面によって構成される基準円の内側で該円弧バックと周方向に並ぶように配置された内側バック、及び前記内側バックから径方向内側に延びるティースを有する第２コアと、を有し、
   前記第１コアのティースには、駆動用導線が巻回されてなる駆動コイルが設けられ、
   前記第２コアのティースには、前記駆動用導線よりも線径の太い着磁用導線が巻回されてなる着磁コイルが設けられたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機を備えた車両用操舵装置。