JP6052244B2 - モータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、モータの反負荷側のケース底面に、開口部が全周に等間隔、相似形状で設けられ、開口部がバスバーの引き出し穴となっている構造のモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両に関する。車両に搭載される電動パワーステアリング装置は、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にモータ（例えばブラシレスモータ）によるアシスト力を付与するものであり、ブリッジ回路で成るインバータによって駆動制御される。

駆動部にモータを搭載した装置として電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）があり、電動パワーステアリング装置は、車両のステアリング機構にモータの回転力でアシストトルクを付与するものであり、インバータから供給される電力で制御されるモータの駆動力を、ギア等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸にアシストトルクを付与する。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシストトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ（パルス幅変調）制御のデューティの調整で行っており、モータとしては耐久性や保守性に優れ、騒音やノイズも少ないブラシレスモータが一般的に使用されている。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速部内の減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０及び操舵角θを検出する舵角センサ１４が設けられており、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１０で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいてアシスト（操舵補助）指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Ｖｒｅｆによって、ＥＰＳ用モータ２０に供給する電流を制御する。

なお、舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、また、モータ２０に連結されたレゾルバ等の回転位置センサから操舵角を取得することも可能である。

コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller Area Network）４０が接続されており、車速ＶｅｌはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続されている。

電動パワーステアリング装置のモータ２０の動力伝達機構例、及びモータ２０及びコントロールユニット（ＥＣＵ）３０の接続例は図２に示すようになっている。

図２に示すように、モータ２０の出力軸２１はモータハウジング２２の外側に延在しており、モータヨークを形成するモータハウジング２２は、ロータ等を備えたモータ本体を収容する有底略円筒状のケース本体２３と、ケース本体２３の開口側に取付けられたモータ取付け部２４とで構成されている。モータ取付け部２４は全体として板状に形成され、その中央部の貫通孔を介して出力軸２１をモータ取付け部２４の外側に挿通させている。なお、モータ取付け部２４をフランジ状に形成してもよい。

モータ２０に連結された動力伝達機構５０は、ウォーム５１及びウォームホイール５２から成るウォーム減速機構を有し、ウォーム減速機構と出力軸２１とを連結する連結部５３を備えている。ウォーム５１は、出力軸２１と同軸のウォームシャフト５１Ａの中間部に形成され、ウォームホイール５２に噛合している。ウォームホイール５２の軸心には、ウォームホイール５２と一体回転するコラム軸２のアッパー（ハンドル）側出力軸２Ａが連結されている。ウォーム減速機構によって、モータ２０の回転、即ち出力軸２１の回転が減速されてアッパー側出力軸２Ａに伝達される。

減速機構側のモータ取付け部５４の内部空間は、モータ２０側（開口側）に向かって拡開するようにラッパ形状に形成されており、モータ取付け部５４がモータ２０側のモータ取付け部２４にボルト止めされることで、モータ取付け部５４の開口が閉塞される。モータ取付け部５４にモータ２０を取付けた図２に示す状態では、モータ取付け部５４の内部空間の軸心に連結部５３及び出力軸２１が位置するようになっている。なお、モータ取付け部２４をフランジ状に形成した場合には、これに対応して、モータ取付け部５４もフランジ状に形成する。

また、モータ２０とコントロールユニット（ＥＣＵ）３０若しくはＥＣＵ基板とは離間してリード線３１で配線されており、モータ２０はコントロールユニット（ＥＣＵ）３０によってリード線３１を介して駆動制御される。

このような電動パワーステアリング装置において、モータのコイルの近傍に、配線基板又はバスバーと称される導電性の部品を配置し、当該部品を介してモータコイルと外部電源とを電気的に接続する構造が知られている。

先行技術の特許として、特開2013-90376号公報(特許文献１)に示されているものがある。その構成は、モータの反負荷側に制御基盤を配置しており、バスバーは必然的にモータケースに穴を開け、反負荷側に突き出す形状を取っている。

特開２０１３−９０３７６号公報

しかしながら、特許文献１のモータでは、バスバーの貫通穴に対して、特段記載がない。ケース底からターミナルを引き出す場合、穴一方向だけに偏らせると、プレス加工時に均等に力が加わらないため、ケース鋼板に歪みが生じる。この歪みが、ベアリングハウス同軸度、傾き等の精度に影響する。ＥＰＳモータにおいて、モータのベアリングハウス同軸度、ひいてはシャフト同軸度の悪化はガタつきを生み、応力や音などの性能に大きく寄与する。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、ケース底面に円周方向に全周、等間隔、相似形状で配置された複数の開口部を設け、開口部からバスバー（バスバーターミナル）を突出させ、制御基板とバスバーとを簡易な手法で直接接続して配線可能な構造のモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両を提供することにある。

本発明は、外周をケースで包括され、反負荷側に配線を行うモータであり、前記反負荷側のケース底面の円周方向に沿って全周に、複数個の開口部が等間隔に設けられ、一部の前記開口部は、モータ巻線のバスバーを突出させるために設けられ、前記一部以外の開口部は、ネジ穴として利用するために設けられ、前記複数個の開口部は形状が相似であり、前記バスバーに接触せず、インシュレータの外周部の内側にある軸方向端部には複数の凸部が周方向に設けられ、隣り合う前記凸部に挟まれた切欠きである複数のノッチ部と、モータステータの一端側に配置され、インシュレータの外周部の内側にある軸方向端部に対向するバスバー構造体とを有し、前記バスバー構造体の周方向側面に設けられた嵌合部が前記ノッチ部に嵌め合わされるような構造となっていることにより達成される。

本発明の上記目的は、前記開口部が矩形状若しくは長形状の形状であることにより、或いは前記モータ巻線が２系統であり、前記２系統のモータ巻線に前記バスバーが接続されていることにより、或いは前記２系統のモータ巻線のバスバーが対角位置に配置され、前記配置に対応して前記開口部が設けられていることにより、或いは前記２系統のモータ巻線のバスバーが系統順に順次配置され、前記配置に対応して前記開口部が設けられていることにより、或いは前記ケース底面に回転位置検出手段を結合する円柱状に窪んだ凹部が形成され、前記開口部の数が前記バスバーの数よりも少なくとも２個多く形成され、前記少なくとも２個多く形成された開口部を、前記回転位置検出手段を締結するネジ穴として利用できるようになっていることにより、或いは前記ケースと前記バスバーとの絶縁を図るため、前記ケースを覆う絶縁カップ若しくは絶縁フィルムが設けられていることにより、或いは前記絶縁カップにタップをきり、回転位置センサ固定のためのネジ穴を設けていることにより、より効果的に達成される。

上記ブラシレスモータで駆動制御され、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置及びそれを搭載した車両が達成される。

本発明のモータによれば、反負荷側のケース底面に円周方向に沿って複数の開口部が設けられ、開口部からバスバーターミナル（バスバー）が突出した構造となっているので、バスバーと制御基板等との接続が容易であり、無駄な配線を省くことができる。

また、バスバーを突出させていない開口部は、レゾルバ等の回転位置センサの取付固定にも利用でき、モータと回転位置センサとの一体化を簡易な構造で実現できる。

上記構造のモータを電動パワーステアリング装置に適用することにより、位置決め精度が高く、安価で信頼性の高い電動パワーステアリング装置を達成でき、かかる電動パワーステアリング装置を車両に搭載することにより、車両の一層の安定化、コストダウンを図ることがきる。

電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置のモータと減速部の連結機構例及びコントロールユニット（ＥＣＵ）との接続例を示す図である。 反負荷側のケース底面の一例を示す平面図である。 本発明に係るモータの構造例を示す斜視図である。 本発明に係るモータの構造例（レゾルバステータ装着）を示す斜視図である。 本発明に係るモータの組立展開図であり、レゾルバステータ装着の様子を示している。 モータの２系統巻線の線図である。 バスバー構造体とモータステータを模式的に示す分解斜視図である。 バスバー構造体とモータステータの組立状態を説明する外観構造図である。 絶縁フィルムでヨークを覆ったモータの構造例を示す斜視図である。 絶縁カップでヨークを覆ったモータの構造例を示す斜視図である。

本発明に係るモータは、モータの外周を鋼板ケースで包括され、反負荷側（出力軸の反対側）にバスバーを引き出して配線を行う構造の配線工程と組立工程を考慮したモータである。

本発明は反負荷側に制御基盤を置く場合、ケースに穴を開けてバスバーを貫通させる場合に、ケース底面に、全周方向に等間隔で、相似形状の穴を複数開けることで、加工時のベアリングハウス同軸度に影響する歪みを抑える効果を持つ。複数の穴は、２系統巻き線で増加するバスバー引出しのほか、レゾルバステータ固定のためのネジを通す穴に使用することができる。巻線端末とバスバー接続部やバスバーとケース間の絶縁を保つ必要があるため、バスバーを覆うようにカップ状の絶縁樹脂を、ヨークとの間に設置する。または、バスバーを覆うように、絶縁フィルムを巻き付けける。更に、絶縁カップを使用する場合は、絶縁カップにタップをきり、レゾルバステータ固定のためのネジ穴を設けることもできる。 或いは、ケースにタップをきり、レゾルバステータとケースとを直接締結する。ケースの鋼板が薄い等、ネジのかかり代が取れない場合、締結力に不安がある場合は、バーリングタップにする等の対策をとることで、同様の効果が得られる。

本発明のモータでは、反負荷側のケース底面の円周方向に沿って全周、等間隔、相似形状の開口部を複数個設け、開口部からモータバスバーを突出させ、ＥＣＵ側バスバーターミナルと接続して配線を行う構造になっている。開口部を鋼板ケースに対向して対称的に配置することで、プレス穴あけ加工時の歪みを最小限とし、モータ軸との同軸度を保つと同時に、配線レイアウトの自由度を持っている。モータの冗長性を高めるために２系統のモータ巻線にすると、バスバーが３相６線に増加するが、開口部を等間隔に相似形状で設けることにより、順次対応が可能となる。また、バスバーの突出に未使用の開口部は、レゾルバステータのネジ締結に使用することも可能である。

更に、ケースとバスバーとの絶縁を図るために絶縁カップ又は絶縁フィルムを設け、絶縁カップの場合は、ケース底面にタップを設けることで、レゾルバ等の回転位置センサの固定機構とすることが可能である。

本発明のモータ構造は、あくまでモータ単体で成立する構造であり、ケースがモータ底面を覆っており、且つ配線をバスバーを介して反負荷側に引き出すため、ケース底面の円周方向に沿って全周、等間隔に相似形状で、バスバーが突出する開口部が設けられており、反負荷側に制御基板を配置する場合は配線が短く済む。また、プレス穴あけ加工時のモータ軸との同軸度精度維持のため、90度等配(開口形状、等間隔、相似形状)で開口部の穴を開ける。複数個の開口部は、２系統巻線で増加するバスバー引出しのほか、レゾルバステータ固定のためのネジを通す穴、或いはネジ締結の穴にも使用する。本発明のモータ構造では、巻線端末とバスバー接続部他、バスバーとケース間の絶縁を保つ必要がある。そのため、バスバーを覆うように絶縁樹脂で成る絶縁カップをケースとの間に設置するか、或いはバスバーを覆うように絶縁フィルムを巻付け若しくは層設する。これにより、ケースとバスバー、更にはモータ巻線との絶縁が可能となり、モータの反負荷側に確実に配線を引出すことができる。また、絶縁カップを使用する場合は、絶縁カップの面上にタップを刻設し、レゾルバステータ固定のためのネジ穴を設け、絶縁カップに直接レゾルバステータをネジで締結して固定することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。本実施形態では、３相２系統巻線のバスバーに適用する開口部の例を挙げて説明するが、他の形式のモータにも同様に適用可能である。開口部の個数、形状、配置等は適宜変更可能である。

図３は本発明に係るモータ１００のケース底面１１０の平面図であり、図４は本発明に係るモータ１００の斜視図である。反負荷側のケース底面１１０には、円周方向に沿って等間隔に８個の長形状の開口部１１１〜１１８が、プレス穴あけ加工等によって設けられており、開口部１１１、１１２、１１３から１系統のモータ巻線のバスバーＵ１ｉｎ、Ｖ１ｉｎ、Ｗ１ｉｎを突出させて引き出し、開口部１１５、１１６、１１７から他の１系統のモータ巻線のバスバーＵ２ｉｎ、Ｖ２ｉｎ、Ｗ２ｉｎを突出させて引き出している。バスバーＵ１ｉｎ、Ｖ１ｉｎ、Ｗ１ｉｎは２系統巻線モータの第１コイルのバスバーであり、バスバーＵ２ｉｎ、Ｖ２ｉｎ、Ｗ２ｉｎは２系統巻線モータの第２コイルのバスバーである。バスバーＵ１ｉｎ〜Ｗ１ｉｎ及びＵ２ｉｎ〜Ｗ２ｉｎは、いずれもヨーク１１０の開口部１１１〜１１３及び１１５〜１１７とは接触しないようになっている。

中央部には、円柱状に窪んだ凹部１２０が設けられており、凹部１２０を形成するケースがケース底面１１０を形成している。開口部１１１〜１１３及び１１５〜１１７から突出している２系統のバスバーＵ１ｉｎ〜Ｗ１ｉｎ及びＵ２ｉｎ〜Ｗ２ｉｎをＥＣＵ側バスバーターミナルと接続して配線を行う。

図３及び図４では、開口部１１１〜１１８は同一形状になっているが、相似形状であっても良い。また、図では、開口部１１１〜１１８の各両端部は丸みを持っているが、丸みはなくても良く、矩形状若しくは長形状の形状で、バスバーが接触しないで突出する形状であれば良い。

モータ１００がブラシレスモータである場合には回転位置を検出する必要があるため、レゾルバ等をモータ軸に結合する必要があり、図５及び図６に示すように凹部１２０にレゾルバステータ１５０を挿入すると共に、ネジ１５１でレゾルバステータ１５０をモータ１００に締結して固定する。その際、取付用ネジ穴として、空いている開口部１１４及び１１８を使用する。なお、図６において、凹部１２０にはロータ軸１０１が突出していると共に、その軸受１０２が配設されている。

次に、２系統の巻線を有するモータについて説明する。

２系統の巻線を有するモータは、ステータのコイルが２系統（Ｕ１〜Ｗ１相とＵ２〜Ｗ２相）に分けられ、１系統が失陥しても残りの１系統でロータを回転させるためのモータであり、モータ巻線は図７に示すようになっている。即ち、６つの第１コイルは、第１Ｕ相の電流により励磁される２つの第１Ｕ相コイル１３７Ｕａ、１３７Ｕｂと、第１Ｖ相の電流により励磁される２つの第１Ｖ相コイル１３７Ｖａ、１３７Ｖｂと、第１Ｗ相の電流により励磁される２つの第１Ｗ相コイル１３７Ｗａ、１３７Ｗｂとを含む。第１Ｕ相コイル１３７Ｕｂは第１Ｕ相コイル１３７Ｕａに対して直列に接続され、第１Ｖ相コイル１３７Ｖｂは第１Ｖ相コイル１３７Ｖａに対して直列に接続され、第１Ｗ相コイル１３７Ｗｂは第１Ｗ相コイル１３７Ｗａに対して直列に接続されている。第１コイルのティースに対する巻き方向は全て同じ方向であり、配線Ｌｕ１、Ｌｖ１、Ｌｗ１はバスバーＵ１ｉｎ，Ｖ１ｉｎ，Ｗ１ｉｎを介してＹ結線（スター結線）で接合されている。

また、６つの第２コイルは、第２Ｕ相の電流により励磁される２つの第２Ｕ相コイル１３８Ｕａ、１３８Ｕｂと、第２Ｖ相の電流により励磁される２つの第２Ｖ相コイル１３８Ｖａ、１３８Ｖｂと、第２Ｗ相の電流により励磁される２つの第２Ｗ相コイル１３８Ｗａ、１３８Ｗｂとを含む。第２Ｕ相コイル１３８Ｕｂは、第２Ｕ相コイル１３８Ｕａに対して直列に接続され、第２Ｖ相コイル１３８Ｖｂは第２Ｖ相コイル１３８Ｖａに対して直列に接続され、第２Ｗ相コイル１３８Ｗｂは第２Ｗ相コイル１３８Ｗａに対して直列に接続されている。第２コイルのティースに対する巻き方向は全て同じ方向であり、第１コイルの巻き方向と同じであり、配線Ｌｕ２、Ｌｖ２、Ｌｗ２はバスバーＵ２ｉｎ，Ｖ２ｉｎ，Ｗ２ｉｎを介してＹ結線（スター結線）で接合されている。

図８は、バスバーＵ１ｉｎ，Ｖ１ｉｎ，Ｗ１ｉｎ及びＵ２ｉｎ，Ｖ２ｉｎ，Ｗ２ｉｎが垂設されたバスバー構造体１４０と、モータステータ１４５とを模式的に示す分解斜視図である。図９は、バスバー構造体１４０とモータステータ１４５との組立状態を説明する説明図である。図８に示すように、バスバー構造体１４０は、板状の絶縁部材１４１の軸方向の一面から３相入力毎のバスバーＵ１ｉｎ、Ｖ１ｉｎ、Ｗ１ｉｎ及びＵ２ｉｎ、Ｖ２ｉｎ、Ｗ２ｉｎが上方に突出している。 バスバー構造体１４０はモータステータ１４５の一端側に配置され、インシュレータ１４６の外周部１４７の内側にある軸方向端部１４８に対向する。軸方向端部１４８には複数の凸部１４８Ａが周方向に設けられ、隣り合う凸部１４８Ａに挟まれた切欠きであるノッチ部１４８Ｂを複数有している。バスバー構造体１４０は、凸部１４１Ａがノッチ部１４８Ｂに嵌め合わされ、図９のように位置決めされ固定される。

上述のような２系統の巻線のバスバーＵ１ｉｎ、Ｖ１ｉｎ、Ｗ１ｉｎ及びＵ２ｉｎ、Ｖ２ｉｎ、Ｗ２ｉｎが、図４に示すようにケース底面１１０に設けられた開口部１１１〜１１３及び１１５〜１１７と接触しないようにして、上方に突出する。そのため、開口部１１１〜１１３及び１１５〜１１７のサイズは、バスバーＵ１ｉｎ、Ｖ１ｉｎ、Ｗ１ｉｎ及びＵ２ｉｎ、Ｖ２ｉｎ、Ｗ２ｉｎのサイズよりも余裕を持っていることが必要である。

本発明では、突出したバスバーＵ１ｉｎ、Ｖ１ｉｎ、Ｗ１ｉｎ及びＵ２ｉｎ、Ｖ２ｉｎ、Ｗ２ｉｎとヨーク１１０とが接触しないように確実に絶縁するため、図１０に示すように絶縁フィルム１６０を巻き付け若しくは層設するか、或いは図１１に示すようにカップ状の絶縁樹脂で成る絶縁カップ１７０を設置する。絶縁フィルム１６０の場合はバスバー引出し部にも絶縁フィルムを巻き付け、また、絶縁カップ１７０の場合はバスバー突き出し部分も覆うような形状で、ケース開口部との絶縁を図る。
なお、絶縁カップ１７０の場合には、絶縁カップ１７０の面上にタップを刻設し、レゾルバステータ固定のためのネジ穴とすることも可能である。

１ ハンドル
２ コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１０ トルクセンサ
１２ 車速センサ
１４ 舵角センサ
２０ モータ
２１ 出力軸
３０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
４０ ＣＡＮ
１００ モータ（ブラシレスモータ）
１１０ ケース底面
１１１〜１１８ 開口部
１２０ 凹部
１４０ バスバー構造体
１４５ モータステータ
１５０ レゾルバステータ
１６０ 絶縁フィルム
１７０ 絶縁カップ

Claims (10)

1. 外周をケースで包括され、反負荷側に配線を行うモータであり、
   前記反負荷側のケース底面の円周方向に沿って全周に、複数個の開口部が等間隔に設けられ、
   一部の前記開口部は、モータ巻線のバスバーを突出させるために設けられ、前記一部以外の開口部は、ネジ穴として利用するために設けられ、
   前記複数個の開口部は形状が相似であり、前記バスバーに接触せず、
   インシュレータの外周部の内側にある軸方向端部には複数の凸部が周方向に設けられ、隣り合う前記凸部に挟まれた切欠きである複数のノッチ部と、
   モータステータの一端側に配置され、インシュレータの外周部の内側にある軸方向端部に対向するバスバー構造体とを有し、
   前記バスバー構造体の周方向側面に設けられた嵌合部が前記ノッチ部に嵌め合わされるような構造となっていることを特徴とするモータ。
2. 前記開口部が矩形状若しくは長形状の形状である請求項１に記載のモータ。
3. 前記モータ巻線が２系統であり、前記２系統のモータ巻線に前記バスバーが接続されている請求項１又は２に記載のモータ。
4. 前記２系統のモータ巻線のバスバーが対角位置に配置され、前記配置に対応して前記開口部が設けられている請求項３に記載のモータ。
5. 前記２系統のモータ巻線のバスバーが系統順に順次配置され、前記配置に対応して前記開口部が設けられている請求項３に記載のモータ。
6. 前記ケース底面に回転位置検出手段を結合する円柱状に窪んだ凹部が形成され、前記開口部の数が前記バスバーの数よりも少なくとも２個多く形成され、前記少なくとも２個多く形成された開口部を、前記回転位置検出手段を締結するネジ穴として利用できるようになっている請求項３乃至５のいずれかに記載のモータ。
7. 前記ケースと前記バスバーとの絶縁を図るため、前記ケースを覆う絶縁カップ若しくは絶縁フィルムが設けられている請求項１乃至６のいずれかに記載のモータ。
8. 前記絶縁カップにタップをきり、回転位置センサ固定のためのネジ穴を設けている請求項７に記載のモータ。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のモータで駆動制御され、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にアシスト力を付与することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
10. 請求項９に記載の電動パワーステアリング装置を搭載した車両。