JP6083415B2 - 電動パワーステアリング用ブラシレス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、アルミニウム製若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金製で、モータヨークの一端側にモータ取付けフランジが設けられ、他端側にＥＣＵ取付けフランジが設けられた一体構造のモータハウジングを備えたブラシレス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。

駆動部にブラシレス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操舵補助力（アシスト力）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操舵補助力を付与する。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力の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。

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も、モータを含む全体の軽量化とコンパクト化が要請されていると共に、ハウジングに外力が加えられた場合でも円滑な回転を維持でき、更にはモータの組立性や軸精度の向上が強く望まれている。

モータのヨークとして板金加工（鋼板での絞りヨーク構造）にフランジ溶接構造があり、例えば特開２００４−１８０４４９号公報（特許文献１）には、ブラシレスモータを構成するハウジングを、鉄材より軽量なアルミニウムによって形成し、アウタコアの外周面のほぼ全体がハウジングの内周面に圧接された電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータが開示されている。

特開２００４−１８０４４９号公報 特開２００５−１６８０９９号公報

しかしながら、特許文献１のブラシレスモータでは軽量化と外力に対する安定化は達成できるが、全体のコンパクト化、組立性や軸精度の向上については全く解決されていない。

一方、モータ組立時の労力を低減することができ、且つ組立時にモータに損傷が生じないようにした電動パワーステアリング装置及び製造方法が特開２００５−１６８０９９号公報（特許文献２）に開示されている。特許文献２ではハウジングをアルミニウム合金で形成し、モータの出力軸を減速機構の駆動歯車と一体に設けており、サブ組立体の減速機ハウジングはモータハウジングを一体に結合すると共に、出力軸を保持している。出力軸に保持されたロータの外周は、モータハウジングに取り囲まれて保護されている。

しかしながら、特許文献２は、減速部を一体としたハウジングケースの構造であり、ＥＣＵを含めたコンパクト化やＥＣＵとの接続関係、軸精度の向上等についての言及はない。

上述したように従来技術では、モータの取付け及びＥＣＵ等の付属部品と結合する場合の部品点数が多くなり、モータ軸の精度が各部品の精度の積み重ねとなり、精度を保証するためにはコストアップに繋がる要因もあった。

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、軽量で製造も容易であり、ＥＣＵの取付も含めてコンパクト化を図ったモータハウジングを備えたブラシレス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。

本発明は電動パワーステアリング用ブラシレスモータに関し、本発明の上記目的は、円筒状本体の一端側に有するモータ取付けフランジ、及び、他端側に有するＥＣＵ取付け用フランジを、前記円筒状本体と一体成型して成るモータハウジングと、Ｆｅ系材料で成るステータアセンブリと、ロータアセンブリと、モータカバーとを備えた電動パワーステアリング用ブラシレスモータであり、前記モータカバー側に設けられている前記ＥＣＵ取付け用フランジを介して電動パワーステアリング用ＥＣＵが取り付けられるようになっており、前記モータハウジングの本体の内側には、線膨張率が前記ステータアセンブリと同一の円筒状リングが、インサート鋳造により設けられ、前記円筒状リング内に前記ロータアセンブリが収容され、かつ前記円筒状リングの下端部に矩形状の複数の切欠きが設けられていることにより、或いは前記円筒状リング内に前記ロータアセンブリが収容され、かつ前記円筒状リングの壁面に複数の丸孔が設けられていることにより、或いは前記円筒状リング内に前記ロータアセンブリが収容され、かつ前記円筒状リングの外側壁面に、前記円筒状本体の端部に垂直な溝が複数条設けられていることにより、或いは前記円筒状リング内に前記ロータアセンブリが収容され、かつ前記円筒状リングの外側壁面に、傾斜した溝が複数条設けられていることにより達成される。

本発明の上記目的は、前記モータカバーがアルミ材料若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金又は板金材料であり、前記ステータアセンブリ及び前記モータカバーにそれぞれロータ軸受が設けられており、前記各ロータ軸受で前記ロータアセンブリの軸を保持して回転する構造であることにより、より効果的に達成される。

上記電動パワーステアリング用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。

本発明のブラシレスモータによれば、ダイカストで鋳造容易なアルミニウム製若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金のモータハウジングを備え、モータハウジングの端部にモータ取付けフランジ及びＥＣＵ取付けフランジを有しているので、軽量コンパクト化を図り、組立性の向上、軸精度の向上を図ることができると共に、精度管理を容易に行うことができる。

上記ブラシレス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、軽量でコンパクト、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、車両の軽量化を図ることがきる。

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。 本発明に係るモータハウジングの構造例を示す斜視図である。 本発明に係るブラシレスモータの組立展開図である。 本発明に係るブラシレスモータの断面構造図である。 本発明に係るモータを装着した構成例を示す一部断面機構図である。 本発明に係るブラシレスモータにＥＣＵを装着した状態を示す正面図及び側面図である。 本発明に係るモータハウジングの他の構造例を示す斜視図である。 インサート鋳造するリングの他の構造例を示す斜視図である。

本発明は、アルミニウム製若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金製のハウジングに、ＥＣＵ取付けフランジ及びモータ取付けフランジを一体化して成型し（アルミダイカストの鋳造）、ステータアセンブリ（ＡＳＳＹ）、ロータアセンブリ（ＡＳＳＹ）、モータカバーのモータ内部部品を一方向から順次組み込んで（圧入又は焼き嵌め）作製することにより、モータの軽量化及びコンパクト化を達成し、しかも組立性が良く軸精度も良いブラシレスモータを提供する。モータハウジングをアルミダイカスト化（又は他の鋳造材料（亜鉛合金やマグネシウム合金）でも可）することにより、減速部（ギアボックス）の動力伝達機構側の端部にモータ取付けフランジを、他端側にＥＣＵ取付けフランジを一体にしたモータハウジング構造としている。かかるフランジ一体型の構造は、従来のモータ構造のフランジとヨーク構造に対して軽量コンパクト化、組立性の向上、軸精度向上の効果を発揮する。

また、Fe系で成るステータアセンブリ等のモータ内部部品をアルミニウム製若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金製のモータハウジングに圧入又は焼き嵌めするが、材料の線膨張率の差異に基づいて、モータ部品組込み時及び組立後に製品の環境条件（仕様）で影響が発生する。そのため、モータハウジングの内側にFe系で成る円筒状のリングをインサート鋳造して線膨張率の補償を行う。また、リングに孔、切欠き、溝等を設けて回り止めを図ると共に、軸方向への抜けをも防止する。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。以下ではアルミダイカストについて説明するが、亜鉛合金のダイカスト、マグネシウム合金のダイカストでも同様に適用可能である。

図３は、本発明のブラシレスモータ１００のモータハウジング１１０の構造を示しており、ハウジング本体１１３は円筒状の形状で、底部は、中央部にモータ出力軸が突出する開口を有した平面構造であり、底部はモータ前面カバー（エンドプレート）を兼用している。ハウジング本体１１３の上端部（図面上）にはＥＣＵ取付け用フランジ１１１が外側に突出して設けられており、下端部（図面上）にはモータ取付け用フランジ１１２が外側に突出して、一体的に設けられている。モータハウジング１１０は、ＥＣＵ取付け用フランジ１１１及びモータ取付け用フランジ１１２の一体でアルミダイカストにて鋳造されて成型される。

なお、図３では大小２個ずつの対称的な構造のＥＣＵ取付け用フランジ１１１と、ＥＣＵ取付け用フランジ１１１と交差するように、かつ対称的なモータ取付け用フランジ１１２とが設けられているが、その数、形状、位置等は適宜変更可能である。モータの取付け、ＥＣＵの取付け等を考慮して、任意の位置、角度、方向（縦横）で設けることができる。また、フランジ１１１及び１１２は円盤状の形状であっても良い。

このようなモータハウジング１１０に対して、図４に示すように一方向からモータ内部部品を圧入又は焼き嵌めて組込み、ブラシレスモータ１００を組立てる。即ち、先ずステータアセンブリ（ＡＳＳＹ）１２０をモータハウジング１１０に挿入して圧入又は焼き嵌め、次に、モータハウジング１１０に固定されたステータアセンブリ１２０内にロータアセンブリ（ＡＳＳＹ）１３０を挿入して圧入又は焼き嵌め、最後にアルミ材料又は板金材料のモータカバー１４０を装着してネジ１４１等でステータアセンブリ１２０に固定する。なお、ステータアセンブリ１２０及びモータカバー１４０にはそれぞれ軸受（１２１，１４２）が設けられており、ロータアセンブリ１３０の軸（１３１，１３２）を保持して、回転するようになっている。

このような組立工程により、図５に断面構造を示すブラシレスモータ１００が得られる。モータハウジング１１０の底面（前面カバー）の開口よりモータ出力軸１３１が突出している。また、ロータアセンブリ１３０の軸１３１及び１３２は、それぞれ軸受１４２及び１２１で保持され回転可能となっている。

本発明に係るブラシレスモータ１００は、図６に示すような形態で、モータ取付け用フランジ１１２を介して減速部（ギアボックス）に取付けられると共に、ＥＣＵ取付け用フランジ１１１を介してＥＣＵ２００がブラシレスモータ１００に取付けられる。フランジ１１１及び１１２による取付は、ボルトやナット、ネジで行っても良い。

図７は、ブラシレスモータ１００にＥＣＵ２００を取り付ける様子を正面図及び側面図で示しており、ＥＣＵ２００の底面側（図面上）に設けられた端子台２０１、２０２を介してＥＣＵ取付け用フランジ１１１と連結し、電気的な接続も一緒に行うようになっている。端子台２０１、２０２とＥＣＵ取付け用フランジ１１１との連結は、ボルトやナット、ネジ、差し込み式固定部材等で行っても良く、機械的な連結と共に電気的な接続も行う。

本発明のモータハウジング１１０はアルミニウム製であり、ステータアセンブリ１２０は主にＦｅ系材料で作製されているため、両者の線膨張率が異なる。温度変化によってモータハウジング１１０とステータアセンブリ１２０が線膨張率の影響を受け、モータ部品の組込み時には寸法設定上の誤差となり、組立後は両者の間に隙間ができて離間し、モータハウジング１１０とステータアセンブリ１２０との間に望ましくない相対的な回動ズレが生じる。

そのため、本発明では図８に示すように、モータハウジング１１０の内側にＦｅ系材料で成り、線膨張率がステータアセンブリ１２０と同一の円筒状リング１１５をインサート鋳造で設ける。リング１１５はモータハウジング１１０と一体成型され、かかるモータハウジング１１０にステータアセンブリ１２０を圧入又は焼き嵌めることにより、ステータアセンブリ１２０とモータハウジング１１０との間にリング１１５が介在されることになる。リング１１５の介在により、モータハウジング１１０とステータアセンブリ１２０が線膨張率の差の影響を排除することができる。

図９はリングの他の形状を示しており、図９（Ａ）のリング１１５Ａは、リング下端部に矩形状の数個の切欠き１１６を設けた例である。アルミダイカスト鋳造時に、この切欠き１１６にもアルミニウムが入って成型されるため、モータハウジング１１０の回り止めとなる。また、図９（Ｂ）は、リング１１５Ｂの壁面に丸孔１１７を数個設けた例であり、回り止めの他に軸方向の抜け防止にもなる。更に図９（Ｃ）は、リング１１５Ｃの壁面に垂直な溝１１８を設けた例であり、溝１１８を傾斜して設ければ、回り止めの他に抜け防止にもなる。

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 回転センサ
３０、２００ コントロールユニット（ＥＣＵ）
４０ ＣＡＮ
１００ ブラシレスモータ
１１０、１１０Ａ モータハウジング
１１１ ＥＣＵ取付け用フランジ
１１２ モータ取付け用フランジ
１１５、１１５Ａ〜１１５Ｃ リング
１２０ ステータアセンブリ（ＡＳＳＹ）
１３０ ロータアセンブリ（ＡＳＳＹ）
１４０ モータカバー

Claims (7)

1. 円筒状本体の一端側に有するモータ取付けフランジ、及び、他端側に有するＥＣＵ取付け用フランジを、前記円筒状本体と一体成型して成るモータハウジングと、Ｆｅ系材料で成るステータアセンブリと、ロータアセンブリと、モータカバーとを備えた電動パワーステアリング用ブラシレスモータであり、
   前記モータカバー側に設けられている前記ＥＣＵ取付け用フランジを介して電動パワーステアリング用ＥＣＵが取り付けられるようになっており、
   前記モータハウジングの本体の内側には、線膨張率が前記ステータアセンブリと同一の円筒状リングが、インサート鋳造により設けられ、
   前記円筒状リング内に前記ロータアセンブリが収容され、かつ前記円筒状リングの下端部に矩形状の複数の切欠きが設けられていることを特徴とする電動パワーステアリング用ブラシレスモータ。
2. 円筒状本体の一端側に有するモータ取付けフランジ、及び、他端側に有するＥＣＵ取付け用フランジを、前記円筒状本体と一体成型して成るモータハウジングと、Ｆｅ系材料で成るステータアセンブリと、ロータアセンブリと、モータカバーとを備えた電動パワーステアリング用ブラシレスモータであり、
   前記モータカバー側に設けられている前記ＥＣＵ取付け用フランジを介して電動パワーステアリング用ＥＣＵが取り付けられるようになっており、
   前記モータハウジングの本体の内側には、線膨張率が前記ステータアセンブリと同一の円筒状リングが、インサート鋳造により設けられ、
   前記円筒状リング内に前記ロータアセンブリが収容され、かつ前記円筒状リングの壁面に複数の丸孔が設けられていることを特徴とする電動パワーステアリング用ブラシレスモータ。
3. 円筒状本体の一端側に有するモータ取付けフランジ、及び、他端側に有するＥＣＵ取付け用フランジを、前記円筒状本体と一体成型して成るモータハウジングと、Ｆｅ系材料で成るステータアセンブリと、ロータアセンブリと、モータカバーとを備えた電動パワーステアリング用ブラシレスモータであり、
   前記モータカバー側に設けられている前記ＥＣＵ取付け用フランジを介して電動パワーステアリング用ＥＣＵが取り付けられるようになっており、
   前記モータハウジングの本体の内側には、線膨張率が前記ステータアセンブリと同一の円筒状リングが、インサート鋳造により設けられ、
   前記円筒状リング内に前記ロータアセンブリが収容され、かつ前記円筒状リングの外側壁面に、前記円筒状本体の端部に垂直な溝が複数条設けられていることを特徴とする電動パワーステアリング用ブラシレスモータ。
4. 円筒状本体の一端側に有するモータ取付けフランジ、及び、他端側に有するＥＣＵ取付け用フランジを、前記円筒状本体と一体成型して成るモータハウジングと、Ｆｅ系材料で成るステータアセンブリと、ロータアセンブリと、モータカバーとを備えた電動パワーステアリング用ブラシレスモータであり、
   前記モータカバー側に設けられている前記ＥＣＵ取付け用フランジを介して電動パワーステアリング用ＥＣＵが取り付けられるようになっており、
   前記モータハウジングの本体の内側には、線膨張率が前記ステータアセンブリと同一の円筒状リングが、インサート鋳造により設けられ、
   前記円筒状リング内に前記ロータアセンブリが収容され、かつ前記円筒状リングの外側壁面に、傾斜した溝が複数条設けられていることを特徴とする電動パワーステアリング用ブラシレスモータ。
5. 前記モータカバーがアルミ材料若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金又は板金材料であり、前記ステータアセンブリ及び前記モータカバーにそれぞれロータ軸受が設けられており、前記各ロータ軸受で前記ロータアセンブリの軸を保持して回転する構造である請求項１乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング用ブラシレスモータ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電動パワーステアリング用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ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
7. 請求項６に記載の電動パワーステアリング装置を搭載した車両。

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