JPWO2007029563A1

JPWO2007029563A1 - 電動パワーステアリング装置用モータ

Info

Publication number: JPWO2007029563A1
Application number: JP2007534350A
Authority: JP
Inventors: 弘達池野
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2009-03-19
Also published as: US20090121573A1; WO2007029563A1; CN101258667A; DE112006002401T5

Abstract

【課題】厳しい体格制限を満たしつつ、所望の性能を発揮し得るＥＰＳ用モータを提供する。【解決手段】操向車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配設され、ラック軸に対し操舵補助力を供給するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置用モータにて、モータを６極９スロット構成とし、その磁気装荷（２ＰΦ）と、電気装荷（ＺＩ／ａ）の比を示す装荷比（２ＰΦ／（ＺＩ／ａ））を１００〜３００とする。これにより、体格、出力、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たしたＥＰＳ用モータを得ることができる。また、装荷比について、ＥＰＳ仕様に適した数値が設定されるので、それに合わせてモータ各部の仕様を決定することができ、設計の最適化や設計工数削減が図られる。

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、近年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３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３のＥＰＳ５１は、ラック軸５２と同軸的に設けたモータ５３が発生する操舵補助力を、ボールねじ機構５４を介してラック軸５２に伝達する。ラック軸５２は、両端に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と共に、ステアリング軸５５とラック・アンド・ピニオン結合されており、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おり、ロータシャフト５８内にはラック軸５２が挿通される。

ＥＰＳ５１では、ハンドルが操作されてステアリング軸５５が回動すると、この回動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

一方、図３のようなラックアシスト式のＥＰＳは、エンジンルーム内にコンパクト（細く短く）にレイアウトしたいというニーズから、その体格（特に外形寸法）に厳しい制限が課せられる場合が多い。例えば、小型乗用車用のＥＰＳでは、一般に外径が１００mmを超えるものは商品性に乏しく、外径１００mm以下の中でモータを構成し、要求性能を満足する最適な仕様を確立する必要がある。一方、モータ内部を貫通するラック軸は、それ自体、概ね２０〜３０mm程度の外径があり、それが挿通されるロータシャフトの内径も２０〜４０mm程度は必要となる。従って、ラックアシスト式ＥＰＳ用のモータでは、ラック軸が中央を貫通するという構成の中、外径を１００mm以下に抑えなければならず、しかも、その体格で所望の出力が得られ、かつ、低フリクション、低トルクリップル、低コストが求められる。

しかしながら、このような小型で高性能かつ低コスト化の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、マグネットや巻線等に関する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、厳しい体格制限を満たしつつ、出力やコギングトルク、トルクリップル等に関し所望の性能を発揮し得るＥＰＳ用モータを容易に設計可能とすることにある。

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設され、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、前記モータの磁気装荷（２ＰΦ）と、電気装荷（ＺＩ／ａ）の比を示す装荷比（２ＰΦ／（ＺＩ／ａ））が１００〜３００であることを特徴とする。

本発明にあっては、装荷比を１００〜３００に設定することにより、体格、出力、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たしたＥＰＳ用モータを得ることができる。また、モータの構造設計に際し、前記数値に合わせてモータ各部の仕様を決定すればＥＰＳに適した仕様設定となる。

前記電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記モータを６極９スロット構成のブラシレスモータとしても良い。

また、前記モータを、ハウジングと、前記ハウジングの内周側に固定されたステータコアと、前記ステータコアに巻装された巻線とを備えるステータと、ステアリング装置の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に取り付けられたマグネットと、前記マグネットの外側に外装されたマグネットカバーとを備えるロータとを有する構成としても良い。その場合、前記の外径を８５mm以上１００mm以下に設定しても良い。

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設される電動パワーステアリング装置用のモータにて、当該モータの磁気装荷と電気装荷の比を示す装荷比を１００〜３００に設定することにより、体格、出力、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たしたＥＰＳ用として最適なモータを得ることが可能となる。また、モータの構造設計に際し問題となるパラメータのひとつである装荷比について、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することができ、製品コストの低減も可能となる。

本発明のＥＰＳ用モータの構成を示す断面図である。エアギャップ量と有効磁束量との関係を磁気装荷型と電気装荷型のモータで比較して示した説明図である。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Ｍ装荷比
Ｐ極数 Φ １極あたりの有効磁束
Ｚ有効導体数Ｉ定格相電流実効値
ａ並列回路数／２Ｓスロット数
Ｔ巻線数

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３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３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は鉄等にて形成され、その外径は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おり、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の内側に配設されており、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を同軸状に配した構成となっている。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が外装されており、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が配設される。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おり、凸部の近接離反により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、軸回りの回動が規制された状態でナット部４２によって左右方向に往復動自在支持され、ナット部４２の回転に伴って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によって回動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動し、この回動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、要求性能を満たすべく諸仕様を決定する際、モータ体格を抑えて高出力を得るには、磁気装荷と電気装荷の分配を如何にすべきかが問題となる。ここで、磁気装荷はモータ磁束量の総和、電気装荷はアンペア導体数の総和を言い、磁気装荷の大きいモータは、ステータコア１３やマグネット２４の割合が多くなり、一般に、モータが大型化する。これに対し、電気装荷の大きいモータは、モータは小型化できるものの、巻線温度が上昇しやすくなる。磁気装荷と電気装荷の分配を決める要素としては、イナーシャ変化による特性への影響や、マグネット使用量によるコストへの影響、巻線スペース小による組付け性への影響、鉄量の変化による重量への影響、等があり、様々の要素を考慮する必要がある。

このような諸要素に加え、特に、ＥＰＳ用モータでは、部品公差や組付け誤差に伴う、マグネット２４とステータティース間のエアギャップ量の変化による特性への影響を重視する必要がある。図２は、エアギャップ量と有効磁束量（トルクに寄与する磁束量；マグネット２４からティースを通りマグネット２４に戻る磁束）との関係を磁気装荷型と電気装荷型のモータで比較して示した説明図である。図２から分かるように、磁気装荷へ多く配分を振った磁気装荷型モータは、同じエアギャップ量では、電気装荷へ多く配分を振った電気装荷型モータよりも有効磁束のMax.値が大きい（図２Ｐ,Ｑ点参照）。従って、磁気装荷配分を大きくした方が高トルク型のモータとなり、出力を大きくすることができる。

しかしながら、図２Ａ,Ｂから分かるように、磁気装荷型モータは、エアギャップの変化に対する有効磁束の変化が電気装荷型モータよりも大きい。このため、エアギャップ量がばらつくと有効磁束が大きく変化し、組付公差内であってもトルク誤差やうねりが大きくなり、コギングやトルクリップルが増大する。コギングやトルクリップルは、ＥＰＳモータでは、操舵フィーリングの悪化につながるため好ましくない。また、磁気装荷型モータは、磁気装荷が多い分、高価なマグネットを大量に使用するためコストが増大すると共に、鉄の使用量が増えるため重量も増大する。

つまり、磁気装荷型モータは、トルクは出せるがそのバラツキが大きく、一方、電気装荷型モータはトルクのバラツキは少ないが大きなトルクが得られない。そこで、体格に厳しい制限がある中で必要トルクを得、さらに、トルクムラを抑えて操舵フィーリングを向上させるべく、これらの長所・短所を加味して、ＥＰＳに最適な６Ｐ９Ｓモータの装荷配分を検討した。その結果、発明者の実験によれば、次式のような装荷比Ｍにおいて、Ｍ値を１００〜３００の範囲で設定すると、体格、出力、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たすＥＰＳ用モータが得られることが判明した。

ここで、有効導体数Ｚは、トルクに寄与する導体数を意味する。導体数は、スロット数Ｓと巻線数Ｔとの積であり（Ｓ×Ｔ）、例えば、１０スロット、６ターンのモータでは、導体数は６×１０＝６０となる。有効導体数は、そのうちでトルクに寄与する分であり、例えば、３相モータでは導体数の２／３となる。従って、先の例で言えば、Ｚ＝６０×２／３＝４０となる。定格相電流実効値Ｉは、ある相（例えば、３相モータのＵ相）に流れるモータ定格電流（ＥＰＳでは許容最大電流値）の実効値である。並列回路数ａは、例えば、３相モータでは、Ｕ,Ｖ,Ｗ相の回路が何組あるかを示している。

発明者の実験では、６極（Ｐ＝６）９スロットのモータにおいて、Ｍ＝１３０（Φ＝98069(Mx/極)、Ｚ＝108(本)、Ｉ＝８４(Arms)、ａ＝１）としたとき、モータ１の外径（ハウジング１２の外径）を１００mm以下に抑えつつ、入力電圧１２Ｖの時、出力７５０Ｗ、コギングトルク２０mNm以下のモータを実現できた。この場合、ラック軸外径等の関係から、モータ外径を８５mm未満に抑えることは非常に難しく、本発明のモータにおいても、モータ外径は、９０〜１００mm、好ましくは、８５〜９５mm程度に設定される。また、本発明の１００≦Ｍ≦３００なる条件は、特に６極９スロットモータにおいて有効であった。

なお、Ｍ値が３００を超える磁気装荷型モータでは、鉄心が大きくなるため重量が大きく、マグネットも大きくなるためコストも増大する。また、９スロットモータでは、内径のバラツキが大きくなるため、エアギャップのバラツキが大きく、トルクの脈動が増大し操舵フィーリングも悪化する。一方、Ｍ値が１００未満の電気装荷型モータは、コイルターン数が多くなるため、発熱しやすくなり、絶縁やスロット内の巻線占積率に対する配慮や巻線冷却対策が必要となる。また、電気装荷型モータは、出力が電力供給量に依存するタイプとなるため、外乱に弱い傾向があり、制御のバラツキの影響が出やすく、制御しづらいモータになる傾向がある。

このように本発明によるＥＰＳ用モータは、ＥＰＳ用として最適な特性が得られ、体格、出力、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たしている。かかる小型高出力のＥＰＳモータは、最終的には省燃費につながり、また、ロータ小型化によるイナーシャ低減により、操舵フィーリングも向上する。さらに、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のひとつである装荷比Ｍについて、ＥＰＳ仕様に適した数値が予め設定されているので、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に最適な設計指針が得られる。このため、小型高出力で、低フリクション、低トルクリップル、低コストなＥＰＳ用モータを従来比して容易に構成することができ、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。

なお、磁気装荷部分が主要部を為す磁気装荷径（ここではロータ径と同じ）φ１と、電気装荷部分が主要部を為す電気装荷径（ここではステータコア径と同じ）φ２との比についても、発明者の実験によれば、φ１：φ２＝１：２〜１：２.５が好ましいことが分かっている。

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Ｍ＝１３０のモータはあくまでも一例であり、その他の仕様のモータを適宜製造し得ることは言うまでもない。

Claims

操向車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配設され、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、
前記モータの磁気装荷（２ＰΦ）と、電気装荷（ＺＩ／ａ）の比を示す装荷比（２ＰΦ／（ＺＩ／ａ））が１００〜３００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。
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、前記モータは、６極９スロットのブラシレスモータ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。
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、前記モータは、
ハウジングと、前記ハウジングの内周側に固定されたステータコアと、前記ステータコアに巻装された巻線とを備えるステータと、
ステアリング装置の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に取り付けられたマグネットと、前記マグネットの外側に外装されたマグネットカバーとを備えるロータとを有す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。
請求項３記載の電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記モータは、前記ハウジングの外径が８５mm以上１００mm以下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。