WO2007029563A1

WO2007029563A1 - 電動パワーステアリング装置用モータ

Info

Publication number: WO2007029563A1
Application number: PCT/JP2006/316968
Authority: WO
Inventors: Hirotatsu Ikeno
Original assignee: Mitsuba Corporation
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2007-03-15
Also published as: CN101258667A; DE112006002401T5; US20090121573A1; JPWO2007029563A1

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

明細書

電動パワーステアリング装置用モータ

技術分野

[0001] 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ァリング装置に適用して有効な技術に関する。

背景技術

[0002] 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 ( 、わゆる電動パワーステァリング装置）を搭載した車両が増大して、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-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-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。

[0003] 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のようなラックァシスト式の 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-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が揷通される。

[0004] 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。

特許文献 1：特開平 10-152058号公報

特許文献 2：特開 2004-180449号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 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ぐ外径 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、それが揷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、し力も、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。

[0006] し力しながら、このような小型で高性能かつ低コストィ匕の 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、マグネットゃ卷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ぐ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。

[0007] 本発明の目的は、厳、体格制限を満たしつつ、出力ゃコギングトルク、トルクリツ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。

課題を解決するための手段

[0008] 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（2ΡΦ)と、電気装荷（ Zl/a)の比を示す装荷比（2P Φ Z (Zl/a) )が 100〜300であることを特徴とする。

[0009] 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、操舵フイーリング、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。

[0010] 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。

[0011] 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卷装された卷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。発明の効果

[0012] 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一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。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明の EPS用モータの構成を示す断面図である。

[図 2]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。

[図 3]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 卷線 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 マグネットカノ一 31 ハウジング

32 ベアリング 33 レゾルバ

34 レゾノレバステータ 35 レゾノレノロータ

36 コィノレ 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 Z2 S スロット数

T 卷線数

発明を実施するための最良の形態

[0015] 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と同様のラックァシスト式の 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つている。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。

[0016] 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に卷装された卷線 14とを備えた構成となつている。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、コイルが卷装され卷線 14が形成される。卷線 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。

[0017] 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、口ータコア 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!/ヽる。ロータシャフト 22の内側には、ラック軸 2が揷通される。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。

[0018] マグネット 24には、小型で高磁束密度が得られるネオジゥ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のイナ一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、ようになって、る。

[0019] 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と力も構成されている。レゾルバステータ 34にはコイル 36が卷装されており、励磁コィ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 2 2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、る。

[0020] 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、口ータ 21の回転位置に基づき、卷線 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。

[0021] 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。ノ、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。

[0022] 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。 [0023] 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を介して卷線 14に電力が供給される。卷線 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。

[0024] 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、卷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、卷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。

[0025] 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から分力るように、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。

[0026] し力しながら、図 2A,B力も分力るように、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、コギングゃトルクリップルが増大する。コギングゃトルクリップルは、 EPSモータでは、操舵フィーリングの悪ィ匕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。

[0027] 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ぐ一方、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ベぐこれらの長所'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。

[0028] [数 1]

^{Μ =} ~η

a

P：極数 Z :有効導体数 a :並列回路数 2

Φ： 1極あたりの有効磁束 I：定格相電流実効値

[0029] 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と卷線数 Tとの積であり（S XT)、例えば、 10スロット、 6ターンのモータでは、導体数は 6 X 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 2Z3となる。従って、先の例で言えば、 Z = 60 X 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。

[0030] 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、 Μ= 13Ο ( Φ =98069 (Μχ/極)、 Ζ= 108(本)、 I = 84(Arms)、 a= l)としたとき、モータ 1の外径（ノヽウジング 1 2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ぐ本発明のモータにおいても、モータ外径は、 90〜： LOOmm、好ましくは、 85〜95mm程度に設定される。また、本発明の 1 00≤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。

[0031] 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ぐ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、内径のノ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ぐトルクの脈動が増大し操舵フィーリングも悪ィ匕する。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卷線占積率に対する配慮ゃ卷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ぐ制御しづらいモータになる傾向がある。

[0032] 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。力かる小型高出力の 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、て、 E PS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。

[0033] 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） φ 1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） φ 2との比についても、発明者の実験によれば、 <) 1 : () 2= 1 : 2〜1 : 2.5が好ましぃことが分かっている。

[0034] 本発明は前記実施例に限定されるものではなぐ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、。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、。

Claims

請求の範囲

[1] 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 (2P Φ )と、電気装荷 (ZlZa)の比を示す装荷比（2P Φ Z ( Zl/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。

[2] 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。

[3] 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卷装された卷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口一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。

[4] 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。