WO2007029563A1 - 電動パワーステアリング装置用モータ - Google Patents

電動パワーステアリング装置用モータ Download PDF

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WO2007029563A1
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Hirotatsu Ikeno
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Mitsuba Corporation
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    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa

Definitions

  • the present invention relates to a motor used as a drive source of an electric power steering device, and in particular, a technique effective when applied to a rack assist type electric power steering device in which a rack shaft of a vehicle is inserted through a motor central portion. About.
  • EPS electric power steering device
  • EPS in Patent Document 1 is a rack assist type device, and a steering assist force is applied by a motor provided coaxially on the rack shaft.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a rack-assisted EPS like Patent Document 1.
  • EPS 51 in FIG. 3 transmits the steering assist force generated by the motor 53 provided coaxially with the rack shaft 52 to the rack shaft 52 via the ball screw mechanism 54.
  • the rack shaft 52 is connected to steering wheels via tie rods and knuckle arms (not shown) at both ends, and is coupled to the steering shaft 55 in a rack-and-peon manner.
  • the motor 53 has a configuration in which a magnet 57, a cylindrical rotor shaft 58 and a rotor core 59 are coaxially inserted into a cylindrical yoke 56, and a rack shaft 52 is passed through the rotor shaft 58. It is.
  • EPS51 when the steering shaft 55 is rotated by operating the handle, The rack shaft 52 moves in the closed direction and the steering operation is performed.
  • a steering torque sensor (not shown) is activated by this operation, electric power is appropriately supplied to the motor 53 based on this detected torque.
  • the motor 53 When the motor 53 is activated, the rotation is transmitted to the rack shaft 52 via the ball screw mechanism 54. That is, the ball screw mechanism 54 converts the rotation of the motor 53 into an axial movement of the rack shaft 52, and a steering assist force is applied to the rack shaft 52.
  • the steering wheel is steered by this steering assist force and manual steering force, and the driver's burden on the steering wheel is reduced.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 10-152058
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-180449
  • rack-assisted EPS as shown in Fig. 3 may place severe restrictions on its physique (especially external dimensions) due to the need for a compact layout (thin and short) in the engine room.
  • Many for example, in the case of EPS for small passenger cars, it is necessary to construct a motor in an outer diameter of 100 mm or less, which generally has an outer diameter of over 100 mm, and to establish optimum specifications that satisfy the required performance.
  • the rack shaft that penetrates the inside of the motor itself has an outer diameter of about 20 to 30 mm, and the inner diameter of the rotor shaft through which it passes is also required to be about 20 to 40 mm. Therefore, in the rack assist type EPS motor, the outer diameter of the rack shaft must be kept to 100mm or less in the configuration in which the rack shaft passes through the center, and the desired output can be obtained with its physique, and Low friction, low torque ripple and low cost are required.
  • An object of the present invention is to strictly satisfy the physique limitation while output cogging torque, torque reduction.
  • the purpose is to make it possible to easily design an EPS motor that can exhibit the desired performance with respect to pulling and the like.
  • a motor for an electric power steering apparatus is coaxially disposed around a rack shaft connected to a steering wheel, and is used for an electric power steering apparatus that supplies a steering assist force to the rack shaft.
  • the motor is characterized in that a loading ratio (2P ⁇ Z (Zl / a)) indicating a ratio between the magnetic loading (2 ⁇ ) of the motor and the electric loading (Zl / a) is 100 to 300.
  • the present invention by setting the loading ratio to 100 to 300, it is possible to obtain an EPS motor that satisfies the physique, output, steering feeling, cost and the like in a well-balanced manner.
  • the specifications of each part of the motor are determined in accordance with the above numerical values, the specification will be suitable for EPS.
  • the motor may be a brushless motor having a 6-pole 9-slot configuration.
  • the motor includes a housing, a stator including a stator core fixed to the inner peripheral side of the housing, and a winding wire fitted to the stator core, and a rack shaft of the steering device is inserted.
  • a rotor including a cylindrical rotor shaft, a cylindrical rotor core that is externally provided on the outer periphery of the rotor shaft, a magnet that is attached to the outer periphery of the rotor core, and a magnet cover that is externally provided on the outer side of the magnet. It is good also as a structure which has. In that case, the outer diameter may be set to 85 mm or more and 100 mm or less.
  • the motor for the electric power steering apparatus that is coaxially disposed around the rack shaft connected to the steering wheel.
  • the loading ratio which indicates the ratio of magnetic loading and electrical loading
  • the loading ratio which is one of the parameters that pose a problem in the structural design of the motor
  • specification settings suitable for EPS can be obtained.
  • Optimal design is possible.
  • the design man-hours can be reduced, product development costs can be reduced and the product Cost can also be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an EPS motor of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of air gap and the amount of effective magnetic flux compared between a magnetic loading type motor and an electric loading type motor.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a rack assist type EPS.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the EPS motor of the present invention.
  • the motor 1 in FIG. 1 is also used as a power source for a rack-assisted EPS similar to that in FIG. 3, and the rack shaft 2 penetrates the motor 1 inside.
  • the motor 1 in FIG. 1 is a brushless motor. The rotation of the motor 1 is transmitted to the rack shaft 2 via the ball screw mechanism 3 and becomes a steering assist force.
  • the motor 1 has an inner rotor type device configuration in which a stator 11 is arranged on the outside and a rotor 21 is arranged on the inside.
  • the stator 11 has a configuration including a housing 12, a stator core 13 fixed to the inner peripheral side of the housing 12, and a winding 14 mounted on the stator core 13.
  • the housing 12 is made of iron or the like, and its outer diameter is kept within 100 mm.
  • the stator core 13 has a structure in which a large number of steel plates are laminated, and a plurality of (here, nine) teeth are provided on the inner peripheral side of the stator core 13. Coils are installed in the slots (nine slots) formed between the teeth to form a winding 14.
  • the feeder 14 is connected to a battery (not shown) via a power supply wiring 15.
  • the rotor 21 is disposed inside the stator 11, and has a configuration in which a cylindrical rotor shaft 22, a rotor core 23, a magnet 24, and a magnet cover 25 are arranged coaxially.
  • a rack shaft 2 is passed through the rotor shaft 22.
  • a cylindrical rotor core 23 is externally mounted on the outer periphery of the rotor shaft 22.
  • a magnet 24 having a 6-pole configuration is fixed to the outer periphery of the rotor core 23.
  • the magnet 24 is made of a rare earth magnet such as a neodymium iron magnet that is small and has a high magnetic flux density.
  • a rare earth magnet for the magnet 24, the motor can be miniaturized, the inertia of the rotor 21 can be reduced, and the steering feeling can be improved.
  • the magnet 24 has a ring shape, and a plurality of magnetic poles are alternately arranged N and S in the circumferential direction. As the magnet 24, a plurality of segment magnets may be used.
  • a magnet cover 25 is externally attached to the outside of the magnet 24. Even if the motor is damaged, the motor 1 will not lock due to the broken pieces.
  • a housing 31 made of aluminum die casting is attached to the right end side of the housing 12 in the figure.
  • the housing 31 accommodates a bearing 32 that supports the right end side of the rotor 21 and a resolver 33 that detects the rotation of the rotor 21.
  • the resolver 33 also includes a resolver stator 34 fixed to the housing 31 side and a resolver rotor 35 fixed to the rotor 21 side.
  • the resolver stator 34 is equipped with a coil 36, and an excitation coil and a detection coil are provided.
  • a resolver rotor 35 fixed to the rotor shaft 22 is disposed inside the resolver stator 34.
  • the resolver rotor 35 has a structure in which metal plates are laminated, and has convex portions formed in three directions.
  • the resolver rotor 35 When the rotor shaft 22 rotates, the resolver rotor 35 also rotates in the resolver stator 34. A high frequency signal is applied to the exciting coil of the resolver stator 34, and the phase of the signal output from the detection coil changes due to the proximity of the convex portion. The rotational position of the rotor 21 is detected by comparing this detection signal with the reference signal. Then, the current to the winding 14 is appropriately switched based on the rotational position of the port 21 and the rotor 21 is driven to rotate.
  • a housing 41 made of aluminum die casting is attached to the left end side of the housing 12 in the drawing.
  • the ball screw mechanism 3 is incorporated in the Uzing 41.
  • the ball screw mechanism 3 includes a nut portion 42, a screw portion 43 formed on the outer periphery of the rack shaft 2, and a large number of balls 44 interposed between the nut portion 42 and the screw portion 43.
  • the rack shaft 2 is supported so as to be reciprocable in the left-right direction by the nut portion 42 in a state where the rotation around the shaft is restricted, and moves in the left-right direction as the nut portion 42 rotates.
  • the nut portion 42 is fixed to the left end portion of the rotor shaft 22, and is rotatably held by an angular bearing 45 fixed to the housing 41.
  • the angular bearing 45 is fixed in a state in which the axial movement is restricted between the bearing fixing rings 46a and 46b screwed into the opening of the housing 41 and the step portion 47 formed inside the housing 41. Yes. Further, the axial movement between the nut portion 42 and the angular bearing 45 is restricted by a bearing fixing ring 48 screwed into the left end of the nut portion 42 and a step portion 49 formed on the outer periphery of the nut portion 42. Is done.
  • an EPS equipped with such a motor 1 first, the steering handle is operated to rotate the steering shaft, and the rack shaft 2 is moved in a direction corresponding to the rotation to perform a steering operation. .
  • a steering torque sensor (not shown) is activated by this operation, electric power is supplied from the battery to the feeder 14 via the power supply wiring 15 according to the detected torque.
  • the motor 1 operates and the rotor shaft 22 rotates.
  • the nut portion 42 coupled therewith rotates, and an axial steering assist force is transmitted to the rack shaft 2 by the action of the ball screw mechanism 3. Thereby, the movement of the rack shaft 2 is promoted, and the steering force is assisted.
  • magnetic loading means the sum of the motor magnetic flux amount
  • electric loading means the sum of the number of ampere conductors.
  • a motor with a large magnetic loading has a larger proportion of the stator core 13 and magnet 24, and the motor is generally larger.
  • a motor with a large electric load tends to increase the shoreline temperature, although the motor can be miniaturized.
  • Factors that determine the distribution of magnetic and electrical loads include the effect on characteristics due to inertia change, the effect on magnetism due to the amount of magnet usage, the effect on assemblyability due to the small space of the feeder, and the weight due to changes in iron content. It is necessary to consider various factors.
  • Figure 2 shows the relationship between the amount of air gap and the amount of effective magnetic flux (the amount of magnetic flux that contributes to torque; the magnetic flux that returns from the magnet 24 through the teeth to the magnet 24) by comparing the motor with the magnetic loading type and the electric loading type. It is explanatory drawing. As shown in Fig. 2, a magnetically loaded motor with a large distribution of magnetic loads has a maximum effective magnetic flux value that is greater than that of an electrically loaded motor with a large distribution of electrical loads. Is large (see point Q in Fig. 2P). Therefore, increasing the magnetic load distribution results in a high-torque motor, and the output can be increased.
  • the magnetically loaded motor has a larger change in the effective magnetic flux with respect to the change in the air gap than the electrically loaded motor. For this reason, the air gap When the amount varies, the effective magnetic flux changes greatly. Even within the assembly tolerance, torque error and undulation increase, and cogging increases torque ripple. Cogging torque ripple is undesirable in EPS motors because it can lead to poor steering feeling.
  • a magnetically loaded motor increases the cost because it uses a large amount of expensive magnets, and the weight increases because the amount of iron used increases.
  • the magnetically loaded motor can generate torque but has a large variation, while the electrically loaded motor has a small variation in torque, but a large torque cannot be obtained. Therefore, it is necessary to obtain the necessary torque under severe restrictions on the physique, and to further improve the steering feeling by suppressing torque unevenness, taking into account these advantages and disadvantages, the optimal 6P9S motor load distribution for EPS investigated.
  • the M value is set in the range of 100 to 300
  • the EPS which satisfies the physique, output, steering feeling, cost, etc. in a well-balanced manner, with a loading ratio M as shown in the following equation: It was found that a motor for use was obtained.
  • the number of effective conductors Z means the number of conductors contributing to torque.
  • the rated phase current effective value I is the effective value of the motor rated current (allowable maximum current value in EPS) that flows in a certain phase (for example, the U phase of a three-phase motor).
  • the number of parallel circuits a indicates, for example, how many U, V, and W phase circuits exist in a three-phase motor.
  • the EPS motor according to the present invention has the optimum characteristics for EPS, and satisfies the physique, output, steering feeling, cost and the like in a well-balanced manner.
  • the powerful, high-power EPS motor will ultimately lead to fuel savings, and the steering feeling will be improved by reducing the inertia due to the smaller rotor.
  • a numerical value suitable for the EPS specification is set in advance for the loading ratio M, which is one of the problematic parameters in the structural design of the motor. Therefore, the specifications of each part of the motor should be determined accordingly.
  • the present invention provides a design guideline optimal for EPS.
  • a small, high-output, low-friction, low-torque ripple, low-cost EPS motor can be configured easily compared to the conventional model, enabling optimal design and reducing design man-hours. Therefore, product development costs are reduced accordingly, and product costs are reduced.
  • the magnetic loading diameter (same as the rotor diameter here) ⁇ 1 where the magnetic loading part forms the main part
  • the electric loading diameter here, the same as the stator core diameter
  • ⁇ 2 the electric loading diameter

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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 =
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。
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