DE112007000289T5

DE112007000289T5 - Elektrische Servolenkungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112007000289T5
Application number: DE112007000289T
Authority: DE
Inventors: Hirotatsu Kiryu Ikeno; Eiichi Kiryu Machida; Masayuki Kiryu Okubo
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2008-12-11
Also published as: CN101379674A; JPWO2007088919A1; WO2007088919A1

Abstract

Elektrische Servolenkungsvorrichtung, die mit einem Motor versehen ist, der einen Rotor mit einem Permanentmagneten und einen auf der Außenumfangsseite des Rotors angeordneten Stator aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator einen Statorkern aufweist, der mit einem ringartigen Jochabschnitt und einem Zahnabschnitt versehen ist, der gegenüber dem Jochabschnitt in Richtung nach innen vorsteht, und
der Statorkern so ausgebildet ist, dass das Verhältnis eines magnetischen Widerstandswertes zwischen dem Jochabschnitt und dem Zahnabschnitt auf einen Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 eingestellt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkungsvorrichtung, die einen Elektromotor als Antriebsquelle einsetzt, und spezieller eine elektrische Servolenkungsvorrichtung des Zahnstangenassistenztyps, bei welcher eine Zahnstange für ein Lenksystem, das bei einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, durch einen Motorzentrumsabschnitt eingeführt ist.
Technischer Hintergrund
Seit einigen Jahren wird zur Unterstützung einer Lenkkraft eines Fahrzeugs und dergleichen eine so genannte Servolenkungsvorrichtung in vielen Fahrzeugen vorgesehen. Insbesondere wird eine elektrische Servolenkungsvorrichtung am häufigsten seit einiger Zeit in Fahrzeugen eingesetzt, zur Verringerung einer Brennkraftmaschinenbelastung oder einer Verringerung des Gewichts. Die elektrische Servolenkungsvorrichtung (nachstehend manchmal als "EPS" bezeichnet) wird allgemein bei einer Lenkvorrichtung des Zahnstangentyps eingesetzt, und lässt sich grob auf drei Arten in Abhängigkeit von der Position des Motors unterteilen. Von der Seite nahe einem Fahrer aus sind drei Arten bekannt, nämlich ein Säulenassistenztyp, bei welchem der Motor auf der Lenkwelle vorgesehen ist; ein
Ritzelassistenztyp, bei welchem ein Motor am Verbindungsabschnitt zwischen der Lenkwelle und der Zahnstangenwelle vorgesehen ist; und ein
Zahnstangenassistenztyp, bei welchem ein Motor koaxial zur Zahnstangenwelle vorgesehen ist.
Eine EPS, die im Patentdokument 1 beschrieben wird, ist eine Vorrichtung des Zahnstangenassistenztyps. Bei der Zahnstangenassistenztyp-EPS wird eine Lenkassistenzkraft durch einen Motor aufgebracht, der koaxial zur Zahnstangenwelle vorgesehen ist. 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausbildung einer Zahnstangenassistenztyp-EPS wie jener zeigt, die im Patentdokument 1 beschrieben wird. Bei einer EPS 51 von 6 ist ein Motor 53 koaxial mit einer Zahnstangenwelle 52 versehen. Eine Lenkassistenzkraft, die von dem Motor 23 erzeugt wird, wird an die Zahnstangenwelle 52 über einen Kugelumlaufspindelmechanismus 54 übertragen. Lenksteuerräder sind an beide Enden der Zahnstangenwelle 52 über eine nicht dargestellte Verbindungsstange, einen Gelenkverbindungsarm und dergleichen angeschlossen. Die Zahnstangenwelle 52 ist über eine Zahnstangen-Ritzelverbindung mit einer Lenkwelle 55 gekuppelt, und wird in Axialrichtung (der Richtung nach links und rechts in der Figur) durch den Lenkvorgang eines Fahrers bewegt. Der Motor 53 weist eine solche Ausbildung auf, dass ein Magnet 57, eine zylindrische Rotorwelle 58, und ein Rotorkern 59 koaxial in ein zylindrisches Joch 56 eingeführt sind. Die Zahnstangenwelle 52 ist durch die Rotorwelle 58 eingeführt.
In der EPS 51 wird, wenn ein Lenkrad so betätigt wird, dass die Lenkwelle 55 gedreht werden soll, die Zahnstangenwelle 52 in jener Richtung entsprechend der Drehung bewegt, wodurch der Lenkvorgang durchgeführt wird. Dies führt dazu, dass ein nicht dargestellter Drehmomentsensor aktiviert wird, und Energie entsprechend dem Motor 53 auf Grundlage des festgestellten Drehmoments zugeführt wird. Wenn der Motor 53 aktiviert ist, wird dessen Drehung an die Zahnstangenwelle 52 über den Kugelumlaufspindelmechanismus 54 übertragen. Dies bedeutet, dass die Drehung des Motors 53 in eine Bewegung in Axialrichtung der Zahnstangenwelle 52 durch den Kugelumlaufspindelmechanismus 54 umgewandelt wird, wodurch eine Lenkassistenzkraft auf die Zahnstangenwelle 52 ausgeübt wird. Die Lenksteuerräder werden durch die Lenkassistenzkraft und eine Lenkkraft von Hand gesteuert, wodurch die Belastung der Lenkradbetätigung eines Fahrers verringert wird.

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 10-152058
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2000-78780
Patentdokument 3: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2001-218439
Patentdokument 4: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2003-158856

Beschreibung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Andererseits stört sich die EPS des Zahnstangenassistenztyps, wie sie in 6 gezeigt ist, leicht mit dem Layout der Brennkraftmaschine, so dass häufig strenge Einschränkungen für deren körperliche Abmessungen (insbesondere Außenabmessungen) vorhanden sind. Beispielsweise in Bezug auf eine EPS für Kompaktfahrzeuge fehlt es bei einem 100 mm überschreitenden Durchmesser an der Vermarktungsfähigkeit.
Daher ist es bei der EPS des Zahnstangenassistenztyps erforderlich, einen Motor auszubilden, welcher die optimalen Bedingungen erzielen kann, welche das erforderliche Verhalten innerhalb eines Außendurchmessers von 100 mm erfüllen. Hierbei weist die Zahnstangenwelle, die ins Innere des Motors eindringt, einen Außendurchmesser von etwa 20 bis 30 mm auf. Daher muss die Motorwelle, durch welche die Zahnstangenwelle eingeführt ist, einen Innendurchmesser von 20 bis 40 mm aufweisen. Bei jener Anordnung, bei welcher die Zahnstangenwelle ins Zentrum des Motors eindringt, muss daher der Außendurchmesser des Motors für die EPS des Zahnstangenassistenztyps innerhalb von 100 mm liegen, und muss darüber hinaus eine gewünschte Ausgangsleistung bei den erwähnten körperlichen Abmessungen erzielt werden. Weiterhin muss der Motor für EPS eine geringe Reibung (Drehwiderstand zum Zeitpunkt ohne Energieversorgung) erzielen können, eine geringe Drehmomentwelligkeit, und kostengünstig sein.
Ein derartiger kompakter, Hochleistungs- und kostengünstiger EPS-Motor erfordert jedoch eine sehr feine und komplizierte Einstellung bei der Festlegung seiner Spezifikation. Hierbei sind verschiedene Parameter, beispielsweise eine Ausbildung eines Stators oder Rotors, eines Magneten, und einer Wicklung bei dem Design der Motorkonstruktion beteiligt. Weiterhin muss häufig in Bezug auf diese Parameter ein Kompromiss getroffen werden. Daher ist es häufig selbst für erfahrene Konstrukteure schwierig, die Spezifikation so vorzugeben, dass die voranstehenden einzelnen Elemente vorbestimmten Leistungsanforderungen genügen. Wenn man sich beispielsweise auf einen magnetischen Schaltungsabschnitt, der durch den Stator und den Rotor gebildet wird, als eines der voranstehenden Elemente konzentriert, ist eine Kompromissbeziehung zwischen den körperlichen Abmessungen (der Statorabmessung) und der Sicherstellung eines ausreichenden Drehmoments vorhanden, in Bezug auf die Flusssättigung.
Hierbei nimmt, da der Stator als ein Flussweg in dem Motor verwendet wird, so dass die Abmessungen des Stators klein werden, ein magnetischer Widerstand zu, mit dem Ergebnis, dass leicht eine Flusssättigung auftreten kann. Bei einem Motor mit einem kleinen Statorkern tritt daher die Flusssättigung in dem Kern auf, wodurch das Ausgangsdrehmoment bei hoher Belastung (zum Zeitpunkt eines hohen Drehmoments) verringert wird. 7 ist eine erläuternde Darstellung, welche eine Beziehung zwischen einer Statorkernform und dem Motordrehmoment zeigt. Wie aus 7 hervorgeht, tritt dann, wenn der Statorkern klein ist, eine Drehmomentverringerung (die Drehmomentverringerungsrate wird erhöht) zum Zeitpunkt hoher Belastung auf, beispielsweise bei einer ruhenden Lenkung, infolge des Einflusses der Flusssättigung in dem Statorkern. Wenn eine Abmessungstoleranz vorgesehen wird, um die magnetische Sättigung zu verhindern, um das Drehmoment sicherzustellen, nehmen die körperlichen Abmessungen zu und/oder wird der Spulenwicklungsraum verkleinert, was zu nicht wettbewerbsfähigen Erzeugnissen führt. Daher ist es schwierig, gleichzeitig sowohl die Sicherstellung eines ausreichenden Drehmoments als auch die Verkleinerung bei dem EPS-Motor zu erzielen, welches eine Erzielung einer weiteren Verkleinerung und einer höheren Leistung der EPS verhindert.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht im Erreichen sowohl der Sicherstellung eines ausreichenden Drehmoments als auch einer Verkleinerung gleichzeitig bei dem EPS-Motor, um hierdurch in optimaler Weise die Abmessungen einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung zu verringern, ohne deren Leistung und deren Zusammenbaueigenschaften zu verschlechtern.
Maßnahmen zur Lösung der Probleme
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Servolenkungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen Rotor mit einem Permanentmagneten und einen Stator aufweist, der an der Außenumfangsseite des Rotors angeordnet ist, und sich dadurch auszeichnet, dass der Stator einen Statorkern aufweist, der mit einem ringartigen Jochabschnitt und einem Zahnabschnitt versehen ist, der gegenüber dem Jochabschnitt in Richtung nach innen vorsteht, wobei der Statorkern so ausgebildet ist, dass das Verhältnis eines magnetischen Widerstandswertes zwischen dem Jochabschnitt und dem Zahnabschnitt auf einen Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 eingestellt ist.
Bei der vorliegenden Erfindung kann durch Einstellung des Verhältnisses des magnetischen Widerstandswertes zwischen dem Jochabschnitt und dem Zahnabschnitt des Statorkerns auf den Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 der Statorkern des EPS-Motors so eingestellt werden, dass die Drehmomentverringerung (Abnahme der Drehmomentzunahmerate) kaum innerhalb eines begrenzten Raums auftreten kann. Dies führt dazu, dass ein kompakter und sehr leistungsfähiger EPS-Motor zur Verfügung gestellt werden kann, der ein hervorragendes Layout aufweist, und eine hohe Linearität des Drehmoments erzielt, wodurch eine weitere Verkleinerung und höhere Leistung der EPS erreicht werden. Weiterhin ist der Statorkern mit optimaler Form ausgebildet, so dass unnötige Abschnitte weggelassen werden, so dass die Kosten und das Gewicht des EPS-Motors verringert werden können, wodurch die Vermarktungsfähigkeit der EPS verbessert wird. Weiterhin ist in Bezug auf das Design des Motors es möglich, das Verhältnis des magnetischen Widerstandswertes zwischen dem Jochabschnitt und dem Zahnabschnitt vorher in gewissem Ausmaß zu bestimmen, wodurch die Mannstunden verringert werden, die für die Konstruktion der EPS benötigt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Servolenkungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen Rotor mit einem Permanentmagneten und einen an der Außenumfangsseite des Rotors angeordneten Stator aufweist, und sich dadurch auszeichnet, dass der Stator einen Statorkern hat, der mit einem ringartigen Jochabschnitt und einem Zahnabschnitt versehen ist, der gegenüber dem Jochabschnitt in Richtung nach innen vorsteht, wobei der Statorkern so ausgebildet ist, dass das Verhältnis Wy zu Wt zwischen einer Breite Wy des Jochabschnitts in Radialrichtung und der Breite Wt des Zahnabschnitts in Umfangsrichtung auf einen Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 eingestellt ist.
Bei der vorliegenden Erfindung kann durch Einstellung des Verhältnisses von Wy und Wt auf den Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 der Statorkern des EPS-Motors so ausgebildet werden, dass eine Drehmomentverringerung kaum in einem eingeschränkten Raum auftritt. Dies führt dazu, dass ein kompakter und hochleistungsfähiger EPS-Motor zur Verfügung gestellt werden kann, der hervorragend in Bezug auf das Layout ist, und eine hohe Linearität des Drehmoments erzielen kann, wodurch eine weitere Verkleinerung und eine höhere Leistung der EPS erzielt werden. Weiterhin ist der Statorkern mit optimaler Form ausgebildet, um unnötige Abschnitte wegzulassen, so dass die Kosten und das Gewicht des EPS-Motors verringert werden können, wodurch die Vermarktungsfähigkeit der EPS verbessert wird. Weiterhin ist es beim Entwurf des Motors möglich, das Verhältnis zwischen Wy und Wt vorher in gewissem Ausmaß zu bestimmen, wodurch die Mannstunden verringert werden, die für die Konstruktion des EPS-Motors benötigt werden.
Bei der elektrischen Servolenkungsvorrichtung kann der Motor koaxial um eine Zahnstangenwelle herum vorgesehen sein, die mit Lenksteuerrädern verbunden ist, um eine Lenkassistenzkraft an die Zahnstangenwelle zu liefern.
Vorteile der Erfindung
Bei einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Rotor mit einem Permanentmagneten und einen an der Außenumfangsseite des Rotors angeordneten Stator aufweist, weist der Stator einen Statorkern auf, der mit einem ringartigen Jochabschnitt versehen ist, und einen Zahnabschnitt, der von dem Jochabschnitt in Richtung nach innen vorsteht, und ist der Statorkern so ausgebildet, dass das Verhältnis des magnetischen Widerstandswertes zwischen dem Jochabschnitt und dem Zahnabschnitt auf einen Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 eingestellt ist. Daher wird ermöglicht, eine Anordnung zu erzielen, innerhalb strenger Einschränkungen für die körperlichen Abmessungen, die es schwierig macht, dass eine Drehmomentverringerung in dem Statorkern des EPS-Motors auftritt, für dessen körperliche Abmessungen strenge Einschränkungen gelten. Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine EPS, die einen kompakten und hochleistungsfähigen Motor aufweist, der ein exzellentes Layout hat, und eine hohe Linearität des Drehmoments erzielen kann, zur Verfügung gestellt werden, wodurch eine weitere Verkleinerung und eine höhere Leistung der EPS erreicht werden.
Weiterhin ist der Statorkern mit optimaler Form ausgebildet, um unnötige Abschnitte entbehrlich zu machen, so dass die Kosten und das Gewicht des EPS-Motors verringert werden können. Daher können auch die Kosten und das Gewicht der EPS verringert werden, wodurch die Vermarktungsfähigkeit der EPS verbessert wird. Weiterhin kann bei der Konstruktion des Motors, infolge der Tatsache, dass es möglich ist, das Verhältnis des magnetischen Widerstandswertes zwischen dem Jochabschnitt und dem Zahnabschnitt vorher in gewissem Ausmaß zu bestimmen, eine optimale Motorkonstruktionsrichtlinie für die EPS erhalten werden, wodurch es einfacher wird, einen kompakteren, hohe Ausgangsleistung aufweisenden und kostengünstigeren EPS-Motor als vorher auszubilden, was zu einer Verringerung der Mannstunden führt, die für die Konstruktion der EPS benötigt werden. Daher können die Produktentwicklungskosten verringert werden, und daher die Herstellungskosten der EPS verringert werden.
Bei einer anderen elektrischen Servolenkungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Rotor mit einem Permanentmagneten und einen an der Außenumfangsseite des Rotors angeordneten Stator aufweist, weist der Stator einen Statorkern auf, der mit einem ringartigen Jochabschnitt und einem Zahnabschnitt versehen ist, der gegenüber dem Jochabschnitt in Richtung nach innen vorsteht, und ist der Statorkern so ausgebildet, dass das Verhältnis Wy zu Wt zwischen einer Breite Wy des Jochabschnitts in Radialrichtung und der Breite Wt des Zahnabschnitts in Umfangsrichtung auf den Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 eingestellt ist. Daher wird ermöglicht, eine Ausbildung zu erzielen, innerhalb strenger Vorgaben für die körperlichen Abmessungen, die es schwierig macht, dass eine Drehmomentverringerung in dem Statorkern des EPS-Motors auftritt, dessen körperliche Größe eng beschränkt ist. Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine EPS, die einen kompakten und hochleistungsfähigen Motor einsetzt, der ein hervorragendes Layout aufweist, und eine hohe Linearität des Drehmoments erzielt, zur Verfügung gestellt werden, wodurch eine weitere Verkleinerung und eine höhere Leistung der EPS erzielt werden.
Weiterhin weist der Statorkern eine optimale Form auf, um unbenötigte Abschnitte auszuschalten, so dass die Kosten und das Gewicht des EPS-Motors verringert werden können. Daher können auch die Kosten und das Gewicht der EPS verringert werden, wodurch die Vermarktungsfähigkeit der EPS verbessert wird. Weiterhin kann bei der Konstruktion des Motors, da es möglich ist, das Verhältnis des magnetischen Widerstandswertes zwischen dem Jochabschnitt und dem Zahnabschnitt vorher in gewissem Ausmaß zu bestimmen, eine optimale Motorkonstruktionsrichtlinie für die EPS erhalten werden, so dass es einfacher wird, einen mehr als vorher kompakten, eine hohe Ausgangsleistung aufweisenden und kostengünstigen EPS-Motor auszubilden, was zu einer Verringerung der Mannstunden führt, die für die Konstruktion des EPS-Motors benötigt werden. Dies führt dazu, dass die Produktentwicklungskosten verringert werden können, und daher die Herstellungskosten der EPS verringert werden können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausbildung einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung zeigt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine Ausbildung eines Motors zeigt, der in der elektrischen Servolenkungsvorrichtung von 1 eingesetzt wird;
3 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Ausbildung eines Statorkerns in dem Motor von 2 zeigt;
4 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Flussverlauf in dem Statorkern zeigt,
5 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem effektiven Fluss und dem Drehmoment zu dem Zeitpunkt zeigt, wenn eine Zahnbreite geändert wird;
6 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausbildung einer EPS des Zahnstangenassistenztyps zeigt; und
7 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer Statorkernform und dem Motordrehmoment zeigt.
Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Ausbildung einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung zeigt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine Ausbildung eines EPS-Motors zeigt, der in der elektrischen Servolenkungsvorrichtung von 1 verwendet wird. Eine elektrische Servolenkungsvorrichtung (EPS) 10 von 1 weist eine Zahnstangenassistenztypkonstruktion auf, wie im Falle der EPS 51 von 6, und verwendet einen Motor 1 als Antriebsquelle. Allerdings unterscheidet sich die EPS 10 von der EPS 51 von 6 in der Hinsicht, dass sie als Motor 1 einen bürstenlosen Motor zur Erzielung einer weiteren Verkleinerung und einer höheren Leistung einsetzt.
Eine Zahnstangenwelle 2 dringt in das Innere des Motors 1 koaxial zum Motor 1 ein. Die Drehung des Motors 1 wird auf die Zahnstangenwelle 2 über einen Kugelumlaufspindelmechanismus 3 übertragen, so dass sie zu einer Lenkassistenzkraft wird. Lenksteuerräder sind an beide Enden der Zahnstangenwelle 2 über eine nicht dargestellte Verbindungsstange, einen Gelenkverbindungsarm und dergleichen angeschlossen. Die Zahnstangenwelle 2 steht in Zahnstangen-Ritzelverbindung mit einer Lenkwelle 4, und wird in Axialrichtung (Richtung nach links und rechts in der Figur) durch den Lenkvorgang eines Fahrers bewegt.
Bei der EPS 10 wird, wie im Falle der EPS 51 von 6, wenn ein Lenkrad betätigt wird, um die Lenkwelle 4 zu drehen, die Zahnstangenwelle 2 in jener Richtung entsprechend der Drehung bewegt. Infolge der Aktivierung der Lenkwelle 4 wird ein nicht dargestellter Lenkdrehmomentsensor aktiviert, und wird entsprechend die Energie dem Motor 1 auf Grundlage des festgestellten Drehmoments zugeführt. Wenn der Motor 1 aktiviert ist, wird dessen Drehung auf die Zahnstangenwelle 2 über den Kugelumlaufspindelmechanismus 3 übertragen. Dann wird die Drehung des Motors 1 in eine Bewegung in Axialrichtung der Zahnstangenwelle 2 durch den Kugelumlaufspindelmechanismus 3 umgewandelt, wodurch eine Lenkassistenzkraft auf die Zahnstangenwelle 2 ausgeübt wird. Die Lenksteuerräder werden durch die Lenkassistenzkraft und eine Lenkkraft von Hand gelenkt.
Der Motor 1 ist ein bürstenloser Motor des Typs mit innerem Rotor, der an seiner Außenseite einen Stator 11 und an seiner Innenseite einen Rotor 21 aufweist. Der Stator 11 weist ein Gehäuse 12 auf, einen Statorkern 30, der auf der Innenumfangsseite des Gehäuses 12 befestigt ist, und eine Wicklung 14, die um den Statorkern 13 gewickelt ist. Das Gehäuse 12 besteht aus Eisen oder dergleichen, und weist einen Außenumfang von kleiner oder gleich 100 mm auf. Der Statorkern 13 ist so ausgebildet, dass eine große Anzahl an Stahlplatten aufeinander gestapelt sind. Mehrere Zähne stehen von der Innenumfangsseite des Statorkerns 13 aus vor.
3 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Ausbildung des Statorkerns 13 zeigt. Der Statorkern 13 weist einen ringartigen Jochabschnitt 16 auf, und einen Zahn 17, der von dem Jochabschnitt 16 zu dessen Innenseite vorsteht. Es sind neun Zähne 17 in dem Motor 1 vorhanden. Ein Schlitz 18 (neun Schlitze insgesamt) ist zwischen jeweiligen Zähnen 17 vorhanden, so dass der Motor 1 eine Konstruktion mit neun Schlitzen aufweist. Die Wicklung 14 ist konzentriert um jeden Zahn 17 herumgewickelt. Die Wicklung 14 wird in jedem Schlitz 18 aufgenommen. Die Wicklung 14 ist an eine (nicht dargestellte) Batterie über eine Stromversorgungsverdrahtung 15 angeschlossen.
Der Rotor 21 ist innerhalb des Stators 11 angeordnet. Der Rotor 21 weist eine zylindrische Rotorwelle 22 auf, einen Rotorkern 23, einen Magneten 24, und eine Magnetabdeckung 25, die koaxial angeordnet sind. Die Zahnstangenwelle 2 ist durch das Innere der Rotorwelle 22 eingeführt. Ein zylindrischer Rotorkern 23 ist auf den Außenumfang der Rotorwelle 22 aufgepasst. Ein Sechspolmagnet 24 ist um den Außenumfang des Rotorkerns 23 herum befestigt, so dass der Motor 1 eine Konstruktion mit sechs Polen und neun Schlitzen aufweist.
Ein Seltenerdmagnet, beispielsweise ein Neodym-Eisenmagnet, der kompakte Abmessungen aufweist, und es ermöglicht, eine hohe Magnetflussdichte zu erzielen, wird als der Magnet 24 eingesetzt. Der Einsatz des Seltenerdmagneten als Magnet 24 ermöglicht eine weitere Verkleinerung des Motors, sowie eine Verringerung des Trägheitsmoments 21, und das Erzielen eines hervorragenden Gefühls beim Lenken. Der Magnet 24 ist ringförmig ausgebildet, wobei mehrere Magnetpole in Umfangsrichtung so angeordnet sind, dass N- und S-Pole abwechselnd vorhanden sind. Mehrere Segmentmagneten können als der Magnet 24 verwendet werden. Eine Magnetabdeckung 25 ist auf die Außenseite des Magneten 24 aufgepasst. Selbst wenn der Magnet 24 bricht, verhindert die Magnetabdeckung 25, dass der Motor 1 durch die gebrochenen Teile blockiert wird.
Ein Gehäuse 31, das aus Aluminiumdruckguss besteht, ist an der rechten Endseite in der Figur des Gehäuses 12 befestigt. Ein Lager 32 zum Haltern der rechten Endseite des Rotors 21 und ein Drehmelder 33 zur Erfassung der Drehung des Rotors 21 sind in dem Gehäuse 31 aufgenommen. Der Drehmelder 33 weist einen Drehmelderstator 34 auf, der an der Seite des Gehäuses 31 befestigt ist, und einen Drehmelderrotor 35, der an der Seite des Rotors 21 befestigt ist. Eine Wicklung 36 ist um den Drehmelderstator 34 herumgewickelt, welche eine Erregerwicklung und eine Detektorwicklung aufweist. Der Drehmelderrotor 35 ist an der Rotorwelle 22 an der Innenseite des Drehmelderstators 34 befestigt. Der Drehmelderrotor 35 weist eine solche Ausbildung auf, dass Metallbleche übereinander gestapelt vorgesehen sind, und konvexe Abschnitte in drei Richtungen vorstehen.
Wenn die Rotorwelle 22 gedreht wird, wird auch der Drehmelderrotor 35 in dem Drehmelderstator 34 gedreht. Ein Hochfrequenzsignal wird der Erregerwicklung des Drehmelderstators 34 zugeführt, und die Phase eines Signals, das von der Detektorwicklung ausgegeben wird, ändert sich in Abhängigkeit von der Annäherung und dem Zurückziehen der konvexen Abschnitte zur Erregerwicklung bzw. weg von dieser. Durch Vergleichen des Detektorsignals und eines Bezugssignals wird die Drehlage des Rotors 21 erfasst. Auf Grundlage der Drehlage des Rotors 21 wird ein der Wicklung 14 zugeführter Strom entsprechend geändert, für den Drehantrieb des Rotors 21.
Ein Gehäuse 41, das aus Aluminiumdruckguss besteht, ist an der linken Endseite des Gehäuses 12 befestigt. Der Kugelumlaufspindelmechanismus 3 ist in das Gehäuse 41 eingebaut. Der Kugelumlaufspindelmechanismus 3 besteht aus einem Mutternabschnitt 42, einem Schraubenabschnitt 43, der um den Außenumfang der Zahnstangenwelle 2 herum vorgesehen ist, und einer großen Anzahl an Kugeln 44, die zwischen dem Mutternabschnitt 42 und dem Schraubenabschnitt 43 vorgesehen sind. Die Zahnstangenwelle 2 wird drehbar durch den Mutternabschnitt 42 so gehaltert, dass sie in Richtung nach links und rechts hin- und herbewegt wird, und in Richtung nach links und rechts infolge der Drehung des Mutternabschnitts 42 bewegt wird.
Der Mutternabschnitt 42 ist an dem linken Endabschnitt der Rotorwelle 22 befestigt, und wird drehbar durch ein Schräglager 45 gehaltert, das an dem Gehäuse 41 befestigt ist. Das Schräglager 45 ist zwischen Lagerbefestigungsringen 46a, 46b, die in den Öffnungsabschnitt des Gehäuses 41 eingeschraubt sind, und einem abgestuften Abschnitt 47, der innerhalb des Gehäuses 41 vorgesehen ist, so befestigt, dass die Bewegung des Schräglagers 45 in Axialrichtung begrenzt wird. Weiterhin wird die Axialrichtungsbewegung des Schräglagers 45 durch einen Lagerbefestigungsring 48, der in das linke Ende des Mutternabschnitts 42 eingeschraubt ist, und einen abgestuften Abschnitt 49 begrenzt, der um den Außenumfang des Mutternabschnitts 42 herum vorgesehen ist.
Bei der EPS 10 wird, wenn ein Lenkrad so betätigt wird, dass die Lenkwelle 4 gedreht wird, die Zahnstangenwelle 2 in Richtung entsprechend der Drehung bewegt, wodurch ein Lenkvorgang erfolgt. Dies führt dazu, dass ein nicht dargestellter Lenkdrehmomentsensor aktiviert wird, und auf Grundlage des erfassten Drehmoments Energie der Wicklung 14 von einer Batterie über die Stromversorgungsverdrahtung 15 zugeführt wird. Wenn Energie der Wicklung 14 zugeführt wird, wird der Motor 1 aktiviert, um die Rotorwelle 22 zu drehen. Die Drehung der Rotorwelle 22 führt dazu, dass der mit der Rotorwelle 22 gekuppelte Mutternabschnitt 42 gedreht wird, und eine Axialrichtungs-Lenkassistenzkraft an die Zahnstangenwelle 2 durch Einwirkung des Kugelumlaufspindelmechanismus 3 übertragen wird. Dies führt dazu, dass die Bewegung der Zahnstangenwelle 2 unterstützt wird, wodurch das Lenkdrehmoment unterstützt wird.
Andererseits ist es, wie voranstehend geschildert, schwierig, sowohl die Sicherung eines ausreichenden Drehmoments als auch die Verkleinerung eines Motors gleichzeitig bei dem EPS-Motor zu erzielen. Infolge der wiederholten Untersuchungen der vorliegenden Erfinder zur Lösung der voranstehend geschilderten Probleme haben diese herausgefunden, dass eine bestimmte Beziehung zwischen dem Magnetwiderstandsverhältnis zwischen dem Jochabschnitt 16 und den Zähnen 17 des Statorkerns 13 und dem Ausgangsdrehmoment vorhanden ist, und dass es möglich ist, das Ausgangsdrehmoment dadurch zu maximieren, dass das Magnetwiderstandsverhältnis zwischen dem Jochabschnitt 16 und den Zähnen 17 auf innerhalb eines vorbestimmten Bereiches eingestellt wird. Daher wird ermöglicht, einen Statorkern 13 zu erhalten, welcher das Ausgangsdrehmoment maximieren kann, unter den Einschränkungen in Bezug auf die körperlichen Abmessungen, wodurch ermöglicht wird, sowohl die Sicherstellung eines ausreichenden Drehmoments als auch eine Verkleinerung des Motors zu erreichen. Die magnetischen Widerstände des Jochabschnitts 16 und der Zähne 17 sind proportional zu ihren Breiten, wenn die magnetischen Widerstandswerte von diesen gleich sind. Daher wird bei der vorliegenden Ausführungsform angenommen, dass der Jochabschnitt 16 und die Zähne 17 denselben Magnetwiderstandswert aufweisen, und erfolgt die nachstehende Beschreibung des Breitenverhältnisses zwischen dem Jochabschnitt 16 und den Zähnen 17 anstelle des Magnetwiderstandsverhältnisses.
Nunmehr erfolgt eine Beschreibung eines Flussverlaufs in dem Statorkern 13. 4 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht des Statorkerns 13, welche einen Flussverlauf im Statorkern erläutert. Wie in 4 gezeigt, gelangt ein Flussverlauf, der in die Zähne 17 hineingelangt, bis zum Jochabschnitt 16, um auf zwei Richtungen, nach links und rechts, aufgeteilt zu werden, und geht der jeweilige Fluss in den Jochabschnitt 16 hinein. Wenn der Flussverlauf gesperrt ist, nimmt selbstverständlich die Ausgangsleistung des Motors 1 ab. Wenn eine Flusssättigung sowohl in den Zähnen 17 als auch im Jochabschnitt 16 auftritt, tritt eine Drehmomentverringerung zum Zeitpunkt hoher Belastung auf, wie dies in 7 gezeigt ist. Um das maximale Ausmaß an Ausgangsdrehmoment sicherzustellen ist es daher erforderlich, das Auftreten der magnetischen Sättigung sowohl im Jochabschnitt 16 als auch in den Zähnen 17 zu verhindern. Daher ist es erforderlich, eine Breite Wy des Jochabschnitts 16 und eine Breite Wt der Zähne 17 auf optimale Werte einzustellen, um die geringstmögliche Breite sicherzustellen, die dazu erforderlich ist, dass der Fluss innerhalb eines begrenzten Raums (Außendurchmessers) hindurchgehen kann.
5 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem effektiven Fluss und einem Drehmoment zeigt, und zeigt einen Unterschied in Bezug auf das Motordrehmoment in jenem Fall, bei welchem Wt geeignet geändert wird, während Wy auf 10 mm festgelegt ist. Der hier erwähnte, effektive Fluss ist ein Fluss, der dazu wirksam ist, das Motordrehmoment zu erzeugen. In 5 ist das effektive Drehmoment auf der Horizontalachse mit der erforderlichen Genauigkeit aufgetragen. Daher hängt das Drehmoment nicht nur von einem Wicklungsstrom ab, sondern auch vom Fluss eines Rotormagneten, so dass dann, wenn ein Stromwert auf der Horizontalachse aufgetragen wird, sich die Drehmomentcharakteristik ändert, abhängig von den Einzelheiten einzelner Motoren.
Wie in 5 gezeigt, haben von den vorliegenden Erfindern durchgeführte Versuche ergeben, dass dann, wenn das Verhältnis zwischen der Breite Wy des Jochabschnitts 16 und der Breite Wt der Zähne 17 auf einen Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 eingestellt wurde, das Auftreten einer Drehmomentverringerung unterdrückt wurde. Wenn andererseits das Verhältnis auf 1:1,1 (Wt = 11 mm) oder 1:2,0 (Wt = 20 mm) eingestellt wird, sank das Drehmoment von dem Punkt aus ab, an welchem der effektive Fluss etwa 0,0045 Wb betrug. Es wird angenommen, dass dies aufgrund der Tatsache auftritt, dass im Falle von Wt = 11 mm immer noch eine Toleranz für die Zunahme des Flusses in dem Jochabschnitt 16 vorhanden ist, während die magnetische Sättigung in den Zähnen 17 auftritt, so dass eine Drehmomentverringerung hervorgerufen wird, und im Falle von Wt = 20 mm immer noch eine Toleranz für die Erhöhung des Flusses in den Zähnen 17 vorhanden ist, während die magnetische Sättigung in dem Jochabschnitt 16 auftritt, so dass eine Drehmomentverringerung hervorgerufen wird. Obwohl das am meisten zufrieden stellende Ergebnis in dem Falle von Wt = 18 mm in Bezug auf die Drehmomentverringerung erhalten wurde, wird die Wicklungsfläche in dem Schlitz 18 entgegengesetzt zu einer Zunahme der Breite der Zähne 17 verringert. In Bezug auf die Drehmomenteigenschaften wird daher von dem Fall Wt = 15 mm (Wy:Wt = 1:1,5), der sich nicht wesentlich vom Fall mit Wt = 18 mm unterscheidet, angenommen, dass er unter Berücksichtigung aller Umstände optimal ist.
Wie voranstehend geschildert wird dann, wenn das Verhältnis zwischen Wy und Wt auf den Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 eingestellt wird, ermöglicht, eine Anordnung innerhalb eines eingeschränkten Raums zu erzielen, die es schwierig macht, dass eine Drehmomentverringerung in dem Statorkern 13 auftritt. Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine EPS, die einen kompakten und hochleistungsfähigen Motor einsetzt, der ein hervorragendes Layout hat, und eine hohe Linearität des Drehmoments erzielt, bereitgestellt werden. Weiterhin ist bei der EPS gemäß der vorliegenden Erfindung der Statorkern 13 des Motors 1 mit optimaler Form ausgebildet, so dass unnötige Abschnitte weggelassen sind, so dass die Kosten und das Gewicht des Motors 1 verringert werden können. Daher können auch die Kosten und das Gewicht der EPS 10 verringert werden, wodurch die Vermarktungsfähigkeit der EPS verbessert wird, was schließlich auch zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs beiträgt.
Die Form des Statorkerns ist einer der wesentlichsten Punkte beim Konstruieren eines bürstenlosen Motors, da sie einen starken Einfluss auf die Motorleistung hat. In dieser Hinsicht ist es beim Konstruieren des Motors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, da das Verhältnis zwischen Wy und Wt bestimmt werden kann, nur erforderlich, Spezifikationen jeweiliger Teile des Motors entsprechend dem voranstehend geschilderten Verhältnis zu bestimmen. Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine optimale Motorkonstruktionsrichtlinie für die EPS erhalten werden, was es erheblich einfacher als vorher macht, einen kompakten, eine hohe Ausgangsleistung aufweisenden und kostengünstigen EPS-Motor auszubilden. Daher kann der EPS-Motor optimal ausgelegt werden, was zu einer Verringerung der Mannstunden führt, die für die Konstruktion des EPS-Motors benötigt werden. Dies führt dazu, dass Produktentwicklungskosten verringert werden können, und daher die Herstellungskosten der EPS verringert werden können.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die voranstehend geschilderte Ausführungsform beschränkt, sondern es können verschiedene Abänderungen vorgenommen werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise kann, obwohl die vorliegende Erfindung bei einer EPS des Zahnstangenassistenztyps eingesetzt wird, bei der voranstehenden Ausführungsform, die vorliegende Erfindung auch bei einer EPS des Säulenassistenztyps eingesetzt werden. Weiterhin wird zwar das Verhältnis der Breiten zwischen dem Jochabschnitt 16 und den Zähne 17 auf den voranstehend geschilderten Wert (Wy:Wt = 1:1,4 bis 1:1,8), unter der Annahme, dass sie denselben magnetischen Widerstandswert aufweisen, bei der voranstehenden Ausführungsform eingestellt, jedoch ist es grundsätzlich möglich, ein optimales Design dadurch zu erzielen, dass das Verhältnis des magnetischen Widerstands zwischen dem Jochabschnitt 16 und den Zähnen 17 auf den voranstehend geschilderten Wert eingestellt wird. Falls der Jochabschnitt 16 und die Zähne 17 des Statorkerns 13 durch den magnetischen Widerstandswert festgelegt werden, werden daher die Abmessungen in der Breite so eingestellt, dass das Verhältnis der magnetischen Widerstände gleich dem voranstehend geschilderten Wert wird, entsprechend dem magnetischen Widerstandswert jedes Teils.
Weiterhin kann selbst in jenem Fall, bei welchem dasselbe Material für den Statorkern 13 verwendet wird, beispielsweise in jenem Fall, bei welchem der Anteil an Silizium (Si) in einem Siliziumstahlblech teilweise geändert wird, oder falls ein Stahlblech mit gerichteter Magnetisierung verwendet wird, in einigen Fällen ein Unterschied der magnetischen Widerstandswerte zwischen dem Jochabschnitt 16 und den Zähnen 17 auftreten. Bei dem Siliziumstahlblech nimmt, wenn der Anteil an Silizium zunimmt, der magnetische Widerstandswert zu. Bei dem Stahlblech mit gerichteter Magnetisierung wird der magnetische Widerstandswert in dessen Walzrichtung klein. Bei einem derartigen Fall werden daher die Abmessungen in der Breite unter Berücksichtigung des magnetischen Widerstandswertes jedes Teils festgelegt. Üblicherweise wird ein Stahlblech mit nicht gerichteter Magnetisierung für einen Statorkern des Motors verwendet. In diesem Fall wird, da die magnetischen Widerstandswerte des Jochabschnitts 16 und der Zähne 17 gleich werden, das Verhältnis der Breiten zwischen ihnen auf den voranstehend geschilderten Wert eingestellt.
Weiterhin ist zwar bei der voranstehenden Ausführungsform der Motor 1 ein Motor mit sechs Polen und neun Schlitzen, jedoch ist die Anzahl an Polen oder Schlitzen nicht hierauf beschränkt. Im Falle von Motoren mit zwei Polen und zwei Schlitzen, und Motoren, bei welchen die Anzahl an Polen und Schlitzen ganzzahlige Vielfache von zwei und drei betragen, ist es möglich, eine optimale Konstruktion zu erzielen, welche das Auftreten einer Drehmomentverringerung unterdrücken kann, durch Einstellung der magnetischen Widerstandswerte des Jochabschnitts 16 und der Zähne 17 auf den voranstehend geschilderten Wert. Weiterhin lässt sich die vorliegende Erfindung nicht nur bei einer EPS einsetzen, die einen Motor mit einer Stromversorgung von 12 V verwendet, sondern auch bei einer EPS, die einen Motor mit einer Stromversorgung von 42 V einsetzt.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine elektrische Servolenkungsvorrichtung (10) des Zahnstangenassistenztyps verwendet einen Motor (1) als Antriebsquelle. Der Statur (11) des Motors (1) weist einen Statorkern (13) auf, der einen ringartigen Jochabschnitt (16) und Zähne (17) aufweist, die gegenüber dem Jochabschnitt (16) in Richtung nach innen vorstehen. In dem Statorkern (13) ist das Verhältnis (Wy:Wt) zwischen der Breite (Wy) des Jochabschnitts (16) in Radialrichtung und der Breite (Wt) der Zähne (17) in Umfangsrichtung auf 1:1,4 bis 1,8 eingestellt. Durch Einstellung des Jochabschnitts (16) und der Zähne (17) des Statorkerns (13) auf diesen Wert kann der Statorkern (13) so ausgebildet werden, dass kaum eine Drehmomentverringerung innerhalb eines begrenzten Raums auftreten kann.

1: Motor
2: Zahnstangenwelle
3: Kugelumlaufspindelmechanismus
4: Lenkwelle
10: Elektrische Servolenkungsvorrichtung
11: Stator
12: Gehäuse
13: Statorkern
14: Wicklung
15: Stromversorgungsverdrahtung
16: Jochabschnitt
17: Zähne
18: Schlitz
21: Rotor
22: Rotorwelle
23: Rotorkern
24: Magnet
25: Magnetabdeckung
31: Gehäuse
32: Lager
33: Drehmelder
34: Drehmelder-Stator
35: Drehmelder-Rotor
36: Wicklung
41: Gehäuse
42: Mutternabschnitt
43: Schraubenabschnitt
44: Kugel
45: Schräglager
46a, 46b: Lagerbefestigungsring
47: Abgestufter Abschnitt
48: Lagerbefestigungsring
49: Abgestufter Abschnitt
51: Elektrische Servolenkungsvorrichtung
52: Zahnstangenwelle
53: Motor
54: Kugelumlaufspindelmechanismus
55: Lenkwelle
56: Joch
57: Magnet
58: Rotorwelle
59: Rotorkern
Wt: Zahnbreite
Wy: Jochabschnittsbreite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 10-152058 [0004]
- JP 2000-78780 [0004]
- JP 2001-218439 [0004]
- JP 2003-158856 [0004]

Claims

Elektrische Servolenkungsvorrichtung, die mit einem Motor versehen ist, der einen Rotor mit einem Permanentmagneten und einen auf der Außenumfangsseite des Rotors angeordneten Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator einen Statorkern aufweist, der mit einem ringartigen Jochabschnitt und einem Zahnabschnitt versehen ist, der gegenüber dem Jochabschnitt in Richtung nach innen vorsteht, und der Statorkern so ausgebildet ist, dass das Verhältnis eines magnetischen Widerstandswertes zwischen dem Jochabschnitt und dem Zahnabschnitt auf einen Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 eingestellt ist.
Elektrische Servolenkungsvorrichtung, die mit einem Motor versehen ist, der einen Rotor mit einem Permanentmagneten und einen an der Außenumfangsseite des Rotors angeordneten Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator einen Statorkern aufweist, der mit einem ringartigen Jochabschnitt und einem Zahnabschnitt versehen ist, der gegenüber dem Jochabschnitt in Richtung nach innen vorsteht, und der Statorkern so ausgebildet ist, dass das Verhältnis Wy zu Wt zwischen einer Breite Wy des Jochabschnitts in Radialrichtung und der Breite Wt des Zahnabschnitts in Umfangsrichtung auf einen Bereich von 1:1,4 bis 1:1,8 eingestellt ist.
Elektrische Servolenkungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor koaxial um eine Zahnstangenwelle herum angeordnet ist, welche an Lenksteuerräder angeschlossen ist, um so eine Lenkassistenzkraft der Zahnstangenwelle zuzuführen.