JP2006050709A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型・高出力トルクでかつ低コギングトルク化を実現できる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】 ハンドルに連結された入力軸とステアリング機構に連結された出力軸との間に介装されたトルク検出手段による検出トルクに基づいてモータにて出力軸を回転駆動する電動パワーステアリング装置において、モータ５を、ステータコア８に設けられた複数の突極１３、１４の各々に巻線９、１０が巻かれたステータ６と、ロータコア１７に前記突極１３、１４の数より多数の永久磁石１８が周方向に等間隔に配置されたロータ７にて構成し、かつ前記突極１３は、同相の電圧が印加される巻線９が巻回されかつ互いに隣接する突極１３の巻線９の巻回方向が互いに逆方向である複数の突極１３からなるグループＩ、II、III を複数の位相数分有している突極群１１を１又は複数構成している。
【選択図】 図２

Description

本発明は電動パワーステアリング装置に関し、特に小型・高出力トルクでかつ低コギングトルク化を実現した電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来から、ハンドルによる操舵力をモータの駆動力で補助するように構成した電動パワーステアリング装置は知られており、軽自動車で普及が始まり、小型車まで適用が拡大されつつある。また、車体重量の大きな普通車（中・大型車）では、大きな操舵力が必要であるため、現状では油圧パワーステアリング装置が汎用されているが、近年は環境問題による省エネルギー化、軽量化、車両のレイアウト性の向上等の観点から、効率が高く、小型化を実現できるとともに配管などによるレイアウトの複雑化を来さない電動パワーステアリング装置の開発が求められている。

ところが、上記軽自動車用の電動パワーステアリング装置では、コスト面からインバータが不要な整流子モータが使用されているが、整流子モータではロータに巻線を有するため、質量が大きくなるとともに、ハンドルの操作感も良くないという問題があり、また効率面でも６０％台で、９０％台のブラシレスモータに比べて劣るため、普通車には適用し難いものである。また、普通車では上記のように大きな操舵力が必要であり、モータに要求される出力トルクが大きいため、通常の１２Ｖまたは２４Ｖの電源仕様では、電流が大きくなり、制御用スイッチング素子の容量が大きくなってコスト高になるという問題がある。

そのため、普通車に適用可能な電動パワーステアリング装置のモータについては、小型、大トルク、高効率、低電流駆動技術が必要である。モータの小型化技術としては、永久磁石埋め込み型ロータを備えたＩＰＭ（Interior Permanent Magnet ）化、ブラシレス化、及び集中巻き化がある。しかし、集中巻きＩＰＭは、コギングトルクが大きくなるため、電動パワーステアリング装置には適用が困難である。

そこで、従来の電動パワーステアリング装置では、低コギングトルクを達成するため、ロータコアの表面に多数の永久磁石を配置した多極ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）ブラシレスモータが適用されている。

また、操舵トルクをトルクセンサで検出し、検出した操舵トルクに基づいてモータの駆動力を制御する電動パワーステアリング装置において、そのモータとしてＩＰＭブラシレスモータを用いること、及びその回転速度が所定範囲に達した場合に弱め界磁制御を行うことで、高速操舵時に対応する高速回転域での出力トルクの急激な低下を防止するようにしたものは知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３４５２８１号公報

ところが、多極ＳＰＭモータを適用した構成では、多極化でステータ巻線スペースが縮小し、トルク低下を来すためにトルクを確保するために体格の大型化を来すという問題がある。また、ロータ表面に配置した永久磁石の減磁耐量が小さいために、弱め界磁を大きくかけることができず、高速域でのトルク低下に対応できないという問題がある。また、ＳＰＭモータは、永久磁石をロータ表面に接着した構造であるため、接着の信頼性が課題となり、万一の磁石剥離や割れに対する対策としてロータの外面にＳＵＳ等の薄板から成るパイプ（キャン）を焼き嵌めしたり、ガラスクロス等を巻き付けたりした補強構造にする必要があり、キャンに流れる渦電流の影響による効率低下、エアギャップが広くなることによるモータの効率低下、大型化、工程の複雑化、部品点数の増加によるコストアップ等の問題もある。

また、特許文献１に開示されたＩＰＭブラシレスモータを採用した電動パワーステアリング装置では、上述したようにコギングトルクが大きいためにハンドルの操作感が悪く、高級感が要求される普通車には適用できず、またコギングトルクを小さくするために集中巻きではなく、分布巻きをすると、小型化することができず、コギングトルクと小型化を両立できないという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、小型・高出力トルクでかつ低コギングトルク化と制御性の向上を実現できる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明の電動パワーステアリング装置は、モータで操舵力を増減する電動パワーステアリング装置において、モータを、ステータコアに設けられた複数の突極の各々に巻線が巻かれたステータと、ロータコアに前記突極の数より多数の永久磁石が周方向に等間隔に配置されたロータにて構成し、かつ前記突極は、同相の電圧が印加される巻線が巻回されかつ互いに隣接する突極の巻線の巻回方向が互いに逆方向である複数の突極からなるグループを複数の位相数分有している突極群を１又は複数構成しているものである。

この構成によると、集中巻きステータによってコンパクトな構成にて高出力トルクを確保でき、かつ突極数よりもロータの極数が多いためにコギングトルクを低下させることができるとともに制御性が向上し、小型・高出力トルクでかつ低コギングトルク化と制御性の向上を実現することができ、電動パワーステアリング装置に求められる特性を満たすことができる。

また、前記突極は、同相の電圧が印加される巻線が巻回されかつ互いに隣接する突極の巻線の巻回方向が互いに逆方向である複数の突極からなるグループを複数の位相数分有している第１の突極群と、第１の突極群における相互に異相の突極グループ間に位置する１又は複数の突極から成りかつ突極が複数の場合には隣接する突極の巻線の巻回方向が互いに逆方向である突極を複数の位相数分有している第２の突極群とを１又は複数構成して成り、第１の突極群と第２の突極群に対して個別の駆動回路を設けた構成とすることもできる。

この構成によると、ロータの極数が多く、突極間に生じる空間の有効利用を図る構成とすることができ、上記効果を奏するとともに、さらに体積効率を高め、一層コギングトルクの低下を図ることができる。

また、複数の突極群を有し、各突極群に対して個別の駆動回路を設けた構成とすると、何れか一方の駆動回路などが故障した場合でも電動パワーステアリング装置の機能を完全に失ってしまう恐れがなく、その信頼性を向上することができる。

また、操舵の検出トルクまたは速度要求に応じて突極群の巻線に対する通電を弱め界磁制御すると、巻線のターン数を多くすることで小電流で高出力トルクを得ることができ、小容量で安価なスイッチング素子を用いたインバータを採用できてコスト低下を図ることができる。

また、ロータの永久磁石を、ロータコアに埋め込み配置すると、リラクタンストルクを利用できて高出力トルクが得られるとともに、減磁耐量が大きく、弱め界磁制御を大きくかけることができるため、上記のように小容量で安価なスイッチング素子を用いたインバータを採用できてコスト低下を図ることができるとともに、高速回転域でも所要のトルクを確保することができる。

また、複数の位相数をＵ・Ｖ・Ｗの３相とし、その巻線が巻回される３つのグループを１組とした巻線組数をｓ、突極群の１グループの突極数若しくは第１と第２の突極群における１グループの突極数の和をｎ、ｋを正の整数として、突極の総数Ｔを、Ｔ＝３×ｓ×ｎ、ロータの極数をＰを、Ｐ＝２×（ｓ（±１＋３ｋ））を満たしかつＴより大きい最小のＰとすると、体積効率を高く、かつコギングトルクを最小にでき、特に電動パワーステアリング装置にとって大きな効果を発揮する。

また、第２の突極群の突極に巻回した巻線からの出力信号を用いて第１の突極群の突極に巻回した巻線に対する通電制御を行うと、エンコーダなどの高価な装置を設けることなく、またエンコーダなどの検出装置を用いた場合に問題となる取り付けによる誤差が出ることもなく、回転位相を精度よく検出でき、それに基づいて電流位相制御を行うことにより、高い制御性を確保することができる。

また、第２の突極群の何れかの突極に巻回した巻線からの出力信号を他の突極に巻回した巻線との磁気結合係数に基づいて補正することで制御信号を生成し、この制御信号に基づいて第１の突極群の突極に巻回した巻線に対する通電制御を行うと、エンコーダなどの高価な装置を設けることなく、回転位相を精度よく検出できるとともに、それに基づいて巻線に対する印加電流の正弦波制御を行うことができ、高い効率と制御性を確保することができる。

また、複数の突極群を設けかつ同相の突極のグループを電気角で３６０°間隔で配置すると、複数の巻線群を設けたモータにおいてロータに作用する力の半径方向のバランスが取れ、円滑な回転が容易に安定して得ることができる。

また、突極群の各グループ内における突極間の間隔を、ロータの永久磁石の配置間隔とほぼ同一間隔で配置すると、突極と永久磁石の位相が一致するため位相ずれがなく、高いトルク及び高速までの良い制御性が得られる。

また、突極群の各グループ内における突極間の間隔を、ロータの永久磁石の配置間隔とほぼ同一間隔と、（３６０°／総突極数）で与えられる間隔との間に設定することもでき、バランスよく、コギングトルクの低減と高速での制御性を確保することができる。

また、複数の突極群を設け、各突極群における同一グループの各突極の巻線は直列に接続し、突極群間では同相のグループの巻線を互いに並列接続すると、同相の巻線間での還流電流を防ぐことができ、かつ突極群間での並列接続によって、必要な巻線インピーダンスに対する巻線径を細くすることが出来、巻線作業を容易にできる。

また、本発明のパワーステアリング装置は低コギングであるため、モータを制御していない時でも操舵に違和感がなく、モータと出力軸との間をクラッチレスで結合することが可能であり、構成が簡単になってコスト低下を図ることができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、集中巻きステータによってコンパクトな構成にて高出力トルクを確保でき、かつ突極数よりもロータの極数が多いためにコギングトルクを低下させることができるとともに制御性が向上し、小型・高出力トルクでかつ低コギングトルク化と制御性の向上、またＩＰＭ化により信頼性の向上を実現することができ、電動パワーステアリング装置に求められる特性を満たすことができる。

以下、本発明の電動パワーステアリング装置の各実施形態について、図１〜図１１を参照して説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１において、１は、一端側がステアリング機構（図示せず）に連結された出力軸であり、他端側がトーションバー２を介してハンドル（ステアリングホイール）（図示せず）に連結された入力軸（図示せず）に連結されている。また、出力軸１と入力軸の間には、相対回転変位量に基づいてそれらの間に作用しているトルクを検出するトルクセンサ（図示せず）が配設されている。出力軸１にはウォームホイールギア３が固定され、このウォームホイールギア３に噛合されたウォームギア４がモータ５の出力軸に連結されている。モータ５は、前記トルクセンサ（図示せず）による検出トルクに基づいて駆動制御される。かくして、検出トルクに基づいてモータ５にて出力軸１が回転駆動され、ステアリング機構（図示せず）の操作力が軽減される。

モータ５は、図２に示すように、ステータコア８に巻線９、１０を施したステータ６とロータコア１７に永久磁石１８を埋め込み配置したロータ７にて構成されている。ステータ６のステータコア８は電磁鋼板を積層して構成され、その内周に第１の突極群１１を構成する複数の突極１３と第２の突極群１２を構成する複数の突極１４（斜線を付して突極１３と区別している）とが設けられ、突極１３には第１の巻線群１５を構成する巻線９が巻かれ、突極１４には第２の巻線群１６を構成する巻線１０が巻かれている。ロータ７のロータコア１７も電磁鋼板を積層して構成され、複数（偶数）の永久磁石１８が等間隔にかつ互いに隣接するものが異なる磁界方向を向くように配置されている。

なお、永久磁石１８はロータコア１７に埋め込んでも、ロータコア１７の表面に配置しても良いが、図示のように埋め込んだ構成とすると、ロータ７のステータ６に対向する部分に、磁気抵抗が低く磁束が比較的通り易い部分と永久磁石１８により磁気抵抗が高く磁束が比較的通り難い部分とが形成されることで、ｑ軸方向のインダクタンスとｄ軸方向のインダクタンスとに差ができ、リラクタンストルクを発生させることができ、図３に示すように、発生するモータトルクをマグネットトルクとリラクタンストルクの両方によって高トルク化することができて好適である。また、永久磁石１８がロータ７の外周に露出しないので、その剥離や欠けによる損傷の恐れがなく好適である。さらに、減磁耐量が大きくなるため、後述の弱め界磁制御を大きくかけることができる。

第１の巻線群１５の巻線９が巻回されている第１の突極群１１の突極１３は全部で６つあり、当該突極１３に巻回されている巻線９にＵ（Ｕ₁ ）相の電圧が印加される突極グループＩ、Ｖ（Ｖ₁ ）相の電圧が印加される突極グループII、Ｗ（Ｗ₁ ）相の電圧が印加される突極グループIII に分けられ、各突極グループにそれぞれ２つの突極１３が配設されている。そして、各突極グループＩ、II、III が電気角で１２０°の位相差で配置され、第１の巻線群１５がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相巻線を構成している。また、各突極グループＩ、II、III において、互いに隣接する突極１３の巻線９の巻回方向は互いに逆方向とされ、隣接する突極１３の極性が互いに反転するように成されている。かくして、磁界の偏重を緩和することができ、鉄損を低減することができる。

突極グループＩ、II、III の間には、第２の巻線群１６の巻線１０を巻回した第２の突極群１２の突極１４が１つづつ配置され、それぞれの巻線１０にはＵ（Ｕ₂ ）相、Ｖ（Ｖ₂ ）相、Ｗ（Ｗ₂ ）相の電圧が印加される。なお、突極グループＩ、II、III の間に配置される突極１４が複数の場合には、互いに隣接する突極１４の巻線１０の巻回方向は互いに逆方向とされ、隣接する突極１４の極性が互いに反転するように成される。

このように本実施形態においては、第１の突極群１１は、各突極グループＩ、II、III がそれぞれ２つの突極１３を備え（つまり、第１の突極群１１は２叉とされ）、Ｕ₁ 相、Ｖ₁ 相、Ｗ₁ 相の巻線一式を１組として１組の巻線組数を備え、６つの突極１３にて構成されている。また、第２の突極群１２は、各突極グループＩ、II、III 間に１つの突極１４を備え（つまり、第２の突極群１２は１叉とされ）、Ｕ₂ 相、Ｖ₂ 相、Ｗ₂ 相の巻線一式を１組として１組の巻線組数を備え、３つの突極１４にて構成されている。そして、ステータ６は、第１の突極群１１の６つの突極１３と第２の突極群１２の３つの突極１４の合計９つの突極を有している。

ここで、第１の突極群１１の突極１３と第２の突極群１２の突極１４の数の和である総突極数をＴ、第１の突極群１１と第２の突極群１２の叉数の和をｎ、巻線組数をｓ、ｋを正の整数として、総突極数Ｔは、
Ｔ＝３×ｓ×ｎ ・・・（１）
で与えられる。また、ロータ７の永久磁石１８の極数Ｐは、
Ｐ＝２×（ｓ（±１＋３ｋ）） ・・・（２）
を満たしかつＴより大きい値に設定される。

上記（２）式は、第１の巻線群１５に電流を順次Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相と流したときにスムーズに回転する条件によって規定されるものである。すなわち、磁石の極対数をＰ／２とすると、磁石の誘起電圧関数Ｂｅは、
Ｂｅ＝ｓｉｎ（Ｐ／２×θ） ・・・（３）
と表すことができる。ここで、３相モータなので、Ｕ、Ｖ、Ｗは電気角で１２０°づつずれている。そこで、電気角で１２０°ずらして各相巻線に通電したときに、ロータが同じ角度で同じ方向に回転すればよいことになる。したがって、次の式
ｓｉｎ（Ｐ／２×（θ＋１２０／ｓ））
＝ｓｉｎ（Ｐ／２×θ±１２０＋３６０ｋ） ・・・（４）
が成立すればよいことになる。

（４）式は、誘起電圧関数（ロータ）がある時刻のＢｅ＝０より電気角で１２０°ずれた位置（式の表現は機械角）にあるとき、ステータ側の別軸上で、１２０°（Ｕ、Ｖ、Ｗのずれ）ずれた位置と同じであれば、順次ＵからＶ、ＶからＷと１２０°ずれた位置で通電しても、ロータ位置（誘起電圧関数Ｂｅ）は常に電気的に同じ値をとり、スムーズに１回転できることを表しており、（４）式を整理すると、極対数Ｐ／２が、
Ｐ／２＝ｓ（±１＋３ｋ） ・・・（５）
となり、極数Ｐは、上記（２）式のように巻線組数ｓの関数となる。

このようにして求められる極数Ｐと総突極数Ｔの組み合わせの具体例としては、表１に示すようなものを挙げることができる。

表１において、永久磁石１８の極数Ｐは、Ｔより大きい種々の値をとることができるが、Ｔより大きい値の中で最小のものを採用すると、体積効率が最も高くなるとともにコギングトルクを最小にすることができて好適である。本実施形態では叉数ｎが３で、総突極数Ｔが９であるため、永久磁石１８の極数は１０に設定している。

また、本実施形態では、第１の突極群１１の突極１３の配置ピッチは、永久磁石１８の配置ピッチ、即ち３６０／Ｐ（＝３６°）と等しくし、第２の突極群１２の突極１４は１２０°間隔で配置することで、突極１３との間の間隔を４２°に設定した例を示している。このように、第１の突極群１１の突極１３の配置ピッチを永久磁石１８の配置ピッチとほぼ等しくすると、突極１３と永久磁石１８の位相が一致するので位相ずれがなく、高い制御性が得られる。その一方で、ステータ６の全周で見ると、第１の突極群１１の突極１３と第２の突極群１２の突極１４の配置ピッチが不均等になるため、コギングトルクが不均一になってしまう。そこで、第１の突極群１１の突極１３の配置ピッチを、永久磁石１８の配置ピッチに等しい３６０／Ｐ（＝３６°）と、突極１３、１４を等間隔で配置した３６０／Ｔ（＝４０°）との間で、制御性とコギングトルクの何れの特性を優先するかに応じて選択することができる。

また、上記のようにＰ＞Ｔであるため、永久磁石１８の配置ピッチは突極１３、１４の平均配置ピッチよりも小さいので、図２に示すように、永久磁石１８の周方向の有効幅をｄ₁ 、突極１３、１４の先端部の周方向幅をｄ₂ として、ｄ₁ ≦ｄ₂ に設定することができ、これにより永久磁石１８の全体が必ず突極１３、１４の先端部と重なるため誘起電圧波形が正弦波状になり、誘起電圧の波形歪みの発生を防止でき、制御性の向上及びコギングトルクの低下を図ることができる。

以上の構成において、第１の巻線群１５と第２の巻線群１６の巻線９、１０に対してインバータ（図示せず）にてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧を順次印加するとともに、トルクセンサからの検出トルクに応じてそれらの巻線９、１０に対する通電制御を行うことによってモータ５がハンドルの操作力に応じた駆動力で回転駆動され、ステアリング機構の操作力を軽減することができる。

また、このモータ５は、通電制御するインバータのスイッチング素子コストの低廉化を図るために、低電流でも所要の出力トルクを確保することができるように、巻線９、１０のターン数を多く設定している。その結果、図４に破線で示すように、モータ５の回転速度がある値を越えると出力トルクが急激に低下することになる。そこで、図４に実線で示すように、出力軸１に要求される出力トルク値と回転速度に応じて巻線９、１０に流す電流位相を０°〜９０°（図４は０°〜６０°の範囲の特性が図示してあるが、位相制御は９０°まで可能）の範囲で適宜に進める弱め界磁制御を行うことで、必要な回転速度と出力トルクを確保するようにしている。なお、巻線９、１０のターン数を多く設定しても、流れる電流値が小さいので、巻線９、１０の線径を小さくでき、モータ５の体格が大きくなることはない。また、ステアリングの操作力は、車輌が停止している据え切りが最も重く、一旦車輌が動き始めると急速に低下する。従って本構成では巻線のターン数を多く設定し、操舵速度（モータ速度）が停止に近い時は、小さな電流で大きなトルクが発生するよう設定し、低速大トルク時には電流位相を大きなトルクが得られるように適切に進め（例えば図３の０から３０度近傍まで）、さらに高速では大トルクは必要ないので、高速まで応答可能なように位相を４０度から６０度以上まで進めることが可能となり、性能コストを両立する上で非常に有効な構成となる。

以上のような本実施形態の３叉集中巻埋込磁石モータ５によれば、同一体格の従来の分布巻埋込磁石モータや集中巻埋込磁石モータに比して、表２に示すように有意で顕著な特性を奏することができる。

表２において、分布巻埋込磁石モータでは、ステータスロットを２７と多くして分布巻きしているのでコギングトルクが小さく、無通電発電波形は正弦波となるが、コイルエンドが大きくなってしまうという問題があり、集中巻埋込磁石モータでは最大トルクが１０〜２０％程度向上し、８極、１２スロットで、コイルエンドは小さくなるが、コギングトルクは５〜１０倍にも大きくなり、無通電発電波形が歪み波となってしまうという問題があるのに対して、本実施形態の３叉集中巻埋込磁石モータでは１０極、９スロットで、無通電発電波形は正弦波となるとともにコイルエンドは小さくなり、かつ最大トルクが分布巻埋込磁石モータに対して３０〜４０％程度向上するとともにコギングトルクも分布巻埋込磁石モータと同等であり、体格が小さくかつ高出力トルクが得られ、制御性が良くかつコギングトルクが小さいという電動パワーステアリング装置に要求される機能を効果的に奏するモータを得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図５を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と同一の構成要素については同一参照符号を付して説明を省略し、主として本実施形態の特徴である相違点についてのみ説明する。

本実施形態では、第１の突極群１１におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各突極グループＩ、II、III の突極１３の数を３つとすることで３叉とし、かつＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線一式を１組として１組の巻線組数を配設することで９つの突極１３を設け、その一方で第２の突極群１２を配設せずに、１０極、９スロットの３叉集中巻埋込磁石モータを構成したものである。また、第１の突極群１１の突極１３の配置ピッチは、ロータ７の永久磁石１８の配置ピッチ、即ち３６０／Ｐ（＝３６°）と等しくしている。なお、第１の突極群１１の突極１３の配置ピッチを、永久磁石１８の配置ピッチに等しい３６０／Ｐ（＝３６°）と、突極１３を等間隔で配置した３６０／Ｔ（＝４０°）との間で選択しても良い。

本実施形態の構成においても、実質的に上記第１の実施形態では２つのモータをロータ７を共通して一体的に組み込まれた構成であったのに対して、単一のモータから成る点で異なるが、多叉モータによる同様の作用・効果を奏することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図６を参照して説明する。本実施形態におけるモータ５は、図６（ａ）に示すように、３叉の第１の突極群１１と３叉の第２の突極群１２が配設され、総突極数Ｔが１８、ロータ７の極数Ｐが２０に設定されており、図６（ｂ）に示すように、第１の突極群１１の突極１３に巻回された巻線９から成る第１の巻線群１５に対して第１のインバータ２１からＵ₁ 相、Ｖ₁ 相、Ｗ₁ 相の電流を、第２の突極群１２の突極１４に巻回された巻線１０から成る第２の巻線群１６に対して第２のインバータ２２からＵ₂ 相、Ｖ₂ 相、Ｗ₂ 相の電流を、それぞれ別個に供給するように構成されている。両インバータ２１、２２には外部電源１９からそれぞれに電源が供給されている。なお、図６（ａ）のＣ₁ 、Ｃ₂ は、第１の巻線群１５と第２の巻線群１６の中立接続点である。

本実施形態によれば、同等出力の２つのモータをロータ７を共通して一体的に組み込んだ構成でかつ各モータを駆動するインバータ２１、２２を個別に設けているので、何れか一方のモータやそのインバータ２１、２２が故障した場合でも電動パワーステアリング装置の機能を完全に失ってしまう恐れがなく、例えば、据え切り時に操舵力が極端に重くなってしまったり、走行時にインバータ故障で急に操舵力が変化し事故に繋がると云った事もなくなり、その信頼性を向上することができる。また、インバータを複数設けることによって、単一インバータ構成に対し一つのインバータの容量を小さくすることが出来、小型のスイッチング素子を使う事が出来るので、コスト上有利になる。また、例えば、操舵負荷力と操舵力の差から制御目標操舵力を減算した所謂誤差量を最小にする様に、ＰＤＩ等の制御手法で、インバータの制御目標値を決定すれば、一方のインバータが故障したとき、残りのインバータの制御目標は瞬時に増加するので、インバータやモータ容量に余裕があれば、操舵力は故障以前と変化させる事なくできるし、容量余裕の無いときでも、操舵力の変化を最小に押さえる事が可能となる。さらに、インバータの最大電流値やモータの最大トルク上は十分であるが、長時間通電時の熱容量に余裕がない時は、片側インバータ故障時に短時間電流値を増加させて、操舵力の変化を防止し、その後緩やかにインバータ電流を減少させ、急激な操舵力変化による事故等の危険性をなくする事も出来る。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図７を参照して説明する。本実施形態におけるモータ５は、図７（ａ）に示すように、５叉の第１の突極群１１と２叉の第２の突極群１２が配設され、総突極数Ｔが２１、ロータ７の極数Ｐが２２に設定されており、図７（ｂ）に示すように、第２の突極群１２の突極１４に巻回された巻線からのＵ₂ 相、Ｖ₂ 相、Ｗ₂ 相の出力信号（ａ）、（ｂ）（ｃ）を波形成形回路２３にて波形成形することにより、１２０°づつ位相がずれたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の矩形波制御信号２４を得るようにし、この矩形波制御信号２４によってインバータを制御し、第１の突極群１１の突極１３に巻回された巻線から成る第１の巻線群に対するＵ₁ 相、Ｖ₁ 相、Ｗ₁ 相の電流位相制御を行うようにしている。

本実施形態によれば、エンコーダなどの高価な装置を設けることなく、モータ５の回転位相を精度よく検出でき、それに基づいて電流位相制御を行うことにより、高い制御性を確保することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形態におけるモータ５は、図８（ａ）に示すように、上記第４の実施形態と同様に、５叉の第１の突極群１１と２叉の第２の突極群１２が配設され、総突極数Ｔが２１、ロータ７の極数Ｐが２２に設定されている。そして、図８（ｂ）に示すように、第２の突極群１２の突極１４に巻回された巻線からのＵ₂ 相の出力信号に適当な補正を加えることで、正弦波制御信号ｖ_U2を得るようにしている。すなわち、加算器２５にＵ₂ 相の出力信号Ｖ_U2を入力するとともに、Ｖ₂ 相の出力信号Ｖ_V2を、Ｕ₂ 相とＶ₂ 相の巻線の磁気結合係数Ｍ₁₂に所定の係数Ｋ₁ を掛けた補正係数（Ｋ₁ Ｍ₁₂）にて補正したもの、同様にＶ_W2を（Ｋ₁ Ｍ₁₃）にて補正したもの、Ｖ_U1を（Ｋ₂ Ｍ₂₁）にて補正したもの、Ｖ_V1を（Ｋ₂ Ｍ₂₂）にて補正したもの、Ｖ_W1を（Ｋ₂ Ｍ₂₃）にて補正したものをそれぞれ減算入力することで、正弦波制御信号ｖ_U2を得ている。Ｖ₂ 相、Ｗ₂ 相についても同様にして正弦波制御信号ｖ_V2、ｖ_W2を得ることができる。これらの正弦波制御信号ｖ_U2、ｖ_V2、ｖ_W2によってインバータを制御し、第１の突極群１１の突極１３に巻回された巻線から成る第１の巻線群に対するＵ₁ 相、Ｖ₁ 相、Ｗ₁ 相の電流位相制御を行うようにしている。

本実施形態によれば、エンコーダなどの高価な装置を設けることなく、またエンコーダなどの取り付け誤差に影響されることもなく、モータ５の回転位相を精度よく検出できるとともに、それに基づいて巻線に対する印加電流の正弦波制御を行うことができ、高い効率と制御性を確保することができる。

（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について、図９を参照して説明する。本実施形態におけるモータ５は、図９に示すように、上記第４の実施形態と同様に、５叉の第１の突極群１１と２叉の第２の突極群１２が配設され、総突極数Ｔが２１、ロータ７の極数Ｐが２２に設定されている。そして、第１の突極群１１の突極１３の配置ピッチθ₁ 、θ₂ 、θ₃ 、θ₄ を、ロータ７の永久磁石１８の配置ピッチとほぼ一致させている。即ち、θ₁ ＝θ₂ ＝θ₃ ＝θ＝３６０°／Ｐに設定している。さらに第１の突極群１１の突極１３の配置ピッチθ₁ 、θ₂ 、θ₃ 、θ₄ を突極総数Ｔ（Ｔ＝２１）で決定される、θ₁ ＝θ₂ ＝θ₃ ＝θ＝３６０°／Ｔに設定することによってコギングトルクをさらに減少させる事が可能となる。

本実施形態によれば、第１の突極群１１の突極１３の配置ピッチを永久磁石１８の配置ピッチとほぼ等しくしているので、突極１３と永久磁石１８の位相が一致するため位相ずれがなく、高い制御性が得られ、かつロータ７の極数Ｐが２２と多いためにコギングトルクの不均一も抑制できる。

（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態について、図１０、図１１を参照して説明する。本実施形態におけるモータ５は、図１０に示すように、同相の突極１３が３つづつ設けられた３叉の第１の突極群１１が複数組（図示例では２組）設けられた巻線組数ｓが２のモータであり、それぞれ同相のＵ₁ 相とＵ₂ 相、Ｖ₁ 相とＶ₂ 相、Ｗ₁ 相とＷ₂ 相が電気角で３６０°毎に配置されている。また、図１１に示すように、同相の例えばＵ相の巻線群１５において、Ｕ₁ 相とＵ₂ 相のそれぞれの内部での３つの巻線９は直列接続するとともに、Ｕ₁ 相とＵ₂ 相の間では並列に接続している。

本実施形態によれば、同相の突極群及び巻線群を電気角で３６０°間隔で配置しているので、複数の巻線群を設けたモータにおいてロータに作用する力の半径方向のバランスが取れ、円滑な回転を容易に安定して得ることができる。また、同一の巻線組内で巻線９同士を直列接続しているので還流電流を防ぐことができ、かつ巻線組間では並列接続しているので、線径を細くしても各相の抵抗を小さくできて銅損を少なくすることができ、高出力時の効率の低下を抑制することができる。

なお、以上の実施形態の説明では、ロータに埋め込む永久磁石の形態がＶ字型及び平板型の例を示したが、これ以外の形状、例えばＵ字型等任意に設定出来る、また永久磁石は径方向に１層の例を示したが、２層以上の多層構造として同極の永久磁石間に間隔を持たせる事も出来る。また、永久磁石の径方向背面位置に永久磁石とほぼ平行に珪素鋼板部に溝を設け、ｄ軸とｑ軸の磁気抵抗比を大きくする事も可能である。

また、前述の様に第１モータと第２モータの全ての突極数をＴとした時、突極群の配置ピッチθを概略θ＝３６０／Ｔとなる様に配置するのが、低コギングトルク上好ましいが、このθはロータ極数をＰとしたとき２Ｐ＝３×Ｍ＋α（αは２以下の正の整数）となるＭでもって規定されるθ＝３６０／３Ｍに概略等しい角度、図９の例ではθ1 ＝θ2 ＝θ3 ＝θ4 ＝θとなる様に配置としてもよい。また、図９の例では第１モータの各相は５突極、第２モータの各相は２突極で構成されているが、各相または特定相から１から３突極を削除した構成としてもよい。

また、本発明は、ステアリング軸にモータを置くいわゆるコラム式電動パワーステアリングシステムや、ラックピニオン部にモータを置く、ラックピニオン式電動パワーステアリングシステム、またラック軸に同軸にモータを置くラック軸方式電動パワーステアリングシステム等、方式にかかわらず適用可能な事はいうまでもない。

なお、上記の説明は全て、操舵力補助タイプのパワーステアリングシステムを例に取って説明したが、操舵力は必ずしも軽減させるだけでなく、例えば高速走行時には逆に重くなる様に制御する事も可能であり、これによって高速走行時の安定性を増す事ができる。

また、上記の説明は全て、モータで操舵力を軽減（増加）させるパワーステアリングシステムの例を取って説明したが、ハンドルと車輪が機械的には分離している、いわゆるステア・バイ・ワイア型のステアリングシステムにも本発明の構成を適用可能である事はいうまでもない。

本発明の電動パワーステアリング装置は、小型・高出力トルクでかつ低コギングトルク化と制御性の向上を実現することができ、電動パワーステアリング装置に求められる特性を満たすことができ、各種車両、特に普通車や大型車の電動パワーステアリング装置に有用である。

本発明の電動パワーステアリング装置の第１の実施形態における要部の部分断面構成図である。 同実施形態のモータの概略構成を示す断面図である。 同実施形態の電流位相角とトルクの関係を示す特性図である。 同実施形態の弱め界磁制御における電流位相進め角度をパラメータとした回転速度とトルクの関係を示す特性図である。 本発明の第２の実施形態におけるモータの概略構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態におけるモータを示し、（ａ）はモータの概略構成を示す断面図、（ｂ）は駆動回路の構成図である。 本発明の第４の実施形態におけるモータを示し、（ａ）はモータの概略構成を示す断面図、（ｂ）は矩形波制御信号の形成回路の説明図である。 本発明の第５の実施形態におけるモータを示し、（ａ）はモータの概略構成を示す断面図、（ｂ）は正弦波制御信号の形成回路の説明図である。 本発明の第６の実施形態におけるモータの概略構成を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態におけるモータの概略構成を示す断面図である。 同実施形態における巻線の結線回路図である。

符号の説明

１ 出力軸
５ モータ
６ ステータ
７ ロータ
８ ステータコア
９、１０ 巻線
１１ 第１の突極群
１２ 第２の突極群
１３、１４ 突極
１５ 第１の巻線群
１６ 第２の巻線群
１７ ロータコア
１８ 永久磁石
２１、２２ インバータ

Claims (13)

1. モータで操舵力を増減する電動パワーステアリング装置において、モータを、ステータコアに設けられた複数の突極の各々に巻線が巻かれたステータと、ロータコアに前記突極の数より多数の永久磁石が周方向に等間隔に配置されたロータにて構成し、かつ前記突極は、同相の電圧が印加される巻線が巻回されかつ互いに隣接する突極の巻線の巻回方向が互いに逆方向である複数の突極からなるグループを複数の位相数分有している突極群を１又は複数構成していることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. モータで操舵力を増減する電動パワーステアリング装置において、モータを、ステータコアに設けられた複数の突極の各々に巻線が巻かれたステータと、ロータコアに前記突極の数より多数の永久磁石が周方向に等間隔に配置されたロータにて構成し、かつ前記突極は、同相の電圧が印加される巻線が巻回されかつ互いに隣接する突極の巻線の巻回方向が互いに逆方向である複数の突極からなるグループを複数の位相数分有している第１の突極群と、第１の突極群における相互に異相の突極グループ間に位置する１又は複数の突極から成りかつ突極が複数の場合には隣接する突極の巻線の巻回方向が互いに逆方向である突極を複数の位相数分有している第２の突極群とを１又は複数構成していることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
3. 複数の突極群を有し、各突極群に対して個別の駆動回路を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の電動パワーステアリング装置。
4. 操舵の検出トルクまたは速度要求に応じて突極群の巻線に対する通電を弱め界磁制御することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
5. ロータの永久磁石を、ロータコアに埋め込み配置したことを特徴とする請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。
6. Ｕ・Ｖ・Ｗの３相の巻線が巻回される３つのグループを１組とした巻線組数をｓ、突極群の１グループの突極数若しくは第１と第２の突極群における１グループの突極数の和をｎ、ｋを正の整数として、突極の総数Ｔを、
   Ｔ＝３×ｓ×ｎ
   ロータの極数をＰを、
   Ｐ＝２×（ｓ（±１＋３ｋ））
   を満たしかつＴより大きい最小のＰとしたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
7. 第２の突極群の突極に巻回した巻線からの出力信号を用いて第１の突極群の突極に巻回した巻線に対する通電制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
8. 第２の突極群の何れかの突極に巻回した巻線からの出力信号を他の突極に巻回した巻線との磁気結合係数に基づいて補正することで制御信号を生成し、この制御信号に基づいて第１の突極群の突極に巻回した巻線に対する通電制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
9. 複数の突極群を設けかつ同相の突極のグループを電気角で３６０°間隔で配置したことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
10. 突極群の各グループ内における突極間の間隔を、ロータの永久磁石の配置間隔とほぼ同一間隔で配置したことを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
11. 突極群の各グループ内における突極間の間隔を、ロータの永久磁石の配置間隔とほぼ同一間隔と、（３６０°／総突極数）で与えられる間隔との間に設定したことを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
12. 複数の突極群を設け、各突極群における同一グループの各突極の巻線は直列に接続し、突極群間では同相のグループの巻線を互いに並列接続したことを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。
13. モータと出力軸との間をクラッチレスで結合したことを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。

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