JP2015229435A - Brushless motor and electric power steering device equipped with the same and vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム製若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金製で、モータヨークの一端側にモータ取付けフランジが設けられ、他端側にECU取付けフランジが設けられた一体構造のモータハウジングを備えたブラシレスモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両に関する。車両に搭載される電動パワーステアリング装置は、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にモータ(例えばブラシレスモータ)によるアシスト力を付与するものであり、ブリッジ回路で成るインバータによって駆動制御される。 The present invention relates to a brushless motor having an integral motor housing made of aluminum, zinc alloy, or magnesium alloy, provided with a motor mounting flange on one end side of the motor yoke and an ECU mounting flange on the other end side, and The present invention relates to an electric power steering apparatus and a vehicle equipped with the same. An electric power steering device mounted on a vehicle applies an assist force by a motor (for example, a brushless motor) to a steering system of the vehicle based on a current command value calculated based on at least a steering torque, and includes a bridge circuit. Drive controlled by an inverter.
駆動部にブラシレスモータを搭載した装置として電動パワーステアリング装置(EPS)があり、電動パワーステアリング装置は、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力(アシスト力)を付与するものであり、インバータから供給される電力で制御されるモータの駆動力を、ギア等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与する。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値(電流指令値)とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にPWM(パルス幅変調)制御のデューティの調整で行っており、モータとしては耐久性や保守性に優れ、騒音やノイズも少ないブラシレスモータが一般的に使用されている。 There is an electric power steering device (EPS) as a device equipped with a brushless motor in the drive unit, and the electric power steering device applies a steering assist force (assist force) to the steering mechanism of the vehicle by the rotational force of the motor, The driving force of the motor controlled by the electric power supplied from the inverter is applied to the steering shaft or the rack shaft by a transmission mechanism such as a gear. Such a conventional electric power steering apparatus performs feedback control of the motor current in order to accurately generate the torque of the steering assist force. In feedback control, the motor applied voltage is adjusted so that the difference between the steering assist command value (current command value) and the motor current detection value is small. The adjustment of the motor applied voltage is generally performed by PWM (pulse width). Modulation) is performed by adjusting the duty of the control, and as a motor, a brushless motor that is excellent in durability and maintainability, and has less noise and noise is generally used.
電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図1に示して説明すると、ハンドル1のコラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)2は減速部内の減速ギア3、ユニバーサルジョイント4a及び4b、ピニオンラック機構5、タイロッド6a,6bを経て、更にハブユニット7a,7bを介して操向車輪8L,8Rに連結されている。また、コラム軸2には、ハンドル1の操舵トルクを検出するトルクセンサ10及び操舵角θを検出する舵角センサ14が設けられており、ハンドル1の操舵力を補助するモータ20が減速ギア3を介してコラム軸2に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット(ECU)30には、バッテリ13から電力が供給されると共に、イグニションキー11を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクThと車速センサ12で検出された車速Velとに基づいてアシスト(操舵補助)指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Vrefによって、EPS用モータ20に供給する電流を制御する。
The general configuration of the electric power steering apparatus will be described with reference to FIG. The
なお、舵角センサ14は必須のものではなく、配設されていなくても良く、また、モータ20に連結されたレゾルバ等の回転センサから操舵角を取得することも可能である。
The
コントロールユニット30には、車両の各種情報を授受するCAN(Controller Area Network)40が接続されており、車速VelはCAN40から受信することも可能である。また、コントロールユニット30には、CAN40以外の通信、アナログ/ディジタル信号、電波等を授受する非CAN41も接続されている。
The
電動パワーステアリング装置のモータ20の動力伝達機構例、及びモータ20及びコントロールユニット(ECU)30の接続例は図2に示すようになっている。
An example of a power transmission mechanism of the
図2に示すように、モータ20の出力軸21はモータハウジング22の外側に延在しており、モータヨークを形成するモータハウジング22は、ロータ等を備えたモータ本体を収容する有底略円筒状のケース本体23と、ケース本体23の開口側に取付けられたモータ取付け部24とで構成されている。モータ取付け部24は全体として板状に形成され、その中央部の貫通孔を介して出力軸21をモータ取付け部24の外側に挿通させている。なお、モータ取付け部24をフランジ状に形成してもよい。
As shown in FIG. 2, the
動力伝達機構50は、ウォーム51及びウォームホイール52から成るウォーム減速機構を有し、ウォーム減速機構と出力軸21とを連結する連結部53を備えている。ウォーム51は、出力軸21と同軸のウォームシャフト51Aの中間部に形成され、ウォームホイール52に噛合している。ウォームホイール52の軸心には、ウォームホイール52と一体回転するコラム軸2のアッパー(ハンドル)側出力軸2Aが連結されている。ウォーム減速機構によって、モータ20の回転、即ち出力軸21の回転が減速されてアッパー側出力軸2Aに伝達される。
The
減速機構側のモータ取付け部54の内部空間は、モータ20側(開口側)に向かって拡開するようにラッパ形状に形成されており、モータ取付け部54がモータ20側のモータ取付け部24にボルト止めされることで、モータ取付け部54の開口が閉塞される。モータ取付け部54にモータ20を取付けた図2に示す状態では、モータ取付け部54の内部空間の軸心に連結部53及び出力軸21が位置するようになっている。なお、モータ取付け部24をフランジ状に形成した場合には、これに対応して、モータ取付け部54もフランジ状に形成する。
The internal space of the
また、モータ20とコントロールユニット(ECU)30若しくはECU基板とは離間してリード線31で配線されており、モータ20はコントロールユニット(ECU)30によってリード線31を介して駆動制御される。
The
このような電動パワーステアリング装置においても、モータを含む全体の軽量化とコンパクト化が要請されていると共に、ハウジングに外力が加えられた場合でも円滑な回転を維持でき、更にはモータの組立性や軸精度の向上が強く望まれている。 Even in such an electric power steering device, there is a demand for weight reduction and compactness including the motor, and even when external force is applied to the housing, smooth rotation can be maintained. Improvement of shaft accuracy is strongly desired.
モータのヨークとして板金加工(鋼板での絞りヨーク構造)にフランジ溶接構造があり、例えば特開2004−180449号公報(特許文献1)には、ブラシレスモータを構成するハウジングを、鉄材より軽量なアルミニウムによって形成し、アウタコアの外周面のほぼ全体がハウジングの内周面に圧接された電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータが開示されている。 As a motor yoke, there is a flange welding structure in sheet metal working (drawing yoke structure with a steel plate). For example, JP 2004-180449 A (Patent Document 1) describes a housing that constitutes a brushless motor as aluminum that is lighter than iron. And a brushless motor for an electric power steering apparatus in which substantially the entire outer peripheral surface of the outer core is pressed against the inner peripheral surface of the housing.
しかしながら、特許文献1のブラシレスモータでは軽量化と外力に対する安定化は達成できるが、全体のコンパクト化、組立性や軸精度の向上については全く解決されていない。 However, the brushless motor of Patent Document 1 can achieve weight reduction and stabilization against external force, but it has not been solved at all about downsizing of the whole, improvement of assemblability and shaft accuracy.
一方、モータ組立時の労力を低減することができ、且つ組立時にモータに損傷が生じないようにした電動パワーステアリング装置及び製造方法が特開2005−168099号公報(特許文献2)に開示されている。特許文献2ではハウジングをアルミニウム合金で形成し、モータの出力軸を減速機構の駆動歯車と一体に設けており、サブ組立体の減速機ハウジングはモータハウジングを一体に結合すると共に、出力軸を保持している。出力軸に保持されたロータの外周は、モータハウジングに取り囲まれて保護されている。 On the other hand, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2005-168099 (Patent Document 2) discloses an electric power steering device and a manufacturing method that can reduce labor during motor assembly and prevent damage to the motor during assembly. Yes. In Patent Document 2, the housing is formed of an aluminum alloy, and the output shaft of the motor is provided integrally with the drive gear of the speed reduction mechanism. The speed reducer housing of the subassembly integrally connects the motor housing and holds the output shaft. doing. The outer periphery of the rotor held by the output shaft is surrounded and protected by the motor housing.
しかしながら、特許文献2は、減速部を一体としたハウジングケースの構造であり、ECUを含めたコンパクト化やECUとの接続関係、軸精度の向上等についての言及はない。 However, Patent Document 2 has a structure of a housing case in which a speed reducing portion is integrated, and there is no mention of compactness including an ECU, connection relation with the ECU, improvement of shaft accuracy, and the like.
上述したように従来技術では、モータの取付け及びECU等の付属部品と結合する場合の部品点数が多くなり、モータ軸の精度が各部品の精度の積み重ねとなり、精度を保証するためにはコストアップに繋がる要因もあった。 As described above, in the prior art, the number of parts increases when the motor is mounted and connected to an accessory part such as an ECU, and the accuracy of the motor shaft is accumulated as the accuracy of each part, and the cost is increased to guarantee the accuracy. There was also a factor that led to
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、軽量で製造も容易であり、ECUの取付も含めてコンパクト化を図ったモータハウジングを備えたブラシレスモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両を提供することにある。 The present invention has been made under the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide a brushless motor including a motor housing that is lightweight and easy to manufacture, and that has a compact motor housing including an ECU. An object is to provide an electric power steering apparatus and a vehicle that are mounted.
本発明はブラシレスモータに関し、本発明の上記目的は、モータヨークの一端側にモータ取付けフランジが設けられ、他端側にECU取付けフランジが設けられた一体構造のモータハウジングを備えることにより達成される。 The present invention relates to a brushless motor, and the above object of the present invention is achieved by providing a motor housing having an integral structure in which a motor mounting flange is provided on one end side of the motor yoke and an ECU mounting flange is provided on the other end side. .
本発明の上記目的は、前記モータハウジングの内側に、インサート鋳造で形成された線膨張率補償用のリングが設けられていることにより、或いは前記モータハウジングに対して、一方向よりモータ内部部品を順次組み込んだ構造となっていることにより、或いは前記モータ内部部品がステータアセンブリ、ロータアセンブリ、モータカバーの順であることにより、或いは前記リングが孔、若しくは切欠き、若しくは溝の回り止め機構を有していることにより、或いは前記モータカバーがアルミ材料若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金又は板金材料であり、前記モータカバーの装着によりロータ軸受を保持した構造であることにより、或いは前記モータハウジングがアルミ材料若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金の鋳造成型であることにより、より効果的に達成される。 The object of the present invention is to provide a linear expansion coefficient compensating ring formed by insert casting on the inner side of the motor housing, or to arrange the motor internal components from one direction with respect to the motor housing. Due to the structure of sequential assembly, or because the motor internal components are in the order of the stator assembly, rotor assembly, motor cover, or the ring has a hole, notch, or groove detent mechanism. The motor cover is made of an aluminum material, a zinc alloy, a magnesium alloy, or a sheet metal material, and the rotor housing is held by mounting the motor cover, or the motor housing is made of an aluminum material or To be a casting of zinc alloy and magnesium alloy Ri, is more effectively achieved.
上記ブラシレスモータで駆動制御され、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置及びそれを搭載した車両が達成される。 An electric power steering device that applies an assist force to a steering system of a vehicle and a vehicle equipped with the same are achieved by a current command value that is drive-controlled by the brushless motor and is calculated based on at least a steering torque.
本発明のブラシレスモータによれば、ダイカストで鋳造容易なアルミニウム製若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金のモータハウジングを備え、モータハウジングの端部にモータ取付けフランジ及びECU取付けフランジを有しているので、軽量コンパクト化を図り、組立性の向上、軸精度の向上を図ることができると共に、精度管理を容易に行うことができる。 According to the brushless motor of the present invention, it is provided with a motor housing made of aluminum, zinc alloy or magnesium alloy which can be easily cast by die casting, and has a motor mounting flange and an ECU mounting flange at the end of the motor housing. Therefore, it is possible to improve the assembling property and the shaft accuracy, and to easily manage the accuracy.
上記ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置に適用することにより、軽量でコンパクト、信頼性の高い電動パワーステアリング装置を達成でき、かかる電動パワーステアリング装置を車両に搭載することにより、車両の軽量化を図ることがきる。 By applying the brushless motor to an electric power steering device, a lightweight, compact and highly reliable electric power steering device can be achieved. By mounting the electric power steering device on a vehicle, the vehicle can be reduced in weight. I'm going.
本発明は、アルミニウム製若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金製のハウジングに、ECU取付けフランジ及びモータ取付けフランジを一体化して成型し(アルミダイカストの鋳造)、ステータアセンブリ(ASSY)、ロータアセンブリ(ASSY)、モータカバーのモータ内部部品を一方向から順次組み込んで(圧入又は焼き嵌め)作製することにより、モータの軽量化及びコンパクト化を達成し、しかも組立性が良く軸精度も良いブラシレスモータを提供する。モータハウジングをアルミダイカスト化(又は他の鋳造材料(亜鉛合金やマグネシウム合金)でも可)することにより、減速部(ギアボックス)の動力伝達機構側の端部にモータ取付けフランジを、他端側にECU取付けフランジを一体にしたモータハウジング構造としている。かかるフランジ一体型の構造は、従来のモータ構造のフランジとヨーク構造に対して軽量コンパクト化、組立性の向上、軸精度向上の効果を発揮する。 The present invention integrally molds an ECU mounting flange and a motor mounting flange in a housing made of aluminum, zinc alloy, or magnesium alloy (aluminum die casting), stator assembly (ASSY), rotor assembly (ASSY), motor A brushless motor that achieves weight reduction and downsizing of the motor, is easy to assemble, and has good axial accuracy by sequentially incorporating (press-fitting or shrink fitting) the motor internal parts of the cover from one direction. By making the motor housing die-cast aluminum (or other casting material (zinc alloy or magnesium alloy) is also possible), the motor mounting flange on the power transmission mechanism side end of the reduction gear (gearbox) and the other end side The motor housing structure is integrated with the ECU mounting flange. Such a flange-integrated structure exhibits the effects of reducing the weight and size, improving the assemblability, and improving the shaft accuracy compared to the flange and yoke structure of the conventional motor structure.
また、Fe系で成るステータアセンブリ等のモータ内部部品をアルミニウム製若しくは亜鉛合金、マグネシウム合金製のモータハウジングに圧入又は焼き嵌めするが、材料の線膨張率の差異に基づいて、モータ部品組込み時及び組立後に製品の環境条件(仕様)で影響が発生する。そのため、モータハウジングの内側にFe系で成る円筒状のリングをインサート鋳造して線膨張率の補償を行う。また、リングに孔、切欠き、溝等を設けて回り止めを図ると共に、軸方向への抜けをも防止する。 In addition, internal parts of the motor such as an Fe-based stator assembly are press-fitted or shrink-fitted into a motor housing made of aluminum, zinc alloy or magnesium alloy. After assembly, the environmental conditions (specifications) of the product will affect the product. Therefore, the linear expansion coefficient is compensated by insert casting a cylindrical ring made of Fe in the motor housing. In addition, the ring is provided with a hole, a notch, a groove, and the like to prevent rotation, and also prevents slippage in the axial direction.
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。以下ではアルミダイカストについて説明するが、亜鉛合金のダイカスト、マグネシウム合金のダイカストでも同様に適用可能である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The aluminum die casting will be described below, but the same can be applied to a zinc alloy die casting and a magnesium alloy die casting.
図3は、本発明のブラシレスモータ100のモータハウジング110の構造を示しており、ハウジング本体113は円筒状の形状で、底部は、中央部にモータ出力軸が突出する開口を有した平面構造であり、底部はモータ前面カバー(エンドプレート)を兼用している。ハウジング本体113の上端部(図面上)にはECU取付け用フランジ111が外側に突出して設けられており、下端部(図面上)にはモータ取付け用フランジ112が外側に突出して、一体的に設けられている。モータハウジング110は、ECU取付け用フランジ111及びモータ取付け用フランジ112の一体でアルミダイカストにて鋳造されて成型される。
FIG. 3 shows the structure of the
なお、図3では大小2個ずつの対称的な構造のECU取付け用フランジ111と、ECU取付け用フランジ111と交差するように、かつ対称的なモータ取付け用フランジ112とが設けられているが、その数、形状、位置等は適宜変更可能である。モータの取付け、ECUの取付け等を考慮して、任意の位置、角度、方向(縦横)で設けることができる。また、フランジ111及び112は円盤状の形状であっても良い。
In FIG. 3, there are two
このようなモータハウジング110に対して、図4に示すように一方向からモータ内部部品を圧入又は焼き嵌めて組込み、ブラシレスモータ100を組立てる。即ち、先ずステータアセンブリ(ASSY)120をモータハウジング110に挿入して圧入又は焼き嵌め、次に、モータハウジング110に固定されたステータアセンブリ120内にロータアセンブリ(ASSY)130を挿入して圧入又は焼き嵌め、最後にアルミ材料又は板金材料のモータカバー140を装着してネジ141等でステータアセンブリ120に固定する。なお、ステータアセンブリ120及びモータカバー140にはそれぞれ軸受(121,142)が設けられており、ロータアセンブリ130の軸(131,132)を保持して、回転するようになっている。
As shown in FIG. 4, the internal parts of the motor are press-fitted or shrink-fitted into such a
このような組立工程により、図5に断面構造を示すブラシレスモータ100が得られる。モータハウジング110の底面(前面カバー)の開口よりモータ出力軸131が突出している。また、ロータアセンブリ130の軸131及び132は、それぞれ軸受142及び121で保持され回転可能となっている。
By such an assembling process, the
本発明に係るブラシレスモータ100は、図6に示すような形態で、モータ取付け用フランジ112を介して減速部(ギアボックス)に取付けられると共に、ECU取付け用フランジ111を介してECU200がブラシレスモータ100に取付けられる。フランジ111及び112による取付は、ボルトやナット、ネジで行っても良い。
The
図7は、ブラシレスモータ100にECU200を取り付ける様子を正面図及び側面図で示しており、ECU200の底面側(図面上)に設けられた端子台201、202を介してECU取付け用フランジ111と連結し、電気的な接続も一緒に行うようになっている。端子台201、202とECU取付け用フランジ111との連結は、ボルトやナット、ネジ、差し込み式固定部材等で行っても良く、機械的な連結と共に電気的な接続も行う。
FIG. 7 is a front view and a side view showing how the
本発明のモータハウジング110はアルミニウム製であり、ステータアセンブリ120は主にFe系材料で作製されているため、両者の線膨張率が異なる。温度変化によってモータハウジング110とステータアセンブリ120が線膨張率の影響を受け、モータ部品の組込み時には寸法設定上の誤差となり、組立後は両者の間に隙間ができて離間し、モータハウジング110とステータアセンブリ120との間に望ましくない相対的な回動ズレが生じる。
Since the
そのため、本発明では図8に示すように、モータハウジング110の内側にFe系材料で成り、線膨張率がステータアセンブリ120と同一の円筒状リング115をインサート鋳造で設ける。リング115はモータハウジング110と一体成型され、かかるモータハウジング110にステータアセンブリ120を圧入又は焼き嵌めることにより、ステータアセンブリ120とモータハウジング110との間にリング115が介在されることになる。リング115の介在により、モータハウジング110とステータアセンブリ120が線膨張率の差の影響を排除することができる。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 8, a
図9はリングの他の形状を示しており、図9(A)のリング115Aは、リング下端部に矩形状の数個の切欠き116を設けた例である。アルミダイカスト鋳造時に、この切欠き116にもアルミニウムが入って成型されるため、モータハウジング110の回り止めとなる。また、図9(B)は、リング115Bの壁面に丸孔117を数個設けた例であり、回り止めの他に軸方向の抜け防止にもなる。更に図9(C)は、リング115Cの壁面に垂直な溝118を設けた例であり、溝118を傾斜して設ければ、回り止めの他に抜け防止にもなる。
FIG. 9 shows another shape of the ring. The
1 ハンドル
2 コラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)
10 トルクセンサ
12 車速センサ
14 舵角センサ
20 モータ
21 回転センサ
30、200 コントロールユニット(ECU)
40 CAN
100 ブラシレスモータ
110、110A モータハウジング
111 ECU取付け用フランジ
112 モータ取付け用フランジ
115、115A〜115C リング
120 ステータアセンブリ(ASSY)
130 ロータアセンブリ(ASSY)
140 モータカバー
1 Handle 2 Column shaft (steering shaft, handle shaft)
DESCRIPTION OF
40 CAN
100
130 Rotor assembly (ASSY)
140 Motor cover
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A vehicle equipped with the electric power steering device according to claim 8.
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