WO2007088919A1 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Hirotatsu Ikeno
Eiichi Machida
Masayuki Okubo
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Mitsuba Corporation
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    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
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    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa

Definitions

  • the present invention relates to an electric power steering apparatus using an electric motor as a drive source.
  • the present invention relates to a rack assist type electric power steering device in which a rack shaft of a vehicle is passed through a motor central portion.
  • EPS electric power steering device
  • EPS in Patent Document 1 is a rack assist type device.
  • Rack-assisted EPS is given steering assist force by a motor coaxially provided on the rack shaft.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a rack assist type EPS as disclosed in Patent Document 1.
  • EPS 51 of FIG. 6 a motor 53 is provided coaxially with the rack shaft 52.
  • the steering assist force generated by the motor 53 is transmitted to the rack shaft 52 via the ball screw mechanism 54.
  • Steering wheels are connected to both ends of the rack shaft 52 via tie rods, knuckle arms and the like (not shown).
  • the rack shaft 52 is coupled to the steering shaft 55 and the rack 'and' pinion, and operates in the axial direction (left and right in the figure) by the steering operation of the driver.
  • 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.
  • a rack shaft 52 is passed through the rotor shaft 58.
  • 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. By this operation, a steering torque sensor (not shown) is actuated, and electric power is appropriately supplied to the motor 53 based on the 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 movement of the motor 53 into the axial direction of the rotary shaft 52 and applies a steering assist force to the rack shaft 52.
  • the steering wheel is steered by this steering assist force and manual steering force, reducing the driver's handle operation burden.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 10-152058
  • Patent Document 2 JP 2000-78780 A
  • Patent Document 3 JP 2001-218439 A
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-158856
  • rack-assisted EPS as shown in Fig. 6 tends to interfere with the engine layout, so that there are many cases where severe restrictions are imposed on its physique (especially its external dimensions).
  • EPS for small passenger cars generally has poor merchandise if the outer diameter exceeds 100 mm.
  • rack-assisted EPS motors must be configured with an outer diameter of 100 mm or less, and optimal specifications that satisfy the required performance must be established.
  • the rack shaft that penetrates the inside of the motor itself has an outer diameter of about 20 to 30 mm. Therefore, the inner diameter of the rotor shaft through which the rack shaft passes is also required to be about 20 to 40 mm.
  • EPS motors are required to have low friction (rotational resistance when no power is supplied), low torque ripple, and low cost.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship between the stator core shape and the motor torque. As shown in Fig. 7, if the stator core is small, the phenomenon of torque sagging (decrease in torque increase rate) occurs at high loads such as stationary due to the effect of magnetic flux saturation in the stator core. Therefore, if a design with sufficient dimensional allowance is required to secure torque, the product will become uncompetitive due to its large size or small space. For this reason, EPS motors have been a major problem in reducing the size and performance of EPS, which makes it difficult to achieve both torque and size reduction.
  • An object of the present invention is to optimally reduce the size of an electric power steering apparatus that achieves both torque securing and downsizing of an EPS motor and does not impair performance and assemblability.
  • An electric power steering apparatus is an electric power steering apparatus including a rotor having a permanent magnet and a stator disposed on an outer peripheral side of the rotor, wherein the stator has a ring shape. And a stator core provided with a tooth portion projecting inwardly from the yoke portion.
  • the stator core has a ratio of magnetoresistance values of the yoke portion and the tooth portion of 1: It is formed to be 1.4 to 1.8.
  • the stator core of the EPS motor is the top in the limited space by setting the ratio of the magnetoresistive value of the yoke portion and the teeth portion of the stator core to 1: 1.4 to 1.8. It can be set to be less likely to cause ruggedness (decrease in torque increase rate). As a result, it is possible to construct a small and high-performance EPS motor with excellent layout characteristics and high force linearity, and it is possible to reduce the size and performance of EPS.
  • the stator core is set to an optimal shape and wasteful parts can be eliminated, reducing the cost and weight of EPS motors. The product quality of EPS will be improved.
  • the ratio of the magnetoresistive value between the yoke and teeth can be designed in a predetermined form, reducing the EPS design man-hours.
  • Another electric power steering apparatus of the present invention is an electric power steering apparatus including a rotor having a permanent magnet and a stator disposed on an outer peripheral side of the aperture, wherein the stator Has a stator core having a ring-shaped yoke portion and a tooth portion protruding inwardly from the yoke portion, and the stator core has a radial width Wy of the yoke portion and the teeth. Width dimension Wt in the circumferential direction of the portion Wy: Wt is formed in a range of 1: 1.4 to 1.8.
  • the ratio of Wy and Wt is set to l: 1.4 to 1.8, and the stator core of the EPS motor is set so that torque sag is hardly generated in a limited space. It can be.
  • the stator core is set to the optimum shape and wasteful parts can be eliminated, the cost and weight of the EPS motor can be reduced, and the product quality of EPS is improved.
  • the Wy and Wt ratios can be designed in a predetermined manner, so the EPS man-hours can be reduced.
  • the motor is coaxially disposed around a rack shaft coupled to a steering wheel, and a steering assist force is supplied to the rack shaft by the motor. Also good.
  • the stator in the electric power steering device including the rotor provided with the permanent magnet and the stator disposed on the outer peripheral side of the rotor, the stator has a ring shape. And a stator core having a teeth portion projecting inwardly from the yoke portion, and the ratio of the magnetoresistance values of the stator core yoke portion and the teeth portion is 1: 1.4 to 1.8.
  • the EPS motor which has strict requirements for its physique, the stator core can be set to the least likely to cause torque sag under the severe restrictions. Therefore, according to the present invention, the layout is excellent and the torque linearity is high. EPS that uses small high-performance motors can be provided, making it possible to improve the size and performance of EPS.
  • stator core can be set to an optimum shape, useless portions of the stator core can be eliminated, and the cost and weight of the EPS motor can be reduced. For this reason, it is possible to reduce the cost and weight of EPS, and to improve the merchandise of EPS.
  • the ratio of the magnetoresistive value between the yoke and teeth can be determined in advance, so that the best motor design guidelines can be obtained for EPS High-power and low-cost EPS motors can be configured more easily than before, and the design effort for EPS can be reduced. Accordingly, the product development cost is reduced accordingly, and the product cost can be reduced.
  • an electric power steering apparatus including a rotor having a permanent magnet and a stator disposed on the outer peripheral side of the rotor, A stator core having a toothed portion that protrudes inward from the yoke portion, and a radial width Wy of the stator core yoke portion and a circumferential width Wt of the tooth portion Wt
  • the ratio Wy: Wt was set to 1: 1.4 to 1.8, so the EPS core, which has strict requirements on the physique, can be set to make the stator core less susceptible to torque sagging, despite the severe restrictions. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide EPS using a small high-performance motor that has excellent layout characteristics, high force linearity, and high torque linearity. Become.
  • stator core can be set to an optimal shape, useless portions of the stator core can be eliminated, and the cost and weight of the EPS motor can be reduced. For this reason, it is possible to reduce the cost and weight of EPS, and to improve the merchandise of EPS.
  • the ratio of the magnetoresistive value between the yoke and teeth can be determined in advance, so that the best motor design guidelines can be obtained for EPS High-power and low-cost EPS motors can be configured more easily than before, and the design effort for EPS can be reduced. Accordingly, the product development cost is reduced accordingly, and the product cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an electric power steering apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a configuration of a motor used in the electric power steering device of FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a stator core in the motor of FIG. 2.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a stator core in the motor of FIG. 2.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the flow of magnetic flux in the stator core.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between effective magnetic flux and torque when the tooth width is changed.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a rack assist type EPS.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship between the stator core shape and the motor torque.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the structure of an EPS motor used in the electric power steering apparatus shown in FIG. 1.
  • the electric power steering device (EPS) 10 in FIG. 1 has a rack assist type configuration similar to that in FIG. 6, and uses the motor 1 as a power source.
  • EPS10 a brushless motor is used as the motor 1 to reduce the size and performance of EPS.
  • the rack shaft 2 passes through coaxially with the motor 1.
  • 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.
  • Steering wheels are connected to both ends of the rack shaft 2 via tie rods, knuckle arms or the like (not shown).
  • the rack shaft 2 is also coupled to the steering shaft 4 and a rack 'and' pinion, and operates in the axial direction (left and right in the figure) by the driver's turning operation.
  • EPS10 similarly to EPS51 in FIG. 6, when the steering shaft is rotated by operating the handle, the rack shaft 2 is moved in a direction corresponding to the rotation.
  • a steering torque sensor (not shown) is activated by the operation of the steering shaft 4, electric power is appropriately supplied to the motor 1 based on this detected torque.
  • the motor 1 When the motor 1 is operated, the rotation is transmitted to the rack shaft 2 through the ball screw mechanism 3.
  • the rotational force of the motor 1 is converted into the axial movement of the rack shaft 2, and a steering assist force is applied to the rack shaft 2.
  • the steering wheel is steered by the steering assist force and the manual steering force.
  • the motor 1 is an inner rotor type brushless motor having a stator 11 on the outside and a rotor 21 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 periphery is limited to 100 mm or less.
  • the stator core 13 has a structure in which many steel plates are laminated. A plurality of teeth protrude from the inner periphery of the stator core 13! /
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of the stator core 13.
  • the stator core 13 is formed of a ring-shaped yoke portion 16 and teeth 17 that protrude from the yoke portion 16 in an inward direction.
  • motor 1 nine teeth 17 are provided. Between each tooth 17, slots 18 (9 pieces) are formed, and the motor 1 has a 9-slot configuration.
  • Each tooth 17 is equipped with a shoreline 14 in a concentrated manner.
  • the shoreline 14 is housed in each slot 18 It is.
  • the feeder 14 is connected to a notch (not shown) via a power supply wiring 15.
  • the rotor 21 is arranged inside the stator 11.
  • the rotor 21 has a configuration in which a cylindrical rotor shaft 22, a rotor core 23, a magnet 24, and a magnet cover 25 are coaxially arranged.
  • 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, and the motor 1 has a 6-pole 9-slot configuration.
  • 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. With this magnet canopy 25, even if the magnet 24 is damaged, the motor 1 is not locked by the broken pieces.
  • a housing 31 made of aluminum die casting is attached to the right end side of the housing 12 in the drawing.
  • 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, based on the rotation position of the port 21, the current to the winding 14 is appropriately switched, and the rotor 21 rotates. It is driven by rolling.
  • 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 rotatably supported by the nut portion 42 while being able to reciprocate in the left-right direction, 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 47 formed inside the housing 41. ing. Further, the axial movement of 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.
  • EPS10 when the steering handle is operated and the steering shaft 4 is rotated, the rack shaft 2 is moved in a direction corresponding to the rotation, and a steering operation is performed.
  • a steering torque sensor (not shown) is activated, and 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 When electric power is supplied to the winding 14, the motor 1 operates and the rotor shaft 22 rotates.
  • the nut portion 42 coupled thereto 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.
  • the magnetic resistance is yoked
  • the magnetic resistance values of the portion 16 and the teeth 17 are proportional to their widths. Therefore, in this embodiment, taking the case where both have the same magnetoresistance value as an example, the dimension ratio of the width of the yoke portion 16 and the tooth 17 will be described below instead of the magnetoresistance ratio.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing the flow of such a magnetic flux, and shows a part of the stator core 13 in an enlarged manner.
  • the magnetic flux that has entered the teeth 17 stops at the yoke portion 16, diverges left and right, and flows into the yoke portion 16. If this magnetic flux flow is obstructed, the output of the motor 1 naturally decreases. That is, when magnetic flux saturation occurs in both the teeth 17 and the yoke portion 16, torque sagging occurs at high load as shown in FIG. For this reason, in order to secure the maximum output torque, it is necessary to prevent magnetic saturation from occurring in both the yoke portion 16 and the teeth 17. Therefore, it is necessary to design the width Wy of the yoke part 16 and the width Wt of the teeth 17 to optimum values in a limited space (outer diameter) that ensures the minimum width necessary for passing the magnetic flux without waste. There is.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the effective magnetic flux and the torque, and shows the difference in motor torque when Wy is 10 mm and Wt is appropriately changed under the conditions.
  • the effective magnetic flux referred to here is an effective magnetic flux for generating motor torque.
  • the stator core 13 can be set to have the least torque sag in the limited space. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide EPS using a small high-performance motor that has excellent layout characteristics and high torque linearity. Further, in the EPS according to the present invention, the stator core 13 of the motor 1 is set to an optimum shape, and wasteful meat can be dropped (a wasteful portion is eliminated), so that the cost and weight of the motor 1 can be reduced. Therefore, the cost and weight of EPS10 can be reduced, making it possible to improve the product quality of EPS and ultimately contributing to fuel saving.
  • the shape of the stator core is one of the items that should be paid most attention because it has a great influence on the motor performance.
  • the motor 1 can be designed with the ratio of Wy and Wt determined to some extent in advance, the specifications of each part of the motor may be determined in accordance with the above ratio when designing the structure.
  • an optimal motor design guideline for EPS can be obtained, and a small, high-output and low-cost EPS motor can be easily configured as compared with the conventional one. This makes it possible to optimally design EPS motors and reduce design man-hours related to EPS motors. This reduces product development costs and reduces EPS product costs.
  • the present invention can be applied to a force column assist type EPS in which the present invention is applied to a rack assist type EPS.
  • the optimum design is basically possible by setting the ratio of the magnetoresistance of the yoke part 16 and the tooth 17 to the above value. Therefore, when the yoke portion 16 and the teeth 17 of the stator core 13 have a magnetic resistance value, the width dimension is set so that the magnetoresistance ratio becomes the above value according to the magnetic resistance value of each portion.
  • the yoke portion 16 and the teeth 17 There are cases where the magnetic resistance value is different.
  • a silicon steel sheet has a large amount of silicon and a large magnetic resistance value, and a grain-oriented electrical steel sheet has a small magnetic resistance value in the rolling direction. Therefore, in such a case, the width dimension is determined in consideration of the magnetic resistance value of each part.
  • non-oriented electrical steel sheets are generally used for the motor stator core. In this case, the magnetoresistance values of the yoke portion 16 and the teeth 17 are equal as in the above example. Therefore, the ratio of both widths should be set to the above value.
  • the configuration of the number of power poles and the number of slots in which the motor 1 has a 6-pole 9-slot configuration is not limited to this.
  • By setting the magnetic resistance value of the teeth 17 to the above value it is possible to perform an optimal design that suppresses torque sagging.
  • the present invention can be applied not only to a motor having a power supply voltage of 12V, but also to a EPS using a motor of 42V.

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Abstract

　ラックアシスト式の電動パワーステアリング装置１０は、駆動源としてモータ１を使用する。モータ１のステータ１１は、リング状の継鉄部１６と、継鉄部１６から内側方向に突出形成されたティース１７を備えるステータコア１３を有する。ステータコア１３は、継鉄部１６の径方向の幅寸法Ｗｙと、ティース１７の周方向の幅寸法Ｗｔの比Ｗｙ：Ｗｔが１：１.４～１.８に形成されている。ステータコア１３の継鉄部１６とティース１７をこの値に設定することにより、限られたスペースの中で、ステータコア１３を最もトルクダレが生じにくい設定にできる。

Description

明 細 書
電動パワーステアリング装置
技術分野
[0001] 本発明は、電動モータを駆動源として使用した電動パワーステアリング装置に関し
、特に、モータ中央部に車両のラック軸が揷通されるラックアシスト式の電動パワース テアリング装置に関する。
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、適宜 EPSと略記する）は一般にラック 'アンド'ピユ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 ァ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る。ラックアシスト式の EPSは、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 6は 、特許文献 1のようなラックアシスト式の EPSの構成を示す断面図である。図 6の EPS 51では、ラック軸 52と同軸的にモータ 53が設けられている。モータ 53が発生する操 舵補助力は、ボールねじ機構 54を介してラック軸 52に伝達される。ラック軸 52の両 端には、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てい る。ラック軸 52は、ステアリング軸 55とラック 'アンド'ピユオン結合され、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 せた構成となっている。ロータシャフト 58内には、ラック軸 52が揷通されている。
[0004] EPS51では、ハンドルが操作されてステアリング軸 55が回転すると、この回転に応 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し、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の回転カ^ツ 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 2000-78780号公報
特許文献 3：特開 2001-218439号公報
特許文献 4：特開 2003-158856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 6のようなラックアシスト式の EPSは、エンジンレイアウトと干渉しやすいた め、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い。このた め、ラックアシスト式 EPS用のモータは、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程度の外径がある。従って、ラック軸が揷通さ れるロータシャフトの内径も 20〜40mm程度は必要となる。つまり、ラックアシスト式 E PS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なければならない。 また、 EPS用モータは、その上で、低フリクション (無通電時の回転抵抗）、低トルクリ ップル、低コストであることが求められる。
[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、ステータゃロータの構成、マグネット、卷線等、種々のパラメータが 存在する。また、それらのパラメータは、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い。例えば、これらの要素のうち、ステータとロータ から構成される磁気回路部に着目すると、磁束飽和の観点から、体格 (ステータ寸法 )とトルク確保の点で二律背反の関係が存在する。
[0007] すなわち、ステータはモータ内にて磁路として使用されるため、その寸法が小さいと 磁気抵抗が増大し、磁束飽和が発生し易くなる。このため、ステータコアが小さいモ ータでは、コア内にて磁束飽和が発生し、高負荷時（トルク大）に出力トルクが低下す る。図 7は、ステータコア形状とモータトルクとの関係を示す説明図である。図 7に示 すように、ステータコアが小さいと、ステータコア内の磁束飽和の影響により、据え切り などの高負荷時にトルクがダレる（トルク増加率が低下する）という現象が発生する。 そこで、トルク確保のため、磁気飽和を恐れて寸法的に余裕のある設計とすると、体 格が大きくなつたり、卷線スペースが小さくなつたりし、競争力のない製品になってし まう。このため、 EPS用モータでは、トルク確保と小型化を両立させることが難しぐ E PSの小型高性能化を図る上で大きな問題となっていた。
[0008] 本発明の目的は、 EPS用モータのトルク確保と小型化を両立させ、性能や組付性 を悪ィ匕させることなぐ電動パワーステアリング装置を最適に小型化することにある。 課題を解決するための手段
[0009] 本発明の電動パワーステアリング装置は、永久磁石を備えたロータと、前記ロータ の外周側に配置されたステータとを有してなる電動パワーステアリング装置であって 、前記ステータは、リング状の継鉄部と、前記継鉄部から内側方向に突出形成された ティース部を備えるステータコアを有し、前記ステータコアは、前記継鉄部と前記ティ ース部の磁気抵抗値の比が 1： 1.4〜1.8に形成されてなることを特徴とする。
[0010] 本発明にあっては、ステータコアの継鉄部とティース部の磁気抵抗値比を 1： 1.4〜 1.8とすることにより、限られたスペースの中で、 EPS用モータのステータコアを最もト ルクダレ（トルク増加率の低下）が生じにくい設定とすることができる。これにより、レイ アウト性に優れ、し力も、トルクリニアリティの高い、小型で高性能な EPS用モータを 構成でき、 EPSの小型高性能化が図られる。また、ステータコアが最適形状に設定さ れ、無駄な部分を無くすことができるため、 EPS用モータのコスト削減や重量低減が 図られ、 EPSの商品性も向上する。さらに、モータ設計に際し、継鉄部とティース部の 磁気抵抗値比を、予めある程度決めた形で設計を行うことができるため、 EPSの設計 工数も削減できる。
[0011] 本発明の他の電動パワーステアリング装置は、永久磁石を備えたロータと、前記口 ータの外周側に配置されたステータとを有してなる電動パワーステアリング装置であ つて、前記ステータは、リング状の継鉄部と、前記継鉄部から内側方向に突出形成さ れたティース部を備えるステータコアを有し、前記ステータコアは、前記継鉄部の径 方向の幅寸法 Wyと前記ティース部の周方向の幅寸法 Wtの比 Wy： Wtが 1： 1.4〜1. 8に形成されてなることを特徴とする。
[0012] 本発明にぁっては、Wy,Wtの比をl : 1.4〜1.8とすることにょり、限られたスペース の中で、 EPS用モータのステータコアを最もトルクダレが生じにく 、設定とすることが できる。これにより、レイアウト性に優れ、し力も、トルクリニアリティの高い、小型で高 性能な EPS用モータを構成でき、 EPSの小型高性能化が図られる。また、ステータコ ァが最適形状に設定され、無駄な部分を無くすことができるため、 EPS用モータのコ スト削減や重量低減が図られ、 EPSの商品性も向上する。さらに、モータ設計に際し 、 Wy,Wtの比を予めある程度決めた形で設計を行うことができるため、 EPSの設計 工数も削減できる。
[0013] 前記電動パワーステアリング装置において、前記モータを操向車輪に連結されたラ ック軸の周囲に同軸的に配置し、前記モータにより前記ラック軸に対し操舵補助力を 供給するようにしても良い。
発明の効果
[0014] 本発明の電動パワーステアリング装置によれば、永久磁石を備えたロータと、ロータ の外周側に配置されたステータとを有してなる電動パワーステアリング装置にて、ス テータに、リング状の継鉄部と、継鉄部から内側方向に突出形成されたティース部を 備えるステータコアを設けると共に、ステータコアの継鉄部とティース部の磁気抵抗値 の比を 1 : 1.4〜1.8に形成したので、体格に対する要求の厳しい EPS用モータにて、 その厳しい制限の中、ステータコアを最もトルクダレが生じにくい設定とすることがで きる。従って、本発明によれば、レイアウト性に優れ、しかも、トルクリニアリティの高い 、小型高性能なモータを用いた EPSを提供することができ、 EPSの小型高性能化を 図ることが可能となる。
[0015] また、ステータコアを最適形状に設定することができるため、ステータコアの無駄な 部位をなくすことができ、 EPS用モータのコスト削減や重量低減が図られる。このため 、 EPSのコストや重量も削減することができ、 EPSの商品性を向上させることが可能と なる。さら〖こ、モータ設計に際し、継鉄部とティース部の磁気抵抗値比を予めある程 度決めた形で設計を行うことができるため、 EPSに最適なモータ設計指針を得ること ができ、小型高出力で低コストな EPS用モータを従来比して容易に構成することがで き、 EPSの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 品コストを低減させることが可能となる。
[0016] 本発明の他の電動パワーステアリング装置によれば、永久磁石を備えたロータと、 ロータの外周側に配置されたステータとを有してなる電動パワーステアリング装置に て、ステータに、リング状の継鉄部と、継鉄部から内側方向に突出形成されたティー ス部を備えるステータコアを設けると共に、ステータコアの継鉄部の径方向の幅寸法 Wyとティース部の周方向の幅寸法 Wtの比 Wy： Wtを 1： 1.4〜1.8に形成したので、 体格に対する要求の厳しい EPS用モータにて、その厳しい制限の中、ステータコア を最もトルクダレが生じにくい設定とすることができる。従って、本発明によれば、レイ アウト性に優れ、し力も、トルクリニアリティの高い、小型高性能なモータを用いた EPS を提供することができ、 EPSの小型高性能化を図ることが可能となる。
[0017] また、ステータコアを最適形状に設定することができるため、ステータコアの無駄な 部位をなくすことができ、 EPS用モータのコスト削減や重量低減が図られる。このため 、 EPSのコストや重量も削減することができ、 EPSの商品性を向上させることが可能と なる。さら〖こ、モータ設計に際し、継鉄部とティース部の磁気抵抗値比を予めある程 度決めた形で設計を行うことができるため、 EPSに最適なモータ設計指針を得ること ができ、小型高出力で低コストな EPS用モータを従来比して容易に構成することがで き、 EPSの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 品コストを低減させることが可能となる。
図面の簡単な説明 [0018] [図 1]本発明の一実施例である電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図で ある。
[図 2]図 1の電動パワーステアリング装置に用いられているモータの構成を示す拡大 断面図である。
[図 3]図 2のモータにおけるステータコアの構成を示す説明図である。
[図 4]ステータコアにおける磁束の流れを示す説明図である。
[図 5]ティース幅を変化させたときの有効磁束とトルクとの関係を示す説明図である。
[図 6]ラックアシスト式の EPSの構成を示す断面図である。
[図 7]ステータコア形状とモータトルクとの関係を示す説明図である。
符号の説明
[0019] 1 モータ
2 ラック軸
3 ボールねじ機構
4 ステアリング軸
10 電動パワーステアリング装置
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
16 継鉄部
17 ティース
18 スロット
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 レゾルノ
34 レゾルバステータ
35 レゾ/レノ ロータ
36 コイル
41 ハウジング
42 ナット部
43 スクリュー部
44 ボーノレ
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
Wt ティース幅
Wy 継鉄部幅
発明を実施するための最良の形態
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、本発明の一実 施例である電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図、図 2は図 1の電動パヮ 一ステアリング装置にて用いられて 、る EPS用モータの構成を示す拡大断面図であ る。図 1の電動パワーステアリング装置（EPS) 10は、図 6と同様のラックアシスト式の 構成となっており、モータ 1を動力源として使用している。但し、 EPS10では、モータ 1として、 EPSの小型高性能化のためブラシレスモータが使用されている。
[0021] モータ 1の内部には、モータ 1と同軸状にラック軸 2が貫通している。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。ラック軸 2の 両端には、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。 ラック軸 2はまた、ステアリング軸 4とラック 'アンド'ピユオン結合され、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。
[0022] EPS10においても、図 6の EPS51と同様に、ハンドルが操作されてステアリング軸 4が回転すると、この回転に応じた方向にラック軸 2が移動する。ステアリング軸 4の動 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 1に適宜電力が供給される。モータ 1が作動すると、その回転はボールねじ 機構 3を介してラック軸 2に伝達される。これにより、モータ 1の回転力ラック軸 2の軸 方向の運動に変換され、ラック軸 2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る。
[0023] 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ブラ シレスモータとなっている。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 た構成となっている。ハウジング 12は鉄等にて形成され、その外周は 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いる。ステータ コア 13の内周側には、複数個のティースが突設されて！/、る。
[0024] 図 3は、ステータコア 13の構成を示す説明図である。ステータコア 13は、リング状の 継鉄部 16と、継鉄部 16から内側方向へ突出形成されたティース 17とから形成されて いる。モータ 1では、ティース 17は 9個設けられている。各ティース 17の間には、スロ ット 18 (9個）が形成されており、モータ 1は、 9スロット構成となっている。各ティース 1 7には、卷線 14が集中卷にて卷装されている。卷線 14は、各スロット 18内に収容さ れている。卷線 14は、給電配線 15を介して、ノ ッテリ（図示せず）と接続されている。
[0025] ロータ 21は、ステータ 11の内側に配置されている。ロータ 21は、円筒状のロータシ ャフト 22と、ロータコア 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 成となっている。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が固定されており、モータ 1は、 6極 9スロット構成となって いる。
[0026] 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が外装されている。このマグネット カノく一 25により、万が一マグネット 24が破損しても、その破片によってモータ 1がロッ クしないようになっている。
[0027] 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が配置される。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。
[0028] 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。
[0029] 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、ナット部 42によって、左右方向に往復動可能な状態で回転自在に支持され、 ナット部 42の回転に伴って左右方向に移動する。
[0030] 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によって回転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、アンギュラーベアリング 45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ている。
[0031] EPS10では、操向ハンドルが操作されてステアリング軸 4が回転すると、この回転 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し、その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
[0032] ところで、 EPS用モータでは、前述のようにトルク確保とモータ小型化との両立が難 しい。この点に関し、発明者らが実験を繰り返した結果、ステータコア 13の継鉄部 16 とティース 17の磁気抵抗比と、出力トルクとの間には一定の関係があり、両者間の磁 気抵抗比を所定範囲内に設定することにより、出力トルクを極大化できることが分か つた。これにより、体格制限の中で、出力トルクを極大化し得るステータコア 13が得ら れ、トルク確保とモータ小型化の両立が最大限可能となる。なお、磁気抵抗は、継鉄 部 16とティース 17の磁気抵抗値が同じ場合それらの幅に比例する。このため、本実 施例では、両者が同磁気抵抗値である場合を例にとって、以下、磁気抵抗比に代え て、継鉄部 16とティース 17の幅の寸法比について述べる。
[0033] ここで、ステータコア 13内における磁束の流れを考える。図 4は、このような磁束の 流れを示す説明図であり、ステータコア 13の一部分を拡大して示したものである。図 4に示すように、ティース 17に入ってきた磁束は継鉄部 16で行き止まり、左右に別れ 継鉄部 16に流れ込んで行く。この磁束の流れを妨げると、当然にモータ 1の出力が 低下する。すなわち、ティース 17と継鉄部 16のどちら部位でも、磁束飽和が発生す ると、図 7に示すように高負荷時にトルクダレが発生する。このため、出力トルクを最大 限確保するには、継鉄部 16とティース 17の何れにも磁気飽和が生じないようにする 必要がある。従って、磁束を通すために必要な最低幅を無駄なく確保すベぐ限られ たスペース（外径）の中で、継鉄部 16の幅 Wyとティース 17の幅 Wtを最適値に設計 する必要がある。
[0034] 図 5は、有効磁束とトルクとの関係を示す説明図であり、 Wyを 10mmとし、その条件 にて Wt適宜を変化させた場合におけるモータトルクの違いを示している。なお、ここ で言う有効磁束とは、モータトルクを発生させるために有効な磁束を言う。図 5では横 軸に有効磁束を配した力 これは、トルクは、卷線電流のみならず、ロータマグネット の磁束にも依存しており、横軸を電流値とすると、モータ個々の仕様により特性が異 なるため、正確を期して横軸を有効磁束とした。
[0035] 図 5に示すように、発明者らの実験では、継鉄部 16とティース 17の幅 Wy,Wtの比 を 1 : 1.4〜1.8とするとトルクダレが起きにくかった。これに対し、両者の比が 1 : 1.1 ( Wt= l 1mm)や 1： 2.0 (Wt= 20mm)の場合には、有効磁束力〇.0045Wb付近からト ルクが横ばい又は低下した。これは、 Wt= 11mmの場合には、継鉄部 16には余裕 があるが、ティース 17にて磁気飽和が生じ、トルクダレが生じたためと思われる。また 、 Wt = 20mmの場合には、ティース 17には余裕がある力 継鉄部 16にて磁気飽和 が生じ、トルクダレが生じたためと思われる。なお、トルクダレに関しては、 Wt= 18m mの場合が最も良好であるが、ティース 17の幅が大きい分、スロット 18における卷線 面積も減少する。このため、トータルバランス的には、トルク的には Wt= 18mmの場 合と大差な 、Wt = 15mm (Wy： Wt = 1： 1.5)が最適である。
[0036] このように、 Wy,Wtの比をl : 1.4〜1.8とすると、限られたスペースの中で、ステータ コア 13を最もトルクダレが生じにくい設定とすることができる。従って、本発明によれ ば、レイアウト性に優れ、し力も、トルクリニアリティの高い、小型高性能なモータを用 いた EPSを提供することが可能となる。また、本発明による EPSでは、モータ 1のステ ータコア 13が最適形状に設定され、無駄な肉を落とす (無駄な部分を無くす)ことが できるため、モータ 1のコスト削減や重量低減が図られる。従って、 EPS10のコストや 重量も削減でき、 EPSの商品性向上が可能となると共に、最終的には省燃費にも寄 与できる。
[0037] さらに、ブラシレスモータを設計するに際し、ステータコアの形状は、モータ性能に 対する影響が大きいため、最も注意を払うべき項目の一つである。その点、モータ 1 では、 Wy,Wtの比を予めある程度決めた形で設計に臨めるため、構造設計に際して は、モータ各部の仕様を前記の比に合わせて決定すれば良い。つまり、本発明によ り、 EPSに最適なモータ設計指針が得られ、小型高出力で低コストな EPS用モータ を、従来に比して容易に構成することができる。従って、 EPS用モータの最適設計が 可能となり、 EPS用モータに関する設計工数の削減が図られる。このため、製品開発 費用が削減され、 EPSの製品コストも低減できる。
[0038] 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、前述の実施例では、ラックアシスト式の EPSに本発明を適用した例を示し た力 コラムアシスト式の EPSにも本発明は適用可能である。また、前述の実施例で は、継鉄部 16とティース 17の磁気抵抗値が同じ場合を例にとって、両者の幅の比を 前記の値 (Wy： Wt = 1： 1.4〜 1.8)とする旨述べたが、基本的には、継鉄部 16とティ ース 17の磁気抵抗の比を前記の値とすることにより、最適設計が可能である。従って 、ステータコア 13の継鉄部 16とティース 17が磁気抵抗値の場合には、各部の磁気 抵抗値に応じて、磁気抵抗比が前記の値となるように幅寸法を設定する。
[0039] さらに、同素材の場合でも、例えば、珪素鋼板中の珪素 (Si)含有量を部位によって 変えた場合や、方向性電磁鋼板を使用した場合などでは、継鉄部 16とティース 17の 磁気抵抗値が異なるケースがある。珪素鋼板では珪素量が多 ヽと磁気抵抗値が大き くなり、方向性電磁鋼板では圧延方向の磁気抵抗値力 、さくなる。従って、そのよう な場合には、各部の磁気抵抗値を考慮して幅寸法を決定する。なお、モータのステ ータコアには、一般に無方向性の電磁鋼板が使用されることが多ぐその場合には、 前述の例のように、継鉄部 16とティース 17の磁気抵抗値が等しくなるため、両者の 幅の比を前記の値に設定すれば良 、。
一方、前述の実施例では、モータ 1を 6極 9スロット構成とした力 極数やスロット数 の構成はこれには限定されず、 2極 3スロットの整数倍の構成では、継鉄部 16とティ ース 17の磁気抵抗値を前記の値とすることにより、トルクダレを抑えた最適設計が可 能である。また、本発明は、電源電圧が 12Vのモータのみならず、 42Vのモータを用 V、た EPSにも適用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 永久磁石を備えたロータと、前記ロータの外周側に配置されたステータとを有して なるモータを備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記ステータは、リング状の継鉄部と、前記継鉄部から内側方向に突出形成された ティース咅を備えるステータコアを有し、
前記ステータコアは、前記継鉄部と前記ティース部の磁気抵抗値の比が 1： 1.4-1 .8に形成されてなることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
[2] 永久磁石を備えたロータと、前記ロータの外周側に配置されたステータとを有して なるモータを備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記ステータは、リング状の継鉄部と、前記継鉄部から内側方向に突出形成された ティース咅を備えるステータコアを有し、
前記ステータコアは、前記継鉄部の径方向の幅寸法 Wyと前記ティース部の周方 向の幅寸法 Wtの比 Wy:Wtが 1： 1.4〜 1.8に形成されてなることを特徴とする電動パ ワーステアリング装置。
[3] 請求項 1又は 2記載の電動パワーステアリング装置において、前記モータは、操向 車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配置され、前記ラック軸に対し操舵補 助力を供給することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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