(57)【要約】【課題】厳しい体格制限を満たしつつ、所望の性能を発揮し得るＥＰＳ用モータを提供する。【解決手段】操向車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配設され、ラック軸に対し操舵補助力を供給するラックアシスト式の電動パワーステアリング装置用モータにて、モータを６極９スロット構成とし、巻線のターン数と線径の比（ターン数／巻線線径）を１５〜２５とする。これにより、体格、出力、発熱、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たしたＥＰＳ用モータを得ることができる。また、ターン数・巻線線径比について、ＥＰＳ仕様に適した数値が設定されるので、それに合わせてモータ各部の仕様を決定することができ、設計の最適化や設計工数削減が図られる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
操向車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配設され、前記ラック軸に対し操舵補助力を供給する電動パワーステアリング装置用のモータであって、
前記モータにおける巻線のターン数と線径の比（ターン数／巻線線径）が１５〜２５であることを特徴とする電動パワーステアリング装置用モータ。
【請求項２】
請求項１記載の電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記巻線のターン数と線径の比が１８〜２２であることを特徴とする電動パワーステアリング装置用モータ。
【請求項３】
請求項１記載の電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記モータは、６極９スロットのブラシレスモータであることを特徴とする電動パワーステアリング装置用モータ。
【請求項４】
請求項１記載の電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記モータは、
ハウジングと、前記ハウジングの内周側に固定されたステータコアと、前記ステータコアに巻装された巻線とを備えるステータと、
ステアリング装置のラック軸が挿通される円筒状のロータシャフトと、前記ロータシャフトの外周に外装された円筒形状のロータコアと、前記ロータコアの外周に取り付けられたマグネットと、前記マグネットの外側に外装されたマグネットカバーとを備えるロータとを有することを特徴とする電動パワーステアリング装置用モータ。
【請求項５】
請求項４記載の電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記モータは、前記ハウジングの外径が８５mm以上１００mm以下であることを特徴とする電動パワーステアリング装置用モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用されるモータに関し、特に、モータ中央部に車両のラック軸が挿通されるラックアシスト式の電動パワーステアリング装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の操舵力補助のため、近年多くの車両にいわゆるパワーステアリング装置が装備されている。このようなパワーステアリング装置としては、近年、エンジン負荷軽減や重量低減等の観点から、電気式の動力操舵装置（いわゆる電動パワーステアリング装置）を搭載した車両が増大している。この電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳと略記する）は一般にラック・アンド・ピニオン式の操舵装置に適用され、モータの配置場所によって、大きく３つのタイプに分類される。すなわち、モータ位置が運転者に近い側から、ステアリング軸上にモータを配したコラムアシスト式、ステアリング軸とラック軸の接続部にモータを配したピニオンアシスト式、ラック軸と同軸状にモータを配したラックアシスト式の３種類が知られている。【０００３】
特許文献１のＥＰＳは、そのうちのラックアシスト式の装置であり、ラック軸に同軸的に設けたモータによって操舵補助力が付与される。図３は、特許文献１のようなラックアシスト式のＥＰＳの構成を示す断面図である。図３のＥＰＳ５１は、ラック軸５２と同軸的に設けたモータ５３が発生する操舵補助力を、ボールねじ機構５４を介してラック軸５２に伝達する。ラック軸５２は、両端に図示しないタイロッドやナックルアーム等を介して操向車輪が連結されると共に、ステアリング軸５５とラック・アンド・ピニオン結合されており、運転者の転舵操作により軸方向（図中左右方向）に作動する。モータ５３は、円筒状のヨーク５６内に、マグネット５７、円筒状のロータシャフト５８及びロータコア５９を同軸的に挿入させた構成となっており、ロータシャフト５８内にはラック軸５２が挿通される。【０００４】
ＥＰＳ５１では、ハンドルが操作されてステアリング軸５５が回動すると、この回動に応じた方向にラック軸５２が移動して転舵操作がなされる。この操作により、図示しないステアリングトルクセンサが作動すると、この検出トルクに基づいてモータ５３に適宜電力が供給される。モータ５３が作動すると、その回転はボールねじ機構５４を介してラック軸５２に伝達される。すなわち、ボールねじ機構５４によって、モータ５３の回転がラック軸５２の軸方向の運動に変換され、ラック軸５２に操舵補助力が付与される。この操舵補助力と手動操舵力とにより操向車輪が転舵され、運転者のハンドル操作負担が軽減される。
【特許文献１】特開平10-152058号公報
【特許文献２】特開2004-180449号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、図３のようなラックアシスト式のＥＰＳは、エンジンルーム内にコンパクト（細く短く）にレイアウトしたいというニーズから、その体格（特に外形寸法）に厳しい制限が課せられる場合が多い。例えば、小型乗用車用のＥＰＳでは、一般に外径が１００mmを超えるものは商品性に乏しく、外径１００mm以下の中でモータを構成し、要求性能を満足する最適な仕様を確立する必要がある。一方、モータ内部を貫通するラック軸は、それ自体、概ね２０〜３０mm程度の外径があり、それが挿通されるロータシャフトの内径も２０〜４０mm程度は必要となる。従って、ラックアシスト式ＥＰＳ用のモータでは、ラック軸が中央を貫通するという構成の中、外径を１００mm以下に抑えなければならず、しかも、その体格で所望の出力が得られ、かつ、低発熱、低フリクション、低コストが求められる。【０００６】
しかしながら、このような小型で高性能かつ低コスト化のＥＰＳ用モータは、仕様を決定するに当たり、非常に繊細かつ煩雑な調整が必要となる。すなわち、モータの構造設計に際しては、マグネットや巻線等に関する種々のパラメータが存在し、それらがトレードオフの関係にある場合も少なくない。このため、前述の諸要素を満足し得るように各仕様を設定することは熟練した設計者にとっても困難である場合が多く、設計の最適化を容易に図り得る設計上の指針が求められていた。【０００７】
本発明の目的は、厳しい体格制限を満たしつつ、出力や発熱等に関し所望の性能を発揮し得るＥＰＳ用モータを容易に設計可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電動パワーステアリング装置用モータは、操向車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配設され、前記ラック軸に対し操舵補助力を供給する電動パワーステアリング装置用のモータであって、前記モータにおける巻線のターン数と線径の比（ターン数／巻線線径）が１５〜２５であることを特徴とする。【０００９】
本発明にあっては、巻線のターン数と線径の比を１５〜２５に設定することにより、体格、出力、発熱、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たしたＥＰＳ用モータを得ることができる。また、モータの構造設計に際し、前記数値に合わせてモータ各部の仕様を決定すればＥＰＳに適した仕様設定となる。【００１０】
前記電動パワーステアリング装置用モータにおいて、巻線のターン数と線径の比が好ましくは１８〜２２であっても良い。また、前記電動パワーステアリング装置用モータにおいて、前記モータを６極９スロット構成のブラシレスモータとしても良い。【００１１】
また、前記モータを、ハウジングと、前記ハウジングの内周側に固定されたステータコアと、前記ステータコアに巻装された巻線とを備えるステータと、ステアリング装置のラック軸が挿通される円筒状のロータシャフトと、前記ロータシャフトの外周に外装された円筒形状のロータコアと、前記ロータコアの外周に取り付けられたマグネットと、前記マグネットの外側に外装されたマグネットカバーとを備えるロータとを有する構成としても良い。その場合、前記の外径を８５mm以上１００mm以下に設定しても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電動パワーステアリング装置用モータによれば、操向車輪に連結されたラック軸の周囲に同軸的に配設される電動パワーステアリング装置用のモータにて、当該モータの巻線のターン数と線径の比を１５〜２５に設定することにより、体格、出力、発熱、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たしたＥＰＳ用として最適なモータを得ることが可能となる。また、モータの構造設計に際し問題となるパラメータのひとつである巻線のターン数と線径の比について、前記数値に合わせてモータ各部の仕様を決定すればＥＰＳに適した仕様設定が得られるので、ＥＰＳ用モータの最適設計が可能となる。また、設計工数の削減も図られるため、製品開発費用を削減することができ、製品コストの低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のＥＰＳ用モータの構成を示す断面図である。
【図２】巻線ターン数と巻線線径の比とモータ抵抗値及び磁気回路長との関係を示した説明図である。
【図３】ラックアシスト式のＥＰＳの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１    モータ                                ２    ラック軸
３    ボールねじ機構                      １１    ステータ
１２    ハウジング                          １３    ステータコア
１４    巻線                                １５    給電配線
２１    ロータ                              ２２    ロータシャフト
２３    ロータコア                          ２４    マグネット
２５    マグネットカバー                    ３１    ハウジング
３２    ベアリング                          ３３    レゾルバ
３４    レゾルバステータ                    ３５    レゾルバロータ
３６    コイル                              ４１    ハウジング
４２    ナット部                            ４３    スクリュー部
４４    ボール                              ４５    アンギュラーベアリング
４６ａ,４６ｂ    ベアリング固定用リング     ４７    段部
４８    ベアリング固定用リング              ４９    段部
５１    電動パワーステアリング装置          ５２    ラック軸
５３    モータ                              ５４    ボールねじ機構
５５    ステアリング軸                      ５６    ヨーク
５７    マグネット                          ５８    ロータシャフト
５９    ロータコア
Ｒ      ターン数・巻線線径比（ターン数／巻線線径）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明のＥＰＳ用モータの構成を示す断面図である。図１のモータ１もまた、図３と同様のラックアシスト式のＥＰＳの動力源として使用され、モータ１の内部をラック軸２が貫通する構成となっている。但し、図１のモータ１は、図３のモータ５３と異なり、ブラシレスモータとなっている。モータ１の回転は、ボールねじ機構３を介してラック軸２に伝達され、操舵補助力となる。【００１６】
モータ１は、外側にステータ１１、内側にロータ２１を配したインナーロータ型の装置構成となっている。ステータ１１は、ハウジング１２と、ハウジング１２の内周側に固定されたステータコア１３及びステータコア１３に巻装された巻線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、その外径は１００mm以内に抑えられている。ステータコア１３は鋼板を多数積層した構成となっており、ステータコア１３の内周側には複数個（ここでは９個）のティースが突設されている。ティース間に形成されたスロット（同９個）には、コイルが巻装され巻線１４が形成される。巻線１４は、給電配線１５を介してバッテリ（図示せず）と接続されている。【００１７】
ロータ２１はステータ１１の内側に配設されており、円筒状のロータシャフト２２と、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が挿通される。ロータシャフト２２の外周には、円筒形状のロータコア２３が外装されている。ロータコア２３の外周には、６極構成のマグネット２４が固定されている。【００１８】
マグネット２４には、小型で高磁束密度が得られるネオジウ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のイナーシャが低減され操舵フィーリングも向上する。マグネット２４は、リング形状となっており、周方向に複数の磁極がＮ,Ｓ交互に配置されている。なお、マグネット２４として、複数個のセグメントマグネットを用いても良い。マグネット２４の外側には、マグネットカバー２５が外装されており、万が一マグネットが破損しても、その破片によりモータ１がロックしないようになっている。【００１９】
ハウジング１２の図中右端側には、アルミダイカスト製のハウジング３１が取り付けられている。ハウジング３１内には、ロータ２１の右端側を支持するベアリング３２と、ロータ２１の回転を検知するレゾルバ３３が収容されている。レゾルバ３３は、ハウジング３１側に固定されたレゾルバステータ３４と、ロータ２１側に固定されたレゾルバロータ３５とから構成されている。レゾルバステータ３４にはコイル３６が巻装されており、励磁コイ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２２に固定されたレゾルバロータ３５が配設される。レゾルバロータ３５は、金属板を積層した構成となっており、三方向に凸部が形成されている。【００２０】
ロータシャフト２２が回転すると、レゾルバロータ３５もまたレゾルバステータ３４内にて回転する。レゾルバステータ３４の励磁コイルには高周波信号が付与されており、凸部の近接離反により検出コイルから出力される信号の位相が変化する。この検出信号と基準信号とを比較することにより、ロータ２１の回転位置が検出される。そして、ロータ２１の回転位置に基づき、巻線１４への電流が適宜切り替えられ、ロータ２１が回転駆動される。【００２１】
ハウジング１２の図中左端側には、アルミダイカスト製のハウジング４１が取り付けられている。ハウジング４１内には、ボールねじ機構３が組み込まれている。ボールねじ機構３は、ナット部４２と、ラック軸２の外周に形成されたスクリュー部４３と、ナット部４２とスクリュー部４３との間に介装された多数のボール４４とから構成されている。ラック軸２は、軸回りの回動が規制された状態でナット部４２によって左右方向に往復動自在支持され、ナット部４２の回転に伴って左右方向に移動する。【００２２】
ナット部４２は、ロータシャフト２２の左端部に固定されており、ハウジング４１に固定されたアンギュラーベアリング４５によって回動自在に保持されている。アンギュラーベアリング４５は、ハウジング４１の開口部にねじ込まれたベアリング固定用リング４６ａ,４６ｂとハウジング４１の内部に形成された段部４７との間で軸方向の動きが規制された状態で固定されている。また、ナット部４２とアンギュラーベアリング４５との間の軸方向の動きは、ナット部４２の左端にねじ込まれたベアリング固定用リング４８とナット部４２の外周に形成された段部４９とによって規制される。【００２３】
このようなモータ１を備えたＥＰＳでは、まず操向ハンドルが操作されてステアリング軸が回動し、この回動に応じた方向にラック軸２が移動して転舵操作がなされる。この操作により、図示しないステアリングトルクセンサが作動すると、検出トルクに応じて、バッテリから給電配線１５を介して巻線１４に電力が供給される。巻線１４に電力が供給されるとモータ１が作動し、ロータシャフト２２が回転する。ロータシャフト２２が回転すると、これと結合されたナット部４２が回転し、ボールねじ機構３の作用により、ラック軸２に対し軸方向の操舵補助力が伝達される。これにより、ラック軸２の移動が促進され、操舵力が補助される。【００２４】
ところで、このようなＥＰＳ用モータにおいて、要求性能を満たすべく諸仕様を決定する際、モータ体格を抑えて高出力を得るには、巻線仕様（巻線ターン数及び巻線線径）を如何にすべきかが問題となる。図２は、巻線ターン数と巻線線径の比とモータ抵抗値及び磁気回路長（ここでは、マグネット２４の軸方向寸法）との関係を示した説明図である。図２から分かるように、巻線ターン数と巻線線径の比に対して、モータ抵抗値と磁気回路長はトレードオフの関係にあることが分かる。ここで、ターン数と巻線線径の比が小さいと磁気回路長が長くなりモータ全長が増大し、モータの大型化や重量増、高コスト、生産性の悪化、イナーシャ大による操舵フィーリングの悪化につながる。一方、この比が大きいとモータ抵抗が増大し、発熱や減磁による性能低下や耐久性劣化を招来する。【００２５】
そこで、体格に厳しい制限がある中で必要トルクを得、さらに、発熱を抑えて操舵フィーリングを向上させるべく、前述の問題点を考慮して、ＥＰＳに最適な６Ｐ９Ｓモータのターン数と巻線線径の比を検討した。その結果、発明者の実験によれば、図２においてモータ抵抗値と磁気回路長の線図が交わる点の近傍、すなわち、ターン数と巻線線径の比Ｒ（Ｒ＝ターン数／巻線線径）を１５〜２５、好ましくは、１８〜２２の範囲に設定すると、体格、出力、発熱、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たすＥＰＳ用モータが得られることが判明した。なお、Ｒ値を１５に近付けるとモータとしては高速回転型となり、２５に近付けると高トルク型となる。【００２６】
発明者の実験では、６極（Ｐ＝６）９スロットのモータにおいて、線径１.４mm×２７ターンとしたとき（Ｒ＝１９.３）、モータ１の外径（ハウジング１２の外径）を１００mm以下に抑えつつ、出力７５０Ｗ、入力電圧１２Ｖにて、発熱が１８０°Ｃ以下のモータを実現できた。この場合、ラック軸外径等の関係から、モータ外径を８５mm未満に抑えることは非常に難しく、本発明のモータにおいても、モータ外径は、９０〜１００mm、好ましくは、８５〜９５mm程度に設定される。また、本発明の１５≦Ｒ≦２５なる条件は、特に６極９スロットモータにおいて有効であった。【００２７】
なお、Ｒ値が２５を超えるモータ（ターン数が多く、線径が小さい）では、発熱量が大きく減磁等の問題が生じるため、冷却対策が必要となり、その分、コストが増大する。一方、Ｒ値が１５未満モータ（ターン数が多く、線径が小さい）では、磁気回路長の増大に伴い、マグネット長が長くなり、モータ小型化の要請に反すると共に、高価な希土類磁石の量が増えコスト的にも不利となる。また、マグネット２４とステータティースとの対向長も増えるので、イナーシャやモータフリクションも増大する。【００２８】
このように本発明によるＥＰＳ用モータは、ＥＰＳ用として最適な特性が得られ、体格、出力、発熱、操舵フィーリング、コスト等をバランス良く満たしている。かかる小型高出力のＥＰＳモータは、最終的には省燃費につながり、また、ロータ小型化によるイナーシャ低減により、操舵フィーリングも向上する。さらに、本発明によるＥＰＳ用モータでは、モータの構造設計に際し問題となるパラメータのひとつであるターン数と巻線線径の比Ｒについて、ＥＰＳ仕様に適した数値が予め設定されているので、構造設計に際しては、それに合わせてモータ各部の仕様を決定すれば良い。つまり、本発明により、ＥＰＳに最適な設計指針が得られる。このため、小型高出力で、低発熱、低フリクション、低コストなＥＰＳ用モータを従来比して容易に構成することができ、最適設計が可能となると共に設計工数の削減も図られる。従って、製品開発費用もその分削減され、製品コストの低減も図られる。【００２９】
本発明は前記実施例に限定されるものではなく、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い。
例えば、前述のＲ＝１９.３のモータはあくまでも一例であり、その他の仕様のモータを適宜製造し得ることは言うまでもない。
【図１】
2007029562.tif 000002
【図２】
2007029562.tif 000003
【図３】
2007029562.tif 000004
【国際調査報告】
2007029562.tif 000005
2007029562.tif 000006
2007029562.tif 000007
2007029562.tif 000008