电动动力转向装置.pdf

一种电动动力转向装置(10)为齿条辅助式，使用马达(1)作为动力源。马达(1)的定子(11)包括环状的磁轭部(16)、和具有从磁轭部(16)向内侧方向突出形成的齿(17)的定子芯(13)。定子芯(13)以磁轭部(16)的径向的宽度尺寸Wy和齿17的周向的宽度尺寸Wt的比Wy∶Wt为1∶1.4-1.8的比例形成。通过将定子芯(13)的磁轭部(16)和齿(17)设定为上述的值，能够在被限定的空间内把定子芯(13)设定成最不容易产生扭矩松弛的状态。

1.  一种电动动力转向装置，所述电动动力转向装置包括马达，所述马达包括具有永久磁铁的转子和配置在上述转子的外周侧的定子，所述电动动力转向装置的特征在于，
上述定子具有定子芯，所述定子芯包括环状的磁轭部、和从上述磁轭部向内侧方向突出形成的齿部；
上述定子芯是以上述磁轭部与上述齿部的磁阻值的比为1:1.4～1.8的比例形成的。

2.  一种电动动力转向装置，所述电动动力转向装置包括马达，所述马达包括，所述马达包括具有永久磁铁的转子和配置在上述转子的外周侧的定子，所述电动动力转向装置的特征在于，
上述定子具有定子芯，所述定子芯包括环状的磁轭部、和从上述磁轭部向内侧方向突出形成的齿部；
上述定子芯是以上述磁轭部的径向的宽度尺寸W_y与上述齿部的周向的宽度尺寸W_t的比为1:1.4～1.8的比例形成的。

3.  如权利要求1或2所述的电动动力转向装置，其特征在于，上述马达以同轴的方式配置在与转向车轮连结着的齿条轴的周围，对上述齿条轴供给操舵辅助力。

电动动力转向装置
技术领域
[0001]
本发明涉及一种将电动马达作为驱动源使用的电动动力转向装置，尤其是涉及一种将车辆的齿条轴穿插在马达中央部的齿条辅助式的电动动力转向装置。
背景技术
[0002]
为了辅助汽车等的操舵力，近年来，在很多车辆上都装备了所谓的动力转向装置。作为这样的动力转向装置，近年来出于减轻引擎负荷和减轻重量等的观点考虑，搭载了电气式的动力操舵装置(所谓的电动动力转向装置)的车辆正在日益增加。这种电动动力转向装置(以下适当地简称为EPS)一般适用于齿条齿轮式的操舵装置，根据马达配置场所，大体分为三种类型，即，从马达位置离驾驶员近的一侧看，将马达配置在转向轴上的立柱辅助式、将马达配置在转向轴和齿条轴的连接部上的齿轮辅助式、以及将马达和齿条轴同轴状地配置的齿条辅助式这三种已被公知。
[0003]
专利文献1的EPS为上述三种中的齿条辅助式的装置。齿条辅助式的EPS由同轴地设置在齿条轴上的马达赋予操舵辅助力。图6为表示专利文献1中的那种齿条辅助式的EPS的结构的剖视图。在图6的EPS51中，和齿条轴52同轴地设置有马达53。马达53产生的操舵辅助力经由滚珠丝杆机构54传递给齿条轴52。在齿条轴52的两端，经由没有图示的转向拉杆或转向节臂等连接着转向车轮。齿条轴52与转向轴55进行齿条齿轮结合，通过驾驶员地转向操作，在轴向(图中的左右方向)动作。马达53是在圆筒状的磁轭56内同轴地插入有磁铁57、圆筒状的转子轴58以及转子芯59的结构。在转子轴58内穿插有齿条轴52。
[0004]
在EPS51中，如果方向盘被操作、转向轴55旋转，则齿条轴52在与此旋转相应的方向移动，进行操舵操作。通过进行此操作，未图示的转向扭矩传感器开始工作，基于此检测扭矩向马达53提供适当的电力。如果马达53工作，则其旋转经由滚珠丝杆机构54传递给齿条轴52。也就是说，由滚珠丝杆机构54将马达53的旋转变换成齿条轴52的轴向的运动，将操舵辅助力赋予齿条轴52。依靠此操舵辅助力和手动操舵力，车轮被操舵转向，减轻驾驶员的操作方向盘的负担。
专利文献1:日本特开平10-152058号公报
专利文献2:日本特开2000-78780号公报
专利文献3:日本特开2001-218439号公报
专利文献4:日本特开2003-158856号公报
发明内容
发明所要解决的课题
[0005]
一方面，图6所示的齿条辅助式的EPS，由于容易和引擎布置干涉，所以，在很多情况下，对其形体(特别是外形尺寸)都附加有严格的限制。例如小型乘用车用的EPS，一般情况下，其外径超过100mm就会缺乏商品性。因此，齿条式EPS用的马达都需要在外径尺寸小于100mm的范围内构成，确定满足所要求性能的最佳的规格。另一方面，贯通于马达内部的齿条轴本身具有20～30mm左右的外径。因此，穿插齿条轴的转子轴的内径也需要在20～40mm左右。也就是说，在齿条辅助式EPS用的马达中，在齿条轴贯通于中央这样的结构中，必须将外径抑制在100mm以下，而且必须以该形体获得所希望的输出。另外，EPS用马达在上述要求基础上还要求具有低摩擦(未通电时的旋转阻力)、低扭矩波动和低成本。
[0006]
然而，这种小型高性能且低成本的EPS用马达，在决定规格时需要进行非常细致而繁杂的调整。也就是说，在对马达进行结构设计时，存在定子、转子的结构、磁铁、绕组等各种参数。另外，这些参数在不少情况下都处于一种折中选择的关系。因此，为了满足上述诸要素而设定各规格，在很多情况下对于熟练的设计人员来说也是很困难的。例如，在这些要素中，如果着眼于由定子和转子构成的磁电路部，那么从磁通饱和的观点看，在形体(定子尺寸)和确保扭矩这一点上就存在二律背反的关系。
[0007]
也就是说，由于定子在马达内作为磁路来使用，因此，如果其尺寸小，磁阻就增大，就容易产生磁通饱和。因此，在定子芯小的马达中，在芯内会产生磁通饱和，在高负荷时(扭矩大时)输出扭矩会降低。图7为表示定子芯形状和马达扭矩之间的关系的说明图。如图7所示，如果定子芯小，由于定子芯内的磁通饱和的影响，在打死舵等高负荷时，就会发生扭矩松弛(扭矩增加率下降)的现象。因此，为了确保扭矩，如果顾忌磁通饱和而在尺寸方面进行有余地的设计，就会成为形体变大、线圈空间变小、无竞争力的产品。因此，EPS用马达难以使确保扭矩和小型化同时实现，在实现EPS的小型高性能化的方面一直是很大的问题。
[0008]
本发明的目的在于，既能确保EPS用马达的扭矩又能实现小型化，且在不使性能以及组装性下降的情况下，使电动动力转向装置最佳地小型化。
[0009]
本发明的电动动力转向装置，所述电动动力转向装置包括马达，所述马达包括具有永久磁铁的转子和配置在上述转子的外周侧的定子，所述电动动力转向装置的特征在于，上述定子具有定子芯，所述定子芯包括环状的磁轭部、和从上述磁轭部向内侧方向突出形成的齿部；上述定子芯是以上述磁轭部与上述齿部的磁阻值的比为1:1.4～1.8的比例形成的。
[0010]
在本发明中，通过将定子芯的磁轭部和齿部的磁阻值的比设定为1:1.4～1.8，能够在被限定的空间中使EPS用马达的定子芯成为最不容易产生扭矩松弛(扭矩增加率下降)的设定。由此，能够构成布局性优异且扭矩线性度高、小型且高性能的EPS用马达，能够实现EPS的小型高性能化。另外，因为定子芯被设定为最佳形状，能够消除无用的部分，所以能够实现EPS用马达的成本削减和重量减轻，EPS的商品性也提高。进而，在设计马达时，能够在某种程度上以预先规定的形状对磁轭部和齿部的磁阻值比进行设计，所以也能够减少EPS的设计工时。
[0011]
本发明的另一种电动动力转向装置，所述电动动力转向装置包括马达，所述马达包括，所述马达包括具有永久磁铁的转子和配置在上述转子的外周侧的定子，所述电动动力转向装置的特征在于，上述定子具有定子芯，所述定子芯包括环状的磁轭部、和从上述磁轭部向内侧方向突出形成的齿部；上述定子芯是以上述磁轭部的径向的宽度尺寸W_y与上述齿部的周向的宽度尺寸W_t的比为1:1.4～1.8的比例形成的。
[0012]
在本发明中，通过将W_y、W_t的比设置为1:1.4～1.8，能够在被限定的空间中使EPS用马达的定子芯成为最不容易产生扭矩松弛的设定。由此，能够构成布局性优异且扭矩线性度高、小型且高性能的EPS用马达，能够实现EPS的小型高性能化。另外，因为定子芯被设定成最佳形状，能够消除无用的部分，所以能够实现EPS用马达的成本削减和重量减轻，EPS的商品性也提高。进而，在设计马达时，能够在某种程度上以预先规定的形状对W_y和W_t的比进行设计，所以也能够减少EPS的设计工时。
[0013]
在上述电动动力转向装置中，还可以将上述马达以同轴的方式配置在与转向车轮连结着的齿条轴的周围，对上述齿条轴供给操舵辅助力。
发明的效果
[0014]
根据本发明的电动动力转向装置，由于该电动动力转向装置包括马达，所述马达由具有永久磁铁的转子和配置在转子的外周侧的定子构成，定子包括环状的磁轭部、和从磁轭部向内侧方向突出形成的齿部的定子芯；定子芯是以磁轭部与齿部的磁阻值的比为1:1.4～1.8的比例形成的。所以，在对形体的要求严格的EPS用马达中，能够在其严格的限制中使定子芯成为最不容易发生扭矩松弛的设定。因此，根据本发明，能够提供一种采用了布局性优异且扭矩线性度高、小型且高性能的马达的EPS，能够实现EPS的小型高性能化。
[0015]
另外，因为能够将定子芯设定成最佳形状，所以能够消除定子芯的无用的部分，能够实现EPS用马达的成本削减和重量减轻。因此，EPS的成本和重量也能够降低，并能够使EPS的商品性提高。进而，在设计马达时，因为能够在某种程度上以预先规定的形状对磁轭部和齿部的磁阻值比进行设计，所以能够获得最适合于EPS的马达设计方针，和过去相比能够更容易地构成小型高输出且低成本的EPS用马达，也能够实现EPS的设计工时的削减。因此，产品开发费用也相应地减少，能够使制造成本降低。
[0016]
根据本发明的另一种电动动力转向装置，由于该电动动力转向装置包括马达，所述马达由具有永久磁铁的转子和配置在转子的外周侧的定子构成，定子包括环状的磁轭部、和从磁轭部向内侧方向突出形成的齿部的定子芯；定子芯是以磁轭部的径向的宽度尺寸W_y与齿部的周向的宽度尺寸W_t的比为1:1.4～1.8的比例形成的。所以，在对形体的要求严格的EPS用马达中，能够在其严格的限制中使定子芯成为最不容易发生扭矩松弛的设定。因此，根据本发明，能够提供一种采用了布局性优异且扭矩线性度高、小型且高性能的马达的EPS，能够实现EPS的小型高性能化。
[0017]
另外，因为能够将定子芯设定成最佳形状，所以能够消除定子芯的无用的部分，能够实现EPS用马达的成本削减和重量减轻。因此，EPS的成本和重量也能够降低，并能够使EPS的商品性提高。进而，在设计马达时，因为能够在某种程度上以预先规定的形状对磁轭部和齿部的磁阻值比进行设计，所以能够获得最适合于EPS的马达设计方针，和过去相比能够更容易地构成小型高输出且低成本的EPS用马达，也能够实现EPS的设计工时的削减。因此，产品开发费用也相应地减少，能够使制造成本降低。
附图说明
[0018]
图1为表示作为本发明的一个实施例的电动动力转向装置的结构的剖视图。
图2为表示用于图1中的电动动力转向装置的马达的结构的放大剖视图。
图3为表示图2的马达中的定子芯的结构的说明图。
图4为表示定子芯中的磁通的流动的说明图。
图5为表示使齿宽度变化时的有效磁通和扭矩之间的关系的说明图。
图6为表示齿条辅助式的EPS的结构的剖视图。
图7为表示定子芯形状和马达扭矩之间的关系的说明图。
符号说明:
1:马达
2:齿条轴
3:滚珠丝杆机构
4:转向轴
10:电动动力转向装置
11:定子
12:壳体
13:定子芯
14:绕组
15:供电配线
16:磁轭部
17:齿
18:槽
21:转子
22:转子轴
23:转子芯
24:磁铁
25:磁铁罩
31:壳体
32:轴承
33:旋转解算器
34:旋转解算器定子
35:旋转解算器转子
36:线圈
41:壳体
42:螺母部
43:螺杆部
44:滚珠
45:推力轴承
46a、46b:轴承固定用环
47:台阶部
48:轴承固定用环
49:台阶部
51:电动动力转向装置
52:齿条轴
53:马达
54:滚珠丝杆机构
55:转向轴
56:磁轭
57:磁铁
58:转子轴
59:转子芯
W_t:齿宽度
W_y:磁轭部宽度
具体实施方式
[0019]
下面根据附图，详细地对本发明的实施例进行说明。
[0020]
图1为表示作为本发明的一个实施例的电动动力转向装置的结构的剖视图。图2为表示用于图1中的电动动力转向装置的EPS用马达的结构的放大剖视图。图1中的电动动力转向装置(EPS)10为与图6相同的齿条辅助式的结构，将马达1作为动力源使用，但是，在EPS10中，作为马达1，为了EPS的小型高性能化，使用了无刷马达。
[0021]
在马达1的内部，与马达1同轴状的贯通有齿条轴2。马达1的旋转经由滚珠丝杆机构3被传递给齿条轴2，成为操舵辅助力。在齿条轴2的两端，经由未图示的转向拉杆、转向节臂等连结有转向车轮。齿条轴2还与转向轴4进行齿条齿轮结合，通过驾驶员的转向操作，在轴向(图中的左右方向)进行驱动。
[0022]
在EPS10中，也与图6中EPS51一样，如果操作方向盘，转向轴4旋转，齿条轴2就在与此旋转相应的方向移动。如果依靠转向轴4的动作，未图示的转向扭矩传感器工作，则基于此检测扭矩，向马达1提供适当的电力。如果马达1工作，则其旋转经由滚珠丝杆机构3被传递给齿条轴2，由此，马达1的旋转被变换成齿条轴2的轴向的运动，赋予齿条轴2以操舵辅助力。依靠此操舵辅助力和手动操舵力，转向车轮被进行操舵。
[0023]
马达1为在外侧配置有定子11、在内侧配置有转子21的内转子型的无刷马达。定子11为具有壳体12、固定在壳体12的外周侧的定子芯13、以及缠绕在定子芯13上的绕组14的结构。壳体12由铁等形成，其外周被抑制在100mm以内。定子芯13为将多层钢板进行层叠而成的结构。在定子芯13的内周侧，突出设置有多个齿。
[0024]
图3为表示定子芯13的结构的说明图。定子芯13由环状的磁轭部16和从磁轭部16向内侧方向突出形成的齿17形成。在马达1中，设置有9个齿17。在各个齿17之间，形成了槽18(9个)，马达11为9槽结构。在各齿17中以集中缠绕的方式缠绕有绕组14。绕组14被收容在各槽18内。绕组14经由供电配线15，与电池(未图示)相连接。
[0025]
转子21配置在定子11的内侧，转子21为同轴状配置了圆筒状的转子轴22、转子芯23、磁铁24以及磁铁罩25的结构。在转子轴22的内侧穿插有齿条轴2。在转子轴22的外周，外装有圆筒形状的转子芯23。在转子芯23的外周，固定有6极结构的磁铁24，马达1成为6极9槽结构。
[0026]
磁铁24使用小型且可获得高磁通密度的钕铁磁铁等稀土类磁铁。这样，通过使用稀土类磁铁作为磁铁24，在实现马达的小型化的同时降低了转子21的惯性，也提高了操纵感。磁铁24为环形，在周向按N、S交替的方式配置多个磁极。另外，作为磁铁24也可以使用多个扇形磁铁。在磁铁24的外侧，外装有磁铁罩25。依靠此磁铁罩25，即使万一磁铁24发生破损，马达1也不会因其碎片而成为锁住的状态。
[0027]
在壳体12的图中右端侧，安装有铸铝制的壳体31。在壳体31内，收容有支撑转子21的右端侧的轴承32、和检测转子21的旋转的解算器33。解算器33由固定在壳体31侧的解算器定子34和固定在转子21侧的解算器转子35构成。在旋转解算器定子34上，缠绕有线圈36，并设置有励磁线圈和检测线圈。在解算器定子34的内侧，配置有固定于转子轴22上的旋转解算器转子35。解算器转子35为将金属板进行了积层的结构，在三方向形成有突出部。
[0028]
如果转子轴22旋转，则解算器转子35在解算器定子34内也旋转。高频信号被赋予给解算器定子34的励磁线圈，通过突出部的接近和离开，从检测线圈输出的信号的相位发生变化。通过对此检测信号和基准信号进行比较，检测出转子21的旋转位置，而且基于转子21的旋转位置，适当切换通向绕组14的电流，旋转驱动转子21。
[0029]
在壳体12的图中左端侧，安装有用铸铝制的壳体41。在壳体41内，组装有滚珠丝杆机构3。滚珠丝杆机构3由螺母部42、形成于齿条轴的外周上的螺杆部43、夹装在螺母部42与旋转部43之间的多个滚珠44构成。齿条轴2，由螺母部42以可在左右方向往复运动的状态旋转自由地支承，并伴随着螺母部42的旋转在左右方向移动。
[0030]
螺母部42固定在转子轴22的左端部上，由固定在壳体41上的推力轴承45旋转自由地保持着。推力轴承45，在被拧进壳体41的开口部内的轴承固定用环46a、46b、和形成于壳体41的内部的台阶部47之间以轴向的运动被限制的状态被固定。另外，推力轴承45的轴向的运动由拧进螺母部42的左端的轴承固定用环48和形成于螺母部42的外周上的台阶部49限制。
[0031]
在EPS10中，如果操作转向方向盘，转向轴4旋转，则齿条轴2在与此旋转相应的方向移动，进行转向操作。通过此操作，未图示的转向扭矩传感器开始工作，与该检测扭矩相应地经由供电配线15由电池向绕组14供给电力。如果电力供给至绕组14，马达1就开始工作，转子轴22旋转。如果转子轴22旋转，则与其结合着的螺母部42旋转，通过滚珠丝杆机构3的作用将轴向的操舵辅助力传递给齿条轴2。由此，促进齿条轴2的移动，增大了操舵力。
[0032]
但是，在EPS用马达中，如上所述，确保扭矩和马达小型化同时实现是很困难的。关于这一点，根据发明人通过反复试验的结果知道，在定子芯13的磁轭部16和齿部17的磁阻比与输出扭矩之间存在一定的关系，通过将两者之间的磁阻比设定在规定的范围内，能够使输出扭矩最大化。由此，在形体限制的范围内能够获得能使输出扭矩最大化的定子芯13，能够最大限度地确保扭矩并实现马达的小型化。另外，磁阻在磁轭部16和齿17的磁阻值相同的情况下，与它们的宽度成比例关系。因此，在本实施例中，以两者为相同磁阻值的情况为例，代替磁阻比而对磁轭部16和齿17的宽度的尺寸比进行叙述。
[0033]
在此，考虑定子芯13内的磁通的流动。图4为表示这种磁通的流动的说明图，是将定子芯13的一部分放大而表示的说明图。如图4所示，已进入齿17中来的磁通因磁轭部16而停顿，向左右分开流入到磁轭部16中。如果妨碍此磁通流动，马达1的输出当然就下降。也就是说，不管齿17和磁轭部16的任何一个部位，如果产生磁通饱和，如图7所示，就会在高负荷时产生扭矩松弛。因此，为了最大限度地确保输出扭矩，需要使磁轭部16和齿17的任何一方都不产生磁饱和。因此，为了不浪费地确保为使磁通通过所需要的最低宽度，需要在被限制的空间(外径)中将磁轭部16的宽度W_y和齿17的宽度W_t设计为最佳值。
[0034]
图5为表示有效磁通和扭矩之间的关系的说明图，表示以W_y为10mm、在该条件下使W_t适当变化时的马达扭矩的差异。另外，这里所说的有效磁通是指为使马达扭矩产生而有效的磁通。图5中，虽然在横轴上配置了有效磁通，但是，扭矩不仅依存于绕组电流，而且也依存于转子磁铁的磁通，如果将横轴作为电流值，因为其特性会因每个马达的规格不同而有差异，因此，为了期待准确，将横轴作为有效磁通。
[0035]
如图5所示，在发明人的实验中，在将磁轭部16和齿17的宽度W_y、W_t的比作为1:1.4～1.8的情况下，很难发生扭矩松弛。与此相对，在两者的比为1:1.1(W_t＝11mm)或者1:2.0(W_t＝20mm)的情况下，从有效磁通0.0045Wb附近开始，扭矩横向爬行或下降。这可以认为是，因为在W_t＝11mm的情况下，虽然磁轭部16有余地，但是在齿17中产生了磁饱和，产生了扭矩松弛。另外，在W_t＝20mm的情况下，虽然齿17有余地，但在磁轭部16中产生磁饱和，产生了扭矩松弛。另外，关于扭矩松弛，虽然在W_t＝18mm的情况下最好，但是齿17的宽度大的部分，槽18中的绕组面积也会相应地减小。因此，从总体平衡来考虑，作为扭矩，与在W_t＝18mm的情况下差别不大的W_t＝15mm(W_y:W_t＝1:1.5)为最佳。
[0036]
这样，若将W_y、W_t的比作为1:1.4～1.8，则能够在被限定的空间中使定子芯13成为最不容易产生扭矩松弛的设定。因此，根据本发明，能够提供一种使用了布局性优异且扭矩线性度高且小型高性能的马达的EPS。另外，在根据本发明的EPS中，因为马达1的定子芯13被设定成最佳形状，能够去掉无用的厚度(消除无用的部分)，所以能够实现马达1的成本削减和重量减轻。因此，EPS的成本以及重量都下降，EPS的商品性提高，同时，最终还有助于节省燃料费。
[0037]
进而，在设计无刷马达时，因为定子芯的形状对马达性能的影响大，所以是最应当引起注意的项目之一。这一点，在马达1中，因为可以在某种程度上按照预先确定的形状对W_y、W_t的比进行设计，所以，在结构设计时，可以将马达各部的规格与上述的比结合起来决定。也就是说，根据本发明，能够获得最适合于EPS的马达设计方针，与过去相比，能够容易构成小型高输出且低成本的EPS用马达。因此，EPS用马达的最佳设计成为可能，能够实现有关EPS用马达的设计工时的削减。因此，产品开发费用降低，也能够减少EPS的产品成本。
[0038]
本发明是不被限定于上述实施例的，在不脱离其主要思想的范围内，当然可以进行各种变更。
例如，在上述的实施例中，虽然表示了将本发明适用于齿条辅助式的EPS的例子，但是本发明也可以适用于立柱辅助式的EPS。另外，在上述的实施例中，虽然以磁轭部16和齿17的磁阻值相同的情形为例，叙述了使两者的宽度比成为上述的值(W_y:W_t＝1:1.4～1.8)的情况，但是总的来讲，通过使磁轭部16和齿17的磁阻比成为上述的值，能够进行最佳设计。因此，在定子芯13的磁轭部16和齿17为磁阻值的情况下，是与各部的磁阻值相应地以磁阻比成为上述值的方式对宽度尺寸进行设定。
[0039]
而且，即使在相同材料的情况下，例如在因部位不同而变更硅钢板中的硅(Si)含量的情况下以及使用了方向性电磁钢板的情况下，存在磁轭部16和齿17的磁阻值不同的情形。在硅钢板中如果硅含量多，则磁阻值变大，在方向性电磁钢板中，轧制方向的磁阻值变小。因此，在这种情况下，在考虑各部的磁阻值后决定宽度尺寸。另外，作为马达的定子芯，一般地，使用无方向性的电磁钢板的情况多，在这种情况下，如上面的例子的那样，因为磁轭部16和齿17的磁阻值变得相等，所以，可以将两者的宽度比设定成上述的值。
[0040]
另一方面，在上述的实施例中，虽然将马达1作为6极9槽结构，但是极数和槽数的结构并不被局限于此，如果是2极3槽的整数倍的结构，通过使磁轭部16和齿17的磁阻值成为上述的值，就能够进行抑制了扭矩松弛的最佳设计。另外，本发明不仅能适用于使用了电源电压为12V的马达的EPS，也能够适用于使用42V的马达的EPS。