JP2007327870A - レゾルバ - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで回転角度検出誤差を低減させることができる。
【解決手段】この発明に係るレゾルバ９は、リング形状で径内側方向に突出した複数のティース３０が周方向に間隔をおいて形成されたステータコア２１と、各ティース３０に導線が巻回して構成された、励磁巻線及び出力巻線と、ステータコア２１の中心に回転可能に設けられ、回転角度に応じてステータコア２１との間でのギァップパーミアンスが正弦波状に変化する外周曲線を有するロータ２０とを備え、励磁巻線に励磁電圧が印加された状態で、ロータ２０の回転に伴うギャップパーミアンスの変化を出力巻線からの出力電圧として検出し、この出力電圧からロータ２０の回転角度を検出するレゾルバ９において、ステータコア２１は、金属射出成形法により製作されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、励磁巻線に励磁電圧が印加された状態で、ロータの回転に伴うギャップパーミアンスの変化を出力巻線からの出力電圧として検出し、この出力電圧からロータの回転角度を検出するレゾルバに関するものである。

従来、リング形状で径内側方向に突出した複数のティースが周方向に間隔をおいて形成されたステータコアと、各前記ティースに導線が巻回して構成された、励磁巻線及び出力巻線と、前記ステータコアの中心に回転可能に設けられ、回転角度に応じてステータコアとの間でのギァップパーミアンスが正弦波状に変化する外周曲線を有するロータとを備え、前記励磁巻線に励磁電圧が印加された状態で、前記ロータの回転に伴う前記ギャップパーミアンスの変化を前記出力巻線からの出力電圧として検出し、この出力電圧から前記ロータの回転角度を検出するレゾルバが知られている。
このものの場合、ステータコアは珪素鋼板を積層して構成されているが、珪素鋼板は若干の異方性があるので、ステータコアの磁気特性にアンバランスが生じ、回転角度検出誤差が大きくなるという問題点があった。
この誤差を低減するために、珪素鋼板を回転積層してスタータの磁気特性のアンバランスを低減させたレゾルバが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−１２７７６８号公報

しかしながら、このレゾルバの場合、回転積層を行っているので、金型内で積層される珪素鋼板を回転させる回転機構が必要となり、金型構造が複雑になり、金型費用が嵩み、製造コストが高くなるという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、低コストで回転角度検出誤差を低減させることができるレゾルバを提供することを目的とする。

この発明に係るレゾルバは、リング形状で径内側方向に突出した複数のティースが周方向に間隔をおいて形成されたステータコアと、各前記ティースに導線が巻回して構成された、励磁巻線及び出力巻線と、前記ステータコアの中心に回転可能に設けられ、回転角度に応じてステータコアとの間でのギァップパーミアンスが正弦波状に変化する外周曲線を有するロータとを備え、前記励磁巻線に励磁電圧が印加された状態で、前記ロータの回転に伴う前記ギャップパーミアンスの変化を前記出力巻線からの出力電圧として検出し、この出力電圧から前記ロータの回転角度を検出するレゾルバにおいて、前記ステータコアは、金属射出成形法により製作されている。

この発明に係るレゾルバによれば、低コストで回転角度検出誤差を低減させることができる。

以下、この発明の実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一または相当の部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１のレゾルバ９が組み込まれた電動パワーステアリング装置用モータ（以下、「モータ」と略称する）１の側断面図である。
モータ１は、有底円筒形状のフレーム２と、このフレーム２に固定された固定子３と、この固定子３の内側に回転可能に設けられた回転子６と、フレーム２の周縁部にボルト７で固定されるとともに作業用孔５０を有するブラケット８と、ブラケット８に固定されたレゾルバ９とを備えている。

また、モータ１は、ブラケット８に嵌着されているとともにシャフト４を回転自在に支持したブラケット側軸受１０と、フレーム２の底面の凹部に固定されているとともにシャフト４を回転自在に支持したフレーム側軸受１１と、固定子３のブラケット側軸受１０側の側面に固定された結線板１２と、グロメット１３を貫通した、各相リード線１４および束ねられた複数のセンサ信号線１５と、各相リード線１４と結線板１２とを接続する接続ベース１６とを備えている。

前記固定子３は、軸線方向に延びたスロット（図示せず）が周方向に間隔をおいて形成された固定子鉄心１７と、固定子鉄心１７のスロットに巻装された固定子巻線１８と、固定子鉄心１７と固定子巻線１８との間に設けられたボビン１９とを備えている。
前記レゾルバ９は、シャフト４に固定された楕円形状のロータ２０と、ロータ２０の外周に設けられたステータコア２１と、ステータコア２１に導線が巻回して構成された、後で詳述する巻線とを備えている。
回転子６は、シャフト４と、このシャフト４の外周面に固定されたＮ磁極、Ｓ磁極からなる円筒状の磁石５とを備えている。
前記結線板１２は、溝部を有するホルダ２２と、各溝部に収まったＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各固定子側ターミナル２３と、各相の固定子側ターミナル２３の先端部から接続ベース１６側に延びた接続部２７を備えている。この各相の固定子側ターミナル２３は、固定子巻線１８に接続されており、平面状に展開したときには帯状であり、各溝部に収まっているときには、円形状である。

前記接続ベース１６は、埋設された雌ねじ部であるナット２６と、各相の固定子側ターミナル２３のそれぞれから軸線方向に挿入口から突出した接続部２７を通じて接続されているとともにナット２６とともにインサートモールド成形で一体化された各相の接続ターミナル２８とを備えている。
この接続ターミナル２８には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のリード線１４の端部に形成された各相のリード線側ターミナル２９が重ねられ、リード線側ターミナル２９の貫通孔（図示せず）と接続ターミナル２８の貫通孔（図示せず）とリード線側ターミナル２９の貫通孔（図示せず）を通じて雄ねじ部材であるねじ３０をベース部２５に螺着することで接続されている。

上記構成のモータ１では、各相のリード線１４から電流が流れ、固定子巻線１８には回転磁界が与えられ、回転子６は回転する。回転子６のシャフト４の回転力は、シャフト４の端部に形成されたボス３５を通じてステアリング機構に伝達され、ハンドルの操舵力のアシストに供される。
また、楕円形状のロータ２０の回転により、ステータコア２１とロータ２０との間のギャップパーミアンスが変化し、この変化を巻線からの出力電圧として検出し、この出力電圧は、センサ信号線１５を通じて出力回路に出力され、そこで回転子６の回転角度が検知される。

次に、上記レゾルバ９の構成について詳述する。
図２はレゾルバ９の正面図、図３は図２のレゾルバ９の側面図、図４は上カバー３３が除かれた図９のレゾルバ９の正面図、図５は図４のレゾルバ９の側面図である。

図６及び図７に示すステータコア２１は、鉄ニッケル合金粉末を用いた金属射出成形法で製作されており、円環状で内側には、周方向に等分間隔で内径側に突出した８個のティース３０が形成されている。また、両側には、ブラケット８とねじ（図示せず）により固定される耳部３２が形成されている。
ステータコア２１には、ティース３０に樹脂製のインシュレータ３４を介して導線が巻回された巻線３５が装着されている。インシュレータ３４の片側には、端子３８を有するコネクタ３６が形成されている。このインシュレータ３４の上側は、巻線３５及び端子３８を覆った上カバー３３が嵌着されている。このインシュレータ３４の下側は、下カバー３７が嵌着されている。
図８及び図９に示すロータ２０も、ステータコア２１と同じく鉄ニッケル合金粉末を用いた金属射出成形法で製作されている。このロータ２０の外形は、ステータコア２１とロータ２０との間のギャップパーミアンスが、ロータ２０の回転角度に応じて正弦波状に変化する、特殊曲線になっている。

図１０は励磁巻線４０のステータコア２１における位置を示した図、図１１はＳｃｏｓ出力巻線４３のステータコア２１における位置を示し、図１２はＳｓｉｎ出力巻線４４のステータコア２１における位置を示した図である。また、図１３は各ティース３０に導線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃが巻回されて形成された励磁巻線４０、Ｓｃｏｓ出力巻線４３及びＳｓｉｎ出力巻線４４の各結線図である。
なお、図１０〜図１２にに示された「Ｒ」は、ステータコア２１の中心から径方向外側に沿って視たときの導線４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの巻回方向が時計方向であることを示しており、「Ｌ」は、導線の巻回方向が反時計方向であることを示している。また、図１１及び図１２においては、励磁巻線４０は省略されている。

図４で示した巻線３５は、１相の励磁巻線４０と、２相のＳｃｏｓ出力巻線４３及びＳｓｉｎ出力巻線４４とで構成されており、ステータコア２１には、励磁巻線４０が装着された後に、Ｓｃｏｓ出力巻線４３、Ｓｓｉｎ出力巻線４４が装着されているので、レゾルバ９の外側からは、励磁巻線４０は見えない。

励磁巻線４０は、導線４１Ａの一端部を端子３８のＲ１に接続して導線４１Ａの巻き始めとし、８箇所のティース３０に巻回方向を時計方向、反時計方向に交互に変えながら連続的に巻回し、導線４１Ａの他端部を端子３８のＲ２に接続して、導線４１Ａの巻き終わりとしている。励磁巻線４０は、センサ信号線１５を通じて図示しない励磁回路に接続されている。
Ｓｃｏｓ出力巻線４３は、導線４１Ｂの一端部を端子３８のＳ１に接続して導線４１Ｂの巻き始めとし、一つおきに４箇所のティース３０に巻回方向を時計方向、反時計方向に交互に変えながら連続的に巻回し、導線４１Ｂの他端部を端子３８のＳ３に接続して、導線４１Ｂの巻き終わりとしている。
Ｓｓｉｎ出力巻線４４は、導線４１Ｃの一端部を端子３８のＳ４に接続して導線４１Ｃの巻き始めとし、一つおきに４箇所のティース３０に巻回方向を時計方向、反時計方向に交互に変えながら連続的に巻回し、導線４１Ｃの他端部を端子３８のＳ２に接続して、導線４１Ｃの巻き終わりとしている。
Ｓｃｏｓ出力巻線４３及びＳｓｉｎ出力巻線４４は、センサ信号線１５を通じて図示しない出力回路に接続されている。

次に、上記構成のレゾルバ９の動作について、図１４に示した配線図及び図１５に示した出力電圧振幅変化の特性図に基づいて説明する。
励磁巻線４０には、一例として１０ｋＨｚ、５Ｖｐｐの正弦波信号が印加されている。ロータ２０が回転すると、ステータコア２１とロータ２０との間のリラクタンスが変化し、図１５に示した２相のＳｃｏｓ出力巻線４３及びＳｓｉｎ出力巻線４４の振幅と励磁電圧に対する位相とが変化する。Ｓｃｏｓ出力巻線４３とＳｓｉｎ出力巻線４４との出力電圧の振幅変化は位相が９０度ずれており、この信号を検出回路によって信号処理することにより、回転角度を検出することができる。
ここで、励磁電圧を
Ｖ＝Ｅ・ｓｉｎωｔ・・・（１）
２相の出力電圧を
Ｓｃｏｓ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓ（θ）・・・（２）
Ｓｓｉｎ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎ（θ）・・・（３）
Ｅは入力電圧、Ｋはレゾルバ９の変圧比、ωは励磁電圧の角速度、ｔは時間、θはレゾルバ９の電気角としたとき、角度θは以下の式で求められる。
θ＝ｔａｎ^−１（Ｓｓｉｎ／Ｓｃｏｓ） ・・・（４）
この際、出力電圧は励磁電圧と同じく１０ｋＨｚの正弦波で出力されているので、振幅値として検出し、出力の符号は励磁電圧と出力電圧が同相の場合を正、逆相の場合を負として計算する。

ところで、各相の出力電圧は、図１３に示した結線の通り、各ティース３０に巻回された導線４１Ｂ，４１Ｃにより生じた各コイル部の出力の合成によって得られるので、各コイル部のティース３０の磁気特性にアンバランスがあると、合成された出力が本来の状態から変化し、回転角度検出誤差が発生してしまう。
例えば、Ｓｃｏｓ出力巻線４３の一つのコイル部の出力が１％程度変化した場合、上式（４）で計算される回転角度には、機械角で０．５度程度の誤差が発生し、レゾルバ９が搭載されたモータ１の性能に大きな影響を与えることになる。

これに対して、この実施の形態のレゾルバ９によれば、ステータコア２１及びロータ２０は、金属射出成形法により製作されているので、珪素鋼板を積層して構成された従来のものと比較して磁気特性の異方性が少なく、回転角度の検出誤差が低減される。
また、磁気特性の異方性の影響を抑制するために、珪素鋼板を回転積層するといった特別な工程を必要としないので、低コストで回転角度の誤差を低減させることができる。

なお、上記実施の形態では、ステータコア２１及びロータ２０を金属射出成形法により製作
したレゾルバ９について説明したが、ステータコア２１のみ金属射出成形法で製作したレゾルバであっても、回転角度の検出誤差を低減させることができる。
また、上記の実施の形態では、電動パワーステアリング装置用モータに適用されたレゾルバ９について説明したが、このレゾルバ９は他の装置にも適用できるのは勿論である。

この発明の実施の形態１のレゾルバが組み込まれた電動パワーステアリング装置用モータの側断面図である。 図１のレゾルバの正面図である。 図２のレゾルバの側面図である。 上カバーが除かれたときの図２のレゾルバの正面図である。 図４のレゾルバの側面図である。 図１のステータコアの正面図である。 図６のステータコアの側面図である。 図１のロータの正面図である。 図８のロータの側面図である。 図１のレゾルバの励磁巻線のステータコアにおける位置を示した図である。 Ｓｃｏｓ出力巻線のステータコアにおける位置を示した図である。 Ｓｓｉｎ出力巻線のステータコアにおける位置を示した図である。 励磁巻線、Ｓｃｏｓ出力巻線及びＳｓｉｎ出力巻線の各結線図である。 図１のレゾルバの配線図である。 図１のレゾルバの出力電圧振幅変化を示す特性図である。

符号の説明

１ モータ、４ シャフト、９ レゾルバ、１５ センサ信号線、２０ ロータ、２１ ステータコア、３０ ティース、３４ インシュレータ、３５ 巻線、３６ コネクタ、３８ 端子、４０ 励磁巻線、４３ Ｓｃｏｓ出力巻線、４４ Ｓｓｉｎ出力巻線。

Claims (3)

1. リング形状で径内側方向に突出した複数のティースが周方向に間隔をおいて形成されたステータコアと、
   各前記ティースに導線が巻回して構成された、励磁巻線及び出力巻線と、
   前記ステータコアの中心に回転可能に設けられ、回転角度に応じてステータコアとの間でのギァップパーミアンスが正弦波状に変化する外周曲線を有するロータとを備え、
   前記励磁巻線に励磁電圧が印加された状態で、前記ロータの回転に伴う前記ギャップパーミアンスの変化を前記出力巻線からの出力電圧として検出し、この出力電圧から前記ロータの回転角度を検出するレゾルバにおいて、
   前記ステータコアは、金属射出成形法により製作されていることを特徴とするレゾルバ。
2. 前記ロータは、金属射出成形法により製作されていることを特徴とする請求項１に記載のレゾルバ。
3. 前記ロータは、パワーステアリング装置用モータの回転子のシャフトに固定されることを特徴とする請求項１または２に記載のレゾルバ。

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