JP4158174B2 - レゾルバ - Google Patents

Description

この発明は、出力巻線、励磁巻線の温度を検出することが可能なレゾルバに関する。

従来の永久磁石温度センサは、永久磁石を配置した回転子コアにおける永久磁石の温度を検知するセンサであって、自身の温度に応じて磁気特性が変化する感温磁性材料からなる磁化素子を永久磁石の近傍に配置し、磁化素子の磁気特性の変化を物理量検出手段によって検知し、磁化素子の温度を永久磁石の温度として検出している（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のレゾルバを用いた温度検出方法は、レゾルバに１相励磁信号を与えて得られる２相レゾルバ出力信号のうち、ｓｉｎ相およびｃｏｓ相における励磁コイルと出力コイルとの位相ずれと、ｓｉｎ相およびｃｏｓ相における励磁コイルと出力コイルとの変圧比とに基づいて、レゾルバの温度を求めている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２２２３８７号公報 特開２００３−３１５１６２号公報

従来の永久磁石温度センサでは、温度検出のために感温磁性材料からなる磁化素子と、磁気特性の変化を検知する物理量検出手段とが必要となるため、部品点数が多くなり、コストが高くなるという問題点があった。

また、従来のレゾルバを用いた温度検出方法では、２相レゾルバの出力信号のうち、ｓｉｎ相およびｃｏｓ相における励磁コイルと出力コイルとの位相ずれと、ｓｉｎ相およびｃｏｓ相における励磁コイルと出力コイルとの変圧比とに基づいて温度を演算するため、データ処理の量が多くなり、演算処理を行うＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）に設けられたＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の負荷が大きくなるという問題点もあった。

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、その目的は、温度によって変化する出力巻線および励磁巻線のインピーダンスを用いて出力巻線、励磁巻線の温度を検出することにより、特別な部品を追加する必要がなく、また回転角度の演算と同時に出力巻線、励磁巻線の温度を検出することにより、演算処理の負荷を低減し、安価なＣＰＵを用いることができるレゾルバを提供することである。

この発明に係るレゾルバは、電源により励磁される１相の励磁巻線、および磁束密度の変化を電圧として出力するｎ相の出力巻線を有する固定子と、固定子に対向して設けられ、回転に伴う固定子との間のギャップパーミアンスを、固定子と協同して変化させる回転子と、出力巻線および励磁巻線のインピーダンスから出力巻線、励磁巻線の温度を検出する温度検出手段とを備え、ｎは２であり、励磁巻線を電源により励磁して励磁信号を生じさせた場合に、温度によって変化するインピーダンスに応じて出力巻線から出力される２相の出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎは、それぞれ次式（１）、（２）
Ｓｃｏｓ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ・・・（１）
Ｓｓｉｎ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ・・・（２）
（ここで、Ｋは変圧比、Ｅは励磁巻線に生じる励磁電圧、ωは励磁信号の角速度、ｔ
は時間、θは電気角）
で表され、温度検出手段は、２相の出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎから得られる円形のリサージュ曲線における半径の値を用いて、出力巻線、励磁巻線の温度を検出するものである。

この発明のレゾルバによれば、温度によって変化する出力巻線および励磁巻線のインピーダンスを用いて出力巻線、励磁巻線の温度を検出するので、特別な部品を追加する必要がなく、また回転角度の演算と同時に出力巻線、励磁巻線の温度を検出することにより、演算処理の負荷を低減することができるので、安価なＣＰＵを用いることができ、コストダウンを図ることができる。

以下、この発明の各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、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。なお、以下の実施の形態では、レゾルバが電動パワーステアリング装置の一部を構成している場合を例として説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレゾルバを含み、ハンドル１の回転をアシストする電動パワーステアリング装置２を、ハンドル１とともに示す全体斜視図である。
図１において、この電動パワーステアリング装置２は、ハンドル１の回転角度を検出するとともに、自身の温度を検出するレゾルバ（図示せず）と、車軸３近傍に設けられ、ハンドル１の回転をアシストするアシスト力を発生するブラシレスモータ４（以下、「モータ４」と略称する）と、モータ４に接続されモータ４に出力する電流を制御する制御手段であるＥＣＵ５とを有している。

レソルバは、回転角度を検出する回転角度検出手段（図示せず）と温度を検出する温度検出手段（図示せず）とを含んでいる。この回転角度検出手段と温度検出手段とは、ＥＣＵ５に一体に組み込まれている。ＥＣＵ５はＣＰＵ等で構成されており、回転角度検出手段の検出した回転角度と、温度検出手段の検出した温度とに応じてモータ４に出力する電流を制御する。
ここで、モータ４は、図示しない車両のエンジンルーム内に設置されている。

図２は、この発明の実施の形態１に係るレゾルバを含んだ電動パワーステアリング装置の主要断面図である。
図２において、鉄等の磁性体からなり、回転自在に支持されたシャフト６の一端部には、磁界を発生させるマグネット７が取り付けられてモータ回転子８が設けられている。モータ回転子８には、有底円筒形状のフレーム１４の内壁面に固定されたモータ固定子９が対向して設けられている。

モータ固定子９は、珪素鋼板等を積層して形成されており、樹脂製の絶縁体１５を介してモータコイル１６が巻装されている。モータコイル１６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相からなり、それぞれスター結線されている。

また、シャフト６の他端部には、鉄等の磁性体からなり、モータ４の駆動力を外部に伝達するカップリングであるボス１０が圧入されている。

シャフト６のモータ回転子８とボス１０との間には、珪素鋼板を積層して形成された回転子１１が取り付けられている。回転子１１の構造を図３（ａ）、（ｂ）に示す。回転子１１には、アルミニウム等からなるハウジング１７に固定された固定子１２が対向して設けられており、回転子１１と固定子１２とでハンドルの回転角度に応じて出力信号を出力するレゾルバ検出部１３が構成されている。

固定子１２の外形を図４（ａ）、（ｂ）に、固定子１２の内部構造を図５（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）、（ｂ）および図５（ａ）、（ｂ）において、カバー２８で覆われた固定子１２は、珪素鋼板を積層し、周方向に等しい間隔をおいて形成された複数のティース１８を有する積層体１９と、絶縁体２０を介してティース１８に巻装された１相の励磁巻線と２相の出力巻線とからなる巻線２１とを有している。

ここで、１相の励磁巻線は、隣接するそれぞれのティース１８に連続的に巻装されている。２相の出力巻線のうち、第１の出力巻線は、隣接するそれぞれのティース１８に連続的に、かつティース１８の中心線に対して励磁巻線の径方向外側に巻装されている。また、第２の出力巻線は、隣接するそれぞれのティース１８に連続的に、かつティース１８の中心線に対して第１の出力巻線の径方向外側に巻装されている。出力巻線と励磁巻線とは、温度によりそれぞれのインピーダンスが変化する。
出力巻線と励磁巻線とは、それぞれ同じティース１８に巻装されているので、互いの温度は等しくなる。

レゾルバは、モータ４に設けられたレゾルバ検出部１３と、回転角度検出手段と、温度検出手段とを有しており、回転角度検出手段は、レゾルバ検出部１３の出力信号を用いて回転角度を検出し、温度検出手段は、同じくレゾルバ検出部１３の出力信号を用いて温度を検出する。

また、モータ４は、ハウジング１７にフレーム１４を嵌合することによって構成されている。
モータコイル１６に電力を供給するモータリード線２２と、レゾルバ検出部１３の出力信号を伝達するセンサリード線２３とは、フレーム１４に嵌着されたハウジング１７に設けられたグロメット２４を通じて外部に導出されている。

図６は、図１に示したモータ４とＥＣＵ５との接続関係を詳細に示したブロック図である。
図６において、ＥＣＵ５とレゾルバ検出部１３とは、ＥＣＵ５に接続された図示しない検出用電源を用いてレゾルバ検出部１３の励磁巻線に励磁信号を印加する励磁信号線２５と、出力信号をＥＣＵ５に伝送する２本の出力信号線２６とで互いに接続されている。ここで、励磁信号線２５および出力信号線２６は、図示しないコネクタを介して図２に示したセンサリード線２３と接続されている。

また、モータ４には、ＥＣＵ５に接続された図示しない駆動用電源を用いて３相交流電流を供給する３本の電力線２７が接続されている。ここで、電力線２７は、図示しないコネクタを介して図２に示したモータリード線２２と接続されている。
なお、ＥＣＵ５には、上記の検出用電源および駆動用電源に加え、さらに図示しない車両側のＥＣＵや各種センサが接続されている。

以下、上記構成の電動パワーステアリング装置２についての動作を説明する。
まず、励磁巻線には、検出用電源から、ＥＣＵ５を介して例えば１０（ｋＨｚ）、５（Ｖｐｐ）の正弦波である励磁信号Ｒが印加されている。励磁信号Ｒは、次式（１）のように表される。
Ｒ＝Ｅ・ｓｉｎωｔ・・・（１）
（ここで、Ｅは励磁電圧、ωは角速度、ｔは時間）
励磁信号Ｒにより励磁巻線に励磁電流が流れ、固定子１２と回転子１１との空隙部分に磁束が発生する。

ここで、シャフト６の回転により、シャフト６に取り付けられた回転子１１が回転すると、固定子１２と回転子１１との間のギャップパーミアンスが変化し、出力巻線には、次式（２）、（３）に示す出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎが出力される。
Ｓｃｏｓ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ・・・（２）
Ｓｓｉｎ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ・・・（３）
（ここで、Ｋは変圧比、Ｅは励磁電圧、ωは角速度、ｔは時間、θは電気角）

出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎは、センサリード線２３から出力信号線２６を介してＥＣＵ５に出力される。出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎは、位相が９０°ずれているため、回転角度を検出することができる。ＥＣＵ５に設けられた回転角度検出手段は、次式（４）を用いて、回転角度θを検出する。

また、温度検出手段は、同時に出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎの値を−１から１までの相対値に変更し、横軸を出力信号Ｓｃｏｓの相対値とし、縦軸を出力信号Ｓｓｉｎの相対値としてプロットする。出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎは互いに単振動をしているので、図７に示す円形のリサージュ曲線（以下、「リサージュ円」と定義する）が得られる。このリサージュ円の半径ｒは、次式（５）で表される。

ここで、出力巻線と励磁巻線とは、温度によりそれぞれのインピーダンスが変化するため、出力巻線から出力される出力信号は、出力巻線の温度Ｔによって変化する。そのため、リサージュ円は、出力巻線の温度Ｔに応じて半径ｒが変化する。出力巻線の温度Ｔとリサージュ円の半径ｒとの関係を図８に示す。温度検出手段は、図８に示した特性を温度特性テーブルとして予め記憶している。
また、出力巻線と励磁巻線とは、それぞれ同じティース１８に巻装されているので、互いの温度は等しくなる。

温度検出手段は、式（５）を用いてリサージュ円の半径ｒを算出し、温度特性テーブルを参照して出力巻線の温度Ｔを検出する。
ここで、レゾルバ検出部１３とモータ４とが共通のシャフト６を介して互いに接続され、シャフト６の熱伝導によりレゾルバ検出部１３の出力巻線とモータ４との温度がほぼ等しくなっているので、ＥＣＵ５は、出力巻線の温度Ｔをモータ４の温度と推定する。また、ＥＣＵ５は、周囲の温度が高温になるエンジンルーム内に設置されたモータ４を熱的に保護するために、回転角度θと温度Ｔとに基づいて、モータ４に与える電流を制御する。

なお、上記の説明において温度検出手段は、ひとつの出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎの値を用いてリサージュ円の半径ｒを算出したが、出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎの値を電気角１周期分の範囲等で複数個サンプリングして半径ｒを求めることにより、半径ｒをより高精度に算出することができる。

この発明の実施の形態１に係るレゾルバによれば、温度によってインピーダンスが変化する出力巻線の出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎを用いて出力巻線の温度Ｔを検出するので、特別な部品を追加する必要がなく、コストダウンを図ることができる。
また、出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎを用いて回転角度の演算と同時に出力巻線の温度Ｔを検出することにより、データ処理の量が少なくなり、演算処理にかかる負荷を低減することができるので、安価なＣＰＵを用いることができ、コストダウンを図ることができる。
また、温度検出手段をＥＣＵ５に一体化したことにより、部品点数の減少とコストダウンとを図ることができる。

また、従来の電動パワーステアリング装置では、ＥＣＵの温度、モータの駆動電流、およびモータの駆動時間等からモータ温度を推定し、モータの電流制御を行っていたが、このレゾルバによれば、出力巻線の温度Ｔをモータ４の温度と推定することから、より正確な温度検出をすることができ、より適切な電流制御を行うことができる。

なお、上記実施の形態では、モータとしてブラシレスモータを例にして説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、直流モータ、交流モータを問わず、種々のモータに用いることができ、同様の効果を奏することができる。
また、上記実施の形態では、温度検出手段が図８に示した特性を温度特性テーブルとして記憶しているとして説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、温度検出手段は、図８に示した出力巻線の温度Ｔとリサージュ円の半径ｒとの関係を直線近似した式として記憶し、半径ｒとこの直線近似した式とに基づいて、温度Ｔを検出してもよい。
また、上記実施の形態では、出力巻線が２相である場合を例にして説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、出力巻線は３相以上巻装されていてもよい。

この発明の実施の形態１に係るレゾルバを含み、ハンドルの操舵力をアシストする電動パワーステアリング装置を、ハンドルとともに示す全体斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るレゾルバを含んだ電動パワーステアリング装置の主要断面図である。 （ａ）は、図２の回転子を示す正面図であり、（ｂ）は、図２の回転子を示す側面図である。 （ａ）は、図２の固定子の外形を示す正面図であり、（ｂ）は、図２の固定子の外形を示す側面図である。 （ａ）は、図４の固定子の内部構造を示す正面図であり、（ｂ）は、図４の固定子の内部構造を示す側面図である。 図１のモータとＥＣＵとの接続関係を詳細に示したブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るレゾルバが取り付けられる電動パワーステアリング装置における出力信号をリサージュ曲線で示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係るレゾルバが取り付けられる電動パワーステアリング装置におけるリサージュ円の半径と出力巻線の温度との関係を示す説明図である。

符号の説明

４ モータ、５ ＥＣＵ（温度検出手段、制御手段）、１１ 回転子、１２ 固定子、１３ レゾルバ検出部、２１ 巻線（励磁巻線、出力巻線）。

Claims (3)

1. 電源により励磁される１相の励磁巻線、および磁束密度の変化を電圧として出力するｎ相の出力巻線を有する固定子と、
   前記固定子に対向して設けられ、回転に伴う前記固定子との間のギャップパーミアンスを、前記固定子と協同して変化させる回転子と、
   前記出力巻線および前記励磁巻線のインピーダンスから前記出力巻線、前記励磁巻線の温度を検出する温度検出手段と
   を備え、
   前記ｎは２であり、前記励磁巻線を前記電源により励磁して励磁信号を生じさせた場合に、温度によって変化する前記インピーダンスに応じて前記出力巻線から出力される２相の出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎは、それぞれ次式（１）、（２）
   Ｓｃｏｓ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ・・・（１）
   Ｓｓｉｎ＝Ｋ・Ｅ・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ・・・（２）
   （ここで、Ｋは変圧比、Ｅは前記励磁巻線に生じる励磁電圧、ωは前記励磁信号の角
   速度、ｔは時間、θは電気角）
   で表され、
   前記温度検出手段は、前記２相の出力信号ＳｃｏｓおよびＳｓｉｎから得られる円形のリサージュ曲線における半径の値を用いて、前記出力巻線、前記励磁巻線の温度を検出することを特徴とするレゾルバ。
2. モータのシャフトに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のレゾルバ。
3. 前記温度検出手段は、前記モータの駆動を制御する制御手段と一体に設けられることを特徴とする請求項２に記載のレゾルバ。

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