JP4797917B2 - レゾルバ、モータおよびパワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、バリアブルリラクタンス型のレゾルバ、並びに、当該レゾルバを備える電動式のモータおよびパワーステアリング装置に関する。

従来より、車両の運転操作を補助する装置として、エンジン出力で作動するポンプが発生する油圧によりハンドル操作を補助する油圧式パワーステアリングが採用されている。また近年、車載バッテリーによりモータを回転させることによりハンドル操作を補助する電動式パワーステアリング（以下、「ＥＰＳ（Electric Power Steering）」という。）も採用されており、エンジンの回転により油圧を発生させる場合に比べてエンジンのパワーロスが少ない効率的なシステムとして注目されている。

ＥＰＳでは、高精度な制御を実現するため、モータの回転角度を高精度に検出する角度検出装置が必要とされる。一方、車両は様々な環境下において長期間、正確に動作することが求められることから、その機構部品の１つであるＥＰＳ用の角度検出装置にも高い信頼性が求められる。

このため、高い測定精度を有するとともに光学式エンコーダや磁気式エンコーダに比べて高い耐環境性を有するバリアブルリラクタンス型のレゾルバが、ＥＰＳ用の角度検出装置として利用されている。このようなレゾルバでは、出力コイルの誘導電圧に含まれる高調波成分が測定精度に影響を与え、レゾルバのロータ形状が当該高調波成分に対して最も大きい影響を与える。そこで、レゾルバの測定精度を向上するために、ロータ形状の決定に係る様々な技術が提案されている。

特許文献１では、回転子と固定子との間のギャップパーミアンスが正弦波状に近づくよう回転子の形状を定めることにより、出力コイルの誘導電圧に含まれる高周波成分による測定誤差を低減する技術が開示されている。特許文献１では、回転子の形状が、回転子と固定子との間のエアギャップの最小値を用いた数式にて表されている。

特許文献２では、特許文献１にて示されるロータ形状を示す式に補正項を加えることにより、ロータ端面からの漏れ磁束の影響による測定誤差を低減する技術が開示されている。特許文献３では、ロータの形状を、輪郭が複数の円弧で形成されるものとすることにより、ロータとステータとの間のギャップパーミアンスを正弦波状に近づける技術が開示されている。
特許第２６９８０１３号公報 特許第３２００４０５号公報 特開２００５−４９１８３号公報

ところで、特許文献１の位置検出装置では、ロータ端面からの漏れ磁束の影響による測定誤差により、測定精度の向上に限界がある。また、特許文献２の補正方法では、軸倍角（すなわち、１回転で出力される角度の周期数であり、ロータの突極数に等しい。）が１の場合の測定誤差の補正が行えるのみであり、２以上の軸倍角のレゾルバに適用することができない。

特許文献３のロータ形状の決定は、軸倍角が１のロータには適用できず、また、ロータ端面からの漏れ磁束の影響による測定誤差等により、測定精度の向上に限界がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、軸倍角に関わらずレゾルバの測定精度を向上することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、バリアブルリラクタンス型のレゾルバであって、所定の中心軸を中心とする略環状であって励磁コイルと出力コイルとを有するステータ部と、前記ステータ部の内側において前記ステータ部の内周面との間にギャップを介して配置されるとともに前記中心軸を中心として前記ステータ部に対して回転可能に支持された非真円状のコアを有するロータ部とを備え、前記ギャップの最小値ｇ_ｍｉｎおよび最大値ｇ_ｍａｘ、前記ギャップが最小値となる前記コアの外周上の一点を基準点として前記コアの前記外周上の任意の点と前記基準点との間の角度θ、軸倍角ｎ（ただし、ｎは正の整数）、並びに、補正定数Ｋを用いて、前記ギャップｇが、

にて示される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレゾルバであって、前記補正定数Ｋが、−０．０２４以上０．０００未満である。

請求項３に記載の発明は、電動式のモータであって、請求項１または２に記載のレゾルバと、電機子を有するもう１つのステータ部と、前記電機子との間で前記中心軸を中心とするトルクを発生する界磁用磁石を有するとともに前記レゾルバのロータ部が固定されるもう１つのロータ部と、前記もう１つのロータ部を前記中心軸を中心に前記もう１つのステータ部に対して回転可能に支持する軸受機構とを備える。

請求項４に記載の発明は、ハンドル操作を補助する電動式のパワーステアリング装置であって、請求項３に記載のモータと、ハンドルに加えられる回転力を検出するトルクセンサと、前記トルクセンサからの出力に基づいて前記モータを制御する制御ユニットとを備える。

本発明では、軸倍角に関わらずレゾルバの測定精度を向上することができる。

図１は、本発明の一の実施の形態に係るバリアブルリラクタンス型のレゾルバを備える電動式のパワーステアリング装置６を示す図である。パワーステアリング装置６は、自動車等の車両のハンドル操作の補助に利用される。

図１に示すように、パワーステアリング装置６は、ハンドルや車軸等のステアリング機構に接続されるシャフト部６１、ハンドルに加えられる回転力（トルク）を検出するトルクセンサ６２、トルクセンサ６２からの出力に基づいて必要なアシスト力を算出する制御ユニット６３、制御ユニット６３からの出力に基づいて回転力を発生するモータ１、および、回転数を減速しつつモータ１の回転力をステアリング機構に伝える減速機構６４を備える。

パワーステアリング装置６が搭載された車両では、操作者からハンドルに加えられる回転力に基づいてパワーステアリング装置６のモータ１が駆動され、モータ１の回転力によりハンドルの回転を補助することにより、車両のエンジン出力を直接的に利用することなく、比較的小さい力で操作者がハンドルを操作することが可能とされる。

図２は、モータ１を示す縦断面図である。図２では、モータ１の中心軸Ｊ１を含む面における断面を示す。図２に示すように、モータ１はインナーロータ型のモータであり、固定組立体であるモータステータ部２、回転組立体であるモータロータ部３、モータロータ部３を中心軸Ｊ１を中心にモータステータ部２に対して回転可能に支持する軸受機構４、および、モータロータ部３のモータステータ部２に対する角度位置を検出する角度位置検出装置であるバリアブルリラクタンス型のレゾルバ５を備える。以下の説明では、便宜上、中心軸Ｊ１に沿ってレゾルバ５側を上側、モータステータ部２およびモータロータ部３側を下側として説明するが、中心軸Ｊ１は必ずしも重力方向と一致する必要はない。

モータステータ部２は、略有底円筒状のハウジング２１、ハウジング２１の内周面に取り付けられる電機子２２、電機子２２の上側においてハウジング２１に取り付けられるとともに電機子２２を外部電極に接続するバスバー２３、および、バスバー２３の上側に取り付けられる略円環板状のブラケット２４を備える。

電機子２２は、薄板状の珪素鋼板が積層されて形成されたステータコア２２１を備え、ステータコア２２１は、環状のコアバック２２１１、および、コアバック２２１１から中心軸Ｊ１に向かって伸びる複数（本実施の形態では、１２本）のティース２２１２を備える。電機子２２は、また、ステータコア２２１の表面を被覆する絶縁体により形成されたインシュレータ２２２、および、中心軸Ｊ１を中心として放射状に配置された複数のティース２２１２にインシュレータ２２２を介してに導線を巻回することにより形成された複数のコイル２２３を備える。

モータロータ部３は、中心軸Ｊ１を中心とするシャフト３１、シャフト３１の周囲に固定された略円筒状のヨーク３２、ヨーク３２の外周面に接着剤により固定された界磁用磁石３３、および、界磁用磁石３３の外側を覆って界磁用磁石３３のヨーク３２からの脱落を防止する非磁性材料により形成されたカバー部材３４を備える。ヨーク３２は、薄板状の磁性鋼板が積層されて形成される。モータ１では、電機子２２の中心軸Ｊ１側に界磁用磁石３３が配置されており、電機子２２と界磁用磁石３３との間で中心軸Ｊ１を中心とする回転力（トルク）を発生する。

軸受機構４は、ブラケット２４の中央部に形成された開口に取り付けられる略円筒状のベアリングホルダ４１、ベアリングホルダ４１の内周面に取り付けられる上部ボールベアリング４２、および、ハウジング２１の底部中央に取り付けられる下部ボールベアリング４３を備える。モータロータ部３のシャフト３１は、ベアリングホルダ４１の中央部開口を介してベアリングホルダ４１およびブラケット２４の上側に突出するとともに、上部ボールベアリング４２および下部ボールベアリング４３により回転可能に支持される。

レゾルバ５は、中心軸Ｊ１を中心とする略環状のレゾルバステータ部５１、および、ヨーク３２の上側、かつ、レゾルバステータ部５１の内側（すなわち、中心軸Ｊ１側）においてモータロータ部３のシャフト３１に固定されるレゾルバロータ部５２を備える。レゾルバロータ部５２は、略円環板状の磁性鋼板が積層されて形成されたロータコア５２１を備える。

レゾルバステータ部５１は、薄板状の磁性鋼板が積層されて形成されるとともにベアリングホルダ４１の内周面に固定されるステータコア５１１を備え、ステータコア５１１は、環状のコアバック５１１１、および、コアバック５１１１から中心軸Ｊ１に向かって伸びる複数（本実施の形態では、１６本）のティース５１１２を備える。レゾルバステータ部５１は、また、ステータコア５１１の表面を被覆する絶縁体により形成されたインシュレータ５１２、および、中心軸Ｊ１を中心として放射状に配置された複数のティース５１１２にインシュレータ５１２を介して導線を巻回することにより形成された複数のコイル５１３を備える。レゾルバ５では、複数のコイル５１３が、１相の励磁コイルと２相の出力コイルの集合となっている。

図３は、レゾルバ５の一部およびシャフト３１を示す平面図である。図３では、図示の都合上、レゾルバステータ部５１のコイル５１３およびインシュレータ５１２（図２参照）の図示を省略しており、中央のシャフト３１の断面を平行斜線を付すことなく示している。図３に示すように、シャフト３１が嵌め込まれるロータコア５２１は、平面視において非真円状であり、レゾルバステータ部５１の内周面（すなわち、複数のティース５１１２の中心軸Ｊ１側の先端面を含む円筒面であり、図３中において二点鎖線５１０にて示す。）との間にギャップを介して配置される。

モータ１では、図２に示すモータステータ部２の電機子２２とモータロータ部３の界磁用磁石３３との間に発生する回転力によりシャフト３１が中心軸Ｊ１を中心として回転し、これにより、図３に示すレゾルバロータ部５２のロータコア５２１も中心軸Ｊ１を中心としてモータロータ部３と共に回転する。上述のように、レゾルバステータ部５１はベアリングホルダ４１およびブラケット２４を介してモータステータ部２（図２参照）に固定されているため、レゾルバ５では、レゾルバロータ部５２のロータコア５２１が、シャフト３１および軸受機構４を介して、中心軸Ｊ１を中心としてレゾルバステータ部５１に対して回転可能に支持されている。

図３に示すように、ロータコア５２１は、中心軸Ｊ１から外側（すなわち、レゾルバステータ部５１側）へと緩やかに突出する４つの突極５２１１を備える。レゾルバ５の軸倍角（すなわち、レゾルバ５において、ロータコア５２１が１回転する間に出力される角度の周期数であり、正の整数となる。）ｎは、突極５２１１の数と等しくなるため、本実施の形態では４となる。レゾルバ５では、ロータコア５２１とレゾルバステータ部５１との間のギャップをｇとすると、ギャップｇは、各突極５２１１の外周縁の中心において最小値ｇ_ｍｉｎとなり、隣接する２つの突極５２１１の中央において最大値ｇ_ｍａｘとなる。本実施の形態では、ギャップの最小値ｇ_ｍｉｎは、０．３５ｍｍであり、最大値ｇ_ｍａｘは１．４５ｍｍである。

図３に示すように、ロータコア５２１の外周縁において、一の突極５２１１の外周縁の中央の点を基準点５２１０とし、ロータコア５２１の外周縁上の任意の点と基準点５２１０との間の角度（すなわち、中心軸Ｊ１を中心とする図３中における反時計回りの角度）をθしした場合、θ＝０°，９０°，１８０°，２７０°に対応するギャップｇがｇ_ｍｉｎとなり、θ＝４５°，１３５°，２２５°，３１５°に対応するギャップｇがｇ_ｍａｘとなる。

バリアブルリラクタンス型のレゾルバでは、ロータコアを回転させた際のレゾルバステータ部とロータコアとの間のギャップパーミアンスを正弦波状に近づけることにより、高調波成分の測定誤差を低減することができる。そこで、レゾルバ５では、ロータコア５２１の外周縁上の任意の点におけるギャップｇを、ギャップの最大値ｇ_ｍａｘおよび最小値ｇ_ｍｉｎ、角度θ、軸倍角ｎ、並びに、補正定数Ｋを用いて数２にて示す大きさとすることにより、ギャップパーミアンスが正弦波状とされる。

補正定数Ｋは、測定誤差が最も小さくなるように、すなわち、上記ギャップパーミアンスが正弦波状に最も近づくように決定される。具体的には、シミュレーションにより補正定数Ｋを様々に変更した場合の測定誤差を求め、測定誤差が小さくなる適切な補正定数Ｋの範囲を求め、さらに、必要に応じて実験を行って最も測定誤差が小さくなる適切な補正定数Ｋの値を求める。本実施の形態では、補正定数Ｋは、好ましくは、−０．０２４以上０．０００未満である。

図４は、モータ１を１回転してレゾルバ５により角度位置を測定した際の、モータ１の実際の角度位置とレゾルバ５による測定誤差との関係の一例を示す図である。図４中の横軸は、モータ１の実際の角度位置を示し、縦軸はレゾルバ５による測定誤差を示す。また、図５は、ロータコアが数２の右辺の補正項を省略した場合に対応する形状を有する比較例のレゾルバが設けられたモータの角度位置と測定誤差との関係を示す図である。

図４および図５に示すように、レゾルバ５では、ロータコア５２１の形状の決定に際して、ギャップの最大値ｇ_ｍａｘおよび最小値ｇ_ｍｉｎ、ロータコア５２１の外周縁上の任意の点と基準点５２１０との間の角度θ、軸倍角ｎ、並びに、補正定数Ｋを用い、θとｎとの積の２倍角に係る補正項を用いてギャップｇの大きさを求めることにより、１６次成分の測定誤差（すなわち、レゾルバ５のステータコア５１１のスロット数成分の測定誤差）が低減される（あるいは、消去される）。このように、レゾルバ５では、高調波成分による測定誤差を抑制することにより測定精度を向上することができる。

レゾルバ５は、高い測定精度が求められるモータのモータロータ部の角度位置検出に特に適している。さらには、レゾルバ５は光学式エンコーダや磁気式エンコーダに比べて高い耐環境性を有するため、当該レゾルバ５を備えるモータは、車両に搭載される電動式パワーステアリング装置の回転力発生機構として特に適している。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

例えば、レゾルバ５の軸倍角ｎ（すなわち、突極５２１１の数）は、４以外の正の整数（例えば、１や２）とされてよい。この場合であっても、レゾルバ５では、高調波成分による測定誤差を抑制することにより測定精度を向上することができる。すなわち、レゾルバ５では、軸倍角ｎの値に関わらず測定精度を向上することができる。また、レゾルバ５では、レゾルバステータ部５１に２相の励磁コイルと１相の出力コイルが設けられてもよい。

モータ１は、電動式パワーステアリング装置の回転力発生機構以外にも、電気自動車やハイブリッド車の駆動源として用いられてもよく、ハイブリッド車の発電機として用いられてもよい。また、モータ１は、車両に係る他の回転装置として用いられてもよく、その他、車両に搭載される装置以外の様々な装置として利用されてよい。レゾルバ５は、モータ１以外の他の回転装置の角度位置を測定する角度位置測定装置として利用されてもよい。

パワーステアリング装置を示す図である。 モータを示す縦断面図である。 レゾルバの一部およびシャフトを示す平面図である。 モータの角度位置とレゾルバによる測定誤差との関係を示す図である。 比較例のモータにおけるモータの角度位置とレゾルバによる測定誤差との関係を示す図である。

符号の説明

１ モータ
２ モータステータ部
３ モータロータ部
４ 軸受機構
５ レゾルバ
６ パワーステアリング装置
２２ 電機子
３３ 界磁用磁石
５１ レゾルバステータ部
５２ レゾルバロータ部
６２ トルクセンサ
６３ 制御ユニット
５１０ 内周面
５１３ コイル
５２１ ロータコア
Ｊ１ 中心軸

Claims (4)

1. バリアブルリラクタンス型のレゾルバであって、
   所定の中心軸を中心とする略環状であって励磁コイルと出力コイルとを有するステータ部と、
   前記ステータ部の内側において前記ステータ部の内周面との間にギャップを介して配置されるとともに前記中心軸を中心として前記ステータ部に対して回転可能に支持された非真円状のコアを有するロータ部と、
   を備え、
   前記ギャップの最小値ｇ_ｍｉｎおよび最大値ｇ_ｍａｘ、前記ギャップが最小値となる前記コアの外周上の一点を基準点として前記コアの前記外周上の任意の点と前記基準点との間の角度θ、軸倍角ｎ（ただし、ｎは正の整数）、並びに、補正定数Ｋを用いて、前記ギャップｇが、
   

   

   にて示されることを特徴とするレゾルバ。
2. 請求項１に記載のレゾルバであって、
   前記補正定数Ｋが、−０．０２４以上０．０００未満であることを特徴とするレゾルバ。
3. 電動式のモータであって、
   請求項１または２に記載のレゾルバと、
   電機子を有するもう１つのステータ部と、
   前記電機子との間で前記中心軸を中心とするトルクを発生する界磁用磁石を有するとともに前記レゾルバのロータ部が固定されるもう１つのロータ部と、
   前記もう１つのロータ部を前記中心軸を中心に前記もう１つのステータ部に対して回転可能に支持する軸受機構と、
   を備えることを特徴とするモータ。
4. ハンドル操作を補助する電動式のパワーステアリング装置であって、
   請求項３に記載のモータと、
   ハンドルに加えられる回転力を検出するトルクセンサと、
   前記トルクセンサからの出力に基づいて前記モータを制御する制御ユニットと、
   を備えることを特徴とするパワーステアリング装置。

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