JP5341737B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車、トラック、バス等の車両に適用されて好適な回転角検出装置に関する。

従来から、ハイブリッド車両や電気自動車に用いられるモータ、モータジェネレータ、通常の乗用車にも用いられるＥＰＳ（Electronic Power Steering）用のモータ等の回転電機において、回転電機の電流、トルク、回転数をよりきめ細かく制御することを目的として、ロータの回転角を検出する回転角検出装置として例えば特許文献１に記載のレゾルバが用いられる。

また、車両の開閉式のルーフやパワーウィンドウ等に設けられる直流ブラシレスモータにおいては、ルーフやウィンドウの開閉におけるストロークや速度を高精度に制御し、直流ブラシレスモータへの供給電流の切り替えを正確に行うことを目的として、レゾルバが必須のものとなっている。

このようなレゾルバにおいては一般的にはステータが図３のような円環状のものとすることが多いが、原理的にはロータの回転に伴っての検出コイルの出力信号の変化を検出できれば、回転角を検出できることから、ティースの数を必要最小限の数として、例えば特許文献２及び図４に示すようにステータを円弧状とすることもできる。

これにより、ステータを円環状とすることに比べて、ティースの本数を励磁及び検出に当たって必要最低限のものとし、ステータの体積を低減して、製造にあたってのコスト低減や製品としての重量低減を図っている。

特開２００８−２５６４８６号公報 特開２００２−１６８６５２号公報

ところが特許文献２に記載のようなステータが円弧状であるレゾルバにおいては、ステータが図３に示すような円環状のものに比べて以下のような問題点が生じる。

ステータが円環状のものである場合には、ステータのロータに対する偏心が生じても、ステータの含む複数のティースは周方向全周にわたって設けられているため、相互に径方向反対側に位置して対向する一対の図３中白抜きの丸１で示すティースと白抜きの丸２で示すティースのそれぞれに巻回される一対の検出コイルの巻線を相互に接続することで対応することができる。

つまり、偏心に起因して、ティースとロータとのエアギャップが変化してティースに巻回された検出コイルの出力信号が変化しても、ステータが円環状である場合には、上記一対のティースの一方はロータに接近し、他方はロータから接近分と同じ距離だけ離隔する関係を有している。

すなわち、一対の検出コイルのうち一方の出力信号は高くなり、他方の出力信号は低くなる関係を有するため、上述した接続形態とすることでトータルとしての出力信号の変化は径方向反対側相互間においてキャンセルされて問題とならない。ところが、円弧状のステータの場合には、このような径方向反対側に位置する関係を有する一対のティースが存在せず、巻線同士を接続してキャンセルを行うことができないため、出力信号の変化に伴って検出精度が低下するという問題が生じる。

一般に、円弧状のステータは図示しない回転電機の筐体の軸方向端面又は外周面に例えば嵌合、締結等の手段により設けられることとなり、設置にあたって組付け誤差や作動ガタ等の様々な理由により理想的な位置からはずれが生じるおそれがある。また、ロータについても、回転電機側のロータのシャフトに嵌合されて設けられることとなり、設置にあたってこれも理想的な位置からはずれが生じるおそれがある。このため、円弧状のステータの円弧中心がロータの中心軸線に対して一致しない、又は傾斜することにより、偏心が発生するおそれがある。

すなわち、円弧状つまりＣ型のレゾルバにおいても、ステータの円弧状部分を周方向に延長して構成される円環の中心と、ロータの中心軸線Ｃが現実には組付け誤差や作動ガタ等の様々な要因により偏心することが生じえる。このような偏心が生じた場合、複数のティースの径方向内側のそれぞれの端面とロータの外周面との間のエアギャップは、偏心により変化量が大きくなり、ｓｉｎ巻線、ｃｏｓ巻線の出力信号が変動してトータルとしての検出誤差が大きくなる。

本発明は、上記問題に鑑み、より検出精度を高めることができる回転角検出装置を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明による回転角検出装置は、
ロータと、
励磁コイルと、
検出コイルと、
複数のティースを含み前記ロータの周方向の一部にわたって円弧状に延在するステータと、を含み、
前記ロータの外周面は径方向に突出する突部を周方向に所定数並列させて含むとともに、
２πを前記所定数で除した角度だけ相互に離隔する一対の前記ティースにそれぞれ巻回される前記検出コイルを構成する巻線を相互に接続することを特徴とする。

ここで前記ロータは前記突部を含むことにより周方向に周期的に外径が変化する誘導子型の被検出用のロータであり、これに伴って、前記ステータの前記ティースとの径方向距離つまりエアギャップを、前記ロータの回転に伴わせて周期的に変化させる機能を有するものであり、例えば検出対象となる回転電機のロータの含むシャフトに駆動結合されるものである。

前記回転角検出装置は、前記励磁コイルへの励磁信号の供給に伴って発生した磁束が前記ティースから放出され、エアギャップを介して前記ロータに進入し、再度前記ティース内に進入して前記検出コイルが発生する出力信号が、エアギャップが前記ロータの回転に伴って、一回転について前記所定数だけ変化することに伴わせて、同じく前記所定数だけ変化することを検出することにより、前記ロータの回転角を検出する。

本発明の前記回転角検出装置によれば、ステータとロータとの間で偏心が発生している場合に検出コイルの出力信号に変化が生じても、上述した２πを前記所定数で除した角度だけ周方向に相互に離隔する関係を有する、前記一対の前記ティースにそれぞれ巻回される前記検出コイル相互間では、偏心に伴い一方の前記ティースと前記ロータが接近するとやはり、他方の前記ティースは前記ロータから離隔する関係を有している。

つまり、一方の出力信号が増加して他方の出力信号が減少する傾向を有することから、これらを相互に予め接続することにより、増加と減少を相互にキャンセルして前記検出コイルのトータルの出力信号が変化することが抑制でき、検出精度をより高めることができる。

ここで、前記回転角検出装置において、
前記一対の前記ティースにそれぞれ巻回される前記検出コイルを構成する巻線のそれぞれの巻線数相互間の巻線比率を所定比率とすることが好ましい。

この場合において、前記回転角検出装置は、
前記検出コイルを構成するｓｉｎ巻線の出力ｓｉｎとｃｏｓ巻線の出力ｃｏｓがそれぞれ前記ロータの回転角θに対して

に示す関係を有するとともに数１中ａ１〜ａ８、ｂ１〜ｂ８は、前記ロータ、前記ステータ、前記複数のティースの磁気回路特性、前記ｓｉｎ巻線、前記ｃｏｓ巻線の変圧比、インピーダンスにより定まる定数であることが好ましい。

前記回転角検出装置によれば、前記所定比率を誤差数学モデルの計算及び磁場解析のシミュレーション等により適宜定めて、偏心が発生した場合の出力信号を相互にキャンセル機能をより高めることができる。

すなわち、前述した円環状のステータを有するものと違って、前記回転角検出装置においては、前記ステータは円弧状であることに起因して、前記一対の前記ティースの一方が前記ロータに接近する接近距離は、他方が前記ロータから離隔する離隔距離と同一ではない。

このため、前記一対の前記ティースの一方の前記検出コイルの出力信号の増加分と、他方の前記検出コイルの出力信号の減少分も同一ではなく、単に加算することによってのみでは完全にキャンセルすることができない。

ただし、前記ステータが円弧状である場合であっても、前記接近分と前記離隔分とは相互関係を有しており、この相互関係は誤差数学モデルの計算及び磁場解析のシミュレーション等により適宜定めることができるため、この相互関係に基づいて前記巻き線数相互間の巻線比率を定めて前記所定比率とすることにより、前記キャンセル機能をより高めて、検出精度をより高めることができる。

本発明によれば、より検出精度を高めることができる回転角検出装置を提供することができる。

本発明に係る回転角検出装置の一実施形態を示す模式図である。 本発明に係る回転角検出装置の一実施形態における各ティースの検出コイルの巻線数を示す表である。 従来の回転角検出装置の一実施形態を示す模式図である。 従来の回転角検出装置の一実施形態を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施例の回転角検出装置すなわちレゾルバの一実施形態を示す模式図である。なお、Ｃ型のレゾルバの一般的な構成は周知であるため、ここでは、本発明に係る構成要素のみを図示して、それ以外の構成要素の図示は省略している。また、図２は、本実施例のレゾルバのそれぞれのティースにおける検出コイルの巻線数を示す表である。

図１に示すように、本実施例のレゾルバ１は、ロータ２と、図示しない励磁コイルと、図示しないｓｉｎ用検出コイル及びｃｏｓ用検出コイルと、励磁コイル及びｃｏｓ用検出コイルが巻回されるティース３１、３３、３５、３７と、励磁コイル及びｓｉｎ用検出コイルが巻回されるティース３２、３４、３６、３８と、複数のティース３１〜３８を部分として含みロータ２の周方向の一部にわたって円弧状に延在する円弧状部分３ａをさらに含むステータ３と、を含んで構成される。

ロータ２の外周面は径方向に突出する花びら状の突部２１を周方向にここでは所定数４並列させて含む。つまり、ロータ２の外周面の突部２１は周方向にπ／２のピッチ毎に設置される。ロータ２の外周面の径方向における外径の変化のピッチに対応させて、ステータ３の円弧状部分３ａは周方向に角度πだけ延在するように構成されており、複数のティース３１〜３８は、周方向に角度π／８つまり、２πを所定数４の４倍で除した角度だけ離隔させながら周方向に等間隔に並列される。すなわち、ティース３１〜３８の周方向における設置間隔とロータ２の突部２１の設置ピッチとは、設置ピッチが設置間隔の整数倍となる関係を有している。

さらに、上述したようにステータ３は、中心軸線Ｃを中心とする円環形状の一部をなす円弧状をなす円弧状部分３ａと、ロータ２の外周側に位置する円弧状部分３ａの内周面からロータ２の径方向内側に指向して延びる複数のティース３１〜３８を含む。ティース３１〜３８と円弧状部分３ａとは、プレス加工等の機械加工により一体的に成形された例えばケイ素鋼板を中心軸線Ｃ方向に積層して一体的に構成される。なお、ティース３１〜３８は図１中時計回りの順番に符号を付している。

これとともに、２πを所定数４で除した角度π／２だけ周方向に相互に離隔する一対の図１中白抜きの丸１で示すティース３１と、白抜きの丸２で示す３５にそれぞれ巻回されるｃｏｓ用検出コイルを構成する巻線を相互に接続し、同様に、２πを所定数４で除した角度π／２だけ周方向に相互に離隔する一対のティース３３、３７にそれぞれ巻回されるｃｏｓ用検出コイルを構成する巻線を相互に接続し、ティース３１、３３、３５、３７に巻回される巻線はこの順番に直列に接続されてｃｏｓ巻線を構成する。

同様に、２πを所定数４で除した角度π／２つまり９０度だけ周方向に相互に離隔する一対のティース３２、３６にそれぞれ巻回されるｓｉｎ用検出コイルを構成する巻線を相互に接続し、２πを所定数４で除した角度π／２だけ周方向に相互に離隔する一対のティース３４、３８にそれぞれ巻回されるｓｉｎ用検出コイルを構成する巻線を相互に接続し、ティース３２、３４、３６、３８に巻回される巻線はこの順番に直列に接続されてｓｉｎ巻線を構成する。

さらに、本実施例においては、所定比率は２．４４又は−２．４４として、上述した組合せの一対のティースにそれぞれ巻回される検出コイルを構成する巻線のそれぞれの巻線数を、図２に示すような値としている。

ここで、図２中の数字において、マイナスは巻線のティースに対する巻回方向がプラスのものに対して逆方向であることを示している。ｓｉｎ巻線については、ティース３２でマイナス６５、ティース３４でプラス１５９、ティース３６でマイナス１５９、ティース３８でプラス６５としている。

また、ｃｏｓ巻線については、ティース３１でマイナス６５、ティース３３でプラス１５９、ティース３５でマイナス１５９、ティース３７でプラス６５としている。

励磁コイルについても全て直列に接続されて励磁巻線が構成され、ティース３１でマイナス３８、ティース３２でプラス３８、ディース３３でマイナス３８、ティース３４でプラス３８、ティース３５でマイナス３８、ティース３６でプラス３８、ティース３７でマイナス３８、ティース３８でプラス３８としている。

ここで、ロータ２は図示しない回転電機のロータのシャフトに駆動結合されており、上述したように外径が周方向に中心軸線Ｃを中心として一回転に付き４周期において増減するような４つの花びら状の突部２１を具備する花状に形成されているため、図示しない回転電機のロータの回転に伴って、ステータ３及びティース３１〜３８に対して、周方向に回転することによりティース３１〜３８とのエアギャップを一回転に付き４周期変化させる。

励磁コイルはティース３１〜３８の全てに図示しないボビン等の絶縁樹脂を介して巻線が巻回されることにより構成されており、この巻線に図示しない励磁回路により励磁電圧が印加されることにより磁束を発生させて、磁束はそれぞれのティース３１〜３８の径方向内側の端面から放出され、放出された磁束はエアギャップを介してロータ２に進入する。ロータ２に進入した磁束は再びエアギャップを介して、ティース３１〜３８の径方向内側の端面からティース３１〜３８内部に進入する。

ｓｉｎ用検出コイルは奇数番号のティース３１、３３、３５、３７に図示しないボビン等の絶縁樹脂を介して巻線が巻回されることにより構成されており、ティース３１、３３、３５、３７の径方向内側の端面に入力される磁束に基づいて、正弦の出力信号を出力する。なお、ティース３１、３３、３５、３７には励磁コイルとｓｉｎ用検出コイルの双方が巻回されることとなるが、励磁コイルがボビン側すなわち内層側に配置され、ｓｉｎ用検出コイルがボビンと反対側すなわち外層側に配置される。

同様に、ｃｏｓ用検出コイルは偶数番号のティース３２、３４、３６、３８に図示しないボビン等の絶縁樹脂を介して巻線が巻回されることにより構成されており、径方向内側の端面に入力される磁束に基づいて余弦の出力信号を出力するものである。ここでも、ティース３２、３４、３６、３８には励磁コイルとｃｏｓ用検出コイルの双方が巻回されることとなるが、励磁コイルがボビン側すなわち内層側に配置され、ｃｏｓ用検出コイルがボビンと反対側すなわち外層側に配置される。なお、ｓｉｎ用検出コイルを構成するｓｉｎ巻線及びｃｏｓ用検出コイルを構成するｃｏｓ巻線の出力端子はともに図示しないＲ／Ｄコンバータ（Resolver Digital）に接続されて、Ｒ／Ｄコンバータに出力信号が出力される。

回転電機が図示しないインバータ等の駆動回路により駆動されてロータが回転している状態において、図示しない励磁回路により励磁コイルに高周波の励磁信号が印加されると、ロータに駆動結合されたロータ２もそれに伴い回転されて、ティース３１〜３８の径方向内側の端面とロータ２の花状の外周部分との隙間の最短距離すなわちエアギャップが一回転に付き４周期において増減し、これにより、ｓｉｎ用検出コイル、ｃｏｓ用検出コイルに発生する出力信号が変化する。

この出力信号の変化に基づいてＲ／Ｄコンバータにより、回転角を演算する。このように本実施例のような回転角検出装置としてのレゾルバ１を備えて、検出された回転角に応じて適切な制御を行うことにより、回転電機の電流、トルク、回転数、回転角がより適切かつ効率を高めて制御される。

本実施例のレゾルバ１は、一般的なレゾルバと同様耐環境性能が高く、車両に用いられる回転角検出装置においては特に、耐熱性、耐振動性を含む高い耐環境性が要求されているため、光学式エンコーダや磁気抵抗素子を使用した磁気式エンコーダに換えて、使用することが効果的である。

本実施例のレゾルバ１によれば、ステータ３とロータ２との間で偏心が発生している場合に検出コイルの出力信号に変化が生じても、周方向に相互に２πを所定数４で除した角度π／２をなして位置する一対のティースにそれぞれ巻回される検出コイル相互間では、一方の出力信号が増加して他方の出力信号が減少する傾向を有することから、これらを相互に予め接続することにより、検出コイルのトータルの出力信号が変化することが抑制でき、検出精度をより高めることができる。

また、上述したように、一対のティースにそれぞれ巻回される検出コイルを構成する巻線のそれぞれの巻線数相互間の巻線比率を所定比率２．４４とし、変圧比、インピーダンスを合わせる補正を行った後のあるティースの巻線数をここでは６５とし、誤差数学モデルの計算及び磁場解析のシミュレーション等により適宜定められる所定比率を２．４４として、あるティースと対をなすティースにおける巻線数を１５９とすることにより、偏心が発生した場合の出力信号を相互により正確にキャンセルすることができる。

つまり、前述した図３に示したような円環状のステータを有するものに比べて、本実施例のレゾルバ１においては、ステータ３は円弧状であるため、偏心が発生した場合にπ／２相互に離隔する一対のティースのうち一方のティースとロータ２とのエアギャップが小さくなり、他方のティースとロータ２とのエアギャップは大きくなるが、この変化の態様が円環状のステータの対向するティース間の態様とは異なる。

このことに起因して、検出コイルの出力信号の増加分と、他方の前記検出コイルの出力信号の減少分の相互関係も、円環状のステータにおける相互関係とは異なるため、ステータ３が円弧状である場合に特有の相互関係に対応させて所定比率を定めることにより、キャンセル機能をより高めて、検出精度をより高めることができる。

特に、それぞれのティースの巻線数を上述した図２に示したようなものとすることによって、ｓｉｎ巻線の出力信号と、ｃｏｓ巻線の出力信号は下記の数１に示すような関係式を有することとなり、特に偏心の影響をキャンセルする効果が高いことが確認された。なお、数１中ａ１〜ａ８、ｂ１〜ｂ８は、ロータ２、ステータ３、ティース３１〜３８の磁気回路特性、ｓｉｎ巻線、ｃｏｓ巻線の変圧比、インピーダンスにより適宜定まる定数であり、θはロータ２の回転角である。なお、通常ａ１＝ａ２＝ａ３＝ａ４＝ａ５＝ａ６＝ａ７＝ａ８で、ｂ１＝ｂ２＝ｂ３＝ｂ４＝ｂ５＝ｂ６＝ｂ７＝ｂ８であり、これらは形状によって定まる定数である。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

本発明は、車両に適用して好適な回転角検出装置に関するものであり、ロータの突部の周方向における設置されるピッチだけ相互に離隔するティースに巻回される巻線相互間の接続形態の適宜の変更と、巻線相互間の巻線数比を所定比率とするという、比較的軽微な変更によって検出精度を高めることができるので、乗用車、トラック、バス等の様々な車両に適用しても有益なものである。

１ レゾルバ（回転角検出装置）
２ ロータ
２１ 突部
３ ステータ
３ａ 円弧状部分
３１ ティース
３２ ティース
３３ ティース
３４ ティース
３５ ティース
３６ ティース
３７ ティース
３８ ティース

Claims (3)

1. ロータと、励磁コイルと、検出コイルと、複数のティースを含み前記ロータの周方向の一部にわたって円弧状に延在するステータと、を含み、前記ロータの外周面は径方向に突出する突部を周方向に所定数並列させて含むとともに、２πを前記所定数で除した角度だけ相互に離隔する一対の前記ティースにそれぞれ巻回される前記検出コイルを構成する巻線を相互に接続することを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記一対の前記ティースにそれぞれ巻回される前記検出コイルを構成する巻線のそれぞれの巻線数相互間の巻線比率を所定比率とすることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記検出コイルを構成するｓｉｎ巻線の出力ｓｉｎとｃｏｓ巻線の出力ｃｏｓがそれぞれ前記ロータの回転角θに対して
   

   

   に示す関係を有するとともに数１中ａ１〜ａ８、ｂ１〜ｂ８は、前記ロータ、前記ステータ、前記複数のティースの磁気回路特性、前記ｓｉｎ巻線、前記ｃｏｓ巻線の変圧比、インピーダンスにより定まる定数であることを特徴とする請求項２に記載の回転角検出装置。

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