JP6556341B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
また、特許文献1に開示された構造では、リング磁石から磁気バイパス部材への軸方向の磁束密度を検出する構造となっており、複数位置での検出が必要であった。その場合には、ホール素子の位置精度によって回転角度の検出精度が決定されるため、複数のホール素子の位置精度を管理する必要があった。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
本発明の実施の形態1の回転電機は、モータと制御ユニットが一体化された構造であり、出力軸の回転角度を検出する回転センサを備えている。そして、一つの回転センサによって、センサマグネットと磁性体との間に生じる磁界の磁束密度を計測し、出力軸の回転角度を検出する。一つの回転センサで出力軸の回転角度を検出する場合には、出力軸を中心とした磁束密度の径方向成分と、磁束密度の周方向成分との関係から、回転角を算出することができる。しかし、磁束密度の径方向成分と周方向成分の振幅比が1からずれると、そのズレに応じて回転センサの出力値に角度誤差が表れる。
そこで、本発明の回転電機では、検出する回転角度の誤差低減のため、回転センサを、磁束密度の径方向成分と周方向成分の振幅比のずれ量を低減できる領域に配置することを提案している。
図1は、回転電機100の側断面図であり、例えば、電動パワーステアリング装置を示している。回転電機100は、モータ1と制御ユニット20を一体化させた構造である。そして、図1に例示するように、出力軸7の端部側(紙面下側)にモータ1が配置され、出力軸7の出力側(紙面上側)に、制御ユニット20が、同軸上に配置されている。
モータ1は、主構成要素として、ヨーク2、ステータ3、ロータ4等を含んでいる。そして、ヨーク2の内部には、巻線コイルが巻回されたステータ3が配置されている。ステータ3の両端には、巻線コイルの端部を構成するコイルエンド5が位置し、コイルエンド5から巻線端子9が、環状の支持部8を介してモータ1の外部に延出されている。
出力軸7は、図1中において、回転電機100の上部および下部に設けられた軸受6により回転可能に支持されている。軸受6は、出力軸7に固定された内輪6aとケース21に固定された外輪6bによってボールを保持する構成である。
モータ1は、その上部がフレーム10によって覆われている。そして、このフレーム10から下部がモータ1に相当している。
モータ1がブラシレス3相モータである場合、少なくとも3相分の巻線端子9がフレーム10の孔に挿通されて図中上側に延出されている。
ここでは装置の小型化のため、図1に示すように、磁性体28を、センサマグネット27から見て制御基板22側には配置せず、制御基板22が設けられていないセンサマグネット27の上側に配置する場合について説明する。
センサマグネット27のN極の磁束の一部は、磁性体28へ到達する。回転センサ26は、センサマグネット27と磁性体28との中間部に配置されている。
有効範囲31aは、図3に示すように、センサマグネット27aの外径(最大円周端)から磁性体28の外周部へ延ばされた矢印30bと、センサマグネット27aの内周のある位置から磁性体28の内周端へ延ばされた矢印30aで囲まれた四角形の範囲に相当している。
センサマグネット27の外径が、磁性体28の外径よりも小さい場合、回転センサ26aは、センサマグネット27を投影した範囲よりも径方向外側に配置することができる。
図3中の矢印zは出力軸の軸方向(z方向)を示し、矢印rはセンサマグネット27aの径方向(r方向)を示す。紙面奥から手前に向けての方向が周方向(θ方向)を示し、このθ方向に、センサマグネット27aは回転する。
なお、図3中において、回転センサ26aおよび支持基板となるセンサ基板25は、それらの配置が、角度検出用の磁界の強度に応じて決められることから、仮想線にて表示を行っているものである。
回転センサ26aのセンサマグネット27aからのz方向の距離は、磁界の強さ(磁束密度)を確保できる距離に決められるため、この最大距離は自ずと決定される。つまり、磁性体28とセンサマグネット27aの距離は、磁性体28が十分に磁束を吸い寄せることができる範囲とするとよい。回転センサ26aは、センサ基板25上に設けるが、z方向の距離が決まれば、センサ基板25を有効距離に配置するために、脚部25a等を用いてセンサ基板25の高さ調整を行うことができる。
センサマグネット27の外径が、磁性体28の外径より大きい場合、回転センサ26bは、センサマグネット27を投影した範囲内に配置することができる。
また、回転センサ26(26a、26b)の配置を決定する上で、磁界の径方向r、周方向θについては適切な関係があることを考慮して、有効範囲31a、31bの内周側の境界線を決定する必要がある。
このとき角度誤差eは、次の式(5)のような近似式で与えられる。
図5(a)は、BrとBθの振幅比が1:1、つまり振幅が等しい場合のBrとBθの磁束密度Bの角度依存性を示したものであり、図5(b)は、そのときのVcos、Vsinの信号値Vの角度依存性を示すものである。
図6(a)は、BrとBθの振幅比が1:1.2の場合のBrとBθの磁束密度Bの角度依存性を示したものであり、図6(b)は、そのときのVcos、Vsinの信号値Vの角度依存性を示すものである。
図7(a)は、BrとBθの振幅比が1:1.8の場合のBrとBθの磁束密度Bの角度依存性を示したものであり、図7(b)は、そのときのVcos、Vsinの信号値Vの角度依存性を示すものである。
出力軸7近傍では、磁界は磁性体28を経由せずにセンサマグネット27から出力軸7へ直接進む。そのため、図3および図4において示したセンサマグネット27と出力軸7の近傍の領域32a、32bは、回転センサ26aを配置するために使用することができない。領域32a、32bと有効範囲31a、31bの間の領域は、上記BrとBθの関係からr方向成分がθ方向成分より大きく、正弦信号および余弦信号が歪むため使用不可領域である。有効範囲31a、31bが、z、r、θの全部を考慮して得られた回転角度検出精度が良好な領域(Br:Bθ≒1:1の関係を有する領域)となる。
一方、図4に示すように、回転センサ26bをセンサマグネット27の外径より内側に置き、有効範囲31bを使用する場合には、z方向の距離が小さくなるほど回転センサ26bを外径側に配置した方が、BrとBθの振幅比を1に近づけることができ、回転角検出誤差を低減させることができる。
また磁性体28の厚み方向の寸法制限は、センサマグネット27からの磁束密度Bが飽和しない程度の厚みであれば問題ない。ここでは、環状の磁性体28として説明したが、センサマグネット27と磁性体28の間で構成される磁気回路が有効であれば、切り欠き部を持つ形状であっても同様の効果を得られる。
次に実施の形態2について図9および図10を用いて説明する。図9および図10は、制御ユニット20の側断面図であり、回転センサ26a、26bの配置領域付近をそれぞれ示している。
上述の実施の形態1では、磁性体28を配設した例を示していたが、この実施の形態2では、図9、図10に示すように、磁性体28は用いず、代わりに軸受6の外輪6dを磁性体として用いる例を示している。図9は、センサマグネット27の外径が軸受6の外径よりも小さい場合を示し、図10は、センサマグネット27の外径が軸受6の外径よりも大きい場合を示している。
また、この外輪6dはセンサマグネット27と同様の環状であり、一定の径を有した構造である。さらに、この外輪6dは磁性体であり、例えば鉄製である。そのため、この外輪6dを、実施の形態1の磁性体28の代わりに利用し、磁界を集める役目を請け負わせる構造となっている。
まず、回転センサ26a、26bを配置できない領域として、図9、図10に示すように、出力軸7の軸方向に平行となるように、センサマグネット27から内輪6cの外径へ伸びる破線矢印30cと、出力軸7との間の領域があり、上述した実施の形態1のr、θとの関係を考慮した配置禁止領域となる。同様にセンサマグネット27の外周部から外輪6dの外径(最外周端)へ伸びる矢印30bより外径側の領域も配置禁止領域となる。
センサマグネット27から軸受6の外輪6dの内径(最内周端)へ伸びる矢印30aは、上述の実施の形態1と同様に、Br:Bθ≒1:1の関係を有する領域となるように設定することができる。そして、矢印30a、30b、センサマグネット27、外輪6dで囲まれた四角形の有効範囲31bの領域上に回転センサ26a、26bを配置することができる。
外輪6dおよびセンサマグネット27の外表面角部が、角が削られた滑らかな曲面となっている場合には、図9、図10中の、紙面左右方向(径方向)及び上下方向に凹凸(寸法変化)があると、部分的に外輪6dとセンサマグネット27の距離z、rに変化が生じることになる。回転センサ26a、26bのz、r方向の距離が変化すれば、検出精度悪化となる。
有効範囲31a、31bを広げるためには、外輪6dに接して磁性体として機能する部品を追加するなどして、磁性体自体の形成範囲を広げることが有効である。そのためには、例えばボール6eに磁性体よりなるカバーを取り付ける、または、外輪6dの当接する外径方向に実施の形態1と同様な磁性体28を配置する、あるいは、外輪6dの外側に別の外輪を装着させるなどすることで、磁性体として機能する部分の幅方向の寸法を、外輪6dのみを用いた場合よりも大きくすることが可能となる。
なお、磁性体28(外輪6d)は環状であることを例示していたが、図11では、磁性体28の配置による磁界51の変化を説明するため、回転センサ26の近傍にのみ磁性体28を配設したモデルを用いて説明している。
パワー部23を流れる電流の大きさ、回転センサ26と磁性体28(外輪6d)の距離、磁性体28(外輪6d)とパワー部23の距離、センサマグネット27が回転センサ26の位置で生成する磁界51の強度などによって影響度は異なるが、磁性体28(外輪6d)の大きさを調整することによって回転電機100の回転角に要求される精度に収めることが可能となる。
Claims (13)
- 回転電機の出力軸、
上記出力軸を取り囲む上記回転電機のケース内に固定された磁性体、
上記出力軸に固定され、上記出力軸の回転角度を検出するための磁界を発生させるセンサマグネット、
上記回転電機のケース内に固定され、上記出力軸の軸方向において、上記磁性体と上記センサマグネットとの間に配置され、回転角検出用の上記磁界の強度に応じて信号を出力する回転センサを備え、
上記センサマグネットは、上記出力軸を中心とした周方向にS極、N極が着磁され、
上記回転センサは、上記磁界の磁束密度の、上記出力軸を中心とした径方向成分と周方向成分の振幅比をkとしたとき、振幅比kで表現されるn次(nは偶数)の角度誤差fn(k)が、要求される回転角検出精度Eを満たす領域に配置されることを特徴とする回転電機。 - 上記回転センサは、上記出力軸の軸方向において、上記センサマグネットからの距離が、回転角検出用の上記磁界の強度に応じて決められた領域内に配置されることを特徴とする請求項1記載の回転電機。
- 上記磁性体は、平面形状が環状であり、上記出力軸と同軸に、上記出力軸の外周から離間して配置されたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の回転電機。
- 上記センサマグネットは、平面形状が環状であり、上記出力軸の外周に内接し、径方向に広がって配置され、
上記回転センサは、上記センサマグネットを軸方向に投影した範囲内に配置されることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の回転電機。 - 上記センサマグネットは、平面形状が環状であり、上記出力軸の外周に内接し、径方向に広がって配置され、
上記回転センサは、上記センサマグネットを軸方向に投影した範囲よりも外側に配置されることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の回転電機。 - 上記出力軸は軸受によって保持され、上記軸受は上記出力軸と一体となり回転する内輪と、回転しない外輪とを備え、上記外輪を上記磁性体として用いたことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の回転電機。
- 上記出力軸は軸受によって保持され、
上記磁性体は上記軸受と上記回転センサとの間に配置され、上記磁性体の外径は、上記軸受の外径よりも大きいことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の回転電機。 - 上記回転センサは、上記磁性体の外径よりも内側に配置されたことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項記載の回転電機。
- 上記磁性体は、上記回転センサを装着するセンサ基板と上記ケースの内壁面に当接することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項記載の回転電機。
- 上記出力軸の軸上に、上記回転電機のモータを構成するステータおよびロータを覆うためのフレームを備え、上記出力軸の軸方向において、上記センサマグネットと上記フレームとの間に上記回転電機を制御する制御基板が配置されたことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項記載の回転電機。
- 上記回転電機に電圧を印加するためのパワー部を備え、
上記磁性体、上記回転センサ、上記センサマグネット、上記パワー部の順に軸方向に配置されたことを特徴とする請求項1から10のいずれか一項記載の回転電機。 - 上記回転電機に電圧を印加するためのパワー部を備え、
上記センサマグネット、上記回転センサ、上記磁性体、上記パワー部の順に軸方向に配置されたことを特徴とする請求項1から10のいずれか一項記載の回転電機。 - 電動パワーステアリング装置の構成要素として用いられたことを特徴とする請求項1から12のいずれか一項記載の回転電機。
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