JP6650188B2

JP6650188B2 - レゾルバ

Info

Publication number: JP6650188B2
Application number: JP2018544005A
Authority: JP
Inventors: イ，ソン−ウォク; ナ，ビュン−チョル; シン，ダ−ヘ; イ，ウォン−ヨン; チェ，ヨン−モク
Original assignee: LS Automotive Technologies Co Ltd
Current assignee: LS Automotive Technologies Co Ltd
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-12-29
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2035-12-29
Also published as: US20180316253A1; KR101681648B1; US10931184B2; WO2017082465A1; DE212015000325U1; JP2018536877A

Description

本発明は、レゾルバに関し、より詳しくは、モータなどのような回転運動装置の回転角度及び回転速度を測定するレゾルバに関する。

本出願は、２０１５年１１月１１日出願の韓国特許出願第１０−２０１５−０１５８１７４号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。

一般に、レゾルバ（ｒｅｓｏｌｖｅｒ）は、モータなどのような回転運動装置の回転角度及び回転速度を測定する一種のセンサである。最近、レゾルバは多様な技術分野において広範囲に用いられており、特に、車両の電動式パワーステアリングシステム（ｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ）などのように高度の正確度をもって回転角度及び回転速度を測定及び制御しなくてはならない高精度制御システムに適用されている。したがって、レゾルバの測定性能に影響を及ぼす多様な要因を正確に把握し分析してレゾルバの設計に反映することで、レゾルバの測定誤差率を最小化し、測定精度を最大限に改善する必要がある。

しかし、従来技術は、特開第１９９６−１７８６１１号公報などに開示されたように、レゾルバの固定子（ｓｔａｔｏｒ）に配置される励磁コイル及び出力コイルの構成を変更してレゾルバの測定性能を改善するが、特開第２００５−４９１８３号公報などに開示されたように、レゾルバの回転子（ｒｏｔｏｒ）の形状を変形してレゾルバの測定性能を改善するだけで、固定子と回転子との面積関係を、レゾルバの測定性能に影響を及ぼす要因として考慮していない。即ち、従来技術は、固定子の面積に対して回転子の面積が一定範囲を超えて小さいかまたは大きく設計される場合、磁束経路が固定子または回転子側に偏重するか、磁束飽和（ｍａｇｎｅｔｉｃｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）が発生することによって磁束の流れを妨害し、その結果、レゾルバの測定性能が劣る点をレゾルバの設計に反映していない。

さらに、従来技術は、固定子と回転子との面積関係を簡易な方式で最適化してレゾルバの設計に反映することで、レゾルバの設計を容易にする技術を一切提示していない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、無駄なサイズや重さを増加させることなく磁束飽和を防止して測定精度を改善し、製造コストを節減し、開発者の設計を容易にするレゾルバを提供することを目的とする。

本発明の一実施例によるレゾルバは、少なくとも１相以上の励磁コイル及び少なくとも１相以上の出力コイルが配置される固定子と、前記固定子から所定の間隙（ｇａｐ）を有して前記固定子の内側中心空間に配置され、回転軸を中心に回転しながら前記固定子とのギャップパーミアンス（ｇａｐｐｅｒｍｅａｎｃｅ）を変化させる回転子と、を含み、前記固定子と前記回転子との面積比（Ａｒ／Ａｓ）が下記の数式１を満たす。

＜数式１＞
０．２２≦Ａｒ／Ａｓ≦０．３７
（ここで、Ａｓは固定子の断面積を示し、Ａｒは回転子の断面積を示す。）
一実施例において、前記固定子がリング状であり、前記固定子の断面積Ａｓが、下記の数式２と定義することができる。

＜数式２＞
Ａｓ＝π（ａ／２）²−π（ｂ／２）²
（ここで、Ａｓは固定子の断面積を示し、ａは固定子の最大外径を示し、ｂは固定子の最小内径を示す。）

一実施例において、前記固定子は、リング状の本体を有するバックヨーク（ｂａｃｋｙｏｋｅ）と、前記バックヨークの内周面に交互に形成される複数の歯（ｔｅｅｔｈ）及び複数のスロット（ｓｌｏｔ）と、を含み、前記励磁コイルまたは前記出力コイルは、前記歯に巻き取られて前記スロットに収納することができる。

一実施例において、前記歯は、Ｔ字形状を有する先端部と、前記バックヨークの内周面から突出して前記先端部を支持し、前記励磁コイルまたは前記出力コイルが巻き取られる支持部と、を含むことができる。

一実施例において、前記固定子の最大外径ａは、前記バックヨークの外径であり、前記固定子の最小内径ｂは、前記複数の歯の末端を連結して形成される円の直径と定義することができる。

一実施例において、前記回転子の断面積Ａｒは、下記の数式３と定義することができる。

＜数式３＞
Ａｒ＝π（ｃ／２）²−π（ｄ／２）²
（ここで、Ａｒは回転子の断面積を示し、ｃは回転子の最大外径を示し、ｄは回転子の最小内径を示す。）

一実施例において、前記回転子は、前記回転軸が挿通する中空を有するリング状本体と、前記リング状本体の外周に形成される複数の突極と、を含むことができる。

一実施例において、前記突極は、少なくとも前記回転子の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する円弧形状であり得る。

一実施例において、前記回転子の最大外径ｃは、前記複数の突極の頂点（ｐｅａｋｐｏｉｎｔ）を連結して形成される円の直径であり、前記回転子の最小内径ｄは、前記中空の直径と定義することができる。

一実施例において、前記回転子または前記固定子は、一定厚さの磁性鋼板を積層した積層鋼板からなり得る。

一実施例において、前記回転子が、電動パワーステアリング装置に組み立てられたモータのシャフト端部に押し込められ得る。

一実施例において、前記固定子の最大外径が、１５ｍｍ以上かつ２８０ｍｍ以下の範囲であり得る。

本発明によれば、固定子と回転子との面積関係を最適化してレゾルバを具現することで、レゾルバのサイズや重さを増加させることなくレゾルバの磁束飽和を防止し、測定精度の改善に加え、製造コストを節減することができる。

また、固定子の面積及び回転子の面積を近似値として算出し、両者間の面積比を最適化する数値範囲を提供してレゾルバの設計に反映することで、レゾルバの設計を容易にし、設計ミスを防止することができる。

ひいては、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者であれば、本発明による実施例が、以上で言及されないさらに他の技術的課題を解決できることは、以下の説明から自明に理解できる。

本発明の一実施例によるレゾルバを示した横断面図である。本発明の一実施例によるレゾルバのテスト環境を示した図である。固定子と回転子との面積比による測定誤差を概略的に示したグラフである。固定子と回転子との面積比による測定誤差を概略的に示したグラフである。固定子と回転子との面積比による測定誤差を概略的に示したグラフである。固定子と回転子との面積比による測定誤差を概略的に示したグラフである。固定子と回転子との面積比による測定誤差を概略的に示したグラフである。固定子と回転子との面積比による測定誤差を概略的に示したグラフである。固定子と回転子との面積比による最大測定誤差を示した表である。固定子と回転子との面積比による最大測定誤差変化の推移を概略的に示したグラフである。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。但し、本発明に関連する公知技術についての具体的な説明が、本発明の要旨をぼやかすと判断される場合、その詳細な説明を略する。また、後述する用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であって、設計者、製造者などの意図または慣例などによって変わり得る。したがって、その定義は、本明細書全般に亘る内容に基づきなされるべきものであろう。

図１は、本発明の一実施例によるレゾルバの横断面図である。

図１に示したように、レゾルバ１００は、固定子１１０及び回転子１２０を含む。固定子１１０は、全体的に環状の構造を有し、内周に、少なくとも１相以上の励磁コイル（図示せず）及び少なくとも１相以上の出力コイル（図示せず）が配置される。最近は、１相の励磁コイル及び２相の出力コイルが配置された固定子１１０が広く使われている。かかる固定子１１０は、固定子１１０のリング状本体を形成するバックヨーク（ｂａｃｋｙｏｋｅ）１１２と、前記バックヨーク１１２の内周面に形成される複数の歯１１４と、を有することができる。固定子１１０の歯の間には、それぞれコイルが収納されるスロット１１６が形成され、励磁コイル及び出力コイルは、それぞれの歯１１４に巻き取られてスロット１１６に収納される。この場合、固定子１１０の歯１１４は、Ｔ字形状を有する先端部１１４ａと、バックヨーク１１２の内周面から突出して先端部１１４ａを支持し、励磁コイルまたは出力コイルが巻き取られる支持部１１４ｂと、を含むことができる。

回転子１２０は、前記固定子１１０に対応する形状を有し、固定子１１０と所定の間隙を置いて固定子１１０の内側中心空間に配置され、回転軸を中心に回転するようになる。この場合、回転子１２０は、固定子１１０と協働して固定子１１０とのギャップパーミアンスを変化させる。このために、回転子１２０は、回転軸が挿通する中空１２６を有するリング状本体と、前記リング状本体の外周に形成される複数の突極１２２と、突極同士を連結する連結部１２４を含むことができる。例えば、レゾルバが電動パワーステアリング装置に適用される場合、回転子１２０は、中空１２６を介して電動パワーステアリング装置に組み立てられたモーターのシャフト端部に押し込まれ得る。また、固定子１１０や回転子１２０は、それぞれ一定厚さの強磁性鋼板が複数積層された積層鋼板からなるか、所定厚さを有する単一の強磁性鋼板からなり得る。

一方、固定子１１０に配置された励磁コイルに励磁電圧が印加され、回転子１２０が中空１２６に結合された回転軸によって回転すれば、回転子１２０は、突極１２２及び連結部１２４によって固定子１１０とのギャップパーミアンスを変化させる。その結果、固定子１１０の出力コイルを介してｓｉｎ及びｃｏｓ波形の電圧信号が出力される。レゾルバ１００は、このような出力信号を用いて回転軸の回転角度及び回転速度などを測定する。

この際、回転軸に直交する断面、即ち、横断面を基準で固定子１１０の面積に対する回転子１２０の面積が過渡に小さいか大きく設計される場合、磁束経路が固定子１１０及び回転子１２０のいずれか一側に偏重して磁束の過密化または磁束飽和が発生することで、磁束の円滑な流れを妨げ、レゾルバの測定性能が劣るようになる。

したがって、本発明によるレゾルバ１００は、固定子１１０と回転子１２０との面積比が最適化したことを特徴とする。即ち、本発明の一実施例によるレゾルバ１００は、固定子面積Ａｓに対する回転子面積Ａｒの比（Ａｒ／Ａｓ）が、０．２２以上かつ０．３７以下の範囲であることを特徴とする。即ち、本発明の一実施例によるレゾルバ１００の固定子面積Ａｓに対する回転子面積Ａｒの比（Ａｒ／Ａｓ）は、下記の数式１のように表される。

＜数式１＞
０．２２≦Ａｒ／Ａｓ≦０．３７
ここで、Ａｓは固定子面積を示し、Ａｒは回転子面積を示す。

この場合、前記固定子面積Ａｓは、下記の数式２のように表される。

＜数式２＞
Ａｓ＝π（ａ／２）²−π（ｂ／２）²
ここで、Ａｓは固定子面積を示し、ａは固定子の最大外径を示し、ｂは固定子の最小内径を示す。

即ち、固定子面積Ａｓは、固定子１１０の最大外径ａを直径とする円の面積値から、固定子１１０の最小内径ｂを直径とする円の面積値を減算することで算出することができる。この際、固定子１１０は、リング状本体をなすバックヨーク１１２と、バックヨーク１１２の内周面に交互に形成される複数の歯１１４及び複数のスロット１１６とを含むことができる。この場合、固定子１１０の最大外径ａは、バックヨーク１１２の最大外径と定義することができる。ここで、固定子１１０の最大外径ａは、その中心点から最外郭に位置するバックヨーク１１２の外周を基準とすることができるが、固定子１１０の主機能と関係ない部分、例えば、相対的に小さい面積を有するねじ結合用の突出部分などは、固定子１１０の外径に含まれない。

また、固定子１１０の最小内径ｂは、前記複数の歯１１４の末端を連結して形成される仮想円の直径と定義することができる。例えば、固定子１１０の最小内径ｂは、固定子１１０の中心点を基準で相互反対側に位置する両歯間の最短距離であり得る。

一方、回転子面積Ａｒは、下記の数式３のように表される。

＜数式３＞
Ａｒ＝π（ｃ／２）²−π（ｄ／２）²
ここで、Ａｒは回転子面積を示し、ｃは回転子の最大外径を示し、ｄは回転子の最小内径を示す。

即ち、回転子面積Ａｒは、回転子１２０の最大外径ｃを直径とする円の面積値から、回転子１２０の最小内径ｄを直径とする円の面積値を減算することで算出することができる。回転子１２０が、回転軸の挿通する中空１２６を有するリング状本体と、前記リング状本体の外周に形成される複数の突極１２２とを含み、前記複数の突極１２２が、少なくとも回転子１２０の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する円弧形状である場合、回転子１２０の最大外径ｃは、前記複数の突極１２２の頂点（ｐｅａｋｐｏｉｎｔ）を連結して形成される仮想円の直径と定義することができる。例えば、回転子１２０の最大外径ｃは、回転子１２０の中心点を基準で交互反対側に位置する両突極の頂点間の直線距離である。

また、回転子１２０の最小内径ｄは、その中空１２６の内径と定義することができる。この際、回転子１２０の最小内径ｄは、その中心点から最も近接して位置する内周部分を基準とすることができるが、回転子１２０の主機能と関係ない部分、例えば、相対的に小さい面積を有する回転軸結合用の突条や係止溝などは回転子１２０の内径に含まれない。

本発明の一実施例によるレゾルバ１００の固定子１１０に対する回転子１２０の面積比（Ａｒ／Ａｓ）は、前記数式１及び数式２に基づき下記の数式４のように表すことができる。

＜数式４＞
０．２２≦（ｃ²−ｄ²）／（ａ²−ｂ²）≦０．３７
ここで、ａは固定子１１０の最大外径を示し、ｂは固定子１１０の最小内径を示し、ｃは回転子１２０の最大外径、ｄは回転子１２０の最小内径、（ｃ²−ｄ²）／（ａ²−ｂ²）は、固定子面積に対する回転子面積の比（Ａｒ／Ａｓ）を示す。

なお、固定子１１０の最大外径は、１５ｍｍ以上かつ２８０ｍｍ以下の範囲にすることができる。固定子１１０の最大外径が１５ｍｍ未満の場合、即ち、レゾルバ１００の大きさが小型化しすぎる場合、固定子１１０の各歯１１４で発生する磁束間の干渉などによって前記数式４による面積比の最適化が困難となる。また、固定子１１０の最大外径が２８０ｍｍを超える場合、即ち、レゾルバ１００の大きさが大型化しすぎる場合、固定子１１０と回転子１２０の面積を近似化する過程で誤差が増加するようになり、数式４による面積比の最適化が困難となる。

以下、固定子に対する回転子の面積比（Ａｒ／Ａｓ）によるレゾルバの測定性能を下記の実験例を通じて検証する。

図２には、本発明の一実施例によるレゾルバのテスト環境が示されている。

図２に示したように、本実験例では、モータ１０の回転軸の一端に本発明の一実施例によるレゾルバサンプル２０を締結し、モータ１０の回転軸の他端にエンコーダ（ｅｎｃｏｄｅｒ）３０を締結した後、演算器（ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ）４０でレゾルバサンプル２０及びエンコーダ３０の出力波形を分析し、レゾルバサンプル２０の誤差を測定した。

レゾルバサンプルの製作
１５ｍｍ以上かつ２８０ｍｍ以内の固定子外径を有し、固定子に対する回転子の面積比（Ａｒ／Ａｓ）が５％から４６％に至る複数のレゾルバサンプルを製作した。各サンプルの固定子及び回転子は、鉄損などの損失を最小化するために０．５ｍｍ厚さの強磁性鋼板を積層して製造した。また、固定子は、２４個の歯を有し、回転子は１０個の突極を有するように製造した。

誤差測定
実験条件は、実験温度２４．５℃、印加電圧７Ｖｒｍｓ、周波数１０ｋＨｚ、回転子部の回転速度６０ｒｐｍに設定し、面積比（Ａｒ／Ａｓ）以外の実験条件は、全てのレゾルバサンプルにおいて同一に維持した。モータ１０の回転軸を駆動しながら、演算器４０でレゾルバサンプル２０の回転角度プロファイルを演算し、レゾルバサンプル２０の回転角度プロファイルをエンコーダ３０の回転角度プロファイルと比較することで、各サンプルの測定誤差を算出した。また、本実験例における目標とするレゾルバの最大許容誤差は±０．５゜と設定された。最大許容誤差±０．５゜を満たす測定性能を有するレゾルバは、技術的に多様な精密制御システムに適用することができ、測定精度とともに汎用性を確保することができる。

図３ａ〜図３ｆは、固定子と回転子との面積比による測定誤差を概略的に示したグラフである。

図３ａ〜図３ｃを参照すれば、固定子に対する回転子の面積比（Ａｒ／Ａｓ）が５％である場合、回転子の回転が続くにつれ測定誤差値が最大値１．３４４゜と最小値−０．０３１゜との間で変化し、絶対値である最大測定誤差は１．３４４゜に達することが分かる。また、面積比（Ａｒ／Ａｓ）が５％、１０％、１５％、２０％及び２１％に増加するにつれ、最大測定誤差がそれぞれ１．３４４゜、１．１８３゜、０．７３３゜、０．６９２゜及び０．５９５゜に次第に減少し、面積比（Ａｒ／Ａｓ）が２２％に至る場合、最大測定誤差が０．４５３゜となることで、最大許容誤差である０．５゜以下に落ちることが分かる。

また、図３ｄ〜図３ｆを参照すれば、固定子に対する回転子の面積比（Ａｒ／Ａｓ）が２３％から２９％に増加するにつれ、最大測定誤差が０．３７２゜から０．２１３゜に減少することで最低値に逹した後、面積比（Ａｒ／Ａｓ）が３７％まで増加すれば、最大測定誤差が０．４８３゜に増加することが分かる。また、面積比（Ａｒ／Ａｓ）がさらに増加して３８％、４０％及び４６％に至れば、最大測定誤差がそれぞれ０．５８２゜、０．６２６゜、１．００２゜に増加することで、許容誤差範囲から外れることが分かる。

図４は、固定子に対する回転子の面積比による最大測定誤差を示した表である。

図５は、固定子に対する回転子の面積比による最大測定誤差の変化推移を概略的に示したグラフである。

図４及び図５を参照すれば、固定子に対する回転子の面積比（Ａｒ／Ａｓ）を５％から４６％まで徐々に増加させる場合、レゾルバの最大測定誤差は概ね減少してからまた増加するようになる。即ち、面積比（Ａｒ／Ａｓ）が５％から２１％まで増加する場合、レゾルバの最大測定誤差は概ね減少するが、許容誤差範囲を満たさない。これに対し、面積比（Ａｒ／Ａｓ）が２２％以上３７％以下の範囲となる場合、レゾルバの最大測定誤差が許容誤差範囲を満たすようになる。しかし、面積比（Ａｒ／Ａｓ）が３７％を超過してさらに増加する場合、レゾルバの最大測定誤差が許容誤差範囲を満たさなくなる。

上述のように、本発明によれば、固定子と回転子との面積関係を最適化してレゾルバを具現することで、レゾルバのサイズや重さを増加させることなくレゾルバの磁束飽和を防止し、測定精度の改善に加え、製造コストを節減することができる。また、固定子の面積及び回転子の面積を近似値として算出し、両者間の面積比を最適化する数値範囲を提供してレゾルバの設計に反映することで、レゾルバの設計を容易にし、設計ミスを防止することができる。ひいては、本発明による実施例が、当該技術分野は勿論、関連の技術分野においても本明細書に言及されないさらに他の技術的課題を解決できることは言うまでもない。

以上、本発明について具体的な実施例を挙げて説明した。しかし、当業者であれば、本発明の技術的範囲において多様な変形実施例を具現できることを明確に理解できるだろう。したがって、上述の実施例は、限定的な観点ではなく説明的な観点から考慮されるべきである。即ち、本発明の真正な技術的思想は請求範囲に示されており、その均等範囲内における全ての相違点は本発明に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims

少なくとも１相以上の励磁コイル及び少なくとも１相以上の出力コイルが配置される固定子と、前記固定子から所定の間隙を置いて前記固定子の内側中心空間に配置され、回転軸を中心に回転しながら前記固定子とのギャップパーミアンスを変化させる回転子と、を含むレゾルバであって、
前記固定子は、磁性体鋼板からなり、１５ｍｍ以上かつ２８０ｍｍ以下の範囲の外径を有するリング状のバックヨークと、前記バックヨークの内周面に交互に形成される複数の歯及び複数のスロットと、を含み、
前記回転子は、磁性体鋼板からなり、前記回転軸が挿通する中空を有するリング状本体と、前記リング状本体の外周に形成される複数の突極と、を含み、
前記固定子と前記回転子との面積比（Ａｒ／Ａｓ）が下記の数式１を満たし、
＜数式１＞
０．２８≦Ａｒ／Ａｓ≦０．３１
（ここで、Ａｓは固定子の断面積を示し、Ａｒは回転子の断面積を示す。）
前記固定子の断面積（Ａｓ）は、以下の数式２と定義され、
＜数式２＞
Ａｓ＝π（ａ／２） ^２ −π（ｂ／２） ^２
（ここで、Ａｓは固定子の断面積を示し、ａは固定子の最大外径を示し、ｂは固定子の最小内径を示す。）
前記数式２において、前記固定子の最大外径ａは、前記バックヨークの外径であり、前記固定子の最小内径ｂは、前記複数の歯の末端を連結して形成される円の直径と定義され、
前記回転子の断面積Ａｒは、以下の数式３と定義され、
＜数式３＞
Ａｒ＝π（ｃ／２） ^２ −π（ｄ／２） ^２
（ここで、Ａｒは回転子の断面積を示し、ｃは回転子の最大外径を示し、ｄは回転子の最小内径を示す。）
前記数式３において、前記回転子の最大外径ｃは、前記複数の突極の頂点を連結して形成される円の直径であり、前記回転子の最小内径ｄは、前記中空の直径と定義されることを特徴とするレゾルバ。
前記励磁コイルまたは前記出力コイルは、前記歯に巻き取られて前記スロットに収納されることを特徴とする請求項１に記載のレゾルバ。
前記歯は、Ｔ字形状を有する先端部と、前記バックヨークの内周面から突出して前記先端部を支持し、前記励磁コイルまたは前記出力コイルが巻き取られる支持部と、を含むことを特徴とする請求項２に記載のレゾルバ。
前記突極は、少なくとも前記回転子の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する円弧形状であることを特徴とする請求項１に記載のレゾルバ。
前記回転子または前記固定子は、一定厚さの磁性鋼板を積層した積層鋼板からなることを特徴とする請求項１に記載のレゾルバ。
前記回転子が、電動パワーステアリング装置に組み立てられたモータのシャフト端部に押し込められることを特徴とする請求項５に記載のレゾルバ。