JP7394969B2 - 多重系回転センサおよび多重系回転センサを搭載した電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
等間隔に配置されたS個の磁極を有するステータコアと、該磁極に巻回されるステータ巻線と、ステータコアと対向して配設されたR個の磁極を有するロータコアとを備え、ステータ巻線は系統数N(Nは2以上の自然数)の系統巻線からなる多重系回転センサにおいて、ステータ巻線は、励磁巻線と2相の出力巻線とから構成され、ステータコアの磁極数Sはロータコアの磁極数Rとステータ巻線の系統数Nとの間にS=nRN(nは自然数)の関係を有し、ステータコアのS個の磁極中、R個の磁極ずつに分けて各系統巻線が巻回されており、各系統巻線の巻線配置がロータの回転軸に対しR回回転対称となっていることを特徴とする。
<2系統直列に関する構成>
本実施の形態に係る多重系回転センサを用いたモータシステムの構成について図1を用いて説明する。図1は多重系回転センサを用いたモータシステム100を示す構成図である。モータシステム100は、回転電機2、シャフト3、及び多重系回転センサ8から構成される。回転電機2は例えば自動車に搭載されるモータを示す。回転電機2と多重系回転センサ8はシャフト3を介して接続される。多重系回転センサ8はシャフト3が接続され、シャフト3を回転軸として回転可能なロータを形成するロータコア6、ロータコア6に対向するステータコア4、ステータコア4に巻回されたステータ巻線5、ステータ巻線5と接続される励磁回路部1及び角度演算部7から構成される。
そして、各系統巻線9、13の巻回されるステータ磁極数はそれぞれS/N=8個に巻回される。図中、各ステータ磁極にA~Pの符号を付しているが、第1系統巻線9は、ステータ磁極(A、E、I、M)及びステータ磁極(C、G、K、O)に巻回され、第2系統巻線13はステータ磁極(B、F、J、N)及びステータ磁極(D、H、L、P)に巻回される。
次に本実施の形態の動作について、まず、図3を用いて説明する。ロータコア6は回転電機2と同期して回転する。各系統の励磁巻線12には図1または図2に示した励磁回路部1から電圧をかけることにより、予め定められた電流が流れ、ロータコア6及びステータコア4の内部に磁束が発生する。その際、ロータコア6の回転によりロータコア6の外径の周方向分布が変化するため、各系統の第1出力巻線10及び第2出力巻線11には回転周波数ωに対し、ロータコア6の磁極数Rに対応した周波数Rωの正弦波電圧が誘起される。角度演算部7により正弦波電圧の位相を算出することでロータ角度を演算する。
次に本実施の形態の効果について図5を用いて説明する。前述したように、各系統巻線9、13の巻回されるステータ磁極位置はロータの回転軸に対し、周方向にR=4回、回転対称となるように配置される。すなわち、図4のように第1系統巻線9は、ステータ磁極(A、E、I、M)及びステータ磁極(C、G、K、O)に巻回され、第2系統巻線13は、ステータ磁極(B、F、J、N)及びステータ磁極(D、H、L、P)に巻回される。また、ロータコア6の回転により、ロータコア6の外径が変化することで、各系統の第1出力巻線10及び第2出力巻線11に正弦波電圧が誘起される。
<2系統直列、同ターン数に関する構成>
実施の形態1において説明した各系統巻線9、13の配置例において、例えば図5中、S/R=4個のステータ磁極毎に巻回される同系統の巻線は、各々同じターン数巻回され、接続されている。すなわち、第1系統巻線9は、ステータ磁極(A、E、I、M)に同ターン数の第1出力巻線10及び第2出力巻線11が巻回され、ステータ磁極(C、G、K、O)に同ターン数の第1出力巻線10及び第2出力巻線11が巻回される。また、第2系統巻線13は、ステータ磁極(B、F、J、N)に同ターン数の第1出力巻線10及び第2出力巻線11が巻回され、ステータ磁極(D、H、L、P)に同ターン数の第1出力巻線10及び第2出力巻線11が巻回される。
次に本実施の形態の効果について図5を用いて説明する。前述したようにS/R個のステータ磁極毎に巻回される同系統の巻線は各々同じターン数巻回され、接続されている。例えば図5のように第1系統巻線9はステータ磁極(A、E、I、M)に同ターン数の第1出力巻線10及び第2出力巻線11が巻回される。このとき、ロータコア6が動的偏心している場合、またはロータコア6の形状が製造ばらつきにより変化した場合に、第1系統巻線9の第1出力巻線10及び第2出力巻線11に誘起されるノイズ電圧の振幅は巻回されたステータ磁極(A、E、I、M)各々で同一となるため、誘起されるノイズ電圧の合計Vnoiseは下記式(3)によりゼロとなる。
<アウターロータの構成>
図10はロータコア6がアウターロータとなる多重系回転センサ8におけるロータコア6及びステータコア4の構成図を示す。ロータコア6はステータコア4に対して外径側に位置する。ロータコア6は凸形状に周方向に等間隔に内径が変化する複数のロータ磁極24を有し、ステータコア4は外方へ向けて周方向に等間隔に突出する複数のステータ磁極21を有する。ロータコア6とステータコア4は、互いに対向して配置される。そして、ロータコア6の外径側にシャフト3が接続される。ここで、ロータコア6とシャフト3は一体となっていてもよい。
次に本実施の形態の効果について図10を用いて説明する。前述したように、ロータコア6はステータコア4に対して外径側に位置する。これにより、多重系回転センサの製造性、または多重系回転センサの設置される周辺機器の事情に合わせて、実施の形態1の構成のようなロータコア6がステータコア4に対し内径側に位置する構成から本実施の形態のようなロータコア6がステータコア4に対し外径側に位置する構造に変更しつつ同様の効果を得ることができるため、多重系回転センサの製造性が向上する。
<2系統並列の構成>
図11、図12は2系統の系統巻線16を施した多重系回転センサ8における第1系統巻線9の結線例を示した図である。前述したように、1つのステータ磁極21につき1系統の系統巻線が巻回される。そして、各ステータ磁極21に巻回された同系統の系統巻線16同士は並列に接続される。図11に各系統巻線を全て並列に接続した際の結線例を示す。図11のように、並列の場合は結線板31を設けて各ステータ磁極を接続しているが、結線板31を設けず各ステータ磁極を渡り線で接続する構成でもよい。また、各系統巻線は直列または並列で接続さえされていればよく、図12のように直列接続と並列接続が混合していてもよい。また、本構成は上記の構成に限らず、2系統以上の複系統による多重系回転センサの構成全てにおいて成立する。
次に本実施の形態の効果について図11及び図12を用いて説明する。前述したように、各ステータ磁極21に巻回された同系統の系統巻線16同士は並列に接続される。これにより、各系統巻線16の抵抗を最も小さくすることができる。また、前述したように、各系統巻線は接続さえされていればよく、例えば図12のように直列接続と並列接続が混合していてもよい。これにより、回転電機2の各系統巻線の結線構造に依らず、実施の形態1と同様の効果を得ることができ、巻線の製造性向上、またはモータの設計自由度向上を図ることができる。
<3系統以上の構成>
図13は3系統以上のN系統の複系統巻線を施した場合の多重系回転センサ8における回路構成を示した図である。図13のように多重系回転センサ8のステータ巻線5はN系統の系統巻線9、13、14、15から構成され、各系統巻線16は各々第1出力巻線10、第2出力巻線11、励磁巻線12から構成される。各系統の第1出力巻線10及び第2出力巻線11は各々角度演算部7、各系統の励磁巻線12は励磁回路部1に接続される。ここで、角度演算部7及び励磁回路部1は各系統毎に別体となっていてもよいが、全系統で1つの励磁回路部1及び角度演算部7に接続する構成としてもよい。図14に系統数が3の場合におけるロータ磁極数Rとステータ磁極数Sの組合せ例を示す。図14に示す組合せは一例であり、式(1)を満たす組合せであればよい。
このような構成により、N≧3の複系統で構成することが可能となり、2系統以上の複系統の巻線故障時でも動作することができる。また、N≧3の複系統でもN=2の場合と同様の効果を得ることができる。
<主系統と補助系統の構成>
図17は系統数が2の場合における多重系回転センサ8における系統巻線16の配置例を示す。系統巻線16の系統数をN=2、ロータコア6のロータ磁極数をR、nを自然数とすると、ステータコア4は、式(1)で表されるステータ磁極数Sを有する。図17ではR=4、N=2、n=3、S=24の場合を示している。各系統巻線16の巻回されるステータ磁極位置は、ロータの回転軸に対し、周方向に4回回転対称となるように配置される。すなわち、第1系統巻線9は、ステータ磁極(B、H、N、T)及びステータ磁極(C、I、O、U)及びステータ磁極(D、J、P、V)及びステータ磁極(E、K、Q、W)に巻回される。第2系統巻線13は、ステータ磁極(F、L、R、X)及びステータ磁極(G、M、S、A)に巻回される。
このような構成により、主系統である第1系統巻線9の巻回されるステータ磁極数を多くすることができ、各系統巻線16の巻回されるステータ磁極21の数が系統間で同一である場合に比べ、主系統の角度検出精度を向上することができる。なお、図17ではN=2の場合を示したがこの限りではなく、N≧2の整数であれば同様の効果を得ることができる。
<本回転センサを電動パワーステアリングに搭載した場合の構成>
以上説明した多重系回転センサは、車両用の電動パワーステアリング装置に適用することができる。以下、実施の形態7に係る電動パワーステアリング装置について図18を用いて説明する。
実施の形態1~6で述べた多重系回転センサ8を電動ステアリング装置に搭載することにより、各々の実施の形態で述べた効果、すなわち多重系回転センサ8の角度検出誤差を抑制することにより角度検出精度を向上することができ、快適な操舵感を得ることができる。また、多重系回転センサ8は、3系統以上の複数系統を構成することができ、2系統以上の巻線が故障した際にも動作をすることができる。これにより、故障が発生した場合でも、安全に操舵のためのアシスト力を出力することができる。
なお、励磁回路部1、角度演算部7およびECU49内のハードウエアはマイコンでなくてもよく、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、簡単な論理回路、またはリレーなどでもよい。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (6)
- 等間隔に配置されたS個の磁極を有するステータコアと、該磁極に巻回されるステータ巻線と、前記ステータコアと対向して配設されたR個の磁極を有するロータコアとを備え、前記ステータ巻線は系統数N(Nは2以上の自然数)の系統巻線からなる多重系回転センサにおいて、
前記ステータ巻線は、励磁巻線と2相の出力巻線とから構成され、前記ステータコアの磁極数Sは前記ロータコアの磁極数Rと前記ステータ巻線の系統数Nとの間にS=nRN(nは自然数)の関係を有し、前記ステータコアのS個の磁極中、R個の磁極ずつに分けて各系統巻線が巻回されており、前記各系統巻線の巻線配置がロータの回転軸に対しR回回転対称となっていることを特徴とする多重系回転センサ。 - 前記ステータ巻線は前記ステータコアの周方向に、S/R毎に位置する磁極に同じ系統の系統巻線が同じターン数巻回されていることを特徴とする請求項1に記載の多重系回転センサ。
- 前記ステータコアのS/RNおきの磁極に異なる系統の系統巻線が巻回されていることを特徴とする、請求項1に記載の多重系回転センサ。
- それぞれの系統巻線は前記ステータコアのS/N個の磁極に巻回されていることを特徴とする請求項1または2に記載の多重系回転センサ。
- 系統の別に応じて、巻回される前記ステータコアの磁極数が異なることを特徴とする請求項1または2に記載の多重系回転センサ。
- 請求項1から5のいずれか一項に記載の多重系回転センサを搭載した電動パワーステアリング装置。
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