4-218

平成 27 年電気学会全国大会

うず電流を考慮したスタータプランジャのセンサレス位置検出法
大音慶明＊(静岡大学) ，中岡卓郎 ，久保祐輝 ((株)デンソー)

The Sensorless Position Estimation Method of Starter Plunger considering Eddy Current
Yoshiaki Ohto (Shizuoka University), Takuro Nakaoka, Yuki Kubo (DENSO CORPORATION)

１．背景

プランジャ

近年、車の燃費規制が厳しくなる中で、アイドルストッ

ソレノイドコイル

リターンスプリング
ソレノイド

レバー

プ車は、不要時にエンジンを停止することで省燃費化でき、モータ

ピニオンギアCO2 排出量も低く抑えられることから市場ニーズが高まっている。

リングギア

アイドルストップ車は、再始動要求時に、停止状態にあエンジンクランク軸へるエンジンを即座に始動させることが求められる。エンジ

ヘリカルスプライン

図 1 スタータの構成
Fig.1 Construction of Starter

ンを即座に始動する方法として、スタータのピニオンギアをリングギアにあらかじめセットしておくプリセット制御

リターンスプリングが報告されている[1]。本論文では、プリセット制御に必要ソレノイドコイル(非通電)

ソレノイドコイル(通電)Plunger Position 9 [mm]Plunger Position 0 [mm]Normal mode

Preset mode

プランジャ

なプランジャのセンサレス位置検出法について述べる。

２－１．スタータの構成とプリセット制御法の課題
スタータの構成を図 1 に示す。このスタータは、ソレノ初期位置イドコイルに流れる電流(以下、ソレノイド電流という)をPWM 制御している。ソレノイドの電流制御回路構成は、一図 2 ソレノイドの構造
Fig.2 Construction of Solenoid

般的な降圧チョッパである。
スタータの通常の動作について説明する。まず、モータでピニオンギアを回転させる。次に、ソレノイドコイルに通電をすると、プランジャが吸引される。プランジャはレバーを介してピニオンギアと連結しているため、ピニオンピニオンギアとリングギアの噛合いが維持されていること(以下、プリセット状態という)を確認する方法が必要となる。

２－２．プランジャ位置とプリセット制御の関係ギアがリングギアの方向へと押し出される。この結果、ピプリセット状態を確認するためには、ピニオンギアと連ニオンギアとリングギアが噛合って、リングギアが回転し、結されたソレノイドプランジャの位置を検出すればよい。

エンジンを始動できる。また、エンジン始動後はソレノイソレノイドプランジャの位置を推定する方法として、一ドコイルへの通電を停止するので、ソレノイド内部にある般的にソレノイドコイルのインダクタンス値を検出する方リターンスプリングにより、プランジャとピニオンギアは法がある。その原理を以下に示す。ここで、磁路長を l、透磁率をμ、磁路の断面積を S、磁気抵抗を Rm、インダクタ吸引前の初期位置に戻される（図 2）。
スタータのプリセット時の動作について説明する。プリンスを L、巻数を N とおく。プランジャの位置が変化する

セット制御では、上記制御においてピニオンギアがリングと、ギャップ部の磁路長が変化し磁気抵抗が変化する（式ギアに噛合った時点で、モータの回転を停止させ、ソレノ(1))。また、磁気抵抗が変化するとソレノイドコイルのインイドコイルへの通電も停止する。ソレノイドコイルの通電ダクタンスが変化する（式(2)）。

lμS
N2
L=
Rm

を停止しても、ピニオンギアがリングギアに噛合った後にRm =リングギアが回転しなければ、ヘリカルスプラインの効果でプランジャとピニオンギアは初期位置へ戻らない構造になっている。しかし、振動などの外乱があるとプリセットしたピニオンギアとリングギアの噛合いがはずれる可能性

(1)

(2)

したがって、式(1)、式(2)から、ソレノイドコイルへのがある。そこで、エンジンの再始動時までプリセットした

PWM 通電の電流応答からそのインダクタンス変化を検出

2015/3/24～26 東京-369( 第 4 分冊 )©2015 IEE Japan

4-218平成 27 年電気学会全国大会することで、プランジャの位置を推定することができ、プ

４．プランジャ位置検出法

リセット状態であることを確認できる。

以上より、うず電流の影響を回避してプランジャ位置に３．ソレノイドコイルの周波数特性よるインダクタンス変化を検出するためには、ソレノイドソレノイドコイルのインダクタンス-周波数特性を図 3 にコイルに低い周波数で通電を行う必要がある。ここでは、示す。この特性からわかることは、300Hz 以上では、プラプリセット制御後にプランジャ位置を検出するため 100Hzンジャの位置が変化してもインダクタンスの差が現れないの低周波・低電流通電を行うこととした（図 6）。周波数をことである。このため、一般的に使われている数 kHz～数下げたことで、プランジャ位置に対するインダクタンスの十 kHz オーダの PWM 通電による電流応答では、プランジ差が現れ、電流応答からプランジャの位置推定が可能とな位置の推定は不可能である。っている。

12111098765432105

Solenoid current [A]

Inductance [mH]

Plunger position 0mm(Preset mode)

Plunger position 3mm
96 3 0Plunger position [mm]Plunger position 6mm
Plunger position 9mm(Normal mode)

43A Period 10 [ms]2101101001000
Log { Frequency f [Hz] }100000100000

51015Time [ms]1.8

図 3 ソレノイドコイルのインダクタンス-周波数特性
Fig.3 Solenoid Coil Inductance-Frequency characteristic
Solenoid current [A]1.6

このソレノイドコイルのインダクタンス-周波数特性を検証するために磁場解析を行った。解析条件は、低周波数(10Hz)、高周波数(1kHz)にて、プランジャがプリセット状態の場合と、プランジャが初期位置にある通常状態の場合

1.4

Plunger position 9mm(Normal mode)

1.2
1.0

Plunger position 0mm(Preset mode)0.8Detection

0.60.4について解析し、磁束密度分布を比較した。解析の結果、0.2

コア構造が塊状鉄心であるため、1kHz ではうず電流の影響

0.00.0で磁束が鉄心内部に入り込めず、インダクタンスが小さく

0.10.20.30.40.5

0.60.70.80.91.0Time [ms]なってしまっていることがわかる。

図 6 通常状態とプリセット状態におけるソレノイド電流
Fig.6 Solenoid current at normal mode and preset modeCore Stator
Solenoid Coil

５．まとめ

Plunger

塊状鉄心を使用したソレノイドコイルのインダクタンス-周波数特性を明確にした。高周波領域では、うず電流の影
1kHz10Hz

Plunger Position 0mm (Preset Mode)

図 4 プリセット状態における磁束密度分布
Fig.4 Flux density distribution at Preset mode響でインダクタンスが急激に低下してプランジャ位置によるインダクタンスの差が現れない。このうず電流の影響を回避するため、ソレノイドコイルに低周波数通電を行い、プランジャの位置をセンサレスで検出する方法を開発した。

Core Stator
Solenoid Coil文

Plunger献(1)能谷英弥・山口芳範・樋口裕昭・川津信介・山村雅紀、「Change of Mind に対応したアイドルストップ始動システ

10Hz

ムの開発」、学術講演会前刷集(秋季)、No.94-11 p21～、(2011)

1kHz

Plunger Position 9mm (Normal Mode)

図 5 通常状態における磁束密度分布
Fig.5 Flux density distribution at Normal mode

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