CN110567361A - 旋转角度检测装置 - Google Patents

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CN110567361A
CN110567361A CN201910467452.3A CN201910467452A CN110567361A CN 110567361 A CN110567361 A CN 110567361A CN 201910467452 A CN201910467452 A CN 201910467452A CN 110567361 A CN110567361 A CN 110567361A
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西村立男
深山义浩
有田秀哲
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Mitsubishi Electric Corp
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    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
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Abstract

旋转角度检测装置中，对于偏心量的变化，无法抑制检测精度变差。本发明的旋转角度检测装置中，作为旋转角度检测部，设为包括：在外周面上具有由磁性体构成的凹凸部(12)的转子(1)；以及与所述凹凸部(12)相对地设置并具有磁场发生部(22)、磁性体(24)和磁检测部(23)的定子(2)，所述定子(2)与所述转子(1)发生偏心，所述凹凸部(12)是在所述转子(1)的旋转的周向上相对于机械角360度相当于N周期(N是1以上的整数)的凹凸，呈规定方向的最大偏心时的角度误差与相对于所述规定方向的相反方向的最大偏心时的角度误差相等的外周形状。

Description

旋转角度检测装置
技术领域
本申请涉及利用了磁强度的变化的旋转角度检测装置。
背景技术
旋转角度检测装置是安装于电动机等的转轴并应用于转轴的旋转角度的检测的装置，该旋转角度检测装置包括在外周面上由磁性体构成的转子、及与该转子相对地设置的定子，转子构成为相对于转轴的中心发生偏心，通过转轴旋转而使转子和定子之间的间隙产生变化，并构成为利用多个检测线圈检测转子的移动量，以作为转子与定子之间的电抗的变化。
在该旋转角度检测装置中，来自检测线圈的输出波形成为在理想的波形(正弦波或余弦波)中包含了高次谐波失真(磁导误差)的波形，因此，专利文献1中，对转子的外周形状采用如下构造：相对于正圆设置比规定的偏心量要小的多个部位的凹凸部，以抵消检测波形的磁导误差，通过设置于该转子的凹凸部的形状的作用，从而使检测线圈的输出波形中基本波分量的振幅增大、且更接近正弦波，由此来减小磁导误差。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开8－163847号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
现有技术中，针对偏心量的增加，存在无法抑制检测精度的变差的问题。在发生了因规定的偏心量以外的安装误差及振动等而产生的偏心的情况下，存在下述问题，即：正负某一方的最大偏心时的角度误差的最差值增加，检测精度变差。
本申请公开用于解决如上述那样的问题的技术，其目的在于提供一种可抑制检测精度的变差的旋转角度检测装置。
解决技术问题所采用的技术方案
本申请所涉及的旋转角度检测装置的特征在于具备旋转角度检测部，该旋转角度检测部包括：在外周面上具有由磁性体构成的凹凸部的转子；以及与所述凹凸部相对地设置并具有磁场发生部、磁性体和磁检测部的定子，所述定子与所述转子发生偏心，所述凹凸部是在所述转子的旋转的周向上相对于机械角360度相当于N周期(N是1以上的整数)的凹凸，呈规定方向的最大偏心时的角度误差与相对于所述规定方向的相反方向的最大偏心时的角度误差相等的外周形状。
发明效果
通过使某个方向的最大偏心时的角度误差与其相反侧的最大偏心时的角度误差相等，从而能降低某一方发生了最大偏心的情况下的角度误差的最差值，并能抑制检测精度的变差。
附图说明
图1是示出实施方式1的旋转角度检测装置的结构的结构图。
图2是示出实施方式1所涉及的旋转角度检测部的定子和转子的结构的剖视图。
图3是示出实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的定子和转子的结构的剖视图。
图4是示出实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的定子和转子的结构的剖视图。
图5是示出图1的偏心量和角度误差的关系的示意图。
图6是示出实施方式2所涉及的旋转角度检测装置的定子和转子的结构的剖视图。
图7是示出抵消图5的转子进行一次旋转所伴随着的高次谐波分量的示意图。
图8是示出图5的磁检测部的磁通密度的运算的一个示例的框图。
图9是示出图5的磁检测部的磁通密度的运算的一个示例的框图。
图10是示出实施方式2所涉及的旋转角度检测装置的定子和转子的结构的剖视图。
图11是示出实施方式3所涉及的旋转角度检测装置的定子和转子的结构的剖视图。
图12是实施方式3所涉及的旋转角度检测装置的A部的放大图。
图13是示出实施方式3的周向位置上的间隙长度的示意图。
具体实施方式
实施方式1.
图1示出了旋转角度检测装置的实施方式1的主要部分的结构。该旋转角度检测装置由旋转角度检测部100、处理器200、存储装置300、控制器400及数据总线500构成。旋转角度检测部100与处理器200相连接，处理器200通过数据总线500与控制器400相连接，基于由旋转角度检测部100检测出的值来进行各种控制。
关于存储装置300的详细结构，虽未进行图示，但包括随机存取存储器等易失性存储装置、以及闪存等非易失性辅助存储装置。此外，也可具备硬盘这样的辅助存储装置以代替闪存。处理器200执行从存储装置300输入的程序。该情况下，从辅助存储装置经由易失性存储装置向处理器200输入程序。另外，处理器200可以将运算结果等数据输出至存储装置300的易失性存储装置，也可以经由易失性存储装置将数据保存至辅助存储装置。此外，处理器200基于通过执行程序而得到的结果，来使控制器400动作。
图2是示出本申请的实施方式1所涉及的旋转角度检测部100的转子1和定子2的结构的剖视图，表示相对于转轴沿垂直方向切断的状态下的转子1和定子2的关系。实施方式1所涉及的旋转角度检测部100包括转子1和定子2，定子2与转子1沿转子1的外周的径向(图中的箭头A的方向)具有间隙地相对并沿外侧的周向延伸(图中的箭头B的方向)。
转子1包括旋转的中心轴11、以及设置在旋转的中心轴11的径向的外侧的磁性体的凹凸部12。在将N设为1以上的整数的情况下，凹凸部12形成为沿周向相对于机械角360度变化相当于N周期。即、作为外周的形状，设为N次周期的凹凸形状。图1所示的旋转角度检测部100中，示出了N＝12的情况下的凹凸部。
定子2与转子1的凹凸部12具有间隙地相对设置。定子2具有磁场发生部22、设置在该磁场发生部22的径向的内侧的一个或多个磁检测部23、以及沿周向延伸的磁性体24。磁场发生部22利用线圈或磁体产生成为偏置的磁场。磁检测部23是线圈、霍尔元件或磁阻元件(MR元件)。磁场发生部22沿周向延伸，以覆盖磁检测部23的外侧。磁检测部23与转子1的凹凸部12相对地设置。
磁性体24具有设置在磁场发生部22的径向外侧的磁性体径向外侧部241、以及夹着磁场发生部22的一对磁性体周向外侧部242。磁性体径向外侧部241在周向上延伸，以使得与磁场发生部22重叠。磁性体周向外侧部242与磁场发生部22相比更靠径向内侧突出，并在周向上与磁性体径向外侧部241相连接。
定子2的与转子1的凹凸部12相对的磁性体周向外侧部242的内周面243的中心轴21与转子1的中心轴11不同。图2中，定子2的中心轴21相对于转子1的中心轴11位于平面上的箭头C1的方向(即附图的下侧方向)。定子2的中心轴21相对于转子1的中心轴11位于平面上的下侧，因此，与转子1的凹凸部12相对的定子2的面和凹凸部12之间的间隙长度比定子2的中心轴21和转子1的中心轴11相同情况下的间隙长度要短。转子1的凹凸部12具有如下形状：与凹凸部12相对的定子2的面与凹凸部12之间的间隙磁导根据转子1的旋转角度呈正弦波状地变化。
图3示出了定子2的中心轴21相对于转子1的中心轴11位于平面上的上侧(图中的箭头C3的方向)的情况。如图3所示，定子2的中心轴21相对于转子的中心轴11位于平面上的上侧，因此，与转子1的凹凸部12相对的定子2的面和凹凸部12之间的间隙长度比定子2的中心轴21和转子1的中心轴11相同情况下的间隙长度要长。转子1的凹凸部12具有如下形状：与凹凸部12相对的定子2的面与转子1的凹凸部12之间的间隙磁导根据转子1的旋转角度呈正弦波状地变化。
图4示出了定子2的中心轴21相对于转子1的中心轴11位于在平面上的横向方向上(箭头C3的方向)发生了偏心的位置的情况。图4中，磁性体周向外侧部242的内周面243与转子1的凹凸部12之间的间隙长度在左右上不同。转子1的凹凸部12具有如下形状：与凹凸部12相对的定子2的面与凹凸部12之间的间隙磁导根据转子1的旋转角度呈正弦波状地变化。
即，如图2、图3、图4所示，在定子2为部分圆弧的情况下，定子2的中心轴21的位置与转子1的中心轴11的位置存在靠近、远离、横向三种模式。
为了使旋转角度的检测精度提高，需要根据转子1的旋转角度减少由磁检测部23进程检测的磁通密度的高次谐波分量。磁通密度通过磁场发生部22的磁动势、定子2的与转子1的凹凸部12相对的面、以及转子1的凹凸部12之间的间隙磁导的积来求出。磁场发生部22的磁动势是固定值，因此，磁通密度的变化量用间隙磁导的变化量来规定。减少磁通密度的高次谐波分量与减少间隙磁导的高次谐波分量是一个意思。在现有的旋转角度检测部100中，使定子2的中心轴21与转子1的中心轴11相一致，因此，会产生如下问题：当偏心发生时角度误差将增加。
实施方式1的旋转角度检测部100中，与转子1的凹凸部12相对的定子2的磁性体周向外侧的内周面的中心轴21与转子1的中心轴11不同。此时，转子1的凹凸部12具有如下形状：与凹凸部12相对的定子2的面与转子1的凹凸部12之间的间隙磁导成为正弦波状。预先在定子2的中心轴21与转子1的中心轴11不同的发生了偏心的位置处形成转子1的凹凸部12，以使定子2与转子1之间的间隙磁导成为正弦波状，由此能使偏心时的旋转角度检测部100的检测精度提高。
图2中，定子的中心轴21相对于转子的中心轴11位于下侧。图5示出偏心量与角度误差的关系。图5中，虚线(1)表示本申请的情况，实线(2)表示现有技术的情况。如该图所示，若假设定子2和转子1远离的情况(间隙长度变大的情况)以及靠近的情况(间隙长度变短的情况)，则与间隙长度变大的情况相比，在定子2与转子1之间的间隙长度变短的情况下，相对于偏心量的间隙磁导的灵敏度变高。
因此，在定子2与转子1之间的间隙长度变短的情况下，相对于偏心量，包含高次谐波分量的比例变高，相对于偏心量的角度误差变大。示出了如下情况：现有的旋转角度检测装置中，在定子的中心轴21与转子1的中心轴11相同的位置处形成了转子1的凹凸部12，以使得定子2与转子1之间的间隙磁导成为正弦波状，然而，存在在定子2与转子1靠近的方向上发生了偏心时的最大偏心量的位置处角度误差变大的问题。
图2的旋转角度检测部100中，在定子2与转子1之间的间隙长度变短的位置处形成转子1的凹凸部12，以使得定子2与转子1之间的间隙磁导成为正弦波状。转子1的凹凸部12的形状具有以某个方向的最大偏心时的角度误差与其相反侧的最大偏心时的角度误差为相等的方式进行变化的形状。其结果是，如图5所示，能在定子2和转子1相靠近的方向上发生了偏移时的最大偏心量的位置处抑制角度误差。其结果是，能抑制最大偏心量的位置处的检测精度的变差。
另外，实施方式1所涉及的旋转角度检测部100中，定子2的360度中规定范围的角度的部分与转子1相对。即，定子2仅与转子1的周向的一部分相对。此外，夹着作为定子2的周向的一部分而构成的磁场发生部22的磁性体周向外侧部的外端部244以及外端部245设置到规定范围为止，但并未绕回到转子1的整体。因此，能将磁性体周向外侧部242的重量抑制到最小限度。
实施方式2.
图6是示出实施方式2所涉及的旋转角度检测部100的剖视图。实施方式2所涉及的旋转角度检测部100中，配置有与实施方式1相同的定子2，并在位于周向的机械角180度的相对面上配置第二定子3。定子2的磁性体周向外侧部242的内周面243与第二定子3的第二磁性体周向外侧部的内周面343位于同一圆周上。
图6中，定子2的中心轴21相对于转子1的中心轴11位于平面上的上侧(箭头C4的方向)。定子2的中心轴21相对于转子1的中心轴11向上方偏移的情况以及向下方偏移的情况具有相同的意义。转子1的凹凸部12的形状具有如下形状：与凹凸部12相对的定子2的面与凹凸部12之间的间隙磁导根据转子1的旋转角度呈正弦波状地变化。
其它的结构与实施方式1相同。与实施方式1同样地，预先在定子2的中心轴21与转子1的中心轴11发生了偏心的位置处形成转子1的凹凸部12，以使得定子2与转子1之间的间隙磁导成为正弦波，由此能得到使偏心时的旋转角度检测部100的检测精度提高的效果。
在位于机械角180度的相对面上形成另一个定子2，由此能抵消转子1在进行一次旋转时所伴随着的高次谐波分量。图7示出在定子2的磁检测部23与第二磁检测部33的磁通密度波形内、转子1中的伴随着旋转的高次谐波分量。旋转角度检测部100中，随着转子1进行一次旋转，可得到N周期的基本波的正弦波。如图7所示，随着转子1的一次旋转而出现一周期的正弦波，但磁检测部23的磁通密度波形A与第二磁检测部33的磁通密度波形B成为相反相位，因此，通过对磁检测部23的磁通密度波形A和第二磁检测部33的磁通密度波形B进行相加，从而能抵消作为使检测精度变差的分量。其结果是，能够提高检测精度。
图8中示出表示定子2的磁检测部23的磁通密度与第二磁检测部33的磁通密度的运算的框图。进行将磁检测部23与第二磁检测部33的多个磁通密度相加的运算。图8表示将各自所对应的位置的磁检测部彼此之间的检测值分别相加的运算。如该图8所示，通过将检测值相加，从而如图7中所说明的那样，能抵消转子1进行一次旋转时所伴随着的高次谐波分量。另外，虽然分别是3个磁通密度的框图，但2个或3个以上的磁通密度也是相同的。另外，可以在对多个磁通密度进行运算处理之后进行相加。例如，如图9所示，可以将第一和第二磁检测部的多个磁通密度分别转换为SIN和COS的磁通密度，并在SIN彼此之间及COS彼此之间进行相加。
该运算处理在图1所示的处理器200中进行。例如，处理器200基于将旋转角度检测部100中的磁检测部23与第二磁检测部33的输出数据存储于存储装置300的程序来执行运算处理。
图10示出了定子2的中心轴21相对于转子1的中心轴11位于平面上的横向方向(箭头C3的方向)的情况。转子1的凹凸部12具有如下形状：在与面向凹凸部12的定子2的面之间，间隙磁导根据转子1的旋转角度呈正弦波状地变化。图10的形状中也能得到与图6的形状相同的效果。
实施方式3.
图11是示出实施方式3所涉及的旋转角度检测部100的剖视图。图12是示出图11的旋转角度检测部100的A部的放大图。图11中，与实施方式1同样地，定子2的中心轴21相对于转子1的中心轴11位于在箭头C4的方向发生了偏心的位置。
图12中，将定子2与转子1的凹凸部12之间的间隙长度设为Lg，将定子2与凹凸部12之间的间隙长度的最大值设为Lgmax，将最小值设为Lgmin，将磁场发生部22的径向的厚度设为Lm,将磁场发生部22的相对磁导率设为μr，将与磁检测部23交链的磁通密度的0次分量的振幅设为B0，将一次分量的振幅设为B1，将定子2与磁场发生部22的内径的差设为L1，将常数设为A。当定子2的中心轴21与转子1的中心轴11不同时，在转子1的凹凸部12中，定子2与转子1之间的间隙长度成为下式(1)。
【数学式1】
数学式1
【数学式2】
数学式2
【数学式3】
数学式3
式(1)中，当去除了项Asin2Nθ时的、与转子1的凹凸部12相对的定子2与转子1的凹凸部12之间的间隙长度Lg表示在定子2的中心轴21与转子1的中心轴11相同情况下的凹凸部12的形状。由此，项Asin2Nθ是在定子2的中心轴21的位置与转子1的中心轴11的位置不同情况下的校正项。在定子2的中心轴21的位置与转子1的中心轴11的位置不同的情况下，除了间隙磁导的基本波分量以外，还产生相对于机械角1周期的间隙磁导的2N次分量。因此，通过向与转子1的凹凸部12相对的定子2与凹凸部12之间的间隙长度Lg加入校正项Asin2Nθ，从而能将间隙磁导设为正弦波形状。
式(2)及式(3)表示对式(1)中与磁检测部23交链的磁通密度的0次分量的振幅B0以及一次分量的振幅B1进行计算的数学式。
式(1)中，若将常数设为C、i、j，则转子1的凹凸部12与定子2之间的间隙长度能转换为下式(4)。
【数学式4】
数学式4
将式(4)中，常数C、i、j设为下式(5)、(6)、(7)。
【数学式5】
数学式5
【数学式6】
数学式6
【数学式7】
数学式7
在定子的中心轴21与转子的中心轴11不同的情况下，用式(4)来表示转子1的凹凸部12的形状，即、凹凸部12的形状具有使定子与转子之间的间隙长度成为式(4)的尺寸，由此，能给出即使发生偏心时检测精度也能提高的旋转角度检测部100。
式(4)中，第1项和第3项是间隙磁导成为正弦波的分量。第2项Asin2Nθ是高次谐波分量。在发生偏心之前的状态下，通过预先重叠高次谐波分量，从而能使正负各自的最大偏心时的角度误差相等，并能降低最大偏心时的角度误差的最差值。
图13是示出与转子1的凹凸部12相对的定子2的内侧的面与凹凸部12之间的间隙长度相对于周向位置成为点序列的情形的示意图。在制作中，以固定间隔的周向间隔进行间隙长度的采样。图13中，在点序列之间用直线来进行插补。点序列间的直线插补可简单地进行，也能抑制检测精度的变差。除了间隙长度的点序列插补以外，也可以利用样条插补、拉格朗日插补。
本公开记载了各种例示的实施方式及实施例，但1个或多个实施方式中记载的各种特征、形态及功能并不限于特定实施方式的应用，可单独或以各种组合来应用于实施方式。
因而，可在本申请说明书所公开的技术范围内假设未举例示出的无数变形例。例如，对至少1个结构要素进行变形的情况、添加的情况或省略的情况、甚至提取出至少1个结构要素并与其他实施方式的结构要素进行组合的情况都包含在内。
标号说明
1转子，2定子，3第二定子，11转子的中心轴，12凹凸部，21定子的中心轴，22磁场发生部，23磁检测部，24磁性体，241磁性体径向外侧部，242磁性体周向外侧部，243内周面，244、245外端部，33第二磁检测部，343第二磁性体周向外侧部的内周面，100旋转角度检测部，200处理器，300存储装置，400控制器，500数据总线。

Claims (6)

1.一种旋转角度检测装置，其特征在于，
具备旋转角度检测部，该旋转角度检测部包括：在外周面上具有由磁性体构成的凹凸部的转子；以及与所述凹凸部相对地设置并具有磁场发生部、磁性体和磁检测部的定子，所述定子与所述转子发生偏心，所述凹凸部是在所述转子的旋转的周向上相对于机械角360度相当于N周期的凹凸，N为1以上的整数，所述凹凸部呈规定方向的最大偏心时的角度误差与相对于所述规定方向的相反方向的最大偏心时的角度误差相等的外周形状。
2.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述定子与所述转子的周向的一部分相对。
3.如权利要求2所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
在所述定子与所述凹凸部之间的间隙长度变短的方向上所述定子与所述转子发生了偏心的情况下，所述凹凸部的外周形状是如下形状：所述定子与所述转子之间的间隙磁导根据旋转角度呈正弦波状地变化。
4.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
在偏心产生前的状态下，所述定子与所述凹凸部之间的间隙长度除了具有转子的凹凸部与定子之间的间隙磁导成为正弦波的分量以外，还具有相对于机械角360度成为2N次正弦波的分量。
5.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
在将所述转子的凹凸部与所述定子之间的间隙长度设为Lg，将常数设为A、C、i、j时，所述凹凸部具有定子与转子之间的间隙长度成为下式的尺寸。
6.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
相对于设置了所述定子的位置，在所述转子的周向的机械角180度的位置设置具有第二磁检测部的第二定子，进行将所述磁检测部的检测值与所述第二磁检测部的检测值相加的运算处理。
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