DE69608879T2

DE69608879T2 - Encoder for detecting the angular position with variable reluctance

Info

Publication number: DE69608879T2
Application number: DE1996608879
Authority: DE
Inventors: Kanji Kitazawa
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2016-04-16
Also published as: DE69608879D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelsensor des Typs mit variabler Reluktanz und insbesondere Verbesserungen in dem Winkelsensor des Typs mit variabler Reluktanz, die harmonische Frequenzkomponenten beseitigen, eine Genauigkeit verbessern und ein maschinelles Aufwickeln erlauben, indem ermöglicht wird, dass die Ausgangswicklung in einer verteilten Weise an Schlitzen auf einer Einzelschlitz- Abstandsbasis und in einer sinusförmigen Konfiguration gewickelt wird.The present invention relates to a variable reluctance type angle sensor, and more particularly to improvements in the variable reluctance type angle sensor that eliminate harmonic frequency components, improve accuracy, and permit machine winding by allowing the output winding to be wound in a distributed manner on slots on a single slot pitch basis and in a sinusoidal configuration.

Herkömmlicherweise ist als ein Typ von Winkelsensor ein Geber verfügbar, der in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist. Mit 1 ist in Fig. 1 ein ringförmiger Stator mit vier Schlitzen 2 bezeichnet, die jeweils zwischen zwei von vier benachbarten vorstehenden Polen 3 gebildet sind. Eine Einzelphasen- Erregungswicklung 4 ist um jeden vorstehenden Pol 2 und in die Schlitze neben dem vorstehenden Pol 3 gewickelt. Ein Rotor, der nur aus Eisenkernen gebildet ist, und ohne eine Wicklung darauf, wird frei innerhalb des Stators 1 drehbar gehalten. Die Mitte des Rotors 5 ist von der Mitte des Stators 1 versetzt. Der Rotor 5 ist so angeordnet, dass die Permeanz des Spalts zwischen dem Rotor und dem vorstehenden Pol 3 des Stators 1 sich sinusförmig bezüglich des Winkels θ verändert.Conventionally, as one type of angle sensor, a encoder shown in Figs. 1 to 4 is available. In Fig. 1, 1 denotes an annular stator having four slots 2 each formed between two of four adjacent salient poles 3. A single-phase excitation winding 4 is wound around each salient pole 2 and in the slots adjacent to the salient pole 3. A rotor formed only of iron cores and without a winding thereon is freely rotatably supported within the stator 1. The center of the rotor 5 is offset from the center of the stator 1. The rotor 5 is arranged so that the permeance of the gap between the rotor and the salient pole 3 of the stator 1 varies sinusoidally with respect to the angle θ.

SIN und COS Ausgangswicklungen 6, 7 mit einem zugelassenen elektrischen Winkel von 90º dazwischen sind vorgesehen. Entweder eine COS Wicklung oder eine SIN Wicklung ist um jeden der vorstehenden Pole 3 und in die Schlitze 2 in dem Stator 1 gewickelt.SIN and COS output windings 6, 7 with an allowable electrical angle of 90º therebetween are provided. Either a COS winding or a SIN winding is wound around each of the projecting poles 3 and into the slots 2 in the stator 1.

Die SIN Ausgangswicklung 6 ergibt eine SIN Ausgangsspannung 8 wie eine Sinuswelle und die COS Ausgangswicklung 7 ergibt eine COS Ausgangsspannung 9 als eine Cosinuswelle. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die SIN Ausgangswicklung 6 und die COS Ausgangswicklung 7 in jedem Schlitz 2 für eine Einzelschlitzanregung angeordnet und die Erregungswicklung 4 ist sequentiell in jedem Schlitz 2 auf einer Einzelschlitz- Abstandsbasis angeordnet. Wenn wie in Fig. 3 gezeigt die Erregungsspannung über die Erregungswicklung 4 geführt wird, dann geben die SIN Ausgangswicklung 6 und die COS Ausgangswicklung 7 die SIN Ausgangsspannung 8, die mit c+D bezeichnet sind, und die COS Ausgangsspannung 9, die mit a+B bezeichnet ist, im Ansprechen auf die Drehung des Rotors 5, wie in Fig. 4 gezeigt und wie mit den Marken a, B, c, D in Fig. 4 gezeigt, aus.The SIN output winding 6 gives a SIN output voltage 8 as a sine wave and the COS output winding 7 gives a COS output voltage 9 as a cosine wave. As shown in Fig. 2, the SIN output winding 6 and the COS output winding 7 are arranged in each slot 2 for single slot excitation and the excitation winding 4 is sequentially arranged in each slot 2 on a single slot pitch basis. As shown in Fig. 3, when the excitation voltage is supplied through the excitation winding 4, the SIN output winding 6 and the COS output winding 7 output the SIN output voltage 8 designated c+D and the COS output voltage 9 designated a+B in response to the rotation of the rotor 5, as shown in Fig. 4 and as indicated by the marks a, B, c, D in Fig. 4.

Der herkömmliche Winkelsensor des Typs mit variabler Reluktanz, der so aufgebaut ist, weist das folgende Problem auf.The conventional variable reluctance type angle sensor constructed in this way has the following problem.

Der herkömmliche Winkelsensor des Typs mit variabler Reluktanz nimmt als eine Spannungsveränderung die Veränderung im magnetischen Fluss auf; der die Ausgangswicklungen durchkreuzt. Der magnetische Fluss ändert sich, wenn sich der Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator verändert. Die Ausgangsspannungsänderungen sind jeweils proportional zu SIN A und COS 0. Wegen einer Toleranz oder Veränderungen in der Konfiguration des Rotors werden harmonische Frequenzkomponenten erzeugt und Genauigkeitsverbesserungen sind extrem schwierig. Eine Teilabstandswicklung kann in der Ausgangswicklung verwendet werden, wie in Fig. 3 gezeigt, um harmonische Frequenzkomponenten zu entfernen. Diese Technik erfordert jedoch, dass die Erregungswicklung und die Ausgangswicklungen alternierende Schlitze überspringen und somit ist ein maschinelles Wickeln unmöglich.The conventional variable reluctance type angle sensor senses, as a voltage change, the change in magnetic flux crossing the output windings. The magnetic flux changes as the gap between the rotor and the stator changes. The output voltage changes are proportional to SIN A and COS 0, respectively. Due to tolerance or changes in the configuration of the rotor, harmonic frequency components are generated and accuracy improvements are extremely difficult. A partial pitch winding can be used in the output winding as shown in Fig. 3 to remove harmonic frequency components. However, this technique requires the excitation winding and the output windings to skip alternating slots and thus machine winding is impossible.

Die EP-A-0 527 673 offenbart einen ähnlichen Sensor wie derjenige, der in Fig. 3 dieser Anmeldung gezeigt ist. Die Erregungswicklung und die Ausgangswicklungen sind wiederum nicht durch benachbarte Schlitze gewickelt - das heißt, jede Umdrehung ist nicht um einen einzelnen Pol gewickelt. Die Erregungswicklung ist auf einen zylindrischen Abschnitt des Stators gewickelt, wobei die Ausgangswicklung in den Statorkerben so gewickelt ist, dass die induzierte Spannung sinusförmig ist und abgesehen von einer Phasenverschiebung die Position des Rotors relativ zu dem Stator darstellt. Ein maschinelles Wickeln ist wiederum nicht möglich.EP-A-0 527 673 discloses a similar sensor to that shown in Fig. 3 of this application. The excitation winding and the output windings are again not wound through adjacent slots - that is, each turn is not wound around a single pole. The excitation winding is wound on a cylindrical portion of the stator, with the output winding wound in the stator slots so that the induced voltage is sinusoidal and, apart from a phase shift, represents the position of the rotor relative to the stator. Machine winding is again not possible.

Ein Winkelsensor, der ähnlich zu dem in Fig. 1 gezeigten ist, ist in der EP-A-0 522 941 offenbart. Die Erregungs- und Aufnahmewicklungen sind auf die Pole des Stators gewickelt, wobei die Erregungswicklungen Phase für Phase zusammen in Reihe geschaltet sind und die Aufnahmewicklung der gleichen Phase und um 180º versetzt zusammen in Reihe geschaltet sind. Der Rotor umfasst eine Anzahl von Keulen.An angle sensor similar to that shown in Fig. 1 is disclosed in EP-A-0 522 941. The excitation and pickup windings are wound on the poles of the stator, with the excitation windings connected together in series phase by phase and pickup windings of the same phase and 180º apart connected together in series. The rotor comprises a number of lobes.

Die vorliegende Erfindung stellt einen Winkelsensor des Typs mit variabler Reluktanz bereit, der umfaßt: einen Stator mit einer Vielzahl von Schlitzen, wobei jedes Paar von benachbarten Schlitzen einen Pol definieren; eine Erregungswicklung, die auf dem Stator angeordnet ist; eine n- Phasen-Ausgangswicklung, die auf dem Stator angeordnet ist; und einen Rotor, der drehbar relativ zu dem Stator gehalten wird, wobei der Rotor einen Eisenkern mit keinen Wicklungen darauf aufweist und eine derartige Konfiguration aufweist, daß die Spaltpermeanz zwischen dem Stator und dem Rotor sich sinusförmig bezüglich des Drehwinkels (θ) des Rotors relativ zu dem Stator verändert; wobei der Winkelsensor dadurch gekennzeichnet ist, daß die Erregungswicklung sequentiell und mit einer alternierenden Polarität um eine Vielzahl von einzelnen Polen des Stators gewickelt ist und jede der Ausgangswicklungen um die Vielzahl von einzelnen Polen des Stators gewickelt sind; daß die Erregungswicklung um jeden einzelnen Pol des Stators gewickelt ist; daß die Anzahl von Windungen der Ausgangswicklungen, die um jeden einzelnen Pol des Stators gewickelt sind, sich sinusförmig um den Stator herum verändert; und daß die Richtung der Ausgangswicklungen auf jedem einzelnen Pol so bestimmt wird, daß die jeweiligen Ausgangsspannungen der Sinus- und Cosinuswelle entsprechen.The present invention provides a variable reluctance type angle sensor comprising: a stator having a plurality of slots, each pair of adjacent slots defining a pole; an excitation winding disposed on the stator; an n-phase output winding disposed on the stator; and a rotor rotatably supported relative to the stator, the rotor having an iron core with no windings thereon and having a configuration such that the gap permeance between the stator and the rotor varies sinusoidally with respect to the angle of rotation (θ) of the rotor relative to the stator; the angle sensor being characterized in that the excitation winding is wound sequentially and with an alternating polarity around a plurality of individual poles of the stator and each of the output windings is wound around the plurality of individual poles of the stator; that the excitation winding is wound around each single pole of the stator; that the number of turns of the output windings wound around each single pole of the stator varies sinusoidally around the stator; and that the direction of the output windings on each single pole is determined so that the respective output voltages correspond to the sine and cosine waves.

Vorzugsweise ist eine n-phasige Erregungs/Einzelphasen- Ausgabestruktur angeordnet, indem die Erregungswicklung als eine Ausgangswicklung und die Ausgangswicklungen als Erregungswicklungen verwendet werden.Preferably, an n-phase excitation/single-phase output structure is arranged by using the excitation winding as an output winding and the output windings as excitation windings.

Gemäß dem Winkelsensor des Typs mit variabler Reluktanz der vorliegenden Erfindung sind die Erregungswicklung und die Ausgangswicklungen in jedem Schlitz auf einer Einzelschlitz- Abstandsbasis gewickelt und die Ausgangswicklungen sind in einer verteilten Weise so gewickelt, dass die Verteilung der induzierten Spannung in den Ausgangswicklungen sinusförmig ist. Deshalb stellt jede Ausgangswicklung unabhängig von einer Einzelschlitz-Abstandswicklung an jedem Schlitz eine SIN Ausgangsspannung und eine COS Ausgangsspannung gemäß der Drehung des Rotors dar.According to the variable reluctance type angle sensor of the present invention, the excitation winding and the output windings in each slot are wound on a single-slot pitch basis, and the output windings are wound in a distributed manner so that the distribution of the induced voltage in the output windings is sinusoidal. Therefore, each output winding presents a SIN output voltage and a COS output voltage according to the rotation of the rotor, independently of a single-slot pitch winding at each slot.

Gemäß dem Winkelsensor des Typs mit variabler Reluktanz der vorliegenden Erfindung werden harmonische Komponenten von niedrigen bis hohen Frequenzen, die in jeder induzierten Spannung enthalten sind, verringert. Da jeder Schlitz mit einer Wicklung auf einer Einzelschlitz-Abstandsbasis gefüllt wird, ist ein maschinelles Wickeln unter Verwendung einer Maschine möglich.According to the variable reluctance type angle sensor of the present invention, harmonic components of low to high frequencies included in each induced voltage are reduced. Since each slot is filled with a winding on a single slot pitch basis, machine winding using a machine is possible.

The drawings show:

Fig. 1 die Konstruktion des herkömmlichen Winkelsensors;Fig. 1 shows the construction of the conventional angle sensor;

Fig. 2 ein Erklärungsdiagramm, dass die Wicklungsstruktur in jedem Schlitz in dem Winkelsensor der Fig. 1 zeigt;Fig. 2 is an explanatory diagram showing the winding structure in each slot in the angle sensor of Fig. 1 ;

Fig. 3 den herkömmlichen Wicklungsaufbau;Fig. 3 shows the conventional winding structure;

Fig. 4 die Wellenformen der Ausgangsspannungen der Ausgangswicklungen;Fig. 4 shows the waveforms of the output voltages of the output windings;

Fig. 5 allgemein den Winkelsensor des Typs mit variabler Reluktanz gemäß der vorliegenden Erfindung; undFig. 5 generally shows the variable reluctance type angle sensor according to the present invention; and

Fig. 6 ein Erklärungsdiagramm, dass die Wicklungsstruktur in jedem Schlitz gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.Fig. 6 is an explanatory diagram showing the winding structure in each slot according to the present invention.

Bezugnehmend auf die Zeichnungen wird nun eine bevorzugte Ausführungsform des Winkelsensors des Typs mit variabler Reluktanz gemäß der vorliegenden Erfindung diskutiert. In der folgenden Diskussion werden äquivalente Komponenten zu denjenigen, die unter Bezugnahme auf den Stand der Technik beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und deren Erläuterung wird nicht wiederholt.Referring to the drawings, a preferred embodiment of the variable reluctance type angle sensor according to the present invention will now be discussed. In the following discussion, equivalent components to those described with reference to the prior art will be denoted by the same reference numerals and their explanation will not be repeated.

Mit 1 ist in Fig. 5 ein ringförmiger Stator mit 12 vorstehenden Polen 3 und 12 Schlitzen 2, die jeweils zwischen zwei benachbarten vorstehenden Polen 3 gebildet sind, bezeichnet. Eine Erregungswicklung 4 einer Phase ist um jeden vorstehenden Pol 3 und in die jeweiligen Schlitze 2 gewickelt. Die Anzahl der Pole der Erregungswicklungen 4 ist gleich zu der Anzahl der Schlitze 2. Ein Rotor 5, der aus Eisenkernen ohne irgendeine Wicklung darauf gebildet ist, ist frei innerhalb des Stators 1 drehbar gehaltert. Da die Mitte des Rotors 5 von der Mitte des Stators 1 mittenversetzt ist, verändern sich Spaltpermeanzen zwischen dem Rotor 5 und den vorstehenden Polen 3 des Stators 1 bezüglich des Winkels θ sinusförmig, wie altbekannt ist. Der Rotor 5 ist nicht auf den mittenversetzten Aufbau begrenzt. Alternativ kann der gleiche Effekt durch einen Rotor 5 erzielt werden, der zur Mitte ausgerichtet ist, aber in seiner Form deformiert ist, so dass er Vorsprünge und Ausnehmungen aufweist.Denoted at 1 in Fig. 5 is a ring-shaped stator having 12 salient poles 3 and 12 slots 2 each formed between two adjacent salient poles 3. An excitation winding 4 of one phase is wound around each salient pole 3 and in the respective slots 2. The number of poles of the excitation windings 4 is equal to the number of slots 2. A rotor 5 formed of iron cores without any winding thereon is freely rotatably supported within the stator 1. Since the center of the rotor 5 is offset from the center of the stator 1, gap permeances between the rotor 5 and the salient poles 3 of the stator 1 change sinusoidally with respect to the angle θ, as is well known. The rotor 5 is not limited to the offset structure. Alternatively, the The same effect can be achieved by a rotor 5 which is aligned towards the centre but is deformed in shape so that it has projections and recesses.

Eine SIN Ausgangswicklung 6 und eine COS Ausgangswicklung 7, deren zwei Phasen einen elektrischen Winkel von 90º dazwischen aufweisen, sind in die Schlitze auf einer Einzelschlitz-Abstandsbasis (die Schlitze werden mit einer jeweiligen Wicklung gefüllt, und zwar sequentiell anstelle in einer alternierend übersprungenen Weise) gewickelt. Wie in Fig. 6 gezeigt, obwohl in Fig. 5 nicht gezeigt, sind die SIN und COS Ausgangswicklungen 6, 7 so gewickelt, dass sich die Anzahl von Umdrehungen von jeder Wicklung um einen Pol in einer sinusförmigen Weise so verändert, dass die induzierte Spannung eine sinusförmige Wellenform aufweist.A SIN output winding 6 and a COS output winding 7, the two phases of which have an electrical angle of 90° between, are wound in the slots on a single slot pitch basis (the slots are filled with a respective winding sequentially rather than in an alternating skipped manner). As shown in Fig. 6, although not shown in Fig. 5, the SIN and COS output windings 6, 7 are wound such that the number of turns of each winding around a pole varies in a sinusoidal manner so that the induced voltage has a sinusoidal waveform.

Die Anzahl der Umdrehungen der Ausgangswicklungen 6, 7 ist jeweils proportional zu SIN, COS θ. Ihre Polaritäten sind in Anbetracht der Polaritäten der Erregungswicklungen so angeordnet, dass die Polaritäten der SIN und COS Ausgangswicklungen 6, 7 mit den Polaritäten der SIN und COS Ausgangswicklungen 8, 9 an jeder der Schlitzpositionen übereinstimmen.The number of turns of the output windings 6, 7 is proportional to SIN, COS θ, respectively. Their polarities are arranged in consideration of the polarities of the excitation windings so that the polarities of the SIN and COS output windings 6, 7 coincide with the polarities of the SIN and COS output windings 8, 9 at each of the slot positions.

Wie in Fig. 6 gezeigt, führen die Erregungswicklung 4 in der normalen Wicklung und die Ausgangswicklungen 6, 7 in der normalen Wicklung zu einem gleichphasigen Ausgang, die Erregungswicklung 4 in der normalen Wicklung und die Ausgangswicklungen 6, 7 in der umgekehrten Wicklung führen zu einem Gegenphasenausgang, die Erregungswicklung 4 in der umgekehrten Wicklung und die Ausgangswicklungen 6, 7 in der normalen Wicklung führen zu einem gegenphasigen Ausgang und die Erregungswicklung 4 in der umgekehrten Wicklung und die Ausgangswicklungen 6, 7 der umgekehrten Wicklung führen zu einem gleichphasigen Ausgang. Die Polaritäten der Ausgangswicklungen 6, 7 werden bestimmt (der positive Pol wird durch eine umgekehrte Wicklung gegeben), so dass eine SIN Ausgangsspannung 8 und eine COS Ausgangsspannung 9 mit einer Sinuswelle bzw. Cosinuswelle übereinstimmen.As shown in Fig. 6, the excitation winding 4 in the normal winding and the output windings 6, 7 in the normal winding result in an in-phase output, the excitation winding 4 in the normal winding and the output windings 6, 7 in the reverse winding result in an anti-phase output, the excitation winding 4 in the reverse winding and the output windings 6, 7 in the normal winding result in an anti-phase output, and the excitation winding 4 in the reverse winding and the output windings 6, 7 in the reverse winding result in an in-phase output. The polarities of the output windings 6, 7 are determined (the positive pole is given by a reverse winding) so that a SIN output voltage 8 and a COS output voltage 9 correspond to a sine wave or cosine wave.

Die Konstruktion in Fig. 5 zeigt einen 1X, zwei-phasigen Ausgang (X bedeutet die Anzahl der Vervielfachung). Die vorliegende Erfindung kann auf einen n-phasigen Ausgangstyp und auf einen mehrpoligen Ausgangstyp (2X oder größer) angewendet werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den voranstehend beschriebenen 12-Schlitz-Typ beschränkt und eine unterschiedliche Anzahl von Schlitzen kann verwendet werden. Fig. 5 stellt einen einphasigen Erregungs/n-phasigen (zwei-phasigen) Ausgang dar. Alternativ kann die Erregungsseite und die Ausgangsseite umgedreht werden. Eine Anordnung des n-phasigen (zwei-phasigen) Erregungs/Einzelphasen-Ausgangs kann eingebaut werden.The construction in Fig. 5 shows a 1X, two-phase output (X means the number of multiplication). The present invention can be applied to an n-phase output type and a multi-pole output type (2X or larger). The present invention is not limited to the 12-slot type described above, and a different number of slots can be used. Fig. 5 shows a single-phase excitation/n-phase (two-phase) output. Alternatively, the excitation side and the output side can be reversed. An n-phase (two-phase) excitation/single-phase output arrangement can be incorporated.

Es gibt zwei mögliche Konstruktionen für die Wicklung: das heißt, die Wicklungen können um die Pole 3 herum gewickelt werden, oder sie können ausgeführt werden und in die Schlitze 2 eingefügt werden.There are two possible designs for the winding: that is, the windings can be wound around the poles 3, or they can be carried out and inserted into the slots 2.

Der Winkelsensor mit der variablen Reluktanz, der gemäß der vorliegenden Erfindung so konstruiert ist, bietet die folgenden Vorteile. Die Ausgangswicklungen werden auf einer Einzelschlitz-Abstandsbasis gewickelt und die Anzahl der Umdrehungen (Menge) der Ausgangswicklungen werden so eingestellt, dass sie mit einer sinusförmigen Verteilung übereinstimmen. Die Harmonischen von niedrigen bis hohen Frequenzen, die in den Ausgangsspannungen (induzierten Spannungen) enthalten sind, werden verringert und somit wird die Winkelsensorgenauigkeit im Vergleich mit dem Stand der Technik verbessert (auf das Fehlerniveau, welches die Hälfte bis ein Fünftel von demjenigen des Standes der Technik ist). Da die sinusförmige Verteilung auf einer Einzelschlitz- Abstandswicklung angeordnet ist, wird ein Wickeln unter Verwendung einer maschinellen Wicklung automatisiert. Dies führt zu einer beträchtlichen Kostensenkung.The variable reluctance angle sensor constructed according to the present invention offers the following advantages. The output windings are wound on a single slot pitch basis and the number of turns (amount) of the output windings are adjusted to conform to a sinusoidal distribution. The harmonics of low to high frequencies included in the output voltages (induced voltages) are reduced and thus the angle sensor accuracy is improved compared with the prior art (to the error level which is half to one fifth of that of the prior art). Since the sinusoidal distribution is arranged on a single slot pitch winding, winding is automated using machine winding. This results in a considerable cost reduction.

Claims

1. A variable reluctance type angle sensor, comprising: a stator (1) having a plurality of slots (2), each pair of adjacent slots defining a pole (3); an excitation winding (4) disposed on the stator; an n-phase output winding (6, 7) disposed on the stator; and a rotor (5) rotatably supported relative to the stator (1), the rotor having an iron core with no windings thereon and having a configuration such that the gap permeance between the stator (1) and the rotor (5) changes sinusoidally with respect to the rotation angle (θ) of the rotor (5) relative to the stator (1);

the angle sensor being characterized in that the excitation winding (4) is wound sequentially and with an alternating polarity around a plurality of individual poles (3) of the stator (1) and each of the output windings (6, 7) is wound around the plurality of individual poles (3) of the stator (1); that the excitation winding (4) is wound around each individual pole of the stator (3); that the number of turns of the output windings (6, 7) wound around each individual pole (3) of the stator (1) varies sinusoidally around the stator (1); and that the direction of the output windings on each individual pole is determined such that the respective output voltages correspond to the sine and cosine waves.

2. A variable reluctance type angle sensor according to claim 1, characterized in that an n-phase excitation/single-phase output structure is arranged by using the excitation winding as an output winding and the output windings as excitation windings.