JP2009300238A - 可変リラクタンス型レゾルバ - Google Patents

Abstract

【課題】回転角をより正確に検出することが可能な可変リラクタンス型レゾルバを提供すること。
【解決手段】ロータと、前記ロータと相対回転自在に構成され、前記ロータの外周面又は回転面の一部に対向するように配置されたステータと、を有し、前記ステータに、複数の励磁用コイル及び複数の検出用コイルが前記ロータの周方向に沿って並ぶコイル列が構成された可変リラクタンス型レゾルバであって、前記複数の励磁用コイルは、前記コイル列の一端から他端に亘って配置され、前記複数の検出用コイルは、前記コイル列の両端以外に配置され、前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端に配置された励磁用コイルの巻数が、前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端以外に配置された励磁用コイルの巻数と異なることを特徴とする、可変リラクタンス型レゾルバ。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転角に応じて変化するロータとステータの間隔を磁気的方法により検出してロータの回転角を検出する可変リラクタンス型レゾルバに関し、特にステータが円環状となっていないため組立分解が容易な態様の可変リラクタンス型レゾルバに関する。

従来、非円形部分を有するロータとステータの間隔を磁気的方法により検出してロータの回転角を検出する可変リラクタンス型（ＶＲ型）レゾルバが知られている。可変リラクタンス型レゾルバは、他の種類のレゾルバとは異なり、ロータにコイルを設置する必要がないため高い耐環境性を有する。このため、自動車等の分野において好適に用いられるものである。

可変リラクタンス型レゾルバでは、励磁用のコイルと検出用のコイルをロータの周方向に沿って並ぶようにステータに配置し、磁気抵抗の変化を検出することによりロータの回転角を検出している。検出用コイルは、例えば、ロータの回転角のｓｉｎに比例した出力を得るように巻回されたｓｉｎ相の検出用コイル、及びロータの回転角のｃｏｓに比例した出力を得るように巻回されたｃｏｓ相の検出用コイルを含む。そして、それぞれの検出用コイルの出力電圧についてアークタンジェントを求める等の所定の演算を行なうことにより、ロータの回転角が算出される。

この可変リラクタンス型レゾルバの一種であって、ステータを、円環状ではなくロータの一部に対向する形状とすることにより、ロータやステータの取り外しを容易にし、部品の修理や交換を容易にしたものが知られている。ところが、この態様の可変リラクタンス型レゾルバでは、ステータが円環状でないために、励磁用のコイルや検出用のコイルが並べられたコイル列の先頭及び末尾の付近において磁束の乱れが生じ、出力電圧が不安定となる場合がある。

係る点に配慮し、コイル列の両端に励磁用のコイルのみを配置し、補正磁極として用いる態様の可変リラクタンス型レゾルバについての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２８７４４１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の可変リラクタンス型レゾルバでは、ｓｉｎ相及びｃｏｓ相の検出用コイルのそれぞれにおいて出力電圧の波形が理想正弦波波形とならず、軸倍角３倍の成分の誤差が生じてしまう。ここで、「軸倍角３倍の成分の誤差」とは、レゾルバの電気角が一回転する間に３回の周期で発生する誤差を意味する。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、回転角をより正確に検出することが可能な可変リラクタンス型レゾルバを提供することを、主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
ロータと、
前記ロータと相対回転自在に構成され、前記ロータの外周面又は回転面の一部に対向するように配置されたステータと、を有し、
前記ステータに、複数の励磁用コイル及び複数の検出用コイルが前記ロータの周方向に沿って並ぶコイル列が構成された可変リラクタンス型レゾルバであって、
前記複数の励磁用コイルは、前記コイル列の一端から他端に亘って配置され、
前記複数の検出用コイルは、前記コイル列の両端以外に配置され、
前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端に配置された励磁用コイルの巻数が、前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端以外に配置された励磁用コイルの巻数と異なることを特徴とする、
可変リラクタンス型レゾルバである。

この本発明の一態様によれば、両端に配置された励磁用コイルの巻数が、両端以外に配置された励磁用コイルの巻数と異なるように、励磁用コイルの巻数を設定するため、励磁用コイルの巻数を均一にしたものに比して、回転角をより正確に検出することができる。

本発明の一態様において、
前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端に配置された励磁用コイルの巻数が、前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端以外に配置された励磁用コイルの巻数に比して小さいことを特徴とするものとすると、好適である。

これにより、両端に配置された励磁用コイルの巻数が、両端以外に配置された励磁用コイルの巻数に比して小さくなるように、励磁用コイルの巻数を設定するため、励磁用コイルの巻数を均一にしたものに比して、回転角をより正確に検出することができる。

本発明によれば、回転角をより正確に検出することが可能な可変リラクタンス型レゾルバを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

以下、本発明の一実施例に係る可変リラクタンス型レゾルバ１について説明する。図１は、本発明の一実施例に係る可変リラクタンス型レゾルバ１の構成例である。可変リラクタンス型レゾルバ１は、ロータ１０と、ステータ２０と、を有する。

ロータ１０は、ベアリング等によってステータ２０に相対回転自在に連結されている。図１に示す如く、ロータ１０の外形輪郭線は、一定の径ではなく、周期的に変化する径により画成される。

ステータ２０は、例えば珪素鋼板を積層して構成され、ロータの外周面の一部に対向する円弧状の形状となっており、ロータ１０の回転中心とステータ２０の円弧部分の中心が一致するようにロータ１０と連結される。なお、ステータ２０は、図示しない固定部材によってケース等に固定されるのが一般的である。ステータ２０は、ロータ１０の周囲一周に亘って対向する円環状の形状となっていないため、ロータ１０と容易に分離することができ、部品の修理や交換が容易となっている。

また、ステータ２０は、ロータ１０に対向する側に、ロータ１０の周方向に沿って並ぶステータコア（歯）２５Ａ〜２５Ｆが突出するように形成されている。それぞれのステータコアには、電源装置４０に接続された励磁用コイル、及び発生した磁気に対する磁束抵抗を電圧に変換して信号処理装置５０に出力するための検出用コイルが巻回されており、これによって、複数の励磁用コイル及び複数の検出用コイルがロータ１０の周方向に沿って並ぶコイル列３０が配置されている。コイル列３０は、例えばコイル３０Ａ〜３０Ｆの６個のコイルを含む。

コイル列３０の両端に位置するコイル３０Ａ、３０Ｆは、励磁用コイルのみが巻回されている。以下、これらを補極と称する。また、コイル列３０の両端以外に位置するコイル３０Ｂ〜３０Ｅは、励磁用コイル、及び検出用コイル（ロータ１０の回転角のｓｉｎに比例した出力を得るように巻回されたｓｉｎ相の検出用コイル、及びロータ１０の回転角のｃｏｓに比例した出力を得るように巻回されたｃｏｓ相の検出用コイルを含む）が同心状に巻回されている。以下、これらを主極と称する。

励磁用コイルは電源装置４０に直列で接続されており、その両端には、数［ｋＨｚ］、数［Ｖｐ_―ｐ］の交流が入力される（例えば、１０［ｋＨｚ］、４［Ｖｐ_―ｐ］程度）。

また、ｓｉｎ相の検出用コイル、及びｃｏｓ相の検出用コイルは、それぞれが信号処理装置５０のｓｉｎ相演算入力部、及びｃｏｓ相演算入力部に直列で接続されている。

なお、本実施例の可変リラクタンス型レゾルバ１は、補極２個、主極４個を有するものとして説明するが、これに限定されず、コイル列３０の両端が補極であればよく、主極の数は任意である。

ここで、可変リラクタンス型レゾルバにおけるロータ回転角の検出原理について簡単に説明する。

電源装置４０は、交流電源であり、例えば４Ｖの交流の入力電圧を、励磁用コイルの両端に印加する。励磁用コイルが励磁されてそれに磁気が発生すると、検知用コイルが起電する。

そして、外力等によってロータ１０が回転すると、検知用コイルとロータ１０との間隔が周期的に変化し、これに伴って、磁束抵抗が変化して、検知用コイルに誘起される電流（出力電圧）が変化する。

信号処理装置５０は、例えば、Ｒ／Ｄコンバータであり、ｓｉｎ相演算入力部に入力されたｓｉｎ相の検出用コイルの出力電圧と、ｃｏｓ相演算入力部に入力されたｃｏｓ相の検出用コイルの出力電圧とに基づいて、ロータ１０の回転角θを表すデジタル信号φを出力する。ロータの回転角θは、例えば、次式（１）の関係を用いて導出される。式中、Ｅ_{ＣＯＳ−ＧＮＤ}は、ｃｏｓ相の検出用コイルの出力電圧を表し、Ｅ_{ＳＩＮ−ＧＮＤ}は、ｓｉｎ相の検出用コイルの出力電圧を表す。

θ＝（１／Ｎ）・ｔａｎ^−１（Ｅ_{ＳＩＮ−ＧＮＤ}／Ｅ_{ＣＯＳ−ＧＮＤ}） …（１）

なお、励磁用コイルの両端に印可される入力電圧をＥｓｉｎωｔと表現すると、ｃｏｓ相の検出用コイルの出力電圧Ｅ_{ＣＯＳ−ＧＮＤ}は、次式（２）で、ｓｉｎ相の検出用コイルの出力電圧Ｅ_{ＳＩＮ−ＧＮＤ}は、次式（３）で、それぞれ表される。ここで、ωは角周波数であり、２πｆで表される。ｆは周波数、Ｋは励磁巻線、出力巻線、及びロータ１０とステータ２０の特性で決まる定数である。

Ｅ_{ＣＯＳ−ＧＮＤ}＝Ｋｃｏｓθ・Ｅｓｉｎωｔ …（２）
Ｅ_{ＳＩＮ−ＧＮＤ}＝Ｋｓｉｎθ・Ｅｓｉｎωｔ …（３）

ロータ１０の径方向の幅は、ロータ１０の回転角を変数とし軸倍角ｎにより周期が定まる略正弦波関数に従って変化するように決定される。径の変化周期を定める軸倍角ｎは、必要な分解能に応じて適宜決定されてよい。軸倍角とは、検出装置の入力機械角に対する出力電気角の比をいい、例えば、ｎ×機械角＝電気角の場合、軸倍角はｎＸ（ｎ倍角）と表される。

以下、係る機能を実現するための励磁用コイル、及び検出用コイルの巻態様について説明する。図２は、励磁用コイル、及び検出用コイルの巻方向、及び巻数を示す表である。

励磁用コイルの巻方向は、補極３０Ａ、主極３０Ｃ、３０Ｅで同一（符号ＣＣＷで示す）であり、主極３０Ｂ、３０Ｄ、及び補極３０Ｆで同一（符号ＣＷで示す）となっている。符号ＣＣＷで示す方向は、符号ＣＷで示す方向の反対方向である。その巻数は、補極３０Ａ、３０ＦでＮ１、主極３０Ｂ〜３０ＥでＮ２となっている。これにより、各コイルは、交互に異なる極性の磁極となっている。巻数Ｎ１とＮ２は異なる数である。この巻数の意義については後述する。

ｓｉｎ相の検出用コイルの巻方向は、主極３０Ｂ、３０Ｃで同一（符号ＣＷで示す）であり、主極３０Ｄ、３０Ｅで同一（符号ＣＣＷで示す）である。その巻数は、Ｎ３である。この結果、ｓｉｎ相の検出用コイルからはｓｉｎθに比例した出力が得られることとなる。

ｃｏｓ相の検出用コイルの巻方向は、主極３０Ｂ、３０Ｅで同一（符号ＣＷで示す）であり、主極３０Ｃ、３０Ｄで同一（符号ＣＣＷで示す）である。その巻数は、Ｎ３であり、ｓｉｎ相の検出用コイルと同一である。この結果、ｃｏｓ相の検出用コイルからはｃｏｓθに比例した出力が得られることとなる。

ここで、補極３０Ａ、３０Ｆの意義について説明する。ｓｉｎ相の検出用コイルとｃｏｓ相の検出用コイルに誘起される電圧は、式（２）、（３）より、入力電圧に比例することが判る。一方、励磁用コイルによって誘起される磁束は、両端部とそれ以外の部分で同一にならない。従って、全てのコイルが励磁用コイルと検出用コイルを備えるものとすると、各検出用コイルに励起される電圧にムラが生じ、検出用コイルの出力電圧が均一とならないこととなる。そこで、補極３０Ａ、３０Ｆを備えることにより、各検出コイルが存する位置において励磁用コイルによって誘起される磁束が均一となるようにしているのである。

ところが、本出願の出願人は、係る構成においても、各励磁用コイルの巻数を均一とすると（Ｎ１＝Ｎ２）、図３に示す如く、ｓｉｎ相の出力電圧波形がゼロ点以外で理想正弦波波形から歪み、ｃｏｓ相の出力電圧波形がピーク点以外で理想正弦波波形から歪んでしまうという不都合が生じるという知見を得ている。これに対して上式（１）を適用してロータ１０の回転角θを算出すると、軸倍角３倍の成分の誤差が生じてしまう。なお、「軸倍角３倍の成分の誤差」とは、レゾルバの電気角が一回転する間に３回の周期で発生する誤差を意味する。

そこで、本実施例の可変リラクタンス型レゾルバ１では、励磁用コイルのうちコイル列の両端に配置された励磁用コイルの巻数が、両端以外に配置された励磁用コイルの巻数と異なるように、より具体的には、両端に配置された励磁用コイルの巻数が、両端以外に配置された励磁用コイルの巻数に比して小さくなるように、励磁用コイルの巻数を設定している（Ｎ１＜Ｎ２）。

図６は、このように励磁用コイルの巻数を設定する理由を説明するための説明図である。図示する如く、ステータコア２５Ａ、２５Ｆから生じる磁束のループは、それぞれステータコア２５Ｂ、２５Ｅを通る１ループのみとなるため、検出用コイルが巻かれたステータコア２５Ｂ〜２５Ｅに均等な磁束を供給するためには、ステータコア２５Ａ、２５Ｆから生じる磁束を、ステータコア２５Ｂ〜２５Ｅから生じる磁束に比して小さくする必要がある。従って、本実施例では、両端に配置された励磁用コイルの巻数が、両端以外に配置された励磁用コイルの巻数に比して小さくなるように、励磁用コイルの巻数を設定しているのである。

これにより、前述した歪みを小さくし、従って、軸倍角３倍の成分の誤差を抑制することができる。よって、励磁用コイルの巻数を均一にしたものに比して、回転角をより正確に検出することができる。

なお、本出願人は、実験により、本実施例の構成によって前述の歪みを小さくできるという結果を得ている。

本実施例の可変リラクタンス型レゾルバ１によれば、両端に配置された励磁用コイルの巻数が、両端以外に配置された励磁用コイルの巻数に比して小さくなるように、励磁用コイルの巻数を設定するため、励磁用コイルの巻数を均一にしたものに比して、回転角をより正確に検出することができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、ロータ１０の外周面の一部に対向するようにステータ２０を配置するものとしたが、ロータ１０の回転面の一部に対向するようにステータ２０を配置するものとしてもよい。

図４は、これらの相違を模式的に示す図である。図４（Ａ）は、実施例の可変リラクタンス型レゾルバ１を模式的に示したものであり、図４（Ｂ）は、係る変形例を模式的に示した図である。後者の場合、ロータは、外周面ではなく回転面のステータとの間隔が、ロータの回転に応じて周期的に変化するように形成される。

図５は、係る変形例におけるステータの構成例である。係る変形例におけるコイル列についても、実施例と同様の原理を適用することにより、励磁用コイルの巻数を均一にしたものに比して、回転角をより正確に検出することができる。

本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。

本発明の一実施例に係る可変リラクタンス型レゾルバ１の構成例である。 励磁用コイル、及び検出用コイル（ｓｉｎ相のものとｃｏｓ相のものを含む）の巻方向、及び巻数を示す表である。 各励磁用コイルの巻数を均一とした場合に生じる不都合を説明するための説明図である。 本発明の他の実施例に係る可変リラクタンス型レゾルバと、実施例の可変リラクタンス型レゾルバ１との相違を模式的に示す図である。 本発明の他の実施例に係る可変リラクタンス型レゾルバにおけるステータの構成例である。 実施例のように励磁用コイルの巻数を設定する理由を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 可変リラクタンス型レゾルバ
１０ ロータ
２０ ステータ
２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、２５Ｅ、２５Ｆ ステータコア
３０ コイル列
３０Ａ、３０Ｆ 補極
３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ 主極
４０ 電源装置
５０ 信号処理装置

Claims (2)

1. ロータと、
   前記ロータと相対回転自在に構成され、前記ロータの外周面又は回転面の一部に対向するように配置されたステータと、を有し、
   前記ステータに、複数の励磁用コイル及び複数の検出用コイルが前記ロータの周方向に沿って並ぶコイル列が構成された可変リラクタンス型レゾルバであって、
   前記複数の励磁用コイルは、前記コイル列の一端から他端に亘って配置され、
   前記複数の検出用コイルは、前記コイル列の両端以外に配置され、
   前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端に配置された励磁用コイルの巻数が、前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端以外に配置された励磁用コイルの巻数と異なることを特徴とする、
   可変リラクタンス型レゾルバ。
2. 前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端に配置された励磁用コイルの巻数が、前記複数の励磁用コイルのうち前記コイル列の両端以外に配置された励磁用コイルの巻数に比して小さいことを特徴とする、
   請求項１に記載の可変リラクタンス型レゾルバ。

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