JP2015149878A - 回転角度検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ステータコアのティースの間の空隙を確保することで、小型化する際、生産性および角度検出精度を高めることができる回転角度検出装置を提供する。【解決手段】奇数番目のティースのみを有しCOS出力巻線6と奇数番目の励磁巻線のみが巻き回された第1ステータコア4と、偶数番目のティースのみを有しSIN出力巻線7と偶数番目の励磁巻線のみが巻き回された第2ステータコア5とが一体に接合されたステータコア2と、突極を有するロータコア3とを備える。【選択図】図1

Description

この発明は、回転角度検出装置の小型化に際し、生産性および角度検出精度を向上できる技術に関するものである。
回転角度検出装置は、ステータコアに対するロータコアの回転角度によって、ステータコアとロータコアの間のギャップパーミアンスが変化することを利用して、ステータコアとロータコアの回転角度に応じた出力信号をステータコアに巻き回されたコイルから得る構成となっている(例えば、特許文献1)。
特開2002−107111号公報(段落[0006]〜[0008]、図1)
特許文献1で開示された回転角度検出装置では、ノズルを用いてコイルを巻き回す際に、ステータコアのティースの間にノズルが通る空隙が必要であった。このため装置を小型化するには、コイルをより細くするか、巻線に用いるノズルをより細くする必要があつた。細いコイルは巻線の際に断線する恐れがあり、細いノズルは巻線の際に折れたり、しなったりするためコイルの整列性が悪くなり、角度検出精度が悪くなるという問題があった。
この発明は、装置を小型化する際、ステータコアのティースの間の空隙を確保することで、生産性および角度検出精度を高めることができる回転角度検出装置を提供することを目的とする。
この発明に係る回転角度検出装置は、円環状のコアバックから径方向に突出したティースに励磁巻線とCOS出力巻線とSIN出力巻線が巻き回されたステータコアと突極を有するロータコアを備え、ステータコアは、奇数番目のティースのみを有しCOS出力巻線と奇数番目の励磁巻線のみが巻き回された第1ステータコアと、偶数番目のティースのみを有しSIN出力巻線と偶数番目の励磁巻線のみが巻き回された第2ステータコアが一体に接合されているものである。
この発明に係る回転角度検出装置は、上記のように構成されているため、装置を小型化する際、ステータコアのティースの間の空隙を確保することができ、生産性および角度検出精度を向上することができる。
この発明の実施の形態1の回転角度検出装置の斜視図である。 この発明の実施の形態1の回転角度検出装置の概念図である。 この発明の実施の形態1の回転角度検出装置に係る第1ステータコアの組立て要領図である。 この発明の実施の形態2の回転角度検出装置の斜視図である。 この発明の実施の形態2の回転角度検出装置に係る第2ステータコアの組立て要領図である。 この発明の実施の形態3の回転角度検出装置に係る出力巻線の説明図である。
実施の形態1.
実施の形態1は、奇数番目のティースのみを有しCOS出力巻線と奇数番目の励磁巻線のみが巻き回された第1ステータコアと偶数番目のティースのみを有しSIN出力巻線と偶数番目の励磁巻線のみが巻き回された第2ステータコアが一体に接合されたステータコアと突極を有するロータコアとから構成される回転角度検出装置に関するものである。
以下、本願発明の実施の形態1に係る回転角度検出装置1の構成、動作について、回転角度検出装置の斜視図である図1、概念図である図2、および第1ステータコアの組立て要領図である図3に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施の形態1の回転角度検出装置1の斜視図である。図1において、本発明の回転角度検出装置1は、ステータコア2とロータコア3から構成される。ステータコア2は、第1ステータコア4と第2ステータコア5から構成され、第1ステータコア4および第2ステータコア5は接着剤等で一体に接合されている。
第1ステータコア4と第2ステータコア5はそれぞれ円環状のコアバックとこのコアバックから径方向に突出したティースを有する。
まず、ロータコア3について説明する。ロータコア3は、第1ステータコア4および第2ステータコア5に対して自由に回転できるようになっており、ロータコア3の外周は、ロータコア3の回転時にロータコア3と、第1ステータコア4および第2ステータコア5との間のパーミアンスが正弦波状に変化するような形状となっている。具体的には、ロータコア3の外周の形状は(1)式で表される。
Figure 2015149878
ここで、gπ/2:θ=π/2のときのエアギャップ、g:θ=0のときのエアギャップ、r:ステータの内径、N:軸倍角である。
軸倍角Nはロータコアの突起の数と一致する。図1のロータコアの突起の数は2であるため、軸倍角Nは2である。
次に、ステータコア2の構成について説明する。第1ステータコア4は接合された際に奇数番目となるティースのみを有し、第2ステータコア5は接合された際に偶数番目となるティースのみを有する。
第1ステータコア4のティースには奇数励磁巻線(図示なし)とCOS出力巻線6が巻き回されており、第2ステータコア5のティースには偶数励磁巻線(図示なし)とSIN出力巻線7が巻き回されている。
第1ステータコア4と奇数励磁巻線およびCOS出力巻線6は、絶縁材(図示なし)によって電気的に絶縁されている。第2ステータコア5と偶数励磁巻線およびSIN出力巻線7に関しても、同様に絶縁材によって電気的に絶縁されている。なお、図1では、本願発明の内容を分かりやすくするため、奇数励磁巻線、偶数励磁巻線、および絶縁材を省略している。
なお、COS出力巻線とSIN出力巻線をまとめていう場合は、適宜出力巻線と記載する。
図1は軸倍角N2、スロット数8の回転角度検出装置であるが、本発明はこの軸倍角とスロット数の組合せに限ったものではない。また図1はロータコアがステータコアの内側にあるインナーロータ型の回転角度検出装置であるが、本発明はロータコアがステータコアの外側にあるアウターロータ型の回転角度検出装置についても同様に適用できる。
特許文献1の回転角度検出装置では、ノズルを用いてコイルを巻き回す際に、ステータコアのティースの間にノズルが通る空隙を確保する必要であった。このため、巻線仕様を変えずに回転角度検出装置を小型化する際には、コイルをより細くするか、巻線に用いるノズルをより細くする必要があった。細いコイルは巻線の際に断線する恐れがあり、装置の耐久性も低下させる。また、細いノズルは巻線の際に折れたり、しなったりしてコイルの整列性が悪くなったりするという問題があった。またノズルが通る空隙が狭ければ巻線の際に一定の張力でコイルを巻き回すことが困難であり、コイルの整列性が悪くなり角度検出精度が低下する問題があった。
しかし、本発明では、第1ステータコア4は奇数番目となるティースのみを有し、第2ステータコア5は偶数番目となるティースのみを有する。したがって、本発明によれば、回転角度検出装置1を小型化する際に、ステータコア2のティースの間の空隙を確保できるため、太いコイルまたは太いノズルを用いることができ、生産性および角度検出精度を高めることができる。
次に、第1ステータコア4のティースに巻き回すCOS出力巻線6、および第2ステータコア5のティースに巻き回すSIN出力巻線7について説明する。
軸倍角をN、スロット数を2M、ロータの回転角をθとすると、m番目のティースに生じる磁束は式(2)で表される。
Figure 2015149878
m番目のティースにCOS出力巻線6を式(3)で表される巻数だけ巻き回し、SIN出力巻線7を式(4)で表される巻数だけ巻き回す。
Figure 2015149878
Figure 2015149878
この結果、COS出力巻線6の巻き始めと巻き終わりの間の電位差、すなわちCOS出力巻線6の出力電圧信号は式(5)となる。
Figure 2015149878
また、SIN出力巻線7の巻き始めと巻き終わりの間の電位差、すなわちSIN出力巻線7の出力電圧信号は式(6)となる。
Figure 2015149878
したがって、COS出力巻線6の出力電圧信号(式(5))とSIN出力巻線7の出力電圧信号(式(6))から、例えば、アークタンジェントを計算することでロータコア3の回転角を得ることができる。
なお、「COS出力巻線6の出力電圧信号」を「COS出力信号」と、「SIN出力巻線7の出力電圧信号」を「SIN出力信号」と適宜記載する。
本発明においては、COS出力巻線6は第1ステータコア4に巻き回されるため奇数番目のティースのみに巻き回され、SIN出力巻線7は第2ステータコア5に巻き回されるため偶数番目のティースのみに巻き回される。
すなわち、m番目のティースにCOS出力巻線を式(7)で表される巻数だけ巻き回し、SIN出力巻線を式(8)で表される巻数だけ巻き回す。
Figure 2015149878
Figure 2015149878
したがって、COS出力巻線6の巻き始めと巻き終わりの間の電位差すなわちCOS出力巻線6の出力電圧信号は式(9)となり、SIN出力巻線7の巻き始めと巻き終わりの間の電位差すなわちSIN出力巻線7の出力電圧信号は式(10)となる。
Figure 2015149878
Figure 2015149878
本発明においては、NとMが|N−M|×2=M×奇数の関係を満たすときを除いて、COS出力信号とSIN出力信号は、式(3)および式(4)によりCOS出力巻線およびSIN出力巻線を巻き回したときに得られる出力電圧信号のそれぞれ1/2になる。
しかし、COS出力信号とSIN出力信号はロータの回転角θに応じた出力となるため、ロータコアの回転角θを得ることができる。
図2に、以上説明した本発明の内容を分かりやすく表した概念図を示す。図2においても、図1と同様に第1ステータコアの奇数励磁巻線、第2ステータコアの偶数励磁巻線を省略している。
第1ステータコア4は奇数番目となるティースのみを有し、第2ステータコア5は偶数番目となるティースのみを有する。COS出力巻線6は、第1ステータコア4に巻き回されるため奇数番目のティースのみに巻き回されている。SIN出力巻線7は、第2ステータコア5に巻き回されるため偶数番目のティースのみに巻き回されている。
奇数励磁巻線およびCOS出力巻線6が巻き回された第1ステータコア4と偶数励磁巻線およびSIN出力巻線7が巻き回された第2ステータコア5とが接合されて、ステータコア2を形成している。
次に、第1ステータコア4および第2ステータコア5の組立て要領を、第1ステータコア4を例として説明する。
図3は本発明の実施の形態1による回転角度検出装置1の第1ステータコアの組立て要領を説明する図である。第1ステータコア4にCOS出力巻線6を巻き回す要領を示している。
図3では、図1におけるCOS出力巻線6をさらに詳細に記載しており、COS出力巻線6はCOS出力巻き始め線61、COS出力巻き終り線62、COS出力渡り線63から構成されている。
第1ステータコア4にCOS出力巻線6を巻き回す工程では、まず第1ステータコア4に絶縁材を取り付けた後に、第1ステータコア4のティースに奇数励磁巻線(図示なし)を巻き回し、その後COS出力巻線6を巻き回す。
COS出力巻線6の巻き始めであるCOS出力巻き始め線61およびCOS出力巻線6の巻き終りであるCOS出力巻き終り線62は、第1ステータコア4と第2ステータコア5を接合する際の接合面とは反対の面に配置する。この構造にすることで、第1ステータコア4と第2ステータコア5の接合のとき、COS出力巻き始め線61およびCOS出力巻き終り線62は妨げとはならない。
図示していない奇数励磁巻線の巻き始めおよび巻き終りについても同様に接合面とは反対側の面に配置する。
COS出力巻線6の各ティース間渡り線であるCOS出力渡り線63も第1ステータコア4と第2ステータコア5を接合する際の接合面とは反対側の面に配置する。この構造にすることで、第1ステータコア4と第2ステータコア5の接合のとき、COS出力渡り線63は妨げとはならない。
図示していない奇数励磁巻線の各ティース間渡り線についても同様に接合面とは反対側の面に配置する。
第2ステータコア5にSIN出力巻線7と偶数励磁巻線を巻き回す要領も、巻き回す巻数と巻線方向以外は、第1ステータコア4にCOS出力巻線6を巻き回す要領と同様である。
SIN出力巻線7の巻き始めと巻き終りと各ティース間渡り線、および偶数励磁巻線の巻き始めと巻き終りと各ティース間渡り線も接合面とは反対側の面に配置する。
第1ステータコア4と第2ステータコア5を接着剤等で接合した後は、奇数励磁巻線と偶数励磁巻線を結線する。このとき、奇数励磁巻線と偶数励磁巻線を直列に結線することで、奇数励磁巻線と偶数励磁巻線に流れる電流の大きさが等しくなる。この結果、奇数励磁巻線および偶数励磁巻線によって各ティースに生じる磁束が等しくなり、角度検出精度が向上する。
以上説明したように、実施の形態1の回転角度検出装置は、奇数番目のティースのみを有しCOS出力巻線と奇数番目の励磁巻線のみが巻き回された第1ステータコアと偶数番目のティースのみを有しSIN出力巻線と偶数番目の励磁巻線のみが巻き回された第2ステータコアが一体に接合されたステータコアと突極を有するロータコアを備える。このため、実施の形態1の回転角度検出装置は、装置の小型化に際し、ステータコアのティースの間の空隙を確保することができるため、生産性および角度検出精度を高めることができる。また、小型化しても太いコイルを使用できるため、耐久性の向上を図ることができる。
実施の形態2.
実施の形態2の回転角度検出装置は、第1ステータコアと第2ステータコアはコアバック部とティース部が分離した構造とし、コアバック溝にティース根元突起を嵌め込んで一体化する構造としたものである。
以下、実施の形態2の回転角度検出装置の構成、動作について、回転角度検出装置の斜視図である図4、および第2ステータコアの組立て要領図である図5に基づいて、実施の形態1との差異を中心に説明する。
図4は、本発明の実施の形態2の回転角度検出装置101の斜視図である。図4において、本発明の回転角度検出装置101は、ステータコア102とロータコア103から構成される。ステータコア102は、第1ステータコア104と第2ステータコア105から構成され、第1ステータコア104および第2ステータコア105は一体化されている。
第1ステータコア104と第2ステータコア105はそれぞれ円環状のコアバックとこのコアバックから径方向に突出したティースを有する。
実施の形態1では、第1ステータコア4および第2ステータコア5は、コアバックとティースは一体で構成されている構造を想定していた。
しかし、本実施の形態2ではコアバックとティースは分離した構造を想定している。コアバック部にはコアバック溝Aが設けられており、ティース部にはティース根元突起Bが設けられている。
なお、図4ではコアバック溝Aおよびティース根元突起Bを記載していないため、図5の組立て要領図を参照して説明する。また、図4では、コアバック溝とティース根元突起の境界線は省略している。
本実施の形態2の第1ステータコア104および第2ステータコア105の構造および組立て要領について説明する。
第1ステータコア104と第2ステータコア105のコアバック部にはそれぞれコアバック溝Aが設けられている。第1ステータコア104と第2ステータコア105のティース部の厚みはコアバック部の2倍あり、コアバック溝Aに嵌るようにティース根元突起Bが設けられている。第1ステータコア104と第2ステータコア105を接合する際にはコアバック溝Aにティース根元突起が嵌るように圧入する。
図5では第2ステータコア105はコアバック部121とティース部122から構成される。コアバック部121はコアバック溝121Aを有し、ティース部122はティース根元突起122Bを有する。そして、コアバック部121のコアバック溝121Aにティース部122のティース根元突起122Bが圧入されている。
この構造にすることで、例えばコアバック溝121Aへティース根元突起122Bを圧入することによって、第1ステータコア104と第2ステータコア105が接合されるため、接合の際に接着剤等を必要としない。また第1ステータコア104と第2ステータコア105を接合するときの位相ずれを最小にすることができるため、角度検出精度を高めることができる。また接合後に第1ステータコア104と第2ステータコア105のティースの高さが回転軸方向に対して等しくなるため、漏れ磁束が小さくなり変圧比が高くなる。
さらに、第1ステータコア104および第2ステータコア105は、磁性粉体を成形して製作することができる。磁性粉体を成形して製作することで、電磁鋼板を積層するよりも少ない工程で第1ステータコア104および第2ステータコア105を製作することができる。
なお、実施の形態1の図1で説明した第1ステータコアのティースに巻き回す奇数励磁巻線とCOS出力巻線、および第2ステータコアのティースに巻き回す偶数励磁巻線とSIN出力巻線については、本実施の形態2でも同様であるため説明は省略する。
また、第2ステータコア105の組立て要領も、コアバック溝Aへティース根元突起Bを圧入する以外は実施の形態1と同じであるため、SIN出力巻線の巻き始めと巻き終りと各ティース間渡り線の処理要領の説明は省略する。
実施の形態2では、第1ステータコアおよび第2ステータコアのコアバック部に溝を設け、ティース部に突起を有するステータコアについて説明した。逆に、第1ステータコアおよび第2ステータコアのコアバック部に突起を設け、ティース部に溝を設ける構造としても、同様の効果を得ることができる。
以上説明したように、実施の形態2の回転角度検出装置は、第1ステータコアと第2ステータコアはコアバック部とティース部が分離した構造とし、コアバック溝にティース根元突起を嵌め込んで一体化する構造としたものである。このため、実施の形態1と同様の効果を奏するとともに、接合の際に接着剤等を必要とせず、組み立てを簡素化できる。さらに、接合するときの位相ずれを最小にすることができるため角度検出精度を高めることができる。また、接合後に第1ステータコアと第2ステータコアのティースの高さが回転軸方向に対して等しくなるため、漏れ磁束が小さくなり変圧比を高くできる。
実施の形態3.
実施の形態3の回転角度検出装置は、N(軸倍角)とM(スロット数2M)が|N−M|×2=M×奇数の関係を満たし、各ティースにおけるCOS出力巻線の巻数およびSIN出力巻線の巻数をすべて同一としたものである。
以下、実施の形態3の回転角度検出装置の構成、動作について、回転角度検出装置の出力巻線の説明図である図6に基づいて、実施の形態1の図1も参照して説明する。
図6は本発明の実施の形態3による回転角度検出装置における各ティースでの巻数を示した表である。
式(3)および式(4)によれば、N(軸極数)とM(スロット数2M)が|N−M|×2=M×奇数の関係を満たすとき、COS出力巻線6の各ティースにおける巻数は偶数番目のティースで0、SIN出力巻線7の各ティースにおける巻数は奇数番目のティースで0となる。
本実施の形態3においては、COS出力巻線6を奇数番目のティースのみ、SIN出力巻線7を偶数番目のティースのみに巻き回している。したがって、式(7)および式(8)によってCOSおよびSIN出力巻線を巻き回した場合、|N−M|×2≠M×奇数の条件では、式(3)および式(4)によってCOSおよびSIN出力巻線を巻き回したときの1/2の出力しか得られない。しかし、NとMが|N−M|×2=M×奇数の関係を満たすときは、出力が1/2にならず、変圧比は2倍になる。
NとMが|N−M|×2=M×奇数の関係を満たすときは、COS出力巻線6の各ティースにおける巻数およびSIN出力巻線7の各ティースにおける巻数がすべて等しくなる。図6では、このターン数をWmaxで表している。このため、第1ステータコア4に巻き回すCOS出力巻線6と、第2ステータコア5に巻き回すSIN出力巻線7の巻線仕様が同一となる。
したがって、第1ステータコア4に奇数励磁巻線とCOS出力巻線6を巻き回す工程と、第2ステータコア5に偶数励磁巻線とSIN出力巻線7を巻き回す工程が全く同一になる。すなわち、少ない種類の部品を使用して回転角度検出装置1を製作することができる。
以上説明したように、実施の形態3の回転角度検出装置は、N(軸倍角)とM(スロット数2M)が|N−M|×2=M×奇数の関係を満たし、各ティースにおけるCOS出力巻線の巻数およびSIN出力巻線の巻数がすべて同一になる構造としたものである。このため、実施の形態1と同様の効果を奏するとともに、第1ステータコアにCOS出力巻線と奇数励磁巻線を巻き回す工程と第2ステータコアにSIN出力巻線と偶数励磁巻線を巻き回す工程が同一にすることができ、部品点数の削減および製作、組立工程の簡素化を図ることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
1,101 回転角度検出装置、2,102 ステータコア、
3,103 ロータコア、4,104 第1ステータコア、
5,105 第2ステータコア、6,106 COS出力巻線、
7,107 SIN出力巻線、61 COS出力巻線巻き始め線、
62 COS出力巻線巻き終わり線、63 COS出力巻線ティース間渡り線、
121 コアバック部、122 ティース部、121A コアバック部溝、
122B ティース根元突起。

Claims (10)

  1. 円環状のコアバックから径方向に突出したティースに励磁巻線とCOS出力巻線とSIN出力巻線が巻き回されたステータコアと突極を有するロータコアを備え、
    前記ステータコアは、奇数番目の前記ティースのみを有し前記COS出力巻線と奇数番目の前記励磁巻線のみが巻き回された第1ステータコアと、偶数番目の前記ティースのみを有し前記SIN出力巻線と偶数番目の前記励磁巻線のみが巻き回された第2ステータコアとが一体に接合されている回転角度検出装置。
  2. 軸倍角をN、スロット数を2Mとしたとき、|N−M|×2=M×奇数の関係を満たし、前記COS出力巻線の巻数と前記SIN出力巻線の巻数を同じとした請求項1に記載の回転角度検出装置。
  3. 前記第1ステータコアと前記第2ステータコアに巻き回されている前記励磁巻線、前記COS出力巻線、および前記SIN出力巻線のティース間渡り線は、前記第1ステータコアと前記第2ステータコアとの接合面とは反対方向に配置された請求項1または請求項2に記載の回転角度検出装置。
  4. 前記第1ステータコアと前記第2ステータコアに巻き回されている前記励磁巻線、前記COS出力巻線、および前記SIN出力巻線の巻始めおよび巻き終わりの引き出し線は、前記第1ステータコアと前記第2ステータコアとの接合面とは反対方向に配置された請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
  5. 前記第1ステータコアに巻き回された奇数励磁巻線と前記第2ステータコアに巻き回された偶数励磁巻線が直列に結線される請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
  6. 前記第1ステータコアと前記第2ステータコアは、コアバック部とティース部から構成され、
    前記第1ステータコアと前記第2ステータコアの回転軸方向の前記ティース部の厚みは前記コアバック部の2倍になっている請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
  7. 前記第1ステータコアと前記第2ステータコアの前記コアバック部には溝が設けられており、前記第1ステータコアと前記第2ステータコアの前記ティース部には前記溝に圧入する突起が設けられている請求項6に記載の回転角度検出装置。
  8. 前記第1ステータコアと前記第2ステータコアの前記ティース部には溝が設けられており、前記第1ステータコアと前記第2ステータコアの前記コアバック部には前記溝に圧入する突起が設けられている請求項6に記載の回転角度検出装置。
  9. 前記第1ステータコアおよび前記第2ステータコアは磁性粉体を成形して製作される請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
  10. 電気的に絶縁した前記ティースに巻き回された前記励磁巻線と、この前記励磁巻線の上にさらに巻き回された前記COS出力巻線あるいは前記SIN出力巻線を備える請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の回転角度検出装置。
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