JP2019170115A - レゾルバ - Google Patents

Abstract

【課題】磁束ノイズの低減が可能であり、かつ、剛性確保と小型化が容易化されるレゾルバを実現する。【解決手段】レゾルバは、電磁鋼板を積層して形成され、内周側にレゾルバティースが設けられた円筒形状のレゾルバステータコア３０を備える。レゾルバステータコア３０には、軸方向に貫通し、周方向に延びる複数の空隙孔３４が設けられている。そして、レゾルバステータコア３０における隣接する空隙孔３４に挟まれた部位には、磁束キャンセルコイル３６が巻回されている。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機の回転角度を検出するレゾルバに関し、特に、レゾルバにおけるノイズ影響の抑制構造に関する。

回転電機（電動機／発電機）では、回転位置をレゾルバによって検出する場合がある。レゾルバは、回転電機のロータに取り付けられるレゾルバロータと、その周囲に固定的に配置されるレゾルバステータを有する。レゾルバステータには、レゾルバコイルが設けられ、磁束の励磁と検出を行うことで、レゾルバロータの回転位置を取得している。レゾルバでは、回転電機からの漏れ磁束によって検出精度を低下させるおそれがある。

下記特許文献１には、外部からの磁束ノイズがレゾルバに与える影響を抑制するために、レゾルバステータのコアに、周方向に延びる複数の空隙孔を設ける旨の記載がある。ここでは、内径側の空隙孔列と、外形側の空隙孔列とを位相をずらして配置することで、磁束の遮断を図っている。

特開２００６−６４４０９号公報

上記特許文献１のように、レゾルバステータ本体に多くの空隙を設ける場合には、レゾルバステータの剛性の低下が懸念される。また、多数の空隙孔を設ける場合には、レゾルバステータを小型化することが難しくなる。さらに、上記特許文献１の構成では、空隙孔の間を流れ込む磁束ノイズを必ずしも十分に除去できない状況が考えられる。

本発明にかかるレゾルバは、磁性体を用いて形成され、内周側にレゾルバティースが設けられた円筒形状のレゾルバステータコアと、前記レゾルバステータコアを軸方向に貫通して設けられた周方向に延びる複数の空隙孔と、前記レゾルバステータコアにおける隣接する前記空隙孔に挟まれた部位に巻回された磁束キャンセルコイルと、を備えることを特徴とする。

磁性体とは、相対的に容易に磁性を帯びることができる物質をいう。レゾルバステータコアは、例えば、磁性体である電磁鋼板の積層や、磁性粉末を圧縮した圧粉磁心によって形成される。レゾルバステータコアは、円筒形状に形成されており、その内周側には回転角度の検出にもちいられるレゾルバティースが設けられている。空隙孔は、レゾルバステータコアの円筒形状部位（バックヨークと呼ばれることがある）に設けられている。軸方向とは、円筒の中心軸の方向である。また、周方向とは、円筒の中心軸回りの方向である。空隙孔には、樹脂などの非磁性体が埋め込まれていてもよい。磁束キャンセルコイルは、この空隙孔間の部位に巻回されている。

本発明のレゾルバでは、空隙孔間を通じてレゾルバステータコアの内周側に流れる磁束ノイズを、磁束キャンセルコイルで抑制する。このため、レゾルバティースに鎖交する磁束ノイズを小さくすることが可能となり、レゾルバの検出精度が高められる。また、前記特許文献１のように、外周側の空隙孔の間を流れる磁束ノイズを内周側の空隙孔で抑制する場合に比べて、ノイズ抑制効果が向上する効果が期待できる。多くの空隙孔を設ける必要がないため、剛性低下を抑制する効果や、小型化を容易にする効果も期待できる。

本実施形態にかかる永久磁石式三相交流電動機の垂直断面図である。 本実施形態にかかるレゾルバステータの上面図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態を例示するものであり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、本実施形態にかかる永久磁石式三相交流電動機１０の回転軸を含む垂直断面図である。永久磁石式三相交流電動機１０は、回転電機の一種であり、回転を行うモータロータ１２と、その周囲に固定的に配置されたモータステータ１８を備えている。

モータロータ１２は、回転軸としてのシャフト１４と、シャフト１４に固定され、電磁鋼板が積層されたモータロータコア１６とを備える。モータロータコア１６の内部には、複数の永久磁石が挿入されて、周方向に複数の磁極を形成している。また、モータステータ１８は、電磁鋼板を積層して円筒形状に形成されたモータステータコア２０と、その内側のモータステータティースに巻回されたモータステータコイル２２を含む。モータステータコイル２２は、モータステータコア２０の軸方向の両端側に飛び出して巻回されており、飛び出した端部はコイルエンドと呼ばれる。

レゾルバ２４は、シャフト１４の回転角度を検出するセンサである。レゾルバ２４は、シャフト１４に取り付けられるレゾルバロータ２６と、その周囲に固定配置されるレゾルバステータ２８を含んで構成される。レゾルバステータ２８には、内周側に励磁用及び検出用のレゾルバコイルが設けられている。

図２は、レゾルバステータ２８の上面図（図１の紙面上方向から紙面下方向を見た図）である。レゾルバステータ２８は、円盤状の電磁鋼板を積層して円筒形状に形成したレゾルバステータコア３０を備えている。レゾルバステータコア３０の内側には、複数のレゾルバティースが設けられ、レゾルバティースには励磁用と検出用の複数のレゾルバコイルが巻回されている。ただし、レゾルバティース及びレゾルバコイルは、樹脂カバー３８に覆われており、図２には示されていない。

レゾルバステータコア３０の外周には、７個の凹部３２が等間隔に設けられている。また、レゾルバステータコア３０には、７個の空隙孔３４が等間隔に設けられている。空隙孔３４は、レゾルバステータコア３０を軸方向（紙面の垂直方向）に貫通しており、かつ、円筒の周方向に長く延びた形状に形成されている。空隙孔３４は、凹部３２の間に位置している。そして、レゾルバステータコア３０における隣り合う空隙孔３４に挟まれた部位には、磁束キャンセルコイル３６が巻回されている。例えば、空隙孔３４ａと空隙孔３４ｂとを隔てる部位には、空隙孔３４ａ、３４ｂを繰り返し通過するように導線を巻回することで、磁束キャンセルコイル３６ａが形成されている。

樹脂カバー３８は、ほぼ円筒形状に形成されている。ただし、樹脂カバー３８は、外周側に突出した端子カバー部３８ａと止め部３８ｂを備えている。端子カバー部３８ａは、レゾルバコイルの配線用の端子を覆うために設けられたものである。端子カバー部３８ａの下にも空隙孔３４が設けられている。また、止め部３８ｂは、レゾルバステータコア３０の周方向位置決め用ノックピンの抜けを防止するために設けられている。周方向位置決め用ノックピンは凹部３２ｄに係合されることで、レゾルバステータコア３０の周方向の位置を定めている。

ここで、永久磁石式三相交流電動機１０及びレゾルバ２４の動作について説明する。永久磁石式三相交流電動機１０では、モータステータコイル２２は、三相交流に対応する回路構成で巻回されており、三相交流の電力を供給した場合には、時間とともに回転する磁束（磁界）を生成する。モータロータコア１６の磁極がこの回転磁界から力を受けることで、モータロータ１２が回転を行う。モータロータ１２のトルクは、シャフト１４を通じて外部に取り出される。

レゾルバ２４では、レゾルバステータ２８のレゾルバステータコア３０に設けられた励磁用のレゾルバコイルで磁束の生成が行われ、生成された磁束はレゾルバロータ２６に伝えられる。そして、レゾルバステータコア３０の検出用のレゾルバコイルでは、レゾルバロータ２６を経由した磁束を検出する。レゾルバロータ２６は、回転軸回りに非等方的な形状に形成されているため、検出された磁束を解析することで、レゾルバロータ２６の回転角度、そしてモータロータ１２の回転角度を得ることができる。

ただし、レゾルバステータコア３０には、モータステータ１８のモータステータコイル２２のコイルエンドなどから漏れ出した磁束も入り込む。図２に一点鎖線で示した磁束ノイズ４２は、このような外部からの磁束を表している。レゾルバステータコア３０の周囲から入り込んだ磁束ノイズ４２は、透磁率の高い（言い換えれば磁気抵抗の小さい）電磁鋼板に集中し、透磁率の低い（磁気抵抗の高い）空隙孔３４は迂回するようにして、レゾルバステータコア３０の内周側に伝わる。例えば、図２では、空隙孔３４ｂ、３４ｃとその間の凹部３２ｂ付近では、磁束ノイズ４２ｂ、４２ｃは、空隙孔３４ｂ、３４ｃを通らず、その間の部位を通るように分布することになる。こうした磁束ノイズ４２は、レゾルバ２４の回転角度検出の検出精度を減少させる要因となる。

図２に示したレゾルバ２４では、各空隙孔３４を隔てる部位には、磁束キャンセルコイル３６が設けられている。そして、磁束ノイズ４２は、磁束キャンセルコイル３６の内部を通り抜けるように分布することになる。このとき、磁束キャンセルコイル３６には、電磁誘導によって起電力が発生する。そして、磁束キャンセルコイル３６に流れる電流によって、磁束ノイズ４２を打ち消すような磁束が生成される。このため、レゾルバステータコア３０の内周側に伝達する磁束ノイズ４２は大幅に抑制されることになる。

磁束キャンセルコイル３６の巻き線方向、巻き線数、結線方法は特に限定されるものではない。例えば、全ての磁束キャンセルコイル３６において、巻き線方向と巻き線数を同じにして、磁束キャンセルコイル３６の特性を均一化することも可能である。しかし、ある程度の巻き線数があれば磁束を十分にキャンセルすることができるため、巻き線方向や巻き線数を異ならせてもよいと考えられる。磁束キャンセルコイル３６は、一本の長い導線を巻回して形成したものであってもよいし、短い導線からなる独立したコイルを複数個束ねたものであってよい。また、複数の磁束キャンセルコイル３６は、互いに連結されず独立した構成とすることも可能であるし、電気的に相互に結合することも可能であると考えられる。磁束キャンセルコイル３６は、レゾルバステータコア３０あるいは電動機ケースなどに電気的に接続（接地）されるようにしてもよいし、これらには接続されない閉回路となっていてもよい。

本実施形態にかかるレゾルバ２４は、様々な回転電機で使用することが可能であるが、特に、磁束ノイズが多い環境、あるいは、小型化が必要とされる環境などにおいて、高い効果が期待できる。例えば、電動車両の駆動源として上述の永久磁石式三相交流電動機１０を用いる場合、限られたスペースに永久磁石式三相交流電動機１０を搭載しなければならない。そこで、レゾルバ２４を、小型化した上で、永久磁石式三相交流電動機１０のモータステータ１８のコイルエンド付近に設ける必要性が生じる。この場合、モータステータコイル２２からレゾルバ２４に漏れ出す磁束が増加するが、本実施形態のレゾルバ２４では、磁束キャンセルコイル３６によって磁束ノイズ４２を抑制するため、検出精度の低下を抑制ないしは防止することが可能となる。また、電動車両では、走行中の振動などに耐えられるだけの高い剛性が要求されるが、レゾルバ２４では、空隙孔３４を多数設ける必要が無いため、必要強度を確保することが容易となる。

１０ 永久磁石式三相交流電動機、１２ モータロータ、１４ シャフト、１６ モータロータコア、１８ モータステータ、２０ モータステータコア、２２ モータステータコイル、２４ レゾルバ、２６ レゾルバロータ、２８ レゾルバステータ、３０ レゾルバステータコア、３２ 凹部、３４ 空隙孔、３６ 磁束キャンセルコイル、３８ 樹脂カバー、３８ａ 端子カバー部、３８ｂ 止め部、４２ 磁束ノイズ。

Claims (1)

1. 磁性体を用いて形成され、内周側にレゾルバティースが設けられた円筒形状のレゾルバステータコアと、
   前記レゾルバステータコアを軸方向に貫通して設けられた周方向に延びる複数の空隙孔と、
   前記レゾルバステータコアにおける隣接する前記空隙孔に挟まれた部位に巻回された磁束キャンセルコイルと、
   を備えることを特徴とするレゾルバ。

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