JP3754606B2 - リラクタンス型レゾルバ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転型又は直動型電動機の可動部の運動速度及び運動位置を検出するためのセンサとしてのリラクタンス型レゾルバに係り、特に電動機回転子や電磁ブレーキ等からの漏れ磁束により発生する検出誤差の低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来のリラクタンス型レゾルバの一例をラジアル方向に切断した断面図である。また、図４は図３のリラクタンス型レゾルバから回転位置を検出するための検出装置の一例を示すブロック図である。図３において固定子１はその内周に等間隔に配置された、磁性体から成る８個の励磁歯２，３，４，５，６，７，８，９を有し、各励磁歯にはそれぞれ励磁巻線１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９が巻装されている。この励磁巻線は、励磁信号の入力時に励磁歯２，４，６，８と励磁歯３，５，７，９とにそれぞれ互いに逆向きの磁束が発生し、各励磁歯を通る磁束の総和が０となるように巻装されている。回転子（可動子）１１は磁性体からなり、その外周に等間隔にそれぞれ１８個の凸部を備え、各凸部が固定子１の励磁歯に対向するように配置されている。また、この回転子１１は、入力軸１０の回転可動に連動して回転するように入力軸１０に固着されている。このようなリラクタンス型レゾルバでは、回転子１１が回転運動すると回転子１１側の凸部と固定子１の励磁歯とのギャップ変動により各励磁巻線のパーミアンスが回転子１１の凸部ピッチの周期で変化する。また、隣の励磁巻線とのパーミアンスの変化の位相は凸部ピッチの１／４ピッチ異なる位相となる。
【０００３】
図４の検出装置では図３のリラクタンス型レゾルバの励磁巻線１２，１６，１４，１８，１３，１７，１５，１９を励磁信号発生器２０からの励磁信号電流ＳＩＮ（ωｔ）により電流励磁している。また、励磁信号発生器２０はタイミング発生器３０からの矩形波信号ＥＸＰを波形整形して、正弦波状の励磁信号電流ＳＩＮ（ωｔ）を生成し、出力する。対向する励磁歯に巻装され同位相でパーミアンス（磁気抵抗）変化する励磁巻線１２と１６，１３と１７，１４と１８，１５と１９は直列接続され、さらに電流検出抵抗２１，２２，２３，２４が直列接続されている。これにより、各組の励磁巻線に流れる電流をそれぞれ電圧信号ＶＣＰ，ＶＣＮ，ＶＳＰ，ＶＳＮとして検出することができる。ここで対向する励磁歯に巻装され同位相のパーミアンス変化となる励磁巻線を直列接続しているのは、固定子と回転子の中心がずれた場合にも２つの励磁巻線の平均化効果によって位置検出の精度への影響を少なくするためである。
【０００４】
各組の励磁巻線１２と１６，１３と１７，１４と１８，１５と１９に流れる電流は巻線パーミアンス変化に比例して変化するため、回転子１１の回転角をθ，係数をα，βとすると、信号ＶＣＰ，ＶＣＮ，ＶＳＰ，ＶＳＮは次の近似式で表現できる。
【０００５】
【数１】
ＶＣＰ＝（α＋βＣＯＳ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ） …（１）
ＶＣＮ＝（α−βＣＯＳ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ） …（２）
ＶＳＰ＝（α＋βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ） …（３）
ＶＳＮ＝（α−βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ） …（４）
【０００６】
信号ＶＣＰとＶＣＮ，ＶＳＰとＶＳＮは差動増幅器２５，２６で減算処理され、それぞれ信号ＶＣ、ＶＳに演算増幅される。信号ＶＣ，ＶＳは式（５），（６）となる。
【０００７】
【数２】
ＶＣ＝２βＣＯＳ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ） …（５）
ＶＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ） …（６）
【０００８】
信号ＶＣ，ＶＳは、タイミング発生器３０からの励磁信号に同期した変換指令信号ＣＮＶによってＳＩＮ（ωｔ）＝１となるタイミングでＡＤ変換器２７，２８によりデジタル信号ＤＣ，ＤＳに変換される。したがって信号ＤＣ，ＤＳは式（７），（８）となる。
【０００９】
【数３】
ＤＣ＝２βＣＯＳ（１４θ） …（７）
ＤＳ＝２βＳＩＮ（１４θ） …（８）
【００１０】
デジタル信号ＤＣ，ＤＳは内挿演算器２９により２変数の逆正接演算がデジタル処理により行なわれ、信号ＰＯが出力される。ここで、デジタル信号ＤＣ，ＤＳの逆正接演算結果は１４θとなり信号ＰＯは入力軸１０の回転位置となる。
【００１１】
以上のように、図３のリラクタンス型レゾルバは固定子側の１つの歯に１つの励磁巻線を巻くだけの簡単な巻線構造で、入力軸の位置θを１４倍の感度で検出することができる。なお、このような可動子の位置を１４倍の感度で検出できるレゾルバを一般的に軸倍角１４Ｘのレゾルバという。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３及び図４に示した従来のリラクタンス型レゾルバを用いて電動機回転子の運動速度や位置を検出する場合、図５の点線で示すような電動機回転子永久磁石や制動用電磁ブレーキからの漏れ磁束ＮＦの影響により精密な測定が妨げられる。すなわち、この漏れ磁束ＮＦは回転子側の凸部と固定子側の励磁歯とのギャップ変動により変化するため、各励磁巻線のパーミアンス変化に比例して変化する。このため、回転子１１が回転すると各励磁巻線を通過する漏れ磁束が変化し、その微分量に比例して励磁巻線にノイズ電流が発生する。
【００１３】
具体的に回転子の可動時の角速度をｖとし、係数をγとするとこのノイズ電流も考慮した信号ＶＣＰ，ＶＣＮ，ＶＳＰ，ＶＳＮは次の近似式で表現できる。
【００１４】
【数４】
ＶＣＰ＝（α＋βＣＯＳ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）−１４γｖＳＩＮ（１４θ） …（７）
ＶＣＮ＝（α−βＣＯＳ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）＋１４γｖＳＩＮ（１４θ） …（８）
ＶＳＰ＝（α＋βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）−１４γｖＣＯＳ（１４θ） …（９）
ＶＳＮ＝（α−βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）＋１４γｖＣＯＳ（１４θ） …（１０）
【００１５】
また、信号ＶＣＰとＶＣＮ，ＶＳＰとＶＳＮの差となる信号ＶＣ，ＶＳは式（１１），（１２）となる。
【００１６】
【数５】
ＶＣ＝２βＣＯＳ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ）−２８γｖＳＩＮ（１４θ） …（１１）
ＶＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ）−２８γｖＣＯＳ（１４θ） …（１２）
【００１７】
式（１１），（１２）からデジタル信号ＤＣ，ＤＳは次の式であらわすことができる。
【００１８】
【数６】
ＤＣ＝２βＣＯＳ（１４θ）−２８γｖＳＩＮ（１４θ） …（１３）
ＤＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）−２８γｖＣＯＳ（１４θ） …（１４）
【００１９】
式（１３），(１４)は、δ＝ＳＱＲＴ（４β・β＋７２８γ・γ・ｖ・ｖ）とおくと、三角関数の加法定理により次式のように変形することができる。
【００２０】
【数７】
ＤＣ＝δＣＯＳ（１４θ＋ＡＴＡＮ（１４γｖ／β）） …（１５）
ＤＳ＝δＳＩＮ（１４θ−ＡＴＡＮ（１４γｖ／β）） …（１６）
【００２１】
式（１５），（１６）に示すデジタル信号ＤＣ，ＤＳを内挿演算器２８により２変数の逆正接演算を行うと信号ＰＯは次式となる。
【００２２】
【数８】
ＰＯ≒１４θ−ＡＴＡＮ（１４γｖ／β）ＣＯＳ（２８θ） …（１７）
【００２３】
ここで１４γｖはβよりも十分小さいため、
【００２４】
【数９】
ＰＯ≒１４（θ＋γｖ／βＣＯＳ（２８θ）） …（１８）
【００２５】
また、（１８）式を軸倍角ＮＸのレゾルバの一般式に変換すると
【００２６】
【数１０】
ＰＯ＝Ｎ（θ＋γｖ／βＣＯＳ（２Ｎθ）） …（１９）
【００２７】
で表すことができる。
【００２８】
以上から、電動機からの漏れ磁束による位置検出誤差の影響は角速度ｖと軸倍角Ｎに比例して大きくなり、一回転あたり２Ｎ回脈動する位置検出誤差を生じる。この位置検出誤差はレゾルバ軸倍角が小さくかつ励磁信号の周波数ωが十分高く、そして可動速度が低い場合は式（１１），（１２）が示すように漏れ磁束によるノイズ成分は低域にあるため、低域カットフィルター等で除去可能である。しかし、近年は、位置検出の分解能を上げるため、レゾルバ軸倍角を大きくする傾向がある上、電動機の可動速度も高速化してきている。そのため、低域カットフィルターによる除去には限界がきている。また、位置検出誤差だけならほとんど問題とならないレベルであっても、近年の電動機の速度制御では位置検出値を微分演算により速度検出を行うため、速度誤差レベルでみると漏れ磁束による影響は回転速度の自乗に比例することになり、高速可動するほど漏れ磁束による影響は深刻となる。
【００２９】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、製造の容易な巻線構造を持ちながら、電動機回転子の永久磁石や制動用の電磁ブレーキからの漏れ磁束等に対して影響を受けづらい高精度な速度検出および位置検出を行うことができるリラクタンス型レゾルバを提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、励磁巻線を巻装した複数の励磁歯を有し、磁性体からなる固定子と、磁性凸部を備え、当該磁性凸部が前記励磁歯に対向するよう配置された可動子と、前記可動子の運動に応じて、異なる位相で変化する前記励磁巻線の電流又は電圧を検出して、前記可動子の位置を検出するリラクタンス型レゾルバにおいて、前記励磁巻線は、各励磁歯を通る磁束の向きが同一方向となるよう各励磁歯に巻装され、前記固定子は、励磁歯の磁束と逆向きの磁束を通すバイパス磁路歯を有することを特徴としている。これにより、バイパス磁路歯があるため、漏れ磁束の影響を受けにくい方向に励磁巻線を巻装でき、速度の検出精度を向上できる。
【００３１】
また、上記従来例の問題点を解決するための本発明は、互いに隣接し、可動子の運動による磁気抵抗の変化が同位相になるように配置された励磁歯の組を備え、各組の励磁歯の各々に巻回された励磁巻線を直接接続することによって打ち消すことで、漏れ磁束の影響を低減し、速度及び位置の検出精度を向上できる。すなわち、本発明は、励磁巻線を巻装した複数の励磁歯を有し、磁性体からなる固定子と、磁性凸部を備え、当該磁性凸部が前記励磁歯に対向するよう配置された可動子と、前記可動子の運動に応じて、異なる位相で変化する前記励磁巻線の電流又は電圧を検出して、前記可動子の位置を検出するリラクタンス型レゾルバにおいて、前記励磁巻線は、互いに隣接する励磁歯の組ごとに、各励磁歯を通る磁束の向きが互いに逆向きとなるように各励磁歯に巻装されるとともに直列接続され、組ごとに、各励磁歯のピッチが可動子の磁性凸部のピッチの整数倍と等しくなるよう前記固定子上に励磁歯が配置されていることを特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るリラクタンス型レゾルバをラジアル方向に切断した断面図である。ここで、図３と同様の構成をとるものについては同一の符号を付して詳しい説明を省略する。固定子３１は、その内周に磁性体からなる１６個の歯が等間隔に配置され、そのうち８個の歯（励磁歯に相当する）４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９には、それぞれ励磁巻線３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９が巻装されている。また、残りの８個の歯（バイパス磁路歯に相当する）には巻線を巻装しない。さらに、固定子１では励磁巻線３２と３６，３３と３７，３４と３８，３５と３９の４組の励磁巻線が直列接続され、励磁巻線に励磁信号が入力されると歯４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９では回転子１１に対して同一方向の磁束が発生するように励磁巻線が巻装されている。これにより、励磁巻線に励磁信号が入力されると、励磁歯間に配置され、巻線を巻装していない８個のバイパス磁路歯は、励磁歯４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９を通る磁束の向きと回転子１１に対して逆向きの磁束が発生し、バイパス磁路の役目を果たす。
【００３３】
図１のリラクタンス型レゾルバを図４の位置検出装置を用いて図３と同様に検出した場合について説明すると、励磁巻線３２と３６，３３と３７，３４と３８，３５と３９の４種類の巻線は、従来のリラクタンス型レゾルバの励磁巻線１２と１６，１３と１７，１４と１８，１５と１９の４種類の巻線に対応し、可動子としての回転子１１の運動に対するパーミアンス変化は従来のものとほぼ同等となる。すなわち、図１のリラクタンス型レゾルバを図４の位置検出装置を用いた場合も図３のレゾルバと同様に位置検出することができる。一方、図５の点線で示すような漏れ磁束ＮＦが発生した場合は、励磁巻線３３，３７，３５，３９と励磁巻線１３，１７，１５，１９では、漏れ磁束によって生じるノイズ電流の向きが異なるため、図１のリラクタンス型レゾルバを用い、図４の位置検出装置で位置等の検出をする場合は信号ＶＳＰ，ＶＳＮは次の近似式となる。
【００３４】
【数１１】
ＶＳＰ＝（α＋βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）＋１４γｖＣＯＳ（１４θ） …（２０）
ＶＳＮ＝（α−βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）−１４γｖＣＯＳ（１４θ） …（２１）
【００３５】
したがって、ＶＳＰとＶＳＮの差である信号ＶＳは式（２２）となる。
【００３６】
【数１２】
ＶＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ）＋２８γｖＣＯＳ（１４θ） …（２２）
【００３７】
式（２２）からＳＩＮ（ωｔ）＝１の時のデジタル信号ＤＳは式（２３）となる。
【００３８】
【数１３】
ＤＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）＋２８γｖＣＯＳ（１４θ） …（２３）
【００３９】
ここで、式(２３)は三角関数の加法定理により次式のように変形することができる。
【００４０】
【数１４】
ＤＳ＝δＳＩＮ（１４θ＋ＡＴＡＮ（１４γｖ／β）） …（２４）
【００４１】
また信号ＤＣは式（１５）と同じであるため、デジタル信号ＤＣ，ＤＳを内挿演算器２８により２変数の逆正接演算を行うと信号ＰＯは式（２５）となる。
【００４２】
【数１５】
ＰＯ＝１４θ＋ＡＴＡＮ（１４γｖ／β） …（２５）
【００４３】
ここで１４γｖがβよりも十分小さいと考えれば式（２６）となる。
【００４４】
【数１６】
ＰＯ＝１４（θ＋γｖ／β） …（２６）
【００４５】
この式（２６）で示されるように、図１のリラクタンス型レゾルバで位置検出する場合の漏れ磁束による影響は、回転速度に比例した位置のオフセット誤差として生じ、脈動成分を生じることがない。したがって、この位置検出値を微分して求めた速度検出値には漏れ磁束による速度誤差の影響がない。なお、この速度に比例した位置のオフセット誤差は位置制御等による追従遅れと比較すれば十分小さいため、仮に１４γｖがβより非常に大きな場合でもＡＴＡＮ（１４γｖ／β））は±π／２を越えることがなく、十分な精度を達成できる。
【００４６】
次に、図面に基づいて本発明の別の実施形態を説明する。図２は本発明のもう一つの実施の形態に係るリラクタンス型レゾルバをラジアル方向に切断した断面図である。図２において、図３に示した従来のものと同様の構成をとるものについては、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。本実施の形態の固定子５１は、その内周に互いに隣接する２つの励磁歯を１組とする８組の励磁歯６２と８２，６３と８３，６４と８４，６５と８５，６６と８６，６７と８７，６８と８８，６９と８９を配置している。この励磁歯の組同士は等間隔に配置され、組となった２つの励磁歯の間隔（ピッチ）は、固定子１１の凸部のピッチの整数倍である同ピッチとなるよう配置されている。これにより、組となった励磁歯と固定子１１との間のパーミアンスが同位相で変化するようになる。８組の歯６２と８２，６３と８３，６４と８４，６５と８５，６６と８６，６７と８７，６８と８８，６９と８９にはそれぞれ励磁巻線５２と７２，５３と７３，５４と７４，５５と７５，５６と７６，５７と７７，５８と７８，５９と７９が巻装されている。また各組の２つの励磁巻線は直列に接続され、この励磁巻線に励磁信号が入力されると、組となった２つの励磁歯からは回転子側に向かって互いに逆向きの磁束が生じるようになっている。以上のことから、図２のレゾルバでは各組の２個の励磁歯は可動子としての回転子１１の運動に対する磁気抵抗の変化が同位相となり、また組となった２つの励磁歯を通る磁束の総和は０となる。このようなリラクタンスレゾルバにおいても励磁巻線５２と７２と５６と７６，５３と７３と５７と７７，５４と７４と５８と７８，５５と７５と５８と７８，５６と７６と５９と７９の４種類の励磁巻線は従来の励磁巻線１２と１６，１３と１７，１４と１８，１５と１９の４種類の励磁巻線に相当し、その回転子１１の運動に対するパーミアンス変化は、従来のものと同様となるため、図４に示した従来の位置検出装置を用いて位置検出を行うことができる。
【００４７】
また、図２のレゾルバにおいて漏れ磁束の影響を考えると、各組の２つの励磁歯は回転子１１の運動に対して同位相のパーミアンス変化となるため、各組の励磁歯には、それぞれほぼ同じ漏れ磁束が通過する。したがって、各組の２つの励磁巻線に生じるノイズ電流は同レベルであり、かつ逆位相で励磁巻線が直列接続されていることになる。このため、ノイズ電流は打ち消し合って、各組の励磁巻線に流れる漏れ磁束によるノイズ電流が除去される。
【００４８】
なお、これまで４つの位相がずれた信号ＶＣＰ，ＶＣＮ，ＶＣＰ，ＶＳＮを出力するリラクタンス型レゾルバについて説明したが、このようなレゾルバでは２以上の位相差のある信号が得られれば位置検出を行うことができるため、４相出力型のリラクタンス型レゾルバに限らず、２つまたは３つの位相がずれた信号を出力するリラクタンス型レゾルバとしてもよい。また、ここまでの説明では回転型のリラクタンス型レゾルバについて説明したが、固定子と回転子（可動子）を直線に展開した直線型のリラクタンス型レゾルバとしてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のリラクタンス型レゾルバによれば、一つの励磁歯に１つの巻線を巻く、製造の容易な構造を持ちながら、電動機回転子の永久磁石や制動用の電磁ブレーキからの漏れ磁束等に対して影響を受けづらい高精度な速度検出および位置検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係るリラクタンス型レゾルバのラジアル方向の断面図である。
【図２】 本発明のもう一つの実施の形態に係るリラクタンス型レゾルバのラジアル方向の断面図である。
【図３】 従来のリラクタンス型レゾルバをラジアル方向に切断した断面図である。
【図４】 リラクタンス型レゾルバの検出装置の構成ブロック図である。
【図５】 リラクタンス型レゾルバに対し軸方向から到来する漏れ磁束の例を表す説明図である。
【符号の説明】
１，３１，５１ 固定子、１０ 入力軸、１１ 回転子、２０ 励磁信号発生器、２５，２６ 差動増幅器、２７，２８ ＡＤ変換器、２９ 内挿演算器、３０ タイミング発生器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転型又は直動型電動機の可動部の運動速度及び運動位置を検出するためのセンサとしてのリラクタンス型レゾルバに係り、特に電動機回転子や電磁ブレーキ等からの漏れ磁束により発生する検出誤差の低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来のリラクタンス型レゾルバの一例をラジアル方向に切断した断面図である。また、図４は図３のリラクタンス型レゾルバから回転位置を検出するための検出装置の一例を示すブロック図である。図３において固定子１はその内周に等間隔に配置された、磁性体から成る８個の励磁歯２，３，４，５，６，７，８，９を有し、各励磁歯にはそれぞれ励磁巻線１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９が巻装されている。この励磁巻線は、励磁信号の入力時に励磁歯２，４，６，８と励磁歯３，５，７，９とにそれぞれ互いに逆向きの磁束が発生し、各励磁歯を通る磁束の総和が０となるように巻装されている。回転子（可動子）１１は磁性体からなり、その外周に等間隔にそれぞれ１８個の凸部を備え、各凸部が固定子１の励磁歯に対向するように配置されている。また、この回転子１１は、入力軸１０の回転可動に連動して回転するように入力軸１０に固着されている。このようなリラクタンス型レゾルバでは、回転子１１が回転運動すると回転子１１側の凸部と固定子１の励磁歯とのギャップ変動により各励磁巻線のパーミアンスが回転子１１の凸部ピッチの周期で変化する。また、隣の励磁巻線とのパーミアンスの変化の位相は凸部ピッチの１／４ピッチ異なる位相となる。
【０００３】
図４の検出装置では図３のリラクタンス型レゾルバの励磁巻線１２，１６，１４，１８，１３，１７，１５，１９を励磁信号発生器２０からの励磁信号電流ＳＩＮ（ωｔ）により電流励磁している。また、励磁信号発生器２０はタイミング発生器３０からの矩形波信号ＥＸＰを波形整形して、正弦波状の励磁信号電流ＳＩＮ（ωｔ）を生成し、出力する。対向する励磁歯に巻装され同位相でパーミアンス（磁気抵抗）変化する励磁巻線１２と１６，１３と１７，１４と１８，１５と１９は直列接続され、さらに電流検出抵抗２１，２２，２３，２４が直列接続されている。これにより、各組の励磁巻線に流れる電流をそれぞれ電圧信号ＶＣＰ，ＶＣＮ，ＶＳＰ，ＶＳＮとして検出することができる。ここで対向する励磁歯に巻装され同位相のパーミアンス変化となる励磁巻線を直列接続しているのは、固定子と回転子の中心がずれた場合にも２つの励磁巻線の平均化効果によって位置検出の精度への影響を少なくするためである。
【０００４】
各組の励磁巻線１２と１６，１３と１７，１４と１８，１５と１９に流れる電流は巻線パーミアンス変化に比例して変化するため、回転子１１の回転角をθ，係数をα，βとすると、信号ＶＣＰ，ＶＣＮ，ＶＳＰ，ＶＳＮは次の近似式で表現できる。
【０００５】
【数１】
ＶＣＰ＝（α＋βＣＯＳ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ） …（１）
ＶＣＮ＝（α−βＣＯＳ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ） …（２）
ＶＳＰ＝（α＋βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ） …（３）
ＶＳＮ＝（α−βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ） …（４）
【０００６】
信号ＶＣＰとＶＣＮ，ＶＳＰとＶＳＮは差動増幅器２５，２６で減算処理され、それぞれ信号ＶＣ、ＶＳに演算増幅される。信号ＶＣ，ＶＳは式（５），（６）となる。
【０００７】
【数２】
ＶＣ＝２βＣＯＳ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ） …（５）
ＶＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ） …（６）
【０００８】
信号ＶＣ，ＶＳは、タイミング発生器３０からの励磁信号に同期した変換指令信号ＣＮＶによってＳＩＮ（ωｔ）＝１となるタイミングでＡＤ変換器２７，２８によりデジタル信号ＤＣ，ＤＳに変換される。したがって信号ＤＣ，ＤＳは式（７），（８）となる。
【０００９】
【数３】
ＤＣ＝２βＣＯＳ（１４θ） …（７）
ＤＳ＝２βＳＩＮ（１４θ） …（８）
【００１０】
デジタル信号ＤＣ，ＤＳは内挿演算器２９により２変数の逆正接演算がデジタル処理により行なわれ、信号ＰＯが出力される。ここで、デジタル信号ＤＣ，ＤＳの逆正接演算結果は１４θとなり信号ＰＯは入力軸１０の回転位置となる。
【００１１】
以上のように、図３のリラクタンス型レゾルバは固定子側の１つの歯に１つの励磁巻線を巻くだけの簡単な巻線構造で、入力軸の位置θを１４倍の感度で検出することができる。なお、このような可動子の位置を１４倍の感度で検出できるレゾルバを一般的に軸倍角１４Ｘのレゾルバという。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３及び図４に示した従来のリラクタンス型レゾルバを用いて電動機回転子の運動速度や位置を検出する場合、図５の点線で示すような電動機回転子永久磁石や制動用電磁ブレーキからの漏れ磁束ＮＦの影響により精密な測定が妨げられる。すなわち、この漏れ磁束ＮＦは回転子側の凸部と固定子側の励磁歯とのギャップ変動により変化するため、各励磁巻線のパーミアンス変化に比例して変化する。このため、回転子１１が回転すると各励磁巻線を通過する漏れ磁束が変化し、その微分量に比例して励磁巻線にノイズ電流が発生する。
【００１３】
具体的に回転子の可動時の角速度をｖとし、係数をγとするとこのノイズ電流も考慮した信号ＶＣＰ，ＶＣＮ，ＶＳＰ，ＶＳＮは次の近似式で表現できる。
【００１４】
【数４】
ＶＣＰ＝（α＋βＣＯＳ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）−１４γｖＳＩＮ（１４θ） …（７）
ＶＣＮ＝（α−βＣＯＳ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）＋１４γｖＳＩＮ（１４θ） …（８）
ＶＳＰ＝（α＋βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）−１４γｖＣＯＳ（１４θ） …（９）
ＶＳＮ＝（α−βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）＋１４γｖＣＯＳ（１４θ） …（１０）
【００１５】
また、信号ＶＣＰとＶＣＮ，ＶＳＰとＶＳＮの差となる信号ＶＣ，ＶＳは式（１１），（１２）となる。
【００１６】
【数５】
ＶＣ＝２βＣＯＳ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ）−２８γｖＳＩＮ（１４θ） …（１１）
ＶＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ）−２８γｖＣＯＳ（１４θ） …（１２）
【００１７】
式（１１），（１２）からデジタル信号ＤＣ，ＤＳは次の式であらわすことができる。
【００１８】
【数６】
ＤＣ＝２βＣＯＳ（１４θ）−２８γｖＳＩＮ（１４θ） …（１３）
ＤＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）−２８γｖＣＯＳ（１４θ） …（１４）
【００１９】
式（１３），(１４)は、δ＝ＳＱＲＴ（４β・β＋７２８γ・γ・ｖ・ｖ）とおくと、三角関数の加法定理により次式のように変形することができる。
【００２０】
【数７】
ＤＣ＝δＣＯＳ（１４θ＋ＡＴＡＮ（１４γｖ／β）） …（１５）
ＤＳ＝δＳＩＮ（１４θ−ＡＴＡＮ（１４γｖ／β）） …（１６）
【００２１】
式（１５），（１６）に示すデジタル信号ＤＣ，ＤＳを内挿演算器２８により２変数の逆正接演算を行うと信号ＰＯは次式となる。
【００２２】
【数８】
ＰＯ≒１４θ−ＡＴＡＮ（１４γｖ／β）ＣＯＳ（２８θ） …（１７）
【００２３】
ここで１４γｖはβよりも十分小さいため、
【００２４】
【数９】
ＰＯ≒１４（θ＋γｖ／βＣＯＳ（２８θ）） …（１８）
【００２５】
また、（１８）式を軸倍角ＮＸのレゾルバの一般式に変換すると
【００２６】
【数１０】
ＰＯ＝Ｎ（θ＋γｖ／βＣＯＳ（２Ｎθ）） …（１９）
【００２７】
で表すことができる。
【００２８】
以上から、電動機からの漏れ磁束による位置検出誤差の影響は角速度ｖと軸倍角Ｎに比例して大きくなり、一回転あたり２Ｎ回脈動する位置検出誤差を生じる。この位置検出誤差はレゾルバ軸倍角が小さくかつ励磁信号の周波数ωが十分高く、そして可動速度が低い場合は式（１１），（１２）が示すように漏れ磁束によるノイズ成分は低域にあるため、低域カットフィルター等で除去可能である。しかし、近年は、位置検出の分解能を上げるため、レゾルバ軸倍角を大きくする傾向がある上、電動機の可動速度も高速化してきている。そのため、低域カットフィルターによる除去には限界がきている。また、位置検出誤差だけならほとんど問題とならないレベルであっても、近年の電動機の速度制御では位置検出値を微分演算により速度検出を行うため、速度誤差レベルでみると漏れ磁束による影響は回転速度の自乗に比例することになり、高速可動するほど漏れ磁束による影響は深刻となる。
【００２９】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、製造の容易な巻線構造を持ちながら、電動機回転子の永久磁石や制動用の電磁ブレーキからの漏れ磁束等に対して影響を受けづらい高精度な速度検出および位置検出を行うことができるリラクタンス型レゾルバを提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、励磁巻線を巻装した複数の励磁歯を有し、磁性体からなる固定子と、磁性凸部を備え、当該磁性凸部が前記励磁歯に対向するよう配置された可動子と、前記可動子の運動に応じて、異なる位相で変化する前記励磁巻線の電流又は電圧を検出して、前記可動子の位置を検出するリラクタンス型レゾルバにおいて、前記励磁巻線は、各励磁歯を通る磁束の向きが同一方向となるよう各励磁歯に巻装され、前記固定子は、励磁歯の磁束と逆向きの磁束を通すバイパス磁路歯を有することを特徴としている。これにより、バイパス磁路歯があるため、漏れ磁束の影響を受けにくい方向に励磁巻線を巻装でき、速度の検出精度を向上できる。
【００３１】
また、上記従来例の問題点を解決するための本発明は、互いに隣接し、可動子の運動による磁気抵抗の変化が同位相になるように配置された励磁歯の組を備え、各組の励磁歯の各々に巻回された励磁巻線を直接接続することによって打ち消すことで、漏れ磁束の影響を低減し、速度及び位置の検出精度を向上できる。すなわち、本発明は、励磁巻線を巻装した複数の励磁歯を有し、磁性体からなる固定子と、磁性凸部を備え、当該磁性凸部が前記励磁歯に対向するよう配置された可動子と、前記可動子の運動に応じて、異なる位相で変化する前記励磁巻線の電流又は電圧を検出して、前記可動子の位置を検出するリラクタンス型レゾルバにおいて、前記励磁巻線は、互いに隣接する励磁歯の組ごとに、各励磁歯を通る磁束の向きが互いに逆向きとなるように各励磁歯に巻装されるとともに直列接続され、組ごとに、各励磁歯のピッチが可動子の磁性凸部のピッチの整数倍と等しくなるよう前記固定子上に励磁歯が配置されていることを特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るリラクタンス型レゾルバをラジアル方向に切断した断面図である。ここで、図３と同様の構成をとるものについては同一の符号を付して詳しい説明を省略する。固定子３１は、その内周に磁性体からなる１６個の歯が等間隔に配置され、そのうち８個の歯（励磁歯に相当する）４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９には、それぞれ励磁巻線３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９が巻装されている。また、残りの８個の歯（バイパス磁路歯に相当する）には巻線を巻装しない。さらに、固定子１では励磁巻線３２と３６，３３と３７，３４と３８，３５と３９の４組の励磁巻線が直列接続され、励磁巻線に励磁信号が入力されると歯４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９では回転子１１に対して同一方向の磁束が発生するように励磁巻線が巻装されている。これにより、励磁巻線に励磁信号が入力されると、励磁歯間に配置され、巻線を巻装していない８個のバイパス磁路歯は、励磁歯４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９を通る磁束の向きと回転子１１に対して逆向きの磁束が発生し、バイパス磁路の役目を果たす。
【００３３】
図１のリラクタンス型レゾルバを図４の位置検出装置を用いて図３と同様に検出した場合について説明すると、励磁巻線３２と３６，３３と３７，３４と３８，３５と３９の４種類の巻線は、従来のリラクタンス型レゾルバの励磁巻線１２と１６，１３と１７，１４と１８，１５と１９の４種類の巻線に対応し、可動子としての回転子１１の運動に対するパーミアンス変化は従来のものとほぼ同等となる。すなわち、図１のリラクタンス型レゾルバを図４の位置検出装置を用いた場合も図３のレゾルバと同様に位置検出することができる。一方、図５の点線で示すような漏れ磁束ＮＦが発生した場合は、励磁巻線３３，３７，３５，３９と励磁巻線１３，１７，１５，１９では、漏れ磁束によって生じるノイズ電流の向きが異なるため、図１のリラクタンス型レゾルバを用い、図４の位置検出装置で位置等の検出をする場合は信号ＶＳＰ，ＶＳＮは次の近似式となる。
【００３４】
【数１１】
ＶＳＰ＝（α＋βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）＋１４γｖＣＯＳ（１４θ） …（２０）
ＶＳＮ＝（α−βＳＩＮ（１４θ））ＳＩＮ（ωｔ）−１４γｖＣＯＳ（１４θ） …（２１）
【００３５】
したがって、ＶＳＰとＶＳＮの差である信号ＶＳは式（２２）となる。
【００３６】
【数１２】
ＶＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）ＳＩＮ（ωｔ）＋２８γｖＣＯＳ（１４θ） …（２２）
【００３７】
式（２２）からＳＩＮ（ωｔ）＝１の時のデジタル信号ＤＳは式（２３）となる。
【００３８】
【数１３】
ＤＳ＝２βＳＩＮ（１４θ）＋２８γｖＣＯＳ（１４θ） …（２３）
【００３９】
ここで、式(２３)は三角関数の加法定理により次式のように変形することができる。
【００４０】
【数１４】
ＤＳ＝δＳＩＮ（１４θ＋ＡＴＡＮ（１４γｖ／β）） …（２４）
【００４１】
また信号ＤＣは式（１５）と同じであるため、デジタル信号ＤＣ，ＤＳを内挿演算器２８により２変数の逆正接演算を行うと信号ＰＯは式（２５）となる。
【００４２】
【数１５】
ＰＯ＝１４θ＋ＡＴＡＮ（１４γｖ／β） …（２５）
【００４３】
ここで１４γｖがβよりも十分小さいと考えれば式（２６）となる。
【００４４】
【数１６】
ＰＯ＝１４（θ＋γｖ／β） …（２６）
【００４５】
この式（２６）で示されるように、図１のリラクタンス型レゾルバで位置検出する場合の漏れ磁束による影響は、回転速度に比例した位置のオフセット誤差として生じ、脈動成分を生じることがない。したがって、この位置検出値を微分して求めた速度検出値には漏れ磁束による速度誤差の影響がない。なお、この速度に比例した位置のオフセット誤差は位置制御等による追従遅れと比較すれば十分小さいため、仮に１４γｖがβより非常に大きな場合でもＡＴＡＮ（１４γｖ／β））は±π／２を越えることがなく、十分な精度を達成できる。
【００４６】
次に、図面に基づいて本発明の別の実施形態を説明する。図２は本発明のもう一つの実施の形態に係るリラクタンス型レゾルバをラジアル方向に切断した断面図である。図２において、図３に示した従来のものと同様の構成をとるものについては、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。本実施の形態の固定子５１は、その内周に互いに隣接する２つの励磁歯を１組とする８組の励磁歯６２と８２，６３と８３，６４と８４，６５と８５，６６と８６，６７と８７，６８と８８，６９と８９を配置している。この励磁歯の組同士は等間隔に配置され、組となった２つの励磁歯の間隔（ピッチ）は、固定子１１の凸部のピッチの整数倍である同ピッチとなるよう配置されている。これにより、組となった励磁歯と固定子１１との間のパーミアンスが同位相で変化するようになる。８組の歯６２と８２，６３と８３，６４と８４，６５と８５，６６と８６，６７と８７，６８と８８，６９と８９にはそれぞれ励磁巻線５２と７２，５３と７３，５４と７４，５５と７５，５６と７６，５７と７７，５８と７８，５９と７９が巻装されている。また各組の２つの励磁巻線は直列に接続され、この励磁巻線に励磁信号が入力されると、組となった２つの励磁歯からは回転子側に向かって互いに逆向きの磁束が生じるようになっている。以上のことから、図２のレゾルバでは各組の２個の励磁歯は可動子としての回転子１１の運動に対する磁気抵抗の変化が同位相となり、また組となった２つの励磁歯を通る磁束の総和は０となる。このようなリラクタンスレゾルバにおいても励磁巻線５２と７２と５６と７６，５３と７３と５７と７７，５４と７４と５８と７８，５５と７５と５８と７８，５６と７６と５９と７９の４種類の励磁巻線は従来の励磁巻線１２と１６，１３と１７，１４と１８，１５と１９の４種類の励磁巻線に相当し、その回転子１１の運動に対するパーミアンス変化は、従来のものと同様となるため、図４に示した従来の位置検出装置を用いて位置検出を行うことができる。
【００４７】
また、図２のレゾルバにおいて漏れ磁束の影響を考えると、各組の２つの励磁歯は回転子１１の運動に対して同位相のパーミアンス変化となるため、各組の励磁歯には、それぞれほぼ同じ漏れ磁束が通過する。したがって、各組の２つの励磁巻線に生じるノイズ電流は同レベルであり、かつ逆位相で励磁巻線が直列接続されていることになる。このため、ノイズ電流は打ち消し合って、各組の励磁巻線に流れる漏れ磁束によるノイズ電流が除去される。
【００４８】
なお、これまで４つの位相がずれた信号ＶＣＰ，ＶＣＮ，ＶＣＰ，ＶＳＮを出力するリラクタンス型レゾルバについて説明したが、このようなレゾルバでは２以上の位相差のある信号が得られれば位置検出を行うことができるため、４相出力型のリラクタンス型レゾルバに限らず、２つまたは３つの位相がずれた信号を出力するリラクタンス型レゾルバとしてもよい。また、ここまでの説明では回転型のリラクタンス型レゾルバについて説明したが、固定子と回転子（可動子）を直線に展開した直線型のリラクタンス型レゾルバとしてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のリラクタンス型レゾルバによれば、一つの励磁歯に１つの巻線を巻く、製造の容易な構造を持ちながら、電動機回転子の永久磁石や制動用の電磁ブレーキからの漏れ磁束等に対して影響を受けづらい高精度な速度検出および位置検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係るリラクタンス型レゾルバのラジアル方向の断面図である。
【図２】 本発明のもう一つの実施の形態に係るリラクタンス型レゾルバのラジアル方向の断面図である。
【図３】 従来のリラクタンス型レゾルバをラジアル方向に切断した断面図である。
【図４】 リラクタンス型レゾルバの検出装置の構成ブロック図である。
【図５】 リラクタンス型レゾルバに対し軸方向から到来する漏れ磁束の例を表す説明図である。
【符号の説明】
１，３１，５１ 固定子、１０ 入力軸、１１ 回転子、２０ 励磁信号発生器、２５，２６ 差動増幅器、２７，２８ ＡＤ変換器、２９ 内挿演算器、３０ タイミング発生器。
Claims (2)
- 励磁巻線を巻装した複数の励磁歯を有し、磁性体からなる固定子と、
磁性凸部を備え、当該磁性凸部が前記励磁歯に対向するよう配置された可動子と、
前記可動子の運動に応じて、異なる位相で変化する前記励磁巻線の電流又は電圧を検出して、前記可動子の位置を検出するリラクタンス型レゾルバにおいて、
前記励磁巻線は、各励磁歯を通る磁束の向きが同一方向となるよう各励磁歯に巻装され、前記固定子は、励磁歯の磁束と逆向きの磁束を通すバイパス磁路歯を有することを特徴とするリラクタンス型レゾルバ。 - 励磁巻線を巻装した複数の励磁歯を有し、磁性体からなる固定子と、
磁性凸部を備え、当該磁性凸部が前記励磁歯に対向するよう配置された可動子と、
前記可動子の運動に応じて、異なる位相で変化する前記励磁巻線の電流又は電圧を検出して、前記可動子の位置を検出するリラクタンス型レゾルバにおいて、
前記励磁巻線は、互いに隣接する励磁歯の組ごとに、各励磁歯を通る磁束の向きが互いに逆向きとなるように各励磁歯に巻装されるとともに直列接続され、
組ごとに、各励磁歯のピッチが可動子の磁性凸部のピッチの整数倍と等しくなるよう前記固定子上に励磁歯が配置されていることを特徴とするリラクタンス型レゾルバ。
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