JP4226437B2 - Ｖｒ型レゾルバの鉄心構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は高精度ＶＲ型レゾルバの鉄心構造及びその製造技術に関する。

減速器を用いずに負荷を直接駆動するダイレクトドライブモータは、バックラッシュ、ロストモーションのない高精度な位置決めが可能であるため、ＮＣ工作機などのインデックステーブル、搬送装置、組み立て装置のロボットアームなどの各種の用途に用いられており、より小型で高精度な位置決めを可能とするダイレクトドライブモータの開発が望まれている。特開２０００−８１３４４号公報では、ステータ極数を限界まで増加させることなく、絶対精度１０秒以下での位置決めが可能という極めて高精度のＶＲ型レゾルバを得る技術が開示されている
特開２０００−８１３４４号公報

しかし、小型・薄型のダイレクトドライブモータ内にＶＲ型レゾルバを組み込むためにＶＲ型レゾルバを小径化すると、構造的な問題からステータポール数には限界がある。即ち、小型化と高精度化の両立を図るために多ポール化を進めるには構造的な限界がある。さらに、レゾルバが小径であるほど加工精度が厳しくなるため、歯ピッチ誤差等が生じ易い。歯ピッチの誤差は累積して位置検出精度を低下させる原因となる。

そこで、本発明は高精度ＶＲ型レゾルバの小径化・薄型化を可能とするレゾルバの鉄心構造及びその製造方法を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明のＶＲ型レゾルバの鉄心構造は、環状ステータ基部の円周方向に沿って均等に配されたステータポールを備えるステータと、前記ステータとの相対的な角度位置を変化させることで前記ステータとの間隙のリラクタンス成分を変化せしめるロータとを備えたＶＲ型レゾルバの鉄心構造であって、前記ステータとロータのうち少なくとも何れか一方は、複数のラミネーションを回転積層した積層構造として構成され、ステータポール数をＰ、相数をＮとしたとき、各層のラミネーションの回転積層角度は３６０度／（Ｐ／Ｎ）の倍数角を除く角度に設定されている。

ラミネーションの回転積層角度として、３６０度／（Ｐ／Ｎ）の倍数角を除く角度に設定することで、特定の相にのみピッチ誤差が集中することを回避し、ピッチ誤差を全体的に分散させることで、ＶＲ型レゾルバの高精度化を図ることができる。

本発明のダイレクトドライブモータは、本発明の鉄心構造を具備するＶＲ型レゾルバを角度位置検出器として備える。本発明のＶＲ型レゾルバは薄型化・小型化が可能であるため、小型のダイレクトドライブモータの角度位置検出器として好適である。

本発明のＶＲ型レゾルバの製造方法は、環状ステータ基部の円周方向に沿って均等に配されたステータポールを備えるステータと、前記ステータとの相対的な角度位置を変化させることで前記ステータとの間隙のリラクタンス成分を変化せしめるロータとを備えたＶＲ型レゾルバの製造方法であって、ステータポール数をＰ、相数をＮとしたとき、前記ステータとロータのうち少なくとも何れか一方を構成するラミネーションの回転積層角度を３６０度／（Ｐ／Ｎ）の倍数角を除く角度で回転積層する。

ラミネーションの回転積層角度として、３６０度／（Ｐ／Ｎ）の倍数角を除く角度に調整するだけでピッチ誤差を平均化できるため、非常に簡便かつ低コストで高精度ＶＲ型レゾルバを得ることができる。

本発明によれば、ラミネーションの回転積層角度として、３６０度／（Ｐ／Ｎ）の倍数角を除く角度に設定することで、特定の相にのみピッチ誤差が集中することを回避し、ピッチ誤差を全体的に分散させることで、ＶＲ型レゾルバの高精度化を図ることができる。さらに、ラミネーションの積層数を減少させることができ、ＶＲ型レゾルバの薄型化・小型化を実現できる。

［発明の実施形態１］
以下、各図を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
図２は角度位置検出機能を備えたダイレクトドライブモータの断面図である。同図に示すように、ダイレクトドライブモータには中空筒型のハウジング４４内に収容された回転軸４３が転がり軸受４５を介して回転自在に軸支されている。回転軸４３の下端部外周面には鋼板（或いは磁性体であれば他の素材のものに代えてもよい。）で成る薄板を積層し半径方向外側に向かって突出する複数の極歯を有する環状の回転子４７が固定されており、これと対向するハウジング内周面には同様の薄板を積層し、半径方向内側に向かって突出する複数の磁極を備える固定子４６が配置されている。

回転軸４３には、回転軸４３の絶対角度位置を検出するための単極レゾルバ４０と、相対角度位置を検出するための多極レゾルバ１０が組み込まれている。単極レゾルバ４０は回転軸４３の内周面に固定された環状の成層鉄心（モータ部の回転子４７や固定子４６と同様に銅板等の磁性体で成る薄板を積層したもの。以下同様。）から成るレゾルバロータ４２と、ハウジング４４に固定されてレゾルバロータ４２と対峙する環状の成層鉄心からなるレゾルバステータ４１から成る。多極レゾルバ１０は回転軸４３の内周面に固定された環状の成層鉄心からなるレゾルバロータ３０と、ハウジング４４に固定されてレゾルバロータ３０と対峙する環状の成層鉄心からなるレゾルバステータ２０から成る。

図１は多極レゾルバ１０の平面図である。同図に示すように、レゾルバロータ３０の内径中心はレゾルバステータ２０の内径中心と一致しており、レゾルバロータ３０とレゾルバステータ２０との間隙のリラクタンスがレゾルバロータ３０の回転角度位置により変化し、レゾルバロータ３０の１回転でリラクタンス変化の基本波成分が複数周期となる構造を備えている。

レゾルバロータ３０の内周面には等間隔に径方向に向けて内歯状に凸設された歯３１が計１６０歯形成されている。レゾルバステータ２０の環状ステータ基部２１には、Ａ相、Ｂ相及びＣ相のステータポール２２が等間隔に径方向に向けて外歯状に４８ポール凸設されている。ステータポール２２の配列ピッチは、ロータ３０の歯数（３＋１／３）毎に１ポールとなるように調整されている。

各々のステータポール２２の先端には突起状の２つの歯２４が形成されている。ステータポール２２の胴体部には各相毎に直列的に結線されたステータコイル２３が巻回されている。ロータ３０の歯３１に対する歯２４のピッチずれ量は１／３であり、それぞれ電気角０度で０／３歯、電気角＋１２０度で１／３歯、電気角＋２４０度で２／３歯、電気角＋３６０度で３／３歯となる。つまり、多極レゾルバ１０は、１／３ピッチで電気角１２０度毎にずれた３相信号を検出するように構成されている。

ステータ極数（ステータポール数）とロータ歯数（歯３１の歯数）は上述の値に限定されるものではなく、任意の値に調整できる。高精度のＮ相ＶＲ型レゾルバを実現するために、ステータ極数としては、相数Ｎの倍数でなる偶数とし、且つ下記（１）式又は（２）式の何れかにより算出した値とすることが望ましい。ここで、Ｍは１〜３の整数である。
ステータ極数＝ロータ歯数／（Ｍ＋１／Ｎ） …（１）
ステータ極数＝ロータ歯数／｛Ｍ＋（Ｎ−１）／Ｎ｝ …（２）
この多極レゾルバは、±１／Ｎピッチで電気角±３６０度／Ｎ毎にずれたＮ相の信号を出力するものであり、３相以外の構成にも適用できる。例えば、４相レゾルバの場合は、±１／４ピッチで電気角±９０度毎にずれた４相の信号を検出し、６相レゾルバの場合は、±１／６ピッチで電気角±６０度毎にずれた６相の信号を検出する。

レゾルバロータ３０とレゾルバステータ２０は上述の例えば、金型プレスにより歯型形状に加工された複数のラミネーション（珪素鋼板等の薄板）を回転積層して得られた成層鉄心である。ラミネーション１枚あたりの厚みは０．５ｍｍ以下が好ましい。ここで、回転積層について説明する。上述の通り、一枚一枚の薄板の成形には通常、金型プレスが用いられる（必要に応じてバリ取り等の仕上げ加工も施される。）。しかし、金型の有する形状誤差、プレス加工時に生じる加工誤差、その他により、加工されたものの形状には、例えば、歯のピッチ誤差などの誤差を含んでいる。このような一枚一枚の鋼板を金型により打ち抜いたときの位置関係を維持したまま積層してしまうと、上記のような形状誤差等の影響が完成後のレゾルバの検出精度の低下に反映してしまうことになる。その影響は本発明が対象とするような、特に高精度を必要とされるダイレクトドライブモータ用等として用いられるものの場合、無視できない場合がある。

そこで、上記の形状誤差等の影響を縮小することを目的として、薄板を積層する際に意図的に一枚一枚の薄板の位置関係を金型により打ち抜いたときの位置関係に対して１歯の角度の倍数だけ回転方向にずらすことが行われており、これを回転積層と称する。薄板の積層枚数が多い場合であれば、例えば、１歯ずつ回転して重ねていく、或いはランダムな回転角度で回転積層した場合でも、平均化効果により十分に高精度なレゾルバを得ることができる場合もある。

しかし、モータの小型化・薄型化を図るため、積層枚数を少なくする必要がある場合、これらのようなやり方では不十分である。少ない積層枚数で効率よく上記の形状誤差等の影響の抑制を図ることが望まれる。また、一枚の薄板の上に次の薄板を重ねる際の回転角度（回転積層角度）を任意に設定すればよいわけではなく、選んだ回転積層角度によっては多数重ねても効果の小さい場合があることがわかった。

そこで、本発明においては、レゾルバロータ３０とレゾルバステータ２０を構成する各層のラミネーションの回転積層角度として、下記（３）式の倍数角を除く角度に設定する。ここで、Ｐはステータポール数、Ｎは相数である。また、回転積層角度とは第１層目を基準とした回転角度のことをいう。
３６０度／（Ｐ／Ｎ） …（３）
Ｎ相多極レゾルバでは、同一相のステータポールが（３）式の角度おきに配置されているため、レゾルバステータ２０を構成する各層の回転積層角度として、（３）式の倍数角を除く角度に設定することで、特定の相にのみ歯２４のピッチ誤差が集中することを回避できる。このように、特定の相にピッチ誤差の影響が集中するのを避け、歯２４のピッチ誤差等を全周にわたって各相に均等に分散させることが完成後のレゾルバの検出精度の向上に特に効果のあることがわかった。レゾルバステータ２０のみならず、レゾルバロータ３０についても同様にラミネーションの回転積層角度として、（３）式の倍数角を除く角度に設定することで、完成後、レゾルバロータ３０をレゾルバステータ２０に対向させた場合に、歯３１のピッチ誤差等をＮ相全てに均等に配分できるため、平均効果により高精度な位置検出精度を得ることができる。

例えば、４８ポールの３相レゾルバの場合では、ラミネーションの回転積層角度として、３６０度／（４８／３）＝２２．５度の倍数を除く角度に設定する。同図に示す例では、レゾルバステータ２０の回転積層角度として、２層目の回転積層角度θ₁を６０度、３層目の回転積層角度θ₂を１２０度、４層目の回転積層角度θ₃を１８０度、５層目の回転積層角度θ₄を２４０度、６層目の回転積層角度θ₅を３００度としている。このように、各層の回転積層角度は２２．５度の倍数を除く角度に設定されていればよく、同図に示す例に限定されるものではない。また、隣接層の回転積層角度の差分θ_n+1−θ_nは必ずしも一定である必要はない。

一方、レゾルバロータ３０の回転積層角度としては、同図に示すように、２層目の回転積層角度φ₁を７２度、３層目の回転積層角度φ₂を１４４度、４層目の回転積層角度φ₃を２１６度、５層目の回転積層角度φ₄を２８８度としている。このように、各層の回転積層角度は２２．５度の倍数を除く角度に設定されていればよく、同図に示す例に限定されるものではない。また、隣接層の回転積層角度の差分φ_n+1−φ_nは必ずしも一定である必要はない。

尚、レゾルバステータ２０やレゾルバロータ３０について回転積層を施す場合には、例えば、図３のレゾルバステータ２０の例に示すように、全周中の一箇所の内周面にノッチ２５を施し、所定の回転角度で積層が行われているか否かを積層時に、或いは積層後にチェックし易くするのが好ましい。同図（Ａ）はラミネーションが表面を向いている場合の平面図であり、同図（Ｂ）はラミネーションが裏面を向いている場合の平面図である。このように、ノッチ２５を施すことで、ラミネーションの表裏を判別できるため、回転積層に好適である。同図に示す例では、ラミネーションが表面を向いている状態でのステータポール２２の中心線をＸ線とし、ステータポール間の中心線をＹ線とした場合、例えば、Ｘ線とＹ線の中心線Ｚ上にノッチ２５を施している。レゾルバロータ３０の場合は同様の要領で外周面にノッチを設ければよい。

以上、説明したように、本実施形態によれば、ステータ極数の比較的多い高精度レゾルバをさらに高精度化することが可能となる。また、ラミネーションの回転積層角度を上述のようにして適宜調整することで、例えば、金型プレス加工により打ち抜かれて得られる一枚一枚のラミネーション（薄板）の有する形状誤差等がレゾルバの検出精度に及ぼす影響を低減できるため、ラミネーションの積層枚数を少なくできる上に小径化にも有効である。ラミネーション１枚あたりの厚みを０．５ｍｍ以下に抑えれば、薄型・小型のＶＲ型レゾルバを得ることができる。このような薄型・小型のＶＲ型レゾルバは、ＮＣ工作機などのインデックステーブル、搬送装置、組み立て装置のロボットアームなどに組み込まれる小型のダイレクトドライブモータの位置検出装置に好適である。

［発明の実施形態２］
以下、各図を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
図４は第２実施形態のＶＲ型レゾルバ５０の平面図である。同図に示すように、同レゾルバ５０のレゾルバロータ７０の内径中心はレゾルバステータ６０の内径中心と一致しており、レゾルバロータ７０とレゾルバステータ６０との間隙のリラクタンスがレゾルバロータの回転角度位置により変化し、レゾルバロータ７０の１回転でリラクタンス変化の基本波成分が複数周期となる構造を備えている。レゾルバロータ７０の内周面には等間隔に径方向に向けて内歯状に凸設された歯７１が多数形成されている。レゾルバステータ６０の環状ステータ基部６１には、Ａ相、Ｂ相及びＣ相のステータポール６２が等間隔に径方向に向けて外歯状に１８ポール凸設されている。各々のステータポール６２にはステータコイル６３が巻回されている。

同図に示すような１８ポールの３相レゾルバの場合では、ラミネーションの回転積層角度として、３６０度／（１８／３）＝６０度の倍数を除く角度に設定する。ここでは、レゾルバステータ２０の回転積層角度として同図に示すように、２層目の回転積層角度θ₁を８０度、３層目の回転積層角度θ₂を１６０度、４層目の回転積層角度θ₃を２４０度、５層目の回転積層角度θ₄を３２０度、６層目の回転積層角度θ₅を４００度としている。このように、各層の回転積層角度は６０度の倍数を除く角度に設定されていればよく、同図に示す例に限定されるものではない。また、隣接層の回転積層角度の差分θ_n+1−θ_nは必ずしも一定である必要はない。

一方、レゾルバロータ３０の回転積層角度としては、同図に示すように、２層目の回転積層角度φ₁を７２度、３層目の回転積層角度φ₂を１４４度、４層目の回転積層角度φ₃を２１６度、５層目の回転積層角度φ₄を２８８度としている。このように、各層の回転積層角度は６０度の倍数を除く角度に設定されていればよく、同図に示す例に限定されるものではない。また、隣接層の回転積層角度の差分φ_n+1−φ_nは必ずしも一定である必要はない。

以上、説明したように、本実施形態によれば、上述の第１実施形態の効果に加えて、ステータ極数の比較的少ないレゾルバのピッチ誤差を平均化することで、位置検出精度の向上を図ることができる。

［発明の実施形態３］
以下、各図を参照して本発明の第３実施形態について説明する。
図５は第３実施形態のＶＲ型レゾルバ８０の平面図である。同図に示すように、同レゾルバ８０のレゾルバロータ１００の内径中心はレゾルバステータ９０の内径中心と一致しており、レゾルバロータ１００とレゾルバステータ９０との間隙のリラクタンスがレゾルバロータの回転角度位置により変化し、レゾルバロータ１００の１回転でリラクタンス変化の基本波成分が複数周期となる構造を備えている。レゾルバロータ１００の内周面には等間隔に径方向に向けて内歯状に凸設された歯１０１が多数形成されている。レゾルバステータ９０の環状ステータ基部９１には、Ａ相、Ｂ相及びＣ相のステータポール９２が等間隔に径方向に向けて外歯状に３０ポール凸設されている。各々のステータポール９２には図示しないステータコイルが巻回される。

同図に示すような３０ポールの３相レゾルバの場合では、ラミネーションの回転積層角度として、３６０度／（３０／３）＝３６度の倍数を除く角度に設定する。ここでは、レゾルバステータ９０の回転積層角度として同図に示すように、２層目の回転積層角度θ₁を６０度、３層目の回転積層角度θ₂を１２０度、４層目の回転積層角度θ₃を１８０度、５層目の回転積層角度θ₄を２４０度、６層目の回転積層角度θ₅を３００度としている。このように、各層の回転積層角度は３６度の倍数を除く角度に設定されていればよく、同図に示す例に限定されるものではない。また、隣接層の回転積層角度の差分θ_n+1−θ_nは必ずしも一定である必要はない。

一方、レゾルバロータ１００の回転積層角度としては、同図に示すように、２層目の回転積層角度φ₁を５７．６度、３層目の回転積層角度φ₂を１１５．２度、４層目の回転積層角度φ₃を１７２．８度、５層目の回転積層角度φ₄を２３０．４度、６層目の回転積層角度φ₅を２８８度、７層目の回転積層角度φ₆を３４５．６度、８層目の回転積層角度φ₇を４０３．２度としている。このように、各層の回転積層角度は３６度の倍数を除く角度に設定されていればよく、同図に示す例に限定されるものではない。また、隣接層の回転積層角度の差分φ_n+1−φ_nは必ずしも一定である必要はない。

尚、本実施形態ではレゾルバステータ９０に形成されるボルト挿通孔９４の角度間隔を６０度、レゾルバロータ１００に形成されるボルト挿通孔１０２の角度間隔を１４．４としており、これらについても３６度の倍数とは一致しないように選定されている。また、レゾルバステータ９０に形成されるノッチ９３はステータポール９２の中間に位置しているが、ボルト挿通孔９４との位置関係から表裏を判別できる。レゾルバロータ１００に形成されているノッチ１０３についても同様にボルト挿通孔１０２との相対的な位置関係から表裏を判別できる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、上述の第１実施形態の効果に加えて、ステータ極数の比較的少ないレゾルバのピッチ誤差を平均化することで、位置検出精度の向上を図ることができる。

以上、３つの実施形態について述べたが、回転積層角度についてまとめるとともに、より好ましい回転積層角度の決め方について補足する。まず、上記の通り、レゾルバステータ、レゾルバロータとも３６０度／（Ｐ／Ｎ）の角度を避けることは基本である。レゾルバステータとレゾルバロータの何れか一方の回転積層角度のみについて、３６０度／（Ｐ／Ｎ）の角度を避けるように構成してもある程度の効果を得ることができる。しかし、双方の回転積層角度について、３６０度／（Ｐ／Ｎ）の角度を避けるように構成するのがより好ましい。レゾルバステータの場合はともかく、対向するレゾルバロータについても同様であることは注目すべき点である。

特に、レゾルバステータに関しては、上記の条件に加え、上記の各実施形態に示したように、ステータポールの形状誤差、ピッチ誤差等が各相に均等に分散されるように回転積層角度及び積層枚数を決めるのが好ましい。上記の各実施形態では何れも回転積層角度の決め方はこの方法に沿っている。即ち、図１を例にとると、基準角＝０度、θ₁＝６０度、θ₂＝１２０度、θ₃＝１８０度、θ₄＝２４０度、θ₅＝３００度のそれぞれに対応するステータポールの符号が順にＡ，Ｂ，Ｃ，Ａ，Ｂ，Ｃとなっている。従って、例えば、１層目の図１で基準角に対応するステータポール（ここではＡ相）の歯が形状誤差、或いは隣のステータポールの歯との間にピッチ誤差があるとすると、その誤差を含むステータポールの歯は、２層目に付いてはＣ相に、３層目についてはＢ相に、４層目に付いては再びＡ相に、５層目に付いてはＣ相に、そして６層目に付いてはＢ相に位置することになる。即ち、誤差を有する歯が各相に２枚ずつ割り振られる。このようにして１つの歯の有する誤差を影響が効率的に、効果的に除去できることがわかった。

さらに、特にレゾルバステータについては、上記の条件に加え、回転積層角度については、３６０度を等分した角度に設定するのがより好ましい。また、少ない枚数で効率よく誤差の影響を分散するために、６層程度で３６０度に達するように回転積層角度を選ぶのがより好ましい。

また、第３の実施形態のレゾルバロータのように、多少枚数を増やすことが可能であり、最後の薄板の積層角度が３６０度を超える（２周目に入る）場合、回転積層角度が３６０度の約数とならないように選ぶことで、即ち、２周目が１周目と歯がずれるように配分することにより、レゾルバロータの歯の有する形状誤差等を効果的に除去可能となる。

上記の各実施形態ではレゾルバロータがレゾルバステータの外周側に配されるアウタロータ型の場合について述べたが、勿論、インナロータ型のレゾルバについても適用可能である。

また、レゾルバロータをボルトで固定する場合にも、本件で示している３６０度／（Ｐ／Ｎ）の倍数角を除く（ロータ回転位相角と同じ）角度指定で固定することがさらに好ましく、ボルト固定時に発生するロータの歪みの影響やボルトに起因する渦電流の影響を低減する事に寄与される。

第１実施形態のＶＲ型レゾルバの平面図である。 第１実施形態のダイレクトドライブモータの断面図である。 レゾルバステータのノッチ部分を中心とする拡大図である。 第２実施形態のＶＲ型レゾルバの平面図である。 第３実施形態のＶＲ型レゾルバの平面図である。

符号の説明

１０，５０，８０…ＶＲ型レゾルバ
２０，６０，９０…レゾルバステータ
２１，６１…ステータ基部
２２，６２…ステータポール
２３，６３…ステータコイル
３０，７０，１００…レゾルバロータ

Claims (3)

1. 環状ステータ基部の円周方向に沿って均等に配されたステータポールを備えるステータと、前記ステータとの相対的な角度位置を変化させることで前記ステータとの間隙のリラクタンス成分を変化せしめるロータとを備えたＶＲ型レゾルバの鉄心構造であって、
   前記ステータとロータのうち少なくとも何れか一方は、複数のラミネーションを回転積層した積層構造として構成され、ステータポール数をＰ、相数をＮとしたとき、各層のラミネーションの回転積層角度は３６０度／（Ｐ／Ｎ）の倍数角を除く角度に設定されている、ＶＲ型レゾルバの鉄心構造。
2. 請求項１に記載の鉄心構造を具備するＶＲ型レゾルバを角度位置検出器として備えたダイレクトドライブモータ。
3. 環状ステータ基部の円周方向に沿って均等に配されたステータポールを備えるステータと、前記ステータとの相対的な角度位置を変化させることで前記ステータとの間隙のリラクタンス成分を変化せしめるロータとを備えたＶＲ型レゾルバの製造方法であって、
   ステータポール数をＰ、相数をＮとしたとき、前記ステータとロータのうち少なくとも何れか一方を構成するラミネーションの回転積層角度を３６０度／（Ｐ／Ｎ）の倍数角を除く角度で回転積層する、ＶＲ型レゾルバの製造方法。

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