JP4397788B2 - Rotation angle detector - Google Patents
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Description
本発明は、モータなどの回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。 The present invention relates to a rotation angle detection device that detects a rotation angle of a motor or the like.
回転角度検出装置は、使用温度環境が制限され、かつ構造が複雑で高価な光学式のエンコーダに対して、構造が簡単で安価であり、かつ高温度環境にも耐えうるものとして実用化されており、回転子と固定子の空隙のパーミアンスの変化を利用して回転角度を検出するものである。
これらの回転角度検出装置の原理は、回転子および固定子が突極を有する形状となっており、回転子の角度によって、固定子の突極に巻回された巻き線に現れる電圧の位相あるいは振幅が変化し、その変化を読み取ることによって回転子の回転角度を知ることができるというものである。
The rotation angle detector is practically used as a simple and inexpensive structure that can withstand high-temperature environments with respect to optical encoders that have a limited operating temperature environment and a complicated and expensive structure. The rotation angle is detected by utilizing the change in the permeance of the gap between the rotor and the stator.
The principle of these rotation angle detection devices is that the rotor and the stator have salient poles, and depending on the angle of the rotor, the phase of the voltage appearing on the winding wound around the salient poles of the stator or The amplitude changes, and the rotation angle of the rotor can be known by reading the change.
従来の回転角度検出装置は、特許文献1(特に図1および図3)に示されるように、励磁コイルを有する固定子と回転角度によってインダクタンスを変化させる回転子から構成されている。この回転角度検出装置は、各励磁突極にコイルが設けられ、各励磁コイルL1〜L8のうち、L1とL3が直列に接続されコイル対を形成している。同様にL2とL4、L7とL5、L8とL6がそれぞれコイル対を形成している。すなわち、各コイルはある1個の突極磁極に巻回されているだけであり、さらに上記コイルを2つだけ直列に接続してコイル対を形成している(詳細については、特許文献1参照)。
しかしながら、上記の構成では、ノイズが発生したときや、回転子の偏心が生じたときに、各コイルが直接影響を受けるため、回転角の検出精度が悪くなる。
As shown in Patent Document 1 (particularly FIG. 1 and FIG. 3), a conventional rotation angle detection device includes a stator having an exciting coil and a rotor that changes inductance according to the rotation angle. In this rotation angle detection device, each exciting salient pole is provided with a coil, and among the exciting coils L1 to L8, L1 and L3 are connected in series to form a coil pair. Similarly, L2 and L4, L7 and L5, and L8 and L6 form a coil pair. That is, each coil is only wound around a certain salient pole, and only two of the coils are connected in series to form a coil pair (for details, see Patent Document 1). ).
However, in the above configuration, when noise is generated or when the rotor is decentered, each coil is directly affected, so that the detection accuracy of the rotation angle is deteriorated.
従来の回転角度検出装置では、ノイズが発生したときやロータに偏心が生じたときに各コイルが直接ノイズや偏心の影響を受ける。さらにコイルを2個のみ直列接続してコイル対を形成しているため、回転角度検出信号にノイズや偏心の影響が出やすく、結果的に検出位置精度が悪くなるという課題があった。 In the conventional rotation angle detection device, each coil is directly affected by noise or eccentricity when noise occurs or the rotor is eccentric. Furthermore, since only two coils are connected in series to form a coil pair, the rotation angle detection signal is likely to be affected by noise and eccentricity, resulting in a problem that the detection position accuracy deteriorates.
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、ノイズや偏心の影響を受けにくく、かつ精度の高い検出をすることができる回転角度検出装置を提供することである。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a rotation angle detection device that is not easily affected by noise and eccentricity and can perform highly accurate detection. Is to provide.
この発明に係る回転角度検出装置は、周方向に間隔をおいて形成された複数個の固定子突極および各固定子突極毎にそれぞれ導線を巻回して形成された複数個の励磁用のコイルを有する固定子と、固定子に対向して周方向に間隔をおいて形成された複数個の回転子突極を有する回転子とを備え、各固定子突極のコイルどうしが、少なくとも3個以上直列に接続されてコイル群が複数個形成されており、回転子突極の数をMとしたとき、コイル群を構成する各々のコイルの導線の巻回数の分布を表す曲線が、空間N次の正弦波と空間|N±M|次(ただし、||は絶対値を表す記号)の正弦波との和あるいは差として表されるものである。
A rotation angle detecting device according to the present invention includes a plurality of stator salient poles formed at intervals in the circumferential direction and a plurality of excitation salients formed by winding a conductor for each stator salient pole. A stator having coils, and a rotor having a plurality of rotor salient poles facing the stator and spaced apart in the circumferential direction, and the coils of each stator salient pole are at least 3 It is connected to more than five series and groups coil is a plurality formed, when the number of rotor poles is M, the curve representing the distribution of the number of turns of wire in each coil constituting the coils, space It is expressed as the sum or difference of the Nth order sine wave and the space | N ± M | th order (where || is a symbol representing an absolute value) .
この発明の回転角度検出装置によれば、3つ以上のコイルを直列に接続してコイル群を構成としたことにより、各コイルが互いに電圧の変化を相殺するので、回転子に偏心が生じたときに、コイル群の電圧変化を低減することができる。
すなわち、回転子の偏心の影響を受けにくくなるため、高精度な回転角度検出装置を得ることが出来る。
また、同様の原理で電動機やインバータ等が発生する磁束など外部からのノイズに対する影響を受けにくくなるため、高精度な回転角度検出装置を得ることが出来る。
According to the rotation angle detection device of the present invention, since the coils are configured by connecting three or more coils in series, the coils cancel each other out voltage changes, and the rotor is eccentric. Sometimes, the voltage change of the coil group can be reduced.
That is, since it becomes difficult to be affected by the eccentricity of the rotor, a highly accurate rotation angle detection device can be obtained.
Moreover, since it becomes difficult to be influenced by external noise such as magnetic flux generated by an electric motor or an inverter on the same principle, a highly accurate rotation angle detection device can be obtained.
以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る回転角度検出装置が取り付けられる、例えば爪形状の界磁鉄心を有する発電機の断面図である。
図1において、この車両用交流発電機は、発電機回転子3の回転角度を検出する回転角度検出装置1と、一端部に回転角度検出装置1の回転子9が固定された軸2と、この軸2に固定された発電機回転子3と、この発電機回転子3を包囲するように回転電機のケース17に固定された発電機固定子4とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding members and parts will be described with the same reference numerals.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a generator having, for example, a claw-shaped field core, to which a rotation angle detection device according to
In FIG. 1, the AC generator for a vehicle includes a rotation
図2は、図1に示した回転角度検出装置1の構造図である。ここでは、固定子突極数6、軸倍角4の回転角度検出装置1の例を示す。
図2において、この回転角度検出装置1は、内向して周方向に配置された固定子突極5を有する固定子6と、固定子突極5に対向する回転子突極8を有する回転子9とを有している。また、固定子6の固定子突極5には、導線が巻回されたコイル7が設けられている。
また、この回転角度検出装置1は、コイル7に励磁電圧を印可する励磁電源10と、コイル群(後述する)の電圧を検出する第1電圧検出部11と、同じくコイル群の電圧を検出する第2電圧検出部12とを備えている。
FIG. 2 is a structural diagram of the rotation
In FIG. 2, the rotation
The rotation
また、この回転角度検出装置1は軸倍角が4であるので回転子9には4個の回転子突極8が形成されている。固定子6は固定子突極5を有し、ここでは、6個の固定子突極5が周方向に配置されている。また、各固定子突極5には6個のコイル7が設けられており、固定子突極5は6個あるので計36個のコイル7が形成されている。
ここで、固定子突極5のある頂点部を基準に、固定子突極5の番号を時計回りに固定子突極5a、5b・・・5fと表す。同様に回転子突極8のある頂点部を基準に、回転子突極8の番号を時計回りに回転子突極8a、8b・・・8dと表す。
また、m番目の固定子突極5の外側から内径側にn番目のコイル7をコイル7(m、n)と表す。
In addition, since the
Here, the number of the
Further, the n-
これらのコイル7のうち、例えばコイル7(a、1)、7(b、1)、7(c、1)、7(d、1)、7(e、1)および7(f、1)はそれぞれ導線が各固定子突極5に巻回されてコイル7となり、さらに各コイル7が直列に接続されてコイル群13を構成している。
ここで、ある固定子突極5の外側から内径側にn番目のコイル群13を13(n)と表す。
コイル群13(1)の詳細な構成を、図3および図4に示す。
Among these
Here, the n-
The detailed configuration of the coil group 13 (1) is shown in FIGS.
同様に他のコイル7も直列に接続されて合計6個のコイル群13を構成している。
すなわち、コイル7(a、2)、7(b、2)、7(c、2)、7(d、2)、7(e、2)および7(f、2)を直列に接続してコイル群13(2)を構成し、コイル7(a、3)、7(b、3)、7(c、3)、7(d、3)、7(e、3)および7(f、3)を直列に接続してコイル群13(3)を構成している。
また、コイル7(a、4)、7(b、4)、7(c、4)、7(d、4)、7(e、4)および7(f、4)を直列に接続してコイル群13(4)を構成し、コイル7(a、5)、7(b、5)、7(c、5)、7(d、5)、7(e、5)および7(f、5)を直列に接続してコイル群13(5)を構成し、コイル7(a、6)、7(b、6)、7(c、6)、7(d、6)、7(e、6)および7(f、6)を直列に接続してコイル群13(6)を構成している。
Similarly, the
That is, the coils 7 (a, 2), 7 (b, 2), 7 (c, 2), 7 (d, 2), 7 (e, 2) and 7 (f, 2) are connected in series. The coil group 13 (2) is composed of coils 7 (a, 3), 7 (b, 3), 7 (c, 3), 7 (d, 3), 7 (e, 3) and 7 (f, 3) is connected in series to constitute the coil group 13 (3).
Also, the coils 7 (a, 4), 7 (b, 4), 7 (c, 4), 7 (d, 4), 7 (e, 4) and 7 (f, 4) are connected in series. The coil group 13 (4) is configured, and the coils 7 (a, 5), 7 (b, 5), 7 (c, 5), 7 (d, 5), 7 (e, 5) and 7 (f, 5) are connected in series to form a coil group 13 (5), and coils 7 (a, 6), 7 (b, 6), 7 (c, 6), 7 (d, 6), 7 (e , 6) and 7 (f, 6) are connected in series to constitute the coil group 13 (6).
図5は、図1に示した回転角度検出装置1のコイル群13の接続を示す回路図である。
図5において、コイル群13(1)とコイル群13(2)、コイル群13(3)とコイル群13(4)およびコイル群13(5)とコイル群13(6)はそれぞれ直列に接続され、コイル群13を2個直列に接続したものは3個並列に接続して、それぞれ励磁電源10に接続されている。
また、コイル群13(1)とコイル群13(2)およびコイル群13(3)とコイル群13(4)の間には、第1電圧検出部11が接続されており、コイル群13(3)とコイル群13(4)およびコイル群13(5)とコイル群13(6)の間には、第2電圧検出部12が接続されている。
FIG. 5 is a circuit diagram showing the connection of the
In FIG. 5, the coil group 13 (1) and the coil group 13 (2), the coil group 13 (3) and the coil group 13 (4), and the coil group 13 (5) and the coil group 13 (6) are connected in series. The two
The
なお、コイル7どうしを電気的に接続する渡り線は、固定子6のコアバック部分を渡る構成としてもよい。
また、図4においてコイル群13を構成する際、6個のコイル7を直列接続した構成としたが、必ずしも全ての突極のコイル7を直列に接続する必要はなく、3個以上のコイル7を接続するのであれば、図6に示すようにコイル7(a、1)、7(c、1)、7(d、1)、および7(f、1)のように4個の場合でもよい。
Note that the connecting wire that electrically connects the
In FIG. 4, when the
各コイル7の導線の巻き数の例を図7に示す。例えば、図7においてコイル群13(1)の突極5bの巻き数(=−33)はコイル7(b、1)の巻き数であることを示している。巻き数が負のときは巻き方向が逆方向であることを示す。
An example of the number of turns of the conducting wire of each
以下、上記構成の回転角度検出装置1についての動作を説明する。
例えば、励磁電源10によって回路に10kHz程度の交流電圧が印加されると交流電流が各コイル7に流れる。
コイル7に電流が流れることにより、空隙部分に磁束が発生する。回転子9は突極を有しているため、その回転位置によって磁束は変化し、コイル7およびコイル群13のインダクタンスが変化する。このとき、電圧検出部の電圧は回転子9の回転角度によって変化するため回転角度を検出することが可能となる。
Hereinafter, an operation of the rotation
For example, when an AC voltage of about 10 kHz is applied to the circuit by the
When a current flows through the
図8に第1電圧検出部11と第2電圧検出部12で検出された出力電圧の波形を示す。横軸は回転子9の回転角度であり、縦軸は電圧値を示す。この図において電圧が負であるということは位相が反転することを示している。
図8より、電圧は回転角度に応じて正弦波状に変化しているのがわかる。この2相の出力電圧波形は位相がずれているので、回転角度の検出が可能となる。
さらに、回転角度が90°変化すると出力電圧の波形は1周期変化することから、軸倍角4の回転角度検出装置1として動作することが確認できる。
FIG. 8 shows waveforms of output voltages detected by the first
FIG. 8 shows that the voltage changes in a sine wave shape according to the rotation angle. Since the two-phase output voltage waveforms are out of phase, the rotation angle can be detected.
Furthermore, when the rotation angle changes by 90 °, the waveform of the output voltage changes by one period, so that it can be confirmed that the device operates as the rotation
この発明の実施の形態1に係る回転角度検出装置1によれば、3個以上の複数のコイル7を直列に接続してコイル群13を構成したので、ノイズや回転子9の偏心が生じた場合でも、コイル群13を構成する複数のコイル7がノイズや回転子9の偏心の影響をキャンセルすることができる。
したがって、電圧検出部で出力電圧を検出するときに、ノイズや回転子9の偏心の影響を受けにくく、精度の高い回転角度検出をすることができる。
According to the rotation
Therefore, when the output voltage is detected by the voltage detection unit, it is difficult to be affected by noise and the eccentricity of the
なお、これまでは、コイル群13が6個の場合で、コイル群13を2つ直列に接続したものを3つ並列に接続した例を示したが、この構成に限られるものではない。
図9は、この発明の実施の形態1に係る回転角度検出装置1の、コイル群13の数が8個の場合の構成図である。
図10は、図9に示した回転角度検出装置1のコイル群13の接続を示す回路図である。
図9および図10において、8個のコイル群13(1)〜13(8)を構成して、コイル群13(1)とコイル群13(2)、コイル群13(3)とコイル群13(4)およびコイル群13(5)とコイル群13(6)、コイル群13(7)とコイル群13(8)をそれぞれ直列に接続したものを4個並列に接続して、それぞれ励磁電源10に接続されている。
また、コイル群13(1)とコイル群13(2)およびコイル群13(3)とコイル群13(4)の間には、第1電圧検出部11が接続されており、コイル群13(5)とコイル群13(6)およびコイル群13(7)とコイル群13(8)の間には、第2電圧検出部12が接続されている。
ここで、励磁電源10により電圧を印加して、第1電圧検出部11と第2電圧検出部12の2箇所で電圧を検出して回転子9の回転角度を検出する。
Heretofore, in the case where the number of
FIG. 9 is a configuration diagram of the rotation
FIG. 10 is a circuit diagram showing the connection of the
9 and 10, eight coil groups 13 (1) to 13 (8) are configured, and the coil group 13 (1) and the coil group 13 (2), and the coil group 13 (3) and the
The
Here, a voltage is applied by the
各コイル7の導線の巻き数の例を図11に示す。例えば、図11においてコイル群13(1)の突極5bの巻き数(=−33)はコイル7(b、1)の巻き数であることを示している。巻き数が負のときは巻き方向が逆方向であることを示す。
このように構成したときも、コイル群13の数が6個のときと同様に、回転角度検出装置1として動作することが確認できる。
An example of the number of turns of the conductive wire of each
Even when configured in this manner, it can be confirmed that the device operates as the rotation
実施の形態2.
図12は、この発明の実施の形態2に係る回転角度検出装置1の構造図である。ここでは、固定子突極数10、軸倍角4の回転角度検出装置1の例を示す。
図12において、回転子9は、回転子9の回転軸の中心を通る基準線をとり、基準線からの回転子9の外周の位置を表す角度をθとするとき、角度θの位置における空隙長が、次式(3)で表される形状となっている。
1/{A+Bcos(Mθ)}・・・(3)
(ただし、A、Bは正の定数でA>B、Mは回転角度検出装置の軸倍角)
FIG. 12 is a structural diagram of the rotation
In FIG. 12, the
1 / {A + Bcos (Mθ)} (3)
(However, A and B are positive constants, and A> B and M are shaft double angles of the rotation angle detector)
ここでは、回転角度検出装置1の精度をより向上することを目的として、各コイル7の巻き数について考える。
そこで、空隙に発生する磁束の中で、特定の空間次数(空間次数とは、空間1次は機械角360°を1周期とし、空間n次は機械角360°をn周期とする次数のことである)の成分をコイル7が拾うような構成にすれば、ノイズや偏心の影響を受けにくくなり、より高精度な回転位置検出が可能になると考えられる。
Here, the number of turns of each
Therefore, in the magnetic flux generated in the air gap, a specific spatial order (the spatial order is an order in which the spatial primary has a mechanical angle of 360 ° as one cycle, and the spatial nth order has a mechanical angle of 360 ° as an n cycle. If the
各コイル7に流れる電流によって空隙部分に発生する起磁力の空間次数をNとし、回転子突極8の数をMとしたとき、空隙部分に発生する磁束密度には空間|N±M|次(ただし、||は絶対値を表す記号)の成分が発生する。
したがって、固定子6の各突極に設けたコイル7の巻き数の分布を空間|N+M|次あるいは空間|N−M|次、あるいはその両方を拾うようにすればよいことになる。また、一方、起磁力の空間次数である、空間N次の成分を含む必要がある。
When the spatial order of the magnetomotive force generated in the gap portion by the current flowing in each
Therefore, the distribution of the number of turns of the
よって、各コイル群13を構成するコイル7の巻き数の分布が、空間N次の正弦波と空間
|N+M|次の正弦波との和あるいは差として表されればよいことがわかる。
その他にも空間N次の正弦波と空間|N−M|次の正弦波との和あるいは差として表されればよい。また、空間N次の正弦波と空間|N+M|次の正弦波と空間|N−M|次の正弦波との和あるいは差として表されていてもよい。
Therefore, it can be understood that the distribution of the number of turns of the
In addition, it may be expressed as the sum or difference of the space Nth-order sine wave and the space | N−M | Alternatively, it may be expressed as the sum or difference of a spatial Nth-order sine wave and a space | N + M |
以上の考察から回転子9の突極の数をMとし、固定子6の突極の数をNsとしたとき、i番目の固定子突極5の外側からj番目のコイル7の導線の巻き数をNijとすると、Nijは次式(4)のように定めることができる。
From the above consideration, when the number of salient poles of the
図12において、具体的な例として、固定子6の突極数Ns=10、回転子9の突極の数M=4とした場合について示す。固定子6には10個の突極があり各々の突極に導線が巻回されてコイル7が形成されている。
コイル7(a、1)、7(b、1)、7(c、1)、7(d、1)、7(e、1)、7(f、1)、7(g、1)、7(h、1)、7(i、1)および7(j、1)は直列に接続されコイル群13(1)を構成する。また、図5に示すように、6個のコイル群13が接続されて回路を構成している。また、回転子9は4個の突極を有する。
In FIG. 12, as a specific example, a case where the number of salient poles Ns of the
Coils 7 (a, 1), 7 (b, 1), 7 (c, 1), 7 (d, 1), 7 (e, 1), 7 (f, 1), 7 (g, 1), 7 (h, 1), 7 (i, 1) and 7 (j, 1) are connected in series to constitute the coil group 13 (1). Further, as shown in FIG. 5, six
各コイル7の巻き数を式(4)に基づき決定した例を図13に示す。ただし、Nf=5、N1=20、N2=0、小数点以下は四捨五入した。
αijについてはα1j=0、α2j=180°、α3j=90°、α4j=270°、α5j=180°、α6j=0°としβijは任意とした。
また、図13において、巻き数が負のときは巻き方向が逆方向であることを示す。例えば図13においてコイル群13(1)の突極5bの巻き数(=11)はコイル7(b、1)の巻き数であることを示している。
FIG. 13 shows an example in which the number of turns of each
For αij, α1j = 0, α2j = 180 °, α3j = 90 °, α4j = 270 °, α5j = 180 °, α6j = 0 °, and βij was arbitrary.
In FIG. 13, when the number of turns is negative, it indicates that the winding direction is the reverse direction. For example, in FIG. 13, the number of turns (= 11) of the
このときの出力電圧の波形を図14に示す。横軸は回転角度、縦軸は出力電圧の波形を示す。回転角度90°で出力電圧波形は1周期となるので軸倍角4の回転角度検出装置1として動作しているのが確認できる。
また、図9に示したコイル群13が8個の構成としても同様に回転角度検出装置1として動作する。
The waveform of the output voltage at this time is shown in FIG. The horizontal axis represents the rotation angle, and the vertical axis represents the output voltage waveform. Since the output voltage waveform becomes one cycle at a rotation angle of 90 °, it can be confirmed that the device operates as the rotation
Further, even when the
この発明の実施の形態2に係る回転角度検出装置1によれば、空隙に発生する磁束の中で、特定の空間次数の成分をコイル7が拾うような構成としたので、ノイズや回転子9の偏心が生じた場合でも、コイル群13を構成する複数のコイル7がノイズや回転子9の偏心の影響をキャンセルすることができる。高精度な回転角度検出装置1を得ることができる。
なお、各コイル群13を構成するコイル7の導線の巻き数の分布は、厳密に正弦波である必要はなく、それに近い関数で表現される場合についても同様の効果が得られる。
According to the rotation
Note that the distribution of the number of turns of the conducting wire of the
また、上記回転子9の回転軸の中心を原点とし、回転子9外周の位置を表す角度をθとするとき、前記角度θの位置における空隙長が式(3)で表される回転子9を備えているので、空隙のパーミアンス変化が正弦波状となり高精度な回転角度検出装置1を得ることができる。
Further, when the origin of the rotation axis of the
なお、巻き数の分布は厳密に式(4)で表される関数である必要はなく、それに近い関数で表現される場合についても同様の効果が得られる。また、式(4)に厳密に従うと巻き数が小数になる場合もあるが、少数点以下を切り捨てた整数にするか小数点以下を四捨五入した整数で表した場合も同様の効果が得られる。 Note that the winding number distribution does not have to be strictly a function expressed by the equation (4), and the same effect can be obtained when expressed by a function close to that. In addition, if the expression (4) is strictly followed, the number of turns may be a decimal number, but the same effect can be obtained when an integer obtained by rounding off the decimal point or rounding off the decimal point is used.
ここで、αij、βijの決定方法とコイル7の接続方法について述べる。
図5のようにコイル群13が6個で構成される場合、回転角度検出装置1として動作させるためには、コイル群13(1)とコイル群13(2)とは互いに180°位相がずれるように、コイル群13(3)とコイル群13(4)とは互いに180°位相がずれるように、コイル群13(5)とコイル群13(6)とは互いに180°位相がずれるように導線の巻数を設定する必要がある。すなわち直列接続された2個のコイル群13の位相は180°ずれる。さらに、並列接続されるコイル群13が互いに90°位相がずれる必要がある。
Here, a method for determining αij and βij and a method for connecting the
When the
したがって、図4の構成では、例えば
コイル群13(1)においては、α11、β11を任意の定数とし、
α11=α12=α13=…=α1Ns
β11=β12=β13=…=β1Ns
コイル群13(2)においては、
α21=α22=α23=…=α2Ns=α11+π
β21=β22=β23=…=β2Ns=β11+π
コイル群13(3)においては、
α31=α32=α33=…=α3Ns=α11+π/2
β31=β32=β33=…=β3Ns=β11+π/2
コイル群13(4)においては
α41=α42=α43=…=α4Ns=α11+3π/2
β41=β42=β43=…=β4Ns=β11+3π/2
コイル群13(5)においては
α51=α52=α53=…=α5Ns=α11+π
β51=β52=β53=…=β5Ns=β11+π
コイル群13(6)においては
α61=α62=α63=…=α6Ns=α11
β61=β62=β63=…=β6Ns=β11
とすればよい。
ただし、例えばα11+π/2はα11+π/2+2mπ(mは任意の整数)と等価であるので上で示した式に必ずしも従わなくてもよい。
Therefore, in the configuration of FIG. 4, for example, in the coil group 13 (1), α11 and β11 are arbitrary constants,
α11 = α12 = α13 =... = α1Ns
β11 = β12 = β13 =... = β1Ns
In the coil group 13 (2),
α21 = α22 = α23 =... = α2Ns = α11 + π
β21 = β22 = β23 =... = β2Ns = β11 + π
In the coil group 13 (3),
α31 = α32 = α33 =... = α3Ns = α11 + π / 2
β31 = β32 = β33 = ... = β3Ns = β11 + π / 2
In the coil group 13 (4), α41 = α42 = α43 =... = Α4Ns = α11 + 3π / 2
β41 = β42 = β43 =... = β4Ns = β11 + 3π / 2
In the coil group 13 (5), α51 = α52 = α53 =... = Α5Ns = α11 + π
β51 = β52 = β53 = ... = β5Ns = β11 + π
In the coil group 13 (6), α61 = α62 = α63 =... = Α6Ns = α11
β61 = β62 = β63 =... = β6Ns = β11
And it is sufficient.
However, for example, α11 + π / 2 is equivalent to α11 + π / 2 + 2mπ (m is an arbitrary integer), and thus does not necessarily follow the above formula.
なお、コイル群13の接続の方法は、例えば、コイル群13(1)とコイル群13(2)とを直列接続し、コイル群13(3)とコイル群13(4)とを直列接続し、コイル群13(5)とコイル群13(6)とを直列接続する。
また、コイル群13(1)の他端と、コイル群13(3)の他端と、コイル群13(5)の他端を全て接続してこれを第1の励磁入力端とする。
また、コイル群13(2)の他端と、コイル群13(4)の他端と、コイル群13(6)の他端を全て接続してこれを第2の励磁入力端とする。
また、コイル群13(1)とコイル群13(2)との接続点を第1の出力端とし、コイル群13(3)とコイル群13(4)との接続点を第2の出力端とし、コイル群13(5)とコイル群13(6)との接続点を第3の出力端とし、第1の出力端と第2の出力端の電圧差を第1の出力信号、第2の出力端と第3の出力端の電圧差を第2の出力信号とすればよい。
The
Further, the other end of the coil group 13 (1), the other end of the coil group 13 (3), and the other end of the coil group 13 (5) are all connected to serve as a first excitation input end.
Further, the other end of the coil group 13 (2), the other end of the coil group 13 (4), and the other end of the coil group 13 (6) are all connected to serve as a second excitation input end.
The connection point between the coil group 13 (1) and the coil group 13 (2) is a first output terminal, and the connection point between the coil group 13 (3) and the coil group 13 (4) is a second output terminal. And the connection point between the coil group 13 (5) and the coil group 13 (6) is the third output terminal, the voltage difference between the first output terminal and the second output terminal is the first output signal, The voltage difference between the output terminal and the third output terminal may be used as the second output signal.
図7の8個のコイル群13で構成される場合は、コイル群13(1)とコイル群13(3)とは互いに180°位相がずれるように、コイル群13(3)とコイル群13(4)とは互いに180°位相がずれるように、コイル群13(5)とコイル群13(6)とは互いに180°位相がずれるように、コイル群13(7)とコイル群13(8)とは互いに180°位相がずれるように導線の巻数が設定される。すなわち直列接続された2個のコイル群13の位相は180°ずれる。
また、並列接続されるコイル群13はコイル群13(1)、13(2)とコイル群13(3)、13(4)とは互いに180°位相がずれ、コイル群13(5)、13(6)とコイル群13(7)、13(8)とは互いに180°位相がずれ、さらに、コイル群13(1)、13(2)とコイル群13(5)、13(6)とは互いに90°位相がずれる必要がある。
In the case of the eight
In addition, the
したがって、図7の構成では、例えば、
コイル群13(1)において、α11、β11を任意の定数とし、
α11=α12=α13=…=α1Ns
β11=β12=β13=…=β1Ns
コイル群13(2)において、
α21=α22=α23=…=α2Ns=α11+π
β21=β22=β23=…=β2Ns=β11+π
コイル群13(3)において、
α31=α32=α33=…=α3Ns=α11+π
β31=β32=β33=…=β3Ns=β11+π
コイル群13(4)において、
α41=α42=α43=…=α4Ns=α11
β41=β42=β43=…=β4Ns=β11
コイル群13(5)において、
α51=α52=α53=…=α5Ns=α11+π/2
β51=β52=β53=…=β5Ns=β11+π/2
コイル群13(6)において、
α61=α62=α63=…=α6Ns=α11+3π/2
β61=β62=β63=…=β6Ns=β11+3π/2
コイル群13(7)において、
α71=α72=α73=…=α7Ns=α11+3π/2
β71=β72=β73=…=β7Ns=β11+3π/2
コイル群13(8)において、
α81=α82=α83=…=α8Ns=α11+π/2
β81=β82=β83=…=β8Ns=β11+π/2
とすればよい。
ただし、例えばα11+π/2はα11+π/2+2mπ(mは任意の整数)と等価であるので、上で示した式に必ずしも従わなくてもよい。
Therefore, in the configuration of FIG.
In the coil group 13 (1), α11 and β11 are arbitrary constants,
α11 = α12 = α13 =... = α1Ns
β11 = β12 = β13 =... = β1Ns
In the coil group 13 (2),
α21 = α22 = α23 =... = α2Ns = α11 + π
β21 = β22 = β23 =... = β2Ns = β11 + π
In the coil group 13 (3),
α31 = α32 = α33 =... = α3Ns = α11 + π
β31 = β32 = β33 = ... = β3Ns = β11 + π
In the coil group 13 (4),
α41 = α42 = α43 = ... = α4Ns = α11
β41 = β42 = β43 = ... = β4Ns = β11
In the coil group 13 (5),
α51 = α52 = α53 =... = α5Ns = α11 + π / 2
β51 = β52 = β53 = ... = β5Ns = β11 + π / 2
In the coil group 13 (6),
α61 = α62 = α63 =... = α6Ns = α11 + 3π / 2
β61 = β62 = β63 = ... = β6Ns = β11 + 3π / 2
In the coil group 13 (7),
α71 = α72 = α73 =... = α7Ns = α11 + 3π / 2
β71 = β72 = β73 =... = β7Ns = β11 + 3π / 2
In the coil group 13 (8),
α81 = α82 = α83 =... = α8Ns = α11 + π / 2
β81 = β82 = β83 =... = β8Ns = β11 + π / 2
And it is sufficient.
However, for example, α11 + π / 2 is equivalent to α11 + π / 2 + 2mπ (m is an arbitrary integer), and thus does not necessarily follow the above formula.
なお、コイル群13の接続の方法については、コイル群13(1)とコイル群13(2)とを直列接続し、コイル群13(3)とコイル群13(4)とを直列接続し、コイル群13(5)とコイル群13(6)とを直列接続し、コイル群13(7)とコイル群13(8)とを直列接続する。
また、コイル群13(1)の他端と、コイル群13(3)の他端と、コイル群13(5)の他端と、コイル群13(7)の他端を全て接続してこれを第1の励磁入力端とする。
また、コイル群13(2)の他端と、コイル群13(4)の他端と、コイル群13(6)の他端と、コイル群13(8)の他端を全て接続してこれを第2の励磁入力端とする。
また、コイル群13(1)とコイル群13(2)との接続点を第1の出力端とし、コイル群13(3)とコイル群13(4)との接続点を第2の出力端とし、コイル群13(5)とコイル群13(6)との接続点を第3の出力端とし、コイル群13(7)とコイル群13(8)との接続点を第4の出力端とし、第1の出力端と第2の出力端の電圧差を第1の出力信号、第3の出力端と第4の出力端の電圧差を第2の出力信号とすればよい。
In addition, about the method of the connection of the
In addition, the other end of the coil group 13 (1), the other end of the coil group 13 (3), the other end of the coil group 13 (5), and the other end of the coil group 13 (7) are all connected. Is the first excitation input end.
Further, the other end of the coil group 13 (2), the other end of the coil group 13 (4), the other end of the coil group 13 (6), and the other end of the coil group 13 (8) are all connected. Is the second excitation input end.
The connection point between the coil group 13 (1) and the coil group 13 (2) is a first output terminal, and the connection point between the coil group 13 (3) and the coil group 13 (4) is a second output terminal. The connection point between the coil group 13 (5) and the coil group 13 (6) is the third output terminal, and the connection point between the coil group 13 (7) and the coil group 13 (8) is the fourth output terminal. The voltage difference between the first output terminal and the second output terminal may be the first output signal, and the voltage difference between the third output terminal and the fourth output terminal may be the second output signal.
実施の形態3.
図15は、この発明の実施の形態3に係る回転角度検出装置1の構造図である。ここでは、固定子突極数10、軸倍角2、コイル群13の数が6の回転角度検出装置1の例を示す。
図15において、コイル群13を形成するコイル7の結線部分は省略して示している。固定子6には固定子突極5が10個配置され、各々の固定子突極5には導線が巻回されてコイル7を形成している。また、各コイル7はコイル群13を形成し、さらにコイル群13は図4のように接続されている。
なお、図15において各コイル7が径方向に6つ並んでいる構成を示しているが、各コイル7が重ねて巻回されている構成でもよい。一方、回転子9は軸倍角が2であるため回転子9は2個の突極を有する構造となっている。
FIG. 15 is a structural diagram of the rotation
In FIG. 15, connection portions of the
Although FIG. 15 shows a configuration in which six
なお、コイル7の巻き数は式(4)にてN=5、M=2、Ns=10、N2=0とした次式(5)に従うものとして設定した。
The number of turns of the
図16に回転子9の回転角度に対する出力電圧の波形(包絡線のみ)を示す。機械角180°で1周期の波形を描いており、軸倍角2の回転角度検出装置1として動作しているこことが確認できる。
FIG. 16 shows an output voltage waveform (envelope only) with respect to the rotation angle of the
この発明の実施の形態3に係る回転角度検出装置1によれば、空隙に発生する磁束の中で、特定の空間次数の成分をコイル7が拾うような構成としたので、ノイズや回転子9の偏心が生じた場合でも、コイル群13を構成する複数のコイル7がノイズや回転子9の偏心の影響をキャンセルすることができる。高精度な回転角度検出装置1を得ることができるという効果がある。
According to the rotation
実施の形態4.
図17は、この発明の実施の形態4に係る回転角度検出装置1の構造図である。ここでは、固定子突極数10、軸倍角3、コイル群13の数が6の回転角度検出装置1の例を示す。
図17において、コイル群13を形成するコイル7の結線部分は省略して示している。固定子6には固定子突極5が10個配置され、導線が巻回されてコイル7を形成している。また、各コイル7はコイル群13を形成し、さらにコイル群13は図4のように接続されている。
また、図17において各コイル7が径方向に6つ並んでいる構成を示しているが、各コイル7が重ねて巻回されている構成でもよい。一方、回転子9は軸倍角が3であるため回転子9は3個の突極を有する構造となっている。
FIG. 17 is a structural diagram of a rotation
In FIG. 17, connection portions of the
17 shows a configuration in which six
なお、コイル7の巻き数は式(4)にてN=5、M=3、Ns=10、N2=0とした次式(6)に従うものとして設定した。
The number of turns of the
図18に回転子9の回転角度に対する出力電圧の波形(包絡線のみ)を示す。機械角120°で1周期の波形を描いており、軸倍角3の回転角度検出装置1として動作しているこことが確認できる。
FIG. 18 shows an output voltage waveform (envelope only) with respect to the rotation angle of the
この発明の実施の形態4に係る回転角度検出装置1によれば、空隙に発生する磁束の中で、特定の空間次数の成分をコイル7が拾うような構成としたので、ノイズや回転子9の偏心が生じた場合でも、コイル群13を構成する複数のコイル7がノイズや回転子9の偏心の影響をキャンセルすることができる。高精度な回転角度検出装置1を得ることができるという効果がある。
According to the rotation
実施の形態5.
図19は、この発明の実施の形態5に係る回転角度検出装置1の構造図である。ここでは、固定子突極数10、軸倍角8、コイル群13の数が6の回転角度検出装置1の例を示す。
図19において、コイル群13を形成するコイル7の結線部分は省略して示している。固定子6には固定子突極5が10個配置され、導線が巻回されてコイル7を形成している。また、各コイル7はコイル群13を形成し、さらにコイル群13は図4のように接続されている。
また、図19において各コイル7が径方向に6つ並んでいる構成を示しているが、各コイル7が重ねて巻回されている構成でもよい。一方、回転子9は軸倍角が8であるため回転子9は8個の突極を有する構造となっている。
FIG. 19 is a structural diagram of the rotation
In FIG. 19, connection portions of the
Further, although FIG. 19 shows a configuration in which six
なお、コイル7の巻き数は式(4)にてN=5、M=8、Ns=10、N2=0とした次式(7)に従うものとして設定した。
The number of turns of the
図20に回転子9の回転角度に対する出力電圧の波形(包絡線のみ)を示す。機械角45°で1周期の波形を描いており、軸倍角8の回転角度検出装置1として動作しているこことが確認できる。
FIG. 20 shows a waveform of the output voltage (only the envelope) with respect to the rotation angle of the
この発明の実施の形態5に係る回転角度検出装置1によれば、空隙に発生する磁束の中で、特定の空間次数の成分をコイル7が拾うような構成としたので、ノイズや回転子9の偏心が生じた場合でも、コイル群13を構成する複数のコイル7がノイズや回転子9の偏心の影響をキャンセルすることができる。高精度な回転角度検出装置1を得ることができるという効果がある。
According to the rotation
実施の形態6.
図21は、この発明の実施の形態6に係るコイル群13の他の接続例を示す回路図である。
図21において、コイル群13(1)、コイル群13(2)およびコイル群13(3)は、互いに120°位相がずれるように、またコイル群13(4)、コイル群13(5)およびコイル群13(6)は、互いに120°位相がずれるように導線の巻数が設定されて、直列に接続されている。
また、それぞれ直列に接続されたコイル群13(1)、13(2)、13(3)とコイル群13(4)、13(5)、13(6)とは、互いに180°位相がずれるように並列に接続されて、それぞれ励磁電源10に接続されている。
また、コイル群13(1)とコイル群13(2)およびコイル群13(4)とコイル群13(5)の間には、第1電圧検出部11が接続されており、コイル群13(2)とコイル群13(3)およびコイル群13(5)とコイル群13(6)の間には、第2電圧検出部12が接続されている。
FIG. 21 is a circuit diagram showing another connection example of the
In FIG. 21, the coil group 13 (1), the coil group 13 (2), and the coil group 13 (3) are shifted from each other by 120 °, and the coil group 13 (4), the coil group 13 (5), and The coil group 13 (6) is connected in series with the number of turns of the conducting wire set so that the phases thereof are shifted from each other by 120 °.
Further, the coil groups 13 (1), 13 (2), 13 (3) and the coil groups 13 (4), 13 (5), 13 (6) connected in series with each other are 180 degrees out of phase with each other. Are connected in parallel, and each is connected to the
The
これまでは複数のコイル7から構成されるコイル群13を2つ直列に接続し、さらに2つ直列に接続された回路を並列に接続する構成について述べた。しかし、本発明の回路構成はそれに限られたものではない。
図21に示すようにコイル群13を3つ直列に接続し、さらに3つ直列に接続されたコイル群13を並列に2つ接続した例を示している。
このような構成でも第1電圧検出部11、第2電圧検出部12の電圧波形により回転角度の検出が可能となる。
So far, the configuration has been described in which two
FIG. 21 shows an example in which three
Even in such a configuration, the rotation angle can be detected by the voltage waveforms of the first
なお、接続されるコイル7の位相の関係は上記に限られたものではなく、以下のように接続してもよい。
例えば、図21において、コイル群13(1)とコイル群13(2)とは、互いに90°位相がずれるように、またコイル群13(2)とコイル群13(3)とは、互いに135°位相がずれるように導線の巻数が設定されて、直列に接続されている。
また、コイル群13(4)とコイル群13(5)とは、互いに90°位相がずれるように、またコイル群13(5)とコイル群13(6)とは、互いに135°位相がずれるように導線の巻数が設定されて、直列に接続されている。
そして、コイル群13(1)、13(2)、13(3)とコイル群13(4)、13(5)、13(6)とは、互いに180°位相がずれるように並列に接続されていている。
The phase relationship of the
For example, in FIG. 21, the coil group 13 (1) and the coil group 13 (2) are 90 ° out of phase with each other, and the coil group 13 (2) and the coil group 13 (3) are 135 with each other. The number of turns of the conducting wire is set so that the phase is shifted, and they are connected in series.
In addition, the coil group 13 (4) and the coil group 13 (5) are 90 ° out of phase with each other, and the coil group 13 (5) and the coil group 13 (6) are 135 ° out of phase with each other. Thus, the number of turns of the conducting wire is set and connected in series.
The coil groups 13 (1), 13 (2), 13 (3) and the coil groups 13 (4), 13 (5), 13 (6) are connected in parallel so that they are 180 ° out of phase with each other. It is.
実施の形態7.
図22は、この発明の実施の形態7に係る回転角度検出装置1の構造図である。ここでは、固定子突極数12、軸倍角5の回転角度検出装置1の例を示す。
図23は、この発明の実施の形態7に係る回転角度検出装置1の構造図である。ここでは、固定子突極数12、軸倍角7の回転角度検出装置1の例を示す。
図22および図23において、固定子突極5の数が12、軸倍角がそれぞれ5および7である。
このように構成したときも、これまでの実施の形態で説明したものと同様に、回転角度検出装置1として動作することが確認できる。
この場合、それぞれ10極の電動機、14極の電動機の回転角度を検出するのに特に有用である。
FIG. 22 is a structural diagram of the rotation
FIG. 23 is a structural diagram of the rotation
22 and 23, the number of stator
Even when configured in this manner, it can be confirmed that the device operates as the rotation
In this case, it is particularly useful for detecting the rotation angles of the 10-pole motor and the 14-pole motor, respectively.
実施の形態8.
これまで述べてきたような回転角度検出装置1は、光学式エンコーダに比べて安価で耐環境性に優れているので、モータや発電機などの回転角度センサとして用いれば、安価で耐環境性に優れたシステムを構築することができる。
例えば車両用ベルト駆動式MG(Motor And Generator)に本発明の回転角度検出装置1を組み込むことが考えられる。
ベルト駆動式MGのシステムでは発電機(モータとしても動作する)はエンジンルームに配置されるため、高温になり光学式エンコーダは適していない。またシステムとして高価になってしまう。そこで、鉄心と巻線で構成される本発明の回転角度検出装置1を用いれば、耐環境性に優れ、安価なシステムを構築することができる。
The rotation
For example, it is conceivable to incorporate the rotation
In the belt-driven MG system, the generator (which also operates as a motor) is disposed in the engine room, so the temperature becomes high and the optical encoder is not suitable. Moreover, it becomes expensive as a system. Therefore, if the rotation
図1に爪形状の界磁鉄心を有する発電機に本発明の回転角度検出装置1を組み込んだ図を示す。この構成は実施の形態1で示したので、説明は省略する。
FIG. 1 shows a view in which a
図24は、この発明の実施の形態8に係る回転角度検出装置1を爪形状の界磁鉄心を有する発電機に適用した際の、界磁巻線の起磁力を示す説明図である。
図24において、爪形状の界磁鉄心を有する発電機は、軸2の周方向に流れる界磁電流14によって、軸2に起磁力15が生じ、この起磁力15によって回転角度検出装置1の固定子突極5と回転子突極8との空隙に空間0次の起磁力が発生する。
したがって、空隙に軸倍角と同じ空間次数の磁束16が発生し、従来の技術では出力巻線がこの成分を拾ってしまい、検出位置誤差の増大につながっていた。
しかしながら、本発明の実施の形態2で示したように、本発明においては特定の次数成分しか拾わないように巻線が構成されているので検出位置誤差の増大を防ぐことができる。
FIG. 24 is an explanatory diagram showing the magnetomotive force of the field winding when the rotation
In FIG. 24, the generator having the claw-shaped field iron core generates a
Therefore, a magnetic flux 16 having the same spatial order as the shaft angle multiplier is generated in the air gap, and in the conventional technique, the output winding picks up this component, leading to an increase in detection position error.
However, as shown in the second embodiment of the present invention, in the present invention, since the winding is configured so as to pick up only a specific order component, an increase in detection position error can be prevented.
図25に、電動機の空間0次の起磁力が出力電圧に及ぼす影響について、従来例と本発明とを比較して示す。従来例では波形が乱れているが、本発明では正弦波状の包絡線を描いている。これは本発明が従来例よりも、電動機の界磁巻線の起磁力15の影響を受けにくく、高精度な回転角度検出装置1として動作していることを示している。
また、図26に、回転子9に偏心が生じたときの検出位置誤差を示す。図26から、従来例よりも本発明の方が検出位置誤差が少なく、高精度な回転角度検出装置1として動作していることがわかる。
FIG. 25 shows a comparison between the conventional example and the present invention regarding the influence of the zero-order magnetomotive force of the electric motor on the output voltage. Although the waveform is disturbed in the conventional example, a sinusoidal envelope is drawn in the present invention. This indicates that the present invention is less affected by the
FIG. 26 shows a detected position error when the
この発明の実施の形態8に係る回転角度検出装置1によれば、空隙に発生する磁束16の中で、特定の空間次数の成分をコイル7が拾うような構成としたので、動機の界磁巻線の起磁力の影響を受けにくく、検出位置誤差の増大を防ぎ、高精度な回転角度検出装置1を得ることができる。
また、回転子9の偏心が生じた場合でも、コイル群13を構成する複数のコイル7がノイズや回転子9の偏心の影響をキャンセルすることができる。
According to the rotation
Even when the eccentricity of the
ここでは爪形状の界磁鉄心を具備した回転電機である発電機について述べたが、他の回転電機である一般のモータや発電機においても空間0次の起磁力が発生することがあるので、本発明の回転角度検出装置1を用いることで検出位置誤差の増大を防ぐことができる。
Here, the generator, which is a rotating electrical machine having a claw-shaped field core, has been described. However, in general motors and generators, which are other rotating electrical machines, a zero-order magnetomotive force may be generated. By using the rotation
1 回転角度検出装置、2 軸、5 固定子突極、6 固定子、7 コイル、8 回転子突極、9 回転子、13 コイル群。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記固定子に対向して周方向に間隔をおいて形成された複数個の回転子突極を有する回転子と
を備え、
各前記固定子突極の前記コイルどうしが、少なくとも3個以上直列に接続されてコイル群が複数個形成されており、
前記回転子突極の数をMとしたとき、前記コイル群を構成する各々の前記コイルの導線の巻回数の分布を表す曲線が、空間N次の正弦波と空間|N±M|次(ただし、||は絶対値を表す記号)の正弦波との和あるいは差として表されること
を特徴とする回転角度検出装置。 A stator having a plurality of stator salient poles formed at intervals in the circumferential direction and a plurality of exciting coils formed by winding a conductor for each stator salient pole;
A rotor having a plurality of rotor salient poles formed opposite to the stator and spaced in the circumferential direction;
At least three or more coils of each of the stator salient poles are connected in series to form a plurality of coil groups ,
When the number of the rotor salient poles is M, a curve representing the distribution of the number of turns of the conductive wire of each of the coils constituting the coil group is expressed as a space N-order sine wave and a space | N ± M | However, || is expressed as the sum or difference of the sine wave of ||
L=1/{A+Bcos(Mθ)}・・・(2)
(ここで、A、Bは正の定数でA>B、Mは回転角度検出装置の軸倍角)
で表されることを特徴とする請求項1から請求項5の何れか1項に記載の回転角度検出装置。 A straight line passing through one vertex of the rotor salient pole and the center of the rotation axis of the rotor is a reference line, the reference line, and the vertex of the stator salient pole closest to the reference line and the rotation axis When the angle on the apex side of the rotor salient pole is an angle θ, the gap length L between the apex of the stator salient pole and the rotor at the angle θ Is the following equation (2)
L = 1 / {A + Bcos (Mθ)} (2)
(Here, A and B are positive constants, and A> B and M are shaft angle multipliers of the rotation angle detector).
Rotation angle detecting device according to claim 1 to any one of claims 5, wherein in represented it.
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