JP6498580B2 - ブラシレスレゾルバ及び回転角度検出装置 - Google Patents

Description

この発明はモータの回転角度を検出するブラシレスレゾルバ及びそのブラシレスレゾルバを用いる回転角度検出装置に関する。

図５はブラシレスレゾルバの従来例として特許文献１に記載されている構成を示したものであり、ブラシレスレゾルバは回転中心となる軸１１を覆う筒状ケース１２内に配置された円環状のレゾルバ１３と、レゾルバ１３に並設された円環状の回転トランス２０と、レゾルバ１３及び回転トランス２０に電気的に接続されたリード線２７とから構成されている。

レゾルバ１３は軸１１を中心に回転自在なレゾルバロータ１４と、筒状ケース１２に固定されたレゾルバステータ１７とから構成されている。レゾルバロータ１４はレゾルバロータ鉄心１５にレゾルバロータ巻線１６を巻回することによって構成されており、レゾルバステータ１７はレゾルバステータ鉄心１８にレゾルバステータ巻線１９を巻回することによって構成されている。

レゾルバ１３が１相励磁２相出力のレゾルバの場合、レゾルバロータ巻線１６は１相の分布巻線となり、レゾルバステータ巻線１９は電気角として互いに９０度ずれた２相の分布巻線（ｓｉｎ巻線とｃｏｓ巻線）となる。このような構成のレゾルバ１３では回転トランス２０からの励磁信号によりレゾルバロータ１４が励磁されると、レゾルバステータ１７側に回転角に応じた２つの信号が発生し、この２つの信号から回転角を演算することができる。

回転トランス２０は軸１１を中心に回転自在なロータトランス２１と、筒状ケース１２に固定されたステータトランス２４とから構成されている。ロータトランス２１は円環状のロータトランス鉄心２２と、ロータトランス鉄心２２の周方向にマグネットワイヤを多重巻きしてなるロータトランス巻線２３とから構成されており、ステータトランス２４は円環状のステータトランス鉄心２５と、ステータトランス鉄心２５内に配置されたボビンの周方向にマグネットワイヤを多重巻きしてなるステータトランス巻線２６とから構成されている。

このように回転トランス２０を構成することにより、リード線２７からステータトランス２４に電送された励磁信号は、ステータトランス巻線２６とロータトランス巻線２３との巻数比に応じた電圧信号としてロータトランス２１側に非接触で伝達される。次いで、この励磁信号がロータトランス２１に接続されているレゾルバロータ１４のレゾルバロータ巻線１６に電送され、これによりレゾルバ１３による回転位置の検出が可能となる。

特開２０１０−１０１６３３号公報

上述したように、従来のブラシレスレゾルバではレゾルバロータ巻線に励磁信号を供給するために回転トランスを用いるものとなっており、その分、部品点数が増え、部材費及び組立工数がかかるものとなっていた。

この発明の目的はこの問題に鑑み、回転トランスを不要とし、よって従来に比し、部材費及び組立工数を削減することができ、安価に構成することができるようにしたブラシレスレゾルバを提供することにあり、さらにそのブラシレスレゾルバを用いて構成される回転角度検出装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、１相の励磁コイルが設けられたロータと、２相の検出コイルが設けられたステータとを備え、ロータがモータのシャフトに取り付けられてモータの回転角度を検出するブラシレスレゾルバは、シャフトの回りに誘起コイルが巻かれ、誘起コイルは励磁コイルと接続され、シャフトに流れるモータの磁束の変化によって誘起コイルに誘起される起電力を励磁コイルに供給する励磁信号として用いるものとされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、モータの磁束はモータの漏れ磁束とされる。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、誘起コイルはロータに一体形成された巻枠に巻かれているものとされる。

請求項４の発明によれば、回転角度検出装置は請求項１乃至３記載のいずれかのブラシレスレゾルバと、２相の検出コイルの出力信号から励磁信号成分を抽出し、検波信号として出力する励磁信号成分抽出回路と、２相の検出コイルの出力信号を前記検波信号で同期検波して角度演算を行う角度演算回路と、角度演算回路で算出されたロータの回転角度及び角速度が入力される角度保持回路とを備え、角度保持回路は入力された角速度がゼロ以外の時には入力された回転角度を出力し、入力された角速度がゼロの時には直前に入力された回転角度を出力するものとされる。

この発明によれば、ロータに設けられた励磁コイルに励磁信号を供給するために従来必要であった回転トランスを不要とすることができ、よってその分、部材費及び組立工数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。

また、従来必要であった励磁信号生成用の励磁回路も不要となるため、その点でもコストダウンを図ることができる。

この発明によるブラシレスレゾルバの一実施例を示す斜視図。 図１におけるロータの斜視図。 図１におけるステータの斜視図。 この発明による回転角度検出装置の機能構成例を示すブロック図。 ブラシレスレゾルバの従来例を示す片側断面図。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明による１相励磁２相出力のブラシレスレゾルバの一実施例を示したものであり、ブラシレスレゾルバ３０は円環状をなすステータ４０と、ステータ４０の内部空間に位置されたロータ５０とによって構成されている。図２及び図３はロータ５０とステータ４０を分けて示したものである。図１中、６０はロータ５０が取り付けられるモータのシャフトを示す。

ロータ５０は円筒状をなし、その中心軸方向の一方の側の外周面にはティース５１が周方向に等角間隔で配列されて突出形成されている。ティース５１の数はこの例では８個とされている。各ティース５１には１相の励磁コイル５２が所定の巻数と巻き方向で巻かれており、詳細図示は省略しているが、これらの励磁コイル５２は直列接続されている。

一方、ロータ５０の中心軸方向の他方の側の外周面には、この例では環状凹部５３が形成されており、環状凹部５３が形成されたロータ５０の他方の側は巻枠５４をなす。巻枠５４には誘起コイル５５が巻かれており、詳細図示は省略しているが、誘起コイル５５は励磁コイル５２と直列接続されている。

円環状をなすステータ４０の内周面にはティース４１が周方向に等角間隔で配列されて突出形成されている。ティース４１の数はこの例では１４個とされている。ティース４１には図を簡略化して示しているが、２相の検出コイル（ＣＯＳコイル，ＳＩＮコイル）４２が巻かれている。ＣＯＳコイル及びＳＩＮコイルは所定のティース４１に所定の巻数と巻き方向でそれぞれ巻かれており、これらのＣＯＳコイルは直列接続され、これらのＳＩＮコイルも直列接続されている。

ロータ５０は図１に示したようにモータのシャフト６０の回りに取り付けられ、ロータ５０の回りにステータ４０が固定配置されてブラシレスレゾルバ３０が構成される。ロータ５０の各ティース５１の突出端面５１ａによって構成される仮想円筒面の径（ロータ外径）はステータ４０の各ティース４１の突出端面４１ａによって構成される仮想円筒面の径（ステータ内径）より所定量小さくされ、これによりロータ５０はステータ４０の内部空間で回転可能とされている。

上記のような構成を有するブラシレスレゾルバ３０は図５に示した従来のブラシレスレゾルバと異なり、ロータ５０に巻かれた励磁コイル５２に励磁信号を供給するための回転トランスを具備しておらず、ロータ５０に一体形成された巻枠５４に巻かれた誘起コイル５５を具備するものとなっている。誘起コイル５５はこのようにロータ５０の巻枠５４に巻かれているため、モータのシャフト６０の回りにシャフト６０の周方向に巻かれた配置となっており、よって誘起コイル５５にはシャフト６０に流れるモータの磁束の変化によって起電力（誘導起電力）が誘起されるものとなっている。この例ではこの誘起コイル５５に誘起される起電力を励磁コイル５２に供給する励磁信号として用いる。

従って、この例では励磁コイル５２に励磁信号を供給するための多くの部品よりなる回転トランスは不要であって、その分、部材費及び組立工数を削減することができる。また、誘起コイル５５に誘起される起電力を励磁信号として用いるため、従来必要であった励磁信号生成用の励磁回路も不要とすることができる。

なお、上述した例では誘起コイル５５を巻く巻枠５４をロータ５０に一体形成しているが、巻枠５４をロータ５０と別体としてもよい。

モータの磁束の変化によって誘起コイル５５に誘起される起電力、即ち上述したブラシレスレゾルバ３０における励磁信号は、
Ｖ_Ｅ＝φ・２πｆ・Ｋ・cos（２πｆｔ）
但し、φ：磁束
ｆ ：回転数
Ｋ ：誘起コイル巻数、シャフト断面積によって定まる定数
と表すことができる。

なお、シャフト６０に流れるモータの磁束とは、例えばモータの漏れ磁束であり、モータの漏れ磁束を利用して励磁信号を生成することができるが、これに限らず、例えばモータから励磁信号生成用の磁束を積極的に発生させるといったことも考えられる。

次に、上述したブラシレスレゾルバ３０を用いて構成される回転角度検出装置の構成を図４を参照して説明する。

回転角度検出装置はこの例では図４に示したように、ブラシレスレゾルバ３０と励磁信号成分抽出回路７０と角度演算回路８０と角度保持回路９０とによって構成されている。ブラシレスレゾルバ３０の２相の検出コイル（ＣＯＳコイル，ＳＩＮコイル）４２から出力される２相の出力信号（ＣＯＳ信号，ＳＩＮ信号）は励磁信号成分抽出回路７０及び角度演算回路８０にそれぞれ入力される。これらＣＯＳ信号及びＳＩＮ信号は下式で表すことができる。
ＣＯＳ信号：Ｖ_Ｃ＝Ａ・cosωｔ・cosＮθ
ＳＩＮ信号：Ｖ_Ｓ＝Ａ・cosωｔ・sinＮθ
但し、Ａ＝φ_Ｌ・２πｆ・Ｋ・Ｔ
ω＝２πｆ
Ｔ：変圧比
Ｎ：軸倍角
θ：回転角度

励磁信号成分抽出回路７０は入力されたＣＯＳ信号，ＳＩＮ信号から励磁信号成分を抽出する。励磁信号成分は下式の演算を行うことによって抽出される。
√（Ｖ_Ｃ ^２＋Ｖ_Ｓ ^２）＝√｛（Ａ・cosωｔ・cosＮθ）^２
＋（Ａ・cosωｔ・sinＮθ）^２｝
＝√｛Ａ^２・cos^２ωｔ（cos^２Ｎθ＋sin^２Ｎθ）
＝Ａ・cosωｔ

励磁信号成分抽出回路７０は抽出した励磁信号成分を検波信号として角度演算回路８０に出力する。

角度演算回路８０は例えば従来公知のトラッキングループ方式の角度演算を実行するものとされ、入力されたＣＯＳ信号，ＳＩＮ信号を入力された検波信号で同期検波して角度演算を行う。

ここで、モータ停止時は磁束の変化がなくなるため、ブラシレスレゾルバ３０の出力信号（ＣＯＳ信号，ＳＩＮ信号）がゼロとなり、角度演算ができないことになる。この例ではこのモータ停止時の出力を補償するため、角度保持回路９０を備えている。

角度保持回路９０には角度演算回路８０で算出されたロータ５０の回転角度及び角速度が入力される。角度保持回路９０は入力された角速度がゼロ以外の時には入力された回転角度を出力する。一方、入力された角速度がゼロの時には直前に入力された回転角度を出力する。

上記のような構成を採用したことにより、モータ停止時においてもロータ５０の回転角度を検出でき、即ちモータの回転角度を検出することができる。

この発明によるブラシレスレゾルバ及び回転角度検出装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車のモータの回転子の回転位置検出やモータによって駆動される工作機械等、各種機器の回転位置検出に利用することができる。

１１ 軸 １２ 筒状ケース
１３ レゾルバ １４ レゾルバロータ
１５ レゾルバロータ鉄心 １６ レゾルバロータ巻線
１７ レゾルバステータ １８ レゾルバステータ鉄心
１９ レゾルバステータ巻線 ２０ 回転トランス
２１ ロータトランス ２２ ロータトランス鉄心
２３ ロータトランス巻線 ２４ ステータトランス
２５ ステータトランス鉄心 ２６ ステータトランス巻線
２７ リード線 ３０ ブラシレスレゾルバ
４０ ステータ ４１ ティース
４１ａ 突出端面 ４２ 検出コイル
５０ ロータ ５１ ティース
５１ａ 突出端面 ５２ 励磁コイル
５３ 環状凹部 ５４ 巻枠
５５ 誘起コイル ６０ シャフト
７０ 励磁信号成分抽出回路 ８０ 角度演算回路
９０ 角度保持回路

Claims (4)

1. １相の励磁コイルが設けられたロータと、２相の検出コイルが設けられたステータとを備え、前記ロータがモータのシャフトに取り付けられて前記モータの回転角度を検出するブラシレスレゾルバであって、
   前記シャフトの回りに誘起コイルが巻かれ、
   前記誘起コイルは前記励磁コイルと接続されており、
   前記シャフトに流れる前記モータの磁束の変化によって前記誘起コイルに誘起される起電力を前記励磁コイルに供給する励磁信号として用いることを特徴とするブラシレスレゾルバ。
2. 請求項１記載のブラシレスレゾルバにおいて、
   前記モータの磁束は前記モータの漏れ磁束であることを特徴とするブラシレスレゾルバ。
3. 請求項１又は２記載のブラシレスレゾルバにおいて、
   前記誘起コイルは前記ロータに一体形成された巻枠に巻かれていることを特徴とするブラシレスレゾルバ。
4. 請求項１乃至３記載のいずれかのブラシレスレゾルバと、
   前記２相の検出コイルの出力信号から励磁信号成分を抽出し、検波信号として出力する励磁信号成分抽出回路と、
   前記２相の検出コイルの出力信号を前記検波信号で同期検波して角度演算を行う角度演算回路と、
   前記角度演算回路で算出された前記ロータの回転角度及び角速度が入力される角度保持回路とを備え、
   前記角度保持回路は入力された角速度がゼロ以外の時には入力された回転角度を出力し、入力された角速度がゼロの時には直前に入力された回転角度を出力することを特徴とする回転角度検出装置。

Images