JP6976243B2 - レゾルバ - Google Patents

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Description

本発明は、レゾルバに関し、より詳しくは、モータなどのような回転運動装置の回転角度及び回転速度を測定するレゾルバに関する。
本出願は、2015年11月11日出願の韓国特許出願第10−2015−0158190号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
一般に、レゾルバ(resolver)は、モータなどのような回転運動装置の回転角度及び回転速度を測定する一種のセンサである。最近、レゾルバは多様な技術分野において広範囲に用いられており、特に、車両の電動パワーステアリングシステム(electric power steering system)などのように高度の正確度をもって回転角度及び回転速度を測定及び制御しなくてはならない高精度制御システムに適用されている。したがって、レゾルバの測定性能に影響を及ぼす多様な要因を正確に把握し分析してレゾルバの設計に反映することで、レゾルバの測定誤差率を最小化し、測定精度を最大限に改善する必要がある。
しかし、従来技術は、特開第1996−178611号公報などに開示されたように、レゾルバの固定子(stator)に配置される励磁コイル及び出力コイルの構成を変更してレゾルバの測定性能を改善するが、特開第2005−49183号公報などに開示されたように、レゾルバの回転子(rotor)の形状を変形してレゾルバの測定性能を改善するだけで、固定子のバックヨーク(back yoke)と回転子との幅関係をレゾルバの測定性能に影響を及ぼす要因として考慮していない。即ち、従来技術は、回転子の幅に対して固定子のバックヨーク幅が一定範囲を超え狭く設計される場合、固定子の磁束が過密化しすぎるか、磁束飽和(magnetic saturation)が発生することによって磁束の流れを妨害し、その結果、レゾルバの測定性能が劣る点をレゾルバの設計に反映していない。
さらに、従来技術は、回転子の幅とバックヨーク部の幅とをパラメータとして考慮し両者間の関係を最適化してレゾルバの設計に反映することで、レゾルバの設計を容易にする技術を一切提示していない。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、磁束の過密化または磁束飽和を防止することで、測定精度を改善して製造コストを節減し、開発者の設計を容易にするレゾルバを提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明の一実施例によるレゾルバは、少なくとも1相以上の励磁コイル及び少なくとも1相以上の出力コイルが配置される固定子部と、前記固定子部から所定の間隙を置いて前記固定子部の内側中心空間に配置され、回転軸を中心に回転しながら前記固定子部とのギャップパーミアンス(gap permeance)を変化させる回転子部と、を含み、前記固定子部は、リング状本体を形成するバックヨーク部と、前記バックヨーク部の内周に形成され、前記励磁コイル及び出力コイルが巻き取られる複数の歯と、を含み、前記回転子部は、前記回転軸が挿通する中空を有するリング状本体と、前記リング状本体の外周に形成される複数の突極と、を含み、前記固定子部のバックヨーク部と前記回転子部の突極とが、下記の数式1を満たす関係を有することを特徴とするレゾルバ。
<数式1>
Wb≧0.66×Wr
(ここで、Wbは、前記バックヨーク部の幅を示し、Wrは、前記突極の幅であって、前記突極の頂点から前記中空に至る距離を示す。)
一実施例において、前記固定子部のバックヨーク部と前記回転子部の突極とが、下記の数式2を満たす関係を有し得る。
<数式2>
0.66×Wr≦Wb≦8×Wr
(ここで、Wbは、前記バックヨーク部の幅を示し、Wrは、前記突極の幅であって、前記突極の頂点から前記中空に至る距離を示す。)
一実施例において、前記回転子部または前記固定子部は、一定厚さの磁性鋼板を積層した積層鋼板からなり得る。
一実施例において、前記固定子部の歯が、T字形状を有する先端部と、前記バックヨーク部の内周面から突出して前記先端部を支持し、前記励磁コイルまたは前記出力コイルが巻き取られる支持部と、を含むことができる。
本発明の他の実施例によるレゾルバは、少なくとも1相以上の励磁コイル及び少なくとも1相以上の出力コイルが配置される固定子部と、前記固定子部から所定の間隙を置いて前記固定子部の内側中心空間に配置され、回転軸を中心に回転しながら前記固定子部とのギャップパーミアンスを変化させる回転子部と、を含み、前記固定子部は、リング状本体を形成するバックヨーク部と、前記バックヨーク部の内周に形成され、前記励磁コイル及び出力コイルが巻き取られる複数の歯と、を含み、前記回転子部は、前記回転軸が挿通する中空を有するリング状本体と、前記リング状本体の外周に形成される複数の突極と、を含み、前記固定子部のバックヨーク部と前記回転子部の突極とが、下記の数式3を満たす関係を有する。
<数式3>
Wb≧0.72×Wr
(ここで、Wbは、前記バックヨーク部の幅を示し、Wrは、前記突極の幅であって、前記突極の頂点から前記中空に至る距離を示す。)
一実施例において、前記固定子部のバックヨーク部と前記回転子部の突極とが、下記の数式4を満たす関係を有し得る。
<数式4>
0.72×Wr≦Wb≦1×Wr
(ここで、Wbは、前記バックヨーク部の幅を示し、Wrは、前記突極の幅であって、前記突極の頂点から前記中空に至る距離を示す。)
一実施例において、前記回転子部または前記固定子部が、一定厚さの磁性体鋼板を積層した積層鋼板からなり得る。
一実施例において、前記固定子部の歯は、T字形状を有する先端部と、前記バックヨーク部の内周面から突出して前記先端部を支持し、前記励磁コイルまたは前記出力コイルが巻き取られる支持部と、を含むことができる。
本発明によれば、レゾルバを構成する固定子部のバックヨーク部幅と回転子部の突極幅との割合を最適化することで、レゾルバにおける磁束の過密化または磁束飽和を防止して測定精度を改善することに加え、製造コストを節減することができる。
また、固定子部のバックヨーク部幅と回転子部の突極幅とを一種のパラメーターとして考慮し両者間の幅比を最適化する数値範囲を提供してレゾルバの設計に反映することで、レゾルバの設計を容易にし、設計ミスを防止することができる。
ひいては、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者であれば、本発明による実施例が、以上で言及されないさらに他の技術的課題を解決できることは、以下の説明から自明に理解できる。
本発明の一実施例によるレゾルバを示した横断面図である。 図1のX部分を拡大した拡大図である。 本発明の一実施例によるレゾルバのテスト環境を示した図である。 回転子部の突極と固定子部のバックヨーク部との幅比による測定誤差を概略的に示したグラフである。 回転子部の突極と固定子部のバックヨーク部との幅比による測定誤差を概略的に示したグラフである。 回転子部の突極と固定子部のバックヨーク部との幅比による測定誤差を概略的に示したグラフである。 回転子部の突極と固定子部のバックヨーク部との幅比による測定誤差を概略的に示したグラフである。 回転子部の突極と固定子部のバックヨーク部との幅比による測定誤差を概略的に示したグラフである。 回転子部の突極と固定子部のバックヨーク部との幅比による最大測定誤差を示した表である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。但し、本発明に関連する公知技術についての具体的な説明が、本発明の要旨をぼやかすと判断される場合、その詳細な説明を略する。また、後述する用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であって、設計者、製造者などの意図または慣例などによって変わり得る。したがって、その定義は、本明細書全般に亘る内容に基づきなされるべきものであろう。
図1は、本発明の一実施例によるレゾルバの横断面図である。
図1に示したように、レゾルバ100は、固定子部110及び回転子部120を含む。固定子部110は、全体的に環状の構造を有し、内周に、少なくとも1相以上の励磁コイル(図示せず)及び少なくとも1相以上の出力コイル(図示せず)が配置される。最近は、1相の励磁コイル及び2相の出力コイルが配置された固定子部110が広く使われている。かかる固定子部110は、固定子部110のリング状本体を形成するバックヨーク部112と、前記バックヨーク部112の内周に形成される複数の歯114と、を有することができる。固定子部110の歯の間には、それぞれコイルが収容されるスロット116が形成され、励磁コイル及び出力コイルは、それぞれの歯114に巻き取られてスロット116に配置される。この場合、固定子部110の歯114は、T字形状を有する先端部114aと、バックヨーク部112の内周面から突出して先端部114aを支持し、励磁コイルまたは出力コイルが巻き取られる支持部114bと、を含むことができる。
回転子部120は、前記固定子部110に対応する形状を有し、固定子部110から所定の間隙を置いて固定子部110の内側中心空間に配置され、回転軸を中心に回転するようになる。この場合、回転子部120は、固定子部110と協働して固定子部110とのギャップパーミアンスを変化させる。このために、回転子部120は、回転軸が挿通する中空126を有するリング状本体と、前記リング状本体の外周に形成される複数の突極122と、突極同士を連結する連結部124と、を含むことができる。例えば、レゾルバが電動パワーステアリング装置に適用される場合、回転子部120は、中空126を介して電動パワーステアリング装置に組み立てられたモータのシャフト端部に押し込まれ得る。また、固定子部110や回転子部120は、それぞれ一定厚さの強磁性鋼板が複数積層された積層鋼板からなるか、所定厚さを有する単一の強磁性鋼板からなり得る。
一方、固定子部110に配置された励磁コイルに励磁電圧が印加され、回転子部120が、中空126に結合した回転軸によって回転すれば、回転子部120は、突極122及び連結部124によって固定子部110とのギャップパーミアンスを変化させる。その結果、固定子部110の出力コイルを介してsin及びcos波形の電圧信号が出力される。レゾルバ100は、このような出力信号を用いて回転軸の回転角度及び回転速度などを測定する。
この場合、回転子部120の幅に対して固定子部110のバックヨーク部112の幅が一定範囲を超え狭く設計される場合、磁束経路が細くなりバックヨーク部112を通る磁束が過密化しすぎるか、磁束飽和が発生することによって磁束の流れを妨害し、その結果、レゾルバの測定性能が劣る。また、回転子部120の幅に対して固定子部110のバックヨーク部112の幅が一定範囲を超え広く設計される場合、測定性能の改善程度は大きくない一方、製品サイズが無駄に大きくなり、製造コストが増加するようになる。
したがって、本発明によるレゾルバ100は、固定子部110のバックヨーク部112と回転子部120との最適化した幅比を適用して設計される。
図2は、図1のX部分の拡大図である。
図1及び図2を参照すれば、本発明は、固定子部110のバックヨーク部幅Wbと、回転子部120の最大幅にあたる突極幅Wrとをレゾルバの測定性能に影響を及ぼすパラメータとして考慮し両者間の関係を最適化することで、レゾルバの測定性能を改善する。
ここで、バックヨーク部幅Wbは、バックヨーク部112の外側半径R2からバックヨーク部112の内側半径R1を減算した値(R2−R1)と定義される。即ち、バックヨーク部幅Wbは、下記の数式1のように定義することができる。
<数式1>
Wb=R2−R1
ここで、Wbは、バックヨーク部112の幅を示し、R1は、バックヨーク部112の内側半径を示し、R2は、バックヨーク部112の外側半径を示す。この際、バックヨーク部112の内側半径R1は、バックヨーク部112と歯114との境界線を連結する仮想円の半径となる。
また、突極幅Wrは、回転子部120の最大外側半径R4から回転子部120の内側半径R3を減算した値(R4−R3)と定義することができる。即ち、突極幅Wrは、下記の数式2のように定義することができる。
<数式2>
Wr=R4−R3
ここで、Wrは、突極幅を示し、R3は、回転子部120の内側半径を示し、R4は、回転子部120の最大外側半径を示す。この際、回転子部120の最大外側半径R4は、突極122の頂点(peak point)を連結する仮想円の半径となり、回転子部120の内側半径R3は、中空126の半径となる。したがって、突極幅Wrは、回転子部120の突極122の頂点から中空126に至る最短距離としても定義することができる。
本発明の一実施例によるレゾルバは、このような突極幅Wrに対するバックヨーク部幅Wbの比(Wb/Wr)が0.66以上の所定の値を有するように設計される。即ち、突極幅Wrとバックヨーク部幅Wbとの関係は、下記の数式3のように表すことができる。
<数式3>
Wb≧0.66×Wr
ここで、Wbは、バックヨーク部の幅を示し、Wrは、突極の幅を示す。
この際、バックヨーク部幅Wbが、突極幅Wrの0.66倍よりも小くなれば、固定子部110の歯114で発生する磁束がバックヨーク部112で飽和しやすく、磁束間の干渉などが発生して、レゾルバの測定誤差が増加するようになる。したがって、レゾルバの測定誤差が精密測定分野において求められる最大許容限界値である±0.5゜未満になるためには、バックヨーク部幅Wbが突極幅Wrの0.66倍以上となるべきである。このように、本発明の一実施例によれば、固定子部110のバックヨーク部112は、突極幅Wrの0.66倍以上の幅を有するように設計することが望ましい。
なお、バックヨーク部幅Wbが突極幅Wrの8倍を超過すれば、レゾルバの測定精度はほぼ増加しないことに加え、製品サイズが無駄に大きくなり、かつ製造コストが増加するようになり経済的ではなくなる。したがって、本発明の一実施例によるレゾルバは、突極幅Wrに対するバックヨーク部幅Wbの比(Wb/Wr)が0.66以上かつ8以下の範囲になるように設計することがさらに望ましい。即ち、突極幅Wrとバックヨーク部幅Wbとの関係は、下記の数式4のように表すことができる。
<数式4>
0.66×Wr≦Wb≦8×Wr
ここで、Wbは、バックヨーク部の幅を示し、Wrは突極の幅を示す。
このように、本発明の一実施例によれば、固定子部110のバックヨーク部112は、回転子部120の突極幅Wrの0.66倍以上かつ8倍以下の幅を有するように設計することが測定精度及び経済的観点で望ましい。
また、本発明の他の一実施例によるレゾルバは、このような突極幅Wrに対するバックヨーク部幅Wbの比(Wb/Wr)が、0.72以上の所定の値を有するように設計することができる。即ち、突極幅Wrとバックヨーク部幅Wbとの関係は、下記の数式5のように表すことができる。
<数式5>
Wb≧0.72×Wr
ここで、Wbは、バックヨーク部の幅を示し、Wrは、突極の幅を示す。
バックヨーク部幅Wbが突極幅Wrの0.72倍以上になるように設計する場合、レゾルバの最大測定誤差が0.35゜以下に減少し、レゾルバの高精度化が可能となる。
なお、バックヨーク部幅Wbが突極幅Wrよりも広くなる場合、製品サイズが大きくなり、製造コストが増加するにも係わらず、レゾルバの測定性能の改善程度が大きくなく、製品の効率性が劣るようになる。
したがって、本発明の他の実施例によるレゾルバは、突極幅Wrに対するバックヨーク部幅Wbの比(Wb/Wr)が0.72以上かつ1以下の範囲となるように設計することができる。即ち、突極幅Wrとバックヨーク部幅Wbとの関係は、下記の数式6のように表すことができる。
<数式6>
0.72×Wr≦Wb≦1×Wr
ここで、Wbは、バックヨーク部の幅を示し、Wrは、突極の幅を示す。
このように、バックヨーク部幅Wbが突極幅Wrの0.72倍から1倍程度になるよう設計する場合、最大測定誤差0.35゜以下の高精度を確保しながらも、製品の小型化が可能となり、製造コストを節減することができる。
以下、上述の回転子部の突極と固定子部のバックヨーク部との幅比によるレゾルバの測定性能を、以下の実験例を通じて検証する。
図3は、本発明の一実施例によるレゾルバのテスト環境を示した図である。
図3に示したように、本実験例では、モータ10の回転軸の一端に本発明の一実施例によるレゾルバサンプル20を締結し、モータ10の回転軸の他端にはエンコーダ(encoder)30を締結した後、演算器(calculator)40でレゾルバサンプル20及びエンコーダ30の出力波形を分析し、レゾルバサンプル20の誤差を測定した。
レゾルバサンプルの製作
突極幅Wrが7.8mmである回転子と、回転子の突極幅Wrに対するバックヨーク部幅Wbの比(Wb/Wr)が0.6から12に至る固定子から構成される複数のレゾルバサンプルを製作した。各サンプルの固定子部及び回転子部は、鉄損などの損失を最小化するために0.5mm厚さの強磁性鋼板を積層して製造した。また、固定子部は、24個の歯を有し、回転子部は10個の突極を有するように製造した。
誤差測定
実験条件は、実験温度24.5℃、印加電圧7Vrms、周波数10kHz、回転子部の回転速度を60rpmに設定し、幅比(Wb/Wr)以外の実験条件は、全てのレゾルバサンプルにおいて同一に維持した。モータ10の回転軸を駆動しながら、演算器40でレゾルバサンプル20の回転角度プロファイルを演算し、レゾルバサンプル20の回転角度プロファイルをエンコーダ30の回転角度プロファイルと比較することで、各サンプルの測定誤差を算出した。また、本実験例における目標とするレゾルバの最大許容誤差は±0.5゜と設定した。最大許容誤差±0.5゜を満たす測定性能を有するレゾルバは、技術的に多様な精密制御システムに適用することができ、測定精度とともに汎用性を確保することができる。
図4a〜図4eは、回転子部の突極と固定子部のバックヨーク部との幅比(Wb/Wr)による測定誤差を概略的に示したグラフである。
まず、図4aを参照すれば、突極幅に対するバックヨーク部の幅比(Wb/Wr)が0.6である場合(ケース01)、回転子部の回転が続くにつれ、測定誤差値が最大値0.564゜と最小値−0.557゜との間で変化し、絶対値である最大測定誤差は0.564゜に達したことが分かる。また、幅比(Wb/Wr)が0.64である場合(ケース02)、回転子部の回転が続くにつれ、測定誤差値が最大値0.524゜と最小値−0.536゜との間で変化したことが分かる。
また、図4bを参照すれば、幅比(Wb/Wr)が0.65である場合(ケース03)、回転子部の回転が続くにつれ、測定誤差値が最大値0.447゜と最小値−0.512゜との間で変化したことが分かる。即ち、幅比(Wb/Wr)が0.65である場合(ケース03)、測定誤差の最大値は許容誤差範囲に収まるが、最小値は許容誤差範囲から外れ、望ましくない。
なお、図4bを参照すれば、幅比(Wb/Wr)が0.66に至る場合(ケース04)、回転子部の回転が続くことにより、測定誤差値が最大値0.4゜と最小値−0.46゜との間で変化し、最大測定誤差が0.46゜となり最大許容誤差である0.5゜以下に低下したことが分かる。
また、図4cを参照すれば、突極に対するバックヨーク部の幅比(Wb/Wr)が0.72である場合(ケース05)及び1である場合(ケース06)、最大測定誤差がそれぞれ0.346゜及び0.343゜となり、高精度を示す。
しかし、図4d及び図4eを参照すれば、幅比(Wb/Wr)が2、4、8に大きく増加する場合(ケース07、ケース08、ケース09)も、最大測定誤差がそれぞれ0.329゜、0.323゜、0.316゜に小幅改善した程度に止まる。特に、幅比(Wb/Wr)が8を超過して12になる場合(ケース10)は、幅比(Wb/Wr)の大きい増加にも最大測定誤差は0.316゜であって何ら変化がなかったことが分かる。即ち、幅比(Wb/Wr)が1以上になれば、固定子部のバックヨーク部幅が増加してレゾルバの全体サイズと重さ、製造コストなどが増加するにも係わらず、レゾルバの測定性能の改善程度は大きくないことから、製品の効率性が劣ることが分かる。
図5は、回転子部の突極と固定子部のバックヨーク部との幅比(Wb/Wr)による最大測定誤差を示した表である。ここで、最大測定誤差は、回転子の回転によって変化する測定誤差値のうち絶対値が最も大きい値を示す。
図5を参照すれば、突極幅に対するバックヨーク部幅の比(Wb/Wr)が 0.6から12まで増加する場合、レゾルバの最大測定誤差は次第に減少する。特に、幅比(Wb/Wr)が0.66以上となる場合、最大測定誤差が0.5゜以下に低下して目標許容誤差範囲を満足するようになる。また、幅比(Wb/Wr)が0.72以上となる場合、最大測定誤差が0.35゜以下に低下してレゾルバの高精度化が可能となる。ただ、幅比(Wb/Wr)が1を超過して増加する場合、最大測定誤差の減少率が大幅緩くなったことが分かる。特に、幅比(Wb/Wr)が8を超過する場合は、最大測定誤差がほぼ減少しない。この場合、レゾルバの測定精度に係わり、突極に対するバックヨーク部の幅比(Wb/Wr)は、他の要因に比べてレゾルバの測定性能に大きい影響を及ぼさないことが分かる。
上述のように、本発明によれば、レゾルバを構成する固定子部のバックヨーク部幅と回転子部の突極幅との割合を最適化することで、レゾルバにおける磁束の過密化または磁束飽和を防止して測定精度を改善することに加え、製造コストを節減することができる。また、固定子部のバックヨーク部幅と回転子部の突極幅とを一種のパラメーターとして考慮し、両者間の幅比を最適化する数値範囲を提供してレゾルバの設計に反映することで、レゾルバの設計を容易にし、設計ミスを防止することができる。ひいては、本発明による実施例が、当該技術分野は勿論、関連の技術分野においても本明細書に言及されないさらに他の技術的課題を解決できることは言うまでもない。
以上、本発明について具体的な実施例を挙げて説明した。しかし、当業者であれば、本発明の技術的範囲において多様な変形実施例を具現できることを明確に理解できるだろう。したがって、上述の実施例は、限定的な観点ではなく説明的な観点から考慮されるべきである。即ち、本発明の真正な技術的思想は請求範囲に示されており、その均等範囲内における全ての相違点は本発明に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (1)

  1. 少なくとも1相以上の励磁コイル及び少なくとも1相以上の出力コイルが配置される固定子部と、前記固定子部から所定の間隙を置いて前記固定子部の内側中心空間に配置され、回転軸を中心に回転しながら前記固定子部とのギャップパーミアンスを変化させる回転子部と、を含むレゾルバであって、
    前記固定子部は、リング状本体を形成するバックヨーク部と、前記バックヨーク部の内周に形成され、前記励磁コイル及び出力コイルが巻き取られる複数の歯と、を含み、
    前記回転子部は、前記回転軸が挿通する中空を有するリング状本体と、前記リング状本体の外周に形成される複数の突極と、を含み、
    前記固定子部の複数の歯が各々、T字形状を有する先端部と、前記バックヨーク部の内周面から突出して前記先端部を支持し、前記励磁コイル及び前記出力コイルが巻き取られる支持部と、を含み、
    前記回転子部及び前記固定子部は、一定厚さの磁性鋼板を積層した積層鋼板からなり、
    前記固定子部のバックヨーク部と前記回転子部の突極とが、下記の数式を満たす関係を有し、
    前記バックヨーク部の幅Wbは、前記バックヨーク部の外側半径R2から前記バックヨーク部の内側半径R1を減算した値(R2−R1)と定義され、
    前記バックヨーク部の内側半径R1は、前記バックヨーク部と前記歯との境界線を連結する仮想円の半径となり、
    前記突極の幅Wrは、前記回転子部の外側半径R4から前記回転子部の内側半径R3を減算した値(R4−R3)と定義され、
    前記回転子部の外側半径R4は、前記複数の突極の頂点を連結する仮想円の半径となることを特徴とするレゾルバ。
    <数式>
    0.72×Wr≦Wb≦1×Wr
    (ここで、Wbは、前記バックヨーク部の幅を示し、Wrは、前記突極の幅であって、前記突極の頂点から前記中空に至る距離を示す。)
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