KR101688202B1 - 자기전자 각도 센서, 특히 릴럭턴스 리졸버 - Google Patents

자기전자 각도 센서, 특히 릴럭턴스 리졸버 Download PDF

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얀 반 카우벤베르게
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타이코 일렉트로닉스 벨지움 이씨 비브이비에이
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Abstract

본 발명은 에어 랩에 의하여 형성됨으로써 서로 대향되는 적어도 부분적으로 연자성 고정자 (104) 및 적어도 부분적으로 연자성 회전자 (102)를 갖는 릴럭턴스 리졸버(100)와 관련된다. 에어 갭의 자기 저항은 원주를 따라 변화하는 회전자의 구성 때문에 주기적으로 변화한다. 각도 센서는 고정자상에 배열되고 극들의 적어도 하나의 쌍을 통해 에어 갭의 미리 정의된 자속 분포를 생성하는 자속 전송기를 갖는다. 추가로, 일정 각도로 서로로부터 오프셋되어 배열되는 신호 극들의 적어도 2개의 쌍들을 통해 자계의 강도를 측정하는 자속 수신기는 고정자상에 배열되며, 여기서 고정자에 관한 회전자의 위치에 대한 각도 값은 2개의 수신기 신호들로부터 유도될 수 있다. 발명에 따라, 고정자(104)에는 원주에 걸쳐 홈들에 의하여 서로로부터 분리되는 다수의 치형부들(110)이 분포되며, 자속 전송기는 치형부들 중 적어도 하나가 1차 권선들을 보유하지 않는 방식으로 배열되는 적어도 2개의 1차 권선들을 포함한다.

Description

자기전자 각도 센서, 특히 릴럭턴스 리졸버 {MAGNETOELECTRONIC ANGLE SENSOR, IN PARTICULAR A RELUCTANCE RESOLVER}
본 발명은 자기전자 각도 센서(magnetoelectronic angle sensor)와 관련되며, 특히 회전 대칭적인, 적어도 부분적으로 연자성(soft magnetic)인 고정자 및 회전 대칭적인, 적어도 부분적으로 연자성인 회전자와 관련되며, 상기 고정자 및 상기 회전자는 에어 갭(air gap)의 형성에 의하여 서로 대향된다.
에어 갭의 자기 저항은 원주(circumference)를 따라 변화하는 회전자의 구성 때문에 주기적으로 변화한다. 각도 센서는 고정자상에 배열되는 자속(magnetic flux) 전송기를 가지며, 극(pole)들의 적어도 하나의 쌍을 통해 에어 갭에 미리 정의된 자속 분포를 생성한다. 추가로, 서로로부터 일정 각도로 오프셋되어 배열되는 신호 극들의 적어도 2개의 쌍들을 통해 자계의 강도를 측정하는 자속 수신기가 고정자상에 배열되며, 여기서 고정자에 관한 회전자의 위치에 대한 각도 값은 2개의 수신기 신호들로부터 유도될 수 있다.
고정자와 회전자 사이의 에어 갭의 가변 자속 강도의 원리에 기반하는 이러한 타입의 각도 센서들은 넓은 범위의 형태들로 공지된다. 기본적으로, 이들은 전송 부분에서 기자력(magnetomotive force)을 생성하기 위한 상이한 원리들 및 또한 수신기 부분에서 자계를 측정하기 위한 상이한 원리들을 이용한다. 로터리 인디케이터(rotary indicator)들(리졸버들, 싱크로(synchros))에서, 전자기 코일들은 1차 및 2차 권선들의 형태로 사용된다. 리졸버들 또는 싱크로 형태의 이러한 타입의 로터리 인디케이터들은 정확하고 강한 각도 센서들로서 오랫동안 공지되었다. 이와 관련하여 1차 권선 및 2차 권선 모두가 고정자에 수용되는 수동(passive) 릴럭턴스 리졸버들로서 지칭되는 것이 또한 공지되는 반면, 회전자가 무권선(windingless) 방식으로, 즉, 수동적으로, 단지 연자성 부분들만으로 자속 회로에 영향을 미친다. 연자성 회전자의 불균일한 구성의 결과로써, 예를 들어, 로브(lobe)들을 제공함으로써, 고정자의 1차 권선들과 2차 권선들 사이의 자속은 상이하게 영향을 받는다; 이로부터 회전자의 각 위치(angular position)는 유도된(induced) 전압을 통해 유추될 수 있다.
도 1은 예를 들어, EP 0 522 941 또는 EP 0 802 398로부터 보여지는 것과 같이, 공지된 권선도의 일 예를 도시한다. 이러한 경우에, 2개의 권선들(개별적인 1차 권선 및 사인 또는 코사인 권선)이 고정자의 치형부들 각각에 부착되며: 1차 권선은 고정자의 각각의 인접한 극들에 교번 방향(alternating direction)으로 부착된다.
추가로, 대부분의 극들상에 3개 권선들을 제공하는 것이 EP 0802398로부터 공지된다.
이러한 타입의 릴럭턴스 리졸버들은 권선들이 제공되는 능동 회전자의 부족 및 이에 수반되는(concomitant) 변압기 부분의 절약(concomitant saving)으로 인하여 경제적으로 제작될 수 있다. 그러나, 대부분의 공지된 릴럭턴스 리졸버 어레인지먼트(arrangement)들은 고정자상의 권선들의 어레인지먼트가 상대적으로 복잡한 조립 방법들을 초래한다는 단점을 갖는다. 추가로, 자기 저항의 변형이 클럽(club) 또는 신장 모양의 회전자에 의하여 달성되는 릴럭턴스 리졸버들(여기서 한편으로는 회전자의 원주와 다른 한편으로는 고정자 치형부들 사이의 에어 갭의 높이는 원주각을 따라 두드러지게 변화함)은, 공차, 특히 반경방향 오프셋(radial offset)이 측정의 정확성에 대하여 특히 확연한 효과를 가질 수 있다는 문제점을 갖는다. 이것의 이유는, 반경 방향의 에어 갭의 높이가 자기 결합에 대하여 결정적이라는 사실에서 특히 식별될 수 있다.
본 발명의 목적은 특히 간단하고 경제적으로 제조될 수 있고, 게다가 향상된 정확성을 갖는 각도 센서를 개시하는 것이다.
본 발명에 따른 수동 릴럭턴스 리졸버는 연자성 고정자가 원주에 걸쳐 교번하여(in alternation) 분포된 미리 정의된 개수의 홈(groove)들 및 치형부들을 갖고, 1차 권선이 직렬로 연결된 부분 권선들에 의하여 고정자의 홈들에 배열되는 방식으로 구성된다. 서로로부터 일정 각도로 오프셋되고, 각각이 직렬로 연결되며 반대 방향들에서 교번하는 부분 권선들에 의하여 각각 극들의 쌍들을 형성하는 2개의 2차 권선들이 또한 홈들에 배열되며, 극들의 쌍들의 개수는 적분 인자만큼 1차 권선의 개수와 상이하다. 연자성 회전자는 각도 센서의 속도 수(speed number)에 대응하는 기간들의 수를 이용하여 자신의 단면 형태를 변화시킨다.
이러한 경우에, 신호 극들의 쌍들의 개수 또는 속도 수로서 공지되는 것은 2차 권선들에서 얻어질(tapped off) 수 있는 전기 신호가 회전자의 완전한 기계적 회전, 즉, 360°회전 동안에 통과하는 전체 기간들의 개수를 나타낸다. 그것은 1-속도 리졸버에서는 전기 각도가 기계적 회전의 각도에 대응하지만, 3-속도 리졸버에서 360°의 전기 각도는 120°의 기계적 회전에 이미 도달되는 것을 의미한다.
발명에 따라, 1차 권선들은, 각각의 경우에, 1차 권선들을 보유하지 않는 적어도 하나의 치형부가 1차 권선들을 보유하는 치형부들 사이에 위치되는 방식으로 배열된다. 한편, 이러한 어레인지먼트는 리졸버가 간단한 방식으로 권선되는 기계가 되도록 허용한다. 다른 한편으로, 공차(tolerance)들에 의하여 야기되는 회전자의 편심률eccentricity)의 경우에, 발생하는 에러들은 감소될 수 있다. 마침내, 권선은 또한 단 하나의 코일을 갖는 느슨한(loose) 코일 몸체들상에서 수행될 수 있고, 예를 들어, 느슨한 코일 몸체들은 그 뒤에 고정자상에 맞춰지고, 회로 보드 또는 리드 프레임을 통해 서로 연결된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 1차 권선들의 부분 권선들은 교번(alternating) 권선 방향을 갖지 않으나, 동일한 방향으로, 예를 들어, 자속이 회전자의 회전축을 향하는 방향으로 안쪽을 향해 지향되는 방식으로 모두 권선된다.
그럼에도 불구하고, 역 배향이 또한 제공될 수 있으며, 몇몇 경우들에 있어서, 특정 개수의 극들이 비대칭 자속들을 보상하기 위하여 대향되는 방향으로 또한 권선될 수 있다.
발명에 따라, 식
Figure 112011099972316-pct00001
는 홀수이다. 이러한 경우에, n은 위상(phase)들의 개수이고(종래 리졸버들에 대하여, n은 보통 2, 즉, 사인 및 코사인임), p는 회전자상의 신호-생성 쉐이핑(signal-generating shaping)을 형성하는 로브들의 개수와 같고, t는 고정자의 치형부들의 개수이다.
제1 바람직한 실시예에 따라, 1차 권선의 부분 권선들(이하에서 대부분의 경우들에 있어 간단히 "1차 권선들"로서 지칭됨)이 짝수의 치형부들상에 배열되며, 1차 권선에서의 전압이 양일 때 리졸버의 회전축을 향하는 방향으로 자속이 배향되는 방식으로 모두 권선된다. 자속은 홀수의 치형부들을 통해 공급된다(feed back). 홀수의 치형부들은 2차 권선들로서 코사인 2차 권선 및 사인 2차 권선을 보유한다. 출력 전압들은 홀수의 치형부들 주변의 권선들에 유도된다.
대칭적 구성, 즉, 서로 대향하는 치형부들의 권선들이 각각 동일한 구성이 선택된다면, 고정자에 관한 회전자의 편심률에 대한 민감도는 감소된다.
공차들에 대한 둔감함(insensitivity) 및 정확성을 더욱 증가시키기 위하여, 추가적인 바람직한 실시예에 따라, 고정자의 각각의 치형부상에 배열될 2개의 권선들이 또한 제공될 수 있다. 다시, 각각의 경우에 1차 권선이 각각의 경우 서로에 인접하지 않은 치형부들상에 위치되고, 이에 따라, 사인 권선을 갖는 1차 권선, 코사인 권선을 갖는 1차 권선, 또는 2개의 2차 권선들(즉, 사인 및 코사인 권선들) 중 어느 것이든 하나의 그리고 동일한 치형부상에 서로 수용되는 치형부들을 제공한다. 다시, 발명에 따라, 식
Figure 112011099972316-pct00002
는 홀수인 것으로 의도된다. 발명에 따라, 회전자 및 권선도는 대칭적이어서, 편심률들은 훨씬 더 효율적으로 보상될 수 있다.
본 발명의 바람직한 전개에 따라, 리졸버는 전기 신호를 리턴하기 위한 적어도 하나의 리턴 경로를 추가로 포함할 수 있고, 리턴 경로는 회전자의 회전축을 가로지르는 평면에 배열된다. 이러한 리턴 경로는 자속의 회전축 방향에서 원치않는 방식으로 출력 신호들에 영향을 미칠 수 있는 것의 발생을 용이하게 방지할 수 있다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위하여, 발명은 하기의 도면들에 예시되는 예시적인 실시예들에 기반하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 이러한 경우에, 동일한 부분들에는 동일한 참조 심볼들 및 동일한 컴포넌트 명칭들이 제공된다. 추가로, 도시되고 설명된 실시예들로부터의 피쳐들의 조합들 또는 개별적인 피쳐들은 또한, 그들 자체의 장점에 따라 독립적인 진보적 해결책들 또는 발명에 따른 해결책들일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 권선도의 일 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 6-속도 리졸버를 통한 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 리졸버에 대한 권선도이다.
도 4는 도 2로부터의 고정자의 개별적인 치형부들상의 자계의 코스(course)를 도시한다.
도 5는 회전자와 고정자 사이에 오프셋이 없는 이상적인 경우에 대한, 도 2에 따른 6-속도 리졸버상의 시뮬레이션된 신호 코스들을 도시한다.
도 6은 회전자와 고정자 사이의 편심률 및 또한 회전자의 제작 공차들이 존재하는 경우에 대한, 도 2에 따른 6-속도 리졸버상의 시뮬레이션된 신호 코스들을 도시한다.
도 7은 편심률이 도 6의 2배인 경우에 대한, 도 2에 따른 6-속도 리졸버상의 시뮬레이션된 신호 코스들을 도시한다.
도 8은 이상적인 경우의 도 2의 어레인지먼트에 대한 기계적 각도의 함수로서의 출력 전압들의 예시이다.
도 9는 회전자의 편심(eccentric) 위치의 경우에 도 2의 어레인지먼트에 대한 기계적 각도의 함수로서의 출력 전압들을 도시한다.
도 10은 도 2의 실시예와 유사한 4-속도 리졸버에 대한 권선도이다.
도 11은 8-속도 리졸버에 대한 대안적인 권선도이다.
도 12는 대안적인 실시예의 코일 몸체들이 부착된 도 2의 고정자의 부분적 투시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 6-속도 리졸버의 제2 바람직한 실시예를 도시한다.
도 14는 도 13의 리졸버에 대한 권선도이다
도 15는 도 13의 어레인지먼트의 출력 전압들의 일 예시이다.
도 16은 도 2 및 도 13의 어레인지먼트들 사이의 비교에서 기계적 각도의 함수로서의 각도 편차(angular deviation)의 일 예시이다.
도 17은 도 2 및 도 13의 어레인지먼트들 사이에서의 비교에서 편심 회전자의 각도의 함수로서의 각도 편차의 일 예시이다.
도 18은 도 13의 실시예와 유사한 4-속도 리졸버에 대한 권선도이다.
도 19는 느슨한(loose) 코일 몸체들과 맞춰진 이후의 도 13으로부터의 어레인지먼트의 부분적 사시도이다.
도 20은 도 19로부터의 맞춰진 고정자의 부분적 사시도이다.
도 21은 회로 보드의 전기적 리턴 경로를 갖는, 완전히 설치된 상태의 도 13의 리졸버 어레인지먼트의 사시도이다.
도 22는 추가적인 바람직한 실시예에 따른 리졸버 어레인지먼트의 개략적 단면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 6-속도 리졸버(100)를 통한 개략적인 단면도이다. 이러한 경우에, 연자성 회전자(102)는 회전축(106)를 중심으로 회전가능하도록 고정자(104) 내에 장착된다. 이러한 도면에 도시되는 실시예의 회전자는 축(106)을 중심으로 회전하는 동안 고정자(104)의 치형부들(110)과 회전자(102) 사이에 가변 에어 갭을 야기하는 6개의 로브들(108)을 갖는다.
본 도면에 도시되는 6-속도 리졸버 어레인지먼트는 도 2에서 시계 방향으로 연속적으로 번호 매겨지는 전체 16개의 치형부들(110)을 제공한다. 치형부들(110)에서 발생하는 자속들은 화살표들에 의하여 심볼화된다. 발명에 따라, 여자(exciting) 1차 전류가 양일 때 그들의 자속(112)이 회전축(106)을 향하는 방향으로 안 쪽으로 지향되는 방식으로 1차 권선들이 권선되는 경우에, 극들로서 또한 지칭될 수 있는 짝수의 치형부들을 보유한다. 이러한 여자기(exciter) 권선들의 자속은 본 도면에서 실선 화살표에 의하여 심볼화된다. 발명에 따라, 여자기 권선들은 그에 따라서 서로 바로 인접한 극들이 아니라 하나 걸러서 하나의 극상에 배열된다.
추가로, 어레인지먼트는 회전축(106)에 대하여 점-대칭적이어서, 각각의 경우에 동일한 권선이 서로 대향하는 극들에 존재한다. 수신기 권선들, 즉, 회전자의 위치에 의하여 영향을 받는 유도된 자속이 발생하는 2차 권선들이 홀수의 극들에 부착된다. 이러한 경우에, 점선 화살표들(114)은 사인(sine) 권선들의 자속을 나타내고, 점선 화살표들(116)은 코사인 권선들을 통한 자속을 나타낸다. 측정될 출력 전압은 이러한 극들에서 권선들에 유도된다.
도시된 실시예에서 1차 권선들은 양의 1차 전류에 대한 자속이 리졸버(100)의 회전축(106)을 향하는 방향으로 지향되는 방식으로 배열되나, 역방향의 플럭스(flux)가 또한 제공될 수 있고, 몇몇 경우들에서 비대칭 자속들을 보상하기 위하여 역 플럭스(inverse flux)를 시뮬레이팅하는 방식으로 권선될 개별 코일들이 또한 제공될 수 있다. 발명에 따라, 식
Figure 112011099972316-pct00003
은 홀수이다. 이러한 경우에, n은 사인 및 코사인 신호를 이용한 종래의 리졸버들에 대하여 2인, 위상들의 개수를 나타내고, p는 회전자상의 로브들의 개수이며, t는 고정자상의 치형부들의 개수를 나타낸다. 따라서 도 2에 도시되는 어레인지먼트에서는,
Figure 112011099972316-pct00004
이 획득된다.
도 3은 도 2로부터의 어레인지먼트의 권선도의 개요이다. 이러한 경우에, 권선들의 개수는 고정자의 각각의 극들 위쪽에 상향 또는 하향되게 도시된다(plot). 양의 또는 음의 표시는 권선 방향을 나타낸다. 이로부터, 발명에 따라 한편으로는 1차 권선들이 짝수의 치형부들에만 부착되고 다른 한편으로 모두 동일한 방향으로 권선되는 것이 명백해질 것이다. 사인 2차 권선들 및 코사인 2차 권선들 각각은 교번 권선 방향들로 서로 직렬로 연결된다. 대안적으로, 극성(polarity)들은 또한 외부 접속부들을 통해 교환될 수 있으며, 모든 경우들에 있어 사인 2차 권선들 및 코사인 2차 권선들에 대하여 동일한 권선 방향이 사용될 수 있다.
도 4는 기계적 각도
Figure 112011099972316-pct00005
의 함수로서 도 2의 6-속도 리졸버의 극들(1 내지 8)의 각각의 개별적인 극에 대한 자계의 코스를 도시한다. 6-속도 리졸버에서 신호들이 회전자의 완전한 360° 회전 동안 6번 반복됨에 따라, 본 도면에서 그리고 하기의 도면들에서 단지
Figure 112011099972316-pct00006
=0° 내지
Figure 112011099972316-pct00007
=60° 범위만이 도시된다. 원칙적으로, 모든 신호들(전류, 자속, B-필드, 출력 전압, 등)은 예컨대, 2 kHz 내지 20 kHz의 주파수를 갖는 교번 신호들이다. 그러나, 간략화를 위하여, 단지 개별적인 진폭들이 도면들에 도시된다. 이러한 경우에 음의 진폭은 입력 값들이 하이(high)일 때 값들이 로우인 것을 의미한다.
직렬로 연결되는 코사인 전압들 또는 사인 전압들을 더하는 것은 도 5에 예시되는 시뮬레이션된 상태들을 생성한다. 이러한 도면은 한편으로는 사인 신호 및 코사인 신호를 그리고 다른 한편으로는
Figure 112011099972316-pct00008
=arc tan(sin/cos) 및 실제 각도 값에 따라 계산된 값으로부터 획득되는 편차 Δ
Figure 112011099972316-pct00009
를 도시한다. 도 5는 이상적인 조건들에 대한, 즉, 고정자 내에 회전자의 정확한 중앙 위치에 대한 측정의 기계적 에러 Δ
Figure 112011099972316-pct00010
를 도시한다.
반대로, 도 6은 회전자와 고정자 사이에 편심률이 발생할 때의 조건들을 도시한다. (도 5에 예시되는 바와 같이) 이상적인 경우의 결과들과 비교하여, 곡선 Δ
Figure 112011099972316-pct00011
는 부가적인 에러 컴포넌트 E를 갖는다.
도 7에 또한 도시되는 바와 같이, 측정의 에러가 회전자의 편심률에 선형적으로 좌우되지 않음에 따라, 회전자의 편심률이 2배가 될 때 훨씬 큰 부가적인 에러 컴포넌트 E가 발생한다.
편심 회전자의 이상적인 경우는 실제로 달성 불가능하며, 도 13의 제2 실시예를 참고하여 상세히 설명되는 바와 같이, 대안적인 권선도들은 장점들을 제공할 수 있다는 것이 증명될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 위에 개시된 실시예의 회전자 및 고정자의 발명에 따른 대칭은 에러 효과들의 부분적 보상의 결과로써 정확성의 현저한 개선을 제공한다.
도 8 및 9는 편심 회전자 위치(도 10)와 비교하여 이상적인 경우에 대한 출력 전압들의 개요들이다. 도면으로부터 명백한 바와 같이, 극 5 및 극 13에 대한 출력 신호들은 더 이상 합동(congruent)이 아니다. 이러한 방식으로, 편심률은 부분적으로 보상될 수 있다.
도 8에서, 극 9의 유도 전압은 극 1의 유도 전압에 대응되며, 극 13의 전압은 극 5의 전압에 대응된다. 완전한 코사인 출력 신호는 다음의 극들에서의 전압들의 합산으로부터 형성된다: 극 1 + 극 9 + 극 5 + 극 13.
각각의 경우에 180°만큼 서로 대향하는 면(side)들상의 권선들의 개수가 동일하다면, 이것은 신호들이 고정자에 관한 회전자의 편심률에 대해 덜 민감하게 반응하는 장점을 제공한다. 예를 들어, z mm만큼의 수평 변위가 추정되면, 극 5에서 회전자와 고정자 사이의 에어 갭의 크기는 정확하게 z mm만큼 감소되나, 극 13에서 에어 갭의 크기는 z mm만큼 클 것이다. 그 후 자속 및 그로부터의 유도 전압이 계산된다면, 극 5 및 극 13에서의 유도 전압들은 도 9에 도시되는 바와 같이 서로를 보상할 것이다.
발명에 따라, 릴럭턴스 리졸버는 공식
Figure 112011099972316-pct00012
에 따라 계산되는 특성 번호(characteristic number)를 갖는다. 2-위상 출력 신호(사인 및 코사인)를 갖는 종래의 리졸버는 사인, -사인, 코사인 및 -코사인을 갖는 적어도 4개의 극들을 요구한다. p개의 로브들을 갖는 회전자에서, 로브들은 360°/p에 각각 배열된다. 그 후 고정자상의 권선들은 하기의 표 1에 지정된 위치들에서 배열되며, 여기서 X는 자연수이다:
Figure 112011099972316-pct00013
t개의 치형부들을 갖는 리졸버의 극들이 위치들
Figure 112016083297954-pct00014
에 위치되며, 여기서 Y는 0 내지 t-1의 값들로 추정한다. 이러한 방식에 따라, 코사인 권선 및 그 뒤의 1차 권선은 제1 치형부상에 배열되고, 사인 또는 -사인 권선은 제3 치형부상에 배열된다. 따라서,
Figure 112016083297954-pct00015
는 그 후 사인 또는 -사인에 대한 회전자 위치에 따라 위치되어야 한다.
하기의 표 2에 도시되는 바와 같이, 사인 및 -사인 2차 권선들이 위치들
Figure 112011099972316-pct00016
에 위치되며, 여기서 x는 홀수이다. 표 2에 도시되는 어레인지먼트에서, 다음이 적용된다:
Figure 112011099972316-pct00017
Figure 112015039856809-pct00018
48개의 치형부들을 갖는 6-속도 리졸버는 물론
Figure 112011099972316-pct00019
를 이용(work)하지만, 제작하기에 훨씬 더 비싸고 복잡할 것이다.
제 1 실시예의 발명에 따른 리졸버의 추가적 실시예는 도 10을 참고하여 하기에 설명될 것이다. 하기의 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이,대칭적 구성을 갖는 4-속도 리졸버를 전개하기 위하여 32개의 극들이 요구된다. 여기서 16-극 고정자는 1차 권선들에 대하여 충분한 공간을 제공하지 않는다.
Figure 112011099972316-pct00020
다시, 1차 권선의 모든 부분 권선들은 한 방향으로 권선되고, 서로 옆에 위치되는 고정자의 치형부들상에 위치되지 않는다.
도 11은 32개의 극들을 갖는 고정자를 구비한 8-속도 리졸버에 대한 권선도이다. 다음의 표 4에 리스트화된 것과 같이, 각각의 경우에 본 실시예에서는 2차 권선들 사이에 적어도 2개의 1차 권선들이 배열된다.
이러한 경우에 대하여
Figure 112011099972316-pct00021
가 계산되면, 2, 즉 짝수가 획득된다.
따라서 2개의 1차 권선들 및 하나의 2차 권선의 규칙적 패턴은 11 내지 16 및 27 내지 32의 극들에서 유지될 수 없다. 이러한 극들에서, 권선들의 개수는, 어디서든 이러한 영역들 옆의 극들에서 유사한 자계를 달성하기 위하여 변경된다. 1차 권선의 부분 권선들 전부는 동일한 방향으로 권선되어, 전송된 자속은 고정자의 원주를 따르는 어디서든 회전자를 향하는 방향으로 향한다.
Figure 112011099972316-pct00022
도 12에 도시된 것과 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 개별적 권선들이 느슨한 코일 몸체들(118)상에 권선되고, 전기 접속부들(120, 122)을 갖는 이러한 코일 몸체들은 고정자(104)의 치형부들(110)에 슬라이딩된다(slid onto).
개별적인 코일 접속부들(120, 122)을 서로에 연결하기 위하여, 배선 보드(124)가 다음 동작에서 도 18에 도시된 것과 같이, 설치된다. 배선 보드(124)는 서로에 원하는 접속부들을 연결하는 컨덕터 트랙들(126)을 보유한다. 이러한 경우에, 배선 보드(124)는, 공지된 방식으로, 인쇄 회로 보드, 플렉서블 회로 보드, 또는 리드 프레임에 의해 형성될 수 있다. 컨덕터 트랙들(126)과 코일 몸체들(118)의 접속부들(120, 122) 사이의 접촉은 공지된 방식으로, 납땜, 접착 결합, 프레싱-인(pressing-in) 또는 다른 공지된 전기적 접촉 수단을 통해 실행된다.
앞서 언급된 바와 같이, 이전에 논의된 제1 실시예에서 회전자와 고정자 사이의 편심률은 현저한 부정확성들을 초래할 수 있다. 따라서 제2 실시예는 각각의 고정자 극상에 2개의 개별적 권선들이 배열되는 어레인지먼트를 제안한다. 도 13은 이러한 타입의 대안적 6-속도 리졸버를 통한 개략적 단면이다.
다시, 짝수의 극들만이 1차 권선들을 보유하며, 모든 1차 권선들은 자속 포인트들의 방향이 회전자의 회전축(106)을 향하는 방식으로 권선된다. 자속은 홀수의 극들을 통해 리턴된다. 그러나, 전술한 실시예와 대조적으로, 도 13에 도시된 실시예에 따라, 각각의 고정자 극은 또한 제2 권선을 보유하여, 하나의 2차 권선을 갖는 1차 권선 또는 2개의 상이한 2차 권선들이 함께 하나의 동일한 고정자 극상에 배열된다.
도 14는 도 13으로부터의 6-속도 리졸버에 대한 권선도이다. 이로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따라, 1차 권선들은 전부 동일한 개수의 권선들을 갖지만, 사인 2차 권선들 및 코사인 2차 권선들보다 더 적은 권선들을 가질 수 있다. 그러나, 대안적으로 동일한 개수의 권선들이 어디에서든 사용되는 것이 또한 가능하고, 따라서 제작이 간단해진다.
도 15는 1, 2, 3, 5, 6 및 7 극들에서의 출력 전압들의 일 예를 도시한다. 9, 10, 11, 13, 14 및 15 극들에 유도된 전압들은 이들과 동일하다. 전체 코사인 신호는 이러한 극들에 유도된 전압들 전부의 합산으로부터 계산된다.
이러한 제2 실시예의 장점은 도 16 및 17의 검사에서 알 수 있다. 도 16은 정확한 중심 회전자에 대하여 도 13으로부터의 실시예에서 각도 편차 Δ
Figure 112011099972316-pct00023
2와 비교하여 도 2의 실시예의 각도 편차 Δ
Figure 112011099972316-pct00024
1을 도시한다. 2개의 곡선들은 매우 유사한 코스를 가져, 이러한 경우에 차이가 존재하지 않는다.
그러나, 도 17에서 명백한 바와 같이, 회전자가 중심을 벗어나 배열되는 경우에 대해 도 13으로부터의 어레인지먼트에 대한 에러 Δ
Figure 112016083297954-pct00025
2는 이제 도 2로부터의 어레인지먼트의 에러 Δ
Figure 112016083297954-pct00026
2의 크기의 단지 절반이다. 이것은 회전자의 비-중심 어레인지먼트 때문에 개별적 극들의 유도된 전압들이 비대칭적이어서, 출력 신호들의 편차들을 초래한다는 사실에 의해 설명될 수 있다. 에어 갭의 변동의 결과로서 극들의 불균일한 자속의 검출에 의하여 진폭의 변형들이 야기된다. 이러한 부정확성들은 그들이 분석될 때 더 높은 차수의 고조파(harmonics)로서 검출된다. 이러한 부정확성들을 방지하기 위하여, 도 13에 따른 대안적인 권선도는 검출기 회로들의 더 많은 권선들을 포함한다. 예를 들어, 이전에 도시된 4개의 2차 권선들 대신에 12개의 2차 권선들이 제공된다. 따라서 검출기 코일들의 자속 진폭의 변형의 결과로서의 에러들은 각각 인접한 극들에 의하여 교정된다.
각각의 경우에 4-속도 리졸버에 대한 각각의 고정자 극상에 2개의 권선들을 갖는 대안적인 권선도가 도 18에 도시된다.
도 19 내지 21에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 2개의 권선들이 느슨한 코일 몸체(118)상에 권선되는 것이 또한 가능하며, 여기서 4개의 전기 접속부들(120, 121, 122, 123) 전부가 바깥 쪽으로 가이딩되어야 한다. 리드 프레임 또는 인쇄 회로 보드(124)의 도움으로 연결이 또한 가능하다.
도 21은 인쇄 회로 보드(124)가 전기 신호를 위한 리턴 경로(128)를 포함하는 배선 보드(124)의 실시예를 도시한다. 이러한 리턴 경로(128)는 회전축 방향에서, 원치 않는 방식으로 출력 신호들에 영향을 미칠 수 있는 자속 접속의 발생을 방지할 수 있다. 다른 2개 회로들은 회로 보드의 밑면상에 유사한 리턴 경로들을 갖는다.
마지막으로, 도 22는 2개의 로브들을 갖는 회전자(102)가 16-극 고정자(104)와 결합되는 2-속도 리졸버(100)를 도시한다. 이것은 32-극 고정자를 갖는 4-속도 회전자와 유사하다. 본 실시예에서, 오직 하나 걸러 하나의 치형부(110)에만 1차 권선 및 2차 권선만이 제공된다. 모든 1차 권선들이 동일한 방향으로 그리고 회전자 및 고정자가 완전히 대칭으로 권선되는 모든(both) 원리가 또한 본 실시예에서 구현된다. 이것은 특히 간단한 조립 능력 외에도, 임의의 조립 및 제작 공차에 대한 둔감성 및 정확성에 관하여 상기 개시된 장점들을 제공한다.
전술한 논의는 모든 경우들에 있어 느슨한 코일 몸체들로 가정하였으나, 본 발명에 따른 권선들은 또한 고정자상에 직접 권선될 수 있으며, 여기서 (반드시 그래야 하는 것은 아니지만) 부가적인 플라스틱 물질 부분들이 사용될 수 있다. 그 후 대부분의 연결부들이 자기 와이어의 도움으로 직접 실행될 수 있다. 전기 신호에 대한 리턴 경로는 또한 그 후 케이블 또는 자기 와이어를 이용하여 구현된다.

Claims (15)

  1. 자기전자 각도 센서(magnetoelectronic angle sensor)로서,
    적어도 부분적으로 강자성인(ferromagnetic) 고정자(104) 및 적어도 부분적으로 강자성인 회전자(102) ― 상기 고정자 및 상기 회전자는 환형 에어 갭(air gap)을 형성함으로써 서로 대향되고, 상기 회전자가 회전축(106)을 중심으로 회전할 때 원주(circumference)를 따라 변하는 상기 회전자의 형태로 인하여 상기 에어 갭의 자기 저항이 주기적으로 변화함 ―;
    상기 고정자(104)상에 배열되고, 그리고 극(pole)들의 적어도 하나의 쌍을 통해 상기 에어 갭에 미리 정의된 자속(magnetic flux) 분포를 생성하는 자속 전송기; 및
    상기 고정자(104)상에 배열되고, 그리고 서로로부터 일정 각도로(at an angle) 오프셋되어 배열되는 신호 극들의 적어도 2개의 쌍들을 통해 자계의 강도를 측정하는 자속 수신기 ― 상기 고정자(104)에 관한 상기 회전자(102)의 위치에 대한 각도 값은 상기 2개의 수신기 신호들로부터 유추될 수 있음 ―
    를 포함하며, 상기 고정자(104)는 상기 원주에 걸쳐 분포되는 다수의 치형부들(teeth)(110)을 가지며, 상기 다수의 치형부들(110)은 홈(groove)들에 의하여 서로로부터 분리되고, 그리고 상기 자속 전송기는 상기 치형부들 중 적어도 하나가 1차 권선들을 보유(carry)하지 않는 방식으로 배열되는 적어도 2개의 1차 권선들을 포함하고,
    상기 자속 전송기의 1차 권선 및 상기 자속 수신기의 2차 권선은 각각의 경우에, 교번하여(in alternation) 상기 원주에 걸쳐 분포되는 상기 고정자(104)의 상기 치형부들(110)상에 배열되는, 자기전자 각도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 권선들은 방사상으로(radially) 확장되는 자속을 생성하는 방식으로 배열되며, 상기 자속의 방향은, 각각의 경우에, 모든 상기 1차 권선들에 대해 동일한 방식으로, 상기 회전축을 향하거나 또는 상기 회전축으로부터 벗어나는 방향으로 배향되는, 자기전자 각도 센서.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    특성 변수(characteristic variable)
    Figure 112016083297954-pct00027
    는 홀수이고, 여기서 n은 상기 각도 센서의 위상들의 개수와 동일하고, p는 상기 회전자상에 쉐이핑(shaping)을 형성하는 캠(cam)들의 개수와 동일하며, t는 상기 고정자상의 치형부들의 개수와 동일한, 자기전자 각도 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자속 수신기는 적어도 2개의 사인 2차 권선들, 및 상기 사인 2차 권선들로부터 90 전기 각도(electrical degree)만큼 오프셋되는 적어도 2개의 코사인 2차 권선들을 가지는, 자기전자 각도 센서.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 권선들은 개별 코일 몸체들(118)에 각각 부착되는, 자기전자 각도 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    인쇄 회로 보드(124), 플렉서블(flexible) 회로 보드, 또는 리드(lead) 프레임을 통해 권선들 사이에 전기 접속부들이 생성되는, 자기전자 각도 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 코일 몸체들(118)의 접속부들과 상기 인쇄 회로 보드(124) 또는 상기 리드 프레임 사이의 전기 접속부는 납땜된 접속부들, 용접된 접속부들, 또는 프레스-인(press-in) 접속부들에 의하여 생성되는, 자기전자 각도 센서.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고정자(104)의 상기 치형부들(110) 각각 상에 2개의 상이한 권선들이 배열되는, 자기전자 각도 센서.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전기 신호를 리턴(return)하기 위한 적어도 하나의 리턴 경로(128)를 더 포함하는, 자기전자 각도 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 리턴 경로(128)는 와이어(wire) 또는 인쇄 회로 보드(124)상의 컨덕터 트랙(conductor track)에 의하여 형성되는, 자기전자 각도 센서.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 모든 상기 1차 권선들이 동일한 개수의 권선들을 갖는, 자기전자 각도 센서.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    목표된 방식으로, 전송되는 자계에 영향을 미치기 위하여, 상기 1차 권선들 중 적어도 하나는 나머지 1차 권선들과 상이한 개수의 권선들을 갖는, 자기전자 각도 센서.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전자(102) 및 상기 고정자(104)는 상기 회전축(106)에 대하여 그들의 단면이 점-대칭적으로 구성되며, 상기 회전자(102) 및 상기 고정자(104) 상부에는 자속들이 발생하는, 자기전자 각도 센서.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 고정자(104)의 하나 걸러서 하나의 치형부 상에서, 1차 권선 및 2차 권선은 각각의 경우에 사인 2차 권선들 및 코사인 2차 권선들이 교번하는 방식으로 배열되는, 자기전자 각도 센서.
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