KR102253691B1 - 가변 릴럭턴스형 리졸버 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 환형의 스테이터 코어 및 상기 스테이터 코어의 내주면에서 축 방향 내측으로 돌출된 복수 개의 티스를 포함하는 스테이터부; 상기 스테이터부의 내측에 이격 배치되며 중심 축을 기준으로 회전되는 로터부; 및 상기 스테이터부의 일측에 형성된 단자부;를 포함하고, 상기 로터부는 외주면을 따라 외측으로 볼록하게 형성된 적어도 하나의 돌극부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 돌극부 각각은 타원의 호 형상으로 형성된, 가변 릴럭턴스형 리졸버에 관한 것이다.

Description

가변 릴럭턴스형 리졸버
본 발명의 일 실시예는 가변 릴럭턴스형 리졸버에 관한 것이다.
가변 릴럭턴스형 리졸버(Variable reluctance resolver)는 위치·각도 센서로서, 여자코일에 수 kHz의 reference 신호가 인가되면, 로터의 위치에 따라 바뀐 신호가 출력으로 나타난다. 출력 신호는 상호 90도의 위상차를 갖는 두 개의 출력으로 구성될 수 있고, 두 개의 출력코일 중 어느 하나는 sin파형의 출력신호를 나타낼 수 있고 나머지 하나는 cos파형의 출력신호를 나타낼 수 있다. 상기 두 가지 출력신호를 통해 로터의 회전 각도를 파악할 수 있다. 이와 관련하여, 종래의 미국등록특허 제7030532호를 참고할 수 있다.
위와 같은 가변 릴럭턴스형 리졸버는 내환경성이 좋아 방산 제품, 특수환경 제품등에 각도센서로 사용되며, 산업용이나 차량 등에 광범위하게 적용되고 있다.
본 발명의 실시예들은 신규한 구조 및 형상의 회전자(Rotor)를 포함하는 가변 릴럭턴스형 리졸버를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 회전자의 형상에 복수 개의 돌극부를 형성하여 자기력 갭의 퍼미언스(permeance)가 타원 함수에 따라 움직이도록 하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스형 리졸버를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 위치 및 각도 측정의 오차 범위가 감소되고, 정밀도가 증가될 수 있는 가변 릴럭턴스형 리졸버를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 환형의 스테이터 코어 및 상기 스테이터 코어의 내주면에서 축 방향 내측으로 돌출된 복수 개의 티스를 포함하는 스테이터부; 상기 스테이터부의 내측에 이격 배치되며 중심 축을 기준으로 회전되는 로터부; 및 상기 스테이터부의 일측에 형성된 단자부;를 포함하고, 상기 로터부는 외주면을 따라 외측으로 볼록하게 형성된 적어도 하나의 돌극부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 돌극부 각각은 타원의 호 형상으로 형성된, 가변 릴럭턴스형 리졸버를 제공할 수 있다.
상기 적어도 하나의 돌극부 각각은, 상호 직각을 이루며 직경이 더 큰 장축과 직경이 더 작은 단축을 포함하는 상기 타원에 있어서, 상기 단축을 기준으로 축 대칭을 이루는 호 형상으로 형성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 돌극부 각각의 외주면 중심 위치에서 상기 로터의 중심 축까지의 연장선이 상기 타원의 상기 단축과 일치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 돌극부 각각의 외주면은, 상기 단축과 접하는 호 형상으로 형성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 돌극부 중 어느 하나의 외주면을 포함하는 타원에 있어서, 상기 타원 중심은 상기 중심 축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 이격되어 위치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 돌극부 각각의 외주면은 하기의 수학식을 따라 형성될 수 있다.
Figure 112019099230333-pct00001
(여기서, a는 상기 타원의 장축 길이의 절반이며, b는 상기 타원의 단축 길이의 절반)
상기 돌극부는 적어도 2개 형성되며, 상기 적어도 2개의 돌극부는 상기 중심 축을 중심으로 방사상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 신규한 구조 및 형상의 회전자(Rotor)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면 회전자의 형상에 복수 개의 돌극부를 형성하여 자기력 갭의 퍼미언스(permeance)가 타원 함수에 따라 움직이도록 하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스형 리졸버를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면 위치 및 각도 측정의 오차 범위가 감소되고, 정밀도가 증가될 수 있는 가변 릴럭턴스형 리졸버를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 가변 릴럭턴스형 리졸버의 형상을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 회전 축에 직교하는 단면 형상을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버 및 종래의 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상을 함께 나타낸 도면
도 4의 (a)는 도 1에 도시된 종래의 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 성능 실험 데이터를 나타낸 도면이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제1 성능 실험 데이터를 나타낸 도면이고, 도 4의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제2 성능 실험 데이터를 나타낸 도면이고, 도 4의 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제3 성능 실험 데이터를 나타낸 도면
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제4 성능 실험 데이터를 나타낸 도면이고, 도 5의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제5 성능 실험 데이터를 나타낸 도면이고, 도 5의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제6 성능 실험 데이터를 나타낸 도면이고, 도 5의 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제7 성능 실험 데이터를 나타낸 도면
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제8 성능 실험 데이터를 나타낸 도면이고, 도 6의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제9 성능 실험 데이터를 나타낸 도면이고, 도 6의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 제10 성능 실험 데이터를 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 종래의 가변 릴럭턴스형 리졸버의 형상을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)의 회전 축에 직교하는 단면 형상을 나타낸 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)는 스테이터부(100), 로터부(200) 및 단자부(400)를 포함할 수 있다. 이 때, 스테이터부(100)는 환 형의 복수 개의 시트가 적층되어 형성된 스테이터 코어(110) 및 스테이터 코어(110)의 내주면에서 축 방향 내측으로 돌출되어 코일부(500)가 권취된 복수 개의 티스(120)를 포함할 수 있다. 또한, 로터부(200)는 스테이터부(100)의 내측에 위치될 수 있고 복수 개의 티스(120)의 말단과 이격 배치되며 중심 축(210)을 기준으로 회전될 수 있다.
또한, 로터부(200)는 외주면을 따라 외측으로 볼록하게 돌출 형성된 적어도 하나의 돌극부(220)를 포함할 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 돌극부(220) 각각은 타원(221)의 호 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 상술한 코일부(500)는 여자코일(510) 및 출력코일(520)을 포함할 수 있다. 이 때, 출력코일(520)은 두 개로 구성될 수 있고, 두 개의 출력코일(520) 중 어느 하나는 sin파형의 출력신호를 나타낼 수 있고 나머지 하나는 cos파형의 출력신호를 나타낼 수 있다.
상술한 적어도 하나의 돌극부(220) 각각의 외주면은 상호 직각을 이루며 직경이 더 큰 장축과 직경이 더 작은 단축을 포함하는 타원(221)의 호 일 수 있다. 즉, 적어도 하나의 돌극부(220) 각각의 외주면을 연장할 경우 장축 및 단축을 포함하는 가상의 타원(221)으로 형성될 수 있다.
또한, 상술한 적어도 하나의 돌극부(220) 각각은 장축과 단축을 포함하는 상술한 타원(221)에서 단축을 기준으로 축 대칭을 이루는 호 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 적어도 하나의 돌극부(220) 각각의 외주면 중심 위치에서 로터부(200)의 중심 축(210)까지의 연장선이 상기 타원(221)의 상기 단축과 일치할 수 있다. 나아가, 적어도 하나의 돌극부(220) 각각의 외주면은 단축과 접하는 호 형상으로 형성될 수 있다.
이 때, 적어도 하나의 돌극부(220) 각각의 외주면은 하기의 수학식 1을 따라 형성될 수 있다.
Figure 112019099230333-pct00002
(여기서, a는 상기 타원(221)의 장축 길이의 절반이며, b는 상기 타원(221)의 단축 길이의 절반)
나아가, 상술한 적어도 하나의 돌극부(220) 각각의 외주면을 포함하는 가상의 타원(221)은 상술한 수학식 1에 따라 형성될 수 있다. 즉, 상술한 돌극부(220) 각각은 로터부(200)의 중심 축(210) 방향을 따라 형성된 단축 길이가 로터부(200)의 중심 축(210) 방향에 수직한 장축 길이보다 짧게 형성된 타원(221) 형상일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)의 경우, 돌극부(220)가 적어도 2개 형성되며 적어도 2개의 돌극부(220)는 로터부(200)의 중심 축(210)을 중심으로 방사상으로 형성될 수 있다. 이를 통해, 스테이터 코어(110)의 내주면에서 중심 축(210) 방향으로 돌출 형성된 복수 개의 티스(120) 및 적어도 2개의 돌극부(220) 외주면은 상호 대면할 수 있다.
한편, 도 2에는 돌극부(220)가 4개가 형성된 경우의 예시를 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 이에 한정되지 않는다.
또한, 적어도 하나의 돌극부(220) 각각의 외주면을 포함하는 가상의 타원 중심(2211)은 로터부(200)의 중심 축(210)으로부터 반경 방향으로 소정 거리(B) 이격되어 위치될 수 있다. 즉, 3개의 돌극부(220)가 형성된 경우 3개의 돌극부(220) 각각의 외주면은 타원(221)의 호 형상으로 형성될 수 있고, 3개의 돌극부(220) 외주면을 포함하는 3개의 타원 중심(2211) 각각은 로터부(200)의 중심 축(210)으로부터 방사상으로 소정 거리(B) 이격되어 위치될 수 있다.
나아가, 적어도 하나의 돌극부(220) 중 어느 하나의 외주면을 포함하는 가상의 타원 중심(2211)은 상기 어느 하나의 돌극부(220) 외주면과 로터부(200)의 중심 축(210) 사이에 위치될 수 있다. 즉, 어느 하나의 돌극부(220) 외주면을 포함하는 가상의 타원 중심(2211)은 중심 축(210)에서 어느 하나의 돌극부(220) 외주면 방향으로 소정 거리(B) 이격 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)는 스테이터 코어(110)의 축 방향 양측에서 조립되는 한 쌍의 인슐레이터(300)를 더 포함할 수 있다. 또한, 단자부(400)는 여자코일(510)의 말단 및 출력코일(520)의 말단이 연결되는 복수 개의 단자 핀(미도시 됨)을 고정 및 지지하는 단자 지지부재(미도시 됨)를 포함할 수 있다. 단자 지지부재는 한 쌍의 인슐레이터(300) 중 어느 하나에 일체로 형성될 수 있다.
구체적으로, 단자부(400)는 스테이터부(100)의 반경 방향 일측에 위치될 수 있다. 또한, 한 쌍의 인슐레이터(300)는 복수 개의 티스(120)의 외면 적어도 일부(바람직하게는, 각각의 티스(120) 돌출 방향을 중심 축으로 하는 둘레 면)를 감싸도록 형성될 수 있고, 스테이터 코어(110)의 축 방향 양측면 중 적어도 일부는 한 쌍의 인슐레이터(300)에 의해 감싸질 수 있다. 이를 통해, 여자코일(510) 및 출력코일(520)을 포함하는 코일부(500)는 복수 개의 티스(120) 상에 한 쌍의 인슐레이터(300)를 매개로 권취될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10) 및 종래의 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부(200) 형상을 함께 나타낸 도면이고, 도 4의 (a)는 도 1에 도시된 종래의 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 성능 실험 데이터를 나타낸 도면이다. 또한, 도 4의 (b) 내지 (d), 도 5의 (a) 내지 (d) 및 도 6의 (a) 내지 (c) 각각은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)의 로터부(200) 형상에 따른 제1 내지 제10의 성능 실험 데이터를 각각 나타낸 도면이다.이 때, 도 3에 점선으로 도시된 부분은 종래의 가변 릴럭턴스형 리졸버의 돌극부(220') 외주면을 나타낸 것이고, 실선으로 도시된 부분은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)의 돌극부(220) 외주면을 나타낸 것이다.
이 때, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)의 로터부(200) 형상에 따른 제1 내지 제10 성능 실험 데이터 각각은 돌극부(220) 외주면을 포함하는 타원(221) 형상의 단축 길이에 대한 장축 길이의 비(a/b)를 0.02 단위로 달리하며 측정한 정밀도(또는 오차율)의 결과 데이터이다. 또한, 종래의 가변 릴럭턴스형 리졸버의 로터부 형상에 따른 성능 실험 데이터 및 제1 내지 제10 성능 실험 데이터 결과를 하기 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019099230333-pct00003
도 3, 도 4의 (a) 내지 (d), 도 5의 (a) 내지 (d) 및 도 6의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 도 1에 도시된 종래에 소정 반경(r)의 원호 형상으로 형성된 돌극부(220') 외주면을 포함하는 가변 릴럭턴스형 리졸버의 출력 정밀도(accuracy)를 살펴보면, 정밀도(또는 오차율)가 16.7535min으로 나타났다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)의 출력 정밀도를 살펴보면, 제1 내지 제10 각각의 성능 실험 데이터 정밀도가 각각 16.0524min, 15.8054min, 15.7852min, 15.7741min, 15.5057min, 16.5315min, 16.9618min, 19.7400min, 21.3530min 및 23.3762min으로 나타남을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)의 로터부(200)에서 돌극부(220) 외주면을 포함하는 타원(221) 형상의 단축 길이에 대한 장축 길이의 비(a/b)가 1.04 내지 1.10으로 형성되는 경우 정밀도가 16min 이하로 형성됨을 알 수 있고, 이는 종래의 원호형 돌극부를 포함하는 로터부 형상에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버보다 정밀도가 0.7min 이상이 개선된 것으로서 회전 각도 측정의 정확도가 가장 중요한 가변 릴럭턴스형 리졸버에 있어 큰 폭의 정밀도 개선이 이루어짐을 알 수 있다.
또한, 각도 1o는 60min으로 나타낼 수 있고(1o = 60 min), 종래의 가변 릴럭턴스형 리졸버의 정밀도(또는 오차율)는 0.279o로 형성되는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)의 경우 돌극부(220) 외주면을 포함하는 타원(221) 형상의 단축 길이에 대한 장축 길이의 비(a/b)가 1.04 이상 및 1.10 이하로 형성됨에 따라 정밀도(또는 오차율)는 0.267o 이하로 형성되어 크게 개선됨을 알 수 있다. 나아가, 돌극부(220) 외주면을 포함하는 타원(221) 형상의 단축 길이에 대한 장축 길이의 비가 1.04 이상 및 1.10 이하로 형성되는 경우 단축 길이에 대한 장축 길이의 비(a/b)가 1.10 이상으로 형성되는 경우에 비해 정밀도가 큰 폭으로 개선됨을 알 수 있다.
상술한 실험 결과에서 알 수 있듯, 타원형 돌극부(220)가 형성된 로터부(200)를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)의 경우 종래의 원호 돌극부(220')가 형성된 로터부를 포함하는 가변 릴럭턴스형 리졸버에 비해 개선된 측정 정밀도를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 상술한 실험 데이터는 로터부 및 스테이터부 형상이 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스형 리졸버(10)에서 로터부(200)의 돌극부(220) 형상 및 타원(221)의 단축에 대한 장축 길이의 비율(a/b)만을 변경하여 측정한 값이다. 즉, 돌극부(220)의 개수, 티스(120)의 개수, 티스(120)별 코일부(500) 권회 수, 로터부(200)와 스테이터부(100) 각각의 내경 및 외경 등의 나머지 조건은 모두 동일한 조건에서 실시되었다.
또한, 상술한 성능 실험 데이터는 JMAG 프로그램을 통한 전자기 해석을 통해 수행되었다. 이 때, 상술한 정밀도(또는 오차율)이란, 돌극부(220) 형상에 대한 조건만을 변경한 각각의 조건에서 가변 릴럭턴스형 리졸버의 출력 파형을 분석한 후 해석된 출력 회전 각도 프로파일을 연산하고, 해석된 출력 회전 각도 프로파일과 이상적인 회전 각도 프로파일(상술한 성능 실험 데이터에서 y축의 0)을 비교했을 때 해석된 출력 회전 각도 프로파일의 최대값과 최소값의 차이 크기를 정밀도(또는 오차율)로 정의할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (7)

  1. 환형의 스테이터 코어 및 상기 스테이터 코어의 내주면에서 축 방향 내측으로 돌출된 복수 개의 티스를 포함하는 스테이터부;
    상기 스테이터부의 내측에 이격 배치되며 중심 축을 기준으로 회전되는 로터부; 및
    상기 스테이터부의 일측에 형성된 단자부;를 포함하고,
    상기 로터부는 외주면을 따라 외측으로 볼록하게 형성된 적어도 하나의 돌극부를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 돌극부의 각각은 타원의 호 형상으로 형성되고,
    상기 적어도 하나의 돌극부의 각각의 외주면은 하기의 수학식을 따라 형성되는, 가변 릴럭턴스형 리졸버.
    Figure 112021014032973-pct00010
    이고, 1.04 ≤ a/b ≤ 1.10
    (여기서, a는 상기 타원의 장축 길이의 절반이며, b는 상기 타원의 단축 길이의 절반)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 돌극부의 각각은,
    상호 직각을 이루며 직경이 더 큰 장축과 직경이 더 작은 단축을 포함하는 상기 타원에 있어서,
    상기 단축을 기준으로 축 대칭을 이루는 호 형상으로 형성된, 가변 릴럭턴스형 리졸버.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 적어도 하나의 돌극부의 각각의 외주면 중심 위치에서 상기 중심 축까지의 연장선이 상기 타원의 상기 단축과 일치하는, 가변 릴럭턴스형 리졸버.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 적어도 하나의 돌극부의 각각의 외주면은,
    상기 단축과 접하는 호 형상으로 형성된, 가변 릴럭턴스형 리졸버.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 돌극부 중 어느 하나의 외주면을 포함하는 타원에 있어서,
    상기 타원의 중심은 상기 중심 축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 이격되어 위치된, 가변 릴럭턴스형 리졸버.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌극부는 적어도 2개 형성되며,
    상기 적어도 2개의 돌극부는 상기 중심 축을 중심으로 방사상으로 형성된, 가변 릴럭턴스형 리졸버.
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