WO2019123592A1 - 冗長型レゾルバ、およびそれを用いた回転角度検出装置 - Google Patents

冗長型レゾルバ、およびそれを用いた回転角度検出装置 Download PDF

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WO2019123592A1
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excitation
winding
windings
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紘子 池田
勇二 滝澤
一将 伊藤
信一 山口
俊宏 松永
陽介 杉野
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三菱電機株式会社
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    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2046—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core

Definitions

  • the present invention relates to a redundant resolver using a change in permeance in a gap between a rotor and a stator, and a rotation angle detection device using the same.
  • Patent Document 1 discloses that two resolvers are stacked in two stages.
  • Patent Document 2 discloses JP-A-2007-189834 (Patent Document 2) and JP-A-2009-222435 (Patent Document 3) disclose a redundant resolver having two pairs of stators and a rotor in the radial direction. It is done.
  • Patent Document 3 discloses Japanese Patent Application Laid-Open Nos.
  • Non-Patent Document 1 both the 4-pole excitation winding and the 2-pole output winding are fixed If the rotor is provided with a rotor and the shape of the gap permeance changes appropriately with respect to the circumferential position, the rotor has a simple structure of an iron core having no winding, and the output winding has Research has been published in which a two-phase voltage whose amplitude changes sinusoidally with one full cycle depending on the position of the rotor is obtained.
  • the redundant resolver disclosed in Patent Document 1 has an axial dimension twice as large as that of a one-system resolver because two resolvers are constructed by stacking the stator and rotor in two stages via a shaft. There was a growing challenge.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and prevents the increase in axial dimension due to redundancy while suppressing the deterioration of manufacturability and the increase in cost, and further improving the angle detection accuracy.
  • An object of the present invention is to provide a resolver and a rotation angle detection device using the resolver.
  • a redundant resolver comprises a pair of rotors and a stator, wherein the rotor is a rotor having a shaft double angle Nx having Nx (Nx is a natural number) salient poles, and the stator is , N is a natural number, and n teeth are sequentially arranged in the circumferential direction, and divided into M in the circumferential direction to constitute M systems, and the total angle of teeth constituting one system is 360 / M degrees In each of the n teeth, an excitation winding of one phase and an output winding of two phases are wound, and excitation signals of the same frequency are applied to the excitation windings by different excitation circuits.
  • the present invention is characterized in that the output order per system is Nout (Nout is a natural number), and an abnormality is detected by the output signal of the M system.
  • the redundant resolver according to the present invention has a structure in which a stator is divided in the circumferential direction to form a redundant system, and the output order per system is Nout (Nout is a natural number). Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the manufacturability and the cost increase while preventing the expansion of the axial dimension due to the redundancy, and further improve the angle detection accuracy.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a redundant resolver according to Embodiment 1 of the present invention. It is stator sectional drawing of the redundant resolver which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a block block diagram of the rotation angle detection apparatus using the redundant resolver which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a figure which shows the number of turns of the excitation winding of the redundant resolver concerning Embodiment 1 of this invention. It is a figure which shows the number of turns of the output winding of the redundant resolver concerning Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a rotation angle detection apparatus using a redundant resolver according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the redundant resolver according to Embodiment 1
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a stator of a redundant resolver according to a first embodiment
  • FIG. 4 is a block diagram of a rotation angle detection apparatus using the redundant resolver according to the first embodiment.
  • the rotation angle detection apparatus 100 includes an angle calculator 1 and a redundant resolver (hereinafter, simply referred to as resolver) 2.
  • the resolver 2 is composed of a pair of stators 3 and a rotor 4, and the stator 3 includes windings 5.
  • the rotor 4 of the resolver 2 is connected via a shaft 6 to the rotating electrical machine 7 or to the rotating parts of various devices.
  • the resolver 2 has a number Ns of teeth T1 to T14 of the stator 3 (hereinafter, “from” is described as “!) as shown in FIG. 2, and the number Nx of salient poles of the rotor 4 is 14 It is assumed that five.
  • the number Nx of salient poles is also called an axial double angle.
  • teeth T1 to T7 of the stator 3 are first system teeth
  • teeth T8 to T14 of the stator 3 are second system teeth.
  • Each tooth is wound with a one-phase excitation winding and a two-phase output winding. That is, as shown in FIGS. 3 and 4, the first system teeth T1 to T7 include the first system excitation windings R1 to R7, the first first system output windings Sa1 to Sa7, and the second The first system output windings Sb1 to Sb7 are wound.
  • second series teeth T8 to T14 second series excitation windings R8 to R14, first second series output windings Sa8 to Sa14, and second second series output windings Sb8 to Sb14. Is wound.
  • the first system excitation circuit 10 and the second system excitation are provided via the output terminals 9a provided in the extension portion 8 of the resolver 2 for the first system excitation windings R1 to R7 and the second system excitation windings R8 to R14, respectively. It is connected to the circuit 11.
  • the first system excitation circuit 10 and the second system excitation circuit 11 apply alternating voltages having the same amplitude and frequency to the first system excitation windings R1 to R7 and the second system excitation windings R8 to R14, respectively.
  • the Sb 14 is connected to the first system angle calculator 1 a and the second system angle calculator 1 b through an output terminal 9 b provided in the extension portion 8 of the resolver 2.
  • the arrangement of the output terminals 9a and the output terminals 9b is only an example, and for example, in FIG. 2, the output terminals 9a and the output terminals 9b may be arranged in any order, such as being reversed left or right or arranged alternately. I don't care.
  • the first system angle calculator 1a and the second system angle calculator 1b are configured of the output voltages of the two-phase output windings Sa1 to Sa7, Sa8 to Sa14, Sb1 to Sb7, and Sb8 to Sb14 of the resolver 2, respectively.
  • the first system detection angle ⁇ 1 and the second system detection angle ⁇ 2 are calculated and output.
  • the first system angle calculator 1a and the second system angle calculator 1b are respectively connected to the abnormality determiner 12, and from the values of the first system detection angle ⁇ 1 and the second system detection angle ⁇ 2, an abnormality such as a fault is generated.
  • the excitation windings of one phase for each of the first system teeth T1 to T7 and the second system teeth T8 to T14 that is, first system excitation windings R1 to R7, the second system The excitation windings R8 to R14 are wound first, and the two-phase output windings from above, ie, the first first system output windings Sa1 to Sa7, the second first system output windings Sb1 to Sb7, and The first second system output winding Sa8 to Sa14 and the second second system output winding Sb8 to Sb14 are respectively wound.
  • the wires Sb8 to Sb14 or the first system excitation windings R1 to R7 and the second system excitation windings R8 to R14 may be wound in any order.
  • the teeth T1 to T14 of the resolver 2 may be provided with teeth that do not wind one of the two-phase output windings. Insulating paper etc. insulates between windings of each phase.
  • the first system excitation windings R1 to R7 are connected in series, and the first first system output windings Sa1 to Sa7 and the second first system output windings Sb1 to Sb7 are also connected in series.
  • the second system excitation windings R8 to R14 are connected in series, and the first second system output windings Sa8 to Sa14 and the second second system output windings Sb8 to Sb14 are also connected in series.
  • each winding is connected in series in the order of teeth T1 to T7, but the teeth at the beginning of winding are arbitrary teeth Ti, and adjacent teeth are connected in series in order Even the same effect can be obtained.
  • the one-phase excitation winding and the two-phase output winding are arranged side by side in the circumferential direction and wound, but the invention is not limited to this. The same effect can be obtained by changing the winding order.
  • FIG. 5 is a diagram showing the number-of-turns distribution of the first system excitation windings R1 to R7 and the second system excitation windings R8 to R14 of the resolver 2 according to the first embodiment.
  • the number of turns of the first system excitation windings R1 to R7 and the second system excitation windings R8 to R14 wound on the first system teeth T1 to T7 and the second system teeth T8 to T14 respectively is continuous. Is shown.
  • a winding direction (+) and a winding direction (-) are defined in the excitation winding of the resolver.
  • a winding direction (+) When the direction of winding of a certain coil is represented by a winding direction (+), a coil wound in the reverse direction is expressed as a winding direction (-).
  • the number of turns in the winding direction (+) and the number of turns in the winding direction (-) are the same in absolute value. That is, assuming that the number of turns in the winding direction (+) is + X, the number of turns in the winding direction ( ⁇ ) is ⁇ X.
  • the number of turns of the excitation winding is normalized by the amplitude of the number of turns.
  • the excitation order per system is N ⁇ 0.5 (N is a natural number), and the axis double angle is an odd number.
  • the excitation winding is repeated Ne times around the stator 3 in which the first system teeth T1 to T7 and the second system teeth T8 to T14 are combined in units of 2 teeth of (+) and (-).
  • An example has been described, but not limited to this, the same effect can be obtained even if the excitation windings (+) and (-) are repeated with one unit of the divisor of the number of teeth of the stator 3 as one unit. it can.
  • FIG. 6 shows the first first system output winding Sa1 to Sa7, the second first system output winding Sb1 to Sb7, the first second system output winding Sa8 to Sa14, and the second second system It is a figure which shows winding number distribution of output winding Sb8-Sb14.
  • the number of turns of the output winding wound around the first system teeth T1 to T7 and the second system teeth T8 to T14 is continuously shown.
  • the first number of turns N SalI of the first system output winding, and a second number of turns N Sb1i of the first system output winding wound around the i th tooth can be represented by each formula (1).
  • the first number of turns N Sa2i of the second system output winding, and a second number of turns N Sb2i of the second system output winding also first of the first system output winding of turns N SalI, the second first It can be expressed by the same equation as the number of turns N Sb1i of the system output winding.
  • N 1 represents the amplitude of the number of turns of the output winding
  • ⁇ teeth represents the circumferential position of the teeth.
  • the output windings are distributed sinusoidally in the circumferential direction of the teeth. If the number of turns is a decimal, it is rounded to an integer. In FIG. 6, the number of turns of the output winding has its amplitude, that is, normalized by N 1.
  • the magnetomotive force is space Ne order and the gap is Permeance is Nx order.
  • the space A-order represents the component of the A period within the mechanical angle of 360 degrees.
  • the number of pole pairs Ne is the number of magnetic pole pairs of the stator 3.
  • a magnetic flux is generated in the gap by the AC excitation current flowing through the first system excitation windings R1 to R7 and the second system excitation windings R8 to R14 of the resolver 2, and the magnetic flux is interlinked with the respective output windings.
  • First system output windings Sa1 to Sa7, second first system output windings Sb1 to Sb7, first second system output windings Sa8 to Sa14, and second second system output windings Sb8 to Sb14 A voltage is generated.
  • the permeance of the gap changes, and the first first system output windings Sa1 to Sa7, the second first system output windings Sb1 to Sb7, and the first second system output windings. Voltage changes occur on the lines Sa8 to Sa14 and the second second output winding Sb8 to Sb14.
  • Angle detection is performed from the output winding wound on each tooth.
  • This envelope is called the output voltage.
  • the magnetic flux density of the gap can be expressed by the product of the magnetomotive force and the permeance of the gap. Since both the magnetomotive force and the permeance are trigonometric functions, they are orders of trigonometric functions of their products. That is, the spatial order of the magnetic flux density of the gap is
  • the spatial order of the magnetic flux density of this gap and the spatial order of the output winding coincide, the flux linkage of the output winding is generated due to the orthogonality of the trigonometric function. Since the exciting current is alternating current, a voltage is generated in the output winding, and the angle can be detected.
  • the magnetic flux density of the gap necessary for angle detection is
  • 2nd order, 12th order (equivalent to the second order).
  • the second and 12th orders of the spatial order of the flux density of the gap are It can be said that they are equivalent. That is, in order to detect the rotation angle of the rotor 4, it is necessary for the output winding to pick up one of the spatial order second order and the twelfth order.
  • the spatial order of the output winding is second order. The rotation angle of is detected.
  • FIG. 7 is a simplified representation of the air-gap magnetic flux density by the excitation signal applied to the first system excitation windings R1 to R7 and the second system excitation windings R8 to R14 of the resolver 2 according to the first embodiment. It is. Further, FIG. 8 shows the number of turns of the output winding of any of the first system and the second system continuously and simplified.
  • the range of the mechanical angle of 0 to 180 ° on the horizontal axis represents the first system, and the range of 180 to 360 ° represents the second system.
  • the resolver 2 detects the angle by reading the magnetic flux linked to the air gap by the output winding. For this reason, the magnetic flux interlinked with the output winding can be calculated by multiplying the air-gap interlinkage magnetic flux by the number of turns.
  • the resolver 2 calculates the output signals from the first system output windings Sa1 to Sa7 and Sb1 to Sb7 and the output signals from the second system output windings Sa8 to Sa14 and Sb8 to Sb14.
  • the one-system rotation angle that is, the first-system detection angle ⁇ 1 and the second-system rotation angle, that is, the second-system detection angle ⁇ 2 are mutually monitored by the abnormality determiner 12, and a failure such as disconnection or short occurs in the resolver 2 If it detects an abnormality.
  • the resolver 2 has the thresholds ⁇ and ⁇ in the abnormality determiner 12.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the resolver 2 used in the rotation angle detection device 100 according to the second embodiment, in which the number Ns of teeth of the stator 3 is 16 and the shaft double angle Nx of the rotor 4 is 6. .
  • the teeth T1 to T16 of the stator 3 are divided into four in the circumferential direction, and the first system first block B1, the second system first block B2, the first system second block B3 and It is comprised from 2nd system
  • first system first block B1 and the first system second block B3 windings wound respectively around teeth T1 to T4 and T9 to T12 of the block are connected in series to constitute a first system winding.
  • second system first block B2 and the second system second block B4 the windings wound respectively around the teeth T5 to T8 and T13 to T16 of the block are connected in series to form a second system winding.
  • the resolver 2 constitutes a redundant system of dual system.
  • the teeth constituting one system are arranged at opposing positions, so the imbalance of the magnetic flux when the stator 3 is eccentric is alleviated, the output signal becomes sinusoidal, and the angle detection Accuracy can be improved.
  • FIG. 11 is a diagram showing a number-of-turns distribution of the first system excitation winding and the second system excitation winding of the resolver 2 according to the second embodiment.
  • the number of turns of the excitation winding wound on the first system teeth T1 to T4 and T9 to T12 and the second system teeth T5 to T8 and T13 to T16 is continuously shown.
  • a winding direction (+) and a winding direction (-) are defined in the excitation winding of the resolver.
  • a winding direction (+) When the direction of winding of a certain coil is represented by a winding direction (+), a coil wound in the reverse direction is expressed as a winding direction (-).
  • the number of turns in the winding direction (+) and the number of turns in the winding direction (-) are the same in absolute value. That is, when the number of turns in the winding direction (+) is + X, the number of turns in the winding direction ( ⁇ ) is ⁇ X.
  • the number of turns of the excitation winding is normalized by the amplitude of the number of turns.
  • the excitation order per system is N (N is a natural number), and the axis double angle is an even number.
  • N is a natural number
  • the axis double angle is an even number.
  • the abnormality determination unit 12 has the thresholds ⁇ and ⁇ , and the first system detection angle ⁇ 1 calculated from the output signal of the first system, When the relationship of the second system detection angle ⁇ 2 calculated from the output signal of the second system satisfies ⁇ 1 + ⁇ 2> ⁇ or ⁇ 1 ⁇ 2> ⁇ , it is assumed that an abnormality such as disconnection or short circuit occurs in the resolver 2 It is possible to determine.
  • FIG. 12 shows a first first system output winding of the resolver 2 used in the rotation angle detection device according to the third embodiment, a second first system output winding, a first second system output winding, and It is a figure which shows winding number distribution of a 2nd 2nd system
  • the number Ns of teeth is 14, and the teeth T1 to T7 correspond to the first system teeth and teeth T8 to T7.
  • T14 is comprised as 2nd system teeth, and the 1-phase excitation winding and the 2-phase output winding are wound by each teeth. That is, in the first system teeth T1 to T7, the first system excitation windings R1 to R7, the first first system output windings Sa1 to Sa7, and the second first system output windings Sb1 to Sb7 are wound. It is done.
  • second system teeth T8 to T14 are provided with second system excitation windings R8 to R14, first second system output windings Sa8 to Sa14, and second second system output windings Sb8 to Sb14. It has been turned.
  • the output windings wound around the first system teeth T1 to T7 and the second system teeth T8 to T14 that is, the first first system output windings Sa1 to Sa7, the second first system output
  • the numbers of turns of the windings Sb1 to Sb7, the first second system output windings Sa8 to Sa14, and the second second system output windings Sb8 to Sb14 are continuously shown.
  • the first first system output winding Sa1 to Sa7 and the second first system are wound around the first system teeth T1 to T7 and the second system teeth T8 to T14.
  • the system output windings Sb1 to Sb7, the first second system output windings Sa8 to Sa14, and the second second system output windings Sb8 to Sb14 have mutually opposite winding directions. That is, the signs of the numbers of turns of the first first system output windings Sa1 to Sa7 and the first second system output windings Sa8 to Sa14 are opposite to each other. Similarly, the signs of the numbers of turns of the second first system output windings Sb1 to Sb7 and the second second system output windings Sb8 to Sb14 are opposite to each other.
  • FIG. 13 is a simplified diagram showing the air-gap magnetic flux density by the excitation signal applied to the first system excitation windings R1 to R7 and the second system excitation windings R8 to R14 of the resolver 2 according to the third embodiment. is there.
  • FIG. 14 shows an output winding of either the first system or the second system, that is, the first first system output winding Sa1 to Sa7, the second first system output winding Sb1 to Sb7, or the first The number of turns of any of the second system output windings Sa8 to Sa14 and the second second system output windings Sb8 to Sb14 is continuously simplified and shown.
  • the range of the mechanical angle of 0 to 180 ° on the horizontal axis represents the first system, and the range of 180 to 360 ° represents the second system.
  • the angle is detected by reading the magnetic flux linked to the air gap by the output winding. For this reason, the magnetic flux interlinked with the output winding can be calculated by multiplying the air-gap interlinkage magnetic flux by the number of turns.
  • FIG. 15 shows the magnetic flux linked to the output winding when the gap flux of FIG. 13 is read by the number of turns of FIG.
  • the waveforms of the magnetic fluxes interlinking with the first second output trains Sa8 to Sa14 and the second second output windings Sb8 to Sb14 which are lines are the same. For this reason, offsets with the same sign are superimposed on the output signals from the first system output winding and the second system output winding. If this offset is corrected by the angle calculator 1, the rotation angle can be detected accurately. With such a configuration, it is possible to easily detect an abnormality.
  • the resolver 2 in which the number Ns of teeth of the stator 3 shown in FIG. 3 and described in the first embodiment is 14 and the teeth T1 to T14 are divided into two in the circumferential direction is taken as an example.
  • the number Ns of teeth of the stator 3 shown in FIG. 10 described in the second embodiment is 16 and the resolver 2 in which the teeth T1 to T16 are divided into four in the circumferential direction is also provided. Applicable
  • FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the phase difference between the first system excitation signal and the second system excitation signal of the resolver 2 used in the rotation angle detection device according to the fourth embodiment and the angular error.
  • the angle error is the difference between the detection angle by the resolver 2 and the rotation angle true value of the rotor 4. The smaller the error, the better the angle detection accuracy.
  • the angular error in FIG. 16 is shown normalized to the value when the phase difference is 0 °. When the phase difference between the two excitation signals is within 60 °, angle detection accuracy comparable to that when the phase difference is 0 ° is obtained.
  • the angular error is the smallest when the phase difference is 45 °. That is, by setting the phase difference between the first system excitation signal and the second system excitation signal to 60 ° or less, the effect of improving the angle detection accuracy can be obtained. In addition, it is desirable that the phase difference between the first system excitation signal and the second system excitation signal be synchronized at 0 ° in practice.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing the stator 3 of the resolver 2 used in the rotation angle detection device according to the fifth embodiment.
  • teeth T1 to T7 of the stator 3 be first system teeth
  • teeth T8 to T14 of the stator 3 be second system teeth.
  • the teeth T1 and the teeth T8 are auxiliary teeth that wind only the excitation winding and do not wind the output winding.
  • a one-phase excitation winding and a two-phase output winding are wound around the other teeth T2 to T7 and T9 to T14. That is, the first system excitation winding R1 is wound around the first system teeth T1, and the first system excitation windings R2 to R7 and the first first system output winding are wound around the first system teeth T2 to T7.
  • the lines Sa2 to Sa7 and the second first output train Sb2 to Sb7 are wound.
  • a second system excitation winding R8 is wound around the second system teeth T8, and second system excitation windings R9 to R14 and a first second system output winding are wound around the second system teeth T9 to T14.
  • the lines Sa9 to Sa14 and the second second output winding Sb9 to Sb14 are wound.
  • FIG. 18 shows the first first system output windings Sa2 to Sa7, the second first system output windings Sb2 to Sb7, the first second system output windings Sa9 to Sa14, and the first embodiment according to the fifth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a number-of-turns distribution of second system output windings Sb9 to Sb14.
  • the number of turns of the output winding wound around the first system teeth T1 to T7 and the second system teeth T8 to T14 is continuously shown including the auxiliary teeth teeth T1 and T8.
  • the number of turns is standardized by the number of turns when the auxiliary teeth teeth T1 and T8 are not provided.
  • the number of turns of the teeth T1 and T8 of the auxiliary teeth is zero.
  • the amplitude is designed to be equal. For this reason, the amplitudes of the number of turns are apparently different.
  • the number of turns of each of the teeth T1 and T8 of the auxiliary teeth is set to 0, the phase differences differ between the first second-system output windings Sa9 to Sa14 and the second second-system output windings Sb9 to Sb14. Is 90 °, and the amplitude is designed to be equal. For this reason, the amplitudes of the number of turns are apparently different.
  • the output signal can be made sinusoidal, so that the effect of improving the angle detection accuracy can be obtained.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing the stator 3 of the resolver 2 used in the rotation angle detection device according to the sixth embodiment.
  • teeth T1 to T7 of the stator 3 be first system teeth
  • teeth T8 to T14 of the stator 3 be second system teeth.
  • the teeth T1, T7, T8 and T14 are auxiliary teeth that wind only the excitation winding and do not wind the output winding.
  • a one-phase excitation winding and a two-phase output winding are wound. That is, the first system excitation windings R1 and R7 are wound around the first system teeth T1 and T7, and the first system excitation windings R2 to R6 and the first first winding are connected to the first system teeth T2 to T6.
  • the system output windings Sa2 to Sa6 and the second first system output windings Sb2 to Sb6 are wound.
  • second system excitation windings R8 and R14 are wound around the second system teeth T8 and T14, and second system excitation windings R9 to R13 and the first first system winding are connected to the second system teeth T9 to T13.
  • the two-system output winding Sa9 to Sa13 and the second second-system output winding Sb9 to Sb13 are wound.
  • teeth having no output winding are disposed at both ends of the teeth on which the first and second output windings are wound, and the output windings are disposed adjacent to each other. Since there are no locations, it is possible to obtain the effect of further improving the angle detection accuracy by suppressing the magnetic interference.
  • FIG. 20 shows the first first system output windings Sa1 to Sa7, the second first system output windings Sb1 to Sb7, the first second system output windings Sa8 to Sa14, and the first embodiment according to the sixth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a number-of-turns distribution of second system output windings Sb8 to Sb14.
  • the number of turns of the output winding wound on the first system teeth T2 to T6 and the second system teeth T9 to T13 is continuous including the teeth T1, T7, T8, and T14 which are auxiliary teeth. Is shown. Further, the number of turns is standardized by the number of turns when the teeth T1, T7, T8 and T14 which are auxiliary teeth are not provided.
  • the number of turns of teeth T1 and T7 as auxiliary teeth is both 0. And the phase difference is 90.degree. And the amplitude is designed to be equal. For this reason, the amplitudes of the number of turns are apparently different.
  • the number of turns of teeth T8 and T14, which are auxiliary teeth is set to 0, the first second-system output windings Sa8 to Sa14 and the second second-system output windings Sb8 to Sb14 have the same value.
  • the phase difference is 90 ° and the amplitude is designed to be equal. For this reason, the amplitudes of the number of turns are apparently different.
  • the output signal can be made sinusoidal, so that the effect of improving the angle detection accuracy can be obtained.
  • Reference Signs List 1 angle operator, 1a 1st system angle operator, 1b 2nd system angle operator, 2 redundant resolvers, 3 stators, 4 rotors, 5 windings, 6 shafts, 7 rotating electric machines, 8 extension parts, 9a, 9b output terminal, 10 first system excitation circuit, 11 second system excitation circuit, 12 abnormality determination unit, 13 insulator, 100 rotation angle detection device, T1 to T14 teeth, R1 to R14 excitation winding, Sa1 to Sa14, Sb1 to Sb14 Output windings, B1 first system first block, B2 second system first block, B3 first system second block, B4 second system second block.

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Abstract

冗長化による軸線方向寸法の拡大を防止しながら、製造性の悪化やコスト増大を抑制し、さらに角度検出精度を向上する。一対の固定子３および回転子４で構成され、回転子４は、Ｎｘ（Ｎｘは自然数）個の突極を有する軸倍角Ｎｘの回転子であり、固定子３は、ｎを自然数として、周方向にｎ個のティースＴ１からＴｎが順に配置されると共に、周方向にＭ分割されてＭ系統を構成し、１つの系統を構成するティースの角度を合計すると３６０／Ｍ度を有し、ティースＴ１からＴｎには、それぞれ１相の励磁巻線と２相の出力巻線が巻回されて、それぞれの励磁巻線には、異なる励磁回路により同一周波数の励磁信号が印加され、１つの系統当たりの出力次数がＮｏｕｔ（Ｎｏｕｔは自然数）であって、Ｍ系統の出力信号により異常を検知する。

Description

冗長型レゾルバ、およびそれを用いた回転角度検出装置
　この発明は、回転子と固定子の空隙におけるパーミアンスの変化を利用した冗長型レゾルバ、およびそれを用いた回転角度検出装置に関するものである。
　回転角度検出装置に用いられるレゾルバを冗長化するために、例えば特開２００９－２８１８１８号公報（特許文献１）には、２つのレゾルバを２段積みにしたものが開示されている。また、例えば特開２００７－１８９８３４号公報（特許文献２）および特開２００９－２２２４３５号公報（特許文献３）には、径方向に２対の固定子と回転子を備えた冗長型レゾルバが開示されている。更に、例えば特開２０１３－２４７８２８号公報（特許文献４）および特開２０１３－５３８９０号公報（特許文献５）には、出力巻線が第１系統巻線と第２系統巻線から構成され、ひとつのティースには何れか一方の系統の巻線のみが巻回された冗長型レゾルバが開示されている。なお、この発明を具体的に開示するものではないが、電気学会論文誌Ｄ、平成７年、第１１５巻、第５号、ｐ．５９８－６０４、石崎　彰、外３名、「新方式ＶＲ形１Ｘレゾルバの理論と特性」（非特許文献１）に、４極の励磁巻線と２極の出力巻線の双方をいずれも固定子に設けるとともに、ギャップパーミアンスの円周方向の位置に対する変化が適切になるような回転子形状とすれば、回転子は巻線を持たない鉄心のみの簡単な構造によって、出力巻線には、その振幅が回転子の位置に応じて全円周を１周期として正弦波形で変化する２相電圧を得られる研究が発表されている。
特開２００９－２８１８１８号公報 特開２００７－１８９８３４号公報 特開２００９－２２２４３５号公報 特開２０１３－２４７８２８号公報 特開２０１３－５３８９０号公報
電気学会論文誌Ｄ、平成７年、第１１５巻、第５号、ｐ．５９８－６０４、石崎　彰、外３名、「新方式ＶＲ形１Ｘレゾルバの理論と特性」
　特許文献１に開示された冗長型レゾルバは、２つのレゾルバが、そのステータおよびロータをシャフトを介して２段積みにして構成されているため、一系統レゾルバに比べ、軸線方向寸法が２倍に増大する課題があった。
　また、特許文献２、３に開示された冗長型レゾルバでは、レゾルバの内側から順に第１系統回転子、第１系統固定子、第２系統固定子、第２系統回転子を配置することにより冗長化しているため、固定子が２重となって巻線数が増加する。このため製造性が悪化し、また、コストが増大する課題があった。
　更に、特許文献４、５に開示された冗長型レゾルバでは、第１系統の出力巻線と第２系統の出力巻線がティースに対して交互に巻回されているため、何れかの系統の出力信号が理想的な正弦波にならず、角度検出精度が悪化する課題があった。
　この発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、冗長化による軸線方向寸法の拡大を防止しながら、製造性の悪化やコスト増大を抑制し、さらに角度検出精度を向上する冗長型レゾルバ、およびそれを用いた回転角度検出装置の提供を目的とするものである。
　この発明に係る冗長型レゾルバは、一対の回転子と固定子で構成され、前記回転子は、Ｎｘ（Ｎｘは自然数）個の突極を有する軸倍角Ｎｘの回転子であり、前記固定子は、ｎを自然数として、周方向にｎ個のティースが順に配置されると共に、周方向にＭ分割されてＭ系統を構成し、１つの系統を構成するティースの角度の合計が３６０／Ｍ度を有し、ｎ個の前記ティースには、それぞれ１相の励磁巻線と２相の出力巻線が巻回されて、それぞれの前記励磁巻線には、異なる励磁回路により同一周波数の励磁信号が印加され、１つの系統当たりの出力次数がＮｏｕｔ（Ｎｏｕｔは自然数）であって、前記Ｍ系統の出力信号により異常を検知することを特徴とする。
　この発明に係る冗長型レゾルバは、一対の固定子および回転子からなり、固定子を周方向に分割し冗長系とする構造であって、１系統あたりの出力次数がＮｏｕｔ（Ｎｏｕｔは自然数）であるため、冗長化による軸線方向寸法の拡大を防止しながら、製造性の悪化やコスト増大を抑制し、さらに角度検出精度を向上することができる。
この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバを用いた回転角度検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバの断面図である。 この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバの固定子断面図である。 この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバを用いた回転角度検出装置のブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバの励磁巻線の巻数を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバの出力巻線の巻数を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバにおける空隙磁束密度を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバの出力巻線を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバの出力巻線鎖交磁束を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る冗長型レゾルバの断面図である。 この発明の実施の形態２に係る冗長型レゾルバの励磁巻線の巻数を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る冗長型レゾルバの出力巻線の巻数を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る冗長型レゾルバにおける空隙鎖磁束密度を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る冗長型レゾルバの出力巻線を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る冗長型レゾルバの出力巻線鎖交磁束を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る冗長型レゾルバの励磁信号の位相差と角度誤差の関係を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る冗長型レゾルバの固定子断面図である。 この発明の実施の形態５に係る冗長型レゾルバの出力巻線の巻数を示す図である。 この発明の実施の形態６に係る冗長型レゾルバの固定子断面図である。 この発明の実施の形態６に係る冗長型レゾルバの出力巻線の巻数を示す図である。
　以下、この発明に係る冗長型レゾルバ、およびそれを用いた回転角度検出装置の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各実施の形態において、同一または相当部分については、同一符号を付して説明するが、一部で重複説明を省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１に係る冗長型レゾルバを用いた回転角度検出装置の構成を示す図であり、図２は実施の形態１に係る冗長型レゾルバの断面図、図３は実施の形態１に係る冗長型レゾルバの固定子断面図である。また、図４は、実施の形態１に係る冗長型レゾルバを用いた回転角度検出装置のブロック構成図である。
　図１に示すように、実施の形態１に係る回転角度検出装置１００は、角度演算器１と冗長型レゾルバ（以下、単にレゾルバと表記する。）２を備えて構成されている。レゾルバ２は、一対の固定子３と回転子４で構成されており、固定子３は巻線５を備えている。レゾルバ２の回転子４はシャフト６を介して回転電機７、もしくは種々の装置の回転部と接続されている。
　レゾルバ２は、図２に示すように固定子３のティースＴ１からＴ１４（以下、「から」を「～」と表記する。）の数Ｎｓは１４で、回転子４の突極の数Ｎｘを５としている。突極の数Ｎｘは軸倍角とも呼ばれている。また、図３に示すように、固定子３のティースＴ１～Ｔ１４は、周方向に２つに分割されており、図４に示すように、第１系統および第２系統を構成し、レゾルバ２は二重系の冗長型を構成している。つまり、１系統あたりのティースを合計すると、３６０°／２＝１８０°となる。
　図３に示すように、固定子３のティースＴ１～Ｔ７を第１系統ティース、固定子３のティースＴ８～Ｔ１４を第２系統ティースとする。それぞれのティースには、１相の励磁巻線と、２相の出力巻線が巻回されている。つまり、図３および図４に示すように、第１系統ティースＴ１～Ｔ７には、第１系統励磁巻線であるＲ１～Ｒ７、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７が巻回されている。同様に、第２系統ティースＴ８～Ｔ１４には、第２系統励磁巻線であるＲ８～Ｒ１４、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４が巻回されている。
　第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７および第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４は、それぞれレゾルバ２の延出部８に設けられた出力端子９ａを介して第１系統励磁回路１０、第２系統励磁回路１１に接続されている。第１系統励磁回路１０および第２系統励磁回路１１は、それぞれ第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４に振幅および周波数が同一の交流電圧を与える。第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４および第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４は、それぞれレゾルバ２の延出部８に設けられた出力端子９ｂを介して第１系統角度演算器１ａ、第２系統角度演算器１ｂに接続されている。なお、出力端子９ａと出力端子９ｂの配列については、一例であり、例えば図２において、出力端子９ａと出力端子９ｂとを左右逆に配列するとか、交互に配列する等、任意に配列しても構わない。
　第１系統角度演算器１ａおよび第２系統角度演算器１ｂは、レゾルバ２の２相の出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、Ｓａ８～Ｓａ１４、およびＳｂ１～Ｓｂ７、Ｓｂ８～Ｓｂ１４の出力電圧から回転子４の第１系統検出角度θ１および第２系統検出角度θ２を計算して出力する。さらに、第１系統角度演算器１ａおよび第２系統角度演算器１ｂは、それぞれ異常判定器１２に接続されており、第１系統検出角度θ１、第２系統検出角度θ２の値から故障等の異常を検知する。
　実施の形態１に係るレゾルバ２では、第１系統ティースＴ１～Ｔ７、第２系統ティースＴ８～Ｔ１４のそれぞれに１相の励磁巻線、即ち、第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４を先に巻き、その上から２相の出力巻線、即ち、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７、および第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４をそれぞれ巻回した構成となっている。なお、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７、および第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４、あるいは第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４は、それぞれをどのような順序で巻いても構わない。
　巻線と鉄心との絶縁は、インシュレータ（絶縁紙、塗装等）１３で行われている。レゾルバ２のティースＴ１～Ｔ１４には２相の出力巻線のうち何れか１相の出力巻線を巻回しないティースを設ける場合がある。各相の巻線間は絶縁紙等で絶縁する。第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７は直列に接続され、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、および第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７も直列に接続される。同様に、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４は直列に接続され、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４も直列に接続される。
　なお、ここではそれぞれの巻線は、ティースＴ１～Ｔ７の順に直列に接続されるとしたが、巻き始めのティースはそれぞれ任意のティースＴｉであって、かつ隣接するティースを順に直列に接続されていても、同様の効果が得られる。
　このような構成により、通常の１系統角度検出装置と同等の軸線方向寸法で冗長化することが可能である。また、コイル数の増加を抑制することができるため、製造しやすく、コストの増大を抑えることができる効果を得ることができる。
　また、実施の形態１に係るレゾルバ２では、１相の励磁巻線と２相の出力巻線を周方向に並べて巻回するものとしたがこの限りではなく、径方向に並べたり、ティースごとに巻回する順序を変更しても同様の効果を得ることができる。
　図５は、実施の形態１に係るレゾルバ２の第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７および第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４の巻数分布を示す図である。図５では、第１系統ティースＴ１～Ｔ７、第２系統ティースＴ８～Ｔ１４のそれぞれに巻回される第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４の巻数を連続的に示している。
　一般に、レゾルバの励磁巻線には、巻き方向（＋）、巻き方向（－）が定義されている。あるコイルの巻線の方向を巻き方向（＋）で表すと、巻線が逆向きに巻かれているコイルは巻き方向（－）と表現する。巻き方向（＋）の巻数と巻き方向（－）の巻数は、絶対値が同じである。即ち、巻き方向（＋）の巻数を＋Ｘ回とすると、巻き方向（－）の巻数は－Ｘ回となる。なお、励磁巻線の巻数は、巻数の振幅で規格化している。
　実施の形態１に係るレゾルバ２では、励磁巻線は（＋）,（－）の２ティース単位で、第１系統ティースＴ１～Ｔ７と第２系統ティースＴ８～Ｔ１４を合わせた固定子３の周りをＮｅ回繰り返し巻いている。つまり、固定子３のティースＴ１～Ｔ１４の数が１４であるため、励磁巻線の空間次数はＮｅ＝７である。よって、第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７の空間次数Ｎｅ１＝３．５、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４の空間次数Ｎｅ２＝３．５である。
　実施の形態１に係るレゾルバ２では、１系統当たりの励磁次数がＮ±０．５（Ｎは自然数）であり、かつ、軸倍角が奇数である。
　このような構成により、固定子３と回転子４の間の空隙に鎖交する磁束を正弦波状にすることができるため、回転角度検出精度を向上することができる。
　また、ここでは励磁巻線は（＋）,（－）の２ティース単位で、第１系統ティースＴ１～Ｔ７と第２系統ティースＴ８～Ｔ１４を合わせた固定子３の周りをＮｅ回繰り返し巻いている例を説明したが、この限りではなく、励磁巻線の（＋）,（－）は固定子３のティースの数の約数を１単位として繰り返していても、同様の効果を得ることができる。
　図６は、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、および第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４の巻数分布を示す図である。ここで、図６では、第１系統ティースＴ１～Ｔ７および第２系統ティースＴ８～Ｔ１４に巻回される出力巻線の巻数を連続的に示している。ｉ番目のティースに巻回される第１の第１系統出力巻線の巻数ＮＳａ１ｉ、および第２の第１系統出力巻線の巻数ＮＳｂ１ｉは、それぞれ式（１）で表すことができる。また、第１の第２系統出力巻線の巻数ＮＳａ２ｉ、および第２の第２系統出力巻線の巻数ＮＳｂ２ｉも第１の第１系統出力巻線の巻数ＮＳａ１ｉ、第２の第１系統出力巻線の巻数ＮＳｂ１ｉと同様の式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｎ１は出力巻線の巻数の振幅、θｔｅｅｔｈはティースの周方向位置を表している。
　出力巻線は、ティースの周方向に正弦波状に分布している。巻数が小数になる場合は四捨五入して整数としている。なお、図６において、出力巻線の巻数は、その振幅、即ち、Ｎ１で規格化している。
　第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４の極対数をＮｅとし、回転子４の突極の数をＮｘとしたとき、起磁力は空間Ｎｅ次で、ギャップのパーミアンスはＮｘ次となる。ここで空間Ａ次とは、機械角３６０度内でＡ周期の成分のことを表す。極対数Ｎｅは、固定子３の磁極の対の数のことである。レゾルバ２の第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４に流れる交流の励磁電流によりギャップに磁束が生じ、その磁束がそれぞれの出力巻線に鎖交し、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４に電圧が生じる。回転子４の位置が変化すると、ギャップのパーミアンスが変化し、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４に電圧変化が生じる。
　各ティースに巻回される出力巻線から角度検出を行う。この包絡線は出力電圧と呼ばれる。ギャップの磁束密度は、起磁力とギャップのパーミアンスの積で表すことができる。起磁力もパーミアンスも三角関数のため、両者の積の三角関数の次数となる。つまり、ギャップの磁束密度の空間次数は、三角関数の積和の式より、｜Ｎｅ±Ｎｘ｜次となる。ここで｜Ｘ｜はＸの絶対値を表す。このギャップの磁束密度の空間次数と出力巻線の空間次数が一致すると、三角関数の直交性より出力巻線の鎖交磁束が発生する。励磁電流が交流であるので出力巻線には電圧が発生し、角度を検出することができる。
　前述のように、レゾルバ２として機能するためには、空隙に発生する磁束のうち、｜Ｎｅ±Ｎｘ｜に等しい空間次数の磁束を拾う必要がある。このことは例えば、非特許文献１の５９９頁「＜２・１＞原理」にも記載されている。非特許文献１の式（７）から回転角度φによって変化するのは｜Ｎｅ±Ｎｘ｜に等しい。下記式２は非特許文献１の式（７）を示し、但し書きは追記したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　即ち、実施の形態１におけるレゾルバ２では、角度検出に必要なギャップの磁束密度が｜７±５｜＝２次、１２次（２次と等価）となる。ここで、これらのギャップの磁束密度の空間次数である２次、１２次の間には、｜２±Ｎｓ｜＝１２次の関係が成立するため、ギャップの磁束密度の空間次数２次と１２次は等価であると言える。つまり、回転子４の回転角度を検出するためには、空間次数２次、１２次の一方を出力巻線が拾う必要があり、ここでは出力巻線の空間次数を２次とし、回転子４の回転角度を検出している。
　図７は、実施の形態１に係るレゾルバ２の第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７、および第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４に印加される励磁信号による空隙磁束密度を簡略化して示したものである。また、図８は、第１系統および第２系統の何れかの出力巻線の巻数を連続的に簡略化して示したものである。
　図７および図８において、横軸である機械角が０～１８０°の範囲は第１系統を、１８０～３６０°の範囲は第２系統をそれぞれ表している。レゾルバ２では、空隙に鎖交する磁束を出力巻線で読み取ることにより角度を検出する。このため、出力巻線に鎖交する磁束は空隙鎖交磁束と巻数の掛け算により算出することができる。
　図７の空隙鎖交磁束を図８の巻数で読み取る場合に、出力巻線に鎖交する磁束を図９に示す。図９の第１系統出力巻線に鎖交する磁束の波形と、第２系統出力巻線に鎖交する磁束の波形は反転している。このため、第１系統出力巻線、第２系統出力巻線からの出力信号には、符号が反対のオフセットが重畳する。このオフセットを角度演算器１で補正すると、精度よく回転角度を検出することができる。
　実施の形態１におけるレゾルバ２では、これらの第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、Ｓｂ１～Ｓｂ７からの出力信号、第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、Ｓｂ８～Ｓｂ１４からの出力信号から算出した第１系統回転角度、即ち第１系統検出角度θ１、第２系統回転角度、即ち第２系統検出角度θ２を異常判定器１２で相互監視し、レゾルバ２の内部において断線や短絡等の故障が発生した場合、異常を検知する。
　具体的には、レゾルバ２は、異常判定器１２に閾値α、βを有している。第１系統の出力信号から算出した第１系統検出角度θ１、第２系統の出力信号から算出した第２系統検出角度θ２の関係が、θ１＋θ２＞α、またはθ１－θ２＞βを満たすときに、レゾルバ２の内部で断線や短絡等の異常が発生していると判定する。
　そして、レゾルバ２の第１系統で故障が生じた場合は、第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７への励磁信号の印加を停止する。このような構成により、故障した第１系統を停止し、正常な第２系統の出力信号から、正常時と同様に回転角度を検出することが可能である。同様に、レゾルバ２の第２系統で故障が生じた場合は、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４への励磁信号の印加を停止することで、正常な第１系統の出力信号から、正常時と同様に回転角度を検出することが可能となる効果が得られる。
　なお、前記においては、スロット数が１４、軸倍角が５であるとしたが、この限りではなく、他の構成であっても同様の効果を得ることができる。
実施の形態２．
　次に、この発明の実施の形態２に係る冗長型レゾルバを用いた回転角度検出装置について説明する。
　図１０は、実施の形態２に係る回転角度検出装置１００に用いられるレゾルバ２の断面図で、固定子３のティースの数Ｎｓを１６、回転子４の軸倍角Ｎｘを６としたものである。
　図１０に示すように、固定子３のティースＴ１～Ｔ１６は、周方向に４つに分割され、第１系統第１ブロックＢ１、第２系統第１ブロックＢ２、第１系統第２ブロックＢ３および第２系統第２ブロックＢ４から構成されている。第１系統第１ブロックＢ１と第１系統第２ブロックＢ３は、当該ブロックのティースＴ１～Ｔ４、Ｔ９～Ｔ１２にそれぞれ巻回される巻線が直列に接続されて第１系統巻線を構成する。同様に、第２系統第１ブロックＢ２と第２系統第２ブロックＢ４は、当該ブロックのティースＴ５～Ｔ８、Ｔ１３～Ｔ１６にそれぞれ巻回される巻線が直列に接続されて第２系統巻線を構成し、レゾルバ２は二重系の冗長型を構成している。
　このような構成により、一つの系統を構成するティースが対抗する位置に配置されているため、固定子３が偏心した場合の磁束の不平衡が緩和され、出力信号が正弦波状になり、角度検出精度を向上することができる。
　図１１は、実施の形態２に係るレゾルバ２の第１系統励磁巻線および第２系統励磁巻線の巻数分布を示す図である。ここで、図１１では、第１系統ティースＴ１～Ｔ４、Ｔ９～Ｔ１２および第２系統ティースＴ５～Ｔ８、Ｔ１３～Ｔ１６に巻回される励磁巻線の巻数を連続的に示している。
　一般に、レゾルバの励磁巻線には、巻き方向（＋）、巻き方向（－）が定義されている。あるコイルの巻線の方向を巻き方向（＋）で表すと、巻線が逆向きに巻かれているコイルは巻き方向（－）と表現する。巻き方向（＋）の巻数と巻き方向（－）の巻数は、絶対値が同じである。即ち、巻き方向（＋）の巻数を＋Ｘ回とすると巻き方向（－）の巻数は－Ｘ回となる。なお、励磁巻線の巻数は、巻数の振幅で規格化している。
　実施の形態２に係るレゾルバ２では、励磁巻線は（＋）,（－）の２ティース単位で、第１系統ティースＴ１～Ｔ４、Ｔ９～Ｔ１２と第２系統ティースＴ５～Ｔ８、Ｔ１３～Ｔ１６を合わせた固定子３の周りをＮｅ回繰り返し巻いている。つまり、固定子３のティースの数が１６であるため、励磁巻線の空間次数はＮｅ＝８である。よって、第１系統励磁巻線の空間次数Ｎｅ１＝４、第２系統励磁巻線の空間次数Ｎｅ２＝４である。
　実施の形態２に係るレゾルバ２では、１系統当たりの励磁次数がＮ（Ｎは自然数）であり、かつ、軸倍角が偶数である。
　このような構成により、固定子３と回転子４の間の空隙に鎖交する磁束を正弦波状にすることができるため、回転角度検出精度を向上できる効果がある。
　なお、ここでは、スロット数が１６、軸倍角が６であるとしたが、この限りではなく、他の構成であっても同様の効果を得ることができる。
　また、実施の形態２に係るレゾルバ２においても、実施の形態１と同様に、異常判定器１２に閾値α、βを有し、第１系統の出力信号から算出した第１系統検出角度θ１、第２系統の出力信号から算出した第２系統検出角度θ２の関係が、θ１＋θ２＞α、またはθ１－θ２＞βを満たすとき、レゾルバ２の内部で断線や短絡等の異常が発生していると判定することが可能である。
実施の形態３．
　次に、この発明の実施の形態３に係る冗長型レゾルバを用いた回転角度検出装置について説明する。
　図１２は、実施の形態３に係る回転角度検出装置に用いられるレゾルバ２の第１の第１系統出力巻線、第２の第１系統出力巻線、第１の第２系統出力巻線および第２の第２系統出力巻線の巻数分布を示す図である。
　なお、実施の形態３に係るレゾルバ２の固定子３は、実施の形態１で説明した図３と同様に、ティースの数Ｎｓは１４で、ティースＴ１～Ｔ７を第１系統ティース、ティースＴ８～Ｔ１４を第２系統ティースとして構成され、それぞれのティースには、１相の励磁巻線と、２相の出力巻線が巻回されている。つまり、第１系統ティースＴ１～Ｔ７には、第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７が巻回されている。同様に、第２系統ティースＴ８～Ｔ１４には、第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４が巻回されている。
　図１２では、第１系統ティースＴ１～Ｔ７および第２系統ティースＴ８～Ｔ１４に巻回される出力巻線、即ち、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４の巻数を連続的に示している。
　また、実施の形態３に係るレゾルバ２では、第１系統ティースＴ１～Ｔ７と第２系統ティースＴ８～Ｔ１４に巻回される第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７と、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４は、互いに巻回方向が反対方向になっている。即ち、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７と第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４は巻数の符号が反対になっている。同様に、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７と第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４は巻数の符号が反対になっている。
　図１３は、実施の形態３に係るレゾルバ２の第１系統励磁巻線Ｒ１～Ｒ７および第２系統励磁巻線Ｒ８～Ｒ１４に印加される励磁信号による空隙磁束密度を簡略化して示したものである。図１４は、第１系統および第２系統の何れかの出力巻線、即ち、第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７、または第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４の何れかの巻数を連続的に簡略化して示したものである。
　図１３および図１４において、横軸である機械角が０～１８０°の範囲は第１系統を、１８０～３６０°の範囲は第２系統を表している。
　一般に、レゾルバでは、空隙に鎖交する磁束を出力巻線で読み取ることにより角度を検出する。このため、出力巻線に鎖交する磁束は空隙鎖交磁束と巻数の掛け算により算出することができる。
　図１３の空隙鎖交磁束を図１４の巻数で読み取る場合に出力巻線に鎖交する磁束を図１５に示す。図１５の第１系統出力巻線である第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７に鎖交する磁束の波形と、第２系統出力巻線である第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４に鎖交する磁束の波形は同一である。このため、第１系統出力巻線、第２系統出力巻線からの出力信号には、符号が一致したオフセットが重畳する。このオフセットを角度演算器１で補正すると、精度よく回転角度を検出することができる。このような構成により、異常を検知することが容易になる効果がある。
　なお、前記においては、実施の形態１で説明した図３に示す固定子３のティースの数Ｎｓが１４で、ティースＴ１～Ｔ１４が周方向に２つに分割されたレゾルバ２を例に挙げて説明した。しかし、この実施の形態３は、実施の形態２で説明した図１０に示す固定子３のティースの数Ｎｓが１６で、ティースＴ１～Ｔ１６が周方向に４つに分割されたレゾルバ２についても適用できる。
実施の形態４．
　次に、この発明の実施の形態４に係る冗長型レゾルバを用いた回転角度検出装置について説明する。
　図１６は、実施の形態４に係る回転角度検出装置に用いられるレゾルバ２の第１系統励磁信号と第２系統励磁信号の位相差と角度誤差との関係を示す図である。
　ここで、角度誤差とは、レゾルバ２による検出角度と回転子４の回転角度真値との差であり、小さい方が角度検出精度は良好である。なお、図１６の角度誤差は、位相差０°のときの値で規格化して示している。２つの励磁信号の位相差が６０°以内であるとき、位相差が０°の場合と同等程度の角度検出精度が得られる。
　また、位相差４５°のとき角度誤差は最も小さくなっている。つまり、第１系統励磁信号と第２系統励磁信号の位相差を６０°以下にすることにより、角度検出精度を向上するといった効果を得ることができる。また、実用上は第１系統励磁信号と第２系統励磁信号の位相差が０°で同期していることが望ましい。
実施の形態５．
　次に、この発明の実施の形態５に係る冗長型レゾルバを用いた回転角度検出装置について説明する。
　図１７は、実施の形態５に係る回転角度検出装置に用いられるレゾルバ２の固定子３を示す断面図である。
　実施の形態５に係る固定子３のティースＴ１～Ｔ１４は、周方向に２つに分割され、第１系統および第２系統を構成し、二重系の冗長型レゾルバを構成している。つまり、１系統あたりのティースを合計すると、３６０°／２＝１８０°となる。
　固定子３のティースＴ１～Ｔ７を第１系統ティース、固定子３のティースＴ８～Ｔ１４を第２系統ティースとする。第１系統ティースＴ１～Ｔ７、第２系統ティースＴ８～Ｔ１４のうち、ティースＴ１およびティースＴ８は励磁巻線のみを巻回し、出力巻線を巻かない補助ティースである。その他のティースＴ２～Ｔ７、Ｔ９～Ｔ１４には、１相の励磁巻線と２相の出力巻線が巻回されている。つまり、第１系統ティースＴ１には第１系統励磁巻線Ｒ１が巻回され、第１系統ティースＴ２～Ｔ７には、第１系統励磁巻線Ｒ２～Ｒ７と、第１の第１系統出力巻線Ｓａ２～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ２～Ｓｂ７が巻回されている。
　同様に、第２系統ティースＴ８には第２系統励磁巻線Ｒ８が巻回され、第２系統ティースＴ９～Ｔ１４には、第２系統励磁巻線Ｒ９～Ｒ１４、第１の第２系統出力巻線Ｓａ９～Ｓａ１４、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ９～Ｓｂ１４が巻回されている。
　このように構成することにより、第１系統および第２系統の出力巻線が隣接して配置される箇所がなくなるため、磁気干渉を抑制して角度検出精度を向上する効果を得ることができる。
　図１８は、実施の形態５に係る第１の第１系統出力巻線Ｓａ２～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ２～Ｓｂ７、第１の第２系統出力巻線Ｓａ９～Ｓａ１４および第２の第２系統出力巻線Ｓｂ９～Ｓｂ１４の巻数分布を示す図である。
　ここで、図１８では、第１系統ティースＴ１～Ｔ７および第２系統ティースＴ８～Ｔ１４に巻回される出力巻線の巻数を、補助ティースのティースＴ１、Ｔ８も含めて連続的に示している。また、巻数は補助ティースのティースＴ１、Ｔ８を持たない場合の巻数で規格化している。
　実施の形態５に係るレゾルバ２の第１の第１系統出力巻線Ｓａ２～Ｓａ７と第２の第１系統出力巻線Ｓｂ２～Ｓｂ７は、補助ティースのティースＴ１、Ｔ８の巻数をいずれも０としたときに、位相差が９０°となり、振幅が等しくなるように設計されている。このため、巻数の振幅が、見かけ上異なっている。同様に、第１の第２系統出力巻線Ｓａ９～Ｓａ１４と第２の第２系統出力巻線Ｓｂ９～Ｓｂ１４は、補助ティースのティースＴ１、Ｔ８の巻数をいずれも０としたときに、位相差が９０°となり、振幅が等しくなるように設計されている。このため、巻数の振幅が、見かけ上異なっている。
　このように構成することにより、出力信号を正弦波状にすることができるため、角度検出精度を向上する効果を得ることができる。
実施の形態６．
　次に、この発明の実施の形態６に係る冗長型レゾルバを用いた回転角度検出装置について説明する。
　図１９は、実施の形態６に係る回転角度検出装置に用いられるレゾルバ２の固定子３を示す断面図である。
　実施の形態６に係る固定子３のティースＴ１～Ｔ１４は、周方向に２つに分割され、第１系統および第２系統を構成し、二重系の冗長型レゾルバを構成している。つまり、１系統あたりのティースを合計すると、３６０°／２＝１８０°となる。
　固定子３のティースＴ１～Ｔ７を第１系統ティース、固定子３のティースＴ８～Ｔ１４を第２系統ティースとする。第１系統ティースＴ１～Ｔ７、第２系統ティースＴ８～Ｔ１４のうち、ティースＴ１、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ１４は励磁巻線のみを巻回し、出力巻線を巻かない補助ティースである。その他のティースＴ２～Ｔ６、Ｔ９～Ｔ１３には、１相の励磁巻線と、２相の出力巻線が巻回されている。つまり、第１系統ティースＴ１、Ｔ７には第１系統励磁巻線Ｒ１、Ｒ７が巻回され、第１系統ティースＴ２～Ｔ６には、第１系統励磁巻線Ｒ２～Ｒ６、第１の第１系統出力巻線Ｓａ２～Ｓａ６、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ２～Ｓｂ６が巻回されている。
　同様に、第２系統ティースＴ８、Ｔ１４には第２系統励磁巻線Ｒ８、Ｒ１４が巻回され、第２系統ティースＴ９～Ｔ１３には、第２系統励磁巻線Ｒ９～Ｒ１３、第１の第２系統出力巻線Ｓａ９～Ｓａ１３、第２の第２系統出力巻線Ｓｂ９～Ｓｂ１３が巻回されている。
　このように構成することにより、第１系統および第２系統の出力巻線が巻回されるティースの両端に、出力巻線をもたないティースが配置され、出力巻線が隣接して配置される箇所がなくなるため、磁気干渉を抑制して角度検出精度をさらに向上するといった効果を得ることができる。
　図２０は、実施の形態６に係る第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７、第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４および第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４の巻数分布を示す図である。
　ここで、図２０では、第１系統ティースＴ２～Ｔ６および第２系統ティースＴ９～Ｔ１３に巻回される出力巻線の巻数を、補助ティースであるティースＴ１、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ１４も含めて連続的に示している。また、巻数は補助ティースであるティースＴ１、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ１４を持たない場合の巻数で規格化している。
　実施の形態６に係るレゾルバ２の第１の第１系統出力巻線Ｓａ１～Ｓａ７と第２の第１系統出力巻線Ｓｂ１～Ｓｂ７は、補助ティースであるティースＴ１、Ｔ７の巻数をいずれも０としたときに、位相差が９０°となり、かつ、振幅が等しくなるように設計されている。このため、巻数の振幅が、見かけ上異なっている。同様に、第１の第２系統出力巻線Ｓａ８～Ｓａ１４と第２の第２系統出力巻線Ｓｂ８～Ｓｂ１４は、補助ティースであるティースＴ８、Ｔ１４の巻数をいずれも０としたときに、位相差が９０°となり、かつ、振幅が等しくなるように設計されている。このため、巻数の振幅が、見かけ上異なっている。
　このような構成により、出力信号を正弦波状にすることができるため、角度検出精度を向上する効果を得ることができる。
　以上、この発明に係る複数の実施の形態について説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲において各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１　角度演算器、１ａ　第１系統角度演算器、１ｂ　第２系統角度演算器、２　冗長型レゾルバ、３　固定子、４　回転子、５　巻線、６　シャフト、７　回転電機、８　延出部、９ａ，９ｂ　出力端子、１０　第１系統励磁回路、１１　第２系統励磁回路、１２　異常判定器、１３　インシュレータ、１００　回転角度検出装置、Ｔ１～Ｔ１４　ティース、Ｒ１～Ｒ１４　励磁巻線、Ｓａ１～Ｓａ１４、Ｓｂ１～Ｓｂ１４　出力巻線、Ｂ１　第１系統第１ブロック、Ｂ２　第２系統第１ブロック、Ｂ３　第１系統第２ブロック、Ｂ４　第２系統第２ブロック。

Claims (15)

  1. 　一対の回転子と固定子で構成され、
    　前記回転子は、Ｎｘ（Ｎｘは自然数）個の突極を有する軸倍角Ｎｘの回転子であり、
    　前記固定子は、ｎを自然数として、周方向にｎ個のティースが順に配置されると共に、周方向にＭ分割されてＭ系統を構成し、１つの系統を構成するティースの角度を合計すると３６０／Ｍ度を有し、
    　ｎ個の前記ティースには、それぞれ１相の励磁巻線と２相の出力巻線が巻回されて、それぞれの前記励磁巻線には、異なる励磁回路により同一周波数の励磁信号が印加され、１つの系統当たりの出力次数がＮｏｕｔ（Ｎｏｕｔは自然数）であって、
    　前記Ｍ系統の出力信号により異常を検知することを特徴とする冗長型レゾルバ。
  2. 　前記Ｍ系統のうちの一部で故障が発生した場合、故障が発生した系統の励磁信号を停止することを特徴とする請求項１に記載の冗長型レゾルバ。
  3. 　前記１つの系統当たりの励磁次数がＮｅ±０．５次（Ｎｅは自然数）であると共に、前記回転子の軸倍角が奇数であることを特徴とする請求項１または２に記載の冗長型レゾルバ。
  4. 　前記１つの系統当たりの励磁次数がＮｅ±次（Ｎｅは自然数）であると共に、前記回転子の軸倍角が偶数であることを特徴とする請求項１または２に記載の冗長型レゾルバ。
  5. 　前記Ｍ系統の出力信号が、それぞれオフセットを補正されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  6. 　前記１つの系統を構成するティースの連なりであるティースブロックの端部には、出力巻線を巻回しない補助ティースが配置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  7. 　前記１つの系統に巻回される２相の出力巻線の巻数の振幅が異なることを特徴とする請求項６に記載の冗長型レゾルバ。
  8. 　前記励磁信号の位相差が、６０°以内であることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  9. 　前記励磁信号が同期していることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  10. 　前記Ｍが２であることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  11. 　第１系統および第２系統の出力巻線が、互いに同方向または反対方向に巻回されていることを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  12. 　第１系統による検出角度をθ１、第２系統による検出角度をθ２とするとき、
    ｜θ１－θ２｜＞α、｜θ１＋θ２｜＞β（ただし、α、βは実数）により異常を判定することを特徴とする請求項１から１１の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  13. 　２つの系統が周方向に１８０°ごとに配置されていることを特徴とする請求項１から１２の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  14. 　２つの系統が周方向に９０°ごとに配置されていることを特徴とする請求項１から１２の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  15. 　請求項１から１４の何れか一項に記載の冗長型レゾルバと、前記冗長型レゾルバの出力端子に接続され、前記冗長型レゾルバの出力巻線の出力電圧から回転子の検出角度を計算して出力する角度演算器と、を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
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