JP2013121225A - レゾルバ - Google Patents

Abstract

【課題】回転角度の検出精度の向上を図ったレゾルバを得る。
【解決手段】回転電機の回転軸に取り付けられるレゾルバロータ１と、レゾルバロータ１を囲って設けられるレゾルバステータ２とを備え、レソルバステータ２は、円形状をした内周側に内方へ突出する複数のティース３ａが形成されたステータコア３を有し、ステータコア３の加工時の主たる変形モードが、内周側が楕円形状となる２次モードの変形であり、レゾルバの起磁力次数Ａとレゾルバロータ１の軸倍角Ｂとで表される｜Ａ±Ｂ｜の整数と｜Ａ±Ｂ±４｜の整数とが、少なくともひとつ一致しており、ステータコア３の素材の圧延方向２２と２次モードの変形の長軸方向２１とが略同一方向になるようステータコア３を形成した。
【選択図】図６

Description

この発明は、回転電機の回転を検出するレゾルバに関し、特に、レゾルバステータの構造に関するものである。

従来のレゾルバのレゾルバステータ構造として、例えば、環状ステータ基部の円周方向に沿って均等に配された磁極歯を備えるステータと、このステータとの相対的な角度位置を変化させることでステータとの間隙のリラクタンス成分を変化させるロータとを備えたレゾルバにおいて、薄板の珪素鋼板を積層してなるステータコアは、薄板を積層する際に意図的に一枚一枚の薄板の位置関係を、金型により打ち抜いたときの位置関係に対して回転方向にずらせる、いわゆる回転積層を行って組み立てている。こうすることで、製造時に生じる形状誤差を平均化して、角度検出精度を向上させるようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１２７７６８号公報（第４−５頁、図１）

上記の特許文献１に示すようなレゾルバステータでは、薄板を回転方向にずらせながら積層する回転積層のため、作業効率が良くないという問題点があった。
また、回転積層はステータコアの外周形状が円形の場合を前提にしており、ステータコアの外部に突部や切り欠き部がある場合には、回転積層が不可能、もしくは回転積層の回転ピッチが限定されてしまい、思うように角度検出精度の向上が図れないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、回転角度検出精度の向上を図ったレゾルバを得ることを目的とする。

この発明に係るレゾルバは、回転電機の回転軸に取り付けられるレゾルバロータと、レゾルバロータを囲って設けられるレゾルバステータとを備え、レソルバステータは、円形状をした内周側に内方へ突出する複数のティースが形成されたステータコアを有し、ステータコアの加工時の主たる変形モードが、内周側が楕円形状となる２次モードの変形であり、レゾルバの起磁力次数Ａとレゾルバロータの軸倍角Ｂとで表される｜Ａ±Ｂ｜の整数と｜Ａ±Ｂ±４｜の整数とが、少なくともひとつ一致しており、ステータコアの素材の圧延方向と２次モードの変形の長軸方向とが略同一方向になるようステータコアが形成されているものである。

この発明のレゾルバによれば、ステータコアの加工時の主たる変形モードが、内周側が楕円形状となる２次モードの変形であり、レゾルバの起磁力次数Ａとレゾルバロータの軸倍角Ｂとで表される｜Ａ±Ｂ｜の整数と｜Ａ±Ｂ±４｜の整数とが、少なくともひとつ一致しており、ステータコアの素材の圧延方向と２次モードの変形の長軸方向とが略同一方向になるようステータコアが形成されているので、検出対象の回転電機の回転子からの漏れ磁束がレゾルバの角度検出誤差に与える影響を低減することができ、角度検出精度の向上を図ることができる。また、ステータコアを回転積層するものと比較して、回転積層する必要がないので、生産性及び組立性が向上する。

この発明の実施形態１によるレゾルバの正面図である。 図１の側面断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 この発明の実施形態１によるレゾルバを回転電機のブラケットに組付けた状態を示す断面図である。 この発明の実施形態１によるレゾルバを回転電機に組み込んだ状態を示す断面図である。 この発明の実施形態１によるレゾルバのステータコアの２次モード変形と圧延方向を説明する説明図である。 この発明の実施形態１によるレゾルバで、１２スロット，起磁力次数６の励磁巻線の巻数パターンの一例を示す説明図である。 この発明の実施形態１によるレゾルバで、２次モード変形の有無での角度検出誤差の解析結果を示す説明図である。 この発明の実施形態１によるレゾルバで、２次モード変形の長軸方向と圧延方向のなす角と、角度検出誤差との関係の解析結果を示す説明図である。 この発明の実施形態１によるアウターロータ型のレゾルバを示す平面断面図である。 この発明の実施形態２によるレゾルバの平面断面図である。 この発明の実施形態３によるレゾルバのステータコアの平面図である。 この発明の実施形態３によるレゾルバのステータコアの他の例を示す平面図である。 この発明の実施形態３によるレゾルバのステータコアの別の例を示す平面図である。 この発明の実施形態３によるレゾルバのステータコアの更に別の例を示す平面図である。

実施の形態１．
以下、図に基づいて説明する。図１は実施の形態１によるレゾルバの正面図、図２は図１の側面断面図、図３は図２のＡ−Ａから見たレゾルバステータの断面図である。また、図４は、実施の形態１のレゾルバを回転電機のブラケットに組付けた状態を示す断面図であり、更に、図５は回転電機に組み込んだ状態を示す断面図である。

まず、図１〜図３によりレゾルバの構造について説明する。
レゾルバは、打ち抜き加工された複数枚の珪素鋼板が積層されて構成されたレゾルバロータ１と、その外周を取り囲んで配置されるレゾルバステータ２とで構成されている。
レゾルバステータ２は、環状のステータコア３と、ステータコア３に設けられた一対の絶縁部材４，５と、絶縁部材４，５を介してステータコア３のティース３ａに巻回されたステータコイル６とで構成されている。
次に、レゾルバステータ２の各部を更に詳しく説明する。

ステータコア３は、図２，３に示すように、複数枚の珪素鋼板が積層されて構成され、外周側と内周側が円形状であり、内周側には径方向内側へ突出した複数のティース３ａが、周方向に均等に形成されている。このティース３ａの内径側が、レゾルバロータ１の外径側と微小空隙を空けて対向する。
絶縁部材４，５は、絶縁樹脂から成り、ステータコア３を両面から挟み込んでティース ３ａを覆うように設けられている。
ステータコイル６は、絶縁部材４，５を介してティース３ａに巻回されており、１つの励磁巻線と２つの出力巻線の独立した３つの巻線で構成されている。
また、図１，２に示すように、絶縁部材４の一部は、ステータコア３より径方向外側に延出させて形成した延出部４ａを有しており、ここにターミナル７がインサート成形されている。このターミナル７のターミナルピン７ａに、ステータコイル６の引き出し線６ａが接続される。

次にレゾルバが回転検出対象の回転電機に組付けられた状態を図４，５で説明する。図４は部分図で有り、図５は全体図である。
レゾルバロータ１は、回転電機の回転軸９の軸端に取付けられる。なお、回転軸９は磁性材で構成されている。
レゾルバステータ２は、レゾルバロータ１を取り囲んで、回転軸９と同軸で回転電機のリヤブラケット８に配置される。回転軸９の回転に伴うレゾルバロータ１とレゾルバステータ２との間の空隙磁束密度分布の変化により、レゾルバコイル６の２つの出力巻線に発生するそれぞれの出力電圧にもとづき、回転電機の回転軸９に固着された回転子１０の磁極位置を検出するものである。

図５により回転電機の内部を説明すると、回転子１０の回転軸９はブラケット側に設けられた２個の軸受１１により回転支持されており、回転子１０には界磁巻線１０ａが巻回されている。回転子１０の外周側に、固定子巻線１２ａが巻回された円筒状の固定子１２が配置されている。また、回転軸９には、２個のスリップリング１３が組付けられており、スリップリング１３に摺接するブラシ１４を備えている。
なお、この回転電機は一例を示すものであり、図に限定するものではない。

次にレゾルバの起磁力、パーミアンス、出力巻線それぞれの次数と、ステータコアの変形モード、圧延方向、角度検出誤差の関係について、図６〜９により説明する。
珪素鋼板を積層して構成されるロータ１およびステータ２からなるレゾルバでは、ステータコア３のティース３aに巻回されるステータコイル６の励磁巻線に通電して生じる起磁力の次数（以下、起磁力次数と呼ぶ）をＡ、主にロータ外径形状によるパーミアンスの次数、すなわち軸倍角をＢとしたとき、ステータコア３とレゾルバロータ１との間の空隙に生じる磁束密度分布の次数｜Ａ±Ｂ｜のいずれかの整数を主とする次数で２つの出力巻線を互いに９０度位相をずらして、それぞれティース３ａに巻回している。
前記｜Ａ±Ｂ｜のいずれかの整数の次数で巻回される、角度検出誤差の小さい理想の出力巻線に対して、ティース数は有限であるため１つのティースに巻回される巻線の巻数を整数に丸めるため、いずれかのティースで巻数を数ターン増減することで角度検出誤差を小さくするように巻数を調整している。

永久磁石や界磁巻線を有する回転電機の回転子１０から、漏れ磁束が磁性材である回転軸９を介してレゾルバロータ１とレゾルバステータ２に流れ込む場合には、角度検出に必要な励磁巻線の起磁力による磁束以外のノイズとしての磁束がステータコイル６の出力巻線に鎖交するため、前記漏れ磁束が前記空隙に生じさせる磁束密度分布の次数を回避する出力巻線の次数を選定する。しかし、加工時においてステータコアの変形が生じた場合、変形によりパーミアンスが変化するので、出力巻線で拾う空隙磁束密度分布の次数に、漏れ磁束の影響が表れてしまうことがある。

ステータコア３を製作する珪素鋼板の打ち抜き加工では、内径側形状に必要な孔を順々に打ち抜いていき、最後に外径を打ち抜いて１枚のステータコア形状とする。この過程で、打ち抜き金型のクリアランスが均一でないことや、ステータコアの内径側の形状が不均一であることから、ステータ外径側の肉厚が周囲に比べて薄い部分が変形し易く、打ち抜きの拘束条件により、その外周面と直交方向もしくは平行方向のいずれか一方を長軸とした変形モードで変形する。一般的に、高次モードの変形量に比べて、より低次モードの変形量が大きい。

図６は、ステータコア３の２次モードの変形（以下、２次モード変形と称す）と後述する圧延方向との関係を説明する図である。また、図７は、ステータコア３が１２スロットで起磁力次数６の場合の励磁巻線の巻数パターンの一例を示す図表である。
２次モード変形とは、図６のように変形部分が２箇所で、全体が楕円形状に変形するモードである。この２次モード変形の長軸方向２１は楕円形状に変形した楕円の長軸方向と一致する。
２次モード変形の長軸方向２１を、解析や実験で予め調査しておくことで、ステータコア３を打ち抜くとき、珪素鋼板の圧延方向に対して長軸方向２１を揃えるように金型方向やステータ打ち抜きパターンの向きを調整することが可能である。
図６において、符号２２で示す線は、圧延方向を図示したものであり、２次モード変形の長軸方向２１と圧延方向２２とのなす角度θを、以下では単に、なす角θと呼ぶことにする。また、図６に破線で示す円形は、変形がない場合のティース３ａの内径である。

２次モード変形の変形量が大きい場合には、レゾルバロータ１の外径形状によるパーミアンスの次数すなわち軸倍角Ｂが変化することで、前記漏れ磁束が空隙に生じさせる磁束密度分布の次数と前記出力巻線の次数とが一致し、励磁巻線による磁束以外のノイズとしての磁束を出力巻線が拾ってしまい、角度検出誤差となって角度検出精度が悪化してしまうことがある。
例えば、励磁巻線の起磁力次数Ａが６、レゾルバロータ１の軸倍角Ｂが８、出力巻線の次数が２の場合には、｜Ａ±Ｂ｜の整数は２と１４であり、本来のパーミアンスに何らかの４次変動が加わったときの｜Ａ±Ｂ±４｜の整数は２、６、１０、１８であることから、少なくとも１つ共通する整数２を有する。

そこで、本実施の形態によるレゾルバは、図１〜５のように構成されたレゾルバにおいて、レゾルバの起磁力次数Ａとレゾルバロータの軸倍角Ｂとで表される｜Ａ±Ｂ｜の整数と、｜Ａ±Ｂ±４｜の整数とが、少なくともひとつ一致する数値を有するような漏れ磁束がある場合に、ステータコア３の素材の圧延方向と２次モード変形の長軸方向とが略同一方向になるように、ステータコア３を形成するものである。これは、打ち抜き工程において、金型方向やステータ打ち抜きパターンの向きを調整することで達成できる。
以下に、この構成により、角度検出精度を向上できる理由について説明する。

図８は、回転子からの漏れ磁束がある場合について、珪素鋼板の打ち抜き加工時の２次モード変形を模擬した変形の有無が、角度検出誤差に影響を及ぼすことを説明する解析結果を示すグラフであり、縦軸を直読み方式での角度検出誤差、横軸を回転子の回転速度として、２次モード変形が有りでなす角θが０の場合と、無しの場合とを比較したものである。なお、ステータコアは１２スロット，軸倍角Ｂが８，起磁力次数Ａが６の場合である。
図から分かるように、２次モード変形が有る場合は、無い場合より、どの回転速度でも角度検出誤差の相対値が高くなっている。
次に、この角度検出誤差が圧延方向によって影響される点を説明する。

図９は、回転電機の回転子の漏れ磁束がある場合において、ステータコア３を構成する珪素鋼板の圧延方向２２と、その珪素鋼板の打ち抜き加工時の２次モード変形を模擬した変形の長軸方向２１とのなす角θと、角度検出精度との関係について磁界解析した結果を示すグラフである。なお、ステータコア３は１２スロット，軸倍角Ｂが８，起磁力次数Ａが６の場合である。
図から、なす角θが小さいほど角度検出精度が良好となることがわかる。また、回転子の回転数が大きくなると、単位時間に漏れ磁束が出力巻線に鎖交する磁束数が大きくなるので、角度検出精度に対する影響が大きいことが分かる。また、なす角θが０度以上かつ４５度以下であるとき、すなわち１２スロットの場合、１．５ティースピッチ以内のとき、０度付近を最小値として角度検出誤差が小さくなることから、０度〜４５度が角度検出精度を向上させるためのなす角θの望ましい範囲であると言える。

なお、以上までの説明では、レゾルバは、インナーロータ型であったが、図１０に示すように、内側にレゾルバステータ３が配置され、その外周側にレゾルバロータ１が配置されたアウターロータ型のレゾルバであっても同様の効果を期待できる。

以上のように、実施の形態１のレゾルバによれば、回転電機の回転軸に取り付けられるレゾルバロータと、レゾルバロータを囲って設けられるレゾルバステータとを備え、レソルバステータは、円形状をした内周側に内方へ突出する複数のティースが形成されたステータコアを有し、ステータコアの加工時の主たる変形モードが、内周側が楕円形状となる２次モードの変形であり、レゾルバの起磁力次数Ａとレゾルバロータの軸倍角Ｂとで表される｜Ａ±Ｂ｜の整数と｜Ａ±Ｂ±４｜の整数とが、少なくともひとつ一致しており、ステータコアの素材の圧延方向と２次モードの変形の長軸方向とが略同一方向になるようステータコアが形成されているので、回転電機の回転子からの漏れ磁束が角度検出誤差に与える影響を低減することができ、角度検出精度を向上できる。また、ステータコアの組立時に回転積層する必要がないので、生産性と組立性が向上する。

実施の形態２．
図１１は、実施の形態２によるレゾルバを示す平面断面図である。実施の形態１の構成要素と類似要素には同符号を付して説明を省略する。また、レゾルバ自体の基本的な構成は実施の形態１と同等なので説明を省略し、以下では、相違点を中心に説明する。実施の形態１との相違点は、圧延方向とステータコアのティースとの関係である。

図に示すように、実施の形態２のステータコア３は、実施の形態１の要件に加え、その内周側にあるティース３ａのうち軸心に対して対称の位置にあるいずれか２つのティースの中心を結ぶ中心軸と圧延方向２２とが一致するように製作されているものである。
このようにすることで、圧延方向２２とティース３ａ中心軸とが一致していない場合に比べて、ステータコア３の圧延方向２２の磁気抵抗をより小さくできるので、設定した圧延方向の角度に磁束が流れ易くなる。

以上のように、実施の形態２のレゾルバによれば、ステータコアの内周側の対称位置にあるいずれか２つのティースの中心を結ぶ中心軸と圧延方向とを一致させたので、設定した圧延方向の角度に磁束が流れ易くなるため、実施の形態１に比べて更に回転角度検出精度を向上させることができる。

実施の形態３．
図１２〜図１５は、実施の形態３によるレゾルバのステータコアを示す平面図である。実施の形態１の構成要素と類似要素には同符号を付して説明を省略する。また、レゾルバ自体の基本的な構成は実施の形態１と同等なので説明を省略し、以下では、相違点を中心に説明する。実施の形態１または２との相違点は、ステータコアの形状である。

まず図１２から説明する。図１２に示すステータコア３は、外周形状が円形でありその外周の、中心軸に対して対称な位置に、２箇所の切欠部３ｂを設けたものである。このような形状にすることで、ステータコア３は、切欠部のために構造強度が均一でなくなる。すなわち、構造強度的に対称面が生じるため、ステータコア打ち抜き時に、２次モード変形が生じ易く、切欠部を結ぶ方向もしくは直交方向のいずれか一方が２次モード変形の長軸方向となる。そこで、この長軸方向に圧延方向を容易に合わせることができるため、容易に角度検出精度の向上を図ることができる。

図１３は、他の実施例である。図のように、基本的に円形状をしたステータコア３の外周に、径方向外へ突出する２箇所の突部３ｃを、軸心に対して対称位置に設けている。この形状により、周方向の構造強度が均一でなくなり構造強度に対称面が生じ、図の場合であれば、両突部３ｃの中心線に直交する方向の強度が弱くなり、その方向もしくはそれと直交方向のいずれか一方にステータコア打ち抜き時に２次モード変形が生じ易くなる。従って、２次モード変形の長軸方向に圧延方向を容易に合わせることができるため、角度検出精度の向上を図ることができる。

図１４は、別の実施例である。図のように、ステータコア３の外形を長方形としたものである。この形状により、周方向の構造強度が均一でなくなり構造強度に対称面が生じ、２次モード変形が生じ易く、図の場合であれば、軸心を通る長方形の短辺方向もしくは長辺方向のいずれか一方の線が２次モード変形の長軸方向となる。従って、この長軸方向に容易に圧延方向を合わせることができるため、角度検出精度の向上を図ることができる。

図１５は、更に別の実施例である。外周形状が円形のステータコア３の外周側の、中心軸に対称な２箇所に、カシメ、溶接、ボルト固定等を行う接合箇所を設けたものである。図１５（ａ）は、接合箇所３ｄが溶接の場合であり、図１５（ｂ）は、接合箇所３ｅがカシメやボルト固定の場合である。これらの形状でも、周方向の構造強度が均一でなくなり構造強度に対称面が生じ、２次モード変形が生じ易く、接合箇所を結ぶ線もしくはそれと直交方向のいずれか一方が２次モード変形の長軸方向となり、この長軸方向に容易に圧延方向を合わせることができるため、角度検出精度の向上を図ることができる。

以上のように、実施の形態３のレゾルバによれば、ステータコアの外周の形状が円形であり、外周の対称位置に２箇所の切欠部を有するので、周方向の構造強度が均一でなくなり、構造強度的に対称面が生じ、切欠部を結ぶ方向もしくはそれと直交方向のいずれか一方が２次モード変形の長軸方向となるので、この長軸方向に圧延方向を容易に合わせることができるため、実施の形態１又は２の効果に加えて、容易に角度検出精度の向上を図ることができる。
また、ステータコアの外周の形状が円形であり、外周の対称位置に２箇所の突部を設けたので、突部を結ぶ方向もしくはそれと直交方向のいずれか一方が２次モード変形の長軸方向となり、上記と同様の効果を得ることができる。
また、ステータコアの外周の形状を長方形としたので、２次モード変形の長軸方向を容易に特定できるので、上記と同様の効果を得ることができる。
更に、ステータコアの外周の形状が円形であり、外周側の対称位置に２箇所の接合箇所を有し、接合箇所においてステータコアの素材を接合して一体に形成したので、接合箇所を結ぶ方向もしくはそれと直交方向のいずれか一方が２次モード変形の長軸方向となり、上記と同様の効果を得ることができる。

１ レゾルバロータ ２ レゾルバステータ
３ ステータコア ３ａ ティース
３ｂ 切欠部 ３ｃ 突部
３ｄ，３３ｅ 接合箇所 ４，５ 絶縁部材
４ａ 延出部 ６ ステータコイル
６ａ 引き出し線 ７ ターミナル
７ａ ターミナルピン ８ リヤブラケット
９ 回転軸 １０ 回転子
１０ａ 界磁巻線 １１ 軸受
１２ 固定子 １２ａ 固定子巻線
１３ スリップリング １４ ブラシ
２１ ２次モード変形の長軸方向 ２２ 圧延方向。

Claims (6)

1. 回転電機の回転軸に取り付けられるレゾルバロータと、前記レゾルバロータを囲って設けられるレゾルバステータとを備え、
   前記レソルバステータは、円形状をした内周側に内方へ突出する複数のティースが形成されたステータコアを有し、
   前記ステータコアの加工時の主たる変形モードが、前記内周側が楕円形状となる２次モードの変形であり、
   レゾルバの起磁力次数Ａと前記レゾルバロータの軸倍角Ｂとで表される｜Ａ±Ｂ｜の整数と｜Ａ±Ｂ±４｜の整数とが、少なくともひとつ一致しており、
   前記ステータコアの素材の圧延方向と前記２次モードの変形の長軸方向とが略同一方向になるよう前記ステータコアが形成されていることを特徴とするレゾルバ。
2. 請求項１記載のレゾルバにおいて、
   前記ステータコアの内周側の対称位置にあるいずれか２つのティースの中心を結ぶ中心軸の方向と前記圧延方向とが一致していることを特徴とするレゾルバ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレゾルバにおいて、
   前記ステータコアの外周の形状が円形であり、前記外周の対称位置に２箇所の切欠部を有することを特徴とするレゾルバ。
4. 請求項１又は請求項２に記載のレゾルバにおいて、
   前記ステータコアの外周の形状が円形であり、前記外周の対称位置に２箇所の突部を有することを特徴とするレゾルバ。
5. 請求項１又は請求項２に記載のレゾルバにおいて、
   前記ステータコアの外周の形状が長方形であることを特徴とするレゾルバ。
6. 請求項１又は請求項２に記載のレゾルバにおいて、
   前記ステータコアの外周の形状が円形であり、前記外周側の対称位置に２箇所の接合箇所を有し、前記接合箇所において前記ステータコアの素材が接合されて一体に構成されていることを特徴とするレゾルバ。

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