JP6918142B2 - 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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Description

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を２以上の自然数としてＮｘ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２以上の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、Ｍを２以上の自然数として周方向に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相の励磁巻線と前記Ｍ系統の１つを構成する２相の出力巻線が巻回されて、それぞれの系統を構成するティースに巻回された前記励磁巻線には、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つの系統当たりの前記出力巻線の空間次数が自然数であって、
前記Ｍ系統を構成する第１系統による検出角度をθ１、前記Ｍ系統を構成する第２系統による検出角度をθ２とするとき、｜θ１＋θ２｜＞α（ただし、αは実数）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 0006918142
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 0006918142
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、第１系統及び第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 (14)

  1. 一対の回転子と固定子で構成され、
    前記回転子は、Ｎｘを２以上の自然数としてＮｘ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２以上の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、Ｍを２以上の自然数として周方向に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相の励磁巻線が巻回されると共に、前記Ｍ系統の１つを構成する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つの系統当たりの前記出力巻線の空間次数が自然数であって、
    前記Ｍ系統を構成する第１系統による検出角度をθ１、前記Ｍ系統を構成する第２系統による検出角度をθ２とするとき、｜θ１＋θ２｜＞α（ただし、αは実数）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を自然数として、Ｎｅ±０．５次であると共に、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を自然数として、Ｎｅ±０次であると共に、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系統の出力信号は、それぞれの系統の出力信号の間に生じるオフセットが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. 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１１の何れか一項に記載の冗長型レゾルバ。
  14. 請求項１から１３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前記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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