JP4790054B2 - 磁気レゾルバ - Google Patents

Description

本発明は、磁気レゾルバに関し、特に、回転体の回転位置を検出する磁気レゾルバに関する。

回転体の回転位置を磁気誘導を利用して検出する磁気レゾルバに関する従来の技術は、たとえば特許文献１〜３に開示されている。

図９は、従来の磁気レゾルバ１０１の構成を示す断面模式図である。図９に示すように、磁気レゾルバ１０１は、ステータコア１１０と、コイル１３０が形成された基板１２０と、ステータコア１１０に対してコイル１３０を介在させて対向するように設けられるロータ１５０とを備える。コイル１３０の、ロータ１５０と対向する側の表面は、樹脂カバー１４０によって被覆されて保護されている。

ステータコア１１０は、鉄系の磁性材料からなる円環状のベースプレート部１１１と、プレス加工に代表される機械加工によりベースプレート部１１１と一体的に形成された突起部１１２とを含む。突起部１１２は、ベースプレート部１１１に対して立ち上がる形状に形成された側壁部１１４と、ロータ１５０と対向する側壁部１１４の端部を塞ぐ天井部１１６とを有する。突起部１１２の内側には、側壁部１１４および天井部１１６により囲まれた空洞部１１８が形成されている。

特開２００７−１７１１３１号公報 特開２００７−２８５７７４号公報 特開２００５−２０７７４８号公報

図１０は、従来の磁気レゾルバ１０１における磁束の流れを示す模式図である。図１０中の実線矢印に示すように、コイル１３０から発生する磁束は、ステータコア１１０の内部を通過して、ロータ１５０へ出力される。しかし、図１０中の破線矢印に示すように、コイル１３０から発生する磁束の一部は、突起部１１２の天井部１１６内や空洞部１１８内を通過してステータコア１１０の内部で完結してしまい、ステータコア１１０の突起部１１２からロータ１５０側へ出力されない。

このようなロータ１５０へ出力されない磁束（漏れ磁束）が増加すると、出力電圧が低下し、入力電圧に対する出力電圧の比（変圧比）が低下する。そのため、磁気レゾルバ１０１の検出分解能が低下し、回転体の回転角度を精度よく検出できないという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、変圧比の向上を可能とする磁気レゾルバを提供することである。

本発明に係る磁気レゾルバは、磁性材料製のステータコアと、コイルと、ロータとを備える。ステータコアは、ベースプレート部と、突起部とを有する。突起部は、ベースプレート部の表面に対して厚み方向に突起するように、ベースプレート部と一体成形されている。コイルは、突起部の周囲に設けられている。ロータは、コイルを介在させてベースプレート部の表面と対向するように配置されている。ロータが突起部と重なる面積が、ステータコアに対するロータの相対的な回転角度の変化に応じて変化する。ステータコアには、ベースプレート部および突起部を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている。

上記磁気レゾルバにおいて、突起部の根元部分に、外周面が断面曲線状に形成された拡大部が設けられていてもよい。

本発明の磁気レゾルバによると、変圧比を向上させることができるので、磁気レゾルバによる回転角度の検出分解能を高めることができる。

実施の形態１の磁気レゾルバの構成を示す斜視図である。 ステータコアの構成を示す斜視図である。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿うステータコアの断面図である。 基板の平面図である。 ロータの平面図である。 図１に示すＶＩ−ＶＩ線に沿う磁気レゾルバの断面図である。 実施の形態２のステータコアの断面図である。 実施の形態２の磁気レゾルバの断面図である。 従来の磁気レゾルバの構成を示す断面模式図である。 従来の磁気レゾルバにおける磁束の流れを示す模式図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

なお、以下に説明する実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下の実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、上記個数などは例示であり、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の磁気レゾルバ１の構成を示す斜視図である。実施の形態１の磁気レゾルバ１は、ステータコア１０と、コイル３０が形成される基板２０（図１中には不図示）と、基板２０を覆う樹脂カバー４０と、ロータ５０とを備える。ステータコア１０、基板２０、樹脂カバー４０およびロータ５０は、磁気レゾルバ１の薄型化を実現すべく厚みの小さい板状に形成されており、順に積層されるように配置されている。

図２は、ステータコア１０の構成を示す斜視図である。ステータコア１０は、円環状の形状を有するベースプレート部１１と、ベースプレート部１１から突起して形成された複数の突起部１２とを有する。ベースプレート部１１の中央部には、円形の回転軸挿通穴６２が、ベースプレート部１１を厚み方向に貫通するように形成されている。回転軸挿通穴６２には、磁気レゾルバ１を用いて回転位置を検出する対象である回転体が一体回転可能に固定された、回転軸が挿通される。ベースプレート部１１の外周部には、樹脂カバー４０が係合する係合穴６４が形成されている。図１に示すように、樹脂カバー４０の外周部に設けられた係合部４４が係合穴６４に嵌め入れられて係合することにより、樹脂カバー４０はステータコア１０と一体に取り付けられる。

ベースプレート部１１の外周部にはまた、回転体を内包するケースなどの固定部に磁気レゾルバ１を固定するための取り付け穴６６と、磁気レゾルバ１を固定部に取り付けたときの機械誤差に対するゼロ調整用の調整穴６８とが形成されている。対称の位置にある複数の取り付け穴６６にボルトが挿通されて磁気レゾルバ１を固定部に仮止めし、調整穴６８に調整用の棒を挿し入れ磁気レゾルバ１を周方向に移動させゼロ調整した後に、ボルトが本締めされて磁気レゾルバ１は固定される。磁気レゾルバ１の周方向の移動を許容できるように、取り付け穴６６は、ベースプレート部１１の周方向に延びる長穴として形成されている。

図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿うステータコア１０の断面図である。図３に示すように、突起部１２は、ベースプレート部１１の表面１１ａに対して、ベースプレート部１１の厚み方向に突起するように形成されている。ステータコア１０は、たとえば珪素鉄などの鉄系の磁性材料により形成された磁性材料製である。突起部１２は、ベースプレート部１１の一部に、たとえばプレス加工などの機械加工が施されて形成されており、突起部１２はベースプレート部１１と一体成形されている。つまり、ベースプレート部１１および突起部１２は、磁性材料により形成されている。突起部１２を機械加工によってベースプレート部１１と一体成形することにより、ステータコア１０の製造コストの低減が可能とされている。

突起部１２は、ベースプレート部１１の表面１１ａに複数個形成されており、全て同一の形状に形成されている。実施の形態１の例では、突起部１２は、半径ｒの円形状の突起（すなわち円柱突起）である。突起部１２は、円環状のベースプレート部１１の円周方向に沿って、規則的に配置されている。つまり、各突起部１２の中心（半径ｒの円の中心）は、円環状のベースプレート部１１と中心点を共有する円周上に、一定角度ずつ離間した角度位置に設定される。図２に示す例では、突起部１２は、３６°間隔で１０個（１０極）形成されている。

ステータコア１０には、ベースプレート部１１および突起部１２を、ステータコア１０の厚み方向に貫通するように、貫通孔１８が形成されている。貫通孔１８は、突起部１２の内側に側壁部１４により囲まれた空間を形成し、突起部１２を中空に形成している。突起部１２には、図９に示す天井部１１６は設けられていない。貫通孔１８は、図９に示す空洞部１１８と異なり、突起部１２の表面１１ａ側の先端から、ベースプレート部１１の裏面１１ｂにまで至るように形成されている。貫通孔１８は、ステータコア１０を厚み方向に突き抜けるように形成されており、ステータコア１０の表面１１ａ側と裏面１１ｂ側とを連通している。

図４は、基板２０の平面図である。図４に示すように、基板２０は、回転軸の挿通される回転軸挿通穴２２が中央部に形成された、円環形状に形成されており、絶縁材料により形成されている。基板２０には、基板２０を厚み方向に貫通する、貫通孔２６が複数個形成されている。貫通孔２６は、突起部１２の平面形状に対応する円形に形成されている。具体的には、貫通孔２６は、突起部１２の半径ｒと同一またはわずかに大きい半径を有する円形状に形成されている。

貫通孔２６は、円環状の基板２０の円周方向に沿って、規則的に配置されている。つまり、貫通孔２６の中心（円形の中心）は、円環状の基板２０と中心点を共有する円周上に、一定角度ずつ離間した角度位置に設定される。図４に示す例では、貫通孔２６は、突起部１２に対応して、３６°間隔で１０個（１０極）形成されている。

基板２０の表面には、コイル３０が形成されている。コイル３０は、貫通孔２６の回りに配置される渦巻状のコイルパターン３２と、隣接する各コイルパターン３２を互いに直列に接続する接続線３４とを有する。コイルパターン３２および接続線３４は、たとえば、銅に代表される導電性材料を基板２０の表面にプリントすることにより形成される。基板２０がステータコア１０の上に積層されたとき、基板２０に形成された貫通孔２６に突起部１２が挿通される。これにより、一の貫通孔２６まわりには、対応する一のコイルパターン３２および一の突起部１２により、一の極のコイル部が形成される。

コイル３０は、好ましくは、相毎（たとえば１相入力/２相出力）に別々に設定される。好ましくは、コイル３０は、励磁相として機能するコイル（励磁用コイル）と、ｃｏｓ相の出力コイルとして機能するコイル（ｃｏｓ相用コイル）と、ｓｉｎ相の出力コイルとして機能するコイル（ｓｉｎ相用コイル）とを含む。ｃｏｓ相用コイルとｓｉｎ相用コイルとは、電気的に９０°ずれて配置されている。

各相のコイルに対する各基板２０のコイルパターン３２（巻き数および巻き方向）は、所望のｓｉｎ相出力およびｃｏｓ相出力が後述の如くロータ５０の回転に伴って（それによるステータコア１１とロータ５０との遮蔽面積の変化に伴って）誘導されるように、決定される。励磁用コイルに交流電流を流すことにより、ｃｏｓ相用コイルおよびｓｉｎ相用コイルにはロータ５０の位置に応じた出力が発生する。２相の出力コイルの出力の差から、ロータ５０の位置を検出できる。

励磁用コイルと、ｃｏｓ相用コイルと、ｓｉｎ相用コイルとは、それぞれ別々の基板２０に形成されてもよい。コイルの相毎に別々に基板２０を形成し、別々の相のコイルパターン３２をプリントした基板２０を積層してコイル３０を構成する。これにより、各相のコイルパターン３２の構成の変更（巻き線数や巻き方向などの調整や変更）を、他の相のコイルパターン３２の変更を伴うことなく行なうことができ、汎用性が向上する。また、相の追加・変更にも機動的に対応可能となる。

コイル３０の接続線３４の端部には、接続用端子２４（図１参照）と電気的に接続するためのコネクタ接続部３６が形成される。図１に示す樹脂カバー４０が基板２０上に積層されるとき、接続用端子２４はコネクタ接続部３６に嵌入される。接続用端子２４とコネクタ接続部３６とは、たとえば溶接、はんだ、圧入などの適切な方法を用いて電気的に接続される。これにより、接続用端子２４と各相のコイル３０との電気的接続が実現されている。

図５は、ロータ５０の平面図である。図５に示すように、ロータ５０の中央部には、回転軸の挿通される回転軸挿通穴５２が形成されている。回転軸挿通穴５２を形成するロータ５０の内周縁部の一部が径方向内側へ突起してキー部５８が形成されている。キー部５８が回転軸の外周面に形成されたキー溝と係合して、ロータ５０は回転軸と一体として回転可能に固定される。

ロータ５０は、外周縁部が径方向外側へ相対的に突起した３箇所の凸部５４と、隣接する凸部５４の間の外周縁部が相対的に径方向内側へ近接した３箇所の平坦部５６とを有する。ロータ５０の中心（すなわち、略円形の回転軸挿通穴５２の中心）から外周縁部までの距離が、凸部５４において相対的に大きくなり、平坦部５６において相対的に小さくなるように、ロータ５０は形成されている。ロータ５０の外周縁部は、ロータ５０の中心を回転対称軸とする回転対称となるように、形成されている。

ロータ５０の形状は、図５に示される形状に限られるものではなく、ロータ５０の回転中に磁気特性を変化させられる形状であればどのようなものであってもよい。たとえば、ロータ５０の平面形状を楕円状に形成してもよい。

図６は、図１に示すＶＩ−ＶＩ線に沿う磁気レゾルバ１の断面図である。図６に示すように、ステータコア１０のベースプレート部１１上には基板２０、樹脂カバー４０が順に積層されている。突起部１２が基板２０に形成された貫通孔２６および樹脂カバー４０に形成された貫通孔４６を順に貫通するように、基板２０および樹脂カバー４０は、ステータコア１０に対する位相を合わせて配置される。樹脂カバー４０の係合部４４がステータコア１０の係合穴６４と係合することにより、基板２０は、ベースプレート部１１と樹脂カバー４０との間に挟持される。これにより、ステータコア１０、基板２０および樹脂カバー４０が一体となった組立体が形成される。

この組立体において、突起部１２と、突起部１２の周囲に設けられる基板２０上のコイル３０とにより、各極のコイル部がそれぞれ形成される。突起部１２の側壁部１４の先端部１４ａは、基板２０の貫通孔２６および樹脂カバー４０の貫通孔４６を貫通して、樹脂カバー４０から露出した状態となる。突起部１２の先端部１４ａは、図６に示すように、樹脂カバー４０の表面と略同一の高さに設けることができる。

ロータ５０は、コイル３０の形成された基板２０および樹脂カバー４０を介在させて、ステータコア１０のベースプレート部１１の表面１１ａと対向するように配置されている。回転位置の検出対象である回転体の回転中心を形成する回転軸に対し、ロータ５０は回転一体に固定されている。回転軸の回転に伴ってロータ５０が回転するとき、固定部に固定されたステータコア１０に対して、ロータ５０は相対回転する。

ロータ５０の外周縁部には複数個の凸部５４および平坦部５６が形成されている。上述したように、ロータ５０の径は、凸部５４において相対的に大きく、平坦部５６において相対的に小さくなっている。そのため、ロータ５０がステータコア１０に対して相対回転するときのステータコア１０に対するロータ５０の相対的な回転角度の変化に応じて、ロータ５０が突起部１２と重なる面積、すなわちロータ５０による突起部１２の遮蔽面積が変化する。

この遮蔽面積が変化すると、突起部１２を通る磁束が遮蔽される面積が変化するので、それに伴って磁束抵抗が変化して、突起部１２周りのコイル３０（すなわち、上述したｃｏｓ相用コイルおよびｓｉｎ相用コイル）に誘起される電流（出力電圧）が変化する。この遮蔽面積は、回転軸まわりのロータ５０の回転に伴う、ロータ５０の外径の変化に依存して変化する。本実施の形態の磁気レゾルバ１では、ロータ５０の回転に伴う磁束抵抗の変化を利用して、ロータ５０の回転角度、すなわち回転軸の回転角度であって検出対象の回転部の回転角度を検出することができる。

本実施の形態の突起部１２には、図９に示す天井部１１６は設けられておらず、貫通孔１８はステータコア１０を厚み方向に貫通するように形成されている。突起部１２は、ベースプレート部１１の一部を突起させたスリーブ形状の側壁部１４を有し、側壁部１４の内側にステータコア１０を厚み方向に貫通する貫通孔１８が形成されており、バーリング加工で得られる形状（バーリング形状）に形成されている。

突起部１２が中空のバーリング形状に形成されているために、空洞である突起部１２の内部は磁気抵抗が大きくなっている。そのため、突起部１２の側壁部１４を先端部１４ａまで流れた磁束は、より近い位置にある磁性体、すなわちロータ５０側へ流れやすくなる。磁束がロータ５０側へ誘導されることにより、磁束が突起部１２の内部の空洞を通過することが抑制されており、突起部１２からロータ５０へ出力される磁束が増加し、漏れ磁束が低減される。その結果、入力電圧に対する損失が低減されるので、変圧比を向上させることができる。

ここで、磁気レゾルバ１を使用するときの電気周波数が高周波領域である場合、ステータコア１０を流れる渦電流により生じる反作用磁束の磁束密度がステータコア１０内の場所によって異なるために、磁束の表皮効果という現象が発生することが知られている。磁束の表皮効果によって、ステータコア１０の表面に磁束が集中し、磁束密度がステータコア１０の表面で高く、表面から離れると低くなる。磁束密度が高くなる領域のステータコア１０の表面からの厚みを表皮深さδとすると、表皮深さδは、以下の数式１により求められる。

数式１中のσは、磁性体であるステータコア１０の導電率（単位：Ｓ／ｍ）である。μは、ステータコア１０の透磁率（単位：Ｈ／ｍ）である。ωは角速度（単位：ｒａｄ／ｓ）である。透磁率μは以下の数式２により、また角速度ωは以下の数式３により求められる。

数式２中のμ_０は真空中の透磁率（４π×１０^−７Ｈ／ｍ）、μ_ｒはステータコア１０の比透磁率である。また数式３中のｆは、磁気レゾルバ１を使用するときの電気周波数（単位：Ｈｚ）である。

電気周波数ｆが、たとえば１０ｋＨｚ程度の高周波数領域である場合、磁束の表皮効果によりステータコア１０の表面において磁束密度が高くなる。そのため、磁束はステータコア１０の表皮部分にしか流れなくなる。数式１により求められる、表皮効果によって磁束が流れる層の厚み分の表皮深さδをステータコア１０が有していない場合、ステータコア１０からロータ５０へ流れる磁束が飽和してしまう。つまり、ステータコア１０の板厚が不十分であれば、磁束の流れが妨げられてロータ５０へ出力される磁束が小さくなり、それに伴い貫通孔１８の内部を経由してステータコア１０内部で完結する磁束が増加して、損失が増加し変圧比が低下する。

このような磁束のロスを低減させるためには、図６に示す側壁部１４の板厚ｔ（バーリング板厚と称する）を、数式１により求められるステータコア１０の表皮深さδよりも大きい値とする必要がある。表皮深さδよりも厚いバーリング板厚を確保することによって、ステータコア１０からロータ５０へ流れる磁束流れを十分確保することができる。したがって、表皮効果によるロータ５０への磁束流れの減少を抑制し、漏れ磁束を低減させ、変圧比を向上させることができる。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２のステータコア１０の断面図である。図８は、実施の形態２の磁気レゾルバ１の断面図である。実施の形態２の磁気レゾルバ１は、ステータコア１０に形成された突起部１２の形状において、実施の形態１と異なっている。具体的には、図７および図８に示すように、突起部１２の側壁部１４の外周面７１は、根元部分７０においてたとえば円弧形状などの断面曲線状に形成され、径方向外側へ張り出している。その結果、突起部１２の根元部分７０には、側壁部１４の外周面７１が断面曲線状に形成された拡大部７４が設けられている。

図６に示す実施の形態１の磁気レゾルバ１では、側壁部１４の外周面７１が円筒面形状に形成されていた。そのため、側壁部１４の根元部分７０では、ベースプレート部１１と側壁部１４との境い目において角部７２が形成されていた。角部７２では、加工時に作用する応力の影響により磁気ひずみが発生し、そのため磁束が角部７２に集中して磁気抵抗が増大するという問題があった。

これに対し、実施の形態２の磁気レゾルバ１のように、突起部１２を根元部分７０において断面曲線状に形成することにより、加工時に加わる応力が低減され、磁気ひずみが軽減される。また、側壁部１４の断面積が相対的に増加することによっても、ステータコア１０を通過する磁束に対する磁気抵抗が小さくなり、磁束がステータコア１０を通り易くなる。これにより、角部７２へ集中していた磁束を分散させることができ、その結果ロータ５０へ出力される磁束を増加させることができるので、変圧比を向上させることができる。

突起部１２の根元部分７０の断面は、円弧形状に限られるものではなく、たとえば楕円弧形状や放物線形状などの、任意の変曲点を有さない曲線形状に形成してもよい。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の磁気レゾルバは、たとえば、回転電機の回転子の位置を検出する回転センサに好適に用いられ得る。

１ 磁気レゾルバ、１０ ステータコア、１１ ベースプレート部、１１ａ 表面、１１ｂ 裏面、１２ 突起部、１４ 側壁部、１４ａ 先端部、１８ 貫通孔、２０ 基板、３０ コイル、４０ 樹脂カバー、５０ ロータ、７０ 根元部分、７１ 外周面、７２ 角部、７４ 拡大部。

Claims (2)

1. ベースプレート部と、前記ベースプレート部の表面に対して厚み方向に突起するように前記ベースプレート部と一体成形された突起部とを有する、磁性材料製のステータコアと、
   前記突起部の周囲に設けられるコイルと、
   前記コイルを介在させて前記ベースプレート部の前記表面と対向するように配置されるロータとを備え、
   前記ロータが前記突起部と重なる面積が、前記ステータコアに対する前記ロータの相対的な回転角度の変化に応じて変化する、磁気レゾルバであって、
   前記ステータコアには、前記ベースプレート部および前記突起部を前記厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている、磁気レゾルバ。
2. 前記突起部の根元部分に、外周面が断面曲線状に形成された拡大部が設けられている、請求項１に記載の磁気レゾルバ。

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