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CN108369112B - 旋转角度检测装置及旋转电机 - Google Patents

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CN108369112B
CN108369112B CN201580085379.3A CN201580085379A CN108369112B CN 108369112 B CN108369112 B CN 108369112B CN 201580085379 A CN201580085379 A CN 201580085379A CN 108369112 B CN108369112 B CN 108369112B
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广谷迪
冈崎广大
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Abstract

本发明获得一种即使发生断路、短路等异常也能与正常时同样地对转子的旋转角度进行检测、并能削减端子数的旋转角度检测装置。在将输出绕组的空间阶数1个周期设为电气角360°的情况下，在第1输出绕组与第2输出绕组之间、以及第2输出绕组与第3输出绕组之间，分别设有电气角α的相位差，并且α≠180°×n(n为整数)。

Description

旋转角度检测装置及旋转电机
技术领域
本发明涉及利用转子与定子间的间隙中的磁导的变化来对转子的旋转角度进行检测的旋转角度检测装置及使用了该旋转角度检测装置的旋转电机。
背景技术
以往，已知有如下所述的旋转角度检测装置：即，在定子上所设的多个齿部的各个齿部上，互相设有电气角120°的相位差而卷绕有三个输出绕组，各个输出绕组的一端彼此进行电连接，并且各个输出绕组的另一端与输出端子进行电连接(例如，参照专利文献1、2)。
另外，已知有如下所述的旋转角度检测装置：即，输出绕组由第1系统绕组和第2系统绕组构成，分别对定子的齿部以每隔1个或每隔2个的方式卷绕第1系统绕组和第2系统绕组，在一个齿部上仅卷绕有第1系统绕组和第2系统绕组中的任意一个系统绕组(例如，参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2013－44679号公报
专利文献2：日本专利特开2013－221740号公报
专利文献3：日本专利特开2013－247828号公报
非专利文献
非专利文献1：石崎彰、其他3名、《新方式VR形1X旋转变压器的理论及特性》、电气学会论文杂志D、平成7年、第115卷、第5号、p.598-604
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在现有技术中存在如下问题。
即，在专利文献1、2中，需要基于分别来自3个输出绕组的输出信号来对转子的旋转角度进行计算。因此，虽然能对输出绕组的断路、短路等异常进行检测，但存在没有冗余化而无法在发生了异常时与正常时同样地对旋转角度进行检测的问题。
另外，在专利文献3中，定子绕组由励磁绕组和2相的输出绕组所构成的第1系统绕组和第2系统绕组构成，因此，还存在以下问题：虽然成为冗余化的构造，但在各系统绕组的引出部位，各个端子数为每个部位6个共计12个，因此，布线复杂且不适合小型化。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种旋转角度检测装置，即使发生断路、短路等异常也能与正常时同样地对转子的旋转角度进行检测，并能削减端子数。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的旋转角度检测装置包括：转子，该转子具有Nx个突极；定子，该定子沿周向依次配置有齿部T1～Tm，其中，m设为自然数；第1励磁绕组Rai(i＝1～m)，该第1励磁绕组Rai(i＝1～m)安装于定子的第i个齿部Ti；第2励磁绕组Rbi(i＝1～m)，该第2励磁绕组Rbi(i＝1～m)安装于定子的第i个齿部Ti；第1输出绕组Sai(i＝1～m)，该第1输出绕组Sai(i＝1～m)安装于定子的第i个齿部Ti；第2输出绕组Sbi(i＝1～m)，该第2输出绕组Sbi(i＝1～m)安装于定子的第i个齿部Ti；第3输出绕组Sci(i＝1～m)，该第3输出绕组Sci(i＝1～m)安装于定子的第i个齿部Ti；第1励磁电路和第2励磁电路，该第1励磁电路和第2励磁电路分别向串联连接的第1励磁绕组Ra1～Ram和第2励磁绕组Rb1～Rbm提供交流的电压；以及角度计算器，该角度计算器根据串联连接的第1输出绕组Sa1～Sam、第2输出绕组Sb1～Sbm及第3输出绕组Sc1～Scm的输出电压，来对转子的旋转角度进行计算，在将输出绕组的空间阶数1个周期设为电气角360°的情况下，在第1输出绕组与第2输出绕组之间、以及第2输出绕组与第3输出绕组之间，分别设有电气角α的相位差，且α≠180°×n(n为整数)。
发明效果
根据本发明所涉及的旋转角度检测装置，在将输出绕组的空间阶数1个周期设为电气角360°的情况下，在第1输出绕组与第2输出绕组之间、以及第2输出绕组与第3输出绕组之间，分别设有电气角α的相位差，并且α≠180°×n(n为整数)。
因此，即使发生断路、短路等异常，也能与正常时同样地对转子的旋转角度进行检测，并能削减端子数。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的结构图。
图2是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的框图。
图3是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的剖视图。
图4是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的主视图。
图5是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的延伸部的剖视图。
图6是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的第1和第2励磁绕组的匝数与齿部编号之间的关系的说明图。
图7是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的第1、第2和第3输出绕组的匝数与齿部编号之间的关系的说明图。
图8是表示卷绕在本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的齿部上的输出绕组的匝数的最大值与最小值之比、与输出绕组的电气角相位差之间的关系的说明图。
图9是表示将卷绕在本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的1个齿部上的输出绕组的匝数进行了固定的情况下的输出绕组的匝数的振幅、与定子的周向位置之间的关系的说明图。
图10是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的输出绕组的合计匝数与定子的周向位置之间的关系的说明图。
图11是表示本发明实施方式2所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的第1和第2励磁绕组的匝数与齿部编号之间的关系的说明图。
图12是表示本发明实施方式2所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的第1、第2和第3输出绕组的匝数与齿部编号之间的关系的说明图。
图13是表示本发明实施方式3所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的剖视图。
图14是表示本发明实施方式4所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的剖视图。
图15是表示本发明实施方式4所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的齿部编号与绕组卷绕顺序之间的关系的说明图。
图16是表示本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的框图。
图17是表示本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的主视图。
图18是表示本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的3相的输出绕组的输出电压的矢量图。
图19是表示本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中在第1输出绕组的正端子发生了断路的情况下的输出绕组的输出电压的矢量图。
图20是表示为计算本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的转子的旋转角度所需要的输出电压的组合的说明图。
图21是表示在设于本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的延伸部上的端子间所可能发生的短路的说明图。
图22是表示在用12种求取方法来计算本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的端子间发生了短路的情况下的转子的旋转角度时的角度误差的说明图。
图23是表示本发明实施方式6所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的主视图。
具体实施方式
以下，使用附图来说明本发明所涉及的旋转角度检测装置及使用了该旋转角度检测装置的旋转电机的优选实施方式，对于各图中相同或相当的部分，标注相同的标号来进行说明。此外，本发明并不局限于以下的描述，也可以在不脱离本发明主旨的范围内进行适当变更。
实施方式1.
图1是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的结构图。图1中，旋转角度检测装置100由角度计算器10和旋转变压器20构成。旋转变压器20包括转子30、定子40和线圈50。另外，转子30经由轴60与旋转电机70、各种装置的旋转部相连接。
图2是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的框图。在图2中，旋转变压器20具有卷绕于定子40的齿部的线圈50即第1输出绕组21、第2输出绕组22、第3输出绕组23、第1励磁绕组24以及第2励磁绕组25。
第1输出绕组21、第2输出绕组22及第3输出绕组23分别经由正端子Sa+、Sb+、Sc+以及负端子Sa－、Sb－、Sc－与角度计算器10相连接。角度计算器10根据旋转变压器20的3相的输出绕组中所产生的输出电压来计算并输出转子30的旋转角度。
第1励磁绕组24和第2励磁绕组25分别经由正端子Ra+、Rb+和负端子Ra－、Rb－与第1励磁电路81和第2励磁电路82相连接。第1励磁电路81和第2励磁电路82分别向第1励磁绕组24和第2励磁绕组25提供交流的电压。
图3是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的剖视图。在图3中，设本发明的实施方式1所涉及的定子40的齿部41的个数Ns为12，转子30的突极31的个数Nx为5。另外，突极31的个数也称为轴倍角。
另外，定子40的齿部T1～T12上分别卷绕有2相的励磁绕组24、25和3相的输出绕组21～23。此外，在本发明的实施方式1中，将齿部41的个数Ns设为12、将突极31的个数Nx设为5来进行说明，但并不局限于上述个数，即使是除此以外的个数，也能获得相同的效果。
图4是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的主视图。另外，图5是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的延伸部的剖视图。
在图4、5中，第1输出绕组21、第2输出绕组22、第3输出绕组23、第1励磁绕组24及第2励磁绕组25分别经由由设于旋转变压器20的延伸部26上的正端子Sa+、Sb+、Sc+、Ra+、Rb+及负端子Sa－、Sb－、Sc－、Ra－、Rb－所构成的端子27，而与角度计算器10、第1励磁电路81及第2励磁电路82相连接。
这里，为了实现冗余化而使用两个旋转变压器的情况下、或在一个旋转变压器中卷绕由励磁绕组及2相的输出绕组所构成的双系统的绕组的情况下的端子数为12个，与之相对，在本发明的实施方式1中，能将端子数设为10个，因此，端子27与角度计算器10之间的布线较为容易，并且能实现小型化。
另外，在图3所示的旋转变压器20中，具有以下结构：先将2相的励磁绕组24、25卷绕于齿部41，再从其上开始卷绕3相的输出绕组21～23。此时，第1励磁绕组24和第2励磁绕组25可以先卷绕任意一个，第1输出绕组21、第2输出绕组22和第3输出绕组23可以以任意的顺序来进行卷绕。
另外，第1输出绕组21、第2输出绕组22、第3输出绕组23、第1励磁绕组24及第2励磁绕组25均串联地分别卷绕于齿部T1～T12。在旋转变压器20上，有时设有未卷绕有3相输出绕组21～23中的任意1相输出绕组的齿部41。另外，绕组和齿部41通过绝缘纸、涂布等形成的绝缘体来进行绝缘。另外，各相的绕组间通过绝缘纸等进行绝缘。
在本发明的实施方式1中，将3相的输出绕组21～23沿周向并排进行卷绕，因此，从定子40与转子30之间的间隙到第1输出绕组21、第2输出绕组22及第3输出绕组23为止的距离互相相等。因此，与各个输出绕组交链的磁通相等，即，输出信号的振幅相等，因而能提高检测精度。
图6是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的第1和第2励磁绕组的匝数与齿部编号之间的关系的说明图。在图6中，示出了励磁绕组的绕组分布。此外，励磁绕组的匝数通过匝数的振幅来进行标准化。在图6中，对于旋转变压器20的励磁绕组，定义有卷绕方向(+)和卷绕方向(－)。
这里，若用卷绕方向(+)来表示某个线圈的绕组的方向，则绕线沿相反方向进行卷绕的线圈表述为卷绕方向(－)。另外，卷绕方向(+)的匝数与卷绕方向(－)的匝数的绝对值相同。即，若将卷绕方向(+)的匝数设为+X匝，则卷绕方向(－)的匝数为－X匝。
在本发明的实施方式1中，励磁绕组以(+)和(－)这两个齿部单位在定子的周围反复卷绕有Ne匝。此时，第1励磁绕组24和第2励磁绕组25的极对数Ne都为6(＝Ns/2)。
图7是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的第1、第2和第3输出绕组的匝数与齿部编号之间的关系的说明图。在图7中，示出了输出绕组的绕组分布。此外，输出绕组的匝数通过匝数的振幅、即后述的N1来进行标准化。
在图7中，定子40的齿部41上卷绕有3相(A相、B相、C相)的输出绕组。这里，输出绕组(A相、B相、C相)的第i个齿部41的匝数(NSai、NSbi、NSci)用下式(1)来表示。
【数学式1】
Figure GDA0001697987110000081
在式(1)中，N1表示输出绕组的匝数的振幅，θteeth表示齿部41的周向位置。另外，输出绕组沿齿部41的周向呈正弦波状分布。另外，匝数为小数的情况下，进行四舍五入而形成为整数。因此，利用3相的输出绕组21～23所具有的相位差，输出绕组(A相、B相、C相)的第i个齿部41的匝数(NSai、NSbi、NSci)各不相同。
另外，若将安装于齿部Ti(i＝1～Ns)的第1励磁绕组24表述为Rai，则第1励磁绕组Rai按1～Ns的顺序串联连接。同样地，若将安装于齿部Ti(i＝1～Ns)的第2励磁绕组25表述为Rbi，则第2励磁绕组Rbi按1～Ns的顺序串联连接。
另外，若将安装于齿部Ti(i＝1～Ns)的第1输出绕组21表述为Sai，则第1输出绕组Sai按1～Ns的顺序串联连接。同样地，若将安装于齿部Ti(i＝1～Ns)的第2输出绕组22表述为Sbi，则第2输出绕组Sbi按1～Ns的顺序串联连接。同样地，若将安装于齿部Ti(i＝1～Ns)的第3输出绕组23表述为Sci，则第3输出绕组Sci按1～Ns的顺序串联连接。
此外，这里，设各个绕组按1～Ns的顺序串联连接，但即使开始卷绕的齿部41为任意的齿部Ti，且在相邻的齿部41上依次串联连接，也能获得相同的效果。
接着，在将励磁绕组的极对数设为Ne、将转子30的突极31的个数设为Nx时，磁动势为空间Ne阶，间隙的磁导为Nx阶。这里，所谓空间A阶表示在机械角360°内A周期的分量。另外，极对数Ne是定子40的磁极的对数。
另外，利用流向旋转变压器20的励磁绕组的交流的励磁电流，在间隙中产生磁通，该磁通与输出绕组发生交链，在输出绕组中产生电压。若转子30的位置发生变化，则间隙的磁导发生变化，输出绕组中产生电压变化。
此时，根据卷绕于各齿部41的输出绕组中的2相的输出绕组上所产生的电压的包络线来进行角度检测。该包络线称为输出电压。另外，间隙的磁通密度能用磁动势与间隙的磁导之积来表示。此外，磁动势和磁导都为三角函数，因此，成为两者之积的三角函数的阶数。
即，根据三角函数的乘积和的式子，间隙的磁通密度的空间阶数(A)为∣Ne±Nx∣阶。这里，∣A∣表示A的绝对值。另外，若该间隙的磁通密度的空间阶数与输出绕组的空间阶数相一致，则利用三角函数的正交性来产生输出绕组的交链磁通。此时，励磁电流为交流，因此，输出绕组上产生电压，能对角度进行检测。
如上所述，为了作为旋转角度检测装置而起作用，必须从间隙中所产生的磁通中选出等于∣Ne±Nx∣的空间阶数的磁通。这一情况例如记载于非专利文献1的“＜2·1＞原理；p.599”。另外，根据非专利文献1的式(7)，根据旋转角度φ的变化等于∣Ne±Nx∣。
即，在本发明实施方式1所涉及的旋转变压器20中，角度检测所需要的间隙的磁通密度的空间阶数为∣6±5∣＝1阶、11阶。这里，在这些间隙的磁通密度的空间阶数即1阶与11阶之间，∣1±Ns∣＝11阶的关系成立，因此，所谓间隙的磁通密度的空间阶数1阶和11阶，也可以说是等效的。
即，为了检测转子30的旋转角度，输出绕组必须选择空间阶数1阶、11阶中的一个，这里，将输出绕组的空间阶数设为1阶，对转子30的旋转角度进行检测。
在本发明的实施方式1中，旋转变压器20具有2相振幅、结构相同的励磁绕组，因此，即使第1励磁绕组24和第2励磁绕组25中在某一个励磁绕组中发生了断路、短路等异常的情况下，也能对旋转变压器20进行励磁，因此，能与正常时同样地对转子30的旋转角度进行检测。
另外，本发明实施方式1所涉及的旋转变压器20的输出绕组中，在将输出绕组的空间阶数1周期设为电气角360°的情况下，第1输出绕组Sa1～Sa12、第2输出绕组Sb1～Sb12及第3输出绕组Sc1～Sc12各自设置电气角α的相位差来进行配置。
角度计算器10根据这些3相的输出绕组21～23中所产生的输出电压VSa、VSb、VSc来计算并输出转子30的旋转角度。此时，使用转子30的突极31的个数(轴倍角)Nx，用式(2)～(4)来表示输出电压VSa、VSb、VSc。
【数学式2】
VSa＝k·E sin(Nx·θ+α)…式(2)
【数学式3】
VSb＝k·Esin(Nx·θ)…式(3)
【数学式4】
VSc＝k·Esin(Nx·θ-α)…式(4)
在式(2)～(4)中，E表示励磁电压的振幅，k表示变压比，θ表示转子的旋转角度，α表示第1输出绕组21与第2输出绕组22之间、以及第2输出绕组22与第3输出绕组23之间的电气角相位差。其中，α≠180°×n(n为整数)。
接着，根据式(2)、(3)，在转子30的旋转角度θ、转子的轴倍角Nx、以及第1输出绕组21、第2输出绕组22及第3输出绕组23的电气角相位差α之间，下式(5)成立。
【数学式5】
Figure GDA0001697987110000111
同样地，根据式(3)、(4)，在转子30的旋转角度θ、转子的轴倍角Nx、以及第1输出绕组21、第2输出绕组22及第3输出绕组23的电气角相位差α之间，下式(6)成立。
【数学式6】
Figure GDA0001697987110000121
同样地，根据式(2)、(4)，在转子30的旋转角度θ、转子的轴倍角Nx、以及第1输出绕组21、第2输出绕组22及第3输出绕组23的电气角相位差α之间，下式(7)成立。
【数学式7】
Figure GDA0001697987110000122
接着，利用式(2)～(7)，根据3相的输出绕组21～23来获得3个输出信号，但也可以根据其中的两个输出信号，利用下式来求出转子30的旋转角度θ等。
【数学式8】
Figure GDA0001697987110000123
即，在本发明的实施方式1中，设置电气角相位差α来配置3相的输出绕组21～23，因此，即使在3相的输出绕组21～23中在任意1相中发生了断路、短路等异常的情况下，也能利用剩余2相的输出绕组来与正常时同样地对转子30的旋转角度θ进行检测。
这里，将输出绕组(A相、B相、C相)的第i个齿部41的匝数(NSai、NSbi、NSci)(i＝1～Ns)的合计匝数NSi的最大值设为NSmax，将最小值设为NSmin。
图8是表示卷绕在本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的齿部上的输出绕组的匝数的最大值与最小值之比、与输出绕组的电气角相位差之间的关系的说明图。在图8中，示出了NSmin/NSmax相对于3相的输出绕组21～23所具有的电气角相位差的变动。
在图8中，在设为30°+180°×n≤α≤150°+180°×n(n为整数)的情况下，NSmin/NSmax约为35％以上。因此，在本发明的实施方式1中，决定电气角相位差α，使得满足30°+180°×n≤α≤150°+180°×n，从而能将NSmin/NSmax设为约35％以上，能在实用上没有问题的情况下对转子30的旋转角度θ进行检测。
另一方面，在α＝180°×n这点上，会产生NSmin/NSmax＝0、即NSmin＝0，且没有卷绕任何输出绕组(A相、B相、C相)的齿部41，因此，无法对转子30的旋转角度θ进行检测，作为旋转变压器20不成立。
图9是表示将卷绕在本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的1个齿部上的输出绕组的匝数进行了固定的情况下的输出绕组的匝数的振幅、与定子的周向位置之间的关系的说明图。
在图9中，将3相的输出绕组21～23所具有的电气角相位差设为横轴，示出了对卷绕于每1个齿部的3相的输出绕组21～23的合计匝数最大值进行了固定的情况下的输出绕组的匝数的振幅、即上式(1)中的N1。此外，纵轴通过3相的输出绕组21～23所具有的电气角相位差α＝120°的值来进行标准化。
在图9中，设50°+180°×n≤α≤130°+180°×n(n为整数)的情况下，输出绕组(A相、B相、C相)相对于能卷绕于1个齿部的最大匝数的合计匝数的振幅约为0.9以上。因此，即使是存在来自线圈端部等的噪声的情况，也能提高SN比来抑制噪声的影响。
更优选的，设α＝60°+180°×n、120°+180°×n，从而输出绕组的匝数的振幅为最大，因此，能将噪声的影响变为最小限度。此外，即使设α＝60°±5°+180°×n、120°±5°+180°×n，输出绕组(A相、B相、C相)相对于能卷绕于1个齿部的最大匝数的合计匝数的振幅也约为0.9以上，因此，在实用上没有问题。
图10是表示本发明实施方式1所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的输出绕组的合计匝数与定子的周向位置之间的关系的说明图。在图10中，示出了电气角相位差α＝120°的情况下3相的输出绕组21～23的匝数的绝对值的合计。此外，3相的输出绕组21～23的合计匝数通过能卷绕于1个齿部的最大匝数来进行标准化。
在图10中，在设α＝120°的情况下，任何的齿部41上都能卷绕较多的匝数。因此，能降低噪声的影响，并能以更高的精度来对转子30的旋转角度θ进行检测。
由此，旋转变压器20由2相的励磁绕组24、25和具有电气角α的相位差的3相的输出绕组21～23构成，因此，能构成如下冗余化后的结构：即，即使在这些5相的绕组中的任意绕组发生断路、短路等异常的情况下，也能与正常时同样地对转子30的旋转角度θ进行检测。
如上所述，根据实施方式1，在将输出绕组的空间阶数1个周期设为电气角360°的情况下，在第1输出绕组与第2输出绕组之间、以及第2输出绕组与第3输出绕组之间，分别设有电气角α的相位差，并且α≠180°×n(n为整数)。
因此，即使发生断路、短路等异常，也能与正常时同样地对转子的旋转角度进行检测，并能削减端子数。
另外，第1输出绕组与第2输出绕组之间、以及第2输出绕组与第3输出绕组之间的电气角相位差α满足30°+180°×n≤α≤150°+180°×n(n为整数)。
因此，能抑制第1、第2及第3输出绕组的合计匝数的每个齿部的偏差，从而提高旋转角度的检测精度。
另外，优选为第1输出绕组与第2输出绕组之间、以及第2输出绕组与第3输出绕组之间的电气角相位差α满足50°+180°×n≤α≤130°+180°×n(n为整数)。
因此，能抑制第1、第2及第3输出绕组的合计匝数的每个齿部的偏差，从而提高旋转角度的检测精度。
另外，更优选为第1输出绕组与第2输出绕组之间、以及第2输出绕组与第3输出绕组之间的电气角相位差α满足α＝60°±5°+180°×n(n为整数)或α＝120°±5°+180°×n(n为整数)。
因此，能抑制第1、第2及第3输出绕组的合计匝数的每个齿部的偏差，从而提高旋转角度的检测精度。
实施方式2.
图11是表示本发明实施方式2所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的第1和第2励磁绕组的匝数与齿部编号之间的关系的说明图。在图11中，示出了励磁绕组的绕组分布。此外，励磁绕组的匝数通过匝数的振幅来进行标准化。
另外，本发明实施方式2所涉及的旋转变压器具有与图3所示的旋转变压器20相同的结构，定子40的齿部41的个数Ns为12，转子30的突极31的个数Nx为5。此外，在本发明的实施方式2中，将齿部41的个数Ns设为12、将突极31的个数Nx设为5来进行说明，但并不局限于上述数，即使是除此以外的个数，也能获得相同的效果。
在图11中，对于旋转变压器20的励磁绕组，定义有卷绕方向(+)和卷绕方向(－)。这里，若用卷绕方向(+)来表示某个线圈的绕组的方向，则绕线沿相反方向进行卷绕的线圈表述为卷绕方向(－)。另外，卷绕方向(+)的匝数与卷绕方向(－)的匝数的绝对值相同。即，若将卷绕方向(+)的匝数设为+X匝，则卷绕方向(－)的匝数为－X匝。
在本发明的实施方式2中，励磁绕组以(+)、(+)、(－)、(－)这四个齿部单位在定子的周围反复卷绕有Ne匝。此时，第1励磁绕组24和第2励磁绕组25的极对数Ne都为3(＝Ns/4)。
图12是表示本发明实施方式2所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的第1、第2和第3输出绕组的匝数与齿部编号之间的关系的说明图。在图12中，示出了输出绕组的绕组分布。此外，输出绕组的匝数通过匝数的振幅来进行标准化。
在图12中，定子40的齿部41上卷绕有3相(A相、B相、C相)的输出绕组。这里，输出绕组(A相、B相、C相)的第i个齿部41的匝数(NSai、NSbi、NSci)用上式(1)来表示。
在本发明的实施方式2中，励磁绕组的极对数Ne为3，转子30的突极31的个数Nx为5，因此，磁动势为空间3阶，间隙的磁导为5阶。因此，根据三角函数的乘积和的式子，间隙的磁通密度的空间阶数为∣3±5∣阶。
即，在本发明实施方式2所涉及的旋转变压器20中，角度检测所需要的间隙的磁通密度的空间阶数为∣3±5∣＝8阶、2阶，这里，将输出绕组的空间阶数设为2阶，对转子30的旋转角度进行检测。
根据本发明的实施方式2，旋转变压器20具有2相振幅、结构相同的励磁绕组，因此，即使第1励磁绕组24和第2励磁绕组25中在某一个励磁绕组中发生了断路、短路等异常的情况下，也能对旋转变压器20进行励磁，因此，能与正常时同样地对转子30的旋转角度进行检测。
实施方式3.
图13是表示本发明实施方式3所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的剖视图。在图13中，定子40的齿部T1～T12上分别卷绕有2相的励磁绕组24、25和3相的输出绕组21～23。
另外，在图13所示的旋转变压器20中，具有以下结构：将2相的励磁绕组24、25卷绕于齿部41的内径侧，将3相的输出绕组21～23卷绕于其外径侧。此时，第1励磁绕组24和第2励磁绕组25可以先卷绕任意一个，第1输出绕组21、第2输出绕组22和第3输出绕组23可以以任意的顺序来进行卷绕。另外，绕组和齿部41通过绝缘纸、涂布等形成的绝缘体来进行绝缘。
在本发明的实施方式3中，2相的励磁绕组24、25的全长与3相的输出绕组21～23的全长分别相等，因此，绕组的电阻也相等，能提高旋转角度的检测精度。
此外，根据上述实施方式3，设将2相的励磁绕组24、25卷绕于齿部41的内径侧、将3相的输出绕组21～23卷绕于外径侧，但并不局限于此，将3相的输出绕组21～23卷绕于内径侧并将2相的励磁绕组24、25卷绕于其外径侧也可以获得相同的效果。
实施方式4.
图14是表示本发明实施方式4所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的剖视图。在图14中，定子40的齿部T1～T12上分别卷绕有2相的励磁绕组24、25和3相的输出绕组21～23。
具体而言，齿部T1上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第1励磁绕组24、第2励磁绕组25、第1输出绕组21、第2输出绕组22、第3输出绕组23。另外，齿部T2上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第3输出绕组23、第2输出绕组22、第1输出绕组21、第2励磁绕组25、第1励磁绕组24。
另外，齿部T3上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第3输出绕组23、第1励磁绕组24、第2励磁绕组25、第1输出绕组21、第2输出绕组22。另外，齿部T4上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第2输出绕组22、第1输出绕组21、第2励磁绕组25、第1励磁绕组24、第3输出绕组23。
另外，齿部T5上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第2输出绕组22、第3输出绕组23、第1励磁绕组24、第2励磁绕组25、第1输出绕组21。另外，齿部T6上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第1输出绕组21、第2励磁绕组25、第1励磁绕组24、第3输出绕组23、第2输出绕组22。
另外，齿部T7上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第1输出绕组21、第2输出绕组22、第3输出绕组23、第1励磁绕组24、第2励磁绕组25。另外，齿部T8上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第2励磁绕组25、第1励磁绕组24、第3输出绕组23、第2输出绕组22、第1输出绕组21。
另外，齿部T9上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第2励磁绕组25、第1输出绕组21、第2输出绕组22、第3输出绕组23、第1励磁绕组24。另外，齿部T10上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第1励磁绕组24、第3输出绕组23、第2输出绕组22、第1输出绕组21、第2励磁绕组25。
另外，齿部T11上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第1励磁绕组24、第2励磁绕组25、第1输出绕组21、第2输出绕组22、第3输出绕组23。另外，齿部T12上按照靠近齿部41的顺序依次卷绕有第3输出绕组23、第2输出绕组22、第1输出绕组21、第2励磁绕组25、第1励磁绕组24。
在本发明的实施方式4中，将3相的输出绕组21～23沿周向并排进行卷绕，因此，从定子40与转子30之间的间隙到第1输出绕组21、第2输出绕组22及第3输出绕组23为止的距离互相相等。因此，与各个输出绕组交链的磁通相等，即，输出信号的振幅相等，因而能提高检测精度。
图15是表示本发明实施方式4所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的齿部编号与绕组卷绕顺序之间的关系的说明图。在图15中，示出了将2相的励磁绕组24、25及3相的输出绕组21～23卷绕于定子40的齿部T1～T12的顺序。在图15中，卷绕于定子40的齿部T1～T12的顺序按照靠近齿部41的顺序设为1、2、3、4、5。
根据本发明的实施方式4，按照每个齿部来变更卷绕绕组的顺序，从而2相的励磁绕组24、25的全长与3相的输出绕组21～23的全长分别相等，因此，绕组的电阻也相等，能更进一步提高旋转角度的检测精度。
此外，在上述实施方式4中，卷绕绕组的顺序并不局限于此，也可以针对每个齿部变更卷绕绕组的顺序，使得2相的励磁绕组24、25的全长与3相的输出绕组21～23的全长分别相等，即、使得各个卷绕顺序的合计相等，从而能获得相同的效果。
实施方式5.
图16是表示本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的框图。另外，图17是表示本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的主视图。
在图16、17中，定子40的齿部41上卷绕有由2相的励磁绕组24、25、以及分别具有电气角120°的相位差的3相的输出绕组21～23所构成的线圈50。另外，在旋转变压器20的延伸部26上设有8个端子27，与卷绕于齿部41的励磁绕组和输出绕组进行电连接。
这里，将与第1励磁绕组24和第2励磁绕组25的两端进行电连接的端子27分别设为第1励磁绕组24的正端子Ra+、第1励磁绕组24的负端子Ra－、第2励磁绕组25的正端子Rb+、第2励磁绕组25的负端子Rb－。
第1励磁绕组24分别经由正端子Ra+和负端子Ra－，与第1励磁电路81进行电连接。另外，第2励磁绕组25分别经由正端子Rb+和负端子Rb－，与第2励磁电路82进行电连接。第1励磁电路81和第2励磁电路82分别向第1励磁绕组24和第2励磁绕组25提供交流的电压。
另外，第1输出绕组21、第2输出绕组22及第3输出绕组23各自的一端互相进行电连接而构成中性点，将与该中性点进行电连接的端子27设为中性点端子D。另外，将与第1输出绕组21、第2输出绕组22及第3输出绕组23的另一端相连接的端子27分别设为第1输出绕组21的正端子Sa+、第2输出绕组22的正端子Sb+、第3输出绕组23的正端子Sc+。
第1输出绕组21、第2输出绕组22及第3输出绕组23分别经由中性点端子D、以及正端子Sa+、Sb+、Sc，而与角度计算器10进行电连接。角度计算器10根据3相的输出绕组21～23中所产生的输出电压来计算并输出转子30的旋转角度θ。
这里，为了实现冗余化而使用两个旋转变压器的情况下、或在一个旋转变压器中卷绕由励磁绕组及2相的输出绕组所构成的双系统的绕组的情况下的端子数为12个，与之相对，在本发明的实施方式5中，能将端子数设为8个，因此，端子27与角度计算器10之间的布线较为容易，并且能实现小型化。
图18是表示本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中的3相的输出绕组的输出电压的矢量图。在图18中，为方便起见示出了端子。在图18中，在本发明实施方式5所涉及的旋转变压器20中，3相的输出绕组21～23分别具有电气角120°的相位差，因此，将由这些3相的输出绕组21～23所产生的输出电压设为VSa、VSb、VSc时，下式(8)成立。
【数学式9】
VSa+VSb+VSc＝0…式(8)
在本发明的实施方式5中，能从中性点端子D及第1输出绕组21的正端子Sa+来检测第1输出绕组21的输出电压VSa。另外，能从中性点端子D及第2输出绕组22的正端子Sb+来检测第2输出绕组22的输出电压VSb。另外，能从中性点端子D及第3输出绕组23的正端子Sc+来检测第3输出绕组23的输出电压VSc。
此外，能从第1输出绕组21的正端子Sa+及第2输出绕组22的正端子Sb+来检测VSa－VSb。另外，能从第2输出绕组22的正端子Sb+及第3输出绕组23的正端子Sc+来检测VSb－VSc。另外，能从第3输出绕组23的正端子Sc+及第1输出绕组21的正端子Sa+来检测VSc－VSa。
这里，VSa、VSb、VSc由上式(2)～(4)来表示。在本发明实施方式5所涉及的旋转变压器20中，3相的输出绕组21～23分别具有电气角120°的相位差α，因此，VSb－VSc、VSc－VSa、VSa－VSb分别由下式(9)～(11)来表示。
【数学式10】
Figure GDA0001697987110000211
【数学式11】
Figure GDA0001697987110000212
【数学式12】
Figure GDA0001697987110000213
由此，在本发明的实施方式5中，能通过分别选择两种输出端子来对3相的输出绕组21～23的输出电压进行检测。
图19是表示本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器中在第1输出绕组的正端子发生了断路的情况下的输出绕组的输出电压的矢量图。在图19中，示出了3相的输出绕组21～23中第1输出绕组21的正端子Sa+与角度计算器10之间发生断路时的电压矢量图。
在图19中，若第1输出绕组21的正端子Sa+与角度计算器10之间发生断路，则无法检测来自第1输出绕组21的正端子Sa+的输出电压，但能从中性点端子D及第2输出绕组22的正端子Sb+来对第2输出绕组22的输出电压VSb进行检测。
另外，能从中性点端子D及第3输出绕组23的正端子Sc+来检测第3输出绕组23的输出电压VSc。另外，能从第2输出绕组22的正端子Sb+及第3输出绕组23的正端子Sc+来检测VSb－VSc。因此，能利用上式(5)～(7)，与正常时同样地对转子30的旋转角度θ进行检测。
图20是表示为计算本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的转子的旋转角度所需要的输出电压的组合的说明图。在图20中，示出了在3相的输出绕组21～23的正端子Sa+、Sb+、Sc+以及中性点端子D中的任意端子发生了断路的情况下为了计算转子30的旋转角度θ而需要的输出电压的组合。
在图20中，在3相的输出绕组21～23的正端子Sa+、Sb+、Sc+以及中性点端子D发生断路的情况下，对于各个端子，转子30的旋转角度θ的计算方法分别具有三种。因此，转子30的旋转角度θ的计算方法总共为12种。
在本发明的实施方式5中，具有2相振幅、结构相同的励磁绕组，因此，即使任何一个励磁绕组发生断路，也能对旋转变压器20进行励磁，能与正常时同样地对转子30的旋转角度θ进行计算。
此外，以相互设置电气角120°的相位差的方式配置3相的输出绕组21～23，将它们的一端互相进行电连接来构成中性点，将该中性点端子D以及3相的输出绕组21～23的正端子Sa+、Sb+、Sc+与角度计算器10相连接。因此，转子30的旋转角度θ的求取方法总共有12种，即使输出绕组发生断路，也能与正常时同样地计算转子30的旋转角度θ。
图21是表示在设于本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的延伸部上的端子间所可能发生的短路的说明图。在图21中，为方便起见，对各个短路情况分配短路情况编号。在图21中，可知短路情况总共有21种。
此外，任意的1相的输出绕组的正端子与其他任意的端子发生短路的情况在3相的输出绕组21～23中是等效的，因此，这里，省略第3输出绕组23的正端子Sc+，示出第1输出绕组21的正端子Sa+、第2输出绕组22的正端子Sb+。
这里，在正常时以及图21所示的21种短路情况下，在图22中示出用图20所示的12种求取方法来求取转子30的旋转角度θ时的角度误差。图22是表示在用12种求取方法来计算本发明实施方式5所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的端子间发生了短路的情况下的转子的旋转角度时的角度误差的说明图。
在图22中，若将根据输出电压而由角度计算器10所求出的转子30的旋转角度设为θresolver，将真正的转子30的旋转角度设为θ，则用下式(12)来表示角度误差δ。
【数学式13】
δ＝θresolver-θ…式(12)
此外，角度误差δ根据真正的转子30的旋转角度θ而发生脉动，但在图22中，用未发生短路且根据正常时的VSb和VSc而求出的值、即1.0来对各个振幅进行标准化并示出。
根据本发明的实施方式5，即使在旋转变压器20的延伸部26上所设的8个端子间发生短路的情况下，也能与正常时同样地对转子30的旋转角度θ进行计算。
实施方式6.
在上述实施方式5中，在图22中，关于考虑在旋转变压器20的延伸部26上所设的8个端子间有可能会发生的所有21种短路情况，示出了用所有12种求取方法来对转子30的旋转角度θ进行计算时的角度误差。根据图22，在正常时和发生短路时这两种情况下共通，角度误差在3种求取方法中为相同值，总共有4种值。
即，即使在第1输出绕组21发生了断路的情况下，基于能对转子30的旋转角度θ进行计算的、能从中性点端子D和第2输出绕组22的正端子Sb+来进行检测的第2输出绕组22的输出电压VSb、能从中性点端子D和第3输出绕组23的正端子Sc+来进行检测的第3输出绕组23的输出电压VSc、或能从第2输出绕组22的正端子Sb+和第3输出绕组23的正端子Sc+来进行检测的VSb－VSc来进行计算的3种转子30的旋转角度θ也是同等的。
同样地，即使在第2输出绕组22发生了断路的情况下，基于能对转子30的旋转角度θ进行计算的、能从中性点端子D和第1输出绕组21的正端子Sa+来进行检测的第1输出绕组21的输出电压VSa、能从中性点端子D和第3输出绕组23的正端子Sc+来进行检测的第3输出绕组23的输出电压VSc、或能从第3输出绕组23的正端子Sc+和第1输出绕组21的正端子Sa+来进行检测的VSc－VSa来进行计算的3种转子30的旋转角度θ也是同等的。
同样地，即使在第3输出绕组23发生了断路的情况下，基于能对转子30的旋转角度θ进行计算的、能从中性点端子D和第1输出绕组21的正端子Sa+来进行检测的第1输出绕组21的输出电压VSa、能从中性点端子D和第2输出绕组22的正端子Sb+来进行检测的第2输出绕组22的输出电压VSb、或能从第1输出绕组21的正端子Sa+和第2输出绕组22的正端子Sb+来进行检测的VSa－VSb来进行计算的3种转子30的旋转角度θ也是同等的。
同样地，即使在中性点端子D发生了断路的情况下，基于能对转子30的旋转角度θ进行计算的、能从第1输出绕组21的正端子Sa+和第2输出绕组22的正端子Sb+来进行检测的VSa－VSb、能从第2输出绕组22的正端子Sb+和第3输出绕组23的正端子Sc+来进行检测的VSb－VSc、或能从第3输出绕组23的正端子Sc+和第1输出绕组21的正端子Sa+来进行检测的VSc－VSa来进行计算的3种转子30的旋转角度θ也是同等的。
另外，若针对每个短路情况比较角度误差最小值，则在短路情况1～18中全部成为0.7，与之相对，在短路情况19～21中均成为200以上。即，可知若3相的输出绕组21～23的正端子Sa+、Sb+、Sc+以及中性点端子D中的任意两个端子间发生短路，则角度误差显著增大。
图23是表示本发明实施方式6所涉及的旋转角度检测装置的旋转变压器的主视图。在图23中，在旋转变压器20的延伸部26上，从左边起依次配置有第1励磁绕组24的正端子Ra+、第1输出绕组21的正端子Sa+、第1励磁绕组24的负端子Ra－、第2输出绕组22的正端子Sb+、第2励磁绕组25的正端子Rb+、第3输出绕组23的正端子Sc+、第2励磁绕组25的负端子Rb－、中性点端子D这8个端子。
根据本发明的实施方式6，能避免输出绕组的端子彼此、即3相的输出绕组21～23的正端子Sa+、Sb+、Sc+以及中性点端子D中的任意两个端子间发生短路。因此，即使在旋转变压器20的延伸部26上所设的相邻的两个端子间发生了短路的情况下，也能以与正常时同等的精度来对转子30的旋转角度θ进行计算。
此外，在上述实施方式6中，端子的配置顺序并不局限于此，只要是3相的输出绕组21～23的正端子Sa+、Sb+、Sc+与中性点端子D不相邻的配置，就能获得同样的效果。

Claims (6)

1.一种旋转角度检测装置，其特征在于，包括：
转子，该转子具有Nx个突极；
定子，该定子沿周向依次配置有齿部T1～Tm，其中，m设为自然数；
第1励磁绕组Rai，该第1励磁绕组Rai安装于所述定子的第i个齿部Ti；
第2励磁绕组Rbi，该第2励磁绕组Rbi安装于所述定子的第i个齿部Ti；
第1输出绕组Sai，该第1输出绕组Sai安装于所述定子的第i个齿部Ti；
第2输出绕组Sbi，该第2输出绕组Sbi安装于所述定子的第i个齿部Ti；
第3输出绕组Sci，该第3输出绕组Sci安装于所述定子的第i个齿部Ti；
第1励磁电路和第2励磁电路，该第1励磁电路和第2励磁电路分别向串联连接的第1励磁绕组Ra1～Ram和第2励磁绕组Rb1～Rbm提供交流的电压；以及
角度计算器，该角度计算器根据串联连接的第1输出绕组Sa1～Sam、第2输出绕组Sb1～Sbm及第3输出绕组Sc1～Scm的输出电压，来对所述转子的旋转角度进行计算，
在将输出绕组的空间阶数1个周期设为电气角360°的情况下，在所述第1输出绕组与所述第2输出绕组之间、以及所述第2输出绕组与所述第3输出绕组之间，分别设有电气角α的相位差，且α≠180°×n，
所述第1输出绕组与所述第2输出绕组之间、以及所述第2输出绕组与所述第3输出绕组之间的电气角相位差α满足
30°+180°×n≤α≤150°+180°×n，
所述第1输出绕组、所述第2输出绕组及所述第3输出绕组彼此电气分离，且分别与所述角度计算器相连接，
利用所述电气角相位差α，所述第1输出绕组、所述第2输出绕组及所述第3输出绕组的第i个齿部Ti的匝数各不相同，
其中，i＝1～m，n为整数。
2.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述第1输出绕组与所述第2输出绕组之间、以及所述第2输出绕组与所述第3输出绕组之间的电气角相位差α满足
50°+180°×n≤α≤130°+180°×n。
3.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述第1输出绕组与所述第2输出绕组之间、以及所述第2输出绕组与所述第3输出绕组之间的电气角相位差α满足
α＝60°±5°+180°×n或α＝120°±5°+180°×n。
4.如权利要求1至3的任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述第1励磁绕组、所述第2励磁绕组、所述第1输出绕组、所述第2输出绕组及所述第3输出绕组沿径向排列并卷绕于每个所述齿部。
5.如权利要求1至3的任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述第1励磁绕组、所述第2励磁绕组、所述第1输出绕组、所述第2输出绕组及所述第3输出绕组沿周向排列并卷绕于每个所述齿部，并且按不同的顺序卷绕于每个所述齿部。
6.一种旋转电机，其特征在于，
应用了如权利要求1至5的任一项所述的旋转角度检测装置。
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