旋转变压器的制作方法

本申请要求于2015年11月11日在韩国提交的第10-2015-0158190 号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请通过引用并入本文。

本公开涉及旋转变压器，更具体地，涉及用于测量诸如电动机的旋转装置的旋转角度和旋转速度的旋转变压器。

背景技术：

通常，旋转变压器是一种用于测量诸如电动机的旋转装置的旋转角度和旋转速度的传感器。近来，旋转变压器广泛用于各种技术领域，尤其广泛用于高精度控制系统，例如，需要以高精度测量和控制旋转角度和旋转速度的电动助力转向系统。因此，需要准确指出和分析对旋转变压器的测量性能产生影响的各种因素，并且将这些因素反映在旋转变压器的设计上，以最小化旋转变压器的测量误差并且将测量精度提高到最大。

然而，在现有技术中，如在第1996-178611号日本未经审查的专利公开案所公开的，其仅旨在通过改变设置在旋转变压器的定子处的励磁线圈和输出线圈的配置来提高测量性能，或者如第2005-49183号日本未经审查的专利公开案所公开的，仅旨在通过改变旋转变压器的转子的形状来提高测量性能，因此定子的背轭与转子之间的宽度关系不被视作对旋转变压器的测量性能产生影响的因素。换言之，如果定子的背轭被设计成具有比转子的宽度小一定水平的宽度，定子的磁通极度过度拥挤，或者产生磁磁饱和以扰乱磁通流，从而使旋转变压器的测量性能恶化。然而，在现有技术中，这个缺点并未反映在旋转变压器的设计上。

此外，在现有技术中，没有提议优化定子的宽度与转子背轭的宽度之间的关系，并且将该关系反映到旋转变压器的设计上，以促进旋转变压器设计工作。

技术实现要素：

技术问题

设计本公开以解决相关技术的问题，因此，本公开涉及提供一种旋转变压器，该旋转变压器可通过防止过度拥挤的磁通和磁饱和来提高测量精度、降低制造成本以及促进旋转变压器的设计工作。

技术方案

在本公开的一方面，提供了一种旋转变压器，该旋转变压器包括具有线圈的定子和以与定子相距预定间隙设置在定子的中心空间的转子，转子基于旋转轴进行旋转以相对于定子改变间隙磁导，其中定子包括具有环形主体的背轭，以及在背轭的内圆周处形成的多个齿以使得线圈绕在齿上，其中转子包括具有用于插入旋转轴的中心孔的环形主体，以及在环形主体的外圆周处形成的多个凸极，以及其中定子的背轭和转子的凸极具有满足以下方程式1的关系：

方程式1

Wb≥0.66×Wr

其中Wb表示背轭的宽度，Wr表示凸极的宽度，凸极的宽度为凸极的峰值点到中心孔的距离。

在实施方式中，定子的背轭和转子的凸极可具有满足以下方程式 2的关系：

方程式2

0.66×Wr≤Wb≤8×Wr

其中Wb表示背轭的宽度，Wr表示凸极的宽度，凸极的宽度为凸极的峰值点到中心孔的距离。

在实施方式中，转子或定子可以是通过对预定厚度的磁钢板进行层压而形成的钢板层压件。

在实施方式中，定子的齿可分别包括具有T形的前端，以及在背轭的内圆周上突出以支承前端的支承部分，线圈缠绕在支承部分上。

在本公开的另一方面，也提供了一种旋转变压器，其包括具有线圈的定子和以与定子相距预定间隙设置在定子的中心空间的转子，转子基于旋转轴进行旋转以相对于定子改变间隙磁导，其中定子包括具有环形主体的背轭，以及在背轭的内圆周处形成的多个齿以使得线圈绕在齿上，其中转子包括具有用于插入旋转轴的中心孔的环形主体，以及在环形主体的外圆周处形成的多个凸极，以及其中定子的背轭和转子的凸极具有满足以下方程式3的关系：

方程式3

Wb≥0.72×Wr

其中Wb表示背轭的宽度，以及Wr表示凸极的宽度，凸极的宽度为凸极的峰值点到中心孔的距离。

在实施方式中，定子的背轭和转子的凸极可具有满足以下方程式 4的关系：

方程式4

0.72×Wr≤Wb≤1×Wr

其中Wb表示背轭的宽度，Wr表示凸极的宽度，凸极的宽度为凸极的峰值点到中心孔的距离。

在实施方式中，转子或定子可以是通过对预定厚度的磁钢板进行层压而形成的钢板层压件。

在实施方式中，定子的齿可分别包括具有T形的前端，以及在背轭的内圆周上突出以支承前端的支承部分，线圈缠绕在支承部分上。

有益效果

根据本公开，由于在旋转变压器中对定子的背轭和转子的凸极的宽度之间的比例关系进行了优化，因此，能够在不必增加旋转变压器的尺寸或重量的情况下防止旋转变压器的过度拥挤的磁通或磁饱和、提高测量精度并降低制造成本。

此外，由于定子的背轭宽度和转子的凸极宽度被视作一类参数，并且用于优化它们之间的宽度比的数值范围被设置为反映到旋转变压器的设计上，因此能够促进旋转变压器的设计工作，并防止设计误差。

另外，所属领域的技术人员根据下列描述将清楚地理解，根据本公开的实施方式也可以解决上文未提及的各种技术目标。

附图说明

图1是示出根据本公开的实施方式的旋转变压器的剖面图。

图2是示出了图1中的部分X的放大图。

图3示出了根据本公开的实施方式的旋转变压器的实验环境。

图4A至图8B是示意性示出了根据转子凸极和定子背轭之间的宽度比的测量误差的图形。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施方式，以便清楚地说明对本公开的技术目标的解决方案。然而，在本公开中，如果会使本公开的主体模糊，则可省略现有技术的任何说明。此外，本文中使用的术语根据在本公开中的功能进行定义，并且可以根据设计者、制造商等的意图或者按惯例而改变。因此，应基于说明书的整体公开内容定义术语。

图1是示出根据本发明的实施方式的旋转变压器的剖面图。

如图1所示，旋转变压器100包括定子110和转子120。定子110 具有作为整体的环状结构，并且至少一个励磁线圈(未示出)和至少一个输出线圈(未示出)设置在旋转变压器100的内圆周处。近来，广泛使用具有单相励磁线圈和双相输出线圈的定子110。该定子110 可包括形成定子110的环形主体的背轭112，以及在背轭112的内圆周处形成的多个齿114。定子110的齿之间形成狭槽116以容纳线圈，并且励磁线圈和输出线圈分别缠绕在齿114上并容纳在狭槽116中。在这种情况下，定子110的齿114可分别包括具有T形的前端114a，以及在背轭112的内圆周上突出以支承前端114a的支承部分114b，以使得励磁线圈或输出线圈缠绕在其上。

转子120具有与定子110对应的形状，并且转子120以与定子110 相距预定间隙设置在定子110的中心空间，以基于旋转轴。在这种情况下，转子120与定子110协作，以相对于定子110改变间隙磁导。为此，转子120可包括具有用于插入旋转轴的中心孔126的环形主体、在环形主体的外圆周处形成的多个凸极122，以及用于将凸极连接到彼此的连接单元124。例如，当旋转变压器应用到电动助力转向装置时，转子120可通过中心孔126压缩插入到组装到电动助力转向装置的电动机的轴的端部中。此外，定子110或转子120可由钢板层压件制成，所述钢板层压件是通过对预定厚度的多个铁磁钢板进行层压形成的，或者由预定厚度的单个铁磁钢板形成。

同时，如果励磁电压施加到设置在定子110处的励磁线圈，并且此外转子120基于联接至其中心孔126的旋转轴进行旋转，那么转子 120通过凸极122和连接部分124相对于定子110改变间隙磁导。因此，正弦和余弦波的电压信号通过定子110的输出线圈输出。旋转变压器100通过使用这些输出信号来测量旋转轴的旋转角度、旋转速度等。

在这种情况下，如果将定子110的背轭112的宽度设计成比转子 120的宽度小一定程度时，磁通路径变窄，因此穿过背轭112的磁通量将极度过度拥挤或产生磁饱和以扰乱磁通流，从而使得旋转变压器的测量性能恶化。此外，定子110的背轭112被设计成具有比转子120 的宽度大一定程度的宽度，测量性能不会大大地提高，但是不必要地增大了产品尺寸，因此也增加了制造成本。

因此，根据本公开的旋转变压器100通过应用定子110的背轭112 与转子120之间的优化宽度比进行设计。

图2示出了是图1中的部分X的放大图。

参照图1和图2，在本公开中，定子110的背轭宽度(Wb)和凸极宽度(Wr)(其对应于转子120的最大宽度)被视作影响旋转变压器的测量性能的参数，因此对它们之间的关系进行优化，从而提高旋转变压器的测量性能。

此处，背轭宽度(Wb)被限定为通过从背轭112的外半径(R2) 减去背轭112的内半径(R1)获得的值(R2-R1)。换言之，背轭宽度 (Wb)可限定为如下方程式1。

方程式1

Wb＝R2-R1

其中，Wb表示背轭112的宽度，R1表示背轭112的内半径，以及R2表示背轭112的外半径。此时，背轭112的内半径(R1)对应于连接背轭112与齿114之间的边界线的虚拟圆的半径。

此外，凸极的宽度(Wr)可以限定为通过从转子120的最大外半径(R4)减去转子120的内半径(R3)获得的值(R4-R3)。换言之，凸极的宽度(Wr)可限定为如下方程式2。

方程式2

Wr＝R4-R3

其中，Wr表示凸极宽度，R3表示转子120的内半径，以及R4 表示转子120的最大外半径。此时，转子120的最大外半径(R4)对应于连接凸极122的峰值点的虚拟圆的半径，转子120的内半径(R3) 对应中心孔126的半径。因此，凸极宽度(Wr)也可被限定为从转子 120的凸极122的峰值点到中心孔126的最短距离。

根据本公开的实施方式的旋转变压器被设计成使得背轭宽度 (Wb)与凸极宽度(Wr)之比(Wb/Wr)具有0.66或以上的预定值。换言之，凸极宽度(Wr)与背轭宽度(Wb)之间的关系可表示为以下方程式3。

方程式3

Wb≥0.66×Wr

其中，Wb表示背轭宽度，Wr表示凸极宽度。

此时，如果背轭宽度(Wb)小于凸极宽度(Wr)0.66倍，那么定子110的齿114处产生的磁通很容易在背轭112处饱和，并且在磁通之间产生干涉以增加旋转变压器的测量误差。因此，为了确保旋转变压器的测量误差小于±0.5°(这是精确测量领域中所要求的最大允许限制)，背轭宽度(Wb)应该是凸极宽度(Wr)的0.66倍或以上。如上所述，根据本公开的实施方式，定子110的背轭112可设计成具有等于或大于凸极宽度(Wr)的0.66倍的宽度。

同时，如果背轭宽度(Wb)大于凸极宽度(Wr)的8倍，那么旋转变压器的测量精度并没有显著增加，但不必要地增加了产品尺寸，并且增加了制造成本从而使经济可行性恶化。因此，根据本公开的实施方式的旋转变压器可设计成使得背轭宽度(Wb)与凸极宽度(Wr) 之比(Wb/Wr)在0.66至8的范围内。换言之，凸极宽度(Wr)与背轭宽度(Wb)之间的关系可表示为以下方程式4。

方程式4

0.66×Wr≤Wb≤8×Wr

其中，Wb表示背轭宽度，以及Wr表示凸极宽度。

如上所述，根据该公开的实施方式的旋转变压器，就测量精度和经济可行性而言，期望的是将定子110的背轭112设计成具有与转子120的凸极宽度(Wr)的0.66倍至8倍相对应的宽度。

此外，根据本公开的另一实施方式的旋转变压器可被设计成使得背轭宽度(Wb)与凸极宽度(Wr)之比(Wb/Wr)具有0.72或以上的预定值。换言之，凸极宽度(Wr)与背轭宽度(Wb)之间的关系可表示为以下方程式5。

方程式5

Wb≥0.72×Wr

其中，Wb表示背轭宽度，以及Wr表示凸极宽度。

如果背轭宽度(Wb)被设计为凸极宽度(Wr)的0.72倍或以上，旋转变压器的最大测量误差降低至0.35°或更低，这允许旋转变压器的高精度。

同时，如果背轭宽度(Wb)大于凸极宽度(Wr)，虽然产品尺寸变得更大，并且制造成本增加，但是旋转变压器的测量性能也不会大大提高，从而使生产效率降低。

因此，根据本公开的另一实施方式的旋转变压器可被设计成使得背轭宽度(Wb)与凸极宽度(Wr)之比(Wb/Wr)在0.72至1的范围内。换言之，凸极宽度(Wr)与背轭宽度(Wb)之间的关系可以表示为以下方程式6。

方程式6

0.72×Wr≤Wb≤1×Wr

其中，Wb表示背轭宽度，以及Wr表示凸极宽度。

如上所述，如果背轭的宽度(Wb)被设计为凸极宽度(Wr)的 0.72倍至1倍，那么可确保具有0.35°或更低的最大测量误差的高精度，同时也可获得更小的产品尺寸和降低的制造成本。

在下文中，将使用如下实验性示例来验证根据转子的凸极和定子的背轭之间的宽度比的旋转变压器的测量性能。

图3示出了根据本公开的实施方式的旋转变压器的实验环境。

如图3所示，在该实验性示例中，根据本公开的实施方式的旋转变压器样品20联接至电动机10的转轴的一端，此外编码器30联接至电动机10的转轴的另一端，然后通过计算器40分析旋转变压器样品 20和编码器30的输出波形，以测量旋转变压器样品20的误差。

旋转变压器样品的准备

准备了多个旋转变压器样品，所述旋转变压器样品包括具有凸极的转子和具有的背轭的定子，凸极具有7.8mm的宽度(Wr)以及背轭具有宽度(Wb)，以使得背轭宽度(Wb)与凸极宽度(Wr)之比(Wb/Wr) 为0.6至12。通过将具有0.5mm厚度的铁磁钢板进行层压以最小化损耗(诸如铁损耗)来准备每个样品的定子和转子。此外，将定子准备成具有24个齿，并且将转子准备成具有10个凸极。

误差的测量

实验条件被设置成具有24.5℃的实验温度、7Vrms的外加电压、 10kHz的频率和转子处60rpm的旋转速度，并且除了宽度比(Wb/Wr) 之外的其他实验条件在旋转变压器样品中维持一致。在驱动电动机10 的旋转轴时，通过计算器40来计算旋转变压器样品20的旋转角度轮廓，并且将旋转变压器样品20的旋转角度轮廓与编码器30的旋转角度轮廓进行比较，以计算每个样品的测量误差。此外，该实验性示例中的目标旋转变压器的最大允许误差被设置成±0.5°。具有满足±0.5°的最大允许误差的测量性能的旋转变压器可应用于各种精度控制系统，从而确保通用应用以及测量精度。

图4A至图8B是示意性示出了根据转子凸极和定子背轭之间的宽度比的测量误差的图形。

首先，如图4A和图4B所示，如果背轭与凸极宽度的宽度比 (Wb/Wr)为0.6(情况01)，可发现随着转子保持旋转，测量误差在最大值0.564°与最小值-0.557°之间变化，并且最大测量误差的绝对值，达到0.564°。此外，如果宽度比(Wb/Wr)为0.64(情况02)，可发现随着转子保持旋转，测量误差在最大值0.524°和最小值-0.536°之间变化。

此外，参照图5A和图5B，如果宽度比(Wb/Wr)为0.65(情况 03)，可发现随着转子保持旋转，测量误差在最大值0.447°和最小值 -0.512°之间变化。换言之，如果宽度比(Wb/Wr)为0.65(情况03)，测量误差的最大值在容许误差范围内，但最小值不期望地超出容许误差范围内。

同时，参照图5A和图5B，如果宽度比(Wb/Wr)达到0.66(情况04)，可发现随着转子保持旋转，测量误差在最大值0.4°和最小值 -0.46°之间变化，并且最大测量误差变为0.46°，其低于最大容许误差 0.5°。

此外，参照图6A和图6B，如果背轭与凸极的宽度比(Wb/Wr) 为0.72(情况05)和1(情况06)，最大测量误差分别变为0.346°和 0.343°，这保证了高精度。

然而，参照图7A和图7B以及图8A和图8B，即使宽度比(Wb/Wr) 大大增加至2、4和8(情况07、情况08、情况09)，最大测量误差只是稍微改善到0.329°，0.323°和0.316°。具体地，如果宽度比(Wb/Wr) 超过8，以及达到12(情况10)，可发现即使宽度比(Wb/Wr)大大增加，最大测量误差也在0.316°处不变化。换言之，如果宽度比 (Wb/Wr)为1或以上，定子背轭的宽度增加，使得旋转变压器的尺寸、重量、制造成本也整体增加，而旋转变压器的测量性能并未大大提高，这会降低生产效率。

表1是示出了根据转子凸极与定子背轭之间的宽度比的最大测量误差的表格。此处，最大测量误差表示根据转子的旋转而变化的测量误差的最大绝对值。

表1

参照表1，如果背轭宽度与凸极宽度之比(Wb/Wr)从0.6增加到 12，旋转变压器的最大测量误差会逐渐降低。具体地，如果宽度比 (Wb/Wr)变为0.66或以上，最大测量误差降低到0.5°或以下，这满足目标容许误差范围。此外，如果宽度比(Wb/Wr)达到0.72或以上，最大测量误差降低到0.35°或更低，这允许旋转变压器的高精度。然而，如果宽度比(Wb/Wr)增加到超过1，可发现最大测量误差的下降率变得温和。具体地，如果宽度比率(Wb/Wr)超过8，最大测量误差不会实质上降低。在这种情况下，应理解关于旋转变压器的测量精度，背轭与凸极的宽度比(Wb/Wr)与其他因素相比不会对旋转变压器的测量性能产生很大影响。

如上所述，根据本公开，由于在旋转变压器中优化了定子的背轭宽度与转子的凸极宽度之间的比例关系，因此能够防止旋转变压器中的过度拥挤的磁通或磁饱和，提高测量精度并降低制造成本，而不会不必要地增大旋转变压器的尺寸或重量。此外，由于定子的背轭宽度和转子的凸极宽度被视作一类参数，并且用于优化它们之间的宽度比的数值范围被设置为反映到旋转变压器的设计上，因此能够促进旋转变压器的设计工作，并防止设计误差。此外，本领域的技术人员根据下面的描述可以清楚地理解，根据本公开的实施方式也可以解决上面没有提到的各种技术问题。

至此，已经详细描述了本公开的实施方式。然而，所属领域的技术人员将清楚地理解，可以在本公开的范围内进行各种更改。因此，实施方式不应被解释为限制性的，而应为说明性的。换言之，本公开的真实范围在所附权利要求书中进行限定，并且它的等同物和更改应完全被视作落入本公开的范围内。