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10-2015-0158174号韩国专利申请的优先权，该专利申请的公开内容以引用方式并入本文。

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，因此定子与转子之间的面积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，如果转子被设计成与定子的面积相比具有小于或大于一定水平的面积，那么磁通路径朝向定子或转子集中，或者产生磁通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，没有提议以简单的方式优化定子与转子之间的面积关系，并且将面积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在不必增加旋转变压器的尺寸或重量的情况下防止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，定子与转子之间的面积比(As/Ar)满足下列方程式1：

方程式1

0.22≤As/Ar≤0.37

其中，As表示定子的截面面积，以及Ar表示转子的截面面积。

在实施方式中，转子可具有环形形状，以及定子的截面面积(As)可使用下列方程式2限定：

方程式2

As＝π(a/2)²-π(b/2)²

其中，As表示定子的截面面积，a表示定子的最大外径，以及b表示定子的最小内径。

在实施方式中，定子可包括具有环形主体的背轭，以及在背轭的内圆周从交替形成的多个齿和多个狭槽，并且励磁线圈或输出线圈可缠绕在齿上并容纳在狭槽中。

在实施方式中，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的支承部分，线圈缠绕在支承部分上。

在实施方式中，定子的最大外径(a)可被限定为背轭的外径，以及定子的最小内径(b)可被限定为通过连接多个齿的末端而形成的圆的直径。

在实施方式中，转子的截面面积(Ar)可使用下列方程式3限定：

方程式3

Ar＝π(c/2)²-π(d/2)²

其中Ar表示转子的截面面积，c表示转子的最大外径，以及d表示转子的最小内径。

在实施方式中，转子可包括具有用于插入旋转轴的中心孔的环形主体，以及形成在环形主体的外圆周处的多个凸极。

在实施方式中，凸极可具有曲率半径至少小于转子的曲率半径的弧形形状。

在实施方式中，转子的最大外径(c)可被限定为通过连接多个凸极的峰值点而形成的圆的直径，并且转子的最小内径(d)可被限定为中心孔的直径。

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，转子可压缩插入到组装至电动助力转向装置的电动机的轴的端部中。

在实施方式中，定子的最大外径可以在15mm到280mm的范围内。

有益效果

根据本公开，由于在设计旋转变压器时对定子与转子之间的面积关系进行了优化，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磁饱和、提高测量精度以及降低制造成本。

此外，由于将定子的面积和转子的面积计算成近似值，并且用于优化定子与转子之间的面积比的数值范围被设置成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以及防止设计误差。

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3a至图3f是示意性地示出根据定子与转子之间的面积比的测量误差的曲线图。

图4是示出根据定子与转子之间的面积比的最大测量误差的表格。

图5是示出根据定子与转子之间的面积比的最大测量误差的变化趋势的曲线图。

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，并且转子120通过耦接到中心孔126的旋转轴进行旋转，那么转子120通过凸极122和连接单元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，如果基于与旋转轴正交的截面(即，横截面)将定子110设计成具有比转子120的面积大得多或小得多的面积，那么磁通路径集中到定子110和转子120中的任一个，以导致过度拥挤的磁通或产生磁饱和，从而扰乱磁通流，并且因此，旋转变压器的测量性能恶化。

因此，在根据本公开的旋转变压器100中，对定子110与转子120之间的面积比进行优化。换言之，在根据本公开的实施方式的旋转变压器100中，转子面积(Ar)与定子面积(As)之比(Ar/As)在0.22到0.37的范围内。也就是说，在根据本公开的实施方式的旋转变压器100中，转子面积(Ar)与定子面积(As)之比(Ar/As)被限定为下列方程式1。

方程式1

0.22≤Ar/As≤0.37

其中As表示定子面积，以及Ar表示转子面积。

在这种情况下，定子面积(As)被限定为下列方程式2。

方程式2

As＝π(a/2)²-π(b/2)²

其中As表示定子面积，a表示定子的最大外径，以及b表示定子的最小内径。

换言之，通过从直径与定子110的最大外径(a)相同的圆的面积中减去直径与定子110的最小内径(b)相同的圆的面积，可计算出定子面积(As)。此时，定子110可包括具有环形主体的背轭112，以及在背轭112的内圆周上交替形成的多个齿114和多个狭槽116。在这种情况下，定子110的最大外径(a)可被限定为背轭112的最大外径。此时，可基于背轭112的外圆周来设置定子110的最大外径(a)，所述背轭位于距中心点的最外侧，但与定子110的主要功能不相关的部分(例如，用于以相对较小的面积进行旋拧的突出部)不包括在定子110的外径中。

此外，定子110的最小内径(b)可被限定为通过连接多个齿114的末端而形成的虚拟圆的直径。例如，定子110的最小内径(b)可对应于基于定子110的中心点定位在相对侧上的两个齿之间的最短距离。

同时，转子面积(Ar)被限定为下列方程式3。

方程式3

Ar＝π(c/2)²-π(d/2)²

其中Ar表示转子面积，c表示转子的最大外径，以及d表示转子的最小内径。

换言之，可通过从直径与转子120的最大外径(c)相同的圆的面积中减去直径与转子120的最小内径(d)相同的圆的面积来计算转子面积(Ar)。如果转子120包括具有用于插入旋转轴的中心孔126的环形主体和在环形主体的外圆周上形成的多个凸极122，并且此外多个凸极122具有曲率半径小于转子120的曲率半径的弧形形状，那么转子120的最大外径(c)可被限定为通过连接多个凸极122的峰值点而形成的虚拟圆的直径。例如，转子120的最大外径(c)可对应于基于转子120的中心点定位在相对侧上的两个凸极的峰值点之间的最短距离。

此外，转子120的最小内径(d)可被限定为中心孔126的内径。此时，可基于距中心点最近的内圆周来设置转子120的最小内径(d)，但与转子120的主要功能不相关的部分(例如，用于以相对较小的面积联接旋转轴的突出部或凹槽)不包括在转子120的内径中。

基于方程式1和2，根据本公开的实施方式的旋转变压器100的定子110和转子120的面积比(Ar/As)可表示为下列方程式4。

方程式4

0.22≤(c²-d²)/(a²-b²)≤0.37

其中a表示定子110的最大外径，b表示定子110的最小内径，c表示转子120的最大外径，d表示转子120的最小内径，以及(c²-d²)/(a²-b²)表示转子面积与定子面积之比(Ar/As)。

同时，定子110的最大外径可以在15mm到280mm的范围内。如果定子110的最大外径小于15mm，也就是说如果旋转变压器100具有过小的尺寸，那么分别在定子110的齿114处产生的磁通之间会产生干扰，因此不可使用方程式4来简单地优化面积比。此外，如果定子110的最大外径大于280mm，也就是说如果旋转变压器100具有过大的尺寸，那么在接近定子110和转子120的面积时误差增加，因此不可使用方程式4来简单地优化面积比。

在下文中，将使用下列实验性示例来验证根据定子与转子之间的面积比(Ar/As)的旋转变压器的测量性能。

图2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2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的旋转轴的一端，此外编码器30联接至电动机10的旋转轴的另一端，并且随后通过计算器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

准备多个旋转变压器样品，所述旋转变压器样品包括外径在15mm到280mm范围内的定子并且被设计成使定子与转子之间的面积比(Ar/As)在5％到46％的范围内。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，并且除了面积比(Ar/As)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3a到图3f是示意性地示出根据定子与转子之间的面积比的测量误差的曲线图。

参考图3a到图3c，可以发现如果转子与定子的面积比(Ar/As)是5％，那么在转子保持旋转时，测量误差在最大值1.344°与最小值-0.031°之间变化，并且作为绝对值的最大测量误差为1.344°。此外，可以发现随着面积比(Ar/As)增加到5％、10％、15％、20％和21％，最大测量误差逐渐降低到1.344°、1.183°、0.733°、0.692°和0.595°，并且当面积比(Ar/As)达到22％时，最大测量误差变成0.453°，这低于0.5°的最大容许误差。

此外，参考图3d到图3f，可以发现随着转子与定子的面积比(Ar/As)从23％增加到29％，最大测量误差从0.372°降低到0.213°并且因此达到最低点，随后如果面积比(Ar/As)增加直到37％，那么最大测量误差增加到0.483°。此外，可以发现如果面积比(Ar/As)进一步增加到38％、40％和46％，那么最大测量误差增加到分别超出允许误差范围的0.582°、0.626°、1.002°。

图4是示出根据定子与转子之间的面积比的最大测量误差的表格。

图5是示出根据定子与转子之间的面积比的最大测量误差的变化趋势的曲线图。

参考图4和图5，如果转子与定子的面积比(Ar/As)从5％逐渐增加到46％，那么旋转变压器的最大测量误差逐渐降低并且随后再次增加。换言之，如果面积比(Ar/As)从5％增加到21％，那么旋转变压器的最大测量误差通常降低，但不满足容许误差范围。同时，如果面积比(Ar/As)在22％到37％的范围内，那么旋转变压器的最大测量误差满足容许误差范围。然而，如果面积比(Ar/As)进一步增加到大于37％，那么旋转变压器的最大测量误差不满足容许误差范围。

如上文所述，根据本公开，由于在设计旋转变压器时对定子与转子之间的面积关系进行了优化，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磁饱和、提高测量精度和降低制造成本。此外，由于将定子的面积和转子的面积计算成近似值，并且用于优化定子与转子之间的面积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，根据本公开的实施方式不但可以解决本公开的技术目标，而且还可以解决本文中未提及的各种技术目标。

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。