JP2004129456A - 回転電機のロータ磁極位置検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】周方向にコイルを巻装したステータ2と、該ステータの内周に配置されると共に、回転軸3aに連結し、ステータ2に対して相対回転可能であって、複数の磁石3cを有するロータ3と、ロータ3の回転軸方向端面に配置され、磁石3cの磁束が回転軸方向に漏れることを防止する非磁性体板4と、非磁性体板4を貫通し、その非磁性体板4のロータ3への対向面側から反対側に磁束を誘導する磁束誘導部材11と、磁束誘導部材11によって誘導された磁束によって磁化させられる磁性体片10と、磁性体片10に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁極位置検知手段5とを備え、磁束誘導部材11は、磁極位置検知手段5よりもステータ2に近づけて配置した。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性体片上に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁気位置センサを用いた回転電機のロータ磁極位置検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の回転電機(モータ(原動機)、ジェネレータ(発電機)、ジェネレータ兼モータなど)のロータの磁極位置を検出する装置としては、例えば、特許文献1に記載されたものがある。これは、ロータの軸方向端面に設けられた非磁性体のエンドプレートの上に磁性体片を配置し、その磁性体片をロータの磁石の漏れ磁束によって磁化させる。そして、その磁性体片上に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁気位置センサによって、ロータの磁極位置を検出するものである。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−298932号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来のロータ磁極位置検出装置では、モータの高トルク運転時、高出力運転時などのように、ステータコイルに比較的大きな電流が流れる場合に、ステータからの磁界の影響を受けてロータ磁極位置の検出精度が低下してしまう可能性があった。
【0005】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、運転状態にかかわらず、ロータ磁極位置を精度よく検出可能な回転電機のロータ磁極位置検出装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【0007】
本発明は、周方向にコイルを巻装したステータ(2)と、該ステータの内周に配置されると共に、回転軸(3a)に連結し、前記ステータ(2)に対して相対回転可能であって、複数の磁石(3c)を有するロータ(3)と、前記ロータ(3)の回転軸方向端面に配置され、前記磁石(3c)の磁束が回転軸方向に漏れることを防止する非磁性体板(4)と、前記非磁性体板(4)を貫通し、その非磁性体板(4)の前記ロータ(3)への対向面側から反対側に前記磁束を誘導する磁束誘導部材(11)と、前記磁束誘導部材(11)によって誘導された磁束によって磁化させられる磁性体片(10)と、前記磁性体片(10)に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁極位置検知手段(5)とを備え、前記磁束誘導部材(11)は、前記磁極位置検知手段(5)よりも前記ステータ(2)に近づけて配置したことを特徴とする。
【0008】
【作用・効果】
本発明によれば、磁束誘導部材をステータに近づけて配置したので、より多くの磁束を磁性体片に誘導することができ、磁性体片を強く磁化させることができるため、ロータの磁極位置の検出精度を向上させることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
【0010】
図1、図2は、本発明の磁極位置検出装置が適用されたモータ(永久磁石型同期電動機)を示す全体構成図である。なお、図1は図2のI−I断面、図2は図1のII−II断面を示す。
【0011】
モータMは、ケース1と、ステータ2と、ロータ3とを備える。
【0012】
ケース1は、円筒部材1aと、側板1bとを有する。
【0013】
円筒部材1aは両端が開口した筒状部材であり、その内周にステータ2が配置されている。
【0014】
側板1bは、円筒部材1aの軸方向両端の開口を閉塞する部材である。側板1bは、ボルト(図示略)で円筒部材1aに取り付けられている。また、側板1bには、ロータ3の回転軸3a(後述)を回転自在に支持するベアリング6が設けられている。
【0015】
ステータ2は、電磁鋼板を多数枚積層して形成したステータコア2aと、ステータコイル2bとからなっている。ステータコア2aは、リング状のバックコア部と、このバックコア部から半径方向内向きに突出するティース部とを有しており、このティース部にステータコイル2bが集中巻きされている。全周で12箇所のティース部に巻装された12個のステータコイル2bは、各グループが4つのコイルからなる3つのグループ(U、V、W)に分けられており、各グループに120°づつ位相が異なる交流電流(U相電流、V相電流、W相電流)が供給される。すなわち、このモータは3相交流電流によって駆動される。ステータ2は、ケース1の円筒部材1aの内側に圧入・固定されている。
【0016】
ロータ3は、ステータ2の内側に配置されている。ロータ3は、ロータ回転軸3aと、電磁鋼板を多数枚積層して形成した円柱形状のロータコア3bとを有する。
【0017】
回転軸3aの両端はベアリング6を介して側板1bに支持されており、回転自在となっている。
【0018】
ロータコア3bには、磁石挿入孔が形成されており、そこに永久磁石3cが挿入・固定されている。永久磁石3cは厚み方向(ロータ3の略半径方向)に磁化されており、ロータ外周側の極が交互になるよう円周方向に8個配列されている。したがって、このロータ3は4極対を有するロータとなっている。
【0019】
ロータコア3bの軸方向両端面にはエンドプレート4が配設されている。エンドプレート4は、永久磁石3cの磁束が軸方向に漏れることを防止する非磁性体板であり、例えばステンレス板などを使用することができる。このエンドプレート4上に磁性体片10が固定されている。磁性体片10は例えば鉄片である。磁性体片10は、永久磁石3cと同数(8個)であり、同一円周上に一定角度間隔で並べられている。各磁性体片10には、磁性材料(例えば鉄など)の誘導ピン11が連設されている。誘導ピン11は、エンドプレート4を貫通してロータコア3bの軸方向端面まで達している。誘導ピン11は永久磁石3cの漏れ磁束を磁性体片10に誘導する磁束誘導部材である。この誘導ピン11によって漏れ磁束が磁性体片10に効率よく導かれるので、磁性体片10が強く磁化することとなる。なお、ここで漏れ磁束とは、永久磁石3cによって作られる磁束のうち、ロータ3の回転トルクに寄与しない磁束を意味する。換言すると、ステータコイル2bの方向へ向かわない磁束が漏れ磁束である。本実施形態のようなラジアルギャップ型のモータ(ロータの外周側又は内周側にステータが配置されるモータ)では、ロータコア3bの軸方向端面に現れる磁束が漏れ磁束である。
【0020】
一方、ケース1を構成する側板1bには、ラッチ出力タイプのホールICセンサを用いた磁極位置センサ5が取り付けられている。この磁極位置センサ5は、磁性体片10に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁極位置検知手段である。磁極位置センサ5は、U相センサ5u、V相センサ5v、W相センサ5wの3つのセンサからなり、同一円周上に一定角度間隔(電気角120°=4極対ロータなので機械角では30°)で並んでいる。各センサは、対向する磁性体片10上の磁束の極性に応じてハイレベル又はローレベルの信号を出力する。
【0021】
図3は、各磁極位置センサの電気角に対する出力信号を示す図である。
【0022】
3つのセンサ(U相センサ5u、V相センサ5v、W相センサ5w)の出力は、ロータ磁極位置(ロータ回転位相)に応じて図3のように変化する。したがって、3つの信号の組み合わせから電気角60°の分解能でロータ磁極位置を検出することができる。
【0023】
次に、磁極位置検出装置の検出精度について説明する。
【0024】
図4は、磁性体片の詳細を示す図であり、図2のうち、磁性体片付近を拡大して示す。
【0025】
図4に示すように、本実施形態では、R1(誘導ピン11を配置する円周の半径)>R2(磁極位置センサ5を配置する円周の半径)となるように、誘導ピン11及び磁極位置センサ5を配置した。
【0026】
このように配置することで以下の効果がある。
【0027】
すなわち、ロータコア3bの軸方向端面に現れる漏れ磁束はステータ2に近い側(ロータ外周側)ほど多い。したがって、誘導ピン11をステータ2に近づけて設けたほうが、より多くの磁束を磁性体片10へ導くことができ、磁性体片10を強く磁化させることができる。そのため、誘導ピン11をステータ2に近づけて設けることによって検出精度を向上させることができる。
【0028】
また、磁極位置センサ5の配置場所がステータ2に近いと、ステータ2が作り出す磁界に磁極位置センサ5のホールICが感応してしまう。そこで、本実施形態のように、磁極位置センサ5をできるだけステータ2から遠ざけることによって、ステータ磁界の影響を小さくすることができ、このことによっても、検出精度を向上させることができる。
【0029】
したがって、上述の通り、R1>R2とすることで磁極位置検出装置の検出精度を向上させることができる。
【0030】
また、磁性体片10を、例えば、長方形などのように一定幅の形状にした場合には、磁極位置センサ5の出力がステータ磁界の影響を受けてしまうことが発明者らの実験により確認された。これは磁性体片10のステータ2に近い部分がステータ2による磁束を拾ってしまうためであった。
【0031】
そこで、磁性体片10の誘導ピン11を取り付ける中央部分の幅(W1)を大きくして前述のR1>R2を実現可能とするとともに、先端部分(円周方向の両端)の幅(W2)を小さくして、磁性体片10をステータ2から遠ざけるようにした。換言すると、磁性体片10のステータ側(外周側)の円周方向の長さα2を、ロータ回転軸側(内周側)の円周方向の長さα1よりも短くした。このようにすることで、磁性体片10に対するステータ磁界の影響を小さくすることができ、磁極位置検出装置の検出精度をさらに向上させることができた。
【0032】
なお、磁性体片10の幅を小さくするほど磁性体片10に対するステータ磁界の影響を小さくすることができるが、小さくし過ぎると、ロータ3が半径方向に振動したときに磁極位置センサ5の出力が不安定となる可能性がある。このため、先端の幅W2はモータ動作中に想定されるロータ3の半径方向振動幅より十分に大きくすることが望ましい。
【0033】
本実施形態によれば、誘導ピン11を設けることによって、ロータコア3bの軸方向端面に現れる漏れ磁束を磁性体片10に効率よく導くことができるので、磁性体片10を強く磁化させることができ、ロータの磁極位置を検出する精度を向上させることができる。
【0034】
また、誘導ピン11をステータ2に近づけて設けることによって、磁性体片10をさらに強く磁化させることができ、検出精度をより向上させることができる。
【0035】
また、磁極位置センサ5をステータ2から遠ざけることによって、ステータ磁界の影響を小さくすることができ、このことによっても検出精度を向上させることができる。
【0036】
さらに、磁性体片10のステータ側の円周方向の長さα2を、ロータ回転軸側の円周方向の長さα1よりも短くしたので、ステータ磁界の影響を小さくすることができ、磁極位置検出装置の検出精度を一層向上させることができた。
【0037】
このように、モータの高トルク運転時、高出力運転時などのように、ステータコイルに比較的大きな電流が流れる場合であっても、ステータ磁界の影響を抑えて、磁極位置検出装置の検出精度を向上させることが可能になった。
【0038】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【0039】
例えば、上記実施形態では、回転電機の一例としてモータ(原動機)を挙げて説明したが、ジェネレータ(発電機)やジェネレータ兼モータであってもよいことは言うまでもない。
【0040】
また、上記実施形態では、ロータの外周側にステータが配置されるタイプのモータを例示して説明したが、ロータの内周側にステータが配置されるタイプのモータであっても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁極位置検出装置が適用されたモータを示す全体構成図であり、回転軸に対して直交する方向から見た断面図である。
【図2】本発明の磁極位置検出装置が適用されたモータを示す全体構成図であり、回転軸方向から見た断面図である。
【図3】各磁極位置センサの電気角に対する出力信号を示す図である。
【図4】磁性体片の詳細を示す図である。
【符号の説明】
M モータ
1 ケース
2 ステータ
3 ロータ
3a 回転軸
3b ロータコア
3c 永久磁石
4 エンドプレート(非磁性体板)
5 磁極位置センサ(磁極位置検知手段)
5u U相センサ
5v V相センサ
5w W相センサ
10 磁性体片
11 誘導ピン(磁束誘導部材)
Claims (2)
- 周方向にコイルを巻装したステータと、
該ステータの内周に配置されると共に、回転軸に連結し、前記ステータに対して相対回転可能であって、複数の磁石を有するロータと、
前記ロータの回転軸方向端面に配置され、前記磁石の磁束が回転軸方向に漏れることを防止する非磁性体板と、
前記非磁性体板を貫通し、その非磁性体板の前記ロータへの対向面側から反対側に前記磁束を誘導する磁束誘導部材と、
前記磁束誘導部材によって誘導された磁束によって磁化させられる磁性体片と、
前記磁性体片に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁極位置検知手段とを備え、
前記磁束誘導部材は、前記磁極位置検知手段よりも前記ステータに近づけて配置した、
ことを特徴とする回転電機のロータ磁極位置検出装置。 - 前記磁性体片は、前記ステータから近距離に配置される辺の長さが、遠距離に配置される辺の長さよりも短い
ことを特徴とする請求項1に記載の回転電機のロータ磁極位置検出装置。
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