JP2004129456A

JP2004129456A - 回転電機のロータ磁極位置検出装置

Info

Publication number: JP2004129456A
Application number: JP2002293398A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ishii; 石井　宏
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-07
Also published as: JP4092470B2

Abstract

【課題】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。
【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

【０００１】
【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

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。