JP2004222418A - Rotational position detector for rotating machine, and rotating machine equipped with it - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転機の回転位置検出装置、およびそれを備えた回転機に関し、特に、磁気検出素子によって回転子の位置を検出する回転機の回転位置検出装置、およびそれを備えた回転機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転子（以下、「ロータ」とも称する。）に界磁コイルまたは永久磁石を備え、ロータにおいて発生する磁界の回転軸と垂直方向の成分と、固定電機子（以下、「ステータ」とも称する。）において発生する回転磁界との磁気作用によって回転する回転機における回転位置検出装置としては、従来より、ロータに近接して磁気センサを配置し、ロータから直接発生する磁束、またはセンシング用にロータに設けられた磁性体片からの磁束を直接検出してロータの回転位置を検出する方法が知られている。
【０００３】
そして、特開２００２−３４２７８号公報には、ロータが永久磁石で構成される永久磁石モータにおいて、磁気センサをロータに近接して配置することによりステータから受ける外乱磁界の影響を補正する方法が開示されている（特許文献１）。
【０００４】
また、特開２００２−３４２７８号公報には、電動機の出力軸に取付けられた磁性体の補助歯車と、その補助歯車に近接するように設けられた磁気センサとを備え、その磁気センサによって磁性体である補助歯車から発生する磁束の変化を検出してロータの回転位置を検出する方法も開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３４２７８号公報明細書
【０００６】
【特許文献２】
特開平１−１３３５９４号公報明細書
【０００７】
【特許文献３】
特開２００１−３０９６１８号公報明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ロータに近接して磁気センサを配置し、ロータから直接発生する磁束、またはセンシング用にロータに設けられた磁性体片からの磁束を直接検出する方法は、磁気センサがモータに近接して配置されるため、ステータにおいて発生する磁界や、ステータやロータのコイル発熱等による外乱の影響を大きく受ける。
【０００９】
特開２００２−３４２７８号公報において開示された手法は、永久磁石型モータにおいて、上述のような場合に、磁気センサが検出した位置に対してステータ電流による位置補正を行なうが、回転子に界磁コイルを有する界磁巻線型モータに用いた場合には、界磁電流の大きさによって外乱磁界の大きさも変化し、また、ステータだけでなくロータのコイル発熱の影響も受ける。したがって、上記手法を特に界磁巻線型モータに用いた場合には、位置検出精度が劣化するおそれがあり、また、上述のような多種にわたる外乱を想定して検出位置の補正を行なうとすれば、高度かつ複雑な演算処理が必要となり、その結果、コストが増大する。
【００１０】
また、ロータに近接して磁気センサを配置する場合、磁気センサによるセンシングを可能にするため、上述したようにロータにセンシング用の磁性体片を設けたり、また、界磁巻線型モータでは、界磁巻線の形状を変更したりする必要がある。したがって、センシング用にロータにおいて何らかの改造が必要であり、その結果、コストが増加する。
【００１１】
一方、センシング用の磁性体片を設けない場合には、界磁巻線型モータでは、界磁電流が０のとき、または、モータが停止しているときは、ロータから磁界が発生せず、停止位置を検出することができない。
【００１２】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、外乱による位置検出精度の劣化がなく、かつ、低コストの回転位置検出装置を提供することである。
【００１３】
また、この発明の別の目的は、外乱による位置検出精度の劣化がなく、かつ、停止位置の検出を可能とする回転位置検出装置を提供することである。
【００１４】
さらに、この発明の別の目的は、外乱による位置検出精度の劣化がなく、かつ、低コストの回転位置検出装置を備えた回転機を提供することである。
【００１５】
また、さらに、この発明の別の目的は、外乱による位置検出精度の劣化がなく、かつ、停止位置の検出を可能とする回転位置検出装置を備えた回転機を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、回転機の回転位置検出装置は、界磁コイルを含み、界磁コイルに界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有する回転子を備える回転機の回転位置検出装置であって、界磁コイルによって発生される第１の漏洩磁束を回転子と異なる部材を介して受け、第１の漏洩磁束に基づいて界磁極の位置を示す第２の漏洩磁束を生成する磁極生成部と、磁極生成部から出力される第２の漏洩磁束を検出し、第２の漏洩磁束の大きさに応じたレベルの信号を出力する磁気検出素子とを備える。
【００１７】
好ましくは、磁極生成部は、界磁極に対応した放射状の形状を有し、第１の漏洩磁束に対して界磁極に対応した磁束密度の強弱をつけて第２の漏洩磁束を放射状に出力する。
【００１８】
好ましくは、磁極生成部は、界磁極に対応して放射状に異なる透磁率を有し、第１の漏洩磁束に対して界磁極に対応した磁束密度の強弱をつけて第２の漏洩磁束を放射状に出力する。
【００１９】
好ましくは、磁気検出素子は、回転子および回転機の固定電機子から信号のＳ／Ｎ比が所定値を超える距離を少なくとも有し、かつ、磁極生成部から出力される漏洩磁束が磁極生成部の半径方向において最大となる位置に設けられる。
【００２０】
好ましくは、磁気検出素子は、回転子および回転機の固定電機子から信号のＳ／Ｎ比が所定値を超える距離を少なくとも有し、かつ、磁極生成部と固定電機子の間に設けられる。
【００２１】
好ましくは、磁気検出素子は、回転機を制御する回転機制御装置に含まれる。
好ましくは、磁極生成部は、部材に固定された回転プレートであり、回転プレートは、放射状に着磁される。
【００２２】
好ましくは、磁極生成部は、部材に固定された回転プレートであり、回転プレートは、回転子側の面から回転子と反対側の面に向かって着磁される。
【００２３】
好ましくは、磁極生成部は、界磁極に対応した放射状の形状を有する第１の部位と、放射状に着磁され、第１の部位に放射状に磁束を流す第２の部位とを含む。
【００２４】
好ましくは、第２の部位は、部材に固定され、第１の部位は、第２の部位の外周に設けられる。
【００２５】
好ましくは、第１の部位は、部材に固定され、第２の部位は、第１の部位の回転子側の面に隣接して部材に固定される。
【００２６】
好ましくは、部材は、回転機の回転軸である。
また、この発明によれば、回転機は、上述したいずれかの回転位置検出装置を備える。
【００２７】
好ましくは、回転軸は、回転子から磁極生成部へ向かう方向に着磁される。
好ましくは、部材は、回転機の回転軸であり、磁極生成部は、回転軸の少なくとも一端において界磁極に対応した放射状の形状を有するように加工された部分である。
【００２８】
好ましくは、回転軸は、回転子から磁極生成部へ向かう方向に着磁される。
また、この発明によれば、回転機は、固定電機子と、一端から他端に向かって着磁された回転軸と、磁極を有する回転子と、回転位置検出装置とを備え、回転位置検出装置は、回転軸によって発生される第１の磁束を受け、第１の磁束に基づいて回転子の磁極の位置を示す第２の磁束を生成する磁極生成部と、磁極生成部から出力される第２の磁束を検出し、第２の磁束の大きさに応じたレベルの信号を出力する磁気検出素子とを含む。
【００２９】
好ましくは、磁極生成部は、界磁極に対応した放射状の形状を有し、第１の磁束に対して界磁極に対応した磁束密度の強弱をつけて第２の磁束を放射状に出力する。
【００３０】
好ましくは、磁極生成部は、回転軸の他端に固定された回転プレートである。
好ましくは、磁極生成部は、回転軸の少なくとも他端において界磁極に対応した放射状の形状を有するように加工された部分である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３２】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による回転機の構成を示す断面図である。
【００３３】
図１を参照して、回転機１は、ロータ２と、界磁コイル４と、ステータ６と、シャフト８と、軸受１０，１２と、ブラシ１４と、プーリ１６と、回転プレート１８と、磁気センサ２０とを備える。
【００３４】
ロータ２は、シャフト８に固定され、シャフト８が軸受１０，１２に支持されることによって回転自在な回転子である。ロータ２は、内部に界磁コイル４を含み、界磁コイル４に界磁電流が流れることによって界磁極が形成される。界磁コイル４に界磁電流が流れることによって発生する磁界は、シャフト８の回転軸に垂直な成分からなる主磁界と、シャフト８の軸方向成分からなる磁界とからなり、この主磁界とステータ６によって発生する回転磁界との磁気作用によって、ロータ２は回転する。また、シャフト８の軸方向成分からなる磁界によってシャフト８から回転プレート１８、ステータ６、およびシャフト８の他端へと流れる漏洩磁束Ｈは、後ほど述べるように、ロータ２の回転位置を検出するための検出磁束として用いられる。
【００３５】
界磁コイル４は、ロータ２に界磁極を発生させるための巻線であって、巻線に流れる界磁電流の大きさに応じた磁界を発生する。
【００３６】
ステータ６は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相巻線からなる固定電機子であって、３相交流電流が流れることによってロータ２に作用する回転磁界を発生させる。
【００３７】
シャフト８は、軸受１０，１２によって支持された回転軸である。シャフト８は、トルクの伝達に必要な所定の強度を有する材質であるとともに、後述するように、ロータ２から発生する漏洩磁束を容易に通過させる材質で構成される。
【００３８】
軸受１０，１２は、シャフト８を回転自在に固定する。ブラシ１４は、界磁コイル４と電気的に接続される整流子片と摺動接触し、外部からブラシ１４および整流子片を介して界磁コイル４に界磁電流が供給される。プーリ１６は、シャフト８と他の回転軸との間でトルクの伝達を行なう。
【００３９】
回転プレート１８は、シャフト８の一端に設けられ、シャフト８に固定されてロータ２と連動して回転する。回転プレート１８も、シャフト８と同様に、磁束を容易に通過させる材質で構成され、シャフト８から受ける漏洩磁束を放射状に流す。そして、回転プレート１８は、磁気センサ２０によってロータ２の回転位置を検出可能とするため、ロータ２の界磁極に対応して放射状の形状を有している。
【００４０】
磁気センサ２０は、磁束を検出可能な磁気検出素子であって、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した３つのセンサを含む。これらのセンサは、たとえば、ホール素子や磁気抵抗素子などである。磁気センサ２０は、回転プレート１８に近接して配置され、回転プレート１８の半径方向に対しては、回転プレート１８からステータ６へ流れる漏洩磁束Ｈが最大となる位置に配置される。一方、磁気センサ２０は、回転プレート１８の回転方向に対しては、３つのセンサが電気角１２０度の間隔で配置される。
【００４１】
そして、磁気センサ２０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応する３つのセンサによって漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを検出し、検出した漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗをデジタル信号に変換して、その変換したデジタル信号を位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗとして出力する。
【００４２】
ロータ２の回転位置は、磁気センサ２０が漏洩磁束Ｈの変化を感知することによって検出されるのであるが、その漏洩磁束Ｈの変化を生成するために回転プレート１８が設けられている。すなわち、後ほどロータ２の構成が示されるが、ロータ２において発生する磁界によってシャフト８に発生する漏洩磁束は、ロータ２の界磁極に対応する回転方向の磁束の変化を有していない。そこで、シャフト８から漏洩磁束を受けて放射状に出力する回転プレート１８において、ロータ２の界磁極に対応した放射状の形状が設けられ、これによって、回転プレート１８は、放射状に出力する漏洩磁束Ｈに対してロータ２の界磁極に対応した磁束密度の強弱をつけている。
【００４３】
その結果、磁気センサ２０は、ロータ２が回転することによってロータ２の周囲に発生する磁界の変化を直接検出することなく、その磁界の変化が再現された回転プレート１８からの漏洩磁束Ｈを検出することによって、ロータ２の回転位置を検出することができる。
【００４４】
そして、こうすることによって、磁気センサ２０をロータ２およびステータ６から離して配置することができる。すなわち、既に述べたように、磁気センサ２０は、ロータ２およびステータ６から発生するコイル発熱やステータ６から発生する磁界を外乱として受けるところ、回転プレート１８をロータ２から距離をおいて設けることによって、回転プレート１８に近接して配置される磁気センサ２０がロータ２およびステータ６から受ける外乱を小さくすることができる。したがって、外乱によるロータ２の回転位置検出精度の劣化を防止することができる。なお、磁気センサ２０とロータ２およびステータ６との間隔は、磁気センサ２０から出力される信号のＳ／Ｎ比を所望の値よりも大きな値に確保できる距離であればよい。
【００４５】
この回転機１においては、界磁コイル４に界磁電流が供給されると主磁束が発生し、ステータ６によって発生される回転磁界との磁気作用によってロータ２が回転するとともに、シャフト８の軸方向成分の磁界も発生し、シャフト８から回転プレート１８、ステータ６およびシャフト８の他端へと流れる一巡の漏洩磁束Ｈが発生する。
【００４６】
そして、上述したように、回転プレート１８は、ロータ２の界磁極に対応して放射状の形状を有し、回転プレート１８から放射状に出力される漏洩磁束Ｈは、ロータ２の界磁極に対応した磁束密度の強弱を有しているので、これを磁気センサ２０が検出することによって、ロータ２の回転位置が検出される。
【００４７】
図２は、図１に示した回転プレート１８の回転軸に垂直な断面図である。
図２を参照して、回転プレート１８は、ロータ２の界磁極に対応して放射状の形状を有する。図２においては、１６極からなるロータ２に対応して８個の凸部が放射状に設けられており、回転プレート１８を放射状に流れる磁束は、これら８個の凸部から集中して出力される。すなわち、回転プレート１８から出力される磁束は、ロータ２の界磁極に対応した磁束密度の強弱がつけられて回転プレート１８から放射状に出力される。
【００４８】
この回転プレート１８の半径ｒや凸部の幅ｗ１、溝幅ｗ２は、回転プレート１８から出力される磁束密度の強弱のパターンを決定する。これらの値は、生成される漏洩磁束の大きさ、磁気センサ２０の感度、ロータ２の回転速度、回転プレート１８の回転モーメントなどに基づいて適切な値が選択され、回転プレート１８によって効率的な磁束密度の強弱パターンが生成される。
【００４９】
図３は、この発明による回転機におけるロータの構成を説明する図である。なお、図３においては、ロータの構成が概念的に示されており、図２に示した回転プレート１８の極数と対応していないが、実際には、ロータの極数と回転プレートの極数は一致する。
【００５０】
図３を参照して、ロータは、部材２ａと部材２ｂとからなり、それらが組み合わされ、内部に界磁コイルが含まれる。そして、界磁コイルにより発生される磁界によって、部材２ａはＮ極に、部材２ｂはＳ極に磁化される。これによって、円周方向にＮ，Ｓ極が交互に多数形成され、ロータに界磁極が形成される。また、シャフト８内には、界磁コイルによって、「Ｓ」で示される側から「Ｎ」で示される側へ向かう方向に磁界が発生する。
【００５１】
図４は、図１に示した回転機１を制御する回転機制御装置１００の概略ブロック図である。
【００５２】
図４を参照して、回転機制御装置１００は、直流電源Ｂと、キャパシタＣ１と、インバータ１０２と、位置検出装置１０４と、制御装置１０６とを備える。
【００５３】
インバータ１０２は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、およびＷ相アーム１７は、電源ラインとアースラインとの間に並列に設けられる。
【００５４】
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＴｒ１，Ｔｒ４からなり、Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＴｒ２，Ｔｒ５からなり、Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＴｒ３，Ｔｒ６からなる。また、各ＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のソース−ドレイン間には、各ＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に対して導通方向が逆方向になるようにダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。
【００５５】
各相アームの中間点は、回転機１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、回転機１は、３相の同期回転機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＴｒ１，Ｔｒ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＴｒ２，Ｔｒ５の中間点に、Ｗ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＴｒ３，Ｔｒ６の中間点にそれぞれ接続されている。
【００５６】
直流電源Ｂは、ニッケル水素またはリチウムイオン、鉛等の二次電池からなる。キャパシタＣ１は、直流電源Ｂから供給された直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１０２へ供給する。
【００５７】
位置検出装置１０４は、図１に示した回転プレート１８および磁気センサ２０からなる。磁気センサ２０は、回転プレート１８から出力される漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを図示されない３つのホール素子によって検出し、検出した漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗをデジタル信号に変換して、その変換したデジタル信号を回転機１のロータ２（図示せず）の位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗとして制御装置１０６へ出力する。
【００５８】
制御装置１０６は、位置検出装置１０４から受けるロータ２の位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗに基づいて、インバータ１０２に含まれるＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の各々を駆動するための駆動信号Ｄｒ１〜Ｄｒ６を生成し、その生成した駆動信号Ｄｒ１〜Ｄｒ６をそれぞれＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲート端子へ出力する。
【００５９】
図５は、図１に示した磁気センサ２０の回転軸に垂直な方向の配置図である。なお、図５においては、磁気センサ２０の配置を概念的に説明するために模式的に示されている。
【００６０】
図５を参照して、磁気センサ２０は、３つのホール素子２０ａ〜２０ｃを含む。ホール素子２０ａ〜２０ｃは、それぞれ回転プレート１８から出力される漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを検出し、検出磁束の大きさに応じた電圧を発生する。そして、磁気センサ２０は、その電圧を所定のレベルでコンパレートしてデジタル信号に変換し、その変換したデジタル信号を位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗとして制御装置１０６へ出力する。
【００６１】
ホール素子２０ａは、Ｕ相の配置方向に対して角度θをなすように配置される。そして、ホール素子２０ｂ，２０ｃも、ホール素子２０ａと同じように配置される。そして、ホール素子２０ａ〜２０ｃは、それぞれ電気角が１２０度の間隔で配置される。
【００６２】
図６は、図４に示した回転機制御装置１００における主な信号のタイミングチャートである。
【００６３】
図６を参照して、磁気センサ２０は、ホール素子２０ａ〜２０ｃによって検出された漏洩磁束Ｈの変化に応じて、電気角が０〜１８０度、１２０〜３００度、ならびに電気角が０〜６０度および２４０〜３６０度の範囲でそれぞれＨレベルになる位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを制御装置１０６へ出力する。
【００６４】
なお、比較のため、かりに、回転プレート１８に代えて放射状の形状を有さない回転円盤を備えた場合の位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊が示される。この場合は、回転円盤から放射状に出力される漏洩磁束は、回転円盤の回転に伴なって回転方向に変化しないので、位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗは、漏洩磁束が大きいときは常時Ｈレベルとなり、漏洩磁束が小さいときは常時Ｌレベルとなる（図６においては、漏洩磁束が小さく、常時Ｌレベルの場合が示される。）。したがって、磁気センサ２０は、ロータ２の回転位置を検出することができない。
【００６５】
そして、磁気センサ２０から位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗを受けた制御装置１０６は、その受けた位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗをそれぞれ駆動信号Ｄｒ１，Ｄｒ２，Ｄｒ３として生成し、また、位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗの反転信号をそれぞれ駆動信号Ｄｒ４，Ｄｒ５，Ｄｒ６として生成する。
【００６６】
すなわち、駆動信号Ｄｒ１は、電気角が０〜１８０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ１をオンする信号であり、駆動信号Ｄｒ２は、電気角が１２０〜３００度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ２をオンする信号であり、駆動信号Ｄｒ３は、電気角が０〜６０度および２４０〜３６０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ３をオンする信号である。
【００６７】
また、駆動信号Ｄｒ４は、電気角が１８０〜３６０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ４をオンする信号であり、駆動信号Ｄｒ５は、電気角が０〜１２０度および３００〜３６０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ５をオンする信号であり、駆動信号Ｄｒ６は、電気角が６０〜２４０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ６をオンする信号である。
【００６８】
その結果、図示しないが、回転機１の各相に印加される相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗおよび各相に流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが所定の電気角で変化し、磁気センサ２０によって検出された位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗに基づいて回転機１が駆動される。
【００６９】
なお、駆動信号Ｄｒ１〜Ｄｒ６は、電気角が１８０度の範囲で電流を回転機１の各相に流すように、それぞれＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を駆動するので、図６に示す通電方式は１８０度矩形波通電方式と呼ばれる。
【００７０】
なお、回転プレート１８は、界磁極に対応した磁束密度の強弱を設けるために放射状の形状を有するものとしたが、回転プレート１８はそのような形状のものに限られることはなく、放射状に出力する磁束に対して界磁極に対応した磁束密度の強弱をつけることができるものであればよい。たとえば、円盤の回転方向に透磁率の異なる材質を交互配置するなどしてもよい。
【００７１】
以上のように、実施の形態１によれば、回転機は、シャフトの端部に回転プレートを備え、シャフトおよび回転プレートを介して流れる漏洩磁束を回転プレートに近接して配置した磁気センサによって検出するようにしたので、磁気センサをロータおよびステータから離れた位置に配置することができる。したがって、ロータおよびステータのコイル発熱の影響や、ステータ巻線から発生する外乱磁界の影響などを磁気センサが受けることがない。その結果、高精度な位置検出が実現される。
【００７２】
また、磁気センサは、回転プレートとステータの間において漏洩磁束が最大となる位置に配置されるので、漏洩磁束を有効に活用することができ、さらに、上記外乱のほか、外部からの外乱に対しても頑強なものとなる。
【００７３】
さらに、ロータから必然的に発生する漏洩磁束を検出磁束として用いるので、ロータに磁性体片を組込んだり、界磁コイルの巻線形状を変更するなど、ロータの改造が不要となる。その結果、ロータの体積が増加することがなく、また、製造コストを抑えることができる。
【００７４】
［実施の形態２］
図７は、この発明の実施の形態２による回転機の構成を示す断面図である。
【００７５】
図７を参照して、回転機１Ａは、図１に示した実施の形態１による回転機１において、制御装置１０６に代えて回転プレートに近接して配置される制御装置１０６Ａを備える。制御装置１０６Ａは、磁気センサ２０を含む。
【００７６】
制御装置１０６Ａは、実施の形態１における制御装置１０６と磁気センサ２０とが一体で形成されたものであり、回転プレート１８に近接して配置される。そして、回転プレート１８の半径方向に対して、回転プレート１８からステータ６へ流れる漏洩磁束が最大となる位置に磁気センサ２０が配置されるように、制御装置１０６Ａは配置される。
【００７７】
回転機１Ａのその他の構成については、実施の形態１による回転機１の構成と同じであるので、その説明は繰返さない。また、回転機１Ａを制御する回転機制御装置については、図４に示した実施の形態１における回転機制御装置１００の構成において、回転プレート１８を除く位置検出装置１０４を制御装置１０６が含む構成となるほかは、回転機制御装置１００の構成と同じであるので、その説明は繰返さない。
【００７８】
以上のように、実施の形態２による回転機は、制御装置と磁気センサとが一体化されるので、制御装置における信号入力数が削減される。その結果、制御装置における信号入力回路が削減され、制御装置を小型化できる。
【００７９】
［実施の形態３］
実施の形態１による回転機１においては、ロータ２から発生する漏洩磁束のみを検出磁束としているので、界磁電流が０のとき、または、回転機１が停止しているときは、漏洩磁束が発生せず、ロータ２の回転位置を検出することはできない。一方、ロータに永久磁石を備えていれば、それによって常時発生する漏洩磁束を検出することによって停止時においても位置検出ができるが、ロータに磁性体片を設けることはロータの改造を伴い、コストが増加する。
【００８０】
そこで、実施の形態３では、ロータ２から発生する漏洩磁束と同じ方向に着磁したシャフトを備える。
【００８１】
実施の形態３による回転機１Ｂは、実施の形態１による回転機１の構成において、シャフト８に代えてロータ２から発生する漏洩磁束と同じ方向に着磁されたシャフト８Ａを備える。回転機１Ｂのその他の構成は、図１に示した回転機１の構成と同じであり、また、回転機１Ｂの回転機制御装置の構成も、図４に示した実施の形態１における回転機制御装置１００の構成と同じである。
【００８２】
図８は、実施の形態３による回転機１Ｂにおける界磁電流と磁気センサによる検出磁束との関係を示す図である。
【００８３】
図８を参照して、界磁電流の増減に応じて検出磁束は増減する。界磁電流が０になると、回転機１では検出磁束は０になるが、回転機１Ｂにおいては、着磁されたシャフト８Ａから磁束が発生しているため、磁気センサ２０による検出磁束は０ではなく、磁気センサ２０は磁束Ｈ０を検出する。
【００８４】
再び図１を参照して、回転機１Ｂにおいては、界磁コイル４に界磁電流が供給されると、主磁束が発生するとともに、シャフト８Ａから回転プレート１８、ステータ６およびシャフト８Ａの他端へと流れる漏洩磁束が発生する。したがって、磁気センサ２０は、漏洩磁束とシャフト８Ａ自体から発生される磁束との和からなる磁束を検出する。
【００８５】
すなわち、シャフトが着磁されていない場合と比べて、シャフト８Ａから発生される磁束分、磁気センサ２０による磁束の検出レベルが向上する。その結果、磁気センサ２０のＳ／Ｎ比が向上する。
【００８６】
一方、界磁コイル４に界磁電流が供給されていないとき、または、回転機１Ｂが停止しているときは、ロータ２から漏洩磁束は発生しないが、上述したように、シャフト８Ａから磁束が発生しているので、磁気センサ２０は、シャフト８Ａから発生される磁束Ｈ０を検出する。したがって、この場合も、磁気センサ２０は、ロータ２の回転位置を検出することができる。
【００８７】
なお、回転機１Ｂは、ロータが永久磁石の場合であってもよい。すなわち、ロータが永久磁石で構成されており、ロータからシャフト８Ａに流れ出る漏洩磁束が小さいときは、シャフト８Ａから発生される磁束によって磁気センサ２０の検出レベルが向上する。また、ロータからの漏洩磁束の有無に拘わらず、磁気センサ２０は、シャフト８Ａから発生される磁束を検出するので、回転機１Ｂが停止していても、ロータの位置を検出することができる。
【００８８】
以上のように、実施の形態３によれば、ロータから発生する漏洩磁束と同じ方向にシャフトを着磁したので、界磁電流が０のとき、または、回転機が停止しているときであっても、ロータの回転位置を検出することができる。
【００８９】
また、ロータに磁性体片を組込んだり、界磁コイルの巻線形状を変更するなどのロータの改造は不要であるので、ロータ体積が増加することがなく、また、ロータの改造によるコスト上昇を抑えることができる。
【００９０】
さらに、磁気センサは、ロータおよびステータから離れた位置に配置されるので、ロータおよびステータのコイル発熱の影響や、ステータ巻線から発生する外乱磁界の影響などを磁気センサが受けることがない。その結果、高精度な位置検出が実現される。
【００９１】
［実施の形態４］
界磁電流が０のとき、または、回転機が停止しているときにおいてもロータの位置を検出する手段として、実施の形態３では、シャフトを着磁した。実施の形態４では、回転プレートが着磁される。
【００９２】
実施の形態４による回転機１Ｃは、実施の形態１による回転機１の構成において、回転プレート１８に代えて、着磁された回転プレート１８Ａを備える。回転プレート１８Ａは、図２に示した回転プレート１８と同様に、界磁極に対応して放射状の形状を有する。そして、回転プレート１８Ａは、中心部から円周部に向かって放射状に着磁される。
【００９３】
回転機１Ｃのその他の構成は、図１に示した回転機１の構成と同じであり、また、回転機１Ｃの回転機制御装置の構成も、図４に示した実施の形態１における回転機制御装置１００の構成と同じである。
【００９４】
回転機１Ｃにおいても、回転機１と同様に、界磁コイル４に界磁電流が供給されると、主磁束が発生してロータ２が回転するとともに、シャフト８から回転プレート１８Ａ、ステータ６およびシャフト８の他端へと流れる漏洩磁束が発生する。したがって、磁気センサ２０は、漏洩磁束と回転プレート１８Ａ自体から発生される磁束との和からなる磁束を検出する。
【００９５】
すなわち、回転プレートが磁化されていない場合と比べて、回転プレート１８Ａから発生される磁束分、磁気センサ２０による磁束の検出レベルが向上する。その結果、磁気センサ２０のＳ／Ｎ比が向上する。
【００９６】
一方、界磁コイル４に界磁電流が供給されていないとき、または、回転機１Ｃが停止しているときは、ロータ２から漏洩磁束は発生しないが、回転プレート１８Ａから磁束が発生しているので、磁気センサ２０は、回転プレート１８Ａから発生される磁束を検出する。したがって、この場合も、磁気センサ２０は、ロータ２の回転位置を検出することができる。
【００９７】
なお、回転プレート１８Ａは、中心部から円周部へ向かって着磁されるものとしたが、ロータ２側の面（前面）から背面に向かって、すなわち、シャフト８内を流れる漏洩磁束と同じ方向に着磁してもよい。この場合は、漏洩磁束は、回転プレート１８Ａの前面の中心部付近から背面の円周部付近へと流れるので、磁気センサ２０は、回転プレートの背面側の円周部に近接して配置される。
【００９８】
また、回転機１Ｃは、ロータが永久磁石の場合であってもよい。すなわち、ロータが永久磁石で構成されており、ロータからシャフト８に流れ出る漏洩磁束が小さいときは、回転プレート１８Ａから発生される磁束によって磁気センサ２０の検出レベルが向上する。また、ロータからの漏洩磁束の有無に拘わらず、磁気センサ２０は、回転プレート１８Ａから発生される磁束を検出するので、回転機１Ｃが停止していても、その停止位置を検出することができる。
【００９９】
以上のように、実施の形態４によれば、回転プレートを着磁したので、実施の形態３においてシャフトを着磁した場合と同様の効果が得られる。
【０１００】
［実施の形態５］
界磁電流が０のとき、または、回転機が停止しているときにおいてもロータの位置を検出する手段として、実施の形態５では、回転プレートに放射状の磁束を発生させるリング状の磁石（以下、「リング磁石」とも称する。）を備える。
【０１０１】
図９は、この発明の実施の形態５による回転機の構成を示す断面図である。
図９を参照して、回転機１Ｄは、実施の形態１による回転機１の構成において、回転プレート１８に代えて回転プレート１８Ｂを備える。回転プレート１８Ｂは、内径部２２と、外形部２４とを含む。
【０１０２】
内径部２２は、リング磁石であって、内径側から外径側へ向かって放射状に磁界を発生する。外形部２４は、磁束を容易に通過させる材質で構成され、外径が界磁極に対応した放射状の形状を有する。そして、外径部２４は、内径部２２から受ける磁束を放射状に流す。
【０１０３】
なお、回転機１Ｄのその他の構成は、図１に示した回転機１の構成と同じであり、また、回転機１Ｄの回転機制御装置の構成も、図４に示した実施の形態１における回転機制御装置１００の構成と同じである。
【０１０４】
図１０は、図９に示した回転プレート１８Ｂの回転軸に垂直な断面図である。
図１０を参照して、回転プレート１８Ｂにおいては、リング磁石である内径部２２の外周に放射状の形状を有する外形部２４が形成される。このような構成とすることによって、回転プレート１８Ｂは、回転プレート自体が半径方向に放射状に着磁された場合と同様の機能を有する。
【０１０５】
［実施の形態５の変形例］
図１１は、この発明の実施の形態５による回転機の変形例を示す断面図である。
【０１０６】
図１１を参照して、回転機１Ｅは、実施の形態１による回転機１の構成において、回転プレート１８の前面側（ロータ２側）に隣接するリング磁石２２Ａを備える。
【０１０７】
リング磁石２２Ａは、シャフト８に固定され、内径側から外形側に向かって放射状に磁界を発生する。そして、リング磁石２２Ａから発生される磁束は、リング磁石２２Ａの外周部から回転プレート１８へと流れ、回転プレート１８の円周部からステータ６へと流れる。
【０１０８】
また、ロータ２によって発生される漏洩磁束は、リング磁石２２Ａまたは回転プレート１８の内径部から回転プレート１８の外形部へと流れ、ステータ６へ出力される。
【０１０９】
なお、回転機１Ｅのその他の構成は、図１に示した回転機１の構成と同じであり、また、回転機１Ｅの回転機制御装置の構成も、図４に示した実施の形態１における回転機制御装置１００の構成と同じである。
【０１１０】
このように、回転プレート１８およびリング磁石２２Ａからなる回転体によっても、回転プレート自体が半径方向に放射状に着磁された場合と同様の機能を有する。
【０１１１】
以上のように、実施の形態５によれば、回転プレートに放射状の磁束を発生させるリング磁石を設けたので、回転プレート自体を着磁した場合と同様の効果が得られ、したがって、実施の形態３においてシャフトを着磁した場合と同様の効果が得られる。
【０１１２】
また、実施の形態５によれば、界磁極に対応した放射状の形状を有する回転プレート自体を着磁する代わりにリング磁石を備えるので、回転プレート自体を着磁する場合に比べてコストを低減できる。
【０１１３】
さらに、実施の形態５の変形例によれば、回転プレートおよびリング磁石についてそれらを組合せるための形状加工が不要となるので、さらに製造コストが削減できる。
【０１１４】
［実施の形態６］
実施の形態１〜５においては、漏洩磁束、またはシャフトもしくは回転プレート自体から発生する磁束について、界磁極に対応した磁束密度の強弱を設けるために回転プレートが設けられたが、実施の形態６では、回転プレートの代わりに、シャフトが少なくとも端部において凹凸形状に加工される。
【０１１５】
図１２は、この発明の実施の形態６による回転機の構成を示す断面図である。
図１２を参照して、回転機１Ｆは、実施の形態１による回転機１の構成において、回転プレート１８を備えず、シャフト８に代えてシャフト８Ｂを備える。
【０１１６】
シャフト８Ｂは、漏洩磁束の出力側の端部において円周方向に凹凸形状に加工された凹凸部２６を有する。そして、その凹凸部２６に近接して磁気センサ２０が配置され、ロータ２から発生されてシャフト８Ｂ、凹凸部２６、ステータ６およびシャフト８Ｂの他端へと流れる漏洩磁束を磁気センサ２０が検出する。
【０１１７】
回転機１Ｆのその他の構成は、図１に示した回転機１の構成と同じであり、また、回転機１Ｆの回転機制御装置の構成も、図４に示した実施の形態１における回転機制御装置１００の構成と同じである。
【０１１８】
図１３は、図１２に示したシャフト８Ｂに設けられる凹凸部２６の拡大図である。
【０１１９】
図１３を参照して、ロータ２の界磁極に対応して凹部がシャフト８Ａに設けられている。すなわち、ロータ２が１６極の極数を有するときは、８個の凹部が設けられる。そして、凹凸部２６に近接して磁気センサ２０が配置され、凹凸部２６から出力される漏洩磁束の変化を磁気センサ２０によって検出することによって、ロータ２の回転位置が検出される。
【０１２０】
この凹凸部２６の溝深さｄは、凹凸部２６から出力される磁束密度の強弱のパターンを決定する。この値は、生成される漏洩磁束の大きさ、磁気センサ２０の感度、ロータ２の回転速度、シャフト８Ａの半径Ｒおよび強度などに基づいて適切な値が選択され、凹凸部２６によって効率的な磁束密度の強弱パターンが生成される。
【０１２１】
なお、図１２，１３においては、凹凸部２６は、シャフト８Ａの円周面に対して凹部を設けることによって形成されるが、シャフトの強度を考慮して、凹部に代えてシャフトの円周面に対して凸部を設けることによって凹凸部を形成してもよい。
【０１２２】
また、回転機１Ｆにおいては、さらに、ロータ２から発生する漏洩磁束と同じ方向にシャフト８Ｂを着磁してもよい。これによって、界磁電流が０のとき、または、回転機１Ｆが停止しているときにもロータ２の位置を検出することができる。
【０１２３】
以上のように、実施の形態６によれば、実施の形態１と同様の効果が得られ、さらに、回転プレートを備えずにシャフトの端部を回転方向に凹凸形状に加工することによって界磁極に対応した磁束密度の強弱を形成するようにしたので、回転プレートを備えない分、回転機を小型化および軽量化することができる。
【０１２４】
さらに、シャフトを着磁すれば、界磁電流が０のとき、または、回転機が停止しているときにもロータの位置を検出することができる。
【０１２５】
なお、上述した実施の形態１〜６において、回転機は、トルクを発生する同期電動機でも、電圧を発生する同期発電機であってもよい。すなわち、いずれの場合においても、ロータ内の界磁コイルに界磁電流が流され、それによって漏洩磁束が発生するので、その漏洩磁束を用いてロータの回転位置を検出をすることができる。
【０１２６】
そして、上述した実施の形態１〜６による回転機は、たとえば、ハイブリッド自動車に搭載され、その駆動モータまたは発電機として用いることができる。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源と、インバータと、インバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。
【０１２７】
ハイブリッド自動車においては、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力を得る。また、モータは、エンジンと連結されており、ハイブリッド自動車の通常走行時、エンジンのクランク軸の回転力を電気エネルギーに変換するとともに、ハイブリッド自動車の回生制動時、駆動輪の回転力をエンジンのクランク軸を介して受け、その受けた回転力を電気エネルギーに変換する。
【０１２８】
すなわち、ハイブリッド自動車に搭載されたモータは、電動機および発電機として機能するのであって、上述したように、電動機および発電機のいずれにも用いることができる本発明に係る回転機をハイブリッド自動車のモータに用いることによって、高精度なモータ制御が可能となる。
【０１２９】
また、ハイブリッド自動車のようにモータを走行の動力源とはしないが、車両が交差点の赤信号などで停車した場合にエンジンを停止し、発進すべきタイミングにてエンジンを自動で始動するエコノミーランニングシステム（エンジン自動停止・始動システム）におけるエンジン始動用のモータとしても、この発明の回転機を用いることができる。
【０１３０】
また、上述した実施の形態１〜６においては、磁気センサ２０は、ホール素子などの磁気検出素子によって漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを検出し、検出した漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗをデジタル信号に変換して、その変換したデジタル信号を位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗとして制御装置１０６へ出力するものとしたが、磁気センサ２０から漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの大きさに応じた電気信号を制御装置１０６へ出力し、制御装置１０６においてデジタル信号に変換するようにしてもよい。
【０１３１】
また、回転機制御装置１００における制御装置１０６の通電方式は、１８０度矩形波通電方式としているが、１８０度矩形波通電方式よりも電流利用率の高い１２０度矩形波通電方式と呼ばれる通電方式で制御してもよい。なお、１８０度矩形波通電方式は、１２０度矩形波通電方式と比べて電圧利用率が高い制御方式である。
【０１３２】
また、インバータ１０２は、直流電源Ｂからの直流電圧を受けるとして説明したが、この発明においては、インバータ１０２は、直流電源からの直流電圧を昇圧した直流電圧を受けてもよい。
【０１３３】
すなわち、直流電源Ｂが出力する直流電圧よりも電圧レベルが低い直流電圧を出力する直流電源Ｂ１と昇圧コンバータとを直流電源Ｂに代えて設ける。直流電源Ｂ１は、直流電圧を昇圧コンバータに出力する。そして、昇圧コンバータは、直流電圧を昇圧してキャパシタＣ１に供給する。
【０１３４】
さらに、上記においては、インバータ１０２は、ＭＯＳトランジスタにより構成されると説明したが、これに代えてＮＰＮトランジスタであってもよい。
【０１３５】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０１３６】
【発明の効果】
この発明によれば、界磁極に対応した磁束密度の強弱を有し、かつ、回転軸の一端に設けられて回転子と連動して回転する回転プレートと、回転プレートから出力される磁束を検出する磁気検出素子とを備え、回転軸の一端から回転プレート、固定電機子、回転軸の他端へと流れる漏洩磁束が磁気検出素子によって検出される。
【０１３７】
したがって、磁気検出素子を固定電機子および回転子から離れた位置に配置できるので、磁気検出素子は、固定電機子および回転子から発生する外乱の影響を受けない。その結果、磁束の検出精度が向上し、すなわち、回転位置の検出精度が向上する。
【０１３８】
また、この発明によれば、センシング用の磁束として回転軸に漏れ出る漏洩磁束を用いるので、センシング用の磁性体片を回転子に別途設けたり、界磁巻線の形状を変更するなどの回転子の改造が不要である。その結果、モータの製造コストが削減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による回転機の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す回転プレートの回転軸に垂直な断面図である。
【図３】この発明による回転機におけるロータの構成を説明する図である。
【図４】図１に示す回転機を制御する回転機制御装置の概略ブロック図である。
【図５】図１に示す磁気センサの回転軸に垂直な方向の配置図である。
【図６】図４に示す回転機制御装置における主な信号のタイミングチャートである。
【図７】この発明の実施の形態２による回転機の構成を示す断面図である。
【図８】実施の形態３による回転機における界磁電流と磁気センサによる検出磁束との関係を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態５による回転機の構成を示す断面図である。
【図１０】図９に示す回転プレートの回転軸に垂直な断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態５による回転機の構成の変形例を示す断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態６による回転機の構成を示す断面図である。
【図１３】図１２に示すシャフトに設けられる凹凸部の拡大図である。
【符号の説明】
１，１Ａ〜１Ｆ 回転機、２ ロータ、２ａ，２ｂ 部材、４ 界磁コイル、６ ステータ、８，８Ａ，８Ｂ シャフト、１０，１２ 軸受、１４ ブラシ、１６ プーリ、１８，１８Ａ，１８Ｂ 回転プレート、２０ 磁気センサ、２０ａ〜２０ｃ ホール素子、２２ 内径部（リング磁石）、２２Ａ リング磁石、２４ 外形部、２６ 凹凸部、１００ 回転機制御装置、１０２ インバータ、１０４ 位置検出装置、１０６，１０６Ａ 制御装置、Ｂ 直流電源、Ｃ１ キャパシタ、Ｔｒ１〜Ｔｒ６ ＭＯＳトランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード、Ｈ漏洩磁束。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation position detection device for a rotating machine and a rotation machine including the same, and more particularly, to a rotation position detection device for a rotation machine that detects a position of a rotor by a magnetic detection element, and a rotation machine including the same. .
[0002]
[Prior art]
A rotor (hereinafter, also referred to as a “rotor”) includes a field coil or a permanent magnet, and a component of a magnetic field generated in the rotor in a direction perpendicular to a rotation axis and a fixed armature (hereinafter, also referred to as a “stator”). Conventionally, as a rotational position detecting device in a rotating machine that rotates by a magnetic action with a rotating magnetic field generated in a magnetic field, a magnetic sensor is arranged close to a rotor, and a magnetic flux directly generated from the rotor, or provided on the rotor for sensing. There is known a method of directly detecting a magnetic flux from a magnetic piece to detect a rotational position of a rotor.
[0003]
Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-34278 discloses a method of correcting the influence of a disturbance magnetic field received from a stator by disposing a magnetic sensor close to the rotor in a permanent magnet motor in which the rotor is constituted by permanent magnets. (Patent Document 1).
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-34278 discloses a magnetic auxiliary gear attached to an output shaft of an electric motor, and a magnetic sensor provided in proximity to the auxiliary gear. There is also disclosed a method of detecting a change in magnetic flux generated from the auxiliary gear to detect a rotational position of the rotor.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-34278 A
[0006]
[Patent Document 2]
JP-A-1-133594
[0007]
[Patent Document 3]
JP 2001-309618 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, a method of arranging a magnetic sensor close to the rotor and directly detecting a magnetic flux generated directly from the rotor or a magnetic flux from a magnetic piece provided on the rotor for sensing is such that the magnetic sensor is close to the motor. The arrangement is greatly affected by disturbances such as a magnetic field generated in the stator and heat generated by coils of the stator and the rotor.
[0009]
In the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-34278, in a permanent magnet type motor, in the above-described case, the position detected by the magnetic sensor is corrected by the stator current. When used in a field winding type motor having a coil, the magnitude of the disturbance magnetic field changes depending on the magnitude of the field current, and is affected by the heat generated by the coil of the rotor as well as the stator. Therefore, especially when the above method is used for a field winding type motor, there is a risk that the position detection accuracy may be degraded, and if the detection position is corrected by assuming various types of disturbance as described above. In addition, sophisticated and complicated arithmetic processing is required, resulting in an increase in cost.
[0010]
When a magnetic sensor is arranged close to the rotor, a magnetic piece for sensing is provided on the rotor as described above in order to enable sensing by the magnetic sensor. It is necessary to change the shape of the magnetic winding. Therefore, some modification of the rotor is required for sensing, which increases costs.
[0011]
On the other hand, when the magnetic material piece for sensing is not provided, in the field winding type motor, when the field current is 0 or when the motor is stopped, no magnetic field is generated from the rotor and the motor is stopped. The position cannot be detected.
[0012]
Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a low-cost rotational position detecting device that does not deteriorate position detection accuracy due to disturbance.
[0013]
It is another object of the present invention to provide a rotational position detecting device which does not deteriorate position detection accuracy due to disturbance and can detect a stop position.
[0014]
Still another object of the present invention is to provide a rotating machine which does not deteriorate the position detection accuracy due to disturbance and has a low-cost rotational position detecting device.
[0015]
Still another object of the present invention is to provide a rotating machine provided with a rotating position detecting device capable of detecting a stop position without deteriorating position detection accuracy due to disturbance.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a rotational position detecting device for a rotary machine includes a field coil, and a rotary position detecting device for a rotary machine including a rotor having a field pole formed by flowing a field current through the field coil. A magnetic pole that receives a first leakage magnetic flux generated by a field coil through a member different from the rotor and generates a second leakage magnetic flux indicating the position of the field pole based on the first leakage magnetic flux A magnetic detection element that detects the second leakage magnetic flux output from the magnetic pole generation unit and outputs a signal having a level corresponding to the magnitude of the second leakage magnetic flux.
[0017]
Preferably, the magnetic pole generation unit has a radial shape corresponding to the field pole, outputs the second leaked magnetic flux radially by adding the strength of the magnetic flux density corresponding to the field pole to the first leaked magnetic flux. .
[0018]
Preferably, the magnetic pole generation unit has a different magnetic permeability radially corresponding to the field pole, and assigns a magnitude of a magnetic flux density corresponding to the field pole to the first leaked magnetic flux to radially generate the second leaked magnetic flux. Output to
[0019]
Preferably, the magnetic detection element has at least a distance from the rotor and the fixed armature of the rotating machine at which the S / N ratio of the signal exceeds a predetermined value, and the leakage magnetic flux output from the magnetic pole generation unit is Is provided at a position which is the maximum in the radial direction.
[0020]
Preferably, the magnetic detection element has at least a distance from the rotor and the fixed armature of the rotating machine at which the S / N ratio of the signal exceeds a predetermined value, and is provided between the magnetic pole generation unit and the fixed armature.
[0021]
Preferably, the magnetic detection element is included in a rotating machine control device that controls the rotating machine.
Preferably, the magnetic pole generator is a rotating plate fixed to the member, and the rotating plate is radially magnetized.
[0022]
Preferably, the magnetic pole generation unit is a rotating plate fixed to the member, and the rotating plate is magnetized from a surface on the rotor side to a surface on the side opposite to the rotor.
[0023]
Preferably, the magnetic pole generation unit includes a first part having a radial shape corresponding to the field pole, and a second part which is radially magnetized and radially supplies a magnetic flux to the first part.
[0024]
Preferably, the second portion is fixed to a member, and the first portion is provided on an outer periphery of the second portion.
[0025]
Preferably, the first portion is fixed to the member, and the second portion is fixed to the member adjacent to the rotor-side surface of the first portion.
[0026]
Preferably, the member is a rotating shaft of a rotating machine.
Further, according to the present invention, a rotating machine includes any one of the rotation position detecting devices described above.
[0027]
Preferably, the rotating shaft is magnetized in a direction from the rotor to the magnetic pole generation unit.
Preferably, the member is a rotating shaft of a rotating machine, and the magnetic pole generation unit is a portion processed at least at one end of the rotating shaft to have a radial shape corresponding to a field pole.
[0028]
Preferably, the rotating shaft is magnetized in a direction from the rotor to the magnetic pole generation unit.
Further, according to the present invention, a rotating machine includes a fixed armature, a rotating shaft magnetized from one end to the other end, a rotor having magnetic poles, and a rotating position detecting device, The apparatus receives a first magnetic flux generated by a rotating shaft, generates a second magnetic flux indicating a position of a magnetic pole of a rotor based on the first magnetic flux, and outputs the second magnetic flux from the magnetic pole generator. A magnetic detection element that detects the second magnetic flux and outputs a signal having a level corresponding to the magnitude of the second magnetic flux.
[0029]
Preferably, the magnetic pole generation unit has a radial shape corresponding to the field pole, and outputs the second magnetic flux in a radial manner by giving the first magnetic flux the intensity of the magnetic flux density corresponding to the field pole.
[0030]
Preferably, the magnetic pole generation unit is a rotating plate fixed to the other end of the rotating shaft.
Preferably, the magnetic pole generation unit is a part processed to have a radial shape corresponding to the field pole at at least the other end of the rotation shaft.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding portions have the same reference characters allotted, and description thereof will not be repeated.
[0032]
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a rotating machine according to
[0033]
Referring to FIG. 1, a rotating
[0034]
The
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
The rotating
[0040]
The
[0041]
Then, the
[0042]
The rotational position of the
[0043]
As a result, the
[0044]
By doing so, the
[0045]
In the
[0046]
As described above, the rotating
[0047]
FIG. 2 is a sectional view perpendicular to the rotation axis of the
Referring to FIG. 2, rotating
[0048]
The radius r of the
[0049]
FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the rotor in the rotating machine according to the present invention. In FIG. 3, the configuration of the rotor is conceptually shown and does not correspond to the number of poles of the
[0050]
Referring to FIG. 3, the rotor includes a member 2a and a
[0051]
FIG. 4 is a schematic block diagram of a rotating
[0052]
Referring to FIG. 4, rotating
[0053]
[0054]
[0055]
An intermediate point of each phase arm is connected to each phase end of each phase coil of the
[0056]
The DC power supply B is composed of a secondary battery such as nickel hydride, lithium ion, or lead.
[0057]
The
[0058]
[0059]
FIG. 5 is an arrangement diagram of the
[0060]
Referring to FIG. 5,
[0061]
[0062]
FIG. 6 is a timing chart of main signals in the rotating
[0063]
Referring to FIG. 6,
[0064]
For comparison, position signals Pu *, Pv *, and Pw * when a rotary disk having no radial shape is provided instead of the
[0065]
Then, the
[0066]
That is, the drive signal Dr1 is a signal that turns on the MOS transistor Tr1 when the electrical angle is in the range of 0 to 180 degrees, and the drive signal Dr2 is a signal that turns on the MOS transistor Tr2 when the electrical angle is in the range of 120 to 300 degrees. The drive signal Dr3 is a signal that turns on the MOS transistor Tr3 when the electrical angle is in the range of 0 to 60 degrees and 240 to 360 degrees.
[0067]
The drive signal Dr4 is a signal for turning on the MOS transistor Tr4 when the electrical angle is in the range of 180 to 360 degrees, and the drive signal Dr5 is a signal for turning on the MOS transistor Tr5 when the electrical angle is in the range of 0 to 120 degrees and 300 to 360 degrees. And the drive signal Dr6 is a signal for turning on the MOS transistor Tr6 when the electrical angle is in the range of 60 to 240 degrees.
[0068]
As a result, although not shown, the phase voltages Vu, Vv, Vw applied to each phase of the
[0069]
The drive signals Dr1 to Dr6 drive the MOS transistors Tr1 to Tr6 so that the current flows through each phase of the
[0070]
The rotating
[0071]
As described above, according to the first embodiment, the rotating machine includes the rotating plate at the end of the shaft, and detects the leakage magnetic flux flowing through the shaft and the rotating plate by the magnetic sensor arranged close to the rotating plate. As a result, the magnetic sensor can be arranged at a position distant from the rotor and the stator. Therefore, the magnetic sensor is not affected by the heat generated by the coils of the rotor and the stator, or by the disturbance magnetic field generated from the stator winding. As a result, highly accurate position detection is realized.
[0072]
In addition, since the magnetic sensor is arranged at a position where the leakage magnetic flux is maximized between the rotating plate and the stator, it is possible to effectively utilize the leakage magnetic flux. But it will be robust.
[0073]
Further, since the leakage magnetic flux inevitably generated from the rotor is used as the detected magnetic flux, it is not necessary to remodel the rotor by incorporating a magnetic piece into the rotor or changing the winding shape of the field coil. As a result, the volume of the rotor does not increase, and the manufacturing cost can be reduced.
[0074]
[Embodiment 2]
FIG. 7 is a sectional view showing a configuration of a rotating machine according to
[0075]
Referring to FIG. 7, rotating
[0076]
The
[0077]
Other configurations of rotating
[0078]
As described above, in the rotating machine according to the second embodiment, since the control device and the magnetic sensor are integrated, the number of signal inputs to the control device is reduced. As a result, the number of signal input circuits in the control device is reduced, and the size of the control device can be reduced.
[0079]
[Embodiment 3]
In rotating
[0080]
Therefore, in the third embodiment, a shaft magnetized in the same direction as the leakage magnetic flux generated from the
[0081]
Rotating machine 1B according to the third embodiment has
[0082]
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a field current and a magnetic flux detected by a magnetic sensor in rotating machine 1B according to the third embodiment.
[0083]
Referring to FIG. 8, the detected magnetic flux increases and decreases according to the increase and decrease of the field current. When the field current becomes 0, the detected magnetic flux becomes 0 in the
[0084]
Referring to FIG. 1 again, in the rotating machine 1B, when a field current is supplied to the
[0085]
That is, as compared with the case where the shaft is not magnetized, the detection level of the magnetic flux by the
[0086]
On the other hand, when the field current is not supplied to the
[0087]
Note that the rotating machine 1B may have a case where the rotor is a permanent magnet. That is, when the rotor is constituted by permanent magnets and the leakage magnetic flux flowing from the rotor to the
[0088]
As described above, according to the third embodiment, the shaft is magnetized in the same direction as the leakage magnetic flux generated from the rotor. Therefore, when the field current is 0 or when the rotating machine is stopped. Thus, the rotational position of the rotor can be detected.
[0089]
Also, since it is not necessary to remodel the rotor by incorporating a magnetic piece into the rotor or changing the winding shape of the field coil, the rotor volume does not increase, and the cost increases due to the remodeling of the rotor. Can be suppressed.
[0090]
Furthermore, since the magnetic sensor is arranged at a position distant from the rotor and the stator, the magnetic sensor is not affected by the heat generated by the coils of the rotor and the stator, or by the disturbance magnetic field generated from the stator winding. As a result, highly accurate position detection is realized.
[0091]
[Embodiment 4]
In the third embodiment, the shaft is magnetized as means for detecting the position of the rotor even when the field current is 0 or when the rotating machine is stopped. In the fourth embodiment, the rotating plate is magnetized.
[0092]
A rotating machine 1C according to the fourth embodiment includes a
[0093]
The other configuration of the rotary machine 1C is the same as the configuration of the
[0094]
In the rotating machine 1C, similarly to the
[0095]
That is, as compared with the case where the rotating plate is not magnetized, the detection level of the magnetic flux by the
[0096]
On the other hand, when no field current is supplied to the
[0097]
Although the
[0098]
Further, the rotating machine 1C may have a case where the rotor is a permanent magnet. That is, when the rotor is constituted by permanent magnets and the leakage magnetic flux flowing from the rotor to the
[0099]
As described above, according to the fourth embodiment, since the rotating plate is magnetized, the same effect as in the third embodiment when the shaft is magnetized can be obtained.
[0100]
[Embodiment 5]
In the fifth embodiment, as a means for detecting the position of the rotor even when the field current is 0 or when the rotating machine is stopped, a ring-shaped magnet (hereinafter referred to as a ring-shaped magnet that generates a radial magnetic flux on the rotating plate) , "Ring magnet").
[0101]
FIG. 9 is a sectional view showing a configuration of a rotating machine according to Embodiment 5 of the present invention.
Referring to FIG. 9, rotating machine 1D includes a rotating plate 18B instead of rotating
[0102]
The
[0103]
The other configuration of the rotary machine 1D is the same as the configuration of the
[0104]
FIG. 10 is a sectional view perpendicular to the rotation axis of the rotation plate 18B shown in FIG.
Referring to FIG. 10, in rotary plate 18B, an
[0105]
[Modification of Embodiment 5]
FIG. 11 is a sectional view showing a modification of the rotating machine according to Embodiment 5 of the present invention.
[0106]
Referring to FIG. 11, rotating
[0107]
The
[0108]
The leakage magnetic flux generated by the
[0109]
The other configuration of the
[0110]
As described above, the rotating body including the
[0111]
As described above, according to the fifth embodiment, the same effect as when the rotating plate itself is magnetized can be obtained because the ring magnet that generates the radial magnetic flux is provided on the rotating plate. 3, the same effect as when the shaft is magnetized can be obtained.
[0112]
Further, according to the fifth embodiment, since the ring magnet is provided instead of magnetizing the rotating plate itself having a radial shape corresponding to the field pole, the cost can be reduced as compared with the case where the rotating plate itself is magnetized. .
[0113]
Further, according to the modification of the fifth embodiment, since the rotary plate and the ring magnet need not be shaped to combine them, the manufacturing cost can be further reduced.
[0114]
In the first to fifth embodiments, the rotating plate is provided to provide the strength of the magnetic flux density corresponding to the field poles with respect to the leakage magnetic flux or the magnetic flux generated from the shaft or the rotating plate itself. Instead of the rotating plate, the shaft is machined at least at the end into an uneven shape.
[0115]
FIG. 12 is a sectional view showing a configuration of a rotating machine according to
Referring to FIG. 12, rotating
[0116]
The shaft 8B has an
[0117]
The other configuration of the rotary machine 1F is the same as the configuration of the
[0118]
FIG. 13 is an enlarged view of the
[0119]
Referring to FIG. 13, a recess is provided in
[0120]
The groove depth d of the
[0121]
12 and 13, the
[0122]
In the rotating machine 1F, the shaft 8B may be further magnetized in the same direction as the leakage magnetic flux generated from the
[0123]
As described above, according to the sixth embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Further, the end of the shaft is formed into a concave and convex shape in the rotational direction without providing the rotating plate, so that the field pole can be formed. Since the strength of the magnetic flux density corresponding to the above is formed, the rotating machine can be reduced in size and weight because the rotating plate is not provided.
[0124]
Further, if the shaft is magnetized, the position of the rotor can be detected even when the field current is 0 or when the rotating machine is stopped.
[0125]
In
[0126]
The rotating machines according to the first to sixth embodiments can be mounted on, for example, a hybrid vehicle and used as a drive motor or a generator thereof. A hybrid vehicle is a vehicle that uses, in addition to a conventional engine, a DC power supply, an inverter, and a motor driven by the inverter as power sources.
[0127]
In a hybrid vehicle, a DC voltage from a DC power supply is converted into an AC voltage by an inverter, and power is obtained by rotating a motor using the converted AC voltage. The motor is connected to the engine and converts the torque of the crankshaft of the engine into electric energy during normal running of the hybrid vehicle, and converts the torque of the drive wheels during regenerative braking of the hybrid vehicle into the crankshaft of the engine. It receives via a shaft and converts the received rotational force into electrical energy.
[0128]
That is, the motor mounted on the hybrid vehicle functions as an electric motor and a generator. As described above, the rotating machine according to the present invention, which can be used for both the electric motor and the generator, is used as the motor of the hybrid vehicle. , High-precision motor control becomes possible.
[0129]
Also, unlike a hybrid vehicle, the motor is not used as a driving power source, but when the vehicle stops at a red light at an intersection, etc., the engine is stopped and the engine is automatically started at the timing to start moving. The rotating machine of the present invention can also be used as a motor for starting the engine in the (engine automatic stop / start system).
[0130]
Further, in the above-described first to sixth embodiments, the
[0131]
The energization system of the
[0132]
Further, although it has been described that
[0133]
That is, a DC power supply B1 that outputs a DC voltage whose voltage level is lower than the DC voltage output by the DC power supply B and a boost converter are provided instead of the DC power supply B. DC power supply B1 outputs a DC voltage to a boost converter. Then, the boost converter boosts the DC voltage and supplies it to the capacitor C1.
[0134]
Further, in the above description, the
[0135]
The embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description of the embodiments, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0136]
【The invention's effect】
According to the present invention, a rotating plate provided at one end of a rotating shaft and having a magnetic flux density corresponding to a field pole and rotating in conjunction with a rotor, and a magnetic flux output from the rotating plate are detected. A magnetic flux leaking from one end of the rotating shaft to the rotating plate, the fixed armature, and the other end of the rotating shaft is detected by the magnetic sensing element.
[0137]
Therefore, since the magnetic sensing element can be arranged at a position distant from the fixed armature and the rotor, the magnetic sensing element is not affected by disturbance generated from the fixed armature and the rotor. As a result, the detection accuracy of the magnetic flux is improved, that is, the detection accuracy of the rotational position is improved.
[0138]
Further, according to the present invention, since the leakage magnetic flux leaking to the rotating shaft is used as the magnetic flux for sensing, a magnetic piece for sensing is separately provided on the rotor, or the rotation of the magnetic field winding is changed by changing the shape of the field winding. No child modification is required. As a result, the manufacturing cost of the motor is reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a rotating machine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view perpendicular to the rotation axis of the rotation plate shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a rotor in the rotating machine according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic block diagram of a rotating machine control device for controlling the rotating machine shown in FIG. 1;
5 is a layout view of the magnetic sensor shown in FIG. 1 in a direction perpendicular to a rotation axis.
FIG. 6 is a timing chart of main signals in the rotating machine control device shown in FIG. 4;
FIG. 7 is a sectional view showing a configuration of a rotating machine according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a field current and a magnetic flux detected by a magnetic sensor in a rotating machine according to a third embodiment.
FIG. 9 is a sectional view showing a configuration of a rotating machine according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of the rotary plate shown in FIG. 9, which is perpendicular to the rotation axis.
FIG. 11 is a sectional view showing a modification of the configuration of the rotating machine according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view showing a configuration of a rotating machine according to
FIG. 13 is an enlarged view of an uneven portion provided on the shaft shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1, 1A-1F rotating machine, 2 rotor, 2a, 2b member, 4 field coil, 6 stator, 8, 8A, 8B shaft, 10, 12 bearing, 14 brush, 16 pulley, 18, 18A, 18B rotating plate,
Claims (20)
前記界磁コイルによって発生される第１の漏洩磁束を前記回転子と異なる部材を介して受け、前記第１の漏洩磁束に基づいて前記界磁極の位置を示す第２の漏洩磁束を生成する磁極生成部と、
前記磁極生成部から出力される前記第２の漏洩磁束を検出し、前記第２の漏洩磁束の大きさに応じたレベルの信号を出力する磁気検出素子とを備える、回転機の回転位置検出装置。A rotation position detection device for a rotating machine including a field coil, and a rotor having a field pole formed by flowing a field current through the field coil,
A magnetic pole that receives a first leakage magnetic flux generated by the field coil via a member different from the rotor and generates a second leakage magnetic flux indicating the position of the field pole based on the first leakage magnetic flux A generating unit;
A magnetic detection element that detects the second leakage magnetic flux output from the magnetic pole generation unit and outputs a signal having a level corresponding to the magnitude of the second leakage magnetic flux. .
前記回転プレートは、放射状に着磁される、請求項２に記載の回転機の回転位置検出装置。The magnetic pole generation unit is a rotating plate fixed to the member,
The rotation position detection device for a rotating machine according to claim 2, wherein the rotation plate is radially magnetized.
前記回転プレートは、前記回転子側の面から前記回転子と反対側の面に向かって着磁される、請求項２に記載の回転機の回転位置検出装置。The magnetic pole generation unit is a rotating plate fixed to the member,
The rotation position detecting device for a rotating machine according to claim 2, wherein the rotating plate is magnetized from a surface on the rotor side to a surface on a side opposite to the rotor.
前記界磁極に対応した放射状の形状を有する第１の部位と、
放射状に着磁され、前記第１の部位に放射状に磁束を流す第２の部位とを含む、請求項２に記載の回転機の回転位置検出装置。The magnetic pole generator,
A first portion having a radial shape corresponding to the field pole;
The rotation position detecting device for a rotating machine according to claim 2, further comprising: a second portion that is radially magnetized and radially flows a magnetic flux to the first portion.
前記第１の部位は、前記第２の部位の外周に設けられる、請求項９に記載の回転機の回転位置検出装置。The second portion is fixed to the member,
The rotation position detecting device for a rotating machine according to claim 9, wherein the first part is provided on an outer periphery of the second part.
前記第２の部位は、前記第１の部位の前記回転子側の面に隣接して前記部材に固定される、請求項９に記載の回転機の回転位置検出装置。The first portion is fixed to the member,
The rotational position detecting device for a rotating machine according to claim 9, wherein the second portion is fixed to the member adjacent to a surface of the first portion on the rotor side.
前記磁極生成部は、前記回転軸の少なくとも一端において前記界磁極に対応した放射状の形状を有するように加工された部分である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転位置検出装置を備えた回転機。The member is a rotating shaft of the rotating machine,
The rotation position according to any one of claims 1 to 6, wherein the magnetic pole generation unit is a portion processed at least at one end of the rotation shaft so as to have a radial shape corresponding to the field pole. A rotating machine equipped with a detection device.
一端から他端に向かって着磁された回転軸と、
磁極を有する回転子と、
回転位置検出装置とを備え、
前記回転位置検出装置は、
前記回転軸によって発生される第１の磁束を受け、前記第１の磁束に基づいて前記回転子の磁極の位置を示す第２の磁束を生成する磁極生成部と、
前記磁極生成部から出力される前記第２の磁束を検出し、前記第２の磁束の大きさに応じたレベルの信号を出力する磁気検出素子とを含む、回転機。Fixed armature,
A rotating shaft magnetized from one end to the other end,
A rotor having magnetic poles;
A rotational position detecting device,
The rotation position detection device,
A magnetic pole generation unit that receives a first magnetic flux generated by the rotating shaft and generates a second magnetic flux indicating a position of a magnetic pole of the rotor based on the first magnetic flux;
A magnetic detection element that detects the second magnetic flux output from the magnetic pole generation unit and outputs a signal having a level corresponding to the magnitude of the second magnetic flux.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003007143A JP2004222418A (en) | 2003-01-15 | 2003-01-15 | Rotational position detector for rotating machine, and rotating machine equipped with it |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105518982A (en) * | 2013-08-26 | 2016-04-20 | 三菱电机株式会社 | Electric motor |
| EP2552000A3 (en) * | 2011-07-28 | 2017-04-12 | Robert Bosch Gmbh | Electric motor with a rotor position sensor |
| CN110355109A (en) * | 2019-07-11 | 2019-10-22 | 诺力智能装备股份有限公司 | A kind of rotary-type sorter of radio set driving |
| CN117233672A (en) * | 2023-11-10 | 2023-12-15 | 上海芬能自动化技术股份有限公司 | New forms of energy motor rotor table magnetism check out test set |
-
2003
- 2003-01-15 JP JP2003007143A patent/JP2004222418A/en not_active Withdrawn
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