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.
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-
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