JP2019020402A

JP2019020402A - 磁気位置検知システム、磁気位置検知システムの作製方法、および回転体の位置の推定方法

Info

Publication number: JP2019020402A
Application number: JP2018129638A
Authority: JP
Inventors: クマルタングドゥジャガディーシュ; Kumar Tangudu Jagadeesh; エス．バベルアンドリュー; S Babel Andrew
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc
Current assignee: Rosemount Aerospace Inc
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2038-07-09
Also published as: CN109256905A; JP7122182B2; CN109256905B; EP3431932B1; EP3431932A1; US20190020234A1; CA3010080A1; US10389195B2

Abstract

【課題】磁気位置検知システムを提供する。【解決手段】磁気位置検知システムは、回転体の表面に装着される少なくとも１つの環状磁石を含む。環状磁石は、第１端部、第２端部、内径表面、及び外径表面を含む。内径表面及び外径表面はそれらの間に半径方向厚さを画定し、この半径方向厚さは第１端部から第２端部まで変化する。【選択図】図１

Description

本発明は、ロータ位置の推定用の環状磁石に関する。

回転する構成要素を含む多くの用途は、ロータ位置、速度、及び／または方向の正確な検出を必要とする。典型的なロータ位置推定技術は、シャフトまたは他の回転体の周面または端面の周りに交互に極性を配置した個々の永久磁石の配置に関連する、エンコーダ、リゾルバ、及びホール効果センサ方式の技術を含む。１つまたは複数の磁場センサが、磁場内に配置され、ロータの回転の関数として出力波形が多数回繰り返され得るように、Ｎ−Ｓ極の対のそれぞれに対して出力波形を生じることができ、このような波形の数はロータボディに装着される磁石対の数の関数である。しかし、これ等の波形は、単一の周囲ポイントの位置を提供するように、互いに識別可能ではないことがある。

したがって、ゼロ速度及び固定速度の双方においてロータ周囲に沿う個別のポイントを検出することができるより正確な位置推定システムが必要とされている。

磁気位置検知システムは、回転体の表面に装着された少なくとも１つの環状磁石を含む。環状磁石は、第１端部、第２端部、内径表面、及び外径表面を含む。内径表面及び外径表面はそれらの間に半径方向厚さを画定し、この半径方向厚さは第１端部から第２端部まで変化する。

位置検知システムを作製する方法は、回転体の表面上に少なくとも１つの環状磁石を位置決めすることを含む。環状磁石は、第１端部、第２端部、内径表面、及び外径表面を含む。内径表面及び外径表面はそれらの間に半径方向厚さを画定し、この半径方向厚さは第１端部から第２端部まで変化する。

回転体の位置を推定する方法は、少なくとも１つの環状磁石を回転体の表面上に位置決めすることを含む。環状磁石は、第１端部、第２端部、内径表面、及び外径表面を含む。内径表面及び外径表面はそれらの間に半径方向厚さを画定し、この半径方向厚さは第１端部から第２端部まで変化する。本方法は、環状磁石に近接配置されたポジションセンサを使用し、環状磁石の磁束密度を検出することをさらに含む。磁束密度は、環状磁石の半径方向厚さに対応する。

磁気位置検知システムの斜視図である。磁気位置検知システムの正面図である。第１代替的磁気位置検知システムの斜視図である。図３Ａの実施形態による環状磁石の断面図である。図３Ａの実施形態による環状磁石の断面図である。図３Ａに示すシャフトの回転の全体にわたる角度シグネチャを表すグラフである。ロータ位置を計算するためのステップを表すフローチャートである。第２代替的磁気位置検知システムの斜視図である。第３代替的磁気位置検知システムの斜視図である。第４代替的磁石位置検知システムの正面図である。

磁気位置検知システムが本明細書に記載されている。このシステムは、シャフトに取り付けられた１つまたは複数の環状磁石を含む。それぞれの環状磁石の幅は、一端から他端に、軸方向及び／または半径方向にテーパ状とすることができる。テーパ状デザインは、磁石のそれぞれの周囲／半径方向位置において独特の磁束シグネチャを提供し、これは、シャフトの位置に対応する。

図１は、磁気位置検知システム１０の斜視図である。システム１０は、シャフト１４の端面３０に取り付けられた環状磁石１２を含む。磁石１２は、第１端部１６、第２端部１８、外径（ＯＤ）表面２０、内径（ＩＤ）表面２２、前部表面２４、及び後部表面２６を含む。シャフト１４は、外径（ＯＤ）表面２８及び端面３０を含む。図１に示す実施形態では、環状磁石１２が、後部表面２６において端面３０に取り付けられている。磁石１２は、Ｎ極が前部表面２４と整列し、Ｓ極が後部表面２６と整列するように軸方向に分極化される。極性は、代替実施形態では逆にすることができる。第１端部１６は、図示のように第２端部１８に当接することができ、または、両端部１６、１８はある程度の距離に離隔して配置することができる。

システム１０は、磁石１２から空隙距離を置いてポジションセンサ３２をさらに含む。空隙距離は、いくつかの実施形態では１ミリメートル未満から数ミリメートルの範囲とすることができるが、しかし、用途、ならびに、センサの許容差、磁石形状、及び磁力にしたがってより大きな距離とすることができる。センサ３２の典型的な検知範囲は、いくつかの実施形態では１０ｍＴから１５０ｍＴとすることができ、さらに適切な空隙距離を磁場によるセンサ３２の飽和を避けるために選択することができる。センサ３２は、磁石１２及びシャフト１４に近接する静止構造体（図１には示してない）に装着することができる。例示的な実施形態では、センサ３２は、磁石１２の磁場に応じて電圧を出力するように構成されるホール効果センサである。センサ３２は、ｘ−ｙ平面に沿う導電要素を有する平坦構造体として構成することができ、磁場の成分に沿って位置決めされる。システム１０は、単一のセンサ３２で機能するが、システム１０の精度を向上し、またはセンサの故障が生じたときの冗長性をもたせるために多数のセンサ３２を使用することができる。図示の実施形態では、それぞれのセンサ３２は、磁場の２つの成分（例えば、Ｂｘ及びＢｙ）を測定するように構成されているが、しかし、センサ３２は単一の成分を測定するように構成し、または３軸（Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚ）センサとして構成することもできる。センサ出力信号は、図１にセンサ３２との通信を概略的に示すように、コントローラ３４に提供することができる。

図２は、図１に示すシステム１０の正面図であり、センサ３２は簡略にするために示していない。図２に見られるように、環状磁石１２は、ＯＤ表面２０とＩＤ表面２２との間で軸Ａ（図３Ａに示す）に対して半径方向外方に延びるものとして定義される半径方向厚さＴ_Rを有する。この半径方向厚さの定義は、本明細書で検討する全ての実施形態に当てはまる。図示の実施形態では、半径方向厚さＴ_Rは、第１端部１６から第２端部１８まで先細りになる。磁石１２の厚さは、センサ３２が検出する磁束密度が０°（第１端部１６）から３６０°（第２端部１８）まで増大する（または、回転方向にしたがって減少する）ように、センサ３２（図１に示す）が測定する磁束密度に比例する。したがって、システム１０は、それぞれの半径方向位置が独特の磁束シグネチャを有するため、シャフト１４の位置をより正確に推測可能とする。これは、システム１０がシャフト１４の回転方向を検出することに適している。磁石１２は、軸方向厚さを変化させることも可能であり、これは、以下により詳細に論じる。

図３Ａは、代替システム１１０の斜視図である。図３Ａに示す実施形態では、環状磁石１１２は、ＩＤ表面１２２がシャフトＯＤ表面１２８に接触するように、シャフト１１４に取付けられている。厚さＴ_Rが第１端部１１６から第２端部１１８まで変化することに加え、軸方向厚さＴ_Aも変化する。本明細書で考察した実施形態のそれぞれについて、軸方向厚さは、シャフト１１４の回転軸Ａに沿って前部表面１２４と後部表面１２６との間のいずれかの方向に延びるものとして画定される。図３Ａ〜３Ｃに見られるように、軸方向厚さＴ_Aは、第１端部１１６の近部でＯＤ表面１２０からＩＤ表面１２２に向けて減少する。逆に、軸方向厚さＴ_Aは、第２端部１１８の近部でＯＤ表面１２０からＩＤ表面１２２に向けて増大する。これは、図３Ｂ及び３Ｃにより明確に示してあり、これらは、それぞれ第１端部１１６の領域及び第２端部１１８の領域における磁石１１２の断面を示す。図３Ｂ及び３Ｃにも見られるように、第１端部１１６（図３Ｂ）における半径方向厚さＴ_Rが第２端部１１８（図３Ｃ）におけるよりも大きい。しかし、変化する軸方向厚さＴ_Aを有する他の実施形態では、半径方向厚さＴ_Rは一定のままとすることができる。

図３Ｂ及び３Ｃに示す断面は、全体的に台形形状を有するが、しかし、他の実施形態では、第２端部１１８に近接する磁石１１２の断面は、前部表面１２４及び後部表面１２６がＯＤ表面１２０で交わってポイントを形成するように、三角形とすることができる。１２０、１２４、及び１２６を表す他の可能性のある表面は、半円形、または種々の数の辺及び／または丸められた角部を有する多角形形状を含むことができる。

図３Ａに示す実施形態では、磁石１１２は、Ｎ極がＯＤ表面１２０に整列し、Ｓ極がＩＤ表面１２２に整列し、またはその逆に整列するように、半径方向に分極化することができる。センサ１３２は、磁石１１２の半径方向上方に配置して示してあり、発生磁場を測定する。センサのデザインに応じて、センサ１３２はその面をＯＤ表面１２０に垂直に（図示のように）または平行に配置することができる。他の実施形態は、磁石１１２から半径方向または軸方向に空隙距離を置いて配置される追加センサ１３２を含むことができる。

図４は、システム１１０で測定し、逆タンジェント（または、ａｔａｎ２）（θ）関数を使用して計算した単一回転中におけるシャフト１１４の角シグネチャ（angular signature）のグラフである。図４で見られるように、シグネチャは、シャフトが３６０°移動するときに−π（−３．１４ｒａｄ）と＋π（３．１４ｒａｄ）との間で変動する。ａｔａｎ（θ）関数を使用する場合、シグネチャは、−π／２から＋π／２までプロットすることができる。図５は、シャフト位置（ステップ１４５または１４６）を判断するために使用されるプロセスを示す。続くステップ１４０及び１４２では、シャフト位置は、磁場の大きさ（｜Ｂ｜）を測定し、ルックアップテーブルを使用して角度θを決定することにより、決定することができる。このアプローチは、シャフト位置が磁束の大きさの線形関数ではないときに有用となり得る。シャフト位置はさらに、ステップ１４１及び１４３Ａに示すように、ａｔａｎ２（θ）関数と、磁場のＢｘ及びＢｙ（該当する場合は、及びＢｚ）成分との関係に基づくことができる。第３方法は、磁場成分に基づく磁場の大きさを計算すること、及び磁場の関数としてシャフト位置を決定すること（ステップ１４１、１４３Ｂ、及び１４４）を含む。

図６は、代替システム２１０の斜視図である。図６に示す実施形態では、システム２１０は、シャフト２１４の端面２３０に取り付けられる２つの同軸状環状磁石２１２を含む。両磁石２１２は、磁石１２及び１１２と同様なテーパ状形状を有する。図６に示すように、内側磁石２１２の第１端部２１６は、外側磁石２１２の第１端部２１６から約１８０°オフセットしている。しかし、他の実施形態では、第１端部２１６は、検出用途及びシステムデザインに応じて、整列し、または０°〜３６０°の任意のインクリメントずつオフセットすることができる。

図７は、代替システム３１０の斜視図である。図７に示す実施形態では、システム３１０は、シャフト３１４のＯＤ表面３２８に取り付けられた第１磁石３１２、及びシャフト３１４の端面３３０に取り付けられた第２磁石３１２を含む。磁石２１２と同様に、第１端部３１６は、この場合ほぼ９０°だけ互いにオフセットしている。他の実施形態では、第１端部３１６は、整列し、または０°から３６０°までの任意のインクリメントずつオフセットすることができる。図７は、シャフトＯＤ表面３２８に取り付けられた磁石３１２を示し、ここでは軸方向厚さＴ_Aは第１端部３１６の近部でＯＤ表面３２０からＩＤ表面３２２まで増加し、一方、軸方向厚さＴ_Aは第２端部３１８の近部でＯＤ表面３２０からＩＤ表面３２２まで減少する。他の実施形態では、磁石３１２は、図３Ａの磁石１１２と同様にデザインすることができ、逆もまた同様である。

図８は、代替システム４１０の正面図である。図８に示す実施形態では、システム４１０は、鋸刃形状の環状磁石４１２を含む。磁石４１２は、反復するテーパ状セグメントを含み、それぞれは第１端部４１６及び第２端部４１８、ならびに第１端部４１６から第２端部４１８まで減少する半径方向厚さ（図８では、識別符号を付してない）を有する。セグメントの第２端部４１８は、隣接するセグメントの第１端部４１６に当接することができ、またはこれらのセグメントはある程度の距離に離隔配置することができる。磁石４１２はシャフト４１４の端面４３０に装着して示してあるが、磁石４１２はシャフト３１４の他の場所に装着することができ、複数の磁石４１２を含むことができる。さらに、磁石４１２は、システムデザイン及び検知要件にしたがってどのような数のセグメントも含むことができる。

本明細書で検討する磁石は、複数の希土類元素及び非希土類元素材料から形成することができる。実施例は、ネオジウム、サマリウム、鉄、ニッケル、コバルト、及びそれらの合金、ならびにセラミック、フェライト、及びマンガンビスマスを含む。記載の磁石は、伝統的製造技術または積層造形技術のいずれかを使用して形成することもできる。伝統的方法を使用する場合、磁石は、シャフトに取り付ける前に焼結またはボンディングなどのプロセスにより形成することができる。積層方法を使用する場合、磁石をシャフト上に構築し、後処理工程で磁化することができる。例示的な積層造形技術は、直接書き込み、粉末ベッドフュージョン、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、及びコールドスプレイを含むことができる。他の適切な伝統的製造技術及び積層造形技術が、本明細書で想定される。

伝統的に製造された磁石は、シャフトから独立した構造体であるため、回転中に磁石が移動する及び／またはシャフトから分離する恐れがある。この恐れを最小にするため、炭素繊維バンド等の保持構造体を磁石の周りに装着し、ロータ表面から脱落するのを防止することができる。代替的アプローチは、シャフトに装着される磁石面と逆形状を有する切欠きを含むようにロータをマッチングすることを含み、これは、磁石が結合されるシャフト表面積の大きさを増加させ、シャフトに対して磁石をより強固に取り付ける。

上述の実施形態に加え、位置検知システムは、シャフトの周りに、またはシャフトの端面に、またはこの２つの組み合わせに装着された３つ以上の磁石を含むことができる。第１端部は、整列され、または０°と３６０°との間の任意のインクリメントずつオフセットすることができる。開示した環状磁石の代替的実施形態は、磁石、または異なる形状を備える磁石の組み合わせをさらに含むことができる。

開示した磁気位置検知システムは、多くの利点を有する。環状磁石のデザインは、回転体の位置をより正確に判断することを可能とする独特の磁束シグネチャを提供する。開示したシステムは、さらに、回転方向の判断を可能とする。システムは、環状磁石が多くの製造技術で形成することができるため、高度にカスタマイズ可能であり、種々のシステム構成要素は、空間的要件、検知要件、及び他の要件に適合するように配置することができる。開示したシステムは、航空宇宙、自動車、及び、回転要素を含む一般的に任意の用途を含む種々の検出用途に使用することができる。
（可能な実施形態の説明）
以下は、本発明の可能性のある実施形態の非限定的説明である。

先行する段落のシステムは、追加的及び／または代替的に、以下の特徴、構成及び／または追加構成要素の任意の１つまたは複数を任意選択的に含むことができる。

少なくとも１つの環状磁石は、前部表面及び後部表面、ならびに前部表面と後部表面との間の軸方向厚さを含む。

軸方向厚さは、第１端部に隣接する領域で、外径表面から内径表面まで減少する。

軸方向厚さは、第２端部に隣接する領域で、外径表面から内径表面まで増大する。

軸方向厚さは、第１端部に隣接する領域で、外径表面から内径表面まで増大する。

軸方向厚さは、第２端部に隣接する領域で、外径表面から内径表面まで減少する。

少なくとも１つの環状磁石は、複数のセグメントを含み、セグメントのそれぞれは第１端部及び第２端部、ならびに第１端部と第２端部との間で変化する半径方向厚さを有する。

少なくとも１つのホール効果ポジションセンサが、環状磁石に近接して位置する。

少なくとも１つの環状磁石が、希土類元素、非希土類元素、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される材料で形成されている。

少なくとも１つの環状磁石が、回転体の外径表面に取り付けられている。

少なくとも１つの環状磁石が、第１環状磁石及び第２環状磁石を含み、第２環状磁石は、回転体の端面に取り付けられている。

第１環状磁石の第１端部は、第２環状磁石の第１端部からオフセットしている。

少なくとも１つの環状磁石は、回転体の端面に取り付けられている。

少なくとも１つの環状磁石は、第１環状磁石及び第２環状磁石を含み、第２環状磁石は、回転体の端面に、第１環状磁石の内側で同心状に取り付けられている。

先行する段落の方法は、追加的及び／または代替的に、以下の特徴、構成及び／または追加構成要素の任意の１つまたは複数を任意選択的に含むことができる。

該方法は、少なくとも１つのポジションセンサを環状磁石の近部に位置決めすることを含む。

少なくとも１つの環状磁石は、回転体の外径表面と端面との一方に取り付けられる。

少なくとも１つの環状磁石は、第１環状磁石及び第２環状磁石を含み、それぞれが回転体の外径表面と端面との一方に取り付けられる。

回転体の位置を推定する方法は、少なくとも１つの環状磁石を回転体の表面上に位置決めすることを含む。環状磁石は、第１端部、第２端部、内径表面、及び外径表面を含む。内径表面及び外径表面はそれらの間に半径方向厚さを画定し、この半径方向厚さは第１端部から第２端部まで変化する。該方法は、環状磁石に近接配置されたポジションセンサを使用し、環状磁石の磁束密度を検知することをさらに含む。磁束密度は、環状磁石の半径方向厚さに対応する。

該方法は、検知した磁束密度に基づいて回転体の位置を計算することを含む。

本発明を例示的な実施形態（複数可）を参照して説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を施し、均等物をその要素と置換してもよいことが理解される。更に、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に対して特定の状況または材料を適合させるために多くの変更を施してもよい。したがって、本発明は、開示した特定の実施形態（複数可）に限定されるのではなく、本発明は添付の特許請求の範囲の範囲に入る全ての実施形態を含むことが理解される。

Claims

磁気位置検知システムであって、
回転体の表面に装着された少なくとも１つの環状磁石を備え、前記少なくとも１つの環状磁石は、
第１端部、
第２端部、
内径表面、及び
外径表面を備え、
前記内径表面及び前記外径表面は、それらの間に半径方向厚さを画定し、前記半径方向厚さは前記第１端部から前記第２端部まで変化する、磁気位置検知システム。
前記少なくとも１つの環状磁石は、前部表面及び後部表面、ならびに前記前部表面と後部表面との間の軸方向厚さをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石の前記軸方向厚さは、前記外径表面から前記内径表面へと、前記第１端部に隣接する領域で減少する、請求項２に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石の前記軸方向厚さは、前記外径表面から前記内径表面へと、前記第２端部に隣接する領域で増加する、請求項２に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石の前記軸方向厚さは、前記外径表面から前記内径表面へと、前記第１端部に隣接する領域で増加する、請求項２に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石の前記軸方向厚さは、前記外径表面から前記内径表面へと、前記第２端部に隣接する領域で減少する、請求項２に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石は、複数のセグメントを備え、前記セグメントのそれぞれは第１端部及び第２端部、ならびに前記第１端部と前記第２端部との間で変化する半径方向厚さを有する、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石に近接する少なくとも１つのホール効果ポジションセンサをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石は、希土類元素、非希土類元素、及びそれらの組み合わせからなるグループから選択される材料で形成されている、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石は、前記回転体の外径表面に取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石は、第１環状磁石及び第２環状磁石を備え、前記第２環状磁石は、前記回転体の端面に取り付けられている、請求項１０に記載のシステム。
前記第１環状磁石の前記第１端部は、前記第２環状磁石の前記第１端部からオフセットしている、請求項１１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石は、前記回転体の端面に取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの環状磁石は、第１環状磁石及び第２環状磁石を備え、前記第２環状磁石は、前記回転体の前記端面に、前記第１環状磁石の内側に同心状に取り付けられている、請求項１３に記載のシステム。
前記第１環状磁石の前記第１端部は、前記第２環状磁石の前記第１端部からオフセットしている、請求項１４に記載のシステム。
磁気位置検知システムの作製方法であって、
回転体の表面上に少なくとも１つの環状磁石を位置決めすることであって、前記少なくとも１つの環状磁石は、
第１端部、
第２端部、
内径表面、及び
外径表面を備え、
前記内径表面及び前記外径表面はそれらの間に半径方向厚さを画定し、前記半径方向厚さは前記第１端部から前記第２端部まで変化する、少なくとも１つの環状磁石を位置決めすることを備えた、方法。
前記少なくとも１つの環状磁石の近部に少なくとも１つのポジションセンサを位置決めすることをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
前記少なくとも１つの環状磁石は、前記回転体の外径表面および端面のうち一方に取り付けられる、請求項１６に記載の方法。
前記少なくとも１つの環状磁石は、第１環状磁石及び第２環状磁石を備え、それぞれは前記回転体の外径表面および前記端面のうち一方に取り付けられる、請求項１６に記載の方法。
回転体の位置の推定方法であって、
回転体の表面上に少なくとも１つの環状磁石を位置決めすることであって、前記少なくとも１つの環状磁石は、
第１端部、
第２端部、
内径表面、及び
外径表面を備え、
前記内径表面及び前記外径表面は、それらの間に半径方向厚さを画定し、前記半径方向厚さは、前記第１端部から前記第２端部まで変化する、少なくとも１つの環状磁石を位置決めすることと、
前記少なくとも１つの環状磁石の近部に配置された少なくとも１つのポジションセンサを使用して、前記少なくとも１つの環状磁石の磁束密度を検知することであって、前記少なくとも１つの環状磁石の前記半径方向厚さに対応する磁束密度を検知することと、
前記検知した磁束密度に基づいて、前記回転体の位置を計算することと、
を備えた、方法。