JP2021135116A - 角度検出装置及び回転電機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】導電性部材3の渦電流によって生じる、磁気センサ2に鎖交する渦電流磁束密度の基本波振幅をBe_ampとし、磁気センサ2に鎖交する磁石1の磁石磁束密度の基本波振幅をBm_ampとし、磁気センサ2の出力回路の応答遅れの時定数をδとし、角度ずれの許容値をKとして、|Be_amp/Bm_amp−δ|≦Kの関係が満たされるように、導電性部材3の配置形状、磁気センサ2の配置形状、及び時定数が設定されている角度検出装置。
【選択図】図1
Description
回転体に取り付けられる磁石と、
前記磁石と対向して配置され、前記磁石の磁界方向に応じた信号を出力する磁気センサと、
前記磁気センサに対向して配置された導電性部材と、を備え、
前記導電性部材の渦電流によって生じる、前記磁気センサに鎖交する磁束密度である渦電流磁束密度の基本波振幅をBe_ampとし、前記磁気センサに鎖交する前記磁石の磁束密度である磁石磁束密度の基本波振幅をBm_ampとし、前記磁気センサの出力回路の応答遅れの時定数をδとし、角度ずれの許容値をKとして、
|Be_amp/Bm_amp−δ|≦K
の関係が満たされるように、前記導電性部材の配置形状、前記磁気センサの配置形状、及び前記時定数が設定されているものである。
図1は、実施の形態1に係る角度検出装置の全体構成を示す図である。なお、図1は、角度検出装置の要部を、回転軸心Cの径方向に見た図である。図2は、角度検出装置を、回転軸心Cに平行な方向(以下、軸方向Zと称す)に見た投影図である。回転軸心Cは、回転体4の仮想的な回転中心線である。軸方向Zは、後述するX軸方向及びY軸方向と直交する。
磁石1は、回転体4に取り付けられる。磁石1は、永久磁石である。本実施の形態では、磁石1は、回転体4としての回転軸4の先端に配置されている。回転軸4の先端に配置することで、回転軸4の外周に嵌合される場合に比べて歪の小さい磁界が得られ、角度誤差を低減することができる。しかし、磁石1は、回転軸4の外周に嵌合されてもよい。磁石1は、回転軸心C上に配置されている。磁石1のN極とS極とは、回転軸心Cに対して対称に配置されている。N極の径方向外側の端面の半径と、S極の径方向外側の端面の半径とは一致している。磁石1は、図1及び図2の矢印の方向に回転するものとする。
磁気センサ2は、磁石1と対向して配置されている。磁気センサ2は、磁石1の磁界方向に応じた信号を出力する。磁気センサ2は、回転軸心C上に配置されている。回転軸4の回転により、磁石1が回転すると、磁石1の磁界方向も回転し、磁気センサ2の出力信号も変化する。磁気センサ2には、磁気抵抗効果素子又はホール素子等が用いられる。
角度算出器6は、磁気センサ2の出力信号に基づいて、磁石1の角度を算出する。角度算出器6は、IC(Integrated Circuit)等のディジタル演算回路により構成される。或いは、角度算出器6は、CPU(Central Processing Unit)及びメモリ等を備えた回転電機等の制御装置に組み込まれてもよい。また、角度算出器6は、角度検出装置の一部を構成する概念としてもよいし、角度検出装置の外部の構成である概念としてもよい。
導電性部材3は、磁気センサ2に対向して配置されている。導電性部材3は、磁気センサ2に対して磁石1とは反対側に配置されている。よって、磁気センサ2は、磁石1と導電性部材3との間に配置されている。導電性部材3は、銅などの導電性の部材である。本実施の形態では、板状部材8に導電性部材3が設けられている。板状部材8及び導電性部材3は、平板状に形成されている。板状部材8及び導電性部材3は、回転軸心C上に配置されている。板状部材8及び導電性部材3は、回転軸心Cに直交している。
磁気センサ2に鎖交する磁石1の磁界は、図1の点線10のように表すことができる。磁石1のN極から出た磁力線及びS極に戻る磁力線は、磁石1近傍では、XY平面に垂直な軸方向Zの成分が大きいが、磁気センサ2付近ではXY平面に平行な成分が大きくなる。
一方、磁石1の生成する磁界には、導電性部材3に対して垂直に入る成分が存在する。ここでは、導電性部材3が、板状部材8の全体に設けられていると仮定して、式導出を行う。図3の点線に示すように、導電性部材3における、回転軸心Cを中心とした半径rの円上の点PのXY座標を、式(4)で与える。ここで、θpは、X軸に対する点Pの角度である。
上述したように、磁気センサ2におけるセンサ余弦信号Vcos及びセンサ正弦信号Vsinを出力回路には、ノイズ成分を除去するフィルタ回路が設けられており、磁気センサ2の出力回路には、時定数δの応答遅れがある。応答遅れの時定数δは、ステップ入力の後、最終値の63.2%に到達するまでの時間である。
そこで、本実施に形態に係る角度検出装置では、式(20)の関係が満たされるように、導電性部材3の配置形状、磁気センサ2の配置形状、及び時定数δが設定されている。
板状部材8の一部に導電性部材3が設けられてもよい。導電性部材3に発生する渦電流が大きくなる領域内に導電性部材3を設けることにより、導電性部材3を効果的に配置することができる。
式(10)の円周上に発生した渦電流による磁束密度を径方向に積算したものが、渦電流磁束密度Beの式(11)になる。図7の(a)のような、回転軸心Cを中心とする円環板状の導電性部材3であれば、磁石1の角度θに応じて、磁気センサ2に生じる渦電流磁束密度Beの方向は変化するものの、渦電流磁束密度Beの大きさ、すなわち、渦電流磁束密度Beの基本波振幅Be_ampは変化しない。そのため、磁石1の角度θに応じて、式(19)に示した(Be_amp/Bm_amp―δ)×ωの角度ずれは変動しない。
上述した板状部材8が、基板8であってもよい。すなわち、導電性部材3が、磁気センサ2が実装される基板8に設けられてもよい。この構成によれば、磁気センサ2が実装される基板8を有効利用して、導電性部材3を配置することができる。
出力回路のフィルタは、式(15)で示した一次遅れフィルタ以外であってもよい。例えば、出力回路のフィルタは、式(28)の伝達関数に示すような2次のローパスフィルタであってもよい。ここで、ωcは、カットオフ周波数である。
図8は、磁石1と磁気センサ2の距離による磁力線10の違いを示している。図8の(a)のように磁石1と磁気センサ2の距離を小さくすると、磁気センサ2のXY平面上の成分が大きくなるため、磁気センサ2の位置が、回転軸心Cから少しずれた場合であっても波形の歪みが小さい。一方、図8の(b)のように、磁石1と磁気センサ2の距離を大きくすると、磁気センサ2のXY平面上の成分が小さくなるため、磁気センサ2の位置が、回転軸心Cから少しずれた場合の波形変化が大きくロバスト性が低下する。本実施の形態では、磁気センサ2を、磁石1と導電性部材3との間に配置することで、磁石1と磁気センサ2の距離を小さくして、磁気センサ2の位置ずれに対するロバスト性を高めている。
図9に示すように、導電性部材3aを磁石1に対して磁気センサ2とは反対側に配置してもよい。導電性部材3aに鎖交する磁石1の磁界10の軸方向Zの成分の方向は、図1の場合とは逆になり、導電性部材3aの渦電流により生じる磁界30aの方向も逆になる。しかし、磁気センサ2に対する導電性部材3aの配置は、図1の場合の逆になるので、磁気センサ2に鎖交する渦電流による磁界30aの向きは、図1の場合と同じになる。すなわち、渦電流による磁界30aにより、図1の場合の式(19)と同様に、角度θの位相が進む。よって、上述したことは、図9のような配置であっても成り立つ。
角度検出装置が、回転電機の制御装置20に備えられる場合を説明する。図12に示すように、磁石1が、回転電機25のロータの回転軸4に固定される。角度算出器6は、磁気センサ2の出力信号に基づいて回転軸4の角度θを算出し、回転電機の制御装置20に出力する。回転電機の制御装置20は、電圧指令演算部21及び電圧印加部22等を備えている。電圧指令演算部21は、角度算出器6から出力された角度θ、回転電機25の巻線に流れる電流検出値等に基づいて、ベクトル制御などの公知の制御方法を用いて、巻線に印加する電圧指令値を算出する。電圧印加部22は、電圧指令値に基づいて、インバータに設けられた複数のスイッチング素子のオンオフ制御を行い、巻線に電圧を印加する。
回転体に取り付けられる磁石と、
前記磁石と対向して配置され、前記磁石の磁界方向に応じた信号を出力する磁気センサと、
前記磁気センサに対向して配置された導電性部材と、を備え、
前記導電性部材は、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る中心直線を中心とする円環板状又は円板状に形成されているものである。
Claims (19)
- 回転体に取り付けられる磁石と、
前記磁石と対向して配置され、前記磁石の磁界方向に応じた信号を出力する磁気センサと、
前記磁気センサに対向して配置された導電性部材と、を備え、
前記導電性部材の渦電流によって生じる、前記磁気センサに鎖交する磁束密度である渦電流磁束密度の基本波振幅をBe_ampとし、前記磁気センサに鎖交する前記磁石の磁束密度である磁石磁束密度の基本波振幅をBm_ampとし、前記磁気センサの出力回路の応答遅れの時定数をδとし、角度ずれの許容値をKとして、
|Be_amp/Bm_amp−δ|≦K
の関係が満たされるように、前記導電性部材の配置形状、前記磁気センサの配置形状、及び前記時定数が設定されている角度検出装置。 - δ=Be_amp/Bm_amp
の関係が満たされるように、前記導電性部材の配置形状、前記磁気センサの配置形状、及び前記時定数が設定されている請求項1に記載の角度検出装置。 - 前記導電性部材は、前記磁気センサに対して前記磁石とは反対側に配置されている請求項1又は2に記載の角度検出装置。
- 前記導電性部材は、前記磁石に対して前記磁気センサとは反対側に配置されている請求項1又は2に記載の角度検出装置。
- 前記導電性部材は、第1の導電性部材と第2の導電性部材とを有し、
前記第1の導電性部材は、前記磁石に対して前記磁気センサとは反対側に配置され、
前記第2の導電性部材は、前記磁気センサに対して前記磁石とは反対側に配置されている請求項1又は2に記載の角度検出装置。 - 前記渦電流磁束密度の基本波振幅は、前記導電性部材の有効領域の渦電流によって生じる前記渦電流磁束密度の基本波振幅であり、
前記有効領域は、前記導電性部材の各部に鎖交する前記磁石の磁束密度における、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る中心直線に平行な成分が、各部の前記中心直線に平行な成分の最大値の1/5倍以上になる領域である請求項1から5のいずれか一項に記載の角度検出装置。 - 前記導電性部材の配置領域を通る仮想平面の各部に鎖交する前記磁石の磁束密度における、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る中心直線に平行な成分が、各部の前記中心直線に平行な成分の最大値の1/5倍以上になる領域である仮想有効領域の内側に、前記導電性部材が設けられている請求項1から6のいずれか一項に記載の角度検出装置。
- 前記仮想有効領域と前記導電性部材の配置領域とが一致している請求項7に記載の角度検出装置。
- 前記導電性部材は、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る中心直線を中心とする円環板状又は円板状に形成されている請求項1から6のいずれか一項に記載の角度検出装置。
- 前記円環板状に形成された前記導電性部材は、前記磁石よりも径方向外側の径方向位置に形成されている請求項9に記載の角度検出装置。
- 前記導電性部材は、前記磁気センサが実装される基板に設けられている請求項1から10のいずれか一項に記載の角度検出装置。
- 前記基板は、n層の基板(nは自然数)であり、
前記導電性部材は、少なくとも1層に形成された板状の導電性部材である請求項11に記載の角度検出装置。 - 前記基板の各部に鎖交する前記磁石の磁束密度における、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る中心直線に平行な成分が、各部の前記中心直線に平行な成分の最大値の1/5倍以上になる領域を、有効領域とし、
前記基板における前記有効領域には、回路パターンが形成されていない請求項11又は12に記載の角度検出装置。 - 前記有効領域は、円環板状の領域であり、前記基板における前記円環板状の領域よりも径方向内側の領域に回路パターンが形成されている請求項13に記載の角度検出装置。
- 前記磁石及び前記磁気センサは、前記回転体の回転軸心上に配置されている請求項1から14のいずれか一項に記載の角度検出装置。
- 請求項1から15のいずれか一項に記載された前記角度検出装置を備え、前記角度検出装置により検出された回転電機のロータ角度に基づいて、前記回転電機を制御する回転電機の制御装置。
- 前記回転電機は、車両用の発電電動機である請求項16に記載の回転電機の制御装置。
- 前記角度ずれの許容値は、前記回転電機の出力トルクの精度要求値により決定される請求項16又は17に記載の回転電機の制御装置。
- 回転体に取り付けられる磁石と、
前記磁石と対向して配置され、前記磁石の磁界方向に応じた信号を出力し、出力回路に応答遅れを有する磁気センサと、
前記磁気センサに対向して配置された導電性部材と、を備え、
前記導電性部材は、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る中心直線を中心とする円環板状又は円板状に形成されている角度検出装置。
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