JP3719244B2 - 同軸多重位置検出器およびそれを用いた回転電機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、同軸構造の回転電機などの回転する部材のロータ位置を検出する多重位置検出器およびそれを用いた回転電機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、内外にロータを持ち、アウターロータとインナーロータとの間にステータを持つ同軸構造の回転電機が用いられるようになってきた。この種の回転電機では、アウターロータとインナーロータとが固定されたステータの周りを各別に回転するため、アウターロータとインナーロータの位置を各別に知る必要がある。そのため、例えば、回転電機のアウターロータにはアウターロータ用位置検出器を設置し、インナーロータにはインナーロータ用位置検出器を設置していた(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−14103号公報(第1図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の回転電機では、アウターロータとインナーロータの各別に各別の位置検出器を用いていたため、回転電機の軸長の増加や配線の増加の問題を招いていた。これらの問題は、コンパクトに構成することが最重要課題である回転電機において大きな問題であり、これらの問題を解消できる位置検出器の開発が望まれていた。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を有利に解消して、回転電機に組み込んだ場合の軸長の増加や配線の増加を解消することができる同軸多重位置検出器を提供するものであり、本発明の多重位置検出器は、アウターロータとインナーロータとの間にステータを持つ同軸構造の回転電機におけるアウターロータとインナーロータとの回転位置を検出するための同軸多重位置検出器であって、周方向に個々に分割されたステータピースと、該ステータピースに巻かれた励磁巻線と検出巻線とを有し、前記回転電機のステータに固定して配置されたステータと、このステータの径方向内外に配置され、それぞれ極数に応じた凸部と凹部とを持ち、互いに極数が異なる構成を有し、前記回転電機のアウターロータとインナーロータとに接続して配置された2つのロータと、を備え、ステータの検出巻線の出力より内外に設置されたロータ位置を出力することで、前記回転電機のアウターロータとインナーロータとの回転位置を検出することを特徴とするものである。
【0006】
【発明の効果】
本発明の多重位置検出器にあっては、従来必要であった2組の位置検出器が、1つで2箇所の位置を検出できるため1組で済ますことができるので、また、位置検出器のステータが1つで2箇所の位置を検出できるので、回転電機に組み込んだ場合回転電機全体の軸長を短くすることができる。さらに、従来の2組の位置信号配線が1組で済むので、配線断裂などの危険性が減る。
【0007】
本発明の多重位置検出器にあっては、内外のロータを凸部と凹部を持つ例えば積層鋼板から構成することで、検出巻線にはロータの凸部、凹部に応じた正弦波が出力される。これは、ステータから見て、凸部では磁気抵抗が低く、凹部では磁気抵抗が高いためである。この正弦波を利用して、励磁信号との関係を用いることにより、ロータの位置を検出することができる。ここで、内外のロータの極数を変えることで、検出巻線には内外ロータの信号が複合されて出力されることになる。つまり、1つのステータに2種類の信号を重畳することで、2種類の位置信号を1つのステータから出力出力することができる。この信号は極数が異なるために、ステータから見て2つの信号の位相、周波数が異なるために、互いに干渉することなく分離が可能である。
【0008】
また、本発明の多重位置検出器においては、前記検出巻線が、位相が90度ずつ異なるようステータピースに巻かれた4つの巻線から成ることが好ましい。さらに、前記検出巻線からの信号は、位置検出装置にて180度位相が異なる検出巻線の信号が加算されて極数の多いロータの位置を検出し、検出した極数の多いロータの位置信号を用いて極数の少ないロータの位置を検出することが好ましい。
【0009】
このように構成することで、検出巻線を互いに90度ずらしたことにより、それぞれのロータの極数比を1:2とすれば、4つの検出巻線に出力される信号は次のようになる。
1番目:V1=A*(cosθ+cos2θ’)
2番目:V2=A*(cos(θ-90)+cos2(θ’-90))
3番目:V3=A*(cos(θ-180)+cos2(θ’-180))
4番目:V4=A*(cos(θ-270)+cos2(θ’-270))
ここでAは励磁信号であり通常は正弦波A=Esin(ωt)が加えられる。
【0010】
ここで、1番目の巻線出力と3番目の巻線出力を加えればθが消えるので
V1+V3=A*2cos2θ’
となり、θ’の成分のみが検出でき、
また、2番目の巻線出力と3番目の巻線出力を加えれば
V2+V4=A*2cos(θ’-90)
となる。
【0011】
ここで、検出されたθ’の信号からθの信号を検出するには、
V1-(V1+V3)/2
の演算を行えば良い。結果としてcosθの項が検出できる。同様に、
V2-(V2+V4)/2
の演算によりsinθの項を検出できる。
検出されたsinθ、cosθの項を用いれば、既存のR/Dコンバータと同様の原理を用いてθを得ることができる。ここで、θ’の項のsin信号は、cos信号を微分して得ることができる。以上により、90度ずれた4つの検出巻線を用いて、2つのロータの位置を得ることができる。
【0012】
また、本発明の回転電機は、内外にロータを持ち、アウターロータとインナーロータとの間にステータを持つ同軸構造の回転電機において、回転電機のアウターロータとインナーロータの位置を検出するために上述した構成の同軸多重位置検出器を利用するにあたり、同軸多重位置検出器の外周ロータおよび内周ロータのうちいずれか一方のロータを回転電機のアウターロータに設置し、他方のロータを回転電機のインナーロータに設置するとともに、同軸多重位置検出器のステータを回転電機のステータに固定したことを特徴とするものである。
【0013】
同軸構造の回転電機に、上述した構成の同軸多重位置検出器を用いることで、軸長が1つ分の位置検出器1つで回転電機のインナーロータとアウターロータの位置を検出することができる。また、インナーロータ検出器の外周ロータを固定した場合は、検出器の外周ロータの積層鋼板をインナーロータにあらかじめ設置しておくことが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の同軸多重位置検出器の一例の構成を示す図であり、図1(a)はその正面図を、図1(b)は図1(a)におけるA−A線に沿った断面図をそれぞれ示している。図1(a)、(b)に示す例において、本発明の同軸多重位置検出器1は、ステータ2と、ステータ2の内側に配置したインナーロータ3およびステータ2の外側に配置したアウターロータ4と、から構成されている。インナーロータ3とアウターロータ4とは異なる極数、例えば図1(a)、(b)に示す例では、インナーロータ3は2極対でアウターロータ4は4極対の異なる極数を有している。また、それぞれ極数に応じて凸部と凹部、すなわち、インナーロータ3には2組の凸部と凹部を設け、アウターロータ4には4組の凸部と凹部を設けている。
【0015】
ステータ2は個々の分割されたステータピース5、ここでは12個のステータピース5から構成され、各ステータピース5には、励磁巻線6と検出巻線7が図示のように巻かれている。本例では、インナーロータ3とアウターロータ4の位置を各別に求める必要があるため、2組の検出巻線7、すなわち、1組目の1番〜4番の検出巻線7−1−1〜7−1−4と2組目の1番から4番の検出巻線7−2−1〜7−2−4とから構成されている。そして、各別の1番〜4番の検出巻線7−1−1〜7−1−4(または7−2−1〜7−2−4)は、それぞれ、位相が90度ずつ異なるようステータピース5に巻かれている。
【0016】
この状態で、検出巻線7からの信号は、位置検出装置にて180度位相が異なる検出巻線の信号が加算されて極数の多いロータ(ここではアウターロータ4)の位置を検出し、検出した極数の多いロータの位置信号を用いて極数の少ないロータ(ここではインナーロータ4)の位置を検出することができる。
【0017】
次に、上述した本発明の同軸多重位置検出器1において、実際にインナーロータ3とアウターロータ4の位置を求める方法について説明する。なお、1組目の1番〜4番の検出巻線7−1−1〜7−1−4での位置測定と、2組目の1番〜4番の検出巻線7−2−1〜7−2−4での位置測定とは同じ測定方法であるため、ここでは1組目の1番〜4番の検出巻線7−1−1〜7−1−4の場合を例にとって説明する。まず、励磁巻線6から励磁した状態で、図1(a)、(b)に示す構成の同軸多重位置検出器1の1番〜4番の検出巻線7−1−1〜7−1−4から電圧V1〜V4を求める。求めた電圧V1〜V4を、図2に示す回路で計算し、AcosθとAsinθを求める。次に、求めたAcosθとV1を、図3に示す回路で計算し、Acos2θとAsin2θを得る。その後、得られたAcos2θとAsin2θを、図4に示す回路(公知のトラッキング方式のR/D(レゾルバ/デジタル)変換器の一例)で計算し、ロータの位置を求めることができる。
【0018】
実際の波形の一例として、1番目の検出巻線7−1−1の電圧V1の波形と3番目の検出巻線7−1−3の電圧V3の波形を図5に示す。図5において、V10、V30はインナーロータ3に起因して発生する電圧であり、V11、V31はアウターロータ4に起因して発生する電圧である。
【0019】
図6は本発明の同軸多重位置検出器を同軸型の回転電機に組み込んだ例を示す図である。図6に示す例において、同軸型の回転電機11は、ステータ12と、ステータ12の内周に設置したインナーロータ13と、ステータ12の外周に設置したアウターロータ14とから構成されている。そして、回転電機11のインナーロータ13とアウターロータ14の位置を検出するために、上述した構成の同軸多重位置検出器1を利用するにあたり、同軸多重位置検出器1のアウターロータ4を回転電機11のインナーロータ13に接続して配置し、同軸多重位置検出器1のインナーロータ3を回転電機11のアウターロータ14に接続して配置し、さらに、同軸多重位置検出器1のステータ2を回転電機11のステータ12に固定している。なお、本例では、回転電機11のインナーロータ13の内部をアウターロータ14と接続するアウターロータシャフト15が貫通しているため、このようなレイアウトとなったが、ロータの接続・配置は上述した例に限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)、(b)はそれぞれ本発明の同軸多重位置検出器の一例の構成を示す図である。
【図2】 本発明の同軸多重位置検出器における位置検出の前処理を行う回路の一例を示す図である。
【図3】 本発明の同軸多重位置検出器における位置検出の前処理を行う回路の他の例を示す図である。
【図4】 本発明の同軸多重位置検出器における位置検出で用いるトラッキング式R/D変換器の一例を示す図である。
【図5】 本発明の同軸多重位置検出器において検出巻線に発生する電圧波形の一例を示す図である。
【図6】 本発明の同軸多重位置検出器を同軸型の回転電機に組み込んだ例を示す図である。
【符号の説明】
1 同軸多重位置検出器、
2、12 ステータ
3、13 インナーロータ
4、14 アウターロータ
5 ステータピース
6 励磁巻線
7、7−1−1〜7−1−4、7−2−1〜7−2−4 検出巻線
11 回転電機
15 アウターロータシャフト
Claims (4)
- アウターロータとインナーロータとの間にステータを持つ同軸構造の回転電機におけるアウターロータとインナーロータとの回転位置を検出するための同軸多重位置検出器であって、
周方向に個々に分割されたステータピースと、該ステータピースに巻かれた励磁巻線と検出巻線とを有し、前記回転電機のステータに固定して配置されたステータと、
このステータの径方向内外に配置され、それぞれ極数に応じた凸部と凹部とを持ち、互いに極数が異なる構成を有し、前記回転電機のアウターロータとインナーロータとに接続して配置された2つのロータと、を備え、
ステータの検出巻線の出力より内外に設置されたロータ位置を出力することで、前記回転電機のアウターロータとインナーロータとの回転位置を検出することを特徴とする同軸多重位置検出器。 - 前記検出巻線が、位相が90度ずつ異なるようステータピースに巻かれた4つの巻線から成る請求項1記載の同軸多重位置検出器。
- 前記検出巻線からの信号は、位置検出装置にて180度位相が異なる検出巻線の信号が加算されて極数の多いロータの位置を検出し、検出した極数の多いロータの位置信号を用いて極数の少ないロータの位置を検出する請求項2記載の同軸多重位置検出器。
- 内外にロータを持ち、アウターロータとインナーロータとの間にステータを持つ同軸構造の回転電機において、回転電機のアウターロータとインナーロータの位置を検出するために請求項1記載の同軸多重位置検出器を利用するにあたり、同軸多重位置検出器の外周ロータおよび内周ロータのうちいずれか一方のロータを回転電機のアウターロータに設置し、他方のロータを回転電機のインナーロータに設置するとともに、同軸多重位置検出器のステータを回転電機のステータに固定したことを特徴とする回転電機。
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