JP4722134B2 - 電機の１次側部分 - Google Patents

Description

本発明は、磁界又は磁束の測定に使用可能なセンサ装置又はセンサ装置を備えた電機の１次側部分に関する。

例えばリニアモータやトルクモータの如く１次側部分と２次側部分を有する電機においては、２次側部分に対する１次側部分の位置又は姿勢を求めるべく、エンコーダや相応のセンサを使用する必要がある。電機は、例えば永久磁石同期機であり、電機の２次側が永久磁石を有する。１次側部分は、例えば回転電機の固定子であり、２次側部分は、例えば電機の回転子である。リニアモータの場合、例えば１次側部分が移動部分であり、永久磁石を有する２次側部分が固定部分である。

例えば永久磁石同期機の電力変換装置での運転のため、２次側部分の絶対的な位置を知る必要がある。絶対的位置は、回転機の場合、ロータ位置である。この場合、ロータは回転子であり、ロータ位置は回転子位置である。ロータ位置の決定のためには、一般に絶対エンコーダが必要である。該絶対エンコーダは、ロータ位置の決定のための技術的に高額な手段である。永久磁石同期機の運転のためには相対エンコーダで十分であり、相対エンコーダが一般的に使用される。絶対的なロータ位置の認識は、これ迄別個のセンサで行なわれていた。センサが電機の主磁気回路の外側に配置されているため、この種のセンサによっても主磁気回路は検出不可能である。リニアモータの場合には、例えばリニアモータの１次側部分のハウジングの外側の分離したボックス内に設けたホールセンサが必要である。分離したボックスは、リニアモータの２次側部分の永久磁石の漏れ磁束の評価に役立つ。例えばトルクモータの如き回転機の場合、ホールセンサを持つこの種の分離したボックスの使用が構造上の理由から不可能である。トルクモータでは、ロータ位置の認識が、トルクモータに取り付けた発信器の固有の発信コイルによってのみ可能である。

本発明の課題は、永久磁石電機の１次側部分の範囲内における磁界測定のための改善されたセンサ装置を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載のセンサ装置、又はセンサ装置を有する請求項６に記載の１次側部分により解決される。従属の請求項２乃至５および請求項７乃至１２は、相応の装置の他の有利な構成である。

１次側部分の磁気回路中へのセンサの組み込みに伴い、各用途において大きな利点がもたらされる。この利点は、センサのための付加的なスペースが不要なことに基づく。これは、特にセンサ装置が小型なためである。トルクモータには、例えばセンサの組み込みのためのスペースが殆ど存在しない。本発明のセンサ装置は非常にコンパクトに構成可能であり、該センサ装置はトルクモータにおいても使用可能である。本発明のセンサ装置の他の利点は、センサ又はセンサ装置の誤った配置を回避できるばかりか、予防さえできる点にある。何故ならセンサ又はセンサ装置が磁気回路内に組み込まれているからである。

永久磁石で励磁される電機の１次側部分の範囲での磁界を測定するための本発明によるセンサ装置は、磁束を導くための手段を有する。永久磁石で励磁される電機の１次側部分は歯を持つ。更に、１次側部分は、歯が巻線を有するように構成される。巻線は歯の周りに巻回可能である。センサ装置は磁束を導く手段を有し、該手段は磁束案内片である。従って、この手段は磁束又は磁界を導く機能を果たす。例えばこの種手段は金属板であり、該金属板はセンサのために使用されることから、センサ金属板と呼ぶ。センサ装置は、更にスペーサとセンサを有する。センサは、磁界又は磁束の測定のために設けている。スペーサにより、磁界を導くための手段と１次側部分の歯との間に間隔が存在する。１次側部分の歯は側面を持ち、該側面は電機の側面図において歯の側方端である歯の側面を形成する。１次側部分が、例えば積層構造なら、側面は１つの鋼板の面の内、他の鋼板が後に続いていない面であり、他の面には他の鋼板が続いている。

センサ装置では、磁束を導く手段の範囲で、該手段と１次側部分の間にセンサが配置される。センサは、特にホールセンサである。センサ装置により、電機内に組み込まれるロータ位置認識装置を実現できる。ロータ位置認識装置は２次側部分の位置認識装置であって、２次側部分は、例えば回転子（ロータなる概念と同義）又は、例えば１次側部分の移動部であってもよく、移動部は永久磁石を有する２次側部分により構成される。

従って本発明のセンサ装置では、ロータ位置やリニアモータの１次側部分の位置を認識する付加的な装置や高価な方法が不要となる。組み込んだロータの位置認識装置又は以下で同じくロータ位置認識装置と呼ぶリニアモータの１次側部分の位置認識装置は、特にリニアモータのホールセンサボックスの代替となる。このため、例えば工作機械の往復台のためのリニアモータの構造空間内に余分な空間が不要となる。その結果、ホールセンサボックスと１次側部分の間での、取り付け位置の新たな調整が不要になる。ホールセンサボックスはトルクモータには使用できない。何故なら、トルクモータは自由状態にある永久磁石を持たないからである。従って、本発明のセンサ装置を用いたロータ位置認識はトルクモータの機能を拡張する。何故なら負荷を担った状態で確実に始動可能だからである。

永久磁石で励磁される回転形又はリニア形の同期機の場合、永久磁石による磁界が常に支配的なので、センサにより常に磁界が確認可能であり、磁界の測定で、電機の固定子および回転子の位置決めがセンサに接続された相応の装置で確認可能である。この種の装置は、例えば電機の制御器および／又は調節器や付設の電力変換器で実現できる。

例えば電機において、初期化のための移動が移動能力の制約から不可能および／又は不許容であるため、移動に基づくロータ位置認識装置又は相応の方法が実現不可能な場合にも、改善されたロータ位置認識装置が得られる。トルクモータでのセンサ装置の使用は、センサ装置を特にロータ位置認識のために使用する場合、トルクモータの機能を拡張する簡単かつ安価な技術的解決策である。本発明で開示するセンサ装置を有するトルクモータは、ロータ又は１次側部分の位置認識に関する新たな機能を示す。

センサを有するセンサ装置は、更に信号出力を有する。信号評価は、例えば信号評価装置で行う。信号評価装置は、例えばプログラマブルコントローラ、ＣＭＣコントローラ又は電力変換器の制御又は調節装置に組み込み可能である。電機の動作中でのセンサ信号の評価時、１次側部分の巻線の通電により生じた信号への影響の補償を行うとよい。かくして電機の動作中に転流位置を決定できる。この結果、例えば検出器なしの駆動装置を、付加的な量、即ち磁束の検出にて改善できる。更に、診断システムおよび／又は電機動作のシミュレーションのためのモータモデルを構成し、又は観察することができる。

センサ装置は、センサ装置が少なくとも１次側部分の歯の始端から１次側部分の歯の終端まで広がるように構成でき、この場合、１次側部分の歯の終端は２次側部分の永久磁石と向かい合い、１次側部分の歯の始端は背部につながる。センサが配置されたセンサ装置の端部が、歯の始端範囲又は１次側部分の背範囲にあるなら、これに伴い、磁界が、磁界を導くための手段からほぼ垂直に出て、センサを経てほぼ垂直に１次側部分に入る。この場合、１次側部分の背範囲で開始する。この結果、磁束又は磁界の非常に正確な測定が可能である。更に、センサ装置が歯の端部で始まることで、センサ装置が取り付けられた歯を経て非常に正確な磁束又は磁界の測定が可能である。測定は最終的に、特にこの磁束によって決定され、漏れ磁束の不都合な影響を大幅に回避できる。

１次側部分に組み込まれた本発明によるロータ位置認識装置によって、初期転流位置および相対エンコーダの初期化を行う。ロータの初期転流位置の認識のための付加的な装置や方法が不要となる。全体として、例えば回転動作をするトルクモータにおいてそうであるように、他の方法が不可能な場合に利点が生ずる。

転流のために必要なロータ位置の同定が可能なら、インクリメンタルエンコーダを初期化できる。その結果、機能的に電機の所定の起動のための、転流位置の認識ができる。

電機は、磁界を局所的に１次側部分の少なくとも２つの、多数の点で検出可能なように構成するとよい。これらの点は、モータ部分の移動方向において互いに隔たっており、個々の点間の間隔は、この場合に点とは範囲とも解すべきであるが、他の有利な構成では永久磁石の間隔と異なっていてよい。この方法で、個々の測定点で、位置検出に利用可能なセンサ装置測定信号の種々の位相、特に位相位置が得られる。一般的には、正弦波信号と余弦波信号を発生又は測定する。従って、その間隔に応じ９０°だけの位相差が生ずる。位置検出での精度と冗長性の向上のため、本発明の装置には、多数のセンサを設け得る。センサ装置は、好ましくは１次側部分の１つの巻線および／又は１つの歯に各々付設する。多数のセンサ装置によって信頼性も高められる。

センサ装置の他の有利な構成では、磁束を導く手段をセンサの方向に先細にする。先細は、磁束の集中又はセンサ感度の最適化が可能な点で有効である。従って、センサ装置は１つの歯の端部範囲で、センサ位置範囲におけるよりも大きな横断面積を有する。

他の有利な構成では、センサを１次側部分の冷却装置で冷却する。この冷却装置により信号雑音比が改善可能なので、センサの精度を改善できる。更に、例えばこの種の冷却装置によって、より有効なセンサが使用可能である。

センサ装置は、例えばセンサ金属板又は磁束を導く手段が、少なくとも一範囲で１次側部分の１つの歯の形を持つように構成できる。磁束を導く手段が、特に歯の端部範囲で歯の形を有し、特にその形が歯の幅に関連するなら、位置に依存した磁束経過がセンサ装置により１次側部分の実効磁束と同じ形（理想的には正弦波状）を持つようにできる。これはセンサ装置の精度を高める。本発明のセンサ装置の利点は、該装置が僅かなスペースを要する点である。他の利点として、１次側部分への特に完全な組み込みで、例えば顧客によるセンサ装置又はセンサの誤取り付けを回避できる。組み込みは、例えばセンサ装置を１次側部分の製造時に既に１次側部分と接続することで達成し得る。センサ装置はリニアモータの１次側部分と一体に成型するとよい。他の有利な構成では、センサ装置は１次側部分の固定の構成部分であり、センサ装置のセンサは、例えば故障時に交換できる。

センサ装置は位置検出器としても使用可能である。位置検出器は、例えば永久磁石で励磁される電機の現在進行中の動作において転流角検出の機能を果たす。他の有利な形態では、位置検出器を永久磁石励磁型の電機の初期転流角の検出に用いる。初期転流角は電機の動作に必要である。

永久磁石励磁型の電機、特に同期機での使用のために設けられる本発明による１次側部分は、多数の歯と１つの背を有する。歯は１次側部分の背に連結している。更に、歯は側面を有する。１つの歯が、例えば多数の鋼板の積層により構成されている場合には、歯の最初および最後の鋼板が側面を形成する。

本発明によれば、１次側部分において、少なくとも部分的に、センサ装置が１つの歯の側面の範囲に配置される。センサ装置は磁界又は磁束の測定に役立つ。このため、１次側部分は次のように構成できる。即ち、センサ装置が、２次側部分の永久磁石の自由空気誘導を直接的に逐一評価するのではなくて、結果として生じるモータ磁束の一部を信号取得のために利用すべく構成する。センサ装置は、電機の磁気回路（積層鋼板）に対する軸方向又は横方向の突出部をなす。歯間を１次側部分の巻線が走り、該巻線は巻線端を有する故、センサ装置を積層鋼板と巻線端の間に配置可能である。この結果センサ装置又はセンサを電機の積層鋼板に密着配置でき、この場合に付加的な構造空間は必要ない。

他の有利な発展形態では、センサ装置が、特にセンサ金属板であり、磁束を導く手段を有する。センサ金属板は積層鋼板から隔てて配置される。磁束を導く手段と積層鋼板との間に空隙範囲が形成され、該範囲は、例えばほぼ１のμ_rの値を持つスペーサでも実現できる。従って、磁束を導く手段がスペーサで１次側部分の歯の側面から隔てられているなら、磁束の案内を簡単な方法で予め与え得る。磁束を導く手段と歯の側面との間に磁界の測定用のセンサが配置され、該センサは、例えばホールセンサである。このセンサはセンサ装置の端部範囲にあるとよく、センサ装置の他方の端部は歯の端部範囲にある。

磁束案内片として機能するセンサ金属板は、空隙の範囲、即ち歯の側面からの隔離の範囲で、少なくとも部分的に電機の鋼板切断の歯輪郭を持つ。この結果磁束を導く手段は永久磁石の磁束の一種の集成手段として用いられる。その結果、センサはモータ主磁束と同じ時間的および／又は空間的経過を得る。磁束を導く手段のセンサ範囲での形状は、電機の種々の実施要求に合わせられる。

センサ装置を有する１次側部分の他の構成は、モータ巻線中の動作電流による妨害磁界の補償を可能にし、それに伴いモータ動作中にも転流位置同定を可能にする。補償のために妨害磁界が検出可能であり、それゆえ補償信号が取得可能であるように、第２のセンサ素子が該当コイルの巻線端に対し狙いを定めて合わせられる。補償は直接的にセンサで、即ち例えば２つの類似のホール信号の和形成により、或いはソフトウェアにて適切な信号評価およびこれに続くロータ転流位置の算定により行える。

他の有利な発展形態では、センサを歯の始端範囲および／又は１次側部分の背範囲に配置する。この結果、漏れ磁束の過大な影響を防ぎ、乱れのない磁界経過が得られる。

１次側部分の他の構成では、磁束を導くための手段、即ち、例えばセンサ金属板を、歯に沿って整列させる。磁束を導く手段は歯の終端範囲に第１の端部を有し、磁束を導くための手段の第２の端部の範囲にセンサ、特にホールセンサを配置する。

有利な発展形態では、１次側部分が磁界の測定のための２つのセンサ装置を有し、センサ装置を、特に正弦波信号および余弦波信号を得るために用いる。

他の発展形態では、１次側部分を、センサ装置および／又はセンサ装置の一部を１次側部分に交換可能に配置するよう構成する。

本発明の実施例を添付図面により説明する。図１は電機の２次側部分と１次側部分を斜視図で、図２は電機の１次側部分を横断面図で、図３は回転電機を横断面図で示す。

図１は電機３を示す。電機３はリニアモータである。電機３は１次側部分５と２次側部分７を持つ。２次側部分は永久磁石８を備える。１次側部分５は積層形成されており、積層３３の形成のために多数の鋼板を相前後して配置してなる。更に１次側部分５は背部２６と歯部９を持ち、歯部９は歯幅３１と歯長３２を有する。１次側部分５の積層体の端部に位置する金属薄板が側面１１を形成し、該側面１１にセンサ装置１を配置している。従って、センサ装置１は１次側部分５の側面に配置されている。センサ装置１の構造は層状である。センサ装置１はセンサ金属板１３を有する。センサ金属板１３は側面１１から隔たっている。間隔２１はスペーサ１５により形成されている。センサ金属板１３は第１の端部３９と第２の端部４１を有する。第１の端部３９は第２の端部４１よりも２次側部分の近くに配置されている。第２の端部４１の範囲内にホールセンサ１７があり、該センサ１７のこの範囲内でスペーサ１５は除かれている。スペーサ１５は、μ_r≒１の比透磁率を有するとよい。しかし、スペーサが空隙形成に役立つような構成も可能であり、この構成は図１には示していない。

更に、図１は磁力線１９を模式的に示す。磁力線１９は永久磁石８からセンサ１７まで延びている。センサ１７の箇所で磁力線が１次側部分の背部２５にできるだけ垂直に出入りするとよい。センサ装置１の好適な構成では、センサ装置１が歯部範囲２７を大幅に越えて延びている。更に、センサ装置１は２つの異なる幅を持つよう構成されている。永久磁石８の近傍で、センサ装置１又は特にセンサ金属板は、歯部の幅３１を持つ。テーパ２９の後、センサ金属板１３の幅は減少する。これにより磁束集中が起こる。

図２は、図１のリニアモータを概略的な断面図で示し、ここでは２次側部分は示していない。１次側部分５は背範囲２５と歯範囲２７を有する。背範囲２５にはセンサ１７が配置されている。従って、センサ１７はセンサ金属板１３の範囲２３に配置されている。この範囲２３は、電機においてセンサ装置側にあり、２次側部分の永久磁石とは反対側にある。１次側部分５の歯の間に、図２に破線で示す巻線が存在し、巻線４３は巻線端４５を形成する。センサ装置１は、巻線端４５と１次側部分５の側面の間に配置されている。センサ装置１は歯９の終端範囲３７と始端範囲３５に跨って延びている。

図３は、回転電機の鋼板断面図を示し、端面とも呼ぶ側面１１において、異なる歯９に２つのセンサ装置１と２が配置されている。従って、図３は本発明のセンサ装置が回転動作する電機にも使用可能なことを示す。センサ装置１と２の信号の評価は、信号評価装置４７で行う。

電機の２次側部分および１次側部分の斜視図 電機の１次側部分の横断面図 回転電機の横断面図

符号の説明

１、２ センサ装置、３ 電機、５ １次側部分、７ ２次側部分、８ 永久磁石、９ 歯、
１１ 側面、１３ センサ金属板、１５ スペーサ、１７ ホールセンサ、１９ 磁力線、２１ 間隔、２３ センサ金属板の範囲、２５ 背範囲、２６ 背、２７ 歯範囲、２９ テーパ、３１ 歯幅、３２ 歯長、３３ 積層、３５ 始端範囲、３７ 終端範囲、３９ 第１の端部、４１ 第２の端部、４３ 巻線、４５ 巻線端、４７ 信号評価装置

Claims (10)

1. 多数の歯（９）および１つの背（２６）を有し、永久磁石で励磁される電機の１次側部分（５）であって、
   歯（９）が側面（１１）を有し、１つの歯（９）の側面（１１）の範囲に少なくとも部分的に、磁束（１９）の測定のためのセンサ装置（１）が配置された電機の１次側部分において、
   センサ装置（１）が、１次側部分（５）の歯（９）の側面（１１）からスペーサ（１５）により隔てられている磁束を導くための手段（１３）を有し、磁束を導くための手段（１３）と歯（９）の側面との間に磁界の測定のためのセンサ（１７）が配置されたことを特徴とする電機の１次側部分。
2. センサ装置（１）が、磁束を導くための手段（１３）と、スペーサ（１５）と、磁界（１９）の測定のためのセンサ（１７）とを有し、スペーサ（１５）により、磁束を導くための手段（１３）と電機の１次側部分（５）の歯（９）の側面との間の間隔（２１）が確保可能であり、磁束を導くための手段（１３）の範囲（２３）においてこの手段（１３）と１次側部分（５）との間にセンサ（１７）が配置されていることを特徴とする請求項１記載の電機の一次側部分。
3. 磁束を導くための手段（１３）が、センサ（１７）の方向に先細になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の電機の一次側部分。
4. センサ装置（１）が位置検出器として使用されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の電機の一次側部分。
5. センサ装置（１）が、永久磁石で励磁される電機の現在進行中の動作における転流角を求める位置検出器として設けられたことを特徴とする請求項４記載の電機の一次側部分。
6. センサ装置（１）が、永久磁石で励磁される電機の初期転流角を求めるために設けられたことを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の電機の一次側部分。
7. センサ（１７）が、歯（９）の始端範囲（３５）および／又は１次側部分（５）の背範囲（２５）に配置されたことを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の電機の１次側部分。
8. 磁束を導くための手段（１３）が歯（９）に沿って整列させられており、磁束を導くための手段（１３）が歯（９）の終端範囲（３７）に第１の端部（３９）を有し、磁束を導くための手段（１３）の第２の端部（４１）の範囲にセンサ（１７）が配置されたことを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の電機の１次側部分。
9. １次側部分（５）が磁界の測定のための少なくとも２つのセンサ装置（１、２）を有することを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の電機の１次側部分。
10. センサ装置（１）および／又はセンサ装置（１）の少なくとも一部が１次側部分（５）に交換可能に配置されたことを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の電機の１次側部分。

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