CN101960698B - 无刷电动机位置检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无刷电机位置检测装置。通过调整偏移后分别进行安装配置(进行安装配置使周向上有规定的机械角度偏移)，使安装在与磁极位置检测用磁体(16)相对的面上的用来检测转子(12)的位置的一组第一霍尔元件(磁极位置检测用主霍尔IC(18))的安装位置上的磁通密度的最大值，与第二霍尔元件(磁极位置检测用副霍尔IC(19))的安装位置上的磁通密度的最大值之差在规定的范围内，从而使多组霍尔元件的检测精度相一致。

Description

无刷电动机位置检测装置
技术领域
本发明涉及一种由直流电流驱动的无刷电动机位置检测装置，该无刷电动机位置检测装置特别适合用于车载用设备所使用的节流阀、EGR(排气再循环系统)阀的驱动源、或VG(Variable Geometry：可变翼)涡轮系统的可动叶片等的驱动源。
背景技术
无刷电动机例如包括具有9个槽的定子、8极的转子、具有与转子相同的8极极数的磁极位置检测用磁体、以及通过检测该磁极位置检测用磁体的磁性来检测转子旋转位置的3个霍尔IC。这里，将这样的转子的极数与磁极位置检测用磁体的极数相同、且包括3个霍尔IC的无刷电动机称为单精度无刷电动机。
对于这种单精度无刷电动机，为了提高转子旋转位置检测的分辨率，开发出了将磁极位置检测用磁体的极数变成2倍的无刷电动机(例如，参照专利文献1)，例如，在转子的极数为n的情况下，使磁极位置检测用磁体变成2n极。
这里，将这样的磁极位置检测用磁体的极数是转子极数的2倍、且包括3个霍尔IC的无刷电动机称为2倍精度无刷电动机。根据该2倍精度无刷电动机，可以使转子旋转位置检测的分辨率为单精度无刷电动机装置的2倍。
专利文献1：日本专利特开2002-252958号公报
发明内容
另一方面，相对于上述2倍精度无刷电动机，希望得到进一步提高了旋转位置检测分辨率的4倍精度无刷电动机。
旋转位置检测分辨率是2倍精度无刷电动机的2倍的4倍精度无刷电动机，除了2倍精度无刷电动机所具有的3个霍尔IC外，还包括3个位置检测用的霍尔IC。这里，将2倍精度无刷电动机所具有的3个霍尔IC称为磁极位置检测用主霍尔IC，将追加的3个用于4倍精度的霍尔IC称为磁极位置检出用副霍尔IC。
然而，上述磁极位置检测用主霍尔IC和磁极位置检测用副霍尔IC是偏移规定的机械角而安装的，但此时，为了实现4倍精度的高分辨率，对磁极位置检测用主霍尔IC和磁极位置检测用副霍尔IC的安装位置有精度的要求，需要把检测角度误差抑制到最小程度。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种无刷电动机位置检测装置，该无刷电动机位置检测装置力图将磁极位置检测用主霍尔IC和磁极位置检测用副霍尔IC的检测角度误差抑制到最小程度以提高可靠性。
为了解决上述问题，本发明的无刷电动机位置检测装置包括：定子，该定子配置有多个线圈；转子，该转子具有规定的极数，通过所述定子被以多个励磁方式依次励磁而旋转；磁极位置检测用磁体，该磁极位置检测用磁体配置在与所述转子的旋转轴正交的面上；一组第一霍尔元件，该一组第一霍尔元件安装在与所述磁极位置检出用磁体相对的面上，用来检测所述转子的位置；以及一组第二霍尔元件，该一组第二霍尔元件调整偏移，以使所述第一霍尔元件的安装位置上的磁通密度的最大值与所述第二霍尔元件的安装位置上的磁通密度的最大值之差在规定的范围内。
根据本发明的无刷电动机位置检测装置，可以把磁极位置检测用主霍尔IC(第一霍尔元件)和磁极位置检测用副霍尔IC(第二霍尔元件)的检测角度误差抑制到最小程度以提高可靠性。
附图说明
图1是表示沿轴向剖切组装了本发明的实施方式1所涉及的无刷电动机位置检测装置的致动器的剖视图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的无刷电动机位置检测装置的零部件配置的一个例子的平面图。
图3是模拟地表示本发明的实施方式1所涉及的无刷电动机位置检测装置的磁石剖面与径向磁通密度的大小的图。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的无刷电动机位置检测装置的磁通密度分布的图。
图5是模拟地表示本发明的实施方式2所涉及的无刷电动机位置检测装置的磁石剖面与径向磁通密度的变化的图。
图6是表示本发明的实施方式3所涉及的无刷电动机位置检测装置的磁石剖面的图。
具体实施方式
下面，为了更详细地说明本发明，参照附图，对用于实施本发明的最佳方式进行说明。
实施方式1.
图1是表示沿轴向剖切组装了本发明的实施方式1所涉及的无刷电动机位置检测装置的致动装置1的剖视图。
如图1所示，致动装置1采用以下结构：将嵌合在电动机轴11上的圆筒状的转子12插入紧固在壳体13上的定子14的中空部，并通过轴承15对其进行可自由旋转的支承。另外，在转子12上紧固磁极位置检测用磁体16，使其成为与转子12的轴垂直的面。磁极位置检测用磁体16的磁化方向是轴向。
另外，在印刷基板17上装载有用于三相驱动的一组磁极位置检测用主霍尔IC18、和一组磁极位置检测用副霍尔IC19。印刷基板17安装在壳体13上，使磁极位置检测用主霍尔IC18、磁极位置检测用副霍尔IC19与磁极位置检测用磁体16相对。
图2是从霍尔IC一侧分别观察磁极位置检测用磁体16、磁极位置检测用主霍尔IC18、和磁极位置检测用副霍尔IC19的平面图，图2(a)和图2(b)分别表示无偏移角度和有偏移角度(γ)的例子。
如图2(a)(b)所示，磁极位置检测用磁体16被磁化为转子12的极数2倍的极数。例如，转子12为12极的情况下，磁极位置检测用磁体16沿周向被磁化为2倍的级数即24极。另外，该磁极位置检测用磁体16由中心开了与外周呈同心圆的孔的环形磁石形成。
磁极位置检测用主霍尔IC18和磁极位置检测用副霍尔IC19分别由三个用于三相驱动的霍尔IC(18a、18b、18c)和(19a、19b、19c)构成。此时，磁极位置检测用主霍尔IC18a与磁极位置检测用副霍尔IC19a、磁极位置检测用主霍尔IC18b与磁极位置检测用副霍尔IC19b、磁极位置检测用主霍尔IC18c与磁极位置检测用副霍尔IC 19c分别一一对应，如图2(a)所示，磁极位置检测用主霍尔IC18a和磁极位置检测用副霍尔IC19a被设置在射线上。此外，磁极位置检测用主霍尔IC18b与磁极位置检测用副霍尔IC 19b、磁极位置检测用主霍尔IC18c与磁极位置检测用副霍尔IC19c也一样。
从而，即使磁极位置检测用主霍尔IC18发生了损坏，由于存在磁极位置检测用副霍尔IC19，也能在不影响性能的情况下驱动并控制无刷电动机，因此，提高了可靠性。
另外，图2(b)将磁极位置检测用副霍尔IC19(19a、19b、19c)安装成分别相对于磁极位置检测用主霍尔IC18(18a、18b、18c)在径向上有计算得到的机械偏移角度(γ)。该偏移角度(γ)的值根据磁极位置检测用磁体16的极数、和转子12的位置检测精度(2倍精度或4倍精度)分别计算得到。
这里，磁极位置检测用主霍尔IC18和磁极位置检测用副霍尔IC19的半径分别为ra和rb。根据该构造，由于利用磁极位置检测用主霍尔IC18、磁极位置检测用副霍尔IC19对磁极位置检测用磁体16的磁通密度的变化进行检测，因此理论上可以实现转子12的极数的4倍精度的位置检测。
此时，为了能实际进行4倍精度的位置检测，重要的是磁极位置检测用主霍尔IC18、磁极位置检测用副霍尔IC19的径向偏移角度的误差要小，允许的最大误差为γ°。
此处，例如在定子14是9槽、转子12的极数是12极的情况下，4倍精度无刷电动机的γ值是2.5°。
图3是模拟地表示相对于磁极位置检测用磁体16，磁极位置检测用主霍尔IC18、磁极位置检测用副霍尔IC19的径向位置与检测到的磁通密度的大小的图。
如图3所示，设置磁极位置检测用磁体16，使磁极位置检测用主霍尔IC18的径向位置ra上的磁通密度α[G]的值，与磁极位置检测用副霍尔IC 19的径向位置rb上的磁通密度β[G]的值基本相等。
图4是表示周向上磁极位置检测用主霍尔IC18、磁极位置检测用副霍尔IC19的安装位置上的磁通密度相对于周向角度的变化，即α、β各自的磁通密度分布的图。这里，还一并示出了所使用的霍尔IC18、19的灵敏度水平。
如图4所示，磁极位置检测用主霍尔IC18与磁极位置检测用副霍尔IC19在检测同一水平的磁通密度时，存在周向角度的误差δA。此时，因为磁极位置检测用磁体16的配置使磁极位置检测用主霍尔IC18与磁极位置检测用副霍尔IC19检测出的磁通密度基本相等，所以相对于同一灵敏度水平的角度误差δA最小。其结果是，能使角度误差δA充分小于磁极位置检测用主霍尔IC18和磁极位置检测用副霍尔IC19的周向偏移角度γ，有能够进行高精度位置检测的优点。
例如，在定子14为9槽、转子12的极数为12极的情况下，4倍精度无刷电动机在决定磁极位置检测用磁体16的配置时，只要使角度误差充分小于2.5°即可。这样，通过将5°以内的范围设定为第一霍尔元件和第二霍尔元件的配置位置上的转子检测误差的规定范围，可以将检测误差抑制在实际使用所需的范围之内。
如上所述，根据实施方式1所涉及的无刷电动机位置检测装置，通过调整偏移后分别进行安装配置(进行安装配置使周向上有规定的机械角度偏移)，使安装在与磁极位置检测用磁体16相对的面上的用来检测转子12的位置的一组第一霍尔元件(磁极位置检测用主霍尔IC18)的安装位置上的磁通密度的最大值、与第二霍尔元件(磁极位置检测用副霍尔IC19)的安装位置上的磁通密度的最大值之差在规定范围内，从而可以使多组霍尔元件的检测精度相一致，因此，可以抑制检测误差。
即，磁极位置检测用主霍尔IC18、或磁极位置检测用副霍尔IC19在利用磁极位置检测用磁体16的旋转而检测到的磁通密度在某一值(阈值)以上、或在某一值以下时，进行接通或断开的动作。因而，若磁极位置检测用副霍尔IC19检测到的磁通密度与磁极位置检测用主霍尔IC18检测到的磁通密度相等，则两者将同时进行接通(或断开)的动作，因此，对磁极位置检测用磁体16的位置进行设定，使磁极位置检测用主霍尔IC18感知的磁通密度的分布与磁极位置检测用副霍尔IC19感知的磁通密度的分布基本相等。
若磁极位置检测用主霍尔IC18检测到的磁通密度的分布与磁极位置检测用副霍尔IC19检测到的磁通密度的分布相等，则通过对磁极位置检测用主霍尔IC18检测到的磁通密度与磁极位置检测用副霍尔IC19检测到的磁通密度成为相同磁通密度的定时进行角度换算，从而达到规定的机械角度偏移。其结果是，磁极位置检测用主霍尔IC18与磁极位置检测用副霍尔IC19的检测角度误差最小，因而，能够实现4倍精度的转子12的位置检测。
根据上述的本发明的实施方式1所涉及的无刷电动机位置检测装置，通过使磁极位置检测用主霍尔IC18与磁极位置检测用副霍尔IC19检测到的磁通密度分布基本相同，两组霍尔IC(磁极位置检测用主霍尔IC18和磁极位置检测用副霍尔IC19)的动作间隔的误差最小，因此，可以高可靠性地得到单精度无刷电动机的4倍的分辨率。
实施方式2.
另外，根据磁化的方式或磁石的形状，可以使两组霍尔IC(磁极位置检测用主霍尔IC18和磁极位置检测用副霍尔IC19)检测到的磁通密度变平坦，使磁极位置的磁通密度沿径向的变化率变小。据此，即使两组霍尔IC的安装位置发生一些偏移，磁通密度也不会发生大的变化。
即，上述实施方式1中，使磁极位置检测用磁体16的厚度在径向上一致，但是，如模拟地表示了磁极位置检测用主霍尔IC18和磁极位置检测用副霍尔IC19的径向位置、与它们检测到的磁通密度的大小的图5所示，例如，也可以形成厚度在中途变薄的磁极位置检测用磁体16。与磁极位置检测用磁体16的厚度不变的情况相比，通过中途改变厚度，能减小磁极位置的磁通密度沿径向的变化率。因此，具有以下优点，即相对于磁极位置检测用主霍尔IC18及磁极位置检测用副霍尔IC19的径向位置的磁通密度的变化变小。
但是，如图5所示，存在以下情况，即径向的磁通密度分布不是在磁极位置检测用主霍尔IC 18和磁极位置检测用副霍尔IC19的中间取得最大值的分布，而是在中间出现下降。不过，此处重要的是，磁极位置检测用主霍尔IC18和磁极位置检测用副霍尔IC19的安装位置上的磁通密度相等，所以即使在磁极位置检测用主霍尔IC18和磁极位置检测用副霍尔IC19的中间磁通密度的分布出现下降，也没有问题。
根据上述实施方式2，位置检测用磁体16具有用于缓和相对于转子12的旋转角度的磁通密度的变化的缓和部，从而使磁极位置检测用主霍尔IC18与磁极位置检测用副霍尔IC19的安装位置上的磁通密度的变化率变小，所以磁极位置检测用磁体16的配置变得容易。
实施方式3.
如图6的磁极位置检测用磁体16的剖面结构所示，也可以在磁极位置检测用磁体16的角上设置缺口部16a～16d。
由于磁极位置检测用磁体16进行高速旋转，因此，当保持力较弱时，会向外周侧移动，在这种情况下，磁极位置检测用主霍尔IC18和磁极位置检测用副霍尔IC19检测出的磁通密度分布发生偏离，其结果是，这些霍尔IC18、19的接通(或断开)定时发生偏离。因此，有可能无法实现设想的转子12的位置检测精度。
对此，如图6所示，通过在磁极位置检测用磁体16的角上设置缺口部16a～16d，在铸造磁石时，将铸模材料20回填到缺口部，变成铸模材料20在4个角支承磁极位置检测用磁体16的构造，从而具有防止磁石的位置偏离的优点。
根据上述实施方式3，通过在位置检测用磁体16的任意角上设置缺口部16a～16d，在铸造磁石时，使铸模材料20回填到缺口部16a～16d，可以抑制偏离，所以可以说是4倍高精度无刷电动机所必须的抑制偏离的方法。
此外，上述实施方式1～实施方式3所涉及的无刷电动机为位置检测装置可以用于任何用途，特别是用于要求小型化、耐久性的车载用设备时可以获得显著的效果，另外，也可以用作为这些车载用设备内部的使节流阀或EGR阀开闭用的驱动源，或VG涡轮的可动叶片的驱动源。
本发明所涉及的无刷电动机位置检测装置，可适用于利用直流电流进行动作的无刷电动机，特别是对于为了提高转子12的旋转位置检测的分辨率而使用磁极位置检测用磁体16、磁极位置检测用主霍尔IC18、和磁极位置检测用副霍尔IC19来提高转子12的旋转位置检测的分辨率来说，是有效的。
工业上的实用性
如上所述，本发明所涉及的无刷电动机位置检测装置为了将磁极位置检测用主霍尔IC与磁极位置检测用副霍尔IC的检测角度误差抑制到最小程度以提高可靠性，采用了以下结构，包括：一组第一霍尔元件，该一组第一霍尔元件安装在与磁极位置检测用磁体相对的面上，用于检测转子的位置；以及一组第二霍尔元件，该一组第二霍尔元件调整偏移，使得第一霍尔元件的安装位置上的磁通密度的最大值与第二霍尔元件的安装位置上的磁通密度的最大值之差在规定的范围内，因此该无刷电动机位置检测装置适用于车载用设备所使用的节流阀、EGR阀的驱动源、或VG涡轮系统的可动叶片等的驱动源。

Claims (6)

1.一种无刷电动机位置检测装置，包括：
定子，该定子配置有多个线圈；
转子，该转子具有规定的极数，通过所述定子被多个励磁图案依次励磁而旋转；
磁极位置检测用磁体，该磁极位置检测用磁体配置在与所述转子的旋转轴正交的面上；
一组第一霍尔元件，该一组第一霍尔元件安装在与所述磁极位置检测用磁体相对的面上，用来检测所述转子的位置；以及
一组第二霍尔元件，该一组第二霍尔元件调整偏移，以使所述第一霍尔元件的安装位置上的磁通密度的最大值与所述第二霍尔元件的安装位置上的磁通密度的最大值之差在规定的范围内，
所述磁极位置检测用磁体被设置成使得所述第一霍尔元件的径向位置上的磁通密度的值与所述第二霍尔元件的径向位置上的磁通密度的值基本相等。
2.如权利要求1所述的无刷电动机位置检测装置，其特征在于，
通过进行使所述第一霍尔元件和第二霍尔元件的安装位置上的转子的旋转角度的检测误差在5度以内的偏移调整，设定所述规定的范围。
3.如权利要求1所述的无刷电动机位置检测装置，其特征在于，
所述磁极位置检测用磁体具有缓和部，该缓和部通过使所述磁极位置检测用磁体的厚度在所述磁极位置检测用磁体的中途变薄，来缓和相对于所述转子的旋转角度的磁通密度分布的变化。
4.如权利要求1所述的无刷电动机位置检测装置，其特征在于，
所述磁极位置检测用磁体由环形磁石形成。
5.如权利要求1所述的无刷电动机位置检测装置，其特征在于，
所述一组第二霍尔元件相对于安装在与具有所述转子的2倍极数的位置检测用磁体相对的面上的所述一组第一霍尔元件，在周向上具有规定的偏移。
6.如权利要求5所述的无刷电动机位置检测装置，其特征在于，
所述磁极位置检测用磁体在角上具有缺口部。
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