DE112013007366B4

DE112013007366B4 - Elektromotor

Info

Publication number: DE112013007366B4
Application number: DE112013007366.8T
Authority: DE
Inventors: Takashi Goto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: JP5855320B2; JPWO2015029105A1; US20160268876A1; WO2015029105A1; DE112013007366T5; CN105518982A

Abstract

Elektromotor (1), umfassend:eine Drehwelle (3), die aus einem Magnetelement ausgebildet ist;einen Rotor (5), der sich einheitlich mit der Drehwelle (3) dreht;einen Stator (7, 8), der mit einer Ankerwicklung (6) gewickelt ist und durch dessen Erregung ein rotierendes Magnetfeld erzeugt;einen Feldmagnet (9-1, 9-2), der mit dem Stator (7, 8) zum Magnetisieren des Rotors (5) angeordnet ist;ein Sensorziel (21), das aus einem Magnetelement ausgebildet ist, das sich einheitlich mit der Drehwelle (3) dreht;einen Sensormagnet (20b, 20c, 31), der an einer Seite des Stators (7, 8) zum Erzeugen eines Magnetfelds angeordnet ist, das über das Sensorziel (21) verläuft; undeinen Drehsensor (20, 30), der an der Seite des Stators (7, 8) zum Erfassen eines magnetischen Flusses des Sensormagnets (20b, 20c 31) angeordnet ist, der sich gemäß einer Drehposition des Sensorziels (21) verändert,wobei ein Feld-Streumagnetfluss von dem Feldmagnet (9-1, 9-2), der über die Drehwelle (3) verläuft, kombiniert wird mit dem Magnetfluss des Sensormagnets (20b, 20c, 31) an einem Bereich, der über den Drehsensor (20, 30) verläuft, und eine magnetische Flussrichtung des Feld-Streumagnetflusses die gleiche ist wie die des Sensormagnets (20b, 20c, 31).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, der so verwendet wird, dass ein Rotor durch einen auf einem Stator angeordneten Feldmagnet magnetisiert wird.
STAND DER TECHNIK
Ein herkömmlicher Elektromotor (siehe zum Beispiel Patentdokument 1) umfasst: einen Rotor, der zwei gestapelte Magnetelemente umfasst, worauf deren jeweilige Polvorsprünge, die als N-Pole und als S-Pole dienen, in einer gegenseitig durch eine halbe Teitung verdrehten Beziehung angeordnet sind; einen Stator, der ein Magnetelement umfasst, auf dem zahnförmige Polvorsprünge ausgebildet sind, die mit einer Ankerwicklung gewickelt sind; und einen Feldmagnet, der auf dem Stator angeordnet ist, um dadurch den Rotor unter Verwendung einer Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld, das im Rotor durch den Feldmagnet erzeugt wird, und einem rotierenden Magnetfeld das in den Zähnen des Stators erzeugt wird, durch Umschalten des Stromflusses in der Ankerwicklung zu drehen.
Um in einem solchen Elektromotor eine Drehung seiner Drehwelle (im Folgenden als Welle bezeichnet) zu steuern, die sich einheitlich mit dem Rotor dreht, ist es erforderlich, eine Erfassung einer Drehposition, einer Drehzahl, einer Drehbeschleunigungsrate, usw. der Welle auszuführen, wobei ein solches Erfassungsverfahren bekannt ist, das einen Drehsensor verwendet, der einen Drehwinkel eines Ziels berührungslos durch Umwandeln von diesem in eine Magnetkraftänderung erfasst. Ein Drehsensor, der ein Hall-IC- (integriertes Schaltkreis-) Verfahren verwendet, bei dem ein Betrag eines magnetischen Flusses erfasst wird, oder der ein MR- (Magnetwiderstands-) Verfahren verwendet, bei dem ein Magnetwiderstand erfasst wird, ist bekannt (siehe beispielsweise die Patentdokumente 2 bis 5). Weil sich bei diesen Verfahren der magnetische Fluss eines Sensormagnets, der über ein auf der Welle angeordnetes Sensorziel fließt, aufgrund der Drehung der Welle periodisch ändert, wird die Änderung des magnetischen Flusses durch ein Sensorelement erfasst, um dadurch die Drehposition, usw. zu bestimmen.
DE 198 42 990 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung der Drehbewegung einer Welle. Zur Ermittlung einer Drehposition der Welle wird ein auf der Welle angebrachter rotierender Flussmodulator verwendet, um ein periodisch veränderliches Streufeld zu erzeugen, welches mittels eines Hallsensors aufgenommen wird.
QUELLENANGABEN
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP H08- 214 519 A
Patentdokument 2: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP H08- 338 850 A
Patentdokument 3: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP 2006- 12 504 A
Patentdokument 4: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP 2001- 133 212 A
Patentdokument 5: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP H08- 105 706 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Gemäß dem Drehsensor, der ein Hall-IC-Verfahren oder ein MR-Verfahren verwendet, ist es aufgrund der Charakteristik dieses Sensorelements schwierig, den Magnetfluss des Sensormagnets und den weiteren externen Magnetfluss (zum Beispiel ein Magnetfeld eines auf dem Umfang angeordneten Magnets, ein magnetisches Feld, das durch einen Draht auf dem Umfang erzeugt wird, und dergleichen) zu unterscheiden. Daher besteht ein Problem, dass ein Abtastfehler in dem durch das externe Magnetfeld beeinflussten Drehsensor auftritt.
Diese Erfindung wurde zum Lösen des oben beschriebenen Problems konzipiert und es ist deren Aufgabe, einen Abtastfehler des Drehsensors aufgrund eines Einflusses des externen Magnetfelds zu verhindern.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Ein Elektromotor der Erfindung umfasst: eine Drehwelle, die aus einem magnetischen Element ausgebildet ist; einen Rotor der sich einheitlich mit der Drehwelle dreht; einen Stator, der mit einer Ankerwicklung gewickelt ist und durch dessen Erregung ein rotierendes Magnetfeld erzeugt; einen Feldmagnet, der mit dem Stator zum Magnetisieren des Rotors angeordnet ist; ein Sensorziel, das aus einem magnetischen Element ausgebildet ist, das sich einheitlich mit der Drehwelle dreht; einen Sensormagnet, der an einer Seite des Stators zum Erzeugen des Magnetfelds angeordnet ist, das über das Sensorziel verläuft; und einen Drehsensor, der an der Seite des Stators zum Erfassen eines magnetischen Flusses des Sensormagnets angeordnet ist, der sich gemäß einer Drehposition des Sensorziels verändert, wobei eine magnetische Flussrichtung des Feldmagnets die gleiche wie die des Sensormagnets ist.
Ein weiterer Elektromotor der Erfindung umfasst: eine Drehwelle, die aus einem Magnetelement ausgebildet ist; einen Rotor, der sich einheitlich mit der Drehwelle dreht; einen Stator, der mit einer Ankerwicklung gewickelt ist und durch dessen Erregung ein rotierendes Magnetfeld erzeugt; einen Feldmagnet, der mit dem Stator zum Magnetisieren des Rotors angeordnet ist; einen Sensormagnet, der sich einheitlich mit der Drehwelle dreht; und einen Drehsensor, der an einer Seite des Stators zum Erfassen eines magnetischen Flusses angeordnet ist, der sich gemäß einer Drehposition des Sensormagnets verändert, wobei eine magnetische Flussrichtung des Feldmagnets die gleiche wie die des Sensormagnets ist.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Da die magnetische Flussrichtung des Feldmagnets erfindungsgemäß zur gleichen wie jener des Sensormagnets gemacht wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Feld-Magnetfluss, der aus dem Feldmagnet in die Drehwelle austritt, zum magnetischen Fluss des Sensormagnets hinzugefügt, sodass sich die Dichte eines Magnetflusses, der über den Drehsensor verläuft, vergrößert. Somit ist es möglich, einen Abtastfehler des Drehsensors aufgrund eines Einflusses des externen Magnetfelds zu verhindern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine Konfiguration eines Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung, worin auf der rechten Seite von einer Drehachsenrichtung X eine vollständige Querschnittsansicht und auf der linken Seite eine Teilquerschnittsansicht veranschaulicht ist.
2 zeigt einen Anordnungszustand eines in 1 dargestellten Drehsensors und eines Sensorziels, worin in 2(a) eine Draufsicht und in 2(b) eine Seitenansicht veranschaulicht ist.
3 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Kennlinie des im Ausführungsbeispiel 1 verwendeten Drehsensors veranschaulicht.
4 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Ausgangswellenform des im Ausführungsbeispiel 1 verwendeten Drehsensors veranschaulicht.
5 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Kennlinie des im Ausführungsbeispiel 1 verwendeten Drehsensors veranschaulicht, womit ein Effekt durch einen Streumagnetfluss beschrieben wird, der über eine Welle verläuft.
6 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Ausgangswellenform des im Ausführungsbeispiel 1 verwendeten Drehsensors veranschaulicht, womit ein Effekt durch einen Streumagnetfluss beschrieben wird, der über die Welle verläuft.
7 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Ausgangswellenform des Drehsensors in einem Fall veranschaulicht, bei dem ein Anordnungsabstand zwischen dem Drehsensor und dem Sensorziel vergrößert wurde.
8 zeigt eine Draufsicht, die einen platzierbaren Bereich des im Ausführungsbeispiel 1 verwendeten Drehsensors veranschaulicht.
9 zeigt Ansichten, die einen Feldmagnet in zylindrischer Form, der in einem Elektromotor gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 verwendet wird, und dessen Magnetflussdichteverteilung veranschaulichen.
10 zeigt Ansichten, die einen Feldmagnet in einer rechteckigen Quaderform, der in einem Elektromotor gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 verwendet wird, und dessen Magnetflussdichteverteilung veranschaulichen.
11 zeigt eine Ansicht, die ein modifiziertes Beispiel des Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 veranschaulicht.
12 zeigt eine Ansicht, die ein weiteres modifiziertes Beispiel des Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 veranschaulicht.

MODI ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird zur detaillierteren Veranschaulichung der Erfindung ein Ausführungsbeispiel zum Ausführen der Erfindung gemäß den anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
Ein in 1 dargestellter Elektromotor 1 umfasst in dessen Gehäuse 2, das aus einem nichtmagnetischen Element ausgebildet ist: eine Welle (Drehwelle) 3, die aus einem magnetischen Element ausgebildet ist; ein Lager 4, durch das die Welle 3 drehbar abgestützt wird; einen Rotor 5, der sich einheitlich mit der Welle 3 dreht; Statoren 7, 8, die mit einer Ankerwicklung 6 gewickelt sind und durch deren Erregung ein rotierendes Magnetfeld erzeugen; einen Feldmagnet 9, der zwischen den Statoren 7, 8 zum Magnetisieren der Welle 3 angeordnet ist; Drehsensoren 20, die eine Drehposition der Welle 3 ermitteln; eine Stromschiene 10 zum Erregen der Ankerwicklung 6; und eine Steuerplatine 11, welche die Erregung von der Stromschiene 10 zur Ankerwicklung 6 basierend auf der Drehposition der Welle 3 steuert.
Hierbei sei angemerkt, dass in 1 auf der rechten Seite von einer Drehachsenrichtung X eine vollständige Querschnittsansicht dargestellt ist und auf der linken Seite eine Teilquerschnittsansicht dargestellt ist. Zudem sind in 1 zwei Drehsensoren 20 angeordnet.
Im Rotor 5, der aus einem magnetischen Element aufgebaut ist, sind Vorsprungbereiche, die nach außen vorragen, in Umfangsrichtung an zwei um 180° voneinander entfernten Positionen angeordnet und jeder der Vorsprungbereiche ist in einem Zustand angeordnet, der an einer Mitte in der Drehachsenrichtung X (den Vorsprungbereichen 5a, 5b) um 90° nach innen verschoben ist. Die Welle 3 ist am Rotor 5 befestigt, sodass, wenn sich die Welle 3 einheitlich mit dem Rotor 5 dreht, eine im Rotor 5 erzeugte Drehkraft nach außen abgegeben wird. Wenn der Elektromotor 1 bei einem Automobil-Turbolader, einem elektrischen Kompressor und dergleichen verwendet wird, ist die Welle 3 mit einer Drehwelle einer Turbine (einem sogenannten „Laufrad“) verbunden, sodass die Turbine durch den Elektromotor 1 rotierend angetrieben wird.
In den Statoren 7, 8, die aus einem nichtmagnetischen Element aufgebaut sind, sind eine Vielzahl von nach innen vorragenden Zähnen 7a, 8a in Umfangsrichtung ausgebildet, auf denen die Ankerwicklung 6 entlang der Drehachsenrichtung X gewickelt ist. Zwischen den Statoren 7, 8 ist zudem der Feldmagnet 9 zum Magnetisieren des Rotors 5 angeordnet.
Die Stromschiene 10 ist aus einem Harzelement aufgebaut, in welchem eine Kupferplattenspule 10a einstückig eingegossen ist. Ein Ende und das andere Ende der Spule 10a sind mit der Ankerwicklung 6 bzw. der Steuerplatine 11 elektrisch verbunden. Die Steuerplatine 11 wandelt eine nicht dargestellte externe Energieversorgung in eine Wechselstromversorgung um und bewirkt, dass ein Strom zur Ankerwicklung 6 fließt, während zwischen den Phasen der Spule 10a (z. B. drei Phasen einer U-Phase, V-Phase und W-Phase) basierend auf dem Ausgangssignal des Drehsensors 20 sequenziell umgeschaltet wird.
Der magnetische Fluss vom in der Drehachsenrichtung X magnetisierten Feldmagnet 9 (ein in 1 dargestellter Feld-Magnetflussweg) stellt einen Feld-Magnetfluss bereit, der aus dem auf der N-Pol-Seite angeordneten Stator 8 des Feldmagnets 9 in den Vorsprungbereich 5b des Rotors 5 fließt, sich im Rotor 5 in der Drehachsenrichtung X fortsetzt, und aus dem auf der S-Pol-Seite vorhandenen Vorsprungbereich 5a austritt, um in den auf der S-Pol-Seite des Rotors 5 angeordneten Stator 7 zu fließen. Wenn eine magnetomotorische Feldkraft vom Feldmagnet 9 auf diese Weise auf den Rotor 5 einwirkt, wird der Vorsprungbereich 5b des Rotors 5, welcher der N-Pol-Seite des Feldmagnets 9 zugewandt ist, mit einer N-Polarität magnetisiert, und der Vorsprungbereich 5a, welcher der S-Pol-Seite des Feldmagnets 9 zugewandt ist, wird mit einer S-Polarität magnetisiert. Wenn ein Strom durch die Spule 10a der Stromschiene 10 in die Ankerwicklung 6 fließt, werden die jeweiligen Zähne 7a, 8a der Statoren 7, 8 entsprechend der Richtung des fließenden Stroms magnetisiert, um dadurch ein rotierendes Magnetfeld zu generieren, sodass ein Drehmoment erzeugt wird. Wenn die in die Ankerwicklung 6 bewirkte Fließrichtung des Stroms unter einer Steuerung der Steuerplatine 11 umgeschaltet wird, bewegen sich die jeweiligen NS-Polaritäten der Zähne 7a, 8a drehend, sodass sich der Rotor 5 aufgrund des magnetomotorischen Effekts dreht.
Nachfolgend werden Details des Drehsensors 20 beschrieben.
2(a) zeigt eine Draufsicht, die einen Anordnungszustand des Drehsensors 20 und eines Sensorziels 21 veranschaulicht, und 2(b) zeigt die Seitenansicht. Der Drehsensor 20 ist ein IC-Chip, der mit einem Sensorelement 20a und Sensormagneten 20b, 20c versehen ist, die miteinander integriert sind; das Sensorelement 20a und die Sensormagneten 20b, 20c können jedoch getrennt vorgesehen werden. Als Sensorelement 20a wird ein Hall-Element oder ein Magnetwiderstandselement verwendet, und in 1 und 2 ist das Sensorelement 20a so angeordnet, dass dessen Erfassungsrichtung senkrecht zur Drehachsenrichtung X verläuft. Die Anzahl der im Drehsensor 20 enthaltenen Sensormagnete 20b, 20c kann einen oder mehrere betragen und die jeweiligen Sensormagnete 20a, 20b sind so angeordnet, dass deren S-Pole zum Sensorziel 21 gerichtet sind.
In diesem Anordnungsbeispiel fließen die magnetischen Flüsse der Sensormagnete 20b, 20c (die in 1 und 2 dargestellten Sensor-Magnetflusswege) von den N-Polen der Sensormagnete 20b, 20c in das Sensorziel 21, und kehren durch das Sensorelement 20a zu den S-Polen der Sensormagnete 20b, 20c zurück.
Das Sensorziel 21 ist als magnetisches Element mit einer nahezu kreisscheibenförmigen Plattenform vorgegeben, und ist an einem Endbereich der Welle 3 befestigt. Im Sensorziel 21 sind entlang des Umfangsendes konvexe Bereiche 21a und konkave Bereiche 21 b gleichwinklig ausgebildet, sodass der Abstand zwischen dem Sensorziel 21 und dem Drehsensor 20 konfiguriert ist, sich aufgrund der Drehung der Welle 3 zu verändern.
3 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Kennlinie des Drehsensors 20 veranschaulicht, wobei die Abszisse ein Abstand zwischen dem Drehsensor 20 und dem Sensorziel 21 (z. B. A1 oder A2 in der Figur) ist, und die Ordinate eine minimale Magnetflussdichte (nachfolgend eine minimal erforderliche Magnetflussdichte) ist, die eine Erfassung durch den Drehsensor 20 ermöglicht. Die Grafik zeigt: je geringer der Abstand zwischen dem Drehsensor 20 und dem Sensorziel 21 wird, desto kleiner ist die magnetische Flussdichte, die erfasst werden kann, und je weiter der Abstand wird, desto größer ist die magnetische Flussdichte, die erforderlich ist.
4 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Ausgangswellenform des Drehsensors 20 veranschaulicht, wobei die Abszisse eine Zeit während der Drehung der Welle 3 (und des Sensorziels 21) ist, und die Ordinate eine Ausgangsspannung des Drehsensors 20 ist. Da der konvexe Bereich 21a und der konkave Bereich 21 b des Sensorziels 21 sich aufgrund der Drehung der Welle 3 drehend bewegen, verändert sich der Abstand zwischen dem Sensorziel 21 und dem Drehsensor 20 zwischen A und A+R. Unter der Annahme, dass der Abstand vom Drehmittelpunkt der Welle 3 zum konkaven Bereich 21 b gleich R1 ist, und der Abstand von dort bis zum konvexen Bereich 21 gleich R2 ist, gilt die Beziehung R = R2 - R1.
Der Drehsensor 20 gibt eine Spannung gemäß einer Dichte des Magnetflusses aus, der über den Sensor selbst verläuft. Wenn, wie in der grafischen Darstellung von 4 veranschaulicht, sich der konvexe Bereich 21 a des Sensorziels 21 dem Drehsensor 20 nähert, wird die Dichte des magnetischen Flusses, der über das Sensorelement 20a verläuft, folglich größer, sodass sich die Ausgangsspannung erhöht, wohingegen, wenn sich der konkave Bereich 21 b dem Drehsensor 20 nähert, die Dichte des magnetischen Flusses, der über das Sensorelement 20a verläuft, kleiner wird, sodass sich die Ausgangsspannung verringert.
Darüber hinaus entspricht eine minimal zulässige Ausgangssignallinie, die durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, der minimal erforderlichen Magnetflussdichte in 3, sodass, wenn die Dichte des Magnetflusses, der über das Sensorelement 20a verläuft, unter die minimal zulässige Ausgangssignallinie fällt, dies einen Abtastfehler verursacht, sodass es schwierig wird, zwischen dem konvexen Bereich 21a und dem konkaven Bereich 21b des Sensorziels 21 zu unterscheiden.
Nachfolgend wird ein Verlauf eines magnetischen Flusses im Elektromotor 1 beschrieben.
Der Feldmagnet 9 ist, wie in 1 dargestellt, zwischen den Statoren 7, 8 angeordnet, wodurch eine Struktur bereitgestellt wird, die eine Übertragung des Feld-Magnetflusses verbessert, sodass folgender Feld-Magnetflussweg hergestellt wird: Feldmagnet 9 - Stator 8 - Rotor 5 - Stator 7 - Feldmagnet 9. Hierbei sei angemerkt, dass, da das Gehäuse 2 ein nichtmagnetisches Element ist, dieses im Feld-Magnetflussweg nicht enthalten ist.
Außerdem tritt ein Feld-Magnetfluss des Feldmagnets 9 zur Welle 3 aus, die aus einem magnetischen Element ausgebildet ist, sodass folgender Streumagnetflussweg hergestellt wird: Feldmagnet 9 - Stator 8 - Rotor 5 - Welle 3 - Sensorziel 21 - Drehsensor 20 - Stator 7 - Feldmagnet 9.
Wegen der Sensormagnete 20b, 20c des Drehsensors 20 werden indessen folgende Sensor-Magnetflusswege hergestellt: Sensormagnete 20b, 20c - Sensorziel 21 - Sensormagnete 20b, 20c.
Wenn die Feld-Magnetflussrichtung des Feldmagnets 9 bei dieser Gelegenheit an die Sensor-Magnetflussrichtung der Sensormagnete 20b, 20c angepasst wird, wird ein Feld-Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, mit den Magnetflüssen der Sensormagnete 20b, 20c so kombiniert, dass sich die Dichte des Magnetflusses, der über das Sensorelement 20a verläuft, vergrößert, wodurch sich die Toleranz des Drehsensors 20 gegenüber einem externen Magnetfeld verbessert.
Das externen Magnetfeld ist ein Magnetfeld mit Ausnahme derjenigen der Sensormagneten 20b, 20c und bezeichnet ein Rauschen einer peripheres elektronischen Vorrichtung, ein Leitungsrauschen, ein Feldmagnetfeld und dergleichen. Wenn im Elektromotor 1 z. B. der Feld-Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, in eine Richtung entgegengesetzt zu den Magnetflüssen der Sensormagnete 20b, 20c (dieser Fall ist nicht dargestellt) gerichtet wird, dient dieser Streumagnetfluss dazu, dass Sensormagnetfeld zu negieren, und kann somit ein externes Magnetfeld sein, das einen Abtastfehler verursacht.
Um generell zu verhindern, dass ein externes Magnetfeld den Drehsensor 20 beeinflusst, ist es erforderlich, eine ein externes Magnetfeld blockierende Abschirmung so zu platzieren, dass diese den Drehsensor 20 abdeckt. Jedoch bietet das Platzieren der ein externes Magnetfeld blockierenden Abschirmung eine Möglichkeit, dass die Magnetfelder der Sensormagnete 20b, 20c ebenfalls abgefangen werden, um nicht in das Sensorelement 20a zu fließen. Dies kann zu einem Abtastfehler führen. Außerdem kann dies zu einem Kostenanstieg aufgrund einer erhöhten Bauteileanzahl und einer Produktvolumenzunahme aufgrund eines Raums für die Platzierung führen.
Als weitere Möglichkeit gibt es ein Verfahren, bei dem nach Prognostizieren eines externen Magnetfelds der Drehsensor 20 an einer Position angeordnet ist, wo dieser soweit als möglich vom externen Magnetfeld nicht beeinträchtigt wird. Wenn der Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, zum externen Magnetfeld wird, das einen Abtastfehler verursacht, müssen der Drehsensor 20 und das Sensorziel 21 weiter vom Streumagnetflussweg entfernt angebracht werden; dies führt jedoch zu einem Anstieg des Produktvolumens, wodurch sich der Wert des Produkts selbst reduziert. Unter der Annahme dass ein Produkt, wie zum Beispiel ein Automobilmotor, rundherum mit komplizierten Verdrahtungen versehen ist, ist es zudem schwierig das externe Magnetfeld zu prognostizieren.
Wenn die Welle 3 indessen gegen ein nicht magnetisches Element (zum Beispiel Aluminium) getauscht wird, kann der Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, reduziert werden; jedoch wird der Feld-Magnetflussweg des Feldmagnets 9 verringert, wodurch sich ein Betrag des Feld-Magnetflusses reduziert. Dies kann zu einer Verringerung der Ausgangsleistung des Elektromotors 1 führen.
Da im Gegensatz dazu gemäß dem Anordnungsverfahren des Ausführungsbeispiels 1 die Toleranz des Drehsensors 20 gegenüber einem externen Magnetfeld erhöht wird, wird es nicht erforderlich, Maßnahmen zum Schutz vor einem externen Magnetfeld, wie zum Beispiel eine Abschirmung und dergleichen, zu ergreifen.
Darüber hinaus wird gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 bewirkt, dass ein Feld-Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, über das Sensorelement 20a des Drehsensors 20 verläuft, sodass es möglich wird, die Sensormagnete 20b, 20c mit einer Magnetflussdichte mit geringerer Güte einzusetzen, um dadurch eine Kostenreduzierung der Sensormagnete 20b, 20c zu erreichen. Es ist zum Beispiel möglich, von einem Neodym-Magnet oder ein Samarium-Kobalt-Magnet auf einen Ferritmagnet mit geringerer Güte zu wechseln.
5 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Kennlinie des Drehsensors 20 veranschaulicht, wobei die Abszisse ein Abstand zwischen dem Drehsensor 20 und dem Sensorziel 21 ist und die Ordinate eine minimal erforderliche Magnetflussdichte des Drehsensors 20 ist. Wenn der Feld-Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, hinzugefügt und mit einer minimal erforderlichen Magnetflussdichte (gestrichelte Linie) zum Zeitpunkt kombiniert wird, geschieht dies nur aufgrund der magnetischen Flüsse der Sensormagnete 20b, 20c, wobei die minimal erforderliche Magnetflussdichte, wie durch eine durchgezogene Linie gekennzeichnet, größer wird. Folglich vergrößert sich der Abtastbereich des Drehsensors 20, sodass es möglich wird, ein weiter entferntes Sensorziel 21 zu erfassen. Mit anderen Worten, selbst wenn die Sensormagnete 20b, 20c mit einer magnetischen Flussdichte, die durch den Streumagnetfluss kleiner ist, verwendet werden, und sich somit die minimal erforderliche Magnetflussdichte verringert, wird es möglich, das Sensorziel 21 zu erfassen.
6 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Ausgangswellenform des Drehsensors 20 veranschaulicht, wobei die Abszisse eine Zeit während der Drehung der Welle 3 ist und die Ordinate eine Ausgangsspannung des Drehsensors 20 ist. Im Vergleich zu einer Ausgangsspannung, die nur aufgrund der magnetischen Flüsse der Sensormagnete 20b, 20c (gestrichelte Linie) auftritt, wird die Ausgangsspannung, wenn der Feld-Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, hinzugefügt und mit den Sensor-Magnetflüssen kombiniert wird, höher (durchgezogene Linie). Mit anderen Worten, selbst wenn die Sensormagnete 20b, 20c mit einer Magnetflussdichte, die um den Streumagnetfluss verringert ist, verwendet werden, ist es möglich, die durch die gestrichelte Linie gekennzeichnete Ausgangsspannung herzustellen, sodass kein Abtastfehler auftritt.
Darüber hinaus ist es gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 möglich, den platzierbaren Bereich des Drehsensors 20 relativ zum Sensorziel 21 zu vergrößern, wodurch die Flexibilität für dessen Platzierung verbessert wird.
In 7 ist eine Ausgangswellenform des Drehsensors 20 in einem Fall veranschaulicht, bei dem der Anordnungsabstand zwischen dem Drehsensor 20 und dem Sensorziel 21 vergrößert wurde. Im Vergleich zu den Abständen A und A+R in 4 wurden die Abstände B und B+R (B > A) in 7 zwischen dem Sensorziel 21 und dem Drehsensor 20 vergrößert. Der Abstand B+R ist größer als der Abstand, der die minimal erforderliche Magnetflussdichte erfüllt, der für den Drehsensor zum Erfassen des Sensorziels 21 erforderlich ist. Folglich führen, wie in der grafischen Darstellung durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet, nur die Magnetflüsse der Sensormagnete 20b, 20c zu einem Abtastfehler, wenn der konkave Bereich 21b dem Drehsensor 20 gegenüberliegt.
Im Gegensatz dazu wird gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der Feld-Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, hinzugefügt und mit den magnetischen Flüssen der Sensormagnete 20b, 20c kombiniert. Folglich tritt, wie in der grafischen Darstellung von 7 durch eine durchgezogene Linie gekennzeichnet, kein Abtastfehler auf, selbst wenn der konkave Bereich 21b des Sensorziels 21, dem Drehsensor 20 gegenüberliegt. Folglich kann der Anordnungsabstand des Drehsensors 20 relativ zum Sensorziel 21 größer als der Abstand gemacht werden, der die minimal erforderliche Magnetflussdichte erfüllt, die für den Drehsensor 20 zum Erfassen des Sensorziels 21 erforderlich ist.
In 8 ist ein platzierbarer Bereich des Drehsensors 20 veranschaulicht. Im Allgemeinen ist der Drehsensor 20 an einer durch den Abstand A vom Sensorziel 21 entfernten Position angeordnet, wohingegen der Drehsensor 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 in einem Abstand B (B > A) angeordnet werden kann, der größer als der Abstand A ist, sodass sich der platzierbare Bereich vergrößert.
Es ist ausreichend, dass der Abstand B mittels einer Magnetfeldanalyse ermittelt wird.
Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass die Form des platzierbaren Bereichs des Drehsensors 20 von der Form des Feldmagnets 9 abhängt. In 9 sind ein Feldmagnet in zylindrischer Form 9-1 und dessen Magnetflussdichteverteilung veranschaulicht, und in 10 sind ein Feldmagnet in rechteckiger Quaderform (kann stattdessen eine regelmäßige Hexaederform oder dergleichen sein) 9-2 und dessen Magnetflussdichteverteilung veranschaulicht. Eine Stelle, an der die Magnetflussdichte für jeden der Feldmagneten 9-1 und 9-2 gemessen wird, ist an der Position mit der gleichen Höhe von deren Oberflächen vorgegeben. In beiden Feldmagneten 9-1 und 9-2 sind Öffnungen in deren Mitten ausgebildet, durch welche die Welle 3 und der Rotor 5 hindurchgeführt sind. Ferner sind die magnetisierten Richtungen der Feldmagnete 9-1 und 9-2 beide auf die Drehachsenrichtung X eingestellt.
Wie in 9(a) und 10(a) dargestellt, ist die Magnetflussdichte auf den Feldmagneten 9-1, 9-2 groß und verringert sich außen oder nach innen davon. Im Falle des Feldmagnets in zylindrischer Form 9-1, der in der perspektivischen Umrissansicht von 9(b) dargestellt ist, ist der Betrag der Magnetflussdichte konzentrisch der gleiche. Wenn daher eine Vielzahl von Drehsensoren 20 konzentrisch um die Welle 3 angeordnet werden, können die Drehsensoren 20 mit dem gleichen Sensorsteuerwert ohne Änderung ihrer Spezifikationen verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist im Fall des Feldmagnets in rechteckiger Quaderform 9-2, der in der perspektivischen Umrissansicht von 10(b) dargestellt ist, die Magnetflussdichte konzentrisch nicht gleichmäßig, und daher ist der Magnetfluss abhängig von der Position unterschiedlich. Wenn eine Vielzahl von Drehsensoren 20 angeordnet werden sollen, ist es daher notwendig, einen Sensorsteuerwert in Abhängigkeit von der Anordnungsposition zu verändern.
Demzufolge umfasst der Elektromotor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1: die Welle 3, die aus einem magnetischen Element ausgebildet ist; den Rotor 5, der sich einheitlich mit der Welle 3 dreht; die Statoren 7, 8, die mit einer Ankerwicklung 6 gewickelt sind und durch deren Erregung ein rotierendes Magnetfeld erzeugen; den Feldmagnet 9, der mit den Statoren 7, 8 zum Magnetisieren des Rotors 5 angeordnet ist; das Sensorziel 21, das aus einem magnetischen Element ausgebildet ist, das sich einheitlich mit dem Rotor 5 dreht; die Sensormagnete 20b, 20c, die an einer Seite der Statoren 7, 8 zum Erzeugen von Magnetfeldern angeordnet sind, die über das Sensorziel 21 verlaufen; und die Drehsensoren 20, die jeweils an der Seite der Statoren 7, 8 zum Erfassen der Magnetflüsse der Sensormagnete 20b, 20c angeordnet sind, die sich gemäß einer Drehposition des Sensorziels 21 verändern, wobei die Magnetflussrichtung des Feldmagnets 9 die gleiche wie die der Sensormagnete 20b, 20c ist. Dementsprechend wird der Feld-Streumagnetfluss vom Feldmagnet 9, der über die Welle 3 verläuft, den Magnetflüssen der Sensormagnete 20b, 20c hinzugefügt, sodass sich die Dichte des über den Drehsensor 20 verlaufenden Magnetflusses vergrößert. Dadurch ist es möglich, einen Abtastfehler des Drehsensors 20 aufgrund eines Einflusses des externen Magnetfelds zu verhindern. Als Folge davon ist es nicht erforderlich, Maßnahmen zum Schutz vor einem externen Magnetfeld, wie zum Beispiel eine Abschirmung und dergleichen, zu ergreifen, wodurch eine Reduzierung der Kosten und Größe des Elektromotors 1 ermöglicht wird. Da sich die Dichte des Magnetflusses, der über den Drehsensor 20 verläuft, vergrößert, verbessert sich zudem ein unterer Abtastgrenzwert des Drehsensors 20, sodass es möglich ist, eine Kostenreduzierung unter Verwendung der Sensormagnete 20b, 20c mit verminderter Güte zu erreichen.
Da der Abtastgrenzwert des Drehsensors 20 verbessert wird, kann der Anordnungsabstand des Drehsensors 20 relativ zum Sensorziel 21 größer als der Abstand gemacht werden, der die minimal erforderliche Magnetflussdichte erfüllt, die für den Drehsensor 20 zum Erfassen des Sensorziels 21 erforderlich ist. Dies vergrößert den platzierbaren Bereich des Drehsensors 20, wodurch sich die Flexibilität für dessen Anordnung verbessert.
Hierbei sei angemerkt, dass, wenn die Magnetflussrichtungen des Feldmagnets 9 und der Sensormagnete 20b, 20c gleich eingestellt sind, die beiden Magnetflussrichtungen nicht exakt aufeinander abgestimmt werden müssen und in einem Bereich liegen können, wo die oben beschriebenen Effekte erreicht werden (zum Beispiel innerhalb von ±10 Grad als Winkel zwischen den beiden Magnetfluss Richtungen).
Wenn ferner gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 eine Vielzahl von Drehsensoren 20 angeordnet werden sollen, wird eine solche Konfiguration verwendet, bei der die Vielzahl der Drehsensoren 20 konzentrisch um die Welle 3 herum angeordnet sind, und der Feldmagnet 9 eine zylindrische Form aufweist, welche die Welle 3 umschließt (wie zum Beispiel der Feldmagnet 9-1 in 9). Dies erübrigt das Erfordernis, die Spezifikationen der Vielzahl von Drehsensoren 20 zu verändern, sodass sich die Anordnung vereinfacht.
Darüber hinaus ist der Elektromotor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 mit dem aus einem nichtmagnetischen Element ausgebildeten Gehäuse 2 konfiguriert, das die Statoren 7, 8 und den Feldmagnet 9 befestigt. Dies verhindert das Auftreten eines magnetischen Nebenschlusses, der ein Feld-Magnetflussweg des Feldmagnets 9 ist, der nicht durch den Rotor 5 verläuft, sondern durch das Gehäuse 2 verläuft, wodurch es möglich ist, eine Reduzierung der Ausgangsleistung des Elektromotors 1 zu verhindern.
Hierbei sei angemerkt, dass, obwohl der Drehsensor 20 in der obigen Beschreibung so angeordnet ist, dass die Abtastrichtung des Sensorelements 20a, wie in 1 dargestellt, senkrecht zur Drehachsenrichtung X verläuft, der Drehsensor 20 so angeordnet werden kann, dass die Abtastrichtung des Sensorelements 20a, wie in 11 dargestellt, parallel zur Drehachsenrichtung X verläuft. Wenn die Feld-Magnetflussrichtung des Feldmagnets 9 und die Sensor-Magnetflussrichtung der Sensormagnete 20b, 20c aufeinander abgestimmt sind, wird selbst in diesem Fall der Feld-Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, mit den Magnetflüssen der Sensormagnete 20b, 20c kombiniert, sodass sich die Dichte des Magnetflusses, der über das Sensorelement 20a verläuft, vergrößert.
In der vorstehenden Beschreibung wird ferner die in 1 dargestellte Konfiguration verwendet, bei welcher der Magnetfluss, der über das an der Welle 3 befestigte Sensorziel 21 verläuft, durch den Drehsensor 20 erfasst wird; es kann jedoch stattdessen eine wie in 12 dargestellte Konfiguration verwendet werden, bei der der Magnetfluss, der über einen an der Welle 3 befestigten Sensormagnet 31 verläuft, durch einen Drehsensor 30 erfasst wird. Der Elektromotor 1 kann insbesondere konfiguriert sein mit: der Welle 3, die aus einem magnetischen Element ausgebildet ist; dem Rotor 5, der sich einheitlich mit der Welle 3 dreht; den Statoren 7, 8, die mit der Ankerwicklung 6 gewickelt sind und durch deren Erregung ein rotierendes Magnetfeld erzeugen; dem Feldmagnet 9, der mit den Statoren 7, 8 zum Magnetisieren des Rotors 5 angeordnet ist; den Sensormagneten 31, die sich einheitlich mit der Welle 3 drehen; und Drehsensoren 30, die jeweils an der Seite der Statoren 7, 8 zum Erfassen von Magnetflüssen angeordnet sind, die sich gemäß einer Drehposition der Sensormagnete 31 verändern. Wenn die Feld-Magnetflussrichtung des Feldmagnets 9 und die Sensor-Magnetflussrichtung des Sensormagnets 31 aufeinander abgestimmt sind, wird selbst in diesem Fall der Feld-Streumagnetfluss, der über die Welle 3 verläuft, mit dem Magnetfluss des Sensormagnets 31 kombiniert, sodass sich die Dichte des Magnetflusses, der über ein Sensorelement (nicht dargestellt) verläuft, das im Drehsensor 30 enthalten ist, vergrößert.
Hierbei sei angemerkt, dass ansonsten eine Modifikation irgendeines Konfigurationselements im Ausführungsbeispiel und ein Weglassen irgendeines Konfigurationselements im Ausführungsbeispiel in der vorliegenden Erfindung erfolgen können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben, verhindert der erfindungsgemäße Elektromotor einen Abtastfehler des Drehsensors aufgrund des Streumagnetflusses des Feldmagnets in der Weise, dass die Magnetflussrichtung des Sensormagnets des Drehsensors und die Magnetflussrichtung des Feldmagnets aufeinander abgestimmt sind. Somit ist die Erfindung zur Verwendung in einem Elektromotor geeignet, der mit einem Feldmagnet zum Magnetisieren eines Rotors oder dergleichen versehen ist.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Elektromotor
2: Gehäuse
3: Welle
4: Lager
5: Rotor
5a, 5b: Vorsprungbereiche
6: Ankerwicklung
7, 8: Statoren
7a, 8a: Zähne
9-1, 9-2: Feldmagnet
10: Stromschiene
10a: Spule
11: Steuerplatine
20, 30: Drehsensor
20a: Sensorelement
20b, 20c, 31: Sensormagnet
21: Sensorziel
21a: konvexer Bereich
21b: konkaver Bereich

Claims

Elektromotor (1), umfassend: eine Drehwelle (3), die aus einem Magnetelement ausgebildet ist; einen Rotor (5), der sich einheitlich mit der Drehwelle (3) dreht; einen Stator (7, 8), der mit einer Ankerwicklung (6) gewickelt ist und durch dessen Erregung ein rotierendes Magnetfeld erzeugt; einen Feldmagnet (9-1, 9-2), der mit dem Stator (7, 8) zum Magnetisieren des Rotors (5) angeordnet ist; ein Sensorziel (21), das aus einem Magnetelement ausgebildet ist, das sich einheitlich mit der Drehwelle (3) dreht; einen Sensormagnet (20b, 20c, 31), der an einer Seite des Stators (7, 8) zum Erzeugen eines Magnetfelds angeordnet ist, das über das Sensorziel (21) verläuft; und einen Drehsensor (20, 30), der an der Seite des Stators (7, 8) zum Erfassen eines magnetischen Flusses des Sensormagnets (20b, 20c 31) angeordnet ist, der sich gemäß einer Drehposition des Sensorziels (21) verändert, wobei ein Feld-Streumagnetfluss von dem Feldmagnet (9-1, 9-2), der über die Drehwelle (3) verläuft, kombiniert wird mit dem Magnetfluss des Sensormagnets (20b, 20c, 31) an einem Bereich, der über den Drehsensor (20, 30) verläuft, und eine magnetische Flussrichtung des Feld-Streumagnetflusses die gleiche ist wie die des Sensormagnets (20b, 20c, 31).
Elektromotor (1), umfassend: eine Drehwelle (3), die aus einem Magnetelement ausgebildet ist; einen Rotor (5), der sich einheitlich mit der Drehwelle (3) dreht; einen Stator (7, 8), der mit einer Ankerwicklung (6) gewickelt ist und durch dessen Erregung ein rotierendes Magnetfeld erzeugt; einen Feldmagnet (9-1, 9-2), der mit dem Stator zum Magnetisieren des Rotors (5) angeordnet ist; einen Sensormagneten (20b, 20c, 31), der sich einheitlich mit der Drehwelle (3) dreht; und einen Drehsensor (20, 30), der an der Seite des Stators (7, 8) zum Erfassen eines magnetischen Flusses des Sensormagnets (20b, 20c, 31) angeordnet ist, der sich entsprechend einer Drehposition des Sensormagnets (20b, 20c, 31) verändert, wobei ein Feld-Streumagnetfluss von dem Feldmagnet (9-1, 9-2), der über die Drehwelle (3) verläuft, kombiniert wird mit dem Magnetfluss des Sensormagnets (20b, 20c, 31) an einem Bereich, der über den Drehsensor verläuft, und eine magnetische Flussrichtung des Feld-Streumagnetflusses die gleiche ist wie die des Sensormagnets (20b, 20c, 31).
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, wobei ein Anordnungsabstand des Drehsensors (20, 30) relativ zum Sensorziel (21) größer als ein Abstand ist, der eine minimale Magnetflussdichte des Sensormagneten (20b, 20c, 31) erfüllt, die für den Drehsensor (20, 30) zum Erfassen des Sensorziels (21) erforderlich ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 2, wobei ein Anordnungsabstand des Drehsensors (20, 30) relativ zum Sensormagnet (20b, 20c, 31) größer als ein Abstand ist, der eine minimale Magnetflussdichte erfüllt, die für den Drehsensor (20, 30) zum Erfassen des Sensormagneten (20b, 20c, 31) erforderlich ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, wobei in einem Fall, bei dem eine Vielzahl von Drehsensoren (20, 30), die jeweils der genannte Drehsensor (20, 30) sind, angeordnet ist, die Vielzahl von Drehsensoren (20, 30) konzentrisch um die Drehwelle (3) angeordnet ist, und der Feldmagnet (9-1, 9-2) zylinderförmig ist, der die Drehwelle (3) umschließt.
Elektromotor (1) nach Anspruch 2, wobei im Falle, bei dem eine Vielzahl von Drehsensoren (20, 30), die jeweils der genannte Drehsensor (20, 30) sind, angeordnet ist, die Vielzahl der Drehsensoren (20, 30) konzentrisch um die Drehwelle (3) angeordnet ist, und der Feldmagnet zylinderförmig ist, der die Drehwelle (3) umschließt.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, wobei der Drehsensor (20, 30) ein Hallelement oder ein Magnetwiderstandselement ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 2, wobei der Drehsensor (20, 30) ein Hallelement oder ein Magnetwiderstandselement ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, wobei das Sensorziel (21) ein kreisscheibenförmiges plattenartiges Element ist, das an dessen Außenumfangsende zumindest eine konkav-konvexe Form aufweist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, ferner umfassend ein durch ein nichtmagnetisches Element ausgebildetes Gehäuse, durch das der Stator (7, 8) und der Feldmagnet (9-1, 9-2) befestigt sind.
Elektromotor (1) nach Anspruch 2, ferner umfassend ein durch ein nichtmagnetisches Element ausgebildetes Gehäuse, durch das der Stator (7, 8) und der Feldmagnet (9-1, 9-2) befestigt sind.