JP2004153924A

JP2004153924A - 永久磁石回転機

Info

Publication number: JP2004153924A
Application number: JP2002315939A
Authority: JP
Inventors: Fumio Tajima; 文男田島; Shoichi Kawamata; 昭一川又; Yutaka Matsunobu; 豊松延; Toshiyuki Yasujima; 俊幸安島; Ryozo Masaki; 良三正木; Yukio Otani; 行雄大谷; Hirotaka Oikawa; 浩隆及川; Shoichi Tsuchiya; 昭一土屋
Original assignee: Hitachi Ltd; Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Tokico Ltd
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】小型軽量、高精度、高応答永久磁石回転機、及びそれを用いた自動車用アクチュエータ装置、電動ブレーキ装置を提供すること。
【解決手段】上記の目的を達成するために、固定子巻線を巻回した第１の固定子突極と、固定子巻線を巻回しない第２の固定子突極とを有する固定子と、永久磁石を有する永久磁石回転子から構成される永久磁石回転機において、固定子巻線の巻回しない第２の固定子鉄心に磁気感知素子からなる磁極位置検出器を配置するとともに、永久磁石の空隙面に略正弦波状の磁束を出す永久磁石回転子を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁極位置検出器が備わる永久磁石回転機に係わり、特に、小型軽量、高精度、高応答の永久磁石回転機、及びそれを用いた自動車用アクチュエータ装置、電動ブレーキ装置を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の燃費向上、排気ガス対策が必要とされている。これを実現するために自動車用油圧機構を電動化することが考えられ、推進中である。この対象としては、電動ブレーキ、自動マニュアルトランスミッション等がある。常時油圧を確保するために消費されるエネルギーを、電動化することで動作時のみの電力消費で済むようにするものである。
【０００３】
その場合のアクチュエータとしては一般に価格の点から直流機が第１候補として取り上げられている。一方、自動車に使われるアクチュエータとしてはスロットルアクチュエータに代表されるように直流機を利用する方式が価格の点で多く用いられている。
【０００４】
一方、ネオジム磁石等の高性能磁石の開発によって、この分野でも永久磁石ブラシレスモータの採用が試みられている。
その代表例として、特開平６−３３８０４号公報（特許文献１）に示すスロットルバルブアクチュエータを採用した構成について開示している。永久磁石ブラシレスモータは、磁極位置検出器を必要とするが、上記従来方式の磁極位置検出器を備えた永久磁石ブラシレスモータは、次のような問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３３８０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１では、モータの駆動方式は磁極位置検出器のＯＮ−ＯＦＦのみを利用した１２０度通電方式を行っており、次の欠点があった。
【０００７】
第１に、位置決めのモータの相切り換えによるトルク脈動が生じ、制御が不安定となる。
【０００８】
第２に、１２０度通電であるためにトルク定数が回転子の位置により変わり、制御が不安定となる。
【０００９】
第３に、１８０度通電より効率が悪い。
【００１０】
第４に、磁極位置検出器の出力をモータの位置制御に使うとき、電気角６０度の区間が識別できないため、最小分解能が悪いという欠点がある。
【００１１】
第５に、磁極位置検出器を固定子鉄心の表面においていることから、負荷時に磁極位置検出器に電流の磁界による影響が入り、磁極位置検出器の検出精度が悪くなる欠点があった。
【００１２】
本発明は、上記従来例の欠点に対処し、特に、小型軽量、高精度の永久磁石回転機を提供せんとするものである。
【００１３】
更に具体的には、小型軽量、高精度、高応答なる永久磁石回転機、及びそれを用いた自動車用アクチュエータ装置、電動ブレーキ装置を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固定子巻線が巻かれた固定子鉄心の第１固定子突極と、固定子巻線が巻かれない固定子鉄心の第２固定子突極とを含む永久磁石回転機において、第２固定子突極には、空隙を介して前記永久磁石に対向するように磁気感知素子からなる磁極位置検出器を配置し、空隙に向けて出る永久磁石の磁束が略正弦波状であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、本発明の実施例を示す図面を参照して説明する。
【００１６】
まず、図１、図２を引用して述べる。図１、図２は本発明に係わるもので、正弦波位置検出器を備えた永久磁石回転機を示している。
【００１７】
この永久磁石回転機１は、固定子が集中巻の巻線構造を有し、鉄心歯部４２（固定子突極）が１２個、回転子の極数は８個の組み合わせであるが、その他の組み合わせでもよい。
【００１８】
図において、正弦波位置検出器を内蔵する永久磁石回転機１は、固定子２と、回転子３と、エンドブラケット９とを含み構成される。
【００１９】
固定子２は、固定子鉄心４と固定子巻線５とを含み構成される。ここで、固定子鉄心４は、円環状のヨ−ク部４１と鉄心歯部４２（固定子突極）とからなり、複数の鉄心歯部４２（固定子突極）の間には、固定子巻線５を収納するスロット４３が設けられている。一方、回転子３は、磁性体からなる回転子鉄心７と永久磁石６とシャフト８（回転軸）とを含み構成される。永久磁石６は多数の磁極が円環状に並ぶように形成されている。
【００２０】
ここで、回転子３はベアリング１０を介して固定子に回転可能に支承されている。
【００２１】
固定子鉄心４の固定子突極４２には固定子巻線５を有する第１の固定子突極４２Ａと、固定子巻線５を持たない第２の固定子突極４２Ｂとが設けられている。
【００２２】
さらに第２の固定子突極４２Ｂの空隙面（回転子との対向面）には磁極位置検出器１１を収納する磁極位置検出器スロット４２Ｃが設けられている。この磁極位置検出器スロット４２Ｃは、固定子鉄心４の打ち抜き時に一緒に形成することができる。この磁極位置検出器１１の磁極位置検出器スロット４２Ｃは３相の場合には一般的には３個を必要とし、磁極位置検出器１１も３個必要となる。各磁極位置検出器スロット４２Ｃの相対的な電気角はそれぞれ１２０度の位相差を有するように設ける必要がある。
【００２３】
回転子３の永久磁石６には、各磁極が非同心状の形状を有する例で示した。すなわち、磁極は空隙に向け磁極中心が突き出る円弧形状にした。このような形状にすることによって永久磁石６の空隙面の磁束密度分布は正弦波状にすることができる。
【００２４】
以上の構成によれば、磁極位置検出器のスロット４２Ｃに配置された磁極位置検出器１１には回転子の位置に応じるきれいな（歪のない）正弦波状の信号波形を得ることができる。この正弦波状の信号を、例えばマイクロプロセッサのＡＤ変換器を介して取り込むことによって、位置情報に変換することができる。
【００２５】
以上の構成で、各相に誘起する電圧の波形も当然正弦波状信号を得ることができる。この正弦波誘起電圧に対して、回転子の位置に応じた正弦波電流を通電することで出力トルクの変動の少ないモータを提供することができる。
【００２６】
さらに、固定子巻線５を持たない第２の固定子突極４２Ｂの磁極位置検出器スロット４２Ｃとその両端に設けた磁気バリア４２Ｄを備えることによって固定子巻線５に電流を通電した場合に第１の固定子突極４２Ａからの磁気漏洩による磁束を磁極位置検出器１１が拾うことを防止することができる。
【００２７】
磁極位置検出器に漏洩磁束が入ることは磁極の位置を誤って測定することになり、位置に応じたきれいな正弦波信号を得ることが難しくなり、脈動トルクを引き起こすことになる。位置誤差を生じると消費電力の増加、騒音の発生させる等の欠点がある。磁気バリア４２Ｄを備えることによって、これらの問題を一掃できる。
【００２８】
また磁極位置検出器を永久磁石回転機内に取り込み、かつ１８０度通電の正弦波電流を通電することによって、従来（１２０度通電）のシステムに対して、次の利点がある。
【００２９】
第１に、１８０度通電であるので、位置決めのモータ（永久磁石回転機）の相切り換えによるトルク脈動を押さえることができる。
【００３０】
第２に、１８０度通電であるので、トルク定数が回転子の位置により変化することから生じる、制御の不安定を防止できる。
【００３１】
第３に、１８０度の区間通電ができるため、効率をよくすることができる。
【００３２】
第４に、１８０度通電であるので、磁極位置検出器の出力をモータの位置制御に使うとき（これは例えばモータの出力単に回転―直動変換装置を含み、その位置検出信号として利用する場合）電気角６０度の区間内を識別できるため、最小分解能を向上させることができる。これによって位置決め精度を向上させることができる。
【００３３】
第５に、磁極位置検出器を固定子鉄心の表面（固定子突極４２Ｂの空隙面（回転子との対向面））におき、磁気バリアを用いる構成とすることで、負荷時に磁極位置検出器に電流の磁界による影響が入らなくなり、磁極位置検出器の検出精度を向上させることができる。
【００３４】
これによって、従来例の欠点を修正でき、小型軽量、高精度、高応答の永久磁石回転機、及びそれを用いた自動車用アクチュエータ装置、電動ブレーキ装置を提供することが可能となる。
【００３５】
また、一方レゾルバ等の磁極位置検出器を用いるものに対しては構成が簡単になることから、安価になる。また、ホール素子（磁極位置検出器）の位置が固定子鉄心４に固定されているために誘起電圧とホール素子出力間の位相合わせをする必要がなく、組み立て工数を減らすことが可能である。
【００３６】
図３に図１で示した各相の誘起電圧とホール素子の出力電圧とを示す。図１で示した３相の場合には、各相間の誘起電圧、ホール素子の出力電圧は１２０度の電気角をもって発生する。一方、同じ相に属する誘起電圧とホール素子の出力電圧の間には電気角で９０度の位相差を持って発生する。従って、誘起電圧に同期した電流を各相に流す必要があり、そのためにはホール素子の出力電圧を電気角で９０度ずらして電流指令とすればよい。これによって、永久磁石回転電機は最大トルクを発生することができる。
【００３７】
図４は、永久磁石回転機の制御回路全体を概略的に示したもので、この図を引用して述べる。
【００３８】
永久磁石回転機１の回転子の位置を検知する磁極位置検出器１１は、正弦波状信号（３相の位置情報を有する信号）を出力する。この３相の信号を角度変換器２００で角度変換することにより、回転子の位置θを算出する。この位置θの情報によって、電流指令変換器２０１は電流指令値（速度指令値を含む）ＩＳを３相の電流指令値（ＩＳＳＩＮθ・ＩＳＳＩＮθ−２π／３・ＩＳＳＩＮθ−４π／３）に変換する。
【００３９】
電流制御系２０２は、その３相の電流指令値を発生し、これをもとにＰＷＭ制御回路２０３を介してインバータ２０４から各相毎の電圧が出力される。これによって、インバータ２０４は先の電流指令値に応じたデューテイ値をもった巾の駆動パルス電流を永久磁石回転機１に加える。この駆動パルス電流の情報（Ｉｕ・Ｉｖ・Ｉｗ）は電流制御系２０２にフィードバックされ、３相の電流指令値に合致する駆動パルス電流になるように制御される。
【００４０】
この回転機制御系は回転精度の高い制御を行なうので、磁極位置検出器の検出信号は歪の少ない正弦波状の信号を殊のほか必要とするものである。
【００４１】
図５に沿って本発明の正弦波位置検出器を内蔵した永久磁石回転電機を用いた電動ブレーキシステムについて説明する。
【００４２】
電動ブレーキシステムは支持体であるアーム１０１によって車軸１０２を支える。車軸１０２にはディスクロータ１０３が備えられる。
【００４３】
一方、このディスクロータ１０３はその両側に置かれ、軸方向に移動可能なブレーキパッド１０７に挟まれて押圧されることによって車軸１０２にブレーキ力を発生する。
【００４４】
永久磁石回転電機１は固定子巻線５を備えた固定子鉄心４と永久磁石６との電磁作用によってモータ回転部１１０に回転トルクを発生させる。この回転トルクは回転―直動変換機構１０５を介してピストン１０８に推進力を与える。支持機構１０９，１１１によって移動可能に支持されたピストン１０８はディスクロータ１０３の両側からブレーキパッド１０７を介して押圧して挟むことによってブレーキ力を発生させる。爪部１０６，キャリパ本体１０４は支持対によって移動可能に支承される。
【００４５】
上記のような正弦波位置検出器内蔵の永久磁石回転機１を電動ブレーキシステムに適用することによって別途レゾルバ等の位置検出器を用いる必要がなく、小型軽量、高精度、高応答の電動ブレーキシステムを提供することができる。
【００４６】
電動による駆動機構の小型化によって、従来油圧によるブレーキシステムに対して過度に大きく、重量増加を起こさずにすむ。これによって、バネ下加重の増加による乗り心地の低下を生じることなく、低燃費のブレーキシステムを提供することができる。
【００４７】
以上、ブレーキシステムについて示したが、本発明は自動マニュアルトランスミッションのシステムにも適用が可能である。
【００４８】
この自動マニュアルトランスミッションのシステムにあっても、磁極位置検出器を永久磁石回転機の中に収納し、１８０度通電システムを実現することによって小型、軽量、高精度の自動マニュアルトランスミッションシステムを実現することができる。
【００４９】
以上、本発明は内転型の回転電機について説明したが、外転型の回転電機でもよく、また、ホール素子による磁極位置検出器を用いたが、そのほか磁気抵抗効果素子等を用いても本発明の効果を十分発揮することができる。
【００５０】
図６に沿って本発明の他の実施例に係わる永久磁石回転電機について説明する。
【００５１】
この永久磁石回転電機１は、固定子突極および磁極位置検出器の配置構成が前述した図１に示す永久磁石回転機と違う。他の構成は図１に示す永久磁石回転機と共通であるので、違うところを説明する。
【００５２】
すなわち、この実施例の永久磁石回転電機１は、固定子巻線５を持たない第２の固定子突極を一箇所にまとめ、そこにＵ・Ｖ・Ｗの各相に対応する磁極位置検出器をまとめて備えたものである。図１に示す永久磁石回転電機と同じような良さを期待できる。
【００５３】
上述した実施例の実施形態によれば、小型軽量、高効率のリラクタンス型回転電機及びこれを用いた一充電走行距離の長い電動車両、及び燃費効率のよいエンジン始動発電装置、ハイブリッド型電動車両等を提供することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、小型軽量、高精度の永久磁石回転機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わるもので、永久磁石回転機を平面方向に断面した断面図。
【図２】本発明の実施例に係わるもので、一部を縦方向に断面した永久磁石回転機の正面図。
【図３】本発明の実施例に係わるもので、永久磁石回転電機の誘起電圧とホール出力電圧を示す図。
【図４】本発明の実施例に係わるもので、永久磁石回転機の制御回路全体を概略的に示す制御回路図。
【図５】本発明の他の実施例に係わるもので、永久磁石回転電機を用いた電動ブレーキシステムを示す図。
【図６】本発明の他の実施例に係わるもので、永久磁石回転電機を平面方向に断面した断面図。
【符号の説明】
１…正弦波位置検出器内蔵の永久磁石回転電機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、５…固定子巻線、６…永久磁石、７…回転子鉄心、８…シャフト、９…エンドブラケット、１０…ベアリング、１１…磁極位置検出器（Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ）、４１…固定子のヨーク部、４２…固定子突極、４３…スロット、４２Ａ…第１の固定子突極、４２Ｂ…第２の固定子突極、４２Ｃ…磁極位置検出器のスロット、４２Ｄ…磁気バリア、１０１…支持部、１０２…車軸、１０３…ディスクロータ、１０４…キャリパ本体、１０５…回転―直動変換機、１０６…爪部、１０７…ブレーキパッド、１０８…ピストン、１０９…支持部、１１０…モータ回転部。

Claims

固定子鉄心を有する固定子と、多数の磁極が円環状に並ぶ永久磁石を有する回転子と、固定子巻線が巻かれた前記固定子鉄心の第１固定子突極と、固定子巻線が巻かれない前記固定子鉄心の第２固定子突極とを含む永久磁石回転機において、
前記第２固定子突極には、空隙を介して前記永久磁石に対向するように磁気感知素子からなる磁極位置検出器を配置し、
前記空隙に向けて出る前記永久磁石の磁束が略正弦波状であることを特徴とする永久磁石回転機。
特許請求範囲の第１項記載の永久磁石回転機において、
前記永久磁石の磁極は、前記空隙に向け磁極中心が突き出る円弧形状にしたことを特徴とする永久磁石回転機。
特許請求範囲の第１項記載の永久磁石回転機において、
前記永久磁石の磁極は、磁極中心で磁束密度が高く、磁極中心から離れると磁束密度が低くなるように磁極形成の磁石粉末に配勾着磁を施したことを特徴とする永久磁石回転機。
特許請求範囲の第１項から第３項のいずれか一つに記載された永久磁石回転機において、
前記第２固定子突極には、前記磁極位置検出器が設けられるところの両側に、隣接する前記第１固定子突極から磁極位置検出器に及ぶ漏洩磁束を遮る磁気バリアを設けたことを特徴とする永久磁石回転機。
特許請求範囲の第１項から第４項のいずれか一つに記載された永久磁石回転機において、
トルク制御を行なうＰＷＭ制御回路を備え、
前記磁気感知素子が検知する検知信号を演算ないし関数変換処理して前記ＰＷＭ制御回路のＰＷＭ信号とすることを特徴とする永久磁石回転機。
特許請求範囲の第１項から第５項のいずれか一つに記載された永久磁石回転機を駆動源とすることを特徴とする自動車用アクチュエータ装置。
特許請求範囲の第１項から第５項のいずれか一つに記載された永久磁石回転機を駆動源とすることを特徴とする電動ブレーキ装置。
特許請求範囲の第７項記載の電動ブレーキ装置において、
ディスクロータ等の回転体と、同回転体に押圧されるブレーキパット等の押圧体と、前記駆動源の回転運動を直線運動に変えて押圧体を作動させる回転／直動変換機とを有することを特徴とする電動ブレーキ装置。