JP2010183806A - 回転位置センサ、及びブラシレスモータ - Google Patents

回転位置センサ、及びブラシレスモータ Download PDF

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Abstract

【課題】高温環境下でも正常に動作することができる回転位置センサ、及びブラシレスモータを得る。
【解決手段】センサ本体5は、モータ回転軸と一体に回転されるセンサロータ10と、センサロータ10の周囲に配置されたセンサステータ11とを有している。センサロータ10は、センサロータ10の回転方向について間隔を置いて設けられた複数の突起部13を有している。センサステータ11は、センサステータコア14と、突起部13を通る磁束を発生する一次コイル15と、コア14に設けられた二次コイル集合体16とを有している。二次コイル集合体16は、センサロータ10の回転方向について並べられ突起部13との対向により誘起電圧を発生する複数の二次コイル20を有している。センサステータ11は、各二次コイル20での誘起電圧の発生に応じた情報を位置情報として出力する。
【選択図】図2

Description

この発明は、モータ回転軸の回転位置を検出する回転位置センサ、及び回転位置センサが設けられたブラシレスモータに関するものである。
従来のブラシレスモータでは、トランジスタやMOSFET等の半導体素子を有する電子回路により電流の切り替えが行われる。従来、電流の切り替えのタイミングを決めるために、ロータとともに回転する磁石の磁束の変化をホールICで検出するブラシレスモータが提案されている(例えば特許文献1参照)。
特開2007−20345号公報
しかし、このような従来のブラシレスモータが例えば自動車のエンジン等の高温環境下に配置されると、ブラシレスモータの周囲温度が半導体素子であるホールICの動作温度範囲を超えてしまうため、ブラシレスモータの動作を正常に保つことができなくなってしまう。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高温環境下でも正常に動作することができる回転位置センサ、及びブラシレスモータを得ることを目的とする。
この発明に係る回転位置センサは、モータ回転軸と一体に回転されるセンサロータと、センサロータの周囲に配置され、センサロータの回転に応じた位置情報を発生するセンサステータとを有するセンサ本体を備え、センサロータは、センサロータの回転方向について間隔を置いて設けられた複数の突起部を有し、センサステータは、センサステータコアと、突起部を通る磁束を発生する一次コイルと、センサロータの回転方向について並べられ突起部と対向することにより誘起電圧を発生する複数の二次コイルを含みセンサステータコアに設けられている二次コイル集合体とを有しており、各二次コイルのそれぞれにおける誘起電圧の発生に応じた情報が位置情報とされている。
この発明に係る回転位置センサでは、突起部を通る磁束を一次コイルが発生し、突起部との対向により誘起電圧を発生する複数の二次コイルがセンサロータの回転方向へ並べられているので、熱に弱い永久磁石や半導体素子を用いずにセンサ本体を構成することができ、高温環境下であってもセンサ本体の正常な動作を保つことができる。
この発明の実施の形態1によるブラシレスモータを示す構成図である。 図1のセンサ本体を示す断面図である。 この実施の形態2によるブラシレスモータの回転位置センサにおけるセンサロータを示す断面図である。 この発明の実施の形態3によるブラシレスモータを示す構成図である。 この発明の実施の形態4によるセンサ本体を示す断面図である。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるブラシレスモータを示す構成図である。図において、ブラシレスモータ1は、モータ本体2と、モータ本体2に連結された回転位置センサ3とを有している。
モータ本体2は、モータ回転軸と、モータ回転軸と一体に回転されるモータロータと、モータロータの周囲に配置され、モータロータを回転させる回転磁界を発生するモータステータとを有している。
モータステータは、モータロータを囲む筒状のモータステータコアと、モータステータコアの内周部に設けられたU相、V相及びW相の複数のステータコイル4とを有している。モータステータは、U相、V相及びW相のステータコイル4への電流がモータロータの回転位置に応じて切り替えられることにより回転磁界を発生する。
回転位置センサ3は、モータ回転軸の回転位置に応じた交流信号(位置情報)を発生するセンサ本体5と、センサ本体5への給電を行うセンサ駆動回路6と、センサ本体5からの交流信号を整流して直流電圧(直流信号)に変換するセンサ処理回路7とを有している。センサ処理回路7で発生した直流信号は、モータ回転軸の回転位置に応じた信号となっている。センサ処理回路7からの直流信号は、各ステータコイル4への給電を行うインバータ回路(給電回路)8へ送られる。
インバータ回路8は、DC電源9からの給電により動作される。また、インバータ回路8は、U相、V相及びW相のステータコイル4のそれぞれに対応する複数のトランジスタを有している。インバータ回路8は、センサ処理回路7からの直流信号に基づいて、各トランジスタを選択的に動作させる。即ち、インバータ回路8は、センサ処理回路7からの直流信号に基づいて、U相、V相及びW相のステータコイル4への電流の切り替えを個別に制御する。モータステータは、インバータ回路8による各ステータコイル4への電流の切り替えにより回転磁界を発生する。
この例では、ブラシレスモータ1の駆動方式が120°通電方式とされている。即ち、U相、V相及びW相のステータコイル4へのそれぞれの通電は、電流正負の各方向について電気角120°の区間でのみ行われる。また、120°通電方式では、U相、V相及びW相のうち2つの相に電流を流す2相通電が行われる。このことから、120°通電方式での通電状態の種類は、相間の組み合わせがUV間、VW間及びWU間の3通りあり、それぞれの相間での通電について電流方向が正負の2通りあるので、合計6通りとなる。従って、センサ処理回路7からの直流信号は、モータ回転軸の回転位置に対応する6つの異なる信号とされている。
また、この例では、直流信号の6つの異なる信号に対応させて6つのトランジスタがインバータ回路8に搭載されている。各トランジスタは、センサ処理回路7からの6つの異なる信号に基づいて個別に動作される。即ち、ブラシレスモータ1では、センサ処理回路7からの6つの異なる信号の切り替わりに応じて各ステータコイル4への通電状態の切り替えが行われる。
図2は、図1のセンサ本体5を示す断面図である。図において、センサ本体5は、モータ回転軸と一体に回転されるセンサロータ10と、センサロータ10の周囲に配置され、センサロータ10を囲むセンサステータ11とを有している。
センサロータ10は、モータ回転軸と同軸に配置されている。また、センサロータ10は、円柱状のセンサロータ本体12と、センサロータ本体12の外周部から突出し、センサロータ10の回転方向について間隔を置いて配置された複数の突起部(極)13とを有している。この例では、4つの突起部13がセンサロータ10の回転方向について等間隔で配置されている。各突起部13の外周面は、センサステータ11の内周部に対向している。
センサステータ11は、筒状のセンサステータコア14と、センサステータコア14の内周部に設けられ、センサロータ10及びセンサステータ11間に磁束を発生する一次コイル15と、センサステータコア14の内周部に設けられ、センサロータ10の回転に応じた交流信号を発生する2つの二次コイル集合体16とを有している。二次コイル集合体16で発生する交流信号は、センサロータ10がモータ回転軸と一体に回転されることから、モータ回転軸の回転に応じた位置情報となっている。
センサロータ10及びセンサステータコア14の材料としては、例えばトランス用フェライトや電磁鋼板等が用いられる。電磁鋼板の場合、センサロータ10及びセンサステータコア14は、互いに積層された複数の薄板によりそれぞれ構成される。センサステータコア14の内周部には、複数のティース17がセンサロータ10の回転方向について間隔を置いて配置されている。各ティース17間には、コイル用溝18が形成されている。
一次コイル15は、センサロータ10の軸線に関して対称な位置にそれぞれ配置されている。一方及び他方の一次コイル15には、センサ駆動回路6により互いに逆向きの電流が流される。一方及び他方の一次コイル15に電流が流されることにより、主に突起部13を通る磁束19が発生する。一方及び他方の一次コイル15がそれぞれ発生する磁束19の向きは、図2に示すように、突起部13で同じ向きになる。また、一方及び他方の一次コイル15に流される電流は交流とされ、磁束19の向きが時間の経過に伴って切り替わるようになっている。この例では、100kHzの交流電流が一方及び他方の一次コイル15に流される。
各二次コイル集合体16は、センサロータ10の回転方向について間隔を置いて配置されている。この例では、各二次コイル集合体16は、センサロータ10の軸線に関して対称な位置に配置されている。また、各二次コイル集合体16は、センサロータ10の回転方向について一方の一次コイル15と他方の一次コイル15との間にそれぞれ配置されている。
各二次コイル集合体16は、センサロータ10の回転方向について並べられた複数(この例では、6つ)の二次コイル20を有している。各二次コイル集合体16は、モータ本体2に対する正規位置に配置されている。正規位置は、モータステータへの電流の切り替えを行う位置にモータロータがあるときに突起部13の外周面が二次コイル20に対向する位置である。即ち、正規位置は、モータステータへの電流の切り替えを行うタイミングと、突起部13の外周面が二次コイル20に対向するタイミングとが一致する位置である。
各二次コイル20は、コイル用溝18に収容された状態でティース17に設けられている。また、各二次コイル20は、磁束19が通る突起部13の外周面が対向することにより誘起電圧を発生する。ここで、各二次コイル20について、誘起電圧が発生している状態をON状態といい、誘起電圧の発生が停止している状態をOFF状態という。
なお、二次コイル集合体16の位置から外れた位置にも、ティース17が設けられている。これにより、二次コイル集合体16の中央部に突起部13が対向するときの磁束と、二次コイル集合体16の端部に突起部13が対向するときの磁束との差が小さくなる。従って、各二次コイル20が発生する誘起電圧の大きさが均等に近づく効果がある。
突起部13の外周面の周方向についての幅は、互いに隣り合う所定数(この例では、2つ)の二次コイル20に同時に対向する幅とされている。また、二次コイル集合体16の一端に配置された二次コイル20のみに突起部13の外周面が対向するときには、二次コイル集合体16の他端に配置された二次コイル20に別の突起部13の外周面が対向する。
突起部13の外周面が対向する2つの二次コイル20の組み合わせは、センサロータ10の回転に伴って順次切り替わる。即ち、ON状態の二次コイル20の組み合わせがセンサロータ10の回転に伴って順次切り替わる。センサ本体5は、各二次コイル20のそれぞれにおける誘起電圧の発生に応じた情報を交流信号として出力する。この例では、2つの二次コイル集合体16のうち、一方の二次コイル集合体16からの情報のみがセンサ処理回路7へ送られる。
また、この例では、4つの突起部13がセンサロータ本体12に設けられているので、センサロータ10は4極構造とされている。従って、各二次コイル20の誘起電圧の変化の周期は、センサロータ10の一回転につき4周期、90°回転につき1周期となる。従って、モータ本体2の極数は8極とされている。
さらに、この例では、共通の二次コイル集合体16において突起部13が同時に対向する2つの二次コイル20の組み合わせが6通り存在する。従って、各ステータコイル4への6通りの通電状態の切り替えは、2つの二次コイル20の組み合わせの切り替えに対応させて行われる。また、センサロータ10の90°の回転で1周期となり6つの二次コイル20のうち2つの二次コイル20が突起部13に同時に対向することから、突起部13の外周面の周方向両端部とセンサロータ10の中心とを結ぶ2本の線分がなす角度(突起部13の外周面角度)は30°(=90°/3)となっている。即ち、各二次コイル20の誘起電圧の発生区間は、電気角で120°となっている。これにより、電気角で1周期360°のうち、120°の区間でON状態となる120°通電方式によるモータ本体2の駆動が可能となる。
なお、例えば突起部13とセンサステータ11との間のギャップ長等の原因でON状態となる区間がずれる場合があるので、突起部13の外周面角度を30°前後に微調整してもよい。また、センサ本体5の極数及び突起部13の外周面角度は、モータ本体2の極数に応じて設定される。
次に、回転位置センサ3の動作について説明する。一次コイル15への給電がセンサ駆動回路6により行われると、共通の二次コイル集合体16における6つの二次コイル20のうち、突起部13が対向する2つの二次コイル20に誘起電圧が発生する。この後、各二次コイル20での誘起電圧の発生に応じた情報が交流信号としてセンサ本体5からセンサ処理回路7へ送られる。
モータ回転軸とともにセンサロータ10が回転されると、誘起電圧が発生する2つの二次コイル20の組み合わせがセンサロータ10の回転に伴って切り替わる。これにより、センサ本体5からの交流信号の情報がモータ回転軸の回転位置に応じて変化する。
センサ処理回路7では、センサ本体5からの交流信号が直流信号(DC電圧)に変換される。この後、変換後の直流信号がセンサ処理回路7からインバータ回路8へ送られる。
インバータ回路8では、センサ処理回路7からの直流信号に基づいて、トランジスタが選択的にON動作される。これにより、モータステータに回転磁界が発生する。
このようなブラシレスモータ1の回転位置センサ3では、一次コイル15が突起部13を通る磁束19を発生し、突起部13との対向により誘起電圧を発生する複数の二次コイル20がセンサロータ10の回転方向へ並べられているので、熱に弱い永久磁石や半導体素子を用いずにセンサ本体5を構成することができ、200℃以上の高温環境下であってもセンサ本体5の正常な動作を保つことができる。
また、センサロータ10が4つの突起部13を有しているので、各二次コイル集合体16の周方向についての範囲をセンサステータ11の全周の長さの1/4にすることができる。これにより、一次コイル15と複数の二次コイル集合体16とをセンサステータコア14の内周部にまとめて設けることができ、センサ本体5の小形化を図ることができる。
なお、突起部13の数は4つに限定されず、3つあるいは5つ以上であれば、二次コイル集合体16の周方向についての範囲をセンサステータ11の全周の長さの1/2よりも小さくすることができるので、一次コイル15及び複数の二次コイル集合体16をセンサステータコア14の内周部にまとめて設けることができる。
また、各二次コイルの誘起電圧の発生区間は、電気角で120°となっているので、回転位置センサ3からの位置情報の出力をそのまま120°通電方式における電流の切り替えのタイミングの情報とすることができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、各二次コイル20の誘起電圧の発生区間が電気角で120°となっているが、各二次コイル20の誘起電圧の発生区間を電気角で180°としてもよい。
図3は、この実施の形態2によるブラシレスモータの回転位置センサにおけるセンサロータを示す断面図である。図において、センサロータ10は、円柱状のセンサロータ本体12と、センサロータ本体12の外周部から突出し、センサロータ10の回転方向へ等間隔に配置された4つの突起部(極)13とを有している。
各突起部13の外周面角度は45°(=90°/2)となっている。これにより、各突起部13の外周面の周方向についての幅は、互いに隣り合う3つの二次コイル20と同時に対向する幅とされている。即ち、各二次コイル20の誘起電圧の発生区間は、電気角で180°となっている。従って、各二次コイル20のON状態となる区間が電気角で180°となり、180°通電方式によるモータ本体2の駆動が可能となる。他の構成は実施の形態1と同様である。
このように、各二次コイル20の誘起電圧の発生区間が電気角で180°となっているので、回転位置センサ3からの位置情報の出力をそのまま180°通電方式における電流の切り替えのタイミングの情報とすることができる。
実施の形態3.
実施の形態1では、2つの二次コイル集合体16のいずれか一方からの位置情報のみがセンサ処理回路7へ送られるようになっているが、各二次コイル集合体16のそれぞれからの位置情報をセンサ処理回路7へ送るようにしてもよい。
即ち、図4は、この発明の実施の形態3によるブラシレスモータを示す構成図である。図において、センサステータコア14に設けられた複数(この例では、2つ)の二次コイル集合体16のそれぞれからの交流信号(位置情報)は、センサ処理回路7に個別に送られる。センサ処理回路7は、各二次コイル集合体16のそれぞれからの交流信号の出力の合計値を直流信号に変換する。他の構成は実施の形態1と同様である。
このような回転位置センサ3では、各二次コイル集合体16のそれぞれからの出力がセンサ処理回路7へ送られるので、各二次コイル集合体16のそれぞれからの出力の合計値をセンサ処理回路7で処理することができる。従って、各二次コイル集合体16のそれぞれからの出力を小さくすることができ、各二次コイル20の巻数を少なくすることができる。これにより、センサ本体5の小形化を図ることができる。
なお、上記の例では、各二次コイル集合体16のそれぞれからの交流信号の出力がセンサ処理回路7へ個別に送られるようになっているが、センサ本体5で各二次コイル集合体16を直列接続することにより、各二次コイル集合体16のそれぞれからの交流信号を合計した出力をセンサ本体5からセンサ処理回路7へ送るようにしてもよい。
実施の形態4.
上記の例では、2つの二次コイル集合体16がいずれも正規位置に配置されているが、2つの二次コイル集合体16のいずれか一方を正規位置からセンサロータ10の回転方向についてずらして配置してもよい。
即ち、図5は、この発明の実施の形態4によるセンサ本体5を示す断面図である。図において、2つの二次コイル集合体16のうち、一方の二次コイル集合体16(図5の下側の二次コイル集合体16)は正規位置に配置され、他方の二次コイル集合体16(図5の上側の二次コイル集合体16)は正規位置よりもセンサロータ10の回転方向について外れたずらし位置に配置されている。この例では、センサロータ10が回転される向き(図5では反時計回り)と逆向き(図5では時計周り)に正規位置から1°だけ外れた位置がずらし位置とされている。
センサ処理回路7には、各二次コイル集合体16のそれぞれからの交流信号(位置情報)が送られる。これにより、ずらし位置に配置された他方の二次コイル集合体16からの位置情報に基づいて、モータステータへの電流の切り替えをインバータ回路8で行った場合には、正規位置の二次コイル集合体16からの位置情報に基づく切り替えよりも電気角で4°だけ早めに切り替えを行うことになる。即ち、モータステータへの電流の切り替えのタイミングの位相が進角される。
センサ処理回路7は、センサロータ10の回転数に基づいて正規位置及びずらし位置のいずれかを選択し、選択した位置に配置された二次コイル集合体16からの交流信号(位置情報)を処理する。即ち、センサ処理回路7は、センサロータ10の回転数が所定の基準値よりも低いときに正規位置を選択し、センサロータ10の回転数が所定の基準値以上であるときにずらし位置を選択する。また、センサ処理回路7は、選択した位置に配置された二次コイル集合体16からの交流信号を直流信号に変換し、変換後の直流信号をインバータ回路8へ送る。他の構成は実施の形態1と同様である。
このようなブラシレスモータ1では、二次コイル集合体16が正規位置よりもセンサロータ10の回転方向について外れたずらし位置に配置されているので、モータステータへの電流の切り替えのタイミングを通常のタイミングよりも早めたり遅らしたりすることができる。これにより、モータステータへの電流の切り替えのタイミングをモータロータの回転数に適したタイミングにすることができる。
例えば、モータロータの回転数が高い場合には、電流の切り替えのタイミングが遅れるためモータ本体2のトルクが低下する。この場合に、二次コイル集合体16をずらし位置に配置して電流の切り替えのタイミングを早めることにより、モータ本体2のトルクの低下の防止を図ることができる。
また、センサ処理回路7は、正規位置及びずらし位置のいずれかを選択し、選択した位置に配置された二次コイル集合体16からの位置情報を処理するので、モータステータへの電流の切り替えのタイミングをモータロータの回転数に応じて調整することができる。即ち、モータロータの回転数が所定の範囲内にあるときには、正規位置に配置された二次コイル集合体16からの位置情報に基づく通常の制御を行い、モータロータの回転数が所定の範囲から外れているときには、ずらし位置に配置された二次コイル集合体16からの位置情報に基づく進角あるいは遅角の制御を行うことができる。これにより、モータロータの回転数が変化する場合であっても、モータステータへの電流の切り替えのタイミングをモータロータの回転数に応じて調整することができる。
1 ブラシレスモータ、2 モータ本体、3 回転位置センサ、5 センサ本体、10 センサロータ、11 センサステータ、13 突起部、14 センサステータコア、15 一次コイル、16 二次コイル集合体、20 二次コイル。

Claims (9)

  1. モータ回転軸と一体に回転されるセンサロータと、上記センサロータの周囲に配置され、上記センサロータの回転に応じた位置情報を発生するセンサステータとを有するセンサ本体を備え、
    上記センサロータは、上記センサロータの回転方向について間隔を置いて設けられた複数の突起部を有し、
    上記センサステータは、センサステータコアと、上記突起部を通る磁束を発生する一次コイルと、上記センサロータの回転方向について並べられ上記突起部と対向することにより誘起電圧を発生する複数の二次コイルを含み上記センサステータコアに設けられている二次コイル集合体とを有しており、
    各上記二次コイルのそれぞれにおける誘起電圧の発生に応じた情報が上記位置情報とされていることを特徴とするブラシレスモータの回転位置センサ。
  2. 上記センサステータコアには、複数の上記二次コイル集合体が上記センサロータの回転方向について配置されていることを特徴とする請求項1に記載のブラシレスモータの回転位置センサ。
  3. 上記センサロータは、3つ以上の上記突起部を有していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のブラシレスモータの回転位置センサ。
  4. 各上記二次コイルの誘起電圧の発生区間は、電気角で120度となっていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のブラシレスモータの回転位置センサ。
  5. 各上記二次コイルの誘起電圧の発生区間は、電気角で180度となっていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のブラシレスモータの回転位置センサ。
  6. モータ回転軸と、上記モータ回転軸と一体に回転されるモータロータと、上記モータロータの周囲に配置されたモータステータとを有し、上記モータステータへの電流の切り替えにより発生する回転磁界により上記モータロータを回転させるモータ本体、及び
    上記モータ回転軸と一体に回転されるセンサロータと、上記センサロータの周囲に配置され、上記センサロータの回転に応じた位置情報を発生するセンサステータとを含むセンサ本体を有する回転位置センサ
    を備え、
    上記センサロータは、上記センサロータの回転方向について間隔を置いて設けられた複数の突起部を有し、
    上記センサステータは、センサステータコアと、上記突起部を通る磁束を発生する一次コイルと、上記センサロータの回転方向へ並べられ上記突起部と対向することにより誘起電圧を発生する複数の二次コイルを含み上記センサステータコアに設けられている二次コイル集合体とを有しており、
    各上記二次コイルのそれぞれにおける誘起電圧の発生に応じた情報が上記位置情報とされ、
    上記モータステータへの電流の切り替えが上記位置情報に基づいて行われることを特徴とするブラシレスモータ。
  7. 上記センサステータコアには、複数の上記二次コイル集合体が設けられており、
    上記回転位置センサは、各上記二次コイル集合体のそれぞれからの上記位置情報の出力の合計値を処理するセンサ処理回路をさらに有していることを特徴とする請求項6に記載のブラシレスモータ。
  8. 上記二次コイル集合体は、上記センサステータへの電流の切り替えが行われるときに上記突起部が上記二次コイルに対向する正規位置よりも、上記センサロータの回転方向について外れたずらし位置に配置されていることを特徴とする請求項6に記載のブラシレスモータ。
  9. 上記二次コイル集合体は、上記正規位置及び上記ずらし位置のそれぞれに配置されており、
    上記回転位置センサは、上記正規位置及び上記ずらし位置のいずれかを選択し、選択した位置に配置された上記二次コイル集合体からの上記位置情報を処理するセンサ処理回路をさらに有していることを特徴とする請求項8に記載のブラシレスモータ。
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