JP2010207082A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械におけるホール効果センサを適正に位置決めする。
【解決手段】固定子（３）と、ホール効果センサ（４）とを有する電気機械（１）であって、固定子（３）は、一対の非対称磁極（８，９）を有し、センサ（４）は、センサ（４）の平面がセンサ（４）を通る電機子磁力線（１７）に実質的に平行であるように差し向けられていることを特徴とする電気機械。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械及び特に電気機械内におけるホール効果センサの位置決めに関する。

電気モータの出力は、相励磁と回転子位置の正確な協調又は同期に決定的に依存している。したがって、モータは、回転子の位置を正確に求める何らかの手段を必要とする。比較的安価な解決策は、ホール効果センサであり、このホール効果センサは、回転子の磁極相互間のスロット開口部のところに設けられる場合がある。しかしながら、電機子の反作用の影響により、センサは、回転子磁極と電機子磁極の両方の影響を受ける。非対称磁極を有する固定子の場合、回転子の反作用の影響により、回転子の位置を信頼度を持って求めることは特に困難である。

第１の観点において、本発明は、固定子と、ホール効果センサとを有する電気機械であって、固定子は、一対の非対称磁極を有し、センサは、センサの平面がセンサを通る電機子磁力線に実質的に平行であるように差し向けられていることを特徴とする電気機械を提供する。

センサがセンサを通る電機子磁力線に実質的に平行であるようにセンサを差し向けることにより、センサは、電機子の反作用の影響を殆ど受けない。特に、ホール効果センサにより検出される磁界は、主として、電気機械の回転子からのものである。したがって、相励磁と回転子位置の正確な協調又は同期を達成することができ、その結果、強力且つ効率的な電気機械が得られる。さらに、センサは、電機子の反作用の影響をそれほど受けないので、センサは、固定子の巻線中の電流変化の影響をそれほど受けない。したがって、電気機械は、巻線中の電流とは無関係に、効率的に作動することができる。

電気機械は、理想的には、磁極間軸線を備えた永久磁石回転子を有する。センサが電機子磁力線に平行であるようにセンサを差し向けた結果として、磁極間軸線は、センサの平面と直角ではない角度で交差することができる。その結果、センサは、回転子の磁界の影響に対して敏感ではなくなる。しかしながら、この欠点は、センサが電機子磁界の影響を殆ど受けなくなるということにより、十分すぎるほど補償される程度の欠点である。したがって、回転子磁界に対する感度の減少にもかかわらず、センサは、回転子の位置をより正確に求めることができる。

第２の観点において、本発明は、永久磁石回転子と、固定子と、ホール効果センサとを有する電気機械であって、固定子は、一対の非対称磁極を有し、センサは、回転子の磁極間軸線がセンサの平面と直角ではない角度で交差するよう差し向けられていることを特徴とする電気機械を提供する。

固定子の磁極の非対称により、必ずしも、センサの平面がセンサを通る電機子磁力線に実質的に平行であるようにセンサを位置合わせすることは可能であるとは限らない。特に、固定子巻線中の電流の変化により、電機子磁力線の方向が僅かではあるが変化する場合がある。それにもかかわらず、センサは、この状態にできるだけ近いように差し向けられる。このようにする際、センサは、回転子の磁極間軸線がセンサの平面と直角ではない角度で交差するよう差し向けられる。

上述の観点の各々に関し、磁極は、スロット開口部によって隔てられるのが良く、この場合、センサは、スロット開口部のところに設けられる。センサは、スロット開口部に隣接して又はスロット開口部内に設けられるのが良い。スロット開口部に隣接して設けられる場合、比較的小さなスロット開口部を採用することができる。この場合、これにより、固定子の磁極が回転子からの磁束の相当な部分を捕捉するという利点が得られる。スロット開口部内に設けられる場合、一般的には、大きなスロット開口部が必要である。しかしながら、スロット開口部内の電機子磁力線は、一般に、スロット開口部外部の磁力線よりも真っ直ぐである。したがって、センサをスロット開口部内に設けることにより、センサは、これが電機子の磁界の影響を殆ど受けず、かくして、電機子の反作用の影響を殆ど受けないよう差し向けることができる。

有利には、各磁極は、回転子の配向方向に関して前縁及び後縁を有する。この場合、各磁極の前縁は、理想的には、後縁よりも厚い。磁極のこの非対称の形態により、飽和点を下げることなく固定子のインダクタンスが減少するという利益が得られる。

電気機械は、電池と併用されるのが理想的である。センサは、電機子の反作用の影響を殆ど受けないので、センサは、巻線電流の変化の影響を殆ど受けない。その結果、電池が放電していっても、電気機械は、相励磁と回転子位置の正確な協調又は同期を維持することができる。

本発明を容易に理解できるようにするため、次に、添付の図面を参照して本発明の実施形態について例示的に説明する。

本発明の電気モータを示す図である。 図１のモータの磁極のところの電機子磁力線を示す図である。

図１のモータ１は、回転子２、固定子３及びホール効果センサ４を有している。

回転子２は、磁極間軸線５を備えた２極永久磁石を有している。

固定子３は、単相巻線７が巻き付けられた固定子コア６を有している。固定子コア６は、Ｃ字形であり、この固定子コアは、スロット開口部１０によって互いに隔てられた一対の非対称磁極８，９を有している。各磁極８，９は、磁極フェース１１、磁極フェース１１から延びる第１の側部１２及び反対側の第２の側部１３を有している。各磁極フェース１１は、弧状凹部又は磁極弧状部１４、回転子の回転方向に関して前縁１５及び後縁１６を有している。前縁１５は、磁極弧状部１４と各磁極８，９の第１の側部１２との間に延び、後縁１６は、磁極弧状部１４と各磁極８，９の第２の側部１３との間に延びている。かくして、磁極弧状部１４は、前縁１５と後縁１６との間に延びている。

各磁極８，９の前縁１５は、回転子２の回転軸線に垂直な方向において後縁１６よりも厚い。加うるに、各磁極８，９の前縁１５は、面取りされている。厚い前縁１５を設けることにより、固定子３の飽和点が上げられる。加うるに、薄い後縁１６を設けると共に前縁１５のコーナ部を面取りすることにより、固定子３のインダクタンスが減少する。したがって、磁極８，９の非対称は、飽和点を下げることなく低インダクタンスの固定子３を提供する。

次に図２を参照すると、巻線７中の電流は、固定子コア６周りに電機子磁界を生じさせる。磁極８，９の非対称により、磁極８，９相互間の電機子磁力線１７は、特にスロット開口部１０の付近で非対称である。特に、電機子磁力線１７は、共通の軸線に関して対称に配置されているわけでもなく、磁力線１７は、互いに平行でもない。

ホール効果センサ４は、扁平な又は平面的な要素を有し、この要素は、当該要素の平面に垂直な磁界に応答して電位差又はホール電圧を生じさせる。ホール効果センサ４は、固定子コア６のスロット開口部１０に隣接して設けられている。センサ４は、センサ４の平面がセンサ４を通る電機子磁力線に平行であるように差し向けられている。センサ４がスロット開口部１０の中心のところに設けられることは必要ではない。これとは異なり、センサ４の位置は、センサ４が図２の点線の位置で示されているように磁極８，９のうちの一方の近くに位置するようずらされても良い。実際、センサ４をオフセンタに位置決めする場合、センサ４をセンサ４を通る電機子磁力線１７の曲率が減少する箇所に設けると良い。センサ４の位置にかかわらず、センサ４は、センサ平面がセンサ４を通る電機子磁力線１７に平行であるように引き続き差し向けられる。

センサ４を上述のような向きにした結果として、回転子２の磁極間軸線５は、センサ４の平面と直角ではない角度で、即ち、９０°以外の角度で交差する。換言すると、回転子２が回転し、磁極間軸線５がセンサ４の平面と交差すると、磁極間軸線５とセンサ４の平面とのなす角度は、直角ではない。

センサ４の平面がセンサを通る電機子磁力線１７に平行であるようにセンサ４を差し向けることにより、センサ４は、電機子磁界の影響をそれほど受けない、すなわち、電機子磁界に対して感度が低下する。理想的には、センサ４は、センサ４が電機子磁界の影響を全く受けないように差し向けられる。しかしながら、実際には、これは、達成するのが非常に困難である。特に、スロット開口部１０に隣接した電機子磁力線１７は湾曲しており、これに対して、センサ４は、扁平である。それにもかかわらず、センサ４をセンサ平面がセンサを通る電機子磁力線１７に平行であるように差し向けることにより、電機子磁力線１７に起因して生じるホール電圧が大幅に減少する。その結果、センサ４は、電機子の反作用の影響を殆ど受けない。

センサ４は、回転子２の磁極間軸線５と直角ではない状態で位置合わせされているので、センサ４は、回転子２の磁界に対して感度が低くなる。しかしながら、この欠点は、センサが電機子磁界の影響を殆ど受けず、かくして電機子反作用の影響を殆ど受けないということにより十分過ぎるほど補償される。

センサ４は、電機子の反作用の影響を殆ど受けないので、相励磁と回転子位置の正確な協調又は同期を達成することができ、その結果、強力且つ効率的なモータ１が得られる。

ホール効果センサ４の位置決めは、巻線７中の電流が一定ではない場合に特に利益を有する。巻線７中の電流が変化すると、電機子磁界１７の強さも又変化する。センサ４が電機子反作用に対して感度が良い場合には、センサ４により出力される信号は、巻線７中の電流につれて電気角が変化してしまう。この場合、相励磁と回転子位置の協調又は同期は、非常に困難になる。しかしながら、本発明のモータ１では、センサ４は、電機子反作用の影響を殆ど受けず、かくして、回転子２の位置を巻線７中の電流とは無関係に正確に求めることができる。かくして、本発明は、相励磁の制御が簡単且つ安価である強力且つ効果的なモータ１を提供する。

ホール効果センサ４は、電機子反作用の影響をそれほど受けないので、モータ１は、電池と併用するのに理想的である。電池が放電していくと、巻線７中に流れる電流が低下する。しかしながら、センサ４は、電機子反作用の影響をそれほど受けないので、モータ１は、電池が放電しても相励磁と回転子位置の比較的正確な協調又は同期を維持することができる。その結果、モータ１は、良好な効率を維持することができる。

上述の実施形態では、固定子磁極８，９は、特定の非対称の形態を取っている。しかしながら、固定子３は、これとは異なる非対称の磁極８，９を同じように有しても良い。ホール効果センサ４がセンサ４を通る電機子磁力線１７に平行に差し向けられるようにすることによって、センサ４は、磁極８，９の非対称にかかわらず、電機子磁界に対する感度が低いままである。

上述すると共に図１に示されている実施形態では、ホール効果センサ４は、スロット開口部１０に隣接して設けられている。この主要な理由は、スロット開口部１０の幅がセンサ４の幅よりも小さいことにある。小さいスロット開口部１０が設けられている場合、固定子３の磁極８，９は、回転子２の相当な部分を包囲し、それにより回転子磁束の効果的な捕捉を可能にする。しかしながら、幅の広いスロット開口部１０を採用しても良く、その結果、ホール効果センサ４をスロット開口部１０内に設けることができるようになる。スロット開口部１０内の電機子磁力線１７は、代表的には、スロット開口部１０に近接した磁力線よりも真っ直ぐである。したがって、センサ４をスロット開口部１０内に設けることにより、センサ４は、このセンサが電機子磁力線１７の影響を殆ど受けず、かくして、電機子の反作用の影響を殆ど受けないよう差し向けることができる。

非対称固定子磁極を有するモータの場合、電機子反作用の影響により、通常、回転子の位置を正確に求めることができるようにホール効果センサを位置決めすることが困難である。本発明は、スロット開口部のところの磁界を２つの成分、即ち、電機子磁界と回転子磁界に分解できるという識別に基づいている。ホール効果センサを通る電機子磁力線にセンサの平面が平行であるようにセンサを差し向けることにより、センサにより検出される電機子磁界は、著しく減少する。その結果、スロット開口部のところでホール効果センサにより検出される磁界は、主として、回転子磁界となる。

ホール効果センサはいつでも回転子の磁極間軸線に垂直に位置決めされるべきであり、この場合、これにより回転子の磁界に対するセンサの感度が最大になる、という既存の偏見がある。本発明は、センサを回転子の磁極間軸線に対して傾けるように構成することにより、この偏見に打ち勝っている。この場合、センサは、回転子の磁界に対しては感度が低くなるが、この欠点は、センサが電機子反作用の影響を殆ど受けなくなるということにより十分すぎるほど補償される。したがって、回転子磁界に対する感度の減少にもかかわらず、センサは、回転子の位置を正確に求めることができる。

かくして、本発明は、回転子の位置の正確な判定が可能であるように、非対称磁極を備えた固定子に設けられているスロット開口部のところにホール効果センサを配置することができるということを実証している。

かくして、本発明をモータを参照して説明したが、本発明の原理は、発電機又は他の電気機械に同様に適用できることは理解されよう。

１ 電気機械
２ 回転子
６ 固定子コア
４ ホール効果センサ
８，９ 磁極
１０ スロット開口部
１１ 磁極フェース又は作用面
１２ 第１の側部
１３ 第２の側部
１４ 磁極弧状部
１５ 前縁
１６ 後縁
１７ 電機子磁力線

Claims (10)

1. 固定子と、ホール効果センサとを有する電気機械であって、前記固定子は、一対の非対称磁極を有し、前記センサは、前記センサの平面が前記センサを通る電機子磁力線に実質的に平行であるように差し向けられている、電気機械。
2. 前記電気機械は、磁極間軸線を有する永久磁石回転子を備え、前記センサは、前記磁極間軸線が前記センサの前記平面に直角ではない角度で交差するよう差し向けられている、請求項１記載の電気機械。
3. 永久磁石回転子と、固定子と、ホール効果センサとを有する電気機械であって、前記固定子は、一対の非対称磁極を有し、前記センサは、前記回転子の磁極間軸線が前記センサの平面と直角ではない角度で交差するよう差し向けられている、電気機械。
4. 前記磁極は、スロット開口部によって互いに隔てられ、前記センサは、前記スロット開口部のところに設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気機械。
5. 前記センサは、前記スロット開口部に隣接して設けられている、請求項４記載の電気機械。
6. 前記センサは、前記スロット開口部内に設けられている、請求項４記載の電気機械。
7. 各磁極は、前縁及び後縁を有し、前記前縁は、前記後縁よりも厚い、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気機械。
8. 各磁極は、前記前縁と前記後縁との間に延びる磁極弧状部を有する、請求項７記載の電気機械。
9. 前記電気機械は、単相２極永久磁石型モータである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気機械。
10. 前記電気機械は、電池式モータである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気機械。

Images