JP2016073135A

JP2016073135A - モータ装置

Info

Publication number: JP2016073135A
Application number: JP2014202111A
Authority: JP
Inventors: 村上　智一; Tomokazu Murakami; 智一村上; 岳佐々木; Takeshi Sasaki
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-05-09

Abstract

【課題】エンコーダを用いずにロータの回転角度を精度よく算出できるモータ装置を提供することを課題とする。【解決手段】複数のコイルが巻回されたステータと、周方向に異なる極性を有するロータと、前記ロータの回転に応じて、互いに所定の位相差を有する正弦波の信号をそれぞれ出力する第１及び第２磁気センサと、前記第１及び第２磁気センサからの前記信号に基づいて、前記ロータの回転角を算出する算出部と、を備えたモータ装置。【選択図】図２

Description

本発明は、モータ装置に関する。

特許文献１には、ロータの回転角度を精度よく検出するエンコーダを備えたモータ装置がある。

特開平６−２６１５１８号公報

モータ装置にエンコーダを設けるとモータ装置が大型化し高コスト化する恐れがある。

そこで本発明は、エンコーダを用いずにロータの回転角度を精度よく算出できるモータ装置を提供することを目的とする。

上記目的は、複数のコイルが巻回されたステータと、周方向に異なる極性を有するロータと、前記ロータの回転に応じて、互いに所定の位相差を有する正弦波の信号をそれぞれ出力する第１及び第２磁気センサと、前記第１及び第２磁気センサからの前記信号に基づいて、前記ロータの回転角を算出する算出部と、を備えたモータ装置によって達成できる。

本発明によれば、エンコーダを用いずにロータの回転角度を精度よく算出できるモータ装置を提供できる。

図１は、本実施例のモータの断面図である。図２は、ステータ及びロータの正面図である。図３は、磁気センサが出力する信号とロータの回転角度との関係を示したグラフである。図４は、モータ装置のブロック図である。図５は、変形例であるステータ及びロータの正面図である。

図１は、本実施例のモータＭの断面図である。モータＭは、ハウジングＨ、ハウジングＨ内に収納されたロータ２０、ステータ４０、プリント基板Ｐ等が収納されている。回転軸１０は、軸受６２、６４により回転可能に支持されている。ロータ２０は、回転軸１０に固定されている。ロータ２０の外周には、複数の永久磁石３０が周方向に配置されている。ロータ２０は磁性材料により形成され、例えば電磁鋼板である。ロータ２０の周囲にはステータ４０が配置されている。ステータ４０には、複数のコイル５０が巻回されている。複数のコイル５０が通電制御されることにより、ステータ４０周囲にはロータ２０を回転させるための磁界が発生する。ステータ４０周囲に発生した磁界と複数の永久磁石３０との間に作用する磁気的吸引力、磁気的反発力により、ロータ２０は回転する。これにより回転軸１０が回転する。

モータＭは３相４スロットのインナーロータ型ブラシレスモータである。複数のコイル５０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相からなる。プリント基板Ｐのロータ２０と対向する面には、コイル５０の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に応じた検出信号を生成するための３つの磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳが、永久磁石３０と対向するように配置されている。尚、図１においては、磁気センサＵＳ、ＷＳのみを示している。これら磁気センサは例えばホール素子である。磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相用のセンサである。また、ロータ２０は、４個の永久磁石３０が固定されている。これら複数の永久磁石３０は、隣り合う永久磁石３０は互いに異なる極性が半径方向の外側を向いてロータ２０に固定されている。また、永久磁石３０は等角度間隔で配置されている。

図２は、ステータ４０の正面図である。尚、図２においては、コイル５０は省略してある。ステータ４０は、ハウジングＨの内壁面環に組みつけられた円環状の環状部４２、環状部４２から径方向中心に向けて突出した周方向に並んだ複数のティース部（磁極部）４４、を有している。隣接するティース部４４間にはスロット４６が形成されている。ステータ４０には合成樹脂製のインシュレータ（不図示）が取り付けられており、インシュレータの外側にコイル５０が巻回される。これにより、本ステータ４０は６極（６スロット）構成となっている。尚、図２には、ロータ２０の極性について概念的に示している。図２に示すように、ロータ２０は等角度間隔に交互に異なる極性を有している。磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳは、ロータ２０の回転中心を中心とした機械角度が等しい等角度間隔で配置されている。具体的には、磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳの機械角度の間隔は１２０度である。磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳは、ステータ４０のスロット４６間に配置される。

図３は、磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳが出力する信号とロータ２０の回転角度との関係を示したグラフである。磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳは、それぞれ正弦波形の電圧である信号を出力する。磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳは、電気角１２０度の位相差を有する正弦波形の信号をリニアに出力する。尚、図３においては、磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳの出力信号の最大値をそれぞれＫ１、Ｋ２、Ｋ３として示しているが、一般的に磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳはロータ２０の回転中心から等距離に配置されているため、これら出力値の最大値は同じ値となる。

図４は、モータ装置Ａのブロック図である。モータ装置Ａは、モータＭ、モータドライバ４、コントローラ５とを含む。磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳからの出力信号は、モータドライバ４に出力される。モータドライバ４は、磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳからの出力信号に基づいて、モータＭの複数のコイル５０の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）へ通電タイミングを制御する。コントローラ５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備え、モータＭの回転開始指令信号や回転停止指令信号、回転方向指令信号、速度指令信号等をモータドライバ４に出力する。

また、コントローラ５は、磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳのうちの少なくとも２つの出力信号に基づいて、ロータ２０の回転角度を算出できる。本実施例では、磁気センサＵＳ、ＶＳが出力する電気角１２０度の位相差を有する信号に基づいて、図２の時計方向に回転する場合でのロータ２０の回転角度を算出する場合を説明する。磁気センサＵＳ、ＶＳのそれぞれ出力信号の大きさをＨ１、Ｈ２とし、磁気センサＵＳ、ＶＳのそれぞれ出力信号の最大値をＫ１、Ｋ２とし、ロータの回転角度をθとする。尚、Ｈ１、Ｈ２、Ｋ１、Ｋ２は電圧値である。

Ｈ１、Ｈ２は以下のように表すことができる。
Ｈ１＝Ｋ１・ｓｉｎθ・・・（１）
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ＋１２０°）・・・（２）
式（２）の１２０度は、磁気センサＵＳの出力信号に対する磁気センサＶＳの出力信号の位相のずれである電気角である。
ここで三角関数の公式により、式（２）は、以下のように変形できる。
Ｈ２／Ｋ２＝ｓｉｎ（θ＋１２０°）＝ｓｉｎθ・ｃｏｓ１２０°＋ｃｏｓθ・ｓｉｎ１２０°＝−１／２・ｓｉｎθ＋√３／２・ｃｏｓθ・・・（３）
式（３）は、式（２）により、以下の式（４）のように変形できる。
ｃｏｓθ＝（ｓｉｎθ＋２・Ｈ２／Ｋ２）／√３・・・（４）
式（１）（４）により、以下の式（５）（６）を算出できる。
ｓｉｎθ＝Ｈ１／Ｋ１・・・（５）
ｃｏｓθ＝（Ｈ１／Ｋ１＋２・Ｈ２／Ｋ２）／√３・・・（６）
式（５）（６）により、以下のようにθをＨ１、Ｈ２に基づいて算出できる。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）＝ａｒｃｔａｎ｛√３・Ｈ１・Ｋ２／（Ｈ１・Ｋ２＋２・Ｈ２・Ｋ１）｝・・・（７）
ここで、磁気センサＵＳ、ＶＳのそれぞれ出力信号の最大値が等しい場合（Ｋ１＝Ｋ２）、以下のようにθを算出できる。
θ＝ａｒｃｔａｎ｛√３・Ｈ１／（Ｈ１＋２・Ｈ２）｝・・・（８）

以上のように、磁気センサＵＳ、ＶＳの出力信号の大きさに基づいてロータ２０の回転角度を算出できる。このように、本実施例のモータＭは、エンコーダを用いなくても、ロータ２０の回転角度を精度よく算出できる。このため、エンコーダをモータＭに設けた場合と比較して、小型化、低コスト化を達成できる。

また、複数のコイル５０の通電タイミングを制御するために用いられている磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳのうち２つの磁気センサを利用することにより、ロータ２０の回転角度を算出できる。このため、別途新たに磁気センサを設ける必要はなく、小型化、低コストを維持できる。

図５は、変形例であるステータ４０ａ及びロータ２０ａの正面図である。図５は図２に対応している。ロータ２０ａは周方向に８つの磁石が固定されている。また、ステータ４０ａは、環状部４２ａ、ティース部４４ａ、スロット４６ａを含み、スロット４６ａの数は１２である。このような場合も、磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳの出力信号の位相差は電気角１２０度である。従って、上記の式（７）、又は（８）により、ロータ２０の回転角度を算出できる。

尚、複数のコイル５０の各相への通電制御に用いられる磁気センサＵＳ、ＶＳ、ＷＳ以外に、磁気センサＰＳを設けてロータ２０ａの回転角度を算出してもよい。この場合、磁気センサＰＳについても、他の磁気センサが実装されたプリント基板の面に、即ち、ロータ２０ａに対向するプリント基板の面に実装する。また、磁気センサＰＳについても、スロット４６ａ間に配置する。これにより、磁気センサＰＳへの、ステータ４０ａの励磁による磁気的な影響を抑制できる。尚、図５では、磁気センサＶＳよりもロータ２０ａが回転する時計方向とは逆の方向に磁気センサＰＳが配置した例を示している。磁気センサＰＳ、ＶＳの機械角度は３０度である。磁気センサＰＳの出力信号に対する磁気センサＶＳの出力信号の位相差は電気角３０度である。ここで、磁気センサＰＳの出力信号の最大値がＫ１であるとすると、上記と同様の方法により上記式（１）と以下の式が成立し、ロータ２０ａの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ＋３０°）・・・（９）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛−Ｈ１・Ｋ２／（−√３・Ｈ１・Ｋ２＋２・Ｈ２・Ｋ１）｝・・・（１０）

また、算出に用いられる２つの磁気センサの出力信号の最大値がそれぞれＫ１、Ｋ２であり、出力信号の位相差が電気角で−１２０度の場合には、上記と同様の方法により上記式（１）と以下の式が成立し、ロータ２０ａの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ−１２０°）・・・（１１）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛−√３・Ｈ１・Ｋ２／（２・Ｈ２・Ｋ１−Ｈ１・Ｋ２）｝・・・（１２）

また、出力信号の位相差が電気角で−３０度の場合には、上記と同様の方法により上記式（１）と以下の式が成立し、ロータ２０ａの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ−３０°）・・・（１３）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｈ１・Ｋ２／（√３・Ｈ１・Ｋ２−２・Ｈ２・Ｋ１）｝・・・（１４）

出力信号の位相差が電気角で９０度の場合、上記式（１）と以下の式が成立してロータの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ＋９０°）・・・（１５）
θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ１・Ｋ２／Ｈ２・Ｋ１）・・・（１６）

出力信号の位相差が電気角で−９０度の場合には、上記式（１）と以下の式が成立してロータの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ−９０°）・・・（１７）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛−（Ｈ１・Ｋ２／Ｈ２・Ｋ１）｝・・・（１８）

出力信号の位相差が電気角で６０度の場合、上記式（１）と以下の式が成立してロータの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ＋６０°）・・・（１９）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛√３・Ｈ１・Ｋ２／（−Ｈ１・Ｋ２＋２・Ｈ２・Ｋ１）｝・・・（２０）

出力信号の位相差が電気角で−６０度の場合、上記式（１）と以下の式が成立してロータの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ・ｓｉｎ（θ−６０°）・・・（２１）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛√３・Ｈ１・Ｋ２／（Ｈ１・Ｋ２−２・Ｈ２・Ｋ１）｝・・・（２２）

出力信号の位相差が電気角で４５度の場合、上記式（１）と以下の式が成立してロータの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ＋４５°）・・・（２３）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｈ１・Ｋ２／（−Ｈ１・Ｋ２−２・Ｈ２・Ｋ１）｝・・・（２４）

出力信号の位相差が電気角で−４５度の場合、上記式（１）と以下の式が成立してロータの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ−４５°）・・・（２５）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｈ１・Ｋ２／（−√２・Ｈ２・Ｋ１＋Ｈ１・Ｋ２）｝・・・（２６）

出力信号の位相差が電気角で１５０度の場合、上記式（１）と以下の式が成立してロータの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ＋１５０°）・・・（２７）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｈ１・Ｋ２／（√３・Ｈ１・Ｋ２＋２・Ｈ２・Ｋ１）｝・・・（２８）

出力信号の位相差が電気角で−１５０度の場合、上記式（１）と以下の式が成立してロータの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ−１５０°）・・・（２９）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛−Ｈ１・Ｋ２／（√３・Ｈ１・Ｋ２＋２・Ｈ２・Ｋ１）｝・・・（３０）

以上のように、出力信号の位相差が電気角でθ_１２の場合、上記式（１）と以下の一般式が成立してロータの回転角度を算出できる。
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ＋θ_１２）・・・（３１）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｈ１・Ｋ２・ｓｉｎθ_１２／（Ｈ２・Ｋ１−Ｈ１・Ｋ２・ｃｏｓθ_１２）｝・・・（３２）

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、変形・変更が可能である。

モータのコイルの通電タイミングを制御するために用いられる磁気センサ以外に、ロータの回転角度を算出するための２つの磁気センサを別途設けてもよい。

上記実施例での、ロータの回転角を算出するために用いられる２つの磁気センサのうち少なくとも一つが、ロータに対向するプリント基板の面に実装されて複数のスロット間の何れかに配置されればよい。これにより、磁気センサへの、ステータの励磁による磁気的な影響を抑制できる。

また、ロータの回転角度を算出するための２つの磁気センサは、ロータに対向するプリント基板の面ではなく、その裏面に設けてもよい。この場合、磁気センサは、ステータのスロットに対向していなくてもよい。

尚、上記例での２つの磁気センサは、最大の出力値が同じとなる磁気センサを用いたがこれに限定されない。例えば、最大の出力値が異なる値であってもよい。また、２つの磁気センサのうち一方を、ロータと対向するプリント基板の面に設け、他方をプリント基板の裏面に設けてもよい。この場合、２つの磁気センサの最大の出力値は異なるが、上記式により算出可能である。

尚、本実施例のモータ装置Ａは、例えば、パワーアシスト装置や駅のホームドアに用いることができる。

本実施例では、コントローラ５がモータＭのロータ２０の回転角度を算出する場合を例に説明したが、これに限定されず、コントローラ５とは別に、ロータ２０の回転角度を算出するための電子回路を設けてもよい。

モータ装置Ａ
モータＭ
ＵＳ、ＶＳ、ＷＳ磁気センサ
１０回転軸
２０ロータ
４０ステータ
４４ティース部
４６スロット
５０コイル

Claims

複数のコイルが巻回されたステータと、
周方向に異なる極性を有するロータと、
前記ロータの回転に応じて、互いに所定の位相差を有する正弦波の信号をそれぞれ出力する第１及び第２磁気センサと、
前記第１及び第２磁気センサからの前記信号に基づいて、前記ロータの回転角を算出する算出部と、を備えたモータ装置。
前記ステータは、前記複数のコイルがそれぞれ巻回された複数のティース部、隣接する前記ティース部間に形成された複数のスロット、を有し、
前記第１及び第２磁気センサの少なくとも一つは、前記ロータに対向するプリント基板の面に実装されて前記複数のスロット間の何れかに配置される、請求項１のモータ装置。
前記ロータの回転に応じて、前記第１及び第２磁気センサが出力する前記信号と所定の位相差を有する正弦波の信号を出力する第３磁気センサを備え、
前記複数のコイルは、前記第１、第２、及び第３磁気センサの信号に基づいて通電タイミングが制御される、請求項１又は２のモータ装置。
前記第１及び第２磁気センサからの前記信号の位相差は電気角で、±３０度、±４５度、±６０度、±９０度、±１２０度、±１５０度、の何れかである、請求項１乃至３の何れかのモータ装置。
前記算出部は、以下の式により前記ロータの回転角を算出する、請求項１乃至４の何れかのモータ装置。
Ｈ１＝Ｋ１・ｓｉｎθ・・・（式１）
Ｈ２＝Ｋ２・ｓｉｎ（θ＋θ_１２）・・・（式２）
θ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｈ１・Ｋ２・ｓｉｎθ_１２／（Ｈ２・Ｋ１−Ｈ１・Ｋ２・ｃｏｓθ_１２）｝・・・（式３）
但し、Ｈ１、Ｈ２は、前記第１及び第２磁気センサの出力信号のそれぞれの大きさであり、Ｋ１、Ｋ２は、前記第１及び第２磁気センサの出力信号のそれぞれの最大値であり、θ_１２は、前記第１及び第２磁気センサの出力信号の位相差を示した電気角であり、θは、前記ロータの回転角である。