JP2020085512A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｄ軸磁束がロータから漏れて検出磁束に含まれる場合にも、そのｄ軸磁束の影響を抑制する。【解決手段】回転角度検出装置９０は、回転電機９５のロータ６０の回転角度を検出する装置であって、磁石１１と検出部１２とｄ軸電流取得部２４と角度算出部３０とを有する。磁石１１は、ロータ６０と共に回転する。検出部１２は、磁石１１の磁束である磁石磁束Φｅに、回転電機９５が発生させるｄ軸磁束Φｄのロータ６０からの漏れ磁束が重畳された磁束を、検出磁束Φとして検出する。ｄ軸電流取得部２４は、回転電機９５の回路５４に流れる電流におけるｄ軸磁束Φｄを発生させる成分であるｄ軸電流の値を取得する。角度算出部３０は、検出磁束Φ及びｄ軸電流値に基づいて、ロータ６０の回転角度を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のロータの回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

回転電機は、通常、回転可能に設けられたロータと、回路を備えたステータとを有する。ステータは、その回路に電流を流すことによりロータ内に所定のｄ軸磁束を発生させると共に、ｄ軸磁束に直交するｑ軸磁束を発生させることによりロータにトルクを加える。

このような回転電機のロータの回転角度を検出する回転角度検出装置の中には、ロータと共に回転する磁石と、その磁石の磁束である磁石磁束を検出磁束として検出する検出部と、その検出磁束に基づいてロータの回転角度を算出する算出部と、を有するものがある（特許文献１参照）。

特開平１１−９４５１２号公報

回転電機の構成によっては、ｄ軸磁束がロータから検出部側に漏れ出てしまう場合がある。その場合には、検出磁束には、磁石磁束の他、ｄ軸磁束の漏れ磁束も含まれてしまう。そのｄ軸磁束の漏れ磁束が含まれた検出磁束に基づいて、角度算出部が、ロータの回転角度を算出することにより、算出された回転角度が真の回転角度からずれてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ｄ軸磁束がロータから漏れて検出磁束に含まれてしまう場合にも、その含まれるｄ軸磁束の影響を抑制することを、主たる目的とする。

本発明の回転角度検出装置は、回転電機のロータの回転角度を検出する。前記回転電機は、回転可能に設けられたロータと、回路を備えたステータとを有する。前記ステータは、前記回路に電流を流すことにより前記ロータ内に所定のｄ軸磁束を発生させると共に、前記ｄ軸磁束に直交するｑ軸磁束を発生させる。前記ｄ軸磁束は、前記ロータから漏れ出る。

前記回転角度検出装置は、磁石と検出部とｄ軸電流取得部と角度算出部とを有する。前記磁石は、前記ロータと共に回転する。前記検出部は、前記磁石の磁束である磁石磁束に、前記ｄ軸磁束の前記ロータからの漏れ磁束が重畳された磁束を、検出磁束として検出する。前記ｄ軸電流取得部は、前記回路に流れる電流における前記ｄ軸磁束を発生させる成分であるｄ軸電流の値であるｄ軸電流値を取得する。前記角度算出部は、前記検出部が検出した検出磁束、及び前記ｄ軸電流取得部が取得したｄ軸電流値に基づいて、前記ロータの回転角度を算出する。

本発明によれば、角度算出部は、ロータの回転角度の算出に、検出磁束だけでなく、ｄ軸電流値も用いるため、そのｄ軸電流値に基づいて、ロータから漏れるｄ軸磁束の大きさを予測することができる。その予測に基づいて、検出磁束に含まれるｄ軸磁束の影響を抑制することができる。

第１実施形態の回転角度検出装置及び回転電機を示す概略図 同回転角度検出装置及び回転電機を示す断面図 同回転電機のロータを示す斜視図 同回転電機を示す平面図 図２の回転角度検出装置を右側からみた概略図 図３の状態からロータが４５度回転した状態を示す概略図 時間と仮回転角度との関係を示すグラフ 第２実施形態の回転角度検出装置及び回転電機を示す概略図 第３実施形態の回転角度検出装置及び回転電機を示す概略図

次に本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施できる。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の回転角度検出装置９０を示す概略図である。回転角度検出装置９０は、回転電機９５に対して設けられている。

図２は、回転電機９５を示す断面図である。回転電機９５は、ロータ６０と、ステータ５０とを有する。ロータ６０は、ロータ軸６９に固定されており、ロータ軸６９と共に回転する。ロータ６０は、第１コア６１と第２コア６２とに分割形成されている。各コア６１，６２は、略円筒状の基部６１ａ，６２ａと、軸線方向にみて基部６１ａ，６２ａから放射状に延びたのち、軸線方向に沿って他方のコア６２，６１側に延びる爪状部６１ｂ，６２ｂとを備えている。ステータ５０は、ロータ６０を囲むハウジング５１を有する。ハウジング５１は、ロータ軸６９を回転可能に支持している。

図３は、図２のロータ６０を若干右側から斜めにみた斜視図である。第１コア６１に対して、第２コア６２はその爪状部６２ｂの中心角度ピッチの半分に相当する中心角度分ずらした状態でロータ軸６９に固定されている。そのため、第１コア６１の隣り合う各２つの爪状部６１ｂの間に、第２コア６２の爪状部６２ｂが配されている。第１コア６１及び第２コア６２の基部６１ａ，６２ａの周囲には、界磁巻線６５が設置されている。その界磁巻線６５に電流が流れると界磁磁束Φｆが発生する。界磁磁束Φｆは、第１コア６１の爪状部６１ｂから第１コア６１の基部６１ａに至って、界磁巻線６５の内側を軸線方向に通過することにより第２コア６２の基部６２ａに至ってから、第２コア６２の爪状部６２ｂに至る磁束である。

図４は、図２のロータ６０を右側からみた模式図である。なお、図３では、各コア６１，６２の爪状部６１ｂ，６２ｂは、８本ずつであるが、図４では、簡略化して４本ずつとして示している。

ステータ５０は、複数のコイル５５を有する回路５４を有する。ステータ５０は、複数のコイル５５に電流を流すことにより、ｄ軸磁束Φｄ及びｑ軸磁束Φｑを発生させる。ｄ軸磁束Φｄは、界磁磁束Φｆと同じ方向又はその反対方向に発生する磁束である。詳しくは、ｄ軸磁束Φｄは、この図４のように、界磁磁束Φｆの反対方向に発生する場合、ロータ６０のコア６１，６２に発生する磁束が弱められる。他方、この図４とは反対に界磁磁束Φｆと同じ方向に発生する場合、ロータ６０のコア６１，６２に発生する磁束が強められる。ｑ軸磁束Φｑは、界磁磁束Φｆ及びｄ軸磁束Φｄに直交する方向に発生する磁束である。

回路５４は、Ｕ相とＶ相とＷ相と、その各相に流れる電流を検出する相電流検出部とを備えている。回転電機９５の制御装置は、その相電流検出部が検出したＵ相とＶ相とＷ相との電流値に基づいて、ｄ軸電流値とｑ軸電流値とを算出する。ｄ軸電流値は、回路５４に流れる電流におけるｄ軸磁束Φｄを発生させる成分の大きさである。ｄ軸電流値が大きいほど、ｄ軸磁束Φｄが大きくなる。ｑ軸電流値は、回路５４に流れる電流におけるｑ軸磁束Φｑを発生させる成分の大きさである。ｑ軸電流値が大きいほど、ｑ軸磁束Φｑが大きくなる。

回転電機９５は、界磁巻線６５に流れる電流を検出する電流検出部を備えている。ロータ６０の制御部は、その検出に基づいて、界磁電流の大きさである界磁電流値を取得する。界磁電流は、界磁巻線６５を流れる電流であり、界磁磁束Φｆを発生させる。界磁電流値が大きいほど、界磁磁束Φｆが大きくなる。

図２に示すように、界磁磁束Φｆ及びｄ軸磁束Φｄは、第１コア６１及び第２コア６２の基部６１ａ，６２ａをロータ軸６９に沿ってその軸線方向に通過することから、その一部は、外乱磁束Φｎとして、ロータ軸６９に漏れ出る。そして、さらにロータ軸６９を伝ってハウジング５１の外に漏れ出ることになる。特に、ロータ軸６９が鉄製（磁性体）の場合には、漏れ出る量が多くなる。

そのロータ軸６９を伝って漏れ出る外乱磁束Φｎは、磁石１１の磁束に重畳して、検出部１２により検出されることになる。外乱磁束Φｎの大きさは、この図２のように、ｄ軸磁束Φｄが界磁磁束Φｆの反対方向に発生する状況下では、界磁磁束Φｆの漏れ磁束の大きさからｄ軸磁束Φｄの漏れ磁束の大きさを減算したものとなる。他方、この図２とは反対に、ｄ軸磁束Φｄが界磁磁束Φｆと同じ方向に発生する状況下では、外乱磁束Φｎの大きさは、界磁磁束Φｆの漏れ磁束の大きさにｄ軸磁束Φｄの漏れ磁束の大きさを加算したものとなる。

図１に示すように、回転角度検出装置９０は、仮角度算出回路１０と、補正量算出回路２０と、角度算出部３０とを有する。仮角度算出回路１０は、磁石１１と検出部１２と仮角度算出部１３とを有する。

図２に示すように、磁石１１は、ロータ軸６９の先端部に固定されており、ロータ軸６９と共に回転する。磁石１１は、永久磁石である。検出部１２は、磁石１１よりもロータ軸６９の軸線方向延長線側に設けられた、磁束を検出するセンサである。検出部１２が検出する検出磁束Φには、磁石１１により発生する磁石磁束Φｅの他、ロータ６０からの外乱磁束Φｎが含まれる。

図５（ａ）は、図２の検出部１２の内部を右側からみた図である。検出部１２は、磁束の所定方向成分であるＡ方向成分を検出するＡ方向センサ１２ａと、Ａ方向に直交するＢ方向成分を検出するＢ方向センサ１２ｂとを有する。Ａ方向センサ１２ａ及びＢ方向センサ１２ｂとも、ロータ軸６９の軸線上から若干ずれた位置に設けられている。そのため、ロータ軸６９の軸線から放射状に広がる外乱磁束Φｎを検出してしまうことになる。

詳しくは、例えば、図５（ａ）のように、磁石磁束ΦｅがＢ方向を向いている場合、Ｂ方向センサ１２ｂは、磁石磁束Φｅを検出する。さらに、Ａ方向センサ１２ａは、放射状に広がる外乱磁束ΦｎのＡ方向成分Φｎａを検出する。さらに、Ｂ方向センサ１２ｂは、放射状に広がる外乱磁束ΦｎのＢ方向成分Φｎｂを検出する。

そのため、図５（ｂ）に示すように、検出部１２は、Ｂ方向を向いた磁石磁束Φｅに、放射状に広がる外乱磁束ΦｎのＡ方向成分ΦｎａとＢ方向成分Φｎｂとが重畳された磁束を検出磁束Φとして検出する。そのため、検出磁束Φの方向は、磁石磁束Φｅの方向からずれてしまう。

図６（ａ）は、図５（ａ）の状態からロータ６０が４５度回転することにより、磁石磁束Φｅが４５度回転した状態を示している。Ａ方向センサ１２ａは磁石磁束ΦｅのＡ方向成分Φｅａを検出し、Ｂ方向センサ１２ｂは磁石磁束ΦｅのＢ方向成分Φｅｂを検出する。このとき、磁石磁束Φｅは、Ａ方向センサ１２ａ及びＢ方向センサ１２ｂのいずれに対しても４５度傾いているので、図６（ｂ）に示すように、磁石磁束ΦｅのＡ方向成分ΦｅａとＢ方向成分Φｅｂとの大きさは等しくなる。

さらに、Ａ方向センサ１２ａは、放射状に広がる外乱磁束ΦｎのＡ方向成分Φｎａを検出し、Ｂ方向センサ１２ｂは、放射状に広がる外乱磁束ΦｎのＢ方向成分Φｎｂを検出する。外乱磁束Φｎは、放射状に広がるので、Ａ方向成分ΦｎａとＢ方向成分Φｎｂとの大きさは等しくなる。

このように、検出部１２は、磁石磁束Φｅに、外乱磁束Φｎが重畳された磁束を検出磁束Φとして検出する。しかし、このときは、磁石磁束ΦｅのＡ方向成分ΦｅａとＢ方向成分Φｅｂとの大きさは等しく、また、外乱磁束ΦｎのＡ方向成分ΦｎａとＢ方向成分Φｎｂとの大きさも等しいため、検出磁束Φの向きが磁石磁束Φｅの向きからずれてしまうことがない。

以下、上記と同様のメカニズムにより、検出磁束Φの向きは、磁石磁束Φｅの向きからずれたり、ずれなくなったりする。図１に示す仮角度算出部１３は、その検出磁束Φの向きから、ロータ６０の仮回転角度を算出する。図７は、時間と仮回転角度との関係を示すグラフである。２本の実線の曲線うちの波が小さい方の曲線Ｃ１は、外乱磁束Φｎが小さい場合を示しており、波が大きい方の曲線Ｃ２は、外乱磁束Φｎが大きい場合を示している。また、破線の直線Ｌは、ロータ６０の真の回転角度を示している。また、点ｐ５は図５の状態を示し、点ｐ６は図６の状態を示している。

図１に示すように、補正量算出回路２０は、磁石強度算出部２１と、界磁電流取得部２３と、ｄ軸電流取得部２４と、記憶部２７と、補正量算出部２８とを有する。

磁石強度算出部２１は、磁石１１の周辺の温度を測定する温度センサを備え、その測定された温度に基づいて磁石磁束Φｅの大きさである磁石強度を算出する。磁石強度は、温度が高くなるほど強くなり、温度が低くなるほど弱くなる。

界磁電流取得部２３は、回転電機９５から界磁電流値を取得する。また、ｄ軸電流取得部２４は、回転電機９５からｄ軸電流値を取得する。なお、ここで取得する界磁電流値及びｄ軸電流値は、いずれも測定値であるが、指令値であってもよい。

記憶部２７は、界磁電流値と補正量との関係データ及びｄ軸電流値と補正量との関係データとを記憶している。補正量は、図７に示す曲線Ｃ１，Ｃ２（仮回転角度）を直線Ｌ（真の回転角度）に補正するための値である。図１に示す補正量算出部２８は、磁石強度算出部２１が算出した磁石強度、界磁電流取得部２３が取得した界磁電流値、ｄ軸電流取得部２４が取得したｄ軸電流値、及び記憶部２７に記憶されている各関係データに基づいて、補正量を算出する。

角度算出部３０は、仮角度算出回路１０が算出した仮回転角度、及び補正量算出回路２０が算出した補正量に基づいて、ロータ６０の回転角度を算出する。

本実施形態によれば、次の効果が得られる。界磁磁束Φｆ及びｄ軸磁束Φｄの一部は、ロータ６０から漏れて外乱磁束Φｎとなり、その外乱磁束Φｎは検出磁束Φに含まれる。しかし、角度算出部３０は、回転角度の算出に、検出磁束Φだけでなく、界磁電流値及びｄ軸電流値も用いるため、その界磁電流値及びｄ軸電流値に基づいて、外乱磁束Φｎを予測することができる。その予測に基づいて、検出磁束Φに含まれる外乱磁束Φｎの影響を抑制することができる。

また、仮角度算出部１３は、仮回転角度を算出する。その仮回転角度によれば、正確ではないが、大まかな回転角度を得ることができる。また、仮回転角度は、図７に示す通り、所定時（点ｐ６等）には正しい回転角度を示す。そのため、このように検出磁束Φから一旦、仮回転角度を算出することにより、その大まかな回転角度や、所定時における正しい回転角度等を参照しつつ、真の回転角度を算出することができる。

角度算出部３０は、回転角度の算出に、検出磁束Φ並びに界磁電流値及びｄ軸電流値だけでなく、磁石磁束Φｅの大きさである磁石強度も用いるため、その磁石強度が温度の影響で変化した場合にも、回転角度を正確に算出することができる。

［第２実施形態］
次に、図８を参照しつつ、第２実施形態の回転角度検出装置９０について説明する。本実施形態については、第１実施形態と異なる点のみを説明する。なお、本実施形態及びそれ以降の実施形態では、以前の実施形態のものと同一の又は対応する部材等は、同一の符号を付して説明する。

ロータ６０は、界磁巻線６５を備えておらず、代わりに界磁磁束Φｆと同じ方向に磁束を発生させる永久磁石であるロータ磁石を備えている。また、補正量算出回路２０は、界磁電流取得部２３を備えておらず、代わりにロータ磁石強度算出部２３ｂを備えている。ロータ磁石強度算出部２３ｂは、ロータ磁石の周辺の温度を測定する温度センサを備え、その測定された温度に基づいてロータ磁石の磁束の大きさであるロータ磁石強度を算出する。

記憶部２７は、界磁電流と補正量との関係データの代わりに、ロータ磁石強度と補正量との関係データを記憶している。補正量算出部２８は、磁石強度算出部２１が算出した磁石強度、ロータ磁石強度算出部２３ｂが算出したロータ磁石強度、ｄ軸電流取得部２４が取得したｄ軸電流値、及び記憶部２７に記憶されている各関係データに基づいて補正量を算出する。

本実施形態によれば、次の効果が得られる。ロータ磁石の磁束及びｄ軸磁束Φｄの一部は、ロータ６０から漏れて外乱磁束となり、その外乱磁束は検出磁束Φに含まれる。しかし、角度算出部３０は、回転角度の算出に、検出磁束Φだけでなく、ロータ磁石強度及びｄ軸電流値も用いるため、そのロータ磁石強度及びｄ軸電流値に基づいて、外乱磁束を予測することができる。その予測に基づいて、検出磁束Φに含まれる外乱磁束の影響を抑制することができる。

［第３実施形態］
図９を参照しつつ、第３実施形態の回転角度検出装置９０について説明する。本実施形態については、第２実施形態と異なる点のみを説明する。

回転角度検出装置９０は、仮角度算出部１３を有していない。また、磁石強度算出部２１、ロータ磁石強度算出部２３ｂについても、温度による影響は小さいものとして、有していない。記憶部２７は、ｄ軸電流値と補正量との関係データを記憶しているのみで、ロータ磁石強度と補正量との関係は記憶していない。角度算出部３０は、検出部１２が検出した検出磁束Φ、ｄ軸電流取得部２４が取得したｄ軸電流値、及び記憶部２７に記憶されている関係データに基づいて、ロータ６０の回転角度を算出する。

本実施形態によれば、仮角度算出部１３、磁石強度算出部２１、ロータ磁石強度算出部２３ｂをなくすことにより、回転角度検出装置９０の構成をシンプルにすることができる。

本実施形態は、例えば、次のように変更して実施することもできる。図１等に示す第１実施形態において、仮角度算出部１３及び補正量算出部２８をなくして、角度算出部３０は、検出磁束Φ、磁石強度、界磁電流値、ｄ軸電流値及び各関係データに基づいて、回転角度を算出するようにしてもよい。また例えば、同第１実施形態において、温度の影響がさほど問題にならない場合は、磁石強度算出部２１をなくしてもよい。

また例えば、各実施形態において、ｄ軸電流取得部２４は、回転電機９５からｄ軸電流値を取得する代わりに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流値を取得し、そこからｄ軸電流値を算出するようにしてもよい。

また例えば、各実施形態において、界磁巻線６５及びそれに代わるロータ磁石のいずれもなくして、ｄ軸磁束Φｄ及びｑ軸磁束Φｑのみによって、ロータ６０にトルクを加えるようにしてもよい。

Φ…検出磁束、Φｅ…磁石磁束、Φｄ…ｄ軸磁束、Φｑ…ｑ軸磁束、１１…磁石、１２…検出部、２４…ｄ軸電流取得部、３０…角度算出部、５０…ステータ、５４…回路、６０…ロータ、９０…回転角度検出装置、９５…回転電機。

Claims (5)

1. 回転可能に設けられたロータ（６０）と、回路（５４）を備え、前記回路に電流を流すことにより前記ロータ内に所定のｄ軸磁束（Φｄ）を発生させると共に、前記ｄ軸磁束に直交するｑ軸磁束（Φｑ）を発生させるステータ（５０）とを有し、前記ｄ軸磁束が前記ロータから漏れ出る回転電機（９５）の前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出装置（９０）であって、
   前記ロータと共に回転する磁石（１１）と、
   前記磁石の磁束である磁石磁束（Φｅ）に、前記ｄ軸磁束の前記ロータからの漏れ磁束が重畳された磁束を、検出磁束（Φ）として検出する検出部（１２）と、
   前記回路に流れる電流における前記ｄ軸磁束を発生させる成分であるｄ軸電流の値であるｄ軸電流値を取得するｄ軸電流取得部（２４）と、
   前記検出部が検出した検出磁束、及び前記ｄ軸電流取得部が取得したｄ軸電流値に基づいて、前記ロータの回転角度を算出する角度算出部（３０）と、
   を有する回転角度検出装置。
2. 前記ロータは、界磁磁束（Φｆ）を発生させる界磁巻線（６５）を有し、前記検出磁束には、前記界磁磁束の前記ロータからの漏れ磁束が含まれ、
   前記界磁磁束を発生させる界磁電流の値である界磁電流値を取得する界磁電流取得部（２３）を有し、
   前記角度算出部は、前記検出部が検出した検出磁束、前記界磁電流取得部が取得した界磁電流値、及び前記ｄ軸電流取得部が取得したｄ軸電流値に基づいて、前記ロータの回転角度を算出する、請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記回転電機は、前記ロータと共に回転するロータ軸（６９）を有し、前記ロータ軸に前記磁石が取り付けられており、前記ロータ軸の周囲に前記界磁巻線が巻かれており、前記界磁磁束及び前記ｄ軸磁束は、前記ロータ軸に漏れることにより前記磁石磁束に重畳する、請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記検出部が検出した検出磁束に基づいて、前記ロータの仮回転角度を算出する仮角度算出部（１３）と、前記ｄ軸電流取得部が取得したｄ軸電流値に基づいて、補正量を算出する補正量算出部（２８）とを有し、
   前記角度算出部は、前記仮角度算出部が算出した仮回転角度、及び前記補正量算出部が算出した補正量に基づいて、前記ロータの回転角度を算出する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
5. 前記磁石磁束の大きさである磁石強度を算出する磁石強度算出部（２１）を有し、
   前記角度算出部は、前記検出部が検出した検出磁束、前記磁石強度算出部が算出した磁石強度、及び前記ｄ軸電流取得部が取得したｄ軸電流値に基づいて、前記ロータの回転角度を算出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。

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