JP4092471B2

JP4092471B2 - 回転電機のロータ磁極位置検出装置

Info

Publication number: JP4092471B2
Application number: JP2002305596A
Authority: JP
Inventors: 宏石井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: JP2004140965A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性体片上に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁気位置センサを用いた回転電機のロータ磁極位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
整流子、ブラシ等の整流機構が設けられていない回転電機（モータ（原動機）、ジェネレータ（発電機）、ジェネレータ兼モータなど）の回転を制御するには、回転しているロータの位置を常に正確に検出する必要がある。例えば、特許文献１では、ロータと回転中心が同一で、外周面がロータと同一の磁極数に着磁された回転位置検出円盤の位置を、ホールＩＣで構成された回転位置信号発生器で検出するモータ制御装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２１５８８１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術では、ロータ磁極位置の検出精度は、回転位置検出円盤に対する着磁精度によって決まってしまうので、検出精度を高めることは困難である。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、コストを安価に抑えつつもロータ磁極位置を精度よく検出可能な回転電機のロータ磁極位置検出装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００７】
本発明は、周方向にコイルを巻装したステータ（２）と、該ステータ（２）の内周に配置されると共に、回転軸（３ａ）に連結し、前記ステータ（２）に対して相対回転可能であって、周方向に複数のトルク用磁石（３ｃ）を有するロータ（３）と、前記ロータ（３）の回転軸方向端面に配置され、前記トルク用磁石（３ｃ）の磁束が回転軸方向に漏れることを軽減する非磁性体板（４）と、前記非磁性体板（４）の前記ロータ（３）への対向面の反対面に形成される溝部（４ａ）に配置され、その溝部（４ａ）の深さと同一又は略同一の厚さの複数の位置検出用磁石（１２）と、幅が前記溝部（４ａ）の幅よりも広くその溝部（４ａ）を跨いで、前記複数の位置検出用磁石（１２）を覆うように設けられ、少なくとも前記位置検出用磁石（１２）を貫通する固定ピン（１１）によって前記非磁性体板（４）に位置決めされるとともに、その非磁性体板（４）に溶接固定され、前記位置検出用磁石（１２）によって磁化させられる磁性体片（１０）と、前記磁性体片（１０）に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁極位置検知手段（５）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
【作用・効果】
本発明によれば、ロータと一体回転する非磁性体板に位置検出用磁石及び磁性体片を配置して、その磁性体片に現れる磁極からロータの磁極位置を検知することとしたので、ロータの磁極位置を検出する精度が向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
【００１０】
図１、図２は、本発明の磁極位置検出装置が適用されたモータ（永久磁石型同期電動機）を示す全体構成図である。なお、図１は図２のI−I断面、図２は図１のII−II断面である。
【００１１】
モータＭは、ケース１と、ステータ２と、ロータ３とを備える。
【００１２】
ケース１は、円筒部材１ａと、側板１ｂとを有する。
【００１３】
円筒部材１ａは両端が開口した筒状部材であり、その内周にステータ２が配置されている。
【００１４】
側板１ｂは、円筒部材１ａの軸方向両端の開口を閉塞する部材である。側板１ｂは、ボルト（図示略）で円筒部材１ａに取り付けられている。また、側板１ｂには、ロータ３の回転軸３ａ（後述）を回転自由に支持するベアリング６が設けられている。
【００１５】
ステータ２は、電磁鋼板を多数枚積層して形成したステータコア２ａと、ステータコイル２ｂとからなっている。ステータコア２ａは、リング状のバックコア部と、このバックコア部から半径方向内向きに突出するティース部とを有しており、このティース部にステータコイル２ｂが集中巻きされている。全周で１２箇所のティース部に巻装された１２個のステータコイル２ｂは、各グループが４つのコイルからなる３つのグループ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に分けられている。この各グループには、１２０°づつ位相が異なる交流電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流）が供給される。すなわち、このモータは３相交流電流によって駆動される。ステータ２は、ケース１の円筒部材１ａの内側に圧入・固定されている。
【００１６】
ロータ３は、ステータ２の内側に配置されている。ロータ３は、ロータ回転軸３ａと、電磁鋼板を多数枚積層して形成した円柱形状のロータコア３ｂとを有する。
【００１７】
回転軸３ａの両端はベアリング６を介して側板１ｂに支持されており、回転自在となっている。
【００１８】
ロータコア３ｂには、磁石挿入孔が形成されており、そこにトルク用磁石３ｃが挿入・固定されている。トルク用磁石３ｃは厚み方向（ロータ３の略半径方向）に磁化されており、ロータ外周側の極が交互になるよう円周方向に８個配列されている。したがって、このロータ３は４極対を有するロータとなっている。
【００１９】
ロータコア３ｂの軸方向両端面にはエンドプレート４が配設されている。エンドプレート４は、トルク用磁石３ｃの磁束が軸方向に漏れることを軽減する非磁性体板であり、例えばステンレス板などを使用することができる。このエンドプレート４には位置検出用磁石１２を収容するためのリング状溝４ａが形成されている。このリング状溝４ａの深さは、位置検出用磁石１２の厚みと同一又は略同一である。そのため、リング状溝４ａに配置された位置検出用磁石１２は、後述の通り、その上に配置された磁性体片１０によってエンドプレート４に押さえ付けられており、軸方向移動が規制される。位置検出用磁石１２は厚み方向（ロータ３の軸方向）に磁化されており、ロータ端面側の極が交互となるようリング状溝４ａ内に一定角度（機械角４５°）間隔で８個並べられている。ロータ３は４極対ロータであるので、位置検出用磁石１２は電気角１８０°毎に配置されていることになる。
【００２０】
また、エンドプレート４上には、各位置検出用磁石１２に対応する磁性体片１０が固定されている。磁性体片１０は例えば鉄片である。磁性体片１０の幅（ロータ半径方向の寸法）は位置検出用磁石１２及びリング状溝４ａの幅よりも大きく、対応する位置検出用磁石１２を覆うように配置されている。隣り合う磁性体片１０の間にはわずかな隙間（例えば、円周方向幅が機械角で１°程度）が設けられている。また、エンドプレート４と磁性体片１０と位置検出用磁石１２とを貫通する非磁性体の固定ピン１１により、磁性体片１０はエンドプレート４に対して正確に位置決めされている。また、各磁性体片１０は周囲４箇所のスポット溶接Ｐによってエンドプレート４に固定されている。位置検出用磁石１２は、固定ピン１１によって半径方向及び円周方向の移動が規制されている。また、位置検出用磁石１２は、磁性体片１０によって軸方向の移動が規制されている。したがって、位置検出用磁石１２は、エンドプレート４に対して固定されている。なお、位置検出用磁石１２は、強固に固定する必要はないが、ガタつきを防止するために接着剤等によって簡単な固定を施しておくとよい。磁性体片１０は位置検出用磁石１２よりも幅広であるので、スポット溶接Ｐの位置を位置検出用磁石１２から遠ざけることができ、スポット溶接実行時の温度上昇による位置検出用磁石１２の減磁を回避することができる。
【００２１】
一方、ケース１を構成する側板１ｂには、ラッチ出力タイプのホールＩＣセンサを用いた磁極位置センサ５が取り付けられている。この磁極位置センサ５は、磁性体片１０に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁極位置検知手段である。磁極位置センサ５は、Ｕ相センサ５ｕ、Ｖ相センサ５ｖ、Ｗ相センサ５ｗの３つのセンサからなり、同一円周上に一定角度間隔（電気角１２０°＝４極対ロータなので機械角では３０°）で並んでいる。各センサは、対向する磁性体片１０上の磁束の極性に応じてハイレベル又はローレベルの信号を出力する。
【００２２】
なお、固定ピン１１付近では磁束の乱れが大きいので、ロータ３が回転したときにその乱れが磁極位置センサ５に影響しないように、磁極位置センサ５を固定ピン１１から離して配置するとよい。具体的には、磁極位置センサ５は、回転軸３ａからの距離が、固定ピン１１と回転軸３ａとの距離と異なるように、換言するならばロータ回転軸方向から見たときに（図２参照）、ロータ３が回転したときの固定ピン１１の軌跡に、磁極位置センサ５が重ならないように、固定ピン１１から所定距離以上離して磁極位置センサ５を配置するとよい。より具体的には、磁極位置センサ５が固定ピン１１の設置されている位相に重なった場合に、磁極位置センサ５の信号が、その近傍の位相に対して反転することのない距離以上、離して配置するとよい。
【００２３】
図３は、各磁極位置センサの電気角に対する出力信号を示す図である。
【００２４】
３つのセンサ（Ｕ相センサ５ｕ、Ｖ相センサ５ｖ、Ｗ相センサ５ｗ）の出力は、ロータ磁極位置（ロータ回転位相）に応じて図３のように変化する。したがって、３つの信号の組み合わせから電気角６０°の分解能でロータ磁極位置を検出することができる。
【００２５】
本実施形態によれば、次のような効果がある。
【００２６】
ロータ磁極位置の検出精度を上げるには、例えば、あらかじめ着磁した複数の検出用磁石を貼付した回転位置検出円盤を使用する方法が考えられる。しかし、このようにした場合は、各検出用磁石の寸法精度を上げなければならない。ところが、一般的に永久磁石の材料となる素材（例えば、フェライト等）は加工が困難で形状精度を上げにくく、精度を上げるには大幅なコストアップが避けられない。
【００２７】
しかし、本実施形態では、ロータコア３ｂの軸方向端面にエンドプレート４を固定し、そのリング状溝４ａに位置検出用磁石１２を配置し、さらに磁性体片１０を配置し、その磁性体片１０に現れる磁極を磁極位置センサ５で検知することとしている。したがって、本実施形態によれば、磁性体片１０の成形精度及び取付精度を向上させることによって、ロータの磁極位置の検出精度を向上させることができるのである。
【００２８】
また、本実施形態では、磁性体片１０として鉄片等を使用することができるので、成形が容易であり、大幅なコスト上昇を招くことなく、形状精度を向上させることが可能である。
【００２９】
さらに、本実施形態では、その磁性体片１０をエンドプレート４に対して固定ピン１１で位置決めした後、溶接している。したがって、磁性体片１０をエンドプレート４に対して高い位置精度で取り付けることが可能である。
【００３０】
以上の通り、本実施形態によれば、コストを安価に抑えつつも、磁性体片の成形精度及び取付精度を向上させることが可能であり、それにより、低コストと、ロータの磁極位置の検出精度を向上とを両立させることができるのである。
【００３１】
また、回転電機のロータは高速回転するので、その回転駆動中に位置検出用磁石を脱落させないように固定することが重要である。ところが、永久磁石自体を直接、エンドプレートに強固に固定するのは困難であった。しかし、本実施形態によれば、位置検出用磁石１２をエンドプレート４のリング状溝４ａに配置し、その上から磁性体片１０を覆設して、エンドプレート４に溶接固定することとしたので、位置検出用磁石１２を強固に固定することが可能になった。また、磁性体片１０は位置検出用磁石１２よりも幅広であるので、溶接位置を位置検出用磁石１２から遠ざけることができ、溶接時の位置検出用磁石１２の温度上昇を防ぐことができ、熱影響による減磁を回避することができる。
【００３２】
さらに、リング状溝４ａの深さは、位置検出用磁石１２の厚さと同一又はほぼ同一なので、位置検出用磁石１２は、その上に配設された磁性体片１０によって軸方向の位置が固定され、ロータの高速回転にも耐え得ることができるようになったのである。
【００３３】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００３４】
例えば、上記実施形態では、回転電機の一例としてモータ（原動機）を挙げて説明したが、ジェネレータ（発電機）やジェネレータ兼モータであってもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁極位置検出装置が適用されたモータを示す全体構成図であり、回転軸に対して直交する方向から見た断面図である。
【図２】本発明の磁極位置検出装置が適用されたモータを示す全体構成図であり、回転軸方向から見た断面図である。
【図３】各磁極位置センサの電気角に対する出力信号を示す図である。
【符号の説明】
Ｍモータ
１ケース
２ステータ
３ロータ
３ａ回転軸
３ｂロータコア
３ｃトルク用磁石
４エンドプレート（非磁性体板）
５磁極位置センサ（磁極位置検知手段）
５ｕＵ相センサ
５ｖＶ相センサ
５ｗＷ相センサ
１０磁性体片
１１固定ピン
１２位置検出用磁石

Claims

周方向にコイルを巻装したステータと、
該ステータの内周に配置されると共に、回転軸に連結し、前記ステータに対して相対回転可能であって、周方向に複数のトルク用磁石を有するロータと、
前記ロータの回転軸方向端面に配置され、前記トルク用磁石の磁束が回転軸方向に漏れることを軽減する非磁性体板と、
前記非磁性体板の前記ロータへの対向面の反対面に形成される溝部に配置され、その溝部の深さと同一又は略同一の厚さの複数の位置検出用磁石と、
幅が前記溝部の幅よりも広くその溝部を跨いで、前記複数の位置検出用磁石を覆うように設けられ、少なくとも前記位置検出用磁石を貫通する固定ピンによって前記非磁性体板に位置決めされるとともに、その非磁性体板に溶接固定され、前記位置検出用磁石によって磁化させられる磁性体片と、
前記磁性体片に現れる磁極に感応してロータ磁極位置信号を出力する磁極位置検知手段と、
を備える回転電機のロータ磁極位置検出装置。
前記複数の位置検出用磁石は、隣同士が逆着磁方向になるように電気角１８０°毎に並べられて配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ磁極位置検出装置。
前記磁極位置検知手段は、前記回転軸からの距離が、前記固定ピンと前記回転軸との距離と異なるように、ロータ回転軸方向から見たときにロータが回転したときの固定ピンの軌跡に重ならない所定距離以上離れた位置に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機のロータ磁極位置検出装置。
前記所定距離とは、前記磁極位置検知手段が前記固定ピンの設置されている位相に重なった場合に、磁極位置検知手段の信号が、その近傍の位相に対して反転することのない距離である、
ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機のロータ磁極位置検出装置。