JP4525628B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、ティースを有する鉄心で構成され、励磁巻線と出力巻線とを有する固定子および突極を有する回転子を備えた回転角度検出装置に関する。

従来の回転角度検出装置においては、外部磁界の影響によって出力巻線に誘起電圧が生じ、検出角度の精度が低下するという問題があった。この問題を解決するため、出力巻線の巻数を工夫して対策している例がある（例えば、特許文献１）。３個以上並ぶ固定子磁極に卷回される出力巻線の出力電圧の極性が同一となるように卷回された出力巻線を１グループとし、全ての出力巻線を２以上の偶数個のグループに分け、隣り合うグループの出力電圧の極性が互いに異なるように出力巻線がそれぞれ直列に接続されている回転角度検出装置では、固定子の中心に対して互いに対向する位置にある出力巻線間で外部磁界の影響が互いに打ち消し合うことが示されている。

特開２００４−６９３７４号公報

このような回転角度検出装置にあっては、出力極対数が奇数の場合には外部磁界による誘起電圧が打ち消されないため、外部磁界の影響を受けて検出精度が低下するという課題があった（特許文献１における段落番号[００３５]から[００３９]の記載）。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、出力極対数が奇数であっても外部磁界の影響を低減し、回転角度の検出精度が高い回転角度検出装置を得るものである。

この発明に係る回転角度検出装置においては、
内周の周方向に複数個のティースを配置した鉄心並びに前記ティースに巻回された励磁巻線及び出力巻線で構成された固定子と、
外周に突き出た複数個の突極を周方向に有する回転子とを備えた回転角度検出装置において、
前記ティースの個数をＱ、
前記回転子の回転軸から外周へ延ばした角度基準線に対して順次配置された前記ティースをｉ番目と定義し、
前記角度基準線とティースの周方向中心線とのなす角度をθｉ〔ｒａｄ〕、
i番目ティースに巻回された前記出力巻線の巻き方向が第一の巻き方向である場合には正数に、前記第一の巻き方向とは逆向きの巻き方向である場合には負数にした前記出力巻線の巻数をＮi、
前記角度基準線と外部磁界の方向とのなす角度をα〔ｒａｄ〕、
前記巻数Ｎｉの絶対値の最大値をＮｍａｘとしたとき、
前記出力巻線の極対数を奇数とし、
前記角度α＝０〜２π〔ｒａｄ〕の範囲における

の最大値ＦｍａｘがＱ×Ｎｍａｘ／４以下となるように前記出力巻線の巻き方向及び巻数を変化させた構成とした。

この発明によれば、ティースの出力巻線を所定の巻き方にすることによって、出力極対数に対する制約無く外部磁界の出力電圧への影響を低減することができるので、出力巻線の極対数が奇数である回転角度検出装置の検出精度が向上するという効果を奏するものである。

実施の形態１．
外部磁界が回転角度検出装置の出力巻線の出力電圧へどのような影響を与えるかについて説明する。図１は、外部磁界が回転角度検出装置を通過する様子を描いた図である。図１において、簡単のため外部磁界１００は一様な平行磁界であるとし、外部磁界１００の中に置かれた回転角度検出装置の固定子鉄心１０１には周方向にティース１０２が設けられ、ティース１０２に出力巻線１０３が巻き回されている。図１では簡単のために回転角度検出装置の回転子は省略し、固定子鉄心１０１と出力巻線１０３のみを示している。なお、図１ではティース１０２の数Ｑが２０である例を示している。

図１における外部磁界１００の影響を見積もるために、各ティース１０２における鎖交磁束を計算する。図１において角度基準線１１０を設定し、この角度基準線１１０と外部磁界１００の方向とのなす角度１１２をα〔ｒａｄ〕とする。また、周方向に順次配置されたティース１０２の中で角度基準線１１０から反時計回りにｉ番目のティース１０４の周方向中心線であるｉ番目のティースの基準線１１１と角度基準線１１０とのなす角度１１３を角度θｉ〔ｒａｄ〕とし、ｉ番目のティース１０４に巻き回す出力巻線１０３の巻数をＮｉとする。ただし、巻数Ｎｉは、当該出力巻線１０３の巻き方向が、第一の巻き方向である場合は正とし、当該出力巻線１０３の巻き方向が第一の巻き方向と逆向きの第二の巻き方向である場合は負となるように、巻数に（−１）を乗じた値をＮｉの値とする。したがってｉ番目ティース１０４に巻回された出力巻線１０３の巻き方向が第一の巻き方向である場合には正数に、第一の巻き方向とは逆向きの巻き方向である場合には負数となる。ここで、角度基準線１１０は、図１のように回転子の回転軸から外周へ延ばした線である。

このとき、平行かつ一様な外部磁界１００とｉ番目の出力巻線１０３の鎖交磁束φｉは次に示す式（１）のように表現することができる。

外部磁界１００と出力巻線１０３の鎖交磁束φは、これら各ティース１０２の鎖交磁束の総和であるから、次に示す式（２）と表現することができる。

さらに、ティース１０２が周方向に等間隔に配置されている場合には、ｉ番目のティース１０４の角度θｉ１１３は、次に示す式（３）である。

式（２）に式（３）を代入すると、φは次に示す式（４）と書くことができる。

したがって、式（４）の右辺の値が外部磁界１００の影響度を示すパラメータとなる。だたし、鎖交磁束は正負の値を取り得るので、絶対値記号を使って次に示す式（５）のＧ（α）を外部磁界１００の影響を示すパラメータとして定義することができる。

式（５）はティース１０２が周方向に等間隔に配置されている場合であるから、一般的には、式（２）の右辺の絶対値である次に示す式（６）を外部磁界１００の影響を示すパラメータとして定義することができる。

次に外部磁界１００が、式（５），（６）のパラメータに与える影響について考察する。図１の外部磁界１００が加わったときに、回転角度検出装置の回転子と固定子１０１との間の空隙部分には空間１次の磁束分布が現れ、外部磁界１００による各ティース１０２の出力巻線１０３の鎖交磁束は（Ｎｉが一定の場合の）式（１）のように空間１次の正弦波のような分布で変化することになる。

この空間１次の正弦波のような分布と同じになるように、１番目からＱ番目までのティースの出力巻線１０３の巻数Ｎｉが変化した場合に、外部磁界１００による出力巻線１０３の鎖交磁束が最も大きくなり、外部磁界１００の影響を受けやすいと考えられる。
そこで、｜Ｎｉ|の最大値を振幅とし、空間一次の正弦波状に巻数Ｎｉが変化する場合について、式(5)のパラメータを計算してみる。｜Ｎｉ|の最大値をＮｍａｘとしたとき、ｉ番目のティース１０４の巻数Ｎｉは、次に示す式（７）となる。

式（７）を式（５）に代入すると、式（５）は、次に示す式（８）となる。

これは外部磁界１００の向き（角度α１１２）によって出力巻線１０３が受ける影響が異なることを示しており、角度α１１２の値によっては最大Ｑ×Ｎｍａｘ／2の値を取ることが分かる。したがって、巻数Ｎｉの分布を工夫することで、式（６）のＦ（α）と式（５）のＧ（α）の値をＱ×Ｎｍａｘ／2よりも小さい値に設定すれば、外部磁界１００の影響を受けにくくなることになる。

図２は、横軸に式（５）、式（６）の値、縦軸に鎖交磁束（正規化している）をとったときの両者の関係を図示するものである。例えば、外部磁界１００の影響を半分程度にしたいのであれば、Ｑ×Ｎｍａｘ／4より小さくすればよく、１／１０程度にしたいのであればＱ×Ｎｍａｘ／２０より小さくすればよい。また、ほとんど外部磁界１００の影響を受けない回転角度検出装置を構成したい場合には、式（５）,（６）の値が零となるように巻数Ｎｉを設定すればよい。

以上のような構成にすることで、回転角度検出装置の外部から侵入する磁場が出力電圧へ与える影響を低減することができるので、結果として回転角度検出装置の検出精度が向上するという効果を奏することができる。

図１では平行磁界の場合を示したが、厳密に平行な磁界でない場合でも同様の効果があることは言うまでもない。また、上記の構成にすると角度α１１２の値によらず、式（５）,(６)値がＱ×Ｎｍａｘ／２よりも小さくなる。これは外部磁界１００の向きによらず、影響が小さいということを示している。よって本発明によれば、外部磁界１００の向きにほとんど依存することなく高精度な回転角度検出装置を得ることができるという効果がある。

以上のように、本実施の形態によれば、出力巻線１０３の巻き方を所定の巻数、巻き方向とすることで、出力巻線１０３の極対数が奇数となる場合にも、外部磁界１００の影響を少なくできるので、高精度な回転角度検出装置を得ることができる。特に式（５）,（６）は出力巻線１０３の極対数が奇数の場合にも、外部磁界１００の影響を少なくでき、出力巻線１０３の極対数が奇数の回転角度検出装置を高精度する効果がある。

実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２における回転角度検出装置の固定子を示すものである。図３において、固定子にはティース１０２が配置された固定子鉄心１０１と出力巻線１０３が設けられている。なお、図３では、簡単のために、励磁巻線、並びに固定子鉄心１０１と励磁巻線の間及び出力巻線間の絶縁物などは省略している。また、回転角度検出装置は、突極を有する回転子を有するが、図３では省略している。

固定子に設けられたティース１０２には、それぞれ出力巻線１０３が巻き回されているが、この巻数を示したのが図４である。図４の左側列はティース１０２の番号ｉであり、周方向に順に採番し、本実施の形態のティース１０２の数は２４であるので、Ｑ＝２４となる。図４の右側は出力巻線１０３の巻数Ｎｉ（ｉ＝１，２,…,２４）が示されている。巻数Ｎｉの正負は巻き方向が互いに逆であることを示している。図５は、この巻数Ｎｉを縦軸にとり、ティース番号を横軸とったグラフである。
ティース１０２が配置されている周方向の間隔が等間隔であるとしたとき、この巻数Ｎｉについて式（５）の値を計算したところ、図６のようになった。角度α１１２の値にかかわらず、３．０未満の値となり、Ｑ×Ｎｍａｘ／２＝１２００よりも十分小さい値となっている。

上述したように、式（５）の値がＱ×Ｎｍａｘ／２よりも小さければ、外部磁界１００の影響を受けにくい。
図７は、上記巻線の外部磁界１００の影響を調べ、従来例と比較したグラフである。従来例は、空間１次の正弦波状の巻数分布を持つものである。図７の横軸は、外部磁界１００の侵入角度であり、縦軸は、外部磁界１００によって出力巻線１０３に鎖交する鎖交磁束数を示している。なお、縦軸は、従来例の最大値が１００％となるように正規化している。
図７より、従来例では外部磁界１００の侵入角度によって鎖交磁束が変化している。従来例では、ある向き（この例では１０度付近）の外部磁界１００については鎖交磁束が零となり影響がないが、別の向き（この例では１００度付近）では鎖交磁束が最大となる。このような回転角度検出装置は、備え付ける配置や向きにより、ノイズなどによる外部磁界１００の影響が大きくなり、検出精度が悪化する。

他方、本実施の形態では、外部磁界１００が進入する向きにより鎖交磁束は変化するが、従来例の値より十分小さく、外部磁界１００の影響をほとんど受けていないことが図７より確認できる。従来例と本実施の形態の鎖交磁束の最大値をグラフ上に示したのが図８である。従来例を１００％としたとき、本実施の形態では３％程度と非常に小さくなっている。

以上のように、上述の平行な外部磁界１００の影響を示すパラメータである式（５）のＧ（α）の値をＱ×Ｎｍａｘ／２よりも十分小さい値としたので、任意の進入角度の外部磁界１００による出力巻線１０３の鎖交磁束が十分小さくなり、外部磁界１００の影響を受けにくく、検出精度の高い回転角度検出装置を得ることができるという効果がある。

実施の形態３．
図９の回転角度検出装置は、固定子のティース１０２の数が２０（Ｑ＝２０）であり、回転子１０５の突極の数が７の例である。ただし、この図では巻線は簡単のため１相分の出力巻線１０３のみを示し、複数相の出力巻線で構成される場合における他の相の巻線や励磁巻線は省略している。また、励磁巻線は図示しないが、極対数が５になるように巻き回されている。例えば巻数Ｎｉが、５０，５０，−５０，−５０のパターンを５回繰り返した巻数とすればよい。回転子１０５の突極数Ｍ、励磁巻線の極対数をＬとしたとき、出力巻線１０３の極対数を｜Ｌ±Ｍ｜とすれば回転角度検出装置として機能する。ここでは｜Ｌ-Ｍ｜＝｜５−７｜＝２とした。

図１０は出力巻線１０３の巻数Ｎｉを示した図である。図１０の左側はティース番号ｉであり、周方向に順に採番されている。図１０の右側は出力巻線１０３の巻数Ｎｉを巻き方向も考慮して示している。図１１は、この関係を縦軸に出力巻数Ｎｉ、横軸にティース番号ｉをとったグラフを図示したものである。この出力巻線１０３の例では、５個並ぶティース１０２に巻き回された出力巻線が１グループとなり、計４個のグループで構成される巻線である。また、各グループ内の出力巻線１０３は極性が異なる（巻線の巻く方向が異なる）巻線が含まれている。例えばティース番号１−５のグループでは、ティース番号２，３，４の出力巻線の極性が正（巻線の巻き方向が一の方向である第一の巻き方向）であり、ティース番号１，５の出力巻線の極性が負（巻線の巻き方向が第一の巻き方向と逆の第二の巻き方向）となっている。なお、隣り合うグループの巻数は巻き方向が互いに逆方向になっている。

このような巻線において、式（５）の値を計算すると零となる。この値はＱ×Ｎｍａｘ／２＝１０００よりも十分小さい値となる。このような巻線分布の回転角度検出装置は、既に述べたとおり、外部磁界１００の影響をほとんど受けない。以上のように、出力極対数が奇数の回転角度検出装置においても、外部磁界１００の影響を低減することができる。

以上述べた本実施の形態の巻線に限らず、式(5)の値がＱ×Ｎｍａｘ／2よりも十分小さければ、外部磁界１００の影響をほとんど受けることがないので、出力巻線１０３の極対数が偶数であるか、奇数であるかによらず、高精度な回転角度検出装置を得ることができる。

実施の形態４．
図１２はティース１０２の数が１０（Ｑ＝１０）、回転子１０５の突極の数Ｍを８とした回転角度検出装置の例である。図１２は、１相の励磁巻線１０６及び２相の出力巻線を有する回転角度検出装置を示している。２相の出力巻線は、出力巻線１：１０７及び出力巻線２：１０８として図に示している。励磁巻線１０６と出力巻線１：１０７と出力巻線２：１０８との巻数Ｎｉを図1３に示す。励磁巻線１０６は、極対数Ｌが５となるように巻き回されている。出力巻線１：１０７及び出力巻線２：１０８については、｜Ｌ−Ｍ｜＝３に基づいて設定され、出力巻線１：１０７及び出力巻線２：１０８の巻数Ｎｉは、式（５）をα＝０〜２π〔ｒａｄ〕の範囲で変化させて計算したＧ（α）の値の最大値が、Ｑ×Ｎｍａｘ／２＝１０×６０／２＝３００よりも十分小さい値となるように設定している。
ここで、図１５は、式（５）の値を角度α１１２に対して描いた図である。図１５より、出力巻線１：１０７に関する式（５）の値は０．２未満、出力巻線２：１０８に関する式（５）の値は０．１５未満の値をとるため、Ｑ×Ｎｍａｘ／２＝３００に対して十分小さく設定していることがわかる。既に述べたように、このような出力巻線の巻数Ｎｉを設定しておけば、いかなる方向を持つ外部磁界１００であっても、外部磁界１００による各ティース１０２の出力巻線の鎖交磁束の総和を非常に小さくできるため、位置検出精度が高い回転角度検出装置を得ることができる。

また、上記の例は励磁巻線１０６が１０個の巻線が直列に接続された構成であったが、この構成に限るものではない。例えば、他の実施の形態として、図1４に示すように、励磁巻線１０６が励磁巻線１と励磁巻線２の２つの巻線で構成され、それぞれ並列接続される構成であっても良く、この場合も本実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、励磁巻線は１相でなく多相でもよく、出力巻線も1相でも、複数相でも同様の効果が得られることは言うまでもない。

本実施の形態によれば、｜Ｌ±Ｍ｜が奇数となる回転角度検出装置においても、出力巻線を所定の巻き方とすることで、外部磁界１００の影響を少なくできるので、励磁巻線１０６の極対数、回転子１０５の突極数又は出力巻線の極対数によらず高精度な回転角度検出装置を得ることができる。

なお、本実施の形態における図１３の出力巻線２には巻数Ｎｉが零のティースが含まれている。出力巻線の製造工程において、巻線を自動で行うには、ノズルが各ティース１０２を移動して巻線を施す。全てのティース１０２に巻線が施されていると、全てのティース１０２においてノズルの位置決めをしなければならず、巻線に時間を要する。しかし本実施の形態のように巻数Ｎｉが零のティースがあれば、巻線に要する時間を短縮することができるので、巻線作業の効率を向上できるという効果がある。本実施の形態によれば、巻数が零となるティースを少なくとも１つ有するので、巻線性が向上し、生産性が向上するという効果がある。

また、本実施の形態はティース１０２の数が１０と少ない。特許文献１の図１の場合はティースの数が２０と多いが、本実施の形態はティース１０２の数が従来例の半分であっても外部磁界１００の影響をほとんど受けない回転角度検出装置を得ることができる。ティース１０２の数が少ないと巻線性が向上するため生産コストを低減することができる。従って本実施の形態によれば、従来例よりもティース１０２の数が少なくても、外部磁界１００の影響が小さい回転角度検出装置を得ることができる。巻線性が向上し、生産性が向上するという効果がある。

なお、ティース１０２の数が少ないと、個々のティース１０２の外部磁界１００による鎖交磁束が出力巻線全体の鎖交磁束に占める割合が大きくなる。そのため、ティース１０２の少ない場合には、巻数の配置が適切でなければ外部磁界１００の影響を受け易くなる。しかし、本実施の形態によれば、ティース１０２の数が６以上、１０以下の少ない数のティースの回転角度検出装置においても外部磁界１００の影響をほとんど受けない構成が実現できるという効果がある。

実施の形態５．
本実施の形態５は、Ｌ±Ｍの絶対値が奇数となる場合の回転角度検出装置における出力巻線の巻数Ｎｉの決め方についての実施の形態である。

図１６は、出力巻線の巻数Ｎｉの決め方の処理フローを示すフローチャートである。ステップ１６０１は、固定子のティース１０２を２つの領域に分割する。図２５は、この分割の例として、合計１０個のティース１０２をティース５個の領域１と領域２とに分割する例を示す図であり、縦軸は巻数Ｎｉ、横軸はティース番号を示す。

ステップ１６０２は、１つの領域について巻数Ｎｉのパターンを構築する。このとき、極性の異なる（符号の異なる）巻数Ｎｉを混在させる。また、極性を考慮した巻数Ｎｉの合計が零にならないように巻数Ｎｉを配置する。図２５のグラフは、このステップ１６０２により巻数Ｎｉのパターンを構築した例であり、領域１の巻数Ｎｉをグラフ表示したものである。図２５に示す例では、領域１は正及び負の巻数Ｎｉが混在し、かつ巻数Ｎｉの合計が６０と零ではない。図２７のグラフは、ステップ１６０２に巻数Ｎｉのパターンを構築した他の例である。図２７においても、領域１では正及び負の巻数Ｎｉが混在し、かつ巻数Ｎｉの合計が４４と零ではない。

このとき領域１以外のティース１０２の巻数が零と考えれば、式（６）のＦ（α）の最大値Ｆｍａｘが零となる。ただし、全ての場合についてＦｍａｘが零になるわけではないが、この領域内で極性の異なる巻数Ｎｉを混在させる、または巻数Ｎｉを調整することによって非常に小さい値にできる。図２５の例ではＦｍａｘが０．０９２であり、図２７の例では零となる。

ステップ１６０３は、領域１の１番目のティースから回転軸周りに１８０度回転した位置に、領域１の巻数Ｎｉのパターンと同じパターンを極性を反転させて配置する。図２６は、図２５の領域１の巻数Ｎｉのパターンが極性を反転されて領域２に配置された例である。また、図２０は、図２７の領域１の巻数Ｎｉのパターンが極性を反転させて領域２に配置された例である。このようにすれば、領域１と同じ巻数Ｎｉのパターンの繰り返しとなるので、式（６）のＦ（α）の最大値Ｆｍａｘが零となる。ただし、領域１でＦｍａｘが０にならない場合は、極性の異なる巻数Ｎｉを混在させる、または巻数Ｎｉを調整することによってＦｍａｘを小さい値にできる。例えば、図２６の例ではＦｍａｘが０．１８３、図２７の例ではＦｍａｘが零となる。このように上記処理フローによって、外部磁界１００からの影響を表すＦｍａｘを小さくできるので、外部磁界１００の影響を受けにくい巻数Ｎｉを得ることができる。
なお、上記処理フローに従って決定された巻数Ｎｉから多少ずれたとしても、外部磁界１００に対しては同様の効果が得られることは言うまでもない。また、全ティース１０２における巻数Ｎｉの分布が同じであれば、上記処理フローに従って決定されたものでなくとも同様の効果が得られる。

実施の形態６．
上述の実施の形態５は、Ｌ±Ｍの絶対値が奇数となる場合であったが、本実施の形態は、Ｌ±Ｍの絶対値が偶数の場合の回転角度検出装置における出力巻線１０３の巻数Ｎｉの決め方についての実施の形態である。
図２１は、Ｌ±Ｍの絶対値が偶数の場合の出力巻線１０３の巻数Ｎｉを決める処理フローを示すフローチャートである。

ステップ１６０１は、固定子のティース１０２を２つの領域に分割する。図２２は、合計２０個のティース１０２を有する回転角度計測装置の各出力巻線１０３の巻数Ｎｉを示すグラフであり、ステップ１６０１によって、連続した１０個のティース１０２を有する２つの領域、領域１と領域２とに分割された例である。

ステップ２１０２は、領域１について巻数Ｎｉのパターンを構築する。このとき、極性の異なる巻数Ｎｉを混在させる。また、領域内の極性を考慮した巻数Ｎｉの合計が零になるように巻数Ｎｉを配置する。

ステップ２１０３は、領域１の１番目のティースから回転軸周りに１８０度回転した位置に、領域１の巻数Ｎｉのパターンと同じ巻数Ｎｉのパターンを配置する（極性、巻き方向は領域１のパターンと同じ）。図２３は、図２２の領域１の巻数Ｎｉのパターンが極性をそのままに領域２に配置された例である。このようにすれば、領域１と同じ巻数パターンの繰り返しとなるので、式（６）のＦ（α）の最大値Ｆｍａｘが零となる。このＦｍａｘが零となるのは、領域１と領域２とは同じ巻数Ｎｉのパターンであって、ｃｏｓ(θｉ−α)の値はｉ=１〜Ｑ／２（領域1）とｉ＝Ｑ／２＋１〜Ｑ（領域２）、上式右辺において、ｉ＝１〜Ｑ／２の和（領域１の和）とｉ＝Ｑ／２＋１〜Ｑの和（領域２の和）は絶対値が同じで符号の異なる値となるからである。

以上のように、上記処理フローによって、外部磁界１００からの影響を表すＦｍａｘを小さくできるので、外部磁界１００の影響を受けにくい出力巻線１０３の巻数Ｎｉを得ることができる。
上記処理フローに従って決定された巻数から多少ずれても、外部磁界１００に対しては同様の効果が得られる。なお、全ティース１０２における出力巻線１０３の巻数Ｎｉの分布が同じであれば、上記処理フローに従って決定されたものでなくとも同様の効果が得られる。

実施の形態７．
図２４は、本実施の形態によるインバータ装置と一体型の構造を持つ回転電機を示す断面図である。本実施の形態は、回転角度検出装置の回転子の回転軸と回転電機の回転子の回転軸とが連動するように回転角度検出装置を設置した回転電動機に関する。図２４において、回転電機は、回転軸１２１に固定された冷却ファン１２２と回転子１２３とを有し、モータハウジング１２４に固定された固定子を有する交流モータ１２５と、モータハウジング１２４の一端壁の軸方向外側に位置しモータハウジング１２４に固定されるインバータ装置１３１とを有している。インバータ装置１３１は、入力直流電流を交流電流に変換して交流モータ１２５の固定子コイル１２６に給電するインバータ回路を構成する複数のスイッチング素子１３２が取り付けられたヒートシンク１３３からなるパワー回路部１３４とケースに収納された制御基板１３５から構成される。

また、前記交流モータ１２５の回転子に界磁電流を給電するブラシ１２７はパワー回路部１３４と軸方向において重なる位置に配置されている。
交流モータ１２５を駆動する際、回転子の位置情報を知る必要があり、小型化のためレイアウト上、回転角度検出装置１４０がパワー回路部１３４の近傍に配置されることがある。
図２４では、回転軸１２１に固定された回転子１４５、モータハウジング１２４に固定された固定子１４１と固定子１４１に施された巻線１４３（励磁巻線、出力巻線）からなる回転角度検出装置１４０が図面に向かって左端付近に配置されている。

インバータ装置１３１にはＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子が用いられるが、スイッチング素子１３２の近くに回転角度検出装置１４０が配置された場合、スイッチング素子１３２が発生する磁界が回転角度検出装置１４０に影響を及ぼすことがある。

図２５，２６，２７は、３相について、各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）のスイッチング素子２３２，２３２，２３２と回転角度検出装置１４０との位置関係を模式的に描いた図である。図２５では回転角度検出装置１４０の左右と下にスイッチング素子１３２を配置した例である。図２６は回転角度検出装置１４０の周辺に周方向に等間隔あるいはほぼ等間隔に配置した例である。図２７はスイッチング素子２３３，２３４，２３５が直線状に配置された例である。このように回転角度検出装置１４０の周辺にスイッチング素子２３３，２３４，２３５が配置されていると、スイッチング素子２３３，２３４，２３５から発生した磁界が、回転角度検出装置１４０を通過する。なお、図２４，２５，２６，２７では、固定子鉄心１０１、ティース１０２、出力巻線１０３、回転子１０５、励磁巻線の符号の記載を省略している。

図２５，２６，２７の構成では、出力巻線１４３が上記磁界の影響を受けて検出精度が低下することがある。しかしながら、実施の形態１ないし４で述べたような巻線を施すことによって、磁界の影響を受け難くなり、検出精度が低下しない。なお、図１では簡単のため厳密な平行磁界の例を示しているが、図２５，２６，２７では必ずしも厳密な平行磁界とはならないが、本発明で述べた出力巻線の巻数Ｎｉの設定では、厳密には平行磁界ではない外部磁界１００についても同様の効果が得られる。

さらに、図２５，２６，２７の例では外部磁界１００の向きが一定ではなく、様々な向きから外部磁界１００が回転角度検出装置に進入する。しかし、本実施の形態によれば、既に述べたように外部磁界１００の向きによることなく、出力巻線１０３に鎖交する磁束の総和を小さくできるため、高精度な回転角度検出が可能となる。なお、ここでは図２５，２６，２７の配置について述べたが無論その他の配置に対しても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、相数も３相に限らず１相，２相あるいは４相以上の回転電機でも同様である。

また、図２４では、交流モータ１２５の回転子１２３の界磁巻線へ給電するためのブラシ１２７が設けられているが、回転角度検出装置１４０の近傍に配置されるため、このブラシに流れる電流やこの付近で発生するスイッチングノイズの影響を受けることがあるが、本発明の回転角度検出装置１４０ではこのような外部磁界１００に対しても影響が少なく、高精度な位置検出が可能となる効果がある。

本実施の形態によれば、インバータ装置１３１の近傍に回転角度検出装置１４０が配置される構成においても、例えばスイッチングノイズのような外部磁界１００が回転角度検出装置１４０の出力電圧への影響が小さくなり、回転電機の回転子回転角度を高精度に検出することができるという効果がある。また、このような回転角度検出装置１４０は光学式エンコーダに比べて耐環境性に優れているので、例えば車両用のモータジェネレータに関して耐環境性に優れたインバータ装置１３１と一体型で小形なシステムを構築できるという効果がある。

また、本実施の形態によれば、回転角度検出装置１４０の周辺、特にインバータ装置１３１のスイッチング素子のスイッチングノイズが回転角度検出装置の外部磁界１００として影響する程近くに、インバータ装置１３１のスイッチング素子を配置しても、回転角度検出装置の検出精度を維持できるため、小形のシステムを構築することができるという効果がある。

本実施の形態１の外部磁界と巻線の鎖交磁束についての説明図である。 本実施の形態１の外部磁界による鎖交磁束と式（５），（６）値の関係を示す図である。 本実施の形態２のティースの数２４の回転角度検出装置の断面図である。 本実施の形態２の出力巻線の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態２の出力巻線の巻数Ｎｉをグラフ化した図である。 本実施の形態２の式（５）の値と角度αの関係である。 本実施の形態２の外部磁界の進入角度変化にともなう外部磁界による鎖交磁束に関する従来例と本願発明との比較を示す図である。 本実施の形態２の外部磁界による鎖交磁束に関する従来例と本願発明との比較を示す図である。 本実施の形態３のティースの数２０軸倍角７の回転角度検出装置の断面図である。 本実施の形態３の出力巻線の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態３の出力巻線の巻数Ｎｉをグラフ化した図である。 本実施の形態４のティースの数１０軸倍角８の回転角度検出装置の断面図である。 本実施の形態４の励磁巻線と出力巻線の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態４の励磁巻線と出力巻線の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態４の式（５）の値と角度αの関係を示す図である。 本実施の形態５の出力巻線の巻数Ｎｉの決め方の処理フローを示す図である。 本実施の形態５の領域の分割と領域１の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態５の領域１及び領域２の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態５の領域の分割と領域１の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態５の領域１及び領域２の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態６の出力巻線の巻数Ｎｉの決め方の処理フローを示す図である。 本実施の形態６の領域の分割と領域１の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態６の領域１及び領域２の巻数Ｎｉを示す図である。 本実施の形態７のインバータ装置と一体となった回転電機を示す図である。 本実施の形態７の回転角度検出装置とスイッチング素子の位置関係を示す図である。 本実施の形態７の回転角度検出装置とスイッチング素子の位置関係を示す図である。 本実施の形態７の回転角度検出装置とスイッチング素子の位置関係を示す図である。

符号の説明

１００ 外部磁界、１０１ 固定子鉄心、１０２ ティース、１０３ 出力巻線、１０４ ｉ番目のティース、１０５ 回転子、１０６ 励磁巻線、１０７ 出力巻線１、１０８ 出力巻線２、１１０ 角度基準線、１１１ ｉ番目のティースの基準線、１１２ 角度α、１１３ 角度θｉ、１２１ 回転軸、１２２ 冷却ファン、１２３ 回転子、１２４ モータハウジング、１２５ 交流モータ、１２６ 固定子コイル、１２７ ブラシ、１３１ インバータ装置、１３２ スイッチング素子、１３３ ヒートシンク、１３４ パワー回路部、１３５ 制御基盤、１４０ 回転角度検出装置、１４１ 固定子、１４３ 巻線、１４５ 回転子、２３３ スイッチング素子、２３４ スイッチング素子、２２５ スイッチング素子。

Claims (7)

1. 内周の周方向に複数個のティースを配置した鉄心並びに前記ティースに巻回された励磁巻線及び出力巻線で構成された固定子と、
   前記固定子に内包され、外周に突き出た複数個の突極を周方向に有する回転子とを備えた回転角度検出装置において、
   前記ティースの個数をＱ、
   前記回転子の回転軸から外周へ延ばした角度基準線に対して順次配置された前記ティースをｉ番目と定義し、
   前記角度基準線とティースの周方向中心線とのなす角度をθｉ〔ｒａｄ〕、
   ｉ番目ティースに巻回された前記出力巻線の巻き方向が第一の巻き方向である場合には正数に、前記第一の巻き方向とは逆向きの巻き方向である場合には負数にした前記出力巻線の巻数をＮｉ、
   前記角度基準線と外部磁界の方向とのなす角度をα〔ｒａｄ〕、
   前記巻数Ｎｉの絶対値の最大値をＮｍａｘとしたとき、
   前記出力巻線の極対数を奇数とし、
   前記角度α＝０〜２π〔ｒａｄ〕の範囲における
   

   

   の最大値ＦｍａｘがＱ×Ｎｍａｘ／４以下となるように前記出力巻線の巻き方向及び巻数を設定したことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 励磁巻線の極対数Ｌと回転子の突極の数Ｍとの和が奇数となることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. ティースは、固定子の周方向に等間隔に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
4. 鉄心は、少なくとも１個の出力巻線を有し、出力巻線を巻回さないティースを少なくとも１個有することを特徴とした請求項１に記載の回転角度検出装置。
5. ティースの個数Ｑは、６以上、１０以下であることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
6. 回転角度検出装置の回転子の回転軸と回転電機の回転子の回転軸とが連動するようにしたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回転角度検出装置を設置した回転電機。
7. 回転電機を制御するインバータ装置を備えたことを特徴とする請求項６に記載の回転電機。

Images