JP4781363B2 - 永久励磁型電気同期機における速度測定 - Google Patents

Description

本発明は、永久励磁型電気同期機における速度測定に関する。特に、本発明は、このために設けられる速度測定装置、永久励磁型電気同期機の第１次部分、および速度測定方法に関する。

電気機械用速度測定装置とは、たとえば絶対ロータリーエンコーダである。リニアモータの場合には、速度測定のため、たとえば長さ測定システムを使用することができる。電気回転機械または電気リニアマシーンのこの種の速度測定装置は、製造が煩雑であり、製造にコストを要する。

コンバータに設けられる永久励磁型同期機を、速度を制御して、或いは回転数を制御して作動させるには、ロータ絶対位置と実速度または実回転数とを知ることが必要である。このためには、一般に、回転数信号を識別するための外部の速度発電機または位置エンコーダが必要である。

リニアモータの場合には、速度信号として、回転数信号の代わりに、直線運動の速度値が必要である。電気機械、特に永久励磁型電気同期機の制御のために必要な速度信号を位置信号から得るためには、位置信号を識別しなければならない。このためには、位置信号の高解像度が必要である。これは、位置信号が回転運動に関する位置に関わるものか、或いは、直線運動に関する位置に関わるものかどうかに関係なく、高コストを要する。特に、たとえばトルクモータのような中空軸電動機およびリニアモータに対しては、この種の信号検出には適当な速度発電機を必要とし、よって高コストである。

米国特許第４７１０６８３号明細書からは、回転運動検知装置が知られている。運動検知のためにリング構造が使用され、リング構造は円形に配置される磁石を有し、回転電気機械に連結されている。さらに、運動検知のために２つのセンサが使用され、これらセンサは円形に配置される前記磁石の磁界の影響を受ける。この場合、センサとしてはホールセンサまたは誘導作動型センサが使用される。これらのセンサは前記磁石の自由空間磁界を検知する。前記自由空間磁界とは漂遊磁界であり、これによりセンサによる測定の精度が失われる。

本発明の課題は、永久励磁型電気同期機の速度を簡単に測定でき、特に測定精度を改善させるような装置を簡単に創作することである。

この課題は、請求項１および／または請求項８に記載の構成を備えた速度測定装置で解決される。さらに、上記課題は請求項９に記載の構成を備えた第１次部分により解決される。請求項１５に記載の構成を備えた方法により、従来の技術における前記問題を克服する機械での速度測定が可能である。従属項２ないし７，８ないし１４，１６ないし１７は本発明の有利な発明性のある他の構成である。

電気機械のために速度測定装置を設けることができる。電気機械は第１次部分と第２次部分とを有している。電気機械の１つの構成では、電気機械は永久励磁型電気機械であり、この場合たとえば第２次部分は永久磁石を有している。電気機械の他の構成では、第１次部分が励磁用の永久磁石を有している。独国出願１０２００４０４５９９２．４からは、第１次部分が永久磁石を有している電気機械のいくつかの例が知られている。以下では、通常のように第２次部分が励磁用の永久磁石を有することから出発するが、しかしこれによってこれら永久磁石を第１次部分にも使用できることも開示されるものであり、この場合には第２次部分は永久磁石の代わりに歯を有するたとえば一種の鉄反応部材である。本発明による速度測定装置は、少なくとも第１のセンサと第２のセンサとを有するように構成されている。第１のセンサは誘導の原理に従って作動するセンサであり、このためセンサコイルを有している。第２のセンサはホール効果の原理に従って作動し、したがってホールセンサである。ホールセンサはホールセンサ要素を有している。速度測定装置は、単に識別のために第１および第２のセンサと呼んでいるセンサ以外に、少なくとも１つの磁束誘導装置を有している。この磁束誘導装置は磁束の誘導に用いられ、この場合磁束はたとえば永久磁石により発生させることができ、永久磁石は特に永久励磁型電気機械の永久磁石である。本発明によれば、少なくとも１つのセンサは、磁束誘導装置内の磁束を測定することができるように、磁束誘導装置の領域に配置されている。磁束誘導装置の領域へのセンサの配置は、たとえば溶接、接着、形状嵌合のような公知の結合技術により行う。有利には、第１のセンサが、センサコイル以外に、センサコイルを巻きつけるための磁束誘導片を有しているのがよい。磁束誘導片はたとえば公知の結合技術を用いて磁束誘導装置と結合されており、或いは、たとえば磁束誘導装置と一体に実施されている。磁束誘導片も磁束誘導装置も積層状に実施可能である。この場合、磁束誘導装置と磁束誘導片との一体性は個々の層に関わっている。

磁束誘導片を使用することにより、磁界を結束させることができる。結束によりたとえば高い磁束を形成させることができ、センサのより正確な測定結果を可能にする。さらに、もし磁束誘導片が設けられていなければ、センサ要素の取り付け位置および位置調整に対し高度な要求が課せられるが、磁束誘導片を設けたことによりこのような高度な要求は著しく低減し、この点でもセンサの精度および堅牢性が向上する。永久磁石がたとえば均一な磁界強度を持っていないケースに対しては、磁束誘導装置を使用することにより、１個の永久磁石および／または複数個の永久磁石の選定領域にわたって測定磁界強度を平均化させることができる。磁束誘導装置がたとえば歯を有し、これらの歯がエアギャップにより永久磁石から間隔を持っていれば、歯と永久磁石とがほぼ同じ大きさの対向する面を有するように歯を形成させることができる。

磁束誘導装置は磁界に対し積分機能を作用させる。すなわち、速度測定装置の有利な構成では、磁束誘導装置は歯を有している。この場合磁束誘導装置は、特に第２次部分の永久磁石により発生させることのできる磁束の誘導のために設けられている。永久磁石は、すでに従来の技術に従って永久励磁型電気同期機の第２次部分を形成させるために必要な永久磁石であるのが有利である。他の構成では、永久磁石は速度測定装置の少なくとも１つのセンサのために使用されるのではなく、電気機械の第２次部分のための励起磁界を形成させるためにも使用する。少なくとも１つのセンサのために付加的な永久磁石を設けることにより、励起磁場に比べて単位長さあたりの交互極の数量が増大することで、たとえば速度測定装置の精度を向上させることができる。

本発明による速度測定装置では、第１のセンサも第２のセンサも永久磁石によって発生させた磁界の作用を受けるように、センサが磁束誘導装置の領域に取り付け可能であり、または取り付けられている。これは、特に永久励磁型電気同期機用速度測定装置に該当し、すなわち第１次部分と第２次部分とを有し、第２次部分が励磁手段として永久磁石を有し、速度測定装置が少なくとも第１のセンサおよび第２のセンサを有し、第１のセンサがセンサコイルを有し、第２のセンサがホールセンサを有し、両センサは、第１のセンサも第２のセンサも永久磁石によって発生させた磁界の作用を受けるように、永久磁石励磁型電気同期機の第１次部分に取り付けられている。

この種の速度測定装置を用いると、回転数または速度に比例した信号をセンサにより発生させることができる。これにより、従来必要であったタコメータを省略できる。本発明による速度測定装置により、永久励磁型電気同期機の制御のために使用する信号が提供され、この信号により永久励磁型電気同期機の速度を高精度で確定することができ、しかも識別されるべき位置信号に対する精度或いは解像度上の高度な要求を必要としない。使用したセンサコイルにより識別部分が生じる。これから得られる回転数測定は、リニアモータの場合も特にトルクモータの場合にも、速度を検出するための簡単で安価な技術的解決手段である。なお、リニアモータも、トルクモータも、永久磁石を用いて永久励磁可能である同期モータの例である。

速度測定装置の有利な構成では、磁束誘導装置は電気機械の第１次部分に一体に組み込まれている。第１次部分は、通常のごとく、電気機械磁束を誘導するために用いる積層鉄心を有している。電気機械磁束はモータの電磁力の生成に用いる。有利には、電気機械磁束を、速度を測定するセンサのために使用するのがよい。

すなわち、１個または複数個のセンサを電気機械の第１次部分の磁気回路内に直接配置するのが有利である。これにより電気機械の利用磁束の一部が速度測定装置の１個または複数個のセンサにより検知される。したがって、本発明によれば、直線運動か回転運動かのいずれかに関わる速度測定のために自由空間磁界を使用または検知するのではない。センサの磁束としては、電気機械の動力またはモータの動力を形成させるためにも用いられる磁束が検知される。電気機械の利用磁束を使用することにより、すなわち動力生成に使用される磁束を使用することにより、これから生じるセンサの磁束は、たとえば永久磁石の自由空間磁界を点状に検知する場合のように、永久励磁型電気機械の個々の永久磁石の幾何学的、磁気的公差および／または欠陥にあまり強く依存しない。その理由は、利用磁束、すなわち特にモータのモータ磁束が、電気機械の磁気回路により集められて一種の積分量を呈するからである。この積分量においては、特に磁界分布の局所的欠陥の影響が「積分」により著しく低減されている。積分効果は特に積層鉄心の磁束誘導により生じる。利用磁束における積分効果には種々の利点がある。
・利用磁束（モータの場合にはモータ磁束）を積分量として使用することにより、速度測定に関与するセンサのうち少なくとも１つのセンサ（コイル（センサコイル）を備えたセンサまたはホールセンサ）において信号品質が改善される。
・一般的に改善された信号形状以外に、磁気回路幾何学の変更により信号形状の最適化も得られる。これによりたとえば位置検出の改善を実現できる（これに関連して指摘しておくと、速度測定装置の少なくとも１つのセンサは位置検出のためにも使用できる）。
・位置検出における誤差の最小化は、１つの永久磁石の少なくとも１つの局所的欠陥に対し比較的反応しないことにより得られる。局所的な欠陥とは、たとえば、要求された磁化強度および／または磁化方向からのずれ、永久磁石の要求された幾何学からのずれ（特に、たとえば電気機械の第１次部分と第２次部分との間の間隔に影響する厚さ）等である。

上記の利点は、本発明によれば、利用磁束を使用することだけで得られるわけではない。上記の利点を得るため、たとえば磁束案内手段（たとえば積層鉄心）を用いて前記積分効果を得ることもできる。磁束案内手段は利用磁束の案内には用いない。なお、磁束案内手段として、積層鉄心以外にも、該積層鉄心に比べて渦流を完全に阻止するような構造を選定しても問題をより少なくできるであろう。このような構造はたとえばフェライトまたは他の軟磁性材料（たとえばパウダープレスコア）から成る軟磁性ブロックであり、歯を有するもの、或いはまた、軟磁性材料を一体成形したプラスチックブロックである。

本発明の１実施形態では、速度測定装置の少なくとも１つのセンサを第１次磁気回路の外側に配置することができる。第１次磁気回路は、少なくとも部分的に、利用磁束の磁気回路に対応している。たとえば積層鉄心の積分作用により、或いは、これに対応する構造の積分作用により信号品質を改善する目的で、この実施形態では、特に１個または複数個のセンサの領域を第１次部分の積層鉄心に対応して構成してよい。速度測定装置の少なくとも１つのセンサを電気機械の利用磁束の外側へ移動させることの利点は、たとえばモータ巻線の通電コイルがセンサにあまり大きな影響を与えないことである。したがって、電気機械の第１次部分の通電により生じる妨害磁界を回避することができ、或いは、少なくとも低減させることができる。これにより速度測定装置の精度を向上させることができるばかりでなく、位置測定装置の精度をも向上させることができる。

したがって、本発明は、センサ要素を電気機械の第１次部分の磁気回路の外側に配置した従来の技術に比べて、かなりの利点を有している。従来の技術の欠点は、第２次部分の永久磁石の自由空間磁界（漂遊磁界）が検出されることである。

本発明によれば、信号検出のために自由空間磁界（漂遊磁界）が検出されることがないので、個々の永久磁石における磁界分布の局所的欠陥の強い影響が低減される。従来の技術では、正確な測定のためにこれまで以下のことが必要であった。
・漂遊磁界が正弦状分布を有している。
・センサコイルの幾何学は非常に精密である。および／または、
・ホールセンサ（すなわちホール素子）と磁石表面との間隔を正確に維持する。

この必要条件を維持することが従来は高コストの原因であった。本発明によれば、この種の要求を低減させることができる。その理由は、特に、ホールセンサの測定信号は点状の大きさに基づいており、従来は永久磁石の漂遊磁界の誘導分布を測定していたからである。本発明によれば、ホールセンサにより利用磁束を測定するので、永久磁石の誘導分布は測定結果にとって重要でなくなる。センサコイルの測定信号は積分量に基づいている。従来の技術によれば、磁石漂遊磁界の面積分はコイル面積に関し測定していた。したがってコイル幾何学を正確に維持することが基本であった。本発明によれば、センサコイルは磁束誘導片を取り囲んでおり、この場合この磁束誘導片は利用磁束の一部を誘導するために用いる。したがって、これにより正確なコイル幾何学に対する要求も低減するので有利である。

速度測定装置に使用されるセンサは位置測定装置に対しても使用することができるので、本発明は位置測定装置にも関わる。速度測定装置に関し説明したセンサおよびその配置の実施形態は、位置測定装置にも該当する。

速度測定装置においては、第１のセンサと第２のセンサとを用いて、特に永久磁石を備えた第２次部分により生じる磁界を測定可能である。ホールセンサの信号は位置に依存している。センサコイルの信号は位置にも速度にも依存している。したがって、センサコイルの信号の位置依存成分を排除するためにホールセンサの信号を使用する。

有利な構成では、第１のセンサと第２のセンサとは、永久励磁型電気同期機の速度を検出するため、評価装置に接続可能であり、或いは、接続されている。評価ユニットはたとえば両センサの信号を処理する別個のユニットであるが、一体化した評価ユニットでもよい。評価ユニットの一体化は、たとえば、蓄積プログラム制御（ＳＰＳ）においてコンバータのための調整ユニットまたは制御ユニット等として行う。評価ユニットはたとえばハードウェア手段および／またはソフトウェア手段を有している。

第１のセンサを用いておよび第２のセンサを用いて電気機械の主磁束の一部を検出可能である。この場合、第１のセンサと第２のセンサとは、たとえば電気機械の第１次部分上または第１次部分内にある。他の可能な実施態様では、両センサ（第１のセンサと第２のセンサ）または両センサの一方のみは第１次部分の積層鉄心領域の外側に配置されている。この場合両センサは、第１次部分の積層鉄心によって覆われていない第２次部分の永久磁石の磁束を検出するように配置されている。第１次部分の積層鉄心によって覆われていないこれらの永久磁石は露出している。センサをこのように配置すれば、センサは第１次部分の磁気回路の外側に配置されることになる。第１次部分の磁気回路は、特に、実質的に第１次部分の積層鉄心により特定される。１つのセンサが第１次部分の磁気回路の外側で磁界または磁束を検出する場合には、このセンサを、第１次部分内に一体化して設けるか、或いは、保持装置を用いて第１次部分に装着するようにして、第１次部分に取り付けてよい。保持装置を使用する場合には、前記センサをたとえば第１次部分に装着した別個のセンサボックス内に設ける。センサボックスはエアギャップを介して第１次部分の永久磁石から間隔を持って位置している。

このように、速度測定装置のセンサは、第１次部分の磁気回路の外側に配置されるか、第１次部分の磁気回路の内側に配置されている。１個のセンサを第１次部分の磁気回路の内側に配置する場合には、このセンサは第１次部分の積層鉄心上および／または積層鉄心内に配置されている。

センサによって検出される信号は一般的には正弦状である。センサコイルの信号として、たとえば電圧Ｕ_sを求めることができる。この電圧Ｕ_sは以下に示すような比例性を有している。

Ｕ_s〜Ｋ１・Φ（α）・ｄα／ｄｔ
（コイル信号Ｕ_sは位置および回転数に依存している）

なお、Ｋ１ 比例定数
Φ（α） 磁束（角度および位置に依存）
ｄα／ｄｔ 角速度
α 回転機械の場合の角度位置またはリニアモータの場合の位置
である。

ホールセンサの信号Ｕ_hは位置だけに依存している。電圧Ｕ_hは磁束Φに対し比例性を有している。この比例性はたとえば次のように記述することができる。

Ｕ_h〜Ｋ２・Φ（α）

なお、Ｋ２^* 定数
Φ（α） 磁束（角度および位置に依存）
である。

両センサを適宜配置することにより、両正弦信号の同一位相位置が得られる。センサ信号の電圧の比率Ｕ_s／Ｕ_hは直接回転数または速度に比例している。速度はたとえばリニアモータの第１次部分の速度に関わる。ホールセンサを用いると、センサコイルの信号の位置依存性を消去することができる。このとき回転数はたとえば次のようにして得られる。

ｎ＝Ｋ^*（Ｕ_s／Ｕ_h）

速度測定装置の有利な構成では、第１のセンサと第２のセンサとはすでに述べたように電気的に位相がずれている。特に好ましい電気的位相ずれは、電気的にずれ角が９０゜のときに生じる。

本発明の解決手段は、第１次部分と第２次部分とを有し、さらに上述の種類の少なくとも２つの速度測定装置を有している永久励磁型電気同期機において、１つの速度測定装置によっても得られる。すなわち、この拡張された速度測定装置は、第１の速度測定装置と第２の速度測定装置とを有し、第１および第２の速度測定装置は電気的に位相をずらして第１次部分に取り付け可能、または取り付けられている。有利な構成では、位相ずれは９０゜であり、２７０゜でもよい。これにより、正弦関数のゼロ交差に、評価可能な回転数実測値信号を達成することが可能である。

他の有利な構成では、第１次部分の巻線を通電することによりセンサ信号に発生することのある妨害信号を補償可能である。第１および第２のセンサ或いは他のセンサの信号に対する妨害信号を補償するため、第１次部分の巻線の既知電流を考慮する。巻線を流れる既知電流から、センサによって検出される磁界を求めることができ、したがって、通電した巻線の磁界からも永久磁石の磁界からも信号を得る１個のセンサの全信号から、該センサによって検出される磁界を求めることができる。センサ信号の処理はアナログ方式でもディジタル方式でも可能である。評価は、既述の評価装置によって実行可能である。

本発明によれば、永久励磁型電気同期機の第１次部分は、該第１次部分が少なくとも第１のセンサと第２のセンサとを有し、第１のセンサがセンサコイルを有し、第２のセンサがホールセンサであり、或いは少なくとも１つのホールセンサを有し、第１のセンサと第２のセンサとが特に速度の測定のために設けられているように構成することができる。この場合、センサのうちの１つまたは複数は、永久励磁型電気機械のモータ磁束の誘導のための磁束誘導装置におよび／または磁束誘導装置の近傍に取り付けられている。この場合、磁束誘導装置は歯を有するように構成されている。磁束誘導装置は第１次部分の少なくとも一部であり、歯は第２次部分に向けられている。有利にはセンサコイルを磁束誘導片のまわりに巻回するのがよく、この場合電気機械の利用磁束（特にモータ磁束）の少なくとも一部を誘導するために磁束誘導片を設ける。

すなわち構成的には、第１次部分は上記種類の速度測定装置を有している。第１のセンサと第２のセンサとは、該第１のセンサも第２のセンサも特に第２次部分の永久磁石により発生可能な磁界の作用を受けることができるように、第１次部分に取り付けられているのが有利である。永久磁石は第１次部分上に配置されていてもよく、この場合第２次部分は歯を有している。第２次部分のこれらの歯は第１次部分に向けられている。上記の作用は、磁束の少なくとも一部がセンサ装置を介して閉じていることにより生じる。

他の有利な構成では、第１のセンサと第２のセンサとは電気的に位相がずれている。この位相ずれにより、センサ信号の演算処理を簡単にさせることができる。有利な構成に対しては、たとえば電気的な９０゜の位相ずれが選定されている。

本発明による第１次部分は、該第１次部分が第１の速度測定装置と第２の速度測定装置とを有し、第１の速度測定装置が第１および第２のセンサを有し、第２の速度測定装置が第３および第４のセンサを有し、第３のセンサがホールセンサであり、第４のセンサがセンサコイルを有するように構成されているのも有利である。第１次部分のために２つの速度測定装置が設けられていることにより、これら２つの速度測定装置を第１次部分上に電気的に位相をずらして配置することができる。位相をずらして配置すると、第２次部分に対し第１次部分が運動したときに、正弦がゼロである場合も特定の位置での速度を特定することが可能である。問題なのは、正弦がゼロに等しいとき、特にこの正弦が速度を求めるための方程式の中で使用され、正弦がこの方程式の分母で使用されているときである。しかし、第２の速度測定装置が設けられていることにより、この欠点を克服することができる。

第１次部分のホールセンサはロータ位置を特定するためにも使用するのが有利である。ロータ位置の特定は、回転機械の場合には電機子の位置に関わり、リニアモータの場合には第２次部分の位置に関わる。すなわち有利には、ホールセンサの信号を評価することによりロータ位置を求め、この場合ホールセンサのこれら信号を、センサコイルを有しているセンサの信号とともに、速度を求めるために使用するのがよい。

有利には、速度測定装置のために使用する複数個のセンサのうちの少なくとも１つのセンサを、第２次部分または第１次部分の位置信号を発生させるためにも使用するのがよい。よって、たとえば、付加的な、すなわち外部の位置検出器を使用することなく、電気機械の位置制御作動が実現できる。ホールセンサの信号は、位置検出器として電気機械の位置制御作動のために活用することができる。この方法は、ホール信号の適当な補間を評価するステップと、次に絶対位置に関係付けるステップとを含んでいる。「ティーチイン方式」も実施可能である。この方法によりモータの位置制御作動を実現できる。

絶対位置への関係付けは、一時的な外部の検出器信号を用いて行うことができる（たとえば電気機械のスタートアップまたはセットアップの一部として）。これにより、ホール位置信号に誤差があれば、これが補正される。誤差は、たとえば第２次部分の永久磁石からの距離の機械的または磁気的公差により生じる。本発明による速度測定装置では、第２次部分の永久磁石からの距離を特に１つの尺度として利用する。

「ティーチイン方式」では、目標位置を直接「覚えこませて」、ホール位置信号に関係付ける。このときホール位置信号は絶対位置の誤差を示すかもしれない。それにもかかわらず、一度「覚えこませた」目標位置は、「モータ固有の」ホール信号により何度も正確に再現することができる（たとえば、二地点間運動サイクルを制御する場合）。

速度測定装置により検出でき、直線速度または回転速度に関わる、速度に関するデータは、速度信号を位置信号に積分することにより、位置制御にも利用することができる。これにより位置信号の高い信号品質を達成できる。

他の構成では、２つのセンサを備えた１つの速度測定装置のみを使用する場合には、正弦がゼロになる位置は消失していてもよい。

永久励磁型電気機械の速度を測定する方法においては、第１のセンサを用いて、磁界に対し、位置依存性の第１の信号値を測定し、第２のセンサを用いて、磁界に対し、位置依存性で且つ速度依存性の第２の信号値を測定する。測定後、第２の信号値に対する第１の信号値の比率を求める。この点はすでに上述したとおりである。この場合以下の構成が有利である。
ａ）永久磁石により発生させた磁界を磁束誘導装置により第１のセンサへ誘導し、その際第１のセンサにより、磁界に対し、位置依存性の第１の信号値を測定する。
ｂ）永久磁石により発生させた磁界を他の磁束誘導装置により第２のセンサへ誘導し、第２のセンサにより、磁界に対し、位置依存性で且つ速度依存性の第２の信号値を測定し、これにしたがって第１の信号値と第２の信号値との比率を求める。

上記方法の構成では、歯を有する磁束誘導装置を使用し、その際歯を永久磁石に対し位置決めする。

有利には、すでに述べたように、信号妨害も補正される。信号妨害はたとえば第１次部分の巻線を通電することに起因している。電気機械の速度を測定するには、永久磁石によって発生する磁界を測定するだけでよい。巻線の通電により発生する磁界が補正の対象である。通電により発生する、第１の値および第２の値の信号妨害は、たとえば評価装置により算出する。このため、たとえば基準通電を行うことができ、すなわち電流の実測値と電流の目標値とを測定し、電気機械の速度を測定する際に、巻線の通電により発生した磁界を消去できるように、前記実測値と目標値とをセンサで測定した磁界を用いて評価する。

本発明のいくつかの実施形態を添付の図面を用いて概略的に説明する。

図１の図は速度測定装置１を示している。速度測定装置１は第１のセンサ２５と第２のセンサ３６とを有している。第２のセンサ３６はホールセンサである。第１のセンサ２５はセンサコイル２９を有している。センサコイル２９は磁束誘導片２７のまわりに巻回されている。磁束誘導片２７は、該磁束誘導片２７を通る磁束３３によって示した磁束を一部迂回させるために用いる。この迂回させた磁束がセンサ磁束３９である。センサコイル２９はセンサ磁束３９を取り囲んでいる。第１のセンサ２５とホールセンサ３１は第１次部分１１にある。第１次部分１１は、該第１次部分１１に設けたセンサの領域に、切欠き４５を有している。第１次部分の互いに隣り合っている積層鉄心間のエアギャップである切欠き４５により、センサ磁束３９の振幅、よってセンサの感度が最適化され、および／または、影響を受ける。第１次部分１１はさらに複数個の歯２３を有し、これらの歯２３の間に巻線が設けられている。なお、図１には巻線を図示していない。通電可能な巻線を用いて磁界を発生させることができる。磁界は永久磁石１９によっても発生している。永久磁石１９は第２次部分１５の一部である。

第２次部分１５および／または第１次部分１１は直線運動可能である。運動方向を矢印４１で示したが、方向は正であっても負であってもよい。運動方向はたとえば軸線ｘに沿って延びる。永久磁石１９により磁界３３を発生させることができる。磁界３３は特に第１次部分１１の下方に延在している。図面で磁界と磁束を区別することは困難であるので、磁界と磁束に対し同じ符号３３を使用することにする。第２次部分１５に対する第１次部分１１の位置に依存して種々の磁束Φが発生する。たとえば第１のセンサ２５の領域での磁束Φ₀はΦ₀＝Φｓｉｎｘである。ホールセンサ３１の領域では磁束Φ₉₀はΦ₉₀＝Φｃｏｓｘである。この磁界３３からセンサ磁束４０が分岐している。第１次部分１１は１つの積層鉄心４３を有するように構成されている。１つの積層鉄心を使用することにより、渦流を減少させることができる。積層鉄心４３は磁束３３のための磁束誘導装置である。この磁束誘導装置には、利用磁束の一部がセンサ磁束３９として前記磁束誘導片２７を通るように前記磁束誘導片２７が着座しており、磁束誘導片２７には、センサコイル２９が巻回されている。

センサにより検出した信号値は、接続部３５と３６により評価装置３７へ伝送可能である。すなわち、たとえばセンサコイル信号を、Φ（ｘ）＊ｖ（ｖは速度）に比例する電圧Ｕ_sとして伝送可能であり、ホールセンサ３１に対しては、Φ（ｘ）に比例するホール電圧Ｕ_hとして伝送可能である。

評価装置３７はセンサ２５，３１のためのたとえば別個の評価装置であるが、電気機械の既存の制御装置または調整装置に設けられている評価装置でもよい。評価装置はたとえばコンバータの制御または調整のために設けられたものである。なお、コンバータは図１に図示していない。コンバータにより、図１に図示した、第１次部分１１と第２次部分１５とを有する永久励磁型電気同期機５を駆動可能である。本明細書で述べる発明は、第２次部分が励磁用の永久磁石を有しているような電気機械ばかりでなく、第１次部分が励磁用の永久磁石を有しているような電気機械にも適用可能である。しかし、この種の電気機械は図１に図示していない。

図２は実質的に図１の図に対応している。図２には、第１次部分１１の巻線２０を巻き付け案内するための歯２３が付加的に記載されている。第１次部分１１は複数の巻線２０を有しているが、図面を見やすくするため、１個の巻線２０しか図示していない。さらに図１のものと異なるのは、磁束誘導装置として機能する積層鉄心４３のすべての領域に切欠き４５が形成されていないことである。図２によれば、評価装置３７はコンバータ５３のなかに一体に組み込まれているので有利である。さらに、このコンバータ５３には、図示のように補償装置５８も一体に組み込んでよい。この補償装置は、電気機械の通電に起因するセンサの信号障害を補償するために用いる。図１でホールセンサ３１として示したセンサは、図２では第２のセンサ２４として示す。第１のセンサ２５も第２のセンサ２４も電気機械の利用磁束の一部を測定対象信号として利用する。

図３の図は別個の磁束誘導装置１２を示している。この別個の磁束誘導装置１２上には、第１のセンサ２５とホールセンサ３１としての第２のセンサとが配置されている。別個の磁束誘導装置１２は歯２２を有している。別個の磁束誘導装置１２が電気機械の第１次部分として実施されておらず、したがって歯２２も巻線によって取り囲まれていない点を除けば、その他の構成は実質的に図１のそれに対応している。別個の磁束誘導装置１２は別個の速度測定装置のためのベースとして用いられる。なお速度測定装置は、特に、第２次部分に対する第１次部分の速度を測定するために用いる。図３に図示したように、別個の磁束誘導装置１２は直接第１次部分１１に接続されていてよく、そして、たとえばねじ結合部等を用いて第１次部分と結合させるか、或いは、第１次部分と一体に結合されていてもよい。

図４の図は２つの曲線Ｕ_sとＵ_hを示している。曲線Ｕ_sはセンサコイルの電圧Ｕの経過を表わしている。曲線Ｕ_hはｘ軸上の位置に依存するホールセンサの電圧Ｕを表わしている。両曲線は正弦状に経過する。電圧Ｕ_sとＵ_hを位置ｘに関しプロットしている。

図５の図は回転式永久励磁型同期機７の概略横断面図である。図示したのは、第１次部分１３の積層断面と、第２次部分１７の位置である。第２次部分１７は軸線２１に関し回転対称に配置されており、第２次部分１７はその第１次部分１３側に永久磁石１９を有している。第１次部分１３は歯２３を有し、これらの歯の間に巻線５１が配置されている。なお、図を見やすくするため、１個の巻線５１しか図示していない。図３の図はさらに第１のセンサ２５を示している。第１のセンサ２５はセンサコイル２９を有している。第２のセンサ２４として図５はホールセンサ３１を示している。ホールセンサ３１は、磁束誘導片２７を介して、永久磁石１９によって生じる第１次部分１３の磁束に接続している。図５の図示から明らかなように、本発明による速度測定装置はリニアモータにおいても、回転式電気機械、特に永久励磁型電気同期機においても使用可能である。

図６の図は速度測定装置３を示している。速度測定装置３は２つの下位の速度測定装置１と２を有している。速度測定装置１と２は図１の図に対応して構成されている。両速度測定装置１と２の信号は評価装置３８で総括される。このとき評価装置３８では、両速度測定装置１と２の電気的位相ずれにより、速度の連続検出を簡単に行うことが可能である。というのは、１つのセンサの１つの信号値がゼロ交差しても、少なくとも２つの他の信号値がゼロ交差しないからである。すなわち図６の図は、第１のセンサ２５とホールセンサ３１を有する第２のセンサ２４と第３のセンサ３２と第４のセンサ２６の４つのセンサを有する速度測定装置３を示している。

図７の図はセンサの信号値の処理を説明する概略図である。第１のセンサ２５は第１の信号値４７を提供する。第２のセンサ２４（たとえばホールセンサを有し、或いは、この種のセンサである）は第２の信号値４９を提供する。信号値４７と４９は評価装置３７に誘導される。評価装置３７では、たとえばコイル電圧である第１の信号値と、たとえばホール電圧である第２の信号値との比率を求める。この比率は速度ｎに比例している。速度ｎはたとえば永久励磁型電気同期機のロータの回転に関わるものであり、すなわち積層鉄心を有する第２次部分の回転に関わるものであり、或いは、リニアモータの第１次部分または第２次部分の速度に関わるものでもよい。

図８の図は、第１次部分１１と第２次部分１５とを有するリニアモータを示している。第２次部分１５は永久磁石１９を有している。第１のセンサ５５と第２のセンサ５４とは、図示の本発明の実施形態では、第１次部分１１の積層鉄心４３から離して配置されている。しかし第１のセンサ５５と第２のセンサ５４とは本実施形態でも第１次部分１１の内側にある。他の実施形態では、これらのセンサは第１次部分１１の外側にある。図８によれば、センサケース６０内にもセンサ２６，３２があってもよい。この場合、第１次部分１１もセンサを有する必要はない。図８によれば、第１次部分１１もセンサ２４と２５を有している。センサケース６０は接続片６２を介して第１次部分１１と接続されており、その結果センサケース６０は第１次部分と一緒に移動することができる。図８では、４つのセンサ２４，２５，２６，３２を使用することにより、図４で説明した実施形態と同様の実施形態が得られる。この場合、センサの位置は図６と図８とで異なっている。図８では、センサ２４，２５，２６，３２は、第２次部分１５の永久磁石であって積層鉄心４３により覆われていない露出した前記永久磁石の磁束を検出するように、配置されている。図８の実施形態により明らかになることは、１個および／または複数個のセンサを積層鉄心に配置できるばかりでなく、第１次部分にも、積層鉄心から離して、或いは、第１次部分の外側に配置してもよいということである。センサケース６０内のセンサは速度測定装置の第１および第２のセンサに相当している。なお図８で、これらのセンサをセンサ５４と５５の横に第３および第４のセンサとして示してもよい。センサの数量を増やし、共通に信号評価することにより、測定の精度も改善されるので有利である。

第１次モータの第１次部分と第２次部分とを示す図である。 図１の詳細図である。 別個の磁束誘導装置を示す図である。 ２つのセンサの２つの信号値を示す図である。 回転式永久励磁型電気同期機の基本構成図である。 ４つのセンサを有する速度測定装置を示す図である。 センサの信号値の処理を説明する概略図である。 外部のセンサケース内に設けたセンサの配置構成図である。

符号の説明

１ 速度測定装置
３ 速度測定装置
５ 永久励磁型電気同期機
７ 回転式永久励磁型同期機
１１ 第１次部分
１２ 磁束誘導装置
１５ 第２次部分
１７ 第２次部分
１９ 永久磁石
２０ 巻線
２２ 歯
２３ 歯
２４ センサ
２５ センサ
２７ 磁束誘導片
２９ センサコイル
３１ ホールセンサ
３６ センサ
３７ 評価装置
３８ 評価装置
４３ 積層鉄心
５８ 補償装置

Claims (17)

1. 第１次部分（１１，１３）と第２次部分（１５，１７）とを有する、電気機械（５，７）用速度測定装置（１，２）であって、電気機械が永久磁石（１９）を有し、速度測定装置（１，２）が少なくとも第１のセンサ（２５）と第２のセンサ（２４，３１）とを有し、第１のセンサ（２５）がセンサコイル（２９）を有し、第２のセンサ（３１）がホールセンサ（３１）である前記速度測定装置（１，２）において、磁束を誘導するために磁束誘導装置（１２，４３）が設けられ、少なくとも１つのセンサ（２５，２４）が、このセンサ（２４，２５）が磁束誘導装置（１２，４３）内の磁束を測定することができるように、磁束誘導装置（１２，４３）の領域に配置されていることを特徴とする速度測定装置。
2. 磁束誘導装置（１２，４３）が歯（２２，２３）を有し、磁束誘導装置（１２，４３）が磁束の誘導のために設けられ、磁束を特に第２次部分（１５，１７）の、特に永久磁石（１９）により発生可能であることを特徴とする、請求項１に記載の速度測定装置。
3. 第１のセンサ（２５）も第２のセンサ（２４，３１）も永久磁石（１９）によって発生させた磁界（３３）の作用を受けるように、センサ（２４，２５）が磁束誘導装置（１２，４３）の領域に取り付け可能であり、または取り付けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の速度測定装置。
4. 磁束誘導装置（１２，４３）が第１次部分（１１，１３）のなかに一体に組み込まれていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の速度測定装置。
5. 少なくとも１つのセンサ（２４，２５）が第１次部分（１１）の磁気回路の外側に配置され、或いは、少なくとも１つのセンサ（２４，２５）が第１次部分（１１）の磁気回路の内側に配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の速度測定装置。
6. 第１のセンサ（２５）と第２のセンサ（３１）とが、永久励磁型電気同期機（５，７）の速度を検出するため、評価装置（３７，３８）に接続可能であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の速度測定装置。
7. 第１のセンサ（２５）が第２のセンサ（３１）から電気的に位相がずれていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の速度測定装置。
8. 第１次部分（１１，１３）と第２次部分（１５，１７）とを有する永久励磁型電気同期機（５，７）用速度測定装置（３）において、該速度測定装置（３）が、請求項１から７までのいずれか一つに記載の第１の速度測定装置（１）と、請求項１から７までのいずれか一つに記載の第２の速度測定装置（２）とを有し、第１の速度測定装置（１）が、第２の速度測定装置（２）から電気的に位相をずらして、第１次部分（１１）の内部および／または第１次部分（１１）上に取り付け可能であり、および／または、取り付けられていることを特徴とする速度測定装置。
9. 永久励磁型電気同期機（５，７）の第１次部分（１１，１３）において、第１次部分（１１，１３）が少なくとも１つの第１のセンサ（２５）と第２のセンサ（２４，３１）とを有し、第１のセンサ（２５）がセンサコイル（２９）を有し、第２のセンサ（２４，３１）がホールセンサ（３１）であり、第１のセンサ（２５）と第２のセンサ（３１）とが特に速度の測定のために設けられ、センサ（２４，２５）のうち１個のセンサおよび／または複数個のセンサが永久励磁型電気同期機（５，７）のモータ磁束を誘導するための磁束誘導装置（１２，４３）に取り付けられ、および／または、磁束誘導装置（１２，４３）の近傍に取り付けられ、磁束誘導装置（１２，４３）が歯（２２，２３）を有していることを特徴とする第１次部分。
10. 第１のセンサ（２５）も第２のセンサ（２４，３１）も永久磁石（１９）により、特に第２次部分（１５，１７）の永久磁石（１９）により発生可能な磁界（３３）の作用を受けることができるように、第１のセンサ（２５）と第２のセンサ（２４，３１）とが第１次部分（１１，１３）に取り付けられていることを特徴とする、請求項９に記載の第１次部分。
11. 第１のセンサ（２５）が第２のセンサ（３１）から電気的に位相がずれていることを特徴とする、請求項９または１０に記載の第１次部分。
12. 第１のセンサ（２５）と第２のセンサ（２４，３１）とが第１の速度測定装置（１）のために設けられ、第３のセンサ（３２）と第４のセンサ（２６）とを有する第２の速度測定装置（２）が設けられ、第３のセンサ（３２）がホールセンサ（３２）であり、第４のセンサ（２６）がセンサコイル（２９）を有していることを特徴とする、請求項９から１１までのいずれか一つに記載の第１次部分。
13. ホールセンサ（３１）を、ロータの位置を特定するために使用することを特徴とする、請求項９から１２までのいずれか一つに記載の第１次部分。
14. 少なくとも１つのセンサ（２４，２５）が第１次部分（１１）の磁気回路の外側に配置され、或いは、１つのセンサ（２４，２５）が第１次部分（１１）の磁気回路の内側に配置されていることを特徴とする、請求項９から１３までのいずれか一つに記載の第１次部分。
15. 機械における、特に電気機械（５，７）における、特に永久励磁を有する電気機械（５，７）における速度測定方法において、
    ａ）永久磁石（１９）により発生された磁界を磁束誘導装置（１２，４３）により第１のセンサ（２５）へ誘導し、その際第１のセンサ（２５）により、磁界に対し、位置依存性の第１の信号値（４７）を測定すること、
    ｂ）永久磁石（１９）により発生された磁界を他の磁束誘導装置（１２，４３）により第２のセンサ（３１）へ誘導し、第２のセンサ（３１）により、磁界に対し、位置依存性で且つ速度依存性の第２の信号値（４９）を測定し、これにしたがって第１の信号値（４７）と第２の信号値（４９）との比率を求めること、
    を特徴とする速度測定方法。
16. 歯（２２，２３）を有する磁束誘導装置（１２，４３）を使用し、その際歯（２２，２３）を永久磁石（１９）に対し位置決めすることを特徴とする、請求項１５に記載の速度測定方法。
17. 第１次部分（１１）の通電により発生する第１の前記値（４７）および第２の前記値（４９）の信号障害を、補償装置（５８）により補償することを特徴とする、請求項１５または１６に記載の速度測定方法。

Images