JP5247411B2 - 回転角度検出装置、回転角度検出方法、および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石型回転電機に関するものであり、例えば、車両用の電動パワーステアリング装置に適用されるサーボモータのような永久磁石型回転電機に関する。

近年様々な用途に永久磁石型回転電機が採用されており、要求される性能として、低コギングトルクがある。コギングトルクは、振動の原因となり、例えば、電動パワーステアリング装置に用いられるモータでは、操舵フィーリングを向上するために、コギングトルクを非常に小さくする必要がある。

また、その一方で、モータの小型化や低コスト化の要求に応えるために、エンコーダやレゾルバなどの回転角度検出装置を具備しなくとも、回転角度を検出してモータを駆動する、いわゆる「回転センサレス駆動」の技術が開発されている。例えば、この回転センサレス駆動としては、Ｎ極とＳ極とを区分する極間を中心として回転子の正、逆回転方向にそれぞれ電気角８０〜１００°の角度区間において、非磁性体層を回転子の外表面においたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、筒状部材を外嵌固定するものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開平９-２９４３９１号公報 特開２００６-１０９６６３号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
このような永久磁石型回転電機にあっては、Ｎ極とＳ極とを区分する極間を中心として、回転子の正、逆回転方向にそれぞれ電気角８０〜１００°の角度区間において、非磁性体層を回転子の外表面に置くか、あるいは筒状部材を外嵌固定している。このため、インダクタンスの回転角度による変化が小さいという課題があった。

従来から知られている自己始動形の永久磁石形同期電動機の例においても、導体の配置が適切でないため、インダクタンスの回転角度による変化が得られないため、回転角度の検出には適していないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電機子電流を測定することにより回転角度の検出を可能にすることを目的とする。

本発明に係る永久磁石型回転電機は、電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心および複数の永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石型回転電機の回転角度検出装置であって、回転子の回転軸に延在し、回転子の周方向に２箇所以上配置された第１導体と、第１導体間を電気的に接続する第２導体とで構成される導通回路を備え、第１導体は、永久磁石の磁極中心を基準として周方向に電気角−４５度から＋４５度の範囲、または磁極中心から電気角９０度離れた位置を基準として周方向に電気角−４５度から＋４５度の範囲のいずれか一方の範囲に配置され、導通回路は、周方向に１箇所以上設けられるとともに、前記永久磁石における前記回転子鉄心の径方向の外周面上とは異なる位置に設けられ、電機子巻線に流れる電流を測定することによって回転角度を検出する検出手段をさらに備えるものである。

本発明によれば、導通回路を設け、電機子巻線に高周波電流を注入したときのｄ軸インピーダンスとｑ軸のインピーダンスに差異が発生し回転子の回転角度に応じて大きさの異なる誘導電流が導通回路に流れる原理を利用して、電機子電流を測定することにより回転角度の検出が可能となる。

以下、本発明の永久磁石型回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
本実施の形態１では、永久磁石型回転電機の回転子に導体からなる誘導電流回路（導通回路）を設けて、回転子の回転角度の検出を行う場合について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の説明図であり、導体１を回転子２０に配置した場合を示している。理解を助けるために、図１においては、永久磁石型回転電機を直線状に描いており、固定子１０と回転子２０の位置関係について２通り（回転子位置Ａ、Ｂ）を示している。

また、図１の上部には、固定子鉄心１１と電機子巻線１２とを有する固定子１０が示されている。さらに、その下には、電機子巻線１２に流れる電機子電流によって発生する磁界の空間的な分布が示されている。ここでは、説明を簡単にするために、基本波成分（空間次数が極対数に一致する成分）のみを示している。

また、図１の下部には、固定子１０に対する回転子位置として、Ａ、Ｂ２つの位置が示されている。隣接する永久磁石２２の間に導体１が配置されており、ＮとＳは、永久磁石２２の極性を示している。実際には、固定子鉄心１１、電機子巻線１２、導体１、永久磁石２２等は、モータの回転軸方向に延在するが、図１では、簡略化して断面図のみを示している。なお、導体１は、銅やアルミニウムなど導電性の部材で構成される。

回転子位置Ａでは、導体１の位置が、電機子電流による磁界がゼロとなる位置に一致している。この位置においては、電機子巻線１２からの磁界によって発生する磁束が隣り合う導体１間に鎖交する鎖交磁束数が最大となる。

一方、回転子位置Ｂでは、導体１の位置が、電機子電流による磁界が最大（あるいは最小）となる位置に一致している。この位置においては、隣り合う導体１間に鎖交する鎖交磁束数が最小となる。

導体１が作る閉回路に交流磁束が鎖交すると、導体１に誘導電流が流れる。鎖交磁束数が大きいほど、誘導電流も大きくなる。すなわち、回転子位置Ｂでは、導体１にほとんど誘導電流が流れないのに対し、回転子位置Ａでは、誘導電流が大きくなる。誘導電流が流れるとモータのインピーダンスが変化するため、回転子位置Ａと回転子位置Ｂではインピーダンスが異なる。この場合、回転子位置Ａの方が、インピーダンスが小さくなる。さらに、図１のように永久磁石２２の間に導体１を配置していれは、導体１の鎖交磁束数は、電気角１８０度周期で変化することがわかる。

次に、図２は、本発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の別の説明図であり、導体１を永久磁石２２の磁極中心付近に配置した場合を示している。先の図１の場合とは逆に、図２における回転子位置Ａでは、導体１の位置が、電機子電流による磁界が最大（あるいは最小）となる位置に一致している。一方、図２における回転子位置Ｂでは、導体１の位置が、ゼロとなる位置に一致している。

なお、磁極中心とは、各磁極を構成する永久磁石の周方向の中心の角度位置のことを表す。これは、ｄ軸（直軸とも言う）の周方向位置あるいはｄ軸から電気角１８０度離れた周方向位置と一致する。例えば、後述する図３、図４では、１つの磁極に対する磁極中心のみを示しているが、磁極中心は、それぞれの磁極に対して定義できる。

図２のような構成においては、先の図１のときとは逆に、回転子位置Ａのときには、導体１に鎖交する磁束数が最小となり、回転子位置Ｂのときには導体１に鎖交する磁束数が最大となる。この結果、回転子位置Ａでは導体１にほとんど誘導電流が流れないのに対し、回転子位置Ｂでは誘導電流が流れることになる。すなわち、回転子位置ＡよりＢの方が、インピーダンスが小さくなる。

さらに、先の図１のときと同様に、図２の構成においても、導体１の鎖交磁束数は、電気角１８０度周期で変化することがわかる。従って、図１、図２のような構成により、回転子２０の位置によってモータのインピーダンスが電気角１８０度周期で変化するという効果が得られる。

導体１は、どの位置に配置しても、このような効果が得られる訳ではない。回転子２０の位置によるインピーダンスの変化の周期が電気角１８０度となるためには、導体１の配置を工夫する必要がある。図３は、本発明の実施の形態１における導体１の第１の配置例を示す図であり、導体１を磁極中心付近に配置している。また、図４は、本発明の実施の形態１における導体１の第２の配置例を示す図であり、導体１を磁極中心から電気角９０度離れた位置付近に配置している。ただし、この図４では、１つの磁極中心から±９０度の位置に配置された導体１のみを示し、その他の導体１は省略している。

図３のように、磁極中心から電気角±４５度の範囲に導体１が配置されていて、かつ磁極中心から電気角９０度離れた位置から電気角±４５度の範囲に導体１が配置されていない場合には、導体１の鎖交磁束数は、電気角１８０度周期で変化する。

また、図４のように、磁極中心から電気角９０度離れた位置から電気角±４５度の範囲に導体１が配置され、かつ磁極中心から電気角±４５度の範囲に導体１が配置されていない場合にも、導体１の鎖交磁束数は、電気角１８０度周期で変化する。これらのような場合に、回転子２０の位置によってモータのインピーダンスが電気角１８０度周期で変化するという効果が得られる。

しかしながら、磁極中心から電気角±４５度の範囲と、磁極中心から電気角９０度離れた位置から電気角±４５度の範囲との両方に導体１が存在する場合には、回転子２０の回転角度による導体１の鎖交磁束の変化の周期は、電気角１８０度よりも小さくなるか、あるいは、鎖交磁束がほとんど変化しないことになる。このような場合は、上記効果は得られない。

次に、本発明のさらに具体的な構成について説明する。
図５は、本発明の実施の形態１において、導体１を永久磁石２２の周辺に配置した例示図である。理解を助けるために、周方向に配置されている複数の永久磁石２２を、横方向に並べて、固定子１０側から見た状態を示している。なお、図５では、６極を示しているが、モータの極数は、この限りではない。

また、図５においては、導体１ａ１、１ａ２が回転軸に平行な方向に延在する場合について説明したが、本発明は、これに限られるわけではない。図６は、本発明の実施の形態１において、導体を永久磁石の周辺に配置した別の例示図である。例えば、図６のように、導体１ａ１、１ａ２にスキューが施された状態で、導体１ａ１、１ａ２が回転軸の軸方向に延在しているような場合（すなわち、回転軸と平行でない場合）でも、同様の効果が得られる。以下では、図５の配置に基づいて説明する。

永久磁石２２の隣には、モータの回転軸にほぼ平行あるいは平行な方向に延在する導体１ａ１、導体１ａ２が配置されている。また、導体１ａ１、導体１ａ２を電気的に接続する別の導体部分として、導体１ｂ１、導体１ｂ２が設けられている。このように、図５においては、第１導体である導体１ａ１、１ａ２と、第２導体である導体１ｂ１、１ｂ２とにより、導通回路（以下、電気回路と称す）が構成されている。

同じ構成の電気回路が周方向間隔α度（電気角）で配置されている。永久磁石２２は、通常、電気角１８０度の間隔で配置されるので、αは、望ましくは電気角１８０度がよい。また、インピーダンスの変化が電気角１８０度周期とするには、電気回路の配置も電気角１８０度とするのが望ましい。

ただし、導体の配置が磁極中心から電気角±４５度の範囲、または磁極中心から電気角９０度離れた位置から電気角±４５度の範囲のいずれか一方の範囲であれば、αは任意の値をとってよい。さらに、図５では、全ての永久磁石２２の周辺に導体を配置した例を示したが、一部の永久磁石２２にのみ導体を配置してもよい。

図７は、本発明の実施の形態１において、導体を永久磁石２２の周辺に配置した別の例示図である。図７に示すように、６極ある内の３極分に電気回路を配置した場合にも、先の図５と同様に、回転子２０の位置によってモータのインピーダンスが変化する効果を得ることができる。

また、図７では、電気回路を配置する間隔が電気角１８０度となっている場合を例示しているが、間隔が１８０×ｎ度（ｎは、１以上の整数）であれば、各電気回路に鎖交する磁束の回転子位置依存性が同じとなるため、同様の効果を得ることができる。

ただし、特定の箇所にのみ、電気回路を設けるのではなく、図５の構成のように、回転子２０の全周に渡って等間隔に電気回路を配置することで、回転バランスがよくなる。さらに、特定の箇所にのみ、電気回路を設ける場合と比較して、電機子巻線に高周波電流を注入したときのｄ軸インピーダンスとｑ軸のインピーダンスの差異が大きくなり、回転角度の検出精度を向上させることが可能となる。

図８は、本発明の実施の形態１において、全ての磁極に電気回路を設けた場合の回転子２０を回転軸方向から見た図であり、８極ある全ての磁極に電気回路を設けた場合を例示している。また、図９は、本発明の実施の形態１において、一部の磁極に電気回路を設けた場合の回転子２０を回転軸方向から見た図であり、８極のうち４極に電気回路を設けた場合を例示している。

さらに、図８、図９においては、回転軸にほぼ平行あるいは平行な方向に延在する導体１ａ１、導体１ａ２と、これらを電気的に接続する別の導体部分である導体１ｂ１が示されており、導体１ｂ２は、省略している。また、図９においては、電気回路の配置の周方向の間隔は、電気角３６０度となり、３６０＝１８０×２（すなわち、ｎ＝２）であり、ｎが１以上の整数の条件を満たす。さらに、機械角９０度ごとに４個配置されているので、回転のバランスもよいことは言うまでもない。

これまでの例は、第１導体および第２導体で構成される電気回路が１ターンである場合であった。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。図１０は、本発明の実施の形態１において、第１導体および第２導体で構成される電気回路が３ターンである場合の例示図である。このように、電気回路のターン数を２以上とすることで、電気回路に鎖交する磁束の量を増加させるという効果が得られる。これにより、回転子２０の位置によるインピーダンスの変化がより多く発生し、これを利用して回転角度の検出を向上させることが可能となる。

図１１は、本発明の実施の形態１におけるモータの回転子２０の斜視図である。回転子鉄心２１の表面に永久磁石２２が周方向に等間隔に配置されている。各永久磁石２２の周辺には、回転軸に平行に延在する導体１ａ１、導体１ａ２（第１導体）があり、それらを電気的に接続する別の導体部分として導体１ｂ１、導体１ｂ２（第２導体）が設けられている。

これまでの例は、回転子２０の表面に永久磁石２２を配置した、いわゆる表面磁石型のモータであった。一般に、表面磁石型モータは、磁石埋め込み型に比べてコギングトルクやトルクリップルといったトルク脈動を低減するのが容易である。したがって、表面磁石型モータを用いて本発明を構成すれば、「低コギングトルク、低トルクリップル」と「回転角度検出」の両立が可能になるという効果がある。

従来から磁石埋め込み型の突極性を用いた「回転角度検出」については知られているが、磁石埋め込み型は、コギングトルク、トルクリップルといったトルク脈動を低減するのが困難であった。これに対して、本願発明では、突極性のない表面磁石型モータでも、導体に流れる誘導電流によって突極性を発生させて「回転角度検出」が可能となり、「低コギングトルク、低トルクリップル」との両立が可能となる。

ただし、本発明は、埋め込み磁石型にも適用することは可能である。図１２は、本発明の実施の形態１において、磁石埋め込み型モータの回転子２０を回転軸方向から見た図であり、回転子鉄心２１の内部に永久磁石２２が埋め込め込まれている。永久磁石２２の外径側に回転軸にほぼ平行あるいは平行な方向に延在する導体１ａ１、導体１ａ２と、これらを電気的に接続する別の導体部分である導体１ｂ１が示されており、導体１ｂ２は省略している。このように電気回路を構成すれば、導体に流れる誘導電流によって、回転子２０の位置に応じたインピーダンスの変化が発生し、これを利用して回転角度検出が可能となる。

先の図１２は、全ての磁極に電気回路を設けた場合を例示した。これに対して、図１３は、本発明の実施の形態１において、磁石埋め込み型モータの回転子２０を回転軸方向から見た別の図であり、８極のうち４極に電気回路を設けた場合を例示している。この場合も、電気回路の配置の周方向の間隔は、電気角３６０度となり、３６０＝１８０×２（すなわち、ｎ＝２）であり、ｎが１以上の整数の条件を満たす。さらに、機械角９０度ごとに４個配置されているので、回転のバランスもよいことは言うまでもない。

さらに、先の図８〜図１３で示した例は、導体１ａ１と導体１ａ２の周方向位置の中点が磁極中心に一致している例であった。このように、導体１ａ１と導体１ａ２の周方向位置の中点が磁極中心付近あるいは、磁極中心に一致している場合には、回転子２０の位置によるインピーダンスの変化が大きくなり、ｄ軸インピーダンスとｑ軸インピーダンスの差異が大きくなるという効果がある。その結果、回転角度の検出精度を向上させることが可能となる。

なお、ｄ軸インピーダンスＺｄ、およびｑ軸インピーダンスＺｑは、それぞれ下式（１）、（２）のように定義できる。
Ｚｄ＝Ｒａ＋ｊωＬｄ （１）
Ｚｑ＝Ｒａ＋ｊωＬｑ （２）

ここで、Ｒａは電機子巻線抵抗、Ｌｄ、Ｌｑはそれぞれｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス。ωは電機子に注入する高周波電流の周波数である。注入する高周波電流の周波数は、例えば、数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚであるから、ＲａはωＬｄとωＬｑより十分小さくなる。導体に流れる誘導電流によってＬｄとＬｑに差異が発生するため、結果的にｄ軸インピーダンスとｑ軸インピーダンスの差異が発生する。

図１４は、本発明の実施の形態１において、磁石埋め込み型モータの導体１ａ１と導体１ａ２の周方向位置の中点が磁極中心から電気角９０度離れた位置にある場合の例示図である。この場合にも、回転子２０の位置によるインピーダンスの変化が大きくなり、ｄ軸インピーダンスとｑ軸インピーダンスの差異が大きくなるという効果がある。したがって、回転角度の検出精度を向上させることが可能となる。

本実施の形態１の構成を有するモータに高周波電流を注入したときに、電機子巻線１２に流れる電流をｄｑ変換し、ｄ軸電流を横軸に、ｑ軸電流を縦軸にとると、リサージュ波形を得ることができる。図１５は、本発明の実施の形態１において、無負荷のときに高周波電流を注入したときのリサージュ波形を示した図である。

本実施の形態１で示した導体を設けない、従来例の表面磁石型のモータでは、突極性がほとんどなく、回転子２０の位置によってインピーダンスがほとんど変化しないので、円のようなリサージュ波形を描く。しかしながら、本実施の形態１のモータでは、導体に誘導電流が流れることを利用して、インピーダンスが回転子２０の位置によって変化するため、楕円形状のリサージュを描く。

図１５に示した例では、ｄ軸電流が大きい、すなわち、ｄ軸インピーダンスが小さい例を示したが、逆にｑ軸インピーダンスが小さく構成することもできる。導体１ａ１、１ａ２を磁極中心付近に配置すれば、これが実現できる。この場合には、ｑ軸電流が大きい楕円形状のリサージュとなる。

また、図１６は、本発明の実施の形態１において、負荷電流が流れている場合のリサージュ波形を示した図である。負荷電流が流れると、鉄心の磁気飽和によりリサージュが傾くことがあるが、このような場合でも、負荷電流と楕円の長軸方向の傾きから、回転子位置を推定することが可能である。従って、電機子電流を測定することにより、回転角度検出が可能となる。

以上のように、実施の形態１によれば、回転子に上述したような構成の導体（導通回路）を設けることにより、電機子巻線に高周波電流を注入したときのｄ軸インピーダンスとｑ軸のインピーダンスに差異が発生する。従って、このような現象を利用して、エンコーダやレゾルバなどの回転角度検出装置を設けなくても、電機子電流を測定することにより、回転角度の検出が可能となる。この結果、永久磁石型回転電機の構造を簡素化でき、小型化や低コスト化を実現できる。

なお、本実施の形態１における図では、永久磁石２２の保持について省略して示しているが、永久磁石２２の保持部材があった場合にも、同様の効果が得られる。例えば、ステンレス製の管状の保持部材が永久磁石２２の外周部分に設けられていてもよい。さらに、永久磁石２２の材料にかかわらず同様の効果を得ることができる。例えば、フェライト磁石でもよいし、ネオジの焼結磁石のように希土類系の永久磁石でもよい。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、例えば、図５、図７に示したように、それぞれの永久磁石２２の周囲に個別の電気回路を配置する場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、永久磁石２２の周囲に設けられる導体の全てを電気的に接続した場合について説明する。

図１７は、本発明の実施の形態２において、導体を永久磁石２２の周辺に配置した例示図であり、全ての導体が電気的に接続されている。理解を助けるために、周方向に配置されている複数の永久磁石２２を、横方向に並べて、固定子１０側から見た状態を示している。なお、図１７では、６極を示しているが、モータの極数は、この限りではない。

また、図１７においては、導体１ｃが回転軸に平行な方向に延在する場合について説明したが、本発明は、これに限られるわけではない。図１８は、本発明の実施の形態２において、導体を永久磁石の周辺に配置した別の例示図である。例えば、図１８のように、導体１ｃにスキューが施された状態で、導体１ｃが回転軸の軸方向に延在しているような場合（すなわち、回転軸と平行でない場合）でも、同様の効果が得られる。以下では、図１７の配置に基づいて説明する。

隣り合う永久磁石２２の間には、モータの回転軸にほぼ平行あるいは平行な方向に延在する導体１ｃが配置されている。また、導体１ｃを電気的に接続する別の導体部分として、導体１ｄ１と導体１ｄ２が設けられており、全ての導体１ｃを電気的に接続するように構成されている。このように、図１７においては、第１導体である導体１ｃと、第２導体である導体１ｄ１、１ｄ２とにより、導通回路（以下、電気回路と称す）が構成されている。

導体１ｃが配置される周方向の間隔は、α度（電気角）である。永久磁石２２は、通常、電気角１８０度の間隔で配置されるので、αは、望ましくは電気角１８０度がよい。また、インピーダンスの変化が電気角１８０度周期とするには、導体１ｃの周方向の間隔も電気角１８０度とするのが望ましい。

ただし、導体の配置が磁極中心から電気角±４５度の範囲、または磁極中心から電気角９０度離れた位置から電気角±４５度の範囲のいずれか一方の範囲であれば、αは任意の値をとってよい。さらに、図１７では、全ての永久磁石２２の周辺に導体を配置した例を示したが、一部の永久磁石２２にのみ配置されていてもよい。

図１９は、本発明の実施の形態２において、導体を永久磁石２２の周辺に配置した別の例示図である。図１９に示すように、６極ある内の３極分に導体１ｃを合計４個配置した場合にも、先の図１７と同様に、回転子２０の位置によってモータのインピーダンスが変化する効果を得ることができる。なお、図１９では、４個の導体１ｃは導体１ｄ１と導体１ｄ２によって全てが電気的に接続されており、隣り合った３極分に導体を設けた例を示したが、必ずしも隣り合った磁極に導体を設ける必要はない。

図２０は、本発明の実施の形態２において、全ての導体を電気的に接続した場合の回転子２０を回転軸方向から見た図である。回転軸に垂直な面で切った断面図であり、８極の永久磁石２２が周方向に配置された表面磁石型の回転子２０である。導体１ｃは、８極全ての永久磁石２２の間に合計８個設けられている。図２０では省略しているが、これら８個の導体１ｃは、先の図１７に示したように、全て別の導体部分（第２導体）によって電気的に接続されている。

このような構成にすることによって、電機子巻線１２に高周波電流を注入したときに、インピーダンスが回転子２０の位置によって変化するという効果が得られ、この現象を利用して回転子２０の位置を検出できる。図２１は、本実施の形態２において、回転子２０の回転角度とインピーダンスとの関係を示した図である。図２１に示すように、横軸を回転子２０の回転角度、縦軸をインピーダンスとすれば、電気角１８０度周期でインピーダンスが変化する。

一方、図２２は、本発明の実施の形態２において、全ての導体を電気的に接続した場合の回転子２０を回転軸方向から見た別の図である。先の図２０においては、８極ある永久磁石２２の全ての間に導体１ｃを設けた場合を示したが、図２２は、部分的に（８箇所中６箇所に）導体１ｃを設けた場合を示している。

図２２では省略しているが、これら６個の導体１ｃは、先の図１９に示したように、全て別の導体部分（第２導体）によって電気的に接続されている。このように、全ての永久磁石２２間に設けなくても、同様の効果が得られる。

ただし、特定の箇所にのみ、電気回路を設けるのではなく、図１７、図２０の構成のように、全周に渡って等間隔に電気回路を配置することで、回転バランスがよくなる。さらに、特定の箇所にのみ、電気回路を設ける場合と比較して、電機子巻線に高周波電流を注入したときのｄ軸インピーダンスとｑ軸のインピーダンスの差異が大きくなり、回転角度の検出精度を向上させることが可能となる。

図２０、図２２では、導体１ｃは回転子鉄心２１から径方向外側に飛び出した部分がある。このような構成にしておけば、電機子巻線１２の高周波電流による磁束を、より効率よく鎖交させることができるという効果がある。すなわち、インピーダンスの回転子位置依存性が顕著に現れる。導体が回転子鉄心２１に埋め込まれていても、インピーダンスの回転子位置依存性を持つという点では同様の効果が得られる。

導体１は、どの位置に配置しても、このような効果が得られる訳ではない。回転子２０の位置によるインピーダンスの変化の周期が電気角１８０度となるためには、導体１の配置を工夫する必要がある。先の実施の形態１でも述べたように、先の図３、図４で示した位置関係に導体１を配置すれば、インピーダンスが回転子２０の位置によって変化し、インピーダンスの変化の周期が電気角１８０度となる。

図２３は、本発明の実施の形態２におけるモータの回転子２０の斜視図である。回転子鉄心２１の表面に永久磁石２２が周方向に等間隔に配置されている。永久磁石２２の間には、回転軸に平行に延在する導体１ｃが設けられている。導体１ｃを全て電気的に接続するための導体１ｄ１が設けられており、図示しないが、反対側に導体１ｄ２が設けられている。導体１ｄ１と導体１ｄ２は、エンドリングであり、これらは、円環状の導体であっても多角形状の導体でもよい。

先の図２０と図２２は、表面磁石型の例であったが、本発明は、磁石埋め込み型にも適用可能である。図２４は、本発明の実施の形態２において、磁石埋め込み型モータの回転子２０を回転軸方向から見た図であり、回転子鉄心２１の内部に永久磁石２２が埋め込まれている。各永久磁石２２の間には導体１ｃが設けられている。この回転子２０は、８極であり、導体１ｃは、８箇所に設けられている。この導体１ｃ全ては、別の導体部分ｄ１とｄ２（図示しない）によって電気的に接続されている。

一方、図２５は、本発明の実施の形態２において、磁石埋め込み型モータの回転子２０を回転軸方向から見た別の図であり、磁極中心付近に導体１ｃを設けた例である。この場合にも、８個設けられた導体１ｃは、別の導体部分ｄ１とｄ２（図示しない）によって電気的に接続されている。

これにより、回転子位置によってインピーダンスが変化し、回転角度の検出が可能となる。図２４、図２５では、全ての磁極間あるいは、磁極中心に導体１ｃを設けた例を示したが、本発明は、これに限定されない。磁極間の一部あるいは、磁極中心の一部に導体１ｃを設けた場合にも、回転子２０の位置によってモータのインピーダンスが変化するという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２の構成を有するモータに高周波電流を注入したときに、電機子巻線１２に流れる電流をｄｑ変換し、ｄ軸電流を横軸に、ｑ軸電流を縦軸にとると、リサージュ波形を得ることができる。先の実施の形態１で用いた図１５、図１６を用いて、本実施の形態２で得られるリサージュ図形について説明する。

図１５は、無負荷のときに高周波電流を注入したときのリサージュ波形を示した図である。本実施の形態２で示した導体を設けない、従来例の表面磁石型のモータでは、突極性がほとんどなく、回転子２０の位置によってインピーダンスがほとんど変化しないので、円のようなリサージュ波形を描く。しかしながら、本実施の形態２のモータでは、導体に誘導電流が流れることを利用して、インピーダンスが回転子２０の位置によって変化するため、楕円形状のリサージュを描く。

図１５に示した例では、ｄ軸電流が大きい、すなわち、ｄ軸インピーダンスが小さい例を示したが、逆にｑ軸インピーダンスが小さく構成することもできる。導体１ｃを磁極中心付近に配置すれば、これが実現できる。この場合には、ｑ軸電流が大きい楕円形状のリサージュとなる。

また、図１６は、負荷電流が流れている場合のリサージュ波形を示した図である。負荷電流が流れると、鉄心の磁気飽和によりリサージュが傾くことがあるが、このような場合でも、負荷電流と楕円の長軸方向の傾きから、回転子位置を推定することが可能である。従って、電機子電流を測定することにより、回転角度検出が可能となる。

以上のように、実施の形態２によれば、永久磁石の周囲に設けられる導体の全てを電気的に接続した構成とした場合にも、先の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。すなわち、電機子巻線に高周波電流を注入したときのｄ軸インピーダンスとｑ軸のインピーダンスに差異が発生する現象を利用して、エンコーダやレゾルバなどの回転角度検出装置を設けなくても、電機子電流を測定することにより、回転角度の検出が可能となる。この結果、永久磁石型回転電機の構造を簡素化でき、小型化や低コスト化を実現できる。

なお、本実施の形態２における図では、永久磁石２２の保持について省略して示しているが、永久磁石２２の保持部材があった場合のも、同様の効果が得られる。例えば、ステンレス製の管状の保持部材が永久磁石２２の外周部分に設けられていてもよい。さらに、永久磁石２２の材料にかかわらず同様の効果を得ることができる。例えば、フェライト磁石でもよいし、ネオジの焼結磁石のように希土類系の永久磁石でもよい。

実施の形態３．
本実施の形態３では、電機子巻線１２が集中巻の場合について説明する。
図２６は、本発明の実施の形態３における永久磁石型回転電機の断面図であり、電機子巻線１２が集中巻の場合を例示している。固定子１０は、固定子鉄心１１と電機子巻線１２を有し、電機子巻線１２は、固定子鉄心１１に集中的に巻き回されている。また、回転子２０は、永久磁石２２と回転子鉄心２１を有し、さらに、永久磁石２２の間に導体１が配置されている。この図２６においては、固定子鉄心１１のスロット数が１２、モータの極数が１０の例を示している。

永久磁石２２の間に配置された導体は、回転軸方向にほぼ平行あるいは平行に延在している。また、図示しないが、これら導体を電気的に接続する別の導体部分を有している。このような構成とすることで、導体１に流れる誘導電流によって、回転子２０の位置に応じてインピーダンスが変化し、回転角度の推定が可能となる。

また、表面磁石型モータは、磁石埋め込み型に比べてコギングトルクやトルクリップルが小さい一方で、突極性が小さいため、高周波を注入して回転角度検出する方法を適用するのが困難であった。しかしながら、本実施の形態３の構成とすることで「低コギングトルク、低トルクリップル」と「回転角度検出」の両立が可能となる。

以上のように、実施の形態３によれば、電機子巻線を集中巻の構成とした場合に、特に、表面磁石型モータにおいても、「低コギングトルク、低トルクリップル」と「回転角度検出」の両立が可能となる。

なお、本実施の形態３では、１０極１２スロットの例を示したが、これに限定されるものではない。ｍを１以上の整数としたときに、例えば、極数とスロット数の比が、以下のような関係にある場合であってもよい。
極数：スロット数＝１０ｍ：１２ｍ
極数：スロット数＝１４ｍ：１２ｍ
極数：スロット数＝１０ｍ：９ｍ
極数：スロット数＝８ｍ：９ｍ
極数：スロット数＝２ｍ：３ｍ
極数：スロット数＝４ｍ：３ｍ

実施の形態４．
本実施の形態４では、電機子巻線１２が分布巻の場合について説明する。
図２７は、本発明の実施の形態４における永久磁石型回転電機の断面図であり、電機子巻線１２が分布巻の場合を例示している。固定子１０は、固定子鉄心１１と電機子巻線１２を有し、電機子巻線１２は、固定子鉄心１１の複数のティースを跨って巻き回されている。また、回転子２０は、永久磁石２２と回転子鉄心２１を有し、さらに、永久磁石２２の間に導体１が配置されている。この図２７においては、固定子鉄心１１のスロット数が３６、永久磁石２２の極数が６の例を示している。

永久磁石２２の間に配置された導体は、回転軸方向にほぼ平行あるいは平行に延在している。また、図示しないが、これら導体を電気的に接続する別の導体部分を有している。このような構成とすることで、導体１に流れる誘導電流によって、回転子２０の位置に応じてインピーダンスが変化し、回転角度の推定が可能となる。

また、表面磁石型モータは、磁石埋め込み型に比べてコギングトルクやトルクリップルが小さい一方で、突極性が小さいため、高周波を注入して回転角度検出する方法を適用するのが困難であった。しかしながら、本実施の形態４の構成とすることで「低コギングトルク、低トルクリップル」と「回転角度検出」の両立が可能となる。

以上のように、実施の形態４によれば、電機子巻線を分布巻の構成とした場合に、特に、表面磁石型モータにおいても、「低コギングトルク、低トルクリップル」と「回転角度検出」の両立が可能となる。

なお、本実施の形態４では、６極３６スロットの例を示したが、これに限定されるものではない。ｍを１以上の整数としたときに、例えば、極数とスロット数の比が、以下のような関係にある場合であってもよい。
極数：スロット数＝ｍ：６ｍ
極数：スロット数＝ｍ：３ｍ（例えば、４極１２スロット、６極１８スロットなど）
極数：スロット数＝２ｍ：９ｍ（例えば、４極１８スロット、６極２７スロットなど）

実施の形態５．
本実施の形態５では、本発明による回転位置検出を電動パワーステアリング装置に適用する具体例について説明する。図２８は、本発明の実施の形態５による電動パワーステアリング装置の構成を示す概略図である。ステアリングホイール３１に結合してステアリングホイール３１の操舵力を受けるコラムシャフト３２が設けられている。さらに、コラムシャフト３２には、ウォームギヤ３３（図２８では詳細な記載を省略し、ギヤボックスのみ示している）が接続されており、操舵力は、ウォームギヤ３３に伝わる。

ウォームギヤ３３は、コントローラ３４によって駆動されるモータ３５の出力（トルク、回転数）を、回転方向を直角に変えるとともに回転を減速しながら伝達して、操舵力にモータ３５のアシストトルクを加えている。操舵力は、ウォームギヤ３３に接続されたハンドルジョイント３６を伝わり、方向も変えられる。ステアリングギヤ３７（図２８では詳細な記載を省略し、ギヤボックスのみ示している）は、ハンドルジョイント３６の回転を減速し、同時にラック３８の直線運動に変換し、所要の変位を得る。このラック３８の直線運動により車輪を動かし、車両の方向転換等を可能とする。

このような電動パワーステアリング装置において、モータ３５を適切に駆動するには、回転角度を検出する必要がある。そこで、従来のモータは、ホールセンサやレゾルバなどの回転角度検出装置を具備している。しかしながら、ホールセンサやレゾルバがあると、部品点数が増え、コストも増加する。また、モータの体格も回転角度検出装置があるために大きくなってしまう。

しかしながら、上述したような本発明の実施の形態１〜４に示したいずれかのモータ３５を電動パワーステアリング装置に組み込むことで、回転角度検出装置がなくても、導体に流れる誘導電流によって発生するインピーダンスの違いを利用して、電機子電流を測定することにより、回転角度検出が可能となる。これにより、部品点数を減らすことができ、コストも低減できる。さらに、モータ３５の体格を小さくでき、軽量化できるという効果が得られる。

図２９は、本発明の実施の形態５における回転角度検出装置の構成図である。モータ３５は、先の実施の形態１〜４に示したいずれかのモータであり、モータ３５には、コントローラ３４が接続されている。コントローラ３４は、さらに電源４０に接続されている。電源４０は、例えば、バッテリーのような直流電源で構成される。ここで、図２９におけるコントローラ３４およびモータ３５は、図２８におけるコントローラ３４およびモータ３５に相当する。

コントローラ３４の詳細な構成は省略するが、図２９では、インバータ部３４ａ、電機子電流測定部３４ｂ、および回転角度検出部３４ｃを有した構成を例示している。インバータ部３４ａは、モータ３５を駆動するために、モータ３５に電流を供給するが、回転角度検出のために、先の実施の形態１で述べたように、数百Ｈｚから数十ｋＨｚの高周波の電流も注入する。

電機子電流測定部３４ｂは、電機子電流を測定する機能を有し、例えば、シャント抵抗などで構成される。図２９では、３相の電流を測定する構成としているが、２相でもよいし、電源側の１相の電流を測定する構成としてもよい。

電機子電流測定部３４ｂによって測定された電流値は、回転角度検出部３４ｃに入力され、演算処理が行われる。回転角度検出部３４ｃは、例えば、先の図１５、１６で示した楕円軌道の長軸方向を求めることで、回転角度の推定値θを求める。回転角度検出部３４ｃで推定された回転角度推定値θは、インバータにおけるモータ駆動用の電流を適切に供給するために利用される。

従来の構成であれば、モータを駆動するために、レゾルバやホールセンサなどの回転角度検出装置を別途設ける必要があった。しかしながら、図２９の構成によれば、レゾルバやホールセンサがなくても回転角度検出が可能となる。電機子電流測定部３４ｂは、モータ３５のトルク制御時に電流値を把握する必要があるため、レゾルバやホールセンサで回転角度を検出する従来の構成においても、設けられている。また、回転角度検出部３４ｃは、従来の構成でも設けられているマイコンやＡＳＩＣ内部で構成することができる。従って、本発明によって、追加される部品はなく、レゾルバやホールセンサを不要とすることができ、従来よりも少ない部品点数にて、回転角度の検出を行うことが可能となる。

先の図２８に示すような電動パワーステアリング装置では、モータにて発生するコギングトルクやトルクリップルが、ウォームギヤ３３などのギヤとコラムシャフト３２を介して、ステアリングホイール３１に伝達される。従って、モータが大きなコギングトルクやトルクリップルを発生する場合、滑らかなステアリング感覚を得ることができない。

図２８では、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置を示したが、ピニオンアシスト式、ラックアシスト式も、同様にギヤを解してモータのコギングトルクやトルクリップルがステアリングホイールに伝達される。従って、大きなコギングトルクやトルクリップルを発生する場合、コラムアシスト式同様、滑らかなステアリング感覚を得ることができない。

しかしながら、本発明のモータ３５では、表面磁石型のモータでもホールセンサやレゾルバなしに、回転角度検出が可能である。表面磁石型は、一般に、突極性の大きい磁石埋め込み型に比べて、コギングトルクやトルクリップルが小さい傾向にある。本発明のモータ３５によって、表面磁石型に対しても、ホールセンサやレゾルバなしに、回転角度検出が可能となる。

以上のように、実施の形態５によれば、本発明の永久磁石型回転電機を用いた回転位置検出手段を電動パワーステアリング装置に適用することにより、表面磁石型に対しても、部品点数低減、コスト低減、モータサイズ低減・軽量化という効果に加えて、「低コギングトルクと低トルクリップル」の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の説明図である。 本発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の別の説明図である。 本発明の実施の形態１における導体の第１の配置例を示す図である。 本発明の実施の形態１における導体の第２の配置例を示す図である。 本発明の実施の形態１において、導体を永久磁石の周辺に配置した例示図である。 本発明の実施の形態１において、導体を永久磁石の周辺に配置した別の例示図である。 本発明の実施の形態１において、導体を永久磁石の周辺に配置した別の例示図である。 本発明の実施の形態１において、全ての磁極に電気回路を設けた場合の回転子を回転軸方向から見た図である。 本発明の実施の形態１において、一部の磁極に電気回路を設けた場合の回転子を回転軸方向から見た図である。 本発明の実施の形態１において、導体で構成される電気回路が３ターンである場合の例示図である。 本発明の実施の形態１におけるモータの回転子の斜視図である。 本発明の実施の形態１において、磁石埋め込み型モータの回転子を回転軸方向から見た図である。 本発明の実施の形態１において、磁石埋め込み型モータの回転子を回転軸方向から見た別の図である。 本発明の実施の形態１において、磁石埋め込み型モータの第１導体の周方向位置の中点が磁極中心から電気角９０度離れた位置にある場合の例示図である。 本発明の実施の形態１において、無負荷のときに高周波電流を注入したときのリサージュ波形を示した図である。 本発明の実施の形態１において、負荷電流が流れている場合のリサージュ波形を示した図である。 本発明の実施の形態２において、導体を永久磁石の周辺に配置した例示図である。 本発明の実施の形態２において、導体を永久磁石の周辺に配置した別の例示図である。 本発明の実施の形態２において、導体を永久磁石の周辺に配置した別の例示図である。 本発明の実施の形態２において、全ての導体を電気的に接続した場合の回転子を回転軸方向から見た図である。 本実施の形態２において、回転子の回転角度とインピーダンスとの関係を示した図である。 本発明の実施の形態２において、全ての導体を電気的に接続した場合の回転子を回転軸方向から見た別の図である。 本発明の実施の形態２におけるモータの回転子の斜視図である。 本発明の実施の形態２において、磁石埋め込み型モータの回転子を回転軸方向から見た図である。 本発明の実施の形態２において、磁石埋め込み型モータの回転子を回転軸方向から見た別の図である。 本発明の実施の形態３における永久磁石型回転電機の断面図である。 本発明の実施の形態４における永久磁石型回転電機の断面図である。 本発明の実施の形態５による電動パワーステアリング装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態５における回転角度検出装置の構成図である。

符号の説明

１ 導体、１ａ１、１ａ２、１ｃ 導体（第１導体）、１ｂ１、１ｂ２、１ｄ１、１ｄ２ 導体（第２導体）、１０ 固定子、１１ 固定子鉄心、１２ 電機子巻線、２０ 回転子、２１ 回転子鉄心、２２ 永久磁石、３１ ステアリングホイール、３２ コラムシャフト、３３ ウォームギヤ、３４ コントローラ、３４ａ インバータ部、３４ｂ 電機子電流測定部、３４ｃ 回転角度検出部、３５ モータ、３６ ハンドルジョイント、３７ ステアリングギヤ、３８ ラック、４０ 電源。

Claims (13)

1. 電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心および複数の永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石型回転電機の回転角度検出装置であって、
   前記回転子の軸方向に延在し、前記回転子の周方向に２箇所以上配置された第１導体と、前記第１導体間を電気的に接続する第２導体とで構成される導通回路を備え、
   前記第１導体は、前記永久磁石の磁極中心を基準として前記周方向に電気角−４５度から＋４５度の範囲、または前記磁極中心から電気角９０度離れた位置を基準として前記周方向に電気角−４５度から＋４５度の範囲のいずれか一方の範囲に配置され、
   前記導通回路は、前記周方向に１箇所以上設けられるとともに、前記永久磁石における前記回転子鉄心の径方向の外周面上とは異なる位置に設けられ、
   前記電機子巻線に流れる電流を測定することによって回転角度を検出する検出手段をさらに備える
   ことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
   前記導通回路は、２箇所以上に配置される際の周方向間隔が、電気角で１８０×ｎ度（ただし、ｎは１以上の整数）であることを特徴とする回転角度検出装置。
3. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
   前記導通回路の周方向の中心が前記永久磁石の磁極中心と略一致するように配置されることを特徴とする回転角度検出装置。
4. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
   前記導通回路の周方向の中心が前記永久磁石の磁極中心から電気角９０度離れた位置と略一致するように配置されることを特徴とする回転角度検出装置。
5. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
   前記導通回路は、前記周方向に等間隔に配置され、かつ前記導通回路の数が回転電機の極数に一致することを特徴とする回転角度検出装置。
6. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
   前記第２導体は、前記回転子の軸方向の両端部に配置され、前記第１導体の全てを電気的に接続することを特徴とする回転角度検出装置。
7. 請求項６に記載の回転角度検出装置において、
   前記導通回路は、前記第１導体の周方向位置が前記永久磁石の磁極中心と略一致するように配置されることを特徴とする回転角度検出装置。
8. 請求項６に記載の回転角度検出装置において、
   前記導通回路は、前記第１導体の周方向位置が前記永久磁石の磁極中心から電気角９０度離れた位置と略一致するように配置されることを特徴とする回転角度検出装置。
9. 請求項６に記載の回転角度検出装置において、
   前記導通回路は、前記第１導体が周方向に電気角１８０度の間隔でＭ箇所（ただし、Ｍは回転電機の極数）に配置され、前記第２導体がエンドリングとして前記第１導体を電気的に接続するように配置されることを特徴とする回転角度検出装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の回転角度検出装置において、
    前記永久磁石は、前記回転子の表面に配置されることを特徴とする回転角度検出装置。
11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の回転角度検出装置において、
    前記永久磁石は、前記回転子鉄心に埋設して配置されることを特徴とする回転角度検出装置。
12. 電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心および複数の永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石型回転電機の回転角度検出方法であって、
    前記回転子の軸方向に延在し、前記回転子の周方向に２箇所以上配置された第１導体と、前記第１導体間を電気的に接続する第２導体とで構成される導通回路を備え、
    前記第１導体は、前記永久磁石の磁極中心を基準として前記周方向に電気角−４５度から＋４５度の範囲、または前記磁極中心から電気角９０度離れた位置を基準として前記周方向に電気角−４５度から＋４５度の範囲のいずれか一方の範囲に配置され、
    前記導通回路は、前記周方向に１箇所以上設けられ、
    前記電機子巻線に流れる電流を測定し，測定した電流値を演算処理することによって回転子の回転角度を検出する
    ことを特徴とする回転角度検出方法。
13. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の回転角度検出装置を有する永久磁石型回転電機とギヤを備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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