JP6856665B2 - ブラシレス直流モータおよび角度信号を提供する方法 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項のカテゴリーに記載のブラシレス直流モータまたは角度信号を提供する方法から出発する。

先行技術に基づき、センサ制御により整流されたり、センサレスで整流されたりするアウタロータ型のブラシレス直流モータが公知である。センサ制御による整流では、直流モータのロータの位置が、例えば光学センサおよび／またはホールセンサによって測定され、これにより、ステータの位相が相応に制御される。これによって、直流モータのほぼ「ジャークなし」の始動が可能となる。磁気センサの使用は、センサ磁石として永久励磁の磁石を二重使用することを想起させる。センサレスでの整流では、通常の場合、少なくとも三相のステータシステムの常に２つの巻線だけが制御されるので、ロータ位置の測定は、丁度制御されていないステータ巻線における誘導された電圧によって行われる。しかしながら、この信号はロータの運動時にしか提供されない。したがって、センサレスでの始動は特に問題をはらんでいる。このために、モータは固定のクロッキング方式で始動させられることが多い。初期のロータ位置が不確定であることに基づき、これによって、激しいジャークが生じてしまう。数多くの用途において、この挙動は受け入れがたい。

さらに、先行技術に基づき、減速伝動装置を介して位置が変化させられるスロットルバルブまたはこれに類するシステム用のブラシレス直流モータを備えたサーボ駆動装置が公知である。この公知のサーボ駆動装置では、モータ制御のためのロータ位置に対して付加的に、機能的なアスペクトとして、出力要素の位置が検出される。このために、第２のセンサが必要となる。なぜならば、変速のために、複数回の（電気的な／機械的な）回転数の差異が要求されることがあるからである。モータ制御のために出力要素にセンサを使用することには問題がある。なぜならば、伝動装置遊びが、ロータ位置の特定時に比較的大きな角度誤差を招いてしまうからである。多数の電気的な極を備えたモータの使用によって、機械的な変速を部分的に省略することができる（ダイレクトドライブ）。センサレスでの作動の場合にも、磁気センサの使用および永久励磁の二重利用の場合にも、電気的な位相位置はモータシャフトの絶対的な位置に対応していない。

欧州特許出願公開第０８５６７２０号明細書に基づき、例えば、自動車のステアリングホイールの回動角または回動角変化量を検出するための操舵角センサが公知である。この公知の操舵角センサでは、電気機械的な構成部材によって、回動角または回動角変化量に応じた電気的な信号が形成される。非接触式の操舵角センサは、ステアリングシャフトの端部に取り付けられた永久磁石から成っている。この永久磁石の磁化軸線は、ステアリングシャフトの軸線に対して垂直に位置している。永久磁石の領域には、磁界感応式のセンサが位置している。このセンサは、好ましくは、個別の形態または一体化された形態のホール素子から成っている。

発明の開示
独立請求項１の特徴を有するブラシレス直流モータおよび独立請求項７の特徴を有する、角度信号を提供する方法は、渦電流センサを用いてロータの絶対角度を特定するために、ブラシレス直流モータに設けられた同時回転するベル形アーマチュア巻線（Glocke）を機能化することによって、コスト削減と構成スペース縮小とが可能になるという利点を有している。センサは、ブラシレス直流モータの磁極対数に左右されることなく、最大３６０°まで一意に測定信号を供給する。この測定信号は、例えばステータコイルを整流するために使用することができる。このことは、特に電気車両でのジャークなしの始動のために不可欠である。強トルクのモータに相応に使用することによって機械的な変速を省略することができる用途では、センサを、モータ制御のほかに、出力もしくは有効機能の調整のために使用することもできる。したがって、第２のセンサを省略することができる。

本発明の実施の形態は、ステータと、ロータと、同時回転するベル形アーマチュア巻線と、ロータの角度位置を特定するセンサとを有するアウタロータ型のブラシレス直流モータを提供する。このブラシレス直流モータでは、同時回転するベル形アーマチュア巻線に、少なくとも１つの導電性のトラックを備えたターゲットが被着されており、センサが、少なくとも１つのコイルを備えた渦電流センサとして形成されており、センサが、ターゲットに対して半径方向に間隔を置いて、少なくとも１つの導電性のトラックが少なくとも１つのコイルに少なくとも部分的に重なるように配置されており、センサが、少なくとも１つの導電性のトラックによる少なくとも１つのコイルとの重なり量の関数として、最大３６０°までのロータの絶対的な角度位置を一意に表す角度信号を提供する。

さらに、同時回転するベル形アーマチュア巻線を備えて形成されたアウタロータ型のブラシレス直流モータのロータの角度位置を表す角度信号を提供する方法が提案される。この方法では、同時回転するベル形アーマチュア巻線に被着されたターゲットの少なくとも１つの導電性のトラックによる、渦電流センサとして形成されたセンサの少なくとも１つのコイルとの重なり量の関数として、最大３６０°までのロータの絶対的な角度位置を一意に表す角度信号が形成される。

本発明の要旨は、ブラシレス直流モータに設けられた同時回転するベル形アーマチュア巻線に導電性のトラックを被着すること、絶対角度位置を測定するための相応の渦電流センサを設けることおよび絶対角度位置を表す角度信号を提供することである。この角度信号は、ステータコイルの整流および／または出力の調整のために使用することができる。

本発明の実施の形態は、直流モータの長さを増加させる軸端センサと比較して、付加的な構成スペースをほとんど必要としない。最大３６０°までの範囲内でロータの絶対的な角度位置を一意に特定することによって、駆動されるアッセンブリ、例えばフラップ等に設けられる付加的なセンサを節約することができる。さらに、渦電流原理の実現によって、ＥＭＣに関して、静的な磁界およびモータ電流に左右されることなく、ロバストな測定が可能となる。さらに、提供される角度信号によって、センサレスの方法と比較して、整流のより良好な調整が達成される。

評価・制御ユニットとは、本明細書では、検出されたセンサ信号を処理するかもしくは評価する電気的な装置、例えば制御装置、特にモータ制御装置のことをいう。評価・制御ユニットは少なくとも１つのインタフェースを有することができる。このインタフェースはハードウェアおよび／またはソフトウェアにより構成することができる。ハードウェアによる構成では、インタフェースが、例えば、評価・制御ユニットの種々異なる機能を有する、いわゆる「システムＡＳＩＣ」の一部であってよい。しかし、インタフェースが、固有の集積回路であるかまたは少なくとも部分的に離散的な構成要素から成っていることも可能である。ソフトウェアによる構成では、インタフェースがソフトウェアモジュールであってよい。このソフトウェアモジュールは、例えば、別のソフトウェアモジュールに隣接してマイクロコントローラに存在している。機械可読の担体、例えば半導体メモリ、ハードディスクメモリまたは光学メモリに記憶されていて、プログラムが評価・制御ユニットによって実行されると、評価を実施するために使用されるプログラムコードを備えたコンピュータプログラム製品も有利である。

センサとは、本明細書では、物理的な量もしくは物理的な量の変化を直接的にまたは間接的に検出しかつ好ましくは電気的なセンサ信号に変換する少なくとも１つのセンサ素子を有する構成ユニットのことをいう。

従属請求項に記載した手段および変化形態によって、独立請求項１に記載したブラシレス直流モータおよび独立請求項７に記載した、角度信号を提供する方法の有利な改良が可能となる。

特に有利には、少なくとも１つの導電性のトラックの厚さおよび／または幅が、３６０°の一回転にわたって変化していてよく、これによって、測定が容易になる。

直流モータの有利な構成では、センサが、少なくとも１つのコイルのインダクタンスの測定を介して、少なくとも１つの導電性のトラックによる重なり量の関数として角度信号を形成することができる。少なくとも１つのコイルは、少なくとも１つの導電性のトラックに渦電流を発生させる。この渦電流は、少なくとも１つのコイルのインダクタンスの、角度に応じた変化を発生させる。このインダクタンス変化は、評価・制御ユニットにおいて、例えば、周波数カウンタまたはＬＲ回路を備えたＬＣ発振回路と、減衰時間の測定とを介して特定することができる。代替的には、センサが、少なくとも２つのコイルの間の誘導結合を介して、少なくとも１つの導電性のトラックによる重なり量の関数として角度信号を形成することもできる。代替的な評価コンセプトは、変圧器に類似して、２つのセンサコイルの間の結合と同時に、少なくとも１つの導電性のトラックによる重なり量とを利用してもよい。

直流モータの別の有利な構成では、評価・制御ユニットが、角度信号をステータコイルの整流および／または出力調整のために使用することができる。さらに、評価・制御ユニットが、角度信号を別の車両システムおよび／または車両機能に出力することができる。

角度信号を提供する方法の有利な構成では、少なくとも１つのコイルのインダクタンスの測定を介して、少なくとも１つの導電性のトラックによる重なり量の関数として角度信号を形成することができる。代替的には、少なくとも２つのコイルの間の誘導結合を介して、少なくとも１つの導電性のトラックによる重なり量の関数として角度信号を形成することもできる。

角度信号を提供する方法の別の有利な構成では、角度信号をブラシレス直流モータのステータコイルの整流および／またはブラシレス直流モータの出力調整のために使用することができ、かつ／または別の車両システムおよび／または車両機能に出力することができる。

本発明の複数の実施例を図面に示し、以下の記載において詳しく説明する。図中、同一の符号は、同一の機能もしくは類似の機能を実施するコンポーネントもしくは要素を表している。

アウタロータ型の本発明に係るブラシレス直流モータの一実施例の概略図である。 図１に示したブラシレス直流モータに設けられた同時回転するベル形アーマチュア巻線に被着された展開されたターゲットの第１の実施例の概略図である。 図１に示したブラシレス直流モータに設けられた同時回転するベル形アーマチュア巻線に被着された展開されたターゲットの第２の実施例の概略図である。 図１に示したブラシレス直流モータに設けられた同時回転するベル形アーマチュア巻線に被着された展開されたターゲットの第３の実施例の概略図である。

発明の実施の形態
図１〜図４から明らかであるように、アウタロータ型の本発明に係るブラシレス直流モータ１の図示の実施例は、評価・制御ユニット７と、ステータ（図示せず）と、ロータ（図示せず）と、同時回転するベル形アーマチュア巻線５と、ロータの角度位置を特定するセンサ１０とを有している。同時回転するベル形アーマチュア巻線５には、少なくとも１つの導電性のトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを備えたターゲット２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが被着されている。センサ１０は、少なくとも１つのコイル１２，１４を備えた渦電流センサとして形成されている。センサ１０は、ターゲット２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに対して半径方向に間隔を置いて、少なくとも１つの導電性のトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃが少なくとも１つのコイル１２，１４に少なくとも部分的に重なるように配置されている。センサ１０は、少なくとも１つの導電性のトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃによる少なくとも１つのコイル１２，１４との重なり量の関数として、最大３６０°までのロータの絶対的な角度位置を一意に表す角度信号を提供する。

原理的には、ブラシレス直流モータ１を作動させるために、評価・制御ユニット７がステータの少なくとも３つのコイルを制御して、たいてい永久励磁されるロータを駆動する回転磁界を発生させる（永久励磁式の同期モータ）。このためには、たいてい２つのコイルが同時に制御され、第３のコイルが無通電状態に切り換えられる。どの２つのコイルがロータに所望のトルク作用を与えているのかを識別するために、ロータ位置が求められる。このロータ位置は、先行技術に基づき公知の別の直流モータでは、例えばホールセンサもしくは光学センサを介して実現されるかまたは使用されていないコイルにおける誘導電圧の評価を介してセンサレスで実現される。センサレスの構成は、一般的に、始動トルクがほとんど要求されず、モータのジャークなしの起動が必ずしも必要とならない用途、例えばプロペラの駆動でしか使用されない。このようなブラシレス直流モータに伝動装置を介して接続されている用途では、たいていの場合、ロータの直接的な位置測定が実施される。たいていの直流モータは、１よりも大きな磁極対の数Ｎｐ（典型的には４〜１２）を使用している。したがって、電気的な制御が機械的な１回転の範囲内で４回もしくは１２回整流を行う。３６０°の一意範囲でのロータの角度位置の特定は、モジュロ除法によって、以下の等式（１）：
φ（ｅ）＝Ｍｏｄ（φ（ａｂｓ），３６０°／Ｎｐ） （１）
による電気的な位相位置φ（ｅ）の計算を可能にする。なお、式中、φ（ａｂｓ）は、ロータの絶対的な角度位置を表しており、Ｎｐは、磁極対の個数を表している。

より小さな一意範囲を有するセンサもしくはロータ位置のセンサレスでの特定は、ロータもしくは出力要素の絶対的な位置に対する外挿を可能にしない。したがって、伝動装置を備えていないダイレクトドライブの場合でさえ、ロータ位置信号を出力の調整のために使用することが不可能となる。

本発明の実施の形態は、アウタロータ型のブラシレス直流モータ１に設けられた同時回転するベル形アーマチュア巻線５を、絶対角度位置の測定が３６０°の一意範囲で実現されるように機能化している。このためには、渦電流センサとして形成されたセンサ１０の近くを、伝導性の材料から成るターゲット２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが通過して、少なくとも１つのセンサコイル１２，１４のインダクタンスの、角度に応じた変化を発生させる。この変化は評価・制御ユニット７によって、例えば、周波数カウンタまたはＬＲ回路を備えたＬＣ発振回路と、減衰時間の測定とを介して特定することができる。図示の実施例では、ターゲット２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが、ベル形アーマチュア巻線５の外面に被着された柱面を形成していて、それぞれ２つの導電性のトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを有している。これらのトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは、ロータもしくは同時回転するベル形アーマチュア巻線５の角度位置に応じて、少なくとも１つのコイル１２，１４に少なくとも部分的に重なっている。代替的な評価コンセプトは、２つのセンサコイル１２，１４の間の結合と、同時に、ターゲット２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃによる重なり量とを求めてもよい。

図１〜図４からさらに明らかであるように、少なくとも１つの導電性のトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの厚さおよび／または幅が、３６０°の一回転にわたって変化している。図示の実施例では、各ターゲット２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが、互いに分離された２つの導電性のトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを有している。この実施例では、それぞれ１つの第１の導電性のトラック２２．１，２２．１Ａ，２２．１Ｂ，２２．１Ｃが、ターゲット２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの柱面の左側方の縁部に延在しており、それぞれ１つの第２の導電性のトラック２２．２，２２．２Ａ，２２．２Ｂ，２２．２Ｃが、ターゲット２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの柱面の右側方の縁部に延在している。

図１からさらに明らかであるように、ターゲット２０の図示の第１の実施例では、第１のトラック２２．１の幅が上方から下方へと減少しており、第２のトラック２２．２の幅が上方から下方へと増加している。

図２からさらに明らかであるように、ターゲット２０Ａの図示の第２の実施例では、電気的なトラック２２Ａが、それぞれ二等辺三角形の形状を有している。第２の実施例では、第１のトラック２２．１Ａの幅が上方から下方へと減少しており、第２のトラック２２．２Ａの幅が上方から下方へと増加している。

図３からさらに明らかであるように、ターゲット２０Ｂの図示の第３の実施例では、電気的なトラック２２Ｂが、それぞれ直角三角形の形状を有している。第３の実施例では、第１のトラック２２．１Ｂの幅が上方から下方へと増加しており、第２のトラック２２．２Ｂの幅が上方から下方へと減少している。

図４からさらに明らかであるように、ターゲット２０Ｃの図示の第４の実施例では、第３の実施例に類似して、電気的なトラック２２Ｃが、それぞれ直角三角形の形状を有している。第４の実施例における電気的なトラック２２Ｃの三角形の面積は、第３の実施例よりも大きく寸法設定されている。第４の実施例では、第１のトラック２２．１Ｃの幅が上方から下方へと増加しており、第２のトラック２２．２Ｃの幅が上方から下方へと減少している。

図２〜図４からさらに明らかであるように、図示の実施例では、センサ１０が、相並んで配置された２つのコイル１２，１４を有しており、これによって、センサ１０が、両コイル１２，１４のインダクタンスの測定を介して、少なくとも１つの導電性のトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃによる重なり量の関数として角度信号を形成する。

同時回転するベル形アーマチュア巻線５を備えて形成されたアウタロータ型のブラシレス直流モータ１のロータの角度位置を表す角度信号を提供する本発明に係る方法の実施の形態は、同時回転するベル形アーマチュア巻線５に被着されるターゲット２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの少なくとも１つの導電性のトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃによる、渦電流センサとして形成されたセンサ１０の少なくとも１つのコイル１２，１４との重なり量の関数として、最大３６０°までのロータの絶対的な角度位置を一意に表す角度信号を形成する。図示の実施例では、少なくとも１つのコイル１２，１４のインダクタンスの測定を介して、少なくとも１つの導電性のトラック２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃによる重なり量の関数として角度信号が形成される。

この方法は、例えば、ソフトウェアまたはハードウェアにおいて実施されていてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとの複合形態、例えば評価・制御ユニット７において実施されていてもよい。この評価・制御ユニット７は、角度信号をブラシレス直流モータ１のステータコイルの整流および／またはブラシレス直流モータ１の出力調整のために使用することができ、かつ／または別の車両システムおよび／または車両機能に出力することができる。

Claims (6)

1. 評価・制御ユニット（７）と、
   ステータと、
   ロータと、
   同時回転するベル形アーマチュア巻線（５）と、
   前記ロータの角度位置を特定するセンサ（１０）と、
   を備えるアウタロータ型のブラシレス直流モータ（１）であって、
   前記同時回転するベル形アーマチュア巻線（５）に、第１の導電性のトラック（２２．１，２２．１Ａ，２２．１Ｂ，２２．１Ｃ）と第２の導電性のトラック（２２．２，２２．２Ａ，２２．２Ｂ，２２．２Ｃ）とを備えるターゲット（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）が被着されており、
   前記センサ（１０）は、第１のコイル（１２）と第２のコイル（１４）とを備える渦電流センサとして形成されており、
   前記センサ（１０）は、前記ターゲット（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）に対して半径方向に間隔を置いて、前記第１の導電性のトラック（２２．１，２２．１Ａ，２２．１Ｂ，２２．１Ｃ）が前記第１のコイル（１２）に少なくとも部分的に重なるように配置されており、前記第２の導電性のトラック（２２．２，２２．２Ａ，２２．２Ｂ，２２．２Ｃ）が前記第２のコイル（１４）に少なくとも部分的に重なるように配置されており、
   前記センサ（１０）は、前記第１の導電性のトラック（２２．１，２２．１Ａ，２２．１Ｂ，２２．１Ｃ）による前記第１のコイル（１２）との重なり量の関数、および、前記第２の導電性のトラック（２２．２，２２．２Ａ，２２．２Ｂ，２２．２Ｃ）による前記第２のコイル（１４）との重なり量の関数として、最大３６０°までの前記ロータの絶対的な角度位置を一意に表す角度信号を提供し、
   前記第１の導電性のトラック（２２．１，２２．１Ａ，２２．１Ｂ，２２．１Ｃ）および前記第２の導電性のトラック（２２．２，２２．２Ａ，２２．２Ｂ，２２．２Ｃ）の厚さおよび／または幅は、一方は回転方向に向かって減少しており、他方は回転方向に向かって増加していることを特徴とする、ブラシレス直流モータ（１）。
2. 前記第１の導電性のトラック（２２．１，２２．１Ａ，２２．１Ｂ，２２．１Ｃ）および前記第２の導電性のトラック（２２．２，２２．２Ａ，２２．２Ｂ，２２．２Ｃ）の一方は回転方向に向かって幅が減少する三角形に形成されており、他方は回転方向に向かって幅が増加する三角形に形成されている、請求項１記載のブラシレス直流モータ（１）。
3. 前記評価・制御ユニット（７）は、前記角度信号をステータコイルの整流および／または出力調整のために使用することを特徴とする、請求項１または２記載のブラシレス直流モータ（１）。
4. 前記評価・制御ユニット（７）は、前記角度信号を別の車両システムおよび／または車両機能に出力することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のブラシレス直流モータ（１）。
5. 同時回転するベル形アーマチュア巻線（５）を備えて形成されたアウタロータ型のブラシレス直流モータ（１）のロータの角度位置を表す角度信号を提供する方法であって、
   前記同時回転するベル形アーマチュア巻線（５）に被着されたターゲット（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）の第１の導電性のトラック（２２．１，２２．１Ａ，２２．１Ｂ，２２．１Ｃ）による、渦電流センサとして形成されたセンサ（１０）の第１のコイル（１２）との重なり量の関数、および、前記ターゲット（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）の第２の導電性のトラック（２２．２，２２．２Ａ，２２．２Ｂ，２２．２Ｃ）による、前記センサ（１０）の第２のコイル（１４）との重なり量の関数として、最大３６０°までの前記ロータの絶対的な角度位置を一意に表す前記角度信号を形成し、
   前記第１の導電性のトラック（２２．１，２２．１Ａ，２２．１Ｂ，２２．１Ｃ）および前記第２の導電性のトラック（２２．２，２２．２Ａ，２２．２Ｂ，２２．２Ｃ）の厚さおよび／または幅は、一方は回転方向に向かって減少しており、他方は回転方向に向かって増加していることを特徴とする、
   角度信号を提供する方法。
6. 前記角度信号を前記ブラシレス直流モータ（１）のステータコイルの整流および／または前記ブラシレス直流モータ（１）の出力調整のために使用し、かつ／または別の車両システムおよび／または車両機能に出力することを特徴とする、請求項５記載の方法。

Images