JPH0579340A - 回転電機付きタ−ボチヤ−ジヤのポジシヨンセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】回転電機付きタ−ボチャ−ジャにおいて、簡単
な構造で前記回転電機の回転数や回転位置を確実に検知
できるような回転電機付きタ−ボチャ−ジャのポジショ
ンセンサを得ること。 【構成と効果】コンプレッサブレードの裏面には、該ブ
レードの回転方向に沿って磁性体片を設け、回転する磁
性体片と対向するハウジング部分には、２つの磁極を前
記磁性体片に対向させ、かつ少なくとも前記磁性体片の
回転方向の長さと等しい磁極間隔を持つ鉄芯にコイルを
巻回した検出用のコイルを配置し、鉄芯と前記磁性体片
が形成する閉磁路中に磁束発生源を配置している。コン
プレッサブレードが回転した時極めて短時間の内に、検
出用のコイル中を流れる磁束が大きく変化する。従って
検出用のコイルからは、磁束の大きな変化に伴う大きな
ポジション信号を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転電機付きタ−ボチ
ャ−ジャのポジションセンサに関し、特に検出する位置
信号の感度を向上せしめた回転電機付きタ−ボチャ−ジ
ャのポジションセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関の排気ガスエネルギによ
って駆動される排気ガスタ−ビンと、該タ−ビンの駆動
によってシリンダ内に給気過給するコンプレッサとを備
えたタ−ボチャ−ジャが使用されている。また、タ−ビ
ンとコンプレッサとを連結する回転軸上に回転電機を設
け、該回転電機を電動機運転させることによってタ−ビ
ンの回転力を助成し、内燃機関の低速回転重負荷時にお
ける内燃機関の給気を過給し、また高速回転中負荷時に
は回転電機を発電機運転して、これによって得られた電
力をバッテリなどの充電器に充電しておき、クランクシ
ャフトに直結された電動機を該充電器に蓄電しておいた
電力を使用して力行運転してクランクシャフトの回転を
助成して内燃機関の運転効率の向上を図ったタ−ボチャ
−ジャが開発されている。

【０００３】この種のものは、回転電機を発電機運転制
御し、あるいは電動機運転制御する際、回転電機の回転
数や回転子の回転位置を検知しなければならないため、
図１４に示すように、通常コンプレッサブレ−ド７１の
裏側に位置検知用の永久磁石７２を埋め込んでおき、固
定側７３に該永久磁石７２の通過を検知するコイルを有
する位置検出器７３を配置し、永久磁石７２が位置検出
器７３の前面を通過するたびに発生する図１５に示すよ
うな検出信号を得て、回転電機の回転数や回転子の位置
を検出していた。

【０００４】しかしながら上記に示す従来例では、永久
磁石７２の磁束が弱い、位置検出器７３には長い空隙が
ある、回転電機の回転数が極めて早い、などの理由で、
位置検出器７３から出力される検出信号は微弱なものと
なり、正確な検出がかなり難しいという欠点がある。

【０００５】このような欠点を改善するため、上記のよ
うな位置検出器の外に、コンプレッサブレ−ド裏側の所
定位置に光を良く反射するマ−クを施し、該コンプレッ
サブレ−ドに照射した光の反射信号をも取り入れて、い
ずれか一方の信号から回転電機の回転数や回転子の位置
を検出する発明が特開平１−９２５３０号公報に記載さ
れている。しかしながら、この装置は種類の異なる２つ
の回転位置検出器を備えなければならず、構成や信号の
処理が複雑となり、また高価なものとなるなどの欠点が
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な種々の従来欠点を改善しようとするものであり、その
目的は、回転電機付きタ−ボチャ−ジャにおいて、簡単
な構造で前記回転電機の回転数や回転位置を確実に検知
できるような回転電機付きタ−ボチャ−ジャのポジショ
ンセンサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の如き本発明の目的
を達成するために、本発明は、エンジンの排気により回
転されるタービンと該タービンにより回転されるコンプ
レッサと該タービンとコンプレッサとを連結する回転軸
上に交流電動発電機を設けた回転電機付ターボチャージ
ャのポジションセンサにおいて、前記回転軸と共に回転
する部分には、該回転軸の回転方向に沿って、磁路を形
成した磁性体片を設け、該回転する部分と対向する固定
部分には、２つの磁極を前記磁性体片に対向させ、かつ
少なくとも前記磁性体片の回転方向の長さと等しい磁極
間隔を持つ鉄芯にコイルを巻回した検出用のコイルを配
置し、鉄芯と前記磁性体片が形成する閉磁路中に磁束発
生源を配置したことを特徴とする回転電機付ターボチャ
ージャのポジションセンサを提供する。

【０００８】

【作用】磁性体片が検出用のコイルの前面を通過する
時、磁性体片が検出用のコイルを構成する鉄芯の両磁極
に跨がる。この時鉄芯と磁性体片が形成する閉磁路は、
磁性体からなる磁路と小さな２つのギャップを持つだけ
となって磁気抵抗が小さくなり、極めて短時間の内に、
検出用のコイル中を流れる磁束が大きく変化する。従っ
て検出用のコイルからは、磁束の大きな変化に見合った
大きなポジション信号を得ることができる。

【０００９】

【実施例】つぎに本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の構成を示す
構成ブロック図、図２は本実施例に用いるターボチャー
ジャの構成を示す断面図である。

【００１０】これらの図面において、１はエンジンで、
吸気管１１を通じて吸入する空気と供給される燃料との
燃焼エネルギーによって図示していない車両を駆動する
ものである。燃焼後の排気ガスは排気管１２を介してタ
ーボチャージャ２に供給されてタービン２１を回転駆動
する。２２はコンプレッサで、タービン２１の回転軸２
３に直結され、排気エネルギーにより回転駆動されるタ
ービン２１のトルクにより空気を圧縮するものであり、
スクロール２４を介して吸気管１１よりエンジンへの空
気を過給するもので、コンプレッサ２２の作動によりエ
ンジン出力を増大するよう構成されている。なお、１３
は過給気圧を検出するブースト圧センサで、吸気管１１
の内面に取付けられており、１４はエンジンの回転数を
検出するエンジン回転センサであり、これらのセンサか
らの信号は後述するコントローラに送信される。

【００１１】３は交流電動発電機からなる回転電機であ
り、回転軸２３にねじ３４により固定された回転子３１
と、ターボチャージャ２のハウジング２５の内壁に取付
けられた固定子３２とを有し、回転子３１は例えば永久
磁石の界磁磁石からなる回転子であり、固定子３２と共
に３相の同期回転電機を構成している。そして、排気エ
ネルギーによるタービン２１の駆動力にて十分なコンプ
レッサ２２の過給作動が得られないときは、回転電機３
に電力を供給して力行させることにより、コンプレッサ
２２の過給作動を助勢させるものである。なお、３３は
ポジションセンサで、図２から明らかなように、永久磁
石片３５と検出用のコイル３６からなり、コンプレッサ
２２のブレードの回転数を検出して回転電機３の回転数
と基準位置を検知するもので、検知したポジション信号
ＰＳをコントローラ６に送信する。なお、図１にはポジ
ションセンサ３３の詳細を示さず、ただ図式的にそのお
およその設置位置を示しており、図２においても詳細な
構造を示してはいないが、後に細部の構造を詳細に説明
する。なお、４は排出管で、排気タービン２から排出さ
れる排ガスを外部に放出するものである。

【００１２】電力変換器５はバッテリ７からの電力を入
力して、回転電機３を力行せしめる所定の交流電力に変
換すると共に、回転電機３が発電動作を行なっている時
にはこの発電電力を整流してバッテリ７に蓄電するもの
である。そして、回転電機３から出力される交流を整流
する整流器、バッテリ７の直流電力を所要周波数の交流
電力に変換するインバータなどの強電用機器を備えてい
る。上記交流周波数の制御指令はコントローラ６から行
なう。

【００１３】８はアクセルペダルで運転者の操作によ
り、エンジン１への燃料供給量を制御するものであり、
アクセルペダル８の踏込量を検出するアクセルセンサ８
１が取付けられ、コントローラ６に検出信号を送出す
る。

【００１４】コントローラ６はマイクロコンピュータか
らなり、演算処理を行う中央制御装置、演算結果や制御
プログラムなどを格納する各種メモリ、入／出力ポート
などを備えており、前記のブースト圧センサ１３、エン
ジン回転センサ１４、ポジションセンサ３３、アクセル
センサ８１などからの検出信号が入力されると演算処理
が行われ、制御プログラムにしたがって、インバータ５
に対して交流電力の周波数を変換する制御指令を発する
よう構成されている。

【００１５】図３は回転電機付ターボチャージャの駆動
装置のうち、ポジションセンサ３３を含む回転電機３と
電力変換器５とコントローラ６のみを抜粋して示したブ
ロック図であり、これまでに説明した部分についての詳
細な説明は省略する。図３に示すように、コントローラ
６は、Ｗ相に対するＵ相電圧を増幅する絶縁アンプ６
１、Ｗ相に対するＵ相の電圧を増幅する絶縁アンプ６２
を有し、従ってこれらの入力端は回転電機３の３相の電
源端子に接続されている。該絶縁アンプ６１、６２の入
力側には発光素子と受光素子を対向して配置し、入力側
に印加される回転電機３からの信号を発光素子にて光信
号に変換し、これを受光素子にて受けた後ＯＰアンプに
信号を入力するようにして、絶縁アンプ６１、６２の入
力側と出力側とを電気的に絶縁している。６３はポジシ
ョンセンサ３３から出力されるポジション信号ＰＳを波
形成形するパルス信号波形成形回路、６４、６５は絶縁
アンプ６１、６２から出力される信号から高調波成分を
除去するローパスフィルタ、６６は回転電機３の回転周
期を規定するタイマ、６７は位相補正ＣＰＵ、６８は波
形解析ＣＰＵ、６９はメインコントロールＣＰＵであ
る。

【００１６】図４は、本発明に係るポジションセンサ３
３の検出用のコイル３６を分解して示した斜視図であ
る。同図において、３６１は薄い珪素鋼板を積層して断
面“コ”字状に形成された鉄芯である。該鉄芯３６１の
胴部には、コイル３６２が巻回されている。３６３はコ
イル３６２の引きだし端子線である。３６４は磁気シー
ルドケースであり、軟鉄のような軟磁性体の薄板により
箱形に形成されている。該磁気シールドケース３６４の
下端は開放されている。そして、コイル３６２が巻回さ
れた鉄芯３６１は該磁気シールドケース３６４の内部に
収容され、ピッチあるいは合成樹脂のような充填物が内
部に満たされて鉄芯３６１はコイル３６２とともに該磁
気シールドケース３６４の内部に固定される。図５はこ
のようにして組み立てられた検出用のコイル３６をコン
プレッサハウジング２５１に埋め込んだ様子を示す断面
図である。図４において、３６５は磁気シールドケース
３６４内に満たされている充填物である。２２１は、コ
ンプレッサのブレードであり、その背面２２２には永久
磁石片３５が埋め込まれている。該永久磁石片３５はコ
ンプレッサブレード２２１の走行方向（矢印にて示す）
に対して着磁され、且つその走行方向の長さＬ１は鉄芯
３６１の長手方向の長さＬ２と等しい。

【００１７】次に上記実施例の動作を詳細に説明する。
エンジン１が負荷運転時にはコントローラ６が該運転状
態を検知し、エンジン１より排出される排気ガスエネル
ギを利用してタービン２１を駆動し、このタービン２１
に直結したコンプレッサ２２により吸入空気を圧縮して
エンジン１に過給気を圧送すると共に、該タービン２１
の回転軸２３に直結された回転電機３を発電機として動
作させ、タービン２１から得られる排気エネルギを発電
電力として回収した後、これを電力変換器５にて直流電
力に変換し、バッテリ７に蓄電するように、コントロー
ラ６が制御する。またエンジン１の回転数が減少して排
気ガス圧力が低下し、コンプレッサ２２からの過給気の
圧力も低下するような時にはコントローラ６がこれを検
知し、蓄電しておいた直流電力を電力変換器５内に設け
たインバータにより交流電力に変換し回転電機３に印加
してこれを電動機として運転し、コンプレッサ２３の回
転を助成して必要な過給気圧を得るように、コントロー
ラ６は制御する。

【００１８】回転電機３がタービン２１により回転され
ている時、回転電機３の電源端子には回転電機３の回転
数に比例した３相の交流電圧が発生している。このアナ
ログの電圧は絶縁アンプ６１、６２で夫々増幅され、ロ
ーパスフィルタ６４、６５で高調波成分が除去された
後、波形解析ＣＰＵ６８内のＡ／Ｄコンバータ（未図
示）にてデジタル信号に変換され、波形解析ＣＰＵ６８
内のレジスタに一時保管され、このデータは刻々更新さ
れる。コンプレッサ２２が回転して永久磁石片３５の両
磁極が検出用のコイル３６の前を通過し図５に示す位置
すなわち鉄芯３６１の先端の固定磁極３６６及び３６７
の前面に到達すると、永久磁石片３５と鉄芯３６１が形
成する閉磁路は、磁気抵抗の小さい鉄芯と永久磁石片
と、小さな２つのギャップがあるだけなので、磁気抵抗
が急激に小さくなる。このため、該閉磁路を通過する磁
束は急激に増加する。永久磁石片３５の両磁極が鉄芯３
６１の固定磁極３６６及び３６７の前を通過して固定磁
極３６６、３６７と永久磁石片３５の両磁極との対峙が
解けると、前記閉磁路の磁気抵抗が急激に大きくなり、
鉄芯３６１の中を流れていた磁束が急激に消滅する。従
って、コイル３６２はこの急激な磁束の変化に見合った
図６に示すような電圧が発生し、この信号はポジション
信号ＰＳとして使用される。なお、図６のポジション信
号ＰＳの前後に出現しているマイナス方向の小さな信号
は、永久磁石片が検出用のコイル３５の前を通過する時
の漏洩磁束により発生するノイズである。また、検出用
のコイル３６には永久磁石片３５と対向する部分を除く
他の部分を磁気シールドケースにて囲繞せしめたので、
上記のノイズを除けば、例えば回転電機方向からのノイ
ズをこの磁気シールドケースによって防ぐことができ
る。

【００１９】ポジションセンサ３３からのポジション信
号ＰＳはパルス信号波形成形回路６３部分で波形成形さ
れた後、波形解析ＣＰＵ６８、メインコントロールＣＰ
Ｕ６９に入力される。波形解析ＣＰＵ６８では、常時ポ
ジション信号ＰＳと次のポジション信号ＰＳとの間のク
ロック数を計算し、次のポジション信号を受けた後、こ
の計数値をタイマ６６にＴ１としてセットする。

【００２０】ここで、ポジション信号ＳＰを使用した回
転電機３の動作について、簡単に説明する。

【００２１】回転電機３がインバータにより動作されて
いない状態、すなわち、発電機の状態あるいはタービン
２１によりから廻りさせられている状態をコントローラ
６のメインコントロールＣＰＵ６９が把握した時、メイ
ンコントロールＣＰＵ６９は図７に示すメインプログラ
ムの実行に移る。なお、このメインプログラムの実行
中、ポジションセンサ３３からのポジション信号ＰＳが
メインコントロールＣＰＵ６９に入力されると、図８に
示す割り込みプログラムが実行され、タイマ６６はリセ
ットされた後カウントを開始し、前記セットされたＴ１
に達した時クリア信号を発する。

【００２２】該メインプログラムのＳ１において、コン
トローラ６の各部分を初期設定した後、Ｓ２でＷ相に対
するＵ相の電圧波形の位相を測定する「ＣＨ１位相測定
プログラム」の実行に移る。このプログラムでは、図９
のＣＨ１に示すような電圧波形を読み取ると共に、ポジ
ション信号ＳＰから最高波高値までの位相Ｄ１を測定す
る。

【００２３】次にメインプログラムのＳ３でＷ相に対す
るＶ相の電圧波形の位相を測定する「ＣＨ２位相測定プ
ログラム」の実行に移る。このプログラムでは、図９の
ＣＨ２に示すような電圧波形を読み取ると共に、ポジシ
ョン信号ＳＰから最高波高値までの位相Ｄ２を測定す
る。

【００２４】次にメインプログラムのＳ４で相順判定プ
ログラムに移る。このプログラムでは、図１０のＰ１に
示すように、位相Ｄ１のデータが２４０度以内であるか
否かを判定する。この判定ステップでＮと判定された場
合は、ポジションセンサ３３と回転電機３の回転子の位
置が、初期設定の位置から大幅にずれていることを示し
ているので、Ｐ４でアラームを発する。同ステップでＹ
の判定であればＰ２に移り（Ｄ２−Ｄ１＝６０度）？の
判定動作を実行する。この判定ステップＰ２でＮと判定
された場合は、ポジションセンサ３３と回転電機３の回
転子の位置あるいは回転子か固定子に故障が発生したこ
とを意味するので、Ｐ４でアラームを発する。

【００２５】Ｐ２でＹの判定であれば、Ｐ３に示すよう
に、メインプログラムのＳ２で測定した位相Ｄ１をメイ
ンコントロールＣＰＵ６９のレジスタに格納してメイン
ルーチンに復帰する。

【００２６】この後、コントローラ６からの指令により
回転電機３が電動機運転を行なう時には、該位相Ｄ１を
基準にして、周知のように回転電機３を運転するための
３相交流電源を電力変換器５と共に作成し回転電機３に
印加する。

【００２７】図１１は本発明の他の実施例を示す断面図
である。同図において、検出用のコイル３６は、図４、
図５に示したものと同じ構造であるので詳細な構造の説
明は省略する。この実施例では、コンプレッサ２２のブ
レードの背面２２２には永久磁石片３５の代わりに軟磁
性体片３５２が埋め込まれている。該軟磁性体片３５２
は前記永久磁石片３５と同じようにコンプレッサブレー
ド２２１の走行方向の長さＬ１は鉄芯３６１の長手方向
の長さＬ２と等しい。

【００２８】図１２はこの実施例の回路図である。図１
２において、ＢＥはバイアス用のバッテリ、Ｔは出力ト
ランスである。該回路において、軟磁性体片３５２が鉄
芯３６１の前面を通過する時、図１３に示すように検出
用のコイル３６を構成する鉄芯３６１と軟磁性体片３５
２が形成する磁気閉路の磁気抵抗は変化する。この磁気
抵抗の変化に対応して出力トランスＴからは、図１３に
示すようなポジション信号ＳＰが出力され、前記実施例
同様、この信号ＰＳはパルス信号波形成形回路６３によ
り波形成形された後、波形解析ＣＰＵ６８、メインコン
トロールＣＰＵ６９に入力される。尚、この実施例にお
いて、鉄芯３６１を永久磁石により構成しても良い。

【００２９】なお、上記２つの実施例において、永久磁
石片３５及び軟磁性体片３５２の長さは鉄芯３６又は３
６１の長さより長くてもよい。以上、本発明を実施例を
あげて詳細に説明したが、さらに本発明の主旨の範囲内
で種々の変形や応用が可能であり、これらを本発明の範
囲から排除するものではない。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、回転電機付きタ−ボチャ−ジ
ャの回転軸と共に回転する部分には、該回転軸の回転方
向に沿って、磁路を形成した磁性体片を設け、該回転す
る部分と対向する固定部分には、２つの磁極を前記磁性
体片に対向させ、かつ少なくとも前記磁性体片の回転方
向の長さと等しい磁極間隔を持つ鉄芯にコイルを巻回し
た検出用のコイルを配置し、鉄芯と前記磁性体片が形成
する閉磁路中に磁束発生源を配置したので、磁性体片が
検出用のコイルの前面を通過する時、これらが形成する
閉磁路の磁気抵抗が急に小さくなり、短時間の内に磁気
抵抗は大きく変化するので、前記コイルからは磁束の変
化に見合った大きなポジション信号を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す構成ブロック図

【図２】本実施例に用いるターボチャージャの構成を示
す断面図

【図３】回転電機の駆動機構のブロック図

【図４】検出用のコイルの分解斜視図

【図５】検出用のコイルと磁性体片の相対的な位置関係
を示す断面図

【図６】ポジション信号の波形を示す図

【図７】メインプログラムのフローチャート

【図８】割り込みプログラムのフローチャート

【図９】動作特性図

【図１０】相順判定プログラムのフローチャート

【図１１】別の実施例の検出用のコイルと磁性体片の相
対的な位置関係を示す断面図

【図１２】別の実施例の回路図

【図１３】別の実施例のポジション信号の波形を示す図

【図１４】従来装置の部分断面図

【図１５】従来装置のポジション信号の波形を示す図

【符号の説明】

１……エンジン ２……ターボチャージャ ３……回転電機 ４……排気管 ５……電力変換器 ６……コントローラ ７……バッテリ ８……アクセルペダル ２１…タービン ２２…コンプレッサ ２３…回転軸 ３３…ポジションセンサ ３５…永久磁石片 ３６…検出用のコイル ４２…交流発電機 ３６１…鉄芯 ３６２…コイル ３６４…磁気シールドケース ３６６，３６７…磁極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの排気により回転されるタービン
   と該タービンにより回転されるコンプレッサと該タービ
   ンとコンプレッサとを連結する回転軸上に交流電動発電
   機を設けた回転電機付ターボチャージャのポジションセ
   ンサにおいて、前記回転軸と共に回転する部分には、該
   回転軸の回転方向に沿って、磁路を形成した磁性体片を
   設け、該回転する部分と対向する固定部分には、２つの
   磁極を前記磁性体片に対向させ、かつ少なくとも前記磁
   性体片の回転方向の長さと等しい磁極間隔を持つ鉄芯に
   コイルを巻回した検出用のコイルを配置し、鉄芯と前記
   磁性体片が形成する閉磁路中に磁束発生源を配置したこ
   とを特徴とする回転電機付ターボチャージャのポジショ
   ンセンサ。
2. 【請求項２】前記磁性体片自身が永久磁石により構成さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の回転電機付タ
   ーボチャージャのポジションセンサ。
3. 【請求項３】前記磁束発生源は、コイルに直流電流を供
   給した磁束発生源であることを特徴とする請求項１記載
   の回転電機付ターボチャージャのポジションセンサ。
4. 【請求項４】検出用のコイルの鉄芯自身を永久磁石にて
   形成したことを特徴とする請求項１記載の回転電機付タ
   ーボチャージャのポジションセンサ。
5. 【請求項５】前記検出用のコイルの、磁性体片と対向す
   る部分を除く他の部分を磁気シールドケースにて囲繞せ
   しめたことを特徴とする請求項１記載の回転電機付ター
   ボチャージャのポジションセンサ。