KR20160146758A - 전동기 회전자의 위치 인식 방법, 전동기 회전자의 위치 결정을 위한 타깃, 및 전동기 - Google Patents

전동기 회전자의 위치 인식 방법, 전동기 회전자의 위치 결정을 위한 타깃, 및 전동기 Download PDF

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마쿠스 디트리히
위르겐 게르하르트
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은, 전동기 회전자의 위치 인식 방법에 관한 것으로서, 이 방법에서는 회전자 상에 배치된 타깃(target)이 센서에 의해서 스캐닝(scanning) 된다. 비용 효율적으로 실시될 수 있음에도 고도로 정확한 센서 신호를 전송하는 본 방법에서, 회전자의 회전 운동은 유도성 센서 또는 용량성 센서에 의해서 검출된다.

Description

전동기 회전자의 위치 인식 방법, 전동기 회전자의 위치 결정을 위한 타깃, 및 전동기{METHOD FOR IDENTIFYING THE POSITION OF A ROTOR OF AN ELECTRIC MOTOR, TARGET FOR DETERMINING THE POSITION OF A ROTOR OF THE ELECTRIC MOTOR AND ELECTRIC MOTOR}
본 발명은, 회전자 상에 배치된 타깃(target)이 센서에 의해서 스캐닝(scanning) 되는, 전동기 회전자의 위치를 인식하기 위한 방법, 그리고 전동기 회전자의 위치를 결정하기 위한 타깃, 및 전동기에 관한 것이다.
현대의 자동차, 특히 승용차에서는, DE 10 2011 014 936 A1호에 기술된 바와 같은 자동화된 클러치의 사용이 증가하고 있다. 상기 문헌에서 클러치는 전기식으로 정류된 모터에 의해서 가동된다. 클러치의 정확한 위치를 검출하기 위해서는, 회전자 위치 센서를 이용해서 모터 회전부 내부에서의 전동기의 위치를 정확하게 결정하는 것이 필수적이다.
DE 10 2013 208 986 A1호에는, 자화 방향이 교대되는 사전에 결정된 개수의 자극(magnetic pole)을 구비하는, 전기식으로 정류된 전동기의 회전자 위치 센서 메커니즘의 자기 발생기 링이 공지되어 있다. 이와 같은 자기 발생기 링은, 홀 효과(hall effect), AMR-측정 또는 GMR-측정의 물리적인 원리를 토대로 하는 센서 시스템에 의해서 스캐닝 된다. 그러나 영구 자석으로서 형성된 타깃은 자석 원료를 위한 고비용을 야기하고, 회전자 시스템 내에 통합되기가 어려운데, 그 이유는 자석 재료가 매우 쉽게 깨지고, 플라스틱 및 금속에 대해서 매우 상이한 방향 의존적인 팽창 계수가 존재하기 때문이다.
상기와 같은 회전자 위치 센서 메커니즘의 경우, 예를 들어 회전자 샤프트의 흔들림(wobbling)에 의해서 야기되는 타깃과 센서 사이의 간격 변동 또는 자화 오류가 측정 신호에 심각한 영향을 미친다.
WO 2010/084000 A1호에는, 예컨대 검출할 시험편(test piece)의 거리 및/또는 공간 내에서의 위치 및/또는 재료 특성을 결정하기 위한 것과 같은, 측정할 변수에 따라 전기 측정 신호를 유도 방식으로 발생하기 위한 방법이 공지되어 있다.
본 발명의 과제는, 회전자 위치의 결정이 비용 효율적으로 그리고 그럼에도 센서의 신뢰할만한 측정 신호로써 보증될 수 있는, 전동기 회전자의 위치를 결정하기 위한 방법 및 전동기를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 회전자의 회전 운동 동안의 회전자 위치가 유도성 또는 용량성 센서에 의해서 검출됨으로써 해결된다. 이와 같은 방식이 갖는 장점은, 값비싼 자성 재료로부터 제조된 타깃이 생략될 수 있다는 것이다. 이와 같은 비용 효율적인 변형예에도 불구하고, 유도성 및 용량성 센서에 의해, 전동기의 회전 동안 전동기 회전자의 위치의 정확한 검출이 이루어질 수 있다.
바람직하게, 회전자의 위치는, 회전자의 회전 운동의 측정에 따라 변경되는 타깃과 센서 사이의 간격 측정을 통해서 검출된다. 이와 같은 검출 방식은, 특히 견고한 구조에서, 고도로 정확한 센서 신호의 신뢰할만한 측정을 가능하게 한다.
대안적으로, 회전자의 위치는, 명확한 기하학적 형태부에 의해서 형성된 투영 면의 스캐닝을 통해서 결정될 수 있다. 이 경우에도 자성이 없는 저렴한 재료들이 사용되며, 이는 측정 방법에서 소요되는 비용을 현저히 감소시킨다.
본 발명의 한 개선예는, 센서에 의해서 스캐닝 될 수 있는, 회전자의 위치를 결정하기 위한 타깃, 바람직하게는 전동기의 위치를 결정하기 위한 타깃과 관련이 있다. 신뢰할만한 측정 신호가 간단히 스캐닝될 수 있는 타깃은 회전자의 회전을 통해서 명확하게 드러나는 기하학적 형태부를 특징으로 한다. 본 실시예에 의해, 360°의 회전자 샤프트의 각도 변경에 기계적으로 상응하는 전동기의 회전이, 자체적으로 변하는 형태부에서 명확하게 분해(resolution)됨으로써, 결과적으로 회전자 샤프트의 회전 동안에는 회전자 샤프트의 위치와의 명확한 관계가 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 타깃의 명확한 기하학적 형태부는 3차원적으로 형성되고, 회전자의 회전 축을 따라 연장되며, 이 경우 센서는 회전자의 회전 운동으로 인해 변동되는 타깃과 센서 사이의 간격을 검출한다. 타깃의 3차원적인 기하학적 형태부에서는, 타깃과 센서 신호 간에 명확한 관계를 설정할 수 있기 위하여, 회전자 샤프트의 각각의 회전 각에서 간격이 변동된다는 사실에 유의해야만 한다.
바람직하게, 타깃의 3차원적인 형태부는 웜 기어와 유사하게 형성되어 있으며, 이 웜 기어의 경사부는 360°의 회전 각 내에서 연속으로 또는 단계적으로 증가하거나 감소한다. 이와 같은 선형화에 의해, 회전자 샤프트의 위치가 센서 신호에 명백하게 할당되어야 하는 요건이 보장된다. 그와 동시에, 아날로그 형태로 또는 디지털 형태로 추가 가공될 수 있는 센서의 출력 신호가 고려될 수 있다.
또 다른 일 실시예에서는, 전기 전도성 재료로 이루어진 캐리어 층 상에 명확한 기하학적 형태부가 배치되어 있으며, 이 경우 전기 비-전도성의 기하학적 형태부가 캐리어 층을 부분적으로 덮는다. 이와 같이 전기 전도성 캐리어 층이 2차원적인 형태부에 의해서 다만 부분적으로만 덮임으로써, 이하에서 투영 면으로 지칭되는 유도성 시그너쳐(signature)가 발생하며, 그와 같은 유도성 시그너쳐를 이용해서 센서는 캐리어 층의 회전시에 회전자 위치를 명백하게 검출할 수 있다.
바람직하게, 타깃의 2차원적인 형태부는 아르키메데스 나선(Archimedean spiral)으로서 형성되어 있다. 이때, 센서는 다만 투영 면에서만 민감하며, 이는 회전자 위치의 신뢰할만한 검출을 유도한다.
본 발명의 또 다른 일 변형예는 전동기, 바람직하게는 회전자 샤프트와 함께 움직이는 회전자를 포함하는 전기식으로 정류된 모터와 관련이 있으며, 이때 상기 회전자에는 센서에 의해서 스캐닝될 수 있는 타깃이 함께 회전하도록 결합되어 배치된다. 저렴한 재료가 사용됨에도 신뢰할만한 센서 신호가 획득되는 전동기의 경우에는, 타깃이 회전자 샤프트의 전면에 배치되어 있고, 회전자 샤프트의 회전을 통해서 명확하게 변동되는 기하학적인 형태부를 구비하며, 이와 같은 형태부는 회전자 샤프트에 대해 축 방향으로 전면을 향해 정렬된 센서에 의해서 스캐닝될 수 있다.
바람직하게, 센서는 유도성 센서 또는 용량성 센서로서 형성되어 있다.
본 발명은 수많은 실시예들을 허용한다. 그 중에 두 가지 실시예가 도면에 도시된 도면을 참조해서 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 자동차 내에 있는 자동화된 클러치의 개략도를 도시하며,
도 2는 본 발명에 따른 타깃의 제1 실시예를 도시하고,
도 3은 유도성 센서의 출력 신호를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 타깃의 제2 실시예를 도시한다.
도 1에는, 자동차에 사용되는 것과 같은 자동화된 클러치 작동 시스템(1)의 개략도가 도시되어 있다. 이 경우, 클러치 작동 시스템(1)은 제어 장치(2)를 구비하고, 이 제어 장치는 전기식으로 정류될 수 있는 전동기(3)를 제어한다. 전동기(3)는, 재차 클러치 작동 장치(5) 상으로 안내하는 나사 스핀들 형상의 기어(4)와 연결되어 있다. 제어 장치(2)에 의해서 전동기(3)가 제어됨으로써, 전동기(3)의 회전자는, 기어(4)로 전달되는 회전 운동을 수행한다. 회전 운동은 기어(4)에 의해서 선형 운동으로 변환되고, 이와 같은 선형 운동에 의해서, 클러치 작동 장치(5) 내에 포함된 그리고 더 상세하게 도시되지 않은 클러치가 작동된다. 기어(4)로부터 멀리 배치된 회전자 샤프트(6)의 전면에는, 유도성 센서(7)가 회전자 샤프트(6)에 대해 축 방향으로 정렬된 상태로 배치되어 있다. 이때, 상기 센서(7)는, 타깃(8)이 배치되어 있는 회전자 샤프트(6)의 전면의 표면을 검출한다.
타깃(8)의 제1 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 회전자 샤프트(6)의 전면에 고정된 타깃(8)은 웜 기어와 유사하게 형성되어 있으며, 이 경우 회전자 샤프트(6)가 회전할 때 타깃(8)의 경사부(12)는 360°만큼 선형으로 강하한다. 유도성 센서(7)는, 360°의 회전을 통해서 회전자 샤프트(6)의 전면과 센서(7) 사이의 간격이 변동될 때 강하하는 상기와 같은 경사부 변동을 검출한다. 회전자 위치로부터의 공차를 제거하기 위하여, 유도성 센서(7)의 2개 센서 헤드(9, 10)의 편차 측정도 사용될 수 있다. 이와 같은 목적으로, 타깃(8)은 서로 반대 방향으로 향하는 2개의 경사부(11, 12)를 가지며, 이 경우 각각의 경사부(11, 12)는 다른 하나의 센서 헤드(9, 10)에 의해서 스캐닝 된다. 2개 센서 헤드(9, 10)의 감지 점들은 도 2에서 S1 및 S2로 표기되어 있다. 센서 헤드(9, 10)는, 도 3에 도시되어 있는 출력 신호를 출력한다. 회전을 통해서, 각각의 센서 헤드(9, 10)가 선형의 출력 신호를 송출한다. 이때, 타깃(8)의 경사부(11, 12)와 센서(7) 사이의 간격 값은 회전 각에 상응한다. 서로 반대 방향으로 향하는 2개 경사부(11, 12)로 구성된 2개의 개별 측정값은 2개의 센서 헤드(9, 10)의 간격의 총합으로 표준화된다.
도 4는, 본 발명에 따른 타깃(8)의 제2 실시예를 보여준다. 회전자 샤프트(6)의 전면은 전기 전도성 재료(13)로 부분적으로 코팅되어 있으며, 이 경우 회전자 샤프트(6) 자체는 예를 들어 플라스틱과 같은 절연성 기본 재료로 이루어진다. 전기 전도성 재료(13)로 코팅하는 이외에, 회전자 샤프트(6)의 전면을 증착시키는 것도 생각할 수 있다. 전기 전도성 재료(13) 내부에는 2차원적인 기하학적 형태부(14), 예를 들어 아르키메데스 나선이 형성되어 있다. 이와 같은 2차원적인 형태부(14)는 전기 비-전도성 재료로 구성된다. 상기 아르키메데스 나선은, 전면을 스캐닝하는 센서(15)가 0°에서는 다만 전기 전도성이 낮은 재료(13)만을 검출하고, 이로써 다만 작은 출력 신호만을 송출하는 한편, 회전자 샤프트(6)가 360°회전할 때에는 전기 전도성 재료(13)의 더 큰 면적을 스캐닝하고, 이로 인해 유도성 센서(15)가 큰 출력 신호를 출력하도록 전면에 배치된다. 유도성 센서(15)가 그 지점에서 전면을 스캐닝하게 되는 감지 점은 적용예에 따라 결정되지만, 회전자 샤프트(6)의 회전을 통해서 전면의 명백한 할당이 검출되도록 보장되어야만 한다. 이때, 유도성 센서(15)는 다만 전기 전도성 재료의 투영 면에서만 민감하다.
전술된 두 가지 실시예에 대해서는, 회전자 샤프트 회전의 360° 기계적인 회전이 자체적으로 변하는 형태부 내에서 분해된다는 사실이 적용된다. 그러나, 360° 기계적인 회전은 극 쌍(pole pair)에 의해서도 분할될 수 있고, 그에 상응하게 감지 면의 개수는 360°에 대해 기계적으로 모사될 수 있다. 이와 같은 전동기(3)의 바람직한 위치 결정으로 인해, 정류가 명백하게 개선될 수 있다. 이로써, 전기식으로 정류된 전동기를 정류하기 위한 그리고 이와 같은 전동기의 위치를 결정하기 위한 회전자 위치 센서 메커니즘은, 액추에이터 내에서 이루어지는 유도성 측정 및 용량성 측정에 의해서 간단히 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 방법은, 영구 자석 없이도 충분하다는 장점 그리고, 위치 변경과 같은 장애 영향들을 회전자 위치 센서 메커니즘에서 수직으로 그리고 접선 방향으로 제거할 수 있다는 장점을 제공해준다. 이와 같은 방법은, 각도 인식을 위한 특수한 타깃과 함께 사용될 수 있다.
1: 클러치 작동 시스템
2: 제어 장치
3: 전동기
4: 기어
5: 클러치 작동 장치
6: 회전자 샤프트
7: 유도성 센서
8: 타깃
9: 센서 헤드
10: 센서 헤드
11: 3차원 형태부의 경사부
12: 3차원 형태부의 경사부
13: 전기 전도성 재료
14: 2차원 형태부
15: 유도성 센서

Claims (10)

  1. 회전자 상에 배치된 타깃(8)이 센서(7, 15)에 의해서 스캐닝 되는, 전동기 회전자의 위치 인식 방법에 있어서,
    회전자의 회전 운동이 유도성 센서 또는 용량성 센서(7, 15)에 의해서 검출되는 것을 특징으로 하는, 전동기 회전자의 위치 인식 방법.
  2. 제1항에 있어서, 회전자의 위치는, 회전자의 회전 운동의 측정에 따라 변경되는 타깃(8)과 센서(7) 사이의 간격 측정을 통해서 검출되는 것을 특징으로 하는, 전동기 회전자의 위치 인식 방법.
  3. 제1항에 있어서, 회전자의 위치는, 명확한 기하학적 형태부에 의해서 형성된 투영 면을 센서(15)에 의해 스캐닝 함으로써 검출되는 것을 특징으로 하는, 전동기 회전자의 위치 인식 방법.
  4. 센서(7, 15)에 의해서 스캐닝될 수 있는 회전자의, 바람직하게는 전동기의 위치 결정을 위한 타깃에 있어서,
    회전자의 회전을 통한 명백한 기하학적 형태부(11, 12, 14)를 특징으로 하는, 전동기의 위치 결정을 위한 타깃.
  5. 제4항에 있어서, 타깃(8)의 기하학적 형태부(11, 12)는 3차원적으로 형성되어 있고, 명확한 기하학적 형태부(11, 12)는 회전자의 회전축을 따라 연장되며, 센서는(7)는, 회전자의 회전 운동으로 인해 변동되는 타깃(8)과 센서(7) 사이의 간격을 검출하는 것을 특징으로 하는, 전동기의 위치 결정을 위한 타깃.
  6. 제5항에 있어서, 타깃(8)의 3차원적인 형태부(11, 12)는 웜 기어와 유사하게 형성되어 있으며, 상기 형태부의 경사부(11, 12)는 360°의 각도에서 연속으로 또는 단계적으로 증가하거나 감소하는 것을 특징으로 하는, 전동기의 위치 결정을 위한 타깃.
  7. 제4항에 있어서, 명확한 기하학적 형태부(14)는 전기 전도성 재료(13)로 이루어진 캐리어 층 상에 배치되어 있으며, 전기 비-전도성의 기하학적 형태부(14)는 상기 캐리어 층을 부분적으로 덮는 것을 특징으로 하는, 전동기의 위치 결정을 위한 타깃.
  8. 제7항에 있어서, 기하학적 형태부(14)는 아르키메데스 나선으로서 형성된 것을 특징으로 하는, 전동기의 위치 결정을 위한 타깃.
  9. 회전자 샤프트(6) 상에서 움직이는 회전자를 포함하며, 센서(7, 15)에 의해서 스캐닝될 수 있는 타깃(8)이 상기 회전자에 함께 회전하도록 결합되어 배치된, 전동기, 바람직하게는 전기식으로 정류된 모터에 있어서,
    타깃(8)은 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따라 형성되어 회전자 샤프트(6)의 전면에 배치되어 있으며, 회전자 샤프트(6)에 대해 축 방향으로 전면을 향해 정렬된 센서(7, 15)에 의해서 스캐닝될 수 있는 것을 특징으로 하는, 전동기, 바람직하게는 전기식으로 정류된 모터.
  10. 제9항에 있어서, 센서(7, 15)는 유도성 센서 또는 용량성 센서로서 형성된 것을 특징으로 하는, 모터.
KR1020167030092A 2014-04-30 2015-04-20 전동기 회전자의 위치 인식 방법, 전동기 회전자의 위치 결정을 위한 타깃, 및 전동기 KR20160146758A (ko)

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