WO1982001074A1 - D.c.generator type non-contact speed sensing device - Google Patents

D.c.generator type non-contact speed sensing device Download PDF

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WO1982001074A1
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Fanuc Ltd Fujitsu
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Amemiya Y
Kozai Y
Iwamatsu N
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Definitions

  • the present invention relates to a DC generator type non-contact type speed detector, and more specifically, a cylindrical permanent magnet rotor having an alternating distribution of, and S poles along a circumferential direction, A stator facing the permanent magnet rotor, a position detecting permanent magnet coaxially rotating with the permanent magnet rotor, and a magnetically responsive switch disposed at a position close to the circumference of the position detecting permanent magnet
  • the present invention relates to a DC generator type non-contact type speed detecting device comprising:
  • FIG. 1 A conventional DC generator type speed detector for detecting the rotational speed of a rotating machine is shown in Fig. 1 (CA), ( ⁇ ) and (C).
  • the apparatus shown in FIG. 1 is arranged along the circumferential direction.
  • the cylindrical permanent magnet rotor 1 having an alternating distribution of ⁇ and S poles, the stator 2 facing the permanent magnet rotor 1, and the stator 2
  • a stator winding 4 to be wound a position detecting permanent magnet 3 coaxially rotating with the permanent magnet rotor 1, and a magnetically responsive switch disposed at a position close to the circumference of the position detecting permanent magnet.
  • a switch 5 is provided, and the magnetically responsive switch 5 is operated in accordance with the rotational position of the position detecting permanent magnet 3 'to obtain a desired output signal.
  • the permanent magnet rotor 1 has two S pole regions on its side circumferential surface, which are separated by 90 ° along the circumferential direction and exist alternately. It has two N lever areas.
  • the stator 2 is arranged concentrically around the rotor 1 so as to be close to its side circumferential surface.
  • a four-phase (Wi, W 2 , Wa, W 4) stator winding 4 at a position displaced by an electrical angle of 90 ° is wound.
  • the position detecting permanent magnet is mounted on the rotating shaft at a position axially displaced from the rotor 1.
  • the permanent magnet for position detection has an S pole region 0: on its side circumferential surface.
  • Each of the magnetically responsive switches 5 is arranged so as to correspond to each of the phases of the stator winding 4, and detects that the s area ⁇ of the position detecting permanent magnet 3 'has approached.
  • Fig. 1 (0 shows the structure of the position detecting permanent magnet 3 'in more detail.
  • Fig. 2 shows a circuit for obtaining a DC voltage output proportional to the rotation speed in the DC generator type non-contact type speed detector shown in Fig. 1.
  • the alternating voltage generated in each phase of the stator winding 4 depends on the position detection signal from the magnetically responsive switch 5].
  • the resistors R i, R 2 are the resistors R i, R 2,
  • R 5 »R 6, R 7, R 8 are pull-up resistors, resistor R 9 is a feedback resistor, and R io is a reference input resistor.
  • the change over time of the magnetic flux density at the position where the magnetically sensitive switch 5 is arranged when the magnet ⁇ is rotating at a constant speed is shown as ⁇ in FIG.
  • the above magnetic flux density has a maximum value when the S pole region 12 passes through the detection position! ), Takes the minimum value when the polar region 13 passes the detection position. In the transition region 14 between the south pole region 12 and the south pole region 13, the magnetic flux density is relatively slow, increasing from a maximum to a minimum.
  • the operating state of 5 is shown in FIG.
  • a Hall effect element or the like may be used as the magnetically responsive switch 5, but the operation level of such a magnetically responsive switch is limited by the parameter. There is a large and relatively large hysteresis, and the change due to external conditions is large. Therefore, the operating position of the magnetically responsive switch 5 changes with the change of the operating level as shown in FIG.
  • To the fourth Figure to size rather changes in earthenware pots by shown by a solid line and ⁇ , each phase of the stator ⁇ 4, W z, W a, the circuit of the alternating output of W 4 is a second view At this point, switching is performed according to the position detection signal. ??, which shows how a DC voltage output proportional to the rotation speed can be obtained.
  • the positive voltage portion P and the negative voltage portion Q each have a trapezoidal shape.
  • the peak value VQ corresponding to the upper side is proportional to the rotation speed.
  • the voltage of each phase is combined to obtain a DC voltage output E.
  • the switching of each phase voltage and the portions ai, a2, bi, b2> C1C2 tdo, di correspond to the upper side of the trapezoid. 3), and the regions to be switched of adjacent phases overlap each other.
  • the conventional DC generator type non-contact type speed detection shown in Fig. 1 has a large variation in the detection of the rotor's rotational position, and stabilizes in proportion to the rotational speed. There is a problem that a DC voltage output cannot be obtained and the rotation speed can be detected with high accuracy.
  • the main purpose of the present invention is to take into account the problems of the conventional type described above, and to be able to actually detect the rotational position of the rotor, thereby achieving a stable DC voltage proportional to the rotational speed.
  • An object of the present invention is to provide a DC power generation type non-contact speed detection device capable of obtaining an output and detecting a rotation speed with high accuracy.
  • a cylindrical permanent magnet rotor having an alternating distribution of N and S poles along a circumferential direction, a stator facing the permanent magnet rotor, and a stator wound around the stator.
  • the S pole region and the N pole region of the position detecting permanent magnet are formed in a continuous manner. And the magnetic field is sharply reversed from one polarity to the opposite polarity, and the ratio of the width of the S lever region to the width of the N pole region is selected to a predetermined value other than 1.
  • a DC generator type non-contact type speed detecting device is provided.
  • 1 (A), 1 (B) and 1 (Q) are diagrams showing a conventional DC generator type non-contact type speed detecting device
  • FIG. 2 is a circuit diagram of an output generation circuit of the apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing a change in magnetic flux density of the position detecting permanent magnet in the apparatus of FIG. 1 and the apparatus according to the present invention. And a characteristic diagram showing a switch signal of the magnetically responsive switch,
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing the output waveform of each of the stator windings and the speed detection output waveform in the apparatus of FIG.
  • FIG. 5 is a waveform diagram showing a change in the output waveform due to a change in the operating position of the magnetically responsive switch in the apparatus shown in FIG.
  • FIGS. 6 (A), (B) and (Q) are diagrams showing a direct-generator type non-contact speed detecting device as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a permanent magnet for position detection in a speed detection device as another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 6 ( ⁇ ), ( ⁇ ) and (C) show a DC generator type non-contact type speed detecting device as one embodiment of the present invention.
  • the device shown in FIGS. 6A and 6B has the same configuration as the conventional device shown in FIGS. 1A and 1B, except for the configuration of the position detecting permanent magnet 3. It has.
  • the circuit for obtaining a DC voltage output proportional to the rotational speed in the apparatus of FIG. 6 is the same as that of the apparatus of FIG. 1].
  • FIG. 1 shows a DC generator type non-contact type speed detecting device as one embodiment of the present invention.
  • the device shown in FIGS. 6A and 6B has the same configuration as the conventional device shown in FIGS. 1A and 1B, except for the configuration of the position detecting permanent magnet 3. It has.
  • the circuit for obtaining a DC voltage output proportional to the rotational speed in the apparatus of FIG. 6 is the same as that of the apparatus of FIG. 1].
  • FIG. 1 shows a DC generator type non-contact type speed
  • FIG. 6 (C) shows the configuration of the position detecting permanent magnet 3 of the speed detecting device according to the present invention in more detail.
  • the permanent magnet for position detection 3 in FIG. 6 (C) is provided on the outer periphery of a permanent magnet 71 having the same shape as the permanent magnet shown in FIG. This is the structure to which users 72 and 73 are attached.
  • the south pole ball shower 72 has a width of about 45 ° in rotation angle, and the north pole ball shower 73 has a width of about 135 °.
  • a gap 74 is provided between the S pole side and the adjacent ⁇ portions of the ⁇ ball showers 72 and 73.
  • the operating position of 5 is hardly affected by changes in the operating level. Therefore, in the device of FIG.
  • the voltage of each phase W i, W 2, W 3, and W i of the stator winding 4 is switched in the region included in the upper side of the trapezoid.
  • the magnetically responsive switch 5 can be reliably actuated such that the switched areas of the phases that are switched and the phases in close contact overlap one another. Therefore, the output voltage of the device shown in FIG. 6 becomes a stable DC wave proportional to the rotation speed, as indicated by E in FIG.
  • FIG. 7 shows a position detecting permanent magnet in a speed detecting device according to another embodiment of the present invention.
  • the pole poles 72 'and 73' on the S and N poles are
  • OMPI ⁇ which is almost the same as the polls 72 and 73 shown in (C) It has a shape, but is different from the case of Fig. 6 (C)]), the permanent magnet 7i is replaced by a ball show 7 2'- and 7 3 ' Shaped permanent magnet 75 is inserted. The polarities of the individual permanent magnets 75 are arranged in the direction shown in the figure.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION it is possible to surely switch the alternating pressure which oscillates to each phase of the stator winding at a desired angular position. DC voltage output is obtained, and that's it! A DC generator type pit-contact type speed detector that can detect the rotational speed with high accuracy can be obtained.

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Description

明 細 書
発明の名称
直流発電機形非接触式速度検出装置
技術分野
本発明は、 直流発電機形非接触式速度検出装置に 関 し、 よ ]? 特定的には、 円周方向に沿 っ て Ν , S 極 の交互分布を有する 円筒状永久磁石回転子、 該永久 磁石回転子に対向する固定子、 該永久磁石回転子と 同軸回転する位置検出用永久磁石、 および、 該位置 検出用永久磁石の円周に近接する位置に配置される 磁気感応ス ィ ツ チを具備する直流発電機形非接触式 速度検出装置に関する。
背景技術
従来形の、 回転機械等の回転速度を検出する ため の直流発電機形速度検出装置が第 1 図 CA) , (Β) , (C)に 示される 。 第 1 図の装置は、 円周方向に沿 っ て. Ν , S 極の交互分布を有する 円筒状永久磁石回転子 1 、 該永久磁石回転子 1 に対向する 固定子 2 、 該固定子 2 に卷回される固定子卷線 4 、 該永久磁石回転子 1 と同軸回転する位置検出用永久磁石 3 および、該位 置検出用永久磁石 の円周に近接する位置に配置さ れる磁気感応ス ィ ツ チ 5 を具備 し、 該位置検出用永 久磁石 3 'の回転位置に応じて該磁気感応ス ィ ッ チ 5 を作動させ所望の出力信号を得る形式の も のであ る。
ΟΜΡΙ 第 1 図の速度検出装置におい ては、 永久磁石回転 子 1 はその側部円周面において、 円周方向に沿っ て 9 0°ずつに区分され交互に存在する 2 つの S 極領域 およ び 2 つの N梃領域を有する 。 固定子 2 は、 回転 子 1 の周囲にその側部円周面に近接する形に同心円 状に配置される。 画定子 2 には、 電気角 9 0°ずつ変 位した位置にある 4 相 （ W i , W 2 , W a , W 4 ) の固定子卷線 4 が卷回されている 。 位置検出用永久 磁石 は、 回転軸 上において回転子 1 か ら軸方向 に変位した位置に取付け られている 。 位置検出用永 久磁石 は、 その側部円周面において S 極領域 0： を 有する。 位置検出用永久磁石 3 ,の側部円周面に近接 する位置にあ る同一円周上に、 4 個の磁気感応ス ィ ツ チ 5 が相互に変位して配置される 。 磁気感応ス ィ ツ チ 5 の各個は、 固定子卷線 4 の各相に対応する よ う に配置され、 位置検出用永久磁石 3 'の s 領域 αが 近接したこ と を検出する。 第 1 図（0には、 位置検出 用永久磁石 3'の構造がよ 詳細に示される 。
第 1 図の直流発電機形非接触式速度検出装置にお いて、 回転速度に比例する直流電圧出力を得るため の回路が第 2 図に示される。 固定子卷線 4 の各相に おいて発生する交番電圧は、 磁気感応ス ィ ッ チ 5 か らの位置検出信号に よ ]J作動される半導体ス ィ ツ チ 8 に よ ！） 選択的にス イ ッ チ ン グ さ れ抵抗 R i , R 2 ,
__O PI / 曹0 R 3 , R 4 を介 して演算増幅器 7 に入力される 。 演 算増幅器 7 の出力端子 9 には、 回転速度に比例する 直流電圧出力が得 られる 。 第 2 図において、 抵抗
R 5 » R 6 , R 7 , R 8 は、 プ ルア ッ プ抵抗であ 、 抵抗 R 9 は帰還抵抗であ 、 R i o は基準入力抵抗で 第 1 図の速度検出装置において、 位置検出用永久 磁石 ^が一定速度において回転している と き の、 磁 気感応ス ィ ツ チ 5 が配置された位置における磁束密 度の時間に対する変化が第 3 図の ^と して示される。 前記の磁束密度 は、 S 極領域 1 2 が検出位置を通 過する と き 最大値を と ！） 、 Ν極領域 1 3 が検出位置 を通過する と き最小値を と る 。 S 極領域 1 2 と Ν極 領域 1 3 の間の移行領域 1 4 においては、 磁束密度 は、 相対的に緩慢に、 最大値か ら最小値へと、 ま
<i、 7 .
たは、 最#値から最 値へと変化する 。 位置検出用 永久磁石 3 'の回転位置に対応する磁気感応ス ィ ツ チ
5 の動作状態が第 3 図に と して示される 。 磁気感 応 ス ィ ツ チ 5 と してはホ ー ル効果素子等が使用され ' 得るが、 ー設にこ の よ う な磁気感応ス ィ ッ チ の動作 レ ベ ルは、 パ ラ キが大 き く 、 比較的大 き な ヒ ス テ リ シ ス が存在し、 ま た外部条件の影響によ る変化 も 大き い。 それゆえ、 磁気感応ス ィ ッ チ 5 の動作位置 は、 動作レ ベ ルの変化に と も な って、 第 3 図の と して実線およ び披線で示される よ う に大き く 変化す 第 4 図には、 固定子卷線 4 の各相 , W z , W a , W 4 の交番出力が第 2 図の回路において位置 検出信号に よ ]? ス イ ッ チ ン グ され、 それに よ 回転 速度に比例した直流電圧出力が得られる様子が示さ れる。 各相の電圧波形 V l , V 2 , V 3 , V 4 にお いては、 正電圧の部分 P およ び負電圧の部分 Q がそ れぞれ台形状の形状を有してお 、 台形の上辺に相 当する部分の波高値 VQ は、 回転速度に比例している。 各相の電圧を合成して直流電圧出力 Eが得られる 。 第 4 図に示される よ う に各相電圧のス ィ ツ チン ク，さ れる部分 a i , a 2 , b i , b 2 > C 1 C 2 t d o , d i は、 前記の台形の上辺部分に相当する領 ¾に含まれてお ]3、 かつ、 隣接する相のス ィ ッ チ ン グされる領域は互いにオーバラ ッ ° している 。
と こ ろが、 第 4 図の波形において、 ス ィ ツ チ ン グ される領域が広すぎる と台形波形 P の傾斜部分の 1 部が出力波形にあ らわれるこ と になる 。 その よ う 状態が第 5 図に Vb ， Vc と して示される。 また逆に、 ス ィ ツ チン グされる領域が狭す ぎる といずれの相に おいて もス ィ ツ チ ン グされ い領域が生じ、 その よ う 領¾においては、 出力電圧に大き ¾変動が生じ る こ とにるる。 この状態が、 第 5 図に Vd ， Ve と し て示される。 従っ て、 前述の よ う に回転位置を検出 する磁気感応ス ィ ツ チ 5 の動作位置がパ ラ ッ ク こ と に よ 、 出力電圧に回転速度と無関係な変動が生 じ るこ と に る 。
前述のよ う に、 第 1 図の従来形の直流発電機形非 接触式速度検出においては、 回転子の回転位置の検 出に大き なパラ ツ キが生じ、 回転速度に比例 した安 定する直流電圧出力が得られず、 回転速度を高い精 度において検出する こ とができ るい と い う 問題点が 存在する 。
発明の開示
本癸明の主な 目的は、 前記の従来形の問題点にか んがみ、 回転子の回転位置を ^実に検出する こ と が でき、 それに よ 、 回転速度に比例する安定 した直 流電圧出力を得る こ と ができ、 回転速度を高い精度 で検出する こ と ができ る直流発電'檨形非接触式速度 検出装置を提供する こ とにあ る 。
本発明 おいては、 円周方向に沿 って N , S 極の 交互分布を有する 円筒状永久磁石回転子、 該永久磁 石回転子に対向する固定子、 該固定子に卷回される 固.定子卷線、 該永久磁石回転子 と同軸回転する位置 検出用永久磁石、 お よ び、 該位置検出用永久磁石の 円周に近接する位置に配置される磁気感応ス ィ ツ チ を具備 し、 該位置検出用永久磁石の回転位置に応 じ
Ο ΡΙ て該磁気感応ス ィ ツ チを作動させ所望の出力信号を 得る直流発電機形非接触式速度検出装置において、 該位置検出用永久磁石の S 極領域と N極領域とが連 铳状に形成されて磁場が 1 つの極性から反対の極性 へと急峻に反転する よ う に し、 かつ、 S 梃領域の幅 と N極領域の幅の比率が 1 以外の所定値に選ばれる こ と を特徵とする直流発電機形非接触式速度検出装 置が提供される。
図面の簡単な説明
第 1 図（A) , (B) , (Qは、 従来形の直流発電機形非接 戧式速度検出装置を示す図、
第 2 図は、 第 1 図の装置の出力発生回路の回路図. 第 3 図は、 第 1 図の装置およ び本発明に よ る装置 における、 位置検出用永久磁石についての磁束密度 の変化およ び磁気感応ス ィ ツ チのス ィ ツ チ信号を示 す特性図、
第 4 図は、 第 1 図の装置における、 固定子卷線の 各稆の出力波形およ び速度検出出力波形を示す波形 図、
第 5 図は、 第 1 図の装置における、 磁気感応ス ィ ツ チの動作位置の変化によ る出力波形の変動を示す 波形図、
第 6 図（A) , (B) , (Q)は、 本発明の一実施例と しての 直 ¾発電機形非接触式速度検出装置を示す図、
OMPI 第 7 図は、 本発明の他の 1 つの実施例と しての速 度検出装置における位置検出用永久磁石を示す図で
-£> 0 o
発明を実施するための最良の形態
本発明の一実施例と しての直流発電機形非接触式 速度検出装置が第 6 図（Α) , (Β) , (C)に示される 。 第 6 図（A) , (Β)に示される装置は、 位置検出用永久磁石 3 の構成を除いては、 第 1 図（A) , (Β)に示される 従来形 の装置 と 同様の構成を有す る。 第 6 図の装置におい て、 回転速度に比例する直流電圧出力を得るための 回路は、 第 1 図の装置の場合と 同様であ ]? 第 2 図に 示される。
第 6 図（C)には、 本発明に よ る速度検出装置の位置 検出用永久磁石 3 の構成がよ 詳細に示され る 。 第 6 図（C)の位置検出用永久磁石 3 は、 第 1 図（C)に示さ れる永久磁石 と同一形状の永久磁石 7 1 の外周部 に S 梃側およ び N極側ポー ル シ ユ ー 7 2 ， 7 3 が取 付けられた構造である 。 S 極側ボー ル シ ユ ー 7 2 は、 回転角に して約 4 5°の幅を有し、 N極側ボー ル シ ュ 一 7 3 は、 約 1 3 5°の幅を有する 。 S 極側およ び Ν ボー ル シ ユ ー 7 2 , 7 3 の隣接する ^部の間に は、 間隙 7 4 が設け られている 。
第 6 図の装置の位置検出用永久磁石 3 が、 一定速 度で回転する場合の磁束密度の変化が第 3 図に と して示される 。 S 極側ボール シ ユ ー 7 2 が測定点を 通過する と き 、 磁束密度の値は一定値 B s であ ！） 、 N 極側ボー ル シ ユ ー 7 3 が測定点を通過する と き、 磁 束密度の値は一定値 BN であ る。前記の B s と BN の比 は、 S 極側領域 と N極側領域の幅の比に核略的に反 比例する 。 間隙部分 7 4 が測定点を通過する と き、 磁束密度の値は、 急激に変化し、 B s から BN へと、 または BN か ら B s へと極性を反転させる 。 従っ て、 第 3 図に S と して示される よ う に磁気感 IBス ィ ツ チ
5 の動作位置は、 動作レ ベ ル の変化にほとんど影響 され い。 それゆえ、 第 6 図の装置においては、 第
4 図の電圧波形図に示される よ う に、 固定子卷線 4 の各相 W i , W 2 , W 3 , W i の電圧が、 台形の上 辺部分に含まれる領域においてス ィ ツ チ ン グされ、 かつ、 際接する相のス イ ッ チ ン グされる領垵が互い にオー バラ ッ プする よ う に、 磁気感応ス ィ ッ チ 5 を 確実に作動させる こ とができ る。 従って、 第 6 図の 装置の出力電圧は、 第 4 図に E と して示される よ う に、 回転速度に比例する安定した直流波钐と なる 。
第 7 図には、 本発明の他の 1 つの実施^と しての 速度検出装置における位置検出.用永久磁石が示され る 。 第 7 図の位置検出用永久磁石においては、 S 極 側および N極側ポー ル シ ユ ー 7 2 ' , 7 3'は、 第 6 図
(C)に示される ポー ル シ ユ ー 7 2 ， 7 3 と 略同一の OMPI ヽ 形状を有するが、 第 6 図（C)の場合と 異 ])、 永久磁 石 7 1 の代 ]? にボー ル シ ユ ー 7 2' -よ び 7 3'の隣接 する部分 7 4' 薄片状の永久磁石 7 5 が挿入されて いる。 範片状の永久磁石 7 5 の各個の極性は、 図示 される方向に配列される。
本発明に よれば、 固定子卷線の各相に癸生する交 番鼋圧を所望の角位置において確実にス ィ ツ チ ン グ する こ と に よ ]? 、 回転速度に比例する安定 した直流 電圧出力が得られ、 それに よ ！） 回転速度の検出を高 精度にて行 う こ と ができ る直流発電機形穽接触式速 度検出装置が得られる 。
寶0

Claims

SB 求 の 範 囲
1. 円周方向に沿 って N , S 極の交互分布を有す る円筒状永久磁石回転子、 該永久磁石回転子に対向 する 固定子、 該固定子に卷回される固定子卷線、 該 永久磁石回転子と 同軸回転する位置検出用永久磁石- および、 該位置検出用永久磁石の円周に近接する位 置に配置される磁気感応ス ィ ツ チを具備し、 該位置 検出用永久磁石の回転位置に応 じて該磁気感応ス ィ ッ チを作動させ所望の出力信号を得る直流発電機形 非接弒式速度検出装置において、
該位置検出用永久磁石の S 極領域と N極領域 とが 連続状に形成されて磁場が 1 つの極性から反対の極 性へ急峻に反転する よ う に し、 かつ、 S 梃領域の幅 と N ^領域の幅の比率が 1 以外の所定値に選ばれる こ と を特徵とする直流発電機形非接触式速度検出装
2. 該位置検出用永久磁石は、 円周方向に沿って N ¾領域およ び S 極領域が交互に分布 し、 Ν極領域 と S 挺領域の間に凹部を形成する移行領垵を有する 永久 石の外周部に Ν極用およ び S 極側ボー ル シ ュ ーを該移行領域に延長させて取付けて構成される、 請求の範囲第 1 項に記載の直流発電機形非接触式速 ίϋ ^ [g. o
3. 該位置検出用永久磁石は、 円周方向に沿 って
ΟΜΡΙ 所定の角度領域にわたって延びている N極側お よ び S 極側ボー ル シ ユ ー 、 およ び、 該 N極側 ボ一ル シ ュ 一と 該 S 極側ボー ル シ ユ ーの間に挿入される薄片状 永久磁石か ら形成される、 請求の範囲第 1 項に記載 の直流発電機形非接触式速度検出装置。
OMFI
、 :
PCT/JP1981/000234 1980-09-22 1981-09-17 D.c.generator type non-contact speed sensing device WO1982001074A1 (en)

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