JP5219871B2 - 回転位置センサ、及びブラシレスモータ - Google Patents

Description

この発明は、モータ回転軸の回転位置を検出する回転位置センサ、及び回転位置センサが設けられたブラシレスモータに関するものである。

従来のブラシレスモータでは、トランジスタやMOSFET等の半導体素子を有する電子回路により電流の切り替えが行われる。従来、電流の切り替えのタイミングを決めるために、ロータとともに回転する磁石の磁束の変化をホールＩＣで検出するブラシレスモータが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−２０３４５号公報

しかし、このような従来のブラシレスモータが例えば自動車のエンジン等の高温環境下に配置されると、ブラシレスモータの周囲温度が半導体素子であるホールＩＣの動作温度範囲を超えてしまうため、ブラシレスモータの動作を正常に保つことができなくなってしまう。

この発明は、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、高温環境下でも正常に動作することができる回転位置センサ、及びブラシレスモータを得ることを目的とする。

この発明に係る回転位置センサは、モータ回転軸と一体に回転されるセンサロータと、センサロータの周囲に配置され、センサロータの回転に応じた位置情報を発生するセンサステータとを有するセンサ本体を備え、センサロータは、センサロータの回転方向について間隔を置いて設けられた複数の突起部を有し、センサステータは、センサステータコアと、突起部を通る磁束を発生する一次コイルと、センサロータの回転方向について並べられ突起部と対向することにより誘起電圧を発生する複数の二次コイルを含みセンサステータコアに設けられている二次コイル集合体とを有しており、各二次コイルのそれぞれにおける誘起電圧の発生に応じた情報が位置情報とされている。

この発明に係る回転位置センサでは、突起部を通る磁束を一次コイルが発生し、突起部との対向により誘起電圧を発生する複数の二次コイルがセンサロータの回転方向へ並べられているので、熱に弱い永久磁石や半導体素子を用いずにセンサ本体を構成することができ、高温環境下であってもセンサ本体の正常な動作を保つことができる。

この発明の実施の形態１によるブラシレスモータを示す構成図である。 図１のセンサ本体を示す断面図である。 この実施の形態２によるブラシレスモータの回転位置センサにおけるセンサロータを示す断面図である。 この発明の実施の形態３によるブラシレスモータを示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるセンサ本体を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるブラシレスモータを示す構成図である。図において、ブラシレスモータ１は、モータ本体２と、モータ本体２に連結された回転位置センサ３とを有している。

モータ本体２は、モータ回転軸と、モータ回転軸と一体に回転されるモータロータと、モータロータの周囲に配置され、モータロータを回転させる回転磁界を発生するモータステータとを有している。

モータステータは、モータロータを囲む筒状のモータステータコアと、モータステータコアの内周部に設けられたＵ相、Ｖ相及びＷ相の複数のステータコイル４とを有している。モータステータは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のステータコイル４への電流がモータロータの回転位置に応じて切り替えられることにより回転磁界を発生する。

回転位置センサ３は、モータ回転軸の回転位置に応じた交流信号（位置情報）を発生するセンサ本体５と、センサ本体５への給電を行うセンサ駆動回路６と、センサ本体５からの交流信号を整流して直流電圧（直流信号）に変換するセンサ処理回路７とを有している。センサ処理回路７で発生した直流信号は、モータ回転軸の回転位置に応じた信号となっている。センサ処理回路７からの直流信号は、各ステータコイル４への給電を行うインバータ回路（給電回路）８へ送られる。

インバータ回路８は、ＤＣ電源９からの給電により動作される。また、インバータ回路８は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のステータコイル４のそれぞれに対応する複数のトランジスタを有している。インバータ回路８は、センサ処理回路７からの直流信号に基づいて、各トランジスタを選択的に動作させる。即ち、インバータ回路８は、センサ処理回路７からの直流信号に基づいて、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のステータコイル４への電流の切り替えを個別に制御する。モータステータは、インバータ回路８による各ステータコイル４への電流の切り替えにより回転磁界を発生する。

この例では、ブラシレスモータ１の駆動方式が１２０°通電方式とされている。即ち、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のステータコイル４へのそれぞれの通電は、電流正負の各方向について電気角１２０°の区間でのみ行われる。また、１２０°通電方式では、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のうち２つの相に電流を流す２相通電が行われる。このことから、１２０°通電方式での通電状態の種類は、相間の組み合わせがＵＶ間、ＶＷ間及びＷＵ間の３通りあり、それぞれの相間での通電について電流方向が正負の２通りあるので、合計６通りとなる。従って、センサ処理回路７からの直流信号は、モータ回転軸の回転位置に対応する６つの異なる信号とされている。

また、この例では、直流信号の６つの異なる信号に対応させて６つのトランジスタがインバータ回路８に搭載されている。各トランジスタは、センサ処理回路７からの６つの異なる信号に基づいて個別に動作される。即ち、ブラシレスモータ１では、センサ処理回路７からの６つの異なる信号の切り替わりに応じて各ステータコイル４への通電状態の切り替えが行われる。

図２は、図１のセンサ本体５を示す断面図である。図において、センサ本体５は、モータ回転軸と一体に回転されるセンサロータ１０と、センサロータ１０の周囲に配置され、センサロータ１０を囲むセンサステータ１１とを有している。

センサロータ１０は、モータ回転軸と同軸に配置されている。また、センサロータ１０は、円柱状のセンサロータ本体１２と、センサロータ本体１２の外周部から突出し、センサロータ１０の回転方向について間隔を置いて配置された複数の突起部（極）１３とを有している。この例では、４つの突起部１３がセンサロータ１０の回転方向について等間隔で配置されている。各突起部１３の外周面は、センサステータ１１の内周部に対向している。

センサステータ１１は、筒状のセンサステータコア１４と、センサステータコア１４の内周部に設けられ、センサロータ１０及びセンサステータ１１間に磁束を発生する一次コイル１５と、センサステータコア１４の内周部に設けられ、センサロータ１０の回転に応じた交流信号を発生する２つの二次コイル集合体１６とを有している。二次コイル集合体１６で発生する交流信号は、センサロータ１０がモータ回転軸と一体に回転されることから、モータ回転軸の回転に応じた位置情報となっている。

センサロータ１０及びセンサステータコア１４の材料としては、例えばトランス用フェライトや電磁鋼板等が用いられる。電磁鋼板の場合、センサロータ１０及びセンサステータコア１４は、互いに積層された複数の薄板によりそれぞれ構成される。センサステータコア１４の内周部には、複数のティース１７がセンサロータ１０の回転方向について間隔を置いて配置されている。各ティース１７間には、コイル用溝１８が形成されている。

一次コイル１５は、センサロータ１０の軸線に関して対称な位置にそれぞれ配置されている。一方及び他方の一次コイル１５には、センサ駆動回路６により互いに逆向きの電流が流される。一方及び他方の一次コイル１５に電流が流されることにより、主に突起部１３を通る磁束１９が発生する。一方及び他方の一次コイル１５がそれぞれ発生する磁束１９の向きは、図２に示すように、突起部１３で同じ向きになる。また、一方及び他方の一次コイル１５に流される電流は交流とされ、磁束１９の向きが時間の経過に伴って切り替わるようになっている。この例では、１００ｋＨｚの交流電流が一方及び他方の一次コイル１５に流される。

各二次コイル集合体１６は、センサロータ１０の回転方向について間隔を置いて配置されている。この例では、各二次コイル集合体１６は、センサロータ１０の軸線に関して対称な位置に配置されている。また、各二次コイル集合体１６は、センサロータ１０の回転方向について一方の一次コイル１５と他方の一次コイル１５との間にそれぞれ配置されている。

各二次コイル集合体１６は、センサロータ１０の回転方向について並べられた複数（この例では、６つ）の二次コイル２０を有している。各二次コイル集合体１６は、モータ本体２に対する正規位置に配置されている。正規位置は、モータステータへの電流の切り替えを行う位置にモータロータがあるときに突起部１３の外周面が二次コイル２０に対向する位置である。即ち、正規位置は、モータステータへの電流の切り替えを行うタイミングと、突起部１３の外周面が二次コイル２０に対向するタイミングとが一致する位置である。

各二次コイル２０は、コイル用溝１８に収容された状態でティース１７に設けられている。また、各二次コイル２０は、磁束１９が通る突起部１３の外周面が対向することにより誘起電圧を発生する。ここで、各二次コイル２０について、誘起電圧が発生している状態をＯＮ状態といい、誘起電圧の発生が停止している状態をＯＦＦ状態という。

なお、二次コイル集合体１６の位置から外れた位置にも、ティース１７が設けられている。これにより、二次コイル集合体１６の中央部に突起部１３が対向するときの磁束と、二次コイル集合体１６の端部に突起部１３が対向するときの磁束との差が小さくなる。従って、各二次コイル２０が発生する誘起電圧の大きさが均等に近づく効果がある。

突起部１３の外周面の周方向についての幅は、互いに隣り合う所定数（この例では、２つ）の二次コイル２０に同時に対向する幅とされている。また、二次コイル集合体１６の一端に配置された二次コイル２０のみに突起部１３の外周面が対向するときには、二次コイル集合体１６の他端に配置された二次コイル２０に別の突起部１３の外周面が対向する。

突起部１３の外周面が対向する２つの二次コイル２０の組み合わせは、センサロータ１０の回転に伴って順次切り替わる。即ち、ＯＮ状態の二次コイル２０の組み合わせがセンサロータ１０の回転に伴って順次切り替わる。センサ本体５は、各二次コイル２０のそれぞれにおける誘起電圧の発生に応じた情報を交流信号として出力する。この例では、２つの二次コイル集合体１６のうち、一方の二次コイル集合体１６からの情報のみがセンサ処理回路７へ送られる。

また、この例では、４つの突起部１３がセンサロータ本体１２に設けられているので、センサロータ１０は４極構造とされている。従って、各二次コイル２０の誘起電圧の変化の周期は、センサロータ１０の一回転につき４周期、９０°回転につき１周期となる。従って、モータ本体２の極数は８極とされている。

さらに、この例では、共通の二次コイル集合体１６において突起部１３が同時に対向する２つの二次コイル２０の組み合わせが６通り存在する。従って、各ステータコイル４への６通りの通電状態の切り替えは、２つの二次コイル２０の組み合わせの切り替えに対応させて行われる。また、センサロータ１０の９０°の回転で１周期となり６つの二次コイル２０のうち２つの二次コイル２０が突起部１３に同時に対向することから、突起部１３の外周面の周方向両端部とセンサロータ１０の中心とを結ぶ２本の線分がなす角度（突起部１３の外周面角度）は３０°（＝９０°／３）となっている。即ち、各二次コイル２０の誘起電圧の発生区間は、電気角で１２０°となっている。これにより、電気角で１周期３６０°のうち、１２０°の区間でＯＮ状態となる１２０°通電方式によるモータ本体２の駆動が可能となる。

なお、例えば突起部１３とセンサステータ１１との間のギャップ長等の原因でＯＮ状態となる区間がずれる場合があるので、突起部１３の外周面角度を３０°前後に微調整してもよい。また、センサ本体５の極数及び突起部１３の外周面角度は、モータ本体２の極数に応じて設定される。

次に、回転位置センサ３の動作について説明する。一次コイル１５への給電がセンサ駆動回路６により行われると、共通の二次コイル集合体１６における６つの二次コイル２０のうち、突起部１３が対向する２つの二次コイル２０に誘起電圧が発生する。この後、各二次コイル２０での誘起電圧の発生に応じた情報が交流信号としてセンサ本体５からセンサ処理回路７へ送られる。

モータ回転軸とともにセンサロータ１０が回転されると、誘起電圧が発生する２つの二次コイル２０の組み合わせがセンサロータ１０の回転に伴って切り替わる。これにより、センサ本体５からの交流信号の情報がモータ回転軸の回転位置に応じて変化する。

センサ処理回路７では、センサ本体５からの交流信号が直流信号（ＤＣ電圧）に変換される。この後、変換後の直流信号がセンサ処理回路７からインバータ回路８へ送られる。

インバータ回路８では、センサ処理回路７からの直流信号に基づいて、トランジスタが選択的にＯＮ動作される。これにより、モータステータに回転磁界が発生する。

このようなブラシレスモータ１の回転位置センサ３では、一次コイル１５が突起部１３を通る磁束１９を発生し、突起部１３との対向により誘起電圧を発生する複数の二次コイル２０がセンサロータ１０の回転方向へ並べられているので、熱に弱い永久磁石や半導体素子を用いずにセンサ本体５を構成することができ、２００℃以上の高温環境下であってもセンサ本体５の正常な動作を保つことができる。

また、センサロータ１０が４つの突起部１３を有しているので、各二次コイル集合体１６の周方向についての範囲をセンサステータ１１の全周の長さの１／４にすることができる。これにより、一次コイル１５と複数の二次コイル集合体１６とをセンサステータコア１４の内周部にまとめて設けることができ、センサ本体５の小形化を図ることができる。

なお、突起部１３の数は４つに限定されず、３つあるいは５つ以上であれば、二次コイル集合体１６の周方向についての範囲をセンサステータ１１の全周の長さの１／２よりも小さくすることができるので、一次コイル１５及び複数の二次コイル集合体１６をセンサステータコア１４の内周部にまとめて設けることができる。

また、各二次コイルの誘起電圧の発生区間は、電気角で１２０°となっているので、回転位置センサ３からの位置情報の出力をそのまま１２０°通電方式における電流の切り替えのタイミングの情報とすることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、各二次コイル２０の誘起電圧の発生区間が電気角で１２０°となっているが、各二次コイル２０の誘起電圧の発生区間を電気角で１８０°としてもよい。

図３は、この実施の形態２によるブラシレスモータの回転位置センサにおけるセンサロータを示す断面図である。図において、センサロータ１０は、円柱状のセンサロータ本体１２と、センサロータ本体１２の外周部から突出し、センサロータ１０の回転方向へ等間隔に配置された４つの突起部（極）１３とを有している。

各突起部１３の外周面角度は４５°（＝９０°／２）となっている。これにより、各突起部１３の外周面の周方向についての幅は、互いに隣り合う３つの二次コイル２０と同時に対向する幅とされている。即ち、各二次コイル２０の誘起電圧の発生区間は、電気角で１８０°となっている。従って、各二次コイル２０のＯＮ状態となる区間が電気角で１８０°となり、１８０°通電方式によるモータ本体２の駆動が可能となる。他の構成は実施の形態１と同様である。

このように、各二次コイル２０の誘起電圧の発生区間が電気角で１８０°となっているので、回転位置センサ３からの位置情報の出力をそのまま１８０°通電方式における電流の切り替えのタイミングの情報とすることができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、２つの二次コイル集合体１６のいずれか一方からの位置情報のみがセンサ処理回路７へ送られるようになっているが、各二次コイル集合体１６のそれぞれからの位置情報をセンサ処理回路７へ送るようにしてもよい。

即ち、図４は、この発明の実施の形態３によるブラシレスモータを示す構成図である。図において、センサステータコア１４に設けられた複数（この例では、２つ）の二次コイル集合体１６のそれぞれからの交流信号（位置情報）は、センサ処理回路７に個別に送られる。センサ処理回路７は、各二次コイル集合体１６のそれぞれからの交流信号の出力の合計値を直流信号に変換する。他の構成は実施の形態１と同様である。

このような回転位置センサ３では、各二次コイル集合体１６のそれぞれからの出力がセンサ処理回路７へ送られるので、各二次コイル集合体１６のそれぞれからの出力の合計値をセンサ処理回路７で処理することができる。従って、各二次コイル集合体１６のそれぞれからの出力を小さくすることができ、各二次コイル２０の巻数を少なくすることができる。これにより、センサ本体５の小形化を図ることができる。

なお、上記の例では、各二次コイル集合体１６のそれぞれからの交流信号の出力がセンサ処理回路７へ個別に送られるようになっているが、センサ本体５で各二次コイル集合体１６を直列接続することにより、各二次コイル集合体１６のそれぞれからの交流信号を合計した出力をセンサ本体５からセンサ処理回路７へ送るようにしてもよい。

実施の形態４．
上記の例では、２つの二次コイル集合体１６がいずれも正規位置に配置されているが、２つの二次コイル集合体１６のいずれか一方を正規位置からセンサロータ１０の回転方向についてずらして配置してもよい。

即ち、図５は、この発明の実施の形態４によるセンサ本体５を示す断面図である。図において、２つの二次コイル集合体１６のうち、一方の二次コイル集合体１６（図５の下側の二次コイル集合体１６）は正規位置に配置され、他方の二次コイル集合体１６（図５の上側の二次コイル集合体１６）は正規位置よりもセンサロータ１０の回転方向について外れたずらし位置に配置されている。この例では、センサロータ１０が回転される向き（図５では反時計回り）と逆向き（図５では時計周り）に正規位置から１°だけ外れた位置がずらし位置とされている。

センサ処理回路７には、各二次コイル集合体１６のそれぞれからの交流信号（位置情報）が送られる。これにより、ずらし位置に配置された他方の二次コイル集合体１６からの位置情報に基づいて、モータステータへの電流の切り替えをインバータ回路８で行った場合には、正規位置の二次コイル集合体１６からの位置情報に基づく切り替えよりも電気角で４°だけ早めに切り替えを行うことになる。即ち、モータステータへの電流の切り替えのタイミングの位相が進角される。

センサ処理回路７は、センサロータ１０の回転数に基づいて正規位置及びずらし位置のいずれかを選択し、選択した位置に配置された二次コイル集合体１６からの交流信号（位置情報）を処理する。即ち、センサ処理回路７は、センサロータ１０の回転数が所定の基準値よりも低いときに正規位置を選択し、センサロータ１０の回転数が所定の基準値以上であるときにずらし位置を選択する。また、センサ処理回路７は、選択した位置に配置された二次コイル集合体１６からの交流信号を直流信号に変換し、変換後の直流信号をインバータ回路８へ送る。他の構成は実施の形態１と同様である。

このようなブラシレスモータ１では、二次コイル集合体１６が正規位置よりもセンサロータ１０の回転方向について外れたずらし位置に配置されているので、モータステータへの電流の切り替えのタイミングを通常のタイミングよりも早めたり遅らしたりすることができる。これにより、モータステータへの電流の切り替えのタイミングをモータロータの回転数に適したタイミングにすることができる。

例えば、モータロータの回転数が高い場合には、電流の切り替えのタイミングが遅れるためモータ本体２のトルクが低下する。この場合に、二次コイル集合体１６をずらし位置に配置して電流の切り替えのタイミングを早めることにより、モータ本体２のトルクの低下の防止を図ることができる。

また、センサ処理回路７は、正規位置及びずらし位置のいずれかを選択し、選択した位置に配置された二次コイル集合体１６からの位置情報を処理するので、モータステータへの電流の切り替えのタイミングをモータロータの回転数に応じて調整することができる。即ち、モータロータの回転数が所定の範囲内にあるときには、正規位置に配置された二次コイル集合体１６からの位置情報に基づく通常の制御を行い、モータロータの回転数が所定の範囲から外れているときには、ずらし位置に配置された二次コイル集合体１６からの位置情報に基づく進角あるいは遅角の制御を行うことができる。これにより、モータロータの回転数が変化する場合であっても、モータステータへの電流の切り替えのタイミングをモータロータの回転数に応じて調整することができる。

１ ブラシレスモータ、２ モータ本体、３ 回転位置センサ、５ センサ本体、１０ センサロータ、１１ センサステータ、１３ 突起部、１４ センサステータコア、１５ 一次コイル、１６ 二次コイル集合体、２０ 二次コイル。

Claims (2)

1. モータ回転軸と一体に回転されるセンサロータと、上記センサロータの周囲に配置され、上記センサロータの回転に応じた位置情報を発生するセンサステータとを有するセンサ本体を備え、
   上記センサロータは、上記センサロータの回転方向について間隔を置いて設けられた複数の突起部を有し、
   上記センサステータは、センサステータコアと、上記突起部を通る磁束を発生する一次コイルと、上記センサロータの回転方向について並べられ上記突起部と対向することにより誘起電圧を発生する複数の二次コイルを含み上記センサステータコアに設けられている二次コイル集合体とを有しており、
   各上記二次コイルのそれぞれにおける誘起電圧の発生に応じた情報が上記位置情報とされており、
   共通の上記二次コイル集合体において、上記突起部が同時に対向する上記二次コイルの組み合わせが６通り存在し、
   上記突起部の外周面の周方向両端部と上記センサロータの中心とを結ぶ２本の線分がなす角度を、上記センサロータの一周期の角度の１／３とすることにより、各上記二次コイルの誘起電圧の発生区間を電気角で１２０°としたことを特徴とするブラシレスモータの回転位置センサ。
2. モータ回転軸と一体に回転されるセンサロータと、上記センサロータの周囲に配置され、上記センサロータの回転に応じた位置情報を発生するセンサステータとを有するセンサ本体を備え、
   上記センサロータは、上記センサロータの回転方向について間隔を置いて設けられた複数の突起部を有し、
   上記センサステータは、センサステータコアと、上記突起部を通る磁束を発生する一次コイルと、上記センサロータの回転方向について並べられ上記突起部と対向することにより誘起電圧を発生する複数の二次コイルを含み上記センサステータコアに設けられている二次コイル集合体とを有しており、
   各上記二次コイルのそれぞれにおける誘起電圧の発生に応じた情報が上記位置情報とされており、
   共通の上記二次コイル集合体において、上記突起部が同時に対向する上記二次コイルの組み合わせが６通り存在し、
   上記突起部の外周面の周方向両端部と上記センサロータの中心とを結ぶ２本の線分がなす角度を、上記センサロータの一周期の角度の１／２とすることにより、各上記二次コイルの誘起電圧の発生区間を電気角で１８０°としたことを特徴とするブラシレスモータの回転位置センサ。

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