(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータピースのティースにそれぞれコイルを巻回した複数個の電磁石を周方向に互いに離間して設けたステータ、及びこのステータの半径方向外側及び内側のうちの少なくとも一方に隣接して回転自在に軸支しかつ周方向に互いに離間する複数個の永久磁石を有するロータを有する回転電機の前記ロータの位置を検出する方法において、前記ロータに隣接する前記ステータピース間に磁性材料の棒部材を配置し、ロータ回転の際に前記ロータにおける永久磁石の磁界の影響で前記磁性材料の棒部材に発生する渦電流に基づいてロータ位置を検出することを特徴とする回転電機のロータ位置検出方法。
【請求項２】
前記棒材料における軸線方向両側端部のうち一方の端部をアースし、他方の端部をこの棒部材の内部インピーダンスよりも低いインピーダンスを接続して電気回路を形成し、この電気回路に生ずる電流又は電圧をロータ位置信号として測定することによって前記渦電流測定を行なう請求項１記載の方法。
【請求項３】
ステータにおけるｍ個の相の電磁石で駆動されるロータの永久磁石の磁極対をｎ個有する回転電機の場合、ステータの電磁コイルのうち同位相となる電磁コイルに対応する前記棒部材のうちの少なくとも２個、多くともｎ個の棒部材に関する測定ロータ位置信号を平均化してロータ位置を検出する請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
薄板を積層させてなるステータピースを軸線方向の両側端部に配置した１対の保持リングプレートを互いに締結することによりステータコアを構成し、前記磁性材料の棒部材を、前記ロータに隣接する側で互いに周方向に隣接する順次の前記ステータピース間において前記１対の保持リングプレートを互いに締結する周方向に互いに等間隔離して配置した複数個の締結ボルトにより構成した請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記回転電機を、前記ステータの半径方向外側及び内側の双方で同一軸線の周りに回転可能な外側ロータ及び内側ロータを有する同期電動機とした請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記磁性材料の締結ボルトを配置する互いに隣接するステータピースのヨーク間のエアギャップを半径方向に隣接するロータ側で広く、コイル側で狭くした請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータピースのティースにそれぞれコイルを巻回した複数個の電磁石を周方向に互いに離間して設けたステータ、及びこのステータの半径方向外側及び内側のうちの少なくとも一方に隣接して回転自在に軸支しかつ周方向に互いに離間する複数個の永久磁石を有するロータを有する回転電機の各電磁石のコイルに流れる電流を同期制御してスムーズなロータ回転を生ずるため前記ロータの位置を検出する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転電機におけるロータ位置検出に関しては特開２０００‐１４１０３号公報に記載されているものがあり、これは、図１に示すように、例えば、回転電機１３のステータ１４に対して相対回転する内側ロータ１５及び外側ロータ１６のそれぞれにレゾルバ又はエンコーダからなる位置センサ１７Ａ及び１７Ｂを設け、これら位置センサのエンコードされたパルスをカウントすることによってロータの位置を検出していた。
【０００３】
ロータ１５又は１６に設けた複数個の永久磁石が発生する磁界に対して、ステータ１４における複数個の電磁コイルに流れる電流を制御して各永久磁石の近傍の電磁石により発生する磁界が吸引及び反発を生じてロータを回転させるが、電磁石に対する永久磁石の相対位置が分からないと、ステータ１４の各電磁石に、どのタイミングで、どの位相にして電流を流さなければならないかが分からず、ロータ１５又は１６のスムーズな回転は得られない。従って、回転電機において、速度制御の有無に関係なく、ロータのスムーズな回転を得るために、ロータの位置検出が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のロータの位置検出方法においては、ロータの軸端にエンコーダ等のパルス発信部及びパルス受信部よりなる位置センサを付加する必要があるため、位置センサの取付スペースを確保しなければならず、大型化を招く恐れがあるという問題があった。
【０００５】
更に、ステータの電磁コイルに通電する電流又は通電により発生する電圧を使用してロータの位置を推定するセンサレスの検出方法も考えられるが、通常の１ステータ／１ロータの電動機はともかく、図１に示すような１ステータ／２ロータの複合ロータ型回転電機の場合、モデルの記述が複雑になり、位置を推定する演算時間が増大して高速回転には適さなくなるという問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、個別の位置センサを必要とせず、またステータの電磁コイルに通電する電流又は通電により発生する電圧でロータ位置を推定するための電気回路及び演算処理を必要としない回転電機のロータ位置検出方法を得るにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、請求項１記載の発明による本発明ロータ位置検出方法は、ロータに隣接するステータピース間に磁性材料の棒部材を配置し、ロータ回転の際にロータにおける永久磁石の磁界の影響で前記磁性材料の棒部材に発生する渦電流に基づいてロータ位置を検出することを特徴とする。
【０００８】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、互いに周方向に隣接する少なくとも１対のステータピース間に磁性材料の棒部材を配置し、該棒部材に流れる渦電流を検出することでロータの位置を検出可能としたため、従来のように軸方向にも半径方向にも寸法を増大させる位置センサを設ける必要がなく、回転電機を簡略化、小型化することができる。
【０００９】
請求項２記載の本発明によれば、磁性材料である棒部材における軸線方向両側端部のうち一方の端部をアースし、他方の端部をこの棒部材の内部インピーダンスよりも低いインピーダンスを接続して電気回路を形成し、この電気回路に生ずる電流又は電圧をロータ位置信号として測定する。
【００１０】
請求項３に記載の本発明によれば、ステータにおけるｍ個の相の電磁石で駆動されるロータの永久磁石の磁極対をｎ個有する回転電機の場合、ステータの電磁コイルのうち同位相となる電磁コイルに対応する磁性材料である棒部材のうちの少なくとも２個、多くともｎ個の棒部材に関する測定ロータ位置信号を平均化してロータ位置を検出する。この構成によれば、同位相であり本来同一出力となるべき少なくとも２個（最大でｎ個）の棒部材の検出信号の誤差やノイズの影響を排除してより精度の高いロータ位置検出を行なうことができる。
【００１１】
請求項４に記載の本発明によれば、薄板を積層させてなるステータピースを軸線方向の両側端部に配置した１対の保持リングプレートを互いに締結することによりステータコアを構成し、前記磁性材料の棒部材を、前記ロータに隣接する側で互いに周方向に隣接する順次の前記ステータピース間において前記１対の保持リングプレートを互いに締結する周方向に互いに等間隔離して配置した複数個の締結ボルトにより構成する。この構成によれば、ステータコアを組み立てるボルトを組立目的のためだけではなく、ロータ位置検出のための渦電流誘起媒体としても機能させるので、限定されたスペースを有効利用できる。
【００１２】
請求項５に記載の本発明によれば、１個のステータの半径方向外側及び内側にそれぞれロータを設ける複合ロータ式回転電機としたが、この場合、回転電機の効率を極めて向上することができる。
【００１３】
請求項６に記載の本発明によれば、複合ロータ式回転電機において、前記磁性材料の締結ボルトを配置する互いに隣接するステータピースのヨーク間のエアギャップを半径方向に隣接するロータ側で広く、コイル側で狭くしたため、外側ロータの位置検出に係わる外側ボルト列のボルトの渦電流と内側ロータの位置検出係わる内側ボルト列のボルトの渦電流とが干渉し合うことを確実に排除することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に図面につき本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００１５】
図２は、１個のステータ１４の半径方向内側及び外側の双方に同軸状に相対回転可能に配置した内側ロータ１５及び外側ロータ１６を有する複合ロータ式回転電機の部分的な断面図であって、内側ロータ１５の１個の磁極対を構成する互いに隣接する２個の永久磁石１５Ａ及び１５Ｂと、外側ロータ１６の１個の磁極対を構成する互いに隣接する２個の永久磁石１６Ａ及び１６Ｂと、ステータ１４の互いに隣接する２個のステータピース１８Ａ及び１８Ｂと、これらステータピース１８Ａ及び１８Ｂとの間の半径方向に隣接する内側及び外側のロータ１５、１６の近傍に、好適には、互いに隣接するステータピースのヨークの対向端部に形成した切欠きによって生ずる空間に配置した磁性材料の棒部材としての締結ボルト１９Ａ及び１９Ｂとの関係を示す。
【００１６】
図２に示すように、このステータ１４のステータピース１８は薄板を積層させてなるものとし、この薄板ステータピースの積層体を軸線方向の両側端部に配置した１対の保持リングプレートを締結ボルト１９Ａ、１９Ｂにより互いに締結してステータコアを構成する。本実施の形態によれば、これら締結ボルト１９Ａ、１９Ｂを磁性部材により構成する。
【００１７】
ステータ１４に対して半径方向内側に隣接する内側ロータ１５の永久磁石１５Ａ，１５Ｂとステータピース１８Ａ，１８Ｂの対応隣接端部との間に発生する漏れ磁束磁路２１Ａ、及びステータ１４に対して半径方向外側に隣接する外側ロータ１６の永久磁石１６Ａ，１６Ｂとステータピース１８Ａ，１８Ｂとの間に発生する漏れ磁束磁路２１Ｂにより、これら漏れ磁束磁路２１Ａ，２１Ｂに介在するエアギャップに配置したこのような締結ボルト１９Ａ及び１９Ｂには、それぞれその軸線方向に渦電流が発生する。
【００１８】
締結ボルト１９Ａ及び１９Ｂに発生する渦電流は、ボルトを通過する磁束の変化により生ずるので、一組の磁極対をなす２個の永久磁石１５Ａ，１５Ｂ間及び１６Ａ，１６Ｂ間のギャップの中心位置、即ち、ｑ軸で渦電流はピーク値をとる。この発生する渦電流のピーク値を検出し、検出した位相から予め測っておいたｄ軸即ち、永久磁石１５Ａ，１５Ｂ及び１６Ａ，１６Ｂの中心位置との位相ずれを差し引くことによってロータの永久磁石の位置を割出すことができる。この関係を図３に示す。
【００１９】
図２に示す複合ロータ式回転電機としての実施の形態では、磁性材料の締結ボルト１９Ａ及び１９Ｂを配置する互いに隣接するステータピース１８Ａ，１８Ｂのヨークの対向端部に形成する切欠き（エアギャップ）を、半径方向に隣接するロータ側で広く、コイル１８Ｃ側で狭くすることにより、漏れ磁束磁路２１Ａ，２１Ｂ間の干渉を排除し、締結ボルト１９Ａ，１９Ｂに発生する渦電流をノイズなく確実に検出することができるようになる。
【００２０】
図４は、３相の電磁石としてステータピース１，２，３の組に、互いに隣接する２個のロータの永久磁石による１組の磁極対Ｎ，Ｓが通過するときの状況を平面的に展開して示す。
【００２１】
図４の（ａ）に示すように、ロータにおける１個の磁極対のうち、第１の永久磁石のＮ極が締結ボルト１９‐１に近づきつつあるとき、ステータピース１にはロータにおける第１の永久磁石のＮ極を吸引するＳ極がＴ字の端部ヨークに発生し、ステータピース２には第１の永久磁石のＮ極に対して反発するＮ極がＴ字の端部ヨークに発生する向きに電磁コイルの通電を行なう。
【００２２】
一方、図４の（ｂ）に示すように、ロータにおける第１の永久磁石のＮ極が締結ボルト１９‐１を通り過ぎたとき、ステータピース１にはロータにおける第１の永久磁石のＮ極を反発するＮ極がＴ字の端部ヨークに発生し、ステータピース２にはロータにおける第２の永久磁石のＳ極を反発するＳ極がＴ字のヨークに発生する向きに電磁コイルの通電を行なう。
【００２３】
このようにステータピース１，２に発生する磁界の変化により、ステータピース１，２間の締結ボルト１９‐１にはボルトの軸線方向（図面の紙面に直交する方向）の両側端部間で周期的に向きが逆転する渦電流を生ずることになる。
【００２４】
磁性材料の締結ボルトにおける位置検出用の検出信号の取出し方としては、図５に示すように、締結ボルトに発生する渦電流の電位差を検出する方法と、締結ボルトに流れる渦電流の電流を検出する方法の２通りが考えられる。
【００２５】
電位差を検出する場合、図５（ａ）に示すように、ボルトの上面及び下面にそれぞれ銅製の電極２２を埋め込み、各電極の先端を高入力インピーダンスのＯＰアンプ２３の入力側に接続する。これにより、図３に示す渦電流パルスに対応する電位差を増幅して検出する。
【００２６】
電流を検出する場合も、図５ｂに示すように、やはり、ＯＰアンプ２３を使用するが、締結ボルトの内部インピーダンスよりも小さいインピーダンスを有する低い抵抗（電流検出抵抗）２４をＯＰアンプの前段に並列接続し、このＯＰアンプ２３の前段の抵抗２４に電流が流れるようにし、抵抗２４の両側に発生する電位差を後段のＯＰアンプ２３で増幅して検出する。
【００２７】
ボルトに流れる渦電流は、図３に示すように、電気角１周期で変化するため、例えば、外側ロータの永久磁石を４極対（隣接する２個の永久磁石対が周方向に４個ある）とし、各磁極対を３相駆動する（１個の磁極対にステータの３個の電磁コイルが対応する）場合（ロータの永久磁石は合計２×４＝８個、ステータの電磁コイルは合計３×４＝１２個ある）、ステータの外側周縁及び内側周縁において順次隣接するステータピース間における１２個のデッドスペースのすべてにそれぞれ磁性材料の棒部材を配置しても、隣接するロータの永久磁石の影響で磁性材料の棒部材に発生する渦電流に関して３個の電磁石は異なる位相となるが、残りの９個の電磁石は先の３個の電磁石において繰り返しとなる。従って、１２個の磁性材料である棒部材のうち、1個の棒部材からの検出を行うだけで済む。または12個の同一の重量及び同一容積の棒部材における１個だけを磁性材料とし、この１個の磁性材料の棒部材からの検出を行なうだけで済む。
【００２８】
図６（ａ）に示すように、Ｎ極とＳ極が３相ステータに対向するロータの磁極対が４組存在する回転電機の場合、磁性材料の棒部材又は締結ボルト１〜１２の渦電流に関するロータ位置検出は、同一位相の締結ボルト１，４，７，１０ではすべて同じ出力になるはずであり、３相を含む締結ボルト[１，２，３]，[４，５，６]，[７，８，９]，[１０，１１，１２]の組の各締結ボルトは順次に位相が１２０゜づつずれている。
【００２９】
これら締結ボルト[１〜１２]のうちの１個の締結ボルトにおけるロータ位置検出だけでもよいが、製造公差やノイズの影響を排除するため、図５に示す方法によって同一位相となる締結ボルト[１，４，７，１０]に関する渦電流に関連する検出をそれぞれ行ない、測定ロータ位置信号を平均化してロータ位置を検出すると好適である（図６（ｂ）参照）。
【００３０】
図示の実施の形態ではロータが２つの回転電機を示したが、ロータが１つの回転電機にも適用できる。また、図示の好適な実施の形態では磁性材料の棒部材として締結ボルトを示したが、単に磁性材料の棒部材を配置してよもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ロータ位置を検出するため位置センサを有する従来の回転電機の一部断面とする側面図である。
【図２】  本発明によるロータ位置検出方法の好適な実施の形態を説明する説明図である。
【図３】  磁性材料の棒部材（締結ボルト）を流れる渦電流の変化を示すグラフである。
【図４】  ３相の電磁石におけるステータピース１，２，３の組に、互いに隣接する２個のロータの永久磁石による１組の磁極対Ｎ，Ｓが通過するときの状況を平面的に展開して示す説明図である。
【図５】  （ａ）は磁性材料の棒部材としての締結ボルトに発生する渦電流の電位差を検出する方法、（ｂ）は締結ボルトに流れる渦電流の電流を検出する方法を示す説明図である。
【図６】  （ａ）は、４個の磁極対（合計８個）の永久磁石を有するロータと、これに対応する３相電磁コイルを有するステータピース間に配置した磁性材料の棒部材又は締結ボルトとの関係を示す説明図、（ｂ）は同一位相となる磁性材料の棒部材又は締結ボルトを測定して測定値を平均化する方法の説明図である。
【符号の説明】
1〜12  ステータピース間における順次の磁性材料の棒部材（締結ボルト）
13  回転電機
14  ステータ
15  内側ロータ
16  外側ロータ
17  位置センサ
18  ステータピース
18C コイル
18D 切欠き
19  締結ボルト（磁性材料の棒部材）
20  保持リング又はプレート
21  漏れ磁束磁路
22  電極
23  ＯＰアンプ
24  低い抵抗（電流検出抵抗）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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