(57)【要約】【課題】安価で、設置が容易で、磁界の乱れの影響を受けずに、正確な位置を求めることができる、ステータを有する回転電気装置のロータの位置を決定するための装置を提供する。【解決手段】回転電気装置のロータ４の位置θ（ｔ）を決定するための装置であって、ステータ８に対して固定され、かつ検出した磁界を表す多相電気信号ＳU、ＳV、ＳWを供給できるようになっている複数の磁界センサ５２ｕ、５２ｖ、５２ｗと、演算子［Ｍ］によって多相電気信号を処理して、ロータ４の位置θ（ｔ）によって決まる２相信号ｓｉｎθ（ｔ）、ｃｏｓθ（ｔ）を供給できる手段（ＭＣ）を備えている。この発明は、自動車産業で用いられる回転電気装置に利用できる。【選択図】図５
2008504799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ（８）を備える、回転電気装置のロータ（４）の位置θ（ｔ）を決定するための装置であって、
前記ステータ（８）に固定され、かつ検出した回転磁界を表す第１の信号（ＳU）、（ＳV）、（ＳW）を供給できる複数の磁界センサ（５２ｕ）、（５２ｖ）、（５２ｗ）と、
演算子（［Ｍ］）によって前記第１の信号を処理し、前記位置（θ（ｔ））によって決まる第２の信号（ｓｉｎθ（ｔ））、（ｃｏｓθ（ｔ））を供給できる手段とを有することを特徴とする装置。
【請求項２】
第１の信号は、３相電気信号であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第２の信号は、２相電気信号であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
回転磁界は、ロータ（４）によって生成されている磁界であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
回転磁界は、ロータ（４）のシャフト（３）に結合された磁化ターゲット（５）によって生成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
演算子（［Ｍ］）は、多相基準系を２相基準系に投影する行列によって表されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
投影行列（［Ｍ］）は、コンコルディア行列（Concoridia matrix）の逆行列（［Ｃ］-1）であることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
投影行列（［Ｍ］）は、クラークの行列（Clark's matrix）の逆行列（［Ｃ］-1）であることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
複数のセンサは、位相が１２０度電気的にずれた３つのセンサからなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
複数のセンサは、位相が９０度電気的にずれた２つのセンサからなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
磁界センサ（５２ｕ）、（５２ｖ）、（５２ｗ）は、ホール効果センサであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
ロータ（４）およびステータ（８）を備える回転電気装置において、
請求項１〜１１のいずれかに記載の装置によって、前記ロータ（４）の位置を決定するための装置を有することを特徴とする、回転電気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータを有する回転電気装置のロータの位置を決定するための装置に関する。
【０００２】
本発明は、オルタネータモードおよび起動時におけるモータモードの両方において、または５００回転／分からブーストするための補助として、自動車産業で使用される可逆装置、すなわちオルタネータ／スタータの分野に利用するのに特に適している。
【背景技術】
【０００３】
前記のような可逆装置は、オルタネータを備えている。オルタネータは、励磁電流の誘導によって、２つのスリップリングおよび２つのブラシに結合された界磁コイルを有するロータと、オルタネータ機能を果たすブリッジ整流器に変換された電力を供給する、大抵の場合は、３相構造に星型またはデルタ型に結線された複数のコイルすなわち巻線を有する多相ステータを備えている。
【０００４】
この装置は、この装置を熱機関に固定するためのフロントベアリングと、ステータを固定するためのリヤベアリングを備えている。ステータは、ロータを覆っている。ロータは、フロントベアリングおよびリヤベアリングによって支持されているシャフトに保持されている。ブラシは、無負荷であるか、または充電中かによって、バッテリのために必要な電圧にオルタネータの電圧を維持するべく、オルタネータのレギュレータに接続されている。
【０００５】
オルタネータは、熱機関によって駆動されるロータの回転運動を、ステータ巻線に誘導される電流に変換する。
【０００６】
オルタネータはまた、可逆性とし、電気モータまたは回転電気装置を構成することができ、自動車の熱機関の回転軸を介して回転させることができる。この可逆オルタネータは、オルタネータ／スタータと呼ばれている。このオルタネータ／スタータは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、かつ電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。
【０００７】
したがって、オルタネータ／スタータは、オルタネータモードでは、特に自動車のバッテリを充電し、消費するスタータモードでは、自動車の内燃機関とも呼ぶ熱機関を起動するために、熱機関を駆動する。
【０００８】
例えば、モータモードまたはスタータモードで機能する自動車産業で用いられる可逆装置では、ロータを起動するため、そして、モータが機能するのに必要な回転を付与するために、ロータに必要なトルクが常に加えられるように、ステータの電流を制御しなければならない。しかし、ロータに加えるこのトルク、従ってステータの各相に供給する電流は、ステータに対するロータの角度θによって表される位置のシヌソイド関数であるため、この位置を正確に決定する必要がある。
【０００９】
そのため、特に自動車産業で用いられているある種の可逆電気装置は、現在、この装置のロータのシャフトの端部に配置されるタームレゾルバ（回転角センサ）として知られている装置を備えている。このようなレゾルバは、米国特許出願公開第２００２／００６３４９１号に開示されている。
【００１０】
レゾルバは、装置のステータおよびロータのそれぞれに固定されたステータおよびロータを有する。このレゾルバは、それ自体のロータが生成する磁界を測定する。この磁界は、装置のロータに固定されているロータに対して固定されており、装置のロータの実際の位置を示す。
【００１１】
しかし、このタイプの装置には、幾つかの欠点がある。
【００１２】
レゾルバは、高価であり、機能するように設置するのが複雑である。なぜなら、このようなレゾルバと装置自体の結合を有効にするのに、結合パラメータからの装置のロータの正確な位置を供給するために、電子計算部品が必要であるからである。
【００１３】
さらに、レゾルバは、ロータによって生成される漂遊磁界による磁界の乱れの影響を受け、システムが故障して、測定誤差および装置の制御不良を生じる。この欠点を緩和するには、シャフトの端部におけるレゾルバとロータとの間に配置されるステンレス鋼管などの磁界保護に依存する必要がある。またこの装置は、ロータシャフトの端部に取り付けるため、装置の振動に対して特に敏感であり、この装置の機械強度は完全ではない。
【００１４】
最後に、塩水噴霧およびダストに対するレゾルバの耐久性は、完全には満足できるものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、安価で、設置が容易で、磁界の乱れの影響を受けずに、正確な位置を求めることができる、ステータを有する回転電気装置のロータの位置を決定するための装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記した技術的な問題を解消する本発明による装置は、回転電気装置のロータの位置を決定するための装置であって、ステータに対して固定され、かつ検出した磁界を表す位相電気信号を供給できるようになっている複数の磁界センサと、演算子によって多相電気信号を処理して、ロータの位置によって決まる２相信号を供給できる手段を備えている。
【００１７】
第１の実施形態によると、第１の信号は、３相電気信号であり、第２の信号は、２相電気信号である。
【００１８】
本発明によると、この演算子は、多相基準系を２相基準系に投影する行列によって表わされる。第１の実施形態によると、この投影行列は、コンコルディア行列（Concoridia matrix）である。第２の実施形態によると、投影行列は、クラークの行列（Clark's matrix）である。
【００１９】
したがって、詳細を後述するように、本発明による装置は、多くのパラメータに無関係であり、様々な乱れや漂遊現象の影響を受けないため、ロータの位置を正確に決定することができる。
【００２０】
さらに、本発明の目的である決定装置のいくつかの特徴により、コストが低減され、発明の実施が簡単となっている。
【００２１】
具体的には、本発明では、センサをホール効果センサとする。このタイプのセンサの利点は、安価で使用が簡単であることである。第１の実施形態によると、複数のセンサは、位相が１２０度電気的にずれた３つのセンサからなっている。
【００２２】
第２の実施形態によると、複数のセンサは、位相が９０度電気的にずれた２つのセンサからなっている。
【００２３】
本発明による装置の機能に必要な回転磁界は、２つの異なった製造方法で得ることができる。
【００２４】
第１の製造方法では、磁界は、ロータによって生成される磁界であり、第２の製造方法では、磁界は、ロータシャフトに連結された磁化ターゲットによって生成される磁界である。
【００２５】
いずれの場合も、本発明による装置は、第１の実施形態では、磁界がロータ自体によって直接生成され、第２の実施形態では、磁界がターゲットによって生成されるため、高価な機器を一切使用していない。そして、計算は、ロータまたはターゲットの磁界に対するロータの位置から行われ、このようなターゲットは、レゾルバよりも安価である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
限定目的ではない例として示す添付の図面を用いて述べる以下の説明から、本発明の構成および実施要領をよく理解できると思う。
【００２７】
以下の説明においては、例として爪型回転電気装置を用いる。
【００２８】
図１は、回転電気装置の第１の実施形態を示している。この第１の実施形態は、３つの相１０（図２を参照）を形成するための３つの巻線を備え、かつ磁極を有する巻線ステータ８と、シャフト３に固定された、歯１４３とも呼ぶ爪４１および４２を備えた２つの磁気ホイールを有するロータ４を備えている。１つの磁気ホイールの歯は、互いにインターロックされている。
【００２９】
ロータに電流が供給されると、一方の磁気ホイールにおける歯がＮ極を生成し、他方の磁気ホイールにおける歯がＳ極を生成する。したがって、ロータは磁化される。これにより、１対のＮ極とＳ極が生成される。
【００３０】
また、この実施形態は、ロータ４のシャフト１３の前端部および後端部の回転可能な取付けを可能にした、保護カバー１７が取り付けられたフロントベアリング１３およびリヤベアリング１４と、ロータ４の位置θ（ｔ）を決定するための装置と、ロータに回転可能に固定されるか、またはロータ４のシャフト３に固定される軸方向または径方向の読取りターゲット５０を備えている。このターゲット５０は、磁性を帯び、例えば永久磁石によって、定期的にＳ極とＮ極が交互するという利点を有する。ターゲット５０は、ロータ４と同じ複数対の磁極を有するのが好ましい。
【００３１】
限定目的ではない第２の実施形態では、回転電気装置は、図１に示す電気装置に類似しているが、ターゲット５０を備えていない。
【００３２】
８対の磁極を有するロータを、例として用いる。
【００３３】
ロータ４の位置θ（ｔ）を決定するための装置は、この例の３相装置の場合には３つである磁界センサ５２と、リヤベアリング１４の底部に固定された、３つのセンサ５２を保持するようになっているセンサホルダ５３と、演算し［Ｍ］によってセンサ５２から生成される第１の信号を処理する手段ＭＣとを備えている。
【００３４】
第１の実施形態によると、磁界センサ５２は、ターゲット５０に面して位置し、センサホルダ５３は、図２に例示しているように、ターゲット５０と反対方向を向くリヤベアリング１４の面に固定されている。図２は、カバー１７が省略された、図１の矢印２の方向から見た図である。
【００３５】
第１の代替の実施形態では、センサ５２は、ロータ４のシャフト３に対して垂直に、ターゲット５０の径方向反対側に位置し、図１に例示するように、読取りが径方向となるように、センサとターゲットとの間に空隙が形成されている。
【００３６】
第２の代替の実施形態では、センサ５２は、ロータ４のシャフト３の軸方向に、ターゲット５０の軸方向反対側に位置し、読取りが径方向となるように、センサとターゲットとの間に空隙が形成されている。
【００３７】
この第２の実施形態によると、磁界センサ５２は、ロータ４に面して位置し、センサホルダ５３は、フロントベアリング１３の面に固定されている。
【００３８】
第１の代替の実施形態では、センサ５２は、読取りが径方向となるように、ロータ４のシャフト３に対して垂直に、ロータ５０の側に径方向に位置している。
【００３９】
第２の代替の実施形態では、センサ５２は、読取りが径方向となるように、ロータ４のシャフト３の軸方向に、ロータ４の上部に軸方向に位置している。
【００４０】
センサ５２は、センサホルダ５３に取り付けられるのが好ましく、センサホルダ５３は、プラスチック材料から形成されるのが好ましい。こうすることにより、センサとセンサホルダからなるアセンブリは不浸透性となり、塩水噴霧およびダストの影響を受けにくくなる。
【００４１】
図３は、径方向の読取りのためのセンサホルダ５３の実施形態の例を示している。このセンサホルダ５３は、金属導電路によりセンサ５２に接続され、装置の電子部品を接続するコネクタ２５７と、センサ５２を受容し、径方向の読取りの例では、このセンサ５２が内周面に位置するセクター５５と、この例では、リヤベアリング１４に対して、センサホルダ５３を固定するための突出部５６を備えている。
【００４２】
このセンサホルダ５３についてのさらなる詳細は、国際公開第０１／６９７６２ Ａ１号の特に２１頁および２２頁に記載されているところを参照されたい。
【００４３】
図４は、本発明によるロータ位置決定装置の実施形態を備える回転電気装置１の構成要素を示す模式図である。
【００４４】
図４から、ステータ８の３つの相１０ｕ、１０ｖ、および１０ｗ、ロータ４、および３つのセンサ５２ｕ、５２ｖ、および５２ｗが分かると思う。３つのセンサ５２ｕ、５２ｖ、および５２ｗは、これらのセンサが生成する第１の信号を処理する手段ＭＣに接続されている。
【００４５】
図５は、ロータ４の位置θ（ｔ）を決定するための装置を示す別の模式図である。具体的には、ロータの表現位置は、センサホルダ５３に関連する固定方向Ｏxに対するロータの回転運動に関連する方向Ｑyの位置を意味している。従って、ステータ８に対して固定されている。
【００４６】
センサのセットは、位相が互いに１２０度ずれた３つのホール効果センサ５２ｕ、５２ｖ、および５２ｗからなっている。しかし、センサの別の構成として、例えば、位相が互いに９０度ずれた２つのホール効果センサ、または位相が互いに７２度ずれた５つのセンサなどの４つ以上のセンサとすることもできる。ホール効果センサの利点は、磁界を測定し、この測定値を、この磁界に等しい大きさの電圧、周波数、電流、および数値などで、この磁界を表す信号に変換することである。
【００４７】
センサ５２ｕ、５２ｖ、および５２ｗは、ステータにおけるロータの移動によって生成され、各センサで検出される磁界を表す第１の信号ＳU、ＳV、およびＳWを供給するようになっている。３つのセンサは、異なる点で、同時にこの磁界を測定する。この磁界は、様々な源で生成される磁界の合計である。
【００４８】
したがって、第１の実施形態では、ターゲット５０の場合、磁界は、ターゲット５０で生成される磁界に、存在する場合はロータ自体の磁気ホイールで生成される漂遊磁界を加えたものである。
【００４９】
第２の実施形態では、ターゲットを備えていないロータ４の場合、磁界は、ロータ４自体によって生成される。
【００５０】
第１の信号は、３相電気信号であるのが好ましい。第１の信号は、磁界を表わす数値信号とすることもできる。
【００５１】
図６は、３相電気信号の場合に、３つのセンサ５２ｕ、５２ｖ、および５によって供給される第１の信号ＳU、ＳV、およびＳWにおける経時変化を例示している。この第１の信号は、存在する場合はロータ４によって生じる磁界の乱れを含む連続的なオフセット成分Ｓoffsetと、各センサによって検出される磁界における変動を再現する実質的に正弦の成分を有する。
【００５２】
したがって、連続的なオフセット成分Ｓoffsetは、特に、ロータに供給される電流、従ってロータが磁化される方法と、センサ自体によって生じる測定の不正確さに依存する。このようなオフセットの値は、２．５Ｖとすることができる。
【００５３】
さらに、正弦成分は、特に、ロータ４（第２の実施形態の場合）またはターゲット５０（第１の実施形態の場合）に対するセンサの位置に依存する。この位置は、図５に例示されている距離によって決まる。より正確には、正弦成分は、１／Ｒ2の関数として変動する。
【００５４】
したがって、センサ５２が、ロータ４（第２の実施形態の場合）またはターゲット５０（第１の実施形態の場合）に近ければ近いほど、正弦成分の振幅の変動が大きい。
【００５５】
一例として、信号が最大値に達するのは、センサが、ロータ４（第２の実施形態の場合）またはターゲット５０（第１の実施形態の場合）のＮ極の反対側に位置する時である。他方、信号が最小値に達するのは、センサが、ロータ４（第２の実施形態の場合）またはターゲット５０（第１の実施形態の場合）のＳ極の反対側に位置する時である。
【００５６】
最後に、全ての信号ＳU、ＳV、およびＳWは、ロータの位置θ（ｔ）に直接依存する。なぜなら、信号の周波数が、ロータ４（第２の実施形態の場合）の回転数、およびその磁極の数、またはターゲット５０（第１の実施形態の場合）における磁極の数に依存するためである。したがって、センサ５２から生成される第１の信号の周波数は、ロータ４の回転数に、ロータ４（第２の実施形態の場合）またはターゲット５０（第１の実施形態の場合）の磁極対の数を乗じた値に等しい。
【００５７】
図７は、信号ＳU、ＳV、およびＳWの位置θ（ｔ）を正確に導出できる処理順序の線図である。以下に説明する処理順序の全てが、信号処理手段ＭＣによって行われる。
【００５８】
このＭＣは、電気装置を制御する電子部品内に配置されるマイクロコントローラであるのが好ましい。この電子部品は、外部ハウジング内に周知の要領で配置されるか、または電気装置と一体化される。
【００５９】
第１のステップでは、センサ５２が生成する第１の信号ＳU、ＳV、およびＳWに、投影行列Ｍによって表される演算子を適用する。この投影行列Ｍにより、ロータ４の位置θ（ｔ）によって決まる第２の信号ｓｉｎθ（ｔ）、およびｃｏｓθ（ｔ）を得ることができる
【００６０】
限定目的ではない第１の実施形態では、行列Ｍは、多相基準系を２相基準系に投影した行列であるため、多相信号が、２相信号に変換される。本発明の場合、多相基準系は、３相基準系である。
したがって、
【数１】
2008504799.tif 000003
【００６１】
同極成分と呼ぶ第３の出力成分ｈは、信号とオフセット成分Ｓoffsetの平均からなっている。この信号は、その振幅が、センサが正確に取り付けられていないために、第１の信号が例えば正確に１２０度ずれていない場合に、ホール効果センサによって供給される信号間の位相シフト誤差の関数である。
【００６２】
この第１の実施形態の第１の変更形態によると、投影行列Ｍは、コンコルディア行列（Concoridia matrix）Ｃとして知られている行列の逆行列である。
【数２】
2008504799.tif 000004
この行列は、適用できるコンコルディア行列の例である。つまり、
【数３】
2008504799.tif 000005
である。
【００６３】
この第１の実施形態の第２の変更形態によると、投影行列Ｍは、クラークの行列（Clark's matrix）Ｃとして知られている行列の逆行列である。
【数４】
2008504799.tif 000006
この行列は、適用できるクラーク行列の例である。つまり、
【数５】
2008504799.tif 000007
である。
【００６４】
これらの投影行列の係数は、定数であるが、３相電流の回転方向、およびその電流の強さなどの規定によって決まることに留意されたい。したがって、異なる標準化係数を有することも可能である。
【００６５】
第２のステップでは、角度θ（ｔ）の偏角を、第２の２つの信号ｓｉｎθ（ｔ）およびｃｏｓθ（ｔ）から算出する。この角度θ（ｔ）は、ロータ４の位置を表す。
【００６６】
したがって、この計算により、明らかに３６０度（電気的）以内であるロータ４の位置θ（ｔ）を決定することが可能である。つまり、この例では、ロータ４の磁極が８対あるため、３６０度／８、すなわち４５度（機械的）である。電気回転数は、磁極対の数に機械回転数を乗じた値と等しい。１機械回転は、ロータの３６０度（物理的）と一致する。
【００６７】
接弧の代わりに、偏角を用いるのが好ましく、これにより、第１の信号ＳU、ＳV、およびＳWから分離することができ、偏角が、これらの信号の振幅が変わっても、同じであることに留意されたい。
【００６８】
さらに、上記したように、これにより、接弧の場合の１８０度ではなく、３６０度を超えるロータの位置を有することができる。
【００６９】
このような処理は、装置の制御にロータ４の位置が必要な場合には、常に、マイクロコントローラＭＣによって行われることに留意されたい。
【００７０】
したがって、たとえ起動前であっても、ロータ４の位置θ（ｔ）が分かり、ホール効果センサが、連続的に磁界を検出している。
【００７１】
したがって、図７に例示した処理の１つの利点は、第１の信号ＳU、ＳV、およびＳWなどのパラメータまたはオフセット成分Ｓoffsetなどのパラメータと無関係であり、これにより、本発明の目的に合致して、磁界の乱れの影響を受けずにロータの位置θ（ｔ）を決定できることである。
【００７２】
図１〜図７を用いて説明した本発明による装置も、同様に、磁界センサ５２ｕ、５２ｖ、および５２ｗの第１の出力信号ＳU、ＳV、およびＳWに影響を及ぼしうるコモンモード干渉の影響を受けないことに留意されたい。
【００７３】
コモンモード干渉は、センサの接地を基準とした、このセンサによって測定される第１の信号と、マイクロコントローラＭＣの接地を基準とした、このＭＣが受け取る第１の信号との間の基準における差によるものである。２つの基準が、互いにずれており、このずれにより、コモンモード干渉と呼ぶ誤差が生じることがある。センサによるオフセット成分Ｓoffset（つまり、このセンサの接地を基準として２．５Ｖ）を不要することにより、このコモンモード干渉がなくなる。
【００７４】
最後に、本発明による位置を決定するための装置は、ステータに対するロータの位置を正確に知る必要があるあらゆる電気装置に用いることができることに留意されたい。したがって、本発明は、様々な機能のために、あらゆるタイプの電気装置に利用することができる。
【００７５】
本発明は、オルタネータのみ、モータのみ、またはオルタネータ／ステータとして機能し、爪を備え、かつ補極磁石を備えるか、または備えない、非同期型装置、同期型装置、または永久磁石を備えるロータを有する装置などのあらゆる装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明による位置決定装置を備えた回転電気装置の軸方向の断面図である。
【図２】図１の回転電気装置を矢印２の方向から見た図である。
【図３】図１の本発明の決定装置のセンサホルダの斜視図である。
【図４】本発明による位置決定装置の実施形態を含む図１の回転電気装置の模式的な線図である。
【図５】図４の位置決定装置の製造方法の線図である。
【図６】図４の位置決定装置のセンサ出力信号の変動を示す線図である。
【図７】図４の位置決定装置による信号処理のシーケンス図である。
【符号の説明】
【００７７】
１    回転電気装置
２    矢印
３    シャフト
４    ロータ
８    巻線ステータ
１０    相
１３    フロントベアリング
１４    リヤベアリング
１７    保護カバー
４１、４２    爪
５０    ターゲット
５２    磁界センサ
５２ｕ、５２ｖ、５２ｗ    磁界センサ
５３    センサホルダ
５５    セクター
５６    突出部
１４３    歯
２５７    コネクタ
ＡＲＧ    偏角
ｈ    第３の出力成分
Ｍ    行列
Ｑｘ    固定方向
Ｑｙ    ロータの回転運動に関連する方向
ＳU、ＳV、ＳW    第１の信号
【図１】
2008504799.tif 000008
【図２】
2008504799.tif 000009
【図３】
2008504799.tif 000010
【図４】
2008504799.tif 000011
【図５】
2008504799.tif 000012
【図６】
2008504799.tif 000013
【図７】
2008504799.tif 000014
【国際調査報告】
2008504799.tif 000015
2008504799.tif 000016
2008504799.tif 000017
2008504799.tif 000018
2008504799.tif 000019
2008504799.tif 000020