(57)【要約】【課題】検出磁束の大小および外乱によって位置検出精度が劣化しない回転機の回転位置検出装置を提供する。【解決手段】図示されない信号処理部１１２は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に対応する検出磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの大きさにそれぞれ対応する電圧信号（アナログ信号）を用いて、各２つの信号間の差からなる信号ΔＨｕ−ｖ，ΔＨｖ−ｗ，ΔＨｗ−ｕを演算する。そして、信号処理部１１２は、その演算した信号をしきい値を０としてデジタル信号に変換し、その変換したデジタル信号をロータ２の位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊として出力する。したがって、検出磁束の大きさに拘わらず、位置信号のオンデューティ時間Ｔｏｎは一定となり、位置信号のデューティ比は一定となる。【選択図】        図７
2004222422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁コイルを含み、前記界磁コイルに界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有する回転子を備える回転機の回転位置検出装置であって、
前記界磁コイルによって発生され、かつ、前記界磁極の位置を示す磁束を検出し、その検出した磁束の大きさに応じたレベルの第１の複数の信号を複数からなる相に対応して出力する磁気検出部と、
前記第１の複数の信号を受け、前記第１の複数の信号において、隣接する相に対応する信号のレベル差を演算し、前記演算によって得られる第２の複数の信号を前記回転子の位置信号として出力する信号処理部とを備える、回転機の回転位置検出装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記位置信号をデューティ比が一定となるデジタル信号として出力する、請求項１に記載の回転機の回転位置検出装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、
前記レベル差が０よりも大きいとき、対応する位置信号を第１の論理レベルで出力し、
前記レベル差が０以下のとき、対応する位置信号を前記第１の論理レベルを反転した第２の論理レベルで出力する、請求項２に記載の回転機の回転位置検出装置。
【請求項４】
前記磁気検出部は、
前記界磁コイルによって発生される第１の漏洩磁束を前記回転子と異なる部材を介して受け、前記第１の漏洩磁束に基づいて前記界磁極の位置を示す第２の漏洩磁束を生成する磁極生成部と、
前記磁極生成部から出力される前記第２の漏洩磁束を検出し、前記第２の漏洩磁束の大きさに応じたレベルの前記第１の複数の信号をそれぞれ出力する複数の磁気検出素子とを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転機の回転位置検出装置。
【請求項５】
前記磁極生成部は、前記界磁極に対応した放射状の形状を有し、前記第１の漏洩磁束に対して前記界磁極に対応した磁束密度の強弱をつけて前記第２の漏洩磁束を放射状に出力する、請求項４に記載の回転機の回転位置検出装置。
【請求項６】
前記複数の磁気検出素子は、３６０度を相数で除した電気角の間隔で前記磁極生成部の回転方向に配置される、請求項４または請求項５に記載の回転機の回転位置検出装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転機の回転位置検出装置と、
前記回転機を駆動する駆動回路と、
前記回転位置検出装置から受ける前記位置信号に基づいて前記駆動回路を制御する制御回路とを備える回転機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転機の回転位置検出装置および回転機制御装置に関し、特に、磁気検出素子によって回転子の位置を検出する回転機の回転位置検出装置および回転機制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、同期型の交流回転機としては、回転子（以下、「ロータ」とも称する。）に永久磁石を備え、その永久磁石による磁極と、固定電機子（以下、「ステータ」とも称する。）において発生する回転磁界との磁気作用によって回転する永久磁石型の回転機のほか、ロータに界磁コイルを備え、界磁コイルに界磁電流を流すことによってロータに発生する磁界の回転軸と垂直方向の成分と、ステータにおいて発生する回転磁界との磁気作用によって回転する界磁巻線型の回転機が一般に知られている。
【０００３】
そして、このような回転機に用いることができる回転位置検出装置として、特開昭６４−４３０９３号公報には、３相ブラシレスモータにおいて、位置検出素子としての複数個のホール素子をステータ上に配置してロータ磁石の回転に伴なう磁界の変化を検出し、ホール素子からの各出力に基づいて複数個のステータコイルに順次通電を行なうための位置信号を生成することが開示されている（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６４−４３０９３号公報明細書
【０００５】
【特許文献２】
特開平４−７１３８９号公報明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
界磁コイルに界磁電流を流すことによって界磁極を生成する界磁巻線型の回転機においては、界磁電流の大きさによってロータに発生する磁界の大きさが変化し、それに応じて、位置検出素子が検出する磁束の大きさが変化する。そして、検出磁束の大きさが変化すると、ステータコイルに通電を行なうための位置信号のデューティ比が変化する。
【０００７】
図９は、３相交流回転機における検出磁束の大きさと位置信号との関係を説明するための図である。
【０００８】
図９を参照して、縦軸は、位置検出素子としての磁気センサによって検出される磁束の大きさを示し、横軸は、その検出磁束の位相（電気角）を示す。磁束Ｈｕ１，Ｈｖ１，Ｈｗ１は、界磁電流が大きい場合の各相に対応する検出磁束の変化を示し、磁束Ｈｕ２，Ｈｖ２，Ｈｗ２は、界磁電流が小さい場合の各相に対応する検出磁束の変化を示す。磁束Ｈｔｈは、デジタル信号として出力される位置信号がＨ（論理ハイ）レベルとなるかＬ（論理ロー）レベルとなるかの判定しきい値である。
【０００９】
図９に示されるように、検出磁束の大小によって位置信号がオンする時間Ｔｏｎ１，Ｔｏｎ２が異なる。したがって、界磁巻線型の回転機においては、磁束の大きさの変化を考慮しないと、ステータコイルに通電を行なうための位置信号のデューティ比が変化し、その結果、回転機の性能が安定しない、あるいは、検出磁束が小さい場合には位置信号がオンしないといった問題が発生する。
【００１０】
このような問題が発生する具体例としては、たとえば、回転速度が増加したときに出力を確保するために界磁電流を小さくする弱め界磁制御が行なわれる場合などが考えられる。
【００１１】
また、ロータおよびステータからのコイル発熱による周囲温度の変化などの外乱を位置検出素子が受け、その外乱に応じて位置検出素子の出力信号が変化する場合には、その受ける外乱の程度によっても上述した位置信号のデューティ比は変化し、回転機の性能劣化を招くおそれがある。
【００１２】
一方、上述した特開昭６４−４３０９３号公報では、位置検出素子としてのホール素子は、ステータ上に配置されるが、ロータやステータに近接して位置検出素子が配置されてロータから発生する磁界の検出が行なわれる場合、位置検出素子は、ステータから発生する磁界や、ステータおよびロータからのコイル発熱等による外乱の影響を大きく受ける。したがって、位置検出素子をロータやステータに近接して配置することは、位置検出精度の劣化を招くおそれがあり、また、様々な外乱を想定して検出位置の補正を行なうとすれば、高度かつ複雑な補正演算が必要となり、その結果、コストが増大する。
【００１３】
また、ロータやステータに近接して位置検出素子が配置される場合、位置検出素子によるセンシングを可能にするため、ロータにセンシング用の磁性体片を設けたり、また、界磁巻線型モータでは、界磁巻線の形状を変更したりする必要がある。したがって、センシング用にロータにおいて何らかの改造が必要であり、その結果、コストが増加する。
【００１４】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、検出磁束の大小および外乱によって位置検出精度が劣化しない回転機の回転位置検出装置を提供することである。
【００１５】
また、この発明の別の目的は、検出磁束の大小および外乱によって位置検出精度が劣化しない回転機制御装置を提供することである。
【００１６】
さらに、この発明の別の目的は、検出磁束の大小および外乱による位置検出精度の劣化がなく、かつ、低コストの回転機の回転位置検出装置を提供することである。
【００１７】
また、さらに、この発明の別の目的は、検出磁束の大小および外乱による位置検出精度の劣化がなく、かつ、低コストの回転機制御装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、回転機の回転位置検出装置は、界磁コイルを含み、界磁コイルに界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有する回転子を備える回転機の回転位置検出装置であって、界磁コイルによって発生され、かつ、界磁極の位置を示す磁束を検出し、その検出した磁束の大きさに応じたレベルの第１の複数の信号を複数からなる相に対応して出力する磁気検出部と、第１の複数の信号を受け、第１の複数の信号において、隣接する相に対応する信号のレベル差を演算し、演算によって得られる第２の複数の信号を回転子の位置信号として出力する信号処理部とを備える。
【００１９】
好ましくは、信号処理部は、位置信号をデューティ比が一定となるデジタル信号として出力する。
【００２０】
好ましくは、信号処理部は、レベル差が０よりも大きいとき、対応する位置信号を第１の論理レベルで出力し、レベル差が０以下のとき、対応する位置信号を第１の論理レベルを反転した第２の論理レベルで出力する。
【００２１】
好ましくは、磁気検出部は、界磁コイルによって発生される第１の漏洩磁束を回転子と異なる部材を介して受け、第１の漏洩磁束に基づいて界磁極の位置を示す第２の漏洩磁束を生成する磁極生成部と、磁極生成部から出力される第２の漏洩磁束を検出し、第２の漏洩磁束の大きさに応じたレベルの第１の複数の信号をそれぞれ出力する複数の磁気検出素子とを含む。
【００２２】
好ましくは、磁極生成部は、界磁極に対応した放射状の形状を有し、第１の漏洩磁束に対して界磁極に対応した磁束密度の強弱をつけて第２の漏洩磁束を放射状に出力する。
【００２３】
好ましくは、複数の磁気検出素子は、３６０度を相数で除した電気角の間隔で磁極生成部の回転方向に配置される。
【００２４】
また、この発明によれば、回転機制御装置は、上述したいずれかの回転位置検出装置と、回転機を駆動する駆動回路と、回転位置検出装置から受ける位置信号に基づいて駆動回路を制御する制御回路とを備える。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２６】
図１は、この実施の形態による回転機の構成を示す断面図である。
図１を参照して、回転機１は、ロータ２と、界磁コイル４と、ステータ６と、シャフト８と、軸受１０，１２と、ブラシ１４と、プーリ１６と、回転プレート１８と、磁気センサ２０とを備える。
【００２７】
ロータ２は、シャフト８に固定され、シャフト８が軸受１０，１２に支持されることによって回転自在な回転子である。ロータ２は、内部に界磁コイル４を含み、界磁コイル４に界磁電流が流れることによって界磁極が形成される。界磁コイル４に界磁電流が流れることによって発生する磁界は、シャフト８の回転軸に垂直な成分からなる主磁界と、シャフト８の軸方向成分からなる磁界とからなり、この主磁界とステータ６によって発生する回転磁界との磁気作用によって、ロータ２は回転する。また、シャフト８の軸方向成分からなる磁界によってシャフト８から回転プレート１８、ステータ６、およびシャフト８の他端へと流れる漏洩磁束Ｈは、後ほど述べるように、ロータ２の回転位置を検出するための検出磁束として用いられる。
【００２８】
界磁コイル４は、ロータ２に界磁極を発生させるための巻線であって、巻線に流れる界磁電流の大きさに応じた磁界を発生する。
【００２９】
ステータ６は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相巻線からなる固定電機子であって、３相交流電流が流れることによってロータ２に作用する回転磁界を発生させる。
【００３０】
シャフト８は、軸受１０，１２によって支持された回転軸である。シャフト８は、トルクの伝達に必要な所定の強度を有する材質であるとともに、後述するように、ロータ２から発生する漏洩磁束を容易に通過させる材質で構成される。
【００３１】
軸受１０，１２は、シャフト８を回転自在に固定する。ブラシ１４は、界磁コイル４と電気的に接続される整流子片と摺動接触し、外部からブラシ１４および整流子片を介して界磁コイル４に界磁電流が供給される。プーリ１６は、シャフト８と他の回転軸との間でトルクの伝達を行なう。
【００３２】
回転プレート１８は、シャフト８の一端に設けられ、シャフト８に固定されてロータ２と連動して回転する。回転プレート１８も、シャフト８と同様に、磁束を容易に通過させる材質で構成され、シャフト８から受ける漏洩磁束を放射状に伝達する。そして、回転プレート１８は、磁気センサ２０によってロータ２の回転位置を検出可能とするため、ロータ２の界磁極に対応して放射状の形状を有している。
【００３３】
磁気センサ２０は、磁束を検出可能な磁気検出素子であって、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した３つのセンサを含む。これらのセンサは、たとえば、ホール素子や磁気抵抗素子などである。磁気センサ２０は、回転プレート１８に近接して配置され、回転プレート１８の半径方向に対しては、回転プレート１８からステータ６へ流れる漏洩磁束Ｈが最大となる位置に配置される。一方、磁気センサ２０は、回転プレート１８の回転方向に対しては、３つのセンサが電気角１２０度の間隔で配置される。そして、磁気センサ２０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応する３つのセンサによって漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを検出し、検出した磁束の大きさに応じた電圧を発生して後述する信号処理部（図示せず）へ出力する。
【００３４】
この回転機１においては、磁気センサ２０が漏洩磁束Ｈの変化を感知することによってロータ２の回転位置が検出されるのであるが、その漏洩磁束Ｈの変化を生成するために回転プレート１８が設けられている。すなわち、回転プレート１８は、シャフト８から受けて放射状に出力する漏洩磁束Ｈに対して、ロータ２の界磁極に対応した磁束密度の強弱をつける。これによって、磁気センサ２０は、ロータ２が回転することによってロータ２の周囲に発生する磁界の変化を直接検出することなく、その磁界の変化が再現された回転プレート１８からの漏洩磁束Ｈを検出することによって、ロータ２の回転位置を検出することができる。
【００３５】
一方、ロータ２の回転位置を検出するに際して、ロータ２の周囲に発生する磁界の変化を直接検出する場合であっても、この回転機１のように回転プレート１８からの漏洩磁束Ｈの変化を検出する場合であっても、界磁電流の大きさに応じてロータ２において発生する磁界の大きさは変化し、その結果、磁気センサ２０が検出する磁束の大きさも変化する。
【００３６】
そして、図９に示されたように、界磁巻線型の回転機においては、そのような検出磁束の大きさの変化を考慮しないと、ステータコイルに通電を行なうための位置信号のデューティ比が変化し、その結果、回転機の性能が安定しない、あるいは、検出磁束が小さい場合には位置信号がオンしないといった問題が発生する。さらには、周囲温度の変化など磁気センサ２０が受ける外乱の程度によっても、上述した位置信号のデューティ比は変化し、回転機の性能劣化を招くおそれがある。
【００３７】
そこで、この回転機１においては、漏洩磁束Ｈの大きさに依存することなく、ロータ２の回転位置を表わす位置信号、およびその位置信号を用いて回転機１を駆動するための駆動信号のデューティ比が一定となるように、図示されない回転機制御装置に含まれる信号処理部において、磁気センサ２０によって検出された検出磁束から位置信号への変換処理が施される。回転機制御装置およびそれに含まれる信号処理部については、後ほど述べる。
【００３８】
この回転機１においては、界磁コイル４に界磁電流が供給されると主磁束が発生し、ステータ６によって発生される回転磁界との磁気作用によってロータ２が回転するとともに、シャフト８の軸方向成分の磁界も発生し、シャフト８から回転プレート１８、ステータ６およびシャフト８の他端へと流れる一巡の漏洩磁束Ｈが発生する。
【００３９】
そして、上述したように、回転プレート１８は、ロータ２の界磁極に対応して放射状の形状を有し、回転プレート１８から放射状に出力される漏洩磁束Ｈは、ロータ２の界磁極に対応した磁束密度の強弱を有しているので、これを磁気センサ２０が検出する。磁気センサ２０のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応する３つのセンサによって検出された漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗは、回転機制御装置に含まれる信号処理部によって、デューティ比が一定の位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊（デジタル信号）に変換される。このようにして、界磁電流の大きさに拘わらず、ロータ２の回転位置が正確に検出される。
【００４０】
図２は、図１に示した回転プレート１８の回転軸に垂直な断面図である。
図２を参照して、回転プレート１８は、ロータ２の界磁極に対応して放射状の形状を有する。図２においては、１６極からなるロータ２に対応して８個の凸部が放射状に設けられており、回転プレート１８を放射状に流れる磁束は、これら８個の凸部から集中して出力される。すなわち、回転プレート１８から出力される磁束は、ロータ２の界磁極に対応した磁束密度の強弱がつけられて回転プレート１８から放射状に出力される。
【００４１】
図３は、この発明による回転機におけるロータの構成を説明する図である。なお、図３においては、ロータの構成が概念的に示されており、図２に示した回転プレート１８の極数と対応していないが、実際には、ロータの極数と回転プレートの極数は一致する。
【００４２】
図３を参照して、ロータは、部材２ａと部材２ｂとからなり、それらが組み合わされ、内部に界磁コイルが含まれる。そして、界磁コイルにより発生される磁界によって、部材２ａはＮ極に、部材２ｂはＳ極に磁化される。これによって、円周方向にＮ，Ｓ極が交互に多数形成され、ロータに界磁極が形成される。また、シャフト８内には、界磁コイルによって、「Ｓ」で示される側から「Ｎ」で示される側へ向かう方向に磁界が発生する。
【００４３】
図４は、図１に示した回転機１を制御する回転機制御装置１００の概略ブロック図である。
【００４４】
図４を参照して、回転機制御装置１００は、直流電源Ｂと、キャパシタＣ１と、インバータ１０２と、位置検出装置１０４と、制御装置１０６とを備える。
【００４５】
インバータ１０２は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、およびＷ相アーム１７は、電源ラインとアースラインとの間に並列に設けられる。
【００４６】
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＴｒ１，Ｔｒ４からなり、Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＴｒ２，Ｔｒ５からなり、Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＴｒ３，Ｔｒ６からなる。また、各ＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のソース−ドレイン間には、各ＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に対して導通方向が逆方向になるようにダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。
【００４７】
各相アームの中間点は、回転機１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、回転機１は、３相の同期回転機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＴｒ１，Ｔｒ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＴｒ２，Ｔｒ５の中間点に、Ｗ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＴｒ３，Ｔｒ６の中間点にそれぞれ接続されている。
【００４８】
直流電源Ｂは、ニッケル水素またはリチウムイオン、鉛等の二次電池からなる。キャパシタＣ１は、直流電源Ｂから供給された直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１０２へ供給する。
【００４９】
位置検出装置１０４は、図１に示した回転プレート１８および磁気センサ２０によって各相に対応する漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを検出し、その検出信号に対して後述する変換処理を施した後デジタル信号に変換して、その変換したデジタル信号をロータ２の位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊として制御装置１０６へ出力する。
【００５０】
制御装置１０６は、位置検出装置１０４から受けるロータ２の位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊に基づいて、インバータ１０２に含まれるＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の各々を駆動するための駆動信号Ｄｒ１〜Ｄｒ６を生成し、その生成した駆動信号Ｄｒ１〜Ｄｒ６をそれぞれＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲート端子へ出力する。
【００５１】
図５は、図１に示した磁気センサ２０の回転軸に垂直な方向の配置図である。なお、図５においては、磁気センサ２０の配置を概念的に説明するために模式的に示されている。
【００５２】
図５を参照して、磁気センサ２０は、３つのホール素子２０ａ〜２０ｃを含む。ホール素子２０ａ〜２０ｃは、それぞれ回転プレート１８から出力される漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを検出し、検出磁束の大きさに応じた電圧を発生する。そして、磁気センサ２０は、その電圧を後述する信号処理部へ出力する。
【００５３】
ホール素子２０ａは、Ｕ相の配置方向に対して角度θをなすように配置される。そして、ホール素子２０ｂ，２０ｃも、ホール素子２０ａと同じように配置される。そして、ホール素子２０ａ〜２０ｃは、それぞれ電気角が１２０度の間隔で配置される。
【００５４】
図６は、図４に示した位置検出装置１０４を機能的に説明する機能ブロック図である。図６を参照して、位置検出装置１０４は、磁気検出部１１０と、信号処理部１１２とを含む。
【００５５】
磁気検出部１１０は、図１に示した回転プレート１８および磁気センサ２０からなる。磁気センサ２０は、回転プレート１８から出力される漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを図５に示した３つのホール素子２０ａ〜２０ｃによって検出し、漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの大きさにそれぞれ対応する電圧信号（アナログ信号）を信号処理部１１２へ出力する。
【００５６】
信号処理部１１２は、磁気検出部１１０から受けた、漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの大きさにそれぞれ対応する電圧信号（アナログ信号）について、各２つの信号間の減算処理を行なう。具体的には、信号処理部１１２は、下記の演算処理を行なう。
【００５７】
ΔＨｕ−ｖ＝Ｖ（Ｈｕ）−Ｖ（Ｈｖ）  …（１）
ΔＨｖ−ｗ＝Ｖ（Ｈｖ）−Ｖ（Ｈｗ）  …（２）
ΔＨｗ−ｕ＝Ｖ（Ｈｗ）−Ｖ（Ｈｕ）  …（３）
ここで、Ｖ（Ｈｕ），Ｖ（Ｈｖ），Ｖ（Ｈｗ）は、それぞれ検出された漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの大きさに対応する電圧信号を表わす。
【００５８】
そして、信号処理部１１２は、上記演算によって得られた信号ΔＨｕ−ｖ，ΔＨｖ−ｗ，ΔＨｗ−ｕについて、しきい値を０としてデジタル信号に変換し、その変換したデジタル信号をロータ２の位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊として制御装置１０６へ出力する。
【００５９】
このように、漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの差に相当する信号ΔＨｕ−ｖ，ΔＨｖ−ｗ，ΔＨｗ−ｕに基づいて位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊を生成することによって、漏洩磁束の大きさに拘わらず、すなわち、界磁電流の大きさに拘わらず、位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊について一定のデューティ比が得られる。
【００６０】
図７は、図６に示した信号処理部において変換処理を行なったときの検出磁束の大きさと位置信号との関係を説明するための図である。
【００６１】
図７を参照して、縦軸は、上述した信号ΔＨｕ−ｖ，ΔＨｖ−ｗ，ΔＨｗ−ｕの大きさを示し、横軸は、磁束の位相（電気角）を示す。信号ΔＨｕ−ｖ１，ΔＨｖ−ｗ１，ΔＨｗ−ｕ１は、界磁電流が大きく、磁気センサ２０による検出磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗが大きい場合の信号変化を示し、信号ΔＨｕ−ｖ２，ΔＨｖ−ｗ２，ΔＨｗ−ｕ２は、界磁電流が小さく、磁気センサ２０によって検出される検出磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗが小さい場合の信号変化を示す。
【００６２】
図７に示されるように、検出磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの大小に拘わらず、位置信号Ｐｕ＊がオンする時間Ｔｏｎ（Ｐｕ＊）は等しい。位置信号Ｐｖ＊，Ｐｗ＊についても同様である。したがって、界磁電流の大きさによって検出磁束の大きさが異なる界磁巻線型の回転機１において、回転機１を駆動するための駆動信号Ｄｒ１〜Ｄｒ６を生成するのに用いられる位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊のデューティ比が一定となり、その結果、安定した制御性能が得られ、また、従来のように、検出磁束が小さい場合に位置信号がオンしないといった問題は発生しない。
【００６３】
また、各検出磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの差をとることによって、ロータ２およびステータ６からのコイル発熱による周囲温度の変化やその他各ホール素子２０ａ〜２０ｃが共通して受ける外乱がキャンセルされる。したがって、そのような外乱の影響が排除され、外乱に対して頑強な位置検出装置１０４が実現される。
【００６４】
図８は、図４に示した回転機制御装置１００における主な信号のタイミングチャートである。
【００６５】
図８を参照して、上述したように、位置検出装置１０４は、ホール素子２０ａ〜２０ｃによってそれぞれ検出された漏洩磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの変化に応じて、そのレベルに拘わらず、電気角が０〜１８０度、１２０〜３００度、ならびに電気角が０〜６０度および２４０〜３６０度の範囲でそれぞれＨレベルになるデューティ比一定の位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊を制御装置１０６へ出力する。
【００６６】
なお、比較のため、ロータ２における界磁電流が小さく、それに応じて漏洩磁束Ｈも小さい場合であって、かりに、上述した信号処理部１１２による処理がなされない場合の位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗが示される。この場合は、各位置信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗのオンデューティ比が小さくなり、回転機１の制御精度が劣化する。
【００６７】
そして、位置検出装置１０４から位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊を受けた制御装置１０６は、その受けた位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊をそれぞれ駆動信号Ｄｒ１，Ｄｒ２，Ｄｒ３として生成し、また、位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊の反転信号をそれぞれ駆動信号Ｄｒ４，Ｄｒ５，Ｄｒ６として生成する。
【００６８】
すなわち、駆動信号Ｄｒ１は、電気角が０〜１８０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ１をオンする信号であり、駆動信号Ｄｒ２は、電気角が１２０〜３００度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ２をオンする信号であり、駆動信号Ｄｒ３は、電気角が０〜６０度および２４０〜３６０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ３をオンする信号である。
【００６９】
また、駆動信号Ｄｒ４は、電気角が１８０〜３６０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ４をオンする信号であり、駆動信号Ｄｒ５は、電気角が０〜１２０度および３００〜３６０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ５をオンする信号であり、駆動信号Ｄｒ６は、電気角が６０〜２４０度の範囲でＭＯＳトランジスタＴｒ６をオンする信号である。
【００７０】
その結果、図示しないが、回転機１の各相に印加される相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗおよび各相に流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、検出磁束の大きさに依存することなく所定の電気角で正確に変化し、回転機１の動作が安定化される。
【００７１】
なお、駆動信号Ｄｒ１〜Ｄｒ６は、電気角が１８０度の範囲で電流を回転機１の各相に流すように、それぞれＭＯＳトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を駆動するので、図８に示す通電方式は１８０度矩形波通電方式と呼ばれる。
【００７２】
なお、回転プレート１８は、界磁極に対応した磁束密度の強弱を設けるために放射状の形状を有するものとしたが、回転プレート１８はそのような形状のものに限られることはなく、放射状に出力する磁束に対して界磁極に対応した磁束密度の強弱をつけることができるものであればよい。たとえば、円盤の回転方向に透磁率の異なる材質を交互配置するなどしてもよい。
【００７３】
以上のように、この実施の形態によれば、各相に対応する検出磁束間の差を演算し、その演算によって得られた信号に基づいて回転機の位置信号を生成するので、検出磁束の大きさに拘わらず、一定のデューティ比を有する位置信号が得られる。その結果、界磁電流の大きさに影響されず、安定した回転機性能が得られる。
【００７４】
また、検出磁束が小さい場合であっても位置信号が得られるので、界磁電流の大きさに対する位置検出可能範囲が拡大されるほか、回転機の停止位置を検出することも可能である。
【００７５】
さらに、各相に対応するセンサ（ホール素子）間の出力の差を演算し、その演算結果に基づいて位置信号を生成するので、各センサが共通して受ける外乱、たとえば、ロータおよびステータのコイル発熱による周囲温度の変化による信号オフセットの影響を排除することができる。その結果、外乱に対して頑強な回転位置検出装置が実現される。
【００７６】
また、さらに、この回転機は、シャフトの端部に回転プレートを備え、シャフトおよび回転プレートを介して流れる漏洩磁束を回転プレートに近接して配置した磁気センサによって検出するようにしたので、磁気センサをロータおよびステータから離れた位置に配置することができる。したがって、ロータおよびステータのコイル発熱の影響や、ステータ巻線から発生する外乱磁界の影響などを磁気センサが受けることがない。その結果、高精度な位置検出が実現される。
【００７７】
また、磁気センサは、回転プレートとステータの間において漏洩磁束が最大となる位置に配置されるので、漏洩磁束を有効に活用することができ、この点からも、外乱に対して頑強なものとなる。
【００７８】
さらに、ロータから必然的に発生する漏洩磁束を検出磁束として用いるので、ロータに磁性体片を組込んだり、界磁コイルの巻線形状を変更するなど、ロータの改造が不要となる。その結果、ロータの体積が増加することがなく、また、製造コストを抑えることができる。
【００７９】
なお、上述した実施の形態では、上述の効果においても述べたように、低コストの回転機を実現するため、ロータ２によって発生される漏洩磁束を回転プレート１８および磁気センサ２０からなる磁気検出部１１０によって検出するものとしたが、回転機はこのようなものに限られるものではない。すなわち、ホール素子などの磁気検出素子がロータに近接して配置され、ロータから発生する磁束を直接その磁気検出素子によって検出する場合であっても、各相に対応する検出磁束間の差からなる信号に基づいて位置信号を生成する方法は、同様の効果を発揮する。
【００８０】
特に、磁気検出素子がロータやステータに近接して配置され、コイル発熱による外乱を大きく受ける場合には、その外乱はかなりの程度で排除され、高度かつ複雑な外乱補正演算を行なう必要はない。
【００８１】
また、上述した実施の形態において、回転機は、トルクを発生する同期電動機でも、電圧を発生する同期発電機であってもよい。すなわち、いずれの場合においても、ロータ内の界磁コイルに界磁電流が流され、それによって磁束が発生するので、その磁束を用いてロータの回転位置を検出をすることができる。
【００８２】
そして、上述した実施の形態による回転機は、たとえば、ハイブリッド自動車に搭載され、その駆動モータまたは発電機として用いることができる。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源と、インバータと、インバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。
【００８３】
ハイブリッド自動車においては、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力を得る。また、モータは、エンジンと連結されており、ハイブリッド自動車の通常走行時、エンジンのクランク軸の回転力を電気エネルギーに変換するとともに、ハイブリッド自動車の回生制動時、駆動輪の回転力をエンジンのクランク軸を介して受け、その受けた回転力を電気エネルギーに変換する。
【００８４】
すなわち、ハイブリッド自動車に搭載されたモータは、電動機および発電機として機能するのであって、上述したように、電動機および発電機のいずれにも用いることができ、特に、回転速度が増加したときに出力を確保するために界磁電流を小さくする弱め界磁制御が行なわれる場合などにおいては、この発明による回転機制御装置によって高精度なモータ制御が可能となる。
【００８５】
また、ハイブリッド自動車のようにモータを走行の動力源とはしないが、車両が交差点の赤信号などで停車した場合にエンジンを停止し、発進すべきタイミングにてエンジンを自動で始動するエコノミーランニングシステム（エンジン自動停止・始動システム）におけるエンジン始動用のモータとしても、この発明の回転機を用いることができる。
【００８６】
また、上述した実施の形態においては、位置検出装置１０４は、信号処理部１１２によって位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊を生成して制御装置１０６へ出力するものとしたが、位置検出装置１０４から検出磁束Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの大きさに応じた電圧信号（アナログ信号）を制御装置１０６へ出力し、制御装置１０６において位置信号Ｐｕ＊，Ｐｖ＊，Ｐｗ＊を生成するようにしてもよい。
【００８７】
また、回転機制御装置１００における制御装置１０６の通電方式は、１８０度矩形波通電方式としているが、１８０度矩形波通電方式よりも電流利用率の高い１２０度矩形波通電方式と呼ばれる通電方式で制御してもよい。なお、１８０度矩形波通電方式は、１２０度矩形波通電方式と比べて電圧利用率が高い制御方式である。
【００８８】
また、インバータ１０２は、直流電源Ｂからの直流電圧を受けるとして説明したが、この発明においては、インバータ１０２は、直流電源からの直流電圧を昇圧した直流電圧を受けてもよい。
【００８９】
すなわち、直流電源Ｂが出力する直流電圧よりも電圧レベルが低い直流電圧を出力する直流電源Ｂ１と昇圧コンバータとを直流電源Ｂに代えて設ける。直流電源Ｂ１は、直流電圧を昇圧コンバータに出力する。そして、昇圧コンバータは、直流電圧を昇圧してキャパシタＣ１に供給する。
【００９０】
さらに、上記においては、インバータ１０６は、ＭＯＳトランジスタにより構成されると説明したが、これに代えてＮＰＮトランジスタであってもよい。
【００９１】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００９２】
【発明の効果】
この発明によれば、各相に対応する検出磁束間の差を演算し、その演算によって得られた信号に基づいて回転機の位置信号を生成するので、検出磁束の大きさに拘わらず、一定のデューティ比を有する位置信号が得られる。
【００９３】
また、検出磁束が小さい場合であっても位置信号が得られるので、界磁電流の大きさに対する位置検出可能範囲が拡大される。また、回転機の停止位置を検出することも可能である。
【００９４】
さらに、磁気検出部から出力される、各相に対応する検出信号の差を演算し、その演算結果に基づいて位置信号を生成するので、磁気検出部が受ける外乱の影響を排除することができる。その結果、外乱に対して頑強な回転位置検出装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この実施の形態による回転機の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す回転プレートの回転軸に垂直な断面図である。
【図３】この発明による回転機におけるロータの構成を説明する図である。
【図４】図１に示す回転機を制御する回転機制御装置の概略ブロック図である。
【図５】図１に示す磁気センサの回転軸に垂直な方向の配置図である。
【図６】図４に示す位置検出装置を機能的に説明する機能ブロック図である。
【図７】図６に示す信号処理部において変換処理を行なったときの検出磁束の大きさと位置信号との関係を説明するための図である。
【図８】図４に示す回転機制御装置における主な信号のタイミングチャートである。
【図９】３相交流回転機における検出磁束の大きさと位置信号との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１  回転機、２  ロータ、２ａ，２ｂ  部材、４  界磁コイル、６  ステータ、８  シャフト、１０，１２  軸受、１４  ブラシ、１６  プーリ、１８  回転プレート、２０  磁気センサ、２０ａ〜２０ｃ  ホール素子、１００  回転機制御装置、１０２  インバータ、１０４  位置検出装置、１０６  制御装置、１１０  磁気検出部、１１２  信号処理部、Ｂ  直流電源、Ｃ１  キャパシタ、Ｔｒ１〜Ｔｒ６  ＭＯＳトランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６  ダイオード、Ｈ  漏洩磁束。
【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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【図７】
2004222422.tif 000009
【図８】
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【図９】
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