(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相巻線を有する固定子（１２）と、
回転子（１３）の軸に対して半径方向に磁化されている永久磁石部分（１４）および該永久磁石部分を少なくとも部分的に取り囲む非磁性構造（２６）を有する回転子（１３）と、
前記回転子の角度位置を検出するための手段（２４）であって、前記固定子の多相巻線の少なくとも１つを含む、少なくとも１つの発信回路の共振周波数の変化を測定する手段を有する検出手段（２４）と、を含むブラシレス電気機械であって、
前記非磁性構造（２６）が、前記永久磁石部分の円周の角度位置に対応して、異なった厚さ或いは異なった透磁率の領域（４２，４３，４４）を有することを特徴とするブラシレス電気機械。
【請求項２】
前記領域が前記永久磁石部分の磁化の方向に垂直で前記回転子の軸を通過する平面（４１）に関して対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス電気機械。
【請求項３】
前記非磁性構造が、金属スリーブ（２６）であって、開口部（４４）或いは該スリーブの肉薄部分（４３）を形成する窪み部分（４０）を有する金属スリーブ（２６）を含むことを特徴とする請求項１また２に記載のブラシレス電気機械。
【請求項４】
前記窪み部分が誘電体材料で充填されていることを特徴とする請求項３に記載のブラシレス電気機械。
【請求項５】
前記窪み部分の各々が７０°と１１０°の間にあり、好ましくは実質的に９０°に等しい角度の広がりを有することを特徴とする請求項３に記載のブラシレス電気機械。
【請求項６】
前記窪み部分が２つの半径方向に正反対に対向する窓によって形成されることを特徴とする請求項３に記載のブラシレス電気機械。
【請求項７】
前記窪み部分が２つの前記開口部の軸方向の列によって形成され、該列が半径方向に正反対に対向していることを特徴とする請求項３に記載のブラシレス電気機械。
【請求項８】
前記スリーブ（２６）が真鍮であることを特徴とする請求項３に記載のブラシレス電気機械。
【請求項９】
前記永久磁石部分（１４）が円筒状外形を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のブラシレス電気機械。
【請求項１０】
前記永久磁石部分（１４）が２つの平らな平面によって連結された互いに対称な２つの円筒表面を含むことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のブラシレス電気機械。
【請求項１１】
前記平らな平面の各々がシリンダの金属セグメント（４６）によってカバーされていることを特徴とする請求項１０に記載のブラシレス電気機械。
【請求項１２】
前記永久磁石部分（１４）が異方性構造を有することを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載のブラシレス電気機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相巻線を備えた固定子、回転子の軸に関して半径方向に磁化された少なくとも１つの永久磁石と、少なくとも部分的にその磁石を取り囲んだ非磁性構造とを有する回転子、及び回転子の角度位置を検出するための手段を備えたブラシレス電気機械に関する。
【０００２】
本発明は特に、回転子の位置を示す構造部分を備えている永久磁石同期電動機の可変周波数可変振幅多相電源を自動制御するための回転子の角度位置の検出に適用可能であり、ここで、この電源は正弦波あるいは連続電流のパルスによるものとすることが出来る。医療器具あるいは歯科器具のような一定の応用分野で、器具の寸法の低減という観点からモータの大きさやモータとその制御装置との間の接続線の数をできる限り減らすことが必要であるので、この種のモータが好まれる。
【０００３】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
自動制御の目的は特に最大トルクを得て、同期電動機の同期外れを避けることである。特に、低速度でそのトルクと速度に対して良好な制御を可能にし、仕事の特殊なサイクルの実行を許容し、回転子の小さな回転数あるいは僅かな回転での運転を可能にすべきである。
【０００４】
磁気ホールセンサあるいは角度エンコーダを使用して例えば回転子の位置を指示する従来の自動制御装置はモータが幾らか大きくなるという問題やモータと制御装置との間の電気接続線が追加になるという問題点がある。他の公知の装置は固定子巻線のインピーダンスの変化を検出するために変圧器を使用するが、これらの重くて大きい部品はやはり問題である。
【０００５】
固定子巻線のインピーダンスの変化を回転子の磁界の位置の関数として検出するために固定子巻線に印加された高周波電圧を使用することは公知である。例えば、特開平JP 9-163788 A は、モータの始動を最大のトルクと効率で制御できるようにするために、固定子の３相で測定された３つの高周波電圧に基づいた停止時のロータの位置の推定を提供している。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかしながら、本発明者は、固定子が発信回路に直列に接続され、この回路の共振周波数が観測されるとき、その周波数が回路のインピーダンスの変化のために変化し、これが特に固定子巻線における回転子の磁束の変化に関係することを見出した。回転子の角度位置はこの周波数の変化に基づいて計算できる。本願の出願日後に公開されたフランス特許出願第98 09153号に、回転する回転子の角度位置を計算し、その結果としてモータの電源パルスを制御するために、異なった周波数を有する２つの発信回路を使用することが述べられている。
【０００７】
本発明者は、焼結永久磁石(sintered permanent magnet)だけ取り付けられた回転子は固定子巻線に対するその角度位置(angular position)の関数としてほぼ１０％程度の周波数の変化をこの周波数を通過するとき生じさせることを見出した。この変化は選択的に整列させられた分子構造、即ち、磁石の製造から生ずる異方性に帰するものである。従って、残念ながら、このように得られる周波数の変化は比較的弱く、部分的にランダムである。それは利用はできるが、この変化は高精度は望めない。
【０００８】
本発明の１つの目的は、機械が動いているか静止しているかに拘わらず、発信回路の共振周波数の変化を増幅して、しかも回転子の角度位置の簡単かつより正確な検出が出来るようにして、上述した種類の電気機械を改善することである。
この目的のために、本発明の電気機械は、非磁性構造が磁石の円周の周りに異なった厚さあるいは異なった透磁率の領域を有するという特徴を有する。
【０００９】
換言すれば、回転子磁石の円周表面と固定子磁極片(pole piece)の内面との間の半径方向のギャップが、エアギャップと上記非磁性構造を含み、回転子の円周の周りで変化し得る磁束の通過のための条件を提供する。これらの条件はエアギャップを含むこのギャップ内に存在する層の性質と厚さの両方に依存する。
発信回路のために固定子巻線によって回転子を通って生ずる高周波磁束は、磁石の特性のためばかりでなく更にそれを囲む非磁性構造の形状のために回転子の角度位置で変化するという結果になる。磁石の磁極の対するこの構造の幾何学的形状を適切に選択することにより所望の効果を増大させることが可能になる。上記の異なった厚さ或いは異なった透磁率の領域は好ましくは磁石の磁化の方向に垂直で回転子の軸を通過する平面に関して対照的に配置される。
【００１０】
この種の小型モータでは非磁性材料のスリーブ内に回転子磁石を固定することは公知であり、その目的は特に遠心力の影響の下で磁石が飛び出すのを防ぐことである。医療の用途で、特に殺菌(sterilisation)処置を要求する用途では、使用される金属は、その機械加工の容易さとその耐蝕性の良さのために一般に真鍮である。本発明の１つの好都合な実施例においては、その回転子の非磁性構造はこのようなスリーブを含み、このスリーブは開口部あるいはそのスリーブの肉薄の部分(thinned part)を形成する窪み部分を有する。これらの窪み部分は誘電体材料、例えばエポキシレジンで充填することができ、好都合である。
【００１１】
本発明による電気機械はモータであっても発電機であってもあるいは両方のモードで運転できる電気機械であってもよいことに注意すべきである。
１つの好適な実施例では、回転子の角度位置を検出するための手段は、発信回路を形成し、その発信回路の共振の周波数における変化を検出するように固定子の巻線に選択的に接続されるように配置された測定手段を含む。しかしながら、本発明の原理は他のタイプの検出手段を用いて使用することも出来ることに注目することが重要である。この点に関しては、回転子の金属スリーブに誘起される渦電流が採用される検出方法において主役を演じる。
【００１２】
本発明の他の特徴と利点は、付属の図面を参照した以下の種々の実施例の記述において明らかになるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
多相固定子１２、及び永久磁石１４を有し、その回転軸が１５で示されている回転子１３を備えたブラシレス同期電動機１１は図１に示されている。固定子１２はスターあるいはデルタ接続された３相巻線１６，１７及び１８を有し、それらの端子１９，２０及び２１はローパスフィルタ２３を介して、好ましくは正弦波の３相電圧発生機を含む制御回路２２によって給電される。フィルタ２３は下記に述べる高周波帯域ｆをブロックするように配置される。制御装置２２はまた公知の方法で、電源電圧の大きさ、周波数、及び位相をオペレータならびに回転子１３の角度位置を示す信号Ｐによって供給される設定信号Ｘの関数として可変可能にする調整手段を含む。信号Ｐは回転子の角度位置のための検出手段２４によって与えられる。
【００１４】
回転子１３の磁石１４は半径方向の磁化を有し、それは、或る与えられた瞬間でのその角度位置が固定子に対して固定された基準方向Ｄと作る角度θによって表される磁化軸Ａによって表される。しかしながら、本発明は磁石１４が多極であるときや回転子１３が軸Ａのような１つあるいは幾つかの磁化の軸を持つ、幾つかの磁石を含む場合でも同じく適用可能であることに注意すべきである。
【００１５】
以下に述べるように、回転子１３は磁石１４の周りに非磁性構造２６を含み、これは、その磁石の円周の周りに異なった厚さあるいは異なった透磁率の領域を持つ。図１に示した例では、非磁性構造２６は真鍮のスリーブによって形成され、それには開口部４４が形成される。
検出手段２４はスイッチ回路３０を含み、固定子１２の端子１９，２０、及び２１にその入力３０ａ，３０ｂ及び３０ｃを選択的に接続され得るようにする。コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は入力３０ａとアースとの間に直列に接続され、同様にコンデンサＣ２及び抵抗Ｒ２は入力３０ｃとアースとの間に直列に接続される。更に入力３０ｂはコンデンサＣ３を介してオペアンプ３１の出力に接続され、その反転入力はＣ１とＲ１の間の接続点３２に接続され、またその非反転入力はＣ２とＲ２の間の接続点３３に接続される。接続点３３はまた周波数を測定する回路３４に接続され、これは例えばマイクロプロセッサによって形成される計算手段３５に測定信号ｆｍを供給する。この手段３５は接続線３６を通してスイッチ回路３０に接続されて制御を行い、それは更に信号ｆｍの値を用いて回転子１３の角度位置θを計算し、制御装置２２へその位置を表す信号Ｐを供給する。
【００１６】
計算手段３５は、各々が３つの連続したスイッチング状態のシーケンスからなる測定サイクルをもたらすようにスイッチ回路３０を制御する。従って、回路３０の入力３０ａ，３０ｂ及び３０ｃはそれぞれ、第１段階で端子１９，２０及び２１に、第２段階で端子２０，２１及び１９に、そして第３段階で端子２１，１９及び２０に接続される。これらの状態の各々において増幅器３１、抵抗Ｒ１及びＲ２、コンデンサＣ１，Ｃ２及びＣ３、及び巻線１６，１７及び１８のインダクタンスは高周波の共振周波数ｆを有する発信回路を形成する。これは特に、回転子の磁界の角度位置θと共に変わる前記のインダクタンスに依存する。各サイクルの継続時間は非常に短く、例えば４８μｓより短く、従って角度θ及び、従って共振の周波数は１サイクル中でごく僅かしか変化しないか、或いは回転子が停止している場合は全く変化しない。この瞬時周波数は回路３４によって測定され、測定信号ｆｍによって表される。
【００１７】
計算手段３５は従って、固定子巻線のスイッチングの１２０°だけ互いにずれた位置に対応する各測定サイクル毎の３つの測定周波数ｆｍ１，ｆｍ２及びｆｍ３を受け取る。同業者にとっては、回転子の瞬時角度位置θを計算するのにこれらの測定値の内の２つで充分であるが、第３の測定値はチェックに役立つ。
信号Ｐによって表されるθの値に基づいて制御装置２２に含まれる自動制御手段は、これらのパラメータ及び設定信号Ｘの関数としてモータ１１への電源を制御するために、特に回転子の速度及び回転磁界と回転子との間の位相遅れを計算することが出来る。
【００１８】
図２から８までは回転子の異なった実施例を示し、ここで磁石１４を囲む非磁性体構造は金属スリーブ２６、例えば真鍮のスリーブによって形成される。実際には磁石は一般に回転子の中央のシャフトによって横切られる、即ち、管状の形状を有する。
図２の場合、磁石１４は円筒形である。スリーブ２６は磁石に対抗して位置する円筒形の内部表面を有する。スリーブはその内部表面上に、スリーブの厚さ部分の一部分の上のみに延び、その各々が角度の広がり(angular extension)αを有する２つの窪み部分４０を有する。２つの窪み部分４０は磁化Ａの方向に垂直で、回転子の軸１５を通過する軸平面４１に関して互いに対称である。窪み部分４０は従ってスリーブ２６の円周の周りに、通常の厚さの２つの領域４２と、そのスリーブから切り取られた部分によって形成される、低減された厚さの２つの領域４３とを確立する。換言すれば、スリーブ２６の外部表面は領域４２内の最大半径ｒ2と領域４３内のより小さい半径ｒ1を有する。回転子が円形の円周を有することが望まれるなら、空気の透磁率に等しいかあるいはそれより大きく、スリーブ２６のそれより著しく良くない透磁率を有する材料で各窪み部分４０を充填することが可能である。この材料はスリーブを強くすることが出来、例えばエポキシレジンによって形成することができる。
【００１９】
図３の例は、窪み部分４０がスリーブ２６の厚さ部分を丁度通過する開口部４４によって置き換えられていることを除いて図２のそれと同様である。各開口部は磁石１４の長さの大部分にわたって延びている細長の窓によって形成され得る。しかしながら以下から分るように回転子の各面に沿ういくつかの開口部の列を備えることも可能である。
【００２０】
図４に示した回転子は、磁石１４が磁化軸Ａの一方側と他方側上に２つの平らな側面を有し、それに沿って磁石１４とスリーブ２６の間にシリンダの金属セグメントが取り付けられていることを除いて図３の構成と実質的に同じ構成を有する。これらのセグメントはたとえば軟鋼、鋼、銅あるいは真鍮とすることが出来る。それらは、固定子の磁束に関連して、この磁束に対する回転子の角度位置の関数として、回転子の透磁率に追加的変化を作り出す。
【００２１】
図５の構成はセグメント４６が磁石１４と開口部４４の間に置かれており、従って磁石の極に面している点で図４のそれと異なっている。
図６から８までの例は図３から５までのそれらとそれぞれスリーブ２６の開口部４４が磁石１４の磁極に対抗して置かれずにその側面に置かれている、即ち、磁化軸Aの一方側と他方側上に置かれている点で異なっている。したがって、磁石の磁極をカバーするのはスリーブ２６の窪んでいない部分である。
【００２２】
図９と図１０の例はスリーブ２６を省略した図７と図８のそれらに対応する、即ち、回転子の磁気回路は本質的に磁石１４と円筒形セグメント４６を含むということである。図９の場合、セグメント４６は磁化軸Ａに関して側面に置かれているのに対し、図１０の場合はそれらは磁石の磁極に面して置かれている。これらの両方の場合において回転子の補強は重要な磁気的役割を有しない構造部分によって、例えば、 磁石１４やセグメント４６の周辺を越えて延びないように円形溝の中に鋳込まれたレジンあるいはフープ (hoop)のジャケット(jacket）によって、考慮することが出来、これによって空隙を最小に減らすことが出来る。
【００２３】
本出願人は本発明によって与えられる利点を示すために幾つかの比較試験を実行した。図１１から１３までは試験に用いた幾つかの回転子１３のシース(sheath)２６の異なった構成を概略的に示す。使用された磁石はサマリウムコバルトで作られた。幾つかの供試品では、磁石１４は円筒状外形を有し、別のサンプルでは上に述べたようにそれに結合される円筒形セグメント４６を有する。回転子のシャフトは磁石を貫通し硬化可能な(hardenable)ステンレススチールで作られた。
【００２４】
図１１の構成において、２つの開口部４４は窓の形状で、即ち、それらは磁化軸Aに垂直な平面に関して互いに対照的であるように、図３による回転子の磁極に面している。これに反して、図１２の例では、２つの開口部４４は窓の形状で図６に示したように側面に配置されている。即ち、それらは磁化軸Ａを通る平面に関して互いに対称である。図１３の例は、それが窓の形状の開口部の代わりに２列の円形開口部４４を有することを除いては図１１の例と同様である。円筒形磁石１４と一定厚さのスリーブ２６を有する回転子も、基準を与えるために試験され、共振の周波数の変化が測定されたが、１０％を超えなかった。
【００２５】
図１４から１６は，１から９までの番号を付けた９つの回転子のサンプルでの試験で測定された周波数の相対変化Δｆ／ｆを示す。使用された発信回路の平均周波数ｆは１．７ＭＨｚ程度であった。Δｆは低速での回転子の１回転中に１サンプルに対して測定された最大周波数と最小周波数との間の差である。
【００２６】
図１４に示した結果は、窓４４の異なった角度の広がりαを有する、図３と１１とを合わせた構成で得られた。αの値はサンプル４で７０°、サンプル５で90°そしてサンプル６で110°であった。図１５に示した結果は、図６と図１２に従った構成に相当するものである。開口４４の角度の広がりαの値はサンプル１で１１０°、サンプル２で９０°そしてサンプル３で７０°であった。この結果は図１４の結果程には良くないが、基準サンプルの結果よりは実質的にまだ良くなっていることが分る。図１６に示した結果は図１３に従ったスリーブ２６の構成に相当する。サンプル７及び８においては磁石は、図４に見られるような側面で２つの金属セグメント４６によって側面が守られており(flanked)、これらのセグメントはサンプル７ではステンレススチール、サンプル８では真鍮のものである。サンプル９では磁石は図３に示したような円筒形状を有する。これらの３つのサンプルは良い結果を与えているがセグメント４６の効果は下限に近いものであることが注目される。
【００２７】
窓の形状の開口部４４の角度の広がりに関しては、図１４及び１５はその有効性を示している、即ち、Δf/fはαと共に増加する傾向があるが、開口部がスリーブ２６の機械強度を過度に減らすことがないようにするために大き過ぎるべきではないとすれば、実質上９０°に等しいαの値が最適を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、制御手段とその回転子の角度位置を検出するための手段を有するブラシレス電動機の概略の示す図である。
【図２】回転子の１実施例の概略断面図である。
【図３】回転子の他の実施例を示す図２と同様な図（その１）である。
【図４】回転子の他の実施例を示す図２と同様な図（その２）である。
【図５】回転子の他の実施例を示す図２と同様な図（その３）である。
【図６】回転子の他の実施例を示す図２と同様な図（その４）ある。
【図７】回転子の他の実施例を示す図２と同様な図（その５）である。
【図８】回転子の他の実施例を示す図２と同様な図（その６）である。
【図９】回転子の他の実施例を示す図２と同様な図（その７）である。
【図１０】回転子の他の実施例を示す図２と同様な図（その８）である。
【図１１】回転子を取り巻くスリーブの異なった構成を示す斜視図（その１）である。
【図１２】回転子を取り巻くスリーブの異なった構成を示す斜視図（その２）である。
【図１３】回転子を取り巻くスリーブの異なった構成を示す斜視図（その３）である。
【図１４】図１１から１３による構成を持つ種々の回転子の試験中に得られた周波数の変化を示す図（その１）である。
【図１５】図１１から１３による構成を持つ種々の回転子の試験中に得られた周波数の変化を示す図（その２）である。
【図１６】図１１から１３による構成を持つ種々の回転子の試験中に得られた周波数の変化を示す図（その３）である。
【符号の説明】
１１…モータ
１２…固定子
１３…回転子
１４…永久磁石
１５…回転軸
１６，１７，１８…巻線
１９，２０，２１…固定子巻線端子
２４…検出手段
２６…スリーブ（非磁性構造）
３０…スイッチ回路
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…入力
３１…オペアンプ（増幅器）
３４…測定回路
３５…計算手段
４０…窪み部分
４２，４３…領域
４４…開口部
４６…セグメント
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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