JP6149663B2 - 機電一体型モータ - Google Patents

Description

本発明は、回転角度を検出し得る機電一体型モータに関する。

モータ制御にロータ軸の回転角度（以下、ロータ回転角度ともいう）が必要となる機電一体型モータにおいて、レゾルバを用いてロータ回転角度を検出するものが知られている。

しかし、例えばインホイールモータとして車両の前輪に用いる機電一体型モータにおいては、転舵輪ということもあって小型化が重要な課題となるが、レゾルバがあることが小型化を阻害する大きな要因となっている。

レゾルバを用いずにロータ回転角度を検出できれば、機電一体型モータの構成からレゾルバをなくして小型化を実現できる。

レゾルバを用いずにロータ回転角度を検出する構成として、特許文献１には、ｄ軸電流を制御する制御信号に対してパルス電圧を重畳させ、その電流応答を検知することによってロータ回転角度を推定するものが開示されている。

特開２００９−９０８１７号公報

しかしながら、上記文献の構成では、重畳するパルス電圧の影響によってモータにトルク変動が発生するため、モータの運転性能が悪化してしまう。

そこで本発明では、モータの運転性能の悪化を招くことなく、レゾルバを用いずにロータ回転角度を検出可能な機電一体型モータを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、機電一体型モータは、磁束の向きがロータの径方向又はロータの周方向となるようにロータ軸に配置された磁束発生部材と、ロータ軸と平行に配設されてステータと電力変換装置とを接続するモータコイルと、モータコイルに電流が流れることで発生する磁束量に基づいて電流値を検出する電流センサと、ロータ回転角度を特定するロータ回転角度特定手段とを備える。

そして、電流センサは、モータコイルに電流が流れた場合に発生する磁束量と、磁束発生部材の発生磁束量とを検出し得るよう配置される。さらに、ロータ回転角度特定手段は、電流センサが検出した磁束量がモータコイルに流れた電流によって生じる磁束量より大きい場合に、電流センサが検出した磁束量とモータコイルに流れた電流によって生じる磁束量との差に基づいてロータ回転角度を特定する。

上記態様によれば、電流センサの検出値に基づいてロータ回転角度を特定するので、独立したレゾルバを設けることなく、ロータ回転角度を特定することができる。また、ロータ回転角度の特定のためにモータ制御電流にパルス電圧等を重畳する必要がないので、モータの運転性能に影響を及ぼすこともない。

図１は、第１実施形態を適用する電動モータの断面図である。 図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。 図３は、第１実施形態における永久磁石の磁束量とロータ回転角度との関係を示す図である。 図４は、モータコイル及び電流センサの配置の他の例を示す図である。 図５は、モータコイル及び電流センサの配置のさらに他の例を示す図である。 図６は、第１実施形態を適用する電動モータの他の例を示す断面図である。 図７は、図６のVII−VII線に沿った断面図である。 図８(Ａ）はロータ回転角度がＡ[°]の状態を、図８（Ｂ）はロータ回転角度がＢ[°]の状態を、図８（Ｃ）はロータ回転角度がＣ[°]の状態を、それぞれ示す図である。 図９は、第２実施形態における永久磁石の磁束量とロータ回転角度との関係を示す図である。 図１０(Ａ）はロータ回転角度がＡ[°]の状態を、図１０（Ｂ）はロータ回転角度がＢ[°]の状態を、図１０（Ｃ）はロータ回転角度がＣ[°]の状態を、それぞれ示す図である。 図１１は、第３実施形態における永久磁石の磁束量とロータ回転角度との関係を示す図である。 図１２は、図１０(Ａ）はロータ回転角度がＡ[°]の状態を、図１０（Ｂ）はロータ回転角度がＢ[°]の状態を、図１０（Ｃ）はロータ回転角度がＣ[°]の状態を、それぞれ示す図である。 図１３は、第４実施形態における永久磁石の磁束量とロータ回転角度との関係を示す図である。 図１４は、第５実施形態におけるロータ回転角度ゼロ[°]の状態を示す図である。 図１５は、第５実施形態における電流センサで検出される磁束量とロータ回転角度との関係を示す図である。 図１６は、第６実施形態における電流センサで検出される磁束量とロータ回転角度との関係を示す図である。 図１７は、第７実施形態におけるロータ回転角度ゼロ[°]の状態を示す図である。 図１８は、第７実施形態における電流センサで検出される磁束量とロータ回転角度との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電動モータ１の、中心軸線を含む断面図である。図２は、図１のII−II線に沿った断面図である（以下、この断面をII−II断面ともいう）。

本実施形態の電動モータ１は、前ケース１０Ａに後述する電力変換に係る装置が、後ケース１０Ｂにモータがそれぞれ収められて一体化した、いわゆる機電一体型モータである。この電動モータ１は、例えば車両用のインホイールモータや、電動パワーステアリングの駆動装置等に適用し得る。

後ケース１０Ｂには、永久磁石を有するロータ６のロータ軸７がベアリング８を介して回転自在に支持されている。そして、後ケース１０Ｂの内周壁には、ロータ６を囲むように、ステータ５が圧入等により固定されている。ステータ５は複数相のステータコアからなり、各ステータコアにはステータコイルが巻き回されている。これらのステータコイルに通電することにより、ロータ６が回転する。

ロータ軸７の前ケース１０Ａ側の端部には、磁束発生部材としての永久磁石９が配置されている。この永久磁石９はロータ６に配置した永久磁石とは目的も構成も異なり、発生する磁束はロータ６に配置した永久磁石の磁束に比べて十分に弱い。また、永久磁石９は、Ｓ極とＮ極とがロータ軸７の周方向に並ぶように配置される。これにより、永久磁石９の磁束線は、図２の磁束線３０のようになる。なお、磁束線３０、３１は磁束の向きを示すために代表的なものを示したに過ぎず、一般的な磁石と同様に、この他にも同様の向きで多数の磁束線が発生している。

前ケース１０Ａには、外部に設けられたバッテリからの直流電流を交流電流に変換するインバータ４と、インバータ４と各ステータコイルとを接続するモータコイル２と、モータコイル２に流れる電流を検知するための電流センサ３とが、それぞれステータコアの数だけ備えられる。なお、ステータコイルの巻き方は集中巻、分巻きのいずれであってもよい。

また、前ケース１０Ａには、モータ制御を実行するコントローラ２０も収められている。コントローラ２０は、例えば電動モータ１を車両用のインホイールモータとして使用する場合には、統合コントローラからの出力指令等に応じて電動モータ１の出力制御を実行する。

モータコイル２はロータ軸７と平行に配設される。

電流センサ３は、モータコイル２に通電した場合に発生する磁束（以下、モータコイル２の磁束ともいう）を検知する磁束検知素子（例えばホール素子等）を内蔵し、検知した磁束量に応じた電流値を出力するものである。電流センサ３は、検出できる磁束の向きが決まっているので、この検出可能な向きがモータコイル２の磁束の向きと一致するように配置する。図２では、モータコイル２に紙面裏側から表側に向けて電流が流れて、磁束線２Ａのように反時計回りの磁束が生じる。そこで、電流センサ３で検出可能な磁束の向き（図２の矢印３Ａ）を、モータコイル２の磁束の向きに合わせる。

また、本実施形態では、電流センサ３を、永久磁石９で発生する磁束（以下、永久磁石９の磁束ともいう）も検出し得るよう配置する。このため、電流センサ３で検出可能な磁束の向きを、永久磁石９の磁束の向きとも合わせる。その結果、例えば、図２に示すような配置となる。

なお、電動モータ１は相の数に応じた複数のモータコイル２及び電流センサ３を備えるが、本実施形態で後述するロータ回転角度の特定に用いるモータコイル２及び電流センサ３は一組なので、図２にはモータコイル２及び電流センサ３を一組だけ示している。

上記のような構成にすることで、電流センサ３は、モータコイル２の磁束を検出することができ、かつ、ロータ軸７の回転に伴って永久磁石９が電流センサ３に近づいたときには、永久磁石９の磁束も検出することができる。

次に、電動モータ１のロータ回転角度の特定方法について説明する。

図３は、相電流がゼロ[Ａ]、つまりモータコイル２に電流が流れていない場合に、電流センサ３で検出する永久磁石９の磁束とロータ回転角度との関係を示す図である。縦軸が永久磁石９の磁束量[Ｗｂ]、横軸がロータ回転角度[°]である。

なお、図２の状態、つまり永久磁石９が電流センサ３に最も接近した状態のロータ回転角度をゼロ[°]とする。このときの磁束量をφ１[Ｗｂ]とする。

ロータ軸７が回転すると永久磁石９が電流センサ３から遠ざかる方向へ移動し、電流センサ３を通過する永久磁石９の磁束が変化する。このため、ロータ回転角度がゼロ[°]の状態からロータ軸７を回転させると、磁束量はφ１[Ｗｂ]から徐々に小さくなり、３６[°]でゼロになる。そのままロータ軸７を回転させ続けると、ロータ回転角度が１８０[°]（−１８０[°]）までは永久磁石９は電流センサ３から遠ざかり、１８０[°]を超えると再び接近し始める。そして、ロータ回転角度が−３６[°]より大きくなると電流センサ３は磁束を検出し始め、ゼロ[°]で再び磁束量φ１[Ｗｂ]が検出される。つまり、ロータ軸７が一回転する毎に磁束量φ１[Ｗｂ]が検出される。

そこで、図３に示すような特性を予めテーブル化等しておけば、永久磁石９が電流センサ３に最も近づくロータ回転角度を基準として±３６[°]の範囲において、電流センサ３で検出した磁束量に基づいてロータ回転角度を特定することができる。

なお、上記説明では相電流がゼロ[Ａ]の場合について説明したが、相電流が流れている場合でも、以下に説明するように、同様の範囲でロータ回転角度を特性できる。

相電流が流れるとモータコイル２の磁束が発生し、電流センサ３はこのモータコイル２の磁束量も検出する。したがって、永久磁石９が上述した範囲内に位置するロータ回転角度であれば、電流センサ３により検出される磁束量は、モータコイル２の磁束量と永久磁石９の磁束量との合計となる。一方、永久磁石９が上述した範囲外となるロータ回転角度であれば、電流センサ３はモータコイル２の磁束量のみを検出する。

すなわち、相電流が流れている場合に、永久磁石９の磁束量を電流センサ３が検出可能なロータ回転角度になると、モータコイル２の磁束量よりも大きな磁束量が電流センサ３により検出される。モータコイル２の磁束量は電流値から算出することができるので、電流センサ３で検出された磁束量がモータコイル２の磁束量よりも大きければ、永久磁石９の位置が上述した範囲となるロータ回転角度であると特定できる。

さらに、永久磁石９が上述した範囲に位置するときにモータコイル２の磁束量に上乗せされる磁束量とロータ回転角度との関係は、図３に示す磁束の特性と同様である。つまり、図３の縦軸を、モータコイル２の磁束量に上乗せされる磁束量として見ればよい。これにより、電流センサ３が検出した磁束量とモータコイル２の磁束量との差に基づいて、ロータ回転角度を特性することができる。

なお、永久磁石９、モータコイル２、及び電流センサ３の位置関係は、図２に示したものに限られず、例えば図４−図７に示すような位置関係であってもよい。図４、図５、及び図７は図２と同様の位置から見た永久磁石９、モータコイル２、及び電流センサ３の位置関係を示す図で有る。図６は、図７に示した構成の電動モータ１についての、中心軸線を含む断面図である。

図４の構成は、図２の構成における電流センサ３の位置とモータコイル２の位置を入れ替えたものである。このような構成でも、電流センサ３は永久磁石９及びモータコイル２の磁束量を検出することができる。

図５の構成は、永久磁石９が、Ｎ極が外周側でＳ極が内周側となる向きでロータ軸７に配置されている。このため、永久磁石９の磁束の向きはロータ軸７の径方向外側を向く（図５の破線９Ｂ）。そして、電流センサ３は、モータコイル２の磁束量と永久磁石９の磁束量との両方を検出するために、検知可能な磁束の向きがロータ軸７の径方向となる向きで、モータコイル２とロータ軸７の周方向に並ぶように配置されている。

上述した図１、２、４、５の構成は、いずれも同一平面（II−II断面）上に永久磁石９、モータコイル２、及び電流センサ３が存在したが、これらは必ずしも同一平面上にある必要はない。図６の構成では、電流センサ３とモータコイル２とを含むVII−VII断面上に永久磁石９がない。このような構成であっても、図７に示すように、永久磁石９はＮ極とＳ極とがロータ軸７の周方向に並ぶ向きで配置され、磁束を検知可能な方向がロータ軸７の周方向となるように電流センサ３が配置されていれば、電流センサ３は永久磁石９とモータコイル２の両方の磁束量を検出することができる。

以上のように本実施形態によれば、機電一体型の電動モータ１において、磁束の向きがロータ６の径方向又はロータ６の周方向となるようにロータ軸７に配置された永久磁石９（磁束発生部材）と、ロータ軸７と平行に配設されたモータコイル２と、モータコイル２に電流が流れることで発生する磁束量に基づいて電流値を検出する電流センサ３と、ロータ軸７の回転角度を特定するコントローラ（ロータ軸回転角度特定手段）２０と、を備える。そして、電流センサ３は、モータコイル２の磁束と永久磁石９の磁束とを検出し得るよう配置され、コントローラ２０は、モータコイル２の磁束と電流センサ３が検出した磁束との差に基づいてロータ軸７の回転角度を特定する。

これにより、レゾルバを用いることなくロータ回転角度を特定することができる。また、ロータ回転角度の特定のために電動モータ１の運転性能に影響を及ぼすこともない。

例えば、図１、図２で説明した構成においては、電流センサ３で検出された磁束量と相電流が流れた場合に検出されるモータコイル２の磁束量との差が磁束量φ１[Ｗｂ]となるたびに、ロータ軸７が一回転したと特定できる。また、上記磁束量の差がφ１[Ｗｂ]となる位置を基準として±３６[°]の範囲では、上記磁束量の差に基づいてロータ回転角度を特定することができる。

なお、特定可能な範囲は使用する永久磁石の磁束量により定まるものであり、上述した±３６[°]というのは、あくまでも一例である。

また、本実施形態では永久磁石９をロータ軸７の外周部に配置したが、電流センサ３で磁束が検知されるのであれば、ロータ軸７の中心部に配置してもよい。中心部に配置しても、ロータ軸７が回転することによって永久磁石９も回転し、電流センサ３で検出される磁束量が変化するので、磁束量に基づいてロータ回転角度を特定することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態は、ロータ回転角度が電流センサ３の位置を基準として±３６[°]の範囲にある場合のみ、ロータ回転角度を特定できるものであった。これに対し本実施形態は、ロータ軸７が一回転する間の全域にわたってロータ回転角度を特定し得るものである。

本実施形態で用いる電動モータ１は、五相交流モータであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相、Ｙ相の各相をそれぞれ２つに分割したものである。そして、同相のスタータコアがロータ軸７を挟んで対向するよう、周方向に均等間隔で配置されている。

図８（Ａ）−図８（Ｃ）は、いずれも本実施形態のモータコイル２及び電流センサ３の配置を示す図である。図９は各電流センサ３が検出する永久磁石９の磁束量とロータ回転角度との関係を図３と同様に示す図である。図９中のＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｘ１、Ｙ１、Ｕ２・・・Ｙ２は、当該磁束量を検知可能な電流センサ３が配置されている相を示している。

図８（Ａ）は図９のロータ回転角度Ａ[°]の状態、図８（Ｂ）は図９のロータ回転角度Ｂ[°]（０[°]）の状態、図８（Ｃ）は図９のロータ回転角度Ｃ[°]の状態を示している。

上記のように、五相交流モータにおいて各相を２分割し、同相のスタータコアがロータ軸７を挟んで対向するよう均等間隔で配置されているので、モータコイル２及び電流センサ３も、図８の各図に示すように周方向に均等間隔で並ぶ。すなわち、１０個の電流センサ３が周方向に均等間隔で配置されることとなる。

図８（Ｂ）に示すように、永久磁石９がＵ２相のモータコイル２の磁束量を検出する電流センサ３（以下、Ｕ２相の電流センサ３ともいう。他の相についても同様である。）に最も近づいた状態のロータ回転角度をゼロ[°]とする。このとき、図９に示すように、Ｕ２相の電流センサ３により磁束量φ１[Ｗｂ]が検出される。

なお、各相の電流センサ３で磁束を検出できる範囲は、第１実施形態と同様に永久磁石９が電流センサ３に最も近づいた状態を基準として±３６[°]である。

また、図８（Ａ）に示すように、永久磁石９がＹ１相の電流センサ３に最も近づいた状態、つまりロータ回転角度が−３６[°]のときは、Ｙ１相の電流センサ３により磁束量φ１[Ｗｂ]が検出される。一方、図８（Ｃ）に示すように、永久磁石９がＶ２相の電流センサ３に最も近づいた状態、つまりロータ回転角度が３６[°]のときは、Ｖ２相の電流センサ３により磁束量φ１[Ｗｂ]が検出される。

つまり、図８（Ｂ）の状態からさらにロータ軸７が回転すると、永久磁石９の磁束量φ１[Ｗｂ]を検出する電流センサ３は、Ｕ２相の電流センサ３、Ｖ２相の電流センサ３、Ｘ２相の電流センサ３、Ｙ２相の電流センサ３・・・と移行し、ロータ軸７が一回転するとＵ２相の電流センサ３に戻る。また、図９に示すように、磁束量φ１[Ｗｂ]となるロータ回転角度を基準として±３６[°]の範囲では、ロータ回転角度に応じた磁束量が検出される。したがって、ロータ回転角度が一回転する間、永久磁石９の磁束量は常にいずれかの電流センサ３により検出されることとなる。

そこで、図９に示すような特性を予めテーブル化等しておき、磁束量を検出している電流センサ３及び検出した磁束量を特定すれば、ロータ回転角度を特定することができる。

例えば、Ｕ２相の電流センサ３が磁束量φ１[Ｗｂ]を検出しているときは、ロータ回転角度はゼロ[°]と特定できる。また、Ｕ２相の電流センサ３とＶ２相の電流センサ３とがそれぞれ磁束量φ２[Ｗｂ]を検出しているときは、ロータ回転角度は１８[°]であると特定できる。

以上のように本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、以下の効果が得られる。

複数のモータコイル２を備え、モータコイル２毎に電流センサ３を配置するので、より広い範囲でロータ回転角度を特定できる。

また、複数の電流センサ３を均等な間隔で環状に配置することで、ロータ回転角度を０−３６０[°]の全域にわたって特定することができる。

なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、相電流が流れている場合でも適用可能である。

（第３実施形態）
本実施形態も、第２実施形態と同様にロータ軸７が一回転する間の全域でロータ回転角度を特定し得るものである。以下、第２実施形態との相違点を中心に説明する。

図１０（Ａ）−図１０（Ｃ）はそれぞれ図８（Ａ）−図８（Ｃ）に対応する図であり、図１１は図９に対応する図である。また、図１０（Ａ）は図１１のロータ回転角度Ａ[°]の状態、図１０（Ｂ）は図１１のロータ回転角度Ｂ[°]の状態、図１０（Ｃ）は図１１のロータ回転角度Ｃ[°]の状態を示している。

本実施形態の電動モータ１は、三相交流モータであり、各相を２分割している。したがって、図１０（Ａ）−図１０（Ｃ）に示すように、６組のモータコイル２及び電流センサ３が、周方向に均等間隔で配置される。

また、ロータ軸７の端部には、第１、２実施形態と同様の永久磁石９が３つ、周方向に近接して並べて配置されている。上述したように、永久磁石９の磁束は、電流センサ３に最も近づいた状態を基準としてロータ回転角度が±３６[°]の範囲にあれば、電流センサ３に検出される。そこで、本実施形態では、電流センサ３がロータ回転方向先頭の永久磁石９の磁束量を検出してから、ロータ回転方向後端の永久磁石９の磁束量が検出されなくなるまでのロータ回転角度範囲が±６０[°]となるような間隔で３つの永久磁石９を配置する。

図１０（Ａ）の状態、つまり３つの永久磁石９のうち中央の永久磁石９（以下、中央の永久磁石９ともいう）がＶ１相の電流センサ３に最も近づいた状態では、図１１に示すようにＶ１相の電流センサ３で磁束量が検出される。そして、Ｖ１相の電流センサ３で磁束量が検出されるロータ回転角度範囲は、図１０（Ａ）の状態を基準として±６０[°]である。

図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）の状態についても同様に、中央の永久磁石９が最も近づいた状態を基準とした±６０[°]の範囲で、電流センサ３により磁束量が検出される。

各相を２分割した三相交流モータの場合、ステータコアは６個なのでモータコイル２も６本となり、配置される電流センサ３も６個となる。このため、第１、第２実施形態のように永久磁石９を一つだけ使用し、各電流センサ３の磁束検出可能範囲が電流センサ３の位置を基準として±３６[°]の構成では、隣り合う電流センサ３の間に磁束量を検出できない領域が生じる。つまり、ロータ回転角度の特定が不可能な範囲が生じてしまう。

これに対して本実施形態では、永久磁石９の数を増やすことでロータ軸７側の磁束分布を幅広く持たせ、各電流センサ３の磁束検出可能範囲を±６０[°]としたので、６個の電流センサ３を周方向に均等間隔で配置すれば、全域にわたってロータ回転角度を特定することができる。

以上のように本実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果に加え、さらに、以下の効果が得られる。

ロータ軸７の外周の、周方向に延びる一部の領域に、３つの永久磁石９が周方向に近接して並ぶよう配置されているので、永久磁石９が一つだけの場合に比べて広い範囲のロータ回転角度を特定することができる。

なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、相電流が流れている場合でも適用可能である。

（第４実施形態）
本実施形態は、第２実施形態と同様にロータ軸７が一回転する間の全域でロータ回転角度を特定し得るものであり、さらに、ロータ回転角度を検知する分解能を高めたものである。以下、第２実施形態との相違点を中心に説明する。

図１２（Ａ）−図１２（Ｃ）はそれぞれ図８（Ａ）−図８（Ｃ）に対応する図であり、図１３は図９に対応する図である。また、図１２（Ａ）は図１３のロータ回転角度Ａ[°]の状態、図１２（Ｂ）は図１３のロータ回転角度Ｂ[°]の状態、図１２（Ｃ）は図１３のロータ回転角度Ｃ[°]の状態を示している。

本実施形態の電動モータ１は、各相を三分割した三相交流モータであり、図１２（Ａ）−図１２（Ｃ）に示すように、９組のモータコイル２及び電流センサ３が、周方向に均等間隔で配置される。

また、ロータ軸７の端部には、２つの永久磁石９Ａ、９Ｂが周方向に偏在して配置されている。ここでいう「偏在」とは、一方の永久磁石９がいずれかの電流センサ３に最も近づくロータ回転角度のときに、他方の永久磁石９がいずれか２つの電流センサ３の中間の角度に位置する関係をいう。例えば、図１２（Ａ）のように、一方の永久磁石９ＡがＶ２相の電流センサ３に最も近づいたときに、他方の永久磁石９ＢがＵ１相の電流センサ３とＶ１相の電流センサ３の中間となる角度に位置する。

永久磁石９Ａ、９Ｂの磁束は、電流センサ３に最も近づいた状態のロータ回転角度を基準として±３０[°]の範囲で電流センサ３に検出されるものとする。

上記のように２つの永久磁石９Ａ、９Ｂを偏在させると、図１２（Ａ）のように永久磁石９ＡがＶ２相の電流センサ３に最も近づいたときに、永久磁石９ＢはＵ１相の電流センサ３とＶ１相の電流センサ３との中間に位置する。このため、図１３に示すようにＶ２相の電流センサ３により永久磁石９Ａの磁束量が検出される。

そこからロータ軸７が２０[°]回転すると、図１２（Ｂ）に示すように、永久磁石９ＢがＶ１相の電流センサ３に最も近づき、永久磁石９ＡはＶ２相の電流センサ３とＷ２相の電流センサ３との中間に位置する状態となる。このとき、図１３に示すようにＶ１相の電流センサ３により永久磁石９Ｂの磁束量が検出される。

さらにロータ軸７を２０[°]回転させると、図１２（Ｃ）に示すように、永久磁石９ＡがＷ２相の電流センサ３に最も近づき、永久磁石９ＢはＶ１相の電流センサ３とＷ１相の電流センサ３との間に位置する状態となる。このとき、図１３に示すようにＷ２相の電流センサ３により永久磁石９Ａの磁束量が検出される。

上記のように本実施形態の構成では、ロータ軸７が２０[°]回転する毎に永久磁石９Ａ、９Ｂが交互に電流センサ３に最も近づく。つまり、永久磁石９Ａがいずれかの電流センサ３に最も近づいた状態から隣の電流センサ３に最も近づいた状態になるまでの中間で、永久磁石９Ｂが他の電流センサ３に最も近づいた状態となる。すなわち、永久磁石９が一つだけの場合に比べて、ロータ軸７が一回転する間にいずれかの電流センサ３が磁束量φ１[Ｗｂ]を検出する回数が倍になる。このため、ロータ回転角度を検知する分解能が高くなる。

また、本実施形態の構成では、例えばＶ１相の電流センサ３が磁束量φ１[Ｗｂ]を検出した場合に、その磁束が永久磁石９Ａの磁束であるか永久磁石９Ｂの磁束であるかを特定する必要がある。そこで、例えばＶ１相の電流センサ３が磁束量φ１[Ｗｂ]を検出した場合には、他の相の電流センサ３の検出値も読込む。これにより、Ｖ２相の電流センサ３とＷ２相の電流センサ３とが磁束量φ３[Ｗｂ]を検出していれば、Ｖ１相の電流センサ３で検出した磁束量は永久磁石９Ｂのものであり、ロータ回転角度はゼロ[°]と特定できる。一方、Ｕ３相の電流センサとＶ３相の電流センサ３とが磁束量φ３[Ｗｂ]を検出していれば、Ｖ１相の電流センサ３が検出した磁束量は永久磁石９Ａのものであり、ロータ回転角度は−１４０[°]と特定できる。

以上のように本実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果に加え、さらに、複数の永久磁石９が、周方向に偏在して配置されているので、永久磁石９が一つの場合に比べて、ロータ回転角度を特定する分解能を向上させることができる。

なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、相電流が流れている場合でも適用可能である。

（第５実施形態）
図１４は、本実施形態における永久磁石９、モータコイル２及び電流センサ３の配置について図２等と同様に示したものである。

図１４に示すように、磁束量の異なる複数（図中では７個）の永久磁石９Ａ−９Ｇが、磁束量の大きさの順に円環状に配置されている。以下、永久磁石９Ａ−９Ｇについて区別する必要がない場合は、単に永久磁石９という。

また、各永久磁石９は、ロータ軸７の直径に沿って外周側がＮ極、内周側がＳ極となる向きで配置されている。

モータコイル２は、例えばＵ相及びＶ相の２つが設けられ、電流センサ３は、上述した各実施形態と同様に、モータコイル２の磁束と永久磁石９の磁束とを検出可能な向きで配置されている。

図１５は、相電流を流さない状態でロータ軸７が回転した場合に、Ｕ相の電流センサ３が検出する磁束量とロータ回転角度との関係を示す図である。ロータ回転角度は、図１４の状態、つまり最も磁束量が小さい永久磁石９ＡがＵ相の電流センサ３に最も近づいた状態をゼロ[°]とする。

永久磁石９Ａの磁束量をφ５１[Ｗｂ]、ロータ軸７の中心を挟んで永久磁石９Ａと反対側にある永久磁石９Ｅの磁束量をφ５２[Ｗｂ]とすると、ロータ回転角度がゼロ[°]のとき、Ｕ相の電流センサ３は永久磁石９Ａの磁束量φ５１[Ｗｂ]を検出する。そして、ロータ回転角度が１８０[°]近く回転して永久磁石９ＥがＵ相の電流センサ３に最も近づくと、Ｕ相の電流センサ３は永久磁石９Ｅの磁束量φ５２[Ｗｂ]を検出する。その他の永久磁石９についても同様に、永久磁石９の磁束量と、その磁束量が検出されるときのロータ回転角度とを調べると、各永久磁石９の磁束が異なるので、図１５に示すように磁束に対するロータ回転角度が一意に定まる。

そこで、検出される磁束とロータ回転角度との関係を予め調べて図１５のようなテーブルを作成し、Ｕ相の電流センサ３が検出した磁束量で図１５のテーブルを検索することで、ロータ回転角度を特定できる。例えば、電動モータ１が作動する前のロータ初期位置を特定することができる。

なお、Ｖ相の電流センサ３で検出する磁束量とロータ回転角度との関係について同様の手法でテーブル化し、Ｖ相で検出した磁束量を用いてロータ回転角度を特定してもよい。また、本実施形態では二相交流モータに適用する場合について説明したが、本実施形態はいずれか一つの電流センサ３の検出値に基づいてロータ回転角度を特定するものであり、三相交流モータや五相交流モータであっても同様に適用することができる。

また、図１４では永久磁石９を磁束の大きさの順に周方向に並べているが、磁束とロータ回転角度との関係が一意に定まるのであれば、他の順に配置しても構わない。

以上のように本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、以下の効果が得られる。

磁束量が異なる複数の永久磁石９が周方向に並べて配置されているので、電流センサ３で検出される磁束量に応じて、ロータ回転角度が一意に定まる。このため、電流センサ３で検出した磁束量に基づいてロータ回転角度を特定することができる。

なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、相電流が流れている場合でも適用可能である。相電流が流れている場合は、電流センサ３が検出する磁束にモータコイル２の磁束が上乗せされるので、図１５の縦軸の値は上方向にシフトするが、ロータ回転角度に対して磁束が一意に定まる点は同じである。

（第６実施形態）
本実施形態は、図１４に示した二相交流に相電流が流れている場合に、ロータ回転角度を特定するものである。

図１６は、Ｕ相の電流センサ３で検出する磁束量とＶ相の電流センサ３で検出する磁束量とを合算した合算磁束と、ロータ回転角度との関係を示す図である。

ロータ回転角度は、第５実施形態と同様に、最も磁束量が小さい永久磁石９ＡがＵ相の電流センサ３に最も近づいた図１４の状態をゼロ[°]とする。

また、いずれか２つの永久磁石９が同時にＵ相、Ｖ相の電流センサ３に最も近づくことがないように各永久磁石９を配置する。つまり、いずれかの永久磁石９がＵ相の電流センサ３に最も近づいたときに、他の永久磁石９のいずれも、Ｖ相の電流センサ３に最も近づいた状態にはならないよう各永久磁石９を配置する。

ロータ回転角度がゼロ[°]の場合、Ｕ相の電流センサ３が検出する磁束量は永久磁石９Ａの磁束量φ５１とＵ相のモータコイル２の磁束との合算値となる。一方のＶ相の電流センサ３が検出する磁束量は、永久磁石９Ｅの磁束量φ５２’とＶ相のモータコイル２の磁束との合算値となる。なお、ロータ回転角度ゼロ[°]の状態では永久磁石９ＥはＶ相の電流センサ３に最も近づいた状態ではないので、この状態でＶ相の電流センサ３が検出する永久磁石９Ｅの磁束量φ５２’は、永久磁石９ＥがＶ相の電流センサ３に最も近づいた場合の磁束量φ５２[Ｗｂ]に比べると小さい。

ところで、二相交流モータの場合、Ｕ相のモータコイル２の磁束とＶ相のモータコイル２の磁束との総和はゼロ[Ｗｂ]となる。したがって、Ｕ相の電流センサ３の検出値とＶ相の電流センサ３の検出値とを合算すると、合算磁束量φｔ０はＵ相の電流センサ３が検出した永久磁石９Ａの磁束量φ５１とＶ相の電流センサ３が検出した永久磁石９Ｅの磁束量φ５２’との和になる。

上記と同様にロータ回転角度毎に合算磁束量φｔを算出すると、２つの永久磁石９が同時にＵ相及びＶ相の電流センサ３に最も近づくことがないように配置されているので、図１６に示すように、合算磁束量φｔに対してロータ回転角度が一意に定まる。そこで、図１６に示すようなテーブルを予め作成しておき、算出した合算磁束量φｔによりテーブル検索することで、ロータ回転角度を特定することができる。

以上のように本実施形態によれば、第５実施形態と同様の効果に加え、さらに、以下の効果が得られる。

相の異なるモータコイル２に配置された電流センサ３が検出した磁束量の総和に基づいてロータ回転角度を特定するので、相電流が流れている状態でも容易にロータ回転角度を特定することができる。

（第７実施形態）
本実施形態は、第６実施形態とは別の方法により、二相交流に相電流が流れている場合に、ロータ回転角度を特定するものである。

本実施形態の電動モータ１は、各相を２つに分割した二相交流モータとする。

図１７は、永久磁石９とモータコイル２と電流センサ３との関係について示した図であり、図１４との相違点は、図１４のＵ相の位置がＵ１相に、同じくＶ相の位置がＵ２相になっている点である。なお、モータコイル２及び電流センサ３は、Ｕ１相とＵ２相とについてのみ示し、他の相については省略している。

また、永久磁石９ＡがＵ１相の電流センサ３に最も近づいた状態のロータ回転角度をゼロ[°]とし、永久磁石９Ａが各電流センサ３に最も近づいた状態の磁束をφ６１、永久磁石９Ｅが各電流センサ３に近づいた状態の磁束をφ６２とする。

ロータ回転角度がゼロ[°]のとき、Ｕ１相の電流センサ３はＵ１相のモータコイル２の磁束と、永久磁石９Ａの磁束量φ６１を検出する。一方、Ｕ２相の電流センサ３は、Ｕ２相のモータコイル２の磁束と、永久磁石９Ｅの磁束（磁束量φ６２よりやや小さい）を検出する。

ところで、同相のモータコイル２には同じ電流が流れるため、Ｕ１相の電流センサ３が検出した磁束とＵ２相の電流センサ３が検出した磁束の差分（以下、差分磁束ともいう）を算出すると、モータコイル２の磁束は相殺され、永久磁石９Ａの磁束と永久磁石９Ｅの磁束との差分となる。

上記と同様にロータ回転角度毎に差分磁束量φｄを算出すると、２つの永久磁石９が同時にＵ１相及びＵ２相の電流センサ３に最も近づくことがないように配置されているので、図１８に示すように、差分磁束量φｄに対してロータ回転角度が一意に定まる。したがって、図１８に示すようなテーブルを予め作成しておき、算出した差分磁束量φｄによりテーブル検索することで、ロータ回転角度を特定することができる。

なお、上記説明ではＵ１相及びＵ２相の電流センサ３の検出値を用いる場合について説明したが、Ｖ１相及びＶ２相の電流センサ３の検出値を用いても同様にロータ回転角度を特定することができる。

以上のように本実施形態によれば、第５実施形態と同様の効果に加え、さらに以下の効果が得られる。

同相のモータコイル２に配置された電流センサ３が検出した磁束量の差分に基づいてロータ回転角度を特定するので、相電流が流れている状態でも容易にロータ回転角度を特定することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 電動モータ
２ モータコイル
３ 電流センサ
４ インバータ
５ ステータ
６ ロータ
７ ロータ軸
９ 永久磁石

Claims (8)

1. モータと電力変換装置とを一体に備える機電一体型モータにおいて、
   磁束の向きがロータの径方向又はロータの周方向となるようにロータ軸に配置された磁束発生部材と、
   前記ロータ軸と平行に配設されてステータと前記電力変換装置とを接続するモータコイルと、
   前記モータコイルに電流が流れることで発生する磁束量に基づいて電流値を検出する電流センサと、
   前記ロータ軸の回転角度であるロータ回転角度を特定するロータ回転角度特定手段と、
   を備え、
   前記電流センサは、前記モータコイルに電流が流れた場合に発生する磁束量と、ロータ回転角度が所定範囲にある場合の前記磁束発生部材の発生磁束量とを検出し得るよう配置され、
   前記ロータ回転角度特定手段は、前記電流センサが検出した前記磁束発生部材の発生磁束量に基づいて前記ロータ回転角度を特定することを特徴とする機電一体型モータ。
2. 請求項１に記載の機電一体型モータにおいて、
   前記モータコイルを複数個備え、前記モータコイル毎に前記電流センサを配置することを特徴とする機電一体型モータ。
3. 請求項２に記載の機電一体型モータにおいて、
   複数の前記電流センサが、均等な間隔で環状に配置されていることを特徴とする機電一体型モータ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の機電一体型モータにおいて、
   前記ロータ軸の外周の、周方向に延びる一部の領域に、複数の前記磁束発生部材が周方向に近接して並ぶよう配置されていることを特徴とする機電一体型モータ。
5. 請求項３に記載の機電一体型モータにおいて、
   複数の前記磁束発生部材が、周方向に偏在して配置されていることを特徴とする機電一体型モータ。
6. 請求項１に記載の機電一体型モータにおいて、
   磁束量が異なる複数の前記磁束発生部材が周方向に並べて配置されていることを特徴とする機電一体型モータ。
7. 請求項２に記載の機電一体型モータにおいて、
   磁束量が異なる複数の前記磁束発生部材が周方向に並べて配置され、
   前記ロータ軸回転角度特定手段は、相の異なる前記モータコイルに配置された前記電流センサが検出した磁束量の総和に基づいて前記ロータ軸の回転角度を特定することを特徴とする機電一体型モータ。
8. 請求項２に記載の機電一体型モータにおいて、
   磁束量が異なる複数の前記磁束発生部材が周方向に並べて配置され、
   前記ロータ回転角度特定手段は、同相の前記モータコイルに配置された前記電流センサが検出した磁束量の差分に基づいて前記ロータ軸の回転角度を特定することを特徴とする機電一体型モータ。

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