JP2006180580A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のロータの回転角を検出する回転角検出器の製作に二工程を要し、製作コストが高くなっていた。
【解決手段】回転電機は、ハウジング１０に固定されたステータ２０と、ハウジングに支持された回転軸２５に取り付けられステータと対向しているロータ３０と、回転軸の端部に固定された被接触子３５及びハウジングに固定され被接触子に摺接する接触子４０と、
回転軸に固定された磁極部５０及びハウジングに固定され磁極部と対向しているセンサ部６０とを含み、ロータの回転角を検出する回転角検出器７０とを備える。磁極部は、プラスチックマグネットから成り複数の磁極が円周方向に隔設された環状磁石５６を含む本体５１と、本体に埋設された補強部材５７とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機、特にそのロータの回転角を検出する回転角検出器に関する。

例えばハイブリッド車に使用される駆動モータのような回転電機では、ロータの回転位置に基づきステータのコイルに流す電流を制御する。電流の制御にはロータの位置即ち基準位置からの回転角を知ることが必要となり、そのために磁気式の回転角検出器が開発されている。従来の回転角検出器（特許文献１参照）は図６に示すセンサ磁極１５０と、図７に示す位置センサ１５５とから成る。

センサ磁極１５０は保持板１５１と、その側面に固定されＮ極とＳ極とが円周方向で交互に位置する環状磁石１５３とを含み、ロータが固定された回転軸（不図示）に固定されている。これに対して、位置センサ１５５はプリント基板１５６と、その側面に固定されたホール素子１５８とを含み、ロータを回転可能に支持するハウジング（不図示）に固定され、小さなすきまで上記センサ磁極１５０と対向している。

ハウジングに固定されたステータ（不図示）に対してロータが回転し、センサ磁極１５０の環状磁石（Ｎ極、Ｓ極）１５３が位置センサ１５５のホール素子１５８の前方を通過すると、パルス信号が発生する。このパルス信号に基づき、ステータコアに流す電流を制御する。
特開平９−６５６２０号公報

上記従来の回転角検出器、特にそのセンサ磁極１５０は以下の点で改良の余地がある。センサ磁極１５０を構成する保持板１５１と環状磁石１５３とを別工程でそれぞれ製作し、その後接着剤などで環状磁石１５３を保持板１５１に取り付けている。これでは、保持板１５１の製作工程、環状磁石１５３の製作工程、及び保持板１５１と環状磁石１５３との接着工程が必要となり、その結果センサ磁極１５０の製作コストが上昇する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、低コストで製作できる回転角検出器を含む回転電機を提供することを目的とする。

発明者は、回転角検出器の磁極部をプラスチックマグネットで成形し、その際補強部材を埋設することを着想して本発明を完成した。本発明は、請求項１に記載したように、ハウジングに固定されたステータと、ハウジングに支持された回転軸に取り付けられステータと対向するロータと、回転軸の端部に固定された被接触子及びハウジングに固定され被接触子に摺接する接触子と、回転軸に固定された磁極部ハウジングに固定され磁極部と対向するセンサ部とを含みロータの回転角を検出する回転角検出器とから成る。磁極部は、プラスチックマグネットから成り複数の磁極が円周方向に隔設された環状磁石を備えた本体と、本体に埋設された補強部材とを含む。

以下、本発明の回転電機及びその構成要素の種々の態様につき説明する。回転電機には車両用交流発電機（オルタネータ）、車両用電動機（モータ）、及び電動発電機（ＭＧ）が含まれる。交流発電機は外部から駆動力により回転され交流を発生する。電動機は直流モータであり、車載バッテリで駆動される。ＭＧ（モータ／ジェネレータ）は一台でモータの機能とジェネレータ（オルタネータ）の機能とを併せ持つ。但し、回転電機の用途は車両用に限らない。

ステータはステータコアとステータコアに巻かれたステータコイルとを含み、ロータはロータコアとロータコアに巻かれたロータコイルとを含む。なお、ロータは永久磁石から成っても良い。回転軸の一部（例えば端部）に取り付けされる被接触子、及びハウジングの一部に固定される接触子としては、スリップリングとブラシ、又はコミテータ（整流子）とブラシとが組み合わされる。環状のスリップリングは一対（２つ）設けられ、半円状のコミテータは一対（２つ）設けられる。一対のブラシが、一対のスリップリング又は一対のコミテータに摺接される。

本発明の回転角検出器は磁極部とセンサ部とを含む。磁極部は本体と補強部材とを有する。本体を構成するプラスチックマグネットは、着磁可能でありながら、種々の形状に成形可能な性質を持つ材料である。材質としてフェライト系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｃｏ系及びＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系が挙げられる。等方性を持つ場合も、異方性を持つ場合もある。バインダとしては６−ｎｙｌｏｎ，１２−ｎｙｌｏｎが挙げられる。プラスチックマグネットを円板形状に成形して本体を作り、その外周寄り部分を着磁して、多数のＮ極と多数のＳ極とが円周方向で交互に位置する環状磁石を形成している。

プラスチックマグネットから成る本体の強度を補強するために、金属製で円板形状の補強部材が本体内に埋設されている。補強部材の直径は本体の直径よりも小さく、本体の厚さ方向で中央部、又は何れか一側面側にずれた位置に埋設されている。ずれて形成すると、補強部材の一側面と他側面とで本体の厚さが異なる。厚さのあつい側をセンサ側に向けることが望ましい。補強部材は本体の成形時に一体的に埋設（一本化）できる。なお、磁極部の磁極の通過を磁気的に検出するセンサ部としては、保持板とホール素子とから成る汎用のものを使用できる。

回転角検出器はその外周面に冷却用ファンを備えることができる。ファンはプラスチックマグネットにより本体の成形時に一体に形成しても良いし、補強部材を半径方向外向きに延長して形成しても良い。ファンが起こす風が回転角検出器を冷却し、温度上昇を抑制する。また、補強部材にその厚さ方向に貫通する孔を形成したり、補強部材の表面に複数の凸部又は凹部を形成することができる。凸部等の形成により本体と補強部材との接触面積が広がり、両者の結合力が大きくなる。

本発明にかかる回転電機によれば、磁極部の本体をプラスチックマグネットで形成しその一部の環状磁石を形成したので、磁極部の製作工程が簡単になり、その製作コストが低減できる。また、本体内に補強部材を埋設しているので、磁極部即ち磁極部の強度が不足する心配がない。請求項２の回転電機によれば、環状磁石の形成を妨げることなく、しかも簡単な工程で補強部材を埋設できる。

請求項３及び４の回転電機によれば、磁極部の回転時に環状磁石及びセンサ部ででロータの回転が検出できるとともに、冷却用ファンに回転角検出器すなわち磁極部及びセンサ部の発熱が抑制できる。請求項５の回転電機によれば、より少ない体積の環状磁石でロータの回転角を検出できる。請求項６及び７の回転電機によれば、補強部材に形成した孔又は凸部により本体と補強部材との接触面積が広くなり、両者の結合力が大きくなる。

以下、最良の形態を添付図面を参照しつつ説明する。

＜最良の形態＞
（構成）
図１に示す最良の形態は、本発明を回転電機の一種である、車両用交流発電機としての電動発電機に適用したものである。発電電動機は、ハウジング１０と、ハウジング１０の内面に保持されたステータ２０と、ハウジング１０に回転可能に支持されたロータ３０と、回転軸２５の一端部（図１で右端部）に取り付けられた一対のスリップリング３５と、ハウジング１０に固定されスリップリング３５の外周に摺動するブラシ４０と、ステータ２０に対するロータ３０の相対位置即ち基準位置からの回転角度を検出する回転角検出器７０とから成る。

図１に示すように、ハウジング１０はフロント側（図１で左側）のフロントハウジング１１、リア側のリアハウジング１４、及びリアハウジング１４のリア側に結合されたリアカバー１７等からなる。フロントハウジング１１及びリアハウジング１４は、次述する回転軸２５の一端及び他端を軸受２６を介して回転自在に支持している。リアカバー１７はリアハウジング１４と共同して、次述する一対のスリップリング３５、ブラシ４０及び回転角検出器７０を収容している。

ステータ（固定子）２０は、フロントハウジング１１の内周面に固定されたステータコア（固定子鉄心又は電機子鉄心とも言う）２１と、ステータコア２１に巻かれた三相のステータコイル（固定子巻線又は電機子巻線とも言う）２３とを含む。ステータコア２１は、シート状の鉄板を積み重ねた積層コアから成り円柱形状を持つ。ステータコイル２３はステータコア２１の多数のスロットに巻装され、それぞれの一端がＹ結線又は△結線され、他端が外部接続端子（不図示）に接続されている。外部接続端子は、次述するロータ３０の回転に伴いステータコイル２３で発生する三相交流電流を直流電流に変換する三相整流回路（図示せず）等に接続されている。

ロータ３０はフロントハウジング１１及びリアハウジング１４に軸受２６を介して回転自在に支持された回転軸２５に取り付けられ、回転軸２５と一体的に回転する。２個のロータコア（回転子鉄心又は界磁鉄心とも言う）３１と、これらのロータコア３１に巻装された２個のロータコイル（回転子巻線又は界破巻線とも言う）３３とを有している。２個のロータコイル３３はロータコア３１の各中央部に巻装され、各端末が２個のスリップリング３５に接続されている。回転軸２５の端部にＶプーリ２７が固定され、回転軸２５とともに回転する。このＶプーリ２７は、エンジンの出力軸に装着されたＶプーリ（不図示）に、ベルトで結合されている。

銅又はステンレス等から成る一対のスリップリング３５はそれぞれ円環形状を持ち、回転軸２５の右端部に固定されている。一方のスリップリング３５がバッテリの正極側に接続され、他方のスリップリング３５が負極側に接続されている。電気黒鉛又は金属黒鉛等から成る一対のブラシ４０はブラシホルダ４２に収容され、ブラシホルダ４２内に収容されたブラシスプリング（不図示）によって上記一対のスリップリング３５の外周面に押圧されている。

次に、図１及び図２等に基づき、回転角検出器７０を説明する。回転角検出器７０は図２に示した磁極部５０と、前記図７に示したセンサ部６０とから成る。このうち、磁極部５０は本体５１と補強板５７とを含む。本体５１はプラスチックマグネットから成り、全体として円板形状を持つ。中心に貫通孔５２があけられ、補強板５７の一側面に厚肉部５３ａが、他側面に薄肉部５３ｂがそれぞれ形成され、厚肉部５３ａにくぼみ５４が形成されている。外周寄りに円周方向にＮ極及びＳ極が交互に軸方向に着磁された環状磁石５６が形成されている。

金属製の補強板５７は円板形状を持ち、その外径は本体の外径より小さく、外周寄りに複数の貫通孔５８が円周方向に隔設されている。本体５１の厚さ方向で中央よりも少し右方に位置している。その結果、補強板５７の一側面すなわち次述するセンサ部６０に対向する側に厚さｘの厚肉部５３ａが、その反対側に厚さｙの薄肉部５３ｂが形成されている。補強板５７は本体５１の成形時に本体内５１に埋設され、一体化された。磁極部５０は、ボルト５９で回転軸２５の右端部に固定されている。

センサ部６０（図６参照）は、プリント基板６２と、その側面に固定された３個のホール素子６４とを含む。プリント板６２は、リアカバー１７に、センサ磁極５０と微小間隙で対向するように固定されている。ホール素子６４は、磁束を検知することによりステータ２０に対するロータ３０の相対位置を検出し、検出結果をリード線を介して制御装置（図示せず）を出力する。

（作用）
エンジンの始動時は、電動発電機を車両用電動機として利用する。そのために、三相駆動回路により三相のステータコイル２３に順次交流電流を供給する。また、一対のブラシ４０及び一対のスリップリング３５を介して２個のロータコイル３３に直流電流を供給する。すると、各ステータコイル２３及び各ロータコイル３３が電磁石となり、電磁誘導作用によりステータ２０に対してロータ３０が回転する。回転軸２５の回転力がＶプーリ２７等を介してエンジンの出力軸に伝達され、エンジンが始動する。

回転軸２５の回転時に磁極部５０が回転し、その磁束の変化をセンサ部６０で検出して、ロータ３０の位置（回転角）信号を外部の制御装置に出力する。ロータ３０の回転方向が一定方向で、且つ所定の回転速度が得られるように、三相のステータコイル２３へ順次供給する交流電流を制御する。

エンジの始動後は、電動発電機を車両用発電機として利用する。そのためには、エンジンの回転動力をＶプーリ２７等を介して回転軸２５に伝達し、回転軸２５を回転させる。一対のブラシ４０及び一対のスリップリング３５を介してロータ３０に直流電流が供給されると、２個のロータコイル３３が励磁されて電磁石となる。電磁石となったロータ３０がステータ２０に対して回転すると、ステータコア２１の三相のステータコイル２３に順次交流電流が誘起される。この三相の交流電流は三相整流回路で直流電流に整流され、直流電圧がバッテリを充電したり、電気負荷へ供給される。

（効果）
この最良の態様によれば、磁極部５０の製作コストが安価になる。本体５１の一部を着磁して環状磁石５６を形成しており、環状磁石５６を本体５１に取り付ける工程が不要となるからである。また、本体５１の成形時に金属板５７をその内部に埋設しているので、プラスチックマグネットから成る本体５１の強度が不足することがなく、しかも本体５１と補強板５７との結合は不要である。

さらに、磁極部は本体５１の一側の厚肉部５３ａがセンサ部６０に対向するように回転軸２５に固定されているため、環状磁石５６の量（体積）を最小限にしつつ、磁極部５０及びセンサ部６０でロータ３０の回転角を正確に検出できる。その理由は、厚肉部５３ａがセンサ部６０の信号を検出するのに有効な位置（対向位置）にあることによる。加えて、補強板５７の貫通孔５８に本体５１の一部が進入しているので、本体５１と補強板５７との結合力が向上している。

＜変形例＞
以下、上記磁極部の種々の変形例につき説明する。図３（ａ）及び（ｂ）に示す第１変形例の磁極部１００は、その外周面に冷却用ファン１０３が形成されている。回転角検出器７０の作動時に熱が発生するので、その安定した作動を確保するためにはセンサ６０などの冷却が必要である。さりとて、センサ６０などの冷却のために専用の冷却手段を設ければ、部品点数の増加によりコストが上昇し、配置スペースが必要になり回転電機が大型化する。

そこで、本体１００の外周面に複数枚の冷却用ファン１０３を円周方向に隔設している。これらのファン１０３は本体１０１の成形時に同時に形成されたもので、本体１０１とほぼ同じ幅を持ち、所定長さ半径方向外向きに突出している。この磁極部１００によれば、図２の磁極部５０の効果に加えて、磁極部１００の回転時、環状磁石１０２がロータ２０の回転角を検出すると共に、ファン１０３が風を起こし、冷却風をセンサ６０等に送り、これらの温度上昇を抑制する。

図４（ａ）及び（ｂ）に示す第２変形例の磁極部１１０では、冷却用ファン１１５が補強部材１１１に形成されている。すなわち、補強部材１１１は円板部１１２の他に、その外周縁から半径方向外向きに突出した複数の延長部１１３、及び延長部１１３の先端に形成され軸方向に延びた矩形状のファン１１５を含む。第２変形例によれば、第１変形例と同様の効果が得られ、加えて金属から成るファン１１５の形成が容易になり、強度が大きくなる。

図５に示す第３変形例の磁極部１２０は、補強部材１２２には貫通孔１２３が形成されるとともに、一側面（図５で右側面）に断面円形状の敵数個の凸部１２４が形成され、本体１２１のこれに対応する部分はへこんでいる。このようにすれば、図２の磁極部５０の効果に加えて、本体１２１と補強部材１２２との接触面積が増え、両者の結合力が向上する効果が得られる。

最良の形態による回転電機を示す正面断面図である。 （ａ）図１の回転電機の磁極部の正面図、（ｂ）は（ａ）の２−２断面図である。 （ａ）は磁極部の第１変形例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の３−３断面図である。 磁極部の第２変形例を示す縦断面図である。 磁極部の第３変形例を示す縦断面図である。 従来例の磁極部の側面図、（ｂ）は同じく縦断面図である。 従来のセンサ部の正面図である。

符号の説明

１０：ハウジング ２０：ステータ
２１：ステータコア ２３：ステータコイル
２５：回転軸 ３０：ロータ
３１：ロータコア ３３：ロータコイル
３５：スリップリング ４０：ブラシ
５０：磁極部 ５１：本体
５６：環状磁石 ５７：補強板
６０：センサ部 ６２：プリント基板
６４：ホール素子 １０３，１１５：ファン
１２４：凸部

Claims (7)

1. ハウジング（１０）に固定されたステータ（２０）と、
   前記ハウジングに支持された回転軸（２５）に取り付けられ前記ステータと対向しているロータ（３０）と、
   前記回転軸の端部に固定された被接触子（３５）、及び前記ハウジングに固定され該被接触子に摺接する接触子（４０）と、
   前記回転軸に固定された磁極部（５０）、及び前記ハウジングに固定され該磁極部と対向しているセンサ部（６０）を含み、前記ロータの回転角を検出する回転角検出器（７０）と、を備え、
   前記磁極部は、プラスチックマグネットから成り複数の磁極が円周方向に隔設された環状磁石（５６）を含む本体（５１）と、該本体に埋設された補強部材（５７）とを含むことを特徴とする回転電機。
2. 円板形状の前記本体の外周寄りに前記環状磁石が形成され、その外径が該本体の外径よりも小さい円板形状の前記補強部材が、該本体の成形時に埋設されている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記本体は前記環状磁石の外周側に冷却用ファン（１０３）を備えている請求項２に記載の回転電機。
4. 前記補強部材は、前記本体の外周面から半径方向外向きに延びた冷却用ファン（１１５）が形成されている請求項２に記載の回転電機。
5. 前記磁極部の厚さ方向において、前記本体は前記補強部材の一側部（５３ａ）の厚さが他側部（５３ｂ）の厚さよりも厚く、該一側部側が前記センサ部に対向している請求項３又は４に記載の回転電機。
6. 前記補強部材に形成された孔（５８）に前記本体が進入している請求項５に記載の回転電機。
7. 前記補強部材に形成された凸部（１２４）が前記本体に進入している請求項５に記載の回転電機。

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