JP2007060734A

JP2007060734A - 回転電機

Info

Publication number: JP2007060734A
Application number: JP2005239641A
Authority: JP
Inventors: Masao Kikuchi; 正雄菊池; Hitoshi Isoda; 仁志磯田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2007-03-08
Also published as: US7479718B2; US20070216240A1

Abstract

【課題】回転位置検出器が外部磁界の影響を受けないようにし、回転位置検出器の出力に含まれるノイズを低減して回転位置検出器の誤動作を防止する。
【解決手段】ステータ２と、回転軸４を有し、ステータ２と同軸に回転するロータ１と、ステータ２を支持し固定するとともに、回転軸４を回転できるように支持するブラケット５，６と、回転軸４の負荷側と反対側に配置されたロータ１の回転位置を検出する回転位置検出部１１と、回転位置検出部１１の外周側に配設されたスイッチング素子９を有するパワー部１８とを有する回転電機において、回転位置検出部１１に、その外周を覆い、スイッチング素子９が発生する磁界をシールドするシールド部材１２を設置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータなどの回転電機に関し、特に、回転位置検出部と回転電機の電流を制御するスイッチング素子部とを有し、車両用など、小さなスペースに設置する小形の回転電機に関するものである。

例えば、特許文献１に開示された制御装置一体型電動機においては、制御装置ケースが電動機の負荷側と反対側のエンドブラケットまたはハウジングに固定され、制御装置ケースを貫通するシャフトの負荷側と反対側の端部に冷却ファンが取り付けられている。制御装置ケース内にはインバータ回路と、インバータ回路の内周側に配設されたロータの位置検出器とが内蔵されている。

特開平１１−２７９０３号公報（第４−５頁、図２）

電動機の出力調整は、インバータ回路のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御によって行われている。スイッチング素子が動作した際には、急激な電流変化に伴う急峻な磁界変化が発生するため、この磁界変化が他の機器や回路に電磁ノイズとして現われ、誤動作を招くおそれがある。

上記特許文献１の制御装置一体型電動機においては、スイッチング素子を含むインバータ回路部とロータの回転位置検出器が近接して配置されているため、上記急峻な磁界変化によって発生するノイズが、回転位置検出器の出力に重畳されてしまい、ロータの位置を誤検出するという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、回転位置検出器が外部磁界の影響を受けないようにして回転位置検出器の出力に含まれるノイズを低減し、回転位置検出器の誤動作を防止することを目的とする。

本発明に係る回転電機は、ステータと、上記ステータと同軸に回転する回転軸に固定されたロータと、上記ステータを支持し固定するとともに、上記回転軸を回転できるように支持するブラケットと、上記回転軸の一端側に配置された上記ロータの回転位置を検出する回転位置検出部とを有する回転電機において、
上記回転位置検出部に、その外周を覆い、外部磁界をシールドするシールド部材を設置したものである。

本発明に係る回転電機よれば、回転位置検出部の外周を覆い、外部磁界をシールドするシールド部材を設置したので、回転位置検出部の外部で発生する磁界は、大部分がシールド部材に吸収され、回転位置検出部に分布する磁界強度は著しく小さくなり、回転位置検出部の出力に重畳されるノイズレベルが、回転位置検出部を誤動作させない程度にまで低減される。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。以下に説明する実施の形態は、ステータやロータに設けられた巻線に供給する電流を制御するスイッチング素子部を有する制御装置を回転電機に搭載した制御装置一体型の回転電機の構造を例として示している。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る回転電機の実施の形態１を示す断面模式図であり、図２は、回転位置検出部の周辺を軸方向からみた側面図である。本実施の形態１における回転電機は、ブラケット５，６に支持され固定されたステータ２と、ブラケット５，６に回転できるように支持された回転軸４を有し、ステータ２と同軸に回転するロータ１とを備えている。ステータ２はステータ巻線３を有し、ロータ１はロータ巻線３３を有する。回転軸４の負荷側にプーリ１７が取り付けられ、プーリ１７は図示しない負荷と繋がっており、負荷側と反対側のブラケット５に、スイッチング素子９とヒートシンク１０とを含むパワー部１８が取り付けられている。パワー部１８のスイッチング素子９を制御する制御回路部１３が、パワー部１８の外側（負荷側と反対方向）に取り付けられたケース１５内に収容されている。回転位置検出部１１が、回転軸４の負荷側と反対側の端部に取り付けられており、回転位置検出部１１は、回転位置検出部１１の外周側に配設されたパワー部１８との間には空間部１９が形成されるように配設されている。パワー部１８は、回転軸４と同心円上に配置されており、３相交流で制御される回転電機であれば、例えば、図２に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が円周上の水平方向の両側と垂直方向の下部に配置される。また、例えば、界磁巻線型回転電機のような場合、円周上における残りの垂直方向の上部の空間に、ロータ巻線３３に電流を供給するブラシ部８が配置される。このような配置により、空間を有効活用し、コンパクトな制御装置一体型の回転電機が実現できる。

図２に示したように、回転位置検出部１１は、回転軸４とほぼ同心円状の外形を有している。回転位置検出部１１とパワー部１８との径方向の間には、回転軸４を中心とした円筒形状または角柱形状に近い形状の空間部１９が形成されている。シールド部材１２は、回転軸４と同心円状の外形を有し、回転位置検出部１１の外周を覆うように空間部１９に取り付けられる。

このように、空間部１９を形成し、空間部１９を利用してシールド部材１２を取り付けることにより、制御装置一体型の回転電機をコンパクトにすることができる。

スイッチング素子９がＯＮ／ＯＦＦする際には急激な電流変化に起因して回転位置検出部１１を鎖交する急峻な磁界変化が発生し、回転位置検出部１１の出力にノイズを発生させる。ノイズは、誤った回転位置信号となって制御回路側に伝わり、回転電機が回転異常に至る。

この急峻な磁界変化の発生に対応して、本実施の形態１では、図１及び図２で説明したように、パワー部１８と回転位置検出部１１との間に形成した空間部１９に回転位置検出部１１の外周を覆うようにシールド部材１２が設けられているので、回転位置検出部１１に発生するノイズが低減される。

この場合、図１に示した回転位置検出部１１の長さＬとほぼ同等の軸方向長さを有するシールド部材１１を、図２に示したように、回転位置検出部１１の全外周を一周するように構成することがシールド効果を向上させる上で効果的である。

図３及び図５は、パワー部の回転位置検出部への影響に対するシールド部材の効果を説明する要部拡大断面図、図４はシールド部材の構成例を示す断面図であり、図３はパワー部１８と回転位置検出部１１との間に、導電性のよい例えば銅、アルミニウムからなるシールド部材１２ａを設けた場合について示している。

図３に示したように、シールド部材１２ａには、スイッチング素子９がＯＮ／ＯＦＦする際に発生する急激な磁界変化を打ち消す方向に渦電流２０が発生し、シールド部材１２ａの内側、すなわち回転位置検出部１１に鎖交する磁界が弱まる（以下、シールド効果という）ため、回転位置検出部１１のノイズレベルを低減することができる。シールド部材１２ａは、導電性材料であればよいが、固有抵抗ができるだけ小さい導電性材料が好ましく、例えば、銅あるいは銅を主成分とする材料はシールド効果が大きい。また、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする材料は、シールド効果とともに軽量化を図ることができる。また、シールド部材１２ａとブラケット５とを一体化すれば、シールド部材１２ａをブラケット５に取り付けるための取付部材を削減することができる。

また、図４に示したように、導電性材料からなる良導体２２と絶縁性材料からなる絶縁層２１とを交互に多層に巻いて作製したシールド部材１２ａは、各良導体２２表面近傍で渦電流による遮蔽効果が期待できるので、より一層シールド効果が大きくなる。この場合、絶縁層２１は樹脂からなるシート、接着剤層などでもよく、あるいは良導体２２上に形成したコーティング層、蒸着層などでも良い。また、実用的にはアルミニウムや銅などの良導体層２２の表面に形成される酸化物層でも絶縁性が十分に発揮できる厚さがあれば用いることができ、これらの酸化物層を形成した材料を巻回して多層化しても良い。

図５は、パワー部１８と回転位置検出部１１との間に、銅、アルミニウム等の非磁性体層２３を設けて、非磁性体層２３の外周に軟磁性フェライト等の磁気抵抗の小さな磁気シールド部材１２ｂを設けた場合である。磁気シールド部材１２ｂは、非磁性体層２３に比べて磁気抵抗が著しく小さいため、回転電機の径方向外側に位置するパワー部１８から発生した磁束は、回転位置検出部１１に漏れることなく、磁気シールド部材１２ｂを通って外部に放散される。非磁性体層２３は、空気層（すなわち空間）であっても良く、空気層とすることによって部品点数を削減することができる。

この場合、シールド部材１２ｂと回転位置検出部１１及びパワー部１８との距離の関係がノイズの低減効果にとって重要である。すなわち、シールド部材１２ｂと回転位置検出部１１との距離（図５中距離Ａ）とシールド部材１２ｂとパワー部１８との距離（同図距離Ｂ）の関係は、相対的に距離Ａができるだけ大きいほうがよく、距離Ａ＞距離Ｂとすることによって、スイッチング時の磁界変化がシールド部材１２ｂを通りやすく、また、シールド部材１２ｂから回転位置検出部１１に漏れなくなるため、シールド効果が大きくなる。

実施の形態２．
図６は、本発明に係る回転電機の実施の形態２を示す断面模式図である。上記実施の形態１と異なって、回転位置検出部１１とパワー部１８とが、回転軸４の軸方向に距離を隔てて配置されている。パワー部１８と回転位置検出部１１とを軸方向に距離を隔てて配置すると、パワー部１８によって発生する磁界が減衰するため、よりノイズを低減することができる。

また、界磁巻線型交流回転電機の場合、ロータ巻線３３に電流を供給するためのブラシ８が回転軸４のスリップリング３２に接触するように設けられているため、ブラシ部８にはシールド部材１２を設けることができない。この場合には、図６に示したように、ブラシ部８を避けて回転位置検出部１１を回転軸４の軸方向において負荷側と反対方向にずらして配置することによって、回転位置検出部１１の外周に亘って一周するようにシールド部材１２を設けることができる。

また、パワー部１８は、回転軸４の軸方向に対してブラシ部８とほぼ同じ位置に配置することで、収納性も向上し、特段に大型化することなく、パワー部１８と回転位置検出部１１の軸方向の距離を隔てることができる。

図７は、シールド部材１２を、形状と材料を代えて構成し、この各種構成のシールド部材１２を用いた場合の回転位置検出部１１の出力信号におけるノイズレベルを比較した結果を示している。本実施の形態における回転位置検出部１１は、磁性体からなるコアに巻線が設けられた歯車のような部材からなるものであり、ロータの回転軸に取り付けられ、ロータの回転によって磁界変化を生じ、この磁界変化によってコアに設けられた巻線に発生する電圧変化から回転位置を検出するレゾルバである。

図７において、
良導体Ａは銅、良導体Ｂはアルミニウム、磁性体Ａは軟磁性フェライト、磁性体Ｂは薄板の表面に絶縁層が形成された鉄系の軟磁性体である。
形状（１）は、回転位置検出部１１の外周のみを良導体Ａ、良導体Ｂ、磁性体Ａからなるシールド部材１２の１層で覆う場合、
形状（２）は、軸方向において、回転位置検出部１１からパワー部１８に亘って、良導体Ａ、良導体Ｂからなるシールド部材１２の１層を設けた場合、
形状（３）は、形状（２）に対してブラシ８部に開口を設けた場合、
形状（４）は、回転位置検出部１１の外周のみを、形状（１）の場合と同じ厚さになるように、良導体Ａと絶縁物との薄板からなるシールド部材１２で３層巻き回した場合、
形状（５）は、回転位置検出部１１の外周のみを、形状（１）の場合と同じ厚さになるように、磁性体Ｂからなるシールド部材１２で１０層巻き回した場合である。

いずれの場合も、シールド部材がない場合に比べて、ノイズレベルを低減することができた。特に、形状（１）に比べて形状（４）は効果が大きく、良導体Ａと絶縁物との薄板からなるシールド部材１２を積層することがノイズ低減に有効であることがわかった。また、形状（５）のように、鉄を含有する高周波特性に優れた磁性体材料を積層した場合には、シールド部材１２のない場合に比べて、１／１０以下に低減できることがわかった。特に、鉄系の非晶質合金をはじめとし、磁気シールドに優れた磁性体は、工業的にシート状のものの作成が容易で、これらのシート状のものを巻き回して積層することで、極めて高いシールド効果を有するシールド部材を作製することができる。特に巻線を突き抜ける磁界変化を検出するレゾルバは、外部磁界変化による影響に敏感であるが、図７の結果が示すように、シールド部材１２を配置することがノイズレベルを低減する上で非常に有効であることがわかった。

図７は、良導体からなるシールド部材、磁性体からなるシールド部材それぞれを単独で用いた結果を示しているが、良導体と磁性体とを組み合わせて使用しても同様のシールド効果を発揮する。シート状に作製された磁気シールドに優れた磁性体の場合は、銅あるいはアルミニウムなどの良導体のシートの表面にシート状の磁性体を重ねて巻くことによって、高価な磁性体からなるシールド部材を多用することなく、良好なシールド効果を実現することができる。

上記実施の形態１及び２においては、外部磁界がスイッチング素子９から発生する場合について説明したが、回転位置検出部１１の周囲を覆うようにシールド部材１２を設けることにより、例えば、回転電機の外部で発生した外部磁界に対してもシールド効果を発揮し、回転位置検出部１１のノイズレベルを低減することができる。

本発明に係る回転電機は、例えば、回転電機をエンジンルームの限られたスペースに搭載するために小形化に対する要求が高い自動車等のような車両用回転電機に対して有効に利用することができる。

本発明に係る回転電機の実施の形態１を示す断面模式図である。図１における回転位置検出部の周辺を軸方向からみた側面図である。パワー部の回転位置検出部への影響に対するシールド部材の効果を説明する要部拡大断面図である。積層してなるシールド部材を説明する断面模式図である。パワー部の回転位置検出部への影響に対するシールド部材の効果を説明する要部拡大断面図である。本発明に係る回転電機の実施の形態２を示す断面模式図である。シールド部材の効果を測定した結果を示す表である。

符号の説明

１ロータ、２ステータ、３ステータ巻線、４回転軸、
５反負荷側ブラケット、６負荷側ブラケット、８ブラシ部、
９スイッチング素子、１０ヒートシンク、１１回転位置検出部、
１２，１２ａ，１２ｂシールド部材、１３制御回路、１５ケース、１７プーリ、１８パワー部、１９空間部、２０渦電流、２１絶縁層、２２良導体、
２３非磁性層、３２スリップリング、３３ロータ巻線。

Claims

ステータと、上記ステータと同軸に回転する回転軸に固定されたロータと、上記ステータを支持し固定するとともに、上記回転軸を回転できるように支持するブラケットと、上記回転軸の一端側に配置された上記ロータの回転位置を検出する回転位置検出部とを有する回転電機において、
上記回転位置検出部に、その外周を覆い、外部磁界をシールドするシールド部材を設置したことを特徴とする回転電機。
上記ロータに巻線が設けられ、上記巻線に供給する電流を制御するスイッチング素子部が上記シールド部材の外側に配設され、上記スイッチング素子部が上記外部磁界を発生することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
上記回転位置検出部と上記スイッチング素子部とは、軸方向に距離を隔てて配置されていることを特徴とする請求項２記載の回転電機。
上記回転位置検出部と上記スイッチング素子部との間に上記回転軸を中心として略円筒状または略角柱形状の空間部が形成され、上記空間部に上記シールド部材が設置されていることを特徴とする請求項２記載の回転電機。
上記シールド部材は、上記回転位置検出部の全外周を覆うようにリング状に形成したことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
上記シールド部材は、径方向に導電性材料と絶縁性材料が積層された構造を有することを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。
上記シールド部材は軟磁性体からなり、内周側の非磁性部を介して設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。
上記シールド部材は、薄板の表面に絶縁層が形成された鉄系の軟磁性体を積層してなることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。