JP2007221935A - 回転電機及びエンジン駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、磁極位置検出器を通過する漏洩磁束の量を効果的に減少させて、磁極位置検出精度を向上させることができる回転電機を提供することにある。
【解決手段】本発明は、回転軸１６に支持された回転子１９と、固定子２３と、前記回転軸１６上に設けられた磁極位置検出器２８と、これらを支持する非磁性材からなる固定子枠（２４Ａ，２４Ｂ）とを備え、前記回転子１９の漏洩磁束が前記回転軸１６を磁路とする回転電機において、前記漏洩磁束の磁路は、前記回転軸１６から前記磁極位置検出器２８を半径方向に流通する第１の磁気回路と、前記回転軸１６から迂回して前記磁極位置検出器２８の外周部に至る第２の磁気回路とに形成すると共に、前記第１の磁気回路と前記第２の磁気回路とは、前記磁極位置検出器２８の外周部において合流するように構成したのである。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機及びエンジン駆動装置に係り、特に、磁極位置検出器を有する回転電機及びその回転電機を用いたエンジン駆動装置に関する。

最近、自動車の分野において、動力としてエンジンと電動機を備え、これらエンジンと電動機との一方あるいは両方を用いて自動車の燃費を向上させるようにしている。そして、エンジンを動力としているときや減速時に前記電動機で発電できるような回転電機が用いられている。

そして、このような回転電機をエンジン始動時に電動機として用いる場合、通電タイミングを制御する都合上、回転電機の磁極位置を検出する磁極位置検出器が前記回転電機と一体に設けられている。

ところで、前記磁極位置検出器は、前記回転電機からの漏洩磁束の影響を受けた場合、正確な磁極位置の検出が行われないので、例えば特許文献１に示すように、前記磁極位置検出器が回転電機の漏洩磁束の影響を受けずらくするように、前記磁極位置検出器を通る漏洩磁束の流路中に、磁束遮蔽手段を設けたり、前記磁極位置検出器に至る前に磁気バイパスを設けたりする工夫が提案されている。

特開２００４−１５９４５０号公報

上記特許文献１に記載の技術によれば、前記磁極位置検出器を通過する漏洩磁束の流路と他部位を通過する漏洩磁束の流路とが全く別流路となっているために、前記磁極位置検出器を通る漏洩磁束の流路中に磁束遮蔽手段を設けても、僅かに通過する漏洩磁束の量を低減できる程度であり、磁極位置検出器の磁極位置検出精度の向上を期待できるほどのものではない。また、前記磁極位置検出器に至る前に磁気バイパスを設けた場合でも、磁極位置検出器を通過する漏洩磁束の量はほとんど変わらず、磁極位置検出精度の向上は期待できない。

本発明の目的は、磁極位置検出器を通過する漏洩磁束の量を効果的に減少させて、磁極位置検出精度を向上させることができる回転電機を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、回転軸に支持された回転子と、この回転子に周方向の隙間を介して対向配置された固定子と、前記回転軸上に設けられ前記回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出器と、これらを支持する非磁性材からなる固定子枠とを備え、前記回転子の漏洩磁束が前記回転軸を磁路とする回転電機において、前記漏洩磁束の磁路は、前記回転軸から前記磁極位置検出器を半径方向に流通する第１の磁気回路と、前記回転軸から前記磁極位置検出器の外周部に至る第２の磁気回路とに形成すると共に、前記第１の磁気回路と前記第２の磁気回路とは、前記磁極位置検出器の外周部において合流するように構成したのである。

以上説明したように本発明によれば、回転軸から半径方向に至る漏洩磁束の流路を並列回路とし、その並列回路の一方側を磁極位置検出器を通過させる磁路とすることで、磁気抵抗が大きい磁極位置検出器を通過する磁路に対して、並列回路の他方側の磁路に漏洩磁束を有効に導くことができるのである。その結果、磁極位置検出を通過する漏洩磁束量を減少させることができ、磁極位置検出精度を向上させることができるのである。

以下本発明による回転電機の第１の実施の形態を、図１〜図４に示す自動車用のエンジン駆動装置に適用した回転電機に基づいて説明する。

エンジン駆動装置１は、図４に示すように、エンジン２と、このエンジン２を始動させるスタータ３と、このスタータ３にバッテリー４からの電力の供給・遮断を行うスイッチ５とを備えている。バッテリー４のプラス端子は、エンジン２に隣接した発電電動機からなる回転電機６にも電気的に接続されており、マイナス端子はアースとして図示しない自動車の車体に電気的に接続されている。

前記回転電機６は、前記エンジン２に対して、動力の授受が行えるように、エンジン２側のクランクプーリ７と回転電機６側のプーリ８とにベルト９を巻き掛けている。このベルト９の回転方向は一方向であり、エンジン２によって回転電機６を発電機として駆動させる場合と、回転電機６がエンジン２を駆動する電動機として動作させる場合の２通りの動作ができるように構成されている。

また、前記回転電機６の内部には、電動機として用いる場合に動作させるインバータ部１０と、発電機として用いる場合に動作させる界磁巻線電流を制御するレギュレータ１１とを有する駆動部１２が内蔵されている。この駆動部１２は、エンジン制御ユニット（以下、ＥＣＵと略称する）１３のエンジン始動信号Ｓ１と発電指令信号Ｓ２とエンジン２からの回転数検出信号Ｓ３によって制御される。一方、ＥＣＵ１３には、アクセルペダル１４の踏み込み量を検出するアクセル信号Ｓ４とブレーキペダル１５の踏み込み量を検出するブレーキ信号Ｓ５とが入力される。

前記発電電動機である回転電機６は、電動機として駆動可能な車両用交流発電機であり、一般的な車両用交流発電機と異なるのは、電動機として駆動する際に必要なインバータ部１０を内蔵していることである。以下、図３に基づいて、回転電機の６の構成を説明する。

一端にプーリ８を装着した回転軸１６には、一対の噛み合った爪磁極１７Ａ，１７Ｂと、噛み合った爪磁極１７Ａ，１７Ｂの内周側に位置し前記回転軸１６と同心的なトロイダル状に巻回された界磁巻線１８とからなる回転子１９を装着している。そして、爪磁極１７Ａ，１７Ｂの軸方向外端には冷却ファン２０Ａ，２０Ｂを設け、空冷式の冷却構造としている。

前記回転子１９の外周には、周方向の微笑隙間を介して固定子鉄心２１が位置し、この固定子鉄心２１に３相の固定子巻線２２を巻装して固定子２３を構成している。このように構成された固定子２３は、固定子枠となるフロントブラケット２４Ａとリアブラケット２４Ｂにより軸方向に挟み込まれ、軸受２５Ａ，２５Ｂを介して前記回転軸１６に支持されている。

前記界磁巻線１８は、回転軸１６上に設けられたスリップリング２６と固定側に設置され前記スリップリング２６の周面上を摺動するブラシ２７とを介してバッテリー４に接続され、このバッテリー４からの直流電流の供給を受けて軸方向に沿う磁界を作る。この磁界によって、爪磁極１７ＡがＮ極の場合には、爪磁極１７ＢがＳ極に励磁される。

前記回転軸１６のプーリ８が装着された側とは反対側には、回転電機６の回転子１９の磁極位置を検出するための磁極位置検出器２８が設けられている。この磁極位置検出器２８は、回転軸１６に嵌着された回転子鉄心２９と、この回転子鉄心２９の外周に配置された固定子３０とからなり、固定子３０は、固定子鉄心３１とこの固定子鉄心３１に巻回された固定子巻線３２とから構成されている。この磁極位置検出器２８の端部を覆って磁性材よりなる端部カバー３３が前記リアブラケット２４Ｂに固定されており、また、リアブラケット２４Ｂには、ヒートシンク３４が支持されている。このヒートシンク３４には、図４に示した駆動部１２のインバータ部１０を構成するパワー素子３５が実装されており、パワー素子３５の損失をヒートシンク３４に伝えて放熱するように構成されている。これらヒートシンク３４とパワー素子３５とでパワーモジュール３６を構成している。

前記磁極位置検出器２８の回転子鉄心２９は、図２に示すように、外周側の周方向隙間のパーミアンスを正弦波にするために、周方向の対称位置を平坦にした形状に形成されており、さらに、回転軸１６との間に非磁性材よりなる内側磁気遮蔽筒３７を嵌着している。

一方、固定子３０は、固定子鉄心３１が前記回転子鉄心２９に対向する突極磁極３１Ｔを複数有し、これらの突極磁極３１Ｔにそれぞれ一次巻線３２Ａと多層の二次巻線３２Ｂ，３２Ｃを巻回して固定子巻線３２を構成している。このように固定子巻線３２を構成し、一次巻線３２Ａに高周波電流を供給して励磁することにより、各突極磁極３１Ｔの磁束分布を回転子鉄心２９の形状に合わせた磁束分布を作る。２次巻線３２Ｂ，３２Ｃには、回転子鉄心２９の回転位置によって変化するパーミアンスに応じ、さらに一次巻線３２Ａの高周波電流で変調された電圧が発生し、これによって回転電機６の磁極の位置を検出することができる。尚、前記固定子鉄心３１は、非磁性材よりなる外側磁気遮蔽筒３８を介して前記端部カバー３３に固定されている。また、図３中、ＢＴはバッテリー端子である。

次に、上記のように構成した回転電機６を用いたエンジン駆動装置１の動作を説明する。

まず、エンジン２を始動させる際に、例えば早朝でエンジン２が冷えている場合には、エンジン２内のエンジンオイルの粘度が高くなっているので、その粘度によって駆動するために大きなトルクが必要となる。そのような場合には、運転者は、スイッチ５を操作することで、スタータ３を駆動してエンジン２を始動させる。

一方、アイドリングストップ後のように、エンジン２が十分に暖まっている場合には、エンジンオイルの粘度が低下しているので、始動時に大きなトルクは必要でなく、小さなトルクでエンジン２を指導させることができる。そのような場合には、回転電機６を電動機として駆動してエンジン２を始動させる。

このように回転電機６を電動機として駆動する場合には、運転者はアクセルペダル１４から足を離した状態でブレークペダル１５を踏むと、ＥＣＵ１３が車速を検出して、車速がゼロの場合に、エンジン２を停止するかアイドリング状態を維持するかを決定する。例えば、ＥＣＵ１３が信号待ち、あるいは渋滞で車速ゼロを検出した場合には、エンジン２を停止させる。次に、信号が変わり、あるいは渋滞が解消されて運転者がブレーキペダル１５から足を離してアクセルペダル１４を踏み込むと、アクセル信号Ｓ４がＥＣＵ１３に入力されるので、ＥＣＵ１３はエンジン始動信号Ｓ１を回転電機６に内蔵した駆動部１２のレギュレータ１１に出力する。エンジン始動信号Ｓ１が入力されると、レギュレータ１１は界磁巻線１８と固定子巻線２２に通電を開始して回転電機６を電動機として駆動する。このときエンジン２は、クランクプーリ７とプーリ８とベルト９とを介して回転電機６の回転駆動力を得て回転し、始動する。エンジン２が始動した場合、駆動部１２からは、回転数検出信号Ｓ３がＥＣＵ１３に取り込まれるため、ＥＣＵ１３ではエンジン始動信号Ｓ１をオフすると共に、発電指令信号Ｓ２をオンして、回転電機６を電動機モードから発電機モードに切り替えて車両用交流発電機として機能させる。

尚、ここで、スタータ３を併用するシステムとすれば、回転電機６の必要トルクを小さくできる利点がある。

ところで、上記回転電機６は、電動機として使用する際に、界磁巻線１８に界磁電流が供給されると、軸方向に起磁力が発生し、回転軸１６を軸方向に流れる漏洩磁束が流れる。この漏洩磁束は、端部カバー３３を磁性材で形成して磁極位置検出器２８の外周部を覆うようにすることで、回転軸１６−磁極位置検出器２８−固定子鉄心２１−回転軸１６を通る第１の磁気回路と、回転軸１６−端部カバー３３（磁気バイパス）−固定子鉄心２１−回転軸１６を通る第２の磁気回路とによる漏洩磁気回路が構成される。

この漏洩磁気回路のうち、第１の磁気回路による磁極位置検出器２８を半径方向に流れる漏洩磁気回路が、磁極位置検出器２８の検出精度を大きく左右し、エンジン２を円滑に始動させることができず、エンジン２の燃費を低下させることになる。

しかし本実施の形態においては、第１の磁気回路における磁極位置検出器２８の回転子鉄心２９と回転軸１６との間に磁気抵抗部材である内側磁気遮蔽筒３７を設け、さらに、固定子鉄心３１と端部カバー３３との間に磁気抵抗部材である外側磁気遮蔽筒３８を設けたので、第１の磁気回路のパーミアンスを小さくして第２の磁気回路を通る漏洩磁束を多くすることができ、結果的に、第１の磁炉内の漏洩磁束を少なくして磁極位置検出器２８に与える影響を小さくすることができる。

これを具体的に図５に示す等価回路について説明する。

図５において、ＮＩは、界磁巻線１８の起磁力成分であり、界磁電流Ｉと巻線の巻回数Ｎとの積で示される。Φは全体の漏洩磁束を示し、この漏洩磁束Φは磁極位置検出器２８を半径方向に通る漏洩磁束Φ１と回転軸１６の端部から端部カバー３３に至る漏洩磁束Φ２に分流する。

前記磁極位置検出器２８を通る漏洩磁束Φ１の磁気回路（第１の磁気回路）は、上述のように、回転軸１６−磁極位置検出器２８−固定子鉄心２１−回転軸１６となるが、磁極位置検出器２８を通る漏洩磁束Φ１は回転子鉄心２９と回転軸１６間に嵌着した内側磁気遮蔽筒３７が磁気抵抗Ｒ５、回転子鉄心２９と固定子鉄心３１間の隙間が磁気抵抗Ｒ４、固定子鉄心３１と端部カバー３３との間に嵌着した外側磁気遮蔽筒３８が磁気抵抗Ｒ３となる。

回転軸１６の端部から端部カバー３３に至る漏洩磁束Φ２の磁気回路（第２の磁気回路）は、回転軸１６−端部カバー３３（磁気バイパス）−固定子鉄心２１−回転軸１６となるが、回転軸１６−端部カバー３３（磁気バイパス）を通る漏洩磁束Φ２は回転軸１６−端部カバー３３間の隙間が磁気抵抗Ｒ６となる。

これら第１の磁気回路と第２に磁気回路とは、回転軸１６で分流し、磁極位置検出器２８の外周部における端部カバー３３で合流し、そこから、固定子鉄心３１間の磁気抵抗Ｒ２及び固定子鉄心３１から回転軸１６間の磁気抵抗Ｒ１を通って閉じた漏洩磁気回路を構成している。

ここで、磁気抵抗は一般に距離に比例するために、磁気抵抗Ｒ１，Ｒ２は極めて大きい。尚、鉄（磁性材）による磁気回路の磁気抵抗は、空気の透磁率が鉄の１０００倍以上であるので、無視しても差し支えなく、図に示す等価回路では省略している。

このような等価回路を構成する漏洩磁気回路において、全漏洩磁束Φの量は、磁気抵抗Ｒ１，Ｒ２によって大略決定される。ここで、磁極位置検出器２８に影響を与える漏洩磁束Φ１は、磁気抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５の合計と漏洩磁束Φ２が通過する磁気抵抗Ｒ６で案分され、次式で表示することができる。
Φ１＝〔Ｒ６／（Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５＋Ｒ６）〕×Φ
したがって、磁極位置検出器２８を通る第１の磁気回路中に、磁気抵抗Ｒ５（内側磁気遮蔽筒３７）と磁気抵抗Ｒ３（外側磁気遮蔽筒３８）を追加することで、磁極位置検出器２８に影響を与える漏洩磁束Φ１を大幅に抑制することができる。

しかしながら、従来における構成では、磁極位置検出器を通る磁気回路中に磁束遮蔽手段を設けても、磁極位置検出器に至る前に磁気バイパスを設けた場合でも、分流された第１の磁気回路と第２の磁気回路とが磁極位置検出器の外周側で再び磁気的に連結（短絡）される構成となっていないので、上式が成立せず、僅かに通過する漏洩磁束量を低減できる程度であり、結局、大きな漏洩磁束が磁極位置検出器を通ることになり、磁極位置検出精度を低下させることになるのである。

本実施の形態によれば、磁極位置検出器２８を半径方向に通る漏洩磁束を制限できるので、磁極位置検出精度を向上することができる回転電機６を得ることができる。

尚、本実施の形態は、端部カバー３３を磁性材で形成することで回転軸１６の端部に磁気バイパスを形成したが、この構成に特定されるものではなく、例えば図３において、磁極位置検出器２８とブラシ２７との間に、回転軸１６から磁極位置検出器２８の外周に至る磁性材を設けて、回転軸１６から磁極位置検出器２８の外周部に至る漏洩磁束との磁位差を小さくすることが望ましい。

次に、本発明による回転電機の第２の実施の形態を図６に基づいて説明する。尚、図１と同符号は同一部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態において、第１の実施の形態と異なる構成は、磁極位置検出器２８の構成が異なる点と、回転軸１６から磁極位置検出器２８の外周部に至る漏洩磁束の磁気回路を３つの磁気回路に分流させた後、再度合流させた点である。

磁極位置検出器２８の構成は、固定子鉄心３１を支持部材３９によって磁性材で形成された端部カバー３３に固定して回転軸１６に接近した側に位置させ、回転子鉄心２９を回転軸１６側から延在させた支持部材４０に固定することで固定子鉄心３１の外周側に位置させて所謂外転型磁極位置検出器としたのである。そして、回転子鉄心２９を固定する支持部材４０は磁性材で形成され、その外周端は前記端部カバー３３に接近させている。

上記構成とすることで、回転軸１６を流れる漏洩磁束Φは、磁極位置検出器２８を半径方向に通る漏洩磁束Φ１と、端部カバー３３側を通る漏洩磁束Φ２と、支持部材４０を通る漏洩磁束Φ３とに分流され、その後、磁極位置検出器２８の外周部位において再度合流するという閉じられた漏洩磁気回路を構成する。

したがって、磁極位置検出器２８を通る漏洩磁束Φ１は、回転軸１６と固定子鉄心３１との隙間及び固定子鉄心３１と回転子鉄心２９との隙間による磁気抵抗が大きく作用して制限されるので、漏洩磁束Φの殆どは漏洩磁束Φ２と漏洩磁束Φ３となって流れる。その結果、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同等の効果を奏することができる。

ところで、各実施の形態において、貫通する漏洩磁束によって影響を受け易い磁極位置検出器であれば、上記構成の磁極位置検出器２８に特定されるものではなく、また、回転軸に沿って漏洩磁束が流れる回転電機であれば、上記回転電機６に特定されるものではない。

本発明による回転電機の第１の実施の形態を示す磁極位置検出器の縦断側面図。 図１の縦断正面図。 図１の磁極位置検出器を備えた回転電機を示す縦断側面図。 図３の回転電機を備えたエンジン駆動装置を示すブロック図。 図１に示す磁極位置検出器周辺の漏洩磁束の等価回路図。 本発明による回転電機の第２の実施の形態を示す磁極位置検出器の縦断側面図。

符号の説明

１…エンジン駆動装置、２…エンジン、３…スタータ、４…バッテリー、５…スイッチ、６…回転電機、７…クランクプーリ、８…プーリ、９…ベルト、１０…インバータ部、１１…レギュレータ、１２…駆動部、１３…エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）、１４…アクセルペダル、１５…ブレーキペダル、１６…回転軸、１７Ａ，１７Ｂ…爪磁極、１８…界磁巻線、１９…回転子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、２３…固定子、２４Ａ…フロントブラケット、２４Ｂ…リアブラケット、２５Ａ，２５Ｂ…軸受、２６…スリップリング、２７…ブラシ、２８…磁極位置検出器、２９…回転子鉄心、３０…固定子、３１…固定子鉄心、３１Ｔ…突極磁極、３２…固定子巻線、３２Ａ…一次巻線、３２Ｂ，３２Ｃ…二次巻線、３３…端部カバー、３４…ヒートシンク、３５…パワー素子、３６…パワーモジュール、３７…内側磁気遮蔽筒、３８…外側磁気遮蔽筒、３９，４０…支持部材、Ｓ１…エンジン始動信号、Ｓ２…発電指令信号、Ｓ３…回転数検出信号、Ｓ４…アクセル信号、Ｓ５…ブレーキ信号。

Claims (6)

1. 回転軸に支持された回転子と、この回転子に周方向の隙間を介して対向配置された固定子と、前記回転軸上に設けられ前記回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出器と、これらを支持する非磁性材からなる固定子枠とを備え、前記回転子の漏洩磁束が前記回転軸を磁路とする回転電機において、前記漏洩磁束の磁路は、前記回転軸から前記磁極位置検出器を半径方向に流通する第１の磁気回路と、前記回転軸から迂回して前記磁極位置検出器の外周部に至る第２の磁気回路とに形成すると共に、前記第１の磁気回路と前記第２の磁気回路とは、前記磁極位置検出器の外周部において合流するように構成したことを特徴とする回転電機。
2. 回転軸に支持された回転子と、この回転子に周方向の隙間を介して対向配置された固定子と、前記回転軸上に設けられ前記回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出器と、これらを支持する非磁性材からなる固定子枠とを備え、前記回転子の漏洩磁束が前記回転軸を磁路とする回転電機において、前記磁極位置検出器は、前記回転軸上に固定された回転子鉄心と、この回転子鉄心の外周に周方向の隙間を介して対向する固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻装された固定子巻線とを備えており、前記漏洩磁束の磁路は、前記回転軸から前記磁極位置検出器の回転子鉄心と固定子鉄心を通って半径方向に流通する第１の磁気回路と、前記回転軸から磁気バイパスを通って前記磁極位置検出器の外周部に至る第２の磁気回路とで形成すると共に、前記第１の磁気回路と前記第２の磁気回路とは、前記磁極位置検出器の外周部において合流するように構成したことを特徴とする回転電機。
3. 回転軸に支持された回転子と、この回転子に周方向の隙間を介して対向配置された固定子と、前記回転軸上に設けられ前記回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出器と、これらを支持する非磁性材からなる固定子枠とを備え、前記回転子の漏洩磁束が前記回転軸を磁路とする回転電機において、前記磁極位置検出器は、前記回転軸上に固定された回転子鉄心と、この回転子鉄心の外周に周方向の隙間を介して対向する固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻装された固定子巻線とを備えており、前記漏洩磁束の磁路は、前記回転軸から前記磁極位置検出器の回転子鉄心と固定子鉄心を通って半径方向に流通する第１の磁気回路と、前記回転軸から磁気バイパスを通って前記磁極位置検出器の外周部に至る第２の磁気回路とで形成すると共に、前記第１の磁気回路と前記第２の磁気回路とは、前記磁極位置検出器の外周部において合流するように構成されており、かつ、前記磁極位置検出器の回転子鉄心の内周側及び固定子鉄心の外周側の少なくとも一方側に磁気抵抗部材を設置したことを特徴とする回転電機。
4. 前記固定子は、前記回転軸に支持された回転子の外周側に対向配置されていることを特徴とする請求項１,２又は３記載の回転電機。
5. 前記固定子は、前記回転軸に支持された回転子の内周側に対向配置されていることを特徴とする請求項１,２又は３記載の回転電機。
6. エンジンと、このエンジンを駆動すると共にエンジンを動力として発電する電動発電機と、この電動発電機の駆動と発電とをアクセル手段とブレーキ手段の動作に連動して制御する制御装置とを備えたエンジン駆動装置において、前記電動発電機を、請求項１,２,３,４又は５記載の回転電機で構成したことを特徴とするエンジン駆動装置。

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