JP2010158154A - マルチ・センサ磁石および少なくとも１つのホール・センサｉｃを備えた電気機械用のセンサ系 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな設計、および／または汚染からのセンサ装置の保護に関して、技術的現状を改善するセンサ装置を備えた回転機械を提供する。
【解決手段】モータ・ハウジング１５と、ステータ６と、ロータ８と、軸受２と、モータ・ハウジング１５内に配置された、ステータ６に対するロータ８の相対位置を得るためのポジション・センサ４、９とを備える回転電機に関する。モータの全長を低減するため、軸受２およびポジション・センサ４、９は、回転軸線に垂直な面内にほぼ配置される。特にポジション・センサ４、９は、軸受２よりも半径方向外側に配置されてもよく、それによってポジション・センサ４、９は、回転軸線に対して比較的大きい半径を含み、それによってその測定精度が製造許容差の影響を受けにくくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータとロータとの間の回転角を測定する装置を備える回転電機（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ）、具体的には、自動車技術における用途向けのブラシレスＤＣモータに関する。

いくつかのタイプの回転電機では、ステータに対するロータの相対的な角位置を決定できることが必要または有用である。適切な回路は、例えば、回転電機の特定の巻線のスイッチ閉成およびスイッチ開放のタイミングを導き出すことができるので、ロータは、意図されるやり方でステータに対して回転する。例えば、切替えのタイミングは、ロータが予め定められた回転速度で回転するようなものであり得る。

それにより、ロータの回転角は、多極電磁石および少なくとも１つのホール・センサＩＣによって電磁的に得ることができる。

従来のシステムでは、センサ系は、通常、軸受面の前方または後方に配設され、センサ磁石は、ヨーク・リングおよび非磁性キャップによって完全に密閉される場合が多い。そのような配置のセンサ系では、センサ系を密閉するため、モータの全長が増加する。多くの場合、センサ磁石は、回転軸線上に直接配設されるか、またはそれに対して取り付けられる。これは、モータの半径方向での伸びおよび回転質量の分布に関して利点となることがあるが、製造許容差が回転角の決定精度に対して比較的大きい影響を持つため、センサ磁石における磁極のセグメント幅の変動、ならびにホール・センサＩＣの位置偏差の原因となる。

仏国特許出願ＦＲ２８０７２３１Ａ１は、回転角の決定精度を向上させる、かつモータの全長に対する影響がわずかであるセンサ装置を備えた機械を示している。センサ装置は回転機械のハウジングの外部に配設され、それによって、ハウジング内部におけるステータ磁界は磁界センサからほぼ遮蔽される。したがって、回転角の決定は、ステータ磁界によって妨げられるか、または歪められるのみである。しかし、センサ装置は、センサ装置をハウジングの外部に取り付けることによって、汚染される可能性が高くなる。

本発明は、コンパクトな設計、および／または汚染からのセンサ装置の保護に関して、技術的現状を改善するセンサ装置を備えた回転機械を提供するという課題を解決する。その課題は、本発明によれば、モータ・ハウジング、ステータ、ロータ、軸受、およびポジション・センサを備える回転電機によって解決される。軸受は、ロータをステータに対して回転可能に支持または軸承するために設けられる。ポジション・センサは、ハウジング内に配設され、ステータに対するロータの相対位置を得るために設けられる。軸受およびポジション・センサは、回転軸線に垂直な面内にほぼ配置される。ポジション・センサが軸受面の範囲内に配設されるという事実によってモータの全長が低減され、それが結果的に、回転機械に必要な設置スペースを低減する。ポジション・センサは、モータ・ハウジング内に配置されることによって外部汚染の影響から保護される。

ポジション・センサは、回転軸線に対して軸受よりもさらに半径方向外側に配設すべきであることがある。輪形磁石を備えたホール効果ポジション・センサの場合、センサ磁石の内径は従来のセンサ系の場合の径よりも大きい。したがって、センサ磁石における磁極のセグメント幅の変動、ならびにホール・センサＩＣの位置偏差がモータの性能に及ぼす影響はより少ない。このことによって、また、モータの製品品質が改善されるとともに、モータ・パラメータのばらつきが少なくなる。

ポジション・センサは、ステータ側部品およびロータ側部品を備えてもよい。ロータ側部品は部品支持体を通してロータと接続される。好ましくは、ステータ側部品およびロータ側部品は、互いに面するか、または少なくとも回転機械のロータが一回転するごとに、互いに接近するようにして、それぞれロータに対してステータのところに配置される。ポジション・センサのステータ側部品およびロータ側部品は互いに対して調節することができるので、ポジション・センサは、全体として、両方の部品の相互作用によって確実に角度を決定することができる。部品支持体によるロータ側部品とロータとの接続によって、例えば、異なるサイズの回転機械に同一のロータ側部品を使用することが可能になる。部品支持体は、回転機械の内部構造に適合させることができる。

部品支持体は、少なくともその一部分について、磁性体を含み、好ましくは強磁性体を含む。したがって、ポジション・センサおよび／またはセンサ系は、磁性キャリア・リング（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃａｒｒｉｅｒ ｒｉｎｇ）によって、動力部品（ロータ・パケット（ｒｏｔｏｒ ｐａｃｋｅｔ）上の通電ステータ巻線および磁石）の漂遊磁界から遮蔽される。ポジション・センサはまた、部品支持体によってステータから熱遮蔽することができる。それにより、電気部品（ホールＩＣなど）および機械部品（例えば、センサ磁石）の規格に対する要件が少なくなる。回転機械に関して、部品コストの低減および製品品質の改善が期待できる。

回転電機は、ロータに接続されたロータ軸をさらに備えてもよく、その際、部品支持体は、ほぼ回転対称の形状を含み、かつロータ軸に耐トルク的に（ｔｏｒｑｕｅ ｐｒｏｏｆｌｙ）取り付けられる。部品支持体のほぼ回転対称の形状はロータ軸の不釣合いを防ぐ。ロータ軸に部品支持体が耐トルク的に取り付けられることによって、ポジション・センサのロータ側部品がロータに対して常に規定の位置にあることが確保される。

ステータは、軸受とポジション・センサのステータ側部品とを支持する軸受支持体を含んでもよく、また、回転軸線に対して回転対称のラビリンスを備える。このように軸受支持体を付加的に使用してステータ側部品を支持することによって、部品および所要スペースが低減される。

部品支持体は、回転軸線を中心にして回転対称であってもよく、また、軸受支持体に面する側に陥凹部を備えてもよい。陥凹部にロータ側部品が配置されてもよい。ラビリンスおよび部品支持体は少なくとも部分的に補完的な形態を備えてもよい。したがって、部品支持体およびキャリア軸受支持体の構造は十分に閉じたシステムを形成する。例えばモータの動作中、粒子がセンサ磁石から欠けた場合、それらはハウジング（部品支持体および軸受支持体）によって、回転機械の動力部から離れて保持される。磁石を密閉し、一部の良く知られた回転機械に使用されるキャップは不要である。この方策は、部品コストを低減し、製品品質を改善することに対して影響を及ぼすことができる。補完的な形状は、ステータ側の円形溝、およびその溝を係合するロータ側の円形縁部を含んでもよい。溝および縁部はそれぞれ、回転軸線に対して同心であってもよい。十分に閉じたシステムがこの設計によって形成されて、ロータがステータに対して回転可能であることが確保される。

部品支持体は、ほぼ環状の区画を備えてもよい。軸受支持体は、ポジション・センサの一部分を受け入れる陥凹部を備えてもよい。例えば、ポジション・センサのステータ側部品が陥凹部に受け入れられてもよい。したがって軸受支持体の構造安定性は、ほとんど低減されず、かつスペースが節約される。

回転電機はブラシレスＤＣモータであり得る。ブラシレスＤＣモータでは、回転機械の異なる巻線に対する制御信号を導き出すため、ロータとステータとの間の回転角を継続的に決定する必要がある場合が多い。

本発明の他の特徴および利点を、添付図面についての以下の記載を用いて説明するが、添付図面は、実施例として構成され、非限定的であるものとする。
本明細書に開示する技術的特徴による回転機械の部分断面図である。 本明細書に開示する技術的特徴による軸受支持体および部品支持体の２つの断面図である。 本明細書に開示する技術的特徴による軸受支持体の斜視図である。

図１は、回転電機の一部分を縦断面図で示す。回転電機はハウジング１５およびステータ６を備える。ステータは、例えば金属薄板パッケージ（ｓｈｅｅｔ ｍｅｔａｌ ｐａｃｋａｇｅ）として鋳造または構築することができる、ステータ・コアを備える。ステータは、ステータ・コアおよびロータ１、７、８に磁界を発生させる多重巻線を備える。ロータは、実質的に、ロータ軸１、ロータ・コア８（例えば、金属薄板パッケージまたは鋳造物）、およびロータ磁石７を備える。回転機械の動作中、ロータ磁石７は、ステータ巻線によって形成される、時間とともに変動する磁界と相互作用する。それにより、ロータ磁石７は、ロータ・コア８を通してロータ軸１に伝達されるトルクを発生させる。

ポジション・センサは、環形磁石として図１に示されるセンサ磁石４を備える。ポジション・センサはまた、軸受支持体３上に特定の角位置で配置された磁界センサ、例えばホール・センサＩＣ ９を含む。代替実施形態では、いくつかのホール・センサＩＣを軸受支持体３上に異なる角位置で取り付けることができる。磁界センサ９は、磁界センサ（１つまたは複数）の近傍にあるセンサ磁石によって発生した磁界の極性を検出し、対応する電気信号を出力する。センサ磁石４は、部品支持体５によって支持されるロータ側部品として図１に示される。部品支持体は軸１に耐トルク的に取り付けられるので、センサ磁石は、ロータ１、７、８と同じように回転する。

図２の左側には、回転軸に平行な面で切り取った軸受支持体３および部品支持体５の断面図を示す。図２の右側には、この場合は回転軸に垂直に切り取った２つの部品、すなわち軸受支持体３および部品支持体５の第２の断面図を示す。より明瞭にするため、特に、軸受２、ロータ軸１、およびセンサ磁石４は図２に示していない。

軸受支持体３は本質的に回転対称の部品であり、軸受２を保持する中央部分を規定している（軸受２は図２には図示していない）。中央部分は、円筒状の壁によって、かつ半径方向内向きに突出するリングによって画定される。この半径方向内向きに突出するリングは、軸受２を軸線方向で固定する働きをし、また、保守点検目的（例えば、給油目的）でそこを介して軸受２にアクセスできる内側開口部１３を有する。あるいは、開口部１３は、本質的にロータ軸１のみが通ることができるように、より小さい寸法にすることもできる。ロータ支持体３はまた、円筒状の壁から半径方向外向きに延びる円形ディスクを含む。円筒状の壁と環状ディスクとの間の移行部分には、円形溝１０が形成される。あるいは、円形溝１０は、円形ディスク内にのみ、すなわち、円筒状の壁とリング状ディスクとの間の移行部分以外に形成することもできる。図２の右側の図で、溝１０は、１つの地点で陥凹部１１まで延在または拡幅していることが分かる。この陥凹部１１は、ポジション・センサのステータ側部品９、例えばホール・センサＩＣを受け入れるのに適している。ポジション・センサのステータ側部品９に存在し得る信号ケーブルを、穴１２を介して案内することができる。

図２には、部品支持体５も示される。部品支持体５は、この実施形態では、ロータ軸１を収容するように設計された中央シリンダを備える。ロータ軸１と部品キャリア５との間の接続は、通常、例えばプレス嵌め、型嵌め（ｆｏｒｍ−ｆｉｔｔｉｎｇ）によって、または押さえねじ（ｂｒａｃｉｎｇ ｓｃｒｅｗｓ）を用いて、耐トルク的に形成される。円形ディスクは、部品支持体５の中央シリンダから半径方向外向きに延びる。ディスクの半径方向外縁部は円筒状リングまで延在または拡幅する。円筒状リングは、軸受支持体３の溝１０内に少なくとも部分的に係合するので、円筒状リングの縁部１４は溝１０の底部からの最小可能距離を有する。したがって、部品支持体５と軸受支持体３との間に、汚れおよび液体の侵入を効率的に防ぐラビリンスが形成される。部品支持体５の外側リングは、その内面で、ポジション・センサ（図示なし）のロータ側部品（１つまたは複数）４を支持する。

図３は、軸受３の斜視図を示す。ロータ軸１、軸受２、およびポジション・センサのステータ側部品９は破線で表示される。ステータ側部品９は軸受支持体の陥凹部１１に受け入れられる。ステータ側部品９と溝１０の外壁との間の距離は、部品支持体５の縁部１４およびポジション・センサのロータ側部品４（センサ磁石または磁気リング）を受け入れるのに十分な距離である。したがって、ロータがステータに対して回転した場合、縁部１４およびロータ側部品４はステータ側要素９を越えて移動することができる。

本発明は、上述したような単に例示のための実施形態に限定されず、他の変形例にまで及ぶ。例えば、ホール・センサに基づくセンサ装置の代わりに、光捕捉（ｏｐｔｉｃａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）に基づくセンサ装置が使用されてもよい。特に比較的低速で回転する機械の場合、電気機械センサ装置さえも可能である。基礎を成す捕捉技術に関わらず、上述の技術的特徴を使用することができる。ポジション・センサのステータ側部品を受け入れる陥凹部の形状は、例示したものとは異なる形状を有してもよい。複数のステータ側部品を異なる角位置に設けることも可能であり、それによって、一方では精度を改善することができ、他方では回転方向の決定が可能になる。

１ ロータ軸
２ 軸受
３ 軸受支持体
４ センサ磁石
５ 部品支持体
６ ステータ
７ ロータ磁石
８ ロータ・コア
９ センサＩＣ
１０ 溝
１１ 陥凹部
１２ 穴
１３ 開口部
１４ 縁部
１５ ハウジング

Claims (11)

1. モータ・ハウジング（１５）と、ステータ（１６）と、ロータ（８）と、前記ステータ（６）において回転軸線に対して前記ロータ（８）を回転可能に軸承する軸受（２）と、前記モータ・ハウジング（１５）内に配置された、前記ステータ（６）に対する前記ロータ（８）の相対位置を得るためのポジション・センサ（４、９）とを備え、前記軸受（２）および前記ポジション・センサ（４、９）が、前記回転軸線に垂直な面内にほぼ配置される、回転電機。
2. 前記ポジション・センサ（４、９）が前記軸受（２）よりもさらに半径方向外側に配置される、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ポジション・センサ（４、９）がステータ側部品（９）およびロータ側部品（７）を備え、前記ロータ側部品（７）が部品支持体（５）によって前記ロータ（８）に接続される、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記部品支持体（５）が、少なくとも部分的に磁性体を、好ましくは強磁性体を含む、請求項３に記載の回転電機。
5. 前記ロータ（８）に接続されるロータ軸（１）をさらに備え、前記部品支持体（５）が、前記回転軸線に対して回転対称の形状を有し、かつ前記ロータ軸（１）に耐トルク的に取り付けられる、請求項３または４に記載の回転電機。
6. 前記ステータ（６）が、前記軸受（２）と前記ポジション・センサ（４、９）の前記ステータ側部品（９）とを支持するように適合された軸受支持体（３）を備え、かつ前記回転軸線に対して回転対称のラビリンスを備える、請求項３から５のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記部品支持体（５）が、前記回転軸線に対して回転対称であり、かつ前記軸受支持体（３）に面する側に前記ロータ側部品（７）が配置される陥凹部を備え、前記ラビリンスおよび前記部品支持体（５）が少なくとも部分的に補完的形状を備える、請求項６に記載の回転電機。
8. 前記補完的形状が、ステータ側では円形溝（１０）を含み、ロータ側では前記溝内に突出する円形縁部（４）を含み、前記円形溝および前記円形縁部が両方とも前記回転軸線に対して同心である、請求項７に記載の回転電機。
9. 前記部品支持体（５）がほぼ環状の外側部分を備える、請求項３から８のいずれか一項に記載の回転電機。
10. 前記軸受支持体（３）が、前記ポジション・センサ（７、９）の一部分を受け入れるように適合された陥凹部（１１）を備える、請求項３から９のいずれか一項に記載の回転電機。
11. ブラシレスＤＣモータである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の回転電機。

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