JP2013096779A

JP2013096779A - 回転電機

Info

Publication number: JP2013096779A
Application number: JP2011238369A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Furukawa; 友則古川; Yuji Maeda; 裕司前田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】回転電機において、レゾルバを用いなくても回転子の回転角度等を検出できるようにすることである。
【解決手段】回転電機１０は、予め定めた周方向配置に従って配置される複数の磁極を有するロータ２０と、コイル巻線３６を収容し、ロータ２０に向かって開口部３４を有する複数のスロット３２を含むステータ３０を備える。スロット３２の開口部３４には開口部用の絶縁体４０が配置され、開口部用の絶縁体４０には、ステータ３０に対しロータ２０が回転するときにロータ２０の磁極からの磁束の変化に応じて発生する起電力を出力するセンサ導体４２，４４が設けられる。センサ導体４２，４４は、ロータ２０の軸方向に垂直な断面からみて互いに異なる面方向を有する２つの導体で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に係り、特に磁極を有する回転子と、コイル巻線を収容するスロットを有する固定子を備える回転電機に関する。

回転電機の回転動作を正確に制御するためには、固定子に対する回転子の相対的な回転角度が必要である。

例えば、特許文献１には、モータの回転角度を検出するレゾルバとして、モータのシャフトの基端側に取り付けられたレゾルバロータと、レゾルバロータを取り囲むように配置されたリング状のレゾルバステータが配置されることが述べられている。そして、レゾルバをモータに取り付ける場合に、ロータに対するステータの位置決めおよび位相調整を行う必要があると指摘している。

また、特許文献２には、１ステータ２ロータの複合ロータ型回転電機において２つのロータ位置を検出する方法として、各ロータに隣接するステータピースの間に磁性材料の棒部材を配置する構成が述べられている。ここでは、ロータ回転の際にロータにおける永久磁石の磁界の影響でこの磁性材料の棒部材に発生する渦電流に基づいて各ロータ位置を検出している。

なお、本発明に関連する技術として、特許文献３には、回転電機のステータにおいて、スロットの開口部付近にコイルとステータコアとを絶縁するためのウェッジ紙が配置されることが述べられている。

特開２００２−１３６０５５号公報特開２００３−２９９３１４号公報特開２００９−２７８８５１号公報

レゾルバは、レゾルバロータとレゾルバステータにそれぞれコイル巻線が設けられる。これを回転電機に装着するには、回転電機の駆動用のコイル巻線と別にレゾルバ用のコイル巻線が必要となり、コストの増加と、回転電機の大型化につながる。一方で、レゾルバが故障したときに、回転子の回転角度が分からなくなり、回転電機の制御が正確に行えなくなる。

本発明の目的は、レゾルバを用いなくても回転子の回転角度等を検出できる回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、予め定めた周方向配置に従って配置される複数の磁極を有する回転子と、コイル巻線を収容し、回転子に向かって開口部を有する複数のスロットを含む固定子と、スロットの開口部に配置される開口部用の絶縁体と、開口部用の絶縁体に支持される導体であって、固定子に対し回転子が回転するときに回転子の磁極からの磁束の変化に応じて発生する起電力を出力するセンサ導体と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、センサ導体は、回転子の軸方向に垂直な断面からみて互いに異なる面方向を有する複数の導体で構成されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、複数の導体の間を絶縁する絶縁体であって、開口部用の絶縁体と別個の導体間の絶縁体を備えることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、複数の導体は、開口部用の絶縁体と、絶縁性塗装体で支持されることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、固定子に対するロータの位置を検出するレゾルバを備えることが好ましい。

上記構成により、回転電機は、固定子のスロットの開口部に配置される開口部用の絶縁体にセンサ導体を設け、そのセンサ導体において、固定子に対し回転子が回転するときに回転子の磁極からの磁束の変化に応じて発生する起電力を出力するようにする。この起電力は、ファラデーの法則によるもので、渦電流を流すもとになるものである。この起電力は、回転子が回転することで周期的に変化するので、その周期的変化から、回転子の回転数、回転角度等を求めることができる。

また、センサ導体は、回転子の軸方向に垂直な断面からみて互いに異なる面方向を有する複数の導体で構成されるので、互いに異なる面方向の角度によって、２つの導体に現れる起電力に位相差が生じる。これによって、回転方向を判別できる。

また、回転電機において、センサ導体の複数の導体の間を絶縁する絶縁体であって、開口部用の絶縁体と別個の導体間の絶縁体を備える。これによって、複数のセンサ導体の間の絶縁が確実になる。

また、回転電機において、複数の導体は、開口部用の絶縁体と、絶縁性塗装体で支持される。これによって、簡単にセンサ導体を開口部用の絶縁体に取り付けることができる。

また、回転電機において、固定子に対するロータの位置を検出するレゾルバを備える場合に、レゾルバが仮に故障しても、センサ導体によって回転子の回転角度等を検出できる。

本発明に係る実施の形態における回転電機の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、開口部用の絶縁体に設けられるセンサ導体を示す図である。本発明に係る実施の形態において、センサ導体が出力する起電力と回転速度との関係を示す図である。本発明に係る実施の形態において、互いに異なる面方向を有する２つのセンサ導体を用いて、回転子の回転方向が判別できる原理を示す模式図である。図４において、回転子が＋ω方向に回転したときに、２つのセンサ導体に生じる起電力の位相関係を示す図である。図４において、回転子が−ω方向に回転したときに、２つのセンサ導体に生じる起電力の位相関係を示す図である。本発明に係る実施の形態において、センサ導体が開口部用の絶縁体に設けられる別の例を示す図である。本発明に係る実施の形態において、回転電機の制御にセンサ導体の出力が用いられる様子を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される回転電機を述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載用でなくても、回転角度を用いて回転制御が行われる用途の回転電機であればよい。ロータは、埋め込み型永久磁石を有するものとするが、永久磁石は電磁鋼板の表面に配置されてもよい。また、永久磁石を用いないリラクタンス型コアであってもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車両に搭載される回転電機１０の断面図と、破線で囲んだ部分の拡大斜視図である。拡大斜視図は、ステータ３０のスロット３２の様子が分かるように、いくつかの構成要素の図示を省略してある。

回転電機１０は、ケース１２と、回転子であるロータ２０と、固定子であるステータ３０を含んで構成される。ケース１２は、内部に回転電機１０のロータ２０とステータ３０を収容する筐体である。

ロータ２０は、ケース１２に対し回転自在に支持される回転軸２２と、回転軸２２に取り付け固定されるロータコア２１と、ロータコア２１に埋め込まれる永久磁石２４を含んで構成される。ロータコア２１には、所定の形状に成形された電磁鋼板を軸方向に沿って複数枚積層したものが用いられる。ロータコア２１の内周部は、回転軸２２に取り付けられ固定される。永久磁石２４は、ロータコア２１の内部に埋め込まれ、ロータの磁極を形成する磁石である。

ステータは、ステータコア３１とコイル巻線３６を含んで構成される。ステータコア３１には、所定の形状に成形された電磁鋼板を軸方向に沿って複数枚積層したものが用いられる。ステータコア３１の外周部は、ケース１２の内壁に取り付けられ固定される。

拡大斜視図に示されるように、ステータコア３１にはステータの磁極となるティースと呼ばれる突出部と、隣接するティースの間でコイル巻線３６が巻回される空間であるスロット３２が設けられる。コイルエンド３８は、コイル巻線３６がステータコア３１の軸方向の両端に突き出した部分である。

スロット３２は、ステータコア３１の内周側に沿って、回転電機１０の仕様で定まる数で配置される空間であり、ロータ２０の外周側に向かって開口部３４を有する。スロット３２を構成する三方の内壁とコイル巻線３６との間には、図示されていない絶縁紙が配置される。絶縁紙としては、適当なプラスチックシート等を用いることができる。

開口部３４に配置される開口部用の絶縁体４０は、スロット３２の開口部３４の近傍とコイル巻線３６との間の絶縁のために設けられる。開口部用の絶縁体４０は、スロット３２の三方の内壁とコイル巻線３６との間の絶縁紙とは別に設けられる。

開口部用の絶縁体４０は、ロータ２０の軸方向に垂直な断面からみて互いに異なる面方向を有する二つの面を有する折り曲げ体である。開口部用の絶縁体としては、適当なプラスチックシートを矩形に成形し、これを折り曲げ、所定の開き角度に開いたものを用いることができる。

開口部用の絶縁体４０の表面に取り付けられるセンサ導体４２，４４は、互いに分離された磁性体の金属薄板である。センサ導体４２，４４は、ロータ２０の磁極を形成する永久磁石２４からの磁束を受け止め、磁束の変化があるときに、ファラデーの法則に従って起電力を生じさせる導体である。センサ導体４２，４４は、開口部用の絶縁体４０の二つの面にそれぞれ設けられる。したがって、二つのセンサ導体４２，４４は、ロータ２０の軸方向に垂直な断面からみて互いに異なる面方向を有し、互いに分離された金属薄板である。二つのセンサ導体４２，４４のそれぞれには、起電力に対応する信号を引き出すセンサ信号線４６，４８が取り付けられる。

センサ導体４２，４４は、ステータ３０の複数のスロット３２の中の１つのスロット３２に配置される開口部用の絶縁体４０の表面に設けられる。後述するように、センサ導体４２，４４によって検出される信号を用いてステータ３０に対するロータ２０の回転角度を求めるので、センサ導体４２，４４が設けられるスロット３２は、ステータ３０における基準位置とできる位置に配置されるものとすることがよい。センサ導体４２，４４を設けた開口部用の絶縁体４０を、複数のスロット３２に配置してもよい。こうすることで、複数の位置におけるセンサ導体４２，４４の検出信号を利用でき、例えば、複数の検出信号の平均値等を用いることができる。

図２は、開口部用の絶縁体４０の表面に取り付けられるセンサ導体４２，４４を示す図である。センサ導体４２，４４は、開口部用の絶縁体４０の折り曲げの外側になる面の表面に取り付けられる。折り曲げの外側の面とは、折り曲げの角度が鈍角となる側の面である。

センサ導体４２，４４は、略楕円形の平面形状を有するアルミニウムまたは銅の薄板である。センサ導体４２，４４は、適当な接着材で開口部用の絶縁体４０に固定される。接着材としては、例えば、回転電機１０のコイル巻線３６の固定に用いられるワニスを用いることができる。センサ信号線４６，４８は、その一方端が半田付け等で、センサ導体４２，４４の適当な箇所に電気的に接続される。他方端は、図示されていないセンサ導体信号処理部に接続される（図８参照）。

センサ導体４２，４４が取り付けられた開口部用の絶縁体４０は、センサ導体４２，４４がロータ２０のロータ２０の外周側に向かい合うように、スロット３２の中に配置される。換言すれば、センサ導体４２，４４が取り付けられた開口部用の絶縁体４０は、開口部用の絶縁体４０の折り曲げの角部の先端がロータ２０の外周側に向かい合うように、スロット３２の中に配置される。

図２には、センサ導体４２について、ロータ２０の磁極を形成する永久磁石２４からの磁束φ_Aを受け止め、磁束φ_Aの変化があるときに、この磁束φ_Aの変化を打ち消すように渦電流Ｉ_Aが発生する様子が示されている。この渦電流Ｉ_Aを生じさせる起電力Ｖ_Aがセンサ信号線４６によって外部に出力される。センサ導体４４についても同様に、ロータ２０の磁極を形成する永久磁石２４からの磁束φ_Aを受け止め、磁束φ_Aの変化があるときに生じる起電力Ｖ_Bがセンサ信号線４８によって外部に出力される。

この起電力Ｖ_A，Ｖ_Bの大きさは、ファラデーの法則に従って、ロータ２０の角速度ωに比例する。例えば、磁束φ_Aが角速度ωを有する正弦波状に変化するものとすると、φ_A＝Ａｓｉｎωｔとして、起電力Ｖ_A＝−（ｄφ_A）／ｄｔ＝−ωＡｃｏｓωｔとなる。したがって、ロータ２０の回転角速度ωが大きくなると、起電力Ｖ_A，Ｖ_Bが大きくなる。換言すれば、起電力Ｖ_A，Ｖ_Bの大きさから、ロータ２０の回転角速度ωを求めることができる。

このことを図３に示した。図３の横軸は電気角である。縦軸は起電力Ｖ_A，Ｖ_Bである。ここでは、電気角一周期分の起電力Ｖ_A，Ｖ_Bの波形が示されている。回転角速度ωが大きくなるにつれ、起電力Ｖ_A，Ｖ_Bが大きくなる。

永久磁石２４からの磁束がセンサ導体４２，４４の表面に垂直な方向に入射する位置関係にロータ２０の回転角度がなったときに、起電力Ｖ_A，Ｖ_Bは最大になると考えられる。したがって、起電力Ｖ_A，Ｖ_Bが最大値をとるときが、回転電機１０におけるｄ軸の位置になる。これを利用して、起電力Ｖ_A，Ｖ_Bの信号波形から、ステータ３０に対するロータ２０の回転角度を求めることができる。

センサ導体４２，４４が互いに異なる面方向を有することを利用して、ステータ３０に対するロータ２０の回転方向を判別することができる。図４は、ロータ２０の回転方向の判別が行われる原理を示す模式図である。紙面に垂直な方向がロータ２０の回転軸２２の軸方向である。図４においてａからｇの矢印は、ロータ２０の永久磁石２４からの磁束の方向を模式的に示すものである。ロータ２０が回転することで、１つの永久磁石２４からの磁束のセンサ導体４２，４４に対する入射角度が変化する。

図４において＋ωとして示された回転方向で回転すると、センサ導体４２，４４に対する磁束は、ａからｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇの順序で入射する。図４で−ωとして示された回転方向で回転すると、センサ導体４２，４４に対する磁束は、ｇからｆ，ｅ，ｄ，ｃ，ｂ，ａの順序で入射する。この入射方向がセンサ導体４２，４４の表面に垂直のときに起電力Ｖ_A，Ｖ_Bが最大となり、垂直の方向から傾くに従って起電力Ｖ_A，Ｖ_Bは減少し、表面に平行となると、それ以上の傾きでは、起電力Ｖ_A，Ｖ_Bはゼロとなる。

図５と図６は、ロータ２０が回転したときの起電力Ｖ_A，Ｖ_Bの変化を模式的に示す図である。横軸は時間で、対応する磁束の入射方向がａからｇで示されている。

図５は、ロータ２０が＋ω方向に回転した場合である。この場合には、時間経過と共に、センサ導体４２，４４に対する磁束の入射方向がａからｇの方向に変化する。センサ導体４２には、磁束の入射方向がｆとなるまでは磁束が当たるので、起電力Ｖ_Aが現れるが、磁束の入射方向がｆを過ぎると、磁束が当たらなくなり、起電力Ｖ_Aがゼロとなる。一方センサ導体４４には、磁束の入射方向がｂとなるまでは磁束が当たらないので、起電力Ｖ_Bがゼロであるが、磁束の入射方向がｂ以降となると磁束が当たるので、起電力Ｖ_Bが現れる。

このように、センサ導体４２，４４が互いに異なる面方向を有するときには、同じ永久磁石２４からの磁束の検出について、時間的な位相差が生じる。図５の場合では、時間経過と共に、起電力Ｖ_Aが現れた後にＶ_Bが現れる。

図６は、ロータ２０が−ω方向に回転した場合である。この場合には、時間経過と共に、センサ導体４２，４４に対する磁束の入射方向がｇからａの方向に変化する。センサ導体４２には、磁束の入射方向がｆとなるまでは磁束が当たらないので、起電力Ｖ_Aがゼロであるが、磁束の入射方向がｆを過ぎると、磁束が当たり、起電力Ｖ_Aが現れる。一方センサ導体４４には、磁束の入射方向がｂとなるまで磁束が当たり、起電力Ｖ_Bが現れるが、磁束の入射方向がｂ以降となると磁束が当たらないので、起電力Ｖ_Bがゼロとなる。このように、図６の場合では、時間経過と共に、起電力Ｖ_Bが現れた後にＶ_Aが現れる。

図５、図６に示されるように、センサ導体４２，４４が互いに異なる面方向を有するときには、ロータ２０の回転方向によって、センサ導体４２の起電力Ｖ_Aとセンサ導体４４の起電力Ｖ_Bの間の位相遅れの関係が異なってくる。ロータ２０が＋ω方向に回転するときは、図５に示すように、Ｖ_Aに対しＶ_Bが位相的に遅れる。ロータ２０が−ω方向に回転するときは、図６に示すように、Ｖ_Bに対しＶ_Aが位相的に遅れる。この相違を利用して、ロータ２０の回転方向を求めることができる。

図２では、２つのセンサ導体４２，４４が楕円形で、これらが取り付けられる開口部用の絶縁体４０の面の面積よりも狭い面積であるものとして説明した。図７は、２つのセンサ導体５２，５４が矩形で、これらが取り付けられる開口部用の絶縁体４０の面の面積と同じ面積とする例である。この場合には、２つのセンサ導体４２，４４が互いに絶縁されるように、開口部用の絶縁体４０の折り曲げ部のところに、相互絶縁体５０が設けられる。相互絶縁体５０は、開口部用の絶縁体４０とは、別個の絶縁体となる。相互絶縁体５０としては、例えばプラスチックゴム等を用いることができる。

センサ導体４２，４４から出力される起電力Ｖ_A，Ｖ_Bを用いて、ロータ２０の回転角度等を求めることができるので、その結果を回転電機１０の駆動制御に利用することができる。

図８は、レゾルバ６２を備える回転電機１０がセンサ導体４２，４４も備える場合の回転電機制御システム６０を示す図である。この回転電機制御システム６０は、レゾルバ６２に接続されるレゾルバ信号処理部６４を有する。レゾルバ信号処理部６４は、レゾルバ６２に対し、基準となる励磁信号Ｓ_Rを与え、レゾルバ６２から互いに直交する検出信号Ｓ_C，Ｓ_Sを取得する。この３つの信号に基づいて、周知の技術を用いて、ロータ２０の回転角度θ_Rを求めて制御部６８に出力することができる。

センサ導体４２，４４からのセンサ信号については、適当なセンサ導体信号処理部６６において、信号処理を行うことで、ロータ２０の回転角度θ_Sの他、回転角速度ω、回転方向を制御部６８に出力することができる。

制御部６８には、レゾルバ６２の動作が異常であるときに、レゾルバ信号処理部６４から異常検出信号Ｓ_Tが出力される。そこで、異常検出信号Ｓ_Tが出力されるまでは、レゾルバ６２を用いて得られるロータ２０の回転角度θ_Rを利用して回転電機１０の駆動制御を行い、異常検出信号Ｓ_Tが出力されると、センサ導体４２，４４を用いて得られるロータ２０の回転角度θ_Sを利用して回転電機１０の駆動制御を行うものとできる。

このように、回転電機１０の駆動制御にもっぱらセンサ導体４２，４４からの情報を利用する他に、レゾルバ６２を主として利用し、センサ導体４２，４４を副として利用することができる。また、これとは逆に、センサ導体４２，４４を主として利用し、レゾルバ６２を副として利用することができる。これらの使い分けで、ロータ２０の回転角度等の検出の冗長度を高め、また、ロータ２０の回転角度等の検出に要する消費電力を適切なものとすることができる。

本発明に係る回転電機は、車両搭載用の回転電機として利用できる。

１０回転電機、１２ケース、２０ロータ、２１ロータコア、２２回転軸、２４永久磁石、３０ステータ、３１ステータコア、３２スロット、３４開口部、３６コイル巻線、３８コイルエンド、４０開口部用の絶縁体、４２，４４，５２，５４センサ導体、４６，４８センサ信号線、５０相互絶縁体、６０回転電機制御システム、６２レゾルバ、６４レゾルバ信号処理部、６６センサ導体信号処理部、６８制御部。

Claims

予め定めた周方向配置に従って配置される複数の磁極を有する回転子と、
コイル巻線を収容し、回転子に向かって開口部を有する複数のスロットを含む固定子と、
スロットの開口部に配置される開口部用の絶縁体と、
開口部用の絶縁体に支持される導体であって、固定子に対し回転子が回転するときに回転子の磁極からの磁束の変化に応じて発生する起電力を出力するセンサ導体と、
を備えることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
センサ導体は、
回転子の軸方向に垂直な断面からみて互いに異なる面方向を有する複数の導体で構成されることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
複数の導体の間を絶縁する絶縁体であって、開口部用の絶縁体と別個の導体間の絶縁体を備えることを特徴とする回転電機。
請求項２または３に記載の回転電機において、
複数の導体は、開口部用の絶縁体と、絶縁性塗装体で支持されることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
固定子に対するロータの位置を検出するレゾルバを備えることを特徴とする回転電機。