JP2014087209A

JP2014087209A - モータ

Info

Publication number: JP2014087209A
Application number: JP2012235807A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Furukawa; 友則古川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】ロータの回転位置の検出性能を向上させるとともに、小型化を図ることが可能なモータを提供する。
【解決手段】中空のシャフト１３と、周方向に複数個の磁石を有し、シャフト１３と一体に回転するロータ１４と、ロータ１４の回転位置を検出するための位置センサ１５と、を備え、位置センサ１５は、ロータ１４の回転に伴う磁束変化により誘起電圧を発生する導電部材を含み、前記導電部材が、シャフト１３の内部の中空部分、かつ、シャフト１３の中心軸Ａから外れた位置において中心軸Ａの方向に延伸することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータの回転位置を検出するための装置を有するモータに関する。

ロータに含まれるマグネットによる磁界と、ステータに含まれるステータコイル（電気子巻線）に電流が流されることによって発生する回転磁界との相互作用により、ロータが回転するように構成されたブラシレスモータにおいて、ステータに対するロータの回転位置を光学的に検出するものが従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されたモータは、ロータの回転位置を検出する手段として、ロータの内部に収容されて回転軸と一体に回転する回転部と、ロータの外側（軸長方向外側）に配置された回路基板に実装されて、回転部の回転位置を検出する検出部と、を備えている。

また、ステータコアの軸方向一端面に配置された位置検出用コイルに発生する誘起電圧を検出し、この検出結果に基づいて、ロータの軸方向の位置を検出する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２２９６９８号公報特開２００９−１７１７１８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたモータは、ロータの軸長方向外側に、ロータの回転位置を検出する検出部を備える構造となっているため、モータ自身の体格が大型化してしまうという問題を有している。

なお、特許文献１に開示されたモータにおいて、小型化を図るためにシャフト内に上記の検出部を設置したとしても、ロータの内部構造はマグネットの発生する磁界をコントロールする構造になっていないため、発光素子や受光素子などからなる検出部が外部からのノイズの影響を受け易くなるという問題が新たに生じることになる。

一方、特許文献２に開示された方法は、ロータの軸方向の位置を検出する技術であり、ロータの回転位置を検出することを目的とするものではない。仮に、この方法がロータの回転位置を検出する目的に適用されたとしても、ロータマグネットのＮ極から出て隣接するロータマグネットのＳ極に向かう磁束の一部がステータコイル（電気子巻線）を経由するため、位置検出用コイルの検出電圧が、ステータコイルを流れる電流（ステータコイルからの磁束）に左右されてしまうという問題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、ロータの回転位置の検出性能を向上させるとともに、小型化を図ることが可能なモータを提供することを目的とする。

本発明に係るモータは、上記目的達成のため、中空のシャフトと、周方向に複数個の磁石を有し、前記シャフトと一体に回転するロータと、前記ロータの回転位置を検出するための位置センサと、を備え、前記位置センサは、前記ロータの回転に伴う磁束変化により誘起電圧を発生する導電部材を含み、前記導電部材が、前記シャフトの内部の中空部分、かつ、前記シャフトの中心軸から外れた位置において前記中心軸方向に延伸することを特徴とする。

この構成により、ロータの回転に伴う磁束変化により誘起電圧を発生する導電部材が、中空のロータシャフトの内部に配置されるため、ロータの回転位置の検出性能を向上させるとともに、モータの体格の小型化を図ることが可能となる。

本発明によれば、ロータの回転位置の検出性能を向上させるとともに、小型化を図ることが可能なモータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るモータの構成の一例を示す概略図である。ロータの構成の一例を示す模式正面図である。シャフトの構成の一例を示す模式正面図である。位置センサの構成の一例を示す模式斜視図である。シャフトの内周面における突起の配置位置を説明するための模式正面図である。シャフト内における位置センサの配置位置を説明するための模式正面図である。位置センサ（コイル）に生じる誘起電圧の時間変化を模式的に示すグラフである。位置センサ（単線）に生じる誘起電流の時間変化を模式的に示すグラフである。ロータの構成の他の一例を示す模式正面図である。位置センサの構成の他の一例を示す概略図である。図１０に示した位置センサの模式正面図である。

以下、本発明に係るモータの実施形態について図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致しない。

図１に示すように、本実施形態のモータ１は、ハウジング１０と、ハウジング１０の内周面側に固定されたステータ１１と、ハウジング１０に軸受１２ａ、１２ｂを介して回転自在に支持された中空のシャフト１３と、シャフト１３を中心とした円筒形状をなし、外周面がステータ１１に対向するように配置されたロータ１４と、中空のシャフト１３の内部の中空部分に設置され、ロータ１４の回転位置を検出する位置センサ１５と、を主に備える。

位置センサ１５は、シャフト１３の内部の中空部分、かつ、中心軸Ａから外れた位置において中心軸Ａの方向に延びる導電部材からなり、ロータ１４の回転に伴う磁束変化により誘起電圧（または誘起電流）を発生するようになっている。位置センサ１５は、シャフト１３及びロータ１４が一体回転するように構成されているのに対し、所定の位置に固定された状態になっている。

ここで、本実施形態のモータ１は、位置センサ１５を固定する手段として、ハウジング１０の下部に取り付けられた支持部材１６を有している。支持部材１６の位置センサ１５との接触部には、例えば絶縁体材料からなる滑車１６ａが取り付けられている。また、シャフト１３の外側面には、回転するシャフト１３の動力を不図示のドライブシャフトに伝達するためのディファレンシャルギア１７が取り付けられている。

ステータ１１は、円筒状のステータコア１８と、ステータコア１８に巻回された複数の電機子巻線１９と、を備える。ステータコア１８は、シャフト１３の中心軸Ａの方向に積層された複数の電磁鋼板２０から構成されている。電磁鋼板２０には、例えば、鉄や鉄合金などの強磁性体が用いられる。なお、ステータコア１８は、電磁鋼板に限定されず、例えば圧粉磁心等から構成されていてもよい。電機子巻線１９は、不図示の給電ケーブルによってパワーコントロールユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）２１に電気的に接続されている。

ＰＣＵ２１は、ロータ１４の回転位置と、位置センサ１５の両端電圧（または位置センサ１５を流れる電流）との対応関係を予め記憶しており、不図示の計測器によって測定された位置センサ１５の両端電圧（または位置センサ１５を流れる電流）に基づいて、ロータ１４の回転位置を検出するようになっている。さらに、ＰＣＵ２１は、上記のようにして検出したロータ１４の回転位置に基づいて、適正なタイミングで所定の電機子巻線１９に電力供給し、モータ１の駆動を制御するようになっている。

ロータ１４は、図１及び図２に示すように、シャフト１３の中心軸Ａの方向に積層された複数の電磁鋼板２２から構成されるロータコア２３と、ロータコア２３に埋設された複数の磁石（永久磁石）２４ａ〜２４ｈとを備える。ロータコア２３は環状に形成されており、ロータコア２３の中央部には、シャフト１３が挿入される貫通孔が形成されている。ロータコア２３には、周方向に間隔を空けて複数の磁石挿入孔２５が形成されており、各磁石挿入孔２５内に上記の８つの磁石２４ａ〜２４ｈが挿入されている。磁石挿入孔２５は、ロータコア２３の最上層の電磁鋼板から最下層の電磁鋼板に達している。

図２に示した例ではロータ１４の極対数は４であり、磁石２４ａ及び磁石２４ｂと、磁石２４ｃ及び磁石２４ｄと、磁石２４ｅ及び磁石２４ｆと、磁石２４ｇ及び磁石２４ｈとは、それぞれ１つの磁極を形成する。なお、ロータ１４の極対数は４に限定されるものではない。

図３は、図２に示したシャフト１３の拡大図である。既に述べたようにシャフト１３は中空状になっており、その中空部分の内周面には複数の突起１３ａ〜１３ｈが形成されている。各突起１３ａ〜１３ｈは、シャフト１３の中心軸Ａの方向に沿って、シャフト１３の内周面の上端から下端に亘る範囲に形成されている。これらの突起１３ａ〜１３ｈは、磁束を通す材質からなり、例えばステータコア１８やロータコア２３を構成する電磁鋼板、あるいは、シャフト１３と同じ材質からなる。なお、図３には、位置センサ１５として図４に示すようなコイルを用いた例を示している。

図３の構成においては、突起１３ａと突起１３ｂにより、ロータ１４の磁石２４ａのＮ極から出て隣接する磁石２４ｂのＳ極に向かう磁束の流れがシャフト１３内に集中し、破線矢印に示すような磁路がシャフト１３内に形成される。各磁極に対応する他の突起の組（突起１３ｃと突起１３ｄ、突起１３ｅと突起１３ｆ、突起１３ｇと突起１３ｈ）に関しても、同様の磁路がシャフト１３内に形成される。

ここで、ロータ１４の磁石２４ａ〜２４ｈからの磁束が効率的に位置センサ１５を通過するように、上記の磁路の磁束がなるべく多く通過する箇所に位置センサ１５が配置されることが望ましい。位置センサ１５がコイルである場合には、シャフト１３の中心軸Ａに向かって上記の磁路が最もせり出す部分の磁束が、コイルの開口面の中心をほぼ垂直に通過するようにコイルの向きが設定されると、磁束の検出効率をさらに上げることができるため望ましい。また、位置センサ１５が単線である場合には、単線の中心をなるべく多くの磁束が通過するように、単線が配置されることが望ましい。

以下、突起１３ａ〜１３ｈと位置センサ１５の望ましい配置位置について、図５及び図６を参照しながらより詳細に説明する。

図５に示すように、例えば２つの突起１３ａ、１３ｂは、シャフト１３の中心軸Ａから、ロータ１４の磁石２４ａの角２４ａ−１、及び、ロータ１４の磁石２４ｂの角２４ｂ−１を見込む角度θ内にそれぞれ形成されることが好ましい。ただし、磁石２４ａと磁石２４ｂとの線対称の対称軸Ｂに対して、突起１３ａは磁石２４ａ側に形成され、突起１３ｂは磁石２４ｂ側に形成される。

また、図６に示すように、シャフト１３（及びロータ１４）の回転位置のうち、位置センサ１５の中心がシャフト１３の２つの突起１３ａ、１３ｂから等距離の線Ｃ上に位置する瞬間の回転位置において、角２４ａ−１、角２４ｂ−１、及び２つの突起１３ａ、１３ｂが一つの円弧上に位置することが好ましい。このとき、この円弧と上記の線Ｃが交わる位置が、位置センサ１５が配置される径方向の位置として最適である。

なお、上記の説明では、突起１３ａ、１３ｂと磁石２４ａ、２４ｂの組を例に挙げて、それらの望ましい位置関係を示したが、各磁極に対応する他の突起と磁石の組（即ち、突起１３ｃ、１３ｄと磁石２４ｃ、２４ｄ、突起１３ｅ、１３ｆと磁石２４ｅ、２４ｆ、突起１３ｇ、１３ｈと磁石２４ｇ、２４ｈ）についても、それぞれ突起１３ａ、１３ｂと磁石２４ａ、２４ｂと同様の位置関係で配置されることが望ましい。

上述のように構成されたモータ１においては、シャフト１３及びロータ１４が一体回転することにより、位置センサ１５が設置された位置での磁界の強さが時々刻々と変化する。例えば、位置センサ１５が図４に示したようなコイルである場合には、このコイルの両端に生じる誘起電圧の時間変化は図７のグラフに示すようなものとなる。ここで、図中の（１）〜（４）の番号は、図２に示したロータ１４の各磁極に対応している。一方、位置センサ１５が単線である場合には、この単線を流れる誘起電流の時間変化は図８のグラフに示すようなものとなる。

従って、既に述べたように、ＰＣＵ２１は、図７や図８に示した電圧変化または電流変化を常にモニタし、予め記憶したロータ１４の回転位置と上記の電圧変化または電流変化との対応関係に基づいて、ロータ１４の回転位置を検出することができる。

なお、シャフト１３内の位置センサ１５に磁石２４ａ〜２４ｈの磁束を集中的に通過させる構成は、上記のシャフト１３の内周面に複数の突起１３ａ〜１３ｈを設ける構成に限定されず、他の構成であってもよい。例えば、図９に示すように、各磁極を構成する２つの磁石の内側（対向面側）に挟まれたロータコア２３の所定領域において、ロータコア２３を構成する電磁鋼板を最上層から最下層まで積層方向に貫通する貫通孔２６が形成された構成であってもよい。

この構成により、例えば磁石２４ａのＮ極から出て磁石２４ｂのＳ極に向かう磁束は、貫通孔２６によって（貫通孔２６が形成されていない場合と比較して）シャフト１３側（及びステータ１１側）に押し出されるため、各磁極からの磁束を効果的に位置センサ１５に集中させることが可能となる。

なお、位置センサ１５が単線である場合には、図１０に示すように、絶縁体材料からなる円筒状の部材３０に位置センサ１５の単線を這わせた構成とすることもできる。

円筒状の部材３０は、シャフト１３の内部に挿入される円筒部３０ａと、ハウジング１０に取り付けられて円筒部３０ａの位置を固定する取り付け部３０ｂと、からなる。なお、円筒状の部材３０は、シャフト１３（及びロータ１４）の回転から切り離されている。また、円筒部３０ａの中心軸はシャフト１３の中心軸Ａと重なることが好ましい。

位置センサ１５は、図１０及び図１１に示すように、取り付け部３０ｂ側から円筒部３０ａの上端部に向かって、シャフト１３の中心軸Ａの方向に延伸する第１の線部分１５ａと、円筒部３０ａの上端部から取り付け部３０ｂに向かって、中心軸Ａの方向に延伸する第２の線部分１５ｂと、円筒部３０ａの上端部付近において円筒部３０ａの周方向に１／４周這い、第１の線部分１５ａと第２の線部分１５ｂを接続する第３の線部分１５ｃと、を含む。

即ち、図１１に示すように、第１の線部分１５ａの中心軸と第２の線部分１５ｂの中心軸とは、シャフト１３の中心軸Ａを中心として、円筒部３０ａの周方向に沿って９０度離れた位置に配置される。これにより、これまで説明してきた４極対のロータ１４においては、第１の線部分１５ａの誘起電流と、第２の線部分１５ｂの誘起電流の向きが常に逆向きになる。従って、単線が１本だけ配置された図１の構成と比較して、ＰＣＵ２１の前段の不図示の計測器によって測定される電流値を２倍にすることができるため、ロータ１４の回転位置の検出精度がより向上する。

なお、図１０及び図１１に示した構成において、円筒部３０ａの外径は、図５及び図６を参照しながら説明した位置センサ１５の配置位置を実現できるものであることが望ましい。

以上説明したように、本実施形態に係るモータ１は、従来のようにロータの軸長方向外側ではなく、中空のシャフト１３内に位置センサ１５が配置されるため、モータ全体の体格を小型化することができる。

また、本実施形態に係るモータ１の位置センサ１５は、磁界に起因するノイズの影響を受け易い発光素子や受光素子を用いた構成と異なり、ロータ１４の磁石２４ａ〜２４ｈによる磁界そのものをより直接的に測定するものであるため、ロータ１４の回転位置の検出性能を向上させることができる。

また、本実施形態に係るモータ１は、シャフト１３内の磁束をコントロールして、磁束を位置センサ１５に多く通過させるための複数の突起１３ａ〜１３ｈがシャフト１３内に形成されていることにより、ロータ１４の回転位置の検出性能をさらに向上させることができる。

また、本実施形態に係るモータ１は、シャフト１３内の磁束をコントロールする他の構成として、ロータコア２３に貫通孔２６が形成されていることにより、ロータ１４の回転位置の検出性能をさらに向上させることができる。なお、本実施形態のモータ１は、貫通孔２６と突起１３ａ〜１３ｈを両方有する構成であってもよい。

さらに、本実施形態に係るモータ１の位置センサ１５は、ロータ１４からの磁束のうち、ステータ１１の電機子巻線１９を経由する磁束ではなく、シャフト１３側を経由する磁束を検出するものであるため、電機子巻線１９を流れる電流の影響を受けることなく、常に一様な磁束を検出することができる。これにより、ロータ１４の回転位置の検出性能をさらに向上させることが可能となる。

１…モータ、１０…ハウジング、１１…ステータ、１２ａ、１２ｂ…軸受、１３…シャフト、１３ａ〜１３ｈ…突起、１４…ロータ、１５…位置センサ、１５ａ…第１の線部分、１５ｂ…第２の線部分、１５ｃ…第３の線部分、１６…支持部材、１６ａ…滑車、１７…ディファレンシャルギア、１８…ステータコア、１９…電機子巻線、２０…電磁鋼板、２１…ＰＣＵ（Power Control Unit）、２２…電磁鋼板、２３…ロータコア、２４ａ〜２４ｈ…磁石（永久磁石）、２４ａ−１、２４ｂ−２…角、２５…磁石挿入孔、２６…貫通孔、３０…円筒状の部材、３０ａ…円筒部、３０ｂ…取り付け部

Claims

中空のシャフトと、
周方向に複数個の磁石を有し、前記シャフトと一体に回転するロータと、
前記ロータの回転位置を検出するための位置センサと、を備え、
前記位置センサは、前記ロータの回転に伴う磁束変化により誘起電圧を発生する導電部材を含み、前記導電部材が、前記シャフトの内部の中空部分、かつ、前記シャフトの中心軸から外れた位置において前記中心軸方向に延伸することを特徴とするモータ。