JP2014180108A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴミや塵埃等の付着を防止しつつ高い分解能を確保することにより、回転子の回転方向位置を高精度に検出する。
【解決手段】固定子１３と、磁気的空隙２を介して固定子１３の径方向内側に対向配置された回転子２１と、回転子２１に連結されるとともに固定子１３の軸方向上側の端部を覆い固定子１３との間に所定の内部空間４を形成する回転カバー２２と、回転カバー２２の回転と共に回転するように、内部空間４に設けた回転ディスク２８と、ハウジング１１に設けられて回転ディスク２８の位置を光学的若しくは磁気的に検出する検出部１８と、を有する。
【選択図】図３

Description

開示の実施形態は、回転電機に関する。

固定子と、回転子と、それら固定子及び回転子を内包するハウジングを有する回転電機が知られている。例えば、特許文献１に記載の回転電機では、回転子を固定したシャフトが上記ハウジングの外部に突出し、その突出部に、略円板状の回転ディスクが設けられている。この回転ディスクに設けたスケールを位置センサが検知することにより、上記回転子の回転方向位置が検出される。

また、例えば特許文献２に記載の回転電機では、固定子の径方向内側に回転子が設けられる、いわゆるインナーロータタイプとして構成されている。回転子の径方向外周部に複数のマグネットが周方向に沿って配列されており、これら複数のマグネットが、固定子に設けたホール素子によって検出される。

特開２００７−１７８２３５号公報 実開平５−２５９７３号公報

上記特許文献１に記載の従来技術では、上述のように、固定子と回転子とが内部で対向配置されるハウジングの外部に、回転ディスクが設けられている。これにより、回転ディスクを比較的大径とすることができるので、例えばディスク外周部に数多くのスリット等を設けて高い分解能を確保することができる。しかしながら、回転ディスクがハウジングの外部に露出し周囲環境に晒されることから、ゴミや塵埃等の付着により検出精度の低下を招く恐れがある。

また、上記特許文献２に記載の従来技術では、インナーロータタイプであって回転子の径方向外側に固定子が存在することから、回転子の外径には制約があり、比較的小径となる。この結果、回転子の周長が比較的短くなるので、回転子の外周部にマグネットを数多く設けて高い分解能を確保するのは困難であり、検出精度の低下を招く。また、回転子や固定子が配置されるハウジング内への防塵について特に配慮されておらず、ハウジング内へ侵入したゴミや塵埃等がホール素子へ付着した場合、これによっても検出精度の低下を招く恐れがあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ゴミや塵埃等の付着を防止しつつ高い分解能を確保することにより、回転子の回転方向位置を高精度に検出できる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、固定子と、磁気的空隙を介して前記固定子の径方向内側に対向配置された回転子と、前記回転子に連結されるとともに前記固定子の軸方向一方側の端部を覆い、前記固定子若しくは当該固定子に固定された固定部材との間に所定の内部空間を形成するカバーと、前記カバーの回転と共に回転するように、前記内部空間内に若しくは前記内部空間に臨むように設けられた被検出部材と、前記固定子若しくは前記固定部材に設けられ、前記被検出部材の位置を光学的若しくは磁気的に検出する検出部と、を有することを特徴とする。

本発明の回転電機によれば、ゴミや塵埃等の付着を防止しつつ高い分解能を確保することにより、回転子の回転方向位置を高精度に検出することができる。

実施形態の回転電機の全体構成を表す縦断面図である。 回転カバー及び環状ボスを裏面側から見た斜視図である。 図１の要部拡大断面図である。 磁気エンコーダ方式で検出する変形例の回転電機の全体構成を表す縦断面図である。 回転カバーを裏面側から見た斜視図である。 図４の要部拡大断面図である。

以下、開示の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

＜回転電機の概略＞
まず、図１を用いて、本実施形態に係る回転電機１の構成について説明する。図１に示すように、回転電機１は、固定部１０と、回転部２０とを備えたインナーロータ型のダイレクトドライブモータ（以下、ＤＤモータという）であり、回転部２０を固定部１０の内側に備えている。

＜固定部＞
固定部１０は、略円筒形状のハウジング１１（固定部材に相当）と、ベース部１２と、固定子１３と、２つの軸受１４，１４とを有している。なお、軸受１４は２つには限られず、１つ以上であればよい。２つの軸受１４，１４の間には、内外二層の間座１４Ａ，１４Ｂが配置されている。内周側の間座１４Ａは固定側、外周側の間座１４Ｂは回転側となっており、２つの軸受１４，１４の内側の位置決め部材となっている。

ハウジング１１は、回転電機１が備えるほとんどの構成部品をその内部に収納する。

ベース部１２は、基部１２ａと固定シャフト部１２ｂとを一体的に備えている。基部１２ａは、ハウジング１１の外径と略同じ外径の円板形状を備えている。基部１２ａは、ハウジング１１のうち、軸方向他方側（図１中の下側。以下同様）の開口端を塞いでいる。固定シャフト部１２ｂは、基部１２ａの径方向中心から軸方向一方側（図１中の上側。以下同様）へと突出する、中空管状の形状を備えている。すなわち、固定シャフト部１２ｂは、ハウジング１１の径方向中心位置を貫通している。固定シャフト部１２ｂの突出端側（図１中の上側）には、固定側補助部材１９が設けられている。固定側補助部材１９は、一方の軸受１４の外側を厚肉としており、内周側の間座１４Ａとで一方の軸受１４を挟持している。

固定子１３は、ハウジング１１の内周面に配置される積層コア１５と、この積層コア１５において巻回して設けられた電機子コイル１６と、を備えている。電機子コイル１６は、ハウジング１１の内周面で周方向に並ぶように積層コア１５に複数設けられている。

＜回転部＞
回転部２０は、固定子１３の径方向内側に磁気的空隙２を介して対向配置された回転子２１と、回転カバー２２と、を有している。なお、回転カバー２２については後述する。

＜回転子＞
回転子２１は、出力軸２３と、回転側補助部材２４と、出力軸２３の径方向外側に配置された永久磁石２５と、を有している。なお、回転カバー２２及び回転ディスク２８については後述する。

出力軸２３は、全体が略中空管状に構成されており、図１中の上側の端部にはフランジ部２３ａが形成されている。回転側補助部材２４は、上記固定側補助部材１９の外周面と出力軸２３の内周面との間に配置されている。そして、出力軸２３は、フランジ部２３ａがハウジング１１の開口端側の（図１中の上側）に位置した状態で、ボルト２６を介して回転側補助部材２４に連結されている。これにより、出力軸２３と回転側補助部材２４との結合体が、軸受１４，１４を介し、（軸方向に拘束されつつ）固定シャフト部１２ｂに回転可能に支持されている。なお、回転側補助部材２４は、一方の（図１中の上側の）軸受１４（第１軸受に相当）を上記軸方向一方側から固定する第１部材として機能する。また、出力軸２３は、他方の（図１中の下側の）軸受１４（第２軸受に相当）を上記軸方向他方側から固定するとともに、固定子１３の径方向内側に対向する永久磁石２５を径方向外側に備える第２部材として機能する。

永久磁石２５は、出力軸２３の外周面に、周方向に並ぶように複数設けられている。また永久磁石２５は、固定子１３の積層コア１５に対し径方向において磁気的空隙２を介し対向するように、配置されている。

なお、上記構成において、この例では、回転子２１のうち上記出力軸２３と上記回転側補助部材２４とは、軸受１４，１４を軸方向の一方側（図１中の上側）及び軸方向の他方側（図１中の下側）から挟み込んで固定する軸受固定部を構成している。そして、回転電機１の製造時においては、例えば、２つの軸受１４，１４を挟み込むようにして、出力軸２３と回転側補助部材２４とからなる上記軸受固定部を備えた回転子２１が、組み付けられる。その後、固定子１３を内包するハウジング１１が、ベース部１２に組み付けられる。そして、最後に、回転子２１の軸方向一方側（図１中の上側）に回転カバー２２及び回転ディスク２８（後述）が取り付けられる。

＜回転動作の概略＞
上記構成において、固定子１３の複数の電機子コイル１６に電力が給電されることで、ハウジング１１の内部に交番磁界が発生する。そして、回転子２１の永久磁石２５がそれら交番磁界による引力と斥力とを受けることで出力軸２３にトルクを発生し、回転部２０全体が回転する。

＜回転カバー及び回転ディスク＞
回転子２１には、固定子１３の軸方向一方側（図１中の上側）の端部を覆うように、回転カバー２２が連結されている。図２、図３、及び前述の図１に示すように、回転カバー２２は、全体が略ドーナツ形状（環状）の円板部材であり、ハウジング１１（又は固定子１３でもよい）との間に、内部空間４が形成される。回転カバー２２は、出力軸２３のフランジ部２３ａに例えば図示しないボルトなどで取り付けられる。これにより、回転カバー２２は、ハウジング１１の上記軸方向一方側（図１及び図３中上側）の開口端を覆うように、配置される。そして、回転カバー２２の上記軸方向他方側（図１及び図３中下側）の底面と固定子１３の電機子コイル１６との間には、間隙３が設けられている。

回転カバー２２は、上記軸方向と直交する径方向（図１、図３中の左右方向）に延設された平板部２２ｂと、平板部２２ｂの外周に一体に形成された円筒部２２ｃと、を備えている。平板部２２ｂには、上記出力軸２３の上記軸方向一方側端部が突出するための開口２２ａが、径方向中心部に形成されている。また平板部２２ｂは、出力軸２３のフランジ部２３ａに図示しないボルトで取り付けるためのボルト穴２２ｄ（図２には図示せず。後述の図５参照）が形成されている。円筒部２２ｃは、ハウジング１１の径方向外側を覆うように平板部２２ｂから軸方向に延設される。また、円筒部２２ｃは、ハウジング１１（又は固定子１３でもよい）との間に、上記内部空間４の径方向外周部に連通する、所定の防塵通路１００を形成する。

このとき、フランジ部２３ａには、上記回転カバー２２と軸方向に離間するようにしつつ、環状ボス２７が取り付けられている。環状ボス２７は、フランジ部２３ａに図示しないボルトで取り付けるためのボルト穴２７ａが形成されている（図２参照）。そして、この環状ボス２７を介し、回転ディスク２８（被検出ディスク、被検出部材に相当）が出力軸２３のフランジ部２３ａに支持されている。これにより、回転ディスク２８は、回転カバー２２や回転子２１の回転と共に回転する。

すなわち、回転ディスク２８は、回転カバー２２の上記軸方向他方側の内部空間４において（あるいは内部空間４に臨むように）、径方向に延びつつ回転子２１の径方向外側に設けられている。そして、この回転ディスク２８の裏面には、回転方向に沿って全周に形成された、エンコーダパターンスリット２８ａが備えられている（図２参照）。なお、この例では、エンコーダパターンスリット２８ａは、貫通しない凹みスリットとなっている。また、回転ディスク２８の外径は、平板部２２ｂの外径と略同一寸法となっている。

このとき、ハウジング１１の他方（図１において図中の上側）の開口端には、回転ディスク２８と対向するように、図３に示すように、検出部１８が配置されている。この例では、検出部１８は、回転ディスク２８の位置を光学的に検出する発光素子と受光素子とからなる光学式の位置検出センサである。回転ディスク２８を検出部１８が光学的に検出することにより、回転子２１の回転方向位置を検出することができる。検出部１８は、アーム状（又は板状）の支持部材１７を介して、ハウジング１１（又は固定子１３でもよい）に支持されている。言い換えれば、検出部１８及び回転ディスク２８は、内部空間４に臨むように、支持部材１７及び出力軸２３にそれぞれ設けられている。

以上説明したように、本実施形態の回転電機１は、固定子１３と回転子２１とが対向配置され、防塵を行うための回転カバー２２が、回転子２１に連結して設けられる。この回転カバー２２は、固定子１３（若しくはハウジング１１）との間に、内部空間４を形成する。そして、回転子２１の径方向外側に回転ディスク２８が設けられる。この回転ディスク２８を検出部１８が光学的に検出することにより、回転子の回転方向位置を検出することができる。

このとき、回転カバー２２は、固定子１３の上記軸方向一方側の端部を覆うように設けられることから、回転カバー２２の外径を固定子１３の制約を受けることなく比較的大径とすることができる。この結果、回転カバー２２内の上記内部空間４を、径方向に比較的大きい寸法とすることができる。したがって当該内部空間４において径方向に延びるように配置される上記回転ディスク２８の外径を、比較的大径とすることができる。これにより、当該大径の回転ディスク２８に設けられるエンコーダパターンスリット２８ａのスリット数を、比較的多数とすることができるので、高い分解能を容易に確保することができる。この結果、回転子２１の回転方向位置を高精度に検出することができる。またこのとき、検出部１８は、回転カバー２２内の内部空間４において周囲環境に晒されることなく回転ディスク２８の検出を行うことができるので、ゴミや塵埃等の付着により検出精度が低下するおそれがない。以上により、本実施形態によれば、ゴミや塵埃等の付着を防止しつつ高い分解能を確保することにより、回転子２１の回転方向位置を高精度に検出することができる。

また、本実施形態では特に、回転カバー２２が平板部２２ｂと円筒部２２ｃとで構成されることで、平板部２２ｂと回転ディスク２８とが略平行になる（図３参照）。これにより、回転ディスク２８の外径寸法を平板部２２ｂと略同一の大径として、上述のようにして確実に高い分解能を得ることができる。また、内部空間４の外周部に連通するように、円筒部２２ｃと固定子１３（若しくはハウジング１１）との間に防塵通路１００を形成することにより、さらに確実に内部空間４の防塵を図ることができる。

また、本実施形態では特に、上述したように、回転電機１の製造時において、回転ディスク２８や回転カバー２２は、最後の工程で取り付けられる。これにより、検出部１８による検出の初期設定や使用開始後の再設定のために回転ディスク２８の位置決めや各種調整が必要となった場合でも、それら回転ディスク２８や回転カバー２２の取り付け工程より前に既に組み付けられたベース部１２、軸受１４、軸受固定部（出力軸２３及び回転側補助部材２４の結合体）、回転子２１、ハウジング１１等を取り外すことなく、簡単に位置決めや各種調整を行うことができる。

また、本実施形態では特に、回転側補助部材２４が上記一方の軸受１４を上記軸方向一方側から固定するとともに、出力軸２３が上記他方の軸受１４を上記軸方向他方側から固定する。そして、これら出力軸２３及び回転側補助部材２４が互いに連結されて、回転子２１の上記軸受固定部が構成される。これにより、回転子２１が、上記２つの軸受１４，１４を介しベース部１２に対して回転可能に支持される構造を、容易かつ確実に実現することができる。

なお、開示の実施形態は、上記の構成に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。

＜磁気エンコーダ方式で検出する場合＞
上記実施形態のようなエンコーダパターンスリット２８ａの光学的な検出に代えて、磁気的な検出を行う方式としても良い。そのような変形例を図４〜図６により説明する。なお、上記実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略又は簡略化する。

上記図１及び図３に対応する図４及び図６に示すように、この変形例では、上記実施形態における環状ボス２７及び回転ディスク２８が省略される。そして、回転カバー２２の円筒部２２ｃには、内部空間４に臨むように、周方向に沿った複数箇所にそれぞれ設けられた、複数（この例では１４個）の着磁部３８Ｓ，３８Ｎ（磁石、被検出部材に相当）が設けられている。着磁部３８Ｓは、径方向内側がＳ極でかつ径方向外側がＮ極に予め着磁された領域である。着磁部３８Ｎは、径方向内側がＮ極でかつ径方向外側がＳ極に予め着磁された領域である。これら着磁部３８Ｓ及び着磁部３８Ｎは、周方向に交互に設けられている（図５参照）。

また、検出部１８は、ハウジング１１（又は固定子１３でもよい）の周方向１カ所に、内部空間４において上記着磁部３８Ｓ，３８Ｎに対向可能に設けられた、ホールセンサである。この例では、検出部１８は、着磁部３８Ｓ，３８Ｎに対し径方向外側に向かって対向するように、ハウジング１１（又は固定子１３）に設けられている。検出部１８は、上記着磁部３８Ｓ，３８Ｎを磁気的に検出することにより、回転子２１の回転方向位置を検出することができる。

本変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得る。すなわち、回転カバー２２の外径を固定子１３の制約を受けることなく比較的大径とすることができるので、配置する着磁部３８Ｓ，３８Ｎの数を、比較的多数（上記の例では１４個）とすることができる。これにより、高い分解能を容易に確保することができるので、回転子２１の回転方向位置を高精度に検出することができる。またこのとき、検出部１８は、回転カバー２２内の内部空間４において周囲環境に晒されることなく着磁部３８Ｓ，３８Ｎの検出を行うことができるので、ゴミや塵埃等の付着により検出精度が低下するおそれがない。以上により、本実施形態によれば、ゴミや塵埃等の付着を防止しつつ高い分解能を確保することにより、回転子２１の回転方向位置を高精度に検出することができる。

なお、以上では、回転電機１が、電動機である場合の例を説明したが、電動機ではなく発電機である場合にも適用することができる。

以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 回転電機
２ 磁気的空隙
４ 内部空間
１０ 固定部
１１ ハウジング
１２ ベース部
１３ 固定子
１４ 軸受
１５ 積層コア
１６ 電機子コイル
１７ 遮蔽板
１８ 検出部
２０ 回転部
２１ 回転子
２２ 回転カバー（カバー）
２２ｂ 平板部
２２ｃ 円筒部
２３ 出力軸
２４ 回転側補助部材
２５ 永久磁石
２８ 回転ディスク（被検出ディスク、被検出部材）
３８Ｓ，Ｎ 着磁部（磁石、被検出部材）

Claims (7)

1. 固定子と、
   磁気的空隙を介して前記固定子の径方向内側に対向配置された回転子と、
   前記回転子に連結されるとともに前記固定子の軸方向一方側の端部を覆い、前記固定子若しくは当該固定子を固定した固定部材との間に所定の内部空間を形成するカバーと、
   前記カバーの回転と共に回転するように、前記内部空間内に若しくは前記内部空間に臨むように設けられた被検出部材と、
   前記固定子若しくは前記固定部材に設けられ、前記被検出部材の位置を光学的若しくは磁気的に検出する検出部と、
   を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記被検出部材は、
   前記カバーの軸方向他方側の前記内部空間において径方向に延びるように、前記回転子の径方向外側に設けられた被検出ディスクであり、
   前記検出部は、
   前記内部空間に臨むように前記固定子若しくは前記固定部材に設けられ、前記被検出ディスクの位置を光学的に検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記カバーは、
   径方向に延設される平板部と、
   前記固定子側の径方向外側を覆うように前記平板部から前記軸方向に延設されるとともに、前記固定子若しくは前記固定部材との間に、前記内部空間の径方向外周部に連通する所定の防塵通路を形成する、円筒部と、
   を備えており、
   前記被検出ディスクは、
   前記平板部の外径と略同一の外径寸法を備えている
   ことを特徴とする請求項２記載の回転電機。
4. 前記被検出部材は、
   前記内部空間に臨むように、前記カバーの周方向に沿った複数箇所にそれぞれ設けられた複数の磁石であり、
   前記検出部は、
   前記内部空間内において前記磁石に対向可能に前記固定子若しくは前記固定部材に設けられ、前記磁石の位置を磁気的に検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
5. 前記カバーは、
   径方向に延設される平板部と、
   前記固定子側の径方向外側を覆うように前記平板部から前記軸方向に延設されるとともに、前記固定子若しくは前記固定部材との間に、前記内部空間の径方向外周部に連通する所定の防塵通路を形成する、円筒部と、
   を備えており、
   前記複数の磁石は、
   前記円筒部の内周側の部位に設けられており、
   前記検出部は、
   前記磁石に対し径方向外側に向かって対向するように、前記固定子若しくは前記固定部材に設けられている
   ことを特徴とする請求項４記載の回転電機。
6. 前記回転子を回転可能に支持する軸受と、
   少なくとも１つの前記軸受を固定するベース部と、
   をさらに有し、
   前記回転子は、
   前記少なくとも１つの軸受を、前記軸方向一方側及び軸方向他方側から挟み込んで固定する軸受固定部を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の回転電機。
7. 前記ベース部は、
   前記軸方向一方側の第１軸受及び前記軸方向他方側の第２軸受がそれぞれ固定されており、
   前記軸受固定部は、
   前記第１軸受を前記軸方向一方側から固定する第１部材と、
   前記第２軸受を前記軸方向他方側から固定するとともに、前記固定子の径方向内側に対向する永久磁石を径方向外側に備え、前記第１部材に連結される第２部材と、
   を備えることを特徴とする請求項６記載の回転電機。

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