JP2015100163A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子界磁型の電動機において、シャフトの漏れ磁束が回転センサのセンシングに与える影響を低減する。
【解決手段】シャフト３の先端部にスリーブ２４を設置して、界磁マグネット９からシャフト３へ流れる漏れ磁束Ｂを遮蔽する。センサターゲット２２は、スリーブ２４を間に介在させてシャフト３の先端部に固定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、固定子側に配置された磁界発生部により界磁される回転子を備えた電動機に関するものである。

従来の回転子界磁型電動機（例えば、特許文献１参照）は、２個の積層された磁性体それぞれにＮ極とＳ極となる突極を半ピッチ捻って形成した回転子と、磁性体に突極状のティースを形成してコイルを巻回した固定子と、この固定子に配置された磁界発生部（永久磁石または電磁石）とを備え、磁界発生部により回転子に発生させた磁界と、コイルの通電を切り替えることにより固定子ティースに発生させた回転磁界との相互作用により回転子を回転させる。

このような電動機において、性能は主として下記（１）〜（３）により決定される。
（１）固定子−回転子間のエアギャップ
（２）固定子のコイルに通電される電流が発生する磁界の強さ（固定子側の界磁強さ）
（２−１）コイルの巻き数（ターン数）
（２−２）コイルに通電される電流の強さ
（２−３）固定子ティースの断面積など
（３）回転子を通過する磁界の強さ（回転子側の界磁強さ）
（３−１）固定子側に配置された磁界発生部の磁界の強さ
（３−２）回転子突極の断面積
（３−３）シャフト材質など

上記（３−３）に関し、従来、シャフト材質は電動機性能および機械強度を考慮し、磁性体（例えば、鉄系材料）を選択していたが、シャフトを磁性体で構成することにより、回転子の界磁磁束の一部がシャフトから漏れ（例えば、特許文献２参照）、性能が低下する懸念があった。

他方、電動機を制御するために、シャフトの回転数、回転加速度、回転位置などをセンシングする必要があり、対象物の回転角を磁力変化に置き換えて非接触に検出する回転センサを用いてセンシングする方法が一般的である（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３では、シャフトと一体に回転する永久磁石（センサターゲット）と、固定子側に設置されて、永久磁石の回転位置に応じて変化する磁束を検出する回転センサとを使用して、センシングしている。
あるいは、回転センサが上記と異なり永久磁石一体型の場合は、シャフト側のセンサターゲットに磁性体を使用し、固定子側には永久磁石と回転センサとを設置して、センサターゲットの回転位置に応じて変化する永久磁石の磁束を回転センサにより検出する。

特開平８−２１４５１９号公報 特開２００４−２２２４１８号公報 特表２０１２−５０３４６４号公報

従来の電動機は以上のように構成されているので、シャフトからの漏れ磁束が発生すると、この漏れ磁束が回転センサのセンシングに影響して検出誤差が生じるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、回転子界磁型の電動機において、シャフトの漏れ磁束が回転センサのセンシングに与える影響を低減することを目的とする。

この発明に係る電動機は、磁性体のシャフトと、シャフトと一体に回転する回転子と、コイルが巻回され通電によって回転磁界を発生する固定子と、固定子に設置されて回転子を磁化する磁界発生部と、シャフトの先端部を覆い、磁界発生部からシャフトへ流れる漏れ磁束を遮蔽するスリーブと、スリーブを間に介在させてシャフトの先端部に固定されたセンサターゲットと、センサターゲットの周辺に設置され、シャフトと一体に回転するセンサターゲットに応じて変化する磁束を検出する回転センサとを備えるものである。

この発明によれば、磁界発生部からシャフトを通って回転センサへ向かう漏れ磁束を、シャフト先端部を覆うスリーブで遮蔽するようにしたので、漏れ磁束が回転センサのセンシングに与える影響を低減でき、回転センサの検出誤差を容易に低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の構成を示す断面図である。 図１の回転センサとセンサターゲット構造を拡大した断面図である。 センサターゲット構造を示し、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は下面図である。 実施の形態１のセンサターゲット構造の理解を助けるための参考図である。 この発明の実施の形態２に係る電動機に用いる回転センサとセンサターゲット構造を拡大した断面図である。 実施の形態２のセンサターゲット構造の理解を助けるための参考図である。

実施の形態１．
図１に示す電動機は、ハウジング１，２の内部に、磁性体のシャフト３と、シャフト３を回転自在に支持する２個のベアリング４と、シャフト３と一体に回転する回転子５と、コイル６が巻回されて通電によって回転磁界を発生する固定子７，８と、固定子７，８の間に設置されてシャフト３を磁化する界磁マグネット（磁界発生部）９と、シャフト３の回転位置を判定する回転センサ２０と、コイル６に通電するバスバー１０と、シャフト３の回転位置に基づいてバスバー１０からコイル６への通電を制御する制御基板１１とを備えている。なお、図１の例では、回転子５、固定子７，８、界磁マグネット９および一方のベアリング４などを収容するハウジング１と、もう一方のベアリング４を収容するハウジング２とを、バンド１２で固定しているが、ネジなどにより固定してもよい。

磁性体で構成される回転子５は、周方向外側に突出する突部を１８０度間隔に２箇所形成し、回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部５ａ，５ｂ）。この回転子５にシャフト３を固着して、回転子５と一体にシャフト３を回転させることにより、回転子５に発生した回転力を外部出力する。電動機を自動車用ターボチャージャおよび電動コンプレッサ等に適用する場合、シャフト３をタービン（いわゆるインペラ）の回転軸に連結して、電動機によりタービンを回転駆動する。

磁性体で構成される固定子７，８は、周方向内側に突出する複数のティース７ａ，８ａが形成され、回転軸方向Ｘにコイル６が巻回されている。また、固定子７，８の間には、回転子５を磁化する界磁マグネット９が設置されている。
なお、図１では、回転子５を界磁する磁界発生部として、界磁マグネット９を使用しているが、電磁石を使用してもよい。

バスバー１０は、銅板のコイル１０ａを一体成形する樹脂部材で構成されている。このコイル１０ａの一端は固定子７，８のコイル６に、もう一端は制御基板１１に、それぞれ電気的に接続されている。制御基板１１は、不図示の外部電源を交流電源に変換し、回転センサ２０の出力に基づいてコイル１０ａの相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相）を順次切り換えながらコイル６へ電流を流す。

回転軸方向Ｘに着磁された界磁マグネット９による磁束（図１に示す回転子界磁磁界Ａ）は、界磁マグネット９のＮ極側に配置された固定子８から回転子５の突部５ｂに流れ出て、回転子５を回転軸方向Ｘに進んでＳ極側にある突部５ａから出て、回転子５のＳ極側に配置された固定子７へ流れ入る界磁磁束となる。このように、界磁マグネット９の界磁起磁力が回転子５に作用することで、界磁マグネット９のＮ極側に対面する回転子５の突部５ｂをＮ極に着磁し、界磁マグネット９のＳ極側に対面する突部５ａをＳ極に着磁する。バスバー１０のコイル１０ａを経由してコイル６に電流が流れると、流れた電流の向きに応じて固定子７，８の各ティース７ａ，８ａが着磁して回転磁界が生じ、トルクが発生する。制御基板１１の制御によりコイル６に流す電流の向きを切り替えることにより、ティース７ａ，８ａのＮＳ各極性が回転移動していき、磁気作用により回転子５が回転する。

先立って説明したように、電動機の性能および機械強度を考慮して、シャフト３に磁性体を採用する。しかし、シャフト３を磁性体で構成すると、界磁マグネット９、固定子８、回転子５、界磁マグネット９を流れる回転子界磁磁界Ａの一部がシャフト３へ漏れ、回転センサ２０の方向へ向かう漏れ磁束Ｂが発生する。

次に、回転センサ２０とセンサターゲット構造２１の詳細を説明する。
図２は、回転センサ２０とセンサターゲット構造２１を拡大した断面図である。
回転センサ２０は、ホール素子または磁気抵抗素子を内蔵したＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップなどで構成され、シャフト３の端部付近に設置された制御基板１１に実装されている。一方、回転センサ２０に対向するシャフト３の端部には、センサターゲット２２を有するセンサターゲット構造２１が固定されている。この回転センサ２０は、シャフト３の回転に伴うセンサ磁界Ｃの変化を検出し、シャフト３の回転位置を判定する。

センサターゲット構造２１は、センサ磁界Ｃを発生させるセンサターゲット２２と、黄銅などで構成されたインサートナット２３と、磁性体で構成されたスリーブ２４と、これらを一体成形した樹脂部材から成るモールド部２５とから構成されている。シャフト３の先端部に雄ネジ部３ａを設けて、インサートナット２３を螺合することにより、シャフト３にセンサターゲット構造２１を固定する。

図３（ａ）に、センサターゲット構造２１を制御基板１１側から見た上面図を示し、図３（ｂ）に、センサターゲット構造２１をシャフト３側から見た下面図を示す。
このセンサターゲット構造２１は、シャフト３にインサートナット２３を介して直接ネジ締めされるため、容易に取り付け可能であり、かつ、耐熱性および耐振性が向上する。

また、センサターゲット構造２１の締結時、六角レンチ等の締付工具３０を使用してネジ締めできるように、互いに平行な２つの受け面２４ａを形成して締付工具３０からの応力を受ける。これにより、ネジ締めの応力を受けてモールド部２５が破損することを防止できる。なお、図３の例では、スリーブ２４の外形を六角面にして、互いに平行な２つの受け面２４ａを３組設けているが、四角面、二面幅などであってもよい。

さらに、シャフト３とモールド部２５の当接による噛み込みを防止するために、スリーブ２４にシャフト３の先端面を当て止めする当て止め面２４ｂを設けている。この当て止め面２４ｂには樹脂部材をモールドせず、スリーブ２４の外表面を露出させる。また、一体成形時の樹脂部材の流れを確保するために、スリーブ２４に１個以上の穴２４ｃを設けている。

実施の形態１では、センサターゲット構造２１をシャフト３の先端部に取り付けることにより、磁性体から成るスリーブ２４がシャフト３の先端部を包み込み、シャフト３からの漏れ磁束Ｂを遮断する。よって、漏れ磁束Ｂのセンサ磁界Ｃに対する影響を排除でき、回転センサ２０の検出誤差を低減できる。

これに対し、図４（ａ）および図４（ｂ）に、この実施の形態１のセンサターゲット構造２１の理解を助けるための参考図を示す。
図４（ａ）に示すセンサターゲット構造１００では、永久磁石のセンサターゲット１０１をシャフト３の先端面に接着している。図４（ｂ）に示すセンサターゲット構造１１０では、シャフト３の先端面に設けた凹部１１１に永久磁石のセンサターゲット１１２を圧入している。いずれの構成においても、シャフト３からの漏れ磁束Ｂがセンサ磁界Ｃに影響し、回転センサ２０の検出誤差を引き起こす。また、センサターゲット１０１の位置合わせ作業、センサターゲット１１２の圧入作業などが必要であり、取り付けに手間がかかる。

以上より、実施の形態１によれば、電動機は、磁性体のシャフト３と、シャフト３と一体に回転する回転子５と、コイル６が巻回され通電によって回転磁界を発生する固定子７，８と、固定子７，８に設置されて回転子５を磁化する界磁マグネット９と、シャフト３の先端部を覆って界磁マグネット９からシャフト３へ流れる漏れ磁束Ｂを遮蔽するスリーブ２４と、スリーブ２４を間に介在させてシャフト３の先端部に固定された永久磁石のセンサターゲット２２と、センサターゲット２２の周辺に設置され、シャフト３と一体に回転するセンサターゲット２２に応じて変化するセンサ磁界Ｃを検出する回転センサ２０とを備える構成にした。このため、漏れ磁束Ｂが回転センサ２０のセンシングに与える影響を低減でき、回転センサ２０の検出誤差を容易に低減することができる。

また、実施の形態１によれば、シャフト３は、先端部に雄ネジ部３ａを有し、スリーブ２４は、雄ネジ部３ａに締結されるインサートナット２３と、当該締結時に締付工具３０からの応力を受ける互いに平行な二面の受け面２４ａとを有する構成にした。このため、スリーブ２４を、インサートナット２３を介して直接シャフト３にネジ締めでき、組立性が向上する。

また、実施の形態１によれば、スリーブ２４を磁性体で構成したので、シャフト３を通り回転センサ２０側へ抜ける磁束を図２の矢印Ｂのようにバイパスさせることができる。
スリーブ２４を非磁性体で構成した場合には、シャフト３を通る磁束が漏れ磁束となり、シャフト３の端部に設置されている回転センサ２０へ外部磁界として働き、検出誤差につながる。

また、実施の形態１によれば、スリーブ２４を、センサターゲット２２およびインサートナット２３と共に一体成形し、センサターゲット構造２１を一部品にしたので、シャフト３への組立性が向上する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、回転センサのセンサターゲットとして永久磁石を使用した構成例を説明したが、実施の形態２ではセンサターゲットとして磁性体を使用する構成例を説明する。なお、実施の形態２の電動機は、図１に示した電動機と同様の構成であるため、以下では図１を援用する。

図５（ａ）は、この実施の形態２の回転センサ２０−１とセンサターゲット構造２１−１を拡大した断面図、図５（ｂ）はセンサターゲット２６の平面図である。なお、図５において、図１〜図３と同一または相当の部分については同一の符号を付す。
センサターゲット構造２１−１は、永久磁石で構成されたセンサターゲット２２（図２に示す）の代わりに、磁性体で構成されたセンサターゲット２６を有する。このセンサターゲット２６がインサートナット２３およびスリーブ２４と共に樹脂部材により一体成形され、モールド部２５が形成されている。
センサターゲット構造２１−１において、その他の構造は上記実施の形態１のセンサターゲット構造２１と同様のため、説明を省略する。

回転センサ２０−１は、センサターゲット２６を通るセンサ磁界Ｄを発生させるマグネット２０ａと、不図示のホール素子または磁気抵抗素子とを内蔵したＩＣチップなどで構成されている。図５（ｂ）の例では、センサターゲット２６を略円板形状の磁性体で構成し、センサターゲット２６の外周縁を凹凸形状にして、シャフト３の回転に伴ってセンサターゲット２６と回転センサ２０−１との距離を変化させてセンサ磁界Ｄを変化させる。回転センサ２０−１は、シャフト３の回転に伴うセンサ磁界Ｄの変化を検出して、シャフト３の回転位置を判定する。

実施の形態２でも、上記実施の形態１と同様に、センサターゲット構造２１−１をシャフト３の先端部に取り付けることにより、磁性体から成るスリーブ２４がシャフト３の先端部を包み込み、シャフト３からの漏れ磁束Ｂを遮断する。よって、漏れ磁束Ｂのセンサ磁界Ｄに対する影響を排除でき、回転センサ２０−１の検出誤差を低減できる。

これに対し、図６（ａ）および図６（ｂ）に、この実施の形態２のセンサターゲット構造２１−１の理解を助けるための参考図を示す。
図６（ａ）に示すセンサターゲット構造１２０では、有底筒形状の磁性体のセンサターゲット１２１をシャフト３の先端部に圧入している。図６（ｂ）に示すセンサターゲット構造１３０では、有底筒形状の磁性体のセンサターゲット１３１を、シャフト３の先端面に設けたネジ穴１３２にネジ１３３を用いて取り付けている。いずれの構成においても、シャフト３からの漏れ磁束Ｂがセンサターゲット１２１，１３１を通ってセンサ磁界Ｄに影響し、回転センサ２０の検出誤差を引き起こす。また、センサターゲット１２１を圧入したり、センサターゲット１３１とネジ１３３を個別に取り付けたりするため、取り付けに手間がかかる。

以上より、実施の形態２によれば、磁性体のセンサターゲット２６を使用するタイプの回転センサ２０−１の場合にも、シャフト３の先端部を覆って界磁マグネット９からシャフト３へ流れる漏れ磁束Ｂを遮蔽するスリーブ２４を用いることにより、回転センサ２０−１のセンシングに与える漏れ磁束Ｂの影響を低減でき、回転センサ２０−１の検出誤差を容易に低減することができる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，２ ハウジング、３ シャフト、３ａ 雄ネジ部、４ ベアリング、５ 回転子、５ａ，５ｂ 突部、６ コイル、７，８ 固定子、７ａ，８ａ ティース、９ 界磁マグネット（磁界発生部）、１０ バスバー、１０ａ コイル、１１ 制御基板、１２ バンド、２０，２０−１ 回転センサ、２０ａ マグネット、２１，２１−１ センサターゲット構造、２２ センサターゲット（永久磁石）、２３ インサートナット、２４ スリーブ、２４ａ 受け面、２４ｂ 当て止め面、２４ｃ 穴、２５ モールド部、２６ センサターゲット（磁性体）、３０ 締付工具、１００，１１０，１２０，１３０ センサターゲット構造、１０１，１１２ センサターゲット（永久磁石）、１１１ 凹部、１２１，１３１ センサターゲット（磁性体）、１３２ ネジ穴、１３３ ネジ。

Claims (4)

1. 磁性体のシャフトと、
   前記シャフトと一体に回転する回転子と、
   コイルが巻回され通電によって回転磁界を発生する固定子と、
   前記固定子に設置されて前記回転子を磁化する磁界発生部と、
   前記シャフトの先端部を覆い、前記磁界発生部から前記シャフトへ流れる漏れ磁束を遮蔽するスリーブと、
   前記スリーブを間に介在させて前記シャフトの先端部に固定されたセンサターゲットと、
   前記センサターゲットの周辺に設置され、前記シャフトと一体に回転する前記センサターゲットに応じて変化する磁束を検出する回転センサとを備える電動機。
2. 前記シャフトは、前記先端部に雄ネジ部を有し、
   前記スリーブは、前記雄ネジ部に締結されるインサートナットを有し、外周面には当該締結時に締付工具からの応力を受ける互いに平行な二面が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 前記スリーブは、磁性体で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動機。
4. 前記スリーブは、前記センサターゲットおよび前記インサートナットと共に一体成形されて成ることを特徴とする請求項２または請求項３記載の電動機。

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