JP2016152676A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の磁極とセンサ磁石との位置合わせを高精度かつ容易に行う。
【解決手段】回転子４は回転子鉄心１８とこの回転子鉄心１８の外周面に固定された永久磁石１９を備え、回転子鉄心１８の中心には回転軸５が挿入され、回転軸５は回転子鉄心１８の軸方向一端面のみから突出するよう構成されるとともに、センサ磁石９は回転軸５が回転子鉄心１８に対して突出していない回転子鉄心１８の端面に直接固定され、更に回転角度センサ１１はセンサ磁石９に対して軸方向において空隙を介して配置される。
【選択図】図１

Description

この発明は回転電機に関するものであり、特に回転電機の回転角度センサの取付構造に関するものである。

同期電動機においては、回転子の回転位置に基づいて固定子巻線に流れる電流を制御する必要があるため、回転子の磁極位置を検出する回転角度センサを備えている。回転角度センサとして磁気抵抗効果素子を用いたものがある。これは磁場の方向を検知するもので、回転子の径方向に磁場が形成されているセンサ磁石を回転軸の端部に取り付け、それと対面するように回転角度センサが取り付けられている。この方式のセンサは耐久性や異物が侵入しても安定性が損なわれないという観点より、一般的に用いられている。

例えば特許文献１においては、センサ磁石が回転軸の一端部に固定され、磁気センサは、軸方向においてセンサ磁石に対向するように設けられているものがあった。そしてこの磁気センサは感磁面と平行な磁界に感応する磁気抵抗素子であり、センサ磁石の回転に伴って変化する内部抵抗の大きさに応じた信号を制御基板に出力し、制御基板は、磁気センサから入力される信号に基づき回転軸の回転位置すなわち回転子の磁極位置を求め、その結果を駆動制御装置に出力するものであった（特許文献１参照）。

特開２０１４−１０７９７３号公報

回転電機の界磁部を構成する永久磁石は回転子鉄心に固定され、この回転子鉄心は回転軸に固定されている。一方、センサ磁石が回転軸の後端に固定されているとともに、センサ磁石に対して回転角度センサが対向して配置されている。このように、界磁部を形成する永久磁石とセンサ磁石との間には複数の部材が介在している。そのため各部材間の寸法誤差が積み重なることにより、回転子の永久磁石とセンサ磁石との間の高精度な位置合わせが難しくなるという問題があった。
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あり、センサ磁石を回転子鉄心に直接位置決めして固定することにより、回転子鉄心とセンサ磁石との位置ずれを最小限に抑えることを目的とする。

この発明に係る回転電機は、回転子とこの回転子の外周側に配置された固定子とを備え、固定子は、固定子鉄心と固定子巻線とを備え、回転子は回転子鉄心とこの回転子鉄心の外周面に固定された永久磁石を備え、回転子鉄心の中心には回転軸が挿入されたものであって、
回転軸は回転子鉄心の軸方向一端面のみから突出するよう構成されるとともに、センサ磁石は回転軸が回転子鉄心に対して突出していない回転子鉄心の端面に直接固定され、回転角度センサはセンサ磁石に対して軸方向において空隙を介して配置されているものである。

上記のように構成された回転電機によれば、回転子鉄心に直接センサ磁石を取り付けることができるので、界磁の磁極とセンサ磁石との位置合わせを高精度かつ容易に行うことができる。

実施の形態１による回転電機を示す側面断面図である。 実施の形態１による回転電機を示す平面断面図である。 実施の形態１による回転電機を示す側面断面図である。 センサ磁石と回転角度センサとの関係を示す斜視図である。 実施の形態１による回転電機を示す側面断面図である。 実施の形態２による回転電機を示す側面断面図である。 実施の形態３による回転電機を示す側面断面図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１による回転電機を示す側面断面図であり、本実施形態においては、センサ磁石を回転子鉄心に直接固定することで、センサ磁石の取り付け誤差を低減するものである。回転電機１はブラシレスモータであり、３相あるいはそれ以上の相数を備えており、フレーム２、固定子３、回転子４、回転軸５、ベアリングホルダ６、軸受７、軸受８、センサ磁石９、電流制御装置１０、回転角度センサ１１を備えている。本実施形態による回転電機はモータ部１２のリヤ側に電流制御装置１０を一体として組み込んだ一体型回転電機である。なお回転電機の軸方向において、回転軸５の出力端側５ａをフロント側、その反対側をリヤ側と定義する。図２は固定子、回転子を含むモータ部１２の軸に対して垂直な方向に切断した場合を示す平面断面図である。

固定子３は回転電機の電機子部分を構成するものであり、回転子４の外周側に一定の空隙を介して配置され、固定子鉄心１３と固定子巻線１４を備えている。固定子鉄心１３は略円筒形状を有し、薄板を軸方向に積層することにより構成されている。固定子鉄心１３は円環状のバックヨーク１５と放射状に延びた複数のティース部１６から構成されており、固定子巻線１４は各ティース部１６の間に設けられたスロット部１７に巻回されている。固定子鉄心１３はアルミニウムや鉄のような金属で構成された円筒形のフレーム２内に圧入等により固定されている。

回転子４は回転電機の界磁部を構成しており、外形が略円筒形である回転子鉄心１８の外周面に偶数個の永久磁石１９が等ピッチで固定されている。永久磁石１９の磁極は一方の磁極が回転子４の内側に配置されるとともに、他方が外側に配置されており、その極性は隣接する永久磁石１９間で逆になっている。回転子鉄心１８は強磁性体より構成されており、薄板を積層することにより、あるいは鍛造や切削することにより一体に形成されている。回転子鉄心１８の中心は中空になっており、そのリヤ側端部は径が小さく、その小径部に回転軸５が圧入固定されている。

回転軸５は軸受７、軸受８を介してベアリングホルダ６に回転可能な状態で保持されている。ベアリングホルダ６はアルミニウムや鉄等の金属からなり、フロント側の円環部からリヤ側に向けて筒状に形成されている。ベアリングホルダ６の筒状部の内側に回転軸５を回転可能に保持するための軸受７と軸受８が配置される。軸受７、８はフロント側からベアリングホルダ６に嵌め込むことになるので、リヤ側に配置される軸受８はフロント側に配置される軸受７より外径が小さくなっている。

また回転軸５をフロント側から軸受８を通した後にリヤ側端部に回転子鉄心１８が圧入されるため、軸受８の内径は回転子鉄心１８と回転軸５との圧入部の径よりも大きくなっている。回転子鉄心１８においては外周に配置された永久磁石１９の近傍部だけが磁気的に必要な部分であり、中心部は磁束の経路ではないため中空形状にしても磁気特性上は問題ない。そこで回転子鉄心１８に中空部１８ａを設け、その内部にベアリングホルダ６を配置し、回転子鉄心１８とベアリングホルダ６が軸方向に重なるようにすることで回転電機全体の軸方向における長さを短くしている。そして回転軸５は回転子鉄心１８の軸方向一端面（フロント側端面）のみから突出するように構成されており、他端面（リヤ側端面）からは突出しないよう構成されている。

図１ではベアリングホルダ６とフレーム２は別部品であり、両者の間に嵌め合い部２８を設けて同軸度を確保している。外周部に設けたねじ２０によって、ベアリングホルダ６とフレーム２はお互いに軸方向に固定されている。図１ではねじにより固定する場合について示したが、他に接着、圧入、溶接のような方法で固定してもよい。図３は別の形態による回転電機を示す側面断面図であり、図３においては、ベアリングホルダとフレームを一体の部品６１で構成したものである。

図４はセンサ磁石９と回転角度センサ１１との関係を示す斜視図である。磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）は２枚の磁性薄膜で非磁性薄膜を挟んだ構造となっており、２枚の磁性薄膜の磁化の向きが平行のときは非磁性薄膜の抵抗値が小さくなる。逆に２枚の磁性薄膜の磁化の向きが平行ではないときには大きな抵抗値となる。このような磁気抵抗効果素子を回転角度センサ１１に応用した場合は、２枚の磁性薄膜の片方においては一方向に磁化の向きが固定されており、もう一方が外部磁界に追随して磁化の向きが変化するようになっている。そして外部磁界の向きの変化により抵抗値が変化し、これを用いて外部磁界の向きを求め、回転角度を検出する。回転角度センサ１１は図４に示すようにパッケージ化されており、その表面から所定の距離をおいてセンサ磁石９を配置する。センサ磁石９の磁化方向は回転角度センサ１１と平行な面内に設定されており、センサ磁石９が回転すると上記の磁気抵抗効果により、その回転角度を検出する。回転角度センサの素子としては上記以外にもホール素子やトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）等があり、それぞれ検出原理は異なるが、センサ磁石９の磁化方向の変化を検出することは上記ＧＭＲ素子と同じであり、更に回転角度センサとセンサ磁石との位置関係も上記ＧＭＲ素子と同じである。

そして回転子鉄心１８のリヤ側端面にはセンサ磁石９が固定される。即ちセンサ磁石９は回転軸５が回転子鉄心１８に対して突出していない一端面であるリヤ側端面に直接固定されるものである。図１では両者の固定方法として接着を用いた例を示している。これに対して図５に示すように、押さえ部材２１を回転子鉄心１８に固定して、センサ磁石９を押さえ込んで固定するようにしてもよい。いずれの固定方法においても、センサ磁石９が回転子鉄心１８の中心に位置し、かつ回転子鉄心１８の回転方向に対しても回転子鉄心１８とセンサ磁石９が所定の位相になるように、両者の間に位置決め手段が設けられている。即ち回転子鉄心１８にはその外周面に永久磁石１９が取り付けられ、周方向にＮ→Ｓ→Ｎ→Ｓと交互に磁極が配置されている。この磁極の角度を把握することが回転角度センサ１１の役割となるが、回転角度センサ１１を配置するスペースが狭い場合、回転子外周面に取り付けられた永久磁石１９の磁極方向を直接回転角度センサ１１で測定することは困難となる。そこで回転子４にセンサ磁石９を取り付けておき、そのセンサ磁石９の磁極方向を回転角度センサ１１で検出して回転子の磁極方向を求めている。このため、回転子４の磁極方向に対するセンサ磁石９の位置決めが重要となる。位置決めは大きく分けて２つの要素があり、１つはセンサ磁石９の中心と回転子４の軸心との位置決めであり、もう１つは回転子磁極方向に対するセンサ磁石９の回転方向の位相合わせである。本実施形態においてはこれらの位置決めを正確に行うことができる。

回転角度センサ１１はセンサ磁石９の磁極方向を検出するもので、回転軸方向に所定の空隙を介してセンサ磁石９と対向して配置されている。回転角度センサ１１はセンサ基板２２に固定されている。センサ基板２２は回転電機の軸方向に直交するよう配置されるとともに、回転角度センサ１１がセンサ基板２２のフロント側に位置するように電流制御装置１０に固定されている。回転角度センサ１１は対向して配置されているセンサ磁石９の磁極方向を検知し、回転子４の回転位置すなわち回転子４の磁極位置を出力する。電流制御装置１０は、前記磁極位置を用いて固定子巻線１４に流れる電流を制御し、回転磁界を発生させる。回転子４は上記回転磁界に対応して回転する。

従来構造では回転子鉄心は回転軸に固定され、回転軸のリヤ側端部にセンサ磁石が固定されている。従って回転子鉄心と回転軸との間、および回転軸とセンサ磁石との間の２箇所に固定箇所がある。これに対し本実施形態による構造では、センサ磁石９を回転子鉄心１８に直接位置決めして固定することができるため、回転子鉄心１８とセンサ磁石９との位置ずれを最小限に抑えることができる。その結果回転角度センサ１１での回転子磁極検出精度が向上する。回転電機を駆動するにあたっては高精度な電流制御を実現するためには回転子４の回転角度を正確に検出することが必要である。これによりトルクの向上やトルクリップルの低減といった回転電機の特性向上を図ることができる。

実施の形態２．
図６は実施の形態２による回転電機を示す側面断面図である。本実施形態においては、回転角度センサ１１が電流制御装置１０の構成部品である制御基板２３に直接固定されているものである。制御基板２３には回転角度センサ１１が出力する角度信号を用いて電流制御装置１０を動作させるための演算装置２４が搭載されており、演算装置２４は制御基板２３に組み込まれた信号配線によって回転角度センサ１１に電気的に接続されている。なお、図６においては、演算装置２４は制御基板２３のリヤ側に配置している場合を示しているが、フロント側に配置してもよい。

回転電機の駆動時には、回転子４の磁極位置に応じて固定子巻線１４に流れる電流を順次切り替えている。固定子巻線１４には大電流を流す必要があり、電流の切り替え時には電磁ノイズが発生する。回転角度センサ１１から演算装置２４に入力される角度信号に電磁ノイズが重畳すると、角度信号に誤差が生じ、高精度な電流制御ができなくなる。そこで本実施形態においては、回転角度センサ１１から演算装置２４までの電気配線を短くすることにより、電磁ノイズの重畳を抑えることができ、角度信号の誤差を低減することができる。

実施の形態３．
図７は実施の形態３による回転電機を示す側面断面図である。電流制御装置１０は制御部とパワー部からなる。制御部においては、回転角度センサ１１によって得られた回転子４の角度情報を基に固定子巻線１４への通電パターンを算出する演算装置２４と、この演算装置２４が搭載された制御基板２３から構成される。又パワー部は通電パターンに合わせて固定子巻線１４への通電を切り替えるパワートランジスタ２５で構成される。パワー部においては固定子巻線１４への大電流の切り替えをおこなうためパワートランジスタ２５が発熱する。そのためパワー部にはアルミニウム等の熱伝導の良好な金属素材で構成されたヒートシンク２６が備えられており、パワートランジスタ２５で発生した熱を外気に逃がすようになっている。

パワートランジスタ２５の底面（図では上面）はヒートシンク２６に直接あるいはグリスを介して接触しており、パワートランジスタ２５が発熱すると、熱伝導によってヒートシンク２６の温度が上昇する。ヒートシンク２６は外側が外気に晒されているので、ヒートシンク２６から外気に放熱され、パワートランジスタ２５で発生した熱は最終的に外気に放熱される。電流制御装置１０においては、各部品が軸方向のフロント側から、回転角度センサ１１を含む制御部、パワー部の順に並んでいる。パワー部内ではパワートランジスタ２５がフロント側に、ヒートシンク２６がリヤ側に配置されている。

パワー部は固定子巻線１４に流れる電流を切り替えるものであるから、パワー部と固定子巻線１４とを結ぶ配線２７が必要である。この配線２７は電流制御装置１０内の最外周に配置され、制御部の外周部を通過することによりパワー部と固定子巻線１４とを接続している。

固定子巻線１４には大きな電流を流す必要があり、その電流をパワートランジスタ２５でスイッチングして通電電流を切り替えるが、大電流をスイッチングすると、パワー部において、電流の切り替え時には電磁ノイズが発生する。電磁ノイズの影響を低減するには、例えばコンデンサを接続して電磁ノイズを低減する、電磁シールドを配置して電磁ノイズを遮蔽する、スイッチングのタイミングに合わせて角度検出結果をソフトウェアで処理して電磁ノイズの影響を打ち消す、電磁ノイズ発生源から回転角度センサ１１までの距離を広げる、というような方法がある。上記対策のうち、コンデンサは一般的に搭載されているが、電磁ノイズ対策としては十分ではない。そこで本実施形態においては、回転角度センサ１１や、回転角度センサ１１と演算装置２４とをつなぐ信号線から電磁ノイズの発生源であるパワー部までの距離を大きくするようにしたものである。

電流制御装置１０の構成部品は、パワートランジスタ２５を含むパワー部、回転角度センサ１１部、演算処理をおこなう制御基板２３部に大きく分けられる。モータの軸方向長さを短くして小型化を進めていくとそれぞれを近接配置することになる。その場合でも各部の配置をモータ部１２側から、回転角度センサ１１、制御基板２３及びパワー部と配置することで、回転角度センサ１１と電磁ノイズ発生源であるパワー部との距離を大きくすることができる。

本実施形態においては、回転角度センサ１１や、回転角度センサ１１と演算装置２４とをつなぐ信号線からノイズの発生源であるパワー部までの距離を離すことができるので、角度信号への電磁ノイズの重畳を低減することができる。また、回転電機のリヤ側端面にヒートシンク２６を配置しているので、ヒートシンク２６と外気との接触面を大きく取ることができるため、パワー部の冷却性能が向上する。
尚本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 回転電機、３ 固定子、４ 回転子、５ 回転軸、９ センサ磁石、
１１ 回転角度センサ、１３ 固定子鉄心、１４ 固定子巻線、１８ 回転子鉄心、
１９ 永久磁石、２４ 演算装置、２５ パワートランジスタ、２６ ヒートシンク。

Claims (3)

1. 回転子とこの回転子の外周側に配置された固定子とを備え、
   上記固定子は、固定子鉄心と固定子巻線とを備え、
   上記回転子は回転子鉄心とこの回転子鉄心の外周面に固定された永久磁石を備え、
   上記回転子鉄心の中心には回転軸が挿入された回転電機であって、
   上記回転軸は上記回転子鉄心の軸方向一端面のみから突出するよう構成されるとともに、センサ磁石は上記回転軸が上記回転子鉄心に対して突出していない上記回転子鉄心の端面に直接固定され、
   回転角度センサは上記センサ磁石に対して軸方向において空隙を介して配置されていることを特徴とする回転電機。
2. 上記回転角度センサと、上記回転角度センサが出力する角度信号を用いて上記回転電機を駆動させるための演算装置を同一基板に取り付けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 上記固定子巻線への通電電流を切り替えるパワートランジスタおよび上記パワートランジスタを冷却する金属製のヒートシンクを設け、
   上記回転電機の軸方向一端側から上記回転子、上記センサ磁石、上記回転角度センサ、上記パワートランジスタ、上記ヒートシンクの順に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。

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