JP2018129988A

JP2018129988A - 回転電機レゾルバユニット

Info

Publication number: JP2018129988A
Application number: JP2017023279A
Authority: JP
Inventors: 利典大河内; Toshinori Okochi; 田中　伸彦; Nobuhiko Tanaka; 伸彦田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-08-16

Abstract

【課題】回転電機レゾルバユニットにおいて、レゾルバの出力信号に重畳するノイズを抑制し、かつ、小型化を図ることである。
【解決手段】回転電機レゾルバユニット１０は、シャフト５０と、シャフト５０に固定され、回転電機１２を構成する回転電機ロータ１３と、回転電機ロータ１３の外周側に配置され、回転電機１２を構成する回転電機ステータ２０と、シャフト５０に固定され、レゾルバ３０を構成するレゾルバロータ３１と、レゾルバロータ３１の外周側に配置され、レゾルバ３０を構成するレゾルバステータ４０と、シャフト５０とレゾルバロータ３１との間に配置するように、シャフト５０に嵌合された非磁性材料製の筒状部材６０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、シャフトと、回転電機ロータ及びレゾルバロータとを備える回転電機レゾルバユニットに関する。

特許文献１には、回転電機ロータの回転位置を検出するために、回転電機のシャフトに相当するロータ軸に、レゾルバロータを固定する構成が記載されている。この構成では、レゾルバロータの外周側にレゾルバステータを配置するとともに、レゾルバステータを構成するレゾルバコアの外周面に非磁性材製の取付部を設けることにより、レゾルバコアに巻回したコイルに磁気ノイズが到達することを防止している。

特開２０１５−１１９５２３号公報

特許文献１に記載された構成のように、回転電機のロータ軸にレゾルバロータを固定する構成では、回転電機及びレゾルバを含む回転電機レゾルバユニットの小型化を望む要求を満たす等のために、回転電機ロータの近くにレゾルバロータを配置する場合がある。しかしながら、この場合には、レゾルバステータに回転電機ステータから漏れ磁束が流れ出た場合に、その漏れ磁束がレゾルバロータ、シャフト、回転電機ロータを介して回転電機ステータに戻る漏れ磁束経路が形成されやすい。そして、漏れ磁束経路の形成によって、レゾルバの出力信号に、漏れ磁束に起因するノイズが重畳し、これによって、その出力信号に基づいて動作させる回転電機の頻繁な回転変動が生じて、振動、騒音等の異常が生じる可能性がある。回転電機とレゾルバとの距離を大きくすれば、回転電機ステータからレゾルバへ到達する漏れ磁束を抑制して、レゾルバの出力信号に重畳するノイズを抑制できる可能性があるが、その場合には回転電機レゾルバユニットが大型化する。

本発明の回転電機レゾルバユニットは、レゾルバの出力信号に重畳するノイズを抑制し、かつ、小型化を図ることを目的とする。

本発明の回転電機レゾルバユニットは、シャフトと、前記シャフトに固定され、回転電機を構成する回転電機ロータと、前記回転電機ロータの外周側に配置され、前記回転電機を構成する回転電機ステータと、前記シャフトに固定され、レゾルバを構成するレゾルバロータと、前記レゾルバロータの外周側に配置され、前記レゾルバを構成するレゾルバステータと、前記シャフトと前記レゾルバロータとの間に配置するように、前記シャフトに嵌合された非磁性材料製の筒状部材とを備える。

本発明の回転電機レゾルバユニットによれば、レゾルバの出力信号に重畳するノイズを抑制でき、かつ、小型化を図れる。

本発明に係る実施形態の回転電機レゾルバユニットの半部断面図である。図１の回転電機レゾルバユニットを構成する筒状部材の斜視図である。第１比較例の回転電機レゾルバユニットの半部断面図である。第２比較例の回転電機レゾルバユニットの半部断面図（ａ）と、第３比較例の回転電機レゾルバユニットの半部断面図（ｂ）である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状及び材料は、説明のための例示であって、回転電機レゾルバユニットの仕様に応じて適宜変更することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、実施形態の回転電機レゾルバユニット１０の半部断面図である。回転電機レゾルバユニット１０は、回転電機１２と、レゾルバ３０とを備える。回転電機１２は、例えば、３相交流電流で駆動する永久磁石型同期電動機である。例えば、回転電機１２は、ハイブリッド車両を駆動するモータとして、または、発電機として、または、その両方の機能を有するモータジェネレータとして用いられる。レゾルバ３０は、回転電機１２を構成する回転電機ロータ１３の回転位置を検出する。

回転電機１２は、回転電機ロータ１３と、回転電機ロータ１３の外径側に配置された回転電機ステータ２０とを含む。以下では、回転電機ロータ１３はロータ１３と記載し、回転電機ステータ２０はステータ２０と記載する場合がある。ロータ１３は、回転軸であるシャフト５０が内側に挿入されて固定される円筒状の部材である。シャフト５０の両端部は、軸受（図示せず）によってケース（図示せず）に対し回転可能に支持される。シャフト５０は、軸方向一方側（図１の上側）に小径部５１が形成され、軸方向他方側（図１の下側）に小径部５１よりも外径が大きい大径部５２が形成される。

ロータ１３は、ケースの内側に配置される。ケースの内側にロータ１３が配置された状態で、ケースには、ロータ１３の外周面に対向するようにステータ２０が固定される。これにより、ステータ２０は、ロータ１３の外周側に配置される。ステータ２０は、略筒状のステータコア２１と、ステータコア２１の内周面から突出する複数のティース２２に巻回された３相のステータコイル２３とを含んで構成される。ステータコア２１は、磁性材である複数の円板状の電磁鋼板を積層することにより形成される。ステータコイル２３のうち、ステータコア２１の軸方向端面から軸方向に突出する部分によりコイルエンド２４が形成される。図１では、コイルエンド２４を斜格子部で示している。ロータ１３の外周面とステータ２０の内周面との間には、半径方向の隙間が形成される。ロータ１３及びステータ２０は、回転電機１２を構成する。

ロータ１３は、ロータコア１４と、ロータコア１４の周方向複数位置に埋め込まれた永久磁石（図示せず）とを含んでいる。ロータコア１４は、磁性材である複数の円板状の電磁鋼板を積層することにより形成される。ロータコア１４の中心部には軸孔１５が形成され、軸孔１５の内側にはシャフト５０の大径部５２が固定される。

複数の永久磁石は、ロータコア１４の外周面付近の周方向複数位置に、軸方向に伸びる磁石孔（図示せず）に挿入されて固定される。複数の永久磁石は、ロータの半径方向に磁化され、その磁化方向は、周方向に隣り合う永久磁石で逆になっている。このとき、ロータコア１４に形成する複数の磁石孔は、２つを１組として、各組の磁石孔は、２つが組み合わされて半径方向外側に向かって開くＶ字形に形成してもよい。そして、各組の磁石孔に挿入された２つの永久磁石で半径方向の磁気特性を同じとし、隣り合う組の永久磁石で磁気特性を異ならせる。

３相のステータコイル２３に３相の交流電流が供給されることによりステータ２０に回転磁界が形成される。この回転磁界と、ロータの永久磁石の磁束とが相互作用することによって、ロータ１３が回転する。ステータコイル２３に流れる電流は、レゾルバ３０の出力信号に基づいて検出されるロータ１３の回転位置に応じて制御される。

レゾルバ３０は、回転電機１２の軸方向一方側（図１の上側）において、軸方向に隣り合うように配置される。具体的には、レゾルバ３０は、レゾルバロータ３１と、レゾルバロータ３１の外周側に配置されたレゾルバステータ４０とを含んでいる。

レゾルバロータ３１は、略円筒状の部材であり、レゾルバロータ３１の内側に、後述の筒状部材６０を介してシャフト５０が挿入されて固定される。レゾルバロータ３１は、ケースの内側において、回転電機１２のロータ１３に軸方向に間隔をあけて隣り合うように配置される。ケースの内側にレゾルバロータ３１が配置された状態で、ケースには、レゾルバロータ３１の外周面に対向するようにレゾルバステータ４０が固定される。これにより、レゾルバステータ４０はレゾルバロータ３１の外周側に配置される。レゾルバステータ４０は、略筒状のステータコア４１と、ステータコア４１の内周面から突出する複数のティース４２に巻回された後述のレゾルバコイル４３とを含んで構成される。ステータコア４１は、磁性材である複数の円板状の電磁鋼板を積層することにより形成される。レゾルバコイル４３のうち、ステータコア４１の軸方向端面から軸方向に突出する部分によりコイルエンド４４が形成される。図１では、コイルエンド４４を斜格子部で示している。

レゾルバロータ３１は、磁性材である複数の円板状の電磁鋼板を積層することにより形成される。レゾルバロータ３１の中心部には軸孔３２が形成される。軸孔３２の内側には筒状部材６０を介してシャフト５０の小径部５１が固定される。レゾルバロータ３１及びレゾルバステータ４０は、レゾルバ３０を構成する。

図２は、筒状部材６０の斜視図である。筒状部材６０は、非磁性材料である樹脂製であり、円筒部６１と、円筒部６１の一端に形成された円盤状のフランジ６２とを有する筒状に形成される。筒状部材６０は、樹脂以外の非磁性材料、例えばアルミニウム等の非磁性金属材料により形成されてもよい。筒状部材６０の中心部には、軸方向に貫通する軸孔６３が形成される。円筒部６１の先端側（図１の上端側、図２の左端側）半部の外周面にはおねじ部（図示せず）が形成される。筒状部材６０は、シャフト５０の小径部５１に圧入状態で嵌合されて、小径部５１と大径部５２との間の段差面５３（図１）に突き当てられ、その状態で小径部５１に固定される。図１に示すように、円筒部６１のフランジ６２側においておねじ部から軸方向にずれた部分の外径側にはレゾルバロータ３１が嵌合され、おねじ部に結合されたナット６４とフランジ６２とでレゾルバロータ３１が挟まれる。これにより、筒状部材６０は、シャフト５０とレゾルバロータ３１との間に配置するように、シャフト５０に嵌合される。

なお、筒状部材６０の外周面におねじ部を形成せず、この外周面を円筒面として、この円筒面に嵌合したレゾルバロータ３１を円環状部材とフランジ６２とで挟んで、筒状部材６０に固定してもよい。このとき、筒状部材６０の円筒面には円環状部材を圧入または接着等により固定する。

レゾルバロータ３１の外周面は、軸方向に対し直交する平面についての断面形状が、周方向に沿って周期的に変化する非円形である。例えば、レゾルバロータ３１の外周面は１８０度位相が異なる２つの位置に山部が形成され、その山部に対応する位置でレゾルバの外径が最大となる。一方、レゾルバロータ３１の外周面において、山部と９０度位相が異なる周方向に離れた２つの位置でレゾルバロータ３１の外径が最小となる。レゾルバロータ３１の外周面は周方向において凸部と凹部とが交互に配置された形状としてもよい。レゾルバロータ３１の外周面とレゾルバステータ４０の内周面との間には、半径方向の隙間が形成される。また、レゾルバステータ４０の外径側にはステータのコイルエンドが対向する。図１に示す構成では、レゾルバ３０と回転電機１２とを軸方向に近づけて配置できるので、回転電機レゾルバユニット１０において、シャフト５０及びケースを除く部分の軸方向の全長Ｌ１を小さくできる。このため、シャフト５０及びケースを含んだ状態で回転電機レゾルバユニット１０の軸方向の全長を小さくできるので、小型化を図れる。

レゾルバステータ４０を構成するレゾルバコイル４３は、複数の励磁コイル、第１出力コイル、及び第２出力コイルを含んでいる。例えば、複数の励磁コイルは、ステータコア４１の周方向等間隔位置に配置された４つのティース４２に巻回され、互いに直列に接続される。第１出力コイルは、１８０度位相が異なる２つのティース４２に巻回され、第２出力コイルは、第１出力コイルが巻回されるティース４２とは９０度位相が異なる２つのティース４２に巻回される。励磁コイルには外部の制御装置からＳＩＮ波形の電流が供給される。

制御装置には、第１出力コイル及び第２出力コイルからの出力信号が入力される。制御装置は、第１出力コイルから出力された信号が表わす電圧波形と、第２出力コイルから出力された信号が表わす電圧波形とから、レゾルバロータ３１の回転位置を求める。

上記の回転電機レゾルバユニット１０によれば、シャフト５０とレゾルバロータ３１との間に配置するように、シャフト５０に非磁性材料製の筒状部材６０が嵌合される。これにより、図１に矢印αで示すようにコイルエンド２４からレゾルバステータ４０に漏れ磁束が到達する傾向となる場合でも、Ｘを付した破線矢印βで示すように、レゾルバロータ３１とシャフト５０との間で漏れ磁束の経路が遮断される。このため、コイルエンド２４からレゾルバ３０に流れる漏れ磁束を抑制できる。

さらに、レゾルバステータ４０の外径側に非磁性材料製の取付部を設けることなく、レゾルバ３０に到達する漏れ磁束を抑制できるので、レゾルバステータ４０と回転電機１２のコイルエンド２４とを半径方向に近づけることができる。これにより、回転電機レゾルバユニット１０の小径化を図れる。したがって、漏れ磁束に起因して、レゾルバ３０の出力信号に重畳するノイズを抑制でき、かつ、小型化を図れる。

また、シャフト５０とレゾルバロータ３１との間に筒状部材６０を配置する作業は比較的簡単であるので、製造コストの増大を抑制できる。また、筒状部材６０の構造は単純であるので、強度信頼性及び寸法精度を確保しやすい。

図３は、第１比較例の回転電機レゾルバユニット１０ａの半部断面図である。第１比較例では、図１、図２に示した実施形態と異なり、シャフト５０の小径部５１にレゾルバロータ３１を、別の部材を介することなく直接に嵌合し、レゾルバロータ３１の内周面を小径部５１の外周面に接触させている。小径部５１には環状部材６５が嵌合され、圧入または接着により固定されている。レゾルバロータ３１は、環状部材６５とシャフト５０の段差面５３とで挟まれる。また、レゾルバステータ４０とステータ２０のコイルエンド２４との軸方向における距離が、図１に示した実施形態に比べて大きくなっている。第１比較例において、その他の構成は、図１、図２に示した実施形態と同様である。

第１比較例によれば、図３にＸを付した破線矢印γで示すように、コイルエンド２４とレゾルバステータ４０との間で漏れ磁束の磁気的経路が遮断される。これにより、レゾルバの出力信号に重畳するノイズを抑制できる可能性はある。しかしながら、回転電機レゾルバユニット１０ａにおいて、ケース及びシャフト５０を除く部分の軸方向の全長Ｌ２が、図１に示した実施形態の場合の全長Ｌ１より大幅に増大するので、回転電機レゾルバユニット１０ａが軸方向について大型化する原因となる。

図４（ａ）は、第２比較例の回転電機レゾルバユニット１０ｂの半部断面図であり、図４（ｂ）は、第３比較例の回転電機レゾルバユニット１０ｃの半部断面図である。

図４（ａ）に示す第２比較例は、特許文献１に記載された構成と類似の構成である。第２比較例は、図３に示した第１比較例において、レゾルバステータ４０の外周面に非磁性材料である樹脂材料製の取付部７０が一体成形される。取付部７０の周方向複数位置には軸方向に貫通する取付孔７０ａが形成され、取付孔７０ａに挿入されたボルト７１により取付部７０がケース８０に固定される。

このような第２比較例では、レゾルバステータ４０の磁性材料製のステータコア４１と回転電機１２のコイルエンド２４との半径方向における距離を大きくできる。これにより、図４（ａ）にＸを付した破線矢印δで示すように、コイルエンド２４とレゾルバステータ４０との間で漏れ磁束の磁気的経路が遮断される。このため、レゾルバ３０の出力信号に重畳するノイズを抑制できる可能性はある。また、図４（ａ）の構成では、レゾルバステータ４０とコイルエンド２４との一部の軸方向位置を一致させている。これにより、回転電機レゾルバユニット１０ｂの軸方向の全長を小さくできる可能性はある。しかしながら、第２比較例では、ボルト７１で取付部７０を固定するので、レゾルバステータ４０のステータコア４１とコイルエンド２４との半径方向における距離が大きくなる。これにより、回転電機レゾルバユニットのケースを除く部分の半径方向における寸法Ｒ１が大きくなるので、回転電機レゾルバユニットが半径方向について大型化する原因となる。

図４（ｂ）に示す第３比較例は、図４（ａ）に示す第２比較例に対し回転電機１２を小径化したものである。第３比較例は、レゾルバステータ４０のステータコア４１の外周面に樹脂材料製の環状の取付部７２を嵌合するように、ステータコア４１と取付部７２とが一体成形される。また、ケース８０ａの一部に筒部８１が形成され、筒部８１の先端に大径筒部８２が突出形成される。大径筒部８２の内周側には取付部７２が嵌合され、大径筒部８２の内側に固定した非磁性の環状部材７３と筒部８１の段差面とで取付部７２が挟まれる。この第３比較例では、回転電機レゾルバユニット１０ｃのケース８０ａを除く部分の半径方向における寸法Ｒ２を小さくできるので、回転電機レゾルバユニットの小型化を図れる可能性はある。しかしながら、第３比較例では、コイルエンド２４とステータコア４１との間の磁気抵抗が減少して、図４（ｂ）に実線矢印ηで示すように、コイルエンド２４からの漏れ磁束がレゾルバステータ４０に到達しやすくなる。これにより、レゾルバ３０の出力信号に重畳するノイズを抑制できない。また、図４（ａ）（ｂ）のいずれの比較例の場合にも、特許文献１に記載された構成と同様にステータコア４１と樹脂製の取付部とが一体成形されるので、コストが増大し、かつ、強度及び寸法精度が低下しやすい。また、樹脂と磁性材料との線膨張係数の違いによって、高温時、低温時等に一体成形した部分が変形しやすくなり、さらに、樹脂部分と磁性材料製の部分との芯ずれ及び応力の増大が生じる可能性がある。図１、図２に示した実施形態によれば、図３、図４に示した第１〜第３比較例で生じる不都合を防止できる。例えば、実施形態によれば、回転電機レゾルバユニット１０を半径方向及び軸方向のいずれについての全長も小さくでき、かつ、レゾルバの出力信号に重畳するノイズを抑制できる。

なお、図１、図２に示した実施形態において、レゾルバロータ３１がシャフト５０に軸方向に接触しないようにすることを条件に、筒状部材６０からフランジを省略して筒状部材を単なる円筒状に形成してもよい。また、シャフト５０において、筒状部材６０を突き当てるための段差面を省略した形状としてもよい。また、回転電機のステータコア及びロータコア、レゾルバのレゾルバロータ及びレゾルバステータは、それぞれ磁性材料製の粉末を樹脂バインダによって固めて形成した構成としてもよい。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ回転電機レゾルバユニット、１２回転電機、１３回転電機ロータ（ロータ）、１４ロータコア、１５軸孔、２０回転電機ステータ（ステータ）、２１ステータコア、２２ティース、２３ステータコイル、２４コイルエンド、３０レゾルバ、３１レゾルバロータ、３２軸孔、４０レゾルバステータ、４１ステータコア、４２ティース、４３レゾルバコイル、５０シャフト、５１小径部、５２大径部、５３段差面、６０筒状部材、６１円筒部、６２フランジ、６３軸孔、６４ナット、６５環状部材、７０取付部、７０ａ取付孔、７１ボルト、７２取付部、７３環状部材、８０，８０ａケース、８１筒部、８２大径筒部。

Claims

シャフトと、
前記シャフトに固定され、回転電機を構成する回転電機ロータと、
前記回転電機ロータの外周側に配置され、前記回転電機を構成する回転電機ステータと、
前記シャフトに固定され、レゾルバを構成するレゾルバロータと、
前記レゾルバロータの外周側に配置され、前記レゾルバを構成するレゾルバステータと、
前記シャフトと前記レゾルバロータとの間に配置するように、前記シャフトに嵌合された非磁性材料製の筒状部材とを備える、回転電機レゾルバユニット。