JP2020048358A - 回転センサ付き電動機の製造方法及び回転センサ付き電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転センサの検出精度を安定させることができる、回転センサ付き電動機の製造方法を提供する。【解決手段】固定子３を内部に有するハウジング２と、シャフト４１、回転子４２、検出対象部４３を有しており、前記ハウジング２の内部の所定位置に配置するに際して干渉しない外径を有する回転子ユニット４と、前記ハウジング２に設けられる回転センサ５と、を備え、前記検出対象部４３が、基部４３１と、シャフト装着部４３２と、径方向に異極となっている永久磁石４３４と、外径寸法が前記基部４３１の外径寸法以下とされた突出部４３３とを備えた、回転センサ付き電動機１を製造するための製造方法であって、前記回転子ユニット４を完成状態とする工程と、完成状態の前記回転子ユニット４を軸方向における一方から前記ハウジング２に挿入して固定する工程と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転センサ付き電動機の製造方法及び回転センサ付き電動機に関するものである。

電動機とインバータとを一体化したいわゆる「機電一体型電動機」が存在している。この一例として回転センサ付き電動機がある（例えば特許文献１）。

回転センサは、例えば、電動機の回転子とシャフトが一体になった回転子ユニットに設けられた検出対象部（「センサターゲット」ともいう）に対向するように設けられたことで、回転子ユニットの回転を検知する。回転センサの一例としては、磁気を検知する磁気センサが挙げられる。

特許第６０７１８５０号公報

ここで、検出対象部の外径寸法によっては、回転子ユニットを固定子が設けられたケーシングに組み付ける工程と、前記工程終了後に検出対象部を回転子ユニットに取り付ける工程とが必要であった。この場合、工程が増加するという問題がある。また、回転子ユニットの組付け工程と検出対象部の取り付け工程を別々に実施すると、取り付け誤差により、回転子ユニットに対する検出対象部の取り付け位置にばらつきが生じてしまいやすくなる。そうなると、回転センサの検出精度に影響が出るため好ましくない。

そこで本発明は、工程の増加を抑制しつつ、回転センサの検出精度を安定させることができる、回転センサ付き電動機の製造方法及び回転センサ付き電動機を提供することを課題とする。

本発明は、周方向に配置された固定子を内部に有するハウジングと、軸方向に延びるシャフト、及び、前記固定子の径内側に位置する回転子、及び、前記シャフトに設けられた検出対象部を有しており、これらが前記シャフトの軸方向周りに回転し、かつ、前記ハウジングの内部の所定位置に配置するに際して干渉しない外径を有する回転子ユニットと、前記ハウジングにおいて前記検出対象部に対し径方向に対向して設けられる回転センサと、を備え、前記検出対象部が、軸方向基準で回転対称形状の基部と、前記基部から軸方向一方側に延びており前記シャフトに装着されるシャフト装着部と、径方向に異極となっている永久磁石と、前記基部から軸方向他方側に延びており外径寸法が前記基部の外径寸法以下とされ、非磁性体からなり、前記永久磁石に対して径外位置に設けられて前記永久磁石を保持する突出部とを備えた、回転センサ付き電動機を製造するための製造方法であって、前記回転子ユニットを完成状態とする工程と、完成状態の前記回転子ユニットを軸方向における一方から前記ハウジングに挿入して固定する工程と、を有する、回転センサ付き電動機の製造方法である。

そして本発明は、周方向に配置された固定子を内部に有するハウジングと、軸方向に延びるシャフト、及び、前記固定子の径内側に位置する回転子、及び、前記シャフトに設けられた検出対象部を有し、前記シャフトの軸方向周りに回転するものであって、かつ、前記ハウジングの内部の所定位置に配置するに際して干渉しない外径を有する回転子ユニットと、前記ハウジングにおいて前記検出対象部に対し径方向に対向して設けられる回転センサと、を備え、前記検出対象部が、軸方向基準で回転対称形状の基部と、前記基部から軸方向一方側に延びており前記シャフトに装着されるシャフト装着部と、径方向に異極となっている永久磁石と、前記基部から軸方向他方側に延びており外径寸法が前記基部の外径寸法以下とされ、非磁性体からなり、前記永久磁石に対して径外位置に設けられて前記永久磁石を保持する突出部とを備えた、回転センサ付き電動機である。

前記方法または前記構成によれば、回転センサ付き電動機の組み立てが容易であり、しかも、ケーシングと回転子ユニットとの位置関係にばらつきが生じにくい。

そして、本発明は、前記回転センサは、前記突出部の径外位置に設けられた磁気センサとできる。

この構成によれば、永久磁石を備える検出対象部と磁気センサである回転センサとの組み合わせで、回転センサ付き電動機の構成を簡単にできる。

本発明は、回転センサ付き電動機の組み立てが容易であり、しかも、ケーシングと回転子ユニットとの位置関係にばらつきが生じにくい。よって、工程の増加を抑制しつつ、回転センサの検出精度を安定させることができる。

本実施形態の回転センサ付き電動機の概略構造を示す径方向の半断面図である。 検出対象部（第１実施形態）を示す斜視図である。 検出対象部（第１実施形態）を示す径方向断面斜視図である。 （ａ）は検出対象部（第１実施形態）と回転センサ（１個配置）の位置関係を示す概略図であり、（ｂ）は回転センサにおける磁束密度の変化、及び、回転センサの出力信号の変化を示すグラフである。 （ａ）は検出対象部（第１実施形態）と回転センサ（２個配置）の位置関係を示す概略図であり、（ｂ）は回転センサの出力信号の変化を示すグラフである。 検出対象部（第２実施形態）を示す斜視図である。

本発明につき実施形態を例示して、図面とともに以下説明を行う。なお、以下の「軸方向」は図１における左右方向に対応し、「径方向」は図１における上下方向に対応している。また、「周方向」は軸方向に対して取り巻く方向である。

本実施形態の回転センサ付き電動機１は、概略図である図１に示すように、ハウジング２、回転子ユニット４、回転センサ５を備える。なお、電動機部分の構成は一般的な電動機の構成と同じであるため、詳細な説明は行わない。ちなみに、本実施形態の回転センサ付き電動機１は、自動車用過給器に組み込んでタービンの回転を補助するために用いられる。ただし、これは一例に過ぎず、回転センサ付き電動機１の用途はこれに限定されない。

ハウジング２は、回転センサ付き電動機１の外装を構成しており、周方向に配置された固定子３を内部に有する。本実施形態のハウジング２は、図１の左右方向に延びる略円筒状体である。図１における右端部については閉じられており、同左端部については、シャフト４１及び軸受４４が通る部分を除いて閉じられている。ただしこれは一例に過ぎず、ハウジング２の構成が限定されるものではない。固定子３に対向して回転子４２が軸方向周りに回転することから、固定子３の径方向内面は一定曲率の湾曲面に沿って配置される。ハウジング２の内部には、回転センサ付き電動機１に関する計測、制御等を行う回路基板（図示せず、以下同じ）が設けられている。

回転子ユニット４はハウジング２の内部に配置される。この回転子ユニット４は、軸方向に延びるシャフト４１、及び、前記固定子３の径内側に位置する回転子４２、及び、前記シャフト４１に設けられた検出対象部（センサターゲット）４３を有する。

回転子ユニット４は軸受４４を有する。この軸受４４が軸方向に分かれた二箇所でハウジング２に固定されている。この軸受４４によりシャフト４１が回転可能に支持される。このため、シャフト４１、回転子４２、検出対象部４３が一体で、シャフト４１の軸方向周りに回転する。

また、この回転子ユニット４は、ハウジング２の内部の所定位置に配置するに際して干渉しない外径を有する。具体的には、組み立て時の回転子ユニット４の挿入方向（図１における右方向）において各軸受４４の奥側に位置する部分の外径寸法が、当該各軸受４４の外径寸法よりも小さく形成されている。このように回転子ユニット４がハウジング２に対して干渉しない形状とされていることから、後述のように完成状態の回転子ユニット４を、そのままの状態で、軸方向における一方（挿入方向の手前側）からハウジング２に挿入して固定することが可能である。

ハウジング２に設けられた回転センサ５は、検出対象部４３に対し径方向に対向して設けられている。この回転センサ５としては、ホールＩＣを用いたもの等、磁気により検出を行う磁気センサが用いられている。なお、図１において回転センサ５は浮いて示されているが、実際にはハウジング２に固定されている。

検出対象部４３は、シャフト４１の先端部（図１における右端部）に取り付けられるものであって、基部４３１、シャフト装着部４３２、突出部４３３を備える。

基部４３１は、軸方向基準で回転対称形状とされている。本実施形態の基部４３１は、軸方向の厚みが小さい略円板状の部分である。基部４３１の軸方向視中央には、貫通穴４３１１が軸方向に貫通している。この貫通穴４３１１には、シャフト４１の先端部に形成されたねじ軸４１１が貫通する。このねじ軸４１１にナット４１５が通されて、ナット４１５がねじ込まれることで、検出対象部４３をシャフト４１に対して固定できる。

シャフト装着部４３２は、基部４３１から軸方向一方側（図１における左側）に延びておりシャフト４１に装着される部分である。本実施形態のシャフト装着部４３２は、シャフト４１の径外を覆う略円筒状の部分である。シャフト装着部４３２の内径はシャフト４１の先端部の外径と略一致している。シャフト装着部４３２の基端部（図１における左端部）は、軸受４４における内輪の先端面、または、シャフト４１に形成されている段差４１４に当接する。これにより、検出対象部４３が軸方向にずれないようにでき、前述のナットねじ込みによって、検出対象部４３をシャフト４１に確実に固定できる。

突出部４３３は、基部４３１から軸方向他方側（図１における右側）に延びており外径寸法が基部４３１の外径寸法以下とされた部分である。本実施形態では同径とされている。前述のように、回転センサ５は、検出対象部４３に対し径方向に対向して設けられていることから、回転センサ５に対して突出部４３３が軸方向に多少ずれたとしても、回転センサ５と突出部４３３の外周面との径方向距離は変化しない。このため、軸方向の位置ずれへの対応性が高い。また、突出部４３３は基部４３１の外周縁よりも径外方向に突出しない。ここで、例えば特許文献１の図５（ｂ）に示されたような、径方向に突出した部分を有する形状の検出対象部では、回転時の遠心力が大きくなり、また、慣性モーメントが増大してしまう問題があった。これに対して、本実施形態の突出部４３３ではこのような問題が生じにくい点で有利である。よって、回転センサ付き電動機１の回転特性（例えば、回転加速特性）を良好にできる。このため、高回転で使用する場合において有利である。

以下、検出対象部４３に関して第１〜第２実施形態を例示して説明する。ただし、検出対象部４３の構成がこれら例示した構成に限定されるわけではない。なお、各実施形態において機能的に共通する部分は、図において同一の符号を付しており、重複する説明は省略する。

第１実施形態の検出対象部４３は図２に示す形状である。第１実施形態の検出対象部４３は、図３に示すように永久磁石４３４を内蔵している。この永久磁石４３４は、径方向に着磁されたものであって、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように径方向に異極となっている。各図に示した構成では円板状または円柱状とされた磁石のうち径方向の一方側半分がＮ極、他方側半分がＳ極とされている。このため、各極の磁力線は径方向に沿う。また、第１実施形態における永久磁石４３４の配向方向は、パラレル配向であり、このため、回転子４２の回転方向における磁束分布は正弦波状になる。このように検出対象部４３が永久磁石４３４を備えることで、回転センサ５を永久磁石内蔵型でないものとできることから、回転センサ５の構成を簡単にできる。

永久磁石４３４の軸方向視中央には、貫通穴４３４１が軸方向に貫通している。この貫通穴４３４１には、シャフト４１の先端部に形成されたねじ軸４１１が貫通する。このねじ軸４１１に例えば鍔付きであって非磁性のナット４１５が通され、このナット４１５がねじ込まれることで、永久磁石４３４をシャフト４１に対して固定できる。

第１実施形態の突出部４３３は、非磁性体からなり、永久磁石４３４に対して径外位置に設けられている。具体的には、永久磁石４３４の径外位置を全周（３６０度）にわたってカバーしている。これにより、突出部４３３が永久磁石４３４を径方向に移動しないように保持する。また、この突出部４３３は略円筒状であるから、回転時に発生する風切音を抑制できる。このため、回転センサ付き電動機１の低騒音化に貢献できる。

第１実施形態の検出対象部４３に対応した回転センサ５は、突出部４３３の径外位置に設けられた磁気センサである。この回転センサ５は、図４（ａ）または図５（ａ）に略示した位置関係に配置される。

図４（ａ）のように回転センサ５が１箇所に設けられた場合において、回転センサ５の回転角と回転センサ５が受ける磁束密度との関係、そして、前記磁束密度から演算された、回転センサ５の回転角と出力との関係は、図４（ｂ）に示されたようになる。つまり、磁束密度は図４（ｂ）に示したように回転角３６０度ごとに正弦波を描くように変化する。なお、当該正弦波における磁束密度の正負は相対的なものであって、永久磁石４３４のＮ極またはＳ極を基準として任意に定めることができる。また、この第１実施形態では、前記正弦波が正の範囲にある場合の出力を「Ｌ」とし、負の範囲にある場合の出力を「Ｈ」とし、磁束密度０の時点の出力（ゼロクロス検出信号）に基づいて、回転検出が可能である。

また、図５（ａ）のように回転センサ５が２箇所に設けられた場合（この例では周方向に９０度離れて２個の回転センサ５ａ，５ｂが設けられている）において、回転センサ５ａ，５ｂの回転角と出力との関係は、図５（ｂ）に示されたようになる。つまり、各回転センサ５ａ，５ｂの出力は、図４（ｂ）に示したものと同じく、回転角１８０度ごとに「Ｌ」と「Ｈ」とが切り替わる。そして、２個の回転センサ５ａ，５ｂは、「Ｌ」と「Ｈ」の切り替わりが９０度分ずれることになる。そこで、２個の回転センサ５ａ，５ｂの出力の大小により、回転検出が可能である。

第２実施形態の検出対象部４３は図６に示す形状である。基本的形状は第１実施形態と同じであるが、突出部４３３の内部に永久磁石４３４が接着により固定されている。このような構成により、第２実施形態におけるナット固定の構成に比べて構成を簡略化できるので有利である。

次に、回転センサ付き電動機１の製造方法について説明する。まず、ハウジング２に固定子３、及び、回転センサ５を含む回路基板を組み付け、必要な電気配線を行うことで、固定側ユニットを完成させる工程を実施する。なお、回転センサ５を回路基板とは別個に設けることもできる。そして、前記工程に並行して、または、前記工程の後に、回転子ユニット４を完成状態とする工程を実施する。次に、完成状態の前記回転子ユニット４を軸方向における一方（図１に示す左方）から前記ハウジング２に挿入して固定する工程を実施する。回転子ユニット４の固定は、回転子ユニット４が備える軸受４４をハウジング２の内面に固定することで行われる。

前述のように、回転子ユニット４が、ハウジング２の内部の所定位置に配置するに際して干渉しない外径を有することから、回転子ユニット４をただ単に軸方向に移動するだけで、ハウジング２に対して回転子ユニット４を固定できる。この固定の工程が終わると、回転センサ５と検出対象部４３の位置関係が定まる。このため、例えば後で検出対象部４３だけを組み付ける工程が必要な場合に比べて、工程を単純化できる。また、回転子ユニット４に対する検出対象部４３の取り付け位置にばらつきが生じにくいため、回転センサ５の検出精度に影響が出ることを抑制できる。本製造方法は、このように有利である。

以上、本発明につき一実施形態を取り上げて説明してきたが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、前記実施形態では、回転センサを検出対象部に対し径方向に対向して設けていたが、場合によっては、軸方向に対向して設けることもできる。

また、突出部４３３の内部への永久磁石４３４の固定方法については、第１実施形態ではナット４１５のねじ込みによりなされ、第２実施形態では接着によりなされていた。しかしこれに限られず、例えば、突出部４３３の内部へローレット加工等を施すことで永久磁石４３４を固定することもできるし、ローレット加工と接着の組み合せで永久磁石４３４を固定することもできる。

また、突出部４３３の内部への永久磁石４３４の配列方向は、第１実施形態ではパラレル配向とされていた。しかしこれに限られず、永久磁石４３４の配列方向は、例えばラジアル配向でもよい。

１ 回転センサ付き電動機
２ ハウジング
３ 固定子
４ 回転子ユニット
４１ シャフト
４２ 回転子
４３ 検出対象部
４３１ 基部
４３２ シャフト装着部
４３３ 突出部
４３４ 永久磁石
５ 回転センサ

Claims (3)

1. 周方向に配置された固定子を内部に有するハウジングと、
   軸方向に延びるシャフト、及び、前記固定子の径内側に位置する回転子、及び、前記シャフトに設けられた検出対象部を有しており、これらが前記シャフトの軸方向周りに回転し、かつ、前記ハウジングの内部の所定位置に配置するに際して干渉しない外径を有する回転子ユニットと、
   前記ハウジングにおいて前記検出対象部に対し径方向に対向して設けられる回転センサと、を備え、
   前記検出対象部が、軸方向基準で回転対称形状の基部と、前記基部から軸方向一方側に延びており前記シャフトに装着されるシャフト装着部と、径方向に異極となっている永久磁石と、前記基部から軸方向他方側に延びており外径寸法が前記基部の外径寸法以下とされ、非磁性体からなり、前記永久磁石に対して径外位置に設けられて前記永久磁石を保持する突出部とを備えた、回転センサ付き電動機を製造するための製造方法であって、
   前記回転子ユニットを完成状態とする工程と、
   完成状態の前記回転子ユニットを軸方向における一方から前記ハウジングに挿入して固定する工程と、
   を有する、回転センサ付き電動機の製造方法。
2. 周方向に配置された固定子を内部に有するハウジングと、
   軸方向に延びるシャフト、及び、前記固定子の径内側に位置する回転子、及び、前記シャフトに設けられた検出対象部を有し、前記シャフトの軸方向周りに回転するものであって、かつ、前記ハウジングの内部の所定位置に配置するに際して干渉しない外径を有する回転子ユニットと、
   前記ハウジングにおいて前記検出対象部に対し径方向に対向して設けられる回転センサと、を備え、
   前記検出対象部が、軸方向基準で回転対称形状の基部と、前記基部から軸方向一方側に延びており前記シャフトに装着されるシャフト装着部と、径方向に異極となっている永久磁石と、前記基部から軸方向他方側に延びており外径寸法が前記基部の外径寸法以下とされ、非磁性体からなり、前記永久磁石に対して径外位置に設けられて前記永久磁石を保持する突出部とを備えた、回転センサ付き電動機。
3. 前記回転センサは、前記突出部の径外位置に設けられた磁気センサである、請求項２に記載の回転センサ付き電動機。

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