JP2023016210A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アウタロータ型の回転電機に適用される場合において、検出部を設置し易い回転角検出装置を提供する。
【０００６】
【解決手段】回転角検出装置５０が適用される回転電機２９は、軸線回りに回転するアウタロータ４０と、アウタロータ４０の径方向内方に設けられているステータ３０と、を有する。回転角検出装置５０は、アウタロータ４０に取り付けられている被検出部５２と、ステータ３０よりも径方向外方において被検出部５２に対向配置されており、被検出部５２の位置を検出する検出部５４と、を有する。以上の構成によれば、回転電機２９の周辺において径方向内方寄りにスペースが不足する場合においても、検出部５４については、ステータ３０よりも径方向外方に設置されるので、径方向内方寄りのスペース不足と干渉し難い。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機のロータの回転角を検出するための回転角検出装置に関する。

特許文献１等に記載のアウタロータ型のモータは、ステータと、ステータの径方向内側に回転可能に設けられている回転軸と、ステータよりも径方向外方において、回転軸と共に回転するアウタロータとを有する。回転軸に被検出部が設けられ、被検出部と対向する位置に、被検出部の位置を検出する検出部が設けられている。

特開２０１９－７５９７６号公報

特許文献１等によれば、回転軸に被検出部があるため、回転軸付近に検出部を設置しなければならない。しかしながら、アウタロータ型の回転電機の周辺においては、径方向内方寄りにスペースが不足することが多い。具体的には、例えば、回転電機の中には、インホイールモータとして、タイヤホイールの内側に設置されるものがある。その場合、タイヤホイールの内側の中空空間に、ブレーキやインバータが内蔵されることから、前述の通り、回転電機の周辺において径方向内方寄りにスペースが不足する。そのため、検出部の設置が困難になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、アウタロータ型の回転電機に適用される場合において、検出部を設置し易い回転角検出装置を提供することを、主たる目的とする。

本発明の回転角検出装置は、軸線回りに回転するアウタロータと、前記アウタロータの径方向内方に設けられているステータと、を有する回転電機に適用される。前記回転角検出装置は、前記アウタロータに取り付けられている被検出部と、前記ステータよりも径方向外方において前記被検出部に対向配置されており、前記被検出部の位置を検出する検出部と、を有する。

本発明によれば、アウタロータに被検出部が取り付けられており、検出部は、ステータよりも径方向外方において被検出部に対向配置されている。そのため、回転電機の周辺において径方向内方寄りにスペースが不足する場合においても、検出部については、ステータよりも径方向外方に設置されるので、径方向内方寄りのスペース不足と干渉し難い。そのため、回転角検出装置は、アウタロータ型の回転電機に適用される場合においても、検出部を設置し易い。

第１実施形態の回転電機及び回転角検出装置等を示す正面断面図 回転電機及び回転角検出装置を示す側面図 回転電機及び回転角検出装置の断面を示す一部断面の斜視図 回転角検出装置を示す分解斜視図 被検出部が第１位置の時の検出回路を示す回路図 被検出部が第２位置の時の検出回路を示す回路図 被検出部が第３位置の時の検出回路を示す回路図 被検出部が第４位置の時の検出回路を示す回路図 励磁電流の波形と受信電圧の波形とを示すグラフ 第２実施形態の回転角検出装置を示す分解斜視図 第３実施形態の回転角検出装置を示す斜視図 第４実施形態のモータ及び回転角検出装置を示す一部断面の斜視図 第５実施形態の回転角検出装置を示す斜視図 第６実施形態のモータ及び回転角検出装置を示す一部断面の斜視図

以下に本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施できる。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の回転電機２９及び回転角検出装置５０を示す正面断面図である。回転角検出装置５０は、回転電機２９に適用される。回転電機２９は、インホイールモータであって、電動車両のタイヤ６７のホイール６３の内側に設けられている。回転電機２９は、タイヤ６７及びホイール６３と共に軸線回りに回転するアウタロータ４０と、アウタロータ４０の径方向内方に設けられているステータ３０と、を有する。

図２は、回転電機２９を示す側面図であり、具体的には、図１において回転電機２９を左方向に見た側面図である。ステータ３０は、軸線回りに環状をなすステータヨーク３１と、ステータヨーク３１から径方向外方に突出する複数本のティース３２と、各ティース３２に巻回されている３相コイル３７とを有する。

図１に示すように、アウタロータ４０は、回転軸４１とロータ本体４４と永久磁石４６とスペーサ４７とを有する。回転軸４１は、ステータヨーク３１よりも径方向内方において、軸線上に回転可能に設けられている。ステータヨーク３１と回転軸４１との間には、ベアリング等の軸受３９が設けられている。

ロータ本体４４は、回転軸４１に取り付けられており、回転軸４１と共に回転する。ロータ本体４４は、軸線方向一方（図では右方向）に開口する有底筒状であり、筒状のロータヨーク４４ｂと、ロータヨーク４４ｂと回転軸４１とを繋ぐ底部４４ａとを有する。永久磁石４６及びスペーサ４７は、ロータ本体４４に取り付けられており、ロータ本体４４と共に回転する。回転電機２９の軸線方向一方側に、３相コイル３７に３相交流電流を供給するためのインバータ２１と、タイヤ６７及びホイール６３の回転を必要に応じて減速させるためのブレーキパッド２５とが設置されている。インバータ２１とブレーキパッド２５とは、ロータ本体４４の内周面よりも径方向内方寄りに、より詳しくは、ステータ３０の外周面よりも径方向内方寄りに設置されている。

図３は、回転電機２９及び回転角検出装置５０を示す一部断面の斜視図である。アウタロータ４０は、表面磁石型（ＳＰＭ：Surface Permanent Magnet）であり、ロータ本体４４の径方向内方側の面に永久磁石４６が固定される。ロータヨーク４４ｂの軸線方向一方の端部である「ロータ本体４４の開口端部」の径方向内方側の面には、径方向内方に突出するフランジ部４４ｃが設けられている。スペーサ４７は、軸線回りに環状をなす非磁性体かつ導体の部材であって、フランジ部４４ｃと永久磁石４６との間に介装されている。これにより、スペーサ４７は、軸線方向において永久磁石４６に並ぶように設けられて、軸線方向においてロータ本体４４に対する永久磁石４６の位置決めをしている。

回転角検出装置５０は、スペーサ４７に軸線回り方向に略等間隔で設けられているターゲットとしての被検出部５２と、被検出部５２に対向配置されている検出部５４とを有する。被検出部５２は、スペーサ４７に一体形成されている非磁性体かつ導体の部位である。各被検出部５２は、スペーサ４７における軸線方向一方の面に、つまり、スペーサ４７における永久磁石４６側とは反対側の面に、軸線方向一方に突出する凸部状に設けられている。

詳しくは、各被検出部５２が軸線方向においてフランジ部４４ｃに係合している。このため、スペーサ４７の軸線方向一方側への移動が規制される。また、軸線方向において、スペーサ４７の永久磁石４６側の面が、各永久磁石４６に当接している。このため、各永久磁石４６も、スペーサ４７を介してフランジ部４４ｃに係合し、軸線方向一方側への移動が規制されることとなる。被検出部５２の径方向内方側の面は、永久磁石４６の径方向内方側の面よりも径方向外方に配置されている。

図２に示すように、各被検出部５２は、軸線回り方向において等間隔で配置されている。径方向における被検出部５２の幅は、径方向におけるフランジ部４４ｃの幅よりも大きい。そのため、被検出部５２は、フランジ部４４ｃよりも径方向内方に突出して、軸線方向一方側に露出している。

図３に示すように、検出部５４は、軸線回りに環状をなす部材であって、被検出部５２に対向する形で車体等に固定されている。検出部５４は、ステータ３０よりも径方向外方に配置されており、かつ、回転電機２９の軸線方向一方側においてスペーサ４７と対向するように配置されている。それにより、検出部５４は、軸線方向において、各被検出部５２の露出部分に対向する形で、スペーサ４７よりも永久磁石４６側とは反対側に配置されている。検出部５４の中心は、軸線と同軸なるように配置されている。検出部５４の外径は、ロータ本体４４の外径よりも若干小さく、検出部５４の内径は、スペーサ４７の内径と同程度である。

図４は、回転角検出装置５０を示す分解斜視図である。前述の通り、スペーサ４７及び検出部５４は、環状であり、被検出部５２は、環状のスペーサ４７に凸部状に形成されている。検出部５４は、インダクティブセンサであり、軸線回りに略等間隔に複数の検出回路５５を有している。

図５は、軸線回りに並設されている検出回路５５のうちの１つを示す回路図である。なお、検出回路５５の外郭は、実際には、図４に示すように、環状の検出部５４に沿って円弧状に設けられているが、図５では、回路の視認性のため、検出回路５５の外郭を矩形状に示している。検出回路５５は、励磁回路Ｃａと受信回路Ｃｂとを有する。

以下では軸線方向一方に見た平面視を、単に「平面視」という。受信回路Ｃｂは、平面視で∞字状に形成されている。また以下では、平面視において、受信回路Ｃｂの左半分を「第１受信部Ｃｂ１」といい、右半分を「第２受信部Ｃｂ２」といい、第１受信部Ｃｂ１での右回りを「正方向」といい、左回りを「負方向」という。この場合、受信回路Ｃｂが前述の通り∞字状に形成されていることから、第２受信部Ｃｂ２については、第１受信部Ｃｂ１とは逆に、左回りが「正方向」となり右回りが「負方向」となる。受信回路Ｃｂに対しては、受信回路Ｃｂに発生した誘電起電圧を「受信電圧Ｖｂ」として検出するための電圧センサ５７が接続されている。

励磁回路Ｃａは、平面視において、∞字状の受信回路Ｃｂを周囲から囲む環状に形成されている。励磁回路Ｃａに対しては、励磁回路Ｃａに交流の「励磁電流Ｉａ」を流すための交流電圧源５６が接続されている。

まず、図５に示すように、アウタロータ４０の回転角度により、被検出部５２が、平面視で第１受信部Ｃｂ１の右半分と第２受信部Ｃｂ２の左半分とに重なる「第１位置Ｐ１」にある場合について説明する。この場合において、平面視で、例えば励磁電流Ｉａが左回りに増大する時には、励磁回路Ｃａの内側においては紙面手前方向への磁束Φが増大する。このとき、導体である被検出部５２には、当該磁束Φの増大を打ち消す方向に渦電流が発生する。そのため、平面視で被検出部５２と重なる、第１受信部Ｃｂ１の右半分と第２受信部Ｃｂ２の左半分とでは、磁束Φの増大が抑制される。

他方、平面視で被検出部５２と重ならない、第１受信部Ｃｂ１の左半分と第２受信部Ｃｂ２の右半分とでは、磁束Φの増大が抑制されずに発生して、右回り方向への誘導起電圧が発生する。しかしながら、前述の通り、第１受信部Ｃｂ１での右回りは正方向であるのに対して、第２受信部Ｃｂ２での右回りは負方向である。そのため、第１受信部Ｃｂ１では、正方向の起電圧Ｖ＋が発生するのに対して、第２受信部Ｃｂ２では、負方向の起電圧Ｖ－が発生して、受信電圧Ｖｂが略ゼロになる。

次に、図６に示すように、アウタロータ４０の回転角度により、被検出部５２が、平面視で第１受信部Ｃｂ１と重ならず且つ第２受信部Ｃｂ２と重なる「第２位置Ｐ２」にある場合について説明する。この場合において、平面視で、励磁電流Ｉａが左回りに増大する時には、第１受信部Ｃｂ１では、磁束Φの増大が抑制されないのに対して、第２受信部Ｃｂ２では、磁束Φの増大が抑制される。そのため、第１受信部Ｃｂ１では、正方向の起電圧Ｖ＋が抑制されることなく発生するのに対して、第２受信部Ｃｂ２では、負方向の起電圧Ｖ－の発生が抑制されて、受信電圧Ｖｂが正になる。

次に、図７に示すように、アウタロータ４０の回転角度により、被検出部５２が、平面視で第１受信部Ｃｂ１の左半分と第２受信部Ｃｂ２の右半分とに重なる「第３位置Ｐ３」にある場合について説明する。この場合において、平面視で、励磁電流Ｉａが左回りに増大する時には、第１受信部Ｃｂ１の左半分と第２受信部Ｃｂ２の右半分とでは、磁束Φの増大が抑制される。他方、第１受信部Ｃｂ１の右半分と第２受信部Ｃｂ２の左半分とでは、磁束Φの増大が抑制されずに発生して、右回り方向への誘導起電圧が発生する。しかしながら、前述の通り、第１受信部Ｃｂ１での右回りは正方向であるのに対して、第２受信部Ｃｂ２での右回りは負方向であるため、受信電圧Ｖｂは略ゼロになる。

次に、図８に示すように、アウタロータ４０の回転角度により、被検出部５２が、平面視で第１受信部Ｃｂ１と重なり且つ第２受信部Ｃｂ２と重ならない「第４位置Ｐ４」にある場合について説明する。この場合において、平面視で、励磁電流Ｉａが左回りに増大する時には、第１受信部Ｃｂ１では、磁束Φの増大が抑制されるのに対して第２受信部Ｃｂ２では、磁束Φの増大が抑制されない。そのため、第１受信部Ｃｂ１では、正方向の起電圧Ｖ＋の発生が抑制されるのに対して、第２受信部Ｃｂ２では、負方向の起電圧Ｖ－が抑制されることなく発生して、受信電圧Ｖｂが負になる。

図９は、励磁電流Ｉａの波形と受信電圧Ｖｂの波形とを示すグラフである。前述の通り、被検出部５２が第１位置Ｐ１の時には、励磁電流Ｉａが増大する時の受信電圧Ｖｂが略ゼロになる。そして、被検出部５２が第２位置Ｐ２の時には、励磁電流Ｉａが増大する時の受信電圧Ｖｂが、正になる。そして、被検出部５２が第３位置Ｐ３の時には、励磁電流Ｉａが増大する時の受信電圧Ｖｂが略ゼロになる。そして、被検出部５２が第４位置Ｐ４の時には、励磁電流Ｉａが増大する時の受信電圧Ｖｂが、負になる。回転角検出装置５０は、以上のように変化する受信電圧Ｖｂに基づいて、アウタロータ４０の回転角度を検出する。

以下に本実施形態の効果をまとめる。本実施形態によれば、アウタロータ４０に被検出部５２が取り付けられており、検出部５４は、ステータ３０よりも径方向外方において、被検出部５２に対向配置されている。そのため、本実施形態のように、回転電機２９の周辺における径方向内方寄りに、インバータ２１やブレーキパッド２５等の設置によりスペースが不足する場合においても、検出部５４については、ステータ３０よりも径方向外方に設置されるので、それらと干渉しない。

さらに、被検出部５２は、スペーサ４７に一体形成されているため、被検出部５２とスペーサ４７とが別体の場合に比べて、部品点数を減らすことができる。さらに、被検出部５２は、スペーサ４７に一体形成されているため、スペーサ４７をロータ本体４４に正しく取り付けるだけで、各被検出部５２を所望の位置に正しく取り付けることができる。そのため、取り付け誤差を低減することができ、それにより回転角検出装置５０の検出精度が向上する。さらに、被検出部５２は、スペーサ４７に一体形成されているため、スペーサ４７の軸線方向側にスペーサ４７とは別体で被検出部５２を設ける場合に比べて、軸線方向にスペースを節約できる。

さらに、軸線方向において、スペーサ４７は、フランジ部４４ｃと永久磁石４６との間に介装され、被検出部５２は、スペーサ４７における永久磁石４６側とは反対側の面に形成され、検出部５４は、スペーサ４７よりも永久磁石４６側とは反対側に配置されている。それにより、被検出部５２をスペーサ４７に一体形成すると共に、検出部５４をステータ３０よりも径方向外方に配置する構成を、シンプルに実現している。

さらに、被検出部５２の径方向内方側の面は、永久磁石４６の径方向内方側の面よりも径方向外方に配置されている。そのため、例えば、被検出部５２の径方向内方側の面が、永久磁石４６の径方向内方側の面と面一になっている場合に比べて、被検出部５２に対する、３相コイル３７が発生させる磁気の影響を低減できる。そのため、回転角検出装置５０の検出精度が向上する。

さらに、各被検出部５２は、軸線回り方向において等間隔で配置されているため、軸線回り方向において、スペーサ４７の質量バランスが良く、アウタロータの質量バランスが良い。また、検出部５４は、軸線回り方向に環状をなす形状であるため、軸線回り方向の偏りが小さい。そのため、回転角検出装置５０の検出精度が向上する。また、アウタロータ４０は、表面磁石型であり、永久磁石４６がアウタロータ４０の径方向内方側の表面に露出しているため、有効磁束量が大きく、トルクリプルが小さい。

［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。以下の実施形態においては、それ以前の実施形態のものと同一の又は対応する部材等について同一の符号を付する。以下の実施形態については、第１実施形態をベースにこれと異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同一又は類似の部分については、適宜説明を省略する。

図１０は、第２実施形態の回転角検出装置５０を示す分解斜視図である。本実施形態では、検出部５４が半円状に形成されている。本実施形態によれば、検出部５４を半円状に設けることにより、環状に設ける場合に比べて、検出部５４の設置スペースを節約できる。

［第３実施形態］
図１１は、第３実施形態の回転角検出装置５０を示す斜視図である。本実施形態では、被検出部５２が、スペーサ４７における径方向内方側の面に、径方向内方に突出する波状に形成されている。検出部５４は、被検出部５２よりも軸線方向一方側において、被検出部５２に対向配置されている。本実施形態によれば、被検出部５２を波状に形成する。そのため、スペーサ４７に被検出部５２を凸部状に形成するのが困難な場合等に有効である。

［第４実施形態］
図１２は、第４実施形態の回転電機２９及び回転角検出装置５０を示す一部断面の斜視図である。本実施形態では、検出部５４が、スペーサ４７よりも径方向内方、より具体的には、軸線方向一方に突出している被検出部５２よりも径方向内方において、被検出部５２に対向配置されている。本実施形態によれば、検出部５４が、スペーサ４７よりも径方向内方に配置されているので、スペーサ４７よりも軸線方向一方に配置されている場合に比べて、より軸線方向にスペースを節約できる。

［第５実施形態］
図１３は、第５実施形態の回転角検出装置５０を示す斜視図である。本実施形態では、被検出部５２が、スペーサ４７における径方向外方側の面に、径方向外方に突出する凸部状に形成されている。検出部５４は、円弧状に設けられており、径方向外方に突出する被検出部５２よりも軸線方向一方において、被検出部５２に対向配置されている。

本実施形態によれば、被検出部５２を径方向外方に突出する凸部状に設けることにより、軸線方向一方に突出する凸部状に設ける場合に比べて、軸線方向にスペースを節約できる。さらに、検出部５４を、円弧状に設けることにより、環状に設ける場合に比べて、検出部５４の設置スペースを節約できる。

［第６実施形態］
図１４は、第６実施形態の回転電機２９及び回転角検出装置５０を示す一部断面の斜視図である。本実施形態では、スペーサ４７に被検出部５２が形成されておらず、スペーサ４７の軸線方向の厚さは、軸線回り方向において一定である。ロータヨーク４４ｂにおける軸線方向一方側の面、つまりアウタロータ４０の開口端側の面には、スペーサ４７とは別体で、非磁性体かつ導体のリング部材４９が取り付けられている。そのリング部材４９の軸線方向一方側の面に、非磁性体かつ導体の、軸線方向一方に突出する凸部状の被検出部５２が設けられている。

本実施形態によれば、被検出部５２をスペーサ４７から分離して設けることができる。そのため、例えばスペーサ４７を非磁性体かつ導体にするのが困難な場合等、非磁性体かつ導体の被検出部５２をスペーサ４７に設けるのが困難な場合において有効である。

［他の実施形態］
以上に示した実施形態は、例えば次のように変更してもよい。

第１～第６実施形態では、図３等に示すように、スペーサ４７が、ロータ本体４４と別体で設けられている。これに代えて、スペーサ４７をなくして、スペーサ４７をロータ本体４４に一体形成した形状の位置決め部を設けてもよい。

また、第１～第６実施形態では、図３等に示すように、被検出部５２はスペーサ４７に一体形成されている。これに代えて、被検出部５２をスペーサ４７と別体にして、被検出部５２をスペーサ４７に取り付けてもよい。

図１１に示す第３実施形態では、被検出部５２が、スペーサ４７の径方向内方側の面から径方向内方に波状に突出している。これに代えて、被検出部５２が、スペーサ４７の軸線方向一方側の面から軸線方向一方に波状に突出するようにしてもよい。

図１２に示す第４実施形態では、被検出部５２が、スペーサ４７の軸線方向一方の面から軸線方向一方に突出している。これに代えて、被検出部５２が、スペーサ４７の軸線方向内方側の面から軸線方向内方に突出するようにしてもよい。

また、第４実施形態では、検出部５４が被検出部５２よりも径方向内方側において、被検出部５２に対向配置されている。これに代えて、検出部５４を、被検出部５２よりも径方向外方側において、被検出部５２に対向配置してもよい。ただし、この場合、ロータヨーク４４ｂは、非磁性体かつ非導電体であり、渦電流が発生しないものである必要がある。

図１３に示す第５実施形態では、被検出部５２が、スペーサ４７の径方向外方側の面から、径方向外方に突出している。これに代えて、被検出部５２を、スペーサ４７の径方向内方側の面から、径方向内方に突出するようにしてもよい。

第１～第６実施形態では、図１等に示すように、スペーサ４７及び被検出部５２が、アウタロータ４０における軸線方向一方寄りに、つまり開口端部寄りに設けられている。これに代えて、スペーサ４７及び被検出部５２を、アウタロータ４０における開口端部寄りとは反対側、つまり底部４４ａ寄りに設け、当該被検出部５２に検出部５４を対向配置させてもよい。

なお、以上に示した各実施形態は、それらの一部ずつの構成を、相容れない場合を除き、任意に組み合わせて実施することもできる。

２９…回転電機、３０…ステータ、４０…アウタロータ、５０…回転角検出装置、５２…被検出部、５４…検出部。

Claims (10)

1. 軸線回りに回転するアウタロータ（４０）と、前記アウタロータの径方向内方に設けられているステータ（３０）と、を有する回転電機（２９）に適用される回転角検出装置（５０）において、
   前記アウタロータに取り付けられている被検出部（５２）と、
   前記ステータよりも径方向外方において前記被検出部に対向配置されており、前記被検出部の位置を検出する検出部（５４）と、を有する回転角検出装置。
2. 前記アウタロータは、前記軸線回りに回転可能に設けられているロータ本体（４４）と、前記ロータ本体に取り付けられている永久磁石（４６）と、軸線方向において前記永久磁石に並ぶように設けられており、軸線方向において前記ロータ本体に対する前記永久磁石の位置決めをしている位置決め部（４７）と、を有し、
   前記被検出部（５２）は、前記位置決め部に設けられている、請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記位置決め部は、前記ロータ本体と別体のスペーサ（４７）であり、前記被検出部は、前記スペーサに一体形成されている、請求項２に記載の回転角検出装置。
4. 前記ロータ本体は、軸線方向の一方に開口する有底筒状であり、前記永久磁石は、前記ロータ本体の径方向内方側の面に固定されており、
   前記スペーサは、前記ロータ本体の開口端部の径方向内方側の面に設けられたフランジ部（４４ｃ）と前記永久磁石との間に介装されている、請求項３に記載の回転角検出装置。
5. 前記被検出部は、軸線方向において、前記スペーサにおける前記永久磁石側とは反対側の面に形成されており、前記検出部は、軸線方向において、前記スペーサよりも前記永久磁石側とは反対側に配置されている、請求項４に記載の回転角検出装置。
6. 前記検出部は、前記スペーサよりも径方向内方に配置されている、請求項４に記載の回転角検出装置。
7. 前記位置決め部は、前記ロータ本体に一体形成されている、請求項２に記載の回転角検出装置。
8. 前記被検出部は、前記位置決め部と別体であり、前記位置決め部に取り付けられている、請求項２に記載の回転角検出装置。
9. 前記被検出部の径方向内方側の面は、前記永久磁石の径方向内方側の面よりも径方向外方に配置されている請求項２～８のいずれか１項に記載の回転角検出装置。
10. 前記検出部（５４）は、インダクティブセンサである、請求項１～９のいずれか１項に記載の回転角検出装置。

Images