JP4495483B2

JP4495483B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4495483B2
Application number: JP2004042482A
Authority: JP
Inventors: 将巳萩村
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP2005237105A

Description

本発明は、エンジンのクランク軸に固設されたロータを有するモータや発電機などの回転電機に関するものである。

従来、モータをスタータモータとして用いると共に発電機としても用いるようにし、かつエンジンのクランクケースに一体的に設けることにより、エンジン全体をコンパクト化した回転電機がある（例えば、特許文献１参照。）。その回転電機をブラシレスモータにより構成することができる。

ブラシレスモータにおいて、回転（角度）位置として回転子の磁極位置を検出するために磁気センサを設けているものがある。その磁気センサにあっては、被検出体としてのマグネットを回転子に設け、回転子の回転に伴う被検出用マグネットの通過をその磁気の変化により検出するホール素子やホールＩＣなどの検出素子を用いている。そのような構成を適用して、クランク軸側（ロータ）に被検出用マグネットを設け、クランクケース側（ステータ）に検出素子を設けることにより、位相センサを被検出用マグネット（センサマグネット）と検出素子とで構成することができる。

さらに、クランク軸の回転位置センサとして、ホールＩＣを位相センサのケースに設けると共に対応する被検出用マグネットをクランク軸側に設けることができる。これにより、センサ関係をまとめることができるため、より一層コンパクト化を実現し得る。
特開２００３−１４８３１７号公報（第３−４頁、図１）

エンジンのクランク軸の回転位置からエンジン点火基準位置を検出する場合には正確に検出する必要がある。上記したようなセンサ構造の場合には、位相センサは、ステータに固定状態になるので、ステータに巻かれた各コイルとの関係にあっては位置精度が高い。しかしながら、クランク軸回転位置センサのホールＩＣにあっては、ステータに固定されたケースに設けられていることから、クランク軸（クランクケース）に対してはステータコアのクランクケースへの取り付け公差が、その位置精度に加算されてしまう。加算により誤差が大きくなった場合には点火位置精度が悪化して、エンジンの制御精度に悪影響を及ぼすことになる。そのため、ステータコアをクランクケースに取り付ける時にクランク軸回転位置センサの調整が必要になるなど、組み付け作業が煩雑化するという問題がある。

このような課題を解決して、回転電機においてクランク軸の回転位置を検出するセンサを簡単に組み付けることができかつ高精度に位置決めすることを実現するために本発明に於いては、エンジンのクランク軸に固設されたロータと、クランクケースに固設されたステータと、前記ロータの回転位置を検出する回転位置センサとを有する回転電機であって、前記回転位置センサが、前記ロータに固定された被検出体と、前記ロータの回転に応じて前記被検出体を検出するための検出素子と、前記検出素子を一体的に保持するセンサケースとを有し、前記センサケースが、前記ステータに固定され、かつ前記クランクケースに対して両者間に設けられた位置決め手段を介して直接に位置決めされており、前記位置決め手段は、前記センサケースにおける前記クランク軸の半径方向外側に設けられ、かつ前記センサケースの前記クランク軸の周方向に対して位置決めすると共に前記クランク軸の半径方向に対するずれを吸収するものとした。

特に、前記位置決め手段が、前記センサケースに前記クランク軸に沿う向きに突設されたノックピンと、前記ノックピンに対して前記クランク軸の周方向に公差内に位置決めするべく係合するように前記クランクケースに設けられた凹部とからなり、前記凹部が、その長手方向を前記クランク軸の半径方向に向けるように形成されていると良い。

このように本発明によれば、回転電機における回転位置センサの取り付け構造において、クランク軸に固設されたロータに設けられた被検出体に対応する検出素子を保持するセンサケースがクランクケースに位置決め手段を介して直接的に位置決めされることから、検出素子をクランク軸に対して直接的に位置決めすることとなる。そのため、クランク軸の回転位置の検出精度に影響を及ぼす組み付け公差が発生する箇所がセンサケースにより検出素子を保持する部分の１箇所となり、組み付け時の誤差発生箇所を最小限にすることができ、検出素子のクランク軸に対する位置決めを高精度化することができる。特に、凸部と凹部との係合によれば、簡単な構造で正確な位置決めを行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用されたエンジン始動兼発電装置を示す側断面図であり、図２は図１の矢印II−II線に沿って見た端面図である。このエンジン始動兼発電装置を構成する回転電機１は、３相１２極のブラシレスモータからなり、例えば４サイクルエンジンのクランク軸２にロータを同軸的に直結した状態に設けられている。

図示例では、エンジンのクランク軸２に、フライホイールを兼ねる扁平な有底円筒状のアウタロータ３が固着され、クランクケース４の端面にはアウタロータ３に同軸的に受容された状態のインナステータ５が固着されている。この回転電機１は、エンジン始動時にはスタータモータとして用いられ、エンジン回転時には発電機として用いられる。

アウタロータ３の円筒部の内周面には所定数の円弧状の界磁マグネット６がＮ・Ｓ極を周方向に交互に配置して固着されている。インナステータ５は、マグネット６と同数かつマグネット６の磁極に対向するようにクランク軸２に対して放射状に設けられたステータコア７と、各ステータコア７に巻回されたステータコイル８とを有し、クランクケース４の端面に、固定ボルト９によりねじ止めされて固設されている。

各ステータコイル８は、コントローラ１０と電気的に接続されている。コントローラ１０内には、制御信号に応じて回転電機１を駆動するべく例えばＦＥＴにより構成されたモータドライバと、後記するホールＩＣによる検出信号を矩形波のパルス信号として処理しかつ転流制御及び点火基準位置検出制御を行う回路とが設けられている。なお、本回転電機１は三相ブラシレスモータ構造であって良い。

インナステータ５には、図２に併せて示されるように、転流位置センサを構成する３つのホールＩＣ１１ｕ・１１ｖ・１１ｗが配設されている。それらのホールＩＣ１１ｕ〜１１ｗは、クランク軸２の周方向に所定のピッチにて配置されるように、例えば合成樹脂製のセンサケース１２内に形成された位置決め用の各凹設部に挿入された状態で保持されている。なお、各ホールＩＣ１１ｕ〜１１ｗの周方向間隔が正確に決定されるのであれば、上記位置決め構造に限られるものではなく、例えばインサートモールドであっても良い。

また、センサケース１２は、インナステータ５におけるクランクケース４側の面に取り付けねじ１３により固定されている。センサケース１２内にはホールＩＣ用基板１４が組み付けられている。

アウタロータ３は、その底壁となる図１における左壁の中央部に同軸に突設された円環状ボス部３ａを有し、その円筒状ボス部３ａの軸線方向貫通孔をクランク軸２の外方突出端部に嵌合し、その端部にねじ込まれたねじにより抜け止めされて、クランク軸２に結合されている。そのボス部３ａにおけるクランクケース４側に向けて突出する突出端部の外周面には円環状の転流用マグネット１５が取り付けられている。

転流用マグネット１５は、転流制御するタイミングをホールＩＣ１１ｕ〜１１ｗにより検出するためであり、極数及び相の数に応じて所定の磁極数が設定され、図示例では１２である。この場合、転流用マグネット１５にはＮ・Ｓ極が周方向に１２等分されるように交互に着磁されている。

また、ボス部３ａには、パルサーマグネット１６が、上記転流用マグネット１５とクランク軸２の軸線方向に並列に並んで配設されている。センサケース１２内には、パルサーマグネット１６の磁極の変化を検出するためのパルサー用ホールＩＣ１７が設けられている。これらパルサーマグネット１６及びパルサー用ホールＩＣ１７と、上記した転流用マグネット１５及びホールＩＣ１１ｕ〜１１ｗにおける任意の１つとにより、図示例では点火時期基準位置の検出を行う回転位置センサが構成される。

そして、センサケース１２には、クランク軸２の半径方向に延出する半径方向延出部１２ａが形成されている。その半径方向延出部１２ａにはクランクケース４に向けて開口する凹部１２ｂがその長手方向をクランク軸２の半径方向に向けるように形成されている。

また、図３に併せて示されるように、クランクケース４の対応する位置にはクランク軸２の軸線方向に突出する凸部としてのノックピン１８が突設されている。そのノックピン１８が、インナステータ５の組み付け状態で上記凹部１２ｂに突入する（図２参照）。

凹部１２ｂの幅（クランク軸２の周方向に対する長さ）ｂをノックピン１８が嵌入可能な略同一とすることにより、センサケース１２におけるクランク軸２の周方向に対する位置決めをノックピン１８及び凹部１２ｂ間の公差内に収めることができる。このように、センサケース１２が直接的にクランクケース４に対して位置決めされるため、例えセンサケース１２とインナステータ５との間に大きな組み付け誤差があっても、センサケース１２をクランクケース４すなわちクランク軸２に対して高精度に位置決めすることができる。

次に、クランク角度位置センサによる点火時期基準位置の検出要領について図４を参照して示す。図４では、１段目にパルサーマグネット１６の磁極の配列を示し、２段目に転流用マグネット１５の配列を示し、３段目に界磁マグネット６の磁極の配列を示している。そして、ホールＩＣ１７及び各ホールＩＣ１１ｕ〜１１ｗによる各波形を４〜７段目に示している。なお、転流制御に合わせて、転流用ホールＩＣ１１ｕ〜１１ｗの配置は、Ｕ相・Ｗ相・Ｖ相の順になっている。図示例では、Ｗ相用ホールＩＣ１１ｗの位置とホールＩＣ１７の位置とがクランク軸２の周方向について同じにされている。

図示例では、中央に位置するＷ相用ホールＩＣ１１ｗによるパルス波形の立ち上がりを点火基準位置（ＢＴＤＣ１５度）とする。本図示例では１２極モータ装置であることから、各ホールＩＣ１１ｕ〜１１ｗによる矩形のパルス波によるハイ（Ｈ）・ロー（Ｌ）の繰り返しタイミングは３０度である。したがって、ホールＩＣ１１ｗによるパルス波形の立ち上がりは６０度間隔で生じるため、クランク軸２のＴＤＣに対して上死点前１５度の位置を特定する必要がある。そのため、ホールＩＣ１７によるパルス波形のハイ（Ｈ）状態の時にホールＩＣ１１ｗによるパルス波形の立ち上がりが起きたことを条件として設定する。

その状態を確実にするために、ＢＴＤＣ１５度に対応する部分のホールＩＣ１７によるパルス波形のハイ（Ｈ）状態を長くしている。図示例では、ホールＩＣ１７のパルス波形において、点火基準位置の１つ前のハイ（Ｈ）及びロー（Ｌ）の各範囲Ｔ１・Ｔ２を２０度とし、点火基準位置のハイ（Ｈ）及びその次のロー（Ｌ）の各範囲Ｔ３・Ｔ４を４０度に設定している。

このように各範囲Ｔ１〜Ｔ４を設定することにより、点火基準位置に対応するホールＩＣ１１ｗによるパルス波形の立ち上がり時が確実にホールＩＣ１７のハイ（Ｈ）状態の範囲Ｔ３時に発生する。したがって、範囲Ｔ１を検出したら、次のハイ（Ｈ）とホールＩＣ１１ｗによるパルス波形の立ち上がりとのＡＮＤを条件とすることにより、点火基準位置を検出することができ、本図示例では、パルサーマグネット１６及びパルサー用ホールＩＣ１７と、転流用マグネット１５及びホールＩＣ１１ｗとにより回転位置センサが構成されている。なお、クランク軸２との関係にあっては、クランク軸２に嵌合される円筒状ボス部３ａのキー溝中心を基準とすることができる。クランク軸２における対応するキー溝中心が上死点（ＴＤＣ）前の任意の所定角度に設定しておくことにより、その位置を基準として各マグネット１５・１６の配置を決めることができる。

点火基準位置検出に用いられるホールＩＣ１１ｗにあっては、その位置精度は、まずセンサケース１２に対する組み付け公差（ｔ１）がある。また、センサケース１２のインナステータ５に対する取り付け公差（ｔ２）がある。これらの公差の加算値（ｔ１＋ｔ２）が転流制御におけるステータコイル８に対するホールＩＣ１１ｗの位置精度の誤差となる。しかしながら、転流制御の検出位置精度にあってはそれ程高精度にする必要がないため、上記加算された誤差が生じたとしても何ら問題がない。

それに対して、ホールＩＣ１１のｗ立ち上がりを基準にして点火時期基準位置を検出することから、その検出位置をクランク軸２の回転角度に対して正確に検出する必要がある。上記各公差（ｔ１・ｔ２）において、ホールＩＣ１１ｗのセンサケース１２に対する公差（ｔ１）は、その大きさをできるだけ小さくする必要があるが、公差（ｔ１）を必要とする場合にはその存在を無視することはできない。

一方、クランクケース４に対するインナステータ５の取り付け公差（ｔ２）にあっては、点火時期基準位置検出用のホールＩＣ１１ｗがクランク軸２に対して高精度に位置決めされる必要があることから、その影響を排除することが好ましい。上記したように、ノックピン１８及び凹部１２ｂを設けて、センサケース１２を直接的にクランクケース４に対して位置決めしており、これによりホールＩＣ１１ｗのクランク軸２の回転角度に対する位置決めを高精度化することができる。

図示例では、クランクケース４にピン挿入孔４ａを形成し、そのピン挿入孔４ａにノックピン１８を圧入しており、微調整などを必要とせず、またピン挿入孔４ａやノックピン１８は機械加工で形成されるため、容易に高精度な取り付けが確保される。

なお、ノックピン１８のクランクケース４に対する固設要領は他の方法であっても良い。いずれにしても、クランクケース４に直接的にノックピン１８が固設されていれば、クランクケース４に対して直接的にセンサケース１２が位置決めされるため、センサケース１２のクランク軸２に対する高精度な位置決めが可能である。また、ノックピンに限られるものではなく、クランクケース４に一体の凸部を形成するものであっても良い。あるいは、クランクケース４に溝を設け、センサケース１２に位置決め用凸部を設け、その位置決め用凸部を溝に嵌入するようにしても良い。

また図示例では、センサケース１２にはその半径方向延出部１２ａの両側にリード線ホルダ１２ｃが一体成形により設けられている。これらリード線ホルダ１２ｃは、基板１４へ接続されるケーブル１９の各素線からなる複数のリード線１９ａを保持する串状の溝を有する形状に形成されている。各リード線１９ａは、リード線ホルダ１２ｃにより保持される。さらに、図２に示されるようにケーブル１９から遠い側に配線されるリード線の束１９ｂを半径方向延出部１２ａにより保持することができる。図示例ではセンサケース１２の裏側（ステータコイル８側）にリード線の束１９ｂを回すようにしており、半径方向延出部１２ａに形成した段部に係合させるようにしてリード線の束１９ｂを保持するようにしている。

なお、クランクケース２に直接センサケース１２を組み付けることが考えられるが、その場合には、センサケース１２をクランクケース２に組み付けた後にインナステータ５を取り付けるなど組み付け作業が煩雑化してしまう。また、エンジンの熱や振動がセンサケース１２に直接伝わってしまうため、ホールＩＣなどの電子部品とっては厳しい環境となり、新たな対策を講じる必要が生じるなどの問題がある。それに対して、本発明の構成によれば、そのような不都合がないばかりでなく、十分に高精度な位置決めが可能である。

また、上記したように半径方向延出部１２ａに設けた凹部１２ｂの長手方向がクランク軸２の半径方向に延在していることから、その長手方向の長さを利用して、ノックピン１８に対するセンサケース１２の相対位置の誤差を吸収することができる。周方向に対してはセンサケース１２すなわちインナステータ５を回すことにより合わせることができ、その状態における半径方向へのずれは凹部１２ｂの長手方向の長さで吸収することができる。

なお上記図示例では、回転位置センサを、ホールＩＣとマグネットとの組み合わせで構成したが、その構成に限定された磁気式に限るものではなく、他の磁気センサや光学式センサによるものであっても良い。

本発明にかかる回転電機は、クランク軸の回転位置を高精度に検出可能であり、エンジンのクランク軸に直結して設けるスタータや発電機などに用いる回転電機として有用である。

本発明が適用されたエンジン始動兼発電装置を示す側断面図である。図１の矢印II−II線に沿って見た端面図である。クランクケースの要部端面図である。回転基準位置の検出要領を示すタイムチャートである。

符号の説明

１回転電機
２クランク軸
３アウタロータ
４クランクケース
５インナステータ
１１ｕ・１１ｖ・１１ｗホールＩＣ
１２センサケース、１２ｂ凹部
１５転流用マグネット
１６パルサーマグネット
１７ホールＩＣ
１８ノックピン

Claims

エンジンのクランク軸に固設されたロータと、クランクケースに固設されたステータと、前記ロータの回転位置を検出する回転位置センサとを有する回転電機であって、
前記回転位置センサが、前記ロータに固定された被検出体と、前記ロータの回転に応じて前記被検出体を検出するための検出素子と、前記検出素子を一体的に保持するセンサケースとを有し、
前記センサケースが、前記ステータに固定され、かつ前記ステータを前記クランクケースに固設することにより前記クランクケースに対して両者間に設けられた位置決め手段を介して直接に位置決めされ、
前記位置決め手段が、前記センサケースにおける前記ステータに固定される部分に対して前記クランク軸の半径方向外側に設けられ、かつ前記センサケースの前記クランク軸の周方向に対して位置決めすると共に前記クランク軸の半径方向に対するずれを吸収することを特徴とする回転電機。
前記位置決め手段が、前記センサケースに前記クランク軸に沿う向きに突設されたノックピンと、前記クランク軸の周方向に対して前記ノックピンが嵌入可能に前記ノックピンと略同一の幅に形成されかつ前記クランク軸の半径方向に長手方向を向けるように前記クランクケースに設けられた凹部とからなることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。