JP5639340B2

JP5639340B2 - 電動機

Info

Publication number: JP5639340B2
Application number: JP2009032806A
Authority: JP
Inventors: 将見丸山
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: JP2010193554A

Description

本発明は、ブラシレスモータを用いた電動機に関する。

駆動源として用いられる電動機のうちＤＣブラシレスモータにおいては、ロータマグネットの磁極位置を検出して励磁切り替え信号を生成するセンサ基板やセンサ用マグネットがシャフトに設けられる。また、電動機の速度制御を行なう速度制御信号を生成するため、磁気検出式若しくは光学検出式のエンコーダがロータシャフトに設けられる。

電動機の一例について図７乃至図１１を参照して説明する。
図７（ａ）において、シャフト５１は両端近傍を電動機ケース５２に設けられた軸受部（例えばボールベアリング）５３ａ，５３ｂに回転可能に支持されている。軸受部５３ａは電動機ケース５２の左端部に組み付けられ軸受け押え部材５５により抜け止めされている。軸受部５３ｂは、軸受保持部材５６に組み付けられ、該軸受保持部材５６が電動機ケース５２の右端部に組み付けられている。
シャフト５１には、周方向にＮ・Ｓ極が交互に着磁されたロータマグネット５４が一体に組み付けられている。シャフト５１を支持する電動機ケース５２の一端側（出力側）は軸受押え部材５５が組み付けられ、他端側は軸受保持部材５６及びカバー５７が組み付けられている。

図７（ｂ）において、シャフト５１には、ヨーク５８が圧入されており、該ヨーク５８にはリング状のセンサマグネット５９が一体に組み付けられている。センサマグネット５９は、周方向にＮ・Ｓ極が交互に着磁されている。図９（ａ）乃至図９（ｃ）において、ヨーク５８は軸方向に内外周側に起立壁５８ａ，５８ｂが形成されており、センサマグネット５９は外周側起立壁５８ｂに沿って一体に組み付けられている（図９（ｃ）参照）。

また、図７（ｂ）において、軸受保持部材５６のセンサマグネット５９の対向面部（内壁面部）には、センサ基板６０が組み付けられている。図９（ｄ）に示すように、センサ基板６０には、ホール素子、ホールＩＣ等の磁極位置検出部６１が設けられている。磁極位置検出部６１によって、ロータ磁極位置を検出して図示しない駆動回路により励磁切り替え信号が生成される。

また、図７（ｂ）において、シャフト５１の軸端部には、速度検出マグネット６２が組み付けられている。図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように速度検出マグネット６２は周方向にＮ・Ｓ極が交互に着磁されている。また、軸受保持部材５６の外壁面部には、速度検出マグネット６２の外周面に対向してエンコーダ６３が配置されたエンコーダ基板６４が組み付けられている。エンコーダ６３に検出された速度信号により図示しない制御部により速度制御信号が生成される。図７（ａ）に示すように、上記速度検出マグネット６２及びエンコーダ基板６４は軸受保持部材５６及びカバー５７に覆われた空間部に設けられている。

図１１（ａ）に示すように、軸受保持部材５６の内壁面部側に設けられた磁極位置検出部６１は軸方向に対向配置されたセンサマグネット５９の磁束変化を検出し、図１１（ｂ）に示すように、軸受保持部材５６の外壁面部側に設けられたエンコーダ６３は径方向に対向配置された速度検出マグネット６２の磁束変化を検出するようになっている。

また、図７（ａ）において、電動機ケース５２内には、外周側より径方向内側に向かって突設されたステータ磁極にモータコイル６５が巻き付けられたステータコア６６が組み付けられている。ステータ磁極の極歯はロータマグネット５４と対向するように配置されている。

図８において、電動機ケース５２に、シャフト５１にロータマグネット５４、センサマグネット５９を支持するヨーク５８、軸受部５３ｂが組み付けられたロータが組み付けられ、シャフト５１の一端側より軸受部５３ａ及び軸受押え部材５５がねじ止めされて組み付けられる。また、他端側にはエンコーダ基板６４が設けられた軸受保持部材５６がねじ止めされて組み付けられる。そして、軸受保持部材５６の外側に延設されたシャフト５１の軸端に速度検出マグネット６２が組み付けられ、カバー５７が軸受保持部材５６の外壁面を覆うように組み付けられる。

尚、電動機は、メーカーがモータを製造販売し、ユーザーが用途に応じてモータの制御系と組み合わせることが行なわれているため、予めモータに磁気式エンコーダを設けるよりも光学式エンコーダを後付けすることが多い。磁気式エンコーダを用いたブラシレスモータは以下の通りである。

特開平０７−５９３８２号公報特開平０７−３１１１６号公報

上述した電動機において、固定子側に磁極位置検出部６１を設けたセンサ基板６０、エンコーダ６３を設けたエンコーダ基板６４が設けられ、回転子側にシャフト５１にロータマグネット５４のほかにセンサ用マグネット５９や速度検出マグネット６２が設けられており、構造が複雑で、部品点数が多く、製造コストが高くなるとともに軸方向に大型化しやすい。

また、両側を軸受け押え部材５５及び軸受保持部材５６に閉止された電動機ケース５２内において、シャフト５１を支持する軸受部５３ａ，５３ｂ間に、発熱体であるモータコイル６５とセンサ基板６０が収納されている。磁極位置検出部６１に用いられる例えばホールＩＣの耐熱温度は通常１２０℃であり高くても１５０℃までの高温にしか耐えられない。このため、特に高温領域に対して激しい温度変化を伴う過酷な使用環境向けの用途（例えば車両等のエンジン回り）では、磁極位置検出部６１の使用可能な温度範囲を超えてしまい、電動機が使用できないおそれが生ずる。

また、センサ用マグネット５９は、軸受部５３ｂより径方向外側であるヨーク５８の外周側起立壁５８ｂに沿って一体に組み付けられており、マグネット径が軸受部５３ｂの外径より大きくなるため、イナーシャが大きく、電動機の正逆回転切り替えを行なう際に、スムーズな回転切り替え動作が妨げられる。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、コストダウンと小型化を図り、かつ高温使用環境下においても使用に耐え、かつイナーシャを低減して回転切り替え性能を向上させた電動機を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
シャフトにロータマグネットが組み付けられて軸受部に回転可能に軸支されたロータと、ステータ磁極にモータコイルが巻かれたステータと、前記ロータマグネットの磁極を検出する磁極位置検出手段と、前記ロータマグネットの磁極変化から前記ロータの回転速度を磁気的に検出するエンコーダとを備えた電動機であって、前記軸受部より軸方向外側に延設された前記シャフトに当該シャフトを支持する一対の前記軸受部間より外側の軸端部に当該軸受部外径より小径であって円盤状の検出マグネットが一体に組み付けられ、該検出マグネットの磁極変化を電動機ケースに組み付けられて前記軸受部を保持する軸受保持部材の軸方向外壁面に前記検出マグネットと軸方向に対向して配置されたセンサ基板に設けられた前記磁極位置検出手段により磁極位置が検出され、前記軸受保持部材の軸方向外壁面に配置されたエンコーダ基板に前記検出マグネットの円盤部外周面と径方向に対向して設けられた前記エンコーダによって磁極変化が検出されて前記ロータの回転速度が検出されることを特徴とする。

また、シャフトにロータマグネットが組み付けられて軸受部に回転可能に軸支されたロータと、ステータ磁極にモータコイルが巻かれたステータと、前記ロータマグネットの磁極を検出する磁極位置検出手段と、前記ロータの磁極変化から前記ロータの回転速度を磁気的に検出するエンコーダとを備えた電動機であって、前記軸受部より軸方向外側に延設された前記シャフトに当該シャフトを支持する一対の前記軸受部間より外側の軸端部に当該軸受部の外径より小径であって中心に筒体部を有する円盤状の検出マグネットが一体に組み付けられ、前記磁極検出手段及びエンコーダは、電動機ケースに組み付けられて前記軸受部を保持する軸受保持部材の軸方向外壁面に設けられた同一モータ基板に前記検出マグネットと対向して基板実装されており、軸方向において前記検出マグネットの円盤部の磁極変化を軸方向に対向する前記磁極位置検出手段によって磁極位置が検出され、径方向において前記検出マグネットの筒体部の磁極変化を前記エンコーダによって検出されて前記ロータの回転速度が検出されることを特徴とする。

上述した電動機を用いれば、軸受部より軸方向外側に延設されたシャフトに検出マグネットが一体に組み付けられ、検出マグネットの磁極変化をその近傍に配置された磁極位置検出手段と速度検出手段とで各々検出されるので、部品点数の削減を図り構造を簡略化して製造コストが低減できるとともに、電動機を軸方向に小型化することができる。
また、電動機ケースに組み付けられて軸受部を保持する軸受保持部材の軸方向外側に延設されたシャフトの軸端部に検出マグネットが設けられているので、モータコイルから離れた位置に磁極位置検出手段を設けることができ、当該磁極位置検出手段の耐久温度内の使用環境となるため、過酷な使用環境向けの用途においても使用可能となる。
また、シャフトの軸受部間より外側の軸端部に当該軸受部の外径より小径であって円盤状の検出マグネットが一体に組み付けられることで、軸受部外径より小径の検出マグネットを使用できるため、イナーシャを低減して回転切り替え性能を向上させることができる。
また、磁極位置検出手段と速度検出手段は、軸受保持部材の軸方向外壁面に検出マグネットと軸方向に対向して配置されたセンサ基板に設けられた磁極位置検出手段により磁極位置が検出され、軸受保持部材の軸方向外壁面に配置されたエンコーダ基板に検出マグネットの円盤部外周面と径方向に対向して設けられたエンコーダによりロータの回転速度が検出されるのが好ましく、これらが軸受保持部材の軸方向外壁面に設けられた同一モータ基板に基板実装されていると、部品点数が削減でき、製造コストを一層削減し、電動機を軸方向に小型化することができる。

電動機の断面図である。図１の破線円に示す軸端部の拡大図及びセンサ基板及びエンコーダ基板の説明図である。検出マグネットの正面図、断面図、左右側面図である。他例に係る電動機の断面図である。図４の破線円に示す軸端部の拡大図及びセンサ基板の説明図である。検出マグネットの正面図、断面図、左右側面図である。従来の電動機の断面図及び軸端部の部分拡大図である。図７の電動機の組み立て構成を示す断面分解図である。ヨークの断面図、左右側面図、センサマグネットの正面図、断面図、これらの組み付け状態の断面図、左右側面図、センサ基板の断面図、左側面図である。速度検出マグネットの正面図、断面図、左右側面図である。センサマグネットの検出方向及び速度検出マグネットの検出方向を示す説明図である。

以下、本発明に係る電動機の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態では、車載用のインナーロータ型ＤＣブラシレスモータを用いて説明する。

図１乃至図３を参照して、電動機の概略構成について説明する。
ロータ１は、シャフト２にロータマグネット３が一体に組み付けられて回転可能に軸支されている。ロータマグネット３はシャフト２の中途部に一体に組み付けられ、両側に軸受部４ａ、４ｂにより回転可能に支持されている。

軸受部４ａは筒状の電動機ケース５の左端側開口部に嵌め込まれ軸受押え部材６により軸方向に抜け止めされる。また、軸受部４ｂは予圧ばね４ｃを介して軸受保持部材７に組み付けられ（図２（ａ）参照）、該軸受保持部材７が電動機ケース５の右端側開口部に嵌め込まれている。
また、シャフト２の右端部は細径となって軸受保持部材７の外側まで延設されており、該延設部に検出マグネット８が一体に組み付けられている。

図２（ａ）において、軸受保持部材７の外壁面にはセンサ基板９が設けられている。図２（ｂ）に示すようにリング状に形成されたセンサ基板９には、ホール素子、ホールＩＣ等の磁極位置検出部１０（磁極位置検出手段）が設けられている。磁極位置検出部１０は、検出マグネット８の側面と軸方向に対向して設けられている。

また、図２（ａ）（ｃ）において、軸受保持部材７の外壁面にはエンコーダ基板１１が設けられており、該エンコーダ基板１１にはエンコーダ１２（速度検出手段）が設けられている。エンコーダ１２は、検出マグネット８の外周面と径方向に対向して設けられている。図１において、軸受保持部材７の外側は、カバー１３に覆われている。

図１において、ステータ１４は、電動機ケース５の内壁面にリング状のステータコア１５が組み付けられており、径方向中心に向けて各々突設されたステータ磁極１５ａにモータコイル１６が巻きつけられている。

図３（ａ）〜（ｄ）において、検出マグネット８は、周方向にＮ・Ｓ交互に着磁されており、軸方向において磁極変化を図２における磁極位置検出部１０により検出され、図示しない制御部において励磁切り替え信号が生成されて駆動回路へ出力するようになっている。
また、検出マグネット８の周方向において磁極変化をエンコーダ１２により検出され、図示しない制御部において図１におけるロータ１の回転速度が検出され、当該制御部において回転速度制御信号が生成されて駆動回路へ出力するようになっている。

上記構成によれば、軸受部４ｂより軸方向外側に延設されたシャフト２に検出マグネット８が一体に組み付けられ、検出マグネット８の磁極変化をその近傍に配置された磁極位置検出部１０とエンコーダ１２とで各々検出されるので、部品点数の削減を図り構造を簡略化して製造コストが低減できるとともに、電動機を軸方向に小型化することができる。
また、電動機ケース５に組み付けられて軸受部４ｂを保持する軸受保持部材７の軸方向外側に検出マグネット８が設けられているので、モータコイル１６から離れた位置に磁極位置検出部１０を設けることができ、当該磁極位置検出部１０手段の耐久温度内の使用環境となるため、過酷な使用環境向けの用途においても使用可能となる。
また、シャフト２を支持する軸受部４ａ，４ｂ間より外側に検出マグネット８を設けることで、軸受部外径より小径の検出マグネット８を使用できるため、イナーシャを低減して回転切り替え性能を向上させることができる。

次に、電動機の他例について図４乃至図６を参照して説明する。
電動機の構成は実施例１と同様であるので、同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとし、以下異なる点を中心に説明する。

図４に示すように、実施例１では、単一の検出マグネット８の磁極を異なる基板９，１１に設けられた磁極位置検出部１０とエンコーダ１２とで各々検出していたが、これらを同一のモータ基板１７に設けてもよい。

図５（ａ）（ｂ）において、シャフト２の右端部は軸受保持部材７より軸方向外側に延設されている。この軸受保持部材７の外壁面に、モータ基板１７が設けられている。モータ基板１７には、磁極位置検出部１０のほかエンコーダ１２も基板実装されている。検出マグネット８は、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように周方向にＮ・Ｓ交互に着磁されており、軸方向において磁極変化を磁極位置検出部１０並びにエンコーダ１２によって検出するようになっている。

上記構成によれば、基板の数が減るので、部品点数の削減により製造コストを一層削減し、電動機を軸方向に小型化することができる。

尚、検出マグネット８の磁極検出方向は、アキシャル方向（軸方向）、ラジアル方向（径方向）のいずれか若しくはこれらの組み合わせでもよい。

上記実施例はインナーロータ型のＤＣブラシレスモータについて説明したが、アウターロータ型のＤＣブラシレスモータについても適用することができる。

１ロータ
２シャフト
３ロータマグネット
４ａ，４ｂ軸受部
４ｃ予圧ばね
５電動機ケース
６軸受押え部材
７軸受保持部材
８検出マグネット
９センサ基板
１０磁極位置検出部
１１エンコーダ基板
１２エンコーダ
１３カバー
１４ステータ
１５ステータコア
１５ａステータ磁極
１６モータコイル
１７モータ基板

Claims

シャフトにロータマグネットが組み付けられて軸受部に回転可能に軸支されたロータと、ステータ磁極にモータコイルが巻かれたステータと、前記ロータマグネットの磁極を検出する磁極位置検出手段と、前記ロータマグネットの磁極変化から前記ロータの回転速度を磁気的に検出するエンコーダとを備えた電動機であって、
前記軸受部より軸方向外側に延設された前記シャフトに当該シャフトを支持する一対の前記軸受部間より外側の軸端部に当該軸受部外径より小径であって円盤状の検出マグネットが一体に組み付けられ、該検出マグネットの磁極変化を電動機ケースに組み付けられて前記軸受部を保持する軸受保持部材の軸方向外壁面に前記検出マグネットと軸方向に対向して配置されたセンサ基板に設けられた前記磁極位置検出手段により磁極位置が検出され、前記軸受保持部材の軸方向外壁面に配置されたエンコーダ基板に前記検出マグネットの円盤部外周面と径方向に対向して設けられた前記エンコーダによって磁極変化が検出されて前記ロータの回転速度が検出されることを特徴とする電動機。
シャフトにロータマグネットが組み付けられて軸受部に回転可能に軸支されたロータと、ステータ磁極にモータコイルが巻かれたステータと、前記ロータマグネットの磁極を検出する磁極位置検出手段と、前記ロータの磁極変化から前記ロータの回転速度を磁気的に検出するエンコーダとを備えた電動機であって、
前記軸受部より軸方向外側に延設された前記シャフトに当該シャフトを支持する一対の前記軸受部間より外側の軸端部に当該軸受部の外径より小径であって中心に筒体部を有する円盤状の検出マグネットが一体に組み付けられ、
前記磁極検出手段及びエンコーダは、電動機ケースに組み付けられて前記軸受部を保持する軸受保持部材の軸方向外壁面に設けられた同一モータ基板に前記検出マグネットと対向して基板実装されており、軸方向において前記検出マグネットの円盤部の磁極変化を軸方向に対向する前記磁極位置検出手段によって磁極位置が検出され、径方向において前記検出マグネットの筒体部の磁極変化を前記エンコーダによって検出されて前記ロータの回転速度が検出されることを特徴とする電動機。