JP5708432B2 - 回転電機およびそれを用いた空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、メインマグネットとは別のセンサ用マグネット（以下、センサマグネットと表記）を備えている回転電機において、軸方向寸法を短くするための工夫に関する。

回転電機の一種であるブラシレスDCモータは、ブラシ付きDCモータと比較して、ブラシ及び整流子等の機械的接触部を必要としない。このため、ブラシレスDCモータは、ブラシと整流子の摩擦により火花が生じ、この火花の発生に伴うノイズが周囲の電子回路に悪影響を与えるという不具合が生じないという長所がある。その一方で、ブラシ付きDCモータでは機械的接触部で電機子巻線に流す電流を自動的に転流しているが、ブラシレスDCモータでは機械的接触部が無いため、電機子巻線に流す電流の切り替えを電子的に行う必要がある。この切り替えは、ロータ磁極位置に応じて行う必要があり、電機子巻線に電流を流すための電子回路にロータ磁極位置の情報を与える必要がある。このため、ブラシレスDCモータはセンサとセンサマグネットを有するものがある。このようなブラシレスDCモータとして、以下の先行例がある。

特開２０００−２４５１１３号公報（３―４頁、第１図）

センサマグネットはメインマグネットの磁極位置が分かるように着磁と位置決めが成されている。このセンサマグネットの磁束を基板のセンサで検出し、電子回路で電機子巻線に流す電流の切り替えを行うことができる。

しかし、特許文献１の回転電機内部においてセンサは支持板に固定されており、この支持板は、フレームと固定されている。このように本先行例ではフレームに支持板を一体的に固定するため、支持板を固定子とは軸方向の離れた位置に配置し、この結果として支持板に固定されているセンサも固定子とは軸方向の離れた位置に配置されている。このため、回転電機の軸方向寸法が長く、回転電機の高さの制約がある場合には、適応が困難となる。

特に、従来から車両等で採用されている天井埋込み型空気調和装置では、回転電機をファンモータとして利用しているが、このファンモータの軸方向寸法が長く、人が乗り込む空間が狭くなることや、空気調和装置を覆うケーシングの寸法が大きくなり使用材料が増加するという欠点があった。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、回転電機の軸方向寸法を低減することができる回転電機を提供する。

本発明における回転電機は、回転子と、回転子と回転軸に対して垂直な向きに対向し、絶縁性巻枠を介して巻線が巻きつけられた固定子鉄心と、回転子に設けられたセンサマグネットと、センサマグネットの磁束を検出するセンサとを備え、絶縁性巻枠は固定子鉄心の上側端面に固定された第１の絶縁性巻枠と固定子鉄心の下側端面に固定された第２の絶縁性巻枠を有し、センサマグネットは第１の絶縁性巻枠の上側端面と下側端面との間、および第１の絶縁性巻枠の内径側の壁と外径側の壁の外周面との間に収められていることを特徴とする。

本発明によれば、センサマグネットを第１の絶縁性巻枠の上側端面と下側端面との間、および第１の絶縁性巻枠の内径側の壁と外径側の壁との間に収まるように配置したため、回転電機のデッドスペースを有効利用でき、モータの軸方向寸法を低減することができる 。

実施の形態１の回転電機の断面図を示す。 実施の形態２の回転電機の断面図を示す。 参考例である回転電機の断面図を示す。 実施の形態３の空気調和装置の断面図を示す。

実施の形態１．
実施の形態１を図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１の回転電機（ブラシレスＤＣモータ）の断面図を示している。

図１の回転電機の固定子１は、固定子鉄心２と、固定子鉄心２に装着され絶縁性を有する絶縁性巻枠と、この絶縁性巻枠を介して巻かれる巻線３と、センサ４を備える。絶縁性巻枠とは絶縁性を有する巻枠であり、同様に用いられる用語として、ボビン、絶縁ボビン、絶縁体がある。

絶縁性巻枠には、固定子鉄心２の上側端面から固定される第１の絶縁性巻枠５と、固定子鉄心２の下側端面から固定される第２の絶縁性巻枠６がある。第１の絶縁性巻枠５は渡り線７を収納するための渡り線収納溝８を有している。渡り線７は、各相（U、Ｖ、Ｗ）が接触しないように渡り線収納溝８に収納される。さらに第１の絶縁性巻枠５には、センサ４を取り付け可能なセンサ取り付け部９に穴が設けられている。この絶縁性巻枠５はシャフト１５と平行に位置する内径側と外径側の壁と、回転軸であるシャフト１５と直交に位置し、外側に巻線が巻きつけられる芯部から構成される。第１の絶縁性巻枠５と第２の絶縁性巻枠６はつながっておらず、シャフト１５と同軸的に取り付けられた固定子鉄心２の軸方向の反対側から組みつけられ固定されている。なお、同軸的とは同一の軸を中心に回転する部材を示す。第２の絶縁性巻枠６には、第１の絶縁性巻枠５のような渡り線収納溝８やセンサ取り付け部９は無いため、第１の絶縁性巻枠５に比べ軸方向寸法が短い。センサ４は、磁束を検出できるセンサであり、第１の絶縁性巻枠５の外径側の壁に設けたセンサ取り付け部９に取り付け、そのケーブル１０が回転電機の外に設置されている図示されていない電子回路に接続される。センサマグネット１４は、第１の絶縁性巻枠５の軸方向寸法と径方向寸法の中に納まるように配置される。
本実施例のような集中巻きでは、一般的にコイルエンドと呼ばれる巻線の厚みが絶縁性巻枠の高さを超えないように設計されている。これは、絶縁性巻枠よりコイルエンドが高くなると巻線が絶縁性巻枠の外径側または内径側に落ちるからである。

本実施例の巻線方法は、固定子鉄心２の軸方向上部に第１の絶縁性巻枠５を取り付け、軸方向下部に第２の絶縁性巻枠６を取り付け、第１の絶縁性巻枠５と第２の絶縁性巻枠６を介して直接巻線３を巻きつける集中巻きを行っている。さらに、図示はしないが、同相の巻線同士が連続に巻線されている状態であり、同相の巻線３を繋ぐ渡り線７は、第１の絶縁性巻枠５の軸方向外側に渡り線収納溝８を設け、この渡り線収納溝８の中に配置させている。そして、各相を巻き終わった線同士を電気的に接続し中性点を構成し、各相の巻き始めの線に図示していないが電源線を接続している。本実施例では、渡り線７を配置するための渡り線収納溝８を第１の絶縁性巻枠５に設けたが、連続巻きを行わない場合、渡り線収納溝８は無くても良い。この場合、図１には図示していない基板を固定子鉄心の軸方向上部に環状に設け、各ティースの巻き始め線、巻き終わり線を基板に接続し、基板のパターンで電気的接続を行うことで、回転電機の固定子１を構成できる。

図１の回転電機の回転子１１は、回転子鉄心１２と、メインマグネット１３と、センサマグネット１４と、シャフト１５と、止め輪１６を備える。回転子鉄心１２はシャフト１５に対して図示されていないキーで周方向の固定がなされており、止め輪１６で軸方向の固定が成されている。センサマグネット１４は、薄板等で曲げ成形された取付板１７と接着等で接続されており、この取付板１７が回転子鉄心１２とボルト１８とナット１９で固定されている。なおセンサマグネット１４の固定方式には接着の他に、センサマグネット１４の材料をプラスチックマグネットとして取付板１７と一体成形する方式、そして、ボルト１８とナット１９で固定するねじ止めの方式がある。このセンサマグネット１４はリング状にＮ極とＳ極を交互に配置したもので、着磁の強度は均一である。このセンサマグネット１４はメインマグネット１３の磁極位置が分かるようセンサ４方向に着磁と位置決めが成されている。また、センサマグネットの外径側先端部は絶縁性巻枠の径方向寸法内に収まるように構成されている。

図１の回転電機の固定子１の外側には、板金等により成形されたブラケット２０とフレーム２１があり、これらは固定子外径と嵌め合い固定されている。さらに、ブラケット２０とフレーム２１はネジ２２とナット２３で固定されている。また、ブラケット２０とフレーム２１には軸受２４を入れるハウジング２５が設けられており、軸受２４を嵌め合い固定している。軸受２４は、ハウジング２５に固定され、シャフト１５が貫通するように取り付けられている。

本実施例での回転子１１の磁極位置検出方法について説明する。
メインマグネット１３とセンサマグネット１４はシャフト１５が回転すると、同期して回転するため、センサマグネット１４の磁極位置を検出することで、メインマグネット１３の磁極位置を検出できる。センサ４はセンサマグネット１４から磁束を検出する。センサマグネット１４の磁極位置は、固定子１に設けたセンサ４で検出し、この信号を回転電機の外に設置されている電子回路に送ることで磁極位置の情報を知ることができる。電子回路は、センサ４の信号に基づいて、電機子電流の切り替えを行うことで回転電機を駆動することが可能となる。

このような構成としたことで、次の効果がある。
センサ４とセンサマグネット１４を第１の絶縁性巻枠５の軸方向寸法内に納まるように取り付けたため、絶縁性巻枠５の軸方向上側に配置した場合に比べ、回転電機の軸方向寸法を低くすることができる。

また、センサマグネット１４が配置される軸方向の位置を、第１の絶縁性巻枠５の軸方向寸法の中に納まるように配置し、第１の絶縁性巻枠５にセンサ４を取り付けたことで磁極位置検出部品の軸方向設置範囲を狭くでき、結果として回転電機の軸方向寸法を低くすることができる。
さらに、第１の絶縁性巻枠５に渡り線収納溝８とセンサ取り付け部９を設け、渡り線収納溝８に渡り線７を、センサ取り付け部９にセンサ４を取り付けたことにより、第１の絶縁性巻枠５と第２の絶縁性巻枠６にそれぞれ渡り線収納溝８もしくはセンサ取り付け部９の穴を設ける場合に比べ、回転電機の軸方向寸法を低くすることができる。

実施の形態２．
実施の形態２を図２を用いて説明する。図２は、実施の形態２の回転電機の断面図を示している。本実施の形態の回転電機は、実施の形態１の固定子１と回転子１１が異なる。実施の形態１と同一の箇所には同じ符号を示し、説明を省略する。

図２の回転電機の固定子１は、固定子鉄心２と、固定子鉄心２に装着され絶縁性を有する絶縁性巻枠と、この絶縁性巻枠を介して巻かれる巻線３と、センサ４とその検出信号に応じて電機子電流を切り換えて回転電機を駆動するための電子回路を有する基板２６を備える。絶縁性巻枠には、第１の絶縁性巻枠５と第２の絶縁性巻枠６がある。第１の絶縁性巻枠５は熱可塑性樹脂で成形されており、渡り線７を収納するための渡り線収納溝８と、センサ取り付け部９に突起２７を有している。この突起２７は、基板２６に設けられている穴と同一箇所に空けられており、基板２６を第１の絶縁性巻枠５の突起２７に挿入した後、突起２７を熱で溶かすことで基板２６と第１の絶縁性巻枠５を固定している。なお、基板２６の形状は中空円筒で、かつ扇形又は四角形となっている。

図２の回転電機の回転子１１は、実施の形態１の回転子１１とセンサマグネット１４の着磁方向と取付板１７の形状が異なる。センサマグネット１４は、センサ４がある方向である軸方向に磁束がでるように着磁されている。
本実施例での回転子１１の磁極位置検出方法は、実施の形態１と同じ原理であるため説明を省略する。

このような構成とすることで、次の効果がある。
センサ４とセンサマグネット１４を第１の絶縁性巻枠５の軸方向寸法内に納まるように取り付けたため、絶縁性巻枠５の軸方向上側に配置した場合に比べ、軸方向寸法を低くすることができる。

また、第１の絶縁性巻枠５と基板２６の固定方法を、第１の絶縁性巻枠５の突起２７を溶かす方法としたため、ネジ等で固定する場合に比べ、部品点数を削減することができる。

図３は、参考例である回転電機の断面図を示しており、実施の形態１に比し、センサ４を第１の絶縁性巻枠５に取り付ける構造とセンサマグネット１４の配置位置が異なり、その他は実施の形態１と同様である。

この参考例では、センサ取り付け部９が第１の絶縁性巻枠５の内径側（巻線３より内径側で回転子に近い部分）の壁に穴として設けられ、この穴にセンサ４を軸方向と平行になるように配置することで構成している。さらに、センサマグネット１４は、このセンサ４と対向するように配置されており、センサマグネット１４を固定するための取付板１７は、板状となっている。

このような構成とすることで、以下の効果がある。
センサ４を絶縁性巻枠５の内径側に配置し、巻線３と固定子鉄心２との間の絶縁性巻枠５に設けた穴９にケーブル１０を通したので、実施の形態１に比べ、センサ４のケーブル１０を第１の絶縁性巻枠５の軸方向寸法内に収めることができるため、回転電機の軸方向寸法をより低くすることができる。さらに、実施の形態２に比べ基板２６が不要となり、部品点数を削減できる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３による空気調和装置２８の構造を示す断面図である。また、図４の回転電機は実施の形態１、２の回転電機である。
図４において空気調和装置２８は、ケーシング２９内に設置された回転電機３０の上部に直結されたターボファン３１と、熱交換器３２を主な構成要素とする。尚、回転電機３０とターボファン３１とで送風機３３を構成する。ケーシング２９の上部には外気を導入する吸気口３４が、側部３５にはターボファン３１が送り出す空気を排出する排気口３６が設けてあり、またケーシング２９の底板３７に回転電機３０が設置されている。このケーシング２９に支持される熱交換器３２はターボファン３１の外周部に対向して設けてあり、この熱交換器３２と対向するケーシング２９の側部３５に排気口３６が設けられている。この空気調和装置２８を電車の車両の天井に設け、車両の冷暖房を行う。なお空気調和装置２８は電車の車両の他に、空気調和器を備える建物や乗り物など回転電機を備える全ての空気調和装置に適用可能である。

この空気調和装置２８における空気の流れを主体とする動作を図に基づいて説明する。
図４に示すように、回転電機３０の駆動によりターボファン３１が回転すると、ケーシング２９の上部吸気口３４から外気が導入される。この流入した空気はターボファン３１の外周部から流路３８にある熱交換器３２を介して温度調節され排気口３６からケーシング２９の外部に排出される。この流路３８を流れる空気を使って室内や車両内の冷暖房を行う。

このような構成とすることで、次の効果がある。
車両で採用されている天井埋込み型の空気調和装置２８に、本発明の回転電機３０をファンモータとして採用することで空気調和装置２８の軸方向寸法を低くすることができ、室内や車両内のスペースを広くすることや、空気調和装置２８を覆うカバーの寸法を縮小することができる。

１ 固定子
２ 固定子鉄心
３ 巻線
４ センサ
５ 第１の絶縁性巻枠
６ 第２の絶縁性巻枠
７ 渡り線
８ 渡り線収納溝
９ センサ取り付け部
１０ ケーブル
１１ 回転子
１２ 回転子鉄心
１３ メインマグネット
１４ センサマグネット
１５ シャフト
１６ 止め輪
１７ 取付板
１８ ネジ
１９ ナット
２０ ブラケット
２１ フレーム
２２ ネジ
２３ ナット
２４ 軸受
２５ ハウジング
２６ 基板
２７ 突起
２８ 空気調和装置
２９ ケーシング
３０ 回転電機
３１ ターボファン
３２ 熱交換器
３３ 送風機
３４ 吸気口
３５ 側部
３６ 排気口
３７ 底板
３８ 流路

Claims (5)

1. 回転子と、
   該回転子と回転軸に対して垂直な向きに対向し、絶縁性巻枠を介して巻線が巻きつけられた固定子鉄心と、
   前記回転子に設けられたセンサマグネットと、
   該センサマグネットの磁束を検出するセンサとを備え、
   前記絶縁性巻枠は前記固定子鉄心の上側端面に固定された第１の絶縁性巻枠と前記固定子鉄心の下側端面に固定された第２の絶縁性巻枠とを有し、前記センサマグネットは前記第１の絶縁性巻枠の上側端面と下側端面との間、および前記第１の絶縁性巻枠の内径側の壁と外径側の壁との間に収められていることを特徴とする回転電機。
2. 前記第１の絶縁性巻枠の外径側の壁に渡り線を収納する溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記センサが前記第１の絶縁性巻枠の外径側の壁に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の回転電機。
4. 前記第１の絶縁性巻枠には、電子回路を有する基板が取り付けられ、この基板に前記センサが実装されている請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の回転電機をファンモータとして用いた空気調和装置。

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