JP5952102B2 - 回転速度検出機能付き電動機 - Google Patents

Description

本発明は、回転速度を検出する機能を備えた電動機に関する。

従来、回転速度を検出する機能を備えた電動機としては、特許文献１に記載された速度発電機付回転電機が知られている。この速度発電機付回転電機では、電動機の固定子鉄心に、電動機用固定子巻線と共に速度発電機用固定子巻線を巻装し、電動機の回転子鉄心に速度発電機界磁極用永久磁石を装着して、速度発電機を電動機の中に作り込むことで、小型軽量な回転電機を提案している。そして、この際に、速度発電機の極数を電動機の極数の２倍といった偶数倍にしており、これによって、電動機の主磁束による起電力が２個の速度発電機用固定子巻線で方向が逆となり互いに打ち消し合うので、電動機の主磁束による起電力による影響を速度発電機が受けないようにしている。

特開昭５５−１０００５１号公報

しかしながら、上記の特許文献１で提案される構成では、速度発電機の極数が電動機の極数の偶数倍の場合しか適用できないという問題がある。例えば、速度発電機と電動機の極数を等しくしたいといった極数の要求または極数の自由度に対応することができない。

また、電動機の回転子が発生する磁界の影響を速度発電機が受けて、電動機の回転子の回転位置に応じて速度発電機からの出力が誤出力成分を含むおそれがあるという問題がある。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、極数について比較的、自由度を持ち、且つ、発電機の出力誤差を低減して、回転速度を正確に検出することができる回転速度検出機能付き電動機を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、回転軸と一体回転可能となった電動機用ロータと、
電動機用ロータの周囲の電動機用ステータに設けられた複数極を持つ電動機用巻線と、
前記回転軸と一体回転可能となった発電機用ロータと、
発電機用ロータの周囲の発電機用ステータに設けられた複数極を持つ発電機用巻線と、
を備えて、発電機用巻線に発生する起電力に基づき回転軸の回転速度を検出する機能を備えた電動機において、
前記電動機用巻線と前記発電機用巻線とが回転軸の軸方向に対して並んで設けられ、
前記電動機用巻線と前記発電機用巻線との間には、位置決め部材が設けられ、該位置決め部材は磁気遮蔽材料で構成されると共に、該位置決め部材を介して前記電動機用巻線の極と、前記発電機用巻線の極との間が回転軸周りに角度差を保持するようにして前記電動機用巻線と前記発電機用巻線とを回転軸周り及び径方向に関して互いに固定させる、ことを特徴とする。

また、前記位置決め部材は、前記電動機用ステータに対して回転軸周りに位置決めを行う第１角度決め部を備え、前記発電機用ステータに対して回転軸周りに位置決めを行う第２角度決め部を備えることを特徴とする。

また、前記位置決め部材は、前記電動機用ステータに対して径方向に位置決めを行う第１位置決め部を備え、前記発電機用ステータに対して径方向に位置決めを行う第２位置決め部を備えることを特徴とする。

また、前記電動機用巻線と前記発電機用巻線の極数は同じであることを特徴とする。

また、前記電動機用巻線と前記発電機用巻線の角度差は、１８０°／極数であることを特徴とする。

また、前記位置決め部材と前記電動機用ステータまたは前記発電機用ステータとの間で回転軸周りの固定を微調整可能な微調整手段が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、磁気遮蔽部材を介して電動機用巻線の極と、発電機用巻線の極との間が回転軸周りに角度差を保持するようにして電動機用巻線と発電機用巻線とを回転軸周り及び径方向に関して互いに固定させると共に、磁気遮蔽部材が磁気遮蔽を行うために、発電機の出力誤差を低減させて、回転速度を正確に検出することができる。

電動機用ステータと発電機用ステータとを近接して結合することができるため、電動機全体を小型に構成することができる。

電動機用巻線の極と発電機用巻線の極とで、回転軸周りに角度差をつけることで、電動機用巻線と発電機用巻線の極数が同じであっても、互いの影響を相殺することができる。

本発明の実施形態による回転速度検出機能付き電動機の部分断面斜視図である。 （ａ）は図１の電動機の回転軸方向に沿って見た断面図であり、（ｂ）は（ａ）とは異なる面で切って見た断面図である。 図２の３線に沿って見た矢視図である。 図２の４線に沿って見た矢視図である。 図１の電動機用巻線と発電機用巻線との関係を表す図である。 位置決め部材の斜視図であり、（ａ）は電動機側から見た図、（ｂ）は発電機側から見た図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図４に示したように、本発明の回転速度検出機能付き電動機１０は、主として、電動機として機能する電動機部１２と、発電機として機能する発電機部１４と、を備えており、これら電動機部１２と発電機部１４は回転軸１６の軸方向に沿って隣接して配設される。回転軸１６には、任意の負荷を連結可能であり、電動機部１２が回転軸１６を回転させ、発電機部１４がその回転軸１６の回転速度を検出するようになっている。発電機部１４が検出した回転速度に対応する信号は、例えばフィードバック制御に供される。

電動機部１２は、回転軸１６に一体回転するように装着された電動機用ロータ２０と、電動機用ロータ２０の外周囲に設けられた電動機用ステータ２２と、を備える。さらに電動機用ステータ２２は、ステータコア２３と、ステータコア２３に巻回された電動機用巻線２４と、外枠２６と、を備える。

この例では、電動機部１２は、４極となっており、これに合わせて電動機用ロータ２０は、周方向に交互にＮ極とＳ極となった４つの極を持つ永久磁石となっている。また、電動機用巻線２４も、ステータコア２２の円周方向に沿って、等角度毎に４つのコイル部分２４ａを備え、それぞれのコイル部分２４ａの極性は、隣り合うコイル部分２４ａと反対を向くように設定される（図５参照）。これにより、電動機用ロータ２０による磁界と、電動機用巻線２４に流れる電流によって形成される磁界との吸引反発によりトルクが発生し、回転軸１６を回転させることができる。

ステータコア２３は、隣り合うコイル部分２４ａ同士の間で外径方向に突出して外枠２６に圧入されて、外枠２６に固定される。外枠２６は、例えばアルミニウムといった材料で構成される。外枠２６の発電機部１４側のフランジ部２６ａには、ネジ穴２６ｂが複数個所（図の例では４カ所）設けられており、また、発電機部１４側のフランジ部２６ａ及び外枠２６の発電機部１４側の反対にあるフランジ部２６ｃには、円周方向に整列した取付長孔２６ｄが形成される。

発電機部１４は、回転軸１６に一体回転するように装着された発電機用ロータ３０と、発電機用ロータ３０の外周囲に設けられた発電機用ステータ３２と、を備える。さらに発電機用ステータ３２は、ステータコア３３と、ステータコア３３に巻回された発電機用巻線３４と、外枠３６と、を備える。

この例では、発電機部１４も、電動機部１２と同数の４極の極数となっており、これに合わせて、発電機部ロータ３０は、周方向に交互にＮ極とＳ極となった４つの極を持つ永久磁石となっている。また、発電機用巻線３４も、ステータコア３３の円周方向に沿って、等角度毎に４つのコイル部分３４ａを備え、それぞれのコイル部分３４ａの極性は、隣り合うコイル部分３４ａと反対を向くように設定される（図５参照）。これにより、回転軸１６と一体回転する発電機用ロータ３０による磁界により、発電機用巻線３４に起電力が発生し、この起電力は回転速度に比例したものとなる。

ステータコア３３は、隣り合うコイル部分３４ａ同士の間で外径方向に突出して外枠３６に圧入されて、外枠３６に固定される。外枠３６は、例えばアルミニウムといった材料で構成される。外枠３６の外周面には、外径方向に延設された延設部３６ａが複数個所（図の例では４カ所）設けられており、各延設部３６ａには貫通孔３６ｂが形成される。

以上の電動機部１２と発電機部１４とを配置するにあたり、これらを軸方向距離をある程度離して配置する場合、例えば、これらの間に軸受け部が介装されており、両者の間にある程度の距離が確保されている場合、または、電動機部１２と発電機部１４とがそれぞれ個別の高透磁率の材料からなるケーシングによって囲まれている場合等には、両者の間での干渉は無視できる。ところが、本実施形態のように、電動機部１２と発電機部１４がケーシングを介在させることなく、または軸受け部を介在させることなく隣接している場合には、電動機用巻線２４と発電機用巻線３４とが磁界結合してしまうおそれがある。

この結合を防止するために、電動機用ステータ２２と発電機用ステータ３２とを互いに回転軸１６周りにずらして、電動機部１２の極と発電機部１４の極との間の相対位置関係を回転軸１６周りに角度差をつける。角度差は、この例のように、電動機部１２の極と発電機部１４との極の数が同一の場合には、１８０°／極数とする。よって、極数が４個の場合には４５°とする。

図５に示すように、電動機用巻線２４の４つのコイル部分２４ａによるそれぞれの磁束回路が、発電機用ステータコア３３を９０°毎に通過して形成されるが、電動機部１２の極と発電機部１４の極との間に４５°の角度差があると、発電機用巻線３４の各コイル部分３４ａには、反対向きの磁束回路がそれぞれ部分的に通過するために、これらによって発生する起電力Ｖ、Ｖ’が相殺されて、電動機用巻線２４による磁界の影響を除去することができる。

以上の角度差を確保するために、電動機部１２と発電機部１４との間には、位置決め部材４０が配置される。位置決め部材４０は、電動機用ステータ２２と発電機用ステータ３２との間で、回転軸１６周りの角度差を保持するようにしてこれらを回転軸周り及び径方向に関して互いに固定させ、電動機部１２と発電機部１４とを連結する機能を持つ。

図６に示したように、位置決め部材４０は、概略ドーナッツ板形状をなしているが、電動機部１２側に第１段部４０ａを備え、発電機部１４側に第２段部４０ｂを備える。具体的には、第１段部４０ａは、位置決め部材４０の電動機部１２側を向いた面の軸中心部に形成された凸部４０ｃの周縁によって画成される。第２段部４０ｂは、位置決め部材４０の発電機部１４側を向いた面の軸中心部に形成された凹部４０ｄの周縁によって画成される。

さらに、位置決め部材４０には、凸部４０ｃ及び凹部４０ｄよりも外径側のフランジ部４０ｅに貫通孔４０ｇと、ネジ孔４０ｆと、取付長孔４０ｈが形成される。

位置決め部材４０の第１段部４０ａが電動機部１２の外枠２６の中心孔に嵌合することで、位置決め部材４０と外枠２６との径方向位置が固定され、さらに、貫通孔４０ｇを通り外枠２６のネジ穴２６ｂにボルト４２がねじ込まれることで、位置決め部材４０と外枠２６との角度位置が固定され、電動機部１２の電動機用ステータ２２が位置決め部材４０に対して固定される（図２（ｂ）参照）。

また、位置決め部材４０の第２段部４０ｂに発電機部１４の外枠３６の外面が嵌合することで、位置決め部材４０と外枠３６との径方向位置が固定され、さらに、外枠３６の貫通孔３６ｂを通りネジ孔４０ｆにボルト４４がねじ込まれることで、位置決め部材４０と外枠３６との角度位置が固定され、発電機部１４の発電機用ステータ３２が位置決め部材４０に対して固定される（図２（ａ）参照）。このとき、貫通孔３６ｂは長孔となっておりボルト４４に対して遊びがあるために、これが微調整手段となり、微調整を行うことができる。電動機用巻線２４及び発電機用巻線３４の巻き方にはばらつきが生じるおそれがあり、そのばらつきに応じて微調整を行うことが望ましいからである。しかしながら、微調整は別として、基本的に位置決め部材４０の貫通孔４０ｇとネジ孔４０ｆとの間での相対角度が予め決められていることから、位置決め部材４０を介して電動機用ステータ２２と発電機用ステータ３２とが固定されることで、両者の極の角度差が確保される。

尚、微調整は、位置決め部材４０と発電機用ステータ３２とで行うか、または位置決め部材４０と電動機用ステータ２２との間で行うことができる。

さらに、位置決め部材４０は磁気遮蔽材料で構成されるため、磁気遮蔽機能を併せ持つ。磁気遮蔽材料としては、鉄、パーマロイといった空気よりも透磁率が十分に高い高透磁率のものを使用することができる。

これによって、位置決め部材４０が電動機用巻線２４と発電機用巻線３４との間の磁界結合を阻止すると共に、ロータの影響を低減させることができ、発電機部１４から検出される回転速度に関する信号の誤出力成分を低減させることができる。特に、回転軸１６及びこれと一体回転する電動機用ロータ２０による影響を低減し、発電機部１４は、回転軸１６の回転位置に依らずほぼ同一の感度で回転速度を検出することができる。例えば、位置決め部材４０がないと、電動機部１２への入力に対する発電機部１４の出力比の周波数特性が、回転軸１６の回転位置に応じてばらつきが生じるのに対して、位置決め部材４０を設けることにより、回転軸１６の回転位置に応じたばらつきを低減することができる。

この回転速度検出機能付き電動機１０を回転軸１６に対して組み付けるには、組み付け前に予め位置決め部材４０とボルト４２、４４によって、電動機用ステータ２２と発電機用ステータ２４とを連結して一体化させておき、角度差の微調整を行っておくことができる。そして、これらステータ２２、２４に対して別体の電動機用ロータ２０と発電機用ロータ３０とを回転対象及び検出対象である回転軸１６に対して固定する。各ロータ２０、３０は、回転軸１６に対してキーとキー溝との嵌合及びボルト止めにより一体的に連結されるが、このときに、電動機用ロータ２０と発電機用ロータ３０についても、角度差が確保されるように取り付けられる。

また、位置決め部材４０によって一体化された電動機用ステータ２２と発電機用ステータ３２に回転軸１６を挿入し、外枠２６の取付長孔２６ｄ及び位置決め部材４０の取付長孔４０ｈを利用して、一体化された電動機用ステータ２２と発電機用ステータ３２を周辺固定部材に連結することで、回転軸１６への組み付けを完了することができる。角度差の微調整を予め行うことで、回転軸１６への組み付け作業を短縮することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、電動機部１２と発電機部１４との極数が同一の場合に対応することができる。極数はトルク及び感度にも関係するので、電動機部１２及び発電機部１４の極数が同一であることが好ましいことが多い。また、回転軸１６の回転角度が３６０°未満の場合には、その回転角度範囲に合わせた同一の極数とすることが電動機部１２及び発電機部１４双方にとって好ましい。本発明によれば、電動機部１２及び発電機部１４双方にとって好ましい同一の極数とすることができる。但し、本発明は、極数が同一の場合に限らず、任意の極数の組み合わせとすることができ、その組み合わせに合わせた角度差を位置決め部材４０によって確保することができる。

また、本実施形態によれば、位置決め部材４０を介して電動機部１２と発電機部１４とを回転軸１６に沿って軸方向に並んで配設することができ、その間の距離は非常に小さくすることができ、また、発電機部１４全体を覆うようなケーシングは不要であるため、小型に構成することができる。

尚、以上の実施形態では、電動機用ロータ及び発電機用ロータは、永久磁石を使用したものであったがこれに限るものではなく、巻線形ロータとしたものであっても、同様に適用可能である。

１０ 回転速度検出機能付き電動機
１６ 回転軸
２０ 電動機用ロータ
２２ 電動機用ステータ
２４ 電動機用巻線
３０ 発電機用ロータ
３２ 発電機用ステータ
３４ 発電機用巻線
３６ｂ 貫通孔（微調整手段）
４０ 位置決め部材
４０ａ 第１段部（第１位置決め部）
４０ｂ 第２段部（第２位置決め部）
４０ｇ 貫通孔（第１角度決め部）
４０ｆ ネジ孔（第２角度決め部）

Claims (4)

1. 回転軸と一体回転可能となった電動機用ロータと、
   電動機用ロータの周囲の電動機用ステータに設けられた複数極を持つ電動機用巻線と、
   前記回転軸と一体回転可能となった発電機用ロータと、
   発電機用ロータの周囲の発電機用ステータに設けられた複数極を持つ発電機用巻線と、
   を備えて、発電機用巻線に発生する起電力に基づき回転軸の回転速度を検出する機能を備えた電動機において、
   前記電動機用巻線と前記発電機用巻線とが回転軸の軸方向に対して並んで設けられ、
   前記電動機用巻線と前記発電機用巻線との間には、位置決め部材が設けられ、該位置決め部材は磁気遮蔽材料で構成されると共に、該位置決め部材を介して前記電動機用巻線の極と、前記発電機用巻線の極との間が回転軸周りに角度差を保持するようにして前記電動機用巻線と前記発電機用巻線とを回転軸周り及び径方向に関して互いに固定させ、
   前記電動機用巻線と前記発電機用巻線の極数は同じであり、
   前記電動機用巻線と前記発電機用巻線の角度差は、１８０°／極数であることを特徴とする回転速度検出機能付き電動機。
2. 前記位置決め部材は、前記電動機用ステータに対して回転軸周りに位置決めを行う第１角度決め部を備え、前記発電機用ステータに対して回転軸周りに位置決めを行う第２角度決め部を備えることを特徴とする請求項１記載の回転速度検出機能付き電動機。
3. 前記位置決め部材は、前記電動機用ステータに対して径方向に位置決めを行う第１位置決め部を備え、前記発電機用ステータに対して径方向に位置決めを行う第２位置決め部を備えることを特徴とする請求項１または２記載の回転速度検出機能付き電動機。
4. 前記位置決め部材と前記電動機用ステータまたは前記発電機用ステータとの間で回転軸周りの位置決めを微調整可能な微調整手段が設けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転速度検出機能付き電動機。

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