JP5957713B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータの位置を検出するための磁気検出素子を備えたモータに関し、特に、そのモータのロータ位置検出の構造に関する。

近年、車の電動化が進んで来ており、車両に搭載される電動モータの数が年々増加傾向にある。また、それに伴って各モータに求められる制御機能も高度化してきており、車載用ブラシレスモータの用途が急速に拡大している。

ブラシレスモータは、モータの回転を滑らかに制御するためにロータの位置を知る必要が有る。このため、従来、モータの回転軸上に界磁用のメインマグネットと、ロータ位置検出用のセンサマグネットとを保持し、磁気検出手段である磁気検出素子を回路基板上に配置して、ロータ位置を検出する構造が一般的に知られている。

図４、図５および図６は、このようなロータ位置を検出する構造を備えた従来のブラシレスモータの構成例を示す断面図である。

まず、図４に示す従来のブラシレスモータは、ステータ８４とロータ８５とを含む磁気回路部８０と、電子回路やその電子回路を格納する部品を含む電子回路部９０とを持ち、磁気回路部８０と電子回路部９０との間に各々の空間を隔てる隔壁７３を設けている。そして、このブラシレスモータは、ロータ８５の位置検出用のセンサマグネット８６が、隔壁７３を挟んで、電子回路部９０内の回路基板９２上に配置された磁気検出手段である磁気検出素子９５と対向して配置されるようなロータ位置検出の構造となっている。

また、図５に示す従来のブラシレスモータは、隔壁７３にモータの回転軸８５ａを通すための貫通穴７３ｈを設け、この貫通穴７３ｈを貫通した回転軸８５ａの先端にロータ８５の位置検出用のセンサマグネット８６を保持している。そして、このブラシレスモータは、センサマグネット８６が電子回路部９０内の回路基板９２上に配置された磁気検出手段である磁気検出素子９５と対向して配置されるようなロータ位置検出の構造となっている。

また、図６に示す特許文献１に開示されたブラシレスモータは、磁気回路部８０と電子回路部９０とが同一の空間に存在し、隔壁を廃した構成のブラシレスモータとなっている。そして、このブラシレスモータは、ロータ８５の界磁用のメインマグネット８５ｂの一方の端面と、回路基板９２上に配置された磁気検出手段である磁気検出素子９５とが対向して配置されるようなロータ位置検出の構造が記載されている。

ところで、車載用途など高温環境下で使用されるモータでは、回路基板に実装されている磁気検出素子を含む電子部品群を熱の影響から保護することが必須となっている。特に、車のエンジンルーム周辺（周辺温度９０℃以上の環境）で使用されるモータでは、コイルなどのモータ磁気回路部から発熱する熱に対し、該電子部品群がなるべく受熱しないように配置することが重要となる。すなわち、上述した構造の従来のブラシレスモータでは、磁気回路部８０で発熱する熱の影響から、回路基板９２に実装されている磁気検出素子９５を含む電子部品群を保護することが重要である。

そして、回路基板９２上に配置した磁気検出素子９５は、センサマグネット８６から発生する回転子磁界を検出し、その強さに応じた電圧を出力するため、回転子磁極との相対位置精度が重要となる。

上述のような高温環境下において、さらに、磁気回路部８０で発熱した熱から電子部品群を保護するためには、図４に示す従来のブラシレスモータの構造の場合、隔壁の厚み寸法を厚くして電子回路部９０への熱伝導を防ぐ必要が出てきた。ところが一方で、センサマグネット８６から発生する磁束が、磁気検出素子９５へと届かずに鎖交しなくなるというおそれが出てきた。このため、強力な磁力が必要となりコストが増加する要因となっていた。

また、図５に示す従来のブラシレスモータの構造の場合、組立工程上のセンサマグネット８６とロータ８５とを同時に組立てることができない。このため、ロータ８５の界磁用のメインマグネット８５ｂとセンサマグネット８６とを磁化する着磁工程を別々にせざるを得ず、ロータ位置検出精度が悪化するおそれがあった。さらに、隔壁７３に貫通穴７３ｈを設けることにより、電子回路部９０への熱侵入が発生し、回路基板９２に実装されている磁気検出素子９５を含む電子部品群が熱の影響を受け、電子回路部９０の信頼性を低下させるおそれもあった。そして、回路基板９２に貫通穴を設けるため、電子部品実装面積の減少や、回路パターンの自由度悪化により、機器の大型化を招く要因となっていた。

さらに、図６に示す特許文献１のブラシレスモータの構造の場合、断熱効果のある隔壁がないため、磁気回路部８０から直接に電子部品群が熱の影響を受け、電子回路部９０の信頼性を低下させるおそれがあった。特に、ホール素子などの磁気検出素子９５は、熱による特性の変化が大きいため、位置精度の悪化懸念があるだけでなく、磁気検出素子９５自身がダメージを受けて破壊され機能不良による誤動作を招く要因となっていた。

特開２００７−２２１９７６号公報

本発明のモータは、ステータコアにコイルを巻回したステータと、ステータコアに対向して配置されたロータマグネットと位置検出用のセンサマグネットとを回転軸を中心に保持したロータとを有する磁気回路部を備える。さらに、本モータは、磁気検出素子を含む回路部品を実装した回路基板を有する電子回路部と、磁気回路部と電子回路部との間に配置されて各々の空間を隔てる隔壁とを備える。本モータは、回路基板上に配置された磁気検出素子が、隔壁を挟んでセンサマグネットに対向して配置され、隔壁および磁気検出素子を挟んでセンサマグネットに対向して配置する補助センサマグネットを有している。そして、補助センサマグネットが、回転軸と独立し、かつ、同じ軸上に配置した回転自在な補助軸に固定支持されている構成である。

このような構成により、センサマグネットから発生する磁束を、磁気検出素子に十分鎖交させることが可能となる。そのため、強力な磁力を有する高価なマグネットが不要となり、安価なマグネットを使用することができ、コストの増加を抑制することができる。

また、メインマグネットとセンサマグネットを同時着磁することができ、磁極精度を確保することが可能となり、位置精度が良好な機器を提供できる。これらにより、熱による影響を受けにくく、さらに、回路基板に実装されている磁気検出素子を含む電子部品群が熱による影響を受けにくく、電子回路部の信頼性を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態のモータ斜視外観図である。 図２は、本発明の実施の形態のモータ断面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態の磁束鎖交部の断面拡大図である。 図３Ｂは、図３Ａと比較のための従来のモータの磁束鎖交部の断面拡大図である。 図４は、従来のブラシレスモータの一例を示す断面図である。 図５は、従来のブラシレスモータの他の例を示す断面図である。 図６は、従来のブラシレスモータのさらに他の例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

車のエンジンルーム周辺で使用されるモータは、例えば、自動変速機の油圧制御装置等に作動油や潤滑油を供給する電動オイルポンプに用いられる。以下の実施の形態では、モータの一例として車両で使用される電動オイルポンプ用のブラシレスモータを用いて説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ１００の外観を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態におけるモータ１００の側面を示す断面図である。

ブラシレスモータであるモータ１００は、図１、図２に示すようにブラケット２３、ブラケット２３の一方側に配置したモータフレーム１１、ブラケット２３の他方側に配置したボトムプレート２１を含み構成されている。詳細については以下で説明するが、モータフレーム１１内には、コイルを有したステータ１４と永久磁石を有して回転軸を中心に回転するロータ１５とが収納されており、これら磁気部品等によって磁気回路部１０を構成している。図１に示すように、モータフレーム１１の天面からは、オイルシール１２を介して回転軸１５ａが出力軸として突出している。この回転軸１５ａが回転することによりモータとして機能する。また、ブラケット２３内には、以下で説明する電子部品を実装した回路基板２２が収納されており、これら電子部品等によって電子回路部２０を構成している。ブラケット２３は、回路基板２２に対して電源や信号を供給するためのコネクタ部２４を有している。そして、ブラケット２３の底部には、電子部品からの熱を放熱するための放熱フィンを備えたボトムプレート２１が配置されている。

最初に、モータフレーム１１とブラケット２３の間に内包される磁気回路部１０について説明する。モータフレーム１１は、鉄板を加工して、一方側を天面とし、他方側である底面側に開口である開口部を有し、内部に空間を設けた略円筒形状をしている。そして、樹脂性のブラケット２３との組み付け用に、開口部から外周側に広がるフランジ１１ｆを設けている。モータフレーム１１と樹脂製のブラケット２３とは、圧入やネジ締め等の手段によって勘合固定されている。また、磁気回路部１０において、回転軸１５ａが突出するモータフレーム１１の出力軸側には、ベアリング１３ａ、およびオイルシール１２が保持されている。そして、モータフレーム１１の内径部には、ステータ１４が圧入固定されており、ギャップを介してロータ１５が回転自在に内包されている。

ステータ１４は、ステータコア１４ａ、インシュレータ１４ｂ、コイル１４ｃを備えている。ステータコア１４ａは、例えば複数枚の鋼板を積層して形成されており、内周側に突出した複数の突極を有している。そして、それぞれの突極には、コイル１４ｃが、絶縁樹脂等で形成されたインシュレータ１４ｂを介して巻回されている。巻回されているコイル１４ｃは３相巻線であり、後述するロータマグネット１５ｂの極数により、様々な巻線パターンが存在する。

また、ロータ１５は、円筒形状のロータマグネット１５ｂ、略カップ形状のロータフレーム１５ｃ、ロータフレーム１５ｃの内周側を貫通する回転軸１５ａを備えている。ロータマグネット１５ｂは永久磁石から成り、ロータフレーム１５ｃに接着固定され、Ｎ極とＳ極とが交互に配置された磁極を持っており、例えば８極や１０極などの極数に着磁されている。ロータフレーム１５ｃは、鉄板を加工して略カップ形状で形成されており、２個のロータフレーム１５ｃを各々が対向するように、軸方向で逆向きに配置して構成している。そして、ロータフレーム１５ｃは、その内径穴に、回転軸１５ａを圧入して固定している。また、ロータフレーム１５ｃは、ロータマグネット１５ｂのバックヨークを兼ねており、磁路の一部を構成している。回転軸１５ａは、鉄等の金属製であり出力側をベアリング１３ａ、反出力側をベアリング１３ｂで回転自在に支持されている。そして、回転軸１５ａは、モータ１００の回転する出力を相手側機器、例えばオイルポンプに伝える役割を持っている。

回転軸１５ａの出力側先端は、相手機器との接続のためにＤカット（円柱をＤの字状にする加工）や二面幅（円柱を互いに平行な二面に加工）に加工がなされている。

さらに、ブラケット２３の磁気回路部１０側において、回転軸１５ａの反出力側には、センサマグネット１６を位置決めおよび保持するために、略円盤状の金属からなるセンサマグネットホルダ１７が圧入等の手段を用いて固定されている。そのセンサマグネットホルダ１７には、センサマグネット１６が接着固定されている。このセンサマグネット１６は、ロータマグネット１５ｂと同じ磁極パターン配置となるように着磁し磁化されている永久磁石である。そして、詳細については以下で説明するが、磁気検出素子を用いてセンサマグネット１６の磁気を検出することにより、ロータ１５の回転位置を検出している。このようなセンサマグネットホルダ１７も、回転軸１５ａを中心としてロータ１５とともに回転する。また、このとき、センサマグネット１６がブラケット２３の磁気回路部１０側の表面と一定間隔で対向しながら周方向に移動するように回転する。なお、モータ構造により、ロータ１５の位置検出のためにロータマグネットをセンサマグネットとして用いたり、ロータマグネットとセンサマグネットを一体に形成したりしてもよい。

次に、ボトムプレート２１とブラケット２３との間に回路基板２２を内包する電子回路部２０について説明する。

ボトムプレート２１は、アルミダイカストで作成され、回路基板２２上の電子部品２２ａで発生した熱を放熱するために、連続した略三角形の放熱フィンを備えている。

また、ブラケット２３は、電気絶縁性を有する熱可塑性樹脂を材料として形成されている。より詳細には、樹脂製のブラケット２３は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（以下ＰＰＳ樹脂と呼ぶ）からなる電気絶縁性を有する熱可塑性樹脂を材料としている。そして、本実施の形態のブラケット２３は、後述する各種部品を内包し一体化するためにインサート成形によって形成されている。

ＰＰＳ樹脂を用いてブラケット２３を作成する事で、薄肉成形が可能で形状の設計自由度が向上する。さらに、ＰＰＳ樹脂とすることで、各種部品を内包してもヒケが少なく寸法安定性を確保することができ、成形性に優れる。また、短いタクトによる高い生産性を確保することができ、コストに優れる。さらに、耐熱性にも優れる。

ブラケット２３の形状としては、概略、天部側を閉じ、底部側に開口を有し、内部に空間を設けて、軸方向に薄い箱のような構造としている。また、ブラケット２３の天部側は、平坦な板状に広がる平板部２３ａで閉じられているとともに、その磁気回路部１０側には、平板部２３ａから磁気回路部１０側へと突出してモータフレーム１１を受けるためのモータフレーム受け部２３ｂやベアリング１３ｂを受けるためのベアリング受け部２３ｃが形成されている。また、ブラケット２３の底部側において、ボトムプレート２１とＰＰＳ樹脂製のブラケット２３は、ネジ締め等の手段を持って固定されている。そして、ボトムプレート２１で蓋をするように閉じられたブラケット２３内の空間に、回路基板２２が収納されている。

回路基板２２は、基板２２ｂ上にＩＣまたはマイコンや抵抗、コンデンサなどのチップ部品といった一般的な電子部品を実装した構成となっている。そして、これら電子部品によって、ステータ１４のコイル１４ｃを通電駆動するための駆動回路が構成されている。また、図２に示すように、回路基板２２上には、ブラケット２３を挟んでセンサマグネット１６と対面するように、磁気検出手段としてホール素子２５が実装されている。ホール素子２５は、このように回路基板２２上に配置され、ロータマグネット１５ｂの各磁極に対応づけて磁化されたセンサマグネット１６の磁極を検出する。

次に、回路基板２２を収納するとともに、磁気回路部１０と電子回路部２０とを構造的に分離するブラケット２３の詳細について説明する。

このように形成されるＰＰＳ樹脂製のブラケット２３において、その磁気回路部１０側には、モータフレーム１１を勘合固定するために、位置出し用のはめ込み形状であるインローが設けられており、磁気回路部１０との同軸を確保している。

また、ブラケット２３は、ベアリング１３ｂを挿入するために、金属カップ１８を、その磁気回路部１０側のベアリング受け部２３ｃにインサート成形で一体化している。ブラケット２３は、このように形成された金属カップ１８により、ベアリング１３ｂを保持固定している。ここで、ベアリング１３ｂと金属カップ１８とは鉄系の同種金属からなるため、熱膨張率の差異による寸法の相対変化が無いため、クリープ現象を防止することができる。ベアリング１３ｂと金属カップ１８との間には、ロータ１５を予圧する波形ワッシャ１９が挿入されている。

また、ＰＰＳ樹脂製のブラケット２３の電子回路部２０側は、回路基板２２を機械的に保持固定する回路ホルダを兼ねており、回路基板２２が溶着またはネジ締めなどの手段で固定されている。また、電気的な接続部品として、コイル１４ｃからの３相引き出し線を結線し回路基板２２と接続する３相分のバスバーや、給電端子、信号端子が電気的な絶縁を保ってＰＰＳ樹脂製のブラケット２３に配置されている。本実施の形態のブラケット２３は、これらバスバーや給電端子なども内包してインサート成形されている。

また、モータフレーム１１や、ボトムプレート２１と機械的に接続固定するためのナットもＰＰＳ樹脂製のブラケット２３に内包してインサート成形されている。これら金属製の端子類や結合部材をＰＰＳ樹脂製のブラケット２３に内包してインサート成形することで、部品点数や組立工数を削減することができる。また、外部への電気的な接続が容易に行えるように、給電端子と信号端子がコネクタ部２４にＰＰＳ樹脂製のブラケット２３と一体成形され、ダイレクトコネクタとなっている。ダイレクトコネクタとする事で、外部への接続用リード線の曲げによる断線や、モータ内部へのシール性低下を防止することができ、信頼性の高い接続部とする事が可能である。

本実施の形態では、上述のようにブラケット２３を電気的な絶縁特性の樹脂で形成しており、これによって、磁気回路部１０と電子回路部２０との間の短絡を防止している。また、磁気回路部１０はコイル１４ｃを備えているため、これらコイル１４ｃからの発熱量が多い。本実施の形態では、このような磁気回路部１０の熱から電子回路部２０の回路部品を保護するため、磁気回路部１０と電子回路部２０との空間を隔離するように、それぞれの間にブラケット２３を配置している。すなわち、本実施の形態では、磁気回路部１０と電子回路部２０との間に、隔壁となるブラケット２３を配置することによって、ステータ１４のコイル１４ｃから回路基板２２の電子部品への熱の伝わりを抑制している。

また、特に、本実施の形態では、ブラケット２３の磁気回路部１０側に配置した金属カップ１８に挿入のベアリング１３ｂ部で、回転軸１５ａの反出力軸側を受けるような構成としている。すなわち、回転軸１５ａがブラケット２３を貫通するような構成とはせず、貫通用の孔などをブラケット２３に形成していない。本実施の形態では、このような構成とすることで、貫通用の孔などを介しての熱の伝導も抑制している。

さらに、ブラケット２３の厚みを厚くすることによっても、熱伝導を抑制できる。ところが、その一方で、背景技術でも説明したように、回路基板上に磁気検出素子を搭載してロータ位置や速度を検出するような構成の場合には、厚みの増加によって磁気検出精度が悪化するおそれがある。すなわち、本実施の形態のようにホール素子２５がブラケット２３を挟んでセンサマグネット１６と対面するような構成の場合、両者の間隔が広くなるにしたがって、ホール素子２５が受ける磁力が弱まり、位置検出精度の悪化を招くことになる。

このため、本実施の形態では、ブラケット２３の電子回路部２０側において、図２に示すように、補助センサマグネット３１をさらに配置している。補助センサマグネット３１は、センサマグネット１６と同極、同位置に着磁された永久磁石である。この補助センサマグネット３１は、ブラケット２３と回路基板２２上に実装されているホール素子２５とを挟んで、センサマグネット１６と対向して配置されている。また、補助センサマグネット３１は、略円盤状の鉄板からなる補助センサマグネットホルダ３２に接着固定されている。そして、補助センサマグネットホルダ３２は、ボトムプレート２１に固定された補助ベアリング３４に回転自在に支持された補助軸３３に圧入固定されている。この補助軸３３は、回転軸１５ａと同じ中心軸となるように同じ軸上にボトムプレート２１からブラケット２３の方に突出している。

図３Ａは、本発明の実施の形態の磁束鎖交部の断面拡大図であり、ホール素子２５がセンサマグネット１６と補助センサマグネット３１とによって挟まれた断面の状態を示している。また、図３Ｂは、図３Ａと比較のための従来のモータの磁束鎖交部の断面拡大図であり、補助センサマグネット３１を配置しない場合の断面の状態を示している。

図３Ｂから分かるように、センサマグネット１６のみの場合、ホール素子２５がセンサマグネット１６から遠ざかるにしたがって、センサマグネット１６から発生する磁束３０がホール素子２５に十分に鎖交しなくなる。

これに対し、図３Ａに示すように、補助センサマグネット３１をセンサマグネット１６と対面するように配置することにより、両マグネット間を結ぶような磁束３０が発生する。このため、図３Ａに示すような構成とすることにより、ホール素子２５がセンサマグネット１６から遠ざかったとしても、センサマグネット１６から発生する磁束３０はホール素子２５に十分鎖交することになり、位置検出精度も維持できる。なお、センサマグネット１６と補助センサマグネット３１とは互いに同極、同位置に着磁されており、どちらも回転自在に支持されている。このため、両者の異極どうしが吸引しあい、例えば、センサマグネット１６のＳ極と補助センサマグネット３１のＮ極とが対面するように配置される。この状態は、回転時も同様であり、よって、ロータ１５の回転に合わせて補助センサマグネットホルダ３２も回転する。すなわち、補助センサマグネットホルダ３２は、ロータ１５に同期して回転する。

特に、車のエンジンルーム周辺（周辺温度９０℃以上の環境）で使用されるモータでは、磁気回路部１０で発生した熱が電子回路部２０へ熱伝導することを防ぐため、隔壁となるブラケット２３の厚み寸法を厚くする必要がある。このような要望に対し、本実施の形態では、上述のような補助センサマグネット３１を備えた構成としている。このため、センサマグネット１６から発生する磁束を、磁気検出手段としてのホール素子２５に十分鎖交させることが可能となる。また、ロータマグネット１５ｂとセンサマグネット１６を同時着磁することができるため、良好な磁極精度およびそれによるモータの回転位置精度を確保することができる。

よって、上記の実施の形態を用いることにより、位置精度が良好且つ電子部品の信頼性を確保してコスト増加を抑制したモータを実現できる。

以上のように、本発明にかかるモータは、ロータの位置検出精度を向上することが可能となるので、車載用モータのみならず、産業用モータや家電用モータ等の用途にも適用できる。特に、高温環境下で高い信頼性が要求されるモータ分野に有用である。

１０，８０ 磁気回路部
１１ モータフレーム
１２ オイルシール
１３ａ，１３ｂ ベアリング
１４，８４ ステータ
１４ａ ステータコア
１４ｂ インシュレータ
１４ｃ コイル
１５，８５ ロータ
１５ａ，８５ａ 回転軸
１５ｂ，８５ｂ ロータマグネット（メインマグネット）
１５ｃ ロータフレーム
１６，８６ センサマグネット
１７ センサマグネットホルダ
１８ 金属カップ
１９ 波形ワッシャ
２０，９０ 電子回路部
２１ ボトムプレート
２２，９２ 回路基板
２３ ブラケット
２４ コネクタ部
２５，９５ ホール素子（磁気検出素子）
３０ 磁束
３１ 補助センサマグネット
３２ 補助センサマグネットホルダ
３３ 補助軸
３４ 補助ベアリング
７３ 隔壁

Claims (2)

1. ステータコアにコイルを巻回したステータと、前記ステータコアに対向して配置されたロータマグネットと位置検出用のセンサマグネットとを回転軸を中心に保持したロータとを有する磁気回路部と、
   磁気検出素子を含む回路部品を実装した回路基板を有する電子回路部と、
   前記磁気回路部と前記電子回路部との間に配置されて各々の空間を隔てる隔壁とを備えたモータであって、
   前記回路基板上に配置された前記磁気検出素子が、前記隔壁を挟んで前記センサマグネットに対向して配置され、
   前記隔壁および前記磁気検出素子を挟んで前記センサマグネットに対向して配置する補助センサマグネットを有し、
   前記補助センサマグネットが、前記回転軸と独立し、かつ、同じ軸上に配置した回転自在な補助軸に固定支持されていることを特徴とするモータ。
2. 前記センサマグネットと前記ロータマグネットとを一体化したことを特徴とする請求項１に記載のモータ。

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