JPWO2020213351A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

本発明に係る回転電機４００は、固定子３と、固定子３の内側に、回転子軸４を中心に回転自在に設けられた回転子６と、直流電力および交流電力をいずれか一方から他方に変換する半導体素子を有する電力変換部７と、回転子軸４の一端に設けられた被検出部８と、回転子軸４の軸方向で被検出部８に対向して設けられ、被検出部８に誘導電流を発生させる磁場を送信する送信部１１１、及び被検出部８に発生した誘導電流による磁場を受信する受信部１１２、１１３を有し、誘導電流の変化に応じて回転子６の回転位置を検出する検出部１１と、を備えている。

Description

本発明は、回転電機に関する。

近年、地球温暖化を背景とした輸送機器への燃費改善要求が高まっている。これにともない、車両電装品で消費される電力の供給や、車バッテリへの充電を行う界磁巻線式回転電機においても、小型軽量化が急務になっている。しかしながら、近年、電装品の数とこれによる消費電力は増加傾向にあり、車両用回転電機には、より発電量が大きく、効率の高い発電性能を求められている。このため、これらの要求に対応すべく、低損失ダイオードを搭載したオルタネータや、モータジェネレータなどの車両用回転電機の開発が行われている。

モータジェネレータなどの装置では、自動車のさらなる燃費改善に向けて、従来のオルタネータが備える発電機能に加えて、エンジンの始動やアシストなどを行うための電動機としての機能を備える。この際、エンジンの始動やアシストするのに十分な出力を得られるようにするため、モータジェネレータの回転子の回転位置、特に回転子と固定子の相対的な位置関係を高い精度で検出することが必要となる。

従来の車両用回転電機として、回転子軸の一端に配置された被検出部と、被検出部の回転位置を検出する検出部と、を備え、被検出部は、永久磁石と被検出部側金属部とが樹脂により一体成形されており、回転子軸の一端に被検出部側金属部を圧入することにより固定されているものが開示されている（例えば特許文献１）。

特開２０１０−０４１８８４号公報

被検出部は、回転子軸と共に高速に回転するため、被検出部に使用されている部材はその回転に耐えうる強度が必要である。特許文献１に示された従来の車両用回転電機では、永久磁石と被検出部側金属部とが樹脂により一体成形されている。永久磁石の強度を確保するためには、永久磁石には充分な厚みが必要である。その結果、被検出部は、永久磁石の質量に影響した回転モーメントの影響を受けてしまい、検出部が検出する回転位置の精度が低下する問題があった。

本発明は、上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、精度高く回転位置を検出できる回転電機及び回転電機の製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係る回転電機は、固定子と、固定子の内側に、回転子軸を中心に回転自在に設けられた回転子と、直流電力および交流電力をいずれか一方から他方に変換する半導体素子を有する電力変換部と、回転子軸の一端に設けられた被検出部と、回転子軸の軸方向で被検出部に対向して設けられ、被検出部に誘導電流を発生させる磁場を送信する送信部、及び被検出部に発生した誘導電流による磁場を受信する受信部を有し、誘導電流の変化に応じて回転子の回転位置を検出する検出部と、を備えている。

本発明に係る回転電機は、被検出部に永久磁石を使用する必要がない。したがって、金属体を永久磁石より薄く形成しても被検出部の強度を確保することが可能である。その結果、被検出部は、永久磁石の質量に影響した回転モーメントの影響を受けにくくすることが出来るので、精度高く回転位置を検出できる回転電機及び回転電機の製造方法が得られる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機の回路図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機の検出部の機能構成図である。 本発明の実施の形態１に係る被検出部を示した上面図および断面図である。 本発明の実施の形態１に係る被検出部及び検出部付近の構成を示した断面図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機の製造方法を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る他の例の被検出部を示した断面図である。 本発明の実施の形態２に係る被検出部を示した上面図および断面図である。 本発明の実施の形態３に係る被検出部を示した上面図および断面図である。 本発明の実施の形態４に係る被検出部を示した上面図および断面図である。 本発明の実施の形態５に係る回転電機の断面図である。 本発明の実施の形態１から５に係る検出部を示した上面図である。 本発明の実施の形態５に係る制御回路基板を示した上面図である。 本発明の実施の形態５に係る被検出部、検出部、電力変換部付近の構成を示した断面図である。

実施の形態１
図１は、本実施の形態に係る回転電機の断面図である。回転電機４００は、例えばモータジェネレータ、車両用の回転電機等である。

回転電機４００は、ハウジングとしてのフロントブラケット１及びリアブラケット２、固定子３、回転子軸４、回転子６、フロントベアリング６３、リアベアリング６４、プーリ１３、電力制御装置３００、スリップリング５、ブラシ１０及びブラシホルダ１０１からなる。なお、以下の説明では、回転子軸４の軸方向から見て、フロントブラケット１が設置されている側を回転電機のフロント側、リアブラケット２が設置されている側を回転電機のリア側と称する。フロントブラケット１およびリアブラケット２は、軽量化と生産性の観点から、例えばアルミダイカスト成形により製作されている。

フロントベアリング６３は、フロントブラケット１に固定されている。リアベアリング６４は、リアブラケット２に固定されている。回転子軸４は、フロントベアリング６３及びリアベアリング６４に回転自在に支持されている。固定子３は、フロントブラケット１及びリアブラケット２に挟持されて固定されている。固定子３は、固定子鉄心３１及び固定子巻線３２からなる。固定子巻線３２は、固定子鉄心３１に巻かれている。

回転子６は、回転子軸４に固定されている。回転子６は、固定子３の内側に設けられている。回転子６は回転子鉄心（異磁鉄心）６１及び界磁巻線６２を有する。回転子軸４のフロント側の端部には、プーリ１３が固着されている。例えばモータジェネレータの場合、回転電機４００は、プーリ１３に掛けられたベルト（図示せず）を介して、エンジンの回転軸（図示せず）に連結される。回転電機４００が動作する際の発熱により、回転子６や固定子３の温度が上昇するため、回転子６の軸方向両端面には冷却ファン１６、１７が設けられている。

回転子軸４のリア側には、一対のスリップリング５が装着されている。回転子軸４のリア側外周には、リアブラケット２に取り付けられたブラシホルダ１０１が設けられている。ブラシホルダ―１０１内には、一対のブラシ１０が設けられている。一対のブラシ１０は、一対のスリップリング５に摺接するように設けられている。

リアブラケット２の外側には、電力制御装置３００が設けられている。電力制御装置３００は、電力変換部７、界磁回路部１２、検出部１１及び制御部９を備える。回転電機４００は、電力制御装置３００を搭載した、いわゆる制御装置一体型回転電機である。電力変換部７は、後述の車載バッテリ１４等の外部の直流電源からの直流電力を交流電力に変換する。或いは固定子巻線３２からの交流電力を直流電力に変換して、後述の車載バッテリ１４を充電する。

界磁回路部１２は、回転子６の界磁巻線６２に界磁電流を供給する。界磁電流は、一対のブラシ１０と一対のスリップリングを介して界磁巻線６２に供給される。

制御部９は、電力変換部７及び界磁回路部１２を制御する。検出部１１は、制御部９と制御部９側の回転子軸４の端部との間に設けられる。被検出部８は、回転子軸４の端部に設けられる。被検出部８は例えば円盤形状等の平板形状を呈している。被検出部８の回転子６側の面の中心は、回転子軸４の回転中心に配置される。検出部１１は、回転子軸４の軸方向で被検出部８に対向している。検出部１１は、被検出部８の回転位置を検出することで、回転子６の回転位置を検出する。

制御回路基板９１には制御部９、検出部１１及び界磁回路部１２が搭載されている。制御箱９０は、制御回路基板９１を収納するための樹脂製のケースである。制御箱９０は、防水構造を有しており、制御箱９０内部への塩泥水の浸入によって制御回路基板９１が浸水することを防ぐ。

図２は、本実施の形態に係る回転電機の回路図である。固定子巻線３２は、例えば位相が３０度ずれた２組の３相交流回路により構成されている。固定子巻線３２は、例えば２組の３相の電力変換部７により、それぞれ独立して制御され得るように構成されている。

電力変換部７は６個のパワー半導体素子で構成されている。パワー半導体素子は、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング可能な半導体素子である。固定子巻線３２の各相の端子は電力変換部７の交流側端子に接続されている。電力変換部７の直流側端子は、車載バッテリ１４と平滑コンデンサ１５に接続されている。界磁回路部１２は車載バッテリに接続されている。

電力変換部７は発電電流の整流機能、及び例えばインバータの電力変換機能を併せ持っている。回転電機４００を電動機として動作させる場合、制御部９は、電力変換部７がインバータとして動作するように、電力変換部７を構成するパワー半導体素子をスイッチング制御する。これにより、車載バッテリ１４から供給される直流電力は、電力変換部７により交流電力に変換されて固定子巻線３２に供給される。その結果、固定子巻線３２は回転磁界を発生させる。その回転磁界と、界磁巻線６２が発生する直流磁束とが協働して、回転子６は回転する。界磁巻線６２に流れる界磁電流は、界磁回路部１２内のパワー半導体素子により必要に応じて調節される。

一方、回転電機４００を発電機として動作させる場合、制御部９は、電力変換部７がコンバータとして動作するように、電力変換部７を構成するパワー半導体素子をスイッチング制御する。これにより、回転している回転子６の界磁巻線６２による直流磁界により、固定子巻線３２に交流電力が発生する。その交流電力は、電力変換部７により直流電力に変換されて車載バッテリ１４に供給される。界磁巻線６２に流れる界磁電流は、界磁回路部１２内のパワー半導体素子により必要に応じて調節される。

図３は、本実施の形態に係る回転電機の検出部の機能構成図である。また、図１２は、本実施の形態に係る検出部１１を示す上面図である。これらの図面を用いて、検出部１１の構成について説明する。検出部１１は、検出部１１が送信する磁場によって被検出部８に誘導される渦電流の変化に応じて回転位置を検出する。検出部１１及び被検出部８を合わせて電磁誘導方式の回転検出センサーと呼称する。

検出部１１は、送信部１１１、受信部１１２、受信部１１３、発振部１１４、検波部１１５及び解析部１１６からなる。送信部１１１は、図１２に示すように、受信部１１２及び受信部１１３を取り囲んだループ形状を呈しているコイルまたはコイル状の配線パターンである。発振部１１４は送信部１１１に一定周期の交流電流を供給する。送信部１１１は、発振部１１４に供給された一定周期の交流電流によって受信部１１２及び受信部１１３に鎖交する磁場を発生する。

受信部１１２及び受信部１１３は、送信部１１１が送信した磁場を受信する。受信部１１２及び受信部１１３は、図１２に示すように、上面から見て規則的に並んだ形状をしている。例えば受信部１１２は上面視で正弦波の形状とその正弦波の位相を１８０度ずらした形状の導線を直列に接続して組み合わせて形成したコイルまたはコイル状の配線パターンである。受信部１１３は上面視で余弦波の形状とその余弦波の位相を１８０度ずらした形状の導線を直列に接続して組み合わせて形成したコイルまたはコイル状の配線パターンである。
なお、送信部１１１、受信部１１２及び受信部１１３は、コイルまたはコイル状の配線パターンが円周状に配置されたものであるが、円周から任意の角度を切り欠いた扇形状に配置されていてもよい。

金属体８１を送信部１１１に近づけると、送信部１１１によって発生した変化する磁場が金属体８１に渦電流を誘導する。送信部１１１によって発生した磁場は、この渦電流によって金属体８１に発生する磁場によって変化する。金属体８１を送信部１１１に近づけたとき、受信部１１２及び受信部１１３は渦電流によって変化した磁場を受信することになる。

検波部１１５は、受信部１１２及び受信部１１３が受信した信号から一定周期の発振成分を除去して、発振振幅変化のみの波形信号に変換する。受信部１１２が受信した磁場は正弦波信号に変換される。受信部１１３が受信した磁場は余弦波信号に変換される。

解析部１１６は、検波部１１５で変換された正弦波信号及び余弦波信号をもとに、回転子６の回転位置を計算する。解析部１１６は、例えばマイクロコンピュータ、マイクロプロセッサー、或いは専用ＡＳＩＣ等の論理回路で実現できる。解析部１１６で計算された回転子６の回転位置の情報は制御部９に送信され、制御部９はその回転位置の情報をもとに電力変換部７及び界磁回路部１２に対する制御により回転速度等の調整等を行う。

図４は、本実施の形態に係る被検出部を示す上面図及び断面図である。図４（ａ）は、被検出部８の上面図である。図４（ｂ）は、被検出部８のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）に示すとおり、被検出部８は、金属体８１及び樹脂８２からなる。被検出部８は円盤形状を呈している。金属体８１が回転子軸を中心とした一部切り欠きを備える円形状に配置される。例えば、金属体８１は、回転子軸４の回転中心を起点とした放射状に配置されるように成型されている。被検出部８の直径は１０ｍｍ〜５０ｍｍである。被検出部８の樹脂８２は、円周状の突起８４を備えている。

図４（ｂ）に示すとおり、被検出部８の回転子６側の面の中心は、回転子軸４の回転中心に配置される。回転子軸４は、樹脂８２と接している。

被検出部８は、被検出部８の同一平面上に配置された金属体８１を樹脂で一体成型して形成されている。具体的には例えば、樹脂８２を成型する金型に、金属体８１を装填した後、その金型に樹脂を注入することで、被検出部８が形成される。

望ましくは、被検出部８と検出部１１の対向する面同士は、平行になるように構成されており対向面同士の隙間が１ｍｍ以上５ｍｍ以下になるように構成するのがよい。望ましくは、金属体８１を例えば、銅、アルミ、ステンレス鋼およびこれらを基材とする合金のような非磁性の金属で構成するのがよい。

図５は本実施の形態に係る被検出部及び検出部付近の構成を示した断面図である。制御部９内部の制御回路基板９１に検出部１１の送信部１１１、受信部１１２及び受信部１１３を備える。検出部１１に対向するように被検出部８を配置する。この構成とすることで、電磁誘導方式の回転位置センサーを構成できる。

また、制御箱９０には、被検出部８に対向する面に突起８４に対応するように凹み９０１が設けられている。突起８４は凹み９０１に挿入されている。図５に示すとおり、突起８４と凹み９０１とを組み合わせることによって、断面視で直線状ではない曲がりくねった隙間（いわゆるラビリンス構造１０２）が形成される。なお、樹脂８２には突起８４が設けられ、制御箱９０には凹み９０１が設けられているとしたが、逆でも構わない。すなわち、樹脂８２には凹みが設けられ、制御箱９０にはその凹みに対応する突起が設けられていても構わない。望ましくは、被検出部８の樹脂８２と制御箱９０との間に形成されるラビリンス構造１０２の隙間は、０．８ｍｍ以下である。

次に、本実施の形態における回転電機４００の製造方法について述べる。図６は本実施の形態における回転電機の製造方法を示すフローチャートである。まず、固定子鉄心３１に導線を巻くことにより、図１に示すような固定子巻線３２を備えた固定子３を形成する（Ｓ１０１）。

次に、回転子鉄心６１の内部に導線を巻く。さらに回転子軸４を回転子鉄心６１に装着する。さらに回転子鉄心６１の軸方向両端面に冷却ファン１６、１７を装着する。以上により図１に示すような回転子６を形成する（Ｓ１０２）。

次に、図１に示すように回転子６を固定子３の内側に挿入する（Ｓ１０３）。次に、図１に示すように固定子３及び回転子６をハウジングであるリアブラケット２及びフロントブラケット１に内蔵する（Ｓ１０４）。このとき回転子軸４を、ベアリングを介してハウジングに回転可能に支持する。

次に、図１に示すように回転子軸４の一端とハウジングの間にスリップリング５、ブラシ１０、ブラシホルダ１０１を装着する（Ｓ１０５）。次に、電力変換部７を回転子軸の一端とハウジングの間に装着する（Ｓ１０６）。

次に、樹脂８２を成型する金型に、金属体８１を装填した後、その金型に樹脂を注入することで、図４に示すような被検出部８を形成する（Ｓ１０７）。

次に、被検出部８を回転子軸４の一端に装着する（Ｓ１０８）。次に、制御回路基板９１を内蔵した制御箱９０を、検出部１１が被検出部８に対向するように装着する（Ｓ１０９）。上記により、図１で示すような回転電機４００が完成する。

次に、本実施の形態の作用効果について述べる。

回転子の界磁巻線を備えたモータジェネレータ、或いはパワー半導体素子などで構成された電力変換部などを備える制御装置一体型回転電機等では、回転位置を検出するために取り付けられる回転位置センサーが、界磁巻線へ通電される界磁電流や、界磁巻線に通電されることで生じる磁束や、電力制御装置が動作するときに生じるスイッチングノイズなど、外乱が多い過酷な環境下で使用される。

また、エンジン始動する際になどのモーター回転の急加速、急減速時には、回転電機の回転部を構成する部品に高い加速度が負荷される。この加速度の負荷は一般に、回転位置センサーの回転位置にも例外なく付加される。このような、過酷な環境下においても、高い精度で回転位置を検出する必要がある。

回転電機４００は、被検出部８に誘導電流を発生させる磁場を送信する送信部１１１、及び被検出部８に発生する誘導電流による磁場を受信する受信部１１２及び受信部１１３を有し、その誘導電流による磁場の変化に応じて回転子６の回転位置を検出している。すなわち、被検出部８に永久磁石を使用する必要がない。したがって、金属体８１を永久磁石よりも薄く（例えば０．１mm〜５ｍｍ程度の厚さ）形成しても被検出部８の強度を確保することが可能である。その結果、被検出部８は、回転時に永久磁石の質量に影響した回転モーメントの影響を受けにくくすることが出来るので、精度高く回転位置を検出できる回転電機及び回転電機の製造方法が得られる。

また、界磁巻線６２が被検出部８に対して検出部１１の反対側に配置されている。その結果、界磁巻線６２で生じ、回転子軸４を通って被検出部８に伝達される漏れ磁束が被検出部８の金属体８１によって遮蔽される。その結果、その漏れ磁束による回転位置検出精度への影響が小さくなる。よって、回転電機４００の保証できる最大トルクなどの性能が低下しない水準まで低減することができる。

なお、必ずしも被検出部８は、金属体８１と樹脂８２とが金型等を用いて一体成型されている必要はない。しかしながら、望ましくは被検出部８は、金属体８１と樹脂８２とが金型等を用いて一体成型された方がよい。その結果、被検出部８を形成するときの精度を高くすることができるので、高精度な回転位置検出が可能となる。これにより、モータジェネレータのような制御装置一体型回転電機に搭載した場合でも、検出部１１の回転位置検出精度を高く保つことができる。さらに、回転電機４００の保証できる最大トルクなどの性能を低下させることを回避できる。

また、被検出部８は、金属体８１と樹脂８２とが金型等を用いて一体成型されることで、部品点数が削減される。その結果、生産性の向上が可能となる。

さらに、エンジン始動時に最大４０Ｎｍを超えるトルクが必要となる制御装置一体型の回転電機４００では、被検出部８の金属体８１に大きな慣性力が作用するため、金属体８１と樹脂８２とを一体成型で固定することで金属体８１が弾性変形および塑性変形しにくくなる。その結果、回転位置検出精度の低下をさらに防止することができる。

また、検出部１１は回転子軸４の一端に設けられた被検出部８に対向して設けられている。その結果、検出部１１は制御回路基板９１上の一か所に集約して設けることができるので、制御回路基板９１上の配線の引き回しが複雑になりにくい。

また、被検出部８と検出部１１の対向する面同士は、平行になるように構成されているが、その対向する面同士の隙間は１ｍｍ以上５ｍｍ以下になるように構成することが望ましい。この隙間を５ｍｍ以下にすることで検出部１１が出力する磁場が被検出部８に到達する前に減衰することを防止することができる。一方、隙間を１ｍｍ以上とすることで、外部から侵入する塵芥の最大の大きさを１ｍｍ以下に制御できる。その結果、塵芥が隙間に侵入することを防止でき、被検出部８が傷つき検出精度が低下するのを防止できる。

また、被検出部８は必ずしも突起８４を備える必要は無い。制御箱９０には、必ずしも突起８４に対応するように凹み９０１が設けられている必要は無い。しかしながら、制御箱９０には、突起８４に対応するように凹み９０１が設けられ、突起８４は凹み９０１に挿入されているのが望ましい。その結果、突起８４と凹み９０１とを組み合わせることによって、改めて塵芥の侵入を防止する構造を追加せず、被検出部８と制御部９の構成部材のみでラビリンス構造１０２を構成できるので、部品点数の削減及び組立の手間が低減できる。

望ましくは、被検出部８の凸部と制御箱９０との間に形成されるラビリンス構造１０２は、隙間が０．８ｍｍ以下であればよい。これにより、ラビリンス構造１０２を通ってその隙間に侵入する塵芥のサイズが０．８ｍｍ以下となる。このとき、被検出部８と検出部１１の隙間が１ｍｍ以上となっているため、その隙間に０．８ｍｍ以下の塵芥が入り込むことがなく、被検出部８及び検出部１１が損傷することを防止することができる。その結果、検出部１１の位置検出精度の低下を防止することができる。

また望ましくは、金属体８１は、銅、アルミ、ステンレス鋼およびこれらを基材とする合金非磁性の金属で構成するのがよい。それにより、金属体８１に界磁巻線から回転子軸４を通って放出される漏れ磁束が金属体に引き寄せられるのを回避できる。また電力変換部７や界磁巻線６２に発生する電流脈動などによるノイズが制御回路基板９１側に放出されるのを防止するシールド効果を得られる。

また望ましくは、この金属体の厚さは望ましくは０．１ｍｍ〜５ｍｍであればよい。金属体８１は、樹脂８２で一体成型するため金属体８１自身の厚さを小さくできる。この結果、回転時の金属体８１に作用する遠心力を小さくでき、信頼性を向上できる。反対に、大きな衝撃力が作用する場合など、被検出部に高い構造強度が必要な場合は、厚さを５ｍｍまで大きくすることができる。

また回転子軸４は、金属体８１に接していてもよい。図７は、本発明の実施の形態１に係る他の例の被検出部を示した断面図である。図７に示すとおり、この金属体８１は回転子軸４に接している。これにより、回転子軸４は電気的に接地される。すなわち、電力変換部７が動作するときに生じるスイッチングノイズ等の影響を受けにくくなる。よって、回転位置検出精度の低下を防ぐことができる。

一方、回転子軸４はハウジング等に接地されることになる。接地電位が不安定な場合、図７のようにこの金属体８１は回転子軸４に接していると、かえって回転位置検出精度の低下を招く場合もある。金属体８１を回転子軸４に接続するか否かは適宜選択すればよい。

なお、界磁回路部１２を構成するパワー半導体素子は、制御回路基板９１と同一基板上に実装されているが、他の場所、例えば電力変換部７の近傍などに実施してもよい。しかしながら、界磁回路部１２を制御回路基板９１に搭載することで、界磁回路部１２を他の位置に構成する場合に対して電力変換部７を小さく構成することができる。

また、回転子６は界磁巻線６２を搭載しない永久磁石を用いたものでもよい。

また、電力変換部７と制御部９は回転電機４００の外部にあってもよい。回転電機４００は、被検出部８及び検出部１１を有し、検出部１１によって検出された回転子６の回転位置を回転電機４００の外部の制御部９に送信し、その回転位置をもとに電力変換部７のパワー半導体素子を制御して、回転電機４００の固定子巻線３２に送信するようにすればよい。

実施の形態２
図８は、本実施の形態に係る被検出部を示した上面図および断面図である。図８（ａ）は、被検出部１８の上面図である。図８（ｂ）は、被検出部１８のＢ−Ｂ断面図である。本実施の形態における回転電機４００は、実施の形態１の被検出部８の代わりに被検出部１８を搭載している。それ以外は、実施の形態１の回転電機４００と同一につき、詳細な説明は省略する。

被検出部１８は、実施の形態１の金属体８１の代わりに金属体１８１を備える。金属体１８１は、互いに接続しない個別の金属片を複数個配置した形状を呈している。

図８に示すとおり、被検出部１８の金属体１８１は、互いに接続しない個別の金属片を複数個配置した構成となっている。すなわち、上面視で回転子軸４と樹脂８２とが重なっているが、回転子軸４と金属体１８１は重なっていない。被検出部１８は、金属体１８１と樹脂８２で一体成型するため、大きな回転加速度が被検出部１８に負荷された場合でも、金属片同士および被検出部１８自身の位置ずれ、変形を回避できる十分な強度を備える。また、個別の金属片はすべて同一の形状に成形される。

次に、本実施の形態における作用効果について述べる。

本実施の形態における回転電機４００も、実施の形態１の回転電機４００と同様の効果を奏する。それに加えて、本実施の形態における回転電機４００は、上面視で回転子軸４と樹脂８２とが重なっているが、上面視で回転子軸４と金属体１８１とは重なっていない。その結果、回転子軸４に電流が流れた場合でも、被検出部１８の金属体１８１に電流が流れにくくなる。これにより、被検出部１８の金属体１８１に電流が流れることにより被検出部１８に発生する電磁ノイズによる回転位置検出精度が低下しにくくなる。さらに、回転子軸４の温度が上昇しても被検出部１８の樹脂８２が回転子軸４と金属体１８１との間を断熱するので、金属体１８１の温度上昇による検出角度精度が低下しにくくなる。

望ましくは、金属体１８１はすべて同一の形状に成形するのがよい。同一の形状にすることで、異なる形状の部材を複数個形成する場合に比べて生産性が高い。また、金属体１８１を三角形及び四辺形等の単純な形状とすることで、金属体１８１の成型が容易となる。その結果、金属体１８１の形成精度はさらに向上し、成形コストが低減できる。

実施の形態３
図９は、本実施の形態に係る被検出部を示した上面図および断面図である。図９（ａ）は、被検出部２８の上面図である。図９（ｂ）は、被検出部２８のＣ−Ｃ断面図である。本実施の形態における回転電機４００は、実施の形態２の被検出部１８の代わりに被検出部２８を搭載している。それ以外は、実施の形態２の回転電機４００と同一につき、詳細な説明は省略する。

図９に示すとおり、被検出部２８は、実施の形態２の樹脂８２の代わりに樹脂２８２を備える。樹脂２８２は、金属体１８１の検出部１１に対向する面を覆っている。

次に、本実施の形態における作用効果について述べる。

例えば、実施の形態１の被検出部８は、金属体８１と樹脂８２のような線膨張係数が異なる部材が一体成型されている。被検出部８の温度が変化した場合、バイメタル効果により線膨張係数の違いに起因した反りが生じる。その結果、その反りにより検出部１１とのクリアランスや、相対位置が変化し、回転位置検出精度が低下する。

被検出部２８は、樹脂２８２は、金属体１８１の検出部１１に対向する面を覆っている。これにより、実施の形態１の金属体８１の片面だけに樹脂を配置した場合と比べて、両面の樹脂が熱応力を相殺する。その結果、被検出部２８の反りを防止することが出来る。また、被検出部２８の製造時に金属体１８１の表面が傷つくことを防止できる。その結果、回転位置検出精度の低下をさらに防止できる。

実施の形態４
図１０は、本実施の形態に係る被検出部を示した上面図および断面図である。図１０（ａ）は、被検出部３８の上面図である。図１０（ｂ）は、被検出部３８のＤ−Ｄ断面図である。本実施の形態における回転電機４００は、実施の形態２の被検出部１８の代わりに被検出部３８を搭載している。それ以外は、実施の形態２の回転電機４００と同一につき、詳細な説明は省略する。

図１０に示すとおり、被検出部３８は、金属体１８１とは別の金属体８３を備えている。金属体８３は金属体１８１よりも検出部１１から離れた位置に設けられている。金属体８３は、金属体１８１に対して回転子６に近い位置に設けられている。金属体８３は樹脂８２から露出された部分を有する。金属体８３は、回転子軸４と直接接するように設置されている。被検出部３８は、金属体８３、金属体１８１及び樹脂８２が一体成型されたものである。

次に、本実施の形態における作用効果について述べる。

被検出部３８は、金属体８３は金属体１８１よりも検出部１１から離れた位置に設けられている。その結果、被検出部３８の温度が変化したときに、バイメタル効果による被検出部３８の反りを抑えるように、金属体８３、樹脂８２及び金属体１８１の線膨張係数や、金属体８３及び金属体１８１の厚さの組み合わせを調整することができる。例えば、金属体１８１をＣｕとし、金属体８３をＡｌとし、その間に樹脂８２を配置することにより、金属体８３、樹脂８２及び金属体１８１の膨張収縮をそれぞれの部材が制約する。その結果、被検出部３８の反りを低減することができる。

また、金属体８３は、金属体１８１に対して回転子６に近い位置に設けられている。その結果、金属体８３は、電力変換部７のパワー半導体素子のスイッチングノイズを遮蔽するので、検出部１１が検出する磁場にそのノイズが重畳するのを防止できる。よって、回転位置検出精度が低下するのを防止できる。

なお、金属体８３全体は樹脂８２に覆われていてもよい。しかしながら金属体８３が樹脂８２から露出された部分を有し、金属体８３が回転子軸４と直接接するように設置することにより、金属体８３が回転子軸４の放熱フィンとして作用する。その結果、回転子軸４の温度が上昇しても金属体の温度上昇を防ぐことができる。

実施の形態５
図１１は、本実施の形態に係る回転電機の断面図である。図１２は、検出部９２を示す上面図である。図１３は、制御回路基板９１を示す上面図である。図１４は、被検出部８、検出部９２、電力変換部７付近の構成を示す断面図である。本実施の形態における回転電機５００は、実施の形態１の検出部１１の代わりに検出部９２を搭載している。また、制御回路基板９１の一部には、回転軸が接触しないように設けられた貫通穴９３が設けられている。さらに、制御回路基板９１の内部にはグランドパターン９４が設けられている。それ以外は、実施の形態１の回転電機４００と同一につき、詳細な説明は省略する。

図１１及び図１４に示すとおり、回転電機５００は、検出部９２及び検出部９２が搭載された制御回路基板９１が回転子軸４の端部より回転子６側に設けられており、回転子軸４の端部は検出部９２及び検出部９２が搭載された制御回路基板９１より軸方向外側に配置されている。そして、この端部である回転子軸４の一端に被検出部８が設けられている。さらに、回転電機５００には、制御回路基板９１より回転子６側に、電力変換部７、リアベアリング６４が設けられている。すなわち、回転子軸４の一端から回転子６側に向かって、被検出部８、制御回路基板９１、電力変換部７、リアベアリング６４の順に配置されている。検出部９２は、図１２及び図１３に示すとおり、送信部１１１、受信部１１２及び受信部１１３を備えており、制御回路基板９１における回転子軸４の端部側の部品搭載面に搭載され、送信部１１１、受信部１１２および受信部１１３は被検出部８と軸方向に対向配置されている。

また、図１３及び図１４に示すとおり、制御回路基板９１は、部品搭載面が回転軸と交差するように配置されており、制御回路基板９１の一部には、回転子軸４に接触しないように設けられた貫通穴９３が形成されており、回転子軸４はこの貫通穴９３に挿通されている。なお、この貫通穴９３は、制御回路基板９１を貫通する穴であり、制御回路基板９１の部品搭載面の内側に設けられた穴であってもよいし、外側の一辺から内側に向かって切り欠かれた切り欠き穴であってもよい。

また、図１４に示すとおり、制御回路基板９１には、電力変換部７において発するノイズを遮断するグランドパターン９４が設けられている。このグランドパターン９４は、送信部１１１、受信部１１２及び受信部１１３が搭載された部品搭載面と電力変換部７の間に配置されている。グランドパターン９４は、金属層、配線パターンまたは金属板である。グランドパターン９４を制御回路基板９１の上面（図１４の上方）から見た形状は、貫通穴９３を囲むドーナツ形状となっているが、電力変換部７のノイズを遮ることができる形状であればよい。

次に、本実施の形態における作用効果について述べる。

電力変換部７及び制御部９を有する回転電機５００において、駆動力の低下を防止するため、回転子６の回転位置を高い精度に保つ必要がある。例えば、レゾルバ方式の回転位置検出装置を用いる回転電機では、回転を検知するレゾルバ用固定子と、レゾルバ用被検出部を備え、固定子と被検出部との間で回転子軸４に直交する方向の磁場の変化を検出することで、回転子軸４の角度位置を検出する。そのため、回転位置検出装置が検知する磁場の方向における部品の位置精度、すなわち、レゾルバ用固定子と被検出部の隙間を精度よく均一に保ち、検知する磁場の強度を均一に保つことで検出精度を確保する必要がある。このような要請から、回転子軸４の端部に配置されたレゾルバ用の被検出部に生じる回転子軸４の回転振れ幅などによる位置ずれを最小限に抑えるため、レゾルバ方式の回転位置検出装置の直近の位置にリアベアリング６４を配置して、被検出部の回転子軸４に直交する方向の振れを抑制する必要がある。
この結果、回転位置検出装置を回転子軸４の端部に配置するために、電力変換部７及び制御部９がリアブラケット２の中に配置されるなどの制約が生じる。例えば、電力変換部７及び制御部９がリアブラケット２の中に配置される構成では、固定子３または回転子６から電力変換部７及び制御部９への熱の移動が多くなり、外部からの冷却風もリアブラケット２に遮られてしまうため、電力変換部７及び制御部９が高温となりやすい。そのため、電力変換部７及び制御部９が許容温度を超えないように、電力を制限する、または放熱用部材を追加して大型化することが必要となる。この結果、回転電機の出力が低下する、または回転電機の価格やサイズが増大する原因となる。

これに対して、本実施の形態に係る回転電機５００は、回転子軸４の一端から回転子６側に向かって、被検出部８、制御回路基板９１、電力変換部７、リアベアリング６４の順に配置されており、送信部１１１、受信部１１２及び受信部１１３が被検出部８と軸方向で対向して、軸方向の磁束の変化を検知する。そのため、被検出部８が回転子軸４に直交する方向に位置ずれしても、被検出部８と送信部１１１、受信部１１２及び受信部１１３の間の距離の変化が極めてわずかとなり、受信部１１２及び受信部１１３が検知する磁束の大きさはほぼ変化しない。言い換えれば、被検出部８と送信部１１１、受信部１１２及び受信部１１３がやり取りする信号の方向が、回転子軸４の軸方向となるため、回転子軸４に直交する方向への位置ずれが生じても、回転電機５００の性能に影響が出るほどの検出精度の低下が生じない。よって、被検出部８が回転子軸４に直交する方向に位置ずれしないように、リアベアリング６４を被検出部８の直近に配置する必要がなく、また、リアブラケット２内に電力変換部７及び制御部９を配置する必要がなく、回転電機５００の出力の低下、価格やサイズの増加を抑えることができる。

また、電力変換部７を備える回転電機において、電力変換部７が動作する際に生じるスイッチングノイズが、受信部１１２及び受信部１１３が検出する信号に重畳されると、位置検出精度が低下する原因となる。
これに対して、本実施の形態に係る回転電機５００は、回転子軸４の一端から回転子６側に向かって、被検出部８、制御回路基板９１、電力変換部７、リアベアリング６４の順に配置されている。すなわち、電力変換部７が配置される位置と、被検出部８と送信部１１１、受信部１１２及び受信部１１３とが信号をやり取りする位置の間に、制御回路基板９１が配置されている。この制御回路基板９１が電力変換部７が発するノイズを抑制するため、ノイズが受信部１１２及び受信部１１３が検出する信号に重畳されることを抑制する。よって、高い位置検出精度を確保することができる。また、制御回路基板９１には、ノイズを遮る効果のあるグランドパターン９４が内蔵されており、このグランドパターン９４が、電力変換部７が発するノイズに対する被検出部８と送信部１１１、受信部１１２及び受信部１１３のシールドとして作用し、ノイズが受信部１１２及び受信部１１３が検出する信号に重畳されることを抑制する。よって、高い位置検出精度を確保することができる。

本発明は、実施の形態１〜５に限られない。本発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせること、及びその一部を適宜変更、省略等することが可能である。

３ 固定子、３１ 固定子鉄心、３２ 固定子巻線
４ 回転子軸、６ 回転子、６１ 回転子鉄心、６２ 界磁巻線
７ 電力変換部
８ 被検出部、８１ 金属体、８２ 樹脂
１８ 被検出部、１８１ 金属体
２８ 被検出部、２８１ 金属体、２８２ 樹脂
３８ 被検出部、３８１ 金属体、８３ 金属体
９ 制御部、９０ 制御箱、９１ 制御回路基板、９２ 検出部、９３ 貫通穴、９４ グランドパターン、９０１ 凹部、１０２ ラビリンス構造
１１ 検出部、１１１ 送信部、１１２ 受信部、１１３ 受信部
１１４ 発振部、１１５ 検波部、１１６ 解析部
１２ 界磁回路部、３００ 電力制御装置、４００ 回転電機

本発明に係る回転電機は、固定子と、固定子の内側に、回転子軸を中心に回転自在に設けられた回転子と、直流電力および交流電力をいずれか一方から他方に変換する半導体素子を有する電力変換部と、回転子軸の一端に設けられた被検出部と、回転子軸の軸方向で被検出部に対向して設けられ、被検出部に誘導電流を発生させる磁場を送信する送信部、及び被検出部に発生した誘導電流による磁場を受信する受信部を有し、誘導電流の変化に応じて回転子の回転位置を検出する検出部と、を備え、前記送信部と前記受信部を搭載する制御回路基板をさらに備え、前記送信部および前記受信部と、前記被検出部とが軸方向に対向配置され、前記回転子軸の一端から前記回転子側に向かって、前記被検出部、前記制御回路基板、前記電力変換部の順に配置されており、前記制御回路基板の一部には、前記回転子軸と非接触に設けられた貫通穴が形成されており、前記回転子軸は前記貫通穴に挿通されており、前記送信部は、前記貫通穴を囲んでいるものである。

Claims (22)

1. 固定子と、
   前記固定子の内側に、回転子軸を中心に回転自在に設けられた回転子と、
   直流電力および交流電力をいずれか一方から他方に変換する半導体素子を有する電力変換部と、
   前記回転子軸の一端に設けられた被検出部と、
   前記回転子軸の軸方向で前記被検出部に対向して設けられ、前記被検出部に誘導電流を発生させる磁場を送信する送信部、及び前記被検出部に発生した誘導電流による磁場を受信する受信部を有し、前記誘導電流の変化に応じて前記回転子の回転位置を検出する検出部と、
   を備えた回転電機。
2. 前記送信部と前記受信部を搭載する制御回路基板をさらに備え、
   前記送信部および前記受信部と、前記被検出部とが軸方向に対向配置され、
   前記回転子軸の一端から前記回転子側に向かって、前記被検出部、前記制御回路基板、前記電力変換部の順に配置されている
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記回転子の前記回転子軸を回転自在に支持するベアリングをさらに備え、
   前記回転子軸の一端から前記回転子側に向かって、前記被検出部、前記制御回路基板、前記電力変換部、前記ベアリングの順に配置されている
   請求項２に記載の回転電機。
4. 前記制御回路基板の一部には、回転軸が接触しないように設けられた貫通穴が形成されており、前記回転子軸は前記貫通穴に挿通されている
   請求項２又は請求項３に記載の回転電機。
5. 前記受信部と前記送信部がコイルまたはコイル状の配線パターンを有し、前記コイルまたは前記コイル状の配線パターンが円周状または円周から任意の角度を切り欠いた扇形状に配置されている
   請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記受信部または前記送信部と前記電力変換部との間に、前記電力変換部において発生するノイズを遮断するグランドパターンを備える
   請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記被検出部は、金属体及び前記金属体を固定する樹脂で構成されている
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の回転電機。
8. 前記金属体は非磁性体の金属で形成されている請求項７に記載の回転電機。
9. 前記回転子軸における前記被検出部が取り付けられた側の端部が、前記検出部よりも軸方向外側に配置されている
   請求項７又は請求項８に記載の回転電機。
10. 前記被検出部の前記金属体と前記樹脂とは一体成型されている
    請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の回転電機。
11. 前記金属体は前記回転子軸の回転中心から放射する形状を呈している請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の回転電機。
12. 前記金属体は前記回転子軸と接している請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の回転電機。
13. 前記被検出部の前記回転子軸に対向する位置は、樹脂で形成されている請求項７又は請求項８に記載の回転電機。
14. 前記金属体は、同一形状の複数の金属体からなる請求項１３に記載の回転電機。
15. 前記金属体は、前記検出部に対向する面が樹脂で覆われている請求項７から請求項１４のいずれか一項に記載の回転電機。
16. 前記被検出部は、前記金属体よりも前記検出部から離れた位置に別の金属体を備え、
    前記金属体、前記樹脂、及び前記別の金属体が一体成型されている請求項７から請求項１５のいずれか一項に記載の回転電機。
17. 前記別の金属体は前記樹脂から露出された部分を有し、前記回転子軸と接している請求項１６に記載の回転電機。
18. 前記回転子は、界磁鉄心及び界磁巻線を有する請求項７から請求項１７のいずれか一項に記載の回転電機。
19. 前記固定子及び前記回転子を内側に有するハウジングと、
    前記電力変換部、前記送信部及び前記受信部を制御する制御部を内蔵している制御箱と、
    を備えた請求項７から請求項１７のいずれか一項に記載の回転電機。
20. 前記金属体は、前記被検出部の前記制御箱に対向する面に設けられ、
    前記樹脂には、前記金属体よりも外周に凸部が設けられ、
    前記制御箱の前記被検出部に対向する面には、前記凸部に対応するように凹部が設けられている
    請求項１９に記載の回転電機。
21. 前記金属体は、前記被検出部の前記制御箱に対向する面に設けられ、
    前記樹脂には、前記金属体よりも外周に凹部が設けられ、
    前記制御箱の前記被検出部に対向する面には、前記凹部に対応するように凸部が設けられている
    請求項１９に記載の回転電機。
22. 固定子の内側に、回転子軸を中心に回転するように回転子を設ける工程と、
    前記回転子軸の一端に被検出部を配置する工程と、
    前記被検出部と軸方向に対向した位置に、前記被検出部に誘導電流を発生させる磁場を送信する送信部、及び前記被検出部に発生する誘導電流による磁場を受信する受信部を有し、前記誘導電流の変化に応じて前記回転子の回転位置を検出する検出部を配置する工程と、
    を備えた回転電機の製造方法。

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