JP2017070072A - アウターロータ型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で磁極センサの誤検知を低減することができるアウターロータ型回転電機を提供する。
【解決手段】エンジンの駆動軸５に連結されると共に、有底筒状のヨーク１１の内周部に複数の永久磁石１３を配設してなるアウターロータ１０と、コア部材のティース２１に巻線２２を巻回してなる複数のコイル２３を有するステータコア２０と、ホール素子３２によって永久磁石１３間の磁束Ｗａを検知してアウターロータ１０の回転状態を検知する磁極センサ３０とを備え、磁極センサ３０が、ホール素子３２がステータコア２０の隣り合うティース２１間の隙間に配設されるアウターロータ型回転電機１において、磁極センサ３０は、ホール素子３２と、該ホール素子３２を支持する基板３８とを収容するケース３３含む。ケース３３の内部に、コイル２３の間に生じる磁束Ｗｂを遮蔽する磁性体４０を設ける。
【選択図】図１３

Description

本発明は、アウターロータ型回転電機に係り、特に、ホール素子によってアウターロータの回転状態を検知する磁極センサを備えたアウターロータ型回転電機に関する。

従来から、放射状をなす複数のティースにコイルを巻装してなるステータコアと、複数の永久磁石が内周面に取り付けられた有底筒状のアウターロータとからなるアウターロータ型回転電機が知られている。このようなアウターロータ型回転電機において、アウターロータの回転状態を検知するための磁極センサをどこに配設するかは、回転電機の小型化やセンサ性能に影響を与える要素として検討が重ねられてきた。

特許文献１には、車両用エンジンのクランクケースから突出するクランク軸にアウターロータを固定したアウターロータ型回転電機において、ステータコアとクランクケースの間の空間に磁極センサユニットを配置することで、磁極センサユニットからクランク軸方向に延びる長尺の延出部がステータコアの外周部に形成されるティース間の隙間に挿入されるように構成し、この延出部に内蔵されたホール素子によってアウターロータの回転状態を検知するようにした構成が開示されている。

特開２００９−２４００７１号公報

特許文献１に開示された磁極センサは、方形板状のホール素子の平面部がステータコアの外周接線に沿うように配置されることで、隣り合う永久磁石のＮ極からＳ極へ向かう磁束を検知するように構成されている。しかし、磁極センサの製造工程において、ホール素子の平面部が所定位置に対して傾いた状態で延出部に封入されてしまうと、隣り合うコイルのＮ極からＳ極へ向かう磁束を誤って検知して、センサ出力に影響を与える可能性があった。このため、ホール素子の位置決め工程に高い精度が求められるという課題が生じていた。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、簡単な構成で磁極センサの誤検知を低減することができるアウターロータ型回転電機を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、エンジンの駆動軸（５）に連結されると共に、有底筒状のヨーク（１１）の内周部に複数の永久磁石（１３）を配設してなるアウターロータ（１０）と、コア部材のティース（２１）に巻線（２２）を巻回してなる複数のコイル（２３）を有するステータコア（２０）と、ホール素子（３２）によって前記永久磁石（１３）間の磁束（Ｗａ）を検知して前記アウターロータ（１０）の回転状態を検知する磁極センサ（３０）とを備え、前記磁極センサ（３０）が、前記ホール素子（３２）が前記ステータコア（２０）の隣り合うティース（２１）間の隙間に配設されるアウターロータ型回転電機（１）において、前記磁極センサ（３０）は、センサ素子（３２）と、該センサ素子（３２）を支持する基板（３８）とを収容するケース（３３）含み、前記ケース（３３）の内部に、前記コイル（２３）の間に生じる磁束（Ｗｂ）を遮蔽する磁性体（４０）が設けられている点に第１の特徴がある。

また、前記センサ素子（３２）が方形の板状部材であり、前記センサ素子（３２）の平面部（３２ａ）を前記ステータコア（２０）の径方向外側に向けると共に、前記ステータコア（２０）の外周に沿った位置に配設されており、前記磁性体（４０）は、前記基板（３８）に対して径方向内側に位置する底壁（４２）と、前記底壁（４２）の周方向両端部から径方向外側に延びる側壁（４１）とからなり、前記センサ素子（３２）が、前記底壁（４２）と側壁（４１）とで囲まれた領域に配設されている点に第２の特徴がある。

また、前記センサ素子（３２）、基板（３８）および磁性体（４０）は、前記ケース（３３）から前記アウターロータ（１０）の回転軸方向に延出する延出部（３１）に収納されている点に第３の特徴がある。

また、前記側壁（４１）は、前記センサ素子（３２）の平面部（３２ａ）よりも径方向外側まで延びている点に第４の特徴がある。

さらに、前記延出部（３１）の内部に、前記磁性体（４０）の位置決め部材（５１）が設けられる点に第５の特徴がある。

第１の特徴によれば、前記磁極センサ（３０）は、センサ素子（３２）と、該センサ素子（３２）を支持する基板（３８）とを収容するケース（３３）含み、前記ケース（３３）の内部に、前記コイル（２３）の間に生じる磁束（Ｗｂ）を遮蔽する磁性体（４０）が設けられているので、コイル間に生じる磁束がセンサ素子に影響を与えることを防ぎ、磁極センサによる誤検知を防ぐことができる。

詳しくは、ホール素子等の板状のセンサ素子は、センサ素子の平面部方向から貫通する磁束を検知すると共に、平面部と平行に入力される磁束は検知しないという特性を有する。この特性を生かして、アウターロータの永久磁石間に生じる磁束（磁極）を検知することでアウターロータの回転状態を検知し、パルスの切り替わり時に発生するコイル間の磁束は平面部に対して略平行に入力されるため検知されないように構成されているところ、センサ素子が所定位置に対して傾いて固定されていると、本来は検知しないはずの磁束を検知してセンサ出力に影響を与える可能性がある。これに対応して、磁極センサのケースに磁性体を設けることで、コイル間の磁束がセンサ素子に当たらないようにしたので、センサ素子が若干傾いていても誤検知が生じることを防ぐことができ、センサ素子の位置決め精度を高めることによるコスト増を回避することも可能となる。

第２の特徴によれば、前記センサ素子（３２）が方形の板状部材であり、前記センサ素子（３２）の平面部（３２ａ）を前記ステータコア（２０）の径方向外側に向けると共に、前記ステータコア（２０）の外周に沿った位置に配設されており、前記磁性体（４０）は、前記基板（３８）に対して径方向内側に位置する底壁（４２）と、前記底壁（４２）の周方向両端部から径方向外側に延びる側壁（４１）とからなり、前記センサ素子（３２）が、前記底壁（４２）と側壁（４１）とで囲まれた領域に配設されているので、略Ｕ字断面の磁性体でセンサ素子を囲むことで、コイル間の磁束が生じた場合でも側壁→底壁→側壁と伝達されることとなり、センサ素子によって検知されることを防ぐことができる。また、磁性体は、永久磁石側が開放される略Ｕ字型とされるので、永久磁石間の磁束検知に影響を与えることもなく、良好なセンサ出力を得ることができる。

第３の特徴によれば、前記センサ素子（３２）、基板（３８）および磁性体（４０）は、前記ケース（３３）から前記アウターロータ（１０）の回転軸方向に延出する延出部（３１）に収納されているので、ステータコアのティース間にセンサ素子を配置するための延出部を有する磁極センサにおいて、磁極センサの検知精度を高めることが可能となる。

第４の特徴によれば、前記側壁（４１）は、前記センサ素子（３２）の平面部（３２ａ）よりも径方向外側まで延びているので、側壁によってコイル間の磁束が遮蔽されやすくなり、コイル間の磁束がセンサ素子によって検知されることを効果的に防ぐことが可能となる。

第５の特徴によれば、前記延出部（３１）の内部に、前記磁性体（４０）の位置決め部材（５１）が設けられるので、ステータコアのティース間に挿入される延出部は、断面積も小さくセンサ素子の位置決め作業がしにくいが、磁性体の位置決め部材を適用することで基板およびセンサ素子も所定の位置に収めやすくなり、組立作業を容易にすることが可能となる。

本実施形態に係るアウターロータ型回転電機の平面図である。 図１の２−２線断面図である。 磁極センサユニットを取り付けたステータコアの斜視図である。 磁極センサユニットの斜視図である。 磁極センサユニットの下面図である。 磁極センサユニットを取り付けたステータコアの正面図である。 各ホール素子と永久磁石との関係を示す模式図である。 各ホール素子とステータコアとの関係を示す一部断面図である。 ホール素子の斜視図である。 モータ駆動時の磁束の態様を示す模式図である。 パルス切り替わり時の磁束の態様を示す模式図である。 図８の１０−１０線断面図である。 本実施形態に係る延出部を適用した際の磁束の態様を示す模式図である。 延出部の構造の変形例を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るアウターロータ型回転電機１の平面図である。また、図２は図１の２−２線断面図である。アウターロータ型回転電機（以下、単に回転電機と呼称することもある）１は、自動二輪車のエンジンのクランクケース４から突出する駆動軸（クランク軸）５に連動連結されるように構成されており、エンジン始動時はスタータモータとして機能し、エンジン始動後は発電機として機能する、いわゆるＡＣＧスタータモータである。

回転電機１は、駆動軸５に連動連結されて回転するアウターロータ１０と、該アウターロータ１０の内側に収容されてクランクケース４に固定されるステータコア２０とを備えたブラシレス型の回転電機として構成されている。

アウターロータ１０は、強磁性部材からなる金属製プレート体を適宜成形加工することにより有底円筒状に形成されたヨーク１１と、ヨーク１１の内周面に周回り方向に複数固定されるＮ極、Ｓ極それぞれ複数対の永久磁石１３とを備える。ヨーク１１の中心部には、ヨーク１１と駆動軸５と連結するためのボス部１２が固定されている。

ステータコア２０は、複数枚の板状のコア材を積層して構成されている。各コア材には、貫通孔が設けられた中央の円環部分の外周縁部から、互いに所定の隙間を有して放射方向に突出する複数のティース２１が形成され、各ティース２１に銅素材による巻線（コイル巻線）２２が巻き付けられることでコイル２３が形成される。

回転電機１は、モータドライバ機能を備えた制御部からの制御信号に基づいて、各コイル２３に対して電源を供給することでエンジンを始動するスタータとして機能し、エンジンの始動後は、駆動軸５と共に永久磁石１３が配設されたアウターロータ１０がステータコア２０の外周を回転することにより、コイル２３に起電力を誘導する発電機として機能する。

本実施形態では、アウターロータ１０の回転状態を検知する磁極センサユニット（磁極センサ）３０が、ステータコア２０とクランクケース４との間に配設されている。磁極センサユニット３０には、方形板状のセンサ素子としてのホール素子３２が封入された長尺の延出部３１が設けられており、磁極センサユニット３０を所定位置に固定することで、隣り合うティース２１の間の隙間に各延出部３１が挿入されるように構成されている。これにより、アウターロータ１０の回転に伴う磁束の変化をホール素子３２によって検知することが可能となる。磁極センサユニット３０に接続されるセンサハーネス３は、回転電機１の入出力ハーネス２に沿って車体側の制御部に向かって配索される。

図３は、磁極センサユニット３０を取り付けたステータコア２０の斜視図である。また、図４は磁極センサユニット３０の斜視図、図５は磁極センサユニット３０の下面図、図６は磁極センサユニット３０を取り付けたステータコア２０の正面図である。図中矢印で示す方向は、ステータコア２０に磁極センサユニット３０が取り付けられている面側を「上」、ステータコア２０の径方向外側を「外」、径方向内側を「内」としている。

磁極センサユニット３０のケース３３には、電子基板等を収納したうえで樹脂モールド材が注入される略扇型の収納凹部３４が形成されている。収納凹部３４の径方向外側には、ケース３３をクランクケース４に固定するための貫通孔３７が形成された取り付けボス３５が形成され、収納凹部３４の径方向内側には、ケース３３をステータコア２０に固定するための貫通孔３６が形成されている。

ケース３３は合成樹脂の一体成形部品であり、周方向に隣接する５つのコイル部分に対向するように円弧形状に形成されている。回転軸方向に延びる４つの延出部３１は、周回り方向に隣接するコイル２３同士の外径縁部に形成される隙間にそれぞれ嵌入可能な形状に形成されている。延出部３１は、ホール素子３２およびこれを支持する基板等を封入する収納空間が設けられた有底筒状部材であり、収納凹部３４の底部には、この収納空間の上部開口３９が形成されている。

磁極センサユニット３０は、アウターロータ１０の内周面の永久磁石１３を被検知体とし、アウターロータ１０の回転に伴う永久磁石１３の磁束変化を、ホール素子３２を用いて検知する。このため、三相交流式である回転電機１の回転状態を検知するためには、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に対応する３つのホール素子３２が必要である。

これに対し、磁極センサユニット３０には４本の延出部３１が設けられているが、これは、隣り合う３つの延出部３１にＵ、Ｖ、Ｗの各相に対応する３つのホール素子３２をそれぞれ内蔵すると共に、端に位置する１つの延出部３１（ａ）には、点火タイミングを判断するためのホール素子３２を内蔵するためである。

図７は、各ホール素子３２と永久磁石１３との関係を示す模式図である。また、図８は、各ホール素子３２とステータコア２０との関係を示す一部断面図である。前記したように、磁極センサユニット３０の４本の延出部３１には、それぞれホール素子３２が内蔵されている。この４つのホール素子３２のうち、アウターロータ１０の回転状態を検知するのは、隣り合う３つのホール素子（第１ホール素子３２ａ、２ホール素子３２ｂ、第３ホール素子３２ｃ）であり、端に位置するホール素子（第４ホール素子３２ｄ）は点火タイミングを検知するものである。

４本の延出部３１は同一形状とされるが、点火タイミング用の第４ホール素子３２ｄのみ上下方向の配設位置が異なっている。これは、アウターロータ１０に周回り方向に配設される複数の永久磁石１３のうち、１カ所にのみ設けられた２段着磁部１４を検知するためである。２段着磁部１４は、Ｓ極の永久磁石１３において、アウターロータ１０の開口側（図示上方側）にＮ極を形成したもので、高さ方向の位置が異なる第４ホール素子３２ｄによって、周方向の１カ所にＮ極が３個連続して現れることを検知する。

制御部は、エンジン始動信号の入力に伴い、第１〜第３ホール素子３２ａ,３２ｂ，３２ｃからのモータ駆動用信号に基づいてアウターロータ１０を回転駆動させるためにステータコア２０のコイル２３に制御信号を出力し、また、アウターロータ１０の回転状態および第４ホール素子３２ｄからの点火タイミング用信号に基づいて点火制御を行う。

図９は、ホール素子３２の斜視図である。また、図１０は、モータ駆動時の磁束の態様を示す模式図であり、図１１はパルス切り替わり時の磁束の態様を示す模式図である。

ホール素子３２は、方形板状の電子部品であり、その平面部３２ａの方向から入力される磁束を検知する一方、平面部３２ａに対して略平行に通る磁束は検知できないという性質を有する。本実施形態に係る磁極センサユニット３０は、この性質を利用してアウターロータ１０の回転状態を検知するため、ホール素子３２の平面部３２ａが径方向外側に向くように固定されている。より詳しくは、ホール素子３２の平面部３２ａと平行な面Ｓが、回転軸中心から径方向外側に延びる直線Ｃと垂直をなすように固定されている。

この構成により、モータ駆動時や発電時には、永久磁石１３のＳ極からＮ極へ向かう磁束Ｗａを検知することでアウターロータ１０の回転状態を検知することができる。一方、図１１に示すように、コイル２３への通電パターンの切り替わり時、すなわち、パルスの切り替わり時（パルスの切り替わり間際）においては、永久磁石１３が発生する磁界とコイル２３が発生する磁界とが相互に影響し合うため、永久磁石１３のＮ極からＳ極のコイル２３を介して永久磁石１３のＳ極へ向かう磁束が弱くなる。これによって、隣り合うティース２１の間に略周方向に沿った磁束Ｗｂが生じることとなるが、通常であれば、この磁束Ｗｂはホール素子３２の平面部３２ａに対して略平行に入力されるため、センサ出力に影響を与えることはない。

しかし、方形筒状とされる延出部３１の内部空間にホール素子３２を封入する際に、精度誤差によってホール素子３２の平面部３２ａが若干傾いてしまうことがある（図示破線で示すホール素子３２）。

このホール素子３２が傾いた状態では、モータ駆動時や発電時のセンサ出力に影響はないものの、パルス切り替わり時に生じる磁束Ｗｂがホール素子３２の平面部３２ａに対して平行でない角度、すなわち、磁束Ｗｂを検知できる角度から入力されることとなり、これがセンサ出力に影響を与える可能性がある。特に、図１１に示すように、平面部３２ａの裏面側（図示内側方向）から入力される磁束Ｗｂが検知されると、本来の検知方向とは逆方向の磁束を検知することとなりセンサ出力に与える影響が大きくなる。

この課題は、ホール素子３２が本来の角度で固定されていれば生じないので、ホール素子３２の取り付けに関する寸法精度を上げる等で対処できるが、このような対処では生産コストの上昇が問題となる。

そこで、本願発明に係る磁極センサユニット３０では、ホール素子３２と一緒に所定の形状の磁性体を延出部３１に封入することで、ホール素子３２が若干傾いていても磁束Ｗｂの影響を受けることがないように構成している。

図１２は、図８の１０−１０線断面図であり、図１３は本実施形態に係る延出部３１を適用した際の磁束の態様を示す模式図である。図１２に示すように、延出部３１の内部には、ホール素子３２と、ホール素子３２を支持する基板３８とが配設されており、その周囲に樹脂モールド材５０が充填されることで所定位置に保持されている。

本願発明に係る磁極センサユニット３０は、さらに、基板３８およびホール素子３２を囲むように形成された略Ｕ字断面の磁性体４０を備えている点に特徴がある。金属等からなる磁性体４０は、基板３８の径方向内側の面と平行な底壁４２と、底壁４２の左右端部（周方向両端部）から立設してホール素子３２の左右に位置する側壁４１とから構成されており、側壁４１は、ホール素子３２の平面部３２ａより寸法差ｈだけ径方向外側に延出した形状とされている。また、磁性体４０は、ホール素子３２および基板３８を囲むように形成されるため、底壁４２の幅寸法（周方向寸法）ｔは、ホール素子３２および基板３８の幅寸法よりも大きい。

図１３に示すように、この磁性体４０を備えることで、ホール素子３２が傾いた状態で磁束Ｗｂが生じた場合であっても、磁束Ｗｂが磁性体４０の側壁４１→底壁４２→側壁４１と伝わって隣接するコイル２３に導かれるため、ホール素子３２が磁束Ｗｂを検知してしまうことを防止できる。すなわち、磁性体４０は、磁束Ｗｂがホール素子３２に対する磁束Ｗｂの入力を遮蔽する遮蔽板であり、また、ホール素子３２に影響がないように磁束Ｗｂの通り道を変更する誘導板でもある。なお、磁性体４０は、径方向外側が開放された略Ｕ字断面の形状とされるため、モータ駆動時や発電時における磁束Ｗａの検知に影響を与えることはない。

本実施形態に係る磁極センサユニット３０では、磁性体４０を備えることにより、ホール素子３２の位置決め精度を高めることなく磁束Ｗｂの影響を排除することが可能となる。これにより、位置決め精度を高めることによる生産工数の増加を回避し、簡単な部品の追加で磁極センサユニット３０の検知精度を高めることができる。

図１４は、本実施形態に係る延出部３１の構造の変形例を示す模式図である。前記した実施形態においても、ホール素子３２および基板３８のみを封入する構成に比して、これらを囲む形状の磁性体４０を封入することにより、ホール素子３２の位置決めがしやすい構成となる。しかし、本変形例では、さらに磁性体４０の外側に当接する位置決め部材５１を備えることで、磁性体４０の位置決めを容易にし、磁極センサユニット３０の組立精度を高めることなく磁性体による遮蔽効果を確実に発揮させることを可能にしている。さらに、硬質樹脂等からなる位置決め部材５１を封入することで樹脂モールド材５０の使用量も低減されることとなる。

なお、アウターロータ型回転電機の構造や形態、アウターロータやステータコアの材質や形状、磁極センサユニットの形態、ケースの材質や形状、延出部の形状、ホール素子の形状や形態等は、上記実施形態に限られず、種々の変更が可能である。本願発明に係るアウターロータ型回転電機の磁極センサは、自動二輪車のエンジンに限られず、種々のエンジンに用いられるＡＣＧスタータに適用することが可能である。

１…アウターロータ型回転電機（回転電機）、４…クランクケース、５…駆動軸、１０…アウターロータ、１１…ヨーク、１３…永久磁石（磁極）、２０…ステータコア、２１…ティース、２２…巻線、２３…コイル、３０…磁極センサユニット（磁極センサ）、３１…延出部、３２…ホール素子（センサ素子）、３２ａ…平面部、３３…ケース、４０…磁性体、４１…側壁、４２…底壁、５０…樹脂モールド材、５１…位置決め部材、Ｗａ…永久磁石間の磁束、Ｗｂ…コイル間の磁束、ｈ…寸法差

Claims (5)

1. エンジンの駆動軸（５）に連結されると共に、有底筒状のヨーク（１１）の内周部に複数の永久磁石（１３）を配設してなるアウターロータ（１０）と、
   コア部材のティース（２１）に巻線（２２）を巻回してなる複数のコイル（２３）を有するステータコア（２０）と、
   ホール素子（３２）によって前記永久磁石（１３）間の磁束（Ｗａ）を検知して前記アウターロータ（１０）の回転状態を検知する磁極センサ（３０）とを備え、
   前記磁極センサ（３０）が、前記ホール素子（３２）が前記ステータコア（２０）の隣り合うティース（２１）間の隙間に配設されるアウターロータ型回転電機（１）において、
   前記磁極センサ（３０）は、センサ素子（３２）と、該センサ素子（３２）を支持する基板（３８）とを収容するケース（３３）含み、
   前記ケース（３３）の内部に、前記コイル（２３）の間に生じる磁束（Ｗｂ）を遮蔽する磁性体（４０）が設けられていることを特徴とするアウターロータ型回転電機。
2. 前記センサ素子（３２）が方形の板状部材であり、前記センサ素子（３２）の平面部（３２ａ）を前記ステータコア（２０）の径方向外側に向けると共に、前記ステータコア（２０）の外周に沿った位置に配設されており、
   前記磁性体（４０）は、前記基板（３８）に対して径方向内側に位置する底壁（４２）と、前記底壁（４２）の周方向両端部から径方向外側に延びる側壁（４１）とからなり、
   前記センサ素子（３２）が、前記底壁（４２）と側壁（４１）とで囲まれた領域に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のアウターロータ型回転電機。
3. 前記センサ素子（３２）、基板（３８）および磁性体（４０）は、前記ケース（３３）から前記アウターロータ（１０）の回転軸方向に延出する延出部（３１）に収納されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアウターロータ型回転電機。
4. 前記側壁（４１）は、前記センサ素子（３２）の平面部（３２ａ）よりも径方向外側まで延びていることを特徴とする請求項２に記載のアウターロータ型回転電機。
5. 前記延出部（３３）の内部に、前記磁性体（４０）の位置決め部材（５１）が設けられることを特徴とする請求項３に記載のアウターロータ型回転電機。