JP5490169B2

JP5490169B2 - 回転電機及び回転子位置検出センサ

Info

Publication number: JP5490169B2
Application number: JP2012078749A
Authority: JP
Inventors: 慶久渡邉; 暢彦藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013211935A

Description

この発明は、磁気式の回転子位置検出センサを有する回転電機及び回転子位置検出センサに関するものである。

従来の技術として、特許第３０７３０８６号（特許文献１）では、回転角度検出器に対して軸方向に向かって前後に挟むように高透磁性の磁気バイパス部材を設け、回転軸を通じて流れる漏れ界磁磁束をこれらの磁気バイパス部材に経由させることで、回転子位置検出センサに流れる漏れ界磁磁束を低減させる構造が提案されている。また、特許第４３４１４０２号（特許文献２）では、回転軸の一方の軸端に備えられたスリップリングと回転子を支持する軸受との間に回転子位置検出センサ（磁気センサ）が配設されており、回転子の回転角度を検出している。

特許第３５７３０８６号公報特許第４３４１４０２号公報

従来の回転電機における問題点として、特許文献１においては、磁気センサを挟む磁気バイパスのうち、磁気センサの背面に近接して径方向に延設されている磁気バイパス部材は、回転軸との間に隙間が生じているため、回転軸を通じて流れ込む漏れ磁束をバイパスさせる効果が不十分である。また、非磁性体のリテーナに固定された磁気バイパス部材は、回転軸の軸端に固定される。このリテーナに取り付けられた磁気バイパス部材も同様に漏れ磁束をバイパスさせる効果が不十分である。また、特許文献２においては、回転子位置検出センサの配置が軸端ではなく、スリップリングと回転子間に配置されており、回転軸内に界磁電流を通電するためのスリップリングターミナルが設けられているため、そこへ界磁電流を流す際に前記ターミナル周辺に発生する磁界により、回転子位置検出センサのロータにセンサとして有効な磁界成分以外のノイズ成分が重畳し、角度検出誤差が増大していた。
この発明は、上記課題を解決するため、回転子位置検出センサを有する回転電機に関し、回転軸周りに磁性体リングを設け、ロータコアと磁性体リングの間に非磁性体リングを設けることで、スリップリングターミナルに界磁電流を流した際に発生する合成磁界が回転軸周りの磁性体リングで還流し、さらに非磁性体リングで遮蔽されることで、レゾルバの角度検出誤差の低減を図るものである。

この発明に係わる回転電機は、固定子と回転子、この回転子の界磁巻線へスリップリングを介し給電するターミナルが配線された回転軸、及びこの回転軸に配置された回転子位置検出センサを有する回転電機において、上記回転子位置検出センサは、出力コイルと励磁コイルを有するステータアセンブリと、このステータアセンブリの内周面とギャップを隔てて対向するロータコアを有するロータアセンブリとで構成されると共に上記ロータアセンブリは、磁性体リングと非磁性体リングと上記ロータコアとで構成され、これら磁性体リング、非磁性体リング、ロータコアを外方に向かい順次同心状に積層し、且つ最内側の磁性体リングを、上記ターミナルの配線部分の回転軸外周部における上記スリップリングと上記回転子間に取り付けたものである。

この発明の回転電機によれば、スリップリングターミナルに界磁電流を流した際に発生する合成磁界が回転軸周りの磁性体リングで還流し、さらに非磁性体リングで遮蔽されるので、回転子位置検出センサの信号成分に重畳するノイズ成分を低減させることができ、回転子位置検出センサの角度検出誤差を低減できる。

この発明の実施の形態１における回転電機の構成を示す断面図である。この発明の実施の形態１における回転電機の変形例を示す断面図である。この発明の実施の形態１における回転電機において、スリップリング１５と回転子７間に電流を流した場合の通電経路を示す断面図である。この発明の実施の形態１における回転電機において、回転軸６に配線したターミナル１８を通し界磁巻線８に通電した場合の磁束の流れを示す回転軸６の断面図である。従来の回転電機において、回転軸６に配線したターミナル１８を通し界磁巻線８に通電した場合の磁束の流れを示す回転子位置検出センサ２２部分における回転軸６の断面図である。この発明の実施の形態１における回転電機において、界磁巻線８に電流を流すことで発生する磁束の流れを示す断面図である。この発明の実施の形態１（実施の形態４）におけるロータアセンブリ２１の断面図である。この発明の実施の形態１における回転電機において、回転子位置検出センサ２２のロータアセンブリ２１とステータアセンブリ２０間における磁束の流れを示す回転子位置検出センサの正面図である。この発明の実施の形態２におけるロータアセンブリ２１の圧入形状を示す正断面図である。図９のＸ−Ｘ線を矢印方向に見たロータアセンブリ２１の側断面図で、ロータアセンブリ２１の一体成形の構成を模式的に示したものである。この発明の実施の形態３におけるロータアセンブリ２１の正面図である。この発明の実施の形態４におけるロータアセンブリ２１のみを示す正面図である。この発明の実施の形態４におけるロータアセンブリ２１を示し、（ａ）は回転軸６を断面で示したロータアセンブリ２１の正面図、（ｂ）は図（ａ）中のＡ部分の拡大断面図である。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１
以下、図１に基づきこの発明の実施の形態１に係る回転電機について説明する。

図１において、この実施の形態１に係る回転電機１の本体は、アルミニウム製のフロントブラケット２及びリヤブラケット３と、これらの内側に設けられ、先端にプーリ１１がナット１２により固定されていると共に、フロントベアリング４及び、リヤベアリング５により回転自在に支持された回転軸６と、この回転軸６に固定され界磁巻線８を有する回転子７と、この回転子７の両側面に取付けられたフロントファン１３及びリヤファン１４と、フロントブラケット２及びリヤブラケット３により挟まれて固定され固定子鉄心及び固定子巻線１０からなる固定子９と、リヤベアリング５により外側の回転軸６の軸端部に取付けられ、回転子７に電流を供給するスリップリング１５と、ブラシホルダ１６に収納されスリップリング１５に先端面が接触して給電するブラシ１６と、スリップリング１５
と界磁巻線８を電気的に接続するために、回転軸６に軸方向に設けたターミナル配線溝６ａ内に配線されたターミナル１８とを備えている。

また、回転電機１は、回転子７とスリップリング１５間の回転軸６に、回転子７の回転角度を検出するための回転子位置検出センサ２２を備えている。
この回転子位置検出センサ２２は、回転軸６に固定されたリング状のロータアセンブリ２１（後述）及びこのロータアセンブリ２１と内周が対向するリング状のステータアセンブリ２０（後述）で構成され、回転子７の界磁巻線８へ給電するターミナル１８が配線された回転軸６において、このターミナル１８の配線部分の外周部に取り付けられている。

また、回転電機１は、ロータアセンブリ２１を保持するリング１９と、ブラシ１６を通じ界磁巻線８に電流を供給するパワー回路部（図示せず）と、このパワー回路部の駆動を制御する制御回路部（図示せず）とを備えており、上記パワー回路部は、固定子巻線１０と電気的に接続された直流交流相互変換回路、及びブラシ１６と電気的に接続されることにより界磁巻線８と電気的に接続され、界磁巻線８への電流を制御する界磁電流スイッチング回路（図示せず）を備えている。

次に、図３〜図６に基づいて回転電機１内における電流、磁束の流れにについて説明する。
図３は、スリップリング１５と回転子７間に電流を流した場合の通電経路について示し、図４は、回転軸６に配線したターミナル１８を通し界磁巻線８に通電した場合の磁束の流れについて示し、図５は、従来の回転電機１における回転子位置検出センサへの磁束の流れを示し、図６は、界磁巻線８に電流を流すことで発生する磁束の流れを示している。

図３〜図６において、スリップリング１５と回転子７間に回転子位置検出センサ２２を配置した場合、回転子位置検出センサ２２に近接した位置に、界磁巻線８に電流を流すためのターミナル１８等の部材が配置され、図３中の経路Ａのように電流が流れる。
図４は、電流の流れを示し、右側のターミナル１８Ｒは奥側に、左側のターミナル１８Ｌは手前側に向かって電流が流れているものと想定したものであるが、アンペールの法則に従えば、ターミナル１８の通電方向に対して右回りの磁場が発生するため経路Ｂのように、右側のターミナル１８Ｒに対しては時計回りに、左側のターミナル１８Ｌに対しては反時計回りの磁場が発生する。

図３では、スリップリング１５、回転子位置検出センサ２２、リヤベアリング５、回転子７の順に配置されているが、この配置はスリップリング１５と回転子７間に回転子位置検出センサ２２が配置されておれば、リヤベアリング５の位置は回転軸６上のどこに配置されていても構わない。また、図３、図４においては、ターミナル１８が回転軸６に対向（径方向に）するように２本配設されているが、例えば、回転子７を２個有するタンデンシャル構造の回転電機１においては、２本以上のターミナル１８を有する場合もあるため、２本以上であっても構わない。

また、従来の回転電機では、磁束は図５中の経路Ｂのように、ロータアセンブリ２１の内部を周回する磁束のみならず、経路Ｃのようにロータアセンブリ２１を通過しステータコア２６のコアバックを周回する磁束も発生するため、これらがノイズ成分としてセンサの信号成分に重畳し、回転角度検出精度の低下を招く原因となる。

また、界磁巻線８の電流による磁束は、図６に示すように、大部分は回転子７と固定子９間を経由して、経路Ｄのように磁束が流れる。しかしながら、一部は、経路Ｅのように回転軸６を通り、回転子位置検出センサ２２を貫通するように磁束が流れる。それらの漏れ磁束が回転子位置検出センサ２２に流入し、信号成分にノイズ成分が重畳することで、
回転角度検出精度が低下してしまう。

この実施の形態１に係る回転電機は、上述のような問題を解決するため図７、図８のように構成されている。
図７はロータアセンブリ２１の断面図で、図８は回転子位置検出センサ２２のロータアセンブリ２１とステータアセンブリ２０間における磁束の流れを示す回転子位置検出センサの正面図である。

以下、図７、図８に基づいて実施の形態１に係る回転子位置検出センサ２２について詳述する。
回転子位置検出センサ２２が、特にレゾルバであった場合、ステータアセンブリ２０は、薄板状の珪素鋼板の積層体である環状のステータコア２６とこのステータコア２６から径方向で内側に向かって延びた複数のティース２７を備えており、ステータコア２６上には、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やナイロン（ＰＡ）等の樹脂材料から成るインシュレータ２８が設けられており、インシュレータ２８は各ティース２７の周面とステータコア２６の両端部分を覆っている。また、各ティース２７上にはインシュレータ２８を介して励磁コイル若しくは出力コイルであるセンサ巻線２９が巻回されている。

ロータアセンブリ２１は、後述するように回転軸６上に同軸回転できるように固定され、ギャップパーミアンスが回転角度に対して正弦波状に変化する突出形状からなる凸極で構成されている。
すなわち、ロータアセンブリ２１は、ターミナル電流によるノイズと漏れ磁束によるノイズを低減させるために、図７に示すように、最内周部に、回転軸６外周に固定される磁性体リング２３を、その外周に非磁性体リング２４を、最外周にロータコア２５を外方に向かい順次同心状に積層配置することで構成されている。

ロータアセンブリ２１と回転軸６は、磁性体リング２３の回転軸取り付け孔２３ａに回転軸６を圧入することにより固定されており、ロータアセンブリ２１の内径、つまり磁性体リング２３の回転軸取り付け孔２３ａの内周面側には突起（図示せず）が設けられ、突起の締代や逃げ部の形状はロータアセンブリ２１と回転子７を有する回転軸６に係る回転トルクや圧入荷重の規格を十分に勘案したパラメータに決定されている。

なお、ロータアセンブリ２１は、回転軸６に回転軸取り付け孔２３ａを嵌合し溶接により固定されていても構わない。
さらに、ロータアセンブリ２１の軸方向の位置決めは、ロータアセンブリ２１から回転軸６上のプーリ１１側に配置されているリング１９により決定される。このように軸方向の位置決めをリング１９により行うことで、加工コストの削減と組立性の向上を図ることが可能となる。
また、図２に示すように、回転軸６に段差６ｂを設け、この段差６ｂにより軸方向の位置決め行うことでロータアセンブリ２１が軸方向に固定される構成でもよい。このようにロータアセンブリ２１を回転軸６に圧入し、回転軸６に段差６ｂを設けて軸方向位置決めを行うことで、工程数削減によるコスト削減と組立性の向上を図ることが可能となる。
また、ロータアセンブリ２１は、回転軸６に圧入され、リング１９で軸方向の位置決めが行われた後に、溶接にて回転軸６に固定することも可能である。
また、ロータアセンブリ２１は、回転軸６に取り付けられ、回転軸６上に設けた段差６ｂにより軸方向の位置決めが行われた後に、溶接にて回転軸６に固定することも可能である。

上述のように構成された実施の形態１に係る回転子位置検出センサ２２は、図８に示すようにターミナル１８の通電により発生した磁束が経路Ｆのように、磁性体リング２３に
沿って磁路を形成し、さらに磁束は非磁性体リング２４により遮断されるので、経路Ｇに示す回転子位置検出センサ２２の信号成分の磁束に重畳するのを防ぐことができる。
また、回転軸６を通り回転子位置検出センサ２２を貫通する漏れ磁束Ｅ（図６）を遮蔽することができ、回転角度検出精度の低下を防ぐことが可能になる。
なお、図１、図２の回転電機１では、回転電機１の外側から内側へ、スリップリング１５、回転子位置検出センサ２２、リヤベアリング５、回転子７の順に配置されているが、回転子位置検出センサ２２は、回転子７から回転軸６上のプーリ反対方向のどの位置に配置されていても、この経路Ｆを伝う漏れ磁束を低減させることが可能である。

実施の形態２
実施の形態２に係る回転電機の回転子位置検出センサ２２は、図９、図１０のように構成されている。
図９は、この実施の形態２におけるロータアセンブリ２１の圧入形状を示す正断面図、図１０は図９のＸ−Ｘ線を矢印方向に見たロータアセンブリ２１の側断面図で、ロータアセンブリ２１の一体成形の構成を示すものである。
以下、図９、図１０に基づいて実施の形態２に係る回転電機の回転子位置検出センサ２２について詳述する。
ロータアセンブリ２１は、実施の形態１で説明したように、回転軸６の外周に回転軸取り付け孔２３ａを嵌合固定した磁性体リング２３を最内側に、その外周に非磁性体リング２４、最外周にロータコア２５を配置することで構成されている。磁性体リング２３の材料としては、鉄やフェライト等の材料が用いられ、非磁性体リング２４の材料としては、オーステナイト系のステンレスやアルミ、硬度の高いエポキシ系樹脂等が用いられる。

ロータアセンブリ２１を構成する各部材の固定は、図９、図１０に示すように、圧入若しくは、成形樹脂による一体化により行われる。
圧入による固定の場合、非磁性体リング２４の内径とロータコア２５内径には図９に示すように圧入用溝部３０が設けられ、磁性体リング２３に非磁性体リング２４を圧入し、それにロータコア２５を圧入する。これらの圧入用溝部３０の締代や逃げ部の形状は、ロータアセンブリ２１と回転子７のイナーシャと回転電機１に係る最大角加速度から算出された回転トルクや圧入荷重の規格を十分に勘案したパラメータに決定されており、圧入時のロータアセンブリ外径の変形量は最小限に抑えられるため、回転角度検出精度への影響は小さい。また、圧入では各部材を強固に固定することができるため、信頼性の向上につながる。

図１０のように、各部材（磁性体リング２３、非磁性体リング２４、ロータコア２５）の固定を一体成形にて行う場合は、ロータアセンブリ２１の外径変形に伴う検出精度の低下を防ぐことができる。また、一体成形の利点として、各部材の固定を一括で行うことによる加工工程数削減と組立工程の簡易化を図ることが可能である。
また、磁性体リング２３と非磁性体リング２４とロータコア２５を成形樹脂により一体型にすることで、製造コストの低減と組立工程の簡易化を図ることができる。
また、非磁性体リング２４の材料に硬度のあるステンレスを用いることで、加工精度を高めることができ、回転軸６とロータアセンブリ２１の固定を精度良く行うことできるため、ロータアセンブリ２１とステータアセンブリ２０の相対位置精度向上による検出精度の向上を図ることができる。また、磁性体リング２３の材料に樹脂を用いることで、材料コスト、製造コストの低減が可能である。

実施の形態３
実施の形態３に係る回転子位置検出センサ２２のロータアセンブリ２１は、ロータコア２５に回り止め機構を施したものである。
図１１は、この発明の実施の形態３におけるロータアセンブリ２１の正面図である。
以下、図１１に基づいて実施の形態３に係る回転電機の回転子位置検出センサ２２について詳述する。
実施の形態２で、各部材（磁性体リング２３、非磁性体リング２４、ロータコア２５）の固定方法について説明したが、想定外の用途や想定された使用環境の範疇を越えた環境に晒される場合、各材料の線膨張差や成形樹脂の温度変化、化学変化等による劣化や外力等に伴い回転軸６と磁性体リング２３、非磁性体リング２４、ロータコア２５間における固着力の低下による径方向の位置ズレが懸念される。

この場合、ロータコア２５と回転子７の相対位置がずれてしまうことで、回転子７の位置を誤検出し、最悪の場合、回転機本体の破損を招いてしまう恐れがある。
そのような場合の対策として、この実施の形態３では、磁性体リング２３の外周面とロータコア２５の内周面に回り止め用突起３１を設けている。
非磁性体リング２４は、比較的硬度の低いオーステナイト系ステンレスや樹脂材料を用いるが、この比較的硬度の低い非磁性体リング２４に対して、硬度の高い鉄系材料が用いられている磁性体リング２３の外周面とロータコア２５の内周面とに、それぞれ上記のような回り止め用突起３１を配設し回り止めを行っている。これにより、信頼性が向上し、また、組立て時の磁性体リング２３、非磁性体リング２４、ロータコア２５の回転方向の位置決めを容易に行うことができるため、組立性の向上が図れる。

図１１では、各部材（磁性体リング２３、ロータコア２５）に対して４個ずつ回り止め用突起３１が配設されているが、回転子７に係るイナーシャと回転電機１に要求される最大角加速度から算出される必要回転トルクを基に回り止め用突起３１の数は決定される。

実施の形態４
実施の形態４に係る回転子位置検出センサ２２のロータアセンブリ２１は、回転軸６と磁性体リング２３間にロータコア２５の回り止め機構を施したものである。
図１２は、この実施の形態４におけるロータアセンブリ２１のみを示す正面図で、図１３はこの実施の形態４におけるロータアセンブリ２１を示し、（ａ）は回転軸６を断面で示したロータアセンブリ２１の正面図、（ｂ）は図（ａ）中のＡ部分の拡大断面図である。
以下、１２、図１３、及び図７に基づいて実施の形態４に係る回転電機の回転子位置検出センサについて詳述する。

図７、図１２において、ロータコア２５の回り止め機構は、回り止め用突起３２とターミナル配線溝６ａとによって構成されている。
すなわち、回り止め用突起３２は、ロータアセンブリ２１の回転軸取り付け孔２３ａの内周面に設けられ、この回り止め用突起３２と係止する回転軸６の凹部は、回転軸６に設けたターミナル配線溝６ａを利用することにより形成されている。

このようにロータアセンブリ２１の回り止めは、ターミナル配線溝６ａを利用して行うものであり、回転軸６に対して、ロータアセンブリ２１が回転するのを防ぐ効果がある。また、組立て時の回転方向の位置決めを容易に行うことができるため、生産性の向上、信頼性の向上、組立性の向上を図ることができる。なお、回り止め用突起３２の配置数は、回転軸６のターミナル配線溝６ａの溝数に応じて変化することは言うまでも無い。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１回転電機２フロントブラケット
３リヤブラケット
４フロントベアリング
５リヤベアリング
６回転軸
６ａターミナル配線溝
６ｂ段差
７回転子
８界磁巻線
９固定子
１０固定子巻線
１１プーリ
１２ナット
１３フロントファン
１４リヤファン
１５スリップリング
１６ブラシ
１７ブラシホルダ
１８（１８Ｌ）（１８Ｒ）ターミナル
１９リング
２０ステータアセンブリ
２１ロータアセンブリ
２２回転子位置検出センサ
２３磁性体リング
２３ａ回転軸取り付け孔
２４非磁性体リング
２５ロータコア（レゾルバロータコア）
２６ステータコア（レゾルバステータコア）
２７ティース
２８インシュレータ
２９センサ巻線
３０圧入用溝部
３１、３２回り止め用突起。

Claims

固定子と回転子、この回転子の界磁巻線へスリップリングを介し給電するターミナルが配線された回転軸、及びこの回転軸に配置された回転子位置検出センサを有する回転電機において、
上記回転子位置検出センサは、出力コイルと励磁コイルを有するステータアセンブリと、このステータアセンブリの内周面とギャップを隔てて対向するロータコアを有するロータアセンブリとで構成されると共に上記ロータアセンブリは、磁性体リングと非磁性体リングと上記ロータコアとで構成され、これら磁性体リング、非磁性体リング、ロータコアを外方に向かい順次同心状に積層し、且つ最内側の磁性体リングを、上記ターミナルの配線部分の回転軸外周部における上記スリップリングと上記回転子間に取り付けたことを特徴とする回転電機。
上記ロータコアと上記非磁性体リングと上記磁性体リングとは、圧入によって一体に固定したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
上記磁性体リングと上記非磁性体リングは、上記ロータコアと一体成形したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
上記非磁性体リングは、ステンレス鋼材で構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
上記非磁性体リングは、樹脂材で構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
上記磁性体リング外周面と上記ロータコア内周面とに、それぞれ回り止め用突起を設けたことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
上記非磁性体リング内周面と上記ロータコア内周面とに、それぞれ圧入用溝部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
上記磁性体リングの内周面に、突起を設け、この突起を上記回転軸に設けたターミナル配線溝に係合させることにより上記ロータアセンブリの回り止めを行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
上記ロータアセンブリは、上記回転軸に圧入され、上記回転軸に設けたリングで軸方向の位置決めを行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。
上記ロータアセンブリは、上記回転軸に圧入され、上記回転軸に設けた段差により軸方向の位置決め行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。
上記ロータアセンブリは、上記回転軸に圧入され、上記リングで軸方向の位置決めが行われた後に、溶接にて上記回転軸に固定されることを特徴とする請求項９に記載の回転電機。
上記ロータアセンブリは、上記回転軸に取り付けられ、上記回転軸上に設けた段差により軸方向の位置決めが行われた後に、溶接にて上記回転軸に固定されることを特徴とする請求項１０に記載の回転電機。
請求項１に記載の回転電機の、回転軸に取り付けられる回転子位置検出センサにおいて、
出力コイルと励磁コイルを有するステータアセンブリ、及びこのステータアセンブリの内周面とギャップを隔てて対向するロータコアを有するロータアセンブリを備え、上記ロータアセンブリは、磁性体リングと非磁性体リングと上記ロータコアとで構成され、且つこれら磁性体リング、非磁性体リング、ロータコアを外方に向かい順次同心状に積層し、最内側の磁性体リングで上記回転軸に取り付けたことを特徴とする回転子位置検出センサ。