JP2023072759A - 回転検出装置及びそれを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱磁束による回転位置の検出精度の低下を抑制した回転検出装置を提供する。【解決手段】磁束が軸方向に通り磁性材料からなる回転軸３における、軸方向一方側の端部に設けられ、回転軸の軸方向一方側の端部から延出し、非磁性材料からなるブッシュ８３と、ブッシュにおける軸方向一方側の端部に固定され、ブッシュから軸方向一方側に延出された磁性材料からなる磁石ホルダ８１と、磁石ホルダの軸方向一方側に固定され、回転軸と一体回転する磁石８２と、磁石の軸方向一方側に、磁石とは間隔を空けて配置された磁気検出素子９２とを備え、回転軸と磁石ホルダとは、ブッシュを介して軸方向に離間して設けられている。【選択図】図２

Description

本願は、回転検出装置及びそれを用いた回転電機に関するものである。

近年、地球温暖化を背景として自動車への燃費改善要求が高まっている。同時に、自動車の幅広い地域、人への普及拡大に向けて、自動車部品の低価格化が求められている。車両電装品で消費される電力を供給し、車載バッテリへの充電を行う界磁巻線式発電機においても、小型軽量化及び経済性の高い構成部品を採用する必要性が高まっている。一方、自動車１台当たりの電装品の数と消費電力は増加傾向にあり、車両用発電機には、より発電量が大きく、効率の高い発電及び駆動性能が求められている。また、さらなる効率向上に向けて、電力変換機能及びセンシング機能を備える制御装置をモータと一体化し、エンジンのアシストまたはアイドリングストップ機能を実現する制御装置一体型の回転電機であるモータジェネレータが開発されている。

特に、モータジェネレータでは、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、エンジンの始動及びアシストを行うための電動機としての機能を備えている。電動機としては、エンジンの始動またはアシストに必要な出力を十分に得るために、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。回転子の回転位置を精度よく検出するために、検出部と被検出部とから構成される回転位置センサが電動機に搭載される。また、モータジェネレータは、発電量を状況に応じて精度よく制御するために、回転子に界磁巻線を備える。この回転子の軸端には、界磁巻線へ電流を供給するスリップリングが搭載されている。スリップリングのリング状の導体部にブラシが接触した状態で回転子が回転することによって、回転子が回転した状態においても電力を界磁巻線に供給することができる。回転位置センサとスリップリングがそれぞれの役割を果たすために、回転位置センサの被検出部とスリップリングは、回転子と同期して回転する必要がある。

回転位置センサの検出精度は、回転電機の発電効率または駆動効率に直接影響する。回転位置センサの検出精度が低下すると、回転電機の発電効率または駆動効率は顕著に低下する。回転位置センサは、被検出部である磁石から流出した磁束を検出することで、回転子の回転角度を検出している。そのため、磁石の磁束に影響を与える可能性がある様々な要因に対して対策が必要である。具体的な要因としては、意図しない電流が磁石に流れることで磁石及び磁石近傍部材に生じる外乱磁束、磁石の温度上昇による磁束密度の変化、界磁巻線への通電によって生じる磁束が鉄系合金で構成された回転軸を通って磁石に伝達される界磁巻線からの外乱磁束の伝達がある。特に、回転軸にスリップリングとブラシを備える回転電機において、回転軸の先端部に配置した磁石に近接した位置に通電部品であるスリップリング及びブラシが配置されるため、回転位置センサの検出精度を良好に保つための構成が必要となる。このような課題に対して、回転位置の検出精度を高く保つための構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

開示された車両用回転電機では、スリップリングを有した回転軸を含む回転子と、ブラシ、ブラシホルダ、及びスリップリングを覆うカバー部材を有したブラシ装置と、回転軸の一端に配置された回転位置被検出部と、回転位置被検出部の回転位置を検出する回転位置検出部とを備え、回転位置被検出部とスリップリングとの間に絶縁材料からなるカバー部材が配置されている。カバー部材を設けることによって、スリップリングとブラシとの擦り合わせにより生じるブラシの摩耗紛が過度に堆積して回転軸とスリップリングとの間で電気短絡が生じ、回転軸の一端に固定された回転位置センサの被検出部に電流が流れ、被検出部の周辺に発生する磁束に起因した回転位置の検出精度の低下を防止することができる。

特開２０１０－３５３８２号公報

上記特許文献１においては、カバー部材を設けたため、被検出部に電流が流れて生じた磁束に起因する回転位置の検出精度の低下を防止することができる。しかしながら、回転子の界磁巻線に通電されることで生じた磁束が回転軸を通って回転位置センサに外乱磁束として重畳されるため、回転位置の検出精度が低下するという課題があった。

そこで、本願は、外乱磁束による回転位置の検出精度の低下を抑制した回転検出装置を得ること、また、外乱磁束による回転位置の検出精度の低下を抑制して、高効率で経済性に優れた回転電機を得ることを目的としている。

本願に開示される回転検出装置は、磁束が軸方向に通り磁性材料からなる回転軸における、軸方向一方側の端部に設けられ、回転軸の軸方向一方側の端部から延出し、非磁性材料からなるブッシュと、ブッシュにおける軸方向一方側の端部に固定され、ブッシュから軸方向一方側に延出された磁性材料からなる磁石ホルダと、磁石ホルダの軸方向一方側に固定され、回転軸と一体回転する磁石と、磁石の軸方向一方側に、磁石とは間隔を空けて配置された磁気検出素子とを備え、回転軸と磁石ホルダとは、ブッシュを介して軸方向に離間して設けられたものである。

本願に開示される回転電機は、本願に開示した回転検出装置と、回転軸と、界磁巻線及び界磁巻線が巻装された界磁鉄心を有し、回転軸と一体回転する回転子と、回転子の径方向外側に配置され、電機子巻線が巻装された固定子鉄心を有した固定子と、回転子及び固定子の外側を覆うと共に転がり軸受を介して回転軸の一端側及び他端側を保持したブラケットと、ブラケットから軸方向一方側に突出した回転軸の部分の外周面を取り囲む筒状の絶縁樹脂部と、絶縁樹脂部の外周面に設けられ、界磁巻線に接続された一対のスリップリングと、一対のスリップリングのそれぞれを摺設して、界磁巻線に界磁電流を供給する一対のブラシとを備えたものである。

本願に開示される回転検出装置によれば、磁性材料からなり、磁束が軸方向に通る回転軸における軸方向一方側の端部に設けられ、回転軸の軸方向一方側の端部から軸方向一方側に延出し、非磁性材料からなるブッシュと、ブッシュにおける軸方向一方側の端部に固定され、磁性材料からなる磁石ホルダと、磁石ホルダの軸方向一方側に固定され、回転軸と一体回転する磁石と、磁石の軸方向一方側に、磁石とは間隔を空けて配置された磁気検出素子とを備え、回転軸と磁石ホルダとは、ブッシュを介して軸方向に離間して設けられたため、磁石ホルダの軸方向一方側から外部に流出する外乱磁束は、ブッシュにおいて分割された外乱磁束であると共に、分割された外乱磁束は磁気検出素子の径方向外側に向かうため、磁気検出素子を通過する外乱磁束が抑制されるので、外乱磁束による回転検出装置の回転位置の検出精度の低下を抑制することができる。

本願に開示される回転電機によれば、本願に開示した回転検出装置と、回転軸と、界磁巻線及び界磁巻線が巻装された界磁鉄心を有し、回転軸と一体回転する回転子と、回転子の径方向外側に配置され、電機子巻線が巻装された固定子鉄心を有した固定子と、回転子及び固定子の外側を覆うと共に転がり軸受を介して回転軸の一端側及び他端側を保持したブラケットと、ブラケットから軸方向一方側に突出した回転軸の部分の外周面を取り囲む筒状の絶縁樹脂部と、絶縁樹脂部の外周面に設けられ、界磁巻線に接続された一対のスリップリングと、一対のスリップリングのそれぞれを摺設して、界磁巻線に界磁電流を供給する一対のブラシとを備えたため、界磁巻線及び一対のスリップリングへの通電に起因した外乱磁束による回転検出装置の回転位置の検出精度の低下を抑制することができる。また、外乱磁束による回転検出装置の回転位置の検出精度の低下が抑制されるため、回転電機の発電効率または駆動効率が向上し、回転電機の発電効率または駆動効率を向上させるための回転検出装置以外の追加の部材が不要であるため、高効率で経済性に優れた回転電機を得ることができる。

実施の形態１に係る回転電機の概略を示す断面図である。 実施の形態１に係る回転電機の要部を示す断面図である。 図２のＡ－Ａ断面位置で切断した回転電機の要部の断面図である。 実施の形態１に係る回転電機の要部を示す断面図である。 比較例の回転電機を説明する断面図である。 比較例の回転電機を説明する断面図である。 実施の形態１に係る別の回転電機の要部を示す断面図である。 実施の形態２に係る回転電機の要部を示す断面図である。

以下、本願の実施の形態による回転検出装置及び回転電機を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る回転電機２００の概略を示す断面図で、回転電機２００を軸方向に切断した図、図２は回転電機２００の要部を示す断面図で、回転軸３の一方側の周囲を拡大して示した図、図３は図２のＡ－Ａ断面位置で切断した回転電機２００の要部の断面図、図４は回転電機２００の要部を示す断面図で、図２をさらに拡大して磁石８２の周囲の外乱磁束を説明する図である。図１において、回転位置被検出部８の部分は省略して示している。回転電機２００は、図１に示すように、回転電機２００の本体部分に加えて、制御装置である電力変換装置３００を備えた制御装置一体型の回転電機のモータジェネレータである。以下、モータジェネレータを例に回転電機２００について説明するが、説明する構成を、発電機と電動機の機能を備える他の車両用回転電機に適用することが可能である。また、回転検出装置１００については、回転電機に限らず、磁性材料からなり、磁束が軸方向に通る回転軸を有した回転体の回転検出に適用することが可能である。

＜回転電機２００＞
回転電機２００は、回転電機２００の本体部分と、電力変換装置３００と、回転検出装置１００とを備える。電力変換装置３００は、図１に示すように、回転電機２００の本体部分を構成するリヤブラケット２の軸方向の一方側に配置され、リヤブラケット２に固定される。まず、回転電機２００の本体部分について説明する。回転電機２００の本体部分は、回転軸３と、回転軸３と一体回転する回転子５と、回転子５の外側に配置された固定子４と、これらを収容すると共に回転軸３を回転自在に保持するブラケットとを備える。

回転子５は、界磁巻線５２、界磁巻線５２が巻装された界磁鉄心５１、及び冷却ファン５３を有する。回転子５の径方向外側に配置された固定子４は、複数相の電機子巻線４２、及び電機子巻線４２が巻装された固定子鉄心４１を有する。複数相の電機子巻線４２は、例えば、１組の３相電機子巻線もしくは２組の３相電機子巻線であるがこれらに限るものではなく、回転電機の種類に応じて設定される。

ハウジングを構成するブラケットは、回転子５及び固定子４の外側を覆う。ブラケットは、フロントブラケット１及びリヤブラケット２を備える。フロントブラケット１は、フロントブラケット１に固定された転がり軸受１１を介して回転軸３の他端側を保持し、回転子５及び固定子４の他方側を覆う。リヤブラケット２は、リヤブラケット２に固定された転がり軸受２１を介して回転軸３の一端側を保持し、回転子５及び固定子４の一方側を覆う。フロントブラケット１とリヤブラケット２とは、軸方向に間隔を空けて配置され、ボルト（図示せず）によって連結される。回転軸３の軸方向の中心部からみて、フロントブラケット１が設置されている側をフロント側、リヤブラケット２が設置されている側をリヤ側と称する。フロントブラケット１とリヤブラケット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作製されている。

回転軸３は、鉄を主成分とする合金などの磁性材料により作製される。界磁巻線５２は、回転軸３に対して周方向となる環状に通電される。そのため、回転軸３の軸方向に界磁巻線５２の通電に起因した磁束が通るので、回転軸３の端部から回転軸３を通過した磁束が流出し、流出した磁束は外乱磁束になる。回転軸３は、フロントブラケット１の貫通孔から突出した回転軸３のフロント側の端部に、プーリ３１を備える。プーリ３１は、回転子５と外部のエンジン（図示せず）の双方向でトルクを授受する。プーリ３１とエンジンの回転軸とは、ベルト（図示せず）を介して連結される。

冷却ファン５３は、回転子５の界磁鉄心５１のフロント側及びリヤ側の端面に固定される。冷却ファン５３は、回転子５と一体回転する。冷却ファン５３の回転に伴って冷却風が発生し、ブラケットの内部を冷却する。また、電力変換装置３００とリヤブラケット２との間には冷却気体通路となる隙間部分が設けられ、冷却風は冷却気体通路を通過して電力変換装置３００を冷却する。

回転軸３には、図２に示すように、絶縁樹脂部３４及び一対のスリップリングが設けられる。絶縁樹脂部３４は、リヤブラケット２に固定された転がり軸受２１から軸方向一方側の筐体７側に突出した回転軸３の部分の外周面を取り囲む。絶縁樹脂部３４は、筒状に形成される。一対のスリップリングは、絶縁樹脂部３４の外周面に設けられ、界磁巻線５２に接続される。一対のスリップリングは、第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３で、それぞれは離間して設けられる。第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３と界磁巻線５２とは、絶縁樹脂部３４の内部に設けられたリード部材（図示せず）により接続される。第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３から界磁巻線５２に、リード部材を介して界磁電流が供給される。第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３は、環状で導電性を有した金属から作製される。

回転電機２００は、第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３のそれぞれを摺設して、界磁巻線５２に界磁電流を供給する一対のブラシを備える。一対のブラシは、第１のブラシ６１及び第２のブラシ６２である。第１のブラシ６１及び第２のブラシ６２は、ブラシホルダ６３により支持され、スプリング６４によって第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３を押圧する。第１のブラシ６１及び第２のブラシ６２は、通電可能な黒鉛を主成分とする部材から形成される。第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３の回転により、第１のブラシ６１及び第２のブラシ６２の先端部が当接して摺動し、第１のブラシ６１及び第２のブラシ６２から第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３のそれぞれに電力が伝達される。ブラシホルダ６３は、電力変換装置３００をリヤブラケット２に固定した後、電力変換装置３００の中央に設けられた回転軸３が貫通する空間に配置される。ブラシホルダ６３は、電力変換装置３００に固定される。

＜電力変換装置３００＞
電力変換装置３００は、外部の直流電源である車載バッテリ（図示せず）からの直流電力を交流電力に変換する。また、電力変換装置３００は、電機子巻線４２からの交流電力を直流電力に変換する。電力変換装置３００は、図１に示すように、２組の３相交流回路が構成されたパワー回路部１２と、回転子５の界磁巻線５２に界磁電流を供給する界磁回路部１３と、制御回路基板９１を有し、パワー回路部１２及び界磁回路部１３を制御する制御回路部９とを備える。電力変換装置３００は、さらに各部を電気的に接続した接続部材（図示せず）、及びこれらの部材を収納する筐体７を備える。電力変換装置３００は、筐体７においてリヤブラケット２に取り付けられる。パワー回路部１２は、電機子巻線４２への供給電流をオンオフするパワー半導体素子を有する。界磁回路部１３は、界磁巻線５２への供給電流をオンオフする半導体素子を有する。

固定子４の電機子巻線４２は、例えば、位相が３０度ずれた２組の３相電機子巻線により構成される。これらの３相電機子巻線は、３相電力変換回路を２組備えたパワー回路部１２により、それぞれ独立して制御される。Ｙ結線された３相の電機子巻線４２の各相の端子は、パワー回路部１２における６個のパワー半導体素子で構成された電力変換回路の交流側端子に接続される。パワー回路部１２の直流側端子は、車載バッテリと平滑コンデンサ（図示せず）に接続される。また、モータジェネレータでは、内部に発電電流の整流機能及びインバータなどの電力変換機能を併せ持ったパワー回路部１２を備える。このようなパワー回路部１２を構成するパワー半導体素子は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜型電界効果トランジスタ、Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチングが可能なパワー半導体素子である。

界磁回路部１３は２個の半導体素子を有し、２個の半導体素子は車載バッテリに接続される。界磁回路部１３が有した半導体素子は、制御回路基板９１に実装される。このように界磁回路部１３を制御回路基板９１に搭載することで、界磁回路部１３を制御回路基板９１と別に構成する場合と比較して、電力変換装置３００を小型化することができる。

制御回路部９は、制御回路基板９１、及び制御回路基板９１が収納されるケース９３を備える。ケース９３は、絶縁性を備えた樹脂材で作製される。樹脂材は、例えば、ポリフェニレンサルファイドである。ケース９３は、制御回路基板９１への塩、及び泥水の浸入を防ぐために、防水カバー（図示せず）などにより密封された防水構造を有している。

＜回転電機２００の動作＞
回転電機２００の電動機としての動作について説明する。パワー回路部１２の電力変換回路がインバータとして動作するように、制御回路部９によりパワー半導体素子がスイッチング制御される。これにより、車載バッテリからの直流電力は、電力変換回路により交流電力に変換され、電機子巻線４２に供給される。電機子巻線４２は、回転磁界を発生して界磁巻線５２が発生する直流磁束と協働して、回転子５を回転させる。このとき、界磁巻線５２に流れる界磁電流は、制御回路部９による界磁回路部１３の半導体素子のスイッチング制御により必要に応じて調節される。

回転電機２００の発電機としての動作について説明する。パワー回路部１２の電力変換回路がコンバータとして動作するように、制御回路部９によりパワー半導体素子がスイッチング制御される。これにより、回転している回転子５における界磁巻線５２の直流磁界により電機子巻線４２に発生した交流電力は、電力変換回路により直流電力に変換されて車載バッテリに供給される。このとき、界磁巻線５２に流れる界磁電流は、制御回路部９による界磁回路部１３の半導体素子のスイッチング制御により必要に応じて調節される。

＜回転検出装置１００＞
本願の要部である回転検出装置１００について説明する。回転検出装置１００は、図２に示すように、ブッシュ８３及び回転位置センサ１０を備える。回転位置センサ１０は、回転位置検出部を構成する磁気検出素子９２、及び回転位置被検出部８を備える。回転位置被検出部８は、磁石ホルダ８１、及び磁石８２を備える。回転位置センサ１０は、回転軸３と共に回転する磁石８２から流出した磁束を磁気検出素子９２が検出することで、回転軸３及び回転子５の回転位置を検出する。

回転位置被検出部８は、回転軸３の一方側である電力変換装置側の端部に設けられ、回転位置被検出部８に対向した制御回路基板９１に回転位置検出用の磁気検出素子９２が固定される。本実施の形態では、磁気検出素子９２を制御回路基板９１に固定したがこれに限るものではない。回転位置検出回路を搭載した別の回路基板に磁気検出素子９２を固定して、磁気検出素子９２が固定された回路基板と制御回路基板９１と接続しても構わない。制御回路基板９１に磁気検出素子９２を固定して、制御回路基板９１に回転位置検出回路を搭載することで、磁気検出素子９２が固定された別の回路基板が不要になるため、回転電機２００を小型化でき、低コスト化することができる。また、磁気検出素子９２が固定された回路基板と制御回路基板９１との接続が不要になるため、回転電機２００の生産性を向上させることができる。また、回転電機２００を低コスト化でき、回転電機２００の生産性が向上するので、経済性に優れた回転電機２００を得ることができる。

回転検出装置１００の各構成要素について説明する。ブッシュ８３は、回転軸３における軸方向一方側の端部に設けられ、回転軸３の軸方向一方側の端部から軸方向一方側の方向に延出する。ブッシュ８３は、黄銅または真鍮などの非磁性材料から作製される。ブッシュ８３は、例えば、軸方向に延びる柱状に形成される。本実施の形態では、ブッシュ８３の形状は円柱である。また本実施の形態では、ブッシュ８３は、絶縁樹脂部３４に一体成形されている。絶縁樹脂部３４を回転軸３に固定することで、ブッシュ８３は回転軸３に固定される。ブッシュ８３の回転軸３への固定はこれに限るものではなく、ブッシュ８３を回転軸３へ接着してもよく、双方を嵌め合って固定しても構わない。ブッシュ８３を絶縁樹脂部３４に一体成形することで、絶縁樹脂部３４の回転軸３への固定と同時にブッシュ８３が回転軸３に固定されるので、回転電機２００の組立が容易になり、回転電機２００の生産性を向上させることができる。ブッシュ８３は、外乱磁束による回転検出装置１００の回転位置の検出精度の低下を抑制する部材であり、詳細は後述する。

磁石ホルダ８１は、磁石８２を回転軸３に固定する部材である。磁石ホルダ８１は、ブッシュ８３における軸方向一方側の端部に固定され、ブッシュ８３から軸方向一方側に延出する。磁石ホルダ８１は、鉄などの磁性材料から作製される。磁石８２は、磁石ホルダ８１の軸方向一方側に固定され、回転軸３と一体回転する。磁石８２は、永久磁石である。磁石８２は、樹脂部材８４により磁石ホルダ８１に接着して固定される。磁石８２の磁石ホルダ８１への固定はこれに限るものではなく、磁石ホルダ８１に凹部を設けて双方を嵌め合って固定しても構わない。磁石８２を樹脂部材８４により磁石ホルダ８１に固定することで、固定のための加工が不要になるため、回転電機２００の生産性を向上させることができる。また、固定部材の追加及び固定部材の設置個所が不要になるため、磁気検出素子９２を磁石８２に接近させることができるので、磁気検出素子９２の出力を大きくでき、回転検出装置１００の回転位置の検出精度を向上させることができる。

磁石ホルダ８１は、磁石８２の径方向外側を間隔を空けて取り囲む筒状の周壁部８１ａを有している。周壁部８１ａは、軸方向一方側に延出する。周壁部８１ａの軸方向の高さは、磁石８２の軸方向の高さに一致しない高さに設けられる。本実施の形態では、周壁部８１ａの軸方向の高さは、磁石８２の軸方向の高さよりも低く設けている。磁石８２から流出する磁束に影響を与えにくくするためである。周壁部８１ａは、外乱磁束による回転位置の検出精度の低下をさらに抑制する部分であり、詳細は後述する。

磁石ホルダ８１の軸方向他方側の端部に、軸方向一方側に窪む凹部８１ｂが設けられ、凹部８１ｂにブッシュ８３の軸方向一方側の端部が、締め代をもって嵌合されている。磁石ホルダ８１のブッシュ８３への固定はこれに限るものではなく、双方の間に隙間を設けて接着剤により双方を固定しても構わない。締め代をもって双方を嵌合することで、双方の間に隙間がないので、回転軸３に対する磁石ホルダ８１の位置精度を向上させることができる。磁石ホルダ８１の位置精度が向上するため、磁石８２の位置精度が向上するので、回転検出装置１００の回転位置の検出精度を向上させることができる。

凹部８１ｂの内周面に、図３に示すように、軸方向に延びる溝８１ｂ１が形成されている。本実施の形態では、溝８１ｂ１を凹部８１ｂの内周面に３つ形成しているが、溝８１ｂ１の数はこれに限るものではない。このように構成することで、磁石ホルダ８１とブッシュ８３とが締め代をもって嵌合される際に、磁石ホルダ８１をブッシュ８３の軸方向一方側から容易に圧入することができる。磁石ホルダ８１のブッシュ８３への圧入時に、磁石ホルダ８１に形成した溝８１ｂ１は、磁石ホルダ８１とブッシュ８３の端部との間に拘束される空気の抜け道になる。そのため、磁石ホルダ８１の圧入により圧縮された空気の圧力で磁石ホルダ８１が外れるのを防止することができる。また圧入で磁石ホルダ８１を固定することにより、磁石ホルダ８１及び磁石８２と磁気検出素子９２との相対位置のずれを低減することができるため、回転検出装置１００の検出精度を向上させることできる。

磁気検出素子９２は、磁石８２の軸方向一方側に、磁石８２とは間隔を空けて配置される。磁気検出素子９２は磁電変換素子であり、回転軸３に軸方向に垂直な面内方向の磁束変化にのみ感応して、検出した磁束に対応する電気信号を出力する。磁気検出素子９２は、図２の紙面における左右方向及び奥行き方向には感度を有するが、紙面における上下方向には感度を有さない。磁気検出素子９２は、例えば、ＭＲ素子である。本実施の形態では、磁気検出素子９２に接続された検出回路を制御回路基板９１に搭載する構成としたがこれに限るものではない。磁気検出素子９２と検出回路とが一体化されたチップを、磁石８２に対向した制御回路基板９１の位置に固定しても構わない。磁石８２は、磁石８２が回転軸３と共に回転することで、磁気検出素子９２の感度を有した方向に磁界が変化するように着磁されている。このように磁界が変化する磁石８２の着磁の例には、Ｓ極及びＮ極を各１極ずつ着磁した片面２極着磁、径方向着磁、または両面４極着磁がある。

軸方向に見て、周壁部８１ａの内周面の内側に、磁気検出素子９２が位置している。周壁部８１ａの内径は、磁気検出素子９２の外形寸法より大きくなるように設定されている。このように構成することで、磁気検出素子９２に対して周壁部８１ａの軸方向一方側の端部から流出する外乱磁束の影響が抑制されるので、磁気検出素子９２は磁石８２から流出する磁束を精度よく検出することができる。磁気検出素子９２が磁石８２から流出する磁束を精度よく検出できるので、回転検出装置１００の検出精度を向上させることできる。

＜外乱磁束＞
回転軸３及び回転子５における回転位置の検出精度に関わる外乱磁束について説明する。磁石８２から流出した磁束を磁気検出素子９２が検出することで、回転軸３及び回転子５の回転位置は検出される。そのため、磁石８２から流出した磁束以外の磁束は、磁気検出素子９２の検出対象ではない外乱磁束である。外乱磁束が磁気検出素子９２の感磁方向に加わると、外乱磁束により回転位置の検出精度は低下する。界磁巻線５２の通電に起因した外乱磁束は、回転位置の検出精度を低下させる外乱磁束のひとつである。また、第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３においても回転軸３に対して周方向に環状に通電されるため、第１のスリップリング３２及び第２のスリップリング３３の通電に起因して回転軸３を通過して流出した磁束は、回転位置の検出精度を低下させる外乱磁束になる。このような外乱磁束を抑制することで、外乱磁束による回転位置の検出精度の低下を抑制することができる。

本願の構成における磁石８２の周囲の外乱磁束の説明に先立ち、図５及び図６を用いて比較例について説明する。図５及び図６は比較例の回転電機を説明する断面図で、回転軸３の一方側の周囲を拡大して、磁石８２の周囲の外乱磁束を説明する図である。図５及び図６において、回転軸３を通過して回転軸３の端部から流出する外乱磁束を矢印Ｂで示す。図５及び図６は、ブッシュ８３を設けない構成であり、回転軸３の端部に磁石ホルダ８１を直接取り付けている。磁石ホルダ８１は、周壁部８１ａを有している。なお、図５に設けた磁石ホルダ８１は非磁性体の材料で作製され、図６に設けた磁石ホルダ８１は磁性体の材料で作製されている。

磁石ホルダ８１が非磁性体の場合、磁石ホルダ８１は回転軸３を通過した外乱磁束に影響を与えない。そのため、図５に示すように、回転軸３を通過した外乱磁束は、磁気検出素子９２に向かう。磁気検出素子９２を通過する外乱磁束は、磁気検出素子９２における回転位置の検出精度を低下させる。

磁石ホルダ８１が磁性体の場合、回転軸３を通過して磁石ホルダ８１の内部に流入した外乱磁束は、磁石ホルダ８１の軸方向一方側の端部から外部に流出する。図６における磁石ホルダ８１の軸方向一方側の端部は、周壁部８１ａの端部である。そのため、図６に示すように、外乱磁束は磁気検出素子９２の径方向外側に向かうので、磁気検出素子９２の周囲を通過する外乱磁束を抑制することができる。しかしながら、外乱磁束が大きい場合、磁気検出素子９２の周囲を通過する外乱磁束を十分に抑制することができず、磁気検出素子９２における回転位置の検出精度を十分に向上できないことがある。このような場合、磁石ホルダ８１を径方向に拡大することで、さらに径方向外側に周壁部８１ａが配置されるので、外乱磁束を磁気検出素子９２のさらに径方向外側に誘導することができる。外乱磁束を磁気検出素子９２のさらに径方向外側に誘導できれば、磁気検出素子９２の周囲を通過する外乱磁束を十分に抑制することができるものの、製品の寸法制約上、磁石ホルダ８１の大きさを、十分に外乱磁束が抑制される大きさにすることが困難な場合がある。

本願の構成における磁石８２の周囲の外乱磁束について、図４を用いて説明する。非磁性体からなるブッシュ８３を設けているため、回転軸３を通過した外乱磁束は、ブッシュ８３から外部に流出する外乱磁束と、磁石ホルダ８１の内部に流入する外乱磁束とに分割される。そのため、磁石ホルダ８１の内部に流入する外乱磁束は、図６に示した場合と比較して、減少する。磁石ホルダ８１の内部に流入した外乱磁束は、磁石ホルダ８１の軸方向一方側の端部である周壁部８１ａの端部から外部に流出する。この外部に流出する外乱磁束は、ブッシュ８３において分割された外乱磁束であるため、図６における周壁部８１ａの端部から外部に流出した外乱磁束よりも少ない。少ない外乱磁束が磁気検出素子９２の径方向外側に向かうので、図６と比較して、磁気検出素子９２の周囲を通過する外乱磁束をさらに抑制することができる。磁気検出素子９２の周囲を通過する外乱磁束がさらに抑制されるので、外乱磁束による回転検出装置１００の回転位置の検出精度の低下をさらに抑制することができる。

本実施の形態では、周壁部８１ａを有した磁石ホルダ８１について示したが、磁石ホルダ８１の形状はこれに限るものではない。図７に示すように、磁石ホルダ８１は、周壁部８１ａを有さない構成でも構わない。図７は別の回転電機２００の要部を示す断面図で、図４と同様に磁石８２の周囲の外乱磁束を説明する図である。図４と図７で相違する構成は、磁石ホルダ８１における周壁部８１ａの有無のみである。回転軸３を通過した外乱磁束は、ブッシュ８３から外部に流出する外乱磁束と、磁石ホルダ８１の内部に流入する外乱磁束とに分割される。磁石ホルダ８１の内部に流入した外乱磁束は、磁石ホルダ８１の軸方向一方側の面から外部に流出する。この外部に流出する外乱磁束は、ブッシュ８３において分割された外乱磁束であるため、図５における磁石ホルダ８１の軸方向一方側の面から外部に流出した外乱磁束よりも少ない。また、ブッシュ８３を介しているため、少ない外乱磁束は磁気検出素子９２の径方向外側に向かう。そのため、磁気検出素子９２の周囲を通過する外乱磁束は、図６と比較して、抑制することができる。磁気検出素子９２の周囲を通過する外乱磁束が抑制されるので、外乱磁束による回転位置の検出精度の低下を抑制することができる。なお、周壁部８１ａを有さないため、回転軸３の中心を通過した外乱磁束（図７における破線矢印）は磁気検出素子９２に向かうことになる。しかし磁気検出素子９２の感磁方向ではない、紙面における上下方向の磁束であるため、回転検出装置１００の回転位置の検出精度には影響を与えない。

上述した回転検出装置１００を、図１に示した回転電機２００に適用した場合、界磁巻線５２、第１のスリップリング３２、及び第２のスリップリング３３への通電に起因した外乱磁束による回転検出装置１００の回転位置の検出精度の低下を抑制することができる。外乱磁束による回転位置の検出精度の低下が抑制されるので、回転電機２００の発電効率または駆動効率を向上させることができる。回転電機２００の発電効率または駆動効率を向上させるために、回転検出装置１００以外の追加の部材が不要であるため、回転電機２００の生産性を向上させることができる。回転電機２００の発電効率または駆動効率が向上し、回転電機２００の生産性が向上するので、高効率で経済性に優れた回転電機２００を得ることができる。

以上のように、実施の形態１による回転検出装置１００において、磁性材料からなり、磁束が軸方向に通る回転軸３における軸方向一方側の端部に設けられ、回転軸３の軸方向一方側の端部から軸方向一方側に延出し、非磁性材料からなるブッシュ８３と、ブッシュ８３における軸方向一方側の端部に固定され、ブッシュ８３から軸方向一方側に延出し、磁性材料からなる磁石ホルダ８１と、磁石ホルダ８１の軸方向一方側に固定され、回転軸３と一体回転する磁石８２と、磁石８２の軸方向一方側に、磁石８２とは間隔を空けて配置された磁気検出素子９２とを備え、回転軸３と磁石ホルダ８１とは、ブッシュ８３を介して軸方向に離間して設けられたため、磁石ホルダ８１の軸方向一方側から外部に流出する外乱磁束は、ブッシュ８３において分割された外乱磁束であると共に、分割された外乱磁束は磁気検出素子９２の径方向外側に向かうため、磁気検出素子９２を通過する外乱磁束が抑制されるので、外乱磁束による回転検出装置１００の回転位置の検出精度の低下を抑制することができる。

磁石ホルダ８１が磁石８２の径方向外側を間隔を空けて取り囲む筒状の周壁部８１ａを有している場合、磁石ホルダ８１の内部に流入した外乱磁束は、磁石ホルダ８１の軸方向一方側の端部である周壁部８１ａの端部から外部に流出するため、磁気検出素子９２の周囲を通過する外乱磁束をさらに抑制することができるので、外乱磁束による回転検出装置１００の回転位置の検出精度の低下をさらに抑制することができる。

軸方向に見て、周壁部８１ａの内周面の内側に、磁気検出素子９２が位置している場合、磁気検出素子９２に対して周壁部８１ａの軸方向一方側の端部から流出する外乱磁束の影響が抑制されるので、磁気検出素子９２は磁石８２から流出する磁束を精度よく検出することができる。また、磁石ホルダ８１の軸方向他方側の端部に、軸方向一方側に窪む凹部８１ｂが設けられ、凹部８１ｂにブッシュ８３の軸方向一方側の端部が、締め代をもって嵌合されている場合、回転軸３に対する磁石ホルダ８１の位置精度を向上させることができるため、磁石８２の位置精度が向上するので、回転検出装置１００の回転位置の検出精度を向上させることができる。

凹部８１ｂの内周面に、軸方向に延びる溝８１ｂ１が形成されている場合、磁石ホルダ８１とブッシュ８３とが締め代をもって嵌合される際に、磁石ホルダ８１をブッシュ８３の軸方向一方側から容易に圧入することができる。また、磁石８２が、樹脂部材８４により磁石ホルダ８１に固定されている場合、磁石８２を固定する固定部材の追加及び固定部材の設置個所が不要なため、磁気検出素子９２を磁石８２に接近させることができるので、磁気検出素子９２の出力を大きくでき、回転検出装置１００の回転位置の検出精度を向上させることができる。

実施の形態１による回転電機２００において、本願に開示した回転検出装置１００と、回転軸３と、界磁巻線５２及び界磁巻線５２が巻装された界磁鉄心５１を有し、回転軸３と一体回転する回転子５と、回転子５の径方向外側に配置され、電機子巻線４２が巻装された固定子鉄心４１を有した固定子４と、回転子５及び固定子４の外側を覆うと共に転がり軸受１１、２１を介して回転軸３の一端側及び他端側を保持したブラケットと、ブラケットから軸方向一方側に突出した回転軸３の部分の外周面を取り囲む筒状の絶縁樹脂部３４と、絶縁樹脂部３４の外周面に設けられ、界磁巻線５２に接続された一対のスリップリングと、一対のスリップリングのそれぞれを摺設して、界磁巻線５２に界磁電流を供給する一対のブラシとを備えたため、界磁巻線５２及び一対のスリップリングへの通電に起因した外乱磁束による回転検出装置１００の回転位置の検出精度の低下を抑制することができる。また、外乱磁束による回転検出装置１００の回転位置の検出精度の低下が抑制されるため、回転電機２００の発電効率または駆動効率が向上し、回転電機２００の発電効率または駆動効率を向上させるための、回転検出装置１００以外の追加の部材が不要であるため、高効率で経済性に優れた回転電機２００を得ることができる。

ブッシュ８３が、絶縁樹脂部３４に一体成形されている場合、絶縁樹脂部３４の回転軸３への固定と同時にブッシュ８３が回転軸３に固定されるので、回転電機２００の組立が容易になり、回転電機２００の生産性を向上させることができる。また、磁気検出素子９２が、制御回路基板９１に固定されている場合、磁気検出素子９２が固定された別の回路基板が不要になるため、回転電機２００を小型化でき、低コスト化することができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る回転検出装置１００について説明する。図８は実施の形態２に係る回転電機２００の要部を示す断面図で、回転軸３の一方側の周囲を拡大して示した図である。実施の形態２に係る回転検出装置１００は、磁石８２の固定方法が実施の形態１とは異なる構成になっている。

磁石８２と磁石ホルダ８１とは、絶縁樹脂部材８５によりモールドされ、一体化されている。磁石８２と磁石ホルダ８１とが一体化された状態で、磁石ホルダ８１はブッシュ８３に嵌合される。磁石８２を磁石ホルダ８１に樹脂部材などにより接着して固定する場合、樹脂部材が硬化する時間が回転検出装置１００の製造工程において必要であった。このように構成することで、回転検出装置１００の製造工程において樹脂部材の硬化する時間が不要になるため、回転検出装置１００の生産性を向上させることができる。回転検出装置１００を回転電機２００に用いる場合、回転電機２００の生産性を向上させることができる。

また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ フロントブラケット、１１ 転がり軸受、２ リヤブラケット、２１ 転がり軸受、３ 回転軸、３１ プーリ、３２ 第１のスリップリング、３３ 第２のスリップリング、３４ 絶縁樹脂部、４ 固定子、４１ 固定子鉄心、４２ 電機子巻線、５ 回転子、５１ 界磁鉄心、５２ 界磁巻線、５３ 冷却ファン、６１ 第１のブラシ、６２ 第２のブラシ、６３ ブラシホルダ、６４ スプリング、７ 筐体、８ 回転位置被検出部、８１ 磁石ホルダ、８１ａ 周壁部、８１ｂ 凹部、８１ｂ１ 溝、８２ 磁石、８３ ブッシュ、８４ 樹脂部材、８５ 絶縁樹脂部材、９ 制御回路部、９１ 制御回路基板、９２ 磁気検出素子、９３ ケース、１０ 回転位置センサ、１２ パワー回路部、１３ 界磁回路部、１００ 回転検出装置、２００ 回転電機、３００ 電力変換装置

本願に開示される回転検出装置は、磁束が軸方向に通り磁性材料からなる回転軸における、軸方向一方側の端部に設けられ、回転軸の軸方向一方側の端部から延出し、非磁性材料からなるブッシュと、ブッシュにおける軸方向一方側の端部に固定され、ブッシュから軸方向一方側に延出された磁性材料からなる磁石ホルダと、磁石ホルダの軸方向一方側に固定され、回転軸と一体回転する磁石と、磁石の軸方向一方側に、磁石とは間隔を空けて配置された磁気検出素子とを備え、回転軸と磁石ホルダとは、ブッシュを介して軸方向に離間して設けられ、磁石ホルダは、磁石の径方向外側の全ての部分に対して間隔を空けて取り囲む筒状の周壁部を有しているものである。

Claims (10)

1. 磁束が軸方向に通り磁性材料からなる回転軸における、軸方向一方側の端部に設けられ、前記回転軸の軸方向一方側の端部から延出し、非磁性材料からなるブッシュと、
   前記ブッシュにおける軸方向一方側の端部に固定され、前記ブッシュから軸方向一方側に延出された磁性材料からなる磁石ホルダと、
   前記磁石ホルダの軸方向一方側に固定され、前記回転軸と一体回転する磁石と、
   前記磁石の軸方向一方側に、前記磁石とは間隔を空けて配置された磁気検出素子と、を備え、
   前記回転軸と前記磁石ホルダとは、前記ブッシュを介して軸方向に離間して設けられた回転検出装置。
2. 前記磁石ホルダは、前記磁石の径方向外側を間隔を空けて取り囲む筒状の周壁部を有している請求項１に記載の回転検出装置。
3. 軸方向に見て、前記周壁部の内周面の内側に、前記磁気検出素子が位置している請求項２に記載の回転検出装置。
4. 前記ブッシュは、軸方向に延びる柱状に形成され、
   前記磁石ホルダの軸方向他方側の端部に、軸方向一方側に窪む凹部が設けられ、前記凹部に前記ブッシュの軸方向一方側の端部が、締め代をもって嵌合されている請求項１から３のいずれか１項に記載の回転検出装置。
5. 前記凹部の内周面に、軸方向に延びる溝が形成されている請求項４に記載の回転検出装置。
6. 前記磁石と前記磁石ホルダとは、絶縁樹脂部材によりモールドされ、一体化されている請求項１から５のいずれか１項に記載の回転検出装置。
7. 前記磁石は、樹脂部材により前記磁石ホルダに固定されている請求項１から５のいずれか１項に記載の回転検出装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載した回転検出装置と、
   前記回転軸と、
   界磁巻線及び前記界磁巻線が巻装された界磁鉄心を有し、前記回転軸と一体回転する回転子と、
   前記回転子の径方向外側に配置され、電機子巻線が巻装された固定子鉄心を有した固定子と、
   前記回転子及び前記固定子の外側を覆うと共に転がり軸受を介して前記回転軸の一端側及び他端側を保持したブラケットと、
   前記ブラケットから軸方向一方側に突出した前記回転軸の部分の外周面を取り囲む筒状の絶縁樹脂部と、
   前記絶縁樹脂部の外周面に設けられ、前記界磁巻線に接続された一対のスリップリングと、
   一対の前記スリップリングのそれぞれを摺設して、前記界磁巻線に界磁電流を供給する一対のブラシと、を備えた回転電機。
9. 前記ブッシュは、前記絶縁樹脂部に一体成形されている請求項８に記載の回転電機。
10. 前記電機子巻線への供給電流をオンオフするパワー半導体素子を有したパワー回路部と、前記界磁巻線への供給電流をオンオフする半導体素子を有した界磁回路部と、制御回路基板を有し、前記パワー回路部及び前記界磁回路部を制御する制御回路部と、を設け、前記ブラケットの軸方向の一方側に配置され、前記ブラケットに固定された電力変換装置を備え、
    前記磁気検出素子は、前記制御回路基板に固定されている請求項８または９に記載の回転電機。

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