JP5861660B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

永久磁石界磁としての回転子が有する永久磁石の材料となる希少な希土類元素の使用量を低減するため、磁極の半数を軟磁性極から構成した所謂コンシクエントポール型の回転子が特許文献１に開示されている。回転子鉄心および固定子鉄心は、トルクを発生させるための主の磁気回路を形成している。この種の回転子を備えるモータの場合、回転子の永久磁石から発せられた磁束が主の磁気回路外に漏れやすいことが知られている。特許文献１には、漏れ磁束を少なくするための設計手法として、有底筒状ケースの底部の中心部と回転子鉄心との間の空隙の軸方向距離を、固定子鉄心と回転子の軟磁性極との間の空隙の径方向距離の等倍以上であり且つ１０倍以下とすることが開示されている。

特開２０１２−５２５２号公報

近年、磁気変調型の回転位置検出器であるレゾルバに替えて、例えば磁気抵抗素子を有するＭＲセンサなどの半導体式磁気センサと、検出信号の発生源としての検出用磁石とを用いた簡素な回転位置検出手段が例えばブラシレスモータ等の制御に採用されつつある。このような回転位置検出手段を採用するとき問題となるのは、モータの回転軸の延長上に半導体磁気センサを設けると、モータの漏れ磁束が半導体磁気センサに外乱磁界として作用し、位置検出の精度が低下することである。この問題の解決策として、特許文献１に開示されているように有底筒状ケースの底部と回転子鉄心との間の空隙を設定することによって、ケースから半導体磁気センサに向かう漏れ磁束を少なくしようとすることが有効であるように思われる。

ところが、発明者等が実験したところ、有底筒状ケースの底部と回転子鉄心との間の空隙が小さすぎる場合、当該空隙の磁気抵抗が低くなりケース内を流れる漏れ磁束が増大することに起因してケースの底部の中心部が磁気飽和する結果、ケースから半導体磁気センサに向かう漏れ磁束がかえって増加することが判明した。このようにケースの底部の中心部が磁気飽和するのは、複数の永久磁石から発せられてケースの筒部を軸方向に流れてきた磁束がケースの底部を放射状に流れ、中心部で集合するからである。ケースの底部の中心部は、ケースの筒部と比べて磁気通路の断面積が減少するため、磁気飽和しやすいのである。

これに対し、例えばケースの底部を、当該底部の中心部に向かうほど板厚が増すようにプレス加工することができれば、磁気飽和を抑制可能である。しかしこのようなプレス加工は難しく、また経済的ではない。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体式磁気センサの検出精度の低下を抑制可能な回転電機を提供することである。

本発明による回転電機は、回転軸と、回転軸に固定されている回転子鉄心と、回転子鉄心から放射状に突き出している複数の軟磁性極と、各軟磁性極間に設けられている複数の磁石極と、軟磁性極および磁石極に対し径方向外側に設けられている固定子と、固定子の外周面に嵌められている筒部を有するケースと、回転軸を支持している軸受と、軟磁性極および磁石極の回転位置を検出するために用いられる磁界を発生させる検出用磁石とを備えている。ケースは、筒部の一端から径方向内側に延びている環状板部、環状板部の内周端から回転子鉄心側に突き出している突出部、および、突出部の内周端から回転子鉄心とは反対側に延びている筒状の軸受保持部を有する。軸受は、ケースの軸受保持部の内側に嵌められている。検出用磁石は、回転軸のうち軸受に対し回転子鉄心とは反対側の端部に設けられている。

ここで、ケースの環状板部の板厚をｔとする。また、ケースの環状板部のうち固定子側の側面と、ケースの突出部のうち回転子鉄心側の突出端との軸方向距離をＬ１とする。また、ケースの環状板部のうち固定子側の側面と、軸受のうち回転子鉄心とは反対側の端面との軸方向距離をＬ２とする。特に本発明は、Ｌ２≧ｔであり、Ｌ１≧Ｌ２であることを特徴とする。また、ケースの環状板部のうち回転子鉄心とは反対側の側面は、軸受のうち回転子鉄心とは反対側の端面よりも回転子鉄心側に位置する。

このように構成すれば、ケースの突出部を回転子鉄心から適度に離しつつ、軸受およびそれを保持するケースの軸受保持部を検出用磁石から適度に離すことができる。ケースの突出部を回転子鉄心から適度に離すことにより、ケースの突出部の磁気飽和を抑制し、ケースから半導体磁気センサに向かう漏れ磁束を少なくすることができる。また、軸受等を検出用磁石から適度に離すことにより、軸受等に誘導される漏れ磁束が半導体磁気センサに外乱磁界として作用するのを抑制することができる。したがって、半導体磁気センサの検出精度の低下を抑制可能である。

本発明の一実施形態によるモータが適用された駆動装置を示す図である。 図１のモータのＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図２の矢印ＩＩＩ部分の拡大図である。 本発明の他の実施形態によるモータのケースを示す断面図であって、ケースの円筒部が段付状であることを示す図である。 本発明の他の実施形態によるモータのケースを示す断面図であって、ケースの円筒部の端部がテーパ状であることを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による「回転電機」としてのモータが適用された駆動装置を図１に示す。駆動装置５は、車両用電動パワーステアリングの動力源として用いられる。先ず、駆動装置５の概略構成を図１および図２に基づき説明する。駆動装置５は、モータ１０と、モータ１０を制御する制御装置７０とが一体に設けられた機電一体型駆動装置である。

モータ１０は、３相ブラシレスモータであり、ケース２０、カバー３０、軸受２６、軸受３１、回転軸３５、回転子４０、固定子５０および回転位置検出手段６０を備えている。
ケース２０は、軟磁性材料からなる板材のプレス成形品であり、円筒部２１と、円筒部２１の一端を塞ぐ底部２２とから構成されている。底部２２は、円筒部２１の一端から径方向内側に延びている環状板部２３、環状板部２３の内周端８８から円筒部２１内に突き出している突出部２４、および、突出部２４の内周端から円筒部２１内とは反対側に延びている筒状の軸受保持部２５を有している。軸受２６は、ケース２０の軸受保持部２５の内側に嵌められている。

カバー３０は、軟磁性材料からなる板材のプレス成形品であり、ケース２０の円筒部２１の他端を塞ぐように設けられている。カバー３０の中央には軸受３１が設けられている。
回転軸３５は、軸受２６および軸受３１により回転可能に支持されている。

回転子４０は、モータ１０の永久磁石界磁であって、回転子鉄心４１、複数の軟磁性極４２、複数の磁石極４３、および薄肉カバー４４から構成されている。回転子鉄心４１は回転軸３５に固定されている。各軟磁性極４２は、回転子鉄心４１から放射状に突き出している。本実施形態では、回転子鉄心４１および軟磁性極４２は同一部材から構成されている。磁石極４３は、永久磁石から構成され、各軟磁性極４２間に設けられている。各磁石極４３は、着磁方向が径方向と一致し、全て同じ極性が径方向外側に位置するように設けられている。薄肉カバー４４は、非磁性材料から構成され、磁石極４３の飛散防止のために各磁極の径方向外側に嵌めつけられている。

回転子４０は、磁石極４３と軟磁性極４２とが回転方向に交互に並ぶように設けられたコンシクエントポール型の回転子である。本実施形態では、回転子４０の磁極は１０個であり、磁石極４３と軟磁性極４２とは径方向において回転軸３５を挟み対向している。

固定子５０は、モータ１０の電機子であって、回転子４０に対して径方向外側に設けられている。モータ１０は、インナーロータ型のモータである。固定子５０は、固定子鉄心５１および巻線５４を有している。固定子鉄心５１は、ケース２０の円筒部２１の内側に嵌めつけられている円筒状のヨーク５２と、ヨーク５２から径方向内側に向かって放射状に延びている複数のティース５３とから構成されている。巻線５４は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線から構成されている。各巻線５４は、各ティース５３間のスロットに巻回されている。本実施形態では、巻線５４は全節巻きで巻回されている。巻線５４は、図示しない電源ケーブルを介して外部の電源に電気的に接続される。なお、図２には巻線５４の図示を省略している。

回転位置検出手段６０は、回転子４０の磁極の回転位置を検出するものであり、検出用磁石６１および半導体磁気センサ６２から構成されている。検出用磁石６１は、回転軸３５のうち軸受２６に対して回転子鉄心４１とは反対側の端部３６に保持部材６３を介して固定され、回転位置検出用の磁界を発生させる。本実施形態では、検出用磁石６１は、円柱型であり、着磁方向が径方向と一致している。

半導体磁気センサ６２は、検出用磁石６１に対し軸受２６とは反対側に位置し、回転軸心上に設けられ、制御基板６４に実装されている。本実施形態では、半導体磁気センサ６２は、感磁面と平行な磁界に感応する磁気抵抗素子を有している。この磁気抵抗素子は、回転軸３５の回転に伴い変化する内部抵抗の大きさに応じた信号を出力する。半導体磁気センサ６２は、磁気抵抗素子が出力する信号に基づき回転子４０の磁極の回転位置を求め、その結果を制御装置７０に出力する。

制御装置７０は、カバー７１および主回路基板７２を備えている。カバー７１は、有底筒状に形成され、開口部がケース２０の底部２２に固定されている。主回路基板７２は、制御基板６４と共にスタッド７３によりケース２０の底部２２に固定されている。主回路基板７２は、半導体磁気センサ６２から入力される信号に応じて、すなわち回転子４０の磁極の回転位置に応じて各相の巻線５４の通電を順次切り替えることにより、回転軸心まわりに回転する回転磁界を発生させる。回転子４０は、上記回転磁界に引っ張られて回転する。

次に、モータ１０の特徴構成を図１〜図３に基づき説明する。
回転子４０の磁石極４３が発する磁束の一部は、固定子鉄心５１を通過してケース２０の円筒部２１に漏れた後、軸方向の両側に分離して流れる。このとき、磁束は、周方向位置が磁石極４３の中央に近い箇所を流れる場合には軸方向に沿って比較的真っ直ぐに流れ、周方向位置が磁石極４３の中央から遠い箇所を流れる場合には軸方向に対して交差するように軟磁性極４２側に偏向しながら流れる。そして環状板部２３に到達した磁束は、周方向に多少の疎密分布を持ちながら突出部２４に向かって放射状に流れて集合していき、突出部２４の突出端８１と回転子鉄心４１との間の空隙８２を経由して回転子鉄心４１に流れる。ケース２０の円筒部２１、環状板部２３および突出部２４は、トルク発生のための主の磁気回路外へ漏れた磁束が回転子４０に帰還するときの帰還磁路を形成し、回転子４０と半導体磁気センサ６２との間に設けられた磁気シールドとして機能している。

ここで、ケース２０の底部２２の板厚をｔとする。また、ケース２０の環状板部２３のうち固定子鉄心５１側の側面８３と、ケース２０の突出部２４のうち回転子鉄心４１側の突出端８１との軸方向距離をＬ１とする。また、ケース２０の環状板部２３の側面８３と、軸受２６のうち回転子鉄心４１とは反対側の端面８４との軸方向距離をＬ２とする。本実施形態では、Ｌ２≧ｔ、および、Ｌ１≧Ｌ２が成り立つように各部の寸法が設定されている。このように寸法を設定することによって、ケース２０の突出部２４を回転子鉄心４１から適度に離しつつ、軸受２６およびケース２０の軸受保持部２５を検出用磁石６１から適度に離すことができる。

ケース２０の突出部２４と回転子鉄心４１とが近すぎると、空隙８２の磁気抵抗が低くなりケース２０内を流れる漏れ磁束が増大する。ケース２０内を流れる漏れ磁束が増大すると、固定子５０の巻線５４への鎖交磁束が低減してモータ１０の性能が低下するばかりか、ケース２０の底部２２が磁気飽和して半導体磁気センサ６２に向かう漏れ磁束が増加する。半導体磁気センサ６２に向かう漏れ磁束が増加すると、半導体磁気センサ６２による位置検出の精度が低下するおそれがある。

一方、軸受２６およびケース２０の軸受保持部２５と検出用磁石６１とが近すぎると、軸受２６等に誘導される磁束が、検出用磁石６１が形成する位置検出用の磁界と混在することになり、半導体磁気センサ６２による位置検出の精度が低下するおそれがある。
Ｌ２≧ｔ、および、Ｌ１≧Ｌ２という寸法設定は、ケース２０の突出部２４と回転子鉄心４１とが近すぎることに起因する位置検出精度の低下を抑制すること、および、軸受２６およびケース２０の軸受保持部２５と検出用磁石６１とが近すぎること起因する位置検出精度の低下を抑制することを両立させている。

ケース２０の突出部２４の突出端８１から軸受２６の端面８４までの軸方向距離が１０ｍｍである場合、例えばＬ１＝７ｍｍ、Ｌ２＝３ｍｍと設定することでＬ１≧Ｌ２が成り立つ。また、ｔ＝２ｍｍと設定することでＬ２≧ｔが成り立つ。

ケース２０の磁気飽和をより効果的に回避するには、ケース２０の底部２２の磁路断面積を適切に設定する必要がある。本実施形態では、ヨーク５２の外径をＤ０とし、ヨーク５２の平均径をＤ１とし、ヨーク５２の径方向厚みをＡとすると、ｔ≧（Ｄ１×Ａ）／（２×Ｄ０）が成り立つようにケース２０の底部２２の板厚ｔが設定されている。平均径Ｄ１は、ヨーク５２の外径Ｄ０と内径との和を２で割った値である。このように寸法を設定することによって、固定子鉄心５１外へ出る漏れ磁束の９０％以上を帰還磁路に吸収できることが発明者等の研究で明らかとなった。

例えば固定子５０のヨーク５２の外径Ｄ０が８０ｍｍである場合、ケース２０の底部２２のうちヨーク５２の外周面と同じ位置での磁路断面積は（８０π×ｔ）となる。ヨーク５２の平均径Ｄ１が７６ｍｍであり、ヨーク５２の径方向厚みＡが４ｍｍである場合、例えばｔ＝２と設定することで、ｔ≧（Ｄ１×Ａ）／（２×Ｄ０）＝１．９が成り立つ。

ここで、回転子鉄心４１および固定子鉄心５１等が形成する主の磁気回路のうち、軟磁性極４２および磁石極４３とティース５３との間の空隙８５の径方向の最短距離δが大きいほど、また帰還磁路の磁路断面積の大きさを表すケース２０の底部２２の板厚ｔが大きいほど、主の磁気回路から漏れる磁束が多くなる。その場合、帰還磁路の磁気抵抗を小さくして漏れ磁束を帰還しやすくすることが肝要であるが、帰還磁路の磁気抵抗を小さくしすぎると主の磁気回路から漏れる磁束がかえって増加することが発明者等の研究で明らかとなった。

これに対し、本実施形態では、ケース２０の突出部２４の突出端８１と回転子鉄心４１との軸方向距離をＬ３とすると、Ｌ３≧３／（δ×ｔ）が成り立つように軸方向距離Ｌ３が設定されている。このように軸方向距離Ｌ３の下限値を設けることによって、主の磁気回路から漏れる磁束の増加を抑制している。
例えば最短距離δが０．７ｍｍであり、底部２２の板厚ｔが２ｍｍである場合、Ｌ３＝２．１ｍｍ以上と設定することで、Ｌ３≧３／（δ×ｔ）が成り立つ。

軸受２６等が誘導する磁束が半導体磁気センサ６２に外乱として作用することをより効果的に回避するため、本実施形態では、ケース２０の環状板部２３の内周端８８と、検出用磁石６１の端面の中心６５とを結ぶ仮想的な直線を仮想直線８６とすると、ケース２０の軸受保持部２５および軸受２６は、仮想直線８６に対して回転子４０側に収まるように設けられている。これにより、軸方向距離Ｌ３を必要以上に大きくすることを回避し、モータ１０の大型化を回避することができる。

さらに、軟磁性極４２のうち径方向外側に位置する面である外側面８７は、径方向外側に向かって凸となる円弧状の曲面であり、外側面８７とティース５３との間の空隙８５の径方向距離は、外側面８７のうち周方向中央で最も小さくなる。このように設定することによって、主の磁気回路の出力特性が向上するのみならず、振動の要因であるコギングトルクやトルクリップル特性も適正化することができる。

以上説明したように、本実施形態によるモータ１０では、Ｌ２≧ｔ、および、Ｌ１≧Ｌ２が成り立つように各部の寸法が設定されている。このように寸法を設定することによって、ケース２０の突出部２４を回転子鉄心４１から適度に離しつつ、軸受２６およびケース２０の軸受保持部２５を検出用磁石６１から適度に離すことができる。そのため、ケース２０の突出部２４と回転子鉄心４１とが近すぎること起因して位置検出精度が低下すること、および、軸受２６およびケース２０の軸受保持部２５と検出用磁石６１とが近すぎること起因して位置検出精度が低下することの両方を解決することができる。

また、本実施形態では、ｔ≧（Ｄ１×Ａ）／（２×Ｄ０）が成り立つようにケース２０の底部２２の板厚ｔが設定されている。このように寸法を設定することによって、ケース２０の磁気飽和をより効果的に回避することができる。

また、本実施形態では、Ｌ３≧３／（δ×ｔ）が成り立つように軸方向距離Ｌ３が設定されている。このように軸方向距離Ｌ３の下限値を設けることによって、帰還磁路へ漏れる磁束の増加を抑制している。

また、本実施形態では、ケース２０の軸受保持部２５および軸受２６は、仮想直線８６に対して回転子４０側に収まるように設けられている。そのため、モータ１０の大型化を回避するとともに、軸受２６等が誘導する磁束が半導体磁気センサ６２に外乱として作用することをより効果的に回避することができる。

また、本実施形態では、ケース２０の円筒部２１、環状板部２３、突出部２４、および軸受保持部２５は、同一部材により構成されている。したがって、磁気シールドを構成するケース２０を一体の深絞り加工により製作することができるため、寸法精度の向上や工数低減を達成することができる。
特に、深絞り加工したケース２０の底部２２に制御装置７０を一体に搭載する構造の駆動装置５において、磁気シールドの性能の向上と、装置の大型化の回避とを両立することができる。

（他の実施形態）
本発明の他の実施形態では、図４に示すようにケース９０の円筒部９１は段付状であってもよいし、また図５に示すようにケース９５の円筒部９６の端部がテーパ状であってもよい。いずれの場合も磁路断面積は板厚ｔで決定することができる。

本発明の他の実施形態では、半導体磁気センサは、磁気抵抗素子以外の例えばホール素子などを備えていてもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子の磁極数は、１０個以外であってもよい。また、固定子のスロット数は６０個以外であってもよい。
本発明の他の実施形態では、固定子の巻線は、全節巻きに限らず、例えば短節巻き、波巻き、重ね巻きなどの他の方法で巻かれていてもよい。

本発明の他の実施形態では、ケースは、プレス成形品に限らず、例えば鋳造品などであってもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子鉄心および固定子鉄心は、例えば電磁鋼板の積層体から構成されてもよい。
本発明の他の実施形態では、モータは、車両用電動パワーステアリング以外の装置に設けられてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０・・・モータ（回転電機） ２０・・・ケース
２１・・・円筒部（筒部） ２３・・・環状板部
２４・・・突出部 ２５・・・軸受保持部
２６・・・軸受 ３５・・・回転軸
３６・・・端部 ４１・・・回転子鉄心
４２・・・軟磁性極 ４３・・・磁石極
５０・・・固定子 ６１・・・検出用磁石
８１・・・突出端 ８３・・・側面
８４・・・端面 ８８・・・内周端

Claims (7)

1. 回転軸（３５）と、
   前記回転軸に固定されている回転子鉄心（４１）と、
   前記回転子鉄心から放射状に突き出している複数の軟磁性極（４２）と、
   各前記軟磁性極間に設けられている複数の磁石極（４３）と、
   前記軟磁性極および前記磁石極に対し径方向外側に設けられている固定子（５０）と、
   前記固定子の外周面に嵌められている筒部（２１）、前記筒部の一端から径方向内側に延びている環状板部（２３）、前記環状板部の内周端（８８）から前記回転子鉄心側に突き出している突出部（２４）、および、前記突出部の内周端から前記回転子鉄心とは反対側に延びている筒状の軸受保持部（２５）を有するケース（２０）と、
   前記ケースの前記軸受保持部の内側に嵌められ、前記回転軸を支持している軸受（２６）と、
   前記回転軸のうち前記軸受に対し前記回転子鉄心とは反対側の端部（３６）に設けられ、前記軟磁性極および前記磁石極の回転位置を検出するために用いられる磁界を発生させる検出用磁石（６１）と、
   を備え、
   前記ケースの前記環状板部の板厚をｔとし、
   前記ケースの前記環状板部のうち前記固定子側の側面（８３）と、前記ケースの前記突出部のうち前記回転子鉄心側の突出端（８１）との軸方向距離をＬ１とし、
   前記ケースの前記環状板部の前記側面と、前記軸受のうち前記回転子鉄心とは反対側の端面（８４）との軸方向距離をＬ２とすると、
   Ｌ２≧ｔかつＬ１≧Ｌ２であり、
   前記ケースの前記環状板部のうち前記回転子鉄心とは反対側の側面は、前記軸受のうち前記回転子鉄心とは反対側の前記端面よりも前記回転子鉄心側に位置することを特徴とする回転電機（１０）。
2. 前記固定子は、前記ケースの前記筒部の内側に嵌められている筒状のヨーク（５２）、および、前記ヨークから径方向内側に放射状に延びている複数のティース（５３）を有し、
   前記ヨークの最大外径をＤ０とし、前記ヨークの平均径をＤ１とし、前記ヨークの径方向厚みをＡとすると、
   ｔ≧（Ｄ１×Ａ）／（２×Ｄ０）であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記軟磁性極および前記磁石極と前記ティースとの間の空隙（８５）の径方向の最短距離をδとし、
   前記ケースの前記突出部の前記突出端と、前記回転子鉄心との間の空隙（８２）の軸方向距離をＬ３とすると、
   Ｌ３≧３／（δ×ｔ）であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記ケースの前記環状板部の前記内周端と、前記検出用磁石のうち前記回転子鉄心とは反対側の端面の中心（６５）とを結ぶ仮想的な直線を仮想直線（８６）とすると、
   前記ケースの前記軸受保持部および前記軸受は、前記仮想直線に対して前記検出用磁石とは反対側に位置していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記ケースの前記筒部、前記環状板部、前記突出部、および、前記軸受保持部は、同一部材により構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記軟磁性極のうち径方向外側に位置する面である外側面（８７）は、径方向外側に向かって凸となる円弧状の曲面であり、
   前記外側面と前記固定子との間の空隙（８５）の径方向距離は、前記外側面のうち周方向中央で最も小さくなることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転電機と、
   軸方向において前記検出用磁石と対向する半導体磁気センサ（６２）が実装されている回路基板（７２）を備え、前記ケースの前記環状板部に搭載されている制御装置（７０）と、
   を備えることを特徴とする駆動装置（５）。

Images