JP2009171674A - 永久磁石型回転電機の回転子、および永久磁石型回転電機の回転子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転センサ部材を設けることなく、起動時や低速時における回転子の位置検出も可能となる回転電機の回転子を、容易に製造する。
【解決手段】回転軸と、回転子鉄心２と、回転子鉄心２の外周面または内周面に配設された複数の永久磁石３とを備えた永久磁石型回転電機の回転子であって、複数の永久磁石３の周囲を取り囲むように構成され、回転電機の回転角度に応じて流れる誘導電流によって作られるインダクタンスに差が生ずる単数ないし複数の導通回路５をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子鉄心に永久磁石を備え、整流子を用いずに回転する永久磁石型回転電機の回転子、およびその製造方法に関する。

回転子鉄心に永久磁石を備え、整流子を用いずに駆動する方式の回転電機として、回転子あるいは制御基板側に位置センサを取り付ける回転電機（以下、センサ付回転電機と呼ぶ）がある。このセンサ付回転電機のセンサとしては、レゾルバ（例えば、特許文献１）、ホール素子（例えば、特許文献２）などが適用されている。

また、回転センサを設けない回転電機（以下、センサレス回転電機と呼ぶ）としては、発生する誘起電圧波形を読み取る方式（例えば、特許文献３）がある。

特開２００２−３１５３８２号公報 特開２００３−２７４６２３号公報 特開２００５−２２４０４８号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
特許文献１のようにレゾルバを用いる場合には、高コストとなり、また、回転子が重くなるため、イナーシャが大きくなる等の問題がある。特許文献２のようにホール素子を用いる場合には、検出精度を上げるためにセンサ用の永久磁石を設ける必要があり、さらに高コストとなる等の問題がある。

また、特許文献３では、誘起電圧が回転中でしか発生しないため、起動時や低速運転時の位置検出が困難になるといった問題がある。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、簡単で安価な構成により、起動時や低速時も含めた回転子の位置検出を行うことのできる永久磁石型回転電機の回転子、およびその製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係る永久磁石型回転電機の回転子は、回転軸と、回転子鉄心と、回転子鉄心の外周面または内周面に配設された複数の永久磁石とを備えた永久磁石型回転電機の回転子であって、複数の永久磁石の周囲を取り囲むように構成され、回転電機の回転角度に応じて流れる誘導電流によって作られるインダクタンスに差が生ずる単数ないし複数の導通回路をさらに備えたものである。

また、本発明に係る永久磁石型回転電機の回転子の製造方法は、回転軸と、回転子鉄心と、回転子鉄心の外周面または内周面に配設された複数の永久磁石とを備え、複数の永久磁石の周囲を取り囲むように構成され、回転電機の回転角度に応じて流れる誘導電流によって作られるインダクタンスに差が生ずる単数ないし複数の導通回路をさらに備えた永久磁石型回転電機の回転子の製造方法であって、永久磁石を１回ないし複数回回転させて永久磁石周りに電線を巻き付けることにより、導通回路を形成する工程を備えたものである。

また、本発明に係る永久磁石型回転電機の回転子の製造方法は、回転軸と、回転子鉄心と、回転子鉄心の外周面または内周面に配設された複数の永久磁石とを備え、複数の永久磁石の周囲を取り囲むように構成され、回転電機の回転角度に応じて流れる誘導電流によって作られるインダクタンスに差が生ずる単数ないし複数の導通回路をさらに備えた永久磁石型回転電機の回転子の製造方法であって、薄肉で変形可能な樹脂シート上に、接着層と、１ターンあるいは複数ターン巻かれ、巻き始めと巻き終わりが短絡されている複数のコイル状導体箔と、絶縁層接着層とを順に形成してフィルム状の導通回路を形成する工程と、回転子鉄心および永久磁石の外周上にフィルム状の導通回路を巻付ける工程とを備えたものである。

本発明によれば、永久磁石と周囲に設けられた導電部材とが導通回路を構成し、回転電機の回転角度に応じて、導通回路中に流れる誘導電流によるインダクタンスの差が生じるように回転子を構成することにより、回転子の位置を検出することができ、他の回転センサ部材を設けることなく、簡単で安価な構成により、起動時や低速時も含めた回転子の位置検出を行うことのできる永久磁石型回転電機の回転子、およびその製造方法を得ることができる。

以下、本発明の永久磁石型回転電機の回転子、およびその製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の回転子の構成図である。本実施の形態１における回転子１は、回転子鉄心２、永久磁石３、導電部材４、および回転軸（図示せず）によって構成される。永久磁石３は、回転子鉄心２の表面上に複数配置される。導電部材４は、単一の永久磁石３の周囲を取り囲むようにして設けられている。その際、隣り合う導電部材４同士は、電気的に絶縁されるようにして配置される。

導電部材４は、銅あるいはアルミなど、永久磁石と同等あるいはそれ以上の導電率を持つ材料からなり、丸線あるいは角線状の長い導体線材を、永久磁石３の周囲に１ターン以上巻き付けてなる。ここで、巻き始め端部と巻き終わり端部とは、電気的に結合される。

また、導電部材４は、回転子鉄心２、回転軸（図示せず）とは絶縁されていることが望ましい。また、永久磁石を保護するため、外周部に導電性の飛散防止部材が設けられている場合には、導電部材４は、この飛散防止部材とも電気的に絶縁されていることが望ましい。このため、導電部材４の線材としては、被覆付きの電線を用いるとさらに好ましい。

図２は、本発明の実施の形態１において、永久磁石３に導電部材４の線材である電線４ａを巻き付けた様子を示した図である。このような構成によれば、それぞれ１つの永久磁石３の周囲に、１つの導通回路５が形成されたことになる。永久磁石３と導電部材４とが電気的に導通している場合には、複数の導通回路５が電気的に導通することとなり、永久磁石３も含めて、１つの導通回路となる。

ここで、導通回路が単数ないし複数設けられた回転子を持った図１のような構成を有する回転電機において、固定子巻線に高調波成分を含む電流を印加すると、導通回路５に渦電流が流れることになる。導通回路５は、磁極位置、例えば、磁極中心部付近、磁極間付近などで、異なるインダクタンスとなる。従って、この各位置でのインダクタンス差が、すなわち、回転子の回転位置を表すことになる。

このような回転子であれば、レゾルバやエンコーダといった回転位置検出部を別途設ける必要がない。すなわち、図１のような構成の回転子を用いれば、電機子巻線に流れる電流が、回転位置に応じて異なるインダクタンスの影響で変化するため、この電流値を測定することにより、回転位置を検出できることになる。

さらに、先の図２に示したように、永久磁石３の周囲に電線４ａを巻きつけるのみ、という簡便な方法で容易に回転子の回転位置を検出するための導通回路５を形成ことができる。この際、供給される電線４ａに対して、永久磁石３を回転させるようにすると、容易に永久磁石３の周りに導電部材４を巻きつけて導通回路５を形成することができる。この結果、図１の構成を有する回転子を容易に製造することができる。

また、導通回路５は、回転子中の１つあるいは複数の永久磁石３の周囲に設けられていればよく、全ての永久磁石３に設けられていなくてもよい。導電部材４が１つのみ設けられている場合であっても、磁極位置によるインダクタンス差を生じさせることができる。

さらに、導通回路５は、１つの永久磁石３に集中的に巻き付ける方式でなくてもよく、回転子１の全周に渡り、波巻状に巻くようにしてもよい。図３は、本発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の回転子の別の構成図である。先の図１の構成は、それぞれ１つの永久磁石３に集中的に導電部材４を巻き付けることにより、導通回路５を形成していた。これに対して、図３の構成は、導電部材４を、回転子１の全周に渡り、全ての永久磁石３に対して波巻状に巻くことにより、導通回路５を形成している。

図４は、本発明の実施の形態１において、導電部材４の線材である電線４ｂを波巻状に巻いて形成した導通回路５を示した図である。図４に示すような波巻状の導通回路５を形成した後に、回転子鉄心２に配設された永久磁石３の磁極間に、この導通回路５を挿入すればよく、永久磁石３より先に挿入してもよい。なお、波巻状の導通回路５の巻始めと巻き終わりの端部（図４における左上の丸囲み部）は、電気的に結合する。

以上のように、実施の形態１によれば、回転子中の１つあるいは複数の永久磁石の周囲に導通回路を設け、回転角度に応じて、導通回路中に流れる誘導電流によるインダクタンスの差が生じるように回転子を構成することにより、回転位置を容易に特定することができる回転子を得ることができる。すなわち、他の回転センサ部を設けることなく、簡単で安価な構成により、起動時や低速時も含めた回転子の位置検出を行うことのできる永久磁石型回転電機の回転子、およびその製造方法を得ることができる。

また、永久磁石と導通回路とを、互いに導通させた場合には、永久磁石も導通回路として利用でき、磁極位置におけるインダクタンスの差が大きくなり、回転位置検出に有利となる。導線の断面を略角形状とすれば、導通回路と永久磁石との接触面積が大きくなり、回転位置検出に有利になるとともに、導通回路のずれ防止となる。

なお、本実施の形態１の図は、すべて表面配置型永久磁石（ＳＰＭ）として記載しているが、埋め込み型永久磁石（ＩＰＭ）としてもよい。ＩＰＭの場合は、永久磁石３の埋込用孔に導通回路５を挿入するか、あるいは、回転子鉄心２の外周面に、磁極間に相当する位置に溝を設け、溝内に導通回路５を配置すればよい。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２における永久磁石型回転電機の回転子の構成図である。また、図６は、本発明の実施の形態２における永久磁石型回転電機に設けられる導通回路５を示した図であり、導通回路５は、環状で構成されている。

図６の導通回路５は、辺ａ（図６では円弧状の周囲に相当）の長さが、回転子１の円周と略等しく、辺ｂの長さが、回転子１の軸方向の長さによりも略等しいか長い、薄肉で変形可能な樹脂シート７の表面に、接着層（図示せず）、導体箔層７１、絶縁層（図示せず）を順に形成した、フィルム状の導通回路である。

導体箔層７１は、１ターンあるいは複数ターン巻回され、巻き始めと巻き終わりが短絡されているコイル状導体箔が複数箇所配置されている。隣り合うコイル状導通回路のピッチは、回転子に配設される永久磁石３間のピッチと略等しい。

このフィルム状導通回路５を、永久磁石３が組み付けられた回転子鉄心２の外周部に巻き付け、端部を接着あるいは加熱融着により結合する。その際、永久磁石３の磁極中心と、フィルム状導通回路５の各コイルの中心軸は、一致するようにする。さらに、フィルム状導通回路５の外周には、飛散防止用部材８（図５参照）を設置する。このような構成によれば、複数の導電部材からなる導通回路を一体に得ることができ、回転子への組み付けが容易となる。

以上のように、実施の形態２によれば、回転子中の１つあるいは複数の永久磁石の周囲にフィルム状導通回路を設け、買い手に値に応じて、導通回路中に流れる誘導電流によるインダクタンスの差が生じるように回転子を構成することにより、回転位置を容易に特定することができる回転子を得ることができる。すなわち、他の回転センサ部を設けることなく、簡単で安価な構成により、起動時や低速時も含めた回転子の位置検出を行うことのできる永久磁石型回転電機の回転子、および回転子の製造方法を得ることができる。

さらに、フィルム状導通回路を用いることにより、複数の導電部材を一体に得ることができ、回転子への組み付けが容易となる。

なお、本実施の形態２の図は、すべて表面配置型永久磁石（ＳＰＭ）として記載しているが、先の実施の形態１と同様に、埋め込み型永久磁石（ＩＰＭ）としてもよい。

本発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の回転子の構成図である。 本発明の実施の形態１において、永久磁石に導電部材の線材である電線を巻き付けた様子を示した図である。 本発明の実施の形態１における永久磁石型回転電機の回転子の別の構成図である。 本発明の実施の形態１において、導電部材である電線を波巻状に巻いて形成した導通回路を示した図である。 本発明の実施の形態２における永久磁石型回転電機の回転子の構成図である。 本発明の実施の形態２における永久磁石型回転電機に設けられる導通回路を示した図である。

符号の説明

１ 回転子、２ 回転子鉄心、３ 永久磁石、４ 導電部材、４ａ、４ｂ 電線、５ 導通回路、７ 樹脂シート、７１ 導体箔層、８ 飛散防止用部材。

Claims (8)

1. 回転軸と、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周面または内周面に配設された複数の永久磁石とを備えた永久磁石型回転電機の回転子であって、
   前記複数の永久磁石の周囲を取り囲むように構成され、回転電機の回転角度に応じて流れる誘導電流によって作られるインダクタンスに差が生ずる単数ないし複数の導通回路をさらに備えたことを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子。
2. 請求項１に記載の永久磁石型回転電機の回転子において、
   前記永久磁石と前記導通回路とは、互いに導通していることを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子。
3. 請求項１または２に記載の永久磁石型回転電機の回転子において、
   前記導通回路は、被覆付き導線を前記永久磁石の周囲に１ないし複数回巻回することにより構成されることを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子。
4. 請求項３に記載の永久磁石型回転電機の回転子において、
   前記被覆付き導線は、断面が略角形状であることを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の永久磁石型回転電機の回転子において、
   前記導通回路は、前記複数の永久磁石の磁極間、および前記回転軸の軸方向上端部と軸方向下端部とを交互に通り、回転子外周部の略全周に渡って波巻状に配置されるように形成された導線で構成されることを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子。
6. 請求項１に記載の永久磁石型回転電機の回転子において、
   前記導通回路は、薄肉で変形可能な樹脂シート上に、接着層、導体箔層、絶縁層接着層を順に形成したフィルム状の導通回路で構成され、
   前記導体箔層は、１ターンあるいは複数ターン巻かれ、巻き始めと巻き終わりが短絡されている複数のコイル状導体箔であり、
   前記フィルム状の導通回路は、前記回転子鉄心および前記永久磁石の外周上に巻付けられる
   ことを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子。
7. 回転軸と、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周面または内周面に配設された複数の永久磁石とを備え、前記複数の永久磁石の周囲を取り囲むように構成され、回転電機の回転角度に応じて流れる誘導電流によって作られるインダクタンスに差が生ずる単数ないし複数の導通回路をさらに備えた永久磁石型回転電機の回転子の製造方法であって、
   前記永久磁石を１回ないし複数回回転させて前記永久磁石周りに電線を巻き付けることにより、前記導通回路を形成する工程を備えたことを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子の製造方法。
8. 回転軸と、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の外周面または内周面に配設された複数の永久磁石とを備え、前記複数の永久磁石の周囲を取り囲むように構成され、回転電機の回転角度に応じて流れる誘導電流によって作られるインダクタンスに差が生ずる単数ないし複数の導通回路をさらに備えた永久磁石型回転電機の回転子の製造方法であって、
   薄肉で変形可能な樹脂シート上に、接着層と、１ターンあるいは複数ターン巻かれ、巻き始めと巻き終わりが短絡されている複数のコイル状導体箔と、絶縁層接着層とを順に形成してフィルム状の導通回路を形成する工程と、
   前記回転子鉄心および前記永久磁石の外周上に前記フィルム状の導通回路を巻付ける工程と
   を備えたことを特徴とする永久磁石型回転電機の回転子の製造方法。

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