JP2017041970A - 電動機 - Google Patents

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Abstract

【課題】車載電動機にて3つの磁気センサを配置する領域を小さくする。【解決手段】制御回路63は、ホールセンサ61a、61b、61cの検出値に基づきインバータ回路62を制御してロータ50を起動させる。ロータ50の起動後に、制御回路63は、ホールセンサ61aの検出値に基づいてロータ50の回転数を制御する。センサピン81は、U相巻線49aの正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48u内に配置されている。センサピン82は、V相巻線49bの正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48v内に配置されている。センサピン83は、W相巻線49cの正巻回部46に対して軸線方向一方側に位置する。センサピン81、82は、それぞれ、第1位置に位置する。【選択図】図1

Description

本発明は、電動機に関するものである。
従来、三相同期電動機では、複数の磁極を有するロータと、このロータに対して径方向内側に配置されているステータコイルを備えるものがある(例えば、特許文献1参照)。
このものにおいて、ステータコイルに対して軸線方向一方側に3つの磁気センサが配置されている。複数の永久磁石と3つの磁気センサとの間には、ロータの複数の磁極から生じる磁束を3つの磁気センサのそれぞれに誘導する3つの磁気誘導部材が設けられている。このため、3つの磁気センサは、ロータの回転数や回転方向を検出するために、3つの磁気誘導部材のうち対応する磁気誘導部材により誘導される検出することになる。
さらに、一般的な三相同期電動機では、ロータを回転させるために、上記特許文献1には記載されていないインバータ回路および制御回路が用いられる。インバータ回路は、ロータを回転させるためにステータコイルに三相交流電流を出力してステータコイルから回転磁界を発生させる。
制御回路は、3つの磁気センサの検出信号に基づいてロータの位置を検出して、この検出位置に基づいてインバータ回路を制御してインバータ回路からステータコイルに三相交流電流を出力させる。これに伴い、ステータコイルが三相交流電流に基づいて回転磁界をロータの複数の磁極に与える。このことにより、ロータが回転磁界に同期して回転することなる。
ここで、3つの磁気センサは、回路基板に搭載されている。回路基板は、ステータコイルに対して軸線方向一方側に配置されている。3つの磁気センサおよび3つの磁気誘導部材は、機械角である120deg内の領域に配置されている。このことにより、3つの磁気センサを小さな領域に配置することができる。
特開2013−158069号公報
上記特許文献1に記載の電動機では、制御回路と3つの磁気センサとの間の配線に電磁波ノイズ等が混入すると、制御回路がインバータ回路を誤って制御する恐れがある。この場合、インバータ回路から三相ステータコイル出力される三相交流電流に基づいて、ロータの誤動作を生じる場合がある。
そこで、本発明者は、制御回路と3つの磁気センサとの間の配線に電磁波ノイズ等が混入することを抑制することに着目し、制御回路と3つの磁気センサとの間の配線の長さを短くするために、3つの磁気センサをより一層小さい領域に配置することを検討した。
本発明は上記点に鑑みて、3つの磁気センサをより一層小さな領域に配置できるようにした電動機を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、軸線(S1)を中心とする円周方向に並べられている複数の磁極を有し、かつ軸線を中心として回転自在に構成されているロータ(50)と、
電線が正巻方向に巻かれている正巻回部(46)と電線が正巻方向と逆方向に巻かれている逆巻回部(47)とを相毎に構成する複数相の相巻線(49a、49b、49c)を備え、複数相の正巻回部および逆巻回部がロータに対して軸線を中心とする径方向において、円周方向に並べられているステータコイル(49)と、
ロータを回転させるためにステータコイルに交流電流を出力してステータコイルから回転磁界を複数の磁極に出力させる駆動回路(62)と、駆動回路を制御する制御回路(63)と、ロータの回転を検出するために複数の磁極からの磁束を検出する3つの磁気センサ(61a、61b、61c)とを搭載してなる基板(60)と、
複数の磁極から生じる磁束を3つの磁気センサのうち対応する磁気センサに誘導する3つの誘導部材であって、3つの誘導部材のうち1つの誘導部材或いは2つの誘導部材は、同相である正巻回部および逆巻回部のそれぞれから生じる磁束が打ち消される位置(以下、第1位置という)に配置されて、3つの誘導部材のうち第1位置に配置されている誘導部材以外の他の誘導部材は、第1位置から外れた第2位置に配置されている3つの誘導部材(81、82、83)と、を備え、
制御回路は、3つの磁気センサの検出値に基づいて駆動回路を制御してロータを起動し、ロータの起動の終了後に制御回路は、3つの磁気センサのうち1つの誘導部材或いは2つの誘導部材によって誘導される磁束を検出する磁気センサの検出値に基づいてロータの回転数を制御することを特徴とする。
以上によれば、ロータの回転数を制御する際に、3つの磁気センサのうち1つの誘導部材或いは2つの誘導部材によって誘導される磁束を検出する磁気センサの検出値を用いる。したがって、3つの誘導部材のうち1つの誘導部材或いは2つの誘導部材を、第1位置に配置し、他の誘導部材を、第2位置に配置することができる。このため、3つの誘導部材をそれぞれ第1位置に配置する場合に比べて、3つの誘導部材をより一層小さな領域に配置することができる。この結果、3つの磁気センサをより一層小さな領域に配置することができる。
但し、機械角とは、3つの磁気センサおよび3つの誘導部材をロータの軸線方向から視た場合において、ロータの軸線(S1)を中心とする角度のことである。軸線方向とは、ロータの軸線が延びる方向である。軸線方向一方側とは、ロータの軸線が延びる方向のうち一方側のことである。軸線方向他方側とは、ロータの軸線が延びる方向のうち他方側のことである。
具体的には、請求項2に記載の発明では、3つの磁気センサおよび3つの誘導部材は、機械角である60degの領域内に配置されていることを特徴とする。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内のSは、後述する実施形態に記載のステップとの対応関係を示すものである。
本発明の第1実施形態における車載電動機の断面構成を示す図である。 図1中II−II断面図である。 図1中III−III断面図である。 図2において3つのセンサピンの軸線を含む断面図であって、3つのホールセンサおよび3つのセンサピンの配置関係を示す図である。 図3中V−V断面図である。 第1実施形態におけるホールセンサおよび制御回路の配置関係を示す模式図である。 第1実施形態における車載電動機の電気的構成を示す電気回路図である。 図7の制御回路の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態におけるホールセンサの配置を示す部分拡大図である。 本発明の第3実施形態におけるホールセンサの配置を示す部分拡大図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明に係る車載電動機1の第1実施形態について図1、図2等を参照して説明する。
本実施形態の車載電動機1は、車載クーリングモジュールの電動ファンを構成するものである。車載クーリングモジュールは、自動車のエンジンルーム内に搭載されて、電動ファンからの送風や走行風によってコンデンサ、およびラジエータを冷却するユニットである。
車載電動機1は、三相同期電動機を構成するものであって、図1に示すように、台座10、ロータシャフト20、軸受け30A、30B、ステータ40、ロータ50、回路基板60、コネクタ70、およびケース80を備える。
台座10は、金属材料によって板状に形成されている。台座10は、軸線方向に開口する開口部11を形成する開口形成部12を備える。台座10は、ロータシャフト20、回路基板60、およびコネクタ70を支持する。
ロータシャフト20は、金属材料によって棒状に形成されている。ロータシャフト20は、台座10からその板面方向に直交する方向(図1中上方向)に延出する回転軸である。ロータシャフト20は、台座10によって支持されている。以下、図1中下側をロータシャフト20の軸線方向一方側とし、図1中上側をロータシャフト20の軸線方向他方側とする。
軸受け30A、30Bは、ロータシャフト20の軸線方向他方側に配置されている。軸受け30A、30Bは、軸線方向に並べられている。軸受け30A、30Bは、ロータケース51の中央凹部53内に配置されている。軸受け30A、30Bは、ロータシャフト20に支持されて、ロータケース51の中央凹部53の内周面53aを回転自在に支持する。
ステータ40は、台座10に対して軸線方向他方側に配置されている。ステータ40は、台座10に支持されている。ステータ40は、図2に示すように、ステータコア41を備える。
ステータコア41は、環状部42、およびティース部43a、43b、43c、43d、43e、43f、44a、44b、44c、44d、44e、44fを備える。
環状部42は、ロータシャフト20の軸線方向を中心とするリング状に形成されている。環状部41aは、ロータシャフト20によって支持されている。
ティース部43a、43b、43c、43d、43e、43f、44a、44b、44c、44d、44e、44fは、環状部41aから径方向外側に突出するように形成されている。ティース部43a、43b、・・・44fは、それぞれ、ロータシャフト20の軸線を中心とする円周方向に同一間隔で並べられている。
つまり、ティース部43a、43b、・・・44fは、環状部41aから放射状に突出するように形成されている。ティース部43a、43b、・・・44fのうち隣り合う2つのティースの間には、隙間としてのスロット48が形成されている。本実施形態のステータコア41には、12個のスロット48が形成されていることになる。
ここで、ティース部43a、44aは、円周方向に隣り合って配置されている。円周方向は、ロータシャフト20の軸線を中心とする周方向である。ティース部43b、44bは、円周方向に隣り合って配置されている。ティース部43c、44cは、円周方向に隣り合って配置されている。ティース部43d、44dは、円周方向に隣り合って配置されている。ティース部43e、44eは、円周方向に隣り合って配置されている。ティース部43f、44fは、円周方向に隣り合って配置されている。
ティース部43a、43b、43c、43d、43e、43fには、銅線(電線)からなる巻線45A〜45Fが正巻方向へ巻き回されて形成された正巻回部46が設けられている。
ティース部44a、44b、44c、44d、44e、44fには、銅線(電線)からなる巻線45A〜45Fが逆巻方向へ巻き回されて形成された逆巻回部47が設けられている。
本実施形態では、ステータコア41の中心からティース部の先端部へ向かって右回り(時計回り)の方向を正巻方向とし、ステータコア41の中心からティース部の先端部へ向かって左回り(反時計回り)の方向を、正巻方向と逆方向の逆巻方向とする。正巻回部44と逆巻回部47とを繋ぐ巻線45A〜45Fの部分は、渡り線(図示省略)を構成している。
巻線45A、45Dは、直列接続されてU相巻線49a(図5参照)を構成している。巻線45B、45Eは、直列接続されてV相巻線49bを構成している。巻線45C、45Fは、直列接続されてW相巻線49cを構成している。
すなわち、巻線45A、45Dが巻き回されて形成された正巻回部46と逆巻回部47とがU相巻線49aを構成している。巻線45B、45Eが巻き回されて形成された正巻回部46と逆巻回部47とが、V相巻線49bを構成している。巻線45C、45Fが巻き回されて形成された正巻回部46と逆巻回部47とが、W相巻線49cを構成している。
これにより、U相の正巻回部46と逆巻回部47とが、円周方向に隣り合うようにして配置されている。V相の正巻回部46と逆巻回部47とが、円周方向に隣り合うようにして配置されている。W相の正巻回部46と逆巻回部47とが、円周方向に隣り合うようにして配置されている。
以上により、同相の正巻回部46と逆巻回部47とが、円周方向に隣り合うようにして配置されている。
本実施形態では、U相巻線49a、V相巻線49b、およびW相巻線49cは、図7に示すように、スター結線されて、ステータコイル49を構成している。
図1のロータ50は、ロータケース51を備える。ロータケース51は、その軸線方向を中心とする円筒状に形成されている。ロータケース51は、その軸線がロータシャフト20の軸線S1に一致するように形成されている。
このため、ロータケース51(すなわち、ロータ50)は、ロータシャフト20の軸線S1を中心として回転する。本実施形態のロータシャフト20の軸線S1は、本発明のロータの軸線に相当している。ロータケース51は、ステータ40を収納している。ロータケース51には、軸線方向他方側の開口部を塞ぐ蓋部52が設けられている。
蓋部52のうち径方向中央部には、軸線方向一方側に凹む中央凹部53が形成されている。中央凹部53の底部には、ロータシャフト20が軸線方向に貫通している。中央凹部53の内周面53aは、軸受け30A、30Bを介してロータシャフト20によって回転自在に支持されている。
ロータケース51のうち内周面側には、複数の永久磁石54が固定されている。複数の永久磁石54は、その径方向内側に磁極を形成している。複数の永久磁石54は、S極→N極→S極→N極の順に磁極が交互に替わるように円周方向に並べられている。このことにより、ロータ50(すなわち、ロータケース51のうち内周面側)には、円周方向に並べられている複数の磁極が形成されていることになる。本実施形態では、12個の永久磁石54が配置されている。
回路基板60は、台座10に対して軸線方向一方側(図1中下側)に配置されている。回路基板60は、台座10に支持されている。回路基板60は、台座10の面方向に平行になるように配置されている。すなわち、回路基板60は、その面方向が軸線方向に直交している。
車載電動機1には、図1および図6に示すように、ホールセンサ61a、61b、61c、インバータ回路62、および制御回路63が設けられている。ホールセンサ61a、61b、61c、インバータ回路62、および制御回路63は、回路基板60に搭載されている。
本実施形態では、回路基板60のうち軸線方向一方側の面(図1中下面)にインバータ回路62、および制御回路63が実装されている。回路基板60のうち軸線方向他方側の面(図1中上面)にホールセンサ61a、61b、61cが実装されている。すなわち、ホールセンサ61a、61b、61cは、回路基板60のうちステータコイル49側に配置されている。
コネクタ70は、コネクタハウジング71と、このコネクタハウジング71に収納されている複数本のターミナル72とを備える。
コネクタハウジング71は、台座10によって支持されている。コネクタハウジング71は、コネクタ嵌合部71a、およびコネクタカバー部71bから構成されている。コネクタ嵌合部71aは、回路基板60のうち面方向一方側(図1中左側)に配置されている。コネクタ嵌合部71aは、他のコネクタに嵌合可能に構成されている。
コネクタカバー部71bは、台座10に対して軸線方向他方側に配置されている。コネクタカバー部71bは、図1および図4に示すように、台座10の開口部11を軸線方向他方側から覆うように形成されている。コネクタカバー部71bは、誘導部材としてのセンサピン81、82、83を軸線方向他方側から覆うように形成されている。コネクタカバー部71bは、センサピン81、82、83を支持している。
センサピン81、82、83は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束をホールセンサ61a、61b、61cのうち対応するホールセンサに誘導する。具体的には、センサピン81は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束をホールセンサ61aに誘導する。センサピン82は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束をホールセンサ61bに誘導する。センサピン83は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束をホールセンサ61cに誘導する。
本実施形態のコネクタカバー部71bと台座10の開口形成部12との間には、図5に示すように、コネクタカバー部71bと台座10の開口形成部12との間を密閉するシール材90が設けられている。シール材90は、コネクタカバー部71bと台座10との間において開口部11を囲むように環状に形成されている。本実施形態では、シール材90としては、例えば、シリコーン等の樹脂材料を用いることができる。
本実施形態のコネクタ嵌合部71aおよびコネクタカバー部71bは、樹脂材料によって一体に成形されてコネクタハウジング71を構成している。
複数本のターミナル72は、それぞれ、外部装置および回路基板60の間を電気的に接続するためのものであって、コネクタ嵌合部71aおよびコネクタカバー部71bを貫通している。
具体的には、複数本のターミナル72のそれぞれの一端側は、コネクタ嵌合部71a内に配置されている。複数本のターミナル72のそれぞれの一端側は、コネクタカバー部71b内にて他のコネクタに接続される。このことにより、複数本のターミナル72のそれぞれの一端側は、他のコネクタを介して外部装置に接続されることになる。複数本のターミナル72のそれぞれの他端側は、台座10の開口部11内にて回路基板60に接続されている。
本実施形態の外部装置としては、制御回路63に指令信号を与える電子制御装置やインバータ回路62に直流電力を供給する電池が挙げられる。すなわち、複数本のターミナル72は、電子制御装置および電池と回路基板60との間を電気的に接続することになる。
図1のケース80は、台座10に対して軸線方向一方側(図1中下側)に配置されている。ケース80は、回路基板60を軸線方向一方側から覆うように形成されている。ケース80は、台座10とともに回路基板60を収納する筐体を形成している。ケース80は、台座10に対してねじ等によって固定されている。本実施形態のケース80は、樹脂材料によって構成されている。
次に、本実施形態のセンサピン81、82、83の詳細について説明する。
本実施形態のセンサピン81、82、83は、図2および図6に示すように、軸線Sを中心とする円周方向にオフセットして配置されている。ホールセンサ61a、61b、61cは、軸線Sを中心とする円周方向にオフセットして配置されている。なお、図2は、図1中II−II断面図であって、コネクタカバー部71bおよび台座10等の断面図示を省略して、ステータコイル49に対するセンサピン81、82、83の配置関係を示している。
センサピン81、82、83は、それぞれの軸線がロータシャフト20の軸線S1に平行になっている。すなわち、センサピン81、82、83は、ロータシャフト20の軸線方向に延びるように形成されている。センサピン81、82、83は、ホールセンサ61a、61b、61cに対して軸線方向他方側に配置されている。センサピン81、82、83のそれぞれのうち軸線方向他方側は、複数の永久磁石54に対して径方向内側に配置されている。すなわち、センサピン81、82、83のそれぞれのうち軸線方向他方側は、径方向外側から視て、複数の永久磁石54に対して重なるように配置されている。
センサピン81は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束をホールセンサ61aに誘導する。
具体的には、センサピン81は、ティース部43a、44aの間のスロット48を軸線方向から視たときに、ティース部43a、44aの間のスロット48に重なる位置に配置されている。ティース部43aに回巻きされる巻線45Aは、U相巻線49aの正巻回部46を構成する。ティース部44aに回巻きされる巻線45Aは、U相巻線49aの逆巻回部47を構成する。以下、説明の便宜上、U相巻線49aの正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48をスロット48uという。このため、センサピン81は、スロット48uを軸方向から視たときに、スロット48uに重なる位置に配置されることになる。これにより、U相巻線49aの正巻回部46から生じる磁束と逆巻回部47から生じる磁束とが打ち消される位置にセンサピン81が配置されることになる。以下、正巻回部46から生じる磁束と逆巻回部47から生じる磁束とが打ち消される位置を第1位置という。
センサピン81の軸線方向一方側は、ホールセンサ61aに対して軸線方向他方側に位置する。センサピン81の軸線方向他方側は、ティース部43a、44aの間のスロット48に対して軸線方向一方側に位置する。したがって、センサピン81がU相巻線49aから生じる磁束をホールセンサ61aに誘導することを抑制することができる。
センサピン82は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束をホールセンサ61bに誘導する。
具体的には、センサピン82は、ティース部44aの先端側を軸線方向から視たときに、ティース部44aの先端側に重なる位置に配置されている。ティース部44aに回巻きされる巻線45Aは、U相巻線49aの逆巻回部47を構成している。巻線45Aを軸線方向から視たときに巻線45Aに重なる位置を巻線位置49eとした場合において、センサピン82は、巻線位置49eに対して径方向におけるロータ50側(つまり、径方向外側)の第2位置49dに位置することになる。センサピン82の軸線方向一方側は、ホールセンサ61bに対して軸線方向他方側に位置する。センサピン82の軸線方向他方側は、ティース部44aの先端側に対して軸線方向一方側に位置する。このため、センサピン82は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束以外に、U相巻線49aの逆巻回部47からの磁束を外乱としてホールセンサ61bに誘導する。
このようにロータ50の複数の磁極から生じる磁束以外に、3相巻線49a、49b、49cのうちいずれか1つの巻線における正巻回部46、或いは逆巻回部47から生じる磁束をホールセンサに誘導する位置を第2位置という。つまり、第2位置は、第1位置とは異な位置であって、上記1つの巻線における正巻回部46、或いは逆巻回部47から生じる磁束をホールセンサに誘導する位置を意味する。
センサピン83は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束をホールセンサ61cに誘導する。
具体的には、センサピン83は、ティース部43b、44bの間のスロット48を軸線方向から視たときに、ティース部43b、44bの間のスロット48に重なる位置に配置されている。ティース部43bに回巻きされる巻線45Bは、V相巻線49bの正巻回部46を構成している。ティース部44bに回巻きされる巻線45Bは、V相巻線49bの逆巻回部47を構成している。以下、説明の便宜上、V相巻線49bの正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48をスロット48vという。このため、センサピン83は、スロット48vを軸線方向から視たときに、スロット48vに重なる位置に配置されている。
センサピン83の軸線方向一方側は、ホールセンサ61cに対して軸線方向他方側に位置する。センサピン83の軸線方向他方側は、スロット48vに対して軸線方向一方側に位置する。つまり、センサピン83の軸線方向他方側は、スロット48vに対して軸線方向一方側に位置する。このため、センサピン83は、スロット48vに対して軸線方向一方側に位置することになる。したがって、V相巻線49cの正巻回部46から生じる磁束と逆巻回部47から生じる磁束とが打ち消される第1位置にセンサピン83が配置されることになる。このため、センサピン83がV相巻線49cから生じる磁束をホールセンサ61cに誘導することを抑制することができる。
このように構成される本実施形態のセンサピン81、82、83は、機械角である60degの領域内に配置されている。このことにより、回路基板60の上面において機械角である60degの領域内にホールセンサ61a、61b、61cが配置されることになる。但し、機械角は、ホールセンサ61a、61b、61cおよびセンサピン81、82、83を軸線方向から視た場合において、ロータ50の軸線S(回転中心線)を中心とする角度である(図6参照)。
なお、本実施形態のセンサピン81、82、83は、鉄等の磁性材料から構成されている。
次に、本実施形態の車載電動機1の電気回路構成について説明する。
インバータ回路62は、トランジスタSW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6および還流ダイオードD1、D2、D3、D4、D5、D6から構成される周知の駆動回路である。
具体的には、トランジスタSW1、SW2、SW3は、正極母線62aに接続されている。正極母線62aには、電源Baの正極電極が接続されている。トランジスタSW4、SW5、SW6は、負極母線62bに接続されている。負極母線62bには、電源Baの負極電極が接続されている。正極母線62aおよび負極母線62bは、インバータ回路62における2つの電源入力電極を構成している。
ここで、トランジスタSW1、SW4は、正極母線62aおよび負極母線62bの間に直列接続されている。トランジスタSW2、SW5は、正極母線62aおよび負極母線62bの間に直列接続されている。トランジスタSW3、SW6は、正極母線62aおよび負極母線62bの間に直列接続されている。
トランジスタSW1、SW4の間の共通接続端子T1は、ステータコイル49のW相巻線49cに接続されている。トランジスタSW2、SW5の間の共通接続端子T2は、ステータコイル49のV相巻線49bに接続されている。トランジスタSW3、SW6の間の共通接続端子T3は、ステータコイル49のU相巻線49aに接続されている。
なお、トランジスタSW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の各種半導体スイッチング素子が用いられる。
制御回路63は、マイクロコンピュータやメモリ等から構成されて、メモリに予め記憶されているコンピュータプログラムにしたがって、インバータ回路62を介して制御処理を実行する。制御回路63は、回転数制御処理を実行する際に、ホールセンサ61a、61b、61cの検出信号に基づいてインバータ回路62を介してロータ50の回転数制御を行う。
次に、本実施形態の制御回路63の回転数制御処理について図8を参照して説明する。
図8は、回転数制御処理を示すフローチャートである。制御回路63は、図8のフローチャートにしたがって、回転数制御処理を実行する。回転数制御処理の実行は、電子制御装置からの指令によって開始される。
まず、ステップ100において、インバータ回路62を強制転流方式にて制御してロータ50を起動させる。
具体的には、インバータ回路62のトランジスタSW1、・・・SW6をスイッチング制御して、インバータ回路62から三相交流電流をステータコイル49に出力させる。このため、ステータコイル49において、U相巻線49a、V相巻線49b、W相巻線49cがそれぞれ回転磁界をロータ50の複数の磁極に与える。したがって、ロータ50は、ステータコイル49から与えられた回転磁界に同期して回転し始める。
次に、ステップ110において、ホールセンサ61a、61b、61cの検出信号に基づいて、ロータ50の回転方向が所定方向であるか否かを判定する。所定方向は、予め決められた方向である。このため、ロータ50の回転方向が正常であるか否かを判定することになる。
ロータ50の回転方向が所定方向に一致すると判定したときには、ロータ50の回転方向が正常であると判定する。この場合、ステップ110においてYESと判定して次のステップ130に進む。
次に、ステップ130において、インバータ回路62を制御してロータ50の回転数を所定回転数上昇させる。具体的には、インバータ回路62を制御して、インバータ回路62からステータコイル49に出力される三相交流電流の電流値を上昇させるとともに、三相交流電流の角速度ωを速くする。これに伴い、ステータコイル49から出力される回転磁界の角速度ωが速くなる。このため、ロータ50の回転数は、回転磁界の角速度ωに追従して速くなる。
次に、ステップ130において、ホールセンサ61aの検出信号に基づいて、ロータ50の回転数が一定回転数以上であるか否かを判定する。
具体的には、ホールセンサ61aの検出信号からロータ50の位置情報を求めるとともに、この求めたロータ50の位置情報を時間で微分することにより、ロータ50の回転数(すなわち、回転速度)を求める。この求められたロータ50の回転数が一定回転数以上であるか否かを判定する。
このとき、ロータ50の回転数が一定回転数未満であるときには、ステップ130においてNOと判定する。これに伴い、ステップ110に戻る。その後、ロータ50の回転方向が所定方向であり、かつロータ50の回転数が一定回転数未満であることを維持する場合には、ステップ110のYES判定、ステップ120の回転数上昇処理、およびステップ130のNO判定のそれぞれを繰り返すことになる。
その後、ロータ50の回転方向が所定方向であり、かつロータ50の回転数が一定回転数以上になると、ロータ50の起動が終了したとして、ステップ130でYESと判定する。すなわち、強制転流方式のロータ50の起動制御が終了する。
次に、ステップ140において、電子制御装置(図示省略)からの指令値に基づいて、インバータ回路62のトランジスタSW1、・・・SW6をスイッチング制御して、ロータ50の回転数を制御する。電子制御装置からの指令値は、ロータ50の目標回転数を示している。
具体的には、ホールセンサ61aの検出信号からロータ50の位置情報を求めるとともに、この求めたロータ50の位置情報に基づいてインバータ回路62のトランジスタSW1、・・・SW6をスイッチング制御して、インバータ回路62から三相交流電流をステータコイル49に出力させる。
このとき、ホールセンサ61aの検出信号からロータ50の位置情報を求めるとともに、この求められた位置情報を時間で微分してロータ50の回転数を算出する。これに加えて、この算出した回転数を目標回転数に近づけるようにインバータ回路62を制御する。
これに伴い、ステータコイル49に対してインバータ回路62から出力される三相交流電流の角速度ωが目標角速度ωmに近づくことになる。目標角速度ωmは、目標回転数に対して1対1で対応関係になる角速度である。
このため、ステータコイル49から出力される回転磁界の角速度ωが目標角速度ωmに近づくことになる。このとき、ロータ50は、ステータコイル49から与えられた回転磁界に追従して回転する。このことにより、ロータ50の回転数が目標回転数に近づくことになる。すなわち、電子制御装置からの指令値に応じてロータ50の回転数を制御することができる。
なお、上述したステップ110において、ロータ50の回転方向が所定方向と逆の方向であるときには、ロータ50の回転方向が異常であるとして、NOと判定する。その後、再度、回転数制御処理を開始する。
以上説明した本実施形態によれば、車載電動機1では、ロータ50は、軸線Sを中心とする円周方向に並べられている複数の磁極を有し、かつ軸線Sを中心として回転自在に構成されている。ステータコイル49は、相巻線49a、49b、49cを備える。相巻線49a、49b、49cは、それぞれ、銅線が正巻方向に巻かれている正巻回部46と銅線が正巻方向と逆方向に巻かれている逆巻回部47とを相毎に構成する。3相の正巻回部46および逆巻回部47は、円周方向に並べられて、かつロータ50に対して軸線Sを中心とする径方向内側に配置されている。同相である正巻回部46および逆巻回部47が円周方向に隣り合うように配置されている。回路基板60は、インバータ回路62、制御回路63、ホールセンサ61a、61b、61cを搭載してなる。インバータ回路62は、ステータコイル49に三相交流電流を出力してステータコイル49から回転磁界をロータ50に出力することにより、ロータ50を回転させる。制御回路63は、インバータ回路62を介してロータ50の回転数を制御する。ホールセンサ61a、61b、61cは、ロータ50の回転数や回転方向を検出するためにロータ50の複数の磁極から生じる磁束を検出する。センサピン81、82、83は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束を複数の磁極から生じる磁束をホールセンサ61a、61b、61cのうち対応するホールセンサに誘導する。
制御回路63は、ホールセンサ61a、61b、61cの検出値に基づいてインバータ回路62を制御してロータ50を起動させるものである。ロータ50の起動の終了後に、制御回路63は、ホールセンサ61aの検出値に基づいてロータ50の回転数を制御する。
センサピン81は、U相巻線49aの正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48uに対して軸線方向から視て重なる位置に配置されている。センサピン83は、V相巻線49bの正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48vに対して軸線方向から視て重なる位置に配置されている。このことにより、センサピン81、82は、それぞれ、正巻回部46からの磁束と逆巻回部47からの磁束とが打ち消される第1位置に位置する。そして、U相巻線49aの逆巻回部47に対して軸線方向から視て重なる位置を巻線位置49eとしたとき、センサピン82は、巻線位置49eに対して径方向外側(すなわち、径方向におけるロータ50側)に位置する。このため、センサピン81、82、83をそれぞれ第1位置に配置する場合に比べて、センサピン81、82、83をより一層小さな領域に配置することができる。よって、センサピン81、82、83を機械角である60degの領域内に配置することができる。これにより、ホールセンサ61a、61b、61cを機械角である60degの領域内に配置することができる。したがって、回路基板60においてホールセンサ61a、61b、61cを配置する領域をより一層小さくすることができる。
本実施形態では、回路基板60において、制御回路63側にホールセンサ61a、61b、61cが配置されている。このため、ホールセンサ61a、61b、61cと制御回路63との間の距離を短くすることができる。これにより、回路基板60において、ホールセンサ61a、61b、61cと制御回路63との間の配線を短くすることができる。
以上により、ホールセンサ61a、61b、61cと制御回路63との間の配線に電磁波ノイズが混入し難くすることができる。よって、制御回路63がロータ50回転数を過って制御することを防ぐことができる。
本実施形態では、上述の如く、ホールセンサ61a、61b、61cを配置する領域をより一層小さくすることができるので、回路基板60のサイズを小さくすることができる。
本実施形態では、ロータ50の回転方向を求めるためには、ホールセンサ61a、61b、61cの検出信号を用いている。ホールセンサ61bは、センサピン82を介してロータ50の複数の磁極からの磁束を検出する。しかし、センサピン82は、第1位置から外れた第2位置に配置されている。このため、センサピン82は、ロータ50の複数の磁極からの磁束以外に、ステータコイル49からの磁束を外乱としてホールセンサ61bを誘導する。このため、ホールセンサ61bにおいてロータ50の複数の磁極からの磁束を検出する精度は、低いものであるものの、ロータ50の回転方向を求めるためにホールセンサ61bの検出信号を用いることには問題が生じない。
本実施形態では、上述の如く、センサピン81、82、83を機械角である60degの領域内に配置することができる。このため、センサピン81、82、83を支持するコネクタカバー部71bを小型化することができる。これにより、コネクタハウジング71が一体成形によりコネクタカバー部71bを構成することが容易になる。したがって、台座10およびコネクタカバー部71bの間の防水構造も容易に実施することができる。
(第2実施形態)
上記第1実施形態では、センサピン81(或いは、83)をスロット48u(或いは、48v)に対して軸線方向から重なる位置に配置した例について説明したが、これに代えて、本第2実施形態では、図9に示すように、センサピン81を配置してもよい。
すなわち、図9に示すように、スロット48uを軸線方向から視たときにスロット48uに重なる位置をU相スロット位置(隙間位置)481とした場合において、U相スロット位置481に対して径方向外側(すなわち、ロータ50側)にセンサピン81が配置されている。
換言すれば、スロット48uに対して径方向外側(すなわち、ロータ50側)の位置をU相ロータ側位置480とした場合において、U相ロータ側位置480を軸線方向から視たとき、U相ロータ側位置480に重なる位置にセンサピン81が配置されていることになる。このため、U相巻線49aの正巻回部46から生じる磁束と逆巻回部47から生じる磁束とが打ち消される第1位置にセンサピン81が配置されることになる。
同様に、スロット48vを軸線方向から視たときにスロット48vに重なる位置を、V相スロット位置(図示省略)とした場合において、V相スロット位置に対して径方向外側(すなわち、ロータ50側)にセンサピン83を配置してもよい。
この場合、V相巻線49bの正巻回部46から生じる磁束と逆巻回部47から生じる磁束とが打ち消される第1位置にセンサピン83が配置されることになる。
(第3実施形態)
上記第1実施形態では、3つのセンサピン(81、82、83)のうち2つのセンサピン(81、83)を第1位置に配置した例について説明したが、これに代えて、3つのセンサピンのうち1つのセンサピン82を第1位置に配置した本第3実施形態について図10を参照して説明する。
本第3実施形態では、センサピン82は、U相巻線49aの正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48uを軸線方向から視たときにスロット48uに重なる第1位置に配置されている。このため、U相巻線49aの正巻回部46から生じる磁束と逆巻回部47から生じる磁束とが打ち消される第1位置にセンサピン82が配置されることになる。
センサピン81、83は、第1位置とは異なる第2位置に配置されている。具体的には、センサピン81は、U相巻線49aの正巻回部46(すなわち、ティース部43aに回巻きされる巻線45A)を軸線方向から視たときにU相巻線49aの正巻回部46に重なる第2位置に配置されている。このため、センサピン81は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束以外に、U相巻線49aの正巻回部46から生じる磁束をホールセンサ61aに誘導する。
センサピン83は、U相巻線49aの逆巻回部47を軸線方向から視たときにU相巻線49aの逆巻回部47に重なる第2位置に配置されている。このため、センサピン83は、ロータ50の複数の磁極から生じる磁束以外に、U相巻線49aの逆巻回部47から生じる磁束をホールセンサ61cに誘導する。
このように構成されている本実施形態では、制御回路63は、センサピン82によって誘導される磁束を検出するホールセンサ61bの検出値に基づいて、ロータ50の位置情報、ひいてはロータ50の回転数を検出する。制御回路63は、ホールセンサ61a、61b、61cの検出値に基づいて、ロータ50の回転方向を求め、この求めた回転方向が正常であるか否かを判定する。
(他の実施形態)
(1) 上記第1、第2、第3の実施形態では、本発明に係る電動機を車載電動機1とした例について説明したが、これに代えて、本発明に係る電動機を自動車以外の機器に適用してもよい。つまり、本発明に係る電動機を自動車以外の輸送機(飛行機、列車等)、或いは設置型装置に適用してもよい。本発明に係る電動機を電動ファン以外の機器に適用してもよい。
(2) 上記第1、第2、第3の実施形態では、ロータ50の位置を検出するためにロータ50から生じる磁束を検出するために、本発明の磁気センサとしてホールセンサ61a、61b、61cを用いた例について説明したが、これに代えて、本発明の磁気センサとして、ホールセンサ61a、61b、61c以外の各種の磁気センサを用いてもよい。
(3) 上記第1実施形態では、ホールセンサ61a、61b、61cのうち1つのホールセンサ61aの検出値を用いてロータ50の位置を検出した例について説明したが、これに代えて、次のようにしてもよい。
すなわち、ホールセンサ61a、61b、61cのうち、センサピン81、83により誘導される磁束を検出する2つのホールセンサ61a、61cの検出値を用いてロータ50の位置を検出してもよい。センサピン81、83は、上述の如く、第1位置に配置されている。
この場合、ロータ50の起動の終了後にて、制御回路63は、ホールセンサ61aの検出信号に基づいてロータ50の位置情報を検出するとともに、ホールセンサ61cの検出信号に基づいてロータ50の位置情報を検出する。これに加えて、制御回路63は、ホールセンサ61a、61cのそれぞれ検出信号から求められたロータ50の位置情報の平均値を用いてロータ50の回転数の制御を実施する。
(4) 上記第1、第2、第3の実施形態では、ロータ50をステータ40に対して径方向外側に配置した例について説明したが、これに代えて、ロータ50をステータ40に対して径方向内側に配置してもよい。
(5) 上記第1、第2、第3の実施形態では、U相巻線49a、V相巻線49b、およびW相巻線49cをスター結線によりステータコイル49を構成した例について説明したが、これに代えて、U相巻線49a、V相巻線49b、およびW相巻線49cをデルタ結線によりステータコイル49を構成してもよい。
(6) 上記第1、第2、第3の実施形態では、本発明の電動機を三相同期電動機とした例について説明したが、これに代えて、Nを4以上の整数としたとき、N相同期電動機を本発明の電動機としてもよい。或いは、2相同期電動機を本発明の電動機としてもよい。
(7) 上記第1、第2、第3の実施形態では、センサピン81、82、83のそれぞれのうち軸線方向他方側が、径方向外側から視て、複数の永久磁石54に対して重なるように配置されている例について説明したが、これに限らず、次のようにしてもよい。すなわち、センサピン81、82、83と複数の永久磁石54とが軸線方向にオフセットして配置してもよい。
(8) 上記第1実施形態では、同相の正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48(48u、48v)を軸線方向から視たとき、スロット48(48u、48v)に重なる位置に2本のセンサピン81、83を配置した例について説明したが、これに代えて、次(a)(b)のようにしてもよい。
ここで、説明の便宜上、同相の正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48(48u、48v)を軸線方向から視たとき、スロット48(48u、48v)に重なる位置を、以下、同相スロット位置という。さらに、同相スロット位置に対して径方向におけるロータ50側の位置を、同相スロットロータ側位置という。
(a)2本のセンサピン81、83のうち一方のセンサピンを同相スロット位置に配置し、残りのセンサピンを同相スロットロータ側位置に配置する。
(b)2本のセンサピン81、83のそれぞれを同相スロットロータ側位置に配置する。
(9) 上記第1実施形態では、センサピン82を、巻線位置49eに対して径方向におけるロータ50側の第2位置49d(図1参照)に配置した例について説明したが、これに代えて、次のようにしてもよい。
すなわち、ティース部43a、43b、43c、43d、43e、43f、44a、44b、44c、44d、44e、44fのうちいずれか1つのティース部に回巻きされる巻線を軸線方向から視たときに当該巻線に重なる位置にセンサピン82を配置する。
(10) 上記第3実施形態では、ティース部43a・・・43f、44a、・・・44fのうちいずれか1つのティース部に回巻きされる巻線を軸線方向から視たときに当該巻線に重なる位置にセンサピン81、83を配置した例について説明したが、これに代えて、次の(c)(d)のようにしてもよい。
ここで、説明の便宜上、ティース部43a・・・43f、44a、・・・44fのうちいずれか1つのティース部に回巻きされる巻線を軸線方向から視たときに当該巻線に重なる位置を以下、巻線位置という。さらに、巻線位置に対して径方向におけるロータ50側の位置を、巻線ロータ側位置という。
(c)センサピン81、83のうち一方のセンサピンを巻線位置に配置し、残りのセンサピンを巻線ロータ側位置に配置する。
(d)センサピン81、83のそれぞれを巻線ロータ側位置に配置する。
(11) 上記第3実施形態では、U相巻線49aの正巻回部46および逆巻回部47の間のスロット48u(図10参照)を軸線方向から視たとき、スロット48uに重なる位置(以下、U相スロット位置という)にセンサピン82を配置した例について説明したが、これに代えて、U相スロット位置に対して径方向におけるロータ50側にセンサピン82を配置してもよい。
(12) なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
次に、特許請求の範囲と上記各実施形態の構成要素との対応関係について説明する。
まず、第1判定手段がステップ110に対応し、第2判定手段がステップ130に対応し、回転数制御手段がステップ140に対応する。
1 車載電動機(電動機)
10 台座(支持部材)
11 開口部
20 ロータシャフト
40 ステータ
41 ステータコア
46 正巻回部
47 逆巻回部
48 スロット(隙間)
49 ステータコイル
49a U相巻線(相巻線)
49b V相巻線(相巻線)
49c W相巻線(相巻線)
50 ロータ
60 回路基板(基板)
61a、61b、61c ホールセンサ(磁気センサ)
62 インバータ回路(駆動回路)
63 制御回路
70 コネクタ
71 コネクタハウジング
71b コネクタカバー部(カバー部材)
72 ターミナル
81、82、83 センサピン(誘導部材)
90 シール材

Claims (11)

  1. 軸線(S1)を中心とする円周方向に並べられている複数の磁極を有し、かつ前記軸線を中心として回転自在に構成されているロータ(50)と、
    電線が正巻方向に巻かれている正巻回部(46)と前記電線が前記正巻方向と逆方向に巻かれている逆巻回部(47)とを相毎に構成する複数相の相巻線(49a、49b、49c)を備え、前記複数相の前記正巻回部および前記逆巻回部が前記ロータに対して前記軸線を中心とする径方向において、前記円周方向に並べられているステータコイル(49)と、
    前記ロータを回転させるために前記ステータコイルに交流電流を出力して前記ステータコイルから回転磁界を前記複数の磁極に出力させる駆動回路(62)と、前記駆動回路を制御する制御回路(63)と、前記ロータの回転を検出するために前記複数の磁極からの磁束を検出する3つの磁気センサ(61a、61b、61c)とを搭載してなる基板(60)と、
    前記複数の磁極から生じる磁束を前記3つの磁気センサのうち対応する磁気センサに誘導する3つの誘導部材であって、前記3つの誘導部材のうち1つの誘導部材或いは2つの誘導部材は、同相である前記正巻回部および前記逆巻回部のそれぞれから生じる磁束が打ち消される位置(以下、第1位置という)に配置されて、前記3つの誘導部材のうち前記第1位置に配置されている誘導部材以外の他の誘導部材は、前記第1位置とは異なる第2位置に配置されている3つの誘導部材(81、82、83)と、を備え、
    前記制御回路は、前記3つの磁気センサの検出値に基づいて前記駆動回路を制御して前記ロータを起動し、前記ロータの起動の終了後に前記制御回路は、前記3つの磁気センサのうち前記1つの誘導部材或いは前記2つの誘導部材によって誘導される磁束を検出する磁気センサの検出値に基づいて前記ロータの回転数を制御することを特徴とする電動機。
  2. 前記3つの磁気センサおよび前記3つの誘導部材は、機械角である60degの領域内に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電動機。
  3. 前記第2位置は、前記複数相の前記正巻回部および前記逆巻回部のうちいずれか1つの巻回部を軸線方向から視たときに前記いずれか1つの巻回部に重なる位置であることを特徴とする請求項1または2に記載の電動機。
  4. 前記複数相の前記正巻回部および前記逆巻回部のうちいずれか1つの巻回部を軸線方向から視たときに前記1つの巻回部に重なる位置を巻線位置(49e)とした場合において、
    前記第2位置は、前記巻線位置に対して前記径方向における前記ロータ側に位置することを特徴とする請求項1または2に記載の電動機。
  5. 前記3つの磁気センサは、それぞれ、前記ステータコイルに対して前記ロータの軸線方向一方側に配置されており、
    前記3つの誘導部材は、それぞれ、前記3つの磁気センサに対して軸線方向他方側に配置されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の電動機。
  6. 前記同相である正巻回部および逆巻回部は、隙間(48)をあけて、前記円周方向に並べられており、
    前記第1位置は、前記軸線方向から前記隙間を視たときに前記隙間に重なる位置であることを特徴とする請求項1ないし5のうちいずれか1つに記載の電動機。
  7. 前記同相である正巻回部および逆巻回部は、隙間(48)をあけて、前記円周方向に並べられており、
    前記隙間を前記軸線方向から視たときに前記隙間に重なる位置を隙間位置(481)した場合において、
    前記第1位置は、前記隙間位置に対して前記径方向における前記ロータ側に位置することを特徴とする請求項1ないし5のうちいずれか1つに記載の電動機。
  8. 前記3つの誘導部材は、それぞれ、前記円周方向にオフセットして配置されており、
    前記制御回路は、
    前記3つの磁気センサの検出値に基づいて、前記ロータの回転方向が所定方向であるか否かを判定する第1判定手段(S110)と、
    前記3つの磁気センサのうち前記1つの誘導部材或いは前記2つの誘導部材によって誘導される磁束を検出する磁気センサの検出値に基づいて、前記ロータの回転数が所定回転数以上であるか否かを判定する第2判定手段(S130)と、
    前記ロータの回転方向が所定方向であると前記第1判定手段が判定し、かつ前記ロータの回転数が所定回転数以上であると前記第2判定手段が判定した場合には、前記ロータの起動が終了したと判定して、前記3つの磁気センサのうち前記1つの誘導部材或いは前記2つの誘導部材によって誘導される磁束を検出する磁気センサの検出値に基づいて、前記ロータの回転数を制御する回転数制御手段(S140)と、
    を備えることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の電動機。
  9. 前記基板は、前記ステータコイルに対して軸線方向一方側に配置されており、
    前記3つの磁気センサは前記基板のうち前記ステータコイル側に配置されていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の電動機。
  10. 前記基板と前記ステータコイルとの間に配置されて、前記3つの誘導部材を軸線方向他方側から覆うように形成されているカバー部材(71b)と、
    前記カバー部材および前記基板の間に配置されて、開口部(11)を形成する開口形成部(12)を有し、かつ前記基板および前記カバー部材を支持する支持部材(10)と、
    前記支持部材と前記カバー部材との間で前記開口部を囲む環状に形成されて、前記支持部材の前記開口形成部と前記カバー部材との間を密閉するシール材(90)と、を備え、
    前記3つの誘導部材は、それぞれ、前記開口部内に配置されていることを特徴とする請求項9に記載の電動機。
  11. 一端側が前記基板に接続されて、他端側が外部装置に接続されるターミナル(72)と、前記ターミナルを収納するコネクタハウジング(71)とを有するコネクタ(70)を備え、
    前記コネクタハウジングは、前記カバー部材を構成することを特徴とする請求項10に記載の電動機。
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