JP2019198147A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機（３００）を構成するモータ（１）の発生する磁束が回転位置検出器（２）の磁気検出部（２２１）に鎖交することにより発生する角度検出誤差を低減する。【解決手段】Ｐ相（Ｐは正の整数）のＮ極（Ｎは偶数）Ｍスロット（ＭはＰの倍数）のロータ（１２０）を有するモータ（１）と、凹凸部を有する回転子（２１０）をもつ回転位置検出器（２）で構成され、前記回転位置検出器（２）の固定子（２２０）は磁気検出部（２２１）を有し、前記回転子（２１０）の１組の凹凸部の角度をＱ度としたとき、前記磁気検出部（２２１）はＱ／Ｃ度ピッチでｋＣ個（ｋ、Ｃは正の整数）配置され、Ｃ相２相変換を用いて前記モータ（１）の回転位置を検出する。【選択図】図５

Description

本願は、回転位置検出器が搭載された回転電機に関するものである。

回転位置検出器が搭載された回転電機は、回転位置検出器と駆動部であるモータとを備えている。この回転電機において、モータが発する電界および磁界の影響により回転位置検出器の角度誤差が増加したり誤動作したりするという課題があった。
この課題に対して、特許文献１では、モータと回転位置検出器の間にシールド部材を設けることが提案され、特許文献２では、回転位置検出器が外部磁界の影響を受けないように、磁束を発生させる端子を回転位置検出器から遠ざけることが提案されている。

特開２０１６‐１１１８８９号公報 特開２０１０‐９８８９５号公報

この特許文献１および特許文献２に開示されている技術によって、モータから回転位置検出器に及ぼされるノイズの影響が低減されている。しかし、特許文献１および特許文献２において提案されている技術を実施した場合には、回転電機の部品点数が増加したり、サイズおよび重量が大型化したりするという新たな課題が生じる。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、異なった技術によって回転位置検出器における誤差が低減された回転電機を提供することを目的とする。

本願に開示される回転電機は、Ｐ相（Ｐは正の整数）のＮ極（Ｎは偶数）Ｍスロット（ＭはＰの倍数）のロータを有するモータと、凹凸部を有する回転子をもつ回転位置検出器とを備え、前記回転位置検出器の固定子は磁気検出部を有し、前記回転子の１組の凹凸部の角度をＱ度としたとき、前記磁気検出部はＱ／Ｃ度ピッチでｋＣ個（ｋ、Ｃは正の整数）配置され、Ｃ相２相変換を用いて前記モータの回転位置を検出するようにしたものである。

本願に開示される回転電機によれば、回転位置検出器における誤差が低減された回転電機が得られる。

実施の形態１に係る回転電機の構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る回転電機の構造を示す模式図である。 実施の形態２に係る回転電機の構造を示す模式図である。 実施の形態３に係る回転電機の構造を示す模式図である。 実施の形態４に係る回転電機の構造を示す模式図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機３００の構造を示す断面図であって、回転電機３００の回転軸方向の断面を表している。図２は、実施の形態１に係る回転電機３００の構造を示す模式図であって、図１のＡ−Ａ線における断面の状態を表している。但し、モータと回転位置検出器との構造の関係を示すため、モータのロータの構造を重ねて示しており、実際の設計図とは異なっている。なお、図において、同一符号は各々同一または相当部分を示すものである。

図１に示すように、回転電機３００は、駆動部であるモータ１と回転位置検出器２で構成されている。
モータ１は、ステータ１１０とロータ１２０、ステータの外周を覆うハウジング１３０、ロータ内径側に配置されたシャフト１４０、ロータ１２０の軸方向両側に配置され内輪がシャフト１４０に接し外輪がハウジング１３０に接することでロータ１２０を回転自在に保持するベアリング１５０で構成されている。

回転位置検出器２は、モータ１の軸方向の一端側に配置され、シャフト１４０に固定された回転子２１０とハウジング１３０に固定された固定子２２０で構成されている。

図２に示すように、ステータ１１０は、円環状の鉄芯であるヨーク１１１から１８個のティース１１２が内径側に延伸され、ティース１１２それぞれにコイル１１３が巻回されている。コイル１１３は周方向に３個となりのもの同士６個が並列に結線されており、こうしてできた３組の６個の並列コイルはＹ結線に接続されている。

ロータ１２０は、円盤状のロータコア１２１と、ロータコア１２１に設けられた平板状の磁石スロット１２２、および磁石スロット１２２に挿入された永久磁石１２３で構成されている。磁石スロット１２２および永久磁石１２３は、周方向に１２個等間隔に配置されており、永久磁石１２３は、Ｎ極とＳ極が外径側を向くように、周方向に交互に配置されている。
このようにモータ１は、１２極１８スロットの３相モータとして構成されている。すなわち、３相で２極３スロットの倍数で構成されている。

回転子２１０は、モータ１の相数Ｐ（Ｐ＝３）、極数Ｎ（Ｎ＝１２）、スロット数Ｍ（Ｍ＝１８）に対して、外形が周方向にＮ／２＝６個の滑らかな凹凸部をもつ。固定子２２０には、磁気検出部２２１が、回転子２１０の１組の凹凸部の周方向の角度をＱ度とした時に、Ｑ度／Ｃ（Ｃ＝Ｐ）＝２０度ピッチでｋＣ＝３（ｋ＝１）個配置されている。磁気検出部２２１は、ホールＩＣが使用され、モータ１のティース１１２上に来るように周方向位置が決められている。

固定子２２０の磁気検出部２２１の外径側には、周方向角度が３つの磁気検出部２２１の両端角よりも大きいバイアス磁石２２２とハット状のセンサヨーク２２３が構成されている。
回転位置検出器２は、バイアス磁石２２２から発生した磁束が３つの磁気検出部２２１に対向する回転子２１０までの距離が異なることによって生まれるパーミアンスの差により発生する３つの磁気検出部２２１に鎖交する磁束（磁束密度）から回転位置を算出する。

具体的には、３つの磁気検出部２２１が磁束密度に応じて出力する電圧を３相２相変換により２相の信号に変換し、この２相の信号のアークタンジェントを求めることで回転子２１０の１組の凹凸部の機械的な角度Ｑを電気角３６０度と定義した際の角度を求める。

このような構成によれば、磁気検出部２２１がモータ１の３相のコイル１１３に対してＱ度／Ｃ（Ｃ＝Ｐ）である２０度ピッチで配置されているため、コイル１１３が作るモータ１の電気的な基本波周波数に対する３次高調波が軸方向に漏洩して磁気検出部２２１に鎖交することから、回転位置検出器２の検出誤差が増加することに対して、３つの磁気検出部２２１が３次高調波磁束を同じ振幅で受けることができる。そして、３相２相変換を用いて回転位置を算出するため、３次高調波の影響をキャンセルすることができる。

また、磁気検出部２２１の周方向の位置がモータ１のティース１１２上に配置されているようになっているため、磁気検出部２２１の位置が、ティース１１２に対して取り付け寸法誤差等によってずれた場合にも、軸方向に磁束を発するコイルの直線部分に位置するため、検出する磁束の誤差を小さくすることができ、取り付け寸法誤差による角度誤差の増加を押さえることができる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る回転電機３００の構造を示す模式図で、図２と同様の断面形状を表している。

図３において、回転位置検出器２の回転子２１０は、モータ１の相数Ｐ（３）、極数Ｎ（１２）、スロット数Ｍ（１８）に対して、外形が周方向にＮ／２＝６個の滑らかな凹凸をもつ。固定子２２０には、磁気検出部２２１が、回転子２１０の１組の凹凸部の周方向の角度をＱ度とした時に、Ｑ度／Ｃ＝１２度ピッチでｋＣ＝５（ｋ＝１）個配置されている。

固定子２２０の磁気検出部２２１の外径側には、周方向角度が５つの磁気検出部２２１の両端角よりも大きいバイアス磁石２２２とハット状のセンサヨーク２２３で構成されている。

５つの磁気検出部２２１が磁束密度に応じて出力する電圧を、５相２相変換により２相の信号に変換し、この２相の信号のアークタンジェントを求めることで回転子２１０の１組の凹凸部の機械的な角度Ｑを電気角３６０度と定義した際の角度を求める。
その他の構成は実施の形態１と同様である。

このような構成においても、磁気検出部２２１がモータ１の３相のコイル１１３に対してＱ／Ｃである１２度ピッチで配置されているため、コイル１１３が作るモータ１の電気的な基本波周波数に対する５次高調波が軸方向に漏洩して磁気検出部２２１に鎖交することから、回転位置検出器２の検出誤差が増加することに対して、５相２相変換を用いて回転位置を算出するため、５次高調波の影響をキャンセルすることができる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る回転電機３００の構造を示す模式図である。

図４において、モータ１のティース１１２は、周方向に１２個均等に配置されており、ティース１１２にはコイル１１３が巻回され、隣り合う２つのコイル１１３は逆向きに直列接続され、６個置きに並列結線され２組の２個直列２個並列結線されたコイルがＹ結線されている。ロータ１２０には１０個の磁石スロット１２２と永久磁石１２３が設けられており、１０極１２スロットのモータに構成されている。
隣り合う２つのティース１１２の間には１２個のステータスロットが構成されている。

回転位置検出器２の回転子２１０は、モータ１の相数Ｐ（３）、極数Ｎ（１０）、スロット数Ｍ（１２）に対して、外形が周方向にＮ／２＝５個の滑らかな凹凸をもつ。固定子２２０には、磁気検出部２２１が、回転子２１０の１組の凹凸部の周方向の角度をＱ度とした時に、Ｑ度／Ｃ（Ｃ＝Ｐ）＝３０度ピッチでｋＰ＝６（ｋ＝２）個配置されている。磁気検出部２２１は、モータ１のスロット上に来るように周方向の位置が決められている。

固定子２２０の磁気検出部２２１の外径側には、周方向角度が６つの磁気検出部２２１の両端角よりも大きいバイアス磁石２２２とハット状のセンサヨーク２２３が構成されている。
６つの磁気検出部２２１の出力は３個離れた位置の磁気検出部同士が直列に接続されている。
その他の構成は実施の形態１と同様である。

このような構成においても、磁気検出部２２１が、モータ１の３相のコイル１１３に対してＱ度／Ｃ（Ｃ＝Ｐ）である３０度ピッチで配置されているため、コイル１１３が作るモータ１の電気的な基本波周波数に対する３次高調波が軸方向に漏洩して磁気検出部に鎖交することで回転位置検出器２の検出誤差が増加することに対して、６つの磁気検出部２２１が３次高調波磁束を同じ振幅で受けることができる。そして、３相２相変換を用いて回転位置を算出するため、３次高調波の影響をキャンセルすることができる。

この構成においては、回転子２１０の隣り合う凹凸部に対向する２組の３相の磁気検出部２２１を直列に接続することによって、回転子２１０の外径製作誤差および磁気検出部２２１の製造誤差および取り付け誤差に伴う角度誤差の悪化を平均化することで低減することができる。
また、磁気検出部２２１がステータスロット上に配置されているので、モータ１のコイル１１３から磁気検出部２２１を遠く配置することができ、角度誤差に与える影響を低減することができる。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る回転電機３００の構造を示す模式図である。

図５において、モータ１のティース１１２は、周方向に４０個均等に配置されており、ステータスロットにはコイル１１３が挿入され、５スロット離れた位置にコイル１１３の反対側が配置されている。１０個置きに並列結線され、５組の２個直列２個並列結線されたコイルがＹ結線されている。ロータ１２０には、８組のＶ字型の磁石スロット１２２と永久磁石１２３が設けられており、８極４０スロットの５相モータに構成され、隣り合う２つのティース１１２の間には、４０個のステータスロットが構成されている。

回転位置検出器２の回転子２１０は、モータ１の相数Ｐ（５）、極数Ｎ（８）、スロット数Ｍ（４０）に対して、外形が周方向にＮ／２＝４個の滑らかな凹凸を持っている。固定子２２０には、磁気検出部２２１が、回転子２１０の１組の凹凸部の周方向の角度をＱ度とした時に、Ｑ度／Ｃ（Ｃ＝Ｐ）＝９度ピッチでｋＰ＝５（ｋ＝１）個配置されている。磁気検出部２２１は、モータ１のスロット上に来るように周方向位置が決められている。

固定子２２０の磁気検出部２２１の外径側には、周方向角度が５つの磁気検出部２２１の両端角よりも大きいバイアス磁石２２２とハット状のセンサヨーク２２３が構成されている。

５つの磁気検出部２２１が磁束密度に応じて出力する電圧を５相２相変換により２相の信号に変換し、この２相の信号のアークタンジェントを求めることで回転子２１０の１組の凹凸部の機械的な角度Ｑを電気角３６０度と定義した際の角度を求める。
その他の構成は実施の形態１と同様である。

このような構成においても、磁気検出部２２１がモータ１の５相のコイル１１３に対してＱ度／Ｃ（Ｃ＝Ｐ）である９度ピッチで配置されているため、コイル１１３が作るモータ１の電気的な基本波周波数に対する５次高調波が軸方向に漏洩して磁気検出部に鎖交することから、回転位置検出器２の検出誤差が増加することに対して、５つの磁気検出部２２１が５次高調波磁束を同じ振幅で受けることができる。そして、５相２相変換を用いて回転位置を算出するため、５次高調波の影響をキャンセルすることができる。

なお、上記実施の形態では埋め込み磁石型の回転電機を例に説明を行ったが、表面磁石型の回転電機においても同様の効果を奏する。また、シンクロナスリラクタンスモータまたはスイッチトリラクタンスモータ等の同期回転電機でも同様の効果を奏する。
上記実施の形態では磁気検出部としてホールＩＣを用いて説明したが、サーチコイル、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、またはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子などを用いてもよい。また、実施の形態１から４では回転電機の駆動部をモータとしたが、ジェネレータであっても同様の効果を奏する。

本開示は、様々な例示的な実施の形態およ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、およ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 モータ、２ 回転位置検出器、１１０ ステータ、１１１ ヨーク、
１１２ ティース、１１３ コイル、１２０ ロータ、１２１ ロータコア、
１２２ 磁石スロット、１２３ 永久磁石、１３０ ハウジング、１４０ シャフト、
２１０ 回転子、２２０ 固定子、２２１ 磁気検出部、３００ 回転電機

本願に開示される回転電機は、Ｐ相（Ｐは正の整数）のＮ極（Ｎは偶数）Ｍスロット（ＭはＰの倍数）のロータを有するモータ、および凹凸部を有し前記モータの回転軸の軸方向の一端側に配置された回転子と、前記モータのティース上に配置された磁気検出部を有する固定子とを備えた回転位置検出器を備え、前記回転子の１組の前記凹凸部の角度をＱ度としたとき、前記磁気検出部はＱ／Ｃ度ピッチでｋＣ個（ｋ、Ｃは正の整数）配置され、Ｃ相２相変換を用いて前記モータの回転位置を検出するようにしたものである。

Claims (6)

1. Ｐ相（Ｐは正の整数）のＮ極（Ｎは偶数）Ｍスロット（ＭはＰの倍数）のロータを有するモータと、凹凸部を有する回転子をもつ回転位置検出器で構成され、前記回転位置検出器の固定子は磁気検出部を有し、前記回転子の１組の凹凸部の角度をＱ度としたとき、前記磁気検出部はＱ／Ｃ度ピッチでｋＣ個（ｋ、Ｃは正の整数）配置され、Ｃ相２相変換を用いて前記モータの回転位置を検出することを特徴とする回転電機。
2. Ｐ＝Ｃであることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記モータのロータは３相で２極３スロットの倍数で構成され、前記磁気検出部はＱ／３度ピッチで３個配置され、３相２相変換を用いて回転位置を検出することを特徴とする請求項２記載の回転電機。
4. 前記回転位置検出器は前記モータの回転軸の軸方向の一端側に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記磁気検出部は、前記モータのティース上に配置されていることを特徴とする請求項４記載の回転電機。
6. 前記磁気検出部は、前記モータのスロット上に配置されていることを特徴とする請求項４記載の回転電機。

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