JP2020515214A - ブラシレス電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング（２）と、ハウジング（２）内で回転可能に支承されたシャフト（３）上に配置されている少なくとも１つのロータ（５）と、ハウジング固定されたステータ（６）と、を備え、ロータ（５）に、非接触で動作するロータ位置識別装置（７）が割り当てられている、ブラシレス電気機械（１）、特にブラシレスＤＣモータに関する。ここでは、ロータ位置識別装置（７）が、シャフト（３）に相対回動不能に配置された多極マグネットリング（８）と、径方向でマグネットリング（８）の外周に割り当てられた少なくとも１つの磁界感応式のセンサ（１７）とを有することが想定されている。

Description

本発明は、ハウジングと、ハウジング内で回転可能に支承されたシャフト上に配置されている少なくとも１つのロータと、ハウジング固定されたステータと、ロータに割り当てられているロータ位置識別装置と、を備えたブラシレス電気機械、特にブラシレスＤＣモータに関する。

背景技術
ブラシレス電気機械は、基本的に従来技術から既に公知である。これらは、多岐多様に使用されており、特に自動車製造業界でも使用されている。そこではそれらは、例えばサーボモータ、駆動モータなどとして使用される。ブラシレス機械は、機械的な整流が省かれるという利点を有しており、これによって機械的な磨耗が低減する。しかしながら、この種の機械を適正に駆動制御し得るためには、ロータ位置又はロータ回転角度を知ることが重要である。この目的のために、好ましくは、非接触で動作するロータ位置識別装置が使用される。通常、ここでは、ロータのシャフトに、磁界発信器が端面側で配置され、磁界感応式のセンサは、軸方向で又はシャフトの延長線上でシャフトの端面に対向するように配置される。シャフトの回転位置に依存して、検出された磁界は変化し、これによって、センサ出力信号の相応の評価を用いて、ロータの回転角度位置又はロータ位置が決定可能である。

発明の開示
請求項１の特徴を有する本発明による機械は、ロータ位置の特に正確かつ迅速な検出が可能であり、さらに構造スペース上の優位性も生じるという利点を有する。この目的のために、本発明によれば、ロータ識別装置が、シャフト上に相対回動不能に配置された又は配置可能である多極のマグネットリングと、径方向でマグネットリングの外周に割り当てられた少なくとも１つの磁界感応式のセンサとを有することが想定されている。即ち、本発明は、磁界感応式のセンサが端面側又は軸方向でシャフトや磁界発信器に割り当てられるのではなく、径方向でマグネットリングに割り当てられていることを想定しているため、センサは最終的に軸方向でシャフトの高さに配置されている。従って、機械全体を軸方向でより短く設計することができる可能性が生じる。その上さらに、ロータ位置識別装置は、基本的に、シャフトの任意の各シャフト区分に配置されてもよく、従って、例えばシャフト軸受けと、シャフト上に配置されたロータとの間に配置されてもよい。これにより、設計の自由度が生じ、本発明の枠組み条件に依存して電気機械の最適な使用及び最適な実施形態が可能になる。

本発明の好ましい発展形態によれば、センサは、ＴＭＲセンサとして構成されていることが想定されている。ＴＭＲセンサは、磁気トンネル抵抗（ＴＭＲ）の原理により動作する。この種のセンサは、薄膜技術により製造され、小さな空間において高精度の磁界検知を可能にする。

さらに好ましくは、センサは、自身の磁界を検出する測定方向がマグネットリングの回転軸線に対して垂直な配向方向とは異なる角度に配向されるように配向されていることが想定されている。測定方向とは、ここではセンサの主測定方向の主軸線を意味するものと理解されたい。センサの主軸線又は測定方向の斜めの配向によって、センサの信号出力に均一な信号が生じることが達成される。特に、ＴＭＲセンサは、ＴＭＲブリッジを形成するように相互接続されて測定プレート上に配置された複数の測定素子を有する。この場合、測定プレートに対する垂線は、主測定方向又は測定方向の主軸線を表す。即ち、このケースにおいては、測定プレートは、その垂線が厳密な径方向の配向とは異なるように配置されている。

特に好ましくは、マグネットリングは、全周にわたり分配されて交番磁界配向を伴った複数の磁極を有していることが想定されており、それらは特に均等に全周にわたり分配されて配置されている。複数の磁極とは、ここでは特に、少なくとも４つ、特に６つ、８つ、１０、１２又はそれ以上の磁極の数を意味するものと理解されたい。より多くの磁極が存在するほど、ロータ位置の決定はより正確になる。

さらに好ましくは、マグネットリングは、シャフトに外嵌されたマグネットリング支持体に配置されていることが想定されている。従って、マグネットリングは、シャフトに直接固定されているのではなく、マグネットリング支持体によってシャフトに保持されている。これにより、マグネットリングが簡単にかつ短時間でシャフトに対して取り付け可能になることが達成される。その上さらに、シャフトに対するマグネットリングの高精度な配置が可能であり、この場合、マグネットリング支持体によって、同じマグネットリングが、異なる構成のシャフトにも、あるいは、シャフトの異なるシャフト区分にも配置され得る。

本発明の好ましい発展形態によれば、マグネットリング支持体は、マグネットリングをその外周で取り囲む破損保護体を有することが想定されている。この目的のために、マグネットリング支持体は、特に、マグネットリングをその外周で取り囲む又は取り巻く外周壁部を有する。仮にマグネットリングが破損したような場合であっても、マグネットリングの部品が高速で周囲に放り出されないことが、破損保護体により達成される。これにより、電気機械がさらなる損傷から保護される。その他に、マグネットリングは、破損保護体自体によって外部からの影響から保護されるので、マグネットリング自体の損傷のリスクも低減する。

特に、マグネットリング支持体は、カップ状に形成されていることが想定されている。これにより、破損保護体は、周壁部によって自動的に形成される。本発明の好ましい発展形態によれば、その他に、マグネットリング支持体は、カップ状のマグネットリング支持体の、マグネットリングの内周に割り当てられている内周壁部を有することが想定されており、そのため、マグネットリングの内側がマグネットリング支持体の内周壁部によって保護又は支持されている。これにより、マグネットリング支持体においてマグネットリングの容易な配置が保証されている。

その他に、本発明の好ましい発展形態によれば、マグネットリング支持体がシャフトと共に少なくとも１つの形状結合的な相対回動防止装置を形成することが想定されている。これにより、シャフトに対するマグネットリングの相対回動不能な配置が簡単な方法で保証されている。この相対回動防止装置は、例えばシャフトの外周における軸方向又は長手方向に延在する溝と、この溝に係合する連動用突起とによって形成され、この連動用突起は、マグネットリング支持体に固定的に接続されており、又は、特にそれと一体的に形成されている。特に、シャフト上でのマグネットリング支持体の連れ回り及び可変な位置決めを保証するために、複数のこの種の溝−連動用突起対又は相対回動防止装置が、マグネットリング支持体及びシャフトの全周にわたって分配されて形成されている。

以下においては、本発明を図面に基づき、より詳細に説明する。

ブラシレス電気機械の簡略化された縦断面図。 機械の斜視詳細図。 機械の第２の斜視詳細図。

図１は、シャフト３が回転可能に支承されているハウジング２を備えたブラシレスＤＣモータ１を簡略化された縦断面図で示す。この場合、シャフト３の軸受けは、本発明によれば、複数の転動体軸受け４によって実現されており、ここではそのうちの１つのみが例示的に示されている。

シャフト３上には、ロータ５が配置され、相対回動不能にシャフト３に結合されている。ロータ５には、ステータ６が同軸に割り当てられており、このステータ６はハウジング固定されて又はハウジング２に配置されている。ロータ５を所定のトルクで回転運動させるために、ステータ６又はステータ６のコイルは、適当なパワーエレクトロニクスによって通電可能である。ステータ６のコイルを適正に駆動制御することができるようにするために、ロータ位置識別装置７が設けられており、この装置を用いてステータ６に関するロータ５の現在の回転角度位置が監視される。

ロータ位置識別装置７は、全周にわたり均等にかつ交番磁界配向を伴って分配されて配置された複数の磁極Ｎ及びＳを有するマグネットリング８を備えている。このマグネットリング８は、マグネットリング支持体９に保持されている。このマグネットリング支持体９も同様に環状に形成されるとともに中央貫通開口部１０を有しており、この貫通開口部１０によって、マグネットリング支持体９がシャフト３に外嵌されている。特に、この開口部１０の内径と、外嵌領域におけるシャフト３の外径とは、シャフト３においてマグネットリング支持体９の確実な保持を保証するために、外嵌された際にほぼ遊びなしの嵌合又はプレス嵌めが生じるように形成されている。

その他に、好ましくは、マグネットリング支持体９とシャフト３との間に、少なくとも１つの相対回動防止装置１１が形成されている。この相対回動防止装置１１は、本発明の実施例によれば、シャフト３の外周に形成された溝１２と、マグネットリング支持体９によって形成される連動用突起１３とによって形成される。この連動用突起１３は、溝１２内に係合され、又は、溝１２内に導入される。ここでのこの連動用突起１３は、特に周面方向で見て、遊びなしで溝１２内に導入される。好ましくは、複数のこの種の相対回動防止装置１１は、マグネットリング支持体９及びシャフト３の周面にわたって分散して形成され又は配置されている。特に、シャフト３が複数の溝１２を有することが想定されているので、マグネットリング支持体９は、複数の回転角度位置においてシャフト３に押し込み可能である。この場合、各溝１２は、軸方向に開口するように形成されているので、マグネットリング支持体９は、連動用突起１３によってシャフト３に容易に外嵌することができる。

さらに、マグネットリング支持体９は、マグネットリング８をその外周によって取り囲む外周壁部１４を有する。その限りにおいては、この外周壁部１４は、マグネットリング８のための破損保護体１５を形成する。このマグネットリング８が万一動作中に損傷を受けて破損したとしても、マグネットリングの個々の部品は、破損保護体１５によって受け止められ、さらなる損傷を引き起こしかねないハウジング２の内部に放り出されることはない。

さらに、マグネットリング支持体９は、マグネットリング８の内周を少なくとも軸方向の所定の範囲にわたって取り囲む内周壁部１６を有し、それにより、マグネットリング８は、外周壁部１４と内周壁部１６との間でマグネットリング支持体９に保持されている。これにより、マグネットリング支持体９は全体として、マグネットリング８を容易に軸方向に挿入可能なカップ状の形態となる。

ハウジング２には、さらに、磁界感応式のセンサ１７が配置され、マグネットリング８の外周に径方向で割り当てられている。従って、このセンサ１７は、ハウジング２内において軸方向でマグネットリング８の高さに位置している。この場合、センサ１７は、測定プレート１８上に相互に隣接して配置されかつ電気的なブリッジを形成するように相互接続された複数の測定素子を有するＴＭＲセンサとして形成されている。この場合、測定プレート１８は、マグネットリング８の回転軸線に対して９０°とは異なる角度に配向されており、そのため、センサ１７の主測定方向又は検出方向は、マグネットリング８の回転軸線に対して斜めに配向されている。

それに対して図２は、自身に配置されたマグネットリング支持体９を有するシャフト３の斜視詳細図を示す。ここでは、マグネットリング支持体９のカップ形態が良好に見て取れる。本発明の実施例によれば、シャフト３は複数の溝１２を有し、これらの溝１２は、シャフト３の軸方向の広範囲の領域にわたって延在しており、そのため、マグネットリング支持体９は、シャフト３上の複数の異なる軸方向位置に自由に配置可能である。それにより、マグネットリング支持体９は、例えば、ロータ５と、別の転動体軸受けとの間、又は転動体軸受けの、ロータ５とは反対側に配置されてもよい。

図３は、自身に配置された図２のマグネットリング支持体９を有するシャフト３の別の斜視部分図を示す。この場合、ここでは、マグネットリング支持体９に、マグネットリング８が挿入されている。この場合、図３においては、例示的にマグネットリング８を複数の磁極Ｎ及びＳに分割することが示されている。

基本的に、マグネットリング８は、異なる極数で形成することができる。この場合、磁性材料として、例えば希土類磁石、特に焼結された又はプラスチック結合された硬質フェライトなどのすべての磁性材料を使用することができる。

センサ１７は、マグネットリング８によって生成された磁界強度を検出し、センサ１７に接続された計算ユニット又は評価ユニットは、検出された磁界強度に依存してシャフト３の現在の回転角度位置を算出し、ひいてはロータ５のロータ角度位置を算出する。次いで、決定されたロータ角度位置に依存して、ステータ６のコイルが通電され、特に電気的に整流される。

Claims (8)

1. ハウジング（２）と、
   前記ハウジング（２）内で回転可能に支承されたシャフト（３）上に配置されている少なくとも１つのロータ（５）と、
   ハウジング固定されたステータ（６）と、
   を備え、
   前記ロータ（５）に、非接触で動作するロータ位置識別装置（７）が割り当てられている、ブラシレス電気機械（１）、特にブラシレスＤＣモータにおいて、
   前記ロータ位置識別装置（７）は、前記シャフト（３）に相対回動不能に配置された多極マグネットリング（８）と、径方向で前記マグネットリング（８）の外周に割り当てられた少なくとも１つの磁界感応式のセンサ（１７）とを有する、
   ことを特徴とする、ブラシレス電気機械（１）。
2. 前記センサ（１７）は、ＴＭＲセンサとして構成されている、請求項１に記載の機械。
3. 前記センサ（１７）は、磁界を検出する測定方向が前記マグネットリング（８）の回転軸線に対する垂線とは異なる角度に配向されるように配向されている、請求項１又は２に記載の機械。
4. 前記マグネットリング（８）は、全周にわたり分配されて複数の磁極（Ｎ，Ｓ）を有し、それらは特に均等に全周にわたり分配されて配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の機械。
5. 前記マグネットリング（８）は、前記シャフト（３）に外嵌されたマグネットリング支持体（９）に配置されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の機械。
6. 前記マグネットリング支持体（９）は、前記マグネットリング（８）をその外周で取り囲む破損保護体（１５）を有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の機械。
7. 前記マグネットリング支持体（９）は、カップ状に形成されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の機械。
8. 前記マグネットリング支持体（９）は、前記シャフト（３）と共に少なくとも１つの形状結合的な相対回動防止装置（１１）を形成する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の機械。

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