(57)【要約】  永久磁石モータは、電機子と回転子と角度検出器とを備え、角度検出器は、センサマグネットと半導体センサとを含み、センサマグネットは、２極に着磁され、回転軸の端部に設けられ、回転軸と同一の回転中心を有し、半導体センサは、センサマグネットと、回転軸の延びる方向に対向しており、半導体センサとセンサマグネットとの間には空隙があり、半導体センサと、電機子鉄心における、半導体センサ側の端部との間には、磁性体のプレート部材が設けられている。
2017109968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子と、回転子と、角度検出器とを備え、
前記電機子は、電機子鉄心と、電機子巻線とを含み、
前記回転子は、回転子鉄心と、永久磁石とを含み、
前記角度検出器は、センサマグネットと、半導体センサとを含んでおり、
前記永久磁石を有する前記回転子鉄心は、回転軸に固定されており、
前記センサマグネットは、２極に着磁され、前記回転軸の端部に設けられ、前記回転軸と同一の回転中心を有し、
前記半導体センサは、前記センサマグネットと、前記回転軸の延びる方向に対向しており、
前記半導体センサと前記センサマグネットとの間には空隙があり、
前記半導体センサと、前記電機子鉄心における、半導体センサ側の端部との間には、磁性体のプレート部材が設けられている、
永久磁石モータ。
【請求項２】
１０極１２スロット、１４極１２スロット、１４極１８スロットのいずれかである、
請求項１の永久磁石モータ。
【請求項３】
通電電流の位相がＵ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２の各組の２相間で同じである６相の前記電機子巻線を有する、
請求項１の永久磁石モータ。
【請求項４】
１０極１２スロット、または、１４極１２スロットのいずれかであり、
通電電流の位相がＵ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２の各組の２相間が、電気角で３０度の位相差がある６相の前記電機子巻線を有し、
通電電流の位相が互いに１２０度異なるＵ２とＶ２とＷ２の３相のみを通電し、他の３相を通電せずに駆動する、
請求項１の永久磁石モータ。
【請求項５】
Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２の各組２相が同じターン数で同一スロットに格納されている６相の前記電機子巻線を有する、
請求項１〜４の何れか一項の永久磁石モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、回転軸端にセンサマグネットを配置し、回転軸上の軸方向に対向して磁気抵抗型の半導体センサを有する角度検出器を備えた、コンシクエントポール型の永久磁石モータが開示されている。この永久磁石モータでは、コンシクエントポール型の回転子と半導体センサとの間に軟磁性体からなる磁束誘導子を配置して、角度検出精度を向上することが企図されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１０７９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コンシクエントポール型の永久磁石モータにおいては、電機子の空隙と対向する永久磁石の磁極に対して、電機子の空隙と対向する回転子コアからなる疑似極が生じるほか、回転子コアに接する磁性体である回転軸も他極の極性となってしまう問題があることが知られている。センサマグネットが取り付けられる回転軸端そのものが磁石となるため、回転軸端から漏れ出して半導体センサに鎖交する漏れ磁束により角度検出精度が悪化する。【０００５】
特許文献１は、コンシクエントポール型の回転子と半導体センサとの間に軟磁性体からなる磁束誘導子を配置することで、コンシクエントポール特有の回転子の漏れ磁束を、半導体センサを迂回するように誘導し、回転子端からの漏れ磁束を低減することを狙ったものである。【０００６】
一方、コンシクエントポールを含めた永久磁石モータにおいては、電機子巻線により発生する磁束が電機子から漏れ出して半導体センサに鎖交し、角度検出精度を悪化させる電機子漏れ磁束が存在する。この電機子漏れ磁束は、電機子外周から半導体センサを回転軸と垂直な面に真横に貫き、反対側の電機子外周に流れ込む。このため、半導体センサまわりに磁性体を配置すると、半導体センサ周りの磁気抵抗を小さくしてしまい電機子漏れ磁束を逆に半導体センサ周辺に集めてしまうことで、角度検出精度が悪化する課題がある。電機子漏れ磁束はコンシクエントポール型でない永久磁石モータにおいても発生するので、電機子漏れ磁束を低減することは回転軸端で角度検出する永久磁石モータの共通の課題となる。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電機子漏れ磁束を低減することができる、永久磁石モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するための本発明は、電機子と、回転子と、角度検出器とを備え、前記電機子は、電機子鉄心と、電機子巻線とを含み、前記回転子は、回転子鉄心と、永久磁石とを含み、前記角度検出器は、センサマグネットと、半導体センサとを含んでおり、前記永久磁石を有する前記回転子鉄心は、回転軸に固定されており、前記センサマグネットは、２極に着磁され、前記回転軸の端部に設けられ、前記回転軸と同一の回転中心を有し、前記半導体センサは、前記センサマグネットと、前記回転軸の延びる方向に対向しており、前記半導体センサと前記センサマグネットとの間には空隙があり、前記半導体センサと、前記電機子鉄心における、半導体センサ側の端部との間には、磁性体のプレート部材が設けられている、永久磁石モータである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の永久磁石モータによれば、電機子漏れ磁束を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の永久磁石モータの構成を示す図である。
【図２】本発明に対する説明例としての、永久磁石モータを示す図である。
【図３】本実施の形態１に関し、６相駆動の１０極１２スロットの巻線配置を示す概略図である。
【図４】実施の形態１のＵ１、Ｕ２が作る電機子漏れ磁束を電気角の角度で表した図である。
【図５】図４の２つの電機子漏れ磁束を図３の巻線配置に重ねた状態を示す図である。
【図６】本実施の形態２に関する、図１と同態様の図である。
【図７】本実施の形態３に関し、６相駆動の１０極１２スロットの巻線配置を示す概略図である。
【図８】本実施の形態のＵ１、Ｕ２が作る電機子漏れ磁束を電気角の角度で表した図である。
【図９】図８の電機子漏れ磁束を図７の巻線配置上に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の永久磁石モータの構成を示す図である。永久磁石モータ１は、多重多相巻線の交流回転電機であり、電機子３１と、回転子３３と、角度検出器３５とを備えている。電機子３１は、電機子鉄心１４と、電機子巻線１３とを含んでいる。回転子３３は、回転子鉄心１２と、永久磁石１１とを含んでいる。角度検出器３５は、センサマグネット３と、半導体センサ５とを含んでいる。
【００１３】
永久磁石モータ１の回転軸２の一端には、ホルダ４が固定されている。センサマグネット３は、ホルダ４に支持されている。ホルダ４およびセンサマグネット３は、回転軸２と一体的に回転するように、回転軸２に支持されている。
【００１４】
センサマグネット３は、円柱形状の射出成形ネオジウムボンド磁石である。センサマグネット３は、２極に着磁される。センサマグネット３は、非磁性材のホルダ４を介して回転軸に圧入等で一体に固定され、回転軸の回転と同期して回転する。すなわち、センサマグネット３は、２極に着磁され、回転軸２の端部に設けられ、回転軸２と同一の回転中心を有する。
【００１５】
センサマグネット３の図１における上面と対向して、半導体センサ５が配置されている。半導体センサ５は、基板６に設けられている。すなわち、半導体センサ５は、センサマグネット３と、回転軸２の延びる方向に対向しており、半導体センサ５とセンサマグネット３との間には空隙がある。
【００１６】
半導体センサ５は、磁気抵抗型センサである。角度検出器を構成する他の電子部品や配線パターンや取付穴などは、公知の態様でよく、省略して図示している。半導体センサ５は、回転軸２を垂線とする平面と平行な方向の回転磁界方向、すなわち、基板６と平行な方向である回転磁界方向７を検出する。
【００１７】
回転軸２には、極数に応じた永久磁石１１を有する回転子鉄心１２が固定されている。回転子鉄心１２は、回転軸２の回転と同期して回転自在である。永久磁石１１は、回転子３３の内部に配置されており、すなわち、電機子鉄心１４に埋め込まれている。回転子３３と電機子３１との間には、磁気的空隙が確保されている。
【００１８】
電機子鉄心１４は、回転子３３の外周と対向するように配置されている。電機子鉄心１４には、複数の磁性のティースが設けられている。多相巻線群からなる電機子巻線１３が、複数のティースに巻回され、ティースの間のスロットに収められている。電機子鉄心１４の外周は、アルミニウム製のフレーム１５に取り付けられている。フレーム１５の回転軸上には、ベアリング１６およびベアリング１７を介して回転軸２が保持されている。ベアリング１６は、回転軸２の一端、つまり、角度検出器３５が設けられている回転軸２の端部を回転可能に保持する。ベアリング１７は、回転軸２の他端を回転可能に保持する。回転軸２の他端は、フレーム１５の外に突出している。フレーム１５は、電機子鉄心１４と接する円筒形状の部分１５ａと、ベアリング１６を取り付ける円盤形状の部分１５ｂとの、２部品に分かれている。
【００１９】
半導体センサ５と、電機子鉄心１４における、半導体センサ５側の端部との間には、強磁性体のプレート部材２１が設けられている。プレート部材２１は、軸方向でみた角度検出器３５と電機子鉄心１４との間に位置するフレーム１５の部分１５ｂとは、別部材の磁性体の薄板から構成されている。プレート部材２１は、電機子鉄心１４の端面に直接もしくは磁性体を介して接する。図１の図示例では、プレート部材２１は、半導体センサ５側の端面における径方向最外側部に直接、接している。
【００２０】
プレート部材２１は、軸方向に延びる第１の部分２１ａと、軸方向を垂線とする仮想面内を延びる第２の部分２１ｂとを有している。第１の部分２１ａは、電機子鉄心１４から軸方向に電機子鉄心１４に対して離れるように延びている。第２の部分２１ｂは、第１の部分２１ａにおいて電機子鉄心１４から最も離れた部分から、径方向内側に向けて延びている。プレート部材２１は、図１の断面においてみて、Ｌ字状に延びている。また、言い換えると、プレート部材２１は、電機子鉄心１４における半導体センサ５側の端面を、外径部から内径部にわたって覆っている。
【００２１】
次に、上述した本実施の形態１の永久磁石モータの作用について説明する。図２に、本発明に対する説明例としての、永久磁石モータを示す。この図２の永久磁石モータでは、本実施の形態１に関するプレート部材２１が設けられていない。このため、図２に示されるように、電機子漏れ磁束Ｃは、電機子外周から半導体センサを回転軸と垂直な面に真横に貫き、反対側の電機子外周に流れ込み、ひいては、角度検出精度が悪化する課題がある。これに対して、本実施の形態１では、磁性体のプレート部材２１を、電機子鉄心１４の軸端に接するように配置し、かつ、電機子鉄心１４の外径側から内径側にかけて電機子鉄心１４を覆う形状とすることで、電機子漏れ磁束Ａは、電機子３１外周から半導体センサ５を横切って反対側の電機子３１外周に流れ込むことなく、電機子３１外周側からプレート部材２１を経由して反対側の電機子３１外周へと流れる。すなわち、電機子漏れ磁束Ａは、半導体センサ５を迂回するように誘導される。つまり、永久磁石モータ１では、電機子漏れ磁束を電機子外周から反対側の電機子外周まで積極的に誘導する磁性体からなる磁路が追加されている。
【００２２】
次に、本実施の形態１の巻線配置ついて説明する。図３は、本実施の形態１に関し、６相駆動の１０極１２スロットの巻線配置を示す概略図である。２相同士を同位相の電流で駆動するＵ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の６相の巻線が、電機子３１の１２スロットのそれぞれに巻回されている。Ｕ１＋とＵ１−は巻き方向が互いに逆であることを意味する。Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２の各組の２相間は同位相の電流が通電されている。
【００２３】
図４は、実施の形態１のＵ１、Ｕ２が作る電機子漏れ磁束を電気角の角度で表した図である。図４では、同じ通電位相の２相が作る電機子外周から回転軸を横切って反対側の電機子外周に流れる電機子漏れ磁束の向きを電気角の角度で示している。Ｕ１＋からＵ２−に流れる電機子漏れ磁束と、Ｕ２＋からＵ１−に流れる電機子漏れ磁束である。
【００２４】
図５は、図４の２つの電機子漏れ磁束を図３の巻線配置に重ねた状態を示す図である。図５に２つの電機子漏れ磁束を合成した成分Ｂを示す。すなわち合成成分ＢがＵ１とＵ２の２相が作る図１のＡや図２のＣで示した電機子漏れ磁束であり、これが通電位相とともに電気角一周期で大きさが変化しながら一回転する。この電機子漏れ磁束が、回転軸上の半導体センサをセンサマグネットの磁界を検出する方向に横切ると、センサマグネットの磁界と電機子漏れ磁束との角度差が検出角度の誤差となる。
【００２５】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。なお、本実施の形態２は、以下に説明する部分を除いては、実施の形態１と同様であるものとする。図６は、本実施の形態２に関する、図１と同態様の図である。本実施の形態２では、フレームにおける、電機子鉄心と接する円筒形状の部分２１５ａが磁性体で構成されている。実施の形態１のようなアルミニウム製の円筒フレームに比べて、重くはなるが薄い板厚で強度が得られるので、外径が小さい割にモータ駆動時の騒音や振動を低減することができる。また、本実施の形態２においては、ベアリングを取り付ける円盤形状のアルミニウム製のフレームの部分２１５ｂでは、フレーム裏面にインバータを配置すればヒートシンクとして活用できる利点があった。
【００２６】
プレート部材２１が設けられていないとした場合の磁性体の円筒状フレームは電機子鉄心に接しているので、電機子漏れ磁束は点線のように電機子外周からフレーム内径を経由し、回転軸を横切って、さらに反対側のフレーム内径を経由して反対側の電機子外周に流れることで、角度検出精度が悪化してしまう。しかし、本実施の形態２では、プレート部材２１が設けられているので、ベアリングを取り付ける円盤形状のアルミニウム製のフレームの部分とは別に、磁性体のプレート部材２１を円筒フレームに接して配置することで、電機子漏れ磁束を磁性体に誘導し、半導体センサを迂回できるので、角度検出精度を向上する効果が得られる。
【００２７】
なお、上述した実施の形態１および実施の形態２は、６相駆動で説明したが、Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２をそれぞれ並列回路とした一般的な３相駆動の１０極１２スロットの永久磁石モータとしても、角度検出精度を向上する効果が得られることは自明である。
【００２８】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。なお、本実施の形態３は、以下に説明する部分を除いては、実施の形態１または２と同様であるものとする。図７は、本実施の形態３に関し、６相駆動の１０極１２スロットの巻線配置を示す概略図である。本実施の形態３は、上述した実施の形態１の２相同士を３０度位相の電流で駆動する６相駆動の１０極１２スロットの巻線配置を有する。
【００２９】
Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の６相の巻線が１２スロットのそれぞれに巻回されている。Ｕ１＋とＵ１−は巻き方向が互いに逆であることを意味する。Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２の各組の２相間はそれぞれ電気角で３０度の位相差をつけた電流が通電されている一般的な二重三相モータであり、３０度位相差をつけることで６ｆのトルクリップルをキャンセルできる構成である。
【００３０】
図８は、本実施の形態のＵ１、Ｕ２が作る電機子漏れ磁束を電気角の角度で表した図である。図８では、３０度通電位相の異なる２相が作る電機子外周から回転軸を横切って反対側の電機子外周に流れる電機子漏れ磁束の向きを電気角の角度で示している。すなわち、Ｕ１＋からＵ２−に流れる電機子漏れ磁束と、Ｕ２＋からＵ１−に流れる電機子漏れ磁束であり、電気角の角度では２つの電機子漏れ磁束の位相は同じである。
【００３１】
図９は、図８の電機子漏れ磁束を図７の巻線配置上に表した図である。Ｕ１＋とＵ２−は機械角で３０度の配置になっているので、電気角で１５０度の角度となり、さらに電流の３０度位相差で１８０度の角度となるが、巻線方向が逆なので、２つの電機子漏れ磁束の位相差は電気角で０度、すなわち同相となる。機械角では巻線方向を考慮すると、図９の通り、お互いがキャンセルし合う向きとなる。逆に言えば、Ｕ１とＵ２の通電電流の角度が３０度位相差で角度が同じとなるが、Ｕ１とＵ２の巻線配置から向きが逆であることと等価である。したがって、通常の６相駆動時には電機子漏れ磁束はキャンセルし合ってゼロである。しかしながら、本実施の形態３は、Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の通電を切り、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の３相のみでモータを駆動する場合である。これは、２つのインバータで各群を通電する場合、インバータや巻線の異常により、一方の群の通電をオフとするが、もう片群での駆動を継続する場合である。この時、電機子漏れ磁束は図９のようにキャンセルし合わないので、半導体センサに電機子漏れ磁束が横切り、角度検出誤差が悪化することが分かる。このような場合も、実施の形態１もしくは実施の形態２の磁性体のプレート部材２１を配置することで、半導体センサを横切る電機子漏れ磁束を誘導、迂回させることができるので、角度検出誤差を向上する効果が得られる。
【００３２】
なお、本発明は、上述した実施の形態１〜３のいずれにおいても、６相のうち、Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２の各組２相を同一スロットに同一ターン数格納されている１０極１２スロットの永久磁石モータとして実施することができ、その場合でも、角度検出精度を向上する効果が得られることは自明である。
【００３３】
以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。
【００３４】
本発明の永久磁石モータは、１０極１２スロットのタイプには限定されず、例えば１４極１２スロットのタイプまたは１４極１８スロットのタイプとして実施することも可能である。
【００３５】
本願発明には、上述した実施の形態それぞれに関して、いずれか１つ以上の実施の形態の構成の一部または全部を、他の実施の形態に組み合わせるものも含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１  永久磁石モータ、２  回転軸、３  センサマグネット、５  半導体センサ、１１  永久磁石、１２  回転子鉄心、１３  電機子巻線、１４  電機子鉄心、２１  プレート部材、３１  電機子、３３  回転子、３５  角度検出器３５。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017109968.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
2017109968.tif 000012
2017109968.tif 000013
2017109968.tif 000014
2017109968.tif 000015