(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁コイルにより磁化されるランデル型ロータコアが嵌着される回転軸と、
前記回転軸の先端部に装着されて周方向極性交互に磁化された複数の磁極を有する永久磁石と、
ハウジングに固定されて前記永久磁石の前記磁極に軸方向に小間隙を隔てて対面する磁気センサと、
を有する磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機において、
前記永久磁石の背面に近接して略径方向に延設されるとともに、前記回転軸を通じて流れる漏れ界磁磁束をバイパスしかつ前記永久磁石の磁束を流す高透磁性の第２の磁気バイパス部材と、
前記回転軸に支持されるとともに前記第２の磁気バイパス部材を前記回転軸から径方向に離れて支持する非磁性のリテーナと、
を有し、
前記第２の磁気バイパス部材は、前記永久磁石よりも径方向内側に位置する径内端と、前記永久磁石よりも径方向外側に位置する径外端とを有することを特徴とする磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機。
【請求項２】
請求項１記載の磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機において、
前記磁気センサの背面に近接して略径方向に延設されるとともに、前記回転軸を通じて流れる漏れ界磁磁束をバイパスする高透磁性の第１の磁気バイパス部材を有することを特徴とする磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機。
【請求項３】
請求項２記載の磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機において、
前記第１の磁気バイパス部材は、前記磁気センサよりも径方向内側に位置する径内端と、前記磁気センサよりも径方向外側に位置する径外端とを有することを特徴とする磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、車両用交流発電機（オルタネータ）として用いられるランデル型ロータを有する回転電機（以下、ランデル型回転電機ともいう）は、界磁コイルが嵌着された筒部と、この筒部の両端から界磁コイルを覆うように伸びる多数の爪形磁極部とからなるローターコアを有し、筒部の一端から伸びる爪形磁極部は、筒部の他端から伸びる爪形磁極部と周方向交互に配置される。
【０００３】
近年、上記ランデル型回転電機により構成される車両用交流発電機を同期電動機として駆動し、エンジン始動やトルクアシストに使用することが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このランデル型回転電機を同期電動機として運転するには、ロータの回転角度位置を検出する回転角センサを回転軸に装着する必要がある。回転角センサとしては、ハウジングに固定したホール素子に対面しつつ回転角表示用の永久磁石を回転させる磁気式回転角度検出装置が、耐久性及び汚損などに対する安定性の点から最も広く使用されている。
【０００５】
ところが、ランデル型回転電機では、ローターコアに巻装される界磁コイルは、鉄製の回転軸を軸方向に磁化するために、回転軸の端部に配設された磁気式回転角度検出装置の磁気センサ近傍に強い漏れ界磁磁界を生じさせ、その結果、この磁気式回転角度検出装置の磁気センサ（通常ホール素子）の出力電圧中の信号電圧成分（回転角表示用の永久磁石の磁界変化により生じる）が、上記漏れ界磁磁界により生じるバックグラウンド電圧により著しくＳＮ比が低下したり、甚だしい場合には埋もれてしまい、正確な角度検出が困難となるという問題があることがわかった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、回転角の高精度の検出が可能な磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機を提供することをその目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以下において、まず本発明の好適態様を説明した後、本発明の必須の構成を説明する。
本発明の好適な１態様において、界磁コイルにより磁化されるランデル型ロータコアが嵌着される回転軸と、前記回転軸の先端部に装着されて周方向極性交互に磁化された複数の磁極を有する永久磁石と、ハウジングに固定されて前記永久磁石の前記磁極に小間隙を隔てて対面可能な磁気センサとを有する磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機において、前記磁気センサの背面に近接して略径方向に延設されるとともに、前記回転軸を通じて流れる漏れ界磁磁束をバイパスする高透磁性の第１の磁気バイパス部材を有することを特徴としている。
【０００８】
ランデル型回転電機では、界磁コイルに流れる電流が作る界磁磁束の大部分は、爪形磁極部とステータコアとの間の空隙を通じてステータコアに流れて有効磁束となるが、この有効磁束回路には本質的に上記空隙をもつため、更にはステータコイル電流が作る反磁界の影響もあり、ある程度の磁気抵抗をもつ。この磁気抵抗は界磁電流が大きく、上記有効磁束回路が飽和傾向をもつ場合に特に大きい。
【０００９】
また、界磁コイルにより形成された磁束は高透磁性の回転軸を通じて軸方向に流れるため、回転軸両端部は逆極性に磁化されることになる。この結果、回転軸両端部からステータコアの端面との間の空隙に軸方向及び径方向に漏れ界磁磁束を形成する漏れ磁界が形成され、この漏れ磁界が、回転軸の先端部に設けた磁気式回転角度検出装置にノイズ磁界として侵入する。もしこのノイズ磁界が一定であれば、磁気式回転角度検出装置の出力電圧からノイズ磁界による直流オフセット電圧分を減算すればよいが、界磁コイル電流は種々変化するため、結局、回転角を表す永久磁石の磁界に対応する信号電圧に混入し、この信号電圧をパルス電圧に変換する場合に回転角信号のエッジ発生時点を偏向して回転角誤差を生じる。
【００１０】
そこで、本発明では、回転角表示用の永久磁石に対面する磁気センサの背面に近接して第１の磁気バイパス部材を略径方向に延設する。なお、ここでいう背面とは、磁気センサの永久磁石に対面する面と反対側の面をいう。
【００１１】
これにより、回転軸を通じて流れる漏れ界磁磁束は、この第１の磁気バイパス部材を通じて磁気センサよりも径外側に流れ、その後、ステータコアに流れ、ローターコアの爪形磁極部とステータコアとの間の空隙に対して並列の磁気回路となる。その結果、磁気センサ近傍の磁界の径方向の変化は非常に小さくなる。
【００１２】
また、漏れ界磁磁束がこの第１の磁気バイパス部材よりも更に先端側に位置する回転軸部分に流れるのが抑止されることにより、この第１の磁気バイパス部材よりも更に先端側に位置する回転軸部分から磁気センサ近傍を通過してステータコアに戻る漏れ界磁磁界の軸方向成分を低減することができる。
【００１３】
これにより、界磁コイルが磁気式回転角度検出装置近傍に形成する漏れ界磁磁界を大幅に低減でき、回転角検出精度を改善することができる。
【００１４】
本発明の好適な他態様において、前記第１の磁気バイパス部材は、前記磁気センサよりも径方向内側に位置する径内端と、前記磁気センサよりも径方向外側に位置する径外端とを有することを特徴としている。
【００１５】
これにより、磁気センサと回転角表示用の永久磁石との間の隙間（磁界検出空間）を流れる漏れ界磁磁束を一層良好に磁気バイパスすることができ、更に回転角検出精度を向上することができる。
【００１６】
本発明の磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機は、界磁コイルにより磁化されるランデル型ロータコアが嵌着される回転軸と、前記回転軸の先端部に装着されて周方向極性交互に磁化された複数の磁極を有する永久磁石と、ハウジングに固定されて前記永久磁石の前記磁極に小間隙を隔てて対面可能な磁気センサとを有する磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機において、前記永久磁石の背面に近接して略径方向に延設されるとともに、前記回転軸を通じて流れる漏れ界磁磁束をバイパスしかつ前記永久磁石の磁束を流す高透磁性の第２の磁気バイパス部材と、前記回転軸に支持されるとともに前記第２の磁気バイパス部材を前記回転軸から径方向に離れて支持する非磁性のリテーナとを有することを特徴としている。
【００１７】
ランデル型回転電機では、界磁コイルに流れる電流が作る界磁磁束の大部分は、爪形磁極部とステータコアとの間の空隙を通じてステータコアに流れて有効磁束となるが、この有効磁束回路には本質的に上記空隙をもつため、更にはステータコイル電流が作る反磁界の影響もあり、ある程度の磁気抵抗をもつ。この磁気抵抗は界磁電流が大きく、上記有効磁束回路が飽和傾向をもつ場合に特に大きい。
【００１８】
また、界磁コイルに流れる電流が形成する磁束は高透磁性の回転軸を通じて軸方向に流れるため、回転軸両端部は逆極性に磁化されることになる。この結果、回転軸両端部からステータコアの端面との間の空隙に軸方向及び径方向に漏れ界磁磁束を形成する漏れ磁界が形成され、この漏れ磁界が、回転軸の先端部に設けた磁気式回転角度検出装置にノイズ磁界として侵入する。もしこのノイズ磁界が一定であれば、磁気式回転角度検出装置の出力電圧からノイズ磁界による直流オフセット電圧分を減算すればよいが、界磁コイル電流は種々変化するため、結局、回転角を表す永久磁石の磁界に対応する信号電圧に混入し、この信号電圧をパルス電圧に変換する場合に回転角信号のエッジ発生時点を偏向して回転角誤差を生じる。
【００１９】
そこで、本発明では、回転角表示用の永久磁石に対面する永久磁石の背面に近接して第２の磁気バイパス部材を略径方向に延設する。なお、ここでいう背面とは、永久磁石の磁気センサに対面する面と反対側の面をいう。
【００２０】
これにより、回転軸を通じて流れる漏れ界磁磁束は、この第２の磁気バイパス部材を通じて磁気センサよりも径外側に流れ、その後、ステータコアに流れ、ローターコアの爪形磁極部とステータコアとの間の空隙に対して並列の磁気回路となる。その結果、磁気センサ近傍の磁界の径方向の変化は非常に小さくなる。
【００２１】
これにより、界磁コイルが磁気式回転角度検出装置近傍に形成する漏れ界磁磁界を大幅に低減でき、回転角検出精度を改善することができる。
【００２２】
本発明の磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機では更に、前記第２の磁気バイパス部材が、前記永久磁石よりも径方向内側に位置する径内端と、前記永久磁石よりも径方向外側に位置する径外端とを有することを特徴としている。
【００２３】
これにより、磁気センサと回転角表示用の永久磁石との間の隙間（磁界検出空間）を流れる漏れ界磁磁束を一層良好に磁気バイパスすることができ、更に回転角検出精度を向上することができる。
【００２４】
本発明の磁気式回転角度検出装置を有するランデル型回転電機では更に、前記磁気センサが前記永久磁石の前記磁極に軸方向に小間隙を隔てて対面可能に配置されることを特徴としている。
【００２５】
上述した各請求項の磁気バイパス部材や保護カバーの設置後に、磁気センサ近傍に残留する漏れ界磁磁界の軸方向成分は、非常に小さくなる。そこで、永久磁石と磁気センサとを軸方向に対面させることにより、検出感度を向上することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明のランデル型ロータを有するタンデム式回転電機の好適な実施態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００２７】
【実施例１】
この実施例のタンデム式ランデル型回転電機を図１を参照して以下に説明する。
【００２８】
（全体構成）
このタンデム式ランデル型回転電機において、１はハウジング、２は第１回転電機部、３は第２回転電機部、４は回転軸、５はプーリ、６、７は軸受け、８は界磁コイル給電機構、９はステータコイル、１０は磁気式回転角度検出装置である。
【００２９】
ハウジング１は、フロントハウジングとリヤハウジングとを位置Ｍにて突き合わせ、スルーボルトで締結して構成されている。回転軸４は、軸受け６，７を介してハウジング１に支承されており、プーリー５がハウジング１から前方へ突出する回転軸１の前端部に固定されている。界磁コイル給電機構８は、ハウジング１から後方へ突出する回転軸１の後端部に装着された一対のスリップリング８１と、これらスリップリング８１に個別に押し付けられている一対のブラシ８２とを有している。
【００３０】
第１回転電機部２において、２１は第１ステータコア、２３は第１ローターコア、２４は第１界磁コイル、２５は送風ファンであり、第２回転電機部３において、３１は第２ステータコア、３３は第２ローターコア、３４は第２界磁コイル、３５は送風ファンであり、両回転電機部２，３は共通のステータコイル９を有している。
【００３１】
第１ステータコア２１、第２ステータコア３１は、それぞれ同一形状の円筒状の積層電磁鋼板からなり、所定の軸方向隙間Ｓを挟んでハウジング１の周壁内周面に固定されている。
【００３２】
ステータコイル９は、多数のＵ字状の絶縁被覆角形導体の一対の脚部の一方を、両ステータコア２１，３１の周方向同位置のスロットを一挙に貫通するように、ステータコア３１の後方側から挿通し、同様に上記一対の脚部の他方を、上記スロットに対して１磁極ピッチだけ周方向に離れた両ステータコア２１，３１の周方向同位置のスロットを一挙に貫通するように、ステータコア３１の後方側から挿通し、各脚部の先端を一対ずつ溶接したものである。このステータコイル９の構成自体は、既に公知であり、詳細な説明は省略する。
【００３３】
第１ローターコア２３、第２ローターコア３３は、それぞれ一対のポールコアを軸方向へ密着して回転軸４にローレット嵌装されてなり、更に、この実施例では、両ローターコア２３、３３は、軸方向に密着して配設されている。上記両ローターコア２３、３３は、通常の単独ロータ構造のランデル型回転電機のローターコアと本質的に同一形状に形成されている。すなわち、第１ローターコア２３を構成する一対のポールコアは、回転軸４に嵌着される筒部と、この筒部の軸方向外端部から径方向外側へ延設され、その後、第１界磁コイル２４を囲むように延設される所定偶数の爪形磁極部とをそれぞれ有しており、各爪形磁極部は、周方向一定ピッチで配置されている。両ポールコアの爪形磁極部は、第１ステータコア２１の内周面に対して所定の小間隙を隔ててステータコア周方向互い違いに配置されている。第２ローターコア３３を構成する一対のポールコアも同じである。
【００３４】
第１界磁コイル２４及び第２界磁コイル３４は、一対のスリップリング８１から互いに並列に給電され、界磁コイル２４は、第１ローターコア２３の前端側のポールコアの爪形磁極部をＮ極に磁化し、中央寄りのポールコアの爪形磁極部をＳ極に磁化する。同じく、界磁コイル３４は、第２ローターコア３３の後端側のポールコアの爪形磁極部をＮ極に磁化し、中央寄りのポールコアの爪形磁極部をＳ極に磁化する。
【００３５】
送風ファン２５は、第１ローターコア２３の前端側のポールコアの前端面に固定された斜流ファンであり、送風ファン３５は、第２ローターコア３３の後端側のポールコアの後端面に固定された斜流ファンである。
【００３６】
１１は、ハウジングの前端壁に開口された冷却風吸入孔、１２はステータコイル９の前端側コイルエンドに近接してハウジング１の周壁に開口された前端側冷却風吐出孔、１３は、ハウジングの後端壁に開口された冷却風吸入孔、１４はステータコイル９の後端側コイルエンドに近接してハウジング１の周壁に開口された後端側冷却風吐出孔、１５は、両ステータコア２１，３１間の軸方向隙間に面して、ハウジング１の周壁に開口された中央冷却風吐出孔である。
【００３７】
送風ファン２５が冷却風吸入孔１１から吸入した冷却風の一部は、ステータコイル９の前端側コイルエンドを冷却しつつ前端側冷却風吐出孔１２から外部に吐出され、冷却風の残部は、第１ローターコア２３の爪形磁極部間を通じて軸方向後方へ流れて界磁コイル２４を冷却し、その後、両ステータコア２１，３１間の軸方向隙間に延設されるステータコイル９の露出導体部分（中央寄りコイルエンドともいう）を冷却しつつ径方向外側へ流れて中央冷却風吐出孔１５から外部に排出される。
【００３８】
同様に、送風ファン３５が冷却風吸入孔１２から吸入した冷却風の一部は、ステータコイル９の後端側コイルエンドを冷却しつつ後端側冷却風吐出孔１４から外部に吐出され、冷却風の残部は、第２ローターコア３３の爪形磁極部間を通じて軸方向前方へ流れて界磁コイル３４を冷却し、その後、両ステータコア２１，３１間の軸方向隙間に延設されるステータコイル９の露出導体部分（中央寄りコイルエンドともいう）を冷却しつつ径方向外側へ流れて中央冷却風吐出孔１５から外部に排出される。
【００３９】
上記構成のタンデム式ランデル型回転電機の一対の界磁コイル２４，３４に界磁コイル給電機構８を通じて界磁コイル２４，３４に界磁電流を通電し、回転軸４を回転すると、周知のように各ローターコア２３，３３の各爪形磁極部が周方向極性交互に磁化され、ステータコイル９に発電電圧が生じる。
（磁気式回転角度検出装置の構成）
次に、この実施例の要部をなす磁気式回転角度検出装置１０について以下に説明する。ただし、磁気式回転角度検出装置１０は図１では模式的に図示され、その拡大断面図を図２に詳細に図示している。
【００４０】
この磁気式回転角度検出装置１０は、ハウジング１の後端壁の外側、かつ、回転軸４を中心としてブラシ８２に対し１８０度反対位置に配設されている。
【００４１】
磁気式回転角度検出装置１０は、プリント基板１０１、ホール素子（本発明でいう磁気センサ）１０２、永久磁石１０３、第１の磁気バイパス部材１０４、第２の磁気バイパス部材１０５、非磁性のリテーナ１０６を有している。
【００４２】
リテーナ１０６は、回転軸４の後端にボルト１０７で締結された輪盤部材であり、リテーナ１０６は、軟鉄輪板からなる第２の磁気バイパス部材１０５の中心孔に圧入されている。  第２の磁気バイパス部材１０５は、径方向中央部に段差を有し、この段差の内周面に、リング状の永久磁石１０３が圧入されている。第２の磁気バイパス部材１０５の内周縁は、永久磁石１０３よりも径方向内側に位置し、第２の磁気バイパス部材１０５の外周縁は、永久磁石１０３よりも径方向外側に位置している。永久磁石１０３の前端面は、周方向一定ピッチで極性交互に磁化されている。
【００４３】
第１の磁気バイパス部材１０４及びプリント基板１０１は、ねじ１０８によりハウジング１の後端壁に重ねて締結されて径方向に延在している。第１の磁気バイパス部材１０４はプリント基板１０１の背面に密接している。第１の磁気バイパス部材１０４は、軟鉄輪板からなり、その内周端は軸方向へ突出してホール素子１０２の磁気シールド（界磁磁束バイパス）効果を向上させている。第１の磁気バイパス部材１０４の内周縁は、ホール素子１０２よりも径方向内側に位置し、第１の磁気バイパス部材１０４の外周縁は、ホール素子１０２よりも径方向外側に位置している。
【００４４】
プリント基板１０１の表面には、ホール素子１０２やホール素子１０２とともに磁気検出回路を構成するその他の回路素子が実装されている。ホール素子１０２は軸方向に小間隙を挟んで永久磁石１０３の前端面すなわち磁極面に対面している。
【００４５】
１０９は、アルミニウム製の保護カバーであり、保護カバー１０９は、ブラシホルダ８３に保持されたブラシ８２と磁気式回転角度検出装置１０とを密閉、保護している。
【００４６】
界磁コイル２３，２４への通電により回転軸４の両端部はＮ極に磁化され、この回転軸４の両端部から径方向外側又は軸方向中央側へ流れる漏れ界磁磁束は、高透磁性の第１の磁気バイパス部材１０４や第２の磁気バイパス部材１０５を通じて径方向外側へ流れ、ステータコア２１，３１に達する。
【００４７】
これにより、両磁気バイパス部材２１，３１間に位置するホール素子１０２近傍の漏れ界磁磁界は、大幅に低減され、ホール素子１０２の回転角検出精度を向上させることができる。
【００４８】
なお、保護カバー１０９を軟鉄性として、第三の磁気バイパス部材とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のタンデム式ランデル型回転電機の模式軸方向断面図である。
【図２】図１の一部拡大軸方向断面図である。
【符号の説明】
１  ハウジング
２  第１回転電機部
３  第２回転電機部
４  回転軸
５  プーリ
６、７  軸受け
８  界磁コイル給電機構
９  ステータコイル
１０  磁気式回転角度検出装置
１１  冷却風吸入孔
１２  前端側冷却風吐出孔
１３  冷却風吸入孔
１４  後端側冷却風吐出孔
１５  中央冷却風吐出孔
２１  第１ステータコア
２３  第１ローターコア
２４  第１界磁コイル
２５  送風ファン
３１  第２ステータコア
３３  第２ローターコア
３４  第２界磁コイル
３５  送風ファン
１０１  プリント基板
１０２  ホール素子（磁気センサ）
１０３  永久磁石
１０４  第１の磁気バイパス部材１０４
１０５  第２の磁気バイパス部材
１０６  リテーナ
【図１】
0003573086.tif 000002
【図２】
0003573086.tif 000003