(57)【要約】【課題】  ロータが直列配置された回転電機において、発生トルクを減少させることなく、回転電機の小型化といった要求を十分に満足できる回転電機を提供する。【解決手段】  本発明の回転電機は、第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂの回転位置を検出するロータ位置検出装置９を第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂとの連結部分から第１ステータコア部１７ａと第２ステータコア部１７ｂとの間に向かって形成されるスペースに設けたことを特徴とするものである。【選択図】            図１
2006230125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持されたシャフトと、
前記シャフトに取付けられた第１ロータと、
前記シャフトに取付けられ、前記第１ロータと軸方向に直列配置された第２ロータと、
前記シャフトと同軸に配設されたステータと、
前記ステータに含まれ、前記第１ロータと対向して配設された第１ステータコア部と、
前記ステータに含まれ、前記第２ロータと対向して配設された第２ステータコア部と、
前記第１ロータと前記第２ロータとの連結部分から前記第１ステータコア部と前記第２ステータコア部との間に向かって形成されるスペースに設けられ、前記第１ロータおよび前記第２ロータの回転位置を検出するロータ位置検出装置と、
を有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記第１ステータコア部および前記第２ステータコア部は、積層された鉄板から形成され、
前記スペースは、前記ステータにおいて前記第１ステータコア部および前記第２ステータコア部の間に前記鉄板が配置されないことにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記ロータ位置検出装置は、
前記第１ロータおよび前記第２ロータ間に設けられ、円周方向に所定間隔おきに複数のスリットが形成されたスリット円板と、
前記スペースに設けられ、前記スリット円板に形成されたスリットを検出し、パルス信号を出力するスリット検出手段と、を有し、
前記スリット検出手段が出力する信号により前記第１ロータおよび前記第２ロータの位置を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記ロータ位置検出装置は、
前記スペースに設けられ、前記第１ロータおよび前記第２ロータの磁極を検出する磁気感応素子を有し、
前記磁気感応素子が出力する信号に基づき前記第１ロータおよび前記第２ロータの位置を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に関するもので、特に車両用電動機、車両用発電電動機等の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シャフトに２個のロータが直列に取付けられ、該２個のロータに対向するようにステータが設けられた回転電機がある。この回転電機は、ステータに設けられた電磁石のコイルに流れる電流を同期制御して、スムーズなロータ回転を生じさせるために、ロータ位置を検出するロータ位置検出装置が設けられている。このロータ位置検出装置は、シャフトの一端近傍にロータと直列に取付けられ、ロータの回転位置を検出する（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−６５６２０号公報（段落「００３０」、「００３２」、第１〜２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年、上記従来技術の回転電機において、２個のロータ間の連結部分に対向するステータ部は、トルクを発生させるためのロータおよびステータ間の有効磁束部には寄与していないことが明らかとなってきた。しかしながら、上記従来技術では、ステータに有効磁束部に寄与しない部分があることを考慮せず、ロータ位置検出装置がシャフトの一端にロータと直列配置されているため、回転電機の軸方向の長さがロータ位置検出装置分不要に長くなっている。これでは、回転電機の小型化といった要求を十分に満足することはできず、改良の余地を残している。
【０００４】
そこで、本発明は、ロータが直列配置された回転電機において、発生トルクを減少させることなく、回転電機の小型化といった要求を十分に満足できる回転電機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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の回転電機は、回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトに取付けられた第１ロータと、前記シャフトに取付けられ、前記第１ロータと軸方向に直列配置された第２ロータと、前記シャフトと同軸に配設されたステータと、前記ステータに含まれ、前記第１ロータと対向して配設された第１ステータコア部と、前記ステータに含まれ、前記第２ロータと対向して配設された第２ステータコア部と、前記第１ロータと前記第２ロータとの連結部分から前記第１ステータコア部と前記第２ステータコア部との間に向かって形成されるスペースに設けられ、前記第１ロータおよび前記第２ロータの回転位置を検出するロータ位置検出装置と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の回転電機にあっては、ロータ位置検出装置を第１ロータと第２ロータの連結部から第１ステータコア部と第２ステータコア部との間に向かって形成されるスペースに設けたので、トルクに寄与しないスペースを有効に利用することができ、発生トルクを減少させることなく回転電機の軸方向の長さが長くなることを防止できる。したがって、回転電機の小型化といった要求を十分に満足することできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
回転電機の構造は、バッテリの充電等を行う一般的な車両用交流発電機（オルタネータ）と基本的に同様である。一般的なオルタネータと大きく異なる点は、力行運転を行うためにロータの位置検出装置を有している点と、発生トルクを増大させるためにランデル型のロータを２個軸方向に直列配置している点である。力行運転を行うためにロータ位置を検出するのは、スムーズなロータ回転を生じさせるためにステータに設けられた三相のステータコイルに流れる電流を同期制御するためである。
【０００８】
ロータ位置検出装置の態様としては、複数種類考えられるので、以下では、ロータ位置検出装置ごとに実施形態に分けて説明する。
（第１実施形態）
図１は本実施形態における回転電機の構造を示す断面図、図２はロータの分解斜視図、図３は組み合わせた状態のランデル型ロータの斜視図、図４はロータ位置検出装置を示す斜視図、図５は回転電機内の磁束を示す図である。
【０００９】
図１に示すように、この回転電機は、シャフト１と、シャフト１に連結されたロータ３と、ロータ３の外周側に配設されたステータ５と、ステータ５を固定するモータハウジング７、およびロータ位置を検出するロータ位置検出装置９を有している。
【００１０】
シャフト１は、モータハウジング７に設けられた軸受保持部にベアリングを介して回転自在に支持されている。シャフト１の外周には、２個のロータ３が固着された状態で設けられ、シャフト１とロータ３が一体回転するようになっている。
【００１１】
ロータ３は、図２および図３に示すように、２個のポールコア１１がボビン１３を介して圧入により嵌め合わされた状態で固着しているランデル型ロータである。ボビン１３は断面形状がＨ字形状に形成された部材であり、その両側壁の間の部分に界磁コイル１４が巻回されている。ポールコア１１は、熱延鋼板を鍛造することにより製作されるため、曲げられた肩部が面取りされたような形状をなし、軸方向の先端部形状は、爪形状をなしている。一対のポールコア１１の先端部の間には、補助磁石としての永久磁石１５が配設されている。一対のポールコア内部に配置されたボビン１３に巻かれた界磁コイル１４に電流を通電させると、図３に示すように、一対のポールコア１１のうち一方の先端部がＮ極となる場合、他方の先端部はＳ極に磁極を形成する。ロータ３は、回転電機が発生するトルクを増大させるために、ステータ５とロータ３が対向する部分が軸方向に大きくなるよう、軸方向にロータが２個、すなわち第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂが直列配置されている。
【００１２】
ステータ５は、図１に示すように、モータハウジング７の内側に固定され、ステータコア１７と三相のステータコイル１９から構成されている。ステータコア１７は、シート状の鉄板を積み重ねた積層コアで、第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂの外周面に対向するように配設される。第１ロータ３ａに対向するステータコア部を第１ステータコア部１７ａ、第２ロータ３ｂに対向するステータコア部を第２ステータコア部１７ｂとする。ステータコア１７の内周側には、複数の歯が突出しており、この歯の間に多数のスロット６（図９参照）が周方向に等間隔で形成されている。三相のステータコイル１９は、ステータコア１７の歯に巻き回され、スロット６に収納され、Ｙ結線またはΔ結線により接続される。
【００１３】
直列配置された第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂの連結部分に対向し、第１ステータコア部１７ａと第２ステータコア部１７ｂとの間の部分では、ステータコア１７は、図５に示すように、磁路の形成とロータの強度を確保する構造体として機能はしているが、トルクを発生させるためのロータ３とステータ５間の有効磁束部には寄与しておらず、トルクに寄与しない部分である。したがって、図１に示すように、この部分に本来設けられるはずのシート状の鉄板を取り付けないことにより、後述のロータ位置検出装置９が設けられるスペースを形成している。
【００１４】
本実施形態におけるロータ位置検出装置９は、ロータの位置を光学式エンコーダで検出するものである。図４に示すように、光学式エンコーダは、スリット円板２１と、フォトインタラプタ（スリット検出手段）２５から構成される。スリット円板２１は、厚さが数ミリ程度のもので、シャフト１と同軸に第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂの間に挟み込まれ、ねじ止め等によりポールコア１１に固定される。スリット円板２１には、円周方向に等間隔にスリット２３が設けられ、このスリット２３がフォトインタラプタ２５により検出される。スリット検出手段であるフォトインタラプタ２５は、発光ダイオードとフォトトランジスタで構成され、検出したスリット２３をパルス信号として、回転電機を制御するモータコントローラ（図示しない）に出力するものである。
【００１５】
図６はシャフトに対し平行に切った回転電機の部分断面図であり図７はシャフトに対し垂直に切った回転電機の部分断面図である。図６および図７では、共にロータ位置検出装置９を拡大して示している。
【００１６】
図６および図７に示すように、第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂの連結部分に対向する位置には、シート状の鉄板が取り付けられていない。その代わりに、第１ステータコア部１７ａおよび第２ステータコア部１７ｂの間にスペースが設けられる。このスペースは、ステータ１７に巻き回されているステータコイル１９の中心に位置する。したがって、フォトインタラプタ２５は、ステータコイル１９に接触することなく、これを貫通して、ステータコア１７に取り付けられる。フォトインタラプタ２５は、モータハウジング７に取り付けられてもよい。
【００１７】
以下、本実施形態の作用について図面を用いて説明する。
【００１８】
回転電機が駆動用として作用する場合、モータコントローラから第１ロータ３ａおよび第２ロータ３ｂ内に配置された２個の界磁コイル１４に、直流電流が供給される。界磁コイル１４に電流を通電させることによりポールコア１１の一方の先端部がＮ極となる場合、他方の先端部はＳ極となる。すると、図５に示すように、界磁コイル１４により発生した磁束がロータ３およびステータ５を通り、ロータ３からステータ５に磁束が鎖交する。磁束が鎖交することにより、磁力が発生し、その磁力によりロータ３を回そうとするトルクが発生してシャフト１が回転する。
【００１９】
このとき、スリット円板２１は、第１ロータ３ａおよび第２ロータ３ｂと一体となって回転し始める。フォトインタラプタ２５が回転するスリット円板２１のスリット２３を検出し、回転数に比例したパルス信号をモータコントローラに出力する。モータコントローラは、そのパルス信号に基づき、ロータ３の回転速度、回転角度、および回転方向を演算し、三相のステータコイル１９に供給する電流を制御する。これにより回転電機を同期制御でき、回転電機をスムーズに回転させることができる。
【００２０】
以下、本実施形態の効果について説明する。
【００２１】
本発明の回転電機にあっては、ロータ位置検出装置を第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂの連結部から第１ステータコア部１７ａと第２ステータコア部１７ｂとの間に向かって形成されるスペースに設けたので、トルクに寄与しないスペースを有効に利用することができ、発生トルクを低下させることなく回転電機の軸方向の長さが長くなることを防止できる。したがって、回転電機の小型化といった要求を満足することできる。
【００２２】
さらに、ロータ位置検出装置９を光学式エンコーダとし、ロータ位置を検出するために厚さ数ミリ程度のスリット円板２１を第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂの間に挟み込んで配設したので、スリット円板２１を支持するための部品が不要となり、コストを削減できる。
【００２３】
加えて、ステータ１７において、第１ステータコア部１７ａおよび第２ステータコア部１７ｂの間には、シート状の鉄板は配置されないので、モータを軽量化できる。
（第２実施形態）
第１実施形態では、ロータ位置検出装置として、光学式エンコーダを用いたが、第２実施形態では、これに代えてホールＩＣ２７を用いる。
【００２４】
以下、第２実施形態について図面を用いて説明する。なお、第１実施形態と同様の構成には、同様の参照番号を付して、その説明を省略する。
【００２５】
図８は、ホールＩＣ２７を備えた回転電機をシャフトに対し平行に切った部分断面図、図９はホールＩＣ２７を備えた回転電機をシャフトに対し垂直に切った断面図、図１０はポールコアを示す斜視図、図１１はポールコアをシャフトの伸延方向から見た平面図である。
【００２６】
図８に示すようにロータ位置を検出するホールＩＣ２７は、第１実施形態と同様に第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂの連結部分に対向するスペースに配設される。三相のステータコイル１９を貫通して、ステータコア１７に固定される。なお、モータハウジング７に固定してもよい。このホールＩＣ２７は、３６０度全周に渡って配設する必要はなく部分的に配設される。
【００２７】
磁気感応素子であるホールＩＣ２７は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれを検出する３つのホール素子と、ＩＣとで構成される。ホール素子は、ロータの磁極位置を示す電機信号を出力するものである。ＩＣは、その出力信号をデジタル信号に変換し、モータコントローラに出力する。ロータ３の磁極位置を検出するためには、Ｕ、Ｖ、Ｗ相それぞれのホールＩＣ２７は電気角１２０度間隔で配置される。本実施形態では、ロータ３の磁極数が１２なので、電気角３６０度は、機械角の６０度に相当する。したがって、Ｕ、Ｖ、Ｗ相それぞれのホールＩＣ２７は、図９に示すように、機械角で２０度間隔に配設される。このように各相のホールＩＣ２７を、ロータ３の円周に配設することで、ホールＩＣ２７が検出するロータ３の磁極により、ロータ３の磁極位置を適切に検出できる。
【００２８】
ロータ３を構成するポールコアの肩部１１ｃの形状は、図１０、図１１に示すように３６０度をロータの磁極数１２で割った値３０度となっている。これは、図１１の左側に示すポールコアのように、肩部１１ｃがポールコアの中心角３０度の範囲より張り出している場合、ホールＩＣ２７を配設する位置が周方向にずれると、ポールコアの磁極の検出角度が変わってしまうからである。一方で、図１１右側に示すポールコア１１のように、肩部１１ｃがいずれの部分もポールコア１１の中心角３０度の範囲に合致している場合、ホールＩＣ２７を配設する位置が周方向にずれても、ポールコアの磁極の検出角度が変わらない。
【００２９】
以下、第２実施形態の作用について図面を用いて説明する。
【００３０】
回転電機が回転を始めると、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ホールＩＣ２７は、ホール効果により発生される直流電圧によりロータ３のＮ極とＳ極の磁極位置を検出する。図１２は、ホールＩＣの検出出力の組合せとゲート信号の組合せを示す図である。図１２にセンサ信号として示すように、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相のホールＩＣ２７は、ロータのＮ極が接近すると、Ｈ信号をモータコントローラに出力し、Ｓ極が接近するとＬ信号をモータコントローラに出力する。モータコントローラは、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相のホールＩＣ２７から出力されたＨ信号およびＬ信号の組合せに基づき、ロータ３の位置を算出する。そして、モータコントローラは、所望のロータ回転速度を得るために、図１２にゲートドライブ信号として示すように、ゲート回路への通電を制御し、各相分の必要トルクに対応する界磁電流を生成して三相のステータコイル１９に供給する。これにより回転電機の適切な駆動制御が行われる。
【００３１】
以下、第２実施形態の効果について説明する。
【００３２】
ロータ３の磁極位置を検出するホールＩＣ２７を第１ロータ３ａと第２ロータ３ｂとの連結部分に対向し、第１ステータコア部１７ａおよび第２ステータコア部１７ｂとの間に配設したので、トルクに寄与しないスペースを有効に利用することができ、発生トルクを低下させることなく回転電機の軸方向の長さが長くなることを防止できる。さらに、ロータ位置検出装置として、ホールＩＣを用いたので、ロータ３の回転位置を検出するための部品であるスリット円板を配設する必要がなくなり、部品点数を削減できる。また、ロータの磁極位置を直接検出するため、検出精度が向上する。
【００３３】
なお、図９に示すようにホールＩＣ２７は、ステータの内周面よりも突出して配設されているが、これに限定されることはなく、ロータが配置されている空間に突出させずに配設しても本発明の効果を得ることができる。
【００３４】
なお、第１実施形態と第２実施形態における回転電機は、２個のタンデム型ロータを軸方向に直列配置しているが、これに限定されない。タンデム型ロータを２個以上複数個配置される回転電機においても、本実施形態における回転電機と同様な効果を得ることできる。
【００３５】
また、第１実施形態と第２実施形態における回転電機は、同様なロータを２個連結して直列配置したものであるが、これに限定されない。異なる径を有する複数のロータが連結したモータや、複数のロータが離れて配置されているモータにも本発明を適用することができ、同様な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】回転電機の構造を示す断面図である。
【図２】ロータの分解斜視図である。
【図３】組み合わせた状態のランデル型ロータの斜視図である。
【図４】ロータ位置検出装置を示す斜視図である。
【図５】回転電機内の磁束を示す図である。
【図６】シャフトに対し平行に切った回転電機の部分断面図である。
【図７】シャフトに対し垂直に切った回転電機の部分断面図である。
【図８】ホールＩＣを備えた回転電機をシャフトに対し平行に切った部分断面図である。
【図９】ホールＩＣ２７を備えた回転電機をシャフトに対し垂直に切った断面図である。
【図１０】ポールコアを示す斜視図である。
【図１１】ポールコアをシャフトの伸延方向から見た平面図である。
【図１２】ホールＩＣの検出出力の組合せとゲート信号の組合せを示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…シャフト、
３…ロータ、
３ａ…第１ロータ、
３ｂ…第２ロータ、
５…ステータ、
６…スロット、
７…モータハウジング、
９…ロータ位置検出装置、
１１…ポールコア、
１３…ボビン、
１４…界磁コイル、
１５…永久磁石、
１７…ステータコア、
１７ａ…第１ステータコア部、
１７ｂ…第２ステータコア部、
１９…三相のステータコイル、
２１…スリット円板、
２３…スリット、
２５…フォトインタラプタ、
２７…ホールＩＣ。
【図１】
2006230125.tif 000003
【図２】
2006230125.tif 000004
【図３】
2006230125.tif 000005
【図４】
2006230125.tif 000006
【図５】
2006230125.tif 000007
【図６】
2006230125.tif 000008
【図７】
2006230125.tif 000009
【図８】
2006230125.tif 000010
【図９】
2006230125.tif 000011
【図１０】
2006230125.tif 000012
【図１１】
2006230125.tif 000013
【図１２】
2006230125.tif 000014