(57)【要約】【課題】回転子の径方向の寸法制限およびトルク性能の低下を抑えつつ回転位置を高精度に検出する。【解決手段】巻線への通電により回転磁界を発生させる固定子と、当該回転磁界に同期して回転する回転子とを備えたモータである。本モータは、回転子鉄心の周方向に沿って所定の第１角度ごとに磁極が反転し、当該磁極から生じる磁束が回転子の外部に漏れるように回転子に埋め込まれた位置検出用磁石と、固定子側に設けられ、位置検出用磁石から回転子の外部に漏れる磁束を検出する磁束検出手段とを備える。【選択図】図１
2012205355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線への通電により回転磁界を発生させる固定子と、当該回転磁界に同期して回転する回転子とを備えたモータにおいて、
回転子鉄心の周方向に沿って所定の第１角度ごとに磁極が反転し、当該磁極から生じる磁束が前記回転子の外部に漏れるように前記回転子に埋め込まれた位置検出用磁石と、
前記固定子側に設けられ、前記位置検出用磁石から前記回転子の外部に漏れる磁束を検出する磁束検出手段とを備えていることを特徴とするモータ。
【請求項２】
前記位置検出用磁石は、前記回転子鉄心における前記磁極の各反転位置を中心として周両方向に前記第１角度の１／２よりも小さく設定された第２角度ずつの角度範囲に位置する分割磁石から構成されていることを特徴とする請求項１記載のモータ。
【請求項３】
インナーロータ型であって、前記回転子鉄心の内周面の一部に回転軸が嵌合されるとともに、残る内周面には軸方向から前記分割磁石を挿入可能な収容部が周方向に沿って前記第１角度間隔で形成されており、前記磁束検出手段は前記位置検出用磁石に内周側から対向するように設けられていることを特徴とする請求項２記載のモータ。
【請求項４】
インナーロータ型であって、前記回転子鉄心の内周面の一部に回転軸が嵌合されるとともに、残る内周面の軸方向端部には軸方向から前記分割磁石を挿入可能な収容部が周方向に沿って前記第１角度間隔で形成されており、前記磁束検出手段は前記位置検出用磁石に軸方向から対向するように設けられていることを特徴とする請求項２記載のモータ。
【請求項５】
前記位置検出用磁石は、前記回転子鉄心においてｑ軸方向の磁束が通過する磁路から外れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転磁界に同期して回転するモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの回転子の位置（回転位置）を検出するために磁気式または光学式エンコーダ、レゾルバなどが用いられている。また、駆動用の主磁束を発生させるための永久磁石が設けられた永久磁石モータでは、その永久磁石の磁束を検出することにより回転位置を検出することも可能である。さらに、近年ではこうした位置検出手段を用いることなく、モータ電圧情報またはモータ電流情報に基づいて回転位置を推定することも行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９１７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した種々の位置検出方法のうちエンコーダ、レゾルバなどの位置検出手段を採用する場合、構造が複雑化して部品数が増えるため組立工数が増加する。また、これらの位置検出手段は回転子の内周側に配置することから回転子の内径が大きくなり、回転子鉄心の径方向の厚さが制限される。例えばリラクタンスモータでは、ｄ軸のリラクタンスを高め、ｑ軸のリラクタンスを低下させ、回転子鉄心におけるｄ軸、ｑ軸部分と固定子との間の空隙磁束密度の差を利用してリラクタンストルクを発生させている。しかし、回転子鉄心の径方向の厚さが制限されると、ｑ軸の磁路が狭められるのでリラクタンストルクが低下してしまう。
【０００５】
また、駆動用永久磁石の磁束を検出する場合、永久磁石の隣接する磁極相互の間隔が広いため、高精度の位置検出が難しくなる。さらに、センサレス駆動の場合、負荷急変時等に推定精度が低下し、或いは始動時および低速回転時に位置推定ができないなどの問題がある。
【０００６】
そこで、回転子の径方向の寸法制限およびトルク性能の低下を抑えつつ回転位置を高精度に検出できるモータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のモータは、巻線への通電により回転磁界を発生させる固定子と、当該回転磁界に同期して回転する回転子とを備えたモータである。本モータは、回転子鉄心の周方向に沿って所定の第１角度ごとに磁極が反転し、当該磁極から生じる磁束が回転子の外部に漏れるように回転子に埋め込まれた位置検出用磁石と、固定子側に設けられ、位置検出用磁石から回転子の外部に漏れる磁束を検出する磁束検出手段とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態による固定子と回転子を組み合わせた状態を示す平面図
【図２】固定子と回転子を組み合わせた状態を示す斜視図
【図３】回転軸も含め図１のＡ−Ａ線に沿って一部を切断して示す縦断側面図
【図４】分割磁石の配置例を示す図
【図５】（ａ）ホールセンサのヒステリシス特性を示す図および（ｂ）磁束密度と信号Ｈｓとを対応付けて示す波形図
【図６】分割磁石の配置と信号Ｈｓとを対応付けて示す模式的な説明図
【図７】位置検出用磁石を連続的に配した場合における固定子と回転子を組み合わせた状態を示す（ａ）部分的平面図および（ｂ）部分的斜視図
【図８】回転位置に対するホールセンサの検出磁束密度を示す図
【図９】第２の実施形態による図３相当図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１ないし図８を参照しながら第１の実施形態を説明する。図１および図２は、永久磁石モータのうち固定子と回転子を組み合わせた状態を示している。図３は、さらに回転軸を嵌合した状態で図１のＡ−Ａ線に沿って一部を切断して示す部分的な縦断側面図である。この永久磁石モータ１（以下、モータと称す）は、インナーロータ型の扁平モータであって、例えば車両駆動用モータとして用いられるものである。
【００１０】
固定子２の鉄心３（固定子鉄心）は、環状をなすヨーク部４と内周側に突出するように設けられた多数のティース５とを有し、当該形状に打ち抜かれた電磁鋼板例えば珪素鋼板を多数枚積層して構成されている。ティース５には巻線６が巻装されている。図示しないが、固定子鉄心３は、偏平な有底円筒状に形成されたフレーム内に固定されている。回転子７は、円環状に打ち抜かれた珪素鋼板を複数枚積層してなる回転子鉄心８と、図示しない軸受により回転自在に支承された回転軸９を有している。回転子７は、その外周面と固定子２のティース５との間に僅かなギャップを隔てて回転する。
【００１１】
回転子鉄心８のうち外周側には、外周側に向かうに従って離間距離が増大する一対の磁石挿入孔１０が複数対（例えば１０対）、周方向に一定の間隔で設けられている。磁石挿入孔１０は回転子鉄心８を積層方向に貫いており、磁石挿入孔１０には駆動用の永久磁石１１が埋め込まれている。
【００１２】
これら一対の磁石挿入孔１０は、回転子７の内周側から視てＶ字状に配置されており、離間距離が最小となるＶ字の突き合せ部相互間にはブリッジ部１２が形成されている。ブリッジ部１２は、磁束の短絡を低減するため、遠心力に対する強度を確保可能な限りにおいて幅狭に形成されている。このブリッジ部１２を通る中心線が磁束軸方向であるｄ軸方向となる。一対の磁石挿入孔１０から回転子鉄心８の外周面に至る領域には、外周側に向かうに従って拡大する貫通孔１３が設けられている。この貫通孔１３も回転子鉄心８を積層方向に貫いており、ｄ軸方向の磁気抵抗を増加させる作用を奏する。これにより、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差が大きくなりリラクタンストルクを高めることができる。
【００１３】
磁石挿入孔１０のうち実際に永久磁石１１が埋め込まれるのは、内周側のほぼ半分の領域である。外周側のほぼ半分の領域は、磁束の短絡を防止するように作用する。遠心力による永久磁石１１の移動を禁止するため、磁石挿入孔１０の中央部に係止部１４が形成されている。一対の磁石挿入孔１０に埋め込まれた永久磁石１１は、回転子鉄心８の外周側を臨む側が同極とされており、隣り合う一対の磁石挿入孔１０に埋め込まれた永久磁石１１とは異極とされている。
【００１４】
回転軸９は、回転子７との結合部を除き、その外径が回転子鉄心８の内径よりも小さく形成されている。回転軸９の上記結合部には、回転子鉄心８の内径と同じ外径を持つ嵌合部１５と、この嵌合部１５と軸方向に連続して設けられ、回転子鉄心８の外径よりもやや小さい円板状の支持板部１６とが形成されている。回転軸９の嵌合部１５は、支持板部１６と回転子鉄心８の軸方向端面（下面）とが当接するまで回転子鉄心８に圧入される。
【００１５】
嵌合部１５は、回転子鉄心８の軸方向長さよりも短い。このため、上記嵌合された状態では、回転子鉄心８の上面側すなわち支持板部１６との非当接側において、回転子鉄心８の内周面と回転軸９との間に円環溝状の隙間部１７が確保されている。この隙間部１７を利用して回転子鉄心８に収容部２０を形成し、そこに位置検出用磁石１８を埋め込んでいる。
【００１６】
位置検出用磁石１８は複数の分割磁石１９から構成されている。回転子鉄心８の内周面のうち上記隙間部１７に臨む部分には、分割磁石１９が埋め込まれる有底の収容部２０が周方向に沿って第１角度θ１の間隔で形成されている。収容部２０は、回転子鉄心８の一部をなすもので、軸心方向に向かって矩形状に迫り出している。収容部２０には上面側から軸方向に沿って分割磁石１９を挿入可能となっている。挿入された状態では、収容部２０を含む回転子鉄心８の端面と分割磁石１９の端面は同一面となる。なお、収容部２０の形成位置は、隙間部１７に臨む部分であれば軸方向端部に限られない。
【００１７】
収容部２０を形成する珪素鋼板は、分割磁石１９から生じる磁束が回転子鉄心８の外部に漏れるように薄肉に形成されている。また、駆動用の永久磁石１１との関係では、各分割磁石１９の周方向の中心は、トルク軸であるｑ軸に一致している。この配置によれば、分割磁石１９はｑ軸方向の磁束が通過する磁路から外れた位置となるため、ｑ軸の磁束への影響を低減することができる。
【００１８】
複数の分割磁石１９からなる位置検出用磁石１８は、回転子鉄心８の周方向に沿って第１角度θ１ごとに磁極が反転する。各分割磁石１９は、この磁極の反転位置を中心として周両方向にθ１／２よりも小さく設定された第２角度θ２ずつの範囲、すなわち２×θ２の角度範囲に位置する。図４は、分割磁石１９の配置例を示している。図４（ａ）は、軸方向に着磁された２つの同一形状の磁石を逆極性で周方向に並べて収容部２０に埋め込む構成である。図４（ｂ）は、周方向に着磁された１つの磁石を収容部２０に埋め込む構成である。
【００１９】
固定子２側には、回転子７の外部に漏れる位置検出用磁石１８による磁束を検出するホールセンサ２１（磁束検出手段）が設けられている。図３ではホールセンサ２１の支持構造は省略されている。このホールセンサ２１は、上述した隙間部１７において収容部２０に対し内側から対向する位置となるように固定されている。
【００２０】
以上の構成によれば、巻線６への通電により回転磁界が発生し、その回転磁界に同期して回転子７が回転する。このときの発生トルクは、永久磁石１１と固定子２の磁極との間で作用する磁気吸引力と磁気反発力およびｄｑ軸間の磁気抵抗の差によるリラクタンストルクである。
【００２１】
次に、位置検出用磁石１８とホールセンサ２１を用いた回転位置の検出について説明する。ホールセンサ２１は、図５（ａ）に示すように正の磁束密度Ｂopと負の磁束密度Ｂrpをしきい値とするヒステリシス特性を有し、磁束密度に応じて２値の信号Ｈｓを出力する。図５（ｂ）は、磁束密度が正弦波に従って変化する場合の信号Ｈｓを示している。
【００２２】
図６は、分割磁石１９の配置とホールセンサ２１の出力信号Ｈｓとを対応付けて示す模式的な説明図である。同図は、駆動用の永久磁石１１と位置検出用磁石１８との位置関係も模式的に示している。回転子７の回転に伴い、ホールセンサ２１が１つの分割磁石１９にＮ極、Ｓ極の順で対向したとき、信号ＨｓはＬレベルからＨレベルに変化する。逆にホールセンサ２１が１つの分割磁石１９にＳ極、Ｎ極の順で対向したとき、信号ＨｓはＨレベルからＬレベルに変化する。
【００２３】
分割磁石１９との対向により信号Ｈｓのレベルが一旦変化した後は、回転子７が第１角度θ１だけ回転するまでの間、ホールセンサ２１の検出磁束密度が正の磁束密度Ｂopを上回ることまたは負の磁束密度Ｂrpを下回ることはなく、信号Ｈｓのレベルは保持される。
【００２４】
図７は、位置検出用磁石１８の他の構成例を示している。この例は第２角度θ２を第１角度θ１の１／２に等しく設定したもので、分割磁石２２は周方向に連続して設けられている。図８は、このときの三次元磁界解析による回転位置に対するホールセンサ２１の検出磁束密度を示している。このように全周に亘って位置検出用磁石１８を配置すると、第１角度θ１の範囲内ではほぼ一定の検出磁束密度が得られ、且つ、磁極の変化点において検出磁束密度が急峻に変化していることが分かる。
【００２５】
この図７に示す構成は一つの望ましい態様ではあるが、位置検出用磁石１８を全周に亘って配置するので磁石の使用量が増える。これに対し、第２角度θ２を第１角度θ１の１／２よりも小さく設定した本実施形態のモータ１は、位置検出用磁石１８の使用量を低減することができる。この場合、ホールセンサ２１がヒステリシス特性を持つため、上述したように第１角度θ１の範囲内で信号Ｈｓのレベルが反転することはない。従って、第１角度θ１ごとの検出位置の近傍に分割磁石１９を配した本実施形態でも、十分に安定した位置検出を行うことができる。
【００２６】
以上説明した本実施形態によれば、回転子鉄心８に位置検出用磁石１８を埋め込み、回転子７の外部に漏れる位置検出用磁石１８の磁束をホールセンサ２１で検出するので、エンコーダ、レゾルバなどの位置検出手段を付加することなく回転位置を検出することができる。この場合、打ち抜かれた珪素鋼板を積層することで収容部２０を形成し、その収容部２０に位置検出用磁石１８（分割磁石１９）を挿入すればよいので、構造が簡単で部品数も少なく且つ組立工数も低減することができる。
【００２７】
回転子鉄心８において永久磁石１１を挿入する磁石挿入孔１０と分割磁石１９を挿入する収容部２０とは一定の位置関係にある。このため、永久磁石１１の磁極と位置検出用磁石１８の磁極との相対的な位置精度が高くなり、位置ずれを低減でき、回転子７の回転位置を高精度に検出できる。また、エンコーダ、レゾルバなどの位置検出手段を付加するときに受ける回転子鉄心８の径方向の厚さ制限がないので、ｑ軸の磁路を広く確保してリラクタンストルクを高めることができる。さらに、回転子鉄心８に位置検出用磁石１８を埋め込むことで、高速回転時における位置検出用磁石１８の飛散を確実に防止でき、遠心力に対し十分な強度を確保できる。
【００２８】
位置検出用磁石１８は、図７に示す構成を除き、第１角度θ１ごとの磁極反転位置を中心として周両方向に第１角度θ１の１／２よりも小さく設定された第２角度θ２ずつの角度範囲を占める分割磁石１９により構成されている。これはホールセンサ２１の有するヒステリシス特性を利用したもので、位置検出用磁石１８の磁石量を減らすことができる。この場合、分割磁石１９の磁極変化位置を検出するので、駆動用の永久磁石１１の磁束を検出する場合と比べ位置検出精度が格段に高まる。
【００２９】
インナーロータ型とし、回転子７の外周側に駆動用の永久磁石１１を配し、回転子７の内周面に沿って位置検出用磁石１８（分割磁石１９）を配している。この配置によれば、位置検出用磁石１８はｑ軸方向の磁束が通過する磁路から外れた位置となるので、駆動に供する磁束の磁路を狭めることがなく、リラクタンストルクの低下を防止できる。この場合、分割磁石１９の中心がｑ軸方向と一致しているので、ｑ軸の磁束への影響をより低減することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
図９は、図３と同様にして固定子２、回転子７および回転軸９の一部を切断して示す縦断側面図である。位置検出用磁石１８である分割磁石１９は、回転子鉄心８の内周面のうち隙間部１７に臨み且つ軸方向端部に形成された収容部２０に挿入されている。ホールセンサ２１は、位置検出用磁石１８に軸方向から対向するように設けられている。図９ではホールセンサ２１の支持構造は省略されている。その他の構成は第１の実施形態と同様である。本実施形態によっても第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。
【００３１】
（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態に加えて以下のような構成を採用してもよい。
回転磁界に同期して回転するモータであればよく、例えばリラクタンスモータであってもよい。モータは、アウターロータ型であってもよい。この場合には、回転子鉄心の外周側に収容部を形成し位置検出用磁石を挿入すればよい。モータの極数は図面に示したものに限られない。
【００３２】
位置検出用磁石１８の磁極から生じる磁束が回転子７の外部に漏れ、それをホールセンサ２１が検出可能であれば、位置検出用磁石１８の回転子７への埋め込み態様は上記実施形態に限られない。
ｑ軸の磁束が通過する磁路から外れた位置であれば、分割磁石１９をｑ軸方向からずらして配置してもよい。
【００３３】
以上説明した実施形態によれば、回転位置を検出するための構造が簡単で部品数も少なく且つ組立工数も少なくなる。回転子鉄心８の径方向の厚さ制限がないので、ｑ軸の磁路を増やしてリラクタンストルクを高めることができる。回転子鉄心８において永久磁石１１の磁極と位置検出用磁石１８の磁極との相対的な位置精度が高いので、回転位置を高精度に検出できる。位置検出用磁石１８を分割磁石１９から構成できるので、位置検出用磁石１８の磁石量を減らすことができる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３５】
図面中、１は永久磁石モータ（モータ）、２は固定子、６は巻線、７は回転子、８は回転子鉄心、９は回転軸、１８は位置検出用磁石、１９、２２は分割磁石（位置検出用磁石）、２０は収容部、２１はホールセンサ（磁束検出手段）である。
【図１】
2012205355.tif 000003
【図２】
2012205355.tif 000004
【図３】
2012205355.tif 000005
【図４】
2012205355.tif 000006
【図５】
2012205355.tif 000007
【図６】
2012205355.tif 000008
【図７】
2012205355.tif 000009
【図８】
2012205355.tif 000010
【図９】
2012205355.tif 000011