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回転電機 - 三菱電機株式会社
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発明の名称 回転電機
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−60734(P2007−60734A)
公開日 平成19年3月8日(2007.3.8)
出願番号 特願2005−239641(P2005−239641)
出願日 平成17年8月22日(2005.8.22)
代理人 【識別番号】100094916
【弁理士】
【氏名又は名称】村上 啓吾
発明者 菊池 正雄 / 磯田 仁志
要約 課題
回転位置検出器が外部磁界の影響を受けないようにし、回転位置検出器の出力に含まれるノイズを低減して回転位置検出器の誤動作を防止する。

解決手段
ステータ2と、回転軸4を有し、ステータ2と同軸に回転するロータ1と、ステータ2を支持し固定するとともに、回転軸4を回転できるように支持するブラケット5,6と、回転軸4の負荷側と反対側に配置されたロータ1の回転位置を検出する回転位置検出部11と、回転位置検出部11の外周側に配設されたスイッチング素子9を有するパワー部18とを有する回転電機において、回転位置検出部11に、その外周を覆い、スイッチング素子9が発生する磁界をシールドするシールド部材12を設置した。
特許請求の範囲
【請求項1】
ステータと、上記ステータと同軸に回転する回転軸に固定されたロータと、上記ステータを支持し固定するとともに、上記回転軸を回転できるように支持するブラケットと、上記回転軸の一端側に配置された上記ロータの回転位置を検出する回転位置検出部とを有する回転電機において、
上記回転位置検出部に、その外周を覆い、外部磁界をシールドするシールド部材を設置したことを特徴とする回転電機。
【請求項2】
上記ロータに巻線が設けられ、上記巻線に供給する電流を制御するスイッチング素子部が上記シールド部材の外側に配設され、上記スイッチング素子部が上記外部磁界を発生することを特徴とする請求項1記載の回転電機。
【請求項3】
上記回転位置検出部と上記スイッチング素子部とは、軸方向に距離を隔てて配置されていることを特徴とする請求項2記載の回転電機。
【請求項4】
上記回転位置検出部と上記スイッチング素子部との間に上記回転軸を中心として略円筒状または略角柱形状の空間部が形成され、上記空間部に上記シールド部材が設置されていることを特徴とする請求項2記載の回転電機。
【請求項5】
上記シールド部材は、上記回転位置検出部の全外周を覆うようにリング状に形成したことを特徴とする請求項2記載の回転電機。
【請求項6】
上記シールド部材は、径方向に導電性材料と絶縁性材料が積層された構造を有することを特徴とする請求項1または2記載の回転電機。
【請求項7】
上記シールド部材は軟磁性体からなり、内周側の非磁性部を介して設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の回転電機。
【請求項8】
上記シールド部材は、薄板の表面に絶縁層が形成された鉄系の軟磁性体を積層してなることを特徴とする請求項1または2記載の回転電機。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、モータなどの回転電機に関し、特に、回転位置検出部と回転電機の電流を制御するスイッチング素子部とを有し、車両用など、小さなスペースに設置する小形の回転電機に関するものである。
【背景技術】
【0002】
例えば、特許文献1に開示された制御装置一体型電動機においては、制御装置ケースが電動機の負荷側と反対側のエンドブラケットまたはハウジングに固定され、制御装置ケースを貫通するシャフトの負荷側と反対側の端部に冷却ファンが取り付けられている。制御装置ケース内にはインバータ回路と、インバータ回路の内周側に配設されたロータの位置検出器とが内蔵されている。
【0003】
【特許文献1】特開平11−27903号公報(第4−5頁、図2)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
電動機の出力調整は、インバータ回路のスイッチング素子のON/OFF制御によって行われている。スイッチング素子が動作した際には、急激な電流変化に伴う急峻な磁界変化が発生するため、この磁界変化が他の機器や回路に電磁ノイズとして現われ、誤動作を招くおそれがある。
【0005】
上記特許文献1の制御装置一体型電動機においては、スイッチング素子を含むインバータ回路部とロータの回転位置検出器が近接して配置されているため、上記急峻な磁界変化によって発生するノイズが、回転位置検出器の出力に重畳されてしまい、ロータの位置を誤検出するという問題があった。
【0006】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、回転位置検出器が外部磁界の影響を受けないようにして回転位置検出器の出力に含まれるノイズを低減し、回転位置検出器の誤動作を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る回転電機は、ステータと、上記ステータと同軸に回転する回転軸に固定されたロータと、上記ステータを支持し固定するとともに、上記回転軸を回転できるように支持するブラケットと、上記回転軸の一端側に配置された上記ロータの回転位置を検出する回転位置検出部とを有する回転電機において、
上記回転位置検出部に、その外周を覆い、外部磁界をシールドするシールド部材を設置したものである。
【発明の効果】
【0008】
本発明に係る回転電機よれば、回転位置検出部の外周を覆い、外部磁界をシールドするシールド部材を設置したので、回転位置検出部の外部で発生する磁界は、大部分がシールド部材に吸収され、回転位置検出部に分布する磁界強度は著しく小さくなり、回転位置検出部の出力に重畳されるノイズレベルが、回転位置検出部を誤動作させない程度にまで低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。以下に説明する実施の形態は、ステータやロータに設けられた巻線に供給する電流を制御するスイッチング素子部を有する制御装置を回転電機に搭載した制御装置一体型の回転電機の構造を例として示している。
【0010】
実施の形態1.
図1は、本発明に係る回転電機の実施の形態1を示す断面模式図であり、図2は、回転位置検出部の周辺を軸方向からみた側面図である。本実施の形態1における回転電機は、ブラケット5,6に支持され固定されたステータ2と、ブラケット5,6に回転できるように支持された回転軸4を有し、ステータ2と同軸に回転するロータ1とを備えている。ステータ2はステータ巻線3を有し、ロータ1はロータ巻線33を有する。回転軸4の負荷側にプーリ17が取り付けられ、プーリ17は図示しない負荷と繋がっており、負荷側と反対側のブラケット5に、スイッチング素子9とヒートシンク10とを含むパワー部18が取り付けられている。パワー部18のスイッチング素子9を制御する制御回路部13が、パワー部18の外側(負荷側と反対方向)に取り付けられたケース15内に収容されている。回転位置検出部11が、回転軸4の負荷側と反対側の端部に取り付けられており、回転位置検出部11は、回転位置検出部11の外周側に配設されたパワー部18との間には空間部19が形成されるように配設されている。パワー部18は、回転軸4と同心円上に配置されており、3相交流で制御される回転電機であれば、例えば、図2に示すように、U相、V相、W相が円周上の水平方向の両側と垂直方向の下部に配置される。また、例えば、界磁巻線型回転電機のような場合、円周上における残りの垂直方向の上部の空間に、ロータ巻線33に電流を供給するブラシ部8が配置される。このような配置により、空間を有効活用し、コンパクトな制御装置一体型の回転電機が実現できる。
【0011】
図2に示したように、回転位置検出部11は、回転軸4とほぼ同心円状の外形を有している。回転位置検出部11とパワー部18との径方向の間には、回転軸4を中心とした円筒形状または角柱形状に近い形状の空間部19が形成されている。シールド部材12は、回転軸4と同心円状の外形を有し、回転位置検出部11の外周を覆うように空間部19に取り付けられる。
【0012】
このように、空間部19を形成し、空間部19を利用してシールド部材12を取り付けることにより、制御装置一体型の回転電機をコンパクトにすることができる。
【0013】
スイッチング素子9がON/OFFする際には急激な電流変化に起因して回転位置検出部11を鎖交する急峻な磁界変化が発生し、回転位置検出部11の出力にノイズを発生させる。ノイズは、誤った回転位置信号となって制御回路側に伝わり、回転電機が回転異常に至る。
【0014】
この急峻な磁界変化の発生に対応して、本実施の形態1では、図1及び図2で説明したように、パワー部18と回転位置検出部11との間に形成した空間部19に回転位置検出部11の外周を覆うようにシールド部材12が設けられているので、回転位置検出部11に発生するノイズが低減される。
【0015】
この場合、図1に示した回転位置検出部11の長さLとほぼ同等の軸方向長さを有するシールド部材11を、図2に示したように、回転位置検出部11の全外周を一周するように構成することがシールド効果を向上させる上で効果的である。
【0016】
図3及び図5は、パワー部の回転位置検出部への影響に対するシールド部材の効果を説明する要部拡大断面図、図4はシールド部材の構成例を示す断面図であり、図3はパワー部18と回転位置検出部11との間に、導電性のよい例えば銅、アルミニウムからなるシールド部材12aを設けた場合について示している。
【0017】
図3に示したように、シールド部材12aには、スイッチング素子9がON/OFFする際に発生する急激な磁界変化を打ち消す方向に渦電流20が発生し、シールド部材12aの内側、すなわち回転位置検出部11に鎖交する磁界が弱まる(以下、シールド効果という)ため、回転位置検出部11のノイズレベルを低減することができる。シールド部材12aは、導電性材料であればよいが、固有抵抗ができるだけ小さい導電性材料が好ましく、例えば、銅あるいは銅を主成分とする材料はシールド効果が大きい。また、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする材料は、シールド効果とともに軽量化を図ることができる。また、シールド部材12aとブラケット5とを一体化すれば、シールド部材12aをブラケット5に取り付けるための取付部材を削減することができる。
【0018】
また、図4に示したように、導電性材料からなる良導体22と絶縁性材料からなる絶縁層21とを交互に多層に巻いて作製したシールド部材12aは、各良導体22表面近傍で渦電流による遮蔽効果が期待できるので、より一層シールド効果が大きくなる。この場合、絶縁層21は樹脂からなるシート、接着剤層などでもよく、あるいは良導体22上に形成したコーティング層、蒸着層などでも良い。また、実用的にはアルミニウムや銅などの良導体層22の表面に形成される酸化物層でも絶縁性が十分に発揮できる厚さがあれば用いることができ、これらの酸化物層を形成した材料を巻回して多層化しても良い。
【0019】
図5は、パワー部18と回転位置検出部11との間に、銅、アルミニウム等の非磁性体層23を設けて、非磁性体層23の外周に軟磁性フェライト等の磁気抵抗の小さな磁気シールド部材12bを設けた場合である。磁気シールド部材12bは、非磁性体層23に比べて磁気抵抗が著しく小さいため、回転電機の径方向外側に位置するパワー部18から発生した磁束は、回転位置検出部11に漏れることなく、磁気シールド部材12bを通って外部に放散される。非磁性体層23は、空気層(すなわち空間)であっても良く、空気層とすることによって部品点数を削減することができる。
【0020】
この場合、シールド部材12bと回転位置検出部11及びパワー部18との距離の関係がノイズの低減効果にとって重要である。すなわち、シールド部材12bと回転位置検出部11との距離(図5中距離A)とシールド部材12bとパワー部18との距離(同図距離B)の関係は、相対的に距離Aができるだけ大きいほうがよく、距離A>距離Bとすることによって、スイッチング時の磁界変化がシールド部材12bを通りやすく、また、シールド部材12bから回転位置検出部11に漏れなくなるため、シールド効果が大きくなる。
【0021】
実施の形態2.
図6は、本発明に係る回転電機の実施の形態2を示す断面模式図である。上記実施の形態1と異なって、回転位置検出部11とパワー部18とが、回転軸4の軸方向に距離を隔てて配置されている。パワー部18と回転位置検出部11とを軸方向に距離を隔てて配置すると、パワー部18によって発生する磁界が減衰するため、よりノイズを低減することができる。
【0022】
また、界磁巻線型交流回転電機の場合、ロータ巻線33に電流を供給するためのブラシ8が回転軸4のスリップリング32に接触するように設けられているため、ブラシ部8にはシールド部材12を設けることができない。この場合には、図6に示したように、ブラシ部8を避けて回転位置検出部11を回転軸4の軸方向において負荷側と反対方向にずらして配置することによって、回転位置検出部11の外周に亘って一周するようにシールド部材12を設けることができる。
【0023】
また、パワー部18は、回転軸4の軸方向に対してブラシ部8とほぼ同じ位置に配置することで、収納性も向上し、特段に大型化することなく、パワー部18と回転位置検出部11の軸方向の距離を隔てることができる。
【実施例】
【0024】
図7は、シールド部材12を、形状と材料を代えて構成し、この各種構成のシールド部材12を用いた場合の回転位置検出部11の出力信号におけるノイズレベルを比較した結果を示している。本実施の形態における回転位置検出部11は、磁性体からなるコアに巻線が設けられた歯車のような部材からなるものであり、ロータの回転軸に取り付けられ、ロータの回転によって磁界変化を生じ、この磁界変化によってコアに設けられた巻線に発生する電圧変化から回転位置を検出するレゾルバである。
【0025】
図7において、
良導体Aは銅、良導体Bはアルミニウム、磁性体Aは軟磁性フェライト、磁性体Bは薄板の表面に絶縁層が形成された鉄系の軟磁性体である。
形状(1)は、回転位置検出部11の外周のみを良導体A、良導体B、磁性体Aからなるシールド部材12の1層で覆う場合、
形状(2)は、軸方向において、回転位置検出部11からパワー部18に亘って、良導体A、良導体Bからなるシールド部材12の1層を設けた場合、
形状(3)は、形状(2)に対してブラシ8部に開口を設けた場合、
形状(4)は、回転位置検出部11の外周のみを、形状(1)の場合と同じ厚さになるように、良導体Aと絶縁物との薄板からなるシールド部材12で3層巻き回した場合、
形状(5)は、回転位置検出部11の外周のみを、形状(1)の場合と同じ厚さになるように、磁性体Bからなるシールド部材12で10層巻き回した場合である。
【0026】
いずれの場合も、シールド部材がない場合に比べて、ノイズレベルを低減することができた。特に、形状(1)に比べて形状(4)は効果が大きく、良導体Aと絶縁物との薄板からなるシールド部材12を積層することがノイズ低減に有効であることがわかった。また、形状(5)のように、鉄を含有する高周波特性に優れた磁性体材料を積層した場合には、シールド部材12のない場合に比べて、1/10以下に低減できることがわかった。特に、鉄系の非晶質合金をはじめとし、磁気シールドに優れた磁性体は、工業的にシート状のものの作成が容易で、これらのシート状のものを巻き回して積層することで、極めて高いシールド効果を有するシールド部材を作製することができる。特に巻線を突き抜ける磁界変化を検出するレゾルバは、外部磁界変化による影響に敏感であるが、図7の結果が示すように、シールド部材12を配置することがノイズレベルを低減する上で非常に有効であることがわかった。
【0027】
図7は、良導体からなるシールド部材、磁性体からなるシールド部材それぞれを単独で用いた結果を示しているが、良導体と磁性体とを組み合わせて使用しても同様のシールド効果を発揮する。シート状に作製された磁気シールドに優れた磁性体の場合は、銅あるいはアルミニウムなどの良導体のシートの表面にシート状の磁性体を重ねて巻くことによって、高価な磁性体からなるシールド部材を多用することなく、良好なシールド効果を実現することができる。
【0028】
上記実施の形態1及び2においては、外部磁界がスイッチング素子9から発生する場合について説明したが、回転位置検出部11の周囲を覆うようにシールド部材12を設けることにより、例えば、回転電機の外部で発生した外部磁界に対してもシールド効果を発揮し、回転位置検出部11のノイズレベルを低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【0029】
本発明に係る回転電機は、例えば、回転電機をエンジンルームの限られたスペースに搭載するために小形化に対する要求が高い自動車等のような車両用回転電機に対して有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】本発明に係る回転電機の実施の形態1を示す断面模式図である。
【図2】図1における回転位置検出部の周辺を軸方向からみた側面図である。
【図3】パワー部の回転位置検出部への影響に対するシールド部材の効果を説明する要部拡大断面図である。
【図4】積層してなるシールド部材を説明する断面模式図である。
【図5】パワー部の回転位置検出部への影響に対するシールド部材の効果を説明する要部拡大断面図である。
【図6】本発明に係る回転電機の実施の形態2を示す断面模式図である。
【図7】シールド部材の効果を測定した結果を示す表である。
【符号の説明】
【0031】
1 ロータ、2 ステータ、3 ステータ巻線、4 回転軸、
5 反負荷側ブラケット、6 負荷側ブラケット、8 ブラシ部、
9 スイッチング素子、10 ヒートシンク、11 回転位置検出部、
12,12a,12b シールド部材、13 制御回路、15 ケース、17 プーリ、18 パワー部、19 空間部、20 渦電流、21 絶縁層、22 良導体、
23 非磁性層、32 スリップリング、33 ロータ巻線。




 

 


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