JP2016093009A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、ロータの回転位置検出に係る磁束をより高く確保しつつ、モータの小型化を含む形状の自由度もまた確保し、製造コストアップを回避することが可能なモータを提供することにある。【解決手段】電機子であるステータ部２と、ロータ部１と、ロータ部１の回転位置を検出する回転位置検出手段４とを有して構成されたモータに関する。ロータ部１は、シャフト１１に固定されるロータコア１２１に永久磁石１２２を配設することで複数の磁極部を構成するものであり、回転位置検出手段４は、磁極部に対向して配設されている。そして、磁極部と対向する位置であって、ステータ部２と対向する側を除く位置には、磁性材を含有する部材３，１１又は磁性材を含有する部位１１ａ，１１ｂが配置されており、回転位置検出手段４は、磁極部と、磁性材を含有する部材３又は磁性材を含有する部位１１ａと、の間に配設される。【選択図】図２

Description

本発明は、回転位置検出手段を備えたモータに関するものである。

従来より、モータに搭載されたロータの回転位置を検出するための手段として、ホールセンサ等の位置検出素子が使用されている。
このような位置検出素子は、例えば、ロータに設けられたマグネット磁極に対向して配設され、ロータ回転に伴う磁束変化を検出することにより、ロータの回転位置を特定することができる。
このように、位置検出素子を使用してロータの回転位置を検出する技術は、様々提案されている（例えば、特許文献１乃至特許文献３参照）。

特許文献１（特に、図７（ｃ）（ｄ）等参照）及び特許文献２（特に、図１及び図２等参照）には、ホールＩＣを使用してロータの回転位置を検出するモータが開示されている。
特許文献１及び特許文献２には、ステータよりも、軸方向において一方側に長く形成されたロータを有する（つまり、軸方向において、ステータからロータの一端側が突出している状態の）モータの例が記載されており、ホールＩＣは、ロータの一方側（軸方向においてステータよりも長く形成された側）の側周面に対向するように配置されている。
また、特許文献３のモータでは、ホールＩＣは、ロータの底面と軸方向に対向する位置に配設されている（特に、図１及び図３等参照）。

特開２００８−１５１７７４号公報 特開２００７−２０９０６０号公報 特開２０１４−１４３８５８号公報

このように、ホールＩＣを配置したモータが各種知られている。
しかし、特許文献１及び特許文献２の技術では、ホールＩＣをロータ（つまり、マグネット磁極）側面に対向させるため、ロータの軸方向長さが、ステータの軸方向長さよりも長くなるように設定されている。
このため、モータの軸長化（モータ自体の大型化）の原因となるという問題があった。
また、特許文献３の技術では、ロータ（つまり、マグネット磁極）における軸方向の磁束を、検出位置において十分量確保し難いという問題があった。
一般的に、ロータ位置を検出するための磁束は、ステータコアへの吸引、空気中への放出等、損失が問題となる。
このような損失磁束対策としては、マグネットのグレードの向上や検出専用マグネットの増設等が考えられるが、コストアップの問題がある。

本発明の目的は、上記各問題点を解決することにあり、ロータの回転位置検出に係る磁束をより高く確保しつつ、モータの小型化を含む形状の自由度もまた確保し、製造コストアップを回避することが可能なモータを提供することにある。

上記課題は、本発明に係るモータによれば、円環状の電機子であるステータ部と、該ステータ部の内側に回転可能に配設されるロータ部と、該ロータ部の回転位置を検出する回転位置検出手段と、を有して構成されたモータであって、前記ロータ部は、回転中心軸となるシャフトに固定されるロータコアに永久磁石を配設することで複数の磁極部を構成するものであり、前記回転位置検出手段は、前記磁極部に対向して配設されており、前記磁極部と対向する位置であって、前記ステータ部と対向する側を除く位置には、磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位が配置されており、前記回転位置検出手段は、前記磁極部と、前記磁性材を含有する部材又は前記磁性材を含有する部位と、の間に配設されることにより解決される。

このように本発明では、磁極部と対向する位置であって、ステータ部と対向する側を除く位置に配設された磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位と、磁極部と、の間に、回転位置検出手段を配設した。
このように、磁極部と対向する位置であって、ステータ部と対向する側を除く位置に、磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位を配設することにより、磁極部と磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位とが磁気回路を構成するため、必要な磁束量（磁束密度）を確保することができる。
よって、これらの間に回転位置検出手段を配設すれば、ロータ部の回転位置のセンシングに用いる磁束を確実に確保することができることとなる。

また、このとき、請求項２に記載のように、前記磁性材を含有する部材又は前記磁性材を含有する部位は、前記磁極部の軸方向に配置されていると好適である。
このように構成されていると、ロータ部の軸方向長さを、ステータ部の軸方向長さより大きくするといったことが不要となり、ロータ部形状の自由度を確保することができる。
つまり、ロータ部を特殊形状に加工することが不要となり、ロータ形状の自由度を確保することができる。

更に、請求項３に記載のように、前記磁性材を含有する部材又は前記磁性材を含有する部位は、前記ロータコアにおいて、前記磁極部の径方向内側に形成された空間に配置されていると、モータの軸方向サイズを小さくすることができるため好適である。
つまり、軸方向長さに関しては、ロータコアの長さ範囲内に回転位置検出手段を配置することができるため、ロータ部の軸方向外側に回転位置検出手段を配置する必要がなく、よって、モータ全体の軸方向サイズを小さくすることができる。

また、請求項４に記載のように、前記回転位置検出手段は、前記磁極部と、前記磁性材を含有する部材又は前記磁性材を含有する部位と、が直接相対向する位置に介在するよう構成されていると好適である。
このような位置に回転位置検出手段を配置すると、磁極部と磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位との間に他の介在物が存在することがなくなるため、センシングに用いる磁束量が減少することを有効に回避することが可能となる。

本発明によれば、磁極部と対向する位置であって、ステータ部と対向する側を除く位置に、磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位を配設することにより、磁極部と磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位とで磁気回路を構成させた。
そして、これらの間に回転位置検出手段を配設するようにしたため、センシングに必要な磁束量（磁束密度）を十分に確保することができる。
また、磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位を、磁極部の軸方向に配置すると、ロータ部を特殊形状に形成する必要がなく、ロータ部の形状の自由度を確保でき、磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位を、ロータコアにおいて、磁極部の径方向内側に形成された空間に配置すると、モータ全体の軸方向サイズを小さくすることができる。
また、磁極部と、磁性材を含有する部材又は前記磁性材を含有する部位と、が直接相対向する位置に介在するように、回転位置検出手段を配置すると、磁極部と磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位との間に他の介在物が存在することがなくなるため、センシングに用いる磁束量が減少することを有効に回避することが可能となる。
このように、本発明によれば、ロータ部の回転位置検出に係る磁束をより高く確保しつつ、モータの小型化を含む形状の自由度もまた確保することができる。

本発明の一実施形態に係るモータを示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るホールセンサの位置と機能を示す説明図である。 第一改変例に係るホールセンサの位置と機能を示す説明図である。 第二改変例に係るホールセンサの位置と機能を示す説明図である。 第三改変例に係るホールセンサの位置と機能を示す説明図である。 本発明の第一実施例に係るホールセンサの位置と機能を示す説明図である。 本発明の第二実施例に係るホールセンサの位置と機能を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する構成は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
本実施形態は、ロータ回転位置検出のために配設されるセンサの位置を検討することにより、回転位置検出に係る磁束をより高く確保することが可能となったモータに関するものである。
これにより、モータの小型化を含む形状の自由度もまた確保することができるとともに、製造コストアップもまた回避できる。

図１及び図２は、本発明の一実施形態を示すものであり、図１はモータを示す説明図、図２はホールセンサの位置と機能を示す説明図である。
また、図３乃至図５は、第一改変例乃至第三改変例に係るホールセンサの位置と機能を各々示す説明図である。
更に、図６及び図７は、本発明の第一実施例及び第二実施例に係るホールセンサの位置と機能を各々示す説明図である。

≪実施形態≫
（基本例）
まず、図１乃至図５により、実施形態として、本発明の概念的構成を説明図とともに説明する。
図１により、本実施形態に係るモータＭの構成の一例について簡単に説明する。
このモータＭは、ブラシレスモータである。
モータＭは、ロータ部１と、ステータ部２と、を有して構成されている。
ロータ部１は、出力軸となるシャフト１１と、シャフト１１に固定された円筒状の回転部１２と、を有して構成されている。
これにより、シャフト１１と回転部１２は連れ回ることとなる。

この回転部１２は、後述する実施例において説明するが、ロータコア１２１と永久磁石であるマグネット１２２とで構成されており、形態としては、ロータコア１２１の外側面にマグネット１２２が配設された「表面磁石型ロータ（ＳＰＭモータ）」と、ロータコア１２１にマグネット１２２が埋設された「磁石埋設型ロータ（ＩＰＭモータ）」と、が想定される。
このマグネット１２２は、複数備えられ、複数の磁極部を構成する。
一例としては、ＳＰＭモータの場合、マグネット１２２は、Ｎ極が５個、Ｓ極が５個の１０個使用され、ロータコア１２１の外周側面周方向に沿って、Ｎ極とＳ極が交互となるよう等間隔に若しくは隣接して配置（突設）され、磁極部を形成する。

ステータ部２は、略円筒状に形成された電機子である。
図示は省略するが、ステータ部２は、径方向内側に延びる複数のティースと、これらティースに巻回された巻線と、を備えて構成されている。
このステータ部２を構成する巻線には、図示しない電源装置より電源が供給され、これによりステータ部２には回転磁界が発生することとなり、この回転磁界によりロータ部１が回転する。

ステータ部２は、円筒形状のヨークハウジングＨの内壁面に固定されており、その内孔部分にロータ部１の回転部１２部分が内挿される。
つまり、ステータ部２がマグネットと径方向に対向するように配置される。
そして、シャフト１１の軸方向両端部は、ヨークハウジングＨに対して回転可能となるように軸受３，３で支承されている。
このように構成されているため、図示しない電源装置より電源が供給されると、ステータ部２に回転磁界が発生し、ロータ部１の回転部１２との相互作用により、ロータ部１が回転する。
この回転力はシャフト１１により出力される。

そして、本実施形態においては、ロータ部１の回転位置を検出するためのセンシング部材４が配置されている。
このセンシング部材４が、特許請求の範囲の「回転位置検出手段」に相当する。
センシング部材４としては、非接触の磁気センサであるホールＩＣやホール素子等が使用されており、半導体のホール効果を利用して、磁石の発生する磁界や電流の発生する磁界を、電気信号に変換して出力する。
このセンシング部材４の配設位置及び機能を以下に示す。

図２により、本実施形態に係るモータＭのセンシング部材４位置及び機能について説明する。
なお、本実施形態においては、軸受３は、例えば、鉄等の磁性材若しくは磁性材を含有する材料で形成されている。
この軸受３が、特許請求の範囲の「前記磁性材を含有する部材」に相当する。

図２（ａ）に示すように、本実施形態に係るセンシング部材４は、回転部１２と軸受３との間に配置されている。
つまり、センシング部材４は、回転部１２の上底面（天面）と、軸受３の下底面との間に配設される。つまり、回転部１２の上底面（天面）と、軸受３の下底面とで、センシング部材４が軸方向に挟まれる位置に配設される。
なお、センシング部材４の支持方法は、公知の方法でよく、一例を挙げると、ヨークハウジングＨに一端部を直接若しくは間接的に支持された支持部材の他端部にセンシング部材４を配置する方法等が挙げられる。

このように構成することで、磁束の損失を回避することができる。
図２（ｂ）に従来のモータＭ´の一例を示した。
従来のモータＭ´においては、磁束は白矢印に示すように、ステータ部２への吸引、吸気中への放出により、磁束が欠損する。
しかし、図２（ａ）に示す本例によれば、磁性材の軸受３と回転部１２との間にセンシング部材４を配設したため、磁束が欠損することなく、回転部１２から磁性材である軸受３へと確実に流れる。
このため、磁束密度が大きくなり、よって、センシングのための磁束を確実かつ十分に確保することができる。

（第一改変例）
図３により、上記実施形態の第一改変例について示す。
第一改変例においては、シャフト１１の構造のみが、上記実施形態と異なり、他の構成は同様である。
よって、相違点のみの説明にとめる。
本例では、シャフト１１の一端部に、フランジ状に形成されたフランジ部１１ａが設けられている。このフランジ部１１ａは、磁性材若しくは磁性材を含有する材料で形成されている。
このフランジ部１１ａが、特許請求の範囲の「磁性材を含有する部位」に相当する。

本例に係るセンシング部材４は、回転部１２とフランジ部１１ａとの間に配置されている。
つまり、センシング部材４は、回転部１２の上底面（天面）と、フランジ部１１ａの下底面との間に配設される。つまり、回転部１２の上底面（天面）と、フランジ部１１ａの下底面とで、センシング部材４が軸方向に挟まれる位置に配設される。
このように構成することで、上記実施形態同様に、磁束の損失を回避することができる。

（第二改変例）
図４により、上記実施形態の第二改変例について示す。
第二改変例においては、回転部１２の構造のみが、上記実施形態と異なり、他の構成は同様である。
よって、相違点のみの説明にとめる。
本例では、回転部１２の軸方向一端面（天面）の中央部分に円筒カップ状に切り抜かれた形状のセンサ配設孔部１２ａが形成されている。
つまり、シャフト１１が貫通するよう軸方向に穿たれた内孔よりも若干大きい径の孔が、回転部１２の軸方向一端面（天面）から、軸方向中央部付近まで穿たれており、この部分がセンサ配設孔部１２ａとなっている。

そして、本例では、センサ配設孔部１２ａに、センシング部材４が配設されるよう構成されている。
なお、本例において、シャフト１１は、磁性材若しくは磁性材を含有する材料で形成されている。
このシャフト１１が、特許請求の範囲の「磁性材を含有する部材」に相当する。
よって、センサ配設孔部１２ａの内壁部から、シャフト１１へと向かう磁束が高密度に形成され、よって、磁束の損失を回避することができる。

（第三改変例）
図５により、上記実施形態の第三改変例について示す。
第三改変例においては、回転部１２にセンサ配設孔１２ａが形成されることは、上記第二改変例と同様である。
本例では、シャフト１１若しくは軸受３を変形して、磁束受部１１ｂを形成した。
他の構成は同様であるため、相違点のみの説明に留める。
本例では、シャフト１１若しくは軸受３を変形して、センサ配設孔１２ａ中であって、シャフト１１に接する部分に、磁束受部１１ｂを延設した。
磁束受部１１ｂは、磁性材若しくは磁性材を含有する材料で形成されている。
この磁束受部１１ｂが、特許請求の範囲の「磁性材を含有する部位」に相当する。
これにより、センサ配設孔部１２ａの内壁部から、磁性材の磁束受部１１ｂ及びシャフト１１へと向かう磁束が高密度に形成され、よって、磁束の損失を回避することができる。

≪実施例≫
（第一実施例）
図６により、第一実施例について説明する。
第一実施例は、ロータ部１の構成を「表面磁石型ロータ（ＳＰＭモータ）」としたものである。
ロータ部１の中心には軸方向に貫通するシャフト１１が固定されているとともに、このロータ部１はステータ部２の内側に回転可能に支持されている。
ロータ部１は、シャフト１１と、回転部１２と、で構成されているが、この回転部１２は、ロータコア１２１と、ロータコア１２１の外周側面に固定された複数のマグネット１２２と、を有して構成されている。

図６（ａ）に示す例では、ロータコア１２１は、略円筒形状のロータコア１２１の軸方向両端面（両底面）の中央部分に、円筒形状カップ状にくり抜かれたロータコア孔部１３ａ，１３ａが形成された形状となっている。
つまり、シャフト１１が貫通するよう軸方向に穿たれた内孔よりも若干大きい径の孔が、ロータコア１２１の軸方向両端面（両底面）から、軸方向中央部に向かって穿たれており、この部分がロータコア孔部１３ａ，１３ａとなっている。
そして、そのロータコア１２１の外側面には、マグネット１２２が配設されており、センシング部材４は、マグネット１２２の軸方向一端側と対向する位置、つまり、磁極部に対向する位置に配設されている。
この状態で、上記実施形態と同様に、センシング部材４を挟み込む位置に軸受３若しくはフランジ部１１ａ（第一改変例）を配置することにより、当該形態のモータＭにおいて、高密度の磁束を得ることができ、磁束欠損を防止することができる。

図６（ｂ）に示す例では、円筒形状のロータコア１２１と、このロータコア１２１の軸方向長さよりも長尺のマグネット１２２と、を有する例であり、上記同様、ロータコア１２１の外側面にマグネット１２２が配設されている。
このように構成されているため、センシング部材４を、マグネット１２２とシャフト１１との間に配設することができ、これにより、マグネット１２２からシャフト１１へと向かう磁束が高密度に形成され、よって、磁束の損失を回避することができる。

図６（ｃ）に示す例では、図６（ａ）と同形状のロータ部１が使用されている。
センシング部材４は、ロータコア孔部１３ａに配設される。
このとき、ロータコア孔部１３ａの外側内壁であるとともにセンシング部材４と対向する位置には、センサマグネット４１が配設されている。
このように構成されているため、センシング部材４を、センサマグネット４１とシャフト１１との間に配設することができ、これにより、センサマグネット４１からシャフト１１へと向かう磁束が高密度に形成され、よって、磁束の損失を回避することができる。

（第二実施例）
次いで、図７により、第二実施例を説明する。
第一実施例は、ロータ部１の構成を「磁石埋設型ロータ（ＩＰＭモータ）」としたものである。
ロータ部１の中心には軸方向に貫通するシャフト１１が固定されているとともに、このロータ部１はステータ部２の内側に回転可能に支持されている。
ロータ部１は、シャフト１１と、回転部１２と、で構成されているが、この回転部１２は、ロータコア１２１と、ロータコア１２１の外周側に近い部分に埋設された複数のマグネット１２２と、を有して構成されている。
図７（ａ）に示す例において、センシング部材４は、マグネット１２２の軸方向一端側と対向する位置、つまり、磁極部に対向する位置に配設されている。
この状態で、上記実施形態と同様に、センシング部材４を挟み込む位置に軸受３若しくはフランジ部１１ａ（第一改変例）を配置することにより、当該形態のモータＭにおいても、高密度の磁束を得ることができ、磁束欠損を防止することができる。

また、図７（ｂ）に示す例では、ロータコア１２１には、ロータコア孔部１３ａ（本例においては、一方だけ形成）が形成されており、センシング部材４は、ロータコア孔部１３ａに配設される。
このように構成されているため、センシング部材４を、マグネット１２１とシャフト１１との間に配設することができ、これにより、センサマグネット４１からシャフト１１へと向かう磁束が高密度に形成され、よって、磁束の損失を回避することができる。

以上のように、本発明においては、センシング部材４の配設位置を、周辺部材との関係において定め、センシングに必要な磁束を高密度に確保することが可能となった。
よって、モータを大型化する必要もなく、よって、モータ形状の自由度も保たれる（例えば、ロータ部１をステータ部２よりも軸方向に長くする必要がない）。
また、特別な構造や新たな部材を必要としない構成であれば、製造コストを低減することもまた可能となる。

１・・ロータ部、１１・・シャフト、１１ａ・・フランジ部、１１ｂ・・磁束受部、
１２・・回転部、１２ａ・・センサ配設孔部、
１２１・・ロータコア、１２２・・マグネット、
１３ａ・・ロータコア孔部、
２・・ステータ部、３・・軸受、４・・センシング部材、４１・・センサマグネット、
Ｈ・・ヨークハウジング、Ｍ・・モータ

Claims (4)

1. 円環状の電機子であるステータ部と、該ステータ部の内側に回転可能に配設されるロータ部と、該ロータ部の回転位置を検出する回転位置検出手段と、を有して構成されたモータであって、
   前記ロータ部は、回転中心軸となるシャフトに固定されるロータコアに永久磁石を配設することで複数の磁極部を構成するものであり、
   前記回転位置検出手段は、前記磁極部に対向して配設されており、
   前記磁極部と対向する位置であって、前記ステータ部と対向する側を除く位置には、磁性材を含有する部材又は磁性材を含有する部位が配置されており、
   前記回転位置検出手段は、前記磁極部と、前記磁性材を含有する部材又は前記磁性材を含有する部位と、の間に配設されることを特徴とするモータ。
2. 前記磁性材を含有する部材又は前記磁性材を含有する部位は、前記磁極部の軸方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記磁性材を含有する部材又は前記磁性材を含有する部位は、前記ロータコアにおいて、
   前記磁極部の径方向内側に形成された空間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
4. 前記回転位置検出手段は、前記磁極部と、前記磁性材を含有する部材又は前記磁性材を含有する部位と、が直接相対向する位置に介在することを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載のモータ。
   
   

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