JP5983854B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、回転電機内の物理量を検出するセンサを備える回転電機に関する。

従来より、種々の回転電機が提案されている。たとえば、特許文献１には、図７に示すような回転電機が開示されている。この回転電機（モーター）１０１は、回転子１０２および固定子１０３を備える駆動装置であり、種々の動力利用システム（例えば、車など。）に組み込まれる。このため、回転電機１０１は構造体（ユニット）として取り扱えるように、筐体１０５も備えている。筐体１０５は、回転子１０２および固定子１０３を収容し、回転子１０２が固定子１０３内で回転自在に保持されるように固定子１０３を支持する。

回転電機１０１を駆動すると、回転子１０２や固定子１０３が備えるコイルやコアにおいて銅損や鉄損が発生し、発熱が起こる。この発熱により、コイルの導線が焼き切れる虞がある。特に、回転子１０２に永久磁石を使用したＰＭモーターでは、回転子１０２の温度が永久磁石のキュリー点を超え、磁性を失うなど重大な故障の原因となる。そのため、回転子１０２の温度を監視する必要がある。

そこで、特許文献１では、回転電機１０１に、回転子１０２の温度を検出して記憶する温度センサ付きＩＣタグ１０６と、温度センサ付きＩＣタグ１０６で記憶した情報を無線で通信して読み出すＩＣタグリーダ１０７と、から構成される温度監視機構を設置することが提案されている。ＩＣタグ１０６とＩＣタグリーダ１０７は、無線で通信を行うことが出来るように、アンテナ（不図示。）を各々備えている。一般的に、このアンテナには、相互に磁界結合されるコイル状に捲回された捲回形アンテナが使用される。

特許文献１のすべての実施形態で現れた構成では、ＩＣタグ１０６とＩＣタグリーダ１０７は共に回転電機１０１の筐体１０５内部に設置されている。各々が備えるアンテナも同様である。

特開２００８−１０９８０６号公報（図１、図７参照。）

回転電機１の筐体５内部には、回転電機１０１を駆動するためにコイルに交番電流が流れ、それにより交番磁界が常に発生している。この交番磁界中に捲回形アンテナを配置すると誘導電流が発生し、アンテナ端に誘導電圧が発生する。この現象は回転電機の動作周波数が、温度センサの動作周波数や通信周波数と異なっていても発生する。発生した誘導電流や誘導電圧がＩＣタグ１０６やＩＣタグリーダ１０７の回路内の部品の耐電流、耐電圧を超えると、ＩＣタグ１０６やＩＣタグリーダ１０７が破壊する虞がある。また、破壊しないように保護回路を設けた場合は、温度検出機構がコスト高となってしまう。

この発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構造を用いて、回転電機の駆動時に筐体内部に発生する交番磁界によって捲回形アンテナに生ずる誘導電流、誘導電圧を抑制することが出来る回転電機を提供することを目的とする。

本発明の対象となる回転電機は、回転子と、固定子と、回転子および固定子を収容し、前記回転子が固定子内で回転自在に保持されるように固定子を支持する筐体と、回転電機の物理量を検出するセンサと、物理量を送信するアンテナと、を備える。前記物理量は通信制御部によって取得する。本発明では、この構成において、アンテナが前記筐体の外側に配置されたことを特徴としている。

交番磁界は筐体の外側ではアンテナへの影響を無視できる程度まで低減されているので、簡便な構造で、センサおよび通信制御部の信頼性を向上させることが可能である。

センサによって、回転子の物理量を検知することで、物理量を回転電機を安定して動作させるための制御情報として活用出来る。物理量として、例えば、温度、歪み、加速度などが挙げられる。

無線通信を実現するため、アンテナは、センサに接続される第１アンテナ（送信側アンテナ）と、通信制御部に接続されると共に第１アンテナに磁界結合される第２アンテナ（受信側アンテナ）と、から構成される。

このようなアンテナの具体例として、捲回形アンテナがある。捲回形アンテナは、回転軸に対して略同心円に配置することが可能であり、第１アンテナにかかる遠心力がアンテナに均一にかかるため、機械的信頼性が高い構造にすることができる。また、アンテナ設置スペースを低減するのに有効な形状である。さらに、回転軸とともに回転する第１アンテナと、軸とともには回転しない第２アンテナとのアンテナ間距離を常に一定に保つことが可能となる形状であり、通信安定性を高めることができる。

回転軸は導体であるため、回転軸と少なくとも第１アンテナとの間に非導体のスペーサが配置される。

回転軸の全部または一部を非導体でなる別部品で形成した場合は、回転軸に直接第１アンテナを取り付けることが可能である。

この発明によると、簡易な構造を用いて、回転電機の駆動時に筐体内部に発生する交番磁界によって捲回形アンテナに生ずる誘導電流、誘導電圧を抑制することが出来る。

この発明に係る回転電機の概略構成を示す斜視図である。 図２（Ａ）は、アンテナ配置の第１の実施形態を示す、この発明に係る回転電機の要部の斜視図である。図２（Ｂ）は同要部の軸方向断面図である。 アンテナ配置の第２の実施形態を示す、この発明に係る回転電機の要部の軸方向断面図である。 アンテナ配置の第３の実施形態を示す、この発明に係る回転電機の要部の軸方向断面図である。 アンテナ配置の第４の実施形態を示す、この発明に係る回転電機の要部の軸方向断面図である。 アンテナ配置の第４の実施形態の変形例を示す、この発明に係る回転電機の要部の軸方向断面図である。 従来の回転電機の概略構成を示す断面図である。

以下に、この発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。

図１は本発明が適用された回転電機の概略構成図である。図１に示すように、本発明に係る回転電機１は、大まかには、回転子２、固定子３、回転軸４、筐体５、センサ６、アンテナ（第１，第２アンテナ７，８）、および通信制御部９を備える。固定子３が備えるコイルには、外付けの不図示の電源から入力線１６を介して交番電流が入力され、これによって回転子２が回転され、回転軸４を出力軸として動力が得られる。

筐体５は、回転子２および固定子３を収容する。固定子３は、筐体５内に設置される。回転子２は回転軸４と一体化され、全体としてドーナツ状を呈する固定子３の空洞部に配置される。回転子２と固定子３とは同軸に配置される。

筐体５は、有端筒状の部材である。筐体５の材質は導体である必要がないが、強度と放熱を考慮して金属材料が使用されるのが一般的である。図示のように、筐体５の軸方向両端部に、軸受１２，１３が保持され、該軸受１２，１３を介して回転軸４が支持される。これによって、筐体５の中心を軸方向に貫通するように回転軸４が支持される。

筐体５の軸方向両端に、軸受ホルダ１０，１１が凸状に設置される。軸受ホルダ１０，１１には、軸受１２，１３がそれぞれ支持される。軸受ホルダ１０，１１は、筐体５と共に一体に形成されていても良いし、筐体５とは別の部材として用意され、回転電機１の組立時に筐体５に取り付けられるものであっても良い。

センサ６は、筐体５の内部に設けられて回転電機１の物理量を検知する。物理量としては、例えば、回転子２の温度や歪み、回転子２の加速度などが挙げられる。センサ６が温度検知素子である場合は、水晶振動子やその他の共振デバイス（ＳＡＷ、ＭＥＭＳ共振子など。）を好適に用いることが出来る。また、特許文献１のようにセンサ機能付きＩＣタグ（ＲＦＩＤ）を用いても良い。

センサ６によって検知される物理量は、回転電機１の安定した動作を維持するための制御情報として活用される。そのため、センサ６と通信して物理量を取得する通信制御部９が筐体５外部に設置される。

アンテナは、センサ６と通信制御部９との間で無線通信するための手段である。アンテナは、センサ６に接続される第１アンテナ（送信側アンテナ）７と、通信制御部９に接続される第２アンテナ（受信側アンテナ）８と、から構成される。

第１，第２アンテナ７，８は互いに磁界結合される。このようなアンテナとしては、捲回形アンテナが好適に用いられる。アンテナは筐体５の外側に配置される。

上述したように、アンテナに捲回形アンテナを使用した場合、これらを筐体５の内部に配置すると、回転電機１の駆動時に発生する交番磁界によって誘導電流が生じ、アンテナ端に誘導電圧が発生する。これによって、センサ６や通信制御部９の破壊を招く懸念があった。また、保護回路を別途設ける場合には、コスト高になる。

そこで、このような問題を解決するために、本発明では、第１，第２アンテナ７，８を筐体５の外側に配置する。交番磁界は筐体５の外側ではアンテナへの影響を無視できる程度まで低減されているので、簡便な構造で、センサ６および通信制御部９の信頼性の向上を図ることが可能である。センサ６と第１のアンテナ７は、たとえば回転軸４を介して接続される。

アンテナ７，８を筐体５の外側に配置する場合には、その配置の自由度は極めて高く、場所的な制約が少ないのはメリットである。しかし、あまり筐体５からかけ離れた場所にアンテナを配置することは、回転電機１の占有スペースが増大するので望ましくない。

このような事情を考慮すると、捲回形アンテナでは、円形、矩形など巻き形状に寄らず、径方向には有限の大きさを持つので、その中心を回転軸４が挿通するように配置することがスペースの有効利用の面では最も効率の良い配置であることが容易に想定できる。

以下に、筐体５に近い場所に、回転軸４に対して略同心円に、捲回形アンテナを配置することを前提としてアンテナ配置の種々のバリエーションを説明する。

図２は、アンテナ配置の第１の実施形態を示すものである。上述したように、回転軸４は導体であるため、アンテナが回転軸４に接触するような取り付け方はアンテナ機能が保証されないため、好ましくない。本例は、回転軸４と第１アンテナ７Ａとの間に非導体で形成されるスペーサ１４Ａを介在させている。第１アンテナ７Ａは、スペーサ１４Ａにコイル状に捲着されている。

第２アンテナ８Ａは、第１アンテナ７Ａに磁界結合されるので、第１アンテナ７Ａとの間に介在するものが何もない状態で、第１アンテナ７Ａの近傍に配置される。本例では、第２アンテナ８Ａは、第１アンテナ７Ａに対して軸方向に磁界結合されるように同軸に設置されている。

なお、図２に現された第２アンテナ８Ａはどこにも支持されていないように見えるが、実際には何らかの手段で保持する必要はある。この場合、第２アンテナ８Ａは必ずしも、回転電機１に保持されていなくても良く、回転電機１を組み込んだシステムにおいて回転電機１の周囲に配置される他の部品や基板などを利用して、新たな部品を追加することなく、第２アンテナ８Ａを所望の位置に保持することが好ましい。

図３は、アンテナ配置の第２の実施形態を示すものである。本例では、第１アンテナ７Ｂ、第２アンテナ８Ｂが共に平面的に渦巻き状に捲回されている点が第１の実施形態と異なっている。回転軸４に非導体で形成されたフランジ状の保持部材１４Ｂを取付け、保持部材１４Ｂのフランジ部に第１アンテナ７Ｂが配置される。第２アンテナ８Ｂは、回転電機を組み込んだシステムにおいて回転電機１の周囲に配置される他の部品や基板などを利用して、第１アンテナ７Ｂと磁界結合される位置に固定される。この例によると、軸方向に対するアンテナ設置スペースを縮小できる。

図４は、アンテナ配置の第３の実施形態を示すものである。本例では、スペーサ１４Ａにコイル状に捲着された第１アンテナ７Ｃの外側を包囲するように、第２アンテナ８Ｃが配置されている点が第１の実施形態と異なっている。つまり、アンテナ同士の磁界結合が径方向となるように第２アンテナ８Ｃが配置されている。本例によると、第２の実施形態に比べて、軸方向に対するアンテナ設置スペースをさらに縮小でき、また、磁界の結合強度を大きくすることができる。

図５はアンテナ配置の第４の実施形態を示すものである。この例では、回転軸４の全部または一部が非導体でなる別部材で形成されている。したがって、同図に示すように、スペーサを介在させることなく回転軸４に直接第１アンテナ７Ａを捲着することが出来る。

筺体５によって電磁ノイズはほぼ遮蔽されるが、それ以外からの電磁ノイズの影響を受ける場合には、図６に示すような金属または磁性体で形成された構造体１６にて、第１、２アンテナ７、８を内包することにより、不要な電磁波がシールドされ、より安定した通信が可能となる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…回転電機
２…回転子
３…固定子
４…回転軸
５…筐体
６…センサ
７（７Ａ，７Ｂ，７Ｃ）…第１アンテナ
８（８Ａ，８Ｂ，８Ｃ）…第２アンテナ
９…通信制御部
１０，１１…軸受ホルダ
１２，１３…軸受
１４（１４Ａ，１４Ｂ）…スペーサ
１６…入力線
１０１…回転電機
１０２…回転子
１０３…固定子
１０５…筐体
１０６…ＩＣタグ
１０７…ＩＣタグリーダ

Claims (11)

1. 回転子と、固定子と、前記回転子および前記固定子を収容し、前記回転子が前記固定子内で回転自在に保持されるように前記固定子を支持する筐体と、回転電機の物理量を検出するセンサと、前記物理量を送信するアンテナと、を備え、前記物理量を通信制御部によって取得する回転電機において、前記アンテナが前記筐体の外側に配置された、回転電機。
2. 前記センサは前記回転子の物理量を検出する、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記アンテナは、前記センサに接続される第１アンテナと、前記通信制御部に接続されると共に前記第１アンテナに磁界結合される第２アンテナと、から構成される、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記アンテナは捲回形アンテナであり、
   前記アンテナは、前記回転子と一体化された回転軸に対して略同心円に配置されている、請求項３に記載の回転電機。
5. 前記回転軸と少なくとも前記第１アンテナとの間に非導体のスペーサが配置される、請求項４に記載の回転電機。
6. 前記回転軸の全部または一部が非導体で形成されており、該回転軸に前記第１アンテナが直接取り付けられる、請求項４に記載の回転電機。
7. 前記第１アンテナおよび前記第２アンテナが金属または磁性体によって遮蔽された構造体内部に設置されている、請求項３〜６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 前記物理量が温度である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 前記センサが共振デバイスである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。
10. 前記共振デバイスは水晶振動子である、請求項９に記載の回転電機。
11. 前記センサがセンサ機能付きＲＦＩＤである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。

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