JP2000060176A - ブラシレスモータ駆動装置及びブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ブラシレスモータのトルク特性をフラット化
する。 【解決手段】 ３相ブラシレスモータの固定子の極数
（スロットの数）が６、回転子の極数（永久磁石の数）
が８である場合には、各相のコイル電流を電気角で１２
０°（機械角で３０°）ずつ位相をずらすと共に、各相
のコイル電流を電気角で６０°（機械角で１５°）毎に
３相同時にステップ状に切り換える。この際、３相のう
ち、コイル電流が最大となる１つの相のコイル電流をＩ
とした時に、残りの２相のコイル電流がそれぞれ−Ｉ／
２となるように制御する。上記以外の極数のブラシレス
モータでは、各相のコイル電流をステップ状に切り換え
る角度θを、機械角で３６０／Ｎ［°］（但し、Ｎは固
定子の極数と回転子の極数との最小公倍数）に設定す
る。これにより、全角度範囲においてフラットなトルク
特性を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フラットなトルク
特性を実現する３相駆動方式のブラシレスモータ駆動装
置及びブラシレスモータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、内燃機関のスロットルバルブを
駆動するモータは、スロットルバルブの制御角度範囲で
ある９０°以下の回転角度でモータトルクをスロットル
バルブのリターンスプリングの付勢力と釣り合わせる必
要があるため、９０°以下の回転角度でモータトルクが
フラット（一定）であることが要求される。そのため、
スロットルバルブ駆動用のモータとして、特開昭６１−
５８４６０号公報、特開昭６２−９２７５５号公報に示
すように、２個の半円環状の永久磁石で回転子を構成す
ると共に、それに対応して固定子に２個のコイルを装着
したトルクモータが提案されている。このトルクモータ
は、９０°以下の回転角度でフラットなトルク特性を実
現している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スロットル
制御の確実性・信頼性を向上させるために、フラットな
トルク特性に加えて、高トルク化することも要求され
る。一般に、高トルク化の要求に対しては、コイル巻回
数の増加や永久磁石の大型化によって対処しているが、
上記トルクモータは、他のモータと比較して本来的にト
ルクが小さいため、十分な高トルク化を実現しようとす
ると、モータの大型化・重量化の問題が発生し、近年の
重要な技術的課題であるモータの小型化・軽量化の要求
を満たすことができない。

【０００４】そこで、高トルク化、小型化・軽量化の観
点から、トルクモータに代えて、３相ブラシレスモータ
を採用することが考えられる。３相ブラシレスモータ
は、磁石極数を多くできることから、上記トルクモータ
と比較して本来的にトルクが大きいためである。

【０００５】しかし、３相ブラシレスモータは、図７に
示すように、各相のコイルにｓｉｎ波の電流を電気角で
１２０°ずつ位相をずらして流すようにしているため、
各相のコイル電流による固定子の磁束の分布と回転子の
永久磁石の磁束の分布との相対的な関係が回転角度に対
して均一にならない。このため、従来の３相ブラシレス
モータでは、トルクむらが発生し、トルクモータのよう
なフラットなトルク特性を得ることができない。従っ
て、従来の３相ブラシレスモータは、スロットル制御シ
ステム等の一定回転角度以下でフラットなトルク特性が
要求されるシステムには採用することができない。しか
も、３相ｓｉｎ波電流を電気角で１２０°ずつ位相をず
らして作る複雑な回路が必要となり、モータ駆動回路の
構成が複雑化してコスト高になるという欠点もある。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、ブラシレスモータの
トルク特性をフラット化することができて、ブラシレス
モータをトルクモータとして採用することが可能とな
り、トルクモータの高トルク化と小型化・軽量化とを両
立させることができると共に、回路構成を簡単化して低
コスト化の要求も満たすことができるブラシレスモータ
駆動装置及びブラシレスモータを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１のブラシレスモータ駆動装置は電
流制御手段によって各相のコイル電流を電気角で１２０
°ずつ位相をずらして所定角度θ毎に３相同時にステッ
プ状に切り換えると共に、３相のうち、コイル電流が最
大となる１つの相のコイル電流をＩとした時に、残りの
２相のコイル電流がそれぞれ−Ｉ／２となるように制御
するものである。このようにすれば、各相のコイル電流
による固定子の磁束の分布と回転子の永久磁石の磁束の
分布との相対的な関係が全回転角度で均一化されるた
め、トルクむらが低減され、フラットなトルク特性を得
ることができる。この結果、一定回転角度以下でフラッ
トなトルク特性が要求されるシステムのトルクモータと
してブラシレスモータを採用することが可能となり、ト
ルクモータの高トルク化と小型化・軽量化とを両立させ
ることができる。しかも、各相のコイル電流をステップ
状に切り換えるだけで良く、従来の３相駆動方式のよう
な位相のずれたｓｉｎ波電流を生成する必要がないた
め、回路構成も簡単となり、低コスト化の要求も満たす
ことができる。

【０００８】この場合、請求項２のように、各相のコイ
ル電流をステップ状に切り換える所定角度θを機械角で
３６０／Ｎ［°］（但し、Ｎは固定子の極数と回転子の
極数との最小公倍数）に設定すると良い。後述するよう
に、θ＝３６０／Ｎは、従来のブラシレスモータにおい
ても、磁気カップリングの特性からトルクがフラットに
なる角度範囲である。従って、各相のコイル電流をこの
角度θの範囲内で一定に保持し、この角度θ毎にステッ
プ状に切り換えれば、全角度範囲においてフラットなト
ルク特性を得ることができる。

【０００９】ところで、固定子の各磁極片間が開口され
ていると、固定子の回転子側の周面の透磁率が磁極片間
の開口部で大きく変化するため、回転子の永久磁石が磁
極片間の開口部近傍を通過する毎に、透磁率の大きな変
化によりトルクリップルが発生し、トルク特性に悪影響
を及ぼす。

【００１０】この対策として、請求項３のように、固定
子の各磁極片の回転子側端部間を薄肉磁性部で連結する
ようにしても良い。このようにすれば、固定子の各磁極
片の回転子側端部間においても、その開口部を連結する
薄肉磁性部によって磁極片とほぼ同じ透磁率となるた
め、固定子の回転子側の周面全周の透磁率を均一化する
ことができて、トルクリップルを効果的に低減すること
ができる。この場合、各磁極片の回転子側端部間を連結
する磁性部を薄肉化することで、磁極片間の磁気抵抗を
大きくすることができるため、磁極片間に流れる漏れ磁
束を低減することができて、トルクの低下を少なくする
ことができる。尚、この請求項３の技術は、前記請求項
１の技術と組み合わせて実施しても良いし、単独で実施
しても良い（請求項５）。

【００１１】以上説明した本発明のブラシレスモータ駆
動装置は、ブラシレスモータにフラットなトルク特性を
持たせることができるため、請求項４のように、ブラシ
レスモータを内燃機関のスロットルバルブを駆動するト
ルクモータとして使用することが可能となる。これによ
り、スロットルバルブ駆動用のモータの高トルク化と小
型化・軽量化とを両立させることができると共に、スロ
ットル制御回路の構成も簡単化することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】［実施形態（１）］以下、本発明
をスロットル制御システムに適用した実施形態（１）を
図１乃至図５に基づいて説明する。まず、図１に基づい
てブラシレスモータ１１の構造を説明する。本実施形態
（１）のブラシレスモータ１１は、インナロータ型の３
相ブラシレスモータであり、そのモータハウジング１２
内には、固定子鉄心１３が固定され、この固定子鉄心１
３に例えば６０°ピッチで形成された６個のスロット１
４内に、３相のコイル１５，１６，１７が装着されてい
る。

【００１３】以上のように構成した固定子１８の内周側
には、回転子１９が配置されている。この回転子１９の
回転軸２０はベアリング２１を介してモータハウジング
１２に回転自在に支持されている。回転軸２０には、回
転子鉄心２２が嵌着或は一体に形成され、この回転子鉄
心２２の外周には、例えば８個の永久磁石２３が等ピッ
チで接着等により固定されている。

【００１４】次に、このブラシレスモータ１１を用いて
構成したスロットル制御システムの構成を図２に基づい
て説明する。自動車の吸気管（図示せず）の途中に接続
される管状のスロットルボディ２５の外部にブラシレス
モータ１１が取り付けられ、このブラシレスモータ１１
の回転軸２０にスロットルバルブ２６が固定されてい
る。スロットルボディ２５には、ブラシレスモータ１１
とは反対側の位置にスロットル開度センサ２７と安全装
置２８とが組み付けられ、スロットル開度センサ２７に
よって回転軸２０の回転角度（スロットル開度）が検出
される。また、安全装置２８に内蔵されたバネ（図示せ
ず）の付勢力を回転軸２０にスロットルバルブ２６の閉
じ方向に働かせて、ブラシレスモータ１１の反力を発生
させると共に、故障等によりブラシレスモータ１１が作
動しなくなったときに、該安全装置２８のバネの付勢力
によりスロットルバルブ２６を強制的に閉じるようにし
ている。

【００１５】スロットル開度センサ２７から出力される
スロットル開度信号は、スロットル制御回路２９内に入
力される。このスロットル制御回路２９は、図３に示す
ように、目標値−センサ信号比較回路３２、サーボ制御
回路３３、ステップ制御回路３４及びマイクロコンピュ
ータ（図示せず）を内蔵し、特許請求の範囲でいう電流
制御手段として機能する。ここで、目標値−センサ信号
比較回路３２はアクセルセンサ３０により検出したアク
セル操作量（スロットル開度の目標値）とスロットル開
度センサ２７により検出した実スロットル開度とを比較
し、その比較結果に応じた制御信号がサーボ制御回路３
３とステップ制御回路３４に入力され、これら２つの制
御回路３３，３４の出力によってモータ駆動回路３１の
６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン／オフが切り
換えられる。これら６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６
は、２個ずつ対となってバッテリ電圧（＋Ｂ）側とグラ
ンド側との間にブリッジ状に接続され、各対の２つのト
ランジスタの中間接続点がブラシレスモータ１１のＹ結
線されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル１５〜１７の一端に
接続されている。

【００１６】ステップ制御回路３４は、ブラシレスモー
タ１１内の回転角度検出手段（図示せず）の出力信号に
基づいて回転子１９の回転角度を検出しながら、図４に
示すように、各相のコイル電流を電気角で１２０°（本
実施形態では機械角で３０°）ずつ位相をずらすと共
に、各相のコイル電流を電気角で６０°（本実施形態で
は機械角で１５°）毎に３相同時にステップ状に切り換
える。この際、３相のうち、コイル電流が最大となる１
つの相のコイル電流をＩとした時に、残りの２相のコイ
ル電流がそれぞれ−Ｉ／２となるように制御する。

【００１７】このステップ制御回路３４による各相のコ
イル電流の切り換えにより、ブラシレスモータ１１の回
転角度（スロットル開度）が目標値付近に到達すると、
サーボ制御回路３３は、ブラシレスモータ１１のトルク
を安全装置２８に内蔵されたバネ等の付勢力と釣り合わ
せてスロットル開度を目標値に保持するように、各相の
電流値をＰＩＤ制御等で制御する。この時も、各相の電
流値は、１つの相のコイル電流をＩとすると、残りの２
相のコイル電流がそれぞれ−Ｉ／２となるように制御さ
れる。

【００１８】尚、アイドル運転中やクルーズコントロー
ル中（定速走行システム作動中）等には、スロットル制
御回路２９内のマイクロコンピュータ（図示せず）から
目標値−センサ信号比較回路３２に対して目標値（スロ
ットル開度指令値）が出力され、この目標値に基づいて
ブラシレスモータ１１の回転角度（スロットル開度）が
制御される。

【００１９】図１に示すブラシレスモータ１１では、固
定子１８の極数（スロット１４の数）が６、回転子１９
の極数（永久磁石２３の数）が８であるため、図４に示
すように、各相のコイル電流は、機械角で３０°ずつ位
相がずれる。本発明者らは、回転角度とトルクとの関係
を調べるために、図５（ａ）に示すように、Ｕ相のコイ
ル電流をＩ、Ｖ相及びＷ相のコイル電流を−Ｉ／２に保
持した状態で回転子１９をトルク測定器（図示せず）に
より回転させてトルクを測定したところ、図５（ｂ）に
示すような結果が得られた。

【００２０】図５（ａ）に示すような条件で、各相のコ
イル電流を保持すると、磁気カップリングの特性から、
回転子１９の回転角度が機械角で１５°の範囲でトルク
がフラットになることが確認された。従って、図４に示
すように、各相のコイル電流を機械角で１５°毎にＩ→
Ｉ／２→−Ｉ／２→−Ｉ→−Ｉ／２→Ｉ／２→Ｉ→…の
順序でステップ状に切り換え、切換後も１つの相のコイ
ル電流がＩ（又は−Ｉ）、残りの２相のコイル電流が−
Ｉ／２（又はＩ／２）となるようにコイル電流を制御す
れば、図４（ｄ）に示すように、全角度範囲においてフ
ラットなトルク特性を得ることができる。また、磁束密
度が飽和しない限り、トルクが各相の電流値に比例する
ため、ブラシレスモータ１１の回転角度（スロットル開
度）が目標値付近に到達した時に、各相の電流値をＰＩ
Ｄ制御等で制御することで、ブラシレスモータ１１のト
ルクを安全装置２８に内蔵されたバネ等の付勢力と釣り
合わせてスロットル開度を目標値に保持することができ
る。

【００２１】本実施形態（１）のブラシレスモータ１１
は、固定子１８の極数（スロット１４の数）が６、回転
子１９の極数（永久磁石２３の数）が８であるため、各
相のコイル電流を機械角で１５°毎にステップ状に切り
換えるようにしたが、これ以外の極数のブラシレスモー
タでは、各相のコイル電流をステップ状に切り換える角
度θを、機械角で３６０／Ｎ［°］（但し、Ｎは固定子
の極数と回転子の極数との最小公倍数）に設定すると良
い。つまり、磁気カップリングの特性から固定子の回転
角度が機械角で３６０／Ｎ［°］の範囲でトルクがフラ
ットになるため、各相のコイル電流を機械角で３６０／
Ｎ［°］毎にＩ→Ｉ／２→−Ｉ／２→−Ｉ→−Ｉ／２→
Ｉ／２→Ｉ→…の順序でステップ状に切り換えるように
すれば、全角度範囲においてフラットなトルク特性を得
ることができる。

【００２２】このように、本実施形態（１）では、ブラ
シレスモータ１１の各相のコイル電流をステップ状に切
り換えることで、フラットなトルク特性を得ることがで
きるため、一定回転角度以下でフラットなトルク特性が
要求されるスロットル制御システムのトルクモータとし
てブラシレスモータ１１を採用することが可能となる。
ブラシレスモータ１１は、従来のトルクモータと比較し
て本来的にトルクが大きいため、ブラシレスモータ１１
をトルクモータとして採用することで、トルクモータの
高トルク化と小型化・軽量化とを両立させることができ
る。しかも、各相のコイル電流をステップ状に切り換え
るだけで良く、従来の駆動方式のような位相のずれたｓ
ｉｎ波電流を生成する必要がないため、スロットル制御
回路２９の構成も簡単となり、低コスト化の要求も満た
すことができる。

【００２３】［実施形態（２）］図６に示す本発明の実
施形態（２）で使用するブラシレスモータ４０は、円筒
状のヨーク４１の内周側の凹溝４２に磁極４３を圧入等
により固定して固定子鉄心４４を構成すると共に、磁極
４３の回転子１９側に一体に形成した磁極片４５の回転
子１９側端部間を薄肉磁性部４６で連結し、固定子鉄心
４４の回転子１９側の内周面の形状を真円としている。
その他の構成は、図１に示す実施形態（１）のブラシレ
スモータ１１の構造と同じである。また、本実施形態
（２）においても、前記実施形態（１）と同じく、各相
のコイル電流を、機械角で３６０／Ｎ［°］（但し、Ｎ
は固定子１８の極数と回転子１９の極数との最小公倍
数）毎にＩ→Ｉ／２→−Ｉ／２→−Ｉ→−Ｉ／２→Ｉ／
２→Ｉ→…の順序でステップ状に切り換える。

【００２４】ところで、固定子鉄心４４の各磁極片４５
間が開口されていると、固定子鉄心４４の回転子１９側
の周面の透磁率が磁極片４５間の開口部で大きく変化す
るため、回転子１９の永久磁石２３が磁極片４５間の開
口部近傍を通過する毎に、透磁率の大きな変化によりト
ルクリップルが発生して、トルク特性に悪影響を及ぼ
す。

【００２５】この点、本実施形態（２）では、固定子鉄
心４４の各磁極片４５の回転子１９側端部間を薄肉磁性
部４６で連結しているので、固定子鉄心４４の各磁極片
４５の回転子１９側端部間においても、その開口部を連
結する薄肉磁性部４６によって磁極片４５とほぼ同じ透
磁率となる。これにより、固定子鉄心４４の回転子１９
側の周面全周の透磁率を均一化することができ、不均一
な透磁率に起因するトルクリップルを効果的に低減する
ことができて、トルク特性を更にフラット化することが
できる。

【００２６】この場合、各磁極片４５の回転子１９側端
部間を連結する磁性部４６を薄肉化することで、磁極片
４５間の磁気抵抗を大きくすることができるため、磁極
片４５間に流れる漏れ磁束を低減することができて、ト
ルクの低下を少なくすることができる。

【００２７】尚、本実施形態（２）のブラシレスモータ
４０は、前記実施形態（１）の駆動方式で駆動すること
で、トルク特性フラット化の効果をより大きくできる
が、従来の３相駆動方式と同じく、各相のコイル１５に
ｓｉｎ波の電流を電気角で１２０°ずつ位相をずらして
流すようにしても良い。このようにしても、不均一な透
磁率に起因するトルクリップルを低減することができる
ため、トルク特性を従来よりフラット化することがで
き、スロットル制御システム等のトルクモータとしてブ
ラシレスモータ４０を採用することが可能となる。

【００２８】尚、本発明の適用範囲は、スロットル制御
システムに限定されず、一定回転角度以下でフラットな
トルク特性が要求されるシステムに広く適用することが
できる。

【００２９】その他、本発明は、上記各実施形態のよう
なインナロータ型のブラシレスモータを用いるシステム
に限定されず、アウタロータ型のブラシレスモータや、
アキシャルギャップ型のブラシレスモータを用いても良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施形態（１）のスロットル
制御システムに用いるブラシレスモータの縦断正面図、
（ｂ）は同縦断側面図

【図２】スロットル制御システムの構成を概略的に示す
図

【図３】スロットル制御システムの電気的構成を示す回
路図

【図４】各相のコイル電流の切換パターンとトルク特性
を説明する図

【図５】（ａ）はブラシレスモータのトルク特性を測定
する時の各相のコイル電流の通電パターンを示す図、
（ｂ）はトルク特性の測定結果を示す図

【図６】本発明の実施形態（２）で使用するブラシレス
モータの部分拡大縦断正面図

【図７】従来のブラシレスモータの駆動方式を説明する
各相のコイル電流の通電パターンを示す図

【符号の説明】

１１…ブラシレスモータ、１３…固定子鉄心、１４…ス
ロット、１５〜１７…コイル、１８…固定子、１９…回
転子、２２…回転子鉄心、２３…永久磁石、２６…スロ
ットルバルブ、２７…スロットル開度センサ、２８…安
全装置、２９…スロットル制御回路（電流制御手段）、
３１…モータ駆動回路、４０…ブラシレスモータ、４１
…ヨーク、４３…磁極、４４…固定子鉄心、４５…磁極
片、４６…薄肉磁性部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 憲司 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 樽井 淳 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 柴田 徳朗 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H019 AA02 CC03 DD01 EE04 EE14 5H560 AA10 BB04 BB07 BB12 DA15 EA02 EB01 EC03 EC10 FF44

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子に３相のコイルを装着したブラシ
   レスモータの各相のコイル電流を制御する電流制御手段
   を備えたブラシレスモータ駆動装置において、 前記電流制御手段は、前記各相のコイル電流を電気角で
   １２０°ずつ位相をずらして所定角度θ毎に３相同時に
   ステップ状に切り換えると共に、３相のうち、コイル電
   流が最大となる１つの相のコイル電流をＩとした時に、
   残りの２相のコイル電流がそれぞれ−Ｉ／２となるよう
   に制御することを特徴とするブラシレスモータ駆動装
   置。
2. 【請求項２】 前記電流制御手段は、前記各相のコイル
   電流をステップ状に切り換える前記所定角度θを、機械
   角で３６０／Ｎ［°］（但し、Ｎは固定子の極数と回転
   子の極数との最小公倍数）に設定することを特徴とする
   請求項１に記載のブラシレスモータ駆動装置。
3. 【請求項３】 前記固定子の各磁極片の回転子側端部間
   を薄肉磁性部で連結したことを特徴とする請求項１又は
   ２に記載のブラシレスモータ駆動装置。
4. 【請求項４】 前記ブラシレスモータは、内燃機関のス
   ロットルバルブを駆動するトルクモータとして使用する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のブ
   ラシレスモータ駆動装置。
5. 【請求項５】 ３相のコイルを装着した固定子と、この
   固定子に対して所定ギャップを介して対向する複数の永
   久磁石を有する回転子とを備えたブラシレスモータにお
   いて、 前記固定子の各磁極片の回転子側端部間を薄肉磁性部で
   連結したことを特徴とするブラシレスモータ。