JP2005027371A

JP2005027371A - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP2005027371A
Application number: JP2003186816A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Kato; 久孝加藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】駆動回路に適したロータの極数とステータのスロット数の比を最適比にすることにより、低騒音・低振動のブラシレスモータ、およびこのブラシレスモータを搭載した静粛性を高めた電気機器および自動車を提供することを目的とする。
【解決手段】４極のロータ１と、５ヶのスロット２を有し前記スロット
２に５相スター結線されたステータ３と、前記ステータ３に三相全波通電を行う駆動回路５よりなり、かつ、前記駆動回路を正弦波駆動としたブラシレスモータである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の極数を有するロータと、複数のスロットを有するステータと、前記ステータに通電を行うための駆動回路よりなるブラシレスモータ、およびそれを搭載したエアコン、空気清浄機、あるいは給湯器等の電気機器、または自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ブラシレスモータの高効率・低コスト・低騒音・低振動の要求が年々高まっている。従来、ブラシレスモータは図７に示すように、８極のロータと、１２ヶのスロットを有し前記スロットに３相結線されたステータと、前記ステータに三相全波正弦波通電を行う駆動回路よりなるブラシレスモータである。このように、前記ロータの極数と前記ステータのスロット数の比を２：３としていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２２２４８５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般にトルク脈動を抑えるため巻線に流れる電流を正弦波に近づけるほど、低騒音・低振動に効果があるといわれている。従来のブラシレスモータにおいては、線間誘起電圧の歪みによりトルク脈動が発生し、騒音・振動での問題があった。
【０００５】
図７において１ティースの片側の導体群１２ａに誘起される電圧ｆ_８（θ−３０°）はフーリエ級数展開により以下のように表すことができる。
【０００６】
【数１】

【０００７】
上記式において、θは電気角（°）を表している。
【０００８】
１ティースに誘起される誘起電圧Ｆ_８（θ）は導体群１２ａと１２ｂ誘起される電圧の和となり、上記（数１）の位相違いを足し合わすことで、以下のようになる。
【０００９】
Ｆ_８（θ）＝ｆ_８（θ−３０°）＋ｆ_８（θ＋３０°）・・・・（式２）
また、コイルに流れる電流Ｉ（θ）を
Ｉ（θ）＝Ｉ_０ｓｉｎθ・・・・（式３）
とすると、１ティースに発生するトルクｔ_８（θ）は上記（式２）と（式３）の積となり、以下のようになる。
【００１０】
ｔ_８（θ）＝Ｆ_８（θ）×Ｉ（θ）・・・・（式４）
モータに発生するトルクＴ_８（θ）は各ティースに発生するトルクの和であり、上記（式４）の位相違いを足し合わすことで、以下のようになる。
【００１１】
Ｔ_８（θ）＝４ｔ_８（θ）＋４ｔ_８（θ＋１２０°）＋４ｔ_８（θ＋２４０°）・・・・（式５）
上記（式５）を高調波成分毎にまとめると次式となる。
【００１２】
Ｔ_８（θ）＝１０．３９Ｉ_０（ａ_１−ａ_３ｓｉｎ６θ＋ａ_４ｓｉｎ６θ−ａ_６ｓｉｎ１２θ＋ａ_７ｓｉｎ１２θ＋・・・・）・・・・（式６）
このためロータの極数とステータのスロット数の比が２：３ではトルク脈動の２次、４次、８次の成分を抑えることができても、６次の成分を抑えることができないために、トルク脈動が生じ、騒音・振動の問題があった。
【００１３】
また、一般にロータ構造をＩＰＭ構造とした場合ロータ・ステータ間のギャップ磁束分布において、極間近くの磁束が表面磁石構造タイプのロータよりも大きくなるために線間誘起電圧の歪み率が悪くなるという問題があった。このため、従来のロータの極数とステータのスロット数の比を２：３としたブラシレスモータにおいては線間誘起電圧の歪み率が悪く、表面磁石構造タイプのロータよりも効率は良いが騒音・振動の面では悪くなっていた。
【００１４】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、駆動回路に適したロータの極数とステータのスロット数の比を最適比にすることにより、低騒音・低振動のブラシレスモータ、およびこのブラシレスモータを搭載した静粛性を高めた電気機器および自動車を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、４極数を有するロータと、５スロットを有し前記スロットに５相スター結線されたステータと、前記ステータに５相全波通電を行う駆動回路よりなるブラシレスモータにおいて、前記駆動回路を正弦波駆動回路としたことを特徴とするブラシレスモータ。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本願請求項１に記載の発明は、４極数を有するロータと、５スロットを有し前記スロットに５相スター結線されたステータと、前記ステータに５相全波通電を行う駆動回路よりなるブラシレスモータにおいて、前記駆動回路を正弦波駆動回路としたことを特徴とするものであり、トルク脈動の２次、４次、８次、の成分を抑えることができるだけでなく、６次の成分も抑え、低騒音・低振動の作用がある。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、ロータの極数と、ステータのスロット数の比を、４：５としたことを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータであり、トルク脈動の２次、４次、８次、の成分を抑えることができるだけでなく、６次の成分も抑え、低騒音・低振動の作用がある。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、ロータの極数Ｐとステータのスロット数Ｍの比を、Ｐ：Ｍ＝２ｎ：（２ｎ±１）（ただしｎは３以上の自然数）とし、
前記スロットに（２ｎ±１）相にスター結線されたステータと、前記ステータに（２ｎ±１）相全波通電を行う駆動回路よりなるブラシレスモータにおいて、前記駆動回路を正弦波駆動回路としたことを特徴とするブラシレスモータであり、トルク脈動の２次、４次、８次の成分を抑えることができるだけでなく、６次および更に高次の成分も抑え、低騒音・低振動の作用がある。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、ロータの極数と、ステータのスロット数の比を、６：７としたことを特徴とする請求項３記載のブラシレスモータであり、トルク脈動の２次、４次、８次の成分を抑えることができるだけでなく、６次、１０次の成分も抑え、低騒音・低振動の作用がある。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、駆動回路の全てのスイッチング素子が１つのＩＣチップに組み込まれていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のブラシレスモータであり、トルク脈動の高次の成分を抑え、低騒音・低振動の作用があるだけでなく、スイッチング素子を１つのＩＣチップにしたことにより、部品点数を削減し、組立性を向上させることにより、低コスト化が図れる。また、通電相が４相以上になったことにより、スイッチング素子の電流容量の小さいものが使用可能になり、更なる低コスト化が図れる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、駆動回路をモータ内部に内蔵したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のブラシレスモータであり、低騒音・低振動および小型化の作用を有する。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、ロータの構造をＩＰＭ構造としたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のブラシレスモータであり、磁石の磁束量を増やしながらも、トルク脈動を抑え、低騒音・低振動に加え、高効率の作用がある。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のブラシレスモータを搭載した電気機器であり、ブラシレスモータ運転時の電気機器本体との共振を抑制することができるという作用を有する。
【００２４】
請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のブラシレスモータを搭載した自動車であり、ブラシレスモータ運転時の自動車本体との共振を抑制することができるという作用を有する。運転時の低騒音・低振動の作用を有する。
【００２５】
【実施例】
以下本発明の実施例について図面を参照し説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１において、４極のロータ１と、５ヶのスロット２を有し前記スロット２に３相結線されたステータ３と、前記ステータ３に三相全波通電を行う駆動回路５よりなるブラシレスモータである。
【００２７】
図１において１ティースの片側の導体群１２ａに誘起される電圧ｆ_４（θ−１８°）はフーリエ級数展開により以下のように表すことができる。
【００２８】
【数２】

【００２９】
上記式において、θは電気角（°）を表している。
【００３０】
１ティースに誘起される誘起電圧Ｆ_４（θ）は導体群１２ａと１２ｂ誘起される電圧の和となり、上記（数２）の位相違いを足し合わすことで、以下のようになる。
【００３１】
Ｆ_４（θ）＝ｆ_４（θ−１８°）＋ｆ_８（θ＋１８°）・・・・（式８）
また、コイルに流れる電流Ｉ（θ）を
Ｉ（θ）＝Ｉ_０ｓｉｎθ・・・・（式９）
とすると、１ティースに発生するトルクｔ_４（θ）は上記（式８）と（式９）の積となり、以下のようになる。
【００３２】
ｔ_４（θ）＝Ｆ_４（θ）×Ｉ（θ）・・・・（式１０）
モータに発生するトルクＴ_４（θ）は各ティースに発生するトルクの和であり、上記（式１０）の位相違いを足し合わすことで、以下のようになる。
【００３３】
Ｔ_４（θ）＝ｔ_４（θ）＋ｔ_４（θ＋７２°）＋ｔ_４（θ＋１４４°）＋ｔ_４（θ＋２１６°）＋ｔ_４（θ＋２８８°）・・・・（式１１）
上記（式１１）を高調波成分毎にまとめると次式である。
【００３４】
Ｔ_４（θ）＝４．７６Ｉ_０（ａ_１−ａ_５ｓｉｎ１０θ＋ａ_６ｓｉｎ１０θ−ａ_１０ｓｉｎ２０θ＋ａ_１１ｓｉｎ２０θ＋・・・・）・・・・（式１２）
このように、ロータの極数とステータのスロット数の比を４：５としたブラシレスモータにおいては、トルク脈動の２次、４次、８次、の成分を抑えることができるだけでなく、６次の成分も抑え、低騒音・低振動の作用がある。また、巻線係数を０．９５１に上げることができ高効率化の作用がある。また、５相通電にしたことにより巻線の線径を下げることができ、巻線し易くなるメリットがある。
【００３５】
（実施例２）
図２においては本発明の実施例における正弦波駆動ブラシレスモータの構造断面図を示し、正弦波駆動回路５をモータ内部に内蔵した構造となっており、モータと回路を一体化することにより、小型化を図ることができる。
【００３６】
（実施例３）
図３において、磁石５０をロータコア１１に内蔵したＩＰＭロータ構造をした４極のロータ１と、５ヶのスロット２を有し前記スロット２に５相結線されたステータ３と、前記ステータ３に５相全波通電を行う正弦波駆動回路５よりなるブラシレスモータである。このようにロータ構造をＩＰＭ構造とすることにより、磁石の磁束量を増やしながらも、トルク脈動を抑えるができ、低騒音・低振動に加え、高効率の作用がある。
【００３７】
（実施例４）
図４に示すルームエアコン室内機１３・ルームエアコン室外機１４は請求項６記載のモータを搭載している。前記ルームエアコン室内機１３には室内機送風用モータ２６にクロスフローファン１７が取り付けられ、前記ルームエアコン室外機１４には熱交換器Ｂ１６への室外機送風用モータ２７にプロペラファン１８が取り付けられている。ルームエアコンの運転時にこれらのファンモータも運転している。
【００３８】
このようにルームエアコンのファンモータに使用することにより、ルームエアコン運転時のファンや機器本体の共振を抑えることができ、低騒音・低振動の作用がある。
【００３９】
（実施例５）
図５に示す給湯器には燃焼に必要な空気を供給するための給湯用ファンモータ３８として請求項６記載のモータを搭載している。前記給湯用ファンモータ３８にはシロッコファン４０が取り付けられている。これについても、給湯器運転時のファンや機器本体の共振を抑え、低騒音・低振動の作用がある。
【００４０】
（実施例６）
また、図６に示す空気清浄機には空気清浄機送風用モータ４２として請求項６記載のモータを搭載している。前記空気清浄機送風用モータ４２にはシロッコファン４０が取り付けられている。
【００４１】
これについても、空気清浄機運転時のファンや機器本体の共振を抑え、低騒音・低振動の作用がある。
【００４２】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、その他の用途としては、例えば室内空間の静粛性が要求される自動車用エアコンのファンモータ、あるいはラジエター冷却用のファンモータ、電気自転車の駆動用モータとして搭載することもできる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように請求項１記載の発明によれば、ロータの極数とステータのスロット数の比を２：３としたブラシレスモータよりもトルク脈動の２次、４次、８次、の成分を抑えることができるだけでなく、６次の成分をも抑え、低騒音・低振動の効果がある。また、巻線係数を０．９５１に上げることができ高効率化の作用がある。また、５相通電にしたことにより巻線の線径を下げることができ、巻線し易くなるメリットがある。
【００４４】
また、請求項２に記載の発明によれば、トルク脈動の２次、４次、６次、８次の成分を抑え低騒音・低振動とすることができる。
【００４５】
また、請求項３に記載の発明によれば、トルク脈動の２次、４次、６次、８次の成分を抑えることができるだけでなく、更に高次の成分も抑えトルク脈動を抑え、低騒音・低振動とすることができる。
【００４６】
また、請求項４に記載の発明によれば、トルク脈動の２次、４次、６次、８次、１０次の成分を抑え低騒音・低振動のブラシレスモータを得ることができる。また、巻線係数を０．９７５に上げることができ高効率化の作用がある。
【００４７】
また、請求項５に記載の発明によれば、トルク脈動の高次の成分を抑え、低騒音・低振動の作用があるだけでなく、スイッチング素子を１つのＩＣチップにしたことにより、部品点数を削減し、組立性を向上させることにより、低コスト化が図れる。また、通電相が４相以上になったことにより、スイッチング素子の電流容量の小さいものが使用可能になり、更なる抵コスト化が図れる。
【００４８】
また、請求項６に記載の発明によれば、トルク脈動を抑え、低騒音・低振動および小型化のブラシレスモータを得ることができる。
【００４９】
また、請求項７記載の発明によれば、ロータをＩＰＭ構造にしたことにより磁石の磁束量を増やしながらも、トルク脈動を抑え、低騒音・低振動に加え、高効率の作用がある。
【００５０】
さらに、請求項８および請求項９に記載の発明によれば、電気機器本体または自動車本体の共振を抑制することができ、低騒音・低振動の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における正弦波駆動ブラシレスモータを示す図
【図２】本発明の実施例における正弦波駆動ブラシレスモータの構造断面図
【図３】本発明の実施例におけるＩＰＭロータを用いたブラシレスモータを示す図
【図４】本発明の実施例によるルームエアコン室内機・室外機の構造を示す構成図
【図５】（ａ）本発明の実施例による給湯器の構造を示す構成図
（ｂ）本発明の実施例による給湯器に搭載した給湯用ファンモータを示す図
【図６】（ａ）本発明の実施例による空気清浄機の構造を示す構成図
（ｂ）本発明の実施例による空気清浄機の構造を示す構成図
【図７】従来の正弦波駆動ブラシレスモータを示す図
【符号の説明】
１ロータ
２スロット
３ステータ
４巻線
５駆動回路（正弦波）
６軸受
７防振ゴム
８モールド樹脂
９軸
１０ブラケット
１１ロータコア
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈ、１２ｉ、１２ｊ、１２ｋ、１２ｌ、１２ｍ、１２ｎ、１２ｏ、１２ｐ導体群
１３ルームエアコン室内機
１４ルームエアコン室外機
１５熱交換器Ａ
１６熱交換器Ｂ
１７クロスフローファン
１８プロペラファン
１９制御機Ａ
２０制御機Ｂ
２１コンプレッサ
２２電源線
２３信号線
２４冷媒管
２５ＡＣ電源入力線
２６室内機送風用モータ
２７室外機送風用モータ
２８給湯器
２９燃焼釜
３０温水管
３１水道管
３２バーナー部
３３制御機
３４燃料ポンプ
３５気化器
３６燃料管
３７燃料タンク
３８給湯用ファンモータ
３９ケーシング
４０シロッコファン
４１排気口
４２空気清浄機送風用モータ
４３制御板
４４エアフィルタ
４５排気口
４６吸気口
４７操作板
４８吹き出し口
４９空気清浄機用モータ
５０磁石

Claims

４極数を有するロータと、５スロットを有し前記スロットに５相スター結線されたステータと、前記ステータに５相全波通電を行う駆動回路よりなるブラシレスモータにおいて、前記駆動回路を正弦波駆動回路としたことを特徴とするブラシレスモータ。
ロータの極数と、ステータのスロット数の比を、４：５としたことを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
ロータの極数Ｐと、ステータのスロット数Ｍの比を、
Ｐ：Ｍ＝２ｎ：（２ｎ±１）（ただしｎは３以上の自然数）とし、
前記スロットに（２ｎ±１）相にスター結線されたステータと、前記ステータに（２ｎ±１）相全波通電を行う駆動回路よりなるブラシレスモータにおいて、前記駆動回路を正弦波駆動回路としたことを特徴とするブラシレスモータ。
ロータの極数と、ステータのスロット数の比を、６：７としたことを特徴とする請求項３記載のブラシレスモータ。
上記駆動回路において全てのスイッチング素子が１つのＩＣチップに組み込まれていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
上記駆動回路をモータ内部に内蔵したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
上記ロータの構造をＩＰＭ構造としたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のブラシレスータを搭載した電気機器。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のブラシレスータを搭載した自動車。