JP2005057854A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ブラシレスモータのロータの回転状態を漏れ磁束を用いて精度良く検出し、ステータの回転磁界の進角制御を的確に行えるようにする。
【解決手段】 ブラシレスモータの回転磁界を発生するステータの内部に回転自在に収納されたロータ１９は、ロータコア２４に複数の永久磁石２５を放射状に支持しており、隣接する永久磁石２５間に形成された磁路２４ｂは、円周方向の幅Ｗ１が径方向の幅Ｗ２よりも狭くなっているため、この磁路２４ｂに臨む位置に配置したホール素子２７を通過する漏れ磁束を増加させてロータ１９の回転状態を精度良く検出することができる。ホール素子２７で検出したロータ１９の回転状態に基づいてステータの回転磁界の進角を制御することで、ブラシレスモータのトルクを増加させることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回転磁界を発生するステータの内部に永久磁石を有するロータを回転自在に配置し、ホール素子で検出したロータの回転状態に基づいてステータの回転磁界の進角を制御するブラシレスモータに関する。

ステータの内部に収納したロータに４個の永久磁石を９０°間隔で放射状に取り付け、各永久磁石の径方向外端面が臨むロータコアの外周面にフラックスバリアを構成する孔を形成したブラシレスモータが、下記特許文献１により公知である。この孔は、ロータの永久磁石からの磁束の漏洩や短絡を防止するためのもので、これによりリラクタンストルクを低下させることなく渦電流損失を低減してモータの効率向上を図っている。

またロータの回転状態を検出する二組のホール素子を位相をずらして設け、ロータが第１の方向に回転するときに第１組のホール素子からの信号を用い、ロータが第２の方向に回転するときに第２組のホール素子からの信号を用いることでステータの回転磁界の進角制御を行うものが、下記特許文献２により公知である。

またホール素子でロータの回転位置を検出するとともに回転数検出部でロータの回転数を検出し、ロータの回転位置に基づいてステータの回転磁界の進角制御を行う際に、ロータの回転数に応じて進角を増減するものが、下記特許文献３により公知である。
特開２００１−８６６７３号公報 特開平６−３１１７８０号公報 特開２００１−３５２７８０号公報

ところで、特許文献２および特許文献３に記載されたブラシレスモータは、ロータコアの磁路から外部に漏洩する漏れ磁束をホール素子で検出してロータの回転状態を検出しているが、ホール素子を配置した位置にある程度の漏れ磁束を発生させないと充分な検出精度が得られないという問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ブラシレスモータのロータの回転状態を漏れ磁束を用いて精度良く検出し、ステータの回転磁界の進角制御を的確に行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転磁界を発生するステータと、ステータの内部に回転自在に収納されたロータコアに複数の永久磁石を放射状に支持したロータと、ロータコアからの漏れ磁束を検出するホール素子と、ホール素子で検出した前記漏れ磁束に基づいてロータの回転方向、回転位置および回転速度を検出するとともに、前記回転方向、回転位置および回転速度に基づいてステータの回転磁界の進角を制御する制御手段とを備え、前記ロータコアは隣接する永久磁石間に円周方向の幅が径方向の幅よりも狭い磁路を備えており、この磁路に臨む位置に前記ホール素子を配置したことを特徴とするブラシレスモータが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、回転磁界を発生するステータと、ステータの内部に回転自在に収納されたロータコアに複数の永久磁石を放射状に支持したロータと、ロータコアからの漏れ磁束を検出する第１ホール素子と、ロータコアからの漏れ磁束を検出する第２ホール素子と、第１、第２ホール素子で検出した前記漏れ磁束に基づいてロータの回転方向および回転位置を検出するとともに、前記回転方向および回転位置に基づいてステータの回転磁界を制御する制御手段とを備え、前記第１ホール素子をロータの正回転時におけるステータの回転磁界の進角に対応する位置に配置するとともに、前記第２ホール素子をロータの逆回転時におけるステータの回転磁界の進角に対応する位置に配置し、前記ロータコアは隣接する永久磁石間に円周方向の幅が径方向の幅よりも狭い磁路を備えており、この磁路に臨む位置に前記第１、第２ホール素子を配置したことを特徴とするブラシレスモータが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、ロータコアに磁路の磁気抵抗を増加させるための空間部を形成したことを特徴とするブラシレスモータが提案される。

尚、実施例の第１空間部２４ｃ〜第５空間部２４ｇは本発明の空間部に対応し、実施例のモータドライバ３１は本発明の制御手段に対応する。

請求項１の構成によれば、ロータコアに放射状に支持した複数の永久磁石間に円周方向の幅が径方向の幅よりも狭い磁路を形成したので、磁路の磁気抵抗が増加して漏れ磁束が発生し易くなり、この磁路に臨む位置に配置したホール素子を通過する漏れ磁束を増加させてロータの回転方向、回転位置および回転速度を精度良く検出することが可能となる。またロータのセンシング用永久磁石が不要になるため、部品点数の削減およびモータの小型化および薄型化に寄与することができる。また漏れ磁束に基づいて検出したロータの回転方向、回転位置および回転速度に基づいて制御手段が回転磁界の進角を制御するので、回転速度に応じた最適の進角を設定してブラシレスモータの出力を増加させることができる。

請求項２の構成によれば、ロータコアに放射状に支持した複数の永久磁石間に円周方向の幅が径方向の幅よりも狭い磁路を形成したので、磁路の磁気抵抗が増加して漏れ磁束が発生し易くなり、この磁路に臨む位置に配置したホール素子を通過する漏れ磁束を増加させてロータの回転方向および回転位置を精度良く検出することが可能となる。またロータのセンシング用永久磁石が不要になるため、部品点数の削減およびモータの小型化および薄型化に寄与することができる。また第１ホール素子をロータの正回転時におけるステータの回転磁界の進角に対応する位置に配置し、第２ホール素子をロータの逆回転時におけるステータの回転磁界の進角に対応する位置に配置したので、複雑なソフトウエアを必要とせずに回転磁界の進角を制御することができる。

請求項３の構成よれば、隣接する永久磁石間の磁路にロータコアの空間部を形成したので、磁路の磁気抵抗を効果的に増加させて漏れ磁束を更に増加させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図７は本発明の第１実施例を示すもので、図１はブラシレスモータの縦断面図（図２の１−１線断面図）、図２は図１の２−２線断面図、図３は図１の３−３線矢視図、図４は図３の４−４線拡大断面図、図５はブラシレスモータの制御系のブロック図、図６はホール素子の出力波形およびブラシレスモータの相電圧を示す図、図７は進角制御の効果を示すグラフである。

図１および図２に示すように、薄型のブラシレスモータＭのハウジング１１は、皿状のアッパーハウジング１２および円板状のロアハウジング１３を複数のボルト１４…で結合してなり、アッパーハウジング１２およびロアハウジング１３にそれぞれベアリング１５，１６を介して出力軸１７が回転自在に支持される。ブラシレスモータＭはハウジング１１の内周面に固定されたステータ１８と、ステータ１８の径方向内側に配置されて出力軸１７と共に回転するロータ１９とを備える。

ステータ１８は積層鋼板よりなる２４個のティース２１…を円周方向に１５°間隔で接続し、各々のティース２１…にコイル２２…を巻回したものであり、その内周面がロータ１９の外周面に僅かなエアギャップを介して対向する。

図３および図４を併せて参照すると明らかなように、ロータ１９は、出力軸１７に結合されたロータボス２３と、ロータボス２３の外周に固定された積層鋼板よりなるロータコア２４と、ロータコア２４に形成した永久磁石保持孔２４ａ…に保持された２０個の永久磁石２５…とを備える。例えばネオジウム製の永久磁石２５…はロータ１９の軸線Ｌ方向に見て長方形をなしており、その長手方向を軸線Ｌを中心とする放射方向に沿わせて円周方向に１８°間隔で配置される。

永久磁石２５…は相対向する長辺がＮ極どうし、あるいはＳ極どうしとなるように配置される。隣接する永久磁石２５…間にはセクタ状の磁路２４ｂ…が区画されており、これらの磁路２４ｂ…は円周方向の最大幅Ｗ１が径方向の幅Ｗ２よりも小さくなるように、つまり径方向に細長く形成される。

各々の永久磁石２５…の径方向外端に臨むロータコア２４の外周部には２０個の切欠状の第１空間部２４ｃ…が形成されており、これらの第１空間部２４ｃ…を介して永久磁石２５…の径方向外端面がエアギャップに露出している。また隣接する永久磁石２５…の径方内端間であってロータボス２３の外周面に隣接する位置に２０個の孔状の第２空間部２４ｄ…が形成される。これらの第１、第２空間部２４ｃ…，２４ｄ…はロータコア２４を軸線Ｌ方向に貫通する。

ブラシレスモータＭのアッパーハウジング１２に、軸線Ｌを中心とする１２０°間隔で３個の開口１２ａ…が形成されており、基板２６に固定したホール素子２７が各々の開口１２ａ…からロータ１９の上面に臨んでいる。ホール素子２７…は、永久磁石２５…によってロータコア２４に形成された磁束の漏れ磁束を検出することでロータ１９の回転位置を検出するためのもので、その回転位置に基づく所定のタイミングでステータ１８の２４個のコイル２２…を順次励磁することでロータ１９が駆動される。

さて、ホール素子２７…でロータ１９の回転位置を精度良く検出するには、ロータコア２４からホール素子２７…に向かって軸線Ｌ方向に漏れる漏れ磁束を増加させる必要がある。本実施例では、ロータコア２４に多数（実施例では２０個）の永久磁石２５…を狭い間隔で放射方向に配置しているため、隣接する永久磁石２５…間の磁路２４ｂ…の断面積が小さくなって磁束が飽和し、ホール素子２７…を通過する漏れ磁束を増加させてロータ１９の回転位置の検出精度を高めることができる。

特に、ロータコア２４には第１、第２空間部２４ｃ…，２４ｄ…が形成されており、これらの第１、第２空間部２４ｃ…，２４ｄ…で磁束の流れをせき止めることで、ホール素子２７…に向かう漏れ磁束を更に増加させてロータ１９の回転位置の検出精度を一層高めることができる。

以上のように、ロータコア２４の磁路２４ｂ…からの漏れ磁束を利用してロータ１９の回転位置を検出するので、ロータ１９の回転位置検出用のセンシング用永久磁石を不要にして部品点数の削減およびモータの小型化および薄型化に寄与することができる。

図５および図６示すように、電気角で１２０°の位相差を持つ３個のホール素子２７…の出力信号（つまりロータ１９の回転位置信号）はモータドライバ３１に入力され、モータドライバ３１は前記出力信号に基づいて３相の相電流をブラシレスモータＭに供給する。このとき、３個のホール素子２７…の出力信号が入力された回転数検出手段３２は、その位相のずれの時間間隔に基づいてブラシレスモータＭの回転数を検出する。また３個のホール素子２７…のうちの任意の２個の出力信号が入力された回転方向検出手段３３は、その出力信号の立ち上がり部あるいは立ち下がり部の前後関係からブラシレスモータＭの回転方向を検出する。

モータドライバ３１は、その回転方向および回転速度に基づいて ブラシレスモータＭに供給する相電流の進角を、例えば０°〜３．５°の範囲で制御する。即ち、ブラシレスモータＭの回転数が０のときには進角を０°に設定し、モータＭの回転数が最大回転数のときに進角が３．５°になるように、その進角を回転数に応じてリニアに増加させる。あるいは、モータＭの回転数が０から所定値までの領域では進角を０°に設定し、前記所定値から最大回転数までの領域では進角を０°から３．５°までリニアに増加させる。

図７は、ブラシレスモータＭの回転数−トルク特性および電流−トルク特性を、進角を０°に固定したもの（破線参照）と、進角を３．５°に固定したもの（実線参照）とについて示したもので、進角制御によりブラシレスモータの最大トルクが０．６Ｎｍから１．０Ｎｍへと約７０％増加していることがわかる。このように、ロータコア２４からの漏れ磁束に基づいて検出したロータ１９の回転方向、回転位置および回転速度に基づいてモータドライバ３１が回転磁界の進角を制御するので、ロータ１９の回転速度に応じた最適の進角を設定してブラシレスモータＭの出力を増加させることができる。

次に、図８および図９に基づいて本発明の第２実施例を説明する。

先ず、第２実施例はホール素子２７ａ…，２７ｂ…の配置において第１実施例と異なっている。

第１実施例では、１２０°間隔で配置した３個のホール素子２７…の出力信号をマイクロコンピュータで演算処理することでロータ１９の回転方向、回転位置および回転速度を検出するようになっているが、第２実施例では、ロータ１９の時計方向の回転位置を検出するための３個の第１ホール素子２７ａ…と、ロータ１９の反時計方向の回転位置を検出するための３個の第２ホール素子２７ｂ…とを別個に備えている。

ロータ１９の時計方向の回転位置を検出するための３個の第１ホール素子２７ａ…は、ティース２１…の位相に対して所定角度θ（例えば３．５°）進角した位置に配置されており、これにより第１ホール素子２７ａ…が検出したロータ１９の回転位置に基づいてコイル２２…を励磁すると、ロータ１９が時計方向に高速で回転する際に高効率特性が得られるようになっている。

一方、ロータ１９の反時計方向の回転位置を検出するための３個の第２ホール素子２７ｂ…は、ティース２１…の位相に対して所定角度θ（例えば３．５°）遅角した位置に配置されており、これにより第２ホール素子２７ｂ…が検出したロータ１９の回転位置に基づいてコイル２２…を励磁すると、ロータ１９が反時計方向に高速で回転する際に高効率特性が得られるようになっている。

図９に示すように、３個の第１ホール素子２７ａ…および３個の第２ホール素子２７ｂ…の出力信号はホール素子選択手段３４に入力される。回転数検出手段３２は、例えば３個の第１ホール素子２７ａ…のうちの任意の２個の出力信号に基づいて、ブラシレスモータＭの回転方向を検出する。ホール素子選択手段３４は、検出された回転方向が時計方向であれば３個の第１ホール素子２７ａ…の出力信号をモータドライバ３１に出力し、検出された回転方向が反時計方向であれば３個の第２ホール素子２７ｂ…の出力信号をモータドライバ３１に出力し、モータドライバ３１は選択された第１、第２ホール素子２７ａ…，２７ｂ…の出力信号に基づいて３相の相電流をブラシレスモータＭに供給する。

このとき、第１、第２ホール素子２７ａ…，２７ｂ…の出力信号には予め３．５°の進角が設定されているため、モータドライバ３１は特別の進角制御を行うことなく、３．５°の進角でステータ１８の回転磁界を制御することができ、進角制御のためのソフトウエアを簡素化しながらブラシレスモータＭの最大トルクを増加させることができる。

第２実施例のその他の構成および効果は、第１実施例と同じである。

図１０〜図１２はそれぞれ本発明の第３実施例〜第５実施例を示すもので、これらの実施例はロータコア２４の空間部の位置だけが第１実施例と異なっている。

図１０の第３実施例は、各磁路２４ｂ…の径方向内端寄りの位置で永久磁石２５…の両長辺に対向するように第３空間部２４ｅ…を形成したもので、その近傍で磁路２４ｂ…の断面積を狭めて漏れ磁束を増加させることで、ホール素子２７…によるロータ１９の回転位置の検出精度を高めるようになっている。

図１１の第４実施例は、各磁路２４ｂ…の径方向内端寄りの中央位置に第４空間部２４ｆ…を形成したもので、その近傍で磁路２４ｂ…の断面積を狭めて漏れ磁束を増加させることで、ホール素子２７…によるロータ１９の回転位置の検出精度を高めるようになっている。

図１２の第５実施例は、各磁路２４ｂ…の径方向内端よりも更に径方向内側位置に第５空間部２４ｇ…を形成したもので、磁路２４ｂ…の径方向内端部の断面積を狭めて漏れ磁束を増加させることで、ホール素子２７…によるロータ１９の回転位置の検出精度を高めるようになっている。

図１０〜図１２の各実施例において、鎖線で囲んた部分が漏れ磁束が最大になる部分であり、この付近にホール素子２７…を配置することで検出精度を高めることができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例のブラシレスモータＭは２４個のコイル２２…と２０個の永久磁石２５…とを備えているが、その数は実施例に限定されるものではない。

また第１空間部２４ｃ〜第５空間部２４ｇは空洞である必要はなく、銅のような非磁性体を埋め込んでも良い。

更に、第１空間部２４ｃ〜第５空間部２４ｇは軸線Ｌ方向に貫通している必要はなく、一部が空間になっている構造でも良いし、それらの形状および配置も実施例に限定されるものではない。

ブラシレスモータの縦断面図（図２の１−１線断面図） 図１の２−２線断面図 図１の３−３線矢視図 図３の４−４線拡大断面図 ブラシレスモータの制御系のブロック図 ホール素子の出力波形およびブラシレスモータの相電圧を示す図 進角制御の効果を示すグラフ 第２実施例に係るホール素子の配置を示す図 第２実施例に係るブラシレスモータの制御系のブロック図 第３実施例に係る空間部の形状を示す図 第４実施例に係る空間部の形状を示す図 第５実施例に係る空間部の形状を示す図

符号の説明

１８ ステータ
１９ ロータ
２４ ロータコア
２４ｂ 磁路
２４ｃ 第１空間部（空間部）
２４ｄ 第２空間部（空間部）
２４ｅ 第３空間部（空間部）
２４ｆ 第４空間部（空間部）
２４ｇ 第５空間部（空間部）
２５ 永久磁石
２７ ホール素子
２７ａ 第１ホール素子
２７ｂ 第２ホール素子
３１ モータドライバ（制御手段）
Ｗ１ 円周方向の幅
Ｗ２ 径方向の幅

Claims (3)

1. 回転磁界を発生するステータ（１８）と、ステータ（１８）の内部に回転自在に収納されたロータコア（２４）に複数の永久磁石（２５）を放射状に支持したロータ（１９）と、ロータコア（２４）からの漏れ磁束を検出するホール素子（２７）と、ホール素子（２７）で検出した前記漏れ磁束に基づいてロータ（１９）の回転方向、回転位置および回転速度を検出するとともに、前記回転方向、回転位置および回転速度に基づいてステータ（１８）の回転磁界の進角を制御する制御手段（３１）とを備え、
   前記ロータコア（２４）は隣接する永久磁石（２５）間に円周方向の幅（Ｗ１）が径方向の幅（Ｗ２）よりも狭い磁路（２４ｂ）を備えており、この磁路（２４ｂ）に臨む位置に前記ホール素子（２７）を配置したことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 回転磁界を発生するステータ（１８）と、ステータ（１８）の内部に回転自在に収納されたロータコア（２４）に複数の永久磁石（２５）を放射状に支持したロータ（１９）と、ロータコア（２４）からの漏れ磁束を検出する第１ホール素子（２７ａ）と、ロータコア（２４）からの漏れ磁束を検出する第２ホール素子（２７ｂ）と、第１、第２ホール素子（２７ａ，２７ｂ）で検出した前記漏れ磁束に基づいてロータ（１９）の回転方向および回転位置を検出するとともに、前記回転方向および回転位置に基づいてステータ（１８）の回転磁界を制御する制御手段（３１）とを備え、
   前記第１ホール素子（２７ａ）をロータ（１９）の正回転時におけるステータ（１８）の回転磁界の進角に対応する位置に配置するとともに、前記第２ホール素子（２７ｂ）をロータ（１９）の逆回転時におけるステータ（１８）の回転磁界の進角に対応する位置に配置し、
   前記ロータコア（２４）は隣接する永久磁石（２５）間に円周方向の幅（Ｗ１）が径方向の幅（Ｗ２）よりも狭い磁路（２４ｂ）を備えており、この磁路（２４ｂ）に臨む位置に前記第１、第２ホール素子（２７ａ，２７ｂ）を配置したことを特徴とするブラシレスモータ。
3. ロータコア（２４）に磁路（２４ｂ）の磁気抵抗を増加させるための空間部（２４ｃ〜２４ｇ）を形成したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のブラシレスモータ。
   

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