JP2006067781A - ブラシレスｄｃモーター、及び、その駆動装置 - Google Patents

ブラシレスｄｃモーター、及び、その駆動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ブラシレスDCモーター、及び、その駆動装置を提供する。
【解決手段】ブラシレスDCモーターは、ローター、ステーター、及び、駆動装置、からなる。ローターは、複数の磁極を有する。ステーターはローターにより囲繞されるか、あるいは、ローターを囲繞し、複数の突出極を有する。この突出極は、それぞれ、磁極に対応し、少なくとも一つの磁石が、少なくとも一つの突出極上に配置されて、対応する突出極上で、補助磁極を生成し、ローターの駆動を補助する。駆動装置とステーターは連結し、ローター運転時の磁場状態によって、主要磁極を提供し、ローターを駆動して回転させる。これにより、ローターは、主要磁極と補助磁極の交替駆動を受けて運転する。
【選択図】図２B

Description

本発明は、ブラシレスDCモーターに関するものであって、特に、複数の永久磁石が、ステーター上に装着され、且つ、ローターの内側に位置するブラシレスDCモーターに関するものである。
図１は、特許文献１によるブラシレスDCモーターの構造図である。このブラシレスDCモーターのステーター構造は、上ヨーク１０と下ヨーク２０を有し、パワーコイルが二つのヨークの間を囲繞している。この種のステーター構造は、軸流ステーター構造と称される。パワーコイルが通電する時、複数の突出極１は、対応する磁極に感応して、ローター２を駆動して回転させる。
この他、公知のブラシレスDCモーターは、更に、それぞれ、ローター２の外側に配置される二つの永久磁石３を有し、ローター２の起動位置を固定して、適当な起動トルクを生成する。
しかし、充分な起動トルクを生成するために、永久磁石３は、二つの固定位置に配置され、ステーターと精確に、θ度を保持しなければならない。この他、永久磁石３により、ローター２を吸附するために、ローター２の起動位置を固定し、ローター２の外周は、例えば、プラスチック等の非磁性導電材料により包覆されなければならず、よって、ローター２が回転する時、磁性ローターとステーターの磁力線の作用が弱くなり、ローター２回転時のトルクに影響する。
米国特許第６０１３９６６号
本発明は、上述の問題を改善するブラシレスDCモーターを提供することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明のブラシレスDCモーターは、ステーターが、複数の突出極と、二つの突出極間に対称に配置されるか、或いは、少なくとも一つの突出極上に配置され、対応する突出極上、或いは、両突出極間に補助磁極を生成し、ローターが第一状態にある時、ローターを駆動するのを補助する複数の永久磁石と、からなる。ローターは、環状磁石で、且つ、ステーターと同軸で、ステーターの外周を包覆する。
よって、本発明のブラシレスDCモーターは、永久磁石を二つの突出極間に配置するか、或いは、どちらか一つの上に配置するだけで、適当な補助磁力を生成し、ローターが回転する時、ローターと永久磁石間の磁力線に影響せず、回転トルクに影響する。
この他、本発明は、ブラシレスDCモーターの駆動回路を提供し、ステーターに囲繞し、ローターの回転位置を検出すると共に、感応信号を生成する第一コイルと、駆動装置が直流電源に接続される時、起動信号を送信する起動装置と、起動信号、或いは、感応信号を受信し、ステーターが感応磁場を生成するのを制御して、ローターを駆動する制御装置と、からなる。
駆動装置は、更に、ステーターに囲繞する第二コイルを有し、制御装置が、起動信号、或いは、感応信号を受信する時、第二コイルは、ステーターにより感応磁場を生成する。
本発明のブラシレスDCモーターの駆動回路は、ローターが回転し、異物により阻害されて回転しなくなった時、制御装置は、感応信号を受信しないので、制御信号を第二コイルに送信しない。これにより、ローターが回転しない時、駆動回路は、異常電流を生じず、駆動回路の安定性を向上させる。
本発明のブラシレスDCモーターは、ローター、ステーター、及び、駆動装置、からなる。ローターは、複数の磁極を有する。ステーターはローターにより囲繞されるか、或いは、ローターを囲繞し、複数の突出極を有する。この突出極は、それぞれ、磁極に対応し、少なくとも一つの永久磁石が、少なくとも一つの突出極上に配置されて、対応する突出極上で、補助磁極を生成し、ローターを駆動するのを補助する。駆動装置とステーターは連結し、ローター運転時の磁場状態によって、主要磁極を提供し、ローターを駆動して回転させる。これにより、ローターは、主要磁極と補助磁極の交替駆動を受けて運転する。
更に、本発明は、少なくとも一つの導磁層と、少なくとも一つの補助磁極層と、からなるステーター構造を提供する。導磁層は、複数の第一ポールを有する。補助磁極性層は、導磁層上方、導磁層下方、或いは、導磁層中に位置する。補助磁極性層は、少なくとも一つの第二ポール、及び、少なくとも一つの第三ポールを有する。第二ポールと第三ポールの総数は、第一ポールの数量と等しく、第二ポールは、永久磁性材料からなる。
本発明は、少なくとも一つの導磁層と、少なくとも一つの第一補助磁極層と、少なくとも一つの第二補助磁極層と、からなるステーター構造を提供する。導磁層は、複数の第一ポールを有する。第一補助磁極性層は、導磁層上方に位置し、少なくとも一つの第二ポール、及び、少なくとも一つの第三ポールを有する。第二ポールと第三ポールの総数は、第一ポールの数量と等しく、第二ポールは、永久磁性材料からなる。第二補助磁極性層は、導磁層下方に位置し、少なくとも一つの第四ポール、及び、少なくとも一つの第五ポールを有する。第四ポールと第五ポールの位置は、それぞれ、第二ポール、及び、第三ポールに対応し、第四ポールは、永久磁性材料からなる。
本発明は、ブラシレスDCモーターを提出し、複数の永久磁石を、ステーター上に装着し、且つ、ローターの内側に位置させるだけで、ローターを駆動して回転させ、公知技術のように、永久磁石の位置の精確さを考慮しなければならないという欠点を改善する。
本発明を図面を参照して詳細に説明する。
図２Aは、本発明の第一実施例によるブラシレスDCモーターの構造図である。ブラシレスDCモーターは、ステーター１５０、ローター５０、からなり、ローター５０は環形磁石で、ステーター１５０と同軸であり、ステーター１５０の外周を包覆する。ステーター１５０は軸流ステーター構造で、それぞれ、ステーター１５０の上層６０と下層７０に位置する上ヨーク８０、及び、下ヨーク９０を有する。永久磁石１８は、ステーター上層６０の両突出極１００間に対称に位置する。永久磁石１８の外周の極性はN極で、ステーター１５０上で、補助磁極を生成して、ローター５０の回転を補助する。
図２Bは、本発明の第二実施例によるブラシレスDCモーターの構造図である。本実施例と第一実施例の差異は、永久磁石１９を、ステーター１５０の下層７０の二つの突出極１００間に増設していることである。永久磁石１９の外周の極性はS極で、ステーター１５０上で、補助磁極を生成して、ローター５０の回転を補助する。
図３は、本発明の突出極の構造図である。各突出極（或いは、磁性ポール）は、複数の導磁片１０１からなる。永久磁石１８は、ステーター１５０上で、補助磁極を生成する。故に、永久磁石１８を有する一層は、補助磁極層と称される。各永久磁石１８は、選択的に、導磁片１０１の間に挟置されるか、或いは、導磁片１０１の最上層、或いは、最下層に貼附される。
図４A〜図４Cは、第二実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。図４Aと図４B中、永久磁石１８と永久磁石１９は、平行、且つ、対応し、それぞれ、上層ステーター６０と下層ステーター７０上に位置する。永久磁石１８と永久磁石１９の外周磁性は相同である。例えば、図４A中、永久磁石１８は、上層ステーター６０の突出極１００上に配置され、永久磁石１９は、下層ステーター７０の両突出極１００間に配置される。永久磁石１８と永久磁石１９の外周磁性は同一極性で、例えば、N極、或いは、S極である。例えば、図４C中、永久磁石１８と永久磁石１９は、交差して配置され、それぞれ、上層ステーター６０と下層ステーター７０上に位置し、この時、永久磁石１８と永久磁石１９の外周磁性は異なる。例えば、図４Cにおいて、永久磁石１８と永久磁石１９は、上層ステーター６０と下層ステーター７０の両突出極１００間に位置し、永久磁石１８と永久磁石１９の外周磁性は、それぞれ、N極、及び、S極である。
本発明は、ラジアルステーター構造を有するブラシレスDCモーターに適用する。図５は、本発明の第三実施例によるブラシレスDCモーターの構造図である。ブラシレスDCモーターはラジアルステーター構造で、ヨーク１８０、複数の突出極A、B、C、D、及び、複数の永久磁石２８、からなる。少なくとも一つの永久磁石２８は、少なくとも一つの突出極上に位置する。例えば、永久磁石２８は、突出極Cと突出極D上に配置する。ローター５０は、環形磁石で、且つ、ステーターと同軸で、ステーターの外周を包覆する。磁性SaとSbはS極で、NaとNbはN極である。この他、必要に応じて、ローター５０は、ステーターの内側に配置してもよい。
図６A〜図６Fは、第三実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。対称な突出極に配置された永久磁石の外周磁性は同磁性で、相隣する両突出極の永久磁石の外周磁性は相反する。例えば、図６A中、突出極Aに位置する永久磁石２８の外周磁性はN極で、突出極Aと相隣する突出極Cと突出極Dに位置する永久磁石２９の外周磁性はS極である。この他、各図中、永久磁石２８、２９に対応する位置２７は、シリコンスチール片、強磁性体、永久磁石、軟磁性材料、プラスチック磁石、ラバー磁石、磁石内含プラスチック、非導磁材質からなるか、或いは、一つの孔洞である。非導磁材質は、例えば、プラスチック材である。永久磁石２８、２９と相対位置２７が、どれも磁性を有する材質からなる時、永久磁石２８、２９と相対位置２７の磁性は相違する。
図６Aを例とすると、ステーター構造５１は、磁性ポールA、B、C、Dを有し、且つ、各ポールは、五個の磁性サブポールを有する。永久磁石２８を有するサブポール、及び、永久磁石２８の相対位置２７のサブポールは、第一補助磁極層と称される。永久磁石２９を有するサブポール、及び、永久磁石２９の相対位置２７のサブポールは、第二補助磁極層と称される。磁性ポールA、B、C、Dの中間の三つのサブポールは、三層の導磁層を構成する。この時、補助磁極層は、導磁導の上方、及び／又は、下方に位置する。
第一、或いは、第二補助磁極層は、どちらも、ポールA、B、C、Dを有し、導磁層も、ポールA、B、C、Dを有するので、補助磁極層のポール数量は、導磁層のポール数量と等しい。
この他、永久磁石は、図６D〜図６Fで示されるように、ポールA、B、C、Dの中間のサブポールに位置することが出来る。この時、補助磁極層は、二つの導磁層間に位置する。
本実施例中、永久磁石の好ましい配置方式だけを列記しているが、実際の配置方法は、これに限定されない。永久磁石は、永久磁性を有する材質で、例えば、永久磁石、プラスチック磁石、ラバー磁石、磁石内含プラスチック等である。この他、突出極（或いは、磁性ポール）は導磁性材質で、強磁性体、及び、軟磁性体等である。
図７は、本発明によるブラシレスDCモーターの駆動回路図である。駆動回路７００は、パワーコイルL１、感応コイルL２、起動装置７１０、制御装置７２０、及び、電圧検出装置７３０、からなる。本実施例中、図５のブラシレスDCモーターと合わせて、駆動回路７００の作動状況を説明する。図５のパワーコイルL１は、図７のコイルL１で、且つ、図５の感応コイルL２は、図７のコイルL２である。この他、直流電源Vdcが出力する電流が逆流するのを防ぐため、直流電源Vdcの出力端に、ダイオードD２を加設して、逆流を防止する。更に、過電流を防止するため、駆動回路７００中に、レジスタR、R１、R２、R３を加設して、過電流を防止する効果を得る。また、制御装置７２０内の電圧変化の過大を避けるため、制御装置７２０中に、ゼナーダイオードZDを設置して、電圧の安定効果を達成する。
〔起動状態〕
直流電源Vdcが１２ボルトの場合、トランジスタQ１はPNPトランジスタで、トランジスタQ２はNPNトランジスタで、永久磁石２８の極性はN極である。起動装置７１０が、直流電源Vdcに接続される時、逆ベースエミッタ電圧（１２ボルト）は、逆接合電圧０．７ボルトより大きいので、トランジスタQ１が導通する。トランジスタQ１が導通する時、直流電源Vdcは、限流抵抗器R１、及び、トランジスタQ１により、コンデンサCに対し充電を実行すると同時に、トランジスタQ１のコレクタにより起動電圧を出力する。
制御装置７２０が起動電圧を受信する時、ベースエミッタの前バイアスが接合電圧（０．７ボルト）より大きいので、トランジスタQ２はオンになる。この時、起動装置７１０からの電流は、パワーコイルL１から、制御装置７２０に流入する。
右手の法則により、コイルを流れる電流方向は、感応磁場の極性により決定される。よって、制御電流の流動方向、及び、第一コイルL１の巻き線順序により知ることが出来、ステーターの突出極Aと突出極BはN極に感応し、且つ、突出極Cと突出極DはS極に感応する。これにより、ローター５０の磁極Saは、突出極Aの吸引と突出極Dの排斥を受け、且つ、磁極Sbは、突出極Cの排斥と突出極Bの吸引を受けて、ローター５０を回転させる。
コンデンサCは保存装置であって、制御装置７２０が直流電源Vdcに接続され続ける時、保存した電力に基づいて、起動信号の出力を停止するかどうか決定する。
図７中、コンデンサCが保存する電位が高くなると、トランジスタQ１の逆ベースエミッタ電圧は減少する。逆ベースエミッタ電圧が、接合電圧０．７Vより小さい時、トランジスタQ１はオフになり、起動電圧の出力を停止して、トランジスタQ２がオフになる。トランジスタQ２がオフの時、パワーコイルL１は電流が流れておらず、この時、ステーターの感応磁場は消失し、且つ、ステーター５０は、特定の角度で回転する（本実施例中、逆時計回りで９０度回転する）。
〔第一状態〕
この時、突出極Cと突出極D上の永久磁石２８は、それぞれ、ローター５０の磁極Saと磁極Sbを吸引し、ローター５０を時計回りに回転させる。
〔第二状態〕
永久磁石２８がローター５０を吸引して、ローター５０を回転させる時、感応コイルL２は、感応信号（例えば、感応電圧）を生成する。制御装置７２０が、この感応信号を受信する時、トランジスタQ２が導通して、直流電源Vdcの電流は、パワーコイルL１に流れ、ステーターの突出極Aと突出極Bの外周が、再度、N極に感応し、突出極Cと突出極Dの外周は、再度、S極に感応する。この時、突出極Cと突出極Dの磁性は、永久磁石２８の磁性より大きいので、突出極C、突出極Dと磁極Sa、Sb間の吸引力により、ローター５０を継続して同一方向に回転させる。
〔第三状態〕
突出極Cと突出極Dがローター５０を吸引して、ローター５０を回転させる際、突出極C、突出極Dの極性と永久磁石２８の磁性が相違するため、感応コイルL２は、反感応信号（例えば、反転電圧）を生成し、これにより、トランジスタQ２の逆ベースエミッタ電圧は、接合電圧より小さく、トランジスタQ２はオフになる。トランジスタQ２がオフの時、パワーコイルL１は電流が流れない状態で、この時、ステーターの感応磁場が消失し、且つ、ローター５０は、継続して同一方向に回転する。よって、第一状態に戻って回転する。
これにより、ローター５０が回転する時、回転トルクの半分は、パワーコイルL１により生成される感応磁場により提供され、もう半分の回転トルクは、永久磁石２８により提供される。
本発明の駆動回路７００は、図２のブラシレスADモーターと合わせて使用でき、その作動状況は、上述から推測できる。
電圧検出装置７３０は、感応信号を検出する。上述のブラシレスADモーターの作動説明から分かるように、ローター５０が回転する時、ブラシレスADモーターは、第一状態、第二状態、第三状態を繰り返し変化させる。この時、感応コイルL２は、正電圧、及び、反転電圧を交替で生成し、トランジスタQ３を交替でオン、オフに切り替える。よって、High−Low信号（例えば、方形波パルス信号）を出力する。このHigh−Low信号を読み取ると共に、特定の公式により転換した後、ローター５０の回転速度状態を容易に知ることが出来る。このHigh−Low信号は、例えば、電圧信号、或いは、電流信号である。この他、電圧検出装置７３０中、直流電源Vccを追加して、直流電源Vccにより、出力電圧VoのHigh−Low信号比を制御することが出来る。
図８は、ブラシレスADモーターの回転時の出力電圧−時間グラフである。横軸は時間tで、縦軸は出力電圧Voを表す。波形T１は、塵、或いは、異物によりローター５０の回転速度が遅くなった時の出力波形で、T２は、正常作動時の出力波形である。波形T３はローター５０の非回転時の出力波形である。
ローター５０が回転しない時、感応コイルL２は感応電圧を生成せず、トランジスタQ１、Q２、及び、Q３は、オフ状態で、異常電流がパワーコイルL１、トランジスタQ１、Q２、及び、Q３と感応コイルL２に流入しない。
よって、本発明のブラシレスDCモーターは、ローター５０が回転しない時、駆動回路の主動素子、及び、コイルが、異常電流により過熱状態になって、焼損することがない。故障を排除した後、ブラシレスDCモーターは、再度、直流電源Vdcと接続し、正常に運転する。
上述から分かるように、本発明の駆動装置７００は、ブラシレスDCモーターの運転安定性を増加させる。
本発明の起動装置７１０は、更に、ダイオードD１とレジスタR２からなるパワー釈放装置を有し、起動装置７１０が直流電源Vdcに接続されない時、コンデンサCに保存されている電力を釈放する。
よって、図７中、直流モーターが直流電源Vdcに接続されない時、コンデンサCに保存される電圧は、ダイオードD１、及び、レジスタR２の回路により放電し、次に直流電源Vdcに接続する時の充電用とする。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
公知のブラシレスDCモーターの構造図である。 本発明の第一実施例によるブラシレスDCモーターの構造図である。 本発明の第二実施例によるブラシレスDCモーターの構造図である。 本発明の突出極の構造図である。 本発明の第二実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。 本発明の第二実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。 本発明の第二実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。 本発明の第三実施例によるブラシレスDCモーターの構造図である。 本発明の第三実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。 本発明の第三実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。 本発明の第三実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。 本発明の第三実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。 本発明の第三実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。 本発明の第三実施例によるステーター構造の補助磁極層の配置方法を示す図である。 本発明のブラシレスDCモーター駆動回路を示す図である。 ブラシレスDCモーターの回転時の出力電圧−時間グラフである。
符号の説明
１、１００…突出極
２７…突出極（相対位置）
５１…ステーター構造
２、５０…ローター
２、１８、１９、２８、２９…永久磁石
１０、８０…上ヨーク
２０、９０…下ヨーク
１５０…ステーター
６０…ステーター上層
７０…ステーター下層
１０１…導磁片
L１…パワーコイル
L２…感応コイル
１８０…ヨーク
A〜D…突出極（ポール）
Sa、Sb…S極
Na、Nb…N極
Vdc、Vcc…直流電源
D１、D２…ダイオード
R、R１、R２…レジスタ
Q１、Q２、Q３…トランジスタ
C…コンデンサ
ZD…ゼナーダイオード
Vo…出力電圧
７１０…起動装置
７２０…制御装置
７３０…電圧検出装置
ｔ…時間軸
T１〜T３…波形

Claims (10)

  1. 複数の磁極を有するローターと、
    前記ローターにより囲繞されるか、前記ローターを囲繞し、それぞれ前記磁極に対応する複数の突出極を有するステーターと、
    少なくとも一つの前記突出極上に配置され、対応する突出極上で、補助磁極を生成し、前記ローターの駆動を補助する少なくとも一つの永久磁石と、
    からなることを特徴とするブラシレスDCモーター。
  2. 更に、前記ステーターと連接する駆動装置を有し、前記ローターの運転時の磁場状態により、主要磁極を提供して、前記ローターを駆動することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスDCモーター。
  3. 各突出極は、少なくとも一つの導磁片、孔洞、或いは、非導磁片からなり、前記永久磁石は、前記突出極の最上層、最下層、或いは、突出極内に位置し、且つ、前記突出極の相隣する突出極中で、前記永久磁石との相対位置は、孔洞、非導磁片、或いは、導磁片であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスDCモーター。
  4. 前記永久磁石は、ラバー磁石、プラスチック磁石、或いは、磁石内含プラスチックであることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスDCモーター。
  5. ブラシレスDCモーターの駆動装置であって、主要磁極、及び、補助磁極からなり、前記駆動装置は、
    ステーターに囲繞し、ローターの回転位置を検出すると共に、感応信号を生成する第一コイルと、
    前記駆動装置が直流電源に接続される時、起動信号を送信する起動回路と、
    前記第一コイルと前記起動回路に連接され、前記起動信号、或いは、前記感応信号を受信する時、前記起動信号、或いは、前記感応信号に従って、前記主要磁極を提供するかを決定する制御回路と、
    からなることを特徴とするブラシレスDCモーターの駆動装置。
  6. 前記駆動装置は、更に、前記ステーターに囲繞する第二コイルを有し、前記制御回路が、前記起動信号、或いは、前記感応信号を受信する時、前記制御回路は、前記第二コイルに制御信号を出力して、前記ステーターに感応磁場を生成させることを特徴とする請求項５に記載のブラシレスDCモーターの駆動装置。
  7. 前記制御回路は、前記第一コイルと前記第二コイル間に接続される第一トランジスタを有し、前記感応信号が、前記第一トランジスタを導通させる時、前記第二コイルは前記制御信号を受信することを特徴とする請求項５に記載のブラシレスDCモーターの駆動装置。
  8. 前記起動回路は、更に、
    前記制御回路が前記電源に接続される時、保存した電力に従って、前記起動信号の出力を制御する保存回路と、
    前記保存回路と連接され、前記起動回路が前記直流入力電圧に接続されない時、前記保存回路に保存された電力を釈放する釈放回路と、
    からなることを特徴とする請求項５に記載のブラシレスDCモーターの駆動装置。
  9. 前記駆動装置は、更に、前記第一コイルと連接される状態検出回路を有し、受信した前記感応信号により、前記ローターの回転情報を転換、及び、出力することを特徴とする請求項５に記載のブラシレスDCモーターの駆動装置。
  10. 前記前記補助磁極は、永久磁性を有することを特徴とする請求項５に記載のブラシレスDCモーターの駆動装置。
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