JP2006074889A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】非常時に負荷を駆動できなくなったときに回転子を確実にフリーな状態にすることができるブラシレスモータを提供する。
【解決手段】磁石界磁を有する回転子１Ａと、多相のコイルＬｕないしＬｗからなる電機子巻線１０３を有する固定子１Ｂと、直流電源２と電機子巻線１０３との間に設けられて直流電源から電機子巻線に与えられる駆動電流の転流と回転子１Ａが外部から駆動されたときに電機子巻線に誘起する交流電圧の整流とを行なうドライバ４と、非常時に直流電源をドライバから切り離す保護リレーＲＹ３と、非常時に電機子巻線とドライバとの間を電気的に切り離す駆動制御用リレーＲＹ１，ＲＹ２とを備えたブラシレスモータにおいて、直流電源２から保護リレーＲＹ３の常開接点Ｒy3aを通して駆動制御用リレーＲＹ１，ＲＹ２に励磁用電源が与えられるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ブラシレスモータに関するものである。

周知のように、ブラシレスモータは、磁石界磁を有する回転子と多相のコイルからなる電機子巻線を有する固定子とを備えたモータ本体と、このモータ本体の回転子を所定の方向に回転させるように、直流電源から電機子巻線に供給する駆動電流を制御する制御部とにより構成される。

制御部は、直流電源と電機子巻線との間に設けられて直流電源から電機子巻線に与えられる駆動電流の転流を行うスイッチ回路と回転子が外部から駆動される状態になったときに電機子巻線に誘起する交流電圧の整流を行う整流回路とを備えたドライバと、回転子と電機子巻線の各相のコイルとの間の位置関係により決まるタイミングで電機子巻線の励磁相と電機子巻線を構成する各相のコイルに流す電流の方向とを切り換えるスイッチ回路制御手段を備えたコントローラとにより構成される。スイッチ回路としては、ブリッジ形のインバータ回路と同様に、ブリッジの各辺をＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタからなるスイッチ素子により構成したブリッジ形のスイッチ回路が用いられる。

このようなモータにおいて、故障により、ドライバのスイッチ回路に異常が生じたり、スイッチ素子のオンオフ制御を正しいタイミングで行うことができなくなったりして、スイッチ回路のブリッジの同じアームの上辺及び下辺のスイッチ素子が同時にオン状態になる事態が生じると、直流電源がスイッチ回路を通して短絡されて大電流が流れ、スイッチ素子が焼損したり、直流電源が破損したりするおそれがある。

そこで、この種のモータでは、特許文献１に示されているように、保護リレーの常開接点を直流電源とドライバとの間に挿入して、ドライバの故障やコントローラの故障などによりモータを運転することができない非常時にこの保護リレーを消勢してその接点を開くことにより、直流電源をドライバから切り離すことが行われている。

ところで、モータにより駆動される負荷の中には、モータを電気的に駆動しない状態にあるときでも、モータと負荷との間を機械的に連結したままの状態で負荷を外力により動かすことができるようにしておく必要があるものがある。例えば、操舵力をアシストする動力源としてモータを用いた自動車用の電動パワーステアリングにおいては、故障等によりモータを駆動できない状態にあるときでも、運転者がステアリング（モータの負荷）を操作し得るようにしておく必要がある。

上記のような負荷を駆動するブラシレスモータにおいては、モータを駆動していない状態で、負荷を外力により動かそうとしたときに、回転子が外力により駆動されるため、モータが発電機として動作する。このように、モータが発電機として動作したときには、電機子巻線の誘起電圧により、電機子巻線からドライバ回路内の整流回路と直流電源（通常はバッテリ）とを通して回生電流が流れるため、モータの回転子に制動力がかかる。従って、負荷を外力により動かそうとしたときに負荷に大きな制動がかかり、負荷を容易に動かすことができなくなる。特に、故障により、例えばドライバのスイッチ回路のブリッジの下辺を構成する複数のスイッチ素子が同時にオン状態になる事態が生じていたとすると、電機子巻線がドライバ内のスイッチ回路と整流回路を構成するダイオードとを通して短絡されるため、大きな電流が流れてモータ側から負荷に大きな制動力がかかり、負荷を動かすことができなくなる。負荷が電動パワーステアリングの場合に上記のような状態が生じると、モータの駆動を停止した状態で運転者がステアリングを操作しようとしたときにステアリングが非常に重くなり、ステアリングを操作することができなくなる。

そこで、上記のような負荷を駆動するブラシレスモータにおいては、特許文献２に示されているように、電機子巻線とドライバとの間に駆動制御用リレーの常開接点を挿入して、定常時にはこのリレーを励磁することにより電機子巻線とドライバとを電気的に接続し、非常時及びモータを駆動する必要がないときにはこのリレーを消勢することにより、電機子巻線とドライバとの間を電気的に切り離すことができるようにしている。
特開２００１−２０６２３６号公報 特開２００３−１８２６０２号公報

特許文献２に示されたように、電機子巻線とドライバとの間に駆動制御用リレーの接点を挿入して、非常時に電機子巻線とドライバとの間を電気的に切り離すことができるようにしておけば、非常時に回転子が外力により駆動されてモータが発電機として動作したときに、電機子巻線がドライバのスイッチ回路を通して短絡されるおそれをなくすことができるため、モータが制動力を発生するのを防いで、回転子をフリーにすることができ、負荷の動きが妨げられるのを防ぐことができる。

しかしながら、従来のこの種のブラシレスモータでは、駆動制御用リレーの励磁用電源を直流電源から直接とっていたため、ドライバのスイッチ回路のブリッジの下辺を構成する複数のスイッチ素子が同時にオン状態になる等の異常が生じている状態で、同時に駆動制御用リレーを駆動するリレー駆動回路が故障している場合に、電機子巻線とドライバとの間を切り離すことができなくなって、回転子をフリーにすることができなくなるという問題があった。電動パワーステアリングのように人命の安全に係わる負荷を駆動するブラシレスモータにおいて、上記のような問題が生じることは極力避ける必要がある。

本発明の目的は、非常時に電機子巻線とドライバとの間を切り離すために設けられる駆動制御用リレーの駆動回路が故障したときでも該駆動制御用リレーの接点を開いて、電機子巻線とドライバとの間を電気的に切り離すことにより、回転子をフリーにすることができるようにしたブラシレスモータを提供することにある。

本発明は、磁石界磁を有する回転子と、多相のコイルからなる電機子巻線を有する固定子と、直流電源と電機子巻線との間に設けられて直流電源から電機子巻線に与えられる駆動電流の転流を行うスイッチ回路と回転子が外部から駆動されたときに電機子巻線に誘起する交流電圧の整流を行う整流回路とを備えたドライバと、直流電源とドライバとの間に常開接点が挿入されて非常時に直流電源をドライバから切り離す保護リレーと、電機子巻線とドライバとの間に常開接点が挿入されて非常時及び負荷を駆動する必要がないときに電機子巻線とドライバとの間を電気的に切り離す駆動制御用リレーとを備えたブラシレスモータを対象とする。

本発明においては、駆動制御用リレーの駆動回路が故障したときでも、駆動制御用リレーを消勢することができるようにするため、直流電源から保護リレーの常開接点を通して駆動制御用リレーに励磁用電源を与えるようにした。

上記のように構成すると、非常時に保護リレーの接点が開かれたときに駆動制御用リレーの励磁用電源を落として該駆動制御用リレーを消勢することができるため、駆動制御用リレーを駆動する回路が故障している場合でも、電機子巻線とドライバとの間を電気的に切り離して、回転子をフリーにすることができる。

以上のように、本発明によれば、直流電源から保護リレーの常開接点を通して駆動制御用リレーに励磁用電源を与えるようにしたので、駆動制御用リレーの駆動回路が故障している場合でも、非常時に駆動制御用リレーを確実に消勢して、電機子巻線とドライバとの間を切り離すことができる。従って、非常時に回転子をフリーにすることができなくなって、負荷を外力により動かすことができなくなる事態が生じるのを防ぐことかできる。

以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は本実施形態のブラシレスモータの要部の構成を示したもので、このブラシレスモータは、自動車の電動パワーステアリング装置のパワーアシスト用動力源として用いられる。図１において１はモータ本体、２はバッテリからなる直流電源、３は直流電源２からモータ本体に供給する駆動電流を制御する制御部である。

モータ本体１は、回転子１Ａと固定子１Ｂとにより構成される。回転子１Ａは、カップ状に形成された回転子ヨーク１０１と、この回転子ヨークの周壁部の内周に固定された円弧状の永久磁石Ｍ１，Ｍ２とからなっていて、回転子ヨーク１０１の底壁部の中央部に図示しない回転軸が取り付けられ、該回転軸が電動パワーステアリング装置の駆動力入力軸に連結されている。磁石Ｍ１，Ｍ２はそれぞれの内周側に異なる極性の磁極が現れるように径方向着磁されていて、これらの磁石により２極の磁石界磁が構成されている。

固定子１Ｂは、放射状に形成された３つの突極部ＰｕないＰｗを有する電機子鉄心１０２と、この電機子鉄心の突極部ＰｕないしＰｗにそれぞれ巻回されたＵ，Ｖ，Ｗ３相のコイルＬｕないしＬｗからなる電機子巻線１０３とからなっている。図示の例では、３相のコイルＬｕないしＬｗがスター結線され、これらのコイルの非中性点側端子が電機子巻線の３相の外部端子１ｕないし１ｗとなっている。

図示してないが、電機子巻線１０３を構成する３相のコイルＬｕないしＬｗのそれぞれに対する回転子１Ａの回転角度位置を検出する位置センサが、各相のコイルに対して所定の位相角を有する位置に配置されている。各相のコイルに対して設けられる位置センサとしては、例えば、回転子の磁極を検出して、検出している磁極の極性に応じて異なるレベルを示す位置検出信号を出力するホールＩＣが用いられる。

制御部３は、直流電源２と電機子巻線１０３との間に設けられて直流電源２から電機子巻線１０３に与えられる駆動電流の転流を行うスイッチ回路と回転子１Ａが外部から駆動される状態になったときに電機子巻線１０３に誘起する交流電圧の整流を行う整流回路とを備えたドライバ４と、回転子１Ａを所定の方向に回転させるようにドライバ４のスイッチ回路を制御するドライバ制御手段を備えたコントローラ５とからなっている。

図示のドライバ４は、一端が正極側直流端子４ａに共通接続されたスイッチ素子ＱｕないしＱｗによりブリッジの上辺を構成し、スイッチ素子ＱｕないしＱｗの他端に一端が接続されると共に他端が負極側直流端子４ｂに共通接続されたスイッチ素子ＱｘないしＱｚによりブリッジの下辺を構成したブリッジ形のスイッチ回路と、スイッチ素子ＱｕないしＱｗ及びＱｘないしＱｚにそれぞれ逆並列接続されたダイオードＤｕないしＤｗ及びＤｘないしＤｚからなる全波整流回路とにより構成されている。図示の例では、スイッチ素子ＱｕないしＱｗの他端とスイッチ素子ＱｘないしＱｚの一端との接続点がそれぞれドライバの３相の交流側端子４ｕないし４ｗとなっていて、端子４ｕ及び４ｖはそれぞれ第１の駆動制御用リレーＲＹ1の接点Ｒy1a及び第２の駆動制御用リレーＲＹ2の常開接点Ｒy2aを通して電機子巻線の外部端子１ｕ及び１ｖに接続され、端子４ｗは電機子巻線の外部端子１ｗに直結されている。ドライバの正極側直流端子４ａは保護リレーＲＹ3の常開接点Ｒy3aを通して直流電源２の正極側出力端子に接続され、負極側直流端子４ｂは直流電源２の負極側出力端子に接続されている。ドライバの直流端子４ａ，４ｂ間にはコンデンサＣdが接続されている。図示のドライバ４においては、スイッチ素子ＱｕとＱｘとの直列回路、スイッチ素子ＱｖとＱｙとの直列回路及びスイッチ素子ＱｗとＱｚとの直列回路によりそれぞれスイッチ回路のブリッジの第１ないし第３のアームが構成されている。

図示の例では、スイッチ素子ＱｕないしＱｗとしてドレインが正極側直流端子４ａに共通接続されたＭＯＳＦＥＴが用いられ、スイッチ素子ＱｘないしＱｚとして、スイッチ素子ＱｕないしＱｗをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのソースにドレインが接続され、ソースが負極側直流端子４ｂに共通接続されたＭＯＳＦＥＴが用いられている。またスイッチ素子ＱｕないしＱｗ及びＱｘないしＱｚをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのドレインソース間に形成された寄生ダイオードが整流回路を構成するダイオードＤｕないしＤｗ及びＤｘないしＤｚとして用いられている。

スイッチ素子ＱｕないしＱｗ及びＱｘないしＱｚをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのゲートはコントローラ５の信号出力端子に接続され、コントローラ５からスイッチ素子ＱｕないしＱｗ及びＱｘないしＱｚをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴに駆動信号が与えられるようになっている。コントローラ５はマイクロプロセッサを備えていて、該マイクロプロセッサにより構成されるスイッチ制御手段が、前記位置センサにより検出される回転子の位置に応じて電機子巻線に供給する駆動電流を転流させるようにスイッチ回路を構成するスイッチ素子を制御して回転子１Ａを所定の方向に回転させる。

上記スイッチ制御手段は例えば、位置センサにより検出されている回転子と電機子巻線を構成する各相のコイルとの間の位置関係に応じて決定したタイミングで、スイッチ回路のブリッジの上辺を構成する複数のスイッチ素子の中から選択した１つのスイッチ素子と、ブリッジの下辺を構成する複数のスイッチ素子の内、ブリッジの上辺を構成するスイッチ素子の中から選択された１つのスイッチ素子とは異なるアームにある他の１つのスイッチ素子とをオン状態にする対のスイッチとして、該対のスイッチ素子にそれぞれ駆動信号を与えて、両スイッチ素子をオン状態にする。このとき対のスイッチ素子の一方に与える駆動信号をＰＷＭ変調して該一方のスイッチ素子を所定のデューティ比でオンオフさせることにより、電機子巻線１０３のコイルＬｕないしＬｗに流す駆動電流の大きさを調整する。電機子巻線に流す駆動電流の転流により電機子コイルから回転磁界を生じさせて、回転子１Ａを所定の方向に回転させる。

本実施形態のように、モータを電動パワーステアリング装置のパワーアシスト用動力源として用いる場合には、運転者が操作するステアリングホイールの回転方向に応じて与えられる駆動指令に応答して、回転子１Ａを所定の方向（ステアリングホイールの回転をアシストする方向）に回転させるように、コイルＬｕないしＬｗへの駆動電流の供給が制御される。

本発明においては、直流電源２から保護リレーＲＹ３の常開接点Ｒy3aを通して駆動制御用リレーＲＹ１及びＲＹ２に励磁用電源が与えられる。そのため、駆動制御用リレーＲＹ１及びＲＹ２のそれぞれの励磁コイルＬy1及びＬy2の一端がドライバ４の正極側直流端子４ａに接続され、励磁コイルＬy1及びＬy2の他端がそれぞれエミッタを接地したＮＰＮトランジスタＴＲ1及びＴＲ2のコレクタに接続されている。また保護リレーＲＹ３の励磁コイルＬy3の一端は直流電源２の正極側出力端子に接続され、他端はエミッタが接地されたＮＰＮトランジスタＴＲ3のコレクタに接続されている。この例では、トランジスタＴＲ1及びＴＲ2によりそれぞれリレーＲＹ１及びＲＹ２の駆動回路が構成され、トランジスタＴＲ3によりリレーＲＹ３の駆動回路が構成されている。リレーの駆動回路を構成するトランジスタＴＲ1ないしＴＲ3のベースはコントローラ５の信号出力端子に接続されている。

図示してないが、スイッチ回路のブリッジの下辺を構成する複数のスイッチ素子ＱｘないしＱｚに同時に駆動信号が与えられるなどの異常状態や、電機子巻線１０３を通して過電流が流れる等の異常状態を検出する異常検出手段が設けられていて、この異常検出手段による検出結果がコントローラ５に与えられている。コントローラ５は、モータ駆動指令と異常検出手段の検出結果とに応じて、トランジスタＴＲ１ないしＴＲ３を制御してリレーＲＹ１ないしＲＹ３を制御するリレー制御手段を備えている。

上記リレー制御手段は、以下のようにリレーＲＹ１ないしＲＹ３を制御する。
即ち、異常検出手段が異常を検出していない状態でモータ駆動指令が与えられたときには、トランジスタＴＲ1ないしＴＲ3にベース電流を与えてこれらのトランジスタをオン状態にすることにより、リレーＲＹ１ないしＲＹ３を励磁してそれぞれの常開接点Ｒy1aないしＲy3aをオン状態にする。これにより、直流電源２とドライバ４との間を接続するとともに、電機子巻線１０３とドライバ４との間を接続してモータの運転を可能にする。
また、異常状態が検出されていない状態で、モータ駆動指令が与えられなくなったとき、例えば、ステアリングの操作が行なわれないときには、トランジスタＴＲ１及びＴＲ２をオフ状態にすることによりリレーＲＹ１及びＲＹ２を消勢して接点Ｒy1a及びＲy2aを開き、電機子巻線１０３をドライバ４から電気的に切り離す。これにより、負荷を駆動する必要がないときに、モータから負荷に制動が掛けられる状態が生じるのを防止し、モータの回転子をフリーな状態にする。
更に異常検出手段が異常を検出したときには、トランジスタＴＲ１ないしＴＲ３をオフ状態にしてリレーＲＹ１ないしＲＹ３を消勢することにより、直流電源２をドライバ４から切り離し、電機子巻線をドライバ４から切り離す。

図３は本実施形態のブラシレスモータと比較される比較例を示したものである。図３に示されたブラシレスモータでは、直流電源２から直接駆動制御用リレーＲＹ１及びＲＹ２に励磁用電源が与えられている。このように構成した場合には、モータの駆動を停止する際に、トランジスタＴＲ１及びＴＲ２をオフ状態にすることができない異常状態が生じていると、駆動制御用リレーＲＹ１及びＲＹ２を消勢する（非励磁状態にする）ことができなくなって、接点Ｒy1a及びＲy2aを開くことができなくなり、モータの回転子をフリーにすることができなくなる。

これに対し、本発明によれば、直流電源２から保護リレーＲＹ３の接点を通して駆動制御用リレーＲＹ１及びＲＹ２に励磁用電源を与えるようにしたため、非常時に保護リレーＲＹ３が励磁されてその接点Ｒy3aが開かれていれば、トランジスタＴＲ１及びＴＲ２の状態の如何に関わりなく、リレーＲＹ１及びＲＹ２を消勢してそれぞれの常開接点Ｒy1a及びＲy2aを開くことができる。従って、非常時に駆動制御用リレーの駆動回路を構成するトランジスタＴＲ１及びＴＲ２がオフ状態にならなくなる等の異常が生じている場合でも、保護リレーＲＹ３が消勢された時点で駆動制御用リレーＲＹ１及びＲＹ２を消勢することができ、リレー駆動回路の異常により駆動制御用リレーの接点を開くことができなくなるといった事態が生じる確率を低くして信頼性を高めることができる。

図２は本発明の他の実施形態を示したもので、この例では、駆動制御用リレーＲＹ１及びＲＹ２の励磁コイルＬy1及びＬy2の一端が抵抗Ｒ1を通してドライバの直流端子４ａに接続され、保護リレーＲＹ３の接点Ｒy3aと、抵抗Ｒ1とを通して駆動制御用リレーＲＹ１及びＲＹ２に励磁用電源が与えられている。このように構成すると、直流電源の出力電圧が高い場合（例えば数百ボルトである場合）でも本発明を適用することができる。

上記の各実施形態では、駆動制御用リレーＲＹ１及びＲＹ２の励磁コイルＬy1及びＬy2に対して個別にトランジスタＴＲ1及びＴＲ２からなる駆動回路を設けているが、励磁コイルＬy1に励磁コイルＬy2を直列に接続して、１つのトランジスタＴＲ1により両励磁コイルの励磁電流をオンオフするように構成してもよい。このように構成すると、リレーを駆動するトランジスタの数を少なくすることができるため、構成を簡単にすることができる。

上記の各実施形態では、電機子巻線が３相のコイルにより構成されるブラシレスモータに本発明を適用したが、本発明は、２相以上の多相のコイルにより電機子巻線が構成される場合に広く適用することができる。

一般に電機子巻線がｎ相（ｎは２以上の整数）のコイルからなる場合、電機子巻線とドライバとの間を電気的に切り離すためには、少なくともｎ−１相のコイルのそれぞれに対して直列に駆動制御用リレーの常開接点を挿入する。

上記の実施形態では、モータ本体の回転子１Ａが２極の磁石界磁を有しているが、一般に偶数極の磁石界磁を有する回転子を用いる場合に本発明を適用できるのはもちろんである。また上記の実施形態では、電機子鉄心が３つの突極部を有する突極型の鉄心からなっているが、多数の歯部とスロットとを有する電機子鉄心に電機子巻線を構成するコイルを分布巻きする場合もある。

本発明の実施形態の構成を示した回路図である。 本発明の他の実施形態の構成を示した回路図である。 本発明の実施形態と比較される比較例のブラシレスモータを示した回路図である。

符号の説明

１ モータ本体
１Ａ 回転子
１Ｂ 固定子
１０２ 電機子鉄心
１０３ 電機子巻線
２ 直流電源
３ 制御部
４ ドライバ
Ｑｕ〜Ｑｗ，Ｑｘ〜Ｑｚ スイッチ素子
Ｄｕ〜Ｄｗ，Ｄｘ〜Ｄｚ ダイオード
ＴＲ１〜ＴＲ３ トランジスタ

Claims (1)

1. 磁石界磁を有する回転子と、多相のコイルからなる電機子巻線を有する固定子と、直流電源と前記電機子巻線との間に設けられて前記直流電源から電機子巻線に与えられる駆動電流の転流を行うスイッチ回路と前記回転子が外部から駆動されたときに前記電機子巻線に誘起する交流電圧の整流を行う整流回路とを備えたドライバと、前記直流電源とドライバとの間に常開接点が挿入されて非常時に前記直流電源をドライバから切り離す保護リレーと、前記電機子巻線とドライバとの間に常開接点が挿入されて非常時及び負荷を駆動する必要がないときに前記電機子巻線とドライバとの間を電気的に切り離す駆動制御用リレーとを備えたブラシレスモータにおいて、
   前記直流電源から前記保護リレーの常開接点を通して前記駆動制御用リレーに励磁用電源が与えられていることを特徴とするブラシレスモータ。
   

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