JP2007104738A

JP2007104738A - ブラシレス同期電動機及びその駆動制御装置

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Publication number: JP2007104738A
Application number: JP2005287300A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Nakazawa; 敏治中澤; Atsushi Oyama; 敦大山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-19
Also published as: US7518332B2; US20070075673A1

Abstract

【課題】構成が簡単で安価なブラシレス同期電動機を提供すること。
【解決手段】突極磁石２〜５を周方向に配置した回転子１と、励磁コイル８が巻回された駆動磁極９を周方向に配置した固定子６とを具備するブラシレス同期電動機は、回転子１の断面形状を非円形としたことを特徴とする。例えば、回転子１は、該回転子の一つの磁極方向に垂直な少なくとも一つの平面を有する筒状体であっても、回転子１の一つの磁極方向に長径を有する断面楕円形の筒状体であってもよい。所要の数の励磁コイル８に、駆動磁極９と回転子１との距離に応じた励磁コイル８のインピーダンスを表す検出信号を出力する検出回路を設けることにより、回転子１の回転角を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子の断面形状を非円形にすることによって回転子の磁極位置を検出可能としたブラシレス同期電動機及びその駆動制御装置に関する。

図６は、従来から用いられている４極ブラシレス同期電動機の要部の断面図である。同図において、断面円形の回転子１には４個の駆動用突極磁石２〜５が９０度間隔で且つＮ極とＳ極が周方向に交互に並ぶように埋め込まれる。一方、固定子６には、６０度間隔で、ホール素子などの磁気電気変換素子７と励磁コイル８と駆動磁極９とを備える６個の駆動・位置検出ユニット１０〜１５が設けられ、それぞれの磁気電気変換素子の出力は対応の信号変換回路（図示せず）に接続される。それぞれの駆動磁極９はコの字状をしており、回転子１の方へ向かって突出した磁極部分に励磁コイル８が分巻きされている。

こうした構成により、それぞれの信号変換回路は、回転子１の回転に伴う突極磁石と磁気電気変換素子との位置関係に応じて突極磁極の極性と回転子１の回転角とを示す検出信号を出力するので、この検出信号に基づいて励磁コイルの励磁電流の方向を制御し、回転子１を所定の方向に回転駆動する。

例えば、図７は、隣り合う３個の駆動・位置検出ユニット１０〜１２の磁気電気変換素子に接続された信号変換回路から出力される検出信号を示している。図から分かるように、それぞれの検出信号は、駆動・位置検出ユニットが互いに６０度間隔で配置されていることに起因して、互いに６０度ずつ位相がずれている。こうした各検出信号から突極磁極の極性及び回転角を検出し、その検出結果基づいて各励磁コイルの励磁電流の方向を制御して回転子１の回転を制御する。

図６に示す磁気電気変換素子としては例えばホール素子を用いることができるが、ホール素子は半導体部品であり、その磁気検出能力は素子周囲温度の影響を受けやすいうえ、半導体素子内部のジャンクション温度の関係から、高温環境下では使用することが出来ないという問題がある。このため、ホール素子を使って回転子の位置を検出する同期電動機を高温条件で使用することには限度があり、同期電動機自身の発熱などへの保護構造を必要とし、ホール素子を固定子に設置するための特別の構造を必要とする等の種々の要因のために、電動機構造が複雑化し、電動機の小型化に対する障害となっていた。

上記の問題を解消するために、モータ巻線に別個の検出巻線を設置し、高周波検出信号を供給しつつ、その応答を信号処理することで、回転する回転子の磁極方向を検出する方法（特許文献１、２参照）や、励磁電力をベクトル変換し、励磁状態での電流・電圧のベクトル方向を解析することで、回転子の磁極方向を検出する方法（特許文献３参照）が、これまで提唱されてきた。

しかしながら、前者の検出用コイルを巻き込む方式は、交流検出信号に対する回転子磁極の影響を検出する方法であるため、回転子が適度な角速度をもって回転移動していないと磁極の方向を検出することができず、回転子が停止しているときには回転子磁極の極性を検出できないという課題がある。

また、後者の励磁電力をベクトル変換にて制御する方法は、極低回転で回転子の回転制御を行う場合には、回転子突極磁極の回転角速度による逆電流がごく僅かしか発生せず、逆電力を含む励磁電力のベクトル解析では突極磁極の判別が困難となるので、低回転では開ループ制御で回転制御を行うことになり、低回転数での安定的な制御ができない場合がある。また、回転子の停止中は回転子突極磁石の角速度が零であるため、励磁コイルには逆起電力が全く発生せず、ベクトル変換が不可能であるので、モータ回転とは関連のない適当な角速度を回転子に与えることで振動させ、その振動の応答をベクトル変換して回転子磁極極性を判断しなければならない等、完全な停止状態においては回転子の回転角を検出することができないという問題点があった。
特許第３２５６１３４号明細書特許第２９０２５１４号明細書特許第３２５３００４号明細書。

本発明は、上記の課題に鑑みて提案されたものであり、その目的は、回転子の位置と極性を簡易に検出することができるブラシレス同期電動機及びその駆動制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項1の発明は、
突極磁石を周方向に配置した回転子と、励磁コイルが巻回された駆動磁極を周方向に配置した固定子とを具備するブラシレス同期電動機であって、
前記回転子の断面形状を非円形としたことを特徴とするブラシレス同期電動機、
を提供する。

請求項２の発明は、前記回転子が、該回転子の一つの磁極方向に垂直な少なくとも一つの平面を有する筒状体であることを特徴とする。
請求項３の発明は、前記回転子が、該回転子の一つの磁極方向に長径を有する断面楕円形の筒状体であることを特徴とする。

請求項４の発明は、
前記回転子の磁極方向を検出し、適正な回転角タイミングで前記励磁コイルに流す電流の方向とオン・オフを制御することにより前記回転子の回転駆動を制御する、請求項１〜３のいずれかに記載のブラシレス同期電動機のための駆動制御装置であって、
少なくとも一つの前記励磁コイルに接続され、前記駆動磁極と前記回転子との距離に応じた該励磁コイルのインピーダンスを表す検出信号を出力する検出回路を備えることを特徴とする駆動制御装置、
を提供する。

請求項５の発明は、前記検出回路が高周波キャリア信号を生成する信号生成回路を備え、前記高周波キャリア信号を前記励磁コイルに供給することにより前記励磁コイルのインピーダンスを検出し、もって、前記回転子の磁極判別を可能とすることを特徴とする。

請求項６の発明は、前記検出回路が所定の数の前記励磁コイルに接続され、前記回転子の停止期間に、それぞれの前記検出回路から得られた前記検出信号に基づいて前記回転子の回転角を求めることを特徴とする。

請求項７の発明は、前記検出回路が所定の数の前記励磁コイルに接続され、前記回転子の回転期間に、それぞれの前記検出回路から得られた前記検出信号に基づいて前記回転子の回転角を求め、該回転角に基づいてそれぞれの前記励磁コイルに供給する電力を制御することを特徴とする。

以下、本発明に係るブラシレス同期電動機の若干の実施の形態について、図面を参照しながら詳述する。なお、全図を通じて、同じ又は同様の構成要素には、同一の参照数字を付すものとする。

図１は、本発明に係るブラシレス同期電動機をインナーロータ型のブラシレス同期電動機として実現したときの実施の形態を概略的に示す図である。同図において、図６に示す従来のブラシレス同期電動機と同様に、回転子１には４個の駆動用突極磁石２〜５が９０度間隔で且つＮ極とＳ極が周方向に交互に並ぶように埋め込まれ、固定子６には、６０度間隔で、励磁コイル８と駆動磁極９とを備える６個の駆動・位置検出ユニット２０〜２５が配置される。この場合、回転子１は円筒状ではなく、対向する一対の平面２６、２７を有する断面形状となるよう円筒が成形されている。例えば、図１においては、対向する一対の突極磁石のうち、Ｓ極が外周側に位置する一対の突極磁石３、５の磁石面に平行になるように平面２６、２７が形成され、２極の同期電動機が構成される。これにより、回転子１と固定子６との距離が部分的に違ってくる。

なお、この実施の形態は４極の回転子を用いているため、２つの磁石のＳ極に対向して平面２６、２７を設けるようにしたが、こうした平面は一対に限られる訳ではない。回転子の回転バランスに問題が生じなければ、回転子に設けられた少なくとも１つの磁石のＳ極のうち、いずれか１つのＳ極から全Ｓ極までの任意の数のＳ極に対向して平面を設けることができる。

ここで、図２、図３及び図４を用いて、回転子１の磁極位置をどのようにして検出するかについて説明する。図２の（Ａ）は、任意の１つの駆動・検出ユニット、例えば駆動・検出ユニット２０の励磁コイル８に接続されるインピーダンス検出回路３０の回路構成の一例を示している。インピーダンス検出回路３０は、励磁コイル８のインダクタンス変化に起因するインピーダンスの変化を検出し、そのインピーダンスの変化を磁気―電気変換して出力する４端子ブリッジ回路であって、図示のとおり、ブリッジ回路の第１の辺に励磁コイル８を、第２の辺にダミーコイル３１を、第３の辺に抵抗３２を、第４の辺に抵抗３３を接続し、更に、直列に接続された２つの抵抗３２、３３からなる直列回路の両端間に、高周波キャリア信号を出力するキャリア信号生成回路３４を接続し、このブリッジ回路の中点間に信号変換回路３５を接続したものである。

図２の（Ｂ）は信号変換回路３５の出力である、磁極位置を表す検出信号を示している。いま、キャリア信号生成回路３４を作動させて高周波キャリア信号を励磁コイル８に供給すると、信号変換回路３５に、励磁コイル８のインピーダンスに対応した大きさの高周波キャリア信号が入力される。そこで、この入力された高周波キャリア信号を信号変換回路３５において整流・増幅・線形化処理することにより、励磁コイル８のインピーダンスを表す検出信号が得られる。図２の（Ｂ）は、回転子１が一対の平行な平面２６、２７を有することに起因して、回転子１が１８０度回転する毎に、励磁コイル８のインピーダンスが低下することを示している。

励磁コイル８のインピーダンスが回転子１の１８０度回転毎に低下するのは、回転子１の回転時に、励磁コイル８が巻回された駆動磁極９と回転子１の表面との空隙距離が１８０度毎に最大値と最小値の間で変化するからである。すなわち、インピーダンス検出回路３０のキャリア信号生成回路３４から励磁コイル８に高周波キャリア信号が供給されると、励磁コイル８に励磁束が発生し、この励磁束は回転子１の表面を経由する磁気ループを構築する。このとき、駆動磁極９と回転子１の表面との空隙距離が変化すると、磁気ループ全体としてみた駆動磁極９の透磁率に変化が生じる。この結果、インピーダンス検出回路３０のブリッジ回路を構成する励磁コイル８の見かけ上のインダクタンスに変化が生じ、したがって高周波キャリア信号印加時のインピーダンス変化が発生してブリッジ回路の中点出力に変化が生ずる。この変化を信号変換回路３５が検出して検出信号として出力する。

図１に示す回転子１の構造からみて、信号変換回路３５から出力される検出信号に回転子１の回転角に沿って１８０度毎に現れるインピーダンスの低下する部分は、励磁コイル８及び駆動磁極９がＳ極に対向したときを示している。したがって、検出信号は回転子１の磁極判別を可能にする。同時に、検出信号が示すインピーダンスの変化は、励磁コイル８とそれに相対する回転子１の表面との距離の変化に対応しているので、図２の（Ｂ）に示す磁極検出信号は回転子１の回転角に沿った空隙距離信号でもある。この信号は、高周波コイルを使用した一般的な変位センサにより得られる信号と同様のものである。

そこで、図３の（Ａ）に示すように、６個の駆動・検出ユニット２０〜２５のうちの任意の３個の隣り合う駆動・位置検出ユニット、例えば駆動・位置検出ユニット２０〜２２のそれぞれに、上で説明したインピーダンス検出回路３０と同様の構成を有し且つ同様の動作を行うインピーダンス検出回路３０_１、３０_２、３０_３を接続すると、それらのインピーダンス検出回路３０_１、３０_２、３０_３の信号変換回路は、回転子１の突極磁極２〜５と駆動・位置検出ユニット２０〜２２との位置関係に応じて、図３の（Ｂ）〜（Ｄ）に示す検出信号をそれぞれ出力する。これらの検出信号を利用すると、回転子１のＳ極が固定子内でいずれの回転角位置にあるかを任意の時点において検出することができる。

図４は、図３の（Ａ）に示すインピーダンス検出回路３０_１、３０_２、３０_３における信号変換回路の構成の一例を示している。これらの信号変換回路３５_１、３５_２、３５_３はいずれも同じ構成を備えており、励磁コイル８のインピーダンスに対応した大きさのキャリア信号が入力される増幅器３６_１、３６_２、３６_３と、不要なノイズを除去する帯域透過フィルタ３７_１、３７_２、３７_３と、後段での処理を容易にするためのゲイン特性を有する信号処理回路３８_１、３８_２、３８_３とを備える。回転子１に形成された平面２６、２７が駆動・信号検出ユニット２０〜２５のいずれかに対向する位置に来たときに、その駆動・検出ユニットの励磁コイル８のインピーダンスが変化し、それに応じて、それぞれの信号処理回路３８_１、３８_２、３８_３は出力を減少させる。各信号処理回路３８_１、３８_２、３８_３から出力される検出信号が各対応の信号処理回路の下側に示されており、これらは図３の（Ｂ）〜（Ｄ）にそれぞれ対応する。

各信号処理回路３８_１、３８_２、３８_３からの検出信号は位相演算回路３９に入力され、位相演算回路３９において、入力された検出信号相互の位相判別演算が行われる。すなわち、位相演算回路３９は駆動・検出ユニット２０〜２２によって検出された平面２６、２７の位置、したがって回転子１に設けたＳ極の位置が回転角の中のどこの位置にあるか、換言すると、位相角は何度かを最終的に判別する。こうして判別された位相角は駆動制御回路４０に与えられ、判別された位相角に応じて、適切な磁極方向に励磁するために、固定子６の周方向に配置された６個の励磁コイル８のうちのどの励磁コイルに電流をどの方向にどのタイミングで流すかを決定し、所定の励磁コイルを励振する。こうした操作を所定の位相角毎に行い、励磁電力を励磁コイルに順次供給していって回転子１を回転磁極と同方向且つ同速度で回転させる。

なお、これまでに説明したインピーダンス検出回路３０_１〜３０_３、位相演算回路３９及び駆動制御回路４０によって、図１のブラシレス同期電動機の回転を制御する駆動制御装置が構成される。

この場合、キャリア信号生成回路３４が発生する高周波キャリア信号の周波数を、同期電動機の回転駆動回路により励磁コイル８に供給される励磁電力のキャリア周波数や回転子回転周波数に対して充分に高く設定することが望ましい。これは、ブラシレス同期電動機の駆動中であっても、励磁電力に重畳する高周波キャリア信号だけを抽出する機能をインダクタンス検出ユニット３０に設けることにより、回転子１の磁極位置を特定することができるからである。

なお、図３に関して、回転子１が回転している期間における回転子１の回転角位置の検出について説明したが、回転子１が停止しているときにも、高周波キャリア信号を各励磁コイル８に供給することにより、回転子１の回転位置と駆動磁極９との位置関係に規定された励磁コイル８のインピーダンスに応じて、信号処理回路３８_１、３８_２、３８_３から検出信号が出力されるので、始動前の回転子１の回転位置を検出することができる。これに基づいて各励磁コイル８に所定の電流を供給し、回転子１を始動させることができる。

このように、ブラシレス同期電動機が停止した状態から高回転数で回転している状態にわたる任意の状態において、回転子１の回転位置を検出することが可能になり、ブラシレス同期電動機の回転駆動を容易且つ正確に実施することができる。

図１〜図４の説明から理解されるように、本発明は駆動・位置検出ユニット２０〜２５の励磁コイル８と回転子１の表面との距離の変化を利用する。こうした距離の変化を生じさせるには、回転子１の断面形状を非円形とすればよい。その一例を図５に示す。同図において、回転子１の断面形状は楕円形であり、Ｓ磁極方向の径Ｄ_１はＮ磁極方向の径Ｄ_２より小さい。回転子１をこのような形状にしても、図１〜図４を用いて説明した実施の形態と同様の効果が得られる。

以上、本発明に係るブラシレス同期電動機の実施の形態を詳述してきたが、本発明はこうした実施の形態に限られるものではなく、種々の変形や修正が可能である。例えば、実施の形態はインナーロータ型のブラシレス同期電動機に関するものであるが、本発明はアウターロータ型にも適用可能である。

以上、本発明に係るブラシレス同期電動機の実施の形態について説明したところから理解されるように、本発明は、回転子の断面形状を非円形とすることにより、
（１）回転子が停止した状態から高速回転している状態までの任意の状態にわたって、回転子磁極の回転角位置を検出することができる、
（２）従来は必要とされた磁気電気変換素子のような磁気検出手段を設ける必要がなく、安価に、回転子の回転制御を行うことができる、
等の格別の効果を奏する。

本発明に係るブラシレス同期電動機の一つの実施の形態を概略的に示す図である。（Ａ）は、図１の励磁コイルに接続されるインピーダンス検出回路の構成例を示す図であり、（Ｂ）は、インピーダンス検出回路の出力信号を示す図である。（Ａ）は図１の３個の励磁コイルにインピーダンス検出回路を接続した図であり、（Ｂ）〜（Ｄ）は各インピーダンス検出回路から出力される検出信号をそれぞれ示す図である。図３に示すインピーダンス検出回路における信号変換回路の構成例を示す図である。本発明に係るブラシレス同期電動機の他の実施の形態を概略的に示す図である。従来のブラシレス同期電動機の一例を概略的に示す図である。図６における３個の磁気電気変換素子に接続された信号変換回路と、各信号変換回路から出力される検出信号を示す図である。

符号の説明

１：回転子、２〜５：突極磁石、６：固定子、７：ホール素子、８：励磁コイル、９：駆動磁極、２０〜２５：駆動・検出ユニット、２６、２７：平面、３０、３０_１、３０_２、３０_３：インピーダンス検出回路、３１：ダミーコイル、３２、３３：抵抗、３４：キャリア信号生成回路、３５、３５_１、３５_２、３５_３：信号変換回路、３９：位相演算回路、４０：駆動制御回路

Claims

突極磁石を周方向に配置した回転子と、励磁コイルが巻回された駆動磁極を周方向に配置した固定子とを具備するブラシレス同期電動機であって、
前記回転子の断面形状を非円形としたことを特徴とするブラシレス同期電動機。
前記回転子が、該回転子の一つの磁極方向に垂直な少なくとも一つの平面を有する筒状体であることを特徴とする、請求項１に記載のブラシレス同期電動機。
前記回転子が、該回転子の一つの磁極方向に長径を有する断面楕円形の筒状体であることを特徴とする、請求項１に記載のブラシレス同期電動機。
前記回転子の磁極方向を検出し、適正な回転角タイミングで前記励磁コイルに流す電流の方向とオン・オフを制御することにより前記回転子の回転駆動を制御する、請求項１〜３のいずれかに記載のブラシレス同期電動機のための駆動制御装置であって、
少なくとも一つの前記励磁コイルに接続され、前記駆動磁極と前記回転子との距離に応じた該励磁コイルのインピーダンスを表す検出信号を出力する検出回路を備えることを特徴とする駆動制御装置。
前記検出回路が高周波キャリア信号を生成する信号生成回路を備え、
前記高周波キャリア信号を前記励磁コイルに供給することにより前記励磁コイルのインピーダンスを検出し、もって、前記回転子の磁極判別を可能とする
ことを特徴とする、請求項４に記載の駆動制御装置。
前記検出回路が所定の数の前記励磁コイルに接続され、
前記回転子の停止期間に、それぞれの前記検出回路から得られた前記検出信号に基づいて前記回転子の回転角を求める
ことを特徴とする、請求項５に記載の駆動制御装置。
前記検出回路が所定の数の前記励磁コイルに接続され、
前記回転子の回転期間に、それぞれの前記検出回路から得られた前記検出信号に基づいて前記回転子の回転角を求め、該回転角に基づいてそれぞれの前記励磁コイルに供給する電力を制御する
ことを特徴とする、請求項５に記載の駆動制御装置。