JP2007174778A - 単相ブラシレスｄｃモータ - Google Patents

Abstract

【課題】単相ブラシレスＤＣモータの通電電流波形を滑らかにして，モータ電磁加振力と回転トルクリップルをなくし，振動による騒音を抑制して，低騒音のファンモータを提供する。
【解決手段】バイポーラ通電の通電周期を精度良く測定し，カウンタでソフトスイッチングの開始点を通電半周期の６２．５％，７５％又は８７．５％以降と決め，残りの区間を８または１６の階段状に区切ってＰＷＭのデューティを徐々に減少させて駆動する。

【選択図】 図１

Description

本発明は，ファン駆動用ＤＣモータである単相ブラシレスＤＣモータ（以下モータと称する）に関するものである。

モータコイルへの通電方法としては、小形で比較的出力の小さなファンでは従来２相ユニポーラ通電方式が主流であったが，近年のファンの高風量化に伴い、モータの通電電流が増加し、単相バイポーラ通電が効率の点で良いため多く採用されている。

また、複写機に使用されるファンは、複写機の動作中は全速で回転し、待機中はファンの騒音低減やモータの温度上昇を低下させてファンの軸受けの長寿命化を計る目的で低速にする場合が多い。また、冷蔵庫に使用されるファンも急速冷却時には全速で回転し、保存状態ではファンを低速に運転して騒音を低減する。従来モータの可変速は電源電圧を変化させることで実施していたが，近年速度指令の専用電圧信号により，モータ巻線をＰＷＭ通電し高効率で可変速する手法が採用されている。入力モータを低速運転するとファンの羽根による風切り音は小さくなるが、モータの振動や電磁音が強調され不快感が生じる。

この種の一般的な可変速ファンモータの２相コイルに通電する電流波形は、それぞれ図７の７−１，７−２に示すように、モータの回転によるモータ逆起電力の影響で大きな歪みが生じていて、騒音や振動の原因となる。また，転流時にはモータコイルに蓄積されたエネルギーで電流が零に減衰するまで時間がかかり，その間回転方向とは逆方向のトルクを生成し，モータ効率を悪化させる。その対策にホール素子の配置を工夫して通電開始位置を早める進み角設定方式がある。しかし，半周期の通電区間が電気角で１８０度から大きく増加するため，結果として逆トルクは発生する。そこで本発明者等は，特許３２８０９００号公報で，２相ユニポーラ通電において，２相コイルに同時に通電させる区間の電流の和をほぼ一定に保つ定電流通電で、矩形波状であるコイル電流の立ち上がり、立ち下がりに傾きが生じさせるソフトスイッチング化を提案した。

また従来のバイポーラ通電方法では，図７の７−３のようにモータコイル通電電流波形は通電の末期にモータ逆起電力が低下するためモータコイル電流が急激に増加し，その直後に通電信号きれモータコイル電流は減衰の方向に向かう。この増加から減衰に転じる凸電流波形３０生じ，モータの半径方向の電磁加振力となり，モータロータの円環振動の原因となる。

また，特開２００４−０８８８７０号公報では，モータ可変速をＰＷＭ駆動で行う，電圧駆動方式のバイポーラ通電において，電流波形の凸部電流値を制限し、モータに生じるトルクリップルを低減し、ファンモータとしての低振動・低騒音化を図ることを提案した。

上記の目的を達成するためには高効率化のためバイポーラ通電が必須で，通電の末期電流を徐々に低下させるソフトスイッチングが必要になり，ホール素子出力電圧のピーク値を検出して，検出される位置を境にモータコイルの転流区間を６５〜８５％で二分し，通電開始前半を一定値の電流指令で，通電の後半の電流を徐々に低下させる方式を特願２００５−０４８１９５号公報で提案した。
特許３２８０９００号公報 特開２００４−０８８８７０号公報 特願２００５−０４８１９５号公報

しかしながら上述の如き従来のバイポーラ通電をアナログ的な回路方式で実施すると，ソフトスイッチング開始位置を検出すると精度が悪い，また電流を徐々に低下させる手段の精度も悪く，転流点での通電を零に近くすることが難しかった。マイコン等を付加する方式はあるが小型のファンには形状，コストの問題で無理がある。

本発明は上述の従来問題に留意し、精度良くソフトスイッチングを実現する方法を提案し，ソフトスイッチング開始の適切な位置を規定し，逆起電力とほぼ同位相で通電し，モータに生じるトルクリップルと電磁加振力を低減し低振動・低騒音化・高効率化を図り，且つ安価にモータを通電する回路を供給することを目的とする。

ホール素子信号の半周期の時間をクロックにより連続測定する手段と，直前の半周期時間を使用してソフトスイッチングの開始点をクロック基準に決めるタイミング発生手段と，開始点での指令値が通電終了時にほぼ零になるようなＰＷＭの減衰デューティ発生手段とを具備し，ソフトスイッチング開始位置をホール素子信号の半周期の６２．５％，７５％又は８７．５％以降とし，残り３７．５％，２５％又は１２．５％の領域を８または１６段階に区切ってＰＷＭのデューティを徐々に減少させて駆動する。 また，ソフトスイッチング手段がデジタル回路で構成され，電流指令値を階段状に下がるように出力し，ソフトスイッチング時にモータ巻線のインダクタンスに蓄積されたエネルギーを電流として循環させ、階段状波形の段差を滑らかにつなぎ，電流階段をある傾きを持って減衰させる。この減衰傾きを利用して電流波形の高調波成分を低減させる。その結果，モータに生じるトルクリップルとモータのステータコアとマグネット間の半径方向に生じる電磁加振力を低減し低振動・低騒音化が図れる。

本発明の効果は下記のように列挙される。
１．ソフトスイッチング開始位置は安価なデジタル回路で取り出しやすい値に設定され，しかもモータに生じるトルクリップル，電磁加振力を大幅に低減させる位置である。
２．騒音の原因となる通電末期のモータコイル電流の高調波成分については、ソフトスイッチング手段により，通流電流指令値により電流を徐々に低下させ転流点でほぼ零になるよう精度良く制御されるので大幅に低減させることが可能である。
３．ＰＷＭ駆動を付加する可変速運転時にも，ソフトスイッチングは転流点でほぼ零になるため，幅広い回転数領域で振動・騒音を著しく低減できる。
４．ソフトスイッチング部を含む定電流駆動化することで，モータに生じるトルクリップルを大幅に低減させることが可能である。その結果，振動・騒音を著しく低減できる。
５．モータコイルに発生する逆起電力とほぼ同位相で通電されるため，逆方向トルクの発生量が極めて少なく，高効率にモータを駆動できる。
６．本発明の回路構成は容易にＩＣ化が可能であり安価に構成できる。
以上説明したように、本発明に係る単相ブラシレスＤＣモータにおいては、従来品に比較し大幅な低振動・低騒音化が実現できる。

単相モータコイルを巻装したステータと、このステータと対向して回転自在に支持される多極着磁されたロータマグネットと、該ロータマグネットの磁極位置を検出するホール素子と、該ホール素子の信号から作られる通電信号の波形整形手段と、該通電信号により単相モータコイルを全波通電するパワートランジスタ群からなる通電回路を具備する駆動回路と，回転数指令電圧を受けてＰＷＭパルスを出力するＰＷＭパルス発生手段と，通電信号の半周期の時間をクロックにより連続測定する手段と，直前の半周期時間を使用してソフトスイッチングの開始点をクロック基準に決めるタイミング発生手段と，開始点での指令値が通電終了時にほぼ零になるような減衰階段電圧発生手段とを具備し，ソフトスイッチング開始位置をホール素子信号の半周期７５％以降とし，７５％以降の残り２５％を，８または１６段階に区切ってＰＷＭのデューティを徐々に減少させる。
更に，ソフトスイッチング部を含む定電流駆動によりモータに生じるトルクリップルを大幅に低減させる。

図２はモータの構成を示す図である。図１は本発明に係わる回路の信号の流れを示すブロック図である。１はロータコア，２はロータマグネット，３はロータマグネット２の磁極位置を検出するホール素子，４はステータコア，７と８はモータコイルである。１３はホール素子３の出力を増幅しデジタル信号に変換する波形整形回路でマグネット磁極信号を出力する。１４はクロックパルスを生成する発振回路，１５は波形整形回路出力の周期をクロックにより連続測定し，直前の周期時間を使用してソフトスイッチングの開始点をクロックを基準に決めるタイミング回路，２０は回転数指令電圧，１９はソフトスイッチング開始点での指令電流値が通電終了時にほぼ零になるような減衰階段電圧発生回路，
１６は速度指令電圧と減衰階段電圧発生回路出力の差分電圧を増幅する電圧発生回路，
１８は差動アンプの出力をＰＷＭパルスに変換するＰＷＭ発生回路，２１はホール素子信号の出力とＰＷＭ信号を受けてモータをバイポーラ通電するためのプリドライブＩＣであり，Ｈブリッジに接続されたパワートランジスタ２６，２７，２８，２９に接続され，モータコイル７と８を通電する構成となっている。

図４は本発明による駆動回路のタイミングチャートを示す図である。４−１はホール素子３の出力電圧波形であり，４−２は波形整形回路の出力波形である。４−３はＰＷＭ発生回路の出力のオンデューティ値を波高値として表す波形である。タイミング発生回路１５はカウンタで波形整形回路の出力波形４−２を図中のＡ，Ｂ，Ｃと順次パルス幅をカウントし，直前のパルス幅を用いてソフトスイッチング開始点である７５％位置をカウンタで検出するものである。また，減衰階段電圧発生回路１９はソフトスイッチング開始点以降の２５％の区間を，ＰＷＭオンデューティを通電終了時にほぼ零になるような波形を出力するものである。３−３は高速回転指令（ＰＷＭオンデューティ９０％）の場合を示し，３−４は低速回転指令（ＰＷＭオンデューティ２０％）の場合を示す図である。

直前パルスの周期Ａ，Ｂ，Ｃを測定し，例えばそれぞれ１／８周期毎に分割して，４／８，５／８，６／８，７／８位置を検出することはカウンタで容易に演算でき，それぞれソフトスイッチング開始位置は５０％，６２．５％，７５％，８７．５％となる。一方モータ回転トルクはモータ逆起電力とモータコイル電流の積として算出される。

図５はソフトスイッチング開始位置５０％，７５％，８７．５％とモータ回転トルクの関係を半周期分で示すものである。５−１はモータ逆起電力波形，５−２は回転数指令電圧，５−３はモータ逆起電力と回転数指令電圧で決まるモータコイル電流波形である。５−４はモータ回転トルクである。ソフトスイッチング開始位置５０％では逆起電力の最大値付近で，もっともトルク発生効率の良い位置であり，その点からモータコイル電流が減衰していくとモータ効率が悪化してしまい得策ではない。

また，コイルに流れている電流をＩ，コイルのインダクタンスをＬとするとコイルにはＬＩ^２／２のエネルギーが蓄積されていて，ソフトスッチング開始位置が８７．５％と短くなると蓄積エネルギーが放出しきれない現象が発生し電流の減衰が遅れる。その結果，逆起電力と電流の位相がずれて，８７．５％の回転トルク５−４図において，回転方向とは逆の負の回転トルク３１が多少発生し，モータ効率が悪化する。

入力５Ｗ程度のファンに実装してモータ出力を同一として評価すると，ソフトスイッチング開始位置７５％の入力を１とすると，５０％では１．０７倍，８７．５％では１．０４倍となった。したがって，本方式によるソフトスイッチング開始位置は７５％が最適といえる。また，ソフトスイッチング開始位置６２．５％と８７．５％も実用的な範囲にあると言える。

図６はソフトスイッチングの回転数指令の減衰階段数を４とした場合の電流波形を示すものである。減衰階段数を４とした場合の回転数指令電圧は３３で，モータコイルに流れる電流波形は３２のようになり各階段の部分に凸電流波形３０が現れ，階段周期Ｔ毎のビート現象と重畳されて，更に振動が大きくなり騒音悪化の原因となる。減衰階段数を８以上に増加させることで凸部電流の発生が抑制できる。

図８は減衰階段数を８として，入力５Ｗ程度のファンを４０００ｒ／ｍｉｎで駆動した場合のファンの振動と騒音特性である。８−１はファンケースの振動を測定したもので，３５は凸部電流が発生する場合で，３６は凸部電流無くなく滑らかに電流が低減する場合である。測定に使用したファンケースには５００Ｈｚから２５００Ｈｚ領域３４に共振周波数の固有値が多数存在し，モータコイル電流の高調波がモータ加振力を発生させその加振成分の高調波次数とファンケース振動固有値と一致周波数で機械共振が発生する。凸部電流無くない３６では，共振域３４で共振ピークが生じないことが分かる。

８−２はファンの騒音を測定したものである。３７は凸部電流が発生する場合で，３８は凸部電流が無く滑らかに電流が低減する場合である。上記振動特性の改善結果が同様に現れている。

上述した逆起電力に対する電流波形の遅れは，モータコイルのインダクタンスにも依存するため，ホール素子とステータ突極の位置関係を調整することにより，本発明の効果が良く現れるインダクタンスは３〜２５ｍＨである。

上述のようにモータコイルに電圧を印加する方式では，モータの回転数によりモータ逆起電力が変化することと，モータ巻線の電気的時定数の影響で逆起電力に対する電流の位相がずれて，逆回転トルクが生じ易く，回転トルクリップルやモータ効率に悪影響を及ぼす場合がある。電流の位相遅れを改善する方法として，モータコイルに通電される電流を指令値に一致するように通電する電流駆動方式がある。

図３は請求項３に係わる電流帰還ループ１２を付加した場合のブロック図である。Ｒｆはモータコイルの電流検出用の抵抗，１２は電流帰還ループ，１７は差動電圧発生回路出力と電流検出電圧の差電圧を取り出す差動アンプである。モータコイル７，８に流れる電流は電流検出抵抗Ｒｆにより電圧に変換されて，差動アンプ１７に入力され，回転数指令電圧２０とソフトスイッチング用の階段波形からなる電圧信号に一致するように，その偏差電圧が差動アンプ１７から出力される。

図９はこの電流駆動方式で，ソフトスイッチング開始位置７５％の場合のタイミングチャート図である。９−１はモータ逆起電力波形，９−２は回転数指令電圧，９−３は電流帰還ループで決まるモータコイル電流波形である。９−４はモータ回転トルクで，一周期分を示すものである。この電流波形９−３はモータ逆起電力に影響されず，電流位相に遅れが生じない。その結果，モータ回転数に関係なく設定した回転トルクを発生することが可能となり，高効率に駆動することが可能である。

また本発明の回路構成は容易にＩＣ化が可能であり，安価に構成できる。

本発明の各要素の基本技術は確立されていて，それを単相モータに応用することで，著しい特性改善が見込める。それはファン駆動用モータとして要求されるコスト，低振動，低騒音，高効率を兼ね備えた最適な駆動源となる。

本発明の回路ブロック図 本発明に係わるモータの構造概略図 本発明の回路ブロック図 本発明に係わるタイミングチャート図 本発明による電流波形・モータトルク波形の図 本発明による電流波形の図 従来方式の電流波形の図 本発明による振動特性 本発明による電流波形・モータトルク波形の図

符号の説明

１：ロータコア
２：ロータマグネット
３：ホール素子
４：ステータ
７，８：モータコイル
１１：ＤＣ電源
１２：電流帰還ループ
１３：波形整形回路
１４：発振回路
１５：タイミング回路
１６：電圧発生回路
１７：差動アンプ
１８：ＰＷＭ発生回路
１９：減衰階段電圧発生回路
２０：回転数指令電圧
２１：プリドライブＩＣ
２６，２７：上アームトランジスタ
２８，２９：上アームトランジスタ
３０：凸電流波形
３１：負の回転トルク
３２：電流波形
３３：回転数指令電圧
３４：共振域
３５：凸部電流がある場合の振動特性
３６：凸部電流が無い場合の振動特性
３７：凸部電流がある場合の騒音特性
３８：凸部電流が無い場合の騒音特性
Ｒｆ：電流検出抵抗
Ｔ ：階段周期

Claims (4)

1. 単相モータコイルを巻装したステータと、該ステータと対向して回転自在に支持される多極着磁されたロータマグネットと、該ロータマグネットの磁極位置を検出するホール素子と、該ホール素子の信号から作られる通電信号を波形整形手段と、該通電信号により単相モータコイルを全波通電するパワートランジスタ群からなる通電回路を具備する駆動回路と，回転数指令電圧を受けてＰＷＭパルスを出力するＰＷＭパルス発生手段と，通電信号の半周期の時間をクロックにより連続測定し，直前の半周期時間を使用してソフトスイッチングの開始点をクロック基準に決めるカウンタから成るタイミング発生手段と，開始点での指令値が通電終了時にほぼ零になるような減衰階段電圧発生手段とを具備し，ソフトスイッチング開始位置をホール素子信号の半周期の６２．５％，７５％又は８７．５％以降として駆動されることを特徴とする単相ブラシレスＤＣモータ。
2. 前記減衰階段電圧発生手段はホール素子信号の半周期の６２．５％，７５％又は８７．５％以降の残り３７．５％，２５％又は１２．５％を，８または１６段階に区切ってＰＷＭのデューティを徐々に減少させて駆動されることを特徴とする請求項１に記載の単相ブラシレスＤＣモータ。
3. 前記単相モータコイルに通電する電流値を設定する通電電流指令手段と，モータコイル電流値を検出する電流検出手段と，該電流検出手段にて検出した電流をフードバックする電流帰還ループ手段とを具備したことを特徴とする請求項１と２に記載の単相ブラシレスＤＣモータ。
4. 前記回路手段のワンチップＩＣ化，または単相モータコイル駆動トランジスタ以外の前記回路手段をワンチップＩＣ化し単相モータに搭載したことを特徴とする請求項１，２，３に記載の単相ブラシレスＤＣモータ。