JP2008295222A - ブラシレスキャンドモータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの揺らぎやリップルが生じにくく、ロータの回転が脱調しにくいブラシレスキャンドモータ装置を提供する。
【解決手段】ブラシレスキャンドモータ装置は、複数の永久磁石１３を有するロータ１０と、複数のコイルＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２を有するステータ１２と、ロータとステータとの間に配置され、ロータを収容するキャン１４と、ロータの外周面に形成された、回転軸３に沿って延びる複数の第１溝１５と、複数のコイルに電気的に接続された複数のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６と、複数のスイッチング素子の開閉タイミングを制御するスイッチング制御部５０と、コイルに発生する逆起電力からロータの磁極位置を検出する位置検出部６０とを備える。複数の第１溝は、複数の永久磁石の磁極中心にそれぞれ配置されている。ロータはキャンの内部に導入された液体に浸漬される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を移送するポンプの駆動源として好適に用いられるブラシレスキャンドモータ装置に関するものである。

キャンドモータは、ロータとステータとの間にキャンが設けられ、キャンによりロータ室とステータ室とが完全に隔離された構成を有している。したがって、ロータ室からステータ室に流体が入り込むことがなく、流体によりステータが腐食することがないという利点がある。このような理由から、キャンドモータは、ポンプの駆動源として利用されている。

最近では、このキャンドモータとして、ブラシレスＤＣモータが採用されつつある。一般に、ブラシレスＤＣモータの駆動においては、ホール素子などのセンサを用いてロータの磁極位置を検出し、この磁極位置に応じてコイルへの通電タイミングを制御する。このようなセンサを用いた駆動方式は、センサによりロータの磁極位置を直接的に検出するため、コイルへの通電タイミングを精度よく制御することができる。

しかしながら、この駆動方式には、センサ取り付けのコストが高く、また、センサの耐熱温度が約１００℃と低いため、高温の流体がモータに流入する用途には採用しにくいという欠点がある。そこで、センサを用いずにロータの磁極位置を検出する、いわゆるセンサレス駆動方式が開発されている。このセンサレス駆動方式を代表する技術として、逆起電力を利用したロータの磁極位置を検出する技術がある。この技術は、ステータのコイルと交わる磁束（鎖交磁束）の時間的変化に起因してコイルに発生する逆起電力の波形からロータの磁極位置を間接的に検出し、コイルへの通電タイミングを制御するものである。

しかしながら、このようなセンサレス駆動方式では、ロータの磁極位置を間接的に検出するため、ロータの揺らぎやリップルに対して精度よく制御することが難しい。このため、急激な負荷変動に起因してロータの回転が脱調しやすい。特に、上述したキャンドモータにおいては、ロータとステータとの間のギャップが大きいため、ロータの揺らぎやリップルの制御がさらに困難となる。

特開２００２−３６９４２４号公報 特開２００２−１０１６８６号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ロータの揺らぎやリップルが生じにくく、ロータの回転が脱調しにくいブラシレスキャンドモータ装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、複数の永久磁石を有するロータと、複数のコイルを有するステータと、前記ロータと前記ステータとの間に配置され、前記ロータを収容するキャンと、前記ロータの外周面に形成された、回転軸に沿って延びる複数の第１溝と、前記複数のコイルに電気的に接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子の開閉タイミングを制御するスイッチング制御部と、前記コイルに発生する逆起電力から前記ロータの磁極位置を検出する位置検出部とを備え、前記複数の第１溝は、前記複数の永久磁石の磁極中心にそれぞれ配置されており、前記ロータは、前記キャンの内部に導入された液体に浸漬されることを特徴とするブラシレスキャンドモータ装置である。

本発明の好ましい態様は、前記複数の第１溝の径方向内側に形成された、回転軸に沿って延びる複数の第２溝をさらに備え、前記複数の第２溝は、前記複数の永久磁石の磁極中心にそれぞれ配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の永久磁石はロータヨークの外周面に固定され、
前記複数の第１溝は、前記複数の永久磁石の外面にそれぞれ形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の永久磁石はロータヨークの内部に埋設されており、前記複数の第１溝は、前記ロータヨークの外周面に形成されていることを特徴とする。

本発明の他の態様は、複数の永久磁石を有するロータと、複数のコイルを有するステータと、前記ロータと前記ステータとの間に配置され、前記ロータを収容するキャンと、前記ロータの外周面に形成された、回転軸に沿って延びる複数の第１溝と、前記複数の第１溝の径方向内側に形成された、回転軸に沿って延びる複数の第２溝と、前記複数のコイルに電気的に接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子の開閉タイミングを制御するスイッチング制御部とを備え、前記複数の第１溝および前記複数の第２溝は、前記複数の永久磁石の磁極中心にそれぞれ配置され、前記ロータは、前記キャンの内部に導入された液体に浸漬されることを特徴とするブラシレスキャンドモータ装置である。

本発明によれば、溝が磁気抵抗として永久磁石の磁力線に作用するため、ロータの内部において磁力線が揺らぎにくくなる。その結果、ロータの回転の揺らぎが低減され、ロータが脱調しにくくなる。また、磁力線のループが永久磁石の磁極中心を避けて形成されるため、結果として磁極中心の位置が明確となり、逆起電力に基づくセンサレス制御の精度が向上する。その結果、ロータの回転の揺らぎが低減され、ロータが脱調しにくくなる。さらに、溝は、キャン内部に導入された液体との接触により、ロータの回転の揺らぎを吸収するダンパーとしても機能するため、ロータの回転の揺らぎをより効果的に低減させるとともに、キャン内部に導入された液体を循環させることにより、冷却効果を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明および図面において、同一または相当する部材および構成には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るブラシレスキャンドモータ装置を備えた液体移送用ポンプを示す断面図である。図１に示すように、このポンプは、回転軸３に取り付けられた羽根車１と、羽根車１を収容するケーシング２と、回転軸３を介して羽根車１を回転させるブラシレスキャンドモータ４とを備えている。ケーシング２には吸込口２ａおよび吐出口２ｂが形成されている。羽根車１の回転により、水や油などの液体は吸込口２ａからケーシング２内に吸い込まれ、羽根車１により昇圧された後、吐出口２ｂから吐出される。

ブラシレスキャンドモータ４は、回転軸３に固定されたロータ１０と、ロータ１０の外周面を囲むように配置されたステータ１２と、ロータ１０とステータ１２との間に配置されたキャン１４と、モータフレーム７とを備えている。キャン１４は、有底円筒状の形状を有し、ロータ１０はキャン１４の内部に収容されている。キャン１４の開口部はモータフレーム７に固定されており、ロータ１０とステータ１２とはキャン１４によって互いに隔離されている。ケーシング２とモータフレーム７との間にはＯリング８が配置されている。

回転軸３は円筒形状を有しており、その内部には固定軸５が同心状に配置されている。固定軸５はキャン１４の底部に固定されている。回転軸３の両端部には滑り軸受６Ａ，６Ｂがそれぞれ固定されており、滑り軸受６Ａ，６Ｂの内周面と固定軸５の外周面とは滑り接触する。滑り軸受６Ａ，６Ｂの内周面と固定軸５の外周面との間には微小な隙間が形成されており、固定軸５と回転軸３との間にも隙間が形成されている。

図２は、図１のII-II線断面図である。図２に示すように、ロータ１０は円筒状のロータヨーク１１と、このロータヨーク１１の外周面に固定された複数の（本実施形態では４つの）永久磁石１３とを備えている。ロータヨーク１１は、鉄または積層された珪素鋼板から構成されている。永久磁石１３は、Ｎ極とＳ極が隣接して配置されている。これら４つの永久磁石１３は、全体として円筒状の形状を有し、それら永久磁石１３の外面はロータ１０の外周面を構成する。このようなタイプのロータを持つモータは、一般に、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータと呼ばれている。

各永久磁石１３の外面（すなわち、ロータ１０の外周面）には、回転軸３に沿って延びる４つの凹溝（第１溝）１５がそれぞれ形成されている。これら凹溝１５は各永久磁石１３の磁極中心に位置している。また、ロータヨーク１１の内周面（すなわち、ロータ１０の内周面）には、回転軸３に沿って延びる４つの凹溝（第２溝）１６が形成されている。これら凹溝１６も、各永久磁石１３の磁極中心に位置している。なお、凹溝１５，１６の数は、磁極数（すなわち永久磁石１３の数）と一致する。このような構成において、羽根車１の回転によって昇圧された液体の一部は、凹溝１５，１６（主に内側の凹溝１６）を通り、さらに回転軸３の内部を通って羽根車１の液体入口に戻される。このように、ロータ１０の駆動時には、ロータ１０はキャン１４の内部に導入された液体に浸漬される。

ここで、「凹溝が磁極中心に位置する」との意味について説明する。まず、永久磁石の配置の前提条件として、永久磁石の磁極は、ロータの半径方向を向くように構成される。そして、ロータには、複数の永久磁石が、隣接する永久磁石の磁極が互いに異なるように配置される。次に、凹溝は、磁極中心（すなわち永久磁石の中心部）からロータの半径方向に延びる延長線上に位置する。この定義に基づき、本実施形態では、図４及び図６に示すように、凹溝１５，１６は、永久磁石１３の中心部（磁極中心）からロータ１０の半径方向に延びる延長線上に配置されている。

ステータ１２は、６つのコイルＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２を有している。これらコイルＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２は動力線３０（図１参照）を介して後述する駆動部に接続されている。コイルＵ１は、ロータ１０に向かって突出したステータコア１２ａと、該ステータコア１２ａに巻かれた巻線ｕ１とを有している。同様に、コイルＵ２はステータコア１２ａと巻線ｕ２とを有し、コイルＶ１はステータコア１２ａと巻線ｖ１とを有し、コイルＶ２はステータコア１２ａと巻線ｖ２とを有し、コイルＷ１はステータコア１２ａと巻線ｗ１とを有し、コイルＷ２はステータコア１２ａと巻線ｗ２とを有している。コイルＵ１とコイルＵ２とは直列に接続されてＵ相を形成し、コイルＶ１とコイルＶ２とは直列に接続されてＶ相を形成し、コイルＷ１とコイルＷ２とは直列に接続されてＷ相を形成している。

図３は、ブラシレスキャンドモータ装置の全体構成を示すダイヤグラムである。図３に示すように、ブラシレスキャンドモータ４を駆動する駆動部７０は、インバータ４０、スイッチング制御部５０、および位置検出部６０により構成されている。インバータ４０は６つの半導体素子（スイッチング素子）Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６を有し、これら半導体素子は、Ｕ相巻線（巻線ｕ１および巻線ｕ２）、Ｖ相巻線（巻線ｖ１および巻線ｖ２）、Ｗ相巻線（巻線ｗ１および巻線ｗ２）に電気的に接続されている。インバータ４０はスイッチング制御部５０に接続されており、このスイッチング制御部５０により、半導体素子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６の開閉タイミング、すなわちＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線に通電するタイミングが制御される。

Ｕ相巻線（巻線ｕ１および巻線ｕ２）、Ｖ相巻線（巻線ｖ１および巻線ｖ２）、Ｗ相巻線（巻線ｗ１および巻線ｗ２）からなる三相巻線は、ロータ１０の磁極位置を検出する位置検出部６０に電気的に接続されている。この位置検出部６０は、コイルＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２と交わるロータ１０の永久磁石１３の磁束（鎖交磁束）の時間的変化に起因してコイルに発生する逆起電力を検出する。そして、逆起電力の波形からロータ１０の磁極位置を検出する。スイッチング制御部５０は、位置検出部６０によって検出されたロータ１０の磁極位置に基づいて、上記三相巻線のうちのいずれか２つに順に励磁電流を供給する。

図４はロータ１０に発生する磁力線を示す模式図である。上述したように、４極の永久磁石１３はＮ極とＳ極とが交互に表面に露出して配置されており、各永久磁石１３の磁極中心には凹溝１５，１６が形成されている。これらの凹溝１５，１６は磁気抵抗として働くので、図４に示すように、磁力線は磁極中心を避けて通ることになり、結果として磁極中心の位置が明瞭となる。

図５は、コイルに発生する逆起電力を示すグラフ図である。上述したように、本実施形態のロータ１０では、磁極中心の位置が明瞭であるので、コイル（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）に発生する逆起電力（誘起電圧）の波形は、図５に示すように正弦波状となる。位置検出部６０は、この逆起電力の波形を監視し、逆起電力がプラスからマイナスに転じた点およびマイナスからプラスに転じた点（以下、これらの点をゼロクロスポイントという）からロータ１０の磁極位置を検出する。

一般に、キャンドモータの場合、ロータ１０とステータ１２との間のギャップが大きいため、ロータ１０からステータ１２に入る磁力線が揺らぎやすい。このため、ロータ１０の実際の磁極位置と、逆起電力のゼロクロスポイントの位置とが正確に一致しない場合がある。本実施形態では、凹溝１５，１６が各永久磁石１３の磁極中心にあるので、この位置での磁気抵抗が大きくなり、ロータ１０で発生した磁力線が強制的に磁極中心を避けて通ることとなり、結果としてロータ１０の内部において磁力線の揺らぎが生じにくい。したがって、コイルに発生する逆起電力の波形は、図５に示すように、正弦波状となり、位置検出部６０は、逆起電力の波形のゼロクロスポイントからロータ１０の磁極位置を正確に検出することができる。これにより、センサレス駆動の信頼性を高めることができ、その結果、ロータ１０の回転リップルが生じにくくなり、脱調しにくくなる。

また、上記凹溝１５は機械的なダンパーとしても機能する。すなわち、図１に示すように、羽根車１の回転によって昇圧された液体の一部はキャン１４に導入され、キャン１４の内部は液体で満たされる。ロータ１０に形成された凹溝１５は、液体との接触によりロータ１０の回転抵抗となるが、その一方で、ロータ１０の回転の揺らぎを吸収するダンパーとしても機能する。また、内側の凹溝１６は液体の通路としても機能するので、図１に示すように、流通する液体により滑り軸受６Ａ，６Ｂを潤滑することができ、また液体によりロータ１０を冷却することができる。

図６は、ロータの他の構成例を示す断面図である。図６に示すように、このロータ２０は、ロータヨーク２１の内部に４枚の板状の永久磁石２３が埋設されている。このようなタイプのロータを有するモータは、一般に、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータと呼ばれる。このタイプでは、凹溝（第１溝）１５はロータヨーク２１の外周面に形成されている。凹溝（第２溝）１６は、上述のＳＰＭタイプのロータ１０と同様に、ロータヨーク２１の内周面（すなわち、ロータ２０の内周面）に形成されている。このタイプのロータ２０においても、磁極中心に凹溝１５，１６が形成されているので、これらの凹溝１５，１６が磁気抵抗となる。したがって、図６に示すように、磁極中心を避けるように磁力線が形成され、その結果、磁極中心の位置が明瞭となる。

図７は第２の実施形態に係るブラシレスキャンドモータ装置を示す断面図である。本実施形態では、図６に示すロータ２０が使用されている。ロータ２０は、滑り軸受６Ａ，６Ｂによって支持された回転軸３に固定されている。ロータ２０とステータ１２とはキャン１４により完全に隔離されている。キャン１４の上端は上部ブラケット８１Ａおよび上部側板８２Ａにより閉止されており、キャン１４の下端は下部側板８２Ｂ，下部ブラケット８１Ｂ，およびダイヤフラム８３により閉止されている。上部ブラケット８１Ａには、注液口８４が形成されており、プラグ８５によって閉止されている。キャン１４の内部には、水や油などの液体が封入されており、ロータ２０はこの液体中に完全に浸漬されている。なお、ダイヤフラム８３は、モータの内外圧をバランスさせるためのものである。

本実施形態に係るブラシレスキャンドモータ装置は、深井戸ポンプの駆動に好適に用いられる。図８は深井戸ポンプを示す模式図である。一般に、深井戸ポンプは地中の深い位置に配置され、モータの駆動部は地上に配置される。このため、モータと駆動部とをつなぐケーブルが長くなり、ケーブルを通って送信される信号にノイズが混入しやすい。このような理由から、第２実施形態では、フィードバック制御（磁極位置に基づく駆動トルク制御）を行わずにロータ２０を駆動する。図８では、インバータ４０を地上に配置し、ケーブル９３によりインバータ４０と水中のブラシレスキャンドモータ９１とを接続する。そして、ブラシレスキャンドモータ９１により水中の深井戸ポンプ９２を駆動する。なお、本実施形態においても、ロータ２０の磁極位置を検出するために、逆起電力を利用した位置検出部やホール素子などのセンサを設けることは可能である。

このようなオープンループ方式で駆動する場合は、ロータ２０の駆動トルクを大きくすることが好ましい。これは、駆動トルクを大きくすると、トルク変動があってもロータ２０が揺らぎにくく、脱調しにくくなるからである。ロータ２０の駆動トルクを大きくする方法は、いわゆる汎用インバータを用いて、逆起電力よりも大きな電圧（追加励磁電圧）をコイルに印加することである。一般に、逆起電力は、ロータ２０の回転速度が上昇するにしたがって、大きくなる。そこで、インバータ４０に代えて汎用インバータを用い、ロータ２０の回転速度に従って上昇する逆起電力よりも、やや大きい電圧をコイル（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）に印加して、追加励磁トルクを発生させてもよい。

図９は、磁石トルクと追加励磁トルクとの関係を示す図である。図９において、縦軸はトルクの値を表し、横軸は電流位相を表す。図９に示すように、磁石トルクＡに対して追加励磁トルクＢが発生し、これらが重畳して総合トルクＣが発生する。この場合においても、凹溝１５，１６により磁極中心の位置が明瞭であるため、ロータの脱調が生じにくい。

深井戸ポンプが設置される井戸は、一般に、井戸の径を細くすることにより掘削費用を低減することが望まれる。従って、使用する深井戸ポンプも細径であることが要求される。その結果、モータ出力は、径の大きさが同じであればモータの軸方向の長さで調整される。つまり、モータの径が制限された条件下では、モータ出力を大きくするためには、モータの軸方向の寸法を長くすることが必要とされる。本実施形態では、凹溝１５，１６およびキャン１４の内部に導入された液体により、ロータ２０の回転の揺らぎを低減し、運転速度を上げることが可能である。その結果、同じ揚程に対してポンプおよびモータの小型化が可能である。さらに、モータの内部に導入された液体は、凹溝１５，１６を通じて循環されるので、軸受６Ａ，６Ｂの潤滑とともに、冷却効果をあげることが可能である。

本発明の第１の実施形態に係るブラシレスキャンドモータ装置を備えた液体移送用ポンプを示す断面図である。 図１のII-II線断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るブラシレスキャンドモータ装置の全体構成を示すダイヤグラムである。 ロータに発生する磁力線を示す模式図である。 コイルに発生する逆起電力を示すグラフ図である。 ロータの他の構成例を示す断面図である。 第２の実施形態に係るブラシレスキャンドモータ装置を示す断面図である。 深井戸ポンプを示す模式図である。 磁石トルクと追加励磁トルクとの関係を示す図である。

符号の説明

１ 羽根車
２ ケーシング
３ 回転軸
４，９１ キャンドモータポンプ
５ 固定軸
６Ａ，６Ｂ 滑り軸受
７ モータフレーム
８ Ｏリング
１０，２０ ロータ
１１，２１ ロータヨーク
１２ ステータ
１３，２３ 永久磁石
１４ キャン
１５ 凹溝（第１溝）
１６ 凹溝（第２溝）
３０ 動力線
４０ インバータ
５０ スイッチング制御部
６０ 位置検出部
７０ 駆動部
８１Ａ 上部ブラケット
８１Ｂ 下部ブラケット
８２Ａ 上部側板
８２Ｂ 下部側板
８３ ダイヤフラム
８４ 注液口
８５ プラグ
９２ 深井戸ポンプ
９３ ケーブル
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６ 半導体素子（スイッチング素子）
Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２ コイル
ｕ１，ｕ２，ｖ１，ｖ２，ｗ１，ｗ２ 巻線

Claims (7)

1. 複数の永久磁石を有するロータと、
   複数のコイルを有するステータと、
   前記ロータと前記ステータとの間に配置され、前記ロータを収容するキャンと、
   前記ロータの外周面に形成された、回転軸に沿って延びる複数の第１溝と、
   前記複数のコイルに電気的に接続された複数のスイッチング素子と、
   前記複数のスイッチング素子の開閉タイミングを制御するスイッチング制御部と、
   前記コイルに発生する逆起電力から前記ロータの磁極位置を検出する位置検出部とを備え、
   前記複数の第１溝は、前記複数の永久磁石の磁極中心にそれぞれ配置されており、
   前記ロータは、前記キャンの内部に導入された液体に浸漬されることを特徴とするブラシレスキャンドモータ装置。
2. 前記複数の第１溝の径方向内側に形成された、回転軸に沿って延びる複数の第２溝をさらに備え、
   前記複数の第２溝は、前記複数の永久磁石の磁極中心にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスキャンドモータ装置。
3. 前記複数の永久磁石はロータヨークの外周面に固定され、
   前記複数の第１溝は、前記複数の永久磁石の外面にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスキャンドモータ装置。
4. 前記複数の永久磁石はロータヨークの内部に埋設されており、
   前記複数の第１溝は、前記ロータヨークの外周面に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスキャンドモータ装置。
5. 複数の永久磁石を有するロータと、
   複数のコイルを有するステータと、
   前記ロータと前記ステータとの間に配置され、前記ロータを収容するキャンと、
   前記ロータの外周面に形成された、回転軸に沿って延びる複数の第１溝と、
   前記複数の第１溝の径方向内側に形成された、回転軸に沿って延びる複数の第２溝と、
   前記複数のコイルに電気的に接続された複数のスイッチング素子と、
   前記複数のスイッチング素子の開閉タイミングを制御するスイッチング制御部とを備え、
   前記複数の第１溝および前記複数の第２溝は、前記複数の永久磁石の磁極中心にそれぞれ配置され、
   前記ロータは、前記キャンの内部に導入された液体に浸漬されることを特徴とするブラシレスキャンドモータ装置。
6. 前記複数の永久磁石はロータヨークの外周面に固定され、
   前記複数の第１溝は、前記複数の永久磁石の外面にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項５に記載のブラシレスキャンドモータ装置。
7. 前記複数の永久磁石はロータヨークの内部に埋設されており、
   前記複数の第１溝は、前記ロータヨークの外周面に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のブラシレスキャンドモータ装置。

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