JP2013207988A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ホールセンサの配置位置を工夫することで、ホールセンサの検知結果が遅れ位相になる欠点を解消した電動機を提供すること。
【解決手段】回転軸１１と、この回転軸１１に固定的に付されるロータ磁石１４を有したロータ１２と、このロータ１２の外周側に環状に形成されたヨークと同ヨークからロータ磁石１４に延びた複数のティースとを有したステータコア１５とティースに巻回されたコイルとからなるステータとを具備し、ロータ磁石１４による磁束の変化を検出してロータ１２の回転位置を検知する位置検知素子１７を備える電動機であって、位置検知素子１７は、径方向においてロータ磁石１４とコイルとの間、軸方向においてステータコアの上端面とロータ磁石１４の上端面との間に位置するようにし、かつ、磁束を検知する面を軸方向に向けて配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホールセンサ等の位置検知素子によってロータ磁石の回転位置を検知して駆動制御を行う電動機に関するものである。

以前から、ステータの内周側にロータが同軸的に配置されるインナーロータ型の電動機が存在する。例えば、図６に示すのは、回転軸１１を基準として、内周側に円筒状のロータ磁石１４を有したロータ１２が形成され、その外周側に環状に形成されステータコア１５及びコイル１６からなるステータ１３が形成されたラジアルエアギャップ型の電動機である。

通常、ロータ磁石１４はロータコア１２１を介して回転軸１１に同軸的に配置され、回転軸と共に回転する。そして、基板１８に固定されたホールセンサ１７を用いて、ロータ磁石１４の回転軸方向の磁束密度Ｂｚを検出し、Ｂｚがゼロとなる点（ゼロクロス点）を検出することで、ロータ１２の回転位置を検知する。この検知したロータ１２の回転位置に合わせてステータ１３のコイル１６に流す電流を制御することで電動機を駆動する。図６に示すように、従来、ホールセンサ１７はロータ磁石１４の上端面から軸方向に距離を置いた位置に設置されることが一般的である（例えば、特許文献１）。
特開２０１１−２２３７９４号公報

図１０（ａ）（ｂ）に示すのは、電動機全体の構成を表した断面図である。この図１０に（ａ）及び（ｂ）において、ロータ磁石１４はロータコア１２１を介して回転軸１１に同軸的に配置してロータ１２が構成され、その外周側にステータコア１５及びコイル１６からなるステータ１３が配置される。さらに詳しくは、ステータコア１５は、最外周側に環状に形成されたヨーク１５１と、このヨーク１５１から所定間隔（例えば、機械角で３０°）毎に内周側（ロータ磁石側）に延びたティース１５２とで構成されており、ティース１５２の先端のロータ磁石１４に面している箇所は対向面積を広く確保したティース先端部１５３として形成してある。これらのティース１５２のそれぞれに巻線が巻かれてコイル１６が構成される。ここで、ホールセンサ１７は、平面視においてティース先端部１５３の中央付近に配置されているものとする。

図１０においては、機械角で４５°毎にＮ極とＳ極が交互に入れ替わった８個の磁石１４１によりロータ磁石１４が構成されているため、ロータ１２が機械角で９０°回転すると、ロータ磁石１４の電気角における一周期（３６０°）がホールセンサ１７によって検知される。図１０（ａ）は、ロータ磁石１４の位相が０°の場合であり、図１０（ｂ）は、（ａ）の状態からロータ１２が機械角で３０°回転してロータ磁石１４の位相が電気角で１２０°の場合を表している。

ここで、図６に示す位置にホールセンサ１７を設置した場合、このホールセンサ１７にはロータ磁石１４からの磁束線とコイル１６からの磁束線の両方が影響する。図７は、図１０（ｂ）のＡ−Ａ’線断面におけるモータ運転時における磁束線の様子を表したものである。この図７からも分かるように、ロータ磁石１４の位相が電気角で１２０°の場合においては、ロータ磁石１４からの磁束線とコイル１６からの磁束線がホールセンサ１７に対して逆方向に印加されている。

図８に示すのは、図６の位置においてホールセンサ１７で磁束密度を計測した場合の結果を表した磁束密度波形である。図８（ａ）は、コイル１６による磁束を除いてロータ磁石１４のみによる磁束を電気角での一周期にわたって計測した磁束密度波形である。図８（ｂ）は、ロータ磁石１４による磁束を除いてコイル１６のみによる磁束を電気角での一周期にわたって計測した磁束密度波形である。そして、図８（ｃ）は、図８（ａ）、（ｂ）の磁束密度波形を重ね合わせた磁束密度波形である。すなわち、ロータ磁石１４による磁束とコイル１６による磁束を電気角での一周期にわたって計測した磁束密度波形である。図８（ａ）及び（ｂ）から分かるように、コイル磁束は磁石磁束の磁束密度波形に対して電気角でほぼ９０°位相が遅れる。そして、ゼロクロスの検出位相は、図８（ｃ）に示すように、コイルに通電した状態で検出するとコイル通電無しの場合に比較して位相が遅れる方向に変化する。
図８（ｃ）に示すように位相が遅れる方向に変化するのは、ゼロクロス付近、例えば、ロータ磁石１４の位相が１２０°の場合などにおいては、図７に示すように、磁石磁束とコイル磁束が逆向きに印加された結果、互いに弱め合うように作用するため、ホールセンサ１７で検出する磁束密度波形のゼロクロス点が結果として位相が遅れる方向にシフトしてしまうためである。

電動機の駆動制御は前記ホールセンサ１７によって検知したロータ磁石１４の回転位置に基づいて行われる。制御回路においては、磁石磁束の磁束密度波形のゼロクロスを検知し磁石のＮＳの切り替えを判断しているが、図８（ｃ）のようにホールセンサが検出する磁束密度波形に遅れが生じるとゼロクロス位置に遅れが生じ本来の切り替えタイミングに対して遅れる（ロータの位相の遅れ）ことになる。ロータの位相の遅れは、通電する電流値が増加するに従い、遅れが大きくなる。この理由は、図７のように磁石磁束とコイル磁束が逆向きに印加されて互いに弱め合うように作用する場合において、コイル１６に流れる電流値が増加するとコイル磁束も強くなるため、結果、ホールセンサ１７で検出する磁束密度波形のシフト量も大きくなってしまうからである。

また、図９に示すのは、図６の位置において負荷を変動させてホールセンサ１７で磁束密度を計測した場合の結果を表したグラフであり、（ａ）は軽負荷時、（ｂ）は中間負荷時、（ｃ）は定格負荷時の磁束密度波形をそれぞれ表している。この図９（ａ）乃至（ｃ）から分かるように、負荷が大きくなるに従って位置検知の遅れが大きくなっている。ここでいう負荷の大きさとは、例えば、回転トルクの大きさであり、エアコンの送風ファンにおいては、回転数が高くなるほど回転トルクが大きくなり、トルクが大きくなると大きな電流を必要とする。よって、ステータ１３のコイル１６からの磁束量が多くなり、ロータ磁石の磁束を打ち消す方向の磁束量も増える。これが、位相検知の遅れの原因となる。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、ホールセンサの配置位置を工夫することで、ホールセンサの検知結果が遅れ位相になる欠点を解消した電動機を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１は、回転軸と、この回転軸に固定的に付されるロータ磁石を有したロータと、このロータの外周側に環状に形成されたヨークと同ヨークから前記ロータ磁石に延びた複数のティースとを有したステータコアと前記ティースに巻回されたコイルとからなるステータとを具備し、前記ロータ磁石による磁束の変化を検出してロータの回転位置を検知する位置検知素子を備える電動機であって、前記位置検知素子は、径方向においてロータ磁石とコイルとの間、軸方向においてステータコアの上端面とロータ磁石の上端面との間に位置するようにし、かつ、磁束を検知する面を軸方向に向けて配置したことを特徴とする電動機である。

本発明の請求項２は、請求項１に加えて、前記位置検知素子は、前記ティースの先端部の上端面上に配置されると共に、周方向においてティースの中央付近に位置するように配置したことを特徴とする電動機である。

請求項１記載の発明によれば、前記位置検知素子は、径方向においてロータ磁石とコイルとの間、軸方向においてステータコアの上端面とロータ磁石の上端面との間に位置するようにし、かつ、磁束を検知する面を軸方向に向けて配置したので、従来の問題点であったコイル通電による位置検知素子が検出する磁束密度波形の位相遅れが無くなり、位置検知素子で検知したロータ磁石の回転位置に基づいてモータを駆動するだけで、擬似的にモータを最適な進角で駆動することが可能となり、効率良くモータを駆動できる。

請求項２記載の発明によれば、前記位置検知素子は、前記ティースの先端部の上端面上に配置されると共に、周方向においてティースの中央付近に位置するように配置したので、隣接するステータコア１５に巻かれたコイル１６からの磁束の影響が無く、位置検知素子により磁束密度波形を検出できる。

本発明による電動機１０の構成を簡略化して表した模式図である。 図１に示す配置においてモータを運転した場合の磁束線の様子を表した模式図である。 図１の位置においてホールセンサ１７で磁束密度を計測した場合の結果を表したグラフである。 図１の位置において負荷を変動させてホールセンサ１７で磁束密度を計測した場合の結果を表したグラフであり、（ａ）は軽負荷時、（ｂ）は中間負荷時、（ｃ）は定格負荷時の磁束密度波形をそれぞれ表している。 モータ回転数とホールセンサ磁束密度波形の位相変化との関係を表したグラフである。 従来の電動機の構成を簡略化して表した模式図である。 図６に示す配置においてモータを運転した場合の磁束線の様子を表した模式図である。 図６の位置においてホールセンサ１７で磁束密度を計測した場合の結果を表したグラフである。 図６の位置において負荷を変動させてホールセンサ１７で磁束密度を計測した場合の結果を表したグラフであり、（ａ）は軽負荷時、（ｂ）は中間負荷時、（ｃ）は定格負荷時の磁束密度波形をそれぞれ表している。 電動機全体の構成を表した断面図であり、（ａ）は、ロータ磁石１４の位相が０°の場合、（ｂ）は、ロータ磁石１４の位相が１２０°の場合を表している。

本発明による電動機は、回転軸と、この回転軸に固定的に付されるロータ磁石を有したロータと、このロータの外周側に環状に形成されたヨークと同ヨークから前記ロータ磁石に延びた複数のティースとを有したステータコアと前記ティースに巻回されたコイルとからなるステータとを具備し、前記ロータ磁石による磁束の変化を検出してロータの回転位置を検知する位置検知素子を備える電動機であって、前記位置検知素子は、径方向においてロータ磁石とコイルとの間、軸方向においてステータコアの上端面とロータ磁石の上端面との間に位置するようにし、かつ、磁束を検知する面を軸方向に向けて配置したことを特徴とする。以下、詳細に説明を行う。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すのは、本発明による電動機１０の構成を簡略化して表した模式図である。この図１に示す電動機１０のロータ１２とステータ１３の構成は、先に述べた図１０（ａ）、（ｂ）と同様である。即ち、回転軸１１を基準として、内周側に円筒状のロータ１２が形成され、その外周側にドーナツ状のステータ１３が形成されたラジアルエアギャップ型の電動機である。ロータ１２を構成するロータ磁石１４は、回転方向にＮ極、Ｓ極が交互に配置されたものであり回転軸１１と共に回転する。本実施例では、ロータ１２を構成する永久磁石からなるロータ磁石１４の厚さ（軸方向の高さ）Ｌｒと、ステータ１３を構成するステータコア１５の厚さＬｓとの間に、Ｌｒ＞Ｌｓの関係が成立している。ただし、本発明はこれに限られず、少なくとも以下に述べる条件（Ｌｏｈ＞Ｌｈｓ）を満たせばよく、従ってＬｒ≦Ｌｓであってもよい。

本発明は、ホールセンサ１７の設置位置に特徴を有するものである。具体的には、図１に示すように、前記ステータコア１５の上端面からロータ磁石１４の上端面までの高さをＬｏｈ、前記ステータコア１５の上端面からホールセンサ１７の位置までの高さをＬｈｓとしたときに、Ｌｏｈ＞Ｌｈｓの関係が成立する位置にホールセンサ１７を設置することを特徴とする。また、図２に示すように、ホールセンサ１７は、径方向において、ロータ磁石１４とコイル１６との間に位置するように設置される。さらに、ホールセンサ１７は、回転軸方向の磁束密度Ｂｚを検出可能な向きに設置する。ホールセンサ１７は、基板１８に接続される。この場合、ホールセンサ１７と基板１８との間は、リード線１９により接続されている。なお、ホールセンサ１７は、図示しないホルダにより保持されることが好ましい。

図２に示すのは、図１に示す配置においてモータを駆動した場合の磁束線の様子を表した模式図である。この図２は、ロータ磁石１４の位相が１２０°の状態である図１０（ｂ）のＡ−Ａ’線断面における磁束線の様子を表している。この図２からも分かるように、従来のロータ磁石１４からの円弧状の磁束線をロータ磁石１４の上方で検知するのではなく、ロータ磁石１４の側面においてロータ磁石１４とステータコア１５との間に生じる磁束線をホールセンサ１７で検知するようにしている点が特徴である。そして、ロータ磁石１４の位相が１２０°の状態においては、磁石磁束とコイル磁束が同じ向きに印加されて互いに強め合うように作用している。

図３に示すのは、図１の位置においてホールセンサ１７で磁束密度を計測した場合の結果を表した磁束密度波形である。図３（ａ）は、コイル１６による磁束を除いてロータ磁石１４のみによる磁束を電気角での一周期にわたって計測した磁束密度波形である。図３（ｂ）は、ロータ磁石１４による磁束を除いてコイル１６のみによる磁束を電気角での一周期にわたって計測した磁束密度波形である。そして、図３（ｃ）は、図３（ａ）、（ｂ）の磁束密度波形を重ね合わせた磁束密度波形である。すなわち、ロータ磁石１４による磁束とコイル１６による磁束を電気角での一周期にわたって計測した磁束密度波形である。図３（ａ）及び（ｂ）から分かるように、コイル磁束は磁石磁束の磁束密度波形に対して電気角でほぼ９０°位相が進む。そして、ゼロクロスの検出位相は、図３（ｃ）に示すように、コイルに通電した状態で検出するとコイル通電無しの場合に比較して位相が進む方向に変化する。
図３（ｃ）に示すように位相が進む方向に変化するのは、ゼロクロス付近、例えば、ロータ磁石１４の位相が１２０°の場合などにおいては、図２に示すように、磁石磁束とコイル磁束が同じ向きに印加された結果、互いに強め合うように作用するため、ホールセンサ１７で検出する磁束密度波形のゼロクロス点が結果として位相が進む方向にシフトするためである。

図４に示すのは、図１の位置において負荷を変動させてホールセンサ１７で磁束密度を計測した場合の結果を表したグラフであり、（ａ）は軽負荷時、（ｂ）は中間負荷時、（ｃ）は定格負荷時の磁束密度波形をそれぞれ表している。この図９（ａ）乃至（ｃ）から分かるように、負荷が大きくなるに従って、コイル通電無しの場合に比較してコイル通電有りの場合のホールセンサ１７が検出する磁束密度波形の位相の進みが大きくなっている。

図５に示すのは、モータ回転数とホールセンサ磁束密度波形の位相変化との関係を表したグラフである。従来のホールセンサ１７の配置では、回転数が増加するに従い、ゼロクロス点の位相の遅れが大きくなっている。それに対し、本発明のホールセンサ１７の配置では、回転数が増加するに従い、ゼロクロス点の位相の進みが大きくなっている。ここで比較した回転数は、軽負荷時における回転数、中負荷時における回転数、及び、定格負荷時における回転数である。
基本的に、ロータ１２の回転数とトルクが大きくなるほど、コイル１６に印加される交流電圧の周波数が高くなると共に電流値も大きくなるため、コイル１６のインダクタンスが大きくなって、コイル１６に印加する電圧の位相とコイルに流れる電流の位相との位相差も大きくなる。従って本発明ように、ロータ１２の回転数が増加するに従いホールセンサ１７が検知する磁束密度波形の位相の進みが大きくなる方が、効率良く電動機１０を駆動できるというメリットがある。

以上のように、本発明のホールセンサ１７の配置とすることで、従来の問題点であったコイル通電した場合にホールセンサが検出する磁束密度波形のゼロクロス点の位相遅れによる電流位相の切り替えタイミングの遅れが無くなる。本発明においては、ホールセンサが検出する磁束密度波形のゼロクロス点が全て位相が進む方向への変化として検知されるため、ステータ１３のコイル１６の電流位相を進めて切り替えタイミングを早める進角制御を行う必要がなく、ホールセンサ１７で検知したロータ磁石１４の回転位置に基づいてモータを駆動するだけで、モータを最適な進角で駆動することが可能となり、効率良くモータを駆動できる。

前記実施例においては、ホールセンサ１７の設置位置について、径方向についてはロータ磁石１４とコイル１６との間であること、軸方向についてはステータコア１５の上端面とロータ磁石１４の上端面との間であることを条件とした。ここで、ホールセンサ１７の設置位置については、さらに、ステータ１３の周方向の設置位置も磁束密度波形に影響する。

具体的には、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、ステータコア１５は、最外周側に環状に形成されたヨーク１５１と、このヨーク１５１から所定間隔（例えば、３０°）毎に内周側（ロータ磁石側）に延びたティース１５２とで構成されており、ティース１５２の先端のロータ磁石１４に面している箇所は対向面積を広く確保したティース先端部１５３として形成してある。ここで、ステータ１３の内周面を周方向に見ていくと、３０°毎に隣のティース先端部１５３との境界が現れる。本発明においてはこのティース先端部１５３の上端面上にホールセンサ１７を形成することを条件としているが、ホールセンサ１７を隣のステータコア１５との境界付近に設置すると、隣接するティース１５２に巻かれたコイル１６からの磁束が影響して、必ずしも位相が進み方向に変化しないという問題がある。

そこで、ホールセンサ１７の周方向の設置位置については、前記ティースの先端部の上端面上に配置されると共に、隣接するティースに巻き回されるコイルからの影響を受けないように、周方向においてティースの中央付近に位置するように配置することで、確実に位相が進み方向に変化する。具体的には、巻線の巻かれたティース１５２の中心部分の幅の範囲内に収まるように配置することが好ましい。

前記実施例においては、位置検知素子としてホールセンサ１７を用いて説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではない。ホールセンサに限らず、回転軸方向の磁束密度Ｂｚを検出可能な位置検知素子であればよく、例えば、磁気抵抗素子なども適用可能である。

１０…電動機、１１…回転軸、１２…ロータ、１２１…ロータコア、１３…ステータ、１４…ロータ磁石、１５…ステータコア、１５１…ヨーク、１５２…ティース、１５３…ティース先端部、１６…コイル、１７…ホールセンサ、１８…基板、１９…リード線。

Claims (2)

1. 回転軸と、この回転軸に固定的に付されるロータ磁石を有したロータと、このロータの外周側に環状に形成されたヨークと同ヨークから前記ロータ磁石に延びた複数のティースとを有したステータコアと前記ティースに巻回されたコイルとからなるステータとを具備し、前記ロータ磁石による磁束の変化を検出してロータの回転位置を検知する位置検知素子を備える電動機であって、前記位置検知素子は、径方向においてロータ磁石とコイルとの間、軸方向においてステータコアの上端面とロータ磁石の上端面との間に位置するようにし、かつ、磁束を検知する面を軸方向に向けて配置したことを特徴とする電動機。
2. 前記位置検知素子は、前記ティースの先端部の上端面上に配置されると共に、周方向においてティースの中央付近に位置するように配置したことを特徴とする請求項１記載の電動機。

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