JP2014107953A - ブラシレスモータおよび送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータにおけるロータ磁石の位置を磁気検出手段で検出する構造において、モータの効率が低下しない技術を提供する。
【解決手段】ラジアル着磁されたマグネット１１６と、マグネット１１６の端面において、その磁極の極性を検出するホール素子１３７とを備え、マグネット１１６の端面には、ホール素子１３７のオフ区間となる切り欠き２４が周方向で隣接する磁極の間の磁極間の少なくとも一部を含むように形成され、切り欠き２４の周方向距離が磁極間の周方向距離よりも長く設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータに関する。

ブラシレスモータは、ロータ磁石の位置を検出し、コイル電流を切り替えることによりモータを回転させている。ロータ磁石の位置を検出する方法としては、ホール素子を用いる構造が知られている。例えば、特許文献１には、複数のホール素子でロータの回転位置を検出するための構造として、ロータ磁石の磁極間に溝部を設け、ホール素子が反応しない区間を設ける技術が開示されている。

特開２００５−１２４３６８号公報

特許文献１には、磁極間に溝部を設けることで、ホール素子のオフ区間を明確にする技術が記載されている。しかしながら、この技術では、マグネットの着磁状態によってはホール素子のオフ区間が変化し、オフ区間が短くなった場合にはコギングトルクを打ち消す方向の負トルク（逆トルク）が発生し、モータの効率が低下する問題がある。

このような背景において、本発明は、ブラシレスモータにおけるロータ磁石の位置を磁気検出手段で検出する構造において、モータの効率が低下しない技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ラジアル着磁されたロータ磁石と、前記ロータ磁石の端面において、前記ロータ磁石の磁極の極性を検出する磁気検出手段とを備え、前記ロータ磁石の端面には、前記磁気検出手段のオフ区間となる切り欠きが周方向で隣接する磁極の境目の磁極間の少なくとも一部を含むように形成され、前記切り欠きの周方向距離が前記磁極間の周方向距離よりも長いことを特徴とするブラシレスモータである。

請求項１に記載の発明によれば、磁極間の寸法や位置の揺らぎを考慮した磁気検出手段のオフ区間が設定されるので、負トルクを発生させる区間での駆動電流の供給が抑制され、負トルクの発生が抑えられる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、合成トルクがコギングトルクよりも低い値となる区間が全周にわたって存在しないことを特徴とする。請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記切り欠きの周方向中心と前記磁極間の周方向中心は略同一であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記切り欠きの周方向中心と前記磁極間の周方向中心が異なる位置にあることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、駆動電流を供給するタイミングを決める進角を所望の値に設定することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のブラシレスモータを備えることを特徴とする送風機である。

本発明によれば、ブラシレスモータにおけるロータ磁石の位置を磁気検出手段で検出する構造において、モータの効率が低下しない技術が提供される。

実施形態のブラシレスモータを用いた軸流送風機の側断面図である。 実施形態ロータの一部を軸方向で切断した断面図（Ａ）とモータヨークの開口側から見た図（Ｂ）である。 実施形態のブラシレスモータの特性である。 比較例のブラシレスモータの特性である。 変形例のロータの一部を軸方向で切断した断面図である。

（構成）
図１には、軸流送風機１００が示されている。軸流送風機１００は、羽根１１３が一体化されたブラシレスモータ１０１を備えている。ブラシレスモータ１０１は、アウターロータ型の単相ブラシレスモータであり、ロータ１１０、ステータ１２０、ステータ１２０と一体となったその他の部品を備えている。

ロータ１１０は、ステータ１２０に対して回転する。ロータ１１０は、インペラ１１１を備えている。インペラ１１１は、樹脂製のハブ１１２、ハブ１１２と一体に成形されている羽根１１３、ハブ１１２の中心に埋め込まれて固定されたシャフト１１４、ハブの内側に固定された磁性材料により構成されるモータヨーク１１５、モータヨーク１１５の内側に固定されたロータ磁石であるマグネット１１６を備えている。

ステータ１２０は、磁性材料により構成されたステータコア１２１、インシュレータ１２２、コイル１２３を備えている。ステータコア１２１は、電磁鋼板等の磁性材料を複数枚積層した構造を有し、通常のアウターロータ型のブラシレスモータのステータコアと同様の形状を有している。この例において、ステータコア１２１は、軸方向から見た等角な位置に配置された４つの突極を有している。突極は、軸中心から離れる方向に延在し、その先端の部分が軸方向から見て略Ｔ型に開いた構造を有している。

ステータコア１２１には、樹脂製のインシュレータ１２２が装着されている。インシュレータ１２２によって、ステータコア１２１の突極が絶縁されている。インシュレータ１２２を介してステータコア１２１の突極に駆動コイルとなるコイル１２３が巻回されている。これらの構造は、通常のアウターロータ型のブラシレスモータと同じである。

ステータコア１２０は、樹脂製の軸受ハウジング１３１に固定されている。軸受ハウジング１３１は、モータベース１３２およびケーシング１３３と一体に成形されている。軸受ハウジング１３１には、軸受１３４，１３５が取り付けられ、軸受１３４，１３５によってシャフト１１４が回転自在な状態で保持されている。また、軸受ハウジング１３１には、回路基板１３６が固定され、回路基板１３６には、磁気検出手段であるホール素子１３７が取り付けられている。

図２には、モータヨーク１１５の内側にマグネット１１６を取り付けた状態の部材を軸方向で切断した断面図（Ａ）とモータヨークの開口側から見た図（Ｂ）が示されている。マグネット１１６は、厚みの薄い略円筒形状を有した永久磁石であり、周方向に沿ってＮＳＮＳと４極にラジアル着磁されている。図２には、周方向に沿って交互に配置されたＳ極２１とＮ極２２が記載されている。隣接するＳ極とＮ極との間には、異なる極性の着磁領域の間の領域である磁極間２３が形成されている。磁極間２３は、隣接する異なる極性の磁極の間に形成される生じる磁力が小さく、磁界の方向をホール素子により検出できない領域である。

マグネット１１６における軸方向の一方の端部（図２の下端部）の縁の部分には、周方向において磁極間２３を含み、周方向における寸法が磁極間２３の寸法Ｗ１よりも大きいＷ２である切り欠き２４が４ヶ所に設けられている。すなわち、マグネット１１６のＳ極２１およびＮ極２２は、図１のホール素子１３７によってその回転位置が検出されるが、ホール素子１３７が検知するマグネット１１６の端面側部位の磁極間２３の位置に、磁極間２３の周方向距離Ｗ１よりも長い切り欠き２４（周方向距離Ｗ２）を設けている。ここで、周方向における切り欠き２４の中央位置と磁極間２３の中央位置は、略一致している。

Ｗ２をＷ１よりもどれだけ大きくするかは、諸条件によって決まるが、後述する図４の合成トルクがコギングトルクよりも小さくなる現象が生じないように、Ｗ２の寸法を決めればよい。例えば、切り欠き２４を形成しない状態でモータのコギングトルクと合成トルクとを測定し、合成トルクがコギングトルクよりも小さい区間の位相角に相当する周方向距離をＷ１に加えることでＷ２の寸法とすることが出来る。なお、Ｗ１は、ばらつきがあり、ある程度の幅があるので、同一条件で製造した複数のサンプル（例えば、１０個のブラシレスモータ（合計４０箇所））における最大値が採用される。また、マグネットは多極着磁されており、隣り合うＷ１同士の中心角にばらつきがあるので、合成トルクがコギングトルクよりも小さい区間の位相角に相当する周方向距離よりも大きい値をＷ１に加えた値をＷ２の寸法とすることが望ましい。

一例であるが、例えば、切り欠き２４の周方向の寸法Ｗ２は、（Ｗ１の最大寸法）＋（合成トルクがコギングトルクよりも小さい区間の位相角に相当する周方向距離×１〜５）となる値に設定することができる。Ｗ２がこの範囲よりも小さいと、後述する負トルクの発生を抑制する効果が十分でなく、合成トルクがコギングトルクよりも小さくなる現象が無視できなくなる。また、Ｗ２が前記の範囲よりも大きいと、駆動電流がＯＦＦとなる区間が長くなり、モータとしての駆動力が低下する傾向が顕在化する。

図示省略されているが、回路基板１３６には、進角調整回路が搭載されている。進角調整回路は、ホール素子１３７の出力とコイル１２３への駆動電流の供給タイミングとの関係を設定する回路である。ホール素子１３７の出力とコイル１２３への駆動電流の供給タイミングとの関係は、予め実験的に得られたデータに基づいて決められている。進角調整回路によって、ホイール素子１３７の出力がどの値となった場合に、コイル１２３への駆動電流の供給をＯＮまたはＯＦＦにするかが決められている。

（作用）
ブラシレスモータでは、ホール素子によってロータ側の磁石の磁極の位置を検出し、それに基づいてステータ側のコイルに供給する駆動電流の切り替えのタイミングを決めている。ここで、ステータ側のコイルに供給する駆動電流の切り替えが理想的な状態からずれた場合、ロータを逆方向に引き戻そうとする磁力がステータ側のコイルからロータ型の磁石に作用する。この結果、短い区間であるが負トルクが発生し、その分モータの効率が低下する。

仮に、切り欠き２４が形成されていない場合、あるいはその周方向の寸法Ｗ２がＷ１以下である場合を考える。一般に磁極間２３の範囲は、マグネット１１６の着磁の際の微妙な条件の揺らぎやマグネット１１６材質等の影響を強く受け、その位置およびその範囲には、ばらつきが生じる。したがって、Ｗ２≦Ｗ１となる寸法に設定すると、ホール素子１３７が設計上検出してはいけないタイミングでマグネット１１６を検出する可能性が増大する。この場合、上述したステータ側のコイルに供給する駆動電流の切り替えが理想的な状態からずれた状態となり負トルクが発生する。

これに対して、Ｗ１＜Ｗ２とした場合、磁極間２３がホール素子１３７の近くを通過するタイミングにおけるホール素子１３７が磁気を検出しない区間（オフ区間）を長くでき、磁極間２３の位置およびその範囲にゆらぎがあっても、上述した意図しないホール素子１３７による磁気の検出を避けることができる。このため、上述したステータ側のコイルに供給する駆動電流の切り替えが理想的な状態からずれ、負トルクが発生する事態が防止される。

（測定結果）
図３には、図１および図２に示すブラシレスモータ１０１における位相（回転角）とトルクの関係を測定したグラグが示されている。図３には、Ｗ２＝Ｗ１＋（２°に相当する周方向距離×２）＝１１度に相当する周方向距離とした場合のデータが示されている。また、図４には、図１および図２に示すブラシレスモータ１０１において、Ｗ１＝Ｗ２とした比較例における位相（回転角）とトルクの関係を測定したグラグが示されている。

図３および図４における破線のコギングトルクは、コイル１２３への駆動電流に関係なく、ステータコア１２１の突極とマグネット１１６との間で作用する磁力に起因するトルクである。図示されるように、コギングトルクはロータ１１０の回転に従って周期的に正負が反転する。実線の合成トルクは、ステータコア１２１のコイル１２３に流される駆動電流に起因する駆動トルクと上述したコギングトルクとを合成したトルクである。

図４に示すように、Ｗ１＝Ｗ２の場合は、ホール素子１３７のオフ区間が短く、当該オフ区間の直後に合成トルクがコギングトルクよりも小さくなる区間（位相が８２度〜８４度の区間）がある。合成トルクは、駆動電流に起因する駆動トルクとコギングトルクとの和であるから、この区間では、駆動トルクが負となる負トルクが発生していることを図４は示している。これに対して、Ｗ２＞Ｗ１とした図３の場合は、図４の負トルクは見られない。

（優位性）
以上述べたように、ブラシレスモータ１０１は、ラジアル着磁されたマグネット１１６と、マグネット１１６の軸方向における端面において、マグネット１１６の磁極の極性を検出するホール素子１３７とを備え、マグネット１１６の軸方向における端面には、ホール素子１３７のオフ区間となる切り欠き２４が周方向で隣接する磁極の間の磁極間２３を含むように形成され、切り欠き２４の周方向距離Ｗ２が磁極間２３の周方向距離Ｗ１よりも長く設定されている。

この構造によれば、Ｗ２＞Ｗ１とし、ホール素子１３７のオフ区間を意図的に長く確保することで、図４に示すような負トルクの発生を抑えることができる。負トルクは、駆動電流がロータ１１０を本来回転すべき方向と逆の方向に回転させようとするトルクであるから、この区間では、無駄に駆動電流が消費される。本実施形態では、Ｗ２＞Ｗ１とすることで負トルクの発生を抑え、モータの効率を高めることができる。

（変形例）
図５には、切り欠き２４の中央位置と磁極間２３の中央位置をずらし、ロータ１１０の磁極位置とホール素子１３７による磁極検出位置の位相をずらした場合の例が示されている。この構造によれば、駆動電流を供給するタイミングを決める進角を所望の値に設定することができる。また、図５には、切り欠き２４の範囲の中に磁極間２３が含まれる場合の例が示されているが、切り欠き２４と磁極間２３とが周方向において一部で重なり、他の部分で重ならない構造も可能である。

（その他）
磁気を検出する手段としては、ホール素子以外に、磁気抵抗効果素子や磁気インピーダンス素子を用いることもできる。実施形態では、ロータが外側にあるアウターロータ型の単相ブラシレスモータの例を示したが、本発明は、ロータが内側にあるインナーロータ型のブラシレスモータに適用することもできる。実施形態では、本発明を利用したブラシレスモータを軸流送風機に用いる例を示したが、本発明を利用したブラシレスモータは、送風機用に限定されず、ブラシレスモータが適用可能なそれ以外の用途に利用することもできる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、磁気検出手段を備えたブラシレスモータに利用することができる。

１００…軸流送風機、１０１…ブラシレスモータ、１１０…ロータ、１１１…インペラ、１１２…ハブ、１１３…羽根、１１４…シャフト、１１５…モータヨーク、１１６…マグネット、１２０…ステータ、１２１…ステータコア、１２２…インシュレータ、１２３…コイル、１３１…軸受ハウジング、１３２…モータベース、１３３…ケーシング、１３４…軸受、１３５…軸受、１３６…回転基板、１３７…ホール素子、２１…Ｓ極（ロータ側の磁極）、２２…Ｎ極（ロータ側の磁極）、２３…磁極間、２４…切り欠き。

Claims (5)

1. ラジアル着磁されたロータ磁石と、
   前記ロータ磁石の端面において、前記ロータ磁石の磁極の極性を検出する磁気検出手段と
   を備え、
   前記ロータ磁石の端面には、前記磁気検出手段のオフ区間となる切り欠きが周方向で隣接する磁極の間の磁極間の少なくとも一部を含むように形成され、
   前記切り欠きの周方向距離が前記磁極間の周方向距離よりも長いことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 合成トルクがコギングトルクよりも低い値となる区間が全周にわたって存在しないことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記切り欠きの周方向中心と前記磁極間の周方向中心は略同一であ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モータ。
4. 前記切り欠きの周方向中心と前記磁極間の周方向中心が異なる位置にあ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モータ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のブラシレスモータを備えることを特徴とする送風機。
   

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