JP3242087B2 - 単一ホール素子を有する２相ｂｌｄｃモータ - Google Patents
単一ホール素子を有する２相ｂｌｄｃモータInfo
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- H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
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- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
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- H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
- H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、単一ホール素子を
有する２相ブラシレス（BLDC：Brushless DC)モータに
係り、特に単一の位置検出素子を使用すると同時にデッ
ドポイント(deadpoint)なしにロータの駆動が可能なの
で、駆動回路が極に簡単であり、効率的な磁石の配置に
より高効率並びにトルクリプルの少ないBLDCモータに関
する。
有する２相ブラシレス（BLDC：Brushless DC)モータに
係り、特に単一の位置検出素子を使用すると同時にデッ
ドポイント(deadpoint)なしにロータの駆動が可能なの
で、駆動回路が極に簡単であり、効率的な磁石の配置に
より高効率並びにトルクリプルの少ないBLDCモータに関
する。
【０００２】
【従来の技術】一般的に、BLDCモータはステータコアを
有するか否やかによって分類すれば、コップ（円筒）構
造を有するコア型（又はラジアル型）とコアレス型（又
はアキシャル型）に分かれる。
有するか否やかによって分類すれば、コップ（円筒）構
造を有するコア型（又はラジアル型）とコアレス型（又
はアキシャル型）に分かれる。
【０００３】前記コア型構造のBLDCモータは、大別し
て、内周部に形成された多数の突起にコイルが巻き付け
られて電磁石構造を有する円筒形のステータと円筒形永
久磁石からなるロータで構成された内部磁石型、及び外
周部に形成された多数の突起にコイルが上下方向で巻き
付けられたステータとその外部に多極着磁された円筒形
永久磁石でロータとで構成された外部磁石型に分類され
る。
て、内周部に形成された多数の突起にコイルが巻き付け
られて電磁石構造を有する円筒形のステータと円筒形永
久磁石からなるロータで構成された内部磁石型、及び外
周部に形成された多数の突起にコイルが上下方向で巻き
付けられたステータとその外部に多極着磁された円筒形
永久磁石でロータとで構成された外部磁石型に分類され
る。
【０００４】このようなコア型BLDCモータは、磁気回路
が軸を中心にラジアル方向へ対称構造を有しているので
振動性ノイズが少なく、低速回転に適合し、トルクが良
好であるという長所を有している。その反面、ステータ
製作時に継鉄(yoke)の材料損失が大きく量産時に設備投
資費用が高いという短所を有している。また、ステータ
及びロータの構造が複雑であるため、薄形化に不利とな
り、効率化に難しさがあると共に、コーギング(coggin
g)トルクが発生するという問題点がある。
が軸を中心にラジアル方向へ対称構造を有しているので
振動性ノイズが少なく、低速回転に適合し、トルクが良
好であるという長所を有している。その反面、ステータ
製作時に継鉄(yoke)の材料損失が大きく量産時に設備投
資費用が高いという短所を有している。また、ステータ
及びロータの構造が複雑であるため、薄形化に不利とな
り、効率化に難しさがあると共に、コーギング(coggin
g)トルクが発生するという問題点がある。
【０００５】一方、前記コア型BLDCモータの短所を改善
するために提案された従来のコアレス型BLDCモータは、
環形磁石とヨークとからなるロータが回転軸に固着さ
れ、プリント回路基板(PCB)に多数のステータコイルが
巻回されてなるステータにベアリングを介して回転軸が
結合された構造を有している。
するために提案された従来のコアレス型BLDCモータは、
環形磁石とヨークとからなるロータが回転軸に固着さ
れ、プリント回路基板(PCB)に多数のステータコイルが
巻回されてなるステータにベアリングを介して回転軸が
結合された構造を有している。
【０００６】上記のコアレス型BLDCモータは、多数セッ
トの磁石が一体型からなるロータとその下側に配置され
た多数セットの電磁気力を発生するステータコイルから
なるステータとの間に軸方向と同一方向を有する上下方
向の磁気回路が形成されるので、ステータの吸入又は反
発力とステータの不均一な着磁に起因して、ベアリング
の間に緩衝スプリングを挿入させても軸方向の振動が構
造的に大きく発生するという問題点を有する。
トの磁石が一体型からなるロータとその下側に配置され
た多数セットの電磁気力を発生するステータコイルから
なるステータとの間に軸方向と同一方向を有する上下方
向の磁気回路が形成されるので、ステータの吸入又は反
発力とステータの不均一な着磁に起因して、ベアリング
の間に緩衝スプリングを挿入させても軸方向の振動が構
造的に大きく発生するという問題点を有する。
【０００７】また、前記軸方向の振動は、モータ装着回
転の駆動時に全体システムの共振を誘発させて回転騒音
を増加させる。従って、高速回転時にモータ全体の効率
は損失のない関係で良好である反面、回転騒音に振動性
騒音が合成されて異常音を誘発することとなる。
転の駆動時に全体システムの共振を誘発させて回転騒音
を増加させる。従って、高速回転時にモータ全体の効率
は損失のない関係で良好である反面、回転騒音に振動性
騒音が合成されて異常音を誘発することとなる。
【０００８】その結果、コア型BLDCモータと比べ材料損
失を最小化できるし、量産性に優れ、且つ薄形化及び小
形化が可能であって低価格及び高効率化を図ることがで
きるが、回転時に軸方向振動のために騒音発生が大きい
という致命的な短所を有している。
失を最小化できるし、量産性に優れ、且つ薄形化及び小
形化が可能であって低価格及び高効率化を図ることがで
きるが、回転時に軸方向振動のために騒音発生が大きい
という致命的な短所を有している。
【０００９】そこで、本出願人は、ロータの回転時に発
生する軸方向振動を相互相殺させると共に、トルクを２
倍以上に増加させるダブルロータ／ステータ方式のコア
レス型BLDCモータを提案している。このモータは、第１
及び第２ダブルロータの中間にそれぞれ多数の巻回され
たステータコイルがPCBの左右側に実装されたダブルス
テータ構造を有して、全体的にステータ及びロータ回転
軸に対し対称構造の磁気回路を形成する。
生する軸方向振動を相互相殺させると共に、トルクを２
倍以上に増加させるダブルロータ／ステータ方式のコア
レス型BLDCモータを提案している。このモータは、第１
及び第２ダブルロータの中間にそれぞれ多数の巻回され
たステータコイルがPCBの左右側に実装されたダブルス
テータ構造を有して、全体的にステータ及びロータ回転
軸に対し対称構造の磁気回路を形成する。
【００１０】従って、このダブルロータ構造は、ステー
タにより第１及び第２ロータに作用する吸引力又は反発
力を相互相殺させて、ロータの軸方向振動を最小化させ
たものである。一方、本出願人は、図７に示したよう
に、上記対称構造のダブルロータ／ステータ方式のコア
レス型BLDCモータのステータをインサートモールディン
グ方式による単一体に構成して、耐久性と生産費の節減
を図り得る改良発明を提案した。
タにより第１及び第２ロータに作用する吸引力又は反発
力を相互相殺させて、ロータの軸方向振動を最小化させ
たものである。一方、本出願人は、図７に示したよう
に、上記対称構造のダブルロータ／ステータ方式のコア
レス型BLDCモータのステータをインサートモールディン
グ方式による単一体に構成して、耐久性と生産費の節減
を図り得る改良発明を提案した。
【００１１】即ち、図示されたように、従来のBLDCモー
タは、上部／下部ケース71A,71Bの中間にステータ51の
外周部67が上／下に延長形成され、これらの間に結合さ
れて円筒形ケースを形成する。前記ステータ51の上下部
には所定のエアーギャップを置き磁石分割多極配置構造
を有する上部ロータ73A及び下部ロータ73Bが中央部のブ
ッシング75A,75Bを介して回転軸77に固着されている。
タは、上部／下部ケース71A,71Bの中間にステータ51の
外周部67が上／下に延長形成され、これらの間に結合さ
れて円筒形ケースを形成する。前記ステータ51の上下部
には所定のエアーギャップを置き磁石分割多極配置構造
を有する上部ロータ73A及び下部ロータ73Bが中央部のブ
ッシング75A,75Bを介して回転軸77に固着されている。
【００１２】前記BLDCモータが３相駆動である場合、各
ロータ73A,73Bは12個の磁石81A,81B、即ち、6個のディ
スク型N極磁石81Aと６個のディスク型S極磁石81Bが交互
に非磁性体、例えば、PET、ナイロン66又はPBTからな
り、ブッシング75A,75Bと一体に形成された支持体79に
円周部が支持され、背面に環形の磁石ヨーク83A,83Bが
一体に取り付けられて、12個磁石81A,81Bに対する磁気
回路が形成された構造である。
ロータ73A,73Bは12個の磁石81A,81B、即ち、6個のディ
スク型N極磁石81Aと６個のディスク型S極磁石81Bが交互
に非磁性体、例えば、PET、ナイロン66又はPBTからな
り、ブッシング75A,75Bと一体に形成された支持体79に
円周部が支持され、背面に環形の磁石ヨーク83A,83Bが
一体に取り付けられて、12個磁石81A,81Bに対する磁気
回路が形成された構造である。
【００１３】一方、前記上部ロータ73Aの磁石ヨーク83A
の上側には、位置検出用補助磁石85が取り付けられ、前
記補助磁石85は上部ケース71Aの内周部に固着されたコ
ントロールPCB87の３個のホール素子(H1〜H3)89と対向
して配置されている。
の上側には、位置検出用補助磁石85が取り付けられ、前
記補助磁石85は上部ケース71Aの内周部に固着されたコ
ントロールPCB87の３個のホール素子(H1〜H3)89と対向
して配置されている。
【００１４】またコントロールPCB87の一側辺にはステ
ータ51の上部端子63が嵌合される雌コネクタ91が設置さ
れている。
ータ51の上部端子63が嵌合される雌コネクタ91が設置さ
れている。
【００１５】前記上部ケース71Aと下部ケース71Bの中央
部には上下部ベアリング93A,93Bが取り付けられ、前記
ベアリング93A,93Bを介してロータ73A,73Bの回転軸77が
回転可能に支持されている。また前記ステータ51は、９
個の角形ボビンコイル若しくは、ボビンレスコイル(L1
〜L3)55をインサートモールディング(Insert Molding)
方式によりサブプリント回路基板(PCB)57と共に樹脂絶
縁材料によりディスク形態に成形される。
部には上下部ベアリング93A,93Bが取り付けられ、前記
ベアリング93A,93Bを介してロータ73A,73Bの回転軸77が
回転可能に支持されている。また前記ステータ51は、９
個の角形ボビンコイル若しくは、ボビンレスコイル(L1
〜L3)55をインサートモールディング(Insert Molding)
方式によりサブプリント回路基板(PCB)57と共に樹脂絶
縁材料によりディスク形態に成形される。
【００１６】このような従来の３相駆動方式のBLDCモー
タは、図８に示すように、ロータに12個のN形及びS形磁
石81A,81Bが等間隔で配置され、ステータは９個のコイ
ル55が等間隔で配置されておいる。
タは、図８に示すように、ロータに12個のN形及びS形磁
石81A,81Bが等間隔で配置され、ステータは９個のコイ
ル55が等間隔で配置されておいる。
【００１７】このようなステータは、９個のコイル55が
u,v,wの各相毎に３個ずつ割当されて直列接続された
後、図１０に示すようにｙ結線方式により連結され、３
個の位置検出用ホール素子H1〜H3により順次ロータの位
置が検出されると、３相ロジックIC(95)により一定した
角度毎に３相のステータコイルL1〜L3のうち順次２個の
コイルに電流が流れるようにスイッチングトランジスタ
97を駆動させる。
u,v,wの各相毎に３個ずつ割当されて直列接続された
後、図１０に示すようにｙ結線方式により連結され、３
個の位置検出用ホール素子H1〜H3により順次ロータの位
置が検出されると、３相ロジックIC(95)により一定した
角度毎に３相のステータコイルL1〜L3のうち順次２個の
コイルに電流が流れるようにスイッチングトランジスタ
97を駆動させる。
【００１８】即ち、３相全波駆動方式のBLDCモータにお
いては、３相の終端点(end point)が相互連結されてお
り、１つの相に注目すると、電流が一方向に流れてから
再び反対方向に流れて消える３つの過程を反復する。
いては、３相の終端点(end point)が相互連結されてお
り、１つの相に注目すると、電流が一方向に流れてから
再び反対方向に流れて消える３つの過程を反復する。
【００１９】従って、このような３相全波駆動方式にお
いては、３個のホール素子と、３相ロジックIC及び６個
からなるスイッチトランジスタを必要として回路単価が
高くなるという問題点があった。
いては、３個のホール素子と、３相ロジックIC及び６個
からなるスイッチトランジスタを必要として回路単価が
高くなるという問題点があった。
【００２０】しかし、２相全波駆動方式は、一般的に２
個のホール素子と４個のスイッチングトランジスタを必
要とし、２相半波駆動方式では２個のホール素子と２個
のスイッチングトランジスタを必要とする。しかし、２
相半波駆動方式では必ず不起動領域又はデッドポイント
(dead point)が存在するこことなり、モータの起動時に
これを避けるための特別な対策を講ずることが必要であ
り、また誘起起電力（逆起電力）も低くなってモータの
効率が低く、トルクリプルも大きく現れる。
個のホール素子と４個のスイッチングトランジスタを必
要とし、２相半波駆動方式では２個のホール素子と２個
のスイッチングトランジスタを必要とする。しかし、２
相半波駆動方式では必ず不起動領域又はデッドポイント
(dead point)が存在するこことなり、モータの起動時に
これを避けるための特別な対策を講ずることが必要であ
り、また誘起起電力（逆起電力）も低くなってモータの
効率が低く、トルクリプルも大きく現れる。
【００２１】さらに、ＵＳＰNo.4,211,963号公報には、
放射方向に均一に磁化された２個の単極性(monopole)ゾ
ーンと、放射方向へ反対極性に磁化された２個の２極性
ゾーン(dipole zone)とに分割された非対称形ロータ及
び、そのロータの位置を検出するための１個のホール(h
all)素子を有する２相駆動方式ブラシレスDCモータが開
示されている。
放射方向に均一に磁化された２個の単極性(monopole)ゾ
ーンと、放射方向へ反対極性に磁化された２個の２極性
ゾーン(dipole zone)とに分割された非対称形ロータ及
び、そのロータの位置を検出するための１個のホール(h
all)素子を有する２相駆動方式ブラシレスDCモータが開
示されている。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】然るに、前記USP No.
4,211,963号公報には、ロータの位置検出に用いられる
２個の２極性ゾーンが２個の単極性ゾーンと一緒に単一
永久磁石の同一な円周上に分割磁化されて配置された構
造であるため、ロータを形成する永久磁石の磁化が難し
いという問題があった。
4,211,963号公報には、ロータの位置検出に用いられる
２個の２極性ゾーンが２個の単極性ゾーンと一緒に単一
永久磁石の同一な円周上に分割磁化されて配置された構
造であるため、ロータを形成する永久磁石の磁化が難し
いという問題があった。
【００２３】そこで本発明は、ロータの磁石（ポール
数）とステータのコイルの数とを同数として、各磁石間
の間隔を相互異なった間隔で配置し、これを２相半波駆
動方式により誘起起電力の正（＋）の値を有する部分で
スイッチング駆動が行われるようにして、ホール素子の
ような単一の位置検出素子を使用しながらもデッドポイ
ントなしにロータの回転駆動が可能なので駆動回路が極
に簡単な構成となり、高効率且つトルクリプルの少ない
BLDCモータを提供することを目的とする。
数）とステータのコイルの数とを同数として、各磁石間
の間隔を相互異なった間隔で配置し、これを２相半波駆
動方式により誘起起電力の正（＋）の値を有する部分で
スイッチング駆動が行われるようにして、ホール素子の
ような単一の位置検出素子を使用しながらもデッドポイ
ントなしにロータの回転駆動が可能なので駆動回路が極
に簡単な構成となり、高効率且つトルクリプルの少ない
BLDCモータを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、第１相コイルと第２相コイル及び環状の第
１支持体とを備え、前記第１相，第２相コイルはそれぞ
れｎ個のコイルで構成され、これらは２相駆動方式によ
り結線され、環状支持体に均一な間隔で配置されたステ
ータと、両端が回転可能に支持された軸と、ｎ個のＮ極
及びｎ個のＳ極磁石と、磁石と共に磁気回路を形成する
磁気ヨークと、環状の第２支持体とから構成され、前記
ステータと軸方向に所定のエアーギャップを有して前記
軸に支持され、ステータのコイルと同一な個数のＮ極と
Ｓ極磁石が交互に環状支持体に配置され、前記２ｎ個の
磁石はｎ個のＮ極及び極磁石対を形成し、それぞれの磁
石対は互いに同一な距離を置いて配置され、磁石の大き
さ：近い磁石間の距離：遠い磁石間の距離比が３：５：
７に設定されるロータと、前記２ｎ個のＮ極及びＳ極磁
石を検出することができるようにそれぞれのＮ極及びＳ
極磁石に対応した磁極として相互同一な長さで前記ロー
タに環状に配置されるｎ個のＮ極及びｎ個のＳ極磁石と
から構成された２ｎ個の補助磁石と、前記回転される補
助磁石から発生される磁束によりロータの磁極を検出し
てロータの回転位置信号を発生するための１つのホール
素子と、前記回転位置信号に従い２相駆動方式で結線さ
れた第１相コイル及び第２相コイルを交互に通電させる
ためのスイッチング制御手段とを具備し、前記第１相コ
イルと前記第２相コイルが２相半波駆動方式により誘起
起電力の正（＋）の値を有する部分で１８０度電気角毎
に周期的にスイッチング駆動される２相半波駆動方式Ｂ
ＬＤＣモータを提供する。
するために、第１相コイルと第２相コイル及び環状の第
１支持体とを備え、前記第１相，第２相コイルはそれぞ
れｎ個のコイルで構成され、これらは２相駆動方式によ
り結線され、環状支持体に均一な間隔で配置されたステ
ータと、両端が回転可能に支持された軸と、ｎ個のＮ極
及びｎ個のＳ極磁石と、磁石と共に磁気回路を形成する
磁気ヨークと、環状の第２支持体とから構成され、前記
ステータと軸方向に所定のエアーギャップを有して前記
軸に支持され、ステータのコイルと同一な個数のＮ極と
Ｓ極磁石が交互に環状支持体に配置され、前記２ｎ個の
磁石はｎ個のＮ極及び極磁石対を形成し、それぞれの磁
石対は互いに同一な距離を置いて配置され、磁石の大き
さ：近い磁石間の距離：遠い磁石間の距離比が３：５：
７に設定されるロータと、前記２ｎ個のＮ極及びＳ極磁
石を検出することができるようにそれぞれのＮ極及びＳ
極磁石に対応した磁極として相互同一な長さで前記ロー
タに環状に配置されるｎ個のＮ極及びｎ個のＳ極磁石と
から構成された２ｎ個の補助磁石と、前記回転される補
助磁石から発生される磁束によりロータの磁極を検出し
てロータの回転位置信号を発生するための１つのホール
素子と、前記回転位置信号に従い２相駆動方式で結線さ
れた第１相コイル及び第２相コイルを交互に通電させる
ためのスイッチング制御手段とを具備し、前記第１相コ
イルと前記第２相コイルが２相半波駆動方式により誘起
起電力の正（＋）の値を有する部分で１８０度電気角毎
に周期的にスイッチング駆動される２相半波駆動方式Ｂ
ＬＤＣモータを提供する。
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る
BLDCモータにおいて、ロータとステータ間の配置関係を
示す説明図、図２は本発明に適用される２相駆動方式ス
テータコイルの結線図、図３は図１でロータの回転時に
ロータとステータ間に作用する電磁気力を説明するため
に電気角と機械角に従い線形的にロータとステータを方
眼紙に示したグラフ、図４は本発明に係る２相駆動駆動
方式モータで電気角に従う誘起起電力を示すグラフ、図
５は本発明に係るロータの磁石と位置検出用センシング
磁石の配置関係を示すロータの概略平面図、図６は本発
明に係る単一ホール素子を用いた２相BLDCモータに対す
るスイッチング駆動回路図である。
施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る
BLDCモータにおいて、ロータとステータ間の配置関係を
示す説明図、図２は本発明に適用される２相駆動方式ス
テータコイルの結線図、図３は図１でロータの回転時に
ロータとステータ間に作用する電磁気力を説明するため
に電気角と機械角に従い線形的にロータとステータを方
眼紙に示したグラフ、図４は本発明に係る２相駆動駆動
方式モータで電気角に従う誘起起電力を示すグラフ、図
５は本発明に係るロータの磁石と位置検出用センシング
磁石の配置関係を示すロータの概略平面図、図６は本発
明に係る単一ホール素子を用いた２相BLDCモータに対す
るスイッチング駆動回路図である。
【００２８】本発明に係る新しい構造のモータは、２相
半波駆動方式であれば、単一ロータ／単一ステータから
なるBLDCモータまたは上記のダブルロータ／単一ステー
タ及びダブルステータ／単一ロータ構造のBLDCモータ等
のどんな方式のモータにも適用できる。
半波駆動方式であれば、単一ロータ／単一ステータから
なるBLDCモータまたは上記のダブルロータ／単一ステー
タ及びダブルステータ／単一ロータ構造のBLDCモータ等
のどんな方式のモータにも適用できる。
【００２９】従って、必要であれば、図７のダブルロー
タ／単一ステータ構造のBLDCモータを参考として本発明
を説明する。まず図１は、本発明に係るBLDCモータにお
いて、ロータとステータ間の配置関係を示すもので、ス
テータは2n個のステータコイル5A1〜5A5,5B1〜5B5を有
し、ロータはステータコイルと同一な2n個のロータ磁石
1A1〜1A5,1B1〜1B5を有する（ここで、nは正の数であ
る）。
タ／単一ステータ構造のBLDCモータを参考として本発明
を説明する。まず図１は、本発明に係るBLDCモータにお
いて、ロータとステータ間の配置関係を示すもので、ス
テータは2n個のステータコイル5A1〜5A5,5B1〜5B5を有
し、ロータはステータコイルと同一な2n個のロータ磁石
1A1〜1A5,1B1〜1B5を有する（ここで、nは正の数であ
る）。
【００３０】本発明に係るロータは、図５に示したよう
に全体的にディスク型非磁性体からなる支持体10Aに多
数セットのＮ極磁石とＳ極磁石が交互に貫通挿入された
構造をなす。
に全体的にディスク型非磁性体からなる支持体10Aに多
数セットのＮ極磁石とＳ極磁石が交互に貫通挿入された
構造をなす。
【００３１】ここで、nが５である場合、ロータ磁石は5
個のＮ極磁石1A1〜1A5と5個のＳ極磁石1B1〜1B5が交互
にロータ支持体10Aに配置され、ステータコイルは、図
２に示すように、２相駆動方式により結線されて、5個
のA相コイル5A1〜5A5と5個のB相コイル5B1〜5B5がそれ
ぞれ直列に接続され、それぞれの他端が共通接続されて
供給電圧が印加される結線構造をなす。
個のＮ極磁石1A1〜1A5と5個のＳ極磁石1B1〜1B5が交互
にロータ支持体10Aに配置され、ステータコイルは、図
２に示すように、２相駆動方式により結線されて、5個
のA相コイル5A1〜5A5と5個のB相コイル5B1〜5B5がそれ
ぞれ直列に接続され、それぞれの他端が共通接続されて
供給電圧が印加される結線構造をなす。
【００３２】この場合、5個のA相コイル5A1〜5A5と5個
のB相コイル5B1〜5B5は、図１に示すように、交互に一
つずつ配置され、この場合に必要に応じて図７に示した
ようにボビン型又はボビンレス型コイルをインサートモ
ールディング方式により樹脂絶縁材料でディスク形態に
一体に成形されるか、又はPCB基板にコイルを取り付け
た構造として形成される。
のB相コイル5B1〜5B5は、図１に示すように、交互に一
つずつ配置され、この場合に必要に応じて図７に示した
ようにボビン型又はボビンレス型コイルをインサートモ
ールディング方式により樹脂絶縁材料でディスク形態に
一体に成形されるか、又はPCB基板にコイルを取り付け
た構造として形成される。
【００３３】前記ステータコイル5A1〜5A5,5B1〜5B5
は、相互同一な間隔で同一な円周上に配置され、理想的
な場合にコイルとコイルの間隔は０で、ロータ磁石1A1
〜1A5,1B1〜1B5はそれぞれの磁石が隣接した２個のコイ
ルと対向した関係に配置されるか、下記の説明のように
配置間隔が同一でない。
は、相互同一な間隔で同一な円周上に配置され、理想的
な場合にコイルとコイルの間隔は０で、ロータ磁石1A1
〜1A5,1B1〜1B5はそれぞれの磁石が隣接した２個のコイ
ルと対向した関係に配置されるか、下記の説明のように
配置間隔が同一でない。
【００３４】図１のステータコイル5A1〜5A5,5B1〜5B5
とロータ磁石1A1〜1A5,1B1〜1B5の配置を一層易しく分
かるように線形的に示したグラフが図３に図示されてい
る。図３に示したように、巻き付けられたコイル5の一
方の幅は、方眼紙グラフの２間、それぞれのコイル5A1,
5B1の全体は６間で表示され、斜線で表示した各磁石1A
1,1B1の幅は３間で設定される。ここで、理想的な場合
にコイル5A1とコイル5B1の間隔は０である。
とロータ磁石1A1〜1A5,1B1〜1B5の配置を一層易しく分
かるように線形的に示したグラフが図３に図示されてい
る。図３に示したように、巻き付けられたコイル5の一
方の幅は、方眼紙グラフの２間、それぞれのコイル5A1,
5B1の全体は６間で表示され、斜線で表示した各磁石1A
1,1B1の幅は３間で設定される。ここで、理想的な場合
にコイル5A1とコイル5B1の間隔は０である。
【００３５】コイル5A1,5B1が固定されロータの磁石1A
1,1B1が移動することが実際の構造であるため、位置0か
ら12まで進行するに従い磁石1A1,1B1が１間ずつ右側に
進んでいる。10極、10コイルモータである場合、電気角
＝機械角×ポール数÷2の関係であるので、ロータ位置0
から位置12までロータ磁石1A1,1B1の位置移動で各段階
間の間隔は電気角30度、機械角6度に設定される。この
場合、各磁石間の間隔は２間と４間として相互異なって
設定される。従って、何れ一つの磁石中心から両方の磁
石中心までの距離X,Yの比(X:Y)は5:7=1:1.4で定められ
る。
1,1B1が移動することが実際の構造であるため、位置0か
ら12まで進行するに従い磁石1A1,1B1が１間ずつ右側に
進んでいる。10極、10コイルモータである場合、電気角
＝機械角×ポール数÷2の関係であるので、ロータ位置0
から位置12までロータ磁石1A1,1B1の位置移動で各段階
間の間隔は電気角30度、機械角6度に設定される。この
場合、各磁石間の間隔は２間と４間として相互異なって
設定される。従って、何れ一つの磁石中心から両方の磁
石中心までの距離X,Yの比(X:Y)は5:7=1:1.4で定められ
る。
【００３６】このような不均一な磁石の配置は、図８に
示した従来のBLDCモータにおいて均一な間隔で磁石を配
置したことと大きく大別される点である。上記の関係で
ロータの磁石とステータのコイルが配置されて相互相対
的に運動をすれば、コイル巻線にはフレーミングの右手
法則に従い下記（１）式のような関係式を有する誘起起
電力Eが得られ、このような誘起起電力Eは、モータの特
性を理解するに非常に重要である。
示した従来のBLDCモータにおいて均一な間隔で磁石を配
置したことと大きく大別される点である。上記の関係で
ロータの磁石とステータのコイルが配置されて相互相対
的に運動をすれば、コイル巻線にはフレーミングの右手
法則に従い下記（１）式のような関係式を有する誘起起
電力Eが得られ、このような誘起起電力Eは、モータの特
性を理解するに非常に重要である。
【００３７】Ｅ＝Ｂｌｖ …（１） ここで、Bは磁石の磁束密度(flux density)、lは磁束内
に置かれるコイル導線の長さ、vは磁石とコイル導線間
の相対速度を指す。
に置かれるコイル導線の長さ、vは磁石とコイル導線間
の相対速度を指す。
【００３８】前記（１）式でモータが一定した速度で回
転する場合、コイル巻線と磁石の大きさは一定であるの
で、コイル導線の長さlと磁石とコイル導線間の相対即
題vは一定した値を有し、従って、磁石とコイル巻線の
位置に従い、そしてコイル巻線がどのくらい磁束内に置
かれるかに従い誘起起電力Eの値が決定され、これは実
質的に磁束密度B値の変化を意味する。
転する場合、コイル巻線と磁石の大きさは一定であるの
で、コイル導線の長さlと磁石とコイル導線間の相対即
題vは一定した値を有し、従って、磁石とコイル巻線の
位置に従い、そしてコイル巻線がどのくらい磁束内に置
かれるかに従い誘起起電力Eの値が決定され、これは実
質的に磁束密度B値の変化を意味する。
【００３９】一方、モータの回転運動を起こす力Fはフ
レーミングの左手法則に従い一般に下記（２）式のよう
な関係式に定義される。 Ｆ＝Ｂｉｌ …（２） ここで、iはコイル導線に流れる電流である。
レーミングの左手法則に従い一般に下記（２）式のよう
な関係式に定義される。 Ｆ＝Ｂｉｌ …（２） ここで、iはコイル導線に流れる電流である。
【００４０】前記式２から分かるように、力Fは磁束密
度B値に直接に影響を受ける。ところが、磁束密度B値は
磁石のN,S極に従い正負が変わり、誘起起電力Eと力Fも
これにより変わるので、どんな形態のモータであるか、
コイル電線に流れる電流の方向を継続して変えてくれる
か、又は電流を切ってから再び流れてくれる動作を反復
することにより、ロータが一定した方向に回転できる。
度B値に直接に影響を受ける。ところが、磁束密度B値は
磁石のN,S極に従い正負が変わり、誘起起電力Eと力Fも
これにより変わるので、どんな形態のモータであるか、
コイル電線に流れる電流の方向を継続して変えてくれる
か、又は電流を切ってから再び流れてくれる動作を反復
することにより、ロータが一定した方向に回転できる。
【００４１】ここで、電流の流れ方向を転換させる時点
は誘起起電力E曲線を通して分かることが出きる。誘起
起電力Eが正の値を有するとき及び負の値を有するとき
に、流れる電流の方向は反対とならなければならない。
は誘起起電力E曲線を通して分かることが出きる。誘起
起電力Eが正の値を有するとき及び負の値を有するとき
に、流れる電流の方向は反対とならなければならない。
【００４２】ロータの磁石は、Ｎ極とＳ極が交互に現れ
るが、一般に無条件的に磁石とコイルとが多く重なると
いっても誘起起電力E値が大きくなることではない。図
３で例を上げると、ロータ位置9から位置11のようにコ
イル5A1の両側の巻線断面に相互反対の磁石1A1,1B5の極
が位置する場合、誘起起電力Eの値が補強される。その
理由は、２個のコイル5A1の巻線断面は実際に環形態に
連結された一つのコイル巻線の断面なのである。
るが、一般に無条件的に磁石とコイルとが多く重なると
いっても誘起起電力E値が大きくなることではない。図
３で例を上げると、ロータ位置9から位置11のようにコ
イル5A1の両側の巻線断面に相互反対の磁石1A1,1B5の極
が位置する場合、誘起起電力Eの値が補強される。その
理由は、２個のコイル5A1の巻線断面は実際に環形態に
連結された一つのコイル巻線の断面なのである。
【００４３】このような全ての状況を考慮して得た本発
明に係るモータの誘起起電力曲線は、図４に示すよう
に、本発明の２相(A相及びB相）誘起起電力曲線A,Bは磁
石の配置が非対称構造をなしているので、正の値と負の
値が対称のサイン波曲線をなす一般の２相誘起起電力曲
線と異なって非対称の曲線を成していることが分かる。
明に係るモータの誘起起電力曲線は、図４に示すよう
に、本発明の２相(A相及びB相）誘起起電力曲線A,Bは磁
石の配置が非対称構造をなしているので、正の値と負の
値が対称のサイン波曲線をなす一般の２相誘起起電力曲
線と異なって非対称の曲線を成していることが分かる。
【００４４】又、従来の２相半波駆動方式では、90度又
は180度通電時にそれぞれ不起動領域又は不起動点（デ
ッドポイント）が存在するため、モータの起動時にこれ
をさけるための特別な方策を講ずるべきである。
は180度通電時にそれぞれ不起動領域又は不起動点（デ
ッドポイント）が存在するため、モータの起動時にこれ
をさけるための特別な方策を講ずるべきである。
【００４５】しかし、本発明においては、２相の誘起起
電力曲線A,Bの正の値を有する部分がそれぞれ全体の電
気角360度のうち210度を占めながら対称的に交互に現れ
ている。従って、２相の誘起起電力曲線A,Bが重なる部
分、即ち、誘起起電力Eの大きさが１となる部分01〜04
で各相のステータコイル(L11：5A1〜5A5、L12：5B1〜5B
5）に対する電流印加を図６に示したスイッチング駆動
回路を用いて交互にスイッチングさせることによりモー
タを一定した方向に回転させることができる。
電力曲線A,Bの正の値を有する部分がそれぞれ全体の電
気角360度のうち210度を占めながら対称的に交互に現れ
ている。従って、２相の誘起起電力曲線A,Bが重なる部
分、即ち、誘起起電力Eの大きさが１となる部分01〜04
で各相のステータコイル(L11：5A1〜5A5、L12：5B1〜5B
5）に対する電流印加を図６に示したスイッチング駆動
回路を用いて交互にスイッチングさせることによりモー
タを一定した方向に回転させることができる。
【００４６】即ち、図６で斜線引きの誘起起電力A,Bの
１以上の正の値を有する部分だけが通電されるように駆
動して、本発明に係る２相半波駆動方式ではデッドポイ
ントがないと共に、トルクリプルも従来の２相半波駆動
方式と比較して少なく現れることがわかる。
１以上の正の値を有する部分だけが通電されるように駆
動して、本発明に係る２相半波駆動方式ではデッドポイ
ントがないと共に、トルクリプルも従来の２相半波駆動
方式と比較して少なく現れることがわかる。
【００４７】一般の３相全波駆動方式の場合は、u,v,w
３相の終端点が相互連結されており、一つの相の観点か
らみると、電流が一方向に流れてから再び反対方向に流
れて消える三つの過程を反復するか、又は本発明のよう
に単相（半波駆動）である場合は電流が流れるときに一
方向のみに流れる。
３相の終端点が相互連結されており、一つの相の観点か
らみると、電流が一方向に流れてから再び反対方向に流
れて消える三つの過程を反復するか、又は本発明のよう
に単相（半波駆動）である場合は電流が流れるときに一
方向のみに流れる。
【００４８】この場合、本発明では誘起起電力A,Bの１
以上の正の値を有する部分だけ通電されるように駆動す
るので、相対的に従来の駆動方式に比べ誘起起電力が相
当に大きい値を現し、これは回路に流れる電流が非常に
少なくなってモータの効率が高くなることを反証するも
のである。
以上の正の値を有する部分だけ通電されるように駆動す
るので、相対的に従来の駆動方式に比べ誘起起電力が相
当に大きい値を現し、これは回路に流れる電流が非常に
少なくなってモータの効率が高くなることを反証するも
のである。
【００４９】A相及びB相ステータコイル(L11：5A1〜5A
5、L12：5B1〜5B5）に対する通電スイッチングのために
は正確なスイッチング位置01〜04を感知することが必要
である。このため本発明では、図５に示したように、ロ
ータ10の主磁石1A1〜1A5,1B1〜1B5の内側に補助磁石15A
〜15Jを均一な間隔で設置し、これと対応されるステー
タ又はコントロールPCB87の同一な円周位置に単一のホ
ール素子IC(20;H)を配置して正確なスイッチング時点を
得る。
5、L12：5B1〜5B5）に対する通電スイッチングのために
は正確なスイッチング位置01〜04を感知することが必要
である。このため本発明では、図５に示したように、ロ
ータ10の主磁石1A1〜1A5,1B1〜1B5の内側に補助磁石15A
〜15Jを均一な間隔で設置し、これと対応されるステー
タ又はコントロールPCB87の同一な円周位置に単一のホ
ール素子IC(20;H)を配置して正確なスイッチング時点を
得る。
【００５０】前記補助磁石15A〜15Jのそれぞれの円弧角
θはロータ10の相互隣接して位置したＮ極及びＳ極磁石
対1A1,1B1乃至1A5,1B5のそれぞれの中間から隣接した磁
石対の中間地点に設定され、円弧角θは360/2nを有す
る。
θはロータ10の相互隣接して位置したＮ極及びＳ極磁石
対1A1,1B1乃至1A5,1B5のそれぞれの中間から隣接した磁
石対の中間地点に設定され、円弧角θは360/2nを有す
る。
【００５１】従って、ホール素子IC(H)は補助磁石15A〜
15Jの磁極を感知して一定したパルスを発生する。この
場合、補助磁石15A〜15JのＮ極磁石15A〜15EとＳ極磁石
15F〜15Jの間隔は主磁石1A1〜1A5,1B1〜1B5の間隔と異
なって一定に設定されてあるので、発生されるパルスは
デューティ50%の矩形波パルス信号が出力される。
15Jの磁極を感知して一定したパルスを発生する。この
場合、補助磁石15A〜15JのＮ極磁石15A〜15EとＳ極磁石
15F〜15Jの間隔は主磁石1A1〜1A5,1B1〜1B5の間隔と異
なって一定に設定されてあるので、発生されるパルスは
デューティ50%の矩形波パルス信号が出力される。
【００５２】本発明では単一のホール素子IC(H)を用
い、この場合図６に示したスイッチング駆動回路を用い
て各相のステータコイルL11,L12に供給される電流を交
互に印加できる。本発明に係るスイッチング駆動回路
は、ホール素子IC(H)によりロータ10の補助磁石15A〜15
Jを検出すると、ハイレベルHの矩形波パルス信号が周期
的に出力され、この信号はトランジスタTR1に印加され
る。
い、この場合図６に示したスイッチング駆動回路を用い
て各相のステータコイルL11,L12に供給される電流を交
互に印加できる。本発明に係るスイッチング駆動回路
は、ホール素子IC(H)によりロータ10の補助磁石15A〜15
Jを検出すると、ハイレベルHの矩形波パルス信号が周期
的に出力され、この信号はトランジスタTR1に印加され
る。
【００５３】よって、トランジスタTR1がターンオンさ
れると、A相のステータコイル111が通電される。その
後、ホール素子IC(H)からローレベルLの信号が印加され
ると、トランジスタTR1はターンオフされ、トランジス
タTR2がターンオンされてB相のステータコイルL12に電
流が流れるようになる。その結果、ロータ10は連続的な
回転力を得て回転する。図６で抵抗R1〜R4はスイッチン
グトランジスタTR1,TR2に対するバイアス電圧設定用抵
抗である。
れると、A相のステータコイル111が通電される。その
後、ホール素子IC(H)からローレベルLの信号が印加され
ると、トランジスタTR1はターンオフされ、トランジス
タTR2がターンオンされてB相のステータコイルL12に電
流が流れるようになる。その結果、ロータ10は連続的な
回転力を得て回転する。図６で抵抗R1〜R4はスイッチン
グトランジスタTR1,TR2に対するバイアス電圧設定用抵
抗である。
【００５４】従って、本発明に係るスイッチング駆動回
路は、図１０に示した従来のスイッチング駆動回路と比
較するとき、ロジックICを必要としない相当に簡単な構
造をなして経済性が高い。
路は、図１０に示した従来のスイッチング駆動回路と比
較するとき、ロジックICを必要としない相当に簡単な構
造をなして経済性が高い。
【００５５】また本発明が例えば、図７に示したような
ダブルロータ構造に適用される場合、前記補助磁石は、
ロータの支持体に貫通埋め込まれず、磁石ヨーク83Aの
背面にラバーマグネットを用いて付着させ、これと対向
のコントロールPCB87にホール素子20を設置することも
可能である。
ダブルロータ構造に適用される場合、前記補助磁石は、
ロータの支持体に貫通埋め込まれず、磁石ヨーク83Aの
背面にラバーマグネットを用いて付着させ、これと対向
のコントロールPCB87にホール素子20を設置することも
可能である。
【００５６】本発明では、ロータが多数のＮ形とＳ形磁
石対からなり、他の磁石対との距離は磁石対をなすＮ形
とＳ形磁石間の距離の２倍距離として同一な距離を置い
て配置されているので、即ち２個の磁石が一定した距離
を置き群をなして配置されているので誘起起電力が高
く、従って、２相半波駆動を採択する場合に消費電流が
少なくなって高い効率を図ることができる。
石対からなり、他の磁石対との距離は磁石対をなすＮ形
とＳ形磁石間の距離の２倍距離として同一な距離を置い
て配置されているので、即ち２個の磁石が一定した距離
を置き群をなして配置されているので誘起起電力が高
く、従って、２相半波駆動を採択する場合に消費電流が
少なくなって高い効率を図ることができる。
【００５７】本発明でロータの磁石とステータのコイル
及び補助磁石の磁石の数はそれぞれ２ｎ個になされるこ
とができるが、ここでｎ値は使用者所望のモータの性能
に従い決定されるモータの大きさに比例して適正な３以
上の値に決定されることが好ましい。
及び補助磁石の磁石の数はそれぞれ２ｎ個になされるこ
とができるが、ここでｎ値は使用者所望のモータの性能
に従い決定されるモータの大きさに比例して適正な３以
上の値に決定されることが好ましい。
【００５８】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、ロータの
磁石（ポール数）とステータのコイルの数を同数にし、
各磁石間の間隔を相互異なる間隔で配置し、これを２相
半波駆動方式により誘起起電力の正の値を有する部分で
スイッチング駆動が行われるようにして、単一の位置検
出素子を使用しながらもデッドポイントなしにロータの
回転駆動が可能なので、駆動回路が極に簡単で、高効率
とトルクリプルの少ないBLDCモータを得ることができ
る。
磁石（ポール数）とステータのコイルの数を同数にし、
各磁石間の間隔を相互異なる間隔で配置し、これを２相
半波駆動方式により誘起起電力の正の値を有する部分で
スイッチング駆動が行われるようにして、単一の位置検
出素子を使用しながらもデッドポイントなしにロータの
回転駆動が可能なので、駆動回路が極に簡単で、高効率
とトルクリプルの少ないBLDCモータを得ることができ
る。
【００５９】そして、本発明の原理は、２相半波駆動方
式を採択する場合、単一ロータ／単一ステータからなる
BLDCロータ、前記ダブルモータ／単一ステータ及びダブ
ルステータ／単一ロータ構造のBLDCモータなど何れの方
式のモータにも適用できる。以上、本発明を特定の好ま
しい実施形態を例上げて図示し説明したが、本発明は上
記実施形態に限定されず、本発明の要旨を外れない範囲
内で当該発明が属する技術分野で通常の知識を有したも
のにより多様な変更と修正が可能である。
式を採択する場合、単一ロータ／単一ステータからなる
BLDCロータ、前記ダブルモータ／単一ステータ及びダブ
ルステータ／単一ロータ構造のBLDCモータなど何れの方
式のモータにも適用できる。以上、本発明を特定の好ま
しい実施形態を例上げて図示し説明したが、本発明は上
記実施形態に限定されず、本発明の要旨を外れない範囲
内で当該発明が属する技術分野で通常の知識を有したも
のにより多様な変更と修正が可能である。
【図１】本発明に係るBLDCモータにおいてロータとステ
ータ間の配置関係を示した説明図である。
ータ間の配置関係を示した説明図である。
【図２】本発明に適用される２相駆動方式ステータコイ
ルの結線図である。
ルの結線図である。
【図３】図１においてロータの回転時にロータとステー
タ間に作用する電磁気力を説明するために電気角と機械
角に従い線形的にロータとステータの関係を方眼紙に示
したグラフである。
タ間に作用する電磁気力を説明するために電気角と機械
角に従い線形的にロータとステータの関係を方眼紙に示
したグラフである。
【図４】本発明に係る２相駆動方式モータにおいえ電気
角に従う誘起起電力を示すグラフである。
角に従う誘起起電力を示すグラフである。
【図５】本発明に係るロータの磁石と位置検出用補助磁
石の配置関係を示すロータの概略平面図である。
石の配置関係を示すロータの概略平面図である。
【図６】本発明に係る単一ホール素子を用いた２相BLDC
モータに対するスイッチング駆動回路図である。
モータに対するスイッチング駆動回路図である。
【図７】本発明が適用されるダブルロータ方式のBLDCモ
ータの構造を示す軸方向の断面図である。
ータの構造を示す軸方向の断面図である。
【図８】従来のBLDCモータにおいてロータとステータ間
の配置関係を示す説明図である。
の配置関係を示す説明図である。
【図９】３相駆動方式モータにおいて電気角に従う誘起
起電力を示すグラフである。
起電力を示すグラフである。
【図１０】従来の３相駆動方式BLDCモータに対するスイ
ッチング駆動回路図である。
ッチング駆動回路図である。
1A1〜1A5…N極磁石 1B1〜1B5…S極磁石 5A1〜5A5…A相コイル 5B1〜5B5…B相コイル 10…ロータ 10A…ロータ支持体 15A〜15J…補助磁石 20…ホール素子(H) 51…ステータ 55…コイル 57…補助PCB 59…ステータ体 63…連結端子 67…ステータ外周部 71A,71B…上部／下部ケース 73A,73B…上部／下部ロータ 75A,75B…ブッシング 77…回転軸 79…支持体 81A,81B…磁石 83A,83B…磁石ヨーク 85…補助磁石 87…コントロールPCB 89…ホール素子 91…連結端子 93A,93B…上部／下部ベアリング 95…３相ロジックIC 97…スイッチングトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−220062（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−201048（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−7108（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−302792（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02P 6/16 H02K 29/00,21/00
Claims (1)
- 【請求項１】 第１相コイルと第２相コイル及び環状の
第１支持体とを備え、前記第１相，第２相コイルはそれ
ぞれｎ個のコイルで形成され、これらは２相駆動方式に
より結線され、環状支持体に均一な間隔で配置されたス
テータと、 両端が回転可能に支持された軸と、 ｎ個のＮ極及びｎ個のＳ極磁石と、磁石と共に磁気回路
を形成する磁気ヨークと、環状の第２支持体とから構成
され、 前記ステータと軸方向に所定のエアーギャップを有して
前記軸に支持され、ステータのコイルと同一な個数のＮ
極とＳ極磁石が交互に環状支持体に配置され、前記２ｎ
個の磁石はｎ個のＮ極及び極磁石対を形成し、それぞれ
の磁石対は互いに同一な距離を置いて配置され、磁石の
大きさ：近い磁石間の距離：遠い磁石間の距離比が３：
５：７に設定されるロータと、 前記２ｎ個のＮ極及びＳ極磁石を検出することができる
ようにそれぞれのＮ極及びＳ極磁石に対応した磁極とし
て相互同一な長さで前記ロータに環状に配置されるｎ個
のＮ極及びｎ個のＳ極磁石とから構成された２ｎ個の補
助磁石と、 前記回転される補助磁石から発生される磁束によりロー
タの磁極を検出してロータの回転位置信号を発生するた
めの１つのホール素子と、 前記回転位置信号に従い２相駆動方式で結線された第１
相コイル及び第２相コイルを交互に通電させるためのス
イッチング制御手段と、 を具備し、前記第１相コイルと前記第２相コイルが２相
半波駆動方式により誘起起電力の正（＋）の値を有する
部分で１８０度電気角毎に周期的にスイッチング駆動さ
れることを特徴とする２相半波駆動方式ＢＬＤＣモー
タ。
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