JP3590121B2

JP3590121B2 - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP3590121B2
Application number: JP03770195A
Authority: JP
Inventors: 勲金田
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec America Corp
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: JPH08214524A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、マグネット式小型モータ全般、ファンモータおよび各種マイクロモータ等に好適なブラシレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、マグネット式小型モータ等のブラシレスモータにあっては、各種形状のものが採用されているが、なかでも構造が簡単で小型化に適したモータとして、インダクタ型モータがある。このインダクタ型モータは、環状のコイルボビンにコイルを巻装し、このコイルボビンの両端に磁極板を配置すると共に、それぞれの磁極板に設けられたポールつまり磁極歯を、周面に磁極が順次着磁されたロータマグネットの周面を囲むように配置したものである。
【０００３】
この場合、ロータ及びステータが等方性であれば各磁極歯との相対位置に拘らず、必ず死点を形成するため、あるいは回転方向が定まらないことがあるため、ロータの起動信頼性を高めかつ常に一定方向に回転させる手段、例えば起動補助コイルや隈取板が必要である。前者においては回転中無作用となる部分、後者においては前記磁極歯の一部に代えてあるいは各磁極歯と共に磁気的に結合された隈取極を要し、無駄な部分を発生させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来のブラシレスモータにあっては、ロータの起動信頼性を確保するため、例えば隈取板及び隈取極を必要とするから、構造が複雑化して組立作業性が悪くなるだけでなく、効率等の性能が低下すると共に、高価になるという問題を有している。
【０００５】
本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に留意してなされたものであり、その目的とするところは、複雑な構造上の工夫を要することなく、高い起動信頼性、高トルクが得られるブラシレスモータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシレスモータは、前記目的を達成するために、環状に巻回されたコイルと、このコイルの軸方向両面に配置されそれぞれコイルの内周または外周にほぼ交互に配置される複数の磁極歯を有する一対の磁極板と、コイルの内周部または外周部に回転自在に設けられ周方向にＮ極とＳ極とが交互に配列された円筒状のロータマグネットとを備え、このロータマグネットと各磁極歯とを半径方向に対向させ、かつ一対の磁極板の少なくとも一部分を結晶の磁化容易軸が方向性を有する方向性磁性体により構成したことを特徴とするものである。
この場合、磁極歯においてはその方向性が異なっていることが望ましい。
【０００７】
また、本発明において、ロータマグネットがその着磁方向を放射方向に対して偏位させた部分を含むとよい。
【０００８】
そして、この発明において、ロータマグネットの磁極を検知するセンサをロータマグネットに近接して設け、コイルを単相励磁構成とし、センサの検知信号に基づき、単相電源により実質的に休止期間を含まないで通電方向が逆転する双方向通電により駆動するのがよい。あるいは、コイルを２つの類似仕様のコイル体から構成し、この両コイル体を交互に駆動するようにしてもよい。
【００１０】
【作用】
前述のように構成されたブラシレスモータにあっては、環状に巻回されたコイルを励磁すると、一対の磁極板及びこれに形成された各磁極歯はその磁性体の表層における結晶の磁化容易軸に従って強く磁化され、ある磁極歯においては、その磁化中心が放射方向線から回転方向にずれるようになり、これに対向するロータマグネットの磁極との間に磁気的な吸引力または反発力が発生するが、ロータマグネットに発生する回転力が等方性素材の場合に比較して偏位するために、隈取板等を要することなくロータを回転させることができる。
【００１１】
ここで、一対の磁極板に方向性が付与されたことにより、磁化中心が放射方向線からずれる磁極歯が存在することになり、双方向励磁の通電の一方向においてロータと各磁極歯との相対位置による死点の形成が減少し、起動しやすくなる。
【００１２】
また、コイルの励磁によって一対の磁極板及びこれに形成された各磁極歯が磁化されると、これに対向するロータマグネットの磁極との間に磁気的な吸引力または反発力が生じるが、この時、ロータマグネットはその磁極の着磁方向が放射方向に対して偏位しているとすれば、各磁極とロータマグネットとの間の磁力が放射方向に対して偏位し、これにより異なる通電方向に対して磁場が回転し、回転力が発生する結果、隈取板等を要することなくロータが回転し始める。この理由は、単に異方軸の傾斜による磁束の偏在に基づいてロータが偏位するだけでなく、電流変化それゆえ磁化の強さの変化に応じて磁束の偏位が移動することにある。
【００１３】
そして、この発明において、環状に巻回されたコイルを単相電源により実質的に休止期間を含まないで通電方向が逆転する双方向通電により駆動する構成とすれば、コイルの励磁によって一対の磁極板及び各磁極歯が磁化されると、この残留磁気が消滅する以前に今度はコイルが逆方向に励磁され、いわゆる逆励磁動作が得られ、磁極板における磁気変化の幅が大きくなり、結果として大きなトルクを発生させることが可能となる。
【００１７】
【実施例】
本発明の実施例につき、図面を参照して説明する。
まず、実施例１を示した図１〜図４を用いて説明する。この実施例は、ブラシレスモータ（インダクタモータ）をファンモータに適用した場合を示し、図１は分解斜視図、図２は断面図、図３は概略回路図、図４はトルク波形図である。
【００１８】
ファンモータのハウジング２は、内周に風洞を形成するほぼ円筒形状の本体部４と、本体部４の両端に設けられた方形の取付フランジ部６と、送風方向下流側のフランジ部６における中心部分に３個の支持脚６を介して配置された基板部１０とからなり、これらが合成樹脂により一体成形されている。ハウジング２の基板部１０には、その中央部に送風方向上流側に向けて円筒状のベアリングタワー１２が突設されており、この内側にインペラ１４の回転シャフト１６が含油スリーブ軸受１８を介して回転自在に支持されている。
【００１９】
前記インペラ１４は、外周に複数枚の羽根２０を一体成形したカップ状の合成樹脂製ロータ本体２２と、このロータ本体２２の円筒部内周面に固定された円筒状のロータヨーク２４と、ロータヨーク２４の内周面に固定され周方向に複数の磁極つまりＮ極とＳ極とを交互に形成してなる円筒状ロータマグネット２６とを有し、ロータ本体２４の中心に回転シャフト１６の基部がインサート成形されている。回転シャフト１６をベアリングタワー１２内に挿通し、含油スリーブ軸受１８を介して回転自在に支持した状態では、このインペラ１４がハウジング２の本体部４内に回転自在に収納される。
【００２０】
ベアリングタワー１２の外側にはステータ２８が配設される。このステータ２８は、ベアリングタワー１２の外周面に嵌合固定されるホルダ３０に、コイルボビン３２及びこの両端に位置する一対の上下磁極板３４、３６を組み込んで構成され、コイルボビン３２には単相のコイル３８が例えば単巻きされている。このコイル３８は、後述する制御回路により双方向付勢され、コイルの励磁電流が実質的に休止期間を含まないで通電方向が逆転するいわゆる逆励磁動作によって駆動される。なお、コイル３８は複数のコイル体を並列もしくは直並列に接続して単相に構成してもよい。
【００２１】
上下磁極板３４、３６はそれぞれ、その中心を挟んだ対称位置に一対の上下磁極歯３５、３７を有し、上磁極板３４の両上磁極歯３５が下磁極板３６側に折曲げられ、下磁極板３６の両下磁極歯３７が上磁極板３４側に折曲げられ、上下磁極歯３５、３７がそれぞれコイルボビン３２の外側において交互に配置されている。この時、各磁極歯３５、３７はインペラ１４のロータマグネット２６の内周面に若干の隙間を介して対向している。また、このステータ２８の軸方向の磁気センタはロータマグネット２６の磁気センタに対して送風方向下流側にずれて配置されており、これによりインペラ１４に所要のスラスト力を作用させている。
【００２２】
ここで、前記上下磁極板３４、３６は、結晶の磁化容易軸が一方向性を示す方向性磁性体つまり方向性鋼板により構成されており、それぞれの磁化容易軸は図１に矢印で示すように、それぞれの一対の磁極歯３５、３７を結ぶ中心線に対して一定の偏位角を持った方向に形成されている。上下磁極板３４、３６に一体に設けられた上下磁極歯３５、３７も同様にその磁化容易軸が偏位しており、上下磁極歯３５、３７は軸方向に対し傾斜した方向にその磁化容易軸を有している。
【００２３】
ベアリングタワー１２の基部外周には、基板部１０の外径にほぼ等しい外径に形成された回路基板４０が固定されている。この回路基板４０には、ロータの回転位置、具体的にはロータマグネット２６の回転位置を検出するホール素子等の位置検出器４２がロータマグネット２６に近接するように実装され、さらにロータの回転制御回路を構成する回路部品が実装されており、前記ステータ２８におけるコイル３８の端部はこの回路基板４０上に接続されている。
【００２４】
ベアリングタワー１２の基部開口端には、合成樹脂からなるスラスト受け部材４４が基部側から嵌着されている。このスラスト受け部材４４には、その中央部に耐摩耗性金属材からなるスラストチップ４６が固着され、これに送風方向下流側に付勢されたシャフト１６の端部４８が当接し、スラスト支持される。なお、スラスト受け部材４４には、シャフト１６の端部側に形成された周溝５０に係合する抜け止めリング５２が装着され、シャフト１６が外力等により抜け出てしまわないようにしている。
【００２５】
図３は、回転制御回路５４の概略構成を示したものである。この回転制御回路５４は、コイル３８に接続されたスイッチング素子、例えばトランジスタブリッジＴ１〜Ｔ４をスイッチング制御する制御部５６を有し、この制御部５６に位置検出器４２からの検出信号がホールアンプ５８を通して入力される。制御部５６は、スタート信号Ｓ／Ｔ及び回転方向指令信号Ｆ／Ｒにより、コイル３８を実質的に休止期間を含まず磁極板３４、３６の磁化が残留する間に通電方向が逆転する双方向通電により駆動し、位置検出器４２からの検出信号が一定値の範囲を超えることにより回路網への通電を開始すると共に、この検出信号が一定値の範囲を交差する方向に応じて通電方向を切り換え、かつホールアンプ５８からの出力の極性を切り換える。この通電切り換えのタイミングは、例えば充放電回路に基づく切換回路５７によって設定される。すなわちＳ／Ｔ信号により数十ｍｓの期間コイル３８がある方向で励磁された後、通電方向が反転するステップを少なくとも１回含むことを特徴とする。
【００２６】
このような構成のブラシレスモータにあっては、コイルボビン３２に巻回されたコイル３８への通電を開始してこれを励磁すると、コイル３８によって発生する磁界により上下磁極板３４、３６及びこれに形成された上下磁極歯３５、３７が磁化される。この時の磁化方向はその鋼板における結晶の磁化容易軸及び通電方向に従うため、各磁極歯３５、３７においては、その磁化中心が放射方向線からずれるようになり、少なくとも一方の通電方向においてこれに対向するロータマグネット２６の磁極との間に磁気的な吸引力または反発力が斜め方向つまり回転方向成分を含んだ方向に生じ、ロータマグネット２６に回転力が発生し、ロータつまりインペラ１４が速やかに回転し始める。この場合の起動トルクは、電流切り換えの際、最初の通電の励磁が初期値として作用することにより磁束密度変化幅が増加する結果、増強される。
【００２７】
ロータが起動すると、位置検出器４２によりロータマグネット２６の回転位置つまり磁極の境目が検出され、この検出信号によりコイル３８への通電方向を切り換えることにより各磁極歯３５、３７にロータマグネット２６の対向磁極と逆極性になる電磁極が形成され、ロータに連続して回転力を与えることが可能となる。
【００２８】
図４は、この種ブラシレスモータの起動トルク波形を示したものであり、縦軸がトルク値、横軸がロータ回転角である。同図において、ａは無通電コギングトルクを示し、ｂ及びｃはそれぞれ位置検出器４２の出力電圧が正の時及び負の時の回転トルクを示している。この場合、磁極板３４、３６が方向性を有していることにより、センサを適切な位置に置いた場合では、等方性の場合と異なり、ロータマグネット２６の磁極検出に基づく電流の切り換えによるコイル３８への誘起電圧が位置検出器４２の極性に応じて位相ずれしている。
【００２９】
前記制御部５６は、この位相ずれを利用し、例えばホールアンプ５８からの位置検出器４２の極性を充放電に応じて反転している。従って、実際に得られる回転トルクは、図４に太線に示すように、位置検出器４２の出力電圧が正の時の回転トルクと負の時の回転トルクを反転したトルクとに渡ったゼロクロスのないものになり、単相励磁にも拘らず起動死点を解消した円滑な回転が得られることがわかる。
【００３０】
なお、上述した実施例においては、上下磁極板３４、３６を１方向性鋼板により形成した場合を示したが、これを互いに直交する２方向性を有する方向性鋼板により形成してもよく、あるいは上下磁極板３４、３６の方向性を互いに異ならせてもよく、さらには個別の磁極歯の配向を周期的もしくはランダムに相違ならしめてもよい。これらの場合には、前記実施例以上の起動特性を得ることもできる。
【００３１】
また、以上は、ステータ２８側の方向性についての実施例であるが、ステータ２８に対向するロータ側に方向性を持たせることにより前述と類似の作用を行わせることができる。すなわち、前記実施例では、インペラ１４に取り付けたロータマグネット２６が、周方向に配列された複数の磁極それぞれにおいて放射方向に着磁された場合を示しているが、この着磁方向を放射方向に対して回転方向に所要角度だけ偏位させる。この場合、配向方向も偏位せしめ、いわゆる異方マグネットを構成するようにしてもよい。
【００３２】
このようにすれば、起動時、上下磁極板３４、３６の各上下磁極歯３５、３７とロータマグネット２６の各磁極との間に作用する磁気的な吸引力または反発力が斜め方向つまり回転方向成分を含むことになり、ロータマグネット２６に回転力が発生し、インペラ１４が速やかに回転し始め、かつ空隙距離が一定に保たれることから、低振動、高効率に回転することになる。
【００３３】
また、前記実施例では、上下磁極板３４、３６にそれぞれ一対の磁極歯３５、３７を設けた場合を示したが、より多くの磁極歯を設けることもできる。その場合、各磁極歯を磁極板の折曲により形成してもよいが、磁極板に各磁極歯を溶接や接着等で接合することもでき、この場合に各磁極歯の方向性をそれぞれ任意に設定することにより、より回転特性の優れたブラシレスモータを得ることも可能である。
【００３４】
さらに、前記制御部５６では、コイル３８への通電切換に関して位置検出器４２の出力極性を反転する場合を示したが、この反転に代えて位置検出器４２つまりホール素子への印加電圧の極性を反転してもよく、あるいは位置検出器４２の出力端子を切り換えるようにしてもよく、前述と同様の制御が実現する。
【００３５】
図５は、本発明の実施例２における回転制御回路の一部を示している。この実施例では、コイルボビン３２に巻回されるコイル３８を２つの等しい仕様のコイル体３８ａ、３８ｂにより構成し、両コイル体３８ａ、３８ｂにそれぞれスイッチング素子となるトランジスタＴ５、Ｔ６を直列に接続すると共に、これらの直列回路を並列接続して電源端子間に接続したものである。
【００３６】
そして、図外の制御部により両トランジスタＴ５、Ｔ６を交互にスイッチングすることにより、この両コイル体３８ａ、３８ｂは交互に駆動され、いわゆる２相モータとして機能することになる。
【００３７】
以上、本発明のブラシレスモータの実施例について説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で種々の変更ないし修正が可能であることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているため、次に記載する効果を奏する。
本発明のブラシレスモータにあっては、コイルの軸方向両面に配置された一対の磁極板のうち少なくとも一部分を方向性磁性体により構成したので、通電方向の切り換えに応じて両磁極板の各磁極歯とロータマグネットの各磁極との間の磁気的な吸引力または反発力に回転方向成分を含ませることができ、モータ起動時の死点発生を解消でき、円滑な起動を実現できるものである。このため、従来のように隈取板や隈取極を用いるといった構造上の工夫を必要とせず、構造が簡単となり、安価でしかも高効率のモータ特性が得られるものである。
【００３９】
さらに、ロータマグネットの各磁極の着磁方向を放射方向に対して偏位させたので、一対の磁極板の各磁極歯とロータマグネットの各磁極との間の磁気的な吸引力または反発力に回転方向成分を含ませることができ、モータ起動時の死点発生を解消でき、円滑な起動を実現できるものである。このため、従来のように隈取板や隈取極を用いるといった構造上の工夫を必要とせず、構造が簡単となり、安価でしかも高効率のモータ特性が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のブラシレスモータをファンモータに適用した場合の実施例１を示す分解斜視図である。
【図２】図１のファンモータの要部の断面図である。
【図３】図１のファンモータの回転制御回路の概略構成図である。
【図４】図１のファンモータのトルク波形図である。
【図５】本発明のブラシレスモータの実施例２を示す回転制御回路の一部の結線図である。
【符号の説明】
２６ロータマグネット
３４上磁極板
３５上磁極歯
３６下磁極板
３７下磁極歯
３８コイル
３８ａ、３８ｂコイル体
４２位置検出器
５６制御部

Claims

環状に巻回されたコイルと、該コイルの軸方向両面に配置されそれぞれ前記コイルの内周または外周にほぼ交互に配置される複数の磁極歯を有する一対の磁極板と、前記コイルの内周部または外周部に回転自在に設けられ周方向にＮ極とＳ極とが交互に配列された円筒状のロータマグネットとを備え、前記ロータマグネットと前記各磁極歯とが半径方向に対向してなるブラシレスモータであって、
前記一対の磁極板は、少なくともその一部が結晶の磁化容易軸が方向性を有している方向性磁性体により構成され、任意の前記磁極歯においてその配向方向が回転方向に対して所定の角度を有していることを特徴とするブラシレスモータ。
前記磁極歯における方向性は少なくとも一部が異なっている請求項１記載のブラシレスモータ。
前記ロータマグネットは、その着磁方向が放射方向に対して偏位している部分を含むことを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
前記ロータマグネットの磁極を検知するセンサが前記ロータマグネットに近接して設けられ、前記コイルは単相励磁され、前記コイルが前記センサの検知信号に基づいて、単相電源により実質的に休止期間を含まないで通電方向が逆転する双方向通電により駆動される請求項１または３に記載のブラシレスモータ。
前記コイルは、２つの類似仕様のコイル体からなり、該両コイル体が交互に駆動される請求項１に記載のブラシレスモータ。