JP3881222B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブラシレスモータに係り、詳しくはそのマグネットの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来のブラシレスモータを表した要部断面図である。ブラシレスモータ５０は、ステータ５１及びロータ５２を備えている。ステータ５１は、略リング状に形成された鉄心５３から形成されている。鉄心５３は、径方向内側に向かってティース５４が複数箇所（本従来例においては六箇所）延出されている。ティース５４には銅線が巻装され、該銅線により複数のコイル５５が形成されている。各コイル５５には、その両端に後述するスイッチング回路５７が接続されている。
【０００３】
ロータ５２は円筒形状に形成されており、その中心部には、ロータ５２の回転に合わせて一体となって回転する回転軸５８が貫挿されている。ロータ５２の外縁部は、永久磁石としてのマグネット５６がＳ極とＮ極とが交互に配設されるように複数個（本従来例においては四個）配設されている。マグネット５６の表面は、ティース５４の先端に対向するように形成されている。
【０００４】
図８は、ティースとマグネットの位置関係を模式的に表したものである。ティース５４は六個でステータ５１の内周面を、マグネット５６は四個でロータ５２の外周面を形成しているため、マグネット５６の周方向の長さはティース５４の周方向の長さのほぼ１．５倍に形成されている。
【０００５】
図９は、一つのコイル５５に接続されたスイッチング回路５７を示す説明図である。スイッチング回路５７は、四つの半導体スイッチング素子Ｔｒ５〜Ｔｒ８を接続して形成されている。
【０００６】
半導体スイッチング素子Ｔｒ５及びＴｒ８は、制御信号φ６０に基づいてオンオフ制御され、半導体スイッチング素子Ｔｒ６及びＴｒ７は、制御信号φ６１に基づいてオンオフ制御されている。
【０００７】
このように接続されたスイッチング回路５７は、制御信号φ６０及び制御信号φ６１によってコイル５５に矩形状の電流を通電し、その方向を制御している。詳述すると、制御信号φ６１により半導体スイッチング素子Ｔｒ６及びＴｒ７がオフされ制御信号φ６０により半導体スイッチング素子Ｔｒ５及びＴｒ８がオンされると、コイル５５には電流Ｉ３が流れる。
【０００８】
一方、制御信号φ６０により半導体スイッチング素子Ｔｒ５，Ｔｒ８がオフされ制御信号φ６１により半導体スイッチング素子Ｔｒ６及びＴｒ７がオンされると、コイル５５には電流Ｉ４が流れる。コイル５５には、その励磁電流（電流Ｉ３又は電流Ｉ４）に基づいた磁界が発生する。
【０００９】
従って、ティース５４は、スイッチング回路５７によってそれぞれ所定のタイミング及び極性で励磁され、回転磁界を発生させる。ロータ５２は、この回転磁界によって回転力を引き出されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のブラシレスモータ５０では、コイル５５に通電する電流の方向を切り替える際にマグネット５６による誘導起電力が影響し、電流の切り替えが適正に行われていなかった。その結果コイル５５に通電される電流が急変しティース５４に異常な磁気加振力が発生するという問題があった。以下に異常な磁気加振力の発生の仕組みについて詳述する。
【００１１】
図１０は一つのティース５４を通過する磁束の変化を示すグラフである。グラフの縦軸は磁束の方向及び大きさを表しており、グラフの横軸は時間の経過ｔを表している。
【００１２】
時点Ａにおいて、ティース５４とＮ極のマグネット５６が対向する直前、すなわちティース５４の先端が全てＳ極のマグネット５６と対向し、それに応じた磁束がティース５４を通過している。
【００１３】
ロータ５２の回転に伴ってティース５４が対向するＮ極のマグネット５６とＳ極のマグネット５６の割合が回転量と比例して変化し、それに応じてティース５４を通過する磁束量が変化する。そして、時点Ｃにおいて、ティース５４の先端は全てＮ極のマグネット５６と対向し、それに応じた磁束がティース５４を通過する。
【００１４】
ティース５４の幅はマグネット５６の幅の２／３である。このため、時点Ｃから時点Ｄまでティース５４はＮ極のマグネット５６と対向する。従って、この期間、ティース５４を通過する磁束量は変化しない。
【００１５】
以降、ロータ５２の回転に伴って上記と同様にティース５４が対向する磁極が変化し、それに応じた磁束がティース５４を通過する。
このようなティース５４を通過する磁束の変化によりティース５４に巻装されたコイル５５には、図１１に示す誘導起電力（曲線１６）が発生する。図１１において、点線７０は、図９に示すスイッチング回路５７によって通電される電流を表し、実線７１は、実際にコイル５５に流れる電流を表している。
【００１６】
ここで、問題となるのは時点Ｃから時点Ｄまでの期間である。この期間は、図９に示す制御信号φ６０及びφ６１により全てのスイッチング素子Ｔｒ５〜Ｔｒ８がオフされ、コイル５５には励磁電流が供給されていない。しかし、マグネット５６による誘導起電力（曲線１６）により実線７１に示すようにコイル５５にはプラスの電流が流れる。
【００１７】
そして、時点Ｄにおいてスイッチング回路５７からマイナス方向の励磁電流が供給される。従って、時点Ｄにおいてコイル５５に通電される電流は、プラスの値からマイナスの値まで急激に変化する。その結果ティース５４に異常な磁気加振力が発生する。
【００１８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ブラシレスモータでの通電切り替え時に発生する磁気加振力を抑えた静粛なモータを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１に記載の発明は、径方向に向かって突出し、その先端がそれぞれ周方向に幅を持ったｘ個の突極を有する固定子鉄心と、前記固定子鉄心の各突極に集中巻装され順次極性が切り替わるように矩形状に励磁電流が入力されるコイルと、前記固定子鉄心の突極の先端の周方向幅よりも大きな幅で対向するｙ個（ただしｘ＞ｙ）の永久磁石を有するロータとを備えたブラシレスモータであって、前記永久磁石は、Ｓ極の磁極を有するものとＮ極の磁極を有するものとの２種類から構成され、各永久磁石は、前記突極の先端と周方向に同じ幅を有する本体部と、前記本体部よりもロータ回転方向側に形成されたる弱磁部とからなり、該弱磁部は、前記永久磁石の周方向全体の長さの（ｘ−ｙ）／ｘの長さに形成されており、ロータ回転時において、或る突極の先端の周方向全体が、Ｓ極とＮ極のうち一方の磁極を有する永久磁石と対向している間、該突極に巻装される前記コイルに対して前記励磁電流を無通電とすることを要旨とした。
【００２２】
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、前記弱磁部は、前記ロータの回転方向先端から逆回転方向に向かうに従い、前記突極の先端と徐々に離間するように形成されていることを要旨とした。
【００２５】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、突極に対向する位置に永久磁石が移動する際には弱時部から行われ、磁束の変位が緩やかなものとなる。従って、永久磁石に弱磁部を設けない場合に比べて誘導起電力の変位は緩やかなものとなる。また、弱磁部の長さを永久磁石の周方向全体の長さの（ｘ−ｙ）／ｘの長さとしたことにより一つの突極に対向する弱磁部は、多くとも一箇所になる。従って、突極を通過する磁束を必要以上に減少させない。
【００２６】
請求項２に記載の発明によれば、弱磁部を永久磁石を突極から遠ざけることによって形成している。従って、永久磁石の先端に窪みを形成するなどして容易に弱磁部を形成することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説明する。
図１は、本実施の形態のブラシレスモータの要部断面図である。ブラシレスモータ１は、ステータ２及びロータ３を備えている。ステータ２は、略リング状に形成された鉄心４から形成されている。鉄心４は、径方向内側に向かって突極としてのティース５が複数箇所（本実施形態においては六箇所）延出されている。ティース５は、先端が周方向に幅広に形成されており、その幅広面がロータ３に対向するように形成されている。ティース５には銅線が巻装され、該銅線により複数のコイル６が形成されている。各コイル６は、その両端に後述するスイッチング回路７が接続されている。
【００２８】
ロータ３は円筒形状に形成されており、図１において時計回りに回転するように形成されている。ロータ３の中心部には、ロータ３の回転に合わせて一体となって回転する回転軸８が貫挿されている。ロータ３の外縁部は、永久磁石としてのマグネット９がＳ極とＮ極とが交互に配設されるように複数個（本実施形態においては四個）配設されている。マグネット９の表面は、ティース５の先端に対向するように形成されている。マグネット９は、回転方向側の先端部（本実施形態ではロータ３が時計回りに回転するため回転軸から見て右端）からマグネット９全体の三分の一の長さだけその内部に向かう弱磁部としての窪み部９ａが形成されている。
【００２９】
図２は、ティースとマグネットの位置関係を模式的に表したものである。なお、図２中の点線はティース５とマグネット９及び窪み部９ａの長さの違いなどを表すために等間隔に描いてありマグネット９を三等分する線を表している。ティース５は六個でステータ２の内周面を、マグネット９は四個でロータ３の外周面を形成しているため、マグネット９の周方向の長さはティース５の周方向の長さのほぼ１．５倍に形成されている。
【００３０】
図３は、一つのコイル６に接続されたスイッチング回路７を示す説明図である。スイッチング回路７は、四つの半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４を接続して形成されている。
【００３１】
半導体スイッチング素子Ｔｒ１及びＴｒ３は、制御信号φ１０に基づいてオンオフ制御され、半導体スイッチング素子Ｔｒ２及びＴｒ４は、制御信号φ１１に基づいてオンオフ制御されている。
【００３２】
このように接続されたスイッチング回路７は、制御信号φ１０及び制御信号φ１１によってコイル６に矩形状の電流を通電しその方向を制御している。詳述すると、制御信号φ１１により半導体スイッチング素子Ｔｒ２及びＴｒ３がオフされ制御信号φ１０により半導体スイッチング素子Ｔｒ１及びＴｒ４がオンされると、コイル６には電流Ｉ１が流れる。
【００３３】
一方、制御信号φ１０により半導体スイッチング素子Ｔｒ１及びＴｒ４がオフされ制御信号φ１１により半導体スイッチング素子Ｔｒ２及びＴｒ３がオンされると、コイル６には電流Ｉ２が流れる。コイル６には、その励磁電流（電流Ｉ１又は電流Ｉ２）に基づいた磁界が発生する。
【００３４】
従って、ティース５は、スイッチング回路７によってそれぞれ所定のタイミング及び極性で励磁されており、回転磁界を発生させている。ロータ３は、この回転磁界によって回転力が引き出されている。
【００３５】
次に、上記のように構成されたブラシレスモータの作用を図４及び図５に従って説明する。
図４は、一つのティースを通過する磁束の変化及びその磁束の変化によって発生する誘導起電力の変化の様子を示した図である。誘導起電力は、磁束の変化の大きさに比例して変化する。
【００３６】
グラフの縦軸は、折れ線１５，１７に対して磁束の方向と大きさを表し、曲線１６，１８に対して誘導起電力の方向と大きさを表している。一方、グラフの横軸は時間の経過ｔを表している。
【００３７】
実線で描かれた折れ線１５は、マグネット９に窪み部９ａが形成されていない従来のマグネットの場合にティース５を通過する磁束の変化を表している。実線で描かれた曲線１６は、折れ線１５の磁束変化によって発生した誘導起電力の変化を表している。
【００３８】
点線で描かれた折れ線１７は、窪み部９ａが形成されているマグネット９を用いた場合にティース５を通過する磁束の変化を表している。実線で描かれた曲線１８は、折れ線１７の磁束変化によって発生した誘導起電力の変化を表している。尚、折れ線１５及び曲線１６は、本実施の形態のマグネット９と従来例のマグネット５６の磁束の変化及び誘導起電力発生状態の違いを比較するために図４に重ねて描いたものである。従って、折れ線１５及び曲線１６については従来技術の説明で用いた図１０及び図１１で既に述べているため詳細な説明は省略する。
【００３９】
時点Ａにおいて、ティース５とＮ極のマグネット９が対向する直前、すなわちティース５の先端が全てＳ極のマグネット９と窪み部９ａ以外の箇所で対向し、それに応じた磁束がティース５を通過している。
【００４０】
時点Ａから時点Ｂを通って時点Ｃにおける折れ線１７は、ティース５の下からＳ極が減少するとともにＮ極が増加しているときの磁束の状態を表している。時点Ａから時点Ｂに至るまでマグネット９のＮ極先端には従来例のマグネット５６には形成されていなかった窪み部９ａが形成されているため、折れ線１７は折れ線１５に比べてＮ極の磁束が増加していく変化の割合が小さくなる。
【００４１】
従って、このときの誘導起電力の発生は、従来例のマグネット５６を用いたときに比べて小さいものとなる。
時点Ｂにおける折れ線１７は、Ｓ極及びＮ極との境目がティース５の幅方向中央にあるとき、すなわちＳ極とＮ極が半分ずつティース５の下にあるときの磁束の状態を表している。このとき本実施の形態のマグネット９に形成された窪み部９ａは、全体がティース５の下に位置した状態となっている。従って、切り欠きのないマグネット９のＳ極からの磁束に比べてＮ極からの磁束の方が弱くなるため折れ線１７はマイナス側に寄っている。
【００４２】
時点Ｂから時点Ｃに至るまでの折れ線１７は、切り欠きのないマグネット９のＳ極部分がティース５の下から出て行き、切り欠きのないマグネット９のＮ極部分がティース５の下に入ってくるときの磁束の状態を表している。従って、従来の磁束変化と同じ変化となり折れ線１７の変化の割合は、折れ線１５の変化の割合と等しくなる。
【００４３】
従って、このときの誘導起電力の発生は、従来例のマグネット５６を用いたときと同等のものとなる。
時点Ｃ及び時点Ｄにおける折れ線１５は、ティース５の下が全てＮ極のままでロータ３が回転しているときの磁束の状態を表している。このときマグネット９のＮ極の先端に設けられた窪み部９ａがティース５の下から出るとともに、その代わりにマグネット９のＮ極の切り欠かれていない部分がティース５の下に入ってくる。そのため、Ｎ極の磁束が増加することとなり、折れ線１７は緩やかにプラス方向に傾いている。
【００４４】
従って、このときの誘導起電力は、従来例のマグネット５６を用いたときには発生しないが、本実施の形態のマグネット９を用いたときには発生する。
以降、ロータ３の回転に伴って上記と同様にティース５が対向する磁極が変化し、それに応じた磁束がティース５を通過する。
【００４５】
このように繰り返される磁束の変化は、従来例のマグネット５６による磁束の変化と比べると、時点Ａ、時点Ｄ及び時点Ｇで一致している。また、時点Ａと時点Ｄとの間及び時点Ｄと時点Ｇの間の磁束変化は、本実施の形態のマグネット９による磁束変化が従来例のマグネット５６による磁束変化からわずかに遅れて発生している。
【００４６】
従って、磁束の変化に基づき発生する誘導起電力も本実施の形態のマグネット９によって発生する誘導起電力は、従来例のマグネット５６によって発生する誘導起電力に比べて、遅れて発生する。
【００４７】
図５において、点線１９は、図３に示すスイッチング回路７によって通電される電流を表し、実線２０は、実際にコイル６に流れる電流をあらわしている。
ここで、問題となる時点Ｃから時点Ｄまでの電流であるが、この期間は、図３に示す制御信号φ１０及びφ１１により全てのスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４がオフされ、コイル６には励磁電流が供給されていない。このときコイル６に通電される電流は、弱められて０になるように徐々に変位する。しかし、このとき誘導起電力がコイル６内にマイナスの電流を流す向きに電圧をかけるので、電流はすばやく０になるように変位する。
【００４８】
そして、コイル６内の電流が０になった状態で時点Ｄにおいてスイッチング回路７からマイナス方向の励磁電流が供給される。
上記したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
【００４９】
（１）マグネット９の先端部に窪み部９ａを形成したことによりティース５を通過する磁束が急に変化しない。従って、誘導起電力の変位するタイミングを遅らせることができ、コイル６に通電する電流を切り替えるときの内部の電流を０に近付けることができる。そのため電流の切り替えが急激に行われることがなく、コイル６の通電切り替え時の磁気過振力の発生を抑制することができる。
【００５０】
（２）磁気過振力の発生を抑制することによりモータの安定した動作を得ることができ、急激な過振力による騒音を防止することができる。
（３）マグネット９の形状を変更することによりモータの異常な過振力を防止することができるため、製造も容易でコスト的にも有利である。
【００５１】
尚、本発明の実施の形態は、以下のように変更してもよい。
○上記実施の形態では、ティース５ごとに銅線を巻装してコイル６を形成したが、図６に示すようにティース及び銅線を巻装してコイルを形成してもよい。ティース２５は、周方向の長さがマグネット９の周方向の長さの三分の一の長さに形成されている。コイル２６は、ティース２５を三本ずつ束ねるように銅線を巻装することによって形成されている。
【００５２】
このようにコイル２６を形成してもそれぞれのコイル２６を通過する磁束の変化は緩やかに行われる。従って、誘導起電力も緩やかに変位し、そのタイミングを遅らせることによって、コイル２６に通電する電流を切り替えるときにコイル２６の内部の電流を０に近づけることができる。従って、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
○上記実施の形態では、ブラシレスモータ１は、四つのマグネット９及び六つのティース５によって形成されたが、マグネット９の数量がティース５の数量よりも多ければそれぞれの数量は適宜変更してもよくこれに限定されない。
【００５４】
○上記実施の形態では、マグネット９の回転方向先端に窪み部９ａを形成して磁束の弱くなる部分を形成したが、マグネットの回転方向先端部に磁束の弱くなる部分を形成することができればよい。従って、例えばマグネットの回転方向先端部を磁力の異なる部材などによって形成してもよい。
【００５５】
○上記実施の形態では、マグネット９に形成される窪み部９ａの周方向の幅をマグネット９の回転方向先端から三分の一の長さに形成したが、窪み部９ａの周方向の幅は、ティース５及びマグネット９の状態によって適宜変更されこれに限定されない。
【００５６】
上記各実施形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（イ）前記永久磁石（９）は、前記弱磁部（９ａ）と該弱磁部（９ａ）以外の箇所から形成されており、前記弱磁部は、前記弱磁部（９ａ）以外の箇所よりも磁力の弱い部材で形成されている。この構成によれば、永久磁石を形成する際にその一部に磁力の弱い材料を用いることにより容易に弱磁部を形成することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ブラシレスモータでの通電切り替え時に発生する磁気加振力を抑えた静粛なモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態のブラシレスモータの要部断面図。
【図２】 ティース及びマグネットの説明図。
【図３】 スイッチング回路の回路図。
【図４】 磁束及び誘導起電力の変化図。
【図５】 コイル内の電流の説明図。
【図６】 別の実施例のティース及びマグネットの説明図。
【図７】 従来例のブラシレスモータの要部断面図。
【図８】 従来例のティース及びマグネットの説明図。
【図９】 従来例のスイッチング回路の回路図。
【図１０】 従来例の磁束の変化図。
【図１１】 従来例のコイル内の電流の説明図。
【符号の説明】
３…ロータ、４…鉄心、５…突極としてのティース、６…コイル、９…永久磁石としてのマグネット、９ａ…弱磁部としての窪み。

Claims (2)

1. 径方向に向かって突出し、その先端がそれぞれ周方向に幅を持ったｘ個の突極（５）を有する固定子鉄心（４）と、
   前記固定子鉄心（４）の各突極（５）に集中巻装され順次極性が切り替わるように矩形状に励磁電流が入力されるコイル（６）と、
   前記固定子鉄心（４）の突極（５）の先端の周方向幅よりも大きな幅で対向するｙ個（ただしｘ＞ｙ）の永久磁石（９）を有するロータ（３）とを備えたブラシレスモータであって、
   前記永久磁石（９）は、Ｓ極の磁極を有するものとＮ極の磁極を有するものとの２種類から構成され、各永久磁石（９）は、前記突極（５）の先端と周方向に同じ幅を有する本体部と、前記本体部よりもロータ回転方向側に形成される弱磁部（９ａ）とからなり、該弱磁部（９ａ）は、前記永久磁石（９）の周方向全体の長さの（ｘ−ｙ）／ｘの長さに形成されており、
   ロータ回転時において、或る突極（５）の先端の周方向全体が、Ｓ極とＮ極のうち一方の磁極を有する永久磁石（９）と対向している間、該突極（５）に巻装される前記コイル（６）に対して前記励磁電流を無通電とすることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記弱磁部（９ａ）は、前記ロータ（３）の回転方向先端から逆回転方向に向かうに従い、前記突極（５）の先端と徐々に離間するように形成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モータ。

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