JP4075211B2

JP4075211B2 - 直流ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP4075211B2
Application number: JP13383099A
Authority: JP
Inventors: 孝雄吉嗣; 才明松本; 浩一郎大畑
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 1999-05-14
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2019-05-14
Also published as: JP2000324782A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザービームプリンタ（以下ＬＢＰと略す）などのレーザスキャンに使用されるポリゴンミラースキャナモータのような高速回転（数万ｒｐｍ以上）を必要とした直流ブラシレスモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような高速回転では、
１）高速回転での損失の増加による発熱・モータ電源の大型化
２）電磁振動・電磁力による回転精度・騒音の悪化
といった課題が発生する。
【０００３】
１）の課題については、ＰＡＭ駆動やＰＷＭ駆動により駆動回路の損失を減少させ対処するものが一般的である。
【０００４】
２）の課題については、振動や騒音・回転精度といった観点で、コアとマグネットの比率を検討してきた。その中で多スロット化をはかったものとしては、特開昭６３−３１６６４８号公報や特開平５−５６５８６号公報などに開示されている。特開昭６３−３１６６４８号公報では、隣り合う３個の突極歯に１相分の巻線を分割して巻く構成としコギング力を低減することが開示されている。これは、１磁極ピッチ９０度に対して１相が１２０度の幅を占めていることとなる。
【０００５】
特開平５−５６５８６号公報は、ＡＣサーボモータの巻線構造で４Ｎ極９Ｎスロット（Ｎは整数）とすることにより高調波を低減し高精度回転を達成することが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、高速回転での回転磁界による鉄損の増加・モータ巻線のインダクタンスによる巻線電流の遅れによってモータを回転数制御するなかで、モータの伝達関数に遅れが生じ、目標とするジッタ（回転むら）が得られないといった課題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、少ない磁極数・磁束密度で鉄損を低減しつつＰＷＭ駆動での高速・高精度回転を可能にしたモータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、ステータコアとステータコアに設けられた３相からなるステータ巻線とステータ巻線に通電する３相全波ＰＷＭ駆動方式の駆動回路とにより、８極マグネットが固定されたロータを駆動する構成からなり、前記ステータのスロットは１８個のスロットからなり、３相のステータ巻線の各相は、６ヶ所に分割して、５番目と９番目と１４番目と１８番目のスロットに巻線が集中巻きされ、７番目と１６番目のスロットは他のスロットと逆方向に集中巻されており、前記３相のステータ巻線の任意の２相の端子間のインダクタンスＬ（μＨ）とモータの回転数Ｎ（ｒｐｓ）との間で、Ｌ^0.5×Ｎ＜１８０００となる特徴を備え、前記マグネットの外周は軽量非鉄の非磁性体からなる構造体で覆われ、前記ロータにはポリゴンミラーが固設された直流ブラシレスモータである。
【０００９】
これにより、高速回転での通電電流の遅れを規制することにより、モータトルクの適正な供給をはかることで高精度なジッタ（回転むら）を維持することができる。また、更に効率を上げるためＰＷＭ駆動をするに際しても十分にスイッチングすることができるようになり、ＰＷＭ駆動での回転精度の向上を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
【００１１】
請求項１記載の発明は、ステータコアとステータコアに設けられた３相からなるステータ巻線とステータ巻線に通電する３相全波ＰＷＭ駆動方式の駆動回路とにより、ステータの外周に微小間隙で対向配置された８極のマグネットが固定されたロータを駆動する構成からなり、前記ステータのスロットは１８個のスロットからなり、３相のステータ巻線の各相は、６ヶ所に分割して、５番目と９番目と１４番目と１８番目のスロットに巻線が集中巻きされ、７番目と１６番目のスロットは他のスロットと逆方向に集中巻されており、前記３相のステータ巻線の任意の２相の端子間のインダクタンスＬ（μＨ）とモータの回転数Ｎ（ｒｐｓ）との間で、Ｌ^0.5×Ｎ＜１８０００となる特徴を備え、前記マグネットの外周は軽量非鉄の非磁性体からなる構造体で覆われ、前記ロータにはポリゴンミラーが固設された直流ブラシレスモータであり、
微小間隙の磁束密度が低減し、高速回転（３００ｒｐｓ以上）での鉄損を大きく減少させ、かつ高速回転での通電電流の遅れを規制することにより、モータトルクの適正な供給をはかることで高精度なジッタ（回転むら）を維持することができる。特に、ＰＷＭ駆動でのジッタ（回転むら）改善では効果が大きいものである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、ＰＷＭ駆動回路のＰＷＭ発振周波数を少なくとも５０ｋＨｚ以上としたもので、例えば、ロータの磁極数が１２極で５００ｒｐｓで回転する場合、相切り替えのスイッチング周波数は、５００×２４＝１２ｋＨｚとなり、８極で８００ｒｐｓで回転する場合８００×１６＝１２．８ｋＨｚで、その約４倍以上のＰＷＭ発振周波数であれば通電角度が電気角で１２０度でも２回以上のＰＷＭスイッチングが可能となるため、ＰＷＭでの制御ができる作用を有する。
【００１３】
請求項３記載の発明は、モータの回転数Ｎ（ｒｐｓ）が、３００以上としたもので、上記に述べた作用の効果が特に著しくなる。
【００１４】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施例による直流ブラシレスモータを示す構造図で、回転軸１は、軸受２により回転可能に支承されている。回転軸１には、ロータフレーム３が固定され、更にロータフレーム３の上には回転多面鏡６が、押さえ板５により固設されている。ロータフレームの内側には、ラジアル方向に多極に着磁されたマグネット４が挿入固定され、マグネット４と微小間隙で対向してモータを付勢するべくステータコアに巻線が巻かれたステータ７がステータ基板８に固定された構成となっている。ここで、ロータフレーム３は高速でのイナーシャの低減及び軸受負荷低減のため、アルミなどの軽量非鉄の材料からなっている。また、マグネット４は、８極着磁されたフェライト系のマグネットを使用しており、ステータ７は、１８スロット構成となっている。この巻線パターンを図３に示す。
【００１６】
上記構成の動作について説明する。一般に、鉄損は磁束の２乗に比例するから、マグネットを弱くした分必要トルクは巻線で稼ぐ必要があるが、そうすると巻線抵抗Ｒａ（Ω）が増加し、回転数Ｎ（ｒｐｍ）を上げるためには発電定数Ｋａ（Ｖ／ｒｐｍ）を下げる必要がある。即ちトルク定数Ｋｔ（ｇｃｍ／Ａ）は低下する。今、モータの電源電圧をＶｃｃ（Ｖ）、電流をＩ（Ａ）とすると
Ｎ＝（Ｖｃｃ−ＲａＩ）／Ｋａ
で表される。このとき、Ｋｔが低下すると負荷に対して電流Ｉが増加し益々Ｋｔは悪化する。
【００１７】
しかしながら、ＰＷＭ駆動をする場合、上記のＫｔの低下ほどには電流は低下せずモータの入力電力Ｐｉ（Ｗ）は、
モータ損失（風損＋軸損＋鉄損＋銅損）＋回路損失×β
で表される。ここで、βはＰＷＭデューティによる係数で、この部分がＫｔの影響を受ける。従って、高速のモータではモータ損失がその大半を占めるためにＫｔの悪化による損失の影響は小さくなる。
【００１８】
以上のような考えで、マグネットを弱くできるためロータフレームに高速でのイナーシャの低減及び軸受負荷低減のため、アルミなどの軽量非鉄の材料を使用できることになる。このことにより高速への起動特性や寿命を大幅に向上させることができる。また、磁束による電磁振動も低下し高速回転での騒音も低減する。
【００１９】
次に回転精度であるが、通常、ポリゴンミラースキャナモータでは非常に高い回転精度を要求するため、フィードバック制御をかけている。ところが、モータのインダクタンスが大きいと発生トルクに遅れ（むだ時間）が生じ、制御性が悪化してジッタ（回転むら）も悪化する。
【００２０】
この実験結果を図２に示す。図２では、３相の巻線の任意の２相の端子間のインダクタンスＬを変えたときの回転数によるジッタの変化を示すグラフである。
【００２１】
尚、通常は時定数（インダクタンス÷抵抗）を考えるべきであるが、実験ではほぼインダクタンスのみに相関が見られた。
【００２２】
ここでジッタの要求レベルを０．０１％以下とすると、その際の回転数Ｎ（ｒｐｓ）とインダクタンスＬ（μＨ）との間で、Ｎ×Ｌ^0.5＜１８０００とすれば
、達成できることが判明した。この効果は、特にモータ構成によらないことは明白であり、高速回転での大幅なジッタ改善につながるものである。
【００２３】
また、ＰＷＭをかける場合には、ロータの磁極数が１２極で５００ｒｐｓで回転する場合、相切り替えのスイッチング周波数は、５００×２４＝１２ｋＨｚとなり、８極で８００ｒｐｓで回転する場合８００×１６＝１２．８ｋＨｚで、その約４倍以上のＰＷＭ発振周波数であれば通電角度が電気角で１２０度でも２回以上のＰＷＭスイッチングが可能となるため、ＰＷＭでの制御が円滑にできるため、ジッタの悪化を防止することができる。
【００２４】
以上に述べた鉄損の低減及びジッタの低減を同時にはかるためには、少ない磁極数で、巻線を分割して（即ち多スロット化）インダクタンスを下げるのが良い。
【００２５】
本実施例では、マグネット４を８極ステータ７のスロット数を１８とした例を示している。
【００２６】
図３は、ステータ７の巻線パターンを示している。図に示すように１相の巻線を６ヶ所に分割して巻くためにマグネット７の空隙磁束密度が少ない（０．２５Ｔ以下）にも関わらず、インダクタンスを大幅に下げることができる。
【００２７】
尚、実際にこれらの効果は回転数が少なくとも３００ｒｐｓ以上で効果が顕著であった。
【００２８】
【発明の効果】
上記実施例の記載から明らかなように、本発明によれば高速回転での課題であるジッタの改善をはかることができ、また鉄損・電磁振動の少ない軽量のモータ構成を実現することができる。
【００２９】
更に、ＰＷＭ駆動など省エネの動きに対しても十分な回転精度を維持しつつ高速回転まで対応を実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による直流ブラシレスモータを示す構造図
【図２】本発明の実施例における直流ブラシレスモータのジッタと回転数の関係を示すグラフ
【図３】本発明の実施例による直流ブラシレスモータの巻線パターンを示す図
【符号の説明】
１回転軸
２軸受
３ロータフレーム
４マグネット
５押さえ板
６回転多面鏡
７ステータ、ステータコア、巻線
８ステータ基板

Claims

ステータコアとステータコアに設けられた３相からなるステータ巻線とステータ巻線に通電する３相全波ＰＷＭ駆動方式の駆動回路とにより、ステータの外周に微小間隙で対向配置された８極のマグネットが固定されたロータを駆動する構成からなり、前記ステータのスロットは１８個のスロットからなり、３相のステータ巻線の各相は、６ヶ所に分割して、５番目と９番目と１４番目と１８番目のスロットに巻線が集中巻きされ、７番目と１６番目のスロットは他のスロットと逆方向に集中巻されており、前記３相のステータ巻線の任意の２相の端子間のインダクタンスＬ（μＨ）とモータの回転数Ｎ（ｒｐｓ）との間で、Ｌ^0.5×Ｎ＜１８０００となる特徴を備え、前記マグネットの外周は軽量非鉄の非磁性体からなる構造体で覆われ、前記ロータにはポリゴンミラーが固設された直流ブラシレスモータ。
ＰＷＭ駆動回路は、ＰＷＭ発振周波数が少なくとも５０ｋＨｚ以上である請求項１記載の直流ブラシレスモータ。
モータの回転数Ｎ（ｒｐｓ）が、３００以上で、マグネットとステータコアの空隙の磁束密度が、０．２５Ｔ以下である請求項１または２記載の直流ブラシレスモータ。