JP4081100B2 - 三相ｄｃブラシレスモータ及び巻線方法 - Google Patents
三相ｄｃブラシレスモータ及び巻線方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、複数のスロットを有する三相ＤＣブラシレスモータの固定子鉄心に適用可能なコイル巻線の巻き方に関し、特にＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）動作をするセンサレス駆動に最適なモータを提供するものである。
ＤＣブラシレスモータは、小型化、薄型化、低コスト化の要望の強い用途には位置検出素子の無いセンサレス駆動方式が用いられている。さらに、近年では低消費化の要望に伴いモータ駆動電流をＰＷＭ動作することにより、低消費を実現したＰＷＭセンサレス駆動方式が用いられるようになってきた。一般にセンサレス駆動方式は、モータの回転数に比例して発生する各相の逆起電圧と三相のコイルがスター結線された中点の中点電圧が等しくなる点を検出することによりロータの位置を検出し、適切な通電の順序を決定することでモータを回転させている。
具体的なロータ位置検出方法の一例として、二相に電流を流し、残り一相を非通電相とすることで出力端子に表れる逆起電圧と中点電圧を比較して位置検出を行う方式がある。
しかしながら、ＰＷＭセンサレス駆動は、モータ出力電圧をＰＷＭ駆動するためモータ端子電圧が大きく変動する。その結果、モータコイルへはモータのコイル定数で決まる時定数の傾斜を持った電流が流れることになる。この時、非通電相の端子には電流の時間変化に応じて誘導電圧と呼ばれる電圧が発生する。この現象は、三相の各一相が残り二相へ影響を及ぼす相互インダクタンスと電流の時間変化に起因する。従来のリニアセンサレス駆動では、モータ出力電圧がリニアに変化し、モータコイルはリニアに電流が流れる。そのため、相互インダクタンスによる影響は無かった。
ここで図８のようにＵ相からＶ相へパルス状の電圧を印加した時に、非通電相に発生する誘導電圧とロータの位置の関係を示したものが図７の１０１である。図７の１０１に示すとおり、誘導電圧の大きさがロータ位置に応じて変動する事が分かる。今、図７の１０１では測定のためロータを固定して測定しているが、実際にはロータが回転しており、この場合には非通電相にはこの誘導電圧とロータの回転によって発生する逆起電圧の合計電圧が発生する。この合計電圧と中点電圧を比較してロータ位置を検出しモータコイル電流を切り替えることでモータが回転する。
ここで、モータコイルの巻き数や巻き方のアンバランスが発生すると相互インダクタンスが各相でアンバランスとなり、その結果、誘導電圧は、図７の１００に示されるようなＤＣオフセット電圧を持つ。このＤＣオフセット電圧が発生すると、本来検出しないはずの図７の区間１で誤ったロータ位置検出を行う恐れがある。
従来のリニアセンサレス駆動方式では、上記のように誘導電圧の発生がないためモータコイル巻線の巻き方を考慮しなくても、正確にロータの位置を検出する事が出来た。
しかし、ＰＷＭセンサレス駆動方式の場合、上記のようにモータコイルの巻き数や巻き方のアンバランスによって、本来のロータ位置とは異なる位置で検出を行う恐れがあるため、起動失敗や起動が遅くなるという課題があった。
第１の発明は、３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有し、第１相の巻線と、第２相の巻線と、第３相の巻線とのいずれか２つの巻線の相互インダクタンスの差が略零になることを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータである。
第２の発明は、３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有し、第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま所定の位置から引き出され、第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま所定の位置から引き出され、第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま所定の位置から引き出されることを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータである。
第３の発明は、３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有し、第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第３相の最終のステータに負方向に１回巻かれ、第２相の最終のステータと第３相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出され、第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま前記所定の位置から引き出され、第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第１相の先頭のステータに正方向に１回巻かれ、前記所定の位置から引き出されることを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータである。
第４の発明は、３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有し、第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま第１相の最終のステータと第２相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出され、第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第３相の最終のステータに正方向に１回巻かれた後、前記所定の位置から引き出され、第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第２相の最終のステータに負方向に半回巻かれた後、前記所定の位置から引き出されることを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータである。
第５の発明は、３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有する３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法であって、第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま所定の位置から引き出し、第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま所定の位置から引き出し、第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま所定の位置から引き出すことを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法である。
第６の発明は、３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有する３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法であって、第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第３相の最終のステータに負方向に１回巻かれ、第２相の最終のステータと第３相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出し、第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま前記所定の位置から引き出し、第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第１相の先頭のステータに正方向に１回巻かれ、前記所定の位置から引き出すことを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法である。
第７の発明は３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有する３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法であって、第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま第１相の最終のステータと第２相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出し、第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第３相の最終のステータに正方向に１回巻かれた後、前記所定の位置から引き出し、第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第２相の最終のステータに負方向に半回巻かれた後、前記所定の位置から引き出すことを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法である。
本発明の三相ＤＣブラシレスモータのコイルの巻き方により、ＰＷＭセンサレス駆動方式でも誘導電圧のＤＣオフセット電圧の影響を受けることなく、安定した起動を行う事が出来る。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、Ｗ相ステータ２０２、Ｖ相ステータ２０３、Ｕ相ステータ２０４、ロータ２０１からなる３相ＤＣブラシレスモータの構造を示したものである。Ｗ相ステータ２０２、Ｖ相ステータ２０３、Ｕ相ステータ２０４の各相は９０度毎に４分割され、時計回りにＷ１、Ｖ１、Ｕ１、Ｗ２、Ｖ２、Ｕ２、Ｗ３、Ｖ３、Ｕ３、Ｗ４、Ｖ４、Ｕ４、の順に１２ステータが配置されている構成をとる。ロータ２０１は、Ｎ極永久磁石２０５、Ｓ極永久磁石２０６が交互に１６個配置されている構成をとる。この実施の形態ではステータの極数が１２で、永久磁石の極数が１６であり、ステータと永久磁石の極数の比が３：４である。ステータと永久磁石の極数の比が３：４であれば、ステータの極数や、永久磁石の極数を変えても良い。
すなわち、本発明の３相ＤＣブラシレスモータは、３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータ２０２，２０３，２０４と、４Ｎ個の永久磁石２０５，２０６をＮ極とＳ極を交互に配置したロータ２０１と、３本目毎のステータに巻かれた第１相（Ｗ相）の巻線ＬＷと、次の３本目毎のステータに巻かれた第２相（Ｖ相）の巻線ＬＶと、更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相（Ｕ相）の巻線ＬＵとを有する。
Ｗ相ステータＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４には１本のコイル巻線ＬＷが巻かれている。コイル巻線ＬＷは、ステータＷ１とステータＵ４との間から開始し、ステータＷ１の第１面（図１で見えている方の面）を通り、ステータＷ１とステータＶ１との間を通り、ステータＷ１の第２面（図１で隠れている方の面でモータの基板接触面）を通り、ステータＷ１とステータＵ４との間を通り、ステータＷ１を正方向（反時計方向とも言う）に１ターンが達成される。従って、コイル巻線ＬＷの始端は、ステータＷ１とステータＵ４との間であって、ステータＷ１の第２面の方向に引き出されている。このようにして、コイル巻線ＬＷは、ステータＷ１を所定回数巻回され、続いてステータＷ２を所定回数巻回され、続いてステータＷ３を所定回数巻回され、更にステータＷ４を所定回数巻回される。コイル巻線ＬＷの終端は、ステータＶ４とステータＵ４との間であって、ステータＶ４の第２面の所定の位置Ｃｏｍから引き出される。以下の説明において、最初に巻かれるステータ、この場合ステータＷ１、を先頭のステータと言い、最後に巻かれるステータ、この場合ステータＷ４、を最終のステータという。
Ｖ相ステータＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４には１本のコイル巻線ＬＶが巻かれている。コイル巻線ＬＶは、ステータＶ１とステータＷ１との間から開始し、ステータＶ１の第１面（図１で見えている方の面）を通り、ステータＶ１とステータＵ１との間を通り、ステータＶ１の第２面（図１で隠れている方の面でモータの基板接触面）を通り、ステータＶ１とステータＷ１との間を通り、ステータＶ１を正方向（反時計方向とも言う）に１ターンが達成される。従って、コイル巻線ＬＶの始端は、ステータＶ１とステータＷ１との間であって、ステータＶ１の第２面の方向に引き出されている。このようにして、コイル巻線ＬＶは、ステータＶ１を所定回数巻回され、続いてステータＶ２を所定回数巻回され、続いてステータＶ３を所定回数巻回され、更にステータＶ４を所定回数巻回される。コイル巻線ＬＶの終端は、ステータＶ４とステータＵ４との間であって、ステータＶ４の第２面の所定の位置Ｃｏｍから引き出される。
Ｕ相ステータＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４には１本のコイル巻線ＬＵが巻かれている。コイル巻線ＬＵは、ステータＵ１とステータＶ１との間から開始し、ステータＵ１の第１面（図１で見えている方の面）を通り、ステータＵ１とステータＷ２との間を通り、ステータＵ１の第２面（図１で隠れている方の面でモータの基板接触面）を通り、ステータＵ１とステータＶ１との間を通り、ステータＵ１を正方向（反時計方向とも言う）に１ターンが達成される。従って、コイル巻線ＬＵの始端は、ステータＵ１とステータＶ１との間であって、ステータＵ１の第２面の方向に引き出されている。このようにして、コイル巻線ＬＵは、ステータＵ１を所定回数巻回され、続いてステータＵ２を所定回数巻回され、続いてステータＵ３を所定回数巻回され、更にステータＵ４を所定回数巻回される。コイル巻線ＬＵの終端は、ステータＶ４とステータＵ４との間であって、ステータＶ４の第２面の所定の位置Ｃｏｍから引き出される。
図２は、本発明の実施の形態１に係る三相ＤＣブラシレスモータのコイルの巻き方を示したもので、図１のＷ相ステータ２０２、Ｖ相ステータ２０３、Ｕ相ステータ２０４を平面的に展開したものである。紙面に対し手前がロータ側、奥がステータの中心となり、各ステータの上側が第１面、下側が第２面となる。
Ｕ相のコイル巻線ＬＵは、始点となるステータＵ１の右下側から反時計回りに所定の回数巻かれた後、ステータＷ２とステータＶ２の下側（第２面側）を通ってステータＵ２に渡される。ステータＵ２のコイルの巻き方もＵ１と同様右下側から反時計回りに所定の回数巻かれる。ステータＵ３、ステータＵ４も同様に巻かれ、Ｖ相、Ｗ相についても全く同様に巻かれる。各相の終点は、ステータＵ４、ステータＶ４、ステータＷ４のそれぞれの左下側から取り出され、ステータＵ４とステータＶ４の位置Ｃｏｍで一束にまとめられ、ステータの外側で一点に接続される構成をとる。ステータの外側で一点に接続する理由は、他相への相互インダクタンスの影響をなくすためである。
以上より明らかなように、実施の形態１では、第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま所定の位置から引き出され、第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま所定の位置から引き出され、第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま所定の位置から引き出される。
次に、上記構成に基づいた相互インダクタンスの影響を数式を用いて説明する。
図５は、三相ＤＣブラシレスモータへの通電電流波形を示している。ここで、図５の１、２、３、４、５、６の非通電相に発生するＰＷＭ駆動による誘導電圧のＤＣオフセット成分をそれぞれ、Eu↓、Ew↑、Ev↓、Eu↑、Ew↓、Ev↑とすると、
Eu↓＝Mvu*(dIv/dt)＋Mwu*(dIw/dt) ―――――― （式１）
と表す事が出来る。
ここで、MvuはＶ相からＵ相への相互インダクタンス、MwuはＷ相からＵ相への相互インダクタンスである。
図５は、三相ＤＣブラシレスモータへの通電電流波形を示している。ここで、図５の１、２、３、４、５、６の非通電相に発生するＰＷＭ駆動による誘導電圧のＤＣオフセット成分をそれぞれ、Eu↓、Ew↑、Ev↓、Eu↑、Ew↓、Ev↑とすると、
Eu↓＝Mvu*(dIv/dt)＋Mwu*(dIw/dt) ―――――― （式１）
と表す事が出来る。
ここで、MvuはＶ相からＵ相への相互インダクタンス、MwuはＷ相からＵ相への相互インダクタンスである。
今、図２の構成について２つの場合に分けて考える。
一つは、分割された自相から自相へコイルを巻く際の、コイルの渡し方について、もう一つは、三相間のターン数の差についてである。この時、（式１）は、
Eu↓＝Eu↓（渡し）＋ Eu↓（ターン数）と表す事が出来る。
一つは、分割された自相から自相へコイルを巻く際の、コイルの渡し方について、もう一つは、三相間のターン数の差についてである。この時、（式１）は、
Eu↓＝Eu↓（渡し）＋ Eu↓（ターン数）と表す事が出来る。
まず、コイルの渡し方について説明する。
図５からIw＝−Ivであり、さらにdIv/dt＝−１と規格化すると、
（式１）は、
Eu↓（渡し）＝―Mvu＋Mwu
同様に
Ev↓（渡し）＝―Mwv＋Muv
Ew↓（渡し）＝―Muw＋Mvw となる。ここでは、Eu↓、Ev↓、Ew↓のみ記載したが、
Eu↑、Ev↑、Ew↑も全く同じである。
さらに、MvuとMuvは等しいため、上式をMuv、Mvw、Mwuを用いて書き直すと
Eu↓（渡し）＝―Muv＋Mwu
Ev↓（渡し）＝―Mvw＋Muv
Ew↓（渡し）＝―Mwu＋Mvw となる。
図５からIw＝−Ivであり、さらにdIv/dt＝−１と規格化すると、
（式１）は、
Eu↓（渡し）＝―Mvu＋Mwu
同様に
Ev↓（渡し）＝―Mwv＋Muv
Ew↓（渡し）＝―Muw＋Mvw となる。ここでは、Eu↓、Ev↓、Ew↓のみ記載したが、
Eu↑、Ev↑、Ew↑も全く同じである。
さらに、MvuとMuvは等しいため、上式をMuv、Mvw、Mwuを用いて書き直すと
Eu↓（渡し）＝―Muv＋Mwu
Ev↓（渡し）＝―Mvw＋Muv
Ew↓（渡し）＝―Mwu＋Mvw となる。
ここで、各ステータに対するコイル巻き数をｎとし、ある相からのコイルの渡し線と他相のステータとの間の二相間の相互インダクタンスを考える。
図２の場合、Muvは、Ｕ１、Ｖ２、Ｕ２、Ｖ３、Ｕ３、Ｖ４で相互インダクタンスの影響があり、
Muv＝[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＝-3*ｎ
同様に、
Mvw＝-3*ｎ
Mwu＝-3*ｎ となる。よって、
Eu↓（渡し）＝Ev↓（渡し）＝Ew↓（渡し）＝０ となる。
図２の場合、Muvは、Ｕ１、Ｖ２、Ｕ２、Ｖ３、Ｕ３、Ｖ４で相互インダクタンスの影響があり、
Muv＝[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＝-3*ｎ
同様に、
Mvw＝-3*ｎ
Mwu＝-3*ｎ となる。よって、
Eu↓（渡し）＝Ev↓（渡し）＝Ew↓（渡し）＝０ となる。
次に、三相間のターン数の差について説明する。
自相の分割されたステータから各相の分割されたステータに対する巻き数が等しいとすると、相互インダクタンスは等しくMとおけ、さらにある分割された相から隣接の他相に発生する誘導電圧は、逆極性で振幅は半分となるため
（式１）は
Eu↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIv/dt)＋M*(dIw/dt)] となる。
同様に、
Ev↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIw/dt)＋M*(dIu/dt)]
Ew↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIu/dt)＋M*(dIv/dt)] となる。
（式１）は
Eu↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIv/dt)＋M*(dIw/dt)] となる。
同様に、
Ev↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIw/dt)＋M*(dIu/dt)]
Ew↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIu/dt)＋M*(dIv/dt)] となる。
ここでは、Eu↓、Ev↓、Ew↓のみ記載したが、Eu↑、Ev↑、Ew↑も全く同じである。
ここで、各ステータに対するコイル巻き数をｎとすると、図２の場合、ターン数の差は三相共に全く無いため
Eu↓（ターン数）＝Ev↓（ターン数）＝Ew↓（ターン数）＝０となる。
よって、
Eu↓＝Eu↓（渡し）＋ Eu↓（ターン数）＝０
Ev↓＝Ew↓＝０となる。
同様にして、Eu↑＝Ev↑＝Ew↑＝０である。
これにより、誘導電圧のＤＣオフセット成分は全く発生しないため、ＰＷＭセンサレス駆動方式でも安定した起動を行う事が出来る。
ここで、各ステータに対するコイル巻き数をｎとすると、図２の場合、ターン数の差は三相共に全く無いため
Eu↓（ターン数）＝Ev↓（ターン数）＝Ew↓（ターン数）＝０となる。
よって、
Eu↓＝Eu↓（渡し）＋ Eu↓（ターン数）＝０
Ev↓＝Ew↓＝０となる。
同様にして、Eu↑＝Ev↑＝Ew↑＝０である。
これにより、誘導電圧のＤＣオフセット成分は全く発生しないため、ＰＷＭセンサレス駆動方式でも安定した起動を行う事が出来る。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図３は、本発明の実施の形態２に係る三相ＤＣブラシレスモータのコイルの巻き方を示したものである。図３も、実施の形態１と同様、図１のＷ相ステータ２０２、Ｖ相ステータ２０３、Ｕ相ステータ２０４を平面的に展開したものである。
以下、本発明の第２の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図３は、本発明の実施の形態２に係る三相ＤＣブラシレスモータのコイルの巻き方を示したものである。図３も、実施の形態１と同様、図１のＷ相ステータ２０２、Ｖ相ステータ２０３、Ｕ相ステータ２０４を平面的に展開したものである。
実施の形態１と異なる点は、巻線ＬＵ，ＬＶ、ＬＷの終端に近い当たりの巻き方である。実施の形態１と同様に、中点である終端は、ステータＵ４とステータＶ４の間の位置Ｃｏｍから引き出されているが、巻線ＬＵ，ＬＶ、ＬＷのいずれの終端部分は、ステータＵ４とステータＶ４の間を、第１面から第２面に引き出されている。
このように２つのステータ間から中点を引き出す理由は、モータコイルがたるむことなく中点を取り出す事ができる様にするためである。このため、最終のステータが巻かれた後の終端部分は余分な正方向のターンが加わるが、負方向（時計回りとも言う）のターンも加えることにより、相互インダクタンスの影響を相殺することができる。
このように２つのステータ間から中点を引き出す理由は、モータコイルがたるむことなく中点を取り出す事ができる様にするためである。このため、最終のステータが巻かれた後の終端部分は余分な正方向のターンが加わるが、負方向（時計回りとも言う）のターンも加えることにより、相互インダクタンスの影響を相殺することができる。
以下、図３の実施の形態２の具体的な巻き方について説明するが、各コイル巻線の始端から最終のステータが巻き終わるまでは実施の形態１と同様であるので、その説明は省く。
Ｖ相のコイル巻線ＬＶは、中点の取り出し位置Ｃｏｍで終端部分が第１面から第２面に向かって引き出されているので、実施の形態１と全く同様の巻き方となる。
Ｕ相の巻線ＬＵは、Ｕ相の最終のステータＵ４に所定数巻かれた後、隣にあるＷ相の先頭のステータＷ１に反時計方向（正方向）に余分に１巻きした後、ステータＵ４の上側（第１面）を通って中点の取り出し位置である位置Ｃｏｍから引き出す。
Ｗ相の巻線ＬＷは、Ｗ相の最終のステータＷ４に所定数巻かれた後、ステータＶ４の第２面を通ってＵ相の最終のステータＵ４に時計方向（負方向）に余分に１巻きした後、中点の取り出し位置である位置Ｃｏｍから引き出す。
Ｖ相のコイル巻線ＬＶは、中点の取り出し位置Ｃｏｍで終端部分が第１面から第２面に向かって引き出されているので、実施の形態１と全く同様の巻き方となる。
Ｕ相の巻線ＬＵは、Ｕ相の最終のステータＵ４に所定数巻かれた後、隣にあるＷ相の先頭のステータＷ１に反時計方向（正方向）に余分に１巻きした後、ステータＵ４の上側（第１面）を通って中点の取り出し位置である位置Ｃｏｍから引き出す。
Ｗ相の巻線ＬＷは、Ｗ相の最終のステータＷ４に所定数巻かれた後、ステータＶ４の第２面を通ってＵ相の最終のステータＵ４に時計方向（負方向）に余分に１巻きした後、中点の取り出し位置である位置Ｃｏｍから引き出す。
このように巻くことにより、Ｕ相の巻線ＬＵの正方向の余分な１巻と、Ｗ相の巻線ＬＷの負方向の余分な１巻との相互インダクタンスは相殺される事となり誘導電圧のオフセットは低減する事が出来る。
以上より明らかなように、第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第３相の最終のステータに負方向に１回巻かれ、第２相の最終のステータと第３相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出され、第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま前記所定の位置から引き出され、第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第１相の先頭のステータに正方向に１回巻かれ、前記所定の位置から引き出される。
次に、上記構成に基づいた相互インダクタンスの影響を数式を用いて説明する。
第１の実施形態と全く同様に図３の場合、Muvは、Ｕ１、Ｖ２、Ｕ２、Ｖ３、Ｕ３、Ｖ４で相互インダクタンスの影響があり、
Muv＝[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＝-3*ｎ
Mvwは、Ｖ１、Ｗ２、Ｖ２、Ｗ３、Ｖ３、Ｗ４、Ｖ４で相互インダクタンスの影響があり、
Mvw＝[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＝-3.5*ｎ
Mwuは、Ｕ１、Ｗ２、Ｕ２、Ｗ３、Ｕ３、Ｗ４、Ｕ４、Ｗ１で相互インダクタンスの影響があり、
Mwu＝［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［ｎ*(-1)］＋[1*ｎ]＝-3*ｎ となる。
よって、
Eu↓（渡し）＝0
Ev↓（渡し）＝0.5*ｎ
Ew↓（渡し）＝-0.5*ｎ となる。
第１の実施形態と全く同様に図３の場合、Muvは、Ｕ１、Ｖ２、Ｕ２、Ｖ３、Ｕ３、Ｖ４で相互インダクタンスの影響があり、
Muv＝[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＝-3*ｎ
Mvwは、Ｖ１、Ｗ２、Ｖ２、Ｗ３、Ｖ３、Ｗ４、Ｖ４で相互インダクタンスの影響があり、
Mvw＝[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＝-3.5*ｎ
Mwuは、Ｕ１、Ｗ２、Ｕ２、Ｗ３、Ｕ３、Ｗ４、Ｕ４、Ｗ１で相互インダクタンスの影響があり、
Mwu＝［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［-1/2*ｎ］＋[ｎ*(-1/2)]＋［ｎ*(-1)］＋[1*ｎ]＝-3*ｎ となる。
よって、
Eu↓（渡し）＝0
Ev↓（渡し）＝0.5*ｎ
Ew↓（渡し）＝-0.5*ｎ となる。
次に、三相間のターン数の差についても、実施の形態１と同様に
Eu↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIv/dt)＋M*(dIw/dt)]
Ev↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIw/dt)＋M*(dIu/dt)]
Ew↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIu/dt)＋M*(dIv/dt)] となる。
ここでは、Eu↓、Ev↓、Ew↓のみ記載したが、Eu↑、Ev↑、Ew↑も全く同じである。
Eu↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIv/dt)＋M*(dIw/dt)]
Ev↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIw/dt)＋M*(dIu/dt)]
Ew↓（ターン数）＝-1/2*[M*(dIu/dt)＋M*(dIv/dt)] となる。
ここでは、Eu↓、Ev↓、Ew↓のみ記載したが、Eu↑、Ev↑、Ew↑も全く同じである。
ここで、各ステータに対するコイル巻き数をｎとすると、
図３の場合、ターン数の差はＷ１、Ｕ４に発生しておりＷ１には、Ｕ相のコイルが１巻きされており、Ｕ４にはＵ相のコイルが０．５巻きとＷ相のコイルが逆向きに１巻きされている。
さらに、図５にからdIv/dt=-(dIw/dt)=1、dIw/dt=-(dIu/dt)=1、
dIu/dt=-(dIv/dt)=１
と規格化すると
Eu↓（ターン数）＝-1/2*[｛ｎ*(1-0.5)*(-1)｝＋｛ｎ*(-0.5)*(1)｝]＝0.5*ｎ
Ev↓（ターン数）＝-1/2*[｛ｎ*(-1)*(-1)｝＋｛ｎ*(1-0.5)*(1)｝]＝-0.75*ｎ
Ew↓（ターン数）＝-1/2*[｛ｎ*(-0.5)*(-1)｝＋｛ｎ*(-1)*(1)｝]＝0.25*ｎ
となる。
よって、
Eu↓＝0.5*ｎ
Ev↓＝-0.25*ｎ
Ew↓＝-0.25*ｎ
となる。
図３の場合、ターン数の差はＷ１、Ｕ４に発生しておりＷ１には、Ｕ相のコイルが１巻きされており、Ｕ４にはＵ相のコイルが０．５巻きとＷ相のコイルが逆向きに１巻きされている。
さらに、図５にからdIv/dt=-(dIw/dt)=1、dIw/dt=-(dIu/dt)=1、
dIu/dt=-(dIv/dt)=１
と規格化すると
Eu↓（ターン数）＝-1/2*[｛ｎ*(1-0.5)*(-1)｝＋｛ｎ*(-0.5)*(1)｝]＝0.5*ｎ
Ev↓（ターン数）＝-1/2*[｛ｎ*(-1)*(-1)｝＋｛ｎ*(1-0.5)*(1)｝]＝-0.75*ｎ
Ew↓（ターン数）＝-1/2*[｛ｎ*(-0.5)*(-1)｝＋｛ｎ*(-1)*(1)｝]＝0.25*ｎ
となる。
よって、
Eu↓＝0.5*ｎ
Ev↓＝-0.25*ｎ
Ew↓＝-0.25*ｎ
となる。
これにより、誘導電圧のＤＣオフセット成分を小さくすることが出来るため、ＰＷＭセンサレス駆動方式でも安定した起動を行う事が出来る。
（第３の実施形態）
図４は、第３の実施の形態を示す。
図４の実施の形態３が図３の実施の形態２と異なる点は、中点である終端は、ステータＶ４とステータＷ４の間の位置Ｃｏｍから引き出されている点である。
（第３の実施形態）
図４は、第３の実施の形態を示す。
図４の実施の形態３が図３の実施の形態２と異なる点は、中点である終端は、ステータＶ４とステータＷ４の間の位置Ｃｏｍから引き出されている点である。
以下、図４の実施の形態３の具体的な巻き方について説明するが、各コイル巻線の始端から最終のステータが巻き終わるまでは実施の形態１と同様であるので、その説明は省く。
Ｗ相のコイル巻線ＬＷは、最終のステータＷ４に所定数巻かれた後、そのまま終端部分が再び第１面を通って、ステータＷ４とステータＶ４にある中点の取り出し位置Ｃｏｍから引き出される。
Ｕ相のコイル巻線ＬＵは、最終のステータＵ４に所定数巻かれた後、最終のステータＶ４の上側（第１面）を通って中点の取り出し位置Ｃｏｍから引き出す。これにより、Ｕ相のコイル巻線ＬＵは、Ｖ相の最終のステータＶ４に対して時計方向（負方向）に０．５巻き余分に巻いたことになる。
Ｗ相のコイル巻線ＬＷは、最終のステータＷ４に所定数巻かれた後、そのまま終端部分が再び第１面を通って、ステータＷ４とステータＶ４にある中点の取り出し位置Ｃｏｍから引き出される。
Ｕ相のコイル巻線ＬＵは、最終のステータＵ４に所定数巻かれた後、最終のステータＶ４の上側（第１面）を通って中点の取り出し位置Ｃｏｍから引き出す。これにより、Ｕ相のコイル巻線ＬＵは、Ｖ相の最終のステータＶ４に対して時計方向（負方向）に０．５巻き余分に巻いたことになる。
Ｖ相のコイル巻線ＬＶは、最終のステータＶ４に所定数巻かれた後、最終のステータＵ４に余分にもう１回反時計方向（正方向）に巻いた後、最終のステータＶ４の上側（第１面）を通って中点の取り出し位置Ｃｏｍから引き出す。
このように巻くことにより、Ｕ相とＶ相の相互インダクタンスは０．５巻き分相殺される事となり誘導電圧のオフセットは低減する事が出来る。
このように巻くことにより、Ｕ相とＶ相の相互インダクタンスは０．５巻き分相殺される事となり誘導電圧のオフセットは低減する事が出来る。
以上より明らかなように、第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、そのまま第１相の最終のステータと第２相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出され、第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第３相の最終のステータに正方向に１回巻かれた後、前記所定の位置から引き出され、第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、余分に第２相の最終のステータに負方向に半回巻かれた後、前記所定の位置から引き出される。
以上、図３の実施の形態２、図４の実施の形態３について説明したが、いずれも上式を満たすようなコイルの巻き方を実施すれば安定したセンサレスＰＷＭ駆動方式が実現できることは言うまでも無い。
（モータ駆動装置）
以下、本発明で利用するモータ駆動装置について、図面を参照しながら説明する。
（モータ駆動装置）
以下、本発明で利用するモータ駆動装置について、図面を参照しながら説明する。
図６は、実施の形態１及び２を駆動するモータ駆動装置である。
また、この時のモータコイル電流波形は図５のようになる。
１はロータ位置検出部、２は電気角信号生成部、４は通電切替部、５はトルク指令制御部、６は電流検出部、７は比較部、８は通電合成部、９は実施の形態１及び２で説明の三相ＤＣブラシレスモータ、１０は外部トルク指令入力端子、１１は通電制御部、１２は起動部、１３は切替制御部を示している。
また、この時のモータコイル電流波形は図５のようになる。
１はロータ位置検出部、２は電気角信号生成部、４は通電切替部、５はトルク指令制御部、６は電流検出部、７は比較部、８は通電合成部、９は実施の形態１及び２で説明の三相ＤＣブラシレスモータ、１０は外部トルク指令入力端子、１１は通電制御部、１２は起動部、１３は切替制御部を示している。
センサレス駆動は、ロータの回転によって発生する逆起電圧を検出することでモータを回転させる制御方法である。そのため、ロータが停止状態の時には逆起電圧が発生しない為、ロータ位置検出を行う事が出来ない。よって起動時には、起動部１２からある一定周波数で通電を切り替える通電信号を強制的に印加することによりロータを回転させる。この通電信号によりロータが回転し、ロータの位置検出を行う事が可能となる。この時、ＰＷＭ駆動による誘導電圧のＤＣオフセットが発生するとロータ位置の誤検出を行うため、起動失敗が発生する。この誘導電圧オフセットを、抑えるため実施の形態１、２に記載のモータを使用する。これにより起動時の位置検出は安定に行われる。ロータの回転によって発生する三相の逆起電圧は、ロータ位置検出部１に入力される。この時、逆起電圧の検出は図５の１〜６の非通電相の区間で行われる。ロータ位置検出部１の信号は、電気角信号生成部２と切替制御部１３へ入力される。切替制御部１３はロータ位置検出部１の信号からロータの回転数をカウントし、所定の値になると、起動部１２の信号を電気角信号生成部２へ切り替える。電気角信号生成部２は、ロータ位置検出部１の信号に基づいて電気角６０度毎の信号を生成する。この電気角６０度の信号は通電制御部１１と通電切替部４に入力される。
まず、通電切替部４に入力された電気角６０度信号について説明する。
通電切替部４に入力された電気角６０度信号は、電気角６０度毎に通電を切替える通電切り替え信号となる。モータ駆動電流の１周期は電気角３６０度であるので、電気角６０度信号の６区間分がモータ駆動電流１周期となる。
通電切替部４に入力された電気角６０度信号は、電気角６０度毎に通電を切替える通電切り替え信号となる。モータ駆動電流の１周期は電気角３６０度であるので、電気角６０度信号の６区間分がモータ駆動電流１周期となる。
ここで、前記分割された１区間である電気角６０度のモータ駆動電流は、増加電流及び減少電流の２つの状態に分類される。また、分類された２つのモータ駆動電流の流れる方向は、電流がモータに流れ込む時とモータから流れ出す時の２つの方向がある。これら４つの状態を電気角６０度毎に切り替え、１周期電気角３６０度のモータ駆動電流を生成する。
次に、通電制御部１１に入力された電気角６０度信号について説明する。
次に、通電制御部１１に入力された電気角６０度信号について説明する。
前記通電制御部１１に入力された電気角６０度信号と外部トルク指令信号１０は、トルク指令制御部５に入力され、外部トルク指令信号と合成され、目標指令値信号を生成する。
前記目標指令値信号とモータに流れた駆動電流を検出する電流検出部６の検出値が比較部７に入力され、コイル電流が目標値に到達すれば通電を止める通電信号を生成する。その後、所定の周期にて通電を開始し、モータ駆動電流が目標値に到達すれば再び通電を止めるＰＷＭ制御を繰り返す。
前記目標指令値信号とモータに流れた駆動電流を検出する電流検出部６の検出値が比較部７に入力され、コイル電流が目標値に到達すれば通電を止める通電信号を生成する。その後、所定の周期にて通電を開始し、モータ駆動電流が目標値に到達すれば再び通電を止めるＰＷＭ制御を繰り返す。
前記通電信号と通電切り替え信号は、通電合成部８に入力される。通電合成部８は、所定の各相のモータ駆動電流が、所定のモータコイル電流となるように、電気角６０毎にそれぞれの状態を切り替える制御を実施している。
前記に述べた構成と制御方法により、台形波状の目標指令値信号を生成し、ＰＷＭ制御にてモータ駆動電流を所望の台形波状になるように制御している。
前記に述べた構成と制御方法により、台形波状の目標指令値信号を生成し、ＰＷＭ制御にてモータ駆動電流を所望の台形波状になるように制御している。
以上のような駆動装置と実施の形態１、実施の形態２又は実施の形態３で示す巻線のモータを用いることで安定した起動を行う事が出来る。
以上説明したように、本発明は、ＰＷＭ駆動センサレス駆動方式に最適な三相ＤＣブラシレスモータを提供するものである。
Ｕ Ｕ相モータコイル出力端
Ｖ Ｖ相モータコイル出力端
Ｗ Ｗ相モータコイル出力端
ＣＯＭ モータ中点
Ｕ１〜Ｕ４ Ｕ相ステータ
Ｖ１〜Ｖ４ Ｖ相ステータ
Ｗ１〜Ｗ４ Ｗ相ステータ
Ｉｕ Ｕ相モータコイル電流
Ｉｖ Ｖ相モータコイル電流
Ｉｗ Ｗ相モータコイル電流
１００ ＤＣオフセットある場合の誘導電圧
１０１ ＤＣオフセットない場合の誘導電圧
１ ロータ位置検出部
２ 電気角信号生成部
３ 通電制御合成部
４ 通電切替部
５ トルク指令制御部
６ 電流検出部
７ 比較部
８ 通電合成部
９ 三相ブラシレスＤＣモータ
１０ 外部トルク指令制御部
１１ 通電制御部
１２ 起動部
１３ 切替制御部
２０１ ステータ（回転子）
２０２ Ｗ相ロータ（固定子）
２０３ Ｖ相ロータ（固定子）
２０４ Ｕ相ロータ（固定子）
２０５ Ｎ極永久磁石
２０６ Ｓ極永久磁石
Ｖ Ｖ相モータコイル出力端
Ｗ Ｗ相モータコイル出力端
ＣＯＭ モータ中点
Ｕ１〜Ｕ４ Ｕ相ステータ
Ｖ１〜Ｖ４ Ｖ相ステータ
Ｗ１〜Ｗ４ Ｗ相ステータ
Ｉｕ Ｕ相モータコイル電流
Ｉｖ Ｖ相モータコイル電流
Ｉｗ Ｗ相モータコイル電流
１００ ＤＣオフセットある場合の誘導電圧
１０１ ＤＣオフセットない場合の誘導電圧
１ ロータ位置検出部
２ 電気角信号生成部
３ 通電制御合成部
４ 通電切替部
５ トルク指令制御部
６ 電流検出部
７ 比較部
８ 通電合成部
９ 三相ブラシレスＤＣモータ
１０ 外部トルク指令制御部
１１ 通電制御部
１２ 起動部
１３ 切替制御部
２０１ ステータ（回転子）
２０２ Ｗ相ロータ（固定子）
２０３ Ｖ相ロータ（固定子）
２０４ Ｕ相ロータ（固定子）
２０５ Ｎ極永久磁石
２０６ Ｓ極永久磁石
Claims (4)
- ３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、
４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、
３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、
次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、
更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有し、
第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれ、第３相の最終のステータに負方向に１回巻かれ、第２相の最終のステータと第３相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出され、
第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれ、前記所定の位置から引き出され、
第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれ、第１相の先頭のステータに正方向に１回巻かれ、前記所定の位置から引き出されることを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータ。 - ３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、
４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、
３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、
次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、
更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有し、
第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、第１相の最終のステータと第２相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出され、
第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、さらに第３相の最終のステータに正方向に１回巻かれた後、前記所定の位置から引き出され、
第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、さらに第２相の最終のステータに負方向に半回巻かれた後、前記所定の位置から引き出されることを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータ。 - ３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、
４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、
３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、
次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、
更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有する３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法であって、
第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、さらに第３相の最終のステータに負方向に１回巻かれ、第２相の最終のステータと第３相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出し、
第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、前記所定の位置から引き出し、
第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、さらに第１相の先頭のステータに正方向に１回巻かれ、前記所定の位置から引き出すことを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法。 - ３Ｎ本（Ｎは、正の整数）の放射状に延びたステータと、
４Ｎ個の永久磁石をＮ極とＳ極を交互に配置したロータと、
３本目毎のステータに巻かれた第１相の巻線と、
次の３本目毎のステータに巻かれた第２相の巻線と、
更に次の３本目毎のステータに巻かれた第３相の巻線と、を有する３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法であって、
第１相の巻線は、第１相の最終のステータに正方向に巻かれた後、第１相の最終のステータと第２相の最終のステータとの間の所定の位置から引き出し、
第２相の巻線は、第２相の最終のステータに正方向に巻かれた後、さらに第３相の最終のステータに正方向に１回巻かれた後、前記所定の位置から引き出し、
第３相の巻線は、第３相の最終のステータに正方向に巻かれた後、さらに第２相の最終のステータに負方向に半回巻かれた後、前記所定の位置から引き出すことを特徴とする３相ＤＣブラシレスモータの巻線方法。
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