JP4284729B2

JP4284729B2 - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP4284729B2
Application number: JP00677199A
Authority: JP
Inventors: 雅浩鈴木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: JP2000209887A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は比較的高速回転するものに使用して好適なブラシレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ブラシレスモータとして図６〜図９に示す如き、３相８極の平面型ブラシレスモータが提案されている。
【０００３】
この図６〜図９につき説明するに、図６において、１はロータ、２はステータ、３は回転軸、４はベアリングである。このロータ１は、図８に示す如く、Ｎ極及びＳ極が厚さ方向に着磁された８つの板状のマグネット１ａ，１ｂ‥‥１ｈを等角間隔にＮ極及びＳ極が交互になる如く回転軸３を中心として平面円形に配したものである。
【０００４】
また、ステータ２は、図９に示す如く、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃを２個づつ夫々回転軸３を中心として対向して等角間隔に平面円形に配したもので、このブラシレスモータは図６に示す如く、ステータ２の６個の励磁コイル２ａ，２ｂ，２ｃ、２ａ，２ｂ，２ｃ上に所定の空隙を介して対向してロータ１のマグネット１ａ，１ｂ‥‥１ｈを配する如くする。この場合、この２個の励磁コイル２ａ，２ａは電気的に直列に接続されている。また励磁コイル２ｂ，２ｂ及び励磁コイル２ｃ，２ｃも同様である。
【０００５】
また、図９に示す如く、このステータ２の励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃの夫々の中心部にロータ１のマグネット１ａ，１ｂ‥‥１ｈの磁極を検出するＵ相、Ｖ相及びＷ相の磁気センサ５ａ，５ｂ及び５ｃを配すると共に図７に示す如き制御回路により、切り換えてこの励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃに励磁電流を供給する如くする。
【０００６】
この図７の制御回路につき説明するに、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の磁気センサ５ａ，５ｂ及び５ｃの検出信号を夫々磁気センサアンプ１０ａ，１０ｂ及び１０ｃを介して励磁切り換え回路１１に供給する。
【０００７】
この励磁切り換え回路１１の６つの出力端子を夫々出力ｎｐｎ形トランジスタＱ１，Ｑ２‥‥Ｑ６の夫々のベースに接続し、このトランジスタＱ１，Ｑ２及びＱ３の夫々のコレクタを可変直流電源１２を介して接地し、このトランジスタＱ１，Ｑ２及びＱ３の夫々のエミッタをトランジスタＱ４，Ｑ５及びＱ６の夫々のコレクタに接続し、之等トランジスタＱ４，Ｑ５及びＱ６の夫々のエミッタを夫々接地する。
【０００８】
また、トランジスタＱ１のエミッタ及びトランジスタＱ４のコレクタの接続点を励磁コイル２ａの一端に接続し、トランジスタＱ２のエミッタ及びトランジスタＱ５のコレクタの接続点を励磁コイル２ｂの一端に接続し、トランジスタＱ３のエミッタ及びトランジスタＱ６のコレクタの接続点を励磁コイル２ｃの一端に接続し、之等励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃの夫々の他端を互いに接続する。
【０００９】
この図７の従来の制御回路の励磁切り換え回路１１においては、磁気センサ５ａ，５ｂ及び５ｃに夫々図１０Ａ，Ｂ及びＣに示す如き相対値の検出信号Ｓｕ，Ｓｖ及びＳｗが得られたときに励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃに図１１に示す如き相対値の励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを夫々流す如くする。
【００１０】
この場合、励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗが夫々プラス（＋）のときに夫々出力トランジスタＱ１，Ｑ２及びＱ３がオンする如くし、この励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗが夫々マイナス（−）のときに、夫々出力トランジスタＱ４，Ｑ５及びＱ６がオンする如くし、その他のときはこの出力トランジスタＱ１，Ｑ２‥‥Ｑ６は夫々オフする如くする。
【００１１】
また、１３は、回転速度の指令に応じた指令電圧を発生する指令電圧発生回路を示し、この指令電圧発生回路１３よりの指令電圧を誤差検出回路１４を構成する演算増幅回路の非反転入力端子＋に供給すると共に磁気センサアンプ１０ａの出力側に得られるロータ１の回転速度に応じた周波数の磁気センサ５ａの検出信号を周波数（回転速度）を電圧に変換する周波数−電圧変換回路１５に供給し、この周波数−電圧変換回路１５の出力側に得られるロータ１の回転速度に応じた電圧をこの誤差検出回路１４を構成する演算増幅回路の反転入力端子−に供給する如くする。
【００１２】
この誤差検出回路１４の出力側に得られるロータ１の回転速度に応じた誤差信号を可変直流電源１２の出力直流電圧値を制御する直流電圧制御器１６に供給し、この直流電圧制御器１６により、可変直流電源１２の出力電圧値を制御して、励磁コイル２ａ，２ｂ，２ｃに供給する励磁電流の値（レベル）を制御し、ロータ１が指令に応じた回転速度で回転する如くしている。
【００１３】
また、このブラシレスモータのロータ１に対するステータ２の励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃの回転角度に対する発生トルクの相対値は図１２Ｂ，Ｃ及びＤのトルク曲線Ｔｕ，Ｔｖ及びＴｗに示す如くであり、このトルク曲線Ｔｕ，Ｔｖ及びＴｗの合成トルクが図１２Ａに示す如きトルク曲線ＴＲＯであり、このトルク曲線ＴＲＯの相対値の低いところが、トルク発生効率が低い回転角度である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
斯る従来のブラシレスモータにおいては、ステータ２の励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃに全回転角度に亘って励磁電流を流すようにしているため、トルク発生効率が高い回転角度範囲だけでなく、トルク発生効率の著しく低い回転角度範囲でも励磁電流が消費されるため、回転角度全体では平均化されるため低めのトルク発生効率となり、消費電力が大きくなる不都合があった。特にこのロータ１の高速回転時に、この問題が顕著になる。
【００１５】
また、トルク発生効率の著しく低い回転角度範囲で励磁コイル２ａ，２ｂ，２ｃに励磁電流を流してロータ１を駆動するようにしたときには、このブラシレスモータの励磁トルク変動が騒音、振動の発生源となり易い不都合があった。特にこのロータ１の高速回転時に、この問題が顕著になる。
【００１６】
本発明は斯る点に鑑み、ロータ１の高速回転時にトルク発生効率を高め低消費電力とすると共に励磁トルク変動が騒音、振動の発生源とならないようにすることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明ブラシレスモータは、マグネットのＮ極及びＳ極を交互に配したロータと、このロータのマグネットと空隙を介して対向して複数の励磁コイルを配したステータと、このステータ側に配したこのロータのマグネットの磁極を検出する磁気センサと、この磁気センサの出力信号によりこのステータの複数の励磁コイルに切り換えて励磁電流を供給する制御回路とを有するブラシレスモータにおいて、このロータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、この磁気センサの出力信号の立上り及び立下りのレベルが上側設定値以下で且つ下側設定値以上の範囲を検出するトルク効率低下範囲検出手段とを設け、このロータの回転速度が所定速度以上となったときに、このステータの複数の励磁コイルにこのトルク効率低下範囲検出手段の検出出力に応じてこの励磁電流を供給しないようにしたものである。
【００１８】
本発明によればロータの高速回転時にトルク効率低下範囲検出手段の検出出力に応じて、この複数の励磁コイルに励磁電流を供給しないようにしているので、トルク効率が向上し、低消費電力とすることができると共にトルク効率低下範囲で複数の励磁コイルに励磁電流を供給しないので、励磁トルク変動が騒音、振動の発生源とならない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明ブラシレスモータの実施の形態の例につき説明する。
【００２０】
本例によるブラシレスモータも図６、図８、図９に示す如く３相８極の平面型ブラシレスモータとする。即ち、図６に示す如く、平面型のステータ２上に所定の空隙を離して平面型のロータ１を配する如く、このロータ１を回転軸３に固定し、ベアリング４を介してこのロータ１が回転自在となる如くする。
【００２１】
このロータ１は、図８に示す如く、Ｎ極及びＳ極が厚さ方向に着磁された８つの板状のマグネット１ａ，１ｂ‥‥１ｈを等角間隔にＮ極及びＳ極が交互になる如く回転軸３を中心として、平面円形に配したものである。
【００２２】
また、ステータ２は、図９に示す如く、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相の励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃを２個づつ夫々回転軸３を中心として対向して等角間隔に平面円形に配したもので、このブラシレスモータは図６に示す如く、このステータ２の６個の励磁コイル２ａ，２ｂ，２ｃ、２ａ，２ｂ，２ｃ上に所定の空隙を介して対向してロータ１のマグネット１ａ，１ｂ‥‥１ｈを配する如くする。この場合この２個の励磁コイル２ａ，２ａは電気的に直列に接続されている。また励磁コイル２ｂ，２ｂ及び励磁コイル２ｃ，２ｃも同様である。
【００２３】
また、図９に示す如く、このステータ２の励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃの夫々の中心部にロータ１のマグネット１ａ，１ｂ‥‥１ｈの磁極を検出するＵ相、Ｖ相及びＷ相の磁気センサ５ａ，５ｂ及び５ｃを配すると共に本例においては図１に示す如き制御回路により、この励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃに供給する励磁電流を制御する如くする。
【００２４】
次に本例による図１に示す制御回路を説明するに、図７に対応する部分には同一符号を付して示す。
この図１においては、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の磁気センサ５ａ，５ｂ及び５ｃの検出信号を夫々磁気センサアンプ１０ａ，１０ｂ及び１０ｃを介して励磁切り換え回路１１に供給する。
【００２５】
この励磁切り換え回路１１の６つの出力端子を夫々出力ｎｐｎ形トランジスタＱ１，Ｑ２‥‥Ｑ６の夫々のベースに接続し、このトランジスタＱ１，Ｑ２及びＱ３の夫々のコレクタを後述するスイッチング素子を構成するｐｎｐ形トランジスタ２０のコレクタに接続し、このトランジスタ２０のエミッタを可変直流電源１２を介して接地し、このトランジスタＱ１，Ｑ２及びＱ３の夫々のエミッタをトランジスタＱ４，Ｑ５及びＱ６の夫々のコレクタに接続し、之等トランジスタＱ４，Ｑ５及びＱ６の夫々のエミッタを夫々接地する。
【００２６】
また、トランジスタＱ１のエミッタ及びトランジスタＱ４のコレクタの接続点を励磁コイル２ａの一端に接続し、トランジスタＱ２のエミッタ及びトランジスタＱ５のコレクタの接続点を励磁コイル２ｂの一端に接続し、トランジスタＱ３のエミッタ及びトランジスタＱ６のコレクタの接続点を励磁コイル２ｃの一端に接続し、この励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃの夫々の他端を互いに接続する。
【００２７】
この本例の励磁切り換え回路１１においては、磁気センサ５ａ，５ｂ及び５ｃに夫々図１０Ａ，Ｂ及びＣに示す如き相対値の検出信号Ｓｕ，Ｓｖ及びＳｗが得られたときに励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃに図１１に示す如き相対値の励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを夫々流す如くする。
【００２８】
この場合、励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗが夫々プラス（＋）のときに夫々出力トランジスタＱ１，Ｑ２及びＱ３が夫々オンする如くし、この励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗが夫々マイナス（−）のときに、夫々出力トランジスタＱ４，Ｑ５及びＱ６がオンする如くし、その他のときは、この出力トランジスタＱ１，Ｑ２‥‥Ｑ６は夫々オフする如くする。
【００２９】
また、回転速度の指令に応じた指令電圧を発生する指令電圧発生回路１３よりの指令電圧を誤差検出回路１４を構成する演算増幅回路の非反転入力端子＋に供給すると共に磁気センサアンプ１０ａの出力側に得られるロータ１の回転速度に応じた周波数の磁気センサ５ａの検出信号を周波数（回転速度）を電圧に変換する周波数−電圧変換回路１５に供給し、この周波数−電圧変換回路１５の出力側に得られるロータ１の回転速度に応じた電圧をこの誤差検出回路１４を構成する演算増幅回路の反転入力端子−に供給する如くする。
【００３０】
この誤差検出回路１４の出力側に得られるロータ１の回転速度に応じた誤差信号を可変直流電源１２の出力直流電圧値を制御する直流電圧制御器１６に供給し、この直流電圧制御器１６により、可変直流電源１２の出力電圧値を制御して、励磁コイル２ａ，２ｂ，２ｃに供給する励磁電流の値（レベル）を制御し、ロータ１が指令に応じた回転速度で回転する如くしている。
【００３１】
また、このブラシレスモータのロータ１に対するステータ２の励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃの回転角度に対する発生トルクの相対値は図１２Ｂ，Ｃ及びＤのトルク曲線Ｔｕ，Ｔｖ及びＴｗに示す如くであり、このトルク曲線Ｔｕ，Ｔｖ及びＴｗの合成トルクは図１２Ａに示す如きトルク曲線ＴＲＯであり、このトルク曲線ＴＲＯの相対値の低いところがトルク発生効率が低い回転角度である。
【００３２】
本例においては、このステータ２のトルク効率低下範囲を検出するトルク効率低下範囲検出回路２１を設ける。この図１２のトルク曲線ＴＲＯ，Ｔｕ，Ｔｖ及びＴｗの回転角度が９０度までを図１３に示す、本例においてはこの斜線部分をトルク効率低下範囲即ち回転角度が０度、１５度、３０度、４５度、６０度、７５度、９０度‥‥の前後をトルク効率低下範囲とし、これを検出する如くする。
【００３３】
この場合、図１０に示す如き磁気センサ５ａ，５ｂ及び５ｃの検出信号Ｓｕ，Ｓｖ及びＳｗの回転角度が９０度までを図１４に示す如く、このトルク効率低下範囲の０度、４５度、９０度‥‥は磁気センサ５ｂの検出信号Ｓｖの立上り及び立下り部に該当し、１５度、６０度‥‥は磁気センサ５ａの検出信号Ｓｕの立上り及び立下り部に該当し、３０度、７５度‥‥は磁気センサ５ｃの検出信号Ｓｗの立上り及び立下り部に該当する。
【００３４】
そこで、本例においては、磁気センサアンプ１０ａ，１０ｂ及び１０ｃとの夫々の出力信号をトルク効率低下範囲検出回路２１を構成するウインドウコンパレータ２１ａ，２１ｂ及び２１ｃに供給する如くする。
このウインドウコンパレータ２１ａ，２１ｂ及び２１ｃは夫々図２Ａに示す如く磁気センサアンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの夫々の出力信号が上側設定値以下で下側設定値以上のときに図２Ｂに示す如く、ハイレベル信号“１”を出力する如くなしたものである。
【００３５】
従って、ウインドウコンパレータ２１ａ，２１ｂ及び２１ｃの夫々の出力側には、図３Ａ，Ｂ及びＣに示す如き、出力信号が得られ、このウインドウコンパレータ２１ａ，２１ｂ及び２１ｃの出力信号を夫々トルク効率低下範囲検出回路２１を構成するオア回路２１ｄに供給する。このオア回路２１ｄの出力側に図３Ｄに示す如く、トルク効率低下範囲即ち回転角度が０度、１５度、３０度、４５度、６０度、７５度‥‥の前後がハイレベル信号“１”となる出力信号が得られる。このオア回路２１ｄの出力信号をアンド回路２２の一方の入力端子に供給する。
【００３６】
また、一般にブラシレスモータのステータ２の励磁コイル２ａ，２ｂ，２ｃに励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが供給されないときには、発生トルクも零になりトルクリップルを生じる。しかし、ブラシレスモータのロータ１が高速回転例えば４０００ｒｐｍ以上で十分にイナーシャが大きいときにはこのトルクリップルによる回転ムラの影響が少なくなる。このトルクＴとイナーシャＪとの関係は角速度をｗとしたとき、
ｄｗ／ｄｔ＝Ｔ／Ｊ
であり、この式よりイナーシャＪが十分に大きいときにはトルクリップルによる回転ムラの影響が少なくなることがわかる。
【００３７】
本例においては、ロータ１の回転速度に応じた出力電圧が得られる周波数−電圧変換回路１５の出力信号を速度コンパレータ２３に供給する。この速度コンパレータ２３はロータ１が例えば４０００ｒｐｍ以上となったときに図４に示す如く、その出力側にハイレベル信号“１”を得る如くすると共に高速回転より回転速度が落ちて来たときは例えば３５００ｒｐｍ以下で、その出力側がハイレベル信号“１”からローレベル信号“０”なる如くし、この出力信号にヒステリシス特性を持たせ、動作のばたつきをなくすようにする。
【００３８】
この速度コンパレータ２３の出力信号をアンド回路２２の他方の入力端子に供給する。このアンド回路２２の出力信号を抵抗器を介してスイッチング素子を構成するｐｎｐ形トランジスタ２０のベースに供給する。このトランジスタ２０はアンド回路２２の出力側がローレベル信号“０”のときにオンとなり、このアンド回路２２の出力側がハイレベル信号“１”のときにオフとなる。
【００３９】
本例は上述の如く構成されているので、ロータ１の回転速度が例えば４０００ｒｐｍ以下のときは、速度コンパレータ２３の出力側はローレベル信号“０”なのでトランジスタ２０はオンのままであり、このときは図７の従来例と同様に動作する。斯る本例において、ロータ１の回転速度が４０００ｒｐｍ以上となったときには、速度コンパレータ２３の出力側はハイレベル信号となり、オア回路２１ｄの出力側が図３Ｄに示す如くハイレベル信号“１”となるステータ２のトルク効率低下範囲で、トランジスタ２０がオフとなり、このときはステータ２の励磁コイル２ａ，２ｂ，２ｃに励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを供給しないこととなる。
【００４０】
このとき、ステータ２の励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃに供給される励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗのパターンは図５Ａ，Ｂ及びＣに示す如く、このトルク効率低下範囲で電流が零となる。
【００４１】
本例は上述の如くロータ１が例えば４０００ｒｐｍ以上の高速回転をしているときに、トルク効率低下範囲で、励磁コイル２ａ，２ｂ及び２ｃに励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ及びＩｗを供給しないようにしているので、トルク効率が向上し、低消費電力とすることができる。
【００４２】
また、本例によれば、トルク効率低下範囲で、励磁コイル２ａ，２ｂ，２ｃに励磁電流を供給しないので、このブラシレスモータの励磁トルク変動が、騒音、振動の発生源となることがない。
【００４３】
また本例によれば低消費電力となるので、発熱を押さえることができる。
【００４４】
尚、本発明は上述例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成が採り得ることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、高速回転して、イナーシャＪが十分大きいときに、トルク効率低下範囲で、複数の励磁コイルに励磁電流を供給しないようにしているので、トルク効率が向上し、低消費電力とすることができる。
【００４６】
また、本発明によれば、トルク効率低下範囲で、励磁コイルに励磁電流を供給しないので、このブラシレスモータの励磁トルク変動が騒音、振動の発生源となることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ブラシレスモータの実施の形態の例の制御回路の例を示す系統図である。
【図２】図１の説明に供する線図である。
【図３】図１の説明に供する線図である。
【図４】図１の説明に供する線図である。
【図５】図１の説明に供する線図である。
【図６】ブラシレスモータの例を示す断面図である。
【図７】従来のブラシレスモータの制御回路の例を示す系統図である。
【図８】ロータの例を示す平面図である。
【図９】ステータの例を示す平面図である。
【図１０】本発明の説明に供する線図である。
【図１１】本発明の説明に供する線図である。
【図１２】本発明の説明に供する線図である。
【図１３】本発明の説明に供する線図である。
【図１４】本発明の説明に供する線図である。
【符号の説明】
１‥‥ロータ、１ａ，１ｂ‥‥１ｈ‥‥マグネット、２‥‥ステータ、２ａ，２ｂ，２ｃ‥‥励磁コイル、３‥‥回転軸、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ‥‥磁気センサアンプ、１１‥‥励磁切り換え回路、１２‥‥可変直流電源、１３‥‥指令電圧発生回路、１４‥‥誤差検出回路、１５‥‥周波数−電圧変換回路、１６‥‥直流電圧制御器、２０‥‥スイッチング素子、２１‥‥トルク効率低下範囲検出回路、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ‥‥ウインドウコンパレータ、２１ｄ‥‥オア回路、２２‥‥アンド回路、２３‥‥速度コンパレータ

Claims

マグネットのＮ極及びＳ極を交互に配したロータと、該ロータのマグネットと空隙を介して対向して複数の励磁コイルを配したステータと、該ステータ側に配した前記ロータのマグネットの磁極を検出する磁気センサと、該磁気センサの出力信号により前記ステータの複数の励磁コイルに切り換えて励磁電流を供給する制御回路とを有するブラシレスモータにおいて、
前記ロータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記磁気センサの出力信号の立上り及び立下りのレベルが上側設定値以下で且つ下側設定値以上の範囲を検出するトルク効率低下範囲検出手段とを設け、前記ロータの回転速度が所定速度以上となったときに、前記ステータの複数の励磁コイルに前記トルク効率低下範囲検出手段の検出出力に応じて前記励磁電流を供給しないようにしたことを特徴とするブラシレスモータ。
請求項１記載のブラシレスモータにおいて、前記回転速度検出手段にヒステリシス特性を持たせたことを特徴とするブラシレスモータ。