JP4446563B2 - ブラシレス直流モータの始動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のコイルを備えたステータと、複数の永久磁石を備えたロータと、コイルに通電する複数のスイッチング素子を備えた駆動回路とを含むブラシレス直流モータに関し、特にそのブラシレス直流モータの始動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ブラシレス直流モータのコイルに通電するための駆動回路はIGBT等のスイッチング素子を複数個組み合わせたインバータから構成されており、これら複数個のスイッチング素子を交互にオン・オフし、複数のコイルに交互に通電してステータに回転磁界を発生させることにより、永久磁石を備えたロータを回転させるようになっている。
【0003】
一般に、ブラシレス直流モータが停止した状態で駆動回路によるコイルへの通電タイミングが固定されたとき、つまり停止状態にあるブラシレス直流モータを始動するときにスイッチング素子は大きな負荷を受けて発熱し、その耐久性が低下するという問題がある。特に、始動時に特定のコイルに通電したとき、ロータが停止している位相に応じて発生するトルクが変化するため、発生トルクが小さい位相でロータが停止している場合にスイッチング素子の負荷は最も大きなものとなる。
【0004】
そこで従来は、発生トルクが最も小さくなる位相でロータが停止している状態で始動を行っても、スイッチング素子が発熱で損傷しないように該スイッチング素子の容量を充分に大きく設定していた。そしてロータが特定の位相で停止し易いような環境にある場合、始動時に特定のスイッチング素子がオンする確率が高くなるため、安全を見越して全てのスイッチング素子の容量を大きく設定する必要があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように駆動回路の全てのスイッチング素子の容量を一律に大きく設定すると、高価なスイッチング素子が必要になるためにブラシレス直流モータのコストが上昇するという問題があった。
【0006】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ブラシレス直流モータの駆動回路のスイッチング素子の耐久性を確保しながら、その容量を最小限に抑えてコストダウンを図ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、回転軸の外周を囲むように固定された複数のコイルを備えたステータと、ステータのコイルに対向するように配置されて回転軸まわりに回転可能な複数の永久磁石を備えたロータと、コイルに通電する複数のスイッチング素子を備えた駆動回路とを含み、ロータの位相に応じて複数のスイッチング素子を交互にオン・オフし、対応する複数のコイルに交互に通電することによりロータを回転させるブラシレス直流モータの始動方法において、特定のコイルに対応する特定のスイッチング素子の容量を他のスイッチング素子の容量よりも大きく設定するとともに、前記特定のコイルに通電したときに最大のトルクが得られるロータの位相を始動用ロータ位相として予め設定しておき、回転状態にあるロータが回転を停止するときに該ロータの位相を前記始動用ロータ位相に一致させ、停止状態にあるロータが回転を開始するときに前記特定のコイルに対応する特定のスイッチング素子をオンさせて始動を行うことを特徴とする、ブラシレス直流モータの始動方法が提案される。
【0008】
上記構成によれば、ブラシレス直流モータの回転状態にあるロータが回転を停止するときに、そのロータの位相を特定のコイルに通電したときに最大のトルクが得られる始動用ロータ位相に一致させておき、停止状態にあるロータが回転を開始するときに前記特定のコイルに対応する特定のスイッチング素子が必ずオンするようにしたので、前記特定のスイッチング素子の容量だけを始動時の負荷に耐え得るように大きく設定するだけで、残りのスイッチング素子の容量を小さく設定することができる。これにより、スイッチング素子の耐久性を確保しながら、全てのスイッチング素子を始動時に負荷に耐え得るように大きく設定する場合に比べてコストを削減することができる。
【0009】
また請求項2に記載された発明によれば、回転軸の外周を囲むように固定された複数のコイルを備えたステータと、ステータのコイルに対向するように配置されて回転軸まわりに回転可能な複数の永久磁石を備えたロータと、コイルに通電する複数のスイッチング素子を備えた駆動回路とを含み、ロータの位相に応じて複数のスイッチング素子を交互にオン・オフし、対応する複数のコイルに交互に通電することによりロータを回転させるブラシレス直流モータの始動方法において、前記複数のスイッチング素子の容量を相互に等しく設定するとともに、前記複数のコイルにそれぞれ通電したときに最大のトルクが得られるロータの位相を複数の始動用ロータ位相として予め設定しておき、回転状態にあるロータが回転を停止するときに該ロータの位相を前記複数の始動用ロータ位相の何れかに一致させるとともに、該始動用ロータ位相をロータが回転を停止する度に順番に切り替えてゆき、停止状態にあるロータが回転を開始するときに、そのときの始動用ロータ位相に対応するコイルに通電するスイッチング素子をオンさせて始動を行うことにより、前記複数のスイッチング素子がオンする回数を均等化することを特徴とする、ブラシレス直流モータの始動方法が提案される。
【0010】
上記構成によれば、ブラシレス直流モータの回転状態にあるロータが回転を停止するときに、そのロータの位相を複数のコイルにそれぞれ通電したときに最大のトルクが得られる複数の始動用ロータ位相の何れかに一致させておき、ロータが回転を停止する度に該ロータが停止する始動用ロータ位相を順番に切り替えることにより、停止状態にあるロータが回転を開始するときに各々のスイッチング素子がオンする回数を均等化することができる。これにより、複数のスイッチング素子が不均一にオンするのを見越して全てのスイッチング素子の容量を大きく設定する必要がなくなり、各スイッチング素子の容量を最小限に抑えてコストを削減しながら耐久性を確保することができる。
【0011】
尚、実施例のクランクシャフト8は本発明の回転軸に対応する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
図1〜図6は本発明の第1実施例を示すもので、図1は直列多気筒エンジンをクランクシャフトの軸方向に見た図、図2は図1の要部拡大断面図、図3は図2の3−3線断面図、図4は図2の要部拡大図、図5はブラシレス直流モータの駆動回路の回路図、図6はブラシレス直流モータの停止時の作用を説明するフローチャートである。
【0013】
図1に示すように、車両に搭載される直列多気筒エンジンEのエンジンブロック1の側面に補機部品取付ブラケット2が固定されており、この補機部品取付ブラケット2にパワーステアリング用オイルポンプ3、オートテンショナー4、オルタネータ5、エンジン冷却用ウオータポンプ6および空調用コンプレッサ7が固定される。エンジンEのクランクシャフト8の軸端(トランスミッションと反対側の軸端)に設けたクランクプーリ9と、オイルポンプ3に設けたオイルポンププーリ10と、オートテンショナー4に設けたテンショナープーリ11と、オルタネータ5に設けたオルタネータプーリ12と、ウオータポンプ6に設けたウオータポンププーリ13と、コンプレッサ7に設けたコンプレッサプーリ14とに単一の無端ベルト15が巻き掛けられており、クランクシャフト8の駆動力が無端ベルト15によりオイルポンプ3、オルタネータ5、ウオータポンプ6およびコンプレッサ7に伝達されるとともに、オートテンショナー4により無端ベルト15に張力が付与される。
【0014】
テンショナープーリ11およびウオータポンププーリ13は無端ベルト15の背面によって駆動されるが、このように単一の無端ベルト15を用い、かつその背面を利用することにより、補機部品3〜7を相互に接近させた状態でコンパクトに配置することができるだけでなく、各プーリ10〜14に対する無端ベルト15の巻き付き角度を充分に確保して補機部品3〜7を確実に駆動することができる。
【0015】
図2〜図4から明らかなように、エンジンブロック1から突出するクランクシャフト8に、一体に形成されたカムシャフト駆動スプロケット21およびバランサシャフト駆動スプロケット22が固定される。カムシャフト駆動スプロケット21に巻き掛けられた無端チェーン23と、バランサシャフト駆動スプロケット22に巻き掛けられた無端チェーン24とが、エンジンブロック1にボルト25…で結合されたチェーンカバー26で覆われる。
【0016】
チェーンカバー26からシール部材27を介して突出するクランクシャフト8の軸端に前記クランクプーリ9のボス部28がキー29を介して嵌合し、ボルト30およびワッシャ31で抜け止めされる。クランクプーリ9のボス部28から半径方向に延びる側壁部32の外端に環状のヨーク33が一体に形成されており、このヨーク33の外周面に無端ベルト15が係合するプーリ溝33aが形成される。クランクプーリ9の内部には環状空間が形成されており、この環状空間にスタータモータおよびジェネレータとして機能するブラシレス直流モータMが収納される。
【0017】
ブラシレス直流モータMはクランクプーリ9のヨーク33の内周面に沿って固定された複数の永久磁石34…を備えており、ヨーク33および永久磁石34…はブラシレス直流モータMのロータRを構成する。またチェーンカバー26の外面には、クランクシャフト8を中心として放射状に配置された複数のコア35…と、これらコア35…にボビン36…を介して巻き付けられた複数のコイル37…とから構成されたステータRが複数本のボルト38…で固定される。コア35…の外周面は小さなエアギャップg(図3および図4参照)を介して前記永久磁石34…の内周面に対向している。
【0018】
而して、ブラシレス直流モータMのコイル37…を消磁すればクランクプーリ9は単なるプーリとして機能するだけであるが、コイル37…を後述する所定のタイミングで交互に励磁することにより永久磁石34…に吸引力および反発力を作用させ、クランクプーリ9を回転駆動してクランクシャフト8をクランキングし、停止したエンジンEを始動することができる。また車両の制動時に駆動輪からエンジンEに逆伝達される駆動力でクランクシャフト8が回転するとき、ブラシレス直流モータMはジェネレータとして機能して回生制動力を発生する。
【0019】
図5に示すように、直流電源Bに接続された駆動回路Dは直流を3相交流に変換するインバータを構成するもので、各々IGBTから成る6個のスイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−を備える。U相のコイル37(U)はU相のスイッチング素子U+,U−に接続され、V相のコイル37(V)はV相のスイッチング素子V+,V−に接続され、W相のコイル37(W)はW相のスイッチング素子W+,W−に接続される。尚、図5では各相のコイル37(U),37(V),37(W)がそれぞれ1個ずつ示されているが、実際のブラシレス直流モータMは各相のコイル37(U),37(V),37(W)をそれぞれ複数個ずつ備えている。
【0020】
ブラシレス直流モータMのロータRの位相は図示せぬホールセンサにより検出され、そのロータRの位相に応じて6個のスイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−を交互にオン・オフ制御することにより、U相、V相およびW相のコイル37(U),37(V),37(W)に交互に通電し、ステータSに回転磁界を発生させてロータRを駆動する。図5には、6個のスイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−のうち、円で囲んだ2個のスイッチング素子U+,W−がオンし、U相のコイル37(U)およびW相のコイル37(W)に通電された状態が示されている。
【0021】
さて、エンジンEが停止したとき、つまりブラシレス直流モータMのロータRの回転が停止したとき、そのロータRの位相が一定の始動用ロータ位相に一致するようにブラシレス直流モータMが制御される。始動用ロータ位相は、例えば図5に円で囲んで示した2個のスイッチング素子U+,W−がブラシレス直流モータMの始動時にオンしたときに、ロータRに最大のトルクが発生する位置として予め設定される。この始動用ロータ位相を精密に検出すべく、ブラシレス直流モータMには図示せぬレゾルバが設けられる。
【0022】
そして前記2個のスイッチング素子U+,W−の容量は、残りの4個のスイッチング素子V+,W+,U−,V−の容量よりも大きく設定される。即ち、2個のスイッチング素子U+,W−の容量は、ブラシレス直流モータMの始動時に加わる大きな負荷に耐え得るように設定されるが、残りの4個のスイッチング素子V+,W+,U−,V−はブラシレス直流モータMの始動時にオンすることがないため、その容量は2個のスイッチング素子U+,W−の容量よりも小さく設定される。
【0023】
而して、ブラシレス直流モータMのロータRの回転が停止したとき、そのロータRの位相が常に一定の始動用ロータ位相になるため、ブラシレス直流モータMの始動時には必ず2個のスイッチング素子U+,W−がオンすることになるが、この2個のスイッチング素子U+,W−は始動時の負荷に耐える容量を持つため、その耐久性が問題になることはない。そして始動時にオンすることがない残りの4個のスイッチング素子V+,W+,U−,V−の容量を小さく設定することができるので、6個のスイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−の全てに始動時の負荷に耐え得る容量を持たせる場合に比べて、スイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−のトータルのコストを削減することができる。
【0024】
次に、図6のフローチャートに基づいて、ブラシレス直流モータMの停止時にロータRの位相を始動用ロータ位相に一致させる制御について説明する。
【0025】
先ずステップS1において、エンジンEが停止する直前にクランクシャフト8と共に回転するブラシレス直流モータMのロータRの位相θをレゾルバで検出し、続くステップS2でロータRの位相θを時間微分してロータRの角速度ωを算出する。続くステップS3でロータRの位相θおよび角速度ωに応じて、ロータRを予め設定した始動用ロータ位相に一致させるためのブラシレス直流モータMの駆動トルクおよび駆動時間を算出し、続くステップS4で前記駆動トルクおよび駆動時間に基づいてブラシレス直流モータMの駆動を制御する。
【0026】
そしてステップS5およびステップS6でロータRの位相θおよび角速度ωを再度求め、ステップS7でロータRの位相θが始動用ロータ位相に一致し、かつステップS7でロータRの角速度ωが0になるまで、前記ステップS3〜ステップS6を繰り返すことにより、ロータRの位相θが始動用ロータ位相に一致した状態でブラシレス直流モータMが停止するようにフィードバック制御を行う。この制御により、エンジンEが停止する度にロータRの位相θを始動用ロータ位相に確実に一致させることができる。
【0027】
次に、図7に基づいて本発明の第2実施例を説明する。
【0028】
第1実施例では2個のスイッチング素子U+,W−をオンしてU相のコイル37(U)およびW相のコイル37(W)に通電したとき、最大のトルクが発生するロータRの位相を始動用ロータ位相としており、その始動用ロータ位相の数は1であった。それに対して、第2実施例では3つの始動用ロータ位相が予め設定される。第1の始動用ロータ位相は、2個のスイッチング素子U+,W−をオンしてU相のコイル37(U)およびW相のコイル37(W)に通電したときに最大のトルクが発生する位相であり(図7(A)参照)、第2の始動用ロータ位相は、2個のスイッチング素子V+,U−をオンしてV相のコイル37(V)およびU相のコイル37(U)に通電したときに最大のトルクが発生する位相であり(図7(B)参照)、第3の始動用ロータ位相は、2個のスイッチング素子W+,V−をオンしてW相のコイル37(W)およびV相のコイル37(V)に通電したときに最大のトルクが発生する位相である(図7(C)参照)。
【0029】
ブラシレス直流モータMが停止するときのロータRの位相θは、第1の始動用ロータ位相→第2の始動用ロータ位相→第3の始動用ロータ位相の順序で切り替えられる。そして6個のスイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−の容量は全て同一とされる。
【0030】
而して、ロータRが第1の始動用ロータ位相で停止した状態でブラシレス直流モータMが始動するときにはスイッチング素子U+,W−がオンし、ロータRが第2の始動用ロータ位相で停止した状態でブラシレス直流モータMが始動するときにはスイッチング素子V+,U−がオンし、ロータRが第3の始動用ロータ位相で停止した状態でブラシレス直流モータMが始動するときにはスイッチング素子W+,V−がオンするため、長期の間に全てのスイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−がオンする回数は必ず均等になる。その結果、スイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−が不均一にオンするのを見越してそれらの容量を大きく設定する必要がなくなるため、各スイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−の容量を最小限に抑えることができ、これによりスイッチング素子U+,V+,W+,U−,V−,W−のコストを削減しながら耐久性を確保することができる。
【0031】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。
【0032】
例えば、実施例ではエンジンEのスタータモータおよびジェネレータとして機能するブラシレス直流モータMを例示したが、本発明は他の任意の用途のブラシレス直流モータに対して適用することができる。
【0033】
また実施例のブラシレス直流モータMはアウターロータ型であるが、本発明はインナーロータ型のブラシレス直流モータに対しても適用することができる。
【0034】
また第1実施例ではブラシレス直流モータMの始動時にスイッチング素子U+,W−をオンしているが、そのスイッチング素子の組み合わせは第1実施例に限定されるものではない。
【0035】
【発明の効果】
以上のように請求項1に記載された発明によれば、ブラシレス直流モータの回転状態にあるロータが回転を停止するときに、そのロータの位相を特定のコイルに通電したときに最大のトルクが得られる始動用ロータ位相に一致させておき、停止状態にあるロータが回転を開始するときに前記特定のコイルに対応する特定のスイッチング素子が必ずオンするようにしたので、前記特定のスイッチング素子の容量だけを始動時の負荷に耐え得るように大きく設定するだけで、残りのスイッチング素子の容量を小さく設定することができる。これにより、スイッチング素子の耐久性を確保しながら、全てのスイッチング素子を始動時に負荷に耐え得るように大きく設定する場合に比べてコストを削減することができる。
【0036】
また請求項2に記載された発明によれば、ブラシレス直流モータの回転状態にあるロータが回転を停止するときに、そのロータの位相を複数のコイルにそれぞれ通電したときに最大のトルクが得られる複数の始動用ロータ位相の何れかに一致させておき、ロータが回転を停止する度に該ロータが停止する始動用ロータ位相を順番に切り替えることにより、停止状態にあるロータが回転を開始するときに各々のスイッチング素子がオンする回数を均等化することができる。これにより、複数のスイッチング素子が不均一にオンするのを見越して全てのスイッチング素子の容量を大きく設定する必要がなくなり、各スイッチング素子の容量を最小限に抑えてコストを削減しながら耐久性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 直列多気筒エンジンをクランクシャフトの軸方向に見た図
【図2】 図1の要部拡大断面図
【図3】 図2の3−3線断面図
【図4】 図2の要部拡大図
【図5】 ブラシレス直流モータの駆動回路の回路図
【図6】 ブラシレス直流モータの停止時の作用を説明するフローチャート
【図7】 本発明の第2実施例に係るブラシレス直流モータの駆動回路の回路図
【符号の説明】
8 クランクシャフト(回転軸)
34 永久磁石
37 コイル
D 駆動回路
R ロータ
S ステータ
U+,U− スイッチング素子
V+,V− スイッチング素子
W+,W− スイッチング素子
Claims (2)
- 回転軸(8)の外周を囲むように固定された複数のコイル(37)を備えたステータ(S)と、ステータ(S)のコイル(37)に対向するように配置されて回転軸(8)まわりに回転可能な複数の永久磁石(34)を備えたロータ(R)と、コイル(37)に通電する複数のスイッチング素子(U+,V+,W+,U−,V−,W−)を備えた駆動回路(D)とを含み、
ロータ(R)の位相に応じて複数のスイッチング素子(U+,V+,W+,U−,V−,W−)を交互にオン・オフし、対応する複数のコイル(37)に交互に通電することによりロータ(R)を回転させるブラシレス直流モータの始動方法において、
特定のコイル(37)に対応する特定のスイッチング素子(U+,W−)の容量を他のスイッチング素子(V+,W+,U−,V−)の容量よりも大きく設定するとともに、前記特定のコイル(37)に通電したときに最大のトルクが得られるロータ(R)の位相を始動用ロータ位相として予め設定しておき、回転状態にあるロータ(R)が回転を停止するときに該ロータ(R)の位相を前記始動用ロータ位相に一致させ、停止状態にあるロータ(R)が回転を開始するときに前記特定のコイル(37)に対応する特定のスイッチング素子(U+,W−)をオンさせて始動を行うことを特徴とする、ブラシレス直流モータの始動方法。 - 回転軸(8)の外周を囲むように固定された複数のコイル(37)を備えたステータ(S)と、ステータ(S)のコイル(37)に対向するように配置されて回転軸(8)まわりに回転可能な複数の永久磁石(34)を備えたロータ(R)と、コイル(37)に通電する複数のスイッチング素子(U+,V+,W+,U−,V−,W−)を備えた駆動回路(D)とを含み、
ロータ(R)の位相に応じて複数のスイッチング素子(U+,V+,W+,U−,V−,W−)を交互にオン・オフし、対応する複数のコイル(37)に交互に通電することによりロータ(R)を回転させるブラシレス直流モータの始動方法において、
前記複数のスイッチング素子(U+,V+,W+,U−,V−,W−)の容量を相互に等しく設定するとともに、前記複数のコイル(37)にそれぞれ通電したときに最大のトルクが得られるロータ(R)の位相を複数の始動用ロータ位相として予め設定しておき、回転状態にあるロータ(R)が回転を停止するときに該ロータ(R)の位相を前記複数の始動用ロータ位相の何れかに一致させるとともに、該始動用ロータ位相をロータ(R)が回転を停止する度に順番に切り替えてゆき、停止状態にあるロータ(R)が回転を開始するときに、そのときの始動用ロータ位相に対応するコイル(37)に通電するスイッチング素子(U+,V+,W+,U−,V−,W−)をオンさせて始動を行うことにより、前記複数のスイッチング素子(U+,V+,W+,U−,V−,W−)がオンする回数を均等化することを特徴とする、ブラシレス直流モータの始動方法。
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