JP4680230B2 - ２相同時励磁ブラシレスｄｃモータ - Google Patents

Description

本発明は、６個の磁極を有する２相のステータコアと、６個の磁極とを有するロータマグネットからなり、２相同時励磁することで、モータ効率をアップさせることができる２相同時励磁ブラシレスＤＣモータに関する。

従来より、ブラシを使用したブラシモータは電流の切り替えに特別な回路を必要としないため、安価に製作できる利点があり、現在でも玩具等コストが重要視される製品に広く使われている。但し、ブラシと整流子の間に電気を流す必要があり、ある程度の荷重で押し付ける必要がある。押し付けた状態で回転するため、ブラシが擦り減ることは避けられず、寿命は短いものとなる最大の欠点がある。

このため、ブラシモータよりもコストはかかるものの、ロータマグネットの位相（角度）をセンサで読み取り、その位相により電気回路を使用して電流の向きを切り替えるブラシレスモータが自動車等信頼性を必要とされる分野で幅広く使用されている。ブラシのような擦り減る部品が無いため、寿命は長いものとなる。この例として、図６に示すように、２相（Ａ相、Ｂ相）のブラシレスＤＣモータが存在している。

また、磁界はＮ極とＳ極の２種類しかないため、電磁石が２個なら交替でＮ極とＳ極を入れ替えればロータマグネット（永久磁石）は回転できるが、電磁石がそれ以上の数ある場合、例えば全電磁石のロータ対向面を同じＮ極にしたとしても、回転力は発生せず、内側のロータマグネットは回転できない構成である。

特許文献１の第８頁の図6のように、内側のロータマグネットの回転に伴い、回転方向進行側に吸引力、回転方向後退側に反発力が発生するように順番に磁界を発生させれば、ロータマグネットは回転し続けることができる。このとき電磁石の磁界を発生させるパターン（１巡する組み合わせ）が３通りあるものを３相モータ、電磁石の磁界を発生させるパターンが２通りのものを２相モータと言う。さらに、一般的には、６極３相モータとして、４極のロータマグネットにて構成され、パターンが６通りのブラシレスＤＣモータが存在している。
特開２００４−１８０４１９

特許文献１には、巻線としてのコイルを巻くときに、正方向巻き（時計方向）、逆方向巻き（反時計方向）と決まった方向に全て巻くのではなく、コイルを巻く時に半分ずつに分け、その半分ずつのコイルを同時にそれぞれを逆回転するように巻くと、コイルを巻く時間を半分にできるという特徴がある。巻線を対称的に逆回転に巻いていくため、巻線の電気的・磁気的特性が揃い、モータ効率がアップする利点もある。さらに、巻線を対称的に逆回転に巻いていくため、巻線の電気的・磁気的特性が揃い、回転バランスが良くなるため、振動・騒音を減少できる。さらに、巻線を対称的に逆回転に巻いていくため、電流を切り替えた瞬間に発生するサージ電圧を打ち消しあって減少させることができる。このサージ電圧の減少によって、電熱機器は劣化などの影響を減少させ得る。

ところで、特許文献１では、６極３相モータのため、ロータマグネットを回転させるための同時通電極数は４極になるが、同時通電されている４極の巻線が直列に接続されているため、抵抗が大きくなり、電圧降下が大きくなる欠点がある。モータに入力される電圧はバッテリー（１２Ｖなど）で一定のため、有効に使える電圧が低下し、出力の低下と効率の低下に繋がる。更に詳しく言えば、巻線が直列に接続されていることから抵抗値が高くなる。入力電圧はバッテリー供給のためほぼ−定である。

すると、Ｖ（−定）＝ＩＲ（オームの法則）より、抵抗が上がった分、有効に使える電流は低くなる。巻線ができる仕事量は「電流値×コイルの巻数（アンペアターンと呼ばれる）」で決まり、更にコイルの巻数は一定であり、よって電流値が低くなった分だけモータの出力が低下してしまう。また、６極３相モータのため、６極の磁極のうち実際に同時通電されているのは４極である。つまり２極は仕事をしていないことになり、効率は良くない。さらに、一部の磁極に荷重（回転トルク）が発生するため、回転バランスが悪くなり、振動・騒音が悪化する。また、通電する磁極数が少ないため、少ない磁極に無理やり電気が流れ、ステ一夕コアの磁気抵抗が高くなり、モータ効率がダウンするなどの欠点がある。このため、本発明が解決しようとする課題（技術的課題又は目的等）は、モータ効率をアップさせることを実現することである。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、６個の磁極を有するステータコアと、６個の磁極を有するロータマグネットと、前記ステータコアの３極ずつに巻装された２相の巻線と、４個のスイッチング素子を有するブリッジ回路とＤＣ電源とを有し、前記巻線は正方向又は逆方向の一方側のみに巻装することにより形成され、前記２相の巻線が並列接続されて前記ブリッジ回路の中間に接続されると共に、前記２個のスイッチング素子の動作にて両相に正方向電流が流れて前記２相の巻線が同時に励磁されるように、且つ他方の２個のスイッチング素子の動作にて両相に逆方向電流が流れて前記２相の巻線が同時に励磁され、全６磁極に同時通電するように制御されてなることを特徴とする２相同時励磁ブラシレスＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決した。

請求項２の発明を、６個の磁極を有するステータコアと、６個の磁極を有するロータマグネットと、前記ステータコアの３極ずつに巻装された正方向・逆方向にバイファイラ巻きした２相の巻線と、該２相の巻線とＤＣ電源との間に介装された２個のスイッチング素子とを有し、前記各ステータコアには前記２相の巻線がそれぞれ巻装され、該２相の巻線は前記ＤＣ電源に対して並列接続されるとともに、一方のスイッチング素子の動作にて１相側の正方向巻きの巻線と他相側の逆方向巻きの巻線とが同時に励磁されるように、且つ他方のスイッチング素子の動作にて１相側の逆方向巻きの巻線と他相側の正方向巻きの巻線とに同時に励磁され、全６磁極に同時通電するように制御されてなることを特徴とする２相同時励磁ブラシレスＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決した。

請求項３の発明を、前述の構成において、前記スイッチング素子をトランジスタとしてなることを特徴とする２相同時励磁ブラシレスＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決した。請求項４の発明を、前述の構成において、前記スイッチング素子に逆流防止用のダイオードが並列接続されてなることを特徴とする２相同時励磁ブラシレスＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決したものである。

請求項１の発明においては、２相モータであり、それが並列に接続されているため、全6磁極に同時通電できる。３極ずつに並列に接続されていることから、巻線の抵抗値が低くて済み、電圧降下が少なくて済む利点がある。また、モータに入力される電圧はＤＣ電源で（例えば、１２Ｖ）で−定のため、有効に使える電圧が増え、出力の増加と効率をアップできる。この点を詳述すると、巻線が並列に接続されていることから抵抗値が低くなり、ＤＣ電源の電圧は、ほぼ一定である。Ｖ（一定）＝ＩＲ（オームの法則）より、抵抗が下がった分、有効に使える電流値は高くなる。これによって、巻線ができる仕事量は「電流値×コイルの巻数（アンペアターンと呼ばれる）」で決まり、更にコイルの巻数は一定であり、よって電流値が高くなっただけモータの出力がアップする。

さらに、２相モータで両相が並列に接続されるため、全ての磁極に同時通電が可能である。よって仕事をしていない磁極（起磁力を発生していない磁極）が存在せず、効率をアップできる。また、全部の磁極に荷重（回転トルク）が発生するため、回転バランスが良くなり、振動・騒音が減少する。全ての磁極に通電するため、ステータコアの磁気抵抗の影響を低く抑えて、モータ効率をアップさせ得る。さらに、磁気抵抗の影響を受けにくいことから、磁気抵抗の大きい（透磁率の小さい）絶縁性焼結コア等でより高い効果が得られる利点がある。さらに、請求項２の発明においては、請求項１と同様の効果を奏する。また、請求項３及び４の発明においては、より良好にモータ効率をアップさせることができる。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明すると、図１は第１の実施形態の回路図である。２相モータは、主要な構成部品として、図３に示すように、ステータコアＸとロータマグネットＹとを備えている。前記ステータコアＸは、６個の磁極を有する２相構造であり、６個の磁極は、６０度の間隔をもって配置された６個のステータポールＰ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６）に２相の巻線ｍ（正方向巻線ｍ１、逆方向巻線ｍ２）をバイファイラ巻きに巻装することにより形成され、反時計回り方向にＡ相、Ｂ相、Ａ相、Ｂ相の磁極が形成されている。なお、各ステータポールＰには、２相の巻線ｍ（正方向巻線ｍ１、逆方向巻線ｍ２）がそれぞれ巻装されている。前記バイファイラ巻きとは、一次、二次巻線相互間の結合を密にするために、一次、二次の導線を並列に巻くことをいう。

前記ステータコアＸ内には、回転軸１に固定されたロータマグネットＹが回転自在に配置されている。該ロータマグネットＹは、前記回転軸１に対して円周６等分（６０度の間隔をもって配置された）された隣接するポール内周が相互にＳ極，Ｎ極，Ｓ極，…と交互になるように構成されている。前記ステータコアＸは、図４（ア）に示すように、円筒状のモータケース２の内部に収納固定され、前記ロータマグネットＹは前記ステータコアＸ内に収納され、前記回転軸１は、前記モータケース２の一端又は他端に装着された軸受３及び軸受４に回転自在に軸支されている。

各ステータポールＰに対する巻線ｍの巻装作業は、各ステータポールＰに対して２本の巻線ｍを同時に巻装することにより行うものである。これにより、図４（イ）に示すように、各ステータポールＰにおける２相の巻線ｍの巻装状態は、１つの相の巻線ｍを構成する正方向巻線ｍ１（白丸で図示）と他の相の巻線ｍを構成する逆方向巻線ｍ２（×丸で図示）とが隣合うように位置付けされた巻装状態となる。この巻線ｍの正方向巻線ｍ１は、時計方向で、白丸で図示され、また、巻線ｍの逆方向巻線ｍ２は、反時計方向で、×丸で図示されている。また、正逆はこの説明と反対にすることもある。内容的には、各ステータポールＰごとに、正逆の巻線ｍが巻装されていることである。また、各ステータポールＰ（ステータコアＸの各磁極）に巻装されている２相（Ａ相、Ｂ相）の巻線ｍの巻数及び巻線長さが等しくなるように構成され、各磁極における２相（Ａ相、Ｂ相）の巻線ｍの電気的・磁気的特性が揃えられ、当該２相（Ａ相、Ｂ相）の巻線ｍのインピーダンス値は略同じになる。

このため、各磁極に巻装されている２相（Ａ相、Ｂ相）の巻線ｍのうちの一方の巻線ｍに接続されているトランジスタ５をオフにしたときにその巻線ｍ中でインダクティブキックを起こそうとする巻線ｍ中の磁気エネルギーを、その巻線ｍと電気的・磁気的特性が揃えられた他方の巻線ｍ側に形成されるループ回路によって効果的に吸収、消費させることができ、トランジスタ５に作用するサージ電圧が低減され、モータの効率が向上するものである。２相（Ａ相、Ｂ相）の巻線ｍの正方向巻線ｍ１（白丸で図示），逆方向巻線ｍ２（×丸で図示）は、図１（ア）に示すように、スイッチング素子としてのトランジスタ５（５Ａ、５Ｂ）と逆流防止用のダイオード６（６Ａ、６Ｂ）とを介してＤＣ電源７に接続されている。

各ステータポールＰに巻装された各相の巻線ｍは、各相の巻線ｍに通電したときに隣合う磁極が異なる極性となるように回路構成されている。各ステータポールＰにおける×丸で示した側は、各相の巻線ｍに通電したときにＳ極となる側を示している。この２相モータの駆動は、励磁シーケンスで各相のトランジスタ５Ａ、５Ｂを順次選択的にオン、オフ制御することによりステータコアＸの各磁極の励磁極性を変化させてロータマグネットＹを回転させることにより行う。

本発明の作用について説明する。励磁シーケンスによるステータコアＸの各磁極の励磁極性の変化の様子を図２に示す。図２（ア）は、トランジスタ５ＡのみをオンにしてＡ相の巻線ｍの正方向巻線ｍ１（白丸で図示）と、Ｂ相の巻線ｍの逆方向巻線ｍ２（×丸で図示）にのみ通電した状態である。これにより、Ａ相の磁極（ステータポールＰ１、Ｐ３、Ｐ５のロータマグネットＹに対向する側）がＮ極となり、Ｂ相の磁極（ステータポールＰ２、Ｐ４、Ｐ６のロータマグネットＹに対向する側）がＳ極となる。図２（イ）は、トランジスタ５ＢのみをオンにしてＡ相の巻線ｍの逆方向巻線ｍ２（×丸で図示）と、Ｂ相の巻線ｍの正方向巻線ｍ１（白丸で図示）にのみ通電した状態である。

これにより、Ａ相の磁極（ステータポールＰ１、Ｐ３、Ｐ５のロータマグネットＹに対向する側）がＳ極となり、Ｂ相の磁極（ステータポールＰ２、Ｐ４、Ｐ６のロータマグネットＹに対向する側）がＮ極となる。このような構成において、本実施の形態の２相モータでは、各トランジスタ５Ａ、５Ｂを順次スイッチングさせて２相（Ａ相、Ｂ相）の巻線ｍの正方向巻線ｍ１（白丸で図示）又は逆方向巻線ｍ２（×丸で図示）に順次通電することにより、ステータポールＰの各磁極の励磁特性が順次変化し、ロータマグネットＹが回転する。図４（ア）の符号８は、センサであって、前記ロータマグネットＹの位相（角度）を読み取り、その位相に前記トランジスタ５Ａ、５Ｂのスイッチングを制御する。

本発明によれば、ステータコアＸの各磁極に巻装される２相（Ａ相、Ｂ相）の巻線ｍを、それらの相の巻線を構成する各相の逆巻線が互いに隣合うように位置付けして巻装することにより、各磁極に巻装された２相（Ａ相、Ｂ相）の巻線は、巻数、巻線長さ、ステータコアに対する巻線の位置関係が略同じになり、各磁極に巻装された２相の巻線ｍの電気的・磁気的特性が揃えられ、当該２相（Ａ相、Ｂ相）の巻線のインピーダンス値が略同じになるので、モータの効率を向上させ、スイッチング素子に作用するサージ電圧を低減させることができる。

また、磁心（コア）で使われる鉄系材料は電気を流せば流すほど鉄損が大きくなるため、電気エネルギーが失われ、効率を低下させる。さらに、全磁極に通電できることから、１極当たりで見ると電流は下がるため、鉄損が下がる。すると、磁気抵抗としてみれば鉄系材料は磁場をかけることによって電気抵抗が増加するという性質を持つため、電磁石により更に大きい磁束を発生させようとすると電気抵抗が増加し、電気エネルギーをより多くロスする。本発明の効果により、磁気抵抗の影響が減少するため、効率がアップするものである。

また、図５は第２の実施形態の回路図である。この回路の主要な構成部品として、ステータコアＸとロータマグネットＹとを備えている。前記ステータコアＸは、６個の磁極を有する２相構造であり、６個の磁極は、６０度の間隔をもって配置された６個のステータポールＰ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６）に２相の巻線ｍは並列接続されている。さらに該巻線ｍは、正方向又は逆方向の一方側のみに巻装することにより形成され、反時計回り方向に順次Ａ相、Ｂ相、Ａ相、Ｂ相の磁極が形成されている。この点は、図２及び図３と同一である。また、４個の同一のスイッチング素子（トランジスタ９であり、トランジスタ９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄとする）を有するブリッジ回路１１が設けられている。また、逆流防止用のダイオード１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ）も設けられている。その並列接続された巻線ｍは、前記ブリッジ回路１１のａ―ｂ間に接続され、該ブリッジ回路１１にはＤＣ電源７が印加される。

作用について説明する。前記２個のスイッチング素子（トランジスタ９Ａ，９Ｄ）の動作にて両相（Ａ相、Ｂ相）に正方向電流（図５のＡ相、Ｂ相に右方向）が流れて前記巻線ｍが同時に励磁され、次の瞬間には、今度は、他方の２個のスイッチング素子（トランジスタ９Ｂ，９Ｃ）の動作にて両相（Ａ相、Ｂ相）に逆方向電流（図５のＡ相、Ｂ相に左方向）が流れて前記の巻線ｍが同時に励磁されるように制御される。これによって、第１の実施形態と同様に、ステータポールＰの各磁極の励磁特性が順次変化し、ロータマグネットＹが回転する（図２参照）。

（ア）は本発明の第１実施形態の回路図、（イ）は巻線を外したステータコアの斜視図である。 （ア）は本発明の回路図の一方のトランジスタに通電した場合の状態図、（イ）は本発明の回路図の他方のトランジスタに通電した場合の状態図である。 本発明のステータコアとロータマグネットとの略示平面図である。 （ア）は本発明の概略断面図、（イ）はステータポールに巻線を正巻き、逆巻きにしている状態の拡大断面図である。 本発明の第２実施形態の回路図である。 従来技術の回路図である。

符号の説明

Ｘ…ステータコア、Ｙ…ロータマグネット、ｍ…巻線、７…ＤＣ電源、
５，９…トランジスタ、６，１０…ダイオード、１１…ブリッジ回路。

Claims (4)

1. ６個の磁極を有するステータコアと、６個の磁極を有するロータマグネットと、前記ステータコアの３極ずつに巻装された２相の巻線と、４個のスイッチング素子を有するブリッジ回路とＤＣ電源とを有し、前記巻線は正方向又は逆方向の一方側のみに巻装することにより形成され、前記２相の巻線が並列接続されて前記ブリッジ回路の中間に接続されると共に、前記２個のスイッチング素子の動作にて両相に正方向電流が流れて前記２相の巻線が同時に励磁されるように、且つ他方の２個のスイッチング素子の動作にて両相に逆方向電流が流れて前記２相の巻線が同時に励磁され、全６磁極に同時通電するように制御されてなることを特徴とする２相同時励磁ブラシレスＤＣモータ。
2. ６個の磁極を有するステータコアと、６個の磁極を有するロータマグネットと、前記ステータコアの３極ずつに巻装された正方向・逆方向にバイファイラ巻きした２相の巻線と、該２相の巻線とＤＣ電源との間に介装された２個のスイッチング素子とを有し、前記各ステータコアには前記２相の巻線がそれぞれ巻装され、該２相の巻線は前記ＤＣ電源に対して並列接続されるとともに、一方のスイッチング素子の動作にて１相側の正方向巻きの巻線と他相側の逆方向巻きの巻線とが同時に励磁されるように、且つ他方のスイッチング素子の動作にて１相側の逆方向巻きの巻線と他相側の正方向巻きの巻線とに同時に励磁され、全６磁極に同時通電するように制御されてなることを特徴とする２相同時励磁ブラシレスＤＣモータ。
3. 請求項１又は２において、前記スイッチング素子をトランジスタとしてなることを特徴とする２相同時励磁ブラシレスＤＣモータ。
4. 請求項１又は２において、前記スイッチング素子に逆流防止用のダイオードが並列接続されてなることを特徴とする２相同時励磁ブラシレスＤＣモータ。
   

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