JP4904745B2

JP4904745B2 - センサレスブラシレスモータ

Info

Publication number: JP4904745B2
Application number: JP2005250524A
Authority: JP
Inventors: 敦菊池; 健栗原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: JP2007068322A

Description

本発明は、センサレスブラシレスモータの逆起電圧検出技術に関する。

センサレスモータ駆動においては、ロータ位置検出センサ（例えばホール素子）を用いず、ロータが回転する時にステータのコイルに発生する逆起電圧を検出することでロータの位置を検出し、適切なコイル通電を行う。

この場合、漏れ磁束によりノイズ電圧が発生する。そのメカニズムを図７に示す３相アウターロータ型モータについて説明する。通電相コイル１が発生する磁束Φ₁は、他の通電相コイル２にその殆どが鎖交するが、一部逆起電圧Ｅを検出している相のコイル３にも、コイルの渡り線の影響や、モータ構造のアンバランスにより漏れ磁束Φ_Lが鎖交する。この漏れ磁束Φ_Lが時間変化すると、逆起電圧検出相のコイル３には電磁誘導の法則により漏れ磁束Φ_Lの時間微分波形に比例した電圧Δｅが誘起されるため、この電圧Δｅが逆起電圧に重畳する誘導ノイズとなる。

この誘導ノイズΔｅは通電相漏れ磁束Φ_Lの時間微分波形に比例し、通電相漏れ磁束Φ_Lの時間微分波形は通電相電流の時間微分波形に比例する。結果として、誘導ノイズΔｅの大きさは通電相電流波形の時間微分に比例することになる。図８（ａ）、（ｂ）にリニア駆動とPWM駆動それぞれについて、通電相電流波形Ｉとその時間微分波形Ｉ_Dを示す。PWM駆動の場合は通電相電流Ｉが三角波状になるため、電流の時間微分波形Ｉ_Dは方形波状になり、その絶対値はリニア駆動のそれに較べて大きくなる。つまり、PWM駆動においては、誘導ノイズがリニア駆動に較べてかなり大きくなることが分かる。

このノイズが逆起電圧に重畳すると、ロータの位置検出精度が低下する。特に逆起電圧検出時にキックバックマスクを用いる回路方式においては、ノイズが重畳することで、キックバックマスクが働いている間に所望の逆起電圧が入力されてしまう場合があり、最悪の場合にはモータを駆動できなくなる。逆起電圧に重畳するノイズは、特にPWM駆動を併用する場合に顕著となる。

この対策として従来は、モータにおいて他相通電時に他相磁極を横切る検出相渡り線と、検出相磁極を横切る他相渡り線に誘起する電圧の合計が０になるように各相の渡り線を対称に配置する方式が用いられている。この方式は、例えば、３相９スロットのアウターロターモータの場合、図６に示すように９スロットの磁極コア１０（図１）の磁極１１〜１９に、それぞれＵ相磁極コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、Ｖ相磁極コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、Ｗ相磁極コイル２３ａ，２３ｂ，２３ｃを対称に設けると共に、各相の磁極コイルを直列に接続するＵ，Ｖ，Ｗ相の渡り線２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂ、２６ａ，２６ｂをそれぞれ他相の磁極の上又は下の位置するように対称に配置している。

また別の対策として、ノイズを駆動回路で除去する方式が採られてきた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１４３１８７

ところで、上記各相の磁極コイルを直列に接続する渡り線を対称に配置する方式では、コアの磁気異方性や構造的アンバランス、モータの組立て精度の問題で充分なノイズキャンセル効果がなかった。また、上記ノイズを駆動回路で除去する方式は、定数の合わせ込みが煩雑な上、回路の規模が大きくなりコストが増大するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、コイルの巻き方により逆起電圧に重畳するノイズをキャンセルし、常に安定した逆起電圧検出を可能にしたセンサレスブラシレスモータを提供することを課題とする。

本発明の基本原理を３相モータの例について図５を用いて説明する。今、３相コイル１、２、３の内２相のコイル１、２にPWM通電が行われており、残りの1相のコイル３で逆起電圧Ｅを検出していることを考える。この時、上記［背景技術］で述べたように、逆起電圧検出相コイル３に発生している逆起電圧Eには、通電相コイル１、２からの漏れ磁束により誘起される誘導ノイズΔｅが重畳している。ここで、通電中の２相コイル１、２の端子電圧の平均電圧Ｖ_2COMは、コイル中点電位Ｖ_COMを基準として考えた場合、平均電圧Ｖ_2COMには逆起電圧検出相コイル１３の端子電圧Ｖ_OFFに含まれる誘導ノイズ成分Δｅと逆相の信号Ｅが現れる。すなわち、以下の式が成立する。

ここで、式（１）第２式右辺のＥの係数−１／２は、以下の式より導かれる。

式（２）は、１２０°ずつ位相がずれた３相正弦波の和が常に０となるということを表したものである。３相モータコイルに発生する逆起電圧は、１２０°ずつ位相がずれた正弦波になるため、ある２相の電圧の和は、残り１相の電圧の符号を反転したものと等しくなる。図５において、Ｖ_2COMは２相電圧を同一抵抗Ｒにより抵抗分圧したもの（和をとって2で割ったもの）であるから、式（２）の結果を用いれば、Ｖ_2COMはＶ_OFFに現れる逆起電圧Ｅの符号を反転してこれを２で割った成分（−１／２Ｅ）を含むことが分かる。Ｖ_2COMにＶ_OFFに重畳する誘導ノイズΔｅと逆相の成分Ｅが現れることに関しては、通電相コイルの自己インダクタンスによるものである。

なお、Ｖ_2COM−Ｖ_OFF＝Ｅ＋Δｅはモータコモン端子電圧Ｖ_COMに対して検出相に発生する逆起電圧を示したものであり、

は全相電圧を同一抵抗Ｒで合成した擬似コモン電圧Ｖ_2COMに対して検出相に発生する逆起電圧Ｖ_OFFを示したものである。いずれにしても逆起電圧の精度を高めるには誘導ノイズΔｅを小さくすることが必要である。

本発明のセンサレスブラシレスモータは、２相以上の巻線コイルを備え、各相２個以上の磁極を有し、各相の巻線コイルはそれぞれの磁極コイルをつなぐ渡り線を含め他相の磁極全てを横切る渡り線を備え、各相の磁極コイルの巻き方及び渡り線の配置がモータ回転軸に対して（３６０÷１相あたりの磁極の数）°の回転角度間隔で同じになっており、前記２相以上の巻線コイルのうち、少なくとも１相のコイルで逆起電圧を検出するものである。

本発明によれば、各相の巻線コイルがそれぞれ磁極コイルをつなぐ渡り線を含め他相の磁極全てを横切る渡り線を備え、各相の磁極コイルの巻き方及び渡り線の配置がモータ回転軸に対して（３６０÷１相あたりの磁極の数）°の回転角度間隔で同じになっており、前記２相以上の巻線コイルのうち、少なくとも１相のコイルで逆起電圧を検出するので、誘導ノイズが小さくなる。

誘導ノイズを小さくできるため、モータ起動時に逆起電圧を容易に検出できるようになり、起動特性が向上する。

逆起電圧が小さい低速回転時に、逆起電圧対ノイズのＳ／Ｎが改善するので、従来センサレス駆動が苦手としていた低速回転駆動が可能になる。

本発明の実施形態例について図を用いて説明する。
（実施形態例１）
実施形態例１に係る３相アウターロータ型センサレスブラシレスモータの巻線について説明する。図１に３相９スロットのステータの磁極コアを、図２に図１の破線A部断面を周方向に展開し、それぞれの磁極に巻線を施したイメージ図を示す。

磁極コア１０の磁極１１，１４，１７（磁極Ｕ）には、それぞれＵ相の磁極コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃが巻かれ、渡り線２４ａ，２４ｂで直列に接続されている。また、磁極コア１０の磁極１２，１５，１８（磁極Ｖ）には、それぞれＶ相の磁極コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃが巻かれ、渡り線２５ａ，２５ｂで直列に接続されている。また、磁極コア１０の磁極１３，１６，１９（磁極Ｗ）には、それぞれＷ相の磁極コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃが巻かれ、渡り線２６ａ，２６ｂで直列に接続されている。

磁極コア１０の下側にはモータのプリント基板（図示省略）に設けられており、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の電源端子３１，３２、３３は、基板のそれぞれ磁極１１，１２，１３の図示右側の各スロットの下側近くに配置され、コモン端子３４は基板の磁極１１の図示左側スロットの下側近くに配置されている。

Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各磁極コイルは、それぞれ同じ方向（例えば左巻き）に巻かれており、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のそれぞれ磁極コイルが渡り線で直列に接続されたＵ，Ｖ，Ｗ相の巻線コイル２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）、２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）、２３（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）の一端は、それぞれ電源端子３１，３２、３３にそれぞれ接続されている。

Ｕ相の巻線コイル２１の渡り線２４ａ及び２４ｂは、それぞれ他相の磁極１２，１３及び１５，１６の上側を通るように配置され、Ｕ相の巻線コイル２１の線端側は、他相の磁極１８，１９の上側を通る渡り線２７でコモン端子３４に接続されている。

また、Ｖ相の巻線コイル２２の渡り線２５ａ及び２５ｂは、それぞれ他相の磁極１３，１４及び１６，１７の上側を通るように配置され、Ｖ相の巻線コイル２２の線端側は、他相の磁極１９，１１の上側を通る渡り線２８でとコモン端子３４に接続されている。

同様に、Ｗ相の巻線コイル２３の渡り線２６ａ及び２６ｂは、それぞれ他相の磁極１４，１５及び１７，１８の上側を通るように配置され、Ｗ相の巻線コイル２３の線端側は、他相の磁極１１，１２の上側を通る渡り線２９でコモン端子３４に接続されている。

実施形態１のモータの各相の巻線コイルは、従来図６のモータの巻線コイルと同じ巻き方をしているが、図６の巻線コイルは、渡り線がモータ回転軸に対して点対称に配置されていないのに対し、実施形態１のモータは同相のコイル同士をつなげるだけの目的には必要ない渡り線２７，２８，２９を設けたことにより渡り線がモータ回転軸に対して点対称に配置されている。

そのため、実施形態１のモータは、磁極コア１０の全周で発生する誘導ノイズを積分し、コアの材料や加工歪みによる磁気異方性、及び磁極コアの構造的アンバランス（コア積層のための半抜き構造や位置決めのための切り欠き等）、さらにはモータの組立て精度による相間出力アンバランスによる誘導ノイズの発生を抑制することが可能になる。そのため、従来図６の配線方式より逆起電力検出相の誘導ノイズが小さくなる。
（実施形態例２）
実施形態例２に係る３相アウターロータ型センサレスブラシレスモータの巻線について説明する。図３に図１の破線A部断面を周方向に展開し、それぞれの磁極に巻線を施したイメージ図を示す。

Ｕ相コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、磁極コア１０（図１）の磁極１１，１４，１７（磁極Ｕ）に巻かれ、渡り線２４ａ、２４ｂで直列に接続されている。また、Ｖ相コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、磁極コア１０の磁極１５，１８，１２（磁極Ｖ）に巻かれ、渡り線２５ａ、２５ｂで直列に接続されている。また、Ｗ相コイル２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、磁極コア１０の磁極１３，１６，１９（磁極Ｗ）に巻かれ、渡り線２６ａ，２６ｂで直列に接続されている。

Ｕ，Ｖ，Ｗ相の電源端子３１，３２，３３は、磁極コア１０の下側に設けられているモータのプリント基板（図示省略）のそれぞれ磁極１１，１３，１５の右側のスロットの下近くに配置されており、コモン端子３４は同基板の磁極１１の左側のスロットの下近くに配置されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各磁極コイルはそれぞれ同じ方向（左巻き）に巻かれており、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のそれぞれ磁極コイルが渡り線で直列に接続されたＵ，Ｖ，Ｗ相の巻線コイル２１、２２、２３の一端は、それぞれ電源端子３１，３２，３３にそれぞれ接続されている。

Ｕ相巻線コイル２１の渡り線２４ａ及び２４ｂは、それぞれ他相の磁極１２，１３及び１５，１６の上側に配置され、Ｕ相巻線コイル２１の線端側は、他相の磁極１８，１９の上側に配置された渡り線２７でコモン端子３４に接続されている。

また、Ｖ相巻線コイル２２の渡り線２５ａ及び２２５ｂは、それぞれ他相の磁極１６，１７及び１９，１１の上側に配置され、Ｖ相巻線コイル２２の線端側は、他相の磁極１３，１４の上側に配置されたた渡り線２８でコモン端子３４に接続されている。

また、Ｗ相巻線コイル２３の渡り線２６ａ及び２６ｂは、それぞれ他相の磁極１４，１５及び１７，１８の上側に配置され、Ｗ相巻線コイル２３の線端側は、他相の磁極１１，１２の上側に配置された渡り線２９でコモン端子３４に接続されている。

実施形態例２によれば、実施形態例１と同様に、同相のコイル同士をつなげるだけの目的には必要ない渡り線２７，２８，２９を設けたことにより、コア全周で発生する誘導ノイズを積分し、コアの材料や加工歪みによる磁気異方性、及びコアの構造的アンバランス（コア積相のための半抜き構造や位置決めのための切り欠き等）、さらにはモータの組立て精度による相間出力アンバランスによる誘導ノイズの発生を抑制することが可能になる。

また、上記実施形態例１のモータは同一スロット間から２本の線端が出ているが、実施形態例２のモータは同一スロット間から１本の線端しか出ていないので、製造時の作業ミスを避けることができる。

なお、実施形態例１，２では、コモン端子を出すために線材をまとめる部分が各相で対称になっていないことにより、誘導ノイズの発生が懸念されるが、例えば各々の相の渡り線２７，２８，２９の線端をそれぞれプリント基板に落とし、モータ回転軸を中心とした放射状にパターンを引き出した後に、できるだけコアから遠いところで１つにまとめコモンとすることにより誘導ノイズを更に低減することが可能となる。

この一例を図４に示す。この例は実施形態例２に関するものである。図３のＵ，Ｖ，Ｗ相の巻線コイルのコモン側の渡り線２７，２８，２９の先端を、プリント基板４０のそれぞれ磁極１１，１３，１５の図示右側のスロットの下近くに形成されている端子３５，３６，３７に接続し、端子３５，３６，３７からそれぞれ配線４４，４５，４６を放射状に引き出し、磁極コア１０から遠いプリント基板４０の角部近傍で配線４４，４５，４６をまとめてコモン配線４９としている。この場合、誘導ノイズを更に低減することが可能であるが、渡り線２７，２８，２９の線端をそれぞれ基板に落としているので線端接続の手間が増える。尚、図中、４７，４８は、それぞれＵ，Ｗ相の配線との間を絶縁するジャンパーを示す。

実施形態例１、２は３相９スロットのセンサレスブラシレスモータの例であるが、誘導ノイズをキャンセルすることができるモータの相数やスロット数は、２相以上の巻線コイルを備え、各相２個以上の磁極を有しているモータであれば対応可能である。またモータコイルの巻線方法も、それぞれの磁極コイルをつなぐ渡り線を含め他相の磁極全てを横切る渡り線を備え、各相のコイルの巻き方をモータ回転軸に対して点対称に配置したものであれば、ここに挙げた例以外にも様々考えられので、本発明は実施の形態例１、２に限定されるものではない。

実施の形態例１、２によれば、１）逆起電圧検出精度が向上するので、各相の転流タイミングが最適化され、モータのトルク変動が小さくなり回転精度が向上する。
２）逆起電圧を利用したＦＧを用いる場合、その速度検出精度が高められるため、安定した回転制御が可能になる。
３）誘導ノイズを小さくできるため、モータ起動時に逆起電圧を容易に検出できるようになり、起動特性が向上する。
４）逆起電圧が小さい低速回転時に、逆起電圧対ノイズのＳ／Ｎが改善するので、従来センサレス駆動が苦手としていた低速回転駆動が可能になる。
５）駆動回路で特別な対策が不要なため、回路規模が小さくなりコストダウンになる。
６）駆動回路側での定数設定が不要になり、取り扱いが容易になる。負荷変動にともない電流が変化した時にも、逆起電圧検出精度への影響を小さくできる。

３相アウターロータ型モータの９スロットの磁極コアを示す斜視図。図１の破線A部断面を周方向に展開しそれぞれの磁極に巻線を施したイメージ図（実施形態例1）。図１の破線A部断面を周方向に展開し、それぞれの磁極に巻線を施したイメージ図（実施形態例２）。各相の巻線コイルのコモン側線端を基板に落としコアから遠いところで１つにまとめてコモンとした例を示す配線説明図。通電相コイル端子電圧の平均電圧に現れる誘導ノイズ成分の説明図。図１の破線A部断面を周方向に展開し、それぞれの磁極に巻線を施したイメージ図（従来例）。逆起電圧検出相コイルに鎖交する通電相からの漏れ磁束の説明図。（ａ）はリニア駆動時の通電相コイル電流波形とその電流の時間微分波形図、（ｂ）はＰＷＭ駆動時の通電相コイル電流波形とその電流の時間微分波形図。

符号の説明

１０…磁極コア、１１〜１９…磁極、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…Ｕ相の磁極コイル、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…Ｖ相コイル、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…Ｗ相の磁極コイル、２４ａ，２４ｂ…Ｕ相コイルの渡り線、２５ａ，２５ｂ…Ｖ相コイルの渡り線、２６ａ，２６ｂ…Ｗ相コイルの渡り線、２７，２８，２９…Ｕ，Ｖ，Ｗ相のコイル線端側の渡り線。

Claims

２相以上の巻線コイルを備え、
各相２個以上の磁極を有し、
各相の巻線コイルはそれぞれの磁極コイルをつなぐ渡り線を含め他相の磁極全てを横切る渡り線を備え、
各相の磁極コイルの巻き方及び渡り線の配置がモータ回転軸に対して（３６０÷１相あたりの磁極の数）°の回転角度間隔で同じになっており、前記２相以上の巻線コイルのうち、少なくとも１相のコイルに発生する逆起電圧を出力する
センサレスブラシレスモータ。
請求項１記載のセンサレスブラシレスモータにおいて、
各相の巻線コイルのコモン端子側の渡り線の先端を基板に落とし、モータの回転軸を中心とした放射状に引き出した後に一つにまとめてコモン配線とした
センサレスブラシレスモータ。