JP6146621B2 - 電子制御装置を有するブラシレスｄｃモーターを備えたモーターアッセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、電子制御装置を有するブラシレスＤＣモーターを備えたモーターアッセンブリに関する。

モーターが使用される多くの用途においては、モーターの回転子の円滑な回転が要求され、したがって、回転子電流およびその波形の精確な制御が要求される。十分に精確な制御を達成することができるようにするためには、回転子の角度位置を精確に検出できることが要求される。通常、従来の電動モーターにおいては、角度位置を決定するために、角度センサーやレゾルバが関連する回路と共に使用される。角度センサーは、機械的な動きを検出し、検出された動きを電気信号に変換する。光パルスセンサーおよび絶対角度センサーは、共に一般的なタイプの角度センサーである。

回転子に永久磁石を配し、電子的整流を行う交流モーターである、いわゆるブラシレスＤＣモーターで、精確な電流制御とスムーズな回転を実現することができるようにするためには、回転子の角度位置と電子的整流を検出するために精確な検出器が必要とされる。例えば、米国特許出願公開第2010/0090633号は、回転軸と、モーターに取り付けられ、回転軸の外側に位置する電子制御装置と、軸の軸線または回転に直交する平面内で軸によって回転するように軸に固定された２極の永久磁石を有するブラシレスＤＣモーターを備えるモーターアッセンブリを開示している。また、モーターアッセンブリは、電子制御装置に担持され、磁石の近傍に定置されたX-Yホール効果センサーを備えており、モーター軸によって磁石が回転されると、ホール効果センサーは、磁界の正弦および余弦成分を生成する。電子制御装置は、さらに、前記正弦および余弦成分並びに整流理論からモーターの角度位置を決定するための手段を含む。モーターアッセンブリの回転軸の一端部の直上に位置決めされたボード上の制御装置は、高度に集約された機能：内部アナログデジタル変換器、パワーアンプを駆動するためのパルス幅変調レジスタ、内部通信ポート、並びにRAMメモリおよびモーター制御に必要な不揮発性フラッシュメモリのすべてを含んでいる。

欧州特許第 1 099 092号には、ブラシレスモーターおよびそれを制御する方法が開示されている。このモーターは、回転子と、複数の磁極を有する感知素子と、感知素子の接線方向で磁極からの磁束を計測するために、感知素子の表面に対して垂直な検知面に搭載された第１および第２のホール効果センサーを備え、感知素子の１つと第１および第２のホール効果センサーが、回転子と固定された関係で取り付けられている。ホール効果センサーは、第１および第２のセンサーの少なくとも一方からの少なくとも１つの出力信号が、回転子の各回転位置において線状になるように計測信号を出力するようになっていて、計測信号が電気周波内での絶対回転位置を決定するために使用され、モーターがデコードされた回転子位置に基づいて制御されるようになっている。

米国特許第 7 579 799 号は、回転子の角度位置を計測するためのシステム、角度位置を計測するための方法およびモーターを制御するための方法を開示している。システムは、モーターの磁極に環状に配置された複数の磁区を含む回転子アッセンビリと、互いに所定の相対角度で分離して配置されている少なくとも２つのホール効果素子を有するセンサーモジュールとを有している。センサーモジュールは、モーターの磁界磁極の磁区が軸回転するのに対応した磁束変化に応じて、複数の入力信号を生成するよう適切に構成されている。位置計測モジュールは、変換された正弦波基準信号を生成するために、前記入力信号を処理するように適切に構成されている。正弦波基準信号は、オフセットスケール係数と振幅スケール係数のうちの少なくとも一方を有する。誤差項は、前記入力信号を処理して、回転子の角度位置の近似測定に対応する位置推定信号を生成することによって決定される。続いて、回転子の角度位置の厳密な計測が、誤差項を処理することによって生成される。

さらに、米国特許第6 906 494号は、磁石を含む回転子を有するモーターを駆動するためのモーター制御装置を開示している。モーター制御装置は、磁石からの磁束を検出して磁極信号を得るための磁束検出器と、磁極信号に基づいて回転子の位置を見つけるための位置信号変換器と、位置信号変換器の出力に基づいて速度信号を見つけるための微分器と、速度信号を所定の教示的速度と比較して指令信号を出力する速度制御器と、指令信号に応じてモーターのパルス幅変調駆動を行うためのパルス幅変調制御装置を備えている。パルス幅変調制御装置は、正弦波の形でモーターを駆動するが、磁極信号は９０°の位相差を有する２相正弦波信号である。

ブラシレスＤＣモーターと集約された電子制御装置とが組み込まれた従来既知のモーターアッセンブリの多くは、モーターアッセンブリが、多くの用途に所望されるものよりも往々にして大型であり、嵩ばるという欠点がある。この理由の一つは、従来のブラシレスＤＣモーターは、一般的にかなり低いトルクを発生し、このことは、十分に大きな出力トルクのモーターを得るためには、大型のモーターサイズが選択されなければならないこと、或いはモーターにギアボックスが装備されなければならないことを意味する。もう一つの理由は、従来既知のモーターアッセンブリの多くは、回転子の角度位置を測定できるように、通常、モーターの軸端部に配置される複雑かつスペースを取ってしまう計測装置および／または嵩ばる制御回路を必要とし、このため、モーターアッセンブリの長さ或いは他の外形寸法を著しく増大させてしまうことである。

従って、本発明の第１の目的は、従来既知のモーターモーターアッセンブリで可能であったものよりも大幅に低価格である割りには、出力トルク、出力／体積比および効率に関して実質的により優れた性能を発揮するブラシレスＤＣモーターおよび電子制御装置を備えた非常にコンパクトなモーターアセンブリを提供することである。

この第１の目的は、電子制御装置を持つブラシレスＤＣモーターを備え、前記電子制御装置は、前記ブラシレスＤＣモーターの回転子上の磁極からの磁束を計測するように構成された少なくとも２つの磁界センサーを備え、前記磁界センサーは、決定された角度位置に基づいて前記ブラシレスＤＣモーターへの電流を制御する目的で、前記磁束の計測に基づき前記回転子の角度位置を決定するように構成されている、モーターアッセンブリにおいて、前記ブラシレスＤＣモーターは、内部固定子および外部回転子を含む、外部回転子モーターであり、前記外部回転子は、外周部および複数の永久磁石が設けられた内側部を有し、前記永久磁石は、前記磁極を提供するために前記内側部に沿って等間隔に配置され、前記少なくとも２つの磁界センサーは、前記内側部上の前記永久磁石から前記外部回転子を通して半径方向に漏洩する前記磁束を計測するため、前記外周部の近傍で互いに距離を置いて配置されている、請求項１に記載のモーターアッセンブリによって達成される。

本発明に係るモーターアッセンブリは、本発明に従って外部回転子モーターとして選択されたブラシレスＤＣモーターでの回転子の角度位置を決定するために磁界センサーを有する集積された電子制御装置を用いることによって、良好なモーター性能を伴った非常に安価でコンパクトなモーターアッセンブリを実現することができる。当該外部回転子モーターのおかげで、本発明に係るモーターアセンブリは、十分に高いトルクを提供することができ、ギアボックスの必要性が排除され、結果としてより簡素かつより安価な設計と、より小さな外形寸法がもたらされる。また、当該外部回転子モーターのおかげで、本発明に係るモーターアッセンブリは、非常に高い効率が得られ、高出力と低消費電力を可能にする。外部回転子モーターと組み合わせた磁界センサーを配置するため、回転子の角度位置は、外部回転子、すなわち固定子に対して外側を通って半径方向に漏洩する磁束を測定することによって決定することができ、かくして、全体の計測装置を簡素化する一方、電子制御装置をよりコンパクトな形体で設計することを可能にし、本発明によるモーターアッセンブリは、そのモーター性能と比較して非常に小さい外形寸法を与えることができる。

以下、本発明の幾つかの実施形態を、単なる例示として、添付の概略図面を参照してより詳しく説明する。

本発明に係るモーターアッセンブリの断面図であって、モーターアッセンブリの構造および動作原理を示す図。 本発明の好ましい実施形態に係るモーターアッセンブリの斜視図であって、部分的に分解した状態を示す図。 図２のモーターアセンブリの別の斜視図であって、組み立てられた状態を示す図。

以下、本発明の幾つかの実施形態の説明を、添付の図面を参照して詳細に説明する。図面において、図１は、本発明に係るモーターアッセンブリの断面の概略を示す。図２は、本発明の好ましい実施形態に係るモーターアッセンブリの斜視図であって、部分的に分解した状態を示し、図３は、図２のモーターアセンブリの別の斜視図であって、組み立てられた状態を示す。

モーターアッセンブリ１０１は、電子制御装置１０３を有するブラシレスＤＣモーター１０２を備える。ブラシレスＤＣモーターは、回転子上の永久磁石と電子的整流を行う交流モーターと定義することもできる。

モーターアッセンブリの電子制御装置１０３は、ブラシレスＤＣモーター１０２の回転子上の磁極からの磁束を計測するように構成された少なくとも２つの磁界センサーを備える。磁界センサーは、決定された角度位置に基づいてブラシレスＤＣモーターへの電流を制御する目的で、磁束の計測に基づき回転子の角度位置を決定するように構成されている。

本発明によるモーターアッセンブリのブラシレスＤＣモーターは、外部回転子モーター１０２である。このタイプのブラシレスＤＣモーターは、ここ数年で模型飛行機のモーターとして一般的になり、市販されてきた。外部回転子モーター１０２は、内部固定子１０４および外部回転子１０５を備えている。図１の斜線領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、固定子の銅巻線を模式的に示している。外部回転子１０５は、外周部１０６および図１で白の点々を含んだ黒の領域として示される複数の永久磁石１０８、１０９、１１０、１１１が設けられた内側部１０７を有している。

本発明に係るモーターアッセンブリの好ましい実施形態では、前述の磁界センサーが少なくとも２つの固定ホールセンサー１１２、１１３を備え、特に有利には、リニアホールセンサーとすることができる。従来技術に関する前述の説明から明らかとなったように、ホールセンサーはブラシレスＤＣモーターのための制御システムで使用することはそれ自体既知であり、従って、より詳しい説明は省略する。しかしながら、磁気抵抗センサー、磁歪センサーやフラックスゲートセンサーのような別のタイプの磁界センサーも、本発明の実施形態と考えられる。本発明によるモーターアッセンブリでは、センサーは、小さい寸法と少ない可動部品を有する或いは可動部品を有さないことが有利であり、これがホール効果センサーまたは磁気抵抗センサーが好ましい理由である。

本発明に係るモーターアッセンブリでは、前述の磁極を提供するために永久磁石１０８、１０９、１１０、１１１は外部回転子の内周面１０７に沿って等間隔で配置されており、回転子の内側部１０７上の永久磁石１０８、１０９、１１０、１１１から外部回転子１０５を貫通して半径方向に漏れる磁束を測定するために、前述した少なくとも２つの磁界センサー１１２、１１３は、外周部１０６の近傍に互いに距離を置いて配置されている。

本発明によるモーターアッセンブリに使用される磁界センサーを有する測定装置と、外部回転子モーターの回転子に帰属する永久磁石との組み合わせにより、前述の角度位置は、外部回転子を通り半径方向に、すなわち、固定子に対して外側に漏洩する磁束を計測することによって決定することができ、このように全体の計測装置を簡略化する一方、電子制御装置をよりコンパクトな形体で設計することを可能にする。さらに、特にホールセンサーでは、測定装置は、約±１°の良好な測定精度と約０．１°の良好な分解能を提供する。

偶数の永久磁石１０８、１０９、１１０、１１１が、外部回転子モーターの外部回転子１０５の内側部１０７上に配置されている。一つおきの永久磁石が、内側に面したＮ極を有し、他の一つおきの永久磁石が、内側に面したＳ極を有している。その結果、外部回転子モーターにおける磁極の可能な最小数は２極であり、これが電気周波を構成する。従って、外部回転子モーターにおける磁極数の増加は、この外部回転子モーターでのより多くの電気周波となる。幾何学的に言えば、電気周波は、度合いとして表すと磁極の数で割った３６０°の２倍に等しい。

本発明によるモーターアッセンブリの好ましい実施形態では、外部回転子モーター１０２は、外部回転子１０５上で６つよりも多くの磁極を有している。このような構成により、電気周波は３０度よりも小さくなり、幾何学的に言えば、磁界センサーが回転子から離れ過ぎることなく、２つの定常磁界センサー１１２、１１３を電気周波において少なくとも９０°離れて位置決めすることが可能となる。

本発明に係るモーターアッセンブリの特に好ましい実施形態では、２つの磁界センサー１１２、１１３間の距離は、ブラシレスＤＣモーター１０２の電気周波で約９０°の変位に、好ましくは、ちょうど９０°の電気周波の変位に一致する。このように磁界センサーを配置することにより、センサーからの各正弦波信号もまた９０°変位し、このことは、一方の信号の微分係数が０である場合、他方の信号の微分係数が最大になることを意味する。回転子の角度位置の精度は、信号の微分係数によって決定されるので、本実施形態は、測定において可能な限り高い分解能を提供し、それによってモーターアッセンブリの動作を非常に精確に制御することを可能にする。

磁界センサー１１２、１１３は、好ましくは、漏洩磁束の測定結果に基づいて正弦信号と余弦信号を生成するように構成されているが、ここでは電子制御装置１０３は、測定信号を読み取って変換し、測定信号に基づいてブラシレスＤＣモーター１０２の電気周波における外部回転子１０５の回転子角を計算するように構成された少なくとも１つのマイクロプロセッサ１１４ （図２参照）を備える。マイクロプロセッサ１１４は、逆三角法と較正曲線を用いて回転子角を計算するように構成されたものが特に有利である。

別の有利な実施形態では、磁界センサー１１２、１１３は、漏洩磁束の測定結果から測定信号を生成するように構成されており、電子制御装置１０３は、測定信号を読み取り、測定信号に基づいてブラシレスＤＣモーター１０２の電気周波における外部回転子１０５の角度位置を推定するように構成された少なくとも１つのマイクロプロセッサ１１４ を備える。マイクロプロセッサ１１４は、逆三角法を用いて、好ましくは参照テーブルと補間によって実行して角度位置を推定するように構成したものが有利である。マイクロプロセッサ１１４は、較正曲線を推定角度位置に適用することによって推定の精度をさらに向上させるように構成したものが特に有利である。

本発明に係るモーターアッセンブリにおける集約された電子制御装置の機能は、３つの主要部分に分けることができる： １）関連信号処理を伴う磁界センサー、２）センサー信号から角度への変換、さらには固定子の何れかの極に供給すべき何れかの電流への変換、３）極に電流を供給する電力回路。さらに、電子制御装置は、フィードバック機能を提供し、回転子の角度位置のために設定点から逸脱した場合、復元トルクが常に回転子に印加されるようになる。

本発明によるモーターアッセンブリの特に有利な実施形態では、電子制御装置は、回転子１０５の外周部１０６に接線方向に配向された少なくとも１つの平面回路基板１１５を備え、少なくとも２つの磁界センサー１１２、１１３が、この回路基板１１５に実装されている。このような構成は、簡素化された据付と、軸方向に非常に短い形態を有するモーターアッセンブリを提供する。

本発明に係るモーターアッセンブリの特に好ましい実施形態では、少なくとも２つの磁界センサー１１２、１１３と、必要なソフトウエアを伴う少なくとも１つのマイクロプロセッサ１１４と、少なくとも１つの回路基板１１５と、電子制御装置１０３に含まれる他のコンポーネントは、全体で制御システムを構成し、制御システムおよびブラシレスＤＣモーターが共通のハウジング１１６内に一体化される。このような構成は、本発明によるモーターアッセンブリにおいて、非常にコンパクトで集約された制御システムを可能にする。

有利な一実施形態では、本発明に係るモーターアッセンブリのハウジング１１６は、回路基板１１５が取り付けられる少なくとも１つのアルミニウム形材１１７を備え、アルミニウム形材１１７は、冷却フランジとモーター筐体としての両方の役割を果たすことができるように設計されている。本発明に係るモーターアッセンブリでは、好ましくは押出成形されたアルミニウム形材を１つまたは複数設けることにより、回路基板からの良好な熱放散が保証され、回路基板に実装された電子部品が過熱されない。

本発明によるモーターアッセンブリの特に有利な実施形態では、少なくとも二つの磁界センサー１１２、１１３と、少なくとも１つのマイクロプロセッサ１１４、および制御システムに含まれる他のコンポーネントは、同一の回路基板１１５上に配置されている。このような構成は、据付けを簡素化し、製造コストを安価にし、本発明に係るモーターアッセンブリを可能な限り小さな外形寸法となし得る。

本発明に係るモーターアッセンブリの有利な一実施形態では、モーターアッセンブリ１０１の中に一体化された制御システムは、外部回転子１０５の位置、速度或いは加速度を制御するように構成されたフィードバック制御システムを構成する。

本発明によるモーターアッセンブリのブラシレスＤＣモーター１０２は、出力軸１１８を備えていることが好ましいが、そのためハウジング１１６には出力軸が貫通する穴１１９が設けられている。

有利には、モーターアッセンブリの外側は、外部回転子１０５の角度位置に関連する信号を表示するための少なくとも１つの可視シグナル装置１２０、１２１を備えることができる。図１〜図３に示した本発明に係るモーターアッセンブリにおいて、外側には赤色ランプ１２０および緑色ランプ１２１がそれぞれ取り付けられ、適切な方法で回転子の瞬時角度位置を示すように構成しているので、電子制御装置を調整する際に役立つであおる。

本発明に係るモーターアッセンブリをサーボモーター等として使用することを可能にするため、集約された制御システムは、角度位置、速度或いは加速度のための設定点を設ける主制御システムと通信可能に構成されていることが好ましい。

従って、有利な一実施形態において、モーターアッセンブリ１０１は、外部ユニットに接続するための少なくとも１つの通信ポート１２２を備える。データ通信のためのこのようなポートは、任意の適切な標準インターフェースで設計することができ、本発明によるモーターアッセンブリと外部制御、計測または診断システムとの間のデータ通信に使用することができる。

以下の表１は、エンコーダおよび集積された位置制御部を有するブラシレスＤＣモーターを組み込んだ市販の従来のモーターアッセンブリの幾つかのパラメータを、添付の図面に示されたタイプの本発明に係るモーターアッセンブリの試作品（プロトタイプ）の対応するパラメータと比較して示す。

上記の表から明らかなように、本発明に係る試作品は、従来技術の市販モーターアッセンブリよりも本実施形態では僅かに重く、体積も大きいが、従来よりも大幅に高いトルク（１１倍以上）と、より高い効率でより高い出力を提供する。本発明に係る試作品と同じ高トルクに近づけることができるためには、従来技術によるモーターアッセンブリにギアボックスを設ける必要があり、これによりモーターアッセンブリは寸法が遥かに大きく、重量も重くなり、速度も低レベルになるであろうし、さらに、表１の本発明によるモーターアッセンブリと比べて、効率も損なうことになろう。

本発明に係るモーターアッセンブリの利点を利用することができる様々な応用分野が考えられる。そのような応用の１つは、例えば、旋盤やフライス盤ような手動生産機械を再構築するために、オートメーション化に伴ってステッピングモーター型のモーターを置き換え、本発明に係るモーターアッセンブリを使用することである。このような用途においては、本発明によるモーターアッセンブリは、同一または低価格にて、改良された性能を提供し、従って、市場で非常に競争力がある。ステッピングモーターを本発明に係るモーターアッセンブリに置き換えることによって達成される利点は、特に、フィードバック位置決め、より高速かつより高出力、高速での大きなトルク、無振動、必要なときにだけ消費される電力、小さな外形寸法および重量の軽さである。

以上、本発明の幾つかの実施形態を、添付図面の図を参照しながら説明してきた。なお、上述の実施形態および図面における詳細は例示に過ぎず、本発明の他の多くの実施形態が、特許請求の範囲内で可能であることを理解されるべきである。

Claims (11)

1. 電子制御装置（１０３）を持つブラシレスＤＣモータ（１０２）を備え、前記電子制御装置（１０３）は、前記ブラシレスＤＣモータ（１０２）の回転子上の磁極からの磁束を計測するように構成された少なくとも２つの磁界センサを備え、前記磁界センサは、決定された角度位置に基づいて前記ブラシレスＤＣモータへの電流を制御する目的で、前記磁束の計測に基づき前記回転子の角度位置を決定するように構成されている、モータアッセンブリ（１０１）において、
   前記ブラシレスＤＣモータは、内部固定子（１０４）および外部回転子（１０５）を含む、外部回転子モータ（１０２）であり、
   前記外部回転子（１０５）は、外周部（１０６）および複数の永久磁石（１０８、１０９、１１０、１１１）が設けられた内側部（１０７）を有し、
   前記永久磁石（１０８、１０９、１１０、１１１）は、前記磁極を提供するために前記内側部（１０７）に沿って等間隔に配置され、
   前記少なくとも２つの磁界センサ（１１２、１１３）は、前記内側部（１０７）上の前記永久磁石（１０８、１０９、１１０、１１１）から前記外部回転子（１０５）を介して半径方向に漏洩する前記磁束を計測するため、前記外周部（１０６）の近傍で互いに距離を置いて配置されており、
   前記電子制御装置は、前記外部回転子（１０５）の前記外周部（１０６）に接線方向に配向された少なくとも１つの平面回路基板（１１５）を有し、前記少なくとも２つの磁界センサ（１１２、１１３）は、前記回路基板（１１５）に設けられている、モータアッセンブリ。
2. 前記外部回転子モータ（１０２）は、前記外部回転子（１０５）上に６つよりも多くの磁極を有する、請求項１記載のモータアッセンブリ。
3. ２つの前記磁界センサ（１１２、１１３）の間の距離は、前記ブラシレスＤＣモータ（１０２）の電気周波における約９０度の変位に対応する、請求項１または２に記載に記載のモータアッセンブリ。
4. 前記少なくとも２つの磁界センサ（１１２、１１３）は、漏洩磁束の計測から計測信号を生成するように構成され、前記電子制御装置（１０３）は、前記計測信号を読み取り、前記測定信号に基づいて前記ブラシレスＤＣモータ（１０２）の電気周波における前記外部回転子（１０５）の角度位置を推定するように構成された少なくとも１つのマイクロプロセッサ（１１４）を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモータアッセンブリ。
5. 前記マイクロプロセッサ（１１４）は、逆三角法を用いて、好ましくは参照テーブルと補間によって実行して、前記角度位置を推定するように構成されている、請求項４に記載のモータアッセンブリ。
6. 前記マイクロプロセッサ（１１４）は、さらに較正曲線を推定された角度位置に適用することによって推定の精度を向上させるように構成されている、請求項４または５に記載のモータアッセンブリ。
7. 前記少なくとも２つの磁界センサ（１１２、１１３）、必要なソフトウエアを持つ前記少なくとも１つのマイクロプロセッサ（１１４）、前記少なくとも１つの回路基板（１１５）、および前記電子制御装置（１０３）に含まれる他のコンポーネントは、全体で制御システムを構成し、前記制御システムおよび前記ブラシレスＤＣモータは、共通のハウジング（１１６）内に一体化される、請求項１記載のモータアッセンブリ。
8. 前記ハウジング（１１６）は、前記回路基板（１１５）が取り付けられる少なくとも１つのアルミニウム形材（１１７）を備え、前記アルミニウム形材（１１７）は、冷却フランジとモータ筐体としての双方の役割を果たすことができるように設計されている、請求項７記載のモータアッセンブリ。
9. 前記少なくとも２つの磁界センサ（１１２、１１３）、前記少なくとも１つのマイクロプロセッサ（１１４）、および前記制御システムに含まれる前記他のコンポーネントは、同一の回路基板（１１５）上に配置されている、請求項７または８に記載のモータアッセンブリ。
10. 前記モータアッセンブリ（１０１）に一体化された前記制御システムは、前記外部回転子（１０５）の位置、速度、または加速度を制御するように構成されたフィードバック制御システムを構成する、請求項７乃至９のいずれか一項に記載のモータアッセンブリ。
11. 前記モータアッセンブリ（１０１）は、外部ユニットに接続するための少なくとも１つの通信ポート（１２２）を有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のモータアッセンブリ。

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