JP6976203B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータに関し、特に、電流フィードバックを行わないオープンループ制御にて駆動されるブラシレスモータに関する。

ブラシレスモータの駆動形態としては、ステータの巻線電圧を正弦波状に変化させる正弦波駆動と、矩形波状に変化させる矩形波駆動が知られている。このうち、正弦波駆動は、矩形波駆動に比してブラシレスモータを低騒音・低振動にて駆動できるため、自動車の車載モータなどのように静音化が求められるモータでは、近年、正弦波駆動の採用が増加している。例えば、特許文献１には、正弦波駆動される車載用ブラシレスモータの制御方法・装置が記載されており、そこでは、電流フィードバックを行わないオープンループ制御にてブラシレスモータを駆動制御している。

特開２０１７−２８９３５号公報

ところが、電流位相の変化が大きい正弦波駆動では、オープンループ制御を行うと、磁気回路のインダクタンスの影響により、制御上指令した印加電圧に対し電流位相に遅れが生じる。このため、制御応答性の点で課題があると共に、図１１に示すように、モータ特性にダレが生じてしまい、所望のモータ特性を得られないという問題があった。特に、磁気回路のインダクタンスが大きいモータは、電機子反作用の影響を受けやすく制御性が低下するため、その対策が求められていた。

本発明の目的は、オープンループ制御にて駆動されるブラシレスモータにおいて、モータ特性のダレを抑制し、制御性の向上を図ることにある。

本発明のブラシレスモータは、ステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を有し、モータ制御装置により、電流フィードバックを行わないオープンループ制御にて駆動制御されるブラシレスモータであって、前記ステータは、径方向内側に向かって延びるティースが周方向に沿って複数個形成されたステータコアと、前記ティースに巻装され隣接するティースの間に形成されるスロット内に収容される巻線と、を備え、前記ロータは、回転軸と、前記回転軸に固定されたリングマグネットを備えた表面磁石型に形成され、前記リングマグネットは、その外周面が前記ティースの先端面と対向するように配置されると共に、前記外周面のみに磁極が形成され前記回転軸側の面に磁極が形成されないように着磁された極配向マグネットからなり、前記巻線には、正弦波波形又は正弦波に３次高調波が重畳された波形を有する電圧が印加され、前記モータ制御装置は、該ブラシレスモータが所定速度を維持するように速度制御を行う速度指令部を有することを特徴とする。

本発明にあっては、ロータを表面磁石型（ＳＰＭ：Surface Permanent Magnet））の構成としつつ、外周面にのみ磁極が発生する極配向マグネットのリングマグネットを使用することにより、電流の位相遅れを最小限に抑えることができ、直線性の良いモータ特性を得ることが可能になる。その結果、トルクの直線性が向上し、従来のモータに生じていた特性ダレが改善され、制御性の向上が図られる。

前記ブラシレスモータにおいて、前記巻線への印加電圧に対する電流位相の遅れが抑制されるよう、前記リングマグネットとして、磁界の方向が放射状となるラジアル配向マグネットに比して、磁気抵抗が大きく磁気回路のインダクタンスが小さくなる極配向マグネットを使用するようにしても良い。また、前記リングマグネットの極数をＰ、前記スロットの数をＳとしたとき、ＰとＳの比を２：３（Ｐ：Ｓ＝２：３）とすると共に、前記巻線を集中巻きにて前記ティースに巻装するようにしても良い。さらに、前記ブラシレスモータは、自動車のサンルーフ、ワイパ装置、パワーウインド、パワーシートの駆動源として用いられる定速制御モータであっても良い。加えて、前記リングマグネットとして極異方性を有するマグネットを用いても良い。

本発明のブラシレスモータによれば、ステータと、ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを有してなるブラシレスモータにて、ロータにリングマグネットを設け、その外周面がステータのティース先端面と対向するように配置すると共に、リングマグネットとして、マグネット外周面のみに磁極が発生する極配向マグネットを用いたので、電流の位相遅れを最小限に抑えることができ、直線性の良いモータ特性を得ることが可能になる。その結果、トルクの直線性が向上し、従来のモータに生じていた特性ダレが改善され、制御性の向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施の形態であるブラシレスモータを用いたモータユニットの構成を示す断面図である。 図１のモータユニットに使用されているブラシレスモータの断面図である。 マグネット極数Ｐとスロット数Ｓの比Ｐ：Ｓを２：３とした場合と、Ｐ：Ｓを４：３とした場合におけるトルクと回転数・電流との関係を示したグラフである。 マグネットの着磁形態を示す説明図であり、（ａ）は極配向着磁、（ｂ）はラジアル着磁の着磁形態をそれぞれ示している。 極配向着磁とラジアル着磁の場合のインダクタンスを比較したグラフである。 本発明によるブラシレスモータの制御系の構成を示すブロック図である。 本発明によるブラシレスモータの制御動作を示すフローチャートである。 モータ回転数の制御処理手順（ＰＩ制御処理）を示すフローチャートである。 ラジアル配向のマグネットを用いた従来のモータと本発明によるモータの特性を比較したグラフである。 ３次高調波を重畳した制御電圧の波形を示す説明図である。 従来のモータのモータ特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態であるブラシレスモータを用いたモータユニット１の構成を示す断面図、図２は、図１のモータユニットに使用されているブラシレスモータの構成を示す断面図である。図１のモータユニット１は、ブラシレスモータ２（以下、モータ２と略記する）と、減速機構部（変速機構）３とから構成されており、例えば、自動車のサンルーフやワイパ装置、パワーウインド、パワーシートなどの駆動源として使用される。モータユニット１では、モータ２の回転軸４の回転は減速機構部３内にて変速され、出力軸５からユニット外に出力される。

モータ２はブラシレスモータであり、図１,２に示すように、ステータ１１と、ステータ１１内に回転自在に配置されたロータ１２とから構成されている。ステータ１１は、有底筒状のモータハウジング１３と、モータハウジング１３の内面に固定されたステータコア１４を備えている。ステータコア１４は、磁性体にて形成されたプレートを複数枚積層して形成され、外形が六角形のヨーク部１５と、ヨーク部１５から径方向内側（中心方向）に向かって放射状に突設されたティース１６とから構成されている。モータ２では、ティース１６は周方向に沿って６個設けられている。隣接するティース１６の間はスロット１７となっている。ティース１６の外周には巻線１８が巻装されており、巻線１８はスロット１７内に収容されている。巻線１８は、集中巻きにて巻装されており、３相の巻線１８Ｕ,１８Ｖ,１８ＷがΔ結線にて接続されている（図６参照）。

ステータ１１の内側にはロータ１２が挿入されている。ロータ１２は、回転軸４と、回転軸４に固定されたマグネット１９とを備えている。回転軸４の一端側は、モータハウジング１３の端部に配された軸受２１によって回転自在に支持されている。マグネット１９には、ネオジウムや、ジスプロシウム、サマリウムなどの希土類系の永久磁石が用いられており、ここでは４極に着磁されている。したがって、モータ２は、４極６スロット構成のブラシレスモータとなっている。

このように、マグネット極数Ｐとスロット数Ｓの比を２：３とし、巻線１８を集中巻きとすることにより、モータ２は、極ピッチより巻線ピッチが短い短節巻きとなる。これにより、装荷比における磁気装荷の割合を大きくすることができ、トルクの直線性を向上させることが可能になる。図３は、モータ２のようにＰ：Ｓを２：３（短節巻き）とした場合と、従前のモータのようにＰ：Ｓを４：３（長節巻き）とした場合におけるトルクと回転数・電流との関係を示したグラフである。図３に示すように、モータ２では、Ｐ：Ｓを２：３に設定することにより、従来の４：３系のモータよりもモータ特性の直線性が高くなっている。

減速機構部３は、回転軸４に形成されたウォーム６と、ウォーム（駆動ギヤ）６と噛合するウォームホイール（被動ギヤ）７とから構成されており、合成樹脂やアルミダイカストにて形成されたギヤケース２２内に配されている。図１に示すように、ギヤケース２２には、モータハウジング１３の一端開口側が固定されている。モータ２の回転軸４はギヤケース２２内に延伸しており、回転軸４は、ギヤケース２２内に設けられたベアリング２３と軸受２４によって回転自在に支持されている。ウォームホイール７は出力軸５に固定されており、出力軸５は、ウォームホイール７と共に回転する。

ここで、本発明によるモータ２では、マグネット１９は、周方向に沿って極性が異なるように着磁された極異方性のリングマグネット（ここでは、４極着磁）が使用されている。また、マグネット１９は、その外周面１９ａがティース１６の先端面１６ａに対向するように配されており、ＳＰＭ型の構成となっている。図４は、マグネットの着磁形態を示す説明図である。図４（ａ）に示すように、当該モータ２のマグネット１９は、ステータ１１と対向する面、すなわち、マグネット外周面１９ａのみに磁極Ｎ,Ｓが形成される極配向マグネットとなっている。したがって、回転軸４側（内周側）には磁極は形成されず、内周側には磁束もほとんど漏出しない。このように、ロータ１２のマグネット１９を「ＳＰＭ＋リング磁石＋極配向」の構成とすると、図４（ｂ）に示した従来のロータ構成のモータに比して、磁気回路のインダクタンスを低下させることができ、その分、電流位相の遅れが抑制され、特性ダレや制御応答性が改善される。

図５は、図４（ａ）,（ｂ）の構成におけるインダクタンスを比較したグラフである。図５に示すように、モータ２におけるロータ構成は、従来の構成に比してインダクタンスが半分以下となっている。図４（ｂ）のマグネット４１は、磁界の方向が放射状となるいわゆるラジアル配向の着磁となっており、マグネット４１の外周側と内周側に磁極が形成され、マグネット４１の内側に配されたロータコア（鉄芯）５２にも磁束が流れる。鉄製のロータコア４２は磁束を通しやすく、図４（ａ）のように磁束がマグネット１９の内部のみを流れる場合に比して、磁気回路としての磁気抵抗は小さくなる。インダクタンスは磁気抵抗の逆数であることから、磁気抵抗の小さいラジアル配向は、磁気抵抗の大きい極配向に比してインダクタンスが大きくなる。このため、当該モータ２は、従来のモータに比して、磁気回路のインダクタンスを小さくでき、特性ダレや制御応答性が改善される。

一方、モータ２は、巻線１８の電流量を検出する電流センサを用いないオープンループ制御（電流フィードバックなし）にて、正弦波電圧によって駆動される。図６は、モータ２の制御系の構成を示すブロック図である。図６に示すように、モータ２は、モータ制御装置３１にて駆動され、そのマイコンを用いた制御部３２には、ロータ位置推定処理部３３と、速度推定処理部３４、速度指令部３５、駆動電圧設定部３６、タイマ３７が設けられている。モータ制御装置３１は、インバータ回路３８を介してモータ２側に電力を供給し、モータ２は、速度指令部３５の指示に基づきＰＷＭduty制御される。モータ２側には、ホール素子（ホールＩＣ）を用いた位置センサ３９が設けられている。位置センサ３９は、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相の３個設けられており、モータ動作時におけるマグネット１９の磁束変化を検出し、マグネット１９の磁極の切り替わりを検出する。検出結果は、ハイ（Ｈ）又はロー（Ｌ）の２値の信号にてモータ制御装置３１側に送出される。

図７は、モータ２における制御動作を示すフローチャートである。図７に示すように、モータ２では、正弦波電圧による駆動（ステップＳ１〜Ｓ６）と共に、目標回転数を基準とした速度制御（ステップＳ１０）が実行される。ここではまず、正弦波電圧による駆動処理について説明する。正弦波電圧駆動では、まず、各相位置センサ３９の信号レベル（Ｈ・Ｌ）が検出される（ステップＳ１）。次に、センサ信号レベルの組み合わせから、ロータ位置推定処理部３３により、ロータ１２の回転位置（磁極位置）を確定する（ステップＳ２）。ロータ位置推定処理部３３は、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相の各位置センサ３９の出力信号「Ｈ or Ｌ」の組み合わせから、例えば「Ｕ,Ｖ,Ｗ：Ｈ,Ｌ,Ｌ」なら「磁極位置＝６０」のように、ロータ１２の回転位置を特定する。

ロータ回転位置を確定した後、ステップＳ３に進み、速度推定処理部３４にて、センサエッジ間隔時間（センサ信号のエッジ切り替わり時間）を取得する。モータ２は３相駆動のモータであるため、センサエッジ間隔時間＝電気角６０°回転時間となり、これが正弦波電圧の算出処理切り替え周期となる。なお、センサエッジ間隔時間は、データのバラツキを抑えるため、前回の検出値を加えた移動平均値を求めても良い。センサエッジ間隔時間を取得した後、ステップＳ４に進み、電気角６０°を所定数にて等分割した電気角θ（ここでは、１０分割：θ＝６°）の回転に要する時間Ｔθ（分割角度回転時間）を算出する。

分割角度回転時間Ｔθを算出したのち、ステップＳ５にてタイマ３７を始動させ、分割角度回転時間Ｔθを計時する。タイマ始動後、分割角度回転時間Ｔθ後のロータ推定位置に基づいて、時間Ｔθ経過後のduty値を設定する。すなわち、分割角度回転時間経過ごとに割り込み処理を行い（ステップＳ６）、時間Ｔθを駆動電圧切り替えタイミングとし、その都度、当該ロータ回転位置に応じたＰＷＭduty値をｄｑ三相変換して算出し（ステップＳ７）、出力する（ステップＳ８）。

また、速度指令部３５では、モータ２が所定速度を維持するよう速度制御処理（ステップＳ１０）が実施される。すなわち、当該モータ２は速度制御され、一定回転にて駆動される。図８は、速度指令部３５におけるモータ回転数の制御処理手順（ＰＩ制御処理）を示すフローチャートである。図８に示すように、速度指令部３５では、まず、速度推定処理部３４にて算出した現在のモータ回転数を用いて、モータ２の目標回転数と現在のモータ回転数との差（回転数偏差）を求める（ステップＳ１１）。次に、回転数偏差とＰゲインからＰＩ制御のＰ項（ステップＳ１２）を、また、Ｉ項の前回算出値と回転数偏差及びＩゲインからＰＩ制御のＩ項（ステップＳ１３）をそれぞれ求める。そして、求めたＰ項とＩ項から、モータ２を所定速度に制御駆動するための駆動duty値を算出する（ステップＳ１４）。速度制御処理（ステップＳ１０）が実施されると、そこで算出されたduty値により、ステップＳ６にて設定されたduty値が補正され、ステップＳ７にてｄｑ三相変換される。

上述のように、本発明のモータ２は、マグネット１９を「ＳＰＭ＋リング磁石＋極配向」構成とし、該モータを、正弦波波形を有する電圧によりオープンループ制御にて駆動する。これにより、オープンループ制御のデメリットであった、電流の位相遅れを最小限に抑えることができ、直線性の良いモータ特性を得ることが可能になる。図９は、ラジアル配向のマグネットを用いた従来のモータと本発明によるモータの特性を比較したグラフである。図９に示すように、本発明によるモータは、電流の位相遅れが抑えられた結果、トルクの直線性が向上し、従来のモータに生じていた特性ダレが改善され、制御性も向上する。

また、トルクの直線性が向上すると、トルクに対する回転数ダレが小さくなるため、同じトルク値の場合、モータ回転数を高くすることができ、一定回転の定速制御を行う速度制御範囲を拡大できる。さらに、トルクに対する回転数ダレが小さいと、電流に対するトルクダレも小さくなり、目標の拘束トルクを得るのに必要なトルク定数も小さくなる。この場合、従来のモータでは、電流に対するトルクダレが大きく、高電流域でトルク定数が大幅に低下してしまう。これに対し、本発明によるモータでは、低電流域から高電流域に亘りトルク定数の変化が少ない。このため、予めトルク定数を低く設定しておいても、同じ拘束トルクを得ることでき、所望の拘束トルクを得るために必要なトルク定数を小さくすることができる。その結果、有効磁束を小さく設定することができ、拘束トルクが必要とされるモータの小型・軽量化を図ることが可能になる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、マグネット極数Ｐが４、スロット数Ｓが６の４極６スロット（４Ｐ６Ｓ）構成のブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、本発明は、極数とスロット数の比Ｐ：Ｓが２：３の他のモータ、すなわち、２Ｐ３Ｓ×ｎ（ｎは自然数）のブラシレスモータ（例えば、６Ｐ９Ｓ、８Ｐ１２Ｓなど）にも適用可能である。また、前述の実施形態では、モータ２を正弦波駆動する制御形態について述べたが、図１０のような、３次高調波を重畳した波形の電圧により、モータ２をオープンループ制御駆動しても良い。３次高調波を用いた場合、通常の正弦波に比して概ね１５％程度、出力を向上させることができる。

さらに、モータ２では、マグネット１９に極異方性のマグネットを用いた例を示したが、マグネット１９として極等方性のマグネットを使用し、該マグネットをその外周面のみに磁極が形成されるように着磁した極配向マグネットとしても良い。加えて、前述の実施形態では、マグネット１９が回転軸４に固定されている形態のブラシレスモータを示したが、本発明は、回転軸にマグネットが直接固定されている形態のみならず、ロータコア等を介して回転軸にマグネットを取り付ける形態のブラシレスモータにも適用可能である。

本発明によるブラシレスモータは、自動車の車載モータのみならず、家電製品や産業機械等に使用される電動モータにも広く適用可能である。

１ モータユニット
２ ブラシレスモータ
３ 減速機構部
４ 回転軸
５ 出力軸
６ ウォーム（駆動ギヤ）
７ ウォームホイール（被動ギヤ）
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ モータハウジング
１４ ステータコア
１５ ヨーク部
１６ ティース
１７ スロット
１８ 巻線
１８Ｕ,１８Ｖ,１８Ｗ 巻線
１９ マグネット
１９ａ マグネット外周面
２１ 軸受
２２ ギヤケース
２３ ベアリング
２４ 軸受
３１ モータ制御装置
３２ 制御部
３３ ロータ位置推定処理部
３４ 速度推定処理部
３５ 速度指令部
３６ 駆動電圧設定部
３７ タイマ
３８ インバータ回路
３９ 位置センサ
４１ マグネット
４２ ロータコア
Ｐ マグネット極数
Ｓ スロット数
Ｔθ 分割角度回転時間

Claims (5)

1. ステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を有し、モータ制御装置により、電流フィードバックを行わないオープンループ制御にて駆動制御されるブラシレスモータであって、
   前記ステータは、径方向内側に向かって延びるティースが周方向に沿って複数個形成されたステータコアと、前記ティースに巻装され隣接するティースの間に形成されるスロット内に収容される巻線と、を備え、
   前記ロータは、回転軸と、前記回転軸に固定されたリングマグネットを備えた表面磁石型に形成され、
   前記リングマグネットは、その外周面が前記ティースの先端面と対向するように配置されると共に、前記外周面のみに磁極が形成され前記回転軸側の面に磁極が形成されないように着磁された極配向マグネットからなり、
   前記巻線には、正弦波波形又は正弦波に３次高調波が重畳された波形を有する電圧が印加され、
   前記モータ制御装置は、該ブラシレスモータが所定速度を維持するよう速度制御を行う速度指令部を有することを特徴とするブラシレスモータ。
2. 請求項１記載のブラシレスモータにおいて、
   前記巻線への印加電圧に対する電流位相の遅れが抑制されるよう、前記リングマグネットとして、磁界の方向が放射状となるラジアル配向マグネットに比して、磁気抵抗が大きく磁気回路のインダクタンスが小さくなる極配向マグネットを使用することを特徴とするブラシレスモータ。
3. 請求項１又は２記載のブラシレスモータにおいて、
   前記リングマグネットの極数をＰ、前記スロットの数をＳとしたとき、ＰとＳの比が２：３（Ｐ：Ｓ＝２：３）であり、
   前記巻線は、集中巻きにて前記ティースに巻装されていることを特徴とするブラシレスモータ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記ブラシレスモータは、自動車のサンルーフ、ワイパ装置、パワーウインド、パワーシートの駆動源として用いられる定速制御モータであることを特徴とするブラシレスモータ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記リングマグネットは、極異方性を有することを特徴とするブラシレスモータ。

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