JPH08182290A - ５相ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特に高いモータ電流によりモータを駆動する
駆動回路における電界効果トランジスタの数を削減し、
ブラシレスモータのコスト低減を図る。 【構成】 ワイヤ線径の細い、例えば２本のマグネット
ワイヤを同時に巻くことにより各コイル抵抗の等しい５
相の励磁コイルを形成し、直列関係に接続した２つのト
ランジスタからなる直列回路を電源の両端子間に５個並
列に接続して駆動回路１５を構成し、直列関係にあるト
ランジスタの接続部分を、各励磁コイル６ａ〜６ｅの外
端に導通させ、駆動回路１５により励磁コイル６ａ〜６
ｅを４相づつ励磁することにより、コイル回路１７に電
流径路が２径路形成されるので、各励磁コイル６ａ〜６
ｅに流れる電流はモータ電流の半分となり、各トランジ
スタＴａ１〜Ｔｅ２で必要とする電流容量はモータ電流
の半分となり、モータ電流が大きい場合でもトランジス
タを２つ使用することなく１つのトランジスタで十分適
用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば電動式パワース
テアリング装置の駆動源として利用されるブラシレスモ
ータの改良に関し、特に、使用する電界効果トランジス
タＦＥＴ等のパワー素子の数を削減できるようにしたも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車の操舵力を低減させるた
め、パワーステアリング装置が広く使用されている。そ
のうち、軽自動車等の小型自動車用パワーステアリング
装置のアシスト駆動源としてはブラシ付モータが使用さ
れており、さらにまた、慣性の低減、耐久性の向上等に
有利のため、ブラシレスモータを使用することが研究さ
れている。

【０００３】一般に、安定した出力トルクを得ることの
できる３相の励磁コイルを備えた３相ブラシレスモータ
は、例えば、図７に示すように、３相の励磁コイル２１
ａ，２１ｂ及び２１ｃをＹ字型にスター結線してコイル
回路２０が形成され、これら各励磁コイル２１ａ〜２１
ｃに対し、駆動回路２２から例えば、図８に示すような
励磁電流を供給するようになされている。すなわち、各
相の励磁範囲は電気角で１２０度であり、電気角で６０
度毎に通電状態を切り換える２相励磁方式で駆動するよ
うになされている。

【０００４】そして、駆動回路２２は、電界効果トラン
ジスタＦＥＴからなるトランジスタを２つ並列に接続し
たパワー部Ｐをさらに２つ直列に接続し、この２つのパ
ワー部Ｐからなる直列回路を電源の両端子間に３つ並列
に配設して計６個のパワー部Ｐ１〜Ｐ６から駆動回路２
２を形成し、直列関係にあるパワー部の接続部分を、各
励磁コイル２１ａ〜２１ｃの外端に導通させ、この各パ
ワー部Ｐ１〜Ｐ６を順次作動させることにより、図８に
示すような励磁電流を各励磁コイル２１ａ〜２１ｃに供
給するようになされている。

【０００５】ここで、一般にパワーステアリング装置の
アシスト駆動源としては百数十〔Ｗ〕〜数百〔Ｗ〕の大
きな出力が必要とされているが、多くの場合、パワース
テアリング装置の電源電圧は１２〔Ｖ〕であるために、
アシスト駆動源から必要とするアシスト力を得るために
は、数十〔Ａ〕の電流を流す必要がある。そのため、図
７に示すように６個のパワー部Ｐ１〜Ｐ６で駆動回路２
２を形成した場合、電源供給側である上段側及びＧＮＤ
側（接地側）である下段側のパワー部が上段側及び下段
側でそれぞれ１個ずつ作動状態となるので、モータ電流
は各パワー部Ｐ１〜Ｐ６を流れる電流と等しくなること
になる。よって、コイル回路２０に大電流を流す場合、
パワー部Ｐ１〜Ｐ６としては、モータ電流以上の電流容
量を持つトランジスタを選定するか、或いは、図７に示
すように２つのトランジスタを並列に接続して使用する
ようになされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例え
ば、図７に示すようにパワー部を、２つのトランジスタ
を並列に接続して形成した場合、計６個のパワー部Ｐ１
〜Ｐ６に対してそれぞれが２つのトランジスタから形成
されることになり、駆動回路２２全体では、計１２個の
トランジスタを使用することになる。このトランジス
タ、特に、電界効果トランジスタＦＥＴは、他の回路部
品に比較して高価であるため、前述のように２つの電界
効果トランジスタでパワー部を形成した場合、コスト高
になってしまう。

【０００７】また、例えば、パワー部として、モータ電
流以上の電流容量をもつトランジスタを使用し、駆動回
路２２全体のトランジスタの数を減らしたとしても、一
般に、トランジスタに流すことのできる電流値は概ね３
５〜４０〔Ａ〕が実質的に限界であるため、それ以上の
電流容量の大きいトランジスタを入手しようとした場合
には、汎用品ではないためにその分コストがかかってし
まう。

【０００８】そこで、この発明は上記従来の未解決の課
題に着目してなされたものであり、コストを低減するこ
とが可能な５相ブラシレスモータを提供することを目的
としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に関わる５相ブラシレスモータは、外周面に
Ｓ極及びＮ極が周方向に交互に且つ等間隔に配設された
回転自在のロータと、複数本のマグネットワイヤを並列
且つ同時に巻いて形成され、且つ、スター結線されて前
記ロータの外周面を包囲するように配設された５相の励
磁コイルと、前記５相の励磁コイルの各相に対応して該
励磁コイルを励磁するパワー素子を有し、該パワー素子
を駆動制御し前記５相の励磁コイルのうちの４相を同時
に励磁し順次１相づつ励磁相を切り換える駆動回路とを
備えることを特徴としている。

【００１０】

【作用】本発明においては、複数本のマグネットワイヤ
を並列且つ同時に巻いて５相の励磁コイルを形成し、駆
動回路によってパワー素子を駆動制御し、これら５相の
励磁コイルのうち４相を同時に励磁して順次１相づつ励
磁相を切り換えることにより、例えば、柔軟性があり長
さ調整等が容易な細いマグネットワイヤにより励磁コイ
ルを形成することにより、各相のコイル抵抗が等しい５
相の励磁コイルを形成することができ、このとき、駆動
回路によってこの５相の励磁コイルに対し４相づつ励磁
することにより、５相の励磁コイルに、均等に励磁電流
が供給される電流経路が２経路形成されることになり、
１経路当たり５相ブラシレスモータで必要とするモータ
電流の半分の電流を供給すればよいから、各パワー素子
の電流容量は全モータ電流の半分の電流となる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。図１
は、本実施例におけるブラシレスモータ１の構成を示す
断面図である。このブラシレスモータ１は、５相に形成
され、円筒形のハウジング２と、このハウジング２の軸
心に沿って配設され、軸受３ａ及び３ｂによって回転自
在の回転軸４に固定されたモータ駆動用の永久磁石５
と、この永久磁石５を包囲するようにハウジング２内周
面に固定され、且つ、５相の励磁コイル６ａ，６ｂ，６
ｃ，６ｄ及び６ｅが巻き付けられたステータ６とから構
成されており、回転軸４及び永久磁石５によって回転自
在のロータ７が形成されている。

【００１２】また、ロータ７には、回転軸４の一方の端
部に近接してリング状の位相検出用の永久磁石８が固定
され、この永久磁石８は、周方向に且つ等間隔に交互に
Ｓ極及びＮ極に着磁されている。これに対し、前記ハウ
ジング２の軸受３ｂが配設された側（図１の下側）の内
端面には、ステー９を介してリング状の薄板からなる支
持基板１０がその内側の絶縁部分を永久磁石８に対向す
るように配設され、かかる支持基板１０の永久磁石８側
に対向する面には、永久磁石８に対向するように、例え
ばホール素子等からなる位相検出素子１１が固定されて
いる。なお、実際には位相検出素子１１は励磁コイル６
ａ〜６ｅの駆動タイミングに対応して周方向に適宜離隔
して５個設けられている。

【００１３】そして、各位相検出素子１１の出力がこれ
に対向する永久磁石８の磁極によって変化することを利
用してロータ７の回転位置を認識し、それに応じて後述
する駆動回路１５がコイル回路１７の各励磁コイル６ａ
〜６ｅに対し、４相同時に励磁する４相励磁方式により
励磁し、１相づつ励磁するコイルを順次切り換えて、ロ
ータ７を適宜回転駆動させるようになされている。一
方、ロータ７を構成する永久磁石５は、例えば、Ｓ極及
びＮ極の２極が等間隔に着磁されている。ここで、この
場合にはＳ極及びＮ極の２極に着磁された永久磁石５を
適用しているが、Ｓ極及びＮ極が周方向に複数交互に且
つ等間隔に着磁されている場合でも適用できる。

【００１４】前記コイル回路１７は、５相の励磁コイル
６ａ〜６ｅで形成され、図２に示すように、Ｙ字型にス
ター結線されて、ロータ７の外周面を電気角で７２度離
隔して取り囲むように配設されている。ここで、４相励
磁方式では、モータ電流は４つの相に流れることになる
が、電流はコイル抵抗に反比例するので、各相にバラン
スよく電流を流すためには、５相とも、コイル抵抗を等
しくする必要がある。そのため、この励磁コイル６ａ〜
６ｅは、従来の３相励磁コイルに使用されているマグネ
ットワイヤよりも細い２本のマグネットワイヤを２本同
時に巻いて形成し、各励磁コイル６ａ〜６ｅのコイル抵
抗は全て等しくなるように形成されている。

【００１５】ここで、ステータ６は、図３の巻線展開図
に示すように、ステータコア６′内周面に１０個の凸部
６１〜７０が等間隔に配設され、励磁コイル６ａは、凸
部６１及び６５に凸部６２〜６４を囲んで巻き付けら
れ、励磁コイル６ｂは凸部６３及び６７に凸部６４〜６
６を囲んで巻き付けられ、同様にして励磁コイル６ｃは
凸部６５及び６９に、また、励磁コイル６ｄは凸部６７
及び６１に、そして、励磁コイル６ｅは凸部６９及び６
３に、それぞれ間にある凸部を囲んでそれぞれ巻き付け
られ、これらの一端はまとめて結線され、他端は駆動回
路１５に接続されている。このとき、例えば、励磁コイ
ル６ａは、図３に示すように、励磁コイル６ｄ，６ｅ，
６ｂ，６ｃを跨いで巻き付けられることになり、また、
２本のマグネットワイヤを巻き付けて形成されている
が、細いマグネットワイヤを使用しているので比較的柔
軟性があり、巻き付けやすく、また、長さも調整し易い
ので、各励磁コイル６ａ〜６ｅのコイル抵抗を高精度で
同一に設定することができる。

【００１６】そして、これら励磁コイル６ａ〜６ｅに励
磁電流を供給する駆動回路１５は、１０個の電界効果ト
ランジスタからなるトランジスタＴａ１，Ｔｂ１，Ｔｃ
１，Ｔｄ１，Ｔｅ１，Ｔａ２，Ｔｂ２，Ｔｃ２，Ｔｄ
２，Ｔｅ２から構成されている。これらトランジスタＴ
ａ１〜Ｔｅ２は、Ｔａ１とＴａ２，Ｔｂ１とＴｂ２とい
うように対応するトランジスタが直列に接続され、これ
ら直列に接続された直列回路のそれぞれが、電源の両端
子間に並列に配設されると共に、直列関係にあるトラン
ジスタの接続部分が、各励磁コイル６ａ〜６ｅの外端
（スター結線の中心側とは逆側）に導通されている。

【００１７】そして、各トランジスタＴａ１〜Ｔｅ２の
ゲート電圧が、上述した位相検出素子１１の出力に基づ
いて制御されるようになされている。この駆動回路１５
での各励磁コイル６ａ〜６ｅへの励磁電流の方向及び大
きさは、具体的には、図４に示すようになり、各トラン
ジスタＴａ１〜Ｔｅ２のオン／オフのタイミングは図５
に示すようになる。ここで、図４においてａ相が励磁コ
イル６ａに対応し、ｂ相が励磁コイル６ｂに対応し、と
いうように各相が各励磁コイルに対応し、ｅ相が励磁コ
イル６ｅに対応している。

【００１８】図４において、ロータ７が例えば、ｄ₁ の
状態にあるものとすると、これは、区間に該当するの
で、図５に示すように上段のトランジスタＴａ１，Ｔｂ
１及び下段のトランジスタＴｃ２，Ｔｄ２がオン状態と
なり、これら以外のトランジスタはオフとなるので、励
磁コイル６ａ及び６ｂには外端側から電流が流れ、励磁
コイル６ｃ及び６ｄには結線側から電流が流れ、励磁コ
イル６ｅには電流が流れない。このとき、各励磁コイル
６ａ〜６ｅのコイル抵抗は同一であるので、各励磁コイ
ル６ａ〜６ｄには同一電流が流れる。

【００１９】そして、ロータ７が回転して図４において
ｄ₂ の状態に移行すると、これは区間に該当するの
で、図５に示すように上段のトランジスタＴａ１及びＴ
ｂ１はオン状態のままで、下段のトランジスタＴｄ２及
びＴｅ２がオン状態となり、これ以外のトランジスタは
オフとなる。よって、励磁コイル６ａ及び６ｂには外端
側から電流が流れ、励磁コイル６ｄ及び６ｅには結線側
から電流が流れ、各励磁コイル６ａ，６ｂ，６ｄ，６ｅ
には同一電流が流れる。そして、この場合、励磁コイル
６ｃには電流が流れない。

【００２０】この操作が繰り返し行われ、図４に示すよ
うに、電気角で３６度毎に順次１相ずつ励磁する励磁コ
イルが切り替わり、１つの相は電気角で１４４度の間励
磁されるようになされている。そして、例えば、今、コ
イル回路１７にＸ〔Ａ〕の電流を供給したいとする。こ
こで、図２に示すように、駆動回路１５により励磁コイ
ル６ａ〜６ｅを４相ずつ励磁することによって、コイル
回路１７には電流経路が２経路形成されることになり、
このとき、各励磁コイル６ａ〜６ｅのコイル抵抗は同一
であるから、各電流経路を流れる電流は等しくなり、よ
って、各励磁コイルに流れる電流はＸ／２〔Ａ〕とな
る。

【００２１】このとき、図２からわかるように、各励磁
コイル６ａ〜６ｅに流れる電流は、各トランジスタＴａ
１〜Ｔｅ２の通過電流と等しいことから、トランジスタ
の電流容量はＸ／２〔Ａ〕でよいことになる。よって、
例えば、コイル回路１７に５０〔Ａ〕の電流を流したい
場合等には、従来の３相ブラシレスモータを適用した場
合には図７に示すように計１２個のトランジスタを必要
としていたが、上述の５相ブラシレスモータでは、トラ
ンジスタ１つ当たりに要求される電流容量は２５〔Ａ〕
となり、２つのトランジスタを使用することなく１つの
トランジスタで十分適用することが可能であるので、図
２に示すように、駆動回路１５としては計１０個のトラ
ンジスタがあればよく、従来よりも少ないトランジスタ
数で駆動回路１５を構成することができる。

【００２２】したがって、上記実施例においては従来に
比較してトランジスタ数の削減が可能となるので、その
分コストを低減させることができ、また、使用するトラ
ンジスタは電流容量が大きくないので汎用のもので十分
適用することができ、特殊なものを使用する必要がない
のでその分コストを低減させることができる。また、従
来の同時に２相を励磁する２相励磁方式では、図８に示
したように、位相を切り換える時に、上段と下段が一瞬
途切れ、瞬間的ではあるが電流が全く流れない時間があ
るために、励磁コイルのインダクタンスの分、電流の立
ち上がりが遅れ、モータの出力が落ち込み、滑らかな切
り換えが行われなかったが、このような４相励磁方式で
あれば、位相切り換え等であっても、少なくとも２つの
励磁コイルを通じて上段から下段に電流が流れ続けるた
めに、電流が遮断されることがなく、滑らかな切り換え
を行うことができる。よってモータ出力が安定し滑らか
な回転力を得ることができる。

【００２３】また、一般に、モータの出力トルクは、磁
石による磁束量を一定とした場合、モータ電流と励磁コ
イルの巻数との積に比例するが、例えば、モータ電流を
ｉ、各励磁コイル６ａ〜６ｅの巻数をｎとした場合、３
相ブラシレスモータの場合には、２相を同時に励磁する
ので励磁巻数は、２ｎとなる。このとき、各励磁コイル
にモータ電流ｉが流れるので、３相ブラシレスモータの
出力トルクは、２ｎｉとなる。一方、５相ブラシレスモ
ータの場合には、４相を同時に励磁するので励磁巻数
は、４ｎとなり、各励磁コイルにモータ電流ｉ／２が流
れるので、その出力トルクは、２ｎｉとなって、３相ブ
ラシレスモータと５相ブラシレスモータの出力トルクは
等しくなる。

【００２４】また、５相ブラシレスモータの場合、５相
であるため、ステータ６に巻き付けられるワイヤの量
（長さ）が３相ブラシレスモータに比較して５／３倍と
なるが、コイル抵抗は半分となるので、マグネットワイ
ヤの線径を細くすることができるので、ワイヤの量（長
さ）が５／３倍となっても、ステータ６の大きさは３相
ブラシレスモータとほぼ同等である。

【００２５】したがって、５相ブラシレスモータは、３
相ブラシレスモータに比較してより細かく励磁相を切り
換えるので滑らかな回転力を得ることができ、出力トル
クを低減させることなく、より低コストで、より高性能
なブラシレスモータを得ることができることになる。な
お、上記実施例においては、２本のマグネットワイヤを
同時に巻き付けて励磁コイルを形成した場合について説
明したが、例えば、図６に示すように、２本のマグネッ
トワイヤを巻き付けて形成したコイルを直列に二つ、或
いは複数接続して、励磁コイルを形成することも可能で
あり、このように形成することにより、より高い出力ト
ルクを得ることができ性能を向上させることができる。

【００２６】また、上記実施例においては、２本のマグ
ネットワイヤを同時に巻き付けて励磁コイルを形成した
場合について説明したが、２本に限らず複数本を同時に
巻き付けて励磁コイルを形成することも可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に関わる５
相ブラシレスモータでは、複数本のマグネットワイヤを
並列且つ同時に巻いて形成した各コイル抵抗の等しい５
相の励磁コイルを、駆動回路により４相づつ励磁し順次
１相づつ励磁相を切り換えることにより、５相の励磁コ
イルに電流経路が２経路形成されることになり、１経路
当たり必要とするモータ電流の半分の電流を供給すれば
よいので、各相に対応するパワー素子の電流容量を全モ
ータ電流の半分にすることができ、モータ電流が大きい
場合でも各励磁コイルへの励磁電流とパワー素子とを一
対一で対応させることができるので、駆動回路を構成す
るパワー素子数を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の５相ブラシレスモータの断面図であ
る。

【図２】本発明における５相ブラシレスモータの一例を
示す回路図である。

【図３】ステータの巻線展開図である。

【図４】励磁電流の波形図である。

【図５】４相励磁方式の各トランジスタのオンオフのタ
イミングを示す説明図である。

【図６】５相ブラシレスモータのその他の例を示す回路
図である。

【図７】３相ブラシレスモータの一例を示す回路図であ
る。

【図８】２相励磁方式の各トンラジスタのオンオフのタ
イミングを示す説明図である。

【符号の説明】

１ ５相ブラシレスモータ ４ 回転軸 ５ 永久磁石 ６ ステータ ６′ ステータコア ６ａ〜６ｅ 励磁コイル ７ ロータ ８ 永久磁石 １１ 位相検出素子 １５ 駆動回路 １７ コイル回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周面にＳ極及びＮ極が周方向に交互に
   且つ等間隔に配設された回転自在のロータと、複数本の
   マグネットワイヤを並列且つ同時に巻いて形成され、且
   つ、スター結線されて前記ロータの外周面を包囲するよ
   うに配設された５相の励磁コイルと、前記５相の励磁コ
   イルの各相に対応して該励磁コイルを励磁するパワー素
   子を有し、該パワー素子を駆動制御し前記５相の励磁コ
   イルのうちの４相を同時に励磁し順次１相づつ励磁相を
   切り換える駆動回路とを備えることを特徴とする５相ブ
   ラシレスモータ。