KR101439072B1 - Dc 브러시리스 모터 및 그 제어 방법 - Google Patents

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아키라 츠츠이
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히로유키 미타니
교지 자이츠
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

본 발명의 DC 브러시리스 모터(1)는 단일의 여자 코일(2)을 사이에 두고 회전축 방향의 양측에 배치되는 각 본체(312, 322)를 구비하는 고정자(3)와, 고정자(3)의 내부에 설치되는 회전자(4)를 구비하고, 각 본체(312, 322)에는 자극이 되는, 서로 다른 수의 돌기(311, 321)를 갖는 제1 및 제2 자심(31, 32)이 형성되어, 여자 코일(2)의 주위에 발생하는 자속의 흐름에 대한 고정자(3)와 회전자(4) 사이의 자기 저항의 변화를 구동력으로 하는 것이다. 또한, 본 발명의 DC 브러시리스 모터(1)의 제어 방법은 정류 소자[52(52a, 52b)]를 갖는 기동 코일[5(5a, 5b)]이 돌기(321)의 주위에 각각 설치된 상술한 DC 브러시리스 모터(1)의 제어 방법이며, 기동 코일(5)의 정류 소자(52)가, ON으로 하기 위해 충분한 기동 시간 및 파고를 갖고, 또한 목적으로 하는 회전 방향에 대응한 극성의 펄스 형상의 전류를 여자 코일(2)에 부여하는 것이다.

Description

DC 브러시리스 모터 및 그 제어 방법 {BRUSHLESS DC MOTOR, AND METHOD FOR CONTROLLING SAME}
본 발명은 DC 브러시리스 모터 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 주로 압분 자심을 철심으로서 사용하여, 1상에서의 여자에 의해 구동하는 모터에 관한 것이다.
모터는 전력을 동력으로 변환하는 부품으로서, 자동차, 가전 및 산업 용도 등 폭넓은 분야에서 이용되고 있다. 모터는 비회전 부분인 고정자와, 출력축과 함께 회전하는 회전자를 구비하고, 이들에는 전자기 코일이나 자석, 철심이 포함되어 있다.
모터는 구동력을 발생하는 원리나 구조에 따라 몇 개의 종류로 나뉘고, 그 중 1개의 영구 자석을 사용한 모터는, PM(Permanent Magnet) 모터라고 불리고, 특히 폭넓은 분야에서 사용되고 있다. 이 PM 모터에서는 회전자에 상기 영구 자석이 설치되어 있고, 고정자에 설치된 전자기 코일과, 상기 영구 자석이 발하는 자속의 상호 작용에 의해 회전력이 발생하고 있다.
그런데, 모터는 동력원이므로, 소형화가 강하게 요망되고, 그 소형화를 위해서는 보다 강한 자력을 발생하는 것이 필요하다. 보다 강한 자력을 얻기 위해서는, 강한 자속을 발하는 자석이 필요하고, 예를 들어 특허문헌 1에는 Nd-Fe-B계의 원소를 사용한 자석이 개발되어 있다(Nd;네오디뮴, Fe;철, B;붕소). 그러나, 이들 자석에는 Dy(디스프로슘)이나 Nd 등의 고가이고 희소인 금속이 필요해져 버린다. 한편, 전자기 코일에서 발생하는 자장을 크게 함으로써도 강한 자력(전자력)이 얻어진다. 그 방법으로서, 여자 전류를 크게 하는 것, 혹은 전자기 코일의 권취수를 늘리는 것이 유효하다. 그러나, 전자는 코일의 단면적에 따른 제약이 있고, 후자는 권선이 권취되는 공간에 따른 제약이 있어, 그 자체에 한계가 있다.
따라서, 최근에는 철심에 압분 자심을 사용한 모터의 개발이 진행되고 있다. 상기 압분 자심은 연자성용 분말의 표면에 절연 피막을 형성한 후, 압분 성형과 열처리에 의해 성형된다. 여기서, 종래부터, 모터에는 전자기 강판을 펀칭하여, 적층한 적층 자심이 사용되고 있고, 그 적층 자심은 적층한 방향으로는 자속을 통과시키기 어렵고, 판면 내 방향으로 자속을 통과시키기 쉬우므로, 평면 내에서의 자기 회로 설계가 이루어져 왔다. 이에 대해, 상기 압분 자심은 연자성용 분말을 압분 형성하여 이루어지므로, 자기 특성이 등방적이고, 3차원적인 자기 회로의 설계가 가능한 자심 재료라고 할 수 있다. 또한, 압분 자심은 압분 성형에 있어서의 금형 형상의 변경이나 성형 후의 기계 가공 등에 의해 임의의 형상으로 할 수 있으므로, 3차원적인 자기 설계에 의해 모터 코어 형상의 다양화를 가능하게 하여, 편평형이나 소형의 모터의 설계를 가능하게 할 수 있다.
이와 같은 압분 자심을 활용하여, 소형화한 모터로서, 예를 들어, 특허문헌 2 내지 특허문헌 4에, 3차원 자기 회로를 사용한 클로우 티스형 모터가 개시되어 있다. 이들 특허문헌 2 내지 특허문헌 4에 따르면, 종래, 각각의 티스에 코일을 권회하고 있던 것을, 클로우 폴형의 철심에 원환상의 코일을 내장함으로써, 이들에 개시된 클로우 티스형 모터는 권선 밀도의 향상, 즉 자력의 향상에 의한 소형화를 가능하게 하고 있다. 또한, 압분 자심을 사용함으로써, 교류 자계에서의 구동이 가능해지고, 전기각에서 서로 120° 어긋난 3층 구조의 스테이터로 함으로써, 이들에 개시된 클로우 티스형 모터는 3상 교류 자계에서의 브러시리스 구동도 가능하게 하고 있다.
한편, 상술한 특허문헌 2 내지 특허문헌 4에는 압분 자심을 사용한 클로우 폴 모터가 개시되어 있다. 그리고, 고정자는 갈고리형 자극이 부착된 압분 자심이 코일을 둘러싸는 3차원 자기 회로를 갖는 구조로 되어 있지만, 이들에 개시된 클로우 폴 모터는 3상의 전류원을 사용한 모터이고, 3개의 고정자가 회전축 방향으로 배열되어 있고, 각각에 1개의 전류상이 할당되어 있다. 이로 인해, 1상마다 압분 자심 스테이터를 갖는 3층 구조는 필수이고, 모터를 소형화하려고 하면 고정자의 부품 사이즈를 얇게, 즉 압분 자심의 두께를 적어도 1/3로는 얇게 할 필요가 있어, 압분 자심에서는 충분한 강도를 확보할 수 없게 될(물러질) 우려가 있다.
따라서, 압분 자심의 강도를 확보하기 위해, 부품 형상을 크게(두껍게) 하는 것이 필수가 되고, 1개의 고정자의 1상 여자형의 모터를 구성할 필요가 있다. 그런데, 코일에서 발생한 자력을 충분히 활용하기 위해서는, 스테이터는 돌극이 되는 것이 바람직하지만, 돌극 자심에서의 1상 여자에서는 회전 자계가 발생하지 않아, 회전자를 회전시키는 토크가 얻어지지 않는다. 또한, 특허문헌 2 내지 특허문헌 4에 개시된 자심 형상에서는, 코일에서 발생한 그 주위를 주회하는 자속의 대부분은 회전 토크로서 기여하지 않고, 교대로 맞물리는 상하의 티스 사이에 흐르는 둘레 방향의 누설 자속밖에 토크에 활용할 수 없어, 자속을 유효하게 이용할 수 없다.
한편, 상기 영구 자석을 사용하지 않는 모터로서, 종래부터, SR(Switched reluctance)을 사용한 SR 모터가 있다. 이 SR 모터는 회전에 수반하는 자기 저항의 변화에 기인한 릴럭턴스 토크를 이용한 모터로, 회전자의 돌극이, 접근해 온 고정자의 코일에 통전을 순차적으로 전환하여(switch하여) 회전시키는 것이다. 따라서, 이 SR 모터에는 회전자에 자석을 사용하고 있지 않으므로, 저비용이라고 하는 이점이 있고, 또한 자석의 열감자가 문제가 되지 않으므로, 상기 PM 모터에 비해, 고온에서의 운전이 가능하다고 하는 이점도 있다. 그러나, 이 SR 모터도 1상에서는 회전하지 않아, 복수층 혹은 다상 구조로 할 필요가 있다.
일본 특허 출원 공개 제2009-43776호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-333545호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-325373호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-142086호 공보
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 발명으로, 그 목적은 돌극을 갖는 단일의 고정자 및 전자기 코일을 구비하는 3차원 자기 회로를 갖고, 자력을 보다 유효하게 활용할 수 있는 모터를 실현할 수 있는 DC 브러시리스 모터 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 DC 브러시리스 모터는 단일의 여자 코일을 사이에 두고 회전축 방향의 양측에 배치되는 각 본체를 구비하는 고정자와, 상기 고정자의 내부에 설치되는 회전자를 구비하고, 상기 고정자의 각 본체에는 자극이 되는 돌기이며 서로 다른 수의 돌기를 갖는 제1 및 제2 자심이 형성되어, 상기 여자 코일의 주위에 발생하는 자속의 흐름에 대한 상기 고정자와 상기 회전자 사이의 자기 저항의 변화를 구동력으로 하는 것이다. 또한, 본 발명에 관한 DC 브러시리스 모터의 제어 방법은 루프 형상의 도전체에 정류 소자가 개재되어 이루어지는 유도 코일이 제2 자심의 돌기의 주위에 각각 설치된 상술한 DC 브러시리스 모터의 제어 방법이며, 상기 유도 코일의 정류 소자가, ON으로 되기 위해 충분한 기동 시간 및 파고를 갖고, 또한 목적으로 하는 회전 방향에 대응한 극성의 펄스 형상의 전류를 상기 여자 코일에 부여하는 것이다. 이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터 및 그 제어 방법은 돌극을 갖는 단일의 고정자 및 전자기 코일을 구비하는 3차원 자기 회로를 갖고, 자력을 보다 유효하게 활용할 수 있다.
상기 및 그 밖의 본 발명의 목적, 특징 및 이점은 이하의 상세한 기재와 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 실시 형태에 관한 DC 브러시리스 모터의 일부를 절결하여 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 상기 DC 브러시리스 모터의 축선 방향 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시하는 상기 DC 브러시리스 모터의 제1 자심의 위치에 있어서의 축 직각 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시하는 상기 DC 브러시리스 모터의 제2 자심의 위치에 있어서의 축 직각 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시하는 상기 DC 브러시리스 모터에 있어서의 기동 코일의 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시하는 상기 DC 브러시리스 모터의 등가 회로도이다.
도 7은 도 1에 도시하는 상기 DC 브러시리스 모터에 있어서의 상기 기동 코일에 설치되는 정류 소자의 인가 전압과 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 1에 도시하는 상기 DC 브러시리스 모터에 있어서의 상기 여자 코일에 통전했을 때의 자속의 흐름을 도시하는 자계 해석 결과의 도면이다.
도 9는 회전자 및 제1 자심의 자극수를 4로 하고, 제2 자심의 자극수를 8로 하고, 회전자의 자극의 주기에 대한 자극 폭을 50％로 한 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 회전자 및 제1 자심의 자극수를 4로 하고, 제2 자심의 자극수를 8로 하고, 회전자의 자극의 주기에 대한 자극 폭을 55％로 한 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 회전자 및 제1 자심의 자극수를 4로 하고, 제2 자심의 자극수를 8로 하고, 회전자의 자극의 주기에 대한 자극 폭을 60％로 한 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 회전자 및 제1 자심의 자극수를 4로 하고, 제2 자심의 자극수를 8로 하고, 회전자의 자극의 주기에 대한 자극 폭을 65％로 한 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 회전자 및 제1 자심의 자극수를 4로 하고, 제2 자심의 자극수를 8로 하고, 회전자의 자극의 주기에 대한 자극 폭을 70％로 한 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 회전자 및 제1 자심의 자극수를 4로 하고, 제2 자심의 자극수를 8로 하고, 회전자의 자극의 주기에 대한 자극 폭을 60％로 한 경우에, 고정자의 2개의 자심에 있어서, 제1 자심에 대한 제2 자심의 자극 배치를, ±11.25° 이동시킨 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 변화를 나타내는 도면이다.
도 15는 회전자 및 제1 자심의 자극수를 4로 하고, 제2 자심의 자극수를 8로 하고, 회전자의 자극의 주기에 대한 자극 폭을 60％로 한 경우에, 고정자의 2개의 자심에 있어서, 제1 자심에 대한 제2 자심의 자극 배치를, ±16.9° 이동시킨 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 변화를 나타내는 도면이다.
도 16은 회전자 및 제1 자심의 자극수를 4로 하고, 제2 자심의 자극수를 8로 하고, 회전자의 자극의 주기에 대한 자극 폭을 60％로 한 경우에, 고정자의 2개의 자심에 있어서, 제1 자심에 대한 제2 자심의 자극 배치를, ±25° 이동시킨 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 변화를 나타내는 도면이다.
도 17은 회전자 및 제1 자심의 자극수를 2로 하고, 제2 자심의 자극수를 4로 한 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 변화를 나타내는 도면이다.
도 18은 회전자 및 제1 자심의 자극수를 3으로 하고, 제2 자심의 자극수를 6으로 한 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 변화를 나타내는 도면이다.
도 19는 회전자 및 제1 자심의 자극수를 5로 하고, 제2 자심의 자극수를 10으로 한 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 변화를 나타내는 도면이다.
도 20은 회전자 및 제1 자심의 자극수를 6으로 하고, 제2 자심의 자극수를 12로 한 경우에 있어서의, 회전에 수반하는 인덕턴스의 변화를 나타내는 도면이다.
도 21은 도 1에 도시하는 상기 DC 브러시리스 모터의 구동 회로의 일구성예를 도시하는 블록도이다.
도 22는 회전에 수반하는 구동 제어 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 도 21에 도시하는 상기 구동 회로에 의한 DC 브러시리스 모터의 기동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 관한 실시의 일 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일한 번호를 부여한 구성은 동일한 구성인 것을 나타내고, 적절하게 그 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 총칭하는 경우에는 첨자를 생략한 참조 부호로 나타내고, 개별의 구성을 가리키는 경우에는 첨자를 부여한 참조 부호로 나타낸다.
도 1은 실시 형태에 관한 DC 브러시리스 모터(1)의 일부를 절결하여 도시하는 사시도이고, 도 2는 그 DC 브러시리스 모터(1)의 축선 방향 단면도이고, 도 3은 그 DC 브러시리스 모터(1)의 제1 자심(31)의 위치에 있어서의 축 직각 단면도이고, 도 4는 그 DC 브러시리스 모터(1)의 제2 자심(32)의 위치에 있어서의 축 직각 단면도이다.
이 DC 브러시리스 모터(1)는 대략적으로, 단일의 여자 코일(2)을 갖는 고정자(3)와, 상기 고정자(3)의 내부에 상기 고정자(3)와 동축으로 설치되는 이너 로터의 회전자(4)와, 기동용 코일[5(5a, 5b)]을 구비하여 구성되고, 여자 코일(2)의 주위에 발생하는 자속의 흐름에 대한 고정자(3)와 회전자(4) 사이의 자기 저항 변화를 구동력으로 하는 SR 동작을 행하는 모터이다. 그리고, 이 DC 브러시리스 모터(1)에 있어서, 여자 코일(2)을 상기 단체로 실현하기 위해, 이하의 구성이 채용되어 있다.
우선, 여자 코일(2)이 단체(單體)이고, 회전 자계가 발생하지 않으면, 회전 각도에 따라서는 정지 상태에서 토크가 얻어지지 않아, 자립 기동을 할 수 없는 경우가 있다. 즉, SR 모터(Switched reluctance 모터)는 자기 저항 변화를 구동력으로 하여 회전하는 것이므로, 자기 저항 변화가 없는 회전 각도 위치에서는 토크를 얻을 수 없어, 회전 중, 예를 들어 일정 속도에서의 회전 중에는 토크가 없는 회전각이어도 관성에 의해 회전할 수 있지만, 정지 상태에서는 토크가 없는 회전각의 경우에는 기동을 할 수 없게 된다.
이로 인해, SR 모터는 고정자와 회전자의 양쪽에 돌극(자극)을 구비하고 있다. 그리고, 이와 같은 DC 브러시리스 모터(1)에 있어서, 회전자(4)는 통상과 같이, 기부(41)와, 그 기부(41)로부터 반경 방향 외측으로 연장하여 둘레 방향으로 등간격으로 형성되고, 자극이 되는 복수(도 1 내지 도 4의 예에서는 4개)의 돌기(42)를 구비하고 있다.
한편, 고정자(3)는 원환상의 여자 코일(2)을 사이에 두고 회전축 Z방향의 양측에 배치되는 제1 및 제2 자심(31, 32)을 구비하고, 이들 제1 및 제2 자심(31, 32)에 있어서, 자극이 되는 돌기(311, 321)의 수가, 상기 제1 자심(31)과 제2 자심(32) 사이에서 다른 수로 됨으로써, 상기 단일의 여자 코일(2)에서의 구동을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 1 내지 도 4의 예에서는, 제1 자심(31)은 회전자(4)와 동수인 4개이고, 제2 자심(32)은 제1 자심(31)의 2배인 8개이다. 제1 및 제2 자심(31, 32)은 원환상으로 형성되는 본체(312, 322)와, 그 본체(312, 322)로부터 반경 방향 내측으로 연장되어, 둘레 방향으로 복수 형성되는 돌기(311, 321)를 구비하고 있다.
따라서, 여자 코일(2)의 회전축 Z방향의 양측에 배치되는 2개의 자심(31, 32)에 있어서, 통상의 클로우 티스 모터에서는, 축방향으로 연장되는 클로우 폴이 규칙적으로 교대로 들어가 배열되고, 상기 자속의 흐름은 회전자를 통해, 직경 방향으로 되는 것에 비해, 본 실시 형태에서는, 자극이 되는 돌기(311, 321)는 원환상으로 형성되는 본체(312, 322)로부터 반경 방향 내측으로 연장된 돌극이므로, 상기 자속의 흐름은, 도 2에 도시한 바와 같이 제1 자심(31)[제2 자심(32)]의 돌기[311(321)]로부터 들어간 회전자(4)의 동일한 측으로부터, 제2 자심(32)[제1 자심(31)]의 돌기[321(311)]로 빠진다. 그리고, 상기 제1 자심(31)과 제2 자심(32)에서, 돌기(311, 321)의 수가 다른 것에 의해, 회전 자계가 발생하지 않는 단일의 여자 코일(2)로 이루어지는 DC 브러시리스 모터(1)라도, 어느 한쪽의 자극 사이에서 둘레 방향의 회전 토크를 발생시켜, 상기 단일의 여자 코일(2)에서의 구동이 가능하게 되어 있다.
이와 같이 하여, 단일의 여자 코일(2) 및 고정자(3)로 이루어지는 소형이고 단순한 구조이고, 또한 1상 여자에 의한 구동이 가능한 DC 브러시리스 모터(1)가 실현되어 있다. 또한, SR 동작을 행하기 위해, 상기와 같이 1상 여자라도, 고정자(3)의 자극을 돌극으로 할 수 있어, 그 돌극에 의해 자속을 유효하게 이용하여, 고효율화할 수 있다. 또한, 이 DC 브러시리스 모터(1)는 단순한 구조이므로, 생산성이 높고, SR 모터는, 전술한 바와 같이 회전자(4)와 고정자(3)의 자기 저항 변화를 구동력으로 하여, 영구 자석을 필요로 하지 않고, 회전자(4)의 회전에 필요한 토크가 얻어지므로, 산업용 및 민간용에 필수의 동력원인 DC 브러시리스 모터에 있어서, 희토류 자석 등에 있어서의 희소 금속을 절약하는 효과가 있다.
표 1에는 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)와, 종래 기술의 각 타입의 모터의 비교 결과가 나타나 있다.
Figure 112013040794541-pct00001
즉, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)는 영구 자석이 불필요하며, 저렴한 재료로 실현할 수 있는 SR 모터의 동작을 행하여, 클로우 티스 모터나 클로우 폴 모터와 같이, 여자 코일이 1개로 충분하다. 이로 인해, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)는 코어나 권선 구조를 간략화할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)에서는, 상술한 바와 같이 제1 및 제2 자심(31, 32)에 있어서의 돌기(311, 321)의 수가 서로 다른 것에 의해, 어느 한쪽의 자극 사이에서 둘레 방향의 회전 토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)에서는 제1 자심(31)의 돌기(311)의 수를 회전자(4)의 돌기(42)의 수와 동수로 함으로써, 비교적 균일한 회전 토크를 발생시킬 수 있다.
그리고, 이 경우, 회전자(4)의 돌기(42)가 제2 자심(32)의 돌기(321)의 중간 위치에 정지하면, 제1 자심(31)의 돌기(311)의 위치에 따라서는, 기동이 곤란해진다. 이로 인해, 제2 자심(32)의 돌기(321)의 주위에 유도 코일인 기동 코일(5)이 각각 설치되어 있다. 이 기동 코일(5)은 정류 소자(52)를 개재한 루프 형상의 도전체(51)로 구성되어 있고, 또한 각 정류 소자(52)는 정류 소자(52)에 의한 통전 방향의 제한이 이웃하는 자극마다 반대로 되도록, 각각 배치되어 있다.
그 기동 코일(5)의 모습이, 도 5에 모식적으로 도시되어 있다. 도 5의 (A)는 상술한 기동 코일(5)의 기본 구성을 도시하는 도면이다. 도 5의 (B)는 이 도 5의 (A)에 도시하는, 각 자극에 각각 독립으로 권취한 기동 코일(5)이, 사다리형의 네트워크의 편측의 빔에 정류 소자(52)를 정역 교대로 배치한 회로에 등가인 것을 도시하고 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들어, 도 5의 (B)에 도시하는 회로는 도 5의 (C)에 도시하는 구조에 의해 실현된다. 즉, 기동 코일(5)은 실제의 일 구조예로서, 도 5의 (C)에 도시한 바와 같이, 1개의 원환상 도체(511)와, 전체적으로 원환상이며, 정류 소자(52)를 정역 교대로 염주처럼 연결한 폐쇄 회로(512)를 서로 마주 보게 하고, 양 원환 사이를 사다리 형상으로 도체 기둥(513)으로 연결한 일체의 바구니형 구조이다. 도 5의 (B)는 이 도 5의 (C)에 도시하는 구조라도, 도 5의 (A)에 도시하는 기본 구조와 동등한 효과가 얻어지는 것을 도시하고 있다.
정류 소자(52)는 제1 및 제2 자심(31, 32) 사이의 폐쇄 회로(512)에 개재된다. 이는, 제1 및 제2 자심(31, 32) 사이에 끼워지는 폐쇄 회로(512) 내에는 회전자(4)의 내부를 관통하는 교류 자속이 존재하므로, 상기 폐쇄 회로(512)에 유도 기전력이 발생하기 때문이다. 이로 인해, 정류 소자(52)를 원환상 도체(511)측에 배치하면, 폐쇄 회로(512)측에 유도 전류가 발생해 버려, 본 실시 형태의 의도하는 모터 구동력이 발생하지 않게 되어 버린다.
상술한 바와 같이 구성되는 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)의 등가 회로가 도 6에 도시되어 있다. 후술하는 모터 제어에 있어서, 모터 회전 개시 시와 같은 경우에, 여자 코일(2)에 기동 시간이 빠른 파고가 높은 전류 펄스를 흘리면, 그것에 따른 자속선이, 고정자(3)의 제1 자심(31)[제2 자심(32)]으로부터 회전자(4)를 경유하여, 제2 자심(32)[제1 자심(31)]에 유입된다. 이 경우에, 제2 자심(32)의 돌극에 권취된 정류 소자(52a, 52b)의 극성에 따라서, 2종류의 기동 코일(5a, 5b)의 도전체(51a, 51b)에는 그 자속선의 변화율에 따른 유도 기전력이 발생한다. 이와 같이 기동 코일(5a, 5b)은 유도 코일의 일례이다.
여기서, 반도체의 PN 접합을 기본으로 하는 정류 소자(52a, 52b)는 도 7과 같은 특성을 가지므로, 유도 기전력의 극성이 정류 소자(52a, 52b)의 순방향이고, 또한 임계값 전압(Vth)보다 큰 경우에는, 상기 정류 소자(52a, 52b)가 ON되어, 도전체(51a, 51b)에 유도 전류가 유기된다. 극성이 정류 소자(52a, 52b)의 역방향이면, 혹은 상기 정류 소자(52a, 52b)의 정격 이하이면, 상기 정류 소자(52a, 52b)는 OFF를 유지한 채로, 유도 전류는 발생하지 않는다.
따라서, 전술한 바와 같이 충분한 기동 시간과 파고를 갖는 전류 펄스가 여자 코일(2)에 흐르면, 2종류의 기동 코일(5a, 5b)의 한쪽에는 유도 전류가 흐르고, 상기 기동 코일(5a, 5b)의 한쪽이 권취된 자극에는 반자계가 발생하여, 유입되어 온 자속선을 현저하게 감쇠시킨다. 한편, 2종류의 기동 코일(5a, 5b)의 다른 한쪽에는 유도 전류가 흐르는 일이 없어, 유입되어 온 자속선에 영향은 없다.
여기서, 제2 자심(32)의 돌기(321)의 수를 제1 자심(31)의 돌기(311)의 수의 배로 형성한 경우에, 특히, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 제2 자심(32)의 돌기(321)를, 2개를 한 쌍으로 하여, 대응하는 제1 자심(31)의 돌기(311)를 중심으로 하여 둘레 방향으로 균등하게 어긋나게 하여 배치함으로써, 보다 균일한 회전 토크를 발생시킬 수 있다. 한편, 이 경우, 회전자(4)의 돌기(42)가 제1 자심(31)의 돌기(311)에 배열되고, 즉 상기 한 쌍을 이루는 제2 자심(32)의 돌기(321)의 중간 위치에 정지하면, 제1 자심(31)의 어떤 자극으로부터 회전자(4)의 돌기(42)에 유입된 자속선은, 상기 회전자(4)를 대략 축방향으로 경유하고, 돌기(42)의 축에 대해 등간격으로 배치되는 2개의 돌기(321)로 나뉘어 유입되어, 기동이 곤란해진다.
따라서, 전술한 바와 같은 기동 코일(5)을 설치하는 동시에, 충분한 기동 시간과 파고를 갖는 전류 펄스로 여자함으로써, 정류 소자(52)가 ON으로 된 기동 코일측의 자극에는 루프 전류가 흘러, 유기된 여자 자속은 상기한 반자속으로 유입될 수 없어, 정류 소자(52)가 OFF인 상태의 기동 코일측의 자극에만 유기된 여자 자속이 유입되게 된다. 당연히, 전류 펄스의 극성을 반대로 하면, 상기한 2종의 유도 코일은 역할이 바뀌어 동작하게 되고, 시동의 전류 펄스의 극성을 선택함으로써, 목적으로 하는 회전 방향으로 회전자(4)의 회전을 기동시킬 수 있다.
이와 같이 하여, 전술한 바와 같이 제2 자심(32)의 돌기(321) 사이에 회전자(4)의 돌기(42)가 정지한 상황이라도, 회전자(4)와 제2 자심(32)의 한 쌍의 돌기(321) 사이에 불균등한 자계가 발생하여, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)는 자기 저항 변화가 일정해지지 않도록 할 수 있다. 이와 같이 하여, 단일의 여자 코일(2)과 고정자(3)의 조합이라도, 자립 기동이 가능한 SR 모터가 실현된다. 또한, 기동 코일(5)은, 전술한 바와 같이 일체의 바구니형 구조이므로, 원환상 도체(511)와 폐쇄 회로(512)의 2개의 링체의 한쪽을 제거한 상태에서, 상기 기동 코일(5)을 제2 자심(32)에 끼워 넣은 후에, 상기 한쪽의 링체를 도체 기둥(513)에 접합하는 것만으로, 상기 제2 자심(32)에 기동 코일(5)을 권회할 수 있어, 조립이 용이하다.
또한, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 여자 코일(2)은 띠 형상의 도체 부재가, 그 폭 방향이 상기 여자 코일(2)의 회전축 Z방향을 따르도록, 플랫 와이즈하게 권회되어 이루어진다. 여기서, 일반적으로 코일에 통전하면, 코일은 도체로 구성되어 있으므로, 자력선에 수직인 면(직교면)에 와전류가 발생하고, 그것에 의해 손실(로스)이 발생한다. 그 와전류의 크기는 자속 밀도가 동일한 경우, 자속선과 교차하는 면적, 즉 자속선에 수직인 연속되는 면의 면적에 비례한다. 자속선은 코일 내에서는 축방향을 따르고 있으므로, 와전류는 코일을 구성하는 도체의 축방향에 직교하는 직경 방향의 면의 면적에 비례하게 된다. 따라서, 여자 코일(2)을 구성하는 띠 형상의 도체 부재를, 폭 W에 대한 직경 방향의 두께 t의 비 t/W가 1/10 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성함으로써, 상기 와전류가 억제되어 발열이 억제된다. 또한 띠 형상의 도체 부재는 간극 없이 권회할 수 있으므로, 원기둥 형상의 소선을 권회하는 경우에 비해, 전류 밀도를 크게 할 수 있는 동시에, 도체 부재 내부로부터의 방열도 양호하다. 또한, 상기 도체 부재의 상기 두께 t가 당해 모터에 급전되는 교류 전력에 있어서의 주파수에 대한 표피 두께 이하이면, 더욱 와전류손을 저감시킬 수 있다. 또한, 표피 두께 δ는 교류 전력의 각 주파수를 ω로 하고, 도체 부재의 투자율을 μ로 하고, 도체 부재의 전기 전도율을 ρ로 하는 경우에, 일반적으로, δ＝(2/ωμρ)1/2이다.
또한, 이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터(1)에 있어서, 여자 코일(2)과 고정자(3)의 2개의 자심(31, 32) 사이에 생기는 간극에는 열전도 부재가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 여자 코일(2)에서 발생하는 열을, 상기 열전도 부재를 통해, 상기 여자 코일(2)을 둘러싸는 2개의 자심(31, 32)에 효과적으로 전도할 수 있어, 방열성을 개선할 수 있다.
또한, 이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터(1)에 있어서, 상기 회전축 Z방향에 있어서의 상기 여자 코일(2)의 한쪽 단부에 대향하는 고정자(3)의 제1 자심(31)의 내면과, 다른 쪽 단부에 대향하는 제2 자심(32)의 내면은, 적어도 그들의 각 단부를 덮는 영역에서는 평행하게 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 상술한 바와 같은 여자 코일(2)에 관한 조건(플랫 와이즈 권선 구조이며 폭 W가 두께 t보다 큼)이 설정된 경우에, 여자 코일(2)의 상하 양 단부면을 덮는 제1 및 제2 자심(31, 32)에 기울기가 있으면, 실제로 여자 코일(2)의 내부를 통과하는 자속선(자력선)이, 특히 상기 상하 양단부면 부근에서, 회전축 Z방향과 대략 평행해지지 않기 때문에, 여자 코일(2)에 관한 상기 조건을 설정한 효과가 최대한으로 발휘되지 않으므로, 상기 효과를 최대한 발휘하기 위해서이다.
본건 발명자는 2개의 자심(31, 32)의 내벽면의 평행도를 다양하게 바꾸면서 자속선의 분포를 검증한바, 예를 들어, 상기 평행도가 1/100인 경우에는, 여자 코일(2)의 내부를 통과하는 자속선이 회전축 Z방향에 평행해지는 한편, 상기 평행도가 －1/10이나 1/10인 경우에는, 여자 코일(2)의 내부를 통과하는 자속선이 회전축 Z방향에 평행해지지 않는다. 이와 같은 검증 하에, 여자 코일(2)의 내부를 통과하는 자속선을 평행하게 하기 위해서는, 상기 평행도의 절대값은 1/50 이하인 것이 바람직하다.
여기서, 회전자(4)와 고정자(3)의 간극이, 양자의 자극의 유무에 의해 변화됨으로써 자기 회로가 기하적으로 변형되는 것이 생각된다. 그러나, 본건 발명자가 행한 자장 해석에 따르면, 여자 코일(2)을 관통하는 자속선의 형태에, 큰 변화를 미치지 않는 것(띠 형상 도체에 평행인 것이 보장되는 것)이, 도 8에 도시한 바와 같이 확인되었다. 도 8에는 고정자(3)의 돌기(311, 321)가 함께 회전자(4)측으로 돌출되어 상기 간극이 작은 도 8의 (A)를 기본형으로 하고, 그 도 8의 (B)에는 한쪽의 간극이 커진 경우의 자계 해석 결과가 도시되고, 도 8의 (C)에는 양쪽이 넓어진 경우의 자계 해석 결과가 도시되어 있다.
또한, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)에 있어서, 제1 및 제2 자심(31, 32) 및 회전자(4)는 자기적으로 등방성을 갖는 철기 연자성 분말로 이루어지는 압분 자심, 페라이트 자심 및 연자성 합금 분말을 수지 중에 분산시킨 연자성 재료로 이루어지는 자심 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 회전자(4) 및 고정자(3)의 2개의 자심에 대해, 가령 복잡해졌다고 해도, 최적의 형상으로 성형할 수 있으므로, 원하는 자기 특성을 비교적 용이하게 얻을 수 있는 동시에, 비교적 용이하게 원하는 형상으로 형성할 수 있다.
상기 연자성 분말은 강자성의 금속 분말이고, 보다 구체적으로는, 예를 들어 순철분, 철기 합금 분말(Fe-Al 합금, Fe-Si 합금, 센더스트, 퍼말로이 등) 및 아몰퍼스 분말, 또한 표면에 인산계 화성피막 등의 전기 절연 피막이 형성된 철분 등을 들 수 있다. 이들 연자성 분말은, 예를 들어 아토마이즈법 등에 의해 미립자화되는 방법이나, 산화철 등을 미분쇄한 후에 이것을 환원하는 방법 등에 의해 제조할 수 있다.
이와 같은 연자성 분말은 단체 혹은 상기 수지 등의 비자성체 분말과의 혼합에서 사용할 수 있고, 혼합인 경우의 비율은, 비교적 용이하게 조정할 수 있고, 상기 혼합 비율을 적당하게 조정함으로써, 상기 자심재의 자기 특성을 원하는 자기 특성으로 용이하게 실현하는 것이 가능해진다. 이들 고정자(3)를 구성하는 2개의 자심(31, 32)의 재료, 또한 회전자(4)의 재료도, 저비용화의 관점으로부터, 동일 원료인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)에 있어서, 제1 및 제2 자심(31, 32)의 적어도 한쪽(도 1 및 도 2에서는 부호 31)의 본체(312)는 그 둘레 방향 단면이 L자형으로 형성되어 있다. 이와 같이 구성함으로써, DC 브러시리스 모터(1)는 L자의 내측에 여자 코일(2)을 끼워 넣는 것만으로, 조립을 행할 수 있다.
계속해서, 이하에, 고정자(3) 및 회전자(4)의 자극 폭, 즉 돌기(311, 321;42)의 선단에 의한 궤적의 원통면에 있어서, 상기 선단의 둘레 방향 길이(＝면적)의 최적 범위에 대해 설명한다. 본 실시 형태의 모터 구조에서 발생하는 토크 Fㆍδx(＝ Nㆍδθ)는 이하에 나타내는 모델 자기 회로로부터 근사 계산되는 인덕턴스 L의, 회전자(4)의 회전각 θ에 대한 변화율 ∂L(θ)/∂θ에 비례한다.
Figure 112013040794541-pct00002
여기서, 고정자(3)와 회전자(4)의 자극 사이의 간극(g)은 충분히 작고, 자속선은 그들 자극끼리의 겹침 영역만을 통과한다고 하는 근사 모델이 사용되었다. 그 경우의 본 모터 구조의 등가 자기 회로의 인덕턴스는 제1 자심(31)과 회전자(4) 사이의 자기 저항과, 회전자(4)와 제2 자심(32) 사이의 자기 저항의 직렬 자기 저항에 반비례하므로, 다음 식의 근사 견적식이 얻어진다.
Figure 112013040794541-pct00003
여기서, gupper는 제1 자심(31)에 있어서의 돌기(자극)(311)와 회전자(4)의 돌기(자극)(42) 사이의 갭 길이이고, glower는 제2 자심(32)에 있어서의 돌기(자극)(321)와 회전자(4)의 돌기(자극)(42) 사이의 갭 길이이고, Supper(θ)는 제1 자심(31)에 있어서의 돌기(자극)(311)와 회전자(4)의 돌기(자극)(42) 사이의 대향면끼리에서의 겹침 면적이고, Slower(θ)는 제2 자심(32)에 있어서의 돌기(자극)(321)와 회전자(4)의 돌기(자극)(42) 사이의 대향면끼리에서의 겹침 면적이다.
즉, 자극의 겹침 면적이 인덕턴스 L로 되고, 토크의 대소는 그 인덕턴스 L의 최대 Lmax와 최소 Lmin의 차 ΔL로, 대략 그 크기를 평가할 수 있다.
도 9 내지 도 13에는 회전자(4)에 있어서의 둘레 방향의 자극 폭의 합계(비율)가 각각 전체 둘레의 50％, 55％, 60％, 65％, 70％인 경우이며, 기동 코일(5)이 양쪽 OFF 상태(즉, 정상의 SR 동작) 및 편측이 ON 상태(2극성)에 있어서의 회전자(4)의 회전각에 대한 인덕턴스(상대값)의 변화가 나타나 있다. 또한, 이들 도 9 내지 도 13은, 전술한 바와 같이 회전자(4)가 4극이고, 제1 자심(31)이 4극이고, 제2 자심(32)이 8극인 경우이며, 제1 자심(31)에 있어서의 둘레 방향의 자극 폭의 합계가 전체 둘레의 50％이고, 제2 자심(32)에 있어서의 둘레 방향의 자극 폭의 합계가 전체 둘레의 50％이고, 또한 제2 자심(32)의 자극이, 제1 자심(31)으로부터 22.5° 시프트하고 있다. 이들 각 도면에 있어서, 도 (A)는 제1 자심(31)의 상기 궤적의 원통면의 전체 둘레(360°)의 전개를 도시하고, 도 (B)는 회전자(4)의 전개를 도시하고, 도 (C)는 제2 자심(32)의 전개를 도시하고, 그리고, 도 (D)는 상기 회전자(4)의 회전각에 대한 인덕턴스의 변화를 180°분 도시한다. 도 (D) 중, 실선은 정상 상태의 경우이고, 파선은 정회전의 기동 시의 경우이고, 1점 쇄선은 역회전의 기동 시의 경우이다. 전술한 도 3 및 도 4는, 제1 및 제2 자심(31, 32)에 있어서의 둘레 방향의 자극 폭의 합계는 전체 둘레의 50％를 나타내고, 이 경우, 중심각은 각각 45° 및 22.5°로 된다. 또한, 회전자(4)에 있어서의 둘레 방향의 자극 폭의 합계는 전체 둘레의 60％를 도시하고, 이 경우, 중심각은 54°로 된다.
토크를 얻기 위해서는, 기동 코일(5)이 양쪽 OFF인 상태에서의 인덕턴스 변화가 큰 것, 또한 시동 시의 회전을 임의 방향으로 기동하기 위해서는, 인덕턴스의 극값 부근에 있어서, 기동 코일(5)의 편측이 ON 상태에 있어서의 인덕턴스가 증가(감소) 변화의 구배를 갖는 것(기동 토크가 발생하는 것)이 필요하다. 도 9에서 도시하는 회전자(4)의 자극 폭(비율)이 50％인 경우에는, 극대값 부근(회전각 0°, 90°, 180°의 각 경우)은 상기와 같이 되어 있지만, 극소값 부근(회전각 45°, 135°의 각 경우)에서는 기동 토크가 얻어지지 않는다. 한편, 도 13에서 도시하는 회전자(4)의 자극 폭(비율)이 70％인 경우에는, 극소값 부근에서 기동 토크는 얻어지지만, 기동 코일(5)이 양쪽 OFF 상태에서의 인덕턴스 변화 ΔL이 작아져 버린다.
즉, SR 구동 시의 인덕턴스에는 극대와 극소의 2종류의 평형점이 있고, 각 평형점은, 각각, 자극이 대향하는 「안정점」과, 자극끼리가 서로 엇갈린 「불안정점」에 상당한다. 매우 이상한 외력이 작용하지 않는 한, 통상은, 정지 시에 회전자가 후자로 안정되는 일은 있을 수 없으므로, 회전자의 자극 폭이 50％인 조건에서도 기동에 곤란한 일은 없다. 그런데, 모터 부하가 특수하고, 후자의 평형점에 회전자가 정지해 버릴 가능성이 있어도, 제2 자심(32)을 적절하게 사용함으로써, 정역 임의 방향으로 기동할 수 있는 것이, 회전자(4)의 자극 폭(비율)이 55％, 60％ 및 65％의 계산예에 의해 나타나 있다. 그러나, 상기 자극 폭이 지나치게 커지면, SR 구동의 토크도 상실되어 버린다.
따라서, 토크 및 기동 회전의 제어성의 관점으로부터, 회전자(4)의 자극[돌기(42)] 선단에 의한 궤적의 원통면에 있어서, 상기 선단의 둘레 방향 길이의 비율 η가, 50％≤η≤65％[즉, 돌기(42) 사이의 갭의 비율이 50％ 이하, 35％ 이상]인 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, DC 브러시리스 모터(1)는 큰 토크가 발생하는 동시에, 임의의 정지 위치로부터의 기동이 가능해진다.
한편, 도 14 내지 도 16에는 회전자(4)의 자극 폭을 전술한 도 11과 마찬가지로 60％로 고정하고, 고정자(3)의 제2 자심(32)의 자극 배치를, 제1 자심(31)의 자극에 대해, ±11.25°(자극 폭이 50％이고, 중심각에서 22.5°에 대해 인접), ±16.9°, ±25°(등간격보다 큼)로 변화시킨, 회전에 수반하는 인덕턴스의 변화의 각 결과가 각각 나타나 있다. 이들 각 도면에 있어서, 도 9 내지 도 13과 마찬가지로, 도 (A)는 제1 자심(31)의 상기 궤적의 원통면의 전체 둘레(360°)의 전개를 도시하고, 도 (B)는 회전자(4)의 전개를 도시하고, 도 (C)는 제2 자심(32)의 전개를 도시하고, 그리고, 도 (D)는 상기 회전자(4)의 회전각에 대한 인덕턴스의 변화를 180°분 도시한다.
그 결과, 한 쌍의 제2 자심(32)이 인접되어 있는 도 14의 경우에는, 기동 코일(5)이 양쪽 OFF인 상태에서의 인덕턴스 변화가 크지만, 회전자(4)가 상기 한 쌍의 제2 자심(32)의 중간 부근에서 정지한 상태에서는 어느 쪽으로 기동할지 일정하지 않다. 또한, 도 15에서 도시하는 ±16.9°의 어긋남의 경우에는, 도 11에서 도시하는 ±22.5°의 어긋남의 경우에 비해, 기동 코일(5)의 편측이 ON 상태에 있어서의 인덕턴스의 증가(감소) 변화의 구배가 완만하다. 또한, 도 16에서 도시하는 ±25°의 어긋남의 경우에는, 도 11에서 도시하는 ±22.5°의 어긋남의 경우에 비해, 기동 코일(5)의 편측이 ON 상태에 있어서 기동 토크가 발생하지 않는 폭이 크다. 따라서, 이들 도 14 내지 도 16에서 도시하는 제2 자심(32)의 어긋남의 조건에서는, 도 11의 경우보다 우수한 인덕턴스 거동을 도시하는 것은 없고, ±22.5°의 어긋남이 최적 조건이 된다.
또한, 도 17 내지 도 20에는 제1 자심(31):회전자(4):제2 자심(32)의 자극수의 관계를, 상술한 바와 같이 1:1:2로 유지한 경우이며, 극수를 변화시킨 경우의 인덕턴스의 거동이 도시되어 있다. 상기한 바와 같이, 제1 자심(31):회전자(4):제2 자심(32)의 각각의 자극수로서, 도 17은 2:2:4인 경우를 도시하고, 도 18은 3:3:6인 경우를 도시하고, 도 19는 5:5:10인 경우를 도시하고, 도 20은 6:6:12인 경우를 도시한다. 도 11의 경우와 마찬가지로, 제1 자심(31), 회전자(4) 및 제2 자심(32)에 있어서의 둘레 방향의 자극 폭의 각 합계는, 각각, 전체 둘레의 50％, 60％ 및 50％이다. 또한, 이들 각 도면에 있어서, 도 9 내지 도 13과 마찬가지로, 도 (A)는 제1 자심(31)의 상기 궤적의 원통면의 전체 둘레(360°)의 전개를 도시하고, 도 (B)는 회전자(4)의 전개를 도시하고, 도 (C)는 제2 자심(32)의 전개를 도시하고, 그리고, 도 (D)는 상기 회전자(4)의 회전각에 대한 인덕턴스의 변화를 도시한다.
도 17 내지 도 20의 각 결과에서는, 기하학적으로 동등하므로, 어느 것도 큰 차이는 없다. 이 근사 모델(자속선은 자극의 겹침 면적만을 통과한다고 하는 근사)의 해석에서는, 토크는 극수에 비례하게 되지만, 실제로는, 자극과 자극의 오목해진 영역으로의 누설 자속이 존재하므로, 토크 최적이 되는 극수가 존재한다고 추측되지만, 오목 형상이나 치수에 의존하므로, 보편적인 법칙은 없다.
도 21은 상술한 바와 같이 구성되는 DC 브러시리스 모터(1)의 구동 회로(71) 및 회생 회로(72)의 일구성예를 도시하는 블록도이다. 구동 회로(71)는 스위칭 소자 Tr1 내지 Tr4 및 그 서지 흡수용 역병렬 다이오드 D1 내지 D4를 구비하여 이루어지는 브리지 회로와, 리액터 L1을 구비하여 구성되고, 상기 여자 코일(2)에, 후술하는 기동 펄스 및 구동 펄스를 출력한다. 이 구동 회로(71)는 2차 전지(73) 및 그것에 병렬로 접속된 안정용 캐패시터(74)를 전원 회로로 하고, 도시하지 않은 구동 제어 회로에 의해 제어된다. 상기 2차 전지(73) 및 캐패시터(74)로부터의 전원 라인(75, 76) 사이에는 스위칭 소자 Tr1, Tr2의 직렬 회로 및 스위칭 소자 Tr3, Tr4의 직렬 회로가 접속되어 있고(이들 직렬 회로는 서로 병렬 접속), 스위칭 소자 Tr1, Tr2;Tr3, Tr4의 각 접속점이 상기 여자 코일(2)로의 출력 취출 단부가 된다. 상기한 출력 취출 단부의 한쪽과 여자 코일(2) 사이에는 리액터 L1이 개재되어 있다.
그리고, 이 구동 회로(71)에서는, 스위칭 소자 Tr1, Tr4를 상기 도시 생략의 구동 제어 회로에 의해 ON으로 함으로써 회전자(4)를 한쪽 방향으로 회전시키고, 스위칭 소자 Tr3, Tr2를 상기 도시 생략의 구동 제어 회로에 의해 ON으로 함으로써 회전자(4)를 다른 쪽 방향으로 회전시킬 수 있다. 상기 스위칭 소자 Tr1 내지 Tr4의 듀티를 제어함으로써, 여자 코일(2)에 부여하는 구동 펄스의 파고값이 조정되고, 여자 전류의 파고값이 조정된다. 또한, 스위칭 소자 Tr2, Tr4를 상기 도시 생략의 구동 제어 회로에 의해 ON으로 함으로써, 여자 코일(2)의 양쪽 단자를 접지할 수 있다. 이와 같은 스위칭 소자 Tr1 내지 Tr4의 제어를 위해, DC 브러시리스 모터(1)의 회전자(4)에는 도시하지 않은 인코더가 설치되어 있고, 상기 구동 제어 회로는 상기 인코더에서 검출된 회전 각도 위치에 따라서, 후술하는 바와 같이 각 스위칭 소자 Tr1 내지 Tr4를 제어한다. 스위칭 소자 Tr1 내지 Tr4는 IGBT나 MOS-FET 등의 파워 트랜지스터를 구비한다. 또한, 리액터 L1과 병렬로 콘덴서가 접속되어도 좋다. 또한, 회생을 행하지 않는 경우, 리액터 L1은 DC 브러시리스 모터(1)측의 인덕턴스 L에 포함시키는 것도 가능하다.
회생 회로(72)는 리액터 L2와, 다이오드 D11 내지 D14로 이루어지는 전파 정류 회로를 구비하여 구성되어, 캐패시터(77)에 회생 전력을 출력한다. 상기 리액터 L2는 상기 구동 회로(71)측의 리액터 L1과 전류 변성기(78)를 구성한다. 그리고, 회전자(4)가 외부로부터의 힘으로 회전될 때에, 혹은 정지 등을 위한 감속 시에, 구동 회로(71)로부터 여자 코일(2)로 여자 전류를 공급함으로써, 리액터 L1에 자장이 발생하고, 그 상태에서 회전자(4)의 회전에 수반하여 인덕턴스가 변화되면, 상기 리액터 L1에는 역기전력이 발생하여, 리액터 L2를 통해 회생 전류가 캐패시터에 모인다. 이것이 회생의 큰 메커니즘이고, 보다 구체적으로는, 스위칭 소자 Tr1 내지 Tr4에 의해 상기 여자 전류가 스위칭되고, 그 스위칭의 타이밍을 조정함으로써, 여자 코일(2)과 리액터 L1이 공진 상태로 되고, 그 공진 전류가 리액터 L2에서 취출되고 다이오드 브리지에 의해 정류되어 회생 전압이 얻어진다.
그리고, 정상 회전 상태에서의 상기 구동 제어 회로에 의한 구동 상황은 도 22에서 도시한 바와 같이 된다. 도 22의 (B)는 가속 시에 상기 구동 제어 회로로부터 스위칭 소자 Tr1, Tr4;Tr3, Tr2에 부여되는 구동 펄스를 도시한다. 또한, 도 22의 (A)는 그와 같은 구동 시의 상기 인덕턴스 L의 변화를 도시한다. 가속 시에는 상기 인덕턴스 L이 최소 Lmin으로 되는 부근에서 구동 펄스가 ON되고, 최대 Lmax로 되는 부근에서 구동 펄스가 OFF된다.
상술한 바와 같은 구동 회로(71)를 사용하여, 도 23을 참조하여, 본 실시 형태의 기동 방법을 설명한다. 도 23은 인덕턴스의 변화를 도시하는 것으로, 전술한 도 11의 (D)와 마찬가지이다. 즉, 제1 자심(31) 및 회전자(4)가 4극이고, 제2 자심(32)이 8극이고, 제1 자심(31)의 자극 폭이 50％이고, 회전자(4)의 자극 폭이 60％이고, 제2 자심(32)의 자극 폭이 합계 50％이고, 제2 자심(32)의 자극이 제1 자심(31)으로부터 22.5° 시프트하고 있다.
전술한 바와 같이, 회전자(4)의 회전 각도 위치는 인코더 등에 의해 검출되어 있고, 상기 구동 제어 회로는 회전 개시 각도의 검출 결과에 응답하여, 이하의 4종류의 각도 영역 W1 내지 W4에 따라서, 표 2에 나타낸 바와 같이, 기동 펄스 및 구동 펄스에 있어서의 전류 제어를 행한다. 도 23은 모터를 정회전 방향(그래프를 좌측으로부터 우측)으로 구동시키는 경우를 상정하고 있고, 역회전 방향으로 구동하는 경우에는, 상기한 각도 영역 W1 내지 W4의 할당도 반대로 된다.
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표 2는 상기 도 23의 각 인덕턴스 특성을 갖는 각도 영역으로부터 기동하는 점을 착안하여, 기동으로부터 가속, 그리고, 정상 회전까지의 파형을 나타내는 것이다. 이 표 2에 있어서, 기간 T0, T1, T2, T3으로 나타내는 파형과, 그 극성을 반전시킨 파형을 조합함으로써, 모든 운전 패턴에 대한 토크 제어 및 속도 제어를 실현할 수 있다. 단, 상기한 각도 영역 W1 내지 W4 중 어느 위치로부터 기동할 것인지, 혹은 부하의 무게 등에 따라서 동일한 기동 펄스나 구동 펄스를 입력해도, 실제로는 그것에 대한 응답이 다르기 때문에, 이 표 2에 나타내는 예는, 어디까지나 목표이고, 상기 구동 제어 회로는 상기 인코더의 검출 결과에 응답하여, 기동 펄스수나 구동 펄스의 파고값을 순차 제어한다. 표 2에 있어서, ∂Lp/∂θ 및 ∂Lm/∂θ는 한 쌍의 제2 자심(32)의 기동 시에 있어서의 인덕턴스 변화를 나타내는 것이고, ∂Lp/∂θ는 회전 방향 상류측의 자심[도 23에서 기동(＋)]을 나타내고, ∂Lm/∂θ는 회전 방향 하류측의 자심[도 23에서 기동(－)]을 나타낸다.
우선, 회전자(4)의 자극이 제1 자심(31)의 자극으로부터 비교적 이격된 각도 영역 W2에 있어서, 회전 방향 상류측의 자심에서는, 인덕턴스는 증가(정)하고, 하류측의 자심에서는, 인덕턴스는 감소(부)하므로, 구동 회로(71)가 표 2의 종별 3에 나타내는 기동 펄스 및 구동 펄스를 여자 코일(2)에 부여함으로써, DC 브러시리스 모터(1)는 회전 기동한다. 즉, 기간 T1에 나타내는 기동 펄스를 출력함으로써, 한 쌍의 기동 코일(5) 중, 회전 방향 상류측이 OFF되고, 하류측이 ON되고, 이에 의해 제2 자심(32)의 상기 상류측의 자극으로 회전자(4)를 흡인하여 DC 브러시리스 모터(1)는 정회전 기동한다. 그 후, 기간 T2에 나타낸 바와 같이, 일정 속도에 도달할 때까지, 큰 파고값의 구동 펄스가 출력되어 DC 브러시리스 모터(1)는 가속하고, 상기 일정 속도에 도달하면, 정상 회전으로 옮겨지고, 기간 T3에 나타낸 바와 같이, 구동 펄스의 파고값이 낮아져 DC 브러시리스 모터(1)는 상기 정상 회전을 유지한다. 상기 각도 영역 W2에 있어서, 특히 회전 방향 하류측의 자심의 인덕턴스가 대략 제로가 되는 W5의 각도 영역에서는, 표 2의 종별 4에 나타낸 바와 같이, 상기 기간 T1의 기동 펄스를 적게 할 수 있다.
한편, 회전자(4)의 자극이 제1 자심(31)의 자극에 비교적 가까운 각도 영역 W3에 있어서, 회전 방향 상류측의 자심에서는, 인덕턴스는 감소(부)하고, 하류측의 자심에서는, 인덕턴스는 증가(정)하므로, 구동 회로(71)가 표 2의 종별 2에 나타내는 기동 펄스 및 구동 펄스를 여자 코일(2)에 부여함으로써, DC 브러시리스 모터(1)는 회전 기동한다. 즉, 기간 T1'에 나타내는 역극성의 기동 펄스를 출력함으로써, 한 쌍의 기동 코일(5) 중, 회전 방향 하류측이 OFF되고, 상류측이 ON되고, 이에 의해 제2 자심(32)의 상기 하류측의 자극으로 회전자(4)를 흡인하여 DC 브러시리스 모터(1)는 정회전 기동한다. 그 후, 기간 T2로부터 기간 T3에 나타낸 바와 같이, 정극성의 구동 펄스의 파고값이 제어되고, 여자 전류가 큰 상태로부터 작은 상태로 제어되고, DC 브러시리스 모터(1)는 정상 회전으로 이행하여, 이를 유지한다.
이에 대해, 회전자(4)의 자극이 제1 자심(31)의 자극을 통과한 각도 영역 W4로부터 기동하는 경우에는, 회전 방향 상류측의 자심에서는, 인덕턴스는 대략 제로이고, 하류측의 자심에서는, 인덕턴스는 감소(부)하므로, 구동 회로(71)는 표 2의 종별 1에 나타내는 반전 펄스, 기동 펄스 및 구동 펄스를 여자 코일(2)에 부여함으로써, DC 브러시리스 모터(1)는 회전 기동한다. 즉, 기간 T0에 한 쌍의 기동 코일(5) 중, 회전 방향 상류측이 OFF되고, 하류측이 ON되고, 이에 의해 제2 자심(32)의 상기 상류측의 자극으로 회전자(4)를 흡인하여 DC 브러시리스 모터(1)는 역회전 기동하여, 위치 정렬을 행한다. 또한, 기간 T1'에, 한 쌍의 기동 코일(5) 중, 회전 방향 하류측이 OFF되고, 상류측이 ON되고, 이에 의해 제2 자심(32)의 상기 하류측의 자극으로 회전자(4)를 흡인하여 DC 브러시리스 모터(1)는 정회전 기동한다. 이후, 기간 T2, T3에 대해서는 마찬가지로, 여자 전류가 제어된다.
역방향으로 회전시키는 경우에는, 상기 각도 영역 W1 내지 W5에 있어서, 표 2의 전류 파형의 극성을 역회전한 전류로 제어할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같은 동작을 기본으로 하여, 다음과 같은 응용적인 전류 제어 시퀀스에 의해, 다양한 요구에 대응할 수 있다. 예를 들어, 회전 기동 시에도 최대한 전력 효율을 향상시키는 경우에는, 구동 회로(71)는 회전자(4)의 각도 영역이, 도 23의 각도 영역 W1로부터 회전 개시되는 경우에, 직접, 기간 T2의 가속의 전류를 여자 코일(2)에 흘림으로써, DC 브러시리스 모터(1)를 회전 기동할 수 있다. 혹은, 전력 효율은 향상시키지 않고, 회전 중에, 최대한, 부하 토크에 대한 모터의 토크 발생 시간을 길게 하고 싶은 경우에는, 도 23의 각도 영역 W2에서, 표 2의 종별 3의 기간 T1에 나타낸 바와 같이, 기동 코일(5)의 정류 소자(52)를 ON으로 하는 펄스 전류를 여자 코일(2)에 흘리고, 각도 영역 W3에서는 표 2의 종별 1의 기간 T1'에 나타낸 바와 같은, 기동 코일(5)의 정류 소자(52)를 ON으로 하는 펄스 전류를 여자 코일(2)에 흘림으로써, DC 브러시리스 모터(1)의 토크 발생 시간을 길게 할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)의 제어 방법에 따르면, 표 2의 기간 T1, T1'에 나타낸 바와 같이, 기동 코일(5a, 5b)의 정류 소자(52a, 52b)가 ON으로 되기 위해 충분한 기동 시간 및 파고를 갖고, 또한 목적으로 하는 회전 방향에 대응한 극성의 펄스 형상의 전류를 상기 여자 코일(2)에 부여함으로써, 회전자(4)를 목표 회전 방향으로 기동하므로, 전술한 바와 같이 회전자(4)의 돌기(42)가 제2 자심(32)의 돌기(321)의 중간 위치에 정지하고 있어도, DC 브러시리스 모터(1)를 확실하게 기동할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)의 제어 방법에서는 회전자(4)의 목표 회전 방향에 대해, 상기 회전자(4)의 회전 각도 위치가, 고정자(3)와 상기 회전자(4) 사이에 발생하는 인덕턴스 특성이 증가하지 않는 위치로부터 회전시키는 경우에는, 표 2의 기간 T0으로 나타낸 바와 같이, 사전에, 여자 코일(2)에 대해, 상기 회전자(4)를, 목표 회전 방향으로 인덕턴스가 증가하는 각도까지 역회전시키기 위한 전류를 흘리고, 목표 회전 방향으로 인덕턴스가 증가하는 각도에 도달한 후, 상기한 기간 T1, T1'로 나타내는 펄스 형상의 전류를 부여하므로, 회전자(4)의 정지 위치가 목표 회전 방향에 대해 기동 토크가 얻어지지 않는 위치라도, DC 브러시리스 모터(1)를 본래의 목표 회전 방향으로 확실하게 기동할 수 있다.
또한, 상기 회전자(4)가 회전 개시 후, 목표 회전 방향으로 인덕턴스가 증가하는 각도 영역 W1에 있어서만, 여자 코일(2)에, 회전 방향과 동일한 부호의 전류(정회전 시에는 정의 전류, 부회전 시에는 부의 전류)이고, 또한 스위칭 소자 Tr1 내지 Tr4의 듀티 제어에 의해 그 파고값을 제어함으로써, 회전자(4)가 목표 회전 방향으로 회전 속도를 유지하거나, 혹은 임의의 회전 속도로 제어를 행할 수 있다.
또한, 기동 코일(5a, 5b)의 정류 소자(52a, 52b)가 ON되기 위한 충분한 기동 시간과 파고를 갖고, 또한 목표 회전 방향에 대응한 극성의 전류를, 상기 여자 코일(2)에 흘림으로써, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)에서는, 부하 토크에 따른 토크 제어나, 경부하 토크에서의 정격 회전수를 초과하는 고속 회전 제어가 가능하다.
또한, 바람직하게는, 상기 고정자(3)를 회전축 Z방향으로 복수개 적층함으로써, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)에서는, 그 복수개배, 토크를 향상시킬 수 있다. 또한, 그 복수개로, 제1 및 제2 자심(31, 32)의 위상각을 균등하게 어긋나게 해 둠으로써, 본 실시 형태의 DC 브러시리스 모터(1)에서는, 코깅 토크를 저감시킬 수 있다.
본 명세서는 상기와 같이 다양한 형태의 기술을 개시하고 있지만, 그 중 주된 기술을 이하에 정리한다.
일 형태에 관한 DC 브러시리스 모터는 단일의 여자 코일을 갖는 고정자와, 상기 고정자의 내부에 동축으로 설치되는 회전자를 구비하고, 상기 여자 코일의 주위에 발생하는 자속의 흐름에 대한 상기 고정자와 상기 회전자 사이의 자기 저항 변화를 구동력으로 하는 DC 브러시리스 모터이며, 상기 회전자는 기부와, 상기 기부로부터 반경 방향 외측으로 연장되어 둘레 방향으로 등간격으로 형성되고, 자극이 되는 복수의 돌기를 구비하고, 상기 고정자는 원환상의 상기 여자 코일과, 상기 여자 코일을 사이에 두고, 회전축 방향의 양측에 배치되어, 원환상으로 형성되는 본체와, 상기 본체로부터 반경 방향 내측으로 연장되어, 둘레 방향으로 복수 형성되고, 자극이 되는 돌기를 갖는 제1 및 제2 자심을 구비하고, 상기 제1 자심과 제2 자심의 돌기수는 서로 다르다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 여자 코일을 갖는 고정자와, 상기 고정자의 내부에 동축으로 설치되는, 예를 들어 이너 로터의 회전자를 구비하고, 상기 여자 코일의 주위에 발생하는 자속의 흐름에 대한 상기 고정자와 상기 회전자 사이의 자기 저항 변화를 구동력으로 하는 SR 모터이다.
그리고, 상기 여자 코일이 단일의 코일이므로, 이하의 구성이 채용되어 있다. 즉, 상기 구성의 DC 브러시리스 모터는 고정자와 회전자의 양쪽에 돌극(자극)을 구비하고 있고, 회전자는 통상과 같이, 기부와, 그 기부로부터 반경 방향 외측으로 연장되어 둘레 방향으로 등간격으로 형성되고, 자극이 되는 복수의 돌기를 구비하여 구성되는 한편, 고정자는 원환상의 여자 코일을 사이에 두고 회전축 방향의 양측에 배치되는 제1 및 제2 자심에 있어서, 자극이 되는 돌기의 수가, 제1 자심과 제2 자심 사이에서 다른 수로 된다.
따라서, 이와 같은 구성의 여자 코일의 회전축 방향의 양측에 배치되는 2개의 자심에 있어서, 통상의 SR 모터에서는, 축방향으로 연장되는 클로우 폴이 규칙적으로 교대로 들어가 배열되고, 상기 자속의 흐름은 회전자를 통해, 직경 방향으로 되는 것에 비해, 이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터에서는, 자극이 되는 돌기는 원환상으로 형성되는 본체로부터 반경 방향 내측으로 연장된 돌극이므로, 상기 자속의 흐름은 제1 자심(제2 자심)의 돌기로부터 들어간 회전자의 동일한 측으로부터, 제2 자심(제1 자심)의 돌기로 빠진다. 그리고, 상기 제1 자심과 제2 자심에서, 돌기의 수가 다른 것에 의해, 어느 하나의 자극 사이에서 둘레 방향의 회전 토크가 발생하고, 이로 인해, 이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 단일의 코일에 의한 구동이 가능하게 되어 있다. 따라서, 이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 돌극을 갖는 단일의 고정자 및 전자기 코일을 구비하는 3차원 자기 회로를 갖고, 자력을 보다 유효하게 활용할 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 DC 브러시리스 모터에 있어서, 상기 제1 자심의 돌기는 회전자의 돌기와 동수로 형성되고, 상기 제2 자심의 돌기는 회전자의 돌기의 2배의 수로 형성되고, 상기 제2 자심의 돌기의 주위에는 루프 형상의 도전체에 정류 소자가 개재되어 이루어지는 유도 코일이 각각 설치되고, 상기 정류 소자는 상기 정류 소자에 의한 통전 방향의 제한이, 이웃하는 자극마다 반대로 되도록 배치된다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 제1 자심의 돌기의 수와 회전자의 돌기의 수를 서로 동수로 함으로써, 비교적 균일한 회전 토크를 발생시킬 수 있다. 그리고, 제2 자심을 상술한 바와 같이 형성함으로써, 여자 코일에 부여된 기동 펄스에 의해 유도 코일에 유기되는 전압은, 이웃하는 유도 코일 사이에서 역방향이 되고, 한쪽의 유도 코일에서는 정류 소자가 ON되어 루프 전류가 흘러 여자 자속을 상쇄하고(반자속), 다른 쪽의 유도 코일에서는 정류 소자가 OFF되어 루프 전류가 흐르지 않고, 그로 인해, 여자 자속은 그대로가 된다. 따라서, 이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 제2 자심의 돌기 사이에 회전자가 정지한 상황이어도, 이웃하는 제2 자심의 돌기 사이에 불균등한 자계를 발생시켜, 자기 저항의 변화가 일정해지지 않도록 할 수 있다. 이와 같은 구성에 따르면, 단일의 여자 코일과 고정자의 조합이라도, 자립 기동이 가능한 SR 모터가 실현된다.
또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 DC 브러시리스 모터에 있어서, 상기 제2 자심의 돌기는 2개를 한 쌍으로 하여, 대응하는 제1 자심의 돌기를 중심으로 하여 둘레 방향으로 균등하게 어긋나게 배치된다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 제2 자심의 돌기를 제1 자심에 대해 상술한 바와 같이 배치함으로써, 보다 균일한 회전 토크를 발생시킬 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 DC 브러시리스 모터에 있어서, 상기 회전자의 돌기의 선단에 의한 궤적의 원통면에 있어서, 상기 선단의 둘레 방향 길이(＝면적)가 50％ 이상, 65％ 이하(즉, 돌기 사이의 갭이 50％ 이하, 35％ 이상)이다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 회전자의 돌기를 상술한 바와 같이 형성함으로써, 큰 토크를 발생시킬 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 DC 브러시리스 모터에 있어서, 상기 여자 코일은 띠 형상의 도체 부재가, 그 폭 방향이 상기 여자 코일의 회전축 방향을 따르도록 권회되어 이루어진다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 여자 코일을 상술한 바와 같이 형성함으로써, 여자 코일에서 발생하는 와전류를 억제하여, 발열을 억제할 수 있다. 또한, 띠 형상의 도체 부재는 간극 없이 권회할 수 있으므로, 이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 원기둥 형상의 소선을 권회하는 경우에 비해, 전류 밀도를 크게 할 수 있는 동시에, 도체 부재 내부로부터의 방열도 양호하다.
또한, 다른 일 형태에서는 이들 상술한 DC 브러시리스 모터에 있어서, 상기 유도 코일에 있어서의 도전체는 회전축 방향으로 연장되고, 상기 각 제2 자심의 돌기의 양측에 배치되는 지주와, 그 지주의 양단부에 각각 결합되어, 상기 돌기의 상하에 배치되는 2개의 링체를 구비하는 일체의 바구니형 구조이고, 상기 정류 소자는 제1 및 제2 자심 사이의 링체에 개재되어, 그 링체가 각 자극의 주위를 둘러싼다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 유도 코일이 일체의 바구니형 구조이므로, 한쪽의 링체를 제거한 상태에서 상기 유도 코일을 제2 자심에 끼워 넣은 후, 상기 한쪽의 링체를 지주에 접합하는 것만으로, 상기 제2 자심에 유도 코일을 권회할 수 있어, 그 조립이 용이하다.
또한, 다른 일 형태에서는 이들 상술한 DC 브러시리스 모터에 있어서, 상기 제1 및 제2 자심 및 회전자는 철기 연자성 분말로 이루어지는 압분 자심, 페라이트 자심 및 연자성 합금 분말을 수지 중에 분산시킨 연자성 재료로 이루어지는 자심 중 어느 하나이다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 제1 및 제2 자심 및 회전자를 상술한 어느 하나로 형성하므로, 상기 제1 및 제2 자심 및 회전자를, 최적이고 복잡한 임의 형상으로 성형할 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는 이들 상술한 DC 브러시리스 모터에 있어서, 상기 고정자는 회전축 방향으로 복수개 적층된다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 복수개배, 토크를 향상시킬 수 있다. 또한, 이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 그 복수개로, 제1 및 제2 자심의 위상각을 균등하게 어긋나게 해 둠으로써, 토크를 균일하게 근접시킬 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는 이들 상술한 DC 브러시리스 모터에 있어서, 상기 제1 및 제2 자심의 적어도 한쪽의 본체는 그 둘레 방향 단면이 L자형으로 형성된다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터는 L자의 내측에 여자 코일을 끼워 넣는 것만으로, 그 조립을 행할 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는, DC 브러시리스 모터의 제어 방법은 이들 상술한 어느 하나의 DC 브러시리스 모터의 제어 방법이며, 상기 유도 코일의 정류 소자가 ON으로 되기 위해 충분한 기동 시간 및 파고를 갖고, 또한 목적으로 하는 회전 방향에 대응한 극성의 펄스 형상의 전류를 상기 여자 코일에 부여함으로써, 상기 회전자를 목표 회전 방향으로 기동한다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터의 제어 방법은, 상술한 바와 같이 회전자의 돌기가 제2 자심의 돌기의 중간 위치에 정지하고 있어도, 확실하게 기동시킬 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는 상술한 DC 브러시리스 모터의 제어 방법에 있어서, 회전자의 목표 회전 방향에 대해, 상기 회전자의 회전 각도 위치가, 상기 고정자와 상기 회전자 사이에 발생하는 인덕턴스 특성이 증가하지 않는 위치로부터 회전시키는 경우에는, 사전에, 상기 여자 코일에 대해, 상기 회전자를, 목표 회전 방향으로 인덕턴스가 증가하는 각도까지 역회전시키기 위한 전류가 흐르고, 상기 목표 회전 방향으로 인덕턴스가 증가하는 각도에 도달한 후, 상기한 펄스 형상의 전류가 부여된다.
이와 같은 구성의 DC 브러시리스 모터의 제어 방법은 회전자의 정지 위치가 목표 회전 방향에 대해 기동 토크가 얻어지지 않는 위치라도, 일단 역방향으로 구동하여, 기동 토크가 얻어지게 된 후, 본래의 목표 회전 방향으로 구동되므로, 보다 확실하게 기동시킬 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는 이들 상술한 DC 브러시리스 모터의 제어 방법에 있어서, 상기 회전자가 회전 개시 후, 목표 회전 방향으로 인덕턴스가 증가하는 각도 영역에 있어서만, 상기 여자 코일에, 회전 방향과 동일한 부호의 전류(정회전 시에는 정의 전류. 부회전 시에는 부의 전류)를 흘림으로써, 상기 회전자가 목표 회전 방향으로 회전 속도를 유지한다.
또한, 다른 일 형태에서는 이들 상술한 DC 브러시리스 모터의 제어 방법에 있어서, 상기 유도 코일의 정류 소자가 ON되므로 충분한 기동 시간과 파고를 갖고, 또한 목표 회전 방향에 대응한 극성의 전류를, 상기 여자 코일에 흘림으로써, 부하 토크에 따른 토크 제어 및 경부하 토크에서의 정격 회전수를 초과하는 고속 회전 제어 중 어느 하나의 제어가 가능하다.
본 출원은 2010년 11월 9일에 출원된 일본 특허 출원 제2010-250843을 기초로 하는 것이고, 그 내용은 본원에 포함되는 것이다.
본 발명을 표현하기 위해, 상술에 있어서 도면을 참조하면서 실시 형태를 통해 본 발명을 적절하고 또한 충분히 설명하였지만, 당업자라면 상술한 실시 형태를 변경 및/또는 개량하는 것은 용이하게 할 수 있는 것이라고 인식해야 한다. 따라서, 당업자가 실시하는 변경 형태 또는 개량 형태가, 청구의 범위에 기재된 청구항의 권리 범위를 이탈하는 레벨의 것이 아닌 한, 당해 변경 형태 또는 당해 개량 형태는 당해 청구항의 권리 범위에 포괄된다고 해석된다.
본 발명에 따르면, DC 브러시리스 모터를 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 단일의 여자 코일을 갖는 고정자와,
    상기 고정자의 내부에 동축으로 설치되는 회전자를 구비하고,
    상기 회전자는 기부와, 상기 기부로부터 반경 방향 외측으로 연장되고 둘레 방향으로 등간격으로 형성되어, 자극이 되는 복수의 돌기를 구비하고,
    상기 고정자는 원환상의 상기 여자 코일과, 상기 여자 코일을 사이에 두고, 회전축 방향의 양측에 배치되어, 원환상으로 형성되는 본체와, 상기 본체로부터 반경 방향 내측으로 연장되고 둘레 방향으로 복수 형성되어, 자극이 되는 돌기를 갖는 제1 및 제2 자심을 구비하고,
    상기 제1 자심과 제2 자심의 돌기수는 서로 다르고,
    상기 여자 코일의 주위에 발생하는 자속의 흐름에 대한 상기 고정자와 상기 회전자 사이의 자기 저항 변화를 구동력으로 하고,
    상기 제1 자심의 돌기는 회전자의 돌기와 동수이고,
    상기 제2 자심의 돌기는 회전자의 돌기의 2배의 수이고,
    상기 제2 자심의 돌기의 주위에는 루프 형상의 도전체에 정류 소자가 개재되어 이루어지는 유도 코일이 각각 설치되고,
    상기 정류 소자는 상기 정류 소자에 의한 통전 방향의 제한이, 이웃하는 자극마다 반대가 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 자심의 돌기는 2개를 한 쌍으로 하여, 대응하는 제1 자심의 돌기를 중심으로 하여 둘레 방향으로 균등하게 어긋나 배치되는 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 회전자의 돌기의 선단에 의한 궤적의 원통면에 있어서, 상기 선단의 둘레 방향 길이가 50％ 이상, 65％ 이하인 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 여자 코일은 띠 형상의 도체 부재가, 그 폭 방향이 상기 여자 코일의 회전축 방향을 따르도록 권회되어 이루어지는 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 유도 코일에 있어서의 도전체는 회전축 방향으로 연장되어, 상기 각 제2 자심의 돌기의 양측에 배치되는 지주와, 상기 지주의 양단부에 각각 결합되어, 상기 돌기의 상하에 배치되는 2개의 링체를 구비하는 일체의 바구니형 구조이고,
    상기 정류 소자는 제1 및 제2 자심 사이의 링체에 개재되어, 상기 링체가 각 자극의 주위를 둘러싸는 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자심 및 회전자는 철기 연자성 분말로 이루어지는 압분 자심, 페라이트 자심 및 연자성 합금 분말을 수지 중에 분산시킨 연자성 재료로 이루어지는 자심 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 고정자를 회전축 방향으로 복수개 적층하는 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자심의 적어도 한쪽의 본체는 그 둘레 방향 단면이 L자형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터.
  10. 제1항 또는 제3항에 기재된 DC 브러시리스 모터의 제어 방법이며,
    상기 유도 코일의 정류 소자가, ON으로 되기 위해 충분한 기동 시간 및 파고를 갖고, 또한 목적으로 하는 회전 방향에 대응한 극성의 펄스 형상의 전류를 상기 여자 코일에 부여함으로써, 상기 회전자를 목표 회전 방향으로 기동하는 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서, 회전자의 목표 회전 방향에 대해, 상기 회전자의 회전 각도 위치가, 상기 고정자와 상기 회전자 사이에 발생하는 인덕턴스 특성이 증가하지 않는 위치로부터 회전시키는 경우에는, 사전에, 상기 여자 코일에 대해, 상기 회전자를, 목표 회전 방향으로 인덕턴스가 증가하는 각도까지 역회전시키기 위한 전류가 흐르고, 상기 목표 회전 방향으로 인덕턴스가 증가하는 각도에 도달한 후, 상기한 펄스 형상의 전류가 부여되는 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터의 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 회전자가 회전 개시 후, 상기 목표 회전 방향으로 인덕턴스가 증가하는 각도 영역에 있어서만, 상기 여자 코일에, 회전 방향과 동일한 부호의 전류를 흘림으로써, 상기 회전자가 상기 목표 회전 방향으로 회전 속도를 유지하는 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터의 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 유도 코일의 정류 소자가 ON으로 되기 위해 충분한 기동 시간과 파고를 갖고, 또한 목표 회전 방향에 대응한 극성의 전류를, 상기 여자 코일에 흘림으로써, 부하 토크에 따른 토크 제어 및 경부하 토크에서의 정격 회전수를 초과하는 고속 회전 제어 중 어느 하나의 제어가 가능한 것을 특징으로 하는, DC 브러시리스 모터의 제어 방법.
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