JP2004343856A

JP2004343856A - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP2004343856A
Application number: JP2003135658A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Naito; 浩昭内藤; Mitsuo Ogawa; 光夫小川
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】ブラシレスモータにおいて、２つのステータコイルを用いて高い効率をあげることを課題とする。
【解決手段】１個のロータに対して２組のステータが軸方向に隣り合わせて配置され、前記２組のステータにはステータコイル２１、２２がそれぞれ内設されている。磁気検出素子Ｘ，Ｙ，Ｚの検知出力に応じて２組のステータコイル２１、２２の双方又は片方に通電することができるようにされている。小トルクの領域では片方のステータコイル２１又は２２にのみ通電され、それ以外の領域では双方のステータコイル２１及び２２に通電される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ駆動用などの３相ブラシレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特許文献１（特開平４−２７５０５４号公報）には、３相のブラシレスモータのステータコイル１８（界磁コイル，図３参照）が記載されている。ステータコイル１８は、コイルＣ_１０、Ｃ_１１、Ｃ_１２の各一端で共通に接続し、コイルＣ_１０、Ｃ_１１、Ｃ_１２の他端にそれぞれＣ_１３、Ｃ_１４、Ｃ_１５の一端を接続している。ステータコイル１８の駆動回路として図３を考えることができ、ステータコイル１８を用いるブラシレスモータとして図４（ａ），（ｂ）が考えられる。図３に示すように、ブラシレスモータを駆動するためのモータドライバは、電源Ｖｃｃと接地電位ＧＮＤとの間に、直列に接続された各２個のパワートランジスタＴ_１・Ｔ_２、Ｔ_３・Ｔ_４、Ｔ_５・Ｔ_６、Ｔ_７・Ｔ_８、Ｔ_９・Ｔ_１０、Ｔ_１１・Ｔ_１２を６組並列に接続して構成されている。Ｔ_１〜Ｔ_１２の各ベース端子が入力端子となって制御回路１６に接続され、直列に接続された各２個のパワートランジスタの間の接続部分がそれぞれ出力端子Ｐ_１〜Ｐ_６となっている。出力端子Ｐ_１〜Ｐ_３はコイルＣ_１３〜Ｃ_１５の他端にそれぞれ接続され、出力端子Ｐ_４〜Ｐ_６はＣ_１０〜Ｃ_１２の他端とＣ_１３〜Ｃ_１５の一端との接続点にそれぞれ接続されている。
【０００３】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、モータ本体１０にはベアリング１１、１２を介してシャフト１３が回転自在に支持され、シャフト１３にはロータ（回転子）１４が固定され、ロータ１４の円周側面には磁石１５が配設されている。ロータ１４の半径方向外方でモータ本体１０の内部にステータ（固定子）１７が配置され、ステータ１７はロータ１４と対抗している。ロータ１４の磁界を検知するために、各相ごとに磁気検知素子Ｘ，Ｙ，Ｚがモータ本体１０の内部に取り付けられ、磁気検知素子Ｘ，Ｙ，Ｚの出力は制御回路１６にそれぞれ入力される（図３参照）。ロータ１４の磁極数は４であり、ステータ１７のスロット（空間）数は６であり、図４（ｂ）に示すように、６個のスロットにコイルＣ_１０〜Ｃ_１５が２つに分割して内設されている。
【０００４】
前記従来例では、出力端子Ｐ_１〜Ｐ_３から出力電流を通電する場合（ａ）と、出力端子Ｐ_４〜Ｐ_６から出力電流を通電する場合（ｂ）の２通りの使い方ができる。場合（ａ）では、直列に接続されたコイルＣ_１０・Ｃ_１３、Ｃ_１１・Ｃ_１４、Ｃ_１２・Ｃ_１５に出力端子Ｐ_１〜Ｐ_３から出力電流を通電することによって、大きな回転トルクが得られる。そして、場合（ｂ）では、内側のコイルＣ_１０〜Ｃ_１２のみに出力端子Ｐ_４〜Ｐ_６から出力電流を通電し、回転トルクは小さい。図４（ｃ）では、横軸がトルクＴ、縦軸が回転数Ｎ及び効率Ｅであり、場合（ａ），（ｂ）についてのトルク−回転数特性及びトルク−効率Ｅが示されている。図中、Ｎ（ａ）は場合（ａ）のトルク−回転数特性直線、Ｅ（ａ）は場合（ａ）のトルク−効率曲線であり、Ｎ（ｂ）は場合（ｂ）のトルク−回転数特性直線、Ｅ（ｂ）は場合（ｂ）のトルク−効率曲線である。曲線Ｅ（ａ）と曲線Ｅ（ｂ）との交点をＸとする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において、内側と外側に直列に接続されたコイルＣ_１０・Ｃ_１３、Ｃ_１１・Ｃ_１４、Ｃ_１２・Ｃ_１５（ステータコイルａ）を使う場合（ａ）と、内側のコイルＣ_１０〜Ｃ_１２（ステータコイルｂ）のみを使う場合（ｂ）とでは、コイルの巻数が異なり、磁気力が異なる。そして、ブラシレスモータの効率はロータの形状により変わるが、従来技術では同一のロータを場合（ａ）でも場合（ｂ）でも使うため、片方のコイル長さで最大効率となるロータ形状とすると、他方のコイル長さでの効率が低下する。
本発明は、ブラシレスモータにおいて、２つのステータコイルを用いて高い効率をあげることを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モータ本体にステータが配置され、ステータの内側にロータが回転自在に配設され、ステータにステータコイルが内設され、ロータの磁界を検知するための３個の磁気検出素子が配設され、ステータコイルへの通電を制御するブラシレスモータにおいて、
１個のロータに対して２組のステータが軸方向に隣り合わせて配置され、前記２組のステータにはステータコイルがそれぞれ内設され、２組のステータコイルの双方又は片方に通電することができるようにされ、小トルクの領域では片方のステータコイルにのみ通電され、それ以外の領域では双方のステータコイルに通電されることを第１構成とする。
本発明は、第１構成において、双方のステータコイルを用いた場合のトルク−効率曲線Ｅ（Ａ）と片方のステータコイルのみを用いた場合のトルク−効率曲線Ｅ（Ｂ）を作成し、曲線Ｅ（Ａ）と曲線Ｅ（Ｂ）との交点Ｘ以下の小トルクを得たいときは、片方のステータコイルにのみ通電されることを第２構成とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１，２は、本発明のブラシレスモータの実施の形態を示す。図１，２の説明において、図３，４と同一の部材には図３，４と同一の符号を付す。図１に示すように、ブラシレスモータを駆動するためのモータドライバは、出力端子Ｐ_１〜Ｐ_６の接続先を除き、図３のモータドライバと同様に構成されている。ステータコイルは第１ステータコイル２１と第２ステータコイル２２の２組（２段）あり、第１ステータコイル２１はコイルＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３の各一端で共通に接続され、第２ステータコイル２２はコイルＣ_４、Ｃ_５、Ｃ_６の各一端で共通に接続されている。
そして、出力端子Ｐ_１〜Ｐ_３はコイルＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３の他端にそれぞれ接続され、出力端子Ｐ_４〜Ｐ_６はＣ_４、Ｃ_５、Ｃ_６の他端にそれぞれ接続されている。
【０００８】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、モータ本体１０にはベアリング１１、１２を介してシャフト１３が回転自在に支持され、シャフト１３には円筒形のロータ１４が固定されている。ロータ１４の円周側面には、磁石（永久磁石）１５が円周方向に４極に分割してＳ極Ｎ極と交互に配設され、磁石１５の外周とロータ１４の外周は同一半径上にある。磁石１５を付けたロータ１４の半径方向外方でモータ本体１０の内部に、ロータ１４と所定の間隔をおいて、第１ステータ２３及び第２ステータ２４の２組のステータが軸方向に隣り合って配設され、２組のステータは１個のロータ１４と対抗している。
第１ステータ２３は、内部に６個のスロットを持ち、第１ステータコイル２１のコイルＣ_１〜Ｃ_３が内設されている。実際には、コイルＣ_１〜Ｃ_３を外側のコイルＣ_１−１〜Ｃ_３−１と内側のコイルＣ_１−２〜Ｃ_３−２とに２分割し、更にコイルＣ_１−１〜Ｃ_３−１，Ｃ_１−２〜Ｃ_３−２をそれぞれ２個に分割して、図２（ｂ）に示すように内設されている。同様にして第２ステータ２４の６個のスロットには、第２ステータコイル２２のコイルＣ_４〜Ｃ_６が内設されている。そして、ロータ１４の磁界を検知するために、各相ごとに磁気検知素子Ｘ，Ｙ，Ｚがモータ本体１０の内部に取り付けられ、磁気検知素子Ｘ，Ｙ，Ｚの出力は制御回路１６にそれぞれ入力される（図１参照）。
【０００９】
本発明の実施の形態のブラシレスモータの作動について説明する。第１ステータ２３，第２ステータ２４の一方又は双方の磁界を回転させることで、ロータ１４は回転する。第１ステータ２３の回転する磁界は、ロータ１４の磁界を磁気素子Ｘ，Ｙ，Ｚにより検知して制御回路１６に入力し、制御回路１６からの信号をＴ_１〜Ｔ_６の各ベース端子に入力し、第１ステータコイル２１のコイルＣ_１〜Ｃ_３に、磁気素子Ｘ，Ｙ，Ｚの検知出力と対応した出力電流を通電することによりつくられる。同様に、第２ステータ２４の回転する磁界は、ロータ１４の磁界を磁気素子Ｘ，Ｙ，Ｚにより検知して制御回路１６に入力し、制御回路１６からの信号をＴ_７〜Ｔ_１２の各ベース端子に入力し、第２ステータコイル２２のコイルＣ_４〜Ｃ_６に、磁気素子Ｘ，Ｙ，Ｚの検知出力と対応した出力電流を通電することによりつくられる。
【００１０】
図２（ｃ）では、横軸がトルクＴ、縦軸が回転数Ｎ及び効率Ｅであり、２組のステータコイル（第１ステータコイル２１及び第２ステータコイル２２）に通電した場合（Ａ）、及び片方のステータコイルのみ（第１ステータコイル２１又は第２ステータコイル２２）に通電した場合（Ｂ）についてのトルク−回転数特性及びトルク−効率が示されている。図中、Ｎ（Ａ）は場合（Ａ）のトルク−回転数特性、Ｅ（Ａ）は場合（Ａ）の効率Ｅを示し、Ｎ（Ｂ）は場合（Ｂ）のトルク−回転数特性、Ｅ（Ｂ）は場合（Ｂ）の効率Ｅを示す。図２（ｃ）に示されているように、２組のステータコイルを用いた場合のＥ（Ａ）曲線と、片方（１組）のステータコイルのみを用いた場合のＥ（Ｂ）曲線との各々に最大効率がある。そして、Ｅ（Ａ）曲線とＥ（Ｂ）曲線との交点をＸとすると、Ｘ点以下のトルクの領域では、Ｅ（Ｂ）曲線の方がＥ（Ａ）曲線よりも効率が高く、片方のステータコイルのみを使った方が効率が良いことが分かる。そして、Ｘ点以上のトルクの領域では、Ｅ（Ａ）曲線の方がＥ（Ｂ）曲線よりも効率が高く、２組のステータコイルを使った方が効率が良いことが分かる。
【００１１】
図２（ｃ）のＥ（Ｂ）曲線と図４（ｃ）のＥ（ｂ）曲線との比較から、本発明は小さいトルクを必要とするとき、片方のステータコイルのみを使うことにより、従来例よりも高効率が得られることが分かる。すなわち、図２（ｃ）の交点Ｘ以下のトルクの領域のＥ（Ｂ）曲線とＥ（Ａ）曲線との差（斜線部の面積）が、図４（ｃ）の交点Ｘ以下のトルクの領域のＥ（ｂ）曲線とＥ（ａ）曲線との差（斜線部の面積）よりも大きいことからも理解することができる。本発明で高効率が得られる理由は、第１ステータコイル２１及び第２ステータコイル２２の起磁力に合わせた形状の第１ステータ２３及び第２ステータ２４を別々につくり、２組のステータコイルを使ったときでも片方のステータコイルを使ったときでも、その高い効率を維持することができることにある。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のブラシレスモータは、１個のロータに対して２組のステータが軸方向に隣り合わせて配置され、前記２組のステータにはステータコイルがそれぞれ内設され、２組のステータコイルの双方又は片方に通電することができるようにされている。このように２組のステータコイルの起磁力に合わせた形状の２組のステータを別々につくり、２組のステータコイルを使ったときでも片方のステータコイルを使ったときでも、その高い効率を維持することができる。そして、曲線Ｅ（Ａ）と曲線Ｅ（Ｂ）との交点Ｘ以下の小トルクの領域では、片方のステータコイルにのみ通電して、従来例よりも相当高い効率をあげることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のブラシレスモータの駆動回路図である。
【図２】図２（ａ）は本発明のブラシレスモータの側断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の断面Ａ−Ａ線での矢印からみた断面図であり、図２（ｃ）は本発明のブラシレスモータのトルク−回転数の関係及びトルク−効率の関係を示す図である。
【図３】従来技術のブラシレスモータの駆動回路図である。
【図４】図４（ａ）は従来技術のブラシレスモータの側断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面Ｂ−Ｂ線での矢印からみた断面図であり、図４（ｃ）は従来技術のブラシレスモータのトルク−回転数の関係及びトルク−効率の関係を示す図である。
【符号の説明】
１４ロータ
２１第１ステータコイル
２２第２ステータコイル
２３第１ステータ
２４第２ステータ

Claims

モータ本体にステータが配置され、ステータの内側にロータが回転自在に配設され、ステータにステータコイルが内設され、ロータの磁界を検知するための３個の磁気検出素子が配設され、ステータコイルへの通電を制御するブラシレスモータにおいて、
１個のロータに対して２組のステータが軸方向に隣り合わせて配置され、前記２組のステータにはステータコイルがそれぞれ内設され、２組のステータコイルの双方又は片方に通電することができるようにされ、小トルクの領域では片方のステータコイルにのみ通電され、それ以外の領域では双方のステータコイルに通電されることを特徴とするブラシレスモータ。
双方のステータコイルを用いた場合のトルク−効率曲線Ｅ（Ａ）と片方のステータコイルのみを用いた場合のトルク−効率曲線Ｅ（Ｂ）を作成し、曲線Ｅ（Ａ）と曲線Ｅ（Ｂ）との交点Ｘ以下の小トルクを得たいときは、片方のステータコイルにのみ通電される請求項１のブラシレスモータ。