JP3633965B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、マグネット式小型モータ全般に係わり、特にスピンドルモータおよび各種マイクロモータ等に好適なブラシレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＨＤＤ用スピンドルモータやマグネット式小型モータ等のブラシレスモータにあっては、各種の構造が採用されているが、そのほとんどは、複数のスロットを有するステータコアの各ティースに多相のコイルを巻装してステータを構成し、このステータに対向して、周方向に異極を交互に配列して構成された円環状のロータマグネットを回転自在に設け、多相のコイルへの通電を選択的に切り換えることにより、コイル電流により発生した磁極歯上の電磁極とロータマグネットの磁極との電磁相互作用によりロータマグネットを備えたロータを回転するようにしている。
【０００３】
この場合、ロータマグネットの極性と磁束の交番位置とをホール素子等のセンサまたはコイルの誘起電圧で検出することにより、通電タイミングの切り換えを制御する構成になっている。
【０００４】
ところで、このような構成のブラシレスモータにあっては、ロータとステータとの間に無通電ゴギングを有し、両者の相対位置によっては起動死点を形成することがあるばかりでなく、回転むらを大きくするといった欠点がある。このため、ロータの起動信頼性を高め、回転むらを抑えるために、ステータのスロット数とロータマグネットの磁極数とに３相ドライブ等の特別な関係を持たせたり、複数のセンサを用い、あるいは、ステータに起動用の補極を設けて死点を避ける場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来のブラシレスモータにあっては、無通電ゴギングを避けるためにステータのスロット数とロータマグネットの磁極数とに特別な関係を持たせる構造では、その組み合わせが限定されるため、回転トルク等の性能が高いにも拘らず無通電コギングのために実用されていない領域（組み合わせ）が存在するといった問題がある。
【０００６】
また、複数のセンサを用いたり、ステータに補極を設ける等の場合、複数エレメント間の平衡をとる必要から構造が複雑となり、モータが大形になるだけでなく高価になる問題を有している。
【０００７】
なお、従来技術においては、モータのトルク変動（ｄＴ／ｄｔ）を検出してこれを電流変化（ｄｉ／ｄｔ）によって補正つまり打ち消すようにしたトルクむら低減化駆動制御系を採用したモータもあるが、これを実現する回路手段は非常に高価なため、普及していないのが実状である。
【０００８】
本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に留意してなされたものであり、その目的とするところは、複雑な構造上の工夫を要することなく、高い起動信頼性が得られ、無通電コギングがあっても回転むらがなく、高トルクが得られる新規なブラシレスモータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、複数のスロットを形成する複数のティースを周方向等間隔に配列してなるステータコアの各ティースにそれぞれコイルを巻装して構成されたステータと、このステータに対向して回転自在に設けられ周方向に異極を交互かつ等間隔に配列してなるロータマグネットと、このロータマグネットの磁束を検出するセンサとを備え、
各ティースに巻装された各コイルにより１つの回路網を形成し、この回路網を単相電源により双方向通電して全てのコイルを同時に通電するようにし、
各コイルは、これら各コイルへの通電によって発生する磁束の増磁成分のものと減磁成分のものとのそれぞれの和が異なるよう、設定し、
この増磁成分の和と減磁成分の和との差分による起磁力により、無通電コギングの少なくとも一部を相殺するようにしたものである。
【００１０】
この場合、各ティースに巻装された各コイルの極性を、増磁性と減磁性との数を異なるようにするのが実施し易い。また、各ティースに巻装された各コイルを、増磁性と減磁性とで巻数を異ならせるのも好ましい。さらに、各ティースに巻装された各コイルを、増磁性と減磁性とを並列接続してこの巻線の線径を異ならせるのもよい。
【００１１】
また、コイルへの通電方向を、ステータコアの磁気余効時間より長い休止期間を含まないで通電方向を逆転させると、磁束密度の変化幅を高めることができるため、このような逆励時により行うのがよく、その結果、起動時やロック時、再起動に際して高トルクを得ることができる。
【００１２】
【作用】
従来のブラシレスモータによれば、ステータコアの各ティースに巻回されたコイルは選択的に励磁され、各コイルの通電によって発生する磁束の増磁成分と減磁成分の大きさは相等しくなるように設計されており、したがって無通電コギングが通電により打ち消されることは起こらない。
【００１３】
これに対して、前述した本発明のブラシレスモータによれば、ステータコアの各ティースに巻回されたコイルを励磁すると、この時、各コイルへの通電によって発生する磁束の増磁成分と減磁成分とのそれぞれの大きさの和が異なっているため、この増磁成分と減磁成分との大きさの差分による起磁力により、無通電コギングの少なくとも一部を相殺し得る。つまり、無通電のコギングの総和を磁束の増磁成分と減磁成分との大きさの差分による起磁力により減殺でき、したがって、ロータマグネットに滑らかな回転力が発生し、ロータが円滑、低振動の状態で回転する。
【００１４】
【実施例】
本発明の実施例につき、図面を参照して説明する。
まず、第１の実施例につき、図１〜図４を用いて説明する。
図２は、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体を回転駆動するマイクロモータに適用した場合を示す。なお、この分野のスピンドルモータに対しては、トラッキング及びフォーカスエラーの観点から、これまで単相励磁は使用できないとされていた。
【００１５】
図２において、駆動装置に固定される珪素鋼板等よりなる基板１０には取付孔１２が形成され、この取付孔１２に円筒状のスリーブ１４が、その軸心を基板１０に対し直交させてかつ下方に突出した状態で固定され、スリーブ１４の内側に一対の含油軸受１６，１８を介してシャフト２０が回転自在に支持されている。シャフト２０の上下端部はそれぞれスリーブ１４より上下に導出している。
【００１６】
スリーブ１４の下半部の外周には、ステータコア２２にコイル２４を巻回して構成されたステータ２６が固定され、シャフト２０の下端部に、ステータ２６の外周を囲繞して配設されたカップ状のロータホルダ２８がかしめ等により固定され、このロータホルダ２８の円筒壁の内周面に円環状のロータマグネット３０が固定されている。ロータマグネット３０はステータ２６の外周面に対し若干の空隙を介して対向している。このロータホルダ２８とロータマグネット３０とによりロータ３２が構成されている。
【００１７】
シャフト２０の上端部には、基板１０の上側に位置するターンテーブル３４が圧入固定され、これに図外のＣＤ（記録媒体）が載置される。基板１０の下面のロータマグネット３０に対応する位置には、１個のホール素子よりなるセンサ３６が配設され、ロータマグネット３０の磁束を検出する。
【００１８】
図３は、前記マイクロモータにおけるステータ２６とロータ３２との関係を示したものである。なお、コイル２４は省略してある。
【００１９】
ステータ２６のステータコア２２は１方向性珪素鋼板からなる６スロット構成であり、６個のティース（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼）３８が円周方向に等間隔に配列されている。ステータコア２２の磁化方向つまり磁化容易軸の方向は、任意の１つのティース（▲１▼）３８の突出方向に対して偏角θ（約１０度）を有する。この偏角θは、ステータコア２２のスロット数に基づく電気角の関係から角度の倍増効果を有する。
【００２０】
ステータコア２２の各ティース（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼）３８にはそれぞれコイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼）２４が巻回されているが、これらコイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼）２４は、図１に示すように、３つのコイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼）２４の直列回路と３つのコイル（▲４▼、▲５▼、▲６▼）２４の直列回路とを並列接続して１つの回路網４０を構成している。この場合、各コイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼）２４はそれぞれ同一巻き数に設定されているが、２つのコイル（▲１▼、▲４▼）と他のコイル（▲２▼、▲３▼、▲５▼、▲６▼）２４とは巻方向が異なり、従って増磁性のコイル数と減磁性のコイル数とが異なるようになっている。なお、図１において、Ｒ１，Ｒ２（Ｒ１＝Ｒ２）はコイルの直流抵抗を示す。
【００２１】
一方、ロータマグネット３０は、８ポール構成であり、周方向にＮ極とＳ極とが交互に配列されて８個の磁極を形成している。なお、８ポールの他４ポール（図示せず）も使用でき、８ポールと同等以上に良好なモータ特性を得ることができる。前記センサ３６は、基板１０の下面においてステータコア２２の任意の隣合う２つのティース（▲５▼、▲６▼）３８間中央の径方向外側にロータマグネット３０に向かい合って配置されている。
【００２２】
図４は、モータ制御回路４２の概略構成を示したものである。このモータ制御回路４２は、直流電源４４に接続され回路網４０に直流電流を供給する電源制御部４６と、回路網４０に接続されたスイッチング素子、例えばトランジスタＴ１〜Ｔ４をスイッチング制御する励磁電流制御部４８とを有している。
【００２３】
この電源制御部４６は、ＣＤの再生時に得られるＣＬＶ信号により回路網４０に供給する電流を制御し、ロータ３２の回転速度を制御する。また、励磁電流制御部４８は、各コイル２４を実質的に休止期間を含まずステータコア２２の磁化が残留する間に通電方向が逆転する双方向通電により同時に駆動し、かつ、通電によって形成されるステータコア２２の各電磁極がロータマグネット３０の対向磁極に対して総合的に回転力を生じるようセンサ３６の検出信号を用いてコイル２４を励磁する。
【００２４】
このように構成されたマイクロモータにあっては、モータ制御回路４２によりステータ２６の各コイル２４による回路網４０を駆動すると、ステータコア２２が方向性を有することによりモータ内の磁束のパスが変位することによってセンサ電圧を得て、モータは死点なく起動する。起動後は該ステータ２６の各ティース３８は、コイル（▲１▼、▲４▼）２４とコイル（▲２▼、▲３▼、▲５▼、▲６▼）２４との巻方向に応じて磁化されるため、発生する磁化力の差分に従って回転力が生じ、例え無通電コギングを有していてもロータ３２が速やかに加速する。
【００２５】
ロータ３２が起動すると、センサ３６によりロータマグネット３０の回転位置つまり磁極の境目が検出され、この検出信号により直接あるいは信号を遅延した上で回路網４０への通電方向を切り換えることにより各ティース３８にロータマグネット３０の対向磁極に対し総合的に逆極性になる電磁極が形成され、ロータ３２に連続して回転力を与えることが可能となる。
【００２６】
特に、この実施例の場合、ロータ３２の無通電の停止時には、ロータマグネット３０の各磁極がステータコア２２の先端の各ティップに対向しているが、起動時、コイル２４への通電によりステータコア２２を磁化すると、各ティップにおける磁化中心がティップの中心から偏角θだけずれるため、ロータマグネット３０の各磁極の中心と各ティップ４０磁化中心とがずれ、ロータマグネット３０にこれらのずれ角度に基づく回転力が作用し、ロータ３２が速やかに起動する。
【００２７】
また、従来のブラシレスモータでは、主に３相バイポーラが用いられているが、この場合、ある時間において６スロットとすれば内４スロットが通電されるのみで２スロットは停止していた。従って、ロータ１回転について起磁力は４個のティースから発生する。これに対して本発明では、１回転当たり６個のティースから起磁力が発生するから、そのトルク出力の割合にして、急速な加減速を実現できる。
【００２８】
図５及び図６は、１２ポール９スロットの場合を示した第２の実施例である。ステータ５０のステータコア５２は９スロット構成であり、９個のティース（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼、▲７▼、▲８▼、▲９▼）５４が周方向等間隔つまり４０度間隔で配列されている。この各ティース（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼、▲７▼、▲８▼、▲９▼）５４にはそれぞれコイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼、▲７▼、▲８▼、▲９▼）５６が巻回されているが、これらコイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼、▲７▼、▲８▼、▲９▼）５６は、図６に示すように、４つのコイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、）５６及び１つのコイル（▲５▼）を２等分した時の一方のコイル（▲５▼’）５６の直列回路と、４つのコイル（▲６▼、▲７▼、▲８▼、▲９▼）５６及び１つのコイル（▲５▼）を２等分した時の他方のコイル（▲５▼’’）５６の直列回路とを並列接続して１つの回路網５８を構成している。
【００２９】
この場合、各コイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼、▲７▼、▲８▼、▲９▼）５６はそれぞれ同一巻き数に設定されているが、４つのコイル（▲１▼、▲４▼、▲６▼、▲９▼）５６と５つのコイル（▲２▼、▲３▼、▲５▼、▲７▼、▲８▼）５６とは巻方向が異なり、従って増磁性のコイル数と減磁性のコイル数とが異なるようになっている。なお、図６において、Ｒ１１，Ｒ１２（Ｒ１１＝Ｒ１２）はコイルの直流抵抗を示す。
【００３０】
一方、ステータ５０に対向するように回転自在に設けられたロータ６０は、ロータホルダの周壁の内周面に環状のロータマグネット６２を取り付けて構成されている。ロータマグネット６２は、１２ポール構成であり、Ｎ極、Ｓ極が交互に周方向等間隔に配列されている。なお、１２ポールの他６ポール（図示せず）も使用でき、１２ポールと同等以上に良好なモータ特性を得ることができる。このロータマグネット６２に対向してホール素子等のセンサ６４が配設されている。
【００３１】
このように構成されたマイクロモータにあっては、第１の実施例の場合と同様に、モータ制御回路により各コイル５６による回路網５８を駆動すると、ステータコア５２の各ティース５４は、コイル（▲１▼、▲４▼、▲６▼、▲９▼）５６とコイル（▲２▼、▲３▼、▲５▼、▲７▼、▲８▼）５６との巻方向に応じて磁化され、この差分に従って回転力が生じ、無通電コギングを有していてもロータ６０が速やかに回転を開始する。本実施例においては、スロット数が多いため、特に方向性ステータとの組み合わせにおいて無通電コギングが減少する。また、回転中は極数に比例して高いトルクが得られる。
【００３２】
そして、ロータ６０が回転し始めると、センサ６４によりロータマグネット６２の回転位置つまり磁極の位置が検出され、この検出信号により回路網５８への通電方向を切り換えることにより、ロータ６０に連続して回転力を与えることが可能となり、これ以降ロータ６０の回転が継続される。
【００３３】
次に、本発明の第３〜第５の実施例を、図７〜図９を用いて説明する。なお、これらの実施例は、第１の実施例の場合と同様に、６スロット構成のステータを用いた場合を示す。
【００３４】
まず、第３の実施例を示した図７において、ステータの各ティースに巻回された６つのコイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼）７０は、直列接続されて１つの回路網７２を構成しているが、３つのコイル（▲１▼、▲３▼、▲５▼）７０と３つのコイル（▲２▼、▲４▼、▲６▼）７０とは、巻数が異なると共に巻方向が異なり、各コイル７０への通電によって発生する磁束の増磁成分と減磁成分とのそれぞれの大きさの和が異なっている。
【００３５】
また、第４の実施例を示した図８において、ステータの各ティースに巻回された６つのコイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼）８０は、並列接続されて１つの回路網８２を構成しており、各コイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼）８０は巻数が等しく設定されているが、２つのコイル（▲１▼、▲４▼）８０と４つのコイル（▲２▼、▲３▼、▲５▼、▲６▼）７０とは巻方向が異なっており、増磁性と減磁性との数が異なっている。
【００３６】
さらに、第５の実施例を示した図９において、ステータの各ティースに巻回された６つのコイル（▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼、▲６▼）９０は、全て同一巻数に設定されており、かつ、３つのコイル（▲１▼、▲３▼、▲６▼）９０と３つのコイル（▲２▼、▲４▼、▲５▼）９０とが互いに巻方向が逆になっているが、コイル（▲２▼、▲３▼）９０が並列接続されてコイル（▲１▼）９０に直列接続されると共に、コイル（▲４▼、▲５▼）９０が並列接続されてコイル（▲６▼）９０に直列接続され、これらの直列回路が並列接続され、いわゆる直並列回路を構成している。
【００３７】
従って、コイル（▲１▼、▲６▼）９０にはモータ制御回路からの駆動電流の２分１が、コイル（▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼）９０にはモータ制御回路からの駆動電流の４分１がそれぞれ供給され、結果として各コイル９０への通電によって発生する磁束の増磁成分と減磁成分とのそれぞれの大きさの和が異なっている。
【００３８】
このように各コイルを直並列接続することにより、同様なモータ構造で各種電源電圧に対応することが可能になる。また、各ティースコイルの端子電圧の変更により異なる回転数にも対応させることができる。
【００３９】
以上、本発明による各種のブラシレスモータの実施例について説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で種々の変更ないし修正が可能であることは言うまでもない。
【００４０】
例えば、各コイルにより直並列回路を構成する場合の直列コイル数あるいは並列コイル数を違えて、各コイルへの通電によって発生する磁束の増磁成分と減磁成分とのそれぞれの大きさの和を異ならせるようにしてもよい。
【００４１】
あるいは、各コイルの線径を異ならせて各コイルへの通電によって発生する磁束の増磁成分と減磁成分とのそれぞれの大きさの和を異ならせるようにしてもよい。または、各ティースの方向性に応じてそのアンペアターンを変更し、発生する起磁力の大きさを変更してもよい。
【００４２】
なお、前記実施例では、アウターロータ型のブラシレスモータの場合を示したが、インナーロータ型ブラシレスモータにおいても同様に適用できることは明かである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているため、次に記載する効果を奏する。
各ティースに巻装され１つの回路網を形成すると共に単相電源による双方向通電により同時に励磁される各コイルを、通電によって発生する磁束の増磁成分と減磁成分とのそれぞれの大きさの和を異ならせることにより、この増磁成分と減磁成分との大きさの差分による起磁力をもって、無通電コギングの少なくとも一部を相殺することができ、無通電コギングがあっても高い起動信頼性が得られると共に、回転むらが少なく、高トルクが得られる新規なブラシレスモータを提供できるものである。
【００４４】
その上、無通電コギングを避けるためにステータのスロット数とロータマグネットの磁極数とに特別な関係を持たせたり、複数のセンサを用いたり、あるいはステータに補極を設ける等の複雑な構造上の工夫を要することがなく、簡単小型で安価なブラシレスモータを提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のブラシレスモータの第１の実施例を示す各コイルによる回路網の結線図である。
【図２】図１のブラシレスモータの全体構成を示す切断正面図である。
【図３】図１のブラシレスモータの要部を示すステータとロータとの平面図である。
【図４】図１のコイル駆動回路を示す回路図である。
【図５】本発明の第２の実施例の要部を示すステータとロータとの平面図である。
【図６】図５の各コイルによる回路網の結線図である。
【図７】本発明の第３の実施例を示す各コイルによる回路網の結線図である。
【図８】本発明の第４の実施例を示す各コイルによる回路網の結線図である。
【図９】本発明の第４の実施例を示す各コイルによる回路網の結線図である。
【符号の説明】
２２、５２ ステータコア
２４、５６、７０、８０、９０ コイル
２６、５０ ステータ
３０、６２ ロータマグネット
３６、６４ センサ
４０、５８、７２、８２、９２ 回路網

Claims (6)

1. 複数のスロットを形成する複数のティースを周方向等間隔に配列してなるステータコアの各ティースにそれぞれコイルを巻装して構成されたステータと、該ステータに対向して回転自在に設けられ周方向に異極を交互かつ等間隔に配列してなるロータマグネットと、該ロータマグネットの磁束を検出するセンサとを備えたブラシレスモータであって、
   前記各ティースに巻装された前記各コイルは１つの回路網を形成し、該回路網が単相電源により双方向通電されて前記全てのコイルが同時に通電され、
   前記各コイルは、当該各コイルへの通電によって発生する磁束の増磁成分のものと減磁成分のものとのそれぞれの和が異なるよう、設定されており、
   この増磁成分の和と減磁成分の和との差分による起磁力により、無通電コギングの少なくとも一部が相殺されることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記各ティースに巻装された前記各コイルの極性は、増磁性と減磁性との数が異なっている請求項１記載のブラシレスモータ。
3. 前記各ティースに巻装された前記各コイルは、増磁性と減磁性とで巻数が異なっている請求項１記載のブラシレスモータ。
4. 前記各ティースに巻装された前記各コイルは、増磁性と減磁性とが直列もしくは並列接続され、この増磁性の巻線と減磁性の巻線との線径が異なっているコイルを含むことを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
5. 前記ステータコアもしくは前記ロータマグネットは、その磁化に関して方向性を有することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
6. 前記コイルへの励磁電流は、前記ステータコアの磁気余効時間に比較して十分長い休止期間を含まないで通電方向が逆転する逆励時により行われる請求項１記載のブラシレスモータ。

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