JP6100943B2 - モータ及び電動ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、コンシクエントポール型構造のロータを採用したモータ及び電動ポンプに関するものである。

モータとしては、例えば特許文献１に開示されたように、１２スロットのステータと、ロータコアの周方向に一方の磁極のマグネット（ネオジム磁石）が４個埋め込み配置されるとともに、ロータコアに設けられた突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、該突極を他方の磁極として機能させる８磁極のロータとを備えたものがある。このような所謂コンシクエントポール型構造のロータを採用したモータやそのモータを用いた電動ポンプ等の駆動装置では、高出力化や小型軽量化や低コスト化を図ることが可能となる。

特開２０１０−２６３７６３号公報

本発明の目的は、径方向内側に延びるティースが周方向に３×ｎ（但しｎは自然数）個設けられ、該ティースに３相の巻線が順次巻装された３×ｎスロットのステータと、前記ステータの内側に配置されるロータコアの周方向に一方の磁極を構成するマグネットがｎ個配置されるとともに、前記ロータコアに設けられた突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成された２×ｎ磁極のロータとを備え、各相間の誘起電圧の波形に基づいて前記ロータの回転位置が検出されて前記巻線に供給される駆動電流が制御されるモータであって、前記各マグネットは、３相の内のある１つの同じ相のティースに対向するとき、前記各突極は、残りの２相のティースの周方向中間に対向するように構成されたモータを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、径方向内側に延びるティースが周方向に３×ｎ（但しｎは自然数）個設けられ、該ティースに３相の巻線が順次巻装された３×ｎスロットのステータと、前記ステータの内側に配置されるロータコアの周方向に一方の磁極を構成するマグネットがｎ個配置されるとともに、前記ロータコアに設けられた突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成された２×ｎ磁極のロータとを備え、各相間の誘起電圧の波形に基づいて前記ロータの回転位置が検出されて前記巻線に供給される駆動電流が制御されるモータであって、前記各マグネットは、３相の内のある１つの同じ相のティースに対向するとき、前記各突極は、残りの２相のティースの周方向中間に対向するように構成されており、前記マグネット及び前記空隙は、前記ロータコアの外縁よりも内側に配置され、前記一方の磁極の両端電気角は、前記他方の磁極の両端電気角よりも小さくなるように設定され、前記マグネットの周方向幅は、前記ティースの先端の周方向幅以下であり、前記一方の磁極の両端電気角をＡ、前記他方の磁極の両端電気角をＢとして、１．０≦Ａ／（６．１０×１０ ^−３ ×Ｂ ^２ −８．６９×１０ ^−１ ×Ｂ＋１．１４×１０ ^２ ）≦１．０８を満たすように設定されたことを要旨とする。

同構成によれば、一方の磁極（マグネットの磁極）の両端電気角は、他方の磁極（突極の磁極）の両端電気角よりも小さいため、マグネット及び空隙がロータコアの外縁よりも内側に配置されても、マグネットのティースに働く吸引力は狭い範囲に集中し、マグネットとティースが向かい合った状態で停止し易くなる。よって、始動時に同じ位置から回転を開始する確率が増えるので、短時間で安定した誘起電圧を取得し易くでき、誘起電圧を用いた制御を開始するまでの時間を平均的に短くすることが可能となる。

同構成によれば、前記一方の磁極（マグネットの磁極）の両端電気角をＡ、前記他方の磁極（突極の磁極）の両端電気角をＢとして、１．０≦Ａ／（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）≦１．０８を満たすように設定されるため、実験結果より、誘起電圧の波形の乱れが小さくなる。具体的には、実験結果より、通常の（突極を有さず全てのマグネットが全ての磁極を構成する）モータの誘起電圧の波形に対して同等以上に乱れていない波形とすることができる。よって、例えば、良好にセンサレスの駆動方法を採用することが可能となる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のモータにおいて、１２スロット、８磁極で、前記一方の磁極の機械角が２７°、前記他方の磁極の機械角が３３°に設定されたことを要旨とする。

同構成によれば、１２スロット、８磁極のモータにおいて、具体的に請求項１に記載の発明の効果を得ることができる。
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載のモータと、前記モータを収容するケースと、前記ケース内で前記ロータと一体回転可能に設けられたインペラ部材とを備えたことを要旨とする。

同構成によれば、電動ポンプにおいて、センサレスの駆動方法を採用することが可能となるとともに、例えば電動ポンプの小型軽量化を図ることができる。

本発明によれば、径方向内側に延びるティースが周方向に３×ｎ（但しｎは自然数）個設けられ、該ティースに３相の巻線が順次巻装された３×ｎスロットのステータと、前記ステータの内側に配置されるロータコアの周方向に一方の磁極を構成するマグネットがｎ個配置されるとともに、前記ロータコアに設けられた突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成された２×ｎ磁極のロータとを備え、各相間の誘起電圧の波形に基づいて前記ロータの回転位置が検出されて前記巻線に供給される駆動電流が制御されるモータであって、前記各マグネットは、３相の内のある１つの同じ相のティースに対向するとき、前記各突極は、残りの２相のティースの周方向中間に対向するように構成されたモータを提供することができる。

（ａ）本実施の形態におけるモータの平面図。（ｂ）同じくロータの部分拡大平面図。 本実施の形態におけるモータの制御装置の回路図。 乱れていない波形となった一方の磁極の両端電気角と他方の磁極の両端電気角の関係を示す説明図。 本実施の形態のモータを説明するための電気角−誘起電圧波形図。 本実施の形態のモータを説明するための電気角−誘起電圧波形図。 従来技術のモータを説明するための電気角−誘起電圧波形図。 従来技術のモータを説明するための電気角−誘起電圧波形図。 従来技術のモータを説明するための電気角−誘起電圧波形図。 電動ポンプに具体化した模式断面図。

以下、本発明を具体化した実施の形態を図１〜図５に従って説明する。
図１（ａ）に示すように、インナロータ型のブラシレスモータ（以下、単にモータという）Ｍのステータ１０は、径方向内側に延びるティース１１ａが周方向に１２個設けられたステータコア１１と、前記ティース１１ａに順次巻装された３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の巻線１２とからなる１２スロットのものが用いられている。

又、モータＭにおいて前記ステータ１０の内側に配置されるロータ２０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、回転軸２１の外周面に外嵌された円環状のロータコア２２を有する。そして、ロータコア２２の外周側には周方向に（９０°間隔に）４つのマグネット収容孔２２ａが形成され、該マグネット収容孔２２ａにはＮ極のマグネット２３がそれぞれ（全部で４個）配置されている。

又、各マグネット２３間には、ロータコア２２の外周部に設けられた突極２２ｂがそれぞれマグネット２３との各境界部に軸方向から見て一定面積の空隙Ｋ（マグネット収容孔２２ａの一部）を以て配置されている。尚、本実施の形態の空隙Ｋは、マグネット２３の周方向の両側に対称（マグネット２３の中心を通る径方向の線に対して線対称）な形状に形成されることで一定の面積とされるとともに、ロータコア２２の軸方向の全体に渡って（一定面積が維持されたまま）形成されている。尚、上記構成により前記マグネット２３及び空隙Ｋは、ロータコア２２の外縁（外周）よりも内側に配置されている。

つまり、各マグネット２３及び突極２２ｂの周方向中心は等角度（４５°）間隔に交互に配置され、ロータ２０は、一方の磁極であるＮ極を構成するマグネット２３に対して突極２２ｂを他方の磁極であるＳ極として機能させる８磁極の所謂コンシクエントポール型にて構成されている。

ここで、本実施の形態のロータ２０は、図１（ｂ）に示すように、一方の磁極（マグネット２３の磁極）の両端電気角（Ａ）が、他方の磁極（突極２２ｂの磁極）の両端電気角（Ｂ）よりも小さくなるように設定されている。

又、ロータ２０は、一方の磁極（マグネット２３の磁極）の両端電気角をＡ、他方の磁極（突極２２ｂの磁極）の両端電気角をＢとして、
Ａ＝（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）±８％を満たすように設定され、
具体的にはＡが１０８°（機械角で２７°）で、Ｂが１３２°（機械角で３３°）に設定されている。

言い換えると、Ａは、
（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）×０．９２≦Ａ≦（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）×１．０８を満たすように設定されている。

更に、言い換えると、本実施の形態のロータ２０は、
０．９２≦Ａ／（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）≦１．０８を満たすように設定されている。

これは、実験結果より得たデータに基づいた式であって、波形が図４及び図５に示すようになったときの角度（プロット）を図３のように繋いだ曲線Ｘから得た近似式に、通常の（突極を有さず全てのマグネットが全ての磁極を構成する）モータの誘起電圧の波形に対して同等以上に乱れていない波形となる幅（±８％）を追加した式である。

即ち、Ａ＝６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２を満たせば（図３の曲線Ｘ上にあれば）、波形が図４及び図５に示すようになる。そして、その±８％（図３の２点鎖線で囲まれた範囲）では、通常の（突極を有さず全てのマグネットが全ての磁極を構成する）モータの誘起電圧の波形に対して同等以上に乱れていない波形となる（例えば正弦波に対する歪み率が１．３％となる）。尚、図４は、Ａ＝６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２に設定された（図３の曲線Ｘ上にある）モータの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の誘起電圧の波形であって、正弦波に対する歪み率が０．９％となっている。又、図５は、Ａ＝６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２に設定された（図３の曲線Ｘ上にある）モータ（Ｙ結線及びΔ結線）の各端子間（Ｕ−Ｖ間、Ｖ−Ｗ間、Ｗ−Ｕ間）の誘起電圧の波形である。

そして、モータＭは、図２に示すように、その巻線１２の各端子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗが制御装置５１に接続され、その誘起電圧の波形に基づいて（それを制御信号として）ステータ１０の巻線１２に供給する駆動電流が制御されるセンサレスの駆動方法が採用されている。詳しくは、本実施の形態の制御装置５１は、図２に示すように、各相の巻線１２のそれぞれの端子１２ｕ，１２ｖ，１２ｗに接続された回転位置検出回路５２を備える。回転位置検出回路５２は、各相の巻線１２に誘起される誘起電圧を検出し、それら各相間の誘起電圧の波形に基づいてロータ２０の回転位置と対応した回転位置パルス信号を生成し、該回転位置パルス信号をマイコン５３に出力する。マイコン５３は、入力された回転位置パルス信号に基づいて転流信号を生成し、ドライバ回路５４を介してインバータ回路５５に出力する。インバータ回路５５は、入力された転流信号によって各スイッチング素子５５ａ〜５５ｆがスイッチング制御され、各相の巻線１２に順次駆動電流を流す転流動作を行うことになる。

次に、上記のように構成されたモータＭの作用について説明する。
ロータ２０が回転を開始すると、その回転に応じて誘起電圧が生じる。すると、制御装置５１にて、各端子間（Ｕ−Ｖ間、Ｖ−Ｗ間、Ｗ−Ｕ間）の誘起電圧の波形（図５参照）に基づいて（それを制御信号として）具体的には０［Ｖ］を境にして回転位置パルス信号が生成され、該回転位置パルス信号に基づいて転流信号が生成され、巻線１２に供給する駆動電流が切り換えられる。このとき生じる誘起電圧の波形は乱れていないため、良好にロータ２０が回転制御されることになる。

次に、上記実施の形態の特徴的な効果を以下に記載する。
（１）ティース１１ａの数（１２個）はマグネット２３の数（４個）の３倍であるため、各マグネット２３は常に３相の内のある１つの同じ相（Ｕ相又はＶ相又はＷ相）のティース１１ａに対向することになる。そして、一方の磁極（マグネット２３の磁極）の両端電気角は、他方の磁極（突極２２ｂの磁極）の両端電気角よりも小さいため、マグネット２３及び空隙Ｋがロータコア２２の外縁よりも内側に配置されても、マグネット２３のティース１１ａに働く吸引力は狭い範囲に集中し、マグネット２３とティース１１ａが向かい合った状態で停止し易くなる。よって、始動時に同じ位置から回転を開始する確率が増えるので、短時間で安定した誘起電圧を取得し易くでき、誘起電圧を用いた制御を開始するまでの時間を平均的に短くすることが可能となる。

（２）一方の磁極（マグネット２３の磁極）の両端電気角をＡ、他方の磁極（突極２２ｂの磁極）の両端電気角をＢとして、Ａ＝（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）±８％を満たすように設定されるため、実験結果より、誘起電圧の波形の乱れが小さくなる。具体的には、実験結果より、通常の（突極２２ｂを有さず全てのマグネットが全ての磁極を構成する）モータの誘起電圧の波形に対して同等以上に乱れていない波形とすることができる。よって、コンシクエントポール型構造のロータ２０を採用したモータＭにおいて、良好に（前記通常のモータと同等のトルク特性としながら）センサレスの駆動方法を採用することが可能となる。

上記実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では特に言及していないが、上記実施の形態のモータＭを用いた何らかの駆動装置に具体化してもよく、例えば、図９に示すように、上記実施の形態のモータＭを用いた電動ポンプ６１に具体化してもよい。詳しくは、この電動ポンプ６１は、略有底筒状のモータハウジング６２と、モータハウジング６２の開口端に固定され吸入口６３ａ及び排出口６３ｂを有したポンプハウジング６３と、モータハウジング６２の底部外側に固定されるエンドハウジング６４とからなるケース６５を備える。又、電動ポンプ６１は、前記モータハウジング６２の筒部６２ａに保持された前記ステータ１０と、モータハウジング６２の底部内側に固定されたシャフト６６と、そのシャフト６６に回転可能に支持された前記ロータ２０と、そのロータ２０と一体回転可能に設けられたインペラ部材６７とを備える。又、この電動ポンプ６１は、前記モータハウジング６２の底部外側と前記エンドハウジング６４とに囲まれた収容部内に保持されて上記実施の形態の制御装置５１を構成する制御回路基板６８を備える。このように構成された電動ポンプ６１では、良好にセンサレスの駆動方法を採用することが可能となるとともに、例えば電動ポンプ６１の小型軽量化を図ることができる。

・上記実施の形態では、ティース１１ａが１２個の１２スロットのステータ１０で、マグネット２３が４個で８磁極のロータ２０であるとしたが、ティースが３×ｎ（但しｎは自然数）個の３×ｎスロットのステータで、且つマグネットがｎ個で２×ｎ磁極のロータであれば、他のモータに変更して実施してもよい。

例えば、ティースが１８個の１８スロットのステータと、マグネットが６個で１２磁極のロータとを備えたモータに変更してもよい。尚、勿論、この場合もＡ＝（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）±８％を満たすことが好ましい。

・上記実施の形態では、Ａ＝（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）±８％を満たすように設定するとしたが、±８％未満を満たすように設定してもよく、例えばＡ＝（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）±４％を満たすよう設定してもよい。

このようにすると、誘起電圧の波形をより乱れていない波形とすることができる。よって、更に良好にセンサレスの駆動方法を採用することが可能となり、例えば高効率化を図ることが可能となる。

又、Ａ＝（６．１０×１０^−３×Ｂ^２−８．６９×１０^−１×Ｂ＋１．１４×１０^２）±８％を満たさず、一方の磁極（マグネット２３の磁極）の両端電気角（Ａ）が、他方の磁極（突極２２ｂの磁極）の両端電気角（Ｂ）よりも小さくなるように設定してもよい。この場合でも、上記実施の形態の効果（１）と同様の効果を得ることができる。

・ところで、モータとしては、別途回転センサを設けずに誘起電圧の波形に基づいて（それを制御信号として）ステータに供給する駆動電流を制御するセンサレスの駆動方法を採用したものがある。しかしながら、上記のようなマグネットがロータコアに埋め込み配置されたコンシクエントポール型構造のロータを採用したモータでは、回転し始めてからしばらく回転しないと安定した誘起電圧を取得できず、誘起電圧を用いた制御を開始するまでに時間を要するという問題がある。

又、上記のようなモータでは、その誘起電圧の波形が、通常の（突極を有さず８個のマグネットが８磁極を構成する）モータの誘起電圧の波形に対して乱れてしまうという問題があり、ひいてはセンサレスの駆動方法を採用することが困難となってしまっていた。

具体的には、前記通常のモータの各相の誘起電圧の波形は、正弦波に対する歪み率が１．３％と小さく、良好にセンサレスの駆動方法を採用することが可能となる。これに対して、前記一方の磁極（マグネットの磁極）と前記他方の磁極（突極の磁極）の両端電気角が等しい（例えば、機械角が２７°の）コンシクエントポール型構造のロータを採用したモータの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の誘起電圧の波形は、図６に示すように、正弦波に対する歪み率が２１．１％となってしまう。又、同様のコンシクエントポール型構造のロータを採用したモータ（Ｙ結線）の各端子間（Ｕ−Ｖ間、Ｖ−Ｗ間、Ｗ−Ｕ間）の誘起電圧の波形は、図７に示すように乱れ、同様のコンシクエントポール型構造のロータを採用したモータ（Δ結線）の各端子間（Ｕ−Ｖ間、Ｖ−Ｗ間、Ｗ−Ｕ間）の誘起電圧の波形は、図８に示すように乱れてしまう。尚、このことは、突極の磁極がマグネットの磁極のような強制的な磁極の流れを発生させていないことに基づいていると考えられる。

そして、上記のように乱れた波形（図６〜図８参照）では、例えばピークがずれている（本来９０°のところ約１１０°となっている）ことや、ピークに対して左右非対称となっていることから、制御信号として用いることが困難となり、センサレスの駆動方法を採用することが困難となる。そこで、良好にセンサレスの駆動方法を採用することが可能となるモータ及び電動ポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための技術思想において、径方向内側に延びるティースが周方向に３×ｎ（但しｎは自然数）個設けられ、該ティースに３相の巻線が順次巻装された３×ｎスロットのステータと、前記ステータの内側に配置されるロータコアの周方向に一方の磁極を構成するマグネットがｎ個配置されるとともに、前記ロータコアに設けられた突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成された２×ｎ磁極のロータとを備え、各相間の誘起電圧の波形に基づいて前記ロータの回転位置が検出されて前記巻線に供給される駆動電流が制御されるモータであって、前記各マグネットは、３相の内のある１つの同じ相のティースに対向するように構成されており、前記マグネット及び前記空隙は、前記ロータコアの外縁よりも内側に配置され、前記一方の磁極の両端電気角は、前記他方の磁極の両端電気角よりも小さくなるように設定されたことを要旨とする。

同構成によれば、ティースの数はマグネットの数の３倍であるため、各マグネットは常に３相の内のある１つの同じ相のティースに対向することになる。そして、一方の磁極（マグネットの磁極）の両端電気角は、他方の磁極（突極の磁極）の両端電気角よりも小さいため、マグネット及び空隙がロータコアの外縁よりも内側に配置されても、マグネットのティースに働く吸引力は狭い範囲に集中し、マグネットとティースが向かい合った状態で停止し易くなる。よって、始動時に同じ位置から回転を開始する確率が増えるので、短時間で安定した誘起電圧を取得し易くでき、誘起電圧を用いた制御を開始するまでの時間を平均的に短くすることが可能となる。

１０…ステータ、１１ａ…ティース、１２…巻線、２０…ロータ、２２…ロータコア、２２ｂ…他方の磁極を構成する突極、２３…一方の磁極を構成するマグネット、６５…ケース、６７…インペラ部材、Ａ…一方の磁極の両端電気角、Ｂ…他方の磁極の両端電気角、Ｋ…空隙。

Claims (3)

1. 径方向内側に延びるティースが周方向に３×ｎ（但しｎは自然数）個設けられ、該ティースに３相の巻線が順次巻装された３×ｎスロットのステータと、
   前記ステータの内側に配置されるロータコアの周方向に一方の磁極を構成するマグネットがｎ個配置されるとともに、前記ロータコアに設けられた突極が各マグネット間に空隙を以て配置され、前記突極を他方の磁極として機能するように構成された２×ｎ磁極のロータとを備え、各相間の誘起電圧の波形に基づいて前記ロータの回転位置が検出されて前記巻線に供給される駆動電流が制御されるモータであって、
   前記各マグネットは、３相の内のある１つの同じ相のティースに対向するとき、前記各突極は、残りの２相のティースの周方向中間に対向するように構成されており、
   前記マグネット及び前記空隙は、前記ロータコアの外縁よりも内側に配置され、
   前記一方の磁極の両端電気角は、前記他方の磁極の両端電気角よりも小さくなるように設定され、
   前記マグネットの周方向幅は、前記ティースの先端の周方向幅以下であり、
   前記一方の磁極の両端電気角をＡ、前記他方の磁極の両端電気角をＢとして、
   １．０≦Ａ／（６．１０×１０ ^−３ ×Ｂ ^２ −８．６９×１０ ^−１ ×Ｂ＋１．１４×１０ ^２ ）≦１．０８
   を満たすように設定されたことを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   １２スロット、８磁極で、前記一方の磁極の機械角が２７°、前記他方の磁極の機械角が３３°に設定されたことを特徴とするモータ。
3. 請求項１又は２に記載のモータと、
   前記モータを収容するケースと、
   前記ケース内で前記ロータと一体回転可能に設けられたインペラ部材と
   を備えたことを特徴とする電動ポンプ。