JP2008029114A - クローポール型単相モータ，クローポール型単相モータシステム、及びクローポール型単相モータを備えた電動ポンプ，電動ファン、及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量，低価格，低騒音，低振動のクローポール型単相モータを提供することである。
【解決手段】クローポール状の固定子鉄心４と、トロイダル状に巻回した単相の固定子巻線５とからなる固定子と、交互に極性を有する回転子３とを備えた単相クローポール型モータであって、前記固定子鉄心爪部４３の空隙面に凹み部又は突起を設け、さらに、固定子鉄心は、磁性粉を圧縮成形して構成されてもよく、また、回転子の位置に応じて、直流を交流に変換する変換器によって駆動することも可能である。
【選択図】図２

Description

本発明はクローポール型モータに関する。

自動車の燃費向上策として、第１にアイドルストップ、第２に回転電機を車両駆動に用いたハイブリッド化等が挙げられ、実用化されている。これらのシステムを使うためには、アイドルストップでは停止時にエンジンは停止してしまうために、新たにポンプの駆動源が必要となる。また、ハイブリッド車では、上記のアイドルストップの他に、駆動用モータ、あるいはスタータジェネレータとその制御装置を冷却するためにウォターポンプが必要であり、その駆動源としてモータを用いた電動ポンプが多用されてくる傾向にある。

その代表的な例として、３相のブラシレスモータを使用したウォターポンプの例が特開２００３−３２８９８６号公報に開示されている。

また、一般の単相モータ構造については、特開２００６−２０４５９号公報，特開2006−１４５７５号公報で開示されている。

一方、単相モータは低価格である反面、原理的に電気角１サイクルに２回のトルク脈動が発生するために、騒音振動が大きい欠点がある。これらの用途に使用されるモータは、車両の客室内，エンジンルーム内に配置されるために、特に低騒音である必要がある。この単相永久磁石モータの代表的な制御の例が特開２００４−８８８７０号公報に開示されている。

また、磁極の位置を検出するホール素子を使うと、この温度制限のため、エンジンルーム内での使用定格が限定される欠点がある。これをなくす単相モータのセンサレス制御方法が、特開平７−６３２３２号公報に開示されている。

特開２００３−３２８９８６号公報 特開２００６−２０４５９号公報 特開２００６−１４５７５号公報 特開２００４−８８８７０号公報 特開平７−６３２３２号公報

特開２００３−３２８９８６号公報に開示されているウォターポンプの駆動モータの構造は、固定子巻線を巻回した積層固定子鉄心の中で永久磁石回転子が回転する形式の３相モータ構成である、モータの軸長は固定子鉄心内に納められる、いわゆるトルク発生に寄与する部分の他に固定子鉄心外のコイルエンドと称される部分が必要であり、軸方向の長さが長くなってしまう課題がある。また、製法においても、薄い鉄板から、固定子の形状に打ち抜き、積層し、その固定子巻線収納部に巻線を巻回するために、１には固定子鉄心素材の捨てる部分が多く、利用率が悪く、低価格化に逆行する点、２には固定子鉄心のコイル収納部に巻回するために十分な占積率（巻線面積／巻線収納面積）が得られず、従って、小型化，高効率化を妨げる点、３には上記のトルク発生に寄与しないコイルエンドがあり、これらによって高効率化，小型軽量化，低価格化を損ねる課題があった。

なお、これらの機器の収納部分であるエンジンルーム内は種々の部品の搭載によって、混雑した空間であり、特に、近年、ハイブリッド化，高機能化等により、搭載部品数が飛躍的に増加しているために、そこに収納される部品は小型軽量化が、他のルームに収納される部品よりも一層求められる傾向にある。

また、一般の単相モータとして開示された特開２００６−２０４５９号公報，特開2006−１４５７５号公報の構成も、構造が固定子突極と、永久磁石極数とが一致する単相モータ構造で、上記と同様の課題を有している。

また、トルク脈動の代表的な制御の開示例である特開２００４−８８８７０号公報による制御法では、簡単な構成で、トルクリップルをある程度低減する効果がある。

しかし、回転数が変わった場合、及び負荷が変わった場合、及び温度が変わった場合等には十分には対応できず、トルクリップルが発生し、振動，騒音を発生せしめる課題がある。

また、特開平７−６３２３２号で開示されている単相モータのセンサレス制御では、単相永久磁石モータの誘起電圧の正負の切り替わり近傍において、通電停止期間を設け、誘起電圧を巻線間に発生させてその正負の判別によって回転子の位置（印加電圧の切り替わり点）を検出している。

そのため、簡単にセンサレス運転ができる反面、基本的に誘起電圧を巻線上に出力させる電流休止期間を設けるために、効率の低下，脈動トルクの増加をきたし、それによって騒音振動の大きいモータとなってしまう課題があった。

クローポール状の固定子鉄心と、トロイダル状に巻回した単相の固定子巻線とからなる固定子と、交互に極性を有する回転子とを備えた単相クローポール型モータであって、前記固定子鉄心爪部の空隙面に凹み部又は突起を設けたことである。

本発明によれば、小型軽量，低価格，低騒音，低振動のクローポール型単相モータを提供することができる。

以下、図１，図２を用いて、本発明対象の一実施形態によるクローポール状の固定子鉄心とトロイダル状に巻回した固定子巻線からなる固定子と、永久磁石を有する回転子とを備えたクローポール型単相モータ構成について説明する。

図において、クローポール型単相モータ１は固定子２と回転子３とから構成される。回転子３は永久磁石６とその磁気回路を構成するとともにシャフト８を介して外部の、例えばポンプ等に動力を伝達する役目を有する回転子鉄心７とで構成される。

一方、固定子２は、固定子鉄心４と固定子巻線５とからなる。ここでは、固定子鉄心４はほぼ同一形状の固定子鉄心４ａ，４ｂ（爪形磁極）の２個から構成され、図示のように、中心にトロイダル状に巻介された固定子巻線５を配置する。固定子巻線５と固定子鉄心４の間は電源電圧が低電圧の場合（一般には自動車では１２Ｖの低圧で使用される）には直接配置し、ハイブリッド車等で電源電圧が高電圧の場合には絶縁物を配置する必要がある。

図示においては、モータ単独の構成について示したが、駆動モータの軸方向端部にインバータなどの制御装置を一体に配置してもよく、この場合には電動ポンプとしてさらにコンパクトな構成とすることができる。またブラシレスモータの駆動としては位置検出器
１２により、回転子３の永久磁石６の漏洩磁束を検出して、固定子巻線５への電流のタイミングを調節することにより起動時間を短くすることも可能である。

なお、固定子鉄心４と固定子巻線５とはハウジング９内に収納され、ハウジング９は軸方向両端のエンドブラケット１０，ベアリング１１によって回転子３を回転可能に支える構成である。

図２に図１で示したクローポール型単相モータの各構成を示す。

（ａ）に固定子の要部を、（ｂ）にその正面断面図を示す。

ここで、磁気回路は、永久磁石６の一つの極より、空隙を介して一つの固定子鉄心４ａの爪部４３を介してサイド側面磁路４２とヨーク部４１を介し、もう一つの固定子鉄心
４ｂのヨーク部４１，サイド側面磁路４２，爪部４３、空隙を介して隣の異なる永久磁石の極に至る磁路を取る。

図で、クローポール型モータを構成する固定子鉄心４ａ，４ｂは軸方向両側から図示のようにトロイダル状に巻回された固定子巻線５を保持する構成とする。ここで、固定子鉄心４の爪部の先端形状は軸方向に平行でもよく、また、図示のように若干傾斜(スキュー)していても良い、スキューさせることにより、固定子巻線５に誘起する電圧をトルクリップルの少ない所望の形状に近づけることができる。

また、固定子鉄心爪部の回転子反回転方向（ここでは時計方向に回転するものとする）側の空隙面に凹み部４４を設ける。これによって効果的なコギングトルクを発生でき、固定子巻線５に流れる電流と永久磁石回転子３の磁束によって作られるトルクの電気角１サイクルに２回のトルクの落ち込みをカバーするように発生でき、これによって、トルク脈動を小さくすることができる。

なお、凹み部４４の形状は図２のように明確な段差だけとは限らず、Ｒ部を設けるかテーパー形状としても良い。

また、このコギングトルク発生の形成方法は凹み部４４のみではなく、圧粉鉄心であるので、治具によって軸方向に突起を出す形状とすることによって、凹み部の替わりにすることができる。この場合、突起は回転子の回転方向の部分に設ける必要がある。

なお、この突起は凹み部４４と同様に明確な段差だけとは限らず、Ｒ部を設けるか、テーパー形状としても良い。

また、この固定子鉄心４ａ，４ｂは数十〜数百ミクロンの磁性粒子から作られる圧粉鉄心であるので、従来の積層鉄心による固定子に対して、圧粉鉄心による固定子は全体が一体となっているために、構造上強固となり、振動しにくいため、低騒音となる特徴があるが、上記の形状とすることにより、トルク脈動を小さくすることができるため、一層の低振動，低騒音化されたモータとすることができる。

前記磁性粒子は外周に絶縁被膜を付ける構成であり、このようにして製作された圧粉鉄心は渦電流が流れにくい。このため、鉄損の少なく、高効率のモータとすることができる。また、直流電源が低圧の場合には、固定子巻線５，固定子鉄心４の絶縁も省略できて低価格のモータとすることができる。

また、トロイダル状の固定子巻線５は製作がし易く、かつ巻回した後の成型が従来積層鉄心のスロットに巻回された固定子巻線に対して成型が容易であるために、固定子巻線５の収納空間にしめる固定子巻線５の占積率を高くとれ、これによって、固定子巻線５の抵抗を下げることができるので高効率のモータとすることができる。さらに、占積率の向上は固定子巻線５，固定子鉄心４間の熱抵抗を下げることができるので、大きな負荷に耐える駆動モータを提供することができる。これを、逆に利用すると駆動モータを小型軽量にすることもできる。

また、固定子鉄心４は磁性粉を圧縮成形して製造されることで、図示のような３次元の複雑な形状を簡単に作ることが可能である。しかも、薄板の鉄板を打ち抜いて作る従来の固定子鉄心に対して必要な素材によって図示の３次元の形状ができるため、材料の歩留まりが高く、安価に作ることが可能である。

また、固定子巻線５はトロイダル状に巻回されているために１回の巻線の長さを短くすることができ、巻線抵抗を小さくすることができるので、モータを高効率にすることができ、また、開示例で示されるようなトルク発生に寄与しないコイルエンド部が無いためにモータを一層、小型軽量にすることができる。

よって、上記クローポール型単相モータは、部品点数が少なく組み立て性，材料利用率、かつ、粉末鉄心によりリサイクル性がよく、高効率，小型軽量，低価格の永久磁石モータを提供できる。

図３に本発明の他のクローポール型単相モータ構造の一実施例を示す。

ここで、図２の構造との違いの第１は、固定子鉄心４の空隙面に凹み部４４を持たない構成にある。このような構成とすることにより固定子鉄心４ａ，４ｂの形状は全く同じとなり、一つの型で固定子鉄心を作ることができる。第２の違いは永久磁石の形状にある。固定子鉄心の上記の形状ではトルク平坦化のための効果的なコギングトルクの発生ができなくなる。このため、永久磁石の形状を図示のように周方向で非対称の形状にする。具体的には回転方向の空隙長を増加させる形状にする。この形状はプラスチック磁石の採用によって簡単に製作できるので、大きな障害にならず、製作することができる。

以上の方法によって、固定子鉄心の製作型が一つで済み、かつ、トルクリップルの少ない単相永久磁石モータを提供できる。

次に、図４は、本発明対象の一実施形態によるクローポール型単相モータの制御構成を示す。図５はその動作説明図を示す。

図４において、単相モータの制御構成は、直流電源Ｅｄｃからクローポール型単相モータ１に交流電力を供給する役目を持つ変換器１３と変換器１３の出力電流を制御する制御回路２４と、クローポール型単相モータ１とから構成される。

ここで、クローポール型単相モータ１の構成は図１と同じである。

回転子３の永久磁石６の軸端には、固定子２に位置検出器１２が配置され、これによって、永久磁石６の位置を検出し、変換器１３を介して、クローポール型単相モータ１に効果的な電流を通電させる役目を持っている。クローポール型単相モータ１の固定子巻線５もしくは変換器１３の中には電流センサ１７をもち、これによって、固定子巻線５に通電する電流を常に監視できる構成である。

制御回路２４ではその構成要素である速度制御手段１５において、位置検出器１２の半周期の周期を角度変換器１４にて測定することから得られる速度情報と、速度指令Ｎｓとから得られる速度誤差に基づいて、必要に応じて比例積分制御を行い、変換器出力手段
１６から変換器１３に出力信号を出力して制御を行う。これによってクローポール型単相モータ１を所望の速度に制御することができる。

以下、クローポール型単相モータ１のトルク発生原理を示す。

図５にその動作原理を示す。一定回転時の動作について説明する。

横軸に電気角での回転子の位置θを示し、０から３６０度の範囲で示す。

（ａ）には位置検出器１２の出力信号で、永久磁石６の漏洩磁束を検出したものである。
（ｂ）にはクローポール型単相モータ１の固定子巻線５に加える印加電圧Ｖｔ(θ)を示す。
（ｃ）には永久磁石６の磁束によって生じる固定子巻線５への誘起電圧Ｅ０(θ)を示す。
（ｄ）には巻線電流ｉｗ(θ)を示し、(ｂ)の電圧Ｖｔ(θ)と(ｃ) の誘起電圧Ｅ０(θ)と固定子巻線５の抵抗ｒ、インダクタンスＬによって以下の式で決まる値である。

（ｅ）には電流を通電していないときに生じる、固定子鉄心４と、永久磁石６間に発生するコギングトルクＴｃ(θ)を示す。
（ｆ）には誘起電圧と巻線電流とによるトルクＴｗ(θ)を示す。（ｃ）の誘起電圧Ｅ０(θ)と（ｄ）の電流ｉｗ(θ)との積で示される出力Ｐ０ｗ(θ)は、永久磁石の磁束と固定子巻線電流によって生じる出力を示すものである。
（ｇ）には駆動モータの全トルクＴ(θ)を示す。

これは誘起電圧と巻線電流とによるトルク分Ｔ０ｗ(θ)とコギングトルクＴｃ(θ)の和となる。

そして、回転子が一定であれば出力と同じ波形となる。

以下、図５に示した単相モータの各部波形より、駆動原理に付いて説明する。

図５に示したクローポール型単相モータ１のコギングトルクは固定子鉄心４の爪部表面の片側のみに設けられた凹み部４４によって、回転位置に対して（ｅ）で示すような形状となる。

次に単相モータの主トルクを構成する誘起電圧と巻線電流によるトルクＴ０ｗ(θ)について説明する。まず、誘起電圧は（ｃ）に示すように一般には矩形状である。

この形状は原理的に固定子鉄心の爪形状で変化するものである。

これに、（ａ）で示すように、誘起電圧に対して、若干進んだ位置に配置されたホール素子による出力信号（永久磁石と離すことにより正弦波状の波形となる）の零クロス点で印加電圧の極性を切り替えることによって固定子巻線５には（ｂ）で示す電圧が印加される。これによって（ｄ）で示す電流が流れ、固定子巻線５の電流と誘起電圧とによるトルクが（ｆ）のように発生する。この出力は単相駆動であるので原理的に誘起電圧が零近辺で３６０度間において２度くぼむ図示のような波形となる。このくぼみにコギングトルクの＋成分を合わせることによって図示のように、全体のトルクはほぼ均一に近いトルクを発生することができる。

３相のモータほどの均一性はないが、それに匹敵するほどの平坦なトルクとすることができる。このトルクの均一さは、誘起電圧に対する印加電圧の進み角量，印加電圧の波形、例えば立ち上がり時に、なだらかに上昇させ、立ち下がりの時にも徐々に変化させることによって緩和できる。さらに、コギングトルクの波形と誘起電圧と巻線電流とによるトルクとの整合性とがあり、コギングトルクを、固定子鉄心４表面のくぼみの位置に最適に配置することで、出力トルクが回転子の角度θに対して平らにすることができる。

上記の出力トルクに対して、固定子鉄心４の爪形状，スキューの量，凹み部形状を最適化することで、前述のコギングトルクと固定子巻線電流と永久磁石磁束によるトルクとを平坦化せしめ、低騒音，低振動の単相モータとすることができる。

以上、クローポール型単相モータに上記の制御を行うことによって、小型軽量，高効率，低価格，低騒音の単相永久磁石モータ及びそれを備えた電動ポンプ，電動ファンを提供できる。

次に本発明のクローポール型単相モータの脈動トルク低減制御の一実施例について説明する。図４にその実施例を示す。

図４において、本発明のクローポール型単相モータの脈動トルク低減の制御回路２４は前述の位置検出器１２，角度変換器１４，電流センサ１７の情報と、予め蓄えられたコギングトルク情報１８と誘起電圧情報１９とからクローポール型単相モータ１へ電力を供給する変換器１３の制御を行う。

角度変換器１４は、位置検出器１２の情報を基に回転子３の電気角度θを推定する演算器であり、位置検出器１２の出力信号の正負の切り替えの周期で回転子３の平均速度を計算すると共に、制御周期における時間経過によって回転子の角度を計算推定することができる。また、位置検出器１２の正負の情報によって変換器１３の通電の正負を決定するものである。

脈動トルク算出手段２０において、電流センサ１７の出力，角度変換器１４の出力と、コギングトルク情報１８と、誘起電圧情報１９とから平均出力トルクと脈動トルクとを算出する。

以下、その脈動トルクの算定方法について詳述する。

まず、永久磁石の磁束による誘起電圧情報Ｅ０(θ)と固定子巻線に流れる電流Ｉ(θ)とによる電磁気的なトルクＴｗ(θ)は以下の式によって得られる。

ここで、ωは回転角速度の情報を、
Ｅ０(θ)は各速度ωにおける角度θに対する誘起電圧情報（予め誘起電圧情 報１９内に格納しておく）を示し、
Ｉ(θ)は電流センサにより得られた電流情報を示す。
ωは回転角速度の情報を示す。

従って、単相永久磁石モータが発生する全体のトルクＴｔ(θ)は

ここで、Ｔｃｏｇ(θ)は回転角に対するコギングトルク
（予めコギングトルク情報１８内に格納しておく）を示す。

一方、平均トルクＴａｖ(θ)は全体のトルクＴｔ(θ)の電気角１サイクル（必要によっては半サイクルでも可能）分の平均を取って、以下の式で算出できる。

従って、脈動トルク分Ｔａｃ(θ)は次式で表示できる。

図４において、前述と同様、クローポール型単相モータ１は速度制御手段１５によって一般には速度指令Ｎｓになるように制御される。前述のように位置検出器１２の電気角１サイクルの周期から演算された速度フィードバック情報に基づいて必要に応じて、比例積分制御等を用いて制御を行うものとする。一方、脈動トルク算出手段２０によって算出された脈動トルク情報によって、位置検出器１２の１サイクルの中を細かく分割して補正信号を作り、それによって補正制御を行うことで単相永久磁石モータの出力トルクを平坦にすることが可能である。

図５は本発明の上記の制御の動作説明図を示したものである。

（ａ）に位置検出器１２の出力信号を示す。（ｃ）で示す誘起電圧に対して進ませておくことも可能である。この信号の半サイクルもしくは１サイクルの信号の周期より永久磁石回転子の速度情報が算出できる。
（ｂ）はモータの端子電圧である。基本的には位置検出器の負から正へのゼロクロス点で正の電圧信号を印加する。電圧の高さはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）等によって調節される。零クロス点から一定時間遅らせることによって、（ｃ）で示す誘起電圧に対して進ませることも、あるいは遅らせることも可能である。
（ｃ）は回転電気角に対する誘起電圧情報である。一般にはこの誘起電圧を回転速度でわり算した誘起電圧常数で格納され、回転速度を乗算することによって誘起電圧に変換することができる。
（ｄ）は電流情報であり、電流センサ１７より取り込まれる情報である。予め、測定してメモリに格納する。
（ｅ）は回転電気角に対するコギングトルク情報を示す。予め、測定してメモリに格納する。
（ｆ）は永久磁石による磁束（誘起電圧）と固定子巻線に流れる電流との電磁気的なトルクＴｗ(θ)で（２）式によって求められる。
（ｇ）は全体トルクを示し、上述のトルクＴｗ(θ)とコギングトルクの和で（３）式で示されるトルクである。
（ｈ）は脈動トルクを示すもので（４），（５）式によって算出されるものである。

変換器出力手段１６によって速度制御手段１５の出力と、脈動トルク算出手段２０からの出力を合成して変換器１３を制御する信号をつくる。以上の制御によって、トルクリップルの少ない単相永久磁石モータ制御装置を提供することができる。

上記の制御はファン，ポンプの制御であり、制御の応答周波数は数ヘルツ以下と非常にゆっくりしたものであるために、制御は安定的に行われる。

また、速度制御の周期は電気的に１サイクル毎、脈動トルクの補正はその整数倍毎に行うことも可能である。また、必要に応じて速度指令Ｎｓ信号を大きく変える過渡時にはその制御を停止させることも可能である。

単相永久磁石モータは３相モータに対して、図１で示したように、一般の３相モータに比較して巻線が１組で、ホール素子が１個（３相では３個要）で済み、かつ変換回路もＨブリッジで済むために構成素子数も４個となり、価格メリットが大きい、一方、前記のような制御によって、運転トルクを平坦化でき、３相モータに対して遜色のない低騒音，低振動の永久磁石モータ制御装置を提供することができる。

以上の構成で、コギングトルク情報１８，誘起電圧情報１９はそれぞれ空隙磁束密度の２乗に、あるいは比例する情報であり、空隙磁束密度は温度に比例する情報であるために
例えば、単相永久磁石モータ制御装置内に温度センサを設け、それによってコギングトルク情報１８，誘起電圧情報１９を補正すれば、更に精度の良い制御を行うことができる。

また、速度制御を電気角の半周期毎に制御し、その周期内を複数分割して脈動トルク補正制御をすることによって高精度の制御が可能となる。

また、脈動トルク補正制御は各常数の精度，温度依存性等を考えると、積分制御による偏差零の制御よりは偏差は残るが、比例制御のみの方が、安定な制御が達成できる場合も選択できる。

なお、このクローポール型単相永久磁石モータを電動ファン、及び電動ポンプに採用し、備えることによって、簡単な構成で、低騒音，低振動の電動ファン，電動ポンプとすることができる。

次に、図６で、本発明対象のクローポール型単相モータの位置センサレス駆動の回路構成を示す。図４と同一番号は同一機能を示す。

本発明は制御回路２５として、電流センサ１７の情報と、予め蓄えられた固定子巻線５の巻線抵抗情報２１と巻線インダクタンス情報２２とからクローポール型単相モータ１の誘起電圧を算出する誘起電圧演算手段２３と、速度制御手段１５と、前者の信号を合成する変換器出力手段１６とを有することが特徴である。本発明は、上記の誘起電圧演算手段２３によって得られた誘起電圧情報に基づいて回転子３の位置を決定し、印加電圧のタイミングを決定するものである。それによって、連続的な通電が可能であり、トルク脈動の少ない単相センサレス運転を可能にする。これに従って、磁極位置検出器を不要とし、センサレス運転することができる。

以下、本発明の動作を図４により説明する。

図５（ｂ）はモータの端子電圧Ｅｔ(θ)を示したもので、ここで、端子電圧の大きさはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）等によって調節される。また、正負の半サイクル間のＰＷＭは一般には一定とする。なお、零クロス点から一定時間遅らせることによって、図５（ｃ）で示す誘起電圧に対して進ませることも、あるいは遅らせることも可能である。

図５（ｃ）は回転電気角に対する誘起電圧を示す。

誘起電圧は前述の固定子鉄心の空隙面上の形状によって左右非対象の波形をしているのが特徴である。ここで、誘起電圧Ｅ０(θ)は、誘起電圧演算手段２３によって、端子電圧Ｅｔ(θ)，電流センサｉ(θ)，巻線の抵抗ｒ，巻線のインダクタンスＬの情報を使って、以下の式から、算出することができる。

ここで、Ｅｔ(θ)は端子電圧である。
ｒは巻線の抵抗を示す。
Ｌは巻線のインダクタンスを示す。
ｉ(θ)は電流センサによって測定された電流値である。

本発明で、前述のように、図６において，クローポール型単相モータ１は速度制御手段１５によって一般には速度指令Ｎｓになるように制御される。速度制御するためには単相永久磁石モータの速度情報が必要となるが、前述のように誘起電圧演算手段２３によって得られた誘起電圧情報からその電気角１サイクルの周期から演算された速度フィードバック情報を利用し、必要に応じて、速度誤差に応じて比例積分制御等を用いて一定速度制御を行うものとする。以上の制御によって、モータはＮｓなる速度に制御することができる。

また、本発明では、誘起電圧演算手段２３の中で（６）式により得られた誘起電圧情報から、端子電圧Ｅｔ(θ)の正負の切り替えを行う。一例として、誘起電圧が正の最高の部分から下がって一定値一以下になったところで、正から負へ端子電圧を切り替える。このように制御されたものが図５（ｂ）で示した端子電圧である。

ここでは、次の切り替え点まで、電圧は一定に制御されるものとするが、必要に応じて切り替えの近辺で立ち上がり部，立ち下がり部などの電圧変化を付けることも可能である。

このような制御によって、電流を連続的にセンサレスで制御することができる。

なお、上述では一定回転数の状態のみを示したが、起動時には、回転子の慣性を小さくすることにより、電気角半サイクルの加速で、誘起電圧を計算することができ、センサレス運転に入ることが可能である。

これによって、従来例で示した、磁極の位置を検出するホール素子を使うことによる、エンジンルーム内での使用定格が限定や、通電停止期間を設けるセンサレス方式を使う必要が無く、高効率，低振動，低騒音のモータを提供できる。

このように、本発明では、直流電源と、直流を交流に変換する変換器と、この変換器を制御する制御装置と、それによって駆動する単相永久磁石モータ制御装置において、モータ電流測定手段と、端子電圧測定手段と、モータ定数のインピーダンス降下を補正する手段とを有し、その制御によって、誘起電圧を求める手段とをそなえ、求められた誘起電圧の値によって、端子電圧の方向を決定することを特徴とした単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置にすることによって、３相モータに対して、図１で示したように一般の３相モータに比較して巻線が１組で、ホール素子が１個（３相では３個要）で済み、かつ変換回路もＨブリッジで済むために構成素子数も４個となり、価格メリットが大きい、一方、前記のような制御によって、運転トルクを平坦化でき、３相モータに対して遜色のない低騒音，低振動の永久磁石モータ制御装置を提供することができる。

なお、この単相永久磁石モータ制御装置を電動ファン、及び電動ポンプに採用し、備えることによって、簡単な構成で、低価格，小型軽量，低騒音，低振動の電動ファン，電動ポンプ（例えば車両の客室内に配備されるような場合には低騒音で、低価格が大きな武器となる）を提供することが可能である。

以上は、制御回路として、マイクロコンピュータを用いたシステムを念頭に説明したが、アンプ，抵抗，コンデンサ等により、ディスクリートの回路で構成しても誘起電圧演算手段２３を含む制御回路２５の単相位置センサレス永久磁石モータ制御装置を実現できる。この場合には、より安価な構成で実現できる。

なお、起動時には誘起電圧の情報が無く、電圧の通電方法が不明であるが、固定子巻線に電流を通電する機構を有し、これによって、回転子が正のトルクを出せる電流方向を判別する極性判別を追加することで安定な起動を可能にすることもできる。

本発明のクローポール型単相モータの一実施例を示す。 本発明のクローポール型単相モータの一実施例の構造を示す。 本発明の他のクローポール型単相モータの一実施例の構造を示す。 本発明のクローポール型単相モータの脈動トルク補正回路構成を示す。 本発明の一実施例の動作説明図を示す。 本発明のクローポール型単相モータの位置センサレス回路構成を示す。

符号の説明

１…クローポール型単相モータ、２…固定子、３…回転子、４，４ａ，４ｂ…固定子鉄心、５…固定子巻線、６…永久磁石、７…回転子鉄心、８…シャフト、８ａ…すべり軸受、９…ハウジング、１０…エンドブラケット、１１…ベアリング、１２…位置検出器、
１３…変換器、１４…角度変換部，１５…速度制御手段、１６…変換器出力手段、１７…電流センサ、１８…コギングトルク情報、１９…誘起電圧情報、２０…脈動トルク算出手段、２１…巻線抵抗情報、２２…巻線インダクタンス情報、２３…誘起電圧演算手段、
２４，２５…制御回路、４１…固定子鉄心のヨーク部、４２…固定子鉄心のサイド側面磁路、４３…固定子鉄心の爪部、４４…固定子鉄心の凹み部、４５…固定子鉄心の周方向端部、Ｅｄｃ…直流電源。

Claims (12)

1. クローポール状の固定子鉄心と、トロイダル状に巻回した単相の固定子巻線とからなる固定子と、交互に極性を有する回転子とを備えた単相クローポール型モータであって、
   前記固定子鉄心爪部の空隙面に凹み部を設けたことを特徴としたクローポール型単相モータ。
2. 請求項１において、
   前記凹み部は、前記固定子鉄心爪部の回転子反回転方向側にあることを特徴としたクローポール型単相モータ。
3. 請求項１において、
   前記固定子鉄心爪部の端部スキューしていることを特徴としたクローポール型単相モータ。
4. 請求項１において、
   前記回転子の位置に応じて、直流を交流に変換する変換器によって駆動されることを特徴としたクローポール型単相モータ。
5. 請求項１記載のクローポール型単相モータと、直流電源より前記単相永久磁石モータに交流電流を供給する変換器とを備えたクローポール型単相モータシステムであって、
   前記単相クローポール型モータのコギングトルクと、誘起電圧の波形情報と、モータ電流の情報とから、前記クローポール型単相モータの脈動トルクを低減するように前記変換器を制御する制御回路とを備えたことを特徴とするクローポール型単相モータシステム。
6. 請求項１記載のクローポール型単相モータと、直流電源より前記単相永久磁石モータに交流電流を供給する変換器と前記変換器を制御する制御装置を備えたクローポール型単相モータシステムであって、
   前記制御装置は、モータ電流測定手段で検出したモータ電流情報と、モータ定数情報とから誘起電圧を求める手段を備え、求められた誘起電圧の値によって、端子電圧の値を決定することを特徴としたクローポール型単相モータシステム。
7. 請求項１記載のクローポール型単相モータを備えた電動ポンプ，電動ファン、及び車両。
8. 請求項１において、
   前記固定子鉄心は、磁性粉を圧縮成形して構成させることを特徴とした単相クローポール型モータ。
9. クローポール状の固定子鉄心と、トロイダル状に巻回した単相の固定子巻線とからなる固定子と、交互に極性を有する回転子とを備えた単相クローポール型モータであって、
   前記固定子鉄心爪部の空隙面に突起を設けたことを特徴としたクローポール型単相モータ。
10. 請求項９において、
    前記突起は、前記固定子鉄心爪部の回転子回転方向側にあることを特徴としたクローポール型単相モータ。
11. クローポール状の固定子鉄心と、トロイダル状に巻回した単相の固定子巻線とからなる固定子と、交互に極性を有する回転子とを備えた単相クローポール型モータであって、
    前記回転子に備えられた永久磁石の周方向の形状を非対称にしたことを特徴とするクローポール型単相モータ。
12. クローポール状の固定子鉄心と、トロイダル状に巻回した単相の固定子巻線とからなる固定子と、交互に極性を有する回転子とを備えた単相クローポール型モータであって、
    前記固定子鉄心は、磁性粉を圧縮成形して構成され、前記回転子の位置に応じて、直流を交流に変換する変換器によって駆動されることを特徴としたクローポール型単相モータ。
    

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