JP2013258813A - ブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁束密度が低い磁石を使用した場合であっても高トルクを得ることが可能なブラシレスモータ等を提供する。
【解決手段】ブラシレスモータ100は、3相以上の励磁コイルを有するステータ120と、ステータ120の内側に回転自在に配置されたロータ140と、励磁コイルに流れる励磁電流を制御することでロータ140を回転制御する回転制御部160と、ロータ140の各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する回転検出部150と、を備えている。そして、回転制御部150は、全ての励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、ロータ140の各磁極の周方向中心と励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える。
【選択図】図1
【解決手段】ブラシレスモータ100は、3相以上の励磁コイルを有するステータ120と、ステータ120の内側に回転自在に配置されたロータ140と、励磁コイルに流れる励磁電流を制御することでロータ140を回転制御する回転制御部160と、ロータ140の各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する回転検出部150と、を備えている。そして、回転制御部150は、全ての励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、ロータ140の各磁極の周方向中心と励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える。
【選択図】図1
Description
本発明は、ブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法に関する。
高寿命が要求される場面では、機械摩擦の少ないブラシレスモータが使用される。特許文献1には、3相の励磁コイルを備え、3相のうちの2相のコイルを順に励磁してロータを回転させるブラシレスモータが開示されている。
ブラシレスモータのロータには永久磁石が使用される。磁束密度の低い永久磁石は安価である。そのため、磁束密度の低い永久磁石を使用したモータは安価に製造できる。しかし、磁束密度の低い永久磁石を使用したモータは、ロータと励磁コイルとの間の磁力が弱くなるため、高トルクが期待できない。一方、磁束密度が高い永久磁石を使用したモータは、高トルクが期待できる。しかし、磁束密度が高い永久磁石は高価であり、モータの製造コストが高くなる。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、磁束密度が低い磁石を使用した場合であっても高トルクを得ることが可能なブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点にかかるブラシレスモータは、
3相以上の励磁コイルを有するステータと、
N極とS極が周方向に等間隔に配置され、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、
前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御することで前記ロータを回転制御する回転制御部と、
前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する回転検出部と、を備え、
前記回転制御部は、
全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、
前記回転検出部が前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
ことを特徴とする。
3相以上の励磁コイルを有するステータと、
N極とS極が周方向に等間隔に配置され、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、
前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御することで前記ロータを回転制御する回転制御部と、
前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する回転検出部と、を備え、
前記回転制御部は、
全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、
前記回転検出部が前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
ことを特徴とする。
前記回転検出部は、
前記励磁コイルの設置間隔もしくは前記励磁コイルの各相の間隔に対応した角度間隔で配置された発光体と、
前記発光体それぞれに対向して配置され、前記発光体から発せられた光を検出する受光体と、
前記ロータとともに回転し、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を交互に繰り返す遮光体と、を備え、
前記受光体の光の受光状態に基づき各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出してもよい。
前記励磁コイルの設置間隔もしくは前記励磁コイルの各相の間隔に対応した角度間隔で配置された発光体と、
前記発光体それぞれに対向して配置され、前記発光体から発せられた光を検出する受光体と、
前記ロータとともに回転し、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を交互に繰り返す遮光体と、を備え、
前記受光体の光の受光状態に基づき各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出してもよい。
前記発光体と前記受光体は、各相の前記励磁コイルの周方向中心位置に対応した位置に配置され、
前記遮光体は、前記ロータとともに回転する半円形状もしくは扇形状の板状体を備え、半円形の直線部もしくは扇形の各辺が前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線と一致するよう配置され、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記直線部もしくは前記各辺が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替えてもよい。
前記遮光体は、前記ロータとともに回転する半円形状もしくは扇形状の板状体を備え、半円形の直線部もしくは扇形の各辺が前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線と一致するよう配置され、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記直線部もしくは前記各辺が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替えてもよい。
前記発光体と前記受光体は、各相の前記励磁コイルの周方向中心位置に対応した位置に配置され、
前記遮光体は、前記ロータとともに回転する円盤状の板状体であり、前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線上に両端部を有する円弧状の通光トラックを有し、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記両端部が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替えてもよい。
前記遮光体は、前記ロータとともに回転する円盤状の板状体であり、前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線上に両端部を有する円弧状の通光トラックを有し、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記両端部が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替えてもよい。
前記受光体は、各相の前記励磁コイルそれぞれに対応しており、他相の前記受光体とは独立して、所定相の前記励磁コイルの周方向中心と前記ロータの各磁極の周方向中心とが対向したタイミングを検出して検出信号を出力し、
前記回転制御部は、前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御する複数組のスイッチング素子から構成され、
各組の前記スイッチング素子は、それぞれ1つの相の前記受光体からの前記検出信号に基づいて1つの相の励磁コイルを制御してもよい。
前記回転制御部は、前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御する複数組のスイッチング素子から構成され、
各組の前記スイッチング素子は、それぞれ1つの相の前記受光体からの前記検出信号に基づいて1つの相の励磁コイルを制御してもよい。
前記ブラシレスモータは、前記ロータの周囲に前記励磁コイルが配置されたインナーロータ型モータであり、
前記ロータは、N極とS極の2つの極性を有する円柱形状の永久磁石から構成され、
前記回転検出部は、N極側の周方向中心およびS極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向した時点を検出し、
前記回転制御部は、N極側の周方向中心およびS極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向したタイミングで、対向した前記励磁コイルの極性を反対の極性に切り替えてもよい。
前記ロータは、N極とS極の2つの極性を有する円柱形状の永久磁石から構成され、
前記回転検出部は、N極側の周方向中心およびS極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向した時点を検出し、
前記回転制御部は、N極側の周方向中心およびS極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向したタイミングで、対向した前記励磁コイルの極性を反対の極性に切り替えてもよい。
上記目的を達成するため、本発明の第2の観点にかかるブラシレスモータの制御方法は、
3相以上の励磁コイルを有するステータと、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、を備えるブラシレスモータの制御方法であって、
全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出し、前記ロータの周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
ことを特徴とする。
3相以上の励磁コイルを有するステータと、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、を備えるブラシレスモータの制御方法であって、
全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出し、前記ロータの周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
ことを特徴とする。
本発明によれば、磁束密度が低い磁石を使用した場合であっても高トルクを得ることが可能なブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法を提供できる。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係るモータ100は、永久磁石ロータの周囲に複数の励磁コイルが等間隔に配置されたインナーロータ型のブラシレスモータである。モータ100は、図1に示すように、ハウジング110と、ステータ120と、シャフト130と、ロータ140と、回転検出部150と、回転制御部160とから構成される。
ハウジング110は、円筒形の筐体から構成される。ハウジング110の内部には、ステータ120と、シャフト130と、ロータ140とが格納されている。
ステータ120は、ロータ140に回転力を加える固定子である。ステータ120は、図2に示すように、ハウジング110の内周面に周方向に沿って等間隔に固定された6つの励磁コイル121U、U’、V、V’、W、W’から構成される。なお、以下の説明では、理解を容易にするため、励磁コイル121UとU’を「U相の励磁コイル」、励磁コイル121VとV’を「V相の励磁コイル」、励磁コイル121WとW’を「W相の励磁コイル」とよぶ。また、励磁コイル121U、V、Wを「一次コイル」、励磁コイル121U’、V’、W’を「二次コイル」とよぶ。
各相の一次コイルと二次コイルは、それぞれロータ140をはさんで対向した状態で設置されている。また、各相の一次コイルと二次コイルは、図3に示すように、それぞれ反対の極性に磁化されるよう、1つの導線でコイルが形成されている。例えば、一次コイルから二次コイルに向かって電流が流れたときに、一次コイルがN極に、二次コイルがS極に磁化し、二次コイルから一次コイルに向かって電流が流れたときに、一次コイルがS極に、二次コイルがN極に磁化するようコイルが形成されている。なお、以下の説明では、U相の励磁コイルを形成する導線を「コイル線122U」、V相の励磁コイルを形成する導線を「コイル線122V」、W相の励磁コイルを形成する導線を「コイル線122W」と呼ぶ。コイル線122U、V、Wは、それぞれ回転制御部160に接続されている。
シャフト130は、図1に示すように、ハウジング110の両底面を貫通するよう配置された回転軸である。シャフト130は、不図示の軸受により回転自在に構成されている。シャフト130の周囲には、図2に示すように、ロータ140が配置されている。
ロータ140は、シャフト130に回転力を加える回転子である。ロータ140は、例えば、フェライト磁石等の永久磁石から構成される。ロータ140は、円柱形状をしており、N極とS極がそれぞれ周方向の半分を占めている。
回転検出部150は、ステータ120に対するロータ140の相対的な回転位置を検出するための装置である。回転検出部150は、図4に示すように、ハウジング110の一方の底面に設置されている。回転検出部150は不図示の電力供給線で直流電源装置200と接続されており、直流電源装置200から供給された電力を使って、各磁極の周方向中心と各励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する。なお、「各磁極の周方向中心と各励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミング」には、各磁極の周方向中心と各励磁コイルの周方向中心とが完全に一致したタイミングのみならず、そのタイミングから励磁コイルが磁極の切替に要する時間分早いタイミングも含まれる。回転検出部150は、筐体151と、遮光体152と、発光体153と、受光体154とから構成される。
筐体151は、内部に遮光体152と、発光体153と、受光体154とを格納した有底円筒形の円筒体である。筐体151は、円筒体の軸心がシャフト130の軸心と一致するように、一方の底面をハウジング110の底面に固定した状態で設置されている。シャフト130の一端は、筐体151の一方の底面を貫いて筐体151の内部に浸入している。浸入したシャフト130の周面には、遮光体152が固定されている。なお、以下の説明では、筐体151の一方の底面(内面側)を内面A、他方の底面(内面側)を内面Bとよぶ。
遮光体152は、ロータ140の周方向中心と各相の励磁コイル121の周方向中心とが対向したタイミングに同期して、発光体153から受光体154へ向かう光の遮光と通光を交互に繰りかえす遮光板である。遮光体152は、シャフト130に固定された、例えば図5に示すような、半円形状の板である。遮光体152は、発光体153と受光体154の間に、平面がシャフト130の軸心と直角をなすよう配置されている。また、遮光体152は、直線部分がロータ140の軸心と各磁極の周方向中心を結ぶ線と一致するようシャフト130に固定されている。
発光体153は、LED(Light Emitting Diode)等の発光体である。発光体153は、各相の励磁コイル121に割り当てられた3つの発光体から構成される(以下、3つの発光体をそれぞれ発光体153U、V、Wと呼ぶ)。発光体153U、V、Wは、励磁コイル121の設置間隔に対応した角度間隔(ステータ120が6つの励磁コイル121から構成されるのであれば60°間隔)もしくは、励磁コイル121の各相の間隔に対応した間隔(ステータ120がU、V、W、3相から構成されるのであれば120°間隔)で配置されている。例えば、発光体153U、V、Wは、図6(A)に示すように、各相の励磁コイル121(例えば、一次コイル)の周方向中心に対応した位置(以下、「周方向中心位置」という。)に配置されている。より具体的には、発光体153Uは内面Aの励磁コイル121Uの周方向中心位置に、発光体153Vは内面Aの励磁コイル121Vの周方向中心位置に、発光体153Wは内面Aの励磁コイル121Wの周方向中心位置に固定されている。
受光体154は、フォトダイオードやCdSセル等の受光体である。受光体154は、各相の励磁コイル121に割り当てられた3つの受光体から構成される(以下、3つの受光体をそれぞれ受光体154U、V、Wと呼ぶ)。受光体154U、V、Wは、それぞれ発光体153U、V、Wと対向する位置、すなわち、図6(B)に示すように、一次コイルの周方向中心位置に配置されている。より具体的には、受光体154Uは内面Bの励磁コイル121Uの周方向中心位置に、受光体154Vは内面Bの励磁コイル121Vの周方向中心位置に、受光体154Wは内面Bの励磁コイル121Wの周方向中心位置に固定されている。なお、発光体153と受光体154の設置位置は反対であってもよい。例えば、発光体153を底面Bに設置し、受光体154を底面Aに設置してもよい。
受光体154U、V、Wは、図7に示すように、それぞれ、6つの信号線155U、U’、V、V’、W、W’で回転制御部160と接続されている。より具体的には、受光体154Uは信号線155UとU’で、受光体154Vは信号線155VとV’で、受光体154Wは信号線155WとW’で、それぞれ回転制御部160と接続されている。信号線155U’、V’、W’は、信号線155U、V、Wが出力する信号とは反対の信号を出力するよう構成されている。例えば、信号線155UにON信号(例えば、1V電圧信号)が出力された場合、信号線155U’にはOFF信号(例えば、0V電圧信号)が出力され、信号線155UにOFF信号が出力された場合、信号線155U’にはON信号が出力される。なお、以下の説明では、理解を容易にするため、信号線155U、V、Wを「正信号線」、信号線155U’、V’、W’を「負信号線」と呼ぶ。
受光体154U、V、Wは、受光した光量が所定閾値以上になると、それぞれ、正信号線にON信号を、負信号線にOFF信号を出力する。また、受光体154U、V、Wは、受光した光量が所定閾値以下になると、それぞれ、正信号線にOFF信号を、負信号線にON信号を出力する。なお、受光体154は、例えば図8に示す(a)のように、遮光体152が受光体154の所定量(例えば、半分)を覆うと、信号がONからOFFに、もしくはOFFからONに切り替わるよう閾値が調整されている。なお、閾値はコイルの磁極の切替の遅れを考慮して調整されていてもよい。また、各相の受光体154はそれぞれ独立して動作する。そのため、例えば、他相の受光体154や発光体153が故障して動作しなくなっても、回転制御部160に対して信号を出力し続ける。
受光体154は、遮光体152が受光体154の所定量(例えば、半分)を覆うと信号が切り替わるよう閾値が調整されている。そのため、受光体154から出力される信号(以下、「検出信号」という。)は、遮光体152の直線部が発光体153と受光体154の間を通過したタイミングで、すなわち、各磁極の周方向中心と各相の励磁コイル121の周方向中心とが対向したタイミングで、例えば図9に示すように、ONからOFFに、もしくはOFFからONに切り替わる。
回転制御部160は、励磁コイル121に流れる励磁電流を制御することでロータ140を回転制御する回転制御回路である。回転制御部160は、図10に示すように、可変抵抗161と、制御回路162とから構成される。
可変抵抗161は、ロータ140の回転速度を調整するための抵抗である。可変抵抗161の一端は直流電源装置200のプラス極(正極)に、他端は制御回路162に接続されている。可変抵抗161は、ユーザの操作によって、或いは他の装置からの指示によって抵抗値を変化させ、直流電源装置200から励磁コイル121に供給される電圧値を変化させ、ロータ140の回転速度を調整する。
制御回路162は、励磁コイル121に流れる励磁電流を制御するための回路である。制御回路162は、図11に示すように、U、V、W、各相に対応した3つの制御回路から構成される。3つの制御回路は、それぞれ、4つのスイッチング素子163から構成される。より具体的には、U相の制御回路はスイッチング素子163U1、U2,U’1、U’2から構成され、V相の制御回路はスイッチング素子163V1、V2,V’1、V’2から構成され、W相の制御回路はスイッチング素子163W1、W2,W’1、W’2から構成される。
スイッチング素子163は、例えば、NチャネルMOSFET等の半導体スイッチから構成される。スイッチング素子163U1、V1、W1のドレイン端子は、可変抵抗161を介して直流電源装置200の正極と接続されている。また、ソース端子は、スイッチング素子163U’1、V’1、W’1のドレイン端子、および、コイル線122の一次コイル側に接続されている。また、ゲート端子は、それぞれ、正信号線(信号線155U、V、W)と接続されている。
また、スイッチング素子163U’1、V’1、W’1のドレイン端子は、スイッチング素子163U1、V1、W1のソース端子、および、コイル線122の一次コイル側に接続されている。また、ソース端子は、可変抵抗161を介して直流電源装置200の正極と接続されている。また、ゲート端子は、それぞれ、正信号線と接続されている。
また、スイッチング素子163U2、V2、W2のドレイン端子は、可変抵抗161を介して直流電源装置200の正極と接続されている。また、ソース端子は、スイッチング素子163U’2、V’2、W’2のドレイン端子、および、コイル線122の二次コイル側に接続されている。また、ゲート端子は、それぞれ、負信号線(信号線155U’、V’、W’)と接続されている。
また、スイッチング素子163U’2、V’2、W’2のドレイン端子は、スイッチング素子163U2、V2、W2のソース端子、および、コイル線122の二次コイル側に接続されている。また、ソース端子は、可変抵抗161を介して直流電源装置200の正極と接続されている。また、ゲート端子は、それぞれ、負信号線と接続されている。
各相のスイッチング素子163は、回転制御中、常にいずれか一方向に励磁電流を流すよう組み合わされている。例えば、U相を例にとると、受光体154Uが受光した場合には、図12(A)に示すように、スイッチング素子163U1とU2がON、スイッチング素子163U’1とU’2がOFFされることにより、制御回路は一次コイル側から二次コイル側に励磁電流を流す。また、光が遮断された場合には、図12(B)に示すように、スイッチング素子163U1とU2がOFF、制御回路はスイッチング素子163U’1とU’2がONにされることにより、一次コイルから二次コイルに励磁電流を流す(つまり、受光体154が受光した相の一次コイルはN極に、遮光された相の一次コイルはS極に磁化される)。なお、制御回路162の回路構成は上記に限定されず、さまざまな変形が可能である。
前述したように、各相の受光体154は、それぞれ他相の受光体154とは独立して検出信号を出力する。また、各相の制御回路は他相の制御回路とは独立して動作する。そのため、スイッチング素子の破壊等により動作できない制御回路があっても、他相の制御回路はそのまま動作をし続ける。
次に、このような構成を有するモータ100の動作を説明する。
直流電源装置200に電源を投入すると、直流電源装置200はモータ100に電力の供給を開始する。電力の供給を受けて、発光体153U、V、Wは発光を開始する。
遮光体152は半円形状の板状体である。そのため、遮光体152の直線部を境に、遮光体152側に位置する受光体154は遮光され、反対に位置する受光体154は受光する。遮光された受光体154は、正信号線にOFF信号を、負信号線にON信号を出力する。一方、受光した受光体154は、正信号線にON信号を、負信号線にOFF信号を出力する。
スイッチング素子163は、受光体154から検出信号(ON信号、OFF信号)を受け取ると、受け取った検出信号に基づいて、各スイッチング素子をONまたはOFFにする。前述したように、各相の一次コイルと二次コイルは反対の極性に磁化されるよう構成されている。また、受光体154が受光した相の一次コイルはN極に、遮光された相の一次コイルはS極に磁化されるよう構成されている。そのため、励磁コイル121は、遮光体152の直線部分を境に、図13に示すように、遮光体152側にある励磁コイル121はS極に、遮光体152の反対側にある励磁コイル121はN極に磁化される。
励磁コイル121が磁化されると、ロータ140は回転を開始する。ロータ140が回転を開始すると、シャフト130に固定された遮光体152も、図14(A)に示すように、一緒に回転を開始する。
遮光体152は、ロータ140の周方向中心と軸心を結ぶ線に直線部が位置するよう配置されている。そのため、遮光体152は、図14(B)に示すように、ロータ140の周方向中心と励磁コイル121の周方向中心とが対向したタイミングで、発光体153から受光体154に向かう光を遮断する。そうすると、受光体154は、正信号線の検出信号をONからOFFに、負信号線の検出信号をOFFからONに切り替える。また、遮光体152は、図14(C)に示すように、ロータ140の周方向中心と励磁コイル121の周方向中心とが対向したタイミングで、発光体153から受光体154に向かう光を通過させる。そうすると、受光体154は正信号線の検出信号をOFFからONに、負信号線の検出信号をONからOFFに切り替える。
検出信号が切り替わると、制御回路は、該当のスイッチング素子を反転させる。そうすると、励磁コイル121に流れる励磁電流の向きが反転し、励磁コイル121の極性は図14(B)や図14(C)に示すように反転する。回転制御部160は、これらの動作を繰り返すことによって、励磁コイル121の極性を、ロータ140の周方向中心が通過するたびに、反対の極性に切り替える。
本実施の形態によれば、低い磁束密度の永久磁石を使用した場合であっても、モータ100は大きなトルクを発生させることができる。例えば、従来のブラシレスモータは、図15(A)に示すように、3相のうちの2相を順に励磁してロータを回転させる。この場合、励磁電流が全く流れない励磁コイルが常に1相存在することになり、本来、得られるはずのトルクより低いトルクしか得られない。しかしながら、本実施の形態のブラシレスモータ100は、図15(B)に示すように、全ての相の励磁コイル121を励磁するよう構成されている(以下、この制御方式を「全相励磁方式」という)。そのため、モータ100は全ての励磁コイル121の磁力を使用することができ、その結果、モータ100は低い磁束密度の永久磁石を使用した場合であっても大きなトルクを発生させることができる。
また、全相励磁方式を使用した場合、極性が切り替わるタイミングが悪いとモータのトルクは逆に低下する。例えば、ロータ140の周方向中心と励磁コイル121の周方向中心とが対向する前に励磁コイル121の極性が切り替わると、例えば図16(A)に示すように、切り替わった励磁コイル121がロータ140に対して反発力を加え、それが逆方向の回転力となり、モータ100のトルクが低下する。また、ロータ140の周方向中心が励磁コイル121の周方向中心を通過した後に、励磁コイル121の極性が切り替わると、図16(B)に示すように、切り替わった励磁コイル121がロータ140に対して吸引力を加え、それが逆方向の回転力となり、モータ100のトルクが低下する。しかしながら、本実施の形態のモータ100は、ロータ140の各磁極の周方向中心と励磁コイル121の周方向中心とが対向したタイミングで励磁コイル121の極性が切り替わるよう構成されているので、例えば図17(A)や(B)に示すように、励磁コイル121がロータ140に対して常に順方向の回転力を加え、モータ100のトルクを低下させない。しかも、励磁コイル121がロータ140に逆方向の回転力を加えることがないので、コギングの発生も抑制される。
また、ホール素子を使ってロータの回転位置を検出する場合、ハウジング等に複数のホール素子を設置し、各ホール素子が検出した磁力を制御部等で比較してロータの回転位置を算出する必要がある。そのため、ホール素子が故障したり、ホール素子から制御部までの信号線が短絡したりすると、制御部がロータの回転位置を見失い、その結果、モータは即座に動作を停止する。しかしながら、本実施の形態のモータ100は、受光体154が他相の受光体154とは独立して動作し、各相の制御回路が他相の制御回路とは独立して各相の励磁コイルを制御する。そのため、受光体154の1つが故障したり、信号線155の1つが短絡したり、スイッチング素子の1つが破壊されたりしても、モータ100は動作し続けることができる。
なお、上述の実施の形態は一例であり、種々の変更及び応用が可能である。
例えば、上述の実施の形態では、ロータ140を構成する永久磁石の一例としてフェライト磁石を挙げたが、永久磁石はフェライト磁石に限られず、例えば、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジム磁石等、種々の永久磁石を使用可能である。なお、永久磁石は、磁束密度の低いものに限られず、磁束密度の高いものも使用可能である。磁束密度の高い永久磁石を使用した場合あっても、上述の効果を得ることができる。
また、上述の実施の形態ではロータ140の一例として2極ロータを示したが、ロータ140の極数は2極に限られず、例えば、4極、6極、8極、・・・と、4極以上あってもよい。
ロータ140の極数を4極以上とする場合、遮光体152の形状は、半円形ではなく扇形であってもよい。この場合、扇形の2つの直線部(以下、「各辺」という。)は、各磁極の周方向中心と各相の励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を交互に繰り返すように、ロータ140の軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線上に配置されていてもよい。例えば、ロータ140が図18(A)に示すような4極ロータの場合、遮光体152の形状を中心角が90°の扇形とし、扇形の各辺は、90°づつ、遮光と通光を繰り返すように、ロータ140の軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線上に、シャフト130をはさんで180°対向した状態で配置されていてもよい。なお、ロータ140を4極ロータとする場合、U、V、W、各相の一次コイルと二次コイルは同じ極性に磁化されるよう構成されていてもよい。このとき、回転制御部160は、各磁極の周方向中心と励磁コイル121の周方向中心とが対抗したタイミングで、図18(B)に示すように、一次コイルと二次コイルを同時に同じ極性に反転させてもよい。
なお、遮光体152の形状は半円形や扇形に限られない。例えば、遮光体152の形状
は図19(A)や(B)に示すような円盤状であってもよい。この場合、円盤状の遮光体152に、各磁極の周方向中心と各相の励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して遮光と通光を交互に繰り返すように、ロータ140の軸心と各磁極の周方向中心を結ぶ線上に両端部を有する円弧状の通光トラックが配置されていてもよい。例えば、ロータ140の極数が2極の場合、遮光体152は、図19(A)に示すように、各磁極の周方向中心を結ぶ線上に両端部を有する180°の円弧状の通光トラックが配置されていてもよい。また、ロータ140の極数が4極の場合、遮光体152は、図19(B)に示すように、各磁極の周方向中心を結ぶ線上に両端部を有する90°の円弧状の通光トラックが、2つ、対向した状態で配置されていてもよい。ロータ140の回転に伴って両端部が発光体153と受光体154の間を通過することで、検出信号がONからOFFに、OFFからONに切り替わる。
は図19(A)や(B)に示すような円盤状であってもよい。この場合、円盤状の遮光体152に、各磁極の周方向中心と各相の励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して遮光と通光を交互に繰り返すように、ロータ140の軸心と各磁極の周方向中心を結ぶ線上に両端部を有する円弧状の通光トラックが配置されていてもよい。例えば、ロータ140の極数が2極の場合、遮光体152は、図19(A)に示すように、各磁極の周方向中心を結ぶ線上に両端部を有する180°の円弧状の通光トラックが配置されていてもよい。また、ロータ140の極数が4極の場合、遮光体152は、図19(B)に示すように、各磁極の周方向中心を結ぶ線上に両端部を有する90°の円弧状の通光トラックが、2つ、対向した状態で配置されていてもよい。ロータ140の回転に伴って両端部が発光体153と受光体154の間を通過することで、検出信号がONからOFFに、OFFからONに切り替わる。
また、発光体153や受光体154の設置位置は、内面Aや内面Bの励磁コイル121の周方向中心位置に限られない。例えば、発光体153や受光体154は、図20(A)や(C)に示すように、一次コイルの周方向中心位置から角度Rだけずらした位置に設置されていてもよい。このとき、遮光体152は、ロータ140の周方向中心位置に同期して発光体153から受光体154へ向かう光の遮光と通光を交互に繰りかえすように(つまり、ロータ140の各磁極の周方向中心が励磁コイル121の周方向中心と対向したときに、発光体153や受光体154へ向かう光が遮光開始もしくは通光開始されるように)、設置角度が調整されていてもよい。例えば、遮光体152は、図20(B)に示すように、ロータ140の周方向中心位置から、発光体153や受光体154と同じ角度Rだけずらした位置に設置されていてもよい。
また、上述の実施の形態では励磁コイル121の相数を3相としたが、励磁コイル121の相数は3相に限られない。4相であってもよいし、5相以上であってもよい。また、1相のコイルの数も2つに限られない。1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。
また、上述の実施の形態では、モータ100はインナーロータ型のモータであったが、ステータ120の外側にロータ140が位置するアウターロータ型のモータであってもよい。
100 モータ
110 ハウジング
120 ステータ
121 励磁コイル
122 コイル線
130 シャフト
140 ロータ
150 回転検出部
151 筐体
152 遮光体
153 発光体
154 受光体
155 信号線
160 回転制御部
161 可変抵抗
162 制御回路
163 スイッチング素子
200 直流電源装置
110 ハウジング
120 ステータ
121 励磁コイル
122 コイル線
130 シャフト
140 ロータ
150 回転検出部
151 筐体
152 遮光体
153 発光体
154 受光体
155 信号線
160 回転制御部
161 可変抵抗
162 制御回路
163 スイッチング素子
200 直流電源装置
Claims (7)
- 3相以上の励磁コイルを有するステータと、
N極とS極が周方向に等間隔に配置され、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、
前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御することで前記ロータを回転制御する回転制御部と、
前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する回転検出部と、を備え、
前記回転制御部は、
全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、
前記回転検出部が前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
ことを特徴とするブラシレスモータ。 - 前記回転検出部は、
前記励磁コイルの設置間隔もしくは前記励磁コイルの各相の間隔に対応した角度間隔で配置された発光体と、
前記発光体それぞれに対向して配置され、前記発光体から発せられた光を検出する受光体と、
前記ロータとともに回転し、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を交互に繰り返す遮光体と、を備え、
前記受光体の光の受光状態に基づき各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する、
ことを特徴とする請求項1に記載のブラシレスモータ。 - 前記発光体と前記受光体は、各相の前記励磁コイルの周方向中心位置に対応した位置に配置され、
前記遮光体は、前記ロータとともに回転する半円形状もしくは扇形状の板状体を備え、半円形の直線部もしくは扇形の各辺が前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線と一致するよう配置され、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記直線部もしくは前記各辺が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替える、
ことを特徴とする請求項2に記載のブラシレスモータ。 - 前記発光体と前記受光体は、各相の前記励磁コイルの周方向中心位置に対応した位置に配置され、
前記遮光体は、前記ロータとともに回転する円盤状の板状体であり、前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線上に両端部を有する円弧状の通光トラックを有し、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記両端部が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替える、
ことを特徴とする請求項2に記載のブラシレスモータ。 - 前記受光体は、各相の前記励磁コイルそれぞれに対応しており、他相の前記受光体とは独立して、所定相の前記励磁コイルの周方向中心と前記ロータの各磁極の周方向中心とが対向したタイミングを検出して検出信号を出力し、
前記回転制御部は、前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御する複数組のスイッチング素子から構成され、
各組の前記スイッチング素子は、それぞれ1つの相の前記受光体からの前記検出信号に基づいて1つの相の励磁コイルを制御する、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のブラシレスモータ。 - 前記ブラシレスモータは、前記ロータの周囲に前記励磁コイルが配置されたインナーロータ型モータであり、
前記ロータは、N極とS極の2つの極性を有する円柱形状の永久磁石から構成され、
前記回転検出部は、N極側の周方向中心およびS極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向した時点を検出し、
前記回転制御部は、N極側の周方向中心およびS極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向したタイミングで、対向した前記励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のブラシレスモータ。 - 3相以上の励磁コイルを有するステータと、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、を備えるブラシレスモータの制御方法であって、
全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出し、前記ロータの周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
ことを特徴とするブラシレスモータの制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012132071A JP2013258813A (ja) | 2012-06-11 | 2012-06-11 | ブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2012132071A JP2013258813A (ja) | 2012-06-11 | 2012-06-11 | ブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013258813A true JP2013258813A (ja) | 2013-12-26 |
Family
ID=49954773
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2012132071A Pending JP2013258813A (ja) | 2012-06-11 | 2012-06-11 | ブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2013258813A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110355109A (zh) * | 2019-07-11 | 2019-10-22 | 诺力智能装备股份有限公司 | 一种无线电机驱动转轮式分拣机 |
-
2012
- 2012-06-11 JP JP2012132071A patent/JP2013258813A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110355109A (zh) * | 2019-07-11 | 2019-10-22 | 诺力智能装备股份有限公司 | 一种无线电机驱动转轮式分拣机 |
CN110355109B (zh) * | 2019-07-11 | 2021-04-06 | 诺力智能装备股份有限公司 | 一种无线电机驱动转轮式分拣机 |
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