JP4104074B2 - 単相ブラシレスｄｃモータ - Google Patents

Description

本発明は，ファン駆動用ＤＣモータである単相ブラシレスＤＣモータ（以下モータと称する）に関するものである。

ブラシレスＤＣモータはファン等の動力源として使用されている。モータコイルへの通電方法としては、小形で比較的出力の小さなファンでは２相ユニポーラ通電方式が主流であるが、近年のファンの高風量化に伴い、モータの通電電流が増加し、単相バイポーラ通電が効率の点で良いため多く採用されている。

また、複写機に使用されるファンは、複写機の動作中は全速で回転し、待機中はファンの騒音低減やモータの温度上昇を低下させてファンの軸受けの長寿命化を計る目的で低速にする場合が多い。また、冷蔵庫に使用されるファンも急速冷却時には全速で回転し、保存状態ではファンを低速に運転して騒音を低減する。モータを低速運転するとファンの羽根による風切り音は小さくなるが、モータの振動や電磁音が強調され不快感が生じる。

モータコイルにバイポーラ通電される電流波形は、図６の６−１のようにモータの回転による逆起電力の影響で、半周期毎に通電前半部と通電末期の２ヶ所（ｅとｆ部）に大きな突部が生じて歪み、騒音や振動の原因となる。改善策として、電流帰還ループによる定電流方式があるが、電流の立ち上がり、立ち下がり部分はシャープになり、電流波形は矩形波状になる。矩形状の電流がコイルに通電されると、その高調波分から電磁音や振動が生じる。

特開平１１−１７８３８４ そこで、本発明者等は特開平１１−１７８３８４において、モータコイルの逆起電力に影響されず、一定な電流値となる回路構成を提案した。図７は特開平１１−１７８３８４の電流帰還ループを設けた定電流方式の実施例を示すもので、この種のモータは電気角１８０度位相差の二相モータコイル１０１に交互に通電することで、図示省略の永久磁石を含むロータマグネットと羽根が回転するものである。

磁極センサ１０３の出力信号で分配回路を含むモータ駆動用ＩＣ１０４から正逆相の通電信号を出力し、トランジスタ１１０を経由して、モータコイルに通電する２個のＮＰＮトランジスタを駆動している。また、二相のモータコイルに流れる電流を電流検出抵抗１０９で電圧に変換して、比較回路１０２で回転数指令電圧１１１と比較して差分電圧を出力し、抵抗１０８で電流値に変換して２個のトランジスタ１１０のエミッタに供給し、この電流がＮＰＮトランジスタ１０５のベース電流になる。回転中モータコイルに発生する誘起電圧の影響でモータコイルの電流が低下すると、電流検出抵抗１０９の電圧が低下し、比較回路１０２の差分電圧が増加してモータコイル電流を増加させることで電流帰還ループが構成され定電流制御となっている。１１７は時定数用コンデンサでベース抵抗１０６とバイアス抵抗１１３に接続されている。１１８はＮＰＮトランジスタ１０５のベースとコレクタ間に接続されている。

モータ駆動用ＩＣ１０４から出力される正逆相の通電信号を、通電信号立ち上がり時にはベース抵抗１０６と時定数用コンデンサ１１７の時定数で遅れさせ、通電信号の立ち下がり時にはバイアス抵抗１１３と時定数用コンデンサ１１７の時定数で遅れさせる。また、モータコイルに通電されている電流が急激に減少するとモータコイル１０１とＮＰＮトランジスタ１０５のコレクタ接続点電圧は急激に上昇する。この電圧が上昇している間、コンデンサ１１８を等してＮＰＮトランジスタをＯＮさせて、通電を継続させる。

図８の８−１、８−２は、一般的な２相モータコイル１０１の電流波形を示すもので、図９はファンモータ駆動用ＩＣ１０４の正逆相の通電信号を示すものである。図１０は特開平１１−１７８３８４の動作を説明するもので、１０−１，１０−２は時定数用コンデンサ１７により立ち上がり、立ち下がりの遅れた通電信号を示し、５１はトランジスタ１０の動作レベル電圧を示すもので、立ち上がりの時定数よりも立ち下がりの時定数を若干長くしておくことで、通電切換時に二相モータコイル共に通電して、その二相分の和電流は定電流制御により１０−５のように一定に保たれる。即ち、時定数用コンデンサ１１７により通電電流の立ち上がり、立ち下がりが２ステップとなり、これにコンデンサ１１８の影響で電流波形を鈍らせ１０−３，１０−４のようにソフトスイッチング化が可能になる。

しかしながら上述の如き従来の構成では、次のような問題が生じる。
通電開始時や通電終了時に生じる急激なモータ電流変化には高調波成分が多くモータコイルが直接振動して騒音の原因になるため、特開平１１−１７８３８４ではモータコイル電流波形の通電開始部と通電末期部に傾斜を設けているが不十分であり、回路構成がやや複雑となり必要電子部品数も多い。
また，一般的にモータを通電したときの電流波形には、モータコイルに生じる逆起電力のために、通電前半部と通電末期部に突部が生じる。この突部電流は図６に示すように脈動トルク（以下トルクリップルと称する）の原因となり、ファンの羽根を含むロータが振動して騒音の原因になっている。図６はバイポーラ通電によるトルクリップルの発生を示すもので、６−１のコイル電流波形と６−２の逆起電力波形により６−３ｋの通電トルクが生じる。また、モータにはコギングトルクｊが存在し、ｉはモータ全体の合成トルクである。この合成トルクに大きなトルクリップル値ｂが存在する。

本発明は上述の従来問題に留意し、通電電流の高調波成分を低下させ、モータに生じるトルクリップルを低減し低振動化を図り，モータと回路を安価に供給することを目的とする。

上記の目的を達成するために，ホール素子の出力電圧がピーク値となる位置を任意に決められる構造としておいて，そのホール素子の出力電圧のピーク値を検出し，モータコイルに通電する電流値を設定する通電電流指令値を設け，モータコイル電流値を検出し，電流をフードバックする電流帰還ループを設け，モータコイル電流と通電電流指令値が一致するように制御する。また，ホール素子電圧のピーク値にて検出される位置を境にモータコイルの転流区間を二分し，転流後の通電開始前半を一定値の電流指令で，通電の後半電流を徐々に低下させ転流点でほぼ零になるように通電電流指令手段を生成し，モータコイルを全波通電する。

本発明の効果は下記のように列挙される。
１．騒音の原因となる通電末期のモータコイル電流の高調波成分については、通流電流指
令値により電流を徐々に低下させ転流点でほぼ零になるので大幅に低減させることが可能である。
２．トルクリップルによる振動が起因する騒音については、モータコイル電流波形の通電前半部と通電末期部に生じる２ヶ所の突部電流値が無くなり，モータに生じるトルクリップルを大幅に低減させることで対策が可能である。
３．本発明の回路構成にＰＷＭ駆動を付加することで，低速運転時の効率改善も可能である。
４．モータの回転数が変化しても，通電電流指令値はモータコイルの転流区間を二分された，転流後の通電開始前半を回転数に応じた一定値の電流指令で，通電の後半電流を徐々に低下させ転流点でほぼ零になるように生成されるので，振動騒音の変化が少ない。
５．本発明の回路構成は容易にＩＣ化が可能であり安価に構成できる。
以上説明したように、本発明に係る単相ブラシレスＤＣモータにおいては、従来品に比較し大幅な低振動・低騒音化が実現できる

ロータマグネットのホール素子と対向する部分の形状を不均一にすることでホール素子の出力電圧波形のピーク値となる位置を変化させ，ピーク出力電圧発生位置を任意に決めて，ホール素子の出力ピーク値を検出し，モータコイルに通電する電流値を設定する通電電流指令を設け，モータコイル電流値を検出し，電流をフードバックする電流帰還ループを設け，モータコイル電流と通電電流指令が一致するように制御する。また，ホール素子電圧の最大値にて検出される位置を境にモータコイルの転流区間を二分し，転流後の通電開始から６５〜８５％区間を一定値の電流指令で，通電の後半電流を徐々に低下させ転流点でほぼ零になるように通電電流指令手段を生成し，モータコイルを全波通電する。

図１は本発明に係わる実施例のモータの構成を示す図である。１はロータコア，２はロータマグネット，３はホール素子，４はステータコア，７と８はモータコイルである。ロータマグネット２は射出成型からなるプラスチックマグネットである。ホール素子３はマグネット端面の内径エッジ部に対向して配置されている。また，ピーク発生手段としてマグネット端面の内径エッジ部には３５のように不均一面取り６が施されている。

ロータ１が図１の矢印方向に回転すると，ホール素子３に印加される磁束密度はロータマグネット２の端面の不均一面取り６により，ホール素子３の出力電圧波形は図３の３−１のようにピーク電圧となる位置が転流区間Ａの中心から遅れた位置になる。

図２は本発明の駆動回路の概略を示すもので，３はホール素子であり，モータコイル７と８はＨブリッジに接続されたパワートランジスタ２６，２７，２８，２９に接続されている。２１はモータをバイポーラ通電するためのプリドライブＩＣであり，Ｒｆは電流検出手段となるモータコイルの電流検出用の抵抗であり，１２は電流帰還ループでる。

図３は図２回路の動作を示すタイミングチャートである。ロータ１が図１の矢印方向に回転すると，ホール素子３の出力電圧波形は図３の３−１のようにピーク電圧となる位置が転流区間Ａの中心から遅れた位置になる。

ホール素子３の出力電圧はプリドライブＩＣ２１に入力されて，Ｈブリッジの上アームトランジスタ２６と２７にそれぞれ相補の電圧３−２と３−３を出力する。３−２と３−３においてＬレベルでトタンジスタが通電状態，Ｈレベルでトタンジスタが通電ＯＦＦ状態を表し，３−２はトランジスタ２６の信号で，３−３はトランジスタ２７の信号である。また，プリドライブＩＣ２１内部にはピーク値検出手段としてピーク値検出回路（図示せず）が内蔵されている。ピーク値検出手段にて検出される位置を境にモータコイルの転流区間Ａを二分し，通電開始前半を一定値の電流指令で，通電の後半電流を徐々に低下させ転流点でほぼ零になるような通電電流指令回路（図示せず）がプリドライブＩＣ２１内部に内蔵されている。

一方モータコイルに流れる電流は，電流検出抵抗Ｒｆより検出されて，通電電流指令値と類似するように，電流帰還ループ１２によりプリドライブＩＣ２１にフードバックされ，トランジスタ２８と２９にドライバビリティ（電流値コントロール）が制御される相補の電流信号３−４と３−５を出力する。３−４はトランジスタ２８の信号で，３−５はトランジスタ２９の信号である。３−４と３−５の波高値がドライバビリティの大きさを示すものである。

その結果，図３のＡの通電区間では３−６のように，モータコイル７からモータコイル８に向かう電流が流れ，Ｂの通電区間ではモータコイル８からモータコイル７に向かう電流が，３−６のような立ち上がり立ち下がりがなめらかな形状で流れる。転流後の電流波形が通電指令信号と異なるのは，モータコイルのインダクタンス成分と逆起電力により電流の立ち上がりが遅れるためである。

上述したホール素子出力電圧のピーク値を，通電開始から６５〜８５％の位置に設けることは，図６に示した従来の例でのトルクリップルを低減するのに適切な位置であるためである。

図４はロータマグネット２の端面の磁束密度を部分的に弱くなるようにしたもので，図の色塗り部５がその部分で，色塗り５の幅が広くなると弱めが大きくなることを示している。実際には着磁の際に着磁ヨークとロータマグネット間に，不均一のエアギャップを設けることで実施可能であり，上述したマグネット端面の内径エッジ部３５の不均一面取りと同等の効果がある。

図５は本発明によるモータトルクＴｏの発生原理を示すものである。図中Ｉはモータコイルに流れる電流の波形であり，通電の末期近くから徐々になめらかに下がっている。Ｔｃはモータに存在するコギングトルクの波形である。Ｔｅは通電によって発生するトルクである。通電トルクＴｅはモータコイルに発生する逆起電力と通電電流の乗算値に比例している。モータトルクＴｏはコギングトルクＴｃと通電トルクＴｅを加算して算出される。その結果，モータトルクＴｏに含まれるトルクリップルＴｒが大幅に低減されている。従来のトルクリップルは図６の６−３に示されるｂである。リップル値の大きさが減少し，急峻なトルク変化が無くなっていることが分かる。

以上のように本発明の実施例を単相バイポーラ通電のモータとして説明したが，１８０度位相差の２相ユニポーラ通電のモータにおいても同様に実施出来ることは言うまでもない。

本発明の各要素の基本技術は確立されていて，それを単相モータに応用することで，著しい特性改善が見込める。そして，単相モータでありながらトルクリップルレスが実現可能である。それはファン駆動用モータとして要求されるコスト，低振動，低騒音，高効率を兼ね備えた最適な駆動源と言える。

本発明による実施例のモータの構造を示す図 本発明による実施例の駆動回路の概略図 本発明の回路の動作を示すタイミングチャート図 本発明によるロータマグネットの着磁の説明図 本発明によるモータトルクの発生原理図 従来方式の動作説明図 従来方式の回路構成図 従来方式の動作説明図 従来方式の動作説明図 従来方式の動作説明図

符号の説明

１：ロータコア
２：ロータマグネット
３：ホール素子
４：ステータコア
５：不均一着磁部分
６：ロータマグネット端面の不均一面取り
７，８：モータコイル
１１：ＤＣ電源
１２：電流帰還ループ
２０：ロータマグネット
２１：プリドライブＩＣ
２２：定電圧回路
２６，２７：上アームトランジスタ
２８，２９：上アームトランジスタ
３０：コンデンサ
Ｒ：抵抗
Ｒｆ：電流検出抵抗

Claims (4)

1. 単相モータコイルを巻装した固定子と、該固定子と対向して回転自在に支持される多極着磁されたロータマグネットと、該ロータマグネットの磁極位置を検出するホール素子と、該ホール素子の信号から作られる通電信号を発生させる手段と、該通電信号により単相モータコイルを全波通電するパワートランジスタ群からなる通電回路を具備する駆動回路において、前記ホール素子の出力電圧波形のピーク値を検出するピーク値検出手段と，前記ホール素子の出力電圧のピーク発生位置を決めるピーク発生手段と，前記モータコイルに通電する電流値を設定する通電電流指令手段と，モータコイル電流値を検出する電流検出手段と，該電流検出手段にて検出した電流をフードバックする電流帰還ループ手段とを具備し，前記ピーク値検出手段にて検出される位置を境にモータコイルの転流区間を二分し，転流後の通電開始前半を一定値の電流指令で，通電の後半の電流を徐々に低下させ，転流点でほぼ零になるように前記通電電流指令手段を生成し，モータコイルを全波通電することを特徴とする単相ブラシレスＤＣモータ。
2. 前記通電開始前半の一定値電流指令の区間が，転流後の通電開始から６５〜８５％としたことを特徴とする請求項１に記載の単相ブラシレスＤＣモータ。
3. 多極着磁された前記ロータマグネットのホール素子と対向する部分の形状を不均一にすることで，前記ホール素子の出力電圧波形のピーク値となる位置を変化させることを特徴とする請求項１と２に記載の単相ブラシレスＤＣモータ。
4. 多極着磁された前記ロータマグネットのホール素子と対向する部分の磁束密度を不均一にすることで，前記ホール素子の出力電圧波形の最大値となる位置を変化させることを特徴とする請求項１と２に記載の単相ブラシレスＤＣモータ。