JP4277889B2

JP4277889B2 - ブラシレスｄｃモータ、ブラシレスｄｃモータ駆動システム、油圧ポンプシステム

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Publication number: JP4277889B2
Application number: JP2006237575A
Authority: JP
Inventors: 清隆西嶋
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: JP2008061444A; WO2008029624A1

Description

この発明はブラシレスＤＣモータに関し、例えば油圧ポンプシステムに適用されるブラシレスＤＣモータに関する。

ブラシレスＤＣモータにおいてトルクリプルの低減が望まれる。トルクリプルは振動や騒音という望ましくない現象を招来するからである。特に油圧ポンプにおいては、所定の定位置で一定圧力を維持する機能が要求されるので、圧力脈動の原因となるトルクリプルは低減されるべきである。

ところで所定の定位置で一定圧力を維持する場合、ブラシレスＤＣモータにかかる負荷は小さく、かつ低速での駆動となる場合がある。そして一般にブラシレスＤＣモータの低速時のトルクリプルは、回転子に設けられた磁石が発生する界磁磁束に起因したコギングトルクが支配的であり、本発明でもコギングトルクの低減を目的とする。

コギングトルクは、ブラシレスＤＣモータの回転子の一回転当たり、回転子の極数Ｎｒと固定子のスロット数Ｎｓとの最小公倍数ＬＣＭの回数で変動する基本波成分を有する。例えば回転子が６極であり、固定子が３６スロットである場合、両者の最小公倍数は３６であるので、回転子が１回転する間に、３６個の基本周期を有するコギングトルクが発生する。当該コギングトルクは更に高次の周波数成分をも有する。

コギングトルクを低減するためにモータの形状の工夫がなされてきた。一般にはスキューを設けたり、ロータの起磁力を正弦波に近づけたり、回転子と固定子とが挟むいわゆるエアギャップでの磁束の変化を緩和させたり、スロット数を多くしてコギングトルクの周波数を高めてその影響を小さくしたり、磁極の形状やその間隔を工夫してパーミアンスを
均等化することなどが一般的に知られている。下記にコギングトルクを低減する技術を開示する特許文献１〜６を例示する。

特許文献１には、磁石を回転子の磁性体内部に埋め込んだモータにおいて発生するコギングトルクを低減させるべく、モータの構造を回転軸方向に沿って複数ブロックに分割する技術が開示されている。そしてこれらのブロックがコギングトルクを打ち消す角度で回転軸方向に配置されている。

特許文献２には、界磁磁束の短絡を防ぐ磁束バリアの形状によって決まる磁極の角度に着目し、当該角度を所定の値に設定したり、ピッチを不等にすることで、コギングトルクを低減する技術が開示されている。

特許文献３には、磁極の角度などを形状のパラメータとして、コギングトルクを最小にする当該パラメータの値を選択する技術が開示されている。

特許文献４には、スキューを施さずにコギングトルクを低減すべく、磁石の幅の回転中心軸に対する角度を所定の値に選定する技術が開示されている。

特許文献５ではトルクリプルのデータを記憶しておき、当該データを用いてトルク指令を補正する。これにより、電機子に流す正弦波の電流を補正し、トルクリプルを低減している。

特許文献６では通電周波数の整数倍の波形を電機子電流に加算することによってトルクを補正するデータを得て、トルクの変動を低減することが示されている。

特開平５−２３６６８７号公報特開平１１−９８７３１号公報特開２００４−３４３８６１号公報特開平１１−２９９１９９号公報特開平１１−５５９８６号公報特開平５−１５１８８号公報

特許文献１のように複数のブロックを回転軸方向に積層することは回転子を組み立てる工程を複雑にし、生産性を悪化させる。

特許文献２に記載の技術ではコギングトルクが残留し、残留したコギングトルクの波形が滑らかであるか否かが不明である。

特許文献３や特許文献４に記載の技術では、コギングトルクの高次成分が残留していると見られる。

特許文献１〜４に開示された方法では、コギングトルクの振幅やピーク間の値に着目しているものの、その周波数分布について考慮していない。よってコギングトルクの高次の周波数成分が残留してしまう。

特許文献５，６ではロータの位置情報を精度よく検出する必要がある。そしてコギングトルクの基本波成分を低減するための補正において位置情報に誤差が生じる場合、コギングトルクの高次成分を悪化させる場合すらある。

例えば位置情報の検出は機械角において１度程度の誤差があり得る。そして回転子が１回転する中で３６個の基本周期を有するコギングトルクにおいて基本周期は機械角の１０度に相当する。従って機械角における１度の誤差は、コギングトルクの基本周期の位相の２π／１０に相当する。

コギングトルクの補正は、コギングトルクの波形をπだけずらした補正トルクを出力すべき直流トルクに加算する。よって機械角１度の誤差に対応して、当該補正トルクの波形の位相が２π／１０だけずれると、コギングトルクの基本波成分についてはsin（α）−sin（α＋２π／１０）＝０．６２cos（α＋π／１０）となり、６割程度の振幅がキャンセルされずに残留する。他方、コギングトルクの二次成分（基本波成分の二倍の周波数成分）については機械角における１度の誤差は、位相の２π／５に相当する。よって機械角１度の誤差に対応して、コギングトルクの二次成分についてはsin（α）−sin（α＋２π／５）＝１．２cos（α＋π／５）となる。つまり二次成分においては機械角１度の誤差が発生すると、２割程度の振幅が加算されてしまい、トルクリプルが悪化する。従って出力すべき直流トルクの補正によってコギングトルクの二次成分を低減することは容易ではない。

なお、機械角における誤差を低減することも容易ではない。モータを適用する器具に対してモータを設置する場合、固定子がモータのフレームに対して、例えば焼き填め、圧入、ボルトによる締結によって保持される。また回転子は回転シャフトに対して例えば焼き填め、圧入によって保持される。そして回転シャフトはモータの負荷側及びこれと反対側にあるブラケットに組み込まれたベアリングによって保持され、当該ブラケットはモータのフレームに取り付けられる。

そしてモータのフレームから突出した回転シャフトに対してエンコーダなどのロータ位置検出器が取り付けられる。回転子の位置と、ロータ位置検出器から得られて回転子の位置を示すロータ位置信号との関係を校正する必要がある。回転シャフトを外力によって回転させることにより、モータに生じる誘起電圧の波形を測定してそのゼロクロス点と、ロータ位置信号とのずれをオフセット量として求める。フレームに取り付けられたモータは、そのオフセット量が固有であるので、当該オフセット量をモータ特性表やフレームの銘板に記録する。モータを駆動する際にはそのコントローラが当該オフセット量を用いて補正した制御を行う。

ゼロクロス点の測定は誘起電圧の波形に発生するノイズの影響を受けるために誤差を生じる。複数回、誘起電圧の波形を測定してこれを平均化することも一法ではあるが、生産性の観点から実用的ではない。

本発明は上記の事情に鑑みたものであり、ブラシレスＤＣモータのコギングトルクの２次の周波数成分を容易に低減する技術を提供することを目的としている。コギングトルクの基本波成分は、特許文献５，６に記載されたような公知の手法によってブラシレスＤＣモータの外部からの制御によって低減できる。

この発明にかかるブラシレスＤＣモータの第１の態様は、周縁（１０）と、周方向で環状に配置され、それぞれが周方向に一対の端部を有する複数の界磁磁石（６）と、前記端部にそれぞれ設けられ、前記界磁磁石よりも前記周縁側で前記周縁と所定距離（Ｌ１）で離隔して前記界磁磁石の中央部へと向かって延びる空隙（３１，３２）とを有し、前記周方向に回転可能な回転子（１００）と、前記回転子と離隔しつつ対向する固定子（２００）とを備える。一の前記界磁磁石に隣接する他の前記界磁磁石の前記一の前記界磁磁石側の前記端部に設けられた前記空隙の先端と、前記一の前記界磁磁石の前記他の前記界磁磁石側の前記端部に設けられた前記空隙の先端とが前記周方向に拡がる角度（θ）は、前記回転子の一回転当たり、前記回転子の極数（Ｎｒ）と前記固定子のスロット数（Ｎｓ）との最小公倍数（ＬＣＭ）の回数で変動するコギングトルクの基本波成分の最小値を与える前記角度である原角度（θ１）に対して、前記最小公倍数で９０度を除した角度を加算もしくは減算した角度に選定される。

この発明にかかるブラシレスＤＣモータの第２の態様は、その第１の態様であって、前記原角度は、前記コギングトルクの振幅の最小値を与える前記角度として求められる。

この発明にかかるブラシレスＤＣモータ駆動システムは、この発明にかかるブラシレスＤＣモータ（Ｍ）と、前記回転子の位置（φ）を求める位置測定部（５０１）と、前記ブラシレスＤＣモータに流れる電流（ｉＭ）を求める電流検出器（５０２）と、前記コギングトルクの前記基本波成分のデータ（Ｄ）と前記回転子の前記位置とから、前記コギングトルクの前記基本波成分を打ち消すための打ち消し信号（Ｚ）を出力する打ち消し信号生成部（５０５）と、前記回転子の前記位置、前記電流、前記打ち消し信号に基づいて前記ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動部（５０６）とを備える。

この発明にかかる油圧ポンプシステムは、この発明にかかるブラシレスＤＣモータ駆動システムと、前記ブラシレスＤＣモータによって駆動される油圧ポンプ（３６）とを備える。望ましくは、当該油圧ポンプシステムが射出成型機（３４）を駆動する。

この発明にかかるブラシレスＤＣモータの第１の態様によれば、コギングトルクの２次の周波数成分を容易に低減できる。しかも基本波成分は公知の手法によってブラシレスＤＣモータの外部からの制御によって低減できる。

この発明にかかるブラシレスＤＣモータの第２の態様によれば、原角度を簡易に見積もることができる。

この発明にかかるブラシレスＤＣモータ駆動システムによれば、コギングトルクの基本波成分を低減できる。

この発明にかかる油圧ポンプシステムによれば、圧力脈動が小さい。また低速時の圧力脈動を小さくし、ピストンを所定の位置に留まらせる射出成型機における圧力脈動を小さくすることができる。

図１は油圧ポンプを採用して射出成型を行う油圧ポンプシステムを示すブロック図である。射出成型機３４は成型器３４ａと油圧シリンダ３４ｂとを有している。油圧シリンダ３４ｂは油圧ポンプ３６によって油圧駆動される。油圧ポンプ３６には例えばギアポンプ、ベーンポンプ、ピストンポンプが採用される。油圧ポンプ３６と油圧シリンダ３４ｂの間には油圧計３３が設けられ、油圧がモニタされる。

油圧ポンプ３６はブラシレスＤＣモータ駆動システム３５によって駆動される。ブラシレスＤＣモータ駆動システム３５はブラシレスＤＣモータ３１１と、その回転子の回転位置を検出する回転位置検出器３１２と、ブラシレスＤＣモータ３１１の回転を制御するコントローラ３１３とを有している。コントローラ３１３は回転子の回転位置に基づいてブラシレスＤＣモータ３１１に適切な電機子電流を供給する。コントローラ３１３には電源３０から直流電圧もしくは交流の電圧が供給される。

油圧シリンダ３４ｂのピストンＪの速度は、油圧駆動に採用される油の流量を油圧シリンダ３４ｂの断面積で除した値で決定される。そしてピストンＪに発生させることができる力は、油圧とシリンダ断面積との積で決定される。ピストンＪを変位させる場合には油の流量が必要となるので、ブラシレスＤＣモータ３１１は油圧に抗して、油を流すべく回転する必要がある。

他方、油圧ポンプにおいては、所定の定位置で一定圧力を維持する機能が要求される。例えば成型器３４ａにおいては、詳細は図示しないが、可塑性樹脂が金型へと注入される。この可塑性樹脂を金型に充填した後は更に可塑性樹脂を注入することなく一定圧力が維持される。この場合、ピストンＪを変位させる必要はないが、例えば油圧ポンプ３６から油が漏れる。よって油圧ポンプ３６では幾分かの油の流量が発生するので、油圧ポンプ３６を駆動するためにブラシレスＤＣモータ３１１は若干の低い回転数で回転することになる。

上記の油漏れは油圧が上昇するに従って増加する傾向にあり、油圧が大きいほどブラシレスＤＣモータ３１１の回転数も高い。つまり油圧ポンプは、トルク負荷が大きいほど高速となる使われ方をする。よって高速時にはモータの回転子及び油圧ポンプの慣性によりトルクリプルによる油圧変動への影響は小さいが、低速時には影響が大きくトルクリプル補正が重要となる。そして低速時は軽負荷であるためブラシレスＤＣモータ３１１に供給される電流も小さく、トルクリプルのうちコギングトルクが支配的となる。従って油圧ポンプシステムにおける圧力脈動を低減するには、コギングトルクを低減することが重要となる。

図２はブラシレスＤＣモータ３１１の構造を例示する平面図である。ブラシレスＤＣモータ３１１は回転子１００と、回転子１００と離隔しつつ対向する固定子２００とを有している。回転子１００の回転軸に対して垂直な面が平面図として図２に示されている。

固定子２００はティース２０１と、スロット２０２が周方向に交互に配置される。実際にはティース２０１の周囲を巻回する電機子巻線がスロット２０２に収納されるが、図２では図面の煩雑を避けるために電機子巻線の描画を省略した。ここではスロット２０２の個数が３６個である場合が例示されている。

図３は回転子１００の構造を詳細に示す平面図である。回転子１００は回転軸Ｚ０を中心として回転可能であり、その外周側に周縁１０を有している。そして周方向で環状に配置され、それぞれが周方向に一対の端部を有する複数の界磁磁石６を回転軸Ｚ０と垂直な方向において埋設している。界磁磁石６のそれぞれには磁束短絡防止用の空隙３１が設けられている。空隙３１は、界磁磁石６よりも周縁１０側で、周縁１０と所定距離Ｌ１で離隔して、界磁磁石６の中央部へと向かって延びている。

また回転子１００は回転シャフト（図示せず）が貫通する貫通孔５が設けられており、その外周側には締結孔４が複数個設けられている。締結孔４は、界磁磁石６を埋設する回転子１００のコアが複数の鋼板を積層して構成される場合に利用される。例えばこれらの鋼板を積層して固定するためにボルトとナットとで締結する場合、締結孔４にはボルトが貫通する。締結孔４を用いなくても鋼板を積層して固定する他の方法も周知であり、その場合にはもちろん、締結孔４は不要である。

図３では界磁磁石６は６個設けられ、極数が６である場合が例示されている。締結孔４の個数も６個であるが、その個数を界磁磁石の個数と一致させる必要はない。

相互に隣接した異なる界磁磁石の端部にそれぞれ設けられた空隙３１の先端同士は、周方向において相互に反対側へと向いている。そしてこれら一対の先端が周方向に拡がる角度が角度θとして図３に描画されている。

図４乃至図７は、回転子に図３に示された構成を採用した場合の、電気角０度乃至６０度におけるコギングトルクを示すグラフであり、それぞれ角度θが異なっている。横軸には電気角を採っており、ここでは回転子の極数を６としている場合を例示しているので、電気角は機械角の３（＝６／２）倍となる。コギングトルクの基本波成分は機械角３６０度に対して、最小公倍数ＬＣＭの個数分、ここでは３６周期分あるので、一周期が機械角１０度に対応する。よってコギングトルクの基本波成分の一周期は電気角３０度に相当する。

図４、図５、図６、図７は、それぞれ角度θが１７度、２０度、２２度、２５度の場合を示している。図６ではコギングトルクの振幅が最も小さいが、その高次成分が残留していることが見て取れる。

図８はコギングトルクの基本波成分の振幅の、角度θに対する依存性を示すグラフである。コギングトルクはその基本波成分が支配的であるので、図４乃至図７に対応して角度θが２２度近傍でコギングトルクの振幅が最小となることがわかる。コギングトルクの基本波成分の振幅の最小値を与える角度θの値を原角度θ１とする。

例えば特許文献３からは、コギングトルクを低減するための角度θとして、３６０度を最小公倍数ＬＣＭで除した値の整数倍を採用することが示唆されるので、ここで説明されている例に即して言えば、角度θ１は３６０度／３６＝１０度毎に現れることになる。図８においても原角度θ１の一つが２２度近傍に現れているので、原角度θ１の他の値は１２度及び３２度になると見積もられ、その予想は図８のグラフの形状から妥当であると推測される。

図９は、コギングトルクの二次成分の振幅の、角度θに対する依存性を示すグラフである。二次成分の振幅を最小にする角度θは１５度、２０度、２５度、３０度と５度間隔で現れている。

即ちコギングトルクの二次成分の振幅を最小とする角度θは、複数の原角度θ１の最小間隔３６０度／ＬＣＭの半分の間隔３６０度／ＬＣＭ／２で、複数存在することがわかる。換言すれば、コギングトルクの基本波成分の最小値を与える角度θである原角度θ１に対して、最小公倍数ＬＣＭで９０度を除した角度を加算もしくは減算して角度θを選定することにより、コギングトルクの二次成分の振幅を最小とすることができる。

図１０はコギングトルクのＰ−Ｐ（ピーク・ツー・ピーク）値、その１次成分（基本波成分）の振幅値、及び２次成分の振幅値のそれぞれの、角度θに対する依存性を示すグラフである。原角度θ１はコギングトルクの基本波成分の振幅の最小値を与える角度θではあるが、簡易にはコギングトルクの振幅の最小値を与える角度として求めることができる。上述のように、コギングトルクはその基本波成分が支配的であるからである。なお、コギングトルクの三次以上の高調波は、実質的には問題とならない程度に小さい。

本実施の形態では、このように角度θという、モータの形状のパラメータの一つを工夫することによりコギングトルクの二次成分の振幅を最小とする。かかる角度θにおいては角度θ１とは異なり、コギングトルクの基本波成分の振幅を最小にはしない。しかしながら、当該角度θはコギングトルクの基本波成分の振幅を最大とするものではないので、特許文献５，６で例示された周知の技術を採用し、電機子電流の補正によってコギングトルクの二次成分ではなく、基本波成分を低減することは容易である。

図１１はブラシレスＤＣモータ駆動システムの構成を例示するブロック図である。モータＭは図１のブラシレスＤＣモータ３１１に相当する。また回転位置検出器５０１ａは図１の回転位置検出器３１２に相当する。回転位置検出器５０１はモータＭの回転子の位置を位置信号φ０として検出し、これは角度位置のオフセット値φ１で補正され、位置φが測定される。つまり回転位置検出器５０１ａと、オフセット値φ１とを加減する加減算器５０１ｂとは相まって、位置φを測定する位置測定部５０１として把握することができる。

トルクリプルの１次成分のデータＤは、位置φと共にトルクリプル１次成分打消信号生成部５０５に与えられる。当該生成部５０５はデータＤ、位置φに基づき、打ち消し信号Ｚを出力する。打ち消し信号Ｚはコギングトルクの基本波成分を打ち消すための信号である。

トルクリプルの１次成分のデータＤは予めモータＭを、例えば無負荷で駆動することによって求めることができる。そして上述のように、油圧ポンプへとモータを適用する場合には、負荷が軽いときに低速であるので、低速でデータＤを収集する。これにより、データＤとしては、ほぼコギングトルクの基本波成分が得られることになる。

電流検出器５０２は、モータＭに流れる電流の電流値ｉＭを求める。トルク指令計算部５０６ａは位置φ及び電流ｉＭに基づいてトルク指令τ＊を計算する。モータ駆動波形生成部５０６ｂは、位置φ、電流値ｉＭ及びトルク指令τ＊に基づいてモータ駆動波形を生成し、当該波形を反映した電流をモータＭへと供給する。よってトルク指令計算部５０６ａとモータ駆動波形生成部５０６ｂとは相まって、回転子の位置φ、電流値ｉＭ、打ち消し信号Ｚに基づいてモータＭを駆動するモータ駆動部５０６として把握することができる。

上述のように、オフセット値φ１に誤差が生じ、これが位置φの誤差を招来する可能性はある。しかし当該ブラシレスＤＣモータ駆動システムでは、電流値ｉＭを制御することでコギングトルクの基本波成分の低減を図るのであり、電流値ｉＭの制御によってコギングトルクの二次成分の低減を図るものではない。よって上述のように、コギングトルクの二次成分の増大という事態を招来することもない。そして上述のようにコギングトルクの二次成分はモータの形状の工夫によって低減を図っているので、コギングトルクを、その周波数分布について考慮して低減することができる。

このようにコギングトルクの基本波成分をブラシレスＤＣモータ３１１の駆動時の制御によって、また二次の周波数成分をブラシレスＤＣモータ３１１の構造（中でも回転子１００の構造）によって、それぞれ低減することで、油圧ポンプシステムでの圧力脈動を低減することができる。

油圧ポンプシステムを示すブロック図である。ブラシレスＤＣモータの構造を例示する平面図である。回転子の構造を詳細に示す平面図である。コギングトルクを示すグラフである。コギングトルクを示すグラフである。コギングトルクを示すグラフである。コギングトルクを示すグラフである。コギングトルクの基本波成分の振幅の、角度θに対する依存性を示すグラフである。コギングトルクの二次成分の振幅の、角度θに対する依存性を示すグラフである。コギングトルクの角度θに対する依存性を示すグラフである。ブラシレスＤＣモータ駆動システムの構成を例示するブロック図である。

符号の説明

６界磁磁石
１０周縁
１００回転子
２００固定子
３１，３２空隙
３１１，ＭブラシレスＤＣモータ
３４射出成型機
３５ブラシレスＤＣモータ駆動システム
３６油圧ポンプ
５０１位置測定部
５０２電流検出器
５０６モータ駆動部
Ｌ１所定距離
θ 角度
θ１原角度
φ 回転子の位置

Claims

周縁（１０）と、
周方向で環状に配置され、それぞれが周方向に一対の端部を有する複数の界磁磁石（６）と、
前記端部にそれぞれ設けられ、前記界磁磁石よりも前記周縁側で前記周縁と所定距離（Ｌ１）で離隔して前記界磁磁石の中央部へと向かって延びる空隙（３１，３２）と
を有し、前記周方向に回転可能な回転子（１００）と、
前記回転子と離隔しつつ対向する固定子（２００）と
を備え、
一の前記界磁磁石に隣接する他の前記界磁磁石の前記一の前記界磁磁石側の前記端部に設けられた前記空隙の先端と、前記一の前記界磁磁石の前記他の前記界磁磁石側の前記端部に設けられた前記空隙の先端とが前記周方向に拡がる角度（θ）は、
前記回転子の一回転当たり、前記回転子の極数（Ｎｒ）と前記固定子のスロット数（Ｎｓ）との最小公倍数（ＬＣＭ）の回数で変動するコギングトルクの基本波成分の最小値を与える前記角度である原角度（θ１）に対して、前記最小公倍数で９０度を除した角度を加算もしくは減算した角度に選定される、ブラシレスＤＣモータ（３１１；Ｍ）。
前記原角度は、前記コギングトルクの振幅の最小値を与える前記角度として求められる、請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。
請求項１乃至請求項２のいずれか一つに記載のブラシレスＤＣモータ（Ｍ）と、
前記回転子の位置（φ）を求める位置測定部（５０１）と、
前記ブラシレスＤＣモータに流れる電流（ｉＭ）を求める電流検出器（５０２）と、
前記コギングトルクの前記基本波成分のデータ（Ｄ）と前記回転子の前記位置とから、前記コギングトルクの前記基本波成分を打ち消すための打ち消し信号（Ｚ）を出力する打ち消し信号生成部（５０５）と、
前記回転子の前記位置、前記電流、前記打ち消し信号に基づいて前記ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動部（５０６）と
を備える、ブラシレスＤＣモータ駆動システム（３５）。
請求項３記載のブラシレスＤＣモータ駆動システムと、
前記ブラシレスＤＣモータによって駆動される油圧ポンプ（３６）と
を備える、油圧ポンプシステム。
射出成型機（３４）を駆動する、請求項４記載の油圧ポンプシステム。