(57)【要約】【課題】単相ブラシレスＤＣモータの回転トルクリップルをなくし，振動による騒音を抑制して，低騒音のファンモータを提供する。【解決手段】上記の目的を達成するために，射出成形可能なマグネット材で成型時に適切な極異方性の磁場配向をかけてロータマグネットを成型する。更に，モータコイルに流れる電流を検出し，その電流波形の立ち下がりを徐々に低下するような通電指令信号を生成し通電するものである。また，ホール素子の出力電圧を一定になるように帰還回路を設ける。【選択図】        図１
2006238536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータコイルを巻装したステータコアと，該ステータコアと対向して不均一のエアギャップを有し回転自在に支持される多極着磁された円筒状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−ル素子を具備する単相モータにおいて，前記ロータマグネットを極異方性に磁場配向することで，モータコイルの逆起電力を正弦波状とし，コギングトルクを該正弦波に対して２倍の回転周期の余弦波状としたことを特徴とする単相ブラシレスＤＣモータ。
【請求項２】
前記ホール素子の出力電圧信号を，前記ロータマグネットの１極に対して，ほぼその中心に相当する位置で，該ホール素子の出力電圧信号が最大値を有する波形とし，モータコイル通電電流の転流間において，通電後半のほぼ５０％区間の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指令信号を生成し，モータコイルを全波通電することを特徴とする請求項１に記載の単相ブラシレスＤＣモータ。
【請求項３】
前記ロータマグネットの内径が２５ｍｍ以上で，該ロータマグネットはフェライト系の磁性粉とプラスチックからなり，射出成型で形成され，該ロータマグネットの内周面が４極の極異方性磁場配向され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。
【請求項４】
前記ロータマグネットの内径が３８ｍｍ以上で，該ロータマグネットはフェライト系の磁性粉とプラスチックからなり，射出成型で形成され，該ロータマグネットの内周面が６極の極異方性磁場配向され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。
【請求項５】
前記モータコイルに流れる電流を検出し，通電後半のほぼ５０％区間の電流を徐々に低下させ転流点でほぼ零になるように，電流帰還ループを設けて通電した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。
【請求項６】
ホール素子の出力電圧変化を抑制する回路手段を具備したことを特徴とする請求項５に記載の単相ブラシレスＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータは，構造を簡易化することによって，コストの低減を図っている。すなわち，ロータマグネットの極数とステータコアのティース数を４程度とし，ロータマグネットの磁極位置を検出する磁気センサに１個のホール素子を用い，半導体により単相のモータコイルに交互方向に通電してロータを回転させている。この構成では単相であるため，回転トルクを発生しない点が存在する。
【０００３】
またロータマグネットとティースの突極間の間隙が円周方向に一定であると，突極とロータマグネット間に生じるコギングトルクが０になる点と，上記回転トルクの生じない点とが同じ位置で発生するために，いわゆる，デットポイントと呼ばれるモータが起動できない点が存在する。
【０００４】
図４はロータマグネットの磁束分布が正弦波状の場合のモータ回転中にコイルに発生する逆起電力とゴギングトルクの関係を示すもので，４−１はステータコア突極とロータマグネットの間の間隙が均一である場合で，逆起電力波形をｓｉｎθとするとコギングトルクは−ｓｉｎ２θで表せ周期が２倍であり，デットポイント点Ｐが存在することが分かる。
４−２は突極とロータマグネット間の間隙に不均一部分を適切に設け，マグネットの着磁を工夫したもので，コギングトルク波形Ｔｃはほぼ余弦波となりＴｃ＝Ｃｃｏｓ２θ（Ｃはコギングトルクのピーク値）と表せる。このようにコギングトルク０点の位置をずらすことによって，上述のデットポイントを回避する方法をとるのが一般的である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１４０８９７
【非特許文献１】電気学会  産業応用部門  ２００２年４月号論文  「永久磁石ブラシレスモータのコギングトルク低減」  図５は上記従来のモータの構造を示す図であって，１はロータコア，２は円環状のロータマグネットで，矢印はロータマグネットの磁場配向方向を示し，４極に着磁されている。  モータの回転によりモータコイル７，８には逆起電力が生じる。３はロ一夕マグネット２の磁極を検出するホール素子で，プリント基板（図示せず）に取り付けられている。４は珪素鋼板を打ち抜いて積層したステータコアで，４個のティース５と突極６を有し，突極６とロータマグネット２の間の間隙は，図５に示すように，一定ではなく不均一になっている。７と８はモータコイルである。
【０００６】
例えば，突極６はロータマグネット２との間隙の狭い６Ａ部と間隙の広い６Ｂ部を有し，モータコイル７，８が無通電状態のとき，対向するロータマグネット２の磁極中心部２Ａは，突極６のセンター部６Ｃよりも間隙の狭い６Ａ部に吸引され，ロータマグネット２の極とティース５の突極６の位置関係は，図５の状態で停止している。この位置で，ホール素子３とロータマグネット２の位置関係から，ホール素子３の出力電圧により，ＤＣファン専用のＩＣを介してモータコイル７，８が通電され，ティース５の突極６とロータマグネット２に回転トルクが発生してロータコア１が回転するものである。
【０００７】
近年家庭やオフイスで使用される機器に搭載されたファンモータの振動や騒音の低減要求が強く，本発明者等は特開２００４−１４０８９７において，モータコイルに通電されて生じる通電トルクとゴギングトルクの和である回転トルクのトルクリップルを低減する方法を開示した。
【０００８】
特開２００４−１４０８９７のなかで，上記の目的を達成するために，ホール素子の出力電圧を正弦波状（ｓｉｎθ）に取り出し，それを増幅してモータコイルに正弦波状の電流を通電する。また，モータコイルの逆起電力も正弦波状（ｓｉｎθ）に取り出し，ステータコア突極とマグネットのエアギャップを不均一にすることで，コギングトルク波形を正弦波に対してほぼ２倍の回転周期の余弦波状（ｃｏｓ２θ）に取り出し，通電トルクがコギングトルクのほぼ２倍になるように設定することでトルクリップルを無くすことが可能であることを開示している。
【０００９】
空隙の磁束密度が正弦波であれば，コギングトルクが余弦波状（ｃｏｓ２θ）に取り出せることは，電気学会  産業応用部門  ２００２年４月号論文  「永久磁石ブラシレスモータのコギングトルク低減」にて詳細に説明されている。即ち，ステータコアとロータマグネットの空隙の磁束密度分布Ｂｇが正弦波状（ｓｉｎθ）であれば，磁束分布傾斜βは１となり，３４０頁の（１１）式で示される基本波のみでコギングトルクＴｃは（ｃｏｓ２θ）状に変化することが説明されている。
【００１０】
しかしながら，実際にホール素子の出力電圧を正弦波状（ｓｉｎθ）に，モータコイルの逆起電力も正弦波状（ｓｉｎθ）に，コギングトルク波形を正弦波に対してほぼ２倍の回転周期の余弦波状（ｃｏｓ２θ）に取り出すにはロータマグネットからの磁束分布を正弦波にする必要がある。そのために，ラジアル方向に異方性を持つ従来のロータマグネットでは着磁をする際に，着磁ヨークとロータマグネット間に部分的にエアギャップを持たせて，着磁ヨークと接触しないマグネット部分の磁化を弱める方法を実施している。
【００１１】
図６は，こうしたロータマグネットの表面磁束分布を示すもので，６−１は従来のラジアル異方性の磁場配向マグネットの着磁後の表面磁束波形であり台形波状となっていて，中央部が低くなっている。６−２は従来のラジアル異方性の磁場配向のロータマグネットで部分的にエアギャップを設けた弱め着磁後の表面磁束波形であり，正弦波状になっているが，磁束量の平均値が低下している。６−３は極異方性の磁場配向したロータマグネットで平均的な磁束量の低下もなく，表面磁束波形は正弦波状となる。
【００１２】
このように，マグネットに極異方性の磁場配向することで，多相のブラシレスＤＣモータにおいては磁束分布が正弦波状になり，その結果コギングトルクが低減されて，振動騒音の低減に効果のあることが知られている。しかしながら本発明に係わるモータ（単相）においては，コギングトルクを発生させて起動時のデッドポイントを無くし，回転中にはコギングトルクを有効活用しトルクリップルを低減させる点で多相のモータとは異なる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述の如き従来のファンモータ構成では，正弦波状磁束分布を得るために，図６の６−２ような弱め着磁を実施することになり，モータ効率に悪影響を及ぼす。また，アウターロータモータ用のロータマグネットの極異方性磁場配向は，その配向マグネットをロータマグネットの内径側に配置する必要があり，ロータマグネット径の小さなモータに適用することの難しさがある。また，ホール素子でマグネットの磁極を検出して，モータコイルに電圧を印加する電圧駆動方式では，モータコイルに存在するインダクタンス分により，モータ逆起電力とモータコイル通電電流には位相差が生じ，その位相差によって逆回転トルクが発生し，回転トルクリップルとモータ効率低下の原因になる。また，ホール素子の出力電圧波形を利用して通電するには，温度，電圧等の変化に対するホール素子の出力電圧変化を抑制する必要がある。
本発明は上述の従来技術の問題点に鑑み，回転中のトルクリップルを無くし，ファンとしての振動・騒音を極小とし，且つモータコイルの鎖交磁束を最大に取り出し効率の良いモータを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために，射出成形可能なマグネット材で成型時に適切な極異方性の磁場配向をかけてロータマグネットを成型する。ホール素子の出力電圧信号を，ロータマグネットの１極に対して，ほぼその中心に相当する位置で，ホール素子の出力電圧信号が最大値を有する波形とし，モータコイル通電電流の転流区間において，通電後半のほぼ５０％区間の電流を徐々に低下し，転流点でほぼ零になるように通電指令信号を生成し，更にモータコイルに流れる電流を検出し，その電流が通電指令信号と一致するような帰還回路を設ける。
【発明の効果】
【００１５】
ロータマグネットが極異方性に磁場配向されているため，磁束が正弦波状でモータ鎖交磁束が大きく取り出すことが可能である。磁束が正弦波であることから，ホール素子出力電圧波形，逆起電力波形の正弦波化とコギングトルクの余弦波化，更に，ゴギングトルクと通電トルクの比を約１／２にすることで，単相モータのトルクリップルを無くせることが，理論的に可能となった。その設定値に合わせてモータを設計することで，回転トルクが一定となり，モータからの振動は生じなくなる。以下にその効果を列挙する。
（１）単相モータのトルクリップルを低減すことが可能である。
（２）転流時の急激な電流変化に起因するモータ加振源が無くなり，従来のファンモータの騒音原因となっていたファン羽根振動やフレームの共振が生じなくなり，ファンの騒音を著しく低減できる。
（３）ホール素子出力電圧波形・逆起電力波形の正弦波化とコギングトルクの余弦波化が完全でなくても，本発明の考えを導入することで相当のトルクリップル低減が可能となる。
（４）鎖交磁束が大きく取り出せることから，モータの高効率化が実現可能である。
（５）ロータマグネットが極異方性の磁場配向であるから，ロータヨークが不要であり，モータを安価に構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
射出成形可能なマグネット材を成型時に適切な極異方性磁場配向をかけて成型することで，ロータマグネットのからの磁束分布を正弦波状とし，モータコイルの逆起電力を正弦波状に，コギングトルク波形を正弦波に対してほぼ２倍の回転周期の余弦波状（ｃｏｓ２θ）に取り出す。また，ステータコア突極とマグネットのエアギャップを不均一にし起動の安定性を確保する。更にホール素子の出力電圧信号を，ロータマグネットの１極に対して，ほぼその中心に相当する位置で，ホール素子の出力電圧信号が最大値を有する波形とし，モータコイル通電電流の転流区間において，通電後半のほぼ５０％区間の電流を徐々に低下し，転流点でほぼ零になるように通電指令信号を生成し，更にモータコイルに流れる電流を検出し，その電流が通電指令信号と一致するような帰還回路を設ける。モータコイルに流れる電流を検出し，その電流波形の立ち上がり下がりがホール素子の出力電圧波形の立ち上がり下がりと類似するように電流帰還ループを設け電流駆動方式の通電とする。
【実施例】
【００１７】
図１は本発明の請求項１と２に係わる実施例のモータの構造を示す図である。図中の２０は成型時に極異方性に４極に磁場配向された状態を示す円環状のロータマグネットで，矢印が配向方向を示すものである。モータの回転によりモータコイルに生じる逆起電力は正弦波状になる。３はロ一夕マグネット２０の磁極位置を検出するホール素子で，プリント基板（図示せず）に取り付けられている。４は珪素鋼板を打ち抜いて積層したステータコアで，４個のティース５と突極６を有し，突極６とロータマグネット２の間の間隙は，図４に示すように，一定ではなく不均一になっている。７と８はモータコイルである。
【００１８】
突極６はロータマグネット２との間隙の狭い６Ａ部と間隙の広い６Ｂ部を有し，モータコイル７，８が無通電状態のとき，対向するロータマグネット２の磁極中心部２Ａは，突極６のセンター部６Ｃよりも間隙の狭い６Ａ部に吸引され，ロータマグネット２の極とティース５の突極６の位置関係は，図１の状態で停止することは，従来のモータと同一である。しかし図７に示すように，ラジアル異方性磁場配向のモータコギングトルク波形７−２は高調波成分を多く含むのに対して，極異方性磁場配向のコギングトルク波形７−１は余弦波状（ｃｏｓ２θ）に取り出せている。
【００１９】
また，ロータマグネットはプラスチックをバインダーとしたフェライト系磁性粉で射出成型される際に，極異方性の磁場配向が必要で，その配向用のマグネットをロータマグネットの内径側に配置する必要があり，内径側にある程度の面積が必要である。本発明者等は種々実験、研究の結果、極異方性磁場配向に必要な１極の円弧最小長さは約２０ｍｍであることを見いだした。即ち，４極の着磁が施されたロータマグネットの内径は約２５ｍｍ以上必要となる。同様に４極の着磁が施されたロータマグネットの内径は約３８ｍｍ以上必要となる。
【００２０】
図２は本発明の請求項２に係わる実施例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。
【００２１】
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。３−１はホール素子３の出力電圧波形で，ロータマグネット２０が極異方性磁場配向されていても，ロータマグネット２０とホール素子３の位置により，ピーク値をもつ形状となっている。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。更にホール素子３の出力電圧波形３−１を，ロータマグネットの１極に対して，ほぼその中心に相当する位置で，ホール素子の出力電圧波形が最大値を有し，モータコイル通電電流の転流間において，通電後半のほぼ５０％区間の電流を徐々に低下し，転流点でほぼ零になるように通電指令信号を生成する。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，通電指令信号と類似するように，電流帰還ループ１２によりプリドライブＩＣ２１に入力され，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。
【００２２】
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。
【００２３】
また，インジュームアンチモン材からなるホール素子の温度に対する出力電圧変化は比較的大きく，上述立ち上がり立ち下がりの電流波形の形状に影響を及ぼすため，プリドライブＩＣ内にある増幅器（図示せず）のゲインを自動的に変化させて，ある程度変化を抑制している。
【００２４】
また，特開２００４−１４０８９７号で開示されている，コギングトルクと通電トルクの和，即ちトルクリップルを極限に抑制する具体策として，本発明を適用することも可能である。
【００２５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例でモータの構造を示す図
【図２】本発明の実施例で駆動回路の概略図
【図３】本発明の回路の動作を示すタイミングチャート図
【図４】モータコイルの逆起電力とゴギングトルクの関係図
【図５】従来のモータの構造を示す図
【図６】ロータマグネットの表面磁束分布を示す図
【図７】ロータマグネットの磁場配向によるコギングトルク
【符号の説明】
【００２８】
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：ティース
６：突極
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
【図１】
2006238536.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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