(57)【要約】【課題】  センサレスモータを確実に起動でき、且つ、その起動時間の短いセンサレスモータ及びその起動方法を提供する。【解決手段】  複数のコイル（１０９、１１１、１１３）で構成される固定子（１０４）と、前記固定子の内方に配置された回転子（１０２）と、前記回転子の内方に配置される出力リング（１１２）と、を備えたセンサレスモータ（１０）において、前記回転子は、前記出力リングの内方に配置される遠心クラッチ（１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄ）を備え、前記遠心クラッチは、前記回転子が所定の回転数に達した場合に前記出力リングの内面の少なくとも一部と接するように作動して前記出力リングを回転させる。【選択図】図１
2018201306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルで構成される固定子と、前記固定子の内方に配置された回転子と、前記回転子の内方に配置される出力リングと、を備えたセンサレスモータであって、
前記回転子は、前記出力リングの内方に配置される遠心クラッチを備え、
前記遠心クラッチは、前記回転子が所定の回転数に達した場合に前記出力リングの内面の少なくとも一部と接するように作動して前記出力リングを回転させる、
センサレスモータ。
【請求項２】
前記出力リングは前記遠心クラッチと対向するように突出する凸部を前記内面の一部に有し、
前記遠心クラッチは、該凸部と噛みあって前記出力リングを回転駆動させる、
請求項１に記載のセンサレスモータ。
【請求項３】
複数のコイルからなる固定子と、前記固定子の内方に配置された回転子と、前記回転子の内方に配置される出力リングと、前記回転子に設けられる遠心クラッチと、を備えたセンサレスモータの起動方法であって、
該起動方法は、
停止中の前記回転子を無負荷で正転させる第１のステップと、
前記回転子を所定の回転数となるように更に正転させる第２のステップと、
を含み、
前記第２のステップは、
無負荷の前記回転子の回転数が前記所定の回転数に達した際に前記遠心クラッチが前記出力リングの内面の少なくとも一部と接して前記出力リングを正転させるステップを含む、
センサレスモータの起動方法。
【請求項４】
前記所定の回転数は、前記固定子に誘起される電流または電圧によって前記回転子の位相が検知できる回転数である、
請求項３に記載のセンサレスモータの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ及びモータの起動方法に関するものであり、特にセンサレスモータ及びセンサレスモータの起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ブラシレスモータにおいて、ホール素子などの位置検出センサを用いることなく回転子の磁極位置を検出するセンサレス方式のブラシレスモータが知られている。このようなモータでは、回転子の回転により固定子コイルに誘起される電圧または電流から該回転子の位置や位相を検出し、当該検出結果に基づいて固定子コイルに印加される制御電圧が決定されている。
【０００３】
しかしながら、このようなセンサレスモータでは、回転子が停止していると固定子に電圧または電流が誘起されず、起動時における回転子の位置を検出することができないため、センサレスモータを起動できないような場合がある。このため、例えば、起動時において停止している回転子を強制的に回転させることで該回転子の位置を検出し、検出した該回転子の位置情報に基づいて該回転子の強制駆動条件を決定する手法が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、始動時に第１位置決めとしてある固定された相を通電して一旦磁石回転子をある位置まで回転させ、その後第２位置決めとして残りの相を通電し、第１位置決めによって決められた停止位置とは異なった位置に磁石回転子を固定することにより、ブラシレスモータの起動条件を決定する手法が開示されている。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された従来技術では、ブラシレスモータの起動時において、回転子を第１位置に移動させる第１のコイル通電と第１位置から第２位置に移動させるための第２のコイル通電とからなる２回の通電が必要であるため、ブラシレスモータの起動に必要以上の時間を要していた。
【０００６】
また、通常、回転子には回転軸などを介して負荷が接続されることとなるため、停止している回転子を第１位置または第２位置に移動するには、通常運転時の回転トルクに比べて非常に大きな起動トルクが必要となる。このため、例えば、起動トルクが回転子の負荷トルクよりも下回ったような場合には、ブラシレスモータが脱調して起動が失敗するような場合があった。
【０００７】
このように、特許文献１の記載されたような手法を用いても、モータの始動時に起動トルクが適切に選択されないような場合には、ブラシレスモータを確実に起動できないような事態が生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−３１２３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような背景から、センサレス方式のモータにおいて、始動時に確実に起動することができ、且つ、その起動時間の短縮が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一の態様は、複数のコイルで構成される固定子と、前記固定子の内方に配置された回転子と、前記回転子の内方に配置される出力リングと、を備えたセンサレスモータである。前記回転子は、前記出力リングの内方に配置される遠心クラッチを備え、前記遠心クラッチは、前記回転子が所定の回転数に達した場合に前記出力リングの内面の少なくとも一部と接するように作動して前記出力リングを回転させる。
本発明の他の態様によると、前記出力リングは前記遠心クラッチと対向するように突出する凸部を前記内面の一部に有し、前記遠心クラッチは、該凸部と噛みあって前記出力リングを回転駆動させる。
本発明の他の態様は、複数のコイルからなる固定子と、前記固定子の内方に配置された回転子と、前記回転子の内方に配置される出力リングと、前記回転子に設けられる遠心クラッチと、を備えたセンサレスモータの起動方法である。該起動方法は、停止中の前記回転子を無負荷で正転させる第１のステップと、前記回転子を所定の回転数となるように更に正転させる第２のステップと、を含み、前記第２のステップは、無負荷の前記回転子の回転数が前記所定の回転数に達した際に前記遠心クラッチが前記出力リングの内面の少なくとも一部と接して前記出力リングを正転させるステップを含む。
本発明の他の態様によると、前記所定の回転数は、前記固定子に誘起される電流または電圧によって前記回転子の位相が検知できる回転数である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサレスモータの構成及び該センサレスモータを駆動するための電気回路の構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係るセンサレスモータの始動時と遠心クラッチ作動時の動作を示す図である。
【図３】本実施形態に係るセンサレスモータの回転数と経過時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、本実施形態では、本発明に従うセンサレスモータの一例として、車両において使用されるセンサレスモータを例示するが、本発明に係るセンサレスモータの構成は、このような例に限らず、広くの一般の装置で使用されるセンサレスモータにも適用することができる。
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０の構成を示すものであり、また、図１（ｂ）は、センサレスモータ１０を駆動するための電気回路の構成を示す図である。
【００１４】
本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０は、３相のコイル１０９、１１１、１１３を含む固定子１０４と、当該固定子１０４の内側において回転する４極の磁石回転子１０２とを備えている。また、本実施形態に係るセンサレスモータ１０は、前記回転子１０２の位置を検出するための位置検出用素子を有しないセンサレス方式のブラシレスモータである。
【００１５】
また、本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０は、図１（ｂ）に示すように、駆動回路２０及び制御回路３０によって動作が制御される。駆動回路２０は、固定子１０４を構成するコイル１０９、１１１、１１３と接続されて、各コイルに所定の電圧が印加される。なお、駆動回路２０は、例えばバイポーラトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６などからなるスイッチング素子が３相ブリッジ接続して構成されている。
【００１６】
また、制御回路３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）によって構成することができ、回転子１０２が所定の回転数で回転するように励磁するコイルを順次切り替えるように駆動回路２０を制御する。また、制御回路３０は、各相のコイル１０９、１１１、１１３のうち、励磁しないコイルに誘起される電圧または電流に基づいて回転子１０２の位置または位相を検出し、当該検出した回転子１０２の位置または位相に応じて励磁するコイルの印加電圧を制御する。
【００１７】
ここで、本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０は、特に、回転子１０２の内側において、出力リング１１２が配置されている。出力リング１１２は、例えば中空円筒状の部材で構成することができ、当該部材を介して、図示しない回転軸及び該回転軸に固定された負荷に動力を伝達する。なお、出力リング１１２は、センサレスモータ１０の停止時には該回転子１０２と機械的に接続されていない。
【００１８】
また、回転子１０２は、上記出力リング１１２の内側に配置される遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄを備えており、各遠心クラッチは該回転子１０２に支持され固定されている。遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの各々は、例えば、出力リング１１２の内面（出力リング１１２の回転中心側の面）と対向するように配置された遠心おもりと、当該遠心おもりの一端に固定されて所定の弾性係数の引きバネとから構成されている。
【００１９】
回転子１０２の前記遠心おもりは、回転子１０２の停止時において、前記引きバネによって回転子１０２の回転中心方向に引き付けられて出力リング１１２と接触することなく離間している。一方、回転子１０２の回転数を上昇し始めると、当該遠心おもりは、遠心力によって当該引きバネを伸長し出力リング１１２の内面に向けて移動し始める。
【００２０】
そして、回転子１０２の回転数が所定の回転数に達した時点で、前記遠心おもりの一部が出力リング１１２の該内面の一部と接触し、該内面に前記遠心おもりが一時的に固定される。この結果、回転子１０２の回転が出力リング１１２に伝達されて、該出力リング１１２は、回転子１０２と共に回転し、出力リング１１２に接続された回転軸及び負荷に動力が伝達されることとなる。
【００２１】
次に、本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０の動作について、図２、３を用いて説明する。図２（ａ）は、始動時のセンサレスモータ１０の動作を示すものであり、図２（ｂ）は、と遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの各々が作動した時点でのセンサレスモータ１０の動作を説明するものである。また、図３は、センサレスモータの回転数と経過時間との関係を示すものである。
【００２２】
まず、本実施形態のセンサレスモータ１０では、始動時において、例えば駆動回路２０のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に所定の強制転流周波数の矩形波が印加されて、３相コイル１０９、１１１、１１３のうち２相のコイルが所定順序で通電される。これにより、回転子１０２は、図２（ａ）に示すように、励磁コイルの強制的な移動に同期して強制回転することとなり、停止状態にある回転子１０２が強制駆動されて正転を始める。
【００２３】
ここで、本実施形態のセンサレスモータ１０では、起動された時点において、回転子１０２の遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄと、出力リング１１２とは機械的な接続関係になく、回転子１０２は無負荷の状態（回転軸または該回転軸に接続された負荷から切り離された状態）で自由回転することとなる。このため、回転子１０２には、回転子１０２の負荷トルクを確実に上回るモータトルクが供給されることとなり、回転子１０２を容易に正転始動させることができる。この結果、センサレスモータ１０の脱調による停止が未然に防止され、センサレスモータ１０を確実に起動させることができる。
【００２４】
また、回転子１０２の上述の強制駆動は、図３における強制駆動区間３０５において実行される。ここで、強制駆動区間３０５における回転子１０２に回転数は、回転子１０２の位相や位置をセンサレスに推定可能な回転数の下限であるＲＬＬ未満である。すなわち、センサレスモータ１０が始動された直後は、回転子１０２の回転数が小さく、コイルに誘導される電圧や電流も微弱であるため、回転子１０２の回転位相が正確に検出することができない。このため、本実施形態のセンサレスモータ１０では、当該回転数ＲＬＬを超えるまでは、回転子１０２の強制駆動が継続されることとなる。
【００２５】
ここで、図３に示すように、回転子１０２の回転速度が上昇して回転数がＲＬＬ以上となると、３相コイル１０９、１１１、１１３のうちの励磁相以外のコイルには、回転子１０２の位相を検出するために必要となる誘導電流が流れるようになり、当該誘導電流に基づいて回転子１０２の位相を制御することが可能となる。これ以降（センサレス位相制御区間３１０）において、回転子１０２は、強制駆動からセンサレスの位相制御に切り替えられて駆動されることとなる。
【００２６】
なお、センサレス位相制御区間３１０では、センサレスモータ１０の３相コイル１０９、１１１、１１３に誘起される電流または電圧に基づく位相信号に応じてコイルの切換タイミングが決定され、センサレス位相制御が実行される。すなわち、制御回路３０は、コイル１０９、１１１、１１３の励磁される以外のコイルを流れる誘導電流を利用してセンサレスで回転子１０２の回転角度を検出すると共に、検出した当該回転角度に応じて励磁するコイルに印加する電圧を調整する。
【００２７】
次に、回転子１０２の回転速度が更に上昇すると、回転子１０２に支持されている遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの各遠心おもりは、遠心力が作用することにより、出力リング１１２の内面側に徐々に近接し始める。そして、回転子１０２が所定の回転速度に達すると、図２（ｂ）に示すように、遠心クラッチの一部は、出力リング１１２の内面側に設けられている凸部２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄと接触すると共に噛みあうこととなる。これにより、出力リング１１２は、回転子１０２の回転駆動が伝達されることにより、回転子１０２と共に回転することとなる。
【００２８】
なお、遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄの一部と出力リング１１２とが噛みあった瞬間（図３のｔ１）では、回転子１０２の回転数は一時的に低下するが、この後、所定の回転数まで上昇するように位相制御されることとなる。
【００２９】
上述のような構成により、本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０は、始動時において、回転子１０２が負荷と機械的に切り離されているため、始動時における負荷トルクが大幅に低減されている。この結果、センサレスモータ１０では、始動時において特別な起動手法を必要とすることなく、回転子１０２とコイル１０９、１１１、１１３とを同期させて、回転子１０２を確実に強制駆動するができる。これにより、センサレスモータ１０では、起動時の負荷トルクが大きい従来技術のセンサレスモータのように、トルク不足による脱調や停止が未然に防止されている。また、回転子１０２の正転させるために必要となるコイルへの通電電流や強制転流周波数の設定マージンを大きくすることができるため、始動時における駆動パラメータの選択処理を簡素化することができる。
【００３０】
また、本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０では、従来技術のセンサレスモータの始動時に行われていた複数の通電や正逆方向の回転処理などの起動処理が不要であるため、モータの起動時間を大幅に短縮することができる。
【００３１】
さらに、本実施形態のセンサレスモータ１０は、回転子１０２が所定の回転数以下となると、出力リング１１２から遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄが外れて、出力リング１１２と回転子１０２との係合が解消されるような構成となっている。これにより、例えば、回転子１０２に突然負荷が作用してセンサレスモータ１０が急停止するような事態となっても、所定の回転数以下で出力リング１１２と回転子１０２との接続が解除されるため、センサレスモータ１０の急停止に伴った大電流が生じることもなく、また、当該大電流によるコイルや駆動装置の損傷も未然に防止することができる。
【００３２】
なお、本発明の実施形態のセンサレスモータ１０を駆動する駆動回路２０では、スイッチング素子として、バイポーラトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を使用したが、これに限らず、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランスタ（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）や、電界効果トランジスタ（MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を使用することもできる。
【００３３】
また、本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０では、遠心クラッチが作動した場合における回転子１０２の回転数の低減を抑止するために、位相制御が実行可能な上限であるＲＵＬまで回転子１０２の回転数を上昇させる構成としたが、このような例に限らず、例えば位相制御が実行可能な上限であるＲＵＬ未満またはＲＵＬを超えるような範囲において、遠心クラッチを作動するように構成することもできる。すなわち、遠心クラッチを作動させる回転数は、係合後の回転数の低下によって出力リング１１２と遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄとの係合が解消されない回転数の範囲において、任意の回転数を選択することができる。
【００３４】
また、本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０では、回転数ＲＬＬに達すると直ぐに強制駆動から位相制御に切り替える構成としたが、このような形態に限らず、例えば、ＲＵＬに達するまで強制駆動を継続し、ＲＵＬに達して遠心クラッチが作動することによって回転数が低下した後に、位相制御に切り替えるような構成としてもよい。このような形態とすれば、制御回路３０、駆動回路２０の構成が簡素化でき、センサレスモータ１０の製造コストを大幅に低減することができる。
【００３５】
さらに、本発明の実施形態に係るセンサレスモータ１０では、遠心クラッチが出力リングの内面の一部に一時的に固定されることにより回転子１０２の回転を出力リング１１２に伝達するように構成したが、本発明はこのような例に限られるものではない。遠心クラッチを、例えば、遠心おもりの一部が遠心力に応じた圧力で出力リング１１２の内面を圧接することにより、回転子１０２の回転を出力リング１１２に伝達するような構成としてもよい。
【００３６】
以上、説明したように、本発明のセンサレスモータ１０は、複数のコイル１０９、１１１、１１３で構成される固定子１０４と、前記固定子１０４の内方に配置された回転子１０２と、前記回転子１０２の内方に配置される出力リング１１２と、を備えたセンサレスモータ１０であって、前記回転子１０２は、前記出力リング１１２の内方に配置される遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄを備え、前記遠心クラッチ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄは、前記回転子１０２が所定の回転数に達した場合に前記出力リング１１２の内面の少なくとも一部と接するように作動して前記出力リングを回転させる。本発明のセンサレスモータ１０によれば、始動時に確実に起動することができ、また、その起動時間の短縮することができる。
【００３７】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０・・・モータ、２０・・・駆動回路、３０・・・制御回路、１０２・・・回転子、１０４・・・固定子、１０９、１１１、１１３・・・コイル、１１２・・・出力リング、１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、１１６ｄ・・・遠心クラッチ、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ・・・凸部、３０５・・・強制駆動区間、３１０・・・センサレス位相制御区間。
【図１】
2018201306.tif 000003
【図２】
2018201306.tif 000004
【図３】
2018201306.tif 000005