(57)【要約】【課題】  本発明は、３相ブラシレスＤＣモータの巻線端子を短絡してショートブレーキ動作をする際に、マグネットに減磁が生じにくくする。【解決手段】  ２種類の保磁力の異なるマグネットを円周状に交互に配置しリング形状を形成する。反磁界が強く生じるマグネット部分には保磁力の大きなマグネットを配置する。反磁界の発生部分はステータの突極部分であり、逆起電力が最大になるのはステータの突極部センタがマグネットのＮＳ極の境界付近にした時である。その位置で反磁界が最大値となるので、ＮＳ極境界付近に保磁力の強いマグネットを配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材料で構成されモータ巻線が巻回される複数の主磁極部とその先端の突極部を有する固定子と、該固定子の突極部にエアギャップを介して対向するマグネットを有する回転子とから構成されたブラシレスＤＣモータにおいて、
前記マグネットは、２種類の保磁力の異なるマグネット要素を用いてリング状に形成され、両マグネット要素はそれぞれ複数の磁極部を有し、両マグネット要素のそれぞれの磁極部が円周方向に交互に配置され、ＮＳ極境界付近に保磁力の強いマグネット要素の磁極部が配置されることを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
【請求項２】
２種類の保磁力の異なるマグネット要素から構成されたリング状マグネットのＮＳ磁極の境界が、保磁力の大きなマグネット要素の磁極部におけるセンタ付近に存在することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。
【請求項３】
保磁力の小さなマグネット要素の磁極数に対して、保磁力の大きなマグネット要素の磁極数が２倍であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。
【請求項４】
保磁力の小さなマグネット要素は樹脂結合型のボンドマグネットからなり、一定間隔毎に配置された複数の磁極部と隣り合う磁極部間をそれぞれ連結する連結部とによりリング状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。
【請求項５】
保持力の小さなマグネット要素における複数の連結部は、その複数の磁極部における軸方向端縁間に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のブラシレスＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネットを回転子に使用したブラシレスＤＣモータに関し、特に、モータ自身の巻線を短絡するショートブレーキ動作の際に生じるマグネットの減磁現象を改善することを目的としたモータの回転子の改良に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ファン，ブロワの用途では、流量−静圧特性の向上のために羽根の高速運転化が進められている。反面、安全性確保の観点から電源を切断した際に、短時間に羽根が停止することが求められる場合がある。この場合、電源切断後にモータ駆動回路が動作している短時間内にモータを停止させるために、モータの巻線端子間を短絡してモータの逆起電力でブレーキトルクを発生させるショートブレーキ方式が採用されている。例えば、特開平１０−１８５２５２号公報には、換気扇のファンモータにおいて、駆動制御部のブリッジ接続した複数のスイッチング素子のうち下アームの全てのスイッチング素子をオンすることによりブレーキを発生させることが記載されている。
また、マグネットの材質は安価なフェライト系の樹脂結合型のボンドマグネットが使用されることが多い。
【０００３】
図４は、現在多く使用されているファンモータ駆動用回路の簡略結線図を示している。このファンモータは３相ブラシレスＤＣモータからなり、モータ部分は、例えば図５に示すような構成になっている。すなわち、円環状コア１の外周に６個の突極２を周方向等間隔に備えたステータコア３と、各突極２に巻回された３相の巻線４とにより固定子５が構成され、この固定子５を囲むように、各突極２に僅かな空隙を介して対向する円環状マグネット６とこのマグネット６を保持する円環状ロータヨーク７とからなる回転子８が設けられている。マグネット６は例えばリング形状のフェライト系ボンドマグネットからなり、４極に着磁され、同一磁極幅の４磁極がＮＳ交互にかつ等間隔に配置されている。この回転子８はその回転中心位置に回転軸を一体的に有し、これが図外の軸受により、固定子５と同心になる位置で回転自在に支持されている。
【０００４】
図４において、電源１１に接続されたスイッチ１２をオンにすると、コンデンサ１３が充電される一方、電源電圧がインバータ回路１４及びこのインバータ回路１４のトランジスタ群を制御するトランジスタ駆動回路部１５にそれぞれ印加される。インバータ回路１４は上アームのトランジスタ群１４ａと下アームのトランジスタ群１４ｂとを備えてなり、上アームのトランジスタ群１４ａと下アームのトランジスタ群１４ｂとの各相間に、デルタ結線されたモータ巻線４の各端子がそれぞれ接続されている。そして、スイッチ１２のオンにより電源が供給されたトランジスタ駆動回路部１５はトランジスタ群１４ａ，１４ｂを駆動制御し、インバータ回路１４の上下アームのそれぞれのトランジスタ群１４ａ，１４ｂが各相毎に順次オンオフ制御されて３相の巻線４への通電が順次行われ、各相の巻線４が順次励磁される結果、磁化された各相の突極２とマグネット６との電磁相互作用により回転子８に回転力が発生し、ロータが回転することになる。なお、図４では、巻線４を内部抵抗１６とインダクタンス１７と逆起電力１８との直列回路で等価的にあらわしている。
【０００５】
ここで、ロータの回転中にスイッチ１２をオフにして電源１１を切断した場合、コンデンサ１３に蓄積されていた電荷にてトランジスタ駆動回路部１５が短時間のみ動作を継続するようになっている。この動作可能時間内で、トランジスタ駆動回路部１５は、モータ巻線端子に接続されているインバータ回路１４の３相分の上アームのトランジスタ群１４ａを全てオフとし、下アームのトランジスタ群１４ｂを全てオン状態とする動作を行う。３相モータ巻線４は下アームトランジスタ群１４ｂで短絡された状態となる。回転子８は回転しているため、図４に示すように、各相のモータ巻線４には大きなモータ逆起電力１８が発生する。その結果、大きなショート電流が各モータ巻線４に流入し、ブレーキトルクが発生し、これにより、ロータを短時間（つまりコンデンサ１３の電荷が残っていてトランジスタ駆動回路部１５が動作している時間）内に停止させることができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１８５２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術における短絡動作では、巻線４が巻回された固定子３の突極２からこれに対向する回転子８のマグネット６に大きな反磁界を与えることになる。図６は、電源が遮断された直後の３相各巻線４の逆起電力波形を示している。図中のＡ点の位置はＵ相の逆起電力が最大に生じる位置である。図５で示すマグネット６の磁極位置とステータ突極２との位置関係はこのＡ点のものを示している。Ｕ相の突極２はＮ極に励磁され、／Ｕ相の突極２はＳ極に励磁されている。Ｕ相突極２とマグネット６のＮ磁極は領域Ｘの位置で同極で対向し、／Ｕ相突極２とマグネット６のＳ磁極は領域Ｙの位置で同極で対向している。
【０００８】
図７はフェライト系ボンドマグネットの特性を表す減磁曲線である。２１はボンドマグネットのＢ−Ｈカーブ、２２はボンドマグネットの４πＩ−Ｈカーブ、２３は構成されている磁気回路のパーミアンス係数をそれぞれ示す。Ｂ−Ｈカーブ２１とパーミアンス係数２３の交点（Ｂ点）から、減磁が発生する際の限界反磁界強度Ｈｄ１が約１２０ＫＡ／ｍであることを算出できる。すなわち、磁石使用時のパーミアンス係数が図７の符号２３で示すものの場合、このパーミアンス係数２３とＢ−Ｈカーブ２１との交点（Ｂ点）での磁束密度でマグネットは動作することになる。Ｂ点からの垂線と４πＩ−Ｈカーブ２２との交点（Ｃ点）は、外部磁界がゼロの時の磁化の強さをあらわす。外部磁界が逆方向に印加された場合、パーミアンス係数が外部磁界だけ平行移動したと考えられ、このとき、Ｃ点が４πＩ−Ｈカーブ２２の屈曲点（Ｄ点）よりもさらに平行移動すると不可逆変化（つまり外部磁界による減磁）が生じるため、この屈曲点（Ｄ点）での平行移動した時の磁界強度が限界反磁界強度Ｈｄ１となり、約１２０ＫＡ／ｍが得られる。
【０００９】
そして、先のＮ極に励磁されたＵ相突極とＳ極に励磁された／Ｕ相突極から生じる限界反磁界強度がＨｄ１を越えたとき、対向する位置のマグネット６の磁極部分が減磁することになる。
【００１０】
図８はマグネット内径面の表面磁束密度の分布をマグネットの周方向角度θに沿って示したものである。２４は減磁現象が生じる前の表面磁束密度の分布をあらわし、２５は減磁が生じた場合の表面磁束密度の分布である。４極マグネット６のＮＳ極の磁極境界付近で減磁現象が生じ、磁極中央部分では減磁は生じていないことがわかる。
【００１１】
モータに使用されるフェライト系の樹脂結合型のボンドマグネットは、磁気回路動作点から決まる限界反磁界強度Ｈｄを越える反磁界により減磁してしまい、ファン用モータとして所要の特性を維持できなくなる。
【００１２】
ここで、短絡電流を低減して減磁を抑える方法として、抵抗器を各相巻線に接続する方法がある。また、モータ起動時と同様に電流制限回路を構成することも考えられる。しかし何れもが、ブレーキ停止時間の遅延や回路形状の大型化、コストアップ等の問題が生じる。
【００１３】
また、マグネット自体を保磁力の高いフェライト焼結材とする方法があるが、リングマグネットではその径方向寸法と厚み寸法で製作上の制約があり、厚みの薄い形状のリングマグネットには適用できない場合が多い。さらには、マグネットを分割してセグメント形状とする方法があるが位置決めや接着工程が複雑になる。いずれもかなりのコストアップを伴ってしまう。
【００１４】
本発明は、上記従来の問題点に留意してなされたものであり、その目的とするところは、モータ巻線を短絡してショートブレーキ動作を行う場合であっても、マグネットの減磁を最小限に抑えることが可能な回転子を有するブラシレスＤＣモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記目的を達成するために、２種類の保磁力の異なるマグネットを円周状に交互に配置してリング形状を形成すると共に、反磁界が強く生じるマグネット部分には保磁力の大きなマグネットを配置する。すなわち、反磁界の発生部分はステータの突極部分であり、逆起電力が最大になるのはステータの突極部センタがマグネットのＮＳ極の境界付近にした時である。その位置で反磁界が最大値となるので、ＮＳ極境界付近に保磁力の強いマグネットを配置する。
【００１６】
また、保磁力の小さなマグネットを樹脂結合型のボンドマグネットとし、これを一定間隔に配置すると同時に隣り合う複数の極間を接続する連結部を有するように成形し、保持力の小さなマグネット間に保磁力の大きなマグネットを配置する構成として、この保持力の大きなマグネットの位置決め作業を容易にする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、以下に記載のような優れた特徴を有し、例えばファン・ブロワ駆動用モータとして好適な回転子が構成できる。
（１）巻線短絡時に反磁界が強く生じるマグネット部分のみに保磁力の大きなマグネットを配置することで、マグネットの材料費増加を最小限に抑えることができる。
（２）従来のものを回路構成を変更せずに適用できるので、モータ外観形状や回路コスト増加がない。
（３）保磁力の小さなフェライト系の樹脂結合型の安価なボンドマグネット材を使用し、隣り合う複数の極間を接続する連結部を有するように成形し、保磁力の大きな焼結セグメントマグネットの位置決め部分を構成することで作業性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の１実施形態によるブラシレスＤＣモータの切断平面図である。
【図２】図１におけるマグネットの展開図を示し、（ａ）は着磁前（未着磁時）、（ｂ）は着磁後を示す。
【図３】図２のマグネットの減磁曲線を示す特性図である。
【図４】一般的なファンモータの駆動用回路を示す簡略結線図である。
【図５】従来のブラシレスＤＣモータの切断平面図である。
【図６】電源遮断直後の各相の逆起電力波形図である。
【図７】従来のマグネットの減磁曲線を示す特性図である。
【図８】従来のマグネットの表面磁束密度を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下，本発明によるブラシレスＤＣモータの実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は３相４極６突極のブラシレスＤＣモータの断面図である。従来技術で説明した場合と同様に、円環状コア５１の外周に６個の突極５２を周方向等間隔に備えたステータコア５３と、各突極５２に巻回された３相の巻線５４とにより固定子５５が構成され、この固定子５５を囲むように、各突極５２に僅かな空隙を介して対向する円環状マグネット５６とこのマグネット５６を保持する円環状ロータヨーク５７とからなる回転子５８が設けられている。この回転子５８はその回転中心位置に回転軸を一体的に有し、これが図外の軸受により、固定子５５と同心になる位置で回転自在に支持されている。
【００２０】
回転子５８に用いられるマグネット５６は、リング形状のフェライト系マグネットからなり、従来のものと異なり、保持力の異なる２種類のマグネット要素を組み合わせてなる。すなわち、図２は、マグネット５６を直線状に展開して示したものであり、同図（ａ）は未着磁のもの、同図（ｂ）は着磁後のものを示している。このマグネット５６は、全周の１／８の角度幅（４５度）を有する４個の第１磁極５６Ａａを等間隔（９０度毎）に配置すると共に隣り合う磁極５６Ａａの端縁間を連結部５６Ａｂで円環状に連結して構成された保磁力の小さなフェライト系の樹脂結合型ボンドマグネットからなる第１マグネット要素５６Ａと、全周の１／８の角度幅（４５度）を有し第１マグネット要素５６Ａの各第１磁極５６Ａａの間にそれぞれ介挿された保持力の大きなフェライト系の焼結型マグネットからなるセグメント状の４個の第２磁極５６Ｂａを備えた第２マグネット要素５６Ｂとにより構成されている。
【００２１】
そして、第１，第２マグネット要素５６Ａ，５６Ｂを、それぞれ未着磁の状態で、隣り合う第１磁極５６Ａａ間にセグメントマグネットである第２磁極５６Ｂａをそれぞれ配置して接着剤等を用いて一体に結合し、着磁工程前に保磁力の異なる２種類でリング形状を形成する。次に、このリング状のマグネット５６に対して、第１マグネット要素５６Ａの各第１磁極５６Ａａの内径側がそれぞれＮ極とＳ極とに交互に磁化されるよう着磁を行う。この時、第１磁極５６ＡａのＮＳ極の境界部分に配置された保磁力の大きなフェライト系の焼結型のセグネントマグネットは、その中央部分を境にＮ極とＳ極とに磁化される。従って、図２（ａ）に示すように、マグネット５６のＮ極は保磁力の小さなマグネット要素５６Ａの第１磁極５６Ａａとその両側に位置する保磁力の大きなマグネット要素５６Ｂの第２磁極５６Ｂａのうち隣接側の半分の領域とで構成され、同様に、Ｓ極は保磁力の小さなマグネット要素５６Ａの第１磁極５６Ａａとその両側に位置する保磁力の大きなマグネット要素５６Ｂの第２磁極５６Ｂａのうち隣接側の半分の領域とで構成され、保磁力の大きな第２磁極５６ＢａのセンタにＮＳ極の境界線が存在することになる。
【００２２】
このように構成されるマグネット５６を回転子５８に有するブラシレスＤＣモータは、図４に示す駆動用回路を用いて回転動作が行われる。また、ロータの回転時にスイッチ１２をオフにしてショートブレーキ動作を行わせると、インバータ回路１４の下アームのトランジスタ群１４ｂの全てがオンとなって３相の巻線５４を短絡し、電磁ブレーキが作用する。先に述べたように、モータ巻線５４を短絡するブレーキ動作の際、モータ巻線５４が施された固定子５３の突極５２から回転子５８のマグネット５６に作用する反磁界が最も大きくなる位置は、ＮＳ磁極の境界線付近であるが、上記実施形態のものでは、マグネット５６におけるＮＳ磁極の境界部分に保磁力の大きな第２マグネット要素５６Ｂの第２磁極５６Ｂａが配置される結果、反磁界は保磁力の大きなマグネット要素５６Ｂの限界反磁界強度がＨｄを越えることはなく、従って、マグネット部分が減磁することがなくなる。
【００２３】
図３は、保磁力の大きなフェライト系の焼結型のマグネット要素５６Ｂの特性を表す減磁曲線である。６１は焼結マグネットのＢ−Ｈカーブ、６２は焼結マグネットの４πＩ−Ｈカーブ、６３は磁気回路のパーミアンス係数である。磁気回路のパーミアンス係数６３を求め、Ｂ−Ｈカーブ２１とパーミアンス係数２３との交点（Ｂ’点）であるマグネット動作点から、これを通る垂線と４πＩ−Ｈカーブ６２との交点（Ｃ’点）を求め、外部磁界がゼロの時の磁化の強さを得、外部磁界が逆方向に印加された場合、減磁が発生する際の限界反磁界強度Ｈｄ２が４πＩ−Ｈカーブ２２の屈曲点（Ｄ’点）に平行移動した時の磁界強度であることから、減磁が発生する際の限界反磁界強度Ｈｄ２を、約１８０ＫＡ／ｍと算出できる。従来の保磁力の小さなフェライト系樹脂結合型ボンドマグネットの場合、限界反磁界強度Ｈｄ１が約１２０ＫＡ／ｍであるから、５０％の余裕度を確保できたことになる。
【００２４】
本発明によれば、高速で回転するファン用ブラシレスＤＣモータを巻線端子を短絡して、短時間でモータを停止する際に生じるモータ巻線からの反磁界でマグネットが減磁することを、回転子のマグネットの構成を工夫することで防止することができ、最小限のコストアップで対処することが可能で大量生産のファン用モータ等には大変有効な技術となる。
【００２５】
なお、上記実施形態では、２種類のマグネットをフェライト系の保磁力の異なるマグネットを用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、マグネットの材質に無関係に異なる保磁力のものであれば同様に適用可能である。また、実施形態では、アウターロータ方式のモータを用いて説明したが、インナロータ構造のモータにも適用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
高速回転するファン用のブラシレスＤＣモータのように、電磁ブレーキを発生させる使用形態を有するブラシレスＤＣモータに本発明は有益であり、加えて、エアコンの室外機や換気扇等のように、外部空気によりロータが回転されて反磁界を発生する可能性のあるブラシレスＤＣモータにおいても本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
５２  突極
５４  巻線
５５  固定子
５６  マグネット
５６Ａ  第１マグネット要素
５６Ａａ  第１磁極
５６Ａｂ  連結部
５６Ｂ  第２マグネット要素
５６Ｂａ  第２磁極
５８  回転子
【図１】
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【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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【図８】
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