JPS6039356A - ブラシレス磁界逆転ｄｃフアンモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、電子的に整流されるブラシレスＤＣファンモ
ータ、より詳しくは、簡単な構造で、製造コストが安い
、信頼できるブラシレスＤＯファンモータに関する。

ファン製造では、普通、非常に簡単で、したがって製造
コストの安（・モータが目標となる。ファン用の人Ｃモ
ータの中では、側方電機子ＡＯモータがこの目標に最も
良く叶っている。しかし最近、では、ＤＣ電力を利用で
きる場合、ファン用のＤＯモータが、とくに電子部品冷
却用のファンにますます魅力的となってきている。

回転子が回転しているときの整流点を検出するためにホ
ール効果素子を用いるブラシレスＤＣモータは、この業
界では周知である。固定子鉄心の磁極が作り出す電磁界
を移動させるには、１つ以上の固定子コイルに電流を断
続的に反復して流したり、その電流の向きを逆転させた
りする。回転子の永久磁石はたえず新して電磁石磁極の
方へ引きつけられる。整流には、１つ以上のホール効果
素子で回転子永久磁石の磁極位置を検出して、固定子巻
線（単数又は複数）に流れる電流を制御するか、又は、
回転子といっしょに回るように取付けられた１つまたは
複数の整流用磁石の位置をホール素子で検出し、とくに
それによってホール素子の状態を変化させるようにして
、回転子が回るときに整流点を指示する。

多くのブラシレスＤＣモータは、その構造も整流回路も
複雑になっている。簡単な、安価で信頼できるモータが
必要な場合、例えば精密なディスクあるいはテープ駆動
用に用いる方がもっと適当と思われるこれらのブラシレ
スＤＣモータは、高価すぎてファンを回すといった単純
な目的には適さない。

簡単なりＣブラシレス・モータの１つの形式は、米国特
許出願人４１６，５０４．１９８２年９月１０日出願（
本発明と同じ譲受人）、に記述されている。以前のこの
出願のモータは、環状永久磁石及び環状磁石の外側の固
定子コイル及び電磁石構造体から成っている。回転子の
環状磁石は、逆の極性の磁石セグメントが、回転子のま
わりに交互に配置された形になっている。電磁石構造は
、回転子の外側円筒面に近い極片を有し、単一の巻線で
磁化される。回転子磁石セグメントの通過をホール効果
素子で検出して、この単一コイルをターンオン・オフす
る。電磁石の磁極及びホール効果素子の位置は、コイル
に電流が流れる度に、極片に次に近づいてくる環状磁石
のセグメントすなわち磁極を引きつげるように正しい極
性が設定されるようになっている。こうして、極片に近
づく磁石セグメントの極性がその極片と反対であればコ
イルに電流が流れるが、磁石セグメントの極性が極片と
同じになるとコイルはターンオフされる。したがって、
たとえば各極性の磁石セグメントが４つあり、全部で８
つの磁石セグメントが磁石の回りに間隔をおいて並んで
いる回転子磁石の場合、磁石が１回転する毎に、コイル
には４回パルス電流が流れる。回転子磁石が、逆の極性
の等しいサイズのセグメントを有する場合、コイルは、
全部で磁石回転時間の半分は電流が流れない。

この従来のモータ設計においては、回転子が「ワインデ
ィングオフ」位置で停止することがあるので、もどり止
めの永久磁石が、固定子構造の、環状回転子磁石の周に
近いところに備えられている。この磁石は、回転子が始
動するときに正しい位置にあるように環状磁石を磁力で
一定位置に止める。しかし、回転子磁石と、このもどり
止め磁石及びパルス巻線との相互作用に起因して、トル
クが小刻みに変化するためにモータが振動を受けること
が見出された。

本発明の要約 本発明による簡単な、ＤＣブラシレス・モータは、環状
永久磁石をもつ回転子、及びこの環状磁石の外側の固定
子コイル及び電磁石構造体とを有するが、前述の特許出
題のモータと異なり、コイルには逆転磁界が生ずるよう
に電流が流れるので、「オフ」位置はどこにもな〜・。

回転子の環状磁石は、そのまわりでセグメントに分れて
磁化され、次々のセグメントはそれぞれ半径方向に逆向
きに磁化されており、電磁石構造体は、この環状磁石の
円筒面に近接してコイルで磁化される極片を有し、ホー
ル効果素子は回転子磁石セグメントの通過を検出して交
互に逆の極性の磁界を生ずるようにコイルに電流を流す
。電磁石極片とホール効果素子の位置関係は、ある磁界
を生ずるような電流がコイルに流れるとき、極片には環
状磁石の次に近づいてくるセグメントすなわち磁極を引
きっけるように正しい極性が生ずるようにされる。

好ましい形としては、固定子コイルは、電気的に独立な
２本のコイル巻線を単一ボビンにパイフィラー態様で巻
きつけ、逆に電流が流れるように接続して成るものが良
い。ホール素子を含む整流回路は、２本の巻線に交互に
電流を流して、極片で交互に逆の極性の磁界を生ずる。

このようにして固定子コイルは、実質的に回転子の全回
転期間にわたって磁界を生ずる。これに比して、上で参
考にあげた特許出願のモータ設計では、コイルは回転子
の回転期間の約半分の間しか電流が流れない。さらに、
上で挙げた特許出願のモータ設計で同じような出力のも
のと比べると、本発明によるモータは、運転中のピーク
電流が小さく、回転子ロック電流も小さい。その上、上
で挙げた出願の場合のように、ある極性の磁石セグメン
トの通過中コイルに電流が流れな〜・と（・うことがな
いから、回転子に何もトルクがかからない比較的大きな
弧状の回転子位置はもはや存在せず、これらの位置の１
つで回転子が停止するのを防止するためのもどり止め磁
石の必要性も小さくなる。もどり止め磁石がないので、
トルクのリップル及びそれに伴なう振動や騒音も相当少
なくなる。

本発明のファンでは、ファンの羽根は、上で記述した改
良されたモータの環状磁石内にあってそれに固定されて
いる。前記の出願におけると同様に、磁石とファン羽根
は中心のハブに回転できるように取り付けられ、そして
固定子はハウジング及び磁石の近くからハブまで延びて
いて回転子ハブを回転できるように支持する支持構造体
を含み、ハウジングは環状磁石とファン羽根を囲ってお
り、支持構造はハウジング内にモータの周囲に作られた
取付手段を含み、ハウジング内の仕切られた小さなコン
パートメントには、固定子コイル又は巻線、電磁石構造
体、及び電流を行うホール素子を含め比較的簡単なスイ
ッチ回路の全ての回路要素が収められている。しかし、
本発明の特徴により、ファンは相当に静かなものになり
、さらにコストは低廉化される。

本発明の上記その他の特徴は、添付図面及び以下の好ま
しい具体例についての詳しい説明によって一層良く理解
されよう。

好ましい具体例の説明 第１図に示すように、本発明によるファンとモータの組
合せ１０は、回転子１１と固定子１２を含む。回転子１
１は、その周縁に、セグメントに分れて磁化されている
環状永久磁石１４を有する。

図示されているように、周縁の次々の各セグメントは半
径方向に交互に逆向きに磁化されている。

磁石１４は、第２図に示すように、Ｌ型断面のリング１
６に固定されている。ファンの羽根１７は、このリング
１６から中心ノ・ブ１９へ内側へ延びている。

第２図に示すように、ノ・ブ１９には孔２０があり、そ
こにスリーブ軸受２１がはまり、それにさらにシャフト
２２がはまっている。シャフト２２は、保持Ｃ−リング
２４と、スラスト・ワッシャ２６及び２７によって軸受
２１に保持されている。

端面キャップ２８がシャフト２２の左端を覆っている。

シャフト２２の右端は取付ブッシング２９にしっかりと
取り付けられ、それがさらに、固定子ハウジング３１の
孔３０にしっかりとはまっている。回転子組立体とファ
ン羽根を固定子ノλウジング構造体内に回転できるよう
に配置するのに用いたこの取付方法は単に一例を示した
だけであり、本発明にとって本質的なものと考えてはな
らない。

３つの支柱３３が、固定子ハウジング３１の中心に結合
して、そこから外方へ放射状に延びている。取付用ボス
３５（第１図）には孔３６があり、ハウジング周縁にあ
るこれらの孔によって、たとえばボルトを孔３６に通し
て、このモータとファンの全体を設置できるようになっ
ている。

第１図の下の方に見られるように、固定子ハウジングは
その１つの隅にコンパートメント４０を有し、その中に
固定子コイル４１、電磁石構造４２、ホール効果素子Ｈ
１、及び第１図には示されていない整流回路の他の素子
を収容している。

固定子コイル４１は、２本の電気的に独立な巻線Ｌ１と
１２が、ボビン４３に同心的に２本糸の形で巻かれたも
のである。磁性材料のコア４４がこのボビンを貫通し、
電磁石構造体４２の一部を形成している。あるいはまた
、ボビンを電磁石構造の一部にすることもできる。電磁
石構造体は、また、磁性コア４４に対して磁束を導くよ
うな関係で固定された１対のアーム又はシュー４６及び
４７を含み、これらはそれぞれ、永久磁石１４の外側の
表面に近い極片４８及び４９で終わっている。第１図に
見られるように、極片４８と４９の間隔は、図のような
磁石位置で、コイル４１に極片４８をＮ極、極片４９を
Ｓ極にするような電流が流れたときに、回転子構造体及
びファンの羽根が時計まわりに回転するようになってい
る。

始動時には、コイル４１に電流が流れ、極片４８及び４
９によって、始動トルクが環状磁石にかかる。ホール効
果素子■１は、コイル４１に流す電流を、巻線ＬｌとＬ
２に交互に電流を流して回転子の環状磁石の近づいてく
る極を引きつけるように制御する。新しい、逆に磁化さ
れたセグメントが素子Ｈ１の近くに達することにより、
回転子１１が生ずる磁界の変化をホール効果素子Ｈ１が
検出すると、第３図の回路によって固定子電磁石の磁界
が逆転され、次に近づいてくる環状永久磁石の極が引き
つけられる。このシーケンスがくり返されて、回転子は
やがて空気力学的負荷とモータ出力がバランスするよう
な平衡速度に達する。

上に挙げた以前の出願のモータのように、固定子コイル
に電流が流れなり・回転子の角度位置が比較的広いと、
回転子をその位置から引き離すもどり止め磁石が必要で
あるが、本発明ではそれは必要ない。しかし、始動時に
回転子にかかる力が平衡する位置に回転子があり、始動
しない、コギングという状態を防止することが望ましい
。このために、磁性金属片（図示されていない）、たと
えば磁化されていない鋼片、を固定子に、回転子磁石路
近くに、経験的に容易に決定される位置に取付けて、回
転子をモータのコギング位置から角度的に離れた休止位
置に引きつけるようにすることができる。

この方法では、使用する整流回路を単純化できる。第３
図で、ホール素子Ｍｌ（これはたとえばホール・スイッ
チでもよい）がトランジスタＱ１及びＱ２を制御してい
るのが見られる。これらのトランジスタのコレクターエ
ミッタ回路は、それぞれ、巻線Ｌ１及びＲ２の異なるも
のと直列になっている。この種のホール・スイッチとし
て使用できるものとしては、スプラーグ・エレクトリッ
ク社、ワーセスタ、マサチューセッツ州所在、のホール
効果ディジタル・スイッチＵＧＮ−３０１３Ｔがある。

ホール効果素子Ｈ１が、ある方向又は極性の磁界にさら
されると、線５１（ピン３）からアース（ビン２）への
導電路が開く（切れる）が、素子Ｈ１が逆の極性の磁界
にさらされると、線５１からアースへの導電路が閉じる
（つながる）。

この導電路が開いているときは、抵抗Ｒ２、Ｒ３及びＲ
４０両端間の電圧降下はほとんどなく、Ｑ−１（７）ベ
ース−エミッタ電圧はＱｌをオン状態にするに十分であ
る。Ｑ−１は、ＮＰＮダーリントン接続トランジスタで
、普通、単一素子として格納され、売られている。この
Ｑｌダーリントン拐拌トランジスタは高利得なので、Ｒ
２、Ｒ３及びＲ４を通る小さなベース電流でもＱｌをオ
ンにして巻線Ｌ２に電流を流すに十分である。Ｈｌを通
る導電路が開いているときは′ＳＱ２のベース−エミッ
タ間電圧は、Ｑ２をオンにするには不十分である。Ｑ２
は、ＰＮＰパワトランジスタで、導電状態になるには大
きなベース駆動が必要である。

したがって、Ｑ２はオフで、巻線Ｌ１には何も電流が流
れない。ホール効果素子Ｈ１が逆の方向又は極性の磁界
を受けて、線５１からアースへの導電路がつながると、
抵抗Ｒ２及びＲ３０両端間に、はぼ入力の全電圧にひと
しい、たとえば約１２ボルトの、電圧降下が生じ、Ｑ２
のベース−エミッタ間に、Ｑ２をオンにするに十分な電
圧が生ずる。

Ｑ２が導電状態になると、巻線Ｌ１に電流が流れる。し
かしＱｌのベース−エミッタ間電圧はＱｌをオンにする
には不十分なので巻線Ｌ２には何も電流が流れない。こ
うして、巻線Ｌ１とＲ２は、ホール素子Ｈ１が異なる磁
界を検出するのに応じて、交互に電流が流れたり切れた
りする。２本の別々の巻線Ｌｌと１２を設ける代りに、
巻線を１本だけにして、その巻線を流れる電流を交互に
逆転させる回路手段を用いることもできる。

第３図の回路には、その他にコンデンサ０１（コイル４
１の急激な切換えで生ずる過渡電流を減衰させる）、電
流制限用の抵抗Ｒ１、Ｔｌ）１のような適当な保護ヒユ
ーズ、電源へ入力リード線を通して逆流する電流を阻止
するダイオードＣＲ１がある。好ましい具体例では、回
路素子は、第１図のコンパートメント４０を形成してい
る空洞と本質的には同じ形のプリント回路板５２（第１
図）に取り付けられる。この回路板は、空洞の上方に支
持されて、回路素子は下向きに突き出て空洞内に収まる
ので、ファンとモータは第１図に見られるようなコンパ
クトな形で、Ｍ２図に示されるような薄（・プロフィー
ルになる。

上述したことから、モータとファンの新しい構造が本発
明によって提供されたことが分るであろう。上で例示し
た具体例には、本発明の技術思想から逸脱することなく
数多くの変形が可能であることは、当業者には明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるファンとモータの平面図で、その
周縁部でセグメントに分れて磁化している回転子の環状
永久磁石及び外側のコイル構造体と電磁石固定子構造を
示す。 第２図は、第１図のファンとモータの側面図で、第１図
の線２−２に沿って一部断面を示し、固定子コイル構造
の中心支持部のまわりで回転するようにハブに回転子及
びファン羽根を取り付けた状態を示す。 第３図は、固定子コイル構造体に電流を流す回路の概略
図である。 １１：回転子、１２：固定子、１４：Ｍ状永久磁石、１
７：羽根、１９：）・ブ、２２：シャフト、４１：固定
子コイル、４２：電磁石構造、Ｈｌ：ホール効果素子、
Ｌｌ、Ｒ２：巻線、４４：コア、４８．４９：極片、Ｑ
ｌ、Ｑ２：トランジスタ、Ｒ１、几２、Ｒ３、Ｒ４：抵
抗、Ｃ１：コンデンザ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　半径方向に磁化した複数の砥石セグメントを円
   周方向に順次反対の極性に磁化した環状磁石を有する回
   転子と、 前記環状磁石の外側に電磁石構造体を有し、その構造体
   が、環状磁石の反対の極性のセグメントをコイルの方へ
   引きつけるように反対の極性の磁界を作り出すためのコ
   イル手段を含んでいる固定子と、 固定子に対する回転子の位置を検出して、前記相対位置
   によってコイル手段への電流を、前記反対の極性の磁界
   をくり返し発生させて前記セグメントを引きつけるよう
   に整流する位置検出手段とから成るＤＯモータ。 （２）　電磁石構造が、環状磁石の外側に瞬接する少く
   とも１つの極片を有する特許請求の範囲第（１）項に記
   載のＤｏモータ。 （３）　前記位置検出手段は、各反対の極性の磁石セグ
   メントが近づいたときに磁界を逆転させるために位置検
   出手段とコイル手段に接続された整流回路手段を含み、
   それによりコイル手段には、実質的に３６０°の回転子
   の運動の全体にわたって交替する磁界を生ずる電流が流
   れる特許請求の範囲第（１）項に記載のＤＯモータ。 （４）　前記電磁石構造が、コイル手段に対して磁束を
   導く関係にある１対のアームを有して環状磁石の周縁に
   沿って間隔をおいた２つの極片まで延びている磁束通路
   を含む特許請求の範囲第（１）項に記載のＤＯモータ。 （５）電磁石構造体呪極片が、コイル手段に電流が流れ
   たときに各々環状磁石の別の磁化セグメントを引きつけ
   るような距離だけ間隔をおいて配置されている特許請求
   の範囲第（４）項に記載のＤｏモモー。 （６）環状磁石の瞬接セグメントが反対の極性を有し、
   極片がコイル手段に電流を流したときに瞬接する反対の
   極性のセグメントを引きつけるように配置されている特
   許請求の範囲第（５）項に記載のＤＣモータ。 （７）　コイル手段が、電流を流したとき反対の極性の
   磁界を生ずる２本の電気的に独立なコイル巻線から成り
   、検出手段が、前記相対位置に依存して前記反対の極性
   の磁界を生じて前記セグメントを引きつけるように電流
   を異なるコイルへ整流するだめの手段を含んでいる特許
   請求の範囲第（１）項に記載のＤＣモータ。 （８）電流を整流するための手段が、第１の前記巻線と
   導電関係に接続された少くとも１つの第１のトランジス
   タ手段と、第２の前記巻線と導電関係にある少くとも１
   つの第２のトランジスタ手段と、第１及び第２のトラン
   ジスタ手段にバイアスを設定するための抵抗手段と、ホ
   ール素子から成る位置検出手段とを含み、該ホール素子
   は１つの極性の磁石セグメントの磁界に応答して抵抗手
   段から第１のトランジスタ手段にバイアスを供給してそ
   れを導電状態にすると同時に１、第２のトランジスタ手
   段からバイアスを奪ってその導電を阻止し、かつ前記磁
   界の消失に応答して抵抗手段から第２のトランジスタ手
   段にバイアスを供給してそれを導電状態にすると、同時
   に第１のトランジスタ手段からバイアスを奪ってその導
   電を阻止する特許請求の範囲第（７）項に記載のＤＣモ
   ータ。 （９）各トランジスタ手段がモータ入力接続間で関連し
   た巻線と直列に接続され、抵抗手段は、モータ入力接続
   点の少くとも１つと接続した直列の複数の抵抗から成り
   、抵抗の両端間に適当なバイアス電圧が生じたときに第
   １又は第２のトランジスタ手段を導通状態にするバイア
   スがかかるようにトランジスタ端子に接続され、ホール
   素子は抵抗の接続点とモータ入力接続点の１つとの間に
   接続されたホール・スイッチから成り、前記ホール・ス
   イッチは、前記１つの極性の磁石セグメントの磁界が存
   在するときには少くとも１つの抵抗をバイパスして、そ
   れにより抵抗がトランジスタ手段に供給するバイアスを
   変化させるように抵抗に接続されている特許請求の範囲
   第（８）項に記載のＤＣモータ。 （１１第１のトランジスタ手段が、モータ入力接続点の
   高圧側と第１の巻線の間に接続されたＰＮＰトランジス
   タであり、第２のトランジスタ手段が、モータ入力接続
   点の低圧側と第２の巻線の間に接続されたＮＰＮダーリ
   ントン・トランジスタ接続であり、前記トランジスタ手
   段が、どちらもホール・スイッチによって制御されるよ
   うにベースが抵抗手段に接続されている特許請求の範囲
   第（９）項に記載のＤＣモータ。 （１１）　第１のトランジスタ手段が、導電状態にする
   のに比較的高い駆動力を必要とするパワトランジスタ手
   段であり、第２のトランジスタ手段が、導電状態にする
   のに比較的低い駆動力を必要とする高利得トランジスタ
   手段であり、前記直列の抵抗はホール・スイッチが開い
   ているとき第２のトランジスタ手段に比較的低い駆動を
   供給し、ホール・スイッチは、閉じたときに直列の抵抗
   の少くとも一部の両端間で比較的大きな電圧降下を生じ
   て、実質的に高利得トランジスタ手段へのバイアスを短
   絡し、比較的高いバイアスをパワトランジスタ手段に供
   給するように接続されている特許請求の範囲第（ロ）項
   に記載のＤＣモータ。 （財）　コイル手段が２本の電気的に独立な同心的に巻
   かれたコイル巻線から成る特許請求の範囲第（１）項に
   記載のＤＣモータ。 θ３）電磁石構造が少くとも１つの極片を有しており、
   ２本のコイル巻線がこの極片へ電磁石の磁束を導くよう
   にコアに巻かれている、特許請求の範囲第（財）項に記
   載のＤＣモータ。 ０４〕　固定子が、環状磁石の回転路の周縁上の１位置
   にコンパートメントを形成するハウジングを含み、前記
   コイル手段が前記コンパートメント内に配置される、特
   許請求の範囲第（］）項に記載のＤＣモータ。 α５）前記コイルが２本の巻線を有し、前記コンパート
   メントが検出・整流のための位置検出手段を収容してお
   り、該位置検出・整流手段が、環状磁石の近くに配置さ
   れたホール効果素子と、第１の極性の磁化セグメントが
   このホール効果素子に瞬接しているときに一方のコイル
   巻線に電流を流し、前記第１の極性と反対の第２の極性
   を有する磁化セグメントがこのホール効果素子に瞬接し
   ているとき他方のコイル巻線に電流を流すスイッチ回路
   とを含んでいる特許請求の範囲第に）項に記載のＤｏそ
   一タ。 α６）固定子ハウジングが環状磁石を取り囲んでいる特
   許請求の範囲第Ｃ１〜項に記載のＤｏモータ。 α′７）特許請求の範囲第（１）項に記載のＤＯモータ
   な有し、羽根が環状磁石の内側に配置されているＤｏモ
   ータ。 （財）　ファンの羽根が、環状磁石の内側表面の近くか
   ら中心の一ブヘ延びており、前記固定子が、このハブと
   、羽根と、環状磁石を含む回転子諸部材とを支持して回
   転させる中心部材を有し、固定子がさらにこの固定子中
   心部材から外側へファンの羽根をとり囲むハウジングま
   で延びている支柱Ｉを含み、前記ハウジングが、回転子
   の環状磁石の近くでその外側表面に隣接してコイルを支
   持している特許請求の範囲第θ′７）項に記載のＤｏモ
   ータ。 （ロ）　中央の回転可能ハブと、このハブから外向きに
   放射状に出ている羽根と、外向き半径方向に磁化された
   円周方向に配列したセグメントを有し、ファンの羽根を
   とり囲みその羽根に固定されている環状永久磁石と、２
   本の巻線及び環状磁石の外側でハウジングによって支持
   される極片を画成する電磁石構造を有する固定子コイル
   と、永久磁石の位置に応答して、環状磁石のセグメント
   に回転力を加えるようにコイル巻線に（り返し交互に電
   流を流す整流手段とを含むＤＣ７アンモータ。