JP2000287427A - ブラシレスモータ - Google Patents

ブラシレスモータ

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JP2000287427A
JP2000287427A JP11092585A JP9258599A JP2000287427A JP 2000287427 A JP2000287427 A JP 2000287427A JP 11092585 A JP11092585 A JP 11092585A JP 9258599 A JP9258599 A JP 9258599A JP 2000287427 A JP2000287427 A JP 2000287427A
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coil
degrees
winding
winding coil
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JP11092585A
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Shinji Fukushima
慎治 福島
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H02K29/08—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型３相ブラシレスモータにおいて、巻線コ
イルの形状と配置を最適にするとともに、コイル数の削
減とモータ特性の向上を目的とする。 【解決手段】 磁極数Ｐの永久磁石を備えた平面対向３
相ブラシレスモータで、隣接するコイル間距離を（３６
０／Ｐ）×（５／３）度とし、円盤状ロータ６の位置検
出を行う３個の位置検出素子ＨＵ、ＨＶ、ＨＷを、（３
６０／Ｐ）×（２／３）度間隔で配置するとともに、コ
イルの配置されていない範囲に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は３相ブラシレスモー
タに関するものであり、特にステータコイル配置に特徴
を有するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ブラシレスモータにおいて高出力
とするため、単位電流当りの発生トルクを表わすモータ
定数Ｋｔを大きくする必要があり、モータ定数Ｋｔを大
きくとるために、永久磁石を備えた円盤状ロータにおけ
る永久磁石の面積と同等以上の面積に巻線コイルを配置
し、各相のコイルの数Sを多くするか、各コイルの巻数
を多く取ることが一般によくとられている。しかし、偏
平空芯の巻線コイルをプリント基板に配置する構成にお
いては、コイル数Sが多くなることによって、設備費お
よび加工工数が大きくなり、高価でかつ生産性の悪いブ
ラシレスモータとなる場合が多い。
【０００３】また、ブラシレスモータの小型化が進んだ
場合、巻線コイルの線束を配置可能な面積が減ることか
ら、巻数を多くとることが出来なくなり、結果としてモ
ータ定数Ｋｔを大きくとれなくなる。
【０００４】こうした課題から、ブラシレスモータの小
型化に伴って、モータ定数Ｋｔが小さくなることを割り
切るか、あるいは小型化によるモータ定数Ｋｔへの影響
を小さくするため、巻線やマグネット等を高性能でかつ
高価な材料に変更するかの選択を行っている。
【０００５】図２に従来の平面対向型小型３相ブラシレ
スモータを示す。モータの大きさは巻線コイル群の外輪
間の直径ＯＤで表すとする。ＯＤがφ４０ｍｍ程度の小
型３相ブラシレスモータの場合、巻線コイル群の内輪間
の直径ＩＤは軸受等の制約から一般的にφ２０ｍｍ程度
となり、また巻線コイルの径方向と周方向の長さのバラ
ンスから１２極９コイルとする場合が多い。この場合、
図２（ｃ）より円盤状ロータの磁極がＰ＝１２であるこ
とから、磁極の幅は（３６０／Ｐ）より３０度の扇形と
なり、巻線コイルの配置は、図２（ｂ）のステータ矢視
図に示すように、コイル間距離３６０／９＝４０度とな
り、コイル間距離は磁極の幅の４／３倍となる。すなわ
ち、前記磁極の幅とコイル間距離との関係は、磁極配置
との関係を考慮すると（３６０／Ｐ）×（４／３）より
４０度間隔になる。
【０００６】図２の（ｂ）は、前記の従来の巻線コイル
配置条件である４０度間隔にコイルＵ、Ｖ、Ｗを配置し
た場合であり、前記コイルＵ、Ｖ、Ｗは、３相の各群３
個Ｕ１〜Ｕ３、Ｖ１〜Ｖ３、Ｗ１〜Ｗ３からなる計９個
で形成されていることを示す。そして、巻き線コイル
Ｕ、Ｖ、Ｗにおける線束の幅Ａは、隣接コイルおよび各
巻線コイル端末の内周側の半田ランド４によって制限さ
れる。
【０００７】特に、巻線コイルは多数の線束から構成さ
れることから、個々の線材の線径が０．０１ｍｍ程度ば
らつくことで、例えば径方向に２０回巻く場合、巻線の
外径が０．２ｍｍ程度ばらつきを持つことを考慮する必
要があり、また巻線コイルをプリント配線板２に固定す
る際の作業性を考慮し、隣接コイルとの隙間を１ｍｍ程
度取るのが一般的である。さらに円盤状ロータの位置検
出に使用する位置検出素子である磁気センサー５を配置
するスペースから、前記巻線コイルＵ、Ｖ、Ｗのうち磁
気センサー５を巻線コイルの内側に配置する３個の巻線
コイルＵ１、Ｖ１、Ｗ１について、コイル線束の幅Ａが
他の巻線コイル６個の線束幅より小さくなる。こうした
巻線コイルの巻線を配置可能なスペースへの制約によっ
て、巻線コイルの巻数が小さくなり、モータ定数Ｋｔを
大きくすることへの障害となっている。このことは、磁
気センサーおよび半田ランドをブラシレスモータと比例
して小さくすることが困難であるため、ブラシレスモー
タが小さくなる程影響が大きくなる。
【０００８】さらに、巻線コイルにおける２等辺の開角
を、前記磁極を形成する３０度に合わせた場合、巻線コ
イルの外側への巻線用スペースが、巻き線コイル群外輪
のφ４０部で両サイドに各１．７ｍｍ程度、φ２０部で
両サイドに各０．９ｍｍ程度となり、隣接する巻線コイ
ルとの隙間を考慮すると、前記開角３０度より外側に巻
線を配置するスペースが殆ど無くなる。このため巻線コ
イルの巻数を多くする場合は、前記開角３０度の内側方
向に巻線の殆どを配置することとなり、結果として巻線
コイルの２等辺の開角は３０度より小さくなる。巻線コ
イルの２等辺の開角が小さくなった場合、巻線コイルに
おける２等辺の片方の線束が、最大トルクを発生する位
置に円盤状ロータの磁極が到達した際、２等辺のもう一
方の線束は最大トルクが発生する位置からずれることと
なり、巻線コイルとして最大トルクを発生することが出
来なくなる。この結果、巻線コイルの２等辺の開角を３
０度とした場合と比べて、モータ特性Ｋｔは小さくな
る。
【０００９】また、前記の磁極開角３０度に対して、巻
線コイルの巻線を内側により多く配置した場合、ブラシ
レスモータ回転中に正規回転方向に対し逆の方向にトル
クを発生させるポイントが生じ、モータ特性Ｋｔのロス
を生じるとともに、モータの振動の要因となる。このこ
とを図２の（ａ）で説明する。図２の（ａ）は、図２の
（ｂ）のステータ矢視図における前記コイルの中心を半
径とする円弧上の断面を示している。円盤状ロータ６の
３０度毎に配置されている磁極７に対向して巻線コイル
の巻線コイルの線束８および９が配置されいる。線束８
と９は同一の巻線コイルであり、線束８に手前から奥側
に向けて電流が流れる場合、線束９は奥側から手前に向
けて電流が流れることとなる。つまり、線束８と線束９
に対し、互いに違う磁極が対向している場合に、同方向
へトルクが発生するが、線束８と線束９が同極の磁極と
対向している状態では、トルクが逆方向に発生し打ち消
し合うこととなる。図２（ａ）と図２（ｂ）から分かる
ように、３０度の開角線に対し、内側に多くの巻線を配
置されており、この場合、円盤状ロータ６が回転し磁極
７が図の位置となった状態において、線束９のＺ部が線
束８と同極の磁極と対向していることから、同一の線束
において逆方向にトルクが発生することとなる。
【００１０】これらの課題のうち、磁気センサー５を巻
線コイルの配置されていない範囲に、集中して配置する
ことは、従来の（３６０／Ｐ）×（４／３）度の間隔で
巻線コイルを配置する方法、例えば１０極６コイルとす
ることで改善可能であることは、公知である。図３にこ
の場合のブラシレスモータを示す。前記の従来の巻線コ
イル配置条件より、Ｐ＝１０から４８度間隔にコイル
Ｕ、Ｖ、Ｗを配置した状態で、前記コイルＵ、Ｖ、Ｗ
は、３相の各群２個Ｕ１〜Ｕ２、Ｖ１〜Ｖ２、Ｗ１〜Ｗ
２からなる計６個で形成され、Ｕ、Ｖ、Ｗは各相の巻線
コイルであることを示す。ここで、巻線コイル６個を４
８×５＝２４０度に集中配置させることによって、磁気
センサー５を配置するスペースを取ることが可能とな
る。磁気センサーは（３６０／Ｐ）×（４／３）度もし
くは（３６０／Ｐ）×(２／３)度の間隔で配置可能であ
ることから、図３においては（３６０／Ｐ）×(２／３)
により２４度間隔で配置されている。
【００１１】しかし、巻線コイル群の外輪間の直径ＯＤ
が小さい場合、巻線コイル端末の外周側の半田処理用ス
ペース３と磁気センサー５との距離が近くなることか
ら、巻線コイル端末の半田作業時端末線が磁気センサー
端末とショートし易いといった問題がある。特に、巻線
コイルの端末は変形し易く作業中位置規制が困難である
こと、また端末処理作業より端末長さのばらつきが大き
いことから端末長さを長めに取るのが一般的であるこ
と、さらには端末用の半田ラウンド３がプリント配線板
２上に設けられており、その製造上の問題から半田ラウ
ンド３の位置精度のばらつきが大きく、磁気センサー５
との相対位置ずれを０．２ｍｍ程度見込む必要があると
いった点から、端末用の半田スペース３と磁気センサー
５との距離は十分取る必要がある。このことから、巻線
コイル群の外輪間の直径ＯＤが小さい場合は、磁気セン
サーを巻線コイルの外に集中して配置することが出来な
くなり、巻線コイルの内側に磁気センサーを配置するこ
ととなる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従来のφ４０ｍｍ以下
のブラシレスモータにおいて、巻線コイルを配置するス
ペースが小さくなり、さらに、半田ランドや磁気センサ
ーの配置スペース等の配置と良好な作業性確保のため、
巻き線コイルの巻き数が多くとるのが難しくモーター常
数Ｋｔが大きくとれないという問題があった。なかで、
半田ラウンド・磁気センサー等寸法上制約のあるものと
の面積比から、ブラシレスモータを小型化した度合いに
比べ、モータ特性Ｋｔがより小さくなるっといった問題
があった。
【００１３】また、円盤状ロータの磁極を形成する扇形
の２等辺の開角に対して、巻線コイルの２等辺の開角が
小さいことによって、発生トルクのロスが生じるととも
に、逆トルクによる発生トルクのロスやモータの振動と
いった問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のブラシレスモータは、複数の偏平空芯巻線
コイルを具備するステータを有する小型３相ブラシレス
モータにおいて、前記コイルは、前記磁極が発生する磁
界と鎖交する２等辺を有する略三角形または台形状であ
り、前記２等辺を形成する２つのコイル線束の中心線の
回転軸方向への延長が円盤状ロータの回転軸中心で交差
し、かつ３６０／Ｐ度の開角を有することを特徴とする
ものである。
【００１５】さらに、隣接するコイル間距離を（３６０
／Ｐ）×（５／３）度とし、円盤状ロータの位置検出を
行う３個の位置検出素子を、（３６０／Ｐ）×（２／
３）度間隔で配置するとともに、コイルの配置されてい
ない範囲に配置することを特徴とするものである。
【００１６】本発明にれば、ブラシレスモータの小型化
によるモータ特性Ｋｔのロスを抑えることが出来、ブラ
シレスモータの小型化における、モータ特性Ｋｔの改善
を可能とするものである。さらに、同等サイズのブラシ
レスモータにおいては、巻線コイルの最適な形状と最適
な配置により、従来使用していた巻線コイルの数を削減
することを可能とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載のブラシ
レスモータは、磁極数Ｐ個（Ｐは２以上の整数）の永久
磁石を備えた円盤状ロータに対向して、複数の偏平空芯
巻線コイルを具備するステータを有する小型３相ブラシ
レスモータにおいて、前記コイルは、前記磁極が発生す
る磁界と鎖交する２等辺を有する略三角形または台形状
であり、前記２等辺を形成する２つのコイル線束の中心
線の回転軸方向への延長が円盤状ロータの回転軸中心で
交差し、かつ３６０／Ｐ度の開角を有することを特徴と
したものであり、円盤状ロータの発生する磁極に対し、
モータトルクを効率よく発生させる巻き線コイルの形状
を得ることができる。
【００１８】次に、本発明の請求項２に記載されたブラ
シレスモータは、請求項１において、前記円盤状ロータ
は、その外径が略φ４０以下であることを特徴としたも
のであり、小型の平板対向型モータの扁平空芯コイルの
最適なコイル形状を得ることができる。
【００１９】次に、本発明の請求項２に記載されたブラ
シレスモータは、請求項１において、前記巻線コイルの
２等辺を形成するコイル線束が、前記３６０／P度の開
角線を中心としてその内側と外側にそれぞれ略３６０／
（４×P）の範囲内に配置されることを特徴としたもの
であり、モータトルクＫｔに対するロスとなる逆トルク
の発生を防止するものである。
【００２０】次に、本発明の請求項４に記載されたブラ
シレスモータは、請求項２において、 隣接するコイル
間距離を（３６０／Ｐ）×（５／３）度とすることを特
徴としたものであり、巻き線の設置可能なスペースを広
くとることを可能にしてコイル巻き線の巻き線数を多く
することができる。
【００２１】次に、本発明の請求項５に記載されたブラ
シレスモータは、請求項４において、 前記モータは円
盤状ロータの位置検出を行う３個の位置検出素子を有
し、それらの位置検出素子を、（３６０／Ｐ）×（２／
３）度間隔で配置するとともに、コイルの配置されてい
ない範囲に配置することを特徴としたものであり、コイ
ル配置可能スペースを広くとるとともに、位置検出素子
の取り付けを容易にする事ができる。
【００２２】（実施の形態１）以下に、本発明の請求項
１および請求項２および請求項３および請求項４請求項
５に記載された発明の実施の形態について、図１を用い
て説明する。
【００２３】図１は、本発明によって９個の巻線コイル
を６個に削減することが可能となったモータの大きさが
約φ４０程度の１２極３相小型ブラシレスモータの断面
図および、ステータとロータの矢視図を示す。
【００２４】図１（ｂ）に示すステータ矢視図におい
て、本発明の請求項４に記載したコイル配置条件である
（３６０／Ｐ）×（５／３）度間隔にコイルＵ、Ｖ、Ｗ
を配置した状態を示すもので、ここで、Ｐ＝１２である
ことから、前記巻線コイルの配置は５０度間隔となる。
すなわち、前記巻線コイルＵ、Ｖ、Ｗは３相を形成し、
３相の各群２個からなる計６個で形成され、前述の計算
式より５０度の等間隔で配置されている。
【００２５】ここで、巻き線コイル群の外輪の直径がφ
４０程度で構成される小型３相ブラシレスモータの場
合、通常巻線コイル群の内輪の直径は軸受の構成等の制
約によってφ２０程度となる。この時、巻線コイルにお
ける２等辺の巻線束の開角を、本発明の請求項１に記載
する３０度に合わせた場合、前記２等辺を形成する各巻
き線束の中心から積層して形成される巻線用スペース
は、φ４０部で両サイドに各々約３．５ｍｍ、φ２０部
で両サイドに各々約１．７ｍｍとなり、隣接する巻線コ
イルとの隙間を考慮しても、前記開角３０度の外側に巻
線の配置可能なスペースが十分確保されることとなる。
【００２６】さらに、巻線コイル１〜３の６個を５０度
間隔で配置した場合、巻き線コイルが配置されない範囲
は６０度を越える（実施例では６５度となる）。この範
囲に、本発明の請求項５に記載された（３６０／Ｐ）×
（２／３）度間隔で、すなわち、２０度間隔で、円盤状
ロータの位置検出を行う位置検出素子である３個の磁気
センサーＨＵ、ＨＶ、ＨＷを配置する。これによって、
前記磁気センサーを巻線コイルの内側に配置した場合と
比較して、巻線コイルの配置可能なスペースを大きく取
ることが可能となる。
【００２７】図１（ｂ）で巻き線コイルＵ、Ｖ、Ｗと位
置検出素子ＨＵ、ＨＶ、ＨＷとの物理的配置関係を説明
する。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相からなり、各相はそれぞ
れＵ１とＵ２、Ｖ１とＶ２，Ｗ１とＷ２からなる２個の
巻線コイルの直列接続から構成され、巻線コイルＵ１の
コイル中心と位置検出素子ＨＵは６０度の間隔、同様に
Ｖ１とＨＶは９０度の間隔、Ｗ１とＨＷは１８０度の間
隔で位置検出素子ＨＵ、ＨＶ、ＨＷの間隔は２０度とな
っている。
【００２８】ここで、本発明の請求項４に記載される巻
線コイル配置を有する３相ブラシレスモータが、従来の
ブラシレスモータと同様にモータとして成立しているこ
とを説明する。従来のブラシレスモータにおいては、巻
線コイルＵ相で検出される信号に対し、巻線コイルＶ相
で検出される信号は電気角で２４０度ずれており、巻線
コイルＷ相で検出される信号はさらに電気角で２４０度
ずれている。ここで、巻線コイルＷ相による信号は、巻
線コイルＵ相に対し４８０度ずれていることとなるが、
電気角での３６０度のずれは同位相であることから、結
果として巻線コイルＷ相は巻線コイルＵ相に対し１２０
度ずれていることとなる。この様に、３相の巻線コイル
による検出信号がそれぞれ１２０度ずつずれた状態であ
る事が、３相ブラシレスモータの成立条件となってい
る。
【００２９】これに対し、本発明によるブラシレスモー
タにおいては、巻線コイルＵ１で検出される信号に対
し、巻線コイルＶ１で検出される信号は電気角で３００
度ずれており、巻線コイルＷ１で検出される信号はさら
に電気角で３００度ずれている。ここで、巻線コイルＷ
１による信号は、巻線コイルＵ１に対し６００度ずれて
いることとなり、電気角での３６０度のずれは同位相で
あることから、結果として巻線コイルＷ１は巻線コイル
Ｕ１に対し２４０度ずれていることとなる。ここで、巻
線コイルＶ１が従来のブラシレスモータと同様に、巻線
コイルＵ１に対し４８０度ずれておれば、３相ブラシレ
スモータの成立条件を満たすこととなるが、前記に示す
通り３００度のずれであることから、このままでは３相
ブラシレスモータとなり得ない。そこで、巻線コイルＶ
１を巻線コイルＵ１と反対方向に巻線を巻くことで、電
気角として１８０度位相をずらしてやり、巻線コイルＵ
１に対する巻線コイルＶ１が４８０度ずれていることと
同じとしている。
【００３０】次に、巻線コイルＵ１に対し巻線コイルＵ
２は、機械角で１５０度ずれていることから、電気角で
は９００度ずれていることとなる。電気角３６０度毎に
同位相となることから、巻き線コイルＵ１とＵ２は、１
８０度の位相差を持つこととなるので、巻線コイルＵ２
を巻線コイルＵ１に対し巻線方向を逆とすることで、巻
線コイルＵ２と巻線コイルＵ１とは、電気角として同位
相とすることができる。
【００３１】同様に、巻線コイルＶ１と巻線コイルＶ２
および巻線コイルＷ１と巻線コイルＷ２についても、そ
れぞれ機械角で１５０度ずれて配置されていることか
ら、同様に互いの巻線方向を逆とすることで、電気角と
して同位相の巻線コイルを得ることが出来る。つまり、
巻線コイルのうちＵ２、Ｖ１、Ｗ２の３個の巻き線方向
とＵ１，Ｖ２，Ｗ１の３個の巻き線方向を逆にすること
で、従来のブラシレスモータと同様に、３相の各巻線コ
イルの信号を互いに電気角で１２０度ずつずれた形で得
ることができ、３相ブラシレスモータとして成立するこ
とが出来る。
【００３２】このことは、巻線コイルの巻線方向を変え
るのではなく、プリント配線板等により、互いの巻線コ
イルの結線方向を変えることによっても対応可能であ
る。
【００３３】
【発明の効果】以上のように、本発明のブラシレスモー
タによれば、ブラシレスモータの巻線コイルを円盤状ロ
ータの磁極に対して最適な形状とすることが可能とな
り、ブラシレスモータのモータ定数Ｋｔのロスを抑える
ことを可能とするものである。これによって、特にブラ
シレスモータの小型化における、巻線コイル配置上の制
約から生じるモータ定数Ｋｔのロスを改善することで、
小型ブラシレスモータのモータ定数Ｋｔを向上させるも
のである。さらに、同等サイズのブラシレスモータにお
いては、従来の巻線コイルを、巻線コイルの最適な形状
と最適な配置とすることにより、従来使用していた巻線
コイルの数を削減することを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるブラシレスモータ
の巻き線コイルの線束とロータの配置を説明するための
断面図とステータおよびロータの矢視図
【図２】従来例の１２極９コイルのブラシレスモータの
巻き線コイルの線束とロータの配置を説明するための断
面図とステータおよびロータの矢視図
【図３】従来例の１０極６コイルのブラシレスモータの
ステータ部の矢視図
【符号の説明】
Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２ 巻線コイル ２ プリント配線板 ３ コイル端末の半田ランド（巻線コイル外側） ４ コイル端末の半田ランド（巻線コイル内側） ＨＵ、ＨＶ、ＨＷ、 位置検出素子（磁気センサー） ６ 円盤状ロータ ７ 磁極 ８、９ コイル断面 １０ 巻線コイルの線束の中心線 Ａ 巻線コイルの線束幅 Ｚ 逆トルク発生部

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 磁極数Ｐ個（Ｐは２以上の整数）の永久
    磁石を備えた円盤状ロータに対向して、複数の偏平空芯
    巻線コイルを具備するステータを有する小型３相ブラシ
    レスモータにおいて、前記コイルは、前記磁極が発生す
    る磁界と鎖交する２等辺を有する略三角形または台形状
    であり、前記２等辺を形成する２つのコイル線束の中心
    線の回転軸方向への延長が円盤状ロータの回転軸中心で
    交差し、かつ３６０／Ｐ度の開角を有することを特徴と
    するブラシレスモータ。
  2. 【請求項２】 前記巻線コイル群の外輪径が略φ４０ｍ
    ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のブラシ
    レスモータ。
  3. 【請求項３】 前記巻線コイルの２等辺を形成するコイ
    ル線束が、前記３６０／P度の開角線を中心としてその
    内側と外側にそれぞれ略３６０／（４×P）度の範囲内
    に配置されることを特徴とする請求項１に記載のブラシ
    レスモータ。
  4. 【請求項４】 隣接するコイル間距離を（３６０／Ｐ）
    ×（５／３）度とすることを特徴とする請求項３に記載
    のブラシレスモータ。
  5. 【請求項５】 前記モータは円盤状ロータの位置検出を
    行う３個の位置検出素子を有し、それらの位置検出素子
    を、（３６０／Ｐ）×（２／３）度間隔で配置するとと
    もに、コイルの配置されていない範囲に配置することを
    特徴とする請求項４に記載のブラシレスモータ。
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