JP2001516552A - 調整可能なモータ特性を有するブラシレス直流モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ブラシレス直流モータ（１０）は永久磁石ロータ（１６）および１組のステータ巻線（１４）を含む。モータ（１０）はさらに、第１の電気的形態または第２の電気的形態で動作するよう１組のステータ巻線（１４）を変更可能に接続する回路（２２）を含む。第２の電気的形態において、回路（２２）は、電流を受け取るため一部のステータ巻線のみを接続する。回路（２２）は、使用されていないステータ巻線を使用または接続されているステータ巻線から電気的に分離する。

Description

【発明の詳細な説明】 調整可能なモータ特性を有するブラシレス直流モータ 発明の背景 本発明は、ロータに取り付けられた永久磁石と、転流されるステータ巻線とを 有するブラシレス直流モータに関する。詳細には、本発明は、調整可能な速度お よびトルク特性を有するブラシレス直流モータに関する。 電気的に転流されるステータ巻線と、ロータに取り付けられた永久磁石とを有 するブラシレス直流モータは、現在多くの関心の対象である。これらのモータは 、絶えず増大する電力定格の範囲のため制御可能で高速でメンテナンスの必要性 が小さいモータに対する増大する要求に適合する手段を提供する。モータは、ス テータ巻線の各相に対して転流される電圧および電流を印加するインバータを含 む。モータの速度は、ステータ巻線に印加される電圧の振幅を制御することによ り制御され、一方、モータからのトルク出力は、巻線を流れる電流に正比例する 。通常、ステータ巻線は、所望のモータ性能に応じてΔ形電気的形態またはＹ形 電気的形態のいずれかに接続される。例えば、最大速度が所与の馬力定格のモー タから所望される場合、ステータ巻線は、Δ形電気的形態に結線されている。一 方、最大トルクがモータから所望される場合、ステータ巻線はＹ形電気的形態に 結線される。 しかしながら、多くの用途において、所与の機械的負荷のために最適モータ特 性を有するであろう従来技術のブラシレス直流モータを選定することは可能でな い。これは、多くの機械的負荷が時間に対して一定でない場合である。むしろ、 動作速度、およびより重要にはモータから要求されるトルクの双方が時間に対し て変化するであろう。モータが製造プロセスで用いられるとき、製品の生産速度 を増大するため高い動作速度を有することが一般的に望ましい。大きな値のトル クがまたモータから要求されるので、モータは一般的にその意図される使用に対 して定格を越えている。ブラシレス直流モータにおいて、トルクを発生するのに 必要な増大した電流を扱うことができる高価なインバータを用いなければならな い。同様に、増大した電流を扱うため、直径のより大きいワイヤをまたモータ全 体に用いなければならず、そしてこれらのより大きい構成要素から発生される熱 を放散するため、追加の熱放散デバイスをまた用いなければならない。したがっ て、モータの寸法、重量および複雑さが増し、そのコストを増大させ、それによ り意図される使用に対してそれを魅力の少ないものにさせる。 本発明の概要 ブラシレス直流モータは、永久磁石ロータおよび１組のステータ巻線を含む。 モータはさらに、第１の電気的形態または第２の電気的形態において動作するよ う１組のステータ巻線を変更可能に接続するための回路を含む。第２の電気的形 態において、上記回路は、電流を受け取るための一部のステータ巻線のみを接続 する。回路は、使用されてないステータ巻線を使用されているまたは接続されて いるステータ巻線から電気的に分離する。 異なるトルクおよび速度特性を有するようブラシレス直流モータを構成する方 法がまた開示されている。その方法は、永久磁石を有するロータに作動的に結合 可能な複数のステータ巻線を設けるステップと、全部のステータ巻線が用いられ る第１の電気的形態またはステータ巻線の全部より少ないステータ巻線が用いら れる第２の電気的形態において複数のステータ巻線を接続するステップと、ステ ータ巻線が第２の電気的形態において接続されているとき使用されていないステ ータ巻線を接続されているステータ巻線から電気的に分離するステップとを含む 。 本明細書において用いられているように、「電気的に分離される」とは、ロー タの永久磁石が使用されていない巻線と相互作用するとき逆起電力（ｂａｃｋ− ＥＭＦ）から発生された電圧が接続されているまたは使用されている巻線の両端 間の電圧に対して直列に加わらないことを意味する。第１の電気的形態または第 ２の電気的形態で接続されるとき接続されたステータ巻線を転流するための転流 回路が設けられている。 一実施形態において、１組のステータ巻線は、第１のターン数を持つ第１の複 数巻線、第２のターン数を持つ第２の複数巻線、第３のターン数を持つ第３の複 数巻線および第４のターン数を持つ第４の複数巻線を備え、そこにおいて第４の ターン数は第３のターン数より多く、第３のターン数は第２のターン数より多く 、 第２のターン数は第１のターン数より多い。回路は、第１の電気的形態、第２の 電気的形態、第３の電気的形態および第４の電気的形熊を形成するよう第１、第 ２、第３および第４の複数部分巻線を単独でまたは直列に選択的に接続する。な お、これら電気的形態の各々はＹ形形態を備える。 例えば、トルクは小さいが、しかしより速い速度が所与の機械的負荷のため要 求されるとき、１組のステータ巻線を変化可能に接続するための回路は、第１の 複数のステータ巻線のみをＹ形形態に接続する。第２、第３および第４の複数の 残りのステータ巻線の各々は、第１の複数のステータ巻線から電気的に分離され 、そして他の複数のステータ巻線の各々から分離されているのが好ましい。使用 されてない複数の巻線の各々を電気的に分離することにより、過度の電圧条件が 回避され、それにより要求される絶縁度を低減し、一方広範囲のトルクおよび速 度特性を相変わらず提供する。 本発明は、異なる速度およびトルク要件が動作中に要求される場合の用途に適 したモータを提供する。例えば、本発明は、機械加工装置における駆動用モータ として用いることができる。駆動用モータは、テーブルの動きを制御する。テー ブルは、機械加工される被工作物を支持し、それを機械加工用スピンドルに対し て相対的に移動させる。多くの機械加工装置において、駆動用モータにかかる負 荷は、被工作物の機械加工中周期的に変化する。例えば、マシンが被工作物の表 面を切断または前処理しているとき、被工作物を切断工具に係合するよう移動さ せるのに要求されるトルクは、きわめて高いが、被工作物の表面に対して相対的 に移動する切断工具の速度はやや遅い。機械加工用スピンドルが機械加工されて いる表面の端部に達するとき、駆動用モータは、テーブルを、したがって被工作 物をその開始位置にまたほぼその近くに戻す。引っ込めた状態での間、切断工具 は、被工作物の表面と係合せず、従って駆動用モータ上に置かれたトルクは低い 。 本発明は、これらのタイプの周期的負荷に十分適したモータを提供する。負荷 が高いトルクと遅い速度を要求するとき、モータは適切な電気的形態、例えば、 全部のステータ巻線が適切に直列に接続されているＹ形形態に接続される。同様 に、トルクが小さい状態でモータの速度の増大が要求される場合は、一部の巻線 のみが用いられ、残りのものは電気的に分離されている。 本発明は、機械加工ツール技術に制限されず、単に有り得る適用の目的のため 記載されている。本発明はまた、電気自動車のための駆動用モータのような他の 機械的用途に十分適している。 図面の簡単な説明 図１は、プロセス・ライン制御装置に接続された本発明のブラシレス直流モー タの概略図である。 図２Ａは、第１の電気的形態に接続されている本発明のモータのステータ巻線 の概略図である。 図２Ｂは、第２の電気的形態に接続されている本発明のモータのステータ巻線 の概略図である。 図２Ｃは、第３の電気的形態に接続されている本発明のモータのステータ巻線 の概略図である。 図２Ｄは、第４の電気的形態に接続されている本発明のモータのステータ巻線 の概略図である。 図３は、図２Ａから図２Ｄの電気的形態についてのモータ速度対トルクのプロ ット図である。 図４は、モータ駆動部の概略図である。 好適な実施形態の詳細な説明 本発明の調整可能なモータ特性を有するブラシレス直流モータが、図１に全 体的に１０で図示されている。モータ１０は、機械加工装置に用いられているプ ロセス・ライン制御装置のような制御装置１２に接続されかつ該制御装置１２か ら速度制御信号を受け取る。一般的に、モータ１０は、適切なフレーム（図示せ ず）に取り付けられた静止ステータ巻線１４を含む。１６で概略的に図示されて いるロータはまた、中心軸の周りを回転するためフレームに取り付けられている 。ロータ１６は、典型的にはそれに固定されている多数の永久磁石１８を含む。 永久磁石は、ネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）材料から作られているのが好 ましい。ブラシレス直流モータにおけるＮｄＦｅＢ磁性材料の使用は、１９９２ 年３月にＭｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍａｇａｚｉｎｅから発行されたＷｉ ｌｌｉａｍ Ｇ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ著の「高性能ブラシレス・サーボ・モータに おけるＮｄＦｅＢ磁性材料(ＮｄＦｅＢ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ Ｓｅｒｖｏ Ｍｏｔｏｒｓ)」に記載され、そして本明細書に援用されている。 モータ１０はさらに、転流された電流波形をステータ巻線の組１４に与えるモ ータ駆動部２０を含む。図１に図示されているように、ステータ巻線１４は、相 互に接続され、かつモータ駆動部に接続されている。該モータ駆動部は、接点制 御装置２４により選択的に制御される複数の接点２２を有する。接点制御装置２ ４は、以下に記載されるように、１組のステータ巻線１４を種々の電気的形態に 接続し、モータ１０に所望の速度およびトルク特性を与える。通常既知であるよ うに、矩形電流波形がステータ巻線１４に印加されるとき一定のトルクが生成さ れる。電流波形は、交流モータにおいて１８０度にわたり正弦波状電流が連続的 に印加されるのとは異なり１２０度の持続時間の間不連続的に印加される。モー タ１０における電圧の振幅はロータ速度に比例する。従って、モータ速度は、ス テータ巻線１４に印加される信号の電圧振幅を制御することにより制御される。 ロータ位置に無関係に均一なトルクを発生するため、電流転流は所定のロータ角 度で生じなければならない。 図示の実施形態において、ステータ巻線１４は、４つの複数部分を備え、そこ において第１の複数部分は巻線３０Ａ、３０Ｂおよび３０Ｃを含み、第２の複数 部分は巻線３２Ａ、３２Ｂおよび３２Ｃを含み、第３の複数部分は巻線３４Ａ、 ３４Ｂおよび３４Ｃを含み、第４の複数部分は巻線３６Ａ、３６Ｂおよび３６Ｃ を含む。（巻線３０Ａ−３０Ｃ、３２Ａ−３２Ｃ、３４Ａ−３４Ｃおよび３６Ａ −３６Ｃの各々は３つの同一巻線を含む。） モータ１０は、ステータ巻線１４が３つの相１９Ａ、１９Ｂおよび１９Ｃに組 織化されている３相モータである。電圧が、モータ駆動部２０から３つの導体１ ５Ａ、１５Ｂおよび１５Ｃを介してステータ巻線１４に印加される。 図２Ａから図２Ｄは、種々の速度およびトルク特性を得るようモータ１０を動 作させるための４つの電気的形態を図示する。説明の目的のため、図１に図示さ れている複数の接点２２は、主接点３８Ａ、３８Ｂおよび３８Ｃ、中立を形成す る接点（中立形成接点）４０Ａおよび４０Ｂ、および直列接点４２Ａ、４２Ｂ、 ４２Ｃ、４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４４Ａ、４４Ｂおよび４４Ｃとして識別され る副の複数部分に分けられる。接点３８Ａ−３８Ｃ、４０Ａ−４０Ｂ、４２Ａ− ４４Ｃは、図２Ａから図２Ｄに図示されている種々の形態に４つの複数部分のス テータ巻線３０Ａ−３０Ｃ、３２Ａ−３２Ｃ、３４Ａ−３４Ｃおよび３６Ａ−３ ６Ｃを共に接続しまたはそれらを電気的に分離する。なお、ここでは、Ｙ形形態 であるが、Δ形形態も適切な接点を用いて構成することができる。さらに、１９ ９６年１月２日付けで出願され本出願と同じ譲渡人に譲渡されかつ本明細書に援 用されている米国特許出願Ｎｏ．０８／５８２，０２９に記載されているように Ｙ形形態とΔ形形態との間での切り替えも適切な接点および転流信号における適 切な位相シフトにより実行することができる。 特に、図２Ａに図示されている第１の電気的形態を実現するため、中立形成接 点４０Ａおよび４０Ｂと直列接点４２Ａ−４４Ｃとが開成され、一方、主接点３ ８Ａ、３８Ｂおよび３８Ｃは、電力を端子４８Ａ、４８Ｂおよび４８Ｃのそれぞ れに印加するよう動作される。図２Ｂに図示されている第２の電気的形態を実現 するため、中立形成接点４０Ａおよび４０Ｂが閉成され、直列接点４２Ａ−４４ Ｃが開成され、そして主接点３８Ａ、３８Ｂおよび３８Ｃは、電力を端子５０Ａ 、５０Ｂおよび５０Ｃのそれぞれに印加するよう動作される。図２Ｃに図示され ている第３の電気的形態を実現するため、中立形成接点４０Ａおよび４０Ｂと直 列接点４４Ａ−４４Ｃとが閉成され、直列接点４２Ａ−４３Ｃが開成され、そし て主接点３８Ａ、３８Ｂおよび３８Ｃは、電力を端子５２Ａ、５２Ｂおよび５２ Ｃのそれぞれに印加するよう動作される。図２Ｄに図示されている第４の電気的 形態を実現するため、中立形成接点４０Ａおよび４０Ｂが開成され、直列接点４ ２Ａ−４４Ｃが閉成され、そして主接点３８Ａ、３８Ｂおよび３８Ｃは、電力を 端子５２Ａ、５２Ｂおよび５２Ｃのそれぞれに印加するよう動作される。 広範囲のトルクおよび速度特性を提供するため、複数の巻線３０Ａ−３０Ｃ、 ３２Ａ−３２Ｃ、３４Ａ−３４Ｃおよび３６Ａ−３６Ｃの各々のターン数は異な る。例示の一実施形態において、２ターンが巻線３０Ａ−３０Ｃの各々に与えら れ、８ターンが巻線３２Ａ−３２Ｃの各々に与えられ、５ターンが巻線３４Ａ− ３４Ｃの各々に与えられ、そして１１ターンが巻線３６Ａ−３６Ｃの各々に与え られる。この例示の実施形態において、モータ１０の最大速度は、図２Ａの形態 で動作しているとき得られ、図２Ｄの形態から得られる速度のほぼ１３倍である 。（並列に接続された２ターン巻線と同一のものを３つ用いることにより、巻線 ３０Ａ、３０Ｂおよび３０Ｃの各々の実効的ターン数は１より小さくなる。）同 様に、最大トルクは、モータ１０が図２Ｄの形態で動作しているとき得られ、図 ２Ａの形態から得られるトルクのほぼ１３倍である。 使用されてない巻線を電気的に分離することによりモータが先に得られなかっ た速度およびトルクの範囲を持つことを可能にすると考えられる。使用されてい ない巻線を電気的に分離することは、必要とされる絶縁の大きさを低減し、それ によりモータのスペース、重量およびコストを低減する。使用されていない巻線 を電気的に分離することは、速度およびトルクにおいてほぼ６倍より大きい範囲 が要求されるとき特に有利であり、さらに速度およびトルクにおいてほぼ１０倍 より大きい範囲が要求されるときなお一層有利である。 図２Ａから図２Ｄに図示されている形態および前述した例示の実施形態のター ン数についての速度対トルク・モータ特性が、図３に概略的に図示されている。 実線６０Ａは、図２Ａに図示されている第１の電気的形態の速度対トルク特性を 表す。モータ１０は、この形態においての所与の電流アンペア数および所与の馬 力定格に対してその最大速度が可能である。さらに、第２の複数部分３２Ａ−３ ２Ｃ、第３の複数部分３４Ａ−３４Ｃおよび第４の複数部分３６Ａ−３６Ｃの残 りのステータ巻線の各々は、第１の複数部分３０Ａ−３０Ｃの対応する巻線から 、好ましくはステータ巻線の他の複数部分の各々から電気的に分離されている。 この形態において、使用されていないステータ巻線３２Ａ−３２Ｃ、３４Ａ−３ ４Ｃおよび３６Ａ−３６Ｃは、接続されているステータ巻線３０Ａ−３０Ｃより 合計においてより多くのターン数を有する。使用されていない複数部分の巻線３ ２Ａ−３２Ｃ、３４Ａ−３４Ｃおよび３６Ａ−３６Ｃの各々を電気的に分離する ことにより、過度の過電圧条件が回避される。それは、各巻線の両端間に発生し た電圧が直列に加え合わされないからである。この形態は巻線を最も使用しない ので、この形態は、逆ＥＭＦから生成された最も大きな電圧を有する。 破線６０Ｂは、図２Ｂに図示されているように構成されたときのモータの速度 対トルク特性を図示する。この形態においては、第３の複数部分の巻線３４Ａ− ３４Ｃのみが動作可能に接続される。残りの巻線３０Ａ−３０Ｃ、３２Ａ−３２ Ｃおよび３６Ａ−３６Ｃは電気的に分離されているのが好ましい。 第３の破線６０Ｃは、図２Ｃに図示されている形態についての所与の電流アン ペア数に対するモータ１０の速度対トルク特性を図示する。この形態において、 第３の複数部分の巻線３４Ａ−３４Ｃおよび第４の複数部分の巻線３６Ａ−３６ Ｃのみが、動作可能に接続されている。残りの巻線３０Ａ−３０Ｃおよび３２Ａ −３２Ｃは電気的に分離されているのが好ましい。 第４の破線６０Ｄは、図２Ｄに図示されている形態についての所与の電流アン ペア数に対するモータ１０の速度対トルク特性を図示する。この形態において、 複数部分の巻線３０Ａ−３０Ｃ、３２Ａ−３２Ｃ、３４Ａ−３４Ｃおよび３６Ａ −３６Ｃの全部が動作可能に接続され、そして最大トルクが得られる。 所望ならば他の速度対トルク特性を得ることが可能であることが理解されるは ずである。例えば、追加の中立形成接点が、第２の複数部分の巻線３２Ａ−３２ Ｃおよび第４の複数部分の巻線３６Ａ−３６Ｃに対して設けることができる。同 様に、追加の接点が、他の組合わせを形成するため設けることができる。 図４は、モータ駆動部２０の構成要素を図示する。整流器８０は、適切な交流 入力信号を信号ライン８２上で受け取り、固定の正および負のＤＣ電圧を正のバ ス８４および負のバス８６のそれぞれの上に生成する。キャパシタ８８は、正の バス８４および負のバス８６を適切な制限内に維持するため設けられている。３ 相インバータ９０は、正のバス８４および負のバス８６に通常の要領で接続され 、３相の転流された電流波形をパワー信号ライン１５Ａ、１５Ｂおよび１５Ｃ上 に供給し、これらパワー信号ライン１５Ａ、１５Ｂおよび１５Ｃは図１に図示さ れている１組のステータ巻線１４に接続されている。３相インバータ９０は、信 号ライン１５Ａ−１５Ｃの各々を開回路条件から正のバス８４または負のバス８ ６へ切り替えるためのパワー・トランジスタ・ブリッジから成る。各トランジス タ・ブリッジのデューティ・サイクルは、ここでは読出し専用メモリ（ＲＯＭ） に記憶されているロジック・アレイとして図示されているインバータ・ドライバ ９４により制御される。ＲＯＭに記憶されているロジック・アレイ１００は、リ ゾル バ９６から与えられるロータ位置フィードバッタ信号に応答する。リゾルバ対デ ィジタル・コンバータ９８は、アナログ信号をリゾルバ９６から受け取り、その 信号をインバータ・ドライバ９４に適したバイナリ形式に変換する。リゾルバ９ ６はロータ１６の角度位置を検知する単に１つの具体例であることを理解すべき である。エンコーダまたはホール効果センサのようないずれの適切なセンサもま た用いることができる。同様に、適切な組合わせのロジッタもまたＲＯＭに記憶 されているロジック・アレイの代わりに用いることができる。制御装置１２から の信号ライン１０１は、選択される電気的形態を指示する。 過速度制限回路１０８は、モータ速度がここでは例として２００ＲＰＭとして 示されている選択されたレベルを越えた場合、接点２２（図１）が１つの電気的 形態から別の電気的形態に切り替えられるのを阻止する。過速度制限回路１０８ は、ロータ１６（図１）の速度に比例する信号を信号ライン１１２で受け取る比 較器１１０を含む。信号ライン１１４に与えられる別の基準信号は、電気的形態 を変えることができる選択された最大モータ速度に対応する。モータ速度が予め 選択された制限を越えた場合、信号ライン１１６上の信号が、切り替えを阻止す るためプロセス・ライン制御装置１２に与えられる。切り替えは、巻線からの誘 導電圧が３相インバータ９０の容量を越えたときは薦められない。図２Ａから図 ２Ｄに図示されている形態において、図２Ａの形態から図２Ｂ、図２Ｃおよび図 ２Ｄのうちのいずれかの形態に切り替えるとき、または図２Ｂの形態から図２Ｃ および図２Ｄのうちのいずれかの形態に切り替えるとき、あるいは図２Ｃの形態 から図２Ｄの形態に切り替えるとき、過電圧条件が生じる場合がある。 本発明が好適な実施形態を参照して記載されたが、当業者は、本発明の精神お よび範囲から離れることなく形式および詳細において変更がなされ得ることを認 めるであろう。例えば、巻線形態を２組のステータ巻線を相互接続することから 形成することに関して上記で説明したが、各組みの巻線が恒久的に異なる電気的 形態に接続されている別々の組みの巻線をインバータに別々に接続するため適切 な回路を用いることも本発明の範囲内である。次いで、切り替え可能な接点が、 モータを動作させるため、選択された電気的形態をインバータに接続するよう設 けられるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 永久磁石ロータと、 １組のステータ巻線と、 第１の電気的形態または第２の電気的形態で動作するため１組のステータ巻線 を変更可能に接続する手段であって、前記第２の電気的形態は１組のステータ巻 線の全部より少ない巻線を含み、前記第２の電気的形態においては、接続されて いないステータ巻線は接続されているステータ巻線から電気的に分離されている 、前記接続する手段と、 前記第１の電気的形態または前記第２の電気的形態に接続されたとき接続され ているステータ巻線を転流する転流手段と を備えるブラシレス直流モータ。 ２． 前記第１の電気的形態はＹ形に接続された形態を構成し、前記第２の電気 的形態はＹ形に接続された形態を構成する請求項１記載のブラシレス直流モータ 。 ３． 前記第１の電気的形態は、各相において直列に接続された複数のステータ 巻線を備える請求項２記載のブラシレス直流モータ。 ４． 前記第１の電気的形態は、各相において直列に接続された複数のステータ 巻線を備える請求項１記載のブラシレス直流モータ。 ５． 前記第２の電気的形態において使用されていないステータ巻線は、接続さ れたステータ巻線より合計でより多くのターン数を有する請求項４記載のブラシ レス直流モータ。 ６． 前記第２の電気的形態において使用されていないステータ巻線は、接続さ れたステータ巻線より合計でより多くのターン数を有する請求項１記載のブラシ レス直流モータ。 ７． 種々のトルクおよび速度特性を有するようブラシレス直流モータを構成す る方法において、 永久磁石を有するロータに対して動作可能でかつ結合可能である複数のステー タ巻線を設けるステップと、 全部のステータ巻線が用いられる第１の電気的形態で、または前記ステータ巻 線の全部より少ない巻線が用いられる第２の電気的形態で、前記複数のステータ 巻線を接続するステップと、 前記ステータ巻線が前記第２の電気的形態において接続されているとき、使用 されていないステータ巻線を接続されているステータ巻線から電気的分離するス テップと を備える方法。