JP2534507B2 - 偏平なコアレス電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明装置は、偏平な電動機を必要とする場合、例え
ば、ウォークマンと呼称される携帯用のカセツトレコー
ダのキヤプスタンモータとして、又小型偏平なフロツピ
デスクの磁気シートの駆動源として利用されるものであ
る。

前者の場合には、厚さは２〜３ミリメートル、後益の
場合は５〜10ミリメートル位となるものである。

〔従来の技術〕

本件出願人による特公昭58−26264号、特公昭59−311
0号等がある。

〔本発明が解決しようとしている問題点〕

第１の問題点。

偏平とする為に、一般的な手段によると、ホール素子
（磁電変換素子）の載置すべき空間が無くなり、従つ
て、ホール素子の為に厚さを増加する。

第２の問題点。

３相の電動機とすると、ホール素子が３個となり、厚
みを増加し、３個のホール素子の端子12個分の配線を必
要とし、従つて電気回路が錯雑高価となる。

第３の問題点。

ホール素子を除去して、逆起電力を位置検知信号とす
る手段も採用されているが、起動をステツピングモータ
として行なうので、起動が失敗する場合が多い。

又２相の電動機とすると、リプルトルクが増大し、１
相の電動機とすると更にリプルトルクが増大し、又起動
に問題が多くなる。

上述したように、構成が簡素化し、偏平廉価なるもの
にすると特性上に問題点が発生し、実用性が失なわれて
いる現状である。

第４の問題点。

電源が低電圧なので、電機子コイルに直列にトランジ
スタを２個使用すると、その電圧降下により、効率が劣
化する。

〔問題点を解決する為の手段〕

ホール素子を１個とすることにより、又位置検知用の
マグネツトをトルク発生用の界磁マグネツトと区別して
設け、磁極巾が電気角で120度のN,S磁極を１組として、
これを複数組設け、これ等を電気角で120度離間し、ホ
ール素子の出力をN,S極に対向した電気角で120度（以降
は電気角の表示を省略する。）の第1,第２の位置検知信
号及び無磁界部に対向した第３の120度の巾の位置検知
信号を得る。第1,第2,第３の相の３相の電機子コイルに
直列に接続した１個のトランジスタを、第1,第2,第３の
位置検知信号により付勢導通せしめ、各相の電機子コイ
ルに120度の巾の通電（界磁磁極の中央部を選択する）
を行なつて出力トルクを得る。ホール素子の対向する位
置検知用のマグネツトは、次に述べる特別な構成とな
る。

電動機の厚みを増加しない為に、隣接する電機子コイ
ルの隣接部の空隙にホール素子が設けられるように、界
磁磁極と位置検知用磁極の位相差を調整する。又この状
態において、電機子コイルの120度の通電は、界磁磁極
の中央部の磁界の最も強い部分となるようにして効率を
上昇せしめる。

位置検知用マグネツトは界磁磁極の外周部の同一平面
内に円環状に設け、しかも扇型コイルの外周部の巻線巾
即ちコイル巾とほぼ等しい巾とする。

扇型コイルの外周部は出力トルクに寄与しないので、
この部分の空間を利用して、位置検知用マグネツトを設
けている。

以上の構成により、第1,第2,第3,第４の問題点が解決
される。

〔作用〕

位置検知素子となるホール素子が１個となり、電機子
コイルの通電巾が120度となるので、トルクリプルが小
さくなり、効率は３相Ｙ型のものと等しくなり、構成が
簡素化される作用がある。

更に、ホール素子の位置が隣接電機子コイルの空隙部
にあるので、全体を偏平に構成でき、又位置検知用マグ
ネツトは、界磁マグネツトの外周のトルクに無効な部分
にあるので、電動機の外径を小さくできる作用がある。
電動機コイルに直列に接続されるトランジスタは１個の
みなので、電源電圧が小さい場合、例えば1.5ボルトの
乾電池を電源とする場合に、トランジスタによる無効な
電圧降下を1/2とする作用がある。

〔実施例〕

第１図以降の実施例につき、本発明装置の詳細を説明
する。図面中の同一記号のものは同一部材なので、重複
した説明は省略する。

第１図において、基板２上には、磁路となる珪素鋼円
板７が貼着され、その上に扇型の電機子コイル６が貼着
されている。

電機子コイル６の詳細が第２図（ｂ）に示されてい
る。トルクに有効な導体部の巾は機械角で90度で、等し
いピツチで、磁路となる磁性体円板７に図示のように、
電機子コイル10a,10b,10cが配設されている。基板２に
は、円筒３が植立され、その内部に嵌着された軸承1a
（打点部）に回転軸１が回動自在に支持されている。

軸承としては、オイルレスベアリング若しくはボール
ベアリングが利用される。基板２の突出部2aには、図示
していないが、電機子コイル10a,10b,10cの通電制御回
路が載置されている。

第１図に戻り、回転軸１には、軟鋼円板４の中央部が
固定され、この裏面には、円環状の界磁マグネツト５が
貼着されている。

第２図（ａ）にその詳細が示されている。

マグネツト回転子５は、円周面にそつて、N,S磁極5a,
5b,5c,5d（巾が機械角で90度）が等しいピツチで設けら
れた円環状のフエライトマグネツトにより構成されてい
る。記号９は内部の空孔である。

マグネツト回転子５の外周には、円環状の位置検知マ
グネツト８となり、その磁極は、図示のようにN,S極が
１組となり、２組設けられている。１組のN,S極と他の
１組の間の間は無磁界部となり、 の表示がされている。この巾はN,S極の巾と同じであ
る。

N,S極の巾は機械角で30度，電気角で120度となつてい
る。

位置検知マグネツト８の磁極は記号8a,8b,…として、
又零磁界部若しくはマグネツトの切欠部は記号8c,…と
して示されている。磁極8aと8bのN,Sの極性を反転して
も同じ効果がある。他の位置検知マグネツト８のN,S磁
極も反転する。

かかる手段によると、磁極8aと5a及び磁極8bと5bは同
じ極性となるので、磁極の着磁が１回の作業ですむ効果
がある。

他の磁極群についても事情は同じである。

次に第３図の展開図につき、上述した構成の作用効果
について説明する。

第３図において、電機子コイル10a,10b,10dは周知の
３相の電機子コイルである。点線の電機子コイル10dを
記号10cの位置に移動した形式となつているので、電機
子コイル10a,10b,10cも３相の電機子コイルとなる。

各電機子コイルの巾は180度、間隔は60度である。

ホール素子11は、第２図（ｂ）に示すように、隣接す
る電機子コイル10a,10cの隣接部の中間の空間に載置さ
れて、位置検知マグネツト８に対向している。

位置検知マグネツト８の径方向の巾は、第２図（ｂ）
に示されるように、扇型の電機子コイルの外周部のコイ
ル巾とほぼ等しくされている。

この部分のコイルの通電は、出力トルクに無効なの
で、界磁磁極があつても無効である。

かかる無効部分に、位置検知マグネツト８を設けて、
電動機の外径を小さくしたことが本発明装置の１つの特
徴となつている。

又ホール素子11は、前記した空間に載置固定してある
ので、電機子コイルと重畳することがなく、従つて偏平
に構成できる特徴がある。

第３図に矢印B,Cで示すように、それぞれの巾は30度
となつて、マグネツト回転子５が矢印４方向に30度回転
すると、ホール素子11は磁極8eの磁界下に侵入するの
で、出力が得られ、この出力により電機子コイル10aが
通電される。更に120度回転すると、ホール素子11は磁
極8dの磁界下に入り出力は消滅する。

通電角は120度となり、界磁磁極5a,5dの最も磁界の強
い部分のフレミングの力により駆動トルクが得られる。
従つて効率は３相Ｙ型のものと同じとなる特徴がある。
以上の条件を満足するように、マグネツト回転子５の磁
極と位置検知マグネツト８の磁極の位相を図示のように
ずらして配設したことも本発明装置の特徴である。次に
ホール素子11が、磁極8d,零磁界8cに侵入するに従つ
て、電機子コイル10c,10bがそれぞれ120度の通電が行な
われて出力トルクが得られるので、３相の電動機として
回転するものである。

次に、上述した通電制御を、第４図のタイムチヤート
と第５図の通電制御回路を用いて説明する。

第５図において、ホール素子11の出力は、オペアンプ
24a,24bにより増巾され、矩形波の出力となる。記号28,
28a,28bは直流電源正極である。

オペアンプ24aは、ホール素子11がＮ極に対向したと
き、オペアンプ24bはＳ極に対向したときに出力が得ら
れる。

オペアンプ24aの出力は、第４図のタイムチャートに
おいて、180度の巾の曲線11a,11b,…となる筈である
が、磁界零即ちN,S磁極の境界点には、不感帯があるの
で、180度より小さくなり、点線11e,11fの間となる。

オペアンプ24bの出力の場合も同じ事情で点線12e,12f
の間だけ曲線12a,12b,…は信号が得られることになる。

上記した問題を除去する手段が第５図のフリツプフロ
ツプ回路（以降はＦ回路と呼称する。）26a,26bであ
る。

微分回路25aの微分パルスは、第４図において、曲線1
5a,15b,…として示されている。

この微分パルスにより、Ｆ回路26aのＳ端子が付勢さ
れて、Ｑ端子の出力はハイレベルとなり、トランジスタ
18aのベース入力となる。微分回路25bの微分パルスは、
第４図の曲線16a,16b,…となるので、この信号によりＦ
回路26aのＲ端子が付勢されて、Ｑ端子の出力の曲線
は、第４図の曲線11a,11b,…（実線部）となる。

又同時に、Ｆ回路26bのＳ端子にも上記した微分パル
スが入力されるので、Ｑ端子の出力はハイレベルとな
り、トランジスタ18bのベース入力が得られる。

オペアンプ24a,24bの出力がともにローレベルとなる
と、アンド回路27の出力がハイレベルとなり、トランジ
スタ18cのベース入力が得られる。

上記した場合は、ホール素子11が無磁界部に対向した
ときである。

トランジスタ18cのベース入力の曲線が、第４図で曲
線13a,13b,…として示されている。

第５図の記号25cは微分回路で、その微分パルスは第
４図で曲線17a,17b,…として示され、この信号により、
Ｆ回路26bは反転して、Ｑ端子の出力が消滅するもので
ある。

上述した説明より理解されるように、第４図の曲線11
a,12a,13aの境界の時間的空隙は無くなり、従つてトラ
ンジスタ18a,18b,18cが導通して電機子コイル10a,10b,1
0cが通電されるときに、いずれの電機子コイルが必ず通
電されて連続した出力トルクが得られる特徴がある。

又各電機子コイルの通電巾は120度となり等しい通電
巾となることが理想的である。この為には、第３図の磁
極8a,8dの巾を120度より大きくして、第４図の曲線12a
と13aの巾をともに120度となるように調整する必要があ
る。他の曲線12b,13b,…についても上記した事情は全く
同じである。

又曲線11a,12a,13aにより、電機子コイル10a,10c,10b
の120度の巾の通電が行なわれるが、この通電は磁極5a,
5b,…の中央部で左右にずれることなく行なわれる必要
がある。

上述した通電による出力トルクの曲線が、第４図にお
いて、曲線14a,14b,14cの実線部で示され、トルクリプ
ルが小さくなる特徴がある。界磁磁極5a,5b,…の磁界分
布曲線を台形波とすると、トルクリプルは著しく減少す
る効果がある。

３相ブリツジ回路による電機子コイルの通電では、電
機子コイルの両端にトランジスタが２個挿入されるの
で、電圧降下による電力損失が大きくなる。特に、1.5
ボルト〜３ボルトの乾電池が電源となる場合には、上述
した損失が相対的に大きくなる。本発明装置では、直列
接続されるトランジスタは１個のみなので上述した欠点
が除去され、更にホール素子が１個ですみ、廉価に構成
できる特徴がある。

第５図の回路をIC化すると小型偏平となるので、その
１部にガリウムアルセナイド若しくはシリコンのホール
素子を含めて１個のIC（集積回路）とすると、小型化と
経済性にすぐれたものが得られる。

第２図（ｂ）の点線29,導出素子29aは、上記したIC
（集積回路）を示しているもので、その左端にホール素
子11が収納されているので、IC（集積回路）29を図示の
位置において、基板2aに貼着固定することにより、通電
制御装置が得られるので、有効な技術手段を供与できる
ものである。次に起動時の動作について説明する。

電源スイッチ30の閉成とともに、Ｆ回路26a,26bにリ
セツト信号が入力されて、それぞれの出力はローレベル
となる。

ホール素子11の電源28aが投入されるのは、図示しな
い遅動回路により少しおくれて行なわれる。

このときに、アンド回路27の出力は短時間だけ、ハイ
レベルとなり、電機子コイル10bが通電される。このと
きの出力トルクが正トルクであればそのまま回転して起
動する。

反トルクの場合には、すぐにＦ回路26a,26bのいずれ
の出力がハイレベルとなるので、正トルクに転化して起
動する。

起動時に、ホール素子11が、N,S磁極の境界にある
と、オペアンプ24a,24bの出力はともにローレベルとな
る。従つてアンド回路27の出力がハイレベルとなり、電
機子コイル10bが通電されるので、反トルクとなり逆転
する。

従つて、ホール素子11は、Ｎ極の磁界下に入り、正転
トルクが得られ正転し始めるので差支えはない。

本実施例は、界磁磁極数が４個、電機子コイルが３個
の実施例であるが、両者をそれぞれ２倍の数としても実
施できる。

第５図において、コンデンサ19a,19b,19cは、各電機
子コイルの通電が断たれたときに、蓄積磁気エネルギを
放電して、トランジスタ18a,18b,18cを保護する為のも
のである。この手段は他の周知の手段でもよい。

ダイオード31a,31b,31cは、電機子コイルの通電が停
止されているときに発生する矢印方向の逆起電力をとり
出して、トランジスタ20のベース電流とし、これに比例
する抵抗21の電圧降下をコンデンサ21aにより平滑化し
て、回転速度に比例する電気信号を得る為のものであ
る。

かかる速度信号を利用して周知の手段により定速制御
を行なうことができる。例えば次の手段である。

オペアンプ22の＋端子には、規準正電圧28が入力さ
れ、−端子には、速度信号電圧が入力されている。

点線記号23a,23b,23cは乗算回路である。従つて位置
検知信号の電圧とオペアンプ22の出力電圧は乗算され
て、抵抗を介してトランジスタ18a,18b,18cのベース入
力電流となつている。

設定速度を越えると、オペアンプ22の出力はローレベ
ルとなるので、乗算回路23a,23b,23cの出力もローレベ
ルとなり、各トランジスタは不導通となり、減速され
る。

設定速度より降下すると、オペアンプ22の出力は正の
信号となり、対応して、各トランジスタは活性領域で通
電され、負荷とバランスした出力トルクで定速制御がで
きるものである。

〔効果〕

第１に、３相の電動機となり、Ｙ型結線の場合と同じ
く効率を良好とし、トルクリプルを小さくでき、しかも
ホール素子は１個ですみ、通電制御回路も簡素化され、
廉価に構成できる効果がある。

第２に、偏平に構成でき効果がある。

第３に、ホール素子が１個なので、通電制御回路をIC
化し、両者を１個のICケースに収納できるので、上述し
た偏平化と廉価に構成することに役立つものである。

第４に、電機子コイルの通電制御の為のトランジスタ
は１個ですむので、電源電圧が低い場合に有効な手段と
なる。

第５に、ホール素子を装着する位置は、隣接する電機
子コイル間の空隙の中央部外側にあるので、装着が容易
で、偏平化に有効である。

又ホール素子に対向するマグネツトの部分は、出力ト
ルクに無効な部分となつているので、出力トルクを減少
しないですむ効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は、全体の構成の説明図、第２図は、マグネツト
回転子と固定電機子の平面図、第３図は、マグネツト回
転子と電機子コイルの展開図、第４図は、位置検知信号
と出力トルクのタイムチヤート、第５図は、電機子コイ
ルの通電制御回路図をそれぞれ示す。 １……回転軸、2,2a……基板、３……円筒、1a……軸
承、４……軟鋼円板、5,5a,5b,……マグネツト回転子、
6,10a,10b,……電機子コイル、７……珪素鋼板円板、９
……空孔、8,8a,8b,……位置検知用マグネツト、29……
ICケース、11……ホール素子、11a,11b,…,12a,12b,…,
13a,13b,……位置検知信号、14a,14b,……トルク曲線、
15a,15b,…,16a,16b,…,17a,17b,……微分パルス曲線、
28,28a,28b……直流電源正端子、18a,18b,18c,20……ト
ランジスタ、22,24a,24b……オペアンプ、25a,25b,25c
……微分回路、26a,26b,……フリツプフロツプ回路、27
……アンド回路、23a,23b,23c……乗算回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸方向空隙型電動機において、基板上に等
   しいピツチで配設固定された第1,第2,第３の相の３相の
   扇型の電機子コイルよりなる固定電機子と、該電機子に
   設けた軸承により回動自在に支持された回転軸と、該回
   転軸の一端に中央部が固定された磁性体円板と、該円板
   に同軸で固定されるとともに磁極面が電機子コイルに空
   隙を介して対向する円環状のマグネツト回転子と、該マ
   グネツト回転子の円周面に等しいピツチで交互にN,S極
   に磁化された界磁磁極と、該磁極の外周の同一平面内に
   円環状に設けられるとともに、その外周が電機子コイル
   の外周とほぼ一致している位置検知マグネツトと、磁極
   巾が電気角で120度で、隣接する磁極がN,S極の複数組の
   磁極となり、それ等が互いに電気角で120度離間した磁
   極群が設けられるとともに、磁極群の径方向の巾が、電
   機子コイルの巻線巾とほぼ等しくされて、前記した位置
   検知マグネツトの円環面にそつて配設された磁極群と、
   前記した扇型の電機子コイルの隣接部の空隙の中央部に
   おいて、固定電機子面に固定され、位置検知マグネツト
   の磁極面に対向して、位置検知信号を発生する１個の磁
   電変換素子と、該位置検知信号により、第1,第2,第３の
   相の３組の電機子コイルに直列に接続された第1,第2,第
   ３のトランジスタを付勢し、Ｎ極,S極，無磁界部のそれ
   ぞれに対応する位置検知信号により、第1,第2,第３の相
   の電機子コイルに電気角で120度の巾の１方向の通電を
   順次に行なつて、駆動トルクを発生せしめる通電制御回
   路とより構成されたことを特徴とする偏平なコアレス電
   動機。