JP2667815B2

JP2667815B2 - ブラシレス電動機

Info

Publication number: JP2667815B2
Application number: JP61197161A
Authority: JP
Inventors: 文男田島; 邦夫宮下; 康之杉浦; 俊美虻川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-08-25
Filing date: 1986-08-25
Publication date: 1997-10-27
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: JPS6356159A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ブラシレス電動機に係り、特に、電機子反
作用磁束を有効に利用して出力トルクを大とすることを
図つた永久磁石形ブラシレス電動機に関する。〔従来の技術〕一般にサーボモータの性能はトルク／イナーシヤ比で
評価しうる。トルクは電気的な巻線が同一である場合、
磁束量に比例する。したがつて、磁束量の増加が性能向
上に大きく影響を与える。しかし、一般に永久磁石形サ
ーボモータでは、価格的な面からフエライト磁石を使う
ことから、磁石の残留磁束密度が低く、モータの性能に
は限界があつた。以下、従来の永久磁石形サーボモータの制御として特
開昭60−62894号の記載例について示す。第２図は対象
とする永久磁石形サーボモータの構造断面図を示す。固
定子１は、ハウジング３と、このハウジングの内径面に
固定の固定子鉄心４と、この固定子鉄心に巻装された多
相の励磁巻線５とから成る。回転子２は、シヤフト６
と、このシヤフト６と一体的な永久磁石回転子９とから
成り、さらにこの永久磁石回転子９は、ヨーク７と永久
磁石８とから成り、そしてシヤフト６が、ベアリン10,
エンドブラケツト11によつて固定子１に回転自在に保持
される。なお、PSは回転子２の回転位置を検出する位置
検出器、Ｅはエンコーダである。第３図は従来構造の永久磁石回転子９の断面図であ
る。図は２極の例で示し、永久磁石８は図示のように半
径方向に着磁されるとともにヨーク７には接着剤等で固
定される。永久磁石材としては一般にフエライトが使わ
れ、その磁束密度は低い。第４図は、この種サーボモータの制御回路の概要を、
第５図，第６図にはその動作原理を示す。第４図におい
て、直流電源12よりインバータ13を介して固定子の励磁
巻線５に電力を供給する。速度制御回路（ASR）では、
速度指令ω_ｓと、エンコーダＥよりの実際の速度ω_ｆと
から速度差ω_ｅを算出し、これにPI制御（P:比例項,I:
積分項）等によりトルク指令すなわち電流指令I_sを出力
する。一方、正弦波発生器では、永久磁石回転子９の位置を
検出する位置検出器PSと、エンコーダＥよりのパルスす
なわち回転子の位置情報から、励磁巻線５の各巻線（こ
こでは３相）の誘起電圧と同相の正弦波出力を発生す
る。各相はそれぞれ個別に電流制御系（ACR）を持ち、
各相の電流指令は前記電流指定I_sと正弦波出力との積と
なる。ここで、各相と正弦波出力信号は２π/3の位相差
を持つ。以上の制御によつて第５図に示すように、各相合成の
電流は界磁束φ_ｆに直角の位相となり、無整流子でかつ
直流機と同等の特性が得られる。第６図に電機子反作用の影響を示す。永久磁石の磁束
分布が正弦波と仮定するとB_m（θ）で表わされる。３相
電流の合成の電流分布ｉ（θ）はB_m（θ）と同相で、上
記の制御によつて常に正弦波となり、トルクＴは次の
（１）式で表わされる。回転子の位置に対して常に同じB_m（θ）,i（θ）を与
えるように上記の如く制御が行われるために（１）式は
常に一定である。一方、電機子反作用による起磁力は位相が90度異な
り、AT（θ）として現われる。この電機子反作用起磁力
による磁束密度B_AT（θ）はAT（θ）と同相であり、図
示のように現われる。電流ｉ（θ）と電機子反作用磁束
B_AT（θ）によるトルクT_ATは次の（２）式で表わされ
る。（２）式において、B_AT（θ）とｉ（θ）は90度の位
相差を持つていることからT_ATは零となる。したがつて、従来構造の永久磁石形サーボモータを、
特開昭60−62894号で開示した制御法を適用して駆動し
ても、電機子反作用による磁束の利用がなく、かつ、永
久磁石の磁束も低いことから、サーボモータとしての性
能も低いという問題点を有していた。〔発明が解決しようとする問題点〕上記従来技術では電機子反作用による磁束を十分利用
しておらず、したがつて、モータの性能を低からしめて
いる点に問題がある。本発明の目的は、電機子反作用による磁束を発生トル
クに有効に働かしめるモータ構成と制御方法を与えてモ
ータ性能を高からしめると同時に、正回転時および逆回
転時で同じ特性が得られるブラシレス電動機を提供する
ことにある。〔問題点を解決するための手段〕本発明は、多相の励磁巻線を固定子鉄心に巻回した固
定子と、前記固定子鉄心の円周面と空隙を介して対向す
る領域に、半径方向に着磁された永久磁石と、該永久磁
石より高い透磁率を持つ高透磁率磁性体とを環状に交互
に配置し、かつ前記永久磁石と高透磁率磁性体の磁極中
心がなす電気角を90゜とした回転子と、前記回転子の位
置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段によっ
て得られた位置検出信号に応じて、前記回転子の高透磁
率磁性体に電機子反作用の増磁作用が働くように、前記
固定子の多相励磁巻線を通電制御する制御回路とを備え
たことを特徴としたブラシレス電動機、により達成され
る。〔作用〕電機子反作用の増磁起磁力によつて、高透磁率磁性体
を通る磁束は増加する。一方、永久磁石側には電機子反
作用の減磁力が働くが、永久磁石材のフエライトの透磁
率は少ない。したがつて、電流が大になるほど、磁束量
が増えてサーボ性能の増加をもたらす。また、回転子に
おいて永久磁石と高透磁率磁性体とを、該部材の磁極中
心がなす電気角90゜の位置に交互に配置することによ
り、正回転も逆回転も同様に回転駆動することが出来
る。以下、本発明の一実施例を図により説明する。第７図は本発明における回転子の一構造例を示したも
ので、固定子側の鉄心内周面と小空隙を介して対向す
る、回転子鉄心の外周面には、永久磁石８と、該永久磁
石８より高い透磁率を持つ高透磁率磁性体20（補助突極
と称す）のそれぞれの磁極中心が電気角で90゜になるよ
うにして交互に配置されている。一般に永久磁石８と補
助突極20との分割比は、永久磁石８の方が補助突極20よ
り大となるように選択する。また補助突極20とヨーク７
は共に高透磁率磁性体であることから、同一材質、例え
ば、けい素鋼板等によつて一体に作ることができる。固
定子については従来例と同一の構造をとる。以上の構成の電動機に対して、第４図に示した制御回
路で、制御を行う。第８図に本実施例の動作説明図を示す。回転子位置検
出器PSを従来と同一の位置に置くことによつて、回転子
に対する電流ｉ（θ）、電機子反作用起磁力AT（θ）
は、図示のように、永久磁石に減磁作用が、補助突極20
に増磁作用がかかるように制御する。これは、位置検出
器PSの出力信号と巻線誘起電圧との位相を適正に選択す
ることによつて可能である。電動機の無負荷時、つまり電流非通電時の空隙の磁束
密度分布はB_m（θ）で表わされる。一方、負荷時におけ
る電機子反作用による磁束密度は、図示のように、起磁
力がAT（θ）で正弦波状の分布で現われる。この場合、
補助突極20には増磁起磁力として、また永久磁石８には
減磁起磁力として作用するが、補助突極20の透磁率が大
きく、また永久磁石８の透磁率が小さいため、図示のB
_AT（θ）のように、補助突極20の部分で磁束密度が増加
した分布となる。この補助突極20の部分の磁束の増加
は、前述のように永久磁石の透磁率が１であるのに対
し、補助突極20の透磁率が例えば1000〜10,000と大きい
ために生じ、全体の磁束量は大幅に増加する。この場合のトルクＴは次の（３）式で表わされる。したがつて、以上の原理より永久磁石８の磁束B
_m（θ）は従来例よりも少なくなるが、電機子反作用磁
束B_AT（θ）の大幅な増加によつてトルクの増加を生ぜ
しめることができる。また、永久磁石８の使用量は従来
に対して少なくすることができる利点がある。第１図は永久磁石８の磁束量φ_ｆと、その誘起電圧E_O
および電流ｉのベクトル図を示す。電流ｉと同相に電機
子反作用磁束φ_atが存在し、φ_atとφ_ｆの合成と、電流
ｉのベクトル積によつてトルクは発生する。この場合、
各相電流は常に第４図で示した制御回路によつて回転子
位置に対して正弦波状に変化するため、永久磁石回転式
位置に対する電流ベクトルは常に一定となり、トルク変
動は生じない。以上の構成によつて、トルク変動は従来
と同様に少なく、出力トルクの大なる永久磁石形ブラシ
レス電動機を提供しうる。第９図は、逆転もしくは制動時の動作原理を示す。第
10図には電流ベクトル図を示す。逆転時もしくは制動時
に、第１図，第８図と同一のベクトル軸上に電流を通電
すると、正転時と逆に永久磁石８に電機子反作用の増磁
力が、また補助突極20に減磁力がかかる。このため補助
突極20は永久磁石８と逆極性となり、トルクを弱めるこ
とになる。第10図に示すように、電流ベクトルの位置を
保持することによつて逆転時も正転時とほぼ同じ動作が
得られる。これは、第４図で示した正弦波発生器の出力
を、正転時と逆転時あるいは制動時等によつて変える
（位相の異なる位置に変える）ことによつて可能であ
る。以上は、ロータリ型の電動機に対する適用の例につい
て述べたが、リニア型の電動機に対しても適用できる。
また、電動機構造として、固定子鉄心の空隙面に多数の
磁極歯を有するステツプモータ構造のブラシレス電動機
についても適用可能である。〔発明の効果〕本発明によれば、従来の永久磁石形ブラシレス電動機
に比べて、トルク変動は同等でトルク対イナーシヤ比を
大きくすることができ、また、永久磁石材の使用量を減
らすことができ、安価なブラシレス電動機を実現し得る
制御方法を提供できる。さらに、回転子において、永久
磁石の磁極と高透磁率磁性体とを電気的に直交する位置
に交互に配置したため、正回転および逆回転で特性が同
じであり正逆回転対応が可能なブラシレス電動機を提供
できる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の動作説明用の電流ベクトル図、第２図
は本発明が適用される電動機の断面図、第３図は従来例
の磁石回転子の断面図、第４図は制御回路図、第５図，
第６図は従来例の動作説明用図、第７図は本発明の回転
子の構造の一例を示す断面図、第８図は本発明の動作説
明用図、第９図，第10図は逆転，制動時の本発明の動作
説明用図である。１……固定子、２……回転子、４……固定子鉄心、５…
…励磁巻線、７……ヨーク、８……永久磁石、９……永
久磁石回転子、13……インバータ、15……速度制御回
路、17……電流制御系、20……高透磁率磁性体（補助突
極）、PS……位置検出器、Ｅ……エンコーダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉浦康之日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者虻川俊美日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開昭55−74347（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−153575（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．多相の励磁巻線を固定子鉄心に巻回した固定子と、前記固定子鉄心の円周面と空隙を介して対向する領域
に、半径方向に着磁された永久磁石と、該永久磁石より
高い透磁率を持つ高透磁率磁性体とを環状に交互に配置
し、かつ前記永久磁石と高透磁率磁性体の磁極中心がな
す電気角を90゜とした回転子と、前記回転子の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段によって得られた位置検出信号に応じ
て、前記回転子の高透磁率磁性体に電機子反作用の増磁
作用が働くように、前記固定子の多相励磁巻線を通電制
御する制御回路とを備えたことを特徴としたブラシレス
電動機。