JP2673506B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ブラシレスモータに関する。 〔従来の技術〕 従来のブラシレスモータは、直流サーボモータにおけ
る励磁コイルと永久磁石の配置を逆にして、永久磁石を
ロータに、励磁コイルをステータに配設し、励磁コイル
の電流切換をコンミテータなしで行えるようにしたもの
で、励磁コイルの電流切換は、ホール素子などによって
検出されるロータの回転位置に同期させて回転磁界を形
成させる回転磁界ベクトル制御によって行われている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、このような回転磁界ベクトル制御では、ブラ
シレスモータの入出力効率が、ロータが特定の回転角に
あるとき最高85％程度になるだけで、全回転域にわたっ
て高い効率が得られない問題がある。また、回転トルク
を大きくさせるために複数のブラシレスモータを機械的
に直結した場合、この直結されたブラシレスモータが大
型化される問題もある。 従って、本発明の目的は、ブラシレスモータの回転ト
ルクを効率良く発生させるようにすることにある。 〔問題点を解決するための手段〕 そこで本発明は、複数個の永久磁石を隣り合う永久磁
石同士の磁極が互いに反対になるよう円環状に配列する
とともに、それらの永久磁石と対向するように複数個の
励磁コイルを円環状に配置したブラシレスモータにおい
て、前記永久磁石が軸線方向と平行に着磁されるととも
に、円環状に配列された複数個の永久磁石を１組とし
て、複数組の永久磁石が同一軸線上にかつ軸線方向に所
定間隔をあけて互いに平行に配置され、さらに、いずれ
か１組の円環状に配列した永久磁石を挟んで軸線方向で
対向するように励磁コイルが配置され、これら軸線方向
で対向する励磁コイルが電気的に直列に接続されるとと
もに、これらの励磁コイルを巻き付けた鉄心が磁性材料
によって磁気的に一体化されていることを特徴とするも
のである。 〔作用〕 永久磁石は軸線方向に磁極方向を一致させる状態で着
磁されており、また円環状に配列されたいずれか１組の
永久磁石を軸線方向で挟んだ両側に励磁コイルが配置さ
れている。したがって永久磁石の軸線方向の両側に向け
て生じる磁束は、必ずいずれか一方の励磁コイルの磁束
と鎖交することになる。またこれらの励磁コイルは互い
に直列に接続されるとともに、これらの励磁コイルを取
り付けた鉄心が互いに磁気的に一体化されているので、
各励磁コイルから生じる磁束は必ず鉄心を通って円環状
の永久磁石を横切る閉磁路を形成する。したがって複数
組の円環状の永久磁石のうち少なくともいずれか１組に
おいては、永久磁石および励磁コイルの磁束の漏れが殆
ど生じず、したがって高トルクを発生させることができ
る。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を図面によって説明する。 第１図〜第３図は、本発明の一実施例を示し、第２図
は部分断面正面図、第１図は第２図のI A−I A線断面、
I B−I B線断面を同時に示す断面図、第３図はステータ
のケースの底面図である。 各図中、10はロータ、20はステータであり、11は永久
磁石、21は励磁コイルである。永久磁石11は、複数個、
この場合、16個が回転軸12のまわりに円環状に配設さ
れ、各永久磁石11は、その磁極方向が互いに平行となる
ように並べられている。勿論、各永久磁石11の磁極は、
隣り合う永久磁石11同士で互いに逆向きとなるようにさ
れている。 このように並べられた永久磁石11を一組として複数
組、この場合、３組が回転軸12のまわりに固定されてロ
ータ10が構成されており、各々円環状に並べられた永久
磁石組は、固定金具14によって回転軸12上に固定されて
いる。このとき、回転軸12と各固定金具14とは、スプラ
イン嵌合13され、固定金具14と永久磁石11との間は、接
着剤によって固着されている。 円環状に並べられた永久磁石11の側方には、やはり複
数個、この場合、12個の励磁コイル21が円環状に並べら
れており、各励磁コイル21は、各永久磁石11の磁束と鎖
交するように配設されている。このように永久磁石11の
側方に配設された励磁コイル組は、少くともいずれか一
つの永久磁石組についてはその両側に配置されているこ
とが好ましく、この実施例の場合は、第２図から明らか
なように、３組の円環状の永久磁石組のうち、真中のも
のには、その両側に励磁コイル組が配設されている。 各励磁コイル21には、その中心にそれぞれ鉄心22が設
けられており、第２図から明らかなように、各鉄心22
は、円環状に並べられた永久磁石11の外周側を通って永
久磁石11の反対側まで延設されている。ただし、この実
施例の場合、４組の励磁コイル組の各励磁コイル21は、
回転軸12の方向に一列に並んでおり、それらの鉄心22は
互いに一体化されている。その鉄心22は、積層鉄板によ
って構成されており、ステータ20のケース24の底面に第
３図の如く形成された溝23にその一端側が嵌め込まれ、
他端側がスペーサ29を介してカバー25によって圧接され
ている。また、各鉄心22間には、第１図から明らかなよ
うに、スペーサ26が介挿されており、スペーサ26のうち
幾つかは、ピン27によってケース24に固定されている。
つまり、回転軸12の回転方向に対してまわり止めが施さ
れている。なお、第２図中、15はベアリングであり、ケ
ース24に対して回転軸12を回転自在に支持している。ま
た、16はシールであり、モータ内に水、ほこり等が侵入
しないようにしている。 円環状に並べられた励磁コイル21は、隣り合う三つが
一セットとされ、全周で４セットとされており、各セッ
ト間で対応する位置にある励磁コイル21は、全て直列接
続され、さらに、一体化された鉄心22に巻かれている励
磁コイル21も、全て直列接続されている。従って、励磁
コイル21は、４×４で16個づつが直列接続されているこ
とになる。 このように、励磁コイル21が一セットで３個であるの
に対して、永久磁石11は、対応する範囲内に４個設けら
れている。すなわち、一セット内で永久磁石11の個数が
励磁コイル21の個数より１個多くされている。 第５図〜第７図は、一つの鉄心22およびそこに巻かれ
た励磁コイル21を拡大して示している。また、第４図
は、励磁コイル21が通電されたとき鉄心22の磁化の様子
を示しており、このように磁化されたときロータ10の永
久磁石11が図の位置にあると、矢印Ｆで示すようにトル
クが発生する。このトルクは、所謂リラクタンストルク
である。なお、第４図中一点鎖線は代表的な磁力線の一
つを示している。またこの一点鎖線は、永久磁石11を挟
んだ両側の励磁コイル21が共に閉磁路を形成しているこ
とを示しており、したがって上記の構成では、励磁コイ
ル21が永久磁石11を軸線挟んで対向し、かつその鉄心22
が一体化されていることにより、漏れ磁束が殆どなく、
高いトルクを発生する。 第８図は、一セットを成すＡ〜Ｃの三つの励磁コイル
21とロータ10の永久磁石11との位置関係を平面上で示す
とともに、ロータ10の回転に伴って励磁コイル21の通電
方向、つまり、極性が切り換えられる様子を時間の経過
と共に示している。 まず、（イ）で示すt₀のタイミングでは、励磁コイル
21のＡ〜Ｃは、（ロ）で示すように、永久磁石11側の磁
極が順次Ｎ、Ｎ、Ｓとなっており、これに対して、ロー
タ10の永久磁石11が図のように位置しているため、ロー
タ10には、矢印で示すように、図の下方向にトルクが発
生する。次にt₁のタイミングでは、Ｂの励磁コイル21の
通電方向が切り換えられて極性が切り換えられ、永久磁
石11側が順次Ｎ、Ｓ、Ｓとされる。すなわち、励磁コイ
ル21と永久磁石11とが一対一で対向する位置となったと
きに、励磁コイル21の極性が切り換えられる。このよう
に、励磁コイル21と永久磁石11とが対向しているときに
は、その励磁コイル21と永久磁石11との間には、トルク
が発生しないが、上述のように励磁コイル21の個数に対
して永久磁石11の個数が多くされているため、一組の励
磁コイル21と永久磁石11とが対向していても、他の励磁
コイル21と永久磁石11とは対向せず、トルクを発生して
いる。 第８図において（ハ）は、励磁コイル21の通電方向を
示しており、t₁のタイミングでＢの励磁コイル21の通電
方向が切り換えられる。以後同様にt₃、t₅、t₇、t₉、t
₁₁のタイミングで励磁コイル21と永久磁石11とが一対一
で対向したとき、励磁コイル21の磁性が切り換えられ
る。そして、t₁₃のタイミングで再びＢの励磁コイル21
の極性が切り換えられ、一サイクルの動作を完了し、以
後、この動作が繰り返されて、ロータ10は回転される。 このように励磁コイル21は、一つの永久磁石11と一対
一で対向したとき極性の切換が行われるが、このため、
励磁コイル21が一つの永久磁石11と一対一で対向した状
態を検出するべく、第５図および第６図に良く示されて
いるように、励磁コイル21には、検出コイル28が重ね巻
きされている。ただし、励磁コイル21と永久磁石11との
位置関係は各セット間では、全て同一であるため、検出
コイル28は、一つのセットの励磁コイル21にのみ設けら
れている。また、一つの鉄心22に巻かれた励磁コイル21
が複数個あっても、同様の理由で一つの励磁コイル21に
のみ検出コイル28を設ければ良いが、第５図の場合で
は、一つの鉄心22に巻かれた励磁コイル21の全てに検出
コイル28を設け、これら検出コイル28は全て直列接続さ
れている。 検出コイル28は、永久磁石11の磁界の影響を受けて、
起電力を発生し、その信号波形は、第８図（ニ）に示す
如くとなる。すなわち、励磁コイル21と永久磁石11とが
一対一で対向する位置で起電力の方向が切り換わる交流
信号を発生する。検出コイル28からの信号は、波形整形
されて矩形波とされ、さらに、微分回路によって信号の
変化分のみが取り出される。この微分信号は、第８図
（ホ）に示されており、この微分信号をトリガとして励
磁コイル21の極性切換が行われる。 以上は、一セット中の励磁コイル21の数が３個の場合
について説明したが、励磁コイル21の数は２以上の任意
の数とすることができ、第９図〜第11図は、励磁コイル
21の数を２〜４個とした場合について互いに比較して示
してある。この第９図〜第11図から明らかなように、一
セット中の励磁コイル21の数Ｎに対して永久磁石11の数
をＮ＋１とすることによってロータ10の回転中、ロータ
の回転角にかかわらず、常時励磁コイル21と永久磁石11
との間にトルクを発生させることができる。また、励磁
コイル21の極性を切り換えるための通電方向の切換は、
（1/2N）×（2/N＋１）×（２π/m）〔ただし、Ｎは励
磁コイル21の極数、ｍはセット数〕毎に行われる。 第12図は、励磁コイル21の通電を制御する回路を示し
ており、各検出コイル28からの起電力は、波形処理回路
56において波形整形されて微分され、微分信号がプリド
ライブ回路30およびマイクロコンピュータ51に送り込ま
れる。プリドライブ回路30は、その微分信号を受けてド
ライブ回路40を作動させる信号を形成し、ドライブ回路
40は、各励磁コイル21の通電を制御する。また、マイク
ロコンピュータ51は、波形処理回路56からの微分信号に
よってロータ10の回転速度および回転位置を検出する。
一方、マイクロコンピュータ51は、速度指令52、位置指
令53、トルク指令54も受けており、微分信号によって検
出される速度が速度指令52による速度と一致するよう
に、また、位置指令53によって決められた位置でロータ
10の回転が停止するように、プリドライブ回路30に信号
を送り込んでいる。 第13図は、プリドライブ回路30の詳細を示しており、
この図から明らかなように、プリドライブ回路30は、波
形処理回路56からの微分信号を受けてその度に反転動作
するＴ型フリップフロップ31〜33と、そのフリップフロ
ップ31〜33の出力によってマイクロコンピュータ51から
の信号を選択してドライブ回路40へ送る六つのアンドゲ
ート34〜39とから成る。例えば、フリップフロップ31の
Ｔ端子に波形処理回路56から微分信号を受けると、フリ
ップフロップ31は反転動作され、開かれるアンドゲート
を34から35または35から34に切り換える。 第14図には、ドライブ回路40の詳細が示されており、
このドライブ回路40は、複数個のトランジスタの導通、
非導通の組合せによって３回路とされた励磁コイル21の
通電を制御するようにされている。すなわち、アンドゲ
ート34が開かれてアンドゲート35が閉じられているとき
には、マイクロコンピュータ51からのデューティ比信号
がドライブ回路40のトランジスタ41、42のベースに印加
され、デューティ比信号のデューティ比でトランジスタ
41、42が導通されて、Ａの励磁コイル21を通電し、ま
た、アンドゲート34が閉じられ、アンドゲート35が開か
れているときには、マイクロコンピュータ51からのデュ
ーティ比信号がトランジスタ43、44のベースに印加さ
れ、トランジスタ43、44がデューティ比信号のデューテ
ィ比で導通され、Ａの励磁コイル21をそれまでとは逆方
向に通電する。つまり、フリップフロップ31が反転動作
されてアンドゲート34、35の開閉が切り換えられること
によって、Ａの励磁コイル21の通電方向が切り換えら
れ、励磁コイル21の極性が切り換えられる。Ｂの励磁コ
イル21、Ｃの励磁コイル21についても、同様にフリップ
フロップ32、33を反転動作させることによって、その通
電方向が切り換えられ、極性が切り換えられる。 第15図および第16図は、マイクロコンピュータ51を動
作させるプログラムのうち、主要部分をフローチャート
によって示すものである。第15図のプログラムは、励磁
コイル21の通電電流のデューティ比を制御するもので、
100ミリ秒毎に起動される時間割り込み処理ルーチンで
ある。 まず、ステップ101では、トルク指令54に応じて励磁
コイル21の通電電流のデューティ比DUTYが求められる。
これは、演算によって求めても良いし、予めメモリに格
納されたデータを読み出すことによって求めても良い
が、トルク指令54による指令トルクTcに対して第17図の
如く求められる。 次に、ステップ102では、速度指令52による指令速度N
cと現在の速度Ｎとの差ΔＮが求められる。現在の速度
Ｎは、図示してないプログラムによって、波形処理回路
56からの微分信号が発生される間隔を測ることによって
求められる。第19図には、指令速度Ncに対する速度Ｎの
変化の様子の一例が示されている。次のステップ103で
は、速度差ΔＮに基づいてデューティ比の補正量ΔDUTY
が求められる。この補正量ΔDUTYも、上述のステップ10
1と同様、演算によって求めても良いし、予めメモリに
格納されたデータを読み出すことによって求めても良い
が、速度差ΔＮに対して、第18図の如く求められる。ス
テップ104では、ステップ101で求められたデューティ比
DUTYとステップ103で求められた補正量ΔDUTYとを加算
して最終的なデューティ比DUTYが求められる。このよう
にして、第15図のプログラムでは、速度指令52による速
度Ncを維持するように励磁コイル21への通電電流のデュ
ーティ比DUTYが制御される。 第15図のプログラムが100ミリ秒毎に起動されるた
め、ステップ104によって求められるデューティ比DUTY
の値をそのままプリセッタブルダウンカウンタ（図示せ
ず）にプリセットし、このダウンカウンタを１ミリ秒の
クロック信号によってダウンカウントすることによっ
て、ただちにダウンカウンタからは、ステップ104にお
いて求められるデューティ比DUTYのパルス信号を得るこ
とができる。このパルス信号は、プリドライブ回路30の
ａ端子に送り込まれる。 第16図のプログラムは、図示してないメイン処理ルー
チンプログラム中の一部であり、ロータ10、つまり、モ
ータの停止位置を制御するためのプログラムである。 このプログラムが起動されると、ステップ105におい
て、位置指令53で指令された位置Pcと現在の回転位置Ｐ
との差ΔＰが求められる。現在の回転位置Ｐは、図示し
てないカウンタによって波形処理回路56からの微分信号
を計数することによって計測される。 ステップ106では、位置の差ΔＰが「０」であるか否
かが判定される。現在の回転位置Ｐが指令位置Pcに達す
るまでの間は、ステップ106は否定判断され、ステップ1
09において差ΔＰが正であるか否かが判定される。この
とき差ΔＰは正であるため、ステップ110に進み、ここ
で、後述のフラグＦが「１」にセットされているか否か
が判定される。このとき、フラグＦはセットされていな
いので、ステップ110は否定判断され、現在の回転位置
Ｐが指令位置Pcに達するまで、以上の処理が繰り返され
る。 やがて現在の回転位置Ｐが指令位置Pcに達すると、ス
テップ106は肯定判断されてステップ107において上述の
デューティ比DUTYが「０」とされ、励磁コイル21への通
電を停止する。そして、ステップ108では、フラグＦを
「１」にセットし、現在の回転位置Ｐが指令位置Pcに達
したことを記憶する。 第20図に示すように、現在の回転位置Ｐが指令位置Pc
に達しても、慣性によってロータ10は指令位置Pcに停ま
らず、オーバランする。こうしてオーバランしたときに
は、ステップ106、109は共に否定判断され、ステップ11
3においてフラグＦが「１」にセットされているか否か
が判定される。いま、フラグＦがセットされているの
で、ステップ113は肯定判断されてステップ111において
逆転パルスが発生される。この逆転パルスは、第12図に
おける逆流防止用ダイオード55を介してプリドライブ回
路30のｂ〜ｄ端子に送り込まれ、プリドライブ回路30の
三つのフリップフロップ31〜33を一斉に反転動作させ
る。フリップフロップ31〜33が反転動作されると、上述
のように、励磁コイル21の通電方向が反転され、励磁コ
イル21の極性が反転されるため、第８図の（ロ）から明
らかなように、各永久磁石11には、矢印で示したのとは
反対方向にトルクが発生する。従って、ステップ111に
おいて逆転パルスが発生されることによって、ロータ10
の回転方向が逆転される。そして、ステップ112では、
フラグＦがリセットされて「０」とされる。 ロータ10へのトルクが反転されても、慣性によってた
だちにはロータ10は逆転しないが、やがて回転方向が変
えられ、第20図の如く、回転位置Ｐは再び指令位置Pcに
到達する。このとき、ステップ106は再び肯定判断され
てデューティ比DUTYがゼロとされるとともに、ステップ
108においてフラグＦが「１」にセットされる。 現在の回転位置Ｐが指令位置Pcに達しても、ロータ10
は再びオーバランして今度は、ステップ109は肯定判断
される。そして、ステップ110も、このときフラグＦが
セットされているため肯定判断されて、ステップ111に
おいて逆転パルスが発生され、再びロータ10の回転方向
が逆転される。 以上の第16図の停止位置制御ルーチンプログラムによ
る動作を繰り返すことによって、第20図の如く、ロータ
10は指令位置Pcに停止される。 〔発明の効果〕 以上のように本発明によれば、励磁コイルから発生す
る磁束が一体に形成された鉄心を通るように形成され、
各組の永久磁石にそれぞれトルクを発生させるため、小
型高出力のブラシレスモータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図〜第３図は、本発明の一実施例を示し、第２図は
部分断面正面図、第１図は第２図のI A−I A線断面、I
B−I B線断面を同時に示す断面図、第３図はステータの
ケースの底面図である。 また、第４図は、上記実施例の動作を説明するための図
である。第５図〜第７図は、上記実施例における一つの
鉄心の拡大図であり、第７図は斜視図、第５図は励磁コ
イルを巻かれた状態の正面図、第６図は第５図のVI−VI
線断面図である。さらに、第８図は、上記実施例の動作
を説明するための図、第９図〜第11図は、励磁コイルお
よび永久磁石の個数を変えたときの第８図と同様の説明
図、第12図は、上記実施例における制御回路の一例を示
す電気回路図、第13図は、第12図のプリドライブ回路の
詳細回路図、第14図は、第12図のドライブ回路の詳細回
路図、第15図および第16図は、第12図のマイクロコンピ
ュータの主要プログラムを示すフローチャート、第17図
〜第20図は、第15図および第16図のプログラムによる動
作を説明するための図である。 10……ロータ 11……永久磁石 20……ステータ 21……励磁コイル 22……鉄心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−120366（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−113751（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−170352（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−198863（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−108953（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−16804（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−7683（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．複数個の永久磁石を隣り合う永久磁石同士の磁極が
   互いに反対になるよう円環状に配列するとともに、それ
   らの永久磁石と対向するように複数個の励磁コイルを円
   環状に配置したブラシレスモータにおいて、 前記永久磁石が軸線方向と平行に着磁されるとともに、
   円環状に配列された複数個の永久磁石を１組として、複
   数組の永久磁石が同一軸線上にかつ軸線方向に所定間隔
   をあけて互いに平行に配置され、さらに、いずれか１組
   の円環状に配列した永久磁石を挟んで軸線方向で対向す
   るように励磁コイルが配置され、これら軸線方向で対向
   する励磁コイルが電気的に直列に接続されるとともに、
   これらの励磁コイルを巻き付けた鉄心が磁性材料によっ
   て磁気的に一体化されていることを特徴とするブラシレ
   スモータ。