JP3002927B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

ブラシレスモータ

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JP3002927B2
JP3002927B2 JP4209009A JP20900992A JP3002927B2 JP 3002927 B2 JP3002927 B2 JP 3002927B2 JP 4209009 A JP4209009 A JP 4209009A JP 20900992 A JP20900992 A JP 20900992A JP 3002927 B2 JP3002927 B2 JP 3002927B2
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勇 竹原
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28Layout of windings or of connections between windings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures

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  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)
  • Brushless Motors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ケースと一体固定と
なっている電機子コイルと、出力軸と一体となって回転
する偶数極の回転子磁石を有するブラシレスモータに関
する。
【0002】
【従来の技術】従来のOA機器・自動機及び医療機器等
に使用されるブラシレスモータは特にスピンドルモータ
として広範囲に使われてきた。図12がその構造図であ
るが、回転子磁石3と固定子である電機子4から成るこ
とは基本的に他のモータと同じではあるが、回転子磁石
3はトルク発生部材になっている。そして、それを回転
支持するための出力軸6から成り立っている。固定子側
は軸受2を介在して成るケース1の内周面に、電機子4
として構成される電機子コイル5が固定され、回転子磁
石3及び電機子コイル5のリターンヨークとしての役目
も果たしているケース1から成り立っており、電機子コ
イル5に流す電流はリード線8を通して電機子コイル5
に電流が供給される。
【0003】回転子磁石3が回転したとき軸方向の揺動
を抑えるために間座9を軸受2の両側に介在されている
センサーレス構造であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のブラシレスモー
タは、例えば図13、図14、図15に示されているよ
うな巻線になっている。このブラシレスモータの電機子
コイル5は、図16のように結線され、図18のように
電機子4の電機子コイル5を形成している。この巻線は
巻線方法上図18から判るように電機子4の電機子コイ
ル5の放射方向の厚みは電機子コイル5の2本分の直径
で放射方向の厚みが決定されている。しかし、欠点とし
ては厚みがコイルの直径の2倍で限定されているのでこ
れに反して自由に厚く巻けない(コイルの銅量が限定さ
れる)。
【0005】特に、モータを小型化する上で、磁石はエ
ネルギー積がかなり向上してきたが、コイル側の回転子
は起磁力が余り向上していない。つまり、小型化する上
で磁気装荷は向上したが、電気装荷は向上していない。
モータ出力の向上は磁気装荷と電気装荷の比率のバラン
スがとれていないと最適設計にならない。従って、磁石
とケースの間の空隙長を適当に広げ、コイルの銅量を増
やすることが必要である。コイルの銅量を増やすこと
は、結局は筒型状コイルの放射方向の肉厚を厚くしなけ
ればならない。
【0006】筒型状のコイルを何段かに増やせばよい
が、例えば図17のように各段のコイルを並列結線にす
ると、特に小型化していく上で誘起電圧定数Keを大き
くとれない。このKeの値を大きくするには直列結線に
しなくてはならないという課題があった。
【0007】そこで、この発明の目的は、従来のこのよ
うな課題を解決するため、直列結線で高トルクのブラシ
レスモータを得ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】ケースと一体固定となっ
ている電機子コイルからなるコイルブロックと、出力軸
と一体となって回転する偶数極の回転子磁石を有するブ
ラシレスモータにおいて、n個のコイルブロックは、そ
れぞれの両端部で(X2 +360/P)の中心角を占
め、それぞれのコイルブロックのずらし角XM は基準と
なるコイルブロックの中心角に対して、 XM =360×M/n 度 (ここに、Mは1からn−1までの正の整数、nは3以
上の正の整数、Pは磁石の極数)となるように積層配置
したn個のコイルブロックを有する構成とした。
【0009】
【作用】上記のように構成されたブラシレスモータにお
いては、電機子コイルの入力端子に所定のシーケンスで
電圧を印加すると、電機子コイルの各相を構成するコイ
ルに流れる電流の方向は一定となる。したがって、回転
子磁石と回転子側の電機子コイルの間の空隙に発生する
磁気応力によりブラシレスモータの出力軸は回転する。
【0010】
【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図1において、本発明のブラシレスモータは、
従来のブラシレスモータと同様に、回転子磁石3と軸受
2とケース1を有している。更に電機子コイル5と出力
軸6とを有している。
【0011】本発明のブラシレスモータと従来のブラシ
レスモータの違いの主要点は、電機子コイル5の巻方及
び結線にある。図2から図6に本発明の第1実施例のコ
イルの構造を示す。図3は、本発明の第1実施例のデル
タ結線の配線原理図である。端子pと端子qの間にはコ
イル31とコイル32が直列に結線されている。端子q
と端子rの間にはイコル33とコイル34が結線されて
いる。端子rと端子pの間にはコイル35とコイル36
が配線されている。コイル31ないしコイル36によ
り、図1の電機子コイル5が構成される。
【0012】図4は、本発明の第1実施例の電機子コイ
ル5の原理図である。端子pと端子qの間のコイル31
とコイル32を重ねて配置し、中間点をA2およびB1
とする。端子qと端子rの間のコイルを重ねて配置し、
中間点をB2およびC1とする。端子rと端子pの間の
コイルを重ねて配置し、中間点をC2およびA1とす
る。ここで、B1点とC2点はp側に配置し、A2点と
C1点はq側に配置し、B2点とA1点はr側に位置す
る。
【0013】次に、本発明の第1実施例の動作を説明す
る。図4において、ある瞬間において、端子pにプラス
の電位をかけ、端子qにマイナスの電位をかける。この
とき、端子rはOFFとする。コイル31とコイル32
に電流が流れ、しかも、コイル31とコイル32に流れ
る電流は同一方向に流れる。よって、コイル31とコイ
ル32により発生する磁界の向きも同一となる。同様
に、コイル33とコイル34、及びコイル35とコイル
36に発生するそれぞれの磁界の向きも同一となる。こ
れらのコイル31ないし36の磁界と回転子磁石3の磁
界により、ブラシレスモータの出力軸6が回転する。
【0014】次の段階は、端子rにプラスの電位をか
け、端子qにマイナスの電位をかける。このとき、端子
pはOFFとする。コイル33とコイル34に同一方向
の電流が流れる。同様に、コイル35とコイル36、及
びコイル31とコイル32に発生するそれぞれの磁界の
向きも同一となる。これらのコイル31ないし36の磁
界と回転子磁石3の磁界により、ブラシレスモータの出
力軸6が回転する。以下、同様に各端子にかける電流の
向きを順次変えてゆくことによりブラシレスモータの出
力軸6は回転する。
【0015】図5に本発明の第1実施例のコイル配置図
を示す。コイルブロック51は六角状コイルが巻初めの
点A1から始まっている。図面を正面に見て順次右方向
に向かって螺旋状に巻かれている。巻初めの点A1から
中間タップ点pまでの表コイル36aと裏コイル36c
が表裏に配置されている。次に中間タップ点pから巻終
りの点A2までの表コイル31aと裏イコル31cが表
・裏に配置されている。六角状のコイルピッチ、すなわ
ちコイル巻初めの点A1から中間タップ点pまでのピッ
チ幅は機械角で120度である。ここで、コイル直線部
の相互間の角度ピッチを機械角とする。
【0016】更に、中間タップ点pからコイル巻終わり
の点A2までのピッチ幅は同様に機械角で120度であ
る。螺旋状に巻かれているコイル1本で構成される閉回
路のコイルピッチ幅は回転子磁石3の極数(ここでは2
極とする)の磁極ピッチ幅とほぼ同じになっており、1
80度のピッチ幅になっている。コイルブロック51の
巻初め36aから裏コイル36cの直線部までの機械角
は180度である。ただし、この180度は設計上全節
ピッチであるが、180度より小さい角度または大きい
角度にしても設計上差し支えない。コイルブロック51
の全体のピッチ幅は機械角で420度になっている。
【0017】コイルブロック52は、コイルブロック5
1と同様に、巻初めB1と中間タップqの間に表コイル
32aと裏コイル32cが表・裏に配置されている。次
に中間タップqと巻終わりB2の間に表コイル33aと
裏コイル33cが表・裏に配置されている。
【0018】コイルブロック52の直線部相互間の機械
角は、コイルブロック51と同様に設定されている。コ
イルブロック52はコイルブロック51に対して機械角
で120度ずれて配置されている。コイルブロック53
は、コイルブロックと同様に巻初めC1と中間タップr
の間に表コイル34aと裏コイル34cが表・裏に配置
されている。次に中間タップrと巻終わりC2の間に表
コイル35aと裏コイル35cが表・裏に配置されてい
る。
【0019】コイルブロック53の直線部相互間の機械
角はコイルブロック51と同様に設定されている。コイ
ルブロック53はコイルブロック51に対して機械角で
240度ずれて配置されている。図6は、コイルブロッ
ク51、52及び53を重ねてモータ出力軸方向から見
た場合の図である。各コイルブロックの巻初めと巻終わ
りは各コイルブロックのピッチ幅は機械角で420度な
ので各々60度重複している。
【0020】図2は、コイル31ないし36と結線パタ
ーンA1−C2、B1−A2、C1−B2及び結線箇所
p,q,rの結線を示す図である。本実施例においては
コイル31ないし36が円周上全ての箇所において4層
に積層されている。図8は、本発明の第2実施例の環状
結線の配線原理図である。端子pと端子qの間にはコイ
ル61とコイル62が直列に結線されている。端子qと
端子rの間にはイコル63とコイル64が結線されてい
る。端子rと端子sの間にはコイル65とコイル66が
配線されている。端子sと端子pの間にはコイル67と
コイル68が配線されている。コイル61ないしコイル
68により、図1の電機子コイル5が構成される。
【0021】図9は、本発明の第2実施例の電機子コイ
ル5の原理図である。端子pと端子qの間のコイル61
とコイル62を重ねて配置し、中間点をA2およびB1
とする。端子qと端子rの間のコイルを重ねて配置し、
中間点をB2及びC1とする。端子rと端子sの間のコ
イルを重ねて配置し、中間点をC2及びD1とする。端
子sと端子pの間のコイルを重ねて配置し、中間点をD
2及びA1とする。ここで、B1点とD2点はp側に配
置し、A2点とC1点はq側に配置し、B2点とD1点
はr側に位置し、C2点とA1点はs側に位置する。
【0022】次に、本発明の第2実施例の動作を説明す
る。図9において、ある瞬間において、端子pにプラス
の電位をかけ、端子rにマイナスの電位をかける。この
とき、端子qおよびsはOFFとする。コイル61とコ
イル62に電流が流れ、しかも、コイル61とコイル6
2に流れる電流は同一方向に流れる。よって、コイル6
1とコイル62により発生する磁界の向きも同一とな
る。同様に、コイル63とコイル64、コイル65とコ
イル66、及びコイル67とコイル68に発生するそれ
ぞれの磁界の向きも同一となる。これらのコイル61な
いし68の磁界と回転子磁石3の磁界により、ブラシレ
スモータの出力軸6が回転する。
【0023】次の段階は、端子qにプラスの電位をか
け、端子sにマイナスの電位をかける。このとき、端子
pおよびrはOFFとする。コイル63とコイル64に
同一方向の電流が流れる。同様に、コイル65とコイル
66、コイル67とコイル68、及びコイル61とコイ
ル62に発生するそれぞれの磁界の向きも同一となる。
これらのコイル61ないし68の磁界と回転子磁石3の
磁界により、ブラシレスモータの出力軸6が回転する。
以下、同様に各端子にかける電圧を向きを順次変えてゆ
くことによりブラシレスモータの出力軸6は回転する。
【0024】図10に本発明の第2実施例のコイル配置
図を示す。コイルブロック41は六角状コイルが巻初め
の点A1から始まっている。図面を正面に見て順次右方
向に向かって螺旋状に巻かれている。巻初めの点A1か
ら中間タップ点pまでの表コイル68aと裏コイル68
cが表裏に配置されている。次に中間タップ点pから巻
終りの点A2までの表コイル61aと裏イコル61cが
表・裏に配置されている。六角状のコイルピッチ、すな
わちコイル巻初めの点A1から中間タップ点pまでのピ
ッチ幅は機械角で90度である。
【0025】更に、中間タップ点pからコイル巻終わり
の点A2までのピッチ幅は同様に機械角で90度であ
る。螺旋状に巻かれているコイル1本で構成される閉回
路のコイルピッチ幅は回転子磁石3の極数(ここでは2
極とする)の磁極ピッチ幅とほぼ同じになっており、1
80度のピッチ幅になっている。コイルブロック41の
巻初め68aから裏コイル68cの直線部までの機械角
は180度である。ただし、この180度は設計上全節
ピッチであるが、180度より小さい角度または大きい
角度にしても設計上差し支えない。コイルブロック41
の全体のピッチ幅は機械角で360度になっている。
【0026】コイルブロック42は、コイルブロック4
1と同様に、巻初めB1と中間タップqの間に表コイル
62aと裏コイル62cが表・裏に配置されている。次
に中間タップqと巻終わりB2の間に表コイル63aと
裏コイル63cが表・裏に配置されている。
【0027】コイルブロック42の直線部相互間の機械
角は、コイルブロック41と同様に設定されている。コ
イルブロック42はコイルブロック41に対して機械角
で90度ずれて配置されている。コイルブロック43
は、コイルブロックと同様に巻初めC1と中間タップr
の間に表コイル64aと裏コイル64cが表・裏に配置
されている。次に中間タップrと巻終わりC2の間に表
コイル65aと裏コイル65cが表・裏に配置されてい
る。
【0028】コイルブロック43の直線部相互間の機械
角はコイルブロック41と同様に設定されている。コイ
ルブロック43はコイルブロック41に対して機械角で
180度ずれて配置されている。コイルブロック44の
直線部相互間の機械角はコイルブロック41と同様に設
定されている。コイルブロック44はコイルブロック4
1に対して機械角で270度ずれて配置されている。
【0029】図11は、コイルブロック41、42、4
3及び44を重ねてモータ出力軸方向から見た場合の図
である。各コイルブロックの巻初めと巻終わりは各コイ
ルブロックのピッチ幅は機械角で360度になってい
る。図7は、コイル61ないし68と結線パターンA1
−D2、B1−A2、C1−B2、D1−C2及び整流
子片8の結線箇所p,q,r,sの結線を示す図であ
る。本実施例においてはコイル61ないし68が円周上
全ての箇所において4層に積層されている。
【0030】以上のように、本発明のブラシレスモータ
においては、コイルブロックの数をn個としたとき、M
番目のコイルブロックのずらし角XM は、第1実施例の
n(相数)=3の場合は、図5、図6に示すとおり、 X1 =360/n=120゜ X2 =360×2/n=240゜ 第2実施例のn(相数)=4の場合は、図10、図11
に示すとおり、 X1 =360/n= 90゜ X2 =360×2/n=180゜ X3 =360×3/n=270゜ となる。
【0031】したがって、一般にM番目のコイルブロッ
クのずらし角XM は XM =360×M/n 度 と表される。ここに、Mには1からn−1までの正の整
数が入る。ここで、nは3以上の正の整数である。な
お、それぞれのコイルブロックは、それぞれの両端部
が、 X2 +360/P 度 の中心角で占められる。ここでPは磁石の極数である。
【0032】
【発明の効果】この発明は、以上説明したように、ブラ
シレスモータにおいて、複数個のコイルブロックを一定
のずらし角を設けて積層配置した構造にしたので以下の
効果を有する。
【0033】直列結線で高トルクのブラシレスモータ
が得られる。 並列結線に比べて結線箇所が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のブラシレスモータの構造図である。
【図2】本発明のブラシレスモータの第1実施例の結線
図である。
【図3】本発明のブラシレスモータの第1実施例の配線
原理図である。
【図4】本発明のブラシレスモータの第1実施例の電機
子コイルの原理図である。
【図5】本発明のブラシレスモータの第1実施例のコイ
ル配置図である。
【図6】本発明のブラシレスモータの第1実施例のコイ
ルブロックを重ねてモータ出力軸方向から見た図であ
る。
【図7】本発明のブラシレスモータの第2実施例の結線
図である。
【図8】本発明のブラシレスモータの第2実施例の配線
原理図である。
【図9】本発明のブラシレスモータの第2実施例の電機
子コイルの原理図である。
【図10】本発明のブラシレスモータの第2実施例のコ
イルの配置図である。
【図11】本発明のブラシレスモータの第2実施例のコ
イルブロックを重ねてモータ出力軸方向から見た図であ
る。
【図12】従来のブラシレスモータの構造図である。
【図13】従来のブラシレスモータの電機子コイルの斜
視図である。
【図14】従来のブラシレスモータのコイルの巻線後の
斜視図である。
【図15】従来のブラシレスモータのコイルの巻線後に
つぶした後の平面図である。
【図16】従来のブラシレスモータのコイルの結線原理
図である。
【図17】従来のブラシレスモータのコイルの並列結線
の原理図である。
【図18】従来のブラシレスモータのコイルをモータの
出力軸方向から見た図である。
【符号の説明】
1 ケース 2 軸受 3 回転子磁石 4 電機子 5 電機子コイル 6 出力軸 7 後カバー 8 リード線 9 間座
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02K 29/00 H02K 1/12 H02K 3/04 H02K 21/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ケースと一体固定となっているn個のコ
    イルブロックと、出力軸と一体になって回転する偶数極
    の回転子磁石を有するブラシレスモータにおいて、前記n個のコイルブロックはそれぞれ直列接続された複
    数の電機子コイルから構成され、 かつ、前記n個のコイルブロックは長手方向に順次配置
    の位置をずらして円筒形に積層して形成されていて、 最初に配置されたコイルブロックの積層開始位置から位
    置をずらして配置されるn−1個のコイルブロックの中
    で、M番目にずらすコイルブロックのずらし角X M は、
    前記円筒形を中心とする角度で表わしてM = 360×M/n 度ずらして配置されると共に、 それぞれのコイルブロックの積層する長さが、前記円筒
    形を中心とする角度で表わして 2 + 360/P 度 で表わされ、 (ここに、Mは1からn−1までの正の整数、nは3以
    上の正の整数、Pは磁石の極数)また、前記n個のコイルブロックは順次直列結線されて
    閉回路を構成しており、前記1個目のコイルブロックを
    構成する複数の電機子コイルの中間点に第1の電源供給
    端子が形成され、 前記2個目のコイルブロックを構成する複数の電機子コ
    イルの中間点に第2の電源供給端子が形成され同様に、
    前記n個目のコイルブロックを構成する複数の電機子コ
    イルの中間点に第nの電源供給端子が形成される ことを
    特徴とするブラシレスモータ。
  2. 【請求項2】 前記第1と前記第2の電源供給端子には、
    第1相の電圧が供給され、前記第2と第3の電源供給端
    子には、第2相の電圧が供給され、同様に、第n−1と
    前記第nの電源供給端子には、第n相の電圧が供給され
    る請求項1 記載のブラシレスモータ。
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