JP3982075B2

JP3982075B2 - Ａｃサーボモータ

Info

Publication number: JP3982075B2
Application number: JP22708098A
Authority: JP
Inventors: 筒井　　幸雄; 孝信岩金
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1998-08-11
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2018-08-11
Also published as: JP2000060040A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭電化製品や工作機械、電気自動車、ロボット等に用いられるモータのうち、安価で堅牢且つ小形で高性能なブラシレスモータに関しており、特に回転子の角度検出を行う検出巻線を備えたＡＣサーボモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に近い従来技術として特許第０１８７８５２３号と本出願人が先に出願している特願平９−３３３３６２号に記載されている技術がある。これらの技術は、モータの小形化と低コスト化のため、モータとは別に設けられる角度検出器を排除することを目的としており、鉄心外周部が凸凹形状を持つ不平衡界磁構造の表面磁石形回転子と、Ｙ結線をした検出部巻線と、同期整流回路とを組み合わせ、高周波励磁された検出部巻線の信号を同期整流回路で同期整流することにより回転角の検出信号を得るというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、モータの高速回転への対応や、永久磁石取り付け工程の省力化、その取り付けの信頼性向上、リラクタンストルク活用による高トルク化・定出力範囲の拡大などを目的として、永久磁石を表面に配置したいわゆる表面磁石形回転子から、永久磁石を磁性体の回転子に埋め込んだいわゆる埋込磁石形回転子に置き換えるということが行われている。
ところが、従来技術のうち特許第０１８７８５２３号に開示された技術は表面磁石形回転子の使用を前提としたものであり、埋込磁石形回転子に適用可能な技術には何ら触れられていない。具体的には、その技術を埋込磁石形回転子にそのまま適用した場合、検出巻線から得られる信号からは界磁磁極のＮとＳを判別することができないので、このような回転子構造を持つブラシレスモータでは、本来の角度検出機能を生かすことが出来なかった。
これに対して本出願人が出願している特願平９−３３３３６２号の技術は特許第０１８７８５２３号に開示された技術を改良し、埋込磁石形回転子の角度検出を行うための固定子巻線、特に検出巻線の配置について言及している。そこでは回転子構造を磁極の半分のみに永久磁石を埋設した形態に限定されている。この場合、磁極数と同一個数の永久磁石を用いた場合に比べて、磁石の厚さが概略２倍となり、回転子磁石近傍の磁性体部分が狭くなるために、磁気飽和の影響によるリラクタンストルクの低下や、永久磁石の動作点が下がることによる磁石トルクの低下といった問題を招く可能性があった。
そこで本発明は、そのような従来技術の問題を解消し、モータの高速回転への対応や、製造工程の省力化、信頼性向上、高トルク化・定出力範囲の拡大などを図ることが容易な、角度検出巻線付きのＡＣサーボモータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、円柱状をした磁性コアの表面付近に周方向に設けられたｎを整数とする２ｎ個のスリットと、該スリットに嵌着され、交互に異極となるよう半径方向に着磁した永久磁石とを備えた回転子と、該回転子の回転角度を検出する検出巻線と電機子巻線とを備えた固定子と、で構成されるＡＣサーボモータにおいて、前記回転子の外径は、前記永久磁石のある位置毎に、周方向に交互に異なることを特徴としている。
また、本発明における前記検出巻線は、前記電機子巻線の巻線ピッチ以下の角度範囲に配置される要素巻線を各相毎にｎ個接続して構成されるとともに、隣り合う相の前記要素巻線の最端辺同志が重なるように配置されていることを特徴としており、前記検出巻線は、前記回転子の軸を中心として対向する位置にある同相の前記要素巻線が互いに逆向きに巻かれて直列接続されていることを特徴としており、さらに、前記要素巻線は、周方向に向かって順に逆向きとなるように巻かれた複数の集中巻線を直列接続されていることを特徴とするものである。
上記手段によれば、
（１）回転子表面に凸凹を設け、これを検出巻線により磁気的に検出するので、埋め込み磁石形回転子に対して、ドライブに必要な角度検出を行うことが可能となると共に、リラクタンストルクや磁石トルクの活用が容易になる。
（２）検出巻線を構成する要素巻線を最大でも各相要素巻線の最端辺同志のみが重なるように配置するので、検出巻線の相間の磁気的結合が弱くなり、相互の影響を受け難くなって角度検出精度を向上させることが容易となる。
（３）対向する要素巻線を逆向きに直列接続することにより、回転子の回転に伴う誘起電圧や、固定子或いは回転子の寸法のバラツキ、偏心による影響を打ち消すことが出来るので、角度検出精度を向上させることが容易となる。
（４）前記検出巻線の前記各要素巻線は逆向きに巻かれた複数の集中巻線を直列接続されているので、回転子表面の凸凹部が角張っていたり、永久磁石挿入穴や漏れ磁束防止穴が表面に近接していても、その影響を受け難く、角度検出精度の向上が容易となる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は理解しやすくするため一部を省略した、本発明の３相８極４８溝形ＡＣサーボモータの正面図である。図において、ＡＣサーボモータ１は固定子１１と回転子１２からなり、所定のギャップ１３を隔てて外側と内側に配置され、回転子１２が図示しない軸受に支持されて回転自在になっている。
固定子１１は内側に４８個の歯を持つ円筒状の鉄心１１１と、その内側で周方向に沿って設けられＹ結線された３相の電機子巻線１１２と、さらにその内側を同じくＹ結線された３相の検出巻線１１３から構成されている。電機子巻線１１２はＵ、Ｖ、Ｗの３相からなり、そのうちのＵ相は図示しているように周方向に等間隔に配置された８個のＵ相帯巻線１１２Ｕで構成される。Ｖ、Ｗ相もＵ相と同様になっており、それぞれの相帯巻線はＵ相帯巻線１１２Ｕの間に配置され、電気角が互いに１２０度ずれている。検出巻線１１３も同様にｕ、ｖ、ｗの３相からなり、そのうちのｕ相は図示しているように周方向に等間隔に配置された４個の要素巻線１１３ｕで構成される。ｖ、ｗ相もｕ相と同様になっており、それぞれの要素巻線はｕ相の各要素巻線１１３ｕの間に配置され、電気角が互いに１２０度ずれている。なお、わかりやすくするため、図１にはＵ相の電機子巻線と検出巻線のみを示している。
回転子１２は軸１２５に固着された円筒状の鉄心１２１と、鉄心１２１内の永久磁石１２３から構成されている。永久磁石１２３は、鉄心１２１の表面付近を周方向に等間隔に形成されて矩形断面をしたスリット１２２に嵌着されている。そして周方向に隣り合うスリット１２２の間には空孔１２４が形成されている。隣り合う全ての永久磁石１２３は磁極が周方向に交互になるよう径方向に着磁されている。永久磁石１２３の外周側にある鉄心１２１は凸部１２１ａと凹部１２１ｂを形成しており、凸部１２１ａと凹部１２１ｂが周方向に交互に配置されている。
【０００６】
このように埋込磁石形不平衡界磁構造をしているのが本発明の特徴の１つとなっており、鉄心外周部の凸部１２１ａと凹部１２１ｂの磁極がＮとＳ、またはＳとＮのいずれかになっている。そして、鉄心１２１の凸部１２１ａを誘導子として活用し、これと検出巻線１１３を組み合わせることによって、多枝路巻線間のインピーダンス差に基く差電流を検出量とする直結差動方式の誘導子形回転角検出装置の検出部と同一の形式とし、これを駆動系の整流用信号源として用いている。
【０００７】
次に検出巻線１１３の接続状況について説明する。図２はその状況を示しており、理解しやすくするため一部を省略したＡＣサーボモータの正面図である。この図は、図１で示した検出巻線１１３のうち、軸１２５を中心として対称な位置にある要素巻線１１３ｕａ、１１３ｕｂの接続状況について示している。図中、ＳとＥは要素巻線の巻き始めと巻き終わりを示しており、要素巻線１１３ｕａと１１３ｕｂとが逆向きに直列接続されている。そして、図示していない他の対向する要素巻線も同じように接続されており、図では省略しているｖ相とｗ相の要素巻線も同じように接続されている。このような接続をすることにより、回転子１２の回転に伴う誘起電圧や、固定子１１又は回転子１２の寸法のバラツキと偏心が検出巻線のインダクタンスに与える影響を打ち消すことができ、角度検出精度を向上させることができる。
【０００８】
次に検出巻線１１３を構成する要素巻線１１３ｕの巻線が巻かれる状況について説明する。図３は要素巻線１１３ｕの部分拡大断面図であり、要素巻線１１３ｕを構成する４つの集中巻線１１４ａ〜１１４ｄと、その巻き方向を示している。図中、巻線の断面が点となっているのは紙面の向こう側から手前側に巻かれており、巻線の断面が×印になっているのは紙面の手前側から向こう側に巻かれていることを示している。集中巻線１１４ａ〜１１４ｄは周方向に連続する４つの歯に集中して巻かれており、集中巻線１１４ａから集中巻線１１４ｄまで順に直列接続されている。
このような巻線構造を用いているため、鉄心１２１の凸部１２１ａと凹部１２１ｂが単に半径の異なる同心円弧状であっても、回転子１２の回転にともなう要素巻線１１３ｕのインダクタンス変化を正弦波状に近付けることができ、角度検出精度を向上することができる。
【０００９】
図４は、本発明のＡＣサーボモータと、これを駆動するのに適した駆動回路からなる駆動系のブロック図を補足として示すものであり、図の駆動回路は特許第０１８７８５２３号に示されている第２図の回路と同じものである。
この駆動系は、ＡＣサーボモータ１と、信号処理回路２１および操作回路２２からなる制御部２と、駆動電源４と、制御部２によって制御され駆動電源４の電流を整流してＡＣサーボモータ１に給電するインバータ３とによって構成されている。信号処理回路２１は、ＡＣサーボモータ１の検出巻線１１３を高周波励磁する高周波励磁電源２１１と、検出巻線１１３の信号を整流して制御信号に変換する同期整流回路２１２とから構成されている。図中、２１０１〜２１０６はダイオード、２１０７〜２１０９は抵抗、２１１０〜２１１２はコンデンサである。この駆動回路を用いると、ソフトウェアによる複雑な計算を行う必要が無く、比較的簡単な回路構成により検出巻線から得られる信号を直接利用してモータを駆動することができるため、信頼性が高くなるとともにシステムを安価に構成することが可能となるのである。
【００１０】
以上の説明のように、要素巻線の幅を電機子巻線の巻線ピッチ以下の角度範囲内に納め、かつ隣り合う各相の要素巻線が最端辺同志のみで重なるような配置としているため、検出巻線の各相間の磁気的結合が弱く、相間の影響が受け難くなって角度検出精度が従来よりも向上している。
なお、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨に沿って任意に構成することができる。例えば、回転子１２の鉄心１２１は、検出巻線１１３のインダクタンス変化が正弦波に近づくよう滑らかな凸凹形状としても良く、また、検出巻線を２相にするなど任意の相数にしてもよい。２相にする場合は、検出巻線の先にＲＤコンバータと高周波励磁電源を接続することにより回転子の角度情報が得られる。また、図４では図示していないが、同駆動回路中に各検出巻線を流れる電流の平均値を監視する回路を付加することにより、モータの温度を直接モニタする、或いはその情報を基に低温時と高温時のモータ特性を補償する機能を持たせることができる。本発明は、この様な検出巻線の利用も包含するものである。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、誘起電圧や寸法精度のバラツキの影響と、電機子の影響を受け難く、また、高速回転への対応や、製造工程の省力化、信頼性向上、リラクタンストルク活用による高トルク化・定出力範囲の拡大などが可能な角度検出巻線巻線付きのＡＣサーボモータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＡＣサーボモータの正面図
【図２】検出巻線の接続状況を示す図
【図３】検出巻線の要部詳細図
【図４】本発明のＡＣサーボモータに適した駆動系の回路構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ＡＣサーボモータ
１１固定子
１１１、１２１鉄心
１１２電機子巻線
１１２ｕＵ相帯巻線
１１３検出巻線
１１３ｕ、１１３ｕａ、１１３ｕｂ要素巻線
１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ集中巻線
１２回転子
１２１ａ凸部
１２１ｂ凹部
１２２スリット
１２３永久磁石
１２４空孔
１２５軸
１３ギャップ
整理番号１２５８９

Claims

円柱状をした磁性コアの表面付近に周方向に設けられたｎを整数とする２ｎ個のスリットと、該スリットに嵌着され、交互に異極となるよう半径方向に着磁した永久磁石とを備えた回転子と、
該回転子の回転角度を検出する検出巻線と電機子巻線とを備えた固定子と、
で構成されるＡＣサーボモータにおいて、
前記回転子の外径は、前記永久磁石のある位置毎に、周方向に交互に異なることを特徴とするＡＣサーボモータ。
前記検出巻線は、前記電機子巻線の巻線ピッチ以下の角度範囲に配置される要素巻線を各相毎にｎ個接続して構成されるとともに、隣り合う相の前記要素巻線の最端辺同志が重なるように配置されていることを特徴とする請求項１記載のＡＣサーボモータ。
前記検出巻線は、前記回転子の軸を中心として、対向する位置にある同相の前記要素巻線が互いに逆向きに巻かれて直列接続されていることを特徴とする請求項１記載のＡＣサーボモータ。
前記要素巻線は、周方向に向かって順に逆向きとなるように巻かれた複数の集中巻線を直列接続されていることを特徴とする請求項１記載のＡＣサーボモータ。