JP4050359B2 - センサを内蔵するモータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサを内蔵したモータに関するものであり、更に詳しくは、ハイブリッド型ステッピングモータ、VR型ステッピングモータ、DCブラシレスモータまたはセンサを、レゾルバとして機能させるモータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種のモータとしては、例えば図12ないし図14に示すようなものがある。
同図において、前記モータ101は、固定子102と、該固定子102内の軸心上に回動自在に配設された回転子103とからなる。該固定子102は、回転磁界を形成するため、その固定子鉄心104に巻線105が巻装されており、前記回転子103は、回転子鉄心106および回転軸107とともに、軸受108を介してフレーム109に回動自在に支持されている。
【0003】
前記回転子鉄心106を有する回転子103と、回転磁界を形成するために巻装された巻線105を備えた固定子102からなるモータ101であって、該回転子鉄心106は、通常、厚さが1mm以下の電磁鋼板をプレス等により打ち抜き、これらを数枚ないし数十枚積層して形成される。モータの種類により該回転子鉄心106の形状は異なる。
【0004】
例えば、従来のハイブリッド型ステッピングモータの回転子鉄心形状は、用いられる永久磁石の種類により異なり、保磁力の小さい鋳造磁石では図12に示すように永久磁石110aを取り囲むカップ構造の回転子鉄心106が用いられ、保磁力の大きな希土類系磁石では図13に示すような永久磁石110bに、塊状の回転子鉄心106が用いられている。また、特開昭63−124762号公報には、回転子103の軽量化による高速応答性の改善と軸方向の長さの短縮化を意図して、図14に示すような凹状の中空部111を有する回転子鉄心106が開示されている。
【0005】
一方、モータの回転子位置を検出する方法としては、DCモータ等で適用されている回転子に装着された永久磁石の磁束を、ホール素子等の磁気センサで検出する方法や、サーボモータに見られるようにモータの出力側と反対側に光学式エンコーダ等の位置検出ユニットを装着するものが一般的に用いられている
【0006】
他方、レゾルバを内蔵したモータとしては、例えば特許第2558145号公報、特開平8−101044号公報および特開平8−163847号公報などに開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の回転子に固着された永久磁石を用いて回転子位置を検出する方法では、通常、モータのトルクを生じせしめる永久磁石と、該回転子の位置検出に供される永久磁石とが共用されている。
【0008】
しかしながら、出力の大きなモータでは、永久磁石の着磁特性の問題に起因して該永久磁石の極数に制限が生じ、高精度の位置検出が困難であるという問題点がある。また、通常のモータでは、固定子に巻装された巻線に通電して回転磁界を生じせしめ、該回転磁界と前記永久磁石による磁界との相互作用によりトルクを発生せしめるが、位置検出のためのセンサ部における前記固定子からの磁界の影響を除去するため、該回転子を固定子より長くするなどの対策が講じられ、このためモータの全長を長くする要因となっている。
【0009】
一方、前記の光学式エンコーダなどを装着したモータは、エンコーダ分だけモータの全長が長くなり、モータの体積が増加すると同時に、高価なエンコーダを用いることによる大幅なコストアップを引き起こすという問題点があった。モータ内部にエンコーダなどを内蔵した場合では、モータ全長を従来品と同サイズに保持しようとすると、回転子全長を短くすることが避けられず、同一寸法のモータに比べて出力が低下する原因となっていた。
【0010】
加えて、回転子の外周面に極歯を有するハイブリッド型ステッピングモータまたはVR型ステッピングモータに至っては、該極歯とエンコーダ信号との位置関係を対応させて組み立てるとき、エンコーダ信号を観察しながら回転子に組み付けるという煩雑な工程が必要とされる。更にエンコーダは機械的に堅牢でないため衝撃等により破損するという欠点があった。
【0011】
他方、レゾルバを内蔵したモータでは、通常、固定子にセンサ用の巻線を施す。センサ用の巻線はセンサ専用の固定子突極に巻装されるか、またはモータの回転子の励磁用突極と同じ突極に巻装されている。しかしながら、いずれの場合においても、本来、固定子の巻線に供される空間の一部をセンサ巻線が占めることになり、該モータが、本来有する特性からの低下を余儀なくされた。
【0012】
更に、前記ハイブリッド型ステッピングモータ101においては、通常、回転子103は、回転子極歯が設けられた一対以上の回転子鉄心106を有し、一対の該回転子鉄心106は、それぞれの回転子極歯が回転軸107を中心に電気角で180°の角度、ずれるように構成されている。このため、該ハイブリッド型ステッピングモータ101の固定子突極にセンサ巻線を施し、かつ回転子極歯を捉えるためには固定子鉄心104を軸方向の中央で分割して、センサ巻線を巻装する必要があり、構造や工程の複雑化によるコストアップを招くという問題点があった。
【0013】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、そのひとつの目的は前記問題点を解決し、モータの構造や組付工程の単純化を図って、製造コストの安価な、センサを内蔵するモータを提供することにある。
【0014】
本発明の他の目的は前記問題点を解決し、モータの全長を長くすることなく、同一寸法のモータに比べて、その出力や特性を低下させない、センサを内蔵するモータを提供することにある。
【0015】
本発明のさらに他の目的は前記問題点を解決し、回転子の位置検出が高精度にできるセンサを内蔵するモータを提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の構成は、回転子鉄心を有する回転子と、回転磁界を形成するために固定子鉄心に巻線が巻装される固定子とからなるモータにおいて、次のとおりである。
【0017】
(1)前記回転子鉄心の端面部に、該回転子外径よりも小さい内径で回転子軸に平行な円筒状の凹部が形成されるとともに、該凹部の内周側面に凹凸部を形成し、該凹凸部により生じる磁気的または幾何学的な変化を検出するためのセンサを、前記凹部の内側で前記凹凸部に対向させるように固定側に配設し、該センサにより、前記凹凸部の磁気的または幾何学的な変化を検出して、前記回転子の位置を検出するセンサを内蔵するモータである。
【0018】
(2) (1)において、前記回転子鉄心の前記凹部の内周側面は軸方向に複数のブロックに分けられており、各ブロックごとに任意の数の凹凸が任意の位置関係で形成されていることを特徴とする。
【0019】
(3) (1)において、前記固定子は、前記回転子の外周面と対向する面に複数個の固定子極歯が設けられた複数の固定子磁極が放射状に配置された固定子鉄心と、前記固定子磁極にそれぞれ巻装された巻線とからなり、前記回転子の回転子鉄心は、前記固定子磁極と対向する外周面に複数個の回転子極歯が設けられるとともに、前記モータがハイブリッド型ステッピングモータまたはVR型ステッピングモータであることを特徴とする。
【0020】
(4) (3)において、前記回転子鉄心の前記凹部の内周面に形成された凹凸部の凹凸の数が、前記回転子極歯の数に等しいか、またはそれよりも多いことを特徴とする。
【0021】
(5)前記回転子鉄心は、その外周面に半径方向に磁化された円筒状の永久磁石が嵌着され、かつ該回転子鉄心の端面部に、該回転子外径よりも小さい内径で回転子軸に平行な円筒状の凹部が形成されるとともに、該凹部の内周側面に凹凸部を形成し、該凹凸部により生じるインダクタンスの変化を検出するためのセンサを、前記凹部の内側で前記凹凸部に対向させるように固定側に配設し、該センサにより、前記凹凸部のインダクタンスの変化を検出して、前記回転子の位置を検出するセンサを内蔵するモータである。
【0022】
(6) (1)または(5)において、前記センサを複数個配置し、前記変化より得られる信号を用いてレゾルバとして機能させるセンサを内蔵するモータである。
【0023】
本発明は、請求項1から4に記載(特に、回転子)のように構成されているので、モータの回転子鉄心の凹部内周側面近傍において、該側面に形成された凹凸部によるモータの軸方向およびモータの軸に垂直な方向の磁気的および幾何学的な変化が、回転子の回転に伴い生じる。該磁気的変化、すなわち磁束の変化を検出する方法はモータの構成により様々であるが、センサとして、例えばホール素子、ホールIC、MR素子、コイル等で検出することができる。
【0024】
図5に、回転子が回転し、回転子鉄心凹部内周側面の凹凸部の凹凸で磁束の変化が生じる場合のセンサ信号を示す。例えば、該側面の凸部が、センサと対向した時にセンサが感知する磁束が大きくなり、凹部がセンサと対向した時にセンサが感知する磁束は小さくなる。
また、センサとしてコイルを用いる場合は、インダクタンスの変化として該側面に設けた凹凸を検出することができる。
【0025】
固定子の巻線による磁界は、主としてモータの軸方向に対して垂直な方向に生じ、回転子位置を磁気的に検出する場合には該磁界が悪影響を及ぼす。
しかしながら、本発明の回転子鉄心の端面部は凹状に形成されているので、磁気遮蔽と同様の効果により、該凹部内周側面内側では、固定子巻線による磁界は該回転子鉄心の外周側に比べて低減することができる。
【0026】
一方、該回転子鉄心凹部内周側面に形成された凹凸部の凹凸を幾何学的に検出することで、前記の磁気的な位置検出と同様の回転子の位置検出が可能である。幾何学的な変化を検出する方法としては、触子による方法、赤外線等の光学素子を用いた方法、超音波素子を用いた方法などが挙げられる。
しかしながら、触子の摩耗や該摩耗粉のモータへの影響を考えると、接触式による該凹凸部の幾何学的な変化を検出よりは、光学素子、超音波素子等による非接触式にて前記変化を検出する方が好ましい。
更に、前記のセンサを複数個用いることで、レゾルバとして機能させることも可能である。
【0027】
回転子鉄心凹部内周側面に形成される凹凸は、複数個の回転子鉄心を有するモータにおいても、該モータの少なくとも1つの回転子鉄心に形成されていれば、本発明の効果が得られる。該側面に形成される凹凸の数は特に制約はないが、該数を増すことでより高精度な回転子の位置検出が可能となる。特にハイブリッド型ステッピングモータやVR型ステッピングモータでは、本発明の請求項4に記載した条件を満足することが望ましい。すなわち、該凹凸の数が回転子鉄心の極歯の数よりも少ない場合で、かつセンサが単一の場合は、モータの分解能に対応した回転子の位置検出が不可能になるためである。
しかしながら、センサを複数個用いる場合や回転子のある一点の位置を検出する場合などでは、必ずしも本発明の請求項4を満足する必要はない。
【0028】
また、モータの固定側に配設されるセンサの配置については、特別な制約はないが、図1または図2のセンサ13aまたは23aに示すようにモータ軸に平行な方向の磁気的変化あるいは幾何学的変化を検出するように配置するか、図1または図2のセンサ13bまたは23bに示すようにモータ軸に垂直な方向の磁気的変化または幾何学的変化を検出するように配置することが好ましい。
【0029】
加えて、本発明の請求項2に記載のような構成により、固定子の巻線により生じる磁界の影響をより低減することや、回転子の絶対位置検出が可能となる。
【0030】
回転子の絶対位置検出は図6を用いて説明する。回転子鉄心の凹部内周側面の凹凸をモータ軸方向に対して、例えば図6のように構成することで、アブソリュート型エンコーダと同様の構成にすることが可能となる。すなわち、図6では、第1ブロックから第4ブロックの信号を2n (2のn乗)の重みを付加して加え合わせることにより、すなわち、第1ブロックの信号に対しては20 、第2ブロックの信号に対しては21 、第3ブロックの信号に対しては22 、第4ブロックの信号に対しては23 の重みを付加して加えあわせることにより、回転子位置が2進数で表現でき、0から15までの回転子位置の絶対位置検出が可能となる。
【0031】
更に、本発明は、請求項5に記載(特に、回転子)のように構成されているので、モータの回転子鉄心の凹部内側底面に形成された凹凸部の凹凸によりインダクタンスの変化を生み出すことができる。
【0032】
図11に、センサ巻線を通電し、かつ回転子が回転したときの、該センサ巻線のインダクタンスの変化を示す。該センサ巻線が巻装されているセンサ鉄心は、回転子鉄心の凹部内周側面の凸部と同程度の突極を有する。
【0033】
例えば、回転子の回転に伴い、該凹部内周側面に形成された凸部が前記センサ鉄心の突極と対向したとき、前記回転子鉄心と該センサ鉄心等で構成される磁気回路の磁気抵抗は小さくなり、前記センサ巻線のインダクタンスは大きくなる。また、回転子の回転に伴い、該凹部内周側面の凹部が前記センサ鉄心の突極と対向した時、前記回転子鉄心と該センサ鉄心等で構成される磁気回路の磁気抵抗は大きくなり、前記センサ巻線のインダクタンスは小さくなる。
【0034】
本発明の前記請求項にある回転子鉄心の凹部内周側面の凹凸の形状は、前記インダクタンスの変化が検出できればいかなる形状であっても構わない。回転子鉄心端面部に形成される凹部の形状についても、本発明の構成を可能にする形状であれば任意に選択できる。
【0035】
更に、本発明の前記凹凸部は、モータの軸方向に複数個のブロックに分けられ、また、それぞれのブロックにおける凹凸の数が異なっていても構わない。同様に、該凹凸部は、凹部内周側面の円周方向に複数個のブロックに分けられ、また、それぞれのブロックにおける凹凸の数が異なっていても構わない。
【0036】
前記凹凸部を複数個のブロックに分割する場合、該それぞれのブロックに形成する凹凸の数やセンサを適切に配置することで、回転子の絶対位置検出も可能となる。その詳細は、前述のように、図6を用いて説明したとおりである。
【0037】
一方、前記回転子鉄心の凹部内周側面に形成された凹凸により生じるインダクタンスの変化を検出するセンサとしては、例えば図8や図9に示すとおりであるが、これもまた形状、構成等に特に制限はない。しかしながら、前記センサを複数個配置し、該変化より得られる信号を用いてレゾルバとして機能させるのがより好ましい。
【0038】
以上のように、本発明は、光学式エンコーダを使用しないため、モータの構造が、従来のものに比較して単純化され、回転子の組み付けに際し、煩雑な工程がなくなる。また、モータの全長を長くすることなく、同一寸法のモータに比べて、モータが本来有する、出力や特性を低下させないですむ。さらに、精度良く回転子の位置検出が可能となる。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好適な発明の実施の形態を、各実施例について、詳しく説明する。
各実施例は、全てハイリブッド型ステッピングモータおよびブラシレスDCモータの例を示すが、VR型ステッピングモータや、他の回転子鉄心を有する回転子と回転磁界を形成するために巻装された巻線を備えた固定子とからなるモータについては、以下の実施例と類似して実現できる。
【0040】
(第1実施例) 図1は、本発明のセンサを内蔵するモータの第1実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、図1(a)は、回転子の構造の理解を容易くするために、回転子のみ半断面にした縦断面図、図1(b)は、図1(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心の左側面図である。
【0041】
図1において、前記ステッピングモータ1は、固定子2と、該固定子2内の軸心上に回動自在に配設された回転子3とからなる。
該固定子2は、その固定子鉄心4に、内側に向かって放射状に複数個の磁極が配設されており、それぞれの磁極の内周面には円周方向に複数個の固定子極歯4aが等ピッチで形成されている。そして、該固定子2は、回転磁界を形成するため前記固定子鉄心4のそれぞれの磁極に巻線5が巻装されるとともに、フレーム9,9に、図示しないねじ等により、締結、支持されている。
【0042】
前記回転子3は、回転子鉄心6a,6bおよび軸7とともに、軸受8を介して前記フレーム9,9に回動自在に支持されている。該回転子3には、軸7上に前記2個の回転子鉄心6a,6bと、該回転子鉄心6a,6bの中間に挟持され、かつ軸方向に磁化されたリング状の永久磁石10が配設されている。また、前記回転子鉄心6a,6bの外周面には、前記固定子極歯4aに対向して円周方向に同一等ピッチで、複数個の回転子極歯6cが形成されている。
【0043】
前記回転子3の前記回転子鉄心6a,6bの端面部には、該回転子3の外径よりも小さい径で、該軸7に平行な円筒状の凹部11が形成されている。前記回転子鉄心6a,6bの一方の回転子鉄心6aに形成された前記凹部11内の前記軸7に対向する内周側面には、凹凸を施した凹凸部12が形成されている。(他方の回転子鉄心6bに形成された凹部11には、凹凸部12は形成されていない)
【0044】
13aおよび13bは、前記凹部11内の内周面に形成された凹凸部12の磁気的または幾何学的な変化を検出できるセンサで、該凹凸部12に対向して、該モータ1の固定側、例えば固定子2またはフレーム9側に、公知の固定手段にて配設されている。
該センサ13aを図1のように配置する場合、前記凹凸部12の磁気的または幾何学的な変化は、モータ軸7に対して垂直な方向の変化として検出できる。検出された磁気的または幾何学的な変化を電圧信号に変換すると、例えば図5のようになる。更に、センサを図1の点線で示したように全体として複数個、適当に配置することにより、位相のずれた電圧信号を検出することが可能となる。
【0045】
(第2実施例) 図2は、本発明のセンサを内蔵するモータの第2実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータ21の構成説明図で、図2(a)は、回転子の構造の理解を容易くするために、回転子のみ半断面にした縦断面図、図2(b)は、図2(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心の左側面図である。図2において、図1と同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
【0046】
図2において、前記一方の回転子鉄心6aに代えて、その凹凸部12のみ異なる回転子鉄心26aを配設し、該回転子鉄心26aに形成された前記凹部11内の、前記軸7に対向する内周面には、ただ1個の凸部22aを施した凹凸部22が形成されている。(他方の回転子鉄心6bに形成された凹部11には、凹凸部22は形成されていない)
【0047】
23aおよび23bは、前記凹部11内の内周面に、ただ1個の凸部22aが形成された凹凸部22の磁気的または幾何学的な変化を検出できるセンサで、該凹凸部22に対向して、該モータ1の固定側、例えば固定子2またはフレーム9側に配設されている。
該センサ23aを図2のように配置する場合、磁気的または幾何学的な変化は、モータ軸7と同じ方向の変化が検出できる。一方、センサ23bを図2のように配置する場合は、磁気的または幾何学的な変化はモータ軸7に対して垂直な方向の変化として検出できる。検出された磁気的または幾何学的な変化による信号は回転子の1回転に対して1つとなり、回転子3の原点検出が、本実施例により可能である。
【0048】
(第3実施例) 図3は、本発明のセンサを内蔵するモータの第3実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータ31の構成説明図で、図3(a)は、回転子の構造の理解を容易くするために、回転子のみ半断面にした縦断面図、図3(b)は、図3(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心の左側面図である。図3において、図1と同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
【0049】
図3において、前記一方の回転子鉄心6aに代えて、その凹凸部12のみ異なる回転子鉄心36aを配設し、該回転子鉄心36aに形成された前記凹部11内の、前記軸7に対向する内周面には、凹凸を施していない(凹凸の数が零である)無凹凸部32aと、凹凸を施した凹凸部32bとが、軸7方向に並んで形成されている。(他方の回転子鉄心6bに形成された凹部11には、凹凸部12は形成されていない)
【0050】
33は、前記凹部11内の内周面に凹凸が施された凹凸部32bの磁気的または幾何学的な変化を検出できるセンサで、該凹凸部32bに対向して、該モータの固定側に配設されている。
この場合、磁気的または幾何学的な変化は、モータ軸7と同じ方向およびモータ軸7に対して垂直な方向のいずれでも検出できる。さらに、センサ33を図3の点線で示したように全体として複数個、適当に配置することにより、位相のずれた信号を検出することが可能となる。
【0051】
(第4実施例) 図4は、本発明の第4実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータ41の構成説明図で、図4(a)は、回転子のみ半断面にした縦断面図、図4(b)は、図4(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心の左側面図である。図4において、図1と同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
【0052】
図4において、前記一方の回転子鉄心6aに代えて、その凹凸部12のみ異なる回転子鉄心46aを配設し、該回転子鉄心46aに形成された前記凹部11内の、前記軸7に対向する内周面には、軸7方向に複数個(本実施例では、4)のブロックの分割され、それぞれのブロックに凹凸を施した凹凸部42a,42b,42c,42dが順に形成されている。(他方の回転子鉄心6bに形成された凹部11には、凹凸部は形成されていない)
【0053】
前記4分割されたそれぞれの凹凸部42a,42b,42c,42dの配置は、図6のようにモータの軸7方向に対して、施された凹凸が一定ではなく、2n (2のn乗)のべき乗部nに対応するようにした形成されている。
図4と図6を用いて、前記凹凸の構成を更に詳しく説明する。例えば、図4の回転子鉄心46aの凹部11内周面に形成される凹凸部42aは、図6の第1ブロックに対応するように構成し、続いて該鉄心46aの凹凸部42bは、図6の第2段ブロック対応するように構成する。以下、同様に、該鉄心46の凹凸部42cは、図6の第3ブロックに、凹凸部42dは、図6の第4ブロックに対応するように構成し、各ブロックより生じる信号をより明確するために、各ブロックの間に凹凸のない部分を挿入するように形成しておくとよい。
【0054】
43a,43b,43c,43dは、前記凹部11内の内周側面に凹凸が施された凹凸部42a,42b,42c,42dの磁気的または幾何学的な変化を検出できるセンサで、該凹凸部42a,‥‥,42dのそれぞれに対向して、該モータ41の固定側に配設されている。
前記センサ43a,‥‥の数は、前記鉄心46aの凹部11内周面に形成た凹凸部42a,‥‥のモータ軸7方向の変化、すなわち2n のべき乗部nに1を加えた数にする。この構成により得られる信号波形の例を図7に示す。各センサ43a,‥‥,43dの出力を、重み付けを行って加えあわせることにより、回転子位置の絶対位置検出が可能となる。
【0055】
本実施例の場合、4個のセンサ43a,‥‥,43dにそれぞれ43aは20 、センサ43bは21 、センサ43cは22 、そしてセンサ43dは23 の重みをつけ、得られた信号に掛け合わせることにより、回転子3位置の絶対位置検出が行える。例えば、回転子位置が10の場合は、
0×20 +1×21 +0×22 +1×23 =10
となる。
【0056】
(第5実施例) 図8は、本発明の第5実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータ51の構成説明図で、図8(a)は、回転子のみ半断面にした縦断面図、図8(b)は、図8(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心のセンサ断面を含む左側面図である。図8において、図1と同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
【0057】
図8において、前記一方の回転子鉄心6aに代えて、その凹凸部12のみ異なる回転子鉄心56aを配設し、該回転子鉄心56aに形成された前記凹部11内の前記軸7に対向する内周面には、凹凸を施した凹凸部52が形成されている。(他方の回転子鉄心6bに形成された凹部11には、凹凸部は形成されていない)
53は、前記凹部11内の内周面に形成された凹凸部52の磁気的または幾何学的な変化を検出できるセンサで、該センサ53は、その凹凸を検出するためのセンサ鉄心53aと、該鉄心53aに巻装されたセンサ巻線53bから成り、前記凹凸部52に対向して、該モータ51の固定側、例えば固定子2またはフレーム9側に配設されている。
【0058】
本実施例のモータ51では、回転子3の回転に伴い前記センサ53のセンサ巻線53bのインダクタンスが、例えば図11のように変化し、回転子3の位置を検出することが可能となる。
【0059】
(第6実施例) 図9は、本発明の第6実施例を示すブラシレスDCモータ61の構成説明図で、図9(a)は、回転子のみ半断面にした該モータの縦断面図、図9(b)は、図9(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心のセンサ断面を含む左側面図である。
【0060】
図9において、前記ブラシレスDCモータ61は、固定子62と、該固定子62内の軸心上に回動自在に配設された回転子63とからなる。
該固定子62は、その固定子鉄心64に、内側に向かって放射状に複数個の磁極が配設されており、回転磁界を形成するため前記それぞれの磁極に巻線65が巻装されるとともに、フレーム69,69に、図示しないねじ等により、締結、支持されている。
【0061】
前記回転子63は、回転子鉄心66および軸67とともに、軸受68を介して前記フレーム69,69に回動自在に支持されている。該回転子63は、その外周面に半径方向に磁化された円筒状の永久磁石70が嵌着されている。
前記回転子63の前記回転子鉄心66の両端面部に、該回転子63の外径よりも小さい径で、該軸67に平行で円筒状に凹部71が形成されている。そして、前記回転子鉄心66の一方の端面部に形成された前記凹部71内の前記軸67に対向する内周面には、凹凸を施した凹凸部72が形成されている。(他方の端面部に形成された凹部71には、凹凸部は形成されていない)
【0062】
73は、前記凹部71内の内周面に形成された凹凸部72のインダクタンス変化を検出できるセンサで、該凹凸部72に対向して、該モータ61の固定側、例えば固定子62またはフレーム69側に、公知の固定手段にて配設されている。前記センサ73は、外周面に複数個のセンサ極歯73aが設けられた複数個のセンサ磁極73bが放射状に配設されたセンサ鉄心73cと、該センサ磁極73bにそれぞれ巻装されたセンサ巻線73dとからなっている。
【0063】
該センサ73のセンサ鉄心73cは、隣り合う磁極73bのセンサ極歯73aのピッチがそれぞれ電気角で90°となるように形成されており、前記センサ巻線73dの回巻方向および結線を適切にすることにより、前記回転子63の回転に伴い、該センサ73から得られるインダクタンスの変化の信号は、90°の位相差を有するレゾルバ信号となり、回転子63の回転方向および位置を検出することが可能となる。
【0064】
(第7実施例) 図10は、本発明の第7実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータ81の構成説明図で、図10(a)は、回転子のみ半断面にした該モータの縦断面図、図10(b)は、図10(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心のセンサ断面を含む左側面図である。図10において、図1と同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。
【0065】
図8において、前記一方の回転子鉄心6aに代えて、その凹凸部12のみ異なる回転子鉄心86aを配設し、該回転子鉄心86aに形成された前記凹部11内の底部近傍に段部11aを形成し、該段部11aの前記軸7に対向する内周面には、該凹部11開口側に向けて、凹凸を施した凹凸部82が形成されている。(他方の回転子鉄心6bに形成された凹部11には、凹凸部は形成されていない)
【0066】
83は、前記凹部11内の底部近傍の段部11aに形成された凹凸部82のインダクタンス変化を検出できるセンサで、該凹凸部82に対向して、該モータ81の固定側、例えば固定子2またはフレーム9側に、公知の固定手段にて配設されている。
前記センサ83は、外周面に複数個のセンサ極歯83aが設けられた複数個のセンサ磁極83bが放射状に配設されたセンサ鉄心83cと、該センサ鉄心83cにそれぞれ巻装されたセンサ巻線83dとからなっている。
【0067】
該センサ83のセンサ鉄心83cは、隣り合う磁極83bのセンサ極歯83aのピッチがそれぞれ電気角で90°となるように形成されており、前記センサ巻線83dの回巻方向および結線を適切にすることにより、前記回転子3の回転に伴い該センサ83から得られるインダクタンスの変化の信号は、90°の位相差を有するレゾルバ信号となり、回転子3の回転方向および位置を検出することが可能となる。
【0068】
なお、本発明の技術は前記実施例における技術に限定されるものではなく、同様な機能を果たす他の態様の手段によってもよく、また本発明の技術は前記構成の範囲内において種々の変更、付加が可能である。
【0069】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のセンサを内蔵するモータによれば、請求項1ないし4については、回転子鉄心の端面部に、回転子外径よりも小さい内径で回転子軸に平行な円筒状の凹部が形成されるとともに、該凹部の内周側面に凹凸部を形成し、該凹凸部により生じる磁気的または幾何学的な変化を検出するためのセンサを、前記凹部の内側で前記凹凸部に対向させるように固定側に配設し、該センサにより、前記凹凸部の磁気的または幾何学的な変化を検出して、前記回転子の位置を検出するので、モータの構造や組付工程を比較的単純化して、製造コストを安価にし、加えて外形寸法の変更を生じることなく、トルク、出力および特性を低下させずに、回転子位置を高精度で検出することができる。 さらに、凹状の回転子鉄心構造を採用しているので高速応答性の改善及びモータ全長の短縮化を図ることが可能となる。
【0070】
また、本発明のセンサを内蔵するモータによれば、請求項5については、回転子鉄心は、その外周面に半径方向に磁化された円筒状の永久磁石が嵌着され、かつ該回転子鉄心の端面部に、該回転子外径よりも小さい内径で回転子軸に平行な円筒状の凹部が形成されるとともに、該凹部の内周側面に凹凸部を形成し、該凹凸部により生じるインダクタンスの変化を検出するためのセンサを、前記凹部の内側で前記凹凸部に対向させるように固定側に配設し、該センサにより、前記凹凸部のインダクタンスの変化を検出して、前記回転子の位置を検出するので、モータの構造や組付工程を比較的単純化して、製造コストを安価にし、加えて外形寸法の変更を生じることなく、トルク、出力および特性を低下させずに、回転子位置を高精度で検出することができる。
【0071】
更に、センサ信号と回転子位置は一対一に対応しているので、センサ組付け後の位置調整が不要となる。加えて、凹状の回転子鉄心構造を採用しているので高速応答性の改善及びモータ全長の短縮化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセンサを内蔵するモータの第1実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、図1(a)は、回転子の構造の理解を容易くするために、回転子のみ半断面にした縦断面図、図1(b)は、図1(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心の左側面図である。
【図2】本発明のセンサを内蔵するモータの第2実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、図2(a)は、回転子のみ半断面にした縦断面図、図2(b)は、図2(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心の左側面図である。
【図3】本発明のセンサを内蔵するモータの第3実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、図3(a)は、回転子のみ半断面にした縦断面図、図3(b)は、図3(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心の左側面図である。
【図4】本発明の第4実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、図4(a)は、回転子のみ半断面にした縦断面図、図4(b)は、図4(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心の左側面図である。
【図5】回転子鉄心の凹部に形成される凹凸部と、回転子の回転に伴い、前記凹凸部の凹凸に対応してセンサから出力される検出信号電圧を示す図である。
【図6】回転子鉄心の凹部に形成される凹凸部が、軸方向に複数個(4個)のブロックの分割され、それぞれのブロックに施された凹凸の配置例を示す図である。
【図7】回転子の回転に伴い、図6の凹凸部の、それぞれのブロックに施された凹凸に対応して配置された、それぞれのセンサから出力される検出信号を示す図である。
【図8】本発明の第5実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、図8(a)は、回転子のみ半断面にした縦断面図、図8(b)は、図8(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心のセンサ断面を含む左側面図である。
【図9】本発明の第6実施例を示すブラシレスDCモータの構成説明図で、図9(a)は、回転子のみ半断面にした該モータの縦断面図、図9(b)は、図9(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心のセンサ断面を含む左側面図である。
【図10】本発明の第7実施例を示すハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、図10(a)は、回転子のみ半断面にした該モータの縦断面図、図10(b)は、図10(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心のセンサ断面を含む左側面図である。
【図11】回転子の回転に伴い生じるインダクタンスの変化を説明する図で、図11(a)は、回転子鉄心の凹部に形成される凹凸部とセンサとの位置関係図、図11(b)は、回転子の回転に伴い、前記凹凸部の凹凸に対応してセンサが検出するインダクタンスの変化を示す図である。
【図12】回転子の永久磁石に保磁力の小さい鋳造磁石を用いた従来のハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、回転子のみ半断面にした該モータの縦断面図である。
【図13】回転子の永久磁石に保磁力の大きい希土類磁石を用いた従来のハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、回転子のみ半断面にした該モータの縦断面図である。
【図14】回転子鉄心の両端部に凹部が形成された従来のハイブリッド型ステッピングモータの構成説明図で、図14(a)は、回転子のみ半断面にした該モータの縦断面図、図14(b)は、図14(a)のモータ軸方向より見た回転子鉄心の左側面図である。
【符号の説明】
1,21,31,41,51,81 ステッピングモータ
2,62 固定子
3,63 回転子
4,64 固定子鉄心
4a 固定子極歯
5,65 巻線
6,6a,6b,26a,36a,46a,56a,66,86a 回転子鉄心
6c 回転子極歯
7,67 軸
9,69 フレーム
10,70 永久磁石
11,71 凹部
11a 段部
12,22,32b,42a,42b,42c,42d,52,72,82凹凸部
13a,13b,23a,23b,33,43a,43b,43c,43d,53,73,83 センサ
61 ブラシレスDCモータ
Claims (6)
- 回転子鉄心を有する回転子と、回転磁界を形成するために固定子鉄心に巻線が巻装される固定子とからなるモータにおいて、
前記回転子鉄心の端面部に、該回転子外径よりも小さい内径で回転子軸に平行な円筒状の凹部が形成されるとともに、該凹部の内周側面に凹凸部を形成し、該凹凸部により生じる磁気的または幾何学的な変化を検出するためのセンサを、前記凹部の内側で前記凹凸部に対向させるように固定側に配設し、該センサにより、前記凹凸部の磁気的または幾何学的な変化を検出して、前記回転子の位置を検出することを特徴とするセンサを内蔵するモータ。 - 前記回転子鉄心の前記凹部の内周側面は軸方向に複数のブロックに分けられており、各ブロックごとに任意の数の凹凸が任意の位置関係で形成されていることを特徴とする請求項1に記載のセンサを内蔵するモータ。
- 前記固定子は、前記回転子の外周面と対向する面に複数個の固定子極歯が設けられた複数の固定子磁極が放射状に配置された固定子鉄心と、前記固定子磁極にそれぞれ巻装された巻線とからなり、前記回転子の回転子鉄心は、前記固定子磁極と対向する外周面に複数個の回転子極歯が設けられるとともに、前記モータがハイブリッド型ステッピングモータまたはVR型ステッピングモータであることを特徴とする請求項1に記載のセンサを内蔵するモータ。
- 前記回転子鉄心の前記凹部の内周面に形成された凹凸部の凹凸の数が、前記回転子極歯の数に等しいか、またはそれよりも多いことを特徴とする請求項3に記載のセンサを内蔵するモータ。
- 回転子鉄心を有する回転子と、回転磁界を形成するために固定子鉄心に巻線が巻装される固定子とからなるモータにおいて、
前記回転子鉄心は、その外周面に半径方向に磁化された円筒状の永久磁石が嵌着され 、かつ該回転子鉄心の端面部に、該回転子外径よりも小さい内径で回転子軸に平行な円筒状の凹部が形成されるとともに、該凹部の内周側面に凹凸部を形成し、該凹凸部により生じるインダクタンスの変化を検出するためのセンサを、前記凹部の内側で前記凹凸部に対向させるように固定側に配設し、該センサにより、前記凹凸部のインダクタンスの変化を検出して、前記回転子の位置を検出することを特徴とするセンサを内蔵するモータ。 - 前記センサを複数個配置し、前記変化より得られる信号を用いてレゾルバとして機能させることを特徴とする請求項1または請求項5に記載のセンサを内蔵するモータ。
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