JPH0117344B2

JPH0117344B2 -

Info

Publication number: JPH0117344B2
Application number: JP56015613A
Authority: JP
Inventors: Osamu Ohno
Original assignee: Japan Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 1981-02-06
Filing date: 1981-02-06
Publication date: 1989-03-30
Also published as: US4357563A; NL182041C; DE3128200A1; JPS57132753A; NL8103454A; DE3128200C2

Description

【発明の詳細な説明】本発明は直流無刷子電動機に係り、特に、冷却
用フアンの駆動用電動機に使用して構造簡易で安
価に製作でき長寿命とすることのできる直流無刷
子電動機に関するものである。

冷却用フアンの駆動用電動機としては、従来、
一般に交流の誘導電動機が採用されていた。この
理由は、誘導電動機は構造が簡単で安価に製造で
き、しかも摩耗する部分がなく寿命が長いという
特長があるためであつた。しかし、誘導電動機は
交流電源のある場所でしか使用できないという不
便があり、他方で電子機器等の小形化や広域での
普及を推進する過程で電子機器内の電源を直流低
電圧に統一するという要請が生じ、これに対処す
るように冷却用フアンの駆動用電動機も直流低電
圧で運転できるものが必要となつてきた。

この要請に対して駆動用電動機として整流子と
刷子を有する通常の直流電動機を使用することは
刷子から発生する摩耗粉が電子機器を汚染するこ
と、電動機の寿命が誘導電動機に比し短かいこと
などの不都合があるために、刷子を有しない直流
無刷子電動機の採用が提案されている。

直流無刷子電動機の従来例を第１図によつて説
明する。第１図ａは要部構成を示す断面図、第１
図ｂは固定子巻線に電流を通す通電制御回路図で
ある。第１図において、１は回転子軸、２は回転
子ハブ、３は永久磁石であり、これらの１，２，
３で電動機の回転子を構成する。円筒状の永久磁
石３の半周はＮ極に、残りの半周はＳ極に着磁さ
れている。５―１〜５―４は固定子鉄芯のポール
シユー、６―１〜６―４は固定子磁極、７―１〜
７―４は各固定子磁極６―１〜６―４にそれぞれ
巻装された固定子巻線、８は固定子ヨーク、９―
１及び９―２は永久磁石３の磁極位置を検出する
磁気検出器、Ｑ―１〜Ｑ―４は各固定子巻線７―
１〜７―４の通電を制御するトランジスタ、Ｒ―
１〜Ｒ―８はそれぞれ抵抗である。４は永久磁石
３の外周面と固定子鉄芯のポールシユー５―１〜
５―４の内周面との間の空隙である。磁気検出器
９―１及び９―２は第１図の例ではそれぞれ固定
子磁極６―１及び６―２の中心線上の位置に固定
状に取付けられている。

この直流無刷子電動機は次のように駆動され
る。ｂ図の電源供給端子、に所定の直流電圧
を印加すると、第１図ａの磁気検出器９―１は図
示状態では永久磁石３の中性点（Ｎ極とＳ極の変
極点）に対向しているので磁気検出器９―１から
は出力はなく、従つてトランジスタＱ―２及びＱ
―４のベースには電流は流れず、固定子巻線７―
２及び７―４には電流が流れず、一方、磁気検出
器９―２は永久磁石３のＳ極と対向しているので
このＳ極を検出してトランジスタＱ―１のベース
に正の電圧を、トランジスタＱ―３のベースに負
の電圧を与え、これによりトランジスタＱ―１が
導通して固定子巻線７―１に電流を流し、この電
流により生じる磁界により永久磁石３のＳ極に反
時計方向の回転力を発生し、回転子が反時計方向
に回転を始める。回転子が反時計方向に僅かに回
転した状態を考えると、磁気検出器９―１に対向
する永久磁石はＳ極となり、磁気検出器９―１は
Ｓ極の磁界を検出してトランジスタＱ―２のベー
スに正の電圧を、Ｑ―４のベースに負の出力を出
力し、トランジスタＱ―２が導通して巻線７―２
にも電流を流し、回転子を反時計方向に回転させ
る回転力を発生し、巻線７―１と共に回転子を反
時計方向に回転させる。この巻線７―１に流れる
電流によつて発生する回転力は回転子が図示位置
より反時計方向に90度回転するまで続き、回転が
90度を越えると磁気検出器９―２と対向する永久
磁石はＮ極となり、磁気検出器９―２の出力はト
ランジスタＱ―１のベースに負の電圧を、Ｑ―３
のベースに正の電圧を与え、トランジスタＱ―１
が不導通に、Ｑ―３が導通に転じて巻線７―３に
電流が流れて回転子を反時計方向に回転させる回
転力を発生し、巻線７―２と共に回転子を回転さ
せる。以下、同様に動作して、常に隣接する２個
の巻線に電流を流し、回転子が90度回転する毎に
通電する巻線を、回転とは反対方向に位置する未
通電の巻線に切換えて連続的に一定方向（上記例
では反時計方向）の回転力を発生する。この構成
によれば、回転子の位置がいかなる位置になつて
も通電すれば直ちに回転子を発生し、回転力が零
になる回転子位置が存在しないから電動機として
優れた特性を示し、多くの用途で賞用されてい
る。

しかしながら、第１図の構成の無刷子電動機
は、固定子巻線を４個と、各巻線の通電を制御す
るトランジスタを４個と、磁気検出器を２個と、
抵抗Ｒ―１〜Ｒ―８などの関連する多くの回路部
品と複雑な組立て工程とを必要とし、高価となる
ので、従来は、計測器や情報処理装置等の高級な
用途に限定して使用されていた。従つて、安価な
誘導電動機を使用していたフアン駆動用電動機に
第１図の構成を持つ無刷子電動機を採用すること
は、性能的には充分に満足するが、価格の点で不
適当であつた。

本発明は上述の問題点を解決してフアン駆動用
等の特定用途に適する構造簡易で安価な無刷子電
動機を提供しようとするものである。まず、フア
ン駆動用として必要な特性と、第１図に示す無刷
子電動機の特性とを比較検討してみる。フアン駆
動用電動機に必要な回転力特性は、フアン動力の
性質がフアンの回転速度の２乗にほぼ比例するこ
とから、起動時に要する起動回転力は軸受の摩擦
回転力に打勝つだけの僅かな回転力があれば充分
であり、起動後の加速中に発生回転力が増加し定
格速度近くで最大の回転力が得られるような特性
が望ましく、従来から使用されていた誘導電動機
の特性はフアン駆動用電動機として良く適合して
いたといえる。これに対し無刷子電動機は、一定
の供給電圧の下では起動時に最大回転力を発生
し、加速に伴つて電流が減少し回転力が減少する
垂下特性となつており、高速回転時にフアンが必
要とする回転力を発生するためには、起動時には
はるかに大きな回転力を発生する電動機とする必
要がある。そこで、本発明では、フアン駆動用と
しては過剰の特性となる第１図構成の無刷子電動
機の構成部品を減らし、性能と価格の平衡点を求
めることで、フアン駆動用電動機に適する安価で
構造簡易な直流無刷子電動機を提供しようとする
ものである。

まず第１図の構成部品で複数個使用しているも
のを半減することを考えると、第２図に示すよう
に、回転子は１個であるからそのままとし、固定
子磁極と固定子巻線をそれぞれ４個から２個へと
半減し、磁気検出器も２個から１個へと半減し、
通電制御用トランジスタも４個から２個へと半減
することにより、抵抗も含めて回路部品が半減さ
れたことになり、構成が簡単になり、大幅な価格
低減が実現できそうであるが、この第２図構成に
は大きな不都合がある。第２図ａにおいて、回転
子が外側に配置され、固定子が内側に配置されて
いて、第１図とは逆の配置となつているが、これ
は特に本質的な問題ではない。３がＮ極、Ｓ極に
着磁され、かつ回転可能に支持されている中空円
筒状の永久磁石、８が固定子ヨーク、６ａ及び６
ｂが固定子磁極、７ａ及び７ｂが固定子巻線、５
ａ及び５ｂが固定子磁極に設けたポールシユー、
９は磁気検出器、４はポールシユー５ａ，５ｂの
外周面と永久磁石３の内周面との間の空隙、１０
は２つのポールシユー５ａ，５ｂの各先端での円
周方向の間隙、３１及び３２は永久磁石３の磁極
が反転する中性線である。第２図ａの構成の無刷
子電動機において、固定子巻線７ａ及び７ｂに通
電しない状態で回転子を一回転させた時の永久磁
石３と固定子鉄芯との間の磁気抵抗の変化は第２
図ｃの曲線１に示すようになり、第２図ａの図示
状態の位置、即ち永久磁石３の中性線３１，３２
を結ぶ線が固定子磁極６ａ，６ｂの中心線Ａ―
A′と直交する位置、で最大となり、永久磁石３
が現状位置から90度回転した位置で最小となり、
以後、回転子が90度回転する毎に最小、最大が繰
返される。その理由は、ポールシユー５ａ，５ｂ
の配置形状から、固定子鉄芯内の磁気抵抗が、磁
極６ａ，６ｂの中心線Ａ―A′の方向で最小とな
り、これと直角の方向で最大となるからである。

従つて固定子巻線７ａ，７ｂに通電しないで放
置すると、回転子は、永久磁石３とポールシユー
５ａ，５ｂとの磁気吸引力の作用で両者間の磁気
抵抗が最小となる位置、即ち永久磁石３の極中心
と磁極６ａ，６ｂの中心線Ａ―A′とが一致する
第２図ａの図示状態位置、に静止しその時の永久
磁石３の磁束の状態は第２図ｃの曲線２に示すよ
うになり、磁気検出器９を第２図ａのように磁極
６ａ，６ｂの中心線Ａ―A′と直角の方向に配置
したのでは、回転子が静止した時に磁気検出器９
は永久磁石３の中性線３１―３２上に位置するこ
とになり、磁気検出器９からの出力はなく、通電
制御装置は動作せず、従つて第２図ｂの制御回路
の、端子から電圧印加があつても固定子巻線
７ａ，７ｂには電流が流れず、静止点より自起動
することはできない。

そこで、第２図ａのような構成で自起動性能を
持たせるために従来採用されてきた手段に次のよ
うなものがある。即ち、磁性材料製の小片を、固
定子磁極６ａ，６ｂの中心線より回転子回転方向
にある角度だけ移動した位置のポールシユー５
ａ，５ｂの外周面上に配設することにより、この
小片と永久磁石３との吸引力で回転子の静止位置
を回転方向に移動させる方式である。又、他の手
段として、ポールシユー５ａ，５ｂの外周形状を
非同心形状とし、空隙４の径方向寸法を、固定子
磁極６ａ，６ｂの中心線を中心としたある角度の
間で、一方で増加し他方で減少する寸法とするこ
とで、回転子と固定子との間の磁気抵抗の値に変
化を与えて回転子の静止位置を移動させる方式の
ものが提案されている。

しかし、前者の磁性材料製の小片を取付ける方
式は、永久磁石の交番磁界の作用で振動騒音を発
生するという不都合が生じ、後者の空隙寸法を変
化させる構成は、ポールシユーの外周形状が複雑
化し量産性を悪化させ低価格化の問題解決にはな
らない不都合があつた。

本発明の目的は、上記した従来技術での問題点
を解決し、特に冷却用フアンの駆動源に用いて必
要にして充分な性能を備え、かつ安価に生産でき
る直流無刷子電動機を提供するにある。

本発明の特徴は、上記目的を達成するために、
(イ)中空円筒形状に作られその半周はＮ極に残りの
半周はＳ極に着磁された永久磁石と、この永久磁
石を回転自在に支持する回転ハブとで形成される
回転子と、(ロ)円筒状の固定子ヨークと、この固定
子ヨークの外周部に外周を２分するように放射状
に植設される２つの固定子磁極と、最先端外周面
が前記永久磁石の内周面と小空隙を介して対向す
るように各固定子磁極の先端部にそれぞれ固着さ
れるポールシユーと、これらのポールシユーとポ
ールシユーとの間にそれぞれ位置するように前記
固定子ヨークの外周部に放射状に植設される中間
磁極とで形成される磁性材料製の固定子と、(ハ)前
記固定子磁極にはそれぞれ固定子巻線が巻回され
ており、前記中間磁極の外周面と永久磁石内周面
との間の磁束空隙長は前記ポールシユーの外周面
と永久磁石内周面との間の磁束空隙長とほぼ等し
く決められており、(ニ)ポールシユー先端と中間磁
極先端との間の円周方向空隙の中心と固定子ヨー
ク中心とを結ぶ中心線よりポールシユー側に僅か
に移動した位置の磁束空隙中に固定配置されて永
久磁石の回転位置を検出する１個の磁気検出器
と、(ホ)この磁気検出器出力を受けて各固定子巻線
に流す電流を制御して回転子を一定方向に駆動制
御する通電制御回路とを備えた構成とするにあ
る。

以下、第３図及び第４図により本発明の一実施
例を説明する。第３図の断面図において、３は永
久磁石で中空円筒形状に作られその半周はＮ極に
残りの半周はＳ極に着磁されており、図示しない
回転ハブによつて回転自在に支持されて電動機の
回転子を形成している。３１，３２は永久磁石３
の中性線である。８は円筒状の固定子ヨークで、
この固定子ヨーク８の外周部に外周を２分するよ
うに（図示例では固定子ヨークの中心を通るXY
直交座標軸のＹ軸方向とY′軸方向に）放射状に
２つの固定子磁極６ａ，６ｂが植設されており、
これらの固定子磁極６ａ，６ｂの先端部にそれぞ
れポールシユー５ａ，５ｂがその最先端外周面が
永久磁石３の内周面と小空隙４を介して対向する
ように固着されており、さらに、前記固定子ヨー
ク８の外周部にはＸ軸方向とX′軸方向に突出す
るように、かつポールシユー５ａとポールシユー
５ｂとの間に位置するように、中間磁極１１，１
１′が植設されており、これらの固定子ヨーク８、
固定子磁極６ａ，６ｂ、ポールシユー５ａ，５ｂ
及び中間磁極１１，１１′はいずれも磁性材料で
作られて電動機の固定子を形成している。７ａ，
７ｂはそれぞれ固定子磁極６ａ，６ｂに巻装され
た固定子巻線である。中間磁極１１，１１′には
巻線を巻装しない。中間磁極１１，１１′の外周
面と永久磁石３内周面との間の磁束空隙長は、ポ
ールシユー５ａ，５ｂの外周面と永久磁石３内周
面との間の磁束空隙長（第３図では４）とほぼ等
しくなるように決められており、さらに円周方向
でのポールシユー先端と中間磁極先端との間の４
個所の空隙１２（１），１２（２），１２（３），
１２（４）もそれぞれほぼ等しい空隙長となるよ
うに作られる。Ｂ―B′は空隙１２（１）の中心
と空隙１２（３）の中心とを結び、従つて固定子
ヨークの中心を通る中心線であり、同様にＣ―
C′は空隙１２（２）の中心と空隙１２（４）の中
心とを結ぶ中心線である。βは中心線Ｂ―B′と
Ｘ―X′軸との間の角であると同時に、中心線Ｃ
―C′とＸ―X′軸との間の角である。９は永久磁
石３の回転位置を検出するための磁気検出器、例
えばホール素子であり第３図実施例では中心線Ｃ
―C′よりポールシユー５ｂ側に僅かに移動した位
置の磁束空隙内に固定状に取付けられる。γは磁
気検出器９の中心を通る中心線と前記中心線Ｃ―
C′とのなす角である。なお、磁気検出器９の取付
け位置として、第３図実施例では図示位置とした
が、同様の関係にある〇印で示す３個所のいずれ
の一つに置いても本発明は同じように動作する。

以上の構成において、固定子巻線７ａ，７ｂに
通電しない状態での固定子の磁気抵抗の変化は第
４図の曲線１のようになり、磁気抵抗が最小にな
る位置は、中間磁極１１，１１′の影響を受けて、
Ｙ軸及びY′軸方向とはならず、Ｙ軸及びY′軸よ
り角度βだけ離れた位置となる。従つて、固定子
巻線７ａ，７ｂに通電しないで永久磁石３を自由
に放置すると、永久磁石３は中性線３１，３２を
結ぶ線が中心線Ｂ―B′あるいはＣ―C′に一致する
位置に停止し、その時のＮ極及びＳ極の磁極最大
位置は、Ｙ軸及びY′軸より角度βだけ離れた位
置となり、磁束の変化状態は第４図の曲線２ある
いは２′のようになる。曲線２は永久磁石３の中
性線３１，３２を結ぶ線が中心線Ｂ―B′と一致
した位置で停止したとき、曲線２′は同じく中心
線Ｃ―C′と一致した位置で停止したときのそれぞ
れの磁束変化を示している。この停止位置での永
久磁石３のＮ極、Ｓ極の磁極最大位置はそれぞれ
Y′軸、Ｙ軸より角度βだけずれている。

次に直流無刷子電動機としての動作を説明す
る。固定子巻線７ａ，７ｂに通電しない時の永久
磁石３の静止位置を第４図曲線２の位置（永久磁
石の中性線が中心線Ｂ―B′に一致して静止した
位置）とすると磁気検出器９は永久磁石３のＮ極
を検出して通電制御回路（回路構成は第２図ｂと
同じ）を介して固定子巻線７ｂに電流を流し、ポ
ールシユー５ｂにＮ極を生成し、一方Ｎ極の磁極
最大位置はY′軸より角度βだけ右側に移動した
位置にあるので、ポールシユー５ｂに生成したＮ
極と永久磁石３のＮ極との反撥力は回転子を反時
計方向に回転させる。回転子が反時計方向に図示
位置よりπ−（2β＋γ）の角度だけ回転すると磁
気検出器９は出力が零となり固定子巻線７ｂに流
れる電流も零となるが、回転子は慣性によつて回
転を続ける。これにより磁気検出器９はＳ極を検
出し、固定子巻線７ａに電流が流れ、ポールシユ
ー５ａにＮ極を生成し、対向する回転子のＮ極と
反撥して同一方向に回転力が発生して継続して回
転し、電動機として動作する。従つてこの電動機
の発生トルクはほぼ180度回転ごとに零となる脈
動形となるが、フアン駆動用としては実用上何等
の問題はない。

永久磁石３の最初の静止位置が第４図の曲線
２′の場合、即ち永久磁石３の中性線が中心線Ｃ
―C′と一致して静止している時は、磁気検出器９
は永久磁石３のＮ極を検出し、固定子巻線７ｂに
電流を流してポールシユー５ｂにＮ極を生成す
る。一方、Ｎ極の磁極最大位置はY′軸より角度
βだけ左側にあるので、ポールシユー５ｂと永久
磁石のＮ極との間で働く反撥力は回転子を時計方
向に回転させる。回転子が時計方向に角度γだけ
移動すると磁気検出器９と対向する回転子の位置
は中性線３２となり、磁気検出器９の出力が零と
なり、固定子巻線７ｂに流れる電流も零となり、
回転トルクは消失するが回転子は慣性で時計方向
に回転を続け、中性線３２が僅かに磁気検出器９
の位置を時計方向に行き過ぎると、磁気検出器９
はＳ極を検出して固定子巻線７ａに電流を流し、
ポールシユー５ａにＮ極を生成し、永久磁石のＳ
極との間の吸引力で反時計方向に回転子を回転さ
せ、回転子の慣性で中性線３２が中心線Ｃ―C′を
越えて中心線Ｂ―B′の位置に達すると、以後は
前述の反時計方向の動作に従つて反時計方向の回
転を継続する。このような最初の静止点により通
電直後に回転子が僅かに逆方向に移動した後に正
規の方向に回転する動作はフアン駆動用電動機の
場合には実用上何等の支障はないものである。

固定子巻線７ａ，７ｂに通電しない状態での回
転子の静止位置は上述の曲線２及び２′の他に、
永久磁石３のＮ極、Ｓ極が反対になる位置がある
が、この場合は静止状態で磁気検出器９が検出す
る磁石の極性がＳ極となるから、最初に通電する
巻線が７ａになる点が異なるだけで、他は全く同
じ作用で回転子は反時計方向に回転する。

磁気検出器９の設置位置として図示位置の他
に、〇印の任意の一つの位置としても、同様に電
動機として動作することは以上の動作説明より容
易に類推できる。ただし、中心線Ｃ―C′の近傍の
ポールシユー寄りに設置する場合と、中心線Ｂ―
B′の近傍のポールシユー寄りに設置する場合と
では回転子の規定の回転方向が逆になる。また、
実施例では固定子巻線７ａ，７ｂに通電した時に
ポールシユー５ａ，５ｂはＮ極に磁化されるもの
として説明してきたが、Ｓ極に磁化されるように
しても、回転方向が逆になるだけで電動機として
の回転動作は同じである。

第５図は本発明の直流無刷子電動機を駆動源と
して用いる電動フアンの一例を示す断面図で、５
１は回転子軸、５２は回転子のボス、５３は永久
磁石、５４は磁気ヨークを兼ねる回転子ハブ、５
５は固定子鉄芯、５７は固定子巻線、５９は磁気
検出器、６０は通電制御回路を実装した回路支持
板、６１は軸受、６２はフアンブレードを取付け
るハブ、６３はフアンブレード、６４はベンチユ
リー、６５はフアン電動機を支持する支柱、６６
は電動機カバーである。

以上説明したように、本発明によれば、従来の
直流無刷子電動機に比し主要部品をほぼ半減し、
起動用の磁性材料製の小片を必要とせず、磁束空
隙長を一様にした生産性の良い、安価な製品とす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の断面図と通電制御回路図、第
２図は従来の固定子磁極を２極とした例の断面
図、通電制御回路図及び磁気抵抗、磁束の変化
図、第３図は本発明の一実施例の断面図、第４図
は第３図実施例に対する磁気抵抗及び磁束の変化
図、第５図は本発明を使用した電動フアンの断面
図である。符号の説明３…永久磁石、４…空隙、５ａ，
５ｂ…ポールシユー、６ａ，６ｂ…固定子磁極、
７ａ，７ｂ…固定子巻線、８…固定子ヨーク、９
…磁気検出器、１０，１２（１）〜１２（４）…
空隙、１１，１１′…中間磁極、３１，３２…中
性線、５１…回転子軸、５２…回転子のボス、５
３…永久磁石、５４…回転子ハブ、５５…固定子
鉄芯、５７…固定子巻線、５９…磁気検出器、６
１…軸受、６２…フアンブレード取付け用ハブ、
６３…フアンブレード、６４…ベンチユリー。

Claims

【特許請求の範囲】

１ (イ)中空円筒形状に作られその半周はＮ極に残
りの半周はＳ極に着磁された永久磁石と、この永
久磁石を回転自在に支持する回転ハブとで形成さ
れる回転子と、(ロ)円筒状の固定子ヨークと、この
固定子ヨークの外周部に外周を２分するように放
射状に植設される２つの固定子磁極と、最先端外
周面が前記永久磁石の内周面と小空隙を介して対
向するように各固定子磁極の先端部にそれぞれ固
着されるポールシユーと、これらのポールシユー
とポールシユーとの間にそれぞれ位置するように
前記固定子ヨークの外周部に放射状に植設される
中間磁極とで形成される磁性材料製の固定子と、
(ハ)前記固定子磁極にはそれぞれ固定子巻線が巻回
されており、前記中間磁極の外周面と永久磁石内
周面との間の磁束空隙長は前記ポールシユーの外
周面と永久磁石内周面との間の磁束空隙長とほぼ
等しく決められており、(ニ)ポールシユー先端と中
間磁極先端との間の円周方向空隙の中心と固定子
ヨーク中心とを結ぶ中心線よりポールシユー側に
僅かに移動した位置の磁束空隙中に固定配置され
て永久磁石の回転位置を検出する１個の磁気検出
器と、(ホ)この磁気検出器出力を受けて各固定子巻
線に流す電流を制御して回転子を一定方向に駆動
制御する通電制御回路とを備えたことを特徴とす
る直流無刷子電動機。