JPH03503835A - 電気的に整流される同期モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 電気的に整流される同期モータの駆動装置本発明は、直線的または回転的アクチ ュエータの形態での電気的に整流される同期モータの駆動装置の請求項１の上位 概念による駆動装置に関する。

この種の電気的に整流される同期モータの駆動装置は、例えばＤＥ２４２３６６ ５Ａ＋に記載されている。この公知の同期モータの駆動装置は、運転およびアク チュエータ要素として回転可能に設けられた永久磁石を有する。運転要素は、直 線的モータが作られるように、直線の永久磁石・アクチュエータであってもよい 。この公知の同期モータの駆動装置においてステータは、コイルからなり、制御 には電気的に生成された多相の交流が必要になる。このために必要な半導体をも つ電気的制御回路は、機械的に整流される直流モータに比して、今まで確実にコ スト高であった。例えば［ニー・チー・コスト、ベー・デー、２０巻、電気的極 小モータ、バー、モツアラ著」に述べられているように、機械的に整流される直 流モータは、釣り合うよりも大きい製造コストの低減をも乙らし、その結果、サ ーボ運転にとって重要な意味をもっ略５００Ｗまでの効率領域においては、機械 的に整流される直流モータが今まで支配的であった。

進歩する小型化と集積密度によっても、電気的整流回路は、未だに高価であるた め、種類に応じた電気的に整流されるモータの適用は、阻害されている。このこ とは、機械的に整流される直流モータにおいてブラシ・整流システムで与えられ る回転数９回転トルク、寿命。

信頼性についての制限が、許容できなくなるような適用についていえる。

しかし、機械的に整流される直流モータの中でも特にベル状アマチュアモータは 、電気的に整流されるモータでは今まで達成することか難しい利点を有する。こ のベル状アマチュアモータの利点の幾つかは、例えば「高速運動のための慣性の 小さい直流・サーボモータ、構造、要素１手法、■、１０／＋９７５、エム、ヘ イラウド著」に述べられているように、例えば線形の特性、低い起動電流、保持 トルク、ヒステリシスと渦電流損がないこと、小さい電気的および機械的時定数 、とりわけ非常に小さい回転トルク変動などである。

本発明による電気的に整流されるモータのサーボ運転としての適用にとって、と りわけ可能な限り小さい回転トルク変動は、大きな意味をもつ。従って、これに 関する発達を目指す試験が、既に行なわれている。

そこで、例えば「微細加工技術と測定技術８８（１９８８）、第４巻、サマリウ ム−コバルト−磁石をもつ電気的に整流されるディスクロータモータ、リンドナ ー著」において、導線コイルをもつアマチュアを備え、これに矩形の相電圧を印 加することが提案されている。

弱い短節巻と弱い春分布をもつ相数が多く鉄のないコイルを用いれば、比較的高 い回転性能と少ない回転トルク変動が達成される。

しかし、このような相数の多い集中化されたコイルは、各相を通常は最低１つ、 ときには２または４つの効率回路で整流しなければならない乙め、制御電気回路 が高いコストを必要とするという欠点を有する。

同じコイル集中度にて相数を減少することは、減少でも良好な回転性能を達成す べきであるとすれば、強い短節巻と同様に低い効率をさらに制限する。上述の刊 行物（ヨツト、リンドナー著）の結論とシテ、例えばＢ相のディスクロータモー タおよび大きな短節係数のコイルにおいて、短形制御のブロック値に対して許容 される角度領域は、高い回転性能を得ようとするなら、非常に狭くなる。Ｂ相の 集中化されたコイルの場合、役立つエアギャップの領域が大きくなるのと反対に 、銅は無いままの状態となる。従って、いずれの場合も、モータの不充分な利用 を避けることができない。

種類に応じた運転とは異なり、溝が設けられたモータにおいては、回転性能を改 善するたぬの処置が知られている。そして、例えば「電気的機械、第１〜３巻、 ファウ・ニー・ベーーベルリン技術出版社、１９７９、ゲー、ミューラー著二に おいて、溝分割のまわりで薄鋼板パケットの斜切断を行なうことか提案され、「 ヴアルヴオ報告書、第２０巻、■、磁鉄・セグメントをもつ直流モータにおける 永久磁石的な極悪受性、ヨツト、コツホ著」において、磁石形状を適合する形態 とすることが示唆されている。他方では、「ボッシュ技術報告書、第４巻（１９ ７３）、第３号、小さい直流モータにおける電流変動の低減、アー、モール著」 において、溝−画一極片形状の対応する形成が言及されている。やっかいな回転 性能要求に対するこれらの公知の処置が、しばしば充分でないということを度外 視しても、公知のモータのさらなる欠点は、溝の形成が比較的高い製造コストを もたらすということにある。

本発明は、特許請求の範囲の請求項１による電気的に整流される同期モータ駆動 装置を、代替しうる製造コストにて卓越した回転性能が達成できるように更に構 築するという課題を基礎にする。

上記課題は、本発明の特許請求項１および１９の各特徴部分において述べられて いる処置により解決される。

請求項１によれば、少なくとも１つの多層巻でコイルを作る。これにより、例え ば試験または後述するプログラムによって、高い回転性能を保証する巻形態を作 ることができる。このような多層を比較的簡単に製造することにより、製造コス トを従来技術に比して高めない。しかも、特に上記多層を請求項３で述べた有利 な幅広の構造にて、プリントまたはパンチングによる回路として形成するならば 、適合した機械で問題なく多くの巻を平行に作ることができるので、製造コスト を低減することさえでき、その際、個々の巻の多くの部分を使用のために一緒に 配置でき、従って各巻は、同じエツチング技術的または電気めっき的な製造プロ セスで形成でき、使用に適合して容易に分離することができる。さらに、導線ブ レーティング層上に当該プレートを特殊化することによる製造方法があり、この 製造方法は、場合によってはさらなるコスト低減をもたらす。

さらに、本発明の請求項３に述べたさらなる形成は、請求項２６において次項以 下で提案されるように、多層上に高分解能の角度センサを集積化することを可能 にする。センサの制御回路や導線電子部品の一部分のような他の電子的構成要素 も、多層上に集積化することかでき、これによって、極めてコンパクトで信頼性 の高い駆動装置が意のままになるということが達成される。

さらに、コイルをプリントまたはパンチングによる回路の形で多層として形成す ることは、相隣る導線路が、互いに空間的に分離され、かつ振動を減衰するプラ スチックまたはガラス繊維製の支持部材に固定されるので、従来技術において駆 動パルスにより起こされ、電磁力にフィールドバックされる不利なコイル導線の ノイズ増大を、実質上完全に遮断することを可能にする。コイル巻き機械および 組立に対する比較的高いコイルも、明らかに低減することができる。

最後に、請求項６において次項以下に述べるさらなる形成に基づくプリントまた はパンチングによる回路は、導線路幅を、より良いモータ利用、より高い効率お よび比較しうる回転性能を達成しうるように変化させることを特徴とする 請求項１９の特徴部分によれば、従来技術と反対に改善された均一回転を、次の ようにして達成することができる。即ち、直線アクチュエータの相対位置または 回転アクチュエータの角度位置を表わす位置信号を生成する検出器と、位置信号 に応じてコイルに、捕捉位置に対応した電流または電圧を生成する制御器とを備 え、上記電流または電圧あるいはその曲線形状は、夫々予め定義された高調波か らなり、特に正弦波曲線形状に対応するものである。

この位置は、良好な均一回転のために何ら集中化をＺ要とせず、強く短節巻きさ れたコイルが好適な効果を奏するという利点を有する。さらに、永久磁石の磁場 で貫かれるエアギャップは、卓越したモータ利用および良好な均一回転のために 多くの相数を要することなく、良好な鋼重積率を実現することができる。スパイ ラル状の巻構造は、最適化計算または実験的試験により、求めることができ、製 造されたモータ・モデルによって保証されうるような、回転トルクが生じ、かつ 均一回転変動がなくなるように設定される。

既述の如く、制御エレクトロニクスのためのコストが製造コストに比して不断に より目立たなくなるので、全システムの製造コストが、種類に応じｆこ制御装置 に比して著しい大きさに高められるということなく、改善された均一回転が達成 できるのである。

本発明の請求項２４．２５，４０．４１に述べた有利なさらなる形成によって、 高分解能の角度発生器や付加的な他の信号発生器の集積化がさらに行なわれる。

そして、例えば回路構成部分そのものが、直接多層上に集゛積化されｆニリ、ロ ータディスクが、センサの一部分のための支持部材の働きを同時に引き受ける。

これによって、全体構造の空間節約が実現される。

請求項３６によれば、前述の本発明による２つの方法を、述べられる実施例が実 情であるように、請求項１および１９により同時に均一回転の妥協策として適用 することが勿論可能である。

本発明のさらなる有利な形成は、残りの下位概念的請求項の対象であり、試験の 結果として、これらの請求項の本質的特徴を表わすモータの実施例は、今のとこ ろ均一回転性能１回転トルク変動、効率において従来のベル状アマチュアモータ を凌駕することが明らかになった。

次に、本発明を、ディスク駆動モータの形態の実施例により図面を参照しつつ詳 細に説明する。

第１図は、磁気的短絡ヨークの２つの実施例、即ち、ａ）鉄ヨークおよび永久磁 石ロータの支持プレートの形態の堅牢な短絡ヨーク、ｂ）ステータコイルの支持 部材としてのブリキ製で環状の短絡ヨー第２図は、集積化された光学的３チヤン ネル・エンコーダをもつ実施例の断面図、 第３図は、９０°ずらされた２つのバーパターンブロックと参照マークをもつイ ンクリメント・エンコーダディスクのエツチングマスク、 第４図は、８極、５相・インボリュートコイルのコイル平面における導電路形状 の正面図、 第５図は、１２極、３相・螺旋状コイルの１つの巻き相の導電路形状の正面図、 第６図は、磁気的ニアギャップ場の外側に拡大された導電路案内をらつ螺旋状巻 き相、 第７図は、１つのコイルの多層の爆発表示段断面図、第８図は、１つの相の個々 の多層のエツチングマスク、即ち、ａ）上側のエツチングマスク、ｂ）下側のエ ツチングマスク、第９図は、温度決定のためのコイルをもつ電子工学的支持フォ イルのエツチングマスク、 第１０図は、位置センサとして集積化されたオーミックな導電性プラスチックの ポテンショメータをもつ実施例、第１１図は、モータの電子的制御回路の制御ブ ロック図、第１２図は、送信器としての導電性プラスチックのポテンショメータ の設置の制御ブロック図である。

本発明によるモータの実施例は、本質的に次に述べるような問題解決により特徴 付けられる。即ち、３つの表現法での電気的制御をもつ３相同期モータを作るこ と、つまり、ａ）高応答性の位置１回転数および回転トルクの調整駆動のために 、１回転につき５００パルスを発生する高分解能の３チヤンネル・エンコーダを 集積化すること、 ｂ）特に広い温度領域での適用に適合する高分解能な導電性プラスチック・ポテ ンショメータを集積化すること、ｃ）ＩＩ池駆動のように簡素で非常に損失の少 ない直流制御のために、最小のエンコーダおよび表面積層デバイス技術における 制御と導電用の電子部品を集積化すること、 ｄ）温度センサをコイルに直接付加的に集積化すること、ｅ）制御スイッチング 手段をコイルやモータハウジングに付加的に集積化することである。

本発明によるモータの最も重要な駆動パラメータは、極めて高い回転性能、モー タ調整制御の少なさ、高い効率、高い公称トルク、少ない無負荷損失（１１池駆 動）および線形の特性である。

上述の要求から結果として、次のような基礎的な構成原理が生じ、そのうち最重 要なものを以下に述べる。

磁気回路の好適な取付のため、モータの少なくともある寸法は、残りの寸法に比 べて特に小さく選ぶことが推奨される。半径方向ま１こは直径方向に磁化される 円筒状モータにおいては、モータ長さをモータ直径に比して可能な限り大きく選 ぶならば、磁気的制御およびコイルの利用に関して最良の結果が達成される。軸 方向磁化の平坦モータにおいては、これと逆の挙動を示す。この場合は、直径に 対するモータ長さの比を可能な限り小さくする必要がある。高分解能エンコーダ （大きい直径）の集積化および制御と出力電子部品の集積化の可能性の点に関し ては、平坦な構造が推奨される。平坦モータは、多くの適用にとって大きな構造 上の利点をもたらすが、円筒状の実施例よりも工業上の有効な範囲が遥かに小さ い。

整流子モータでは複雑で高価なブラシ機構により多極の磁石励磁が難しくなる一 方、同期モータにおいては、この自由度を完全に利用することができる。多極の 実施例は、結果として小さい磁気的に柔らかい短絡ヨーク断面積およびコイル全 長に対する有効なコイル長さの好適な比をもたらす。極数の選択に関する制限は 、増大する漂遊磁界および渦電流とヒステリシス損によって決まる。磁場の計算 は、与えられた境界条件下で最良の極数をもたらす。これに関する詳細な説明は 、イーチーエッチ−チューリッヒ、博士論文第８７４５号「高回転性能の永久励 磁された小モータについての構想に関する寄稿」つ”工、アムライン著にある。

モータの発展についての重要な観点は、短絡ヨークの構造上の形態であり、第１ 図に２つの可能な原理が示され、即ち、ａ）　ロータ側の継鉄、ｂ）　　ステー タ側の継鉄　が示されている。

上記両原理は、夫々適用でき、利点と欠点を有し、目標設定に応じて一方または 他方の変形例を決定することができる。この選択ができるように、両方式の基本 的利点および欠点を第１表に互いに対照して示す。ロータ側の短絡ヨークの選択 にとっては、磁気回路に渦電流およびヒステリシス損がなく、磁気的に柔らかい 材料の利用がステータ例の短絡ヨークの場合に比して相当良好で、パルスによる モータ制御で妨害ノイズがないということが本質的である。要求に応じて、多く のロータおよびステータ要素を次々に機械的に制御し、その際２つの相隣る同じ 要素、例えば２つの相隣る短絡ヨーク板を１つの要素にまとめることができる。

永久磁石の取付の実行も、同様に変形することがきる。一つは、磁石セグメント を作り、これを例えば支持部材に連結することが可能であり、他は、磁石リング を作り、所望の磁極形態に磁化することが可能である。磁石リングは、自由支持 または支持板に取付けることができる。

第１表 ロータ側およびステータ側の継鉄（第１図参照）における、結果としての利点、 欠点の比較 ステータの使用によって制限される永久磁石的な駆動アームトルクを、完全に排 除するためには、サーボモータに、鉄のない平坦コイルを本発明により装備する 。これにより、歯先飽和１強められた電機子反作用または溝のゆがみといっｒ二 付加的問題がなくなる。コイル巻きの実行については、種々の解決策が実現でき る。

一つの可能性は、導線コイルの配置である。ここで、矩形導線で作られたコイル ボビンは、円形導線に比してより高い占積率を達成できるので、特に良好に適合 する。かかるコイルボビンの製造に対する実施例は、次のように選ばれる。

後述の刊行物に記載の技術（第５図）のように、大きい直径方向の距離をもつ類 似のコイル構造が生じるように、好適に断面が選ばれた心棒をもちいる。相隣る コイル間には僅な間隙しかないので、これによって全コイルの高い鋼重積率が達 成される。平坦コイルは、モータ軸の方向に１層まｆ；は多層に作ることができ る。個々のコイルは、一つの平面内で（刊行物の例ではアナログ）各モータ相に 分離されて隣接して配置される。一つの平面内のコイルの数は、モータの極数に 対応する。個々のコイルの接続は、要求に応じて直列、並列または両者の組合せ にてきる。個々のモータ相、従って個々の平面は、電気的位相角（例えば３相で は１２０度）だけ互いにずらされている。種々の平面の個々のコイルからなる全 巻きコイルは、固定される。これは、熱硬化性プラスチック被覆の導線を用いて 、いわゆる導線の焼きや、支持部材上でコイル配置に粘着または固定することに よって達成される。

矩形断面の導線の代わりに、勿論円形の導線を用いることもできる。

他の有利な巻線の可能性の実現策は、パンチングまたはプレス技術を用いること である。最初に定義した目標設定を考慮しつつ、最新の微細エツチング技術や、 導電路を電気めっき的に作る特別でさらに後述するプロセスの適用の下に多層を 作るための多くのファクタを議論することができる。これにより、付加的自由度 （平坦コイルでは特に重要な可変の導線断面）、角度発生器や温度センサなどの 電気的制御手段をコイルのプリント基板に直接、簡素に集積化すること、接触の ない導線路（従って、パルスによる角度供給の際のノイズ発達なし）、および相 対的に高い占積率と簡単な製造および組立などの利点が生じる。

第２図に、マイクロ・同期モータの構造的組立を示す。このモータの中央には、 コイルの多層がある。この多層は、４つの薄片状の層に細分されており、３つの コイル相および集積化された温度導体をもつ送信側の表面積層デバイス回路のた めの層からなる。

コイル３は、対称な平坦モータ１で両側を取り囲まれている。ロータは、高い飽 和インンダクションの磁気的に柔らかい支持プレートｌｃからなり、この支持プ レートには、例えばＳｍＣｏ−、ＮｅＦｅＢ−磁石板を備えつけている。これら の材料は、現在量も高いエネルギ密度を示し、例えばフェライト磁石に比して構 造体積の著しい減少を許容する。

２つの磁石支持プレートｌｃの一方には、１回転につき５００図参照）。９０度 だけずらされた２つのストライプ走査ブロックからなる絞り１３（第３図参照） を経て、光パルスは３次元の光学的センサ１４に入射する。信号は、近傍のプリ ント基板」二の回路で増幅され、側面を整形されて接続プラグ１５に導かれる。

コイル相の制御は、エンコーダの信号で検出されるロータ位置と同期して行なわ れる。

コイル３は、図中でドツトを付した支持リングに載っている。この支持リングは 、例えば金属材料で作られたなら、コイルに付加的安定性を与え、同時に放熱に 利用することができる。最後に、導線路が電気的に短絡しないように配慮すべき である。

本発明のモータ計画は、アーマチュアの実施に、コイルヘッドがコイル平面の内 部にあるような平坦コイルを必要とする。巻線技術は、電気回路（表面積層デバ イス・技術）の集積化およびエンコーダ動作と温度センサのためのオプトエレク トロニクス部材の集積化によって付加的に支援されるべきである。これに関して 、プリント回路としての多層巻線の実施が考えられる。事前試験で、導線路断面 形状については、良い結果か達成されうろことか判った。

コイル構造の実施については、２つの変形、即ち多重巻および重ね巻を用いるこ とができる。２つの巻き様式を第４図と第５図に示す。第１の変形では、インボ リュート巻を、導線路の場所を節約するリターン切片の幾何学的形状に応じて指 定することか重要である。

第２の変形は、スパイラル巻として行なわれる。これらの構造の利点および欠点 を第２表に対照して示す。

第２表 インボリュートおよびスパイラル巻の特性の比較コイルの取付けに際し、渦電流 損に対する注意が大きな意味をもつ。慣用の導線巻きと反対に、平坦導線（幅／ 高さ＞１）の適用は、好ましくない関係をもたらす。前述の博士論文での試験が 示すように、特に多極の磁気回路と高いロータ回転数においては、導線路幅の注 意深い選択が必要となる。スパイラル巻と反対に、インボリュート巻では、巻の 内半径における寸法臨界的な貫通接触が存在し、従って最小の導線路幅を決めな ければならない。

渦電流損を可能な限り小さく保持する几めには、特に多極または高速運転におい て、導線路をニアギャップ場の領域でより大きい半径の方向に拡大させてはなら ない。このような処置は、スパイラル巻では何の問題も生じないが、インボリュ ート巻においては、導線の数が半径に依存しないので、鋼心積率の悪化をもたら す。スパイラル巻のさらなる利点は、導線路の幾何学形状に関する役に立つ自白 変に現れる。この点に重大な意味があり、これについては、次にさらに専門的に 論じる。

製造コストは、基本的に貫通接触の数と様式に影響される。インボリュート巻で は必要な貫通接触の数は、導線路数の２倍に相当し、そのうちの半数は、巻の寸 法臨界的な内半径に存するが、スパイラル巻では、極数に相当する貫通接触の数 があるだけで、その配置はスパイクの中心であって、場所の必要性については全 く臨界的でない。

スパイラル巻の形態に対する種々の自由度を次に述べる。

例えば高分解能の光学的角度エンコーダのモータハウジングへの集積化は、必然 的にモータ全直径の拡大をもたらす。付加的に役立つ組立空間は、適合したコイ ル取付により回転トルクを生じつつ利用される。これは、巻直径の拡大および一 方で巻構造内部での導線路幅の変化により行なりメ−る。磁気的エアギャップの 外にあり、従って渦電流ブルーキトルクを生じないコイル継鉄は、拡大されん形 状で実施さオーる。この処置は、導線路密度の増大、半径方向（回転トルクを生 じる）への導線輪郭の延長、コイルヘッド抵抗の減少、より良いモータの利用お よびより高い効率を実現する。

第６図に上述の処置を示す。導線路の補強は、最内のスパイラルループ、即ち内 直径およびコイルプリントの外直径において行なわれる。この処置は、片面が自 由である導線路へのエツチング剤の強い腐食を補償するために必要である。最外 の継鉄の拡大は、特に多層の好適な固定可能性を考慮して行なわれる。

磁気的ニアギャップ場での導線路幅は一定でなければならないという前提に基づ いて、例えば第５．６図に示されたような直径方向の導線路分布により、導線の 半径方向配置よりも高い導線路密度と占積率が達成される。回転トルクを生じな いリターン切片が、円弧により内側にも外側にも合目的的につくられる。

モータ運転特性の影響に対するさらなる自由度は、短節巻である。

短節巻は、第５，６図に示された配置において電極の内側のスパイラル巻の分布 によって決定される。スパイラル巻が内側へ極中心に向かって導かれる程、それ だけ巻は短節になる。極の外縁における少ないスパイラル巻て満足できるなら、 弱い短節巻となるだけでなく、極線のまわりの巻は短節巻とならない。ロータ位 置に依存して予め与えられに電流曲線形状および永久磁石配置により作られた磁 場において、巻の短節係数および内方へ導びくスパイラル巻の数に対する最適値 を計算することができ、このとき角度に依存する回転トルク変動は、最小になる 。その結果、電流分布は、ロータの回転に同期するようになる。第６図に示しに 巻は、正弦波の電流曲線形状に対して計算され、取り付けられている。正弦波曲 線は、アナログで生成できるが、デジタルで多段的に近似することもできる。角 度発生器の分解能が高くなるほど、より良いデジタルの近似が実現できる。

勿論、巻および短節係数を他のモータパラメータにより最適化する可能性も存在 する。さらに、電子的に回転トルクの補正を行なうことができ、この場合、電流 曲線形状は、ロータ位置に依存して予め与えられｆ二巻レイアウトおよびロータ の永久磁石場に適合せしめられている。この場合、必要な電流曲線は、計算的ま ｆ；は測定技術的に求め、正規化し、供給することかでき、ま１こ、モータ運転 において実際のロータ位置に依存して正規化され、制御量により予め与えられた 電流目標値に乗算すべき電流値を選択できる。ロータ角度に依存する必要な電流 曲線は、最小の損失率という副条件下で次の等式で算出される。

■＝電流振幅、　φ：ロータ角度、　　ｒｅ（１：電磁気的回転トルク。

８１回転数による誘導電圧、　Ｒ：相抵抗、に：実際の相数（１・・・ｎ）ｍ： 相数、ｉ：回転パラメータ 積は、出力設定器を経てモータ相に供給される。これに関する詳細な記述は、萌 述の博士論文から引き出せ、対応する実施例を第１１図に示しに。第１１図によ れば、電子的制御回路は、曲線供給器つまり曲線発生器３０と、乗算器の形の算 術的制御ユニットからなり、上記乗算器は、予め与えられあるいはモータ運転中 に求められ几関数により入力信号を曲線発生器３０の曲線振幅に結合する。

曲線発生器３０には、回転トルク変動の補償を実現する運転曲線が入力される。

電気的または磁気的回路の対称性に応じて、曲線を全相に対しあるいは唯一の相 に対してのみ分離して供給することが必要である。最後に、位相角毎に置き換え られた多くの曲線が選択される。曲線発生器の代わりに、上に定義された各信号 曲線を生成する信号発生器を用いることもできる。

制御ユニット３１は、ロータ角度に依存する曲線増幅値を、隣接する入力信号お よび設定量に、予め与えられた関数に応じて結合する。　各ロータ角度に依存し て、曲線発生器の電流曲線が選択され、これに回転トルク変動が最小になるよう に選ばれた電流振幅ｉＡが乗じられる。

問題のモータが非線形の挙動を示すなる、種々の運転領域用の種々の曲線を予め 備えるのか合目的的である。これは、例えばモータの運転状態に依存して曲線選 択回路を予め備えたり、曲線を各運転状態により良く適合するように変化させる ことにより行なうことができる。この適合は、設定量を変化させることによって も行なうことができる。

電流曲線の各値は、テーブルで与えられるか、運転状態に依存して夫々算出され る。制御回路の実現には、種々の様式と手法が行なわれる。即ち、例えばハード ウェアにてアナログおよび／またはデジタルの構成要素により実現でき、あるい はソフトウェア・プログラムによってシミュレートすることができる。

さらに、上記制御回路に付加的にトルク制御や位置１回転数制御や加速度制御を 重畳することが可能である。実施例では、制御回路は、カスケード制御の構造を 有する。モータ制御器内の位置制御器に、回転数制御器が設けられ、モータ制御 器外に電流制御器が設けられている。

インボリュート巻の場合、回転トルク変動は、電流曲線形状および磁場に適合し たコイルの分布により最小化される。スパイラル巻と反対に、インボリュート巻 は、多重巻で行なわれる一様に幅の広い個々の巻を示す。ここで、短節巻は殆ど 可能でない。巻の適合は、分布、即ち例えば各導線路分割（−導線路幅士導線路 間隔）の回りの個々の巻きのオーバーラツプにより達成される。巻か層上にある ので、スパイラル巻と反対に各分布において貫通接触が必要になる。

スパイラル巻に対してもインボリュート巻と同様にアナログの回転トルクの補正 が可能である。

最適化の計算、考察および目標とする結果に関する実施についての情報は、前述 の博士論文に存在する。一定の回転トルクは、モータに誘導される電圧が同じく 正弦波を有するなら、対称的な２．３または多層のシステムｊこ正弦波電流を供 給することで達成される。

最適の正弦波への近似は、コイルの対応する選ばれた短節巻により達成される。

３相システムでは、３倍またはその幾倍の高調波の存在は、３相巻の中性点が巻 かれていなければ、誘導電圧を阻害しない。

第７図は、多層の断面を示している。この多層は、両面に銅膜を形成した全部で ４つの絶縁層と、３つの例えば樹脂をしみ込ませたガラス繊維の織マットと粘着 剤で貼付けたポリイミド層、または絶縁中間層および粘着層の役割を同時に果た す他の絶縁層とからなる。

全体の結合は、高温、高圧下で一緒にプレスされる。原型に忠実な個々の層のモ デルは、第８，９図に示される。巻相１，２．３（第８図）は、夫々３０度（幾 何学的に）の角度だけずれており、置き換えられた巻きの供給は同じである。電 子工学的支持フォイル（第９図）は、表面積層デバイス・部材を置くためのパッ ドをもち、外様域に亘って分布し、抵抗に依存する温度測定のための曲がりくね って編まれたコイルを載せている。これは、時間的にとびとびの自由に選びうる パルス状の時限を発生する。

エツチング技術のための導線路高さに対する導線路間隔の比あるいは導線高さに 対する導線路幅の比は、非常に小さいので、アンダーエツチングか強く目立つよ うになる。この要因を抑制するには、ホトマスク（第９図のネガ構造）の助けて 導線路間の空間を防食し、薄い銅膜をホトマスクのない面の上に電気めっき的に 堆積することが可能である。次の段階で、最初の層を平坦に覆い、マスク分の高 さ増加だけをもたらすホトマスクをさらに形成することかできる。

その後、最初の銅層が電気めっき的に補強される。ホトマスクは、導線路構造に 対する疑似の支持コルセットを形成し、導線路構造は、このようにして急峻な壁 （側面）を実現１．うる。北述の過程は、必要な銅高さが達成されるまで周期的 に繰り返すことができる。慣用のエツチングプロセスと反対に、導線路は、何ら アンダーエツチングを示さず、慣用の電気めっき的堆積プロセスと反対に、導線 路は、相隣る導線路の短絡をもたらすきのこ構造を示さない。

モータの回転性能は、本質的に短節巻により決定される。これは、中心点におい てコイルの極を導線路、即ち貫通接触で満たすことによって影響される。矩形の アマチュア電流に対しては、中心に非常に大きい自由空間が残っており、正弦波 制御に対しては、スパイラルは中心近傍まで連続している。ここで、半径ま１こ は直径方向に並んだ最内の導線路と巻中心を通る軸との距離は、決定的なものと なる。

モータへの定義された電流または電圧曲線形状の供給は、ロータ位置に依存して 行なわれる。スパイラルまたはインボリュート状の実施例の場合の巻装置は、強 い短節または密な分布により合目的的に行なわれる（理由：モータの高利用）。

ブロック状（矩形状）の電流または電圧曲線の供給は、従って少ない相数や比較 的高い回転トルクリップルにおいて行なわれる。矩形状の電流運転に適合しｆ； 集中した巻は、提案した巻原理における極線での巻の集中の少なさにより、エア ギャップの調料用の悪さを意味する。従って、モータに供給すべく、正および負 領域に亘って単段の曲線形状を凌駕するような電流曲線を選ぶことが推奨される 。従って、多段またはアナログの電流、電圧曲線さえも選択することを許容する 位置信号を、整流のｆこめに役立てねばならない。このため、理想的電流、電圧 曲線を可能な限り良く実現するため、高分解能の光学的信号器による既述の解決 策が提案されている。適用状況に応じて、完全なデジタル角度情報（例えばグレ イ・コード）やアナログ情報をもつ、光学的エンコーダや他の物理学の原理（容 量または磁気の）によるエンコーダを設けることも、合目的的である。

オーミンクな導電性プラスチックポテンショメータによる角度検出は、第１Ｏ図 に示される。モータハウジングに固定された支持部材２５上に抵抗路２１と高導 電性の接触路２４がある。抵抗路２１には、２またはそれ以上の箇所に電気的接 続か設けられて、この抵抗路に沿って定義された曲線の電気的ポテンシャルが生 じるようになっている。角度に依存するポテンシャル曲線は、多くの実現可能性 によって影響される。即ち、種々の抵抗材料の使用、角度に依存する導線路断面 の変更、抵抗薄片における電気的接続点の狙いをつけ１ニ選択、接続点およびそ の外側に能動または受動の構造要素との電気的接続のｆこめ置かれた配線などに よって影響される。抵抗路の電気的ポテンシャルは、スライドピックアップ２０ によって取り出される。無制限の角度領域でのモータ運転に際しては、スライド ピックアップの信号を、第２のスライドピックアップ２３の信号と共に高導電率 の接続路を経て再び静止側のシステムに帰還伝送する必要がある。両スライドピ ックアップは、回転するロータに機械的に連結されている。

可能な限り消耗のない運転を保証するためには、実質上無電流でポテンシャルを 抵抗路に印加しなければならない。これは、例えば電圧フォロアとして接続され 几演算増幅器により行なわれる。

第１１図に示された制御回路の簡素化は、ポテンショメータが、供給された電流 または電圧曲線を選択するための角度信号を生成するのでなく、所望の電流また は電圧曲線に直接対応するのなら、第２０図によって行なうことができる。この 場合、抵抗路は、スライドピックアップに必要な電流または電圧曲線に対応する ポテンシャルが生じるように、つり合わされなければならない。３相モータにお いては、１２０度の位相ずれを示す３つのスライドピックアップの助けで、３つ の電流または電圧曲線は、直接つり合わせられる。

２つの信号から３つの必要な相電流または相電圧を計算できるので、例えば９０ 変だけずらされた２つのスライドピックアップを配置すれば充分である。

センサなしの角度情報は、ロータの回転により補助コイル、モータコイルに直接 誘導される電圧、誘導電圧の一定の高調波などを利用することにより得ることが できる。この情報から、電気的評価回路を経て、コイル位置９回転方向または回 転数に関する情報を求めることができる。

同期モータは、その構造および機能様式により、特に平坦な組立空間に対してサ ーボ運転や位置運転として非常に良く適合する。同じく、同期モータは、必要な 歯車比において平坦な構造形態をもつギヤを選択すること、モータにフランジを 付けること、モータに集積化することなどの助けになる。

Ｆｉｇ、　１ 滲Ｉ（内容に変更なし） Ｆｉｇ、３ Ｆｉｇ、　４ Ｆｉｇ、　５ Ｆｉｇ、　６ 」 磁石空間　　　　　　　　　外部空間 ＩＪａ４ｎｃＬｒａｏｍ→←−−−Ａｕ史讃ｒａｕｍ　　−一一一銅フオイル １＋ｊ％Ｎ％’％Ｓ　　Ｋｕｐｒｃｒｆｏｌｊｅｂａｒｙもｃｔ＋ａｃコロｅｓ Ｇｌ玉【閃−手続補正書（方式） 平成　３年　５月２８日［

Claims (42)

【特許請求の範囲】
1. １．直線的または回転的アクチュエータの形をなし、そのアクチュエータ要素が 移動可能または回転可能に設けられた永久磁石からなり、そのステータがコイル からなる電気的に整流される同期モータの駆動装置において、 上記コイル（３；３ａ，３ｂ）は、少なくとも１つの多層巻（第７図）で形成さ れることを特徴とする同期モータの駆動装置。
2. ２．上記多層巻（第７図）は、２棺または多相であることを特徴とする請求項１ の同期モータの駆動装置。
3. ３．上記多層巻（第７図）は、プリントまたはパンチングによる回路で形成され ることを特徴とする請求項１または２の同期モータの駆動装置。
4. ４．上記プリントによる回路（第７図）は、両面を金属特に銅で覆われた絶縁フ ォイルまたは絶縁プレートと、相互の絶縁とともに個々の巻平面への機械的接続 のための絶縁中間層とで形成されることを特徴とする請求項３の同期モータの駆 動装置。
5. ５．上記プリントによる回路（第７図）の導線路（第４，６，８，９図）は、マ スク（第８，９図）の助けにより電気めっき的に重なり合って積層される多くの 銅層からなることを特徴とする請求項４の同期モータの駆動装置。
6. ６．上記プリントまたはパンチングによる多層巻（第７図）の導線路（第４，６ ，８，９図）は、種々の幅であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの 同期モータの駆動装置。
7. ７．上記導線路（第４，６，８，９図）は、特に磁気的エアギャップ場の外側で より広くなっていることを特徴とする請求項６の同期モータの駆動装置。
8. ８．特に回転トルクを生じない上記導線路（第４，６，８，９図）は、より幅広 いことを特徴とする請求項７の同期モータの駆動装置。
9. ９．上記エアギャップ場に浸される導線路（第４，６，８，９図）の幅は、特に 一定あるいは僅かに変化するだけであることを特徴とする請求項６乃至８のいず れかの同期モータの駆動装置。
10. １０．上記多層巻（第７図）は、平坦ループからなる導線巻であり、その導線は 、常に円形または矩形の断面を示すことを特徴とする請求項１または２の同期モ ータの駆動装置。
11. １１．上記巻は、自己支持および／または機械的堅牢化のため支持要素（１０） に連結され、この支持要素は、生じうる損失熱を放熱するため、特に良好な熱伝 導性をもっことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかの同期モータの駆動装 置。
12. １２．上記回転アクチュエータは、ディスクロータモータ（第１，２図）で形成 されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかの同期モータの駆動装 置。
13. １３．ディスクロータモータの形の請求項１２の同期モータの駆動装置において 、上記巻（３；３ａ，３ｂ；第５，６図）は、スパイラル巻であることを特徴と する同期モータの駆動装置。
14. １４．プリントまたはパンチングによる回路の場合、各巻平面の上下側に存する 電気的なコイル極（３；３ａ，３ｂ；第５，６図）は、特に少なくとも概略半径 方向，直径方向，平行，方位角方向または円形の導線路または導線断面によって 、短節巻が生じるように形成され、導線巻の場合は、導線断面が特に矩形である ことを特徴とする請求項１３の同期モータの駆動装置。
15. １５．上記巻（３；３ａ，３ｂ；第４図）は、インポリュート巻であることを特 徴とする請求項１２の同期モータの駆動装置。
16. １６．プリントまたはパンチングによる回路の場合、電気的なコイル極（３；３ ａ，３ｂ）は、少なくとも概略半径方向，直径方向，平行，方位角方向または円 形の導線断面によって、分割された巻が存在するように形成されていることを特 徴とする請求項１５の同期モータの駆動装置。
17. １７．上記各巻のレイアウトは、夫々印加される電流または電圧形状において、 アクチュエータ要素（２）の位置に依存する回転トルク変動が、最小値になり、 あるいは到達しうる最小値に近づくように、永久磁石（ｌａ；１ａ，１ｂ）によ って作ちれるエアギャップに一致させられることを特徴とする請求項１乃至１６ のいずれかの同期モータの転勤装置。
18. １８．上記電流または電圧の印加は、個々に予め定義された高調波からなり、特 に正弦波曲線形状に対応する曲線形状によって行なわれることを特徴とする請求 項１７の同期モータの駆動装置。
19. １９．直線的アクチュエータ（１，２）の相対位置または回転アクチュエータ（ １，２）の角度位置を表わす位置信号を生成する検出器（１１乃至１４；２０乃 至２４）と、コイル（３；３ａ，３ｂ）の位置信号に応じて、捕捉した位置に対 応した電流または捕捉した位置に対応した電圧を生成する制御器とを備え、上記 電流または電圧あるいはその曲線形状は、個々に予め定義された高調波からなり 、待に正弦波曲線形状に対応していることを特徴とする請求項１の上位概念によ る同期モータの駆動装置。
20. ２０．上記検出器（１１乃至１４；２０乃至２４）により生成される位置信号は 、インクリメントで、デジタルまたはアナログであることを特徴とする請求項１ ９の同期モータの駆動装置。
21. ２１．上記検出器（１１乃至１４；２０乃至２４）は、センサなしでコイルに誘 導された位置および回転数に依存する少なくとも１つの電圧を位置信号として出 力することを特徴とする請求項２０の同期モータの駆動装置。
22. ２２．上記検出器（１１乃至１４）は、アクチュエータ（１，２）の位置を捕捉 するセンサ（１４）によって位置信号を生成することを特徴とする請求項２０の 同期モータの駆動装置。
23. ２３．上記検出器（１１乃至１４；２０乃至２４）は、駆動部材の外面に直接ま たは間接に接続されていることを特徴とする請求項２１または２２の同期モータ の駆動装置。
24. ２４．上記検出器（１１乃至１４；２０乃至２４）は、モータハウジングに集積 化されていることを特徴とする請求項２１または２２の同期モータの駆動装置。
25. ２５．上記センサ（１４）は、光学的信号発生器（１２）を備え、そのエンコー ダ（１１）は、アクチュエータ（１，２）に固定されていることを特徴とする請 求項２３または２４の同期モータの駆動装置。
26. ２６．上記センサは、オーミックな位置ピックアップ（２０乃至２４）であるこ とを特徴とする請求項２３または２４の同期モータの駆動装置。
27. ２７．上記オーミックな位置ピックアップは、電気的および機械的にストローク 限界をもつ直線ポテンショメータまたは角度限界をもつ回転ポテンショメータか らなり、そのピックアップ（２０，２３）および／または抵抗路（２１）は、ア クチュエータ（１，２）に接続されており、位置信号は、絶対的ストロークまた は角度信号を表わすことを特徴とする請求項２６の同期モータの駆動装置。
28. ２８．上記ポテンショメータ（２０乃至２４）は、ストロークまたは角度に依存 する関数をもつ特性を示し、この特性は、対応する幾何学的形状や抵抗路（２１ ）の材料組成や適合する外部または内部の電気的回路によって調整されることを 特徴とする請求項２７の同期モータの駆動装置。
29. ２９．上記抵抗路（２１）は、導電性プラスチックからなることを特徴とする請 求項２７または２８の同期モータの駆動装置。
30. ３０．信号の取り出しは、上記ポテンショメータ（２０乃至２４）により、無電 流または電流を加えて行なわれることを特徴とする請求項２７乃至２９のいずれ かの同期モータの駆動装置。
31. ３１．上記抵抗路（２１）は、多数の抵抗路から形成され、および／または上記 ピックアップは、多数のピックアップを備えることを特徴とする請求項２７乃至 ３０のいずれかの同期モータの駆動装置。
32. ３２．上記制御器は、加えられる電流を生成するために位置信号を少なくとも１ つの制御量に算術的に結合する信号発生器を備えることを特徴とする請求項１９ 乃至３１のいずれかの同期モータの駆動装置。
33. ３３．上記信号発生器は、一定のストロークまたは角度位置に対応する加えるべ き電流値を、アドレスが夫々位置信号に対応している供給器から取り出すか、予 め与えられた関数に応じてハードウェアまたはソフトウェア的に算出することを 特徴とする請求項３２の同期モータの駆動装置。
34. ３４．上記直線または回転のポテンショメータ（２０乃至２４）の位置信号は、 角度情報に直接対応しておらず、角度に依存するモータのための制御信号または 少なくともこのような信号に対応する尺度であり、この信号から関数的または算 術的演算により制御信号を導出することができることを特徴とする請求項２７乃 至３３のいずれかの同期モータの駆動装置。
35. ３５．上記制御器は、上記制御信号を目標量または指令量，特に制御量に乗算し 、乗算結果に応じて増幅された電流をモータ相に加えることを特徴とする請求項 ３４の同期モータの駆動装置。
36. ３６．請求項１および１９の特徴部分またはこれらの請求項に言及した請求項に 述べられた処置を相互に備えることにによって特徴づけられる請求項１の上位概 念による同期モータの駆動装置。
37. ３７．多数のまたは総ての磁極は、磁石ディスク上に磁化され、あるいは夫々個 々の磁石から形成されていることを特徴とする請求項１乃至３６のいずれかのデ ィスクロータモータの形の同期モータの駆動装置。
38. ３８．上記磁極のための磁気的継鉄として、支持部材としての役割も果たす回転 する継鉄（Ｉｃ）を備えたことを特徴とする請求項３７の同期モータの駆動装置 。
39. ３９．上記磁極のための磁気的継鉄として、ブリキ製、堅牢なフェライト融合体 やプラスチック−鉄融合体あるいは渦電流損および磁気反転損の小さい他の材料 からなるステータを備えたことを特徴とする請求項３７の同期モータの駆動装置 。
40. ４０．上記永久磁石ロータ（１，２）は、ロータ軸に沿って順次配置され、互い に接続された多くの個々のロータからなり、個々のロータには、そのエアギャッ プ場の外に配された少なくとも１つのコイル（３；３ａ，３ｂ）が付属している ことを特徴とする請求項１乃至３９のいずれかのディスクロータモータの形の同 期モータの駆動装置。
41. ４１．上記プリントまたはパンチングによる回路（３）上に、モータの制御のた め、信号加工のため、または位置センサ（１１乃至１４；２０乃至２４），回転 数センサ，温度センサ．その他のセンサ、特に光学的，機械的，温度的，電気的 および磁気的な量を捕らえるためのセンサの総てまたは少なくともいずれかを制 御するための少なくとも１つの電気的回路を集積化したことを特徴とする請求項 １乃至４０のいずれかの同期モータの駆動装置。
42. ４２．請求項３９に記載の装置がモータハウジングに集積化されていることを特 徴とする請求項１乃至４１のいずれかの同期モータの駆動装置。