JPH04331449A - ブラシ付き吸引反発電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 　この発明は、従来の回転磁場を作るための外側巻線界
磁式ステータのステッピングモータやサーボモータ等に
おいて、永久磁石式回転子を有する同期電動機をブラシ
付き吸引反発式電動機としたものに関するものである。

［従来の技術］ 　従来の電動機は永久磁石型の場合、フレーミンクの法
則からなる静止磁場又は回転磁場として考えられており
、回転子は電機子巻線型であった。

特に近年の制御技術の発達でサーボモータは急速にブラ
シレス化された。併しブラシレス化するには運転中の回
転子の位置検出が必要で、磁石やホール素子を用いた磁
電変換方式や発光、受光ダイオード素子による光電変換
方式もしくはインダクタンス変化を利用する高周波スイ
ッチング方式等が利用されているが、いずれも各素子は
高価で応答性や信頼性、耐環境性に劣り、且つそのため
の制御回路も複雑で高価となりつつある。

一方直流マイクロモータにあっても構造上巻線技術や出
力の関係で、小型モータは限界になりつつある。特に最
近ではスロートレス形ロータやムービングコイル型等も
発表されているが、機械的時定数も低いわけではない。

そこで磁石回転子となれば外側巻線となり、より小形化
は可能であり出力もより大きくなる。併し外側回磁巻線
の永久磁石回転子型のブラシ化は、従来の直流ブラシ電
動機より遥かに複雑であり、その整流法も実開昭５６−
４８２７６号広報や特開昭５１−１１６９０８号公報で
公知の通りである。

また回転整流装置も特開昭６１−２２４８４８号公報他
多く公知の通りで、これらの機構は複雑で加工費も高価
で部品交換や保守管理上の問題があり、これらか現在で
も何ら解決されていない状況である。

［発明が解決しようとする問題点］ 　ステッピングモータやブラシレスの交流、直流モータ
等はブラシがないために寿命が長く安定している。併し
ブラシレス化のためには従来の整流子片１箇に対してト
ランジスタ２個とダイオード２個が必要であり、仮に３
極とすれば１２個の半導体素子を必要とする。又同素子
駆動用にホール素子やエンコーダ等の制御装置が必要で
高価とならざるを得ないし、さらに１２０℃程度の高温
には耐えられない。そこでこの発明は永久磁石回転こと
することで放熱の問題や、回転軸を中空化すれば低慣性
回転子が得られ、なおブラシ化すれば安価で耐熱、耐衝
撃、耐環境にも勝れ、且つ過酷な使用にも充分耐える電
動機が得られる。又外側巻線の磁石回転子とすることに
より巻線技術的にも従来技術で、より超小形のモータで
然も大出力のものが得られることになる。現在のブラシ
レスモータのホール素子やエンコーダはＡＤ変換により
矩形波パルスに変換して時間的演算によって電流や電圧
波形を造波していたが、これを整流子パターンで回転子
と同期させることで、機械的に造波すれば各素子や演算
回路の簡略化が図られ、さらに低速から高速までの応答
が機械的完全に同期され、且つ信号用電流のみ利用すれ
ば電流によるブラシの損傷は少なく耐久性も向上するも
のである。

［問題点を解決するための発明の構成］　この発明は、
上記の構想に基づき外側を電磁石、内側を永久磁石回転
子型のブラシレスモータをブラシ付き吸引反発電動機と
して実施するものである。この構造を実施例により図面
を参照して説明すると、先ず第１図は本発明の永久磁石
回転子の３相巻線ブラシ付き吸引反発電動機の実施例の
断面図その他である。先ず電磁石片（１）の内側に永久
磁石回転子（２）があり、スリップリング兼整流子片（
３）、（４）が絶縁体（５）と固着一体化されている。

信号用電源（６）から正電流がブラシ（７）を通って整
流子片（正極）（３）に流入し、出力ブラシ（８）が正
極即ちＮ極をコイルに指令する。

このブラシが６０゜毎にずれており従って任意に正、零
、負電流により各コイルはＮ極、中性、Ｓ極へと励磁さ
れる。同第１図において磁石幅中心位置検出ブラシ（９
）がＯＦＦで（７）がＯＮであれば磁極の中心であり、
それ以外は信号としてコンピュータ（ＣＰＵ）にて処理
しなければよい。また電磁石極の励磁反転位置検出ブラ
シ（１０）がＯＦＦの場合はそこが反転（整流）点であ
る。以下同様に信号入力用ブラシ（負極）（１１）によ
り信号電流は電源（６）へ帰る。ＡＢ相信号用ブラシ（
１２Ａ）、（１２Ｂ）、Ｚ相用出力ブラシ（１３）は位
置制御用の信号ブラシである。この整流パターンの１例
を第２図に示す。また以上の整流部をなくして各相コイ
ルに三相交流電源を結線すれば、三相交流吸引反発電動
機となるのは当然である。さらに第３図に示すものは、
回転軸（１４）に永久磁石（１５）が固着され整流部に
駆動用入力ブラシ（１６）からＡＢＣ相動磁用各ブラシ
（１７）が転流され、原理は第１図と同じであるが整流
子片（１８）と出力用ブラシ（１７）とが機械的接触に
よる開閉の前に出力用ブラシ位置検出用ブラシ（１９）
を各々設け、整流子片（１８）とブラシ（１９）がＯＮ
又はＯＦＦすることで信号となし、半導体開閉器を作動
させるので、第１図の下部回路図に示すようにトランジ
スタとダイオードのみならずサイリスタやＧＴＯ、ＭＯ
ＳＦＥＴ等を任意回路で継続させ、安価でより少ない半
導体開閉器により任意多相界磁コイルを機械的に整流で
きるものである。

［作用］ （１）以上説明したように、信号電流あるいは駆動電流
各々が正負極に設けた凹凸パターンにより機械的に整流
出力されるので、あらゆる負荷変動や速度変動に完全に
同期されるため、特にロボット等の位置決め用モータと
して有効に作用するものである。

（２）超小形化するには従来の外側永久磁石式の構造の
外にスロットレス形やムービングコイル形ロータなどで
直径約９ｍｍまで可能となっているが、本発明の構造で
は直径５ｍｍ以下も可能となる。

（３）従来のブラシレスモータにはホール素子やエンコ
ーダが必要で、その為のＡＤ変換や各種演算補正及びゲ
イン調整を必要としていた。併し本発明ではブラシ式と
したことで直接おくれなしに完全矩形波信号が得られる
事となった。

（４）また第３図の構造となすことでブラシと整流子片
の機械的接触中のみ半導体開閉させるので、火花による
ブラシや整流子片の焼損、磨耗やそれに伴なう音響の発
生が防止できた。

（５）上記の構成によりコイルのリアクタンスが大きく
とれるので、従来の直流電動機のような多重巻コイルを
分巻式コイルにできるため整流子片数を大幅に削減する
ことが可能となった。

（６）前記のように整流子部をなくすと、交流電動型と
なるのみならず磁極片と永久磁石数とを任意に増減させ
ることが簡単にできるので、超高速型から超微速型まで
の用途別の専用の電動機を容易に製作可能である。

［発明の効果］ 　本発明は以上説明したように構成されているので、以
下記述のような効果を奏する。

（１）本発明は永久磁石回転式としたこととブラシ式で
あるため、モータの外径に近い回転子の寸法で第１図に
示すようにできたので、従来の巻線技術とパンチングプ
レス技術でも充分である。

例えば直径７〜５ｍｍ以下の超小形モータが可能となり
、且つモータ効率も永久磁石方式の為８０〜９０％以上
で省エネルギー化が図れる。

（２）位置検出信号出力プランにより半導体整流器を直
接開閉するので、従来のホール素子やエンコーダー及び
それに伴なう各種演算装置も不要としたので、モータ本
体としての耐熱、耐衝撃及び耐水性が大幅に向上した。

更に従来より一層の悪環境や宇宙における超真空中など
の過酷な状況下で激しい運転ができ、且つ大幅な素子や
機器を省略できるため多大な経費節減が可能となった。

（３）高度な写真製版技術により、あらゆる整流子パタ
ーンが焼付けやエッチング加工又はレーザ加工によって
一層微細な凹凸パターンができ、低速から高速用の各パ
ターンとすることで回転子軸に完全同期の応答性が高く
且つ高信頼性の制御が可能となった。

（４）回転軸上の磁石を整流子位置及び電磁石コイル中
心とを最大トルク発生位置でセットすることにより、極
低速から超高速まで如何なる負荷変動下でも、最小電流
値で最大トルクが常に完全同期で得られる省エネ型モー
タである。

（５）従来の超人小形モータにおいて外巻回磁コイルと
したことで、発熱部は外側で内側回転子軸は発熱しない
ため、大幅な放熱効果が向上できるので、その分だけ大
出力化が図られた。

【図面の簡単な説明】

　図面は本発明の一実施例を示し、第１図は永久磁石回
転子を有する吸引反発電動機の一部断面を示す正面図、
第２図は第１図のＸ−Ｘ断面図、第３図は電磁石コイル
部の展開図、第４図は本電動機の制御回路図、第５図は
第１図における整流部のパターン図を示す。又第６図は
第１図の信号用電源を直接駆動用電源とした一実施例図
、第７図は第６図のＹ部の切欠拡大図である。 １…電磁石片　２…永久磁石回転子 ３、４…スリップリング兼用整流子片 ５…絶縁体　６…信号用電源 ７…信号正極ブラシ　８…出力ブラシ ９…磁石幅中心位置検出ブラシ １０…電磁石極の励磁反転位置検出ブラシ１１…信号負
荷ブラシ １２Ａ、１２Ｂ…ＡＢ相信号用ブラシ １３…Ｚ相用出力ブラシ １４…回転軸　１５…永久磁石 １６…駆動用入力ブラシ　１８…整流子片１９…出力用
ブラシ位置検出用ブラシ ＣＰＵ…コンピュータ 特許出願人　上村　一郎 代理人　弁理士　三原　隆（外１名）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転子を永久磁石または究極を有するソリ
   ッド 型あるいはかご型となし、外側電磁石システムを有する
   同期電動機又は該電動機の直径を無限大とした状態の即
   ちリニヤ型電動機において、該回転子軸上に信号電流入
   力用の正、負極用ブラシ及びスリップリング各１対を設
   け、該スリップリングに対面する端部を任意分割の凹凸
   形状とし、任意幅の絶縁部とを噛み合せて正、零、負の
   整流発生用ブラシとし、該部電磁石極性変換位置検出、
   回転子上にある磁石の幅方向の中心位置検出、パルス幅
   変調時の単位パルス波長間内における開閉時間比率変換
   位置検出及びＡ・Ｂ相またはＺ相位置など検出用の信号
   電流取出しの各出力ブラシを設置して得られた信号電流
   を、別設の駆動電源からの半導体整流器を開閉させて外
   巻回磁コイルを直接励磁することを特徴とするブラシ付
   き吸引反発電動機。
2. 【請求項２】第１項の電動機において、信号電流入力用
   ブラ シを駆動電流入力用ブラシとし、且つコイル極性変換位
   置検出ブラシを同コイル直接励磁用出力ブラシとし、同
   ブラシとその整流子片とが機械的な接触中のみ半導体整
   流器を開閉させるための該ブラシ位置検出用ブラシを設
   け、その信号により同整流器を作動させて火花の発生を
   防止するとともに、無電流時に機械的整流をなすことを
   特徴とするブラシ付き吸引反発電動機又は該電動機の直
   径を無限大とした状態の即ちリニヤ型吸引反発電動機。
3. 【請求項３】第２項記載の整流部を駆動電流入力用ブラ
   シと 任意相を有する外部電磁石励磁用出力ブラシのみを有す
   る前項同様の整流方式により、回転子上の磁極に相対し
   たる正、零、負の交番電流を得て、同電磁石を直接励磁
   することを特徴とするブラシ付き吸引反発電動機又は該
   電動機の直径を無限大とした状態の即ちリニヤ型吸引反
   発電動機。