JPH0469040A - ブラシレス電動機 - 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 本発明は、ロボット、工作機械等の駆動源に使用される
ブラシレス電動機に関するものである。

従来の技術 近年、ブラシレス電動機はメンテナンスフリーであるこ
とから一般産業機器の主流となりつつある。その性能は
小型軽量であり、より高トルク、より滑らかな回転であ
ることが要求されている。

アーク溶接用ロボットのような場合では、溶接ビートに
ムラがでないように低コギングであることが望まれてい
る。このような要望のもとにブラシレス電動機の磁気回
路を工夫しく例えば特公昭５８−１１９７５４号公報）
低コギングであるブラシレス電動機の開発がなされてい
る。

以下、従来の技術を図面を参照して説明する。

第２図は従来のブラシレス電動機の回転子部。

固定子部の要部構成図である。回転子軸１には８個の界
磁マグネット２が取り付けられており、Ｎ極、Ｓ極が交
互になるように着磁され所定のエアギャブをかいして電
機子鉄心３が配置されている。

（本例では電機子鉄心３に対して回転自在に保持されて
いる）。

電機子鉄心３には、等角度間隔に２４個の巻線用溝４が
設けられており、各巻線用溝の間には２４個の歯５が形
成され、３相の巻線Ｕ１〜Ｕ８゜■１〜Ｖ８．Ｗｌ〜Ｗ
８が巻回されている。巻線は３個の歯を取り囲むように
巻かれており、巻線Ｕ１が収納されている巻線用溝には
それぞれ巻線Ｕ２とＵ８の一端が収納されている。同様
に、巻線Ｕ２が収納されている巻線用溝にはそれぞれ巻
線Ｕ３とＵｌの一端か収納されている。他の巻線ｖ１〜
Ｖ８．Ｗｌ〜Ｗ８についても同様である。

以下、Ｕ１〜Ｕ８をまとめてＵ相の巻線群とし、■１〜
■８をまとめてＶ相の巻線群とし、Ｗ１〜Ｗ８をまとめ
てＷ相の巻線群とする。

界磁部のマグネット２の発生磁束は電機子鉄心の各歯部
に流入または流出し、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の巻線群に鎖交して
いる。Ｕ、Ｖ、Ｗ相の巻線群に発生する誘起電圧の間に
は電気的に１２０°の位相差がある。

次に、この従来例のコギングトルクについて説明する。

コギングトルクは界磁部と電機子鉄心の間の磁場に蓄え
られた磁気エネルギーが両者の相対的な回転に応じて変
化することによって生じるものである。特に、界磁部の
磁極と電機子鉄心の溝の両者に関係して発生し、界磁部
のマグネットと電機子鉄心の両方に磁気的な周期性があ
る場合には、その両者に共通して存在する成分の周期性
を持ったコギングトルクを生じる。第３図（ａ）は基準
点からの回転角度θの位置におけるマグネットの発生す
る磁束密度Ｂ（θ）の分布特性を全周に渡って示したも
のである。磁気エネルギーＥｍ（θ）は磁束密度の２乗
に関係する量であるから、第３図（ａ）に示す特性の界
磁磁極部が有する磁気的な周期。

波形の基本的な調波成分は第３図（ｂ）に示すように第
８次調波成分となる。また、この基本波成分の他に第１
６次、第２４次、第３２次、・・・などの高調波成分を
含んでいることになる。

一方、電機子鉄心の磁気的不均一性が巻線用溝によって
生じる。電機子鉄心の巻線用溝は等角度間隔に配置され
ているので、電機子鉄心の磁気的不均一性の基本的な調
波成分は第２４次調波成分となる。また、この基本波成
分の他に第４８次。

第７２次、・・・などの高調波成分を含んでいることに
なる。コギングトルクは界磁部のマグネットと電機子鉄
心の両方に磁気的な周期性がある場合に、その両者に共
通して存在する成分の周期性を持ったコギングトルクを
生じるから、本従来例のコギングトルクは第２４次を基
本波成分として第４８次、第７２次、・・・などの高調
波成分を含んだコギングトルクを発生することになる。

第２４次のコギングトルクの次数は電機子鉄心の基本波
成分であり基本波成分はその他の高調波成分に比べて一
般にかなり大きいため、この従来の電動機では非常に大
きなコギングトルクが発生していた。

また、このようなコギングトルクを０とする方法として
、電機子鉄心に歯部を設けず磁気的な周期性をＯとする
ことにより、コギングトルクをＯとする方法がある。以
下図面を参照して説明する。

第４図にコギングトルクをＯとするブラシレス電動機の
回転子部、固定子部の要部構成を示す。

回転子軸１にはＰ個の界磁マグネット２が取り付けられ
ており、Ｎ極、Ｓ極が交互になるように着磁され所定の
エアギャブをかいして電機子鉄心３が配置されている。

電機子鉄心は歯部のない円筒状になっている。３相の巻
線Ｕ１〜Ｕ８．Ｖｌ〜Ｖ８．Ｗｌ〜Ｗ８はエアギャプに
配置され電機子鉄心に固定されている。巻線Ｕ１を始点
として巻線Ｕ２以降は機械角で４５°ごとの位１に固定
されＵ８はＵｌと同じ位置に固定される。巻線ｖ１は巻
線Ｕ１から機械角で６０“の位置に固定され、巻線Ｗ１
は巻線Ｕ１から機械角で１２０°の位置に固定される。

■１〜Ｖ８．Ｗｌ〜Ｗ８の固定位置は巻線Ｕ１〜Ｕ８と
同様である。

前述したように、コギングトルクは界磁部と電機子鉄心
の間の磁場に蓄えられた磁気エネルギーが両者の相対的
な回転に応じて変化することによって生じるものであり
、特に界磁部の磁極と電機子鉄心の溝の両者に関係して
発生し、界磁部のマグネットと電機子鉄心の両方に磁気
的な周期性がある場合には、その両者に共通して存在す
る成分の周期性を持ったコギングトルクを生じる。この
ため本例では、界磁部のマグネットの磁気エネルギーは
第３図と同様に磁気的な周期性をもつが、電機子鉄心の
磁気的な周期性はないためにコギングトルクはＯとなる
。

発明が解決しようとする課題 ］ギングトルクは振動トルクとなり電動機を精密に回転
制御、駆動する場合に悪影響を及ぼす。

このようなコギングトルクを低減する方法として、第２
図の従来例ではマグネットの外周形状に曲率をもたせて
界磁磁極部が有する磁気的な周期、波形の調波成分を基
本的な調波成分（第８次）のみにして第２４次以降の高
調波成分をなくし理論上はコギングトルクを小さ（でき
ることになるが、実際には部品の寸法精度や組立て精度
により第２４次以降の高調波成分を○にすることができ
ず、やや大きなコギングトルクが発生していた。

また、第４図の例では電機子鉄心に歯部を設けず磁気的
な周期性を０とすることにより、コギングトルクを○と
する方法がある。

しかし、磁気的なギャップが大きくなるためマグネット
の磁束密度が低下し、所定のトルクがでなくなる。この
ために、ブラシレス電動機の体格を大きくしなければな
らないという欠点かある。

さらに固定子巻線からみた磁気的なエアギャブはマグネ
ット部分もエアギャプとみなせるため磁気回路のエアギ
ャブが大きくなったことにより固定子巻線のインダクタ
ンスが小さくなり、パルス幅変調方式（ＰＷＭ）の電流
を巻線に流す場合には第５図（ａ）　、　（ｂ）　、　
（Ｃ）に示すように抵抗Ｒ，インダクタンスしによって
定まる時定数（Ｌ／Ｒ）により電流のリップルが変化す
るため、Ｌが小さいと電流のリップルが大きくなり、電
流のリップルによる銅損によって温度上昇が大きくなる
と共に電流制御が難しくなるという大きな欠点があった
。本発明は上記課題を解決するもので、コギングトルク
がＯであり、かつ小型で、低コストのブラシレス電動機
を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、Ｐ個の界磁マグネ
ットと界磁マグネットを狭持するＰ個の界磁鉄心とを円
周上に等角度間隔、または略等角度間隔に配置し、Ｐ極
の界磁磁極を構成した回転子部と、前記界磁部と一定の
空隙をもって対向する電機子鉄心と、前記界磁部と前記
電機子鉄心との空隙に同一の巻回数、同一のピッチで巻
回した固定子巻線群を配置固定してなる固定子部とを備
え、界磁マグネットの磁極面の表面積が界磁鉄心の電機
子鉄心と対向する表面積の１／２より大としてなる固定
子部とを配してなるものである。

作用 本発明は上記した構成により、電機子鉄心の磁気的な周
期性はない。また、界磁マグネットの磁極面の表面積が
界磁鉄心の電機子鉄心と対向する表面積の１／２より大
としているので、界磁鉄心より流れ出る磁束の量が集中
し、エアギャブの磁束密度を高くすることができる。さ
らに、界磁鉄心と電機子鉄心とが直接対向しているので
、固定子巻線からみた磁気的なエアギャプが小さ（なり
固定子巻線のインダクタンスを大きくすることができる
。以上によってコギングトルクが０でありかつ、高トル
ク、小型のブラシレス電動機を提供できるものである。

実施例 以下、本発明の一実施例について第１図を参照しながら
説明する。

第１図は本発明によるブラシレス電動機の回転子部、固
定子部の要部構成図である。Ｐ個の界磁マグネット２と
界磁マグネットを狭持するＰ個の界磁鉄心６とが回転軸
子ｌの円周上に等角度間隔、または略等角度間隔に配置
され、Ｐ極の界磁磁極を構成し、界磁磁極のＮ極、Ｓ極
が交互になるように界磁マグネットを円周方向に着磁し
、所定のエアギャブをかいして電機子鉄心３が配置され
ている。電機子鉄心３は歯部のない円筒状であり、３相
の巻線Ｕｌ〜Ｕ８．Ｖｌ−Ｖ８．Ｗｌ−Ｗ８がエアギャ
ブに配置され電機子鉄心３に固定されている。巻線Ｕ１
を始点として巻線Ｕ２以降は機械角で４５°ごとの位置
に固定されＵ８はＵｌと同じ位置に固定される。巻線ｖ
１は巻線Ｕ１から機械角で６０°の位置に固定され、巻
線Ｗｌは巻線Ｕ１から機械角で１２０°の位置に固定さ
れる。

■１〜Ｖ８．Ｗｌ〜Ｗ８の固定位置は巻線Ｕｌ〜Ｕ８と
同様である。

電機子鉄心３には歯部がないので磁気的な周期性はない
。また、界磁部のマグネット２の発生磁束は界磁鉄心６
を通じて電機子鉄心３に流入または流出し、Ｕ、Ｖ、Ｗ
相の巻線群に鎖交しており、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の巻線群に発
生する誘起電圧の間には電気的には１２０°の位相差が
ある。界磁マグネット２の磁極面の表面積を界磁鉄心６
の電機子鉄心と対向する面の表面積の１／２より大とし
ているので、界磁部のマグネットより発生する磁束は界
磁磁極に集中され高磁束密度が得られるようになされて
いる。

発明の効果 以上の実施例から明らかなように本発明によれば界磁部
のマグネットの磁気エネルギーは磁気的な周期性をもつ
が、電機子鉄心の磁気的な周期性はないためにコギング
トルクは０となる。また、界磁マグネットの磁極面の表
面積が界磁鉄心の電機子鉄心と対向する表面積の１／２
より大としているので、界磁鉄心より流れ出る磁束の量
が増大し、エアギャブの磁束密度を高くすることができ
。

高トルクを発生することができる。さらに、界磁鉄心と
電機子鉄心とが直接対向しているので、固定子巻線から
みた磁気的なエアギャブが小さくなり固定子巻線のイン
ダクタンスを大きくすることができ、電流リップルを小
さくすることができ、温度上昇をおさえることができる
。これによってコギングトルクがＯであり、高トルク、
小型である優れたブラシレス電動機を提供できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるブラシレス電動機の回転子部、固
定子部の要部構成図、第２図は従来のブラシレス電動機
の回転子部、固定子部の要部構成図、第３図（ａ）は基
準点からの回転角度θの位置における磁気エネルギーＥ
ｍ（θ）を全周に渡ってとするブラシレス電動機の回転
子部、固定子部の要部構成図、第５図（ａ）　、　（ｂ
）　、　（ｃ）は抵抗Ｒ，インダクタンスしによって定
まる時定数（Ｌ／Ｒ）により電流のリップルが変化する
様子を示した図である。 １・・・・・・回転子軸、２・・・・・・界磁マグネッ
ト、３・・・・・・電機子鉄心、４・・・・・・巻線用
溝、５・・・・・・歯、６・・・・・・界磁鉄心、Ｕ１
〜ＵＳ・・・・・・巻線（Ｕ相）、■１〜ｖ８・・・・
・・巻線（Ｖ相）、Ｗ１〜Ｗ８・・・・・・巻線（Ｗ相
）。 第１図 ３−一一電機子銖Ｉ（”　　０１〜ｗ８−一一回定子勢
邊代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第 図 第 図 第 図 第 図 （ａ） （ｂ） （ｂ） Ｌ／Ｒ 友 （Ｃ） Ｌ／Ｒ／１＼

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　Ｐ個（Ｐは２以上の整数）の界磁マグネットと界磁マ
   グネットを狭持するＰ個の界磁鉄心とを円周上に等角度
   間隔、または略等角度間隔に配置し、Ｐ極の界磁磁極を
   構成した回転子部と、前記界磁部と一定の空隙をもって
   対向する電機子鉄心と、前記界磁部と前記電機子鉄心と
   の空隙に同一の巻回数、同一のピッチで巻回した固定子
   巻線群を配置固定してなる固定子部とを備え、界磁マグ
   ネットの磁極面の表面積が界磁鉄心の電機子鉄心と対向
   する表面積の１／２より大としたブラシレス電動機。