JPH0534897B2 - - Google Patents

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JPH0534897B2
JPH0534897B2 JP7183384A JP7183384A JPH0534897B2 JP H0534897 B2 JPH0534897 B2 JP H0534897B2 JP 7183384 A JP7183384 A JP 7183384A JP 7183384 A JP7183384 A JP 7183384A JP H0534897 B2 JPH0534897 B2 JP H0534897B2
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JP
Japan
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winding
phase
detection
slot
coil
Prior art date
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Akira Iwashita
Hiroshi Ikeda
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Yaskawa Electric Corp
Original Assignee
Yaskawa Electric Corp
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Publication date
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Publication of JPH0534897B2 publication Critical patent/JPH0534897B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、とくに小形省力化機器の駆動用とし
て好適なブラシレスモータの巻線方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a method of winding a brushless motor, particularly suitable for driving small, labor-saving equipment.

〔発明の背景技術とその問題点〕[Background technology of the invention and its problems]

電動ロボツトで代表される各種省力化機器の駆
動には、従来からDCサーボモモータが多用され
てきた。しかし、DCサーボモータは整流子とブ
ラシからなる機械的整流手段を備えていて、ブラ
シの摩耗からくる信頼性の欠除などの問題がつき
まとうことから、最近は電子的整流手段を使つた
ブラシレスモータの採用へと切替わつていく傾向
にある。
DC servo motors have traditionally been widely used to drive various labor-saving devices such as electric robots. However, DC servo motors are equipped with a mechanical commutator consisting of a commutator and brushes, and are plagued with problems such as lack of reliability due to wear of the brushes, so recently brushless motors that use electronic commutators have been There is a tendency to switch to the adoption of

さらに、サーボモータが適用される機器の開発
は、小形・高性能化への志向をますます強める動
向にある。すなわち、極く小形のブラシレスモー
タに要求される技術的手段は小形・軽量であるこ
と、制御性が優れていること、構造簡単で安価に
提供できることなどであるが、このような要求を
満たすためには、ブラシレスモータの構成要件で
ある駆動用のトルク発生部と整流用の回転角検出
部の両方にまたがつて、次のような対応を具体化
しなければならない。
Furthermore, the development of equipment to which servo motors are applied is increasingly focused on smaller size and higher performance. In other words, the technical means required for an extremely small brushless motor include being small and lightweight, having excellent controllability, and having a simple structure and being able to provide it at low cost. To achieve this, the following measures must be implemented across both the driving torque generating section and the rectifying rotation angle detecting section, which are the constituent elements of the brushless motor.

まず、小形・軽量化のためには、トルク発生部
に高効率・高トルク重量比を可能にするようなモ
ータ形式を適用することである。
First, in order to reduce the size and weight, it is necessary to apply a motor type that enables high efficiency and a high torque-to-weight ratio to the torque generating section.

次に、制御性を高めるために、通常コギングと
呼ばれているロータの不規則回転を避けるよう
に、トルク発生部の構成に起因するトルクリツプ
ルをできるだけ小さく抑え、しかも整流用のセン
サにおいても高精度な回転角検出を可能にするこ
とである。
Next, in order to improve controllability, the torque ripple caused by the configuration of the torque generating part is kept as small as possible to avoid irregular rotation of the rotor, which is usually called cogging, and the rectification sensor also has high precision. The objective is to enable accurate rotation angle detection.

さらに、構造簡単化のためには、トルク発生部
であるモータと整流用のセンサとをカツプリング
を介して機械的に連結して構成する、といつた従
来手法にとらわれることなく、センサ内蔵形、ひ
いては、センサー体形へと、モータとセンサとを
一体化した簡素な構成法を追及すること等であ
る。
Furthermore, in order to simplify the structure, instead of being bound by the conventional method of mechanically connecting the motor, which is the torque generating part, and the sensor for rectification via a coupling, we decided to use a built-in sensor type. Furthermore, it is necessary to pursue a simple construction method that integrates a motor and a sensor into a sensor body.

上記方策の具体化を図つたものとして、すで
に、「一組のステータとロータからなる電磁構造
体の中にトルク発生と回転角検出の2機能を併め
持つように構成したブラシレスモータ(特開昭58
−73477号)」が堤案されている。
As a concrete example of the above-mentioned measures, a brushless motor (unexamined patent application Showa 58
-73477)" is proposed.

この提案は、トルク発生部の形式として、永久
磁石形同期機を利用しているので、効率およびト
ルク重量比が優れていて小形・軽量化に適してお
り、また回転角検出部の形式として誘導子形の回
転角検出装置を適用するとともに、これとトルク
発生部とを機械的結合手段ではなく電磁的作用に
よつて複合化しているので、従来のモータとセン
サの機械的結合方式での組立誤差からくるトルク
リツプルの発生を避けられるばかりでなく、構造
も簡単で製造も容易という利点がある。
This proposal uses a permanent magnet synchronous machine as the type of torque generator, so it has excellent efficiency and torque-to-weight ratio, making it suitable for compactness and weight reduction. In addition to applying a child-shaped rotation angle detection device, this and the torque generating section are combined by electromagnetic action rather than mechanical coupling means, making it possible to assemble the motor and sensor using the conventional mechanical coupling method. This has the advantage that not only can torque ripple caused by errors be avoided, but the structure is simple and manufacturing is easy.

このようにすでに提案されているセンサ複合形
ブラシレスモータによつて、前述したブラシレス
モータにおける主な要求事項のうち、小形軽量化
と構造の簡単化という2つの問題については、ほ
ぼ解決している。しかし、残るもう一つの項目、
すなわち制御性の追及という点においては、以下
に詳しく述べるように、十分な対応ができておら
ず、しかも、単にこの点についてだけの安易な対
応では、他の要求事項への対応がおろそかになる
性格を帯びているために、これが実用化を遅らせ
る原因となつていた。
With the sensor combination brushless motor that has already been proposed, two of the above-mentioned main requirements for brushless motors, namely, reduction in size and weight and simplification of structure, are almost solved. However, one more item remains,
In other words, in terms of the pursuit of controllability, as will be described in detail below, sufficient measures have not been taken, and moreover, simply addressing this point will neglect responding to other requirements. This caused a delay in its practical application due to its unique characteristics.

ここでまず、従来技術によるモータのトルクリ
ツプルを4極モータの場合について第1図を参照
して考察してみる。このモータは、ステータ鉄心
1と、そのスロツトに巻装されたU・V・W各相
電機子巻線2a,2b,2cからなる電機子巻線
2と、同一スロツトに巻装されたU,V,W各相
検出巻線3a,3b,3cからなる検出巻線3と
を備えている。
First, let us consider the torque ripple of a motor according to the prior art in the case of a four-pole motor with reference to FIG. This motor consists of a stator core 1, an armature winding 2 consisting of U, V, and W phase armature windings 2a, 2b, and 2c wound in its slots, and U, V, and W phase armature windings 2a, 2b, and 2c wound in the same slots. The detection winding 3 includes V and W phase detection windings 3a, 3b, and 3c.

第2図はステータとロータの相互関係示すもの
である。ステータ鉄心1の内側に配置されるロー
タは、シヤフト4bとそれに支承された磁性体4
a、およびその磁性体4aに装着された永久磁石
4cからなつている。
FIG. 2 shows the mutual relationship between the stator and rotor. The rotor arranged inside the stator core 1 consists of a shaft 4b and a magnetic body 4 supported by the shaft 4b.
a, and a permanent magnet 4c attached to the magnetic body 4a.

横断面中心0に対して点対称な位置にあるギヤ
ツプ面の磁束が等しい時のトルクリツプルを第3
図に示す。第3図において、5は磁荷であり、6
はパーミアンス変化を表わし、7は磁荷5に働く
力を示している。これにより、1対の磁荷をロー
タ上に固定したものを想定してロータを回転させ
た場合のトルクリツプルを知ることができる。ま
た、この場合、スロツト数12に対応してロータ
1回転当り12周期のパーミアンスのリツプルがあ
るので、この12スロツトのブラシレスモータは、
1回転当り12回の磁気パーミアンス変化によるト
ルクリツプルを生じることになる。
The third torque ripple when the magnetic fluxes of the gap planes located symmetrically with respect to the center 0 of the cross section are equal is
As shown in the figure. In Figure 3, 5 is a magnetic charge and 6
represents the permeance change, and 7 represents the force acting on the magnetic charge 5. This makes it possible to know the torque ripple when the rotor is rotated assuming that a pair of magnetic charges are fixed on the rotor. In addition, in this case, there is a permeance ripple of 12 cycles per rotor rotation corresponding to the number of slots 12, so this brushless motor with 12 slots is
Torque ripple occurs due to magnetic permeance changes 12 times per revolution.

このトルクリツプルは、極小形のモータでは、
ロータの慣性(イナーシヤ)が小さいため、イナ
ーシヤルダンピングが少なくて、トルクリツプル
がほとんどそのまま出力軸に表われるので、これ
を軽減することは、サーボ用途に使われるモータ
にとつては必要不可欠である。
This torque ripple occurs in extremely small motors.
Since the inertia of the rotor is small, there is little inertial damping, and torque ripple appears almost unchanged on the output shaft, so reducing this is essential for motors used in servo applications.

このトルクリツプルに対しての改善策として従
来からいろいろな対策が行なわれている。たとえ
ば、ステータタ鉄心またはロータ界磁のスキユ
ー、磁性くさびまたは全閉スロツトの採用、極の
変わり目の磁束分布が滑らかな変化をするように
構成されたロータ界磁構造、トルクリツプルを打
ち消すようなスロツト数の選定等がそれである。
Conventionally, various measures have been taken to improve this torque ripple. Examples include skewing of the stator core or rotor field, the use of magnetic wedges or fully closed slots, the rotor field structure configured to smoothly change the magnetic flux distribution at the change of poles, and the number of slots designed to cancel out torque ripple. This includes selection, etc.

以上述べた改善策の内、たとえば、ステータ鉄
心のスキユーを例にとり、その問題点について以
下に記すと、 (a) ステータコア組立や電機子巻線作業等の工程
が複雑化する。
Among the above-mentioned improvement measures, taking stator core skew as an example, the problems are described below: (a) Processes such as stator core assembly and armature winding work become complicated.

(b) 軸方向にスラストを発生するので頻繁に回転
方向を切り換えるような用途に使われるサーボ
モータなどでは、振動を起こす原因にもなり、
軸受の信頼性が低下する。
(b) Since thrust is generated in the axial direction, it can cause vibration in servo motors used in applications where the direction of rotation is frequently changed.
Bearing reliability decreases.

(c) 有効磁束φは、下記の(1)式によつて表わされ
る。
(c) The effective magnetic flux φ is expressed by the following equation (1).

φ=φ0×sinα/2/α/2 ………(1) ただし、α=πx/τ、φ0はスキユーをしない
時の磁束、xはスキユー量、τは極節である。
φ=φ 0 ×sin α/2/α/2 (1) where α=πx/τ, φ 0 is the magnetic flux when there is no skew, x is the skew amount, and τ is the pole node.

上記の(1)式からも明らかなように磁束の有効
成分は、スキユー量xに減少することが分か
る。この減少分を補うためには巻数を増さなく
てはならない。また、スロツトの有効面積が減
少するので巻線に使用する導体の径を小さくし
なくてはならない。加えて、コイル辺の長さも
長くなることが以下に示す式より分かる。
As is clear from the above equation (1), the effective component of the magnetic flux decreases to the skew amount x. To compensate for this decrease, the number of turns must be increased. Furthermore, since the effective area of the slot is reduced, the diameter of the conductor used for the winding must be reduced. In addition, it can be seen from the equation shown below that the length of the coil side also increases.

Δlc=√c 22−lc ………(2) ただし、Δcはコイル辺の長さの増加分、 cはもとのコイル辺の長さである。 Δl c =√ c 2 + 2 −l c ………(2) However, Δ c is the increase in the length of the coil side, and c is the original length of the coil side.

以上述べたような理由によつて、巻線の抵抗
が増加して効率が低下する。
For the reasons mentioned above, the resistance of the winding increases and the efficiency decreases.

(d) コイルのインダクタンスLは、以下の(3)式に
よつて求めることができる。
(d) The inductance L of the coil can be determined by the following equation (3).

L=Λ・n2 ………(3) ただし、Λ==μ・S/lnでパーミアンス、μ は透磁率、Sは磁束鎖交面積、nは磁路長、
nはターン数である。
L=Λ・n 2 ………(3) However, Λ==μ・S/l n is permeance, μ is magnetic permeability, S is magnetic flux linkage area, n is magnetic path length,
n is the number of turns.

上式においてターン数nが増えるとインダク
タンスLは、その自乗に比例して増える。
In the above equation, as the number of turns n increases, the inductance L increases in proportion to its square.

また、スロツトの有効幅が減少するので、Λの
式でlnの項が小さくなり、これに反比例してスロ
ツト漏れ磁束が増え、インダクタンスは大きくな
る。
Furthermore, since the effective width of the slot decreases, the term l n in the equation for Λ becomes smaller, and inversely proportional to this, the slot leakage magnetic flux increases and the inductance increases.

これらの原因によるインダクタンスの増加によ
つて力率が低下し、これによつて駆動用電源容量
の増加を招き、制御に負担を強いることになる。
The power factor decreases due to the increase in inductance due to these causes, which causes an increase in the drive power supply capacity and imposes a burden on control.

以上述べてきたように、スキユーは、一方で
は、トルクリツプルを軽減して制御性能を改善す
るという利点が有りながら、他方では、電源容量
の増加を招き制御に負担を強いるというような制
御面での相矛盾した振舞をするのみならず、製造
工程の複雑化、信頼性の低下、効率の低下など
数々の問題を誘発して多くの犠牲を伴うことにな
る。
As mentioned above, on the one hand, skew has the advantage of reducing torque ripple and improving control performance, but on the other hand, it causes problems in terms of control, such as increasing power supply capacity and imposing a burden on control. Not only do they exhibit contradictory behavior, but they also lead to numerous problems such as complicating the manufacturing process, lowering reliability, and lowering efficiency, resulting in many sacrifices.

このような問題はステータスキユーのみなら
ず、スロツト数の選定によつて対処しようという
ものを除けば、何れの場合もほぼ同様に発生す
る。
Such problems occur not only in the status queue but also in almost the same way in all cases, except for those that are addressed by selecting the number of slots.

さてここで、スロツト数の選定によつてトルク
リツプルに対処しようとした時の問題について考
えてみることにする。
Now, let us consider the problem when trying to deal with torque ripple by selecting the number of slots.

スロツト数によつてトルクリツプルに対処しよ
うとすると、いわゆる分数スロツトの採用が考え
られる。たとえば、第1図の例についてスロツト
数によつてトルクリツプルに対策を施す場合、対
象とするモータが極小形であると加工上の制約か
ら、スロツト数を大幅に増やすことはできない。
従つて、第4図に示すようにトルクリツプルを軽
減するのに適当なスロツト数、たとえば15スロツ
トの例について考察を行なうことにする。
In order to deal with torque ripple by changing the number of slots, it is conceivable to adopt so-called fractional slots. For example, when taking measures against torque ripple by increasing the number of slots in the example shown in FIG. 1, if the target motor is extremely small, the number of slots cannot be significantly increased due to processing constraints.
Therefore, as shown in FIG. 4, an appropriate number of slots to reduce torque ripple, for example, 15 slots, will be considered.

15スロツトの場合も第3図で12スロツトについ
てそのトルクリツプルを考察した時と同様に、第
5図において、中心Oに対して点対称な位置にあ
る一組の磁荷について、その振舞を考えることに
する。ここで考え方に混乱を起こさないためにパ
ーミアンスの変化の分布が正弦波状であるとする
と、この一組の磁荷には第5図から分かるよう
に、互いにその力を弱め合う向きに力が働き、パ
ーミアンス変化の分布が正弦波状であり、中心O
に対して点対称な位置のギヤツプ面の磁束が等し
いというような条件のもとでは、トルクリツプル
は全くなくなる。
In the case of 15 slots, in the same way as when considering the torque ripple for 12 slots in Figure 3, consider the behavior of a set of magnetic charges located symmetrically with respect to the center O in Figure 5. Make it. To avoid confusion, if we assume that the distribution of changes in permeance is sinusoidal, as can be seen from Figure 5, forces act on this pair of magnetic charges in a direction that weakens each other's forces. , the distribution of permeance changes is sinusoidal, and the center O
Under the condition that the magnetic fluxes on the gap surfaces at points symmetrical with respect to each other are equal, there is no torque ripple at all.

しかし、このステータ鉄心に従来から行なわれ
てきた。いわゆる分数スロツト巻線を施すと、そ
の一例として、第6図に示すような分数スロツト
(スロツト#1〜#15)巻線が考えられるが、
この各スロツトの起磁力ペクトル図は、第7図
(従来の分数スロツト巻線の起磁力ベクトル図)
に示すように不平衡になつてしまうことが分か
る。これによつて、高調波起磁力が増大し、これ
に起因して運転時のトルクリツプルが増大する。
スロツト数の選定によつてトルクリツプルに対処
し、これに従来方式の巻線を施すというようなト
ルクリツプル対策では、トルクリツプルに関し
て、一方では、スロツトパーミアンスによるトル
クリツプルは軽減されるが、他方では、高調波起
磁力の増大によるトルクリツプルが増大するとい
う相矛盾したた振舞をする。
However, this has been done conventionally for this stator core. An example of so-called fractional slot winding is fractional slot (slot #1 to #15) winding as shown in Figure 6.
The magnetomotive force vector diagram of each slot is shown in Figure 7 (magnetomotive force vector diagram of conventional fractional slot winding).
It can be seen that this results in an imbalance as shown in the figure. This increases the harmonic magnetomotive force, which increases the torque ripple during operation.
Torque ripple countermeasures, such as selecting the number of slots to deal with torque ripple and applying conventional winding to this, on the one hand reduce torque ripple due to slot permeance, but on the other hand, harmonics There is a contradictory behavior in that the torque ripple increases due to the increase in magnetomotive force.

以上、従来技術の問題点について述べてきた
が、要するに従来技術でコギング対策を行なう
と、他の問題を誘発することが分かつた。
The problems of the prior art have been described above, but in short, it has been found that when countermeasures against cogging are taken using the prior art, other problems are induced.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、ブラシレスモータの要件の一
つである制御性の向上において重要な課題である
トルクリツプルを、検出機能を損うことなく軽減
し、なおかつ、他の要件である小形軽量化・構造
簡単化などをも同時に満足するように構成しうる
ブラシレスモータの巻線方法を提供することにあ
る。
The purpose of the present invention is to reduce torque ripple, which is an important issue in improving controllability, which is one of the requirements for brushless motors, without impairing the detection function, and to reduce the torque ripple, which is an important issue in improving controllability, which is one of the requirements for brushless motors. It is an object of the present invention to provide a winding method for a brushless motor that can be constructed so as to satisfy the requirements of simplicity at the same time.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明のブラシレスモータの巻線方法は、界磁
に永久磁石を備えたロータと、スロツト数を相数
の整数倍にして、界磁の極数で割つた値が分数と
なるように選定したスロツト内に、各相巻線を複
数の相導体に分割した電機子巻線、およびロータ
の回転角を検出する検出巻線を挿入したステータ
とからなるブラシレスモータの巻線方法であつ
て、 ベクトル平面上の中心点から放射方向に向け
て、巻線の各相間の位相差に応じた角度差をもつ
て、各相ごとに正負両方向の軸線を描く第1のス
テツプと、 同じ中心点から所定半径の円周上に設定された
スロツト位置のそれぞれに向けて単位ベクトルを
描き、各単位ベクトルを、それに隣り合う両軸線
の方向に分解して各相正負別の成分ベクトルを求
める第2のステツプと、 第2のステツプで求めた各成分ベクトルの大き
さの比率で各スロツトに挿入する各相正負負別の
コイル辺の導体数を決定して各スロツトに挿入す
る第3のステツプと、 第3のステツプで挿入したコイル辺を、互いに
180゜の位相差を有し、かつ導体数の等しいものど
うして1つのコイルを形成するとともに、同相の
コイル群を接続して各相巻線を構成する第4のス
テツプと、 ステータスロツト数を界磁の極対数で割つたと
きの商に相当するスロツトピツチ付近のスロツト
ごとにそれぞれ少なくとも1個の検出コイルを挿
入し、各検出コイルを周方向に等ピツチで電機子
巻線の相数に対応させて配設し星形結線して検出
巻線を構成し、この検出巻線の各出力端および中
性点から回転角検出用端子を導出する第5のスレ
ツプと、 を有することを特徴とする。
The winding method for the brushless motor of the present invention is such that the rotor is equipped with a permanent magnet in the field and the number of slots is an integral multiple of the number of phases, and the value divided by the number of poles of the field is a fraction. A method of winding a brushless motor consisting of an armature winding in which each phase winding is divided into a plurality of phase conductors, and a stator in which a detection winding for detecting the rotation angle of the rotor is inserted into a slot. A first step in which axes in both positive and negative directions are drawn for each phase in the radial direction from the center point on the plane, with an angular difference corresponding to the phase difference between each phase of the winding; The second step is to draw a unit vector toward each of the slot positions set on the circumference of the radius, and decompose each unit vector into the directions of both adjacent axes to obtain component vectors for each phase (positive and negative). and a third step of determining the number of conductors on each coil side for each phase (positive, negative, negative) to be inserted into each slot based on the ratio of the magnitude of each component vector determined in the second step, and inserting the conductors into each slot. Connect the coil sides inserted in step 3 to each other.
How can a coil with a phase difference of 180° and an equal number of conductors form one coil, and a fourth step in which coils of the same phase are connected to form each phase winding, and the number of stator slots is set as a field? At least one detection coil is inserted in each slot near the slot pitch corresponding to the quotient when divided by the number of magnetic pole pairs, and each detection coil is arranged at equal pitches in the circumferential direction corresponding to the number of phases of the armature winding. and a fifth thread for deriving a rotation angle detection terminal from each output end and a neutral point of the detection winding. .

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、4極のブラシレスモータに本発明を適用
する場合の実施例について説明する。スロツト数
を15にすると、スロツトパーミアンスによるトル
クリツプルが相殺されてなくなることは、すでに
説明済みである。
An embodiment in which the present invention is applied to a four-pole brushless motor will be described below. It has already been explained that when the number of slots is set to 15, the torque ripple due to slot permeance is canceled out and eliminated.

そこで、この事例について本発明による三相電
機子巻線を施すものとしよう。この場合、各スロ
ツト内のアンペアコンダクタすなわちスロツト起
磁力のベクトルが、第8図(電流ベクトル図)に
示すように、方向が各スロツトの位置角に対応し
ているとともに、大きさもすべて等しくすること
ができるならば、回転起磁力中の高調波成分に起
因するトルクリツプルを実質的に無くすことがで
きるので理想的である。
Therefore, in this case, it is assumed that a three-phase armature winding according to the present invention is applied. In this case, the vector of the ampere conductor in each slot, that is, the slot magnetomotive force, must have a direction that corresponds to the position angle of each slot and be equal in magnitude, as shown in Figure 8 (current vector diagram). If it is possible to do so, it would be ideal because torque ripple caused by harmonic components in the rotational magnetomotive force can be substantially eliminated.

このような条件は、各スロツト内に2つの相に
属するコイル辺が収容されているもとして、それ
らによる合成起磁力のベクトルが第8図の各スロ
ツトの起磁力ベクトルに一致するように決めてや
れば実現できる。そのためには、第9図(平衡三
相起磁力を発生させるよう巻線の電流ベクトル
図)に示すように、まず円形のベクトル平面上の
中心点Oから放射方向に向け、U,V,W各相巻
線の位相差に応じた角度差(120゜)をもつて、各
相ごとに正負両方向の軸線OU,OU′,OV,
OV′,OW,OW′を描く。さらに同一中心点Oか
ら所定半径の円周上に設定されたスロツト位置
#1〜#15のそれぞれに向けて単位ベクトルを
描き、各単位ベクトルを、それに隣り合う両軸線
の方向に分解して各相正負別の成分ベクトルを求
める。第9図の例ではスロツト位置#1の近く
に、すなわちV相側にやや寄つた位置にU相軸線
OUが設定されており、スロツト位置#1に向か
う単位ベクトルは、それに隣に合う2つの軸線
OU,OV′の方向の2つの成分ベクトルU→2,V→
3′に分解される。以上のようにして求めた各成分
ベクトルの大きさに応じた比率をもつて各スロツ
トに挿入する各相正負別のコイル辺の導体数を決
定する。かくして、U,V,W各相の電流ベクト
ルに対応する成分ベクトルU1〜U5およびU1′〜
U5′、V1〜V5およびV1′〜V5′、並びにW1〜W5
よびW1′〜W5′を決定することができる。
These conditions are determined so that, assuming that coil sides belonging to two phases are accommodated in each slot, the vector of the combined magnetomotive force due to them matches the magnetomotive force vector of each slot in Fig. 8. It can be achieved if you try. To do this, as shown in Figure 9 (current vector diagram of the winding to generate a balanced three-phase magnetomotive force), first, from the center point O on the circular vector plane, point U, V, W in the radial direction. With an angle difference (120°) corresponding to the phase difference of each phase winding, the axes OU, OU′, OV,
Draw OV′, OW, OW′. Furthermore, unit vectors are drawn toward each of the slot positions #1 to #15 set on the circumference of a predetermined radius from the same center point O, and each unit vector is decomposed into the directions of both axes adjacent to it. Find component vectors for each phase, positive and negative. In the example shown in Figure 9, the U-phase axis is located near slot position #1, that is, slightly closer to the V-phase side.
OU is set, and the unit vector toward slot position #1 is the two axes adjacent to it.
Two component vectors U→ 2 , V→ in the directions of OU and OV′
It is decomposed into 3 ′. The number of conductors on each side of the coil for each positive and negative phase to be inserted into each slot is determined at a ratio corresponding to the magnitude of each component vector determined as described above. Thus, component vectors U 1 to U 5 and U 1 ' to which correspond to the current vectors of the U, V, and W phases.
U5 ', V1 to V5 and V1 ' to V5 ', and W1 to W5 and W1 ' to W5 ' can be determined.

以上のようにして決定され各スロツトに挿入さ
れたコイル辺を、互いに180゜の位相差を有し、か
つ導体数の等しいものどうしでそれぞれ1つのコ
イルを形成するものとすれば、第10図に示すよ
うな空間的配置を得ることができ、これによつて
各コイルの巻幅すなわちコイルピツチも決定する
ことができる。そこで、それらの同相内のコイル
群を第11図に示すように相互接続して各相電機
子線2a,2b,2cを構成し、それらを星形結
線することにより平衡三相電機子巻線を得ること
ができる。
If we assume that the coil sides determined as above and inserted into each slot have a phase difference of 180° and have the same number of conductors to form one coil, then as shown in Fig. 10. A spatial arrangement as shown in FIG. 1 can be obtained, and from this, the winding width of each coil, that is, the coil pitch can also be determined. Therefore, as shown in Fig. 11, these coil groups in the same phase are interconnected to form armature wires 2a, 2b, 2c for each phase, and by connecting them in a star shape, a balanced three-phase armature winding is created. can be obtained.

以上の説明によつて明らかなように、本発明に
よれば、トルクリツプルの発生を極力抑えた理想
的な電機子巻線を得ることができる。
As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to obtain an ideal armature winding in which the occurrence of torque ripple is suppressed as much as possible.

前述のようにブラシレスモータの制御性能を高
めるためには、トルクリツプルの抑制に加えて回
転角検出部の高精度化も重要である。
As mentioned above, in order to improve the control performance of a brushless motor, it is important to not only suppress torque ripple but also to improve the accuracy of the rotation angle detection section.

ところで、すでに提案しているように、このブ
ラシレスモータでは、第4図に示すように、ロー
タが永久磁石4cの磁極と磁性体4aの磁極とを
ギヤツプ円周に沿つて互に配置した不平衡永久磁
石界磁からなつており、これによつてステータと
の間に生成するロータのパーミアンス分布は、そ
の基本波の波長が主磁界の基本波の波長と等しく
て整流用センサに適していることから、それを回
転角の検出信号源として、電磁的に変換検出する
ことに回転角の検出を行なう。このような原理を
具体化するにあたつては、端的に言つて信号源に
は敏感であるが、ノイズには鈍感な検出巻線を工
夫しなければらない。
By the way, as already proposed, this brushless motor has an unbalanced rotor in which the magnetic poles of the permanent magnet 4c and the magnetic poles of the magnetic body 4a are mutually arranged along the gap circumference as shown in FIG. It consists of a permanent magnet field, and the permeance distribution of the rotor generated between it and the stator has a fundamental wave wavelength that is equal to the wavelength of the fundamental wave of the main magnetic field, making it suitable for rectifying sensors. Then, the rotation angle is detected by electromagnetically converting and detecting it using this as a rotation angle detection signal source. To put this principle into practice, it is necessary to devise a detection winding that is sensitive to the signal source but insensitive to noise.

本発明では、ブラシレスモータのギヤツプ円周
を主磁界の極対数(この実施例では2)で割つた
等分点(互いに71/2スロツトピツチ隔てる点) 付近のスロツトに少なくとも1個の検出コイル
を、たとえば第12図(検出コイルのパーミアン
ス信号波形図)に示すように検出コイルaa1〜a4
配置する。
In the present invention, at least one detection coil is installed in a slot near an equal dividing point (points separated from each other by 71/2 slot pitches) obtained by dividing the gap circumference of the brushless motor by the number of pole pairs of the main magnetic field (2 in this example). For example, as shown in Figure 12 (detection coil permeance signal waveform diagram), detection coils aa 1 to a 4
Deploy.

この例ではスロツト2と4に検出コイルa1を、
スロツト9と10に検出コイルa2を、スロツト1
0と11にa3を、そしてスロツト11と12に検
出コイルa4をと、合計4個の検出コイルを配置し
ており、考察を助けるためにこれらの検出コイル
の配置をロータの1極間隔分の回転(電気角で0゜
(第12図a)から180゜(第12図b)の前後での
パーミアンス信号の変化と間連づけて図示してい
る。
In this example, the detection coil a1 is placed in slots 2 and 4.
Insert detection coil A2 into slots 9 and 10, and into slot 1.
A total of four detection coils are arranged, A3 in slots 0 and 11, and detection coil A4 in slots 11 and 12.To help with the discussion, the arrangement of these detection coils is arranged according to the spacing of one pole of the rotor. It is shown in conjunction with the changes in the permeance signal before and after the rotation (from 0° (Fig. 12a) to 180° (Fig. 12b) in electrical angle).

この図からも明らかなように、各検出コイルと
鎖交する磁路のパームアンスは、いずれもロータ
の回転によつて著しく変化しているので、これら
一群の検出コイルを用いれば、感度の優れた検出
巻線を形成することが分かる。
As is clear from this figure, the palm ances of the magnetic paths interlinked with each detection coil change significantly as the rotor rotates, so using this group of detection coils allows for highly sensitive It can be seen that a detection winding is formed.

ここで、検出巻線のもう一つの要件である耐ノ
イズ性の面からも対処しなければならない。とく
にこのブラシレスモータは、センサ復合形であつ
て、検出コイルはトルク発生用の主磁界の中に配
置されるので、この点に対する注意を怠ると、運
転時の主磁界の回転によつて誘起する、いわゆる
速度起電力(以下、誘起電圧と呼称する)が検出
信号中に混入して回転角検出機能を害するおそれ
があり、これへの対策は不可欠である。
Here, noise resistance, which is another requirement for the detection winding, must also be addressed. In particular, this brushless motor is a sensor combination type, and the detection coil is placed in the main magnetic field for torque generation. , so-called speed electromotive force (hereinafter referred to as induced voltage) may be mixed into the detection signal and impair the rotation angle detection function, and countermeasures against this are essential.

この誘起電圧については、以下のように、各検
出コイルの巻回数および相互間の接続法の影響を
予め良く調べて、主磁界に対する検出巻線の巻線
係数を極力小さくするように決めることによつて
有効な対策とすることができる。
Regarding this induced voltage, as shown below, we carefully investigated the number of windings of each detection coil and the influence of the mutual connection method, and decided to minimize the winding coefficient of the detection winding with respect to the main magnetic field. Therefore, this can be an effective countermeasure.

第13図(検出巻線の誘起電圧ベクトル図)
は、第12図のコイル配置例について各検出コイ
ルの誘起電圧をベクトルを用いて図解し、検出コ
イルa1の誘起電圧ベクトルE3を基準ベクトルとし
て、他の検出コイルa1′,a2′,a2″,a4の誘起電圧
ベクトルE1,E2′,E2″,E4の位相と大きさ比較し
たものである。なおここで第12図中に示したよ
うに、各検出コイルの巻回数をそれぞれコイルa1
(これは原理的に2つのコイルa1′,a1″を直列に
接続したものと等価であり、説明の便宜上、2つ
のコイルに分割して取扱うことにする)、コイル
a2、およびコイルa4が各1ターン、コイルa3は3
ターンとし、しかもコイルa3は他のコイルに対し
て異極性とした実施例について示している。かく
して各コイルの巻装ピツチすなわちコイルピツチ
はすべて同じ値(1スロツトピツチ)になるの
で、各コイルの誘起電圧の大きさは巻回数(ター
ン数)に比例することになり、定量的な取扱いが
容易になる。
Figure 13 (Detection winding induced voltage vector diagram)
For the coil arrangement example shown in Fig. 12, the induced voltage of each detection coil is illustrated using vectors, and with the induced voltage vector E 3 of detection coil a 1 as a reference vector, the other detection coils a 1 ′, a 2 ′ , a 2 ″, a 4 , the phase and magnitude of the induced voltage vectors E 1 , E 2 ′, E 2 ″, E 4 are compared. Here, as shown in FIG. 12, the number of turns of each detection coil is set to coil a 1
(In principle, this is equivalent to connecting two coils a 1 ′, a 1 ″ in series, and for convenience of explanation, we will treat them as two coils.)
A 2 and Coil A 4 have 1 turn each, Coil A 3 has 3 turns
An example is shown in which the coil a3 has a different polarity from the other coils. In this way, the winding pitch of each coil, that is, the coil pitch, is all the same value (1 slot pitch), so the magnitude of the induced voltage in each coil is proportional to the number of windings (number of turns), making quantitative handling easy. Become.

上記のようにして構成した巻線を、検出巻線に
おける単位検出コイルとし、これを周方向に等ピ
ツチで電機子巻線2a,2b,2cの相数(本実
施例では3相)に対応させて配置し星形結線して
検出巻線3a,3b,3cとし、その検出巻線の
各出力端および中性点から回転角検出用端子を導
出することにより、検出感度および耐ノイズ性に
優れた検出巻線を構成することができる。
The winding configured as described above is used as a unit detection coil in the detection winding, and is arranged at equal pitches in the circumferential direction to correspond to the number of phases (three phases in this example) of the armature windings 2a, 2b, and 2c. Detection sensitivity and noise resistance are improved by arranging the detection windings 3a, 3b, and 3c by connecting them in a star shape, and by leading out rotation angle detection terminals from each output end and neutral point of the detection windings. An excellent detection winding can be constructed.

第14図は、第7〜13図を参照して説明した
電機子巻線2a,2b,2cおよび検出巻線3
a,3b,3cを備えた本発明の一実施例による
ブラシレスモータの巻線図であつて、個々のコイ
ルの符号は第10図および第11図に対応させて
示している。同図のaは各巻線の態様図、bは検
出巻線の巻数図、cは電機子巻線の巻数図であ
る。
FIG. 14 shows the armature windings 2a, 2b, 2c and the detection winding 3 described with reference to FIGS. 7 to 13.
FIG. 12 is a winding diagram of a brushless motor according to an embodiment of the present invention having coils a, 3b, and 3c, in which the numbers of individual coils correspond to those in FIGS. 10 and 11. FIG. In the same figure, a shows the configuration of each winding, b shows the number of turns of the detection winding, and c shows the number of turns of the armature winding.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説明から明らかなように、本発明による
ブラシレスモータの巻線方向によれば、従来では
困難であつたトルクリツプル対策を効率や力率を
犠性にすることなく可能にしただけではなく、高
感度でノイズに強い整流用の回転角検出部も具備
させることができ、構造簡単で小形軽量化に適す
るとともに、制御性能の優れたセンサ複合形ブラ
シレスモータを実現することができる。
As is clear from the above explanation, the winding direction of the brushless motor according to the present invention not only makes it possible to counter torque ripple, which was difficult in the past, without sacrificing efficiency or power factor, but also enables high It is also possible to include a rotation angle detection section for rectification that is sensitive and resistant to noise, and it is possible to realize a sensor-combined brushless motor that has a simple structure, is suitable for small size and weight reduction, and has excellent control performance.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来例の4極ブラシレスモータにおけ
るステータの展開巻線図、第2図はそのロータと
12スロツトステータ鉄心の正面図、第3図は12ス
ロツト時のコギング発生状況を示す波形図、第4
図は4極ロータと15とスロツトステータ鉄心の横
断面図、第5図は15スロツトでコギングが軽減さ
れる状況を示す波形図、第6図は従来の分数スロ
ツトの展開巻線図、第7図は従来の分数スロツト
巻線の起磁力ベクトル図、第8図は本発明の一実
施例における分数スロツト巻線の起磁力ベクトル
図、第9図は平衡三相起磁力を発生させるための
説明に供するベクトル図、第10図はこの一実施
例の電機子巻線図、第11図はその平衡三相巻線
図、第12図aはそのスロツトに対応する検出コ
イルのパーミアンス信号でロータの1極間隔分の
回転が電気角で0゜のときを示す波形図、第12図
bは同様に180゜のときを示す波形図、第13図は
その検出巻線の誘起電圧ベクトル図、第14図a
はこの実施例における電機子巻線および検出巻線
の展開巻線図、第14図bはその検出巻線の巻数
図、第14図cはその電機子巻線の巻数図であ
る。 1…ステータ鉄心、2…電機子巻線、2a,2
b,2c…U相、V相、W相の電機子巻線、3…
検出巻線、3a,3b,3c…U相、V相、W相
の検出巻線、a1〜a4…コイル。
Figure 1 shows the developed winding diagram of the stator in a conventional 4-pole brushless motor, and Figure 2 shows its rotor and winding diagram.
Figure 3 is a front view of the 12-slot stator core. Figure 3 is a waveform diagram showing the cogging situation when there are 12 slots.
The figure shows a cross-sectional view of the 4-pole rotor and the 15-slot stator core. Figure 5 is a waveform diagram showing how cogging is reduced with the 15-slot. Figure 6 is the developed winding diagram of the conventional fractional slot. Fig. 7 is a magnetomotive force vector diagram of a conventional fractional slot winding, Fig. 8 is a magnetomotive force vector diagram of a fractional slot winding according to an embodiment of the present invention, and Fig. 9 is a magnetomotive force vector diagram for generating a balanced three-phase magnetomotive force. A vector diagram for explanation, FIG. 10 is an armature winding diagram of this embodiment, FIG. 11 is a balanced three-phase winding diagram thereof, and FIG. A waveform diagram showing when the rotation for one pole interval is 0 degrees in electrical angle, Figure 12b is a waveform diagram similarly showing when it is 180 degrees, Figure 13 is a vector diagram of the induced voltage in the detection winding, Figure 14a
14 is a developed winding diagram of the armature winding and the detection winding in this embodiment, FIG. 14b is a diagram of the number of turns of the detection winding, and FIG. 14c is a diagram of the number of turns of the armature winding. 1... Stator core, 2... Armature winding, 2a, 2
b, 2c...U phase, V phase, W phase armature winding, 3...
Detection windings, 3a, 3b, 3c...U phase, V phase, W phase detection windings, a1 to a4 ...coils.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 界磁に永久磁石を備えたロータと、スロツト
数を相数の整数倍にして、界磁の極数で割つた値
が分数となるように選定したスロツト内に、各相
巻線を複数の相導体に分割した電機子巻線、およ
びロータの回転角を検出する検出巻線を挿入した
ステータとからなるブラシレスモータの巻線方法
であつて、 ベクトル平面上の中心点から放射方向に向け
て、巻線の各相間の位相差に応じた角度差をもつ
て、各相ごとに正負両方向の軸線0U,0U′;0V,
0V′;0W,0W′を描く第1のステツプと、 同じ中心点から所定判径の円周上に設定された
スロツト位置#1〜#15のそれぞれに向けて単
位ベクトルを描き、各単位ベクトルを、それに隣
り合う両軸線の方向に分解して各相正負別の成分
ベクトルを求める第2のステツプと、 第2のステツプで求めた各成分ベクトルの大き
さの比率で各スロツトに挿入する各相正負別のコ
イル辺の導体数を決定して各スロツトに挿入する
第3のステツプと、 第3のステツプで挿入したコイル辺を、互いに
180゜の位相差を有し、かつ導体数の等しいものど
うしで1つのコイルを形成するとともに、同相の
コイル群を接続して各相電機子巻線2a,2b,
2cを構成する第4のステツプと、 各相ごとに、ステータスロツト数を界磁の極対
数で割つたときの商に相当するスロツトピツチ付
近のスロツトにそれぞれ少なくとも1個の検出コ
イルを挿入し、各検出コイルを周方向に等ピツチ
で電機子巻線の相数に対応させて配設し星形結線
して検出巻線3a,3b,3cを構成し、この検
出巻線の各出力端および中性点から回転角検出用
端子を導出する第5のステツプと を有することを特徴とするブラシレスモータの巻
線方法。
[Scope of Claims] 1. A rotor with a permanent magnet in the field, and slots selected such that the number of slots is an integral multiple of the number of phases and the value divided by the number of poles of the field is a fraction, A brushless motor winding method consisting of an armature winding in which each phase winding is divided into multiple phase conductors, and a stator in which a detection winding for detecting the rotation angle of the rotor is inserted, the winding being centered on a vector plane. From the point in the radial direction, the positive and negative axes 0U, 0U'; 0V, 0V,
First step is to draw 0V'; A second step involves decomposing the vector into the directions of both adjacent axes to obtain component vectors for each phase (positive and negative), and each component vector is inserted into each slot at the ratio of the magnitude of each component vector determined in the second step. The third step is to determine the number of conductors on each coil side for each phase (positive and negative) and insert them into each slot, and to connect the coil sides inserted in the third step to each other.
One coil is formed by having a phase difference of 180° and the same number of conductors, and a group of coils of the same phase are connected to each phase armature winding 2a, 2b,
For each phase, at least one detection coil is inserted into the slot near the slot pitch corresponding to the quotient of the number of stator slots divided by the number of pole pairs of the field. The detection coils are arranged at equal pitches in the circumferential direction and correspond to the number of phases of the armature winding, and are connected in a star shape to form detection windings 3a, 3b, and 3c. 1. A method of winding a brushless motor, comprising: a fifth step of deriving a rotation angle detection terminal from a positive point.
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