JPH0638472A

JPH0638472A - 可変リラクタンスモータ

Info

Publication number: JPH0638472A
Application number: JP4207196A
Authority: JP
Inventors: Hisahiro Hanaoka; 尚大花岡
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-07-10
Filing date: 1992-07-10
Publication date: 1994-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】速度制御が容易で、最適な通電タイミングの
調整が容易なモータとする。【構成】固定子１の外側にマグネット７を取り付け、
固定子１の磁極１ｕ，１ｖ，１ｗをＮ極に、磁極２ｕ，
２ｖ，２ｗをＳ極に磁化し、回転子３の回転で誘起電圧
が発生する構造とする。発生した誘起電圧に基づき、通
電タイミングを決定し、マグネット７の磁束で直線的な
出力特性とし、速度制御を容易とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は速度制御等を必要とする
サーボモータに使用される可変リラクタンスモータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般にサーボモータによって低速で大き
なトルクを出力するには減速機を装着しなければならな
いが、減速機を装着した場合には、バックフラッシュが
生じるため、誤差が発生して負荷を適正な位置に制御す
ることができないと共に、構造が複雑となる問題があ
る。可変リラクタンスモータは低速で大きなトルクを出
力できるため、大きな負荷を直接に駆動できるが、電機
子電流と出力トルクとの関係が非線形となる。このため
ブラシレスサーボモータなどの線形特性のモータに多用
されている制御方法を用いることができず、制御が複雑
となる問題がある。図７はかかる可変リラクタンスモー
タの出力特性を示し、電機子電流のａ領域では出力トル
クが電流の略２乗に比例し、ｂ領域では電流に正比例
し、ｃ領域では電機子が磁気的に飽和して出力トルクも
飽和状態となる。このため、軽負荷の場合には、電流変
化に対するトルク変動が大きく、速度制御が難しくなっ
ている。

【０００３】特開平２−４１６９６号公報にはかかる可
変リラクタンスモータの出力持性におけるａ領域を除去
して、制御を容易とした方法が記載されている。この方
法は複数の電機子の巻線群を全て２層とし、その第１層
に常に定電流を供給して固定子と回転子をあらかじめ磁
化することにより非線形領域（ａ領域）をなくすと共
に、その第２層に対しては回転子の位置センサの出力タ
イミングに応じて通電することにより出力トルクの制御
を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
方法では、以下の問題点を有している。出力トルクを得るための巻線に加えて、固定子と回
転子をあらかじめ磁化する巻線を追加巻装するためのス
ペースを必要とし、モータが大型となる。２層の巻線を必要とするため、巻線工程が複雑とな
る。固定子と回転子をあらかじめ磁化するための独立し
た電源を必要とする。ところで、永久磁石を回転子とするブラシレスサーボモ
ータでは、エンコーダ等の位置センサの磁極に対する相
対位置を、誘起電圧波形と位置センサの出力波形を観測
することにより調整して、最大トルクが得られる通電タ
イミングを決定している。すなわち、回転子を外部より
回転させて誘起電圧を発生させ、位置センサ出力との位
相を調整している。しかしながら可変リラクタンスモー
タにおいては、永久磁石を回転子としていないため、外
部から回転子を回転させても誘起電圧が発生しない。こ
のため、上記問題点に加えて調整が面倒となる問題があ
った。

【０００５】本発明は上記事情を鑑みて考慮してなされ
ものであり、面倒な巻線工程の増加を必要としないで、
出力トルクにおける非線形部分を除去して良好な制御特
性を得ると共に、回転子の回転で誘起電圧を発生させる
ことにより、誘起電圧出力波形の位相と位置センサの出
力波形の位相との調整を可能として、最適の通電タイミ
ングを容易に得ることが可能な可変リラクタンスモータ
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の可変リラクタンスモータは、ヨークを介して連設さ
れた偶数の磁極および各磁極に巻回された電気子巻線を
有した固定子と、この固定子の磁極にギャップを介して
対向する突極を複数有した回転子と、この回転子の位置
を検出する位置センサと、前記回転子を挟んで対向する
磁極を相互に異極とするように固定子の端面に取り付け
られたマグネットと、このマグネットに接触状態で取り
付けられたバックヨークとを備えていることを特徴とす
る。

【０００７】

【作用】上記構成において、マグネットは隣接する磁極
を例えば、Ｎ極に磁化し、回転子を挟んで対向位置の磁
極をＳ極に磁化するため、回転子と固定子は電機子巻線
に電流を供給し、トルクを発生させる前段階で一定の値
に磁化された状態となる。この磁化の度合を、出力トル
クの非線形領域以上の電流による磁化と等価となるよう
に決定することにより、非線形領域を除去できる。これ
により、非線形領域除去のための巻線が不要となって、
構造が簡単で小型とすることができると共に、独立した
電源も不要となる。また、回転子を外部から回転させる
と、各磁極の磁束の鎖交数が変化して誘起電圧が発生す
るため、誘起電圧波形と位置センサの出力波形との位相
関係を調整でき、最大トルクとなる通電タイミングを容
易に選択でき、制御が容易となる。

【０００８】

【実施例１】図１は本発明を３相の可変リラクタンスモ
ータに適用した実施例１の断面図、図２はそのＩＩ−Ｉ
Ｉ線断面図を示す。これらの図において、１は固定子で
あり、１ｕ，１ｖ，１ｗ，２ｕ，２ｖ，２ｗの６個の磁
極を有する。各磁極には電機子巻線１１ｕ，１１ｖ，１
１ｗ，２２ｕ，２２ｖ，２２ｗが巻かれている。この固
定子１はプレスした珪素鋼板を積層することにより作成
される。３は回転子で、その中央に回転軸５が取り付け
られている。この回転子もプレスした珪素鋼板の積層に
より作成されている。回転軸５は軸受（図示省略）によ
り回転自在に支持されている。回転子３には固定子１の
磁極と狭いギャップを有して対向する４個の突極３ａ，
３ｂ，３ｃ，３ｄが設けられている。電機子巻線は回転
子を挟んで対称位置にある巻線１１ｕと２２ｕ、１１ｖ
と２２ｖ、１１ｗと２２ｗが直列もしくは並列に接続さ
れ、３相の巻線を形成している。

【０００９】また固定子１の磁極１ｕ，１ｖ，１ｗ，２
ｕ，２ｖ，２ｗはヨーク６により連設されており、この
固定子１の外側の端面には偏平な円環形状のマクネット
７，７′が取り付けられている。マグネット７，７′は
図２に示すように、固定子１を挟むように取り付けられ
ていると共に、各マグネット７，７′は面に垂直な方向
にＮ，Ｓの２極に着磁されている。さらにマグネット
７，７′にはマグネットからの磁束の磁路となるバック
ヨーク８，８′が接触状態でその外側に取り付けられて
いる。

【００１０】このような構成において、マグネット７，
７′のＮ極からの磁束は固定子の磁極１ｕ、回転子の突
極３ａ，３ｃ、マグネット７，７′のＳ極、バックヨー
ク８，８′を通って磁路を形成する。図１において、４
がＮ、Ｓの２極の境界となり固定子の磁極１ｕ，１ｖ，
１ｗはＮ極に、磁極２ｕ，２ｖ，２ｗはＳ極に磁化され
ている。磁極１ｕ，１ｖ，１ｗより出た磁束は、図示の
位置では、回転子の突極３ａ，３ｂに入り、突極３ｃ，
３ｄを通って、磁極２ｕ，２ｖ，２ｗに入る。これに対
し、電機子巻線は各磁極に電機子電流を流す場合に、マ
グネットによる磁化が同一極性になるように巻かれてい
る。

【００１１】図１に示す位置で可変ｌリラクタンスモー
タ駆動する場合には、磁極１ｗと２ｗに通電する。これ
により、突極３ｂおよび３ｄはそれぞれ磁極１ｗおよび
２ｗに吸引され、回転子３は時計方向に回転する。この
突極３ｂと３ｄが磁極１ｗ，２ｗとほぼ同一角度となっ
たとき、１１ｗ，２２ｗへの通電を切って、磁極１ｖ，
２ｖの巻線１１ｖ，２２ｖに通電する。この場合は突極
３ａ，３ｃが磁極１ｖ，２ｖに吸引され、回転子３は時
計方向への回転を継続する。これ等の通電のタイミング
は図示されていない３個の位置センサの出力により制御
されている。

【００１２】図３はかかる可変リラクタンスモータを駆
動する回路を示し、３組のスイッチング素子１０１と１
０２、１０３と１０４、１０５と１０６はＦＥＴ等で構
成され、３個の位置センサが突極の位置を検知すること
により、ＯＮ，ＯＦＦして直列に接続されている磁極の
巻線を一定期間通電する。例えば、突極３ｂまたは３ｄ
の位置を検知すると、スイッチング素子１０５，１０６
が一定期間オンとなり、これにより巻線１１ｗ，２２ｗ
が通電され、突極３ｂ，３ｄは前述のように磁極１ｗ，
２ｗに吸引される。同様に他の２つの位置センサの情報
により、２組の巻線１１ｕと２２ｕ、１１ｖと２２ｖに
対して同様に通電される。巻線に並列に接続されている
各ダイオート１１１，１１２，１１３，１１４，１１
５，１１６は、スイッチング素子がＯＦＦとなった時、
巻線に蓄積された磁気エルネギーを電流に変換するよう
に作用する。

【００１３】この可変リラクタンスモータにおける磁束
と出力トルクとの関係は以下にようになっている。突極
が磁極に近づくと、磁極の磁束はマグネットにより増加
する。これと同時に、位置センサにより電機子電流が通
電されるので、電流による磁束がマグネットの磁束に重
畳される。そして、マグネットによる磁束により非線形
領域（図７のａ領域）が除去され、それに重畳している
電機子電流による磁束により出力トルクが得られる。こ
の出力トルクは電機子電流と比例する関係になっている
ので、速度制御等が容易になる。なお、突極が磁極に近
づき、磁極と同一角度位置となり、更に磁極を離れる
際、マグネットによる磁束は反トルクとなるが電機子電
流による磁束の方がはるかに大きいため、このタイミン
グにおける反トルクは無視できる。また、軽負荷の場合
は、磁束のバランスが除々に崩れて回転子３が回転する
状態になるので、軽負荷の際に起こり易いトルクリップ
ルを抑制できるという副次的な効果も有している。

【００１４】次にスイッチング素子１０１〜１０６をＯ
Ｎとするタイミングの設定について説明する。可変リラ
クタンスモータの回転軸５に駆動用モータを機械的に結
合して、回転軸５を外部から回転させる。図４はこの回
転による回転子３の位置θと、誘起電圧Ｖとの関係を示
し、図５は１ｗと突極３ｂとの位置関係を示す。突極３
ｂと磁極１ｗの各中心を見込む角度をθとし、θが十分
大きい場合、誘起電圧はゼロであるが、θが小さくなる
に従って誘起電圧が上昇する。そしてＶがＶｒになった
とき、スイッチング素子１０５，１０６をＯＮ状態とす
ることで突極３ｂは磁極１ｗに吸引される。このとき、
θはθｒとなっている。一般に可変リラクタンスモータ
では、θｒが突極と磁極の幅の和の半分、即ち、突極が
回転して磁極の端に重なりはじめた時、磁極の巻線を通
電すると、最大のトルクが出力されるが、この条件は突
極や磁極の形状により異なっている。例えば、図１にお
いては突極と磁極の幅が同一となっているが、突極の内
部を幾分広げた方がトルクリップルを少なくでき、この
ような場合、θｒは幾分大きめに設定した方が良い場合
もある。また、一般に各磁極への通電のタイミングを決
定するのにエンコーダ等の位置センサを使用する。しか
し、上記θｒはエンコーダ等の出力信号からは直接読み
取ることができない。これに対し、本実施例では、誘起
電圧Ｖの波形によりθｒを決定することが可能となって
いる。即ち、Ｖ＝Ｖｒのとき、磁極の巻線を通電するよ
うに、位置センサを調整すると、この時がθ＝θｒとな
る。従って、予備実験により最適なθｒを決定し、Ｖ＝
Ｖｒのとき磁極の通電を開始するように位置センサの出
力のタイミングを決定することにより調整が可能とな
る。

【００１５】なお、上記実施例は位置検知センサを３箇
所に有する３相の可変リラクタンスモータについて説明
したが、２相の可変リラクタンスモータにも同様に適用
できる。例えば、磁極数が８個で突極が６個の場合に対
しては８個の磁極の内、４個をＮ極に、残りの４個をＳ
極になるようにマグネットを固定子に取り付け、２箇所
の位置センサにより各磁極に適正なタイミングで電機子
電流を通電することで上述と同様に作動する。

【００１６】

【実施例２】図６は本発明の実施例２を示し、実施例１
と同一の要素は同一の符号で対応させてある。この実施
例では、固定子の各磁極１ｕ，１ｖ，１ｗ，２ｕ，２
ｖ，２ｗに対し、マグネット７が同数接着されて配置さ
れている。このマグネット７に対し、同一形状、同一極
性のマグネット（図示省略）が固定子１の端面に取り付
けられていると共に、これらのマグネットの外側にはバ
ックヨーク（図示省略）が取り付けられている。このよ
うな構造の実施例２においても実施例１と同様に作用す
るが、マグネット全体の体積が小さくなり、その分、小
型とすることができる。

【００１７】

【発明の効果】以上のとおり本発明は、固定子へのマグ
ネットの装着によって出力トルクが非線形となる領域を
除去できるため、速度制御が容易となると共に、ブラシ
レスサーボモータ等の制御用モータに多用されている制
御回路を使用でき、さらには回転子の回転で誘起電圧を
発生させることができるため、その波形に基づいた通電
タイミングの調整も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の断面図。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。

【図３】駆動のための回路図。

【図４】回転子の角度と誘起電圧との関係を示す特性
図。

【図５】磁極と突極の関係を示す部分正面図。

【図６】本発明の実施例２の断面図。

【図７】電機子電流と出力トルクとの関係を示す特性
図。

【符号の説明】

１固定子１ｕ，１ｖ，１ｗ，２ｕ，２ｖ，２ｗ磁極３回転子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ突極７マグネット８バックヨーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヨークを介して連設された偶数の磁極お
よび各磁極に巻回された電機子巻線を有した固定子と、
この固定子の磁極にギャップを介して対向する突極を複
数有した回転子と、この回転子の位置を検出する位置セ
ンサと、前記回転子を挟んで対向する磁極を相互に異極
とするように固定子の端面に取り付けられたマグネット
と、このマグネットに接触状態で取り付けられたバック
ヨークとを備えていることを特徴とする可変リラクタン
スモータ。