JPH08116651A - 可変リラクタンス形モータ及びその制御方法 - Google Patents

可変リラクタンス形モータ及びその制御方法

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JPH08116651A
JPH08116651A JP6247659A JP24765994A JPH08116651A JP H08116651 A JPH08116651 A JP H08116651A JP 6247659 A JP6247659 A JP 6247659A JP 24765994 A JP24765994 A JP 24765994A JP H08116651 A JPH08116651 A JP H08116651A
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rotor
variable reluctance
winding
stator
windings
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JP6247659A
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English (en)
Inventor
Yukio Shiozaki
幸夫 塩崎
Masashi Sakata
昌司 坂田
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FUJII SEIMITSU KAITENKI SEISAK
FUJII SEIMITSU KAITENKI SEISAKUSHO KK
Original Assignee
FUJII SEIMITSU KAITENKI SEISAK
FUJII SEIMITSU KAITENKI SEISAKUSHO KK
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】小型化で高速回転の可能な可変リラクタンス形
モータを提供することを目的とする。 【構成】複数の極歯12と複数の巻線13U,13V,
13Wとが設けられたステータ11と、ステータの極歯
と対向可能な複数の歯16が設けられたロータ15とを
有してなる可変リラクタンス形モータ1であって、各巻
線13U〜Wが、1つの相に属する各極歯に対して、周
方向に互いに同一の側のスロット14a〜fのみを通過
するように、且つスロットの通過方向が交互に逆向きと
なるようにそれぞれ分布巻形式で巻かれており、さらに
互いに星型結線形式で結線されてなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、可変リラクタンス形モ
ータ及びその制御方法に関する。可変速サーボモータと
しては、DCブラシレスモータが広く用いられている。
しかし、DCブラシレスモータはロータが永久磁石から
なるので高価である。そのため、DCブラシレスモータ
に代わる安価な可変速モータが望まれている。
【0002】
【従来の技術】可変リラクタンス形モータ(以下「VR
形モータ」という)は、小トルクのものは開ループ制御
の可能なステッピングモータの一種として知られてお
り、また主として工作機械などの比較的低速で大きなト
ルクを必要とする用途においては、閉ループ制御による
ダイレクトドライブモータとして用いられている。
【0003】図9及び図10は従来のVR形モータ80
の概略の構造を示す図である。図9に示すVR形モータ
80は、6個の極歯82を有した鉄心(ヨークを含むコ
ア)に3相の巻線83が設けられたステータ81と、4
個の歯86が設けられた高透磁率材料(軟質磁性材料)
からなるロータ85とを有している。
【0004】VR形モータ80では、各極歯82に対し
て、その両側のスロット84を利用して各極歯82を周
回するように、集中巻形式でU、V、Wの各相の巻線8
3が巻かれている。そして、図8に示すように、ロータ
85を挟んで向かい合う極歯82を周回する2つのコイ
ルが、直列に接続されて1つの相の巻線83とされてい
る。
【0005】従来において、このようなVR形モータ8
0の使用に際しては、例えば、図10に示すように各相
の巻線83をスイッチSW1〜3を介して直流電源VE
に並列に接続し、スイッチSW1〜3が順にオンとなる
ように切り換える1相励磁式の駆動制御が行われてい
た。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来のVR形モータ8
0では、各スロット84を両隣の極歯82に対応した2
つの巻線83が通過することから、スロット84の断面
積を大きくする必要がある。そのため、ロータ85の外
径に比較して極めて外径の大きいステータ81が必要と
なり、VR形モータ80の小型化を図ることができなか
った。
【0007】ステータ81が大型になるほど、巻線83
の全長が長くなってインダクタンスが増大し、電流のオ
ンオフ時の過渡現象のために、高速回転が困難になる。
特に、オフ時の過渡現象による還流電流によって反トル
ク(制動トルク)が発生し、これが出力トルクの低下、
振動、及び騒音の原因となり、そのためパルスレートが
一定以上に高くなると回転不能状態に至る。
【0008】本発明は、上述の問題に鑑みてなされたも
ので、スロットを通過する巻線の量を減らして小型化を
図ることのできる可変リラクタンス形モータ、及びその
可変リラクタンス形モータを高速回転させることができ
る制御方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係る可
変リラクタンス形モータは、上述の課題を解決するた
め、複数の極歯と複数の巻線とが設けられたステータ
と、前記ステータの極歯と対向可能な複数の歯が設けら
れたロータとを有し、前記各巻線は分布巻形式で巻かれ
且つ互いに星型結線形式で結線されてなる。
【0010】請求項2の発明に係る可変リラクタンス形
モータは、複数の極歯と複数の巻線とが設けられたステ
ータと、前記ステータの極歯と対向可能な複数の歯が設
けられたロータとを有し、前記各巻線は、1つの相に属
する各極歯に対して、周方向に互いに同一の側のスロッ
トのみを通過するように、且つスロットの通過方向が交
互に逆向きとなるようにそれぞれ巻かれており、さらに
互いに星型結線形式で結線されてなる。
【0011】請求項3の発明に係る可変リラクタンス形
モータは、前記ロータの回転角度位置を検出するための
センサーを有してなる。請求項4の発明に係る制御方法
は、前記各巻線を、相毎にスイッチング素子を介して直
流電源の正極に接続し、且つ相毎に他のスイッチング素
子を介して前記直流電源の負極に接続し、前記直流電源
の正極側及び負極側の前記各スイッチング素子のオンオ
フ状態を一定順序で切り換えることによって、前記ロー
タを回転させ、その際に、前記センサーによって前記ロ
ータの回転角度位置を検出し、検出した回転角度位置に
基づいて前記各スイッチング素子の切換えのタイミング
を設定するものである。
【0012】請求項5の発明に係る制御方法は、前記ロ
ータの回転速度に応じて、前記各スイッチング素子の切
換えのタイミングを補正するものである。
【0013】
【作用】各巻線は、励磁の対象である1つの相に属する
極歯に対して、一方の側のスロットを利用して巻かれ
る。これによって、1つのスロットには1つの相の巻線
のコイル辺のみが収納され、スロットの断面積を小さく
しても充分な量の巻線を収めることができる。
【0014】極歯の両側の2つの巻線に同時に電流を流
すことによって、それらの巻線の近傍の極歯が励磁さ
れ、2つの巻線の組み合わせを順次切り換えることによ
り極歯が順次励磁され、励磁による磁界の回転方向と逆
の方向にロータが回転する。励磁の切換えのタイミング
は、センサーによるロータの回転角度位置情報に基づい
て設定される。つまり、ロータの回転状態をフィードバ
ックして駆動する閉ループ制御が行われる。
【0015】
【実施例】図1は本発明のVR形モータ1の巻線構造を
示す図、図2はVR形モータ1における巻線13の展開
図である。
【0016】図1(A)において、VR形モータ1は、
6個の極歯12及び3つの巻線13U,13V,13W
が設けられたステータ11と、ステータ11の極歯12
と対向可能な4個の歯16が設けられたロータ15とを
有している。
【0017】各巻線13U,13V,13Wは、ロータ
15を挟んで向かい合う一対の極歯12、つまり互いに
180度位置にある極歯12−1と12−4、極歯12
−3と12−6、極歯12−5と12−2に対して、そ
れぞれ周方向右側のスロット14a〜fを通過するよう
に、且つ通過方向が交互に逆向きとなるように、分布巻
形式で巻かれている。すなわち、各巻線13U,13
V,13Wは、それぞれが1つのコイルからなり、合計
3つのコイルが6つのスロット14a〜fに納められて
いる。
【0018】また、図1(B)及び図2に示すように、
各巻線13U,13V,13Wは、巻回方向の上で互い
に同等の関係にある一方の端部が共通に接続され、他方
の端部が各相の端子U,V,Wに個別に接続されてい
る。つまり、巻線13U,13V,13Wは星形結線形
式で結線されている。なお、各巻線13U,13V,1
3Wのコイル端(スロットの外側の部分)は、左右に2
分割されてステータ11の周面に沿って這わされてい
る。
【0019】例えば巻線13Uに図1(B)に矢印で示
す方向の電流Iuを流すと、スロット14a内では図1
(A)における紙面の裏側から表側へ電流が流れ、また
スロット14b内では表側から裏側へ電流が流れる。
【0020】このVR形モータ1によると、各スロット
14には1つの相の巻線13U〜Wのみが通過してお
り、従来のVR形モータ80に比較すると巻線の量が2
分の1に減少しているから、スロット14の断面積が小
さくても充分な本数の巻線13U〜Wを通過させること
ができ、そのためスロット14が小さくても充分な起磁
力を得ることができ、ステータ11の小型化、つまりV
R形モータ1の小型化を図ることができる。また、後述
のように2つの相の巻線に同時に電流を流すことによっ
て励磁が行われるので、常に全体の3分の2の巻線に電
流が流れ、巻線13U〜Wの利用率が高くなり、大きな
トルクを発生させることができる。
【0021】以下、VR形モータ1の制御方法について
説明する。図3は本発明に係るモータシステムMSのブ
ロック図である。モータシステムMSは、VR形モータ
1と、それを駆動するための回転制御部100とから構
成されている。
【0022】図3において、VR形モータ1は、ロータ
15の回転角度位置を検出するための3つの磁気センサ
ーH1〜3を有している。各磁気センサーH1〜3は、
周方向に等間隔に配置されたホール素子と適切な信号出
力回路とからなり、ロータ15の対峙部分が例えばN極
に着磁しているときにアクティブ(「H」)となる論理
信号を、ロータ位置信号Sh1〜3として出力する。
【0023】回転制御部100は、VR形モータ1に3
相の電力を供給するインバータ110、インバータ11
0のスイッチング制御を担うインバータコントローラ1
20、及び回転速度に応じてインバータ110のスイッ
チング制御のタイミングを補正するための位置信号補正
部130から構成されている。
【0024】ロータ位置信号Sh1〜3は、ロータ15
の回転角度位置を示すフィードバック信号として回転制
御部100に入力され、位置信号補正部130でタイミ
ングが調整された後、インバータ110のスイッチング
のタイミング信号SH1〜3としてインバータコントロ
ーラ120に入力される。インバータコントローラ12
0は、タイミング信号SH1〜3の論理の組合せに応じ
て、インバータ110を制御する。
【0025】次に、まずモータシステムMSの基本的な
動作について説明する。図4はインバータ110の回路
図、図5は巻線13を励磁するシーケンスを示すタイミ
ングチャート、図6は図5に対応した励磁状態の推移を
示す図である。
【0026】インバータ110は、商用交流を入力とす
る整流回路DB及び平滑用のコンデンサC1を有した直
流電源VEと、3相駆動用のインバータ回路INVとか
ら構成されている。インバータ回路INVは、6個のト
ランジスタ(スイッチング素子)Q1〜6と、フリーホ
イール用の6個のダイオードD1〜6とを有している。
なお、図4ではトランジスタQ1〜6の極性の図示を省
略してある。
【0027】VR形モータ1のU相の巻線13Uは、ト
ランジスタQ1を介して直流電源VEの正極に接続さ
れ、トランジスタQ4を介して直流電源VEの負極に接
続されている。同様に、V相の巻線13Vは、トランジ
スタQ2,Q5を介して直流電源VEに接続され、W相
の巻線13Wは、トランジスタQ3,Q6を介して直流
電源VEに接続されている。
【0028】図5及び表1に示すように、励磁のシーケ
ンスは6つのステップ#1〜6からなり、いわゆる12
0°通電型の2相励磁が行われる。
【0029】
【表1】
【0030】すなわち、ステップ#1では、トランジス
タQ1,Q5がオンされ、端子Uから端子Vに向かう電
流Iu(−Iv)が流れる。これによって、図6(A)
に示すように磁界が生じ、ロータ15とステータ11と
の間の磁気抵抗(リラクタンス)が最小であり且つ偏り
のない安定位置に、ロータ15が保持される。
【0031】続くステップ#2では、トランジスタQ5
がオンされたままで、トランジスタQ1に代えてトラン
ジスタQ3がオンされ、図6(B)に示すように端子W
から端子Vに向かう電流Iw(−Iv)が流れる。これ
によって、磁界方向はステップ#1の状態に対して図の
CCW方向に30°だけ回転(歩進)し、ロータ15は
CW方向に回転する。ステップ角は15°である。
【0032】以降のステップ#3〜6では、表1の組み
合わせでトランジスタQ1〜6が2つずつ選択的にオン
され、ステップ毎に磁界が30°ずつ回転し、それと逆
の方向にロータ15が15°ずつ回転する。
【0033】なお、図6においてロータ15をCCW方
向に回転させる場合には、ステップの切換えを逆の順序
(すなわち#6→#5→#4→#3→#2→#1→#6
…の順序)で行えばよい。
【0034】以上のシーケンスにおいて、トランジスタ
Q1〜6の切換えのタイミングは、図5に示すように、
タイミング信号SH1〜3に基づいて設定される。すな
わち、トランジスタQ1〜6は、磁気センサーH1〜3
によって得られるロータ位置信号Sh1〜3に同期して
オンオフをする。例えば、U相の制御に係わるトランジ
スタQ1は、タイミング信号SH2のオフ(「H」から
「L」への切り換わり)に呼応してオンし、タイミング
信号SH3のオフに呼応してオフする。
【0035】ところで、実際には、巻線12U〜Wのイ
ンダクタンスなどに起因して、トランジスタQ1〜6の
オンオフに呼応した電流Iu〜wの切り換わりに応答遅
れが生じる。
【0036】そこで、本実施例のモータシステムMSで
は、回転速度制御の精度を高めるために、位置信号補正
部130が設けられている。図7は位置信号補正部13
0の機能を示す信号波形図、図8は位置信号補正部13
0の構成を示すブロック図である。
【0037】図7のように、VR形モータ1がほぼ一定
速度で回転している状態では、ロータ位置信号Sh1,
Sh2,Sh3は順に120°ずつ遅れるものの、周期
は互いにほぼ等しい。
【0038】ここで、仮にロータ位置信号Sh1〜3を
そのまま用いてトランジスタQ1〜6のオンオフを行う
場合を考えると、例えばU相の電流Iuは、ロータ位置
信号Sh2のオフから実質的に遅れて立ち上がる。図中
の鎖線は電流Iuの理想波形を示し、破線は実際の波形
を示している。
【0039】位置信号補正部130は、このような電流
の立上がりの遅れを見込んで、トランジスタQ1〜6の
オンオフを時間tだけ早めるために設けられ、そのため
のタイミング信号SH1,SH2,SH3を出力する。
電流の立上がりの遅れの影響は回転が高速になるほど大
きいので、時間tは回転速度に応じて調整される。
【0040】各タイミング信号SH1〜3は、それらに
比べて位相の進んだロータ位置信号Sh1〜3を、回転
速度に応じた所定時間Tdだけ遅延させることによって
生成される。すなわち、図7の例において、タイミング
信号SH2はロータ位置信号Sh1を遅延させた信号で
あり、タイミング信号SH3はロータ位置信号Sh2を
遅延させた信号であり、タイミング信号SH1はロータ
位置信号Sh3を遅延させた信号である。
【0041】図8に示されるように、位置信号補正部1
30は、各ロータ位置信号Sh1〜3を遅延させる計3
つのシフトレジスタ301〜303、遅延時間Tdを設
定するプログラムカウンタ305、回転速度に応じた最
適補正データを格納したROM306、回転速度を検出
するためのカウンタ308、クロック発生回路310な
どを有している。クロック発生回路310は、水晶発振
器321と分周器322,323とから構成され、1.
6384MHzの第1クロックCK1及び8.533K
Hzの第2クロックCK2を出力する。
【0042】以下、信号の流れに沿って位置信号補正部
130の構成をさらに詳しく説明する。磁気センサーH
1〜3によって得られたロータ位置信号Sh1〜3は、
入力切換え回路304を経て所定のシフトレジスタ30
1〜303に入力される。入力切換え回路304は、回
転方向指令信号CW/CCWに従ってロータ位置信号S
h1〜3とタイミング信号SH1〜3との対応関係を切
り換えるとともに、CCW回転の場合にはロータ位置信
号Sh1〜3をその論理を反転して出力する。
【0043】シフトレジスタ301はタイミング信号S
H1を出力し、シフトレジスタ302はタイミング信号
SH2を出力し、シフトレジスタ303はタイミング信
号SH3を出力する。これらシフトレジスタ301〜3
03は、それぞれが128個のDフリップフロップから
なり、遅延時間Tdはプログラムカウンタ305から与
えられるクロックCK305の128パルス分の時間で
ある。
【0044】一方、ロータ位置信号Sh1〜3の内の1
つ、例えばロータ位置信号Sh2は、ゲート回路309
及びエッジ検出回路313に入力される。ロータ位置信
号Sh2の半周期において、第2クロックCK2がゲー
ト回路309を通過して8ビットのカウンタ308に入
力され、そのパルス数がカウントされる。
【0045】カウンタ308が出力するカウントデータ
D308は、各ビットの同期をとるためにラッチ回路3
07によってラッチされてROM306に入力される。
カウントデータD308は、VR形モータ1の回転速度
を示すデータである。ただし、回転が高速であるほどロ
ータ位置信号Sh2の周期が短いので、カウントデータ
D308の値は、回転速度が大きいほど小さい。
【0046】なお、カウンタ308は、ロータ位置信号
Sh2のオンエッジでリセットされる。また、ラッチ回
路307は、ロータ位置信号Sh2のオフエッジでカウ
ントデータD308をラッチする。
【0047】ROM306は、入力されたカウントデー
タD308の1.1〜2倍の値のデータD306をプロ
グラムカウンタ305に出力する。すなわち、ROM3
06によってカウントデータD308が補正され、ロー
タ位置信号Sh1〜3に対するタイミング信号SH1〜
3のシフト量(時間t)が、回転速度に応じて最適化さ
れる。本実施例の回路構成において、ROM306を省
略した場合には、回転速度に応じて時間tの長さは変わ
るが、ロータ位置信号Sh1〜3に対する時間tの比に
相当する進角は、回転速度に係わらず一定となる。
【0048】プログラムカウンタ305は、データD3
06によって指定された分周比で第1クロックCK1を
分周した信号を、クロックCK305としてシフトレジ
スタ301〜303に出力する。つまり、VR形モータ
1の回転速度に応じてクロックCK305の周波数を変
更する。回転速度が小さいほど、クロックCK305の
周波数が低くなる。
【0049】上述の実施例によれば、巻線13U,13
V,13Wの巻き方が分布巻であることから、ステータ
11を小径にしてモータ全体の小型化を図ることができ
る。巻線13U,13V,13Wが星形に結線されてい
ることから、3本のリード線を設けるだけで、駆動系と
の接続が可能である。また、汎用のパワーエレクトロニ
クス部品を用いてインバータ回路110を構成すること
ができ、駆動系の低コスト化を図ることができる。
【0050】上述の実施例によれば、ロータ15に永久
磁石を設けないコスト面で有利な可変リラクタンス形モ
ータ1を用いて、DCブラシレスモータを用いた場合と
同様の可変速運転が可能なモータシステムMSを提供す
ることができる。
【0051】上述の実施例においては、極歯12が6個
のものについて説明したが、他の個数、例えば12個又
は18個であってもよく、その場合に巻線13U,13
V,13Wは、例えばスロットの2つおきに且つ逆方向
に順次通過するように巻けばよい。また、3相のVR形
モータ1について説明したが、例えば2相、4相、又は
5相などのVR形モータとしてもよい。磁気センサーH
1〜3に代えて光学センサーを位置センサーとして用い
ることができる。
【0052】上述の実施例において、ステータ11の極
歯12の形状、巻線13U,13V,13Wの巻き方又
はスロット間の巻線の処理の仕方、ロータ15の歯16
の個数、その他、VR形モータ1,2の構造、形状、材
質、回転制御部100の構成、スイッチング素子の種
類、磁気センサーH1〜3の構成、動作タイミング、又
は動作順序などは、本発明の主旨に沿って種々変更する
ことができる。
【0053】
【発明の効果】請求項1乃至請求項3の発明によれば、
スロットを通過する巻線の量を減らして可変リラクタン
ス形モータの小型化を図り、単位出力当たりのインダク
タンスを減らして高速回転を容易化することができる。
【0054】請求項4及び請求項5の発明によれば、回
転速度の安定した高速回転を実現することができる。請
求項5の発明によれば、高精度の速度制御を実現するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の可変リラクタンス形モータの巻線構造
を示す図である。
【図2】可変リラクタンス形モータの巻線の展開図であ
る。
【図3】本発明に係るモータシステムのブロック図であ
る。
【図4】インバータの回路図である。
【図5】巻線を励磁するシーケンスを示すタイミングチ
ャートである。
【図6】図5に対応した励磁状態の推移を示す図であ
る。
【図7】位置信号補正部の機能を示す信号波形図であ
る。
【図8】位置信号補正部の構成を示すブロック図であ
る。
【図9】従来の可変リラクタンス形モータの概略の構造
を示す図である。
【図10】従来の可変リラクタンス形モータの概略の構
造を示す図である。
【符号の説明】
1 VR形モータ(可変リラクタンス形モータ) 11 ステータ 12 極歯 13U,13V,13W 巻線 14a〜f スロット 15 ロータ 16 歯 H1〜3 磁気センサー(センサー) Q1〜6 トランジスタ(スイッチング素子) VE 直流電源

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の極歯と複数の巻線とが設けられたス
    テータと、 前記ステータの極歯と対向可能な複数の歯が設けられた
    ロータとを有し、 前記各巻線は、分布巻形式で巻かれ、且つ互いに星型結
    線形式で結線されてなることを特徴とする可変リラクタ
    ンス形モータ。
  2. 【請求項2】複数の極歯と複数の巻線とが設けられたス
    テータと、前記ステータの極歯と対向可能な複数の歯が
    設けられたロータとを有してなる可変リラクタンス形モ
    ータであって、 前記各巻線は、1つの相に属する各極歯に対して、周方
    向に互いに同一の側のスロットのみを通過するように、
    且つスロットの通過方向が交互に逆向きとなるようにそ
    れぞれ巻かれており、さらに互いに星型結線形式で結線
    されてなることを特徴とする可変リラクタンス形モー
    タ。
  3. 【請求項3】請求項1又は請求項2記載の可変リラクタ
    ンス形モータであって、 前記ロータの回転角度位置を検出するためのセンサーを
    有してなることを特徴とする可変リラクタンス形モー
    タ。
  4. 【請求項4】請求項3記載の可変リラクタンス形モータ
    の制御方法であって、 前記各巻線を、相毎にスイッチング素子を介して直流電
    源の正極に接続し、且つ相毎に他のスイッチング素子を
    介して前記直流電源の負極に接続し、 前記直流電源の正極側及び負極側の前記各スイッチング
    素子のオンオフ状態を一定順序で切り換えることによっ
    て、前記ロータを回転させ、 その際に、前記センサーによって前記ロータの回転角度
    位置を検出し、検出した回転角度位置に基づいて前記各
    スイッチング素子の切換えのタイミングを設定すること
    を特徴とする可変リラクタンス形モータの制御方法。
  5. 【請求項5】請求項4記載の制御方法であって、 前記ロータの回転速度に応じて、前記各スイッチング素
    子の切換えのタイミングを補正することを特徴とする可
    変リラクタンス形モータの制御方法。
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