JPH083185Y2

JPH083185Y2 - 小型電動機

Info

Publication number: JPH083185Y2
Application number: JP1985127310U
Authority: JP
Inventors: 康己川端; 良治水谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-08-21
Filing date: 1985-08-21
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2000-08-21
Also published as: JPS6238073U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、小型電動機に関し、特に、電動機の大きさ
は大きくしないで、発生するトルクを大きくするものに
関する。

〔従来の技術〕

永久磁石を利用した電動機のうち高トルク型のものに
は、円筒型ロータの外周に高磁束密度の希土類磁石を取
り付けたものが知られている。また、トルク発生の面積
を増すと同時にリラクタンスを可及的に小さくするため
に、ロータ、ステータ間のエアギャップを高精度の加工
技術を以て小さくしているものもあった。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の電動機では、電動機の大きさに対する
トルクの大きさが充分でなく、応用範囲が制約されてい
た。

従って、本考案の目的は、電動機の大きさは大きくし
ないで、発生するトルクを飛躍的に大きくすることにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本考案は、永久磁石を用いた電動機において、
永久磁石の磁束と励磁コイルの磁束との間で発生する相
関トルクだけでなく、リラクタンストルクも利用できる
ようにし、かつ漏れ磁束を低減することを特徴とする。

具体的には、本考案の小型電動機は、各永久磁石の磁
極方向が互いに平行となるように複数個の永久磁石が円
環状に配列されるとともに、これら円環状に並べられた
永久磁石を挟んで対向する部分を前記永久磁石の内周側
または外周側を通る部分で連結一体化した鉄心が、前記
永久磁石の配列方向と同方向に円環状にかつ前記永久磁
石に対して相対回転可能に配列され、それらの鉄心に、
配列方向で隣接する鉄心同士では互いに独立したコイル
が、前記永久磁石からの磁束に鎖交するように巻回して
取り付けられていることを特徴とするものである。

〔作用〕

その結果、永久磁石と励磁コイルとの間には、両者の
磁束による相関トルクが発生する他、励磁コイルの発生
する磁束の磁路が永久磁石を挟んで形成されているた
め、その磁路を通る磁束によって永久磁石に対してリラ
クタンストルクが発生する。また本考案では、永久磁石
の配列方向に配列された各コイルが、隣接するもの同士
で互いに独立しているから、漏れ磁束が抑制され、この
点でもトルクの増大が図られる。

〔実施例〕

以下、本考案の実施例を図面によって説明する。

第１図〜第３図は、本考案の一実施例を示し、第２図
は部分断面正面図、第１図は第２図のIA-IA線断面、IB-
IB線断面を同時に示す断面図、第３図はステータのケー
スの底面図である。

各図中、10はロータ、20はステータであり、11は永久
磁石、21は励磁コイルである。永久磁石11は、複数個、
この場合、16個が回転軸12のまわりに円環状に配設さ
れ、各永久磁石11は、その磁極方向が互いに平行となる
ように並べられている。勿論、各永久磁石11の磁極は、
隣り合う永久磁石11同士で互いに逆向きとなるようにさ
れている。

このように並べられた永久磁石11を一組として複数
組、この場合、３組が回転軸12のまわりに固定されてロ
ータ10が構成されており、各々円環状に並べられた永久
磁石組は、固定金具14によって回転軸12上に固定されて
いる。このとき、回転軸12と各固定金具14とは、スプラ
イン嵌合13され、固定金具14と永久磁石11との間は、接
着剤によって固着されている。

円環状に並べられた永久磁石11の側方には、やはり複
数個、この場合、12個の励磁コイル21が円環状に並べら
れており、各励磁コイル21は、各永久磁石11の磁束と鎖
交するように配設されている。このように永久磁石11の
側方に配設された励磁コイル組は、永久磁石11の一方側
にのみ配設すれば良いが、両側に配設されていても良
く、この実施例の場合は、第２図から明らかなように、
３組の円環状の永久磁石組のうち、真中のものには、そ
の両側に励磁コイル組が配設されている。

各励磁コイル21には、その中心にそれぞれ鉄心22が設
けられており、第２図から明らかなように、各鉄心22
は、円環状に並べられた永久磁石11の外周側を通って永
久磁石11を挟んで対向する反対側まで延設されている。
すなわち各鉄心22は、永久磁石11を挟んで対向する部分
が、永久磁石11の外周側を通る部分を介して一体化され
た形状である。ただし、この実施例の場合、４組の励磁
コイル組の各励磁コイル21は、回転軸12の方向に一列に
並んでおり、それらの鉄心22は互いに一体化されてい
る。その鉄心22は、積層鉄板によって構成されており、
ステータ20のケース24の底面に第３図の如く形成された
溝23にその一端側が嵌め込まれ、他端側がスペーサ29を
介してカバー25によって圧接されている。また、各鉄心
22間には、第１図から明らかなように、スペーサ26が介
挿されており、スペーサ26のうち幾つかは、ピン27によ
ってケース24に固定されている。つまり、回転軸12の回
転方向に対してまわり止めが施されている。なお、第２
図中、15はベアリングであり、ケース24に対して回転軸
12を回転自在に支持している。また、16はシールであ
り、モータ内に水、ほこり等が侵入しないようにしてい
る。

円環状に並べられた励磁コイル21は、隣り合う三つが
一セットとされ、全周で４セットとされており、各セッ
ト間で対応する位置にある励磁コイル21は、全て直列接
続され、さらに、一体化された鉄心22に巻かれている励
磁コイル21も、全て直列接続されている。従って、励磁
コイル21は、４×４で16個づつが直列接続されているこ
とになる。

このように、励磁コイル21が一セットで３個であるの
に対して、永久磁石11は、対応する範囲内に４個設けら
れている。すなわち、一セット内で永久磁石11の個数が
励磁コイル21の個数より１個多くされている。

第５図〜第７図は、一つの鉄心22およびそこに巻かれ
た励磁コイル21を拡大して示している。また、第４図
は、励磁コイル21が通電されたとき鉄心22の磁化の様子
を示している。このように鉄心22によって形成される磁
路の中に永久磁石11が挟まれた形となっているため、第
４図の位置に永久磁石11があるとき、励磁コイル21によ
って発生される磁力線は、第４図の一点鎖線の如く通
り、励磁コイル21と永久磁石11との間に矢印Ｆで示すよ
うに、リラクタンストルクを発生する。また漏れ磁束が
殆ど生じない。

第８図は、一セットを成すＡ〜Ｃの三つの励磁コイル
21とロータ10の永久磁石11との位置関係を平面上で示す
とともに、ロータ10の回転に伴って励磁コイル21の通電
方向、つまり、極性が切り換えられる様子を時間の経過
と共に示している。

まず、（イ）で示すt₀のタイミングでは、励磁コイル
21のＡ〜Ｃは、（ロ）で示すように。永久磁石11側の磁
極が順次Ｎ、Ｎ、Ｓとなっており、これに対して、ロー
タ10の永久磁石11が図のように位置しているため、ロー
タ10には、矢印で示すように、図の下方向にトルクが発
生する。次にt₁のタイミングでは、Ｂの励磁コイル21の
通電方向が切り換えられて極性が切り換えられ、永久磁
石11側が順次Ｎ、Ｓ、Ｓとされる。すなわち、励磁コイ
ル21と永久磁石11とが一対一で対向する位置となったと
きに、励磁コイル21の極性が切り換えられる。このよう
に、励磁コイル21と永久磁石11とが対向しているときに
は、その励磁コイル21と永久磁石11との間には、トルク
が発生しないが、上述のように励磁コイル21の個数に対
して永久磁石11の個数が多くされているため、一組の励
磁コイル21と永久磁石11とが対向していても、他の励磁
コイル21と永久磁石11とは対向せず、トルクを発生して
いる。

第８図において（ハ）は、励磁コイル21の通電方向を
示しており、t₁のタイミングでＢの励磁コイル21の通電
方向が切り換えられる。以後同様にt₃、t₅、t₇、t₉、t
₁₁のタイミングで励磁コイル21と永久磁石11とが一対一
で対向したとき、励磁コイル21の極性が切り換えられ
る。そして、t₁₃のタイミングで再びＢの励磁コイル21
の極性が切り換えられ、一サイクルの動作を完了し、以
後、この動作が繰り返されて、ロータ10は回転される。

このように励磁コイル21は、一つの永久磁石11と一対
一で対向したとき極性の切換が行われるが、このため、
励磁コイル21が一つの永久磁石11と一対一で対向した状
態を検出するべく、第５図および第６図に良く示されて
いるように、励磁コイル21には、検出コイル28が重ね巻
きされている。ただし、励磁コイル21と永久磁石11との
位置関係は各セット間では、全て同一であるため、検出
コイル28は、一つのセットの励磁コイル21にのみ設けら
れている。また、一つの鉄心22に巻かれた励磁コイル21
が複数個あっても、同様の理由で一つの励磁コイル21に
のみ検出コイル28を設ければ良いが、第５図の場合で
は、一つの鉄心22に巻かれた励磁コイル21の全てに検出
コイル28を設け、これら検出コイル28は全て直列接続さ
れている。

検出コイル28は、永久磁石11の磁界の影響を受けて、
起電力を発生し、その信号波形は、第８図（ニ）に示す
如くとなる。すなわち、励磁コイル21と永久磁石11とが
一対一で対向する位置で起電力の方向が切り換わる交流
信号を発生する。検出コイル28からの信号は、波形整形
されて矩形波とされ、さらに、微分回路によって信号の
変化分のみが取り出される。この微分信号は、第８図
（ホ）に示されており、この微分信号をトリガとして励
磁コイル21の極性切換が行われる。

以上は、一セット中の励磁コイル21の数が３個の場合
について説明したが、励磁コイル21の数は２以上の任意
の数とすることができ、第９図（イ）〜（ニ）は、励磁
コイル21の数を２〜Ｎ個とした場合について互いに比較
して示してある。この第９図（イ）〜（ニ）から明らか
なように、一セット中の励磁コイル21の数Ｎに対して永
久磁石11の数をＮ＋１とすることによってロータ10の回
転中、ロータの回転角にかかわらず、常時励磁コイル21
と永久磁石11との間にトルクを発生させることができ
る。また、励磁コイル21の極性を切り換えるための通電
方向の切換は、（1/2N）×（2/N＋１）×（２π/m）
〔ただし、Ｎは励磁コイル21の極数、ｍはセット数〕毎
に行われる。

第10図は、励磁コイル21の通電を制御する回路を示し
ており、各検出コイル28からの起電力は、波形処理回路
56において波形整形されて微分され、微分信号がプリド
ライブ回路30およびマイクロコンピュータ51に送り込ま
れる。ブリドライブ回路30は、その微分信号を受けてド
ライブ回路40を作動させる信号を形成し、ドライブ回路
40は、各励磁コイル21の通電を制御する。また、マイク
ロコンピュータ51は、波形処理回路56からの微分信号に
よってロータ10の回転速度および回転位置を検出する。
一方、マイクロコンピュータ51は、速度指令52、位置指
令53、トルク指令54を受けており、微分信号によって検
出される速度が速度指令52による速度と一致するよう
に、また、位置指令53によって決められた位置でロータ
10の回転が停止するように、プリドライブ回路30に信号
を送り込んでいる。

第11図は、プリドライブ回路30の詳細を示しており、
この図から明らかなように、プリドライブ回路30は、波
形処理回路56からの微分信号を受けてその度に反転動作
するＴ型フリップフロップ31〜33と、そのフリップフロ
ップ31〜33の出力によってマイクロコンピュータ51から
の信号を選択してドライブ回路40へ送る六つのアンドゲ
ート34〜39とから成る。例えば、フリップフロップ31の
Ｔ端子に波形処理回路56から微分信号を受けると、フリ
ップフロップ31は反転動作され、開かれるアンドゲート
を34から35または35から34に切り換える。

第12図には、ドライブ回路40の詳細が示されており、
このドライブ回路40は、複数個のトランジスタの導通、
非導通の組合せによって３回路とされた励磁コイル21の
通電を制御するようにされている。すなわち、アンドゲ
ート34が開かれてアンドゲート35が閉じられているとき
には、マイクロコンピュータ51からのデューティ比信号
がドライブ回路40のトランジスタ41、42のベースに印加
され、デューティ比信号のデューティ比でトランジスタ
41、42が導通されて、Ａの励磁コイル21を通電し、ま
た、アンドゲート34が閉じられ、アンドゲート35が開か
れているときには、マイクロコンピュータ51からのデュ
ーティ比信号がトランジスタ43、44のベースに印加さ
れ、トランジスタ43、44がデューティ比信号のデューテ
ィ比で導通され、Ａの励磁コイル21をそれまでとは逆方
向に通電する。つまり、フリップフロップ31が反転動作
されてアンドゲート34、35の開閉が切り換えられること
によって、Ａの励磁コイル21の通電方向が切り換えら
れ、励磁コイル21の極性が切り換えられる。Ｂの励磁コ
イル21、Ｃの励磁コイル21についても、同様にフリップ
フロップ32、33を反転動作させることによって、その通
電方向が切り換えられ、極性が切り換えられる。

第13図および第14図は、マイクロコンピュータ51を動
作させるプログラムのうち、主要部分をフローチャート
によって示すものである。第13図のプログラムは、励磁
コイル21の通電電流のデューティ比を制御するもので、
100ミリ秒毎に起動される時間割り込み処理ルーチンで
ある。

まず、ステップ101では、トルク指令54に応じて励磁
コイル21の通電電流のデューティ比DUTYが求められる。
これは、演算によって求めても良いし、予めメモリに格
納されたデータを読み出すことによって求めても良い
が、トルク指令54による指令トルクTcに対して第15図の
如く求められる。

次に、ステップ102では、速度指令52による指令速度N
cと現在の速度Ｎとの差ΔＮが求められる。現在の速度
Ｎは、図示してないプログラムによって、波形処理回路
56からの微分信号が発生される間隔を測ることによって
求められる。第17図には、指令速度Ncに対する速度Ｎの
変化の様子の一例が示されている。次のステップ103で
は、速度差ΔＮに基づいてデューティ比の補正量ΔDUTY
が求められる。この補正量ΔDUTYも、上述のステップ10
1と同様、演算によって求めても良いし、予めメモリに
格納されたデータを読み出すことによって求めても良い
が、速度差ΔＮに対して、第16図の如く求められる。ス
テップ104では、ステップ101で求められたデューティ比
DUTYとステップ103で求められた補正量ΔDUTYとを加算
して最終的なデューティ比DUTYが求められる。このよう
にして、第13図のプログラムでは、速度指令52による速
度Ncを維持するように励磁コイル21への通電電流のデュ
ーティ比DUTYが制御される。

第13図のプログラムが100ミリ秒毎に起動されるた
め、ステップ104によって求められるデューティ比DUTY
の値をそのままプリセッタブルダウンカウンタ（図示せ
ず）にプリセットし、このダウンカウンタを１ミリ秒の
クロック信号によってダウンカウントすることによっ
て、ただちにダウンカウンタからは、ステップ104にお
いて求められるデューティ比DUTYのパルス信号を得るこ
とができる。このパルス信号は、プリドライブ回路30の
ａ端子に送り込まれる。

第14図のプログラムは、図示してないメイン処理ルー
チンプログラム中の一部であり、ロータ10、つまり、モ
ータの停止位置を制御するためのプログラムである。

このプログラムが起動されると、ステップ105におい
て、位置指令53で指令された位置Pcと現在の回転位置Ｐ
との差ΔＰが求められる。現在の回転位置Ｐは、図示し
てないカウンタによって波形処理回路56からの微分信号
を計数することによって計測される。

ステップ106では、位置の差ΔＰが「０」であるか否
かが判定される。現在の回転位置Ｐが指令位置Pcに達す
るまでの間は、ステップ106は否定判断され、ステップ1
09において差ΔＰが正であるか否かが判定される。この
とき差ΔＰは正であるため、ステップ110に進み、ここ
で、後述のスラグＦが「１」にセットされているか否か
が判定される。このとき、フラグＦはセットされていな
いので、ステップ110は否定判断され、現在の回転位置
Ｐが指令位置Pcに達するまで、以上の処理が繰り返され
る。

やがて現在の回転位置Ｐが指令位置Pcに達すると、ス
テップ106は肯定判断されてステップ107において昇降の
デューティ比DUTYが「０」とされ、励磁コイル21への通
電を停止する。そして、ステップ108では、フラグＦを
「１」にセットし、現在の回転位置Ｐが指令位置Pcに達
したことを記憶する。

第18図に示すように、現在の回転位置Ｐが指令位置Pc
に達しても、慣性によってロータ10は指令位置Pcに停ま
らず、オーバランする。こうしてオーバランしたときに
は、ステップ106、109は共に否定判断され、ステップ11
3においてフラグＦが「１」にセットされているか否か
が判定される。いま、フラグＦがセットされているの
で、ステップ113は肯定判断されてステップ111において
逆転パルスが発生される。この逆転パルスは、第10図に
おける逆流防止用ダイオード55を介してプリドライブ回
路30のｂ〜ｄ端子に送り込まれ、プリドライブ回路30の
三つのフリップフロップ31〜33を一斉に反転動作させ
る。フリップフロップ31〜33が反転動作されると、上述
のように、励磁コイル21の通電方向が反転され、励磁コ
イル21の極性が反転されるため、第８図の（ロ）から明
らかなように、各永久磁石11には、矢印で示したのとは
反対方向にトルクが発生する。従って、ステップ111に
おいて逆転パルスが発生されることによって、ロータ10
の回転方向が逆転される。そして、ステップ112では、
フラグＦがリセットされて「０」とされる。

ロータ10へのトルクが反転されても、慣性によってた
だちにはロータ10は逆転しないが、やがて回転方向が変
えられ、第18図の如く、回転位置Ｐは再び指令位置Pcに
到達する。このとき、ステップ106は再び肯定判断され
てデューティ比DUTYがゼロとされるとともに、ステップ
108においてフラグＦが「１」にセットされる。

現在の回転位置Ｐが指令位置Pcに達しても、ロータ10
は再びオーバランして今度は、ステップ109は肯定判断
される。そして、ステップ110も、このときフラグＦが
セットされているため肯定判断されて、ステップ111に
おいて逆転パルスが発生され、再びロータ10の回転方向
が逆転される。

以上の第14図の停止位置制御ルーチンプログラムによ
る動作を繰り返すことによって、第18図の如く、ロータ
10は指令位置Pcに停止される。

第19図および第20図は、共に上記実施例の変形例を示
し、第19図は、中心軸12を固定し、ケース24を中心軸12
に対して回転するようにした場合であり、軸12側に鉄心
22および励磁コイル21が固定され、ケース24側に永久磁
石11が固定されている。このようにケース24を回転させ
る場合でも、上記実施例の場合と同様、電動機の大きさ
に比べて大きなトルクを発生させることができる。ま
た、第20図は、円環状に並べられた永久磁石11の組を２
組とした場合である。電動機の発生するトルクは、第21
図に示すように、円環状に並べられた永久磁石11の組の
数にほぼ比例しており、必要トルクと許容される大きさ
とから任意の永久磁石11の組数を選択することができ
る。

〔考案の効果〕

以上のように本考案によれば、永久磁石を用いた電動
機において、永久磁石の磁束と励磁コイルの磁束との間
で発生する相関トルクだけでなく、リラクタンストルク
も利用でき、しかも漏れ磁束を抑制できるので、電動機
の大きさは大きくしないで、発生するトルクを飛躍的に
大きくすることができる。また特に本考案では、コルク
の鉄心が永久磁石を挟んだ反対側にまで延びて設けら
れ、かつその鉄心が一体もので形成されているから、磁
気抵抗が低くなって効率が良好になり、この点でもリラ
クタンストルクを大きくして電動機全体としての発生ト
ルクを大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、本考案の一実施例を示し、第２図は
部分断面正面図、第１図は第２図のIA-IA線断面、IB-IB
線断面を同時に示す断面図、第３図はステータのケース
の底面図である。また、第４図は、上記実施例の動作を
説明するための図である。第５図〜第７図は、上記実施
例における一つの鉄心の拡大図であり、第７図は斜視
図、第５図は励磁コイルを巻かれた状態の正面図、第６
図は第５図のVI-VI線断面図である。さらに、第８図
は、上記実施例の動作を説明するための図、第９図は、
励磁コイルおよび永久磁石の個数を変えたときの第８図
と同様の説明図、第10図は、上記実施例における制御回
路の一例を示す電気回路図、第11図は、第10図のプリド
ライブ回路の詳細回路図、第12図は、第10図のドライブ
回路の詳細回路図、第13図および第14図は、第10図のマ
イクロコンピュータの主要プログラムを示すフローチャ
ート、第15図〜第18図は、第13図および第14図のプログ
ラムによる動作を説明するための図、第19図および第20
図は、共に上記実施例の変形例を示す部分断面正面図、
第21図は、本考案の電動機のトルク特性図である。 10……ロータ 11……永久磁石 20……ステータ 21……励磁コイル 22……鉄心

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】各永久磁石の磁極方向が互いに平行となる
ように複数個の永久磁石が円環状に配列されるととも
に、これら円環状に並べられた永久磁石を挟んで対向す
る部分を前記永久磁石の内周側または外周側を通る部分
で連結一体化した鉄心が、前記永久磁石の配列方向と同
方向に円環状にかつ前記永久磁石に対して相対回転可能
に配列され、それらの鉄心に、配列方向で隣接する鉄心
同士では互いに独立したコイルが、前記永久磁石からの
磁束に鎖交するように巻回して取り付けられていること
を特徴とする小型電動機。