JPH09140107A - モータ - Google Patents
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- JPH09140107A JPH09140107A JP29795695A JP29795695A JPH09140107A JP H09140107 A JPH09140107 A JP H09140107A JP 29795695 A JP29795695 A JP 29795695A JP 29795695 A JP29795695 A JP 29795695A JP H09140107 A JPH09140107 A JP H09140107A
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Abstract
等に使用される小型で効率の良いモータを提供すること
を目的とする。 【解決手段】 周方向にN、S極を交互に着磁した3
個のマグネット4a〜4cと、3個のマグネット4a〜
4cを軸方向に3段に積み重ねて一体に保持する中心回
転軸6と、各マグネット4a〜4cに対応する3段のコ
イル巻回突極7a〜7cを有するコア1a〜1cとを備
え、各段のマグネット4a〜4cのN、S極の着磁位置
が相互に周方向にずれ、各段のコイル巻回突極7a〜7
cに発生する誘起電圧の位相が同じ段のマグネット4a
〜4cを回転させるに適する位相となるように設定され
ている。
Description
映像・音響機器等に使用されるブラシレスモータ等のモ
ータに関するものである。
いは、映像・音響機器の小型化に伴い、小型でなおかつ
高効率のブラシレスモータの要求が高まりつつある。
明する。
ラシレスモータの断面図を示す。
する円筒状コア、102はコイル、103はマグネッ
ト、104はシャフト、105はフレームケース、10
6、107は軸受、108は電子部品が実装された回路
基板である。
空円筒のマグネット103の内円筒部が挿入固定され、
そのシャフト104の一方端はフレームケース105に
取り付けられた軸受106に支承され、もう一方のシャ
フト端はブラケット109に取り付けられた軸受107
に支承されて両持ち支持構造のインナーロータが構成さ
れている。軸受で回転自在に保持されたシャフト104
に取付けられたマグネット103はN、S2極に着磁さ
れ、コア101の突極に巻回されたコイル102に通電
することにより発生する磁束により前記マグネット10
3は回転する。
W相の巻線となる3相の巻線構造である。3相に発生す
る誘起電圧の位相がそれぞれ120゜ずつずれて発生す
るように電子回路で通電駆動させている。即ち、3相ブ
ラシレスモータとして駆動している。
来の構成では、機器の小型化が進み、小型でなおかつ高
効率のブラシレスモータが要求されるようになってきた
今日、第1に、インナーロータタイプのブラシレスモー
タの場合、モータの体積効率があまり良くない傾向にあ
る。以下はその理由について述べる。
ブラシレスモータの磁気回路を簡略化した断面図であ
る。図24の(b)はそのモータをコア内側から展開し
た図である。以下はこの図について述べる。なお以下で
は簡単のために磁束の漏れは無視して考えるものとす
る。
μの逆数が良く用いられるが、この速度変動率μには一
般的に(数101)のような関係がある。
ターン数、Rはコイル抵抗である。
のように表される。
さ、Bgはギャップの磁束密度である。
3)のように表される。
度、リコイル透磁率と呼ばれマグネットの材質によって
決まる定数である。Lmはマグネットの厚み、Lgはマ
グネット、コア間のエアギャップである。
の関係は(数104)のように表される。
率によって定まる比例定数、lはコイル1ターン当たり
の平均長さ、Sはコイルの断面積である。また、このl
はコイルのR部分を無視すると(数105)のように表
される。
幅である。
(数103)、(数104)、(数105)を代入して
整理すると、(数106)のようになる。
数Tの成分は含まれておらず、巻線仕様の変更により効
率が変化しないことを示している。
の体積{πD2 L/4}が一定となるようにL、Dを変
化させた場合、ロータ長さ/径{L/D}と効率ηの関
係は図25のようになる。図25によるとロータが長く
なるほど効率は良くなるが、そのカーブは緩やかにな
り、ある値に収束しこれ以上では効率が上がらなくな
り、限界がある。
めには、突極に巻回するコイルのターン数を大にしなけ
ればならず、突極の突出量が大となる結果、モータ外径
が大となって、モータの小型化が困難になるという問題
がある。
ロータの周囲にコイル巻回突極を等間隔で配したコアを
配置する必要があり、モータの横断面形状が円形ないし
これに近い形状となり、モータの薄型化が困難になると
いう問題がある。
で、効率が良く、小型化かつ薄型化が可能で、なおか
つ、機器に対する取付の自由度が高いモータを提供する
ことを目的とする。
目的を達成するために、周方向にN、S極を交互に着磁
したK個(Kは2以上の整数)のマグネットと、K個の
マグネットを軸方向にK段に積み重ねて一体に保持する
中心回転軸と、各マグネットに対応するK段のコイル巻
回突極を有するコアとを備え、各段のマグネットのN、
S極の着磁位置が相互に周方向にずれ、各段のコイル巻
回突極に発生する誘起電圧の位相が同じ段のマグネット
を回転させるに適する位相となるように設定されている
ことを特徴とする。
アのコイル巻回突極を、モータ軸方向にK段に振り分け
て配置することができる。すなわち、マグネットの磁極
及びコアのコイル巻回突極が同一平面上に配置展開され
た従来例に比較し、本発明はモータ軸方向に展開される
K段の平面上に分散して前記マグネットの磁極及びコア
のコイル巻回突極を配置でき、後に詳述するように、効
率の向上、小型化、薄型化、機器に対する取付の自由度
の各点で有利なモータを提供することができる。
図面を参照しながら説明する。
図である。図1において、1a、1b、1cは2極の突
極7a〜7cを有する円筒状コア、2a、2b、2cは
コアを絶縁する樹脂製のインシュレータ、3a、3b、
3cは各コア突極に巻かれたコイル、4a、4b、4c
はN、S2極の磁極を有するマグネット、5はスペー
サ、6はシャフト(中心回転軸)、10は有頂円筒形の
フレームケース、8はブラケット、9a、9bは軸受、
11は端子結線のための基板、12はインシュレータに
一体に固定された端子ピンである。
マグネット3a、3b、3cがスペーサ5を挟んで、各
マグネット4a、4b、4cの内円筒部がシャフト4に
挿入固定され、そのシャフト4の一方端はフレームケー
ス10に取り付けられた軸受9aに支承され、もう一方
のシャフト端はブラケット8に取り付けられた軸受9b
に支承された両持ち支持構造のインナーロータとなって
いる。
形により珪素鋼板をスラスト方向に積層して構成し、樹
脂製のインシュレータ2a、2b、2cにより絶縁処理
されている。また、このインシュレータ2a、2b、2
cには、端子ピン12が一体に成形されており、コイル
巻線時にコイル3a、3b、3cの巻始めと巻終わりを
この端子ピン12に数回巻き付け、半田により処理する
ことにより、自動化を容易にしている。
シュレータ2a〜2cの一部を突出させて成形した位置
決めピンを基準として3個直列に接続し、フレームケー
ス10内周に挿入固定され、端子ピン12にはコイル3
a、3b、3cを結線する基板11が半田付けにより固
定されている。
9bが固定されたブラケット8が挿入固定されている構
成となっている。
ネットの着磁の状態を示した図である。
b、4cは、図2に示すように、N、S極の着磁位置が
各段において120゜ずつずれるように着磁されてい
る。
と、コア1a、1b、1c、コイル3a、3b、3cの
関係を模式的に表した図である。
b、1cの突極7a〜7cは夫々対応するものが同一周
方向位置にて配置され夫々が縦1列となっており、又1
個のコア1a、1b、1cに対しコイル3a、3b、3
cは1本の導線で連続に両突極7a〜7cに同一方向に
巻かれている。又各段におけるコイル3a、3b、3c
の巻き方向は図3に示すように同一方向である。
4b、4cが回転したときに各コイル発生する誘起電圧
の波形を示した図である。
に発生する誘起電圧Va、Vb、Vcは、マグネット4
a、4b、4cの角度がそれぞれ120゜ずつずれてい
るために、位相が120゜ずつずれた波形となる。ここ
で各コイル3a、3b、3cの一端をCOMとして共通
接続し、夫々の他端に3相を振り分け、この3相の誘起
電圧に合わせ基板11上の電子回路で通電駆動させるこ
とによりトルクが発生し、マグネット4a、4b、4c
は回転する。即ち、3相ブラシレスモータとして駆動し
ている。前記電子回路は直流電源から電流が供給されて
いる。
気回路を簡略化して示した断面図である。図5の(b)
はそのモータをコア内側から展開した図である。以下は
この図について述べる。なお以下では簡単のために磁束
の漏れは無視して考えるものとする。
μの逆数が良く用いられるが、この速度変動率μには一
般的に(数1)のような関係がある。
ターン数、Rはコイル抵抗である。
うに表される。
さ、Bgはギャップの磁束密度である。
のように表される。
度、リコイル透磁率と呼ばれマグネットの材質によって
決まる定数である。Lmはマグネットの厚み、Lgはマ
グネット、コア間のエアギャップである。
の関係は(数4)のように表される。
率によって定まる比例定数、lはコイル1ターン当たり
の平均長さ、Sはコイルの断面積である。また、このl
はコイルのR部分を無視すると(数5)のように表され
る。
幅である。
(数4)、(数5)を代入して整理すると、(数6)の
ようになる。
数Tの成分は含まれておらず、巻線仕様の変更により効
率が変化しないことを示している。
の体積{πD2 L/4}が一定となるようにL、Dを変
化させた場合、ロータ長さ/径{L/D}と効率ηの関
係は図6のようになる。なお図6において点線は従来の
インナーロータタイプのブラシレスモータの場合であ
る。図6より本発明のモータはロータが短い時は従来の
ブラシレスモータに比べ効率が悪いものの、ロータが長
くなるほど効率は良くなり、ある時点で逆転する。また
最終的な収束値((数6)及び(数106)においてL
/D=無限大とした場合)は本発明のモータの効率は、
従来のモータの効率の1.5倍に達する。
が120゜ずつずれるように構成しているが、マグネッ
ト4a、4b、4cの着磁が60゜ずつずれるように構
成した場合も、図7のようにコイル3a、3cとコイル
3bの巻方向を逆にする、あるいは巻き方向は同じでコ
イルの接続を逆にすることにより、誘起電圧の位相は1
20゜ずつずれた形となり、同様に3相駆動が可能とな
る。
cの外径は円形の場合を示しているが、図8のように外
周部に平面部1Pを設けた形状にすることにより機器へ
の取付性が良いモータを提供することも可能となる。
ことにより、3段の誘起電圧の位相がそれぞれ120゜
ずれるように構成しているが図9のようにマグネット4
a、4b、4cの着磁方向を一定として、コア1a、1
b、1cの突極7a〜7c間の方向をずらした場合、あ
るいは、図10のようにコア1a、1b、1cの突極7
a〜7c及びマグネット4a、4b、4cの両方の各段
間の方向をずらした場合も、誘起電圧の位相が120゜
ずつずれるようにすることにより、同様に3相ブラシレ
スモータとして駆動することが可能である。特に図10
の場合は、上下コア1a、1cの巻線を中間のコア1b
のスロット部分に納めることにより、高さを抑えること
が可能となり、さらにモータの小型化を可能とすること
ができる。
としたが、K段(n=2、3、4‥‥)の構成とするこ
とにより、K相のブラシレスモータに一般的に、広く用
いることができる。
b、4cの着磁極数を2極ではなく、それよりも多くし
た本発明の第2の実施形態について説明する。なお、マ
グネット4a、4b、4cの着磁極数、これらに対応す
る各コア1a、1b、1cの突極7a〜7c及びコイル
3a〜3bを除いた構成は上記実施形態1に示すものと
同様である。図11は、マグネット4a、4b、4cの
着磁極数が6極、コア1a、1b、1cの突極7a〜7
cが4極の場合における、マグネット、コア、コイルの
関係を示した図である。
チでN、S極を着磁した、6極の着磁を有する円筒状マ
グネット4a、4b、4cと、前記マグネット4a、4
b、4cの着磁ピッチに合わせ、着磁のN、S極それぞ
れ2極ずつに対応する4極の突極7a〜7cを図のよう
に対向する両側に2極ずつ配置したコアを、各3段縦に
ならべた構成としている。
cに平坦部60を設けることが容易となり、多スロット
のモータにおいても、モータの径方向の一方の寸法が小
さい、いわゆる小判型のモータが容易に構成できる。
着磁極数が6極、コア1a、1b、1cの突極7a〜7
cが4極の場合における、マグネット、コア、コイルの
関係のもう一つの例を示した図である。
チでN、S極を着磁した、6極の着磁を有する円筒状マ
グネット4a、4b、4cと、前記マグネット4a、4
b、4cの着磁ピッチに合わせ、着磁のN、S極それぞ
れ2極ずつに対応する4極の突極7a〜7cを図のよう
に片側に集中して4極配置したコア1a〜1cを、各3
段縦にならべた構成としている。
タに対して片側の寸法が小さいモータを構成できる。こ
のモータは、機器に取り付ける際に、モータの周方向の
一方向にのみ規制がかかる場合、例えば、光ディスク装
置のスピンドルモータ等に用いることにより、同じ高さ
でも、モータのサイズを大きくとれるため高出力なモー
タとして使用することができる。
極数が異なる場合も、周方向に等角度ピッチでN、S極
を着磁した、2n極(nは1以上の整数)の着磁を有す
る円筒状マグネットを3個と、前記マグネットの着磁ピ
ッチに合わせ、着磁のN、S極それぞれm極ずつに対応
する2m極(mは1以上の整数、m≦n)の突極を有す
るコアを3個を、軸方向に縦に3段積み重ね、かつ、マ
グネットの着磁とコアの相対的な角度を、各3段で12
0/n°ずつずらして構成することにより、同様に3相
のブラシレスモータとして駆動できる。
成としたが、K段(K=2、3、4‥‥)の構成とする
ことにより、K相のブラシレスモータに一般的に、広く
用いることができる。
態について、図面を参照しながら説明する。
断面図である。図13において21はコア、22a、2
2b、22cはコア1の突極20a、20b、20cに
巻かれたコイル、23a、23b、23cは3段のマグ
ネット、24はスペーサ、25はシャフト、26はフレ
ーム、27は軸受、28は基板、29はカバーである。
のマグネット23a、23b、23cがスペーサ24、
24を挟んで、各マグネット23a〜23cの内円筒部
がシャフト25に挿入固定され、そのシャフト25の両
端はフレーム26に取り付けられた軸受27に支承され
た両持ち支持構造のインナーロータとなっている。
それぞれ、鉄塊を切削により、縦1列に3段に設けられ
た3個の突極20a〜20cとそれらをつなぐ磁気回路
部を形成し、電着コーティングにより絶縁処理されてい
る。そしてこのコア21は、各突極20a〜20cにコ
イル22a、22b、22cが巻かれた後、コア21の
両端を、フレーム26に挿入し、コイル22a〜22c
の端末線が、接続パターンがプリントされた基板28に
半田付けされている。
トの着磁の状態を示した図である。
は図14に示すように、各段間において着磁の方向が周
方向に120°ずつずれるように着磁されている。
と、コア21の突極20a〜20cと、コイル22a〜
22cの関係を模式的に表した図である。
は、マグネット23a〜23cの1段を1つのグループ
として接続されている。
トが回転したときに各コイル発生する誘起電圧の波形を
示した図である。図16に示すようにコイル22a、2
2b、22cに発生する誘起電圧Va、Vb、Vcは、
マグネット23a、23b、23cの着磁角度がそれぞ
れ120゜ずつずれているために、位相が120゜ずつ
ずれた形となる。ここで各コイル22a〜22cの一端
をCOMとして共通接続し、もう一端にそれぞれ3相を
振り分け、この3相の誘起電圧に合わせて電子回路で通
電駆動させることによりトルクが発生し、マグネットは
回転する。即ち、3相ブラシレスモータとして駆動して
いる。
タの磁気回路を簡略化した断面図である。図17の
(b)はそのモータをコア内側から展開した図である。
以下はこの図について述べる。なお以下では簡単のため
に磁束の漏れは無視して考えるものとする。
μの逆数が良く用いられるが、この速度変動率μには一
般的に(数11)のような関係がある。
ターン数、Rはコイル抵抗である。
ように表される。
さ、Bgはギャップの磁束密度である。
3)のように表される。
度、リコイル透磁率と呼ばれマグネットの材質によって
決まる定数である。Lmはマグネットの厚み、Lgはマ
グネット、コア間のエアギャップである。
の関係は(数14)のように表される。
率によって定まる比例定数、lはコイル1ターン当たり
の平均長さ、Sはコイルの断面積である。また、このl
はコイルのR部分を無視すると(数15)のように表さ
れる。
幅である。
3)、(数14)、(数15)を代入して整理すると、
(数16)のようになる。
数Tの成分は含まれておらず、巻線仕様の変更により効
率が変化しないことを示している。
の体積{πD2 L/4}が一定となるようにL、Dを変
化した場合、ロータ長さ/径{L/D}と効率ηの関係
は図18のようになる、なお図18において点線は従来
のインナーロータタイプのブラシレスモータの場合であ
る。図18より本発明のモータはロータが短い時は従来
のブラシレスモータに比べ効率が悪いものの、ロータが
長くなるほど効率は良くなり、ある時点で逆転する。ま
た最終的な収束値((数16)及び(数106)におい
てL/D=無限大とした場合)は本発明のモータの効率
はは、従来のモータの効率の1.5倍に達する。
〜20cを一体に備えたコア21が2個の場合を示した
が、q個(q=1、2、3、4‥‥)用いた場合にも広
く利用できる。特に本実施形態のようにコア21を2個
(あるいは1個)用いた場合は、モータの径方向の厚み
をマグネット23a〜23cの径とほぼ同じところまで
薄く出来るため、同じ厚みで考えた場合では、マグネッ
ト23a〜23cの径を大きくできる分高出力のモータ
を構成することができる。
極数が4極、コア21が3個で突極20a〜20cが3
極の場合の、コア、マグネット、コイルの関係の1例を
示した図である。
N、S極を着磁した、4極の着磁を有する円筒状マグネ
ット3個23a〜23cに対して、軸方向と平行に配置
された3極の突極20a〜20cと前記突極20a〜2
0cをつなぐ磁気回路部を一体に固定したコア21を3
個を、マグネット23a〜23cの着磁ピッチに合わせ
てコア21を配置して構成している。この構成によりモ
ータを機器に取り付ける際に、モータの周方向の一方向
にのみ規制がかかる場合、例えば、光ディスク装置のス
ピンドルモータ等に用いることにより、同じ高さでも、
モータのサイズを大きくとれるため高出力なモータを使
用することができる。
成としたが、K段(K=2、3、4‥‥)の構成とする
ことにより、K相のブラシレスモータに一般的に、広く
用いることができる。
態について、図面を参照しながら説明する。
はマグネットが挿入固定されたシャフトである。
は、ロータは3個のマグネットをスペーサを挟んでシャ
フトに挿入固定する構成となっているが、本実施形態で
は、単一のマグネット31をシャフト32に挿入固定し
構成し、前記マグネット31の着磁を、図2に示すもの
と同様に3段に切り替えて構成している。この構成によ
り、3つに分かれていた部品が1つになるため、部品の
コストが抑えられると同時に、組立による3段のマグネ
ットの角度精度によるモータ特性の悪化が少なくなる。
替えで構成したが、図21のようにスキュー着磁を行っ
た場合も同様の効果がある。さらにスキュー着磁を行っ
た場合は、磁束の切り替えが滑らかになり、モータのコ
ギングトルクが小さくなるという特徴もある。
スモータに関するものであるが、本発明をブラシ付きモ
ータに適用することもできる。その実施形態を図22に
示す。
同様にマグネット23a〜23c、コア21、突極20
a〜20c、コイル22a〜22cが構成されている
が、ブラシ71及び整流子72を備え、直流電源を各コ
イル22a〜22cに分配し、各3段において対応する
突極20a〜20cの誘起電圧が相互に120°位相が
ずれるように構成している。
つ薄型化が可能で、なおかつ、機器に対する取付の自由
度が高いモータを提供することができる。
し、(a)はその縦断面図、(b)はその横断面図。
視図。
模式的に表した図。
化した断面図。 (b)上記ブラシレスモータをコア内側から展開した
図。
スモータと比較して示す図。
場合の、マグネット、コアの突極、コイルの関係を模式
的に表した図。
例を示す分解斜視図。
極の方向をずらした場合の構成を示した分解斜視図。
共にずらした場合の構成を示した分解斜視図。
けるマグネット、コアの突極、コイルの関係を模式的に
表した図。
ット、コアの突極、コイルの関係を模式的に表した図。
し、(a)はその縦断面図、(b)はその横断面図。
斜視図。
突極、コイルの関係を模式的に表した図。
略化した断面図。 (b)上記ブラシレスモータをコア内側から展開した
図。
レスモータと比較して示す図。
アの突極、コイルの関係を模式的に表した図。
成を示した斜視図。
ったロータマグネットの構成を示した斜視図。
す断面図。
簡略化した断面図。 (b)従来のブラシレスモータをコア内側から展開した
図。
Claims (12)
- 【請求項1】 周方向にN、S極を交互に着磁したK個
(Kは2以上の整数)のマグネットと、 K個のマグネットを軸方向にK段に積み重ねて一体に保
持する中心回転軸と、 各マグネットに対応するK段のコイル巻回突極を有する
コアとを備え、 各段のマグネットのN、S極の着磁位置が相互に周方向
にずれ、 各段のコイル巻回突極に発生する誘起電圧の位相が同じ
段のマグネットを回転させるに適する位相となるように
設定されていることを特徴とするモータ。 - 【請求項2】 各段毎にコイル巻回突極を有するコアを
分割形成し、 分割形成されたマグネットと前記コアとを組み合わせて
各段毎のユニットを構成し、 各段のマグネットを中心回転軸に組付けると共に各段の
コアを互いに組み付けてなる請求項1記載のモータ。 - 【請求項3】 各段のマグネットが単一のマグネットで
一体に形成され、N、S極の着磁が各段において切り替
えてなされている請求項1記載のモータ。 - 【請求項4】 各段のマグネットが単一のマグネットで
一体に形成され、N、S極の着磁がスキュー着磁されて
いる請求項1記載のモータ。 - 【請求項5】 各段のコイル巻回突極が中心回転軸と平
行な一直線上に配置されている請求項1、2、3又は4
記載のモータ。 - 【請求項6】 各段のコイル巻回突極が各段間において
相互に周方向にずれた位置に配置されている請求項1、
2、3又は4記載のモータ。 - 【請求項7】 コアの外周に平坦部分が設けられた請求
項1、2、3、4、5又は6記載のモータ。 - 【請求項8】 各段において互いに対向する位置に配し
た1対のコイル巻回突極を備える請求項1、2、3、
4、5、6又は7記載のモータ。 - 【請求項9】 直流電源を制御し、各段のコイル巻回突
極に発生する誘起電圧の位相が同じ段のマグネットを回
転させるに適する位相となるようにコイルに電流を与え
る電子回路を備え、ブラシレスモータとして作動する請
求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載のモータ。 - 【請求項10】 直流電源を分配し、各段のコイル巻回
突極に発生する誘起電圧の位相が同じ段のマグネットを
回転させるに適する位相となるようにコイルに電流を与
えるブラシ及び整流子を備え、ブラシ付きモータとして
作動する請求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載
のモータ。 - 【請求項11】 K=3であり、 周方向に等角度ピッチでN、S極を交互に着磁した2n
極(nは1以上の整数)の磁極を有するマグネットを3
個備え、 各段においてマグネットのN、S極のそれぞれにm極ず
つ対応する2m極(mは1以上の整数、m≦n)のコイ
ル巻回突極を3段に設け、 各マグネットの対応する磁極の着磁位置が3段間におい
て120/n°又は60/n°ずつずれるように構成
し、 コイル巻回突極に発生する誘起電圧の位相が3段間にお
いて120°ずつずれるように構成した請求項1、2、
3、4、5、6、7、8、9又は10記載のモータ。 - 【請求項12】 周方向に2分してN、S極を着磁した
3個のマグネットと、 3個のマグネットを軸方向に3段に積み重ねて一体に保
持する中心回転軸と、 各マグネットに対応する3段のコイル巻回突極を有する
コアとを備え、 各段のマグネットのN、S極の着磁位置が相互に120
°ずつ周方向にずれ、 各段コイル巻回突極に発生する誘起電圧の位相が3段間
において120°ずつずれるように構成したことを特徴
とするモータ。
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