JPH1023724A

JPH1023724A - 永久磁石回転電機

Info

Publication number: JPH1023724A
Application number: JP8173403A
Authority: JP
Inventors: Fumio Tajima; 文男田島; Shoichi Kawamata; 昭一川又; Yutaka Matsunobu; 豊松延; Toshimi Abukawa; 俊美虻川; Kazuo Onishi; 和夫大西
Original assignee: Nidec Servo Corp; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1996-07-03
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】小型軽量で、さらには脈動トルクの小さい永久
磁石回転電機を提供する。【解決手段】回転電機１は、12個の固定子磁極42に集中
的に巻回した３相の各固定子巻線５を有する固定子２
と、ほぼ等間隔に着磁された14個の永久磁石６を有する
回転子３と、隣り合うそれぞれの配置間隔が固定子磁極
42の２個分の寸法間隔に設定されている一組の磁極位置
検出器Ｈu,Ｈv,Ｈwとを備え、磁極位置検出器Ｈu,Ｈv,
Ｈwにて永久磁石６の磁極位置を検出し、該検出磁極位
置に応じて各固定子巻線５への通電制御が為されて駆動
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石回転電機
に係り、特に、トルク脈動の小さい小型軽量の集中巻固
定子を有する永久磁石回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】小型永久磁石電動機は、一般に固定子磁
極を有しかつこの磁極に固定子巻線を集中的に配置する
構成の集中巻き永久磁石回転電機が使用されてきた。こ
れまで大型回転機の分野まで使用されている分布巻固定
子に対して、エンド部が単純な構成となるために電動機
の体格を小さくできる、また、コイルの数を少なくでき
ることから構成が単純になる等の利点がある。この種の
永久磁石回転電機では永久磁石回転電機の永久磁石の極
数Ｐと固定子の磁極数Ｍとの比を２：３とする事が一般
であった。しかし、上記方式はコギングトルクが大きい
欠点があった。

【０００３】これに対し特開昭６２−１１０４６８号公
報(以下、開示例１という)では、永久磁石の極数Ｐと固
定子の磁極数ＭとをＰ：Ｍ=６ｎ±２：６ｎ(ただし、ｎ
は２以上の整数)とした永久磁石回転電機に関して、コ
ギングトルクの減少及び巻線の利用率が向上し、電動機
体格を小さくかつ脈動トルクの少ない電動機を提供でき
ることを開示している。

【０００４】一方、特開昭６２−２２１８５４号(以
下、開示例２)では、この種のブラシレスモータを運転
させるのに必要な磁極位置検出器(３相の場合は３個使
用)の配置を、機械的に１２０度の間隔に配置した例を
開示している。いずれも３個の磁極位置は、ブラシレス
モータとして運転できるように、各相の磁極位置検出器
の電気角を１２０度の間隔に配置する構成である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ブラシレスモータを小
型軽量、脈動率トルクの低いものにするためには、３個
の磁極位置検出器の位置が近く、かつ３個の各相の磁極
位置検出器と固定子磁極及びその周囲に巻回された固定
子巻線との関係が同一であることが必要である。

【０００６】しかしながら、上記開示例２には、磁極位
置検出器の位置が遠く離れる欠点がある。また、各相の
磁極位置検出器が電気角１２０度ずつ離れ、かつ最短の
位置では各相の磁極位置検出器と固定子磁極及びその周
囲に巻回された固定子巻線との関係(例えば、Ｕ相の磁
極位置検出器はＵ相の固定子巻線が巻回される固定子磁
極の下に配置されるのに対し、Ｖ相の磁極位置検出器も
Ｕ相の固定子巻線が巻回される固定子磁極の下に配置さ
れる)が、変わってしまう欠点があった。これは、磁極
位置検出器の精度が各相間で大きく異ならしめ、これに
よって大きな脈動トルクを生ぜしめるからであった。

【０００７】また、開示例１には各突極磁極間の配線構
成を工夫し、小型軽量に結び付ける技術については開示
されていない。

【０００８】従って、本発明の目的は、上記開示例の課
題を解決し、小型軽量の永久磁石回転電機を提供するこ
と、さらには、脈動トルクの小さい且つ小型軽量の永久
磁石回転電機を提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明による永久磁石回転電機の特徴は、Ｍ個の固定子磁極
に集中的に巻回した多相の固定子巻線を有する固定子
と、ほぼ等間隔に着磁されたＰ個の永久磁石極を有する
回転子とを備え、かつ永久磁石極数Ｐ，固定子磁極数Ｍ
とをＰ：Ｍ＝６ｎ±２：６ｎ(但し、ｎは２以上の整数)
の関係となし、前記永久磁石極の作る磁束から前記回転
子の磁極位置を各相の磁極位置検出器にて検出し、該検
出磁極位置に応じて前記各相固定子巻線への通電制御が
なされて駆動される永久磁石回転電機において、隣り合
う前記各相磁極位置検出器の配置間隔は、１個分の前記
固定子磁極の位置間隔の２倍に設定されている構成にあ
る。

【００１０】また、他の特徴は、Ｍ個の固定子磁極に集
中的に巻回した３相の固定子巻線を有する固定子と、ほ
ぼ等間隔に着磁されたＰ極の永久磁石極を有する回転子
とを備え、かつ永久磁石極数Ｐ，固定子磁極数Ｍとを
Ｐ：Ｍ＝６ｎ±２：６ｎ(但しｎは２以上の整数)の関係
とした永久磁石回転電機において、前記固定子磁極に巻
回された固定子巻線を、Ｕ相を起点とし、１個分の固定
子磁極を置いてＷ相、さらに１個分の固定子磁極を置い
てＶ相の順で同じ方向に、結線した点にある。

【００１１】本発明によれば、各相の磁極位置検出器は
それぞれ１２０度の電気角で配置されるとともに、固定
子の磁極及び巻線から同じ影響を受ける位置にて磁極位
置検出ができる。これによって、各磁極位置検出器間の
間隔は最短となり小型軽量化が図られるとともに、磁極
位置検出が正確となって脈動トルクを小さくすることが
できる。

【００１２】また、固定子巻線の結線長さが各相とも同
じになり、小型軽量に結び付けることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照し説明する。図１は、本発明による一実
施例の永久磁石回転電機を示す断面図である。本発明に
関わる永久磁石回転電機の断面構造を示している。図２
は、図１のＡＡ断面を示す図である。図１と図２を同時
に参照し構成について説明する。

【００１４】図１において、永久磁石回転電機１(以
下、回転電機１という)は、固定子２と回転子３とエン
ドブラケット１０と２個のベアリング１１と３個の磁極
位置検出器(Ｈｕ,Ｈｖ,Ｈｗ)と配線基板Ｐｔとから構成
される。固定子２は、ハウジング９と、このハウジング
９の内周面に固定された固定子鉄心４と、この固定子鉄
心４に巻回された多相の固定子巻線５とからなる。回転
子３は、永久磁石６とヨーク７とシャフト８とで構成さ
れる。また、シャフト８は、ベアリング１１とハウジン
グ９とエンドブラケット１０とによって固定子２に回転
自在に保持する。そして、一般的にホール素子等で構成
される磁極位置検出器は、回転子３の永久磁石６の位置
を検出するために、回転電機１の内部に配設された配線
基板Ｐｔに装着されている。

【００１５】図２において、回転電機１は、主に固定子
２と回転子３とからなり、固定子２は固定子鉄心４と固
定子巻線５とで構成される。ここで、固定子鉄心４は円
環状の固定子ヨーク４１と複数個の固定子磁極４２とか
らなり、各固定子磁極４２には固定子巻線５が集中的に
巻回される構成である。各巻線は空隙面での磁路を共有
すること無い構成である。この集中巻構造の固定子は一
般の大型機に使用されている分布巻構造の固定子に対し
て、エンドコイル部の長さを短くすることができるた
め、回転電機の体格を小さくすることができる利点があ
る。本実施例の回転電機では、３相で、回転子３の永久
磁石極数が１４個で、固定子２の固定子磁極数が１２個
である構成を示した。なお、回転電機が発電機であって
も同様な構成にできることは云うまでもないことであ
る。

【００１６】そして、図２で示した３相の固定子巻線５
としてのＵ1+,Ｕ1-,Ｕ2+,Ｕ2-と、Ｖ1+,Ｖ1-Ｖ2+,Ｖ2-
と、Ｗ1+,Ｗ1-,Ｗ2+,Ｗ2-とに対応して、一組の磁極位
置検出器Ｈｕ,Ｈｖ,Ｈｗが配置される。Ｐｔは、それ
ぞれの固定子巻線５のＵ1+,Ｕ1-,Ｕ2+,Ｕ2-と、Ｖ1+,
Ｖ1-,Ｖ2+,Ｖ2-と、Ｗ1+,Ｗ1-,Ｗ2+,Ｗ2-とを３相結線
構成にするとともに、磁極位置検出器Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ
を固定及び配線する配線基板である。ここで、本実施例
における磁極位置検出器Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗは、回転子３
の永久磁石６の発生する磁束によって、当該永久磁石６
の磁極位置を直接検出する構成の磁極位置検出器を対象
とする。

【００１７】図３は、本発明による一実施例の永久磁石
回転電機制御回路を示す図である。図１で示した永久磁
石回転電機を駆動する制御回路を示している。図におい
て、直流電源１２の電力は、インバータ１３を介して回
転電機の多相の固定子巻線５に供給される。ここで、イ
ンバータ１３はＴｕ＋，Ｔｖ＋，Ｔｗ＋のプラス側のス
イッチング素子とＴｕ−，Ｔｖ−，Ｔｗ−のマイナス側
のスイッチング素子とで構成される。更に、回転子３の
磁束から磁極位置検出器Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを介して、磁
極位置信号を制御回路１４内に取り込んで、インバータ
１３のスイッチング素子Ｔｕ＋，Ｔｖ＋，Ｔｗ＋、Ｔｕ
−，Ｔｖ−，Ｔｗ−へのパルス信号を制御する。ここ
で、固定子磁極４２に巻回された固定子巻線５はそれぞ
れ各相ごとに、図示の順で配線基板Ｐｔを利用して接続
され、３相の回転電機１としての結線がなされる。

【００１８】図４は、本発明による永久磁石回転電機
の動作原理を示す図である。図中、(ａ)，(ｂ)，(ｃ)
は、磁極位置検出器Ｈｕ、Ｈｖ，Ｈｗの磁極位置信号
で、これは回転子３からの磁束を直接検出して出力す
る。(ｄ),(ｅ),(ｆ)のＳｕ,Ｓｖ,Ｓｗは、上記の磁極位
置信号を０点の基準とし比較器を介して出力した信号
で、インバータ１３のスイッチング素子Ｔｕ＋，Ｔｖ
＋，Ｔｗ＋、Ｔｕ−，Ｔｖ−，Ｔｗ−には、それぞれ
(ｇ),(ｈ),(ｉ)で示すＴｕ,Ｔｖ,Ｔｗ信号が加えられ
る。

【００１９】なお、必要に応じて、このＴｕ，Ｔｖ，Ｔ
ｗ信号とＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号との論理
積(ＡＮＤ)を取った信号が加えられても可である。すな
わち、回転電機１は、回転子３の永久磁石６が作る磁束
によって当該回転子３(永久磁石６)の磁極位置を磁極位
置検出器Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗにて検出し、該検出磁極位置
に応じて各固定子巻線５への通電切替制御がなされて駆
動される。

【００２０】ところで、永久磁石回転電機の脈動トルク
は、磁極位置検出器Ｈｕ,Ｈｖ,Ｈｗの磁極位置信号の精
度によって大きく依存される。インバータ１３のスイッ
チング素子Ｔｕ＋，Ｔｖ＋，Ｔｗ＋、Ｔｕ−，Ｔｖ−，
Ｔｗ−には、それぞれ(ｇ)，(ｈ)，(ｉ)で示す信号が加
えられ、これは電気角で６０度ごとに、図示のように切
り替わる。磁極位置検出器の配置が悪く前記磁極位置信
号の精度が悪いと、図４(ａ),(ｂ),(ｃ)で示した磁極位
置信号が乱れ、例えば、３６０度の中の一つの区間では
５０度と短くなり、他の区間では７０度と長くなるよう
な区間が生じ、これによって回転電機１の脈動トルク
(コギングトルク)も大きくなる。

【００２１】そして、従来技術では、磁極位置検出器Ｈ
ｕを基準にして、電気角(永久磁石のＮＳ間を３６０度
とする)でそれぞれ１２０度の間隔で磁極位置検出器Ｈ
ｖ，Ｈｗが配置されているものであった。この場合に
は、磁極位置検出器Ｈｖ，Ｈｗは、それぞれ固定子巻線
Ｕ１＋，Ｕ１−を巻回した磁極の位置に配置されたこと
になる。上記構成のそれぞれの磁極位置検出器Ｈｕ，Ｈ
ｖ，Ｈｗの位置は、磁極位置検出器Ｈｕでは固定子磁極
４２の中間の位置に、それぞれの磁極位置検出器Ｈｖ，
Ｈｗでは中間の位置からずれた固定子磁極４２上の位
置となる。

【００２２】また、磁極位置検出器Ｈｕは制御する固定
子巻線Ｕ相の位置にあるが、磁極位置検出器Ｈｖ，Ｈｗ
は制御するべき固定子巻線Ｖ，Ｗ相とは異なる固定子巻
線Ｕ相の固定子磁極４２の位置にある。これらの構成に
より、磁極位置検出器Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗが受ける影響、
すなわち、固定子磁極４２からの影響及び固定子巻線電
流が作る磁界からの影響が、各磁極位置検出器でそれぞ
れに異なり、前述の磁極位置信号の精度を下げ、脈動ト
ルクを増加させるものであった。

【００２３】本発明による実施例では、図２に示すよう
に磁極位置検出器Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの隣り合う配置間隔
を１個分の固定子磁極４２の位置間隔の２倍に設定する
ものである。換言すれば、隣り合う各相磁極位置検出器
は、固定子磁極の２個分の位置寸法からなる配置間隔を
有して配置されているものである。本実施例の配置間隔
の構成によれば、各磁極位置検出器Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ
は、いずれも固定子磁極４２の中間の位置(固定子磁極
からの影響及び固定子巻線電流が作る磁界からの影響が
等価範囲内にある位置)となる。かつ本実施例では、磁
極位置検出器Ｈｕは、制御するべき固定子巻線Ｕ相を巻
回保持する固定子磁極４２に隣接している位置にあり、
磁極位置検出器Ｈｖは固定子巻線Ｖ相を持つ固定子磁極
４２に隣接している位置にあり、磁極位置検出器Ｈｗは
固定子巻線Ｗ相を持つ固定子磁極４２の位置にあるよう
配置される。

【００２４】さらに換言すれば、制御するべき固定子巻
線Ｘ₁相に隣接して配置された磁極位置検出器Ｈ₁を基準
にして、２個分の固定子磁極を置いて固定子巻線Ｘ₂相
と該固定子巻線Ｘ₂相の固定子磁極に隣接して磁極位置
検出器Ｈ₂を配置し、順次、２個分の固定子磁極を置い
て固定子巻線Ｘｎ相と該固定子巻線Ｘｎ相の固定子磁極
に隣接して磁極位置検出器Ｈｎを配置したものであると
言える。

【００２５】すなわち、磁極位置検出器Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈ
ｗは、共に同じレベル(等価)で固定子磁極４２の影響及
び巻線電流が作る磁界の影響を受ける。これによって、
電気角６０度が５０度または７０度と振れることがなく
磁極位置信号の精度が確保されて、脈動トルクの増加を
抑えることができる。

【００２６】尚、図２の配置において、隣り合う固定子
磁極４２の電気的な間隔は１８０度×１４極／１２＝２
１０度となる。従って、磁極位置検出器Ｈｕに対して、
４個分(図中の,,,) の固定子磁極４２の位置だ
け離れている磁極位置検出器Ｈｖは、２１０度×４−７
２０度＝１２０度となり、１２０度位相の遅れた位置に
配置される。一方、磁極位置検出器Ｈｕに対して２個分
の固定子磁極４２の位置だけ離れている磁極位置検出器
Ｈｗは、２１０度×２−３６０度＝６０度となる。磁極
位置検出器Ｈｗは、磁極位置検出器Ｈｕに対して２４０
度の位相差が必要であるため、磁極位置検出器Ｈｗは図
示の位置で電流の方向の反転、及び信号の反転によって
さらに１８０度の位相差を持たせることで、２４０度の
位相差を確保することができる。

【００２７】以上を纏めれば、本発明の特徴は、Ｍ個の
固定子磁極に集中的に巻回した多相の固定子巻線を備え
た固定子鉄心を有する集中巻固定子と、ほぼ等間隔に着
磁されたＰ個の永久磁石極を有する永久磁石回転子とを
備え、かつ永久磁石極数Ｐ，固定子磁極数Ｍとを、Ｐ：
Ｍ＝６ｎ±２：６ｎ(ただし、ｎは２以上の整数)の関係
となし、永久磁石回転子の作る磁束によって当該永久磁
石回転子の磁極位置を各相の磁極位置検出器にて検出
し、検出した磁極位置に応じて固定子磁極に巻回された
各相の固定子巻線への通電を切り替える制御がなされて
駆動される永久磁石回転電機において、磁極位置検出器
の間隔を固定子磁極位置の間隔の２倍とするにある。

【００２８】これによって、各相の磁極位置検出器は、
それぞれ固定子磁極及び固定子巻線に対して電気角で１
２０度異なる位置に配置されるとともに、固定子磁極な
どから各相とも同じ影響を受ける位置にて磁極位置検出
ができる。これによって、各相の磁極位置検出器同士の
間隔が短くなるとともに、電気的に切り替える間隔が正
確となって脈動トルクが小さくなる。すなわち、磁極位
置検出器同士の間隔が小さくなることは、制御回路と磁
極位置検出器との配線を配線基板Ｐｔの小さなスペース
で達成できることになり、小型軽量化に結び付けること
ができる。

【００２９】一方、図２，図３に示すように、永久磁石
極数Ｐ，固定子磁極数ＭとをＰ：Ｍ＝６ｎ±２：６ｎ
(但し、ｎは２以上の整数)とした永久磁石回転電機にお
いて固定子磁極４２に巻回された固定子巻線５のＵ相を
起点として、Ｕ相はＵ1+,Ｕ1-,Ｕ2-,Ｕ2+の順に、Ｗ相
はＵ1+から１個分の固定子磁極４２をおいてＷ1-,Ｗ1
+,Ｗ2+,Ｗ2-の順に、Ｖ相はさらに１個分の固定子磁極
４２をおいて、Ｖ1+,Ｖ1-,Ｖ2-,Ｖ2+ の順に、すべて同
方向(図中では反時計廻り)に結線(配線)することによっ
て、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の巻線の引き出し位置及び中性点の接
続位置が近くなり、各相の固定子巻線の結線長さが各相
とも同じになり、かつ、長さのばらつきも少なくするこ
とに繋がり、小型軽量に結び付けることができる。ま
た、配線基板及び回転電機も小さくすることが可能であ
る。

【００３０】以上の構成によって、磁極位置検出器間の
配線や固定子巻線の利用率(スペース効率)が良くて小型
軽量となる永久磁石回転電機が提供される。さらに、位
置検出精度を向上させることによって、脈動トルク(コ
ギングトルク)の小さな永久磁石回転電機が提供され
る。

【００３１】尚、本実施例において、回転型のモータ駆
動の適用した場合を例に挙げ説明したが、本発明は、永
久磁石電動機方式としてのリニアモータ駆動装置にも適
用することができる。また、回転子の位置に対して正弦
波状の電流制御を行う制御方式についても、さらに、電
流制御をしない方式あるいは１２０度通電型のブラシレ
スモータ方式にも適用できることは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、電気角を１２０度と
し、各磁極位置検出器を当該各磁極位置検出器に対する
影響が等価となる位置に配置できるので、電気的に切り
替える間隔が正確となって脈動トルク(コギングトルク)
が小さくなり、かつ各磁極位置検出器同士の間隔が短く
なって小型軽量に結び付く効果がある。また、固定子巻
線の巻線利用率が向上して小型軽量に繋げることもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例の永久磁石回転電機を示
す断面図である。

【図２】図１のＡＡ断面を示す図である。本発明の永久
磁石回転電機の断面を示す。

【図３】本発明による一実施例の永久磁石回転電機制御
回路を示す図である。

【図４】本発明による永久磁石回転電機の動作原理を示
す図である。

【符号の説明】

１：永久磁石回転電機２：固定子３：回転子４：固定子鉄心５：固定子巻線６：永久磁石７：回転子鉄心８：シャフト９：ハウジング１０：エンドブラケッ
ト１１：ベアリング１２：直流電源１３：インバータ１４：制御回路４１：固定子ヨーク４２：固定子磁極Ｈu,Ｈv,Ｈw：磁極位置検出器Ｔu,Ｔv,Ｔw：スイッチング素子Ｐｔ：配線基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松延豊茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者虻川俊美東京都千代田区神田美土代町７番地日本サーボ株式会社内 (72)発明者大西和夫東京都千代田区神田美土代町７番地日本サーボ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｍ個の固定子磁極に集中的に巻回した多相
の固定子巻線を有する固定子と、ほぼ等間隔に着磁され
たＰ個の永久磁石極を有する回転子とを備え、かつ永久
磁石極数Ｐ，固定子磁極数ＭとをＰ：Ｍ＝６ｎ±２：６
ｎ(但し、ｎは２以上の整数)の関係となし、前記永久磁
石極の作る磁束から前記回転子の磁極位置を各相の磁極
位置検出器にて検出し、該検出磁極位置に応じて前記各
相固定子巻線への通電制御がなされて駆動される永久磁
石回転電機において、隣り合う前記各相磁極位置検出器の配置間隔は、１個分
の前記固定子磁極の位置間隔の２倍に設定されているこ
とを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項２】請求項１において、前記固定子巻線は、Ｕ
相を起点として、Ｕ相はＵ1+,Ｕ1-,Ｕ2-,Ｕ2+の順に、
Ｗ相はＵ1+から１個分の前記固定子磁極を置いてＷ1-,
Ｗ1+,Ｗ2+,Ｗ2-の順に、Ｖ相は更に１個分の前記固定子
磁極を置いてＶ1+,Ｖ1-,Ｖ2-,Ｖ2+の順に、すべて同方
向に結線されたことを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項３】Ｍ個の固定子磁極に集中的に巻回した３相
の固定子巻線を有する固定子と、ほぼ等間隔に着磁され
たＰ極の永久磁石極を有する回転子とを備え、かつ永久
磁石極数Ｐ，固定子磁極数ＭとをＰ：Ｍ＝６ｎ±２：６
ｎ(但し、ｎは２以上の整数)の関係とした永久磁石回転
電機において、前記固定子磁極に巻回された固定子巻線を、Ｕ相を起点
とし、１個分の固定子磁極を置いてＷ相、さらに１個分
の固定子磁極を置いてＶ相の順で同じ方向に、結線した
ことを特徴とする永久磁石回転電機。