JPS5812564A - 直流無刷子電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は永久磁石を備えた回転子と、該永久磁石に小空
隙を介して対向配設した固定子と、該固定子に設けた前
記永久磁石の磁束を検出するための磁気検出器と、この
磁気検出器によって制御される通電制御装置とを有し、
この通電制御装置を介して巻線に順次電流を流して永久
磁石を備えた回転子を駆動する直流無刷子電動機の改良
に関するものである。

本発明直流無刷子電動機は、永久磁石に空隙を介して対
向配置される弧状のボールシューを前記永久磁石の一極
に２個対応配置されるようにし、このボールシューを支
持する磁極のうち１つ置きのものに空孔を形成せしめた
仁とを特徴とする。

以下図面に従い従来技術に依る実施例と本発明の実施例
について説明する。

第１図（ａ）は従来より一般的に実施されている直流無
刷子電動機の断面図、第１図（ｂ）　ｔｉその駆動回路
図を示す。

第１図（ａ）　、　（ｂ）に於いて１は回転子軸、２は
この回転子軸ＩＫ固定された回転子ハブ、３はこの同転
子ハブ２の外周に設けた永久磁石、５−１〜５−４はボ
ールシュー、６−１〜６−４は前記ボールシューを夫々
その先端に一体的に構成した磁極、４は永久磁石３の外
周とボールシュー５−１〜５−４間の空隙、？−１〜７
−４は磁極６−１〜６−４の夫々に巻装した固定子巻線
、８は固定子ヨーク、９−１．９−２は固定子に設けた
永久磁石３の磁束を検出する磁気検出器を示す。

又第１図（ｂ）においてＱ−１−Ｑ−４は通電制御用の
トランジスタ、Ｒ−１〜Ｒ−８は夫々抵抗器である。

此の種直流無刷子電動機では回転子に備えた永久磁石の
磁束は正弦波状に分布しておシ従って磁気検出５９−１
と９−２の出力電圧は夫々第２図のように互にπ／２の
位相差を持った正弦波状となる。

今第１図（ａ）　、　（ｂ）の状態においてこの電動機
の動作を説明すると磁気検出器９−２は永久磁石３のＳ
極に対向しておりトランジスタＱ−２のペースに（→の
電圧を出力しトランジスタＱ−２に電流を流し従って固
定子巻線７−２に電流を流して永久磁石３のＳ極との相
互作用で同転子）・プ２を反時計方向に回転させる。こ
こで磁気検出器９−１．９−２とトランジスタＱ　−’
１〜Ｑ−４で構成される通電制御装置は全て直線領域で
動作しているものとする。

磁気検出器９−２は回転子ハブ２が反時計方向にπ／２
回転すると対向する永久磁石３の極性がＳからＮに替わ
りトランジスタＱ−４のペースに（ト）の電圧を出力し
トランジスタＱ−４が導通して固定子巻線７−４に電流
が流れる。この時対向する永久磁石３の磁極はＳ極とな
るので引続き回転子ハブ２は反時計方向の回転力を受は
回転を続ける。

一方磁気検出器９−１は第１図（ａ）の位置では永久磁
石３の中性綜と対向しているので出力は零であるが上記
固定子巻線７−２に流れた電流で回転子ハブ２が反時計
方向に回転すると永久磁石３のＳ極と対向しトランジス
タＱ−１のペースに（＋）の電圧を出力しトランジスタ
Ｑ−１が導通して固定子巻線７−１に電流が流れて永久
磁石３のＳ極との相互作用で反時計方向の回転力を発生
し回転子ノ・ブ２がπだけ回転すると対向する磁極がＳ
からＮに替わり磁気検出器９−１の出力がトランジスタ
Ｑ−３のペースに（＋）の電圧を出力しトランジスタＱ
−３が導通し固定子巻線７−３に電流が流れ対向する永
久磁石３のＳ極と作用して反時計方向の回転力を発生す
る。

この電動機の発生回転力は永久磁石３の発生する磁束Φ
と固定子巻線に流れる電流Ｉとの積で定まることが判っ
ておりこの磁束Φが上述の通り回転子ハブ２の回転角θ
に対し正弦波状に賛化１２、又巻線電流ｌは磁気検出器
９−１又は９−２とトランジスタ（、）−１〜Ｑ−４が
直線領域で動作しているので各固定子巻線の電流Ｉは回
転角θに対し正弦波状に変化しかつ磁気検出器９−１と
９−２と各検出器で制御される固定子巻線７−１と７−
２及び７−３と７−４とは夫々π／２の位相差を持って
配設されているから固定子巻線７−１〜７−４全部に依
る合成の回転力Ｔは Ｔ＝４ｋ・Ｉ・（ｓｓｎ’θ＋５０１１’θ）＝４ｋ・
■（但しｋは巻線その他構造上の定数である）となり永
久磁石３の位置に関係なく一定の回転力が発生するとい
う優れた特性を有し多くの用途に賞月されている。

しかしながら第１図（ａ）　、　（ｂ）の構成では磁気
検出器が２個、制御用トランジスタを４個と多くの部品
を必要とし構造が複雑となり従って高価となる欠点があ
った。

そこでより少ない部品で構成した無刷子電動機が提案さ
れておりその実施例を第３図（ａ）　＃　（ｂ）に示す
。

第３図（ａ）はその回転子と固定子との要部を直線状に
展開した形で示したもの、第３図（ｂ）は通電制御回路
図、第３図（Ｃ）は回転子の角度θに関し発生回転力の
関係を示す線図である。

第３図（ａ）及び（ｂ）で１０２は永久磁石の磁路を形
成する回転子ヨーク、１０３は回転子の永久磁石、１０
５−１．１０５−２は固定子ボールシュー、１０４は永
久磁石１０３と固定子ボールシュー間の空隙、１０６は
放射状に伸延した固定子磁極、１０７−１゜１０７−２
は磁極１０６−１．１０６−２に夫々巻装した固定子巻
線、１０８は前記磁極１０６−１＋１０６−２を有する
固定子ヨーク、１０９は磁気検出器、Ｑｌ　、Ｑｌはト
ランジスタである。

第３図（ａ）　、　（ｂ）の構成では第１図（ａ）　、
　（ｂ）の構成と異なり固定子巻線の数が２個、磁気検
出器の数が１個、トランジスタの数が２個と部品数が半
減しておりその構成が極めて簡単であるが一般的にこの
ような構成では１個の巻線に電流が流れている状態から
回転子の回転が進行して次の巻線に電流を切替えるとき
に回転力が零となる帯域がある。

このことは第１図の構成で磁気検出器９−２と固定子巻
線７−２と７−４を除いて考えて見れば直ちに諒解され
るであろう。この場合は磁気検出器９−１と固定子巻線
７−１と７−３に依る発生回転力のみしかないから第１
図（ａ）の状態では磁気検出器９−ＩＶｉ磁束を検出せ
ず自己起動できない。

然しなから第３図（、）の構成ではボールシュー１０５
と永久磁石１０３との空隙長がボールシューの片端でＢ
、であるのが他の片端では９ｔ、とこれより長く構成し
であるので永久磁石１０３０１個の磁極から空隙１０４
を介してボールシュー１０５の一端に達しボールシュー
の他端より再び空１１１０４を介して永久磁石１０３の
他の磁極に達する一巡の磁気回路を考えると永久磁石１
０３の中性＠　１０３　ｍが空隙内の磁気抵抗が減シ磁
束が増加する方向に移動し回転子に回転力が発生し巻線
に通電しない時に回転子が自然に停止する位置は第３図
（ａ）に示すように一気検出器１０９が永久磁石のＳ極
を検出し、トランジスタＱ＋が導通して固定子巻線１０
７−１に電流が流れてボールシュー１０５−ｔにＮ極が
生成して永久磁石１０３を第３図（ａ）の矢印方向に回
転させる。永久磁石１０３の中性線１　Ｇ’　３　ｍが
磁気検出器１０９に対向すると磁束が零となり次にＮ極
を検出してトランジスタＱ！が導通して固定子巻線１０
７−２に電流が流れボールシュー１０５−２にＮ極を生
成して永久磁石１０３のＳ極を吸引して更に矢印方向に
駆動し続ける。このように第３図（、）の構成の電動機
の発生回転力は第３図（ｃ）に示すように巻線に電流を
流して発生する電磁回転力Ｔｆは永久磁石の極性切換点
で零となり、永久磁石と空隙を介してボールシューとの
間に作用する磁気回転力Ｔｍは点線で示す如く電磁回転
力Ｔｆが零となる部分で正の回転力を発生し他の部分で
は負の回転力を発生し両回転力の合成で出力回転力Ｔｏ
　Ｆｉ一点鎖線で示すようＫはとんど脈動のない平坦な
形となる。

然しなから第３図（、）のような構成の電動機の固定子
ヨークのボールシューの形状を片端から他の片端に至る
間で永久磁石との空隙長を変化させるには高度の技術を
必要とし複数の磁極の夫々について同じように形成する
のはかなり困難なことである。

本発明は従来技術に依る前述のような困難を除き容易に
実施できる簡単な構成の直流無刷子電動機を提供するも
ので第４図（ａ）　、　（ｂ）にその実施例を示す。

第４図（、）は第３図（ａ）と同じく回転子と固定子と
の構成を直線状に表わした展開図で２０２は永久磁石の
磁路を形成する回転子ヨーク、２０３は永久磁石、２０
５−１〜２０５−８は磁極２０６−１〜２０６−８の夫
々の先端に一体的に構成したボールシューで、本発明に
おいては永久磁石の一極に対応して固定子のボールシュ
ーが２個配置されるようにし、またボールシュー２０５
−１〜２０５−８の夫々が永久磁石に対向する空隙２０
４の長さは一定寸法で変ることがなく、かつ各ボールシ
ューを支持する磁極はその１つ置きのものに中心空孔２
１０が形成されている。

磁極２０６−”１〜２０６−８には励磁巻線２０７−１
〜２０７−４が夫々巻装され相隣接する巻線には異極の
磁束が発生するように電源に接続されている。

又各励磁巻＠２０７−１〜２０７−４は２個の巻線に分
割されておりａ群とｂ群に分けて第４図（ｂ）の巻線２
０７−ａと２０７−ｂｌｃ示されるように接続される０ ２０９は磁気検出器、２０３ｍは永久磁石２０３の中性
線である。

本発明においては空孔を有しない磁極の磁気抵抗は空孔
を有する磁極の磁気抵抗より小さくなり回転子に備えた
永久磁石２０３と固定子の磁極とボールシューとの間の
磁気抵抗が回転子の位置に依り変化するように作用し回
転子に磁気的な回転力を発生させる。即ちボールシュー
２０５と永久磁石２０３との空隙２０４の長さは一定で
あるからこの空隙部の磁気抵抗は回転子の位置に依って
変化しないが永久磁石２０３の一極分に対応［７て配役
される固定子のボールシューは２個あり第４図（ａ）に
おいて永久磁石２０３ＯＮ極のほぼ中央部とＳ極のほぼ
中央部にボールシュー２０５−２　　と２０５−４とが
夫々対向して、夫々のポールシューに連接した中心部に
空孔のない磁極２０６−２と２０６−４とヨーク２０８
によって主たる磁路を形成し、永久磁石２０３より発す
る磁束は大部分が上記の主たる磁路を通過し、該磁路の
磁気抵抗は回転子の位置の僅かな変化によっては変化し
ないので磁気的回転力を発生しない。

調力ボールシュー２０５−１と２０５−３とに連接する
磁極２０６−１と２０６−３にはその中心部に空孔２１
０が設けであるから上記空孔のな１１磁極２０６−２と
２０６−４よりも磁極部の磁気抵抗が高いから回転子の
永久磁石の各磁極Ｎ、Ｓの中央部は上記のように磁気抵
抗の小さい磁極２０６−２と２０６−４と夫々対向する
位置に静止する。

一方ポールシュ−２０５−１と２０５−３とが対向する
永久磁石２０３の領域はＮ極と８極との境界である中性
線２０３ａ附近であり、永久磁石のある極から発する磁
束は空隙２０４を介して対向するボールシューに渡りボ
ールシューから再び空隙２０４を介して異極の磁極に戻
るという短かい磁路を貫流する。

２０３ａにまたがっているので回転子の位置によシ永久
磁石２０３のＮ極とＳ極の領域が夫々対向するボールシ
ューとの対向面積が変化しこの短かい磁路の磁気抵抗が
変化するから永久磁石２０Ｂの中性線２０３ａを中心と
し隣接するＮ極とＳ極が夫々ポールシューと対向する面
積がほぼ等しくなる位置でこの短かい磁路の磁気抵抗が
最低となり回転子は回転子と固定子間の磁気抵抗が最小
となる第４図（ａ）の位置に停止する。第４図（ａ）の
位置では磁気検出器２０９が永久磁石のＳ極と対向しこ
れを検出して（ｂ）図の回路でトランジスタＱ１のペー
スに←）電圧を発生してトランジスタＱ、が導通し巻線
２０７−ａに電流が流れてボールシュー２０５−１と２
０５−３に夫々Ｎ極、又ボールシュー２０５−２と２０
５−４には夫々Ｓ極が生成し回転子の永久磁石２０Ｂの
夫々磁石と反撥して回転子を第４図（ａ）の矢印方向に
駆動する。永久磁石の中性線２０３ａが磁気検出器２０
９の位置を越えると磁石のＮ極と対向しトランジスタＱ
、を導通させて巻線２Ｇ？−ｂに通電して同じ方向に回
転子を回転させる。

この電動機は巻線に通電することで発生する回転力は通
電巻線を切換える毎に零となることとこの区間には前記
の磁気吸引力に依る回転力が作用し全体として平坦な回
転力を発生することは第３図の実施例と同じく、その回
転力は第４図（、）に示すようになるが、特性ははるか
に優れた性能となる。

即ち本発明の構成では永久磁石２０３と固定子のボール
シュー２０５−１〜２０５−４との空隙長は一様である
からとの空隙長を短かく構成することは極めて容易とな
る。電動機に於いて空隙長を短かくすることは効率を高
くし無用の洩れ磁束を減らさせる等の効果を得る上で大
切なことである。

これに対し第３図に示す従来の実施例においては磁気回
転力を得るために回転子と固定子のボールシューとの空
隙長をボールシュ゛−の一端から他端に亘抄不等としで
あるために平均の空隙長は最短の位置の空隙長より長く
せざるを得す最短の空隙長には経済的に自ずと限度があ
るから必然的に平等空隙の場合より平均空隙長は長くせ
ざるを得す、本発明のように平等空隙長とすることで大
幅の特性改善が可能となる。

尚説明では固定子と回転子との関係を直線状に展開して
説明したが回転子を内転、外転の何れとするも設計上の
自由である。

【図面の簡単な説明】

第１図（、）は従来の直流無刷子電動機の断面図、第１
図（ｂ）　ｔｉその駆動回路図、第２図はその出力線図
、第３図（１）は従来の他の直流無刷子電動機の回転子
と固定子とを直線状に展開した形で示した説明図、第３
図（ｂ）はその駆動回路図、第３図（ｃ）は発生回転力
を示す線図、第４図（ａ）は本発明直流無刷子電動機の
回転子と固定子とを直線状に展開した形で示した説明図
、第４図（ｂ）はその駆動回路図、第４図（ｃ）は発生
回転力を示す線図である。 １・・・回転子軸、２・・・回転子ハブ、３，１０３゜
２０３・・・永久磁石、ｉ、１０４・・・空隙、５−１
〜５−４，１０５，１０５−１，１０５−２・・・ボー
ルシュー、８．１０８・・・固定子ヨーク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）永久磁石に空隙を介して対向配置される弧状のボ
   ールシューを前記永久磁石の一極に２個対応配置される
   ようにし、このボールシューを支持する磁極のうち１つ
   置きのものに空孔を形成せしめたことを特徴とする直流
   無刷子電動機。