JPS589562A - 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、このボールシューの一
側を、ボールシューを支持する磁極の幅より側方に張り
出した形状としたことを特徴とする。

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（、）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（Ｖ））はその駆動回路図
を示す。

第１図（ａ）　、　（ｂ）において１は回転子軸、２は
この回転子軸ｌに固定された回転子ハブ、３はこの回転
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、７−１〜７
−４は磁極６−１〜６−４の夫々に巻装した固定子巻心
、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け夫々抵抗器である。

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器９−１
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０ 金弟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のベースに←）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
互作用で回転子ハブ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）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は回転子ノ・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のベースに（→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（、）の位置では永久磁
石３の中性線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・・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のベースに（ト）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
力を発生し回転子ハブ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のベースに（ト）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８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
ておシこの磁束Φが上述の通り回転子ハブ２の回転角０
に対し正弦波状に変化し、又巻＃ｉ！電流Ｉは磁気検出
器９−１又１ｄ９−２とトランジスタＱ−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　＝　４　ｋ−Ｉ　・（５ｉｎ２θ＋ｃｏ８２θ）＝
＋に一■（但しｋは巻線その他構造上の定数である）と
なシ永久磁石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
れておシその実施例を第３図（ａ）　、　（ｂ）に示す
。

第３図（＆）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（、）及び（ｂ）で１０２は永久磁石の磁路を形
成する回転子ヨーク、ｉｏａ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、Ｑ＋　ｒ　Ｑ２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
減しておシ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（、）の状態では磁気検出器９−１は磁束を検出せず
自己起動できない。

然しなから第３図（ａ）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ｇ
ｔ２であるのが他の片端ではｇｔ、とこれより長く構成
しであるので永久磁石１０３の１個の磁極から空隙１０
４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隙１０４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の中性線１０３ａが空隙内の磁気抵抗が減り磁束が
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７５（自然に停止する位置は第３図
（、）に示すように磁気検出器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１０５−１にＮ極が
生成して永久磁石１０３を第３図（、）の矢印方向に回
転させる。永久磁石１０３の中性線１０３ａ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１０７−２に
電流が流れボールシュー１ｏｓ＝２にＮ極を生成１７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７電磁回転力’ｒ　ｆ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’Ｉ”Ｉｎは点線で示す如く電
磁回転力゛ｒｆ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１１ｏは一点鎖綜で示すようにほとんど脈動のない
乎坦な形となる。

然しなから第ａｔ端（ａ）のようなオシ構成の電動機の
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
成するのはかなシ困難なことである。

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（、）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個配設されるようにし、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
ューはそのｍ個ａが固定子磁極の幅よυ側方に張シ出し
て構成されている。

磁極２０６−１〜２０６−８には励磁巻線２０７−１〜
２０７−４が夫々巻装され相１１！？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。

又各励磁巻線２０７−１〜２０７−４は２個の巻線に分
割されておｐａ群とｂ群に分けて第４図（ｂ）の巻線２
０７−ａと２０７−ｂに示されるように接続される。

２０９は磁気検出器、２０３ａは永久磁石′２ｏ３の中
性線である。

本発明においては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２０
３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
の一極分に対応して配設される固定子のボールシューは
２個あシ第４図（、）において永久磁石２０３のＳ極の
ほぼ中央部とＮ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ボールシューに
連接した磁極２０６−２とヨーク２０８と磁極２０６−
４によって主たる磁路を形成し永久磁石２０３よシ発す
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は発生しない。

一方ボールシュー２０５−１と２０５−３とが対向する
永久磁石２０３の領域はＮ極とＳ極との境界である中性
線２０３ａ附近であシ、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。

上記の短かい磁路は永久磁石２０３の中性線２０３ａに
またがっているので回転子の位置により永久磁石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
ら磁気的回転力が発生し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（、）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のベースに←）電圧を発生してトランジスタＱ、
が導通し巻＋ｉｌ　２０７−　ａに電流が流れてボール
シュー２０５−１と２０５−３に夫々Ｎ極、又ボールシ
ュー２０５−２と２０５−４には夫々Ｓ＠が生成し回転
子の永久磁石２０３の夫々磁極と反撥して回転子を第４
図（、）の矢印方向に駆動する。永久磁石の中性線２０
３ａが磁気検出器２０９の位置を越えると磁石のＮ極と
対向しトランジスタＱ２を導通させて巻線２０７　　ｂ
　Ｋ　＝Ｉｈ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
電巻線を切替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（ｃ）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
からこの空隙長を短かく構成することは極めて容易とな
る。電動機にお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
隙長をボールシューの一端から他端に亘り不等としであ
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シ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（ａ）は従来の直流無刷子電動機の断面図、第１
図（ｂ）はその駆動回路図、第２図はその出力線図、第
３図（ａ）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（、）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・・・回転子ノ・プ、３，１０３
゜２０３・・・永久磁石、４．１０４・・・空隙、５−
１〜５−４．１０５．１０５−１．１０５−２・・・ボ
ールシュー、ｓ、ｉｏｓ・・・固定子ヨーク。 ＋１図（０，） ＋１図（ｂ） ＋３圓（ＣＪ） ＋３０（ｂ） 十２図 ＋３霞（ｃ）

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、このボールシューの一側を、ボールシュ
   ーを支持する磁極の幅より側方に張り出した形状とした
   ことを特徴とする直流無刷子電動機。