JPS61164454A

JPS61164454A - 無集電子三相直流電動機

Info

Publication number: JPS61164454A
Application number: JP61001482A
Authority: JP
Inventors: ヨハン・フオン・デア・ハイデ
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1985-01-09
Filing date: 1986-01-09
Publication date: 1986-07-25
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JP2639521B2; CH668671A5

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】［技術分野］本発明は、相対的に可動の永久磁石装置と三相巻線とを
備え、電気角１８０°の間は第１電位にあり次の電気角
１８０’の間は第２電位にあるセンサ出力信号を供給す
るため１巻線に対し相対的に静止し永久磁石装置によっ
て制御される３つの位置センサを備え１巻線コイルは互
に電気角１２０’ずれたセンサ出力信号に依存して周期
的な順列の電流によって付勢され、電気角１２０’ずれ
た電圧が巻線コイルの個々のコイルに誘起され、この電
圧は零点の通過によって交互に電気角最大１８００の間
は正であり、電気角最大工８０＠の間は負であり、その
合計は磁石装置と巻線との間のすべての相対位置に対し
て零に等しいようにされた無集電子三相直流電動機に関
する。

この形式の直流電動機は１回転電動機の形式ではドイツ
連邦共和国特許出願公開節３１２２０４９号公報から知
られており、リニアモータの形式ではドイツ連邦共和国
特許出願公開節３１２３４４１号公報から知られている
。

公知の電動機において、永久磁石極は、は９台形状の放
射状に磁化された永久磁石リング、または均一に分割配
置され放射状に磁化された一連の磁石セグメントから構
成され、溝が切られた磁束誘導部材は断面がは−”Ｔ字
状に形成されている。

コイルは、溝の切られた磁束誘導部材の夫々の極に非重
畳形式で巻かれている。コイルピッチと磁石ピッチとの
比は２：３である。溝が切られた磁束誘導部材の極片の
間の溝開口部は２幅が電気角３＠ないし３０″であり、
磁極幅は、は？電気角１２０＠ないし１８００である。

個々の巻線コイルには階段状電圧が誘起され、この電圧
は、電気角１２０”の間は正であり約電気角６０°の間
ははマ零であり約電気角１２０”の間は負である。

公知の電動機においては９位置センサは巻線コイルに対
して、切換点が電気角６０″の零電圧領域から正の領域
へ移行する際の誘起電圧のフランクのはマ中央にあるよ
うにされていた。この目的のため１位置センサは、溝が
切られた磁束誘導部材の極片の間の溝開口部の中心か、
又は磁束誘導部材の極の対称軸線上に設けられる。位置
センサと巻線に電流を供給する端末段との間に復号器が
接続され、この復号器は１巻線コイルのうち常に２つが
電流によって付勢され、それと同時に、電気角１２０’
の領域に対応するコイルに電圧が誘起されるようにされ
ている。

この公知の技術によって、簡単な巻線構造と組合わされ
た高い効率が得られる。しかしながら。

整流領域において、トルクがトルクピーク値の約７５％
またはそれ以下に短時間低下する欠点がある。特に、小
さな電動機の場合に重要な問題になる誤った整流によっ
て、実際にトルクがピーク値の５０ないし６０％低下す
る場合がある。これは多くの用途において極めて不都合
である。

［目的］本発明の基本的な目的は、著しく向上された安定性を有
するトルクを発生するように、冒頭に述べた形式の電動
機を開発することにある。

［発明の構成概要コこの目的は２本発明によれば２位置センサは。

センサの状態変化が関連するコイル電圧の零点通過と基
本的に一致し、センサ出力信号に直接対応するか、又は
それから誘導された駆動電圧によって１巻線コイルが巻
線駆動段を介して付勢されることによって容易に達成さ
れることが判明した。

この電動機構造によってトルク変動は理論的に零に等し
くなる。実際において、トルク変動が重要な問題になる
小さな電動機の場合においても。

トルク変動は最大トルクの約±５ないし７％に抑えられ
る。

巻線コイルは星状に接続することができる。このような
場合に１巻線の駆動・段は位置センサに直接接続するこ
とができる。位置センサの出力と。

巻線に電流を供給するようにされた端末段との間に復号
の必要がないため１回路の経費が著しく低減される。さ
らに１巻線コイルの整流は、整流を行なっているコイル
によって実際にトルクが発生されない領域において生じ
るため、整流ノイズも低い。

しかしながら１巻線コイルはデルタに接続することもで
きる。その場合、復号器は位置センサと巻線駆動段との
間に接続され、復号器は、センサ出力信号の夫々の２つ
の連続する電気角１８０’の半周期の間、駆動電圧が、
電気角１２０°の間は夫々正であり電気角１２０＠の間
は夫々負であり、電気角１２０’の連続する領域の間の
残りの電気角６０″の領域では、夫々の巻線接続端子は
開路され、換言すれば無電位になるように作動する。

本発明の直流電動機は、一般に円筒形の空隙をもつこと
ができ、その場合、永久磁石装置は外部回転子の一部と
することができる。しかしながら、この電動機は、はパ
平らな空隙をもつりニアモータとして設計されることも
できる。特に簡素な構造は４極の回転子によって得られ
る。

［好適な実施の態様］本発明の好適な別の概念によれば１巻線の個々のコイル
は、溝が切られた磁束誘導部材の１つの極に非重畳形式
で巻かれ、この磁束誘導部材は永久磁石装置と共に空隙
を区画し、各コイルの軸線は、運動方向すなわち運動方
向の接線に垂直に延びている。コイルピッチと磁石ピッ
チとの比は２；３であり８個々の誘起コイル電圧は、３
段の階段状電圧であり、電気角約１２０°の間は正であ
り、電気角約６０°の間は零に等しいか又は殆んど等し
く、電気角約１２０°の間は負であり。

位置センサは、その状態変化が、関連する誘起電圧の電
気角６０″の零電圧領域のはパ中夫において生じるよう
にされている。

本発明による直流電動機は、基本的には、一定な電動機
トルクを必要とするあらゆる場所に適している。信号処
理装置、特にディスク記憶装置の駆動に好適に使用され
る。少くとも１つの例えば磁気固定記憶装置ディスクを
収容するための／１ブを備えた固定ディスク記憶装置の
場合１本発明による直流電動機は、ハブ中の少くとも１
つの主要部に設けられる。このような取付けによって、
特に簡潔な構造になる。このトルクの安定性によつて、
大きなトルク変動が生じる電動機の場合より定格トルク
を小さく設計し得るため、電動機の少くとも主要な部分
をハブの中に設けることが、トルクの安定性によって可
能になる。

この優れたトルクの安定性によって、さらに。

上述の直流電動機は、磁気テープレコーダ用の直接駆動
キャプスタンモータおよび／またはリールモータとして
特に適している。

なお、特許請求の範囲に記載した参照符号は理解を容易
にするためのものであって２図示の態様に限定すること
を意図するものではない。

［実施例コ次に本発明を好適な実施例によって詳細に説明する。

第１図および第２図において、符号１０は、三和無集電
子直流外部回転子電動機における固定子積層板を示して
いる。固定子積層板１０は中心軸１０Ａに対して放射対
称であり、環状の中央部１０Ｂを備えている。この積層
板は、断面かはＳ’　Ｔ字状をなした６個の固定子極１
１Ａないし１１Ｆを形成し、互に６０’の角間隔を置い
て設けられている。金属薄板の積層板の代りに焼結鉄心
を設けることができる。固定子極の極片１２Ａないし１
２Ｆは、永久磁石リング１３と共に。

一般には円筒形の空隙１４を区画している。永久磁石リ
ング１３は１図示のように、放射状に磁化されて円周上
に隣り合わせて４つの極を有し。

即ち４部分１３Ａないし１３Ｄを育し１図から判るよう
に空隙１４に対向して交互に２つの磁気北極と２つの磁
気南極１５および１６がある。図示の実施例において、
極１５．１６は、電気角約１８０°　（機械角９０″に
相当）の幅を有している。このようにして、は１゛矩形
または台形の磁化パターンが、空隙１４の円周方向に対
して得られる。永久磁石リング１３ζ丈２磁気継鉄（ヨ
ーク）を形成する鐘状外部回転子１７に１例えば接着に
よって取付けられている。鐘状外部回転子１７は回転子
ハウジングを形成し、端面壁１７Ａおよび円筒形の周囲
壁１７Ｂを備えている。永久磁石リング１３には、特に
ゴム磁石または合成樹脂結合磁石を使用することができ
る。一体的な永久磁石リング１３の代りに、殻状磁石セ
グメントが鐘１７内に接着されるか又はその他の方法で
そこに固定される。磁石リングまたは磁石セグメントに
特に適した材料は１合成語合剤における磁気材料、硬質
フェライトとエラストマー材料との混合物、セラミック
磁気材料またはサマリウムコバルトである。図示の実施
例では、夫々の極１５゜１６は電気角１８０°に伸びて
いるが、これより狭い極にすることもできる。しかしな
がら、電動機出力を大きくするためには１回転子極の幅
は少くとも電気角１２０’にする必要がある。

固定子極１１Ａないし１１Ｆは合計６個の固定子溝２０
Ａないし２０Ｆを区画している。この溝には、三相固定
子巻線が嵌め込まれている。その場合、各三相巻線は、
２つの電気角１２０°短節巻線２１，２２；２３，２４
．および２５．２６を包含し、その夫々は１つの固定子
極１１Ａないし１１Ｆに巻かれている。図に示されてい
るように、各相の直列に接続された２つの巻線は、夫々
直径方向の反対側に位置している。この巻線は。

図示されていないが、バイファイラコイルとして巻くこ
とが好ましい。第１図の概略図に示されているように１
巻線２１ないし２６の間の重畳は回避されている。この
ようにして、特に短いコイルエンド２７（第２図）が得
られる。溝開口部２８Ａないし２８Ｆは、電気角３″な
いし３０″の幅にすることができる。固定子巻線の予定
された構成において、溝２０Ａないし２０Ｆを充分に満
たすことができる。ｔｊｒＡ口部２８Ａないし２８Ｆの
蓋は１通常必要でない。

固定子溝２０Ａないし２０Ｆの深さは比較的浅くするこ
とができるため、この電動機の構造は。

固定子内部孔２９を比較的大きくすることができる。何
らかの別の特別な手段を講することなく。

内部孔２９の直径Ｉと極片１２の部分の固定子外径Ｅと
の比を最小０．３５にすることができる。

Ｉ／Ｈの値は、０．４ないし０．７の範囲にすることが
好ましい。固定子鉄心の軸方向の長さしと空隙１４の最
大直径りとの比Ｌ／Ｄは、１に等しいか又は１以下であ
ることが好ましい。この寸法比は２回転子の安定した支
承に特に重要な意味を有している。このような支承は１
例えばディスク記憶装置を駆動する場合に特に重要であ
る。そのほか、固定子巻線の全体の抵抗は、特に小さく
保たれている。

第２図に示されているように１回転子を支承するため、
鐘状外部回転子１７の中心に太軸３２が固定され、この
太軸３２は、軸方向に間隔を置いて設けられた球軸受３
３によって円筒形スリーブ３４内に支承され、このスリ
ーブ３４は固定子積層板１０を支持し２組立フランジ３
５に固定されている。

鐘状外部回転子１７に１例えば軽金属からなる固定ディ
スク記憶装置のハブ３７が嵌め込まれている。このハブ
３７は、１個または数個の固定記憶ディスクの収容に使
用される。ハブ３７は、公知のように、記憶装置の高い
清浄度の空間で取付けられる。組立フランジ３５はプリ
ント基板３８を支持し、このプリント基板には直流電子
装置および場合によっては例えば回転数制御用の回路要
素を設けることができる。また、プリント基板３８には
特に３つの位置センサ４２，４３．４４が設けられ、こ
れらは図示の実施例では、磁界センサ、例えばホールゼ
ネレータ、磁気抵抗、磁気ダイオードなどである。二安
定的に切換わるホール集積回路が特に好ましい。電気角
１８０°幅の回転子種１５．１６を使用した場合には１
位置センサ４２，４３．４４用の制御磁石として、第２
図の左半分に示されているように、主磁石すなわち永久
磁石リング１３を直接使用することができる。また、場
合によっては２位置センサ用の別個の制御磁石４５を設
けることもできる。これは第２図の右半分に示されてい
る。第２図に示す実施例の場合２位置センサ４２．４３
．４４は、これらを制御する磁石１３または４５に対し
て軸方向に向けられている。しかしながら２例えば第２
図に点線で示すように１位置センサを制御磁石この場合
は永久磁石リング１３と半径方向に対向して設けること
もできる。いずれの場合でも、センサの切換状態の変化
が該当するコイル電圧の零通過点とはマ重なるように２
位置センサ４２，４３゜４４を巻線２１ないし２６に対
する周囲方向に位置させることが重要である。これは、
第１図に示す実施態様において１位置センサを溝開口部
２８Ａ、２８Ｂおよび２８Ｃの中心に対して機械角１５
″だけずらせることによって達成される。

第３図に示すように１巻線の三相２１，２２゜２３．２
４；２５，２６は星状に接続されている。位置センサ４
２，４３．４４の出力端子は。

端末段４９の夫々の駆動増幅器４６，４７゜４８の入力
端子に直接接続されている。駆動増幅器４６，４７．４
８の出力端子は、星状結線中性点５０から離れたコイル
対２１，２２；２３゜２４および２５．２６の端部に接
続されている。

電源電圧は端子ｖＳおよびＧＮＤに印加される。

制御信号が端子ＥＮを介して端末段４９に供給される。

位置センサ４２．４３．４４は第４図においてＳ１、Ｓ
２およびＳ３で示される。互に電気角１２０’ずれた３
つのセンサ出力を供給する。

これらの信号は、単に端末段４９の駆動増幅器４６．４
７．４８によって増幅される。対応して増幅された端末
設電圧（基準電位ＧＮＤに対する）は、第４図において
、ＵＥＩ、ＵＥ２およびＵＥ３の符号で示されている。

３段の階段状電圧が、永久磁石リング１３によって夫々
のコイル対２１．２２；２３．２４；２５．２６に誘起
される。星状結線中性点５０に対して測定されたこれら
の電圧は、第４図においてＵｉ１、Ｕｉ２およびＵｉ３
で示されている。図示のように、各誘起電圧Ｕｉ１．Ｕ
ｉ２．Ｕｉ３は、電気角約１２０＠の間は正であり、電
気角約１２０°の間は負である。それらの間に電気角約
６０’の幅の部分があり、この間では誘起電圧が著しく
減少した値をもち、その中央において誘起電圧は零点を
通過する。今の場合、この電気角６０″の幅の部分を簡
略して零電圧領域と呼称する。

第４図に見られ°るように１位置センサ４２゜４３．４
４の状態変化すなわち信号Ｓ１、Ｓ２゜Ｓ３の跳躍は、
夫々対応する誘起コイル電圧Ｕｉ１、Ｕｉ２．Ｕｉ３の
零通過点と一致する。

さらに、第４図から、誘起コイル電圧Ｕｉｌ。

Ｕｉ２．Ｕｉ３は、永久磁石リング１３とコイル２１な
いし２６によって形成された巻線との間の各相対位置に
おいて、誘起コイル電圧の合計が同様に零であるという
条件を満たしていることが判る。しかしながら１本発明
は２図示された階段状誘起電圧の形状に限定されない。

例えば、誘起電圧は正弦波形にすることもできる。

修正された第５図および第６図の実施例において１巻線
コイル２１，２２；２３，２４．および２５．２６はデ
ルタに接続されている。位置センサ４２，４３．４４の
出力端子と端末段６４の入力端子との間に、公知のよう
にＡＮＤゲート５２．５３，５４．５５とＮＡＮＤゲー
ト５６゜５７とインバータ５８，５９．８０とから構成
された復号器５１が設けられている。復号器５１は、そ
の３つの入力端子６０，６１．６２に供給されたセンサ
出力信号から、端末段６４の６つの入力信号を導出する
。端末段６４は、半導体段例えば出力電流回路が互に直
列に接続された端末段トランジスタまたはサイリスタを
備えた半波ブリッジ回路として夫々構成された３つの駆
動段６５．６６．６７を有している。巻線のデルタ結線
コイル２１，２２；２３，２４；および２５゜２６は、
端末段６４の巻線接続端子６ｇ、６９゜７０に接続され
ている。復号器５１は、第６図に示された形状を有する
端末設電圧（ＧＮＤに対する）ＵＥＩ、ＵＥ２およびＵ
Ｅ３が２巻線接続端子６８．６９．７０に生じるように
設計されている。第６図に見られるように、端末設電圧
または駆動電圧ＵＥ１．ＵＥ２およびＵＥ３は、互に同
様に電気角１２０’ずらされている。センサ出力信号Ｓ
１、Ｓ２．Ｓ３の夫々の２つの連続した電気角１８０°
の半周期の間において、端末設電圧は夫々の場合におい
て電気角１２０”の間は正であり電気角１２０°の間は
負である。各電圧ＵＥＩ、ＵＥ２．ＵＥ３の電気角１２
０°の領域は、各巻線接続端子６８．６９または７０が
開路される夫々の電気角６０″によって互に離間されて
いる。コイル対２１，２２；２３，２４．および２５．
２６には、第６図のＵｉ１、Ｕｉ２およびＵｉ３に示さ
れた形状をもつ３段の階段状電圧が再び誘起される。こ
のように、特性は前述の実施例と同様である。

第４図および第６図においては１種々の信号発生の相対
時間が同一の尺度で示されていることを特に付言する必
要がある。

第２図に示すように、この電動機は、ディスク記憶装置
のハブ３７に場所を節約して設けられている。電動機に
よって生じるトルクは高度の不変性を有するため、ディ
スク記憶装置の起動時に生じる大きな摩擦力にピークト
ルクが打ち勝つだけで充分である。これと反対に、著し
いトルクの下降を有する電動機の場合１例えばピークト
ルクのなり高く選ぶ必要があった。こ・に得られた最低
のトルク変動によって、起動および定格速度に対する電
動機の寸法を特に有利にすることができる。

上述の原理は２回転式駆動の場合だけでなく。

直線式駆動の場合にも好適に使用することができる。そ
の場合、リニアモータは、その他の例えばドイツ連邦共
和国特許出願公開箱３１２３４４１号公報から知られた
方法によって構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は固定ディスク記憶装置の駆動用として組立てら
れ三相巻線が星状またはデルタ状に接続された本発明に
よる装置の一実施例を示す断面図、第２図は第１図のゴ
ー■線断面図、第３図は第１図に示す装置における三相
巻線が星状に接続された場合におけるブロック結線図、
第４図は第３図に示す回路の動作を示す波形図、第５図
は第１図に示す装置における三相巻線がデルタに接続さ
れた場合におけるブロック結線図、第６図は第５図に示
す回路の動作を示す波形図である。１０・・・積層板（磁束誘導部材）。１３・・・永久磁石、　　１４・・・空隙、　　２０・
・・溝。２１．２２，２３，２４，２５．２６・・・巻線コイ　
′し　・　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３　
７　・・・　ノ翫　ブ。４２．４３．４４・・・位置センサ。４９・・・巻線駆動段、５１・・・復号器。６４・・・巻線駆動段。６７．６８．６９・・・巻線接続端子。Ｓ１、Ｓ２．Ｓ３・・・センサ出力信号。ＵＥＩ、ＵＥ２．ＵＥ３・・・駆動電圧（端末設電圧）
。Ｕｉ１、Ｕｉ２．Ｕｉ３・・・誘起コイル電圧出願人　
　バブスト・モートーレン・ゲーエムベーハー・ラント・コー・カーゲー

Claims

【特許請求の範囲】１）無集電子三相直流電動機であって、相対的に可動の
永久磁石装置と三相巻線とを備え、電気角１８０°の間
は第１電位にあり次の電気角１８０°の間は第２電位に
あるセンサ出力信号を供給するため、巻線に対し相対的
に静止し永久磁石装置によって制御される３つの位置セ
ンサを備え、巻線コイルは互に電気角１２０°ずれたセ
ンサ出力信号に依存して周期的な順列の電流によって付
勢され、電気角１２０°ずれた電圧が巻線コイルの個々
のコイルに誘起され、この電圧は零点の通過によって交
互に電気角最大１８０°の間は正であり電気角最大１８
０°の間は負であり、その合計は磁石装置と巻線との間
のすべての相対位置に対して零に等しい形式のものにお
いて、位置センサ（４２、４３、４４）は、センサの状
態変化が関連するコイル電圧の零点通過とほゞ一致する
ように巻線コイル（２１ないし２６）に関連して設けら
れ、センサ出力信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）に直接対応（
第４図、第８図）するか又はそれから導出（第１０図）
された駆動電圧（ＵＥ１ないしＵＥ３）によって、巻線
コイル（２１ないし２６）が巻線駆動段（６４）を介し
て付勢されることを特徴とする無集電子三相直流電動機
。２）巻線コイル（２１ないし２６）が星状に接続され、
巻線の駆動段（４９）が位置センサ（４２、４３、４４
）に直接接続されることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の直流電動機。３）巻線コイル（２１ないし２６）がデルタに接続され
、センサ出力信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の電気角１８０
°の２つの連続する半周期の間、駆動電圧は電気角１２
０°の間夫々正であり電気角１２０°の間は負であり、
電気角１２０°の連続する領域の間の電気角６０°の２
つの領域の間は夫々の巻線接続端子（６７、６８、６９
）が開路されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の直流電動機。４）電動機は一般に円筒形の空隙（１４）を有し、永久
磁石装置（１３）は外部回転子の一部であることを特徴
とする特許請求の範囲第１〜３項の一に記載の直流電動
機。５）電動機はほゞ平らな空隙を有するリニアモータとし
て設計されることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３
項の一に記載の直流電動機。６）回転子は４極を備えるように設計されることを特徴
とする特許請求の範囲第４項記載の直流電動機。７）巻線の個々のコイル（２１ないし２６）は溝（２０
）が切られた磁束誘導部材（１０）の夫々の１つの極の
周りに非重畳形式で設けられ、磁束誘導部材（１０）は
永久磁石装置（１３）と共に空隙（１４）を区画し、コ
イル（２１ないし２６）は回転方向即ち回転方向の接線
に垂直なコイル軸を有し、コイルピッチと磁石ピッチと
の比は２：３であり、個々の誘起コイル電圧（Ｕｉ１な
いしＵｉ３）は、電気角約１２０°の間は正であり電気
角約６０°の間は零に等しいか又は殆んど等しく電気角
約１２０°の間は負であるような３段の階段状電圧であ
り、位置センサ（４２、４３、４４）は、その状態変化
が関連する誘起電圧（Ｕｉ１ないしＵｉ３）の電気角６
０°の零電圧領域のほゞ中央において生じるようにされ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１〜６項の一に記
載の直流電動機。８）信号処理装置、特にディスク記憶装置の駆動用の特
許請求の範囲第４、６又は７項記載の直流電動機。９）少くとも１つの固定記憶装置ディスクを収容するハ
ブ（３７）を備え、直流電動機または少くともその主要
部がハブ（３７）内に設けられた固定ディスク記憶装置
用の特許請求の範囲第８項に記載の直流電動機。１０）直接駆動のキャプスタンモータ用および／または
磁気テープレコーダのリールモータ用の特許請求の範囲
第４、６又は７項記載の直流電動機。