JPS6142258A - 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】 産業上の利用分野 本発明は、界磁部の磁極数よりも多い巻線用溝を有する
電機子鉄心を具備する電動機に関するものである。

従来例の構成とその問題点 電機子鉄心に巻線用溝を設けて多相の巻線を収納するよ
うにした電動機は、巻線用溝の間に形成される歯に界磁
部の磁束を収束させることができるために、その出力が
大きいという利点がある。

そのため、産業用ロボットやＮ０機器の駆動動力源とし
て広く使用されている。しかしながら、このような電動
機では、界磁部の磁極と電機子鉄心の巻線用溝の相互作
用によりコギングトルクが発生する。以下、これについ
てブラシレス形の直流電動機を例にとり、図面を参照し
て説明する。

第１図は従来の電動機の構造を表わす要部構成図である
。回転軸１に取りつけられた強磁性体のロータ２の外周
に、円環状のマグネット３が取りつけられている。マグ
ネット３には４極の磁極が等角度間隔に着磁されており
、界磁部を形成している。界磁部のマグネット３と所定
の間隙を離して電機子鉄心４が配置されている。マグネ
ット３と電機子鉄心４は、いずれか一方が他方に対して
回転自在に支承されている　（本例では、電機子鉄心４
に対してマグネット３が回転するようになされている）
。電機子鉄心４には、等角度間隔に１２個の巻線用溝５
が設けられており、各巻線用溝の間には１２個の歯６が
形成され、３相の巻線人１〜Ａ４．Ｂ１〜Ｂ４．０１〜
Ｃ４が巻装されている。巻線ＡＩ、Ａ２．Ａ３．Ａ４は
３個の歯を取り囲むように巻かれており、巻、１ＪＡ１
が収納された両方の巻線用溝にはそれぞれ巻線Ａ２とＡ
４の一端が収納されている。同様に、巻線Ａ２が収納さ
れた両方の巻線用溝にはそれぞれ巻線Ａ１とＡ３の一端
が収納され、巻、％ｌＡ３が収納された両方の巻線用溝
に七それぞれ巻線Ａ２とＡ４の一端が収納され、巻線Ａ
４が収納された両方の巻線用溝にはそれぞれ巻線Ａ１と
Ａ３の一端が収納されている。他の相の巻線Ｂ１〜Ｂ４
，０１〜Ｃ４についても同様である。以下、Ａ１−Ａ４
をまとめて人相の巻線群とし、Ｂ１〜Ｂ４をＢ相の巻線
群とし、０１〜Ｃ４をＣ相の巻線群とする。界磁部のマ
グネット３の発生磁束は電機子鉄心４の各歯に流入また
は流出し、Ａ、Ｂ、Ｃ相の巻線群に鎖交している。Ａ、
Ｂ、Ｃ相の巻線群の間には、電気的に１２０度の位相差
がある。ここで、電気角の１８０度は界磁部の１磁極ピ
ツチ３６００／　Ｐ（Ｐは界磁部の磁極数）に相当する
（本例では、Ｐ＝４であるから機械角９０度が１磁極ピ
ツチであり、電気角１８０度に相当する）。

第２図に駆動回路の構成図を示す。第１図の巻線Ａ１〜
Ａ４は、各巻回方向を考慮して直列に接続され人相の巻
線群を形成している。同様に、巻線Ｂ１〜Ｂ４は各巻回
方向を考慮して直列に接続されＢ相の巻線群を形成し、
巻ｆｉＩＣ１〜Ｃ４は各巻回方向を考慮して直列に接続
されＣ相の巻線群を形成している。３相の巻線群は星形
結線され、その端子を駆動部１１に接続されている。位
置検出部１２はマグネット３の回転位置を検出し、マグ
ネット３の回転に伴って変化する３相の正弦波状の信号
Ｐ１．Ｐ２．Ｐ３を出力する。駆動部１１には、指令信
号Ｆと位置検出部１２の３相信号Ｐ１、Ｐ２．Ｐ３が入
力され、その両者の積に比例した３相の正弦波状の電流
１１．Ｉ２．Ｉ３を出力する。その結果、Ａ、Ｂ、Ｃ相
の巻線群への電流１１．Ｉ２．Ｉ３とマグネット３の磁
束との相ｑ作用によって所定方向への回転力を発生する
。

次に、この従来例のコギングトルクについ−Ｃ第３図を
参照して説明する。第３ＵＡは、第１図のマグネット３
と電機子鉄心４をｘ　−ｘ’　　線とＹ　−Ｙ’線につ
いて平面展開した図である（巻線を省略し、巻線用溝を
ａ〜ｌで示した）。コギングトルクは界磁部と電機「鉄
心の間の磁場に蓄えられた磁気エネルギーが両者の相対
的な回転に応じて変化することによ−）で生じるもので
ある。特に、界磁部の磁極と電機子鉄心の溝の両者に関
係して発生し、第１図のごとく界磁部のマグネット３と
電機子鉄心４の両方に磁気的な周期性がある場合には、
その両者に共通して存在する成分（整合成分）のコギン
グトルクが生じる。第４図にマグネット３の発生する磁
束密度の分布特性を全周（３６０度）について示す。磁
気エネルギーは磁束密度の２乗に関係する量であるから
、第４図に示すごとき特性の界磁部のマグネット３が有
する磁気的な周期・波形の基本的な調波成分は第４次調
波成分となる。

ここで、１回転１回の正弦波成分を第１次調波成分とす
る。すなわち、マグネット３は第４吹成分を基本として
、第８次、第１２次、　　などの高調波成分を含んでい
るごとになる。

一方、電機子鉄心４の磁気的不均一性（パーミ７′ンス
に関係する世）は巻線用溝２Ｌ〜１によ−、て生じる。

電機子鉄心４の巻線用溝Δ〜１ｉ」′η角度間隔（３０
度間隔）に配置されているので、電機子鉄心４の磁気的
不均一性の基本的な調波成分は第１２吹成分となる。従
って、これを基本として第２４次、第３６次、・・など
の高調波成分を含んでいる。コギングトルクは、電機子
鉄心４の有する磁気的小町−性の成分とマグネット３の
有する周期Ｑ波形の調波成分が整合（一致）するときに
発生ずるから、本従来例のコギングトルクは第１２次、
第２４次、　　などの調波成分が生しる。

コギングトルクの第１２吹成分は、１２個の巻線用溝に
よって生じる電機子鉄心４の磁気的不拘に −・性の基本成分に直ｔ１３ａ係している。一般に、電
機ｆ鉄心４の基本成分はその他の高調波成分に較へてか
なり大きい。その結果、この従来の電動機では非常に人
きなコギングトルクが発生していた。

本出願人は、このようなコギングトルクを低減する一方
法を特願昭５３−１４５４８９号に提案している。特願
昭５３−１４５４８９号では、電機子鉄心の各歯に補助
溝を設けることにより、コギングトルクの基本的な調波
成分を高くしてコギングトルクを低減している。しかし
ながら、このような方法によりコギングトルクを十分に
低減するためには、コギングトルクの基本次数をかなり
高次にする必要が・あり、多くの補助溝を電機子鉄心に
設けなければならず、実用的でない。また、補助溝を多
く設けた場合でも、コギングトルクの基本成分が電機子
鉄心の基本成分と一致するためにコギングトルクを十分
に低減できなか−、た。

発明の目的 本発明は、このような点を考慮し、界磁部の磁極数より
も電機子鉄心の巻線用溝の数が多いような電動機におけ
るコギングトルクを大幅に低減したものである。

発明の構成 本発明では、Ｐ極（Ｐは偶数）の界磁磁極を円周上に等
角度間隔もしくは略等角度間隔に有する界磁部と、Ｔ個
（ＴはＰより大きい３の倍数）の巻線用溝に３相の巻線
を重巻したＭ機子鉄心とを具備し、前記界磁部と電機子
鉄心のうちでいずれか一方が他方に対して回転自在とな
された電動機であって、 前記電機子鉄心は、実効ピッチがＤ：３８ｏＣ／Ｔより
大きいＬ個（Ｌは整数）の長歯と、実効ピッチがＤより
小さいＭ個（Ｍは整数）の短歯を有し、前記長歯と短歯
の個数を Ｌ　　７〕３ Ｍ　イ３ となし、前記短歯の実効ピッチと前記長歯の実効ピッチ
の比をＲ：Ｒ＋１　（Ｒは整数）にし、少なくとも１個
の前記長歯に補助溝を設け、前記巻線用溝と前記補助溝
からなる前記電機子鉄心の溝の全体を前記短歯の実効ピ
ッチのＲ分の１の間隔で配置することにより、上記の目
的を達成したものである。

実施例の説明 第６図に本発明の一実施例を表わす要部平面展開図を示
す。第５図において、ロータ２に取りつけられたマグネ
ット３は等角度間隔に４極の磁極を有し、電機子鉄心４
の１２個の＠線用溝ａ〜１および１２個の歯に所定間隙
あけて対向している。

電機子鉄心４の１２個の巻線、用溝には、第１図のＡ、
Ｂ、Ｃ相の巻線群と同様に３相の巻線群が重巻して巻装
されている（図示を省略する）。すなわち、巻線用溝ａ
・からｄに渡って巻線Ａ１が巻装され、巻線用溝ｄから
ｇに渡って巻線Ａ２が巻装され、巻線用溝ｇからコに渡
って巻ＪＩ　Ａ　３が巻装され、巻線用溝コから已に渡
って巻ｆｉｌＡ４が巻装され、巻線Ａ１〜Ａ４がその巻
回方向を考慮して直列に接続されて第Ａ相の巻線群を形
成している。

同様に、巻線用溝Ｃからｆに渡って巻線Ｂ１が巻装され
、巻線用溝ｆからｉに渡って巻線Ｂ２が巻装され、巻線
用溝１から１に渡って巻線Ｂ３が巻装され、巻線用溝１
からＣに渡って巻線Ｂ４が巻装され、巻線Ｂ１〜Ｂ４が
その巻回方向を考慮して直列に接続されて第３相の巻線
群を形成している。さらに、巻線用溝Ｏからｈに渡って
巻ｍＣ１が巻装され、巻線用溝りからｋに渡って巻線Ｃ
２が巻装され、巻線用溝ｋからｂに渡って巻線Ｃ３が巻
装され、巻線用溝すからｅに渡って巻線Ｃ４が巻装され
、巻線Ｃ１〜Ｃ４がその巻回方向を考慮して直列に接続
されて第Ｃ相の巻線群を形成している。本実施例の駆動
回路は、第２図の構成と同様であり、説明を省略する。

第５図の実施例においては、電機子鉄心４の巻線用溝ａ
〜ｌの配置を不等角度間隔となし、巻線用溝の間に形成
される歯の実効ピッチを不均一にしている。ここに、歯
の実効ピッチとは歯の両端の巻線用溝の中心のなす角度
である。巻線用溝の個数をＴ、＝３・Ｐ＝１２（Ｐは界
磁部の磁極数でありＰ：４）とするとき、等角度間隔に
配置すると各歯の実効ピッチはＤ＝３６０°／Ｔ（本例
ではＤ−１２０′：ｙＰ−３０°）となるので、Ｄより
大きい歯を長歯と呼び、Ｄより小さい歯を短歯と呼ぶこ
とにする。歯ａ−ｂ（両端の巻線用溝によって歯を表わ
す）は短歯、歯ｂ−ｃは長歯、歯Ｃ−ｄは短歯、歯ｄ−
ｅは長歯、歯ｅ−ｆは短歯、歯ｆ−ｇは長歯、歯ｇ　−
ｈは短歯、歯ｈ−１は長歯、歯ｌ−コは短歯、歯コーに
は長歯、歯に−１は短歯、歯１−　ａは長歯である。す
なわち、長歯の個数はＬ＝６、短歯の個数はＭ−＝６で
あり、短歯と長歯は交互に配置されている。短歯ａ−ｂ
、ｃ−（１，ｅ−ｆ、　ｇ−ｈ、ｉ−コ、、に−１の実
効ピッチは、３６０°／′１８−２ｏ０に等しくもしく
は略等しくされているｂ長歯ｂ−ｃ、　ｄ−ｅ、　　ｆ
−１ｈ−１，コ−に、ｌ−ａの実効ピッチは、了２００
／１８＝＝４００に等しくもしくは略等しくされている
。すなわち、短歯の実効ピッチと長歯の実効ピッチの比
は１：２にされている。また、各長歯には１個の補助溝
が設けられ、巻線用溝と補助溝からなる電機子鉄心の溝
の全体は等角度間隔（３６００／１８−２００間隔）も
しくは略等角度間隔に各溝の中心（磁気的な作用効果か
らめた中心）が配置されている。

次に、本実施例のコギングトルクについて説明する。す
でに説明したように、コギングトルクは電機子鉄心の巻
線用溝による磁気的不均一性の調波成分と界磁部の磁極
による磁気的な周期・波形の調波成分が整合したときに
生しる。界磁部のマグネット３の磁気的な周期・波形は
、マグネット３の１磁極ピツチ３６００／Ｐを周期とす
る周期関数となっている。従って、マグネット３の１磁
極ピツチを基本周期として、電機子鉄心４の磁気的不均
一性（巻線用溝と補助溝の配置によって生じる磁気的な
変動分）を考えればよく、一般にその変動量を小さくす
るならばコギングトルクは小さくなる。マグネット３の
１磁極ピツチを基本周期として電機子鉄心４の巻線用溝
ａ〜１と補助溝ａ”〜ｆ’４−みたときの位相関係を第
６図に示す。人相の巻線群を収納された巻線用溝”＋　
ｄ＋　ｇＨ］は１磁極ピッチの１／１８の位相差で位相
ずれを設けられ（巻線用溝’＋　ｄ＋ｇ＋１の位相は４
個所以上に異なる）、その変動範囲は１磁極ピツチの２
／１８＝＝１　／９　（１磁極ピツチの１７３以下）に
なされている。同様に、Ｂ相の巻線群を収納された巻線
用溝ｃ、ｆ、ｉ、ｌは１磁極ピツチの１７１８の位相差
で位相ずれを設けられ、その変動範囲は１磁極ピツチの
１／９になされている。さらに、Ｃ相の巻線群を収納さ
れた巻線用溝す、ｅ。

ｈ、には１磁極ピツチの１／１８の位相差で位相ずれを
設けられ、その変動範囲は１磁極ピツチの１／９になさ
れている。人相の巻線用溝群Ｄ＋ｄ、ｇ、コ）とＢ相の
巻線用溝群（Ｃ＋　　ｆ＋　１＋１）とＣ相の巻線用溝
群（ｂ＋　ｅ＋　ｈ＋　ｋ）の間にはそれぞれ１磁極ピ
ツチの１／３の位相差がある（Ａ、Ｂ、Ｃ相の巻線群の
間には電気角で１２０度の位相差がある）。また巻線用
溝＆〜１の位相とは異なる位相に補助溝ａ゛〜ｆ゛が位
置し、巻線用溝ａ〜１と補助溝ａ′〜ｆ′からなる溝の
全体は１／１８の位相差で位相がすべて異なっている。

第７図に巻線用溝ａ〜１と補助溝ａ°〜ｆ”による電機
ｒ・鉄心４の磁気的変動分の波形を示す。巻線用溝の開
口幅に応じて、各巻線用溝による磁気的な変動分はなだ
らかに変化する。巻線用溝ａ〜１と補助溝ａ′〜ｆ′は
１７１８ずつ位相が異なっているために、合成の磁気的
な変動分（交流外）はかなり小さくなっている。第８図
に、第１図の従来の電動機の磁気的な変動分を示す。巻
線用溝’＋　ｄ＋ｇ＋ｊは同位相となり、巻線用溝ｃ、
ｆ、ｉ、ｌは同位相となり、巻線用溝す、ｅ、ｈ、には
同位相になるので、第１図の従来の電動機の合成の磁気
的な変動分は非常に大きい（第１図の従来例に補助溝ａ
′〜ｆ′はない）。第７図と第８図を比較すると、本実
施例の電動機の磁気的な変動分が大幅に小さくなってい
ることがわかる。その結果、本実施例のコギングトルク
は大幅に低減されている。

さらに、本実施例の各巻線Ａ１．Ａ２．Ａ３゜Ａ４．Ｂ
ｉ、Ｂ２．Ｂ３．Ｂ４，０１．Ｃ２，Ｃ３、Ｃ４の実効
ピッチは（１磁極ピツチの２０／１８）　２２００度（
電気角）以下から（１磁極ピツチの１６／１８）　−１
６０度（電気角）以上になされている。ここに、巻線の
実効ピッチはその冴線が収納された巻線用溝の中心間の
なす角度である。人相の巻線群についてみれば、Ａ１の
巻装さｔ］た巻線用溝ａ−ｃ１間の角度は１６ｏ０　（
１個の長歯と２個の短歯外）、Ａ２の巻装された巻線用
溝（１−ｇ間の角度は２０００　（２個の長歯と１個の
短歯外）、Ａ３の巻装された巻線用溝ｇ−ｊ間の角度は
１６００　（１個の長歯と２個の短歯外ＸＡ４の巻装さ
第１た巻線用ｉｊ　−ａ間の角度は２００’（２個の長
歯と１個の短歯外）である。Ｂ相の巻線群についてみれ
は、Ｂ１の巻装された巻線用溝ｃ−ｆ間の角度は１６０
０　（１個の長歯と２個の短歯外）、Ｂ２の巻装された
巻線用溝ｆ−ｉ間の角度は２００°　（・２個の長歯と
１個の短歯外）、Ｂ３の巻装された巻線用溝ｉ−１間の
角度は１６０゜（１個の長歯と２個の短歯外）、Ｂ４の
巻装された巻線用溝１−ｃ間の角度は２Ｑ○０　（２個
の長歯と１個の短歯外）である。Ｃ相の巻線群について
みれば、Ｃ１の巻装された巻線用溝ｅ−ｈ間の角度は１
６００　（１個の長歯と２個の短歯外）、Ｃ２の巻装さ
れた巻線用溝ｈ−に間の角度は２０００（２個の長歯と
１個の短歯外）、Ｃ３の巻装された巻線用溝に−ｂ間の
角度は１６００　（１個の長歯と２個の短歯外）、Ｃ４
の巻装された巻線用溝ｂ　−ｅ間の角度は２００°　（
２個の長歯と１個の短歯外）である。このように、各相
の巻線が収納された巻線用溝の変動範囲を小さくして（
１磁極ピッチの１／３以下）、かつ、巻線の実効ピッチ
の変動範囲を小さくするならは（２００度以下から１６
０度以上）、巻線作業が容易となり、１■動化も可能と
なる。

前述の第５図の実施例では、長歯の先端に補助溝を設け
たが、短歯にも補助溝を設けてもよい。

−・般に、短歯の実効ピッチと長歯の実効ピッチをＲ：
　Ｒ＋１もしくはＲ：Ｒ＋３（Ｒは整数）にして、在線
用溝と補助溝からなる電機子鉄心の溝の全体を短歯の実
効ピッチのＲ分の１の間隔で配置するならば、簡単にコ
ギングトルクを低減できる。

このような構成の他の例を表１にしめす。

表１ 表１　（Ａ）の構成は、第５図の短歯の実効ピッチを２
単位角度（１単位角度は３６ｏ０／３ｏ−１２°）にし
、長歯の実効ピッチを３単位角度にして、短歯と長歯に
補助溝を設け、巻線用溝と補助溝からなる溝の全体を１
単位角度間隔に配置したものである。表１　（Ｂ）の構
成は、第６図の短歯の実効ピッチを３単位角度（１単位
角度は３６ｏ０／４２＝８．５７１０）にし、長歯の実
効ピッチを４単位角度にして、短歯と長歯に補助溝を設
け、＠線用溝と補助溝φ）らなる溝の全体を１単位角度
間隔に配置したものである。表１　（Ｃ）の構成は、第
５図の短歯の実効ピッチを４単位角庶（１１１位角度は
３６００１５４＝６．６６７°）にし、長歯の実効ピッ
チを５単位角度にして、短歯と長歯に補助溝を設け、巻
線用溝と補助溝からなる溝の４体を１単位角度間隔に配
置したものである。（電機子鉄心の溝の総数は界磁部の
磁極数Ｐの整数倍ではない）。

前述の実施例では、内側にマグネットを配置し外側に電
機子鉄心を配置したが、その関係が逆であってもよい。

また、円環状のマグネットに限らず、複数個のマグネッ
ト磁極片によって界磁部を構成してもよい。さらに、マ
グネットの磁極数や巻線用溝の数は前述の実施例に限定
されるものではない。その他、本発明の主旨を変えずし
て種々の変更が可能である。

発明の効果 本発明は、界磁部の磁極数よりも巻線用溝の数が多い電
動機において、巻線用溝の配置を特殊となすことにより
コギングトルクを大幅に低減したものである。従って、
本発明に基いて、例えば口ポットの間部駆動用電動機や
Ｎ０機器の駆動用電動機を構成するならは、高精度の回
転駆動や位置制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電動機の要部構造図、第２図はその駆動
回路の構成図、第３図は第１図の電動機の平面展開図、
第４図は界磁部のマグネットの磁束密度の分布を表わす
図、第５図は本発明の一実施例による電動機の平面展開
図、第６図はマグネットの１磁極ピッチを基本周期とし
て第５図の電機子鉄心をみたときの巻線用溝の位相関係
を示す図、第７図は第５図の実施例の磁気的変動分を示
す図、第８図は第１図の従来例の磁気的変動分を示す図
である。 ２　　ロータ、３　・　マグネット、４　・　電機子鉄
心、６．＆〜ｌ　・巻線用溝、６　　歯、ａ′〜ｊ＋・
　補助溝、Ａ１−Ａ４．Ｂ１〜Ｂ４，０１〜Ｃ４・・巻
線。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名勇１
図 す　　　　り一駒〈

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｐ極（Ｐは偶数）の界磁磁極を円周上に等角度間隔もし
   くは略等角度間隔に有する界磁部と、Ｔ個（ＴはＰより
   大きい３の倍数）の巻線用溝に３相の巻線を重巻した電
   機子鉄心とを具備し、前記で 界磁部と電機子鉄心のうちでいずれか一方が他方に対し
   て回転自在となされた電動機であって、前記電機子鉄心
   は、実効ピッチがＤ＝３６０°／Ｔより大きいＬ個（Ｌ
   は整数）の長歯と、実効ピッチがＤより小さいＭ個（Ｍ
   は整数）の短歯を有し、前記長歯と短歯の個数を Ｌ≧３ Ｍ≧３ となし、前記短歯の実効ピッチと前記長歯の実効ピッチ
   の比をＲ：Ｒ＋１（Ｒは整数）にし、少なくとも１個の
   前記長歯に補助溝を設け、前記巻線用溝と前記補助溝か
   らなる前記電機子鉄心の溝の全体を前記短歯の実効ピッ
   チのＲ分の１の間隔で配置したことを特徴とする電動機
   。