JPS62236348A - 直流モ−タ - 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、少（とも２つの第１及び第２の相のコイルを
具備し、これらのコイルに順次切換え通電することによ
り回転駆動を行うようにした直流モータに関し、特にブ
ラシレス直流モータに適用して最適なものである。

従来、ブラシレス直流モータの通電方式としては、３相
ｌ相通電、２相両方向通電、４相２相通電が一般的であ
る。第１Ａ図は従来の３相１相通電方式の３相２極ブラ
シレス直流モータのローター１と固定子の３相コイルＬ
＋　、Ｌ２　、Ｌ：ｌとの相対的な位置関係を示す説明
図である。また第１Ｂ図は各コイルし３、Ｌ２、Ｌ３の
通電の切換え状態を示す波形図で°ある。また第１Ｃ図
は各コイルの通電の切換えによってローター１に生ずる
トルクを表わすグラフである。なお第１Ａ図では、説明
を簡単にするために、永久磁石のローター１が固定され
ていて、コイルＬ＋　、Ｌ２　、Ｌ３が口−ター１に対
して相対的に移動するものとする。

またローター１及びコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ、は夫々直綿
状に展開して示されている。

第１Ａ図において、ローターｌのＮＳ交互の永久磁石に
よって、正弦波状の磁界が形成されている。各コイルＬ
１、Ｌ２、Ｌ３は夫々はぼ電気角１８０°　（即ち、Ｎ
またはＳの永久磁石の１個分の巾）にわたって巻装され
ている。そしてこれらのコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３は夫々
電気角１２０゜の位相差でもって配置されている。

今、コイルＬ、の前端がθ、の位置にあるとき（時点ｔ
、）、第１Ｂ図に示すようにこのコイルＬ１に通電が開
始される。なおコイルし、の前端とは、例えばコイルＬ
１に第１Ａ図の方向に電流を流したときに、Ｎ極（また
はＳ極）の磁束によってモータのローターに正方向のト
ルクが生ずるコイルの往路部分（または復路部分）のこ
とであ１　　　　る。そしてコイルＬ１が電気角でほぼ
１２０°凹？１ 転してθ２の位置（時点ｔｚ）に達するまで通電が行な
われる。従って、第１Ｃ図に示すように、１、からｔ２
までの間にコイルＬ、の電流とローター１の磁束とによ
ってトルクが発生する。

コイルＬＩ′の前端がθ２の位置（時点ｔｚ）に達する
と、第１Ｂ図に示すように、このコイルＬ１の通電が断
たれる。このときコイルＬ２の前端はθ１の位置に達し
てして、この時点ｔ２からコイルＬ２の通電が開始され
る。そしてコイルＬ２が電気角で１２０°回転してその
前端がθ２の位置（時点ｔ３）に達するまで、このコイ
ルＬ２に通電が行なわれる。この結果、コイルＬ２の電
流とローター１の磁界とによって、第１Ｃ図に示すよう
に、ｔ２からｔ、までの間にトルクが発生する。

そしてコイルし、についても同様に、時点ｔ、からｔ４
まで通電が行なわれ、この間にトルクが発生する。

このようにして時点１．からｔ４の間に各コイルＬ＋　
、Ｌｘ　、Ｌｚが電気角３６０°回転し、この間に電気
角で１２０°ずつ各コイルの通電が切換えられて第１Ｃ
図に示す正トルクが発生する。

なお各コイルＬ、　、Ｌｚ　、Ｌ３の夫々の後端には、
夫々の通電期間においてＳ極の磁束が鎖交していて、こ
の後端部分を流れるコイルの復路部分（または往路部分
）の電流によってコイルの前端の回転トルクと同方向の
トルクが発生する。

このように３相１相通電のブラシレスモーフの場合、電
気各３６０°の区間内で３同の電流切換えを行なう必要
がある。このためローター１の回転角度を検出する位置
検出素子が３個必要となる。

即ち、第１Ａ図に示すように、各コイルＬ＋　、Ｌ２、
Ｌ３の前端が夫々θ１からθ２までの区間を通過するタ
イミングを検出する位置検出素子が３個必要となる。こ
の場合、３個の位置検出素子の夫々は、電流切換えをす
る３相のコイルとの関連において互いに相対的位置関係
を有しているので、組立て時にこれらの位置検出素子の
ピッチの調整をしなければならず、このため組立て工数
が増大することになる。またこれらの位置検出素子を予
め位置調整して１つのパッケージに納めてモジュール化
したものも考えられるが、この場合、１つのモジュール
はローターの直径が同一の一種類のブラシレスモーフに
しか使用できない欠点がある。

また電流切換えのための３相分のスイッチ回路（スイッ
チングトランジスタ）が３回路必要となる。また詳細に
は説明しないが、４相２相通電の場合には、２個の位置
検出素子を必要とし、また電気角３６０°の区間で４回
の電流切換えを行なう必要があり、このため４個のスイ
ッチ回路が必要となる。また２相両方向通電の場合には
、２個の位置検出素子を必要とし、また電気角３６０゜
の区間で４回の電流切換えを必要とする。そしてこの場
合、正負の両方向に通電するため８個のスイッチ回路を
必要とする。

更にまた、電気角３６０°の区間で２回の電流切換えを
する従来の２相ｌ相電流方式のブラシレスモーフについ
て考察すると、この場合も、第２Ａ図に示すように第１
Ａ図と同様な正弦波状の磁界がローター１によって形成
される。またコイルＬ、およびＬ２は夫々電気角で１８
０”の巻装で巻装される。またこのコイルし、とＬ２と
は夫々電気角１８０°の位相差でもって配置される。

そしてコイルＬ、の前端がθ１の位置にあるとき（時点
ｔ１）、第２Ｂ図に示すように、このコイルし、に通電
が開始される。そしてコイルＬｔが電気角でほぼ１８０
°回転してその前端が０２の位置（時点ｔｚ）に達する
と、この通電が断たれる。次にこの時点ｔ２において、
その前端が０１の位置に達しているコイルＬ２に通電が
行なわれる。そしてコイルＬ２が電気角で１８０°回転
してその前端がθ２の位置（時点１１）に達するまで通
電が行なわれる。そして以下同様にコイルＬ１とＬ２と
が交互に電気角１８０°ごとに切換えて通電される。

この場合、コイルし２通電するためのスイ・ノチ信号は
、コイルＬ１を通電するスイッチ信号の反転信号から形
成し得るので、回転位置検出子は１個あればよい。また
電流切換えのためのスイ・ノチ回路は２回路あればよい
。

・・１　　　　、ヵ１．。（７）ｋ％　＠　＆Ｚ　’ｖ
よ、□２ＣＦｌ＆、：イオよう４゜ルクが発生する。こ
の第２Ｃ図から明らかなように、この場合、電気角Ｏ°
及び１８０°の位置では、コイルＬ、　、Ｌ２に電流を
流してもこの位置での磁界がほぼ零であるので、トルク
が発生しない。従ってこれらの位置でローター１が停止
した場合、モータが起動されないことになる。またこれ
らの電気角０°及び１８０″′の付近でローター１が停
止した場合でも、モータに負荷があればモータが起動さ
れない。従って、従来は何らかの起動トルク発生手段を
設けない限り、このようなブラシレスモーフは成立し得
ないということが一般的な常識であるった。また仮に起
動トルク発生手段を設けても、第２Ｃ図に示すように、
トルクリップルが相当に大きいものになると考えられて
いた。

本発明者は以下のように構成することによって、上述の
ような強固な既成概念を打破することに成功した。

即ち、本発明は、少くとも２つの第１及び第２の相のコ
イルと少なくとも２極の第１及び第２の磁束発生手段と
を具備し、これらのコイルに順次切換え通電することに
より回転駆動を行うようにした直流モータにおいて、上
記第１及び第２の相の夫々のコイルのトルク発生に関与
する往路部分の中心と復路部分の中心との成す角度が電
気角で１８０°以外の角度となるように構成し、上記磁
束発生手段を異方性磁石で構成して上記第１及び第２の
磁束発生手段を構成する主極Ｎと主極Ｓとの反転領域の
一方に弱磁極部分を形成するように着磁し、これによっ
て、上記夫々のコイルの往路部分と復路部分とを流れる
電流によって発生する所定の方向の合成回転トルクが電
気角で１８０゜以上となるように構成し、上記回転トル
クが１８０°以上となる領域内の所定部分において上記
夫々のコイルへの通電が行われるように、各相のコイル
の通電を順次切換える電流切換え手段を設けたものであ
る。

このように構成することによって、電気角で３６０°に
わたって回転トルクが零となる部分、即ち回転子の死点
がなく、このために、例えば２相１相通電を行う場合で
も、特別な起動トルク発生手段を設ける必要がないよう
にしている。

なお上述の記載において往路部分及び復路部分の中心と
は、各往路部分及び復路部分を成す複数の導体の幾何的
平均位置のことである。

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第３図は本発明をアウターローター型で２相１相通電方
式の２相４極のブラシレスモーフに適用する場合のモー
タの原理を示すモータ軸に直交した横断面図である。中
心のモータ回転軸６に連らなるローター１　（ヨーク）
は概ねカップ状を成していて、その内周面に部分円筒状
の一対の主極の永久磁石７ａ、８ａが空隙部分２０ａを
空けて固着されている。またこれらと対称形に一対の主
極の永久磁石７ｂ、８ｂが空隙部分２０ｂを空けて固着
されている。

これらの永久磁石７ａ、８ａ、７ｂ、８ｂの内周面と対
向して円筒状の固定子鉄心９が配置され、この鉄心９の
外表面に、第１相（Ａ相）のコイル１０Ａ、ＩＯＢ及び
第２相（Ｂ相）のコイル１１Ａ、１１Ｂを配置しである
。第１相のコイル１０Ａ、ＩＯＢは電気角で３６０″離
れた位置（電気的に同相位置）にあり、互いに直列又は
並列に接続されている。第２相のコイル１１Ａ、１１Ｂ
ｔ＋同様である。また第１相のコイル１０Ａ（又は１０
Ｂ）と第２相のコイル１１（又はＩＩＢ）とは電気角で
１８０°の位相差（電気的に逆相）を有している。なお
固定子鉄心９は回転軸６を軸支している軸支持体３に固
定されている。

Ａ相のコイルＩＯＡ及びＩＯＢは、夫々トルク発生に関
与する往路部分１０ａと復路部分１０ｂとを有し、各部
分を成す導体の束の平均的中心の開き角度（巻線ピッチ
）が電気角でほぼ１００’〜１１０°となるように巻回
されている。

永久磁石７ａ、８ａ及びこれらの間の空隙部分２０ａが
電気角３６０°を成し、永久磁石７ｂ、８ｂ及びこれら
の間の空隙部分２０ｂが他の電気角３６０°を成してい
る。各永久磁石７ａ、８ａ、７ｂ、８ｂの磁極中は電気
角で約１４０°　（機械？１　　　角で７０°）であり
、空隙部分２０ａ、２０ｂの巾は電気角で約８０°であ
る。

第４Ａ図〜第４Ｃ図は、第３図の構成のブラシレスモー
フの動作を示す波形図であって、第４Ａ図はコイルに作
用する鎖交磁束密度の回転方向に沿ったグラフである。

第４Ａ図に示すように、Ｓ極とＮ極との境界の一方の領
域（電気角で１８０゜付近）が空隙部分２０ａ、２０ｂ
となっているので、ローター１の回転トルクに関与する
半径方向（ローター１から固定子鉄心９の方向又はその
逆方向）の磁束がなくなる。このためコイルと鎖交する
磁束密度Ｂｇは第４Ａ図のように、空隙部分２０ａ、２
０ｂにおいてほぼ零で平坦になる。

ここで（Ａ相）のコイルＩＯＡ、ＩＯＢの往路部分１０
ａには図面の裏面から表面方向の電流、また復路部分子
ｏｂには図面の表面から裏面方向の電流が流れていると
する。コイルＩＯＡ、１０Ｂの往路部分１０ａの電流と
このコイルの鎖交磁束とによって生ずるローターｌのト
ルク（電流に作用する力の反作用）は、フレミングの左
手の法則に基いて容易に考察し得るように、第４Ｂ図の
実￥ａａのようになる。即ち、第４Ａ図の磁束密度Ｂｇ
とほぼ同様なトルクが発生する。

次にコイルＩＯＡ、ＩＯＢの復路部分１０ｂについては
、この復路部分１０ｂが往路部分１０ａと同じ位置にあ
ると仮定すると、往路部分１０ａとは電流の方向が逆で
あるので、第４Ｂ図の実線ａをＸ軸に関して折返したト
ルクが生ずる。実際には往路部分１０ａと復路部分ｔａ
ｂとはほぼ１００°の角度差があるので、復路部分１０
ｂの電流によってローター１に生ずるトルクは、第４Ｂ
図の点線すに示すように１００°平行移動したものとな
る。従って、Ａ相のコイルＩＯＡ、ＩＯＢの往路部分１
０ａと復路部分１０ｂとによってローター１に生ずる合
成トルクは第４Ｂ図の実線Ａのようになる。即ち、はぼ
１３２°から３５２゜までの電気角２２０°　（１８０
”以ヒ）にわたる区間において正方向のトルクが生ずる
。

一方、Ｂ相のコイルＩＩＡ、ＩＩＢは第４Ｂ図の八と同
じで且つ１８０°移和したトルクを発生する。従って第
４Ｃ図のように、Ａ相のコイル１０Ａ、ＩＯＢとＢ相の
コイルＩＩＡ、ＩＩＢとを電気角で約１８０°ずつ交互
に切換え通電すれば、電気角で３６０°にわたって零と
ならない回転トルクが得られる。１８０°交互の切換通
電は１個のローター位置検出素子の出力とその極性反転
信号とによって行える。

第５Ａ図は上述の原理を利用した本発明の一実施例を示
す第３図と同様な横断面図である。第５Ａ図では、ロー
ターｌに取り付ける磁石として円筒状に一体に構成され
ている異方性磁石２５を使用し、これを第５Ａ図のよう
に４極に着磁している。そして第５Ａ図の縦線で示すよ
うに上下方向に磁区が整列しているとすると、図のＸ部
及び７部においては、第５Ｂ図に示すようにモータのト
ルク発生に関与する半径方向の磁束が著しく減少する。

即ち、主極ＮとＳとの反転領域の一方において磁束密度
が著しく減少した弱磁極部分Ｘ、　Ｙを形成しである。

なお異方性の方向が半径方向の異方性磁石２５を使用し
ても、着磁の強□さを変えることにより第５Ｂ図と同様
な磁束密度Ｂｇの分布を形成することができる。

従って第５Ａ図に示したモータは、第４Ａ図〜第４Ｃ図
で示した動作と同様に３６０°にわたって回転死点のな
いトルクを発生する。

この実施例による２相１相通電方式のブラシレス直流モ
ータによって得られる効果を要約すると、電気角で３６
０°にわたって回転トルクが零となる部分、即ち回転子
の死点を無くすることができる。また１個の位置検出素
子によって各相のコイルの電流切換えをすることができ
、また電流切換えのためのスイッチ回路（スイッチング
トランジスタ）を２回路用いるだけで回転トルクを発生
させ得るので、従来のブラシレスモーフの駆動回路と比
較すると、その回路素子を大巾に削減することができる
。この結果、駆動回路のコストダウン、回路素子が無く
ないことによる信頼性の向上及び駆動回路の小型化を図
ることができる。特に、駆動回路の構成が非常に簡単に
なるので、位置検出素子及びスイッチングトランジスタ
を含めた駆動＾°□　　　　　回路を１つのパッケージ
に納めてＩＣ化することが容易である。更に位置検出素
子が１個でよいので、従来の複数の位置検出素子を使用
しているブラシレスモーフのように、コイルの各相間の
位置関係及び各素子間の相対的位置関係を調整をする必
要がない。従って位置検出素子の位置調整が容易で、組
立工数を低減することができる。また位置検出素子が１
個であるため、従来のように複数個の位置検出素子を１
つのパッケージにモジュール化したものを使用する必要
がなく、回転子の直径が種々のブラシレスモーフに同一
の位置検出素子を使用することができ、部品の標準化が
容易である。

以上本発明をその実施例に基いて説明したが、本発明は
その技術思想に基いて種々の変形が可能である。

例えば、と述の実施例においては、アウターローター型
のブラシレスモーフについて説明したが、本発明はイン
ナーローター型のブラシレスモーフについても適用し得
る。またロークー１の極数を増加してもよい。また本発
明は直流ブラシモータにも適用可能である。更に、゛固
定子コイールとローグーの永久磁石とがモータの軸方向
に対向しているアキシャルエアギヤツブ型のモータにつ
いても適用可能である。

本発明は上述の如く、第１と第２の相のコイルの夫々の
往路部分の中心と復路部分の中心との成す角度が電気角
で１８０″′以外の角度となるようにし、夫々のコイル
の往路電流と復路電流とによって発生する合成回転トル
クが電気角で１８０゜以上となるように、磁束発生手段
を異方性磁石で構成してその主極ＮＳの反転領域の一方
に弱磁極部分を形成し、夫々のコイルに順次行われる通
電が上記回転トルクが１８０°以上となる領域内の所定
部分において行われるようにした。故に電気角で３６０
°にわたって回転トルクが零となる部分、即ち回転子の
死点を無くすることが出来る。

従って本発明によれば、１つの位置検出素子を用いるの
みで通電切換えを行うことが出来る２相１相通電を行う
場合にも、特別な起動トルク発生手段を設ける必要がな
い。

また異方性磁石を使用することにより、弱磁極部分を簡
単に形成することができ、ロータ磁石の構造を単純にし
、またその着磁装置の構造を簡単にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は従来の３相１相通電方式のブラシレス直流モ
ータのローターと固定子の３相コイルＬ１、Ｌｔ、Ｌ３
との相対的な位置関係を示す説明図、第１Ｂ図は各コイ
ルＬ０、Ｌｔ、Ｌ、の通電の切換え状態を示す波形図、
第１Ｃ図は各コイルの通電の切換えによってローターに
生ずるトルクを表わすグラフである。第２Ａ図は従来の
２相１相通電方式のブラシレス直流モータのローターと
固定子の２相コイルＬ、　、Ｌ、との相対的な位置関係
を示す説明図、第２Ｂ図は各コイルＬ、　、Ｌｔの通電
の切換え状態を示す波形図、第２Ｃ図は各コイルの通電
の切換えによってローターに生ずるトルクを表わすグラ
フである。 第３図は本発明をアウターローター型で２相１相通電方
式の２相２極ブラシレス直流モータに適用する場合のモ
ータの原理を示す軸と直交した横断面図、第４Ａ図は各
コイルと鎖交する磁束の磁束密度のグラフ、第４Ｂ図は
Ａ相のコイルによって生ずる合成トルクを説明するため
のグラフ、第４Ｃ図はブラシレス直流モータの各コイル
の電流切換えによってローターに生ずるトルクを表わす
グラフである。 第５Ａ図は本発明のブラシレスモーフの一実施例を示す
第３図と同様な横断面図、第５Ｂ図は鎖交磁束密度のグ
ラフである。 なお図面に用いた符号において、 １−・−・−・・・−・・−ローター １０＾、１０Ｂ−・−・第１相コイル １１Ａ、１１Ｂ・−・・・−第２相コイル１０ａ、ｌｌ
ａ・・−・・往路部分 １０ｂ、　１ｌｂ−・・−・復路部分 ２５・−−−一−−・−・−−一一一・−・永久磁石Ｘ
、Ｙ・・・−・・・−・・−弱磁極部分である。 、１　　　　　代理人　上屋　勝 中＋１ ′　　　　　　　　、 第３図 第４Ａ図 第４Ｂ図 第４０図 第５Ａ図 第５Ｂ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少くとも２つの第１及び第２の相のコイルと少なくとも
   ２極の第１及び第２の磁束発生手段とを具備し、これら
   のコイルに順次切換え通電することにより回転駆動を行
   うようにした直流モータにおいて、上記第１及び第２の
   相の夫々のコイルのトルク発生に関与する往路部分の中
   心と復路部分の中心との成す角度が電気角で１８０°以
   外の角度となるように構成し、上記磁束発生手段を異方
   性磁石で構成して上記第１及び第２の磁束発生手段を構
   成する主極Ｎと主極Ｓとの反転領域の一方に弱磁極部分
   を形成するように着磁し、これによって、上記夫々のコ
   イルの往路部分と復路部分とを流れる電流によって発生
   する所定の方向の合成回転トルクが電気角で１８０°以
   上となるように構成し、上記回転トルクが１８０°以上
   となる領域内の所定部分において上記夫々のコイルへの
   通電が行われるように、各相のコイルの通電を順次切換
   える電流切換え手段を設けた直流モータ。