JPS6244057A

JPS6244057A - ブラシレスモ−タ

Info

Publication number: JPS6244057A
Application number: JP60183468A
Authority: JP
Inventors: Yasumi Kawabata; 康己川端
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-08-21
Filing date: 1985-08-21
Publication date: 1987-02-26
Anticipated expiration: 2012-11-05
Also published as: JP2673506B2

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、ブラシレスモータに関し、特に、ロータの回
転角にかかわらず、全回転域にわたって高い効率を得る
ものに関する。

〔従来の技術〕

従来のブラシレスモータは、直流サーボモータにおける
励磁コイルと永久磁石の配置を逆にして、永久磁石をロ
ータに、励磁コイルをステータに配設し、励磁コイルの
電流切換をコンミテータなしで行えるようにしたもので
、励磁コイルの電流切換は、ホール素子などによって検
出されるロータの回転位置に同期させて回転磁界を形成
させる回転磁界ベクトル制御によって行われている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、このような回転磁界ベクトル制御では、ブラシ
レスモータの入出力効率が、ロータが特定の回転角にあ
るとき最高８５％程度になるだけで、全回転域にわたっ
て高い効率が得られない問題がある。

従って、本発明の目的は、ロータの回転角にかかわらず
、全回転域にわたって高い効率が得られるようにするこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明は、ロータの回転中、一対一で対向しない
励磁コイルと永久磁石との組合せが常時できるようにす
ることを特徴とする。

具体的には、本発明のブラシレスモーフは、永久磁石を
ロータに、励磁コイルをステータに、それぞれ配設し、
励磁コイルの極性をロータの回転角に合わせて順次切り
換えることによってロータに回転トルクを発生させるも
のであり、励磁コイルの配設個数をｍ×Ｎ〔ｍは励磁コ
イルのセ・ノド数で、偶数、Ｎは励磁コイルの極数で、
２以上の整数〕とし、永久磁石の配設個数をｍｘ　（Ｎ
＋１）とする。

（作用〕１セントの中で励磁コイルに比べて永久磁石の数が一つ
だけ多いため、例え一対の励磁コイルと永久磁石とが対
向したときでも他に対向しない励磁コイルと永久磁石の
組合せが必ずでき、そのような対向してない組合せによ
って回転トルクが発生される。従って、全回転域にわた
ってほぼ均等に回転トルクを発生させることができる。

〔実施例〕以下、本発明の実施例を図面によって説明する。

第１図〜第３図は、本発明の一実施例を示し、第２図は
部分断面正面図、第１図は第２図のＩＡ−ＩＡ線断面、
ＩＢ−ＩＢ線断面を同時に示す断面図、第３図はステー
タのケースの底面図である。

各図中、１０はロータ、２０はステータであり、１１は
永久磁石、２１は励磁コイルである。永久磁石１１は、
複数個、この場合、１６個が回転軸１２のまわりに円環
状に配設され、各永久磁石ｌｌは、その磁極方向が互い
に平行となるように並べられている。勿論、各永久磁石
１１の磁極は、隣り合う永久磁石１１同士で互いに逆向
きとなるようにされている。

このように並べられた永久磁石１１を一組として複数組
、この場合、３組が回転軸１２のまわりに固定されてロ
ータｌＯが構成されており、各々円環状に並べられた永
久６ｎ石組は、固定金具１４によって回転軸１２上に固
定されている。このとき、回転軸１２と各固定金具１４
とは、スプライン嵌合１３され、固定金具１４と永久磁
石１１との間は、接着剤によって固着されている。

円環状に並べられた永久磁石１１の側方には、やはり複
数個、この場合、１２個の励磁コイル２１が円環状に並
べられており、各励磁コイル２１は、各永久磁石１１の
磁束と鎖交するように配設されている。このように永久
磁石１１の側方に配設された励磁コイル組は、永久磁石
１１の一方側にのみ配設すれば良いが、両側に配設され
ていても良く、この実施例の場合は、第２図から明らか
なように、３組の円環状の永久磁石組のうち、真中のも
のには、その両側に励磁コイル組が配設されている。

各励磁コイル２１には、その中心にそれぞれ鉄心２２が
設けられており、第２図から明らかなように、各鉄心２
２は、円環状に並べられた永久磁石１１の外周側を通っ
て永久磁石１１の反対側まで延設されている。ただし、
この実施例の場合、４組の励磁コイル組の各励磁コイル
２１は、回転軸１２の方向に一列に並んでおり、それら
の鉄心２２は互いに一体化されている。その鉄心２２は
、積層鉄板によって構成されており、ステータ２０のケ
ース２４の底面に第３図の如く形成された溝２３にその
一端側が嵌め込まれ、他端側がスペーサ２９を介してカ
バー２５によって圧接されている。また、各鉄心２２間
には、第１図から明らかなように、スペーサ２６が介挿
されており、スペーサ２６のうち幾つかは、ビン２７に
よってケース２４に固定されている。つまり、回転軸１
２の回転方向に対してまわり止めが施されている。なお
、第２図中、１５はベアリングであり、ケース２４に対
して回転軸１２を回転自在に支持している。また、１６
はシールであり、モータ内に水、はこり等が侵入しない
ようにしている。

円環状に並べられた励磁コイル２１は、隣り合う三つが
一セットとされ、全周で４セツトとされており、各セッ
ト間で対応する位置にある励磁コイル２１は、全て直列
接続され、さらに、一体化された鉄心２２に巻かれてい
る励磁コイル２１も、全て直列接続されている。従って
、励磁コイル２１は、４×４で１６個づつが直列接続さ
れていることになる。

このように、励磁コイル２１が一セットで３個であるの
に対して、永久磁石１１は、対応する範囲内に４個設け
られている。すなわち、−セット内で永久磁石１１の個
数が励磁コイル２１の個数より１個多くされている。

第５図〜第７図は、一つの鉄心２２およびそこに巻かれ
た励磁コイル２１を拡大して示している。

また、第４図は、励磁コイル２１が通電されたとき鉄心
２２の磁化の様子を示しており、このように磁化された
ときロータ１０の永久磁石１１が図の位置にあると、矢
印Ｆで示すようにトルクが発生する。このトルクは、所
謂リラクタンストルクである。なお、第４図中一点鎖線
は代表的な磁力線の一つを示している。

第８図は、−セントを成すＡ−Ｃの三つの励磁コイル２
１とロータｌＯの永久磁石１１との位置関係を平面上で
示すとともに、ロータ１０の回転に伴って励磁コイル２
１の通電方向、つまり、極性が切り換えられる様子を時
間の経過と共に示している。

まず、（イ）で示すｔｏのタイミングでは、励磁コイル
２１のＡ〜Ｃは、（ロ）で示すように、永久磁石１１側
の磁極が順次Ｎ、Ｎ、Ｓとなっており、これに対して、
ロータ１０の永久磁石１１が図のように位置しているた
め、ロータ１０には、矢印で示すように、図の下方向に
トルクが発生する０次にｔ、のタイミングでは、Ｂの励
磁コイル２１の通電方向が切り換えられて極性が切り換
えられ、永久磁石１１側が順次Ｎ、Ｓ、Ｓとされる。

すなわち、励磁コイル２１と永久磁石１１とが一対一で
対向する位置となったときに、励磁コイル２１の極性が
切り換えられる。このように、励磁コイル２１と永久磁
石１１とが対向しているときには、その励磁コイル２Ｉ
と永久磁石１１との間には、トルクが発生しないが、上
述のように励磁コイル２１の個数に対して永久磁石１１
の個数が多くされているため、−組の励磁コイル２１と
永久磁石１１とが対向していても、他の励磁コイル２１
と永久磁石１１とは対向せず、トルクを発生している。

第８図において（ハ）は、励磁コイル２１の通電方向を
示しており、ｔｌのタイミングでＢの励磁コイル２１の
通電方向が切り換えられる。以後同様にｔ３、ｔ３、ｔ
ｌ、ｔ７、ｔｌｌのタイミングで励磁コイル２１と永久
磁石１１とが一対一で対向したとき、励磁コイル２１の
極性が切り換えられる。そして、ｔｌ３のタイミングで
再びＢの励磁コイル２１の極性が切り換えられ、−サイ
クルの動作を完了し、以後、この動作が繰り返されて、
ロータ１０は回転される。

このように励磁コイル２１は、一つの永久磁石１１と一
対一で対向したとき極性の切換が行われるが、このため
、励磁コイル２１が一つの永久磁石１１と一対一で対向
した状態を検出するべく、第５図および第６図に良く示
されているように、励磁コイル２１には、検出コイル２
８が重ね巻きされている。ただし、励磁コイル２１と永
久磁石１１との位置関係は各セント間では、全て同一で
あるため、検出コイル２８は、一つのセットの励磁コイ
ル２１にのみ設けられている。また、一つの鉄心２２に
巻かれた励磁コイル２１が複数個あっても、同様の理由
で一つの励磁コイル２１にのみ検出コイル２８を設けれ
ば良いが、第５図の場合では、一つの鉄心２２に巻かれ
た励磁コイル２１の全てに検出コイル２８を設け、これ
ら検出コイル２８は全て直列接続されている。

検出コイル２８は、永久磁石１１の磁界の影響を受けて
、起電力を発生し、その信号波形は、第８図（ニ）に示
す如くとなる。すなわち、励磁コイル２１と永久磁石１
１とが一対一で対向する位置で起電力の方向が切り換わ
る交流信号を発生する。検出コイル２８からの信号は、
波形整形されて矩形波とされ、さらに、微分回路によっ
て信号の変化分のみが取り出される。この微分信号は、
第８図（ホ）に示されており、この微分信号をトリガと
して励磁コイル２１の極性切換が行われる。

以上は、−セット中の励磁コイル２１の数が３個の場合
について説明したが、励磁コイル２１の数は２以上の任
意の数とすることができ、第９図〜第１１図は、励磁コ
イル２１の数を２〜４個としした場合について互いに比
較して示しである。

この第９図〜第１１図から明らかなように、−セント中
の励磁コイル２１の数Ｎに対して永久磁石１１の数をＮ
＋１とすることによってロータ１０の回転中、ロータの
回転角にかかわらず、常時励磁コイル２１と永久磁石１
１との間にトルクを発生させることができる。また、励
磁コイル２１の極性を切り換えるための通電方向の切換
は、（１／２Ｎ）Ｘ　（２／Ｎ＋１）ｘ　（２π／ｍ）
（ただし、Ｎは励磁コイル２１の極数、ｍはセント数〕
毎に行われる。

第１２図は、励磁コイル２１の通電を制御する回路を示
しており、各検出コイル２８からの起電力は、波形処理
回路５６において波形整形されて微分され、微分信号が
プリドライブ回路３０およびマイクロコンピュータ５１
に送り込まれる。プリドライブ回路３０は、その微分信
号を受けてドライブ回路４０を作動させる信号を形成し
、ドライブ回路４０は、各励磁コイル２１の通電を制御
する。また、マイクロコンピュータ５１は、波形処理回
路５６からの微分信号によってロータ１０の回転速度お
よび回転位置を検出する。一方、マイクロコンピュータ
５１は、速度指令５２、位置指令５３、トルク指令５４
も受けており、微分信号によって検出される速度が速度
指令５２による速度と一致するように、また、位置指令
５３によって決められた位置でロータｌＯの回転が停止
するように、プリドライブ回路３０に信号を送り込んで
いる。

第１３図は、プリドライブ回路３０の詳細を示しており
、この図から明らかなように、プリドライブ回路３０は
、波形処理回路５６からの微分信号を受けてその度に反
転動作するＴ型フリップフロップ３１〜３３と、そのフ
リップフロップ３１〜３３の出力によってマイクロコン
ピュータ５１からの信号を選択してドライブ回路４０へ
送る六つのアンドゲート３４〜３９とから成る。例えば
、フリップフロップ３１のＴ端子に波形処理回路５６か
ら微分信号を受けると、フリップフロップ３１は反転動
作され、開かれるアンドゲートを３４から３５または３
５から３４に切り換える・第１４図には、ドライブ回路
４０の詳細が示されており、このドライブ回路４０は、
複数個のトランジスタの導通、非導通の組合せによって
３回路とされた励磁コイル２１の通電を制御するように
されている。すなわち、アンドゲート３４が開かれてア
ンドゲート３５が閉じられているときには、マイクロコ
ンピュータ５１からのデユーティ比信号がドライブ回路
４０のトランジスタ４１．４２のベースに印加され、デ
ユーティ比信号のデユーティ比でトランジスタ４１．４
２が導通されて、Ａの励磁コイル２１を通電し、また、
アンドゲート３４が閉じられ、アンドゲート３５が開か
れているときには、マイクロコンピュータ５１からのデ
ユーティ比信号がトランジスタ４３．４４ノヘースに印
加され、トランジスタ４３．４４がデユーティ比信号の
デユーティ比で導通され、Ａの励磁コイル２１をそれま
でとは逆方向に通電する。つまり、フリップフロップ３
１が反転動作されてアンドゲート３４．３５の開閉が切
り換えられることによって、Ａの励磁コイル２１の通電
方向が切り換えられ、励磁コイル２１の極性が切り換え
られる。Ｂの励磁コイル２１、Ｃの励磁コイル２１につ
いても、同様にフリップフロップ３２．３３を反転動作
させることによって、その通電方向が切り換えられ、極
性が切り換えられる。

第１５図および第１６図は、マイクロコンピュータ５１
を動作させるプログラムのうち、主要部分をフローチャ
ートによって示すものである。第１５図のプログラムは
、励磁コイル２１の通電電流のデユーティ比を制御する
もので、ｌ　ＯＯ”９秒毎に起動される時間割り込み処
理ルーチンである。

まず、ステップ１０１では、トルク指令５４に応じて励
磁コイル２１の通電電流のデユーティ比ＤＵＴＹが求め
られる。これは、演算によって求めても良いし、予めメ
モリに格納されたデータを読み出すことによって求めて
も良いが、トルク指令５４による指令トルクＴｃに対し
て第１７図の如く求められる。

次に、ステップ１０２では、速度指令５２による指令速
度Ｎｃと現在の速度Ｎとの差ΔＮが求められる。現在の
速度Ｎは、図示してないプログラムによって、波形処理
回路５６からの微分信号が発生される間隔を測ることに
よって求められる。

第１９図には、指令速度Ｎｃに対する速度Ｎの変化の様
子の一例が示されている。次のステップ１０３では、速
度差ΔＮに基づいてデユーティ比の補正量ΔＤＵＴＹが
求められる。この補正量ΔＤＵＴＹも、上述のステップ
１０１と同様、演算によって求めても良いし、予めメモ
リに格納されたデータを読み出すことによって求めても
良いが、速度差ΔＮに対して、第１８図の如く求められ
る。

ステップ１０４では、ステップ１０１で求められたデユ
ーティ比ＤＵＴＹとステップ１０３で求められた補正量
ΔＤＵＴＹとを加算して最終的なデユーティ比ＤＵＴＹ
が求められる。このようにして、第１５図のプログラム
では、速度指令５２による速度Ｎｃを維持するように励
磁コイル２１への通電電流のデユーティ比ＤＵＴＹが制
御される。

第１５図のプログラムが１００”９秒毎に起動されるた
め、ステップ１０４によって求められるデユーティ比Ｄ
ＵＴＹの値をそのままプリセッタブルダウンカウンタ（
図示せず）にプリセットし、このダウンカウンタを１這
り秒のクロック信号によってダウンカウントすることに
よって、ただちにダウンカウンタからは、ステップ１０
４において求められるデユーティ比ＤＵＴＹのパルス信
号を得ることができる。このパルス信号は、プリドライ
ブ回路３０のａ端子に送り込まれる。

第１６図のプログラムは、図示してないメイン処理ルー
チンプログラム中の一部であり、ロータｌＯ１つまり、
モータの停止位置を制御するためのプログラムである。

このプログラムが起動されると、ステップ１゜５におい
て、位置指令５３で指令された位置Ｐｃと現在の回転位
置Ｐとの差ΔＰが求められる。現在の回転位置Ｐは、図
示してないカウンタによって波形処理回路５６からの微
分信号を計数することによって計測される。

ステップ１０６では、位置の差ΔＰがｒＯＪであるか否
かが判定される。現在の回転位置Ｐが指令位置Ｐｃに達
するまでの間は、ステップ１０６は否定判断され、ステ
ップ１０９において差ΔＰが正であるか否かが判定され
る。このとき差ΔＰは正であるため、ステップ１１０に
進み、ここで、後述のフラグＦがｒｌＪにセットされて
いるか否かが判定される。このとき、フラグＦはセット
されていないので、ステップ１１０は否定判断され、現
在の回転位置Ｐが指令位置Ｐｃに達するまで、以上の処
理が繰り返される。

やがて現在の回転位置Ｐが指令位置Ｐｃに達すると、ス
テップ１０６は肯定判断されてステップ１０７において
上述のデユーティ比ＤＵＴＹが「０」とされ、励磁コイ
ル２１への通電を停止する。そして、ステップ１０８で
は、フラグＦを「１」にセットし、現在の回転位置Ｐが
指令位置Ｐｃに達したことを記憶する。

第２０図に示すように、現在の回転位置Ｐが指令位置Ｐ
ｃに達しても、慣性によってロータ１０は指令位置Ｐｃ
に停まらず、オーバランする。こうしてオーバランした
ときには、ステップ１０６．１０９は共に否定判断され
、ステップ１１３においてフラグＦが「１」にセットさ
れているか否かが判定される。いま、フラグＦがセット
されているので、ステップ１１３は肯定判断されてステ
ップ１１１において逆転パルスが発生される。この逆転
パルスは、第１２図における逆流防止用ダイオード５５
を介してプリドライブ回路３０のｂ〜ｄ端子に送り込ま
れ、プリドライブ回路３０の三つのフリップフロップ３
１〜３３を一斉に反転動作させる。フリップフロップ３
１〜３３が反転動作されると、上述のように、励磁コイ
ル２１の通電方向が反転され、励磁コイル２１の極性が
反転されるため、第８図の（ロ）から明らかなように、
各永久磁石１１には、矢印で示したのとは反対方向にト
ルクが発生する。従って、ステップ１１１において逆転
パルスが発生されることによって、ロータ１０の回転方
向が逆転される。そして、ステップ１１２では、フラグ
Ｆがリセットされて「０」とされる。

ロータ１０へのトルクが反転されても、慣性によってた
たちにはロータ１０は逆転しないが、やがて回転方向が
変えられ、第２０図の如く、回転位置Ｐは再び指令位置
Ｐｃに到達する。このとき、ステップ１０６は再び肯定
判断されてデユーティ比ＤＵＴＹがゼロとされるととも
に、ステップ゛ｌＯ８においてフラグＦが「１」にセッ
トされる。

現在の回転位置Ｐが指令位置Ｐｃに達しても、ロータ１
０は再びオーバランして今度は、ステップ１０９は肯定
判断される。そして、ステップ１１０も、このときフラ
グＦがセットされているため肯定判断されて、ステップ
１１１において逆転パルスが発生され、再びロータ１０
の回転方向が逆転される。

以上の第１６図の停止位置制御ルーチンプログラムによ
る動作を繰り返すことによって、第２０図の如く、ロー
タ１０は指令位置Ｐｃに停止される。

第２１図および第２２図は、上記実施例の変形例を示し
ており、この場合は、円環状に並べられた永久磁石１１
の磁極方向がロータ１０の回転の半径方向とされ、励磁
コイル２１は、永久磁石１１の外周側に並べられている
。そして、この場合も、−セットの励磁コイル２１の個
数３　（Ｎ）に対して、永久磁石１１の個数が４（Ｎ＋
１）とされている。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ロータの回転中、一対一
で対向しない励磁コイルと永久磁石との組合せが常時で
きるようにするので、対向してない組合せによって確実
に回転トルクが発生され、全回転域にわたってほぼ均等
に回転トルクを発生させることができる。従って、ロー
タの回転角にかかわらず、全回転域にわたって高い効率
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】第１図〜第３図は、本発明の一実施例を示し、第２図は
部分断面正面図、第１図は第２図のＩＡ−ＩＡ線断面、
ＩＢ−ＩＢ線断面を同時に示す断面図、第３図はステー
タのケースの底面図である。また、第４図は、上記実施例の動作を説明するための図
である。第５図〜第７図は、上記実施例における一つの
鉄心の拡大図であり、第７図は斜視図、第５図は励磁コ
イルを巻かれた状態の正面図、第６図は第５図のＶｌ−
Ｖｌ線断面図である。さらに、第８図は、上記実施例の
動作を説明するための図、第９図〜第１１図は、励磁コ
イルおよび永久磁石の個数を変えたときの第８図と同様
の説明図、第１２図は、上記実施例における制御回路の
一例を示す電気回路図、第１３図は、第１２図のプリド
ライブ回路の詳細回路図、第１４図は、第１２図のドラ
イブ回路の詳細回路図、第１５図および第１６図は、第
１２図のマイクロコンピュータの主要プログラムを示す
フローチャート、第１７図〜第２０図は、第１５図およ
び第１６図のプログラムによる動作を説明するための図
、第２１図は、上記実施例の変形例を示す部分断面正面
図、第２２図は、第２１図のｘｘｎ−ｘｘｎ線断面図で
ある。１０−−−−−−一ロータ１１・・−・−・永久磁石２０・・・−・・・ステータ２１・−・・・−・励磁コイル２２・−・−・−・鉄心出願人　　トヨタ自動車株式会社第１図第２図第３図第４図第５図第６図第１３面戸第１６図第１７図　　　　第１８図第１９図　　　　　第２０図

Claims

【特許請求の範囲】１、永久磁石をロータに、励磁コイルをステータに、そ
れぞれ配設し、励磁コイルの極性をロータの回転角に合
わせて順次切り換えることによってロータに回転トルク
を発生させるブラシレスモータであって、励磁コイルの配設個数をｍ×Ｎ〔ｍは励磁コイルのセッ
ト数で、偶数、Ｎは励磁コイルの極数で、２以上の整数
〕とし、永久磁石の配設個数をｍ×（Ｎ＋１）としたこ
とを特徴とするブラシレスモータ。