JPS63129842A - ２相ブラシレスモ−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】 〔技術分野〕 この発明はブラシレスモータに関し、さらに詳しくは、
アキシャルエアーギャップ型の２相ブラシレスモータに
関する。

最近における各種機器の小形軽軟化、高性能化の進展に
伴ない、アキシャルエアギャップ型のフラットモータが
提案されている。情報機器やＯＡ（オフィスオートメー
ション＞ｎｏにおいてステッピングモータとして利用さ
れている従来のフラットモータは、ヨーク上に多数の駆
動コイルを平面上に配置してステータを楕成し、ディス
クロータに多数のマグネットを平面上に配置したロータ
をステータに対面させ、駆動コイルをマグネットとステ
ータヨークとでサンドインチした構造となっている。Ｆ
Ａ（ファクトリオートメーション）機器においてサーボ
モータとして利用されているフラットモータはプリント
モータとして良く知られている。このプリントモータは
、ステータの平面上に多数の永久磁石をＮ極とＳ極とが
交互になるように配置し、この永久磁石にアマチュア巻
線を備えたディスクロータを対面させ、コミュテータと
ブラシを介してアマチュア巻線に駆動電流を供給する構
造となっている。これら２つの型式のフラットモータに
共通する特徴は磁気回路においてロータとステータヨー
ク間に磁気コイルまたはアマチュア巻線があるためにエ
アーギャップが必然的に大きくなって磁気抵抗が大きい
ことである。さらに各コイルまたはアマチュア巻線の対
象磁場が分散されていて、これらコイル又は巻線の対象
磁場領域が大きくなり。

同一磁極に対する磁束密度が低い欠点がある。そのため
磁界が弱くなってモータの効率が悪く、より一層の小形
軽量化・高性能化が困難である。この問題を解決すべく
、高級希土類磁石をロータマグネットに採用することが
提案されているが、モータの特殊な構造上、ロータとス
テータヨークとのエアーギャップそのものを小さくでき
ないために、モータの効率が改善されず、製造コストが
高くなる要因となっている。しかも、各コイルまたはア
マチュア巻線の対象磁場が分散されているために、モー
タ周辺への磁気漏れが大きく、とくに磁気記録を行なう
フロッピィディスクドライブ装置や高密度磁気記録を必
要とする精密測定機器において多大な悪影響を与えてい
た。プリントモータにいたっては前述の欠点の他に、ロ
ータにアマチュア巻線を設けているためにロータの全体
重量が大きくなって、ロータイナーシャが増加し、その
結果、パワーレートが小さくなって、高速応答ができず
、安定性に欠けるという欠点がある。さらにプリントモ
ータでは。

機械的な摺動、摩耗部があるために信頼性が低く、定期
的な保守点検の必要があるだけでなく、火花、ノイズが
発生するために使用環境条件に太きな制約があった６機
械的整流作用による高速領域における過負荷耐量にも限
界があった。したがって、このモータは高速回転には適
さず、振動、＊撃、高温等の環境条件の場所では使用で
きず、さらには、経年変化によりモータの特性が劣化す
るという欠点があった。

〔発明の目的〕

そこでこの発明の目的は高効率で小形軽量化、高性能化
が可能で信頼性の高い２相ブラシレスモータを提供する
ことにある。

この発明の他の目的は高効率で超薄型化が可能な２相ブ
ラシレスモータを提供することにある。

この発明の他の目的は磁気漏れや電磁ノイズの少ない２
相ブラシレスモータを提供することにある。

この発明の他の目的は構造が簡単で、組立が容易であり
、小容量機から大容量機まで実用可能な低コストの２相
ブラシレスモータを提供することにある。

この発明の他の目的はロータのイナーシャを小さくでき
、パワデンシティ　（ｋｗ／ｋｇ）とパワーレート（ｋ
ｗ／ｓ）が著しく改善された２相ブラシレスモータを提
供することにある。

この発明の他の目的はエアギャップを小さくでき、起動
トルクが高くて。

スルーイング特性に優れた、とくに、ステッピングモー
タやサーボモータとして利用可能な２相ブラシレスモー
タを提供することを目的とする。

この発明の他の目的は振動、衝撃などの耐ｌＡ境性に優
れ、使用ＩＪＸ境条件を選ばない２相ブラシレスモータ
を提供することを目的とする。

この発明の他の目的は汎用の直流モータあるいは交流モ
ータとしても利用可能な低コストで長寿命であり、しか
も高効率である２相ブラシレスモータを提供することに
ある。

〔発明の構成〕

本発明の２相ブラシレスモータは曲率半径の異なる第１
組および第２相のトロイダル駆動コイルを同心的にステ
ータに配置し、各駆動コイルに磁束集中用のトロイダル
・イナーヨークとトロイダル・アウターヨークを配置し
、前記イナーヨークと前記アウターヨークの少くとも１
つの端部に磁極を形成し、ロータディスクに第１相用磁
極と第２相用磁極を異なる曲率半径領域に形成し、前記
ロータディスクにさらに第１回転起動用低リラクタンス
部と第２回転起動用補助磁極を形成し、前記ステータに
さらに前記補助磁極を吸引するための補助コイルと該補
助コイルにより励磁される第２回転起動用磁極を備え、
前記ロータディスクの第１組および第２相用磁極が前記
トロイダル・イナーヨークと前記トロイダル・アウター
ヨークの磁極にエアギャップを介して対向することを特
徴とする。

〔実施例〕

この発明による２相ブラシレスモータの好ましい実施例
を第１〜３図に基づいて説明する。第１，２図において
、２相ブラシレスモータ１０はフレーム１２と、フレー
ム１２のマウント部１２ａのラジアル面に固定されたス
テータ１４を備える。ステータ１４は半径方向に延びる
円板状の高透磁率の材料からなるステータヨーク１５を
備え、このステータヨーク１５にハウジング１６が固着
される。フレーム１２はベアリングホルダーとして作用
し、−例として、フレーム１２の両端にベアリング１８
．２０を支持する０回転軸またはスピンドル２２がベア
リング１８．２０により回転可能に支持され、回転軸２
２の下方端部にネジ２４を介してロータ２６が固定され
る。ステータヨーク１５の平面上には異なる曲率半径の
第１組および第２相のトロイダル駆動コイル２８．３０
が回転軸２２と同心的に配置される。

トロイダル駆動コイル２８．３０の内周と外周には磁束
を集中させるための軸方向に延びる１−ロイダル・イナ
ヨーク３２．３４とトロイダル・アウターヨーク３６．
３８がそれぞ九装置される。イナーヨーク３２．３４お
よびアウターヨーク３６．３８の背面はステータヨーク
１５に接合剤（ｌ１２１示せず）その他の適当な手段を
介してそれぞれ固着される。イナーヨーク３２．３４お
よびアウターヨーク３６．３８の前面にはそれぞれ円弧
状磁極３２ｒ’、３４Ｐ、３６Ｆ、３８Ｐが予じめ定め
られた位相関係で形成されている１円弧状磁極３２Ｐ、
３４Ｐ、３６Ｐ、３８Ｐには低パーミアンス部をなすカ
ット部３２Ｃ，３４Ｃ，３６Ｃ，３８Ｃがそれぞれ形成
されており、これらカット部３２Ｃ，３４Ｇ、３６Ｃ，
３８Ｇは半径方向（Ｘ軸上）において整列するように同
位相で配置される。しかしながら。

第１相ヨーク３２．３６のカット部３２Ｃ，３６Ｇに対
して、第２相ヨーク３４．３８のカット部３４Ｃ，３８
Ｃを電気角で１８０°位相がずれるように、すなわち、
モータ軸の中心に対して対称となるように配置しても良
い、イナーヨーク３２．３４およびアウターヨーク３６
．３８はいずれも軟鉄、ケイ素鋼板等の高透磁率の材料
から形成される。

イナーヨーク３２．３４およびアウターヨーク３６．３
８には磁気通路と平行に、すなわち、半径方向に延びる
複数の細いスリット３２Ｓ、３４Ｓ、３６８，３８８が
それぞれ形成されている。これは、トロイダル駆動コイ
ルのオン、オフ時の変動磁束による磁気表皮効果で有効
にｆｆｉ磁力に寄与する強磁束密度部分がきわめて狭い
面積となって磁気抵抗が増して総磁束の減少をきたして
モータの出力トルクが低下するのを防ぐためである。

これらスリットによって変動磁束に対する反磁界の作用
である渦電流を効果的に抑えるので各相のトロイダル・
イナーヨークとトロイダル・アウターヨークのそれぞれ
の磁極面の広い部分にわたって強磁束部分を全体に均一
に分布させる効果がある。

第１相のアウターヨーク３６と第２相のイナーヨーク３
４との間には第１組および第２相ステータ間の磁気漏れ
を遮断するための銅またはアルミ等の導電体からなるト
ロイダル磁気遮断部材４０が配置される。磁気遮断部材
４０の背面はステータヨーク１５に固定され、その前面
は好ましくは隣接するヨーク３４．３６の磁極面にそろ
えられる。アウターヨーク３８の外局に隣接してトロイ
ダル磁気遮断部材４２が配にされ、アウターヨーク３８
からハウジング１６への磁気漏れを効果的に防止してい
る。

第１．２相トロイダル駆動コイル２８．３０の上面には
導電体からなる磁気遮断リング４４．４６がそれぞれ配
置される。磁気遮断リング４４゜４６は第１相の円弧状
磁極３２Ｐ、３６Ｐ間と第２相の円弧状磁極間３４Ｐ、
３８Ｐ間の磁気漏れをそれぞれ防止するとともに、駆動
コイル２８゜３０のオン、オフに伴なう電磁波ノイズを
モータの外側に放射させない役目をもつ、磁気遮断リン
グ４４．４６はイナー・プロジェクション４４ａ。

４Ｇａおよびアウター・プロジェクション４４ｂ、４６
ｂをそれぞれ備える。イナー・プロジェクション４４ａ
、４６ａはイナーヨーク３２．３４のカット部３２Ｃ，
３４Ｃ内に突出し、一方、アウター・プロジェクション
４４ｂ、４８ｂはアウターヨーク３６．３８のカット部
３６Ｇ、３８Ｃ内に突出する。このようにして、ヨーク
３２〜３８のカット部３２Ｃ〜３８Ｇからロータ２６の
方向への磁気漏れが完全に遮断され、各相において磁束
がイナーヨークとアウターヨークの円弧状磁極により多
く集中するため、対象磁場領域が小さくなって、同一磁
極に対する磁束密度が著しく高くなってモータの効率が
大幅に向上する。

第１図において、ステータヨーク１５」二において第１
相駆動コイル２８の内側にはトロイダル補助コイル４７
が軸２２と同心的に配置される。第２図に示されるよう
に、補助コイル４７の内側と外側にはそれぞれトロイダ
ル・イナーヨーク４３とトロイダル・アウターヨーク４
５とが配置され。

これらヨーク４３．４５の背面はステータヨーク１５に
固定される。第２図にて明らかなように、イナーヨーク
４３は一対の対称的に配置されたセクター状カットアウ
ト部４３Ｇと一対の対称的に配置されたセクター磁極４
３Ｐを備える。同様に、アウターヨーク４５は一対の対
称的に配置されたセクター状カットアウト部４５Ｃと一
対の対称的に配置されたセクター磁極４５Ｆを備える。

一対のセクター磁極４３Ｐは補助コイル４７の一方の極
性、すなわちＮｔ４ｉとして作用し、もう一対のセクタ
ー磁ｔｉ４５Ｐは補助コイル４７の他方の極性、すなわ
ち、Ｓ［として作用する。第２図において、セクター磁
極４３Ｐ、４５ＰはＹ軸に対して反時計方向に配置され
。

反時計方向への回転起動補助磁極として作用する。

第３図において、ロータ２６は軟鉄またはケイ素鋼板等
の高透磁率材料からなるロータディスク４８からなる。

ロータディスク４８の中央部にネジ２４の通過孔５０を
備える。ロータディスク４８は第１相川と第２相用の円
弧状６ｊ＆極５２，５４を備える。第２相川の円弧状磁
極５４は第１相の円弧状磁極の外側に形成される６円弧
状磁極５２．５４にはそれぞれ低パーミアンスを有する
カットアウト５２Ｃ，５４Ｃが形成される。カットアウ
ト５２Ｃ，５４Ｇはモータの軸心を中心として対称的な
位置、すなわち、１８０°位相がずれるように配置され
る。カットアウト５２Ｇ、５４Ｃにはそれぞれノーズま
たは低リラクタンス部５２Ｎ、５４ＮがＸ軸に関して時
計方向に延びていて、ロータ２６を時計方向に回転させ
るための回転起動用リラクタンス部として作用をする。

これら低リラクタンス部は第１組および第２相駆動コイ
ルを交互に励磁したときに常にロータに一定方向に回転
力を与えるものであればノーズの代わりに凹部その他の
手段でも良い。

第１組および第２相の円弧状磁極５２．５４は半径方向
に延びる複数の細いスリット５２Ｓ、５４ｇをそれぞれ
備える。望ましくは、スリット５２Ｓ、５４Ｓは第１組
および第２相ステータの細いスリット３２ｓ。

３６Ｓ、３４Ｓ、３８Ｓとほぼ等しい角度間隔で、しか
も等しい幅をもつように形成される。それにより、モー
タの出力トルクを後述の如く飛躍的に増大させることが
できる。なお、ロータ２６のスリット５２Ｓ、５４８は
円弧状ｍ極５２，５４内において半径方向に磁束が通過
する際に生ずる渦ｆｆｉ流を抑えて１強磁束密度部分を
円弧状磁極５２．５４の全体にわたって均一に分布させ
ることにより、磁気抵抗を減少させて有効磁束を増大さ
せる効果がある。しかも１円弧状磁極５２．５４の渦電
流を抑えることにより、モータの中速域あるいは高速域
におけるトルク特性の落ち込みから生ずる不安定現象や
共振現象を効果的に防止することができるため、低速域
から高速域に至るまで安定したトルク特性が得られる。

第３図において、ロータディスク４８は第１相円弧状磁
極の内側にカットアウト５２Ｇ、５４Ｇと同位相の一対
のセクター状カットアウト５６゜５８と一対の回転起動
用補助磁極として作用するセクタ磁極６０．６２を備え
る。セクタ磁極６０．６２の中心はＹ＃上に整列し、第
１相及び第２相円弧状磁極５２．５４の中心に対して９
０６位相がずれるように配置され、ロータ２６の静止位
置においてセクタ磁極６０．６２がステータのセクタ磁
極４３Ｐ、４５Ｐと一部オーバーラップするように構成
される。

上記構成において、トロイダル駆動コイル３ｏを励磁す
ると、コイル３０により発生した磁束はステータヨーク
１５．イナーヨーク３４．アウターヨーク３８とにより
集中され、このように集中された磁束はロータ２６の円
弧状磁極５４を吸引する。このとき、円弧状磁極５４の
カットアウト５４Ｃが第２相ステータのイナーヨーク３
４およびアウターヨーク３８のカット部３４Ｇ、３８Ｇ
に一致した安定点でロータ２６は静止する。

円弧状磁極５４がイナーヨーク３４．アウターヨーク３
８上を移動するとき、イナーヨーク３４およびアウター
ヨーク３８には半径方向の細いスリット３４Ｓ、３８Ｓ
がそれぞれ形成されていて１円弧状磁極５４にも半径方
向のスリット５４８が形成されているため、スリットの
数に応じてトルクを著しく増大できる。つぎに、コイル
３ｏがターン・オフされて、コイル２８がターン・オン
されると１円弧状磁極５２の低リラクタンス部５２Ｎは
時計方向に吸引されるため、ロータ２６は時計方向に１
８ｏ°回転する。つぎにコイル２８がターン・オフされ
て、コイル３ｏがターン・オンされると円弧状磁ｔ＠５
４のノーズ５４Ｎが時計方向に吸引されてロータ２６は
時計方向にさらに１８０°回転する。このようにコイル
２８．３０を順次励磁することにより、ロータ２６は時
計方向に回転する。ロータ２６の反時計方向回転は第１
組および第２相駆動コイル２８．３０の励磁と同時に補
助コイル４７を励磁することにより得られる。すなわち
、第２相コイル２８が励磁されて、ロータ２６の第２相
川円強状磁極５４がステータの第１相円彊状磁極３４Ｐ
、３８Ｐに吸引されて安定している状態で。

コイル２８がターン・オフされ、コイル３０．４７がタ
ーン・オンされると仮定する。このとき、ロータ２６の
ノーズ５２Ｎ、５４Ｎによる吸引力に比べてロータ２６
のセクタ磁１４６０．６２に対するコイル４７のセクタ
磁極４３Ｐ、４５Ｆによる吸引力が大きくなるように設
定さているため、ロータ２６は反時計方向に１８０”回
転する。つぎに、コイル３０がターン・オフされてコイ
ル２８．４７がターン・オンされると、ロータ２６はさ
らに反時計方向に１８０６回転する。このように、第１
組および第２相駆動コイル２８．３０のターン・オン時
に補助コイル４７をターン・オンすることにより反時計
方向の回転が得られる。駆動コイル２８．３０は公知の
２相励磁しても良いし、または駆動コイル２８．３０を
交流π！源に接続し、一方のコイルにコンデンサを接続
すれば交流モータとして作用する。

１−記実施例において、ロータは高透磁率のディスクか
らなるものとして説明したが、ロータは非磁性材料のデ
ィスクに高透磁率材料または永久磁石からなる円弧状６
Ｊ＆極を埋め込んだ構造としても良い、また、ロータデ
ィスクの軸方向の厚みを変えて、ステータに対面した凸
部により円弧状磁極を構成し、凹部をカットアウトの代
わりに低パーミアンス部としても良い。

なお、ロータの円弧状磁極は永久磁石により構成しても
良い。

〔効果〕

以」二より明らかなように、本発明の２相ブラシレスモ
ータでは、各相においてトロイダル邸動コイルにより発
生した磁束をトロイダル・イナーヨークおよびトロイダ
ル・アウターヨークに集中させ、ステータにおいて各相
を径方向の複数の曲率半径領域に配置したために、モー
タの単位体積当りの巻線の体積比率を著しく高めること
ができ、したがって、モータの出力トルクを巻線の巻数
ｎと駆動電流Ｉの２乗（ｎＩ）”に比例して極めて増大
させることにより、従来達成し得なかった高効率化を図
ることができる。その結果、ブラシレスモータの超小形
軽斌化、高速応答および高性能化が図れる。とくに、２
相ブラシレスモータを超小形軽量化する場合に各相の円
弧状磁極相互間の距離が小さくなっても、各相の磁極間
に磁気遮断リングを配置したため駆動コイルの発生磁束
が円弧状磁極相互間の空隙中に漏洩せず、磁束はすべて
ステータとロータの対向磁極面間により多く集中するた
め、最大の電磁エネルギーが得られる。したがって、電
磁エネルギー変換効率が極めて高く、大きな省エネルギ
ー効果が得られる。さらに。

各相の駆動コイルの断面中４辺が良熱伝導体に囲まれ、
これら良熱伝導体は同じく良熱伝導体のステータヨーク
とハウジングとに熱的に伝導しているため、コイルの熱
伝導面積が著しく増大してコイルの熱放散が極めて効率
的であり、モータの過負荷耐量が著しく増加する。しか
も、各相の駆動コイルはイナーヨーク、アウターヨーク
、ステータヨークならびに磁気遮断リングにより囲まれ
ているため、モータから外部への電磁波ノイズの放射を
著しく減らすことができる。さらに、ロータディスクと
ステータの磁極とに磁気通路と平行に多数のスリン１へ
を形成したために、変動磁束による磁気反作用を効果的
に防止して磁気回路における有効断面積を増大させ。

磁気抵抗を減少させることによって総磁束を著しく増大
させることができる。各相の駆動コイルの円弧状磁極と
ロータの円弧状ａＶＡとにスリットを形成しであるため
、ロータの回転につれて、ステータとロータとの対向磁
極面間の磁界の強さや磁束密度の変化斌が平坦な磁極面
の場合に比べて著しく増大し、モータの出力トルクが極
めて大きくなる。したがって、高速応答が可能で、従来
にない小形軽量で高性能な２相ブラシレスモータが実現
される。さらに、ロータディスクは大面積のカットアウ
ト部を備えているため、ロータディスクの全体重量が著
しく軽減され、ロータイナーシャが極めて少なく、シか
も、回転トルクが大きいために、高速応答、精密位置決
めが可能であり、また、スルーイング特性が優れる。な
お、ロータディスクがソリッドであり、ブラシ、コミュ
テータがないので、高速回転で使用できる。しかも、ス
テータおよびロータディスクは安い原材料を使用可能と
し、さらにステータ、ロータディスク、駆動コイルの構
造を極めて簡略化したため、加工および組立が簡単で安
価に製造可能とし、著しくコス１−を低減することがで
きる。なお１本発明のモータは構造部用で頑丈なため、
高速大出力用にも適し、高頻度の加減速運転に耐え高温
、低温の耐環境性に優れ、しかも連続使用による運転性
能の劣化がなく、長寿命であ本発明の２相ブラシレスモ
ータはフラットモータに適用したものとして説明したが
１本発明はフラットモータに制限されず、円筒形モータ
にも適用されることは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による２相ブラシレスモータ
の断面図、第２図は第１図の■−■線からみた断面図、
第３図は第１図のロータの平面図をそれぞれ示す。 １２・・・・・・・・・フレーム　　　　１４・・・・
・・・・・ステータ２６・・・・・・・・・ロータ　　
　　　２８，３０・・・・・・・・・トロイダル駆動コ
イル３２．３４・・・・・・トロイダル・イナーヨーク
３６．３８・・・・・・・・・トロイダル・アウターヨ
ーク３２Ｐ、３４Ｐ、３６Ｐ、３８Ｐ・・・・・・・・
・円弧状磁極４４．４６・・・・・・・・・磁気遮断リ
ング４８．５０・・・・・・・・・起動用補助コイル特
許出願人　株式会社　ハイテク研究所為３図 りど　　　６２　　り９

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）同心的に配置された異なる曲率半径の第１組およ
   び第２相用トロイダル駆動コイルと、前記第１相駆動コ
   イルの内側と外側とで軸方向に延びている磁束集中用の
   第１のトロイダル・イナーヨークおよび第１のトロイダ
   ル・アウターヨークと、前記第２相駆動コイルの内側と
   外側とで軸方向に延びている磁束集中用の第２のトロイ
   ダル・イナーヨークおよび第２のトロイダル・アウター
   ヨークとを備えたステータと、異なる曲率半径において
   予じめ定められた第１の位相関係で形成された第１およ
   び第２の磁極を備えたロータディスクからなり、前記第
   １のトロイダル・イナーヨークおよび前記第１のトロイ
   ダル・アウタヨークの少くとも１つが第１相用磁極を備
   え、前記第２のトロイダル・イナーヨークおよび前記第
   ２のトロイダル・アウタヨークの少くとも１つが前記第
   １相用磁極に対して予じめ定められた第２の位相関係で
   形成された第２相用磁極を備え、前記ロータディスクが
   第１回転起動用のリラクタンス部と第２回転起動用の補
   助磁極を備え、前記ステータが前記補助磁極を吸引する
   ための補助コイルと該補助コイルにより励磁される第２
   回転起動用磁極を備え、前記ロータディスクの第１およ
   び第２の磁極と前記第１組および第２相の磁極とがエア
   ギャップを介して対向することを特徴とするブラシレス
   モータ。
2. （２）前記第１組および第２相用の磁極が半径方向に延
   びる複数の渦電流防止用スリットを備え、前記ロータデ
   ィスクの第１および第２の磁極が半径方向に延びる複数
   の渦電流防止用スリットを備えたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のブラシレスモータ。
3. （３）前記ロータディスクのスリットが前記第１組およ
   び第２相用磁極のスリットに対して一定のスキュー角を
   なすことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のブラ
   シレスモータ。