JPS63283488A - 直流多相両極性無整流子電動機 - 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） この発明は、直流多相両極性無整流子電動機に関するも
のであって、固定子を電気子で２回転子を永久磁石で構
成している。この電動機は、固定子の巻線を筒形線輪形
（ソレノイド・ウィンディング）にすれば正弦波のトル
クリップルを生成できる電動機となり、マイクロモータ
として適合する。また固定子巻線をチェイン・ウィンデ
ィングで巻線すれば、梯形のトルクリップルを生成する
ことができる電動機となり、パワーモータとして適合す
る。

さらに両極性（バイポーラ）方式を採用して励磁コイル
の銅損を最大限に極少化させて電動機の効率を向上させ
ると共に、多相化してコイルの利用効率を高めコンパク
トデザインを可能ならしめ、トルクリップルを改善し、
極性検出板とセンサー部を簡単かつ安全に構成して電動
機の起動１回転特性を向上させるとともに構造が簡単な
電動機を製作することができることにより電動機の生産
コストを低減できるようにしたものである。

（従来の技術） 従来の分巻電動機の原理は、回転子に界磁コイル（励磁
コイル）を巻線して適当な極数に製作し。

回転子にブラシを装着したコイルを巻線して回転させる
ように構成されている。このために使用中に整流子片の
間に粉塵などの異物質が入ったり。

合線、または摩耗等によるブラシの取替えを要する等の
欠点がある。

（発明が解決しようとする課題） 上記のように、従来の電動機は、整流子片の間に粉塵な
どの異物質の混入、摩耗等によるブラシの取替えが必要
である。

そこでこの発明は、回・転子の界磁コイルの代わりに永
久磁石を使用し、固定子に巻線を独立巻きで巻線し１回
転子の軸に極性検出板を固定して回転させ、これにセン
サー部を付設して駆動回路部に連結させることにより、
電動機が円滑に起動回転するようにするとともに簡単な
構成原理を創案することにより生産コストが低減される
ようにした直流多相両極性無整流子電動機を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明は、回転子の界磁コイルの代わりに永久磁石を
使用し、固定子に巻線を独立巻きで巻線し１回転子の軸
に極性検出板を固定して回転させ。

これにセンサー部を付設して駆動回路部に連結させるこ
とにより、電動機が円滑に起動回転するようにしたこと
を基本とするものである。

（作用） なる。

（実施例） 以下、この発明を図面を参照して説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示すもので、１は電動機
本体、１１は回転子の回転軸、３は回転子とともに回転
する速度検出板、６は速度感知センサー（フォトトラン
ジスタ）、２は回転子とともに回転する極性検出板、５
は極性感知センサー（フォトトランジスタ）である。

励磁コイルからなる固定子４に対しては、電力切換え回
路２０からの駆動電流が供給される。電力切換え回路２
０は、電子コミュテータ（電子整流子）回路２１からの
極性検出信号により切換え制御され、電源部２２からの
直流電圧を用いて。

固定子の励磁コイルに電流を流し、回転子の回転を得る
ようになされている。電子コミュテータ回路２１は、極
性検出板２が回転することを極性感知センサー５が感知
することによって検出信号を得ている。

速度検出板３が回転すると、そのことは速度感知センサ
ー６により検出され、速度に応じたパルスがエンコーダ
３１に供給される。エンコーダ３１はその出力を速度制
御回路３２に供給して、例えば電力切換え回路２０の電
圧値を制御させ回転速度を目標値に維持するように動作
する。

第２図は、上記極性検出板２および極性感知センサー５
とその周辺の構造を示している。電動機本体１の軸１１
に極性検出板２が固定され、この極性検出板２には先手
段部２１と光検出部２２が形成されている。極性検出板
２の側面には、極性感知センサー５が設置され、回転子
の回転角反位ｉｆを感知できるようになされている。こ
のモータシステムは、駆動系を各相別に独立して構成さ
せた点に特徴があり、１つの直流電源部に各相の駆動回
路を並列に接続し、これにより電動機の各相のコイルに
は矩形波の交番電流を流すことができ。

電動機を円滑に駆動できる。

電動機本体１は、固定子４を電機子で９回転子を永久磁
石で構成している（第３図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）参照
）。回転子は、２極、４極。

６極、８極・・・＋２ｎ極に構成することができ、固定
子は２相、３相、４相、５相、６相・・・ｎ相に構成す
ることができる。

従って、極数や相数を必要に応じて容易に増減すること
ができ、かつ電動機本体１の長さや厚さ。

又は形態を必要に応じて容易に変形することができる。

第３図に示す例は、巻線はΔ形、Ｙ形巻線とは区別され
る独立相巻線形の例であり、各相別のコイルは多相巻重
動機であるが常に各コイルの励磁条件が同一になるよう
に構成されている。

第４図は、電子コミュテータ部及び電力切換え回路部を
示すもので、各相のコイル１１〜１３にはそれぞれ電流
方向を切換えるパワートランジスタ回路が接続されてい
る。第１の相は、４個のトランジスタＱｌ−Ｑ４による
回路、第２の相はトランジスタＱ５〜Ｑ８　、ｉ３の相
はトランジスタＱ９〜Ｑ１２で構成される。各相の組と
なる２個のトランジスタのベースはそれぞれフォトトラ
ンジスタＰＡＬ、ＰＡ２．ＰＢＩ、ＰＢ２．ＰＣＩ。

ＰＯ２に接続されている。っまり３相２励磁電動機を構
成している。参蟻フォトトランジスタＰＡＬが極性検出
板２の感知区間（光検出部２２）に位置すれば、感知信
号を出力する。このときは、トランジスタＱｌ、Ｑ４が
オン動作し、電流はトランジスタＱｌからトランジスタ
Ｑ４へ流れる。

このとき、対になったフォトトランジスタＰＡ２は、作
動できない位置（光遮断部）にあるように設定されてい
る。位置が変わって、フォトトランジスタＰＡ２が極性
検出板２の感知区間にあるようになると、トランジスタ
Ｑ２．Ｑ３がオンし。

電流の方向が逆になり、トランジスタ、Ｗ　Ｑ　２から
Ｑ３方向へ電流が流れることになる。このときは対にな
ったフォトトランジスタＰＡＬは、作動できない位置（
光遮断部）にある。従って、１相に２個のフォトトラン
ジスタを設置して検出出力信号のみを使用することによ
り、信号分離回路を要しない。１相の対になったフォト
トランジスタは、交番時に ３０（２π／回転子の極致）Ｘ　（１／相の数）度の機
械角間は作動できないように構成することにより、クロ
スファイア防ＩＩ：、連動装置を要しない。

よって喪雑な論理回路が不要であり、安全かつ簡単な構
成の電子コミュテータとすることができる。

上記のように、極性センサー部としては、第１図乃至第
４図に示したように電動機の軸の一側端部に、別途極性
検出板２を１相に対して２個のフォトトランジスタ（極
性感知センサー）を設けた外部設置形センサーであり、
３相４極形電動機を例にあげて更に説明すれば次の通り
である。

第５図（Ａ）は３相４極形電動機のフォトトランジスタ
と極性検出板との関連を示している。極性検出板２は、
感知区間を２（回転子の極数／２）箇所に有し、感知区
間の幅を ６０（２π／回転子の極数）×（相の数−１）／（相の
数）度 の機械角に構成している。Ａ相、Ｂ相、Ｃ相のフォトト
ランジスタＰＡＩ、ＰＢＩ、Ｐｃｔ。

ＰＡ２．ＰＢ２．ＰＯ２は、 ３０（２π／回転子の極数）　Ｘ　（１／相の数）度の
機械角に配置される。従って、Ａ相のフォトトランジス
タＦＡＩとフォトトランジスタＰＡ２の間隔は ９０（２π／回転子の極数）度の機械角を有することに
なり、Ｂ相、Ｃ相も同様な状態になる。

センサー部のＡ相に関する動作を説明すると以下の通り
である。フォトトランジスタＰＡＬが極性検出板２の感
知区間内にある間フォトトランジスタＰＡＩは信号を発
生し駆動回路に電圧する。

この区間は機械角６０度区間である。機械角３０度区間
では、フォトトランジスタＰＡＬ、ＰＡ２が皆作動しな
い区間である。フォトトランジスタＰＡ２が作動する区
間も機械角６０度である。従って、フォトトランジスタ
ＦＡＩがオンしている間はフォトトランジスタＰＡ２は
作動しない。また逆に、フォトトランジスタＰＡ２がオ
ンしている間はフォトトランジスタＰＡＩは作動しない
。

両方が作動しない区間は、機械角３０度である。

このように構成されたセンサー部は、２相１励磁。

３相２励磁、４相３励磁、５相４励磁、６相５励磁・・
・になり、ｎ相中（ｎ−１）励磁の直流多相両極性無整
流子電動機を実現できる。

第５図（Ｂ）は４相４極電動機の例であり、フォトトラ
ンジスタと極性検出板の配置及びその関係は上記の例と
同じ原理である。

第６図は第３図に示した電動機の各相における極性検出
信号と、トルクの関係及び全体のトルクの関係を示して
いる。

この電動機では、フォトトランジスタが上記のように理
論的位置にあることで、極性検知板２の感知区間に至れ
ば検出信号を出力（オン）し、対応するコイルに所定の
一方向へ電流を流すようにトランジスタを制御し、感知
区間を離れる瞬間に検出信号を停止（オフ）し、これに
よりコイルの電流を停止させている。

ここで、フォトトランジスタが発生する検出信号の始ま
りと終わる時点では、コイルの励磁始め及びエネルギー
送出があり、その時間はＱ程度遅れることになる。これ
はトランジスタの遅延時間。

蓄積時間（ストレイジ・タイム）、コイルの励磁特性等
が影響しているからでる。このような差を無くすために
、この電動機では、フォトトランジスタの回転子に対す
る配置を、回転方向の反対方向へ前進配置してプアート
ルク部分を除去して効率を向上させるとともに銅損を極
少化させている。

前進配置は、電動機を運転しておき最も良い位置にフォ
トトランジスタをθ度程前進配置調整するもので、この
調整は、センサー部が外部設置形であることから容易に
行なうことができる。

次にこの電動機では、励磁幅の調整（感知区間の調整）
も容易である。

第８図に示すように、フォトトランジスタと極性検出板
２間の距離を調整することにより、励磁幅を調整するこ
とができる。つまり、光検出部の形状が軸方向に幅広く
なる形状とされており、これに対してフォトトランジス
タの位置を変えれ、検出信号のパルス幅を可変できる。

フォトトランジスタが送出する検出信号のパルス幅とコ
イルの励磁幅とは必ずしも一致しない。トランジスタの
ストレイジ・タイム、フォーリング・タイム（消滅時間
）、コイルの励磁特性等によりフォトトランジスタから
の検出信号パルス幅よりコイルの励磁幅が大きくなる。

このような場合、第８図に示したようにプアートルク領
域での励磁は、コイルの銅損を多くして電動機に熱が発
生し効率が低下することになる。これを回避するために
、本発明では、極性検出板２の形状を工夫して、励磁幅
を調整できるようにし、電動機の効率を極大化し、かつ
熱を極少かさせるようにしている。

このとき、フォトトランジスタと極性検出板２との距離
調整は、電動機の運転状態において最も良い効率とトル
クリップルが最も良くなるようにフォトトランジスタの
位置を調整してセッチングする。この調整もセンサー部
が外部設置形であるから容易に行なうことができる。

更に、本発明は正、逆回転が完璧に得られる電動機を得
るものである。

第９図に示すように、正回転時は前進配置されたフォト
トランジスタ組とは別途に、軸に対称的な位置に、逆転
時に使用されるフォトトランジスタ群を設けるものであ
る。これにより完璧な正。

逆回転を行なうことができる電動機を得ることができる
。従って、無接点電子式操作によりセンサー部の正回転
用フォトトランジスタの組、又は逆回転用のフォトトラ
ンジスタの組を選択切り換えれば、電動機の正転、逆転
を自由に得ることができる。

この電動機では、電源部が直流電源である場合は、直接
コミュテーションシステムを第１図乃至第４図に示した
ように並列に接続し、交流電源である場合には直流に整
流してコミュテーションシステムに供給し、電動機が円
滑に駆動されるようにしている。そして、電源部の電圧
を調整することにより電動機の速度が制御できるように
なっている。

（発明の効果） 以上説明したようにこの発明によれば次のような効果が
ある。

極性検出板２に対してフォトトランジスタを１相につき
２個ずつ対応させて構成することにより信号分離とクロ
スファイア防止連動装置を削減することができる。そし
て安全かつ簡単な回路を得ることができ、電動機を容易
に多相化及び多極化することによりトルクリップルを格
段に改善し、トルク効率を向上でき、さらに銅損も極少
化でき、電動機発熱を最小化させることができ効率を高
めることができる。また各相別に独立したコイルに最大
の電流が流れるように構成され、多相化してコイルの利
用率（２相１励磁、３相２励磁、４相３励磁、５相４励
磁、６相５励磁・・・）を高めている。さらに、コンパ
クトデザインを実現でき、電動機の効率向上とトルクの
改善を得、相対的に速度応答性が向上し、センサー部の
構成により正。

逆回転が自在であり、融通圧がある。そして、固定側と
して独立して構成されたパワートランジスタ回路、及び
センサー部の外部設置形式９回転子の永久磁石構造であ
ることから、生産も容易であり生産コストを低減できる
等の多くの利点を備える。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成説明図、第２図
は、この発明に適用された極性及び速度センサー部の構
成を示すもので、同図（Ａ）は分解斜視図、同図（Ｂ）
は組立て断面図、第３図はこの発明による電動機の一例
を示すもので、同図（Ａ）は固定子を示す図、同図（Ｂ
）は回転子を示す図、同図（Ｃ）は多相コイルの説明図
、第４図はこの発明の電動機の一部電気回路の例を示す
図、第５図（Ａ）と同図（Ｂ）はこの発明が適用された
電動機のセンサー部の例をそれぞれ示した説明図、第６
図はこの発明を適用した電動機の動作タイミング波形を
示す図、第７図（Ａ）と同図（Ｂ）はそれぞれこの発明
に於けるセンサー部の配置関係とそのタイミング及びリ
ップル波形を示す図、第８図（Ａ）及び同図（Ｂ）はそ
れぞれこの発明におけるセンサー部の他の例を説明する
ために示した構成及び動作タイミング説明図、第９図は
この発明の他の実施例の構成説明図である。 １・・・電動機本体、２・・・極性検出板、３・・・速
度検出板、４・・・固定子、５・・・極性感知センサー
、６・・・速度感知センサー、７・・・回転子、１１・
・・軸、２１・・・光遮断部、２２・・・光検出部。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 ξ　年　四 ＜　　　ｃｎ　　　　（） ｉ＄１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　之セ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流無整流子電動機において、 一個の直流電源部と、各相にセンサー部、励磁コイル部
   、電子コミュテータ部を有し、各相別に独立された多相
   に構成され、各相等は一個の直流電源部に並列に連結さ
   れ、各相は各相毎に２個のフォトトランジスタを有し、
   極性検出板と相関して回転子の回転方向に相応する電流
   方向と必要な励磁幅を定めることにより電動機が円滑に
   起動及び駆動されるようコイルに双方向に電流が流れる
   ように設定したことを特徴とする直流多相両極性無整流
   子電動機。
2. （２）前記センサー部の極性検出板は、感知区間を（回
   転子の極数／２）に構成し、感知区間の幅を （２π／回転子の極数）×｛（相の数−１）／（相の数
   ）｝度の機械角に構成することにより電動機が２相１励
   磁、３相２励磁、４相３励磁、５相４励磁、６相５励磁
   、・・・ｎ相（ｎ−１）励磁になるようにしてコイルの
   利用率を高めトルクリップルを向上させコンパクトデザ
   インになるようにしたことを特徴とする請求項第１項記
   載の直流多相両極性無整流子電動機。
3. （３）前記センサー部は、外部設置形であって、フォト
   トランジスタ（組）を理論的位置から任意の角度だけ回
   転方向と反対方向へ前進配置してトランジスタの遅延時
   間と貯蔵時間およびコイルの励磁特性などより起因する
   プアートルク部分を除去して銅損を極少化し、効率を極
   大化するとともに、電動機は運転状態よりフォトトラン
   ジスタ（組）を前進配置してセッティングするようにし
   たことを特徴とする請求項第１項記載の直流多相両極性
   無整流子電動機。
4. （４）前記センサー部は、極性検出板とフォトトランジ
   スタの組合わせにより極性検出板の感知区間の幅 （２π／回転子の極数）×｛（相の数−１）／（相の数
   ）｝度の機械角を、フォトトランジスタと極性検出板と
   の距離移動調整によって励磁幅の調節を可能ならしめ、
   この励磁幅調整が可能なことによりコイルの銅損を除去
   して電動機の効率を極大化しており、そのセッテングは
   電動機を運転状態からフォトトランジスタを調整して行
   なうようにしたことを特徴とする請求項第１項記載の直
   流多相両極性無整流子電動機。
5. （５）前記センサー部は、正回転時に、前進配置された
   フォトトランジスタ（組）の配列とは別途に対称の位置
   に逆転時に使用されるフォトトランジスタ（組）の配列
   を構成することにより完璧に正、逆回転するようにセン
   サー部を構成して無接点電子式操作により正回転センサ
   ーや逆回転センサーを選択することによって電動機の正
   回転あるいは逆回転を可能にしたことを特徴とする請求
   項第１項記載の直流多相両極性無整流子電動機。