JPH0534897B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、とくに小形省力化機器の駆動用とし
て好適なブラシレスモータの巻線方法に関する。

〔発明の背景技術とその問題点〕

電動ロボツトで代表される各種省力化機器の駆
動には、従来からDCサーボモモータが多用され
てきた。しかし、DCサーボモータは整流子とブ
ラシからなる機械的整流手段を備えていて、ブラ
シの摩耗からくる信頼性の欠除などの問題がつき
まとうことから、最近は電子的整流手段を使つた
ブラシレスモータの採用へと切替わつていく傾向
にある。

さらに、サーボモータが適用される機器の開発
は、小形・高性能化への志向をますます強める動
向にある。すなわち、極く小形のブラシレスモー
タに要求される技術的手段は小形・軽量であるこ
と、制御性が優れていること、構造簡単で安価に
提供できることなどであるが、このような要求を
満たすためには、ブラシレスモータの構成要件で
ある駆動用のトルク発生部と整流用の回転角検出
部の両方にまたがつて、次のような対応を具体化
しなければならない。

まず、小形・軽量化のためには、トルク発生部
に高効率・高トルク重量比を可能にするようなモ
ータ形式を適用することである。

次に、制御性を高めるために、通常コギングと
呼ばれているロータの不規則回転を避けるよう
に、トルク発生部の構成に起因するトルクリツプ
ルをできるだけ小さく抑え、しかも整流用のセン
サにおいても高精度な回転角検出を可能にするこ
とである。

さらに、構造簡単化のためには、トルク発生部
であるモータと整流用のセンサとをカツプリング
を介して機械的に連結して構成する、といつた従
来手法にとらわれることなく、センサ内蔵形、ひ
いては、センサー体形へと、モータとセンサとを
一体化した簡素な構成法を追及すること等であ
る。

上記方策の具体化を図つたものとして、すで
に、「一組のステータとロータからなる電磁構造
体の中にトルク発生と回転角検出の２機能を併め
持つように構成したブラシレスモータ（特開昭58
−73477号）」が堤案されている。

この提案は、トルク発生部の形式として、永久
磁石形同期機を利用しているので、効率およびト
ルク重量比が優れていて小形・軽量化に適してお
り、また回転角検出部の形式として誘導子形の回
転角検出装置を適用するとともに、これとトルク
発生部とを機械的結合手段ではなく電磁的作用に
よつて複合化しているので、従来のモータとセン
サの機械的結合方式での組立誤差からくるトルク
リツプルの発生を避けられるばかりでなく、構造
も簡単で製造も容易という利点がある。

このようにすでに提案されているセンサ複合形
ブラシレスモータによつて、前述したブラシレス
モータにおける主な要求事項のうち、小形軽量化
と構造の簡単化という２つの問題については、ほ
ぼ解決している。しかし、残るもう一つの項目、
すなわち制御性の追及という点においては、以下
に詳しく述べるように、十分な対応ができておら
ず、しかも、単にこの点についてだけの安易な対
応では、他の要求事項への対応がおろそかになる
性格を帯びているために、これが実用化を遅らせ
る原因となつていた。

ここでまず、従来技術によるモータのトルクリ
ツプルを４極モータの場合について第１図を参照
して考察してみる。このモータは、ステータ鉄心
１と、そのスロツトに巻装されたＵ・Ｖ・Ｗ各相
電機子巻線２ａ，２ｂ，２ｃからなる電機子巻線
２と、同一スロツトに巻装されたＵ，Ｖ，Ｗ各相
検出巻線３ａ，３ｂ，３ｃからなる検出巻線３と
を備えている。

第２図はステータとロータの相互関係示すもの
である。ステータ鉄心１の内側に配置されるロー
タは、シヤフト４ｂとそれに支承された磁性体４
ａ、およびその磁性体４ａに装着された永久磁石
４ｃからなつている。

横断面中心０に対して点対称な位置にあるギヤ
ツプ面の磁束が等しい時のトルクリツプルを第３
図に示す。第３図において、５は磁荷であり、６
はパーミアンス変化を表わし、７は磁荷５に働く
力を示している。これにより、１対の磁荷をロー
タ上に固定したものを想定してロータを回転させ
た場合のトルクリツプルを知ることができる。ま
た、この場合、スロツト数１２に対応してロータ
１回転当り12周期のパーミアンスのリツプルがあ
るので、この12スロツトのブラシレスモータは、
１回転当り12回の磁気パーミアンス変化によるト
ルクリツプルを生じることになる。

このトルクリツプルは、極小形のモータでは、
ロータの慣性（イナーシヤ）が小さいため、イナ
ーシヤルダンピングが少なくて、トルクリツプル
がほとんどそのまま出力軸に表われるので、これ
を軽減することは、サーボ用途に使われるモータ
にとつては必要不可欠である。

このトルクリツプルに対しての改善策として従
来からいろいろな対策が行なわれている。たとえ
ば、ステータタ鉄心またはロータ界磁のスキユ
ー、磁性くさびまたは全閉スロツトの採用、極の
変わり目の磁束分布が滑らかな変化をするように
構成されたロータ界磁構造、トルクリツプルを打
ち消すようなスロツト数の選定等がそれである。

以上述べた改善策の内、たとえば、ステータ鉄
心のスキユーを例にとり、その問題点について以
下に記すと、 (a) ステータコア組立や電機子巻線作業等の工程
が複雑化する。

(b) 軸方向にスラストを発生するので頻繁に回転
方向を切り換えるような用途に使われるサーボ
モータなどでは、振動を起こす原因にもなり、
軸受の信頼性が低下する。

(c) 有効磁束φは、下記の(1)式によつて表わされ
る。

φ＝φ₀×sinα／２／α／２ ………(1) ただし、α＝πx/τ、φ₀はスキユーをしない
時の磁束、ｘはスキユー量、τは極節である。

上記の(1)式からも明らかなように磁束の有効
成分は、スキユー量ｘに減少することが分か
る。この減少分を補うためには巻数を増さなく
てはならない。また、スロツトの有効面積が減
少するので巻線に使用する導体の径を小さくし
なくてはならない。加えて、コイル辺の長さも
長くなることが以下に示す式より分かる。

Δl_c＝√_c ²＋²−l_c ………(2) ただし、Δ_cはコイル辺の長さの増加分、 _cはもとのコイル辺の長さである。

以上述べたような理由によつて、巻線の抵抗
が増加して効率が低下する。

(d) コイルのインダクタンスＬは、以下の(3)式に
よつて求めることができる。

Ｌ＝Λ・n² ………(3) ただし、Λ＝＝μ・Ｓ／l_nでパーミアンス、μ は透磁率、Ｓは磁束鎖交面積、_nは磁路長、
ｎはターン数である。

上式においてターン数ｎが増えるとインダク
タンスＬは、その自乗に比例して増える。

また、スロツトの有効幅が減少するので、Λの
式でl_nの項が小さくなり、これに反比例してスロ
ツト漏れ磁束が増え、インダクタンスは大きくな
る。

これらの原因によるインダクタンスの増加によ
つて力率が低下し、これによつて駆動用電源容量
の増加を招き、制御に負担を強いることになる。

以上述べてきたように、スキユーは、一方で
は、トルクリツプルを軽減して制御性能を改善す
るという利点が有りながら、他方では、電源容量
の増加を招き制御に負担を強いるというような制
御面での相矛盾した振舞をするのみならず、製造
工程の複雑化、信頼性の低下、効率の低下など
数々の問題を誘発して多くの犠牲を伴うことにな
る。

このような問題はステータスキユーのみなら
ず、スロツト数の選定によつて対処しようという
ものを除けば、何れの場合もほぼ同様に発生す
る。

さてここで、スロツト数の選定によつてトルク
リツプルに対処しようとした時の問題について考
えてみることにする。

スロツト数によつてトルクリツプルに対処しよ
うとすると、いわゆる分数スロツトの採用が考え
られる。たとえば、第１図の例についてスロツト
数によつてトルクリツプルに対策を施す場合、対
象とするモータが極小形であると加工上の制約か
ら、スロツト数を大幅に増やすことはできない。
従つて、第４図に示すようにトルクリツプルを軽
減するのに適当なスロツト数、たとえば15スロツ
トの例について考察を行なうことにする。

15スロツトの場合も第３図で12スロツトについ
てそのトルクリツプルを考察した時と同様に、第
５図において、中心Ｏに対して点対称な位置にあ
る一組の磁荷について、その振舞を考えることに
する。ここで考え方に混乱を起こさないためにパ
ーミアンスの変化の分布が正弦波状であるとする
と、この一組の磁荷には第５図から分かるよう
に、互いにその力を弱め合う向きに力が働き、パ
ーミアンス変化の分布が正弦波状であり、中心Ｏ
に対して点対称な位置のギヤツプ面の磁束が等し
いというような条件のもとでは、トルクリツプル
は全くなくなる。

しかし、このステータ鉄心に従来から行なわれ
てきた。いわゆる分数スロツト巻線を施すと、そ
の一例として、第６図に示すような分数スロツト
（スロツト＃１〜＃１５）巻線が考えられるが、
この各スロツトの起磁力ペクトル図は、第７図
（従来の分数スロツト巻線の起磁力ベクトル図）
に示すように不平衡になつてしまうことが分か
る。これによつて、高調波起磁力が増大し、これ
に起因して運転時のトルクリツプルが増大する。
スロツト数の選定によつてトルクリツプルに対処
し、これに従来方式の巻線を施すというようなト
ルクリツプル対策では、トルクリツプルに関し
て、一方では、スロツトパーミアンスによるトル
クリツプルは軽減されるが、他方では、高調波起
磁力の増大によるトルクリツプルが増大するとい
う相矛盾したた振舞をする。

以上、従来技術の問題点について述べてきた
が、要するに従来技術でコギング対策を行なう
と、他の問題を誘発することが分かつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ブラシレスモータの要件の一
つである制御性の向上において重要な課題である
トルクリツプルを、検出機能を損うことなく軽減
し、なおかつ、他の要件である小形軽量化・構造
簡単化などをも同時に満足するように構成しうる
ブラシレスモータの巻線方法を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明のブラシレスモータの巻線方法は、界磁
に永久磁石を備えたロータと、スロツト数を相数
の整数倍にして、界磁の極数で割つた値が分数と
なるように選定したスロツト内に、各相巻線を複
数の相導体に分割した電機子巻線、およびロータ
の回転角を検出する検出巻線を挿入したステータ
とからなるブラシレスモータの巻線方法であつ
て、 ベクトル平面上の中心点から放射方向に向け
て、巻線の各相間の位相差に応じた角度差をもつ
て、各相ごとに正負両方向の軸線を描く第１のス
テツプと、 同じ中心点から所定半径の円周上に設定された
スロツト位置のそれぞれに向けて単位ベクトルを
描き、各単位ベクトルを、それに隣り合う両軸線
の方向に分解して各相正負別の成分ベクトルを求
める第２のステツプと、 第２のステツプで求めた各成分ベクトルの大き
さの比率で各スロツトに挿入する各相正負負別の
コイル辺の導体数を決定して各スロツトに挿入す
る第３のステツプと、 第３のステツプで挿入したコイル辺を、互いに
180゜の位相差を有し、かつ導体数の等しいものど
うして１つのコイルを形成するとともに、同相の
コイル群を接続して各相巻線を構成する第４のス
テツプと、 ステータスロツト数を界磁の極対数で割つたと
きの商に相当するスロツトピツチ付近のスロツト
ごとにそれぞれ少なくとも１個の検出コイルを挿
入し、各検出コイルを周方向に等ピツチで電機子
巻線の相数に対応させて配設し星形結線して検出
巻線を構成し、この検出巻線の各出力端および中
性点から回転角検出用端子を導出する第５のスレ
ツプと、 を有することを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、４極のブラシレスモータに本発明を適用
する場合の実施例について説明する。スロツト数
を15にすると、スロツトパーミアンスによるトル
クリツプルが相殺されてなくなることは、すでに
説明済みである。

そこで、この事例について本発明による三相電
機子巻線を施すものとしよう。この場合、各スロ
ツト内のアンペアコンダクタすなわちスロツト起
磁力のベクトルが、第８図（電流ベクトル図）に
示すように、方向が各スロツトの位置角に対応し
ているとともに、大きさもすべて等しくすること
ができるならば、回転起磁力中の高調波成分に起
因するトルクリツプルを実質的に無くすことがで
きるので理想的である。

このような条件は、各スロツト内に２つの相に
属するコイル辺が収容されているもとして、それ
らによる合成起磁力のベクトルが第８図の各スロ
ツトの起磁力ベクトルに一致するように決めてや
れば実現できる。そのためには、第９図（平衡三
相起磁力を発生させるよう巻線の電流ベクトル
図）に示すように、まず円形のベクトル平面上の
中心点Ｏから放射方向に向け、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相巻
線の位相差に応じた角度差（120゜）をもつて、各
相ごとに正負両方向の軸線OU，OU′，OV，
OV′，OW，OW′を描く。さらに同一中心点Ｏか
ら所定半径の円周上に設定されたスロツト位置
＃１〜＃１５のそれぞれに向けて単位ベクトルを
描き、各単位ベクトルを、それに隣り合う両軸線
の方向に分解して各相正負別の成分ベクトルを求
める。第９図の例ではスロツト位置＃１の近く
に、すなわちＶ相側にやや寄つた位置にＵ相軸線
OUが設定されており、スロツト位置＃１に向か
う単位ベクトルは、それに隣に合う２つの軸線
OU，OV′の方向の２つの成分ベクトルＵ→₂，Ｖ→
₃′に分解される。以上のようにして求めた各成分
ベクトルの大きさに応じた比率をもつて各スロツ
トに挿入する各相正負別のコイル辺の導体数を決
定する。かくして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電流ベクト
ルに対応する成分ベクトルU₁〜U₅およびU₁′〜
U₅′、V₁〜V₅およびV₁′〜V₅′、並びにW₁〜W₅お
よびW₁′〜W₅′を決定することができる。

以上のようにして決定され各スロツトに挿入さ
れたコイル辺を、互いに180゜の位相差を有し、か
つ導体数の等しいものどうしでそれぞれ１つのコ
イルを形成するものとすれば、第１０図に示すよ
うな空間的配置を得ることができ、これによつて
各コイルの巻幅すなわちコイルピツチも決定する
ことができる。そこで、それらの同相内のコイル
群を第１１図に示すように相互接続して各相電機
子線２ａ，２ｂ，２ｃを構成し、それらを星形結
線することにより平衡三相電機子巻線を得ること
ができる。

以上の説明によつて明らかなように、本発明に
よれば、トルクリツプルの発生を極力抑えた理想
的な電機子巻線を得ることができる。

前述のようにブラシレスモータの制御性能を高
めるためには、トルクリツプルの抑制に加えて回
転角検出部の高精度化も重要である。

ところで、すでに提案しているように、このブ
ラシレスモータでは、第４図に示すように、ロー
タが永久磁石４ｃの磁極と磁性体４ａの磁極とを
ギヤツプ円周に沿つて互に配置した不平衡永久磁
石界磁からなつており、これによつてステータと
の間に生成するロータのパーミアンス分布は、そ
の基本波の波長が主磁界の基本波の波長と等しく
て整流用センサに適していることから、それを回
転角の検出信号源として、電磁的に変換検出する
ことに回転角の検出を行なう。このような原理を
具体化するにあたつては、端的に言つて信号源に
は敏感であるが、ノイズには鈍感な検出巻線を工
夫しなければらない。

本発明では、ブラシレスモータのギヤツプ円周
を主磁界の極対数（この実施例では２）で割つた
等分点（互いに７１／２スロツトピツチ隔てる点） 付近のスロツトに少なくとも１個の検出コイル
を、たとえば第１２図（検出コイルのパーミアン
ス信号波形図）に示すように検出コイルaa₁〜a₄
配置する。

この例ではスロツト２と４に検出コイルa₁を、
スロツト９と１０に検出コイルa₂を、スロツト１
０と１１にa₃を、そしてスロツト１１と１２に検
出コイルa₄をと、合計４個の検出コイルを配置し
ており、考察を助けるためにこれらの検出コイル
の配置をロータの１極間隔分の回転（電気角で0゜
（第１２図ａ）から180゜（第１２図ｂ）の前後での
パーミアンス信号の変化と間連づけて図示してい
る。

この図からも明らかなように、各検出コイルと
鎖交する磁路のパームアンスは、いずれもロータ
の回転によつて著しく変化しているので、これら
一群の検出コイルを用いれば、感度の優れた検出
巻線を形成することが分かる。

ここで、検出巻線のもう一つの要件である耐ノ
イズ性の面からも対処しなければならない。とく
にこのブラシレスモータは、センサ復合形であつ
て、検出コイルはトルク発生用の主磁界の中に配
置されるので、この点に対する注意を怠ると、運
転時の主磁界の回転によつて誘起する、いわゆる
速度起電力（以下、誘起電圧と呼称する）が検出
信号中に混入して回転角検出機能を害するおそれ
があり、これへの対策は不可欠である。

この誘起電圧については、以下のように、各検
出コイルの巻回数および相互間の接続法の影響を
予め良く調べて、主磁界に対する検出巻線の巻線
係数を極力小さくするように決めることによつて
有効な対策とすることができる。

第１３図（検出巻線の誘起電圧ベクトル図）
は、第１２図のコイル配置例について各検出コイ
ルの誘起電圧をベクトルを用いて図解し、検出コ
イルa₁の誘起電圧ベクトルE₃を基準ベクトルとし
て、他の検出コイルa₁′，a₂′，a₂″，a₄の誘起電圧
ベクトルE₁，E₂′，E₂″，E₄の位相と大きさ比較し
たものである。なおここで第１２図中に示したよ
うに、各検出コイルの巻回数をそれぞれコイルa₁
（これは原理的に２つのコイルa₁′，a₁″を直列に
接続したものと等価であり、説明の便宜上、２つ
のコイルに分割して取扱うことにする）、コイル
a₂、およびコイルa₄が各１ターン、コイルa₃は３
ターンとし、しかもコイルa₃は他のコイルに対し
て異極性とした実施例について示している。かく
して各コイルの巻装ピツチすなわちコイルピツチ
はすべて同じ値（１スロツトピツチ）になるの
で、各コイルの誘起電圧の大きさは巻回数（ター
ン数）に比例することになり、定量的な取扱いが
容易になる。

上記のようにして構成した巻線を、検出巻線に
おける単位検出コイルとし、これを周方向に等ピ
ツチで電機子巻線２ａ，２ｂ，２ｃの相数（本実
施例では３相）に対応させて配置し星形結線して
検出巻線３ａ，３ｂ，３ｃとし、その検出巻線の
各出力端および中性点から回転角検出用端子を導
出することにより、検出感度および耐ノイズ性に
優れた検出巻線を構成することができる。

第１４図は、第７〜１３図を参照して説明した
電機子巻線２ａ，２ｂ，２ｃおよび検出巻線３
ａ，３ｂ，３ｃを備えた本発明の一実施例による
ブラシレスモータの巻線図であつて、個々のコイ
ルの符号は第１０図および第１１図に対応させて
示している。同図のａは各巻線の態様図、ｂは検
出巻線の巻数図、ｃは電機子巻線の巻数図であ
る。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明による
ブラシレスモータの巻線方向によれば、従来では
困難であつたトルクリツプル対策を効率や力率を
犠性にすることなく可能にしただけではなく、高
感度でノイズに強い整流用の回転角検出部も具備
させることができ、構造簡単で小形軽量化に適す
るとともに、制御性能の優れたセンサ複合形ブラ
シレスモータを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の４極ブラシレスモータにおけ
るステータの展開巻線図、第２図はそのロータと
12スロツトステータ鉄心の正面図、第３図は12ス
ロツト時のコギング発生状況を示す波形図、第４
図は４極ロータと15とスロツトステータ鉄心の横
断面図、第５図は15スロツトでコギングが軽減さ
れる状況を示す波形図、第６図は従来の分数スロ
ツトの展開巻線図、第７図は従来の分数スロツト
巻線の起磁力ベクトル図、第８図は本発明の一実
施例における分数スロツト巻線の起磁力ベクトル
図、第９図は平衡三相起磁力を発生させるための
説明に供するベクトル図、第１０図はこの一実施
例の電機子巻線図、第１１図はその平衡三相巻線
図、第１２図ａはそのスロツトに対応する検出コ
イルのパーミアンス信号でロータの１極間隔分の
回転が電気角で0゜のときを示す波形図、第１２図
ｂは同様に180゜のときを示す波形図、第１３図は
その検出巻線の誘起電圧ベクトル図、第１４図ａ
はこの実施例における電機子巻線および検出巻線
の展開巻線図、第１４図ｂはその検出巻線の巻数
図、第１４図ｃはその電機子巻線の巻数図であ
る。 １…ステータ鉄心、２…電機子巻線、２ａ，２
ｂ，２ｃ…Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子巻線、３…
検出巻線、３ａ，３ｂ，３ｃ…Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相
の検出巻線、a₁〜a₄…コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 界磁に永久磁石を備えたロータと、スロツト
   数を相数の整数倍にして、界磁の極数で割つた値
   が分数となるように選定したスロツト内に、各相
   巻線を複数の相導体に分割した電機子巻線、およ
   びロータの回転角を検出する検出巻線を挿入した
   ステータとからなるブラシレスモータの巻線方法
   であつて、 ベクトル平面上の中心点から放射方向に向け
   て、巻線の各相間の位相差に応じた角度差をもつ
   て、各相ごとに正負両方向の軸線0U，0U′；0V，
   0V′；0W，0W′を描く第１のステツプと、 同じ中心点から所定判径の円周上に設定された
   スロツト位置＃１〜＃１５のそれぞれに向けて単
   位ベクトルを描き、各単位ベクトルを、それに隣
   り合う両軸線の方向に分解して各相正負別の成分
   ベクトルを求める第２のステツプと、 第２のステツプで求めた各成分ベクトルの大き
   さの比率で各スロツトに挿入する各相正負別のコ
   イル辺の導体数を決定して各スロツトに挿入する
   第３のステツプと、 第３のステツプで挿入したコイル辺を、互いに
   180゜の位相差を有し、かつ導体数の等しいものど
   うしで１つのコイルを形成するとともに、同相の
   コイル群を接続して各相電機子巻線２ａ，２ｂ，
   ２ｃを構成する第４のステツプと、 各相ごとに、ステータスロツト数を界磁の極対
   数で割つたときの商に相当するスロツトピツチ付
   近のスロツトにそれぞれ少なくとも１個の検出コ
   イルを挿入し、各検出コイルを周方向に等ピツチ
   で電機子巻線の相数に対応させて配設し星形結線
   して検出巻線３ａ，３ｂ，３ｃを構成し、この検
   出巻線の各出力端および中性点から回転角検出用
   端子を導出する第５のステツプと を有することを特徴とするブラシレスモータの巻
   線方法。