JPH06209552A

JPH06209552A - 磁気位置検出器内蔵モータ

Info

Publication number: JPH06209552A
Application number: JP4296547A
Authority: JP
Inventors: Hirotake Kou; 宏偉高
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 1992-10-09
Filing date: 1992-10-09
Publication date: 1994-07-26

Abstract

(57)【要約】【目的】磁気位置検出内蔵モータの位置検出精度を向
上させ、さらに高出力を達成することを目的とする。【構成】ステータのロータ孔内周にステータポール(1
2)(14)が形成される。その一部がトルクポール(12)とし
て使用され、他がセンサポール(14)として使用される。
ステータポール(12)(14)の巾αとロータポール(34)の巾
βの比α／βは０．２〜０．５、ステータポール(12)(1
4)とロータポール(34)間のエアギァップｇは０．４ｍｍ
以下、ロータポール(34)の厚みγと巾βとの比は０．２
〜０．５に設計される。上記設計により、センサポール
(14)のインダクタンス変化が正弦的になり、高精度の位
置検出が可能になる。また同時に高出力が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気位置検出器内蔵モー
タの主要寸法の最適設計技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】ブラシレスＤＣモータは生産自動化シス
テム、産業用ロボット、Ｘ−Ｙテーブル、半導体回路製
造装置や磁気ディスク装置に広く利用される。これらの
装置に対する主な評価基準は高精度、高出力、応答性、
信頼性並びに製造の容易性にある。特に、特開昭６２-
２４４２６５号に開示されるブラシレスＤＣモータは精
度、応答特性並びに信頼性の点からして今日最も改善さ
れたブラシレスＤＣモータの１である。

【０００３】以下、特開昭６２-２４４２６５号に開示
されるブラシレスＤＣモータを実施例の説明のために添
付した図１乃至図３を参照して簡単に説明する。図１は
ステータの断面形状及びそのコイル構造を示す。ステー
タ(10)は鋼の薄板を打ち抜いて形成される環状部(12)と
この環状部(12)の内周に等間隔に配列される矩形のステ
ータポール(14)(16)および各ポールに巻回されたコイル
(18)(20)で示される。

【０００４】２相動作する図示したモータのステータポ
ールは丸数字の１、２、４、５、７、８、９、１０、１
１、及び１２で示される第１のグループのトルクポール
(14)、同じく１３、１４、１５、１６、１７、１８、１
９、２１、２２及び２４で示される第２のグループのト
ルクポール(14)、さらには３、６、２０及び２３で示さ
れるセンサポール(16)の３グループに分類される。

【０００５】センサポール(16)には図示されるような極
性にコイル(20)が巻回される。このコイル(20)はブリッ
ジ接続され、その端子(50)(52)に１００ＫＨZ程度の高
周波が印加される。そして、ロータ(30)の回転に伴うセ
ンサポール(16)のインダクタンス変化が互いにπ／２の
位相差を有し、かつロータ回転角度に対応して変化する
正弦波信号として端子(54)(56)に出力される。

【０００６】図２を参照すると、ロータは円筒状コア、
１８個のロータポール及びシャフトで示されている。ロ
ータポールはサマリウム／コバルト合金等の高磁力永久
磁石により形成されており、適宜の手段により円筒状コ
アの外周面に極性が交互に異なるように配列、固着され
ている。図３は前記した構造を備えるブラシレスＤＣモ
ータをデジタルＰＩＤ制御するためのシステムのブロッ
ク図である。

【０００７】モータＭの前記第１及び第２のグループの
トルクポール(14)にはそれぞれ増幅器ＨAおよびＨBから
第１相および第２相の電力が供給される。また、図１に
示したブリッジ回路の端子(50)(52)には発振回路(60)か
ら１００ＫＨZ程度の高周波信号が供給され、ロータの
回転に伴なうセンサポール(16)のインダクタンス変化が
π／２の位相差を有し、ロータの回転に伴って変化する
２つの正弦波信号として端子(54)(56)から出力される。
この２つの正弦波信号は同期検波回路(62)によりロータ
の回転角度の正弦関数、余弦関数に変換され、角度判定
回路(64)によってロータ角度信号に変換される。このロ
ータ角度信号は端子(84)に入力される外部参照信号ある
いはマイクロプロセッサ(66)が内部出力する参照信号と
加算回路(68)で加算され、ＰＩＤ制御回路(70)(72)(74)
に出力されて、周知のディジタルＰＩＤ制御が行われ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６２−２５５２
６５号に開示されるブラシレスＤＣモータ並びにその制
御システムを試作し、実験を重ねたところ、そのモータ
並びに制御システムの位置制御性、安定性、速応性等の
総合特性が期待値を下回ること、そして、その主な理由
が制御システムにはなくその種のモータに固有の事情に
よることが判明した。詳細には、その種のモータの磁気
回路の主要寸法によることが判明した。

【０００９】従って、本発明が解決しようとする課題は
前記した原因の解明に基づくものであって、モータの磁
気回路の主要寸法の最適化により、磁気検出器内蔵モー
タの総合特性を向上させることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は空間的
に位相差を有する少なくとも２つのグループのトルクポ
ールおよびロータ回転角度検出のためのインダクタンス
の位相差が９０度である２つ以上のセンサポールを備え
るステータと、永久磁石によりロータポールが構成され
るロータからなり、ステータポール幅とロータポールの
幅の比を０．２以上、０．５以下としたことを主要な特
徴とする。

【００１１】請求項２の発明は空間的に位相差を有する
少なくとも２つのグループのトルクポールおよびロータ
回転角度検出のためのインダクタンスの位相差が約９０
度である２つ以上のセンサポールを備えるステータと、
永久磁石によりロータポールが構成されるロータからな
り、ステータとロータ間のエアギャップ値を０．４ｍｍ
以下としたことを主要な特徴とする。

【００１２】請求項３の発明は空間的に位相差を有する
少なくとも２つのグループのトルクポールおよびロータ
回転角度検出のためのインダクタンスの位相差が９０度
である２つ以上のセンサポールを備えるステータと、永
久磁石によりロータポールが構成されるロータからな
り、ステータポール幅とロータポールの幅の比を０．２
〜０．５、ロータポールの厚さと幅の比を０．４〜０．
８、ロータスキューを０．２〜０．５としたことを主要
な特徴とする。

【００１３】

【作用】ステータポール幅とロータポールの幅の比を
０．２以上、０．５以下とする請求項１の構成は、セン
サポールのインダクタンス変化を正弦波状として静止角
度誤差を減少させると共に大きな静止トルクを実現す
る。ステータとロータ間のエアギャップ値を０．４ｍｍ
以下とする請求項２の構成は、センサポールのインダク
タンス変化を正弦波状として静止角度誤差を減少させる
と共に大きな静止トルクを実現する。

【００１４】ステータポール幅とロータポールの幅の比
を０．２〜０．５、ロータポールの厚さと幅の比を０．
４〜０．８、ロータスキューを０．２〜０．５とする請
求項３の構成は静止角度誤差および静止トルクの良好な
現実的なモータを実現する。

【００１５】

【実施例】一部重複するが、図１乃至図６を参照して本
発明の一実施例を説明する。なお、本発明に特徴的なモ
ータの主要寸法の説明は実施例の一般構造、動作の説明
の後に行う。図１に実施例のステータ(10)の断面形状及
びそのコイル構造を示す。ステータ(10)は鋼の薄板を打
ち抜いて形成される環状部(12)とこの環状部(12)の内周
に等間隔に配列される矩形のステータポール(14)(16)お
よびこのステータポール(14)(16)に巻回されたコイル(1
8)(20)から構成される。

【００１６】２相動作する図示の磁気位置検出器内蔵モ
ータ（以下、単にモータと称する）のステータポール(1
4)(16)は図中の丸数字の１、２、４、５、７、８、９、
１０、１１、および１２で示される第１のグループのト
ルクポール(14)、同じく１３、１４、１５、１６、１
７、１８、１９、２１、２２および２４で示される第２
のグループのトルクポール(14)、さらには３、６、２０
および２３で示されるセンサポール(16)の３グループに
分類される。

【００１７】第１のグループのトルクポール(14)には図
示されるような極性にコイル(18)が巻回され、互いに結
線されて端子(40)(42)に供給される第１相の電力により
付勢される。同様に、第２のグループのトルクポール(1
4)は端子(44)(46)に供給される第２相の電力により付勢
されてそれぞれロータにトルクを発生させる。このモー
タの特徴は隣接する対のトルクポール(14)毎にコイル(1
8)が接続され、かつそのコイル(18)が付勢されるとき、
対のトルクポール(14)間を磁束が流れるように逆方向に
コイル(18)が巻回される点にある。また、この隣接配置
され磁気的に結合する対のトルクポール(14)以外のトル
クポール(14)に隣接配置されるセンサポール(16)は図示
する極性にコイル(20)が巻回され、ブリッジ接続され
る。これらトルクポール(14)とセンサポール(16)の数の
和を相数で割ると偶数となる。

【００１８】図２に実施例のロータ(30)の断面構造を示
す。ロータ(30)は円筒状コア(32)、１８個のロータポー
ル(34)およびシャフト(36)から構成される。ロータポー
ル(34)はサマリウム／コバルト合金等の高磁力永久磁石
により形成され、適宜の手段により円筒状コア(32)の外
周面に極性が交互に異なるように配列、固着される。前
記したステータポール(14)(16)の数とこのロータポール
(34)の数の比は４：３又は４：５である。なお、後述す
るが、ステータポール(14)(16)の幅とロータポール(34)
の幅との比は０．２０〜０．５０である。

【００１９】図３は前記した構造を備えるモータＭをデ
ジタルＰＩＤ制御するためのシステムのブロック図であ
る。モータＭの前記第１及び第２のグループのトルクポ
ール(14)にはそれぞれ増幅器ＨAおよびＨBから第１相お
よび第２相の電力が供給される。また、図１に示したブ
リッジ回路の端子(50)(52)には発振回路(60)から１００
ＫＨZ程度の高周波信号が供給され、ロータの回転に伴
なうセンサポール(16)のインダクタンス変化がπ／２の
位相差を有し、ロータの回転に伴って変化する２つの正
弦波信号として端子(54)(56)から出力される。この２つ
の正弦波信号は同期検波回路(62)によりロータの回転角
度の正弦関数、余弦関数に変換され、ＲＯＭテーブル等
により構成される角度判定回路(64)によってロータ角度
信号に変換される。このロータ角度信号は端子(84)に入
力される外部参照信号あるいはマイクロプロセッサ(66)
が内部出力する参照信号と加算回路(68)で加算され、Ｐ
ＩＤ制御回路(70)(72)(74)に出力されて、周知のディジ
タルＰＩＤ制御が行われる。

【００２０】次に、図４乃至図６を参照して本発明に特
徴的なステータとロータ間のエアギァップ値、ステータ
ポールの幅とロータポールの幅の比、ロータポールの厚
さとその幅の比およびスキューピッチ等の主要寸法を説
明する。ＰＩＤ制御システムにより駆動されるモータの
性能評価は通常、極めて困難である。しかし、本件発明
者は、第１に、上記した方式のモータの静止角度誤差と
主要寸法との関係を明らかにすることに成功した。即
ち、互いにπ／２の位相差を有し、ロータの回転に伴っ
て変化する正弦波信号からロータの回転角度の正弦関
数、余弦関数を得て、ロータの回転角度を導びく方式の
モータでは正弦波信号に含まれる高調波が静止角度誤差
の一因となることを発見した。そして、ステータポール
(14)(16)の幅αとロータポール(34)の幅β（図４参照）
の比α／βが１に近づくと、センサポール(16)のインダ
クタンス変化が正弦的でなくなることを発見した。そこ
で、本件発明者は、センサポールのインダクタンス変化
が正弦的になり、高出力モータと予測される範囲にステ
ータポール幅を設計した数種のサンプルを試作し、静止
角度誤差と静止トルクを実測した。

【００２１】図５はロータ径３０ｍｍ、ロータスキュー
０．３３およびエアギャップ値を固定とし、ステータポ
ール(14)(16)の幅αとロータポール(34)の幅β（図４参
照）の比α／βを０．２０、０．３６、０．３９、０．
５０に変化させた複数のモータの静止角度誤差と静止ト
ルクをプロットしたものである。図示するように、α／
β＝０．２０以下での静止トルクの減少が大きく、α／
β＝０．２０〜０．５０において、静止角度誤差および
静止トルク共に実用的なモータが得られた。なお、静止
角度誤差は角度誤差の最大値ｍａｘ、最小値ｍｉｎを用
いてｍａｘ／２−ｍｉｎ／２（単位：分）で定義され、
α／β＝０．５０以上では先の正弦波信号に含まれる高
調波成分の増加により急激に悪化する。

【００２２】本件発明者は、第２に、ステータポール(1
4)(16)とロータポール(34)間のエアギァップ値ｇ（図４
参照）と静止角度誤差との関係を明らかにすることにも
成功した。図６はロータスキュー０．３３、ステータポ
ール(14)(16)の幅αとロータポール(34)の幅β（図４参
照）の比α／β＝０．３６を固定し、ロータ径を変更し
て、エアギァップ値ｇを０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍ、
０．３５ｍｍ、０．７ｍｍとした４種のモータの静止ト
ルクおよび静止角度誤差をプロットしたものである。図
示するように、エアギァップ値ｇ＝０．４ｍｍ以上にお
いて静止角度誤差の悪化および静止トルクの減少が顕著
であり、エアギァップ値ｇ＝０．４ｍｍ以下、製造限界
のエアギァップ値のモータの優位性が確認された。

【００２３】さらに、本件発明者はロータスキューに関
して同様な実験を行うと共にロータポールの厚さと幅と
の比とモータ特性の関係も導いた。この結果、ロータス
キューに関してはロータスキューを０．２〜０．５とす
ることによって静止角度誤差の少ないモータが得られる
ことが判明し、ロータポールの厚さと幅との比を０．４
〜０．８とすることにより静止角度誤差の少なく、かつ
高出力モータが得られることが判明した。

【００２４】

【発明の効果】以上の述べたように本発明は、ステータ
ポールの幅とロータポールの幅の比を０．２〜０．５、
ステータとロータ間のエアギァップ値を０．４ｍｍ以
下、ロータポールの厚さとの幅の比を０．４〜０．８、
ロータスキューを０．２〜０．５としたため、センサポ
ールのインダクタンス変化が正弦波状となり、静止角度
誤差、静止トルク等総合特性の良好な磁気位置検出器内
蔵モータを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のステータの断面図。

【図２】本発明の一実施例のロータの断面図。

【図３】実施例の制御回路図。

【図４】実施例のステータおよびロータの部分拡大図。

【図５】ステータポール幅とロータポール幅の比とモー
タ特性の関係を説明する実測図。

【図６】ステータとロータ間のエアギャップとモータ特
性の関係を説明する実測図。

【符号の説明】

１０ステータ１２環状部１４、１６ステータポール１８、２０コ
イル３０ロータ３２ロータコ
ア３４ロータポール３６ロータシ
ャフト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空間的に位相差を有する少なくとも２つ
のグループのトルクポールおよびロータ回転角度検出の
ためのインダクタンスの位相差が約９０度である２つ以
上のセンサポールを備えるステータと、永久磁石によりロータポールが構成されるロータからな
り、ステータポール幅とロータポールの幅の比が０．２以
上、０．５以下であることを特徴とする磁気位置検出器
内蔵モータ。
【請求項２】空間的に位相差を有する少なくとも２つ
のグループのトルクポールおよびロータ回転角度検出の
ためのインダクタンスの位相差が約９０度である２つ以
上のセンサポールを備えるステータと、永久磁石によりロータポールが構成されるロータからな
り、ステータとロータ間のエアギャップ値が０．４ｍｍ以下
であることを特徴とする磁気位置検出器内蔵モータ。
【請求項３】空間的に位相差を有する少なくとも２つ
のグループのトルクポールおよびロータ回転角度検出の
ためのインダクタンスの位相差が約９０度である２つ以
上のセンサポールを備えるステータと、永久磁石によりロータポールが構成されるロータからな
り、ステータポール幅とロータポールの幅の比が０．２〜
０．５であり、ロータポールの厚さと幅の比が０．４〜
０．８であり、ロータスキュー０．２〜０．５であるこ
とを特徴とする磁気位置検出器内蔵モータ。