JPH0746059Y2

JPH0746059Y2 - ブラシレスモ−タ

Info

Publication number: JPH0746059Y2
Application number: JP1985127302U
Authority: JP
Inventors: 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: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2000-08-21
Also published as: JPS6238075U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、ブラシレスモータに関し、特に、ブラシレス
モータの大きさに対する最大トルクを高めるものに関す
る。

〔従来の技術〕

普通、ブラシレスモータには、同相の励磁コイルが複数
個設けられ、そして、同相の励磁コイルは互いに直列接
続されているのが普通である。

ブラシレスモータにおいてトルクの制御は、励磁コイル
に流れる励磁電流の大きさを制御することによって行わ
れる。励磁電流の最大値は、回路抵抗が一定の場合、電
源電圧によって決められ、励磁電流の最大値を高めて最
大トルクを高めるためには、電源電圧を高めなければな
らない。

〔考案が解決しようとする問題点〕しかし、電源電圧を高めると、回路の耐電圧性能をも高
めなければならないため、モータの大きさ、コストなど
の面からあまり電源電圧を高めることはできない。その
ため、ブラシレスモータの大きさから自ずと最大トルク
は決められてしまっている。しかし、小型でトルクの大
きいブラシレスモータの必要性は近年特に強くなって来
ている。

従って、本考案の目的は、ブラシレスモータの大きさに
対する最大トルクを高めることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本考案は、同相の励磁コイルが複数個あるブラシ
レスモータにおいて、同相の励磁コイルを互いに並列接
続することを特徴とする。

具体的には、本考案のブラシレスレータは、複数個の永
久磁石をロータに、複数個の励磁コイルをステータに、
それぞれ配設したものであり、回転方向で隣接する磁極
の極性を反対にした複数個の永久磁石を配置したロータ
と、前記永久磁石とは異なる数の複数個の前記励磁コイ
ルに対向させて配置したステータとを含むブラシレスモ
ータであって、前記励磁コイルが互いに隣り合う複数個を一セットとし
て前記励磁コイルを複数セットに区分するとともに、各
セットにおける励磁コイルのうち回転方向での位相が同
一の励磁コイルを直列に接続した励磁コイルの組を位相
毎に複数組設け、複数のスイッチング素子をブリッジ接
続したドライブ回路により前記直列接続した励磁コイル
の組を各位相ごとに制御することにより、前記複数セッ
トの励磁コイルを同期して制御するように構成されてい
る。

〔作用〕

その結果、複数セットに区分された励磁コイルは、各セ
ットの同位相の励磁コイル同士を直列接続した状態で、
各位相ごとに、スイッチング素子をブリッジ接続した回
路を介して電源に並列に接続され、したがって全ての励
磁コイルが互いに直列接続されている場合に比べて回路
抵抗が小さくなるため、同じ電源電圧に対して励磁電流
を沢山流すことができ、最大トルクを大きくすることが
できる。

〔実施例〕

以下、本考案の実施例を図面によって説明する。

第２図〜第４図は、本考案の一実施例を示し、第２図は
部分断面正面図、第３図は第２図のIIIA−IIIA線断面、
IIIB−IIIB線断面を同時に示す断面図、第４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11は、その磁極方向が互いに併行となるよう
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
10が構成されており、各々円環状に並べられた永久磁石
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22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４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３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、ピン27によってケース24に固定されている。つ
まり、回転軸12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、ほこり等が侵入
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セットとされており、各セット
間で対応する位置にある同相の励磁コイル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、２組に分けて各組においてそれぞれ
直列接続され、また電源に対しては各組ごとに接続さ
れ、したがって組を単位として並列接続になっている。
従って、励磁コイル21は、４×4/2で８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、一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６図〜第８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５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
している。このように鉄心22によって形成される磁路の
中に永久磁石11が挟まれた形となっているため、第５図
の位置に永久磁石11があるとき、励磁コイル21によって
発生される磁力線は、第５図の一点鎖線の如く通り、励
磁コイル21と永久磁石11との間に矢印Ｆで示すように、
リラクタンストルクを発生する。

第９図は、一セットを成すＡ〜Ｃの三つの励磁コイル21
とロータ10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21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t₀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。次にt₁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21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、一組の励
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９図において（ハ）は、励磁コイル21の通電方向を示
しており、t₁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、t₅、t₇、t₉、t₁₁
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、t₁₃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、一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７図および第８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28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
置関係は各セット間では、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７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９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11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９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、一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10図（イ）〜（ニ）は、励磁コ
イル21の数を２〜Ｎ個とした場合について互いに比較し
て示してある。この第10図（イ）〜（ニ）から明らかな
ように、一セット中の励磁コイル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11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）×（2/N＋１）×（２π/m）〔ただ
し、Ｎは励磁コイル21の極数、ｍはセット数〕毎に行わ
れる。

第11図は、励磁コイル21の通電を制御する回路を示して
おり、上述の如く、励磁コイル21は３個が一セットとさ
れ、同相の励磁コイル21は２組に分けられている。そし
て、一セットを成す３個の励磁コイル21は、それぞれデ
ルタ結線され、検出コイル28は同相のコイル同士で直列
接続されている。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５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10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12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35から54に切り換える。

第１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、基本的には、四つのNPN型スイッ
チングトランジスタ（スイッチング素子）をブリッジ接
続して成り、同相の励磁コイル21が２組に分けられてい
るのに対応して第１図で上下に分けて示すようにブリッ
ジ接続が２組設けられている。ただし、この実施例の場
合、一セットを成す三つの励磁コイル21がデルタ結線さ
れているため、それに対応してブリッジ接続が変形され
ており、６個のトランジスタ41〜46および41a〜46aによ
って実質的に三つのブリッジ接続が構成されている。各
ブリッジ接続の一つの対角線上には、電源47が接続さ
れ、他の対角線上には、各励磁コイル21が接続されてい
る。したがって第11図の上側の三つの励磁コイル21は、
第１図の上半分のブリッジ接続を介して電源47に接続さ
れ、また第11図の下側の三つの励磁コイル21は、第１図
の下半分のブリッジ接続を介して電源47に接続され、同
相の励磁コイル21は２組に分けられて電源47に並列に接
続されている。各トランジスタ41〜46および41a〜46aの
コレクタ、エミッタ間には、それぞれフライホイールダ
イオードが並列接続され、各トランジスタ41〜46および
41a〜46aのベースには、それぞれ逆流防止用ダイオード
を介してプリドライブ回路30からの信号が送り込まれて
いる。プリドライブ回路30からの信号は、ブリッジ接続
において対辺上に位置するトランジスタが同時に導通す
るように送り込まれ、同相の励磁コイル21が全く同様に
通電制御されるように、第１図において上下に分けて示
された２組のブリッジ接続のトランジスタは対応するも
の同士がプリドライブ回路30からの信号に共通に接続さ
れている。

従って、プリドライブ回路30のアンドゲート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からのデューティ比信号がドライブ回路
40のトランジスタ43、42および43a、42aのベースに印加
され、デューティ比信号のデューティ比でトランジスタ
43、42および43a、42a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からのデューティ比信号がトランジスタ41、44および
41a、44aのベースに印加され、トランジスタ41、44およ
び41a、44aがデューティ比信号のデューティ比で導通さ
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、プリドライブ回路30のフリップフロップ31
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13図および第14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13図のプログラムは、励磁コ
イル21の通電電流のデューティ比を制御するもので、10
0ミリ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の通電電流のデューティ比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15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、図示してい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17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に基づいてデューティ比の補正量ΔDUTY
が求められる。この補正量ΔDUTYも、上述のステップ10
1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16図の如く求められる。ス
テップ104では、ステップ101で求められたデューティ比
DUTYとステップ103で求められた補正量ΔDUTYとを加算
して最終的なデューティ比DUTYが求められる。このよう
にして、第13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への通電電流のデュ
ーティ比DUTYが制御される。

第13図のプログラムが100ミリ秒毎に軌道されるため、ス
テップ104によって求められるデューティ比DUTY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ミリ秒のクロミッ
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104において求め
られるデューティ比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14図のプログラムは、図示してい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10、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105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「０」であるか否か
が判定される。現在の回転位置が指令位置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「１」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
ューティ比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18図に示すように、現在の回転位置Ｐが指令位置Pc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11
3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11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31〜33を一斉に反転動作させ
る。フリップフロップ31〜33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９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、慣性によってただ
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18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
デューティ比DUTYがゼロとされるとともに、ステップ10
8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10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14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18図の如く、ロータ10
は指令位置Pcに停止される。

〔考案の効果〕

以上のように本考案によれば、同相の励磁コイルが複数
個あるブラシレスモータにおいて、同相の励磁コイルを
互いに並列接続するので、同じ電源電圧に対して励磁電
流を沢山流すことができ、電源電圧を高めないで比較的
大きなトルクを発生させることができる。従って、耐電
圧性能を高めなくて済み、ブラシレスモータの大きさに
対する最大トルクを高めることができる。

しかも、励磁電流の大きさや方向を制御するドライブ回
路も並列接続するコイル毎に設けたので、一つのドライ
ブ回路が分担する電流容量が少なくて済み、ドライブ回
路の発熱によって制限される励磁電流も大きくすること
ができ、この点からも最大トルクを大きくすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第13図のドライブ回路の詳細回路図、第２図
〜第４図は、本考案の一実施例を示し、第２図は部分断
面正面図、第３図は第２図のIIIA−IIIA線断面、IIIB−
IIIB線断面を同時に示す断面図、第４図はステータのケ
ースの底面図である。また、第５図は、上記実施例の動
作を説明するための図である。第６図〜第８図は、上記
実施例における一つの鉄心の拡大図であり、第６図は斜
視図、第７図は励磁コイルを巻かれた状態の正面図、第
８図は第５図のVIII−VIII線断面図である。さらに、第
９図は、上記実施例の動作を説明するための図、第10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
９図と同様の説明図、第11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12図は、第11図のプ
リドライブ回路の詳細回路図、第13図および第14図は、
第11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15図〜第18図は、第13図および第14
図のプログラムによる動作を説明するための図である。 10……ロータ 11……永久磁石 20……ステータ 21……励磁コイル 22……鉄心 40……ドライブ回路 41〜46、41a〜46a……トランジスタ（スイッチング素
子） 47……電源

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】回転方向で隣接する磁極の極性を反対にし
た複数個の永久磁石を配置したロータと、前記永久磁石
とは異なる数の複数個の前記励磁コイルに対向させて配
置したステータとを含むブラシレスモータであって、前記励磁コイルが互いに隣り合う複数個を一セットとし
て前記励磁コイルを複数セットに区分するとともに、各
セットにおける励磁コイルのうち回転方向での位相が同
一の励磁コイルを直列に接続した励磁コイルの組を位相
毎に複数組設け、複数のスイッチング素子をブリッジ接
続したドライブ回路により前記直列接続した励磁コイル
の組を各位相ごとに制御することにより、前記複数セッ
トの励磁コイルを同期して制御するように構成したこと
を特徴とするブラシレスモータ。