JPH08172764A

JPH08172764A - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JPH08172764A
Application number: JP7229379A
Authority: JP
Inventors: Ralph W Horber; ダブリュ．ホーバーラルフ
Original assignee: Seiberco Inc
Current assignee: Seiberco Inc
Priority date: 1986-03-17
Filing date: 1995-09-06
Publication date: 1996-07-02
Anticipated expiration: 2015-09-06
Also published as: EP0238253B1; US4687961A; EP0238253A2; CA1292767C; DE3766520D1; EP0238253A3; JPS62244265A; JPH0815387B2; JP2625409B2

Abstract

(57)【要約】高度の磁気的平衡と完全なフィードバック機能を有する
多相ブラシレスモータである。モータの固定子極素子は
等しく等距離に配置され、それらに巻かれたコイルは対
として接続され大部分の対の極素子は相互に直接隣接す
る。センサ手段は少なくとも２つの電気回路部分を備
え、センサチャネルを構成するため対の極素子として接
続され、これら複数のチャネルは高精度のロータ位置フ
ィードバック信号を生み出すために作動する。【課題】光学式エンコーダ等の外部位置検出装置を用
いずにモータのロータ位置を検出し加えてフィードバッ
ク制御を実現する。【解決手段】固定子の極素子にロータ位置検出用のセ
ンサコイルを設置してロータの回転に伴うレラクタンス
変化を捕らえロータの位置信号を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は直流電動機に係り、特に
構造及び性能を改善したブラシレス多相直流電動機とそ
の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気サーボ装置は、位置制御が必要な多
くの異なる応用に広く利用されている。通常、電気サー
ボ装置は、ロボットやＸ−Ｙテーブルを駆動したり、レ
ーザ応用装置や砲塔に対する反射鏡の位置を決定した
り、集積回路の生産装置などに使用される。これらの装
置に対する主な評価基準は、もちろん、高い精度と入力
指令に対する応答性ならびに経済性と製造の容易性、信
頼性及び耐久性にある。

【０００３】ステッパ・モータは、そのような運動制御
応用に使用されてきて、極めて丈夫で位置決定能力が高
いとともに比較的廉価でかつ比較的簡単であるという点
から有利である。しかしながら、ステッパ・モータは、
一般に最適の動特性を示さないし、また、帰還能力を欠
いているので、不確定の要素がつきまとう。

【０００４】閉ループ直流サーボモータ装置は、速度範
囲、加速度、トルク対慣性比、及び周波数特性を含む、
かなり動特性の利点はあるが静的性能特性が不十分であ
る。さらにまた、そのようなサーボモータ装置で整流及
び速度と位置制御（例えば、軸角度位置検出器、回転速
度計、エンコーダ、レゾルバ）のための情報の抽出及び
利用に使用する帰還装置は高価であって、場合によって
はこわれやすく、信頼性を欠いたものになりやすい。一
般にこの種の装置は、据付け及び保守が比較的複雑で面
倒である。

【０００５】従って、新規な運動制御装置とその装置に
使用する新規なブラシレス直流電動機であって、比較的
簡単で製造に費用がかからず、確度、速度及びトルクの
特性の極めて好ましい平衡が得られ；また所期の目的に
対し極めて効果的、効率的かつ信頼性あるものを提供す
るのが本発明の一般的目的である。

【０００６】さらに、本発明の特別な目的としては、そ
のようなブラシレス直流電動機であって、何等の付加帰
還装置を必要としないで閉ループ・モードで動作して、
帰還信号の大きさと確度が最大にできるものを提供する
ことである。本発明の他の目的は、前記の特徴及び利点
をもつ電動機であって、指令に対して応答性がすぐれ、
停止位置における正確な回転子の位置情報の抽出を可能
とし、極めて精密な位置情報を与えるために多数の角度
分解点をもち、また、極めて円滑な運転、全力起動トル
ク特性をもつものを提供することである。

【０００７】従来技術による多種類の装置及び電動機の
うち、いくつかのものは運動制御応用に使用が可能であ
り、前述したいくつかの特徴をもつことは以下の米国特
許の示す通りである：

【０００８】ポラコウスキ（Ｐｏｌａｋｏｗｓｋｉ）の
米国特許第３，４５３，５１２号では、電機子切替回路
にシリコン制御整流器を使用して起動信号を角度位置検
出器によって発生し、また停止信号をコンデンサによっ
て発生するブラシレス直流電動機を開示している。位置
検出器は、一連の固定コイルから構成されるもので、そ
の一連のコイルは、共通コイルを備えた界磁構造物と共
に回転するように取付けられた部材によって順次誘導的
に結合される。

【０００９】ベイレット（Ｖｅｉｌｌｅｔｔｅ）の米国
特許第３，５０１，６６４号には、回転磁界より空間的
に９０°進んで回転される内部固定子磁界をもつ直流電
動機を調整する装置を開示している。固定子は、その内
部周辺上に直径方向には向いてない対に配置された歯を
備えており、この歯が二次巻線を担持するが、この二次
巻線を通して、固定子の主ボデーの一次巻線を介して加
えられる電流は回転中固定子極が歯と中心位置が一致す
るとき、順次転移される。例示では、固定子の歯は同一
であって、半径方向の内側に向ってテーパ（傾斜）が設
けてある。

【００１０】ラーデ（Ｌａｈｄｅ）の米国特許第３，５
４１，４０７号は、直流電動機であって、２端子界磁コ
イルをピックアップとして利用して回転子の位置を検出
するとともに電力コイルとしても利用して駆動トルクを
供給するものを教示している。

【００１１】小林他（Ｋｏｂａｙａｓｈｉｅｔａ
ｌ）の米国特許第３，５９０，３５３号では、共通軸に
取付けられた外側及び内側の回転子を具備する電子整流
電動機であって、内側回転子が位置検出機能を果たすも
のを開示している。内部検出固定子の一次巻線及び二次
巻線は回転子の位置によって変化する電磁結合が行われ
る。

【００１２】蓄音機のターンテーブルで、電気制御可変
速度ブラシレス直流電動機によって直接駆動されるもの
が小林他（Ｋｏｂａｙａｓｈｉｅｔａｌ）の米国特
許第３，６８３，２４８号に示されている。内部位置検
出回転子の位置に従って、固定子内の巻線対が選択的に
結合されて特定の外部固定子巻線を流れる電流を制御し
て外部回転子を駆動する。

【００１３】クーピン他（Ｃｏｕｐｉｎｅｔａｌ）
の米国特許第３，７９４，８９５号には、電子整流直流
電動機で固定子が電力コイル及び検出コイルの対と共に
巻かれ、検出コイルが９０°位相の異なる速度依存信号
を発生して電力増幅器を制御するものが記述されてい
る。

【００１４】一方向の回転を防止する装置を備える自励
直流電動機が金森（Ｋａｎａｍｏｒｉ）の米国特許第
３，９０３，４６３号に開示されている。固定子の極
は、界磁コイル及び電機子コイルによって巻かれ、ま
た、位置検出素子は永久磁石によって磁気飽和された鉄
心と高周波コイルとを含む。

【００１５】町田（Ｍａｃｈｉｄａ）の米国特許第３，
９９７，８２３号では、固定子に星形接続固定巻線を使
用するブラシレス直流電動機の回路を教示している。回
転子の回転によって固定巻線に誘起される位置信号を検
出するための装置が設けてあり、位置信号が切替装置を
制御して、少なくとも一つの巻線への駆動電流を供給す
るのに使用される。

【００１６】ゴスリング他（Ｇｏｓｌｉｎｇｅｔａ
ｌ）の米国特許第４，０９６，４２０号では、ＬＣ共振
回路をもった発振器がブラシレス直流電動機の制御回路
に使用され、発振器の振動は、回転子磁界によってセン
サ・コイルに生じる誘導に応答して変調される。

【００１７】ライト（Ｗｒｉｇｈｔ）の米国特許第４，
１６２，４３５号には、ブラシレス直流電動機の回路で
あって、一つの付勢されない巻線に誘起される電圧がサ
ンプリングされ、積分され、所定の位置表示電圧と比較
されて、少なくとも一つの他の巻線が付勢されている間
に制御信号を導いて、選択整流を行う回路を開示してい
る。

【００１８】コミュテータレス直流電動機駆動装置がゲ
レニウス（Ｇｅｌｅｎｉｕｓ）の米国特許第４，２６
２，２３７号に開示されている。その装置では、永久磁
石回転子が相の異なる固定子の相巻線に交流電圧波形を
誘起する。停止位置から回転子の回転を開始させ固定子
相巻線に電圧波形を最初に誘起させる装置が設けてあ
り、切替点基準信号を発生する装置が設けてあり、ま
た、誘起される波形に応答して基準信号対し制御される
関係に個別固定子相巻線付勢回路を順次完結及び中断す
ることによって回転子の回転を維持する装置が設けてあ
る。

【００１９】ディットマン他（Ｄｉｔｔｍａｎｅｔ
ａｌ）の米国特許第４，２９７，６２２号では、２相ジ
ャイロ装置であって２個の直列に接続された運動感知基
準コイルを１８０°離して配置して、電動機の駆動及び
制御に使用するものを開示している。

【００２０】ミュラー（Ｍｕｌｌｅｒ）の米国特許第
４，４８１，４４０号に開示されているブラシレス直流
電動機は、永久磁石回転子を利用するが、その回転子の
極は回転方向で見て、おおむね、方形又は台形の磁化曲
線をもっている。そのような極に含まれる高調波磁界
は、固定子のセンサ巻線に、その巻線が寸法を合わせて
作られた高調波に相当する電圧を誘起する。

【００２１】ブラシレス直流電動機の制御装置が、トキ
ザキ等（Ｔｏｋｉｚａｋｉｅｔａｌ）の米国特許第
４，４９５，４５０号に開示されている。その装置は、
回転子位置検出回路をもち、この回路において回転子の
回転によって固定子コイルに誘起される電圧が仮想中性
点の中性電圧と比較されて極性変化点を検出する。それ
に基ずいて、インバータが固定子コイルの伝導モードを
制御して電動機の回転を制御する。

【００２２】レー（Ｒｈｅｅ）の米国特許第４，５５
１，６５８号に開示している直流電動機はブラシ及び整
流子を含む。始動後、ブラシは遠心力によって整流子か
ら変位して起動回路をしゃ断する。１９８５年６月に、
“多極ステッピング・モータ”と題する論文が刊行され
た。この論文には２相の動作用に巻かれたハイブリッド
・ステッピング・モータが説明してあり、各グループの
２個の隣接極ごとに直列でしかも反対極性に接続され
る。

【００２３】

【発明の要約】本発明について前述した目的及びそれに
関連した目的は多相直流電動機を使用することによって
容易に達成されることがわかる。その電動機は磁気材料
によって製作した固定子を使用するが、固定子は一般に
円筒形のボデー部とこのボテー部のまわりに間隔を隔て
た位置でボデー部から放射状に延びる多数の極素子で構
成され、極素子には相当する多数のコイルが巻かれてい
る。少なくとも２個の電気回路部分を備えるセンサ装置
を設け、一方の回路部分は第１対の極素子のコイルに接
続され、また他方の回路部分は第２対の極素子のコイル
に接続される。第１に述べた対の極素子は第２に述べた
対の極素子とは互いに介在しない関係でボデー部に配置
されており、センサ装置に接続されるコイルによって、
それらの極素子をセンサ極として作用するようにして、
少なくとも２チャネルを構成して固定子と共に組立てら
れる回転子の角度方向を現わす信号を発生する。電動機
は、また、電源装置を備えて、少くとも２相の電流を供
給する。電源装置は、第１の複数個の固定子極素子に巻
かれたコイルを直列に接続している一つの回路部分を第
１相の電流によって付勢し、また第２の複数個の極素子
を直列に接続している他の回路部分を第２相の電流によ
って付勢することによって、結合する極素子を第１相ト
ルク極及び第２相トルク極として動作させる。固定子の
ボデー部の極素子の全体の数は、電源装置によって供給
される相の数によって割られるときその商が偶数となる
ような数であり、また、“第１”相及び“第２”相のト
ルク極は相互に介在配置になっており、センサ極につい
ては、トルク極が付勢されるとき磁気平衡配列が得られ
るように配置される。

【００２４】好適な形体では、電動機の使用する固定子
の“第１”相のトルク極のうちの少なくともいくつかの
ものは、相互に直接隣接して配置されており、それらの
コイルは反対方向に巻かれていて、付勢されるとき、そ
れらを磁気的に結合させ、また、“第２”相のトルク極
のうちのいくつかとそれらに巻かれるコイルは、前記相
と同様に配置され巻かれる。通常、各相のトルク極の対
は、他の相から少なくとも１トルク極は分離されてお
り、また、センサ極は互いに分離していて、直接隣接す
る対をなさないトルク極と対にするのが有利である。各
チャネルの２個のセンサ極のうちの１つは、各相の対を
なさないトルク極と直接隣接しているのが有利であり、
また、すべてのセンサ極のコイルは、一般に同一方向に
巻かれる。極素子は固定子のボデー部に相互に等距離の
間隔に配置されるのが最も望ましい。

【００２５】一つの特別な形体では、極素子の数を２４
として、互いに機械的１５度間隔に分離する。そのよう
な極素子のうち４個がセンサ極であり、４個がセンサ極
と結合する対をなさないトルク極であり、また、１６個
は対をなすトルク極である。理想的には、１相の対をな
すトルク極の各対には、それと直接隣接して他の相の対
をなすトルク極があり、また、固定子はトルク極及びセ
ンサ極の配置については、軸平面に対して対称である。

【００２６】固定子の極素子は通常、内側に延びて回転
子のための空間を画定するが、回転子はそのような場
合、円筒形の鉄心とその外面の円周上に配列される極素
子の配列から構成される。使用する電源装置が２相の電
流を供給するとき、回転子の極素子は配列中に交互極性
をもつ永久磁石であり、固定子の極素子と回転子の極素
子の数の比は４：３か又は４：５である。特に好適な形
体では固定子が２４個の極素子をもち、また回転子は１
８個の極素子をもつ。電源装置が３相の電流を供給する
ときは、回転子極素子は永久磁石か又は鋼製の極であっ
て、固定子極素子と回転子極素子との数の比は３：２と
する。

【００２７】本発明の他の目的は、前述した固定子及び
これと相互作用する回転子を含む、多相、直流電動機を
備える運動制御装置を使用することによって達成され
る。固定子に設けられるセンサ極の対は互いに介在しな
い関係に配置され、そのセンサ・チャネルは電動機の相
の数によって定まる角度距離だけ相互に電気的に間隔を
設けておく。センサ装置は、高周波交流電流を供給しそ
れによってチャネル内に、互いに位相が異なって、回転
子の角度方向を現わす信号を発生させる。制御装置と動
作時に相互接続することによって、センサ装置からの位
相の異なる信号を使用して、電源装置からの相電流のパ
ルス幅変調を行ない、また、トルク極の選択的付勢を行
う。

【００２８】運動制御装置の好適実施例では、電動機は
２相の電動機で、センサ装置の回路は２つの部分からな
り、相互に９０°電気的位相の異なるセンサ・チャネル
を構成してｓｉｎｅ−ｃｏｓｉｎｅ関係の信号を発生す
る。通常、そのような制御装置には、センサ装置からの
変化する振幅から単一レベルの電圧信号をつくるインバ
ータ装置も含み、マイクロプロセッサがこのインバータ
装置を介して電源装置とセンサ装置とを相互接続する制
御手段を供給する。最も望ましいのは制御装置が回転子
の１回転について８ないし２０の電気サイクルを発生す
るものである。

【００２９】

【実施例】添付図面の図１から図７までに、本発明を実
施するブラシレス直流電動機を図示し、その全体を文字
“Ｍ”で示した。その電動機は、その全体を参照番号１
０で示した永久磁石回転子、全体を参照番号１２で示し
た固定子、及び全体をそれぞれ参照番号１４と１６で示
した前面被覆板と背面被覆板とからなる。回転子１０
は、軸部分２０，２２を備えた円筒形鉄心１８に、鉄心
面上に固定（粘着結合などで）されて、縦方向（軸方
向）に延びる高エネルギ永久磁石２４の配列が取付けて
ある。磁石はその配列の中で、極性が交互に繰返して配
列されておりサマリウム／コバルト合金で製作したのが
有利である。適当な軸受２５を被覆板１４，１６の内部
に取付け、軸の対向端部分２０，２２を受入れて、通常
の方法で回転子１０を回転可能なように支持する。

【００３０】固定子１２は押抜き又は型打ちされた多数
の薄板による組立てで構成されるが、その形状は図６に
最も明かに示してある（これは固定子の端面図としての
特徴を示すものであるが、この図は個別薄板の構造を示
すものと考えてよい）。図示したように、薄板は環状の
ボデー素子２６に、外側に延びるタブ素子２８，３０，
３２及びボデー素子の内側円周に等距離間隔の位置でボ
デー素子から放射状に内側に延びる２４個の極素子３４
が取付けられた構造のもので、各薄板は、もちろん、一
枚の一体形に形成された構造である。極素子３４は方形
構造のものであって、極素子間に定まるスロット３６
は、その基部では比較的広く、放射状の内側方向にテー
パをもつ。積み重ねられた薄板３４がまとまって固定子
の極３４を構成する（便宜上、固定子の部分と固定子の
形成される薄板の素子には同一の番号を与えた）ことを
理解されたい。極は、軸方向の面及び横方向の面で実質
的に方形構造のものであるので、極は半径方向の長さに
沿ってとったすべての点において単一厚さの寸法と単一
軸方向長さの寸法とをもつ。薄板はまた、まとまって、
縦方向に延びるリブ２８，３０，３２をつくるが、これ
らのリブは対応した番号をつけた指素子を構成するもの
で、これらは、電動機の動作中に発生する熱を消散させ
るための統合された放射体として役立つ。このリブは、
固定子のボデー部２６の外周部と固定子のまわりに設け
る仮想正方形図形で固定子の直径に等しい一辺をもつも
のとの間の隅領域内に実質上完全に収容されている間
に、効果的な熱伝達を行うように十分な表面積となる寸
法にして構成される。４本の長いボルト３７が前面被覆
板１４の穴から挿入されて背面被覆板１６のねじ切りさ
れた穴の中に固定されて部品を組立て状態で保持する。

【００３１】固定子１２の各極には、コイル３８が巻か
れてあり、このコイルは紙又は合成樹脂の材料によって
通常の方法で極から絶縁される。コイル３８は、図６に
略示したように巻かれて相互接続される。特に、補足番
号１，２，４，５，７−１２を基部に付した極から構成
される第１グループは“Ａ”と呼ばれる第１相として接
続される。また補足番号１３−１９，２１，２２，２４
を付した極は“Ｂ”と呼ばれる第２相として相互接続さ
れる。残りの４極（３，６，２０，２３）は対として接
続されるがそれらの対構成によって、Ｓ１又はＳ２と呼
ばれる。

【００３２】各相グレープの多くの極は、隣接対（例え
ば１と２，１３と１４）として接続され、対の部材は反
対方向にコイルが巻かれて、相が付勢されるときそれら
の対を通って磁束を流すようにしていることに留意あり
たい。また、対Ｓ１及びＳ２のそれぞれの１極は、同一
相の隣接極と対を組まない各相グループの１極と直接隣
接して配置されていること、すなわち、Ｓ１対について
は極３が対を組まないＡ相の極４に隣接しておりまた極
２３は対を組まないＢ相の極２４と隣接していることに
も留意ありたい。図示した配置は、固定子に２相の等し
い電圧を接続して動作されるとき、高度の磁気平衡が得
られる。端子４０，４２及び４４，４６はそれぞれＡ相
及びＢ相用に設けてあり、また、端子４８，５０はＣＴ
１及びＣＴ２と呼ぶ二つの回路部分のそれぞれに対して
設けてあり、さらに端子５２及び５４は回路部分ＣＴ
１，ＣＴ２の並列接続用に設けてあり、また、適当な値
のフィルタ・コンデンサ５３は、回路内に図示したよう
に接続される。

【００３３】前述した固定子の配線は、２相グループＡ
及びＢの直列接続された隣接素子が電動機に対するトル
ク極として動作するようになっており、また、素子Ｓ１
及びＳ２がセンサ極として動作するようになっていて、
電源入力端子５２及び５４をもつ２つのセンサ・チャネ
ルＣＴ１及びＣＴ２を構成する。センサ極に隣接する２
相の対を組まない素子は、協力して電動機に対して付加
トルクを与え、また付勢されるとき、磁気平衡に役立
つ。

【００３４】図８は、運動制御装置の機能ブロック図で
ある。電動機Ｍに対する電力は増幅器から加えられる。
増幅器は電源端子６０と接地線（図示してない）との間
に加えられる直流電圧によって動作するものであって、
増幅器は図示したように、各相に対してＨ_A及びＨ_Bと
呼ぶＨブリッジで構成され、導線６２，６４によってそ
れぞれ接続され、また電流調整用の小ループを備える。
Ｈブリッジにはパワー電界効果トランジスタを使用する
のが有利でありまた通常、５０ｋＨｚのチョッピング周
波数で動作する。

【００３５】電動機のセンサ・チャネル用端子５２，５
４は導線６６，６８を介して直流電力を供給されるセン
サ７０に接続される。このセンサ７０もまたＨブリッジ
形式のもので、通常、１００ｋＨｚの所定の一定周波数
で動作して、２つのチャネルＣＴ１及びＣＴ２のそれぞ
れのセンサ・コイルの対３，２３及び６，２０へ交流電
流を供給する。センサ７０は同期検波器７２と同期され
る。同期検波器７２は導線７４，７６を介して電動機Ｍ
の端子４８，及び５０に接続されて、センサ・チャネル
からの信号に対して反転機能を実行して、位置デコーダ
７８に対し変化する振幅から単一レベルの電圧を供給す
る。位置デコーダ７８は、通常、運動制御装置に統合さ
れるマイクロプロセッサ制御器の機能である。マイクロ
プロセッサは、また標準ＰＩＤ制御器８０，８２，８４
に対して利得調整機能を実行して、指標付け信号を発生
する。指標付け信号は接合点８６で、位置デコーダ７８
からのベクトル信号と加えられて制御器への入力を生じ
る。出力加算接合点８８からの信号は、導線９０及び９
２を介してＨブリッジＨ_A及びＨ_Bを制御して、電動機
の所望動作を生じるのに適するコイルの付勢及びパルス
幅変調を行う。これらの制御は、回転子の位置信号及び
制御端子９４からインタフェース・ポート９６及びマイ
クロプロセッサ監視９８を介して装置へ加わる指令信
号、順序付け、指標付け、利得調整及び記憶装置機能１
００によって定まる。導線１０２は位置デコーダ７８か
らＨブリッジへの整流ループを構成し、また端子１０４
は必要に応じて外部指標付けを取入れるために設けてあ
る。

【００３６】端子４８及び５０において検出される電圧
の振幅はセンサ極のコイルのインダクタンスに支配され
るものであるが、回転子磁石によって影響をうけると
き、極鉄心中の磁束の表示となる。固定子極及び回転子
極の幾何学的配列及びＨブリッジの切替のタイミングに
よって、センサ・チャネルからの信号は回転子の回転と
ともに変化し、電気的に９０°位相が異なり、回転子角
度の正弦及び余弦の関数となる。これによって、回転子
の実際の角度位置を表示する位置デコーダによるベクト
ル信号の発生を可能とする。回転子及び固定子の構造と
磁気的配列によって、極めて高い角度分解能、すなわち
位置決定の確度が得られる。

【００３７】また、マイクロプロセッサは、電動機の統
合された帰還装置を通して得られる情報から、停止位置
からの精密な移動距離を決定する。Ｈブリッジ回路を介
して相に加わる電力を制御することによって動作指令を
実行するのに必要な電動機の速度制御も可能となる。

【００３８】これまで２相装置を説明してきたが、本発
明の概念は他の多相装置にも等しく適用可能なことを理
解されたい。そのためには、当業者には明かなように、
特別な変形をすることが必要となる。例えば、センサ・
チャネルに９０°位相の異なる信号を発生するように、
回転子と固定子を構成する代りに３相装置では、電気的
に６０°位相の異なる信号ならびに３チャネル（一般に
３対のセンサ極によって構成される）を使用するのが好
ましい。その場合も２チャネルだけを使用することも可
能でありまた費用が少くてすむ。また、２相電動機に対
する固定子極の全体の数は２で割り切れなければならな
いが、３相動作の場合、固定子極の全数は３で割り切れ
なければならない。しかしながら、いずれの場合も、本
発明によるときは、商は偶数でなければならない。

【００３９】いままでに述べたこと以外に、本発明を実
施する電動機の固定子と回転子の間に存在する数量関係
が一定の基準に合致しなければならないことが判明して
いる。特に、２相電動機（例示したように、センサ極が
対をなさないトルク極と結合しているとき）の固定子極
と回転子極の数の比は４：３か又は４：５でなければな
らず、同一設計の３相電動機の場合にはその比が３：２
でなければならない。下記の表１は、これらの関係をも
つ固定子極と回転子極の数の例示的組合せを示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】前記にもかかわらず、多くの場合、固定子
極の最小の全数は、一般に２４である。それが２相電動
機装置に最適の磁気平衡と動作を与えるからである。

【００４２】また、電動機は、最適な磁気平衡を得るた
めに物理的に対称性を備えるものが、もちろん、望まし
い。図示した固定子からわかるように、トルク極及びセ
ンサ極について横平面（すなわち、極１５と１６及び２
１と２２間にとった）内で互いに鏡像関係を保ち、また
回転子はすべての直径平面において対称である。図示し
たトルク極とセンサ極の物理的分布は、図示した特定の
構成の電動機に対しては好適ではあるが、他の構成も可
能である。例えば、センサ極を、２つの別のセンサ・チ
ャネルを構成する隣接対として図示のように間隔をおく
ことなく、まとめてグループにする（例えば極４，１
５，１６及び５のように）ことも可能である。しかしな
がら、帰還信号の大きさ及び確度は、その結果として妥
協したものになる。なおまた、対としないトルク極を各
センサ極と結合させること（すなわち、隣接配置とす
る）も絶対的に必要なものではない。それらはインダク
タンス回路に含まれていないからである。しかしなが
ら、結合させないときは電動機のトルクを減少させるこ
とになる。

【００４３】例示した固定子の構造は、好ましい磁気特
性が得られるばかりでなく、製作が容易であるので、製
造の経済化に役立つ。極が均一な物理的間隔をもってお
りまた極素子が方形断面であること（固定子金属の最も
好ましい分布を可能とする）はともに、磁石平衡の観点
からも有利である。最も重いコイル巻線を極の基礎に使
用できるということも、また、有利な一要素である。経
済化については、単一構造の固定子薄板を使用すること
及び予め巻いた同一のコイルを使用することの利益は自
から明かである。

【００４４】本発明による電動機の特に重要な利点は、
相互に直接隣接して配置される結合されるトルク極を使
用するという事実によるものである。その結果として磁
束通路は極めて短かくなるので、異なる相の磁束を横切
ることがない。これらの要因から相の相互作用による磁
気損失及び減衰を最小にするので、それによって動作の
効率を最大にする。回転子極に高エネルギ磁石を使用す
ること及びそれらを固定子極に極めて近接させることに
よっても、高いトルク値で低インダクタンスのものの開
発を可能とした。極の形状については、回転子極の対向
面は一般に固定子極の対向面より広いが、２つの隣接極
とその間の間隙を含む、さしわたし距離より狭くしてあ
る、理想的な場合の回転子磁石の配置は、一つの固定子
磁石が一つのセンサ極と中心が一致するとき、同一チャ
ネルの他のセンサ極が磁石間の間隙の中心に一致するよ
うなものである。

【００４５】本発明を実施する電動機は、トルク／速度
曲線がその主要な速度範囲にわたって事実上平坦であ
り、またこれが連続動作及び間欠動作の両方の状態でも
同様であるという特徴がある。本発明による電動機は、
また、回転子の回転ごとに８−２０電気サイクルのサイ
クル・カウントを生じて、確度、速度及びトルクの最適
平衡が得られるように構成される。サイクル・カウント
が６又はそれ以下では、本発明が意図している電動機及
び制御装置の多くの応用に対して不十分なセンサ確度の
レベルを発生するものであり、またサイクル・カウント
が２５又はそれ以上の電動機は一般に遅すぎる。

【００４６】本発明を実施する例示的電動機は、生産さ
れており、まえに説明し図示したように製造され、配線
され、また制御された。その電動機は、２４極の鋼薄板
固定子で横方向の外部断面が５．７１３ｃｍ（２−１／
４インチ）平方のものでありまた、１８極のサマリウム
／コバルト合金の永久磁石回転子で直径約３．０１６ｃ
ｍ（１−３／１６インチ）のものを使用した。電動機の
軸方向の長さ（固定子と端面板を含む長さ）は５．０８
ｃｍ（２インチ）であった。

【００４７】動作時に、電動機は、０．１５６２５度の
位置分解能を示した。マイクロプロセッサに適当に修正
したソフトウェアを用いると確度分解能はさらに精密に
なることが期待される。連続トルク、せん頭トルク（装
置）及びせん頭トルク（電動機）の値（８５℃の指定動
作温度における）はそれぞれグラム・センチで２８０
０，５６００及び１４，０００（オンス・インチで４
０，８０及び２００）であり、無負荷速度は４，０００
ＲＰＭまた回転子の慣性モメントは、０．１２３２グラ
ム・センチ・秒（０．００１７６オンス・インチ・秒）
であり、端子抵抗は４．０オームであった。長さ７．６
２ｃｍ（３インチ）（ただし他は相似）の電動機の対応
する値は５６００，１１，２００及び２８，０００グラ
ム・センチ（８０，１６０及び４００オンス・イン
チ）、３０００ＲＰＭ、０．２４６４グラム・センチ・
秒（０．００３５２オンス・インチ・秒）及び３．０オ
ームが見込まれ、１０．１６ｃｍ（４インチ）モデルで
は対応する値はそれぞれ同一の単位で８，４００，１
６，８００及び４２，０００グラム・センチ（１２０，
２４０及び６００オンス・インチ）、３０００ＲＰＭ、
０．３６９６グラム・センチ・秒（０．００５２８オン
ス・インチ・秒）及び２．０オームとなる見込みであ
る。そのような電動機はすべてＨブリッジに加える４８
ボルトによって無負荷で動作して平均端子インダクタン
スが０．５ミリヘンリーとなることは５．０８ｃｍ（２
インチ）モデルで試験した結果である。

【００４８】最後に、電動機に対する制御機能は、一般
にすべてディジタルであって、装置に統合されているこ
とを理解されたい。そのような構造の他の自明の利点の
ほかに、十分に統合された構造によって、自動同調又は
“専門家”動作を容易にするので、本発明の装置を、ロ
ボット等のようなある種の応用には特に適当なものとす
る。

【００４９】従って、本発明は、新規な運動制御装置と
その装置に使用する新規なブラシレス直流電動機であっ
て、比較的簡単で製造に費用がかからず、精密な位置決
定能力に対して確度、速度及びトルクの特性の極めて好
ましい平衡が得られ、また所期の目的に対して極めて効
率的、効果的かつ信頼性あるものを提供することがわか
る。その電動機は、大きな振幅の高確度の信号を発生で
きるという内部特徴を利用して、閉ループ帰還モードで
動作し、指令に対して極めて応答性が高く、停止位置に
おける正確な回転子位置情報の抽出が可能であり、また
多数の角度分解点をもって極めて精密な位置情報を発生
して、非常に円滑な運転及び全力起動、トルク特性を示
す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する電動機の斜視図。

【図２】電動機の正面図。

【図３】電動機の背面図。

【図４】電動機の側面図。

【図５】電動機の分解斜視図。

【図６】拡大目盛で画いた電動機固定子の端面図に配線
略図を加えた図。

【図７】図６の目盛で画いた電動機の回転子の端面図。

【図８】本発明を実施する運動制御装置の線図。

【符号の説明】

１０回転子１２固定子１４前面被覆板１６背面被覆板１８円筒形鉄心２０，２２軸部分２４永久磁石２５軸受２６環状ボデー素子２８，３０，３２タブ３４極素子３６スロット３７長いボルト３８コイル４０，４２，４４，４６，４８，５０，５２，５４端
子５３フィルタ・コンデンサ６０電源端子６２，６４，６６，６８，７４，７６，９０，９２，１
０２導線７０直流電力センサ７２同期検波器７８位置デコーダ８０，８２，８４ＰＩＤ制御器８６接合点８８加算点９４，１０４端子９６インタフェースポート９８マイクロプロセッサ監視１００指令信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転子（１０）と、固定子（１２）と、
センサ装置（７０）と、電源装置（ＨＡ，ＨＢ）とを有
するブラシレスモータであって、回転子（１０）は、円筒形の鉄心（１８）とその周上に
配列された永久磁石より成る極素子（２４）より成り、固定子（１２）は磁性材料で構成され、環状のボデー部
（２６）と、回転子（１０）との共同動作をする為にボ
デー部から放射状に延びる多数の極素子（３４）と、各
極素子の回りに巻いた多数のコイル（３８）とから成
り、極素子（３４）は、全数が電源装置（ＨＡ，ＨＢ）によ
って与えられる電源の相数で割ると偶数であり、その中
の２対の極素子がセンサ極となり、そのコイルがセンサ
装置（７０）に接続され、その一方の対の極素子間には
他方の対の極素子が含まれるように配置され、他がトル
ク極であり、付勢された時、センサ極に対しては、磁気
的に平衡する様に配列され、センサ装置（７０）は少なくとも二つの電気回路部分
（ＣＴ１，ＣＴ２）を備え、一つの電気回路部分（ＣＴ
１）がセンサ極となる極素子の第１の対（Ｓ１，３，１
９）のコイルに接続され、他の電気回路部分（ＣＴ２）
が極素子の第２の対（Ｓ２，６，２４）のコイルに接続
されて、回転子の角度方向を表す信号を発生する為の少
なくとも２個のセンサ・チャネルを構成し、電源装置（ＨＡ，ＨＢ）は、固定子（１２）の第１の複
数個の極素子（１，２，４，５，７−１２）の回りに巻
かれたコイルを直列に接続してなる第１回路部分に接続
されて第１相（Ａ）の電流によって付勢し、固定子（１
２）の第２の複数個の極素子（１３−１８，２０−２
３）の回りに巻かれたコイルを直列に接続してなる第２
回路部分に接続されて第２相（Ｂ）の電流によって付勢
し、第１回路部分と第２回路部分の極素子をそれぞれ第
１相及び第２相のトルク極として動作させ、且つセンサ
極に対して磁気的に平衡を生ぜしめ、前記第１相のトルク極（１，２，４，５，７−１２）の
うち少なくともいくつかの極は、相互に直接隣接して配
置され、それらの極に反対方向に巻かれたコイルは付勢
されるとき磁気的に結合し、また、前記第２相のトルク
極（１３−１８，２０−２３）のうち少なくともいくつ
かのものも同様に配置し、それらの極に巻かれたコイル
によって同様に結合され、更に前記各相のトルク極対が
他の相とは少なくとも１トルク極だけ分離している、ブ
ラシレスモータ。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記セ
ンサ極（Ｓ１，Ｓ２）が相互に離れており、また、各セ
ンサ極が、前記の第１相又は第２相のトルク極のうちの
対をなさない１極と直接隣接して配置される、ブラシレ
スモータ。
【請求項３】特許請求の範囲第２項において、各セン
サ・チャネルの一つのセンサ極に隣接する前記の対をな
さない極が第１相の極であり、また同一チャネルの他の
センサ極に隣接する対とならない極が第２相の極であ
る、ブラシレスモータ。
【請求項４】特許請求の範囲第３項において、すべて
の前記センサ極（Ｓ１，Ｓ２）の前記コイルが同一方向
に巻かれる、ブラシレスモータ。
【請求項５】特許請求の範囲第２項において、前記極
素子が前記固定子ボデー部に互いに等距離間隔に配置さ
れる、ブラシレスモータ。
【請求項６】特許請求の範囲第５項において、前記極
素子が機械的に１５°間隔に配置される２４個の前記極
素子を具備する、ブラシレスモータ。
【請求項７】特許請求の範囲第６項において、４個の
前記素子がセンサ極であり、４個の前記素子が前記セン
サ極と結合する対をなさないトルク極であり、また、１
６個の前記素子は結合されるトルク極であり、前記第１
及び第２の複数個の極素子のそれぞれが１０個の極素子
から成り、前記電源装置が２相の電流を供給するブラシ
レスモータ。
【請求項８】特許請求の範囲第７項において、前記１
相の前記結合されたトルク極の各対には前記第２相の前
記結合されたトルク極の１対が直接隣接しており、ま
た、前記固定子はトルク極及びセンサ極の配置について
は、軸方向に延びる平面に対し対称的である、ブラシレ
スモータ。
【請求項９】特許請求の範囲第１項−第８項のいずれ
かにおいて、前記極素子が前記固定子ボデー部から内側
に延びて固定子の中に回転子（１０）用の空間を画定す
る、ブラシレスモータ。
【請求項１０】特許請求の範囲第１項−第９項のいず
れかにおいて、円筒形ボデー部の周辺に極素子の配列を
備えた構成の回転子（１０）を含む、ブラシレスモー
タ。
【請求項１１】特許請求の範囲第１０項において、前
記回転子ボデーはその外面上に配置してある極素子（２
４）を有する鉄心（１８）より成るブラシレスモータ。
【請求項１２】特許請求の範囲第１１項において、前
記回転子の極素子の極性は前記配列中で交互に繰返し、
前記固定子の極素子と前記回転子の極素子の数の比が
４：３又は４：５となっている、ブラシレスモータ。
【請求項１３】特許請求の範囲第１２項において、前
記回転子が１８個の前記極素子（２４）を具備する、ブ
ラシレスモータ。
【請求項１４】特許請求の範囲第１−１３項のいずれ
かに於いて、前記ブラシレスモータは前記ボデー部から
延びている少なくとも２０の同じ極素子を有する２相電
動機であるブラシレスモータ。
【請求項１５】特許請求の範囲第１４項において、前
記第１及び第２の複数個の極素子のそれぞれが１０個の
極素子から成り、前記センサ極のそれぞれは前記第１相
又は第２相の極のうち結合しない１つの極が直接隣接し
ており、また、各センサ・チャネルの１つのセンサ極に
隣接する前記の結合しない極が第１相の極であり、同一
チャネルの他のセンサ極に隣接する前記の結合しない極
が第２相の極であるブラシレスモータ。
【請求項１６】特許請求の範囲第１５項に於いて、一
つの相の前記結合された各対の前記結合されたトルク極
はそれに直接隣接する他の相の一対の前記結合されたト
ルク極を有するブラシレスモータ。
【請求項１７】特許請求の範囲第１−１６項のいずれ
かに於いて、前記ボデー部から軸方向に沿って外へ延び
ている多くのフィン素子（２８，３０，３２）で特徴付
けられ、前記極素子の各々は前記固定子の軸方向面及び
横断面の両方でほぼ方形の輪郭をなし、放射状の長さに
沿った全ての点で唯一の厚み寸法及び唯一の軸長寸法を
提供し、前記極素子の輪郭は放射状に外へ段々に増して
いるその間のギャップ（３６）を限定しており、より重
いコイル巻線を前記歯部の上部よりも底部に収容し、前
記フィン素子（２８，３０，３２）は前記ボデー部の外
側外周及び前記ボデー部の上部よりも底部に収容し、前
記フィン素子（２８，３０，３２）は前記ボデー部の外
側外周及び前記ボデー部の外側直径に等しい側寸法を有
する正方形図間のコーナー領域にあり、有効な空間利用
に結合されている有効な熱移動の為の表面を備え、前記
固定子は同一の薄片の積み重より成り、各各はその上に
完全なセクションを有し、アッセンブリでは前記固定子
のボデー部、極素子、及びフィン素子を備えているブラ
シレスモータ。
【請求項１８】回転子（１０）と、固定子（１２）
と、センサ装置（７０）と、電源装置（ＨＡ，ＨＢ，Ｈ
Ｃ）とを有するブラシレスモータであって、回転子（１０）は円筒形の鉄心（１８）とその周上に配
列された突極（２４）より成り、固定子（１２）は、磁性材料で構成され、環状のボデー
部（２６）と、回転子（１０）との共同動作をする為に
ボデー部から放射状に延びる多数の極素子（３４）と、
各素子の回りに巻いた多数のコイル（３８）とから成
り、極素子（３４）は全数が電源装置（ＨＡ，ＨＢ，ＨＣ）
によって与えられる電源の相数で割ると偶数であり、そ
の中の３対の極素子がセンサ極となり、そのコイルがセ
ンサ装置（７０）に接続され、その一方の対の極素子間
には他方の極素子が含まれるように配置され、他がトル
ク極であり、付勢された時、センサ極に対しては、磁気
的に平衡するように配列され、センサ装置（７０）は、少なくとも三つの電気回路部分
（ＣＴ１，ＣＴ２，ＣＴ３）を備え、第１の電気回路部
分（ＣＴ１）がセンサ極となる極素子の第一の対（電気
角度で１２０度の位相差を持つコイル対，例えばＳ１，
１，１９）のコイルに接続され、第２の電気回路部分
（ＣＴ２）が極素子の第２の対（電気角度で１２０度の
位相差を持つコイル対例えばＳ２，３，２１）のコイル
に接続され第３の電気回路部分（ＣＴ３）が極素子の第
３の対（電気角度で１２０度の位相差を持つコイル対例
えばＳ３，５，２３）のコイルに接続されて、回転子の
角度方向の信号を発生する為の少なくとも３個のセンサ
・チャネルを構成し、電源装置（ＨＡ，ＨＢ，ＨＣ）は、固定子（１２）の第
１の複数個の極素子（例えば６，７，１２，１４，１
５，２０）の回りに巻かれたコイルを直列に接続してな
る第１回路部分に接続されて第１相（Ａ）の電流によっ
て付勢し、固定子（１２）の第２の複数個の極素子（例
えば２，８，９，１６，１７，２２）の回りに巻かれた
コイルを直列に接続してなる第２回路部分に接続されて
第２相（Ｂ）の電流によって付勢し、固定子（１２）の
第３の複数個の極素子（例えば４，１０，１１，１３，
１８，２４）の回りに巻かれたコイルを直列に接続して
なる第３回路部分に接続されて第３相（Ｃ）の電流によ
って付勢し、第１回路部分と第２回路部分と第３回路部分の極素子を
それぞれ第１相、第２相及び第３相のトルク極として動
作させ、且つセンサ極に対して磁気的に平衡を生ぜしめ
るブラシレスモータ。
【請求項１９】特許請求の範囲第１８項において、前
記センサ極（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）が相互に離れており、
また、各センサ極が、前記の第１相、第２相又は第３相
のトルク極と直接隣接して配置される、ブラシレスモー
タ。
【請求項２０】特許請求の範囲第１９項において、す
べての前記センサ極（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の前記コイル
が同一方向に巻かれる、ブラシレスモータ。
【請求項２１】特許請求の範囲第１９項において、前
記極素子が前記固定子ボデー部に互いに等極間隔に配置
される、ブラシレスモータ。
【請求項２２】特許請求の範囲第２１項において、前
記極素子が機械的に１５°間隔に配置される２４個の前
記極素子を具備する、ブラシレスモータ。
【請求項２３】特許請求の範囲第２２項において、６
個の前記極素子がセンサ極であり、前記第１、第２及び
第３の複数個の極素子のそれぞれが６個の極素子から成
り、前記電源装置が３相の電流を供給するブラシレスモ
ータ。
【請求項２４】特許請求の範囲第１８項−第２３項の
いずれかにおいて、前記極素子が前記固定子ボデー部か
ら内側に延びて固定子の中に回転子（１０）用の空間を
画定する、ブラシレスモータ。
【請求項２５】特許請求の範囲第１８項−第２４項の
いずれかにおいて、円筒形ボデー部の周辺に極素子の配
列を備えた構成の回転子（１０）を含む、ブラシレスモ
ータ。
【請求項２６】特許請求の範囲第２５項において、前
記回転子ボデーはその外面上に配置してある極素子（２
４）を有する鉄心（１８）より成るブラシレスモータ。
【請求項２７】特許請求の範囲第２６項において、前
記電源装置が３相の電流を供給し、また前記回転子極素
子（２４）が永久磁石か又は鋼製極であって、前記固定
子の極素子と前記回転子の極素子との数の比が３：２で
あるブラシレスモータ。
【請求項２８】特許請求の範囲第２７項において、前
記回転子が１６個の前記極素子（２４）を具備する、ブ
ラシレスモータ。
【請求項２９】特許請求の範囲第１８−２８項のいず
れかに於いて、前記ブラシレスモータは前記ボデー部か
ら延びている少なくとも２４の同じ極素子を有する３相
電動機であるブラシレスモータ。
【請求項３０】特許請求の範囲第１８−２９項のいず
れかに於いて、前記ボデー部から軸方向に沿って外へ延
びている多くのフィン素子（２８，３０，３２）で特徴
付けられ、前記極素子の各々は前記固定子の軸方向面及
び横断面の両方でほぼ方形の輪郭をなし、放射状の長さ
に沿った全ての点で唯一の厚み寸法及び唯一の軸長寸法
を提供し、前記極素子の輪郭は放射状に外へ段々に増し
ているその間のギャップ（３６）は限定しており、より
重いコイル巻線を前記歯部の上部よりも底部に収容し、
前記フィン素子（２８，３０，３２）は前記ボデー部の
外側外周及び前記ボデー部の外側直径に等しい側寸法を
有する正方形図間のコーナー領域にあり、有効な空間利
用に結合されている有効な熱移動の為の表面を備え、前
記固定子は同一の薄片の積み重より成り、各々はその上
に完全なセクションを有し、アッセンブリでは前記固定
子のボデー部、極素子、及びフィン素子を備えているブ
ラシレスモータ。