JP3239073B2 - 永久磁石界磁形ブラシ付モータ - Google Patents
永久磁石界磁形ブラシ付モータInfo
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Description
ラシ付モータに関し、特に、突極を持つ小形の永久磁石
界磁形ブラシ付モータに関する。
20mm, 厚さ10mm)の永久磁石界磁形ブラシ付モータは、
例えば図10に示すように、底面に軸受け(図示せず)
を有する扁平カップ状のハウジング(ヨーク)1と、こ
のハウジング1の内周面に添わせて固定した磁極数2の
永久磁石2a,2bと、磁極数3の突極3a,3b,3
cを持つ積層コア3と、その積層コア3のボスに圧入し
たモータシャフト4と、そのロータブシュ5に圧入した
3セグメント(6a,6b,6c)のコミテータ6と、
火花発生を防止するバリスタ7と、180°配置のブラ
シ8a,8bと、ブラシ基板を含むエンドキャップ9と
を有している。積層コア3の各突極3a,3b,3cに
は、図11に示すように、集中巻で電機子巻線(電機子
コイル)U,V,Wが巻装されており、1相1巻線で3
相接続の電機子を形成している。
では、永久磁石の磁極数Mが2で、電機子の突極の磁極
数Pは、3,5,7,又は11が一般的である。また、
M=4の永久磁石界磁形ブラシ付モータでは、P=3又
は6が一般的である。しかしながら、電機子のコアが突
極構造のため、コギング現象(突極と永久磁石磁極間の
磁気抵抗が回転角に対応して変動すること)を伴ってい
る。
おいては、特公昭49−8568号公報に見られるよう
に、コギングトルクの大きさを低減するために、m相接
続の電機子巻線で、永久磁石の磁極数Mと突極の磁極数
Pとの間に、M:P=m+2:m+1,の関係を持たせ
るようにすることが提案されている。永久磁石極数を突
極の磁極数よりも大ならしめてコギングトルクの改善を
図るものである。例えば3相接続の場合は、M:P=
5:4である。また、特公昭8−8764号公報では、
同じくコギングトルクの大きさの低減のため、M:P=
6n±2:6n,(但しnは2以上の整数)の関係を持
たせるようにすることが提案されている。
2:12である。
の交差角としては90°が限界であるため、M=4まで
が実用的である。従って、Mを5以上とするような上記
のブラシレスモータにおける関係式をそのまま小形ブラ
シ付モータに適用することはできない。
ギングトルクが大きくなってしまうことから、3相接続
の電機子とするのが一般的である。5相以上になると、
巻線の結線箇所が増え、またブラシの交差角が72°以
下になることから、小形モータには不向きである。
磁石界磁の磁極数Mと電機子の突極の磁極数P=3n
(但しnは自然数)との最小公倍数の脈動トルクであ
り、コギングトルクの大きさはその脈動数に反比例す
る。従って、脈動数を大きくなると、そのコギングトル
クの大きさは低減する。
磁極数Mに対する比P/Mが整数の場合は、コギングト
ルクがむしろ大きくなることが知られている。
ラシ付モータのコギングトルクの大きさを評価する表を
以下に掲げる。
子の場合、P=9,15,18,21のモータではコギ
ングトルクが低くなる。但し、突極数P=21の場合、
コギングトルクの大幅低減は期待できるものの、極数が
多過ぎる故、隣接突極間の角度が17°程度と狭くな
り、小形モータでは突極の強度低下や機械巻きが困難と
なる。従って、実用的な突極数としては、P=9,1
5,18が望ましい。
形ブラシ付モータのコギングトルクの大きさを評価した
ものである。
ータではコギングトルクが低くなる。しかし、P=21
の場合、上記と同様の理由により実用的ではない。従っ
て、採用できるのはP=15のモータである。
に、突極の磁極数P=3n=9,15又は18になる
と、隣接突極間の角度が狭くなり、スロットが狭いので
突極に巻回できる集中巻の巻数は自ずと制限されるた
め、例えば図11に示すように、電機子巻線U,V,W
の突極3a,3b,3cから軸方向にはみ出す巻膨れ部
Xが必然的に小さくなるので、小形モータでは特に電機
子の扁平化、即ちモータの薄形化に寄与する利点があ
る。換言すると、小形且つ薄形で高トルク定数の永久磁
石界磁形ブラシ付モータを得るには、突極の磁極数Pを
9,15又は18とするのが良い。
又は18になると、同相は集中巻の電機子巻線を複数個
(n=3,5又は6個)直列接続したものとなるので、
通電期間中、同相の電機子巻線の中で逆進トルクや起動
トルクに寄与しない巻線が存在すると、トルクロスが生
じてしまい、トルクの低下を招来する。
は、同相の集中巻の電機子巻線と突極との対応順序を関
係付けることにより、トルクロスを最小限になし、小形
且つ薄形でありながら、高トルク定数の永久磁石界磁形
ブラシ付モータを提供することにある。
め、本発明では、同相の複数の突極において主たる突極
に対し補助的な突極を隣接配置せずに左右対称形の分散
配置とし、主たる突極の巻線の向きに対して補助的な突
極の巻線を同向き巻き又は逆巻きにし、主たる突極の発
生トルクの位相に補助的な突極の発生トルクの位相を極
力近づけるようにしたものである。
列された磁極数Mの永久磁石磁極を持つ永久磁石界磁
と、円周方向等間隔に配列された磁極数Pの突極を持ち
前記突極に集中巻で巻装された電機子巻線を有する電機
子と、6セグメントのコミテータとを備えた永久磁石界
磁形ブラシ付モータにおいて、M=4,且つP=9であ
り、前記電機子は前記電機子巻線を3個直列に接続した
相を3相接続して成り、3相のうち任意の相を第1相,
第2相、第3相とすると、第1相に属する突極群は、第
1突極と、この第1突極に対し回転方向前側に第3相に
属する第3突極を置いて一つ飛びで離れた第2突極と、
前記第1突極に対し回転方向後側に第2相に属する第2
突極を置いて一つ飛びで離れた第3突極とから成り、い
ずれの相の第1突極の巻線に対して同相の第2突極の巻
線及び第3突極の巻線が逆巻きとなっていることを特徴
としている。このように、第1の発明では、永久磁石の
磁極数Mが4,且つ突極の磁極数Pが9であり、コギン
グトルクが低減し、小形且つ薄型化に適したブラシ付き
モータを実現できる。また、上記のような同相の突極相
互の配置関係及び電機子巻線の同向き巻き又は逆巻きの
関係により、同相の第1突極の最大トルクに対して第2
突極と第3突極の最大トルクの発生が±電気角20°以
内の位相差に収まるようになり、1突極当りの最大トル
クの3倍に近い合成トルクが発生し、その間、他の2相
の突極は非励磁又は発生トルクが零の状態となり、制動
トルクを発生しない。このため、トルク損失は最小にな
り、高トルク定数のブラシ付きモータを実現できる。
列された磁極数Mの永久磁石磁極を持つ永久磁石界磁
と、円周方向等間隔に配列された磁極数Pの突極を持ち
前記突極に集中巻で巻装された電機子巻線を有する扁平
形電機子と、6セグメントのコミテータとを備えた永久
磁石界磁形ブラシ付モータにおいて、M=4,且つP=
15であり、前記電機子は前記電機子巻線を5個直列に
接続した相を3相接続して成り、3相のうち任意の相を
第1相,第2相、第3相とすると、第1相に属する突極
群は、第1突極と、この第1突極に対し回転方向前側に
順に第3相の第4突極,第2相の第3突極,第2相の第
5突極を置いて3つ飛びに離れた第2突極と、この第2
突極の回転方向前側に順に第3相の第1突極,第2相の
第4突極を置いて2つ飛びで離れた第3突極と、前記第
1突極に対し回転方向後に順に第2相の第2突極,第3
相の第5突極,第3相の第3突極を置いて3つ飛びに離
れた第4突極と、この第4突極の回転方向後側に順に第
2相の第1突極,第3相の第2突極を置いて2つ飛びに
離れた第5突極とから成り、いずれの相の第1突極の巻
線に対して、同相の第3突極の巻線及び第5突極の巻線
が同向き巻きであると共に、同相の第2突極の巻線及び
第4突極の巻線が逆巻きとなっていることを特徴として
いる。
電機子巻線の同向き巻き又は逆巻きの関係でも、同相の
第1突極の最大トルクに対して第2突極と第4突極の最
大トルクの発生が±電気角12°以内の位相差に収ま
り、また第3突極と第5突極の最大トルクの発生が±電
気角24°以内の位相差に収まるようになり、1突極当
りの最大トルクの5倍に近い合成トルクが発生する。こ
のため、トルク損失は最小になり、高トルク定数のブラ
シ付きモータを実現できる。
列された磁極数Mの永久磁石磁極を持つ永久磁石界磁
と、円周方向等間隔に配列された磁極数Pの突極を持ち
前記突極に集中巻で巻装された電機子巻線を有する扁平
形電機子と、6セグメントのコミテータとを備えた永久
磁石界磁形ブラシ付モータにおいて、M=4,且つP=
18であり、前記電機子は前記電機子巻線を6個直列に
接続した相を3相接続して成り、3相のうち任意の相を
第1相,第2相、第3相とすると、第1相に属する突極
群は、第1突極と、この第1突極に対し回転方向前側に
順に第3相の第6突極,第3相の第5突極,第2相の第
4突極を置いて3つ飛びに離れた第2突極と、この第2
突極の回転方向前側に隣接した第3突極と、この第3突
極の回転方向前側に順に第3相の第1突極,第2相の第
6突極,第2相の第5突極を置いて3つ飛びに離れた第
4突極と、第1の突極に対し回転方向後側に順に第2相
の第3突極,第2相の第2突極,第3相の第4突極を置
いて3つ飛びに離れた第5突極と、この第5突極の回転
方向後側に隣接した第6突極とから成り、いずれの相の
第1突極の巻線に対して、同相の第4突極の巻線が同向
き巻きであると共に、同相の第2突極,第3突極,第5
突極及び第6突極のそれぞれの巻線が逆巻きとなってい
ることを特徴としている。
巻線の巻き向きでも、同相の第1突極の最大トルクに対
して第2突極,第3突極,第5突極,第6突極の最大ト
ルクの発生が±電気角20°以内の位相差に収まり、ま
た第4突極は同位相であるため、1突極当りの最大トル
クの6倍に近い合成トルクが発生する。従って、高トル
ク定数のブラシ付きモータを実現できる。
でもΔ結線でも高トルク化を実現できるが、スター結線
の場合はコギングトルクの低減に有利である。
る永久磁石界磁形ブラシ付モータを示す概略平面図、図
2は同永久磁石界磁形ブラシ付モータのY結線の電機子
巻線を示す概略図、図3は同永久磁石界磁形ブラシ付モ
ータを回転方向に沿って展開した状態を示す展開図であ
る。
は、円周方向等間隔に配列された磁極数4の永久磁石界
磁(ステータ)11と、円周方向等間隔に配列された磁
極数9のコアの突極K(K1 〜K9 )を持ち、突極Kに
集中巻で巻装された3相接続の電機子巻線(U1 + ,W
3 - ,U2 - ,W1 + ,V3 - ,W2 - ,V1 + ,U3
- ,V2 - )を有する電機子(ロータ)12と、6セグ
メントのコミテータ13とを備えている。永久磁石界磁
11は、N極とS極が交互に着磁されてヨークとしての
ハウジング(図示せず)の内側に配置され、ロータ12
の突極Kと対向する4個の永久磁石磁極Mg(M1 〜M
4 )を備えている。なお、永久磁石界磁11は4個の永
久磁石単体を配列したものでも良い。コミテータ13は
6個のセグメントS(S11〜S32)を有しており、セグ
メントS11と180°回転対称位置のセグメントS12、
セグメントS21と180°回転対称位置のセグメントS
22、セグメントS31と180°回転対称位置のセグメン
トS32とは、それぞれリード線L1,L2,L3 で相互接続
されている。そしてコミテータ13には90°交差角の
正極ブラシB+ と負極ブラシB- とが摺接している。
相(第2相),W相(第3相)とすると、本例のU相に
属する突極群は、第1突極K1 と、この第1突極K1 に
対し回転方向(図1の時計方向)前側にW相に属する第
3突極K2 を置いて一つ飛びで離れた第2突極K3 と、
第1突極K1 に対し回転方向後側にV相に属する第2突
極K9 を置いて一つ飛びで離れた第3突極K8 とから成
る。
るため、V相(第2相)→U相(第1相)、W相(第3
相)→V相(第2相)、U相(第1相)→W相(第3
相)のように順に置き換えると、V相に属する突極群も
上記と同様にして定められる。
突極K1 に対し回転方向後側120°の位置にある第1
突極K7 と、この第1突極K7 に対し回転方向前側にU
相に属する第3突極K8 を置いて一つ飛びで離れた第2
突極K9 と、第1突極K7 に対し回転方向後側にW相に
属する第2突極K6 を置いて一つ飛びで離れた第3突極
K5 とから成る。
して定められる。即ち、W相に属する突極群は、U相の
第1突極K1 に対し回転方向後側240°の位置にある
第1突極K4 と、この第1突極K4 に対し回転方向前側
にV相に属する第3突極K5を置いて一つ飛びで離れた
第2突極K6 と、第1突極K4 に対し回転方向後側にU
相に属する第2突極K3 を置いて一つ飛びで離れた第3
突極K2 とから成る本例の3相Y結線(スター結線)の
電機子巻線は、図2に示すように、共有結線点Cに接続
するU相が集中巻の巻線(コイル)U3 - ,U1 + ,U
2 - の直列接続から成り、また共有結線点Cに接続する
V相も集中巻の巻線V3 - ,V1 +,V2 - の直列接続
から成り、更に共有結線点Cに接続するW相も集中巻の
巻線W3 - ,W1 + ,W2 - の直列接続から成る。そし
ていずれの相の第1突極K1,K7 ,K4 の巻線
U1 + ,V1 + ,W1 + に対して同相の第2突極K3 ,
K9,K6 の巻線U2 - ,V2 - ,W2 - 及び第3突極
K8 ,K5 ,K2 の巻線U3 - ,V3 - ,W3 - が逆巻
きとなっている。
生メカニズムを簡易的に理解するため、図4,図5を参
照する。図4は突極磁極と永久磁石界磁との回転角によ
る発生トルクの推移を説明するための概略図である。
ある期間に亘り一定方向の励磁電流を流し、図4(a)
に示す如く、例えばS極の突極K1 の全体がS極の永久
磁石磁極M1 にそっくり対向している場合、反発磁力が
ロータの回転中心を通るため、その位置での突極K1 に
よる発生トルクは略零である。そこから少し回転して、
図4(b)に示す如く、突極K1 の一部が隣接のN極の
永久磁石磁極M2 にも対向し始める頃、永久磁石磁極M
2 の磁気吸引力が円周方向の成分を持つため、その位置
で発生トルクが現れ、回転と共に除々にそれが単調増加
する。そして、図4(c)に示す如く、突極K1 の放射
中心線がS極の永久磁石磁極M1 とN極の永久磁石磁極
M2 の磁極境界に丁度位置するとき、N極の永久磁石磁
極M2 との磁気吸引力及びS極の永久磁石磁極M1 との
磁気反発力の総和の円周方向成分が極大になるため、最
大のトルクTmax が発生する。図4(d)に示す如く、
突極K1 の大部分がN極の永久磁石磁極M2 に対向する
と、磁気吸引力の円周方向成分が小さくなるため、発生
トルクが単調減少し、図4(e)に示す如く、突極K1
の全部がN極の永久磁石磁極M2 にそっくり対向する
と、磁気吸引力がロータの回転中心を通るため、その位
置での発生トルクは略零となる。
1 〜M4 が90°間隔で配置されているため、ある一つ
の突極K1 の巻線U1 + に一定方向の電流が流れ続けて
いると、回転に寄与する起動トルクは機械角90°で単
調増減する。ここで、図4(a)の位置や図4(e)の
位置のように、発生トルクが零近傍になる位置では、突
極K1 の起動トルクはロータ全体のトルクに占める率が
低下する。このため、本例のモータでは、後述するよう
に、突極K1 の巻線U1 + に、永久磁石磁極M1 とM2
の磁極境界の±30°の範囲(通電角60°)のみで励
磁電流が流れるように転流モードが決められている。V
相の第1突極K7 の巻線V1 + やW相の第1突極K4 の
巻線W1 + に対する励磁電流も同様のタイミングで転流
される。
2突極K3 は回転方向前側80°の位置にあるが、その
巻線U2 - は第1突極K1 の巻線U1 + とは逆巻きにな
っているため、その発生トルクは機械角で位相差10°
だけ遅れている。逆に、U相の第3突極K8 は第1突極
K1 に対して回転方向後側80°の位置にあるが、その
巻線U3 - は第1突極K1 の巻線U1 + とは逆巻きにな
っているため、その発生トルクは機械角で位相差10°
だけ進んでいる。ここで、U相の突極の発生トルクの推
移をサインカーブで近似すると、図5(a)に示すよう
になる。縦軸はトルクの大きさを表し、+は正回転の起
動トルク、−は逆回転の制動トルクを示す。ただ、実際
は制動トルクを生じる期間は電流を流さないようにして
いるため、−で示す制動トルクは発生しない。
に対して回転方向前側120°の位置にあるが、S極の
永久磁石磁極M3 とN極の永久磁石磁極M4 の磁極境界
より回転方向後側60°の位置にあるため、図5(b)
に示す如く、その発生トルクはU相の第1突極K1 に対
して機械角で位相差60°だけ遅れている。W相の第1
突極K4 に対してW相の第2突極K6 は回転方向前側8
0°の位置にあるが、その巻線W2 - は第1突極K4 の
巻線W1 + とは逆巻きになっているため、その発生トル
クは機械角で位相差10°だけ遅れている。逆に、W相
の第3突極K2は第1突極K4 に対して回転方向後側8
0°の位置にあるが、その巻線W3 - は第1突極K1 の
巻線W1 + とは逆巻きになっているため、その発生トル
クは機械角で位相差10°だけ進んでいる。
に対して回転方向後側120°の位置にあるが、S極の
永久磁石磁極M3 とN極の永久磁石磁極M4 の磁極境界
より回転方向前側60°の位置にあるため、図5(c)
に示す如く、その発生トルクはU相の第1突極K1 に対
して機械角で位相差60°だけ進んでいる。V相の第1
突極K7 に対してV相の第2突極K9 は回転方向前側8
0°の位置にあるが、その巻線V2 - は第1突極K7 の
巻線V1 + とは逆巻きになっているため、その発生トル
クは機械角で位相差10°だけ遅れている。逆に、V相
の第3突極K5は第1突極K7 に対して回転方向後側8
0°の位置にあるが、その巻線V3 - は第1突極K7 の
巻線V1 + とは逆巻きになっているため、その発生トル
クは機械角で位相差10°だけ進んでいる。
U相のセグメントS21に接触しており、負極ブラシB-
がW相のセグメントS31から離れてV相のセグメントS
21に接触し始め、U相からV相に励磁電流が流れる第1
の転流モード(機械角0〜30°の期間)において
は、U相の第1突極K1 とV相の第1突極K7 がS極に
なると共に、U相の第2突極K3 ,第3突極K8 ,V相
の第2突極K9 ,第3突極K5 がN極になる。V相の第
1〜第3の突極K7 ,K9 ,K5 は永久磁石磁極M4 ,
M1 ,M3 にそっくり対向しているため、それらの磁力
は回転トルクに寄与しないが、U相の第1突極K1 は極
大のトルクを発生し、U相の第2突極K3,第3突極K
8 はそれよりやや低めのトクルを発生する。極大値をT
max とし、発生トルクの変動をサイカーブで近似する
と、U相の第1突極K1 ,第2突極K3 ,第3突極K8
による合成トルクTは、回転角を機械角でθとすると、
次の式で与えられる。 T=Tmax cos2θ+Tmax cos(2 θ+20°) +Tmax cos( 2θ−20°) =(1+2cos20 °)Tmax cos2θ≒2.88Tmax cos2θ 従って、回転角θ=0°のとき、最大合成トルクFmax
は2.88Tmax である。
°の時)は、U相の3突極の合成トルクが最小トルクF
min =Fmax /2=2.88Tmax cos ( 2×30°)=1.44
Tmax迄下がるが、正極ブラシB+ がU相のセグメント
S21からW相のセグメントS31に接触し始めるため、W
相からV相に励磁電流が流れる第2の転流モード(機械
角30〜60°の期間)になる。このため、W相の3
突極による合成トルクが漸増して機械角60°で最大合
成トルクFmax に回復する。そして、負極ブラシB- が
V相のセグメントS12からU相のセグメントS22に接触
し始めると、W相からU相に励磁電流が流れる第3の転
流モード(機械角60〜90°の期間)になる。この
ため、W相の3突極による合成トルクがFmin 迄漸減す
る。そして正極ブラシB+ がW相のセグメントS31から
V相のセグメントS12に接触し始め、V相からU相に励
磁電流が流れる第4の転流モード(機械角90〜120
°の期間)になると、今度はV相の3突極による合成
トルクが最大トルクFmax 迄漸増した後、負極ブラシB
- がU相のセグメントS22からW相のセグメントS32に
接触し始めるので、V相からW相に励磁電流が流れる第
5の転流モード(機械角120〜150°の期間)に
なる。このモードではV相の3突極による合成トルクが
Fmin 迄漸減するが、正極ブラシB+ がU相のセグメン
トS22に接触し始め、U相からW相に励磁電流が流れる
第6の転流モード(機械角150〜180°の期間)
になるので、U相の3突極による合成トルクが最大トル
クFmax迄漸増する。
180°で第1〜第6の転流モードの順で切り換えられ
る。その際、機械角30°毎の各モードでの合成トルク
は極小値Fmin と極大値Fmax の間で高トルク値を維持
したまま滑らかに推移する。
付モータ10は、永久磁石の磁極数Mが4,且つ突極の
磁極数Pが9であり、コギングトルクが低減し、小形且
つ薄型化に適したブラシ付きモータ(例えば直径20mm,
厚さ7mm )でありながら、前述したように、電機子巻線
(U1 + ,W3 - ,U2 - ,W1 + ,V3 - ,W2 -,
V1 + ,U3 - ,V2 - )と突極K(K1 〜K9 )との
対応順序を関係付けることにより、同相の第1突極K1,
K7,K4,の最大トルクに対して第2突極K3,K9,K6 と
第3突極K8,K5,K2 の最大トルクの発生が±電気角2
0°以内の位相差に収まるようになり、各転流モードで
は1突極当りの最大トルクTmax の3倍に近い合成トル
ク(Fmin =Fmax /2=1.44Tmax 〜Fmax =2.88T
max )を発生し、その間、他の2相の突極は非励磁又は
発生トルクが零の状態となり、制動トルクを発生しな
い。このため、トルク損失は最小になり、高トルク定数
のブラシ付きモータを実現できる。
時点(第1の転流モードから第2の転流モードへの切り
換え点、第3の転流モードから第4の転流モードへの切
り換え点、第5の転流モードから第6の転流モードへの
切り換え点)の前後では、通電するも発生トルクが零と
なる相が不変であり、非励磁相を必ず1相含んでいる。
このため、起動トルクに寄与する相に流す励磁電流がモ
ード切り換え前後で変動し難く、コギングトルクの低減
に好都合である。
U相の第1突極K1 に対してU相の第2突極が隣接の突
極K2 であると共に、U相の第3突極が隣接の突極K9
であり、しかもそれら第1〜3突極の集中巻の巻線が同
巻きである場合、第2突極K2 が回転方向前側40°の
位置にあるため、その発生トルクは第1突極K1 のそれ
に比し機械角で位相差40°だけ進んでいる。また第3
突極K9 が回転方向後側40°の位置にあるため、その
発生トルクは第1突極K1 のそれに比し機械角で位相差
40°だけ遅れている。S極の永久磁石磁極M1 とN極
の永久磁石磁極M2 の磁極境界にS極の第1突極K1 が
真正面に対向した時点で、第1突極K1のトルクは最大
トルクTmax となるが、S極の第2突極K2 はN極の永
久磁石磁極M2 にそっくり対向しており、またS極の第
3突極K9 もS極の永久磁石磁極M1 にそっくり対向し
ているため、第2突極K2 及び第3突極K9 はトクルを
発生しない。従って、最大合成トルクが高々Tmax であ
る。
2突極K2 がS極の永久磁石磁極M1 とN極の永久磁石
磁極M2 の磁極境界から回転方向前側20°の位置にあ
るため、その位置での発生トルクはTmax cos (2×10
°)である。しかし、この通電開始時点で、S極の第3
の突極K9 がN極の永久磁石磁極M4 とS極の永久磁石
磁極M1 の磁極境界から20°の位置にあるため、第3
の突極K9 にはTmaxcos (2×20°)の制動トルクが
発生するので、合成トルクはTmax cos (2×10°)−
Tmax cos (2×20°)=0.23Tmax である。同様に、
U相への通電終了時点での合成トルクも0.23Tmax であ
る。このため、最小合成トルクは0.23Tmax であり、こ
のような突極群の選定及び巻装方法では、補助的な突極
の発生トルクが制動トルクして起動トルクを減じるよう
に現れるので、トルク起動トルクが0.23Tmax 〜Tmax
の範囲の低出力に留まる。
助的な第2突極K3 と第3突極K8とを第1突極K1 に
対し非隣接で左右対称配置に選定して発生トルクの位相
差を決め、第2突極K3 と第3突極K8 の集中巻の巻線
U2 - ,U3 - を第1突極K1 の集中巻の巻線U1 + と
は逆巻きにして発生トルクの位相反転を行って、第1突
極K1 の発生トルクの位相に極力近づけたものである。
通電角が±30°であるのに対し、位相が±10°だけ
であり、通電角の中に3突極K1 ,K3 ,K8の極大ト
ルクの発生する位相が含まれているため、3者が協働し
てトルクを高め合う。従って、高トルク定数のブラシ付
きモータが実現できる。
実施形態に係る永久磁石界磁形ブラシ付モータを回転方
向に沿って展開した状態を示す展開図、図7は同永久磁
石界磁形ブラシ付モータのΔ結線の電機子巻線を示す概
略図である。
も、図1に示す第1の実施形態と同様に、突極K(K1
〜K9 )と、突極Kに集中巻で巻装された3相接続の電
機子巻線(U1 + ,W3 - ,U2 - ,W1 + ,V3 - ,
W2 - ,V1 + ,U3 - ,V2 - )との対応関係は同じ
である。第1の実施形態の電機子はY結線(スター結
線)であるが、本例ではΔ結線が採用されている。
相はU相で、複励磁相はV相とW相となる。第1の実施
形態のY結線においては、主励磁相はU相で、複励磁相
はV相のみであり、U相とV相は直列に接続されてい
る。これに対し、本例の複励磁相はV相とW相との直列
接続であり、その分、巻線抵抗が大きく、しかもそれに
対して主励磁相のU相が並列接続しているため、主励磁
相のU相に流れる励磁電流はY結線の場合に比し大きく
なり、更なる高トルク化が実現できる。また、Δ結線で
はY結線に比し巻線の接続箇所が少なくなり、小形モー
タでは製造上の利点がある。
2の転流モードへの切り換え時には、複励磁相のW相
に励磁電流が逆流する。これはコギングの要因となる。
しかも、各モードの切り換え時には必ず同一の複励磁相
に逆流が生じる。従って、コギングの抑制を優先する場
合はY結線の第1の実施形態を採用することが好まし
い。
実施形態に係る永久磁石界磁形ブラシ付モータを示す概
略平面図である。
10では突極数が9であるが、本例の永久磁石界磁形ブ
ラシ付モータ30では突極数が15である。突極K1 〜
K15)に対して集中巻の巻線U1 + ,W4 - ,V3 + ,
V5 + ,U2 - ,W1 + ,V4 - ,U3 + ,U5 + ,W
2 - ,V1 + ,U4 - ,W3 + ,W5 + ,V2 - が順に
対応している。
相(第2相),W相(第3相)とすると、本例のU相に
属する突極群は、第1突極K1 と、この第1突極K1 に
対し回転方向前側に順にW相の第4突極K2 ,V相の第
3突極K3 ,V相の第5突極K4 を置いて3つ飛びに離
れた第2突極K5 と、この第2突極K5 の回転方向前側
に順にW相の第1突極K6 ,V相の第4突極K7 を置い
て2つ飛びで離れた第3突極K8 と、第1突極K1 に対
し回転方向後に順にV相の第2突極K15,W相の第5突
極K14,W相の第3突極K13を置いて3つ飛びに離れた
第4突極K12と、この第4突極K12の回転方向後側に順
にV相の第1突極K11,W相の第2突極K10を置いて2
つ飛びに離れた第5突極K9 とから成る。
の第3突極K8 の巻線U3 + 及び第5突極K9 の巻線U
5 + が同向き巻きであると共に、同相の第2突極K5 の
巻線U2 - 及び第4突極K12の巻線U4 - が逆巻きとな
っている。
相はサイクリック配置であるため、V相(第2相)→U
相(第1相)、W相(第3相)→V相(第2相)、U相
(第1相)→W相(第3相)のように順に置き換える
と、V相やW相に属する突極群も上記と同様にして定め
られる。
極K5 は回転方向前側96°の位置にあるが、その巻線
U2 - は第1突極K1 の巻線U1 + とは逆巻きになって
いるため、その発生トルクは機械角で位相差6°だけ進
んでいる。U相の第1突極K1 に対してU相の第4突極
K12は回転方向後側96°の位置にあるが、その巻線U
4 - は第1突極K1 の巻線U1 + とは逆巻きになってい
るため、その発生トルクは機械角で位相差6°だけ遅れ
ている。また、U相の第3突極K8 は第1突極K1 に対
して回転方向後側168°の位置にあるが、その巻線U
3 + は第1突極K1 の巻線U1 + とは同向き巻きになっ
ているため、その発生トルクは機械角で位相差12°だ
け遅れている。同様に、U相の第5突極K9 は第1突極
K1 に対して回転方向後側192°の位置にあるが、そ
の巻線U5 + は第1突極K1 の巻線U1 + とは同向き巻
きになっているため、その発生トルクは機械角で位相差
12°だけ進んでいる。従って、第1〜第5突極K1 ,
K5 ,K8 ,K12,K9 による合成トルクは次式で与え
られる。 T=Tmax cos2θ+Tmax cos( 2θ+12°) +Tmax cos( 2θ−12°) +Tmax cos(2 θ+24°) +Tmax cos( 2θ−24°) =(1+2cos12 °+2cos24°)Tmax cos2θ≒4.39Tmax cos2θ このように、主たる第1突極K1 の最大トルクに対して
補助的な第2〜第5突極K5 ,K8 ,K12,K9 の最大
トルクが通電角±30°内の位相差に収まって発生する
ため、U相のすべての突極が起動トルクを高め合うよう
になる。このため、本例のP=15のブラシ付きモータ
30でも高トルク化を実現できる。なお、本例のモータ
30はY結線であるが、Δ結線の場合は更なる高トルク
化が達成できる。また必要があれば、本例の突極と巻線
の関係は永久磁石の磁極数Mが2の場合の小形モータに
採用しても良い。
実施形態に係る永久磁石界磁形ブラシ付モータを示す概
略平面図である。
10では突極数が9であるが、本例の永久磁石界磁形ブ
ラシ付モータ40では突極数が18である。突極K1 〜
K18に対して集中巻の巻線U1 + ,W5 - ,W4 - ,V
4 - ,U2 - ,U3 - ,W1 + ,V6 - ,V5 - ,U4
+ ,W2 - ,W3 - ,V1 + ,U6 - ,U5 - ,
W4 + ,V2 - ,V3 - が順に対応している。
相(第2相),W相(第3相)とすると、本例のU相に
属する突極群は、第1突極K1 と、この第1突極K1 に
対し回転方向前側に順にW相の第6突極K2 ,W相の第
5突極K3 ,V相の第4突極K4 を置いて3つ飛びに離
れた第2突極K5 と、この第2突極K5 の回転方向前側
に隣接した第3突極K6 と、この第3突極K6 の回転方
向前側に順にW相の第1突極K7 ,V相の第6突極
K8 ,V相の第5突極K9 を置いて3つ飛びに離れた第
4突極K10と、第1突極K1 に対し回転方向後側に順に
V相の第3突極K18,V相の第2突極K17,W相の第4
突極K16を置いて3つ飛びに離れた第5突極K15と、こ
の第5突極K15の回転方向後側に隣接した第6突極K14
とから成る。
の第4突極K10の巻線U4 + が同巻きであると共に、同
相の第2突極K5 ,第3突極K6 ,第5突極K15及び第
6突極K14のそれぞれの巻線U2 - ,U3 - ,U5 - ,
U5 - が逆巻きとなっている図9から明らかなように、
U相,V相,W相はサイクリック配置であるため、V相
(第2相)→U相(第1相)、W相(第3相)→V相
(第2相)、U相(第1相)→W相(第3相)のように
順に置き換えると、V相やW相に属する突極群も上記と
同様にして定められる。
極K5 は回転方向前側80°の位置にあるが、その巻線
U2 - は第1突極K1 の巻線U1 + とは逆巻きになって
いるため、その発生トルクは機械角で位相差10°だけ
遅れている。U相の第1突極K1 に対してU相の第3突
極K6 は回転方向後側100°の位置にあるが、その巻
線U3 - は第1突極K1 の巻線U1 + とは逆巻きになっ
ているため、その発生トルクは機械角で位相差10°だ
け進んでいる。また、U相の第4突極K10は第1突極K
1 に対して180°の位置にあるため、その発生トルク
は同位相である。更に、U相の第5突極K15は第1突極
K1 に対して回転方向後側80°の位置にあるが、その
巻線U5 - は第1突極K1 の巻線U1 + とは逆巻きにな
っているため、その発生トルクは機械角で位相差10°
だけ進んでいる。そして、U相の第6突極K14は第1突
極K1 に対して回転方向後側100°の位置にあるが、
その巻線U6 - は第1突極K1 の巻線U1 + とは逆巻き
になっているため、その発生トルクは機械角で位相差1
0°だけ遅れている。従って、第1〜第6突極K1,K
5 ,K6 ,K10,K15,K14による合成トルクは次式で
与えられる。 T=2Tmax cos2θ+2Tmax cos( 2θ+20°) +Tmax cos( 2θ−20°) =2(1+2cos20 °)Tmax cos2θ≒5.76Tmax cos2θ このように、主たる第1突極K1 の最大トルクに対して
補助的な第2〜第5突極K5 ,K8 ,K12,K9 の最大
トルクが通電角±30°内の位相差に収まって発生する
ため、U相のすべての突極が起動トルクを高めるように
なる。このため、本例のP=18のブラシ付きモータ3
0でも高トルク化を実現できる。なお、本例のモータ4
0はY結線となっているが、Δ結線の場合は更なる高ト
ルク化が達成できる。
ブラシ付モータにおいても、上記と同様に同相の突極の
発生トルクの位相を相互に近づけることができる。即
ち、任意の相の突極群は、第1突極と、この第1突極に
対して回転方向前側で4つ飛び離れた第2突極と、この
第2突極に対して回転方向前側で隣接した第3突極と、
この第3突極に対して回転方向前側で3つ飛び離れた第
4突極と、第1突極に対して回転方向後側で4つ飛び離
れた第5突極と、この第5突極に対して回転方向後側で
隣接した第6突極と、この第6突極に対して回転方向後
側で3つ飛び離れた第7突極とから成り、第1突極の巻
線に対して第4突極及び第7突極の巻線は同向き巻きで
あり、第1突極の巻線に対して第2突極,第3突極,第
5突極及び第6突極の巻線は逆巻きである。
複数の突極において主たる突極に対し補助的な突極を隣
接配置せずに左右対称形の分散配置とし、主たる突極の
巻線の向きに対して補助的な突極の巻線の向きを同向き
巻き又は逆巻きにし、主たる突極の発生トルクの位相に
補助的な突極の発生トルクの位相を極力近づけるように
したものである。従って、次のような効果を奏する。
が4,且つ突極の磁極数Pが9であり、コギングトルク
が低減し、小形且つ薄型化に適したブラシ付きモータを
実現できる。また、同相の第1突極の最大トルクに対し
て第2突極と第3突極の最大トルクの発生が±電気角2
0°以内の位相差に収まるようになり、1突極当りの最
大トルクの3倍に近い合成トルクが発生し、その間、他
の2相の突極は非励磁又は発生トルクが零の状態とな
り、制動トルクを発生しない。高トルク定数のブラシ付
きモータを実現できる。
明のP=18の場合も、第1の発明と同様の効果を得る
ことができる。
ギングトルクの低減を実現できる。
ブラシ付モータを示す概略平面図である。
機子巻線を示す概略図である。
沿って展開した状態を示す展開図である。
回転角度による発生トルクの推移を説明するための概略
図である。
フ、(b)はW相の発生トルクの推移を示すグラフ、
(c)はW相の発生トルクの推移を示すグラフ、(d)
は転流モードの推移を示す図である。
ブラシ付モータを回転方向に沿って展開した状態を示す
展開図である。
機子巻線を示す概略図である。
ブラシ付モータを示す概略平面図である。
ブラシ付モータを示す概略平面図である。
磁形ブラシ付モータを示す分解斜視図である。
におけるロータを示す側面図である。
タ 11…永久磁石界磁(ステータ) 12…電機子(ロータ) 13…6セグメントのコミテータ K,K1 〜K18…コアの突極 Mg,M1 〜M4 …永久磁石磁極 S,S11,S12,S21,S22,S31,S32…セグメント U相の電機子巻線…U1 + ,U2 - ,U3 - ,U3 + ,
U4 - ,U4 + ,U5 +,U5 - ,U6 -6 V相の電機子巻線…V1 + ,V2 - ,V3 - ,V3 + ,
V4 - ,V4 + ,V5 +,V5 - ,V6 -6 W相の電機子巻線…W1 + ,W2 - ,W3 - ,W3 + ,
W4 - ,W4 + ,W5 +,W5 - ,W6 -6 L1,L2,L3 …リード線 B+ …正極ブラシ B- …負極ブラシ。
Claims (4)
- 【請求項1】 円周方向等間隔に配列された磁極数Mの
永久磁石磁極を持つ永久磁石界磁と、円周方向等間隔に
配列された磁極数Pの突極を持ち前記突極に集中巻で巻
装された電機子巻線を有する電機子と、6セグメントの
コミテータとを備えた永久磁石界磁形ブラシ付モータに
おいて、 M=4,且つP=9であり、 前記電機子は前記電機子巻線を3個直列に接続した相を
3相接続して成り、3相のうち任意の相を第1相,第2
相、第3相とすると、第1相に属する突極群は、第1突
極と、この第1突極に対し回転方向前側に第3相に属す
る第3突極を置いて一つ飛びで離れた第2突極と、前記
第1突極に対し回転方向後側に第2相に属する第2突極
を置いて一つ飛びで離れた第3突極とから成り、いずれ
の相の第1突極の巻線に対して同相の第2突極の巻線及
び第3突極の巻線が逆巻きとなっていることを特徴とす
る永久磁石界磁形整ブラシ付モータ。 - 【請求項2】 円周方向等間隔に配列された磁極数Mの
永久磁石磁極を持つ永久磁石界磁と、円周方向等間隔に
配列された磁極数Pの突極を持ち前記突極に集中巻で巻
装された電機子巻線を有する扁平形電機子と、6セグメ
ントのコミテータとを備えた永久磁石界磁形ブラシ付モ
ータにおいて、 M=4,且つP=15であり、 前記電機子は前記電機子巻線を5個直列に接続した相を
3相接続して成り、3相のうち任意の相を第1相,第2
相、第3相とすると、第1相に属する突極群は、第1突
極と、この第1突極に対し回転方向前側に順に第3相の
第4突極,第2相の第3突極,第2相の第5突極を置い
て3つ飛びに離れた第2突極と、この第2突極の回転方
向前側に順に第3相の第1突極,第2相の第4突極を置
いて2つ飛びで離れた第3突極と、前記第1突極に対し
回転方向後に順に第2相の第2突極,第3相の第5突
極,第3相の第3突極を置いて3つ飛びに離れた第4突
極と、この第4突極の回転方向後側に順に第2相の第1
突極,第3相の第2突極を置いて2つ飛びに離れた第5
突極とから成り、いずれの相の第1突極の巻線に対し
て、同相の第3突極の巻線及び第5突極の巻線が同向き
巻きであると共に、同相の第2突極の巻線及び第4突極
の巻線が逆巻きとなっていることを特徴とする永久磁石
界磁形整ブラシ付モータ。 - 【請求項3】 円周方向等間隔に配列された磁極数Mの
永久磁石磁極を持つ永久磁石界磁と、円周方向等間隔に
配列された磁極数Pの突極を持ち前記突極に集中巻で巻
装された電機子巻線を有する扁平形電機子と、6セグメ
ントのコミテータとを備えた永久磁石界磁形ブラシ付モ
ータにおいて、 M=4,且つP=18であり、 前記電機子は前記電機子巻線を6個直列に接続した相を
3相接続して成り、3相のうち任意の相を第1相,第2
相、第3相とすると、第1相に属する突極群は、第1突
極と、この第1突極に対し回転方向前側に順に第3相の
第6突極,第3相の第5突極,第2相の第4突極を置い
て3つ飛びに離れた第2突極と、この第2突極の回転方
向前側に隣接した第3突極と、この第3突極の回転方向
前側に順に第3相の第1突極,第2相の第6突極,第2
相の第5突極を置いて3つ飛びに離れた第4突極と、第
1の突極に対し回転方向後側に順に第2相の第3突極,
第2相の第2突極,第3相の第4突極を置いて3つ飛び
に離れた第5突極と、この第5突極の回転方向後側に隣
接した第6突極とから成り、いずれの相の第1突極の巻
線に対して、同相の第4突極の巻線が同向き巻きである
と共に、同相の第2突極,第3突極,第5突極及び第6
突極のそれぞれの巻線が逆巻きとなっていることを特徴
とする永久磁石界磁形整ブラシ付モータ。 - 【請求項4】 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に
おいて、前記3相接続の電機子はスター結線であること
を特徴とする永久磁石界磁形整ブラシ付モータ。
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