JPH03245758A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は５直流電源により駆動されるブラシレスモータ
に関するものである。

【従来の技術】

従来よりこの種のブラシレスモータとして、固定子の外
周を永久磁石回転子が回転するようにした形状のものが
提供されている。たとえば、第６図（ａ）に示すように
着磁された永久磁石回転子１０と、第６図（ｂ）に示す
ような突極型の磁極を有した固定子２０とを組み合わせ
たものが知られている。また、永久磁石回転子１ｏの磁
極に対向する定位置には磁気感応素子（図示せず）が配
設され、永久磁石回転子１０の通過する極性を検出する
。 固定子２０は、等間隔に配置され固定千巻ｍ２１が巻装
された４極の主極２２ａと、隣接する各主極２２ａの間
に設けた補助極２２ｂとを有している。固定子巻線２１
は一対設けられ、磁気感応素子により検出された極性に
応じて通電タイミングが設定される。また、永久磁石回
転子１０は、回転方向において等間隔で４極着磁した第
１の着磁部１０ａと、回転方向において等間隔で８極着
磁した第２の着磁部１０ｂとを有している。このような
構成を有することにより、第４図に示すように、固定子
２０が無励磁であるときのリラクタンストルクＴ２の波
形が、固定子の励磁による基本トルクＴ１の波形の２倍
の周期となるようにし、合成トルクが常に正になるよう
にして死点をなくすことによって、自起動を可能にして
いるのである。 上記構成では、自起動が可能な反面、永久磁石回転子１
０の着磁形態が複雑であって着磁が容易ではなく、また
、固定子２０には主極２２ａのほかに補助極２２ｂが必
要であるから、固定子２０も複雑な形状になり作成が容
易ではないという問題があった。また、主極２２ａのほ
かに補助極２２ｂが必要であるから、重量が増加し軽量
化できないという問題もあった。 永久磁石回転子１０の着磁を容易にし、固定子２０から
補助極を除去した構成としては、第７図に示す構成が考
えられる。この構成では、永久磁石回転子１０と固定子
２０とをそれぞれ２極とし、補助極を設ける代わりに、
永久磁石回転子１０との対向部分の幅を広幅Ｄ１とした
幅広磁極２３と狭幅Ｄ２　（１／　２　Ｄ　１≦Ｄ２≦
１　／３　Ｄ　、）とした幅狭磁極２４とを設け、かつ
、幅広磁極２３と幅狭磁極２４との中心線同士が電気角
で１８０度の位置から２５〜４５度偏位するように配置
しているものである。 このような構成によっても、第４図に示したような波形
の基本トルクＴ、とリラクタンストルクＴ２とが得られ
ることになる。したがって、合成トルクが常に正となり
死点のない自起動が可能なブラシレスモータを得ること
ができる。

【発明が解決しようとする課題】

上記第７図構成では、永久磁石回転子１０の着磁形態が
簡略化され、かつ、固定子２０の形状が簡単になる結果
、製造が容易になり、軽量化につながるという利点があ
る。しかしながら、幅広磁極２３に対して幅狭磁極２４
が等間隔位置から偏位しているので、幅広磁極２３と幅
狭磁極２４との間隔が等間隔位置である場合に比較して
狭くなり、固定子巻線２１の巻装スペースが制限される
ことになる。また、幅広磁極２３と幅狭磁極２４との間
隔が狭いから、幅広磁極２３と幅狭磁極２４とにそれぞ
れ巻装された各固定子巻線２１の絶縁距離が小さくなり
、両固定子巻線２１の間での絶縁が十分にとれなくなる
場合がある。さらに、幅広磁極２３と幅狭磁極２４との
間隔が狭いと、固定子巻線２１が巻きにくくなるという
問題もある。 さらに、第６図と第７因とのいずれの構成においても、
永久礎石回転子１０が固定子２０の外側で回転する構成
となっているから、固定子巻線２１が全体積に占める割
合（すなわち、占積率）が比較的小さくなり、大きなト
ルクを得ようとすると、全体の直径が大形化するもので
あった。たとえば、櫛付きヘアドライヤ等では、ハウジ
ングにおいてモータを格納した部分を握るから、ハウジ
ングの直径を３０〜４０ｆｔにしなければならないが、
従来のブラシレスモータで必要なトルクを得ようとすれ
ば、直径が６０ｍｍ程度になり使い勝手が悪いという問
題があった。また、歯科医用のグラインダや微細加工機
用の小形グラインダなどでは、ペンのように持つことが
多いから、直径１６＋ｖ以下であることが望まれ、しか
も、ＩＯＷ程度の出力が得られるようにする必要がある
が、小径がっ高出力を得るのは困難であった。さらに、
これらのモータとしては、１１００００ｒｐ以上の回転
速度が得られることが望ましいが、固定子２０の外側で
永久磁石回転子１０が回転する構成では、動バランスが
とりにくいとともに、慣性モーメントが大きくなること
から、高速に回転させるのが困難であった。 本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、固
定子巻線の巻装が比較的容易で製造しやすいとともに軽
量であって、さらには、固定千巻線の占積率が大きくと
れて直径が小さくできるとともに、動バランスがとりや
すく高速で回転させることができるようにしたブラシレ
スモータを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段１ 本発明では、上記目的を達成するために、異磁極を回転
方向に等間隔で着磁した２極の永久磁石回転子と、それ
ぞれ永久磁石回転子の着磁面に対向する幅広磁極と幅狭
磁極とを１極ずつ備えた固定子と、永久磁石回転子の着
磁面に対向する定位置に固定され通過する永久磁石回転
子の磁極の極性を検出する磁気感応素子と、磁気感応素
子により検出された極性に応じて幅広磁極と幅狭磁極と
の極性が交互に切り換わるように固定子巻線に通電する
電流切換回路とを設け、固定子に、永久磁石回転子の外
周を囲む形に配設されたヨークと、永久磁石回転子の回
転方向における前後に略対称となる形状に形成された幅
広磁極の中央部とヨークとを磁気結合し固定子巻線が巻
装された第１の連結鉄芯と、第１の連結鉄芯に対して永
久磁石回転子の回転方向に１８０度をなす位置に設けら
れ幅狭ｉａ極の一端部とヨークとを磁気結合し固定子巻
線が巻装された第２の連結鉄芯と、永久磁石回転子の回
転方向における幅狭磁極の上記一端部側で結合され永久
磁石回転子の外周面に沿って配設された非磁性体よりな
る補助突片とを設け、幅狭磁極と補助突片とを結合した
形状と幅広磁極の形状とをほぼ等しくしているのである
。 【作用】 上記構成によれば、直径方向に離間した第１の連結鉄芯
と第２の連結鉄芯とにそれぞれ固定子巻線を巻装するよ
うにしているので、一対の固定子巻線の間の距離を大き
くとることができ、固定子巻線の巻装が比較的容易で製
造しゃすくなり、絶縁距離も大きくとれるのである。ま
た、補助極を不要として軽量化できる構成とし、しかも
、固定子巻線の占積率を高めることによって、高トルク
かつ小形化できる構成としているのである。さらに、永
久磁石回転子を固定子の内側で回転する構成とすること
により、回転部分の慣性モーメントを小さくするととも
に、動バランスをとりやすくして高速で回転させられる
ようにしているのである。

【実施例】

第１図および第２図に示すように、永久磁石回転子１０
は、回転方向において等間隔で２極に着磁された円柱状
の永久磁石であって、回転中心には回転軸１１が挿通さ
れる。 固定子２０は、永久磁石回転子１０の外周を囲む形で配
設され、固定子２０の要所には固定子巻線２１が巻装さ
れる。すなわち、固定子２０の鉄芯は、珪素鋼板やアモ
ルファス鋼板の薄板を積層して円筒状に形成されたもの
であって、内周面における直径方向の２カ所から第１の
連結鉄芯２５ａおよび第２の連結鉄芯２５ｂがそれぞれ
一体に突設され、各連結鉄芯２５ａ、２５ｂに固定子巻
線２１がバイファイラ巻きによって巻装されている。第
１の連結鉄芯２５ａの先端には幅広磁極２３の中央部が
一体に結合され、第２の連結鉄芯２５ｂの先端には幅狭
磁極２４の一端部が一体に結合されている。さらに、幅
狭磁極２４の上記一端部側には、非磁性体よりなる補助
突片２６が結合されている。また、幅狭磁極２４と補助
突片２６とを結合した形状と、幅広磁極２３の形状とは
ほぼ等しくなる。したがって、両連結鉄芯２５ａ。 ２５ｂに巻装される各固定子巻線２１を巻数が等しくな
るように形成できるのである。すなわち、補助突片２６
を形成したことによって、両連結鉄芯２５ａ、２５ｂに
対する固定子巻線２１の巻装スペースが等しくなり、し
かも、両連結鉄芯２５ａ、２５ｂが直径方向にＭＥして
いることによって、巻装スペースを大きくとることがで
きるのである８その結果、固定子巻線２１の巻装作業が
容易になるのである。また、固定子巻線２１が永久磁石
回転子１ｏの外側に配設されていることによって、永久
磁石回転子１０が固定子２ｏの外側に配置されている場
合に比較すると、固定子巻線２１の巻装スペースを大き
くとることができ、従来に比較して固定子巻線２１の巻
装スペースを大幅に増加させて占積率を高めることがで
きるのである１幅広磁極２３と幅狭磁極２４とは、永久
磁石回転子１０の外周面に対して適宜間隙を介して対向
する。ここに、幅狭磁極２３は、永久磁石回転子１０と
の対向面積が、幅広磁極２４に比較して１７２〜１／３
となるように形成されている。 固定子１は、円筒状に形成され外殻となるヨーク３１の
内周面に密着した形で配設されている。 ヨーク３１の両端面は、それぞれ軸受基台３２ａ。 ３２ｂにより閉塞される。軸受基台３２ａ、３２ｂには
、結合凹所３３が形成されており、ヨーク３１の両端部
に形成された結合片３４を結合凹所３３にかしめること
により、ヨーク３１に対して軸受基台３２ａ、３２ｂが
固定されるようになっている。各軸受基台３２ａ、３２
ｂの中央部には、焼結合金などにより形成された含油軸
受である軸受３５がそれぞれ保持され、各軸受３５によ
って回転軸１１の両端部がそれぞれ回動自在に支承され
る。また、一方の軸受基台３２ａには、プリント基板よ
りなる端子板３６が装着され、永久磁石回転子１０の磁
極面に対向する位置で永久磁石回転子１０の磁極の極性
を検出できるように配設されたホールＩＣ等の磁気感応
素子３７のリード線が端子板３６に接続される。 次に動作を説明する。いま、幅広磁極２３の幅Ｄ１を電
気角で１５０度とし、幅狭磁極２４の幅り、を電気角で
９０度とする。永久磁石回転子１０から発生している磁
束は一定であるから、幅広磁極２３に比較して幅狭磁極
２４に対する磁束の集中度が高くなり、永久磁石回転子
１０との間での吸引力は、幅広磁極２３よりも幅狭磁極
２４のほうが大きくなる。すなわち、無励磁状態では、
永久磁石回転子１０は固定子２０に対して第３図（ａ）
の位置で停止することになる。したがって、永久磁石回
転子１０において幅広磁極２３と対向する磁極の中心位
置は、幅広磁極２３の中心位置からずれて位置すること
になる。 この状態から、第３図（ｂ）に示すように、幅広磁極２
３がＮ極、幅狭磁極２４がＳ極となるように、固定予巻
Ｍ２１を励磁すると、永久磁石回転子１０のＮ極と幅広
磁極２３との反発力によって、永久磁石回転子１０は右
回りに回転することになる。すなわち、自起動が可能に
なるのである。その後、永久磁石回転子１０が第３図（
ｅ）の状態まで回転すると、磁気感応素子３７により検
出される極性が反転するから、幅広磁極２３と幅狭磁極
２４との励磁極性が反転するように固定子巻線２１の通
電方向を切り換える。すなわち、幅広磁極２３がＳ極と
なるように通電する。これによって、永久磁石回転子１
０と固定子２０との間に反発力が作用して永久磁石回転
子１０は回転状態を継続するのである。さらに、第３図
（ｄ）の状態を通過して、再び第３図（ｂ）の状態に戻
り永久磁石回転子１０の回転が続行されるのである。励
磁時の基本トルクＴ、と無励磁時のリラクタンストルク
Ｔ２とは、第４図に示すような関係となり、合成トルク
は常に正となるのであって、自起動が可能になるのであ
る。さらに詳しく説明すれば、幅広磁極２３は電気角で
約１５０度、幅狭磁極２４は電気角で約９０度に設定さ
れており、上述した配置間係に設定することによって幅
狭磁極２４の平均の中心位置は、第２の連結鉄芯２５ｂ
の中心線から約４５度だけずれた位置に偏位させたこと
に相当する。したがって、リラクタンストルクＴ２が基
本トルクＴ１のπ、２πの位置で最大になり、合成トル
クが０にならないのである。第４図におけるθ１．θ２
は永久磁石回転子１０が安定して停止する位置を示して
いる。θ、は第３図（１）の位置に相当する。なお、無
励磁時における永久磁石回転子１０の位置は定位置であ
るから、起動時のトルクも一定になるのである。ここに
おいて、第３因では無励磁時に、永久磁石回転子１０の
Ｎ極が幅広磁極２３と対向しているが、Ｓ極が対向する
場合も同様である。 磁気感応素子３７の出力に基づく固定子巻線２１への通
電方向の切換は、第５図に示したような電流切換回路に
より行われる。固定子巻線２１は、各連結鉄芯２５ａ、
２５ｂに対してバイファイラ巻きによって連続して巻装
されており、各線路がそれぞれ別のコイルＬ　３．　Ｌ
　２を形成するようにしである。第３図（ｂ）の位置で
は、磁気感応素子３７は、永久磁石回転子１０のＮ極を
検出しており、この位置では、トランジスタＱ、をオン
にするように信号を出力する。トランジスタＱ、がオン
であるときに、トランジスタＱ、がオン、トランジスタ
Ｑ２がオフになるように抵抗Ｒ１〜Ｒ３の定数を設定し
、トランジスタＱ、がオンになるとコイルＬ１により幅
広磁極２３がＮ極となるような接続関係に設定しておけ
ば、永久磁石回転子１０が第３図（ｂ）の状態から回転
することになる１次に、磁気感応素子３７が、永久磁石
回転子１０のＳ極を検出すると、トランジスタＱ、がオ
フになり、トランジスタＱ１がオフ、トランジスタＱ２
がオンになる。このとき、コイルＬ２に通電されるから
、コイルＬ２により幅広磁極２３がＳ極となるような接
続関係に設定しておけば、永久磁石回転子１０が第３図
（ｃ）の状態から回転することになる。 このように、磁気感応素子３７によって検出される極性
に応じて固定子巻線２１を形成する各コイルＬ　１．　
Ｌ　ｚへの通電状態を切り換えることにより、永久磁石
回転子１０を回転させ続けることができるのである。 以上の構成によれば、回転部分の直径が小さく、慣性モ
ーメントが小さくなるので、動バランスがとりやすく、
たとえば、永久磁石回転子１０の直径を１０ｚｍ以下に
して５００００ｒｐｍといった非常に高速な回転速度を
得ることも可能になるのである。また、上述したように
固定子巻線２１の占積率を大きくとることができるがら
、小形ながらも高出力が得られ、たとえば、直径１６ｚ
ｚの小径でＩＯＷといっな高出力を得ることも可能にな
る。したがって、ヘアドライヤや小形のグラインダなど
に好適なモータを得ることができるのである。

【発明の効果】

本発明は上述のように、異磁極を回転方向に等間隔で着
磁した２極の永久磁石回転子と、それぞれ永久磁石回転
子の着磁面に対向する幅広磁極と幅狭磁極とを１極ずつ
備えた固定子と、永久磁石回転子の着磁面に対向する定
位置に固定され通過する永久磁石回転子の磁極の極性を
検出する磁気感応素子と、磁気感応素子により検出され
た極性に応じて幅広磁極と幅狭磁極との極性が交互に切
り換わるように固定子巻線に通電する電流切換回路とを
設け、固定子に、永久磁石回転子の外周を囲む形に配設
されたヨークと、永久磁石回転子の回転方向における前
後に略対称となる形状に形成された幅広磁極の中央部と
ヨークとを磁気結合し固定子巻線が巻装された第１の連
結鉄芯と、第１の連結鉄芯に対して永久磁石回転子の回
転方向に１８０度をなす位置に設けられ幅狭磁極の一端
部とヨークとを磁気結合し固定子巻線が巻装された第２
の連結鉄芯と、永久磁石回転子の回転方向における幅狭
磁極の上記一端部側で結合され永久磁石回転子の外周面
に沿って配設された非磁性体よりなる補助突片とを設け
、幅狭磁極と補助突片とを結合した形状と幅広磁極の形
状とをほぼ等しくしているものであり、直径方向に離開
した第１の連結鉄芯と第２の連結鉄芯とにそれぞれ固定
子巻線を巻装するようにしているので、一対の固定子巻
線の間の距離を大きくとることができ、固定子巻線の巻
装が比較的容易で製造しやすくなるとともに、絶縁距離
が大きくとれるという利点がある。 また、補助極を不要として軽量化できる構成とし、しか
も、固定子巻線の占積率を高めることによって、高トル
クかつ小形化できる構成としているのである。さらに、
永久磁石回転子を固定子の内側で回転する構成としてい
るので、回転部分の慣性モーメントが小さくなるととも
に、動バランスがとりやすくなり、高速で回転させるこ
とが可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明の実施例を示す縦
断面図と水平断面図、第２図は同上の分解斜視図、第３
図および第４図は同上の動作説明図、第５図は同上に用
いる電流切換回路の一例を示す回路図、第６図（、）は
従来の永久磁石回転子の−例を示す斜視図、第６図（ｂ
）は従来の固定子の一例を示す平面図、第７図（１）（
ｂ）はそれぞれ他の従来例の縦断面図と水平断面図であ
る。 １０・・・永久磁石回転子、２０・・・固定子、２１・
・・固定子巻線、２３・・・幅広磁極、２４・・・幅狭
磁極、２５ａ・・・第１の連結鉄芯、２５ｂ・・・第２
の連結鉄芯、２６−・・補助突片、３１・・・ヨーク、
３７−・・磁気感応素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）異磁極を回転方向に等間隔で着磁した２極の永久
   磁石回転子と、それぞれ永久磁石回転子の着磁面に対向
   する幅広磁極と幅狭磁極とを１極ずつ備えた固定子と、
   永久磁石回転子の着磁面に対向する定位置に固定され通
   過する永久磁石回転子の磁極の極性を検出する磁気感応
   素子と、磁気感応素子により検出された極性に応じて幅
   広磁極と幅狭磁極との極性が交互に切り換わるように固
   定子巻線に通電する電流切換回路とを備え、固定子は、
   永久磁石回転子の外周を囲む形に配設されたヨークと、
   永久磁石回転子の回転方向における前後に略対称となる
   形状に形成された幅広磁極の中央部とヨークとを磁気結
   合し固定子巻線が巻装された第１の連結鉄芯と、第１の
   連結鉄芯に対して永久磁石回転子の回転方向に１８０度
   をなす位置に設けられ幅狭磁極の一端部とヨークとを磁
   気結合し固定子巻線が巻装された第２の連結鉄芯と、永
   久磁石回転子の回転方向における幅狭磁極の上記一端部
   側で結合され永久磁石回転子の外周面に沿って配設され
   た非磁性体よりなる補助突片とを具備し、幅狭磁極と補
   助突片とを結合した形状と幅広磁極の形状とをほぼ等し
   くしたことを特徴とするブラシレスモータ。