JPS63110945A - ブラシレスモ−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】 〔技術分野〕 この発明はブラシレスモータに関し、さらに詳しくは、
アキシャルエアーギャップ型のブラシレスモータに関す
る。

最近における各種機器の小型軽量化、高性能化の進展に
伴ない、アキシャルエアギャップ型のフラットモータが
提案されている。情報機器やＯＡ（オフィスオートメー
ション）機器においてステッピングモータとして利用さ
九でいる従来のフラットモータは、ヨーク上に多数の駆
動コイルを平面上に配置してステータを構成し、ディス
クロータに多数のマグネットを平面上に配置したロータ
をステータに対面させ、駆動コイルをマグネットとステ
ータヨークとでサンドインチした構造となっている。　
ＦＡ　（ファクトリオ−トメ−シコン）機器においてサ
ーボモータとして利用されているフラットモータはプリ
ントモータとして良く知られている。このプリントモー
タは、ステータの平面上に多数の永久磁石をＮ極とｓ極
とが交互になるように配置し、この永久磁石にアマチュ
ア巻線を備えたディスクロータを対面させ、コミュテー
タとブラシを介してアマチュア巻線に駆動電流を供給す
る構造となっている。これら２つの型式のフラットモー
タに共通する特徴は磁気回路においてロータとステータ
ヨーク間に磁気コイルまたはアマチュア巻線があるため
にエアーギャップが必然的に大きくなって磁気抵抗が大
きいことである。さらに各コイルまたはアマチュア巻線
の対象磁場が分散されていて、これらコイル又は巻線の
対象磁＠領域が大きくなり。

同一磁極に対する磁束密度が低い欠点がある。そのため
磁界が弱くなってモータの効率が悪く、より一層の小型
軽量化・高性能化が困難である。この問題を解決すべく
、高級希土類磁石をロータマグネットに採用することが
提案されているが、モータの特殊な構造上、ロータとス
テータヨークとのエアーギャップそのものを小さくでき
ないために、モータの効率が改善されず、製造コストが
高くなる要因となっている。しかも、各コイルまたはア
マチュア巻線の対象磁場が分散されているために、モー
タ周辺への磁気漏れが大きく、とくに磁気記録を行なう
フロッピィディスクドライブ装置や高密度磁気記録を必
要とする精密測定機器において多大な悪影響を与えてい
た。プリントモータにいたっては前述の欠点の他に、ロ
ータにアマチュア巻線を設けているためにロータの全体
重量が大きくなって、ロータイナーシャが増加し、その
結果、パワーレートが小さくなって、高速応答ができず
、安定性に欠けるという欠点がある。さらにプリントモ
ータでは。

機械的な摺動、摩耗部があるために信頼性が低く、定期
的な保守点検の必要があるだけでなく、火花、ノイズが
発生するために使用環境条件に大きな制約があった１機
械的整流作用による高速領域における過負荷耐量にも限
界があった。

〔発明の目的〕

そこでこの発明の目的は高効率で小型軽量化、高性能化
が可能で信頼性の高いブラシレスモータを提供すること
にある。

この発明の他の目的は高効率で超薄型化が可能なブラシ
レスモータを提供することにある。

この発明の他の目的は磁気漏れや電磁ノイズの少ないブ
ラシレスモータを提供することにある。

この発明の他の目的は構造が簡単で１組立が容易であり
、小容量機から大容量機まで実用可能な低コストのブラ
シレスモータを提供することにある。

この発明の他の目的はロータのイナーシャを小さくでき
、パワデンシティ（ｋｗ／ｋｇ）とパワーレート（ｋｗ
／ｓ）が著しく改善されたブラシレスモータを提供する
ことにある。

この発明の他の目的はエアギャップを小さくでき、起動
トルクが高くて。

スルーイング特性に優れた。とくに、ステッピングモー
タやサーボモータとして利用可能なブラシレスモータを
提供することを目的とする。

この発明の他の目的は振動、衝撃などの耐環境性に優れ
、使用環境条件を選ばないブラシレスモータを提供する
ことを目的とする。

この発明の他の目的は汎用の直流モータあるいは交流モ
ータとしても利用可能な低コストで長寿命であり、しか
も高効率であるブラシレスモータを提供することにある
。

〔発明の構成〕

本発明のブラシレスモータは半径方向に延びるステータ
ヨークの平面上において周方向に複数の相の駆動コイル
を配置し、各駆動コイルの中央部に磁束集中用の円弧状
アキシャル・センタコアを配置してコミをステータヨー
クに接続し、前記各駆動コイルの側部に磁束集中用の円
弧状アキシャル・サイドヨークを配置してこれをステー
タヨークと連結し、駆動コイルにより発生する磁束を７
キシヤル・センタコアとアキシャル・サイドヨークとに
集中させて同一磁極に対する磁束密度を斉め、アキシャ
ル・センタコアとアキシャル・サイドヨークに対してエ
アギャップを介してロータディスクの円弧状ラジアル磁
極を対向させたことを特徴とする。

（実施例〕 この発明によるブラシレスモータを一例として４相ステ
ツピングモータに適用した実施例を第１〜３図に基づい
て説明する。第１．２図において。

４相ステツピングモータ１０はフレーム１２と、フレー
ム１２のマウント部１２ａのラジアル面に固定された半
径方向に延びる円板状のステータヨーク１４と、このス
テータヨークに固着されたハウジング１６とを備える。

フレーム１２はベアリングホルダーとして作用し、−例
として、フレーム１２の両端にベアリング１８．２０を
支持する０回転軸またはスピンドル２２がベアリング１
８．２０により回転可能に支持され１回転軸２２の下方
端部にネジ２４を介してロータディスク２６が固定され
る。ステータヨーク１４の平面上には複数の駆動コイル
２８，３０．３２．３４が周方向に均等間隔で配置され
る。

駆動コイル２８，３０，３２．３４の中心には駆動コイ
ルに発生する磁束を集中させるための軸方向に延びる断
面円弧状のセンタコア３６，３８゜４０．４２が配置さ
れる。センタコア３６．３Ｂ、４０．４２の背面はステ
ータヨーク１４にネジ（図示せず）その他の適当な手段
を介して固着される。センタコア３６，３８，４０．４
２から半径方向に一定の間隔をおいて断面円弧状の磁束
集中用サイドヨーク４４，４６．．４８．５０がステー
タヨーク１４から軸方向に延びるように該ステータヨー
ク１４上に固定される。このようにして、コイル２８，
３０，３２．３４の一部はセンタコア３６とサイドヨー
ク４４．センタコア３８とサイドミータ４６．センタコ
ア４０とサイドヨーク４８．およびセンタコア４２とサ
イドヨーク５０との間にそれぞれ狭まれる。このため、
コイルの対象磁場は分散されず、コイルから発生する磁
束がセンタコアとサイドヨークとに効果的に集中するた
め、対象磁場領域が小さくなって、同一磁極に対する磁
束密度が著しく高くなって後述の如くモータの効率が大
幅に向上する。第２の利点は、コイルの発生磁束をセン
タコアとサイドヨークとに集中させておき。

ロータとセンタコアおよびロータとサイドヨークとのア
キシャルギャップを５０〜１００μｍの値まで少なくす
ることにより磁気回路の磁気抵抗を大幅に低くして出力
トルクの増大を図ることができることである。ステータ
ヨーク１４．センタコア３６〜４２．およびサイドヨー
ク４４〜５０はいずれも軟鉄、ケイ素鋼板等の高透磁率
の材料から形成される。センタコア３６〜４２とサイド
ヨーク４４〜５０には半径方向に延びる複数の細いスリ
ット３６ａ、３８ａ、４０ａ、４２ａ、４４ａ、４６ａ
、４８ａ＋５０ａが形成されている。これは、駆動コイ
ルのオン、オフ時の変動磁束による磁気表皮効果で有効
に電磁力に寄与する強磁束密度部分がきわめて狭い面積
となって磁気抵抗が増して総磁束の減少をきたしてモー
タの出力トルクが低下するのを防ぐためである。すなわ
ち、これらスリットによって変動磁束に対する反磁界の
作用である渦電流を効率的に抑えるのでセンタコアとサ
イドヨークのそれぞれの磁極面の広い部分にわたって強
磁束部弁を全体に均一に分布させる効果がある。

第３図において、ロータ２６は軟鉄またはケイ素鋼板等
の高透磁率材料からなり、中央部にネジ２４の通過孔５
２を備える。ロータ２６は２極の高パーミアンスを有す
る円弧状ラジアル磁極５４．５６を備える、ラジアル磁
極５４．５６はロータ２６の回転軸を中心として対称的
に配置され、ラジアル磁極５４．５６の間には低パーミ
アンス部をなすカット部５８゜６０が形成される。ラジ
アル磁ｗ４５４，５ｅの外周とカット部５８．６０の外
周は補強用リブ６２，６４により接続されている。ラジ
アル磁ｔ！ｉ５４゜Ｓ６は半径方向に延びる複数の細い
スリット６６、６８を備える。望ましくは、これらロー
タのスリット６６．６８はセンタコアとサイドコアの細
いスリット３６ａ〜４２ａおよび４４ａ〜５０ａとほぼ
等しい角度間隔で形成される。それにより、モータのト
ルクを後述の如く飛躇的に増大させることができる。な
お、ロータ磁極５４，５６のスリット６６．６８はロー
タ磁極内に生ずる渦電流を抑えて、強磁束密度部分をロ
ータ磁極の全体にわたって均一に分布させることにより
、磁気抵抗を減少させて総磁束を増大させる効果がある
。しかも、ロータ磁極５４．５６内の渦電流をスリット
によって抑えることにより、モータの中速域あるいは高
速域におけるトルク特性の落ち込みから生ずる不安定現
象や共振現象を効果的に防止することができるため、低
速域から高速域に至るまで安定したトルク特性が得られ
る。

第３１！ｉｉｌにおいて、ロータ２６は回転数検出用マ
グネット７４を備え、これに対応して、ステータヨーク
１４には回転数検出用ホール素子７８がサイドヨーク４
４，５０間のスペースに配置され、マグネット７４がホ
ール素子７８上を通過する毎に出力信号を発生する。

上記構成において、駆動コイル２８を励磁すると、コイ
ル２８により発生した磁束はステータヨーク１４．セン
タコア３６．およびサイドヨーク４４とにより集中され
、このように集中された磁束はディスクロータ２６のラ
ジアル磁極５４を吸引する。このとき、センタコア３６
およびサイドヨーク４４には半径方向の細いスリット３
６ａ、４４ａがそれぞれ形成されており、他方ラジアル
磁極５４には半径方向のスリット６６があるため。

後述の如く、スリットの数に応じてトルクを著しく増大
できる。つぎに。

コイル２８がターン・オフされて、コイル３０がターン
・オンされると。

ラジアル磁極５４はセンタコア３８とサイドヨーク４６
とにより吸引されて時計方向に９０１回転する。つぎに
コイル３０がターン・オフされて。

コイル３２がターン・オンされるとラジアル磁極５４は
センタコア４０とサイドヨーク４８とにより吸引されて
１時計方向にさらに９０＠回転する。

このように励磁コイル２８〜３４を順次時計方向に励磁
することによりロータ２６の９０１づつの歩進が行なわ
れる。コイル２８〜３４を順次反時計方向に励磁するこ
とにより、ロータ２６の反時計方向の回転が得られる。

第１〜３［！ｉｌの実施例において、ロータ２６のラジ
アル磁極５６はカウンターウェイトとして作用している
。

第４図は第３図のロータ２６の変形例を示し、同一部分
は同一符号にアポストロフィ（＋）を付けである。第４
図において、ロータ磁極５４′。

５６′の細いスリット６６’　、６８’はそれぞれ互い
に平行となるように形成されている。このため、ロータ
２６′が回転する毎に、ラジアル磁極５４′の細いスリ
ット６６′またはラジアル磁極５６′のスリット６８′
はセンタコア３６〜４２のスリット３６ａ〜４２ａとサ
イドヨーク４４〜５０のスリット４４ａ〜５０ａに対し
てスキュー状態となって移動するため、ロータ２６′の
滑らかな回転が得られ、回転ムラやトルクムラが効果的
に防止される。

第５〜７図に本発明によるブラシレスモータを３相サー
ボモータに適用した第２実施例を示す。

第５，６図において、３相サーボモータ８０はフレーム
８２と、フレーム８２のマウント部８２ａのラジアル面
に固定された半径方向に延びる円板状のステータヨーク
８４と、このステータヨークに固着されたハウジング８
６とを備える。フレーム８２はベアリングホルダーとし
て作用し、−例として、フレーム８２の両端にベアリン
グ８８．９０を支持する６回転軸またはスピンドル９２
がベアリング８８．９０により日朝可能に支持され、回
転軸９２の下方端部にネジ９４を介してロータディスク
９６が固定される。ステータヨーク８４の平面上には第
１相駆動コイル１ｏＯ９１００’　、第２相駆動コイル
１０２，１０２’　、および第３相駆動コイル１０４．
１０４’が周方向に１２０ａづつ位相がずれて均等間隔
で配置される。

駆動：ｚ’ルｌｏｏ、１００’　、１０２，１０２’　
、１０４，１０４’　の中心には駆動コイルに発生する
磁束を集中させるための軸方向に延びる断面円弧状のア
キシャルセンタコア１０６，１０６’　、１０８，１０
８’　。

１１０．１１０’がそれぞれ配置される。センタコア１
０６〜１１０′の背面はステータヨーク８４にネジ（図
示せず）その他の適当な手段を介して固着される。セン
タコア１０６〜１１０′から半径方向に一定の間隔をお
いて断面円弧状の磁束集中用アキシャルサイドヨーク１
１２，１１４゜１１２’　、１１４’　、１１６，１１
８，１１６’　、１１８’　、１２０゜１２２．１２０
’　、１２２’がそれぞれステータヨーク８４から軸方
向に延びるように該ステータヨーク８４上に固定される
。このようにして、コイル１００〜１０４′の一部はそ
れぞれアキシャルセンタコアとアキシャルサイドヨーク
との間にそれぞれ狭まれる。このため、コイルの対象磁
場は分散されず、コイルから発生する磁束がセンタコア
とサイドヨークとに効果的に集中するため、対象磁場領
域が小さくなって、同一磁極に対する磁束密度が著しく
高くなる。ステータヨーク８４．センタコア１０６〜１
１０’、およびサイドヨーク１１２〜１２２′はいずれ
も軟鉄、ケイ素鋼板等の鋼透磁率の材料から形成される
。アキシャルセンタコア１０６〜１１０′とアキシャル
サイドヨーク１１２〜１２２′には半径方向に延びる複
数の細いスリット１０６ａ〜ｌｌＯ’　ａ、１１２ａ〜
１２２’　ａが形成されている。その効果は第一実施例
の場合と同様である。

第７図において、ロータ９６は軟鉄またはケイ素鋼板等
の高透磁率材料からなり、中央部にネジ９４の通過孔１
２９を備える。ロータ９６は一対の高パーミアンスを有
する円弧状ラジアル磁極１３０，１３２を備える。

ラジアル磁ｐＡ１３０，１３２はロータ９６の回転軸を
中心とし対称的に配置され、ラジアル磁極１３０，１３
２の間には低パーミアンス部をなすカット部１３４，１
３６が形成される。ラジアル磁ｔ！！１３０．１３２の
外周とカット部１３４，１３６の外周は補強用リブ１３
８，１４０により接続されている。ラジアル磁極１３０
，１３２は半径方向に延びる複数の細いスリット１３０
ａ、１３２ａを備える。ロータ９６のスリット１３０ａ
。

１３２ａは互いに平行となるように形成されており、セ
ンタコアとサイドコアの細いスリットに対して一定角度
で変位（スキュー）しているため。

モータの滑めらかな同転が得られる。

上記構成において、駆動コイルｔｏｏ、１００’　を励
磁すると、コイル１００．１００’により発生した磁束
はステータヨーク８４．センタコア１０６およびサイド
ヨーク１１２，１１４ならびにステータヨーク８４゜セ
ンタコア１０６’　、サイドヨーク１１４’　、１１２
’　とによりそれぞれ集中され、このように集中された
磁束はディスクロータ９６のラジアル磁極１３０，１３
２を吸引する。つぎに、コイル１００，１００’がター
ン・オフされて、コイル１０２，１０２’がターン・オ
ンされると、ラジアル磁極１３０，１３２はセンタコア
１０８とサイドヨーク１１６，１１８とにより吸引され
て反時計方向に６０”回転する。つぎにコイル１０２゜
１０２′がターン・オフされて、コイル１０４，１０４
’がターン・オンされるとラジアル磁極１３０，１３２
はさらに反時計方向に６０６回転する。このように励磁
コイル１００〜１０４′を順次に励磁することによりロ
ータ９６が継続して回転する。コイル１００，１００’
　をターン・オフした後にコイル１０４，１０４’　を
励磁することにより、ロータ９６は時計方向に回転する
。

上記第１，２実施例において５円板状のステータヨーク
の代りに非磁性金属板または印刷回路基板上に駆動コイ
ルとアキシャルセンタコアとサイドヨークとを配置し、
各センタコアとサイドヨークとを個別のバックヨークと
により接続するように変形しても良いことは云うまでも
ない。

（効果〕 以上より明らかなように１本発明のブラシレスモータに
おいては、各駆動コイル毎にアキシャルセンタコアとサ
イドヨークを設けて駆動コイルにより発生した磁束を集
中させることにより各コイルの対象磁場領域を小さくし
て同一磁極に対する磁束密度を著しく高めると同時にア
キシャルエアギャップをミニマム値にすることが可能と
なり、磁気回路における磁気抵抗を少なくして総磁束を
著しく増大させることにより極めて強大な出力トルクが
得られる。その結果、モータ効率が著しく向上してブラ
シレスモータのより一層の小型軽量化と高性能化が図れ
る。しかも、駆動コイルの発生磁束はステータヨーク、
アキシャル・センタコア、アキシャル・サイドヨークに
より集中され、小さなエアギャップを介してロータディ
スクと閉磁路を形成するため、モータからの漏れ磁束を
著しく減らすことができる。

さらに、ロータディスクとセンタコア、ならびにサイド
ヨークには磁気通路と平行に多数のスリットを形成した
ために、変動磁束による磁気反作用を効果的に防止して
磁気回路における有効断面積を増大させ、磁気抵抗を減
少させることによって総磁束を著しく増大させることが
できる１本発明によるブラシレスモータの発生トルクは
ステータとロータディスク間にはたらく磁気力Ｆによっ
て定まり、ロータディスクとステータ間の変位々ＫＸで
あると仮定すると、両者間には変位Ｘを０にする方向へ
磁気力が作用し。

これが運動エネルギーとなり、この場合磁気力ＦはＦ　
＝　ｄ　Ｗｍ／　ｄ　ｘ の関係式で表される。なお、Ｗｍはステータとロータデ
ィスク間に蓄えられている磁気エネルギーを表わす、こ
の磁気エネルギーは磁気抵抗の高い部分に集中する性質
があるので、ステータとロータディスク間に集中する。

ここで、磁界の強さをＨ（Ａ／ｍ）、磁束密度をＢ　（
Ｔ）　、空気の透磁率をμ。（Ｈ／ｍ）、エアギャップ
の体積をｖ　（ｒｒｒ）とすると磁気エネルギーＷｍは Ｗｍ＝１／２ＢＨＶ＝１／２ｕａＢ”Ｖ　（Ｊ）と表わ
せる。この式から、ステータとロータディスク間に作用
する磁気力Ｆは Ｆ＝ｕ。Ｈｄｈ／ｄｘＶ＝１／ｕ、ＢｄＢ／ｄｘＶ　（
Ｎ）の関係式で表わせる。この式より明らかなように磁
気力Ｆは磁界の強さや磁束密度だけでなく１両者の変化
分、つまりｄＨ／ｄｘ、それにｄ　Ｂ／ｄＸがそれぞれ
関係するのが分かる。したがって、ステータとロータデ
ィスクとが一致したとき、すなわち、磁気エネルギーが
変位分Ｘに対して一定の場合はさぎの式 ％式％ となり、移動方向の磁気力は発生しない１以上のことか
ら、本発明のステータとロータディスクとは単に磁極の
対向面積を大きくすることにより磁気抵抗を減らすだけ
でなく、ｄＨ／ｄｘ、それにｄＢ／ｄｘを極めて大きく
でき、同一の磁極面積に比べてスリットの数に応じてト
ルクを１０〜５０倍に増大することができる。したがっ
て、高速応答が可能で、従来にない小型軽量で高性能な
ブラシレスモータが実現される。しかも、ステータおよ
びロータディスクは何等高価な永久磁石を使用すること
なく、安い原材料を使用可能とし、さらにステータ、ロ
ータディスク、励磁コイルの構造を極めて簡略化したた
め、精密加工が安易で安価に製造可能とし、著しくコス
トを低減することができる。なお、本発明のモータは構
造簡単で頑丈なため、高速大出力用に適し、高頻度の加
減速運転に耐え高温、低温の耐環境性に優れ、しかも連
続使用による運転性能の劣化がなく、長寿命である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるブラシレスモータの断
面図、第２図は第１図の■−■線からみた断面図、第３
Ｍは第１図のロータディスクの平面図、第４図は第３図
のロータディスクの変形例を示す平面図、第５図は本発
明のブラシレスモータの第２実施例の断路図、第６ｖ４
は第５図の■−■線からみた断面図、第７図は第５図の
ロータディスクの平面図をそれぞれ示す。 １２・・・・・・・・・フレーム　　　　１４・・・・
・・・・・ステータヨーク１６・・・・・・・・・ハウ
ジング　　　２８，３０，３２．３４・・・・・・・・
・駆動コイル３６．３８，４０．４２・・・・・・・・
・アキシャルセンタコア４４．４６，４８．５０・・・
・・・・・・アキシャルサイドヨーク２６・・・・・・
・・・ロータディスク８２・・・・・・・・・フレーム
　　　　８４・・・・・・・・・ステータヨーク８６・
・・・・・・・・ハウジング　　　１０〜１０４・・・
・・・・・・駆動コイル１０６〜１１０′・・・・・・
・・・アキシャルセンタコア１１２〜１２２′・・・・
・・・・・アキシャルサイドヨーク９６・・・・・・・
・・ロータディスク特許出願人　株式会社　ハイテク研
究所も３図 Ａ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半径方向に延びるステータヨークと、このステー
   タヨークの平面上において周方向に配置された複数相の
   駆動コイルと、各駆動コイルの中央部に配置されて一端
   が前記ステータヨークに同定され、他端が軸方向に延び
   ている磁束集中用の円弧状アキシャル・センタコアと、
   前記各駆動コイルの側部に配置されて一端が前記ステー
   タヨークに固定され、他端が軸方向に延びている磁束集
   中用の円弧状アキシャル・サイドヨークと、前記アキシ
   ャル・センタコアと前記アキシャル・サイドヨークに対
   してエアギャップを介して対向する少くとも一つの円弧
   状ラジアル磁極を備えたロータディスクからなることを
   特徴とするブラシレスモータ。
2. （２）前記アキシャル・センタコアと前記アキシャル・
   サイドヨークが半径方向に延びる複数の渦電流防止用ス
   リットを備え、前記ロータディスクのラジアル磁極が半
   径方向に延びる複数の渦電流防止用スリットを備えたこ
   とを特徴とするブラシレスモータ。
3. （３）前記アキシャル・サイドヨークが前記駆動コイル
   の半径方向外側に配置された第１のサイドヨークと、前
   記駆動コイルの半径方向内側に配置された第２のサイド
   ヨークからなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または第２項記載のブラシレスモータ。