JP2518206B2 - ブラシレス直流リニアモ−タの巻線方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば産業用ロボット,X−Ｙテーブル等の
FA機器に必要な小形，高出力のブラシレス直流リニアモ
ータに係り、特にその巻線方法の改良に関する。

〔従来の技術〕

ブラシレス直流リニアモータにおいて、推力を発生す
る容積を一定とした条件のもとで、小形，高出力のもの
とするためには可動子の極数を多極化する必要がある。

第６図は、この種モータの要部の側断面図である。磁
性体からなる可動子1,固定子３をそなえ、可動子１のス
ロット１_aには移動磁界を発生する電機子巻線を巻装し
てあり、固定子３の可動子１に対向する表面には等間隔
に永久磁石２を配設固着させてある。

しかして、Ｈは推力を発生する部分の高さ、Ｌは可動
子１の長さ（推力を発生する部分の長さ）、ｙ_mは可動
子のヨーク幅、ｈ_sはスロット高さ、ｙ_sは固定子ヨーク
幅、Ｌ_mは磁石厚み、Ｌ_gはギャップ長である。

可動子長さＬと、推力発生部高さＨと、図示していな
い可動子コアの積厚方向の長さＷを一定とした場合に、
可動子１の極数を多極化すると、 ｙ_m∝Φ_y ｙ_m∝Φ_yただしいずれもΦ_y∝1/P であり、また可動子に巻装した巻線による減磁アンペア
ターンAT_windは次の（１）で表わされる。

ここに、Ｋ_wは巻線係数、ｗは１相の巻回数、Ｉは電
機子電流、Ｐは極数、Φ_yはヨークを通る磁束量であ
る。

（１）式より極数Ｐを多極にすれば、AT_windは小さく
なることがわかる。

したがって、永久磁石２の厚みＬ_mは、この減磁アン
ペアターンAT_windに耐えるだけの厚みとすればよいのだ
から、過負荷耐力を同じにして永久磁石２の厚みＬ_mを
小さくできる（ただし、磁石パーミアンス係数は固定に
している）。

これから、ｙ_m,y_s,L_mの値が多極にして小さくすれ
ば、スロット１_aの高さｈ_sは ｈ_s＝Ｈ＝ｙ_m−ｙ_s−Ｌ_m ……（２） （ただしＬ《H,y_m,h_s,L_m,y_s）で示されるので、多極
にした場合はスロット１_aの高さｈ_sは大きくなる。

したがって、スロット断面積が大きくなり、電気装荷
（電機子巻線の導体数と電流値との積）ACが増加する。

そこで推力Ｆは Ｆ∝Φ・AC ……（３） で表わされ、磁気装荷Φが同一のときは電機装荷ACが増
加した分だけ、推力Ｆは大きくなる。

従来の多極界磁を適用した例の側断面および巻線構成
を第７図（ａ），（ｂ）に示す。すべての図面におい
て、同一符号は同一もしくは相当部分を表わす。

4,5はＵ相帯コイル、6,7,8,9はＶ相帯コイル、10,11
はＷ相帯コイルで、たとえば相帯コイルとは電流方向
が逆位相になるようにしてあり、相帯コイル、相帯
コイルについても同様である。

可動子１は13個のスロットを有するステータコアに４
極の起磁力を発生する３相巻線が施してあり、これに対
向する永久磁石界磁の極数は、起磁力の極数と同数の４
極となっている。

この巻線方式は、毎極、毎相のスロット数ｑ＝Ｎ_t／
（３・Ｐ）より ｑ＝12/（３相×４極） ＝１ の整数スロット巻線である。なお、Ｎ_tはティース数で
あり、スロット数をＮ_sとすると、Ｎ_t＋１＝Ｎ_sの関係
がある。

複素平面を考え、原点の周りに単位円周を６等分して
順次U,,V,,W,の６相帯に対応させる。

そして、相帯を１番目のスロットに対応させ、その
後はこの点を起点として単位円周上で 角度Ｐπ/N_t〔rad〕 ずつ、ここではπ/3〔rad〕ずつ隔てて割り出した点を
順次、２番目以降13番目までの各スロットに対応させた
図が第８図である。

スロット内に収納される導体数をｎとすると、第８図
におけるＵ相帯，相帯またはＷ相帯，相帯は同一の
１つのコイルで構成する。すなわち、Ｕ相のコイル群に
ついては、ｎターンでコイル飛びを３とし、スロット番
号♯２から♯５へのコイル４とスロット番号♯８から♯
11へのコイル５との２つのコイルにより構成する。Ｗ相
のコイル群についても同様に、ｎターンでコイル飛びを
３とし、スロット番号♯３から♯６へのコイル10とスロ
ット番号♯９から♯12へのコイル11との２つのコイルに
より構成する。

Ｖ相のコイル群だけ（n/2）ターンでコイル飛びを３
とし、相帯に属しスロット番号♯１から♯４へのコイ
ル６、及びスロット番号♯７から♯10へのコイル８、ま
た、Ｖ相帯に属しスロット番号♯４から♯７へのコイル
７、及びスロット番号♯10から♯13へのコイル９との４
つのコイルにより構成する。したがって、スロット番号
“♯1"と“Ｎ_t＋１（Ｎ_s）”〔ここでは♯13〕のスロッ
トに収まる導体数は（n/2）本だけとなる。

すなわち、第７図（ｂ）において、本来ならばＶ相コ
イル群はついても、ｎターンとしたコイル6,8あるいは
コイル7,9により構成するのが好ましい。しかし、それ
では可動子１の左右いずれかのエンド部にコイルが存在
しないこととなり、均一な推力が得られなくなる。そこ
で、第７図（ｂ）に示すように（n/2）ターンの４つの
コイル６〜９によりＶ相を構成したのである。

上記の整数スロット巻線は毎極毎相のスロット数ｑ＝
１の巻線方式は、有限のスロットピッチに対して従来多
用されている整数スロット巻線の中では、最も多くの極
数をとれる巻線であり、推力派生部の容積一定の中では
比較的に推力が高いブラシレスモータである。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来用いられた整数スロット巻線で毎極毎相のスロッ
ト数ｑ＝１の巻線方式では、 巻線係数ｋ_wr＝1.0 （ｒ＝1,3,5,7,……で表わされるｒは高調波次数であ
る。） となり、ギャップ磁束分布中に含まれる高調波成分が、
この巻線係数により低減できない。したがって、誘起電
圧波形が歪み、この空間高調波の影響により推力むらが
生じる。

また、このような永久磁石を使用するブラシレス直流
リニアモータは、小形軽量に形成され優れた性能を持っ
ているが、ｑ＝１の整数スロット巻線では、永久磁石か
らみたスロットパーミアンス変化の影響によるコギング
力が生じる。

そこで、これら空間高調波の影響による推力むら、コ
ギング力を低減する対策として以下の４つの方策がある
が、いずれも数々の問題点を含む。

可動子スロットまたは永久磁石にスキューを施す。
しかし、スキュー効果により、これらリップルは低減で
きるが、スロット内の巻線の占有率を悪くし、材料の有
効活用を妨げ、モータの効率，力率を犠牲にするから好
ましくない。

第９図に示すように、界磁磁石２をギャップ磁束分
布が正弦波分布となるように、可動子コア１と対向する
側の面にＲ（曲面）加工を施す。しかし、これにより発
生するリップルは低減できるが、加工が複雑となるため
磁石のコスト高となる。

ｑ＞１の分数スロット巻線を用いれば、良好な誘起
電圧波形がえられ、発生するリップルや低減できる。し
かし、ｑ＝１の場合に比べて明らかにモータ極数の多極
化に対しては不適である。

また、モータ極数の多極化には分数スロット巻線でｑ
＝1/2の巻線方式であるが、これには巻線係数の低下，
巻線利用率の低下という不具合がある。

巻線の１ターンの長さに対する有効導体長さ（有効
鉄心長）の割合はできるだけ大きい方が好ましい。しか
し、上記の従来例の場合、整数スロット巻線の幅で最も
コイル飛びｔが短くなるｑ＝１のときでも、スロット番
号♯１から♯４へ飛ぶので（ｔ＝４−１＝３）、この有
効導体長さの割合は小さくなる。つまり、推力の発生に
は無関係な銅損が発生するわけで、モータの効率向上の
上でもこの飛びを巻線係数ｋ_wを下げずに極力小さくす
る必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、巻線
占有率及び磁石加工性を向上させることができ、小形、
高推力、高精度で且つコスト的にも有利なブラシレス直
流リニアモータを実現することが可能な巻線方法を提供
することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記課題を解決するための手段として、平
板状ヨークに対する永久磁石の貼付により、極数がＰの
極数が形成された固定子と、前記固定子に対向して配設
され、３相可動子巻線の上コイル及び下コイルが挿入さ
れるＮ_s個のスロットが前記磁極の形成方向へ所定間隔
毎に形成された可動子と、を備え、前記Ｎ_s個のスロッ
トは、♯１〜♯Ｎ_sのスロット番号が付されたものであ
って、このスロット番号の順序に従って、順次、前記極
数の形成方向に沿って形成されている、２層重ね巻き構
造のブラシレス直流リニアモータにおいて、前記Nsの数
値を、（3/2）・Ｐ＋１＜Ｎ_s＜3P＋１、の条件式を満足
し、且つ相数３の倍数に１を加えた整数となるように定
め、複素平面上に描いた単位円の円周を６等分し、Ｕ
相,V相,W相及びこれらの逆相である相，相，相の
６相の領域を、この円周上へ時計回り方向又は反時計回
り方向にＵ相，相,V相，相,W相，相の順序で設定
し、Ｕ相の円弧の中点をスロット番号♯１に設定した
後、♯２以降のスロット番号を、時計回り方向又は反時
計方向に順次Ｐπ／（Ｎ_s−１）ラジアンずつずらして
Ｎ_s個のスロット番号の位置を設定すると共に、コイル
飛び数を２と定め、少なくとも前記可動子の両端のエン
ドスロット及びこれに隣接するスロットを除いて、ある
スロット内の下コイル及び上コイルに連続する他のスロ
ット内のコイルが、それぞれ同相の上コイル及び下コイ
ルとなるように、コイル飛び数２ずつ数を飛ばしたスロ
ット番号毎に、各スロットに対するコイルの挿入を順次
にサイクリックに行ない、さらに、前記両端のエンドス
ロットに挿入される上コイル又は下コイルのうちコイル
飛び数２を確保することができない位置にあるものにつ
いては、これをその隣接するスロット内の上コイル又は
下コイルと連続させるようにし、前記Ｎ_s個のスロット
の全てに対応する上コイル及び下コイルの挿入を可能に
した、ことを特徴とするものである。

〔作用〕

毎極毎相のスロット数ｑはｑ＝（Ｎ_s−１）／（3P）
により求められる。上記構成によれば、スロット数Ｎ_s
は（3/2）・Ｐ＋１＜Ｎ_s＜3P＋１の条件式を満足するの
で、ｑの範囲も1/2＜ｑ＜１となる。ｑ＜１としたこと
により、モータ極数の多極化に有利なものとなる。ｑ＜
1/2としたのは、ｑが1/2以下になると、次第に可動子側
のティースと固定子側の磁極との間の吸引力の変化が大
きくなり、コギングトルクが増大することが知られてい
るからである。

ｑを１より小さく設定すること自体は、高調波低減の
趣旨に反するものとなるが、上記構成におけるコイルの
配置によって高調波を低減することが可能になる。

すなわち、まず、複素平面上の単位円周上に６相の領
域を等分に配置し、スロット番号♯１から順次にＰπ／
（Ｎ_s−１）ずつずらして配置する。これは、連続する
２つのスロット番号の複素平面上の距離をモータ極数Ｐ
の数に対応させて定めたことになる。

そして、可動子のスロットにコイルを挿入する際は、
コイル飛び数を最も小さな数である２と定め、スロット
番号♯１から順に、コイル飛び数２だけ数を飛ばしたス
ロット番号に続くようにしていけばよい。しかし、回転
型モータと異なり、リニアモータの場合は、可動子に端
部が存在するため、両端のエンドスロットには、規定の
コイル飛び数を確保できないものが必ず生じることにな
る。本発明では、規定のコイル飛び数を確保できないエ
ンドスロットに対して、その上コイル又は下コイルを、
これに隣接する上コイル又は下コイルと連続させるよう
にしている。これによって、Ｎ_s個のスロットの全てに
対して上コイル及び下コイルを挿入できるようになる。

以上のようにして、可動子に巻回された可動子巻線に
ついて考えてみると、互いに逆相関係にあるスロット間
の距離が極数Ｐに応じて最小のものとなっており、且
つ、エンドスロットを除くどのスロット間についても均
一となっていることがわかる。したがて、スロットを少
数にして、巻線を分布配置させることができるので、誘
起電圧（もしくは逆起電力）波形に含まれる高調波を低
減することが可能になる。

〔実施例〕

本発明の実施例に係るリニアモータの要部の側断面図
を第１図（ａ）に表わし、理論的巻線展開図を第１図
（ｂ）に示し、その等価的巻線展開図を第１図（ｃ）に
表わし、巻線の接続図を第１図（ｄ）に示す。

この実施例では、３相,4極のブラシレス直流リニアモ
ータを形成する場合につき説明する。

第１図（ａ）に表わした♯〜♯は可動子１のティ
ース番号であり、第１図（ｂ）に示した♯１〜♯10は可
動子１のスロット番号である。可動子コア１のスロット
１_a内には以下の手順で可動子巻線が巻装される。

第１図（ａ）の側断面図からわかるように、スロット
番号♯１から♯10までのスロット１_aを順次空隙面に沿
って等間隔に配置するとともに、各スロット１_aには上
コイル辺と下コイル辺の２つのコイル辺を収容させる。

U,,V,,W,の６相帯の各相帯に属するコイルのス
ロット１_aへの配置は、第２図に示したスロットへの巻
線の割り付け図による。

第２図において、複素平面を考え、原点の周りに単位
半径の円（単位円）を描き、単位円周を６等分して、そ
れら円弧を順次U,,V,,W,の６相帯に対応させる。

次いで、Ｕ相帯の円弧の中点を１番目のスロットに対
応させ、その後はこの点を起点として単位円周上で角度
Ｐπ/N_t＝Ｐπ／（Ｎ_s−１）〔rad〕すなわち（4/9）π
〔rad〕ずつ隔てて割り出した点を順次２番目以降９番
目までの各スロットに対応させる。

そして、各スロットの下コイル辺（第１図（ａ）にお
けるスロットの上側に挿入されるコイル辺）はそのスロ
ットが単位円周上で所属している相帯に割り付ける。

以上のようにして、６相帯の各相帯に属する各コイル
の下コイル辺の９個の可動子のスロットへの配置が決定
される。

すなわち、スロット番号♯１にはＵ相帯に属するコイ
ルの下コイル辺が、♯2,♯６には相帯に属するコイル
の下コイル辺が、♯７にはＶ相帯に属するコイルの下コ
イル辺が、♯3,♯８には相帯に属する下コイル辺が、
♯４には相帯に属するコイルの下コイル辺が、♯5,♯９
には相帯に属するコイルの下コイル辺が、それぞれ配
置される。

次に、各相帯に属する各コイルの上コイル辺のスロッ
トへの配置を決める必要がある。

基準として１番目のスロットをとって、単位円周上に
おけるこの１番目のスロットに対してほぼ角度π（ra
d）ずれた位置、すなわち相帯円弧の中点付近のうち
のスロット番号が１に近い方をとり、そのスロット番号
をｎ（ここでは３）とする。

ついで、これを基に、各下コイル辺から、これと対を
なす上コイル辺までの正規のコイル飛びｔが全てｔ＝ｎ
−１（ここではｔ＝３−１＝２）となるよにする。この
ようにして、コイル飛び数を計算してみると、Ｎ_sが（3
/2）・Ｐ＋１＜Ｎ_s＜3P＋１の条件式を満足し、且つ推
数３の倍数に１を加えた整数となっている限り、常に飛
び数は２となることがわかる。そこで、本発明では飛び
数を２と定めることにする。

しかし、ブラシレス直流リニアモータの場合、可動子
に端部が存在するため、両端のエンドスロット付近で
は、コイル飛び数２を確保することができなくなる。つ
まり、第１図（ｂ）の巻線の配置を見てもわかるよう
に、飛び数２を確保するためには、Ｖ相巻線のＸ₁,X₂の
コイルについてはその対となるコイル辺を架空のスロッ
トへ入れなければならない。この架空のスロットへ入る
コイル辺が、実際のスロットへ入るようにした点が、本
発明の特徴の一つである。

つまり、Ｘ₁,X₂のコイルを、第１図（ｃ）の等価的巻
線配置図に示すように、巻線回数がコイルＸ₁,X₂と同数
で等価に分割したコイルＹ₁,Y₂およびＹ₃,Y₄とする。し
かるに、Ｙ₁,Y₄のコイルは架空のスロットに入るコイル
であるので、この場合考慮しなくてよい。したがって、
考慮すべきＹ₂はスロット番号♯１から♯２へ入り、同
じくコイルＹ₃はスロット番号♯９から♯10へ入る。

このようにして、この実施例の巻線は、第１図（ｄ）
に示すような全て同一の巻回数となるＵ相に属するコイ
ル３個と、Ｖ相に属するコイル４個と、Ｗ相に属するコ
イル３個の10個の要素コイルを巻装して、２層重ね巻３
相巻線を構成する。

第３図は本発明の他の実施例に係るリニアモータの構
成を表わし、第３図（ａ）はその要部の側断面図、第３
図（ｂ）は論理的巻線展開図、第３図（ｃ）は等価的巻
線展開図、第３図（ｄ）は巻線の接続図を示す。

この他の実施例では、３相,8極（従来例である第７図
の場合の２倍）であるが、スロット数が16（従来例では
13），ティース数が15,毎極毎相のスロット数ｑがｑ＝5
/8の２層重ね巻,3相巻線を形成している。

巻数の手順は次の通りである。すなわち、上記の実施
例と同様に、第４図（巻線配置図）において複素平面の
単位円周を６等分して、それらの円弧を各６相帯に対応
させ、その単位円周上に各コイルの下コイル辺が入るス
ロット番号を割り付けていく。そして、各コイルの下コ
イル辺と対をなす上コイル辺を、下コイルが入るスロッ
トに対してコイル飛び数２だけずれた位置となるスロッ
トとする。

この他の実施例においても、先の実施例と同様に、Ｕ
相,V相,W相のコイル群のいずれかは、架空のスロットに
片側のコイル辺が入ることになる。

この例では、Ｗ相に属するコイル群の中にそれがあ
り、これも先の実施例と同様で、架空スロット片側のコ
イル辺が入るコイルをそれぞれ等価に２つのコイルに分
割し、架空のスロットに入るはずの片側コイル辺を実際
のスロットに入れる。

以上の手法で巻線を構成し、Ｕ相に属するコイル数
５、Ｖ相に属するコイル数５、Ｗ相に属するコイル数６
の合計16個の要素コイルが用いられる（第３図
（ｃ））。

第３図（ａ）の側断面図をみてもわかるように、第７
図（ａ）の従来例に比べ、可動子コア１のヨーク幅、固
定子ヨーク３のヨーク幅は、短くなり、また多極にする
ことで永久磁石２の厚さも薄くなる。

したがって、推力発生部の高さＨを同一とすると、ス
ロットの深さＲが深くなり、スロット数はほぼ同数であ
るから、スロット断面積は増加する。よって、従来例に
比較して、本発明は電気装荷ACが大きくなる。

なお、第５図は本発明における界磁用の永久磁石の斜
視図である。分数スロット巻線を適用しているので、ギ
ャップ磁束分布中に含まれる各空間高調波成分を低減
し、良好な誘起電圧波形が得られるから、従来例（第９
図）のように複雑な形状にする必要がなく、磁石コスト
が低減される。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、次に掲げる数多くの各段の
効果がある。

１つのコイルの飛びの長さＬ_tが小さくなり、１タ
ーンコイル長さに対する有効導体長さの割合も大きくな
り、モータ効率が向上する。たとえば、上記実施例（第
１図）と従来例（第７図）とではＬ_tの比が0.22/0.25で
ある。

スロット数Ｎ_sとモータ極数Ｐの関係が （3/2）Ｐ＋１＜Ｎ_s＜3P＋１ の条件下で、分数スロット巻線を可動子に施すので、ス
ロット数Ｎ_sが従来例の整数スロット巻線における毎極
毎相のスロット数ｑ＝１の場合とほぼ同数またはそれ以
下においても、モータの極数Ｐを２倍近くにでき、電気
装荷ACも大きくできることから、可動子コアのティース
の機械的強度も無理がなく、小形，高推力となる。

モータ極数Ｐを多くするので、過負荷耐力は同一で
永久磁石厚みＬ_mを減少させて磁石量を低減させること
ができる。例えば、従来例に比べ30〜40％の節減とな
る。

界磁用の永久磁石が平坦な通常の形状でも、本発明
の巻線方式では磁石からみたスロットパーミアンスが正
弦波状に変化するため、コギング力を低減できる。同一
形状の場合、従来例に比べ本発明では1/5〜1/10程度に
減少する。

結局〜より、巻線占有率も磁石加工性も向上し、
小形，高推力，高精度でかつコスト的にも有利なブラシ
レス直流リニアモータを実現できることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るリニアモータの構成を表
わす側断面図、巻線の接続図、第２図はそのスロットへ
の巻線の割り付け図、第３図は本発明の他の実施例に係
るリニアモータの側断面図、巻線の接続図、第４図はそ
のスロットへの巻線の割り付け図、第５図は本発明に用
いられる界磁磁石の形状の一例を示す斜視図、第６図乃
至第９図は従来例の説明図である。 １……可動子、２……永久磁石、３……固定子ヨーク、
４〜11……各相帯コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 遠矢 隆行 北九州市八幡西区大字藤田2346番地 株 式会社安川電機製作所内 (56)参考文献 特開 昭61−9161（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板状ヨークに対する永久磁石の貼付によ
   り、極数がＰの磁極が形成された固定子と、 前記固定子に対向して配設され、３相可動子巻線の上コ
   イル及び下コイルが挿入されるＮ_s個のスロットが前記
   磁極の形成方向へ所定間隔毎に形成された可動子と、 を備え、前記Ｎ_s個のスロットは、♯１〜♯Ｎ_sのスロッ
   ト番号が付されたものであって、このスロット番号の順
   序に従って、順次、前記磁極の形成方向に沿って形成さ
   れている、 ２層重ね巻き構造のブラシレス直流リニアモータにおい
   て、 前記Ｎ_sの数値を、（3/2）・Ｐ＋１＜Ｎ_s＜3P＋１、の
   条件式を満足し、且つ相数３の倍数に１を加えた整数と
   なるように定め、 複素平面上に描いた単位円の円周を６等分し、Ｕ相,V
   相,W相及びこれらの逆相である相，相，相の６相
   の領域を、この円周上へ時計回り方向又は反時計回り方
   向にＵ相，相,V相，相,W相，相の順序で設定し、 Ｕ相の円弧の中点をスロット番号♯１に設定した後、♯
   ２以降のスロット番号を、時計回り方向又は反時計回り
   方向に順次Ｐπ／（Ｎ_s−１）ラジアンずつずらしてNs
   個のスロット番号の位置を設定すると共に、コイル飛び
   数を２と定め、 少なくとも前記可動子の両端のエンドスロット及びこれ
   に隣接するスロットを除いて、あるスロット内の下コイ
   ル及び上コイルに連続する他のスロット内のコイルが、
   それぞれ同相の上コイル及び下コイルとなるように、コ
   イル飛び数２ずつ数を飛ばしたスロット番号毎に、各ス
   ロットに対するコイルの挿入を順次サイクリックに行な
   い、 さらに、前記両端のエンドスロットに挿入される上コイ
   ル又は下コイルのうちコイル飛び数２を確保することが
   できない位置にあるものについては、これをその隣接す
   るスロット内の上コイル又は下コイルと連続させるよう
   にし、 前記Ｎ_s個のスロットの全てに対する上コイル及び下コ
   イルの挿入を可能にした、 ことを特徴とするブラシレス直流リニアモータの巻線方
   法。