JPH01318536A - ブラシレスｄｃ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〕 この発明は、コイルを巻き付けたステータ磁極の他に補
極を有するステータと、円筒状でステータ対向面に磁気
的な溝が設けられラジアル方向に着磁されているロータ
磁石と、ロータ位置検出手段を有するブラシレスＤＣモ
ータ及びそれに用いるロータ磁石に関するものである。

〔従来の技術〕

ブラシレスＤＣモータにおいて起動を安定化させる技術
の一つとして、コイルを巻き付けたステータ磁極の他に
補極を設けたステータと、特殊な着磁パターンを持つロ
ータ磁石とを組み合わせて任意のロータ位１で電磁力が
Ｏにならないようにするものがある。ロータ磁石に形成
する着磁パターンは、その着磁極数をＰとしたとき円周
を３Ｐ／２分割し、順次Ｎ極、Ｓ極。

無着磁部とする。・このような技術は例えば米国特許第
３２９９３３５号に記載されている。ロータの位置検出
手段としては、ロータに直結したスリット付きの円板を
用い光電変換子で検出する技術と、ロータにロータ位置
検出用の磁石を別個に設けて磁電変換子で検出する技術
とがある。

第１０図はロータ位置検出手段として１個の磁電変換子
を用いた４極インナーロータ型の一例である。ステータ
はモータケース１とステータヨーク２、等間隔で配置さ
れた４個のステータ磁極３ａ、・・・、３ｄ、各ステー
タ磁極に巻き付けられるコイル４ａ、・・・、４ｄ１各
ステータ磁極の中間に位置する補極５ａｂ、・・・、５
ｄａからなる。ロータはトルク発生に寄与するロータメ
イン磁石７とロータ位置検出用磁石８とからなる。ロー
タ位置検出用磁石８に対向して磁電変換子６が設けられ
る。ここでロータメイン磁石７は、その全周が６０度ず
つ磁気的に区分され且つそれぞれの領域はＳｉ→無着磁
部→Ｎ極−８極−無着磁部−Ｎ極の順になっている。

なおロータメイン磁石７とロータ位置検出用磁石８の磁
極位置関係は第１１図に示すような所定の関係で結合さ
れている。

ロータ位置検出磁石８と磁電変換子６の位置関係が第１
０図に示すようになっている時、コイル４ａ、４ｃに通
電しステータ磁極３ａ、３ＣがＮ１１ｌｌ、その他のス
テータ磁極及び補極がＳ極に励磁されると、ロータメイ
ン磁石７のＮ極とステータ磁極３ａ、３ｃのＮ極が磁気
的に反１Ｂし合いロータは時計方向（矢印の向き）に回
転する。ロータが９０度回転した時点で、コイル４ａ、
４ｃの通電が切れると同時にコイル４ｂ、４ｄに通電さ
れ、ステータ磁極３ｂ、３ｄをＮ極その他のステータ磁
極及び補極をＳ極に励磁する。その結果ロータメイン磁
石７のＮ極とステータ磁極３ｂ、３ｄのＮ極同士の磁気
的反ｔａによりロータは引続き時計方向に回転し続ける
。

このようにロータが９０度回転する毎に磁電変換子６が
ロータ位置検出用磁石８の磁極変化を検出し、コイルへ
の通電を４ａ＋　　４ｃの組と４ｂ、４ｄの組を切り換
え、ロータを一方向に連続回転させるのである。

第１２図Ａ、Ｂにそれぞれロータメイン磁石７とロータ
位置検出用磁石８の表面磁束密度分布を示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような構造のブラシレスＤＣモータは、モータ起動
トルクが安定化しデイテントトルクが小さく好ましいが
、以下に述べるような欠点がある。

ロータ磁石の着磁パターンが特殊であり、特性の揃った
モータを量産することが難しい。つまり従来技術ではロ
ータ磁石に無着磁部を形成しなければならないため、特
殊なヨーク形状の着磁治具が必要だし、着磁装置の違い
（着磁電圧、着磁電流、電源の静電容量等）或いは周囲
温度の変化等によって空間磁束密度分布がばらついてし
まう、なおモータ特性はロータ磁石の着磁パターンに太
き（依有するため、空間磁束密度分布にばらつきがある
と、モータの特性が大きく変化することになる。

またロータ位置検出手段として磁電変換子６を用いる構
成では、トルクを発生するロータメイン磁石７の他にロ
ータ位置検出用磁石８を取り付けなければならず、ロー
タ構造は更に複雑化してしまう。

この発明が解決しようとする技術的課題は、ロータ磁石
中に無着磁部を設ける必要がなく完全着磁するため着磁
が容易で且つ空間密度分布のばらつきを少なくできるブ
ラシレスＤＣモータ及びそれに用いるロータ磁石を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記のような技術的課題を解決できるこの発明は、コイ
ルを取り付けたステータ磁極と補極を有するステータと
、円筒状でラジアル方向に着磁されているロータ磁石を
有するロータと、ロータ位置検出手段を具備し、ステー
タとロータとが周方向で対向するラジアルフランクス型
構造をなし、前記ロータ磁石は、ステータとの対向面に
磁気的な溝が設けられ且つ全体が着磁されているブラシ
レスＤＣモータ及びそれに用いるロータ磁石である。

ここで「磁気的な溝」とは、外観上明らかな通常の意味
での溝のみならず、そのような溝に非磁性の補強材が充
填されているような場合、更には希土類磁石のような高
性能磁石に設けられている溝にプラスチック磁石が充填
されているような場合も含んでいる。ロータ磁石は完全
な一体構造の場合の他に、複数の部材を集めて最終的に
ほぼ円筒状としたものも含む。ここで円筒状とはリング
状等も含む広い概念として用いている。

〔作用〕

この発明ではロータ磁石には無着磁部がなく全体が完全
着磁され、ステータ対向面に磁気的な溝を設けることに
よりモータとして構成した場合の周方向のパーミアンス
分布を変えて所望の空間磁束密度分布を得ている。補極
を有するステータと特殊な空間磁束密度分布を持つロー
タ磁石との組み合わせによって、任意のロータ位置でト
ルクが発生するようにし安定した起動特性を生じさせて
いる。

この発明ではロータ位置検出を行うのに、ロータ磁石の
ステータ対向面に面して１個の磁電変換子を設けるだけ
でよく、従来技術のようなロータ位置検出用磁石は不要
である。

〔実施例〕

第１図はこの発明に係るブラシレスＤＣモータの原理図
であり、４極アウターロータ型モータの例である。ステ
ータ部分についての基本的な考え方は第１０図に示す従
来技術とほぼ同様であるから、説明を分かり易くするた
め対応する部分には同一符号を付す。

ステータは、ステータヨーク２とそれに連続して９０度
の空間角で配置される４個のステータ磁極３ａ、・・・
、３ｄと、各ステータ磁極に巻き付けられるコイル４ａ
、・・・、４ｄと、ステータ磁極の丁度中間に配置され
る４個の補極５ａｂ。

・・・、５ｄａとから構成される。ロータ位置を検出す
るための磁電変換子６は例えばホール素子等であり、こ
こでは補極５ｂｃの先端に設けられる。

ロータはロータコーク１０とロータ磁石１１とを有し、
回転軸（図示せず）が取り付けられ回転自在に保持され
ている。

ロータ磁石１１の詳細を第２図に示し、その表面磁束密
度分布を第３図に示す。ロータ磁石１１は４極うジアル
着磁であり、２個所の溝１２ａ、１２ｂを有する。４極
の場合、′ａ１２ａ、１２ｂは１８０”対称的に磁極切
り換わり点にュートラル点）からＮ極及びＳ極へそれぞ
れ中心角度でθ０ずつ合計２θ０の幅である。

このような磁気的な溝１２ａ、１２ｂの存無によりロー
タ磁石１１の表面磁束密度分布は第３図に示すようにな
る。即ち溝１２ａ、１２ｂでは他の部分と比較してステ
ータ磁極と鎖交する表面磁束密度が極端に低下し、第１
２図Ｂに示す従来技術のロータメイン磁石の表面磁束密
度分布に近づく。一方ニュートラル点は４極の場合９０
′″の位置に必ず現れるため、第１０図に示す従来技術
のようなロータ位置検出用磁石を付加する必要がなくな
る。

ロータ磁石１１の溝幅を中心角で見て２θ。

とすると、その時の溝と磁極の配列は次のようになる。

なお角度の単位は度である。

Ｎ極（９０−θ）→Ｓ極（９０−θ）→溝Ｓ極（θ）−
溝Ｎ極（θ）−Ｎ極（９０−θ）−８極（９０−θ）−
溝Ｓ極（θ）−溝Ｎ極（θ）この発明の特徴は、周方向
で磁気的な変化を付けるように磁気的な溝を形成し且つ
全体が着磁され無着磁部がないように構成されている点
及びそれに伴ってロータメイン磁石とロータ位置検出用
磁石の区別を不要とした点である。

上記のように構成したブラシレスＤＣモータの動作原理
は前述した従来技術の場合と同様である。ロータ磁石１
１と磁電変換子６の位置関係を第１図に示すようにした
時、コイル４ａ。

４Ｃに通電しステータ磁極３ａ、３ｃをＮ極、その他の
ステータ磁極及び補極をＳ極に励磁すると、ロータ磁石
１１のＮ極とステータ磁極３ａ、３ｃのＮ極が磁気的に
反Ｉｎ　Ｌ合いロータは時計方向（矢印の向き）に回転
する。ロータが９０６回転した時点で、コイル４ａ、４
ｃの通電が切れると同時にコイル４ｂ、４ｄに通電され
、ステータ磁極３ｂ、３ｄをＮ極その他のステータ１極
及び補極がＳ極に励磁される。その結果ロータ磁石１１
のＮｌｉとステータ磁極３ｂ。

３ｄのＮ極との磁気的圧１ａによりロータは引続き時計
方向に回転し続ける。

ここで補極５ａｂ、・・・、５ｄａは、どのロータ位置
でもトルクを発生させる（死点がない）機能を果たす。

このようにロータが９０°回転する毎に磁電変換子６が
ロータ磁石１１の磁極変化を検出し、コイル４ａ、４ｃ
の組とコイル４ｂ、４ｄの組とで通電を切り換え、ロー
タを一方向に連続回転させるのである。

この発明において溝の角度θがモータ特性に及ぼす影響
について実験検討した。ステータ部の構造は一定とし、
第２図に亦すロータ磁石１１の溝１２ａ、１２ｂの角度
θを１５°。

２０”、３０＠、４０°の４種類と、比較のため従来方
式のロータ磁石を用いた例について、モータ軸トルクが
Ｌｏｇ−ｃｍの時のモータ回転数及びモータ電流を実験
により求め、それに基づき効率を計算した。その結果を
第１表に示す。

第１表 第１表から判るようにこの発明によれば従来技術と比較
して電流値が低下し効率が１〜６％上昇する。４極着磁
ロータ磁石を使用した時にはθ−３０″近傍で最も効率
が良いことが判った。第１表に示す実験は、ロータ磁石
とステータとのギャップ１．　と溝とステータのギャッ
プ１ｔとの関係はｔｌ−４ｔｚで行った。これは表面磁
束密度分布及び実験結果より決めたものである。従って
ロータ磁石に形成する溝形状は、０．３ｘ３６０／Ｐ＜
２θ＜３６０／Ｐ・・・（１）Ｄ≧Ｇ　　　　　　　　
　　　　　　　・・・（２）但し２θ：中心角でみたス
テータ対向面での溝幅（度） Ｐ：着磁極数 Ｄ：溝の中心部での深さ Ｇ：ステータとロータ磁石との最小間隙間隔 の二つの式を満たすように設定するのが望ましい。

この発明に係るブラシレスＤＣモータは様々な用途に適
用できるが、起動特性が良好で効率も高いことからファ
ンモータ等に好適である。

その例を第４図に示す。説明を簡略化するためモータ部
分については第１図と対応する部分には同一符号を付す
。

合成樹脂により一体成形したインペラ（羽根車）４０の
内側にロータヨーク１０が嵌太し、熱カシメにより固定
される。ロータのシャフト１８は、ケース４２に取り付
けられている軸受４４．４５により回転自在に支持され
、バネ４６で予圧を掛けた状態で止め輪４８により保持
される。ステータは、ステータヨーク２を積層して絶縁
した状態でコイル４ａ、−・・、４ｄを巻き付けたもの
であり、ケース４２の中心部の軸受ホルダに固定する。

ケース４２の内側には回路基板５０がネジ５１によって
取り付けられる。なおこの回路基板５０はコイル励磁切
り換え論理回路やスイッチング素子、ロータ位置検出用
の磁電変換子６等が実装されており、各コイル４ａ、　
・・・、４ｄの端子もこの回路基板５０に接続される。

必要な電力は外部からコード５２により供給される。

ロータ磁石に形成する溝の断面形状は矩形状のみに限定
されるものではなく、第５図Ａ−Ｈに示すような形状で
あってもよい０例えば同図ＡはＶ溝構造であり、Ｂは半
円状である。又Ｃに示すように溝底部両側にアールを付
けてもよいし、Ｄに示すように底部両側が中心角θより
食い込む構造でもよい。更にＥに示すように溝中央がス
テータ対向面に向かって膨出するような形状であっても
よい。溝の断面形状については、その他、適宜変更でき
る。

ロータ磁石の構造についても変形が可能である。第６図
及び第７図はその例を示している。

特性向上を図るためにはロータ磁石を焼結磁石や希土類
磁石のような高性能磁石で構成すればよいが、全体をそ
れらで製作すると高価になる場合も多い。そこで第６図
に示す実施例では必要な部分だけに焼結磁石や希土類磁
石のような高性能磁石５２を使用し、他の部分は安価で
成形し易いプラスチック磁石５１を用いて所望の形状に
したものである。これによってコストパフォーマンスの
良いロータ磁石が得られる。

ロータ磁石の溝は薄肉状になるから、強度的に弱くなっ
ており変形が起こり易く取り扱いにも十分な注意を必要
とする。第７図に示す例は、ロータ磁石５４の溝に適当
な補強材５３を充填することにより強度を高めた例であ
る。補強材５３としては例えば非磁性プラスチック材が
ある。またロータ磁石５４が焼結磁石や希土類磁石のよ
うな高性能磁石の場合には、補強材５３としてプラスチ
ック磁石を用いることもできる。

第８図及び第９図はロータの他の実施例を示している。

例えばファンモータのようにロータにインペラを結合す
る必要がある場合には、第８図に示すようにロータ磁石
５６とシャフト５５と補強材（ファンモータ用インペラ
）５７を一体成形すると良い、第９図は外周にギヤを有
する補強材５８によってロータ磁石５６とシャフト５５
とを一体成形している例である。

以上この発明の実施例について詳述したが本発明はこの
ような構成のみに限定されるものではない。上記の実施
例はアウターロータ型のモータであるが、インナーロー
タ型でも同様に構成できるし、駆動方式や磁石極数に依
存せず同様の高い効率が得られる。また磁石や補強材の
材料、補強材によって構成する部品等も種々変更可能で
あることは言うまでもない、更に磁電変換子でロータ位
置検出を行う方式の他、この発明は光電式でロータ位置
検出を行う構成にも適用できる。

〔発明の効果〕

この発明は上記のようにロータ磁石中に無着磁部がなく
完全着磁であるから、特殊なヨーク形状の着磁治具が不
要となり着磁治具の設計が容易となるし、着磁電源や着
磁電圧、電源の静電容量等によるばらつきが少なく、安
定した空間磁束密度分布を得ることができ、減磁等の心
配も無くなる。そしてロータ磁石の肉厚又は間隙間隔を
変えることにより任意の空間磁束密度分布を得ることが
可能となる。

この発明ではトルク発生に寄与するロータ磁石の着磁パ
ターンでロータ位置検出ができるので、従来技術のよう
なロータ位置検出用磁石が不要となり、ロータの構造は
極めて簡単になる。

更にほこの発明によって運転時の電流が低下するので効
率が向上し温度上昇が抑制される。

従来品と同一性能を出すのにロータ磁石の容積を少なく
できるから材料費の低減を図ることができる。またコギ
ングトルクも低減する。

このようにこの発明に係るブラシレスＤＣモータは製造
の容易化、モータ特性の向上とばらつきの低減など優れ
た効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るブラシレスＤＣモータの原理説
明図、第２図はそれに使用するロータ磁石の詳細図、第
３図はその表面磁束密度分布を示す説明図、第４図はこ
の発明をファンモータに適用した一例を示す断面図、第
５図Ａ〜Ｅはロータ磁石に形成する溝の断面形状の例を
示す説明図、第６図及び第７図はそれぞれロータ磁石の
他の実施例を示す断面図、第８図及び第９図はロータの
他の構成例を示す断面図である。 また第１０図は従来技術の一例を示す説明図、第１１図
はロータ磁石の詳細説明図、第１２図Ａ、Ｂはロータ位
置検出用磁石とロータメイン磁石の表面磁束密度分布を
示す説明図である。 ２・・・ステータヨーク、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ　・
・・ステータ磁極、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、−・コイ
ル、５　ａｂ、　　５　ｂｃ、　　５　ｃｄ、　　５　
ｄａ−補極、６・・・磁電変換子、１０・・・ロータヨ
ーク、１１・・・ロータ磁石、１２ａ、１２ｂ−溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．コイルを取り付けたステータ磁極と補極を有するス
   テータと、円筒状でラジアル方向に着磁されているロー
   タ磁石を有するロータと、ロータ位置検出手段を具備し
   、ステータとロータとが周対向型のブラシレスＤＣモー
   タにおいて、前記ロータ磁石は、ステータとの対向面に
   磁気的な溝が設けられ、且つ全体が着磁されていること
   を特徴とするブラシレスＤＣモータ。 ２．ロータ位置検出手段は、ロータ磁石のステータ対向
   面に面して設けられた１個の磁電変換子からなる請求項
   １記載のブラシレスＤＣモータ。 ３．ロータ磁石の磁気的な溝の形状は、 ０．３×３６０／Ｐ＜２θ＜３６０／Ｐ Ｄ≧Ｇ 但し２θ：中心角でみたステータ対向面での溝幅（度） Ｐ：着磁極数 Ｄ：溝の中心部での深さ Ｇ：ステータとロータ磁石との最小間 隙間隔 の二つの式を満たしている請求項１記載のブラシレスＤ
   Ｃモータ。 ４．円筒状をなし、周面の軸方向に磁気的な溝が設けら
   れ、且つ全体がラジアル方向で複数極に着磁されている
   ことを特徴とするロータ磁石。 ５．特性の異なる磁石材を組み合わせて構成されている
   請求項４記載のロータ磁石。 ６．溝内に補強材が充填されている請求項４記載のロー
   タ磁石。 ７．請求項４記載のロータ磁石がロータ磁石保持用のハ
   ウジングと一体形成されているブラシレスＤＣモータの
   ロータ。