JPH0628499B2

JPH0628499B2 - ブラシレスｄｃモータ

Info

Publication number: JPH0628499B2
Application number: JP54052003A
Authority: JP
Inventors: フランク・ア−ノルド・ジユニア; ダナ・エフ・ガイガ−
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1978-05-08
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1994-04-13
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: DE2918493A1; US4228384A; GB2110123A; CH652257A5; IT7948977A0; IE48332B1; JPS54147404A; NL7903619A; GB2110123B; FR2425755A1; AU4569579A; IE790923L; FR2425755B1; GB2020915B; IT1163996B; GB2020915A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、プリント回路型のＤＣモータ、特に軸方向の
エアギヤツプを有するブラシレスＤＣモータに関するも
のである。

プリント回路型のＤＣモータは、たとえばスウイゲツト
の米国特許第２，９７０，２３８号によつてまたブラシ
レスＤＣモータは、たとえばバンの米国特許第４，０７
２，８８１号及びシユラー等の米国特許第４，００７，
３９０号によつて開示され、現在広く知られている。

ここに、“プリントモータ”、詳しくは“プリント回路
型のＤＣモータ”と記載するときは、プリント回路技
術、スタンピング（打抜）技術又は巻線技術等によつて
形成された低インダクタンス電機子を用いる永久磁石Ｄ
Ｃモータを意味している。ところで、ボードの米国特許
第３，１４４，５７４号はプリント回路技術により形成
された低インダクタンスの電機子を、ウエイス等の米国
特許第３，５６６，７２７号はスタンピング技術により
形成された低インダクタンス電機子を、さらにケオの米
国特許第３，５５０，６４５号は低インダクタンス巻線
型電機子を、それぞれ開示している。

本発明における平坦な非鉄材料からなる低インダクタン
ス電機子は、モータハウジングに接合され、永久磁石は
ロータと共に回転するようになつている。このモータで
は、ブラシの代りに電子整流を採用し、光電検出器によ
つてロータ位置のデジタル表現を生成する。このデジタ
ル表現は、デコードされ、ブラシ代替技術により選択的
かつ漸進的に電機子巻線の磁界分担部を付勢（励磁）す
るのに用いられる。本発明ではこれらのことを行ないつ
つ、高い起動トルク並びに通常のＤＣモータとしての可
変速度特性を発揮させるものである。

ここに記載されたモータは、種々の利点を有する。たと
えば、２５，０００ＲＰＭ程度の高速度であつて、１／
４乃至５又は１０馬力程度までの大トルクとを併せもつ
ものである。本発明の別の利点は、電機子をモータ体に
接合したことによる大きい熱容量を実現したことであ
る。

本発明のモータの応用分野としては、たとえば繊維引出
し及び計測等の織物工業である。この場合、モータには
高速度における十分な馬力を発生できること、及び連続
運転できるように設計されていることが要求される。こ
の分野においては、従来より同期リラクタンスモータが
採用されている。しかしながら、同期リラクタンスモー
タは、定常状態で単に１／２から３／４馬力しか必要と
しないときでさえ、起動後速やかに定格速度に達するた
めに１．５馬力もの規格容量にする必要があつた。本発
明のブラシレスＤＣモータは、従来技術における同期リ
ラクタンスモータよりもすぐれた起動特性を有する。

ブラスレスＤＣモータにおいて、ロータ磁極の位置は上
記検知されなければならない。本発明の一実施例におい
ては、８極式の場合、これらの磁極位置を独自の方法で
測定するために３個の光学センサが用いられる。この３
個の光学センサは機械角で４５゜ごとに刻目を形成した
外周を有する不透明デイスクと関連して用いられる。こ
れにより、センサは３ビツトのグレー・コード、すなわ
ち、毎回３ビツト中のいずれか１ビツトのみが変化す
る、別名“交番二進コード”を発生する。この絶体コー
ド化は、始めからその方向に付勢されるときは、いずれ
の方向にもモータを回転させうるものである。また、他
の形式のセンサ、たとえば可変リラクタンスセンサ等
も、それらが絶対位置情報を発生するものである限り、
採用することができる。

８極の実施例において、スイツチングは９０゜あたり９
回、すなわち１回転で２４回生ずる。スイツチングが、
モータ回転数２５，０００ＲＰＭにおいて、１回転あた
り２４回であれば、スイツチング周波数は１０ＫＨｚと
なる。この高いスイツチング周波数は、電機子が低イン
ダクタンスなるがために可能である。

この８極の実施例で、整流は幅４５゜の場によつて行わ
れる。選択的に、この４５゜の場は各１５゜の場に３分
される。このようにすると、ロータ角の関数であるトル
ク・リツプルが５％以下に減少する。

連続した多数のコイルからなる電機子（巻線）は、所望
に応じて再接続されるいくつかの独立コイルを形成する
ように切断されうる。一つの形状において、これらの独
立コイルを形成すると、モータのＫ_Ｔを２倍にする効果
となり、半導体スイツチの数を半減させることができ
る。

第１図を参照すると、ステータ(11)、ロータ(12)及びシ
ヤフト(13)を有する８極ブラシレスＤＣモータ(10)が図
示されている。ステータ(11)には、低リラクタンス電機
子(15)が取付け、接合されている。電機子(15)はワイヤ
(15a)により付勢される。電機子(15)は磁石(14a)及び(1
4b)から隔つてこれらとの間に空隙を形成する。

シヤフト(13)上には、各４５゜の範囲を占める４５゜ノ
ツチ（刻目）を有する外周をもつたコード板(16)が固定
される。回転コード板(16)に近接した位置には、たとえ
ば発光ダイオード（ＬＥＤ）及びフオト検出器からなる
光電センサ(17)が固定される。

第２図を参照すると、回転コード板(16)とともに、光電
センサ(17)、(18)及び(19)が１５゜置きに配置された状
態が示されている。このようなコード板とセンサとの結
合はロータ、したがつて磁石の位置を表現する独得のデ
ジタルコードを発生する。

第３図はコード板(16)がセンサ(17)、(18)、(19)を通過
するとき、前記コードがどのように発生するかを線図的
に示したものである。これは次表の通りになる。

発生した位置コードは、グレー・コードすなわち、状態
の変化ごとに１ビツトのみが変化するコードである。こ
れは状態変化の不明瞭性をなくするものである。

第４Ａ図は低インダクタンス電機子としてプリント形成
された電機子の個々の導電線を示すものである。電流は
電機子(15)の両側に流れるものとして示されている。本
発明についての説明を簡略化するため、電機子の各導電
線は“電流シート”を構成するものとして示すことがで
きる。電流シートを有するプリント電機子の理想図は第
４Ｂ図に示されている。バツテリー(22)として記号化さ
れたＤＣ電源より、ブラシ(20)及び(21)を介して付勢さ
れるプリント電機子(15)は第５図に示されている。この
図は、常套的な、８極ＤＣプリントモータに採用された
ものとして電機子を図示している。ブラシ(20)及び(21)
は４５゜隔たり、４５゜範囲の電流シートを形成する。

しかしながら、ブラシレスＤＣモータにおいては、電機
子は固定的であり、磁石が作動する。すなわち、本発明
のプリント電機子が、第６Ａ図に示すようなブラシ位置
で給電され、磁石(23)及び(24)がやはり第６Ａ図に示す
位置からスタートしたとすれば、これらの磁石は第６Ｂ
図の位置に達した時、停止することとなる。磁石は、各
々の半部が互いに逆の電流方向の領域に位置する時、停
止する。これは磁石(23)の場合、その上半部（後半部）
において生ずるトルクが反時計方向であり、下半部（前
半部）において生ずるトルクが時計方向となるからであ
る。同じことは、磁石(24)でも生ずるため、全体として
トルクはゼロとなる。したがつて、これらの磁石が第６
Ｂ図に示す位置に達するまでに、電機子磁界の位置を変
えるための、なんらかの手段が必要となる。

これは電機子のブラシ列に沿つて導電線をハンダ付する
ことにより達せられる。すなわち、磁石が移動すると、
各一対の導電線が付勢されて、与えられた磁石位置のた
めの妥当な電流シートを形成する。それは、理想的には
電機子上で可能なすべてのブラシ位置に対応して、可能
な導線の各一対ごとに付勢するのが望ましい。しかし、
経済性の上から、そして特に、各一対のターミナルは双
方向的に給電されなければならないという制約により、
このようにすることは困難である。すなわち、外向電流
シートとするか、内向電流シートとするかは、その電流
シート上に磁石のＮ極かＳ極のいずれかが位置している
かということに対応して決定されるべきであり、ここに
与えられた磁界分担部のための電流シートが形成される
のである。

ここにいう“磁界分担部”とは、当該磁極からの磁界
（界磁束）と一単位において錯交し、回転力を生ずる電
機子導体の配列範囲のことである。

しかし、トルクリツプルを最少限にするためには１極あ
たり３つの磁界分担部とするのが好ましく、さらには１
極あたり３より多い磁界分担部として用いることもでき
る。

三磁界分担部とした電機子は第７図に示されている。三
つの磁界分担部を形成するためには、この場合(30)〜(4
1)で指示する１２個のスイツチが必要である。これらの
スイツチは、なるべくならトランジスタ又はＳＣＲから
なるのが好ましい。各磁界分担部は電流シート上にＮ極
又はＳ極が来ることに対応して、このシートが（スイツ
チ(30)−(31)に関し）外向を指示し、あるいは（スイツ
チ(36)−(37)に関し）内向を指示することになる。（結
局、各位置に対しては３つの磁界分担部が存在すると共
に、双方向性をもつことになる。（模式的に示された第
７図より導かれる一般式によれば、スイッチ数は１極あ
たり磁界分担部数の４倍であり、したがって、１極あた
り２つの磁界分担部とするときは、スイツチは８個だけ
でよい。１極あたり４つの磁界分担部とするときは、１
６個のスイツチが必要となる。

好ましい実施例では、磁石が４５゜のセグメントに対応
する８極（８磁石）型が採用される。この場合、１極あ
たり３個形成される磁界分担部の各々は１５゜間隔とな
る。したがつて、（電子回路的には）９０゜あたり６個
の明確な等間隔の状態が必要である。すなわち、磁界分
担部（３個）と、方向（双方向、即ち内向及び外向）と
の２要素が情報のビツト数を決定するため６状態である
ことが要求される。このことが実施例において、コード
板と共に、１５゜間隔で３個のセンサを用いる理由であ
る。このような組合せが、９０゜あたり６個の明確な３
ビツト・デジタル数を生成せしめる。

スイツチ列においては、まず最初にスイツチ(30)及び(3
7)が閉じられる。磁石(23)及び(24)が１５゜回転する
と、スイツチ(30)及び(37)は開かれ、スイツチ(32)及び
(39)が閉じられる。磁石がさらに１５゜回転すると、ス
イツチ(32)及び(39)が開かれ、スイツチ(34)及び(41)が
閉じられる。

ここに採用した整流子の型は、１回転あたりの整流数は
少ないが、電子スイツチによつて単にブラシ作用を模擬
したものであるから、“ブラシ代用”又は“偽似ブラ
シ”とでもいうべきものである。

本発明の好ましい電機子は、四層型である。二層電機子
はすでに汎用されており、二層及び四層電機子と、それ
らの製造方法は、「電気モータの電機子及びその製造方
法（“Method and Apparatus for Electric Motor Arna
tures”）」と題する米国特許第３，５６６，７２７号
において開示されている。二層及び四層電機子と、それ
らの製造方法を記載した前記米国特許の部分があること
をここに注記し、それらの図面と説明を本明細書の記載
の一部としてここに略記再掲する。

第８図は、好ましく形成された四層電機子(15)の一部を
示している。すなわち、電機子の各層は電機子巻線の１
コイルターンの各半部を形成する導体の配列からなり、
この配列により形成される偏平な環状体の内周及び外周
には各導体の内端及び外端が位置することになる。コイ
ルターンは互いに接続されるべきコイル辺導体を有する
二層の内周及び外周における互いに対応した導体端部を
溶接して電機接続することにより形成される。第８図に
おいて(15)を付した円弧範囲には、上記のような一層の
配列導体とこの導体の内端及び外端における溶接片を示
している。さらに、第１２図は本発明において四層電機
子を形成するために採用した米国特許第３５６６７２７
号の第４Ｃ図において開示された四層間のコイルターン
接続方法を示すものである。この第１２図から明らかな
通り、上中間層における波状導体(150)は互いに溶接さ
れた外周タブ(152)及び(153)を介して下中間層における
巻込み（半ループ状）導体(151)に接続される。これら
の導体における中央部は磁極中心間隔だけ隔たって一つ
の電機子コイルを提供するものである。

巻込み導体(151)はさらに、互いに溶接された内周タブ
(155)及び(156)を介して下底層における巻込み導体(15
4)に接続され、この巻込み導体(154)はまた、互いに溶
接された外周(158)及び(159)を介して頂上層における波
状導体(157)に接続され、これによって第２の電機子コ
イルが形成される。四層電機子の残りの導体もまた、同
様な方法において連続した閉コイル電機子巻線を形成す
るように順次接続される。

上記のようにして接続された二回巻コイル構造におい
て、頂上層コイル導体(157)の内端（図の左側の端部）
及び上中間層における波状導体(150)の内端（図の下側
の端部）が、それぞれ他の二回巻コイルの上中間層導体
(150)及び頂上層導体(157)の内端に溶接接続されなけれ
ば、この二回巻コイル自体がセパレートコイルとしてコ
イル導体以外の接続手段により他のセパレートコイルと
電機子結線構造に応じて接続されることになる。例え
ば、Ｙ結線電機子を形成する場合のセパレートコイルの
頂上層又は上中間層導体の内端のいずれかが中性点導体
に接続され、他方の導体の内端が相電圧端子に導かれる
ことになる。

セパレートコイル構造の上記のような両端子は一旦溶接
された内端を切断することにより形成されるものであ
る。なお、コイル導体の外端接続を切離すことによって
もセパレートコイルのコイル端とし得ることも明らかで
ある。この態様は、上記米国特許第３５６６７２７号の
第４Ａ図及び第４Ｂ図にそれぞれ対応する第１３Ａ図及
び第１３Ｂ図を参照して次の通り説明される。

まず、導体(157)の配列を有する頂上層(160)及びコイル
導体(150)の配列を有する上中間層(161)は第１３Ａ図に
示す通り、絶縁体板(162)の両側面に接着され、波状導
体を形成して二層サブアセンブリが形成される。この場
合の下部層(161)は位置決めピン(163)及び(164)にそれ
らの整列孔を整合させ、上部層(160)は絶縁体板(162)を
挟んで下部層(161)と対向するように同様に整合配置さ
れるものである。

これら二層の内端タブは絶縁体板(162)に関して対称的
に位置し、かつ互いに整列するため、溶接により相互接
続することができる。したがって、この二層サブアセン
ブリは絶縁体板(162)にこれらの層が形成する導体パタ
ーンを接合し、次いで、中央部の不要部分を打抜除去
し、さらに、両層の対応する内端タブ同志を溶接するこ
とにより完成される。

電機子巻き込み導体用二層サブアセンブリもまた、第１
３Ｂ図に示す通り、絶縁体板(162)の両側面にこれらを
接合することにより、同様に形成することができる。す
なわち、サブアセンブリの上部層(165)は第１２図に示
した下中間層の巻き込み導体(151)の配列を有し、下部
層(166)は第１２図における下底層の巻き込み導体(154)
の配列を有するものである。

これらの二種類の二層サブアセンブリが第１３Ａ図の上
部層(160)の頂上層となるように、別の絶縁体板（図示
せず）を挟んで互いに整合する配置で重ねられ、前述し
た第１２図に示すように、最上層(160)の外端及び下底
層(166)の対応する外端が整列するとともに、第１３Ａ
図の下部層(161)の波状導体(150)の外端、すなわち外周
タブ(153)及び第１３Ｂ図の上部層(165)における巻き込
み導体(162)の外端、すなわち外周タブ(152)が互いに整
列し、この状態において全四層の導体配列を含む構造の
外周タブより外側の部分が切除され、ここで、対応する
外端タブ同志が溶接される。このようにして全コイル導
体端が溶接接続されたエンドレスループコイル形成さ
れ、このエンドレスループコイルを設計に応じて要求さ
れるセパレートコイルとするため、所定の内端（又は外
端）のタブ溶接部分を切断することにより、前述した通
りのセパレートコイルが形成されるものである。

ブラシレス・プリント回路ＤＣモータにおいて整流を行
う方法は、ひとつの磁石あたり５個の磁界分担部を有す
るモータと関連して説明されるであろう。このようなモ
ータは１極あたり１０個の不連続な状態（５個の磁界分
担部であつて各位置ごとに電流が双方向性を有する）を
要求する。

第９Ａ図は、１０個の不連続状態を発生するために必要
な回転コード板(44)、及び５個のセンサ(45)〜(49)を示
すものである。第９Ｂ図は、センサ(45)〜(49)を通過す
るコード板(44)の回転がいかにして次表のような位置コ
ードを生成するのか、線図的に示すものである。

ブラシレス・プリント回路ＤＣモータに関連して用いら
れる回路は、概括して整流素子のセツトと、パルス幅変
調（ＰＷＭ）電流源、及びマグネツト位置を示すデータ
をデコードするための補助論理回路からなつている。第
１０図は１極あたり５個の磁界分担部を有するモータの
ための駆動回路を簡略かつ線図的に示すものである。

トランジスタ(50)は、約５ＫＨｚの周波数を有するＰＷ
Ｍ波形によりドライブされるスイツチングトランジスタ
である。トランジスタ(50)がターン・オンするとインダ
クト(51)の図における上端には電源電圧Ｖ_Ｓが現れる。
また、トランジスタ(50)がターン・オフすると、インダ
クト(51)は電源電圧から切離される。このオンタイム
の、オフタイムに対する比率を制御することにより回路
への実効圧力入力が制御される。これは、いわゆるパル
ス幅変調（ＰＷＭ）である。インダクト(51)を通る電流
は瞬間的に変化することができず、このインダクト(51)
により平滑化され、結局モータにはほぼ純粋な直流が供
給される。抵抗(52)は、電流検知抵抗である。トランジ
スタ(50)のオフタイムの際、ダイオード(53)はインダク
ト(51)を通り、負荷に流入する連続した電流を許容す
る。

ＳＣＲ(63)〜(82)は、モータ電機子の内径側における溶
接片（コイルターン又はループ形成導体と、接続用又は
第３の導体との接続部）に接続されている。接続用導体
を第３導体と呼ぶゆえんは、コイルターンが打抜き電機
子層の２条の導体（すなわち、第１導体及び第２導体）
により両コイル辺から形成されるのに対し、接続用導体
はこの第２導体の次のコイルターンの第１導体と接続す
るためにのみ用いられるというその導体の役割又は位置
からくるものである。すなわち、第１２図を参照する
と、四層電機子における頂上層の打抜導体(157)はその
左側のコイルターン（図示せず）を、次のコイルターン
である中間層の打抜導体の１番目(154)に接続する第３
導体であり、第２導体(151)は下底打抜導体である次の
第３導体(150)に接続されていることがわかる。このよ
うに前のコイルターンの第２導体と、次のコイルターン
の第１導体を形成する二つの中間層導体に接続される第
３導体はコイル接続に伴い、頂上層及び下底層において
交互に出現する。そこで、これらのＳＣＲを１回に２個
ずつ順次付勢すると、ＤＣモータのブラシ作用が電子的
に模擬されることになる。たとえば、ブラシ付の標準的
なモータの場合は、第１の溶接片におけるひとつのブラ
シと、第１６の溶接片における別のブラシとを有するこ
ととなり、モータにはこれによる電力供給が行われる。
ＳＣＲ(63)及び(78)を付勢すると、モータは、これらに
対応する溶接片上にブラシが位置するかのごとく作動す
る。逆方向の回転の場合には、ＳＣＲ(68)及び(73)が代
りに付勢される。

あるＳＣＲがターン・オンすると、これは流通電流がそ
の保持電流よりも小さくなつた時、初めてターン・オフ
する。トランジスタ(54)は、この機能を果たすための整
流トランジスタである。トランジスタ(54)はノーマリ・
オン（常接、すなわち完全飽和型）として作用する。Ｓ
ＣＲの与えられたセツトをターン・オフしたいときに、
トランジスタ(54)がターン・オフされる。このトランジ
スタのターン・オフは、ＳＣＲ流通電流を、トランジス
タ(54)の漏れ電流まで減少させる。この漏れ電流はＳＣ
Ｒの保持電流よりも十分に小さい。トランジスタ(54)が
オフである時の、整流期間において、インダクタ(51)中
の電流は、トランジスタ(50)及びインダクタ(51)の直列
回路に渡して接続されたダイオード(55)を経て電源に還
流する。ＳＣＲはこのようにして所望通りのターン・オ
ン又はオフ作動することができる。

要約すれば、トランジスタ(50)は電源電圧をインダクタ
(51)に交互的に接続及び分離する。インダクタ(51)中の
電流は、トランジスタ(50)のオン／オフ比を変えること
により制御される。トランジスタ(50)がオフの時、電流
はダイオード(53)を流れる。また、トランジスタ(50)が
オンの時、電流はダイオード(53)を経て電源に還流す
る。トランジスタ(54)はＳＣＲ群を整流し、したがつ
て、これらのＳＣＲは所望の通りにオン／オフされる。

通常のＤＣモータのブラシは電機子中のすべての導体と
接触する。本発明のブラシレスＤＣモータの特別の実施
例によれば、すべての第３導体のみが使用される。各第
３導体の使用は、なんらの悪影響、すなわち“クリツピ
ング”を生ずるものでないことが、電機子巻線及び磁石
径の幾何学的配置よりして明らかである。ここに、クリ
ツピングとは電機子中の不正確な電流方向により減速ト
ルクを生じる現象のことである。

最初に述べた通り、ＳＣＲのセツトは回転磁石の位置関
数としてオン／オフされる。この目的で、電子回路に上
の位置情報を供給するために第９Ａ及び９Ｂ図に示すよ
うな絶対エンコーダが用いられる。概括すれば、ＳＣＲ
のターン・オフの順序は、ＳＣＲ(63)及び(78)、(64)及
び(79)、(65)及び(80)、(66)及び(81)、(67)及び(88)、
(68)及び(73)、(69)及び(74)、(70)及び(75)、(71)及び
(76)、(72)及び(77)である。この順序において一対の磁
極（Ｎ及びＳ）が電機子の面を横切つて正確に駆動され
る。このモータのための絶対エンコーダは１０の明確で
等しい区間位置をエンコードする。それはすでに述べた
通りグレー・コードすなわち、１回に１ビツトのみが変
化するコードである。

エンコーダ出力、すなわちセンサ(45)〜(49)の出力はデ
コーダ(43)（第９Ａ図）に供給され、ここで、磁石位置
のデータにデコード（解読）される。デコーダ(43)の出
力は種々の位置にあるＳＣＲ(63)〜(82)に達する。デコ
ーダ(43)は、たとえば１０個の５入力アンドゲートから
なる。

本発明のブラシレスＤＣモータにおける整流は、磁極あ
たり５つの磁界分担部を適用する場合について詳述した
が、磁極あたり、３つの磁界分担部を用いる場合の作動
も原理的には同じである。後者における唯一の相違点
は、３個のセンサを必要とし（第２及び３図）、ＳＣＲ
が第１０図のように１０対でなく、６対でよいことであ
る。すでに述べた通り、磁極あたり磁界分担部の数は、
２より多ければよく、その数の選択は応用分野の特質に
よることである。

四層電機子を用いて、比較的大馬力のブラシレスＤＣモ
ータを形成するために、発明者はそれぞれが前述したよ
うな二層の巻線体からなる２個の電機子を直列に配置す
るという概念を想起した。これは、トルク定数Ｋ_Ｔ及び
電圧定数Ｋ_Ｅを倍化し、軸スラストをゼロに、可聴ノイ
ズを小にすることを、同数のスイツチにおいて可能にす
るものと考えられる。

念のため、ここで、係数Ｋ_Ｔ及びＫ_Ｅは次の通りに定義
されるものとする。

電機子導体が既知の磁束φからなる磁界中を移動する場
合、それらの導体に誘起される電圧は導体の運動速度の
直接的な関数となり、電気機械設計において、Ｋ_Ｅは電
圧定数とし、次のように表わされる。すなわち、誘起電圧Ｅ＝Ｋ_Ｅ・ｎここに、ｎ＝速度Ｋ_Ｅ＝電圧定数（Ｖ／ＲＰＭ）より特定すれば、電圧係数Ｋ_Ｅは導体数と、磁束φ、及
び磁極数に比例した関数である。

同様に、電機子導体が既知の磁束φにおける磁界中に存
在する場合、もし電流が導体に供給されれば、導体が受
けるトルク（回転電機子の場合はトルクであり、線型電
機子の場合は力となる）は、供給電流の直接的な関数と
なり、電気機械設計においてＫ_Ｔ、すなわちトルク定数
は、トルクｔ＝Ｋ_Ｔ・Ｉここに、Ｉ＝供給電流（Ａ）、Ｋ_Ｔ＝トルク定数（Ｆｔ−Lbs／Ａ）より特定すれば、トルク定数Ｋ_Ｔは導体数と磁束φ、及
び磁極数の直接関数である。

したがって、与えられた電気機械設計におけるＫ_ＴとＫ
_Ｅの間には、直接かつ不可分の関係が存在する。しかし
ながら、２個のブラシレス電機子を、実質的にスイツチ
数を増やすことなく直列的に用いることは困難であるこ
とが判明した。また、電機子を並列接続することは可能
であるが、Ｋ_Ｔ及びＫ_Ｅが半減し、かつ小型モータを作
動させる場合でも、比較的大電流を必要とするなどの欠
点がある。発明者はまた、第２の電機子内における導体
配列を第一の電機子におけるＹ結線の各相巻線に直列さ
れた部分として分配するように四層電機子の６箇所の溶
接片を切断するという概念を想起した。第２電機子にお
ける各コイルは、これにより独立し、第１の電機子にお
ける妥当なコイルと直列に接続される。この構造は第１
１Ａ図に示されている。この直列Ｙ接続は、単一の電機
子のＫ_Ｔ及びＫ_Ｅを倍化するという利点を有する。２個
の電機子を直列にして用いると、Ｋ_Ｔ及びＫ_Ｅは結局４
倍になる。第３の利点は、３つの磁界分担部のために、
前記直列接続のために切断すべきであった溶接片を切断
しなかった場合の１２個に比してその半分である６個の
スイツチのみが要求されるということである。すなわ
ち、Ｙ接続の各辺を１極あたりの各磁界分担部とみた場
合、各１辺のみを付勢して他の２辺を休止状態とする整
流方式であれば、Ｙ接続の中心点にもスイッチ素子が必
要であるが、中心点を通る２辺の直列回路ごとに順次付
勢しつつ分担部を移動させる方式をとれば、Ｙ接続の各
外端に２個の（正及び負極性の）スイッチ素子を接続す
るのみ（合計６個）でよいことになる。しかしながら、
一方の電機子のコイルを他方の電機子のＹ結線の外端に
直列接続するための溶接片切断を行わない場合には、上
記のような計６個のスイッチ接続を２組設け、これを直
列接続する形となるためにその２倍の１２個が必要とな
るわけである。

二層電機子の場合、これを切断する方法は、９０゜円弧
範囲における溶接片の数をカウントしてこれを６で徐
し、その商に対応する数の点をそれぞれ切断することで
ある。たとえば、９０゜円弧範囲内に３０個の溶接片が
あるとすれば、５番目の溶接片ごとに、６対の切断溶接
片ができあがるまでの切断する。これらの溶接片は６個
の独立コイルを形成し、好ましい実施例においては磁界
分担部／磁極の数が３であるため、この６個の独立コイ
ル（磁界分担部）が９０゜内において３個ずつ２極に振
り分けられ、モータの極数は８極となる。しかしなが
ら、磁界分担部／磁極数が２であれば、９０゜内で６個
の独立コイルは２個ずつが３極に振り分けられ、モータ
の極数は１２極となり、逆に磁界分担部／磁極数が４で
あれば、９０゜内で６個の独立コイルは計算上１．５個
の磁極に振り分けられ、結局モータの極数は６極とな
る。１極あたりの磁界分担部数（独立コイル数）は多い
ほどトリクリプルが少なくなるが、極数は多く、電子整
流回路も複雑となる。このような兼ね合いにおいて電機
子巻線の９０゜範囲を６分割した場合には、１極あたり
の磁界分担部数３として８極モータにするのが最も好ま
しい選択となるが、前述のように１２極あるいは６極モ
ータをも形成しうるものである。四層電機子の場合も、
類似の手順が適用されるが、溶接片の数は２倍となり、
新しいコイルは全体として各切断箇所において始まるよ
うに注意しなければならない。四層電機子の典型的な例
では、第１２図に示すようにスイッチ回路に接続さる一
つの溶接片（頂上頂導体151に接続されたもの）で終わ
ったコイルターン（図示せず）は図で左巻きの方向であ
るが、導体(154)及び(151)からなる次のコイルターンは
図のごとく右巻きの方向に巻かれて接続用導体(150)に
達する。このように四層電機子の場合は接続用導体及び
その内径側溶接片ごとに区分されるコイルターンの巻き
方向が反転し、そのような巻き構造を形成するために、
コイルを形成する二導体、例えば(151)、(154)の内径側
溶接片を誤って切断しないよう十分に留意すべきであ
る。

第１１Ａ〜１１Ｄ図は、種々の組合せを形成するように
６個のコイルが対状においてどのように接続されるかを
示すものである。すなわち第１１Ａ図は直列Ｙ接続を、
第１１Ｂ図は並列Ｙ接続を、第１１Ｃ図は直列Δ接続
を、そして第１２Ｄ図は並列Δ接続をそれぞれ示すもの
である。これらのコイル配置は種々のモータ特性に寄与
する。第１１Ａ図の直列Ｙ接続と、非切断電機子との実
験的比較によれば、前者のＫ_Ｔはほぼ２倍になつた。他
の接続構造においても固有の利益があり、適当な応用分
野に振り向けられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるブラシレスＤＣモータを示す断面
図、第２図は第１図のモータのための回転コード板及び
位置センサを示す平面図、第３図は第２図のコード板及
び位置センサがどのようにして位置コードを発生するか
を示す線図、第４Ａ図は個々の電流導体を示すためのプ
リント電機子平面図、第４Ｂ図は電流シートを有するプ
リント電機子の理想平面図、第５図はブラシ付勢にもと
づく電流シートを示すためのプリント電機子の理想平面
図、第６Ａ及び６Ｂ図はプリント電機子とロータ磁石と
を逐次的に示す理想平面図、第７図はプリント電機子を
その付勢回路と共に示す略図、第８図は第１図のモータ
のための四層電機子の一部分を示す平面図、第９Ａ図は
第１図のモータのための第２コード板及び位置センサを
示す平面図、第９Ｂ図は第９Ａ図のコード板及び位置セ
ンサがどのようにして位置コードを発生するかを示す線
図、第１０図は第９Ａ図のコード板及び位置センサと共
に用いられるドライブ回路の単純化線図、第１１Ａ〜１
１Ｄ図は電機子コイルの種々の結線図、第１２図は四層
電機子の各層導体を接続してコイルターンを形成する態
様を示す模型図、第１３Ａ図及び第１３Ｂ図は上記の四
層電気を形成する前段階における最上層と上中間層のサ
ブアセンブリ及び下中間層と下底層のサブアセンブリが
形成される態様をそれぞれ示す一部破断平面図である。 (10)……ブラシレスＤＣモータ (11)……ステータ (12)……ロータ (13)……シヤフト (14a)、(14b)……永久磁石 (15)……電機子 (16)、(44)……回転コード板 (17)〜(19)……光電センサ (45)〜(49)……光電センサ (23)、(24)……磁石 (30)〜(41)……スイツチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ダナ・エフ・ガイガ− アメリカ合衆国ニユ−ヨ−ク州11021グレ −ト・ネツク・カンタ−バリイ・ロ−ド15 (56)参考文献特開昭50−16019（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−88032（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】(a) 複数の永久磁石を有するロータと、 (b) 平坦な非鉄材料からなる少くとも二層の打抜巻線
式電機子であって、各層が内端及び外端を有する多数の
導体片の環状配列からなり、二つの層間における互いに
対応した導体内端及び導体外端をそれぞれ溶接してコイ
ルターン又はループを形成し、前記導体の内端及び外端
における溶接片を所定の角度範囲ごとに切断することに
より、電機子巻線を形成すべく選択的に接続されるコイ
ル単位としての複数のセパレートコイルを形成し、１極
あたり少くとも二つの磁界分担部を有するようにした低
インダクタンスの打抜巻線式、及び溶接片切断型、電機
子を含むステータと、 (c) 前記ロータの位置を検出してこれを示す出力信号
を発生するための検出手段と、 (d) 前記出力信号をデコードするために前記検出手段
に接続されたデコーダ手段、及び (e) 前記ロータの磁極位置に従って前記磁界分担部を
付勢するように前記電機子及び前記デコーダに接続され
たソリッドステート整流手段、を備えたことを特徴とする両方向性の軸方向空隙型ブラ
シレスＤＣモータ。
【請求項２】前記電機子が四層−打抜巻線式電機子であ
って、各層が内端及び外端を有する多数の導体片を環状
に配列したものからなり、二つの層間における互いに対
応した導体内端及び導体外端をそれぞれ溶接してコイル
ターン又はループを形成し、かつ１極あたり三つの磁界
分担部を有するようにした特許請求の範囲第(1)項記載
のモータ。
【請求項３】前記ソリッドステート整流手段が5,000〜1
0,000へルツの周波数でスイッチするようにした特許請
求の範囲第(1)項又は第(2)項記載のモータ。
【請求項４】前記検出手段がロータ位置を示すデジタル
信号を発生する光電手段からなる特許請求の範囲第(1)
項乃至第(3)項のいずれかに記載のモータ。
【請求項５】前記デジタル信号がグレー・コードからな
る特許請求の範囲第(4)項記載のモータ。
【請求項６】複数の永久磁石を有するロータと、少くとも二層の低インダクタンス打抜巻線式電機子であ
って、各層が内端及び外端を有する多数の導体片の環状
配列からなり、二つの層間における互いに対応した導体
内端及び導体外端をそれぞれ溶接してコイルターン又は
ループを形成し、１極あたり少くとも二つの磁界分担部
を有するようにしたものを含むステータと、前記ロータ
の位置を検出するための手段と、前記検出された位置信
号をデコードするための手段と、前記電機子及び前記デ
コード手段に接続されたソリッドステート整流手段とを
備えたブラシレスＤＣモータの製造において、 (a) 前記電機子における９０゜円弧範囲を実質的に等
しい６部分に分割し、 (b) 前記９０゜円弧範囲における前記導体内端及び外
端の溶接片を切断して個の実質的に等しいセパレートコ
イルを形成し、次いで (c) 前記切断された溶接片を、所望の電機子巻線を形
成するように接続する、ことからなる打抜巻線式電機子の溶接片切断工程を含む
ブラシレスＤＣモータの製造方法。
【請求項７】前記ブラシレスＤＣモータが８極モータで
あり、前記電機子が１極あたり三つの磁界分担部を有す
るものであることを特徴とする特許請求の範囲第(6)項
記載の方法。
【請求項８】前記切断された溶接片を直列Ｙ型に接続す
ることを特徴とする特許請求の範囲第(6)項記載の方
法。
【請求項９】前記切断された溶接片を並列Ｙ型に接続す
ることを特徴とする特許請求の範囲第(6)項記載の方
法。
【請求項１０】前記切断された溶接片を直列Δ型に接続
することを特徴とする特許請求の範囲第(6)項記載の方
法。
【請求項１１】前記切断された溶接片を並列Δ型に接続
することを特徴とする特許請求の範囲第(6)項記載の方
法。