JPH0923687A

JPH0923687A - 磁石モータとその起動方式

Info

Publication number: JPH0923687A
Application number: JP7188088A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Ishihara; 好之石原; Isao Kaneda; 勲金田
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 1997-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】起動死点がなく、振動騒音レベルが低く、高
いトルクを発生できる磁気回路とドライブ回路を提供す
る。【構成】ステータまたはマグネット部材の磁性に方向
性を含み、ステータティップとマグネットポールの対向
円周は無通電トルクが発生しないように設定されれる。
励磁されるティースとされないティースが混在して設け
られ、励磁コイルを有するティースコイルを起動時一瞬
双方向に通電するドライブ回路を有し、少なくともその
一方の通電方向により起動死点を免れる。通電励磁がな
されるステータティースは対向するマグネットポールに
逆方向の部分トルクが発生しないように配置される。通
電励磁がなされないティースの本数が全ティース本数に
占める比率は、三相ドライブ方式以下に選ばれ、高トル
ク高効率を得る。一つのホールセンサもしくは励磁コイ
ルがないティースにセンサコイルが設けられ、方向磁性
により磁束の死点を免れて、半導体スイッチを導通させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新規な電磁技術を用い
てＯＡ分野などに適する直流小型精密ブラシレス磁石モ
ータの特性の改善を図ることができるモータ構造ならび
に励磁方式に係わる。より具体的には、直流小型精密モ
ータの分野で多用されてきた三相バイポーラ方式に匹敵
する特性を単相バイポーラあるいは二相ユニポーラ励磁
において達成するためのモータ構造と励磁方式に係わ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の磁石モータの技術は二系統に分類
できる。一つの系統のモータ、例えばＨＤＤスピンドル
モータなどトルクリップルが問題になる分野で用いられ
るブラシレス磁石モータでは、マグネットポールとステ
ータティップあるいはスロット数を奇数と偶数に設定し
て無通電コギングトルクを打ち消す非同期磁気回路を採
用するとともに、三相コイルに対して三個のホール素子
を用い、三相中二相のコイルに順次通電して回転させて
いる。この方式の改良課題は、三相中一相が常に休止状
態になるためその割合でトルクが弱まることと、比較的
構成部品が多く複雑高価なことである。他方の系統のモ
ータ、例えば軸流ファンなどトルクリップルが余り問題
にならないブラシレス磁石モータでは、スロットとポー
ルを同数にして同期トルクを発生させ、比較的高トルク
を得て、モータを小型低価格にする方法が採用される。
この場合の課題は、同期回転に伴いトルクリップルや振
動が高まることと、起動死点を回避するために不均斉な
エアギャップを用いるため、ギャップの平均長が増加し
てモータの効率低下を余儀なくされることである。

【０００３】図２は、そのような従来の三相非同期モー
タの基本的な磁気回路の断面を示す。図で１は正弦波様
八極着磁の円環状ローターマグネット、１１は着磁のゼ
ロクロス部分、１２はローターヨークを示す。２は、六
個の突起状ティース２ａ、２ｂ、・・・、２ｆ、および
中央部に軸と軸受を装着するための孔を有する等方性け
い素鋼板を打ち抜いて、積層したステータコアであっ
て、マグネット１とステータ２からアウターロータータ
イプの磁気回路が構成される。ティース２ａ、２ｂ、・
・・、２ｆは、それぞれの外周端部にマグネット１の内
周面と対向するティップを有する。各ティースにはコイ
ル３ａ、３ｂ、・・・、３ｆが巻回され、コイル３ａ−
３ｄ、３ｂ−３ｅ、および３ｃ−３ｆはそれぞれ直列接
続され、コイルの引き出し端子３ａｄ、３ｂｅ、３ｃｆ
はＹまたは△結線される。なお、中性点ＣＴがドライブ
回路の要請により用いられる。マグネット１の内周と各
テイップの外周の間にはエアーギャップ４が形成され、
ティース２ａ−２ｂ、２ｃ−２ｄ、２ｃ−２ｆのティッ
プ間の間隙には、非表示のベースプレート上にホールセ
ンサ５ａ、５ｂ、および５ｃが１２０゜間隔に取り付け
られる。

【０００４】図２の磁気回路は基本的な組み合わせ３ス
ロット４ポールの２倍の６スロット８ポールであって、
この３対４の組み合わせを含むときは、個別のティップ
に発生する無通電部分トルクを打ち消すことができる。
すなわち図３は、ローターマグネットの磁極に発生する
無通電トルクと通電トルクの様相を模式的に示すもので
ある。図３の各通電位相ｕ->ｖ、ｗ->ｖ、・・・におい
て、上方に示す長方形の枠は、図２のステータティップ
２ａ、２ｂ、・・・をローター軸に対して直角方向のエ
アギャップ４の円周外側から見て、紙面に展開したもの
である。下方に示される実線のストライプは、各ティッ
プに対向するマグネットポールの位置を展開したもので
あって、各ポールの左端に無通電コギングトルクの有無
と方向が記号「＜、＞」で示される。図示のように各ポ
ールの無通電トルクが打ち消し合うため、図２の磁気回
路では、ローターの位置を問わず軸トルクにコギングト
ルクが発生しない。したがって（Ｕ）（Ｖ）（Ｗ）各相
に通電し、各マグネットポールの着磁中央部に対して
「塗り潰し△（三角形の頂点がトルクの方向を示す）」
で示すような通電トルクを発生させた場合、通電の切り
換え位相およびローターの回転方向を問わず逆方向の部
分トルクは発生せず、一定の回転トルクが得られる。こ
の結果、通電中のトルクリップル、したがって機械振動
が小さいという応用上の利点があり、ＯＡ用精密モータ
に賞用される。しかし図２のような直流給電の磁石モー
タでは、三相と言っても（Ｕ）（Ｖ）（Ｗ）各相中の二
相が順次に給電されるのであって、図３のステータティ
ップに「−」で表示したように常に一相が休止状態にな
る。したがってこのモータはマグネットの保有する全磁
気エネルギーの２／３を利用しているに過ぎず、効率に
ついては改良の余地がある。

【０００５】図２の従来三相モータの起動はつぎのよう
に行われる。（Ｕ）（Ｖ）（Ｗ）各相コイルをバイポー
ラ励磁するときは、ふつう、非表示の６石半導体から成
る三相ブリッジによる通電切り換え回路が用いられる。
すなわち直列接続された２個の半導体スイッチの中点に
例えば（Ｕ）相端子３ａｄが接続され、以下同様にして
他の２個の中点に（Ｖ）（Ｗ）各相コイル端子３ｂｅ、
３ｃｆが接続される。各スイッチには、センサ５ａ、５
ｂ、５ｃの出力信号が信号処理され比較されて与えら
れ、各スイッチが選択的に開閉されることにより各相コ
イルの励磁電流が切り換わり、各相に１２０゜位相ずれ
した交番トルクを発生する。つまり通電の時点におい
て、ローターマグネット１に対して最も効果的な通電位
相にある三相中の二相が選択され、その二相に通電して
必要な起動トルクを発生させる。この結果ローターマグ
ネット１が回転し始めると、引き続き高トルクを維持し
つつ（Ｕ）（Ｖ）（Ｗ）各相のトルク曲線の大振幅の部
分を渡るべく、着磁のゼロクロス１１が到来するタイミ
ングに応じて一相の半導体スイッチが転流される。この
結果、常に一定値以上の軸トルクが発生し、起動死点を
免れることができる。

【０００６】モータが起動すると、三相中一相の通電を
保持し、一相の通電を転流する方法で二相通電が順次切
り換えられて行く。これを反復して通電周期が次第に短
縮され、回転数が高められ、所望の回転数に達する。こ
の間６個中２個の半導体スイッチが活性化され、残りは
休止状態になるので半導体スイッチの利用率は１／３で
ある。なおこの通電方式で、残る一相にも給電すると、
回転方向に対して逆方向のトルクが発生する。それゆえ
全ての相に通電することはできない。

【０００７】このような非同期モータは、ＯＡ用途に適
した特性を有して多用される反面、以下の欠点を併せ持
つ。第一に、コギングトルクを解消するため一相を捨て
ているため、利用可能な磁気エネルギーの全てが利用さ
れていない。第二に、モタ構造が比較的複雑で価格が高
い。第三に、部材の特性バラツキに対して敏感である。
例えば３個のセンサには特性のバランスが求められる
が、均一な特性を常時大量に得ることには困難があるた
め、回路側に補償作用が付加されるが、それでも使用で
きないセンサが存在する。第四に、ドライブ回路も比較
的複雑で素子数が多く価格が高い。第五に、端子数ある
いはリード線の本数が多く、接続手段が複雑になる。こ
のため、例えばモータのベースプレート上にＩＣを装着
してリード線の本数を減らすなどの対策を余儀なくされ
る。

【０００８】他方軸流ファンなどに用いられる非表示の
同期モータについて、磁気回路の特徴を簡単に述べると
つぎの通りである。一般にティップとポールを同数とし
た磁気回路では、全てのティップとポールの対が同時に
引き合う回転角度があるため無通電トルクの最大値が非
常に大きい値に達する。また全ての対の電磁力が零にな
る角度が存在する。したがって同期モータでは、無通電
コギングトルクが最大値と零の間を往復し、ローターが
１回転する間に対の倍数の安定点すなわち起動死点に遭
遇する。うち半数は不安定な仮死点、半数は安定な真の
死点であり、マグネットポールとティツプが引き合うロ
ーター角度が真の起動死点に相当する。

【０００９】この起動死点を何らかの方法で克服すれ
ば、あるポールとティップの相対関係は他の部分でも同
じであるため、１個のセンサで簡易なモータを構成する
ことができる。死点を克服するための従来方法として
は、ステータティップの一部を切り欠いてローターマグ
ネットを偏角させ、センサに磁束を鎖交させる方法が代
表的である。しかし同期モータでは、起動後回転中の通
電トルクもティップとポールの対向数に同期して大きな
振幅で増減するから、無通電トルクに通電トルクが相乗
してモータが回転するとき通電周波数の倍調波振動が発
生し、一つの周波数にエネルギーが集中した振動スペク
トルを呈して軸トルク中に振幅の大きなトルクリップル
が混入する。さらに起動のためティップに切り欠きを設
けた場合は、エアーギャップのリラクタンスの増減に基
づくリップルが混入するとともに、平均ギャップ長の増
大によってモータ効率が低下する。しかし同期モータで
は、全てのティースを同時に活性化できるため、磁気エ
ネルギーを無駄なく利用でき、その結果、非同期モータ
に比較して高トルクを発生でき、高い効率が得られる。

【００１０】このような同期磁石モータの特徴は、非同
期モータに比較して対照的であり、したがってトルクリ
ップルを嫌うＯＡ用途の精密モータとしては用い難い。
しかし、非同期モータを上回るトルクを発生できるた
め、単に高トルク高効率が求められる用途には適してい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第一の課題
は、上記の代表的な従来二種の磁石モータの問題点、す
なわちコギングの無い三相モータでは比較的効率が低く
複雑高価であり、他方、構成簡易な同期モータではトル
クリップルが大きいと言うそれぞれの長所と短所のう
ち、両者の長所を併せ持つとともに短所を廃した新規な
磁石モータを提供することにある。

【００１２】本発明の、第二の課題は、従来技術の諸問
題を解消するだけでなく、新規な磁気回路と新規な起動
方式を組み合わせることにより、これまで困難とされた
単相バイポーラまたは二相ユニポーラ励磁における無死
点起動を特別の補助装置を設けることなく達成すること
にある。

【００１３】本発明の、第三の課題は、新規な磁気回路
と新規なドライブ回路を組み合わせることにより、単相
バイポーラ励磁において従来の三相バイポーラ以上の高
トルクとモータ効率を達成することにある。

【００１４】本発明の、第四の課題は、新規な磁気回路
と新規なドライブ回路を組み合わせることにより、単相
バイポーラまたは二相ユニポーラ励磁における回転中の
トルクリップルを低減することにある。

【課題を解決するための手段】

【００１５】本発明は、回転軸を有するローター、円周
端面に磁極を備えた硬磁性体例えばリング状のローター
マグネット、複数のティースおよび円周端面において前
記磁極と対向するティップを有する軟磁性体例えばステ
ータ、前記ティースに巻回された励磁コイル、前記マグ
ネットの磁極位置を検知するための手段、および前記コ
イルに通電するためのドライブ回路を有する磁石モータ
において、前記複数のティップと磁極の相対的位置関係
は両者の組み合わせによって前記個別のティップに発生
する無通電部分トルクを積算した軸トルクがほぼ零にな
る組み合わせに選択されるとともに、前記ステータティ
ースに励磁コイルを有するものと有しないものを混在さ
せ、前記ティースおよびティップの位置を選ぶことによ
り、通電励磁に際して前記磁極に発生する部分トルク中
の逆トルク成分を低減する手段を用いる。また、前記複
数のティースおよびティップ幅が回転円周に占める角
度、あるいは各ティップ間の間隙が占める円周角、ある
いは励磁コイルの巻線位置と極性と巻数が、異なる複数
の値に選択されることにより、前記部分逆トルクをさら
に低減する手段を用いる。

【００１６】前記ステータは、少なくともその一部分に
方向性を有し、この手段によって前記各ティースの中心
軸と素材の磁化容易軸がなす角度をティース毎に相違さ
せ、前記コイルの無通電時に前記マグネットから前記テ
ィップに供給される磁束を偏在させ、前記磁極検知手段
に磁界を鎖交させてその検知出力をもって前記コイルへ
の通電を開始しするとともに、前記磁極と前記ティツプ
との間に所望の回転方向に電磁力を発生させて前記ロー
ターの回転を起動せしめる。

【００１７】前記ドライブ回路は、起動に際して励磁電
流の通電方向を一定期間反転させる手段を有し、前記テ
ィースが一瞬逆方向に励磁されることによって、前記磁
化容易軸の方向性に基づいて前記ローターの回転角度に
関して正方向通電の場合とは位相が異なる軸トルクを発
生させることにより、正方向通電の軸トルクがゼロクロ
スもしくは軸損などに比較して低い値に相当する期間に
おいては、位相の異なる逆方向通電による高い軸トルク
を発生するための起動回路を含む。

【００１８】より具体的には、前記磁束検知手段はホー
ル素子であって、前記磁化容易軸と前記励磁巻線の誘起
磁束のなす位相差が円周角に従って変化することに基づ
いて、前記正逆二方向の通電により発生する軸トルクの
位相差が電気角でほぼ９０゜をなす位置に前記ホール素
子を配置するとともに、起動に際して前記通電方向を短
時間反転させることによって、一方向の通電が発生する
軸トルクが零または低い値に相当するときは、他方の通
電による振幅の大きな軸トルクを用いて、前記ローター
の回転を起動させる。前記起動回路の極性認識の反転期
間は、例えば充放電回路の時定数によって定められ、好
ましくはその逆励磁期間が、モータおよび負荷の機械共
振周波数にほぼ合致する値に設定され、起動後はこの時
定数による逆励磁作用が解除される。

【００１９】あるいは、前記磁束検知手段は前記非巻線
ティースに巻回されたコイルであって、前記コイルと鎖
交する磁束が前記磁化容易軸に対応してラジアル方向か
ら傾斜していることに基づいて、あるいは通電励磁に対
応して磁束の方向が動的に変化することに基づいて、回
転方向によって相違する出力波形を呈する前記コイルの
誘起電圧によって前記ローターの回転方向を識別すると
ともに、起動に際して発生軸トルクが零または低い値に
相当するときは、他方の通電方向によって前記鎖交磁束
の異なる位相差に基づく高い軸トルクを用いることによ
り、回転を起動させる。

【００２０】本発明による諸手段の第一の特徴は、ステ
ータティップに切り欠きを設けることなく対称形状のま
まとし、素材に方向性を与えることによって円周角に従
って次第に変化する磁気特性を各ティースに付与するこ
とを基盤とする。この方法によれば、無通電軸トルクを
低めた状態において、通電トルク中に逆方向トルクを発
生するティップをスキップさせることにより、通電部分
トルクに基づくトルクリップルを低減させることができ
る。この目的で非巻線のティースが設けられ、あるいは
ティース中心角と磁化容易軸のなす角度とティップ形状
が設定される。

【００２１】本発明による諸手段の第二の特徴は、磁気
回路に方向性を導入することによって無通電時にロータ
ーマグネットを偏角するだけでなく、通電励磁によって
ローターの偏角を助長できることにある。すなわち方向
性ステータでは、各ティースの磁化容易軸と中心角との
角度差が異なり、したがってその磁性が相違する。例え
ばティースによって飽和束密度が異なるため、各ティー
スを通電励磁すると、その電流による磁化レベルと励磁
の極性に基づいて各ティースが異なるレベルで飽和す
る。したがって、あるティースはより飽和し、あるティ
ースは飽和から少しく開放され、その結果、偏角が動的
に助長されローターにスピンが掛かる。それゆえにこの
発明では、ステータの磁化容易軸とティース中心角に角
度差がない場合においても、角度差を設けた場合と異な
る理由によってローターマグネットにスピンを掛けるこ
とができる。

【００２２】本発明による諸手段の第三の特徴は、前記
各ティップの磁気特性の相違に基づいて、ある円周角に
磁気検出手段を配置して励磁電流の方向を切り換えると
き、ＣＷ回転とＣＣＷ回転では異なるトルク曲線が得ら
れることにある。それゆえに起動時、何らかの方法で通
電方向を強制的に切り換えると、少なくとも一方の通電
で起動死点を解消できる。磁気検知手段としては、ホー
ル素子、コイル検出とも可能であり、誘導磁界の影響を
避けるため、好ましくはティップ間の空隙や非巻線ティ
ースの近傍に配置される。とくに後者ではＣＷとＣＣＷ
方向の電圧出力の相違により唯一のコイルで回転方向を
検知できる。

【００２３】本発明による磁場偏向を得る別の手段とし
て、方向性ステータに代えて、回転角度に対して偏向さ
れた磁束分布を有するマグネットを用いることもでき
る。例えばマグネットの着磁を、鋸歯状波など回転角度
に対して非対称な磁束分布を呈する着磁とするか、異方
マグネットを用いて配向方向を非ラジアル方向に設定
し、その配向方向に平行な着磁を含ませることによっ
て、エアギャツプに射出される磁束の方向もしくは各テ
ィースを流過する磁束を少しく指向させて回転方向に対
する磁束分布を非対称とし、ローターの偏角を得ること
ができる。さらにはステータの方向性とマグネットの異
方性を併用することもできる。

【００２４】本発明の磁気回路は、ローターマグネット
の極数とステータティースもしくはティップの数が異な
る非同期モータに対して適用できる。可能な対数として
は、例えば５対４、５対６などである。この場合励磁コ
イルは、全てのティースに設けられず、前例について言
うと５つのティース中１ティースは励磁コイルを有して
いない。全ティースに占める非励磁ティースの割合は、
従来の三相バイポーラ励磁よりも小さくすることがで
き、この理由により従来の三相モータを上回るトルクを
発生できる可能性を含む。なお、前記ステータの素材を
従来多用される無方向性とした場合も、活性ティースの
割合の増加させ逆方向トルクを低減することにより、高
いトルクを発生できる。しかしながら等方性コアの場合
は、補助巻線その他の方法による起動手段が不可欠であ
り、方向性コアの場合に比較してモータならびにドライ
ブ回路が複雑になることを免れない。

【００２５】本発明の磁気回路は、均斉な円周角を有す
るティップとマグネットの磁極が前記のような非同期の
特殊な比率に設定されたときに効果を奏するほか、異な
る円周角のティップあるいは磁極に対しても適用でき、
さらに特性を高めることができる。異なる円周角は、均
斉なティップ形状や着磁において若干の通電逆トルクが
残る場合に、補助的手段として用いることができる。そ
の原理については、本出願人が平成７年５月１２日付け
で出願した特許願（名称：磁石モータ）の明細書および
図面を参照されたい。

【００２６】本発明のモータは、単相バイポーラのよう
な簡単なドライブ回路と組み合わせて用いられる。この
場合、ティースコイルは全て直列接続されるか、あるい
は増磁性コイルと減磁性コイルを同数含む並列回路から
構成される。あるいは、各コイルを平行二巻線で構成
し、二つの通電経路を交互に導通させるバイファイラ巻
としてもよい。本発明の別のドライブ回路は、二相ユニ
ポーラである。この場合、ティースコイルは二本の平行
電線で構成され、交互に通電される。その磁気的動作
は、ティースによって励磁に休止期間が入る点を除くと
単相バイポーラと同様である。

【００２７】

【作用】本発明の磁石モータは、磁気回路に方向性を導
入したため、従来の無方向性磁気回路を用いた同期モー
タとは異なり、ティップに切り欠きを設けることなくロ
ーターマグネットを偏角できる。その結果、起動死点を
解消できるだけでなく無通電コギングトルクが減少する
と言う作用効果が得られる。また各ステータテイップ毎
に磁気特性が相違するとともに、通電時の電流変化に伴
ってその特性を変化できるため、各磁極に発生する電磁
力を変化させ、起動死点を動的に解消することもでき
る。このような性質は、方向性の磁気回路では電磁力に
指向性があることに起因するが、その作用の詳細につい
ては、例えば本出願人の一方が平成６年２月７日付けで
提出した特許願（特願平６−３５３２５）などの明細書
および図面を参照されたい。

【００２８】このような異方磁性はけい素鋼板のような
軟磁性体だけでなく、マグネットのような硬磁性体に対
して付与することもできる。マグネットを用いるとき
は、鋸歯状波着磁のように回転方向に対して非対称な着
磁部分を含むようにするか、あるいは異方素材の配向方
向をラジアル方向から傾斜させた部分を含ませることに
よって、ステータの場合と類似の作用を付与することが
できる。また、ステータ、マグネットともに異方磁性を
与えると本発明の効果を強調できる。

【００２９】本発明の磁石モータでは、従来の同期モー
タと同様唯一のセンサを用いることができる。すなわち
本発明の磁気回路は、励磁コイルの通電方向を反転した
とき、従来の無方向性磁気回路では正方向と逆方向で対
称なトルク波形を呈するのに対し、磁気回路の方向性に
基づいて回転方向に対して正方向と逆方向で非対称なト
ルクを発生する。正逆両方向の発生トルクは、磁束の方
向性に基づいて位相がズレるため、この性質を用いれば
従来の三相モータと同様にどのようなローター位置にお
いても起動トルクを得ることとができる。

【００３０】ここで通電方向の切り換えに関し、電流反
転時の電流は、−Ｘ［Ａ］から＋Ｘ［Ａ］まで変化する
が、従来一般の起動回路では０［Ａ］からＸ［Ａ］まで
の変化であり、それゆえ本発明の磁石モータでは同一の
実効電流で従来に倍する電流変化が得られ、単なる通電
の開始に比較すると二倍の起動トルクを発生できる。
このような逆励磁回路の構成および作用効果の詳細につ
いては、例えば本出願人の一方が平成３年３月２９日に
提出した特許明細書（特開平４−３０４１９２）の明細
書および図面を参照されたい。

【００３１】前項の逆励磁を実行するには、例えばセン
サ電圧の認識を反転させたり、あるいは充放電などのタ
イマー回路を用い、起動時において一定の短時間だけ正
規の回転方向とは逆方向の通電を行えばよい。この通電
期間の長さは、実際にローターが逆方向に回転するよう
な長時間ではなく、電気または電磁的な尺度の短時間で
ある。なおこの逆励磁期間を、モータおよび付加の機械
共振周波数にほぼ合致させると、磁気エネルギーを効率
よく機械エネルギーに変換できる。このような逆励磁動
作を実行するドライブ回路の実例としては、本出願人が
関与して平成６年７月２５日に出願された特許願（特願
平６−１７２６７７）の明細書および図面を挙げること
ができる。

【００３２】本発明の磁石モータでは、従来の三相モー
タと同よう、ステータティップとマグネットポールを予
め非同期の特定関係に選ぶことにより、無通電コギング
を解消できる。加えて本発明の磁石モータでは、励磁コ
イルを設けたティースと設けないティースを混在させる
ことにより、単相バイポーラ、二相ユニポーラなど簡単
なドライブ回路を用いてモータを回転させた場合、通常
は各マグネットポールに発生する逆方向のトルクを低減
することができる。しがって回転軸トルクは平滑され、
従来の三相モータに匹敵する円滑で静粛な回転を得るこ
とができる。

【００３３】本発明の磁石モータは、全ティース本数中
に占める休止ティースの割合を従来の三相モータにおけ
る１／３以下の値に低下させ得ることにより、部分逆ト
ルクの発生を抑制できたときには、従来の三相モータ以
上の回転トルクとモータ効率を得ることができる。以上
の構成により、低いトルクリップルと高い効率を両立で
き、さらには簡易小型な構成と低価格を実現することが
できる。

【００３４】

【実施例】図１は、本発明の第一実施例の磁気回路の断
面を示す。図で、各部の記号の多くは図２の記号と共通
である。マグネット１は、異方性のゴムフェライト磁石
に４ポールの正弦波ラジアル均等着磁を施したものであ
る。ステータ２は、５つのティースを有し、一方向性の
けい素鋼板を２０枚積層したコアにより形成される。各
ステータティップは均等な円周角を有し、その圧延方向
すなわち磁化容易軸は紙面の矢印２ｐの方向に設定され
る。２ｐの角度は、ティース２ｃ中心角２ｑに対して反
時計方向に１０゜傾斜している。このため各ティツプ外
周上の磁気中心は、図に黒丸２ａ１、２ｂ１、・・・で
示すようにティース中心角から移動する。ティツプ外周
の形状は、回転方向に対して対称でありエアギャップ４
の間隔は一定である。

【００３５】図４は、図３と同様な方法により、図１の
第一実施例のマグネットポールに発生する部分トルクの
パターンを模式的に示すものである。図のポール位置に
おいては、下方に行くに従ってローターマグネットが回
転する様子をゼロクロス１１などの縦線の移動によって
表す。図で各ティップとポールの円周角の相対的関係に
より、各ポール部分の左端に示すコギングトルクが打ち
消し合うため、ポールの位置に拘らず無通電軸トルクが
ほぼ零になることが分かる。なおステータ形状が同一で
あっても、材質を無方向性から方向性に変更すると磁束
が偏在することによって無通電トルクを低下できること
が平成７年５月１２日付け提出の上記特許願に述べられ
ている。

【００３６】ティース２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｅには励磁
コイル３ａ、３ｂ、３ｄ、３ｅが巻回され、そのコイル
極性は例えば増磁、減磁、増磁、減磁性であって全て直
列に接続され、ティース２ｃには励磁コイルが設けられ
ていない。ティース２ｃの近辺、図ではティース２ｃと
ティース２ｂとの間に、ホールセンサ５が非表示のベー
スプレート上に設置される。ティース２ｃには励磁コイ
ルがないため、センサ５は、ローターマグネットのゼロ
クロス１１を安定に検知することができる。もしセンサ
５を励磁コイルがあるスロットに配置すると、特に多ス
ロットでは誘導磁界の影響を受けるため、センサ位置が
比較的狭い角度範囲に制限される。なお後述のように、
センサ５の代わりにセンサコイルをティース２ｃに巻回
してもよい。このように各ティースの位置に励磁コイル
を配分すると、各ティップに発生する通電トルクの多く
を回転方向に指向させることができ、回転トルクを高め
ることができる。

【００３７】本発明の第一実施例では、図１のように構
成されたモータが図５のドライブ回路に負荷されて単相
励磁される。図５において、起動指令が入ると充放電回
路５ｅがＣＲ時定数によって定まる発振波形を出力し、
その充電電圧の上昇に応じて逆転指令信号を発生し、放
電電圧の降下に応じて正点指令信号を発生する。したが
って、特定期間のみ指令信号発生回路５ｈに逆方向通電
の指令を与え、２相分配器５ｃを経由してプリドライバ
５ｄの出力を反転させることにより、例えば２５ｍｓの
時間だけ逆回転方向の励磁を行うことができる。この期
間は、モーターおよび回転負荷に比較して十分短いた
め、ローターが逆方向に回転することは起こらない。

【００３８】図１のコイル３を双方向に通電したとき、
センサ５が磁化容易軸２ｐとなす角度に関して適切な位
置に配置されているときは、図６の曲線に示すような起
動トルクが得られる。すなわちコイル３が回転開始の時
刻において正回転を与える方向に通電されたとすると、
得られる起動トルクは、実線８ａのような軌跡を描く。
コイル３が逆方向に通電されたとすると、起動トルクは
実線８ｂのような軌跡を描く。あるいは通電方向を一定
方向に保ち、ローターを正回転および逆回転させるか、
あるいはセンサ５による着磁極性の認識を反転させたと
きにも同様な結果が得られる。実線８ａと８ｂを比較す
ると、横軸の回転角度θに対して両曲線のゼロクロス位
相がずれ、９０゜の角度差をなしている。このような通
電方向による起動トルク曲線の位相ズレは、無方向性ス
テータの場合には発生しない。方向性ステータの場合
は、ステータの磁化容易軸２ｑと各ティースの中心角が
なす角度がティース毎に相違するため、その角度を次第
に変化させて通電切り換えのポイントをシフトすれば、
曲線８ａと８ｂのゼロクロス位相が０゜から次第に拡大
し、図示のように９０゜の位相差に至り、さらには９０
゜以上の位相差に拡大する。

【００３９】ここで図４などの起動回路により起動時点
の逆励磁を行うことは、図６に８ａ１、８ｂ１として示
す電流方向の反転を意味する。すなわち曲線８ａの振幅
が基準線８ａｂを下回るとき通電方向を反転させると、
そのとき比較的大きな振幅を有する曲線８ｂを利用でき
る。つまり電流方向の反転を実行することは、曲線８ｂ
をトルクτ＝０の横軸に対して、点線で示すように上方
に折り返すことに相当する。かくすれば、トルク曲線８
ｂは８ｃのように変化して、各トルク曲線の振幅の高い
部分を８１、８２、８３、・・・のように渡ることがで
き、その結果、起動死点が消失する。なお無方向性ステ
ータでは、両曲線のゼロクロス位相が共通になるから、
逆励磁による死点の解消効果は存在せず、何らかの起動
手段を必要とする。

【００４０】かくして図１のローターが回転を開始する
と、センサ５は鎖交磁束の変化に応じて正弦波様の電圧
を出力し、この波形が図５のセンサアンプ５ｂによって
矩形波に整形され、そのゼロクロスを検知することによ
って図５の終段回路の半導体スイッチ６ａ−６ｂ、７ａ
−７ｂが交互に導通する。この結果、ローターが回転し
てマグネットの磁極が各ティップの逆トルクが優勢にな
る位置まで接近すると、通電方向が反転してステータの
電磁石の極性が反転し、以下これを反復してローターの
回転が加速され、所定の回転数に達する。この間におい
て、図１の５個のテイップと４個のポールの間には、図
４に記号「塗り潰し△」で示すような通電による部分ト
ルク（矢印の方向がトルクの方向となる）が発生する。
図４の通電トルクを図３に示した従来の三相モータの場
合と比較すると、単相１センサでは一つの通電切り換え
の間に多くのロータ位置が入ることが分かる。

【００４１】図４では、各ポールの中央部に部分通電ト
ルクの有無と方向が記号「−、＜、＞」によって示され
るほか、各ポールの左端に無通電トルクの有無と方向が
記号「−、塗り潰し△、白抜き△（三角形の頂点がトル
クの方向を示す）」によって示される。これらトルクの
発生は、各磁極の中央部分に対して発生するもので、図
の記載はステータコアを図２と同よう無方向性として描
いたものである。図４において、無通電軸トルクは零と
なるが、通電部分トルクの中には、正規の回転方向と逆
方向のトルクが二ヶ所あり、磁極境界の太枠と白抜きの
記号「白抜き△」によって示される。これらトルクは、
そのローター位置における通電軸トルクを押し下げるた
め、発生トルクは従来の三相バイポーラ方式に少し及ば
ない。しかしこの状態においても、従来の同期モータに
比較して変動幅が減少した軸トルクが得られることが分
かる。

【００４２】ここで図１に示すステータの方向性に基づ
く各ティースの外周上の磁気中心の移動を図４に適用す
ると、各ティップの下端に示すように磁気中心が図示黒
丸のの位置に向かって移動する。応じてテイップ２ｂに
対応する逆転方向の部分トルクが、矢印に示すように黒
転し、逆トルクを正方向のトルクに是正できる。また、
ティース２ｄについても改善されるため、２ａについて
は若干悪くなることを考慮しても、全体として改善さ
れ、三相バイポーラ方式に近いトルクが得られる。なお
逆トルクを全て解消するには、平成７年５月１２日付け
で本出願人が出願した特許願（整理番号２３０００７、
名称：磁石モータ）に述べたように、各ティップあるい
はポールの円周角を不均斉にした形状を採用すると有効
なほか、二重着磁、ダブルセンサその他の方法で、通電
切り換えを頻繁に行う方法も効果がある。

【００４３】このように図１のモータでは、５個中４個
のティップを常に活性化できるため、図１の構成のまま
でも実用レベルの出力が得られる。さらに、部分逆トル
クが解消された状態においては、従来の三相モータの２
／３を上回る比率でマグネットポールを活性化できるた
め、単相励磁において三相モータ以上のトルク出力を得
ることができる。高トルクが得られる原因に関し、磁石
モータのトルクはその殆どが磁石から供給されるもので
あるので、励磁の相数の影響よりも休止の極数を減らす
ことがより有効と推定される。なお、半導体スイッチに
ついても、図５のＨブリッジを用いることにより、利用
効率を１／３から１／２に改善することができる。

【００４４】このように本発明の第一実施例の磁気回路
では、磁化の方向性を有するステータとＨブリッジのよ
うな簡単なパワーステージを含む専用ドライブ回路を組
み合わせることによって、無通電コギングトルクおよび
回転トルクのリップルを従来の同期モータに比較して著
しく低減するとともに、ステータティップとマグネット
ポールの位置関係、および励磁ティースの選択により正
規の回転方向に対して逆方向のトルクの発生を低減もし
くは解消することにより、従来の三相モータに匹敵する
トルクを得ることができ、したがって従来主流の同期お
よび非同期三相モータの長所を併せ持つ新規なモータお
よびドライブ方式として用いることができる。本発明に
よる簡略化に関し、その理由をマクロに推察すると、１
相が素材の磁場方向性によって与えられ、他相が通電励
磁によって与えられるため、不完全乍ら磁場の回転ベク
トルが発生すると考えることもできる。

【００４５】つぎに図７には、本発明の第二の実施例の
磁石モータの各磁極に発生する無通電および通電トルク
が示される。この実施例のモータの磁気回路は、図１の
第一実施例と類似であるが、ただし各ステータティップ
の円周角が均等でなく、図示のように増減変調されてい
る。この結果、逆トルクの発生を低減してより高い軸ト
ルクを発生させることができる。図７の記号は、図１と
同様に無方向性ステータについて記載されたものであ
る。そして各黒丸によつて方向性による磁極中心の移動
の傾向が示される。

【００４６】図７によれば、無方向性ステータにおける
逆方向の部分トルクはティップ２ｂに対する一ヶ所のみ
であり、図４の第一実施例に比較して改善されている。
そして方向性ステータを用いるときは、ティップの磁気
中心の移動により、この逆トルクも解消できることが分
かる。この結果、最大軸トルクは第一実施例に比較して
高められ、従来の三相バイポーラ方式を上回る。反面無
通電トルクについては、完全には解消されず、若干の残
留がある。

【００４７】図８は、本発明の第三の実施例の低電圧Ｃ
Ｄ−ＲＯＭ用薄型スピンドルモータの磁気回路の断面お
よびセンサ回路の一部を示す。図の記号の多くは、これ
まで用いたものと共通である。ローターマグネット１
は、等方性のＮｄプラスティック磁石を正弦波着磁した
ものであり、ステータラミネーションは、一枚当たり
０．３５ｍｍの厚さで、８枚積層される。方向角２ｐ
は、ステータスロットが図１の第一実施例に比較して多
スロットであるため、ティース２ｃの中心角との角度差
を減じて設定される。マグネツトポールとステータティ
ツプの数は図１の第一実施例の３倍の１２と１５であ
る。この構成は比較的スロツト数が多いため、コイルの
巻線後の全高が低くなり、薄型モータに適している。各
ティップの形状、各ティースの幅は同一であり、ティー
ス２ａ、２ｂ、および２ｄ、２ｅには励磁コイルが巻線
され、ティース２ｃには励磁コイルが巻線されず、この
配列を円周方向に繰り返す。

【００４８】ティップ２ｃには、励磁コイルはないが、
磁気検知手段としてセンサコイル５１が巻回される。そ
の位置は、図６について述べた死点解消作用に対応し
て、磁化容易軸と約１４０゜の角度をなし、その信号出
力は、抵抗５１ａ、キャパシタ５１ｂから成るフィルタ
を経てセンサアンプ５１ｃに与えられ、アンプの出力が
図５のホールアンプ５ｂの出力に代えて２相分配器５ｃ
に与えられる。センサコイル５１は、ステータ２が方向
性であるため、あるいは方向性によって通電の際に磁束
の方向が変化することに基づいて、ローターの回転方向
を知ることができる。なおセンサコイル５１は、２ｃ以
外の励磁コイルがないティースにも巻線し、例えば全て
直列に接続することにより、その検知能力を高めること
もできる。このようなセンサコイルは、励磁コイルを巻
線することもできるが、その場合は複数のティースを用
いて非信号成分を相殺する必要がある。

【００４９】励磁コイル３ａ、３ｂ、３ｄ、３ｅ、・・
・は、増磁、減磁、増磁、減磁性に巻線され、全て直列
接続され、例えば図４のドライブ回路の出力端子に接続
される。電源が投入されると、図６を用いて説明した起
動原理によってローターが回転を開始する。この間コイ
ルセンサ５１は、ローターの停止状態を含めて鎖交磁束
の方向性によって回転方向と磁束のゼロクロスを検知す
るため、通電方向の反転を反復してローターが正転方向
に加速され、定速に到達する。なおコイルの接続に関
し、増磁、減磁コイルを一つのペアと見なし、これらペ
アを含んで並列回路を構成することができる。ただし並
列接続を含む場合は、並列回路が干渉を起こさないよう
に各コイルの位置を選択する必要がある。また、励磁コ
イルを単線から二本の平行銅線に代えてそれぞれ直列接
続し、バイファイラ巻きとし、図５のドライブ回路に代
えて二相ユニポーラ回路に接続し、交互に半波通電して
もよい。

【００５０】図８の磁気回路では、ローターマグネット
の各着磁部分に、基本的には図４のパターンと類似であ
るが、角ティップと磁化容易軸のなす角度の相違に基づ
いて少しく異なるトルクを発生する。図８の磁気回路で
は、ティップに無方向性ティースを用いるとき、無通電
時の軸トルクにコギングトルクは微弱である。しかし素
材を方向性に変更するとさらにコギングトルクが低下す
るとともに、励磁に伴い各着磁部分に発生する電磁力中
の逆転方向トルクの成分もより微弱になる。そして通電
中は、１５本のティース中１２本が活性化し、４／５の
稼働率が得られる。この磁気回路に代えて三相ドライブ
方式を用いるときは、１５本のティース中１０本が活性
かされ２／３の稼働比率であるから、図８の磁気回路
は、逆方向トルクを低減したときは、従来の三相バイポ
ーラと同程度の回転トルクを発生できる。

【００５１】以上ステータに磁化容易軸を導入して、そ
の磁化容易軸の方向を適宜に選定した５スロット４ポー
ルを基本構成とする磁気回路を有する本発明の三つの実
施例について述べたが、本発明の応用範囲は、各実施例
の構成に止まらず、方向性ステータを用いる各種のモー
タとドライブ回路に対してその技術基盤を逸脱しない範
囲において広く適用できる。例えば、ステータティップ
とマグネットの各着磁部分が、このように高い稼働比率
となる組み合わせは５対４に限定されることはなく、無
通電トルクが零になる範囲でいろいろな組み合わせを用
いることができる。また、励磁コイルは増磁性と減磁性
を半々としているが、両者の比率を任意に設定すること
ができる。他に、異なる方向性あるいは方向性と無方向
性を混在させたラミネーションステータ、二方向性など
多方向性のステータ、本発明の効果が得られる範囲でポ
ール数やスロット数を変更した磁気回路、積層コアの代
わり一枚板を成形して用いるインダクタモータなどを挙
げることができる。

【００５２】本発明の実施例は、いずれもステータコア
の方向性を利用するものであるが、ステータの代わりに
マグネットに異方性を与えた場合も類似の効果が得られ
る。例えば等方性マグネットの着磁波形を鋸歯状など回
転方向に対して非対称とした場合、異方性素材を用い配
向方向が異なる複数の磁石片として貼付した場合、配向
方向をラジアル方向から傾斜させた場合、複数の配向方
向が混在したマグネットなどである。さらには、軟磁性
体の方向性と硬磁性体の異方性を相乗した場合などであ
る。

【００５３】この他本発明による起動効果は、起動時の
みこれを用い、三相ドライブ回路その他の方式で回転を
持続する場合にも適用できる。また本発明によるトルク
の増大効果は、マグネットがインナーロータータイプの
磁気回路、硬磁性体が静止して軟磁性体が回転するタイ
プのモータなどに対しても選択的に適用することができ
る。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、磁石モータに異方性磁
場を導入したため、また、異方性磁場の発生を利用する
に適したドライブ回路を提供することにより、磁気回路
の形状に機械的変形を加えること無く、純電磁的な方法
を用いて、従来の磁気回路においては必然的に発生した
起動死点を解消することができる。

【００５５】本発明によれば、無通電コギングトルクの
発生がない磁気回路構成において、休止ティップの割合
を相対的に低減することなどにより、従来の三相バイポ
ーラ方式を上回るトルク出力が得られる。また、この特
性により最大磁束密度の低い磁石素材を用いることが可
能になる。その結果、トルクリップル、振動、騒音を低
減した状態で、高いモータ効率を得ることができた。

【００５６】本発明によれば、磁気センサの使用個数を
減少できるだけでなく、単相、二相など簡単なドライブ
回路の使用が可能になり、半導体の素子数を減少するこ
とができる。同時にモータの構造が単純にすることがで
き、小型簡易低価格の磁石モータを提供することができ
る。

【００５７】本発明によれば、静的もしくは動的な磁束
分布に方向性を導入することにより、ホールセンサをた
だ一個とすることができ、複数センサの特性バラツキに
伴う問題を一掃することができる。

【００５８】本発明によれば、静的もしくは動的な磁束
分布に方向性を導入するとともに、ステータティースの
一部にセンサコイルを設けることにより、構成簡易なセ
ンサレスモータを構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁石モータの第一実施例の磁気回
路の断面図である。

【図２】従来の三相モータの磁気回路の断面図である。

【図３】従来の三相モータドライブにおいて、各マグネ
ットポールに発生する無通電トルクおよび通電トルクの
様相を示す。

【図４】第一実施例において、各マグネットポールに発
生する無通電トルクおよび通電トルクの様相を示す。

【図５】本発明の磁石モータに適したドライブ回路のブ
ロック線図である。

【図６】本発明の磁石モータの起動特性を説明するため
の図面である。

【図７】本発明の磁石モータの第二実施例において、各
マグネットポールに発生する無通電トルクおよび通電ト
ルクの様相を示す。

【図８】本発明の磁石モータの第三実施例の磁気回路の
断面を示す。

【符号の説明】

１ローターマグネット２ステータ２ａステータティース２ｐ方向性ステータの磁化容易軸３励磁コイル４エアーギャップ５ホールセンサ５１センサコイル６ａ半導体スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸を有するローター、円周端面に複
数の磁極を備えたリング状の硬磁性体、複数のティース
および円周端面において前記磁極と対向するステータテ
ィップを有する軟磁性体、前記ティースに巻回された励
磁コイル、前記磁極の位置を検知する手段、前記コイル
に通電するためのドライブ回路を有する磁石モータにお
いて、前記複数のティップと磁極の相対的位置関係は両
者の組み合わせによって前記個別のティップに発生する
無通電部分トルクを積算した軸トルクがほぼ零になる組
み合わせに選択されるとともに、前記ティースに励磁コ
イルを有するものと有しないものを混在させ、前記巻線
を有するティップと磁極の相対的位置関係が、通電励磁
に際して前記各ティップに発生する部分トルク中の逆ト
ルク成分を低減するように選択されることを特徴とする
磁石モータ。
【請求項２】前記複数のティースおよびティップ幅が
回転円周に占める角度、あるいは前記磁極の円周角が複
数の値を含み、前記励磁コイルの巻線位置と極性と巻数
が、前記通電による部分逆トルクを低減するような組み
合わせに選択されることを特徴とする特許請求範囲第１
項の磁石モータ。
【請求項３】前記複数のティースは単位本数５のステ
ータティースであり、前記着磁部分は単位極数４のロー
ターマグネットの着磁部分であり、前記単位ティース５
本中の４本のティースに巻線が施され、前記単位ティー
スもしくは磁極の少なくとも一方は均等な円周角を有
し、これらの単位ティースが反復されて１０ティース
（またはスロット）８ポール、１５スロット１２ポール
などとして磁気回路が構成され、前記各コイルが二端子
に結線されて単相バイポーラあるいは二相ユニポーラド
ライブ回路に接続され、前記ドライブ回路によって通電
励磁されることを特徴とする特許請求範囲第１および第
２項の磁石モータ。
【請求項４】前記軟磁性体もしくは硬磁性体は少なく
ともその一部に方向性を有して成り、前記各ティースの
中心軸と素材の磁化容易軸がなす角度を個別ティースに
よって相違させ、前記コイルの無通電時において前記硬
磁性体から前記ティップに供給される磁束を偏在させる
ことにより、前記磁極検知手段に鎖交磁界を供給してそ
の検知出力をもって前記コイルへの通電を開始しすると
ともに、前記磁極と前記ティツプとの間に発生する電磁
力により前記ローターの回転を起動せしめることを特徴
とする特許請求範囲第１項ないし第４項の磁石モータ。
【請求項５】前記ドライブ回路は、起動に際して前記
励磁電流の通電方向を一定期間反転させる手段を含み、
前記ティースを短時間逆方向に励磁することにより、前
記ローターの回転角度に関して前記磁化容易軸の方向性
に起因して正方向通電の場合と逆方向通電の場合では位
相が異なる軸トルクを発生させ、一方向の通電による軸
トルクがゼロクロスもしくは低い値に相当する期間にお
いては、他方の位相の異なる通電による軸トルクを発生
する期間を用いる起動回路を含むことを特徴とする特許
請求範囲第１項ないし第４項の単相磁石モータ。
【請求項６】前記磁束検知手段はホール素子であっ
て、前記磁化容易軸と前記励磁巻線の誘起磁束のなす位
相差が円周角に従って変化することに基づいて、前記正
逆二方向の通電によって発生する軸トルクの位相差が電
気角でほぼ９０゜をなす位置に前記ホール素子を配置す
るとともに、起動に際して前記通電方向を短時間反転さ
せることによって、一方向の通電が発生する軸トルクが
零または低い値に相当するときは、他方の通電による振
幅の大きな軸トルクを用いて、前記ローターの回転を起
動させることを特徴とする特許請求範囲第１項ないし第
５項の磁石モータ。
【請求項７】前記磁束検知手段は前記非巻線ティース
に巻回されたコイルであって、前記コイルと鎖交する磁
束が前記磁化容易軸に誘導されてラジアル方向から傾斜
することに基づいて前記コイルの誘起電圧が回転方向に
よって相違することに基づいて前記ローターの回転方向
を識別するとともに、起動に際して発生軸トルクが零ま
たは低い値に相当するときは、他方の通電方向によって
前記鎖交磁束の異なる位相によるトルクを用いて前記ロ
ーターの回転を起動させることを特徴とする特許請求範
囲第１項ないし第５項の磁石モータ。
【請求項８】前記起動回路の極性認識の反転期間は、
その逆励磁期間がモータおよび負荷の機械共振周波数と
ほぼ共振関係に相当する期間に整合され、起動後におい
ては前記特定反転期間の設定が解除されることを特徴と
する特許請求範囲第１〜７項の磁石モータ。
【請求項９】前記ステータの素材は無方向性であっ
て、補助巻線その他の起動手段が用いられ、当該モータ
を起動させた後は、ティースと磁極に係わる前項の要件
を満たすことにより、一定期間における全ティース本数
中に占める励磁休止ティース本数の割合を低下させたこ
とを特徴とする特許請求範囲第１項の磁石モータ。