(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ相により構成された固定子であって，積層された硅素鋼板の巻線スロットに，相互接続なしで独立的に並列にコイルを分布巻線し，前記巻線された各コイルの両端がHブリッジの各相に独立的に連結され，前記各巻線スロット間に細いスロットが形成されたｎ相の固定子と，
中央の軸を中心にして積層された硅素鋼板のスロットに平板形の永久磁石を放射状で挿入された偶数の複数の永久磁石極を有し，前記各永久磁石の間には空間が形成され，前記固定子との電磁気的な力によって回転される回転子と，
前記回転子の軸の一端の外部に設置され，前記回転子の極性と前記固定子の巻線の励磁期間とを感知できるように感知領域と非感知領域とを有し，前記感知領域の数は，感知領域の数＝回転子の極数／２，により決定され，前記感知領域の幅は，感知領域幅＝｛２π／固定子の相数×回転子の極数｝×励磁相数（°）で決定される，整流エンコーダと，
前記整流エンコーダに連動作可能に設置され，前記固定子の各相に対して２つの光センサが設置されて，同一相の光センサは，２π／（固定子の相数）の間隔で設置されて，１つの光センサが感知領域に位置されるようにされ，全ての光センサの設置間隔は，２π／（回転子の極数×固定子の相数）（°），の式により決定される，光センサと，
前記ｎ相の各Ｈブリッジが電源に並列に接続され，前記各相の巻線コイルは，前記各Ｈブリッジに接続されて，前記各光センサは前記各Ｈブリッジの各ハーフＨブリッジのバースに接続され，前記固定子のｎ相の光センサのうち，光センサの前記感知領域に位置するａ個の相が該当光センサの正パルスによって該当巻線コイルを通電させて励磁相になり，光センサの非感知領域に位置する（ｎ−ａ）個の相は非励磁相になるようにして，前記非励磁相数を少なくとも２相以上とした後，各相を部分波で駆動させて，アドバンス整流によって前記回転子を高速回転可能にする電子整流子と，
を具備することを特徴とする無変出力ブラシレス直流モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は，新規なモータシステムに関し，特に，省エネルギで，低速から高速までの速度変換特性に優れ，トルクリップルがなく，低電圧で高出力を発生し，優れた定速特性及び高効率を有し，冷却システムが必要ないコンパクトな構成で，低コストで完全自動生産可能な，新規の無変出力ブラシレス直流モータに関する。
【０００２】
背景技術
一般の直流モータは，そのブラシ及び整流子が時間の経過と共に磨耗し，その構造は複雑であり，高コストが必要であるという問題がある。特に，一般のパワーモータを使用して６，０００ｒｐｍ以上の高速回転を得ることは困難である。交流インバータモータに関しては，その起動トルクが弱く，制御器が高コストであり，無変出力が発生されない。さらに，磁気抵抗モータは，製造コスト，大きさ及び重さの点において他のモータよりも劣り，無変出力が発生しない。通常，ブラシレス直流モータは，小型モータとして広く使用される。しかしながら，永久磁石回転子が設置される面の製造が困難であり，４分円制御を実行する制御器は，高コストが必要であり，無変出力が発生されない。さらに，ブラシレス直流モータは，不均一な回転，トルクリップル及び発熱の問題を全て解決することができない。
【０００３】
発明の開示
従って，本発明は，説明した技術の限界及び欠点に起因する複数の問題を十分に回避する無変出力ブラシレス直流モータが導かれる。
【０００４】
本発明の目的は，トルクリップルがなく，低電圧で高出力を発生し，優れた定速特性及び高効率を有し，冷却システムが必要ないコンパクトな構成で，低コストで完全自動生産可能な，無変出力ブラシレス直流モータを提供することにある。
【０００５】
本発明の目的を達成するために，無変出力ブラシレス直流モータであって，ｎ個の複数相が形成されて各相及び各極毎に並列に巻線され，相互接続しない固定子の各巻線コイルはｎ個の各フルＨブリッジに接続され，ｎ個のフルＨブリッジは並列に直流電源に接続される，固定子と，励磁領域に磁束が集中するために必要な，予め設定された極数を有する回転子と，感知領域と非感知領域とを含む整流エンコーダーであって，回転子の軸の一端の外部に設置される整流エンコーダと，各相に設置される２つの光センサであって，各ハーフＨブリッジをオン／オフするために各相のハーフＨブリッジに接続される前記２つの光センサとを有する無変出力ブラシレス直流モータであって，前記整流エンコーダの感知領域間の間隔はｎ個の相の中のα個の相を常時励磁することが可能に決定されており，α個の光センサはα個の相が励磁されたこと感知する，ことを特徴とするモータが提供される。
【０００６】
前記固定子にはキャンセル現象を除去するための細いスロットが形成されていることが好ましい。ｎ個の相の中で励磁される相数は，感知領域の間隔により決定され，感知領域の間隔は，以下の式により決定され，
感知領域の間隔
＝（２π×励磁する相数）／（回転子の極数×モータの相数）（°）
整流エンコーダ上の感知領域の数は，以下の式により決定され，
感知領域の数＝回転子の極数／２
センサ板上の各光センサの設置間隔は，以下の式により決定され，
光センサの間隔＝２π／（回転子の極数×モータの相数）（°）
ｎ個の相の中でα個の相は常時励磁状態にあり，β個の相は常に非励磁状態にある。非励磁相数に対応するβは，β≧１であることが好ましい。
【０００７】
本発明の，励磁される１，２，３，４，５．．．，α個の励磁相と１，２，３，４，５．．．β個の非励磁相とで形成される，２，３，４，５，６．．．，ｎ相の複数相を有する無変出力ブラシレス直流モータは，励磁相と非励磁相が交番して起動，回転する。回転子は永久磁石で形成され，固定子は複数相での独立巻線により形成され，整流エンコーダは回転する回転子の軸の一端の外部に固定される。ｎ個の相は，回転子の位置を感知するためにスイッチ部に接続される２ｎ個のセンサを有し，電流方向及び電流間隔を指示することにより，モータを起動し，回転させる。固定子，回転子，センサ，制御器は自動生産されるように構成され，生産コストを低減する。
【０００８】
上記一般の説明及び以下の詳細な説明の双方は，代表的及び説明的なものであり，請求項にかかる本発明の更なる説明をおこなうことにする。
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態
本発明の好ましい実施例の詳細な説明及び添付図面に図示されるの実施例の例に言及する。
【００１０】
本発明にかかる無変出力ブラシレス直流モータの構成を以下に説明する。ｎ個の相が形成され，各相が独立に巻線される固定子は，電子整流子に並列に接続される。永久磁石からなる回転子は，固定子の設計に合わせて，予め設定された数の２，４，６，８． ． ． ．の極数を有する。整流エンコーダは，いわば環状板が円型板の外周上に搭載されるという構成の円筒型を有する。エンコーダは，光センサにより感知される感知領域と非感知領域を有し，この感知領域は，（ｎ−β）個の相を励磁するために，環状板を切断して形成される。即ち，感知領域は，ｎ相中でα個の相だけ，常時，励磁することができる。
【００１１】
光センサに関しては，各相は，整流エンコーダにしたがって駆動する２つの光センサを有する。一つの相の一つの光センサと他の一つの光センサは，回転子の極間の空間角に，互いに離間して配置される。各相の各センサは相間の空間角に順次配置される。電子整流子に関しては，複数相を有する各コイルは，相数に対応する，予め設定された数のフルＨブリッジに接続され，各相の２つの光センサは，各々，ハーフＨブリッジに接続される。電子整流子及び各Ｈブリッジは，並列に電源に接続される。上述の構成によれば，本発明にかかるは，連続速度変換及び一定効率を有する無変出力ブラシレス直流モータを実現する。
【００１２】
図１は，本発明にかかる無変出力ブラシレス直流モータのブロック図であって，５相の固定子，回転子，回転子（固定子と回転子）を構成する整流エンコーダ及び制御エンコーダ，制御器及び電源システムを示す。開ループ動作時には，モータは，制御エンコーダや制御エンコーダロジックを使用せずに，パルス幅変調制御のみにより制御される。閉ループ動作時には，制御エンコーダ，制御エンコーダロジック及び入力バッファロジックは，パルス幅変調制御ロジックと比較され，パルス幅変調制御により速度制御及び位置制御が実行される。モータは，可変周波数制御やベクトル制御を使用せずにパルス幅変調制御のみで制御されるので，モータの制御が容易になり，簡易な回路構成とすることができる。
【００１３】
図２Ａ及び図２Ｂは，５相６極モータのセンサを示す。整流エンコーダ及び制御エンコーダは，回転子により回転される，回転子後部のブラケットの外側に設置された回転子の軸の一端の外部に固定される。光センサが設置されるセンサ板は，ブラケットの円周上に設置される。センサ板は，アドバンス整流が可能なように設置されるように調整される。制御エンコーダは，図１及び図２Ａに示すように，いわば開口部（あるいはスロット）が，光センサがパルスを放出することが可能な環状板の所定位置に形成される。その際，溝の大きさ及びこれらの分割角度は，モータの速度制御特性及び位置制御特性に依存する。
【００１４】
図３Ａは，いわば細いスロットが巻線用スロット間に形成されるように構成される，５相６極型固定子の珪素（鋼）板（以下，積層板ともいう）を示す。図３Ｂは，５相６極型固定子の巻線を示す。固定子を構成する５相は，各々，各極に対して並列に巻線されて，独立に並列に巻線される。図４Ａは，６極型の永久磁石回転子を示す。図４Ａを参照して，棒型永久磁石は，回転子を構成する非磁性ハブのドーブテール型ホルダに結合される積層珪素（鋼）板の内部に挿入される。図４Ｂは，外側回転パンケーキ型永久磁石回転子を示し，図４Ｃは，スリップリング型の電磁石回転子を示す。
【００１５】
図５Ａ及び図５Ｂは，５相６極モータの電子整流回路を示す。整流エンコーダの構成において，感知領域（即ち，発光認識部）の数は次式により決定される。
感知領域の数＝回転子の極数／２
【００１６】
従って，図５に示す５相６極モータの感知領域の数は，３に一致する。感知領域の幅（軸角度）は，次式により決定される。
感知領域の幅＝｛２π（極数×相数）｝×励磁しようとする相数（°）
【００１７】
従って，図５に示す５相６極モータに関しては，３相だけが感知領域の軸角度を３６°とするために励磁される。図５Ａ及び図５Ｂを参照して，１相が励磁されるハーフＨブリッジＱ１及びＱ４に接続されるＰＡ１と，１相が励磁される他のハーフＨブリッジＱ２及びＱ３に接続されるＰＡ２は，他の極の同位置に位置する。従って，回路の通電時には，１相のＰＡ１は正パルスを送出する感知領域内に位置し，図５ＡのＨブリッジのＱ１及びＱ４をオンする。このことにより，コイルは通電され，Ｑ１及びＱ４によりループされたコイルは励磁される。回転子の回転中は，ハーフブリッジＱ１及びＱ４のオンの間隔は，整流エンコーダの感知領域の幅と同一である。即ち，ハーフブリッジＱ１及びＱ４の励磁間隔は軸角度３６°に一致する。
【００１８】
軸角度が次の２４°（６０°−３６°）である場合には，ＰＡ１及びＰＡ２は，１相のＨブリッジのＱ１，Ｑ４，Ｑ２，Ｑ３をオフする非感知領域上に位置する。このとき，ＰＡ２は，ＰＡ１のように，整流エンコーダの回転によりＱ２，Ｑ３をオンして，１相を独立的に通電し，回転子が回転する。光センサは，図５Ｂのセンサ板上に，２π／（極数×相数）（°）の間隔で設置される。図５Ｂでは，例えば，１０個の光センサが１２°の間隔で配置される。各相の２つの光センサの間隔は，２π／（回転子の極数）と一致する。従って，ＰＡ１とＰＡ２との間隔は６０°である。
【００１９】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように，５相６極モータにおいて，常時，３相は励磁されるが２相は非励磁である。従って，各相の励磁間隔及び非励磁間隔は，次式により決定される。
励磁角
＝π×（励磁相数／相数）（°）
非励磁角
＝π×（非励磁相数／相数）（°）
【００２０】
従って，図５の各相の励磁角及び非励磁角は，各々，１０８°及び７２°である。
【００２１】
図６は，各光センサのパルス出力，５相６極モータの電流入力方向，トルク輪郭及び間隔を示す。整流エンコーダの感知領域間の距離に依存する各光センサが送出するパルスと一致する間隔の電流により，コイルが通電されて，トルクが生成される。従って，矩形及び部分電流波が入力され，矩型トルクスキームのパワーが出力される。従って，図５に示す５相６極モータでは，常時，３相は励磁され，２相は非励磁である。従って，トルクの合計は，リニアトルクスキームと一致する。
【００２２】
図５及び図６に示すように，励磁されるモータの相数は，整流エンコーダの感知領域の間隔に従って決定される。本発明のモータは，極変更領域で発生する全ての問題を解決する。特に，本発明のモータは，いわば複数相中の一つ以上が励磁されずに，アドバンス整流を発生するように構成され，その結果，円滑な高速回転が得られる。
【００２３】
モータが電気エネルギを機械エネルギに変換する過程において，活性磁束が磁気発動力を発生するように励磁されるために，固定子コイルが通電されるタイミングは，高速回転で回転子の非活性磁束が動作するタイミングよりも遅延する。従って，アドバンス整流は，そのタイミングを互いに一致させるために必要とされる。図７Ａは，５相だけ励磁され，非励磁の３相と一致する間隙だけアドバンスさせた８相６極モータを示す。図７Ｂは，３相が励磁され，非励磁の５相に一致する間隙だけアドバンスさせた８相６極モータを示す。図７Ａのモータは，図７Ｂのモータよりも，より高速回転させることができる。
【００２４】
さらに，超高速モータの構成において，整流エンコーダロジックは，電気的結合を，各光センサ及びマイクロプロセッサ装置に属するアドバンスされる光センサに変更し，所定速度に合わせて徐々にアドバンス整流を実行する。
【００２５】
図８は，無変出力ブラシレス直流モータのトルクと速度との関係を示す。図８に示すように，本発明の直流モータは，無変出力特性を有する。さらに，本発明の直流モータは，ＣＷ及びＣＣＷ性能と，両指向性作用を有する。即ち，図１及び図５における整流エンコーダロジックは，電気結合を各相に含まれる両光センサに変更し，モータは正方向から逆方向に，あるいは，逆方向から正方向に円滑に起動し回転する。また，光センサの電気結合の変更を，５／１０００ｓｅｃ以内で連続的に実行すると，両指向性作用が容易に活性化される。本発明の直流モータは，リニアモータ機能も有する。特に，理想的なリニアモータは，モータの固定子がリニア型に構成され，回転子がリニアに動作するように構成することで実現される。
【００２６】
本発明によれば，固定子の細いスロットは，各相のコイルの通電時に生じる磁束の衝突を除去し，モータの効率を向上させる。コイルの通電中に電流損失がな均一な通電が行われるので，モータにはトルクリップルがなく，制御器は安定化する。さらに，固定子は，相ごと，極ごとに並列巻線されるので，モータは低電圧で高出力を発生することができる。固定子の並列巻線は，モータの自動生産を可能にし，コストを低減し及び大量生産を可能にする。
【００２７】
さらに，磁束は，回転子領域に集中するので，固定子の活性磁束に対応する回転子の非活性磁束は，永久磁石回転子を使用した大出力のモータを実現する。回転子の表面は空隙を最小化するように機械加工され，モータ効率が向上する。これは，回転子の極数，大きさ，形状の制限がないので，長手ドラム型やパンケーキ型のモータは，目的に応じて自由に設計することができる。回転子は，モータに組み込まれるので，自動生産が可能となり，コストが低減され及び大量生産が可能となる。
【００２８】
一方，整流モータにおいては，フルサイン波やフル矩形波を使用する全てのモータは，制動トルク，逆起電力（ＥＭＦ），リアクタンス（誘導性リアクタンスと容量性リアクタンス），極変更領域での高調波を発生し，モータの鉄損失や銅損失を誘発し，制御器に衝撃を与える。さらに，モータで発生する熱のため，冷却システムが必要になり，効率が悪化する。しかしながら，本発明のモータは，極変更領域に位置する相には電流を入力しないので，上記問題を解決するために，冷却システムが不要であり，モータの効率が向上する。
【００２９】
さらに，部分矩型波は，ｒｍｓトルク容量及ピークトルク容量を最大化させる。従って，モータは，コンパクトとなり，効率が向上する。さらに，制御器は，クロスファイア防止装置が不要であり，安定して回路を簡易にし，信頼性を向上し，コストを低減する。固定子及び回転子は，同一材料（珪素鋼板）で構成されるため，磁束密度や透磁率は同一である。従って，電流とトルクとの間の関係特性は完璧になり，電流と速度との関係特性も優良となる。このことは，モータが無変出力を発生することが可能になり，全ての速度領域で均一な効率が得られる。
【００３０】
一般的なモータのトルクは，正弦トルクスキームあるいは台形のトルクスキームであり，トルクリップルを引き起こす。本発明のモータは，各相の巻線コイルに部分矩型波を適用するので，各相は矩形トルクスキームを実現することができ，合計トルクはリニアトルクスキームとなる。従って，本発明にかかるモータは，トルクリップルかなく，円滑に起動及び回転することができる。さらに，本発明の無変出力ブラシレス直流モータに関しては，ｎ個の相の中でβ個の相は非励磁であるが，非励磁のβ個の相に対応する間隔だけアドバンス整流が実行される。従って，本発明は，連続変速及び均一効率の無変出力モータを実現する。モータは，マイクロプロセッサに従って電気的なニュートラル整流を実現し，円滑なＣＷ−ＣＣＷ制御，高速の双方向制御，円滑な位置制御を実行する。
【００３１】
当業者が本発明の精神及び範囲を逸脱することなく，本発明の無変出力ブラシレス直流モータに種々の修正及び変更が可能なことは明らかである。従って，本発明は，提供される本発明の修正及び変更を包含し，従属請求項及びその等価の範囲にあるものと了解される。
【図面の簡単な説明】
（図面の簡単な説明）
本発明のさらなる理解のために添付され，具体化され，本明細書の一部を構成する添付図面は，本発明の実施例を図示すると共に，その記載は，本発明の主旨を説明する。
図面において，
【図１】図１は，本発明にかかる無変出力ブラシレス直流モータのブロック図である。
【図２】図２Ａは，本発明にかかる無変出力ブラシレス直流モータの光センサの後部を示す。
図２Ｂは，図２Ａのセンサの横断面図である。
【図３】図３Ａは，電機子の磁束のキャンセル現象を除去するためのキャンセル除去スロットを示す。
図３Ｂは，５相６極モータの固定子巻線を示す。
【図４】図４Ａは，積層珪素（鋼）板の内部に挿入された棒形永久磁石を有する６極内側回転子を示す。
図４Ｂは，積層珪素（鋼）板の外部に挿入された棒形永久磁石を有する１６極型外側回転子を示す。
図４Ｃは，６極電磁石回転子のスリップリングを示す。
【図５】図５Ａは，５相モータの駆動回路を示す。
図５Ｂは，５相６極モータの整流エンコーダ及び光センサが回転子に設置されたことを示す。
【図６】図６は，５相６極モータにおいて３相が励磁された時に発生するトルクを示す。
【図７】図７Ａは，８相６極モータにおいて，３相に対応する間隔がアドバンス整流されることを示す。
図７Ｂは，８相６極モータにおいて，５相に対応する間隔がアドバンス整流されることを示す。及び，
【図８】図８は，本発明にかかる無変出力ブラシレス直流モータの無変出力特性を示す。
【図１】
0003555022.tif 000002
【図２】
0003555022.tif 000003
【図３】
0003555022.tif 000004
0003555022.tif 000005
【図４】
0003555022.tif 000006
0003555022.tif 000007
【図５】
0003555022.tif 000008
【図６】
0003555022.tif 000009
【図７】
0003555022.tif 000010
【図８】
0003555022.tif 000011