JP2009148146A - 電動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることのできる技術を提供する。
【解決手段】電動装置は、複数の永久磁石を有する第１の駆動部材３０と、複数の電磁コイルを有する第２の駆動部材１０と、第１と第２の駆動部材のうちの少なくとも一方を移動させることにより、第１の駆動部材と第２の駆動部材との間に形成される隙間の大きさを変化させる隙間制御部１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動装置に関するものである。

従来、電動装置に関する技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

国際公開番号ＷＯ２００５／１１２２３０ Ａ１

しかし、このモータでは、一定の負荷を与えている場合において、モータへの印加電圧が一定の場合には、定常状態におけるモータの回転速度は一定となる。したがって、モータに一定の負荷を与えたまま、定常状態におけるモータの回転速度を上昇させるには、印加電圧を上昇させる方法しかなかった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。

[適用例１]
電動装置であって、
複数の永久磁石を有する第１の駆動部材と、
複数の電磁コイルを有する第２の駆動部材と、
前記第１と第２の駆動部材のうちの少なくとも一方を移動させることにより、前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との間に形成される隙間の大きさを変化させる隙間制御部と、
を備える電動装置。

第１の駆動部材と第２の駆動部材との間に形成される隙間の大きさを変化させると、電磁コイルを通過する磁束密度は変化し、電磁コイルに発生する逆起電力が変化する。したがって、適用例１の電動装置によれば、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることができる。

[適用例２]
適用例１記載の電動装置であって、
前記第２の駆動部材は、前記第１の駆動部材を挟むように２つ設けられており、
前記隙間制御部は、前記２つの第２の駆動部材を移動させることにより、前記隙間の大きさを変化させる、電動装置。

適用例２の電動装置の構成によっても、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることができる。

[適用例３]
適用例１記載の電動装置であって、
前記第１の駆動部材は、前記第２の駆動部材を挟むように２つ設けられており、
前記第２の駆動部材は、前記２つの第１の駆動部材の間に２つ設けられており、
前記隙間制御部は、前記２つの第２の駆動部材を移動させることにより、前記隙間の大きさを変化させる、電動装置。

適用例３の電動装置の構成によっても、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることができる。

[適用例４]
適用例１ないし３のいずれかに記載の電動装置であって、
前記隙間制御部は、前記隙間の大きさを、前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との相対速度に応じて予め定められた所定の値に設定する、電動装置。

電動装置が発生する駆動力の大きさは、第１の駆動部材と第２の駆動部材との相対速度と、第１の駆動部材と第２の駆動部材との間に形成される隙間の大きさとによって定まる。したがって、適用例４の電動装置によれば、相対速度に応じて隙間の大きさを制御するので、電動装置が発生する駆動力を適切に制御することができる。

[適用例５]
適用例４記載の電動装置であって、
前記隙間制御部は、前記相対速度において前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との間に発生する駆動力が最も大きな値となるように、前記相対速度に応じて前記隙間の大きさを制御する、電動装置。

適用例５の電動装置によれば、相対速度に応じた最大の駆動力を発生することができる。

[適用例６]
適用例１ないし３のいずれかに記載の電動装置であって、
前記隙間制御部は、前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との相対加速度に応じて前記隙間の大きさを制御する、電動装置。

適用例６の電動装置によれば、第１の駆動部材と第２の駆動部材との相対加速度に応じて隙間の大きさを制御するので、電動装置が発生する駆動力を適切に制御することができる。

[適用例７]
適用例１ないし３のいずれかに記載の電動装置であって、
前記隙間制御部は、前記電動装置を発電機として利用して電力を回生する場合において、前記隙間の大きさを制御することにより、前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との間に発生する制動力を制御する、電動装置。

電動装置を発電機として利用した場合に発生する制動力の大きさは、第１の駆動部材と第２の駆動部材との間に形成される隙間の大きさと相関がある。したがって、適用例７の電動装置によれば、電力回生時に生じる制動力を制御することができる。

[適用例８]
適用例１ないし７のいずれかに記載の電動装置であって、さらに、
前記永久磁石の位相を検出する磁気センサを備え、
前記磁気センサは、前記隙間の大きさが変化した場合であっても、前記永久磁石との位置関係が変化しない場所に配置されている、電動装置。

適用例８の電動装置によれば、第１の駆動部材と第２の駆動部材との間に形成される隙間の大きさが変化した場合であっても、永久磁石の位相を安定して検出することができる。

［適用例９］
適用例１ないし８のいずれかに記載の電動装置であって、
前記電磁コイルは、コア材として機能する磁性部材を有さない、電動装置。

適用例９の電動装置によれば、磁性部材と永久磁石との間に吸着力が発生しない。したがって、隙間制御部は、電磁コイルに磁性部材がある場合に比べて、より小さな力で、隙間の大きさを変化させることが可能となる。また、電磁コイルが磁性部材を有さないようにすれば、電磁コイルが磁性部材を有する場合に比べて、隙間の大きさを変化させることによって得られる相対速度の範囲を広くすることができる。

［適用例１０］
適用例２または３に記載の電動装置であって、
前記隙間制御部は、前記２つの第２の駆動部材をそれぞれ逆方向に同時に移動させる、電動装置。

適用例１０の電動装置によっても、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電動モータ及びその制御方法、それらを用いた移動体、鉄道車両、プロジェクタ、携帯機器、ロボット、アクチュエータ、電子機器等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．電動装置の構成と動作の概要：
Ａ２．隙間制御機構部の構成：
Ａ３．回路の構成：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ１．電動装置の構成と動作の概要：
図１は、本発明の一実施例としてのモータ本体の構成を示す断面図である。このモータ本体１００は、それぞれ略円盤状のステータ部１０及びロータ部３０を有している。ロータ部３０は、複数の磁石を有する磁石列３４Ｍを有しており、回転軸１１２に固定されている。磁石列３４Ｍの磁化方向は上下方向である。ステータ部１０は、ロータ部３０を挟んで２つ設けられている。ロータ部３０の上部に配置されたステータ部１０は、Ａ相コイル列１４Ａを有しており、ロータ部３０の下部に配置されたステータ部１０は、Ｂ相コイル列２４Ｂを有している。隙間制御機構部１５は、２つのステータ部１０を上下に移動させることにより、ステータ部１０とロータ部３０との間に形成される隙間の大きさを変更することができる。この隙間の大きさを変更する理由については後述する。ステータ部１０及びロータ部３０の周囲には、ケース２０が設けられている。ケース２０と回転軸１１２とが接触する部分には、軸受け１１４が設けられている。ケース２０の内周部には、基板１３が設置されており、基板１３にはアナログ磁気センサ１６Ａ，２６Ｂが配置されている。基板１３とステータ部１０との間には、フレキシブルケーブル１３ａが設けられており、基板１３とステータ部１０との間でセンサ信号の通信を行うことができる。ケース２０の内周部にアナログ磁気センサ１６Ａ，２６Ｂを配置する理由は、ステータ部１０が上下に移動した場合であっても、ロータ部３０とアナログ磁気センサ１６Ａ，２６Ｂとの位置関係を変化させないことにより、磁気センサ１６Ａ，２６Ｂがロータ部３０の位相を安定して検出できるようにするためである。ただし、このアナログ磁気センサ１６Ａ，２６Ｂは、ステータ部１０に設けることとしてもよい。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、ステータ部１０の第１のコイル列１４Ａと、ロータ部３０と、ステータ部１０の第２のコイル列２４Ｂとを分離して示したものである。この例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、それぞれ６つのコイルを有しており、磁石列３４Ｍも６つの磁石を有している。但し、コイルや磁石の数は任意の値に設定することが可能である。

図３（Ａ）は、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍの位置関係を示している。Ａ相コイル列１４Ａは支持部材１２Ａに固定されており、Ｂ相コイル列２４Ｂは支持部材２２Ｂに固定されている。Ａ相コイル列１４Ａは、逆方向に励磁される２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。図３（Ａ）の状態では、３つのコイル１４Ａ１は磁化方向（Ｎ極からＳ極に向く方向）が下向きになるように励磁されており、また、他の３つのコイル１４Ａ２は磁化方向が上向きになるように励磁されている。Ｂ相コイル列２４Ｂも、逆方向に励磁される２種類のコイル２４Ｂ１，２４Ｂ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。なお、本明細書では、「コイルピッチＰｃ」は、Ａ相コイル列のコイル同士のピッチ、または、Ｂ相コイル列のコイル同士のピッチとして定義されている。

ロータ部３０の磁石列３４Ｍは、支持部材３２Ｍに固定されている。この磁石列３４Ｍの永久磁石は、磁化方向が磁石列３４Ｍの配列方向（図３（Ａ）の左右方向）とは垂直な方向に向くようにそれぞれ配置されている。磁石列３４Ｍの磁石は、一定の磁極ピッチＰｍで配置されている。この例では、磁極ピッチＰｍはコイルピッチＰｃに等しく、電気角でπに相当する。なお、電気角の２πは、コイル列に供給される駆動信号の位相が２πだけ変化したときに移動する機械的な角度又は距離に対応づけられる。本実施例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの駆動信号の位相が２πだけ変化すると、磁石列３４ＭがコイルピッチＰｃの２倍だけ移動する。

なお、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、電気角で互いにπ／２だけ異なる位置に配置されている。Ａ相コイル１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、位置が異なるだけであり、他の点は実質的に同じ構成を有している。従って、以下では、コイル列に関する説明の際に特に必要な場合を除いてＡ相コイル列についてのみ説明する。

図３（Ｂ）は、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂに供給される交流駆動信号の波形の一例を示している。Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂには、二相交流信号がそれぞれ供給される。また、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの駆動信号の位相はπ／２だけ互いにずれている。図３（Ａ）の状態は、位相ゼロ（又は２π）の状態に相当する。

図３（Ａ）に示すように、モータ本体１００は、さらに、Ａ相コイル列１４Ａ用のアナログ磁気センサ１６Ａと、Ｂ相コイル列２４Ｂ用のアナログ磁気センサ２６Ｂとを有している。これらを以下では「Ａ相センサ」、「Ｂ相センサ」と呼ぶ。この例では、Ａ相センサ１６ＡおよびＡ相センサ２６Ｂは、ステータ部１０上に設けられているものとして説明するが、これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂは、図１で示したように、ケース２０の内周部に設けられていることとしてもよい。Ａ相センサ１６ＡはＡ相コイル列１４Ａの２つのコイルの間の中央の位置に配置されており、Ｂ相センサ２６ＢはＢ相コイル列２４Ｂの２つコイルの間の中央の位置に配置されている。本実施例では、これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂのアナログ出力を利用して、図３（Ｂ）に示す交流駆動信号が生成される。これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂとしては、例えばホール効果を利用したホールＩＣを採用することができる。

図４は、磁気センサの出力波形の例を示す説明図である。この例では、Ａ相センサ出力ＳＳＡとＢ相センサ出力ＳＳＢは、いずれも正弦波である。これらのセンサ出力は、Ａ相コイル１４ＡとＢ相コイル２４Ｂの逆起電力とほぼ同じ波形形状を有している。逆起電力の波形は、コイル形状や磁石とコイルとの位置関係にも依存するが、正弦波か、正弦波に近い波形となるのが普通である。

ところで、電動モータは、機械的エネルギと電気的エネルギとを相互に変換するエネルギ変換装置として機能するものである。そして、コイルの逆起電力は、電動モータの機械的エネルギが電気的エネルギに変換されたものである。従って、コイルに印加する電気的エネルギを機械的エネルギに変換する場合（すなわちモータを駆動する場合）には、逆起電力と同じ波形の電圧を印加することによって、最も効率良くモータを駆動することが可能である。なお、以下に説明するように、「逆起電力と同じ波形の電圧」は、逆起電力と逆向きの電流を発生する電圧を意味している。

図５（Ａ）は、コイルの印加電圧と逆起電力との関係を示す模式図である。ここで、コイルは交流の逆起電力Ｅｃと抵抗Ｒｃとで模擬されている。また、この回路では、交流印加電圧Ｅｉ及びコイルと並列に電圧計Ｖが接続されている。なお、逆起電力Ｅｃを「誘起電圧Ｅｃ」とも呼び、また、印加電圧Ｅｉを「励磁電圧Ｅｉ」とも呼ぶ。コイルに交流電圧Ｅｉを印加してモータを駆動すると、印加電圧Ｅｉと逆の電流を流す方向に逆起電力Ｅｃが発生する。モータが回転している状態でスイッチＳＷを開放すると、電圧計Ｖで逆起電力Ｅｃを測定することができる。スイッチＳＷを開放した状態で測定される逆起電力Ｅｃの極性は、スイッチＳＷを閉じた状態で測定される印加電圧Ｅｉと同じ極性である。上述の説明において「逆起電力とほぼ相似波形の電圧を印加する」という文言は、このような電圧計Ｖで測定された逆起電力Ｅｃと同じ極性を有するほぼ相似形状の波形を有する電圧を印加することを意味している。

図５（Ｂ）は、本実施例で採用している駆動方法の概要を示している。ここでは、モータを、Ａ相コイル１４Ａと、永久磁石３４Ｍと、Ａ相センサ１６Ａとで模擬している。永久磁石３４Ｍを有するロータ部３０が回転すると、センサ１６Ａに交流電圧Ｅｓ（「センサ電圧Ｅｓ」とも呼ぶ）が発生する。このセンサ電圧Ｅｓは、コイル１４Ａの誘起電圧Ｅｃと相似な波形形状を有している。そこで、センサ電圧Ｅｓの模擬したＰＷＭ信号を生成してスイッチＳＷをオン／オフ制御することによって、誘起電圧Ｅｃとほぼ相似波形の励磁電圧Ｅｉをコイル１４Ａに印加することが可能となる。この時の励磁電流Ｉｉは、Ｉｉ＝（Ｅｉ−Ｅｃ）／Ｒｃで与えられる。

上述したように、モータを駆動する場合には、逆起電力と相似波形の電圧を印加することによって、最も効率良くモータを駆動することが可能である。なお、正弦波状の逆起電力波形の中位点近傍（電圧０の近傍）ではエネルギ変換効率が比較的低く、反対に、逆起電力波形のピーク近傍ではエネルギ変換効率が比較的高いことが理解できる。逆起電力と相似波形の電圧を印加してモータを駆動すると、エネルギ変換効率の高い期間において比較的高い電圧を印加することになるので、モータ効率が向上する。一方、例えば単純な矩形波でモータを駆動すると、逆起電力がほぼ０となる位置（中位点）の近傍においてもかなりの電圧が印加されるので、モータ効率が低下する。また、このようにエネルギ変換効率の低い期間において電圧を印加すると、渦電流により回転方向以外の方向の振動が生じ、これによって騒音が発生するという問題も生じる。

上述の説明から理解できるように、逆起電力と相似波形の電圧を印加してモータを駆動すると、モータ効率を向上させることができ、また、振動や騒音を低減することができるという利点がある。

図６は、Ａ相コイル列１４Ａの２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２の結線方法を示す図である。図６（Ａ）の結線方法では、Ａ相コイル列１４Ａに含まれるすべてのコイルが直列に接続されている。一方、図６（Ｂ）の結線方法では、一対のコイル１４Ａ１，１４Ａ２で構成される直列接続が、複数組並列に接続されている。このいずれの結線方法の場合にも、２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２は、常に逆の極性に磁化される。

図７は、本実施例の電動モータの動作を示している。なお、この例では、コイル列１４Ａ，２４Ｂに対して磁石列３４Ｍが時間の経過とともに右に移動する様子が描かれている。これらの図の左右方向は、図１に示すロータ部３０の回転方向に相当することが理解できる。

図７（Ａ）は位相が２πの直前のタイミングの状態を示している。なお、コイルと磁石との間に描かれた実線の矢印は吸引力の方向を示しており、破線の矢印は反発力の方向を示している。この状態では、Ａ相コイル列１４Ａは磁石列３４Ｍに対して動作方向（図の右方向）の駆動力を与えておらず、磁石列３４ＭをＡ相コイル列１４Ａに引きつける方向に磁力が働いている。従って、位相が２πのタイミングでは、Ａ相コイル列１４Ａへの印加電圧をゼロにすることが好ましい。一方、Ｂ相コイル列２４Ｂは、磁石列３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。また、Ｂ相コイル列２４Ｂは磁石列３４Ｍに対して吸引力だけで無く反発力も与えているので、Ｂ相コイル列２４Ｂから磁石列３４Ｍに対する上下方向（磁石列３４Ｍの動作方向と垂直な方向）の正味の力はゼロである。従って、位相が２πのタイミングでは、Ｂ相コイル列２４Ｂへの印加電圧をピーク値にすることが好ましい。

図７（Ｂ）に示されているように、位相が２πのタイミングでＡ相コイル列１４Ａの極性が反転する。図７（Ｂ）は、位相がπ／４の状態であり、Ａ相コイル列１４Ａの極性が図７（Ａ）から反転している。この状態では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂが、磁石列３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。図７（Ｃ）は、位相がπ／２直前の状態である。この状態は、図７（Ａ）の状態とは逆に、Ａ相コイル列１４Ａのみが、磁石列３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。位相がπ／２のタイミングではＢ相コイル列２４Ｂの極性が反転し、図７（Ｄ）に示す極性となる。図７（Ｄ）は、位相が３π／４の状態である。この状態では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂが、磁石列３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。

図７（Ａ）〜（Ｄ）から理解できるように、Ａ相コイル列１４Ａの極性は、Ａ相コイル列１４Ａの各コイルが磁石列３４Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。Ｂ相コイル列も同様である。この結果、すべてのコイルからほとんど常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。

なお、位相がπ〜２πの期間は、図７（Ａ）〜（Ｄ）とほぼ同様なので詳しい説明を省略する。但し、Ａ相コイル列１４Ａの極性は位相がπのタイミングで再び反転し、Ｂ相コイル列２４Ｂの極性は位相が３π／２のタイミングで再び反転する。

上述の説明から理解できるように、本実施例の電動モータは、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍとの間の吸引力と反発力を利用することによって、磁石列３４Ｍに対する動作方向の駆動力を得ている。特に、本実施例では、磁石列３４Ｍを挟んだ両側にコイル列１４Ａ，２４Ｂが配置されているので、磁石列３４Ｍの両側の磁束を駆動力の発生に利用することができる。従って、従来の電動モータのように、磁石の片側のみを駆動力の発生に利用する場合に比べて磁束の利用効率が高く、効率が良くトルクの大きなモータを実現することができる。但し、２つのコイル列１４Ａ，２４Ｂの一方を省略することも可能である。また、コイル列１４Ａ，２４Ｂの内部には、磁性体製のコアを設けないこととすることも可能である。なお、図７では、吸引力と反発力とによって駆動力が発生する現象を説明したが、フレミング左手の法則に従って、駆動力（電磁力）が発生する現象を説明することも可能である。

なお、支持部材１２Ａ，２２Ｂ，３２Ｍは、非磁性体材料でそれぞれ形成されていることが好ましい。また、本実施例のモータ本体の各種の部材のうちで、コイルやセンサを含む電気配線と、磁石と、回転軸と、その軸受け部以外の部材は、すべて非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。また、コイルの内部には、磁性体製のコアを設けないようにすれば、いわゆるコギングが発生せず、なめらかで安定した動作を実現することができる。また、磁気回路を構成するためのヨークを設けないようにすれば、いわゆる鉄損（渦電流損）が極めて少なく、効率の良いモータを実現することができる。

Ａ２．隙間制御機構部の構成：
図８は、ステータ部１０とロータ部３０との間に形成される隙間の大きさについての説明図である。図８（Ａ）は、ステータ部１０がロータ部３０に最も接近した状態を示している。この図８（Ａ）の初期状態を相対隙間Ｇ＝０と定義する。図１で示したように、ステータ部１０は、隙間制御機構部１５によって上下方向（図８では左右方向）に移動することが可能である。図８（Ｂ）は、隙間制御機構部１５によってステータ部１０が移動した状態を示している。この図８（Ｂ）のように、ステータ部１０が移動することによってロータ部３０との間に初期状態よりも大きな隙間ができた状態を、相対隙間Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２＞０と定義する。

図９は、相対隙間Ｇと無負荷状態でのモータの回転数との関係を示すグラフである。なお、このグラフは実測されたデータに基づいて描かれている。隙間制御機構部１５によって、ステータ部１０とロータ部３０との間に形成される相対隙間Ｇを大きくすると、無負荷状態におけるモータの回転数を大きくすることができる。この理由については、後述する。

ところで、電磁コイル内に流れる電流Ｉｉは、オームの法則より、以下の（１）式で示される。

ここで、Ｉｉは電磁コイルに流れる電流、Ｅｉは電磁コイルへの印加電圧、Ｅｃは電磁コイルに発生する逆起電力、Ｒｃは電磁コイル等の内部抵抗である。

ステータ部１０とロータ部３０との間に発生するトルクＴは、電磁コイルに流れる電流Ｉｉと、磁束密度Ｂに比例するため、以下の（２）式で示される。

ここで、Ｋ₁は、比例定数である。

逆起電力Ｅｃは、磁束密度Ｂと、モータの回転速度ωに比例するため、以下の（３）式で示される。

ここで、Ｋ₂は、比例定数である。

（１）式、（２）式より、Ｉｉを消去すると、

（３）式、（４）式より、Ｅｃを消去すると、

ここで、Ｋ₁，Ｋ₂，Ｒｃ，Ｅｉは定数なので（印加電圧Ｅｉを一定とした場合）、以下の（６）式、（７）式でＫ₃、Ｋ₄を定義すると、上記（５）式は、以下の（８）式となる。

この（８）式は、モータのトルクＴと回転速度ωとの直線的関係を示している。ここで、隙間制御機構部１５によって相対隙間Ｇを大きくすると、電磁コイルを通過する磁束密度Ｂは小さくなるので、トルクＴと回転速度ωとの関係を示す直線の傾きと切片が変化することが理解できる。

図１０は、モータのトルクＴと回転速度ωとの関係を示すグラフである。このグラフには、隙間制御機構部１５によって相対隙間Ｇを３段階に変化させた場合、すなわち、電磁コイルを通過する磁束密度Ｂを３段階に変化させた場合の３本のグラフｇｒ１（Ｂ＝Ｂ₁，Ｇ＝Ｇ₁），ｇｒ２（Ｂ＝Ｂ₂，Ｇ＝Ｇ₂），ｇｒ３（Ｂ＝Ｂ₃，Ｇ＝Ｇ₃）が示されている。ここで、Ｇ₁＜Ｇ₂＜Ｇ₃である。また、磁束密度Ｂは、相対隙間Ｇが大きくなるほど小さくなるので、Ｂ₃＜Ｂ₂＜Ｂ₁となる。この図１０によると、同一の相対隙間Ｇでは、モータの回転速度ωが小さいほど、モータに発生するトルクが大きくなることが理解できる。

回転速度ωが０≦ω≦ω₁の領域では、相対隙間Ｇ＝Ｇ₁（グラフｇｒ１）の場合に、トルクＴが最も大きくなっていることが理解できる。回転速度ωがω₁＜ω≦ω₂の領域では、相対隙間Ｇ＝Ｇ₂（グラフｇｒ２）の場合に、トルクＴが最も大きくなっており、また、回転速度ωがω₂＜ωの領域では、相対隙間Ｇ＝Ｇ₃（グラフｇｒ３）の場合に、トルクＴが最も大きくなっている。

したがって、隙間制御機構部１５は、相対隙間Ｇを変更することにより、同一の回転速度ωにおいて発生するトルクＴを変更することができる。また、隙間制御機構部１５は、モータの回転速度ωに応じて、相対隙間Ｇを設定することも可能である。特に、隙間制御機構部１５は、回転速度ωに応じて、３段階の相対隙間Ｇを以下で示すように切り替えれば、全ての回転速度ωの範囲において、最大のトルクＴを発生させることが可能である。
（１）０≦ω≦ω₁の領域 相対隙間Ｇ＝Ｇ₁に設定
（２）ω₁＜ω≦ω₂の領域 相対隙間Ｇ＝Ｇ₂に設定
（３）ω₂＜ωの領域 相対隙間Ｇ＝Ｇ₃に設定

一方、トルクＴが０≦Ｔ≦Ｔ₂の領域では、相対隙間Ｇ＝Ｇ₃（グラフｇｒ３）の場合に、定常状態における回転速度ωが最も大きくなっていることが理解できる。トルクＴがＴ₂＜Ｔ≦Ｔ₁の領域では、相対隙間Ｇ＝Ｇ₂（グラフｇｒ２）の場合に、定常状態における回転速度ωが最も大きくなっており、また、トルクＴがＴ₁＜Ｔの領域では、相対隙間Ｇ＝Ｇ₁（グラフｇｒ１）の場合に、定常状態における回転速度ωが最も大きくなっている。

したがって、隙間制御機構部１５は、モータに一定の負荷を与えている場合、または無負荷の場合において、相対隙間Ｇを変更することにより、定常状態におけるモータの回転速度ωを変更することができる。また、隙間制御機構部１５は、モータの負荷の大きさ（＝トルクＴ）に応じて、３段階の相対隙間Ｇを以下で示すように切り替えれば、全てのトルクＴの範囲において、最大の回転速度ωを得ることが可能である。
（１）０≦Ｔ≦Ｔ₂の領域 相対隙間Ｇ＝Ｇ₃に設定
（２）Ｔ₂＜Ｔ≦Ｔ₁の領域 相対隙間Ｇ＝Ｇ₂に設定
（３）Ｔ₁＜Ｔの領域 相対隙間Ｇ＝Ｇ₁に設定

なお、図１０において、隙間制御機構部１５は、相対隙間Ｇを３段階に設定しているが、この代わりに、相対隙間Ｇを任意の段階に設定することや、相対隙間Ｇを連続的な値に設定することが可能である。回転速度ωの値に応じて相対隙間Ｇを細かく設定可能とすれば、回転速度ωにおいて発生するトルクＴや、モータに所定の負荷を与えている場合の定常状態での回転速度ωを常に最大とするように、相対隙間Ｇを設定することが可能となる。

また、図９において、相対隙間Ｇが大きいほど、無負荷状態でのモータの回転数が大きい理由は、前述した（８）式の右辺第２項で与えられる切片の値（Ｋ₄／Ｂ）が、相対隙間Ｇが大きいほど大きくなるからである。

図１１は、隙間制御機構部１５による相対隙間Ｇの制御の例を示すグラフである。図１１（Ａ）では、隙間制御機構部１５は、回転速度ωを３つの領域に分けて、各速度領域ごとに、相対隙間Ｇを設定している。このように相対隙間Ｇを設定すれば、各速度領域ごとに大きなトルクＴを発生させることが可能となる。図１１（Ｂ）では、隙間制御機構部１５は、各回転速度ωにおいて最も大きなトルクＴが発生するように、相対隙間Ｇを回転速度ωに応じて連続的に変化させている。図１１（Ｃ）では、隙間制御機構部１５は、モータの加減速度に応じて、相対隙間Ｇを連続的に変化させている。以上で示したように、相対隙間Ｇを制御すれば、モータの定常状態での回転速度ωを制御することや、大きなトルクＴを発生させることによりモータの加減速を効率よく行うことが可能となる。

また、このモータを発電機として利用して、電力を回生する場合にも、相対隙間Ｇを隙間制御機構部１５によって制御することにより、発電機に発生する制動力を制御することができる。例えば、電力回生時において、相対隙間Ｇを小さく設定すれば、大きな制動力を得ることが可能となる。

なお、電磁コイルの内部には、磁性体製のコア（例えば、鉄芯）を設けないようにすることが好ましい。こうすれば、鉄芯と永久磁石間に吸着力が発生しないため、隙間制御機構部１５は、鉄芯がある場合に比べて、より小さな力で、相対隙間Ｇを制御することが可能となる。さらに、鉄芯がある場合では、相対隙間Ｇを制御して得られる回転速度は、最小回転速度（Ｇ＝０の場合に得られる回転速度）から２倍程度の回転速度までであるのに対し、鉄芯がない場合では、図９で示すように、最小回転速度から４倍以上の回転速度を得ることができる。ただし、電磁コイルの内部には、磁性体製のコアを設けることとしてもよい。

Ａ３．回路の構成：
図１２は、モータの回路ユニットの構成を示すブロック図である。この回路ユニット５００は、ＣＰＵ２２０と、駆動制御部２４０と、回生制御部２００と、ドライバ回路２５０と、整流回路２５１と、電源ユニット３００と、速度・加減速度計測部３０２と、隙間制御機構部１５とを備えている。２つの制御部２４０，２００は、バス１０２を介してＣＰＵ２２０と接続されている。駆動制御部２４０とドライバ回路２５０は、電動モータに駆動力を発生させる場合の制御を行う回路である。また、回生制御部２００と整流回路２５１は、電動モータから電力を回生する場合の制御を行う回路である。回生制御部２００と整流回路２５１とをまとめて「回生回路」とも呼ぶ。また、駆動制御部２４０を「駆動信号生成回路」とも呼ぶ。速度・加減速度計測部３０２は、センサ出力ＳＳＡまたはＳＳＢを入力とし、モータの回転速度や加減速度を検出する。センサ出力ＳＳＡまたはＳＳＢの周波数は、モータの回転速度と相関がある。したがって、速度・加減速度計測部３０２は、例えば、センサ出力ＳＳＡが正の値を示している期間の長さをカウンタ等で計測すれば、モータの回転速度を算出することができる。また、モータの加減速度は、回転速度から算出することができる。隙間制御機構部１５は、前述したように、モータの回転速度や加減速度に応じて、相対隙間Ｇを制御する。また、隙間制御機構部１５は、ＣＰＵ２２０と接続されており、相対隙間Ｇの制御特性（図１１の（Ａ）ないし（Ｃ））を任意に変更することが可能である。電源ユニット３００は、図１２に示されている他の回路に電源電圧を供給するための回路である。図１２では、図示の便宜上、電源ユニット３００から駆動制御部２４０及びドライバ回路２５０に向かう電源配線のみが描かれており、他の回路に向かう電源配線は省略されている。

図１３は、ドライバ回路２５０の内部構成を示している。Ａ相ドライバ回路２５０Ａは、Ｈ型ブリッジ回路であり、交流駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に応じてＡ相コイル列１４Ａを駆動する。なお、駆動信号を示すブロックの端子部分に付されている白丸は、負論理であり信号が反転していることを示している。また、符号ＩＡ１，ＩＡ２が付された矢印は、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２によって流れる電流方向をそれぞれ示している。Ｂ相ドライバ回路２５０Ｂの構成もＡ相ドライバ回路２５０Ａの構成と同じであり、交流駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２によって電流ＩＢ１，ＩＢ２が流れることが示されている。

図１４は、駆動制御部２４０（図１２）の内部構成と動作を示す説明図である。駆動制御部２４０は、基本クロック生成回路５１０と、１／Ｎ分周器５２０と、ＰＷＭ部５３０と、正逆方向指示値レジスタ５４０と、乗算器５５０，５５２と、符号化部５６０，５６２と、ＡＤ変換部５７０，５７２と、電圧指令値レジスタ５８０と、励磁区間設定部５９０とを備えている。

基本クロック生成回路５１０は、所定の周波数を有するクロック信号ＰＣＬを発生する回路であり、例えばＰＬＬ回路で構成される。分周器５２０は、このクロック信号ＰＣＬの１／Ｎの周波数を有するクロック信号ＳＤＣを発生する。Ｎの値は所定の一定値に設定される。このＮの値は、予めＣＰＵ２２０によって分周器５２０に設定される。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、乗算器５５０，５５２から供給される乗算値Ｍａ，Ｍｂと、正逆方向指示値レジスタ５４０から供給される正逆方向指示値ＲＩと、符号化部５６０，５６２から供給される正負符号信号Ｐａ，Ｐｂと、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａ，Ｅｂとに応じて、交流駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２，ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２（図１３）を生成する。この動作については後述する。

正逆方向指示値レジスタ５４０内には、モータの回転方向を示す値ＲＩがＣＰＵ２２０によって設定される。本実施例では、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルのときにモータが正転し、Ｈレベルのときに逆転する。

ＰＷＭ部５３０に供給される他の信号Ｍａ，Ｍｂ，Ｐａ，Ｐｂ，Ｅａ，Ｅｂは以下のように決定される。なお、乗算器５５０と符号化部５６０とＡＤ変換部５７０はＡ相用の回路であり、乗算器５５２と符号化部５６２とＡＤ変換部５７２はＢ相用の回路である。これらの回路群の動作は同じなので、以下ではＡ相用の回路の動作について主に説明する。

磁気センサの出力ＳＳＡは、ＡＤ変換部５７０に供給される。このセンサ出力ＳＳＡのレンジは、例えばＧＮＤ（接地電位）からＶＤＤ（電源電圧）までであり、その中位点（＝ＶＤＤ／２）が出力波形の中位点（正弦波の原点を通る点）である。ＡＤ変換部５７０は、このセンサ出力ＳＳＡをＡＤ変換して、センサ出力のデジタル値を生成する。ＡＤ変換部５７０の出力のレンジは、例えばＦＦｈ〜０ｈ（語尾の”ｈ”は１６進数であることを示す）であり、中央値８０ｈがセンサ波形の中位点に相当する。

符号化部５６０は、ＡＤ変換後のセンサ出力値のレンジを変換するとともに、センサ出力値の中位点の値を０に設定する。この結果、符号化部５６０で生成されるセンサ出力値Ｘａは、正側の所定の範囲（例えば＋１２７〜＋０）と負側の所定の範囲（例えば−０〜−１２７）の値を取る。但し、符号化部５６０から乗算器５５０に供給されるのは、センサ出力値Ｘａの絶対値であり、その正負符号は正負符号信号ＰａとしてＰＷＭ部５３０に供給される。

電圧指令値レジスタ５８０は、ＣＰＵ２２０によって設定された電圧指令値Ｙａを格納する。この電圧指令値Ｙａは、後述する励磁区間信号Ｅａとともに、モータの印加電圧を設定する値として機能するものであり、例えば０〜１．０の値を取る。仮に、非励磁区間を設けずに全区間を励磁区間とするように励磁区間信号Ｅａを設定した場合には、Ｙａ＝０は印加電圧をゼロとすることを意味し、Ｙａ＝１．０は印加電圧を最大値とすることを意味する。乗算器５５０は、符号化部５６０から出力されたセンサ出力値Ｘａと、電圧指令値Ｙａとを乗算して整数化し、その乗算値ＭａをＰＷＭ部５３０に供給する。

図１４（Ｂ）〜１４（Ｅ）は、乗算値Ｍａが種々の値を取る場合におけるＰＷＭ部５３０の動作を示している。ここでは、全期間が励磁区間であり非励磁区間が無いものと仮定している。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＳＤＣの１周期の間に、デューティがＭａ／Ｎであるパルスを１つ発生させる回路である。すなわち、図１４（Ｂ）〜１４（Ｅ）に示すように、乗算値Ｍａが増加するに従って、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のパルスのデューティが増加する。なお、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１は、センサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であり、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２はセンサ出力ＳＳＡが負のときにのみパルスを発生する信号であるが、図１４（Ｂ）〜１４（Ｅ）ではこれらを合わせて記載している。また、便宜上、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２を負側のパルスとして描いている。

図１５（Ａ）〜１５（Ｄ）は、センサ出力の波形とＰＷＭ部５３０で生成される駆動信号の波形の対応関係を示す説明図である。図中、「Ｈｉｚ」はハイインピーダンス状態を意味している。図１４で説明したように、Ａ相用の駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２はＡ相センサ出力ＳＳＡのアナログ波形をそのまま利用したＰＷＭ制御によって生成される。Ｂ相用の駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２も同様である。従って、これらの駆動信号を用いて、Ａ相コイルとＢ相コイルに、センサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢの変化と対応するレベル変化を示す実効電圧を供給することが可能である。

ＰＷＭ部５３０は、さらに、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａ，Ｅｂで示される励磁区間のみに駆動信号を出力し、励磁区間以外の区間（非励磁区間）では駆動信号を出力しないように構成されている。図１５（Ｅ），１５（Ｆ）は、励磁区間信号Ｅａ，Ｅｂによって励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定した場合の駆動信号波形を示している。励磁区間ＥＰでは図１５（Ｃ），１５（Ｄ）の駆動信号パルスがそのまま発生し、非励磁区間ＮＥＰでは駆動信号パルスが発生しない。このように、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定するようにすれば、逆起電力波形の中位点近傍（すなわち、センサ出力の中位点近傍）においてコイルに電圧を印加しないので、モータの効率をさらに向上させることが可能である。なお、励磁区間ＥＰは、逆起電力波形のピークを中心とする対称な区間に設定されることが好ましく、非励磁区間ＮＥＰは、逆起電力波形の中位点（中心点）を中心とする対称な区間に設定されることが好ましい。

なお、前述したように、電圧指令値Ｙａを１未満の値に設定すれば、乗算値Ｍａが電圧指令値Ｙａに比例して小さくなる。従って、電圧指令値Ｙａによっても、実行的な印加電圧を調整することが可能である。

上述の説明から理解できるように、本実施例のモータでは、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅａとの両方を利用して印加電圧を調整することが可能である。Ｂ相についても同様である。望ましい印加電圧と、電圧指令値Ｙａ及び励磁区間信号Ｅａとの関係は、予め回路ユニット５００内のメモリにテーブルとして格納されていることが望ましい。こうすれば、回路ユニット５００が、外部から望ましい印加電圧を受信したときに、ＣＰＵ２２０がその制御信号に応じて、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅａとを駆動制御部２４０に設定することが可能である。なお、印加電圧の調整には、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅａの両方を利用する必要はなく、いずれか一方のみを利用するようにしてもよい。

図１６は、ＰＷＭ部５３０（図１４）の内部構成の一例を示すブロック図である。ＰＷＭ部５３０は、カウンタ５３１，５３２と、ＥＸＯＲ回路５３３，５３４と、駆動波形形成部５３５，５３６とを備えている。カウンタ５３１とＥＸＯＲ回路５３３と駆動波形形成部５３５はＡ相用の回路であり、カウンタ５３２とＥＸＯＲ回路５３４と駆動波形形成部５３６はＢ相用の回路である。これらは以下のように動作する。

図１７は、モータ正転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。この図には、２つのクロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、正逆方向指示値ＲＩと、励磁区間信号Ｅａと、乗算値Ｍａと、正負符号信号Ｐａと、カウンタ５３１内のカウント値ＣＭ１と、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２と、駆動波形形成部５３５の出力信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２とが示されている。カウンタ５３１は、クロック信号ＳＤＣの１期間毎に、クロック信号ＰＣＬに同期してカウント値ＣＭ１を０までダウンカウントする動作を繰り返す。カウント値ＣＭ１の初期値は乗算値Ｍａに設定される。なお、図１７では、図示の便宜上、乗算値Ｍａとして負の値も描かれているが、カウンタ５３１で使用されるのはその絶対値｜Ｍａ｜である。カウンタ５３１の出力Ｓ１は、カウント値ＣＭ１が０で無い場合にはＨレベルに設定され、カウント値ＣＭ１が０になるとＬレベルに立ち下がる。

ＥＸＯＲ回路５３３は、正負符号信号Ｐａと正逆方向指示値ＲＩとの排他的論理和を示す信号Ｓ２を出力する。モータが正転する場合には、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルである。従って、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２は、正負符号信号Ｐａと同じ信号となる。駆動波形形成部５３５は、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２から、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を生成する。すなわち、カウンタ５３１の出力Ｓ１のうち、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２がＬレベルの期間の信号を第１の駆動信号ＤＲＶＡ１として出力し、出力Ｓ２がＨレベルの期間の信号を第２の駆動信号ＤＲＶＡ２として出力する。なお、図１７の右端部付近では、励磁区間信号ＥａがＬレベルに立ち下がり、これによって非励磁区間ＮＥＰが設定されている。従って、この非励磁区間ＮＥＰでは、いずれの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２も出力されず、ハイインピーダンス状態に維持される。

図１８は、モータ逆転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。モータ逆転時には、正逆方向指示値ＲＩがＨレベルに設定される。この結果、２つの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２が図１７から入れ替わっており、この結果、モータが逆転することが理解できる。なお、ＰＷＭ部５３０のＢ相用の回路５３２，５３４，５３６も上述と同様に動作する。

図１９は、励磁区間設定部５９０の内部構成と動作を示す説明図である。励磁区間設定部５９０は、電子可変抵抗器５９２と、電圧比較器５９４，５９６と、ＯＲ回路５９８とを有している。電子可変抵抗器５９２の抵抗値Ｒｖは、ＣＰＵ２２０によって設定される。電子可変抵抗器５９２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧比較器５９４，５９６の一方の入力端子に与えられている。電圧比較器５９４，５９６の他方の入力端子には、センサ出力ＳＳＡが供給されている。なお、図１９ではＢ相用の回路は図示の便宜上省略されている。電圧比較器５９４，５９６の出力信号Ｓｐ，Ｓｎは、ＯＲ回路５９８に入力されている。ＯＲ回路５９８の出力は、励磁区間と非励磁区間とを区別するための励磁区間信号Ｅａである。

図１９（Ｂ）は、励磁区間設定部５９０の動作を示している。電子可変抵抗器５９２の両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、抵抗値Ｒｖを調整することによって変更される。具体的には、両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧レンジの中央値（＝ＶＤＤ／２）からの差分が等しい値に設定される。センサ出力ＳＳＡが第１の電圧Ｖ１よりも高い場合には第１の電圧比較器５９４の出力ＳｐがＨレベルとなり、一方、センサ出力ＳＳＡが第２の電圧Ｖ２よりも低い場合には第２の電圧比較器５９６の出力ＳｎがＨレベルとなる。励磁区間信号Ｅａは、これらの出力信号Ｓｐ，Ｓｎの論理和を取った信号である。従って、図１９（Ｂ）の下部に示すように、励磁区間信号Ｅａは、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰとを示す信号として使用することができる。励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰの設定は、ＣＰＵ２２０が可変抵抗値Ｒｖを調整することによって行なわれる。

図２０は、図１２に示した回生制御部２００と整流回路２５１の内部構成を示す図である。回生制御部２００は、バス１０２に接続されたＡ相充電切換部２０２と、Ｂ相充電切換部２０４と、電子可変抵抗器２０６とを有している。２つの充電切換部２０２，２０４の出力信号は、２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。

Ａ相充電切換部２０２は、Ａ相コイル１４Ａからの回生電力を回収する場合には「１」レベルの信号を出力し、回収しない場合には「０」レベルの信号を出力する。Ｂ相充電切換部２０４も同様である。なお、これらの信号レベルの切換えは、ＣＰＵ２２０によって行われる。また、Ａ相コイル１４Ａからの回生の有無と、Ｂ相コイル２４Ｂからの回生の有無とは、独立に設定することができる。従って、例えばＡ相コイル１４Ａを用いてモータに駆動力を発生させつつ、Ｂ相コイル２４Ｂから電力を回生することも可能である。

なお、図１２に示した駆動制御部２４０も、同様に、Ａ相コイル１４Ａを用いて駆動力を発生するか否かと、Ｂ相コイル２４Ｂを用いて駆動力を発生するか否かとを、独立に設定できるように構成してもよい。このようにすれば、２相のコイル１４Ａ，２４Ｂのうちの任意の一方で駆動力を発生させつつ、他方で電力を回生する運転モードでモータを運転することが可能である。

電子可変抵抗器２０６の両端の電圧は、４つの電圧比較器２２１〜２２４の２つの入力端子の一方に与えられている。電圧比較器２２１〜２２４の他方の入力端子には、Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢが供給されている。４つの電圧比較器２２１〜２２４の出力信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶことができる。

Ａ相コイル用のマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡはＯＲ回路２３１に入力されており、Ｂ相用のマスク信号ＴＰＢ，ＢＴＢは他のＯＲ回路２３２に入力されている。これらのＯＲ回路２３１，２３２の出力は、上述した２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。これらのＡＮＤ回路２１１，２１２の出力信号ＭＳＫＡ，ＭＳＫＢも、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶ。

ところで、４つの電圧比較器２２１〜２２４とＯＲ回路２３１，２３２の構成は、図１９に示した励磁区間設定部５９０内の電圧比較器５９４，５９６とＯＲ回路５９８を２つ並べたものと同じである。従って、Ａ相コイル用のＯＲ回路２３１の出力信号は、図１９（Ｂ）に示した励磁区間信号Ｅａと同様な波形を有する。また、Ａ相充電切換部２０２の出力信号が「１」レベルの場合には、Ａ相コイル用のＡＮＤ回路２１１から出力されるマスク信号ＭＳＫＡはＯＲ回路２３１の出力信号と同じものとなる。これらの動作はＢ相についても同様である。

整流回路２５１は、Ａ相コイル用の回路として、複数のダイオードを含む全波整流回路２５２と、２つのゲートトランジスタ２６１，２６２と、バッファ回路２７１と、インバータ回路２７２（ＮＯＴ回路）とを有している。なお、Ｂ相用にも同じ回路が設けられている。ゲートトランジスタ２６１，２６２は、回生用の電源配線２８０に接続されている。また、複数のダイオードとしては、低Ｖｆ特性に優れたショットキーダイオードを用いることが好ましい。

電力回生時にＡ相コイル１４Ａで発生した交流電力は、全波整流回路２５２で整流される。ゲートトランジスタ２６１，２６２のゲートには、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡとその反転信号が与えられており、これに応じてゲートトランジスタ２６１，２６２がオン／オフ制御される。従って、電圧比較器２２１，２２２から出力されたマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの少なくとも一方がＨレベルの期間では回生電力が電源配線２８０に出力され、一方、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの双方がＬレベルの期間では電力の回生が禁止される。

以上の説明から理解できるように、回生制御部２００と整流回路２５１を用いて、回生電力を回収することが可能である。また、回生制御部２００と整流回路２５１は、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡ及びＢ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＢに応じて、Ａ相コイル１４ＡとＢ相コイル２４Ｂからの回生電力を回収する期間を制限し、これによって回生電力の量を調整することが可能である。

このように、第１実施例では、ステータ部１０とロータ部３０との間に形成される相対隙間Ｇを変化させるので、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることが可能である。

なお、隙間制御機構部１５（図１）は、本発明における「隙間制御部」に相当し、ロータ部３０は、本発明における「第１の駆動部材」に相当し、ステータ部１０は、本発明における「第２の駆動部材」に相当する。

Ｂ．第２実施例：
図２１は、第２実施例におけるモータ本体１００ｂの構成を示す説明図である。図１に示した第１実施例におけるモータ本体１００との違いは、隙間制御機構部の構成が異なっているという点だけであり、他の構成は第１実施例と同じである。なお、この図２１では、説明のため、モータ本体１００ｂの下部（Ｂ相側）の図示が省略されている。

図２１（Ａ）は、ステータ部１０が隙間制御機構部１５ｂによって移動される前の状態を示しており、図２１（Ｂ）は、ステータ部１０が隙間制御機構部１５ｂによって移動された後の状態を示している。隙間制御機構部１５ｂは、ステータ部１０の外周部と接続されており、第１実施例と同様に、ステータ部１０を上下に移動させることが可能である。

図２２（Ａ）は、第２実施例における隙間制御機構部１５ｂの構成を示す説明図である。この隙間制御機構部１５ｂ１は、回転モータ１７と、回転部１８と、可動ナット１９と、可動部２１とを備えている。回転モータ１７は、回転部１８を回転させることにより、可動ナット１９及び可動部２１を上下に移動させることが可能である。なお、図示は省略するが、可動部２１には、図２１で示したように、コイル１４Ａが配置されている。図２２（Ｂ）においても同様である。

図２２（Ｂ）は、隙間制御機構部１５ｂの他の構成を示す説明図である。この隙間制御機構部１５ｂ２は、ボイスコイルモータ２３と、可動部２１とを備えている。このような構成としても、コイル１４Ａを備える可動部２１を上下に移動させることが可能である。

このように隙間制御機構部１５ｂを構成しても、第１実施例と同様に、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることが可能である。

Ｃ．第３実施例：
図２３は、第３実施例におけるモータ本体１００ｃの構成を示す説明図である。このモータ本体１００ｃでは、ステータ部１０とロータ部３０との間に慣性機構部２５が設置されている。また、ステータ部１０は、ガイド２４に沿って上下に移動可能である。慣性機構部２５は、ロータ部３０の回転と共に回転し、ロータ部３０の回転速度に応じて発生する遠心力によって、ステータ部１０を上に押し上げる。ロータ部３０の回転速度が小さくなると、慣性機構部２５がロータ部３０を上に押し上げる力は小さくなり、ステータ部１０は、バネ２６の力によって、元の位置に戻される。

このように、遠心力を利用してステータ部１０を移動させる慣性機構部２５を用いても、第１実施例と同様に、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることが可能である。なお、慣性機構部２５は、本発明における「隙間制御部」に相当する。

Ｄ．第４実施例：
図２４は、第４実施例におけるステータ部１０とロータ部３０の位置構成を示す説明図である。この図２４では、説明のため、ステータ部１０と、ロータ部３０と、回転軸１１２と、２つの磁気センサ１６Ａ，２６Ｂのみを示し、モータの他の構成部分は省略している。

この第４実施例では、ロータ部３０は、ステータ部１０を挟むように２つ設けられており、ステータ部１０は、その２つのステータ部１０の間に２つ設けられている。２つのステータ部１０は、２つのロータ部３０の間で移動可能であり、ステータ部１０とロータ部３０との間に形成される隙間Ｇ１，Ｇ２の大きさを変化させることができる。ステータ部１０を移動させる機構としては、第１〜第３実施例で示した種々の隙間制御機構部を採用することができる。２つの磁気センサ１６Ａ，２６Ｂは、図１と同様に、ケース２０（図１）に配置することが好ましい。ただし、２つの磁気センサ１６Ａ，２６Ｂは、ステータ部１０に配置することとしてもよい。

このように、２つのロータ部３０の間に２つのステータ部１０を配置する構成としても、第１実施例と同様に、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることが可能である。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
本発明は、各種の装置に適用可能である。例えば、本発明は、ファンモータ、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、鉄道車両、振動モータなどの種々の装置のモータに適用可能である。本発明をファンモータに適用した場合には、上述した種々の効果（低消費電力、低振動、低騒音、低回転ムラ、低発熱、高寿命）が特に顕著である。このようなファンモータは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式パソコン、燃料電池式デジタルカメラ、燃料電池式ビデオカメラ、燃料電池式携帯電話などの燃料電池使用機器、プロジェクタ等の各種装置のファンモータとして使用することができる。本発明のモータは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモータとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本発明によるモータをスピンドルモータとして使用することが可能である。また、本発明によるモータは、移動体やロボット用のモータとしても利用可能である。

図２５は、本発明の実施例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。このプロジェクタ６００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源６１０Ｒ、６１０Ｇ、６１０Ｂと、これらの３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブ６４０Ｒ、６４０Ｇ、６４０Ｂと、変調された３色の色光を合成するクロスダイクロイックプリズム６５０と、合成された３色の色光をスクリーンＳＣに投写する投写レンズ系６６０と、プロジェクタ内部を冷却するための冷却ファン６７０と、プロジェクタ６００の全体を制御する制御部６８０と、を備えている。冷却ファン６７０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図２６（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。図２６（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、図２６（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話７００は、携帯電話７００の動作を制御するＭＰＵ７１０と、ファン７２０と、燃料電池７３０とを備えている。燃料電池７３０は、ＭＰＵ７１０やファン７２０に電源を供給する。ファン７２０は、燃料電池７３０への空気供給のために携帯電話７００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池７３０で生成される水分を携帯電話７００の内部から外に排出するためのものである。なお、ファン７２０を図２６（Ｃ）のようにＭＰＵ７１０の上に配置して、ＭＰＵ７１０を冷却するようにしてもよい。ファン７２０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図２７は、本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車８００は、前輪にモータ８１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路８２０と充電池８３０とが設けられている。モータ８１０は、充電池８３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモータ８１０で回生された電力が充電池８３０に充電される。制御回路８２０は、モータの駆動と回生とを制御する回路である。このモータ８１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

図２８は、本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット９００は、第１と第２のアーム９１０，９２０と、モータ９３０とを有している。このモータ９３０は、被駆動部材としての第２のアーム９２０を水平回転させる際に使用される。このモータ９３０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

図２９は、本発明の実施例によるモータを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両１０００は、モータ１０１０と、車輪１０２０とを有している。このモータ１０１０は、車輪１０２０を駆動する。さらに、モータ１０１０は、鉄道車両１０００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。このモータ１０１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、ブラシレスモータとして説明したが、本発明は、ブラシレスモータに限られず、その他の種々のモータ（例えば、直流モータ等）に適用することができる。

Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、ステータ部が電磁コイルを有し、ロータ部が永久磁石を有していたが、本発明は、ロータ部が電磁コイルを有し、ステータ部が永久磁石を有する構造のモータにも適用することができる。

Ｅ４．変形例４：
上記実施例では、隙間制御機構部は、ステータ部１０を移動させて相対隙間Ｇを変更していたが、この代わりに、ロータ部３０を移動させて相対隙間Ｇを変更することも可能である。

Ｅ５．変形例５：
上記実施例では、２相のブラシレスモータとして説明したが、本発明は、１相または３相以上のブラシレスモータにも適用することができる。

Ｅ６．変形例６：
上記実施例では、相対隙間Ｇを変更することにより電動装置のトルクや回転速度を制御していたが、相対隙間Ｇだけでなく、印加電圧も変更することにより、電動装置のトルクや回転速度を制御することも可能である。

Ｆ．その他の実施例：
図３０は、その他の実施例におけるモータ本体１００ｅの構成を示す説明図である。このモータ本体１００ｂでは、隙間制御機構部１５ｅの構成が、第２実施例における隙間制御機構部１５ｂ（図２１）と異なっている。

図３０（Ａ）は、上下のステータ部１０が隙間制御機構部１５ｅによって移動される前の状態を示しており、図３０（Ｂ）は、上下のステータ部１０が隙間制御機構部１５ｅによって移動された後の状態を示している。後述するように、この隙間制御機構部１５ｅの構成によれば、上下の２つのステータ部１０を同時に移動させることができる。

図３１は、隙間制御機構部１５ｅの構成を示す説明図である。この隙間制御機構部１５ｅは、回転モータ１７ｅと、３つの回転軸部１８ｅ１，１８ｅ２，１８ｅ３と、上下の可動部２１Ｕ，２１Ｌと、２つの可動ナット１９Ｕ，１９Ｌとを備えている。回転モータ１７ｅは、３つの回転軸部１８ｅ１，１８ｅ２，１８ｅ３を回転させる。３つの回転軸部１８ｅ１，１８ｅ２，１８ｅ３は、同一軸上に構成されており、一体となって回転する。回転軸部１８ｅ３は、ケース２０の支持部２０ｅによって支持されている。回転軸部１８ｅ３と支持部２０ｅとの接触部には、ベアリング２０ｅ１が設けられている。回転軸部１８ｅ１と、回転軸部１８ｅ２には、可動ナット１９Ｕ，１９Ｌに螺合するように、それぞれねじ山が形成されている。ここで、回転軸部１８ｅ１のねじ山の向きは、回転軸部１８ｅ２のねじ山とは逆向きに構成されている。したがって、回転軸部１８ｅ１，１８ｅ２を回転させると、上下の可動ナット１９Ｕ，１９Ｌを、互いに逆の向きに移動させることができる。この結果、上下の可動部２１Ｕ，２１Ｌは、ロータ部３０（図３０）を中心として上下に対称に移動する。

このように、本実施例における隙間制御機構部１５ｅによれば、単一の回転モータ１７ｅによって、２つのステータ部１０を上下に同時に移動させることができる。この結果、相対隙間Ｇを変更することが可能となる。したがって、この隙間制御機構部１５ｅによっても、第１実施例と同様に、印加電圧の変化とは異なる方法で、電動装置のトルクや、回転速度を変化させることが可能である。

なお、図２４では、２つのステータ部１０が、２つのロータ部３０の間に挟まれている構成について説明したが、この構成にも、隙間制御機構部１５ｅを適用することができる。すなわち、図２４に示す２つのステータ部１０に、上下の可動ナット１９Ｕ，１９Ｌをそれぞれ設ければ、２つのステータ部１０を上下に（図２４では左右）対称に移動させることができる。

本発明の一実施例としてのモータ本体の構成を示す断面図である。 ステータ部の第１のコイル列と、ロータ部と、ステータ部の第２のコイル列とを分離して示した説明図である。 コイル列と磁石列の位置関係を示す説明図である。 磁気センサの出力波形の例を示す説明図である。 コイルの印加電圧と逆起電力との関係を示す模式図である。 Ａ相コイル列の２種類のコイルの結線方法を示す説明図である。 本実施例の電動モータの動作を示す説明図である。 ステータ部とロータ部との間に形成される隙間の大きさについての説明図である。 相対隙間Ｇと無負荷状態でのモータの回転数との関係を示すグラフである。 モータのトルクＴと回転速度ωとの関係を示すグラフである。 隙間制御機構部による相対隙間Ｇの制御の例を示すグラフである。 モータの回路ユニットの構成を示すブロック図である。 ドライバ回路の内部構成を示す説明図である。 駆動制御部の内部構成と動作を示す説明図である。 センサ出力の波形とＰＷＭ部で生成される駆動信号の波形の対応関係を示す説明図である。 ＰＷＭ部の内部構成の一例を示すブロック図である。 モータ正転時のＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。 モータ逆転時のＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。 励磁区間設定部の内部構成と動作を示す説明図である。 回生制御部と整流回路の内部構成を示す回路図である。 第２実施例におけるモータ本体の構成を示す説明図である。 第２実施例における隙間制御機構部の構成を示す説明図である。 第３実施例におけるモータ本体の構成を示す説明図である。 第４実施例におけるステータ部とロータ部の位置構成を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用した鉄道車両を示す説明図である。 その他の実施例におけるモータ本体の構成を示す説明図である。 その他の実施例における隙間制御機構部の構成を示す説明図である。

符号の説明

１０…ステータ部
１２Ａ…支持部材
１３…基板
１３ａ…フレキシブルケーブル
１４Ａ…電磁コイル列
１５…隙間制御機構部
１５ｂ…隙間制御機構部
１５ｂ１…隙間制御機構部
１５ｂ２…隙間制御機構部
１６Ａ…アナログ磁気センサ
１７…回転モータ
１８…回転部
１９…可動ナット
２０…ケース
２１…可動部
２２Ｂ…支持部材
２３…ボイスコイルモータ
２４…ガイド
２４Ｂ…第２のコイル列
２５…慣性機構部
２６…バネ
２６Ｂ…アナログ磁気センサ
３０…ロータ部
３２Ｍ…支持部材
３４Ｍ…永久磁石
１００…モータ本体
１００ｂ…モータ本体
１００ｃ…モータ本体
１０２…バス
１１２…回転軸
１１４…軸受け
２００…回生制御部
２０２…充電切換部
２０６…電子可変抵抗器
２２０…ＣＰＵ
２２１…電圧比較器
２４０…駆動制御部
２５０…ドライバ回路
２５１…整流回路
２５２…全波整流回路
２６１…ゲートトランジスタ
２７１…バッファ回路
２７２…インバータ回路
２８０…電源配線
３００…電源ユニット
３０２…速度・加減速度計測部
５００…回路ユニット
５１０…基本クロック生成回路
５２０…分周器
５３０…ＰＷＭ部
５３１…カウンタ
５３２…カウンタ
５３３…ＥＸＯＲ回路
５３４…ＥＸＯＲ回路
５３５…駆動波形形成部
５３６…駆動波形形成部
５４０…正逆方向指示値レジスタ
５５０…乗算器
５５２…乗算器
５６０…符号化部
５６２…符号化部
５８０…電圧指令値レジスタ
５９０…励磁区間設定部
５９２…電子可変抵抗器
５９４…第１の電圧比較器
５９６…第２の電圧比較器
６００…プロジェクタ
６１０Ｒ…光源
６４０Ｒ…液晶ライトバルブ
６５０…クロスダイクロイックプリズム
６６０…投写レンズ系
６７０…冷却ファン
６８０…制御部
７００…携帯電話
７２０…ファン
７３０…燃料電池
８００…自転車
８１０…モータ
８２０…制御回路
８３０…充電池
９００…ロボット
９１０…第１のアーム
９２０…第２のアーム
９３０…モータ
１０００…鉄道車両
１０１０…モータ
１０２０…車輪
１５ｅ…隙間制御機構部
１７ｅ…回転モータ
１８ｅ１…回転軸部
１８ｅ２…回転軸部
１８ｅ３…回転軸部
１９Ｕ…可動ナット
１９Ｌ…可動ナット
２０ｅ…支持部
２０ｅ１…ベアリング
２１Ｕ…可動部
２１Ｌ…可動部

Claims (16)

1. 電動装置であって、
   複数の永久磁石を有する第１の駆動部材と、
   複数の電磁コイルを有する第２の駆動部材と、
   前記第１と第２の駆動部材のうちの少なくとも一方を移動させることにより、前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との間に形成される隙間の大きさを変化させる隙間制御部と、
   を備える電動装置。
2. 請求項１記載の電動装置であって、
   前記第２の駆動部材は、前記第１の駆動部材を挟むように２つ設けられており、
   前記隙間制御部は、前記２つの第２の駆動部材を移動させることにより、前記隙間の大きさを変化させる、電動装置。
3. 請求項１記載の電動装置であって、
   前記第１の駆動部材は、前記第２の駆動部材を挟むように２つ設けられており、
   前記第２の駆動部材は、前記２つの第１の駆動部材の間に２つ設けられており、
   前記隙間制御部は、前記２つの第２の駆動部材を移動させることにより、前記隙間の大きさを変化させる、電動装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電動装置であって、
   前記隙間制御部は、前記隙間の大きさを、前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との相対速度に応じて予め定められた所定の値に設定する、電動装置。
5. 請求項４記載の電動装置であって、
   前記隙間制御部は、前記相対速度において前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との間に発生する駆動力が最も大きな値となるように、前記相対速度に応じて前記隙間の大きさを制御する、電動装置。
6. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電動装置であって、
   前記隙間制御部は、前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との相対加速度に応じて前記隙間の大きさを制御する、電動装置。
7. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電動装置であって、
   前記隙間制御部は、前記電動装置を発電機として利用して電力を回生する場合において、前記隙間の大きさを制御することにより、前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との間に発生する制動力を制御する、電動装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の電動装置であって、さらに、
   前記永久磁石の位相を検出する磁気センサを備え、
   前記磁気センサは、前記隙間の大きさが変化した場合であっても、前記永久磁石との位置関係が変化しない場所に配置されている、電動装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の電動装置であって、
   前記電磁コイルは、コア材として機能する磁性部材を有さない、電動装置。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の電動装置と、
    前記電動装置によって駆動される被駆動部材と、
    を備える装置。
11. 請求項１０記載の装置であって、
    前記装置は移動体である、装置。
12. 請求項１１記載の移動体であって、
    前記移動体は鉄道車両である、移動体。
13. 請求項１０記載の装置であって、
    前記装置はプロジェクタである、装置。
14. 請求項１０記載の装置であって、
    前記装置は携帯機器である、装置。
15. 請求項１０記載の装置であって、
    前記装置はロボットである、装置。
16. 請求項２または３に記載の電動装置であって、
    前記隙間制御部は、前記２つの第２の駆動部材をそれぞれ逆方向に同時に移動させる、電動装置。

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