JP2010081784A - ブラシレス電気機械及びそれを備える装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレス電気機械における磁場の利用効率を向上させる技術を提供する。
【解決手段】ブラシレス電気機械は、Ｎ組（Ｎは２以上の整数）の電磁コイル群（１２）を有する第１の部材（１０）と、Ｎ＋１組の磁場形成部材群（３２）を有し、所定の移動方向に沿って第１の部材（１０）に対して相対的に移動可能な第２の部材（３０）と、を備える。移動方向と垂直な方向に沿って、電磁コイル群（１２）と磁場形成部材群（３２）が１組ずつ交互に配置されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、永久磁石と電磁コイルとを利用したブラシレス電気機械（brushless electric machine）に関する。

永久磁石と電磁コイルとを利用したブラシレス電気機械としては、例えば下記の特許文献１に記載されたブラシレスモータが知られている。

図２１は、従来のブラシレスモータの構成の一例を示す概念図である。このブラシレスモータは、電磁コイル列１２と磁石列３２とを備えている。磁石列３２の近傍には、磁場が例示されている。従来のブラシレスモータでは、永久磁石による磁場が開放状態にあるため、電磁コイル列１２による磁場の利用効率がかなり低いという問題があった。このような問題はモータに限らず発電機にも共通する問題であり、一般にブラシレス電気機械に共通する問題であった。

特開２００１−２９８９８２号公報

本発明は、ブラシレス電気機械における磁場の利用効率を向上させ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なされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
ブラシレス電気機械であって、
Ｎ組（Ｎは１以上の整数）の電磁コイル群を有する第１の部材と、
少なくとも１組の永久磁石群を含むＮ＋１組の磁場形成部材群を有し、所定の移動方向に沿って前記第１の部材に対して相対的に移動可能な第２の部材と、
を備え、
前記移動方向と垂直な方向に沿って、前記電磁コイル群と前記磁場形成部材群
この構成によれば、任意の１組の電磁コイル群が２組の磁場形成部材群に挟まれているので、電磁コイルの位置における磁場を強めることができ、磁場の利用効率を向上させることができる。また、電磁コイル群と、永久磁石群などで構成される磁場形成部材群が１組ずつ交互に配置されているので、磁場形成部材群の間に複数組の電磁コイル群が配置されている場合に比べて磁場形成部材群同士の距離を短くすることができる。この結果、永久磁石による磁場の利用効率を高め、トルクを増大させることができる。

［適用例２］
適用例１記載のブラシレス電気機械であって、
前記Ｎ＋１組の磁場形成部材群は、すべて永久磁石群である、ブラシレス電気機械。
この構成によれば、Ｎ＋１組の磁場形成部材群がすべて永久磁石群なので、電磁コイル群の位置に強い磁場を発生させることができ、高トルクを発生できる。

［適用例３］
適用例２記載のブラシレス電気機械であって、
前記整数Ｎは２以上である、ブラシレス電気機械。
この場合には、上述したトルク増大の効果が顕著である。

［適用例４］
適用例２又は３記載のブラシレス電気機械であって、
各電磁コイルは、前記第１と第２の部材を貫通する方向に平行で前記移動方向に垂直な軸の回りにそれぞれ巻き回されており、
前記Ｎ＋１組の永久磁石群のうち、隣接する任意の２組の永久磁石群同士は、１組の電磁コイル群を挟んで異なる磁極同士が対面するように配置されている、ブラシレス電気機械。
この構成では、１組の電磁コイル群を挟んで異なる磁極同士が対面するように配置されているので、電磁コイル群の位置における磁場がほぼ直線的となり、磁場の利用効率を向上させることができる。

［適用例５］
適用例２又は３記載のブラシレス電気機械であって、
各電磁コイルは、前記第１と第２の部材を貫通する方向に垂直で前記移動方向に平行な軸の回りに巻き回されており、
前記Ｎ＋１組の永久磁石群のうち、隣接する任意の２組の永久磁石群同士は、１組の電磁コイル群を挟んで同じ磁極同士が対面するように配置されている、ブラシレス電気機械。
この構成では、個々の電磁コイルが巻き回されている軸から見て、一方の側にある永久磁石に近い第１のコイル部分と、他方の側にある永久磁石に近い第２のコイル部分とを想定することができる。このとき、第１と第２のコイル部分から、同じ方向の駆動力が発生するので、電磁コイルを効率よく利用することが可能である。

［適用例６］
適用例１ないし５のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、さらに、
前記第１の部材に設けられて前記第１と第２の部材の相対位置を検出する位置センサと、
前記位置センサの出力信号を利用して、前記ブラシレス電気機械の動作を制御する制御回路と、
を備えるブラシレス電気機械。

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、ブラシレスモータ、ブラシレス発電機、それらの制御方法（又は駆動方法）、それらを用いたアクチュエータ又は発電装置等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態としての２相ブラシレスモータの構成と動作を示す説明図である。 第１実施形態の変形例としてのモータ本体の構成を示す説明図である。 スロットヨーク付きの電磁コイルの製造方法の例を示す説明図である。 第１実施形態の他の変形例としての３相ブラシレスモータ構造を示す説明図である。 図１に示したモータ構造を利用した２相回転式モータを示す断面図である。 図５に示したモータの組み立て方法の一例を示す説明図である。 図５に示した２相回転式モータの変形例を示す断面図である。 図５に示した２相回転式モータの他の変形例を示す断面図である。 第１実施形態による３相回転式モータを示す断面図である。 第１実施形態によるリニアモータの構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態としてのブラシレスモータの構成と動作を示す説明図である。 図１１に示したモータ構造を利用した２相回転式モータを示す断面図である。 第２実施形態によるリニアモータの構成を示す断面図である。 ブラシレス電気機械の制御回路の構成を示すブロック図である。 駆動ドライバ部の構成を示す回路図である。 回生制御部の内部構成を示す回路図である。 本発明の適用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。 本発明の適用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。 本発明の適用例によるモータ／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。 本発明の適用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。 従来のブラシレスモータの構成の一例を示す概念図である。

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実施形態：
B．第２実施形態：
C．駆動回路の構成：
D．変形例：

A．第１実施形態：
図１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１実施形態としてのブラシレスモータの構成と動作を示す説明図である。このモータのモータ本体は、相対的に移動可能な第１の部材１０と第２の部材３０とを有している。例えば、第１の部材１０はステータであり、第２の部材３０はロータである。図１の説明では、第１の部材１０を「ステータ部１０」と呼び、第２の部材３０を「ロータ部３０」と呼ぶ。

ロータ部３０は、上部ロータ部３０Ｕと、中央ロータ部３０Ｍと、下部ロータ部３０Ｌとを含んでいる。３つのロータ部３０Ｕ，３０Ｍ，３０Ｌは互いに連結されており、所定の移動方向ＭＤ（図１（Ａ）では左右方向）に沿って一緒に移動する。各ロータ部３０Ｕ，３０Ｍ，３０Ｌには、複数の永久磁石３２で構成される永久磁石群（「永久磁石列」とも呼ぶ）が１組ずつ配置されている。各永久磁石３２は、ロータ部３０の移動方向ＭＤに垂直な方向に磁化されている。また、同一組の永久磁石群に属する永久磁石３２は、ロータ部３０の移動方向ＭＤに沿って配置されている。なお、中央ロータ部３０Ｍには磁気ヨークを設けないことが好ましく、上部ロータ部３０Ｕと下部ロータ部３０Ｌの外側の面には、強磁性体製の磁気ヨーク３４をそれぞれ設けることが好ましい。磁気ヨーク３４は、電磁コイルの位置における磁場をより強めるとともに、モータ外部への磁場の漏洩を低減することが可能である。但し、磁気ヨーク３４は省略してもよい。なお、永久磁石３２として極異方性磁石を用いることができ、この場合に磁気ヨーク３４を省略可能である。

ステータ部１０の支持部材１６の上には、Ａ相の電磁コイル１２Ａと、Ｂ相の電磁コイル１２Ｂとが配置されている。より具体的に言えば、複数のＡ相の電磁コイル１２Ａは、上部ロータ部３０Ｕと中央ロータ部３０Ｍとの間に配置されており、また、複数のＢ相の電磁コイル１２Ｂは、中央ロータ部３０Ｍと下部ロータ部３０Ｌとの間に配置されている。各電磁コイル１２Ａ，１２Ｂは、ステータ部１０とロータ部３０とを貫通する方向（図の上下方向）に平行で、移動方向ＭＤに垂直な方向の軸の回りに巻き回されている。ステータ部１０には、さらに、Ａ相用の磁気センサ４０ＡとＢ相用の磁気センサ４０Ｂとが設けられている。磁気センサ４０Ａ，４０Ｂは、ロータ部３０の位置（すなわちモータの位相）を検出するためのものである。なお、これらのセンサ４０Ａ，４０Ｂを以下では「Ａ相センサ」及び「Ｂ相センサ」とも呼ぶ。なお、磁気センサの代わりに、エンコーダなどの他の種類の位置センサを利用してもよい。

複数の永久磁石３２は、それぞれ一定の磁極ピッチＰｍで配置されている。Ａ相コイル１２Ａは、一定のピッチＰｃで配置されており、隣接するコイル同士が逆向きに励磁される。Ｂ相コイル１２Ｂも同様である。本実施形態では、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、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。本実施形態では、駆動信号の位相が２πだけ変化すると、ロータ部３０が磁極ピッチＰｍの２倍だけ移動する。また、Ａ相コイル１２Ａと、Ｂ相コイル１２Ｂは、位相がπ／２だけずれた位置に配置されている。

このモータ本体では、ロータ部３０の移動方向ＭＤに垂直な方向（図１の上下方向）に沿って、永久磁石群と電磁コイル群が１組ずつ交互に配置されている。すなわち、図１（Ａ）の上から順に、上部ロータ部３０Ｕ上の１組の永久磁石群３２と、Ａ相コイル群１２Ａと、中央ロータ部３０Ｍ上の１組の永久磁石群３２と、Ｂ相コイル群１２Ｂと、下部ロータ部３０Ｌ上の１組の永久磁石群３２とが配置されている。また、３つのロータ部３０Ｕ，３０Ｍ，３０Ｌの永久磁石３２は、１組の電磁コイル群を挟んで、異なる磁極（Ｎ極とＳ極）が対面するように配置されている。この結果、上下に隣接する磁石３２同士の間の磁場は、図１（Ａ）の右端に示すように、ほぼ直線状の磁力線で表されるものとなり、これらの永久磁石３２の間で閉じたものとなる。このような閉じた磁場は、図１９に示した開放された磁場に比べて強いことが理解できる。この結果、磁場の利用効率が高まり、モータ効率を向上させることが可能である。また、本実施形態では、１相分の１組の電磁コイル群は、２組の永久磁石群で挟まれている。この構成は、２組の永久磁石群の間に２組の電磁コイル群を両方とも配置する場合に比べて、２組の永久磁石群同士の距離をより短くすることが可能である。この結果、電磁コイルの位置における磁場をより強めることができ、トルクを増大させることが可能である。

図１（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態によるブラシレスモータの正転動作の様子を示している。図１（Ａ）は、位相が０での状態を示している。位相が０となるタイミングでは、Ｂ相コイル１２Ｂの励磁方向が反転するので、Ｂ相コイル１２Ｂのコイル部分のハッチングが省略されている。図１（Ｂ）は、位相がπ／２での状態を示している。位相がπ／２となるタイミングでは、Ａ相コイル１２Ａの励磁方向が反転するので、Ａ相コイル１２Ａのコイル部分のハッチングが省略されている。図１（Ｃ）は、位相がπでの状態を示している。位相がπとなるタイミングでは、Ｂ相コイル１２Ｂの励磁方向が再び逆転する。このように、位相がπ／２進むたびに、Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２Ｂの一方の励磁方向が交互に切り替わる。なお、位相がπ以降の動作も同様なので、説明を省略する。また、コイルに流れる電流を逆転させれば、モータを反転させることも可能である。

図２は、第１実施形態の変形例としてのモータ本体の構成を示す説明図である。このモータ本体は、図１に示したモータ本体において、スロットヨーク付きの電磁コイル１２Ａ，１２Ｂを採用した構成を有している。すなわち、図２では、個々の電磁コイル１２Ａ，１２Ｂは、スロットヨーク１４の回りに巻き回されている。図１のようなスロットヨークのないコアレスモータの駆動原理は、フレミングの左手の法則に基づいており、一方、図２のようなスロットヨーク付きのモータの駆動原理は、右ネジの法則に基づいているという違いがある。

図３は、スロットヨーク付きの電磁コイルの製造方法の例を示す説明図である。図３（Ａ）の例では、スロットヨーク１４が第１のヨーク部１４ａと第２のヨーク部１４ｂとに分割されている。第１のヨーク部１４ａは、コア部分１４ｃを有しており、コア部分１４ｃの中央に第２のヨーク部１４ｂと嵌合する嵌合穴が形成されている。コア部分１４ｃの回りには、コイル１２が巻き回される。この状態で、第２のヨーク部１４ｂを第１のヨーク部１４ａに嵌合させることによって、スロットヨーク付き電磁コイルが完成する。図３（Ａ）では、第２のヨーク部１４ｂの両端がスロープ状になっている。一方、図３（Ｂ）では、第２のヨーク部１４ｂの両端が直線的な平板状になっている点で図３（Ａ）の構成と若干異なっている。

図４は、第１実施形態の他の変形例としての３相ブラシレスモータ構造を示す説明図である。図１（Ａ）の構造と比較すれば理解できるように、図４の構造では、ステータ部１０は、Ａ相コイル群１２ＡとＢ相コイル群１２ＢとＣ相コイル群１２Ｃの３組のコイル群と、各相用の磁気センサ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを有している。また、ロータ部３０は、上部ロータ部３０Ｕと、２つの中央ロータ部３０Ｍと、下部ロータ部３０Ｌとを有している。

図４のモータ構造においても、ロータ部３０の移動方向ＭＤに垂直な方向に沿って、永久磁石群と電磁コイル群が１組ずつ交互に配置されている。また、４つのロータ部３０Ｕ，３０Ｍ，３０Ｍ，３０Ｌの磁石３２は、１組の電磁コイル群を挟んで、互いに異なる磁極（Ｓ極とＮ極）が対面するように配置されている。さらに、１相分の１組の電磁コイル群は、２組の永久磁石群で挟まれている。この構成では、２組の永久磁石群同士の距離を短くすることができ、トルクを増大させることが可能である。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に示したモータ構造を利用した回転式モータを示す断面図である。図５（Ａ）は、モータ本体１００の縦断面を示している。ロータ部３０は回転軸１１０に固定されており、３つのロータ部３０Ｕ，３０Ｍ，３０Ｌが同時に回転する。各磁石３２の磁化方向は、回転軸１１０と平行な方向である。

図５（Ｂ）は、中央ロータ部３０Ｍの水平断面図である。中央ロータ部３０Ｍは、それぞれ略扇状の形状を有する４つの永久磁石３２を有している。上部ロータ部３０Ｕと下部ロータ部３０Ｌも、中央ロータ部３０Ｍと同じ構成を有しているので図示を省略する。図５（Ｃ）は、ステータ部１０の水平断面図である。ステータ部１０は、図５（Ａ）に示すように、複数のＡ相コイル１２Ａと、複数のＢ相コイル１２Ｂと、これらのコイル１２Ａ，１２Ｂとを有しているが、図１（Ｃ）では、Ａ相コイル１２Ａの部分のみを示している。この例では、Ａ相コイル１２Ａは４つ設けられており、それぞれ略扇状の形状に巻かれている。Ｂ相コイル１２Ｂも同じである。ここでは、４極のモータ構造を説明しているが、極数を更に増加させることで低回転、高トルク化を容易に実現できる。

図５（Ａ）において、下部ロータ部３０Ｌの下側には、モータのケーシング１３０の内側に回路基板１２０が設けられている。回路基板１２０上には、磁気センサ４０が配置されている。磁気センサ４０としては、図１（Ａ）で示したＡ相センサ４０ＡとＢ相センサ４０Ｂの両方が設けられているが、図５（Ａ）では図示が簡略化されている。この磁気センサ４０は、ロータ部３０Ｌの磁気ヨーク３４の外側に配置されている。従って、磁気センサ４０の位置での磁場は、磁気ヨーク３４によってやや弱められている。近年では、永久磁石３２としてかなり強力な磁場を有するものを使用することが多いので、磁気センサ４０の検出範囲を超えて磁場が飽和してしまい、うまく磁場の変化を検出できない可能性もある。これに対して、図５（Ａ）に示すように、磁気ヨーク３４を挟んで永久磁石３２とは反対側に磁気センサ４０を設けるようにすれば、磁気センサ４０における磁場の強度を低減することができ、磁場の変化をより精度良く検出できるという利点がある。なお、磁気センサ４０としては、ホール素子やホールＩＣを利用することが可能である。特に、磁気センサ４０として、磁場の強度レベルを多階調信号又はアナログ信号として出力するセンサを用いた場合には、上述した利点が顕著である。このような磁気センサ４０は、コイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力を発生するものである。このような磁気センサを利用すれば、モータの駆動や回生をより精度良く実行することが可能である。

図６（Ａ）〜（Ｆ）は、図５に示したモータの組み立て方法の一例を示す説明図である。図６（Ａ）〜（Ｂ）では、まず、中央ロータ部３０Ｍの中央の穴に回転軸１１０を挿入して両者を固定する。次に、図６（Ｃ）に示すように、中央ロータ部３０Ｍの上部にＡ相コイル１２Ａを固定し、また、中央ロータ部３０Ｍの下部にＢ相コイル１２Ｂを固定する。なお、Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２Ｂは、図６（Ｃ）の上部に示すように、それぞれ分割されたステータコイル部１０Ｌ，１０Ｒとして予め形成されている。これらのステータコイル部１０Ｌ，１０Ｒが、中央ケーシング部１３０Ｍに固定され、これによって図６（Ｃ）の構造が得られる。この後、図６（Ｄ）に示すように、上部ロータ部３０Ｕと下部ロータ部３０Ｌが、それぞれ回転軸１１０に固定される。そして、図６（Ｅ）に示すように下部ロータ部３０Ｌの下側に回路基板１２０が配置され、図６（Ｆ）に示すように、上部ケーシング部１３０Ｕと下部ケーシング部１３０Ｌとが中央ケーシング部１３０Ｍに固定されてモータが完成する。なお、図６（Ｅ），（Ｆ）の工程は同じ１つの工程として実行してもよい。

図７は、図５に示した２相回転式モータの変形例を示す断面図である。このモータ１００ｐは、中央ロータ部３０Ｍが永久磁石ではなく磁気ヨーク３４で構成されている点が図５のモータ１００と異なるだけであり、他の構成は図５のモータ１００と同じである。すなわち、このモータ１００ｐでは、図１の中央ロータ部３０Ｍの磁石３２が磁気ヨーク３４で置き換えられた構成を有している。このようなモータ１００ｐによっても、図１で説明したものとほぼ同じ原理により、磁場の利用効率が高いモータを実現することが可能である。

図８は、図５に示した２相回転式モータの他の変形例を示す断面図である。このモータ１００ｐは、上部ロータ部３０Ｕとロータ部３０Ｌが永久磁石ではなく磁気ヨーク３４で構成されている点が図５のモータ１００と異なるだけであり、他の構成は図５のモータ１００と同じである。すなわち、このモータ１００ｑでは、図１の上部ロータ部３０Ｕと下部ロータ部３０Ｌの磁石３２が磁気ヨーク３４で置き換えられた構成を有している。このようなモータ１００ｑによっても、図１で説明したものとほぼ同じ原理により、磁場の利用効率が高いモータを実現することが可能である。

図７及び図８から理解できるように、複数組の永久磁石群のうちの一部を磁気ヨーク群で置き換えても、ほぼ同様な効果を得ることができる。ここで、「磁気ヨーク群」という語句は、複数の磁気ヨークに限らず、１つの磁気ヨークも含む広い意味を有している。永久磁石と磁気ヨークとは、図１に示したような強い磁場（特に直線的な平行な磁場）を生成する磁場形成部材として共通していることが理解できる。なお、Ｎ＋１組の磁場形成部材群のうち、少なくとも１組は永久磁石群とすることが好ましい。また、図７，図８の例のように、Ｎ＋１組の磁場形成部材群の中に磁気ヨーク群が含まれている場合には、その磁気ヨーク群の上側と下側に隣接した磁場形成部材群としては、磁気ヨーク群で無く永久磁石群を配置することが好ましい。

図９は、第１実施形態の更に他の回転式モータを示す断面図である。この回転式モータ１００ａは、図５に示したモータ１００を３相に拡張したものであり、図４に相当するものである。このように、第１実施形態のモータ構造は、３相以上のモータにも適用可能である。また、第１実施形態のモータ構造を、単相モータにも適用可能である。

図１０は、第１実施形態によるリニアモータの構成を示す断面図である。このリニアモータ１０００は、固定ガイド部１１００と、移動部１２００とを備えている。図１０（Ａ）に示すように、固定ガイド部１１００は、上部ガイド部１１３０Ｕと、２つの中央ガイド部１１３０Ｍと、下部ガイド部１１３０Ｌとを有している。これらのガイド部１１３０Ｕ，１１３０Ｍ，１１３０Ｌは、図１に示したロータ部３０Ｕ，３０Ｍ，３０Ｌに対応するものであるが、図１０では、これらのガイド部は固定されており移動しない部材である。ガイド部１１３０Ｕ，１１３０Ｍ，１１３０Ｌには、リニアモータの移動方向に沿って複数の永久磁石３２がそれぞれ配置されている。移動部１２００は、これらの４つのガイド部１１３０Ｕ，１１３０Ｍ，１１３０Ｍ，１１３０Ｌと交互に配置された３相分のコイル群１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが設けられている。なお、各相の磁気センサは図示が省略されている。図１０（Ｂ）に示すように、移動部１２００には、駆動制御部１２５０と燃料電池１２６０とが設けられている。移動部１２００は、ベアリング部１１４０によって固定ガイド部１１００に摺動可能に保持されている。第１実施形態は、このようなリニアモータとしても実現可能である。なお、リニアモータは、２相ブラシレスモータとして構成することも可能である。

B．第２実施形態：
図１１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２実施形態としてのブラシレスモータの構成と動作を示す説明図である。図１１（Ａ）の構成は、図１（Ａ）の構成と、電磁コイルの配置（巻き方）と永久磁石の磁極の向きが異なるだけである。すなわち、図１１（Ａ）においてＡ相コイル１２Ａは、ロータ部３０とステータ部１０ｂとを貫通する方向（図の上下方向）に垂直で、ロータ部３０の移動方向ＭＤに平行な軸の回りに巻き回されている。この軸は、図１１（Ａ）では左右方向に延びる軸である。Ｂ相コイル１２Ｂも同様である。また、３つのロータ部３０Ｕ，３０Ｍ，３０Ｌの永久磁石３２は、１組の電磁コイル群を挟んで、同一の磁極（Ｎ極同士又はＳ極同士）が対面するように配置されている。

個々のコイル１２Ａ，１２Ｂのコイル部分のうち、支持部材１６の上側のコイル部分と下側のコイル部分に流れる電流は逆方向に流れる。例えば、或るＡ相コイル１２Ａの上側のコイル部分に紙面の裏側から表側に向かう電流が流れているときには、その下側のコイル部分には紙面の表側から裏側に向かう電流が流れる。一方、そのコイル１２Ａの上側のコイル部分と下側のコイル部分における磁場の方向は逆なので、両方のコイル部分から、同一方向の駆動力（図１１（Ｄ）の例では右側の力）が発生する。従って、個々のコイルの上側コイル部分と下側コイル部分の両方を利用して、効率的に駆動力を発生することが可能である。図１１（Ａ）〜（Ｃ）は、位相が０、π／２、及び、πの位置での状態を示しているが、これは図１（Ａ）〜（Ｃ）と同様なので説明は省略する。このように、電磁コイルを、移動方向ＭＤに平行な軸の回りに巻き回すようにしても、移動方向ＭＤに沿って有効な駆動力を効率良く発生させることが可能である。

図１２は、図１１に示したモータ構造を利用した２相回転式モータを示す断面図であり、第１実施形態の図５に対応する図である。図５との違いは、図１２（Ａ），（Ｃ）に示す電磁コイル１２Ａ，１２Ｂの巻き方と、図１２（Ａ）に示す永久磁石３２の磁極の向きだけである。すなわち、図１２の回転式モータ１００ｂでは、電磁コイル１２Ａ，１２Ｂの中心軸は、ロータ部３０の回転方向（周回方向）に平行な軸を中心として巻き回されている。また、永久磁石３２は、電磁コイルを挟んで同じ磁極同士が対面するように配置されている。

図１３は、第２実施形態によるリニアモータの構成を示す断面図であり、第１実施形態の図１０に対応する図である。図１０との違いは、図１３（Ｂ）に示す電磁コイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの巻き方と、永久磁石３２の磁極の向きだけである。すなわち、図１３のリニアモータ１０００ｂでは、電磁コイル１２Ａ，１２Ｂの中心軸は、移動部１２００ｂの移動方向に平行な軸を中心として巻き回されている。また、永久磁石３２は、電磁コイルを挟んで同じ磁極同士が対面するように配置されている。

このように、第２実施形態では、モータの部材の移動方向に平行な軸を中心として電磁コイルがそれぞれ巻き回されている。また、永久磁石は、電磁コイルを挟んで同じ磁極同士が対面するように配置されている。このように構成しても、第１実施形態とほぼ同様な効果を奏することが可能である。

なお、上述した種々の例からも理解できるように、本発明の実施形態では、Ｎ組（Ｎは整数）の電磁コイル群と、Ｎ＋１組の永久磁石群とを設け、移動方向ＭＤと垂直な方向に沿って電磁コイル群と永久磁石群とを１組ずつ交互に配置した構成を採用することが可能である。このような構成によれば、電磁コイル群と永久磁石群とを１組ずつ交互に配置するので、永久磁石群同士の距離を小さく抑えることができるという利点がある。なお、このような構成を実現するために、Ｎ組の電磁コイル群を支持する第１の部材は、それぞれ１組の電磁コイル群が設けられたＮ個の支持部材を含んでいるものと考えることが可能である。同様に、Ｎ＋１組の永久磁石群を支持する第２の部材は、それぞれ１組の永久磁石群が設けられたＮ＋１個の支持部材を含んでいるものと考えることが可能である。

ところで、通常は、２相以上の電磁コイルを用いるモータが多い。この場合に、仮に２組の永久磁石群の間に複数相分の電磁コイル群をすべて配置すると、永久磁石群同士の距離が大きくなり、トルクが低下してしまう原因となりうる。これに対して、本発明の実施形態では、複数相分の複数組の電磁コイル群を用いる場合にも、電磁コイル群と永久磁石群とを１組ずつ交互に配置するので、永久磁石群同士の距離を小さく抑えることができ、トルクを増大できるという利点が顕著である。

C．駆動回路の構成：
図１４は、ブラシレス電気機械の制御回路の構成を示すブロック図である。この制御回路は、ＣＰＵシステム３００と、駆動信号生成部２００と、駆動ドライバ部２１０と、回生制御部２２０と、蓄電器２３０と、蓄電制御部２４０とを備えている。駆動信号生成部２００は、駆動ドライバ部２１０に供給する駆動信号を生成する。

図１５は、駆動ドライバ部２１０の構成を示す回路図である。この駆動ドライバ部２１０は、Ｈ型ブリッジ回路を構成している。駆動信号生成部２００からは、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１と、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２のうちの一方が駆動ドライバ部２１０に供給される。図１５に示す電流ＩＡ１，ＩＡ２は、これらの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に応じて流れる電流（「駆動電流」とも呼ぶ）の方向を示している。なお、ここでは説明の便宜上、１相分の回路のみを説明しているが、実際にはモータの相数に応じて駆動ドライバ部２１０の構成と駆動信号がそれぞれ適切に設定される。

図１６は、回生制御部２２０の内部構成を示す回路図である。回生制御部２２０は、電磁コイル１２に対して駆動ドライバ部と並列に接続されている。回生制御部２２０は、ダイオードで構成される整流回路２２２と、スイッチングトランジスタ２２４とを備えている。蓄電制御部２４０によってスイッチングトランジスタ２２４がオン状態になると、電磁コイル１２で発生した電力を回生して蓄電器２３０を充電することが可能である。また、蓄電器２３０から電磁コイル１２に電流を供給することも可能である。なお、制御部から、回生制御部２２０と蓄電器２３０と蓄電制御部２４０を省略してもよく、或いは、駆動信号生成部２００と駆動ドライバ部２１０を省略してもよい。

D．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。

D１．変形例１：
上記実施例では、ブラシレス電気機械の機械的構成や回路構成の具体例を説明したが、本発明のブラシレス電気機械の機械的構成や回路構成としては、これら以外の任意の構成を採用することが可能である。例えば、上記実施形態では、１相分の電磁コイル群の全部が２組の永久磁石群の間に設けられているが、この代わりに、１相分の電磁コイル群を複数組に分けて、各組の電磁コイル群を２組の永久磁石群の間に設けるようにしてもよい。具体的には、例えば、２相モータの場合に、Ａ相コイル群１２Ａを２組のＡ相コイル群１２Ａ１，１２Ａ２に分割し、２組のＡ相コイル群１２Ａ１，１２Ａ２のそれぞれを、２組の永久磁石群で挟むように構成してもよい。Ｂ相コイル群も同様である。このモータ構造は、４組のコイル群１２Ａ１，１２Ａ２，１２Ｂ１，１２Ｂ２と、５組の永久磁石群とを有し、コイル群と永久磁石群とが１組ずつ交互に配列される構造を有するものとなる。

D２．変形例２：
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、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、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１７は、本発明の適用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１８（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の適用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１８（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、図１８（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１８（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１９は、本発明の適用例によるモータ／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２０は、本発明の適用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。

１０…第１の部材（ステータ部）
１２…電磁コイル
１４…スロットヨーク
１６…支持部材
３０…第２の部材（ロータ部）
３２…永久磁石
３４…磁気ヨーク
４０…磁気センサ
１００…モータ本体
１１０…回転軸
１２０…回路基板
１３０…ケーシング
２００…駆動信号生成部
２１０…駆動ドライバ部
２２０…回生制御部
２２２…整流回路
２２４…スイッチングトランジスタ
２３０…蓄電器
２４０…蓄電制御部
３００…ＣＰＵシステム
６００…プロジェクタ
６１０Ｒ，６１０Ｇ，６１０Ｂ…光源
６４０Ｒ，６４０Ｇ，６４０Ｂ…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
７１０…ＭＰＵ
７２０…ファン
７３０…燃料電池
８００…電動自転車（電動アシスト自転車）
８１０…モータ
８２０…制御回路
８３０…充電池
９００…ロボット
９１０…アーム
９２０…アーム
９３０…モータ
１０００…リニアモータ
１１００…固定ガイド部
１１４０…ベアリング部
１２００…移動部
１２５０…駆動制御部
１２６０…燃料電池

Claims (8)

1. ブラシレス電気機械であって、
   Ｎ組（Ｎは１以上の整数）の電磁コイル群を有する第１の部材と、
   少なくとも１組の永久磁石群を含むＮ＋１組の磁場形成部材群を有し、所定の移動方向に沿って前記第１の部材に対して相対的に移動可能な第２の部材と、
   を備え、
   前記移動方向と垂直な方向に沿って、前記電磁コイル群と前記磁場形成部材群が１組ずつ交互に配置されている、ブラシレス電気機械。
2. 請求項１記載のブラシレス電気機械であって、
   前記Ｎ＋１組の磁場形成部材群は、すべて永久磁石群である、ブラシレス電気機械。
3. 請求項２記載のブラシレス電気機械であって、
   前記整数Ｎは２以上である、ブラシレス電気機械。
4. 請求項２又は３記載のブラシレス電気機械であって、
   各電磁コイルは、前記第１と第２の部材を貫通する方向に平行で前記移動方向に垂直な軸の回りにそれぞれ巻き回されており、
   前記Ｎ＋１組の永久磁石群のうち、隣接する任意の２組の永久磁石群同士は、１組の電磁コイル群を挟んで異なる磁極同士が対面するように配置されている、ブラシレス電気機械。
5. 請求項２又は３記載のブラシレス電気機械であって、
   各電磁コイルは、前記第１と第２の部材を貫通する方向に垂直で前記移動方向に平行な軸の回りに巻き回されており、
   前記Ｎ＋１組の永久磁石群のうち、隣接する任意の２組の永久磁石群同士は、１組の電磁コイル群を挟んで同じ磁極同士が対面するように配置されている、ブラシレス電気機械。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、さらに、
   前記第１の部材に設けられて前記第１と第２の部材の相対位置を検出する位置センサと、
   前記位置センサの出力信号を利用して、前記ブラシレス電気機械の動作を制御する制御回路と、
   を備えるブラシレス電気機械。
7. 請求項１記載のブラシレス電気機械と、
   前記ブラシレス電気機械によって駆動される被駆動部材と、
   を備える装置。
8. 請求項１記載のブラシレス電気機械を備える移動体。

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