JP5332260B2 - ブラシレス電気機械 - Google Patents

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に関する。

ブラシレス電気機械は、ブラシレスモータとブラシレス発電機とを包含する意味を有する用語である。ブラシレスモータとしては、例えば下記の特許文献１に記載されたものが知られている。

特開２００１−２９８９８２号公報

従来から、モータ内の磁場を強化して、効率をさらに向上させたいという要望があった。しかし、従来は、永久磁石用材料などの制約から、さらなる効率向上が難しいという問題があった。

本発明は、従来に比べてさらに効率の良いブラシレス電気機械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。
本発明の一形態は、ブラシレス電気機械であって、
磁石集合体を有する第１の部材と、
電磁コイルを有する第２の部材と、
を備え、
前記第１と第２の部材は、互いの相対的な位置が変更可能に構成されており、
前記磁石集合体は、ギャップを介して前記電磁コイルと対向しており、
前記磁石集合体は、内周と外周とを有するとともに、前記内周と外周のうちの一方の側に設けられた第１の磁石セットと、他方の側に設けられた第２の磁石セットとを有し、
前記第１と第２の磁石セットは、それぞれ少なくとも１つの磁石を含み、
前記第１と第２の磁石セットは、同極同士が対面するように互いに逆方向に磁化されており、前記磁石集合体の内周と外周とを結ぶ強磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記強磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されている、ブラシレス電気機械。

［適用例１］
ブラシレス電気機械であって、
磁石集合体を有する第１の部材と、
電磁コイルを有する第２の部材と、
を備え、
前記第１と第２の部材は、互いの相対的な位置が変更可能に構成されており、
前記磁石集合体は、内周と外周とを有するとともに、前記内周と外周のうちの一方の側に設けられた第１の磁石セットと、他方の側に設けられた第２の磁石セットとを有し、
前記第１と第２の磁石セットは、それぞれ少なくとも１つの磁石を含み、
前記第１と第２の磁石セットは、同極同士が対面するように互いに逆方向に磁化されており、前記磁石集合体の内周と外周とを結ぶ強磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記強磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されている、ブラシレス電気機械。
この構成によれば、第１と第２の磁石セットの対面する同極同士の配置によって強い磁場が発生するので、この磁場を利用した高効率のブラシレス電気機械を実現することが可能である。

［適用例２］
適用例１記載のブラシレス電気機械であって、
前記第１の磁石セットは、前記磁石集合体の内周と外周を結ぶ方向に沿った互いに同一の磁化方向に磁化された複数の磁石が、前記磁化方向とは垂直な積層方向に沿って積層された磁石積層体であり、前記磁石積層体内の隣接する磁石の同極同士が互いの境界面を挟んで隣接しており、
前記強磁場方向は、前記境界面上の方向であって前記磁化方向に平行な方向である、ブラシレス電気機械。
この構成では、磁石積層体において隣接する磁石の同極同士が互いの境界面を挟んで隣接しているので、より強い磁場が発生する。

［適用例３］
適用例２記載のブラシレス電気機械であって、
前記磁石積層体は、前記隣接する磁石の間に非磁性体層をそれぞれ有する、ブラシレス電気機械。
この構成では、磁石積層体において、隣接する磁石の間に設けられた非磁性体層によって、より強い磁場が発生する。

［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、
前記第１と第２の部材は、前記磁石積層体内の隣接する磁石同士の境界面に垂直な方向に沿って相対的に移動可能に構成されている、ブラシレス電気機械。

［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、
前記第１と第２の部材は、前記磁石積層体内の隣接する磁石同士の境界面に平行な方向に沿って相対的に移動可能に構成されている、ブラシレス電気機械。

［適用例６］
適用例１〜５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、
前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路を備え、
前記制御回路は、
（ｉ）前記第１と第２の部材の間の相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する電力を回生する回生制御と、
（ｉｉ）前記電磁コイルに駆動電流を供給することによって前記ブラシレス電気機械を動作させる駆動制御と、
のうちの少なくとも一方を実行可能である、ブラシレス電気機械。
この構成によれば、永久磁石の磁束を効率よく利用できるブラシレスモータやブラシレス発電機を実現することが可能である。

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、発電機、それらの制御方法、それらを用いたアクチュエータや電子機器、移動体、ロボット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．磁石モジュールの構成：
B．各種の実施例：
C．回路構成：
D．変形例：

A．磁石モジュールの構成：
図１は、本発明の実施例で利用される第１種の磁石モジュールの構成を示す説明図である。なお、以下では磁石モジュールを「磁石集合体」とも呼ぶ。図１（Ａ）は、磁石モジュール１０ａの縦断面図と平面図とを示している。この磁石モジュール１０ａは、第１の永久磁石１２を外周側に配置し、この磁石１２の内周側に第２の永久磁石１４を配置したものである。２つの磁石１２，１４は、それぞれ中空円筒状（又はリング状）の形状を有しており、半径方向に沿って互いに逆方向に磁化されている。磁石１２，１４の内周や外周の形状は任意である。また、図１（Ａ）の例では第１の磁石１２の内周側がＳ極で、外周側がＮ極であるが、これとは逆方向に磁化してもよい。この場合には、第２の磁石１４も図１（Ａ）と逆方向に磁化される。

このように、２つの磁石１２，１４を同極同士が対面するように配置すれば、この同極同士の対面によって、磁石モジュール１０ａの外周側又は内周側に最も強い磁場が発生する。図１（Ａ）の例では、最も強い磁場が発生する方向（「強磁場方向ＭＤ」と呼ぶ）は、磁石モジュール１０ａの内周から外周方向に向かう方向である。このような強い磁場が発生する理由は、２つの磁石１２，１４の同極同士の反発に起因するものと推定される。

図１（Ｂ）は、他の磁石モジュール１０ｂの縦断面図と平面図とを示している。この磁石モジュール１０ｂは、第１の磁石１２を２つ積層し、また、第２の磁石１４として第１の磁石１２の２個分の長さ（厚さ）を有する磁石を採用したものである。この場合には、２つの第１の磁石１２の同極同士（Ｎ極同士及びＳ極同士）が、磁石同士の境界面１２ｃを挟んで隣接し、また、対面した状態になる。このような同極同士の隣接状態により、磁石モジュール１０ｂの外周側に向かう強磁場方向ＭＤに沿って、強い磁場が発生する。すなわち、この磁石モジュール１０ｂでは、２種類の磁石１２，１４の同極同士の反発に起因する磁場の強化と、複数の第１の磁石１２の同極同士の隣接状態による磁場の強化との両方の作用によって、図１（Ａ）よりも更に強い磁場が発生する。このときの強磁場方向ＭＤは、図１（Ｂ）に示すように、第１の磁石１２同士の境界面１２ｃ上の方向であって、磁石モジュール１０ｂの内周と外周を結ぶ方向である。

なお、境界面１２ｃは、予め選択された材料で充填された充填層として構成されていてもよく、或いは、何も充填されていないエアギャップ層として構成されていてもよい。なお、境界面１２ｃを構成する層を「境界層」とも呼ぶ。磁石モジュールの全体は、表面処理を行うことにより、錆防止用の保護被膜（図示省略）で被覆することが好ましく、複数の磁石１２の間の境界層も同じ保護被膜で充填することが好ましい。保護被膜の材料としては、硬磁性材料では無く、軟磁性材料又は非磁性材料を使用することが好ましい。ここで、「硬磁性材料」とは、永久磁石用材料として利用される材料（ヒステリシスが大きな強磁性体）を意味する。「軟磁性材料」とは、電磁石のコア材料としては使用されるが、永久磁石用材料として使用されない材料を意味する。「非磁性材料」とは、硬磁性材料と軟磁性材料以外の材料を意味する。なお、本明細書において、軟磁性材料と非磁性材料とを併せて「非磁石性材料」とも呼ぶ。ニッケルやクロムは強磁性体であるが、単独または合金の形態では非磁石性材料となる場合がある。境界層１２ｃを非磁石性材料で充填すれば、境界層１２ｃを挟む磁極の磁気的特性が境界層１２ｃの材料によって影響を受けないので、境界層１２ｃの位置における磁場を強化することができる。特に、境界層１２ｃを非磁性材料で構成すれば、磁場を更に強化ことが可能である。

図２（Ａ）は、図１（Ｂ）よりも縦長の形状を有する磁石モジュール１０ｃを示している。この磁石モジュール１０ｃは、図１（Ｂ）に示した磁石モジュール１０ｂの第１の磁石１２を６つに増やし、また、第２の磁石１４の長さ（厚み）を第１の磁石１２の６個分の長さに延長したものである。図２（Ｂ）は、この磁石モジュール１０ｃの表面磁束密度の分布を示している。このグラフから理解できるように、この磁石モジュール１０ｃでは、第１の磁石１２同士の境界面１２ｃ上の方向であって、磁石モジュール１０ｃの内周から外周に向かう強磁場方向ＭＤに沿って、最も強い磁場が発生している。すなわち、最も強い磁場は、磁石モジュール１０ｃの中心から外側に向けて放射状に形成されている。

図２（Ｃ）の磁石モジュール１０ｄは、図２（Ａ）に示した磁石モジュール１０ｃの第２の磁石１４を６つに分割したものである。なお、この磁石モジュール１０ｄは、図１（Ａ）に示した磁石モジュール１０ａを６つ積層したものと同じである。図２（Ｄ）に示すように、この磁石モジュール１０ｄによっても、図２（Ａ）の磁石モジュール１０ｃとほぼ同様な表面磁束密度を実現できる。

なお、図１，図２の構成において、第１と第２の磁石１２，１４の位置を逆転させることも可能である。この場合には、内周側に向けて強磁場方向ＭＤが形成される。また、図１，図２から理解できるように、第１と第２の磁石１２，１４の個数は、それぞれ１つ以上の任意の数を採用可能である。なお、本明細書において、１つ以上の第１の磁石１２の集合を「第１の磁石セット」とも呼び、また、１つ以上の第２の磁石１４の集合を「第２の磁石セット」とも呼ぶ。また、第２の磁石１４を「磁場補強用磁石」とも呼ぶ。

図３は、第２種の磁石モジュールの構成を示す説明図である。図３（Ａ）に示す磁石モジュール２０ａは、図１に示した磁石モジュール１０ａを構成する第１と第２の磁石１２，１４を、それぞれ４つの分割リング状の小磁石１２ａ〜１２ｄ，１４ａ〜１４ｄで置き換えた構成を有している。４つの第１の小磁石１２ａ〜１２ｄのうちの２つの小磁石１２ａ，１２ｃは同じ方向に磁化されており、これらの磁化方向は、他の２つの第１の小磁石１２ｂ，１２ｄの磁化方向と逆である。４つの第２の小磁石１４ａ〜１４ｄは、その外周側に設置されている第１の小磁石１２ａ〜１２ｄと逆方向に磁化されている。この磁石モジュール２０ａでは、磁石モジュール２０ａの周囲においてＮ極とＳ極とが同数ずつ現れるので、交流駆動モータ用の磁石モジュールとして利用可能である。なお、一般には複数個（通常は偶数個）の小磁石を組み合わせることによって、磁化方向が交互に反転する交流駆動モータ用の磁石モジュールを得ることができる。

図３（Ｂ）は、他の磁石モジュール２０ｂの縦断面図と平面図とを示している。この磁石モジュール２０ｂは、図３（Ａ）に示した磁石モジュール２０ａの第１の小磁石１２ａ〜１２ｄを２層に積層し、また、第２の小磁石１４ａ〜１４ｄとして第１の小磁石１２ａ〜１２ｄの２層分の長さを有する小磁石を採用したものである。この場合には、図１（Ｂ）と同様に、上下に隣接する第２の小磁石１２ａ〜１２ｄの同極同士（Ｎ極同士及びＳ極同士）が、磁石同士の境界面を挟んで隣接し、対面した状態になる。また、このような同極同士の隣接状態により、磁石モジュール２０ｂの外周側の強磁場方向ＭＤに沿って、強い磁場が発生する。

なお、図３に示した磁石モジュール２０ａ，２０ｂに関しても、図２（Ａ），（Ｃ）に示したものと同様の積層体を採用することが可能である。また、第１の磁石１２ａ〜１２ｄと第２の磁石１４ａ〜１４ｄの位置を逆転させることも可能である。

上記図１〜図２に示した磁石モジュール１０ａ〜１０ｃは、主に直流駆動モータで使用されるので、「直流駆動用磁石モジュール」とも呼ぶ。また、図３に示した磁石モジュール２０ａ，２０ｂは、主に交流駆動モータで使用されるので、「交流駆動用磁石モジュール」とも呼ぶ。なお、本明細書においては、「直流駆動モータ」とは、電磁コイルに対して一方向の直流電流を供給することによって所定の駆動方向に動作するモータを意味する。また、「交流駆動モータ」とは、電磁コイルに対して電流方向が交互に逆転する交流電流を供給することによって所定の駆動方向に動作するモータを意味する。

図４は、磁石モジュールの製造方法の一例を示す説明図である。図４（Ａ）では、まず、複数の未励磁の磁石部材ＭＭを準備し、これらを積層した積層構造体ＭＳを生成する。磁石部材ＭＭは、中空円筒状の形状を有している。隣接する２つの磁石部材ＭＭの間には、非磁性体部材ＮＭを介挿させることが好ましい。次に、図４（Ｂ）に示すように、積層構造体ＭＳの周囲を形状保持部材ＦＭで覆う成形処理を実行する。この形状保持部材ＦＭは、積層構造体ＭＳがバラバラになることを防止するための部材であり、樹脂や、金属、セラミックスなどの各種の材料で構成することが可能である。この成形後の積層体ＭＳａを着磁装置で着磁処理することによって、図４（Ｃ）に示すように、複数の永久磁石１２が積層された磁石積層体ＭＳｂが得られる。そして、この磁石積層体ＭＳｂの内周側に、第２の磁石１４を嵌合させることによって、図４（Ｄ）に示す磁石モジュールＭＳｃが得られる。この磁石モジュールＭＳｃは、図１（Ｂ）又は図２（Ａ）に示した磁石モジュール１０ｂ、１０ｃとほぼ同じものである。

なお、図４の方法の代わりに、個々に製造された永久磁石を積層し、嵌合することによって、図２（Ｃ）に示したような磁石モジュールを作成しても良い。この場合には、隣接する磁石の間に非磁性体部材ＮＭを介挿させてもよく、磁石同士を直接接触させてもよい。隣接する磁石の間に非磁性体部材ＮＭを介挿させた場合には、「隣接する磁石同士の境界面」は、非磁性体部材ＮＭの中央に存在することが理解できる。

本発明の各種実施例では、上述した各種の磁石モジュールのいずれかを用い、その強い磁場を利用して、モータや発電機を構成している。なお、磁石モジュールの形状としては、中空円筒形状以外の他の任意の形状を採用することが可能である。

B．各種の実施例：
図５（Ａ）は、第１実施例としてのブラシレスリニアモータの構成を示す従断面図であり、図５（Ｂ）はその横断面図である。このリニアモータ１００ａは、直流駆動用磁石モジュール１０を含む第１の部材と、電磁コイル３０を含む第２の部材とを有している。磁石モジュール１０は、図２（Ａ）に示した磁石モジュール１０ｃとほぼ同じものである。但し、図５の例では、磁石モジュール１０の外周と内周がそれぞれ矩形形状を有している。最も強い磁場方向は、磁石モジュール１０の内側から外側に向かう放射状の方向である。図５（Ｂ）において、電流方向ＣＤに沿って電磁コイル３０に電流が流れると、電磁コイル３０には紙面の裏から表に向かう方向に駆動力が働く。電磁コイル３０が固定されている場合には、磁石モジュール１０が図５（Ｂ）の紙面の表から裏に向かう方向に駆動される。また、電流方向を逆転させると、これとは反対の駆動力が発生する。すなわち、駆動力が発生する方向は、第１の磁石１２同士の境界面１２ｃと垂直な方向である。このように、このブラシレスリニアモータ１００ａでは、電磁コイル３０に直流電流を流すことによって、図５（Ａ）の駆動方向ＤＤ（上下方向）に沿って磁石モジュール１０を動作させることが可能である。

図６（Ａ）は、第２実施例としてのブラシレスリニアモータの構成を示す従断面図であり、図６（Ｂ）はその側面図である。このリニアモータ１００ｂは、直流駆動用磁石モジュール１０を含む第１の部材と、電磁コイル３０を含む第２の部材４０とを有している。電磁コイル３０は、フレーム（枠部材）４６で支持されており、フレーム４６上には荷重部４４が載置されている。荷重部４４は、フレーム４６とともに移動する物体であり、電磁コイル３０の制御回路と電源（電池など）も含んでいる。フレーム４６は、ベアリング４２を介して磁石モジュール１０の上部に保持されている。電磁コイル３０に直流電流が流れると、電磁コイル３０とフレーム４６と荷重部４４とを含む部材４０は、図６（Ａ）の紙面に垂直な方向に沿って移動する。この移動方向は、図６（Ｂ）に示す駆動方向ＤＤに相当する。例えば、図６（Ａ）に示す電流方向ＣＤに電流が流れた場合には、部材４０は紙面の裏から表に向かう方向に駆動される。すなわち、このモータ１００ｂでは、駆動力が発生する方向は、第１の磁石１２同士の境界面１２ｃと垂直な方向である。

図７（Ａ）は、第３実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す従断面図であり、図７（Ｂ）はその横断面図である。この回転式モータ１００ｃは、直流駆動用磁石モジュール１０を含むロータ（第１の部材）と、電磁コイル３０を含むステータ（第２の部材）とを有している。電磁コイル３０は、ケーシング１３０の内周に固定されている。ロータの上部軸１１０と下部軸１２０は、それぞれ軸受け１１２，１２２で保持されている。磁石モジュール１０の両端（上下端）には、磁気ヨーク部材１８が設けられている。磁石モジュール１０の下端部は、固定ネジ１２４で下部軸１２０と連結されている。一方、磁石モジュール１０の上端部に連結された上部軸１１０の回りには、バネ１１４が設けられており、このバネ１１４によって磁石モジュール１０の上端がケーシング１３０の内面から押力を受けている。但し、このような連結構造は単なる一例であり、他の種々の連結構造を採用することが可能である。

図７（Ａ）に示す電流方向ＣＤに電流が流れた場合には、ロータは図７（Ｂ）の時計方向に駆動される。また、電流を逆方向に流せば、逆方向に駆動することも可能である。すなわち、このモータ１００ｃでは、駆動力が発生する方向は、第１の磁石１２同士の境界面に沿った方向である。このように、第３実施例の回転式モータでは、電磁コイル３０に直流電流を流すことによって、所定の回転方向にロータを回転させることが可能である。

図８（Ａ）〜（Ｃ）は、第３実施例に適した電磁コイルの断面構造を示す説明図である。図８（Ａ）では、コイル３０のコア部材として、強磁性体部材３４が設けられている。図８（Ｂ）では、コイル３０のコア部材として、非磁性体部材３６が設けられている。図８（Ｃ）では、コイル３０のコア部材として、永久磁石３８と強磁性体部材３４とが設けられている。なお、コア材としての永久磁石３８の磁化方向は、磁石モジュールの磁場方向と同一（磁力線が同じ方向を向く）ものであることが好ましい。図８（Ａ）〜（Ｃ）には、コイル３０の部分として、磁石モジュールにより近いコイル部分３０ｉとより遠いコイル部分３０ｏとが示されている。図８（Ａ），（Ｃ）の構成では磁石モジュールにより近いコイル部分３０ｉでは、磁石モジュールの磁場によって駆動力が有効に発生し、一方、磁石モジュールにより遠いコイル部分３０ｏでは、磁石モジュールの磁場がコア部材によって遮蔽されるので駆動力がほとんど発生しない。この理由からは、図８（Ａ），（Ｃ）の構成の方が、図８（Ｂ）の構成よりも好ましい。

図９（Ａ）は、第４実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す従断面図であり、図９（Ｂ）はその磁石モジュール１０ｄのみを示す縦断面図である。この回転式モータ１００ｄでは、図９（Ｂ）に示すように、磁石モジュール１０ｄに、中心軸用の空間の他に環状空間２２が設けられている。この環状空間２２の中にステータの電磁コイル３０が挿入される。なお、この磁石モジュール１０ｄの全体は、環状空間２２の内側に配置された小径の磁石モジュール１０Ｓと、環状空間２２の外側に配置された大径の磁石１０モジュール１０Ｌとで構成されているものと考えることも可能である。小径の磁石モジュール１０Ｓは、外周側に複数の第１の磁石１２が積層され、内周側に磁場強化用の第２の磁石１４が配置された構成を有している。一方、大径の磁石モジュール１０Ｌは、内周側に複数の第１の磁石１２が積層され、外周側に磁場強化用の第２の磁石１４が配置された構成を有している。磁石モジュール１０ｄの全体は、略円筒状の形状を有しており、その外周の全体が磁気ヨーク部材１８で被覆されている。磁石モジュール１０ｄと電磁コイル３０とをこのように構成すれば、図９（Ａ）に示すように、電磁コイル３０のコア部材を挟んだ両側のコイル部分では逆向きの磁場が存在するので、電磁コイル３０の両側のコイル部分から同一方向の駆動力を発生させることが可能である。

図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、第４実施例に適した電磁コイルの断面構造を示す説明図である。図１０（Ａ）、（Ｂ）は、前述した図８（Ａ），（Ｂ）の構成と同じである。図１０（Ｃ）では、コイル３０のコア部材として、強磁性体部材３４の両側に永久磁石３８がそれぞれ設けられている。なお、コア材としての永久磁石３８の磁化方向は、図８（Ｃ）の例と同様に、磁石モジュール１０ｄの磁場方向と同一（磁力線が同じ方向を向く）ものであることが好ましい。

図１１は、第５実施例としての単相交流ブラシレスモータの構成を示す断面図である。このブラシレスモータ１００ｅは、略円筒状のステータ６０が内側に配置され、略円筒状のロータ５０が外側に配置されたアウタロータ型モータである。ステータ６０は、略十字状に配列された４つのコイル３０と、ロータ５０の位置（すなわちモータの位相）を検出するための磁気センサ８０とを有している。各コイル３０には、強磁性体で形成された磁気ヨーク３２が設けられている。磁気ヨーク３２は、モータが停止する際に、ロータ５０が位相０又は位相πからずれた所定の位置で停止するようにするための部材である。このため、磁気ヨーク３２は、電磁コイル３０の中心からずれた位置に重心を有している。こうすれば、ロータ５０が位相０又は位相πからずれた位置でモータが停止するので、始動用コイルを別個に設けることなくモータを始動することが可能である。コイル３０と磁気センサ８０は、回路基板１４０（図１１（Ｂ））の上に固定されている。回路基板１４０は、ケーシング１３０に固定されている。なお、ケーシング１３０の蓋は図示が省略されている。

ロータ５０は、交流駆動用磁石モジュール２０を有しており、ロータ５０の中心に回転軸１１０が設けられている。この回転軸１１０は、軸受け部１１２（図１１（Ｂ））で支持されている。磁石モジュール２０の磁化方向は、回転軸１１０から外側に放射状に向かう方向である。なお、この磁石モジュール２０は、図１１（Ｂ）に示すように、内周側に第１の磁石１２の積層体が配置され、外周側に第２の磁石１４が配置された構成を有している。従って、図１１では、磁石モジュール２０は、内周側に向けて強い磁場を発生する。磁石モジュール２０の外周には、磁気ヨーク２４が設けられている。この磁気ヨーク２４は省略してもよい。

図１１（Ａ）に示すように、磁石モジュール２０は、リングを４分割した形状（分割リング形状）の４つの小磁石部分をリング状に組み合わせた構成を有している。また、磁石モジュール２０の周囲には、小磁石部分同士の４つの境界のうちの３つの境界の位置に、凹部２４ｄが設けられている。これらの凹部２４ｄは、その外周の磁気ヨーク２４の凸部と係合している。モータの組み立て時には、磁気ヨーク２４の凸部に磁石モジュール２０の凹部２４ｄを嵌め合わせることによって、磁石モジュール２０の位置決めを行うことができる。なお、小磁石部分の４つの境界の１つには凹部２４ｄが設けられていない。この理由は、凹部２４ｄの有無に合わせて磁石モジュール２０を位置決めするためである。なお、磁気ヨーク２４の代わりに他の枠部材を用い、その枠部材の内周に、磁石モジュール２０の凹部２４ｄと係合する凸部を設けるようにしてもよい。また、磁石モジュール２０に凸部を設け、その外側の枠部材に凹部を設けるようにしてもよい。

電磁コイル３０は、磁石モジュール２０によって形成される磁場方向と交差する方向に巻かれている。図１１（Ａ）では磁場方向は軸１１０を中心とした半径方向に存在するので、コイル３０も半径方向を中心としてそれに垂直な方向に巻かれている。また、図１１（Ｂ）では、磁場方向は上下方向であり、コイル３０は水平方向に巻かれている。なお、コイル３０に電流を流した際に発生する駆動力の方向は、磁石モジュール２０の第１の磁石１２同士の境界面に沿った方向である。

この単相ブラシレスモータ１００ｅでは、図３（Ｂ）で説明したように、磁石モジュール２０を構成する第１の磁石１２の境界面上の方向に強い磁場が発生する。この結果、効率の良いモータを実現することが可能である。

図１２は、第６実施例としての単相交流ブラシレスモータの構成を示す断面図である。このモータ１００ｆは、図１１に示した第５実施例のモータ１００ｅの電磁コイルと、磁石（磁石モジュールを構成する分割リング状の小磁石部分）をそれぞれ６個に増やしたものであり、他の構成は図１１とほぼ同じである。このモータ１００ｆによっても、第５実施例と同様に、高効率なモータを実現可能である。

図１３は、第７実施例としての２相交流ブラシレスモータの構成を示す断面図である。このブラシレスモータ１００ｇは、略円筒状のステータ６０が外側に配置され、略円筒状のロータ５０が内側に配置されたインナロータ型モータである。ステータ６０は、ケーシング１３０の内周に沿って配列された複数のＡ相コイル３０Ａ及び複数のＢ相コイル３０Ｂを有している。なお、図１３（Ａ）では、図示の便宜上、コイルの符号「３０Ａ」，「３０Ｂ」から相を示す符号「Ａ」「Ｂ」が省略されている。ステータ６０には、さらに、ロータ５０の位相を検出する位置センサとしての磁気センサ８０（図１３（Ａ））が配置されている。２相モータの場合には、磁気センサ８０としては、Ａ相用とＢ相用の２つのセンサを設けることが好ましい。電磁コイル３０と磁気センサ８０は、回路基板１４０（図１３（Ａ））の上に固定されている。回路基板１４０は、ケーシング１３０に固定されている。

ロータ５０は、交流駆動用の磁石モジュール２０を有しており、ロータ５０の中心に回転軸１１０が設けられている。この回転軸１１０は、軸受け部１１２（図１３（Ａ））で支持されている。なお、この例では、ケーシング１３０の内側に、コイルパネ１１４が設けられており、このコイルパネ１１４が磁石モジュール２０を図の左方向に押すことによって、磁石モジュール２０の位置決めを行っている。但し、コイルパネ１１４は省略可能である。

このブラシレスモータ１００ｇにおける磁石モジュール２０の磁化方向は、回転軸１１０から外側に放射状に向かう方向である。磁石モジュール２０は、外周側に第１の磁石１２の積層体が配置され、内周側に第２の磁石１４が配置された構成を有している。従って、強い磁場は、磁石モジュール２０の内周から外周に向かう方向に沿って生成される。

電磁コイル３０は、磁石モジュール２０によって形成される磁場方向と交差する方向に巻かれている。図１３（Ａ）では、磁場方向は上下方向であり、コイル３０は水平方向に巻かれている。また、図１３（Ｂ）では、磁場方向は軸１１０を中心とした半径方向にあるので、コイル３０も半径方向を中心としてそれに垂直な方向に巻かれている。また、コイル３０に電流を流した際に発生する駆動力の方向は、磁石モジュール２０の第１の磁石１２同士の境界面に沿った方向である。

この２相ブラシレスモータ１００ｇにおいても、磁石モジュール１０の強い磁場を利用して、効率の良いモータを実現することが可能である。

図１４は、第８実施例としての２相交流ブラシレスモータの構成を示す断面図である。このモータ１００ｈは、図１３に示した第７実施例のモータ１００ｇの電磁コイル３０（３０Ａ，３０Ｂ）の中に、磁気コア３４を追加したものであり、他の構成は図１３とほぼ同じである。このモータ１００ｈによっても、第７実施例と同様に、高効率なモータを実現可能である。

図１５は、インナロータ型モータ用のロータ構造を示す説明図である。図１５（Ａ）は、第７実施例（図１３）及び第８実施例（図１４）で採用されているロータ５０の構造を示している。図１５（Ｂ）は、磁石モジュール２０の外周を構成する第１の磁石１２として、極めて多数の薄板状の磁石１２thinを用いたものである。この構成では、磁石モジュール２０の表面磁束密度をさらに向上させることができ、より大きな駆動力を発生させることが可能である。

以上の各種の実施例から理解できるように、本発明の各種実施例によるブラシレス電気機械は、磁石集合体を備える第１の部材（「第１の駆動部材」とも呼ぶ）と、電磁コイルを備える第２の部材（「第２の駆動部材」とも呼ぶ）と、を備え、第１と第２の部材が相対的に移動できるように構成された種々のブラシレス電気機械として実現可能である。

C．回路構成：
図１６は、実施例におけ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。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１７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１６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。例えば、直流駆動用磁石モジュールを用いたモータの場合には、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１に応じて電流ＩＡ１が流れる場合にはモータが所定の第１の駆動方向に動作し、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２に応じて電流ＩＡ２が流れる場合にはモータが第１の駆動方向とは逆の第２の駆動方向に動作する。また、交流駆動用磁石モジュールを用いたモータの場合には、第１と第２の駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を交互に用いてモータを駆動することが可能である。

図１８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３０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３０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３０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。

このように、上述した各実施例のブラシレスモータでは、溝部を有する永久磁石を利用して強い磁場を発生させ、この磁場と電磁コイルとの電磁相互作用で駆動力を発生させるようにしたので、高効率なモータを実現することができる。また、ブラシレス電気機械をブラシレス発電機として構成した場合には、高効率な発電機を実現することが可能である。

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。

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、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１９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２０（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２０（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、図２０（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２０（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２１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２２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。

本発明の実施例で利用される永久磁石の構成を示す説明図である。 本発明の実施例で利用される永久磁石の他の構成を示す説明図である。 本発明の実施例で利用される永久磁石の他の構成を示す説明図である。 磁石モジュールの製造方法の一例を示す説明図である。 第１実施例としてのリニアモータの構成を示す断面図である。 第２実施例としてのリニアモータの構成を示す説明図である。 第３実施例としての回転式モータの構成を示す断面図である。 第３実施例に適した電磁コイルの断面構造を示す説明図である。 第４実施例としての回転式モータの構成を示す断面図である。 第４実施例に適した電磁コイルの断面構造を示す説明図である。 第５実施例としての回転式モータの構成を示す断面図である。 第６実施例としての単相ブラシレスモータの構成を示す説明図である。 第７実施例としての２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。 第８実施例としての２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。 インナロータ型モータ用のロータ構造を示す説明図である。 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。

符号の説明

１０…磁石モジュール（直流駆動用）
１２…第１の永久磁石
１４…第２の永久磁石（磁場補強用）
１８…磁気ヨーク部材
２０…磁石モジュール（交流駆動用）
２２…環状空間
２４…磁気ヨーク
２４ｄ…凹部
３０…電磁コイル
３２…磁気ヨーク
３４…強磁性体部材（磁気コア）
３６…非磁性体部材
３８…永久磁石
４０…第２の部材
４２…ベアリング
４４…荷重部
４６…フレーム
５０…ロータ
６０…ステータ
８０…磁気センサ
１００ａ〜１００ｈ…ブラシレスモータ
１１０…回転軸
１１２…軸受け
１１４…コイルパネ
１２０…下部軸
１２２…軸受け
１２４…固定ネジ
１３０…ケーシング
１４０…回路基板
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
６８０…制御部
７００…携帯電話
７１０…ＭＰＵ
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
９１０，９２０…アーム
９３０…モータ

Claims (11)

1. ブラシレス電気機械であって、
   磁石集合体を有する第１の部材と、
   電磁コイルを有する第２の部材と、
   を備え、
   前記第１と第２の部材は、互いの相対的な位置が変更可能に構成されており、
   前記磁石集合体は、ギャップを介して前記電磁コイルと対向しており、
   前記磁石集合体は、内周と外周とを有するとともに、前記内周と外周のうちの一方の側に設けられた第１の磁石セットと、他方の側に設けられた第２の磁石セットとを有し、
   前記第１と第２の磁石セットは、それぞれ少なくとも１つの磁石を含み、
   前記第１と第２の磁石セットは、同極同士が対面するように互いに逆方向に磁化されており、前記磁石集合体の内周と外周とを結ぶ強磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
   前記電磁コイルは、前記強磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されている、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、
   前記第１の磁石セットは、前記磁石集合体の内周と外周を結ぶ方向に沿った互いに同一の磁化方向に磁化された複数の磁石が前記磁化方向とは垂直な積層方向に沿って積層された磁石積層体であり、前記磁石積層体内の隣接する磁石の同極同士が互いの境界面を挟んで隣接しており、
   前記強磁場方向は、前記境界面上の方向であって前記磁化方向に平行な方向である、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、
   前記磁石積層体は、前記隣接する磁石の間に非磁性体層をそれぞれ有する、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、
   前記第１と第２の部材は、前記磁石積層体内の隣接する磁石同士の境界面に垂直な方向に沿って相対的に移動可能に構成されている、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、
   前記第１と第２の部材は、前記磁石積層体内の隣接する磁石同士の境界面に平行な方向に沿って相対的に移動可能に構成されている、ブラシレス電気機械。
6. 請求項１〜５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、
   前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路を備え、
   前記制御回路は、
   （ｉ）前記第１と第２の部材との間の相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する直流電力を回生する回生制御と、
   （ｉｉ）前記電磁コイルに駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を動作させる駆動制御と、
   のうちの少なくとも一方を実行可能である、ブラシレス電気機械。
7. 電子機器であって、
   ブラシレスモータと、
   前記ブラシレスモータによって駆動される被駆動部材と、
   を備え、
   前記ブラシレスモータは、
   磁石集合体を有する第１の部材と、
   電磁コイルを有する第２の部材と、
   前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記磁石集合体は、ギャップを介して前記電磁コイルと対向しており、
   前記磁石集合体は、内周と外周とを有するとともに、前記内周と外周のうちの一方の側に設けられた第１の磁石セットと、他方の側に設けられた第２の磁石セットとを有し、
   前記第１と第２の磁石セットは、それぞれ少なくとも１つの磁石を含み、
   前記第１と第２の磁石セットは、同極同士が対面するように互いに逆方向に磁化されており、前記磁石集合体の内周と外周とを結ぶ強磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
   前記電磁コイルは、前記強磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており
   前記制御回路は、
   （ｉ）前記第１と第２の部材との間の相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する電力を回生する回生制御と、
   （ｉｉ）前記電磁コイルに駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を動作させる駆動制御と、
   のうちの少なくとも一方を実行可能である、電子機器。
8. 請求項７記載の電子機器であって、
   前記電子機器はプロジェクタである、電子機器。
9. 燃料電池使用機器であって、
   ブラシレスモータと、
   前記ブラシレスモータによって駆動される被駆動部材と、
   前記ブラシレスモータに電源を供給する燃料電池と、
   を備え、
   前記ブラシレスモータは、
   磁石集合体を有する第１の部材と、
   電磁コイルを有する第２の部材と、
   前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記磁石集合体は、ギャップを介して前記電磁コイルと対向しており、
   前記磁石集合体は、内周と外周とを有するとともに、前記内周と外周のうちの一方の側に設けられた第１の磁石セットと、他方の側に設けられた第２の磁石セットとを有し、
   前記第１と第２の磁石セットは、それぞれ少なくとも１つの磁石を含み、
   前記第１と第２の磁石セットは、同極同士が対面するように互いに逆方向に磁化されており、前記磁石集合体の内周と外周とを結ぶ強磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
   前記電磁コイルは、前記強磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており
   前記制御回路は、
   （ｉ）前記第１と第２の部材との間の相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する電力を回生する回生制御と、
   （ｉｉ）前記電磁コイルに駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を動作させる駆動制御と、
   のうちの少なくとも一方を実行可能である、燃料電池使用機器。
10. ロボットであって、
    ブラシレスモータと、
    前記ブラシレスモータによって駆動される被駆動部材と、
    を備え、
    前記ブラシレスモータは、
    磁石集合体を有する第１の部材と、
    電磁コイルを有する第２の部材と、
    前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路と、
    を備え、
    前記磁石集合体は、ギャップを介して前記電磁コイルと対向しており、
    前記磁石集合体は、内周と外周とを有するとともに、前記内周と外周のうちの一方の側に設けられた第１の磁石セットと、他方の側に設けられた第２の磁石セットとを有し、
    前記第１と第２の磁石セットは、それぞれ少なくとも１つの磁石を含み、
    前記第１と第２の磁石セットは、同極同士が対面するように互いに逆方向に磁化されており、前記磁石集合体の内周と外周とを結ぶ強磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
    前記電磁コイルは、前記強磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており
    前記制御回路は、
    （ｉ）前記第１と第２の部材との間の相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する電力を回生する回生制御と、
    （ｉｉ）前記電磁コイルに駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を動作させる駆動制御と、
    のうちの少なくとも一方を実行可能である、ロボット。
11. 請求項１記載のブラシレス電気機械を備えた移動体。

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