JP7229526B2 - 埋込磁石型モータ、位置推定装置および位置推定方法 - Google Patents

Description

本発明は埋込磁石型モータ、位置推定装置および位置推定方法に関する。

近年、直動および回転可能な二自由度モータが提案されている。例えば特許文献１に記載の電磁アクチュエータは、交差させた導線で生じる２つの起磁力の合力を駆動力として用いて駆動機構を構成する。この電磁アクチュエータは、交差させた導線に通電する電流の方向を調整することによって、２つの起磁力（ローレンツ力）の合力の方向を変更し、異なる駆動態様を独立して制御する。

特開２０１５－１６３００４号公報

ところで、特許文献１に記載の電磁アクチュエータは、可動子であるシャフトの表面に磁石を貼り付ける表面磁石型又はＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）と称されるタイプのモータである。ＳＰＭ型のモータは表面に貼り付けた磁石が剥がれ落ちやすく高速回転には向いていない。そこで発明者らは、特許文献１に記載の電磁アクチュエータを埋込磁石型又はＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）と称されるタイプに変更することを検討した。埋込磁石型モータ又はＩＰＭ型のモータは、磁石がシャフト内に埋め込まれているため高速回転により磁石が剥がれ落ちる虞がない。

しかしながら、特許文献１に記載の電磁アクチュエータの磁極部をＩＰＭ型に変更する場合、例えばシャフトの軸方向に設けた空間に異なる極性の磁石を並べて挿入するとＮ極とＳ極とが短絡し、磁束が低下してしまう。複数の磁石をこのような方法により配置する場合、精度よく組み立てを行うことが難しい。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、組立容易かつ高速回転可能な二自由度埋込磁石型モータ等を提供するものである。

本発明にかかる埋込磁石型モータは、基準軸を中心とした第１螺旋方向に延びる第１導線を含む第１巻線体と、上記第１螺旋方向と交差する方向であって上記基準軸を中心とした第２螺旋方向に延びる第２導線を含む第２巻線体と、を有する固定子と、上記基準軸に直交する径方向において上記固定子の少なくとも一部と対向し、上記固定子に対して、上記基準軸に沿った軸方向において相対的に移動可能かつ上記基準軸を中心とした周方向において相対的に回動可能な可動子と、を備え、上記可動子は、上記周方向において異なる磁極が交互に配置される第１磁石群と、上記軸方向において上記第１磁石群の下流に配置され、上記周方向において異なる磁極が交互に配置される第２磁石群と、上記第１磁石群が埋設されるように上記第１磁石群を保持し、空気より透磁率が高い第１磁石保持部と、上記第２磁石群が埋設されるように上記第２磁石群を保持し、上記軸方向において隣り合う上記第１磁石群の磁極と上記第２磁石群の磁極とが異なるように配置され、空気より透磁率が高い第２磁石保持部と、上記軸方向において上記第１磁石群及び上記第２磁石群の間に配置されると共に、上記第１磁石保持部及び上記第２磁石保持部より透磁率が低い磁束バリア部と、を有する。

このような構成により、電磁アクチュエータは、ＩＰＭ型の磁極部が軸方向に連結される。そのため、電磁アクチュエータは組立容易な構成となる。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記磁束バリア部は、円柱形状に形成されているのが好ましい。これにより磁束バリア部は加工容易となる。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記磁束バリア部は、上記軸方向において並んで配置される第１磁束バリア部及び第２磁束バリア部を有し、上記可動子は、上記軸方向において上記第１磁束バリア部及び上記第２磁束バリア部の間に配置され上記第１磁束バリア部及び上記第２磁束バリア部より透磁率が高い中間部と、上記第１磁石保持部及び上記中間部に連結し、上記径方向において上記第１巻線体及び上記第２巻線体の少なくとも一方との間に上記第１磁束バリア部を挟むように配置され、上記第１磁束バリア部より透磁率が高い第１磁束連結部と、上記第２磁石保持部及び上記中間部に連結し、上記径方向において上記第１巻線体及び上記第２巻線体の少なくとも一方との間に上記第２磁束バリア部を挟むように配置され、上記第２磁束バリア部より透磁率が高い第２磁束連結部と、を有するものであってもよい。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記中間部は、円柱形状に形成されているのが好ましい。これにより中間部は加工容易となる。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記第１磁束連結部及び上記第２磁束連結部の少なくともいずれか一方は、円柱形状に形成されているのが好ましい。これによりこれらの構成は加工容易となる。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記中間部と、上記第１磁束連結部及び上記第２磁束連結部の少なくとも一方とは、一体に形成されていてもよい。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記可動子は、上記軸方向における上記第１磁石群の上流に配置されると共に、上記第１磁石保持部より透磁率が低い第３磁束バリア部と、上記軸方向における上記第３磁束バリア部の上流に配置され、上記第３磁束バリア部より透磁率が高い第３磁束ガイド部と、上記第１磁石保持部及び上記第３磁束ガイド部に連結し、上記径方向において上記第１巻線体及び上記第２巻線体の少なくとも一方との間に上記第３磁束バリア部を挟むように配置され、上記第３磁束バリア部より透磁率が高い第３磁束連結部と、を有するものであってもよい。これにより埋込磁石型モータは効率が向上する。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記第３磁束バリア部、上記第３磁束ガイド部及び上記第３磁束連結部の内少なくともいずれか一つは、円柱形状に形成されていてもよい。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記可動子は、上記軸方向における上記第２磁石群の下流に配置されると共に、上記第２磁石保持部より透磁率が低い第４磁束バリア部と、上記軸方向における上記第４磁束バリア部の下流に配置され、上記第４磁束バリア部より透磁率が高い第４磁束ガイド部と、上記第２磁石保持部及び上記第４磁束ガイド部に連結し、上記径方向において上記第１巻線体及び上記第２巻線体の少なくとも一方との間に上記第４磁束バリア部を挟むように配置され、上記第４磁束バリア部より透磁率が高い第４磁束連結部と、を有するものであってもよい。これにより埋込磁石型モータは効率が向上する。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記第４磁束バリア部、上記第４磁束ガイド部及び上記第４磁束連結部の内少なくともいずれか一つは、円柱形状に形成されているのが好ましい。これによりこれらの構成は加工容易となる。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記固定子は、上記第１巻線体又は上記第２巻線体を構成する導線が巻回され、上記軸方向において、上記第１巻線体を構成する導線同士が互いに連結されるとともに、上記第２巻線体を構成する導線同士が互いに連結される複数のヨーク単位を有するものであってもよい。これにより固定子は組立容易な構成となる。

上記埋込磁石型モータにおいて、複数の上記ヨーク単位は、上記軸方向に投影した場合にそれぞれ同一の形状を有するのが好ましい。これによりヨーク単位は加工容易となる。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記第１巻線体は、上記第１螺旋方向に沿って絶縁状態で並行して延びる複数の第１導線部材を有し、上記第２導線は、上記第２螺旋方向に沿って絶縁状態で並行して延びる複数の第２導線部材を有するものであってもよい。これにより埋込磁石型モータは、例えば２自由度３相交流モータを実現できる。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記可動子は、上記径方向において上記固定子より内周側に配置されるものであってもよい。これにより可動子を軸とした２自由度モータを実現できる。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記第１巻線体は、上記径方向において上記第２巻線体と上記可動子との間に配置されているものであってもよい。これにより、径方向に第１巻線体と第２巻線体をそれぞれ有する固定子を構成できる。

上記埋込磁石型モータにおいて、上記第２巻線体は、上記軸方向において上記第１巻線体の下流に配置されるものであってもよい。これにより軸方向に第１巻線体と第２巻線体をそれぞれ有する固定子を構成できる。

上記埋込磁石型モータは、上記第１巻線体および上記第２巻線体に対して駆動用の交流電圧よりも高い位置推定用周波数を有する位置推定信号を印加するドライバ回路と、上記第１巻線体および上記第２巻線体に流れる電流から上記位置推定信号を検出するためのフィルタ回路と、検出された上記位置推定信号の電流値を測定する電流計と、上記電流値に基づいて、上記第１巻線体又は上記第２巻線体と上記可動子との相対的な位置関係を推定する演算回路と、をさらに備えるものであってもよい。これにより、埋込磁石型モータは、シンプルな構成で位置推定を行うことができる。

本発明にかかる位置推定装置は、基準軸を中心とした第１螺旋方向に延びる第１導線を含む第１巻線体と、上記第１螺旋方向と交差し、上記基準軸を中心とした第２螺旋方向に延びる第２導線を含む第２巻線体と、を有する固定子と、上記固定子に対して、上記基準軸に沿った直線方向において相対的に移動可能かつ上記基準軸を中心とした周方向において相対的に回動可能な可動子と、を備える埋込磁石型モータの、上記固定子と上記可動子との相対的な位置関係を推定する位置推定装置であって、上記第１巻線体および上記第２巻線体に対して駆動用の交流電流よりも高い位置推定用周波数を有する位置推定信号を印加するドライバ回路と、上記第１巻線体および上記第２巻線体に流れる電流から上記位置推定信号を検出するためのフィルタ回路と、検出された上記位置推定信号の電流値を測定する電流計と、上記電流値に基づいて、上記第１巻線体又は上記第２巻線体と上記可動子との相対的な位置関係を推定する演算回路と、を備える。

このような構成により、位置推定装置は、組立容易かつ高速回転可能な二自由度埋込磁石型モータの位置推定をシンプルな構成により実現する。

本発明にかかる位置推定方法は、基準軸を中心とした第１螺旋方向に延びる第１導線を含む第１巻線体と、上記第１螺旋方向と交差し、上記基準軸を中心とした第２螺旋方向に延びる第２導線を含む第２巻線体と、を有する固定子と、上記固定子に対して、上記基準軸に沿った直線方向において相対的に移動可能かつ上記基準軸を中心とした周方向において相対的に回動可能な可動子と、を備える埋込磁石型モータの、上記固定子と上記可動子との相対的な位置関係を推定する位置推定方法であって、上記第１巻線体および上記第２巻線体に対して駆動用の交流電流よりも高い位置推定用周波数を有する位置推定用電圧を印加する印加ステップと、上記第１巻線体および上記第２巻線体に流れる電流から上記位置推定用周波数の位置推定用電流を検出するためのフィルタリングステップと、検出された上記位置推定用電流の電流値を測定する電流測定ステップと、上記電流値に基づいて、上記第１巻線体又は上記第２巻線体と上記可動子との相対的な位置関係を推定する推定ステップと、を備える。

このような構成により、位置推定方法は、位置推定装置は、組立容易かつ高速回転可能な二自由度埋込磁石型モータの位置推定をシンプルな構成により実現する。

本発明により、組立容易かつ高速回転可能な二自由度埋込磁石型モータ等を提供することができる。

実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの基本構成を示す概観斜視図である。 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの基準軸に直交する面の平面図である。 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの基準軸に平行な面の断面図である。 実施の形態１にかかるコア部の斜視図である。 実施の形態１にかかる磁極単位の分解斜視図である。 磁極部の磁石の配置を示した斜視図である。 磁極部における基準軸に直交する面のｑ軸の磁束を示した断面図である。 磁極部における基準軸に直交する面のｄ軸の磁束を示した断面図である。 磁極部における基準軸に平行な面のｑ軸の磁束を示した断面図である。 磁極部における基準軸に平行な面のｄ軸の磁束を示した断面図である。 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの回転方向の電気角とトルクの関係を示す図である。 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの直動方向の電気角と推力の関係を示す図である。 実施の形態１にかかるステータ部の分解斜視図である。 実施の形態１にかかるヨーク単位の第１の平面図である。 実施の形態１にかかるヨーク単位の第２の平面図である。 実施の形態１にかかる第１巻線体の斜視図である。 実施の形態１にかかる第２巻線体の斜視図である。 制御回路のブロック図である。 実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの基本回路図である。 実施の形態２にかかる第１巻線体、第２巻線体およびコア部の分解斜視図である。 実施の形態３にかかるコア部およびステータ部の分解斜視図である。 実施の形態３にかかる第１巻線体の斜視図である。 実施の形態３にかかる第２巻線体の斜視図である。 実施の形態３にかかる第１巻線体および第２巻線体の斜視図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲にかかる発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載および図面は、適宜、省略、および簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

＜実施の形態１＞
以下、図面を参照して実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの基本構成を示す概観斜視図である。実施の形態１にかかる電磁アクチュエータ１０は、埋込磁石型モータの一実施態様である。実施の形態１にかかる電磁アクチュエータ１０は、コア部１１およびステータ部１２を有している。コア部１１は、基準軸Ａに対して回転対称の部材により構成された電磁アクチュエータの可動子である。ステータ部１２は、コア部の周囲を所定の円筒面に沿って囲むように構成された電磁アクチュエータの固定子である。ステータ部１２は、ヨーク部とも称される。

コア部１１およびステータ部１２は、基準軸Ａに対して、相対的に直動自在および回転自在に設置される。したがって、例えば、ステータ部１２は任意のケースに保持されてその姿勢を維持し、コア部１１はステータ部１２と接触せず、予め設定された間隔を維持しながら直動および回転するように軸受等により支持される。このような構成により電磁アクチュエータは直動方向と回転方向の二自由度を有する。

電磁アクチュエータ１０は、コア部１１を駆動するための制御回路に接続される。制御回路は、上流側（図の左下側）で、ステータ部１２に接続して所定の電圧を印加する。ステータ部１２は上流側から下流側（図の右上側）へ向かって所定の螺旋状に導線が配線されており、さらにこの導線は下流側から上流側へ配線されている。この導線は、上流側から下流側へ流れる電流と、下流側から上流側へ流れる電流とが平行して交互に流れることにより、ローレンツ力が生じるように配置される。なお、導線が螺旋状に配線された二自由度モータの技術は既に当業者に知られるところであり、ここでの詳述は省略する。制御回路からステータ部１２に電圧が印加されると、コア部１１に駆動力が生じる。制御回路については後述する。

構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものとして、図１は、右手系の直交座標系および円筒座標系が重畳された状態で付されている。図２以降において、直交座標系又は円筒座標系が付されている場合、図１のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向と、これらの直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向はそれぞれ一致している。また電磁アクチュエータの基準軸である回転軸の軸方向とＺ軸方向とは一致しており、電磁アクチュエータの半径方向は矢印Ｒで示され、電磁アクチュエータの円周方向は矢印θで示されている。以降の説明において、「内周側」は、矢印Ｒに沿って「外周側」よりも基準軸Ａに近い側をいう。また、円周方向におけるプラス方向は、図示の矢印のように、Ｙ軸プラス側からＸ軸プラス側へ向かう方向をいう。また以降の説明において「上流側」とはＺ軸マイナス側であり、「下流側」とはＺ軸プラス側をいう。

図２および図３を参照しながら電磁アクチュエータの構成についてさらに説明する。図２は、基準軸Ａに直交する面の平面図である。図３は、基準軸Ａに平行な面の断面図である。図３は、図に示した断面IIIを示したものである。

ステータ部１２は主な構成として、複数のヨーク単位１２１および複数のヨーク連結部１２５を有している。ヨーク単位１２１とヨーク連結部１２５とは、基準軸Ａに沿って交互に連結している。

ヨーク単位１２１は、円筒状の磁性体の内周側に第１巻線体１４の構成要素である第１導線が巻回された複数のコイル、第２巻線体１５の構成要素である第２導線が巻回された複数のコイルおよびティース１２４を有している。第１巻線体１４は基準軸Ａの周囲に配置された複数のコイルにより構成されている。第２巻線体１５は、基準軸Ａの周囲であって、第１巻線体１４の外周側に配置された複数のコイルにより構成されている。ティース１２４は、第１巻線体１４の内周側に複数配置されており、ティース１２４の内周側の面は直径Ｄ１の第１円筒面を形成している。なお、ヨーク単位１２１の詳細な構成は後述する。

ヨーク連結部１２５は、円筒状の磁性体により形成されており、２つ有する平面部においてそれぞれ隣接するヨーク単位１２１に連結する。

コア部１１は主な構成として、基準軸Ａに沿って延伸する軸１１１と、軸１１１の周囲に固定された磁極部１３とを有する。磁極部１３は円筒形状であり、その外径は直径Ｄ２である。直径Ｄ２はティース１２４により形成される第１円筒面の直径Ｄ１より小さい。すなわち、磁極部１３は直径Ｄ１より小さい直径Ｄ２の第２円筒面を有し、第２円筒面は、第１円筒面に離間して対向している。

次に、コア部のさらなる詳細について説明する。図４は、実施の形態１にかかるコア部の斜視図である。コア部１１は、軸１１１の中央部に磁極部１３が固定されている。磁極部１３は、軸方向の両端部に係合部材１１２がそれぞれ係合されている。これにより磁極部１３と軸１１１とは互いに固定されている。磁極部１３は、第１磁極単位１３０Ａおよび第１磁極単位１３０Ａの下流側の軸方向に連結された第２磁極単位１３０Ｂを有している。なお第１磁極単位１３０Ａおよび第２磁極単位１３０Ｂを総称して磁極単位１３０と称する。また同様に、以降の説明において構成要素の符号の数字が同じであって、末尾のアルファベットが異なるものについては、アルファベットを省略して符号の数字のみで構成要素を総称する場合がある。

次に図５を参照して磁極単位の構成について説明する。図５は、磁極単位１３０の分解斜視図である。第１磁極単位１３０Ａは主な構成として第１磁石保持部１３１Ａ、磁石１３３、第１磁束バリア部１３５Ａ、第３磁束バリア部１３５Ｃ、第１磁束ガイド部１３６Ａ及び第３磁束ガイド部１３６Ｃを有している。第２磁極単位１３０Ｂは主な構成として第２磁石保持部１３１Ｂ、磁石１３３、第２磁束バリア部１３５Ｂ、第４磁束バリア部１３５Ｄ、第２磁束ガイド部１３６Ｂ及び第４磁束ガイド部１３６Ｄを有している。また磁極単位１３０のこれらの構成は、いずれも位置決め部１３４を有しており、隣接する各構成と位置決め部１３４により位置ずれなく固定される。

第１磁石保持部１３１Ａおよび第２磁石保持部１３１Ｂは、直径Ｄ２の第２円筒面１３１Ｓを有する磁性体により構成されており、内部に複数の磁石１３３により構成される磁石群を保持している。磁石保持部１３１を形成する磁性体とは例えば鉄、ステンレス、ケイ素鋼板等の強磁性体である。本実施の形態において、磁石保持部１３１は、４個の矩形板状の磁石１３３により構成される磁石群を有している。磁石群を構成する４個の磁石１３３は、基準軸Ａの周囲に９０度ずつ回転した位置であって、且つ、基準軸Ａからの距離がそれぞれ等しい位置に埋設されている。またこのとき、４個の磁石１３３は、基準軸Ａを中心軸として形成される四角柱の各面に沿って配置されていることになる。図に示す磁石保持部１３１は、磁石１３３のそれぞれの主面がＸＺ平面又はＹＺ平面に平行になるように磁石１３３を保持している。また、基準軸Ａから磁石１３３までの最短距離は、いずれも同じになるように構成されている。また磁石１３３の軸方向の長さは、磁石保持部１３１の軸方向の長さと同じであって、同一の端面を形成するように構成されている。なお、ここで磁石が「埋設されている」とは、磁石の少なくとも一部が磁石保持部１３１内に埋め込まれていればよく、磁石の一部が磁石保持部１３１の表面に露呈していてもよい。また磁石１３３の軸方向の長さは、磁石保持部１３１の内部で所定の位置に固定されていれば、磁石保持部１３１より短くてもよい。

磁石保持部１３１は、磁石１３３の円周方向の両端部に、エアギャップ１３２をそれぞれ有している。エアギャップ１３２は、磁石１３３の円周方向の端面に接して形成されている。エアギャップ１３２をこのように構成することにより、エアギャップ１３２は、磁石１３３の端面で磁束が短絡することを防いでいる。なお、磁石１３３の極性については後述する。

磁束バリア部１３５は、磁石保持部１３１より透磁率の低い材質により形成された板状部材である。磁束バリア部１３５の外径は、磁石保持部１３１と同じ直径Ｄ２である。磁石保持部より透磁率の低い材質とは、磁石保持部に比較的透磁率の高い鉄などを用いた場合には、例えば代表的にはアルミニウム、銅、紙等の非磁性体である。なお、磁束バリア部１３５は、このような素材に代えて、あるいはこのような素材に加えて、空間を設けることにより構成されてもよい。

磁束バリア部１３５は、磁石保持部１３１の軸方向の端面に接触した状態で配置される。これにより磁束バリア部１３５は、磁石１３３の軸方向の端面に接触する。そのため、磁束バリア部１３５は、軸方向において磁石１３３を保持する。磁束バリア部１３５は、磁石保持部１３１と磁束ガイド部１３６との間に介在することにより、磁石保持部１３１と磁束ガイド部１３６との間に流れる磁束を抑制する。なお、磁石１３３の軸方向の長さが磁石保持部１３１より短い場合、磁石保持部１３１と磁束バリア部１３５とが接触する面と磁石１３３との間にはエアギャップが存在することになる。

磁束ガイド部１３６は、磁石保持部１３１と同等の材質により形成された円筒状の部材である。磁石保持部１３１と同等の材質とは、磁石保持部１３１と同じ材質である必要はなく、透磁率が磁石１３３や磁束バリア部１３５等より高い部材であればよい。磁束ガイド部１３６の外径は、磁石保持部１３１と同じ直径Ｄ２である。磁束ガイド部１３６は、磁石１３３と接触する面と反対側の面で磁束バリア部１３５に隣接する。また、磁束ガイド部１３６の内周側には、磁石保持部１３１に向かって突出する磁束連結部１３７が設けられている。磁束連結部１３７は、磁束バリア部１３５の内周側を延伸するように形成されており、磁石保持部１３１と接触するように構成される。換言すると、磁束連結部１３７は、径方向において、第１巻線体１４又は第２巻線体１５の少なくともいずれか一方との間に磁束バリア部１３５を挟むように配置されている。

図５に示すように、本実施の形態において、第１磁極単位１３０Ａおよび第２磁極単位１３０Ｂは、それぞれ同じ構成を有している。第１磁極単位１３０Ａは、上流側から順に、第３磁束ガイド部１３６Ｃ、第３磁束バリア部１３５Ｃ、第１磁石保持部１３１Ａ、第１磁束バリア部１３５Ａおよび第１磁束ガイド部１３６Ａの順に連結している。第２磁極単位１３Ｂは、上流側から順に、第２磁束ガイド部１３６Ｂ、第２磁束バリア部１３５Ｂ、第２磁石保持部１３１Ｂ、第４磁束バリア部１３５Ｄおよび第４磁束ガイド部１３６Ｄの順に連結している。そして、第１磁束ガイド部１３６Ａと第２磁束ガイド部１３６Ｂとは互いに連結している。すなわち、磁極単位１３０は、直径Ｄ２の各要素を軸方向に連結して構成される。このように各構成が円柱状に形成されているため、磁極単位１３０の各構成は、旋盤加工等が行いやすい。なお、磁束連結部１３７は、磁束ガイド部１３６に代えて、磁石保持部１３１が有していてもよいし、別の部品として構成されてもよい。また、本実施の形態における第１磁束ガイド部１３６Ａと第２磁束ガイド部１３６Ｂとは、別体に形成された中間部であるが、一体に形成された中間部であってもよい。

次に、図６を参照しながら磁石１３３の極性について説明する。図６は、磁極部の磁石の配置を示した斜視図である。図において、磁極部１３の外径は点線により示され、磁石保持部１３１が有する磁石１３３が透過して示されている。以下の説明において、第１磁極単位１３０Ａが有する４つの磁石群を第１磁石群と称し、第２磁極単位１３０Ｂが有する４つの磁石群を第２磁石群と称する場合がある。

図に示す磁石１３３は、外周側に有する極性により磁石１３３Ｎと磁石１３３Ｓとに区分して示されている。磁石１３３Ｎは、外周側の主面に極性を示す文字「Ｎ」と示されている。あるいは、磁石１３３Ｎは、外周側の主面が示されていない場合に、内周側の主面に極性を示す文字が括弧付で「（Ｓ）」と示されるとともに、外周側の主面に向かって矢印により「Ｎ」が示されている。磁石１３３Ｓは、上述の磁石１３３Ｎの場合とは反対の極性を示す文字がそれぞれ同様の態様により示されている。

図に示すように、磁極部１３において、内部に含まれる磁石１３３Ｎおよび磁石１３３Ｓは、軸方向又は円周方向に隣り合う極性が互いに異なるように配置されている。すなわち、例えば本実施の形態において、第１磁石群および第２磁石群はそれぞれ周方向において異なる磁極が交互に配置され、かつ、２つの磁極単位１３０は、軸方向に連結される際に、相対的に回転方向に９０度回転されることにより、軸方向においても異なる磁極が隣り合うように配置された状態となっている。

磁極単位１３０は、このように、軸方向に複数の要素を連結することにより構成される。また、図４に示した磁極部１３は、複数の磁極単位１３０を軸方向に連結することにより構成される。さらに、図６に示すように、磁極部１３が複数の磁極単位１３０を連結して構成される場合には、隣り合う磁石１３３の極性が異なるように配置される。すなわち本実施の形態によれば、異なる磁極を交互に配置した磁極部を構成することができる。このような構成により、本実施の形態は、内部に磁石１３３を有するＩＰＭ型の磁極部を組立容易な構成とすることができる。

次に、図７～図１０を参照して、磁極部１３に作用するｑ軸の磁束およびｄ軸の磁束の状態を説明する。一般的な三相モータの電流を制御する上で、ｄｑ変換という手法がある。このｄｑ変換を用いることにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のコイルは、仮想的にｄ軸及びｑ軸のコイルに変換することができる。ｄ軸の磁束及びｑ軸の磁束とは、この仮想的なコイルによって生じる磁束を示し、ｄ軸電流及びｑ軸電流とは、これらの仮想的なコイルに流す電流を示す。なお、ｄｑ変換は既知の技術であり、本実施の形態における詳細な説明は省略する。

図７を参照して基準軸に直交する面（ＸＹ平面に平行な面）におけるｑ軸の磁束について説明する。図７は、磁極部における基準軸に直交する面のｑ軸の磁束を示した断面図である。図において、ｑ軸の磁束Φｑが点線の矢印により示されている。磁束Φｑは、４か所の磁石１３３（磁石１３３Ｎおよび磁石１３３Ｓ）および磁石１３３に隣接するエアギャップ１３２の断面形状に沿うように、磁石の外周側と、磁石の内周側とをそれぞれ流れる。すなわち、基準軸Ａに直交する面において、磁性体の内部に保持されている磁石１３３と磁石１３３の端部に隣接するエアギャップ１３２とは、磁束Φｑの磁路を形成する。また磁石保持部１３１は、形成された磁路において磁束Φｑを流すために相応な厚みの磁性体を有し、且つ、磁束Φｑを妨げる要素を有していない。

次に、図８を参照して基準軸に直交する面におけるｄ軸の磁束について説明する。図８は、磁極部における基準軸に直交する面のｄ軸の磁束を示した断面図である。図において、d軸の磁束Φｄが点線の矢印により示されている。磁束Φｄは、例えば磁石１３３Ｎを通過して磁石１３３Ｓに向かって流れ、さらに磁石１３３Ｓを通過する。また、磁石１３３の端部において磁束Φｄはエアギャップ１３２を通過するように流れる。図に示すように、磁束Φｄは、磁石保持部１３１の磁性体よりも比較的に透磁率が低い磁石１３３やエアギャップ１３２を通過する。

以上のように、基準軸Ａに直交する面において、磁束Φｑは磁石１３３やエアギャップ１３２よりも透磁率の高い磁性体を流れる。一方で、磁束Φｄは、磁石保持部１３１を形成する磁性体よりも透磁率の低い磁石１３３やエアギャップ１３２を通過する。そのため、磁束Φｑは磁束Φｄより大きくなる。したがって、磁束ΦｑにかかるインダクタンスＬｑは、磁束ΦｄにかかるインダクタンスＬｄより大きくなる。このように、磁束Φｑと磁束Φｄの流れやすさに差を設けることにより、本実施の形態にかかる電磁アクチュエータ１０は、磁極部１３において、回転方向のリラクタンストルク（回転力）が発生する。

次に、図９を参照して基準軸Ａに平行な面におけるｑ軸の磁束について説明する。図９は、磁極部１３における基準軸に平行な面のｑ軸の磁束を示した断面図である。図に示した断面は基準軸Ａに平行な面の一例としてＸＺ平面に平行な断面を示している。図において、ｑ軸の磁束Φｑが点線の矢印により示されている。磁束Φｑは、４か所の磁石１３３および磁石１３３に隣接する磁束バリア部１３５の断面形状に沿うように、磁石の外周側と、磁石の内周側とをそれぞれ流れる。すなわち、基準軸Ａに直交する面において、磁性体の内部に保持されている磁石１３３と磁石１３３の端部に隣接する磁束バリア部１３５とは、磁束Φｑの磁路を形成する。また磁石保持部１３１は、形成された磁路において磁束Φｑを流すために相応な厚みの磁性体を有し、且つ、磁束Φｑを妨げる要素を有していない。より具体的に一例を示すと、第１磁極単位１３０Ａにおいて、一の磁束Φｑは、第１磁束ガイド部１３６Ａから、第１磁束連結部１３７Ａ、第１磁石保持部１３１Ａ、第３磁束連結部１３７Ｃそして第３磁束ガイド部１３６Ｃを流れる。さらに別の具体例を示すと、第２磁極単位１３０Ｂにおいて、一の磁束Φｑは、第２磁束ガイド部１３６Ｂから、第２磁束連結部１３７Ｂ、第２磁石保持部１３１Ｂ、第４磁束連結部１３７Ｄそして第４磁束ガイド部１３６Ｄを流れる。

次に、図１０を参照して基準軸に平行な面におけるｄ軸の磁束について説明する。図１０は、磁極部１３における基準軸に平行な面のｄ軸の磁束を示した断面図である。図１０は、ＸＺ平面に平行な断面のｄ軸の磁束を示した断面図である。図において、d軸の磁束Φｄが点線の矢印により示されている。磁束Φｄは、右側の磁極単位１３０から左側の磁極単位１３０に向かって、磁石１３３又は磁束バリア部１３５を通過して流れる。すなわち磁束Φｄは、磁石保持部１３１の磁性体よりも比較的に透磁率が低い磁石１３３や磁束バリア部１３５を通過する。

以上のように、基準軸Ａに平行な面において、磁束Φｑは磁石１３３やエアギャップ１３２よりも透磁率の高い磁性体を流れる。一方で、磁束Φｄは、磁石保持部１３１を形成する磁性体よりも透磁率の低い磁石１３３や磁束バリア部１３５を通過する。そのため、磁束Φｑは磁束Φｄより大きくなる。したがって、磁束ΦｑにかかるインダクタンスＬｑは、磁束ΦｄにかかるインダクタンスＬｄより大きくなる。換言すると、磁極部１３は磁束Φｑの流れやすさと磁束Φｄの流れやすさとが異なるように設定されている。このように、磁束Φｑと磁束Φｄの流れやすさに差を設けることにより、本実施の形態にかかる電磁アクチュエータ１０は、磁極部１３において、直動方向のリラクタンス力（推力）が発生する。

一般的なＩＰＭモータでは、ｄ軸電流及びｑ軸電流の割合に係る電気角を適切に決定することにより、マグネットトルク（マグネット力）だけでなくリラクタンストルク（リラクタンス力）も利用可能となる。電気角βとは、以下の式のように定義される。

電磁アクチュエータ１０は、第１巻線体と第２巻線体の２種類の三相コイルを有し、第１巻線体のｄ軸電流及びｑ軸電流と、第２巻線体のｄ軸電流及びｑ軸電流が設けられている。従って、電磁アクチュエータ１０には、第１巻線体の電気角β１と第２巻線体の電気角β２とが設けられている。次に、電磁アクチュエータ１０が発生する力について説明する。発明者らは、本実施の形態にかかる電磁アクチュエータ１０の構造をコンピュータ上でシミュレーションし、コア部１１とステータ部１２との間に発生する回転方向の力（回転力）と直動方向の力（推力）を算出した。

次に、図１１を参照して、電磁アクチュエータ１０が発生する回転力と電気角βとの関係について説明する。図１１は、発明者らが本実施の形態にかかる電磁アクチュエータ１０の構造をコンピュータ上でシミュレーションし、コア部１１とステータ部１２との間に発生する回転方向の力（回転力）を算出した結果である。図に示すグラフは横軸が電気角βであり、縦軸がトルクを示している。なお、以降の説明において、電気角βは、第１巻線体の電気角β１及び第２巻線体の電気角β２を示す。例えば、電気角β＝４０度とは、第１巻線体の電気角β＝４０度かつ第２巻線体の電気角β２＝４０度を示す。

グラフにプロットされた３つの曲線は、下から回転方向のリラクタンストルク、マグネットトルクおよびこれらの合計である。すなわち、リラクタンストルクは、電気角０度で約０．１５Ｎｍであり、電気角が増えるとともに徐々に増加し、電気角４５度付近で０．５Ｎｍとなる。そして、そこから電気角が増えるとともに徐々に減少し、電気角９０度で０Ｎｍとなる。一方、マグネットトルクは、電気角０度から３０度付近まで１Ｎｍであり、そこから徐々に減少し、電気角９０度で０Ｎｍとなる。このリラクタンストルクとマグネットトルクとを合計すると、電磁アクチュエータ１０の回転力は、電気角度４０度付近で最大トルク約１．４３Ｎｍとなる曲線を描く。

次に、図１２を参照して、電磁アクチュエータ１０が発生する推力と電気角βとの関係について説明する。図１２は、発明者らが本実施の形態にかかる電磁アクチュエータ１０の構造をコンピュータ上でシミュレーションし、コア部１１とステータ部１２との間に発生する直動方向の力（推力）を算出した結果である。図に示すグラフは横軸が電気角βであり、縦軸が推力を示している。グラフにプロットされた３つの曲線は、下から直動方向のリラクタンス力、マグネット力およびこれらの合計である。すなわち、リラクタンス力は、電気角０度で約５Ｎであり、電気角が増えるとともに徐々に増加し、電気角５０度付近で約２８Ｎとなる。そして、そこから電気角が増えるとともに徐々に減少し、電気角９０度で０Ｎｍとなる。一方、マグネット力は、電気角０度から２０度付近まで約５９Ｎであり、そこから徐々に減少し、電気角９０度で０Ｎｍとなる。このリラクタンス力とマグネット力とを合計すると、電磁アクチュエータ１０の推力は、電気角度４０度付近で最大推力約８０Ｎとなる曲線を描く。

このように、シミュレーションにより、電磁アクチュエータ１０は、回転方向においてリラクタンストルクが発生しているだけでなく、直動方向においてもリラクタンス力が発生していることが示された。すなわち、このシミュレーションにより、電磁アクチュエータ１０は、磁極部１３において磁束バリア部１３５を設けることにより、直動方向のリラクタンス力が発生することが示された。

次に、ステータ部１２の構成について詳細を説明する。図１３は、実施の形態１にかかるステータ部の分解斜視図である。ステータ部１２は、基準軸Ａに沿って、ヨーク単位１２１とヨーク連結部１２５とが交互に連結されている。図においてＺ軸マイナス側（上流側）の端部に配置されているヨーク単位１２１を、ヨーク単位１２１ａと示している。また、ステータ部１２は、Ｚ軸マイナス側（上流側）からプラス側（下流側）に向かって、ヨーク単位１２１ａ、ヨーク連結部１２５、ヨーク単位１２１ｂ、ヨーク連結部１２５、ヨーク単位１２１ｃ、・・・と連結されている。

ヨーク単位１２１ａはコイルの一部を省略して表示している。図に示すように、ヨーク単位１２１は、円筒状のバックヨーク１２２と、バックヨーク１２２の内周面から内周側に向かって延伸するコイルヨーク１２３とを有している。バックヨーク１２２およびコイルヨーク１２３は、例えば磁性体を素材とする板材をプレス加工するなどして一体的に成形することができる。本実施の形態において、コイルヨーク１２３は、６か所設けられている。連結されている複数のヨーク単位１２１は、それぞれ軸方向に投影した場合の形状が同一となっている。よって、例えば、複数のヨーク単位１２１は、磁性体を主成分とする板材をプレス加工することにより形成することができる。

ヨーク連結部１２５は、円筒状の磁性体により構成されている。ヨーク連結部１２５は、バックヨーク１２２およびコイルヨーク１２３と同様に、磁性体を素材とする板材をプレス加工することにより成形することができる。このように、ヨーク単位１２１の間にヨーク連結部１２５を設ける構成にすることにより、ステータ部１２は、加工が容易となる。

次に、図１４および図１５を参照して、隣接するヨーク単位１２１の構成について説明する。図１４は、実施の形態１にかかるヨーク単位の第１の平面図である。図１４はヨーク単位１２１ａの平面図であり、Ｚ軸に沿って観察した状態である。また、図１４は、一部が断面として示されている。

ヨーク単位１２１ａは、回転方向に６０度毎に設けられた６個のコイルヨーク１２３を有している。６個のコイルヨーク１２３の内、対向する２個のコイルヨーク１２３は、Ｘ軸に平行に設けられている。コイルヨーク１２３の内周側には、ティース１２４が設けられている。コイルヨーク１２３は、内周側に第１巻線体１４の構成要素であるコイルが巻回されており、第１巻線体１４よりも外周側に、第１巻線体１４とは通電しないように、第２巻線体１５の構成要素であるコイルが巻回されている。第１巻線体１４を構成する導線と第２巻線体１５を構成する導線との間は、通電しないように絶縁部材が設けられていてもよい。

ところで本実施の形態にかかる電磁アクチュエータ１０は、３相交流モータである。そのため、第１巻線体１４は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれに対応するコイルを有している。図において、コイル１４ＵはＵ相に対応し、１４ＶはＶ相に対応し、１４ＷはＷ相に対応している。すなわち、第１巻線体１４が有するコイル１４Ｕと、コイル１４Ｖとコイル１４Ｗとは、それぞれ位相の異なる交流電流が印加される。図において、Ｘ軸に平行なコイルヨーク１２３にはコイル１４Ｕがそれぞれ巻回されている。また、円周方向のマイナスθ方向に６０度回転して隣接するコイルヨーク１２３にＶ相に対応するコイル１４Ｖが巻回され、さらにマイナスθ方向に６０度回転して隣接するコイルヨーク１２３にＷ相に対応するコイル１４Ｗが巻回されている。

第１巻線体１４と同様に、第２巻線体１５も、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれに対応するコイル１５Ｕ、コイル１５Ｖおよびコイル１５Ｗを有している。図において、ヨーク単位１２１ａは、Ｘ軸に平行な２つのコイルヨーク１２３にはコイル１５Ｗがそれぞれ巻回されている。また、円周方向のマイナスθ方向に６０度回転して隣接するコイルヨーク１２３にＵ相に対応するコイル１５Ｕが巻回され、さらにマイナスθ方向に６０度回転して隣接するコイルヨーク１２３にＶ相に対応するコイル１５Ｖが巻回されている。

次に、ヨーク単位１２１ｂについて説明する。図１５は、実施の形態１にかかるヨーク単位の第２の平面図である。図１５はヨーク単位１２１ｂの平面図であり、Ｚ軸に沿って観察した状態である。図１５に示すヨーク単位１２１ｂが有しているコイルヨーク１２３は、図１４に示したヨーク単位１２１ａと比較すると円周方向に３０度回転している状態である。このように、電磁アクチュエータ１０のステータ部１２は、隣接するヨーク単位のコイルヨーク１２３が３０度回転した状態で連結されている。これにより、ステータ部１２は、磁極部１３に対して好適にｑ軸の磁束を発生させる。

図において、Ｘ軸に対してマイナスθ方向に３０度傾いた２つのコイルヨーク１２３の内周側にはコイル１４Ｕがそれぞれ巻回されている。また、円周方向のマイナスθ方向に６０度回転して隣接するコイルヨーク１２３にＶ相に対応するコイル１４Ｖが巻回され、さらにマイナスθ方向に６０度回転して隣接するコイルヨーク１２３にＷ相に対応するコイル１４Ｗが巻回されている。すなわちヨーク単位１２１ａに隣接するヨーク単位１２１ｂの第１巻線体１４は、相対的にマイナスθ方向に３０度回転した位置に配置されていることになる。

また、図において、Ｘ軸に対してプラスθ方向に３０度傾いた２つのコイルヨーク１２３の外周側にはコイル１５Ｗがそれぞれ巻回されている。また、円周方向のマイナスθ方向に６０度回転して隣接するコイルヨーク１２３にＵ相に対応するコイル１５Ｕが巻回され、さらにマイナスθ方向に６０度回転して隣接するコイルヨーク１２３にＶ相に対応するコイル１５Ｖが巻回されている。すなわちヨーク単位１２１ａに隣接するヨーク単位１２１ｂの第２巻線体１５は、相対的にプラスθ方向に３０度回転した位置に配置されていることになる。

次に図１６を参照して第１巻線体１４が有するコイルの構成について説明する。図１６は、実施の形態１にかかる第１巻線体の斜視図である。図１６は、ステータ部１２が有する第１巻線体１４のコイルを抽出して表示したものである。図に示す濃い網掛けが施されたコイルは、コイル１４Ｕである。コイル１４Ｕからマイナスθ方向に６０度回転して隣接する位置に示され、コイル１４Ｕより薄い網掛けが施されたコイルは、コイル１４Ｖである。またコイル１４Ｖからマイナスθ方向に６０度回転して隣接する位置に示され、網掛けが施されていない（白い）コイルは、コイル１４Ｗである。図に示すように、コイル１４Ｕ、コイル１４Ｖおよびコイル１４Ｗは、Ｚ軸プラス方向に進むと、順次、マイナスθ方向に３０度回転した配置となっている。そのため、第１巻線体１４の周囲に示した矢印１４Ｒのように、第１巻線体１４のそれぞれのコイルは、基準軸Ａの周りに右ネジの螺旋と同じ方向（右螺旋方向）の螺旋状に接続されている。すなわち、第１巻線体１４は、右螺旋方向に沿って平行して伸びる複数の第１導線部材により構成されている。第１巻線体１４は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の少なくとも３相の互いに絶縁状態の第１導線部材を有している。

次に図１７を参照して第２巻線体１５が有するコイルの構成について説明する。図１７は、実施の形態１にかかる第２巻線体の斜視図である。図１７は、ステータ部１２が有する第２巻線体１５のコイルを抽出して表示したものである。図に示す濃い網掛けが施されたコイルは、コイル１５Ｕである。コイル１５Ｕからマイナスθ方向に６０度回転して隣接する位置に示され、コイル１５Ｕより薄い網掛けが施されたコイルは、コイル１５Ｖである。またコイル１５Ｖからマイナスθ方向に６０度回転して隣接する位置に示され、網掛けが施されていない（白い）コイルは、コイル１５Ｗである。図に示すように、コイル１５Ｕ、コイル１５Ｖおよびコイル１５Ｗは、Ｚ軸プラス方向に進むと、順次、プラスθ方向に３０度回転した配置となっている。そのため、第２巻線体１５の周囲に示した矢印１５Ｌのように、第２巻線体１５のそれぞれのコイルは、基準軸Ａの周りに左ネジと同じ方向（左螺旋方向）の螺旋状に接続されている。すなわち第２巻線体１５は、左螺旋方向に沿って平行して伸びる複数の第２導線部材により構成されている。第２巻線体１５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の少なくとも３相の互いに絶縁状態の第２導線部材を有している。

第１巻線体１４のコイルは、右螺旋方向の螺旋状に接続される。すなわち第１巻線体１４は右螺旋方向に同相の電流が流れるように設定されている。よってコイル１４Ｕが巻回されているコイルヨーク１２３はティース１２４の内周側に右螺旋方向に同相の磁界を発生させる。そのため第１巻線体１４は磁極部１３に対して右螺旋方向に直交する左螺旋方向の起磁力を与えることができる。同様に、第２巻線体１５のコイルは、第１巻線体１４の螺旋方向と交差する左螺旋方向の螺旋状に接続されている。そのため第１巻線体１４は磁極部１３に対して左螺旋方向に直交する右螺旋方向の起磁力を与えることができる。したがって電磁アクチュエータ１０は、二自由度を有する電磁アクチュエータを構成することができる。

以上、実施の形態によれば、組立容易な埋込磁石型モータを提供することができる。また、上述のように複数のコイルを螺旋状に接続することにより、電磁アクチュエータは線占積率を向上させることが可能となる。なお、上述のような、異なる磁極を交互に配置した磁極部と、複数の導線を互いに電気的に絶縁した状態で交差させて配置してなる二組の巻線体とを有する二自由度の電磁アクチュエータの技術については既に公知であるため、駆動原理に関して、ここでの詳細な説明は省略する。

（位置推定機能）
次に電磁アクチュエータ１０が有する位置推定機能について説明する。電磁アクチュエータ１０はステータ部１２に交流電圧を印加してコイルヨーク１２３に磁界を発生させることにより磁極部１３を駆動する。このとき磁極部１３が内蔵する磁石１３３が変位することによりＵ相～Ｗ相コイルのインダクタンスが変動するため、励磁コイルである第１巻線体１４および第２巻線体１５は、磁極部１３が変位することによる磁界の変動を検出することができる。本実施の形態にかかる電磁アクチュエータ１０を駆動する制御回路は、この磁界の変動を検出することにより可動子の位置を推定する機能を有する。

図１８を参照しながら位置推定機能を有する制御回路について説明する。図１８は、制御回路のブロック図である。制御回路３００は、電磁アクチュエータ１０のステータ部１２に接続し、コア部１１を駆動する。制御回路３００は、主な構成として、ドライバ回路３１０および位置推定回路３２０を有している。

ドライバ回路３１０は、可動子を駆動するための３相交流電源を含む電源回路であり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各層に位相の異なる交流電圧を印加するための駆動回路を含んでいる。またドライバ回路３１０は、可動子を駆動するための交流電圧に加えて、可動子の位置を推定するために、駆動用の交流電圧よりも高い周波数の交流電圧を発生させる機能を有している。なお、以降の説明において、可動子の位置を推定するための交流電圧を位置推定信号と称する。位置推定信号の周波数（位置推定用周波数）は、駆動用の交流電圧と明確に区別できる程度の周波数であることが好ましい。例えば、位置推定用周波数は、駆動用の交流電圧が有する周波数の、数十倍程度である。また位置推定信号の電圧は、駆動用の交流電圧と比較して、５パーセント～２０パーセント程度の小さい値である。

位置推定回路３２０は、可動子の位置を推定するための構成を有している。位置推定回路３２０は主な構成として、ハイパスフィルタ３２１、電流計３２２および演算回路３２３を有している。

ハイパスフィルタ３２１は、ステータ部１２に流れる電流から位置推定信号を抽出するためのフィルタ回路である。なおハイパスフィルタ３２１はハイパスフィルタに代えてバンドバスフィルタでもよい。電流計３２２は、ハイパスフィルタ３２１により抽出された位置推定信号の電流値を測定する。演算回路３２３は、電流計３２２が測定した電流値から、可動子の位置すなわち第１巻線体１４又は第２巻線体１５と磁極部１３との相対的な位置関係を推定するための演算を行う。なお、電流計３２２は、位置推定だけでなく、電磁アクチュエータ１０の駆動制御にも用いられる。すなわち、電流計３２２は、電磁アクチュエータ１０を駆動する際の電流のフィードバック制御に用いられるものである。したがって、ここで示す位置推定機能のために別個に電流計３２２を用意する必要はない。

次に、可動子の位置を推定するための原理について説明する。図１９は、実施の形態１にかかる電磁アクチュエータの基本回路図である。図１９は電磁アクチュエータ１０の動作回路を模式的に示したものである。電磁アクチュエータ１０は、制御回路３００を有している。制御回路３００は、第１巻線体１４に接続する回路と第２巻線体１５に接続する回路とをそれぞれ有している。

図１９に示すように、電磁アクチュエータ１０の第１巻線体１４はＵ相のコイル１４Ｕ、Ｖ相のコイル１４ＶおよびＷ相のコイル１４Ｗを有している。これらのコイルに対して制御回路３００は交流電圧を印加するための交流電源を有している。

例えばコイル１４Ｕには電圧Ｅ_ｉｎ＿Ｕが印加される。このときにコイル１４Ｕに流れる電流はＩ_ｉｎ＿Ｕである。またコイル１４ＵのインダクタンスはＬ_ｉｎ＿Ｕ（α_ｉｎ）である。ここでα_ｉｎは、磁極部１３の左螺旋方向の機械角である。同様に、コイル１４Ｖには電圧Ｅ_ｉｎ＿Ｖが印加される。このときにコイル１４Ｖに流れる電流はＩ_ｉｎ＿Ｖである。またコイル１４ＶのインダクタンスはＬ_ｉｎ＿Ｖ（α_ｉｎ）である。コイル１４Ｗには電圧Ｅ_ｉｎ＿Ｗが印加される。このときにコイル１４Ｗに流れる電流はＩ_ｉｎ＿Ｗである。またコイル１４ＷのインダクタンスはＬ_ｉｎ＿Ｗ（α_ｉｎ）である。

第２巻線体１５が有するコイル１５Ｕ、コイル１５Ｖおよびコイル１５Ｗについても上述の第１巻線体１４と同様に、電圧、電流およびインダクタンスが示されている。コイル１５Ｕには電圧Ｅ_{ｏｕｔ＿Ｕ}が印加される。このときにコイル１５Ｕに流れる電流はＩ_{ｏｕｔ＿Ｕ}である。またコイル１５ＵのインダクタンスはＬ_{ｏｕｔ＿Ｕ}（α_ｏｕｔ）である。ここでα_ｏｕｔは、磁極部１３の右螺旋方向の機械角である。同様に、コイル１５Ｖには電圧Ｅ_{ｏｕｔ＿Ｖ}が印加される。このときにコイル１５Ｖに流れる電流はＩ_{ｏｕｔ＿Ｖ}である。またコイル１５ＶのインダクタンスはＬ_{ｏｕｔ＿Ｖ}（α_ｏｕｔ）である。コイル１５Ｗには電圧Ｅ_{ｏｕｔ＿Ｗ}が印加される。このときにコイル１５Ｗに流れる電流はＩ_{ｏｕｔ＿Ｗ}である。またコイル１５ＷのインダクタンスはＬ_{ｏｕｔ＿Ｗ}（α_ｏｕｔ）である。

図１９に示した上述の電圧、電流および機械角は、以下の関係が成立している。

ここで、ｆ_ｉｎは第１巻線体１４に印加する位置を推定するための交流電圧の周波数（位置推定用周波数）であり、ｔは時間であり、ｆ_ｏｕｔは第２巻線体１５に印加する位置を推定するための交流電圧の周波数である。また、ｚは直動方向の位置であり、ｌ_ｍはｚ方向における磁石の極性１周期分の長さであり、θは回転方向の角度を示す。

式（１）～（６）における右辺第１項は、回転力又は推力を発生させるための電圧であり、可動子の位置すなわち機械角α_ｉｎ又はα_ｏｕｔに依存する。式（１）～（６）における右辺第２項は、位置推定信号を発生させるための電圧であり、時間に依存する。これにより、各コイルには、駆動用の電流と共に、位置推定用の高周波の電流が流れる。

ところでＩＰＭ型の電磁アクチュエータ１０は、可動子の位置に応じて各コイルのインダクタンスが変動する。そこで、位置推定回路３２０は、ハイパスフィルタ３２１により位置推定信号を抽出し、抽出した位置推定信号の電流値（位置推定用電流）を測定する。これにより位置推定回路３２０は、可動子の位置を推定する。

より具体的には、位置推定回路３２０は、第１巻線体１４を利用して第１巻線体１４の駆動方向である左螺旋方向の可動子の位置を推定する。同様に位置推定回路３２０は、第２巻線体１５を利用して第２巻線体１５の駆動方向である右螺旋方向の可動子の位置を推定する。位置推定回路３２０は、このように第１巻線体１４および第２巻線体１５を利用して推定した位置を組み合わせることにより可動子の動きを推定する。

以下に、電磁アクチュエータ１０における電圧と電流の関係を示す。

上式において、第３項である近似式は、機械角α_ｉｎおよびα_ｏｕｔの変動に対して位置推定信号の周波数ｆ_ｉｎおよびｆ_ｏｕｔが充分に大きい場合を示している。

上式から例えば第１巻線体１４のＵ相であるコイル１４Ｕにおける電流値Ｉ_ｉｎ＿Ｕは以下となる。

さらに、式（１２）から位置推定信号の成分を抽出すると、抽出された位置推定用電流の値である電流値Ｉ´_ｉｎ＿Ｕは以下となる。

このように、コイル１４Ｕにおける位置推定信号の電流値Ｉ´_ｉｎ＿Ｕの振幅は機械角α_ｉｎに依存する。同様に、コイル１４Ｖおよびコイル１４Ｗにおける位置推定信号の電流値も機械角α_ｉｎに依存する。一方、コイル１５Ｕ、１５Ｖおよびコイル１５Ｗにおける位置推定信号の電流値は機械角α_outに依存する。そこで、位置推定回路３２０は、上述のように各コイルの位置推定信号の電流値の振幅を算出する。これにより、位置推定回路３２０は、可動子の位置を推定する。

以上、電磁アクチュエータ１０が有する位置推定機能について説明した。本実施の形態よれば、電磁アクチュエータ１０は、位置推定のためのホール素子やレゾルバに代えて、位置推定回路を有することでセンサレスの電磁アクチュエータを実現できる。

以上、実施の形態１について説明したが、実施の形態にかかる電磁アクチュエータ１０は、上述の構成に限られない。例えば、電磁アクチュエータ１０はバックヨーク１２２とヨーク連結部１２５とが別体ではなく、一個の部品であってもよい。また、上述の例ではステータ部１２がコア部１１を囲むような構成であったが、ステータ部１２のヨーク単位１２１は、バックヨーク１２２の外周側にコイルヨーク１２３が突出した形態であって、コア部１１は、ステータ部１２の外周でステータ部を囲むように中空円筒型を呈していてもよい。また、上述の説明では固定子であったステータ部１２を可動させ、可動子であったコア部１１を固定してもよい。その場合、第１巻線体および第２巻線体を有している部材（上述のステータ部１２）を可動子と称し、上述の第１磁石保持部および第２磁石保持部を有している部材（コア部１１）を固定子と称してもよい。

以上、本実施の形態によれば、組立容易かつ高速回転可能な二自由度埋込磁石型モータを提供することができる。また本実施の形態によれば、組立容易であり、位置推定機能を有する二自由度埋込磁石型モータを提供することができる。またかかる位置推定機能は、新たに電流計を追加することなく実現可能である。

＜実施の形態２＞
次に、図２０を参照して実施の形態２について説明する。実施の形態２にかかる電磁アクチュエータは、第１巻線体と第２巻線体とがそれぞれ基準軸Ａに連なって配列されている点が、実施の形態１と異なる。またこれに伴い、実施の形態２にかかる電磁アクチュエータは、第１巻線体に対応する第１磁極部と、第２巻線体に対応する第２磁極部とをそれぞれ有する点が、実施の形態１と異なる。

図２０を参照しながら、実施の形態１と異なる主な点について説明する。図２０は、実施の形態２にかかる第１巻線体、第２巻線体およびコア部の分解斜視図である。図２０は、ステータ部のコイルを抽出して表示している。

図２０に示す実施の形態２にかかる電磁アクチュエータは、第１巻線体２４、第２巻線体２５を有している。第１巻線体２４は、実施の形態１にかかる第１巻線体１４と同様の構成であり、右螺旋方向にコイルがそれぞれ連なって接続されている。第２巻線体２５は、第１巻線体２４と同様の円筒形状を形成し、第１巻線体２４と同軸上に連なって配置されている。第２巻線体２５は、左螺旋方向にコイルがそれぞれ連なって接続されている。なお図示しないが、第１巻線体２４および第２巻線体２５のヨーク板は実施の形態１にかかるヨーク単位１２１より直径を小さくすることが可能である。また、第１巻線体２４に用いるヨーク板と、第２巻線体２５に用いるヨーク板は同じものであってもよい。

図２０に示す実施の形態２にかかる電磁アクチュエータは、コア部２１を有している。コア部２１は軸１１１、第１磁極部１３Ｒおよび第２磁極部１３Ｌを有している。第１磁極部１３Ｒは、第１巻線体２４に対応した磁極部であり、第２磁極部１３Ｌは、第２巻線体２５に対応した磁極部である。第１磁極部１３Ｒおよび第２磁極部１３Ｌは軸１１１にそれぞれ固定されている。第１磁極部１３Ｒおよび第２磁極部１３Ｌは、それぞれ、実施の形態１にかかる磁極部１３と同様の構成を有している。

以上のように、実施の形態２によれば、組立容易であり、かつ効率の高い二自由度電磁アクチュエータであって、径方向を小型化した電磁アクチュエータを提供することができる。

＜実施の形態３＞
次に、図２１～２４を参照しながら実施の形態３について説明する。実施の形態３は、ステータ部の形態は実施の形態１と異なる。

図２１は、実施の形態３にかかるコア部およびステータ部の分解斜視図である。ステータ部３２は、第１巻線体３４および第２巻線体３５を有している。

図２２は、実施の形態３にかかる第１巻線体の斜視図である。実施の形態３にかかる第１巻線体３４は、複数コイルに代えて螺旋状の導線を有している点が実施の形態１と異なる。図に示すように、第１巻線体３４は、断面が矩形の導線を、基準軸Ａを中心軸とした円筒面に対応して右螺旋状に加工したものである。第１巻線体３４は、Ｕ相に対応する導線３４Ｕ、Ｖ相に対応する導線３４ＶおよびＷ相に対応する導線３４Ｗが互いに通電しないように隣接して配置されている。

図２３は、実施の形態３にかかる第２巻線体の斜視図である。実施の形態３にかかる第２巻線体３５は、第１巻線体３４と同様に、断面が矩形の導線を円筒状に加工したものであり、基準軸Ａを中心軸とした円筒面に対応して左螺旋状に加工したものである。第２巻線体３５は、Ｕ相に対応する導線３５Ｕ、Ｖ相に対応する導線３５ＶおよびＷ相に対応する導線３５Ｗが互いに通電しないように隣接して配置されている。

図２４は、実施の形態３にかかる第１巻線体および第２巻線体の斜視図である。図に示すように、実施の形態３にかかる電磁アクチュエータは、第１巻線体３４の外周側に第２巻線体３５が配置される。これにより、第１巻線体３４は磁極部１３に対して右螺旋方向に直交する左螺旋方向の起磁力を与えることができる。同様に、第２巻線体３５は、右螺旋方向の起磁力を与えることができる。したがって本実施の形態にかかる電磁アクチュエータは、二自由度を有する電磁アクチュエータを構成することができる。以上、実施の形態によれば、組立容易なＩＰＭ型の磁極部を有する電磁アクチュエータを提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ 電磁アクチュエータ
１１、２１ コア部
１２、３２ ステータ部
１３ 磁極部
１１１ 軸
１１２ 係合部材
１２１ ヨーク単位
１２２ バックヨーク
１２３ コイルヨーク
１２４ ティース
１２５ ヨーク連結部
１３０ 磁極単位
１３１ 磁石保持部
１３２ エアギャップ
１３３ 磁石
１３４ 位置決め部
１３５ 磁束バリア部
１３６ 磁束ガイド部
１３７ 磁束連結部
３００ 制御回路
３１０ ドライバ回路
３２０ 位置推定回路
３２１ ハイパスフィルタ
３２２ 電流計
３２３ 演算回路
Ａ 基準軸
Φｄ、Φｑ 磁束

Claims (19)

1. 基準軸を中心とした第１螺旋方向に延びる第１導線を含む第１巻線体と、前記第１螺旋方向と交差する方向であって前記基準軸を中心とした第２螺旋方向に延びる第２導線を含む第２巻線体と、を有する固定子と、
   前記基準軸に直交する径方向において前記固定子の少なくとも一部と対向し、前記固定子に対して、前記基準軸に沿った軸方向において相対的に移動可能かつ前記基準軸を中心とした周方向において相対的に回動可能な可動子と、を備え、
   前記可動子は、前記周方向において異なる磁極が交互に配置される第１磁石群と、
   前記軸方向において前記第１磁石群の下流に配置され、前記周方向において異なる磁極が交互に配置される第２磁石群と、
   前記第１磁石群が埋設されるように前記第１磁石群を保持し、空気より透磁率が高い第１磁石保持部と、
   前記第２磁石群が埋設されるように前記第２磁石群を保持し、前記軸方向において隣り合う前記第１磁石群の磁極と前記第２磁石群の磁極とが異なるように配置され、空気より透磁率が高い第２磁石保持部と、
   前記軸方向において前記第１磁石群及び前記第２磁石群の間に配置されると共に、前記第１磁石保持部及び前記第２磁石保持部より透磁率が低い磁束バリア部と、を有する、
   埋込磁石型モータ。
2. 前記磁束バリア部は、円柱形状に形成されている、
   請求項１に記載の埋込磁石型モータ。
3. 前記磁束バリア部は、前記軸方向において並んで配置される第１磁束バリア部及び第２磁束バリア部を有し、
   前記可動子は、前記軸方向において前記第１磁束バリア部及び前記第２磁束バリア部の間に配置され前記第１磁束バリア部及び前記第２磁束バリア部より透磁率が高い中間部と、
   前記第１磁石保持部及び前記中間部に連結し、前記径方向において前記第１巻線体及び前記第２巻線体の少なくとも一方との間に前記第１磁束バリア部を挟むように配置され、前記第１磁束バリア部より透磁率が高い第１磁束連結部と、
   前記第２磁石保持部及び前記中間部に連結し、前記径方向において前記第１巻線体及び前記第２巻線体の少なくとも一方との間に前記第２磁束バリア部を挟むように配置され、前記第２磁束バリア部より透磁率が高い第２磁束連結部と、を有する、
   請求項１又は２に記載の埋込磁石型モータ。
4. 前記中間部は、円柱形状に形成されている、
   請求項３に記載の埋込磁石型モータ。
5. 前記第１磁束連結部及び前記第２磁束連結部の少なくともいずれか一方は、円柱形状に形成されている、
   請求項３又は４に記載の埋込磁石型モータ。
6. 前記中間部と、前記第１磁束連結部及び前記第２磁束連結部の少なくとも一方とは、一体に形成されている、
   請求項３乃至５のいずれか１項に記載の埋込磁石型モータ。
7. 前記可動子は、前記軸方向における前記第１磁石群の上流に配置されると共に、前記第１磁石保持部より透磁率が低い第３磁束バリア部と、
   前記軸方向における前記第３磁束バリア部の上流に配置され、前記第３磁束バリア部より透磁率が高い第３磁束ガイド部と、
   前記第１磁石保持部及び前記第３磁束ガイド部に連結し、前記径方向において前記第１巻線体及び前記第２巻線体の少なくとも一方との間に前記第３磁束バリア部を挟むように配置され、前記第３磁束バリア部より透磁率が高い第３磁束連結部と、を有する、
   請求項３乃至６のいずれか１項に記載の埋込磁石型モータ。
8. 前記第３磁束バリア部、前記第３磁束ガイド部及び前記第３磁束連結部の内少なくともいずれか一つは、円柱形状に形成されている、
   請求項７に記載の埋込磁石型モータ。
9. 前記可動子は、前記軸方向における前記第２磁石群の下流に配置されると共に、前記第２磁石保持部より透磁率が低い第４磁束バリア部と、
   前記軸方向における前記第４磁束バリア部の下流に配置され、前記第４磁束バリア部より透磁率が高い第４磁束ガイド部と、
   前記第２磁石保持部及び前記第４磁束ガイド部に連結し、前記径方向において前記第１巻線体及び前記第２巻線体の少なくとも一方との間に前記第４磁束バリア部を挟むように配置され、前記第４磁束バリア部より透磁率が高い第４磁束連結部と、を有する、
   請求項３乃至８のいずれか１項に記載の埋込磁石型モータ。
10. 前記第４磁束バリア部、前記第４磁束ガイド部及び前記第４磁束連結部の内少なくともいずれか一つは、円柱形状に形成されている、
    請求項９に記載の埋込磁石型モータ。
11. 前記固定子は、前記第１巻線体又は前記第２巻線体を構成する導線が巻回され、前記軸方向において、前記第１巻線体を構成する導線同士が互いに連結されるとともに、前記第２巻線体を構成する導線同士が互いに連結される複数のヨーク単位を有する、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の埋込磁石型モータ。
12. 複数の前記ヨーク単位は、前記軸方向に投影した場合にそれぞれ同一の形状を有する、
    請求項１１に記載の埋込磁石型モータ。
13. 前記第１巻線体は、前記第１螺旋方向に沿って絶縁状態で並行して延びる複数の第１導線部材を有し、
    前記第２導線は、前記第２螺旋方向に沿って絶縁状態で並行して延びる複数の第２導線部材を有する、
    請求項１１又は１２に記載の埋込磁石型モータ。
14. 前記可動子は、前記径方向において前記固定子より内周側に配置される、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の埋込磁石型モータ。
15. 前記第１巻線体は、前記径方向において前記第２巻線体と前記可動子との間に配置されている、
    請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の埋込磁石型モータ。
16. 前記第２巻線体は、前記軸方向において前記第１巻線体の下流に配置される、
    請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の埋込磁石型モータ。
17. 前記第１巻線体および前記第２巻線体に対して駆動用の交流電圧よりも高い位置推定用周波数を有する位置推定信号を印加するドライバ回路と、
    前記第１巻線体および前記第２巻線体に流れる電流から前記位置推定信号を検出するためのフィルタ回路と、
    検出された前記位置推定信号の電流値を測定する電流計と、
    前記電流値に基づいて、前記第１巻線体又は前記第２巻線体と前記可動子との相対的な位置関係を推定する演算回路と、をさらに備える
    請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の埋込磁石型モータ。
18. 基準軸を中心とした第１螺旋方向に延びる第１導線を含む第１巻線体と、前記第１螺旋方向と交差し、前記基準軸を中心とした第２螺旋方向に延びる第２導線を含む第２巻線体
    と、を有する固定子と、
    前記固定子に対して、前記基準軸に沿った直線方向において相対的に移動可能かつ前記基準軸を中心とした周方向において相対的に回動可能な可動子と、を備える埋込磁石型モータの、前記固定子と前記可動子との相対的な位置関係を推定する位置推定装置であって、
    前記第１巻線体および前記第２巻線体に対して駆動用の交流電流よりも高い位置推定用周波数を有する位置推定信号を印加するドライバ回路と、
    前記第１巻線体および前記第２巻線体に流れる電流から前記位置推定信号を検出するためのフィルタ回路と、
    検出された前記位置推定信号の電流値を測定する電流計と、
    前記電流値に基づいて、前記第１巻線体又は前記第２巻線体と前記可動子との相対的な位置関係を推定する演算回路と、を備える
    位置推定装置。
19. 基準軸を中心とした第１螺旋方向に延びる第１導線を含む第１巻線体と、前記第１螺旋方向と交差し、前記基準軸を中心とした第２螺旋方向に延びる第２導線を含む第２巻線体
    と、を有する固定子と、
    前記固定子に対して、前記基準軸に沿った直線方向において相対的に移動可能かつ前記基準軸を中心とした周方向において相対的に回動可能な可動子と、を備える埋込磁石型モータの、前記固定子と前記可動子との相対的な位置関係を推定する位置推定方法であって、
    前記第１巻線体および前記第２巻線体に対して駆動用の交流電流よりも高い位置推定用周波数を有する位置推定用電圧を印加する印加ステップと、
    前記第１巻線体および前記第２巻線体に流れる電流から前記位置推定用周波数の位置推定用電流を検出するためのフィルタリングステップと、
    検出された前記位置推定用電流の電流値を測定する電流測定ステップと、
    前記電流値に基づいて、前記第１巻線体又は前記第２巻線体と前記可動子との相対的な位置関係を推定する推定ステップと、を備える
    位置推定方法。

Images