ブラシレス電気機械及びそれを用いた装置
【課題】十分な性能を有するインナーロータ構造のブラシレス電気機械を実現することを目的とする。
【解決手段】インナーロータ構造のブラシレス電気機械１００ａであって、回転軸１１０と、前記回転軸の周りに配置された磁石２０と、前記磁石から等距離に配置された複数の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂとを備え、前記複数の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂは、前記回転軸１１０の回転方向に並んだコイル列であって、互いに平行なＮ相（Ｎは２以上の整数）のコイル列を形成している。
【解決手段】インナーロータ構造のブラシレス電気機械１００ａであって、回転軸１１０と、前記回転軸の周りに配置された磁石２０と、前記磁石から等距離に配置された複数の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂとを備え、前記複数の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂは、前記回転軸１１０の回転方向に並んだコイル列であって、互いに平行なＮ相（Ｎは２以上の整数）のコイル列を形成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ブラシレスモータやブラシレス発電機などのブラシレス電気機械及びそれを用いた各種の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９８９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、インナーロータ構造のブラシレス電気機械を実現しようとする場合、電磁コイルの配置について工夫が十分でなかった。そのため、トルクリップルや回転軸方向の振動が発生し、十分な性能のブラシレス電気機械を実現することが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、十分な性能を有するインナーロータ構造のブラシレス電気機械を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
インナーロータ構造のブラシレス電気機械であって、回転軸と、前記回転軸の周りに配置された磁石と、前記磁石から等距離に配置された複数の電磁コイルとを備え、前記複数の電磁コイルは、前記回転軸の回転方向に並んだコイル列であって、お互いに平行なＮ相（Ｎは２以上の整数）のコイル列を形成している、ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、磁石と各相のコイル列の電磁コイルとの距離が等距離なのでトルクリップルが発生しにくい。従って、十分な性能のインナーロータ構造のブラシレス電気機械を実現することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載のブラシレス電気機械において、前記磁石は、前記コイル列毎に独立して設けられ、前記Ｎ相のコイル列の電磁コイルのコイルエンドが前記磁石と重ならないように配置されている、ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、隣接するコイル列の間のコイルエンドに不要な力が働かないので、振動を抑制することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載のブラシレス電気機械において、前記Ｎ相のコイル列は、その電磁コイルが同じ位置になるように配置され、前記磁石は、対応するコイル列毎に位置をずらして配置されている、ブラシレス電気機械。
電磁コイルの位置と電磁石の相対的位置関係は変わらないので、このように構成してもよい。
【００１０】
［適用例４］
適用例１に記載のブラシレス電気機械において、全部が前記磁石と重なるように配置されている、ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、コイルエンドにかかる力は打ち消しあう。そのため、コイルに不要な力が働かず、振動を抑制することが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
適用例１から適用例４のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、同相のコイル列を複数備え、前記回転軸に垂直な面を対称面として前記同相のコイル列が互いに対称となるように配置されている、ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、コイル列の配置のバランスをよくすることが可能となる。その結果、回転運動を安定させ、さらに高トルク特性にすることが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
適用例１から適用例４のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、同相のコイル列を複数備え、同相のコイル列が周期的に並ぶようにＮ相のコイル列が順番に配置されている、ブラシレス電気機械。
この適用例によっても、コイル列の配置のバランスをよくすることが可能となる。その結果、回転運動を安定させ、さらに高トルク特性にすることが可能となる。
【００１３】
［適用例７］
適用例１から適用例６のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、隣接するコイル列のコイルエンドが、円周方向に並んで配置されている。ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、隣接するコイル列の間隔を狭くできるので、コイル損失距離を減らし、ブラシレス電気機械の効率を向上させることができる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、ブラシレス電気機械の他に、これを用いた各種の装置（例えば、電動モータ、発電機、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）、及び、それらの制御方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１の実施例：
図１は、第１の実施例に係る２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。図１（Ａ）は回転軸と平行な面で切った断面図であり、図１（Ｂ）、（Ｃ）は回転軸と垂直な面で切った断面図である。この２相ブラシレスモータ１００ａ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ー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相電磁コイル３０Ａ及び複数のＢ相電磁コイル３０Ｂを有している。ここで、複数のＡ相電磁コイル３０Ａが形成する列と、複数のＢ相電磁コイル３０Ｂが形成する列とは、平行になっている。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８０Ａ、８０Ｂが、それぞれＡ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂと対応して配置されている。Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂと磁気センサ８０Ａ、８０Ｂは、回路基板１４０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。ケーシング１３０は、軟磁性材によるバックヨークとして、軟磁性粉材を含有した樹脂で覆う構造を有していてもよい。また、ケーシング１３０と電磁コイル３０Ａ、３０Ｂの間に軟磁性材によるバックヨークを設けてもよい。
【００１６】
ロータ５０は、その外周に磁石モジュール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で支持されている。磁石モジュール２０は、６つの磁石を有している。各磁石は、回転軸１１０の中心から外部に向かう径方向に沿って磁化されている。図１（Ｂ）、（Ｃ）では、図示の便宜上、電磁コイル３０Ａ、３０Ｂに面した側の極のみが示されている。なお、この例では、ケーシング１３０の内側に、コイルバネ１１４が設けられており、このコイルバネ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、コイルバネ１１４は省略可能である。
【００１７】
Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂ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。この図では、磁場方向は上下方向であり、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂは水平方向に巻かれている。また、図１（Ｂ）、（Ｃ）では、磁場方向は回転軸１１０を中心とした半径方向にあるので、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂ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。本実施例では２相ブラシレスモータ１００ａはコア３２Ａ、３２Ｂを備え、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂはそれぞれコア３２Ａ、３２Ｂに巻かれているが、図２に示すように、コア３２Ａ、３２Ｂを備えない構成であってもよい。図２は、電磁コイルにコアを有さない２相ブラシレスモータの断面図である。なお、コア３２Ａ、３２Ｂを備えると、磁束密度を強くすることが可能となる。また、コア３２Ａ、３２Ｂとしては、例えば鉄または鉄の合金を用いることが可能である。本実施例では、磁石モジュール２０とＡ相電磁コイル３０Ａの距離と、磁石モジュール２０とＢ相電磁コイル３０Ｂの距離と、が同じ距離になるように、Ａ相電磁コイル３０ＡとＢ相電磁コイル３０Ｂが配置されている。そのため、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂが受ける力（ローレンツ力）は同じ大きさになるので、トルクリップルの発生を抑制できる。
【００１８】
図３は、２相ブラシレスモータを軸に平行な線で切って展開し、矢印Ｙに示す方から見た模式図である。Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂは、それぞれ複数の電磁コイルが連なって列３１Ａ、３１Ｂを形成しており、Ａ相電磁コイル３０Ａが形成する列３１Ａと、Ｂ相電磁コイル３０Ｂが形成する列３１Ｂとは平行となっている。また、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂは、外側のコイルエンド３０ＡＥ１、３０ＢＥ１を含めて、磁石モジュール２０と重なるように配置されている。このように、配置されていると、外側のコイルエンド３０ＡＥ１、３０ＢＥ１に働く力と、内側のコイルエンド３０ＡＥ２、３０ＢＥ２に働く力が打ち消しあう。その結果、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂに対する不要な振動の発生を抑制することが可能となる。
【００１９】
図４は、センサ出力と電磁コイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。図４（Ａ）は、位相が０（２π）における磁石モジュール２０とＡ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂの位置を模式的に示している。図４（Ｂ）、（Ｄ）は、それぞれＡ相電磁コイル３０Ａに発生する逆起電力の波形、及びＢ相電磁コイル３０Ｂに発生する逆起電力の波形の例を示しており、図４（Ｃ）、（Ｅ）は、それぞれＡ相用の磁気センサ８０Ａのセンサ出力ＳＳＡ、及びＢ相用の磁気センサ８０Ｂのセンサ出力ＳＳＢの波形の例を示している。これらの磁気センサ８０Ａ、８０Ｂは、モータ運転時の電磁コイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力ＳＳＡ、ＳＳＢを発生することができる。図４（Ｂ）に示すＡ相電磁コイル３０Ａの逆起電力は、モータの回転数とともに上昇する傾向にあるが、波形形状（正弦波）はほぼ相似形状に保たれる。Ｂ相電磁コイル３０Ｂの逆起電力も同様である。磁気センサ８０Ａ、８０Ｂ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。この例では、センサ出力ＳＳＡと逆起電力Ｅｃは、いずれも正弦波か、正弦波に近い波形である。このモータの駆動制御回路（図示せず）は、センサ出力ＳＳＡ、ＳＳＢを利用して、逆起電力Ｅｃとほぼ相似波形の電圧をそれぞれの電磁コイル３０Ａ、３０Ｂに印加する。
【００２０】
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、電磁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、電磁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、以下に説明するように、「逆起電力と相似波形の電圧」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。
【００２１】
図５は、本実施例のブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。図５（Ａ）は、位相が０（２π）の直前における状態を示している。電磁コイル３０Ａ、３０Ｂが励磁されると、電磁コイル３０Ａ、３０Ｂと磁石モジュール２０との間に吸引力と反発力が生じる。この結果、ロータ５０は、正転方向（図の右方向）に回転する。なお、位相が０となるタイミングで、Ａ相電磁コイル３０Ａの励磁方向が反転する（図３参照）。図５（Ｂ）は、位相がπ／２の直前まで進んだ状態を示している。位相がπ／２となるタイミングでは、Ｂ相電磁コイル３０Ｂの励磁方向が反転する。図５（Ｃ）は、位相がπの直前まで進んだ状態を示している。位相がπとなるタイミングでは、Ａ相電磁コイル３０Ａの励磁方向が再び逆転する。図５（Ｄ）は、位相が３π／２の直前まで進んだ状態を示している。位相が３π／２となるタイミングでは、Ｂ相電磁コイル３０Ｂの励磁方向が再び逆転する。
【００２２】
なお、図４（Ｃ）、（Ｅ）からも理解できるように、位相がπ／２の整数倍となるタイミングでは、センサ出力ＳＳＡ、ＳＳＢの一方がゼロとなるので、２相の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂのうちの一方のみから駆動力を発生する。しかし、位相がπ／２の整数倍となるタイミングを除く他のすべての期間において、２相の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂの両方が同時に駆動力を発生することが可能である。従って、２相の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂの両方を用いて大きなトルクを発生することができる。
【００２３】
ところで、図５（Ａ）から理解できるように、Ａ相用の磁気センサ８０Ａは、Ａ相電磁コイル３０Ａの中心が磁石モジュール２０の中心と対向する位置においてそのセンサ出力の極性が切り替わる位置に配置されている。同様に、Ｂ相用の磁気センサ８０Ｂは、Ｂ相電磁コイル３０Ｂの中心が磁石モジュール２０の中心と対向する位置においてそのセンサ出力の極性が切り替わる位置に配置されている。このような位置に磁気センサ８０Ａ、８０Ｂを配置すれば、磁気センサ８０Ａ、８０Ｂから、電磁コイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力ＳＳＡ、ＳＳＢ（図４）を発生することが可能である。
【００２４】
回路構成：
図６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。
【００２５】
図７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６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、Ｎ相の場合には、Ｎ組の駆動信号が生成される。
【００２６】
図８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、Ａ相電磁コイル３０Ａ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、Ａ相電磁コイル３０Ａ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Ａ相電磁コイル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。なお、上記説明ではＡ相電磁コイル３０Ａを用いて説明したが、Ｂ相電磁コイル３０Ｂについても同様である。
【００２７】
また、本実施例によれば、磁石モジュール２０とＡ相電磁コイル３０Ａの距離と、磁石モジュール２０とＢ相電磁コイル３０Ｂの距離と、が同じ距離になるように、Ａ相電磁コイル３０ＡとＢ相電磁コイル３０Ｂが配置されているので、トルクリップルの発生を抑制できる。
【００２８】
さらに、コイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２と磁石モジュール２０とが重なるように配置されているので、不要な力が打ち消しあい、不要な振動の発生を抑制することが可能となる。
【００２９】
第２の実施例：
図９は、第２の実施例に係る２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。第２の実施例に係る２相ブラシレスモータ１００ｂでは、磁石モジュール２０が、Ａ相電磁コイル３０ＡとＢ相電磁コイル３０Ｂと対応するように、磁石モジュール２０Ａ、２０Ｂの２つに分割されている点が異なる。磁石モジュール２０Ａと磁石モジュール２０Ｂとは、接続部材２１により接続されている。接続部材２１としては、例えば、軟磁性体、非磁性体、樹脂材を用いることが可能である。接合部材２１として樹脂材を用いる場合には、例えば、インジェクション成形により、磁石モジュール２０Ａ、磁石モジュール２０Ｂと一体成形することも可能である。
【００３０】
図１０は、２相ブラシレスモータ１００ｂを軸に平行な線で切って展開し、矢印Ｙに示す方から見た模式図である。第２の実施例に係る２相ブラシレスモータ１００ｂでは、磁石モジュール２０Ａ、２０Ｂが一定の間隔を開けて配置されている。そのため、Ａ相電磁コイル３０ＡとＢ相電磁コイル３０Ｂの境界部にあるコイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２と、磁石モジュール２０Ａ、２０Ｂとは、重なっていない。その結果、コイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２には、磁石モジュール２０Ａ、２０Ｂの磁束が通っていない。その結果、コイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２に不要な力を発生させず、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂに対する不要な振動の発生を抑制することが可能となる。なお、コイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２と磁石モジュール２０Ａとが重なり、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２と磁石モジュール２０Ａとが重なるように構成してもよい。この場合には、第１の実施例と同様に、外側のコイルエンド３０ＡＥ１、３０ＢＥ１に働く力と、内側のコイルエンド３０ＡＥ２、３０ＢＥ２に働く力が打ち消しあうので、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂに対する不要な振動の発生を抑制することが可能となる。
【００３１】
第３の実施例：
図１１は、第３の実施例を模式的に示す説明図である。第３の実施例では、２つのＡ相のコイル列３１Ａ１、３１Ａ２と、２つのＢ相のコイル列３１Ｂ１、３１Ｂ２とを備えている。さらに、コイル列３１Ａ１と３１Ａ２は、回転軸１１０と垂直な平面Ｘを対称面として互いに対称に配置されている。また、コイル列３１Ｂ１と３１Ｂ２も、平面Ｘを対称面として互いに対称に配置されている。このように平面Ｘを対称面として同相のコイル列を互いに対称に配置することにより２相ブラシレスモータ１０の回転バランスを良くし、回転運動を安定させることが可能となる。さらに、回転のバランスを良くすることにより、２相ブラシレスモータ１０を高トルク特性にさせることが可能となる。
【００３２】
図１２は、第３の実施例の別の構成例である。この構成例では、Ａ相のコイル列（３１Ａ１、３１Ａ２）とＢ相のコイル列（３１Ｂ１、３１Ｂ２）が周期的に並ぶように順番に配置されている。このようにコイル列を配置することにより、２相ブラシレスモータ１０の回転バランスを良くし、回転運動を安定させることが可能となる。さらに、回転のバランスを良くすることにより、２相ブラシレスモータ１０を高トルク特性にさせることが可能となる。
【００３３】
図１３、図１４は、第３の構成の別の実施例である。これらの実施例では、第２の実施例のように、磁石モジュール２０を、コイル列毎に分割する構成を採用している。こうしても２相ブラシレスモータ１０の回転バランスを良くし、回転運動を安定させることが可能となる。
【００３４】
図１５、図１６は、第３の構成の別の実施例である。上記の第３の実施例では、磁石モジュール２０Ａと２０Ｂの位置を同じにし、Ａ相のコイル列（３１Ａ１、３１Ａ２）の位置とＢ相のコイル列（３１Ｂ１、３１Ｂ２）の位置とを半ピッチずらした構成を採用しているが、Ａ相のコイル列（３１Ａ１、３１Ａ２）の位置とＢ相のコイル列（３１Ｂ１、３１Ｂ２）の位置を同じにし、磁石モジュール２０Ａの位置と磁石モジュール２０Ｂの位置とを半ピッチずらした構成を採用してもよい。こうしても２相ブラシレスモータ１０の回転バランスを良くし、回転運動を安定させることが可能となる。
【００３５】
第４の実施例：
図１７は、第４の実施例に係る２相ブラシレスモータの展開図を示す説明図である。第４の実施例では、Ａ相の電磁コイル３０Ａのコイルエンド３０ＡＥ２と、隣接するＢ相の電磁コイル３０Ｂのコイルエンド３０ＢＥ２との境界２２が、ジグザグになるようにＡ相の電磁コイル３０ＡとＢ相の電磁コイル３０Ｂが配置されている。このように配置することにより、Ａ相のコイル列３１ＡとＢ相のコイル列３１Ｂの間隔を狭くすることができる。その結果、電磁コイル損失距離を減らすことができ、２相ブラシレスモータの効率を向上させることができる。
【００３６】
第５の実施例：
図１８は、第４の実施例に係る３相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。第４の実施例では、Ａ相電磁コイル３０ＡからＣ相電磁コイル３０Ｃまでが、それぞれコイル列を形成して３つのコイル列を形成している点が異なる。このように、２相ブラシレスモータに限られず、３相ブラシレスモータやそれ以上のＮ相ブラシレスモータであっても、各相のコイル列を１列に並べて互いに平行なＮ列を形成し、各相のコイル列を磁石モジュール２０から等距離に配置することができる。なお、第１の実施例のように磁石モジュール２０を１つ設ける構成よりも、第２の実施例のようにコイル列毎に磁石モジュール２０を分割して設ける構成の方が好ましい。こうすると、振動をより生じ難くすることが可能となる。尚、３相時の駆動回路は、スター結線（Ｙ結線、星型結線）あるいはデルタ結線（三角結線）によるＨブリッジ回路の構成で実現できる。また、第３の実施例と同様に、同相のコイル列を複数備え、回転軸１１０と垂直な平面Ｘを対称面として、同相のコイル列を互いに対称に配置してもよい。また、同相のコイル列が周期的に並ぶように、各コイル列を順番に配置してもよい。
【００３７】
変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態、適用例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、例えば次の様な変形も可能である。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
図１９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。
【００４１】
図２０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。
【００４２】
図２１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。
【００４３】
図２２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。
【００４４】
また、これらの技術は、電動モータ、リニアモータ、リニアアクチュエータに応用することができ、上記説明した、適用例、応用例の他、様々な機器に適用することができる。
【００４５】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の実施例に係る２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図２】電磁コイルにコアを有さない２相ブラシレスモータの断面図である。
【図３】２相ブラシレスモータを軸に平行な線で切って展開し矢印Ｙに示す方から見た模式図である。
【図４】センサ出力と電磁コイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。
【図５】本実施例のブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。
【図６】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。
【図７】駆動ドライバ部２１０の構成を示す回路図である。
【図８】回生制御部２２０の内部構成を示す回路図である。
【図９】第２の実施例に係る２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図１０】２相ブラシレスモータ１００ｂを軸に平行な線で切って展開し矢印Ｙに示す方から見た模式図である。
【図１１】第３の実施例を模式的に示す説明図である。
【図１２】第３の実施例の別の構成例である。
【図１３】第３の実施例の別の構成例である。
【図１４】第３の実施例の別の構成例である。
【図１５】第３の実施例の別の構成例である。
【図１６】第３の実施例の別の構成例である。
【図１７】第４の実施例に係る２相ブラシレスモータの展開図を示す説明図である。
【図１８】第５の実施例に係る３相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図１９】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。
【図２０】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２１】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。
【図２２】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。
【符号の説明】
【００４７】
２０、２０Ａ、２０Ｂ…磁石モジュール
２１…接続部材
２２…境界
３０Ａ、３０Ｂ…電磁コイル
３０ＡＥ１，３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２…コイルエンド
３１Ａ、３１Ａ１，３１Ａ２、３１Ｂ、３１Ｂ１、３１Ｂ２…コイル列
３２Ａ、３２Ｂ…コア
５０…ロータ
６０…ステータ
８０Ａ、８０Ｂ…磁気センサ
１００ａ…２相ブラシレスモータ
１１０…回転軸
１１２…軸受け部
１１４…コイルバネ
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
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２のアーム
９２０…第２のアーム
９３０…モータ
ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２…駆動信号
ＳＣ…スクリーン
ＳＳＡ、ＳＳＢ…センサ出力
Ｘ…平面
Ｙ…矢印
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ブラシレスモータやブラシレス発電機などのブラシレス電気機械及びそれを用いた各種の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９８９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、インナーロータ構造のブラシレス電気機械を実現しようとする場合、電磁コイルの配置について工夫が十分でなかった。そのため、トルクリップルや回転軸方向の振動が発生し、十分な性能のブラシレス電気機械を実現することが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、十分な性能を有するインナーロータ構造のブラシレス電気機械を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
インナーロータ構造のブラシレス電気機械であって、回転軸と、前記回転軸の周りに配置された磁石と、前記磁石から等距離に配置された複数の電磁コイルとを備え、前記複数の電磁コイルは、前記回転軸の回転方向に並んだコイル列であって、お互いに平行なＮ相（Ｎは２以上の整数）のコイル列を形成している、ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、磁石と各相のコイル列の電磁コイルとの距離が等距離なのでトルクリップルが発生しにくい。従って、十分な性能のインナーロータ構造のブラシレス電気機械を実現することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載のブラシレス電気機械において、前記磁石は、前記コイル列毎に独立して設けられ、前記Ｎ相のコイル列の電磁コイルのコイルエンドが前記磁石と重ならないように配置されている、ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、隣接するコイル列の間のコイルエンドに不要な力が働かないので、振動を抑制することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載のブラシレス電気機械において、前記Ｎ相のコイル列は、その電磁コイルが同じ位置になるように配置され、前記磁石は、対応するコイル列毎に位置をずらして配置されている、ブラシレス電気機械。
電磁コイルの位置と電磁石の相対的位置関係は変わらないので、このように構成してもよい。
【００１０】
［適用例４］
適用例１に記載のブラシレス電気機械において、全部が前記磁石と重なるように配置されている、ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、コイルエンドにかかる力は打ち消しあう。そのため、コイルに不要な力が働かず、振動を抑制することが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
適用例１から適用例４のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、同相のコイル列を複数備え、前記回転軸に垂直な面を対称面として前記同相のコイル列が互いに対称となるように配置されている、ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、コイル列の配置のバランスをよくすることが可能となる。その結果、回転運動を安定させ、さらに高トルク特性にすることが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
適用例１から適用例４のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、同相のコイル列を複数備え、同相のコイル列が周期的に並ぶようにＮ相のコイル列が順番に配置されている、ブラシレス電気機械。
この適用例によっても、コイル列の配置のバランスをよくすることが可能となる。その結果、回転運動を安定させ、さらに高トルク特性にすることが可能となる。
【００１３】
［適用例７］
適用例１から適用例６のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、隣接するコイル列のコイルエンドが、円周方向に並んで配置されている。ブラシレス電気機械。
この適用例によれば、隣接するコイル列の間隔を狭くできるので、コイル損失距離を減らし、ブラシレス電気機械の効率を向上させることができる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、ブラシレス電気機械の他に、これを用いた各種の装置（例えば、電動モータ、発電機、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）、及び、それらの制御方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１の実施例：
図１は、第１の実施例に係る２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。図１（Ａ）は回転軸と平行な面で切った断面図であり、図１（Ｂ）、（Ｃ）は回転軸と垂直な面で切った断面図である。この２相ブラシレスモータ１００ａ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ー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相電磁コイル３０Ａ及び複数のＢ相電磁コイル３０Ｂを有している。ここで、複数のＡ相電磁コイル３０Ａが形成する列と、複数のＢ相電磁コイル３０Ｂが形成する列とは、平行になっている。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８０Ａ、８０Ｂが、それぞれＡ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂと対応して配置されている。Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂと磁気センサ８０Ａ、８０Ｂは、回路基板１４０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。ケーシング１３０は、軟磁性材によるバックヨークとして、軟磁性粉材を含有した樹脂で覆う構造を有していてもよい。また、ケーシング１３０と電磁コイル３０Ａ、３０Ｂの間に軟磁性材によるバックヨークを設けてもよい。
【００１６】
ロータ５０は、その外周に磁石モジュール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で支持されている。磁石モジュール２０は、６つの磁石を有している。各磁石は、回転軸１１０の中心から外部に向かう径方向に沿って磁化されている。図１（Ｂ）、（Ｃ）では、図示の便宜上、電磁コイル３０Ａ、３０Ｂに面した側の極のみが示されている。なお、この例では、ケーシング１３０の内側に、コイルバネ１１４が設けられており、このコイルバネ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、コイルバネ１１４は省略可能である。
【００１７】
Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂ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。この図では、磁場方向は上下方向であり、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂは水平方向に巻かれている。また、図１（Ｂ）、（Ｃ）では、磁場方向は回転軸１１０を中心とした半径方向にあるので、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂ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。本実施例では２相ブラシレスモータ１００ａはコア３２Ａ、３２Ｂを備え、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂはそれぞれコア３２Ａ、３２Ｂに巻かれているが、図２に示すように、コア３２Ａ、３２Ｂを備えない構成であってもよい。図２は、電磁コイルにコアを有さない２相ブラシレスモータの断面図である。なお、コア３２Ａ、３２Ｂを備えると、磁束密度を強くすることが可能となる。また、コア３２Ａ、３２Ｂとしては、例えば鉄または鉄の合金を用いることが可能である。本実施例では、磁石モジュール２０とＡ相電磁コイル３０Ａの距離と、磁石モジュール２０とＢ相電磁コイル３０Ｂの距離と、が同じ距離になるように、Ａ相電磁コイル３０ＡとＢ相電磁コイル３０Ｂが配置されている。そのため、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂが受ける力（ローレンツ力）は同じ大きさになるので、トルクリップルの発生を抑制できる。
【００１８】
図３は、２相ブラシレスモータを軸に平行な線で切って展開し、矢印Ｙに示す方から見た模式図である。Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂは、それぞれ複数の電磁コイルが連なって列３１Ａ、３１Ｂを形成しており、Ａ相電磁コイル３０Ａが形成する列３１Ａと、Ｂ相電磁コイル３０Ｂが形成する列３１Ｂとは平行となっている。また、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂは、外側のコイルエンド３０ＡＥ１、３０ＢＥ１を含めて、磁石モジュール２０と重なるように配置されている。このように、配置されていると、外側のコイルエンド３０ＡＥ１、３０ＢＥ１に働く力と、内側のコイルエンド３０ＡＥ２、３０ＢＥ２に働く力が打ち消しあう。その結果、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂに対する不要な振動の発生を抑制することが可能となる。
【００１９】
図４は、センサ出力と電磁コイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。図４（Ａ）は、位相が０（２π）における磁石モジュール２０とＡ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂの位置を模式的に示している。図４（Ｂ）、（Ｄ）は、それぞれＡ相電磁コイル３０Ａに発生する逆起電力の波形、及びＢ相電磁コイル３０Ｂに発生する逆起電力の波形の例を示しており、図４（Ｃ）、（Ｅ）は、それぞれＡ相用の磁気センサ８０Ａのセンサ出力ＳＳＡ、及びＢ相用の磁気センサ８０Ｂのセンサ出力ＳＳＢの波形の例を示している。これらの磁気センサ８０Ａ、８０Ｂは、モータ運転時の電磁コイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力ＳＳＡ、ＳＳＢを発生することができる。図４（Ｂ）に示すＡ相電磁コイル３０Ａの逆起電力は、モータの回転数とともに上昇する傾向にあるが、波形形状（正弦波）はほぼ相似形状に保たれる。Ｂ相電磁コイル３０Ｂの逆起電力も同様である。磁気センサ８０Ａ、８０Ｂ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。この例では、センサ出力ＳＳＡと逆起電力Ｅｃは、いずれも正弦波か、正弦波に近い波形である。このモータの駆動制御回路（図示せず）は、センサ出力ＳＳＡ、ＳＳＢを利用して、逆起電力Ｅｃとほぼ相似波形の電圧をそれぞれの電磁コイル３０Ａ、３０Ｂに印加する。
【００２０】
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、電磁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、電磁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、以下に説明するように、「逆起電力と相似波形の電圧」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。
【００２１】
図５は、本実施例のブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。図５（Ａ）は、位相が０（２π）の直前における状態を示している。電磁コイル３０Ａ、３０Ｂが励磁されると、電磁コイル３０Ａ、３０Ｂと磁石モジュール２０との間に吸引力と反発力が生じる。この結果、ロータ５０は、正転方向（図の右方向）に回転する。なお、位相が０となるタイミングで、Ａ相電磁コイル３０Ａの励磁方向が反転する（図３参照）。図５（Ｂ）は、位相がπ／２の直前まで進んだ状態を示している。位相がπ／２となるタイミングでは、Ｂ相電磁コイル３０Ｂの励磁方向が反転する。図５（Ｃ）は、位相がπの直前まで進んだ状態を示している。位相がπとなるタイミングでは、Ａ相電磁コイル３０Ａの励磁方向が再び逆転する。図５（Ｄ）は、位相が３π／２の直前まで進んだ状態を示している。位相が３π／２となるタイミングでは、Ｂ相電磁コイル３０Ｂの励磁方向が再び逆転する。
【００２２】
なお、図４（Ｃ）、（Ｅ）からも理解できるように、位相がπ／２の整数倍となるタイミングでは、センサ出力ＳＳＡ、ＳＳＢの一方がゼロとなるので、２相の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂのうちの一方のみから駆動力を発生する。しかし、位相がπ／２の整数倍となるタイミングを除く他のすべての期間において、２相の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂの両方が同時に駆動力を発生することが可能である。従って、２相の電磁コイル３０Ａ、３０Ｂの両方を用いて大きなトルクを発生することができる。
【００２３】
ところで、図５（Ａ）から理解できるように、Ａ相用の磁気センサ８０Ａは、Ａ相電磁コイル３０Ａの中心が磁石モジュール２０の中心と対向する位置においてそのセンサ出力の極性が切り替わる位置に配置されている。同様に、Ｂ相用の磁気センサ８０Ｂは、Ｂ相電磁コイル３０Ｂの中心が磁石モジュール２０の中心と対向する位置においてそのセンサ出力の極性が切り替わる位置に配置されている。このような位置に磁気センサ８０Ａ、８０Ｂを配置すれば、磁気センサ８０Ａ、８０Ｂから、電磁コイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力ＳＳＡ、ＳＳＢ（図４）を発生することが可能である。
【００２４】
回路構成：
図６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。
【００２５】
図７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６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、Ｎ相の場合には、Ｎ組の駆動信号が生成される。
【００２６】
図８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、Ａ相電磁コイル３０Ａ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、Ａ相電磁コイル３０Ａ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Ａ相電磁コイル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。なお、上記説明ではＡ相電磁コイル３０Ａを用いて説明したが、Ｂ相電磁コイル３０Ｂについても同様である。
【００２７】
また、本実施例によれば、磁石モジュール２０とＡ相電磁コイル３０Ａの距離と、磁石モジュール２０とＢ相電磁コイル３０Ｂの距離と、が同じ距離になるように、Ａ相電磁コイル３０ＡとＢ相電磁コイル３０Ｂが配置されているので、トルクリップルの発生を抑制できる。
【００２８】
さらに、コイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２と磁石モジュール２０とが重なるように配置されているので、不要な力が打ち消しあい、不要な振動の発生を抑制することが可能となる。
【００２９】
第２の実施例：
図９は、第２の実施例に係る２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。第２の実施例に係る２相ブラシレスモータ１００ｂでは、磁石モジュール２０が、Ａ相電磁コイル３０ＡとＢ相電磁コイル３０Ｂと対応するように、磁石モジュール２０Ａ、２０Ｂの２つに分割されている点が異なる。磁石モジュール２０Ａと磁石モジュール２０Ｂとは、接続部材２１により接続されている。接続部材２１としては、例えば、軟磁性体、非磁性体、樹脂材を用いることが可能である。接合部材２１として樹脂材を用いる場合には、例えば、インジェクション成形により、磁石モジュール２０Ａ、磁石モジュール２０Ｂと一体成形することも可能である。
【００３０】
図１０は、２相ブラシレスモータ１００ｂを軸に平行な線で切って展開し、矢印Ｙに示す方から見た模式図である。第２の実施例に係る２相ブラシレスモータ１００ｂでは、磁石モジュール２０Ａ、２０Ｂが一定の間隔を開けて配置されている。そのため、Ａ相電磁コイル３０ＡとＢ相電磁コイル３０Ｂの境界部にあるコイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２と、磁石モジュール２０Ａ、２０Ｂとは、重なっていない。その結果、コイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２には、磁石モジュール２０Ａ、２０Ｂの磁束が通っていない。その結果、コイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２に不要な力を発生させず、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂに対する不要な振動の発生を抑制することが可能となる。なお、コイルエンド３０ＡＥ１、３０ＡＥ２と磁石モジュール２０Ａとが重なり、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２と磁石モジュール２０Ａとが重なるように構成してもよい。この場合には、第１の実施例と同様に、外側のコイルエンド３０ＡＥ１、３０ＢＥ１に働く力と、内側のコイルエンド３０ＡＥ２、３０ＢＥ２に働く力が打ち消しあうので、Ａ相電磁コイル３０Ａ、Ｂ相電磁コイル３０Ｂに対する不要な振動の発生を抑制することが可能となる。
【００３１】
第３の実施例：
図１１は、第３の実施例を模式的に示す説明図である。第３の実施例では、２つのＡ相のコイル列３１Ａ１、３１Ａ２と、２つのＢ相のコイル列３１Ｂ１、３１Ｂ２とを備えている。さらに、コイル列３１Ａ１と３１Ａ２は、回転軸１１０と垂直な平面Ｘを対称面として互いに対称に配置されている。また、コイル列３１Ｂ１と３１Ｂ２も、平面Ｘを対称面として互いに対称に配置されている。このように平面Ｘを対称面として同相のコイル列を互いに対称に配置することにより２相ブラシレスモータ１０の回転バランスを良くし、回転運動を安定させることが可能となる。さらに、回転のバランスを良くすることにより、２相ブラシレスモータ１０を高トルク特性にさせることが可能となる。
【００３２】
図１２は、第３の実施例の別の構成例である。この構成例では、Ａ相のコイル列（３１Ａ１、３１Ａ２）とＢ相のコイル列（３１Ｂ１、３１Ｂ２）が周期的に並ぶように順番に配置されている。このようにコイル列を配置することにより、２相ブラシレスモータ１０の回転バランスを良くし、回転運動を安定させることが可能となる。さらに、回転のバランスを良くすることにより、２相ブラシレスモータ１０を高トルク特性にさせることが可能となる。
【００３３】
図１３、図１４は、第３の構成の別の実施例である。これらの実施例では、第２の実施例のように、磁石モジュール２０を、コイル列毎に分割する構成を採用している。こうしても２相ブラシレスモータ１０の回転バランスを良くし、回転運動を安定させることが可能となる。
【００３４】
図１５、図１６は、第３の構成の別の実施例である。上記の第３の実施例では、磁石モジュール２０Ａと２０Ｂの位置を同じにし、Ａ相のコイル列（３１Ａ１、３１Ａ２）の位置とＢ相のコイル列（３１Ｂ１、３１Ｂ２）の位置とを半ピッチずらした構成を採用しているが、Ａ相のコイル列（３１Ａ１、３１Ａ２）の位置とＢ相のコイル列（３１Ｂ１、３１Ｂ２）の位置を同じにし、磁石モジュール２０Ａの位置と磁石モジュール２０Ｂの位置とを半ピッチずらした構成を採用してもよい。こうしても２相ブラシレスモータ１０の回転バランスを良くし、回転運動を安定させることが可能となる。
【００３５】
第４の実施例：
図１７は、第４の実施例に係る２相ブラシレスモータの展開図を示す説明図である。第４の実施例では、Ａ相の電磁コイル３０Ａのコイルエンド３０ＡＥ２と、隣接するＢ相の電磁コイル３０Ｂのコイルエンド３０ＢＥ２との境界２２が、ジグザグになるようにＡ相の電磁コイル３０ＡとＢ相の電磁コイル３０Ｂが配置されている。このように配置することにより、Ａ相のコイル列３１ＡとＢ相のコイル列３１Ｂの間隔を狭くすることができる。その結果、電磁コイル損失距離を減らすことができ、２相ブラシレスモータの効率を向上させることができる。
【００３６】
第５の実施例：
図１８は、第４の実施例に係る３相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。第４の実施例では、Ａ相電磁コイル３０ＡからＣ相電磁コイル３０Ｃまでが、それぞれコイル列を形成して３つのコイル列を形成している点が異なる。このように、２相ブラシレスモータに限られず、３相ブラシレスモータやそれ以上のＮ相ブラシレスモータであっても、各相のコイル列を１列に並べて互いに平行なＮ列を形成し、各相のコイル列を磁石モジュール２０から等距離に配置することができる。なお、第１の実施例のように磁石モジュール２０を１つ設ける構成よりも、第２の実施例のようにコイル列毎に磁石モジュール２０を分割して設ける構成の方が好ましい。こうすると、振動をより生じ難くすることが可能となる。尚、３相時の駆動回路は、スター結線（Ｙ結線、星型結線）あるいはデルタ結線（三角結線）によるＨブリッジ回路の構成で実現できる。また、第３の実施例と同様に、同相のコイル列を複数備え、回転軸１１０と垂直な平面Ｘを対称面として、同相のコイル列を互いに対称に配置してもよい。また、同相のコイル列が周期的に並ぶように、各コイル列を順番に配置してもよい。
【００３７】
変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態、適用例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、例えば次の様な変形も可能である。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
図１９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。
【００４１】
図２０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。
【００４２】
図２１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。
【００４３】
図２２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。
【００４４】
また、これらの技術は、電動モータ、リニアモータ、リニアアクチュエータに応用することができ、上記説明した、適用例、応用例の他、様々な機器に適用することができる。
【００４５】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の実施例に係る２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図２】電磁コイルにコアを有さない２相ブラシレスモータの断面図である。
【図３】２相ブラシレスモータを軸に平行な線で切って展開し矢印Ｙに示す方から見た模式図である。
【図４】センサ出力と電磁コイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。
【図５】本実施例のブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。
【図６】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。
【図７】駆動ドライバ部２１０の構成を示す回路図である。
【図８】回生制御部２２０の内部構成を示す回路図である。
【図９】第２の実施例に係る２相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図１０】２相ブラシレスモータ１００ｂを軸に平行な線で切って展開し矢印Ｙに示す方から見た模式図である。
【図１１】第３の実施例を模式的に示す説明図である。
【図１２】第３の実施例の別の構成例である。
【図１３】第３の実施例の別の構成例である。
【図１４】第３の実施例の別の構成例である。
【図１５】第３の実施例の別の構成例である。
【図１６】第３の実施例の別の構成例である。
【図１７】第４の実施例に係る２相ブラシレスモータの展開図を示す説明図である。
【図１８】第５の実施例に係る３相ブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図１９】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。
【図２０】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２１】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。
【図２２】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。
【符号の説明】
【００４７】
２０、２０Ａ、２０Ｂ…磁石モジュール
２１…接続部材
２２…境界
３０Ａ、３０Ｂ…電磁コイル
３０ＡＥ１，３０ＡＥ２、３０ＢＥ１、３０ＢＥ２…コイルエンド
３１Ａ、３１Ａ１，３１Ａ２、３１Ｂ、３１Ｂ１、３１Ｂ２…コイル列
３２Ａ、３２Ｂ…コア
５０…ロータ
６０…ステータ
８０Ａ、８０Ｂ…磁気センサ
１００ａ…２相ブラシレスモータ
１１０…回転軸
１１２…軸受け部
１１４…コイルバネ
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
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２のアーム
９２０…第２のアーム
９３０…モータ
ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２…駆動信号
ＳＣ…スクリーン
ＳＳＡ、ＳＳＢ…センサ出力
Ｘ…平面
Ｙ…矢印
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インナーロータ構造のブラシレス電気機械であって、
回転軸と、
前記回転軸の周りに配置された磁石と、
前記磁石から等距離に配置された複数の電磁コイルと、
を備え、
前記複数の電磁コイルは、前記回転軸の回転方向に並んだコイル列であって、互いに平行なＮ相（Ｎは２以上の整数）のコイル列を形成している、ブラシレス電気機械。
【請求項２】
請求項１に記載のブラシレス電気機械において、
前記磁石は、前記コイル列毎に独立して設けられ、
前記Ｎ相のコイル列の電磁コイルのコイルエンドが前記磁石と重ならないように配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項３】
請求項２に記載のブラシレス電気機械において、
前記Ｎ相のコイル列は、その電磁コイルが同じ位置になるように配置され、
前記磁石は、対応するコイル列毎に位置をずらして配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項４】
請求項１に記載のブラシレス電気機械において、
前記電磁コイルは、全部が前記磁石と重なるように配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、
同相のコイル列を複数備え、
前記回転軸に垂直な面を対称面として前記同相のコイル列が互いに対称となるように配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、
同相のコイル列を複数備え、
同相のコイル列が周期的に並ぶようにＮ相のコイル列が順番に配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、
隣接するコイル列のコイルエンドが並んで配置され、隣接するコイル列のコイルエンドの境界線がジグザグである、ブラシレス電気機械。
【請求項８】
電子機器であって、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のブラシレス電気機械を備える電子機器。
【請求項９】
請求項８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。
【請求項１０】
燃料電池使用機器であって、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のブラシレス電気機械を備える燃料電池使用機器。
【請求項１１】
ロボットであって、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のブラシレス電気機械を備えるロボット。
【請求項１２】
移動体であって、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のブラシレス電気機械を備える移動体。
【請求項１】
インナーロータ構造のブラシレス電気機械であって、
回転軸と、
前記回転軸の周りに配置された磁石と、
前記磁石から等距離に配置された複数の電磁コイルと、
を備え、
前記複数の電磁コイルは、前記回転軸の回転方向に並んだコイル列であって、互いに平行なＮ相（Ｎは２以上の整数）のコイル列を形成している、ブラシレス電気機械。
【請求項２】
請求項１に記載のブラシレス電気機械において、
前記磁石は、前記コイル列毎に独立して設けられ、
前記Ｎ相のコイル列の電磁コイルのコイルエンドが前記磁石と重ならないように配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項３】
請求項２に記載のブラシレス電気機械において、
前記Ｎ相のコイル列は、その電磁コイルが同じ位置になるように配置され、
前記磁石は、対応するコイル列毎に位置をずらして配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項４】
請求項１に記載のブラシレス電気機械において、
前記電磁コイルは、全部が前記磁石と重なるように配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、
同相のコイル列を複数備え、
前記回転軸に垂直な面を対称面として前記同相のコイル列が互いに対称となるように配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、
同相のコイル列を複数備え、
同相のコイル列が周期的に並ぶようにＮ相のコイル列が順番に配置されている、ブラシレス電気機械。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載のブラシレス電気機械において、
隣接するコイル列のコイルエンドが並んで配置され、隣接するコイル列のコイルエンドの境界線がジグザグである、ブラシレス電気機械。
【請求項８】
電子機器であって、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のブラシレス電気機械を備える電子機器。
【請求項９】
請求項８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。
【請求項１０】
燃料電池使用機器であって、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のブラシレス電気機械を備える燃料電池使用機器。
【請求項１１】
ロボットであって、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のブラシレス電気機械を備えるロボット。
【請求項１２】
移動体であって、
請求項１から請求項７のいずれかに記載のブラシレス電気機械を備える移動体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１０−２９０２０（Ｐ２０１０−２９０２０Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８９８１３（Ｐ２００８−１８９８１３）
【出願日】平成２０年７月２３日（２００８．７．２３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２３日（２００８．７．２３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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