電気機械装置、移動体、及びロボット
【課題】ラジアルギャップ型の電気機械装置を効率よく駆動する。
【解決手段】回転軸２３０を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置１０であって、個々の永久磁石２００の磁化の方向が回転軸２３０を中心とする放射または中心方向であり、回転軸２３０を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石２００と、複数の永久磁石２００と対向すると共に、永久磁石２００の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用（Ａ相）の複数の第１の電磁コイル１００Ａと、複数の永久磁石２００と対向すると共に、第１の電磁コイル１００Ａの第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用（Ｂ相）の複数の第２の電磁コイル１００Ｂと、を備え、第１と第２の電磁コイルは、それぞれの誘起電圧が同じ値になり、かつ、それぞれの巻線抵抗が同じ値となるように構成されていることを特徴とする電気機械装置。
【解決手段】回転軸２３０を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置１０であって、個々の永久磁石２００の磁化の方向が回転軸２３０を中心とする放射または中心方向であり、回転軸２３０を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石２００と、複数の永久磁石２００と対向すると共に、永久磁石２００の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用（Ａ相）の複数の第１の電磁コイル１００Ａと、複数の永久磁石２００と対向すると共に、第１の電磁コイル１００Ａの第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用（Ｂ相）の複数の第２の電磁コイル１００Ｂと、を備え、第１と第２の電磁コイルは、それぞれの誘起電圧が同じ値になり、かつ、それぞれの巻線抵抗が同じ値となるように構成されていることを特徴とする電気機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２相以上のコイルを有するラジアルギャップ型の電気機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械装置（電動モーター）における磁石と電磁コイルの配置の構造には、アキシャルギャップ型とラジアルギャップ型とがある。アキシャルギャップ型（例えば特許文献１）の場合、電磁コイルが複数相あっても、各電磁コイルと磁石との間の距離を同じにすることができるため、それぞれの相の電磁コイルの特性を同じにすることは容易である。これに対し、ラジアルギャップ型の場合、永久磁石の磁束を有効に使おうとして２つの電磁コイルを重ねて配置すると、各電磁コイルと磁石との距離を同じにすることは困難なため、それぞれの相の電磁コイルの特性を同じにすることは容易ではなかった。そのため、２つの電磁コイルの駆動力のバランスを取ることが難しく、ラジアルギャップ型の電気機械装置を効率よく駆動することが難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、ラジアル構造の電気機械装置を効率よく駆動することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
［適用例１］
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用の複数の第１の電磁コイルと、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの前記第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用の複数の第２の電磁コイルと、を備え、前記第１と第２の電磁コイルは、それぞれの誘起電圧が同じ値になり、かつ、それぞれの巻線抵抗が同じ値となるように構成されていることを特徴とする電気機械装置。
この適用例によれば、第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスを取ることが出来るため、電気機械装置を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【０００７】
［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置において、前記第１の電磁コイルの巻数をｎａ、磁路長（磁界中の電線長）をｌａ、線材断面積をＳａ、前記永久磁石から受ける平均磁束密度をＢａ、とし、前記第２の電磁コイルの巻数をｎｂ、磁路長をｌｂ、線材断面積をＳｂ、前記永久磁石から受ける平均磁束密度をＢｂ、とするときに、前記第１、第２の電磁コイルは、前記第１の円筒面上にそれぞれ投影された形状が同じ大きさに巻かれており（ｌａ＝ｌｂ）、かつ、ｎａ／ｎｂ＝Ｂｂ／Ｂａ及び、ｎａ／ｎｂ＝Ｓａ／Ｓｂを満たすように形成されている、電気機械装置。
この適用例に記載した条件を満たすことにより、第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスを取ることが出来る。
【０００８】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の電気機械装置において、さらに、前記第１、第２の電磁コイルを駆動するための駆動信号の進角を調整し、誘起電圧波形と駆動電流波形の位相を合わせる進角調整部を前記第１、第２の電磁コイル毎に備える、電気機械装置。
この適用例によれば、第１、第２の電磁コイルのインダクタンスに起因する駆動電流波形の遅れを修正し、第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のさらなるバランスを取ることが出来る。
【０００９】
［適用例４］
適用例３に記載の電気機械装置において、さらに、前記電気機械装置の回転数を検知する回転数検知部を備え、前記進角調整部は、前記各電磁コイルの進角調整値を前記回転数に基づいて定める、電気機械装置。
各電磁コイルの進角調整値は、電磁コイルのインダクタンスと、回転数と、トルクと、に依存する。この適用例によれば、回転数に基づいて第１、第２の電磁コイルを駆動するための駆動信号を別個に進角調整することができるので、回転数に起因する第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスの乱れを修正することができる。
【００１０】
［適用例５］
適用例３または適用例４に記載の電気機械装置において、前記進角調整部は、前記各電磁コイルの進角調整値を前記電気機械装置に対するトルクに基づいて定める、電気機械装置。
電気機械装置では、トルクに応じて電磁コイルに電流が流れる。また、電磁コイルの進角調整値は、電磁コイルのインダクタンスと、回転数と、トルクと、に依存する。この適用例によれば、トルクに基づいて第１、第２の電磁コイルを駆動するための駆動信号を別個に進角調整することができるので、電磁コイルに流れる電流に起因する第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスの乱れを修正することができる。
【００１１】
［適用例６］
適用例３〜５のいずれか一つに記載の電気機械装置において、前記進角調整部は、前記第２の電磁コイルの進角を前記第１の電磁コイルの進角よりも進める、電気機械装置。
永久磁石から遠い方の電磁コイルは永久磁石から受ける磁束密度が低いため、誘起電圧の大きさを同じ大きさにしようとすると巻数が多くなる。巻数が多くなるとインダクタンスが大きくなるため、永久磁石から遠い方の電磁コイルは、永久磁石から近い方の電磁コイルに比べ波形が遅れる。この適用例によれば第２の電磁コイルの進角を進めることによりこの遅れをカバーすることができる。
【００１２】
［適用例７］
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１の電磁コイルと、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２の電磁コイルと、を備え、前記第１の電磁コイルと前記第２の電磁コイルについて、その巻線損失が理想設計値と同じ値となるように、前記第１、第２の電磁コイルの巻数と、線材の太さとが調整されている、電気機械装置。
この適用例によれば、第１の電磁コイルと前記第２の電磁コイルの巻線損失は、理想設計値と同じ値となるように第１、第２の電磁コイルの巻数、線材の太さが調整されているので、第１の電磁コイルと第２の電磁コイルの、巻線損失のバランスと同時に、駆動力のバランスを取ることが出来る。そのため、電気機械装置を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【００１３】
［適用例８］
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１の電磁コイルと、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２の電磁コイルと、を備え、さらに、前記第１、第２の電磁コイルの誘起電圧の比に対応して前記第１と第２の電磁コイルの駆動電圧を、ＰＷＭ制御のデューティを変えることで調整する電圧調整部を備える、電気機械装置。
この適用例によれば、第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスを取ることが出来るため、電気機械装置を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【００１４】
［適用例９］
適用例１〜８のいずれか一つに記載の電気機械装置を有する移動体。
この適用例によれば、移動、加速、減速時における動作が滑らかとなり、乗り心地や効率のよい移動体を実現できる。
【００１５】
［適用例１０］
適用例１〜８のいずれか一つに記載の電気機械装置を有するロボット。
この適用例によれば、ロボットの動作がスムーズとなり、ギクシャクしないロボットを実現できる。
【００１６】
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、モーターや発電装置などの電気機械装置、それを用いたアクチュエーターやロボット、移動体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施例の電動モーターの構成を示す説明図である。
【図２】電磁コイルを展開し外側から見たときの形状を模式的に示す説明図である。
【図３】電磁コイルと永久磁石の関係を拡大して示す説明図である。
【図４Ａ】電磁コイル１００の巻線数を同じにして線材径を変えたときの一例を示す説明図である。
【図４Ｂ】図４Ａに対し、さらに、巻数を調整したときの一例を示す説明図である。
【図５】電動モーターの制御部を示す説明図である。
【図６】モーター駆動回路の一例を示す説明図である。
【図７Ａ】無負荷回転時における回転数と各相の進角調整値の関係の一例を示す説明図である。
【図７Ｂ】定回転（３０００ｒｐｍ）における負荷トルクと各相の進角調整値の関係の一例を示す説明図である。
【図８】Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ａ相のモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ〜ＤＲＶＡ２Ｌと、Ｂ相のモーター駆動信号ＤＲＶＢ１Ｈ〜ＤＲＶＢ２Ｌと、Ａ相コイル、Ｂ相コイルの端子電圧、のタイミングチャートを示す説明図である。
【図９】本発明の変形例によるモーター／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１０】本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。
【図１１】本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１の実施例：
図１は、第１の実施例の電動モーターの構成を示す説明図である。図１（Ａ）は、回転軸と平行な面で切ったときの断面を示し、図１（Ｂ）は、回転軸と垂直な面で切ったときの断面を示している。電動モーター１０は、ラジアルギャップ構造のインナーローター型モーターであり、ステーター１５と、ローター２０と、を備える。ステーター１５は外側に配置されており、ステーター１５の内側には、略円筒状の空間が形成されており、この略円筒状の空間には、略円筒状のローター２０が配置されている。
【００１９】
ステーター１５は、電磁コイル１００と、コイルバックヨーク１１５と、を備える。ローター２０は、永久磁石２００と、サイドヨーク２１０と、回転軸２３０と、を備える。回転軸２３０は、ローター２０の中心軸であり、回転軸２３０の外周に永久磁石２００が配置されている。永久磁石２００は、回転軸２３０の中心から外部に向かう径方向（放射方向）に沿って磁化されている。永久磁石２００の回転軸２３０と平行な方向の両側には、サイドヨーク２１０が配置されている。サイドヨーク２１０は、磁性体材料で形成されており、永久磁石２００の回転軸２３０と平行な方向への磁束の漏れを抑制する。ローター２０は、回転軸２３０によって、ケーシング１１０の軸受け２４０で支持されている。ステーター１５は、ケーシング１１０によって固定されている。
【００２０】
ケーシング１１０は、内側が略円筒形の空間になっており、その内周に沿ってコイルバックヨーク１１５、及び複数の電磁コイル１００が配置されている。なお、本実施例では、電磁コイル１００は、内側に配置される電磁コイル１００Ａと外側に配置される電磁コイル１００Ｂとを備えている。なお、本実施例では、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂを区別する必要がない場合には、単に「電磁コイル１００」と呼ぶ。電磁コイル１００は、コアレス（空芯）である。また、電磁コイル１００と永久磁石２００とは、ローター２０とステーター１５の対向する円筒面に対向して配置されている。電磁コイル１００の放射方向外側には、コイルバックヨーク１１５が設けられている。コイルバックヨーク１１５は、電磁コイル１００のコイルエンドと重なっていないことが好ましい。磁界中の電線に電流が流れると、磁界及び電流の向きの両方に直角の方向にローレンツ力が働く。ここで、コイルエンドとは、電磁コイル１００を形成する電線の向きが、ローター２０の回転方向と略平行である領域をいう。コイルエンドに働くローレンツ力は、ローター２０の回転方向と直角の方向であり、ローター２０の回転力に寄与しない。すなわち、コイルエンドに磁束が通ると、永久磁石２００の磁束を回転力に有効に使うことができない。コイルバックヨーク１１５は、磁束を集める機能を有している。本実施例では、コイルバックヨーク１１５は、電磁コイル１００のコイルエンドと重なっていないため、電磁コイル１００のコイルエンドを除いた部分に永久磁石２００からの磁束を集中させることが出来るため、永久磁石２００の磁束をローター２０の回転力に有効に使うことが出来る。
【００２１】
ケーシング１１０は、回転軸２３０と平行な円筒形状部分（側面部）１１１と、円筒形状部分１１１の両端に配置された、回転軸２３０と垂直な端面部分１１２とを備える。２つの端面部分１１２は、円筒形状部分１１１を挟んで配置されており、２つの端面部分１１２と、円筒形状部分１１１は、取り付けネジ１２０により固定されている。円筒形状部分１１１は、コイルバックヨーク１１５と重なっている。円筒形状部分１１１は、コイルバックヨーク１１５に生じた熱を放熱するために、熱伝導性の高い材料で形成されている。端面部分１１２は、熱伝導性の高い材料で形成されていてもよく、また、樹脂で形成されていてもよい。
【００２２】
図２は、電磁コイルを展開し、外側から見たときの形状を模式的に示す説明図である。図２（Ａ）は、永久磁石２００とサイドヨーク２１０に加えて電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの両方を記載している。図２（Ｂ）は、永久磁石２００とサイドヨーク２１０に加えて電磁コイル１００Ａを記載し、電磁コイル１００Ｂを記載していない。図２（Ｃ）は、永久磁石２００とサイドヨーク２１０に加えて電磁コイル１００Ｂを記載し、電磁コイル１００Ａを記載していない。図２に示すように、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、円筒平面上で、それぞれ略長方形に巻かれている。ここで、電磁コイル１００Ａと、１００Ｂとは、電気角でπ／２ずれるように配置されている。電磁コイル１００Ａと１００Ｂは、同じ円筒面に形成されると、コイルエンド同士が干渉する。そのため、電磁コイル１００Ａと１００Ｂは、永久磁石２００からの距離が異なる円筒面に形成される。電磁コイル１００Ａと１００Ｂは、永久磁石２００からの距離が異なることから、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが永久磁石２００から受ける磁束の強さ（磁束密度）が異なることになり、同じ仕様（線材径、巻数）で電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂを構成するとそれぞれの駆動力のバランスが崩れることになる。
【００２３】
図３は、電磁コイルと永久磁石の関係を拡大して示す説明図である。なお、図１（Ｂ）に示すように、電磁コイル１００Ａと１００Ｂは、円周方向にずれているが、図３では、比較のため、円周方向にずれていないものとして記載している。また、永久磁石２００からの距離に対する磁束密度の特性を図中に重ねて示している。電磁コイル１００Ｂの方が、電磁コイル１００Ａよりも永久磁石２００から離れているため、平均の磁束密度は小さい。したがって、同じ誘起電圧を発生させるためには、電磁コイル１００Ｂの巻数を電磁コイルＡの巻数よりも多くする必要がある。一方、電磁コイル１００Ｂの巻数を大きくすると、同じ線材径では電磁コイル１００Ｂの巻線抵抗の方が電磁コイル１００Ａの巻線抵抗よりも大きくなる。したがって、同じ駆動力とするために電磁コイルの駆動電流を等しくすると、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂの巻線損失のバランスがくずれ、その発熱により駆動力のバランスを取ることが難しい。
【００２４】
本実施例では、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂを以下のように構成することにより、電磁コイル１００Ａによる駆動力と電磁コイル１００Ｂによる駆動力のバランスを維持する。
【００２５】
電磁コイル１００に生じる誘起電圧の大きさＥは、Ｅ＝Ｂ×Ｌ×ｖで表される。ここで、Ｂは電磁コイル１００が永久磁石２００から受ける磁束密度、Ｌは電磁コイルの磁界中の電線長、ｖは、永久磁石２００と電磁コイル１００の相対速度を示す。ここで磁界中の電線長Ｌは、電磁コイル１００のうちのコイルエンドを除いた部分の一巻きの長さＬｎに巻数ｎを掛けた値（Ｌｎ×ｎ）に等しい。永久磁石２００と電磁コイル１００の相対速度ｖは、回転中心から電磁コイル１００までの長さｒにローターの角速度ωを掛けた値（ｒ×ω）に等しい。したがって、電磁コイル１００Ａに生じる誘起電圧Ｅａは、Ｅａ＝Ｂａ×Ｌａ×ｒａ×ωで表される。ここでＢａは、電磁コイル１００Ａが受ける平均磁束密度、Ｌａは電磁コイル１００Ａの磁界中の平均電線長で、ｒａは回転中心から電磁コイル１００Ａまでの平均の長さである。なお、平均磁束密度Ｂａを用いずに、電磁コイル１００Ａを形成する１巻き毎に誘起電圧を算出し、１巻き毎の誘起電圧の総和をＥａ＝Σ（Ｂａｎ×Ｌａｎ×ｒａｎ×ω）で算出してもよい。ここで、磁束密度Ｂａｎは電磁コイル１００Ａの一巻きが受ける磁束密度であり、Ｌａｎは電磁コイル１００Ａの一巻きの磁界中の電線長であり、ｒａｎは回転中心から電磁コイル１００Ａの一巻きまでの長さである。同様に、電磁コイル１００Ｂに生じる誘起電圧Ｅｂは、Ｅｂ＝Ｂｂ×Ｌｂ×ｒｂ×ω＝Σ（Ｂｂｎ×Ｌｂｎ×ｒｂｎ×ω）で示すことが出来る。したがって、電磁コイル１００Ａに生じる誘起電圧Ｅａの大きさと、電磁コイル１００Ｂに生じる誘起電圧Ｅｂを等しくするには、Ｂａ×Ｌａ×ｒａ×ω＝Ｂｂ×Ｌｂ×ｒａ×ω、ｒａ≒ｒｂとすると、Ｌａ／Ｌｂ＝Ｂｂ／Ｂａを満たせばよい。ここで、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの巻数をｎａ、ｎｂとすると、Ｌａ＝ｎａ×Ｌａｎ、Ｌｂ＝ｎｂ×Ｌｂｎとなり、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの一巻きの磁界中の電線長ＬａｎとＬｂｎとが同じ値であれば、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの巻数ｎａ、ｎｂが、ｎａ／ｎｂ＝Ｂｂ／Ｂａを満たせばよい。
【００２６】
次に、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの電気抵抗（巻線抵抗）について考える。電磁コイル１００の巻線抵抗Ｒは、Ｒ＝ρ×ｌ／Ｓで示される。ここで、ρは電磁コイル１００を形成する線材の比抵抗、ｌは電磁コイル１００を形成する線材の線材長、Ｓは、電磁コイル１００を形成する線材の断面積である。なお線材長ｌは、コイルエンドを含んでおり、線材長ｌ＞磁界中の電線長Ｌである。電磁コイル１００Ａの電気抵抗Ｒａは、Ｒａ＝ρ×ｌａ／Ｓａで示され、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗Ｒｂは、Ｒｂ＝ρ×ｌｂ／Ｓｂで示される。電磁コイル１００Ａと１００Ｂの電気抵抗が同じであるためには、ρ×ｌａ／Ｓａ＝ρ×ｌｂ／Ｓｂ、すなわち、ｌａ／ｌｂ＝Ｓａ／Ｓｂを満たせばよい。なお、コイルエンドが磁界中の電線長Ｌに対し十分に小さければ、線材長ｌ≒磁界中の電線長Ｌとなり、Ｌａ／Ｌｂ＝Ｓａ／Ｓｂとなる。ここで、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの巻数をｎａ、ｎｂとすると、Ｌａ＝ｎａ×Ｌａｎ、Ｌｂ＝ｎｂ×Ｌｂｎとなり、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの一巻きの磁界中の電線長ＬａｎとＬｂｎとが同じ値であれば、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの巻数ｎａ、ｎｂが、ｎａ／ｎｂ＝Ｓａ／Ｓｂを満たせばよい。
【００２７】
以上、本実施例によれば、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの誘起電圧はそれぞれ同じ値となり、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの電気抵抗がそれぞれ同じ値となるように、構成されているので、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取ることが出来る。そのため、電動モーター１０を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【００２８】
Ｂ．第２の実施例：
第１の実施例では、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの誘起電圧と、巻線抵抗とがそれぞれ同じ値となるようにしたが、第２の実施例では、電磁コイル１００の巻線損失が理想値とほぼ同じ値になるようにしている。すなわち、電磁コイル１００の駆動電圧Ｖで駆動するとき、誘起電圧Ｅとの間には、Ｖ＝Ｅ＋ＩＲの関係がある。ここでＩは、電磁コイルに流れる電流であり、Ｒは、電磁コイル１００の電気抵抗（巻線抵抗）である。巻線損失ＰはＰ＝Ｒ×Ｉ２で表される。本実施例は、この巻線損失を理想値とほぼ同じにするものである。
【００２９】
図４Ａは、電磁コイル１００の巻数を同じにして線材径を変えたときの一例を示す説明図である。理想的には、電磁コイル１００の線材径（導体径）を０．２２５ｍｍで、巻数１８２Ｔ（ターン）のとき電気抵抗は３６．０Ωとなるとすると、この線材径は標準品として販売されていないため、線材径が０．２２ｍｍまたは０．２３ｍｍのものを用いる必要がある。かかる場合、同じ巻数とすると、線材径が０．２３ｍｍの電気抵抗は３４．３５Ωであり、線材径が０．２２ｍｍの電気抵抗は３７．５４Ωであり、理想値に対して約５％ずれている。
【００３０】
図４Ｂは、図４Ａに対し、さらに、巻数を調整したときの一例を示す説明図である。本実施例の場合、電磁コイル１００の設計において、巻数と電気抵抗の設計値に対する理想線材径が一般市販品の線材径とずれた場合、さらに巻数を調整することで巻線損失を設計理想値に近い値とすることが可能であることを示す。
設計上のコイル断面積を理想（線材径０．２２５ｍｍ、巻数１８２Ｔ）と同等とすると、この例では、線材径０．２３ｍｍのとき電磁コイルの巻数を１７５巻きと少なくし、線材径０．２２ｍｍのとき電磁コイルの巻数を１８９巻きと多くしている。その結果、電磁コイルの電気抵抗は、それぞれ３３．１４Ωと、３９．１５Ωとなり、それぞれの巻線損失の設計値とのずれを次に求める。
【００３１】
ここで、電磁コイルの巻線損失は、
（巻線損失）＝（巻線抵抗）×（巻線電流）２
で示される。巻線抵抗は電磁コイルの電気抵抗と同意である。上式において、２種の線材について、巻線損失、巻線抵抗、巻線電流を各要素の比で表すと、
（巻線損失比）＝（巻線抵抗比）×（巻線電流比）２
となる。また、電動モーター１０の出力を一定とすると、誘起電圧をｍ倍にすると、巻線電流は、１／ｍでよい。そして、誘起電圧は、巻数に比例する。したがって、
（巻数比）＝（誘起電圧比）＝１／（巻線電流比）
となる。すなわち、
（巻線損失比）＝（巻線抵抗比）／（巻数比）２
となる。
【００３２】
図４Ｂの示すデータを用いて、巻線損失比（理想値に対する比）を算出すると、電磁コイルの巻線損失比は、線材径０．２３ｍｍで０．９９５７であり、線材径０．２２ｍｍで１．００８４となり、ほぼ１％の範囲内にすることが可能である。すなわち、実際の設計において理想の線材径がない場合でも、理想に近い値の線材径を有する線材を使用することで、電磁コイル１００Aと電磁コイル１００Bの巻線損失を、理想値とほぼ同じ値にすることができる。このように、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを形成すれば、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取ることが出来るため、電動モーター１０を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【００３３】
Ｃ．第３の実施例：
第１、第２の実施例では、電磁コイル１００の構成（巻数、線材の径）を調整し、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取るように構成している。しかし、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの巻数が異なると、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのインダクタンスが異なる。外側に配置される電磁コイル１００Ｂが永久磁石２００から受ける磁束密度の方が小さい。そのため、電磁コイル１００Ａに生じる誘起電圧と、同じ大きさの誘起電圧を電磁コイル１００Ｂに生じさせるためには、電磁コイル１００Ｂの巻数ｎｂを電磁コイル１００Ａの巻数ｎａよりも大きくする必要がある。そして、一般に、巻数が多いほどインダクタンスが大きくなり、誘起電圧に対して電流が遅れる。第３の実施例では、さらに進角制御を行い、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取る。
【００３４】
図５は、電動モーターの制御部を示す説明図である。制御部４００は、Ａ相ゲイン進角調整部４０５Ａと、Ｂ相ゲイン進角調整部４０５Ｂと、ＰＷＭ信号生成部４９０と、モーター駆動信号生成部５００と、モーター駆動回路５１０と、を備える。電動モーター１０は、図１で説明した構成に加えて、Ａ相センサー３００Ａと、Ｂ相センサー３００Ｂとを備える。なお、図５では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、永久磁石２００と、Ａ相センサー３００Ａと、Ｂ相センサー３００Ｂ、のみを記載している。Ａ相センサー３００Ａは、永久磁石２００の電気角を検知するためのセンサーであり、例えばホール素子を用いた磁気センサーである。Ａ相センサーは、電気角２πを周期としたＡ相センサー信号ＳＳＡを生成する。なお、Ｂ相センサー３００Ｂも同様である。なお、Ａ相センサー３００ＡとＢ相センサー３００Ｂとは、それぞれが生成するＡ相センサー信号ＳＳＡと、Ｂ相センサー信号ＳＳＢとが電気角でｎπ（ｎは整数）ずれる位置を除いた配置とする。Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ｂ相センサー信号ＳＳＢとが電気角でｎπずれていると、Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ｂ相センサー信号ＳＳＢとを用いて、電動モーター１０のローター２０（図１）の回転方向を検知することができない。すなわち、Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ｂ相センサー信号ＳＳＢとは電気角でπ／２ずれている。
【００３５】
Ａ相ゲイン進角調整部４０５Ａと、Ｂ相ゲイン進角調整部４０５Ｂとは同じ構成であるので、Ａ相ゲイン進角調整部４０５Ａを例にとり説明する。Ａ相ゲイン進角調整部４０５Ａは、アナログ−デジタルーコンバーター４１０Ａ（以下、「ＡＤコンバーター４１０Ａ」と呼ぶ。）と、進角補正波形生成部４２０Ａと、ゲイン補正波形生成部４３０Ａと、駆動波形生成部４４０Ａと、ゲイン調整値設定部４５０Ａと、回転数検出部４６０Ａと、最適進角生成部４７０Ａと、進角特性設定部４８０Ａと、を備える。駆動波形生成部４４０Ａは、駆動波形記憶部４４５Ａを備えている。駆動波形記憶部４４５Ａは、誘起電圧波形に応じた駆動波形パターンを格納している。進角特性設定部４８０Ａは、進角特性記憶部４８５Ａを備えている。進角特性記憶部４８５Ａは、回転数に対する進角特性、及びトルクに対する進角特性を記憶したテーブルを格納している。ゲイン調整値設定部４５０Ａは、ゲイン調整値記憶部４５５Ａを備えている。ゲイン調整値記憶部４５５Ａは、電磁コイル１００Ａと１００Ｂに発生する誘起電圧の差を補正するゲイン調整値を記憶している。これらのテーブルは、あらかじめ実験により求めておく。モーター駆動回路５１０は、Ａ相負荷電流センサー５２０Ａと、Ｂ相負荷電流センサー５２０Ｂとを備える。
【００３６】
ＡＤコンバーター４１０Ａは、アナログ信号であるＡ相センサー３００ＡからのＡ相センサー信号ＳＳＡをデジタル信号ＳＳＡＤに変換する。回転数検出部４６０Ａは、例えば、所定の期間内のＡ相センサー信号の振幅の１／２の電圧をクロスする期間をクロックでカウントすることにより、半波長の周期を算出し、ローター２０（図１）の回転数を検出することができる。進角特性設定部４８０Ａは、回転数に対する進角特性、及びトルクに対する進角特性を保持している。最適進角生成部４７０Ａは、ローター２０の回転数と、Ａ相負荷電流センサー５２０Ａからの電磁コイル１００Ａに流れる電流量（トルクに比例）によって、進角特性設定部４８０Ａから最適な進角調整値を読み出し、進角補正波形生成部４２０Ａに設定する。電磁コイル１００Ａに流れる電流量を考慮するのは、この電流量は、電動モーター１０にかかる負荷トルクに依存するからである。進角補正波形生成部４２０Ａは、最適な進角調整値に基づき、デジタル信号ＳＳＡＤを進角調整し、進角補正波形を生成する。なお、進角を調整すると、電磁コイル１００Ａに流れる電流量が変化するため、本制御は、フィードバック制御となる。
【００３７】
ゲイン調整値設定部４５０Ａは、電磁コイル１００Ａと１００Ｂに発生する誘起電圧の差を補正するゲイン調整値を保持している。ゲイン補正波形生成部４３０Ａは、ゲイン調整値設定部４５０Ａからのゲイン調整値と、進角補正波形と、を用いて、ゲイン調整された進角補正波形を生成する。駆動波形生成部４４０Ａは、ゲイン調整された進角補正波形を用い、駆動波形記憶部４４５Ａに格納された駆動波形パターンを参照して、電磁コイル１００Ａを駆動するための駆動波形を生成する。
【００３８】
ＰＷＭ信号生成部４９０は、駆動波形生成部４４０Ａ、４４０Ｂからの駆動波形を用いて、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。モーター駆動信号生成部５００は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに流す電流をスイッチングするためのモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ〜ＤＲＶＢ２Ｌを生成する。
【００３９】
図６は、モーター駆動回路の一例を示す説明図である。モーター駆動回路５１０は、モーター駆動電源５３０と、平滑コンデンサーＣ１と、負荷電流センサー５２０Ａ、５２０Ｂと、Ｈ型ブリッジ回路５４０Ａ、５４０Ｂとを備える。平滑コンデンサーＣ１は、電源−グランド間に配置されている。Ａ相用の負荷電流センサー５２０ＡとＨ型ブリッジ回路５４０Ａは、電源―グランド間に直列に接続されている。Ｈ型ブリッジ回路５４０Ａは、４つのトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４を有している。各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のドレインに電磁コイル１００Ａが接続されており、Ｈ型ブリッジ回路５４０Ａの対角の２つのトランジスタ（例えばトランジスタＴｒ１とＴｒ４、あるいは、トランジスタＴｒ２とＴｒ３）がオンすることにより、電磁コイル１００Ａに電流が流れる。 トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のオンオフは、モーター駆動信号生成部５００からのモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ〜ＤＲＶＡ２Ｌにより実行される。Ｂ相用の負荷電流センサー５２０Ｂと、Ｈ型ブリッジ回路５４０Ｂ、についても同様である。
【００４０】
図７Ａは、無負荷回転時における回転数と各相の進角調整値の関係の一例を示す説明図である。ここで、破線は、調整値を直線近似したときの線である。図７Ａから明らかなように、永久磁石２００（図１）に近い方に配置された電磁コイル１００Ａよりも、永久磁石２００に遠い方に配置された電磁コイル１００Ｂの進角を大きくすることが好ましい。電磁コイル１００Ｂの方が、永久磁石２００から受ける磁束密度が小さいため、巻数を大きくしなければ電磁コイル１００Ａが発生させる誘起電圧と同じ大きさの誘起電圧を発生させることが出来ない。ここで、電磁コイル１００Ｂの巻数を多くすると、インダクタンスが大きくなるため、誘起電圧波形に対する駆動電流波形がより遅れる。したがって、電磁コイル１００Ｂの進角を電磁コイル１００Ａの進角よりも大きくすることが好ましい。また、ローター２０の回転数が大きくなるほど進角を大きくすることが好ましい。ローターの回転数が大きくなると、電磁コイルを駆動する電気的周波数は速くなり、電気角である進角値は相対的に大きくなる。この図７Ａは、無負荷回転時における進角調整値を示すテーブルを図に表したものであるが、進角特性記憶部４８５Ａは、様々な負荷トルクにおける回転数と進角調整値との関係を示すテーブルを備えていることが好ましい。
【００４１】
図７Ｂは、定回転（３０００ｒｐｍ）における負荷トルクと各相の進角調整値の関係の一例を示す説明図である。ここで、破線は、調整値を直線近似したときの線である。図７Ｂから明らかなように、永久磁石２００（図１）に近い方に配置された電磁コイル１００Ａよりも、永久磁石２００に遠い方に配置された電磁コイル１００Ｂの進角を大きくすることが好ましい。また、電動モーター１０への負荷トルクが大きくなるほど進角を大きくすることが好ましい。この図７Ｂは、定回転時における進角調整値を示すテーブルを図に表したものであるが、進角特性記憶部４８５Ａは、様々な回転数における負荷トルクと進角調整値との関係を示すテーブルを備えていることが好ましい。また、テーブル以外に、トルクと回転数を引数とした関数から進角調整値を算出するように構成してもよい。
【００４２】
図８は、Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ａ相モーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ〜ＤＲＶＡ２Ｌと、Ｂ相モーター駆動信号ＤＲＶＢ１Ｈ〜ＤＲＶＢ２Ｌと、Ａ相コイル、Ｂ相コイルの端子電圧、のタイミングチャートを示す説明図である。図８において、上段が進角制御なし、下段が進角制御ありを示している。図６のモーター駆動回路における電源側のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ５、Ｔｒ６（図６）をスイッチングするモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ、ＤＲＶＡ２Ｈ、ＤＲＶＢ１Ｈ、ＤＲＶＢ２Ｈは、活性期間に１未満のデューティ比を有するＰＷＭ駆動波形であるが、グランド側のトランジスタＴｒ３、Ｔｒ４、Ｔｒ７、Ｔｒ８（図６）をスイッチングするモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｌ、ＤＲＶＡ２Ｌ、ＤＲＶＢ１Ｌ、ＤＲＶＢ２Ｌは、活性期間においてデューティ比が１となる矩形波である。
【００４３】
進角制御ありのタイミングチャートでは、Ａ相側のモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ、ＤＲＶＡ２Ｈ、ＤＲＶＡ１Ｌ、ＤＲＶＡ２Ｌを駆動するタイミングが、回転数及びトルクに応じて早められており、Ｂ相側のモーター駆動信号ＤＲＶＢ１Ｈ、ＤＲＶＢ２Ｈ、ＤＲＶＢ１Ｌ、ＤＲＶＢ２Ｌを駆動するタイミングは、さらに、インダクタンスの違いにより早められている。その結果、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取ることができる。
【００４４】
以上のように、本実施例では、Ａ相用駆動信号とＢ相用駆動信号それぞれの最適進角生成部（図５においてＡ相用最適進角生成部４７０Ａ、Ｂ相用最適進角生成部は図示せず）や進角特性設定部（図５においてＡ相用進角特性設定部４８０Ａ、Ｂ相用進角特性設定部は図示せず）を独立して備え、また、ゲイン調整値設定部（図５においてＡ相用ゲイン調整値設定部４５０Ａ、Ｂ相用ゲイン調整値設定部は図示せず）を独立して備えるので、相コイル毎に進角や駆動ゲインを調整することができる。その結果、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂの、インダクタンスに起因する電流の遅れ及び誘起電圧の差に起因する電流のアンバランスをカバーし、それぞれによる駆動力のバランスを取ることができる。その結果、電動モーター１０を滑らかに駆動でき、電動モーター１０の効率を向上させることが出来る。
【００４５】
なお、第１、第２の実施例の構成に加えて第３の実施例の構成を採用しても良く、第１、第２の実施例の構成を採用せず、第３の実施例のみを採用してもよい。また、進角調整、駆動ゲイン調整の両方を行っても良く、いずれか一方のみを行っても良い。
【００４６】
図９は、本発明の変形例によるモーター／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３３００は、前輪にモーター３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モーター３３１０は、充電池３３３０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ー３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、モーターの駆動と回生とを制御する回路である。このモーター３３１０としては、上述した各種の電動モーターを利用することが可能である。その結果、移動、加速、減速時における動作が滑らかとなり、乗り心地や効率のよい移動体を実現できる。
【００４７】
図１０は、本発明の変形例によるモーター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３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モーター３４３０とを有している。このモーター３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモーター３４３０としては、上述した各種の電動モーターを利用することが可能である。ロボット３４００の動作がスムーズとなり、ギクシャクしないロボット３４００を実現できる。
【００４８】
図１１は、本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。このモーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、モーター３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。このモーター３５１０としては、上述した各種の電動モーターを利用することができる。その結果、移動、加速、減速時における動作が滑らかとなり、乗り心地や効率のよい移動体を実現できる。
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
１０…電動モーター
１５…ステーター
２０…ローター
１００、１００Ａ、１００Ｂ…電磁コイル
１１０…ケーシング
１１１…円筒形状部分
１１２…端面部分
１１５…コイルバックヨーク
１２０…ネジ
２００…永久磁石
２１０…サイドヨーク
２３０…回転軸
２４０…軸受け
３００Ａ、３００Ｂ…センサー
４００…制御部
４１０Ａ…アナログ−デジタル−コンバーター（ＡＤコンバーター）
４２０Ａ…進角補正波形生成部
４３０Ａ…ゲイン補正波形生成部
４４０Ａ…駆動波形生成部
４４５Ａ…駆動波形記憶部
４５０Ａ…ゲイン調整値設定部
４５５Ａ…ゲイン調整値記憶部
４６０Ａ…回転数検出部
４７０Ａ…最適進角生成部
４８０Ａ…進角特性設定部
４８５Ａ…進角特性記憶部
４９０…ＰＷＭ信号生成部
５００…モーター駆動信号生成部
５１０…モーター駆動回路
５２０Ａ、５２０Ｂ…負荷電流センサー
５３０…モーター駆動電源
５４０Ａ、５４０Ｂ…Ｈ型ブリッジ回路
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３５００…鉄道車両
３５１０…モーター
３５２０…車輪
Ｂａ、Ｂｂ…平均磁束密度
Ｂａｎ、Ｂｂｎ…磁束密度
Ｃ１…平滑コンデンサー
ＤＲＶＡ１ＨからＤＲＶＢ２Ｌ…モーター駆動信号
Ｅａ、Ｅｂ…誘起電圧
Ｌａ、Ｌｂ・・・磁界中の電線長
ｌａ、ｌｂ・・・電磁コイルの線材長
Ｌａｎ、Ｌｂｎ・・・一巻きの磁界中の電線長
ｎａ、ｎｂ…巻数
ｒａ、ｒｂ・・・回転中心から電磁コイルまでの平均の長さ
ｒａｎ、ｒｂｎ・・・回転中心から電磁コイル一巻きまでの長さ
Ｒａ、Ｒｂ…電気抵抗（巻線抵抗）
Ｓａ、Ｓｂ・・・電磁コイルの線材断面積
ＳＳＡ、ＳＳＢ…センサー信号
ＳＳＡＤ…デジタル信号
Ｔｒ１〜Ｔｒ８…トランジスタ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２相以上のコイルを有するラジアルギャップ型の電気機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械装置（電動モーター）における磁石と電磁コイルの配置の構造には、アキシャルギャップ型とラジアルギャップ型とがある。アキシャルギャップ型（例えば特許文献１）の場合、電磁コイルが複数相あっても、各電磁コイルと磁石との間の距離を同じにすることができるため、それぞれの相の電磁コイルの特性を同じにすることは容易である。これに対し、ラジアルギャップ型の場合、永久磁石の磁束を有効に使おうとして２つの電磁コイルを重ねて配置すると、各電磁コイルと磁石との距離を同じにすることは困難なため、それぞれの相の電磁コイルの特性を同じにすることは容易ではなかった。そのため、２つの電磁コイルの駆動力のバランスを取ることが難しく、ラジアルギャップ型の電気機械装置を効率よく駆動することが難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、ラジアル構造の電気機械装置を効率よく駆動することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
［適用例１］
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用の複数の第１の電磁コイルと、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの前記第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用の複数の第２の電磁コイルと、を備え、前記第１と第２の電磁コイルは、それぞれの誘起電圧が同じ値になり、かつ、それぞれの巻線抵抗が同じ値となるように構成されていることを特徴とする電気機械装置。
この適用例によれば、第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスを取ることが出来るため、電気機械装置を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【０００７】
［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置において、前記第１の電磁コイルの巻数をｎａ、磁路長（磁界中の電線長）をｌａ、線材断面積をＳａ、前記永久磁石から受ける平均磁束密度をＢａ、とし、前記第２の電磁コイルの巻数をｎｂ、磁路長をｌｂ、線材断面積をＳｂ、前記永久磁石から受ける平均磁束密度をＢｂ、とするときに、前記第１、第２の電磁コイルは、前記第１の円筒面上にそれぞれ投影された形状が同じ大きさに巻かれており（ｌａ＝ｌｂ）、かつ、ｎａ／ｎｂ＝Ｂｂ／Ｂａ及び、ｎａ／ｎｂ＝Ｓａ／Ｓｂを満たすように形成されている、電気機械装置。
この適用例に記載した条件を満たすことにより、第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスを取ることが出来る。
【０００８】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の電気機械装置において、さらに、前記第１、第２の電磁コイルを駆動するための駆動信号の進角を調整し、誘起電圧波形と駆動電流波形の位相を合わせる進角調整部を前記第１、第２の電磁コイル毎に備える、電気機械装置。
この適用例によれば、第１、第２の電磁コイルのインダクタンスに起因する駆動電流波形の遅れを修正し、第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のさらなるバランスを取ることが出来る。
【０００９】
［適用例４］
適用例３に記載の電気機械装置において、さらに、前記電気機械装置の回転数を検知する回転数検知部を備え、前記進角調整部は、前記各電磁コイルの進角調整値を前記回転数に基づいて定める、電気機械装置。
各電磁コイルの進角調整値は、電磁コイルのインダクタンスと、回転数と、トルクと、に依存する。この適用例によれば、回転数に基づいて第１、第２の電磁コイルを駆動するための駆動信号を別個に進角調整することができるので、回転数に起因する第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスの乱れを修正することができる。
【００１０】
［適用例５］
適用例３または適用例４に記載の電気機械装置において、前記進角調整部は、前記各電磁コイルの進角調整値を前記電気機械装置に対するトルクに基づいて定める、電気機械装置。
電気機械装置では、トルクに応じて電磁コイルに電流が流れる。また、電磁コイルの進角調整値は、電磁コイルのインダクタンスと、回転数と、トルクと、に依存する。この適用例によれば、トルクに基づいて第１、第２の電磁コイルを駆動するための駆動信号を別個に進角調整することができるので、電磁コイルに流れる電流に起因する第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスの乱れを修正することができる。
【００１１】
［適用例６］
適用例３〜５のいずれか一つに記載の電気機械装置において、前記進角調整部は、前記第２の電磁コイルの進角を前記第１の電磁コイルの進角よりも進める、電気機械装置。
永久磁石から遠い方の電磁コイルは永久磁石から受ける磁束密度が低いため、誘起電圧の大きさを同じ大きさにしようとすると巻数が多くなる。巻数が多くなるとインダクタンスが大きくなるため、永久磁石から遠い方の電磁コイルは、永久磁石から近い方の電磁コイルに比べ波形が遅れる。この適用例によれば第２の電磁コイルの進角を進めることによりこの遅れをカバーすることができる。
【００１２】
［適用例７］
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１の電磁コイルと、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２の電磁コイルと、を備え、前記第１の電磁コイルと前記第２の電磁コイルについて、その巻線損失が理想設計値と同じ値となるように、前記第１、第２の電磁コイルの巻数と、線材の太さとが調整されている、電気機械装置。
この適用例によれば、第１の電磁コイルと前記第２の電磁コイルの巻線損失は、理想設計値と同じ値となるように第１、第２の電磁コイルの巻数、線材の太さが調整されているので、第１の電磁コイルと第２の電磁コイルの、巻線損失のバランスと同時に、駆動力のバランスを取ることが出来る。そのため、電気機械装置を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【００１３】
［適用例８］
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１の電磁コイルと、前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２の電磁コイルと、を備え、さらに、前記第１、第２の電磁コイルの誘起電圧の比に対応して前記第１と第２の電磁コイルの駆動電圧を、ＰＷＭ制御のデューティを変えることで調整する電圧調整部を備える、電気機械装置。
この適用例によれば、第１の電磁コイルによる駆動力と第２の電磁コイルによる駆動力のバランスを取ることが出来るため、電気機械装置を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【００１４】
［適用例９］
適用例１〜８のいずれか一つに記載の電気機械装置を有する移動体。
この適用例によれば、移動、加速、減速時における動作が滑らかとなり、乗り心地や効率のよい移動体を実現できる。
【００１５】
［適用例１０］
適用例１〜８のいずれか一つに記載の電気機械装置を有するロボット。
この適用例によれば、ロボットの動作がスムーズとなり、ギクシャクしないロボットを実現できる。
【００１６】
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、モーターや発電装置などの電気機械装置、それを用いたアクチュエーターやロボット、移動体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施例の電動モーターの構成を示す説明図である。
【図２】電磁コイルを展開し外側から見たときの形状を模式的に示す説明図である。
【図３】電磁コイルと永久磁石の関係を拡大して示す説明図である。
【図４Ａ】電磁コイル１００の巻線数を同じにして線材径を変えたときの一例を示す説明図である。
【図４Ｂ】図４Ａに対し、さらに、巻数を調整したときの一例を示す説明図である。
【図５】電動モーターの制御部を示す説明図である。
【図６】モーター駆動回路の一例を示す説明図である。
【図７Ａ】無負荷回転時における回転数と各相の進角調整値の関係の一例を示す説明図である。
【図７Ｂ】定回転（３０００ｒｐｍ）における負荷トルクと各相の進角調整値の関係の一例を示す説明図である。
【図８】Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ａ相のモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ〜ＤＲＶＡ２Ｌと、Ｂ相のモーター駆動信号ＤＲＶＢ１Ｈ〜ＤＲＶＢ２Ｌと、Ａ相コイル、Ｂ相コイルの端子電圧、のタイミングチャートを示す説明図である。
【図９】本発明の変形例によるモーター／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１０】本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。
【図１１】本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１の実施例：
図１は、第１の実施例の電動モーターの構成を示す説明図である。図１（Ａ）は、回転軸と平行な面で切ったときの断面を示し、図１（Ｂ）は、回転軸と垂直な面で切ったときの断面を示している。電動モーター１０は、ラジアルギャップ構造のインナーローター型モーターであり、ステーター１５と、ローター２０と、を備える。ステーター１５は外側に配置されており、ステーター１５の内側には、略円筒状の空間が形成されており、この略円筒状の空間には、略円筒状のローター２０が配置されている。
【００１９】
ステーター１５は、電磁コイル１００と、コイルバックヨーク１１５と、を備える。ローター２０は、永久磁石２００と、サイドヨーク２１０と、回転軸２３０と、を備える。回転軸２３０は、ローター２０の中心軸であり、回転軸２３０の外周に永久磁石２００が配置されている。永久磁石２００は、回転軸２３０の中心から外部に向かう径方向（放射方向）に沿って磁化されている。永久磁石２００の回転軸２３０と平行な方向の両側には、サイドヨーク２１０が配置されている。サイドヨーク２１０は、磁性体材料で形成されており、永久磁石２００の回転軸２３０と平行な方向への磁束の漏れを抑制する。ローター２０は、回転軸２３０によって、ケーシング１１０の軸受け２４０で支持されている。ステーター１５は、ケーシング１１０によって固定されている。
【００２０】
ケーシング１１０は、内側が略円筒形の空間になっており、その内周に沿ってコイルバックヨーク１１５、及び複数の電磁コイル１００が配置されている。なお、本実施例では、電磁コイル１００は、内側に配置される電磁コイル１００Ａと外側に配置される電磁コイル１００Ｂとを備えている。なお、本実施例では、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂを区別する必要がない場合には、単に「電磁コイル１００」と呼ぶ。電磁コイル１００は、コアレス（空芯）である。また、電磁コイル１００と永久磁石２００とは、ローター２０とステーター１５の対向する円筒面に対向して配置されている。電磁コイル１００の放射方向外側には、コイルバックヨーク１１５が設けられている。コイルバックヨーク１１５は、電磁コイル１００のコイルエンドと重なっていないことが好ましい。磁界中の電線に電流が流れると、磁界及び電流の向きの両方に直角の方向にローレンツ力が働く。ここで、コイルエンドとは、電磁コイル１００を形成する電線の向きが、ローター２０の回転方向と略平行である領域をいう。コイルエンドに働くローレンツ力は、ローター２０の回転方向と直角の方向であり、ローター２０の回転力に寄与しない。すなわち、コイルエンドに磁束が通ると、永久磁石２００の磁束を回転力に有効に使うことができない。コイルバックヨーク１１５は、磁束を集める機能を有している。本実施例では、コイルバックヨーク１１５は、電磁コイル１００のコイルエンドと重なっていないため、電磁コイル１００のコイルエンドを除いた部分に永久磁石２００からの磁束を集中させることが出来るため、永久磁石２００の磁束をローター２０の回転力に有効に使うことが出来る。
【００２１】
ケーシング１１０は、回転軸２３０と平行な円筒形状部分（側面部）１１１と、円筒形状部分１１１の両端に配置された、回転軸２３０と垂直な端面部分１１２とを備える。２つの端面部分１１２は、円筒形状部分１１１を挟んで配置されており、２つの端面部分１１２と、円筒形状部分１１１は、取り付けネジ１２０により固定されている。円筒形状部分１１１は、コイルバックヨーク１１５と重なっている。円筒形状部分１１１は、コイルバックヨーク１１５に生じた熱を放熱するために、熱伝導性の高い材料で形成されている。端面部分１１２は、熱伝導性の高い材料で形成されていてもよく、また、樹脂で形成されていてもよい。
【００２２】
図２は、電磁コイルを展開し、外側から見たときの形状を模式的に示す説明図である。図２（Ａ）は、永久磁石２００とサイドヨーク２１０に加えて電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの両方を記載している。図２（Ｂ）は、永久磁石２００とサイドヨーク２１０に加えて電磁コイル１００Ａを記載し、電磁コイル１００Ｂを記載していない。図２（Ｃ）は、永久磁石２００とサイドヨーク２１０に加えて電磁コイル１００Ｂを記載し、電磁コイル１００Ａを記載していない。図２に示すように、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、円筒平面上で、それぞれ略長方形に巻かれている。ここで、電磁コイル１００Ａと、１００Ｂとは、電気角でπ／２ずれるように配置されている。電磁コイル１００Ａと１００Ｂは、同じ円筒面に形成されると、コイルエンド同士が干渉する。そのため、電磁コイル１００Ａと１００Ｂは、永久磁石２００からの距離が異なる円筒面に形成される。電磁コイル１００Ａと１００Ｂは、永久磁石２００からの距離が異なることから、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂが永久磁石２００から受ける磁束の強さ（磁束密度）が異なることになり、同じ仕様（線材径、巻数）で電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂを構成するとそれぞれの駆動力のバランスが崩れることになる。
【００２３】
図３は、電磁コイルと永久磁石の関係を拡大して示す説明図である。なお、図１（Ｂ）に示すように、電磁コイル１００Ａと１００Ｂは、円周方向にずれているが、図３では、比較のため、円周方向にずれていないものとして記載している。また、永久磁石２００からの距離に対する磁束密度の特性を図中に重ねて示している。電磁コイル１００Ｂの方が、電磁コイル１００Ａよりも永久磁石２００から離れているため、平均の磁束密度は小さい。したがって、同じ誘起電圧を発生させるためには、電磁コイル１００Ｂの巻数を電磁コイルＡの巻数よりも多くする必要がある。一方、電磁コイル１００Ｂの巻数を大きくすると、同じ線材径では電磁コイル１００Ｂの巻線抵抗の方が電磁コイル１００Ａの巻線抵抗よりも大きくなる。したがって、同じ駆動力とするために電磁コイルの駆動電流を等しくすると、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂの巻線損失のバランスがくずれ、その発熱により駆動力のバランスを取ることが難しい。
【００２４】
本実施例では、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂを以下のように構成することにより、電磁コイル１００Ａによる駆動力と電磁コイル１００Ｂによる駆動力のバランスを維持する。
【００２５】
電磁コイル１００に生じる誘起電圧の大きさＥは、Ｅ＝Ｂ×Ｌ×ｖで表される。ここで、Ｂは電磁コイル１００が永久磁石２００から受ける磁束密度、Ｌは電磁コイルの磁界中の電線長、ｖは、永久磁石２００と電磁コイル１００の相対速度を示す。ここで磁界中の電線長Ｌは、電磁コイル１００のうちのコイルエンドを除いた部分の一巻きの長さＬｎに巻数ｎを掛けた値（Ｌｎ×ｎ）に等しい。永久磁石２００と電磁コイル１００の相対速度ｖは、回転中心から電磁コイル１００までの長さｒにローターの角速度ωを掛けた値（ｒ×ω）に等しい。したがって、電磁コイル１００Ａに生じる誘起電圧Ｅａは、Ｅａ＝Ｂａ×Ｌａ×ｒａ×ωで表される。ここでＢａは、電磁コイル１００Ａが受ける平均磁束密度、Ｌａは電磁コイル１００Ａの磁界中の平均電線長で、ｒａは回転中心から電磁コイル１００Ａまでの平均の長さである。なお、平均磁束密度Ｂａを用いずに、電磁コイル１００Ａを形成する１巻き毎に誘起電圧を算出し、１巻き毎の誘起電圧の総和をＥａ＝Σ（Ｂａｎ×Ｌａｎ×ｒａｎ×ω）で算出してもよい。ここで、磁束密度Ｂａｎは電磁コイル１００Ａの一巻きが受ける磁束密度であり、Ｌａｎは電磁コイル１００Ａの一巻きの磁界中の電線長であり、ｒａｎは回転中心から電磁コイル１００Ａの一巻きまでの長さである。同様に、電磁コイル１００Ｂに生じる誘起電圧Ｅｂは、Ｅｂ＝Ｂｂ×Ｌｂ×ｒｂ×ω＝Σ（Ｂｂｎ×Ｌｂｎ×ｒｂｎ×ω）で示すことが出来る。したがって、電磁コイル１００Ａに生じる誘起電圧Ｅａの大きさと、電磁コイル１００Ｂに生じる誘起電圧Ｅｂを等しくするには、Ｂａ×Ｌａ×ｒａ×ω＝Ｂｂ×Ｌｂ×ｒａ×ω、ｒａ≒ｒｂとすると、Ｌａ／Ｌｂ＝Ｂｂ／Ｂａを満たせばよい。ここで、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの巻数をｎａ、ｎｂとすると、Ｌａ＝ｎａ×Ｌａｎ、Ｌｂ＝ｎｂ×Ｌｂｎとなり、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの一巻きの磁界中の電線長ＬａｎとＬｂｎとが同じ値であれば、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの巻数ｎａ、ｎｂが、ｎａ／ｎｂ＝Ｂｂ／Ｂａを満たせばよい。
【００２６】
次に、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの電気抵抗（巻線抵抗）について考える。電磁コイル１００の巻線抵抗Ｒは、Ｒ＝ρ×ｌ／Ｓで示される。ここで、ρは電磁コイル１００を形成する線材の比抵抗、ｌは電磁コイル１００を形成する線材の線材長、Ｓは、電磁コイル１００を形成する線材の断面積である。なお線材長ｌは、コイルエンドを含んでおり、線材長ｌ＞磁界中の電線長Ｌである。電磁コイル１００Ａの電気抵抗Ｒａは、Ｒａ＝ρ×ｌａ／Ｓａで示され、電磁コイル１００Ｂの電気抵抗Ｒｂは、Ｒｂ＝ρ×ｌｂ／Ｓｂで示される。電磁コイル１００Ａと１００Ｂの電気抵抗が同じであるためには、ρ×ｌａ／Ｓａ＝ρ×ｌｂ／Ｓｂ、すなわち、ｌａ／ｌｂ＝Ｓａ／Ｓｂを満たせばよい。なお、コイルエンドが磁界中の電線長Ｌに対し十分に小さければ、線材長ｌ≒磁界中の電線長Ｌとなり、Ｌａ／Ｌｂ＝Ｓａ／Ｓｂとなる。ここで、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの巻数をｎａ、ｎｂとすると、Ｌａ＝ｎａ×Ｌａｎ、Ｌｂ＝ｎｂ×Ｌｂｎとなり、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの一巻きの磁界中の電線長ＬａｎとＬｂｎとが同じ値であれば、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの巻数ｎａ、ｎｂが、ｎａ／ｎｂ＝Ｓａ／Ｓｂを満たせばよい。
【００２７】
以上、本実施例によれば、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの誘起電圧はそれぞれ同じ値となり、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの電気抵抗がそれぞれ同じ値となるように、構成されているので、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取ることが出来る。そのため、電動モーター１０を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【００２８】
Ｂ．第２の実施例：
第１の実施例では、電磁コイル１００Ａと１００Ｂの誘起電圧と、巻線抵抗とがそれぞれ同じ値となるようにしたが、第２の実施例では、電磁コイル１００の巻線損失が理想値とほぼ同じ値になるようにしている。すなわち、電磁コイル１００の駆動電圧Ｖで駆動するとき、誘起電圧Ｅとの間には、Ｖ＝Ｅ＋ＩＲの関係がある。ここでＩは、電磁コイルに流れる電流であり、Ｒは、電磁コイル１００の電気抵抗（巻線抵抗）である。巻線損失ＰはＰ＝Ｒ×Ｉ２で表される。本実施例は、この巻線損失を理想値とほぼ同じにするものである。
【００２９】
図４Ａは、電磁コイル１００の巻数を同じにして線材径を変えたときの一例を示す説明図である。理想的には、電磁コイル１００の線材径（導体径）を０．２２５ｍｍで、巻数１８２Ｔ（ターン）のとき電気抵抗は３６．０Ωとなるとすると、この線材径は標準品として販売されていないため、線材径が０．２２ｍｍまたは０．２３ｍｍのものを用いる必要がある。かかる場合、同じ巻数とすると、線材径が０．２３ｍｍの電気抵抗は３４．３５Ωであり、線材径が０．２２ｍｍの電気抵抗は３７．５４Ωであり、理想値に対して約５％ずれている。
【００３０】
図４Ｂは、図４Ａに対し、さらに、巻数を調整したときの一例を示す説明図である。本実施例の場合、電磁コイル１００の設計において、巻数と電気抵抗の設計値に対する理想線材径が一般市販品の線材径とずれた場合、さらに巻数を調整することで巻線損失を設計理想値に近い値とすることが可能であることを示す。
設計上のコイル断面積を理想（線材径０．２２５ｍｍ、巻数１８２Ｔ）と同等とすると、この例では、線材径０．２３ｍｍのとき電磁コイルの巻数を１７５巻きと少なくし、線材径０．２２ｍｍのとき電磁コイルの巻数を１８９巻きと多くしている。その結果、電磁コイルの電気抵抗は、それぞれ３３．１４Ωと、３９．１５Ωとなり、それぞれの巻線損失の設計値とのずれを次に求める。
【００３１】
ここで、電磁コイルの巻線損失は、
（巻線損失）＝（巻線抵抗）×（巻線電流）２
で示される。巻線抵抗は電磁コイルの電気抵抗と同意である。上式において、２種の線材について、巻線損失、巻線抵抗、巻線電流を各要素の比で表すと、
（巻線損失比）＝（巻線抵抗比）×（巻線電流比）２
となる。また、電動モーター１０の出力を一定とすると、誘起電圧をｍ倍にすると、巻線電流は、１／ｍでよい。そして、誘起電圧は、巻数に比例する。したがって、
（巻数比）＝（誘起電圧比）＝１／（巻線電流比）
となる。すなわち、
（巻線損失比）＝（巻線抵抗比）／（巻数比）２
となる。
【００３２】
図４Ｂの示すデータを用いて、巻線損失比（理想値に対する比）を算出すると、電磁コイルの巻線損失比は、線材径０．２３ｍｍで０．９９５７であり、線材径０．２２ｍｍで１．００８４となり、ほぼ１％の範囲内にすることが可能である。すなわち、実際の設計において理想の線材径がない場合でも、理想に近い値の線材径を有する線材を使用することで、電磁コイル１００Aと電磁コイル１００Bの巻線損失を、理想値とほぼ同じ値にすることができる。このように、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを形成すれば、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取ることが出来るため、電動モーター１０を滑らかに駆動でき、効率を向上させることが出来る。
【００３３】
Ｃ．第３の実施例：
第１、第２の実施例では、電磁コイル１００の構成（巻数、線材の径）を調整し、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取るように構成している。しかし、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの巻数が異なると、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂのインダクタンスが異なる。外側に配置される電磁コイル１００Ｂが永久磁石２００から受ける磁束密度の方が小さい。そのため、電磁コイル１００Ａに生じる誘起電圧と、同じ大きさの誘起電圧を電磁コイル１００Ｂに生じさせるためには、電磁コイル１００Ｂの巻数ｎｂを電磁コイル１００Ａの巻数ｎａよりも大きくする必要がある。そして、一般に、巻数が多いほどインダクタンスが大きくなり、誘起電圧に対して電流が遅れる。第３の実施例では、さらに進角制御を行い、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取る。
【００３４】
図５は、電動モーターの制御部を示す説明図である。制御部４００は、Ａ相ゲイン進角調整部４０５Ａと、Ｂ相ゲイン進角調整部４０５Ｂと、ＰＷＭ信号生成部４９０と、モーター駆動信号生成部５００と、モーター駆動回路５１０と、を備える。電動モーター１０は、図１で説明した構成に加えて、Ａ相センサー３００Ａと、Ｂ相センサー３００Ｂとを備える。なお、図５では、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂと、永久磁石２００と、Ａ相センサー３００Ａと、Ｂ相センサー３００Ｂ、のみを記載している。Ａ相センサー３００Ａは、永久磁石２００の電気角を検知するためのセンサーであり、例えばホール素子を用いた磁気センサーである。Ａ相センサーは、電気角２πを周期としたＡ相センサー信号ＳＳＡを生成する。なお、Ｂ相センサー３００Ｂも同様である。なお、Ａ相センサー３００ＡとＢ相センサー３００Ｂとは、それぞれが生成するＡ相センサー信号ＳＳＡと、Ｂ相センサー信号ＳＳＢとが電気角でｎπ（ｎは整数）ずれる位置を除いた配置とする。Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ｂ相センサー信号ＳＳＢとが電気角でｎπずれていると、Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ｂ相センサー信号ＳＳＢとを用いて、電動モーター１０のローター２０（図１）の回転方向を検知することができない。すなわち、Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ｂ相センサー信号ＳＳＢとは電気角でπ／２ずれている。
【００３５】
Ａ相ゲイン進角調整部４０５Ａと、Ｂ相ゲイン進角調整部４０５Ｂとは同じ構成であるので、Ａ相ゲイン進角調整部４０５Ａを例にとり説明する。Ａ相ゲイン進角調整部４０５Ａは、アナログ−デジタルーコンバーター４１０Ａ（以下、「ＡＤコンバーター４１０Ａ」と呼ぶ。）と、進角補正波形生成部４２０Ａと、ゲイン補正波形生成部４３０Ａと、駆動波形生成部４４０Ａと、ゲイン調整値設定部４５０Ａと、回転数検出部４６０Ａと、最適進角生成部４７０Ａと、進角特性設定部４８０Ａと、を備える。駆動波形生成部４４０Ａは、駆動波形記憶部４４５Ａを備えている。駆動波形記憶部４４５Ａは、誘起電圧波形に応じた駆動波形パターンを格納している。進角特性設定部４８０Ａは、進角特性記憶部４８５Ａを備えている。進角特性記憶部４８５Ａは、回転数に対する進角特性、及びトルクに対する進角特性を記憶したテーブルを格納している。ゲイン調整値設定部４５０Ａは、ゲイン調整値記憶部４５５Ａを備えている。ゲイン調整値記憶部４５５Ａは、電磁コイル１００Ａと１００Ｂに発生する誘起電圧の差を補正するゲイン調整値を記憶している。これらのテーブルは、あらかじめ実験により求めておく。モーター駆動回路５１０は、Ａ相負荷電流センサー５２０Ａと、Ｂ相負荷電流センサー５２０Ｂとを備える。
【００３６】
ＡＤコンバーター４１０Ａは、アナログ信号であるＡ相センサー３００ＡからのＡ相センサー信号ＳＳＡをデジタル信号ＳＳＡＤに変換する。回転数検出部４６０Ａは、例えば、所定の期間内のＡ相センサー信号の振幅の１／２の電圧をクロスする期間をクロックでカウントすることにより、半波長の周期を算出し、ローター２０（図１）の回転数を検出することができる。進角特性設定部４８０Ａは、回転数に対する進角特性、及びトルクに対する進角特性を保持している。最適進角生成部４７０Ａは、ローター２０の回転数と、Ａ相負荷電流センサー５２０Ａからの電磁コイル１００Ａに流れる電流量（トルクに比例）によって、進角特性設定部４８０Ａから最適な進角調整値を読み出し、進角補正波形生成部４２０Ａに設定する。電磁コイル１００Ａに流れる電流量を考慮するのは、この電流量は、電動モーター１０にかかる負荷トルクに依存するからである。進角補正波形生成部４２０Ａは、最適な進角調整値に基づき、デジタル信号ＳＳＡＤを進角調整し、進角補正波形を生成する。なお、進角を調整すると、電磁コイル１００Ａに流れる電流量が変化するため、本制御は、フィードバック制御となる。
【００３７】
ゲイン調整値設定部４５０Ａは、電磁コイル１００Ａと１００Ｂに発生する誘起電圧の差を補正するゲイン調整値を保持している。ゲイン補正波形生成部４３０Ａは、ゲイン調整値設定部４５０Ａからのゲイン調整値と、進角補正波形と、を用いて、ゲイン調整された進角補正波形を生成する。駆動波形生成部４４０Ａは、ゲイン調整された進角補正波形を用い、駆動波形記憶部４４５Ａに格納された駆動波形パターンを参照して、電磁コイル１００Ａを駆動するための駆動波形を生成する。
【００３８】
ＰＷＭ信号生成部４９０は、駆動波形生成部４４０Ａ、４４０Ｂからの駆動波形を用いて、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。モーター駆動信号生成部５００は、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂに流す電流をスイッチングするためのモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ〜ＤＲＶＢ２Ｌを生成する。
【００３９】
図６は、モーター駆動回路の一例を示す説明図である。モーター駆動回路５１０は、モーター駆動電源５３０と、平滑コンデンサーＣ１と、負荷電流センサー５２０Ａ、５２０Ｂと、Ｈ型ブリッジ回路５４０Ａ、５４０Ｂとを備える。平滑コンデンサーＣ１は、電源−グランド間に配置されている。Ａ相用の負荷電流センサー５２０ＡとＨ型ブリッジ回路５４０Ａは、電源―グランド間に直列に接続されている。Ｈ型ブリッジ回路５４０Ａは、４つのトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４を有している。各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のドレインに電磁コイル１００Ａが接続されており、Ｈ型ブリッジ回路５４０Ａの対角の２つのトランジスタ（例えばトランジスタＴｒ１とＴｒ４、あるいは、トランジスタＴｒ２とＴｒ３）がオンすることにより、電磁コイル１００Ａに電流が流れる。 トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４のオンオフは、モーター駆動信号生成部５００からのモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ〜ＤＲＶＡ２Ｌにより実行される。Ｂ相用の負荷電流センサー５２０Ｂと、Ｈ型ブリッジ回路５４０Ｂ、についても同様である。
【００４０】
図７Ａは、無負荷回転時における回転数と各相の進角調整値の関係の一例を示す説明図である。ここで、破線は、調整値を直線近似したときの線である。図７Ａから明らかなように、永久磁石２００（図１）に近い方に配置された電磁コイル１００Ａよりも、永久磁石２００に遠い方に配置された電磁コイル１００Ｂの進角を大きくすることが好ましい。電磁コイル１００Ｂの方が、永久磁石２００から受ける磁束密度が小さいため、巻数を大きくしなければ電磁コイル１００Ａが発生させる誘起電圧と同じ大きさの誘起電圧を発生させることが出来ない。ここで、電磁コイル１００Ｂの巻数を多くすると、インダクタンスが大きくなるため、誘起電圧波形に対する駆動電流波形がより遅れる。したがって、電磁コイル１００Ｂの進角を電磁コイル１００Ａの進角よりも大きくすることが好ましい。また、ローター２０の回転数が大きくなるほど進角を大きくすることが好ましい。ローターの回転数が大きくなると、電磁コイルを駆動する電気的周波数は速くなり、電気角である進角値は相対的に大きくなる。この図７Ａは、無負荷回転時における進角調整値を示すテーブルを図に表したものであるが、進角特性記憶部４８５Ａは、様々な負荷トルクにおける回転数と進角調整値との関係を示すテーブルを備えていることが好ましい。
【００４１】
図７Ｂは、定回転（３０００ｒｐｍ）における負荷トルクと各相の進角調整値の関係の一例を示す説明図である。ここで、破線は、調整値を直線近似したときの線である。図７Ｂから明らかなように、永久磁石２００（図１）に近い方に配置された電磁コイル１００Ａよりも、永久磁石２００に遠い方に配置された電磁コイル１００Ｂの進角を大きくすることが好ましい。また、電動モーター１０への負荷トルクが大きくなるほど進角を大きくすることが好ましい。この図７Ｂは、定回転時における進角調整値を示すテーブルを図に表したものであるが、進角特性記憶部４８５Ａは、様々な回転数における負荷トルクと進角調整値との関係を示すテーブルを備えていることが好ましい。また、テーブル以外に、トルクと回転数を引数とした関数から進角調整値を算出するように構成してもよい。
【００４２】
図８は、Ａ相センサー信号ＳＳＡと、Ａ相モーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ〜ＤＲＶＡ２Ｌと、Ｂ相モーター駆動信号ＤＲＶＢ１Ｈ〜ＤＲＶＢ２Ｌと、Ａ相コイル、Ｂ相コイルの端子電圧、のタイミングチャートを示す説明図である。図８において、上段が進角制御なし、下段が進角制御ありを示している。図６のモーター駆動回路における電源側のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ５、Ｔｒ６（図６）をスイッチングするモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ、ＤＲＶＡ２Ｈ、ＤＲＶＢ１Ｈ、ＤＲＶＢ２Ｈは、活性期間に１未満のデューティ比を有するＰＷＭ駆動波形であるが、グランド側のトランジスタＴｒ３、Ｔｒ４、Ｔｒ７、Ｔｒ８（図６）をスイッチングするモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｌ、ＤＲＶＡ２Ｌ、ＤＲＶＢ１Ｌ、ＤＲＶＢ２Ｌは、活性期間においてデューティ比が１となる矩形波である。
【００４３】
進角制御ありのタイミングチャートでは、Ａ相側のモーター駆動信号ＤＲＶＡ１Ｈ、ＤＲＶＡ２Ｈ、ＤＲＶＡ１Ｌ、ＤＲＶＡ２Ｌを駆動するタイミングが、回転数及びトルクに応じて早められており、Ｂ相側のモーター駆動信号ＤＲＶＢ１Ｈ、ＤＲＶＢ２Ｈ、ＤＲＶＢ１Ｌ、ＤＲＶＢ２Ｌを駆動するタイミングは、さらに、インダクタンスの違いにより早められている。その結果、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂそれぞれによる駆動力のバランスを取ることができる。
【００４４】
以上のように、本実施例では、Ａ相用駆動信号とＢ相用駆動信号それぞれの最適進角生成部（図５においてＡ相用最適進角生成部４７０Ａ、Ｂ相用最適進角生成部は図示せず）や進角特性設定部（図５においてＡ相用進角特性設定部４８０Ａ、Ｂ相用進角特性設定部は図示せず）を独立して備え、また、ゲイン調整値設定部（図５においてＡ相用ゲイン調整値設定部４５０Ａ、Ｂ相用ゲイン調整値設定部は図示せず）を独立して備えるので、相コイル毎に進角や駆動ゲインを調整することができる。その結果、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂの、インダクタンスに起因する電流の遅れ及び誘起電圧の差に起因する電流のアンバランスをカバーし、それぞれによる駆動力のバランスを取ることができる。その結果、電動モーター１０を滑らかに駆動でき、電動モーター１０の効率を向上させることが出来る。
【００４５】
なお、第１、第２の実施例の構成に加えて第３の実施例の構成を採用しても良く、第１、第２の実施例の構成を採用せず、第３の実施例のみを採用してもよい。また、進角調整、駆動ゲイン調整の両方を行っても良く、いずれか一方のみを行っても良い。
【００４６】
図９は、本発明の変形例によるモーター／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３３００は、前輪にモーター３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モーター３３１０は、充電池３３３０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ー３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、モーターの駆動と回生とを制御する回路である。このモーター３３１０としては、上述した各種の電動モーターを利用することが可能である。その結果、移動、加速、減速時における動作が滑らかとなり、乗り心地や効率のよい移動体を実現できる。
【００４７】
図１０は、本発明の変形例によるモーター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３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モーター３４３０とを有している。このモーター３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモーター３４３０としては、上述した各種の電動モーターを利用することが可能である。ロボット３４００の動作がスムーズとなり、ギクシャクしないロボット３４００を実現できる。
【００４８】
図１１は、本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。このモーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、モーター３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。このモーター３５１０としては、上述した各種の電動モーターを利用することができる。その結果、移動、加速、減速時における動作が滑らかとなり、乗り心地や効率のよい移動体を実現できる。
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
１０…電動モーター
１５…ステーター
２０…ローター
１００、１００Ａ、１００Ｂ…電磁コイル
１１０…ケーシング
１１１…円筒形状部分
１１２…端面部分
１１５…コイルバックヨーク
１２０…ネジ
２００…永久磁石
２１０…サイドヨーク
２３０…回転軸
２４０…軸受け
３００Ａ、３００Ｂ…センサー
４００…制御部
４１０Ａ…アナログ−デジタル−コンバーター（ＡＤコンバーター）
４２０Ａ…進角補正波形生成部
４３０Ａ…ゲイン補正波形生成部
４４０Ａ…駆動波形生成部
４４５Ａ…駆動波形記憶部
４５０Ａ…ゲイン調整値設定部
４５５Ａ…ゲイン調整値記憶部
４６０Ａ…回転数検出部
４７０Ａ…最適進角生成部
４８０Ａ…進角特性設定部
４８５Ａ…進角特性記憶部
４９０…ＰＷＭ信号生成部
５００…モーター駆動信号生成部
５１０…モーター駆動回路
５２０Ａ、５２０Ｂ…負荷電流センサー
５３０…モーター駆動電源
５４０Ａ、５４０Ｂ…Ｈ型ブリッジ回路
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３５００…鉄道車両
３５１０…モーター
３５２０…車輪
Ｂａ、Ｂｂ…平均磁束密度
Ｂａｎ、Ｂｂｎ…磁束密度
Ｃ１…平滑コンデンサー
ＤＲＶＡ１ＨからＤＲＶＢ２Ｌ…モーター駆動信号
Ｅａ、Ｅｂ…誘起電圧
Ｌａ、Ｌｂ・・・磁界中の電線長
ｌａ、ｌｂ・・・電磁コイルの線材長
Ｌａｎ、Ｌｂｎ・・・一巻きの磁界中の電線長
ｎａ、ｎｂ…巻数
ｒａ、ｒｂ・・・回転中心から電磁コイルまでの平均の長さ
ｒａｎ、ｒｂｎ・・・回転中心から電磁コイル一巻きまでの長さ
Ｒａ、Ｒｂ…電気抵抗（巻線抵抗）
Ｓａ、Ｓｂ・・・電磁コイルの線材断面積
ＳＳＡ、ＳＳＢ…センサー信号
ＳＳＡＤ…デジタル信号
Ｔｒ１〜Ｔｒ８…トランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、
個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用の複数の第１の電磁コイルと、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの前記第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用の複数の第２の電磁コイルと、
を備え、
前記第１と第２の電磁コイルは、それぞれの誘起電圧が同じ値になり、かつ、それぞれの巻線抵抗が同じ値となるように構成されていることを特徴とする電気機械装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気機械装置において、
前記第１の電磁コイルの巻数をｎａ、磁路長（磁界中の電線長）をｌａ、線材断面積をＳａ、前記永久磁石から受ける平均磁束密度をＢａ、とし、
前記第２の電磁コイルの巻数をｎｂ、磁路長をｌｂ、線材断面積をＳｂ、前記永久磁石から受ける平均磁束密度をＢｂ、とするときに、
前記第１、第２の電磁コイルは、前記第１の円筒面上にそれぞれ投影された形状が同じ大きさに巻かれており（ｌａ＝ｌｂ）、かつ、ｎａ／ｎｂ＝Ｂｂ／Ｂａ及び、ｎａ／ｎｂ＝Ｓａ／Ｓｂを満たすように形成されている、電気機械装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気機械装置において、さらに、
前記第１、第２の電磁コイルを駆動するための駆動信号の進角を調整し、誘起電圧波形と駆動電流波形の位相を合わせる進角調整部を前記第１、第２の電磁コイル毎に備える、電気機械装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電気機械装置において、さらに、
前記電気機械装置の回転数を検知する回転数検知部を備え、
前記進角調整部は、前記各電磁コイルの進角調整値を前記回転数に基づいて定める、電気機械装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の電気機械装置において、
前記進角調整部は、前記各電磁コイルの進角調整値を前記電気機械装置に対するトルクに基づいて定める、電気機械装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか一項に記載の電気機械装置において、
前記進角調整部は、前記第２の電磁コイルの進角を前記第１の電磁コイルの進角よりも進める、電気機械装置。
【請求項７】
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、
個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用の複数の第１の電磁コイルと、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの前記第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用の複数の第２の電磁コイルと、
を備え、
前記第１の電磁コイルと前記第２の電磁コイルについて、その巻線損失が理想設計値と同じ値となるように、前記第１、第２の電磁コイルの巻数と、線材の太さとが調整されている、電気機械装置。
【請求項８】
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、
個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用の複数の第１の電磁コイルと、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの前記第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用の複数の第２の電磁コイルと、
を備え、さらに、
前記第１、第２の電磁コイルの誘起電圧の比に対応して前記第１と第２の電磁コイルの駆動電圧を、ＰＷＭ制御のデューティを変えることで調整する電圧調整部を備える、電気機械装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気機械装置を有する移動体。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気機械装置を有するロボット。
【請求項１】
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、
個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用の複数の第１の電磁コイルと、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの前記第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用の複数の第２の電磁コイルと、
を備え、
前記第１と第２の電磁コイルは、それぞれの誘起電圧が同じ値になり、かつ、それぞれの巻線抵抗が同じ値となるように構成されていることを特徴とする電気機械装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気機械装置において、
前記第１の電磁コイルの巻数をｎａ、磁路長（磁界中の電線長）をｌａ、線材断面積をＳａ、前記永久磁石から受ける平均磁束密度をＢａ、とし、
前記第２の電磁コイルの巻数をｎｂ、磁路長をｌｂ、線材断面積をＳｂ、前記永久磁石から受ける平均磁束密度をＢｂ、とするときに、
前記第１、第２の電磁コイルは、前記第１の円筒面上にそれぞれ投影された形状が同じ大きさに巻かれており（ｌａ＝ｌｂ）、かつ、ｎａ／ｎｂ＝Ｂｂ／Ｂａ及び、ｎａ／ｎｂ＝Ｓａ／Ｓｂを満たすように形成されている、電気機械装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気機械装置において、さらに、
前記第１、第２の電磁コイルを駆動するための駆動信号の進角を調整し、誘起電圧波形と駆動電流波形の位相を合わせる進角調整部を前記第１、第２の電磁コイル毎に備える、電気機械装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電気機械装置において、さらに、
前記電気機械装置の回転数を検知する回転数検知部を備え、
前記進角調整部は、前記各電磁コイルの進角調整値を前記回転数に基づいて定める、電気機械装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の電気機械装置において、
前記進角調整部は、前記各電磁コイルの進角調整値を前記電気機械装置に対するトルクに基づいて定める、電気機械装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか一項に記載の電気機械装置において、
前記進角調整部は、前記第２の電磁コイルの進角を前記第１の電磁コイルの進角よりも進める、電気機械装置。
【請求項７】
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、
個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用の複数の第１の電磁コイルと、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの前記第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用の複数の第２の電磁コイルと、
を備え、
前記第１の電磁コイルと前記第２の電磁コイルについて、その巻線損失が理想設計値と同じ値となるように、前記第１、第２の電磁コイルの巻数と、線材の太さとが調整されている、電気機械装置。
【請求項８】
回転軸を中心として回転するラジアルギャップ型の電気機械装置であって、
個々の永久磁石の磁化の方向が前記回転軸を中心とする放射または中心方向であり、前記回転軸を中心とする円周に沿って並べられた複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記永久磁石の外側の第１の円筒面に沿って並べられた第１相用の複数の第１の電磁コイルと、
前記複数の永久磁石と対向すると共に、前記第１の電磁コイルの前記第１の円筒面よりも外側の第２の円筒面に沿って並べられた第２相用の複数の第２の電磁コイルと、
を備え、さらに、
前記第１、第２の電磁コイルの誘起電圧の比に対応して前記第１と第２の電磁コイルの駆動電圧を、ＰＷＭ制御のデューティを変えることで調整する電圧調整部を備える、電気機械装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気機械装置を有する移動体。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気機械装置を有するロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１７０２０７（Ｐ２０１２−１７０２０７Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８２７６（Ｐ２０１１−２８２７６）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【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２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【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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