JP2003061326A - バーニヤ型ブラシレスモータ - Google Patents

バーニヤ型ブラシレスモータ

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JP2003061326A
JP2003061326A JP2001240841A JP2001240841A JP2003061326A JP 2003061326 A JP2003061326 A JP 2003061326A JP 2001240841 A JP2001240841 A JP 2001240841A JP 2001240841 A JP2001240841 A JP 2001240841A JP 2003061326 A JP2003061326 A JP 2003061326A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 機器の駆動源に使用されるブラシレスモータ
において、モータの体積効率を向上することを目的とす
る。 【解決手段】 回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁した
マグネット体を有するロータと、前記マグネットとラジ
アル方向に対向し磁気回路を構成しコイル４が巻回され
た複数の突極５を設けたコア３とを有し、前記突極の前
記マグネットと対向する部分には、マグネット２極分と
略同一ピッチの小歯６が複数個設けられており、前記ロ
ータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロー
タを回転駆動するもので、ブラシレスモータの体積効率
が大幅に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、機器の駆動源に用
いられるモータのうち、固定子にバーニヤ（ｖｅｒｎｉ
ｅｒ：副尺化、細分化）構造を応用したブラシレスモー
タに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在、映像・音響機器、ＯＡ機器、家電
機器、輸送用機器、ＦＡ機器等さまざまな機器に、駆動
源としてモータが用いられている。これらの機器は、機
器の高機能化に伴い、使われるモータの個数は年々増加
する傾向にある。また、モータの性能についても近年、
機器の小型化、高速化によって小型でかつ高出力なモー
タが望まれている。
【０００３】モータの種類としては、誘導電動機、ブラ
シ付の直流電動機、ステッピングモータ、ブラシレスモ
ータ等さまざまな形態のモータが使用されているが、本
発明は、このうちブラシレスモータに関するものであ
る。
【０００４】図３２（ａ）、（ｂ）は、従来のブラシレ
スモータの一例を示した図である。
【０００５】図３２（ｂ）において、永久磁石１は８極
に着磁されており、永久磁石１に対向するコア３にはコ
イル４を巻回した突極５が６個均等に設けられている。
【０００６】隣り合う突極の、永久磁石磁極の位置関係
は電気角で１２０°ずつ異なっており、同じ位相である
５−１と５−４、５−２と５−５、５−３と５−６にそ
れぞれ３相を割り当て、コイル４に通電を行うことによ
り、ロータが回転駆動される。
【０００７】以上のように、従来のブラシレスモータ
は、突極の先端は平坦な場合が一般的である。
【０００８】一方、突極先端に複数の小歯を設ける構成
（以下バーニヤ構造と称する）を応用したモータとして
は、ブラシレスモータではないがハイブリッド型（以下
ＨＢ型と称する）ステッピングモータが商品化され一般
的に使用されている。以下一般的なＨＢ型ステッピング
モータの例を示す。
【０００９】図３３は従来のＨＢ型ステッピングモータ
の構造を示す。図３３において永久磁石１は回転軸方向
に着磁されており、回転子鉄心１１は、上側と下側がそ
れぞれ全体がＮ極あるいはＳ極に磁化された状態となっ
ている。回転子鉄心１１の外周面には、等角度ピッチの
小歯が設けられ、上側回転子鉄心の小歯と下側回転子鉄
心の小歯は、上側回転子鉄心の小歯に相当する位置に、
下側回転子鉄心の小歯の谷が来るように角度をずらして
組み立てられている。
【００１０】一方コア３の内周面にも、回転子鉄心１１
と同じ角度ピッチの小歯が設けらた突極５が複数相設け
られており、これら複数相の突極５は、各相の回転子鉄
心１１の小歯に対する位置関係が一定角度ずつ異ならせ
て設けられている。ここで各相突極に巻回されたコイル
に電流を通電すると、通電された突極の小歯が磁化さ
れ、前記永久磁石１によって磁化された回転子鉄心１１
の小歯とお互いに吸引反発し、一定位置に回転子を固定
しようとするトルクが発生する。この状態で、通電する
コイルの相を順次切り替えることによりロータが回転駆
動される。
【００１１】ここで、回転子鉄心１１およびコア３の小
歯の角度ピッチを細かくすると、１回の相切り替えによ
る回転子の回転角が小さくなるため、より細かい角度ピ
ッチの位置決めが行えるモータとなる。
【００１２】このように、固定子および回転子それぞれ
に細分化されたピッチの小歯を設けることにより、モー
タ出力軸側の角度分解能を向上し、微細ピッチの位置決
めができるようになる。
【００１３】また、同タイプのステッピングモータから
着想して、回転子側の小歯を設けた回転子鉄心と軸方向
に着磁された永久磁石を、多極着磁された円筒状永久磁
石１に置き換えたものとしては、特許第３１４０８１４
号公報、特許第３０７１０６４号公報、特許第２７４０
８９３号公報記載の永久磁石式ステッピングモータ、特
許第２７３３８２４号公報記載の２相式永久磁石回転電
機、特開平１０−８０１２４号公報記載の永久磁石回転
電機、あるいは電気学会論文集Ｄ編、１１５巻２号、平
成７年に掲載された新形式３相ステッピングモータがあ
る。
【００１４】図３４は電気学会論文集Ｄ編、１１５巻２
号、平成７年に掲載された新形式３相ステッピングモー
タのロータ構造を従来のロータ構造と比較した図であ
る。
【００１５】この論文では、このような回転子の構成を
採ることにより（１）磁束分布が正弦波に近くなる。
（２）磁極の軸方向長さが２倍とれる。（３）磁路が２
次元磁路になり、磁気抵抗が小さくなるという理由によ
り、結果的には、モータの出力は従来と同等で、中間位
置決めを行ういわゆるマイクロステップ駆動した際に角
度精度が向上することが示されている。
【００１６】一方、ブラシレスモータに関しては、この
ようなバーニヤ構造を適用した例は殆ど見られない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ブラシ
レスモータに関しては、これまで磁石の性能向上、低損
失の鉄心材料、あるいは、巻線の占積率を向上して銅損
を低減する技術等の開発により高性能化が図られてきた
が、近年開発されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系やＳｍ−Ｆｅ−Ｎ
系等の高性能希土類系磁石を使用すると、性能が向上し
磁束密度が向上した磁石に対して、鉄心の飽和磁束密度
が小さいため、鉄心が磁気飽和状態になり、向上した磁
石の性能を十分に引き出せず、ある程度以上性能が向上
できない状況に陥っていた。
【００１８】一方、上記ステッピングモータを想定して
考案された従来技術はバーニヤ構造を主に角度分解能向
上のために利用されたものであるため、単位体積あたり
の出力を示す出力密度、あるいは、同じ特性のモータを
いかに小型化できるかという体積効率といった観点では
最適化されておらず、そのままブラシレスモータに適用
できる技術ではなかった。
【００１９】また、ステッピングモータはその通電方式
上、常に一定の電流をコイルに流し続けるので、トルク
を発生しない場合は電流を通電しないブラシレスモータ
の通電方式と比較して、根本的に実効時の効率が悪いと
いう課題があった。
【００２０】さらに、ステッピングモータは、位置制御
を行う場合には適しているものの、出力トルクを制御す
ることは困難で、出力トルクの制御を行うことが必要な
場合は、トルクが制御できるブラシレスモータを使う場
合が一般的であった。
【００２１】本発明は、上記ステッピングモータのよう
なバーニヤ構造をブラシレスモータに適用し、さらにブ
ラシレスモータに合わせた最適化を行うことにより、従
来のブラシレスモータの体積効率の限界を打ち破り、同
一サイズでも高出力、高効率のブラシレスモータを提供
することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマ
グネット体を有するロータと、前記マグネットとラジア
ル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複
数の突極を設けたコアとを有し、前記突極の前記マグネ
ットと対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピ
ッチの小歯が複数個設けられており、前記ロータの位置
に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆
動したものである。
【００２３】これにより、モータの体積効率が大幅に向
上し、同一特性のモータの小型化、あるいは同一サイズ
のモータの高出力化、高効率化が可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット
体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向
に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突
極を設けたコアとを有し、前記突極の前記マグネットと
対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの
小歯が複数個設けられており、前記ロータの位置に応じ
てコイルに通電することにより、ロータを回転駆動する
ことを特徴とするブラシレスモータであり、突極先端部
に小歯を設けることにより、突極には小歯と対向してい
る磁極の部分だけの磁束が選択的に取り入れられる状態
となるために、突極数を増やさなくても、小歯の数を増
やすことにより、有効磁束数の低下を最小限に留めなが
ら、磁極の多極化が自由に行えるようになるため、モー
タの体積効率を向上できる。
【００２５】請求項２に記載の発明は、マグネット体
が、最大エネルギ積１０ＭＧＯｅ以上の永久磁石で構成
されていることを特徴とする請求項１記載のブラシレス
モータで、永久磁石の能力を十分に引き出しモータの体
積効率を向上できる。
【００２６】請求項３に記載の発明は、ブラシレスモー
タが３相構造であり、マグネット体の磁極数をｐ、コア
の突極数をｚ、突極１極あたりに設けられた小歯の歯数
をｎとした場合に、（数１）の関係を満足することを特
徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のブラシ
レスモータで、永久磁石の磁束を最大限に利用し、モー
タの体積効率を向上できる。
【００２７】請求項４に記載の発明は、ブラシレスモー
タが３相構造であり、コアの突極数が６または９極であ
ることを特徴とするある請求項１から３のいずれか１項
に記載のブラシレスモータであり、モータの体積効率を
向上できる。
【００２８】請求項５に記載の発明は、マグネット体に
は、コアと反対側の面にバックヨーク部が設けられてい
ることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記
載のブラシレスモータであり、バックヨーク部での鉄損
を低減しモータの特性を向上できる。
【００２９】請求項６に記載の発明は、バックヨーク部
が、高透磁率の軟磁性材料の薄板を複数枚軸方向に積み
重ねて構成したことを特徴とする請求項５記載のブラシ
レスモータで、請求項５の構成方法の１例を示したもの
である。
【００３０】請求項７に記載の発明は、磁性材料が珪素
を質量比２〜６．５％含有させた鋼板であることを特徴
とする請求項６記載のブラシレスモータで、請求項６の
構成方法を１例を示したものである。
【００３１】請求項８に記載の発明は、バックヨーク部
が、高透磁率の軟磁性材料の粉末を絶縁体で固着し構成
したことを特徴とする請求項５記載のブラシレスモータ
で、請求項５の構成方法の１例を示したものである。
【００３２】請求項９に記載の発明は、マグネット体
が、高保磁力の永久磁石材料の粉末を樹脂で固定した永
久磁石部分と、高透磁率の軟磁性材料を樹脂で固着した
バックヨーク部分の２層構造で構成されていることを特
徴とする請求項５記載のブラシレスモータで、請求項５
の構成方法の１例を示したものである。
【００３３】請求項１０に記載の発明は、マグネット体
を、バックヨークのコアと対向する側の面に複数個の永
久磁石を貼り付けて構成したことを特徴とする請求項５
から８のいずれか１項に記載のブラシレスモータで、永
久磁石の着磁が容易になる。
【００３４】請求項１１に記載の発明は、永久磁石が、
磁極ごとに分割して構成されており、各々着磁した後で
組み立てられたことを特徴とする請求項１０記載のブラ
シレスモータで、永久磁石の着磁が容易になる。
【００３５】請求項１２に記載の発明は、マグネット体
が、高透磁率の軟磁性材料の薄板を複数枚軸方向に積み
重ねて構成したバックヨーク部に複数の永久磁石を挿入
した、いわゆる磁石埋め込み型の構造であることを特徴
とする請求項１から７のいずれか１項に記載のブラシレ
スモータで、ロータの機械的強度を向上できる。
【００３６】請求項１３に記載の発明は、永久磁石が所
定角度スキュー着磁されていることを特徴とする請求項
１から９のいずれか１項に記載のブラシレスモータで、
モータのコギングトルクを低減できる。
【００３７】請求項１４に記載の発明は、永久磁石の磁
極数をｐ、コアの突極数をｚ、永久磁石のスキュー角度
を中心角でθ（°）とした場合に、（数２）（ｋはｐと
ｚの最小公倍数）の関係を満足することを特徴とする請
求項１３記載のブラシレスモータで、コギングトルクの
低減と、モータ体積効率を両立できる。
【００３８】請求項１５に記載の発明は、ブラシレスモ
ータが３相構造であり、突極に設けられた小歯の開角が
電気角で１４５°〜１６０°であることをことを特徴と
する請求項１から１３のいずれか１項に記載のブラシレ
スモータで、モータのコギングトルクを低減できる。
【００３９】請求項１６に記載の発明は、ブラシレスモ
ータが３相構造であり、前記突極１極あたりに設けられ
た小歯の歯数をｎとした場合に、コアの軸方向断面形状
が、回転方向に電気角で６０／ｎ°±１０％ずつずらし
たｎ個のコア基本形状を適時組み合わせた形状に構成し
たことを特徴とする請求項１から１３および１５のいず
れか１項に記載のブラシレスモータで、モータのコギン
グトルクを低減できる。
【００４０】請求項１７に記載の発明は、突極１極あた
りに設けられた小歯の歯数をｎ、小歯のピッチを電気角
でβ（°）とした場合に、（数３）の関係を満足するこ
とを特徴とする請求項１６記載のブラシレスモータで、
隣り合う突極間の干渉を抑えるとともに、コイルを巻回
する際の作業性を向上できる。
【００４１】請求項１８に記載の発明は、ブラシレスモ
ータが３相構造であり、突極に設けられた小歯の開角が
左右で異なるように構成するとともに、その角度差が電
気角で６０°±１０％の範囲であることを特徴とする請
求項１６記載のブラシレスモータで、モータの回転精度
を向上できる。
【００４２】請求項１９に記載の発明は、永久磁石の磁
極数をｐ、前記コアの突極数をｚ、永久磁石のスキュー
角度を中心角でθ（°）とした場合に、（数４）（ｋは
ｐとｚの最小公倍数）の関係を満足することを特徴とす
る、請求項１５から１８のいずれか１項に記載のブラシ
レスモータで、コギングトルクの低減と、モータ体積効
率を両立できる。
【００４３】請求項２０に記載の発明は、ブラシレスモ
ータが３相構造であり、１相分の突極あたりに設けられ
た小歯の合計歯数をＮとした場合に、コアの軸方向断面
形状が、回転方向に電気角で６０／Ｎ°±１０％ずつず
らしたＮ個のコア基本形状を適時組み合わせた形状に構
成したことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１
項に記載のブラシレスモータで、モータのコギングトル
クを低減できる。
【００４４】請求項２１に記載の発明は、ブラシレスモ
ータが３相構造であり、突極１極あたりに設けられた小
歯の歯数をｎとした場合に、コアの軸方向断面形状が、
突極に設けられた小歯の開角が電気角で１４５°〜１６
０°である基本形状をベースとして、回転方向に電気角
で３０／ｎ°±１０％ずつずらしたｎ個のコア基本形状
を適時組み合わせた形状に構成したことを特徴とする請
求項１から１３のいずれか１項に記載のブラシレスモー
タで、モータのコギングトルクを低減できる。
【００４５】請求項２２に記載の発明は、突極１極あた
りに設けられた小歯の歯数をｎ、小歯のピッチを電気角
でβ（°）とした場合に、（数５）の関係を満足するこ
とを特徴とする請求項２１記載のブラシレスモータで、
隣り合う突極間の干渉を抑えるとともに、コイルを巻回
する際の作業性を向上できる。
【００４６】請求項２３に記載の発明は、上記請求項１
から２２いずれか１項に記載のブラシレスモータを具備
する携帯情報、ＡＶ機器で、機器の小型化を実現でき
る。
【００４７】請求項２４に記載の発明は、上記請求項１
から２２のいずれか１項に記載のブラシレスモータを具
備するＯＡ、家電機器で、機器のサイズを大きくするこ
と無く、小型化、高機能化を実現できる。
【００４８】請求項２５に記載の発明は、上記請求項１
から２２のいずれか１項に記載のブラシレスモータを具
備するロボットで、ロボットの高機能化を実現できる。
【００４９】請求項２６に記載の発明は、上記請求項１
から２２のいずれか１項に記載のブラシレスモータを具
備する輸送用機器で、輸送機器の走行性能、燃費を向上
できる。
【００５０】
【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
て説明する。
【００５１】（実施例１）図１は本発明のブラシレスモ
ータの磁気回路構成を示した説明図である。
【００５２】図１において円筒状の永久磁石１は、内周
面にＮ、Ｓ極を交互に２０極均等に着磁されており、外
周にバックヨーク２が固定されている。コア３は珪素鋼
板をプレス加工で形状を打ち抜くとともに軸方向に複数
枚積層して構成されている。コア３にはコイル４が巻回
された突極５が６極均等に設けられ、突極５の永久磁石
と対向する部分には、１つの突極あたり２個全体で１２
個の小歯６が設けられている。ここで突極先端に設けら
れた小歯６のピッチは永久磁石２極分と同一（言い換え
れば電気角３６０°）ピッチに構成されている。
【００５３】以上のように本実施例１のブラシレスモー
タの最大の特徴は、突極先端部に永久磁石２極分のピッ
チで小歯を設けたところにある。このように、小歯を設
けることにより、突極には小歯と対向している磁極の部
分だけの磁束が選択的に取り入れられる状態となる。
【００５４】上記構成により、各突極の小歯と、磁極の
位置関係を考えると、突極５−１と５−４、突極５−２
と５−５、突極５−３と５−６がそれぞれ全く同一の位
置であり、各グループの位相が電気角で１２０°ずつ異
なっていることが分かる。ここで、各グループを１相と
して、永久磁石１が固定されたロータの回転位置に応じ
てコイル４に３相通電を行うことによりトルクが発生
し、ロータが回転駆動される。
【００５５】ここで、本実施例１のブラシレスモータ
を、同一サイズの従来型ブラシレスモータと比較して説
明する。
【００５６】図２および図３は、従来型ブラシレスモー
タの磁気回路構成を示した説明図である。
【００５７】図２において、従来型ブラシレスモータの
突極数は６極で、図１と等しいが、永久磁石に着磁され
た磁極は８極であり、図１とは異なる。
【００５８】ここで、図２の従来型ブラシレスモータに
おいて、突極の形状をそのままに、磁極のみ多極化を行
うと、突極先端部の幅が、磁極より広くなってしまうこ
とにより、磁極から出た磁束が突極先端部でループする
状態となり、トルク発生に寄与する有効磁束密度が減少
するために、モータの出力が大幅にダウンする。従っ
て、磁極を増やす場合は、同時に突極数も増やさなけれ
ばならない。
【００５９】図３は、磁極数と突極数の比率をそのまま
にして、図２のブラシレスモータの磁極の多極化を行っ
た例である。
【００６０】図３において、従来型ブラシレスモータの
突極数は１５極で、図１と異なるが、永久磁石に着磁さ
れた磁極は２０極であり、図１と等しい。
【００６１】このように、本実施例１のように突極先端
に複数の小歯を設けるバーニヤ構造をブラシレスモータ
に用いることにより、突極数を増やさなくても、小歯の
数を増やすことにより、磁極の多極化が自由に行えるよ
うになるという効果が得られる。
【００６２】以下、図１に示す本発明のブラシレスモー
タと、図２および図３に示す従来型ブラシレスモータの
特性について比較しながら説明する。
【００６３】まずここで、モータの体積効率について考
える。モータの体積効率を表す値としては、モータの速
度変動率の逆数がよく用いられる。
【００６４】モータの体積効率ηは、一般的に以下に示
す関係が成立する。
【００６５】
【数６】
【００６６】μは速度変動率、Ｒはモータの相間コイル
抵抗、Φはひとつの突極あたりの有効磁束数、ｔはコイ
ルターン数、ｍはロータ磁極数、ｚはコア突極数であ
る。
【００６７】ここで、この（数６）に図１に示す本発明
の磁気回路構成と、図２および図３に示す従来型の磁気
回路構成を当てはめて比較する。
【００６８】図４はそれぞれのパラメータを図２に示す
従来型ブラシレスモータの値を１として比較した図であ
る。
【００６９】まず、有効磁束数Φに関しては、図２に示
す従来構成の方が突極の磁極と対向している部分の面積
が大きく、有効磁束数が大きい。図１に示す本発明の構
成の場合、突極の磁極と対向している部分の面積は、図
１の８割にとどまっており、漏れ磁束や無効磁束等を無
視すると、有効磁束は従来の０．８倍になる。また、図
３の場合は、突極数を増やしたことにより、突極あたり
の有効磁束数は図２の場合の０．４倍に低下する。
【００７０】ターン数ｔは合わせて設計すると、ロータ
磁極数ｍは、図２に示す従来型は８極に対して、図１お
よび図３では２０極となり２．５倍となっている。
【００７１】突極数ｚは、図１および図２は６極で等し
く、図３では１５極となっている。
【００７２】相間コイル抵抗Ｒに関しては図１に示す本
発明の構成では、突極先端にバーニヤ構造を設けた関係
で、図２に示す従来型の構成に比較して突極先端が大き
くなり、巻線スペースが小さくなる関係上、同じターン
数を巻く場合線径の細い線を使用する必要があり、結果
としてコイル抵抗が上がる。本実施例の場合、コイル抵
抗は１．２５倍程度に増加している。また図３の場合
は、突極数が増えたことにより直列接続されるコイル数
が増えたことおよび、隣り合う突極間の隙間が減少した
ことに、コイルを巻回するスペースが減少し１コイルあ
たりの抵抗値が増加したことにより、コイル抵抗は図２
の場合の４倍程度に上昇する。
【００７３】以上の数値を（数６）に当てはめて考える
と、本実施例のブラシレスモータの体積効率ηは、理論
上図２の場合の３．２倍、図３の場合の２倍に達するこ
とが分かる。
【００７４】このように、従来型ブラシレスモータでも
磁極ｍの多極化を行うことによりある程度体積効率は向
上するものの、コイル抵抗Ｒが極端に増加し、大きな体
積効率の向上は得られない。
【００７５】一方、図１に示すバーニヤ型の場合、コイ
ル抵抗Ｒを大きく増やすことなく、磁極ｍの多極化が行
えるので、有効磁束数Φは若干低下するものの、トータ
ルとして大幅に体積効率を上昇させることができる。
【００７６】以上、理論的には、本実施例１のバーニヤ
型ブラシレスモータは、従来型のブラシレスモータに対
して体積効率を２倍以上に向上できる。しかしながら、
このバーニヤ型ブラシレスモータの体積効率を十分に引
き出すには、ある程度の条件が必要である。
【００７７】まずその１点は、有効磁束数Φが実際には
上記の計算どおりにいかないことによる。
【００７８】上記計算で図１のバーニヤ型ブラシレスモ
ータの有効磁束数Φは図２に示す従来型ブラシレスモー
タの０．８倍であるとしたが、実際にはそれよりも小さ
い数値になる。以下この理由について簡単に説明する。
【００７９】一般的に、永久磁石は着磁極数を増やす
と、平均磁束密度が低下する。その理由は、磁極の切り
替え部分周辺では、完全な着磁ができないからであり、
磁極の切り替え部分では、無着磁部分や着磁が弱い部分
が存在するので、図１のバーニヤ型ブラシレスモータの
永久磁石の平均磁束密度は、図２に示す従来型ブラシレ
スモータの永久磁石の平均磁束密度より低下している。
【００８０】また、図１に示すバーニヤ型の磁気回路構
成は、その構成からトルクの発生に寄与しない無効磁束
が多く発生する。
【００８１】図５は、実施例１のブラシレスモータの磁
束の流れを示した図である。
【００８２】図５において矢印は磁束の流れを示してい
る。モータの発生トルクに寄与する磁束は、突極５から
入り込み、別の突極５より永久磁石１に戻るが、図５に
示すようにコアを通らずに永久磁石周辺でループしてい
る磁束７−１、あるいは、一応コアは通過するものの、
漏れ磁束となっている磁束７−２等が多く発生してい
る。
【００８３】このような、永久磁石平均磁束密度の低
下、あるいは無効磁束を考慮すると、上記計算で０．８
倍と仮定した有効磁束数Φは、実際上は従来型の半分程
度にまで低下するため、本実施例１の構成の体積効率面
での優位性は大部分が失われてしまう。
【００８４】しかしながら、この状況は永久磁石の性能
を向上することで一変する。
【００８５】図６は、本実施例１のバーニヤ型ブラシレ
スモータと従来型ブラシレスモータの永久磁石の最大エ
ネルギ積と、体積効率の関係を示した図である。
【００８６】図６において、横軸は永久磁石の性能を表
す最大エネルギ積（ＭＧＯｅ）である、従来型ブラシレ
スモータの場合、永久磁石の性能が低い場合は、永久磁
石の性能向上に伴いほぼ直線的に体積効率が向上する
が、最大エネルギ積１０（ＭＧＯｅ）前後からその上昇
度合いが鈍化し、最大エネルギ積１５（ＭＧＯｅ）以上
では、殆ど体積効率が上昇しなくなる。これは、コアに
使用されている珪素鋼板の飽和磁束密度が１．６〜２．
０（Ｔ）程度であり、永久磁石の性能が向上した場合、
永久磁石の発生する磁束密度に対してコアの飽和磁束密
度に余裕がないため、永久磁石の厚みを極端に薄くし
て、動作点での磁束密度を抑えて使用する必要があるた
めであり、永久磁石の性能を向上しても、永久磁石が薄
くなる分僅かに体積が小さくなる以外殆ど体積効率が向
上できない。
【００８７】現在開発されている最高性能のＮｄ−Ｆｅ
−Ｂ系焼結永久磁石等の最大エネルギ積は４５〜５０
（ＭＧＯｅ）程度に達しているが、従来型のブラシレス
モータでは、この永久磁石の能力は十分に引き出すこと
はできず、実際上は、コストの面も勘案し最大エネルギ
積１０（ＭＧＯｅ）前後のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系樹脂磁石等
が一般的に用いられていた。
【００８８】一方、本実施例のバーニヤ型ブラシレスモ
ータの場合、多極着磁化による永久磁石平均磁束密度の
低下と、無効磁束の発生により、有効磁束数は従来の半
分程度に低下しているため、コアの飽和磁束密度にはま
だ十分に余裕がある。
【００８９】従って、永久磁石の性能を向上することに
より、永久磁石の磁束密度を向上すれば、体積効率を大
幅に向上することができる。
【００９０】図６において、明らかなように永久磁石の
最大エネルギ積１０（ＭＧＯｅ）以上では、本実施例１
のバーニヤ型ブラシレスモータが従来型のブラシレスモ
ータに比較して圧倒的に体積効率が高い。
【００９１】また、本実施例１では、コア３の突極１極
あたりに設けられた小歯６の数は２個であったが、この
状態でもある程度以上に永久磁石の性能が向上すると、
コアが磁気飽和するが、図７に示すように小歯６の数を
３個以上に構成することにより、永久磁石の性能向上に
比例してさらに体積効率を向上することができる。
【００９２】また、バーニヤ型ブラシレスモータの体積
効率を引き出すもう一つの条件は、突極数、磁極数を適
切に設定する必要があるということである。
【００９３】上記図１ではコアに設けた突極数は６極で
あり、ロータの磁極数は２０極の場合を示したが、一般
的にブラシレスモータが３相構造の場合、永久磁石の極
数をｐ、コアの突極数をｚ、突極１極あたりに設けられ
た小歯の歯数をｎとした場合に、（数１）の関係を満足
するように設定することにより、隣り合う突極間の隙間
が最も小さくなり、突極先端に設けられた小歯と永久磁
石が対向している面積が最大となるため、同一の永久磁
石を用いた場合の有効磁束数が最大となり、永久磁石の
能力を最大限に引き出し、モータの体積効率を向上でき
る。
【００９４】なお、上記ではコアに設けた突極数は６極
であり、ロータの磁極数は２０極の場合を示している
が、突極数が３極で、磁極数は１０極、突極数が９極
で、磁極数は３０極、突極数が１２極で、磁極数は４０
極といった構成も可能である。
【００９５】図８はこれら突極数が異なるブラシレスモ
ータの磁気回路部分のアスペクト比（長さ／外径）と体
積効率の関係を示した図である。
【００９６】図８に示すとおり、最も体積効率が高いの
は突極数が６極の場合であるが、アスペクト比が小さい
（言い換えれば軸方向に薄い）場合、９極または１２極
の場合の方が体積効率が優れている傾向にあり、逆にア
スペクト比が大きい（言い換えれば軸方向に長い）場
合、３極の場合が体積効率が優れている。
【００９７】これは、コアにコイルを巻回した場合、コ
イルがコアからはみ出した部分（いわゆるコイルエンド
部）の高さが無視できないためであり、突極数を多くし
た方が薄型化に適している。
【００９８】しかしながら実用的に用いられるアスペク
ト比０．１〜３程度の範囲では、６極または９極が最も
体積効率が優れており、一般的には、突極数は６極また
は９極を選ぶのが適切である。
【００９９】さらに、バーニヤ型ブラシレスモータの体
積効率を引き出すにはバックヨーク２の性能も非常に重
要となる。
【０１００】図５に示すように、バックヨーク２には非
常に大きな磁束が流れており、その磁束は場所により大
きく異なっていることが分かる。これは、バックヨーク
２の磁束がロータ回転により激しく変化することを表し
ている。
【０１０１】特に本実施例では、磁極数を従来の８極か
ら２０極に多極化したことにより、磁束の周波数も高く
なり、磁束周波数の２乗に比例して増加する渦電流損失
あるいは、磁束周波数に比例して増加するヒステリシス
損失ともに従来型より大きなものとなる。
【０１０２】従って、バックヨークには珪素鋼板を軸方
向に積層して使用する、あるいは、絶縁された軟磁性材
料の粉末を樹脂等の絶縁体で固着した材質で構成する、
またはさらに図９に示すようにマグネット体そのもの
を、高保磁力の磁性体粉末を樹脂で固着した永久磁石層
８と、高透磁率の磁性体粉末を樹脂で固着したバックヨ
ーク層９の２層構造にする等の方法により、バックヨー
クの高周波磁気特性を向上することにより、バックヨー
ク部での損失発生を抑え特性を向上できる。
【０１０３】なお、バックヨークに珪素鋼板を使用する
場合は、珪素の含有量が質量比２〜６．５％（望ましく
は６．５％）であることが望ましい。珪素鋼板の鉄損は
珪素が６．５％であるときが最も鉄損が少なく効率が良
いが、珪素の含有量を多くすると、鋼板が脆くなり極端
に加工性が低下する。従って加工の容易さを考慮して２
〜６．５％の間の適切な値に設定することにより、加工
性と効率を両立することができる。
【０１０４】またさらに、上記実施例では、永久磁石は
円筒状である場合を示したが、図１０に示すように、バ
ックヨーク２内周に複数の永久磁石１を並べて接着固定
する。あるいは、図１１に示すように、バックヨーク２
を珪素鋼板を複数枚軸方向に積み重ねて構成し、あらか
じめ開けておいた穴の部分に永久磁石を挿入した、いわ
ゆる磁石埋め込み型の構成も可能である。
【０１０５】このように永久磁石を分割することによ
り、永久磁石をあらかじめ着磁した状態で組み立てるこ
とにより、着磁が容易になり、磁石の能力を引き出しや
すくなる。
【０１０６】また、図１０に示すように永久磁石をかま
ぼこ状に成型することにより、隣り合う磁極間の影響を
抑制し、有効磁束密度を向上できる。また、図１１に示
すように永久磁石をヨーク内に埋め込むことにより、機
械的強度の優れたロータを構成することができる等の効
果も得られる。
【０１０７】以上本実施例１は、コアが内周にあり、ロ
ータが外周にあるアウターロータ型モータの場合を示し
ているが、図１２に示すように、コアが外周にあり、ロ
ータが内周にあるインナーロータ型の構成も可能である
ことは言うまでもない。一般的に、モータのトルク特性
を重視する場合、マグネットとコアの対向面積を大きく
できるアウターロータ型の方が優位であるが、高速応答
を要するモータの場合、ロータの外径が小さく、ロータ
の慣性モーメントが小さいインナーロータ型が有利な場
合もあり、用途に応じて適切な方を選択すればよい。
【０１０８】（実施例２）コギングトルクは、ロータが
回転するとコアと永久磁石の磁気エネルギが周期的に変
化することにより発生するが、バーニヤ型ブラシレスモ
ータの場合、磁極が多極化されている関係で、従来型ブ
ラシレスモータより小さい回転角でより大きな磁気エネ
ルギの変化を生じ、コギングトルクも大きくなる傾向に
ある。
【０１０９】以下実施例２から７では、上記実施例１で
示したバーニヤ型ブラシレスモータで問題となるコギン
グトルクについて、その解決方法を示す。
【０１１０】図１３は本実施例２のブラシレスモータの
永久磁石１の着磁分布を示した図である。その他磁気回
路の構成は上記実施例１（図１）と全く同じである。
【０１１１】図１３において永久磁石１には磁極の位置
が上端部と下端部で異なるように、所定角度θだけスキ
ュー着磁がなされている。
【０１１２】一般的にバーニヤ型ブラシレスモータの場
合、永久磁石の磁極数をｐ、コアの突極数をｚとした場
合、コギングトルクの波形は、１回転あたりｋ回の繰り
返し波形となる（ｋは、ｐとｚの最小公倍数）。
【０１１３】ここで、永久磁石の着磁をスキュー着磁す
ると、コギングトルクの波形がコアの積層方向に平均化
され、コギングトルクの絶対値が小さく収まる。
【０１１４】図１４（ａ）は着磁のスキュー角度とコギ
ングトルクの関係を示す図、図１４（ｂ）は着磁のスキ
ュー角度とモータ体積効率の関係を示す図である。
【０１１５】ここで、図１４（ａ）に示すとおり、コギ
ングトルクは、スキュー角度が小さくなるにつれ縮小す
る傾向にあるが、６°、１２°付近で極小値を取り、そ
れ以外では少し高くなる傾向がある。これは、着磁をス
キューさせるとコギングトルクの波形がコアの積層方向
に平均化されるため、スキュー角度をコギングトルク周
期の整数倍と一致させることにより、コギングトルクが
極小となることを示している。
【０１１６】また、図１４（ｂ）に示すとおり、モータ
の体積効率に関しては、スキュー角度を大きくすればす
るほど悪化する傾向になる。これは、スキュー角度を大
きくすると、永久磁石の上下端では、磁極の位相が異な
るため、適切な通電位相とずれた状態でコイルに通電す
る状態となり、モータの体積効率が低下するためであ
る。
【０１１７】上記から明らかなように、モータのコギン
グトルクの低減と、体積効率を両立させるためには、ス
キュー角度θをコギングトルク１周期分にあたる６°に
するべきである。
【０１１８】なお、永久磁石の軸方向長さと、コアの軸
方向長さが等しい場合は、上記のように、スキュー角度
θをコギングトルクの周期と一致させたが、永久磁石の
軸方向長さと、コアの軸方向長さが異なる場合、若干角
度を上下させた方がコギングトルクが小さくなる場合が
あり、永久磁石の磁極数をｐ、コアの突極数をｚとした
場合、一般的には（数２）の関係が成立するようにスキ
ュー角度θを設定することで、コギングトルクの低減
と、モータ体積効率を両立できる。
【０１１９】（実施例３）上記実施例２では、着磁にス
キュー角度を設ける方法を示したが以下実施例３では、
コアの形状を工夫することによりコギングトルクを低減
する方法を示す。
【０１２０】図１５は本実施例３のコア形状を示す説明
図である。
【０１２１】図１５において、コア３の形状は、図１に
示す実施例１のコア形状と比較して、突極５先端の小歯
６の開角αが異なる以外全く同じ形状である。
【０１２２】ここで、小歯の開角αを変化させると、コ
ギングトルクは大きく変化する。
【０１２３】図１６は小歯の開角を変化させた場合のコ
ギングトルク波形を示した図である。
【０１２４】図１６（ａ）は小歯の開角が電気角で１２
０°の場合、図１６（ｂ）は小歯の開角が電気角で１５
０°の場合、図１６（ｃ）は小歯の開角が電気角で１８
０°の場合を示している。
【０１２５】図１６（ａ）に示すとおり、コギングトル
クは回転電気角３６０°に対し６回の繰り返し波形とな
っている。これは突極数と磁極数の最小公倍数に一致す
る。これは本実施例のモータに限ったことではなく、同
様にバーニヤ型のブラシレスモータではコアの突極数と
磁極数の最小公倍数に一致した周期のコギングトルクが
発生するのが一般的である（以後この周期を基本コギン
グトルク周期と呼ぶ）。
【０１２６】また、図１６（ｃ）の小歯６の開角αを大
きくした場合では、コギングトルクの周期および絶対値
は図１６（ａ）の場合とほぼ等しいものの、コギングト
ルクの位相が正反対の波形となっている。
【０１２７】一方、図１６（ｂ）の小歯６の開角αを電
気角で１５０°にした場合は、コギングトルクの周期が
基本コギングトルク周期の２倍の周波数のコギングトル
クが発生しているとともに、絶対値自体も大幅に小さく
なっている。
【０１２８】この理由について、図１７、１８を用いて
説明する。
【０１２９】分かりやすくするために、図１７において
永久磁石１の磁極のＮ極とＳ極の切り替え部分が小歯６
のエッジ部６−１に差し掛かった状態を考える。
【０１３０】図１７に示したように永久磁石１の磁極切
り替え部分が小歯６のエッジ部６−１に差し掛かると
が、永久磁石１と小歯６の間の磁気エネルギが変化し図
１８（ａ）に示すようなトルクが発生する、この波形は
小歯６のエッジ部６−１と磁極切り替え部分が一致する
近辺でゼロとなる波形である。
【０１３１】この際小歯６の逆側のエッジ部６−２でも
同様に、小歯６のエッジ部６−２と磁極切り替え部分が
一致する位置の近辺でゼロとなる波形のトルクが発生す
る。波形は、図１８（ｂ）に示したとおり先のトルクと
点対称な波形となる。ここで小歯６の開角を電気角で１
５０°に設定すると、小歯６の両側のエッジ部６−１、
６−２で発生するトルクの位相が異なる形となり、両者
のトルクがキャンセルされることにより、一つの小歯６
では、図１８（ｃ）に示すように、３次成分が完全に除
去されたトルクとなる。
【０１３２】結果的にモータ全体で見ると、１次、２
次、４次、５次成分は他の小歯で発生する位相が電気角
で１２０°ずつずれたトルクによりキャンセルされるた
めに、図１８（ｄ）に示すように、６次以上の成分のト
ルクが現れ、結果的には基本コギングトルク周期の２分
の１の周期のコギングトルクが発生する形となるととも
に、コギングトルクの絶対値も小さく収まる。
【０１３３】なお、上記実施例は、小歯６の開角が電気
角で１５０°の場合が最小となることを示したが、同様
に、小歯の開角が電気角で９０°、２１０°とした場合
にも、小歯の両エッジで発生するコギングトルクの３次
成分が除去され、同様の現象が発生する。
【０１３４】また、上記実施例は、小歯の開角が１５０
°でコギングトルクが最小になることを示したが、１５
０°から角度がある程度前後した場合を考えると、小歯
の開角を電気角で１４０°または１６０°とした場合
は、小歯で発生するコギングトルクの３次成分は５０％
除去され、小歯の開角を電気角で１４５°または１５５
°とした場合は、小歯で発生するコギングトルクの３次
成分は７４％除去される状態となり、実用的な性能を得
るためには、小歯で発生するコギングトルクの３次成分
が約４分の１以下となる１４５〜１５５°に設定するこ
とにより、コギングトルクの基本周期成分が大幅に低減
され、コギングトルクを小さく抑えることができる。
【０１３５】また、小歯６の形状が図１９（ａ）のよう
にコア半径より小さいＲで形成した場合、あるいは図１
９（ｂ）のように面取り部を設けた場合、あるいは、コ
アの磁気飽和等の影響を考慮した場合は、磁気特性上は
小歯６の開角が狭まった状態に近い条件となり、小歯６
の開角αが若干（電気角にして５°前後）大きい場合に
コギングトルクが最小となる現象が発生する場合があ
る。
【０１３６】従って、一般的には磁極数、小歯数には関
係なく小歯の開角を電気角で１４５〜１６０°または８
５〜１００°または２０５〜２２０°の間の適切な角度
に設定することにより、基本コギングトルク周期の２分
の１の周期のコギングトルクが発生し、コギングトルク
の絶対値も小さく抑えることができる。
【０１３７】しかしながら、小歯の開角αを８５〜１０
０°に設定した場合は、小歯と永久磁石との対向面積が
小さくなるため有効磁束数が低下し、逆に小歯の開角α
を２０５〜２２０°とした場合は、小歯の開角が磁極の
幅より大きくなってしまうため、無効磁束が発生し鉄損
が増加するため、どちらも効率を低下させる要因とな
り、小歯の開角を電気角で１４５〜１６０°とするのが
より望ましい。
【０１３８】（実施例４）上記実施例３では、小歯の開
角を変えることによりコギングトルクを低減する方法を
示したが、本実施例４では小歯のピッチに着目し、コギ
ングトルクを低減する方法を示す。
【０１３９】図２０（ａ）は本実施例４のコア形状を示
す説明図である。
【０１４０】図２０（ａ）において、コア３の形状は、
図１に示す実施例１のコア形状と比較して、突極５先端
の小歯６のピッチが異なる以外全く同じ形状である。
【０１４１】上記実施例１では小歯６のピッチは、磁極
２極分（つまり電気角３６０°）に設定されていたが、
図２０（ａ）に示す本実施例４の小歯６のピッチは、上
記実施例１より小さい電気角３３０°に設定されてい
る。
【０１４２】以下は、このような形状にした理由につい
て簡単に説明する。
【０１４３】図２０（ａ）の形状は、考え方としては図
２０（ｂ）のコア３−１の形状の斜線部分と、図２０
（ｃ）のコア３−２の形状の斜線部分を組み合わせた形
状に形成されている。
【０１４４】ここで、図２０（ｂ）に示すコア３−１の
形状は、上記実施例１の図１に示すコア形状と同一で、
反時計方向に電気角で１５°（機械角で１．５°）回し
た形状であり、図２０（ｃ）に示すコア３−２の形状
は、コア形状は同一で、前記コア３−１とは逆で、時計
方向に電気角で１５°（機械角で１．５°）回した形状
である。
【０１４５】それでは、コギングトルクの低減原理につ
いて、図２１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明す
る。
【０１４６】図２１（ａ）の実線部は図２０（ｂ）に示
すコア３−１で発生するコギングトルク波形である。上
記実施例１で述べたが、コア３−１で発生するコギング
トルクは、磁極数が２０極、突極数が６極であることか
ら、その最小公倍数である１回転に６０回、つまり電気
角で６０°（機械角で６°）の繰り返し波形となってい
る。ここで、コア３−１の斜線部のみで考えると、丁度
全体の半分にあたるので、コギングトルクに関しても半
分になり、図２１（ａ）の破線部に示すようなコギング
トルク波形となる。
【０１４７】図２１（ｂ）に関しても全く同様で、図２
０（ｃ）のコア３−２の斜線部分で発生するコギングト
ルクは、図２１（ｂ）の破線部に示すようなコギングト
ルク波形となる。
【０１４８】ここで、図２１（ａ）のコギングトルク波
形と、図２１（ｂ）のコギングトルク波形を比較する
と、両者はトルクの大きさ、周期は等しいが、位相が１
８０°異なる波形となっていることが分かる。
【０１４９】そこで、本実施例４のコア３で発生するコ
ギングトルクの波形は、図２０（ｂ）のコア３−１の斜
線部分で発生するコギングトルクと、図２０（ｃ）のコ
ア３−２の斜線部分で発生するコギングトルクの合成と
考えれば良いので、図２１（ａ）の破線部と図２１
（ｂ）の破線部の合成トルクを考えると、図２１（ｃ）
に示すように両者のコギングトルクの１次、３次、５次
…の成分がキャンセルされ、元のトルク波形より大幅に
振幅が小さくなり、周期も元の波形に対し半分の周期に
なる。
【０１５０】これによりモータのコギングトルクを小さ
く抑えることができる。
【０１５１】なお、上記実施例４では、２つのコア形状
から斜線部を適当に選んだように見えるが、この選び方
は、一定の法則に従って行わなくてはならない。その法
則とは、斜線部で選んだ部分と、選んでいない部分に
は、磁極との位置関係が一致する部分から同数ずつ選ば
なければならないということである。この法則を守らず
に適当に組み合わせても、コギングトルクの低減効果は
得られないばかりか、各相のバランスが崩れモータの特
性が悪化する場合もある。
【０１５２】また、上記の法則を守った上でコア形状を
適時組み合わせて構成すれば、図２０のようなコア形状
以外にも、図２２に示すような、小歯のピッチが電気角
で３６０°より大きいコア形状、あるいは、図２３に示
す、小歯のピッチが、３６０°より大きい突極と、小歯
のピッチが、３６０°より小さい突極とが繰り返すコア
形状、あるいは、図２４に示す、小歯のピッチは３６０
°であるが、突極先端部のピッチが変化するコア形状、
さらには、図２５に示す、小歯の開角が左右で所定角度
異なる形状、その他様々な形状が構成できる。
【０１５３】なお、上記は電気角で３０°位相が異なる
コア形状を組み合わせたが、丁度３０°に一致しなくて
も、±１０％程度の範囲で角度を調整することにより、
コギングトルクの基本周期成分は約７０％除去されるた
め、十分な効果が得られる。
【０１５４】また、上記は全てコギングトルクの位相が
１８０°異なる２つの形状を組み合わせる例を示した
が、図２６（ａ）に示すような、突極あたりの小歯数が
３個の場合、図２６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すよう
な位相が電気角で２０°ずつ異なるコア形状を組み合わ
せて構成することにより、同様にコギングトルクを低減
することが可能となる。
【０１５５】以上より、一般的にはブラシレスモータが
３相構造の場合、前記突極１極あたりに設けられた小歯
の歯数をｎとした場合に、コアの軸方向断面形状が、回
転方向に電気角で６０／ｎ°±１０％ずつずらしたｎ個
のコア基本形状を適時組み合わせた形状に構成すること
によりコギングトルクの小さいモータを提供することが
できる。
【０１５６】なお、上記では詳しく説明しなかったが、
図２０（ａ）あるいは、図２６（ａ）に示すような小歯
のピッチが３６０°より小さくなるように構成する。
【０１５７】より一般的には３相モータの場合、突極１
極あたりに設けられた小歯の歯数をｎ、小歯のピッチを
電気角でβ（°）とした場合に、（数３）の関係を満足
するように設定すると、結果的に隣り合う突極間の隙間
が大きく取れ、突極間の磁気的な干渉を抑え、さらにコ
イルを巻回する時の作業性が良くなる等の効果も得られ
る。
【０１５８】また、図２５（ａ）に示すように小歯の開
角を左右で所定角度変えて構成した場合は、コアと永久
磁石の磁気吸引力が左右で異なる状態となり、常にロー
タが軸受の一方向に押さえつける状態となり、軸受に焼
結含油軸受等のシャフトと軸受の間にクリアランスを有
する軸受を使用した場合、シャフトのがたつきを抑え、
回転精度を向上させる効果も得られる。
【０１５９】なお、上記実施例３および４では、コア形
状のみで、コギングトルクを低減する方法を説明した
が、上記実施例２で示したスキュー着磁と組み合わせる
ことにより、さらに一段とコギングトルクを低減でき
る。
【０１６０】上記実施例２では、スキュー角度θは基本
コギングトルク周期にほぼ一致するよう設定したが、上
記実施例３および４に示したコア形状の場合、元々発生
するコギングトルクの１次成分はほぼ除去されているた
めに、従来の半分の角度のスキュー着磁でも十分なコギ
ングトルク低減効果を得ることができる。
【０１６１】つまり一般的には、永久磁石の磁極数を
ｐ、コアの突極数をｚとした場合、（数４）（ｋはｐと
ｚの最小公倍数）の関係が成立するようにスキュー角度
θを設定することで、コギングトルクの低減と、モータ
体積効率を両立できる。
【０１６２】（実施例５）上記実施例４では、コアの断
面形状に着目してコギング、本実施例５では、断面形状
を軸方向に分けて構成し、コギングトルクを低減する方
法を示す。
【０１６３】図２７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すとお
り本実施例５では、コア３の形状を上、中、下３段に分
けて構成している。
【０１６４】上段および下段部のコア形状は同一で、図
２７（ｂ）に示すように小歯の開角が１２個全て電気角
で１５０°であり、中断のコア形状は図２７（ｃ）に示
すように小歯の開角が１２個全て電気角で２１０°の形
状としている。
【０１６５】また、本実施例５のコアは、上記小歯の開
角以外に、上段および下段部の突極巻線部の幅ｗ１が中
段部の突極巻線部の幅ｗ２より細く形成されているとい
う特徴がある。
【０１６６】本実施例５のコア形状も基本的には、上記
実施例４と同様の手法で構成されている。
【０１６７】図２７（ｂ）に示すコア３の上段および下
段部の形状は、図２７（ｄ）、（ｅ）のコア３−１、３
−２形状の斜線部分を組み合わせて構成されており、図
２７（ｃ）に示すコア３の中段部の形状は、図２７
（ｄ）、（ｅ）のコア３−１、３−２の形状の斜線部分
以外を組み合わせて構成されている。
【０１６８】さらに本実施例５のコア３では、突極巻線
部の幅を小歯の開角に合わせて、上段および下段部の突
極巻線部の幅ｗ１を中段部の突極巻線部の幅ｗ２より細
く形成している。これは、小歯の開角が小さい上、下段
部は、小歯を通る磁束量が少ないために、突極巻線部を
細くしても、磁気特性上の問題がないためである。
【０１６９】一方、このように、突極巻線部を細くする
と、以下に示すような効果が得られる。
【０１７０】図２８（ａ）は本実施例５のコアの突極巻
線部の断面を、図２８（ｂ）は比較のために従来のコア
の突極巻線部の幅が一定の場合の突極巻線部の断面を示
している。
【０１７１】図２８（ａ）、（ｂ）に示すように、コア
には、絶縁皮膜１０が施され、そこにコイル４が巻回さ
れる構成となっている。
【０１７２】ここで、図２８（ａ）の場合と、図２８
（ｂ）の場合を比較すると明らかなように、コイル１タ
ーン当たりの長さは、図２８（ａ）の場合の方が短くて
済む。このため、同一の線径のコイルで巻回した場合、
図２８（ａ）の場合の方がコイル抵抗の値が低くなり、
モータの体積効率が高くなる。また、コイル４の形状
が、六角形状となり、コアエッジ部にかかる圧力が６ヶ
所に分散されるため、図２８（ｂ）の場合よりも薄い絶
縁皮膜でも、同等の絶縁性能を維持でき、絶縁皮膜を薄
くして、さらにコイルを巻き込むことにより、一段とモ
ータの体積効率を向上できる。
【０１７３】（実施例６）上記実施例４、５では、コア
を１つの突極あたりの小歯数ｎと一致する数の基本コア
形状を組み合わせて作成したが、若干複雑になるものの
さらに多く数の基本形状を組み合わせる構成をとること
により、さらに一段とコギングトルクを低減できる。
【０１７４】図２９（ａ）は本実施例６のコア形状を示
している。
【０１７５】図２９（ａ）に示すとおり、本実施例のコ
アでは、小歯のピッチが電気角で３１５°の突極と、小
歯のピッチが電気角で３４５°の突極とが交互に繰り返
す構成となっている。
【０１７６】この形状は、図２９（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）、（ｅ）に示す電気角で１５°ずつ位相の異なる
４つの基本形状の斜線部分を組み合わせて構成されてい
る。
【０１７７】このように、組み合わせる基本形状の数を
増やすことにより、若干形状が複雑になるものの、上記
実施例４、５では除去し切れなかったコギングトルクの
２次成分等さらに高次のコギングトルクまでキャンセル
できるため、さらにコギングトルクを低減できる。
【０１７８】一般的には、３相構造のモータの場合、１
相分の突極あたりに設けられた小歯の合計歯数をＮとし
た場合に、コアの軸方向断面形状が、回転方向に電気角
で６０／Ｎ°±１０％ずつずらしたＮ個のコア基本形状
を適時組み合わせた形状に構成することにより、コギン
グトルクの非常に低いモータを提供できる。
【０１７９】（実施例７）本実施例７では上記実施例３
の小歯の開角を設定する方法と、上記実施例４、５で示
した複数の基本コア形状を組み合わせて作成する方法を
組み合わせ、さらに一段とコギングトルクを低減できる
方法を示す。
【０１８０】図３０（ａ）は本実施例７のコア形状を示
す説明図である。
【０１８１】図３０（ａ）に示すとおり、本実施例のコ
ア３の形状は、各突極５には小歯６が３個ずつ設けられ
ており、各小歯６のピッチが電気角で３５０°であると
ともに、各小歯６の開角が電気角で１５０°に構成され
ている。
【０１８２】このコア形状は、図３０（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）に示す位相が電気角で１０°ずつずれた３つのコ
ア形状の斜線部を組み合わせた形状である。
【０１８３】これら３つのコア３−１、３−２、３−３
の形状は、上記実施例３で示した小歯の開角が電気角で
１５０°に設定されている形状である。
【０１８４】本実施例７のコア３のコギングトルク低減
原理について、図３１を用いて説明する。
【０１８５】３つのコア３−１、３−２、３−３の形状
は元々突極の開角が１５０°であることにより、図３１
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の実線で示すとおり、コギング
トルクの周期が基本コギングトルク周期の２分の１の周
期（電気角３０°周期）で、絶対値も低減されたコギン
グトルクを発生する。
【０１８６】そして、これら３つのコア形状は位相が電
気角で１０°ずつずらして構成されているために、これ
らコア形状を３分の１ずつ合成した、本実施例７のコア
形状のコギングトルクは、コギングトルクがお互いにキ
ャンセルされ図３１（ｄ）に示すように振幅も大幅に小
さく、周期も元の波形の３分の１以下の周期になってい
る。
【０１８７】このように、元々コギングトルクが小さ
く、コギングトルクの周期が短い実施例３のコア形状を
基本形状として使用することにより、上記実施例４、５
の半分の角度ずれのコア形状を組み合わせることによ
り、大幅なコギングトルク低減効果が得られる。
【０１８８】一般的にはモータが３相構造であり、突極
１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、
コアの軸方向断面形状が、突極に設けられた小歯の開角
が電気角で１４５°〜１６０°である基本形状をベース
として、回転方向に電気角で３０／ｎ°±１０％ずつず
らしたｎ個のコア基本形状を適時組み合わせた形状に構
成するとよい。
【０１８９】さらに、図３０（ａ）で示したような、小
歯のピッチが電気角で３６０°より小さい形状に形成す
る。一般的には、突極１極あたりに設けられた小歯の歯
数をｎ、小歯のピッチを電気角でβ（°）とした場合
に、（数５）の関係を満足するように設定すると、結果
的に隣り合う突極間の隙間が大きく取れ、突極間の磁気
的な干渉を抑え、さらにコイルを巻回する時の作業性が
良くなる等の効果も得られる。
【０１９０】以上実施例１から７によれば、ブラシレス
モータの体積効率を従来の２倍以上に向上することが可
能となり、同一特性でもより小型のモータを提供でき
る。あるいは、従来と同一サイズの場合は、大幅な出力
アップが可能となり、モータを使用した機器の機能を向
上することができる。
【０１９１】例えば、本発明のブラシレスモータを携帯
情報端末、携帯型ＭＤプレーヤ等に使用することによ
り、同一特性でも小型で軽量なモータを提供でき、機器
の小型化、軽量化を達成できる。
【０１９２】また、本発明のブラシレスモータをＯＡ機
器、家電機器等の駆動源に使用することにより、同一サ
イズでも高出力なモータを提供でき、機器のサイズを大
きくすることなく機器の高速化、高機能化を達成でき
る。
【０１９３】また、本発明のブラシレスモータをロボッ
トの関節駆動用アクチュエータに使用することにより、
同一サイズ、重量でも高出力なモータを提供でき、産業
用ロボット等の応答性能を向上できるとともに、現在は
２足歩行程度に留まっている人型ロボットの動作を、走
る、跳ぶ、投げる等より人間に近い高機能動作をさせる
ようにすることが可能となる。
【０１９４】またさらに、本発明のブラシレスモータ
を、燃料電池自動車、電気自動車に代表される輸送用機
器の車輪駆動用に使用することにより、同一特性でも小
型、軽量のモータを提供することができ、車体の軽量化
による走行性能の向上、あるいは燃費の向上を実現する
ことができる。また、小型でも十分な出力を得ることが
できるので、モータを車輪内に収めるいわゆるインホイ
ール型のモータとしても適している。
【０１９５】
【発明の効果】上記実施例の記載から明らかなように、
請求項１記載の発明によれば、モータの体積効率を飛躍
的に向上し、同一特性のモータの小型化、あるいは同一
サイズのモータの高効率化、高出力化ができるという有
利な効果が得られる。
【０１９６】また、このモータを機器に搭載することに
より、機器の小型化、あるいは機能向上を行うことがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１によるブラシレスモータの磁
気回路構成を示す説明図
【図２】従来型ブラシレスモータの磁気回路構成を示す
説明図
【図３】従来型ブラシレスモータの磁気回路構成を示す
説明図
【図４】本発明の実施例１による各ブラシレスモータの
比較表を示す図
【図５】本発明の実施例１によるブラシレスモータの磁
束の流れを示す説明図
【図６】本発明の実施例１による永久磁石の最大エネル
ギ積とモータ体積効率の関係を示す図
【図７】本発明の実施例１によるもう１例のブラシレス
モータの磁気回路構成を示す説明図
【図８】本発明の実施例１によるモータアスペクト比と
モータ体積効率の関係を示す図
【図９】本発明の実施例１による２層構造マグネット体
の構成例を示す図
【図１０】本発明の実施例１による磁石貼付け型マグネ
ット体の構成例を示す図
【図１１】本発明の実施例１による磁石埋め込み型マグ
ネット体の構成例を示す図
【図１２】本発明の実施例１によるインナーロータ型ブ
ラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図
【図１３】本発明の実施例２によるブラシレスモータの
永久磁石の着磁分布を示す図
【図１４】本発明の実施例２による着磁スキュー角度と
モータ特性の関係を示した図 （ａ）コギングトルクを示す図 （ｂ）モータ体積効率を示す図
【図１５】本発明の実施例３によるブラシレスモータの
コア形状を示す説明図
【図１６】本発明の実施例３におけるコギングトルク波
形を示した図 （ａ）小歯の開角が電気角で１２０°のコギングトルク
の波形を示す図 （ｂ）小歯の開角が電気角で１５０°のコギングトルク
の波形を示す図 （ｃ）小歯の開角が電気角で１８０°のコギングトルク
の波形を示す図
【図１７】本発明の実施例３における小歯でのコギング
トルク発生を示す説明図
【図１８】本発明の実施例３におけるコギングトルク波
形を示した図 （ａ）小歯エッジ部６−１で発生するトルク波形を示す
図 （ｂ）小歯エッジ部６−２で発生するトルク波形を示す
図 （ｃ）（ａ）、（ｂ）の合成トルク波形を示す図 （ｄ）モータ全体での合成トルク波形を示す図
【図１９】本発明の実施例３による別のブラシレスモー
タのコア形状を示す説明図 （ａ）小歯先端にＲを設けたコア形状を示す図 （ｂ）小歯先端に面取りを設けたコア形状を示す図
【図２０】（ａ）本発明の実施例４によるブラシレスモ
ータのコア形状を示す説明図 （ｂ）本発明の実施例４によるブラシレスモータのコア
形状を示す説明図 （ｃ）本発明の実施例４によるブラシレスモータのコア
形状を示す説明図
【図２１】本発明の実施例４におけるコギングトルク波
形を示した図 （ａ）コア３−１で発生するコギングトルクの波形を示
す図 （ｂ）コア３−２で発生するコギングトルクの波形を示
す図 （ｃ）本実施例４のコアのコギングトルク波形を示す図
【図２２】（ａ）本発明の実施例４による別のブラシレ
スモータのコア形状を示す説明図 （ｂ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図 （ｃ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図
【図２３】（ａ）本発明の実施例４による別のブラシレ
スモータのコア形状を示す説明図 （ｂ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図 （ｃ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図
【図２４】（ａ）本発明の実施例４による別のブラシレ
スモータのコア形状を示す説明図 （ｂ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図 （ｃ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図
【図２５】（ａ）本発明の実施例４による別のブラシレ
スモータのコア形状を示す説明図 （ｂ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図 （ｃ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図
【図２６】（ａ）本発明の実施例４による別のブラシレ
スモータのコア形状を示す説明図 （ｂ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図 （ｃ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図 （ｄ）本発明の実施例４による別のブラシレスモータの
コア形状を示す説明図
【図２７】本発明の実施例５によるブラシレスモータの
コア形状を示す説明図 （ａ）正面図 （ｂ）ｘ−ｘ’およびｚ−ｚ’断面図 （ｃ）ｙ−ｙ’断面図 （ｄ）、（ｅ）基本コア形状を示す図
【図２８】本発明の実施例５によるコア突極の断面を従
来と比較した図 （ａ）本実施例の断面形状を示す図 （ｂ）従来の断面形状を示す図
【図２９】（ａ）本発明の実施例６によるブラシレスモ
ータのコア形状を示す説明図 （ｂ）本発明の実施例６によるブラシレスモータのコア
形状を示す説明図 （ｃ）本発明の実施例６によるブラシレスモータのコア
形状を示す説明図 （ｄ）本発明の実施例６によるブラシレスモータのコア
形状を示す説明図 （ｅ）本発明の実施例６によるブラシレスモータのコア
形状を示す説明図
【図３０】（ａ）本発明の実施例７によるブラシレスモ
ータのコア形状を示す説明図 （ｂ）本発明の実施例７によるブラシレスモータのコア
形状を示す説明図 （ｃ）本発明の実施例７によるブラシレスモータのコア
形状を示す説明図 （ｄ）本発明の実施例７によるブラシレスモータのコア
形状を示す説明図
【図３１】本発明の実施例７におけるコギングトルク波
形を示した図 （ａ）コア３−１で発生するコギングトルクの波形を示
す図 （ｂ）コア３−２で発生するコギングトルクの波形を示
す図 （ｃ）コア３−３で発生するコギングトルクの波形を示
す図 （ｄ）本実施例７のコアのコギングトルク波形を示す図
【図３２】従来のブラシレスモータの構造を示す図 （ａ）軸方向断面図 （ｂ）軸垂直方向断面図
【図３３】従来のＨＢ型ステッピングモータの構造を示
す図 （ａ）軸方向断面図 （ｂ）軸垂直方向断面図
【図３４】先行技術の３相ステッピングモータを示す図 （ａ）先行技術の３相ステッピングモータの磁気回路構
成を示す説明図 （ｂ）先行技術の３相ステッピングモータのロータ構造
図 （ｃ）従来のＨＢ型ステッピングモータのロータ構造図
【符号の説明】
１ 永久磁石 ２ バックヨーク ３、３−１、３−２、３−３、３−４ コア ４ コイル ５、５−１、５−２、５−３、５−４、５−５、５−６
突極 ６ 小歯 ７、７−１、７−２ 磁束 ８ 永久磁石層 ９ バックヨーク層 １０ 絶縁皮膜 １１ 回転子鉄心 １２ シャフト １３ 軸受
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０２Ｋ 1/16 Ｈ０２Ｋ 1/16 Ｃ Ｆターム(参考） 5H002 AA03 AA09 AE07 5H019 AA03 CC04 DD01 EE01 EE04 5H621 AA02 BB07 GA01 GA04 GA14 GA17 GB08 HH01 PP10 5H622 AA02 CA01 CA05 CA10 DD02 QB01

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁した
    マグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラ
    ジアル方向に対向し磁気回路を構成しコイルが巻回され
    た複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極の前記マ
    グネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略
    同一ピッチの小歯が複数個設けられており、前記ロータ
    の位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを
    回転駆動することを特徴とするブラシレスモータ。
  2. 【請求項２】 マグネット体が、最大エネルギ積１０Ｍ
    ＧＯｅ以上の永久磁石で構成されていることを特徴とす
    る請求項１記載のブラシレスモータ。
  3. 【請求項３】 ブラシレスモータが３相構造であり、マ
    グネット体の磁極数をｐ、コアの突極数をｚ、突極１極
    あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、 【数１】 の関係を満足することを特徴とする請求項１から３のい
    ずれか１項に記載のブラシレスモータ。
  4. 【請求項４】 ブラシレスモータが３相構造であり、コ
    アの突極数が６または９極であることを特徴とする請求
    項１から３のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
  5. 【請求項５】 マグネット体には、コアと反対側の面に
    バックヨーク部が設けられていることを特徴とする請求
    項１から４のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
  6. 【請求項６】 バックヨーク部が、高透磁率の軟磁性材
    料の薄板を複数枚軸方向に積み重ねて構成したことを特
    徴とする請求項５記載のブラシレスモータ。
  7. 【請求項７】 磁性材料が珪素を質量比２〜６．５％含
    有させた鋼板であることを特徴とする請求項６記載のブ
    ラシレスモータ。
  8. 【請求項８】 バックヨーク部が、高透磁率の軟磁性材
    料の粉末を絶縁体で固着し構成したことを特徴とする請
    求項５記載のブラシレスモータ。
  9. 【請求項９】 マグネット体が、高保磁力の永久磁石材
    料の粉末を樹脂で固定した永久磁石部分と、高透磁率の
    軟磁性材料を樹脂で固着したバックヨーク部分の２層構
    造で構成されていることを特徴とする請求項５記載のブ
    ラシレスモータ。
  10. 【請求項１０】 マグネット体を、バックヨークのコア
    と対向する側の面に複数個の永久磁石を貼り付けて構成
    したことを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に
    記載のブラシレスモータ。
  11. 【請求項１１】 永久磁石が、磁極ごとに分割して構成
    されており、各々着磁した後で組み立てられたことを特
    徴とする請求項１０記載のブラシレスモータ。
  12. 【請求項１２】 マグネット体が、高透磁率の軟磁性材
    料の薄板を複数枚軸方向に積み重ねて構成したバックヨ
    ーク部に複数の永久磁石を挿入した、いわゆる磁石埋め
    込み型の構造であることを特徴とする請求項１から７の
    いずれか１項に記載のブラシレスモータ。
  13. 【請求項１３】 永久磁石が所定角度スキュー着磁され
    ていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項
    に記載のブラシレスモータ。
  14. 【請求項１４】 永久磁石の磁極数をｐ、コアの突極数
    をｚ、永久磁石のスキュー角度を中心角でθ（°）とし
    た場合に、 【数２】 （ｋはｐとｚの最小公倍数）の関係を満足することを特
    徴とする請求項１３記載のブラシレスモータ。
  15. 【請求項１５】 ブラシレスモータが３相構造であり、
    突極に設けられた小歯の開角が電気角で１４５°〜１６
    ０°であることを特徴とする請求項１から１３のいずれ
    か１項に記載のブラシレスモータ。
  16. 【請求項１６】 ブラシレスモータが３相構造であり、
    突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合
    に、コアの軸方向断面形状が、回転方向に電気角で６０
    ／ｎ°±１０％ずつずらしたｎ個のコア基本形状を適時
    組み合わせた形状に構成したことを特徴とする請求項１
    から１３および１５のいずれか１項に記載のブラシレス
    モータ。
  17. 【請求項１７】 突極１極あたりに設けられた小歯の歯
    数をｎ、小歯のピッチを電気角でβ（°）とした場合
    に、 【数３】 の関係を満足することを特徴とする請求項１６記載のブ
    ラシレスモータ。
  18. 【請求項１８】 ブラシレスモータが３相構造であり、
    突極に設けられた小歯の開角が左右で異なるように構成
    するとともに、その角度差が電気角で６０°±１０％の
    範囲であることを特徴とする請求項１６記載のブラシレ
    スモータ。
  19. 【請求項１９】 永久磁石の磁極数をｐ、コアの突極数
    をｚ、永久磁石のスキュー角度を中心角でθ（°）とし
    た場合に、 【数４】 （ｋはｐとｚの最小公倍数）の関係を満足することを特
    徴とする請求項１５から１８のいずれか１項に記載のブ
    ラシレスモータ。
  20. 【請求項２０】 ブラシレスモータが３相構造であり、
    １相分の突極あたりに設けられた小歯の合計歯数をＮと
    した場合に、コアの軸方向断面形状が、回転方向に電気
    角で６０／Ｎ°±１０％ずつずらしたＮ個のコア基本形
    状を適時組み合わせた形状に構成したことを特徴とする
    請求項１から１３のいずれか１項に記載のブラシレスモ
    ータ。
  21. 【請求項２１】 ブラシレスモータが３相構造であり、
    突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合
    に、コアの軸方向断面形状が、突極に設けられた小歯の
    開角が電気角で１４５°〜１６０°である基本形状をベ
    ースとして、回転方向に電気角で３０／ｎ°±１０％ず
    つずらしたｎ個のコア基本形状を適時組み合わせた形状
    に構成したことを特徴とする請求項１から１３のいずれ
    か１項に記載のブラシレスモータ。
  22. 【請求項２２】 突極１極あたりに設けられた小歯の歯
    数をｎ、小歯のピッチを電気角でβ（°）とした場合
    に、 【数５】 の関係を満足することを特徴とする請求項２１記載のブ
    ラシレスモータ。
  23. 【請求項２３】 請求項１から２２のいずれか１項に記
    載のブラシレスモータを具備する携帯型情報、ＡＶ機
    器。
  24. 【請求項２４】 請求項１から２２のいずれか１項に記
    載のブラシレスモータを具備するＯＡ、家電機器。
  25. 【請求項２５】 請求項１から２２のいずれか１項に記
    載のブラシレスモータを具備するロボット。
  26. 【請求項２６】 請求項１から２２のいずれか１項に記
    載のブラシレスモータを具備する輸送用機器。
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