JP2013233048A - 電気機械装置、移動体、ロボットおよび電気機械装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭ駆動電流高調波を低減し、渦電流損失を低減させる。
【解決手段】電気機械装置であって、磁石２００と、電磁コイル１００と、前記電磁コイルに加える駆動電圧を制御する制御部５１０と、を備え、前記制御部は、前記電磁コイルを、第１の駆動電圧Ｅｓ１、各ＰＷＭ周期における各デューティ比でＰＷＭ駆動する第１の駆動モードと、前記電磁コイルを前記第１の駆動電圧Ｅｓ１より小さい第２の駆動電圧Ｅｓ２、前記各ＰＷＭ周期における各デューティ比でＰＷＭ駆動する第２の駆動モードと、を切り替えて制御可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気機械装置、移動体、ロボットおよび電気機械装置の駆動方法に関する。

ＰＷＭ駆動により駆動されるモーターが知られている（例えば特許文献１）。

特開２０００−２８７４８１号公報

しかし、ＰＷＭ駆動では、ＰＷＭ駆動電流の高調波により、ローター磁石部に渦電流損失が生じるという問題があった。

本発明は、上述した従来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、ＰＷＭ駆動電流の高調波を低減し、渦電流損失を低減させることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
電気機械装置であって、磁石と、電磁コイルと、前記電磁コイルに加える駆動電圧を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電磁コイルを、第１の駆動電圧Ｅｓ１、各ＰＷＭ周期における各デューティ比をＤ（ｎ）でＰＷＭ駆動する第１の駆動モードと、前記電磁コイルを前記第１の駆動電圧Ｅｓ１より小さい第２の駆動電圧Ｅｓ２、前記各ＰＷＭ周期における各デューティ比をＤ（ｎ）×（Ｅｓ１／Ｅｓ２）でＰＷＭ駆動する第２の駆動モードと、を有する、電気機械装置。
この適用例によれば、第１の駆動モードでは、駆動電圧が大きいので、大きなトルクを実現できる。第２の駆動モードでは、駆動電圧を第１の駆動電圧Ｅｓ１から、Ｅｓ１より低い第２の駆動電圧Ｅｓ２に低くするので、第１の駆動モードよりも、例えばオンしたときの電磁コイルに流れる電流の上昇や、オフしたときの電磁コイルに流れる電流の下降が緩やかになり、高周波ノイズの大きさを低減し渦電流損失を低減できる。

［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置であって、さらに、前記電気機械装置の回転数Ｎｍを検出する回転数検出部と、前記電磁コイルに流れる負荷電流Ｉｍを検出する電流検出部と、を備え、前記電気機械装置の誘起電圧定数はＫｅｍであり、前記電磁コイルの負荷抵抗はＲｍであり、前記制御部は、前記電磁コイルを前記正弦波ＰＷＭ駆動したときにおける前記回転数Ｎｍと、前記誘起電圧定数Ｋｅｍと、を用いて誘起電圧Ｅｇを算出し、前記負荷電流Ｉｍと、前記負荷抵抗Ｒｍと、を用いてトルク負荷電圧Ｅｔを算出し、前記制御部は、前記誘起電圧Ｅｇと前記トルク負荷電圧Ｅｔとの和をＥｓ３としたとき、前記第２の駆動電圧Ｅｓ２の大きさを、Ｅｓ３より大きくする、電気機械装置。
この適用例によれば、第２の駆動電圧Ｅｓ２の大きさを誘起電圧Ｅｇとトルク負荷電圧Ｅｔとの和より大きくするので、電気機械装置の駆動力を維持できる。

［適用例３］
適用例２に記載の電気機械装置において、前記駆動電圧Ｅｓ２の大きさは、（√２）×（Ｅｇ＋Ｅｔ）である、電気機械装置。
この適用例によれば、正弦波の実効値をもとに、駆動電圧Ｅｓ２の大きさを誘起電圧Ｅｇとトルク負荷電圧Ｅｔとの和の（√２）倍としたものである。

［適用例４］
適用例２に記載の電気機械装置において、さらに、前記制御部は、各ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）における誘起電圧をＥｇ（Ｕ（ｎ））、トルク負荷電圧Ｅｔ（Ｕ（ｎ））としたときに、各ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）において、駆動電圧が（√２）×（Ｅｇ（Ｕ（ｎ））＋Ｅｔ（Ｕ（ｎ）））、デューティ比が１００％であるＰＷＭ駆動電圧を印加する第３の駆動モードを有する、電気機械装置。
この適用例によれば、ＰＷＭ駆動電圧のデューティ比を１００％として、ＰＷＭ駆動周期毎に駆動電圧を遷移させて印加する第３の駆動モードを備えているので、さらに、高周波ノイズの大きさを低減し、渦電流損失を低減できる。

［適用例５］
適用例２〜４のいずれか一つの適用例に記載の電気機械装置において、前記電気機械装置の温度を計測する温度計測部を備え、前記制御部は、前記温度による前記負荷抵抗Ｒｍの変化に基づいて前記トルク負荷電圧Ｅｔを算出して前記電磁コイルに印加する駆動電圧を算出する、電気機械装置。

［適用例６］
適用例１〜５のいずれか一つの適用例に記載の電気機械装置を備える移動体。

［適用例７］
適用例１〜５のいずれか一つの適用例に記載の電気機械装置を備えるロボット。

［適用例８］
電磁コイルと磁石とを有する電気機械装置の駆動方法であって、前記電気機械装置は、 前記電磁コイルを、第１の駆動電圧Ｅｓ１、各ＰＷＭ周期における各デューティ比をＤ（ｎ）でＰＷＭ駆動する第１の駆動モードと、前記電磁コイルを前記第１の駆動電圧Ｅｓ１より小さい第２の駆動電圧Ｅｓ２、前記各ＰＷＭ周期における各デューティ比をＤ（ｎ）×（Ｅｓ１／Ｅｓ２）でＰＷＭ駆動する第２の駆動モードと、を有しており、トルクよりも高周波ノイズの低減を優先する場合には、前記第２の駆動モードで前記電気機械装置を駆動し、高周波ノイズよりも大きなトルクを優先する場合には、前記第１の駆動モードで前記電気機械装置を駆動する、電気機械装置の駆動方法。
この適用例によれば、第１の駆動モードでは、駆動電圧が大きいので、大きなトルクを実現できる。第２の駆動モードでは、駆動電圧を第１の駆動電圧Ｅｓ１から、Ｅｓ１より低い第２の駆動電圧Ｅｓ２に低くするので、第１の駆動モードよりも、例えばオンしたときの電磁コイルに流れる電流の上昇や、オフしたときの電磁コイルに流れる電流の下降が緩やかになり、高周波ノイズの大きさを低減し渦電流損失を低減できる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気機械装置の他、電気機械装置の駆動方法等様々な形態で実現することができる。

コアレスモーターの構成を示す説明図である。 ＰＷＭ駆動時に電磁コイルに印可する駆動電圧の制御回路のブロック図である。 第１の駆動モードでモーターを駆動したときの誘起電圧Ｅｇ電磁コイルの電圧降下ＥｔおよびＰＷＭ駆動電圧Ｅｐｗｍを示す説明図である。 第１の駆動モードにおけるＰＷＭ駆動波形を模式的に示す説明図である。 第２の駆動モードにおける誘起電圧Ｅｇ電磁コイルの電圧降下Ｅｔおよび駆動電圧Ｅｐｗｍを示す説明図である。 第２の駆動モードにおけるにおけるＰＷＭ駆動波形を模式的に示す説明図である。 第１と第２の駆動モードにおける電磁コイルに流れる電流を比較する説明図である。 第３の駆動モードにおける誘起電圧Ｅｇ電磁コイルの電圧降下Ｅｔおよび駆動電圧Ｅｐｗｍを示す説明図である。 図８におけるＰＷＭ駆動波形を模式的に示す説明図である。 第１の駆動モードと第３の駆動モードの電磁コイルに流れる電流を比較する説明図である。 本発明の変形例によるモーターを利用したプロジェクターを示す説明図である。 本発明の変形例によるモーターを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。 本発明の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。 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。 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。

図１は、コアレスモーターの構成を示す説明図である。コアレスモーター１０（以下、「モーター１０」とも呼ぶ。）は、アキシャルギャップ構造とラジアルギャップ構造の両構造があり、本願の説明は、ラジアルギャップ構造として説明する。モーター１０は、略円筒状のステーター１５が外側に配置され、略円柱状のローター２０が内側に配置されたインナーローター型モーターである。ステーター１５は、ケーシング１１０の内周に沿って配列された複数の電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを有している。なお、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは、コアレスである。また、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂは二相として、コイルエンドを含んだ実配置は省略し原理上での模擬した図として説明する。なお、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂを合わせて電磁コイル１００とも呼ぶ。ステーター１５には、さらに、ローター２０の電気角２πの位相を検出する位置センサーとしての磁気センサー３００が、電磁コイル１００の各相に対応して１つずつ配置されている。磁気センサー３００としては、例えば、ホールＩＣを用いることが出来る。ホールＩＣは、磁石２００の磁束密度を検知し、磁束密度の大きさに応じたセンサー信号ＳＳＡを出力する。なお、磁気センサー３００は、温度補償機能を備えていることが好ましい。磁気センサー３００は、回路基板３１０の上に固定されており、回路基板３１０は、ケーシング１１０に固定されている。回路基板３１０は、コネクター３２０により、モーター１０の外部回路と接続されている。ケーシング１１０は、樹脂で形成されている。なお、ケーシング１１０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１１０は、電磁コイル１００を樹脂で覆う構造として、ケーシング１１０と電磁コイル１００の間に軟磁性材によるバックヨークを設けてもよい。

ローター２０の中心には、回転軸２３０が設けられている。この回転軸２３０は、ケーシング１１０の軸受け部２４０で支持されている。本実施例では、ケーシング１１０の内側に、コイルバネ２６０が設けられており、このコイルバネ２６０がローター２０を図の右方向に押すことによって、ローター２０の位置決めを行っている。但し、コイルバネ２６０は省略可能である。

図２は、ＰＷＭ駆動時に電磁コイルに印可する駆動電圧の制御回路のブロック図である。制御回路５００は、ＰＷＭ駆動信号生成回路４００と、レベルシフタ回路４１０と、Ｈ型ブリッジ回路４２０と、電源電圧制御部５１０と、電流計５４０とを備える。電源電圧制御部５１０は、出力電圧演算部５２０と、電圧制御出力部５３０とを備える。また、電磁コイル１００Ａの近傍には、電磁コイル１００Ａの温度を測定するための温度センサー３３０（Ｔ−ＩＣ）が配置されている。なお、図２では、便宜上、レベルシフタ回路４１０と、Ｈ型ブリッジ回路４２０、電磁コイル１００Ａ等の相毎に設けられる部材については、Ａ相のみ図示している。なお、以下の説明においてもＡ相を例に取り説明し、Ｂ相については説明を省略する。

ＰＷＭ駆動信号生成回路４００は、磁気センサー３００からのセンサー信号ＳＳＡに基づいてＰＷＭ駆動信号ＤｒｖＡ１Ｈ、ＤｒｖＡ１Ｌ、ＤｒｖＡ２Ｈ、ＤｒｖＡ２Ｌを生成する。Ｈ型ブリッジ回路４１０は、Ｈ型に配置された４つのトランジスターＴｒ１Ａ〜Ｔｒ４Ａと、ダイオードＤ１Ａ〜Ｄ４Ａと、を備えている。ダイオードＤ１Ａ〜Ｄ４Ａは、それぞれトランジスターＴｒ１Ａ〜Ｔｒ４Ａのソース−ドレイン間に、逆方向に接続されている。４つのトランジスターＴｒ１Ａ〜Ｔｒ４Ａは、それぞれ、ＰＷＭ駆動信号生成回路４００で生成されたＰＷＭ駆動信号ＤｒｖＡ１Ｈ、ＤｒｖＡ２Ｌ、ＤｒｖＡ２Ｈ、ＤｒｖＡ１Ｌ、に基づいてオン、オフされ、電磁コイル１００Ａに電流を流す。レベルシフタ回路４１０は、電源側のトランジスターＴｒ１Ａ、Ｔｒ３Ａのゲートに入力されるＰＷＭ駆動信号ＤｒｖＡ１Ｈ、ＤｒｖＡ２Ｈの信号の電位を調整するために用いられる。なお、レベルシフタ回路４１０は無くても良い。

出力電圧演算部５２０は、磁気センサー３００からのセンサー信号ＳＳＡに基づいて、モーター１０（図１）の回転数Ｎｍを算出し、さらに、温度センサー３３０からの温度と、電流計５４０からの電流とを用いて、Ｈ型ブリッジ回路４１０に印加する駆動電圧の指令値Ｅｓ２’を算出する。電圧制御出力部５３０は、指令値Ｅｓ２’に基づいて、Ｈ型ブリッジ回路４１０に印加する駆動電圧Ｅｓ２を生成する。例えば、電圧制御出力部５３０は、スイッチング電源回路を有しており、スイッチング電源回路を用いて指令値Ｅｓ２’に対応した駆動電圧Ｅｓ２を出力する。具体的な算出については、後述する。

図３は、第１の駆動モードでモーター１０を駆動したときの誘起電圧Ｅｇ、電磁コイルの電圧降下ＥｔおよびＰＷＭ駆動電圧Ｅｐｗｍを示す説明図である。第１の駆動モードは、駆動電圧をＥｓ１とした、ＰＷＭ駆動である。この第１の駆動モードで駆動した場合、モーター１０には、回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］に応じて誘起電圧Ｅｇが生じる。また、電磁コイル１００Ａに駆動電圧が印加されると、電磁コイル１００Ａに電流Ｉｍｃが流れ、電圧降下Ｅｔが生じる。なお、電磁コイル１００Ａに流れる電流の大きさに比例してモーター１０にトルクが生じることから、本実施例ではこの電圧降下Ｅｔを「トルク負荷電圧」とも呼ぶ。

磁石２００の極数をＰ、モーター１０の誘起電圧定数をＫｅｍ［Ｖｒｍｓ・ｒａｄ／ｓ］とすると、誘起電圧Ｅｇの最大値は、以下の式（１）で示すことが出来る。
Ｅｇ＝（Ｋｅｍ×Ｐ）／（２×π×Ｎｍ／６０） …（１）
なお、誘起電圧Ｅｇは、電磁コイル１００Ａと磁石２００との相対位置により大きさが変わり、本実施例では、電気角π／２［ｒａｄ］のとき、最大となる。

また、電磁コイル１００Ａの温度係数をＫｒ［１／℃］、電磁コイル１００Ａの温度をＴｍｃとすると、電磁コイルにおける電圧降下Ｅｔは、以下の式（２）で示すことが出来る。
Ｅｔ＝Ｉｍｃ×Ｒｍｃ×（１＋Ｋｒ×（Ｔｍｃ−２０）） …（２）
回転制御の場合は、指令値としてＩｍｃの電流指令で行うが、トルク制御の場合はトルクの指令値Ｔｍｃをトルク定数Ｋｔにより下式（３）のようにＩｍｃに変換する
Ｉｍｃ[A]＝Ｋｔ［Nm/A］×Ｔｍｃ[Nm] …（３）

図４は、第１の駆動モードにおけるＰＷＭ駆動波形を模式的に示す説明図である。図４において、各ＰＷＭの周期をＵ（１）〜Ｕ（９）、各周期Ｕ（１）〜Ｕ（９）におけるデューティ比をそれぞれＤ（１）〜Ｄ（９）としている。なお、ＰＷＭ周期Ｕ（１）〜Ｕ（９）の長さは、同じである。なお、ＰＷＭ駆動波形が、正弦波を模擬する波形あるいは、誘起電圧を模擬する波形となるように、各周期Ｕ（１）〜Ｕ（９）におけるデューティ比をＤ（１）〜Ｄ（９）が設定されていることが好ましい。ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）中のオン期間には、駆動電圧Ｅｓ１が印加され、電磁コイル１００Ａには電圧（Ｅｓ１−Ｅｇ（ｎ））が掛かり、電流Ｉｍｃが流れる。一方、オフ期間には、駆動電圧０［Ｖ］が印加され、電磁コイル１００Ａには、（−Ｅｇ）が掛かる。したがって、各周期Ｕ（ｎ）における駆動電圧Ｅｐｗｍ（ｎ）は、以下の式（４）で示される。
Ｅｐｗｍ（ｎ）＝Ｅｇ（ｎ）＋（Ｅｓ１−Ｅｇ（ｎ））×Ｄ（ｎ）＋Ｅｇ（ｎ）＋（−Ｅｇ（ｎ）×（１−Ｄ（ｎ））
＝Ｅｇ（ｎ）＋Ｅｓ１×Ｄ（ｎ） …（４）
ここで、Ｅｓ１×Ｄ（ｎ）がトルク負荷電圧Ｅｔに対応する。

図４では、ＰＷＭの周期Ｕ（ｎ）を比較的長くしているため、電磁コイル１００Ａに流れる電流波形の上下の変動は大きいが、図３では、ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）を極めて短くしたときの駆動電圧Ｅｐｗｍをプロットしているため、図４に比べるとやや滑らかである。デューティ比Ｄ（ｎ）は、電気角がπ／２［ｒａｄ］のとき最も大きく、電気角が０［ｒａｄ］あるいはπ［ｒａｄ］の時に最も小さい。

図５は、第２の駆動モードにおける誘起電圧Ｅｇ、電磁コイルの電圧降下Ｅｔ、および駆動電圧Ｅｐｗｍを示す説明図である。図６は、第２の駆動モードにおけるにおけるＰＷＭ駆動波形を模式的に示す説明図である。第２の駆動モードでは、電磁コイル１００Ａに印加する駆動電圧を、第１の駆動モードの駆動電圧ＥＳ１よりも小さい駆動電圧Ｅｓ２にするとともに、各ＰＷＭ周期Ｕ（１）〜Ｕ（９）におけるデューティ比Ｄ１（１）〜Ｄ１（９）を、第１の駆動モードのデューティ比Ｄ（１）〜Ｄ（９）よりも大きくしている。なお、駆動電圧Ｅｓ２の大きさは、上記式（３）において駆動電圧Ｅｐｗｍが最も大きくなるとき（電気角がπ／２［ｒａｄ］のとき）の駆動電圧Ｅｐｗｍ値よりも大きい値であることが好ましい。すなわち、電気角がπ／２［ｒａｄ］のときは、誘起電圧Ｅｇが最も大きく、また、デューティ比Ｄ（ｎ）も最も大きいので、Ｅｓ１×Ｄ（ｎ）も最も大きい。また、同一のＰＷＭ周期、例えばＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）においては、デューティ比Ｄ（ｎ）１とＤ１（ｎ）の間には、以下の式（５）の関係があることが好ましい。
Ｄ１（ｎ）１＝Ｄ（ｎ）×（Ｅｓ１／Ｅｓ２） …（５）

図７は、第１と第２の駆動モードにおける電磁コイルに流れる電流を比較する説明図である。ここでは、比較を容易にするために、第１と第２の駆動モードで、オフからオンに遷移するタイミングを一致させている。また、比較を容易にするために、波形の変化を誇張している。第２の駆動モードは、第１の駆動モードと比較すると、オンのときの駆動電圧Ｅｓ２は、第１の駆動モードの駆動電圧Ｅｓ１よりも小さい。そのため、例えば、オフからオンに遷移したときの電磁コイル１００Ａに流れる電流の上昇は、第１の駆動モードよりも、第２の駆動モードの方が緩やかである。したがって、オンからオフに遷移するときの電磁コイル１００Ａに流れる電流は、第２の駆動モードの方が、第１の駆動モードよりも低い。なお、各ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）における第２の駆動モードのデューティ比Ｄ１（ｎ）は、第１の駆動モードのデューティ比Ｄ（ｎ）よりも大きい。そのため、オフからオンに遷移した後の電磁コイル１００Ａに流れる電流の上昇は、第１の駆動モードよりも、第２の駆動モードの方がやや長く持続する。

一方、各ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）における第２の駆動モードのデューティ比Ｄ１（ｎ）は、第１の駆動モードのデューティ比Ｄ（ｎ）よりも大きいため、オフ期間は、第２の駆動モードの方が、第１の駆動モードよりも短い。したがって、オンからオフに遷移した後の電磁コイル１００Ａに流れる電流の下降時間は、第１の駆動モードよりも、第２の駆動モードの方が短い。

図７において、第１と第２の駆動モードの電磁コイルに流れる電流のグラフを比較すると、第１の駆動モードよりも、第２の駆動モードの方が、電磁コイルに流れる電流の上昇、下降の変化の幅が小さいことが分かる。電磁コイルに流れる電流の変化により、磁石２００に渦電流が生じ、損失（渦電流損失）となる。第２の駆動モードは、第１の駆動モードよりも、電磁コイルに流れる電流の上昇、下降の変化の幅が小さいので、渦電流損失を低減することができる。

第２の駆動モードでは、電磁コイル１００Ａに印加する駆動電圧を、第１の駆動モードの駆動電圧ＥＳ１よりも小さい駆動電圧Ｅｓ２としているが、この駆動電圧Ｅｓ２の値としては、以下の式（６）あるいは式（７）を満たすことが好ましい。
Ｅｓ１＞Ｅｓ２＞Ｍａｘ（Ｅｇ＋Ｅｔ） …（６）
Ｅｓ２＝（√２）×Ｍａｘ（Ｅｇ＋Ｅｔ） …（７）
式（５）、式（６）において、Ｍａｘ（Ｅｇ＋Ｅｔ）は、Ｅｇ＋Ｅｔの最大値を意味し、具体的には、電気角π／２のときのＥｇ＋Ｅｔの値である。また、式（７）の（√２）は、正弦波の実効値から算出される数値である。

第１と第２の駆動モードは、以下のように使い分けることが出来る。例えば、通常の使用状態においては、高周波ノイズや渦電流損失が少ない第２の駆動モードを利用し、高周波ノイズを発生させても、より強いトルクが必要な場合には、高い駆動電圧で駆動する第１の駆動モードに切り替える、という使い方もできる。

図８は、第３の駆動モードにおける誘起電圧Ｅｇ、電磁コイルの電圧降下Ｅｔおよび駆動電圧Ｅｐｗｍを示す説明図である。図９は、図８におけるＰＷＭ駆動波形を模式的に示す説明図である。第３の駆動モードでは、各ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）におけるデューティ比を１００％とした。一方、各ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）における駆動電圧Ｅｓ３（ｎ）については、ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）毎に、以下の式（８）に示す駆動電圧とした。
Ｅｓ３（ｎ）＝（√２）×（Ｅｇ（ｎ）＋Ｅｔ（ｎ）） …（８）
なお、Ｅｇ（ｎ）、Ｅｔ（ｎ）は、それぞれ当該ＰＷＭ周期における誘起電圧とトルク負荷電圧であり、（√２）は、正弦波の実効値から算出される数値である。

図１０は、第１の駆動モードと第３の駆動モードの電磁コイルに流れる電流を比較する説明図である。図１０（Ａ）は、第３の駆動モードにおける駆動電圧を示す説明図である。図１０（Ｂ）は、電気角が０〜π／２における電磁コイルに流れる電流を示すグラフである。図１０（Ｃ）は、電気角がπ／２〜πにおける第３の駆動モードの電磁コイルに流れる電流を示すグラフである。ここでは、比較を容易にするために、第１の駆動モードにおいてデューティがオフからオンに遷移するタイミングと、第３の駆動モードにおいて、駆動電圧が遷移するタイミングと、を一致させている。また、図１０（Ｂ）、（Ｃ）において、比較を容易にするために、波形の変化を誇張しているのは、図７と同じである。

電気角が０〜π／２における動作について説明する。第１の駆動モードでは、デューティがオンの期間には、駆動電圧Ｅｓ１がかかるため、電磁コイル１００Ａに流れるは大きく上昇する。一方、第３の駆動モードでは、駆動電圧Ｅｓ１よりも低い駆動電圧Ｅｓ３（ｎ）しかかからないので、電磁コイル１００Ａに流れる電流の上昇は、第１の駆動モードよりも小さい。また、第１の駆動モードでは、デューティがオフの期間が有り、当該期間では、電磁コイル１００Ａに流れる電流は下降するが、第３の駆動モードでは、デューティがオフの期間が無く、電磁コイル１００Ａに流れる電流は下降しない。その結果、図１０（Ｂ）に示すように、第１の駆動モードにおける電磁コイル１００Ａに流れる電流が略正弦波にノコギリ波が加えられたような形であるのに対し、第３の駆動モードにおける電磁コイル１００Ａに流れる電流は、平均波形に近い波形となる。また、電磁コイル１００Ａに流れる電流が減少することがなく、電磁コイル１００Ａに流れる電流の上昇も、変化の幅が小さいことが分かる。その結果。第３の駆動モードでは、第１の駆動モードよりも、渦電流損失を低減することができる。

電気角がπ／２〜πにおける動作についても同様である。ただし、電気角が０〜π／２では、電磁コイル１００Ａに流れる電流が上昇していくのに対し、電気角がπ／２〜πでは、電磁コイル１００Ａに流れる電流が下降していくので、グラフの凸の向きが、電気角がπ／２〜πにおける動作については上に凸であるが、電気角がπ／２〜πでは、下に凸で有る点が異なる。そして、電磁コイル１００Ａに流れる電流の上昇がなく、電磁コイル１００Ａに流れる電流の下降も、変化の幅が小さいことが分かる。その結果、第３の駆動モードでは、第１，第２の駆動モードよりも、渦電流損失を低減することができる。

本実施例において出力電圧演算部５２０は、磁気センサー３００からのセンサー信号ＳＳＡを用いるとして説明したが、この信号ＳＳＡを使用せず、例えば光学エンコーダー、レゾルバ等のような他のエンコーダーを用いても容易に実現できる。

変形例：
本発明は、各種の装置に適用可能である。例えば、本発明は、ファンモーター、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モーターなどの種々の装置のモーターに適用可能である。本発明をファンモーターに適用した場合には、上述した高周波ノイズの低減により、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）が生じる。このようなファンモーターは、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、プロジェクター等の各種装置のファンモーターとして使用することができる。本発明のモーターは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモーター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ーをスピンドルモーター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ーは、移動体やロボット用のモーターとしても利用可能である。

図１１は、本発明の変形例によるモーターを利用したプロジェクターを示す説明図である。このプロジェクター３１００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源３１１０Ｒ、３１１０Ｇ、３１１０Ｂ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３１４０Ｒ、３１４０Ｇ、３１４０Ｂ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３１５０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３１６０と、プロジェクター内部を冷却するための冷却ファン３１７０と、プロジェクター３１００の全体を制御する制御部３１８０と、を備えている。冷却ファン３１７０を駆動するモーターとしては、上述した各種のモーターを利用することができる。

図１２は、本発明の変形例によるモーターを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。図１２（Ａ）は携帯電話３２００の外観を示しており、図１２（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話３２００は、携帯電話３２００の動作を制御するＭＰＵ３２１０と、ファン３２２０と、燃料電池３２３０とを備えている。燃料電池３２３０は、ＭＰＵ３２１０やファン３２２０に電源を供給する。ファン３２２０は、燃料電池３２３０への空気供給のために携帯電話３２００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池３２３０で生成される水分を携帯電話３２００の内部から外に排出するためのものである。なお、ファン３２２０を図１２（Ｃ）のようにＭＰＵ３２１０の上に配置して、ＭＰＵ３２１０を冷却するようにしてもよい。ファン３２２０を駆動するモーターとしては、上述した各種のモーターを利用することができる。

図１３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、上述した各種のモーターを利用することが可能である。

図１４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、上述した各種のモーターを利用することが可能である。

図１５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、上述した各種のモーターを利用することができる。

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。

１０…コアレスモーター（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
１７０…ブラシ
１８０…接触端子
２００…磁石
２３０…回転軸
２４０…部
２６０…コイルバネ
３００…磁気センサー
３１０…回路基板
３１１…制御部
３２０…コネクター
３３０…温度センサー
４００…ＰＷＭ駆動信号生成回路
４１０…レベルシフタ回路
４２０…Ｈ型ブリッジ回路
５００…制御回路
５１０…電源電圧制御部
５２０…出力電圧演算部
５３０…電圧制御出力部
５４０…電流計
３１００…プロジェクター
３１１０Ｒ…光源
３１４０Ｒ…液晶ライトバルブ
３１５０…クロスダイクロイックプリズム
３１６０…投写レンズ系
３１７０…冷却ファン
３１８０…制御部
３２００…携帯電話
３２２０…ファン
３２３０…燃料電池
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２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
Ｔｒ１Ａ〜Ｔｒ４Ａ…トランジスター
Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ…ダイオード
Ｅｐｗｍ…駆動電圧
Ｄ（１）〜Ｄ（９）、Ｄ（ｎ）、Ｄ１（１）〜Ｄ１（９）、Ｄ１（ｎ）…デューティ比
Ｅｐｗｍ…駆動電圧
Ｅｓ１、Ｅｓ２、Ｅｓ３…駆動電圧

Claims (8)

1. 電気機械装置であって、
   磁石と、
   電磁コイルと、
   前記電磁コイルに加える駆動電圧を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記電磁コイルを、第１の駆動電圧Ｅｓ１、各ＰＷＭ周期における各デューティ比をＤ（ｎ）でＰＷＭ駆動する第１の駆動モードと、
   前記電磁コイルを前記第１の駆動電圧Ｅｓ１より小さい第２の駆動電圧Ｅｓ２、前記各ＰＷＭ周期における各デューティ比をＤ（ｎ）×（Ｅｓ１／Ｅｓ２）でＰＷＭ駆動する第２の駆動モードと、
   を有する、電気機械装置。
2. 請求項１に記載の電気機械装置であって、さらに、
   前記電気機械装置の回転数Ｎｍを検出する回転数検出部と、
   前記電磁コイルに流れる負荷電流Ｉｍを検出する電流検出部と、
   を備え、
   前記電気機械装置の誘起電圧定数はＫｅｍであり、
   前記電磁コイルの負荷抵抗はＲｍであり、
   前記制御部は、前記電磁コイルを前記正弦波ＰＷＭ駆動したときにおける前記回転数Ｎｍと、前記誘起電圧定数Ｋｅｍと、を用いて誘起電圧Ｅｇを算出し、前記負荷電流Ｉｍと、前記負荷抵抗Ｒｍと、を用いてトルク負荷電圧Ｅｔを算出し、
   前記制御部は、前記誘起電圧Ｅｇと前記トルク負荷電圧Ｅｔとの和をＥｓ３としたとき、前記第２の駆動電圧Ｅｓ２の大きさを、Ｅｓ３より大きくする、電気機械装置。
3. 請求項２に記載の電気機械装置において、
   前記駆動電圧Ｅｓ２の大きさは、（√２）×（Ｅｇ＋Ｅｔ）である、電気機械装置。
4. 請求項２に記載の電気機械装置において、さらに、
   前記制御部は、各ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）における誘起電圧をＥｇ（Ｕ（ｎ））、トルク負荷電圧Ｅｔ（Ｕ（ｎ））としたときに、各ＰＷＭ周期Ｕ（ｎ）において、駆動電圧が（√２）×（Ｅｇ（Ｕ（ｎ））＋Ｅｔ（Ｕ（ｎ）））、デューティ比が１００％であるＰＷＭ駆動電圧を印加する第３の駆動モードを有する、電気機械装置。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の電気機械装置において、
   前記電気機械装置の温度を計測する温度計測部を備え、
   前記制御部は、前記温度による前記負荷抵抗Ｒｍの変化に基づいて前記トルク負荷電圧Ｅｔを算出して前記電磁コイルに印加する駆動電圧を算出する、電気機械装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械装置を備える移動体。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械装置を備えるロボット。
8. 電磁コイルと磁石とを有する電気機械装置の駆動方法であって、
   前記電気機械装置は、
   前記電磁コイルを、第１の駆動電圧Ｅｓ１、各ＰＷＭ周期における各デューティ比をＤ（ｎ）でＰＷＭ駆動する第１の駆動モードと、
   前記電磁コイルを前記第１の駆動電圧Ｅｓ１より小さい第２の駆動電圧Ｅｓ２、前記各ＰＷＭ周期における各デューティ比をＤ（ｎ）×（Ｅｓ１／Ｅｓ２）でＰＷＭ駆動する第２の駆動モードと、
   を有しており、
   トルクよりも高周波ノイズの低減を優先する場合には、前記第２の駆動モードで前記電気機械装置を駆動し、
   高周波ノイズよりも大きなトルクを優先する場合には、前記第１の駆動モードで前記電気機械装置を駆動する、電気機械装置の駆動方法。

Images