JP2013251932A - Ｄｃブラシレスモータおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石が不要なＳＲモータのスペース効率（大きさ当りの出力）を高める。
【解決手段】励磁コイル３１，３２を有する固定子２と、該固定子２に同軸で設けられる回転子４とを備えて構成され、ＳＲ動作を行なうＤＣブラシレスモータ１において、固定子を軸線Ｚ方向の断面において半径分を大略Ｅ字状に形成して２層構造とする。そして、そのＥ字の３段の平行な部分２１，２２，２３の内、上下段に磁極となる複数の突起２１２，２３２を周方向に繰返し形成し、中段は円環状に形成するとともに、磁極（突起２１２，２３２）数を等しく、かつ相互に位相をずれて配置することで起動を可能にする。したがって、回転子４に磁石を使用していないために低コストであり、かつ磁石の熱減磁の問題も無い。また、２相分の磁気回路は常にトルクの発生に寄与しているので、スペース効率を高められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣブラシレスモータおよびその制御方法に関し、主に圧粉磁芯を鉄心として用いるモータに関するものである。

モータは、電力を動力に変換する部品として、自動車、家電や産業用途など、幅広い分野で利用されている。モータは、非回転部分である固定子と、出力軸と共に回転する回転子とを備えて構成され、これら固定子および回転子には、電磁コイルや磁石、鉄心が含まれている。

モータは、駆動力を発生する原理や構造によって幾つかの種類に分けられるが、永久磁石を用いたモータはＰＭ（Permanent Magnet）モータと呼ばれ、特に幅広い分野で用いられている。このＰＭモータは、その回転子に前記永久磁石が設けられており、固定子に設けられた電磁コイルと、前記永久磁石が発する磁束との相互作用によって、回転力を得ている。

ところで、モータは動力源であるので、小型化へのニーズは強く、小型化のためにはより強い磁力を発生することが必要である。そのより強い磁力を得るモータには、強い磁束を発する磁石が必要であり、例えば特許文献１には、Ｎｄ―Ｆｅ−Ｂ系の元素を用いた磁石が開発されている。しかしながら、これらの磁石には、Ｄｙ（ジスプロシウム：Dysprosium）やＮｄ(ネオジム：Neodymium)などの高価で希少な金属が必要であるという問題点もある。一方、電磁コイルで発生する磁場を大きくすることによっても強い磁力（電磁力）を得ることができ、その手法としては、励磁電流を大きくする、あるいは電磁コイルの巻き数を増やすことが有効である。しかしながら、前者はコイルの断面積、後者は巻き線の空間的な制約があり、自ずと限界がある。

そこで近年では、鉄心に圧紛磁芯を用いたモータの開発が進んでいる。前記圧紛磁芯は、軟磁性用粉末の表面に絶縁皮膜を形成した後、圧紛成形と熱処理とによって成形される。ここで、従来から、モータには、電磁鋼板を打抜き、積層した積層磁芯が使用されており、その積層磁芯は積層した方向には磁束を通し難く、板面内方向に磁束を通し易いので、従来のモータには、平面内での磁気回路設計がなされてきた。これに対して上記圧紛磁芯は、軟磁性用粉末を圧粉成形して成るので、磁気特性が等方的であり、三次元的な磁気回路を有するモータの設計を可能にする磁芯材料と言える。また、圧粉磁芯は、圧紛成形における金型形状の変更や成形後の機械加工などによって任意の形状とすることができるので、三次元的な磁気設計によりモータコア形状の多様化を可能にし、扁平型や小型なモータの設計を可能にすることができる。

そのような圧粉磁芯を活用し、小型化したモータとして、例えば特許文献２〜４には、三次元磁気回路を用いたクローティース型モータが開示されている。これらの特許文献２〜４によれば、従来、各々のティースにコイルを巻回していたものを、クローポール型の鉄心に円環状のコイルを内装することで、巻線密度の向上、すなわち磁力の向上による小型化を可能にしている。また、圧粉磁芯を使用することで、交流磁界での駆動が可能になり、電気角で相互に１２０°ずれた３層構造のステータとすることにより、３相交流磁界でのブラシレス駆動をも可能にしている。

特開２００９−４３７７６号公報 特開２００６−３３３５４５号公報 特開２００７−３２５７３号公報 特開２００９−１４２０８６号公報

上述の特許文献２〜４には、圧紛磁芯を用いたクローポールモータが開示されている。しかしながら、クローポールモータは、単相の基本構造だけでは回転できないので、複数個積層して三相以上のユニットを構成する必要がある。ところが、三相の場合で、平均的にトルク発生に寄与しているのは最大でも２相分の磁気回路であり、１相分は体積当り出力の観点から無駄である。また、前記クローポールモータでは、回転子側に永久磁石を必要とするので、高コストであるという問題もある。さらにまた、前記クローポールモータでは、温度変化による減磁特性を考慮する必要があり、磁石選定、形状設計、冷却系の設計等において、制約があるという問題もある。

本発明の目的は、低コストでスペース効率に優れ、かつ温度変化による影響も少ないＤＣブラシレスモータおよびその制御方法を提供することである。

本発明のＤＣブラシレスモータは、励磁コイルを有する固定子と、該固定子に同軸で設けられる回転子とを備えて構成され、前記励磁コイルの周囲に生じる磁束の流れに対する前記固定子と回転子との間の磁気抵抗変化を駆動力とするスイッチド・リラクタンス動作を行うＤＣブラシレスモータであって、前記固定子は、軸線方向断面における半径分で大略Ｅ字状に形成され、前記励磁コイルは、円環状に形成されて前記Ｅ字の２つの凹部にそれぞれ収容され、前記Ｅ字の３段の平行な部分において、上段および下段の部分は周方向に磁極となる複数の突起が形成された鉄芯部材を有し、中段の部分は回転子に近接する円環状に形成された鉄芯部材を有し、前記回転子は、磁極となる複数の突起が周方向に繰返し形成された鉄芯部材から成り、前記固定子における上段および下段の鉄芯部材における磁極の数は相互に等しく、かつ磁極位置が周方向に相互にずれて配置されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、永久磁石を用いないモータとして、従来から、ＳＲモータが用いられている。このＳＲモータは、回転に伴う磁気抵抗の変化に起因したリラクタンストルクを利用したモータで、駆動回路が、回転子の突極が近付いてきた固定子のコイルに通電を順次切り替えてゆく(switchする)ことで、前記回転子を回転させるものである。したがって、回転子に磁石を使用していないために低コストという利点があり、かつ磁石の熱減磁が問題にならないので、前記のＰＭモータに比べて、高温での運転が可能という利点もある。

しかしながら、このＳＲモータは、１相では、回転磁界が発生しないので、回転角度によっては静止状態でトルクが得られず、自立起動ができない場合がある。すなわち、ＳＲモータは磁気抵抗変化を駆動力として回転するものであるので、磁気抵抗変化が無い回転角度位置ではトルクを得ることができず、そのため一定速度での回転中ではトルクの無い回転角であっても慣性によって回転することができるが、静止状態でトルクの無い回転角の場合には、起動せず、回らないという問題がある。

そこで本発明では、励磁コイルを２層構造とし、固定子の鉄芯部材を、軸線方向断面における半径分で大略Ｅ字状に形成し、円環状の前記励磁コイルを前記Ｅ字の２つの凹部にそれぞれ収容する。また、前記Ｅ字の３段の平行な部分において、上段および下段の部分は、周方向に磁極となる複数の突起を形成し、中段の部分は回転子に近接する円環状に、すなわち回転子への対向面が、前記突起が形成されていない平滑面となるように形成する。したがって、たとえばインナーロータの場合には、外周側の固定子の鉄芯部材は、筒状の外壁から、内周側に３つの辺（リング）を延設した形状を呈する。また、前記回転子は、磁極となる複数の突起が周方向に形成される鉄芯部材から構成する。そして、前記Ｅ字の鉄芯部材の上段および下段における磁極の数を相互に等しく形成するものの、上段および下段の磁極位置を、周方向に相互に逆方向にずれて配置する。

さらに、制御方法としては、前記２つの励磁コイルの内、駆動回路は、前記回転子を正転方向に起動させる場合は一方の励磁コイルに正符号の電流を流し、逆転方向に起動させる場合は他方の励磁コイルに負符号の電流を流して起動させる。その後、前記回転子が回転起動すると、前記駆動回路は、前記２つの励磁コイルに矩形波電流を流すことで、加速や定常回転など、回転を制御する。

したがって、１相では回らないＳＲモータの起動を可能にするとともに、回転を始めると、２相分の磁気回路は常にトルクの発生に寄与しているので、スペース効率（大きさ当りの出力）を高めることができる。さらにまた、ＳＲモータは、前述のように回転子と固定子との磁気抵抗変化を駆動力として、磁石を必要とせず、ロータの回転に必要なトルクが得られることから、該ＳＲモータは、産業用および民生用に必須な動力源であるＤＣブラシレスモータにおいて、希土類磁石など希少金属を節約する効果がある。

ところで、前記Ｅ字の鉄芯部材の中段にも突起を設け、その中段の突起に対して、上下段の突起が±βだけ位相がずれて形成される場合は、各段において凸極同士が対向する位相が異なることから、上段−中段、および下段−中段で構成される磁気回路において、インダクタンスの最大値のピーク、および最小値の谷間が尖鋭でなくなって（鈍って）しまう。ここで、ＳＲモータでは、この稜線の傾きがトルク生成に寄与することから、前記Ｅ字の鉄芯部材の中段にも突起を設ける場合、トルクを損することになる。一方、本発明のように中段の凹凸を無くして平滑にすれば、上段側および下段側の双方の磁気回路のインダクタンスは、凸極の回転子への対向面積にのみ依存することになって、最大値ピーク、最小値谷間は尖鋭になり、結果として、大きなトルクが得られることになる。

また、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記励磁コイルは、帯状の導体部材が、その幅方向が該励磁コイルの回転軸方向に沿うように巻回されて成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、固定子の磁芯内を流れる磁束に対して、渦電流の原因となる導体部材で直交する面は、帯の厚みに相当する幅だけであり、前記渦電流を抑制し、発熱を抑えることができる。しかも帯状の導体部材は、隙間無く巻回できるので、円柱状の素線を巻回する場合に比べて、電流密度を大きくすることができるとともに、導体部材内部からの放熱も良好である。

さらにまた、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記固定子および回転子の鉄芯部材は、鉄基軟磁性粉末からなる圧紛磁芯、フェライト磁芯、または軟磁性合金粉末を樹脂中に分散させた軟磁性材料からなることを特徴とする。

上記の構成によれば、固定子および回転子を、最適で複雑な任意形状に成型することができる。

本発明のＤＣブラシレスモータは、以上のように、励磁コイルを有する固定子と、該固定子に同軸で設けられる回転子とを備えて構成され、ＳＲ動作を行なうＤＣブラシレスモータにおいて、前記固定子の鉄芯部材を、軸線方向断面における半径分で大略Ｅ字状に形成して２層構造とし、そのＥ字の３段の平行な部分において、上段および下段には周方向に磁極となる複数の突起を形成し、中段は回転子に近接する円環状に形成するとともに、前記固定子における上段および下段の鉄芯部材における磁極の数は相互に等しく、かつ磁極位置を相互に逆方向にずれて配置することで起動を可能にする。

それゆえ、回転子に磁石を使用していないために低コストであり、かつ磁石の熱減磁の問題も無い。また、２相分の磁気回路は常にトルクの発生に寄与しているので、スペース効率（大きさ当りの出力）を高めることもできる。また、前記Ｅ字の鉄芯部材の中段にも突起を設ける場合に比べて、磁気回路のインダクタンスの最大値ピークおよび最小値谷間が鋭くなり、大きなトルクを得ることができる。

本発明の実施の一形態に係るＤＣブラシレスモータの軸線方向断面図である。 前記ＤＣブラシレスモータの一部を切り欠いて示す斜視図である。 前記ＤＣブラシレスモータの固定子の一部を切り欠いて示す斜視図である。 前記ＤＣブラシレスモータの軸直角断面図である。 前記ＤＣブラシレスモータの固定子の分解斜視図である。 前記ＤＣブラシレスモータの励磁コイルに通電したときの磁束の流れを示す磁界解析結果の図である。 前記ＤＣブラシレスモータの回転子の斜視図である。 前記ＤＣブラシレスモータの駆動回路の一例を示す図である。 前記駆動回路による駆動方法の一例を説明するための波形図である。 回転子および固定子の磁極数を４とし、所定の磁極幅とした場合の回転に伴うインダクタンスの計算結果を示す図である。 前記駆動回路による駆動方法の他の例を説明するための波形図である。 本願発明の比較例のＤＣブラシレスモータにおける図４に対応した軸直角断面図である。 図１２の比較例における図１０に対応した回転に伴うインダクタンスの計算結果を示す図である。 本発明の実施の他の形態に係るＤＣブラシレスモータのケーシングを外して内部構造を示す斜視図である。 図１４で示すＤＣブラシレスモータの分解斜視図である。 本発明の実施のさらに他の形態に係るＤＣブラシレスモータの軸直角断面図である。 本発明の実施のさらに他の形態に係るＤＣブラシレスモータの軸直角断面図である。

（実施の形態１）
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。

図１は本発明の実施の一形態に係るＤＣブラシレスモータ１の軸線方向断面図であり、図２はそのＤＣブラシレスモータ１の一部を切り欠いて示す斜視図であり、図３は固定子２の一部を切り欠いて示す斜視図であり、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）はそのＤＣブラシレスモータ１のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃの各切断面における軸直角断面図であり、図５は固定子２の分解斜視図である。

このＤＣブラシレスモータ１は、大略的に、２つの励磁コイル３１，３２を有する固定子２と、該固定子２の内部に同軸で設けられるインナーロータの回転子４とを備えて構成され、前記励磁コイル３１，３２の周囲に生じる磁束の流れに対する前記固定子２と回転子４との間の磁気抵抗変化を駆動力とするＳＲ動作を行なうＤＣブラシレスモータである。そして、このＤＣブラシレスモータ１は、前記励磁コイル３１，３２を２層構造で実現し、以下の構成を採用している。

先ず、図１〜図３および図５で示すように、前記固定子２の鉄芯部材２０は、軸線Ｚ方向に３つに分割される部材２１，２２，２３から構成されている。そして、この鉄芯部材２０は、軸線Ｚ方向の断面における半径分で大略Ｅ字状に形成される。すなわち、このようなインナーロータの場合で、外周側の固定子２の鉄芯部材２０は、筒状の外壁から、内周側に３つの辺（リング）を延設した形状を呈する。

注目すべきは、前記Ｅ字の３段の平行な部分２１１，２２１，２３１において、図４で示すように、上段および下段の部分２１１，２３１には、磁極となる複数の突起２１２，２３２がそれぞれ周方向に繰返し形成されるのに対して、中段の部分２２１は、回転子４との間に微小ギャップを有する円環状に形成されていることである。上段の部分２１１の突起（磁極）２１２と、下段の部分の突起（磁極）２３２とは、相互に等しい数で、かつ図４で示すように、所定の中心線Ｙに対して、相互に逆方向に等しい角度βだけずれて配置されている。したがって、中段の部分２２１は、全周が磁極となる。

そして、前記Ｅ字の２つの凹部２４，２５に、円環状の前記励磁コイル３１，３２が、それぞれ収容されている。そのため、上段および下段の部材２１，２３については、周方向に展開した場合における軸線Ｚ方向の断面が大略Ｌ字状に形成され、Ｌ字の周壁２１３，２３３上が中段の部材２２で閉塞されて、前記凹部２４，２５を形成する。実際の組立ては、上段および下段の部材２１，２３のＬ字の部分に励磁コイル３１，３２を収容し、周壁２１３，２３３上に接着剤を塗布した後、各部材２１，２２，２３を組上げることで行われる。或いは、接着に代えて、各部材２１，２２，２３がボルト締めされてもよい。前記励磁コイル３１，３２は、帯状の導体部材が、その幅方向が該励磁コイル３１，３２の回転軸Ｚ方向に沿うように巻回されて成る。

前記図６は、このＤＣブラシレスモータ１の励磁コイル３１，３２に通電したときの磁束の流れを示す磁界解析結果の図である。上段および下段の部材２１，２３における突起（磁極）２１２，２３２の厚みを１とするとき、中段の部材２２の厚みを、（ａ）は０．６倍としたものであり、（ｂ）は１．５倍としたものであり、（ｃ）は１．９倍としたものである。これらの図で示すように、中段の部材２２では、上段および下段の部材２１，２３の両方からの磁束線が通過するので、磁束線が過密になり、該中段の部材２２の厚みが薄くなる程、突起（磁極）２１２，２３２や該中段の部材２２の先端以外から回転子４の表面に漏れる磁束が多くなっている。このため、該中段の部材２２の厚みとしては、上段および下段の部材２１，２３における突起（磁極）２１２，２３２の厚みの１．５倍以上とすることが好ましい。

一方、前記回転子４は、図７でも示すように、磁極となる複数の突起４１が周方向に繰返し形成される鉄芯部材４０から成る。回転子４の出力軸４２は、前記鉄芯部材４０に圧入される別体であっても、或いは鉄芯部材４０と一体で成型されてもよい。

図８は、上記のように構成されるＤＣブラシレスモータ１の駆動回路５の一例を示す図である。本実施形態では、上述のような２層構造の励磁コイル３１，３２は、図１で示すように、相互に逆方向の磁界を発生する必要がある。そして、これらの励磁コイル３１，３２は、後述するように、加速時および定常回転時には、相互に直列に接続されて、矩形波パルスで駆動される。このため、図５で示すように励磁コイル３１，３２が相互に等しく形成される場合（図５では、上から見て、共に時計回りに巻回されている）、電流の向きを相互に逆方向にする必要があり、一方の励磁コイル（３１）の内周端（３１１）と他方の励磁コイル（３２）の外周端（３２１）とが接続され、一方の励磁コイル（３１）の外周端（３１２）と他方の励磁コイル（３２）の内周端（３２２）とが、それぞれ直流電源５１からのライン５２，５３に接続される。前記ライン５２，５３の一方（図８ではハイ側の５２）には、通電を制御するスイッチＴｒ０が介在されている。また、前記ライン５２，５３間には、後述する正逆転の選択スイッチＴｒ１，Ｔｒ２が直列に介在されており、それらの接続点５４に前記一方の励磁コイル（３１）の内周端（３１１）と他方の励磁コイル（３２）の外周端（３２１）とが接続される。

これに対して、２つの励磁コイル３１，３２の巻回方向が相互に逆方向である場合、内周端（３１１，３２２）が前記ライン５２，５３または接続点５４の一方に接続され、外周端（３１２，３２１）が前記ライン５２，５３または接続点５４の他方に接続されればよい。

図９は、上記のように構成される駆動回路５による駆動方法を説明するための波形図である。図９（ａ）は正転駆動の場合を示し、図９（ｂ）は逆転駆動の場合を示す。この図９は、上述のように励磁コイル３１，３２を相互に等しいものとした場合の駆動波形を示す。そして、図４で示すモータ１のインダクタンス特性は、たとえば図１０のようになる。図１０は、回転に伴うインダクタンスＬ（θ）の計算結果を半周分示す図である。ただし、図１０では、回転子４および固定子２の上段および下段の部材２１，２３における磁極数を４とし、回転子４の磁極の周期に対する磁極幅αを５０％とし、固定子２では、上下段の突起（磁極）２１２，２３２の磁極幅γを同様に５０％とし、前記中心線Ｙに対する上下段の突起（磁極）２１２，２３２のずれの角度βを２２．５°としている。♯１のグラフは一方の励磁コイル３１のインダクタンスを示し、♯２のグラフは他方の励磁コイル３２のインダクタンスを示す。

この図１０から、２つの励磁コイル３１，３２の内、回転子４を正転方向に起動させる場合は、図９（ａ）で示すように、先ず一方の励磁コイル（３１（♯１のグラフ））に正符号の電流を流し、前記回転子４が回転し始めた後は、両方の励磁コイル（３１，３２（♯１，♯２のグラフ））に、相互に極性が反転した矩形波電流を流すことで、加速や定常回転を行わせられることが理解される。一方、逆転させる場合は、図９（ｂ）で示すように、起動時に他方の励磁コイル（３２（♯２のグラフ））に負符号の電流を流し、前記回転子４が回転し始めた後は、両方の励磁コイル（３１，３２（♯１，♯２のグラフ））に、相互に極性が反転した矩形波電流を流すことで、加速や定常回転を行わせられることが理解される。したがって、この図９で示すように、励磁コイル３１，３２は、相互に逆相の電流で駆動され、擬似的に２相で駆動されることになる。励磁コイル３１，３２の巻回方向自体が相互に反対である場合は、同相の電流で駆動される。ただし、後述のように、起動の関係で、個別にスイッチング制御される。

図８の駆動回路５において、具体的には、回転子４を正転方向に起動させる場合には、該駆動回路５は、選択スイッチＴｒ１はＯＦＦしたままとし、選択スイッチＴｒ２およびスイッチＴｒ０をＯＮして、直流電源５１−スイッチＴｒ０−励磁コイル３１−選択スイッチＴｒ２−直流電源５１の電流経路を形成して起動させた後、選択スイッチＴｒ２をＯＦＦし、直流電源５１−スイッチＴｒ０−励磁コイル３１−励磁コイル３２−直流電源５１の電流経路に切換え、スイッチＴｒ０をＯＮ／ＯＦＦすることで、矩形波電流を与える。これに対して、回転子４を逆転方向に起動させる場合は、該駆動回路５は、選択スイッチＴｒ２はＯＦＦしたままとし、選択スイッチＴｒ１およびスイッチＴｒ０をＯＮして、直流電源５１−スイッチＴｒ０−選択スイッチＴｒ１−励磁コイル３２−直流電源５１の電流経路を形成して起動させた後、選択スイッチＴｒ１をＯＦＦし、直流電源５１−スイッチＴｒ０−励磁コイル３１−励磁コイル３２−直流電源５１の電流経路に切換え、スイッチＴｒ０をＯＮ／ＯＦＦすることで、矩形波電流を与える。

好ましくは、図１１で示すように、駆動回路５は、起動側の励磁コイルのみに電流を流した後、加速および定常回転のために両方の励磁コイルに電流パルスを与えるにあたって、（後から電流を流す）追従側の励磁コイルへの電流パルスを、遅れて与えることである。図１１では、駆動回路５は、両方の励磁コイルに与える１発目の電流パルスに、時間差τを設けている。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、それぞれ図９（ａ）および図９（ｂ）に対応している。前記時間差τは、回転速度が高くなる程小さくなり、また前記突起（磁極）２１２，２３２のずれβが大きくなる程大きく設定される。そのような制御は、図示しないエンコーダによる回転子４の回転角度位置の検出結果に応答して、図示しない制御回路によって行われる。このように構成することで、より効率的に加速することができる。

なお、起動電流は、図９や図１１で示すような１発のパルスに限らず、複数発のパルスで構成されてもよく、また可変電圧電流出力が可能な素子を用いる場合には、三角波で出力されてもよい。すなわち、どの位置から起動するか、或いは、負荷の重さなどに応じて、同じ起動パルスや駆動パルスを入力しても、実際にはそれに対する応答が異なるので、図９や図１１で示す例は、あくまで目安であり、前記制御回路は、前記エンコーダの検出結果に応答して、起動パルス数や駆動パルスの波高値を逐次制御する。

以下に、本実施形態のモータ構造で生じるトルク（＝吸引力）Ｔ・δθ（＝Ｎ・δθ＝Ｆ・δｘ＝ΔＥ）の評価を行う。前記トルクＴは、モデル磁気回路から以下のようにして近似計算されるインダクタンスＬの、回転子４の回転角θに対する変化率∂Ｌ（θ）／∂θに比例する。

そして、一般にインダクタンスＬは起電力で定義されるので、その起電力Ｖと幾何寸法との関係は、以下のようになる。なお、ＳＲモータでの起電力は、励磁コイルに一定電流を流し、励磁させた状態で、回転子を回してインダクタンスを変化させると、電流を流さないような逆起電力が生じる現象であり、無電流で回転させて、適切なタイミングで（交流）電流を流すと、ＳＲモータは電磁ブレーキとして使用することができる。

ただし、ＳｕおよびＳｍは、回転子４の突起４１と、固定子２の上段の突起（磁極）２１２および中段の部材２２との重なり面積を表し、ｇｕおよびｇｍは、回転子４の突起４１と、固定子２の上段の突起（磁極）２１２および中段の部材２２とのギャップを表す。また、Ｓｃおよびｌｃは、（ヨーク）コアの中を貫通する磁束線に対する平均的（実効的）な断面積および経路長さを表し、その（ヨーク）コアの透磁率μは、真空中の透磁率μ_０より充分大きく、（μ／μ_０）・（ｌｃ／Ｓｃ）は、実質的に０とみなすことができる。こうして、起電力Ｖは、磁束密度Ｂと磁束線に対する断面積Ｓとの時間変化に対応することが理解される。

さらに、固定子２と、回転子４との磁極間のギャップｇは充分小さく、磁束線は、それら磁極同士の重なりのみを通過するという近似モデルを考える。その時の本モータ構造の等価磁気回路のインダクタンスは、突起（磁極）２１２，２３２と回転子４との間の磁気抵抗と、回転子４と中段の部材２２との間の磁気抵抗との直列磁気抵抗に反比例することから、次式のような近似見積式が得られる。なお、次式は、固定子２の上段の突起（磁極）２１２から中段の部材２２までの間のインダクタンスであり、下段の突起（磁極）２３２から中段の部分２２１までの間のインダクタンスも、同様に求めることができる。

すなわち、磁極の重なり面積がインダクタンスＬになり、トルクの大小は、そのインダクタンスＬ（θ）の最大Ｌｍａｘと最小Ｌｍｉｎとの差ΔＬで、凡そその大きさが評価できる。

ここで、本実施形態のＤＣブラシレスモータ１は、前述のように、前記Ｅ字の断面において、３段の平行な部分２１１，２２１，２３１の内、図４で示すように、上段および下段の部分２１１，２３１には、磁極となる複数の突起２１２，２３２がそれぞれ周方向に繰返し形成されるのに対して、中段の部分２２１は、回転子４との間に微小ギャップを有する円環状に形成されている。これに対して、比較例として、図１２のＤＣブラシレスモータ１’で示すように、中段の部分２２１にも、磁極となる複数の突起２２２を周方向に繰返し形成される構成を考える。このようなＤＣブラシレスモータ１’は、たとえば国際公開第２００６／１２６５５２号の図８４および図８５や、永久磁石モータではあるが、実願昭４９−１０６４９９号のマイクロフィルムなどに示されている。

上述のようなＤＣブラシレスモータ１’について、図１３は、回転に伴うインダクタンスＬ（θ）の計算結果を半周分示す図である。このＤＣブラシレスモータ１’と、本願のＤＣブラシレスモータ１とは、前記中段の部分２２１に突起（磁極）２２２が形成されているか（図１２）、形成されていないか（図４）が相違するだけである。

図１０と図１３とを比較すると、図１０の方が、インダクタンス（♯１，♯２のグラフ）の変化が大きいことが理解される。これは、本願のＤＣブラシレスモータ１は、中段の部分２２１に突起２２２が形成されていないために、前記数２および数３におけるギャップｇｍおよび磁極の重なり面積Ｓｍが変化せず、特に磁極の重なり面積Ｓｍは、常に比較例のＤＣブラシレスモータ１’の最大値にあるためである。

さらに、図１０の方が、インダクタンス（♯１，♯２のグラフ）の極大値Ｌｍａｘ付近および極小値Ｌｍｉｎ付近での変化が激しくなっている。図１２では、特に、○印を付して示す回転角で増（減）変化勾配が小さく、中でも、極小値Ｌｍｉｎ付近では、両方のインダクタンス（♯１，♯２のグラフ）の増（減）変化勾配が小さい。したがって、比較例のＤＣブラシレスモータ１’では、起動トルクが小さい位相角が多く存在し、特に極小値Ｌｍｉｎ付近で起動し難いことが予想されるのに対して、本願のＤＣブラシレスモータ１では、良好な起動性を確保し、始動時の回転を任意方向に起動することもできる。

表１には、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１と、従来技術の各タイプのモータとの比較結果を示す。

すなわち、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１は、永久磁石が不要で、安価な材料で実現できるＳＲモータの動作で、クローティースモータやクローポールモータのように、コアや巻線構造を簡略化し、低コスト化することができるとともに、磁石の熱減磁が問題にならないので、ＰＭモータに比べて、高温での運転が可能である。

しかしながら、このＳＲモータは、１相では、回転磁界が発生しないので、回転角度によっては静止状態でトルクが得られず、自立起動ができない場合がある。すなわち、ＳＲモータは磁気抵抗変化を駆動力として回転するものであるので、磁気抵抗変化が無い回転角度位置では、トルクを得ることができず、一定速度での回転中ではトルクの無い回転角であっても慣性によって回転することができるが、静止状態でトルクの無い回転角の場合には起動できず、回らないという問題がある。

そこで本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１では、励磁コイルを３１，３２の２層構造とし、固定子２の鉄芯部材２０を、周方向に展開した場合における軸線Ｚ方向の断面を大略Ｅ字状に形成し、さらにそのＥ字の３段の平行な部分２１１，２２１，２３１において、上段および下段の部分２１１，２３１には磁極となる複数の突起２１２，２３２を周方向に繰返し形成する一方、中段の部分２２１は回転子４との間に微小ギャップを有する円環状に形成し、円環状の前記励磁コイル３１，３２を前記Ｅ字の２つの凹部２４，２５にそれぞれ収容する。また、前記回転子４は、磁極となる複数の突起４１が周方向に繰返し形成される鉄芯部材４０から構成する。そして、前記突起（磁極）２１２，２３２の数を相互に等しく形成するものの、所定の中心線Ｙに対して、上段および下段の突起（磁極）２１２，２３２の位置を相互に逆方向にずれて配置する。

したがって、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１は、１相では回らないＳＲモータの起動を可能にするとともに、回転を始めると、２相分の磁気回路は常にトルクの発生に寄与しているので、スペース効率（大きさ当りの出力）を高めることができる。さらにまた、ＳＲモータは前述のように回転子と固定子との磁気抵抗変化を駆動力として、磁石を必要とせず、ロータの回転に必要なトルクが得られることから、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１は、産業用および民生用に必須な動力源であるＤＣブラシレスモータにおいて、希土類磁石など希少金属を節約する効果がある。

また、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１では、図５等で示すように、励磁コイル３１，３２は、帯状の導体部材が、その幅方向が該励磁コイル３１，３２の回転軸Ｚ方向に沿うように、フラットワイズに巻回されて成る。ここで、一般的にコイルに通電すると、コイルは導体から構成されているので、図１や図６で示す磁力線に、垂直な面（直交面）に渦電流が発生し、それによって損失（ロス）が発生する。その渦電流の大きさは、磁束密度が同一である場合、磁束線と交差する面積、すなわち磁束線に垂直な連続する面の面積に比例する。磁束線は、コイル内では軸方向に沿っているので、渦電流は、コイルを構成する導体の軸Ｚ方向に直交する径方向の面の面積に比例することになる。そこで、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１では、前記励磁コイル３１，３２を構成する帯状の導体部材を、幅Ｗに対する径方向の厚さｔの比ｔ／Ｗが１／１０以下に形成することが望ましい。

このように構成することで、前記渦電流を抑制し、発熱を抑えることができる。しかも帯状の導体部材は、隙間無く巻回できるので、円柱状の素線を巻回する場合に比べて、電流密度を大きくすることができるとともに、導体部材内部からの放熱も良好である。さらに、前記導体部材の前記厚さｔが当該励磁コイル３１，３２に給電される交流電力における周波数に対する表皮厚み以下であれば、さらに渦電流損を低減することができる。

さらに、前記励磁コイル３１，３２と前記固定子２の凹部２４，２５との間に生じる間隙には、熱伝導部材が充填されていることが好ましい。このように構成することで、前記励磁コイル３１，３２で生じる熱を、前記熱伝導部材を介して、該励磁コイル３１，３２を外囲する鉄芯部材２０に効果的に伝導することができ、放熱性を改善することができる。

さらにまた、前記回転軸Ｚ方向における該励磁コイル３１，３２の一方端部に対向する前記固定子２の部分２１１，２３１の内面と、他方端部に対向する部分２２１の内面とは、少なくともそれらの各端部を覆う領域では、平行に形成される。これは、上述のような励磁コイル３１，３２に係る条件（フラットワイズ巻線構造であって幅Ｗが厚さｔより大きい）を設定しても、励磁コイル３１，３２の上下両端面を覆う部分２１１，２２１，２３１に傾きがあると、実際に励磁コイル３１，３２の内部を通る磁束線（磁力線）が、特に前記上下両端面付近で、回転軸Ｚ方向と略平行にならないからである。

本件発明者は、部分２１１，２２１，２３１の内壁面の平行度を種々変えつつ磁束線の分布を検証したところ、例えば、前記平行度が１／１００の場合には、励磁コイル３１，３２の内部を通る磁束線が回転軸Ｚ方向に平行になる一方、前記平行度が−１／１０や１／１０の場合には、励磁コイル３１，３２の内部を通る磁束線が回転軸Ｚ方向に平行にならない。このような検証の下、励磁コイル３１，３２の内部を通る磁束線を平行にするためには、前記平行度の絶対値は、１／５０以下であることが好ましい。

さらにまた、本発明のＤＣブラシレスモータ１では、前記固定子２および回転子４の鉄芯部材２０，４０は、鉄基軟磁性粉末からなる圧紛磁芯、フェライト磁芯、または軟磁性合金粉末を樹脂中に分散させた軟磁性材料から成る磁芯で形成する。このように構成することで、前記回転子４および固定子２の２つの磁芯について、最適で複雑な任意形状に成型することができるので、所望の磁気特性を比較的容易に得ることができるとともに、比較的容易に所望の形状に形成することができる。

前記軟磁性粉末は、強磁性の金属粉末であり、より具体的には、例えば、純鉄粉、鉄基合金粉末（Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、センダスト、パーマロイ等）およびアモルファス粉末、さらには、表面にリン酸系化成皮膜などの電気絶縁皮膜が形成された鉄粉等が挙げられる。これら軟磁性粉末は、例えば、アトマイズ法等によって微粒子化する方法や、酸化鉄等を微粉砕した後にこれを還元する方法等によって製造することができる。

このような軟磁性粉末は、単体或いは前記樹脂などの非磁性体粉末との混合で用いることができ、混合の場合の比率は比較的容易に調整することができ、該混合比率を適宜に調整することによって、該磁芯材の磁気特性を所望の磁気特性に容易に実現することが可能となる。これら固定子２の鉄芯部材２０の材料、さらには回転子４の鉄芯部材４０の材料も、低コスト化の観点から、同一原料であることが好ましい。

（実施の形態２）
図１４は本発明の実施の他の形態に係るＤＣブラシレスモータ１ａのケーシングを外して内部構造を示す斜視図であり、図１５はそのＤＣブラシレスモータ１ａの分解斜視図である。注目すべきは、このＤＣブラシレスモータ１ａは、アウターロータであることである。したがって、このＤＣブラシレスモータ１ａでは、固定軸４３に対して内周側の固定子２ａが固着され、その外周側に回転子４ａが設けられる。図１５（ａ）は固定子２ａの分解斜視図であり、図１５（ｂ）は回転子４ａの分解斜視図である。このＤＣブラシレスモータ１ａにおいて、前述のＤＣブラシレスモータ１の構成に、機能的に対応する部分には、同一の参照符号に、添字ａを付して示す。これによって、各部の機能の理解が容易になる。

すなわち、このＤＣブラシレスモータ１ａでも、前述のＤＣブラシレスモータ１と同様に、励磁コイル３１，３２を２層構造とし、固定子２ａの鉄芯部材２０ａを、周方向に展開した場合における軸線Ｚ方向の断面を大略Ｅ字状に形成し、さらにそのＥ字の３段の平行な部分２１１ａ，２２１ａ，２３１ａにおいて、上段および下段の部分２１１ａ，２３１ａには磁極となる複数の突起２１２ａ，２３２ａを周方向に繰返し形成し、中段の部分２２１ａは回転子４ａとの間に微小ギャップを有する円環状に形成するとともに、円環状の前記励磁コイル３１，３２を前記Ｅ字の２つの凹部にそれぞれ収容する。また、回転子４ａは、磁極となる複数の突起４１ａが周方向に繰返し形成される鉄芯部材４０ａから構成する。そして、前記Ｅ字の上段および下段の部分２１１ａ，２３１ａにおける突起（磁極）２１２ａ，２３２ａの数を相互に等しく形成するものの、相互に位置をずれて配置する。このように構成することで、前記アウターロータの構造も実現することができる。

（実施の形態３）
図１６および図１７は、本発明の実施のさらに他の形態に係るＤＣブラシレスモータ１ｂ，１ｃの軸直角断面図である。前述のＤＣブラシレスモータ１では、固定子２側の突起（磁極）２１２，２３２および回転子４側の突起（磁極）４１は、軸直角断面が円弧状であったけれども、注目すべきは、図１６に示すＤＣブラシレスモータ１ｂでは、固定子２ｂ側の上段および下段の突起（磁極）２１２ｂ，２３２ｂおよび回転子４ｂ側の突起（磁極）４１ｂが、ステッピングモータのように、矩形に形成されることである。中段の部分２２１ｂは、円環状である。

一方、図１７に示すＤＣブラシレスモータ１ｃでは、固定子２ｃ側の突起（磁極）２１２ｃ，２３２ｃおよび回転子４ｃ側の突起（磁極）４１ｃが、５極に形成される。この場合、β≦１８°である。図１７は、前述の図４に対応し、（ａ）（ｂ）（ｃ）の各断面は、図１のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃの各切断面の位置である。

これらの図１６および図１７で示すように、磁極の数や、形状は任意に選択することができる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ充分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ ＤＣブラシレスモータ
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 固定子
２０，２０ａ 鉄芯部材
２１，２２，２３ 部材
２１１，２２１，２３１；２１１ａ，２２１ａ，２２１ｂ，２３１ａ 部分
２１２，２３２；２１２ａ，２３２ａ；２１２ｂ，２３２ｂ 突起（磁極）
２４，２５ 凹部
２１３，２３３ 周壁
３１，３２ 励磁コイル
４，４ａ，４ｂ，４ｃ 回転子
４０，４０ａ 鉄芯部材
４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ 突起
４２ 出力軸
４３ 固定軸
５ 駆動回路
５１ 直流電源
５２，５３ ライン
Ｔｒ０ スイッチ
Ｔｒ１，Ｔｒ２ 選択スイッチ

Claims (5)

1. 励磁コイルを有する固定子と、該固定子に同軸で設けられる回転子とを備えて構成され、前記励磁コイルの周囲に生じる磁束の流れに対する前記固定子と回転子との間の磁気抵抗変化を駆動力とするスイッチド・リラクタンス動作を行うＤＣブラシレスモータであって、
   前記固定子は、軸線方向断面における半径分で大略Ｅ字状に形成され、
   前記励磁コイルは、円環状に形成されて前記Ｅ字の２つの凹部にそれぞれ収容され、
   前記Ｅ字の３段の平行な部分において、上段および下段の部分は周方向に磁極となる複数の突起が形成された鉄芯部材を有し、中段の部分は回転子に近接する円環状に形成された鉄芯部材を有し、
   前記回転子は、磁極となる複数の突起が周方向に繰返し形成された鉄芯部材から成り、
   前記固定子における上段および下段の鉄芯部材における磁極の数は相互に等しく、かつ磁極位置が周方向に相互にずれて配置されていることを特徴とするＤＣブラシレスモータ。
2. 前記励磁コイルは、帯状の導体部材が、その幅方向が該励磁コイルの回転軸方向に沿うように巻回されて成ることを特徴とする請求項１記載のＤＣブラシレスモータ。
3. 前記固定子および回転子の鉄芯部材は、鉄基軟磁性粉末からなる圧紛磁芯、フェライト磁芯、または軟磁性合金粉末を樹脂中に分散させた軟磁性材料から成ることを特徴とする請求項１または２記載のＤＣブラシレスモータ。
4. 前記請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣブラシレスモータの制御方法であって、
   前記２つの励磁コイルの内、駆動回路は、前記回転子を正転方向に起動させる場合は一方の励磁コイルに正符号の電流を流し、逆転方向に起動させる場合は他方の励磁コイルに負符号の電流を流して起動させることを特徴とするＤＣブラシレスモータの制御方法。
5. 前記回転子が回転起動した後、前記駆動回路は、前記２つの励磁コイルに矩形波電流を流すことで、回転を制御することを特徴とする請求項４記載のＤＣブラシレスモータの制御方法。