JP2018050359A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力、低コスト、省スペースのモータを提供する。【解決手段】開ループコイル２１に近接して閉ループコイル２２を配置し、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の共振周波数が一致するように開ループコイル２１と閉ループコイル２２に接続するキャパシタＣ１，Ｃ２の容量を設定する。これにより、開ループコイル２１と閉ループコイル２２との間で磁気的に結合して磁界が共振し、閉ループコイル２２に入力した電流よりも大きな電流が流れて、より大きな磁界が発生するので、低消費電力でロータ３を回転させることができる。また、特定の周波数の正弦波を共振現象によって得られるので、正弦波を生成する回路を簡略化できる。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁力で回転するモータに関する。

ブラシレスＤＣモータは、ブラシ付きＤＣモータの欠点であったブラシと整流子を不要にし、寿命、騒音、制御性に優れているため、様々な製品で利用されている。例えば、ＨＤＤのスピンドルモータや廃熱のファンモータ等の小型機器、ミシン、冷蔵庫、エアコン、洗濯機等の大型家電、あるいは産業機器等で実績がある。

"１−３−２ ブラシレスＤＣモータ"、［online］、日本電産株式会社、［平成28年4月1日検索］、インターネット〈 URL：http://www.nidec.com/ja-JP/technology/motor/basic/00005/〉 "１−３−６ 超音波モータ"、［online］、日本電産株式会社、［平成28年4月1日検索］、インターネット〈 URL：http://www.nidec.com/ja-JP/technology/motor/basic/00009/〉 "正弦波駆動とは"、［online］、株式会社東芝、［平成28年4月1日検索］、インターネット〈 URL：http://toshiba.semicon-storage.com/jp/design-support/e-learning/brushless_motor/chap3/1274521.html〉 "速度シーケンス"、［online］、株式会社東芝、［平成28年4月1日検索］、インターネット〈 URL：http://toshiba.semicon-storage.com/jp/design-support/e-learning/brushless_motor/chap4/1274647.html〉

しかしながら、従来のブラシレスＤＣモータには以下の課題がある。

第１に、ブラシレスＤＣモータは、入力電圧によりトルク、回転数が決まるので、より高いトルクや回転数を得るためには、入力電圧を上げる必要がある。入力電圧を上げると消費電力が大きくなってしまうという課題があった。また、入力電圧を使用する電源電圧以上とする場合には昇圧回路が必要になるという課題があった。

第２に、高効率、低振動、低騒音を実現するには、入力電圧に正弦波を用いることが理想であるが、制御された正弦波を生成するための回路を組み込む必要があり、コストが増大し、スペースも必要であるという課題があった。

上記の課題は、ブラシレスＤＣモータに限らず、ステッピングモータやＡＣモータにも同様のことが言える。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、低消費電力、低コスト、省スペースのモータを提供することを目的とする。

本発明に係るモータは、回転するロータと前記ロータを回転させる力を発生するステータを備えたモータであって、前記ステータに配置された開ループコイルと、前記開ループコイルに近接して前記ステータに配置された閉ループコイルと、前記開ループコイルに接続された第１キャパシタと、前記第１キャパシタに直列に接続された第１抵抗と、前記閉ループコイルに接続された第２キャパシタと、前記第２キャパシタに直列に接続された第２抵抗と、を有し、前記第１キャパシタの容量と前記第２キャパシタの容量は、前記開ループコイルと前記閉ループコイルの共振周波数が一致するように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、低消費電力、低コスト、省スペースのモータを提供することができる。

本実施形態のブラシレスＤＣモータを軸方向から見た断面図である。 開ループコイルと閉ループコイルで構成される電気回路図を示す図である。 コイルに流れる電流の波形の例とホール素子が検出する波形の例を示す図である。 回転速度を変化させる制御シーケンスを示すフローチャートである。 本実施形態の別のブラシレスＤＣモータを軸方向から見た断面図である。 本実施形態のステッピングモータを軸方向から見た断面図である。 図６のステッピングモータに入力する波形を示す図である。 本実施形態の別のステッピングモータを軸方向から見た断面図である。 本実施形態のＡＣモータを軸方向から見た断面図である。 図９のＡＣモータの開ループコイルに入力する波形を示す図である。 本実施形態の別のＡＣモータを軸方向から見た断面図である。 可変キャパシタ制御を行う電気回路図である。 可変キャパシタの設定例を示す図である。 開ループコイルと閉ループコイルの配置例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

［ブラシレスＤＣモータ］
図１は、本実施形態のブラシレスＤＣモータを軸方向から見た断面図である。

図１に示すモータ１は、外周の内側にステータ２Ａ，２Ｂ，２Ｃを固定し、ステータ２Ａ，２Ｂ，２Ｃの内側にロータ３を配置したインナーロータ型のブラシレスＤＣモータである。

ステータ２Ａ，２Ｂ，２Ｃのそれぞれには、開ループコイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ（以下、「開ループコイル２１」と称する）と閉ループコイル２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ（以下、「閉ループコイル２２」と称する）が近接して巻かれている。開ループコイル２１は制御回路５に電気的に接続されて、電流が入力される。閉ループコイル２２は短絡されて閉ループとなっている。図１では図示していないが、開ループコイル２１と閉ループコイル２２のそれぞれには、所定の値の抵抗とキャパシタが直列に接続されている。

ロータ３は、永久磁石を備え、軸を中心として回転可能である。

モータ１の内部には、ロータ３の回転角度を検出するためのホール素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃが配置される。

制御回路５はマイコンを備え、ホール素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃによって検出されるロータ３の回転角度に応じて各開ループコイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに流れる電流の大きさと向きを変化させる。開ループコイル２１に電流が流れると、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の間で磁気的に結合し、磁界が共振する。この共振現象によって、閉ループコイル２２により大きな電流が流れ、閉ループコイル２２で発生した磁界が主要因となってロータ３を回転させる。

なお、本発明は、コイルの数、永久磁石の磁極の数、ホール素子の数には依存しない。また、開ループコイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ間を接続する結線方式には依存せず、一般的なブラシレスＤＣモータで使われるΔ結線、Ｙ字結線を適用できる。

図２に開ループコイル２１と閉ループコイル２２で構成される電気回路図を示す。なお、以降で説明する他のモータについても同様の電気回路図が適用できる。

開ループコイル２１には抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１が直列に接続される。閉ループコイル２２には抵抗Ｒ２とキャパシタＣ２が直列に接続される。開ループコイル２１と閉ループコイル２２との間の共振周波数を一致させる。開ループコイル２１に交流電流が流れることにより発生した磁場の振動が、同じ周波数で共振する閉ループコイル２２に伝わり、閉ループコイル２２にはより大きな電流が流れる。閉ループコイル２２からは開ループコイル２１で発生する磁界よりも大きな磁界が発生し、その磁界が主要因となってロータ３が回転する。

閉ループコイル２２に流れる特定の周波数の正弦波の電流は共振現象によって自動的に生成される。したがって、正弦波を出力するための回路を簡略化することが可能になる。

開ループコイル２１と閉ループコイル２２は結合度を高くすると、共振したときに閉ループコイル２２に流れる電流が大きくなるので、できるだけ近接させて中心位置を一致させるとよい。

なお、抵抗Ｒ１，Ｒ２、キャパシタＣ１，Ｃ２は、モータ１内部に配置するとよいが、利用者が所望の共振周波数を設定できるようにモータ１に接続端子を設けて、抵抗Ｒ１，Ｒ２、キャパシタＣ１，Ｃ２を外付け可能にしてもよい。また、抵抗Ｒ１，Ｒ２は、入力源の内部抵抗もしくはコイル自身の抵抗に代替することが可能である。

本実施形態では、ブラシレスＤＣモータに磁界共鳴の考え方を適用し、共振によって得られるより大きな電流により高回転数・高トルクを実現する。従来のモータにおいて、電圧源に接続されたコイルの抵抗値を小さくすることによって大きな電流を流すことが考えられる。一般的に電圧源は数１０Ωの内部抵抗がある。そのため、内部抵抗を含めた電気回路で考えると、低抵抗を実現することは極めて困難であり、大きな電流を流すことができない。本実施形態の電気回路構成をとることによって、低抵抗の電気回路が実現可能になり、さらに、正弦波も生成可能である。

続いて、キャパシタＣ１，Ｃ２の容量について説明する。

次式は、所望の周波数で磁界を共振させるために必要なキャパシタＣ１，Ｃ２を導出する式である。

ここで、Ｃ１は開ループコイル２１に接続するキャパシタの容量、Ｃ２は閉ループコイル２２に接続するキャパシタの容量、Ｒ１は開ループコイル２１に接続する抵抗の値、Ｒ２は閉ループコイル２２に接続する抵抗の値、ｆはモータ１の１秒当たりの回転数、Ｌは開ループコイル２１及び閉ループコイル２２のインダクタンスである。開ループコイル２１と閉ループコイル２２のインダクタンスＬを一致させる。

式（１）のルート内の成分は正の値をとる必要がある。以下の式（２）を満たすときに、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の間で磁界の共振が発生する。

この時、開ループコイル２１に印加する入力電圧をＶｉｎとすると、開ループコイル２１と閉ループコイル２２のそれぞれに流れる電流Ｉ１，Ｉ２は次式（３）となる。

抵抗Ｒ１，Ｒ２の比が大きいほど閉ループコイル２２に流れる電流Ｉ２は大きくなるが、開ループコイル２１及び閉ループコイル２２のインダクタンスＬを大きくする必要がある。

ブラシレスＤＣモータの回転数は利用用途によって異なるが、一般的に１秒当たり２５０回転程度までの回転数とする。

例えば、１秒当たりの回転数ｆを２００回／秒、閉ループコイル２２に流れる電流Ｉ２を電流Ｉ１の１０倍とするモータ１を設計する。抵抗Ｒ１の値を１００Ω、抵抗Ｒ２の値を１Ωとすると、式（２）よりインダクタンスＬの値は８．０ｍＨとなる。開ループコイル２１と閉ループコイル２２のインダクタンスＬが８．０ｍＨ以上となるようにコイルの巻き数を設定するとよい。安定性を考慮してインダクタンスＬを１０．０ｍＨとすると、式（１）より、キャパシタＣ１の容量は９．０μＦ、キャパシタＣ２の容量は６０μＦとなる。開ループコイル２１と閉ループコイル２２は２００Ｈｚ近傍で共振し、回転数ｆは２００回／秒となる。開ループコイル２１と閉ループコイル２２の共振周波数とロータ３の回転周波数は必ずしも一致させなくても電流増強効果を得られるが、共振周波数と回転周波数を一致させると良い。

次に、本実施形態のモータの制御について説明する。

図３（ａ）は、コイルに流れる電流の波形の例を示す図であり、図３（ｂ）は、ホール素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃが検出する波形の例を示す図である。

制御回路５は、ロータ３の位置に応じて、互いに１２０度ずつ位相をずらした正弦波の電流が閉ループコイル２２に流れるように開ループコイル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃのそれぞれに電流を入力する。正弦波でモータを駆動する場合は、矩形波を利用する場合と比べて、高効率、低振動、低騒音となる。

ホール素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃで６０度毎にロータ３の位置を検出し、制御回路５は、検出したロータ３の位置にあった正弦波電圧を出力する。

図４は、回転速度を変化させる制御シーケンスを示すフローチャートである。

現在のロータ３の回転速度を求める（ステップＳ１）。３個のホール素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃのパターンが変化する時間、つまりロータ３が６０度回転する時間をタイマで計測する。

目標の回転速度を求める（ステップＳ２）。目標とする１秒間の回転数から６０度だけ回転する時間を求める。

現在の回転速度と目標の回転速度を比較する（ステップＳ３）。ステップＳ１，Ｓ２で求めた回転速度を比較する。

制御回路５は、ステップＳ３の結果に基づいて、電圧と周波数を変更する（ステップＳ４）。現在の回転速度が目標より速い場合は電圧を下げ、遅い場合は電圧を上げる。モータ１の駆動はインバータ回路を使い、電圧はＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御で電圧波形を変化させて回転数を制御する。

開ループコイル２１及び閉ループコイル２２に流れる電流は式（３）で決まり、入力電圧を下げれば閉ループコイル２２に流れる電流が減り、入力電圧を上げれば閉ループコイル２２に流れる電流が増える。つまり、一般的なＤＣモータと同様にトルクを電圧で変更できる。

本実施形態のモータ１は、ブラシレスＤＣモータに必要なホール素子によるロータの位置の検出や、電流量の制御については、従来のマイコン及び制御回路をそのまま適用することができる。この場合、制御回路の出力段の駆動方式は、ユニポーラ駆動方式、バイポーラ駆動方式のどちらも適用できる。

次に、本実施形態の別のブラシレスＤＣモータについて説明する。

図５は、本実施形態の別のブラシレスＤＣモータを軸方向から見た断面図である。

図５に示すモータ１は、内側にステータ２Ａ，２Ｂ，２Ｃを配置し、ステータ２Ａ，２Ｂ，２Ｃの外側にロータ３を配置したアウターロータ型のブラシレスＤＣモータである。

ステータ２Ａ，２Ｂ，２Ｃのそれぞれには、開ループコイル２１と閉ループコイル２２が近接して巻かれている。開ループコイル２１は制御回路（図示せず）に電気的に接続されて、電流が入力される。閉ループコイル２２は短絡されて閉ループとなっている。図５では図示していないが、開ループコイル２１と閉ループコイル２２のそれぞれには、所定の値の抵抗とキャパシタが直列に接続されている。

ロータ３は、永久磁石を備え、回転可能である。

モータ１の内部には、ロータ３の回転角度を検出するためのホール素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃが配置される。

図５のモータ１は、図１のモータ１と同様に、制御回路によって制御される。

ブラシレスＤＣモータの内部構造には依存せずに、図５のアウターロータ型のブラシレスＤＣモータにおいても図１のインナーロータ型のブラシレスＤＣモータと同様の効果を得ることができる。

［ステッピングモータ］
図６は、本実施形態のステッピングモータを軸方向から見た断面図である。

図６に示すモータ１は、外周の内側にステータ２Ａ〜２Ｆを固定し、ステータ２Ａ〜２Ｆの内側に永久磁石のロータ３を配置したＰＭ型ステッピングモータである。

ステータ２Ａ〜２Ｆのそれぞれには、ブラシレスＤＣモータと同様に、開ループコイル２１と閉ループコイル２２が近接して巻かれている。開ループコイル２１は制御回路（図示せず）に電気的に接続されて、電流が入力される。閉ループコイル２２は短絡されて閉ループとなっている。図６では図示していないが、開ループコイル２１と閉ループコイル２２のそれぞれには、所定の値の抵抗とキャパシタが直列に接続されている。

ステッピングモータでは、開ループコイル２１へ印加する電圧パターンを切り替えることによって、ロータ３がステップ状に回転する。

開ループコイル２１Ａ〜２１Ｆのそれぞれに、図７に示す波形を入力すると、電圧値が遷移するごとに、ロータ３は３０度回転し、その位置を保持する。ステッピングモータは電圧パターンの切り替え回数と回転角度が正確に比例するため、ブラシレスＤＣモータに必要であったロータ３の位置を推定する機構は不要である。

ステッピングモータは設置されるコイルの数が多く、消費電力が大きくなり、トルクが小さいという課題があった。本実施形態では、開ループコイル２１で発生した磁場の振動が同じ周波数で共振する閉ループコイル２２に伝わり、閉ループコイル２２にはより大きな電流が流れる。その結果、同じ入力電圧で考えた場合、従来よりも大きな磁界を発生させて、トルクを強くすることができる。

図８は、本実施形態の別のステッピングモータを軸方向から見た断面図である。

図８に示すモータ１は、外周の内側にステータ２Ａ〜２Ｆを固定し、ステータ２Ａ〜２Ｆの内側に歯車状のロータ３を配置したＶＲ型ステッピングモータである。

ステータ２Ａ〜２Ｆのそれぞれには、図６のステッピングモータと同様に、開ループコイル２１と閉ループコイル２２が近接して巻かれている。開ループコイル２１は制御回路（図示せず）に電気的に接続されて、電流が入力される。閉ループコイル２２は短絡されて閉ループとなっている。図８では図示していないが、開ループコイル２１と閉ループコイル２２のそれぞれには、所定の値の抵抗とキャパシタが直列に接続されている。

ＶＲ型ステッピングモータは電流によって励磁されたステータ２Ａ〜２Ｆがロータ３の歯と磁力によって整列する原理を利用する。例えば、図８のステータ２Ａ〜２Ｆとロータ３の歯数の比率が６：４の場合、位置決め分解能は３０度になる。

このように、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の構成はステッピングモータにも適用できる。また、ステッピングモータの内部構造には依存しない。

［ＡＣモータ］
図９は、本実施形態のＡＣモータを軸方向から見た断面図である。

図９に示すモータ１は、外周の内側にステータ２Ａ〜２Ｄを固定し、ステータ２Ａ〜２Ｄの内側にかご型のロータ３を配置した誘導型ＡＣモータである。

ステータ２Ａ〜２Ｄのそれぞれには、ブラシレスＤＣモータ及びステッピングモータと同様に、開ループコイル２１と閉ループコイル２２が近接して巻かれている。開ループコイル２１は交流電源６に電気的に接続されて、電流が入力される。閉ループコイル２２は短絡されて閉ループとなっている。図９では図示していないが、開ループコイル２１と閉ループコイル２２のそれぞれには、所定の値の抵抗とキャパシタが直列に接続されている。

誘導型ＡＣモータでは、閉ループコイル２２から発生した磁界による磁界結合によりかご型のロータ３に誘導電流を発生させて、ロータ３を回転させる。交流電源６は図１０の実線で示す波形を出力する。主巻線である開ループコイル２１Ａ，２１Ｃには、交流電源６から出力されたままの位相で入力される。補助巻線である開ループコイル２１Ｂ，２１Ｄには、キャパシタによって９０度位相が変化した波形（図１０の点線）が入力される。電圧値が遷移するごとにロータ３は９０度回転する。

なお、ロータ３の構造には依存せず、巻線による巻線形ロータ等にも適用できる。また、極数、相数にも依存しない。

図１１は、本実施形態の別のＡＣモータを軸方向から見た断面図である。

図１１に示すモータ１は、外周の内側にステータ２Ａ〜２Ｃを固定し、ステータ２Ａ〜２Ｃの内側に永久磁石のロータ３を配置した同期型ＡＣモータである。

ステータ２Ａ〜２Ｃのそれぞれには、図９のモータと同様に、開ループコイル２１と閉ループコイル２２が近接して巻かれている。開ループコイル２１は交流電源（図示せず）に電気的に接続されて、電流が入力される。閉ループコイル２２は短絡されて閉ループとなっている。図１１では図示していないが、開ループコイル２１と閉ループコイル２２のそれぞれには、所定の値の抵抗とキャパシタが直列に接続されている。

同期型ＡＣモータでは、３相交流を開ループコイル２１に入力することで生じる回転磁界によってロータ３を回転させる。

このように、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の構成はＡＣモータにも適用できる。また、ＡＣモータの内部構造には依存しない。

［モータの速度及びトルクの変更］
これまで説明したモータの速度及びトルクを動的に変更する方法としては、可変キャパシタを用いる方法、可変抵抗を用いる方法、及び閉ループコイルを切断する方法がある。以下、これらの３つの方法について説明する。

まず、可変キャパシタを用いる方法について説明する。

図１２は、可変キャパシタ制御を行う電気回路図である。図１２（ａ）は、開ループコイル２１に可変キャパシタを接続した電気回路図であり、図１２（ｂ）は、閉ループコイル２２に可変キャパシタを接続した電気回路図である。

図１２（ａ）に示すように、開ループコイル２１に複数のキャパシタＣ１−１〜Ｃ１−４を並列に接続し、スイッチ制御回路７で各キャパシタＣ１−１〜Ｃ１−４に直列に接続されたスイッチＳ１−１〜Ｓ１−４のオンオフを切り替える。開ループコイル２１のキャパシタＣ１の容量は、スイッチＳ１−１〜Ｓ１−４がオンのキャパシタＣ１−１〜Ｃ１−４を並列接続したときの一般的な計算式によって求めることができる。

図１２（ｂ）の閉ループコイル２２についても同様に、複数のキャパシタＣ２−１〜Ｃ２−４を並列に接続し、スイッチ制御回路７でスイッチＳ２−１〜Ｓ２−４のオンオフを切り替えることで、閉ループコイル２２のキャパシタＣ２の容量を設定する。

図１３は、可変キャパシタの設定例を示す図であり、Ｒ１＝１０Ω、Ｒ２＝１Ω、Ｌ＝６０ｍＨとしたときに、式（１）によって得られるＣ１，Ｃ２を図示している。横軸は、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の共振周波数を表しており、モータ１の回転速度に等しい。キャパシタＣ１，Ｃ２の容量を変更して共振周波数を変更すれば、モータ１の回転速度を変えることができる。例えば、モータ１を１０Ｈｚで安定的に回転させたいときは、スイッチ制御回路７によりキャパシタＣ１，Ｃ２の容量がそれぞれ図１３の１０Ｈｚの位置の値になるように設定する。モータ１を１００Ｈｚで安定的に回転させたいときは、キャパシタＣ１，Ｃ２の容量がそれぞれ図１３の１００Ｈｚの位置の値になるように設定する。可変キャパシタの設定値を増やせば、回転速度をより連続的に変更できる。

ここで、回転速度を変更できることの効果について説明する。

直列共振回路のＱ値は次式（４）で表すことができる。

一般的に、Ｑ値が大きいと帯域幅が小さくなり、Ｑ値が小さいと帯域幅が大きくなる特徴がある。本実施形態では、電流が多く流れる閉ループコイル２２のＱ値が重要である。閉ループコイル２２のＱ値が高いと、モータ１が停止状態から動作し始める初動時に十分な回転トルクが得られない場合があることを意味する。

共振周波数ｆを小さくするにはキャパシタＣを大きくするとよい。それとともに、Ｑ値も小さくなり、√のオーダーで帯域幅を大きくすることができる。つまり、共振周波数の低下と帯域幅の拡大により始動時の回転を安定させることができる。

続いて、可変抵抗を用いる方法について説明する。

共振周波数を変更せずに、初動のトルクを変更すれば良い用途においては、可変抵抗を用いる方法が適用できる。

開ループコイル２１及び閉ループコイル２２に可変抵抗を接続し、マイコン等により可変抵抗の値を変更可能にする。可変抵抗は、可変キャパシタと同様に、複数の抵抗とスイッチによって構成できる。開ループコイル２１のみに可変抵抗を接続してもよいし、閉ループコイル２２のみに可変抵抗を接続してもよい。

式（３）において、Ｖｉｎを５Ｖ、Ｒ１を１０Ω、Ｒ２を１Ωとすると、Ｉ１は０．２５Ａ、Ｉ２は０．７９Ａとなる。Ｒ１を１００Ωに変更すると、Ｉ１は０．０２５Ａ、Ｉ２は０．２５Ａとなる。閉ループコイル２２に流れる電流Ｉ２の方が開ループコイル２１に流れる電流Ｉ１よりも大きいので、モータ１のトルクは電流Ｉ２によって生成される磁界が支配的になる。可変抵抗を制御することにより、閉ループコイル２２に流れる電流Ｉ２の大きさが変わり、結果としてモータ１のトルクを変更できる。

式（４）によると、可変キャパシタを用いる方法では√のオーダーでＱ値を下げることができ、可変抵抗を用いる方法では１次のオーダーでＱ値を下げることができる。つまり、可変抵抗を用いる方法はＱ値をより変更しやすいと言える。

なお、可変キャパシタを用いる方法と可変抵抗を用いる方法を併用してもよい。

続いて、閉ループコイルを切断する方法について説明する。

閉ループコイル２２の抵抗及びキャパシタと直列にスイッチを接続し、マイコン等によりスイッチのオンオフを切り替える。

例えば、ファンモータ等のような一定速度で安定して動作する必要があるモータの場合、始動時や停止時に閉ループコイル２２に接続したスイッチをオフに切り替えて閉ループコイル２２を切断し、閉ループを形成しないようにする。

モータ１の回転速度が所定の速度に到達するとスイッチをオンに切り替えて、開ループコイル２１と閉ループコイル２２が共振するように閉ループコイル２２を短絡させる。

始動時に閉ループコイル２２を切断しておくと、開ループコイル２１と閉ループコイル２２との間で共振が発生しないため、開ループコイル２１に流す電流でモータ１を始動させることになる。共振が発生しないので帯域幅は広く、制御回路５から初動に適した波形、例えば従来のモータを制御するときと同様の波形を入力することができる。

可変キャパシタ及び可変抵抗を用いる方法は、可変キャパシタと可変抵抗の分解能に応じた制御しかできず、分解能が低いと設定した周波数が離散的になり、始動時から安定するまでの回転速度の推移が階段状になる場合がある。一方、閉ループコイルを切断する方法では、閉ループコイルを切断している間は連続的な周波数制御が可能であり、回転速度の推移を線形にすることができる。

［開ループコイルと閉ループコイルの配置］
図１４は、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の配置例を示す図である。

開ループコイル２１と閉ループコイル２２は近接していれば磁界の共振現象が起こるため、図１４（ａ）に示すように、開ループコイル２１と閉ループコイル２２とを並列させてもよいし、図１４（ｂ）に示すように、開ループコイル２１で閉ループコイル２２を挟み込んでもよいし、図１４（ｃ）に示すように、閉ループコイル２２を開ループコイル２１に内包してもよい。図１４の配置例において、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の位置関係が逆になってもよい。

開ループコイル２１と閉ループコイル２２は、同じ方向で同じ大きさの磁気モーメントとなるように巻くと大きな効果が得られる。大きさや磁気モーメントが多少異なる場合であっても、磁界の共振現象は起こるので同等の効果は得られる。

なお、本発明は、ステータ２の構造に依存しないので、一般的な分布巻ステータ、集中巻ステータ、誘導子型ステータ、永久磁石型ステータなどを適用できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、開ループコイル２１に近接して閉ループコイル２２を配置し、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の共振周波数が一致するように開ループコイル２１と閉ループコイル２２に接続するキャパシタＣ１，Ｃ２の容量を設定することにより、開ループコイル２１と閉ループコイル２２との間で磁気的に結合して磁界が共振し、閉ループコイル２２に入力した電流よりも大きな電流が流れる。その結果、より大きな磁界が発生するので、低消費電力でロータ３を回転させることができる。入力電圧で考えた場合、本実施形態のモータ１は、より大きな磁界を発生できるので、トルクを強くすることができる。また、特定の周波数の正弦波を共振現象によって得られるので、正弦波を生成する回路を簡略化できる。

なお、本実施形態は、ブラシレスＤＣモータ、ステッピングモータ、ＡＣモータに適用できる。本実施形態のモータ１は、ファンモータなどのように変速せずに一定速度で連続動作する用途に特に有効である。本実施形態のモータ１は、低消費電力であるので、例えば、排熱用のファンモータに使用すれば、モバイルデバイス及びウェアラブルデバイスの連続使用時間を長くできる。

本実施の形態によれば、開ループコイル２１と閉ループコイル２２に可変キャパシタを接続し、可変キャパシタの容量を変えることで、ロータ３の回転速度を変更することができる。

本実施の形態によれば、開ループコイル２１と閉ループコイル２２の少なくとも一方に可変抵抗を接続することで、閉ループコイル２２に流れる電流の大きさを変えてトルクを変更することができる。

本実施の形態によれば、閉ループコイル２２にスイッチを接続することで、閉ループコイル２２のスイッチをオフにして閉ループコイル２２を切断したときは、開ループコイル２１に入力する電圧を変化させることで連続的に回転速度を変更することができる。

１…モータ
２，２Ａ〜２Ｆ…ステータ
２１，２１Ａ〜２１Ｆ…開ループコイル
２２，２２Ａ〜２２Ｆ…閉ループコイル
３…ロータ
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…ホール素子
５…制御回路
６…交流電源
７…スイッチ制御回路

Claims (4)

1. 回転するロータと前記ロータを回転させる力を発生するステータを備えたモータであって、
   前記ステータに配置された開ループコイルと、
   前記開ループコイルに近接して前記ステータに配置された閉ループコイルと、
   前記開ループコイルに接続された第１キャパシタと、
   前記第１キャパシタに直列に接続された第１抵抗と、
   前記閉ループコイルに接続された第２キャパシタと、
   前記第２キャパシタに直列に接続された第２抵抗と、を有し、
   前記第１キャパシタの容量と前記第２キャパシタの容量は、前記開ループコイルと前記閉ループコイルの共振周波数が一致するように設定されていることを特徴とするモータ。
2. 前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの容量は可変であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記第１抵抗及び前記第２抵抗の少なくとも一方が可変であることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ。
4. 前記閉ループコイルにスイッチを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のモータ。

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