JP2023081077A - 磁気デバイス、ｄｃモータ、ｄｃブラシレスモータ及びボイスコイルモータ - Google Patents

Abstract

【課題】各種のモータに適用する電磁コイルを複数並列的に連結し、かつ、接続する電磁コイルに印加する直流電圧を抑えることで磁気デバイスの駆動時における消費電電力を節減すること。【解決手段】磁気デバイスであって、所定長の鉄心に電線をＭターンした１つのコイルを、Ｎ分割した各鉄心に対して、同ターン数で電線をＭ／Ｎ回分、巻回してなる複数のコイルと、各鉄心に巻き付けた電線によりなる各コイルをそれぞれ並列に結線し、且つ、各コイル間に同一の直流電圧を印加する電源と、を備え、電源は、各コイルに印加する直流電圧は、１つのコイルに印加する直流電圧よりも少ない直流電圧を印加することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のコイルを並列的に連結してなる磁気デバイス、ＤＣモータ、ＤＣブラシレスモータ及びボイスコイルモータに関するものである。

従来、磁気デバイスを適用する装置として、平角コイルを積層状に重ねることによりコイル端子部内、外周部のみ配置することができるコイル内、外周部を有効に活用可能なブラシレスモータが公開されている（下記特許文献１）。

また、同様に、磁気デバイスを適用する装置として、周方向に配置された複数のティースおよび複数のティースそれぞれに対して複数のコイルを備える固定子（ステータ）と、周方向に配置された複数の磁石を備え、固定子と所定間隔を開けて配置された回転子とを備えるブラシレスモータが公開されている（下記特許文献２）。

特開平９－１６８２７０号公報 特開２０１６－９３００７号公報

このようにブラシレスモータを構成するステータの構造として、駆動するモータのトルクに適応するため、インダクタンス容量の異なるコイルが所定位置に配置されて電源から供給される電力により、様々な回転特性を備えるモータが実用化されている。

また、他の磁気デバイスとして、単相モータ、例えばボイスコイルモータ（Voice Coil Motor）と略称されるモータには、Nd-Fe-B磁石が作る強力な磁界の中をコイルのみが往復運動するタイプが実用化されている。

ボイスコイルモータは、ラウドスピーカーとまったく同じ原理で電気シグナルを機械運動に変換する。また、可動部が軽く、しかもダイレクトドライブであるため、一般のアクチュエータよりも高速で、かつ電気シグナルに合わせて運動する。

ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）は、磁石のエネルギー（磁場）を媒体として電気エネルギーを運動エネルギーに変換する機能（磁石の大半がこの用途に使用されてい）を持ち、磁石の大半がこの用途に使用されている。
特に、ＶＣＭは、可動部の構造により、大きく次の２種類に区別されます。
１）磁石が作る磁場の中でコイルのみが動くモータ（可動コイル［ムービングコイル］型）
２）ヨークとコイルが作る磁場の中で磁石が動くモータ（可動磁石型［ムービングマグネット］型）
また、ＶＣＭは、磁場中の導体に電流を流した時、フレミング左手の法則により下図の向きに力が発生する動作原理を利用している。

しかしながら、ブラシレスモータにおいて、複数のコイルを配置してなるステータのコイルは、単一構成のコイルを採用しているため、モータ駆動時の消費電力を抑えることができにくいという課題が指摘されていた。

また、ＶＣＭにおいても、単純に周回する銅線を所定回数巻き付けるコイルも単一構成のコイルを採用しているため、モータ駆動時の消費電力を抑えることができにくいという課題が指摘されていた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、各種のモータに適用する電磁コイルを複数並列的に連結し、かつ、接続する各電磁コイルに印加する直流電圧を抑えることで磁気デバイスの駆動時の消費電電力を節減する磁気デバイスを提供することである。

上記目的を達成する本発明の磁気デバイスは以下に示す構成を備える。

所定長の鉄心に電線をＭターンした１つのコイルを、Ｎ分割した各鉄心に対して、同ターン数で電線をＭ／Ｎ回分、巻回してなる複数のコイルと、各鉄心に巻き付けた電線によりなる各コイルをそれぞれ並列に結線し、且つ、各コイル間に同一の直流電圧を印加する電源と、を備え、前記電源は、各コイルに印加する直流電圧は、１つのコイルに印加する直流電圧よりも少ない直流電圧を印加することを特徴とする。

本発明によれば、各種のモータに適用する電磁コイルを複数並列的に連結し、かつ、接続する各電磁コイルに印加する直流電圧を抑えることで磁気デバイスの駆動時における消費電電力を節減できる。

図面は、本発明の特定の実施の形態を示し、発明の不可欠な構成ばかりでなく、選択的及び好ましい実施の形態を含む。
（ａ）本発明を適用するコイルの構成を示す図、（ｂ）本発明を適用する磁気デバイスの構成を説明する回路図。 本実施形態を示す磁気デバイスによる電磁力実験例を示す図。 （ａ）本実施形態を示すボイスコイルモータの構造を説明する図。（ｂ）ボイスコイルモータの要部断面図。 ボイスコイルモータ回路の結線状態を示す図。

次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
下記の実施の形態は、磁気デバイスに関し、発明の不可欠な構成ばかりでなく、選択的及び好ましい実施の形態を含む。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明を適用する磁気デバイスに適用するコイルの構造を説明する回路図である。本実施形態では、所定半径で所定長のコイル（Ｎ回巻）Ｃを、例えば４分割したコイルＣ１～Ｃ４を並列接続する例を示す。また、本例は空芯コイルを例とし、比透磁率μｓ＝１とする。

図１の（ａ）において、ＣＰ１～ＣＰ３はカットポイントを示し、Ｎ回巻された一連の所定太さの銅線コイル（ＳＣ）本体を、図示されるように同巻数で分割すると、後述する図１の（ｂ）に示す並列接続したコイル回路が構成される。Ｅは直流電源で、端Ａ～端Ｂまで連続するコイルに所定電圧（Ｖ）を印加している。

コイルＣに直流電圧（Ｖ）を印加した場合，流れる電流は，コイルＣの直列抵抗値で決まり。仮に、コイルＣにＤＣ電圧（Ｖ）を印加した場合、０Ａだった電流が少し変化すると，電流と同じ速度で変化する磁束が発生する。すると、その変化する磁束φに対応した電圧ＥがコイルＣの両端に発生する。
単純に、消費電力を計算すると、Ｐ（Ｗ）＝ｉ^２×抵抗値Ｒで算出される。

一方、図１の（ｂ）に示すように、図１の（ａ）に示したコイルＣを、上記カットポイントＣＰ１～ＣＰ３で切断して、コイルＣ１～Ｃ４とし、その後、各コイルＣ１～Ｃ４を並列に接続すると、自己インダクタンスＬは、
Ｌ＝Ａ×４π^２×μｓ×ａ^２×Ｎ^２÷ｂ×１０^－７で算出される。
ここで、上記式中の符号は、以下の通りである。
Ａ： 長岡係数
μs： 比透磁率
ａ： コイルの半径
Ｎ： 巻数
ｂ： コイルの長さ
ここで、有限長のコイルの自己インダクタンスと、コイル電線の抵抗値は、長岡係数を用いて計算するものとする。
電線の長さが概算できるので、抵抗値は、以下のように推定することが出来る。半径ａの内径では、１Ｔの巻線する長さは、２πａなので、
２πａ×巻数（Ｔ）が、使用する電線の全長になる。ちなみに実際の電線を使い、長さ１mで導体径Φ０．５ｍｍ（直径）とΦ０．２ｍｍ（直径）の抵抗値を測定すると、下記となりました。
Φ０．５ｍｍ×１ｍ Ｒ＝０．０９ Ω （室温20℃換算）
Φ０．２ｍｍ×１ｍ Ｒ＝０．５７ Ω （室温20℃換算）

〔抵抗値の計算例〕
まず、１ｍ当たりの抵抗値が分かっている導体径Φ０．５ｍｍの電線を使った場合の長さを決めると、１層当たりの巻数は、１５ｍｍ／０．５ｍｍより３０Ｔとなる。３４０Ｔ巻線した場合、総数は１１．３層となり、コイルの肉厚は、０．５×１１．３＝５．６５ｍｍで、コイルの内径と外径の平均径は、１５＋５．６５／２＝１７．８２５ｍｍ、１Ｔ分の電線の長さは、２×π×１７．８２５≒１１２．０ｍｍ、３４０Ｔなので使用する電線の全長は、
１１２×３４０＝３８０８０ｍｍ＝３８．０８ｍと計算される。
従って、その時の抵抗値は、３８．０８×０．０９＝３．４２７２Ωとなる。
本計算例を本実施形態に適用すると、外形と内径が同一として計算すればよい。

一方、合成自己インダクタンス、すなわち複数のコイルによって構成される回路があるとき，任意の２点からその回路をみると一本のコイルとして等価的に扱うことが、その等価コイルのインダクタンスは合成インダクタンスと呼ばれるが、図１の（ｂ）に示す回路の合成インダクタンスは、
１／Ｌ＝（１／Ｌ１）＋（１／Ｌ２）＋（１／Ｌ３）＋（１／Ｌ４）
ここで、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４と置くと、４／Ｌの逆数となり、Ｌ／４となる。これは、分割前の自己インダクタンスをＬとすると、１／４となる。

一方、ＤＣモータの原理から、ＤＣモータに使用されるコイルをｎ分割して並列に接続した場合、コイルの両端の抵抗値（上述した計算に基づく）は分割しない場合に比べると、１／ｎとなるので、各コイルにかかる電圧は同じでも、各コイルＣ１～Ｃ４を流れる電流は、同じで、抵抗値が１／ｎとなるので、磁界の強さは同等で、電圧と、消費電力とが１／ｎとなる。
なお、本実施形態に示す磁気デバイスでは、抵抗値を以下のように算出するものとする。

原理的な構成を説明するため、コイルに使用する銅線の総長に、単位長さ当たりの抵抗値を乗算した値とする。また、モータの駆動条件は、ある一定時刻ｔにおける電力を想定し、定常的な抵抗値を扱うものとする。

〔原理例〕
コイルの力Ｎは、Ｎ＝ＩＢＳから算出される。
ここで、Ｉは電流値を示し、Ｂは磁束密度を示し、Ｓはコイルの長さを示す。
例えばＳを、１００l（ｌはコイル１ターンの長さ）とすると、磁界の強さＨは巻き数をＮとすると、Ｈ（Ａ／ｍ）＝ＮＩ／lとなり、１ｍ当たりの巻き数ｎ（回／ｍ）とすれば、磁界の強さＨは、Ｈ＝ＮＩ／ｌと置くと、Ｈ＝ｎＩ（Ａ／ｍ）と記述することができる。

これに基づき、各コイルＣ１～Ｃ４による磁界の強さは、Ｈ＝（ｎＩ／４）＋（ｎＩ／４）＋（ｎＩ／４）＋（ｎＩ／４）と表すことができ、結果合成した磁界の強さは、理論上ｎＩ（Ａ／ｍ）となり、分割前のコイルの磁界の強さＨと同じとなることを考察した。

また、モータ駆動電源については、定電圧駆動、定電流駆動があり、定電圧で比較した場合、例えば２個のコイル（同巻数）を並列結線した後、各コイルを直列配置した場合、抵抗値は１／２となり、流れる電流値は２倍となります。

これにより、コイルの消費電力Ｗは、コイルに流れる電流ｉとし、コイルの抵抗値Ｒとから、算出されるＷ＝ｉ^２×Ｒは、１本のコイルに比較して、２倍の電力消費となるが、発生する磁界も２倍となり、モータの推力も大きくすることができる。ただし、コイルの発生磁界が２倍となっても、モータの推力も比例的に２倍とはならない。

一方、モータの推力が同等であれば、各コイルに流す電流を半分とし、コイルに印加する電圧を１／２として駆動することにより、コイル全体として消費する電力Ｗも１／２となる。

そこで、通常長のコイル（分割前）の抵抗値をＲとし、当該コイルを２分割した場合の各コイルの抵抗値をｒとすると、１つのコイルの抵抗値Ｒは、分割したコイルの抵抗値を２倍したものと等しくなる（Ｒ＝２ｒ）。

さらに、分割した２つのコイルを並列接続した場合、２つのコイルを直列接続した場合に比べて、モータを定電流駆動した時の消費電力Ｗは、ｉ^２Ｒ＝ｉ^２（ｒ／２）と表すことができる。

同様に、モータを定電圧駆動した時にコイルに印加する電圧Ｖは、Ｖ＝ｉ×（ｒ／２）となり、モータを定電流駆動した時の消費電力Ｗは、ｉ^２（ｒ／２）と表すことができる。

〔分割コイル製作プロセス〕
では、１００ターンのコイルの場合に本原理を適用してみると、所定太さの銅線を用いて、図示しない巻き付け芯（鉄心）に対して、１～２５ターン巻き付けたら、一端銅線をカットする。なお、コイルの先端および後端には、接続用として数センチのリードを設ける。

次に、２６ターン目から５０ターンまで同様に銅線を巻き付け、さらに、５１ターン目から７５ターンまで同様に銅線を巻き付け、さらに、７６ターン目から１００ターンまで同様に銅線を巻き付ける。

その後、コイルＣ１の１ターン端と、コイルＣ２の２６ターン端と、コイルＣ３の５１ターン端と、コイルＣ４の７６ターン端と、コイルＣ１の２５ターン端と、コイルＣ２の５０ターン端と、コイルＣ３の７５ターン端と、コイルＣ４の１００ターン端とをそれぞれ結線し電源と接続する回路を構成する。
仮に、コイルに使用する銅線の総長があらかじめ既知であるとすると、
抵抗値Ｒ＝（ｌ／Ｓ）×ρ （Ω）
ここで、ρは抵抗率（Ω・ｍ）であり、コイルの材料が銅である場合、１．６８×１０^－８となる。
このことから、各コイルを構成する銅線自体の抵抗値を求めることもできる。

〔第１の実施形態の効果〕
本実施形態によれば、通常１つのコイルとして製作すべき磁気デバイスを、４つの磁気デバイスとした分割コイルとして構成し、各コイルの先端側と後端側をそれぞれ結線し、同一電圧を印加するという非常にシンプルな構成で、磁気デバイスにおける消費電力を、接続するコイル数Ｎ個で除した値とすることができる。

しかも、磁界の強さは分割前と同等するので、本発明に基く磁気デバイスを利用したモータ等に適用することで、モータのステータの構造を小型化することも可能となる。

〔分割コイルによる磁力試験例〕
図２は、本実施形態を示す磁気デバイスによる電磁力実験例を示す図である。
本実施形態では、モータに適用されるコイルを分割し、各コイルを並列的に接続し、かつ、各コイルを鉄心に対して、直列配列した構成を採用することを特徴としている。なお、コイルをＮ分割して結線した際の各コイルの抵抗値の合算値は、各コイルから（Ｎ－１）×２分引き出した電線分の抵抗値が加算されるため、従来のように１つのコイルとする場合の抵抗値と比較すると、一致しない微差が生じる場合がある。

図２に一例を示す磁気デバイスでは、所定長の鉄心に電線をＭターンした１つのコイルを、Ｎ（図２の例ではＮ＝２とする）分割した各鉄心に対して、同ターン数で電線をＭ／Ｎ回分、巻回してなる複数のコイルと、各鉄心に巻き付けた電線によりなる各コイルをそれぞれ並列に結線し、且つ、各コイル間に同一の直流電圧を印加する電源（図１に示した電源電圧をＶとした場合のＶ／２）と、を備え、電源は、各コイルに印加する直流電圧は、図１に示した１つのコイルに印加する直流電圧Ｖよりも少ない直流電圧（Ｖ／２）を印加する。

つまり、所定長の鉄心に電線をＭターンした１つのコイルの抵抗値をＲとした場合で、かつ、Ｎ分割した各鉄心に対して、同ターン数で電線をＭ／Ｎ回分、巻回してなる複数のコイルの抵抗値をｒとし、並列に結線した各コイルで消費される総消費電力Ｐは、各コイルを流れる電流をｉとした場合、
Ｐ＝ｉ^２×（ｒ／Ｎ）で算出可能とすることができる。

このことから、所定長の鉄心をＮ分割した各鉄心に対して、同ターン数で電線をＭ／Ｎ回分、巻回してなる複数のコイルを並列に接続した場合、所定長の鉄心に電線をＭターンした１つのコイルに直流電圧Ｖよりも少ない直流電圧（Ｖ／Ｎ）を印加するだけで、同じ磁界の強さを発揮する磁気デバイスを提供することが可能となる。

〔第１実施形態の効果〕
本実施形態によれば、同鉄心材料、同巻線材料から、同巻数のコイルを複数備えて、分割コイル数に準じて算出されるＤＣ電圧をそれぞれのコイルに印加するという構成により、発生する磁界の強さは同じでも、消費電力を大幅に節減することができる磁気デバイスを提供可能となる。
より具体的には、同一長の鉄心に対して同巻き数で電線を巻回した場合に比べて、同じ電力でもモータのトルクを格段に向上できる磁気デバイスを提供可能となる。

〔第２実施形態〕
図３は、本実施形態を示すボイスコイルモータの構造を説明する図である。本例は、磁気デバイスを利用するモータをボイスコイルモータ（ＶＣＭ）とする場合である。

図３の（ａ）、（ｂ）において、２１Ａはトップヨークで、２１Ｂはボトムヨークである。２２ＡはＮ型のマグネットで、２２ＢはＳ型のマグネットである。２３はコイルで、電流２４が矢印の向きに印加される。２５は推力で、コイル２３により発生する磁界により発生する。これにより、コイル２３のみが往復運動することができる。

２６は絶縁材料で構成されるブロック部で、推力を発生しないコイル２３の部分を切断した際に、図４の（ａ）に示すように、ブロック部２６に半田面２７を成型する構成を設け、具体的には、図４の（ｂ）に示すように、半田面２８Ａ、２８Ｂを成型し、フレックスケーブル２９を結線することで、図示しない電源を図示しないコントローラがスイッチング制御することで、コイル２３を往復移動させる構成となっている。

この場合において、コイル２３により発生するトルク（Ｎ）は切断前と同一であるが、切断数をＣＮとすれば、コイル２３に印加される電圧値をＶＶとした場合、端子電圧は、ＶＶ／ＣＮとなる。
一方、推力２５を発生する部分は同じコイル長は結果として変化しないので、同じトルク（Ｎ）を発生する。

〔第２の実施形態の効果〕
本実施形態によれば、ボイスコイルモータにおいても、コイルで消費する電力を節減することができるとともに、同じ電力でモータトルクアップを図ることができる。
また、ＶＣＭに対する結線の仕方は、ｎ個分の引き出し線がないので、とても効率的である。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形（各実施形態の有機的な組合せを含む）が可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。

上記第１実施形態では、コイルと磁界を利用した磁気デバイスの構成について詳述し、その適用範囲について言及していないが、図１に示した磁気デバイスの適用例として、ＤＣブラシレスモータ、発電機は好適である。
本発明は、モータに適用されるコイルを分割し、各コイルを並列的に接続し、かつ、各コイルを直列配列した特徴的構成を採用することで、コイルの抵抗値がｎ分割分小さくなるため、同一長の鉄心に対して同巻き数で電線を巻回した場合に比べて、同じ電力でもモータのトルクを格段に向上できる。
したがって、本構成を備えるコイルを磁気デバイスとして各種のモータに適用することで、従来のＤＣモータのコイルの形状やサイズは変えずにトルクアップに貢献できる。

以上の記載した本発明に関する開示は、少なくとも下記事項に要約することができる。
（１）所定長の鉄心に電線をＭターンした１つのコイルを、Ｎ分割した各鉄心に対して、同ターン数で電線をＭ／Ｎ回分、巻回してなる複数のコイルと、各鉄心に巻き付けた電線によりなる各コイルをそれぞれ並列に結線し、且つ、各コイル間に同一の直流電圧を印加する電源と、を備え、前記電源は、各コイルに印加する直流電圧は、１つのコイルに印加する直流電圧よりも少ない直流電圧を印加することを特徴とする。

上記本発明は、少なくとも下記の実施の形態を含むことができる。
（２）前記所定長の鉄心に電線をＭターンした１つのコイルの抵抗値をＲとした場合で、かつ、Ｎ分割した各鉄心に対して、同ターン数で電線をＭ／Ｎ回分、巻回してなる複数のコイルの抵抗値をｒとし、前記並列に結線した各コイルで消費される総消費電力Ｐは、各コイルを流れる電流をｉとした場合、Ｐ＝ｉ^２×（ｒ／Ｎ）で算出可能とすることを特徴とする。
（３）前記電線は、所定抵抗率の銅線コイルであることを特徴とする。
（４）前記電線は、所定抵抗率のボイスコイルであることを特徴とする。
（５）（１）乃至（４）のいずれかに記載の磁気デバイスを有することを特徴とするＤＣモータ。
（６）（１）乃至（４）のいずれかに記載の磁気デバイスを有することを特徴とするＤＣブラシレスモータ。
（７）（１）乃至（４）のいずれかに記載の磁気デバイスを有することを特徴とするボイスコイルモータ。

Ｃ１～Ｃ４ コイル
Ｅ 直流電源

Claims (7)

1. 所定長の鉄心に電線をＭターンした１つのコイルを、Ｎ分割した各鉄心に対して、同ターン数で電線をＭ／Ｎ回分、巻回してなる複数のコイルと、
   各鉄心に巻き付けた電線によりなる各コイルをそれぞれ並列に結線し、且つ、各コイル間に同一の直流電圧を印加する電源と、を備え、
   前記電源は、各コイルに印加する直流電圧は、１つのコイルに印加する直流電圧よりも少ない直流電圧を印加することを特徴とする磁気デバイス。
2. 前記所定長の鉄心に電線をＭターンした１つのコイルの抵抗値をＲとした場合で、かつ、Ｎ分割した各鉄心に対して、同ターン数で電線をＭ／Ｎ回分、巻回してなる複数のコイルの抵抗値をｒとし、
   前記並列に結線した各コイルで消費される総消費電力Ｐは、各コイルを流れる電流をｉとした場合、
   Ｐ＝ｉ^２×（ｒ／Ｎ）で算出可能とすることを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
3. 前記電線は、所定抵抗率の銅線コイルであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気デバイス。
4. 前記電線は、所定抵抗率のボイスコイルであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気デバイス。
5. 前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気デバイスを有することを特徴とするＤＣモータ。
6. 前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気デバイスを有することを特徴とするＤＣブラシレスモータ。
7. 前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気デバイスを有することを特徴とするボイスコイルモータ。
   
   

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