JP5359042B2 - ブラシレス電気機械、それを備えた装置、及び、移動体 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石と電磁コイルとを利用したブラシレス電気機械（brushless electric machine）に関する。

永久磁石と電磁コイルとを利用したブラシレス電気機械としては、例えば下記の特許文献１に記載されたブラシレスモータが知られている。

特開２００１−２９８９８２号公報

従来のブラシレスモータでは、電磁コイルが十分有効に利用されていないという問題があった。このような問題はモータに限らず発電機にも共通する問題であり、一般にブラシレス電気機械に共通する問題であった。

本発明は、従来と異なる構造を採用することによって電磁コイルを十分有効に利用することのできる技術を提供す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。
本発明の第１の形態は、ブラシレス電気機械であって、
複数の第１の永久磁石を有する第１の部材と、
複数の第２の永久磁石を有する第２の部材と、
複数の電磁コイルを有する第３の部材と、
を備え、
前記第１と第２の部材は前記第３の部材を挟んだ両側に配置されており、前記第１と第２の部材が前記第３の部材に対して相対的に移動可能であり、
前記複数の第１の永久磁石と前記複数の第２の永久磁石は、同極同士が前記第３の部材を挟んで対向する位置に設置されており、
前記電磁コイルは、前記第３の部材の前記第１の部材側と前記第２の部材側に均等に配置されているとともに、各電磁コイルは、前記第１と第２と第３の部材を貫通する方向に平行な軸の回りにそれぞれ巻き回されており、
前記複数の電磁コイルのうち、前記第３の部材の前記第１の部材側には第１の相の電磁コイルが配置されているとともに第２の相の電磁コイルが配置されておらず、前記第３の部材の前記第２の部材側には前記第２の相の電磁コイルが配置されているとともに前記第１の相の電磁コイルが配置されていない。
このブラシレス電気機械によれば、第１と第２の永久磁石の同極同士が第３の部材を挟んで対向するように配置されており、また、電磁コイルが第３の部材の第１の部材側と第２の部材側に均等に配置されているので、第１と第２の永久磁石の同極同士の対向により形成されるほぼ均一な強い磁場に電磁コイルがバランス良く配置される。この結果、電磁コイルを十分有効に利用することが可能である。

［適用例１］
ブラシレス電気機械であって、
複数の第１の永久磁石を有する第１の部材と、
複数の第２の永久磁石を有する第２の部材と、
複数の電磁コイルを有する第３の部材と、
を備え、
前記第１と第２の部材は前記第３の部材を挟んだ両側に配置されており、前記第１と第２の部材が前記第３の部材に対して相対的に移動可能であり、
前記複数の第１の永久磁石と前記複数の第２の永久磁石は、同極同士が前記第３の部材を挟んで対向する位置に設置されており、
前記電磁コイルは、前記第３の部材の前記第１の部材側と前記第２の部材側に均等に配置されている、
ブラシレス電気機械。

このブラシレス電気機械によれば、第１と第２の永久磁石の同極同士が第３の部材を挟んで対向するように配置されており、また、電磁コイルが第３の部材の第１の部材側と第２の部材側に均等に配置されているので、第１と第２の永久磁石の同極同士の対向により形成されるほぼ均一な強い磁場に電磁コイルがバランス良く配置される。この結果、電磁コイルを十分有効に利用することが可能である。

［適用例２］
適用例１記載のブラシレス電気機械であって、
前記第３の部材は、さらに、磁気センサを有する
ブラシレス電気機械。

第３の部材の中央（すなわち第１と第２の部材の中央の位置）では、第１と第２の永久磁石の同極同士の対向により形成される磁場が急激に小さくなるので、第３の部材に磁気センサを配置すれば、磁気センサの位置における磁場が過度に強くなることを防止できる。従って、磁気センサによる位置検出を精度良く行うことが可能である。

［適用例３］
適用例１又は２記載のブラシレス電気機械であって、
前記複数の第１の永久磁石と前記複数の第２の永久磁石は、前記第１と第２と第３の部材を貫通する方向に平行な方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記複数の第１の永久磁石のうちの隣接する永久磁石同士は互いに逆方向に磁化されているとともに、前記複数の第２の永久磁石のうちの隣接する永久磁石同士も互いに逆方向に磁化されている、
ブラシレス電気機械。

［適用例４］
適用例１又は２記載のブラシレス電気機械であって、
前記複数の第１の永久磁石と前記複数の第２の永久磁石は、前記第１と第２と第３の部材を貫通する方向に垂直な方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記複数の第１の永久磁石のうちの隣接する永久磁石同士は互いに逆方向に磁化されているとともに、前記複数の第２の永久磁石のうちの隣接する永久磁石同士も互いに逆方向に磁化されている、
ブラシレス電気機械。

この構成によれば、隣接する永久磁石同士の境界において同極同士が接するので、この境界において強い磁場を発生することが可能である。

［適用例５］
適用例４記載のブラシレス電気機械であって、
前記第１の部材は、さらに、前記複数の第１の永久磁石の前記第３の部材とは反対側の面に配置された複数の第１の磁束強化磁石を有しており、前記複数の第１の永久磁石のＮ極同士の境界位置に前記第１の磁束強化磁石のＮ極が配置されているとともに、前記複数の第１の永久磁石のＳ極同士の境界位置に前記第１の磁束強化磁石のＳ極が配置されており、
前記第２の部材は、さらに、前記複数の第２の永久磁石の前記第３の部材とは反対側の面に配置された複数の第２の磁束強化磁石を有しており、前記複数の第２の永久磁石のＮ極同士の境界位置に前記第２の磁束強化磁石のＮ極が配置されているとともに、前記複数の第２の永久磁石のＳ極同士の境界位置に前記第２の磁束強化磁石のＳ極が配置されている、
ブラシレス電気機械。

この構成によれば、隣接する永久磁石同士の境界から発生する強い磁場を、磁束強化磁石によってさらに強化することが可能である。

［適用例６］
適用例１ないし５のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
各電磁コイルは、前記第１と第２と第３の部材を貫通する方向に平行な軸の回りにそれぞれ巻き回されており、
前記複数の電磁コイルのうち、前記第３の部材の前記第１の部材側には第１の相の電磁コイルが配置され、前記第３の部材の前記第２の部材側には第２の相の電磁コイルが配置されている、
ブラシレス電気機械。

［適用例７］
適用例１ないし５のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
各電磁コイルは、前記第１と第２と第３の部材を貫通する方向に垂直で、かつ、前記第１と第２の部材が移動する移動方向に平行な軸の回りに巻き回されており、
異なる相の電磁コイルが前記軸に沿って順番に配置されている、
ブラシレス電気機械。

この構成によれば、個々の電磁コイルの第１の部材側のコイル部分と第２の部材側のコイル部分とから同じ方向の駆動力が発生するので、電磁コイルを効率よく利用することが可能である。

なお、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、ブラシレスモータ、ブラシレス発電機、それらの制御方法（又は駆動方法）、それらを用いたアクチュエータ又は発電装置等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．第１実施例：
B．第２実施例：
C．他の実施例：
D．回路構成：
E．変形例：

A．第１実施例：
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施例としてのブラシレスモータのモータ本体の構成を示す断面図である。このモータ本体１００は、ステータ部１０と、上部ロータ部３０Ｕと、下部ロータ部３０Ｌとを有している。これらの部材１０，３０Ｕ，３０Ｌは、それぞれ略円盤状の形状を有している。

図１（Ｂ）は、下部ロータ部３０Ｌの水平断面図である。下部ロータ部３０Ｌは、それぞれ略扇状の形状を有する４つの永久磁石３２Ｌを有している。上部ロータ部３０Ｕも、下部ロータ部３０Ｌと同じ構成を有しているので図示を省略する。上部ロータ部３０Ｕと下部ロータ部３０Ｌは、中心軸１１０に固定されており、同時に回転する。各磁石３２Ｕ，３２Ｌの磁化方向は、回転軸１１０と平行な方向である。

図１（Ｃ）は、ステータ部１０の水平断面図である。ステータ部１０は、図１（Ａ）に示すように、複数のＡ相コイル１２Ａと、複数のＢ相コイル１２Ｂと、これらのコイル１２Ａ，１２Ｂを支持する支持部材１４とを有している。図１（Ｃ）は、このＢ相コイル１２Ｂの側を示している。この例では、Ｂ相コイル１２Ｂは４つ設けられており、それぞれ略扇状の形状に巻かれている。Ａ相コイル１２Ａも同じである。ステータ部１０には、さらに、駆動回路ユニット５００が設置されている。図１（Ａ）に示すように、ステータ部１０は、ケーシング１３０に固定されている。

図１（Ｄ）は、ステータ部１０と２つのロータ部３０Ｕ，３０Ｌの関係を示す概念図である。ステータ部１０の支持部材１４上には、Ａ相用の磁気センサ４０ＡとＢ相用の磁気センサ４０Ｂとが設けられている。磁気センサ４０Ａ，４０Ｂは、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌの位置（すなわちモータの位相）を検出するためのものである。なお、これらのセンサを以下では「Ａ相センサ」及び「Ｂ相センサ」とも呼ぶ。Ａ相センサ４０Ａは、２つのＡ相コイル１２Ａの中間の中央位置に配置されている。Ｂ相センサ４０Ｂも、同様に、２つのＢ相コイル１２Ｂの中間の中央位置に配置されている。この例では、Ａ相センサ４０Ａが支持部材１４の下側の面においてＢ相コイル１２Ｂとともに配置されているが、この代わりに、支持部材１４の上側の面に配置されていても良い。Ｂ相センサ４０Ｂも同様である。なお、図１（Ｃ）からも理解できるように、この実施例ではＡ相センサ４０ＡをＢ相コイル１２Ｂの内部に配置するので、センサ４０Ａを配置する空間を確保しやすいという利点がある。

図１（Ｄ）に示すように、磁石３２Ｕ，３２Ｌは、それぞれ一定の磁極ピッチＰｍで配置されており、隣接する磁石同士は逆方向に磁化されている。Ａ相コイル１２Ａは、一定のピッチＰｃで配置されており、隣接するコイル同士が逆向きに励磁される。Ｂ相コイル１２Ｂも同様である。第１実施例では、磁極ピッチＰｍはコイルピッチＰｃに等しく、電気角でπに相当する。なお、電気角の２πは、駆動信号の位相が２πだけ変化したときに移動する機械的な角度又は距離に対応づけられる。第１実施例では、駆動信号の位相が２πだけ変化すると、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌが磁極ピッチＰｍの２倍だけ移動する。また、Ａ相コイル１２Ａと、Ｂ相コイル１２Ｂは、位相がπ／２だけずれた位置に配置されている。

ステータ部１０の支持部材１４は、２つのロータ部３０Ｕ，３０Ｌから等距離の位置に設置されている。支持部材１４の上面には４つのＡ相コイル１２Ａが設けられており、下面には４つのＢ相コイル１２Ｂが設けられている。換言すれば、支持部材１４の上部ロータ部３０Ｕ側と、下部ロータ部３０Ｌ側には、電磁コイル１２Ａ，１２Ｂが均等に設けられている。従って、Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２Ｂは、２つのロータ部３０Ｕ，３０Ｌから等しい大きさの磁場を受け、等しい大きさの駆動力を発生することが可能である。

上部ロータ部３０Ｕの磁石３２Ｕと、下部ロータ部３０Ｌの磁石３２Ｌは、互いに同じ極が向き合うように配置されている。この結果、これらの磁石３２Ｕ，３２Ｌの間には、支持部材１４を中心に上下対称で均一に近い強磁場を実現することができる。また、支持部材１４の上下には電磁コイル１２Ａ，１２Ｂが均等に配置されているので、電磁コイル１２Ａ，１２Ｂをそれぞれ有効に利用することができ、モータ効率を向上させることが可能である。なお、磁石３２Ｕ，３２Ｌの外側の面には、強磁性体製の磁気ヨーク３４Ｕ，３４Ｌがそれぞれ設けられていることが好ましい。磁気ヨーク３４Ｕ，３４Ｌは、コイルにおける磁場をより強めることが可能である。但し、磁気ヨーク３４Ｕ，３４Ｌは省略してもよい。

なお、磁場はステータ部１０の支持部材１４の中央で急激に減少してほぼゼロとなるので、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂにおける磁場の強度も十分に小さくなっている。一般に、強力な磁石を使用したモータでは、磁気センサにおける磁場強度が測定可能な範囲を超えてしまい、正確な位置測定が困難になる場合がある。これに対して、第１実施例では、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂにおける磁場の強度が十分に小さいので、強力な磁石を使用したモータにおいても、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂによって正確な位置測定を行うことが可能である。

図２（Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施例のブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。図２（Ａ）は位相が０直前における状態を示しており、図２（Ｂ）はπ／２直前、図２（Ｃ）はπ直前、図２（Ｄ）は３π／２直前における状態をそれぞれ示している。Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２Ｂのうち、ハッチングが付されたコイルは励磁されており、ハッチングが付されていないコイルは励磁されていないことを示している。このように、位相によって励磁されるコイルが切り替わることが理解できる。コイルの励磁方向（電流方向）を逆転すれば、モータを逆転させることも可能である。

このように、第１実施例のブラシレスモータでは、上部ロータ部３０Ｕと下部ロータ部３０Ｌの永久磁石を、同極同士が対向するように配置したので、ステータ部１０の上下の電磁コイル１２Ａ，１２Ｂにほぼ均等な強い磁場が生じる。この結果、電磁コイル１２Ａ，１２Ｂを有効に利用することが可能である。

B．第２実施例：
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第２実施例としてのブラシレスモータのモータ本体１００ａの構成を示す断面図である。図１に示した第１実施例との違いは、ステータ部の構成のみであり、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌの構成は第１実施例と同じである。

第２実施例のステータ部１０ａの電磁コイル１２Ａ，１２Ｂは、図３（Ａ）に示すように、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌの回転方向（周回方向）に平行な軸を中心として巻き回されている。すなわち、図３（Ｃ）において、個々のコイル１２Ａ，１２Ｂは、ステータ部１０ａの外縁部と中心部との間を往復するように巻かれている。なお、個々のコイル１２Ａ，１２Ｂの中心軸の方向は、モータ１００ａの回転軸１１０と直交する方向である。図３（Ｃ），（Ｄ）に示すように、支持部材１４には、Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２Ｂが交互に配置されている。なお、図３（Ｄ）においては、図示の便宜上、Ｂ相コイル１２Ｂが破線で描かれている。個々のコイルのコイル部分のうち、支持部材１４の上側のコイル部分と下側のコイル部分に流れる電流は逆方向に流れる。例えば、或るＡ相コイル１２Ａの上側のコイル部分に紙面の裏側から表側に向かう電流が流れているときには、その下側のコイル部分には紙面の表側から裏側に向かう電流が流れる。一方、そのコイル１２Ａの上側のコイル部分と下側のコイル部分における磁場の方向は逆なので、両方のコイル部分から、同一方向の駆動力（図３（Ｄ）の例では右側の力）が発生する。従って、個々のコイルの上側コイル部分と下側コイル部分の両方を利用して、効率的に駆動力を発生することが可能である。なお、第２実施例も、電磁コイル１２Ａ，１２Ｂがステータ部１０ａの支持部材１４の上側と下側に均等に配置されている点で、第１実施例と共通していることが理解できる。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、第２実施例のブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。Ａ相コイル１２Ａ（実線で描かれている）とＢ相コイル１２Ｂ（破線で描かれている）のうち、ハッチングが付されたコイルは励磁されており、ハッチングが付されていないコイルは励磁されていないことを示している。第２実施例においても、位相によって、励磁されるコイルが切り替わることが理解できる。コイルの励磁方向（電流方向）を逆転すれば、モータを逆転させることも可能である。

このように、第２実施例のブラシレスモータにおいても、上部ロータ部３０Ｕと下部ロータ部３０Ｌの永久磁石を、同極同士が対向するように配置したので、ステータ部１０の上下の電磁コイル１２Ａ，１２Ｂに同等な磁場が生じ、電磁コイル１２Ａ，１２Ｂを有効に利用することが可能である。また、第２実施例では、個々の電磁コイルが支持部材１４の上側と下側を通るように巻き回したので、個々のコイルの上側コイル部分と下側コイル部分から同一方向の駆動力を発生させることができ、モータ効率を向上させることが可能である。

C．他の実施例：
図５は、第３実施例におけるステータ部とロータ部の構成を示す概念図であり、図１（Ｄ）に対応する図である。第１実施例との違いは、上部ロータ部３０Ｕａと下部ロータ部３０Ｌａの磁石の磁化方向のみである。すなわち、上部ロータ部３０Ｕａの磁石３２ａ，３２ｂは、ロータ部３０Ｕａの移動方向に沿って磁化されており、また、隣接する磁石３２ａ，３２ｂ同士は逆方向に磁化されている。下部ロータ部３０Ｌａの磁石３２ａ，３２ｂも同様である。隣接する磁石３２ａ，３２ｂは、その境界において同じ極が接した状態になるので、磁石３２ａ，３２ｂの境界において極めて強い磁場が発生する。発明者の実験では、磁石３２ａ，３２ｂの境界において、１つの磁石３２ａの約２倍の表面磁束密度が発生する。この結果、電磁コイルの位置においてより強い磁場を生じさせることが可能である。

なお、この第３実施例においても、第１実施例と同様に、上部ロータ部３０Ｕａと下部ロータ部３０Ｌａの永久磁石を、同極同士が対向するように配置している。従って、ステータ部１０の上下の電磁コイルにほぼ均一な強い磁場が生じ、電磁コイルを有効に利用することが可能である。

図６は、第４実施例におけるステータ部とロータ部の構成を示す概念図である。第３実施例との違いは、上部ロータ部３０Ｕｂの磁石３２ａ，３２ｂの裏側（ステータ部１０とは反対側）に、磁場強化磁石３３ａ，３３ｂが配置されている点である。下部ロータ部３０Ｌｂも同様である。磁場強化磁石３３ａ，３３ｂは、図６の上下方向に磁化されている。また、磁場発生用の磁石３２ａ，３２ｂのＮ極同士の境界に磁場強化磁石３３ａのＮ極の中心が位置し、磁場発生用の磁石３２ａ，３２ｂのＳ極同士の境界に磁場強化磁石３３ｂのＳ極の中心が位置するように配置されている。この結果、磁場発生用の磁石３２ａ，３２ｂの境界における磁場がより強化されるので、さらにモータ効率を向上させることが可能である。

図７は、第５実施例におけるブラシレスモータのモータ本体の構成を示す断面図である。このブラシレスモータのロータ部３０Ｕｃ，３０Ｌｃでは、永久磁石３２Ｕｃ，３２Ｕｃの中央部に、ステータ部１０に向けて突出した凸部３６（図７（Ｂ））がそれぞれ設けられている。他の構成は、図１に示した第１実施例の構成と同じである。永久磁石３２Ｕｃ，３２Ｕｃの中央の凸部３６は、図７（Ｄ）に示すコイル１２Ａ，１２Ｂの有効コイル部ＥＣＰに相当する幅を有している。コイル１２Ａ，１２Ｂの有効コイル部ＥＣＰは、有効な駆動力を発生するコイル部分であり、これ以外のコイル部分は駆動力（回転式モータでは回転方向の力）をほとんど発生しない。従って、各永久磁石に有効コイル部ＥＣＰとほぼ同じ幅の凸部３６を設けることによって、磁石の磁場をより有効に活用することが可能である。

図８は、第６実施例における２相リニアモータの構成を示している。このリニアモータ１０００は、固定ガイド部１１００と、移動部１２００とを備えている。図８（Ａ）に示すように、固定ガイド部１１００の上部と下部には、移動方向に沿って多数の永久磁石３２がそれぞれ配列されている。移動部１２００は、これらの永久磁石３２によって上下方向に挟まれた位置に設けられており、２相のコイル１２Ａ，１２Ｂが設けられている。また、移動部１２００には、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂも設けられている。図８（Ｂ）に示すように、移動部１２００には駆動制御部１２５０が設けられている。駆動制御部１２５０は、燃料電池などの自立的な電源装置（図示省略）を有している。移動部１２００は、ベアリング部１１４０によって固定ガイド部１１００に摺動可能に保持されている。本発明によるモータは、このようなリニアモータとしても実現可能である。

図９は、第７実施例における３相リニアモータの構成を示している。このリニアモータ１０００ａは、移動部１２００ａの構成が第６実施例と異なるだけである。すなわち、移動部１２００ａは、３相分の電磁コイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが順番に配置されている。また、個々の電磁コイルは、移動部１２００ａの移動方向に平行な中心軸を中心に巻き回されている（図９（Ｂ）参照）。この電磁コイルの巻回方向は、図３に示した第２実施例と同じ技術思想に基づいている。従って、第７実施例においても、個々の電磁コイルの上側コイル部分と下側コイル部分から同一方向の駆動力を発生することが可能である。なお、３相リニアモータでは無く、２相リニアモータも同様に構成することが可能である。

図１０は、第８実施例におけるブラシレスモータの構成を示す断面図であり、図１０（Ｂ）はそのロータ部３０ｃのみを示している。この回転式モータ１００ｃは、ロータ部３０ｃと、電磁コイル１２を含むステータ部１０とを有している。ステータ部１０は、ケーシング１３０の内周に固定されている。電磁コイル１２は、ロータ部３０ｃの回転方向（周回方向）に平行な軸を中心として巻き回されている。なお、電磁コイル１２の相数としては、２相や３相などの任意の相数を採用可能である。ロータ部３０ｃの回転軸１１０は、軸受け１１２で保持されている。

図１０（Ｂ）に示すように、この回転式モータ１００ｃでは、ロータ部３０ｃに、中心軸用の空間の他に環状空間２２が設けられている。この環状空間２２の中にステータ部１０の電磁コイル１２が挿入される。なお、このロータ部３０ｃの全体は、環状空間２２の内周側に配置された小径の内部ロータ部３０Ｓと、環状空間２２の外周側に配置された大径の外部ロータ部３０Ｌとで構成されているものと考えることも可能である。小径の内部ロータ部３０Ｓは、その外周側に永久磁石３２Ｓが配置された構成を有している。一方、大径の外部ロータ部３０Ｌは、その内周側に永久磁石３２Ｌが配置された構成を有している。また、内部ロータ部３０Ｓの磁石３２Ｓと、外部ロータ部３０Ｌの磁石３２Ｌとは、同極同士が対向するように配置されている。ロータ部３０ｃの全体は、略円筒状の形状を有しており、その外周の全体が磁気ヨーク部材３４で被覆されている。ロータ部３０ｃと電磁コイル１２とをこのように構成すれば、電磁コイル１２のコアを挟んだ両側のコイル部分に逆向きの磁場が存在するので、電磁コイル１２の両側のコイル部分から同一方向の駆動力を発生させることが可能である。

図１１は、第９実施例におけるブラシレスモータの構成を示す断面図である。このモータ１００ｄは、図１に示した第１実施例のモータ１００を上下２段に積層し、１つの共通する回転軸１１０で連結したものである。このモータ１００ｄでは、第１実施例の２倍の駆動力を得ることが可能である。同様にして、多段に同一のモータを積層すれば、簡単な構成でより強力なモータを実現することができる。

図１２は、第１０実施例におけるブラシレスモータの構成を示す断面図である。このモータ１００ｅは、図１に示した第１実施例のモータ１００を上下２段に積層し、異なる回転軸１１０，１２０を回転させるように構成したものである。このモータ１００ｅでは、２つの回転軸１１０，１２０を独立に回転させることができる。

図１３は、第１１実施例におけるブラシレスモータの構成を示す断面図である。このブラシレスモータ２０００は、軸部６４を中心として、ステータ部１０と、ロータ部３０とを備えている。ステータ部１０およびロータ部３０は、略円盤状の形状を有している。軸部６４は、軸固定部６４ａによって支持部材１に取り付けられており、軸部６４自身が回転しないように固定されている。軸部６４の端部には、軸端部固定部材６４ｅが取り付けられており、軸受け部６５Ｕが回転によって外れてしまわない構成となっている。なお、支持部材１は、車両等の移動体のサスペンションである。ロータ部３０は、上部ロータ部３０Ｕと、下部ロータ部３０Ｌと、を備えている。

上部ロータ部３０Ｕは、上部回転ケーシング部３１Ｕと、軸受け部６５Ｕと、複数の永久磁石３２Ｕとを有しており、軸受け部６５Ｕを介して軸部６４を中心として回転運動が可能である。下部ロータ部３０Ｌも、同様に、下部回転ケーシング部３１Ｌと、軸受け部６５Ｌと、複数の永久磁石３２Ｌとを有している。各永久磁石３２Ｕ，３２Ｌの磁化方向は、軸部６４と平行な方向である。また、上部ロータ部３０Ｕの磁石３２Ｕと下部ロータ部３０Ｌの磁石３２Ｌとは、同極が対向するように配置されている。上部回転ケーシング部３１Ｕには、ホイール部７０が固定ねじ部５０によって固定されている。ホイール部７０の外周部には、移動体の車輪として機能する車輪部７１が取り付けられている。

ステータ部１０は、複数のＡ相コイル１２Ａと、複数のＢ相コイル１２Ｂと、これらのコイル１２Ａ，１２Ｂを支持する支持部材１４とを有している。ステータ部１０には、さらに、駆動回路ユニット５００が設置されている。軸部６４は中空構造とし、その中空部に、各コイル１２に電力を供給するための駆動用電力線２７８や、駆動回路ユニット５００に信号を送るための制御線２７９を通すことが好ましい。また、各コイル１２からの回生電力（以下に後述する）を回収する場合は、受給用電力線２８０（以下では、「回生用の電源配線２８０」とも呼ぶ。）をその中空部に通すことが好ましい。こうすれば、配線の省スペース化を図ることが可能である。

第１１実施例のモータでは、ロータ部３０が軸部６４を中心として回転して車輪を回転させ、一方、軸部６４は固定されて回転しないので、軸部６４にはねじれの力が掛かることが無い。このため、軸部６４のねじれ強度を大きくする必要がなくなり、モータを軽量化することができる。そして、軸部６４にねじれが発生しないことや、歯車等の伝達手段を用いる必要が無いため、伝達損失がなく、安定した制御と高速な応答速度を実現することができる。このような特徴は、正転と逆転の高速な応答速度が求められる姿勢制御において特に有効である。

モータのメンテナンス時には、軸固定部６４ａにより、モータを軸部６４ごと支持部材１から切り離すことができるため、上下のロータ部３０Ｕ，３０Ｌを容易に分解することができる。したがって、車輪部７１、ホイール部７０、軸部６４、ステータ部１０、及び、ロータ部３０等の各部のメンテナンス性が優れている。また、ステータ部１０やロータ部３０を、他の特性を持つステータ部やロータ部と交換することが容易であるため、移動体の動力特性の変更や向上等を容易に実現することが可能となる。さらに、ホイール部７０および車輪部７１は、固定ねじ部５０によってロータ部３０から容易に着脱可能であるため、モータ本体とは分離してホイール部７０および車輪部７１をメンテナンスすることが可能である。なお、ロータ部３０内に生じる熱は、上部回転ケーシング部３１Ｕを放熱構造として利用してモータの外部へ熱伝導させることができるため、放熱効果が高いという利点がある。

D．回路構成：
図１４は、ブラシレス電気機械の制御回路の構成を示すブロック図である。この制御回路は、ＣＰＵシステム３００と、駆動信号生成部２００と、駆動ドライバ部２１０と、回生制御部２２０と、蓄電器２３０と、蓄電制御部２４０とを備えている。駆動信号生成部２００は、駆動ドライバ部２１０に供給する駆動信号を生成する。

図１５は、駆動ドライバ部２１０の構成を示す回路図である。この駆動ドライバ部２１０は、Ｈ型ブリッジ回路を構成している。駆動信号生成部２００からは、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１と、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２のうちの一方が駆動ドライバ部２１０に供給される。図１４に示す電流ＩＡ１，ＩＡ２は、これらの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に応じて流れる電流（「駆動電流」とも呼ぶ）の方向を示している。なお、ここでは説明の便宜上、１相分の回路のみを説明しているが、実際にはモータの相数に応じて駆動ドライバ部２１０の構成と駆動信号がそれぞれ適切に設定される。

図１６は、回生制御部２２０の内部構成を示す回路図である。回生制御部２２０は、電磁コイル１２に対して駆動ドライバ部と並列に接続されている。回生制御部２２０は、ダイオードで構成される整流回路２２２と、スイッチングトランジスタ２２４とを備えている。蓄電制御部２４０によってスイッチングトランジスタ２２４がオン状態になると、電磁コイル１２で発生した電力を回生して蓄電器２３０を充電することが可能である。また、蓄電器２３０から電磁コイル１２に電流を供給することも可能である。なお、制御部から、回生制御部２２０と蓄電器２３０と蓄電制御部２４０を省略してもよく、或いは、駆動信号生成部２００と駆動ドライバ部２１０を省略してもよい。

このように、上述した各種実施例のブラシレスモータでは、同極同士が対向する永久磁石を利用して強い磁場を発生させ、この磁場と電磁コイルとの電磁相互作用で駆動力を発生させるようにしたので、高効率なモータを実現することができる。また、ブラシレス電気機械をブラシレス発電機として構成した場合には、高効率な発電機を実現することが可能である。

E．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

E１．変形例１：
上記実施例では、ブラシレス電気機械の機械的構成や回路構成の具体例を説明したが、本発明のブラシレス電気機械の機械的構成や回路構成としては、これら以外の任意の構成を採用することが可能である。

E２．変形例２：
本発明は、ファンモータ、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モータなどの種々の装置のモータに適用可能である。本発明をファンモータに適用した場合には、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）が特に顕著である。このようなファンモータは、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、プロジェクタ等の各種装置のファンモータとして使用することができる。本発明のモータは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモータ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をスピンドルモータ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は、移動体やロボット用のモータとしても利用可能である。

図１７は、本発明の適用例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。このプロジェクタ６００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源６１０Ｒ、６１０Ｇ、６１０Ｂ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６４０Ｒ、６４０Ｇ、６４０Ｂ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６５０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６６０と、プロジェクタ内部を冷却するための冷却ファン６７０と、プロジェクタ６００の全体を制御する制御部６８０と、を備えている。冷却ファン６７０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図１８（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の適用例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。図１８（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、図１８（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話７００は、携帯電話７００の動作を制御するＭＰＵ７１０と、ファン７２０と、燃料電池７３０とを備えている。燃料電池７３０は、ＭＰＵ７１０やファン７２０に電源を供給する。ファン７２０は、燃料電池７３０への空気供給のために携帯電話７００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池７３０で生成される水分を携帯電話７００の内部から外に排出するためのものである。なお、ファン７２０を図１８（Ｃ）のようにＭＰＵ７１０の上に配置して、ＭＰＵ７１０を冷却するようにしてもよい。ファン７２０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

図１９は、本発明の適用例によるモータ／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８００は、前輪にモータ８１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路８２０と充電池８３０とが設けられている。モータ８１０は、充電池８３０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８１０で回生された電力が充電池８３０に充電される。制御回路８２０は、モータの駆動と回生とを制御する回路である。このモータ８１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

図２０は、本発明の適用例によるモータ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９００は、第１と第２のアーム９１０，９２０と、モータ９３０とを有している。このモータ９３０は、被駆動部材としての第２のアーム９２０を水平回転させる際に使用される。このモータ９３０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

第１実施例におけるモータ本体の構成を示す断面図である。 第１実施例のモータの正転動作の様子を示す説明図である。 第２実施例におけるモータ本体の構成を示す断面図である。 第２実施例のモータの正転動作の様子を示す説明図である。 第３実施例におけるステータ部とロータ部の構成を示す概念図である。 第４実施例におけるステータ部とロータ部の構成を示す概念図である。 第５実施例におけるモータ本体の構成を示す断面図である。 第６実施例における２相リニアモータの構成を示す断面図である。 第７実施例における３相リニアモータの構成を示す断面図である。 第８実施例におけるブラシレスモータの構成を示す断面図である。 第９実施例におけるブラシレスモータの構成を示す断面図である。 第１０実施例におけるブラシレスモータの構成を示す断面図である。 第１１実施例におけるブラシレスモータの構成を示す断面図である。 ブラシレス電気機械の制御回路の構成を示すブロック図である。 駆動ドライバ部の構成を示す回路図である。 回生制御部の内部構成を示す回路図である。 本発明の適用例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。 本発明の適用例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。 本発明の適用例によるモータ／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。 本発明の適用例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。

符号の説明

１０…ステータ部
１２…電磁コイル
１４…支持部材
２２…環状空間
３０…ロータ部
３２…永久磁石
３３ａ，３３ｂ…磁場強化磁石
３４…磁気ヨーク部材
３６…凸部
４０Ａ，４０Ｂ…磁気センサ
５０…固定ねじ部
６４…軸部
６５Ｌ，６５Ｕ…軸受け部
７０…ホイール部
７１…車輪部
１００…モータ本体
１１０，１２０…回転軸
１３０…ケーシング
２００…駆動信号生成部
２１０…駆動ドライバ部
２２０…回生制御部
２２２…整流回路
２２４…スイッチングトランジスタ
２３０…蓄電器
２４０…蓄電制御部
２７８…駆動用電力線
２７９…制御線
２８０…受給用電力線（電源配線）
３００…ＣＰＵシステム
５００…駆動回路ユニット
６００…プロジェクタ
６１０Ｒ，６１０Ｇ，６１０Ｂ…光源
６４０Ｒ，６４０Ｇ，６４０Ｂ…液晶ライトバルブ
６５０…クロスダイクロイックプリズム
６６０…投写レンズ系
６８０…制御部
７００…携帯電話
７１０…ＭＰＵ
７２０…ファン
７３０…燃料電池
８００…自転車
８１０…モータ
８２０…制御回路
８３０…充電池
９００…ロボット
９１０，９２０…アーム
９３０…モータ
１０００…リニアモータ
１１００…固定ガイド部
１１４０…ベアリング部
１２００…移動部
１２５０…駆動制御部
２０００…ブラシレスモータ

Claims (7)

1. ブラシレス電気機械であって、
   複数の第１の永久磁石を有する第１の部材と、
   複数の第２の永久磁石を有する第２の部材と、
   複数の電磁コイルを有する第３の部材と、
   を備え、
   前記第１と第２の部材は前記第３の部材を挟んだ両側に配置されており、前記第１と第２の部材が前記第３の部材に対して相対的に移動可能であり、
   前記複数の第１の永久磁石と前記複数の第２の永久磁石は、同極同士が前記第３の部材を挟んで対向する位置に設置されており、
   前記電磁コイルは、前記第３の部材の前記第１の部材側と前記第２の部材側に均等に配置されているとともに、各電磁コイルは、前記第１と第２と第３の部材を貫通する方向に平行な軸の回りにそれぞれ巻き回されており、
   前記複数の電磁コイルのうち、前記第３の部材の前記第１の部材側には第１の相の電磁コイルが配置されているとともに第２の相の電磁コイルが配置されておらず、前記第３の部材の前記第２の部材側には前記第２の相の電磁コイルが配置されているとともに前記第１の相の電磁コイルが配置されていない、
   ブラシレス電気機械。
2. 請求項１記載のブラシレス電気機械であって、
   前記第３の部材は、さらに、磁気センサを有する
   ブラシレス電気機械。
3. 請求項１又は２記載のブラシレス電気機械であって、
   前記複数の第１の永久磁石と前記複数の第２の永久磁石は、前記第１と第２と第３の部材を貫通する方向に平行な方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
   前記複数の第１の永久磁石のうちの隣接する永久磁石同士は互いに逆方向に磁化されているとともに、前記複数の第２の永久磁石のうちの隣接する永久磁石同士も互いに逆方向に磁化されている、
   ブラシレス電気機械。
4. 請求項１又は２記載のブラシレス電気機械であって、
   前記複数の第１の永久磁石と前記複数の第２の永久磁石は、前記第１と第２と第３の部材を貫通する方向に垂直な方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
   前記複数の第１の永久磁石のうちの隣接する永久磁石同士は互いに逆方向に磁化されているとともに、前記複数の第２の永久磁石のうちの隣接する永久磁石同士も互いに逆方向に磁化されている、
   ブラシレス電気機械。
5. 請求項４記載のブラシレス電気機械であって、
   前記第１の部材は、さらに、前記複数の第１の永久磁石の前記第３の部材とは反対側の面に配置された複数の第１の磁束強化磁石を有しており、前記複数の第１の永久磁石のＮ極同士の境界位置に前記第１の磁束強化磁石のＮ極が配置されているとともに、前記複数の第１の永久磁石のＳ極同士の境界位置に前記第１の磁束強化磁石のＳ極が配置されており、
   前記第２の部材は、さらに、前記複数の第２の永久磁石の前記第３の部材とは反対側の面に配置された複数の第２の磁束強化磁石を有しており、前記複数の第２の永久磁石のＮ極同士の境界位置に前記第２の磁束強化磁石のＮ極が配置されているとともに、前記複数の第２の永久磁石のＳ極同士の境界位置に前記第２の磁束強化磁石のＳ極が配置されている、
   ブラシレス電気機械。
6. 請求項１記載のブラシレス電気機械と、
   前記ブラシレス電気機械によって駆動される被駆動部材と、
   を備える装置。
7. 請求項１記載のブラシレス電気機械を備える移動体。

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