JP5381072B2

JP5381072B2 - ブラシレス電気機械

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Publication number: JP5381072B2
Application number: JP2008318703A
Authority: JP
Inventors: 啓佐敏竹内
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JP2010142082A

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に関する。

ブラシレス電気機械は、ブラシレスモータとブラシレス発電機とを包含する意味を有する用語である。ブラシレスモータとしては、例えば下記の特許文献１に記載されたものが知られている。

特開２００１−２９８９８２号公報

しかし、従来のブラシレス電気機械では、永久磁石の磁束を必ずしも十分効率よく利用できないという問題があった。

本発明は、永久磁石の磁束を効率よく利用できるブラシレス電気機械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、
電磁コイルが設けられた第１の部材と、
互いに同一の外形形状を有し境界面を介して互いに接する２つの永久磁石で構成された第１の磁石対をＮ組（Ｎは１以上の整数）含む第１の磁石集合体と、互いに同一の外形形状を有し境界面を介して互いに接する２つの永久磁石で構成された第２の磁石対を前記Ｎ組含む第２の磁石集合体とを備え、前記第１の部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の部材と、
を備え、
前記第１の磁石集合体の前記第１の磁石対を構成する前記２つの永久磁石は、前記第１の磁石集合体の表面の法線に対して互いに逆方向に同一の第１の傾斜角だけ傾いた方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記第２の磁石集合体の前記第２の磁石対を構成する前記２つの永久磁石は、前記第２の磁石集合体の表面の法線に対して互いに逆方向に同一の第２の傾斜角だけ傾いた方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記第１の磁石集合体における前記第１の傾斜角と前記第２の磁石集合体における前記第２の傾斜角は、０度よりも大きく９０度未満の範囲の互いに異なる値であり、
前記第２の部材には、前記第１と第２の磁石集合体が隣接して設けられており、
前記第１と第２の磁石集合体は、前記第１の磁石集合体の各永久磁石の磁化方向と、前記第２の磁石集合体の対応する永久磁石の磁化方向とが、各磁石集合体の表面の法線に対して同じ側を向くように配置されており、
前記ブラシレス電気機械は、更に、
前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路を備え、
前記制御回路は、
（ｉ）前記第１と第２の部材との間の所定の方向に沿った相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する直流電力を回生する回生制御と、
（ｉｉ）前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を所定の駆動方向に動作させる駆動制御と、
のうちの少なくとも一方を実行可能である、ブラシレス電気機械である。
本発明の第２の形態は、ブラシレス電気機械であって、
電磁コイルが設けられた第１の部材と、
互いに同一の外形形状を有し境界面を介して互いに接する２つの永久磁石で構成された第１の磁石対をＮ組（Ｎは１以上の整数）含む第１の磁石集合体と、互いに同一の外形形状を有し境界面を介して互いに接する２つの永久磁石で構成された第２の磁石対を前記Ｎ組含む第２の磁石集合体とを備え、前記第１の部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の部材と、
を備え、
前記第１の磁石集合体の前記第１の磁石対を構成する前記２つの永久磁石は、前記第１の磁石集合体の表面の法線に対して互いに逆方向に同一の第１の傾斜角だけ傾いた方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記第２の磁石集合体の前記第２の磁石対を構成する前記２つの永久磁石は、前記第２の磁石集合体の表面の法線に対して互いに逆方向に同一の第２の傾斜角だけ傾いた方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記第１の磁石集合体における前記第１の傾斜角と前記第２の磁石集合体における前記第２の傾斜角は、０度よりも大きく９０度未満の範囲の互いに異なる値であり、
前記第２の部材には、前記第１と第２の磁石集合体が隣接して設けられており、
前記第１と第２の磁石集合体は、前記第１の磁石集合体の各永久磁石の磁化方向と、前記第２の磁石集合体の対応する永久磁石の磁化方向とが、各磁石集合体の表面の法線に対して同じ側を向くように配置されている、ブラシレス電気機械である。
これらの形態によれば、磁石対の境界面において強い磁場を発生することができ、また、第１と第２の磁石集合体の相互作用によって、磁場をより強めることができるので、永久磁石の磁束を効率よく利用できるブラシレス電気機械を実現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、
電磁コイルが設けられた第１の部材と、
同一の外形形状を有し境界面を介して互いに接する第１と第２の永久磁石で構成された磁石対をＮ組（Ｎは１以上の整数）含む磁石集合体を備え、前記第１の部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の部材と、
を備え、
前記磁石対の前記第１と第２の永久磁石は、前記磁石集合体の表面の法線に対して互いに逆方向に同一の傾斜角だけ傾いた方向に沿ってそれぞれ磁化されている、ブラシレス電気機械。
この構成によれば、磁石対の境界面において強い磁場を発生することができるので、永久磁石の磁束を効率よく利用できるブラシレス電気機械を実現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、さらに、
前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路を備え、
前記制御回路は、
（ｉ）前記第１と第２の部材との間の所定の方向に沿った相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する直流電力を回生する回生制御と、
（ｉｉ）前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を所定の駆動方向に動作させる駆動制御と、
のうちの少なくとも一方を実行可能である、ブラシレス電気機械。
この構成によれば、永久磁石の磁束を効率よく利用できるブラシレスモータやブラシレス発電機を実現することが可能である。

［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、
前記整数Ｎは２以上であり、
前記Ｎ組の磁石対は、所定の方向に沿って順次隣接して配置されており、
互いに隣接する２つの磁石対は、互いに逆向きに磁化されている、ブラシレス電気機械。
この構成によれば、Ｎ極を形成する磁石対とＳ極を形成する磁石対とを交互に隣接して配置できるので、多数の磁極を有する磁石集合体を有するブラシレス電気機械を実現することができる。

［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
前記第２の部材には、前記傾斜角が異なる第１と第２の磁石集合体が隣接して設けられており、
前記第１と第２の磁石集合体は、前記第１の磁石集合体の各永久磁石の磁化方向と、前記第２の磁石集合体の対応する永久磁石の磁化方向とが、各磁石集合体の表面の法線に対して同じ側を向くように配置されている、ブラシレス電気機械。
この構成によれば、第１と第２の磁石集合体の相互作用によって、磁場をより強め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、磁石集合体、それを用いた電動モータ、発電機、それらの制御方法、それらを用いたアクチュエータや電子機器、燃料電池使用機器、ロボット、移動体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．磁石集合体の構成：
B．各種の実施例：
C．回路構成：
D．変形例：

A．磁石集合体の構成：
図１（Ａ）は、本発明の各種実施例で利用される磁石集合体の第１の構成例を示す説明図である。この磁石集合体２０は、全体として円環状の外形形状を有しており、Ｎ極形成用の第１の磁石対１０Ｎと、Ｓ極形成用の第２の磁石対１０Ｓとが交互に隣接して配置された構成を有している。この例では、第１と第２の磁石対１０Ｎ，１０Ｓがそれぞれ３組ずつ設けられているので、磁石集合体２０全体では６組の磁石対が含まれている。従って、隣接する磁石対の間の角度ピッチは、２π／６（＝６０度）である。但し、磁石集合体２０としては、少なくとも１組の磁石対を含むものを採用可能である。なお、個々の磁石は、同一の形状を有していることが好ましい。各磁石内に示されている矢印は、各磁石の磁化方向（Ｓ極からＮ極に向かう方向）を示している。

第１の磁石対１０Ｎは、２つの永久磁石１０Ｎａ，１０Ｎｂが、境界面を介して互いに接した状態で配置されたものである。これらの２つの永久磁石１０Ｎａ，１０Ｎｂの磁化方向は、磁石集合体２０の表面の法線ＮＬに対して±θＨだけ傾いている。また、永久磁石１０Ｎａ，１０Ｎｂの磁化方向は、法線ＮＬよりも互いの境界面に近い側に傾いていることが好ましい。ここでは、磁化方向の傾斜角θＨを、法線ＮＬから反時計回りに測るものと仮定する。このとき、磁石対１０Ｎの第１の永久磁石１０Ｎａの傾斜角は−θＨであり、第２の永久磁石１０Ｎｂの傾斜角はこれとは逆符号の値＋θＨである。このように２つの永久磁石１０Ｎａ，１０Ｎｂを隣接して配置すると、互いの境界面において同極同士が互いに接して磁場を強め合うため、個々の磁石よりも強い磁場を発生させることが可能となる。すなわち、第１の磁石対１０Ｎの外表面には、強力なＮ極が形成される。なお、各磁石の磁化方向の傾斜角θＨは、各磁石の表面中央の位置で測定することが好ましい。

第２の磁石対１０Ｓも同様に、２つの永久磁石１０Ｓａ，１０Ｓｂが、互いの境界面を介して互いに接した状態で配置されたものである。これらの２つの永久磁石１０Ｓａ，１０Ｓｂの磁化方向は、磁石集合体２０の表面の法線ＮＬに対して（π±θＨ）だけ傾いている。この結果、第２の磁石対１０Ｓの外表面には、強い磁場を発生する強力なＳ極が形成される。なお、Ｓ極形成用の磁石対１０Ｓの各磁石１０Ｓａ，１０Ｓｂの磁化方向の傾斜角（π±θＨ）は、Ｎ極形成用の磁石対１０Ｎの各磁石１０Ｎａ，１０Ｎｂの磁化方向の傾斜角±θＨと丁度π（１８０度）だけ異なっており、互いに逆向きであることが理解できる。

図１（Ｂ）は、比較例としての磁石集合体１１の構成例を示している。ここでは、磁石集合体１１の法線方向に沿ってそれぞれ磁化されたＮ極形成用の磁石１１ＮとＳ極形成用の磁石１１Ｓが、図１（Ａ）の各磁石と同じ形状で配置されている。すなわち、この比較例は、図１（Ａ）の各磁石の磁化方向の傾斜角θＨをゼロに設定したものである。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、磁石集合体の構成例１（図１（Ａ））と比較例（図１（Ｂ））の磁場の強度を比較して示す説明図である。サンプルＮｏ．１は、図１（Ｂ）に示す比較例の磁石集合体１１であり、サンプルＮｏ．２〜６は、図１（Ａ）に示す構成例１の磁化方向の傾斜角θＨを変更した磁石集合体２０である。なお、サンプルＮｏ．６は傾斜角θＨが９０度であり、これは、磁化方向が法線ＮＬに対して垂直（すなわち磁石同士の境界面に垂直な方向）を向いていることを意味している。

図２（Ａ）は、各サンプルの表面におけるピーク磁束密度と総磁束量の値を示している。図２（Ｂ）は、各サンプルの磁束密度の変化を示している。図２（Ｂ）において、横軸は機械角θＭであり、図１（Ａ），（Ｂ）の上部にある基準線ＲＬからそれぞれ時計回りに測った角度である。図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の一部拡大図である。図２（Ａ）の表のピーク磁束密度は、図２（Ｂ），（Ｃ）で示される表面磁束密度のピーク値である。また、図２（Ａ）の表の総磁束量は、図２（Ｂ），（Ｃ）で示される表面磁束密度の絶対値を積分した値である（正確に言えば、一定の磁石厚で積分したもの）。図２（Ｄ）は、図２（Ａ）に示した各サンプルのピーク磁束密度と総磁束量とを並べてグラフにしたものである。なお、図２（Ａ）〜（Ｃ）は、磁場シミュレーションの結果である。

図２（Ｃ）から理解できるように、比較例（サンプルＮｏ．１）では表面磁束密度が略矩形状の分布形状を示しており、従って、ピーク磁束密度はそれほど大きくない。一方、サンプルＮｏ．２〜６では、比較例に比べてピーク磁束密度がかなり大きな値を有している。モータの始動トルクはピーク磁束密度に依存するので、大きな始動トルクを得るという観点からは、ピーク磁束密度が大きいほど好ましい。この意味では、傾斜角θＨが０度よりも大きく９０度以下であることが好ましく、傾斜角θＨが４５度〜９０度であることが特に好ましい。なお、図２（Ｃ）を詳細に観察すると、傾斜角θＨが９０度になると、機械角θＭが０度及び６０度の倍数の位置で磁束密度が逆極性になっていることが解る。磁束密度の極性が反転すると、逆向きの駆動力が発生する可能性がある。この点を考慮すると、傾斜角θＨは、９０度未満とすることが好ましい。

ところで、一般にモータや発電機の効率はピーク磁束密度よりも総磁束量との相関がより強い。従って、モータ効率や発電効率の観点からは、総磁束量が大きいほど好ましい。この意味では、傾斜角θＨが０度よりも大きく４５度以下であることが好ましく、傾斜角θＨが０度よりも大きく３０度以下であることが特に好ましい。

なお、ピーク磁束密度と総磁束量の２つの観点を総合的に考慮して、傾斜角θＨを０度よりも大きく４５度以下の値とすれば、比較例に比べて、始動トルクと効率のいずれについても優れた特性を得ることが可能である。

図３は、本発明の各種実施例で利用される磁石集合体の第２の構成例を示す説明図である。この磁石集合体２０Ａも、全体として円環状の外形形状を有しており、内周側に設けられた第１の磁石集合体２０ＩＮと、外周側に設けられた第２の磁石集合体２０ＥＸとが互いに接した状態で配置されたものである。第１と第２の磁石集合体２０ＩＮ，２０ＥＸは、図１（Ａ）に示した磁石集合体２０とほぼ同様な構成をそれぞれ有している。また、２つの磁石集合体２０Ｉｎ，２０ＥＸは、第１の磁石集合体２０ＩＮの磁石対の境界面と、第２の磁石集合体２０ＥＸの磁石対の境界面とが同じ位置に来るように配置されている。但し、第１の磁石集合体２０ＩＮの磁化方向の傾斜角θＨＩＮと、第２の磁石集合体２０ＥＸの磁化方向の傾斜角θＨＥＸとは、異なる値に設定されている。このように、磁化方向の傾斜角が違いに異なる複数の磁石集合体を組み合わせた構造を、「複合磁石集合体」とも呼ぶ。なお、第１と第２のの磁石集合体２０ＩＮ，２０ＥＸの磁化方向の傾斜角θＨＩＮ，θＨＥＸが互いに等しい場合の複合磁石集合体は、図１（Ａ）に示した磁石集合体２０と実質的に同一である。図３に示すように、複数の磁石集合体を積層すれば、互いの磁極が強め合うので、より強い磁場を発生することが可能である。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、磁石集合体の構成例２（図３）と比較例（図１（Ｂ））の磁場の強度を比較して示す説明図である。サンプルＮｏ．１（比較例）の結果は、図２に示したものと同じある。サンプルＮｏ．１１〜１３は、図３（Ａ）に示す構成例２の磁化方向の傾斜角θＨＩＮ，θＨＥＸをそれぞれ２０度及び８０度に設定し、また、第１の磁石集合体２０ＩＮの厚みＴ_INと、第２の磁石集合体２０ＥＸの厚みＴ_EXの比率を変更したものである。但し、複合磁石集合体２０Ａ全体の厚みは一定に維持している。

図４（Ａ）は、各サンプルの表面におけるピーク磁束密度と総磁束量の値を示している。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）は、各サンプルの磁束密度の変化を示している。図４の結果も、磁場シミュレーションの結果である。この結果を参照すると、構成例２に示すような複合磁石集合体２０Ａを採用すると、ピーク磁束密度を高めることができることが理解できる。従って、このような複合磁石集合体２０Ａを利用すれば、大きなトルクを得ることが可能である。

なお、磁石集合体の全体形状としては、図１及び図３に示した円環状の形状に限らず、その用途に合わせて棒状や円筒状などの他の種々の形状を採用することが可能である。

B．各種の実施例：

図５（Ａ）は、第１実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す従断面図であり、図５（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。この回転式モータ１００ａは、磁石集合体２０を含むロータ（第２の部材）４０ａと、電磁コイルを含むステータ（第１の部材）５０ａとを有している。磁石集合体２０は、図１（Ａ）に示したものと同じである。電磁コイルは、ケーシング１３０の内周に固定されている。ロータ４０ａの上部軸１１０と下部軸１２０は、それぞれ軸受け１１２，１２２で保持されている。磁石集合体２０の下端部は、固定ネジ１２４で下部軸１２０と連結されている。一方、磁石集合体２０の上端部に連結された上部軸１１０の回りには、バネ１１４が設けられており、このバネ１１４によって磁石集合体２０の上端がケーシング１３０の内面から押力を受けている。但し、このような連結構造は単なる一例であり、他の種々の連結構造を採用することが可能である。

電磁コイルとしては、Ａ相コイル３０ＡとＢ相コイル３０Ｂとが設けられている。図５（Ｂ）の例では、Ａ相コイル３０ＡとＢ相コイル３０Ｂはそれぞれ６個ずつ設けられており、Ａ相コイル３０Ａがより外周側に配置され、Ｂ相コイル３０Ｂがより内周側に配置されている。また、Ｂ相コイル３０Ｂの外側には、電磁ヨーク材５６が配置されている。個々のコイルは、図５（Ｂ）において、モータの中心から外側に向かう放射状の方向を中心として巻き回されている。なお、磁気センサは図示が省略されている。このモータ１００ｃにおいても、Ａ相コイル３０ＡとＢ相コイル３０Ｂの電流方向を適宜切り換えることによって、正転及び逆転の方向に駆動することが可能である。

なお、第１実施例では、６組の磁石対を用いた６極２相モータの例を示ししているが、他の極数や相数を採用することも可能である。但し、軸回りの振動を減少するという意味では、極数を２ⁿ 個（ｎは２以上の整数）に設定することが好ましい。

図６は、第１実施例のモータの変形例を示している。このモータ１００ｂでは、Ａ相コイル３０ＡとＢ相コイル３０Ｂとが同一円周上に配置されている。さらに、Ａ相コイル３０ＡとＢ相コイル３０Ｂのそれぞれのコア材として磁気ヨーク部材３２が追加されている。この変形例においても、第１実施例と同様の効果が得される。また、磁気ヨーク部材３２を追加しているので、より大きなトルクを得ることが可能である。

図７は、第２実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す断面図である。この回転式モータ１００ｃは、幅の小さいリング状の磁石集合体２０ｃを利用した点、及び、Ａ相コイル３０Ａを磁石集合体２０ｃの内周側に配置した点が第１実施例と異なる。このモータ１００ｃにおいても、ステータ５０ｃに対してロータ４０ｃを正転及び逆転の方向に駆動することが可能である。また、この第２実施例では、リング状の磁石集合体２０ｃの内側と外側の磁束密度を両方ともに利用できるので、より効率を向上させることが可能である。

図８（Ａ）は、第３実施例としてのブラシレスリニアモータの構成を示す従断面図である。このリニアモータ１００ｄは、電磁コイル３０を含む第１の部材５０ｄと、磁石集合体２０ｄを含む第２の部材４０ｄとを有している。この例では、磁石集合体２０ｄは、８つの平板状の永久磁石を積層した積層体である。個々の磁石の中心には、締結用のボルト２２を貫通させる貫通孔が設けられている。磁石の積層体は、このボルト２２とナット２４によって固定されている。個々の磁石の内部に記載されている矢印は、その磁化方向（Ｓ極からＮ極に向かう方向）を示している。この磁石集合体２０ｄも、図１（Ａ）に示した構成例１と同様に、Ｎ極形成用の磁石対と、Ｓ極形成用の磁石対とが交互に隣接して配置された構成を有していることが理解できる。

図８（Ｂ）は、第１の部材５０ｄのみを描いたものである。この部材５０ｄは、中空円筒状のフレーム（枠部材）５２と、フレーム５２に配置された複数の電磁コイル３０と、これらの電磁コイル３０の周囲を囲む電磁ヨーク材５６と、磁気センサ５４とを有している。磁気センサ５４は、２つの部材４０ｄ，５０ｄの相対的な位置関係を検出するための位置センサとして使用される。個々の電磁コイル３０は、水平方向（図の左右方向）にそれぞれ巻き回されている。なお、コイルの断面に描かれた２種類のマークのうち、丸の中に黒点がある第１のマークは電流が紙面の裏側から表側に流れていることを示しており、丸の中に×がある第２のマークは電流が紙面の表側から裏側に流れていることを示している。なお、電流方向が互いに逆である２つの電磁コイル３０は、位相が互いにπだけ異なるコイルである。モータの分野において、位相がπだけ異なるコイルは同一相のコイルと考えることが可能である。この定義に従えば、このリニアモータ１００ｄは、一相モータである。

図８（Ｃ）は、リニアモータ１００ｄの底面図である。Ｎ極近傍の磁場方向ＭＤは、磁石集合体２０ｄの内部（又は中央）から外側に向けて放射状に延びている。図８（Ｃ）において、電流方向ＣＤに沿って電磁コイル３０に電流が流れると、電磁コイル３０には紙面の裏から表に向かう方向に駆動力が働く。電磁コイル３０を有する第１の部材５０ｄが固定されている場合には、第２の部材４０ｄが図８（Ｃ）の紙面の表から裏に向かう方向に駆動される。この電流方向は、各コイル３０が磁石集合体２０ｄの外周に形成されるＮ極とＳ極の中間の位置に来るタイミングで切り換えられる。なお、磁石集合体２０ｄのＮ極は、Ｎ極形成用の磁石対の中心位置に形成される。Ｓ極も同様である。このように、このブラシレスリニアモータ１００ｄでは、電磁コイル３０に流す電流を適切なタイミングで切り換えることによって、図８（Ａ）の駆動方向ＤＤ（上下方向）に沿って磁石集合体２０を動作させることが可能である。

図８（Ｃ）の例では、磁石集合体２０ｄの水平断面は矩形状であったが、磁石集合体２０ｄの水平断面形状としては、円形や三角形などの任意の形状を採用することが可能である。但し、磁石集合体２０ｄを構成する個々の永久磁石は、磁極間の距離が大きな棒状の形状で無く、磁極間の距離（厚み）が小さい板状の形状を有していることが好ましい。この理由は、磁石集合体２０ｄを用いた電気機械では、磁石対の中央の境界面で発生する強い磁場を利用するので、磁石の厚みが小さい方が効率が良いからである。

以上の各種の実施例から理解できるように、本発明の実施例によるブラシレス電気機械は、電磁コイルを備える第１の部材と、磁石集合体を備える第２の部材と、を備え、第１と第２の部材とが相対的に移動できるように構成された種々のブラシレス電気機械として実現可能である。なお、極数や相数としては、任意の数を採用することが可能である。

C．回路構成：
図９は、実施例におけ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。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１０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９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、電流ＩＡ１，ＩＡ２の切り換えは、磁気センサ５４からの出力信号に応じて適宜実行される。

図１１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３０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３０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３０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。また、図９〜図１１は、一相モータ用の制御回路であるが、２相以上の任意の相数のための制御回路も容易に構成することが可能である。

このように、上述した各実施例のブラシレスモータでは、同極同士が互いに接した状態で保持された磁石集合体を構成することによっ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、電磁コイルに電流を流すことによって、モータに効率良く駆動力を発生させることができる。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、効率良く発電を行うことが可能である。また、永久磁石の同極同士による磁場形成のため、同極同士の間隔が非常に狭くでき極数を非常に多く構成出来るために低回転で高トルク型の高効率な電動モータを容易に実現できる。また、低回転でも高効率の発電機及び回生特性が得られる。さらに、上記実施例では電磁ヨークの無いモータ構成を採用していたが、本発明は電磁ヨーク付きブラシレスモータにも適用可能である。

D．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。

D１．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。

D２．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、上述した種々の効果（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１２は、本発明の実施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１３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施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１３（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、図１３（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１３（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１４は、本発明の実施例によるモータ／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１５は、本発明の実施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。

本発明の各種実施例で利用される磁石集合体の第１の構成例を示す説明図である。磁石集合体の構成例１と比較例の磁場の強度を比較して示す説明図である。本発明の各種実施例で利用される磁石集合体の第２の構成例を示す説明図である。磁石集合体の構成例２と比較例の磁場の強度を比較して示す説明図である。第１実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す断面図である。第１実施例の変形例を示す図である。第２実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す断面図である。第３実施例としてのリニア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。本発明の実施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。本発明の実施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。本発明の実施例によるモータ／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。本発明の実施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

１０Ｎ…Ｎ極形成用磁石対
１０Ｓ…Ｓ極形成用磁石対
１１…磁石集合体
２０…磁石集合体
２０Ａ…複合磁石集合体
２２…ボルト
２４…ナット
３０…電磁コイル
３２…磁気ヨーク部材
４０ａ〜４０ｄ…ロータ
５０ａ〜５０ｄ…ステータ
５２…フレーム
５４…磁気センサ
５６…電磁ヨーク材
１００ａ〜１００ｄ…モータ
１１０…上部軸
１１４…バネ
１２０…下部軸
１２４…固定ネジ
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
３００…ＣＰＵシステム
５００…駆動制御回路
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
６７０…冷却ファン
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

Claims

ブラシレス電気機械であって、
電磁コイルが設けられた第１の部材と、
互いに同一の外形形状を有し境界面を介して互いに接する２つの永久磁石で構成された第１の磁石対をＮ組（Ｎは１以上の整数）含む第１の磁石集合体と、互いに同一の外形形状を有し境界面を介して互いに接する２つの永久磁石で構成された第２の磁石対を前記Ｎ組含む第２の磁石集合体とを備え、前記第１の部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の部材と、
を備え、
前記第１の磁石集合体の前記第１の磁石対を構成する前記２つの永久磁石は、前記第１の磁石集合体の表面の法線に対して互いに逆方向に同一の第１の傾斜角だけ傾いた方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記第２の磁石集合体の前記第２の磁石対を構成する前記２つの永久磁石は、前記第２の磁石集合体の表面の法線に対して互いに逆方向に同一の第２の傾斜角だけ傾いた方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記第１の磁石集合体における前記第１の傾斜角と前記第２の磁石集合体における前記第２の傾斜角は、０度よりも大きく９０度未満の範囲の互いに異なる値であり、
前記第２の部材には、前記第１と第２の磁石集合体が隣接して設けられており、
前記第１と第２の磁石集合体は、前記第１の磁石集合体の各永久磁石の磁化方向と、前記第２の磁石集合体の対応する永久磁石の磁化方向とが、各磁石集合体の表面の法線に対して同じ側を向くように配置されており、
前記ブラシレス電気機械は、更に、
前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路を備え、
前記制御回路は、
（ｉ）前記第１と第２の部材との間の所定の方向に沿った相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する直流電力を回生する回生制御と、
（ｉｉ）前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を所定の駆動方向に動作させる駆動制御と、
のうちの少なくとも一方を実行可能である、ブラシレス電気機械。
ブラシレス電気機械であって、
電磁コイルが設けられた第１の部材と、
互いに同一の外形形状を有し境界面を介して互いに接する２つの永久磁石で構成された第１の磁石対をＮ組（Ｎは１以上の整数）含む第１の磁石集合体と、互いに同一の外形形状を有し境界面を介して互いに接する２つの永久磁石で構成された第２の磁石対を前記Ｎ組含む第２の磁石集合体とを備え、前記第１の部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の部材と、
を備え、
前記第１の磁石集合体の前記第１の磁石対を構成する前記２つの永久磁石は、前記第１の磁石集合体の表面の法線に対して互いに逆方向に同一の第１の傾斜角だけ傾いた方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記第２の磁石集合体の前記第２の磁石対を構成する前記２つの永久磁石は、前記第２の磁石集合体の表面の法線に対して互いに逆方向に同一の第２の傾斜角だけ傾いた方向に沿ってそれぞれ磁化されており、
前記第１の磁石集合体における前記第１の傾斜角と前記第２の磁石集合体における前記第２の傾斜角は、０度よりも大きく９０度未満の範囲の互いに異なる値であり、
前記第２の部材には、前記第１と第２の磁石集合体が隣接して設けられており、
前記第１と第２の磁石集合体は、前記第１の磁石集合体の各永久磁石の磁化方向と、前記第２の磁石集合体の対応する永久磁石の磁化方向とが、各磁石集合体の表面の法線に対して同じ側を向くように配置されている、
ブラシレス電気機械。
請求項１又は２記載のブラシレス電気機械であって、
前記整数Ｎは２以上であり、
前記Ｎ組の磁石対は、所定の方向に沿って順次隣接して配置されており、
互いに隣接する２つの磁石対は、互いに逆向きに磁化されている、ブラシレス電気機械。
電子機器であって、
請求項１〜３のいずれか一項に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、
を備える電子機器。
請求項４に記載の電子機器であって、
前記電子機器はプロジェクタである、電子機器。
燃料電池使用機器であって、
請求項１〜３のいずれか一項に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、
前記ブラシレス電気機械に電源を供給する燃料電池と、
を備える、燃料電池使用機器。
ロボットであって、
請求項１〜３のいずれか一項に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、
を備えるロボット。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のブラシレス電気機械を備えた移動体。