JPH10327569A

JPH10327569A - 磁石式ブラシレス電動機

Info

Publication number: JPH10327569A
Application number: JP9134702A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Masuzawa; 正宏増澤; Noriyoshi Hirao; 則好平尾; Takashi Sasaki; 崇佐々木; Masahiro Mita; 正裕三田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】低回転時は高いトルクが得られ、従来の３倍近
い高い回転数まで変換効率よく使用できる磁石式ブラシ
レス電動機を提供する。【解決手段】回転子の界磁用磁石は、第１の界磁用磁石
とこれに対して相対回転ができる第２の界磁用磁石から
なり、界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界磁用
磁石に対して回転子の回転に伴い変化させる機構を有
し、この機構は、低回転時には第１と第２の界磁用磁石
の同じ磁極を並ばせ、回転数の上昇に伴い遠心力により
ガバナが動き、第２の界磁用磁石に相対回転力を付与す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石を界磁に用
いた電動機（例えば、電気自動車の動力源等）として有
用な磁石式ブラシレス電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の内燃機関では高いトルクを発
生する回転領域が非常に狭い。そこで、図８に示すよう
に、何種類ものギア比の異なる歯車で構成されたトラン
スミッションを用いて、低速から高速まで任意の速度で
走れるようにしている。

【０００３】ところが、永久磁石を用いた従来のブラシ
レスＤＣ電動機の回転数とトルクの関係は図９に示すよ
うに、トルクは回転数に逆比例して回転数が大きくなる
に従い直線的に低下する。電動機にかける電圧をＶ、電
動機の界磁が作る磁界の強さに界磁の有効面積をかけた
総磁束をΦ、電機子の巻線数をＺ、抵抗をＲとすると、
回転数の最大値（ｎmax ）はＶ／ΦＺ、トルクの最大値
（Ｔmax ）はΦＺＶ／Ｒとなる。電圧Ｖが二倍になると
最大トルク、最高回転数はともに二倍に増加する。巻線
数Ｚを変えることにより最大トルクや最高回転数を変化
させることもできる。また、総磁束Φが大きいほどトル
クは大きくなるが、電機子側での磁気飽和に留意して上
限値を定める必要がある。

【０００４】しかし、従来のブラシレスＤＣ電動機で
は、低速回転域で高いトルクが得られるが、回転数の可
変範囲が狭いために高速回転することが困難であった。
そこで「弱め磁界」という手法により高速回転時には総
磁束Φを下げることによって回転数の最大値（ｎmax ）
を上げることが考えられる。低回転数のときは大きな総
磁束Φで図９の実線で示すようなトルクを得て、回転数
が高くなったときには総磁束Φを小さくして図９の破線
で示すような特性を得ることによって、より高い回転数
まで回転させることが考えられる。

【０００５】また、回転数とともに総磁束を変えること
が発電機の場合に提案されている。特開平７−２３６２
５９号「永久磁石式発電機」には、回転子に用いている
界磁用永久磁石の複数極からの鎖交磁束によって固定子
に起電力を生じる永久磁石式発電機で、前記界磁用永久
磁石と近接してその側面で同軸上に回転自在に配置され
前記界磁用永久磁石と同極数の磁束バイパス用の永久磁
石と、回転子の回転数に応じて変位するガバナ機構と、
このガバナ機構の変位に対応して前記磁束バイパス用の
永久磁石を磁極性の半サイクル分回転させ得るようにな
っており、回転子の停止時には前記バイパス用の永久磁
石の磁極性を界磁用永久磁石の磁極性と同極性に配置
し、高速域では前記ガバナ機構によって前記バイパス用
の永久磁石を界磁用永久磁石と逆極性の位置に回転する
ものが開示されている。このようにして、低速回転時に
は界磁用永久磁石の磁極からの鎖交磁束を大として、高
速回転時には界磁用永久磁石からの鎖交磁束を弱くし
て、発電電力を一定にしようとするものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記弱
め界磁制御方式は、トルクと回転数と、時には回転加速
度を常に監視し、それらの数値を基に複雑な計算を行っ
て電流の大きさと位相とを制御しなければならず、高速
なコンピューターを含む複雑で高価な制御回路が必要に
なる。

【０００７】また、従来の磁石式ブラシレスＤＣ電動機
において、上記従来の発電機のように界磁用永久磁石の
側面で磁極を短絡させることによって鎖交磁束量を小さ
くしようとしても十分には小さくすることができないこ
とが判明した。すなわち、回転数の最大値ｎmax ＝Ｖ／
ΦＺの式から明らかなように、ｎmax （無負荷回転数と
もいう）を２倍以上にする手段が総磁束Φの単純な低下
による場合には５０％以上も低下させる必要があるが、
界磁用磁石の側面を短絡しただけでは多くとも約２０〜
３０％未満低下するだけであることを本発明者らは確認
している。また、上記従来の発電機では、磁束バイパス
用の永久磁石が発電機の回転子と固定子とで構成されて
いる閉じた磁気回路の外にあるので発電機の出力にはほ
とんど寄与しないのみならず、磁束バイパス用の永久磁
石の近傍にモータケースなどの導電性および／または磁
性の構造物が存在する場合にはそのバイパス用の永久磁
石の発する磁束によってモータケースなどの内部に渦電
流を発生させるか、あるいは磁性体との吸引力により電
動機の変換効率が低下することが考えられる。さらに、
そのバイパス用永久磁石が追加部品となるため、発電機
が大型化しやすいという欠点を有する。

【０００８】そこで本発明は、低い回転数の時は従来の
ものと同じように高いトルクが得られるとともに、従来
のものに比較して３倍近い高い回転数まで高いトルクで
変換効率よく使用できる磁石式ブラシレス電動機（例え
ば、自動車の駆動用等）を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の磁石式ブラシレ
ス電動機は、複数の固定子磁極とこの固定子磁極に回転
磁界を発生するための巻線を有する固定子、回転軸とこ
の回転軸に設けられており前記複数の固定子磁極に対し
て回転する界磁用磁石を有する回転子、および界磁用磁
石の磁極の固定子に対する位置を検出してその位置に応
じて前記巻線に電流を供給する制御回路を有しているも
のであり、前記界磁用磁石は、回転方向に順次異なった
極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石とこの第１の
界磁用磁石に対して相対回転が可能で回転方向に順次異
なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石からな
り、前記の第１と第２の界磁用磁石は前記固定子磁極に
対向しているとともに、前記の第１と第２の界磁用磁石
の合成した磁極の位相を第１の界磁用磁石の磁極に対し
て回転子の回転に伴い変化させる機構を有し、この回転
に伴い変化させる機構は、回転子の回転数が低いときに
前記第１と第２の界磁用磁石の同じ極性の磁極を並ばせ
る手段と、回転子の回転数の上昇に伴い遠心力によりガ
バナの可動側軸が回転軸に固定された固定部材のガイド
に沿って動き、第２の界磁用磁石に相対回転力を付与す
る手段とを有していることを特徴とするものである。

【００１０】また、前記の第１と第２の界磁用磁石の合
成した磁極の位相を第１の界磁用磁石の磁極に対して回
転子の回転に伴い変化させることによって、進角が変化
することが好ましい。

【００１１】また、回転子の回転の上昇に伴い遠心力に
よりガバナの可動側軸が回転軸に固定された固定部材の
ガイドに沿って動き、第２の界磁用磁石に相対回転力を
付与する前記の手段は、前記固定部材には複数の固定軸
およびその固定軸を中心とした弧状のガイドを有してお
り、一端が前記の各固定軸で固定部材に保持されており
その固定軸に対して回動するとともに他端に前記の可動
側軸が前記弧状のガイドに係合して設けられている前記
ガバナを複数個有し、このガバナの可動側軸が弧状のガ
イドに沿って動くことによって第２の界磁用磁石に相対
的回転力を付与することが好ましい。

【００１２】回転子の回転数が低いときに前記第１と第
２の界磁用磁石の同じ極性の磁極を並ばせる前記の手段
は、ガバナの遠心力に抗して第２の界磁用磁石を原位置
に復帰させる手段であることが好ましい。このガバナの
遠心力に抗して第２の界磁用磁石を原位置に復帰させる
手段は、一端が前記回転軸に固定され他端が第２の界磁
用磁石に付けられているゼンマイ式のばねを有している
ことができる。また、この手段は、各ガバナの可動側軸
を連結し、ガバナの遠心力に抗して引き合っているゴム
部材を有していることができる。また、この手段は、第
１と第２の界磁用磁石の対向した端面に設けられ吸引し
あうように磁化されている永久磁石を有していることが
できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳説する。図１に
本発明の一態様である磁石式ブラシレスＤＣ電動機の主
要部を分解したものの斜視図を示す。

【００１４】図１（Ａ）において、固定子１には複数
（この図では１２極）の固定子磁極１１に回転磁界を発
生するための界磁用巻線１２が巻かれている。回転子２
は、回転軸２１と、界磁用磁石３と、この界磁用磁石３
の磁極位置を示すために回転軸２１に固定されていると
ともにその外周面の回転方向に界磁用磁石３と同様の中
心角を有した磁極パターンを形成したセンサ磁石２２
（例えば、フェライト系のプラスチック磁石等）を有し
ている。界磁用磁石３は回転軸２１のまわりに強磁性の
回転子コア７を介して固定された第１の界磁用磁石３１
およびこの第１の界磁用磁石３１に相対回転できるよう
にした強磁性の回転子コア８上に設けられた第２の界磁
用磁石３２とからなっている。第１、第２の界磁用磁石
３１、３２はともに外周面の回転方向に交互に等間隔で
異なった８極の磁極４を形成した同一寸法のリング状Ｎ
ｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石（例えば、日立金属（株）製の異方性
焼結磁石：ＨＳ４０ＡＨ等）である。界磁用磁石３の任
意磁極の固定子１に対する位置をセンサ磁石２２で示
し、その磁極位置に応じて界磁用巻線１２に通電する電
流を切り換える制御回路（図示せず）が付設されてい
て、固定子磁極１１に所定の回転磁界を発生させるよう
になっている。

【００１５】図示の通り、第１、第２の界磁用磁石３
１、３２はともに狭いエアギャップ６を隔てて固定子磁
極１１に対向配置されて本発明の磁石式ブラシレス電動
機５０を構成している。この構成により、第１、第２の
界磁用磁石３１、３２から発した磁束はともに固定子磁
極１１に効率良く導かれて界磁用巻線１２と鎖交するの
で、周囲の構造物に漏れる磁束が小さく抑えられて周囲
の構造物で渦電流損等の損失を発生する問題を回避する
ことができる。

【００１６】図１（Ｂ）に、第２の界磁用磁石３２を第
１の界磁用磁石３１に対して相対的に回転子２の回転方
向に回転させることによって両者の磁極位置をずらした
状態を示した。第１と第２の界磁用磁石３１、３２を合
成した磁極の第１の界磁用磁石３１の磁極に対する位相
はこのように回転子２の回転に伴い変化することにな
る。

【００１７】界磁用巻線１２への通電は、センサ磁石２
２の磁極をホール素子などの検出手段（図示せず）で検
出し、制御を行っている。ブラシレスＤＣ電動機の場
合、理論上回転磁界発生用巻線の通電期間の中心は界磁
用磁極のＮＳ切り替わり点と一致させることにより最大
トルクを得られる。しかし、回転磁界発生用巻線のイン
ダクタンス等による通電司令信号に対する電流立ち上が
りの遅れを見越して、通電期間の中央を界磁用磁極のＮ
Ｓ切り替わり点より回転順方向に進ませることが広く行
われており、この通電期間を進ませる角度を一般に進角
と呼んでいる。本発明ではこの進角の設定も重要であ
る。

【００１８】図２（Ａ）および図２（Ｂ）にセンサ磁石
２２の磁極と第１の界磁用磁石３１および第２の界磁用
磁石３２の磁極との位置関係を示した。図１（Ａ）およ
び図２（Ａ）では第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用
磁石３２とは同じ磁極が隣り合っているので第１と第２
の界磁用磁石３１、３２の合成した磁極の位相（例え
ば、その合成磁極の中心）はセンサ磁石２２および第１
の界磁用磁石３１の磁極と同じ位相（以下で「原位置」
と呼ぶことがある）にあるが、図１（Ｂ）および図２
（Ｂ）では第１の界磁用磁石３１に対して第２の界磁用
磁石３２が回転順方向にずれた状態を示している。ここ
で、第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石３２とが
略同じ磁束量を発生しているとともに第２の界磁用磁石
３２が第１の界磁用磁石３１に対してａ度回転順方向に
ずらされた場合、第１と第２の界磁用磁石３１、３２の
合成した磁極の位相は第１と第２の界磁用磁石３１、３
２の磁極位相の平均値となり、その合成した磁極の位相
（例えば、その合成磁極の中心）は第１の界磁用磁石３
１の磁極の位相（例えば、その磁極の中心）に対して回
転順方向に進角：ａ／２度だけ進むことになる。

【００１９】そして、第１と第２の界磁用磁石３１、３
２の合成した磁極の第１の界磁用磁石３１に対する位相
を回転子２の回転に伴い変化させる機構によって、回転
子２の回転数が低い時には図１（Ａ）や図２（Ａ）のよ
うに第１と第２の界磁用磁石３１、３２の同じ磁極が並
ぶようにし、回転数が高い時には両者の磁極がずれて図
１（Ｂ）や図２（Ｂ）に示すようになることが望まし
い。すなわち、磁極がずれた場合には第１の界磁用磁石
３１の任意のＳ極と第２の界磁用磁石３２のＮ極とが、
第１の界磁用磁石３１の任意のＮ極と第２の界磁用磁石
３２のＳ極とが回転軸２１の長手方向から見た場合に部
分的に重なることになる。このように両者の反対の磁極
同士が隣接している部分では発生磁束の局部的な短絡が
生じるので固定子１側の界磁用巻線１２に到達する鎖交
磁束量が減少することになる。すなわち、回転数が高い
時には両者間の相対的な磁極ずれ量に応じてその鎖交磁
束量を減少させるとともに、回転数が低い場合には第
１、第２の磁界用磁石３１、３２の同じ極性の磁極が回
転軸２１のまわりで並ぶことにより鎖交磁束量が最大と
なる。

【００２０】本発明の永久磁石式ブラシレス電動機５０
は以上のような構成を備えているので、広範囲の回転数
変化に応じて鎖交磁束量を制御することが可能である。
上記図１では第１の界磁用磁石３１とセンサ磁石２２の
磁極位相が固定され、第２の界磁用磁石３２が第１の界
磁用磁石３１に対して相対回転可能であるとともに、高
速回転時には第２の界磁用磁石３２の磁極が第１の界磁
用磁石３１の磁極に対して回転子２の回転順方向に相対
的にずれる構成をとっている。

【００２１】本発明では界磁用磁石３１、３２およびセ
ンサ磁石２２の３部材に関して固定するか回転可能とす
るかの組み合わせは任意であり、例えば第２の界磁用磁
石３２とセンサ磁石２２の磁極位相が固定されていると
ともに高速回転時には第２の界磁用磁石３２の磁極が第
１の界磁用磁石３１の磁極に対して回転順方向に相対的
にずれる構成としてもよい。

【００２２】また、第２の界磁用磁石３２とセンサ磁石
２２の磁極位相が固定されているとともに、高速回転時
には第２の界磁用磁石３２の磁極が第１の界磁用磁石３
１の磁極に対して回転逆方向に相対的にずれる構成とし
てもよい。

【００２３】また、第１の界磁用磁石３１とセンサ磁石
２２の磁極位相が固定されているとともに、高速回転時
には第２の界磁用磁石３２の磁極が第１の界磁用磁石３
１の磁極に対して回転逆方向にずれる構成としてもよ
い。

【００２４】また、第１の界磁用磁石３１と第２の界磁
用磁石３２の発生磁束量を異なるように配置した一例と
して、例えば図１（Ａ）の状態において第１の界磁用磁
石３１と第２の界磁用磁石３２の鎖交磁束量の比率が
１：２の場合は、その比率が１：１の場合に比べて同一
の磁極ずれ動作で界磁用巻線１２に鎖交する磁束量の変
化割合を増加させることができる。

【００２５】さらに、センサ磁石２２に別個の位相変更
機構を設けることで、低回転時および高回転時において
実質的に進角に変化がない構成をとることも可能であ
る。第１と第２の界磁用磁石３１、３２の合成した磁極
の位相を第１の界磁用磁石３１の磁極に対して回転子２
の回転に伴い変化させる機構としては図３に示すものが
望ましい。

【００２６】図３において、第１の界磁用磁石３１は回
転子コア７を介して回転軸２１に固定されており、第２
の界磁用磁石３２は回転子コア８の中央の軸穴３２１に
回転軸２１が挿通されて回転軸２１まわりに所定量回る
ようになっている。第１の界磁用磁石３１と第２の界磁
用磁石３２との間に作用する吸引力および／または反発
力によって上記磁極ずれ動作が妨げられないように、両
者間に数ｍｍの間隔５を開けておくことが望ましい。

【００２７】回転子の回転数の上昇に伴い遠心力により
ガバナの可動側軸が回転軸に固定された固定部材のガイ
ドに沿って動き、第２の界磁用磁石３２に相対回転力を
付与する手段をまず説明する。ガバナ固定部材３３は回
転軸２１に固定されているとともに、このガバナ固定部
材３３の端面には中心角９０度間隔で上下左右対称位置
に設けた４つの穴３３１に各々回転支軸（固定軸）３４
１が嵌着されている。ガバナ３４は略円弧状の部品で両
端部に貫通穴３４８、３４９を設けてある。貫通穴３４
８には固定軸３４１が嵌着され、貫通穴３４９には可動
側軸３４２が嵌着されてガバナ３４を保持している。さ
らに、上記穴３３１の各近傍に回転軸２１から点対称に
４つの円弧状の長穴（弧状のガイド）３３２が固定軸３
４１（穴３３１）を中心とした弧状に設けてある。ま
た、回転子コア８の片側面には中心角９０度間隔で上下
左右対称な半径方向に４つの長溝３２２が設けてあり、
これらの各弧状のガイドおよび各長溝に上記可動側軸３
４２が係合挿入されている。

【００２８】回転子２の回転数が大きくなってくると遠
心力によりガバナ３４は図３（Ｂ）に示す状態に開きガ
バナ３４の可動側軸３４２がガバナ固定部材３３の弧状
のガイド３３２に沿って外周側に動くと同時に、弧状の
ガイド３３２が長溝３２２に対して回転子２の外周側に
向かって回転方向にずれて設けてある分だけ可動側軸３
４２の長溝３２２挿入部分がその長溝３２２を介して回
転子コア８を矢印方向に回転させるので第２の界磁用磁
石３２が第１の界磁用磁石３１に対して矢印方向に回転
する。

【００２９】回転子の回転数が低い時に第１と第２の界
磁用磁石の同じ極性の磁極を並ばせる手段として、ガバ
ナの遠心力に抗して第２の界磁用磁石を原位置（第１の
界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石３２との同じ極性の
磁極が隣り合っている位置）に復帰させる手段がある。
この原位置に復帰させる手段として、図３に示すよう
に、回転軸２１に固定された第１の界磁用磁石３１ある
いは回転子コア７を介して、または回転軸２１に直接
に、一端が固定されており、他端が第２の界磁用磁石３
２に取り付けられているゼンマイ式のばね９とすること
ができる。このゼンマイ式のばね９の弾性で第２の界磁
用磁石３２は、ガバナ３４にかかる遠心力に抗して原位
置に引かれる。そのために、回転数が低い時には第２の
界磁用磁石３２と第１の界磁用磁石３１の同極性が並ぶ
（図３（Ａ））。回転数が大きくなるとガバナの遠心力
によって第２の界磁用磁石３２がゼンマイ式のばね９の
弾性力に抗して、第１の界磁用磁石３１に対して相対的
に回転する（図３（Ｂ））。

【００３０】また、この原位置に復帰させる手段とし
て、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、上記４本の可動側
の軸３４２同士がゴム部材３４３で接続されてその弾性
力で引き合うようにすることもできる。このゴム部材３
４３の張力により回転子２の回転数が低い時には図４
（Ａ）に示すようにガバナ３４の可動側軸３４２は弧状
のガイド３３２内において回転軸２１に最も近い位置に
ある。このときは第２の磁界用磁石３２と第１の磁界用
磁石３１の同磁極が並ぶ。

【００３１】また、原位置に復帰させる手段として、図
５（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１と第２の界磁用磁石
３１、３２の対向した端面に設けられ吸引しあうように
磁化されている永久磁石３１３、３２３とすることがで
きる。第１と第２の界磁用磁石３１、３２の同極性の磁
極が並んでいる時には、端面に設けられた永久磁石３１
３、３２３は異極性の磁極が対向しているので吸引し合
っている。回転数が大きくなって、ガバナによって第２
の界磁用磁石３２が第１の界磁用磁石３１に対して相対
的に回転すると対向している永久磁石３１３、３２３の
位置がずれる。ガバナの遠心力が小さくなると、永久磁
石３１３、３２３の吸引力によって原位置に戻される。

【００３２】このように、第２の界磁用磁石３２を第１
の界磁用磁石３１に対し所定量回転軸２１まわりで相対
回転させる機構は外部からの制御および動力を要せず、
回転子２の構成部品に作用する遠心力のみで動作してい
るので、簡単な機構で容易かつ安価に磁石式ブラシレス
電動機の鎖交磁束量の制御を行うことができる。

【００３３】また、上記の通り回転子コア８に長溝３２
２を設けてあるので長溝３２２からガバナ３４に至る軸
方向寸法（Ｌ）の長寸化を抑えることができるととも
に、作用する遠心力を考慮して所定の回転数で上記の磁
極ずれ動作が起こるようにゼンマイ式ばね９あるいはゴ
ム部材３４３の、ばね定数を適宜設定することで、ある
いは、対向して設けられた永久磁石３１３、３２３の吸
引力を調整することで、後述の実施例に示されるように
幅広い回転数領域で高いトルクおよびモータ交換効率を
得ることができる。

【００３４】

【実施例】

（実施例イ〜ニ）本発明の上記磁石式ブラシレス電動機
５０において、第１および第２の界磁用磁石３１、３２
として日立金属（株）製のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系のラジアル
異方性リング磁石（ＨＳー３０ＣＲ、外径７４ｍｍ、軸
長２３ｍｍのもの）を用いるとともにエアギャップ６を
０．５ｍｍとした条件で、回転数増加に伴う上記磁極ず
れ機構によって、一歯有効磁束量減少率および進角を下
記表１の条件で同時に変化させた場合の回転数−トルク
特性を図６に、回転数−モータ変換効率を図７に示し
た。ここで、一歯有効磁束量とは磁石回転子から電機子
の一磁極に流れ込む最大鎖交磁束量をいう。

【００３５】（従来例ホ）第１と第２の界磁用磁石は上
記実施例のものと同じであるが、第２の界磁用磁石も第
１の界磁用磁石と同じ磁極が並ぶようにして回転軸に固
定するとともに進角を５．５度で固定した以外は上記実
施例と同様にして評価した従来の磁石式ブラシレス電動
機の回転数−トルク特性を図６に、回転数−モータ変換
効率を図７に併記した。

【００３６】

【表１】

【００３７】図６、図７および表１について実施例イの
磁石式ブラシレス電動機で代表して説明すると、回転数
が低く１０００ｒｐｍ未満の時には低回転時進角が２０
度であるとともに、１０００ｒｐｍ以上に回転数が高く
なって磁極ずれが２８度（最大値）のときの高回転時進
角が６度となるように設定してある。すなわち、回転数
が１０００ｒｐｍ未満の時には、第１と第２の界磁用磁
石３１、３２の磁極の位相ずれがなく同極性の磁極が並
んでいる状態でセンサ進角を２０度にしてある。そし
て、回転数が１０００ｒｐｍ以上になったときに第２の
界磁用磁石３２は遠心力によるガバナ３４の働きで回転
子２の回転方向に第１の界磁用磁石３１に対して２８度
回転して、第１と第２の界磁用磁石３１、３２の合成し
た磁極の位相は第２の界磁用磁石３２の磁極の位相の半
分だけ進む。従って、進角はそれだけ遅れてくる。第２
の界磁用磁石３２の磁極ずれが最大の２８度になったと
きにその半分の１４度だけ進角が遅れて６度となる。こ
のときの一歯有効磁束量減少率は３４％（１００％→６
６％）であり、従来例ホに比べて幅広い回転数領域で高
いトルクおよびモータ交換効率を達成できていることが
わかった。

【００３８】また、実施例ロ、ハ、ニについても図示の
通り、従来例ホに比べて幅広い回転数領域で高いトルク
およびモータ交換効率を達成できていることがわかっ
た。さらに、実施例イ、ロ、ハ、ニを比較すると、低回
転時進角の大きいものほど幅広い回転数領域で高いトル
クおよびモータ交換効率を達成できていることがわかっ
た。

【００３９】図６、図７から明らかなように、本発明の
磁石式ブラシレス電動機は、従来使用の電動機と比較し
て、定格トルク（７Ｎｍ）や最高効率を低下させること
なく、無負荷回転数（ｎmax ）を２．８倍にまで引き上
げることができた。また、幅広い回転数領域で高いトル
クおよびモータ変換効率が得られた。

【００４０】上記磁極ずれ角（θ：度）の大きさは、上
記界磁用磁石３１、３２の外周側に対称ｎ極の磁極パタ
ーンを形成した場合、そのｎ極の各磁極の中心角を
（ｘ：度）とすると、ｘ／２≦θ≦０．８ｘとすること
が好ましい。これは、（ｘ／２：度）未満では回転数の
増加に伴う磁極ずれ動作による一歯有効磁束量の減少率
が３０％以上を確保でき難いとともに，（０．８ｘ：
度）を超えると逆方向の回転力の発生を招来する可能性
が高くなり本発明の上記磁極ずれ機構に支障を来すから
である。

【００４１】進角（α：度）は、０＜α≦ｘ／２とする
ことが好ましい。この上限値は進角の定義から自明であ
り、下限値は０を含まない制御可能な進角を設定可能で
あるからである。

【００４２】上記実施例では、一歯有効磁束量を３４％
減少させた例を記載したが、本発明によれば一歯有効磁
束量の減少率を３０％以上とすることが極めて容易であ
る。さらに、より好ましくはその減少率を４０％以上、
特に好ましくは５０％とすることも可能である。

【００４３】また、上記本発明の態様では、第１、第２
の界磁用永久磁石の外周面に同じ対称８極の磁極パター
ンを形成した場合を記載したが、両者が同じ非対称の磁
極パターンであってもよい。さらに、磁極数は限定され
るものではないが好ましくは２極〜１２８極、より好ま
しくは４〜３２極のものに非常に有用である。また、第
１および第２の界磁用磁石が異なる磁極パターンを有し
ていてもよい。さらには、例えば第１および第２の界磁
用磁石の同じ磁極が並んだ状態において発生する鎖交磁
束量の比率を異なる適宜の値に設定することで、高回転
数になるとともに１つの磁極ずれ動作によってより大き
な鎖交磁束量の変化が可能である。

【００４４】また、上記本発明の態様では、同軸に配置
した２つの界磁用磁石を用いて回転数の変化に伴ってそ
のうちの１つを相対回転させることで磁石式ブラシレス
電動機の鎖交磁束量を減少させたが、３つ以上の界磁用
磁石を用いて１つまたは２つ以上の界磁用磁石を回転軸
に固定するとともに残りの界磁用磁石を相対回転させる
ことでも本発明を構成することができる。

【００４５】また、本発明では界磁用磁石の形状、寸
法、個数等は限定されるものではなく、回転子の外周面
回転方向に交互に異なる磁極が形成されるように回転子
コア上に任意の界磁用磁石を配置可能である。例えば、
固定子に対向配置させた回転子コアの外周面回転方向に
アークセグメント磁石をリング状に連続して貼り付けす
るか、あるいはその回転子コアの外周面回転方向に所定
の間隙を開けてアークセグメント磁石を所定の磁極数分
配置する構成等により上記回転子２に代えてもよい。ま
た、上記図１の界磁用磁石の外周面に薄いカバー（例え
ば、非磁性カバー等）を配置したもので上記回転子２に
代えてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁石式ブ
ラシレス電動機は低い回転数の時は従来のものと同じ様
に高いトルクが得られるとともに、従来のものと比較し
て３倍近い高い回転数まで高いトルクで変換効率良く使
用できるものとなったので、例えば自動車の駆動用電動
機として内燃機関に代えて使える有用なものとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁石式ブラシレス電動機の位置態様を
示す主要部の分解斜視図であり、磁極ずれが無い状態
（Ａ）および磁極ずれ状態（Ｂ）を示している。

【図２】本発明の磁石式ブラシレス電動機において界磁
用磁石の磁極の進角を説明する図であり、磁極ずれが無
い状態（Ａ）および磁極ずれ状態（Ｂ）を示している。

【図３】本発明の磁石式ブラシレス電動機において、第
１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界
磁用磁石の磁極に対して回転子の回転に伴い変化させる
機構を示す分解斜視図であり、（Ａ）は低回転の時、
（Ｂ）は高回転の時である。

【図４】本発明の磁石式ブラシレス電動機において、第
１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界
磁用磁石の磁極に対して回転子の回転に伴い変化させる
機構の他の実施例を示す平面図であり、（Ａ）は低回転
の時、（Ｂ）は高回転の時である。

【図５】本発明の磁石式ブラシレス電動機において、第
１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界
磁用磁石の磁極に対して回転子の回転に伴い変化させる
機構のさらに他の実施例を示す平面図であり、（Ａ）は
低回転の時、（Ｂ）は高回転の時である。

【図６】本発明および従来の磁石式ブラシレス電動機の
回転数−トルク特性の一例を示す図である。

【図７】本発明および従来の磁石式ブラシレス電動機の
回転数−モータ変換効率の一例を示す図である。

【図８】トランスミッション付の内燃機関の出力特性図
である。

【図９】従来のブラシレスＤＣ電動機の特性図である。

【符号の説明】

１固定子２回転子３界磁用磁石４磁極５間隔６エアギャップ７、８回転子コア９ゼンマイ式のばね１１固定子磁極１２界磁用巻線２１回転軸２２センサ磁石３１第１の界磁用磁石３２第２の界磁用磁石３３固定部材３４ガバナ５０磁石式ブラシレス電動機３１３、３２３永久磁石３２１軸穴３２２長溝３３１穴３３２弧状のガイド３４１回転支軸（固定軸）３４２可動側軸３４３ゴム部材３４８、３４９貫通穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三田正裕埼玉県熊谷市三ヶ尻5200番地日立金属株式会社磁性材料研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の固定子磁極とこの固定子磁極に回
転磁界を発生するための巻線を有する固定子、回転軸とこの回転軸に設けられており前記複数の固定子
磁極に対して回転する界磁用磁石を有する回転子、および界磁用磁石の磁極の固定子に対する位置を検出し
てその位置に応じて前記巻線に電流を供給する制御回路
を有している磁石式ブラシレス電動機において、前記界磁用磁石は、回転方向に順次異なった極性の磁極
が並んでいる第１の界磁用磁石とこの第１の界磁用磁石
に対して相対回転が可能で回転方向に順次異なった極性
の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石からなり、前記の第１と第２の界磁用磁石は前記固定子磁極に対向
しているとともに、前記の第１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相を
第１の界磁用磁石の磁極に対して回転子の回転に伴い変
化させる機構を有し、この回転に伴い変化させる機構は、回転子の回転数が低
いときに前記第１と第２の界磁用磁石の同じ極性の磁極
を並ばせる手段と、回転子の回転数の上昇に伴い遠心力
によりガバナの可動側軸が回転軸に固定された固定部材
のガイドに沿って動き、第２の界磁用磁石に相対回転力
を付与する手段とを有していることを特徴とする磁石式
ブラシレス電動機。
【請求項２】前記の第１と第２の界磁用磁石の合成し
た磁極の位相を第１の界磁用磁石の磁極に対して回転子
の回転に伴い変化させることによって、進角が変化する
ことを特徴とする請求項１記載の磁石式ブラシレス電動
機。
【請求項３】回転子の回転の上昇に伴い遠心力により
ガバナの可動側軸が回転軸に固定された固定部材のガイ
ドに沿って動き、第２の界磁用磁石に相対回転力を付与
する前記の手段は、前記固定部材には複数の固定軸およ
びその固定軸を中心とした弧状のガイドを有しており、
一端が前記の各固定軸で固定部材に保持されておりその
固定軸に対して回動するとともに他端に前記の可動側軸
が前記弧状のガイドに係合して設けられている前記ガバ
ナを複数個有し、このガバナの可動側軸が弧状のガイド
に沿って動くことによって第２の界磁用磁石に相対的回
転力を付与することを特徴とする請求項１あるいは２記
載の磁石式ブラシレス電動機。
【請求項４】回転子の回転数が低いときに前記第１と
第２の界磁用磁石の同じ極性の磁極を並ばせる前記の手
段は、ガバナの遠心力に抗して第２の界磁用磁石を原位
置に復帰させる手段であることを特徴とする請求項１〜
３いずれかに記載の磁石式ブラシレス電動機。
【請求項５】ガバナの遠心力に抗して第２の界磁用磁
石を原位置に復帰させる前記の手段は、一端が前記回転
軸に固定され他端が第２の界磁用磁石に付けられている
ゼンマイ式のばねを有していることを特徴とする請求項
４に記載の磁石式ブラシレス電動機。
【請求項６】ガバナの遠心力に抗して第２の界磁用磁
石を原位置に復帰させる前記の手段は、各ガバナの可動
側軸を連結し、ガバナの遠心力に抗して引き合っている
ゴム部材を有していることを特徴とする請求項４に記載
の磁石式ブラシレス電動機。
【請求項７】ガバナの遠心力に抗して第２の界磁用磁
石を原位置に復帰させる前記の手段は、第１と第２の界
磁用磁石の対向した端面に設けられ吸引しあうように磁
化されている永久磁石を有していることを特徴とする請
求項４に記載の磁石式ブラシレス電動機。