JPH1169743A - 磁石式ブラシレス電動機 - Google Patents

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
の異なる極性の磁極を並ばせ、回転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１０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１１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（ｎ_max ）はＶ／ΦＺ、トルクの最
大値（Ｔ_max ）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「弱め界磁」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（ｎ_max ）
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１１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１１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ｎ_max ＝Ｖ／
ΦＺの式から明らかなように、 ｎ_max （無負荷回転数
ともいう）を２倍以上にするには総磁束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、回転子の発生する遠心力と第
１と第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いによ
り、回転子の回転数が低い時に前記第１と第２の界磁用
磁石を初期位置に並ばせる手段と、回転子の回転の上昇
に伴い第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】この回転に伴い変化させる機構は、回転子
の発生する遠心力と第１と第２の界磁用磁石間の磁気作
用力と回転軸のまわりに設けられて第２の界磁用磁石を
初期位置に復元させるガバナの弾性部材の弾性力との釣
合いにより、回転子の回転数が低い時に前記第１と第２
の界磁用磁石を初期位置に並ばせる手段を有することが
望ましい。

【００１１】この回転に伴い変化させる機構は、回転子
の回転数が低い時に前記第１と第２の界磁用磁石の異極
性の磁極の少なくとも一部分を並ばせる手段を有するこ
とが望ましい。また、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時に前記第１と第２の界磁用
磁石の異なる極性の磁極の少なくとも５０％を並ばせる
手段を有することができる。

【００１２】回転子と対向している固定子の各磁極は、
回転数が低い時に前記第１と第２の界磁用磁石の同極性
の磁極と対向するように配置されていることが望まし
い。また、この回転子と対向している固定子の各磁極
は、回転数が低い時に前記第１と第２の界磁用磁石の同
極性の磁極の少なくとも一部と対向するように配置され
ていることができる。

【００１３】更にまた、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。

【００１４】回転子の回転の上昇に伴い第２の界磁用磁
石に相対回転力を付与する前記の手段は、前記回転軸に
固定されて回転子とともに回転する固定部材、この固定
部材に取り付けた複数個の固定軸各々のまわりを遠心力
により回動する複数のガバナ、各ガバナの可動側に取り
付けた可動側軸、前記の固定部材に設けられており前記
の固定軸を中心とした弧状のガイドとを有しており、ガ
バナの可動側軸がこの弧状のガイドに係合してガイドに
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。

【００１５】回転子の回転数が低い時に前記第１と第２
の界磁用磁石を初期位置に並ばせる前記の手段は、ガバ
ナの遠心力に抗して第２の界磁用磁石を回転数の低い時
の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の界磁用磁石を回転数の低い
時の位置に復帰させる前記の手段は、スキューされた固
定子磁極に対向配置されている第１と第２の界磁用磁石
の磁極間で発生する磁気作用力による手段および／また
はばねを有していることが好ましい。またガバナの遠心
力に抗して第２の界磁用磁石を回転数の低い時の位置に
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ばね部材を
有していることが好ましい。このように、本発明は第１
と第２の界磁用磁石間に発生する磁気作用力のみで上記
初期位置に並ばせることができる。更にまた、上記の磁
気作用力による手段とばねを有した手段とを併用するこ
とにより、後述のとおり、初期位置への復帰精度を向上
することができる。

【００１６】

【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。

【００１７】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等間隔で交互に
異なった極性の８極の磁極４を形成した同一寸法のリン
グ状Ｎｄ−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。

【００１８】第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石
３２とは、初期位置では異なる極性の磁極が回転数の高
いときに比べてより広い領域で並ぶようになっており、
界磁用磁石３と狭いエアギャップ６を隔てて対向してい
る固定子磁極１１は第１と第２の界磁用磁石３１、３２
の隣り合った同極性の磁極の少なくとも一部と対向する
ようにいわゆるスキューをしている。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。

【００１９】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磁極位置を初期位置からず
らした状態を示した。第１と第２の界磁用磁石３１、３
２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。

【００２０】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。

【００２１】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とは異なる極性の磁極が図１（Ｂ）および図２
（Ｂ）に比べてより広い領域で隣り合っているが、固定
子磁極１１は第１と第２の界磁用磁石３１、３２の隣り
合った同極性の磁極の少なくとも一部と対向するように
スキューしているので、第１と第２の界磁用磁石３１、
３２の合成した磁極の固定子磁極１１に対する位相（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「初期位
置」と呼ぶことがある）にあるが、図１（Ｂ）および図
２（Ｂ）では初期位置から第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が初期位置
に対してａ度回転順方向にずれた場合、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、３２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）
は初期位置に対して回転順方向に進角：ａ／２度だけ進
むことになる。

【００２２】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の異なる磁極が
より広い領域で並ぶようにし、回転数が高い時には両者
の合成磁極が初期位置からずれて図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極とがス
キューした固定子磁極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極性の磁極同士が同じ
固定子磁極に対向している部分が多くなると発生磁束の
局部的な短絡が多く生じるので固定子１側の界磁用巻線
１２に到達する鎖交磁束量がその分減少することにな
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の界磁用磁石３
１、３２の同じ極性の磁極が固定子磁極に対向してより
広い領域で並ぶことにより鎖交磁束量が最大となる。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。以上の通り本発明では初期位置において、第１と第
２の界磁用磁石の異極性の磁極の少なくとも一部が隣り
合っているか、異なる極性の磁極部分の少なくとも５０
％が隣り合って並んでおればよい。ここで、５０％が隣
り合っているとは、例えば図２（Ａ）において、第１と
第２の１磁極幅をｎ、第１と第２の界磁用磁石の異なる
磁極の隣接幅をｍとしたとき、ｍ／ｎ＝０．５である状
態をいう。

【００２９】図３と図４に、本発明の磁石式ブラシレス
電動機の第１と第２の界磁用磁石３１、３２の一部分の
展開図を示し、その上に破線で固定子磁極１１を示して
いる。これらの界磁用磁石３１、３２は、円筒状永久磁
石の外周上に等間隔に８極を持つように、Ｎ、Ｓ、Ｎ、
Ｓ、………と交互に磁化されたもので、１極当たり４５
度である。図３では、第１と第２の界磁用磁石３１、３
２の異なる極性の磁極が隣り合った位置から１／４磁極
分（１１．２５度）ずれて同極性の磁極が部分的に隣り
合っている位置を初期位置として、そこからのずれａ度
の磁極を二点破線で示している。また、固定子磁極１１
のスキューは３０度としたものを示している。図３にお
いて、初期位置からの第２の界磁用磁石３２のずれ角度
ａに対して、初期位置での合成磁束量を１００％とした
場合の第１と第２の界磁用磁石の合成磁束量を表１に示
す。

【００３０】

【表１】

【００３１】図４では、第１と第２の界磁用磁石３１、
３２の同じ極性の磁極が互いに５０％ずれた位置（２
２．５度ずれた位置）を初期位置として、そこからのず
れ角度がａ度となった磁極の位置を二点破線で示してい
る。また、固定子磁極１１は４５度のスキューを付けた
ものを示している。図４において、初期位置からの第２
の界磁用磁石３２のずれ角度に対して、初期位置での合
成磁束量を１００％とした場合の第１と第２の界磁用磁
石の合成磁束量を表２に示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】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５に示
すものが望ましい。

【００３４】図５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。後で述べるように第２の界磁用磁石
の回動に、第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石３
２との間に作用する吸引力および／または反発力を利用
するので、できるだけ両者間を近接させておくことが望
ましいが、少しの間隔５を開けておくほうが動きが容易
となるので望ましい。

【００３５】回転子の回転数の上昇に伴い第２の界磁用
磁石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に固定されていて回転軸と
ともに回転するようになっており、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）３４１
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３４８
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。この
ようにして各ガバナ３４は固定軸３４１のまわりに回動
するようになっている。さらに、上記穴３３１の各近傍
に点対称に４つの円弧状の長穴（弧状のガイド）３３２
が固定軸３４１（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３４２が係合挿入されている。

【００３６】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５（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。

【００３７】回転子の回転数が低い時に第１と第２の界
磁用磁石の磁極を初期位置に並ばせる手段として、ガバ
ナの遠心力に抗して第２の界磁用磁石を初期位置（第１
の界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石３２との異なる極
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。この初期位置に復帰させる手段として、図５では第
１と第２の界磁用磁石間に発生する磁気作用力のみによ
り、上記４本の可動側軸３４２が弧状のガイド３３２
（長溝３２２）内のｐ方向の力を受けて回転軸２１に最
も近い位置に来て、第１と第２の界磁用磁石は初期位置
に復帰するようになっている。本発明による図５の構成
を更に説明すると、初期位置（図５（Ａ））においてス
キューされた固定子磁極に対向している。

【００３８】第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石
３２の異なる極性の磁極同士が広い領域で隣り合ってい
るので、第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用磁石３２
とは磁気的に吸引し合っており安定である。回転子の回
転数が上昇してガバナ３４に遠心力が作用して、第２の
界磁用磁石３２が初期位置からずれると、第１と第２の
界磁用磁石３１、３２の同極性の磁極が次第に隣接して
来るようになるので、その間に磁気的な反発力が生じ
る。第２の界磁用磁石３２が初期位置から最もずれた位
置でこの磁気的な力が最大となるので、回転子の回転数
が低下してくると磁気的な反発吸引によって第２の界磁
用磁石を初期位置に戻すように作用する。この第１と第
２の界磁用磁石３１、３２間に作用する磁気的な反発吸
引力のみを用いた図５の初期位置復帰手段によれば構造
を簡略化し、構成部品点数を減らすことができる利点が
ある。また、本発明においては図６に示すように、上記
の磁気的な反発吸引力とガバナ３４に取り付けたばね３
４３の復元弾性力との併用によって、図５に比べて初期
位置への復帰位置精度のばらつきを５０％未満に抑える
ことができる。

【００３９】図７は本発明の磁石式ブラシレス電動機の
高速回転時における、図５の構成（磁気力のみ）の場合
の初期位置への復元力、図６の構成（磁気力とばね力の
併用）の場合の初期位置への復元力の一例を示してい
る。図７より、３０Ｎ以上の高い復元力の得られる固定
子のスキュー角度範囲は磁気力のみの場合が２７〜６３
度、磁気力とばね力の併用の場合が３〜８７度となって
いることがわかる。

【００４０】また、回転子コア８に長溝３２２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
が起こるようにばね３４３のばね定数を適宜設定するこ
とで、あるいは、隣接して設けられた界磁用永久磁石の
吸引／反発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変
換効率を得ることができる。

【００４１】

【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３０ＢＲ、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、第１の界磁用磁石３１と第２の界磁用
磁石３２を上記図４に示したように異なる極性の磁極が
５０％（２２．５度）並んだ状態を初期位置としたもの
を用意し、固定子磁極のスキューを４５度とした。回転
数増加に伴う上記磁極ずれ機構によって、初期位置から
ずらして磁束量を減少させて、一歯有効磁束量減少率お
よび進角を下記表３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８に、回転数−モータ変換効率を
図９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。

【００４２】（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の界磁用磁石と異なる極性の磁極が５０％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８に、回転
数−モータ変換効率を図９に併記した。

【００４３】

【表３】

【００４４】図８、図９および表３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５０％（２２．５度）
の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に対して初期位置から２
８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４５％（１００
％→５５％）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変換効率を達成できている
ことがわかった。

【００４５】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
およびモータ変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
クおよびモータ変換効率を達成できていることがわかっ
た。

【００４６】図８、図９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（ｎ_max ）を３．５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。

【００４７】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。固定子のスキュー角（β：度）の大きさは、上
記磁極ずれ角（θ：度）に対してθ≦β≦４θとするこ
とが好ましい。βがθ未満または４θを超えると初期位
置への十分な復元力を得ることが困難となる。

【００４８】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。

【００４９】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
用磁石の固定子磁極に対し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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】

【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。

【００５３】特に、（１）初期位置復帰手段として磁気
作用力のみを用いることで磁石式ブラシレス電動機の部
品点数を省略できる。（２）ばねとの併用により初期位
置復帰精度のばらつきを小さくできる。

【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一態様を示
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使用する一
例の界磁用磁石の展開図の一部を示す図である。

【図４】本発明の磁石式ブラシレス電動機に使用する一
例の界磁用磁石の展開図の一部を示す図である。

【図５】本発明の磁石式ブラシレス電動機において、遠
心力と磁気作用力との釣合いにより、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６】本発明の磁石式ブラシレス電動機において、遠
心力と磁気作用力とばねの弾性力との釣合いにより、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７】本発明の磁石式ブラシレス電動機における固定
子のスキュー角と初期位置への復元力との関係の一例を
示す図である。

【図８】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９】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１０】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１１】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 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 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 ばね 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 (9)

【特許請求の範囲】
1. 【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、回転子に発生する遠
   心力と第１と第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合
   いにより回転子の回転数が低い時に前記第１と第２の界
   磁用磁石を初期位置に並ばせる手段と、回転子の回転の
   上昇に伴い第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。
2. 【請求項２】 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、回転子に発生する遠
   心力と第１と第２の界磁用磁石間の磁気作用力と回転軸
   のまわりに設けられて第２の界磁用磁石を初期位置に復
   元させるガバナの弾性部材の弾性力との釣合いにより、
   回転子の回転数が低い時に前記第１と第２の界磁用磁石
   を初期位置に並ばせる手段と、回転子の回転の上昇に伴
   い第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。
3. 【請求項３】 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
   い時に前記第１と第２の界磁用磁石の異なる極性の磁極
   の少なくとも一部分を並ばせる手段と、回転子の回転の
   上昇に伴い第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。
4. 【請求項４】 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
   い時に前記第１と第２の界磁用磁石の異なる極性の磁極
   の少なくとも５０％を並ばせる手段と、回転子の回転の
   上昇に伴い第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。
5. 【請求項５】 回転子と対向している固定子の各磁極
   は、回転数が低い時の前記第１と第２の界磁用磁石の同
   極性の磁極と対向するように配置されていることを特徴
   とする請求項１、２、３あるいは４記載の磁石式ブラシ
   レス電動機。
6. 【請求項６】 回転子と対向している固定子の各磁極
   は、回転数が低い時の前記第１と第２の界磁用磁石の同
   極性の磁極の少なくとも一部と対向するように配置され
   ていることを特徴とする請求項１、２、３あるいは４記
   載の磁石式ブラシレス電動機。
7. 【請求項７】 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から６いずれかに記載の磁石
   式ブラシレス電動機。
8. 【請求項８】 回転子の回転の上昇に伴い第２の界磁用
   磁石に相対回転力を付与する前記の手段は、前記回転軸
   に固定されて回転子とともに回転する固定部材、この固
   定部材に取り付けた複数個の固定軸各々のまわりを遠心
   力により回動する複数のガバナ、各ガバナの可動側に取
   り付けた可動側軸、固定部材に設けられており前記固定
   軸を中心とした弧状のガイドとを有しており、ガバナの
   可動側軸がこの弧状のガイドに係合してガイドに沿って
   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から７いずれか記載の
   磁石式ブラシレス電動機。
9. 【請求項９】 回転子の回転数が低い時に前記第１と第
   ２の界磁用磁石を初期位置に並ばせる前記の手段は、ガ
   バナの遠心力に抗して第２の界磁用磁石を回転数の低い
   時の位置に復帰させる手段であることを特徴とする請求
   項１〜８いずれかに記載の磁石式ブラシレス電動機。