KR100748789B1 - 전동기 - Google Patents

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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 의한 전동기는 복수의 코일을 포함하는 제 1 코일 그룹과, 자석 그룹을 구비하고 있다. 제 1 코일 그룹은 M상의 서브코일 그룹으로 분류되어 있고, 제 1상 서브코일 그룹으로부터 제 M상 서브코일 그룹까지의 각 서브코일 그룹의 코일이 소정의 서브코일 그룹 간격 Dc로 하나씩 순서대로 배열되어 있다. 전기각으로 π에 상당하는 거리를 자극 피치 Pm이라고 정의했을 때, 서브코일 그룹 간격 Dc는 자극 피치 Pm의 K/M배(K는 M의 정수배를 제외하는 정의 정수)의 값으로 설정되어 있다. 인접하는 서브코일 그룹끼리는, (K/M)π의 위상차로 구동된다. 각 코일은 자성체 재료의 코어를 실질적으로 갖고 있지 않다.

Description

전동기{MOTOR}
본 발명은 전기 모터나 발전기 등의 전동기(Electric Machine)에 관한 것이다.
전동 모터에는, 동기형(동기) 모터와 인덕션(유도) 모터의 두 종류가 있다. 또한, 모터의 종류는 회전자의 차이에 의해, 영구 자석을 사용한 마그네트형과, 코일이 감겨 있는 코일형과, 철 등의 강자성체를 사용한 리액턴스형으로 분류하는 것도 가능하다. 마그네트형은 회전자의 영구 자석이 고정자의 회전 자계에 의해 회전한다.
마그네트형의 동기형 모터로서, 예컨대, 일본 공개 특허 공보 평8-51745호에 기재된 소형 동기 모터가 존재한다. 이 소형 동기 모터는 여자 코일을 감은 고정자 코어와, 마그네트를 포함하는 회전자를 구비하고 있다.
그러나, 종래의 모터는 발생 토크와 비교하여 중량이 커져, 발생 토크를 크게 하고자 하면 발생 토크와 중량의 비가 크게 악화된다고 하는 문제가 있었다. 또한, 더욱이 고자속 밀도인 자석을 이용한 경우에는, 철 손실의 영향에 의해, 시 동 시에 방대한 전류를 흘리지 않으면 동작하지 않는다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 종래와 다른 구조의 전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전동기는 소정 방향을 따라 배치된 복수의 코일을 포함하는 제 1 코일 그룹과, 상기 제 1 코일 그룹에 대면하고 있고, 또한 상기 제 1 코일 그룹에 대하여 상기 소정 방향을 따라 상대적으로 이동 가능한 자석 그룹을 구비한다. 상기 제 1 코일 그룹은 각각 n개(n은 1 이상의 정수)의 코일로 구성되는 M상(M은 2 이상의 정수)의 서브코일 그룹으로 분류되어 있고, 또한 상기 소정 방향을 따라 제 1상 서브코일 그룹으로부터 제 M상 서브코일 그룹까지의 각 서브코일 그룹의 코일이 소정의 서브코일 그룹 간격 Dc로 하나씩 순서대로 배열되어 있다. 상기 자석 그룹에 관해서 상기 소정 방향을 따라 전기각(電氣角)으로 π에 상당하는 거리를 자극(磁極) 피치 Pm이라고 정의했을 때, 상기 서브코일 그룹 간격 Dc는 상기 자극 피치 Pm의 K/M배(K는 M의 정수 배를 제외하는 양의 정수)의 값으로 설정되고 있다. 인접하는 서브코일 그룹끼리는 (K/M)π의 위상차로 구동된다. 각 코일은 자성체 재료의 코어를 실질적으로 갖고 있지 않은 것이 바람직하다.
이 전동기는, 자성체 재료의 코어를 실질적으로 갖고 있지 않으므로, 코깅(cogging)이 발생하지 않아 안정하고 매끄러운 회전이 가능하다. 또한, 서브코일 그룹 간격 Dc와 자극 피치 Pm 사이에는 Dc=(K/M)Pm의 관계가 있고, 인접하는 서브코일 그룹끼리는 (K/M)π의 위상차로 구동되므로, 코일 그룹과 자석 그룹의 위치 관계가 중립 위치(동작 방향에 정미(正味)의 힘이 작용하지 않고서는 시동할 수 없는 위치)를 취하는 일이 없다. 따라서, 항상 소망하는 동작 방향(순 방향 또는 역 방향)으로 전동기를 시동할 수 있다.
또, 상기 정수 K와 상기 정수 M은 1이외의 공배수를 갖고 있지 않은 것이 바람직하다. 그 이유는, 가령, K와 M이 1이외의 공배수 N을 갖고 있는 경우에는, 전동기의 실질적인 상수가 M/N으로 된다고 생각할 수 있기 때문이다. 예컨대, K=6, M= 4의 경우에는 4조의 서브코일 그룹을 갖는 4상 전동기로서 구성되지만, 이것은 실질적으로는 K=3, M=2인 2상 전동기와 실질적으로 같다고 생각할 수 있다.
상기 제 1 코일 그룹 쪽으로부터 상기 자석 그룹을 보았을 때, 상기 소정 방향을 따라 N극과 S극이 번갈아 배치되어 있어도 좋다. 이 때, 상기 N극과 S극의 피치는 상기 자극 피치 Pm과 같다.
또는, 상기 제 1 코일 그룹 쪽으로부터 상기 자석 그룹을 보았을 때, 상기 소정 방향을 따라 N극과 S극 중 소정의 한쪽인의 같은 극이 반복하여 배치되어 있어도 좋다. 이 때, 상기 같은 극끼리의 피치는 상기 자극 피치 Pm의 2배와 같다.
상기 전동기는, 또한, 상기 코일 그룹 및 상기 자석 그룹을 수납하는 케이스를 구비하고 있고, 각 코일은 실질적으로 비자성 또한 비도전성의 재료로 형성된 지지 재료의 회전으로 감겨 있고, 상기 케이스는 실질적으로 비자성 또한 비도전성 재료로 형성되어 있는 것으로 하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 철손(鐵損)이 거의 없는 전동기를 실현할 수 있다.
상기 전동기는 회전축과, 베어링부 이외의 구조 재료는 실질적으로 비자성 또한 비도전성 재료로 형성되어 있는 것으로 하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 더욱 경량화가 가능하고 또한, 철손을 더욱 감소시킬 수 있다.
또, 상기 정수 K는 기수이며, 각 서브코일 그룹의 코일 수 n은 2 이상이며, 동일 상(相)의 서브코일 그룹에 속하는 인접하는 코일끼리가 항상 역극성으로 여자 되도록 서로 접속되어 있는 것으로 하여도 좋다.
또는, 상기 정수 K는 우수이며, 각 서브코일 그룹의 코일 수 n은 2 이상이고, 동일 상의 서브코일 그룹에 속하는 모든 코일이 항상 같은 극성으로 여자되도록 서로 접속되어 있는 것으로 하여도 좋다.
상기 전동기는 상기 자석 그룹을 사이에 두고 상기 제 1 코일 그룹과 반대쪽에 마련되고, 또한 상기 제 1 코일 그룹과의 상대적인 위치가 고정되어 있는 제 2 코일 그룹을 더 구비하고 있어도 좋다. 상기 제 2 코일 그룹은 상기 제 1 코일 그룹과 동일한 코일 배치를 갖고 있고, 상기 제 1 코일 그룹의 제 m상의 서브코일 그룹(m은 1∼M의 정수)과, 상기 제 2 코일 그룹의 제 m상의 서브코일 그룹은 상기 자석 그룹을 사이에 두고 대향하는 위치에 배치되어 있고, 또한 항상 같은 극성으로 여자되는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 자석 그룹 양쪽의 자속을 효과적으로 이용할 수 있으므로, 큰 토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 코일 그룹의 같은 m번째의 서브코일 그룹끼리가 대향하고 있어 같은 극성으로 여자되므로, 제 1 코일 그룹과 자석 그룹 사이에서 발생하는 동작 방향과 수직인 방향의 힘과, 제 2 코일 그룹과 자석 그룹 사이에서 발생하는 마찬가지의 힘이 서로 상쇄된다. 그 결과, 동작 방향과 수직인 방향의 정미의 힘이 실질적으로 0으로 되므로, 이러한 힘에 기인하는 진동이나 소음을 방지할 수 있다.
상기 전동기는 상기 M상의 서브코일 그룹에 공급하는 M개의 교류 구동 신호를 공급하기 위한 구동 신호 생성 회로를 더 구비하고, 상기 구동 신호 생성 회로는 각 서브코일 그룹에 속하는 각 코일의 극성이 상기 자석 그룹 내의 자석의 중심과 각 코일의 중심이 대향하는 타이밍에서 전환됨과 동시에, 동일 상의 서브코일 그룹에 속하는 인접하는 코일끼리 사이의 중앙 위치가 상기 자석 그룹 내의 자석의 중심과 대향하는 타이밍에서 당해 코일 그룹에 있어서의 자속 밀도가 가장 커지도록, 상기 M개의 교류 구동 신호를 생성하도록 하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 구동 신호에 동기하여 전동기를 구동할 수 있다.
상기 구동 신호 생성 회로는, 각 서브코일 그룹의 전류 방향을 역전시킴으로써, 상기 제 1 코일 그룹과 상기 자석 그룹의 동작 방향을 역전시킬 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구동 신호 생성 회로는 위상이 (K/M)π만큼 상호 어긋난 M개의 PWM 신호를 각각 생성하는 PWM 회로와, 상기 전동기의 출력 요구에 따라 상기 M개의 PWM 신호를 마스크함으로써 상기 M개의 교류 구동 신호를 생성하는 마스크 회로를 구비하도록 하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 마스크 회로에 의해 PWM 신호를 마스크함으로써, 전동기의 출력을 조절할 수 있다.
상기 마스크 회로는 각 교류 구동 신호의 극성이 반전하는 타이밍을 중심으로 한 대칭인 시간적 범위에서 각 PWM 신호를 마스크하도록 하여도 좋다.
일반적으로, 각 교류 구동 신호의 극성이 반전되는 타이밍 부근에서는, 코일이 그다지 효과적인 구동력을 발생하지 않고, 교류 구동 신호의 피크 부근에서 효과적인 구동력을 발생한다고 하는 경향이 있다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 코일이 효과적인 구동력을 그다지 발생하지 않는 기간에 PWM 신호를 마스크하므로, 전동기의 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
또, 상기 전동기는 상기 코일 그룹으로부터 전력을 재생시키기 위한 재생 회로를 더 구비하고, 상기 구동 신호 생성 회로와 상기 재생 회로는 상기 M상의 서브코일 그룹 중 적어도 1상의 서브코일 그룹으로부터 구동력을 발생시키면서, 다른 적어도 1상의 서브코일 그룹으로부터 전력을 재생하는 운전 모드로 상기 전동기를 운전하는 것이 가능한 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 필요에 따라, 구동력의 발생과 전력의 재생을 동시에 실행하면서 전동기를 동작시킬 수 있다.
또, 본 발명은 여러 가지의 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예컨대, 전동기, 선형 모터나 회전식 모터 등의 전동 모터, 발전기, 그들의 액추에이터나 모터, 발전기의 구동 방법 및 구동 장치 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1(a), 1(b)는 본 발명의 비교예에 있어서의 전동 모터의 개략 구성과 교 류 구동 신호를 나타내는 설명도,
도 2(a), 2(b)는 코일의 결선 방법의 예를 나타내는 도면,
도 3(a)∼3(d)는 비교예의 전동 모터의 동작을 나타내는 도면,
도 4(a), 4(b)는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 전동 모터의 개략 구성과 교류 구동 신호를 나타내는 설명도,
도 5(a)∼5(d)는 본 발명의 실시예 1의 전동 모터의 동작을 나타내는 도면,
도 6(a), 6(b)는 자석 M과 코일의 평면 배치의 예를 나타내는 도면,
도 7은 구동 회로 유닛의 구성을 나타내는 블럭도,
도 8은 구동 제어부의 구성을 나타내는 블록도,
도 9는 드라이버 회로의 구성을 나타내는 블럭도,
도 10은 실시예 1의 모터의 대(大) 토크 발생 시의 신호 파형을 나타내는 타이밍 차트,
도 11은 실시예 1의 모터의 소(小) 토크 발생 시의 신호 파형을 나타내는 타이밍 차트,
도 12는 재생 제어부와 상대 감속용 드라이버 회로의 내부 구성을 나타내는 도면,
도 13(a)∼13(d)는 2상 모터의 변형예 1의 구성과 동작을 나타내는 도면,
도 14(a)∼14(c)는 2상 모터의 다른 변형예를 나타내는 도면,
도 15(a), 15(b)는 2상 모터의 또 다른 변형예를 나타내는 도면,
도 16은 구동 제어부의 변형예 1을 나타내는 블럭도,
도 17은 구동 신호 생성부가 직접 구동 모드로 동작하는 경우의 신호 파형을 나타내는 타이밍 차트,
도 18은 구동 제어부의 변형예 2를 나타내는 블럭도,
도 19는 구동 제어부의 변형예 2의 신호 파형을 나타내는 타이밍 차트,
도 20은 드라이버 회로의 변형예를 나타내는 블럭도,
도 21(a), 21(b)는 2상 모터의 기계적 구성의 일례를 나타내는 단면도,
도 22(a), 22(b)는 고정자와 회전자의 구성을 나타내는 단면도,
도 23(a), 23(b)는 2상 모터의 기계적 구성의 다른 예를 나타내는 단면도,
도 24(a), 24(b)는 2상 모터의 기계적 구성의 또 다른 예를 나타내는 단면도,
도 25(a), 25(b)는 2상 모터의 기계적 구성의 또 다른 예를 나타내는 단면도,
도 26(a)∼26(c)는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 3상 모터의 개략 구성을 나타내는 설명도,
도 27은 실시예 2에서의 구동 제어부의 구성을 나타내는 블럭도,
도 28은 실시예 2에서의 드라이버 회로의 구성을 나타내는 블럭도,
도 29는 실시예 2의 센서 신호와 각 상의 코일의 여자 방향을 나타내는 타이밍 차트,
도 30(a)∼30(f)는 실시예 2의 6개의 기간 P1∼P6에 있어서의 전류 방향을 나타내는 설명도,
도 31(a)∼31(d)는 본 발명의 실시예 3에 있어서의 4상 모터의 개략 구성을 나타내는 설명도,
도 32는 실시예 3의 센서 신호와 각 상의 코일의 여자 방향을 나타내는 타이밍 차트,
도 33(a), 33(b)는 코일 형상과 자석 형상의 변형예를 나타내는 설명도이다.
발명의 실시예를 이하의 순서로 설명한다.
A. 비교예
B. 실시예 1(2상 모터)
C. 2상 모터 구조의 변형예
D. 2상 모터의 회로 구성의 변형예
E. 2상 모터의 적용예
F. 실시예 2(3상 모터)
G. 실시예 3(4상 모터)
H. 그 밖의 변형예
A. 비교예
본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 우선 비교예를 설명한다.
도 1(a)는 본 발명의 비교예에 있어서의 전동 모터의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 이 전동 모터는 제 1 코일 그룹 구조(10A)와, 제 2 코일 그룹 구조(20B)와, 자석 그룹 구조(30M)를 갖고 있다.
제 1 코일 그룹 구조(10A)는 지지 부재(12A)와, 지지 부재(12A)에 고정된 A상 코일 그룹(14A)을 갖고 있다. 이 A상 코일 그룹(14A)은 역 방향으로 여자되는 두 종류의 코일(14A1, 14A2)이 일정한 피치 Pc로 번갈아 배치된 것이다. 또, 본 명세서에서는, A상 코일 그룹의 두 종류의 코일(14A1, 14A2)을 일컬어 「A상 코일 그룹(14A)」이라 한다. 다른 코일 그룹이나 자석 그룹에 관해서도 마찬가지이다.
제 2 코일 그룹 구조(20B)는 지지 부재(22B)와, 지지 부재(22B)에 고정된 B상 코일 그룹(24B)을 갖고 있다. 이 B상 코일 그룹(24B)도, 역 방향으로 여자되는 두 종류의 코일(24B1, 24B2)이 일정한 피치 Pc로 번갈아 배치된 것이다.
자석 그룹 구조(30M)는 지지 부재(32M)과, 지지 부재(32M)에 고정된 자석 그룹(34M)을 갖고 있다. 이 자석 그룹(34M)의 영구 자석(34M1, 34M2)은 자화(磁化) 방향이 자석 그룹(34M)의 배열 방향(도 1(a)의 좌우 방향)과는 수직인 방향을 향하도록 각각 배치되어 있다. 자석 그룹(34M)의 자석은 일정한 자극 피치 Pm으로 배치되어 있다.
또, A상 코일 그룹(14A)과 B상 코일 그룹(24B)은 전기각으로 서로 π/2만큼 다른 위치에 배치되어 있다. A상 코일(14A)과 B상 코일 그룹(24B)은 위치가 다를 뿐이며, 나머지 점은 실질적으로 같은 구성을 갖고 있다. 따라서, 이하에서는, 코일 그룹에 관한 설명 시에 특별히 필요한 경우를 제외하고 A상 코일 그룹에 대해서 만 설명한다.
도 1(b)는 A상 코일 그룹(14A)과 B상 코일 그룹(24B)에 공급되는 교류 구동 신호의 파형의 일례를 나타내고 있다. A상 코일 그룹(14A)과 B상 코일 그룹(24B)에는, 2상 교류 신호가 각각 공급된다. 또한, A상 코일 그룹(14A)과 B상 코일 그룹(24B)의 구동 신호의 위상은 π/2만큼 서로 어긋나고 있다. 도 1(a)의 상태는 위상 0(또는 2π)의 상태에 상당한다.
이 비교예의 전동 모터는 A상 코일 그룹(14A)용 위치 센서(16A)와, B상 코일 그룹(24B)용 위치 센서(26B)를 더 갖고 있다. 이들을 이하에서는 「A상 센서」, 「B상 센서」라고 부른다. A상 센서(16A)는 A상 코일 그룹(14A)의 두 개의 코일 사이의 중앙 위치에 배치되어 있고, B상 센서(26B)는 B상 코일 그룹(24B)의 두 개 코일 사이의 중앙 위치에 배치되어 있다. 이들 센서(16A, 26B)로는, 도 1(b)에 나타내는 교류 구동 신호와 마찬가지의 파형을 갖는 아날로그 출력을 갖는 것을 채용하는 것이 바람직하고, 예컨대, 홀(hole) 효과를 이용한 홀 IC를 채용할 수 있다. 단, 직사각형파 형상의 디지털 출력을 갖는 센서를 채용하는 것도 가능하다. 또한, 위치 센서를 생략하여 센서리스 구동을 하는 것도 가능하다.
도 2(a), 2(b)는 A상 코일 그룹(14A)의 두 종류의 코일(14A1, 14A2)의 결선 방법을 나타내는 도면이다. 도 2(a)의 결선 방법에서는, A상 코일 그룹(14A)에 포함되는 모든 코일이 구동 제어부(100)에 대하여 직렬로 접속되어 있다. 한편, 도 2(b)의 결선 방법에서는, 한 쌍의 코일(14A1, 14A2)로 구성되는 직렬 접속이 복수 조 병렬로 접속되어 있다. 이와 같은 어느 하나의 결선 방법의 경우에도, 두 종류 의 코일(14A1, 14A2)은 항상 역극성으로 자화된다. 또, 이들 이외의 다른 결선 방법을 채용하는 것도 가능하다.
도 3(a)∼3(d)는 비교예의 전동 모터의 동작을 나타내고 있다. 또, 이 비교예에서는, 코일 그룹(14A, 24B)이 고정자로서 구성되어 있고, 자석 그룹(34M)이 회전자로서 구성되어 있다. 따라서, 도 3(a)∼3(d)에서는, 시간의 경과와 함께 자석 그룹(34M)이 이동하고 있다.
도 3(a)는 위상이 2π 직전의 타이밍의 상태를 나타내고 있다. 또, 코일과 자석 사이에 그려진 실선의 화살표는 흡인력의 방향을 나타내고 있고, 파선의 화살표는 반발력의 방향을 나타내고 있다. 이 상태에서는, A상 코일 그룹(14A)은 자석 그룹(34M)에 대하여 동작 방향(도면의 오른쪽 방향)의 구동력을 부여하지 않고, 자석 그룹(34M)을 A상 코일 그룹(14A)으로 끌어당기는 방향으로 자력이 작용하고 있다. 따라서, 위상이 2π인 타이밍에서는, A상 코일 그룹(14A)에의 인가 전압을 0으로 하는 것이 바람직하다. 한편, B상 코일 그룹(24B)은 자석 그룹(34M)에 동작 방향의 구동력을 부여하고 있다. 또한, B상 코일 그룹(24B)은 자석 그룹(34M)에 대하여 흡인력뿐만 아니라 반발력도 부여하고 있으므로, B상 코일 그룹(24B)로부터 자석 그룹(34M)에 대한 상하 방향(자석 그룹(34M)의 동작 방향과 수직인 방향)의 정미의 힘은 0이다. 따라서, 위상이 2π의 타이밍에서는, B상 코일 그룹(24B)에의 인가 전압을 피크값으로 하는 것이 바람직하다.
도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 위상이 2π의 타이밍에서 A상 코일 그룹(14A)의 극성이 반전된다. 도 3(b)는 위상이 π/4의 상태이며, A상 코일 그룹 (14A)의 극성이 도 3(a)로부터 반전하고 있다. 이 상태에서는, A상 코일 그룹(14A)과 B상 코일 그룹(24B)이 자석 그룹(34M)의 동작 방향으로 동일한 구동력을 부여하고 있다. 도 3(c)는 위상이 π/2 직전의 상태이다. 이 상태는 도 3(a)의 상태와는 반대로, A상 코일 그룹(14A)만이 자석 그룹(34M)에 동작 방향의 구동력을 부여하고 있다. 위상이 π/2의 타이밍에서는 B상 코일 그룹(24B)의 극성이 반전하고, 도 3(c)에 나타내는 극성으로 된다. 도 3(d)는 위상이 3π/4의 상태이다. 이 상태에서는, A상 코일 그룹(14A)과 B상 코일 그룹(24B)이 자석 그룹(34M)의 동작 방향으로 동일한 구동력을 부여하고 있다.
도 3(a)∼3(d)로부터 이해할 수 있는 바와 같이, A상 코일 그룹(14A)의 극성은 A상 코일 그룹(14A)의 각 코일이 자석 그룹(34M)의 각 자석과 대향하는 타이밍에서 전환된다. B상 코일 그룹도 마찬가지이다. 그 결과, 모든 코일로부터 거의 항상 구동력을 발생시킬 수 있으므로, 큰 토크를 발생시키는 것이 가능하다.
또, 위상이 π∼2π의 기간은 도 3(a)∼3(d)와 거의 마찬가지이므로 자세한 설명을 생략한다. 단, A상 코일 그룹(14A)의 극성은 위상이 π의 타이밍에서 재차 반전하고, B상 코일 그룹(24B)의 극성은 위상이 3π/2의 타이밍에서 재차 반전한다.
상술한 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 비교예의 전동 모터는 코일 그룹(14A, 24B)과 자석 그룹(34M)간의 흡인력과 반발력을 이용함으로써, 자석 그룹(34M)에 대한 동작 방향의 구동력을 얻고 있다.
그런데, 이 비교예의 전동 모터에서는 이하와 같은 몇 개의 문제가 있는 것 이 견출되었다.
첫째, 비교예의 전동 모터에서는, 동작 방향과 수직인 방향으로 힘이 발생하고, 이 힘에 의해 진동이나 소음이 발생할 가능성이 있다. 즉, 도 3(a), 3(c)의 상태에서는, A상 코일 그룹(14A)과 자석 그룹(34M) 사이에 발생하는 수직 방향의 힘과, B상 코일 그룹(24B)과 자석 그룹(34M) 사이에 발생하는 수직 방향의 힘의 합계가 0이 아니고, 상향 또는 하향으로 정미의 힘이 작용한다. 그 결과, 상향 또는 하향의 힘에 의해, 진동이나 소음이 발생할 가능성이 있다.
둘째, 비교예의 구성에 있어 A상 코일 그룹(14A)과 B상 코일 그룹(24B) 중 한쪽을 생략하는 것도 가능하지만, 그 경우에는 전동 모터를 시동할 수 없는 중립위치가 발생한다고 하는 문제가 발생한다. 예컨대, B상 코일 그룹(24B)을 생략한 경우에는, 도 3(a)의 상태에서 A상 코일 그룹(14A)과 자석 그룹(34M) 사이에 동작 방향(좌우 방향)의 힘이 발생하지 않는다. 따라서, 이 위치(중립 위치)에서 전동 모터가 정지하고 있는 경우에는 효과적인 구동력이 발생하지 않으므로, 전동 모터를 시동할 수 없다. 이와 같이, 비교예의 구성에 있어서, 전동 모터를 항상 시동 가능하게 하기 위해서는, 자석 그룹(34M)의 양쪽에 마련된 두 개의 코일 그룹(14A, 24B)을 양쪽 모두 필요로 한다.
이하에 설명하는 실시예는 비교예에 있어서의 이러한 문제의 적어도 일부를 해결하도록 구성한 것이다.
B. 실시예 1(2상 모터)
B-1. 실시예 1의 개략 구성도
4(a)는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 전동 모터의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 이 전동 모터는 제 1 코일 그룹 구조(40AB)와, 제 2 코일 그룹 구조(50AB)와 자석 그룹 구조(30M)를 갖고 있다.
제 1 코일 그룹 구조(40AB)는 지지 부재(42)와 A상 서브코일 그룹(14A)과 B상 서브코일 그룹(24B)을 갖고 있다. 또, 도 4(a)에서는, 도시의 편의상, A상 서브코일 그룹의 코일을 실선으로 그리고, B상 서브코일 그룹의 코일을 파선으로 그리고 있다.
A상 서브코일 그룹(14A)은 역 방향으로 여자되는 두 종류의 코일(14A1, 14A2)이 일정한 피치로 번갈아 배치된 것이다. B상 서브코일 그룹(24B)도, 마찬가지로, 역 방향으로 여자되는 두 종류의 코일(24B1, 24B2)가 일정한 피치로 번갈아 배치된 것이다. A상 서브코일 그룹(14A)과 B상 서브코일 그룹(24B)은 일정한 서브코일 그룹 간격 Dc로 번갈아 배치되어 있다. 여기서, 서브코일 그룹 간격 Dc란, 코일의 중심간 거리를 의미하고 있다. A상 서브코일 그룹(14A)의 두 종류의 코일(14A1, 14A2)끼리의 피치는 이 서브코일 그룹 간격 Dc의 2배이다. B상 서브코일 그룹(24B)의 두 종류의 코일(24B1, 24B2)끼리의 피치도 서브코일 그룹 간격 Dc의 2배이다.
제 2 코일 그룹 구조(50AB)는 지지 부재(52)와 A상 서브코일 그룹(14A)과 B상 서브코일 그룹(24B)을 갖고 있다. 제 1 코일 그룹 구조(40AB)의 A상 서브코일 그룹(14A)과 제 2 코일 그룹 구조(50AB)의 A상 서브코일 그룹(14A)은 자석 그룹 구조(30M)를 사이에 유지하는 대향하는 위치에 배치되어 있다. B상 서브코일 그룹(24B)도 마찬가지이다.
자석 그룹 구조(30M)는 지지 부재(32M)와 지지 부재(32M)에 고정된 자석 그룹(34M)을 갖고 있다. 이 자석 그룹(34M)의 영구 자석(34M1, 34M2)은 자화 방향이 자석 그룹(34M)의 배열 방향(도 4(a)의 좌우 방향)과는 수직인 방향을 향하도록 어긋나게 배치되어 있다. 또, 지지 부재(32M)를 생략하여, 복수의 자석(34M1, 34M2)만으로 구성된 일체 구조의 자석 그룹을 제작하는 것도 가능하다. 이러한 자석 그룹으로는, 예컨대, 상면과 하면의 각각에 있어 볼록부와 오목부가 반복해서 나타나는 요철 형상의 자성체를 이용하고, 그 볼록부에 자극을 형성한 일체 구조의 자석 그룹을 이용하여도 좋다.
자석 그룹(34M)의 자석은 일정한 자극 피치 Pm으로 배치되어 있다. 본 명세서에서는, 자극 피치 Pm은 전기각으로 π에 상당하는 거리를 의미한다. 또, 전기각 2π는 모터의 구동 신호의 위상이 2π만큼 변화되었을 때에 이동하는 기계적인 각도 또는 거리에 대응된다. 도 4(a)와 같이 N극과 S극이 번갈아 배치되어 있는 경우에는, 자극 피치 Pm은 자석의 피치와 같다. 한편, 후술하는 바와 같이, N극만 또는 S극만이 배치되어 있는 경우에는, 자극 피치 Pm은 자석 피치의 1/2로 된다. 도 4(a)의 예에서는, 자극 피치 Pm과 서브코일 그룹 간격 Dc에는, Dc=3Pm/2의 관계가 있다. 전동 모터에서는 일반적으로, 코일의 구동 신호의 위상이 2π만큼 변화하면, 자극 피치 Pm의 2배에 상당하는 거리만큼 이동한다. 따라서, 실시예 1의 전 동 모터에서는, 코일의 구동 신호의 위상이 2π만 변화하면, 자석 그룹 구조(30M)가 2 Pm=4Dc/3만큼 이동한다.
일반적으로는, Dc=Pm(K/M)의 관계가 성립하는 것이 바람직하다. 여기서, M은 2 이상의 정수이며, 전동 모터의 상수를 의미하고 있다. M이 3과 4인 실시예는 후술한다. K는 M의 정수배를 제외하는 1 이상의 정수이다. K가 M의 정수배인 경우를 제외하는 이유는 이 경우에 전동 모터를 시동할 수 없는 중립 위치가 발생하기 때문이다. 예컨대, 가령 도 4(a)에서 Dc=Pm으로 되도록 서브코일 그룹 간격 Dc을 작게 하면, 각 코일과 자석이 완전히 마주 향하게 되어, 동작 방향(좌우 방향)으로의 구동력이 발생하지 않으므로, 이 위치로부터 시동할 수 없게 된다.
또한, 정수 K와 M은 1 이외의 공배수를 갖고 있지 않은 것이 바람직하다. 그 이유는, 가령, K와 M이 1 이외의 공배수 N을 갖고 있는 경우에는, 전동 모터의 실질적인 상수가 M/N으로 된다고 생각할 수 있기 때문이다. 예컨대, K=6, M=4의 경우에는 4상 전동 모터로서 구성되지만, 이것은 실질적으로는 K=3, M=2인 2상 전동 모터와 실질적으로 같다고 생각할 수 있다.
또한, 전동 모터의 상수 M으로는, 2∼5 정도가 바람직하고, 특히 2∼3이 바람직하다. 그 이유는 상수 M이 많으면, M조의 서브코일 그룹을 구동하기 위한 구동 신호를 생성하는 회로가 대규모로 되기 때문이다.
도 4(b)는 실시예 1에서 A상 코일 그룹(14A)과 B상 코일 그룹(24B)에 공급되는 교류 구동 신호의 파형의 일례를 나타내고 있다. A상 코일 그룹(14A)과 B상 코일 그룹(24B)의 구동 신호의 위상은 3π/2만큼 서로 어긋나고 있다. 이 위상차는 서브코일 그룹 간격 Dc=3Pm/2에 대응하고 있다. 일반적으로, 서브코일 그룹끼리의 위상차는 서브코일 그룹 간격 Dc에 상당하는 값 π(K/M)로 된다.
도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 이 전동 모터에는 A상 센서(16A)와 제 2 코일 그룹 구조(50AB)에는 B상 센서(26B)가 마련된다. 이 예에서는 A상 센서(16A)는 제 1 코일 구조(40AB)로 마련되어 있고, B상 센서(26B)는 제 2 코일 구조(50AB)로 마련되지만, 두 개의 센서(16A, 26B)는 두 개의 지지 부재(42, 52) 중 어디에 마련되어도 좋다. A상 센서(16A)는 A상 서브코일 그룹(14A)의 각 코일이 자석(34M1, 34M2)과 대향하는 위치에 있는 상태(도 4(a))에서, A상 센서(16A)가 자석의 N극과 S극 사이의 중앙 위치에 오도록 배치되어 있다. 한편, B상 센서(26B)는 자석 그룹 구조(30M)가 이동되어 B상 서브코일 그룹(24B)의 각 코일이 자석(34M1, 34M2)과 대향하는 위치에 온 상태에 있어서, B상 센서(26B)가 자석의 N극과 S극 사이의 중앙 위치에 오도록 배치되어 있다. 이들 센서(16A, 26B)로는, 도 4(b)에 나타내는 교류 구동 신호와 마찬가지의 파형을 갖는 아날로그 출력을 갖는 것을 채용할 수 있고, 또한, 직사각형파 형상의 디지털 출력을 갖는 센서를 채용하는 것도 가능하다. 또한, 위치 센서를 생략하여 센서리스 구동을 하는 것도 가능하다.
각 서브코일 그룹(14A, 24B)의 코일의 결선 방법은 상술한 도 2(a), 2(b)에 나타내는 바와 같은 것을 채용할 수 있다.
지지 부재(32M, 42, 52)는 비자성체 재료로 각각 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시예의 전동 모터의 각종 부재 중에, 코일이나 센서를 포함하는 전기 배선과, 자석과, 회전축과, 그 베어링부 이외의 부재는 모두 비자성, 비도전 성 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 말하면, 회전자 재료나 보빈 재료(코어 재료)나 케이스 재료로서, 비자성, 비도전성의 각종 재료를 이용할 수 있다. 단, 회전자 재료(자석 그룹의 지지 부재(32M))로는, 강도를 고려하여 알루미늄이나 그 합금 등의 금속 재료를 이용하는 경우도 있다. 이 경우에도, 보빈 재료나 케이스 재료는 실질적으로 비자성, 비도전성 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 「실질적으로 비자성, 비도전성 재료」란, 약간의 부분이 자성체 또는 도전체인 것도 허용되는 것을 의미하고 있다. 예컨대, 보빈 재료가 실질적으로 비자성, 비도전성 재료로 형성되어 있는지 여부는 모터에 코깅이 존재하는지 여부에 의해 판정할 수 있다. 또한, 케이스 재료가 실질적으로 비도전성 재료로 형성되어 있는지 여부는 케이스 재료에 의한 철손(과전류 손실)이 소정값(예컨대, 입력의 1%) 이하인지 여부에 의해 판정할 수 있다.
또, 전동 모터의 구조 재료 중에는, 회전축과 베어링부와 같이, 금속 재료로 작성하는 것이 바람직한 부재도 존재한다. 여기서, 「구조 재료」란, 전동 모터의 형상을 지탱하기 위해 사용되는 부재를 의미하고, 작은 부품이나 고정구(固定具) 등을 포함하지 않는 주요한 부재를 뜻하고 있다. 회전 자재나 케이스 재료도 구조 재료의 일종이다. 본 발명의 전동 모터에서는, 회전축과 베어링부 이외의 주요한 구조 재료는 비자성, 비도전성 재료로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5(a)∼5(d)에는, 실시예 1의 전동 모터의 동작이 나타내어져 있다. 또, 실시예 1에서는, 코일 그룹 구조(40AB, 50AB)가 고정자로서 구성되어 있고, 자석 그룹 구조(30M)가 회전자로서 구성되어 있다. 따라서, 도 5(a)∼5(d)에서는, 시간 의 경과와 함께 자석 그룹 구조(30M)가 이동하고 있다.
도 5(a)는 위상이 2π 직전인 타이밍의 상태를 나타내고 있다. 또, 코일과 자석 사이에 그려진 실선의 화살표는 흡인력의 방향을 나타내고, 파선의 화살표는 반발력의 방향을 나타내고 있다. 이 상태에서는, A상 서브코일 그룹(14A)으로부터 자석 그룹(34M)에 대한 정미의 힘(힘의 합계)은 0이다. 따라서, 위상이 2π인 타이밍에서는, A상 서브코일 그룹(14A)으로의 인가 전압을 0으로 하는 것이 바람직하다. 한편, B상 서브코일 그룹(24B)은 자석 그룹(34M)에 동작 방향의 구동력을 부여하고 있다. 또한, B상 서브코일 그룹(24B)으로부터 자석 그룹(34M)에 대한 상하 방향(자석 그룹(34M)의 동작 방향과 수직인 방향)의 정미의 힘은 0이다. 따라서, 위상이 2π인 타이밍에서는, B상 서브코일 그룹(24B)에의 인가 전압을 피크값으로 하는 것이 바람직하다.
상술한 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 위상이 2π의 타이밍에서 A상 서브코일 그룹(14A)의 극성이 반전된다. 도 5(b)는 위상이 π/4의 상태이며, A상 서브코일 그룹(14A)의 극성이 도 5(a)로부터 반전하고 있다. 이 상태에서는, A상 서브코일 그룹(14A)과 B상 서브코일 그룹(24B)이 자석 그룹(34M)의 동작 방향으로 동일한 구동력을 부여하고 있다. 도 5(c)는 위상이 π/2 직전의 상태이다. 이 상태는, 도 5(a)의 상태와는 반대로, A상 서브코일 그룹(14A)만이 자석 그룹(34M)에 동작 방향의 구동력을 부여하고 있다. 위상이 π/2의 타이밍에서는 B상 서브코일 그룹(24B)의 극성이 반전하고, 도 5(d)에 나타내는 극성으로 된다. 도 5(d)는 위상이 3π/4인 상태이다. 이 상태에서는, A상 서브코일 그룹(14A)과 B상 서브코일 그룹 (24B)이 자석 그룹(34M)의 동작 방향으로 동일한 구동력을 부여하고 있다.
도 5(a)∼5(d)로부터 이해할 수 있는 바와 같이, A상 서브코일 그룹(14A)의 극성은 A상 서브코일 그룹(14A)의 각 코일이 자석 그룹(34M)의 각 자석과 대향하는 타이밍에서 전환된다. B상 서브코일 그룹도 마찬가지이다. 그 결과. 모든 코일로부터 거의 항상 구동력을 발생시킬 수 있으므로, 큰 토크를 발생시킬 수 있게 된다.
또, 위상이 π∼2π의 기간은, 도 5(a)∼5(d)와 거의 마찬가지이므로 자세한 설명을 생략한다. 단, A상 서브코일 그룹(14A)의 극성은 위상이 π의 타이밍에서 재차 반전하고, B상 서브코일 그룹(24B)의 극성은 위상이 3π/2인 타이밍에서 재차 반전한다.
상술한 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 전동 모터는 서브코일 그룹(14A, 24B)과 자석 그룹(34M) 사이의 흡인력과 반발력을 이용함으로써, 자석 그룹(34M)에 대한 동작 방향의 구동력을 얻고 있다.
도 6(a)는 자석(34M1, 34M2)과 코일(14A1, 14A2, 24B1, 24B2)의 평면 배치의 일례를 나타내고 있다. 이 예에서는, 각 코일의 외주의 폭이 자석의 외주의 폭과 거의 일치하고 있다. 단, 자석의 치수를 코일보다 작게 하는 것이 가능하고, 반대로 코일보다 크게 하는 것도 가능하다. 도 6(b)는 자석과 코일의 평면 배치의 다른 예를 나타내고 있다. 이 예에서는, 도 6(a)의 예보다 코일의 세로 폭(도면 중 상하 방향의 치수)이 크게 설정되어 있다. 도 6(a)의 예에서는, 전체의 치수를 약간 작게 할 수 있다고 하는 이점이 있다. 한편, 도 6(b)의 예에서는, 코일에 대하 여 이동 방향 이외의 방향으로 걸리는 불필요한 힘이 작아진다고 하는 이점이 있다. 즉, 예컨대, 코일(14A1) 중에서, 자석(34M1) 외부에 있는 코일 부분(14h)에는 이동 방향의 힘이 걸리지 않고, 이동 방향과 수직인 방향에 힘이 걸린다. 이것은 플레밍의 왼손의 법칙으로부터 이해할 수 있다. 따라서, 도 6(b)와 같이, 코일 부분(14h)을 자석(34M1)의 바로 위 또는 바로 아래를 벗어난 위치에 배치하면, 이 코일 부분(14h)에서의 자속 밀도가 작아지므로, 이러한 불필요한 힘을 작게 할 수 있다.
B-2. 실시예 1의 회로 구성
도 7은 실시예 1에서의 구동 회로 유닛의 내부 구성을 나타내는 블럭도이다. 이 구동 회로 유닛(500)은 CPU(110)와 구동 제어부(100)와 재생 제어부(200)와 드라이버 회로(150)와 정류 회로(250)를 구비하고 있다.
두 개의 제어부(100, 200)는 버스(102)를 통해 CPU(110)와 접속되어 있다. 구동 제어부(100)와 드라이버 회로(150)는 전동 모터에 구동력을 발생시키는 경우의 제어를 행하는 회로이다. 또한, 재생 제어부(200)와 정류 회로(250)는 전동 모터로부터 전력을 재생하는 경우의 제어를 행하는 회로이다. 재생 제어부(200)와 정류 회로(250)를 정리하여 「재생 회로」라고도 한다. 또한, 구동 제어부(100)를 「구동 신호 생성 회로」라고도 한다.
도 8은 구동 제어부(100)의 구성을 나타내고 있다. 이 회로(100)는 버스(102)에 접속된 동작 모드 신호 생성부(104)와 전자 가변 저항기(106)와 CPU(110) 를 갖고 있다. 동작 모드 신호 생성부(104)는 동작 모드 신호 Smode를 생성한다. 동작 모드 신호 Smode는 순방향과 역방향 중 어느 하나를 나타내는 제 1 비트와, AB상(相)의 양쪽을 사용하는 동작 모드와 A상만을 사용하는 동작 모드 중 어느 하나를 나타내는 제 2 비트를 포함하고 있다. 또, 모터의 시동 시에는, 확실하게 회전 방향을 결정하기 위해 A상과 B상의 두 개의 서브코일 그룹이 사용된다. 단, 모터가 동작을 시작한 후에는, 요구 토크가 적은 운전 상태에서는, A상 서브코일 그룹과 B상 서브코일 그룹의 한쪽만을 사용하여도 충분히 회전을 계속할 수 있다. 동작 모드 신호 Smode의 제 2 비트는 이러한 경우에 A상 서브코일 그룹만을 구동하는 것을 지시하기 위한 플래그이다.
전자 가변 저항기(106)의 양단의 전압은 네 개의 전압 비교기(111∼114)의 한쪽 입력 단자에 인가되고 있다. 전압 비교기(111∼114)의 다른쪽 입력 단자에는, A상 센서 신호 SSA와 B상 센서 신호 SSB가 공급되고 있다. 네 개의 전압 비교기(111∼114)의 출력 신호 TPA, BTA, TPB, BTB를 「마스크 신호」 또는 「허가 신호」라고 부른다. 이들의 이름의 의미에 대해서는 후술한다.
마스크 신호 TPA, BTA, TPB, BTB는 멀티플렉서(120)에 입력되어 있다. 멀티플렉서(120)는 동작 모드 신호 Smode에 따라 A상용 마스크 신호 TPA, BTA의 출력 단자를 전환하고, 또한, B상용 마스크 신호 TPB, BTB의 출력 단자를 전환하는 것에 의해 모터를 역전시킬 수 있다. 멀티플렉서(120)로부터 출력된 마스크 신호 TPA, BTA, TPB, BTB는 2단 PWM 회로(130)에 공급된다.
2단 PWM 회로(130)는 A상 PWM 회로(132)와, B상 PWM 회로(134)와, 네 개의 3 스테이트 버퍼 회로(141∼144)를 갖고 있다. A상 PWM 회로(132)에는, A상 센서(16A)(도 4(a))의 출력 신호 SSA(이하, 「A상 센서 신호」라고 함)와 동작 모드 신호 Smode가 공급되어 있다. B상 PWM 회로(134)에는, B상 센서(26B)의 출력 신호 SSB와 동작 모드 신호 Smode가 공급되어 있다. 이들 두 개의 PWM 회로(132, 134)는 센서 신호 SSA, SSB에 따라 PWM 신호 PWMA, #PWMA, PWMB, #PWMB을 발생하는 회로이다. 또, 신호 #PWMA, #PWMB는 신호 PWMA, PWMB를 반전한 신호이다. 상술한 바와 같이, 센서 신호 SSA, SSB는 모두 정현파 신호이며, PWM 회로(132, 134)는 이들 정현파 신호에 따라 주지의 PWM 동작을 실행한다.
A상 PWM 회로(132)에서 생성된 신호 PWMA, #PWMA는 두 개의 3 스테이트 버퍼 회로(141, 142)의 두 개의 입력 단자에 각각 공급된다. 이들 3 스테이트 버퍼 회로(141, 142)의 제어 단자에는, 멀티플렉서(120)로부터 인가된 A상 마스크 신호 TPA, BTA가 공급되어 있다. 3 스테이트 버퍼 회로(141, 142)의 출력 신호 DRVA1, DRVA2는 A상 서브코일 그룹용 구동 신호이다(이하, 「A1 구동 신호」 및 「A2 구동 신호」라고 함). B상에 관해서도 마찬가지로, PWM 회로(134)와 3 스테이트 버퍼 회로(143, 144)에 의해 B상 서브코일 그룹용 구동 신호 DRVB1, DRVB2가 생성된다.
도 9는 드라이버 회로(150)(도 7)에 포함되는 A상 드라이버 회로(120A)와 B상 드라이버 회로(130B)의 구성을 나타내고 있다. A상 드라이버 회로(120A)는 A상 서브코일 그룹(14A)에, 교류 구동 신호 DRVA1, DRVA2를 공급하기 위한 H형 브리지 회로이다. 또, 구동 신호를 나타내는 블럭의 단자 부분에 첨부되어 있는 흰 원은, 부 논리이며 신호가 반전되어 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 참조 부호 IA1, IA2가 첨부된 화살표는 A1 구동 신호 DRVA1과 A2 구동 신호 DRVA2에 의해 흐르는 전류 방향을 각각 나타내고 있다. B상 드라이버 회로(130B)의 구성도 A상 드라이버 회로(12A)의 구성과 동일하다.
도 10은 실시예 1에 있어서의 각종 신호 파형을 나타내는 타이밍 차트이다. A상 센서 신호 SSA와 B상 센서 신호 SSB는 위상이 3π/2 어긋난 정현파이다. A상 PWM 회로(132)는 A상 센서 신호 SSA의 레벨에 비례한 평균 전압을 갖는 신호 PWMA(도 10의 위에서 7번째의 신호)를 생성한다. 제 1 A상 마스크 신호 TPA는 이 신호 TPA가 H 레벨의 기간에는 신호 PWMA를 A상 서브코일 그룹(14A)에 인가하는 것을 허가하고, L 레벨의 기간에는 이것을 금지한다. 마찬가지로, 제 2 A상 마스크 신호 BTA도 이 신호 BTA가 H 레벨의 기간에 신호 PWMA를 A상 서브코일 그룹(14A)에 인가하는 것을 허가하고, L 레벨의 기간에는 이것을 금지한다. 단, 제 1 A상 마스크 신호 TPA는 PWM 신호 PWMA가 플러스 쪽에 있을 때에 H 레벨로 되고, 제 2 A상 마스크 신호 BTA는 PWM 신호 PWMA가 마이너스 쪽에 있을 때에 H 레벨로 된다. 그 결과, A상 서브코일 그룹(14A)에는, 도 10의 아래로부터 2번째로 나타내는 것과 같은 구동 신호 DRVA1+DRVA2가 인가된다. 이 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, A상 마스크 신호 TPA, BTB는 PWM 신호 PWMA를, A상 서브코일 그룹(14A)에 인가하는 것을 허가하는 신호라고 생각할 수 있고 또한, PWM 신호 PWMA를 마스크하여 A상 서브코일 그룹(14A)에 공급하지 않도록 하는 신호라고 생각하는 것도 가능하다. B상에 대해서도 마찬가지이다.
또, 도 10은 대 토크를 발생할 때의 운전 상태를 나타내고 있다. 이 때, 마 스크 신호 TPA, BTA의 양쪽이 L 레벨인 기간은 작고, 따라서, 대부분의 시간에 A상 서브코일 그룹(14A)에 전압이 인가되고 있다. 또, A상 센서 신호 SSA의 파형의 우단에는, 이 때의 히스테리시스 레벨이 나타내어져 있다. 여기서, 「히스테리시스 레벨」이란, 정현파 신호의 0 레벨 부근의 무효인(즉, 사용되지 않음) 신호 레벨의 범위를 의미하고 있다. 대 토크 발생 시에는, 히스테리시스 레벨은 매우 작은 것을 알 수 있다. 또, 히스테리시스 레벨은 전자 가변 저항기(106)의 저항을 변화시키고, 마스크 신호 TPA, BTA, TPB, BTB의 듀티를 변화시킴으로써 변경할 수 있다.
도 11은 작은 토크를 발생할 때의 운전 상태를 나타내고 있다. 또, 소 토크는 고회전인 것을 뜻하고 있다. 이 때, 마스크 신호 TPA, BTA, TPB, BTB의 듀티는 도 8에 비하여 작게 설정되어 있고, 이것에 따라 각 코일의 구동 신호(DRVA1+DRVA2), (DRVB1+DRVB2)의 펄스 수도 감소하고 있다. 또한, 히스테리시스 레벨도 커지고 있다.
또, 도 10과 도 11을 비교하면 이해할 수 있는 바와 같이, 제 1 A상 마스크 신호 TPA의 H 레벨의 기간은 A상 센서 신호 SSA가 극대값을 나타내는 타이밍(위상의 π/2의 시점)을 중심으로 한 대칭인 형상을 갖고 있다. 마찬가지로, 제 2 A상 마스크 신호 BTA의 H 레벨의 기간은 A상 센서 신호 SSA가 극소값을 나타내는 타이밍(위상의 3π/2의 시점)을 중심으로 한 대칭인 형상을 갖고 있다. 이와 같이, 이들 마스크 신호 TPA, BTA가 H 레벨인 기간은 A상 센서 신호 SSA가 피크값을 나타내는 타이밍을 중심으로 한 대칭인 형상을 갖고 있다. 바꾸어 말하면, PWM 신호 PWMA의 마스크 기간은 이 신호 PWMA에 의해 모의되는 교류 구동 신호(도 4(b)에 나 타내는 파형)의 극성이 반전하는 타이밍(π 및 2π)을 중심으로 한 시간의 범위에서 신호 PWMA가 마스크되도록 설정되어 있다고 생각하는 것도 가능하다.
그런데, 도 4(a)에서 설명한 바와 같이, A상 서브코일 그룹(14A)은 위상이 2π 근방에서는 그다지 효과적인 구동력을 발생하지 않는다. 위상이 π 근방인 때도 마찬가지이다. 또한, A상 서브코일 그룹(14A)은 위상이 π/2 및 3π/2의 근방에서는 가장 효율적이고 효과적인 구동력을 발생시킨다. 상술한 도 11에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 2단 PWM 회로(130)는 모터의 요구 출력이 작을 때에는 위상이 π 및 2π의 근방에서 A상 서브코일 그룹(14A)에 전압을 인가하지 않는다. 또한, 도 10, 도 11에 나타내는 바와 같이, 위상이 π/2 및 3π/2의 근방을 중심으로 하여 A상 서브코일 그룹(14A)에 전압을 인가하고 있다. 이와 같이, A상 마스크 신호 TPA, BTA는 A상 서브코일 그룹(14A)이 가장 효율적으로 구동력을 발생시키는 기간을 우선적으로 사용하도록 PWM 신호 PWMA를 마스크하고 있으므로, 모터의 효율을 높이는 것이 가능하다. 이들 사정은 B상 서브코일 그룹(24B)에 대해서도 동일하다. 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, B상 서브코일 그룹(24B)은 위상이 π/2와 3π/2의 타이밍에서 극성이 반전하므로, B상 서브코일 그룹(24B)에는 위상이 π/2 및 3π/2의 근방에서 전압을 인가하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
도 12는 재생 제어부(200)와 정류 회로(250)의 내부 구성을 나타내는 도면이다. 재생 제어부(200)는 버스(102)에 접속된 A상 충전 전환부(202)와 B상 충전 전환부(204)와 전자 가변 저항기(206)를 갖고 있다. 두 개의 충전 전환부(202, 204)의 출력 신호는 두 개의 AND 회로(211, 212)의 입력 단자에 인가되고 있다.
A상 충전 전환부(202)는 A상 서브코일 그룹(14A)으로부터의 재생 전력을 회수하는 경우에는 「1」 레벨의 신호를 출력하고, 회수하지 않는 경우에는 「0」 레벨의 신호를 출력한다. B상 충전 전환부(204)도 마찬가지이다. 또, 이들 신호 레벨의 전환은 CPU(110)에 의해 행해진다. 또한, A상 서브코일 그룹(14A)으로부터의 재생의 유무와, B상 서브코일 그룹(24B)으로부터의 재생 유무는 독립적으로 설정할 수 있다. 따라서, 예컨대, A상 서브코일 그룹(14A)을 이용하여 액추에이터에 구동력을 발생시키면서, B상 서브코일 그룹(24B)으로부터 전력을 재생하는 것도 가능하다.
또, 구동 제어부(100)도, 마찬가지로, A상 서브코일 그룹(14A)을 이용하여 구동력을 발생하는지 여부와, B상 서브코일 그룹(24B)을 이용하여 구동력을 발생하는지 여부를, 독립적으로 설정할 수 있도록 구성하여도 좋다. 예컨대, 도 8의 동작 모드 신호 생성부(104)로부터, A상 서브코일 그룹(14A)의 구동 유무를 나타내는 신호와, B상 서브코일 그룹(24B)의 구동의 유무를 나타내는 신호를 출력할 수 있도록 동작 모드 신호 생성부(104)를 구성하면 좋다. 이와 같이 하면, 두 개의 서브코일 그룹(14A, 24B) 중 임의의 한쪽에서 구동력을 발생시키면서, 다른쪽에서 전력을 재생하는 운전 모드로 전동 모터를 운전할 수 있다.
전자 가변 저항기(206)의 양단의 전압은 네 개의 전압 비교기(221∼224)의 두 개의 입력 단자의 한쪽에 인가되고 있다. 전압 비교기(221∼224)의 다른쪽 입력 단자에는, A상 센서 신호 SSA와 B상 센서 신호 SSB가 공급되어 있다. 네 개의 전압 비교기(221∼224)의 출력 신호 TPA, BTA, TPB, BTB는 「마스크 신호」 또는 「허가 신호」라고 할 수 있다.
A상 코일용 마스크 신호 TPA, BTA는 OR 회로(231)에 입력되어 있고, B상용 마스크 신호 TPB, BTB는 다른 OR 회로(232)에 입력되어 있다. 이들 OR 회로(231, 232)의 출력은 상술한 두 개의 AND 회로(211, 212)의 입력 단자에 인가되고 있다. 이들 AND 회로(211, 212)의 출력 신호 MSKA, MSKB도, 「마스크 신호」 또는 「허가 신호」 라고 한다.
그런데, 전자 가변 저항기(206)와 네 개의 전압 비교기(221∼224)의 구성은 도 8에 나타내는 구동 제어부(100)의 전자 가변 저항기(106)와 네 개의 전압 비교기(111∼114)의 구성과 동일하다. 따라서, A상 코일용 OR 회로(231)의 출력 신호는 도 10에 나타내는 마스크 신호 TPA, BTA의 논리합을 취하는 것에 상당한다. 또한, A상 충전 전환부(202)의 출력 신호가 「1」 레벨의 경우에는, A상 코일용 AND 회로(211)로부터 출력되는 마스크 신호 MSKA는 OR 회로(231)의 출력 신호와 같은 것으로 된다. 이들 동작은 B상에 대해서도 마찬가지이다.
정류 회로(250)는 A상 코일용 회로로서, 복수의 다이오드를 포함하는 전파 정류 회로(252)와 두 개의 게이트 트랜지스터(261, 262)와 버퍼 회로(271)와 인버터 회로(272)(NOT 회로)를 갖고 있다. 또, B상용으로도 같은 회로가 마련된다. 게이트 트랜지스터(261, 262)는 재생용 전원 배선(280)에 접속되어 있다.
전력 재생 시에 A상 서브코일 그룹(14A)에서 발생한 교류 전력은 전파 정류 회로(252)에서 정류된다. 게이트 트랜지스터(261, 262)의 게이트에는, A상 코일용 마스크 신호 MSKA와 그 반전 신호가 인가되고 있고, 이에 따라 게이트 트랜지스터 (261, 262)가 온/오프 제어된다. 따라서, 전압 비교기(221, 222)로부터 출력된 마스크 신호 TPA, BTA 중 적어도 한쪽이 H 레벨의 기간에는 재생 전력이 전원 배선(280)에 출력되는 한편, 마스크 신호 TPA, BTA의 쌍방이 L 레벨의 기간에는 전력 재생이 금지된다.
이상의 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 재생 제어부(200)와 정류 회로(250)를 이용하여, 재생 전력을 회수할 수 있다. 또한, 재생 제어부(200)와 정류 회로(250)는 A상 코일용 마스크 신호 MSKA 및 B상 코일용 마스크 신호 MSKB에 따라, A상 서브코일 그룹(14A)과 B상 서브코일 그룹(24B)으로부터의 재생 전력을 회수하는 기간을 제한하고, 이것에 의해 재생 전력의 양을 조정할 수 있다. 단, 재생 제어부(200)와 정류 회로(250)를 생략하여도 좋다.
이상과 같이, 실시예 1의 전동 모터에서는, 자성체 재료의 코어를 전혀 마련하고 있지 않으므로, 코깅이 발생하지 않아, 매끄럽고 안정한 동작을 실현할 수 있다. 또한, 자기 회로를 구성하기 위한 요크가 설치되지 않으므로, 이른바 철손(과전류 손실)이 매우 적어, 효율이 좋은 모터를 실현할 수 있다. 또한, 실시예 1에서는, 자석 그룹(34M)을 사이에 유지한 양쪽에 두 개의 코일 그룹(40AB, 50AB)이 배치되어 있으므로, 자석 그룹(34M) 양쪽의 자속을 구동력의 발생에 이용할 수 있다. 따라서, 종래의 전동 모터와 같이, 자석 그룹의 한쪽만을 구동력 발생에 이용하는 경우에 비하여 자속의 이용 효율이 높고, 효율적이며, 토크가 큰 전동 모터를 실현할 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 두 개의 코일 그룹(40AB, 50AB)에 같은 서브코일 그 룹(14A, 24B)을 각각 마련하고, 서브코일 그룹(14A, 24B) 끼리의 서브코일 그룹 간격 Dc을 자극 피치 Pm의 3/2배로 설정했으므로, 효과적인 구동력이 발생하지 않는 중립 위치가 존재하지 않아, 항상 소망하는 동작 방향(순 방향 또는 역 방향)으로 전동 모터를 시동할 수 있다.
C. 2상 모터 구조의 변형예
도 13(a)∼13(d)는 2상 모터의 변형예 1의 동작을 나타내고 있다. 도 13(a)에 나타내는 바와 같이, 제 1 코일 그룹 구조(40AB)에는, 코일(14A1, 24B1, 14A2, 24B2)이 순서대로 반복하여 배치되어 있고, 이 점에서는 도 4(a)에 나타낸 실시예 1과 동일하다. 단, 변형예 1에서는, 서브코일 그룹 간격 Dc가 자극 피치 Pm(=π)의 1/2이며, 실시예 1의 서브코일 그룹 간격의 1/3의 값으로 되어 있다. 서브코일 그룹 간격 Dc와 자극 피치 Pm의 관계식 Dc=Pm(K/M)에서, 변형예 1은 K=1, M=2의 경우에 상당한다. 제 2 코일 그룹 구조(50AB)도 제 1 코일 그룹 구조(40AB)와 같은 구성을 갖고 있다.
도 13(a)∼13(d)의 동작은 도 5(a)∼5(d)의 동작과 기본적으로는 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 이 변형예 1의 2상 모터도, 실시예 1과 마찬가지의 효과를 달성할 수 있다.
도 14(a)는 2상 모터의 변형예 2를 나타내고 있다. 변형예 2는 실시예 1(도 4(a))의 구성으로부터 자석(34M2)을 생략한 것이고, 다른 점은 실시예 1과 동일하다. 즉, 변형예 2에서의 자석 그룹 구조(30M)는 동일 방향의 극성을 갖는 복수의 자석(34M1) 만으로 구성되어 있다. 이 경우에는, 자석(34M1) 끼리의 피치는 전기각으로 2π에 상당하므로, 자극 피치 Pm은 자석끼리의 피치의 1/2로 된다. 이 예로부터도 이해할 수 있는 바와 같이, 자극 피치 Pm은 자석의 피치가 아니라, N극과 S극의 피치에 상당하는 값이다. 이 변형예 2의 동작도 실시예 1의 동작과 기본적으로 동일하다.
도 14(b)는 2상 모터의 변형예 3을 나타내고 있다. 제 1 코일 그룹 구조(40AB)에는, 하나의 A상 코일(14A1)과 하나의 B상 코일(24B1)만이 배치되어 있다. 제 2 코일 그룹 구조(50AB)도 마찬가지이다. 이 변형예 2에서는, 자석 그룹 구조(30M)가 고정자로서 기능하고, 두 개의 코일 그룹 구조(40AB, 50AB)가 슬라이더로서 기능하는 선형 모터로 구성되어 있다. 서브코일 그룹 간격 Dc는 자극 피치 Pm(=π)의 3/2이며, 실시예 1과 동일하다. 이 변형예 3의 선형 모터도, 실시예 1과 마찬가지의 효과를 달성할 수 있다.
도 14(c)는 2상 모터의 변형예 4를 나타내고 있다. 변형예 4는 변형예 3의 서브코일 그룹 간격 Dc를 자극 피치 Pm(=π)의 7/2로 변경한 것이고, 다른 점은 변형예 3과 동일하다.
변형예 3, 4로부터 이해할 수 있는 바와 같이, A상 코일 그룹과 B상 코일 그룹은 각각 하나 이상의 코일을 포함하도록 구성할 수 있다. 또한, 자석 그룹도 하나 이상의 자석을 포함하도록 구성할 수 있다. 단, 회전식 모터에서는, A상 서브코일 그룹과 B상 서브코일 그룹은 각각 복수의 코일을 포함하고, 또한, 자석 그룹은 복수의 자석을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 회전식 모터에서는, 제 1 코 일 그룹(40AB)의 복수의 코일은 회전 방향을 따라 일정한 피치의 등간격으로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 제 2 코일 그룹(50AB)도 마찬가지이다. 또한, 자석 그룹(34M)의 복수의 자석도, 회전 방향을 따라 일정한 피치로 등간격으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
도 15(a)는 2상 모터의 변형예 5를 나타내고 있다. 이 변형예 5는 실시예 1로부터 제 2 코일 그룹 구조(50AB)를 생략한 것이고, 다른 구성은 실시예 1과 동일하다. 변형예 5는 하나의 코일 그룹 구조(40AB)가 자석 그룹 구조(30M)의 한쪽에 마련된 편면(片面) 배치 구조를 갖고 있다. 이 점은 실시예 1이나 상술한 각종 변형예가, 양면 배치 구조(자석 그룹의 양쪽에 코일 그룹이 각각 마련되는 구조)를 채용하고 있었던 점과의 큰 차이이다. 또한, 도 15(a)에 나타내는 바와 같이, 편면 배치 구조에서는, 자석 그룹 구조(30M)의 뒤쪽(코일 그룹과는 반대쪽)에, 자성체로 구성된 요크 재료(36)를 마련하도록 하여도 좋다. 이러한 요크 재료(36)를 마련하는 것에 따라, 자석 그룹 구조(30M)의 코일 그룹 구조(40AB)와 면한 쪽에 있어서의 자속 밀도를 높일 수 있다. 또, 양면 배치 구조에서는 이러한 요크 재료는 불필요하다.
도 15(b)는 2상 모터의 변형예 6을 나타내고 있다. 이 변형예 6은 변형예 5의 서브코일 그룹 간격 Dc를 자극 피치 Pm(=π)의 9/2로 변경한 것이고, 다른 점은 변형예 5와 동일하다.
이들 다수의 변형예로부터도 이해할 수 있는 바와 같이, 관계식 Dc=Pm(K/M)에 있어서의 K의 값으로는, 상수 M의 정수배 이외의 여러 가지의 값을 채용할 수 있다. 상술한 바와 같이, K가 M의 정수배인 경우를 제외하고 있는 이유는, 이 경우에 전동 모터를 시동할 수 없는 중립 위치가 발생하기 때문이다.
D. 2상 모터의 회로 구성의 변형예
도 16은 구동 제어부(100)(도 8)의 변형예 1을 나타내는 블럭도이다. 이 구동 제어부(100a)는 동작 모드 신호 생성부(104a)와, 구동 신호 생성부(160)와, 두 개의 EXOR 회로(161, 162)를 구비하고 있다. 동작 모드 신호 생성부(104a)는 사용자의 지시에 따라, 구동 신호 전환 신호 S1과 회전 방향 신호 S2를 출력한다. 구동 전환 신호 S1은 직접 구동 모드(후술함)와, PWM 구동 모드를 전환하기 위한 신호이다. 회전 방향 신호 S2는 순방향과 역방향을 전환하는 신호이다. 회전 방향 신호 S2는 A상 센서 신호 SSA와 동시에 제 1 EXOR 회로(161)에 입력되고, 또한, B상 센서 신호 SSB와 동시에 제 2 EXOR 회로(162)에 입력된다. 또, 여기서는 A상 센서와 B상 센서가 디지털 출력을 갖는 것으로 하고 있다. 구동 신호 생성부(160)는 EXOR 회로(161, 162)의 출력을 이용하여 A상 구동 신호 DRVA1, DRVA2와, B상 구동 신호 DRVB1, DRVB2를 생성한다.
도 17은 구동 신호 생성부(160)가 직접 구동 모드로 동작하는 경우의 신호 파형을 나타내고 있다. A상 구동 신호 DRVA1, DRVA2는 A상 센서 신호 SSA를 증폭한 것에 상당하고, B상 구동 신호 DRVB1, DRVB2는 B상 센서 신호 SB를 증폭한 것에 상당한다. 이 예로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 직접 구동 모드에서는, 센서 신호의 파형을 그대로 이용하여 구동 신호를 생성한다.
PWM 구동 모드는 상술한 도 10 및 도 11과 마찬가지의 구동 신호를 생성하는 모드이다. PWM 구동 모드를 실행하기 위한 회로 구성은 도 8에 나타내는 것과 거의 같으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 18은 구동 제어부의 변형예 2를 나타내는 블럭도이다. 이 구동 제어부(100b)는 동작 모드 신호 생성부(104b)와, 전자 가변 저항기(106)와, 네 개의 전압 비교기(111∼114)와, 멀티플렉서(120)를 구비하고 있다. 동작 모드 신호 생성부(104b)는 사용자의 지시에 따라 회전 방향 신호 S2를 출력한다. 전자 가변 저항기(106)와 네 개의 전압 비교기(111∼114)와 멀티플렉서(120)는 도 8에 나타낸 이들 회로와 동일하고, 이들 회로에 의해 구동 신호 생성부를 구성하고 있다.
도 19는 도 18에 나타내는 구동 제어부(100b)의 신호 파형을 나타내는 타이밍 차트이다. 이 구동 제어부(100b)의 동작은 정현파를 모의한 PWM 신호를 이용하지 않는 점에서 도 10 및 도 11에 나타낸 것과 다르지만, 다른 점은 도 10 및 도 11과 거의 동일하다. 또한, 도 19에 있어서도, 구동 신호 DRVA1, DRVA2, DRVB1, DRVB2의 듀티는 히스테리시스 레벨에 따라 변경할 수 있다.
도 20은 도 9에 나타낸 드라이버 회로(150)의 변형예를 나타내는 블럭도이다. 이 드라이버 회로(150a)는 도 9의 두 개의 H형 브리지 회로(120A, 130B)의 오른쪽 두 개의 트랜지스터를 A상과 B상으로 공용함으로써, 회로 구성을 간략화한 것이다. 공용화된 두 개의 트랜지스터(155, 156)는 도 20에서는 도면의 아래쪽에 그려져 있다. 이들 두 개의 트랜지스터(155, 156)의 게이트에는, NOR 회로(151)와 OR 회로(152)의 출력이 각각 입력되어 있다. NOR 회로(151)의 입력 단자에는, 구 동 신호 DRVA2, DRVB2가 공급되어 있다. OR 회로(152)의 입력 단자에는, 구동 신호 DRVA1, DRVB1이 공급되어 있다. 이 회로 구성은 도 9에 나타내는 두 개의 브리지 회로(120A, 130B)를 결합한 것에 상당하는 것을 이해할 수 있다. 또, 두 개의 트랜지스터(155, 156)에는 과전류 방지 회로(153, 154)가 각각 마련되지만, 이들은 생략 가능하다.
도 16 내지 도 20에 나타내는 바와 같이, 회로 구성에서는 여러 가지의 구성을 채용할 수 있다. 또한, 이들 이외의 회로 구성을 채용하여도 좋다.
E. 2상 모터의 적용예
도 21(a), 21(b)는 본 발명의 실시예로서의 2상 모터의 기계적 구성의 일례를 나타내는 단면도이다. 이 2상 모터는 대략 원통형 회전자(30M)(자석 그룹 구조)가 대략 원통형의 이중 구조의 고정자(40AB, 50AB)(코일 그룹 구조) 사이에 삽입된 삽입 회전자 구조를 갖고 있다. 즉, 두 개의 코일 그룹 구조(40AB, 50AB)는 중공의 2중 원통 구조를 구성하는 두 개의 원통 부재를 구성하고 있고, 자석 그룹 구조(30M)는 코일 그룹 구조(40AB, 50AB) 사이에 삽입된 다른 원통 부재로서 구성되어 있다. 이와 같이, 세 개의 공중 원통 부재를 동축 형상으로 포갠 구조를, 이하, 「공중 다중 원통 구조」라고도 부른다.
도 22(a), 22(b)는 회전자와 고정자를 분리하여 나타내고 있다. 도 22(a)에 나타내는 고정자는 두 개의 코일 그룹 구조(40AB, 50AB)를 갖고 있다. 바깥쪽에 있는 코일 그룹 구조(40AB)의 지지 부재(42)는 중공 원통형 케이스를 구성하고 있 다. 이 케이스(42)의 원통면의 바깥쪽에는, 자기 차폐 부재(43)가 마련된다. 이 자기 차폐 부재(43)는 자기가 모터의 외부로 새지 않도록 하기 위한 것이고, 매우 얇은 강자성 재료(예컨대, 퍼멀로이)로 형성되어 있다. 단, 자기 차폐 부재(43)는 자기 회로를 구성하기 위한 요크로서의 기능은 갖고 있지 않다. 또, 모터에 사용되고 있는 부재가 요크로서의 기능을 갖고 있는지 여부는 자기 차폐 부재가 있는 경우와 없는 경우의 코일의 표면 자속 밀도에 따라 판정할 수 있다. 예컨대, 자기 차폐 부재(43)를 마련한 때에, 코일의 표면 자속 밀도가 10% 이상 증가하는 경우에는 요크로서의 기능을 갖고 있다고 판정하고, 10% 미만인 경우에는 요크로서의 기능을 갖고 있지 않다고 판정할 수 있다. 또, 이 판정 기준은 10%가 아니라 5%로 하여도 좋다.
고정자 내부의 기판(220)에는, 구동 회로 유닛(500)(도 7)이 마련된다. 구동 회로 유닛(500)에는, 전기 배선(210)을 통해 외부로부터 전원과 제어 신호가 공급된다.
회전자(30M)는 자석 그룹(34M)을 갖고 있고, 또한, 중심에 축(37)이 마련된다. 도 22(a)에 나타내는 바와 같이, 고정자 왼쪽의 저면에는, 베어링부(38)가 마련된다. 또한, 도 22(b)에 나타내는 바와 같이, 회전자(30M)의 삽입 후에 케이스를 닫기 위한 뚜껑(39)에도, 베어링부(36)가 마련된다.
또, 도 21(b)의 예에서는, 제 1 코일 그룹 구조(40AB)와 제 2 코일 그룹 구조(50AB)는 각각 네 개의 코일을 갖고 있고, 자석 그룹(34M)은 여섯개의 자석을 갖고 있다. 단, 코일이나 자석의 수는 다른 값으로 설정할 수 있다. 이 2상 모터는 공중 다중 원통 구조를 갖고 있으므로, 회전자의 진동이 적다고 하는 이점이 있다.
도 23(a), 23(b)는 2상 모터의 기계적 구성의 다른 예를 나타내는 단면도이다. 이 2상 모터는 도 21(a), 21(b)의 구성으로부터 제 2 코일 그룹 구조(50AB)를 생략한 것이고, 대략 원통형 회전자(30M)(자석 그룹 구조)가 대략 원통형의 고정자(40AB)(제 1 코일 그룹 구조)의 안쪽에 삽입된 내측 회전자 구조를 갖고 있다. 코일과 자석의 배치는 도 15(a), 15(b)에 나타낸 편면 배치에 상당하고 있다. 단, 내측 회전자 구조를 이용하여 편면 배치를 실현한 경우에는, 도 15(a), 15(b)에 나타내는 요크 재료(36)는 생략 가능하다.
도 24(a), 24(b)는 2상 모터의 기계적 구성의 또 다른 예를 나타내는 단면도이다. 이 2상 모터는 원반 형상의 회전자(30M)(자석 그룹 구조)가, 원반 형상의 이중 구조의 고정자(40AB, 50AB)(코일 그룹 구조)의 사이에 삽입된 편평 회전자 구조를 갖고 있다. 이와 같은 편평 회전자 구조를 채용하면, 모터의 두께를 얇게 할 수 있다.
도 25(a), 25(b)는 2상 모터의 기계적 구성의 또 다른 예를 나타내는 단면도이다. 이 2상 모터는 도 24(a), 24(b)의 구성으로부터 제 2 코일 그룹 구조(50AB)를 생략한 것이고, 원반 형상의 회전자(30M)(자석 그룹 구조)가, 원반 형상의 고정자(40AB)(제 1 코일 그룹 구조)와 대향하는 편평 회전자 구조를 갖고 있다. 회전자(30M)의 배면쪽(도면 중 오른쪽 면)에는, 요크 재료(36)가 배치되어 있다. 코일과 자석의 배치는 도 15(a), 15(b)에 나타내는 편면 배치에 상당하고 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 전동기는 여러 가지의 기계적 구성을 채용할 수 있다.
F. 실시예 2(3상 모터)
도 26(a)∼26(c)는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 전동 모터의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 이 실시예 3의 모터는 A상과 B상과 C상의 세 개의 서브코일 그룹을 갖는 3상 모터이다. 자석 그룹 구조(30M)는 도 4(a)에 나타내는 실시예 1의 자석 그룹 구조와 같은 구성을 갖고 있다. 자석 그룹 구조(30M)의 양쪽에는, 제 1 코일 그룹(40ABC)과 제 2 코일 그룹(50ABC)이 마련된다. 제 1 코일 그룹 구조(40ABC)는 A상 서브코일 그룹의 코일(91A1)과, B상 서브코일 그룹의 코일(92B1)과, C상 서브코일 그룹의 코일(93C1)이 반복하여 배치된 것이다. 또, 도 26(a)∼26(c)에서는, 도시의 편의상, A상 서브코일 그룹의 코일을 실선으로, B상 서브코일 그룹의 코일을 점선으로, C상 서브코일 그룹의 코일을 파선으로 그리고 있다. 제 2 코일 그룹 구조(50ABC)도 제 1 코일 그룹 구조(40ABC)와 동일한 구성을 갖고 있다. 또한, 제 1 와 제 2 코일 그룹 구조(40ABC, 50ABC)의 같은 상의 코일은 서로 대향하는 위치에 배치되어 있다. A상, B상, C상의 각 상의 서브코일 그룹 간격 Dc는 자극 피치 Pm의 2/3배이며, 전기각으로 2π/3에 상당한다. 즉, 서브코일 그룹 간격 Dc와 자극 피치 Pm의 관계식 Dc=Pm(K/M)에서, 실시예 2는 K=2, M=3의 경우에 상당한다.
또, A상 서브코일 그룹은 1종류의 코일(91A1)만으로 구성되어 있다. B상 및 C상도 마찬가지이다. 이 점은 실시예 1(도 4(a))에서 A상 서브코일 그룹이 서로 역 방향으로 여자되는 두 종류의 코일(14A1, 14A2)로 구성되어 있던 점과 다르다. 그 이유는, 실시예 2에서는, 서브코일 그룹 간격 Dc(=2 Pm/3=2π/3)에 상수 M(=3)을 곱한 값 Dc×M이, 전기각으로 2π가 되기 때문이다. Dc×M의 값은 같은 상의 인접하는 코일끼리의 거리에 상당한다. 따라서, 이 거리 Dc×M이 2π와 같은 경우에는, 같은 상의 인접하는 코일끼리는 항상 같은 극성으로 여자된다. 또, 일반적으로는, 정수 K의 값이 우수의 경우에는, 각 상의 서브코일 그룹 내의 모든 코일이 항상 같은 극성으로 여자된다. 한편, 정수 K의 값이 기수의 경우에는, 각 상의 서브코일 그룹 내의 인접하는 코일끼리가 항상 역의 극성으로 여자 된다.
도 26(A)는 위상이 2π 직전인 상태를 나타내고 있다. 위상이 2π의 타이밍에서는, A상 서브코일 그룹(91A1)의 극성이 반전된다. 도 26(b)는 위상이 π/3의 직전인 상태를 나타내고 있다. 위상이 π/3의 타이밍에서는, C상 서브코일 그룹(93C1)의 극성이 반전된다. 도 26(c)는 위상이 2π/3의 직전의 상태를 나타내고 있다. 위상이 2π/3의 타이밍에서는, B상 서브코일 그룹(92B1)의 극성이 반전된다.
이 실시예 2의 3상 모터에 있어서도, A상 서브코일 그룹(91A1)의 극성(자화 방향)은 A상 서브코일 그룹(91A1)의 각 코일이 자석 그룹(30M)의 각 자석과 대향하는 타이밍에서 전환된다. B상 서브코일 그룹 및 C상 서브코일 그룹도 마찬가지이다. 그 결과, 모든 코일로부터 항상 구동력을 발생시킬 수 있으므로, 큰 토크를 발생할 수 있다.
또, 실시예 2의 3상 모터도, 실시예 1과 마찬가지로, 자성체의 코어를 갖지 않고, 자기 회로를 구성하는 요크도 갖지 않는다. 또한, 회전축과 베어링부 이외의 구조 재료는 전부 비자성, 비도전성 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 27은 실시예 2에 있어서의 구동 제어부의 구성을 나타내는 블럭도이다. 이 구동 제어부(100c)는 도 8에 나타내는 2상 모터용 회로에, C상을 위한 회로 부분(예컨대, 전압 비교기(115, 116))을 추가하고, 또한, 정현파 발생 회로(108)를 추가한 것이다.
정현파 발생 회로(108)는 3상의 센서 신호 SSA, SSB, SSC에 따라, 위상이 2π/3씩 순차적으로 어긋난 세 개의 정현파 신호 SA, SB, SC를 발생한다. 세 개의 정현파 신호 SA, SB, SC는 전압 비교기(111∼116)에 입력되고, 또한, 2단 PWM 회로(130a)에도 공급된다. 또, 멀티플렉서(120a) 및 2단 PWM 회로(130a)는 도 8에 나타내는 이들 회로를 3상용으로 변경한 것이다. 2단 PWM 회로(130a)에서는, 3상의 구동 신호쌍(DRVA1, DRVA2), (DRVB1, DRVB2), (DRVC1, DRVC2)가 출력된다. 또, 각 구동 신호의 파형은 도 10 및 도 11에 나타낸 것과 거의 동일하고, 각 상의 위상차가 2π/3인 점만이 다르다.
도 28은 실시예 2에 있어서의 드라이버 회로의 구성을 나타내는 블럭도이다. 이 드라이버 회로(150c)는 서브코일 그룹(91A, 92B, 93C)을 구동하기 위한 3상 브리지 회로이다.
도 29는 실시예 2의 센서 신호와 각 상의 코일의 여자 방향을 나타내는 타이밍 차트이다. A, B, C상의 센서 신호 SSA, SSB, SSC는 전기각으로 π 길이의 기간마다 H 레벨과 L 레벨로 바뀌는 디지털 신호이다. 또한, 각 상의 위상은 2π/3씩 순차적으로 어긋나고 있다. 도 29의 하부에는, A, B, C상의 각 서브코일 그룹의 여자 방향이 나타내어져 있다. 각 서브코일 그룹의 여자 방향은 세 개의 센서 신호 SSA, SSB, SSC의 논리 연산으로 결정되어 있다.
도 30(a)∼30(f)는 도 29의 여섯 개의 기간 P1∼P6에 있어서의 전류 방향을 나타내고 있다. 본 실시예에서는, A, B, C상의 서브코일 그룹이 스타 결선되어 있지만 델타 결선하여도 좋다. 기간 P1에서는, B상 서브코일 그룹으로부터 A상과 C상의 서브코일 그룹으로 전류가 흐른다. 기간 P2에서는, B상과 C상의 서브코일 그룹으로부터 A상 서브코일 그룹으로 전류가 흐른다. 이와 같이, A, B, C상의 각 서브코일 그룹에 항상 전류가 흐르도록 각 서브코일 그룹을 구동하면, 큰 토크를 발생시킬 수 있다.
실시예 2의 3상 모터에 있어서도, 자석 그룹 구조(30M)의 양쪽에 두 개의 코일 그룹 구조(40ABC, 50ABC)를 마련하고, 자석 그룹 구조(30M)의 양쪽 자속을 이용하여 구동력을 발생시키고 있으므로, 큰 구동력을 얻을 수 있다. 또한, 실시예 2의 3상 모터도, 자성체의 코어 및 요크를 전혀 마련하지 않는 구성으로 했으므로, 경량으로 큰 토크를 얻을 수 있다. 또한, 코깅이 없고, 아주 낮은 회전수까지 안정한 회전을 유지할 수 있다. 단, 두 개의 코일 그룹 구조(40ABC, 50ABC)의 한쪽을 생략하여 편면 구조를 채용하여도 좋다. 이 경우에는, 자석 그룹 구조(30M)에 요크 재료(36)(도 15(a), 15(b))를 마련하도록 하여도 좋다.
또, 3상 모터의 기계적 구조로는, 상술한 삽입 회전자 구조나, 내측 회전자 구조, 편평 회전자 구조, 선형 모터 구조 등의 각종 구조를 채용할 수 있다. 또 한, 상술한 실시예 1의 각종 변형예와 마찬가지의 변형을, 실시예 2의 3상 모터에도 적용할 수 있다.
G. 실시예 3(4상 모터)
도 31(a)∼31(d)는 본 발명의 실시예 3에 있어서의 전동 모터의 개략 구성과 동작을 나타내는 설명도이다. 이 실시예 3의 모터는 A상과 B상과 C상과 D상의 네 개의 서브코일 그룹을 갖는 4상 모터이다. 자석 그룹 구조(30M)는 도 4(a)에 나타내는 실시예 1의 자석 그룹 구조와 같은 구성을 갖고 있다. 자석 그룹 구조(30M)의 양쪽에는, 제 1 코일 그룹(40ABCD)과 제 2 코일 그룹(50ABCD)이 마련된다. 제 1 코일 그룹 구조(40ABCD)는 A상 서브코일 그룹의 코일(91A1, 91A2)과, B상 서브코일 그룹의 코일(92B1, 92B2)과, C상 서브코일 그룹의 코일(93C1, 93C1)과, D상 서브코일 그룹의 코일(94D1, 94D2)이 소정의 순서로 배치된 것이다. 또, 도 31(a)∼31(d)에서는, 도시의 편의상, A상 서브코일 그룹의 코일을 실선으로, B상 서브코일 그룹의 코일을 점선으로, C상 서브코일 그룹의 코일을 파선으로, D상 서브코일 그룹의 코일을 일점 쇄선으로 그리고 있다. 제 2 코일 그룹 구조(50ABCD)도 제 1 코일 그룹 구조(40ABCD)와 같은 구성을 갖고 있다. 또한, 제 1 와 제 2 코일 그룹 구조(40ABCD, 50ABCD)의 같은 상의 코일은 서로 대향하는 위치에 배치되어 있다. A상, B상, C상, D상의 각 상의 서브코일 그룹 간격 Dc는 자극 피치 Pm의 3/4배이며, 전기각으로 3π/4에 상당한다. 즉, 서브코일 그룹 간격 Dc와 자극 피치 Pm과의 관계식 Dc=Pm(K/M)에서, 실시예 3은 K=3, M=4의 경우에 상당한다.
또, A상 서브코일 그룹은 서로 역 방향으로 여자되는 두 종류의 코일(91A1, 91A2)로 구성되어 있다. 다른 상도 마찬가지이다. 그 이유는, 실시예 2에서 설명한 바와 같이, 서브코일 그룹 간격 Dc와 자극 피치 Pm의 관계식 Dc=Pm(K/M)에서, 정수 K가 기수이기 때문이다.
도 31(a)는 위상이 2π 직전의 상태를 나타내고 있다. 위상이 2π의 타이밍에서는, D상 서브코일 그룹(94D)의 극성이 반전된다. 도 31(b)는 위상이 π/4의 직전의 상태를 나타내고 있다. 위상이 π/4의 타이밍에서는, C상 서브코일 그룹(93C)의 극성이 반전된다. 도 31(c)는 위상이 π/2의 직전의 상태를 나타내고 있다. 위상이 π/2의 타이밍에서는, B상 서브코일 그룹(92B)의 극성이 반전된다. 도 31(d)는 위상이 3π/4의 직전의 상태를 나타내고 있다. 위상이 3π/4의 타이밍에서는, A상 서브코일 그룹(91A)의 극성이 반전된다.
이 실시예 3의 4상 모터에 있어서도, A상 서브코일 그룹(91A)의 극성(자화 방향)은 A상 서브코일 그룹(91A)의 각 코일이 자석 그룹(30M)의 각 자석과 대향하는 타이밍에서 전환된다. 다른 상의 서브코일 그룹도 마찬가지이다. 그 결과, 모든 코일로부터 항상 구동력을 발생시킬 수 있으므로, 큰 토크를 발생할 수 있다.
또, 실시예 3의 4상 모터도, 실시예 1과 마찬가지로, 자성체의 코어를 갖지 않고, 자기 회로를 구성하는 요크도 갖고 있지 않다. 또한, 회전축과 베어링부 이외의 구조 재료는 모두 비자성, 비도전성 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
도 32는 실시예 3의 센서 신호와 각 상의 코일의 여자 방향을 나타내는 타이밍 차트이다. 또, 실시예 3의 구동 회로 유닛의 구성은 상술한 실시예 1(도 7, 도 8) 및 실시예 2(도 27)로부터 유추하여 용이하게 구성 가능하므로 설명을 생략한다. 도 32에서, 각 상의 위상은 3π/4씩 순차적으로 어긋나고 있다. 도 32의 하부에는, 각 상의 서브코일 그룹의 여자 방향이 나타내어져 있다. 각 서브코일 그룹의 여자 방향은 네 개의 센서 신호 SSA, SSB, SSC, SSD의 논리 연산으로 결정되어 있다.
실시예 3의 4상 모터에 있어서도, 자석 그룹 구조(30M) 양쪽에 두 개의 코일 그룹 구조(40ABCD, 50ABCD)를 마련하고, 자석 그룹 구조(30M) 양쪽의 자속을 이용하여 구동력을 발생시키고 있으므로, 큰 구동력을 얻을 수 있다. 또한, 실시예 3의 4상 모터도, 자성체의 코어 및 요크를 전혀 마련하지 않는 구성으로 했으므로, 경량으로 큰 토크를 얻을 수 있다. 또한, 코깅이 없고, 아주 낮은 회전수까지 안정한 회전을 유지할 수 있다. 단, 두 개의 코일 그룹 구조(40ABCD, 50ABCD)의 한쪽을 생략하여 편면 구조를 채용하여도 좋다. 이 경우에는, 자석 그룹 구조(30M)에 요크 재료(36)(도 15(a), 15(b))를 마련하도록 하여도 좋다.
또, 4상 모터의 기계적 구조로는, 상술한 삽입 회전자 구조나, 내측 회전자 구조, 편평 로터 구조, 선형 모터 구조 등의 각종 구조를 채용할 수 있다. 또한, 상술한 실시예 1의 각종 변형예와 마찬가지의 변형을, 실시예 3의 4상 모터에도 적용할 수 있다.
이상의 각종의 실시예로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 M조의 서브코일 그룹을 갖는 M상의 모터로서 구성할 수 있다. 이 때, 각 서브코일 그룹은 각각 하나 이상의 코일로 구성된다. 또한, 자석 그룹도 하나 이상의 자석으로 구 성할 수 있다. 단, 자석 그룹이 하나의 자석만으로 구성될 때에는, 각 서브코일 그룹은 복수의 코일로 구성된다. 한편, 각 서브코일 그룹이 하나의 코일만으로 구성되는 경우에는, 자석 그룹은 복수의 자석으로 구성된다.
또한, 구동 신호 생성 회로와 재생 회로는 M조의 서브코일 그룹 중 적어도 하나의 서브코일 그룹으로부터 구동력을 발생시키면서, 적어도 하나의 다른 서브코일 그룹으로부터 전력을 재생하는 운전 모드로 전동기를 운전하는 것이 가능한 회로 구성을 채용할 수 있다.
H. 그 밖의 변형예
(1) 도 33(a)는 코일 형상과 자석 형상의 변형예를 나타내는 설명도이며, 모터의 오른쪽 절반의 종단면도를 나타내고 있다. 회전자(30M)는 회전축(37)을 중심으로 하여 회전한다. 회전자(30M)의 외주에는, 자석(34M)이 마련되어 있고, 그 상하에 A상 코일(14A1)이 각각 배치되어 있다. 또, 이 도에서는 다른 상의 코일은 도시가 생략되어 있다. 자석(34M)은 외주부의 중앙에 오목부를 갖고 있고, 상하 방향으로 착자(着磁)되어 있다. 코일(14A1)은 통상의 평면적인 환상 코일이다.
도 33(b)는 평면적인 환상 코일(14A1)의 대신, 자석(34M)의 외형을 따라 L자형으로 꺾인 환상 코일(14A1a)을 이용한 구조를 나타내고 있다. 이러한 꺾인 환상 코일(14A1a)를 이용하도록 하면, 자석(34M)의 상하에 있는 볼록부 근방에 있어서의 자속을 효과적으로 이용할 수 있다. 따라서, 전동기의 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
(2) 상기 실시예나 변형예에서는, 주로 회전식 모터에 대하여 설명했지만, 본 발명은 회전식 모터 이외의 여러 가지의 전동기에 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 액추에이터에 한하지 않고, 발전기에도 적용 가능하다.
(3) 상기 실시예나 변형예에서는, 주로 복수의 코일 그룹이 고정자를 구성하고, 자석 그룹이 회전자를 구성했었지만, 역의 구성으로 하는 것도 가능하다. 일반적으로, 본 발명은 복수의 코일 그룹과 자석 그룹의 상대적인 위치가 변화 가능한 액추에이터나 발전기에 적용할 수 있다.
(4) 상기 실시예나 변형예에서 사용한 회로 구성은 일례이며, 이들 이외의 여러 가지의 회로 구성을 채용할 수 있다.
본 발명은 회전식 모터나 선형 모터 등의 여러 가지의 전동기 및 발전기에 적용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 전동기로서,
    소정 방향을 따라 배치된 복수의 코일을 포함하는 제 1 코일 그룹과,
    상기 제 1 코일 그룹에 대면하고 있고, 또한 상기 제 1 코일 그룹에 대하여 상기 소정 방향을 따라 상대적으로 이동 가능한 자석 그룹
    을 구비하되,
    상기 제 1 코일 그룹은 각각 n개(n은 1 이상의 정수)의 코일로 구성되는 M상(M은 2 이상의 정수)의 서브코일 그룹으로 분류되어 있고, 또한 상기 소정 방향을 따라 제 1상 서브코일 그룹으로부터 제 M상 서브코일 그룹까지의 각 서브코일 그룹의 코일이 소정의 서브코일 그룹 간격 Dc로 하나씩 순서대로 배열되어 있고, 상기 자석 그룹에 관하여 상기 소정 방향을 따라 전기각으로 π에 상당하는 거리를 자극 피치 Pm이라고 정의했을 때, 상기 서브코일 그룹 간격 Dc는 상기 자극 피치 Pm의 K/M배(K는 M의 정수배를 제외한 정수)의 값으로 설정되어 있고,
    인접하는 서브코일 그룹끼리는 (K/M)π의 위상차로 구동되고,
    각 코일은 자성체 재료의 코어를 실질적으로 갖지 않으며,
    상기 제 1 코일 그룹 쪽에서 상기 자석 그룹을 보았을 때, 상기 소정 방향을 따라 N극과 S극 중 어느 한쪽인 같은 극이 반복 배치되어 있고, 상기 같은 극끼리의 피치는 상기 자극 피치 Pm의 2배와 같은
    전동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코일 그룹 쪽에서 상기 자석 그룹을 보았을 때, 상기 소정 방향을 따라 N극과 S극이 번갈아 배치되어 있고, 상기 N극과 S극의 피치는 상기 자극 피치 Pm과 같은 전동기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 코일 그룹과 상기 자석 그룹을 수납하는 케이스를 더 구비하고 있고,
    각 코일은 실질적으로 비자성 또한 비도전성의 재료로 형성된 코어의 주위에 감겨져 있고,
    상기 케이스는 실질적으로 비자성 또한 비도전성 재료로 형성되어 있는
    전동기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    회전축과 베어링부 이외의 구조 재료는 실질적으로 비자성 또한 비도전성 재료로 형성되어 있는 전동기.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 정수 K는 기수이고, 각 서브코일 그룹의 코일 수 n은 2 이상이며, 동일 상(相)의 서브코일 그룹에 속하는 인접하는 코일끼리가 항상 역극성으로 여자되도록 서로 접속되어 있는 전동기.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 정수 K는 우수이고, 각 서브코일 그룹의 코일 수 n은 2 이상이며, 동일 상의 서브코일 그룹에 속하는 모든 코일이 항상 같은 극성으로 여자되도록 서로 접속되어 있는 전동기.
  8. 전동기로서,
    소정 방향을 따라 배치된 복수의 코일을 포함하는 제 1 코일 그룹과,
    상기 제 1 코일 그룹에 대면하고 있고, 또한 상기 제 1 코일 그룹에 대하여 상기 소정 방향을 따라 상대적으로 이동 가능한 자석 그룹과,
    상기 자석 그룹을 사이에 두고 상기 제 1 코일 그룹과 반대쪽에 마련되고, 또한 상기 제 1 코일 그룹과의 상대적인 위치가 고정되어 있는 제 2 코일 그룹
    을 구비하되,
    상기 제 1 코일 그룹은 각각 n개(n은 1 이상의 정수)의 코일로 구성되는 M상(M은 2 이상의 정수)의 서브코일 그룹으로 분류되어 있고, 또한 상기 소정 방향을 따라 제 1상 서브코일 그룹으로부터 제 M상 서브코일 그룹까지의 각 서브코일 그룹의 코일이 소정의 서브코일 그룹 간격 Dc로 하나씩 순서대로 배열되어 있고, 상기 자석 그룹에 관하여 상기 소정 방향을 따라 전기각으로 π에 상당하는 거리를 자극 피치 Pm이라고 정의했을 때, 상기 서브코일 그룹 간격 Dc는 상기 자극 피치 Pm의 K/M배(K는 M의 정수배를 제외한 정수)의 값으로 설정되어 있고,
    인접하는 서브코일 그룹끼리는, (K/M)π의 위상차로 구동되고,
    각 코일은 자성체 재료의 코어를 실질적으로 갖지 않으며,
    상기 제 2 코일 그룹은 상기 제 1 코일 그룹과 동일한 코일 배치를 갖고 있고,
    상기 제 1 코일 그룹의 제 m상의 서브코일 그룹(m은 1∼M의 정수)과, 상기 제 2 코일 그룹의 제 m상의 서브코일 그룹은 상기 자석군을 사이에 두고 대향하는 위치에 배치되어 있고, 또한 항상 같은 극성으로 여자되는
    전동기.
  9. 전동기로서,
    소정 방향을 따라 배치된 복수의 코일을 포함하는 제 1 코일 그룹과,
    상기 제 1 코일 그룹에 대면하고 있고, 또한 상기 제 1 코일 그룹에 대하여 상기 소정 방향을 따라 상대적으로 이동 가능한 자석 그룹
    을 구비하되,
    상기 제 1 코일 그룹은 각각 n개(n은 1 이상의 정수)의 코일로 구성되는 M상(M은 2 이상의 정수)의 서브코일 그룹으로 분류되어 있고, 또한 상기 소정 방향을 따라 제 1상 서브코일 그룹으로부터 제 M상 서브코일 그룹까지의 각 서브코일 그룹의 코일이 소정의 서브코일 그룹 간격 Dc로 하나씩 순서대로 배열되어 있고, 상기 자석 그룹에 관하여 상기 소정 방향을 따라 전기각으로 π에 상당하는 거리를 자극 피치 Pm이라고 정의했을 때, 상기 서브코일 그룹 간격 Dc는 상기 자극 피치 Pm의 K/M배(K는 M의 정수배를 제외한 정수)의 값으로 설정되어 있고,
    인접하는 서브코일 그룹끼리는, (K/M)π의 위상차로 구동되고,
    각 코일은 자성체 재료의 코어를 실질적으로 갖지 않으며,
    상기 M상의 서브코일 그룹에 공급하는 M개의 교류 구동 신호를 공급하기 위한 구동 신호 생성 회로를 더 구비하고,
    상기 구동 신호 생성 회로는 각 서브코일 그룹에 속하는 각 코일의 극성이 상기 자석 그룹 내의 자석의 중심과 각 코일의 중심이 대향하는 타이밍에서 전환되고, 또한 동일 상의 서브코일 그룹에 속하는 인접하는 코일끼리 사이의 중앙 위치가 상기 자석 그룹 내의 자석의 중심과 대향하는 타이밍에서 당해 서브코일 그룹에서의 자속 밀도가 가장 커지도록, 상기 M개의 교류 구동 신호를 생성하는
    전동기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구동 신호 생성 회로는 각 서브코일 그룹의 전류 방향을 역전시킴으로써, 상기 제 1 코일 그룹과 상기 자석 그룹의 동작 방향을 역전시키는 것이 가능한 전동기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 구동 신호 생성 회로는,
    위상이 (K/M)π만큼 상호 어긋난 M개의 PWM 신호를 각각 생성하는 PWM 회로와,
    상기 전동기의 출력 요구에 따라 상기 M개의 PWM 신호를 마스크함으로써 상기 M개의 교류 구동 신호를 생성하는 마스크 회로를 구비하는
    전동기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 마스크 회로는 각 교류 구동 신호의 극성이 반전하는 타이밍을 중심으로 한 대칭인 시간적 범위에서 각 PWM 신호를 마스크하는 전동기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 코일 그룹으로부터 전력을 재생하기 위한 재생 회로를 더 구비하고,
    상기 구동 신호 생성 회로와 상기 재생 회로는, 상기 M상의 서브코일 그룹중 적어도 1상의 서브코일 그룹으로부터 구동력을 발생시키면서, 다른 적어도 1상의 서브코일 그룹으로부터 전력을 재생하는 운전 모드로 상기 전동기를 운전할 수 있는 전동기.
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