JP4984745B2 - コアレスブラシレスモータ - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石と電磁コイルとを利用したコアレスブラシレスモータに関する。

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

従来のブラシレスモータでは、電磁コイルに磁性体のコアを設けて磁束の有効利用を図るのが一般的であった。但し、磁性体のコアを設けないコアレスモータも従来から知られている。コアレスモータでは、コギングの無いなめらかな駆動を実現することが可能である。しかしながら、本発明の発明者は、従来のコアレスブラシレスモータにおいて、磁束の有効利用が必ずしも十分では無いことを発見し、より有効に磁束を利用できる構成を見出した。

本発明は、コアレスブラシレスモータにおいて磁束をより有効に利用するための技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるコアレスブラシレスモータは、
磁性体コアを有さず個別にリング形状に導線が巻き回された複数の電磁コイルを有する少なくとも１組のコイル列を有し、固定体又は移動体として機能する第１の構造部と、
複数の永久磁石を有する磁石列を有し、前記第１の構造部との相対位置が変化可能な第２の構造部と、
を備え、
前記コイル列には磁気ヨーク部材が設けられており、前記磁気ヨーク部材は、前記コイル列を挟んで前記磁石列とは反対側に設置されている。

このモータによれば、コイル列に、磁石列とは反対側の位置に磁気ヨーク部材が設けられているので、磁石列から発生する磁界をこの磁気ヨーク部材で保持して外部に逃がさないようにすることができる。この結果、コイル列における磁束密度を高めることができ、磁束をより有効に利用することが可能である。

前記磁気ヨーク部材は、前記コイル列を保持するための基板に設置されており、
前記コイル列は、前記基板上に設置された前記磁気ヨーク部材の上に設置されているようにしてもよい。

あるいは、前記磁気ヨーク部材は、前記コイル列を保持するための基板に設置されており、前記コイル列と前記磁気ヨーク部材とは前記基板の第１と第２の面に前記基板を挟んで設置されているようにしてもよい。

これらの構成によれば、磁気ヨーク部材がコイル列の近傍に設けられるので、磁束の漏れがすくなくなり、磁束の利用効率を高めることができる。

前記磁気ヨーク部材は、各電磁コイルのリング形状の中空部分に対応する第１の領域には磁性体が設けられておらず、隣接する各電磁コイル対の隣り合う導線部分に対応する第２の領域には磁性体が設けられているように構成されているようにしてもよい。

上記第１の領域ではコイルの導線が有効な駆動力をあまり発生せず、一方、上記第２の領域ではコイルの導線が有効な駆動力を発生する。従って、第１の領域において磁性体を省略することによってモータの重量を軽減することができ、また、第２の領域に磁性体を設けることによって磁束の利用効率を十分高めることができる。

前記コイル列と前記磁石列は、対向する円盤形状に構成されており、
また、前記磁石列には、前記円盤形状に配列された磁石列の外周を覆う第２の磁気ヨーク部材が設けられているようにしてもよい。

この構成によれば、円盤形状に配列された磁石列の外周から外部に漏れる磁力線を減らすことができ、鉄損を低減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、電動モータ及びその制御方法、それらを用いたアクチュエータ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．他の実施例：
C．変形例：

A．第１実施例：
図１（Ａ）は、本発明の第１実施例におけるコアレスブラシレスモータの構成を示す断面図である。このモータは、４極２相モータとして構成されている。

このモータ１００は、略円盤状の第１と第２のステータ部１０，２０と、略円盤状のロータ部３０とを有している。図１（Ｂ）に示すように、ロータ部３０は、円環状に配置された４つの磁石３２を有している。ロータ部３０の中心は回転軸１１２に固定されている。磁石３２の磁化方向は図１（Ａ）の上下方向であり、図１（Ｂ）では紙面に垂直な方向である。磁石３２の外周には、磁気ヨーク部材３４が設けられている。

図１（Ｃ），（Ｄ）は、第１と第２のステータ部１０，２０をそれぞれ示している。第１のステータ部１０は、個別にリング状に導線が巻き回された４つの電磁コイル１２を有する。ここで、「リング状」とは、円形に限らず、図１（Ｃ）のコイル１２のような略扇形や、楕円形状などの種々の形状を含む広い意味を有している。４つの電磁コイル１２は、基板（回路基板）１６に設置されている。また、基板１６と電磁コイル１２の間には、強磁性体で形成された磁気ヨーク部材１８が設置されている。さらに、基板１６には、ロータ部３０の位置を検出するための磁気センサ１４が設けられている。第２のステータ部２０は、第１のステータ部１０の電磁コイル１２からずれた位置に設けられた４つの電磁コイル２２を備えている。第２のステータ部２０も、磁気センサ２４と、基板（回路基板）２６と、磁気ヨーク部材２８と、磁気センサ２４とを備えている。第１と第２のステータ部１０，２０は、モータ１００のケーシング１０２（図１（Ａ））に固定されている。

なお、第１のステータ部１０の４つの電磁コイル１２を「Ａ相コイル列１２」とも呼び、第２のステータ部２０の４つの電磁コイル２２を「Ｂ相コイル列２２」とも呼ぶ。また、Ａ相コイル列１２のための磁気センサ１４を「Ａ相磁気センサ１４」とも呼び、Ｂ相コイル列２２のための磁気センサ２４を「Ｂ相磁気センサ２４」とも呼ぶ。

駆動制御回路（図示省略）は、Ａ相磁気センサ１４の出力を利用して、Ａ相コイル列１２を駆動するための第１の駆動信号を生成し、また、Ｂ相磁気センサ２４の出力を利用して、Ｂ相コイル列２２を駆動するための第２の駆動信号を生成する。磁気センサ１４，２４としては、アナログ出力を有するホールＩＣを使用することができる。あるいは、２値又は多値のデジタル出力を有するセンサを利用してもよい。駆動制御回路としては、これらのセンサ１４，２４の出力を利用してＰＷＭ制御を行うことによって駆動信号を生成する回路を利用することができる。あるいは、センサ１４，２４の出力を増幅することによって駆動信号を生成する回路を利用することも可能である。

Ａ相コイル列１２の４つのコイルは互いに同じ位相で駆動される。また、Ｂ相コイル列２２の４つのコイルも互いに同じ位相で駆動される。ここで、「同じ位相で駆動される」とは、位相の差がπである場合も含んでいる。具体的には、Ａ相コイル列１２の４つのコイルは、対向するコイル同士の位相差が０となり、隣接するコイル同士の位相差がπとなるように駆動される。Ｂ相コイル列２２の４つのコイルも同様である。また、Ａ相コイル列１２とＢ相コイル列２２は、互いの位相差がπ／２となるように駆動される。

図２は、コイル列に設けられた磁気ヨーク部材の効果を示す説明図である。図２（Ａ）に示す比較例ではコイル１２，２２に磁気ヨーク部材は設けられていない。一方、図２（Ｂ）に示す実施例では、コイル１２，２２の裏側（磁石３２と反対の側）に磁気ヨーク部材１８，２８がそれぞれ設けられている。比較例では、磁石３２から発生した磁力線がコイル１２，２２の裏側の空間にまで抜け出ており、磁束が必ずしもコイル１２，２２によって有効に利用されていないことが理解できる。一方、実施例では、磁石３２から発生した磁力線がコイル１２，２２の裏側に設けられた磁気ヨーク部材１８，２８の中にほぼ保持されており、この結果、コイル１２，２２における磁束密度が高まっている。

なお、一般にモータでは、磁石の磁界中に配置されたコイルに電流を流したときに発生するローレンツ力を利用して駆動力を発生させている。従って、コイルにおける磁界の強度を強く（すなわち磁束密度を高く）すれば、モータ効率が向上する。図２で示したように、本発明の実施例では、コイル１２，２２の磁石３２とは反対側の位置に磁気ヨーク部材１８，２８を設けているので、コイル１２，２２における磁束密度が高まり、効率が向上することが理解できる。

なお、本実施例のモータは、各コイル１２，２２の中心に磁性部材が設けられておらず、いわれるコアレスモータとして構成されている。コアレスモータでは、コギングが発生しない滑らかな動作を実現することが可能である。一方、通常のコアレスモータでは、必ずしも磁束密度が有効に利用されないために、モータ効率が低下することが多い。これに対して、本実施例のモータでは、コイル１２，２２の磁石３２とは反対側の位置に磁気ヨーク部材１８，２８を設けているので、コアが無いことによる効率の低下をこれらの磁気ヨーク部材１８，２８によってかなり回復することが可能である。また、本実施例では、磁石列３２の両側にコイル列１２，２２を設けることによって、磁石列３２の両側の磁束の利用効率をさらに高めている。

図３は、Ａ相コイル列１２用の磁気ヨーク部材１８の各種の形状を示す説明図である。なお、Ｂ相コイル列２２用の磁気ヨーク部材２８にも、これらと同じ形状を採用することが可能である。図３（Ａ）は、Ａ相コイル列１２の形状を示している。各コイル１２は、第１の外周円ＯＣ１と第１の内周円ＩＣ１とに挟まれた円環状の領域に巻かれている。また、個々のコイルの中空部分は、第２の外周円ＯＣ２と第２の内周円ＩＣ２とに挟まれた円環状の領域に存在する。なお、第１の外周円ＯＣ１は第２の外周円ＯＣ２よりも大きく、第１の内周円ＩＣ１は第２の内周円ＩＣ２よりも小さい。

図３（Ａ）に示す磁気ヨーク部材１８ａは、第２の外周円ＯＣ２と第２の内周円ＩＣ２との間に挟まれた円環状の領域に渡って磁性体が設けられた形状を有している。この磁気ヨーク部材１８ａは、図１に示したモータ１００で使用されていた磁気ヨーク部材１８と同じものである。この磁気ヨーク部材１８ａにおいて、個々のコイルの最外周の導線部分（第２の外周円ＯＣ２より外側の導線部分）と、最内周の導線部分（第２の内周円ＩＣ２より内側の導線部分）とに対応する領域に磁性体を設けないようにした理由は、これらの導線部分においては有効な駆動力が働かないからである。すなわち、コイルの最外周の導線部分と最内周の導線部分で発生する電磁力は、モータの動作方向とは垂直な方向（すなわち、回転軸１１２（図１（Ａ））から放射状に伸びる方向）に働くだけであり、有効な駆動力とはならない。従って、これらの導線部分には、磁気ヨーク部材を設けないようにしても、効率はあまり低下する心配は無い。

図３（Ｃ）に示した磁気ヨーク部材１８ｂは、第１の外周円ＯＣ１と第１の内周円ＩＣ１との間に挟まれた円環状の領域に渡って磁性体が設けられた形状を有している。なお、この磁気ヨーク部材１８ｂでは、磁気センサ１４（図１（Ｃ））を実装するための穴１９（図３（Ｂ）では省略していた）が示されている。この磁気ヨーク部材１８ｂは、図３（Ｂ）の磁気ヨーク部材１８ａよりも磁束の利用効率は高くなる点で好ましいが、鉄損が増加する。従って、鉄損の点では図３（Ｂ）に示した磁気ヨーク部材１８ａの方が好ましい。

図３（Ｄ）に示した磁気ヨーク部材１８ｃは、第２の外周円ＯＣ２と第２の内周円ＩＣ２との間に挟まれた円環状の領域のうちの一部に磁性体が設けられ、他の部分では磁性体が省略されており、この結果、４つの島状の磁性体部分に分割されている。個々の磁性体部分は、隣接する一対のコイル１２の隣り合う導線部分（図３（Ａ）において２本の導線がほぼ平行に並んでいる部分）を覆う領域に対応付けられている。また、磁性体が省略されている部分は、各コイルのリング形状の中空部分に対応付けられている。図２で説明したように、磁気ヨーク部材１８による磁束密度の増加が効率向上に寄与するのは、導線が存在する部分である。従って、図３（Ｄ）に示すように各コイルの中空部分に相当する領域において磁性体を省略するようにしても、効率はあまり低下することが無い。また、この磁気ヨーク部材１８ｃでは、磁性体が少なくて済むので、鉄損が少なく、また、モータを軽量化することができる。

図３（Ｅ）に示した磁気ヨーク部材１８ｄは、図３（Ｄ）の磁気ヨーク部材１８ｃの４つの磁性体部分を互いに接続して一体としたものである。図３（Ｆ）に示した磁気ヨーク部材１８ｅは、図３（Ｅ）の磁気ヨーク部材１８ｄに磁気センサ１４用の穴１９を設けたものである。なお、磁気ヨーク部材の形状としては、上述したもの以外の種々の形状を採用することが可能である。

図４は、磁石列３２（図１（Ｂ））の外周に設けられた磁気ヨーク部材３４の効果を示す説明図である。図４（Ａ）に示す比較例では円盤状に配列された磁石列３２の外周に磁気ヨーク部材は設けられておらず、一方、図４（Ｂ）に示す実施例では、磁石３２の外周に磁気ヨーク部材３４が設けられている。図４（Ａ）の右側（側面図）に示すように、比較例では、磁石列３２の外周からさらに外側の空間（すなわち上下に）に伸びるように磁力線が発生している。これらの磁力線は、モータの駆動に有効に働かない無駄な磁力線である。一方、図４（Ｂ）に示した実施例では、円盤状に配列された磁石列３２の外周から発生する磁力線が磁気ヨーク部材３４の中にほぼ保持されており、この結果、鉄損などの損失の発生を低減することができる。但し、磁石列３２用の磁気ヨーク部材３４は省略してもよい。

以上のように、第１実施例では、各コアレスコイル列１２，２２の裏側（永久磁石と反対側）に、磁気ヨーク部材１８，２８を設けたので、コギングの発生を防止しつつ、磁石から発生する磁束密度の利用効率を向上させることができる。また、磁石列３２の外周にも磁気ヨーク部材３４を設けたので、損失の少ないモータを実現することができる。

B．他の実施例：
図５は、第２実施例におけるモータの構成を示している。このモータ１００ａは、図１（Ａ）に示した第１実施例のモータ１００の回路基板１６と磁気ヨーク部材１８の位置を逆にし、また、回路基板２６と磁気ヨーク部材２８の位置を逆にしたものであり、他の構成は第１実施例と同じである。すなわち、第２実施例のモータ１００ａでは、Ａ相コイル列１２と磁気ヨーク部材１８は、回路基板１６を挟んで回路基板１６の異なる面に設置されている。Ｂ相コイル列２２と磁気ヨーク部材２８も、回路基板２６を挟んで回路基板２６の異なる面に設置されている。この第２実施例によっても、第１実施例と同様な効果を得ることができる。

図６は、第３実施例におけるモータの構成を示している。このモータ１００ｂは、第１実施例のモータ１００の磁石列３２（図１（Ｂ））の内周側に第２の磁気ヨーク部材３６を追加したものであり、他の構成は第１実施例と同じである。なお、図６（Ａ）は図１（Ａ）と同じである。また、第３実施例のコイル列１２，２２の構成は、図１（Ｃ），（Ｄ）に示したものと同じなので図示が省略されている。この第３実施例によっても、第１実施例と同様な効果を得ることができる。また、第３実施例では磁石列３２の内周にも磁気ヨーク部材３６を設けたので、より損失を低減することができる。

図７（Ａ）〜７（Ｃ）は、第４〜第６実施例におけるモータの構成を示している。図７（Ａ）に示す第４実施例のモータ１００ｃは、ケーシング１０２ｃを磁性体で構成したものであり、他の構成は第１実施例と同じである。ケーシング１０２ｃを磁性体で構成すれば、磁束の利用効率をより向上させることができる。図７（Ｂ）に示す第５実施例のモータ１００ｄは、ケーシング１０２ｄを磁性体を含有した樹脂で構成したものであり、他の構成は第１実施例と同じである。この構成によっても、磁束の利用効率をより向上させることができる。図７（Ｃ）に示す第６実施例のモータ１００ｅは、ケーシング１０２の内面に磁性体粉末層１０４を塗布したものである。この構成によっても、磁束の利用効率をより向上させることができる。これらの図７（Ａ）〜７（Ｃ）に示した実施例のように、ケーシングに磁性体を含有する磁性体層を設けるようにすれば、磁束の外部への漏洩を防止することができる。

図８は、第７実施例におけるモータの構成を示している。このモータ１００ｆは、２つの円盤状のロータ部３０ａ，３０ｂを有するダブルロータ構造を有している。２つのロータ３０ａ，３０ｂは、回転軸１１２に接続されており、互いに同じ構成を有している。図８（Ａ）に示すように、このモータ１００ｆは、上部モータ部１００Ｕと、下部モータ部１００Ｌとに分けられている。上部モータ部１００Ｕは、第１のロータ部３０ａと、Ａ相コイル列１２を有する第１のステータ部１０と、Ｂ相コイル列２２ａを有する第２のステータ部２０ａとで構成される。下部モータ部１００Ｌは、第２のロータ部３０ｂと、Ａ相コイル列１２を有する第１のステータ部１０と、Ｂ相コイル列２２ｂを有する第２のステータ部２０ｂとで構成される。この説明から理解できるように、Ａ相コイル列１２は、上部モータ部１００Ｕと下部モータ部１００Ｌとで共用されている。２つのＢ相コイル列２２ａ，２２ｂは同じ構成を有している。

なお、第７実施例では、モータの両側に設けられた２つのＢ相コイル列２２ａ，２２ｂには磁気ヨーク部材２８が設けられているが、モータの軸方向の中央に設けられているＡ相コイル列１２には磁気ヨーク部材が設けられていない。この理由は、Ａ相コイル列１２が上部モータ部１００Ｕと下部モータ部１００Ｌとで共用されるので、Ａ相コイル列１２には磁気ヨーク部材が無い方が好ましいからである。

この第７実施例のモータ１００ｆは、第１実施例のモータ１００の約２倍の駆動力を発生することができる。また、複数のコイル列１２，２２ａ，２２ｂのうちで、モータの両端にあるコイル列２２ａ，２２ｂにはその外側に磁気ヨーク部材２８が設けられているので、第１実施例と同様に磁束の利用効率を高めることができる。この説明から理解できるように、略円盤状のロータ部と、略円盤状のステータ部とが交互に配列された多重ロータ構造のモータでは、複数のステータ部のうちのモータの両端にあるステータ部のコイル列の外側に磁気ヨーク部材を設けると共に、内部にあるステータ部のコイル列には磁気ヨーク部材を設けないことが好ましい。

図９は、第８実施例としての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。固定ガイド部１１００には、図９（Ａ）に示すように、移動方向に沿って多数の永久磁石３２が配列されている。移動部１２００は、固定ガイド部１１００を上下方向に挟むように構成されており、コイル列１２，２２が磁石列３２の上と下にそれぞれ対向して設けられている。また、磁気コイルの間には、Ａ相磁気センサ１４とＢ相磁気センサ２４が設けられている。各コイル列１２，２２には、磁気ヨーク部材１８，２８がそれぞれ設けられている。図９（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。固定ガイド部１１００は、移動部１２００を導くためのレール１１２０が設けられている。移動部１２００は、ベアリング部１１４０によってレール１１２０に摺動可能に保持されている。本発明によるコアレスブラシレスモータは、このようなリニアモータとしても実現可能である。

C．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。

C１．変形例１：
上述した実施例では、磁石列の両側にコイル列が設けられていたが、磁石列の片側にのみコイル列を設けるようにしてもよい。但し、磁石列の両側にコイル列が設けるようにすれば、磁石の磁束をより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。

C２．変形例２：
上述した第１ないし第７実施例では、円盤状のロータ及びステータを有する平面ロータ型モータを説明したが、本発明は、円筒型のロータ及びステータを有するモータなどの種々の構造のモータにも適用可能である。

C３．変形例３：
上記実施例では、２相のコアレスブラシレスＤＣモータを説明したが、本発明はこれ以外の種々のコアレスブラシレスモータに適用可能である。例えば、極数と相数としては、それぞれ任意の整数を採用することができる。

第１実施例におけるモータの構成を示す断面図である。 コイル列に設けられた磁気ヨーク部材の効果を示す説明図である。 コイル列用の磁気ヨーク部材の各種の形状を示す説明図である。 磁石列に設けられた磁気ヨーク部材の効果を示す説明図である。 第２実施例におけるモータの構成を示す断面図である。 第３実施例におけるモータの構成を示す断面図である。 第４〜第６実施例におけるモータの構成を示す断面図である。 第７実施例におけるモータの構成を示す断面図である。 第８実施例におけるリニアモータの構成を示す断面図である。

符号の説明

１０…第１のステータ部（第１の構造部）
１２…電磁コイル（Ａ相コイル列）
１４…磁気センサ（Ａ相磁気センサ）
１６…基板（回路基板）
１８…磁気ヨーク部材
１９…穴
２０…第２のステータ部（第１の構造部）
２２…電磁コイル（Ｂ相コイル列）
２４…磁気センサ（Ｂ相磁気センサ）
２６…回路基板
２８…磁気ヨーク部材
３０…ロータ部（第２の構造部）
３２…永久磁石（磁石列）
３４…磁気ヨーク部材
３６…磁気ヨーク部材
１００…モータ
１００Ｌ…下部モータ部
１００Ｕ…上部モータ部
１０２…ケーシング
１０４…磁性体粉末層
１１２…回転軸
１０００…リニアモータ
１１００…固定ガイド部
１１２０…レール
１１４０…ベアリング部
１２００…移動部
１２５０…駆動制御部

Claims (5)

1. 複数の電磁コイルを含むコイル列を有する、円盤状の少なくとも３つのステータ部と、
   複数の永久磁石を含む磁石列を有し、前記ステータ部との相対位置が変化可能な円盤状の少なくとも２つのロータ部と、
   前記少なくとも３つのステータ部の少なくとも一部に設けられた磁気ヨーク部材と、
   を備え、
   前記ロータ部と前記ステータ部とは交互に配列され、前記少なくとも３つのステータ部のうちの２つは、前記前記ロータ部と前記ステータ部の配列の両端に配置されており、
   前記磁気ヨーク部材は、前記配列の両端に配置されたステータ部のみに設けられ、前記配列の両端以外に配置されたステータ部には設けられていない、ことを特徴とする、コアレスブラシレスモータ。
2. 前記磁気ヨーク部材は、前記コイル列を保持する基板に設けられており、
   前記コイル列は、前記基板上に設置された前記磁気ヨーク部材に設けられている、ことを特徴とする、請求項１記載のコアレスブラシレスモータ。
3. 前記磁気ヨーク部材は、前記コイル列を保持する基板に設けられており、
   前記コイル列と前記磁気ヨーク部材とは前記基板の第１と第２の面に前記基板を挟んで設けられている、ことを特徴とする、請求項１記載のコアレスブラシレスモータ。
4. 前記磁気ヨーク部材は、各電磁コイルのリング形状の中空部分である第１の領域には磁性体が設けられておらず、隣接する各電磁コイル対の隣り合う導線部分に対応する第２の領域には磁性体が設けられている、ことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のコアレスブラシレスモータ。
5. 前記コイル列と前記磁石列は、対向する円盤形状に構成されており、
   前記磁石列には、前記円盤形状に配列された磁石列の外周を覆う第２の磁気ヨーク部材が設けられている、ことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコアレスブラシレスモータ。

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