JPH1146471A

JPH1146471A - 磁石式ブラシレス電動機

Info

Publication number: JPH1146471A
Application number: JP9199727A
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: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】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、さら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
とともに高い回転数域での界磁用磁石の剥がれを防止し
た磁石式ブラシレス電動機を提供する。【解決手段】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複数の回転子、及び回
転子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、前記複数の回転子の
合成した磁極の位相を第１の回転子の磁極に対して回転
子の回転に伴い変化させる機構を設ける。

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用等。）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イ
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
に起電力を生ず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一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
になつており、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、それらの数値を元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
なコンピュータを含む複雑で高価な制御回路が必要にな
る。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
率が低下する事が考えられる。さらに、そのバイパス用
永久磁石が追加部品となるため、発電機が大型化し易い
という欠点を有する。

【０００７】また、近年の回転子の高速回転化の要求に
伴い従来の界磁用磁石の位置、例えば図１２の要部断面
図で示した従来の表面磁石型回転子５００における界磁
用磁石５０３には高速回転時に大きな遠心力が作用し、
回転子コア５０７から剥がれるおそれがあった。

【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、さらに従来のも
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
効率よく使用できるとともに、高い回転数域での界磁用
磁石の剥がれを防止した磁石式ブラシレス電動機（例え
ば、自動車の駆動用等。）を提供することを課題とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明は、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、及び回転子の磁極の固
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、前記回転子は、回転軸まわりに配置
されて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の界磁用磁石の周面に配置
された円筒状覆いとを備えた第１の回転子と、この第１
の回転子に対して相対回転可能で回転軸まわりに配置さ
れて回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第
２の界磁用磁石とこの第２の界磁用磁石の周面に配置さ
れた円筒状覆いとを備えた第２の回転子からなり、前記
第１と第２の回転子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の回転子の合成した磁極の位
相を第１の回転子の磁極に対して回転子の回転に伴い変
化させる機構を有することを特徴とする磁石式ブラシレ
ス電動機である。

【００１０】また、本発明は、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、及び回転子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、前記回転
子は、回転軸まわりに配置された第１の回転子コア内に
界磁用磁石が埋設されてこの第１の回転子コアの回転方
向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の回転子
と、回転軸まわりに配置された第２の回転子コア内に界
磁用磁石が埋設されてこの第２の回転子コアの回転方向
に順次異なった極性の磁極が並んでいるとともに前記第
１の回転子に対して相対回転可能とされた第２の回転子
とからなり、前記第１と第２の回転子は前記固定子磁極
に対向しているとともに、前記の第１と第２の回転子の
合成した磁極の位相を第１の回転子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することを特徴とす
る磁石式ブラシレス電動機である。

【００１１】

【発明の実施の態様】以下に本発明を詳説する。図１に
本発明の一態様である内部磁石型回転子を配した磁石式
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。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、界
磁用磁石３１，３２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第
１、第２の界磁用磁石３１，３２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。回
転子２は第１の内部磁石型回転子２ａ及びこの第１の回
転子２ａに相対回転できる第２の内部磁石型回転子２ｂ
とからなっている。第１、第２の回転子２ａ、２ｂは各
々強磁性の回転子コア７、８（例えばＳＳ４００製）に
設けられた回転軸２１に沿った磁極分の個数の貫通穴に
埋設された第１の界磁用磁石３１、第２の界磁用磁石３
２（いずれも例えば日立金属製Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系異方性
焼結磁石：ＨＳ３７ＢＨ等）を有している。このため、
回転子コア７、８の外周面回転方向に等間隔に交互に磁
極Ｎ、Ｓが合計８極形成されている。そして、界磁用磁
極４の任意磁極の固定子１に対する位置をセンサ磁石２
２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。図示の通り、第１、第２の回転子２
ａ、２ｂ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
回転子２ａ、２ｂから発した磁束はともに固定子磁極１
１に効率良く導かれて界磁用巻線１２と鎖交するので、
周囲の構造物に通る洩れ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。

【００１２】図１（Ｂ），図２（Ｂ）に、第２の回転子
２ｂを第１の回転子２ａ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の回転子２ａ、２ｂを合
成した磁極の第１の回転子２ａ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。界
磁用巻線１２への通電は、センサ磁石２２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ＮＳ切り替わり点
より回転順方向に進ませる事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。

【００１３】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）にセンサ磁石２
２の磁極と第１の回転子２ａ及び第２の回転子２ｂの磁
極との位置関係を示した。図１（Ａ）及び図２（Ａ）で
は第１の回転子２ａと第２の回転子２ｂとは同じ磁極が
隣り合っているので第１と第２の回転子２ａ、２ｂ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及び第１の回転子２ａの磁極と同じ位相
（例えば、その磁極の中心。）にあるが、図１（Ｂ）及
び図２（Ｂ）では第１の回転子２ａに対して第２の回転
子２ｂが回転順方向にずれた状態を示している。ここ
で、第１の回転子２ａと第２の回転子２ｂとが全く同じ
磁束量を発生しているとともに第２の回転子２ｂが第１
の回転子２ａに対して（ａ度）回転順方向にずらされた
場合、第１と第２の回転子２ａ、２ｂの合成した磁極の
位相は第１と第２の回転子２ａ、２ｂ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の回転子２ａ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）分進むことになる。

【００１４】そして、第１と第２の回転子の合成した磁
極の第１の回転子２ａの磁極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
が低いときには図１（Ａ），図２（Ａ）のように第１と
第２の回転子２ａ、２ｂの同じ磁極が並ぶようにし、回
転数が高いときには両者の磁極がずれて図１（Ｂ），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の回転子２ａの任意のＳ極と
第２の回転子２ｂの任意のＮ極と、第１の回転子２ａの
任意のＮ極と第２の回転子２ｂの任意の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の回転子２ａ、
２ｂの同磁極が回転軸２１まわりで並ぶことにより鎖交
磁束量が最大となる。本発明の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
るとともに、回転子２が高速回転された場合でも第１、
第２の界磁用磁石３１、３２は各々第１、第２の回転子
コア７、８の内部に固定されているので、上記図１２の
従来の表面磁石型回転子５００で問題となる高速回転時
の界磁用磁石の剥離が発生することはない。

【００１５】上記内部磁石型回転子２ａ、２ｂは界磁用
磁石がアークセグメント状の場合であるが、他の形状の
界磁用磁石を埋設した構成としてもよいことは勿論であ
る。図４は厚み０．４５ｍｍの強磁性の薄板円板（例え
ばケイ素鋼製）３０８の中心に回転軸（図示省略）を挿
通する穴３２１と磁極分の個数のブロック状界磁用磁石
３を回転軸（図示省略）に沿って埋設するための穴３４
９を形成したものを、回転軸（図示省略）に通すととも
に界磁用磁石３を配置して積層し上記図１用の内部磁石
型回転子１００としてもよい。

【００１６】また、内部磁石型回転子におけるさらに他
の態様として、図５（Ａ）は界磁用磁石１１１の着磁方
向が回転子コア１１２の半径方向に対して角度（０＜
θ’＜９０度）をもって配置された場合である。この配
置では界磁用磁石１１１の数が回転子コア１１２の外周
側に形成される１磁極あたり２個となり、また１磁極を
形成する２個の界磁用磁石は同極性磁極同志が対向配置
されている。この構成によって、角度θを変えることに
より１磁極当たりの有効磁束量を自在に変えることが出
来るという利点を有する。

【００１７】また、内部磁石型回転子におけるさらに他
の態様として、図５（Ｂ）は界磁用磁石１２１における
着磁方向の中心線が回転子コア１２２の半径方向に配置
される場合である。この配置では、界磁用磁石１２１は
回転子コア１２２内部に配置されているが表面磁石型回
転子に近い有効磁束量が得られる。

【００１８】また、内部磁石型回転子におけるさらに他
の態様として、図５（Ｃ）は界磁用磁石１３１の断面形
状がかまぼこ状になっている場合の要部断面図を示して
いる。この態様においては界磁用磁石１３１の中央の厚
みが両端部に比べ厚いため、この回転子１３０を本発明
の磁石式ブラシレス電動機に組み込んで駆動させた場
合、エアギャップ中における回転子１３０の回転方向の
有効磁束密度分布を正弦波に近づけることが出来るとい
う利点を有する。

【００１９】上記図１では第１の回転子２ａとセンサ磁
石２２の磁極位相が固定され、第２の回転子２ｂが第１
の回転子２ａ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の回転子２ｂの磁極が第１の回転子２
ａ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。本発明では回転子２ａ、２ｂ及び
センサ磁石２２の３部材に関して固定するか回転可能と
するかの組合わせは任意であり、例えば第２の回転子２
ｂ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の回転子２ｂの磁極が第１の回転
子２ａ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。また、第２の回転子２ｂとセンサ磁石２
２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の回転子２ｂの磁極が第１の回転子２ａ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。
また、第１の回転子２ａ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の回転子
２ｂの磁極が第１の回転子２ａ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。また、第１の回
転子２ａと第２の回転子２ｂ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の回転子２ａと第２の回転子２ｂ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。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
転時及び高回転時において回転数と独立に進角を変化さ
せることもできるし、低回転時及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。

【００２０】第１と第２の回転子２ａ、２ｂの合成した
磁極の位相を第１の回転子２ａ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。図３において、第１の回転子２ａは回転軸２
１に固定してあり、第２の回転子２ｂはその中央の軸穴
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の回転子２ａと第２の
回転子２ｂとの間に作用する吸引力及び／又は反発力に
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。ガバナ
固定板３３は回転軸２１に固定されているとともに、こ
のガバナ固定板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３
４１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３
４８には回転支軸３４１が嵌着され、貫通穴３４９には
可動側の軸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の各近傍に点対称に４つの円
弧状の長穴３３２が設けてある。また、回転子コア８の
片端面には中心角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、これらの各長穴およ
び各長溝に上記可動側の軸３４２が挿入されるととも
に、上記４本の可動側の軸３４２同士がばね３４３で接
続されてその弾性力で引き合うようになっている。この
ばね３４３の張力により回転子２の回転数が低いときに
は図３（Ａ）に示すようにガバナ３４の可動側軸３４２
は長穴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の回転子２ｂと第１の回転子２ａの
同磁極が並ぶように構成してある。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の可動側の軸３４２
がガバナ固定板３３の長穴３３２に沿って外周側に動く
と同時に、長溝３２２が長穴３３２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
動側の軸３４２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
の回転子２ｂが第１の回転子２ａに対して矢印方向に回
転することができる。回転子２の回転数が低くなってく
ると遠心力が小さくなるのでばね３４３の張力でガバナ
３４が図３（Ａ）の状態に閉じて第１、第２の回転子２
ａ、２ｂの同磁極が並ぶ位置に戻る。このように、第２
の回転子２ｂを第１の回転子２ａに対し所定量回転軸２
１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
みで動作されているので、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。また、上記の通り回転子コア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
領域で高いトルク及びモータ交換効率を獲得することが
できる。

【００２１】図６に本発明の他の態様として円筒状覆い
付磁石回転子を配した磁石式ブラシレスＤＣ電動機の主
要部分を分解したものの斜視図を示す。図６において図
１と同一符号のものは同一の構成部品を示している。図
６の磁石式ブラシレスＤＣ電動機６０に配置されている
２つの回転子２０ａ，２０ｂは各々強磁性の回転子コア
７０ａ，７０ｂの回転方向周面上に空隙１６を介して第
１、第２の界磁用磁石６１、６２を各々磁極数分の個数
だけ配設し、さらにその上に非磁性の円筒状覆い（例え
ばＳＵＳ３０４製等）を配設し上記界磁用磁石を補強し
た構成となっている。このため、回転子２０が高速回転
された場合でも上記界磁用磁石は剥離しないようになっ
ている。ここで、前記円筒状覆いは強磁性材料（例え
ば、炭素鋼等）で形成することもできる。また、前記円
筒状覆いを特開平８ー３３１７８４号公報に記載される
強磁性部分および非磁性部分が共存するとともにその強
磁性部分および非磁性部分の結晶構造が異なる同一素材
を用いて形成してもよい。

【００２２】図７に上記磁石式ブラシレス電動機６０に
用いる円筒状覆い付磁石回転子の他の態様を示す。図７
の円筒状覆い付磁石回転子７０においては、界磁用磁石
７１として上記アークセグメント磁石の代わりに、一体
リング品形状のラジアル異方性磁石又は多極異方性磁石
を用いており、磁石回転子７０の組立を容易に行い得
る。

【００２３】（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
系の異方性焼結磁石：ＨＳ−３０ＢＶを用いるとともに
エアギャップ６の厚みを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
量減少率及び進角を下記表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。（従来例ホ）第２の回転子も第１の回転子と同じ磁極が
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
８に、回転数−モータ変換効率を図９に併記した。

【００２４】

【表１】

【００２５】図８、図９及び表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、１０００
r.p.m．未満の回転数が低いときには低回転時進角が２
０度であるとともに、１０００r.p.m．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１０００r.p.m．未満のときには、第１と第２の
回転子２ａ、２ｂの磁極の位相ずれがなく同磁極が並ん
でいる状態でセンサ進角が２０度にしてある。そして、
回転数が１０００r.p.m．以上になったときに第２の回
転子２ｂ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の回転子２ａに対して２８度回転して、
第１と第２の回転子２ａ、２ｂの合成した磁極の位相は
第２の回転子２ｂの磁極の位相の半分だけ進む。したが
って、進角はそれだけ遅れてくる。第２の回転子２ｂ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％→６６％）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及びモータ
交換効率を獲得できていることがわかった。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及びモータ交換効率を獲
得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獲
得できていることがわかった。

【００２６】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、従来仕様の電動機と比較し
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
ク及びモータ交換効率が得られた。

【００２７】上記磁極ずれ角（θ：度）の大きさは、上
記第１と第２の回転子の外周側に対称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３
０％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たすからであ
る。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。

【００２８】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。また、
上記本発明の態様では、第１、第２の回転子の外周面に
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及び第２の回転子が異なる
磁極パターンを有していてもよい。さらには、例えば第
１及び第２の回転子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。また、
上記本発明の態様では、同軸に配置した２つの回転子を
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つ以上の回転子を用いて１つまたは２つ
以上の回転子を回転軸に固定するとともに残りの回転子
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。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の内部
または外周面上に任意の界磁用磁石を配置可能である。

【００２９】

【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よ
う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交換効率良く
使用できる。さらに高速回転時の界磁用磁石の剥がれを
防止したので、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】内部磁石型回転子を配した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）及び磁極ずれ状態（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）及び磁極ずれ状態（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の回転子の合成した磁極の位相を第１の回転子
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）は低回転数のとき、（Ｂ）
は高回転数のときである。

【図４】本発明に用いる内部磁石型回転子の他の態様を
示す図である。

【図５】本発明に用いる内部磁石型回転子のさらに他の
態様を示す要部断面図であり、（Ａ）は界磁用磁石の着
磁方向が回転子コアの半径方向に対して角度を持って配
置された場合、（Ｂ）は界磁用磁石の着磁方向の中心線
が回転子コアの半径方向に配置された場合、（Ｃ）は界
磁用磁石が蒲鉾型の場合である。

【図６】円筒状覆い付の磁石回転子を用いた本発明の磁
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）及び磁極ずれ状態
（Ｂ）を示している。

【図７】円筒状覆い付磁石回転子の他の態様を示す図で
ある。

【図８】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】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。

【図１２】従来の磁石式ブラシレス電動機の回転子を示
す図である。

【符号の説明】

１固定子、２回転子、３，５０３界磁用磁石、
４，４０磁極、５，１５間隔、６，１６，５０６
空隙、７，８，７０ａ，７０ｂ，７２，５０７回転子コ
ア、１１固定子磁極、１２界磁用巻線、２０，７０
円筒状覆い付磁石回転子、２１回転軸、２２セン
サ磁石、３１，６１第１の界磁用磁石、３２，６２
第２の界磁用磁石、３３固定部材、３４ガバナ、５
０，６０磁石式ブラシレス電動機、２，１００，１１
０，１２０，１３０内部磁石型回転子、１１１，１２
１，１３１界磁用磁石、１１２，１２２，１３２回
転子コア、１１３，１２３，１３３回転軸、１８，７
８円筒状覆い、３０８薄板、３０９積層体、３２１
軸穴、３２２長溝、３３１穴、３３２長穴、３
４１回転支軸（固定軸）、３４２可動側軸、３４３
弾性部材、３４８，３４９貫通穴、５００表面磁
石型回転子、５０２回転軸。

───────────────────────────────────────────────────── 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ケ尻5200番地日立金属株式会社磁性材料研究所

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、及び回転子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、前記回転子は、回転軸まわりに配置されて回転方向に順
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の界磁用磁石の周面に配置された円筒状覆いと
を備えた第１の回転子と、この第１の回転子に対して相
対回転可能で回転軸まわりに配置されて回転方向に順次
異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石とこ
の第２の界磁用磁石の周面に配置された円筒状覆いとを
備えた第２の回転子からなり、前記第１と第２の回転子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の回転子の合成した磁極
の位相を第１の回転子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することを特徴とする磁石式ブラ
シレス電動機。
【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、及び回転子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、前記回転子は、回転軸まわりに配置された第１の回転子
コア内に界磁用磁石が埋設されてこの第１の回転子コア
の回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１
の回転子と、回転軸まわりに配置された第２の回転子コ
ア内に界磁用磁石が埋設されてこの第２の回転子コアの
回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいるととも
に前記第１の回転子に対して相対回転可能とされた第２
の回転子とからなり、前記第１と第２の回転子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の回転子の合成した磁極
の位相を第１の回転子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することを特徴とする磁石式ブラ
シレス電動機。