(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の励磁コイルを有する固定子と、該固定子の内部に同軸で設けられる回転子とを備えて構成され、前記励磁コイルの周囲に生じる磁束の流れに対する前記固定子と回転子との間の磁気抵抗変化を駆動力とするＤＣブラシレスモータであって、
前記回転子は、基部と、その基部から半径方向外方側に延びて周方向に等間隔に形成され、磁極となる複数の突起とを備えて構成され、
前記固定子は、
円環状の前記励磁コイルと、
前記励磁コイルを挟んで、回転軸方向の両側に配置され、円環状に形成される本体と、その本体から半径方向内方側に延びて、周方向に複数形成され、磁極となる突起とを有する第１および第２の磁心とを備えて構成され、
前記第１の磁心と第２の磁心との突起数が相互に異なることで、前記単一の励磁コイルでの駆動を可能にし、
前記第１の磁心の突起は、回転子の突起と同数に形成され、
前記第２の磁心の突起は、回転子の突起の２倍の数に形成され、
前記第２の磁心の突起の周囲には、ループ状の導電体に整流素子が介在されて成る誘導コイルがそれぞれ設けられ、
前記整流素子は、該整流素子による通電方向の制限が、隣り合う磁極毎に反対となるように配置されていることを特徴とするＤＣブラシレスモータ。
【請求項２】
前記第２の磁心の突起は、２つを一対として、対応する第１の磁心の突起を中心として周方向に均等にずれて配置されることを特徴とする請求項１記載のＤＣブラシレスモータ。
【請求項３】
前記回転子の突起の先端による軌跡の円筒面において、該先端の周方向長さが、５０％以上、６５％以下であることを特徴とする請求項１または２記載のＤＣブラシレスモータ。
【請求項４】
前記励磁コイルは、帯状の導体部材が、その幅方向が該励磁コイルの回転軸方向に沿うように巻回されて成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣブラシレスモータ。
【請求項５】
前記誘導コイルにおける導電体は、回転軸方向に延び、前記各第２の磁心の突起の両側に配置される支柱と、その支柱の両端にそれぞれ結合され、前記突起の上下に配置される２つのリング体とで構成される一体の籠型構造であり、前記整流素子は、第１および第２の磁心間のリング体に介在され、そのリング体が各磁極の周囲を囲うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣブラシレスモータ。
【請求項６】
前記第１および第２の磁心および回転子が、鉄基軟磁性粉末からなる圧紛磁心、フェライト磁心、または軟磁性合金粉末を樹脂中に分散させた軟磁性材料からなる磁心であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＤＣブラシレスモータ。
【請求項７】
前記固定子を回転軸方向に複数個積層することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＤＣブラシレスモータ。
【請求項８】
前記第１および第２の磁心の少なくとも一方の本体は、その周方向断面がＬ字型に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のＤＣブラシレスモータ。
【請求項９】
前記請求項１〜８のいずれか１項に記載のＤＣブラシレスモータの制御方法であって、
前記誘導コイルの整流素子がＯＮするのに充分な立ち上がり時間および波高を有し、かつ、目的とする回転方向に対応した極性のパルス状の電流を前記励磁コイルに与えることによって、前記回転子を目標回転方向に起動することを特徴とするＤＣブラシレスモータの制御方法。
【請求項１０】
回転子の目標回転方向に対して、前記回転子の回転角度位置が、前記固定子と該回転子との間に発生するインダクタンス特性が増加しない位置から回転させる場合は、事前に、前記励磁コイルに対して、前記回転子を、目標回転方向にインダクタンスが増加する角度にまで逆転させるための電流を流し、目標回転方向にインダクタンスが増加する角度に到達してから、前記のパルス状の電流を与えることを特徴とする請求項９記載のＤＣブラシレスモータの制御方法。
【請求項１１】
前記回転子が回転開始後、目標回転方向にインダクタンスが増加する角度領域においてのみ、前記励磁コイルに、回転方向と同符号の電流を流すことによって、前記回転子が目標回転方向に回転速度を維持することを特徴とする請求項８または９記載のＤＣブラシレスモータの制御方法。
【請求項１２】
前記誘導コイルの整流素子がＯＮされるのに充分な立ち上がり時間と波高とを有し、かつ、目標回転方向に対応した極性の電流を、前記励磁コイルに流すことで、負荷トルクに応じたトルク制御や、軽負荷トルクでの定格回転数を超える高速回転制御が可能であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のＤＣブラシレスモータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣブラシレスモータおよびその制御方法に関し、主に圧粉磁心を鉄心として用い、１相での励磁により駆動するモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータは電力を動力に変換する部品として、自動車、家電や産業用途など、幅広い分野で利用されている。モータは、非回転部分である固定子と、出力軸と共に回転する回転子とを備えて構成され、これらには電磁コイルや磁石、鉄心が含まれている。
【０００３】
モータは、駆動力を発生する原理や構造によって幾つかの種類に分けられるが、永久磁石を用いたモータはＰＭ（Permanent Magnet）モータと呼ばれ、特に幅広い分野で用いられている。このＰＭモータでは、回転子に前記永久磁石が設けられており、固定子に設けられた電磁コイルと、前記永久磁石が発する磁束との相互作用によって回転力を得ている。
【０００４】
ところで、モータは動力源であるので、小型化へのニーズは強く、小型化のためにはより強い磁力を発生することが必要である。そのより強い磁力を得るためには、強い磁束を発する磁石が必要であり、例えば特許文献１には、Ｎｄ―Ｆｅ−Ｂ系の元素を用いた磁石が開発されている。しかしながら、これらの磁石にはＤｙやＮｄなどの高価で希少な金属が必要であるという問題点もある。一方、電磁コイルで発生する磁場を大きくすることによっても強い磁力（電磁力）を得ることができ、その手法としては、励磁電流を大きくする、あるいは電磁コイルの巻き数を増やすことが有効である。しかしながら、前者はコイルの断面積、後者は巻き線の空間的な制約があり、自ずと限界がある。
【０００５】
そこで近年では、鉄心に圧紛磁心を用いたモータの開発が進んでいる。前記圧紛磁心は、軟磁性用粉末の表面に絶縁皮膜を形成した後、圧紛成形と熱処理とによって成形される。ここで、従来から、モータには、電磁鋼板を打抜き、積層した積層磁心が使用されており、その積層磁心は積層した方向には磁束を通し難く、板面内方向に磁束を通し易いので、平面内での磁気回路設計がなされてきた。これに対して上記圧紛磁心は、軟磁性用粉末を圧粉成形して成るので、磁気特性が等方的であり、三次元的な磁気回路を有するモータの設計を可能にする磁心材料と言える。また、圧粉磁心は、圧紛成形における金型形状の変更や成形後の機械加工などによって任意の形状とすることができるので、三次元的な磁気設計によりモータコア形状の多様化を可能にし、扁平型や小型なモータの設計を可能にすることができる。
【０００６】
そのような圧粉磁心を活用し、小型化したモータとして例えば、特許文献２〜４には、三次元磁気回路を用いたクローティース型モータが開示されている。これらの特許文献２〜４によれば、従来、各々のティースにコイルを巻回していたものを、クローポール型の鉄心に円環状のコイルを内装することで、巻線密度の向上、すなわち磁力の向上による小型化を可能にしている。また、圧粉磁心を使用することで、交流磁界での駆動が可能になり、電気角で相互に１２０°ずれた３層構造のステータとすることにより、３相交流磁界でのブラシレス駆動をも可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−４３７７６号公報
【特許文献２】特開２００６−３３３５４５号公報
【特許文献３】特開２００７−３２５３７３号公報
【特許文献４】特開２００９−１４２０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の特許文献２〜４には、圧紛磁心を用いたクローポールモータが開示されている。そして、固定子は爪型磁極の付いた圧紛磁心がコイルを囲う３次元磁気回路を有する構造となっているが、３相の電流源を用いたモータであり、３つの固定子を回転軸方向に並べ、各々に１つの電流相が割り当てられている。このため、１相毎に圧粉磁心ステータを有する３層構造は必須であり、モータを小型化しようとすると固定子の部品サイズを薄く、すなわち圧粉磁心の厚さを少なくとも１／３には薄くする必要があり、圧粉磁心では充分な強度が確保できなくなる（脆い）という問題がある。
【０００９】
そこで、圧粉磁心の強度を確保するためには、部品形状を大きく（厚く）することが必須となり、１つの固定子の１相励磁型のモータを構成する必要がある。ところが、コイルで発生した磁力を充分活用するためには、ステータは突極となることが望ましいが、突極磁心での１相励磁では、回転磁界が発生せず、回転子を回転させるトルクを得られない。また、特許文献２〜４に記載される磁心形状では、コイルで発生したその周囲を周回する磁束の多くは回転トルクとして寄与せず、交互に噛み合う上下のティース間に流れる周方向の洩れ磁束しかトルクへ活用できず、磁束を有効に利用できないという問題がある。
【００１０】
一方、前記永久磁石を用いないモータとして、従来から、ＳＲ（Switched reluctance）が用いられている。このＳＲモータは、回転に伴う磁気抵抗の変化に起因したリラクタンストルクを利用したモータで、回転子の突極が近付いてきた固定子のコイルに通電を順次切り替えて(switchする)回転させてゆくものである。したがって、回転子に磁石を使用していないために低コストという利点があり、かつ磁石の熱減磁が問題にならないので、前記のＰＭモータに比べて、高温での運転が可能という利点もある。しかしながら、このＳＲモータも、１相では回らず、複数層或いは多相構造とする必要がある。
【００１１】
本発明の目的は、突極を有する単一の固定子および電磁コイルで構成される３次元磁気回路を有し、磁力を有効に活用できるモータを実現することができるＤＣブラシレスモータおよびその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のＤＣブラシレスモータは、単一の励磁コイルを有する固定子と、該固定子の内部に同軸で設けられる回転子とを備えて構成され、前記励磁コイルの周囲に生じる磁束の流れに対する前記固定子と回転子との間の磁気抵抗変化を駆動力とするＤＣブラシレスモータであって、前記回転子は、基部と、その基部から半径方向外方側に延びて周方向に等間隔に形成され、磁極となる複数の突起とを備えて構成され、前記固定子は、円環状の前記励磁コイルと、前記励磁コイルを挟んで、回転軸方向の両側に配置され、円環状に形成される本体と、その本体から半径方向内方側に延びて、周方向に複数形成され、磁極となる突起とを有する第１および第２の磁心とを備えて構成され、前記第１の磁心と第２の磁心との突起数が相互に異なることで、前記単一の励磁コイルでの駆動を可能にし、前記第１の磁心の突起は、回転子の突起と同数に形成され、前記第２の磁心の突起は、回転子の突起の２倍の数に形成され、前記第２の磁心の突起の周囲には、ループ状の導電体に整流素子が介在されて成る誘導コイルがそれぞれ設けられ、前記整流素子は、該整流素子による通電方向の制限が、隣り合う磁極毎に反対となるように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、励磁コイルを有する固定子と、該固定子の内部に同軸で設けられるインナーロータの回転子とを備えて構成され、前記励磁コイルの周囲に生じる磁束の流れに対する前記固定子と回転子との間の磁気抵抗変化を駆動力とするＳＲ動作を行なうＤＣブラシレスモータにおいて、前記励磁コイルを単一のコイルで実現するにあたって、以下の構成を採用する。
【００１４】
先ず、励磁コイルが単一で、回転磁界が発生しないと、回転角度によっては静止状態でトルクが得られず、自立起動ができない場合がある。すなわち、ＳＲモータは磁気抵抗変化を駆動力として回転するものであるので、磁気抵抗変化が無い回転角度位置では、トルクを得ることができず、一定速度での回転中ではトルクの無い回転角であっても慣性によって回転することができるが、静止状態でトルクの無い回転角の場合には起動ができなくなる。
【００１５】
このため、ＳＲモータは、固定子と回転子との双方に突極（磁極）を備えているが、回転子については、通常通り、基部と、その基部から半径方向外方側に延びて周方向に等間隔に形成され、磁極となる複数の突起とを備えて構成する一方、固定子については、円環状の励磁コイルを挟んで回転軸方向の両側に配置される第１および第２の磁心において、磁極となる突起の数を、第１の磁心と第２の磁心との間で異なる数とする。
【００１６】
したがって、励磁コイルの回転軸方向の両側に配置される２つの磁心において、通常のＳＲモータでは、軸方向に延びるクローポールが規則的に交互に入れ込んで配列されて、前記磁束の流れは、回転子を通して、直径方向となるのに対して、本発明では、磁極となる突起は、円環状に形成される本体から半径方向内方側に延びた突極であるので、前記磁束の流れは、第１の磁心（第２の磁心）の突起から入り込んだ回転子の同じ側から、第２の磁心（第１の磁心）の突起へ抜けてゆく。そして、前記第１の磁心と第２の磁心とで、突起の数が異なることで、回転磁界が発生しない単一の励磁コイルからなるモータであっても、何れかの磁極間で周方向の回転トルクを発生させ、単一のコイルでの駆動を可能にすることができる。
【００１７】
こうして、単一コイルおよびステータから成る小型で単純な構造で、かつ１相励磁による駆動が可能なＤＣブラシレスモータを実現することができる。また、ＳＲ動作を行なうにあたって、前記のように１相励磁であっても、固定子の磁極を突極とすることができ、その突極によって磁束を有効に利用し、高効率化することができる。さらにまた、本ＤＣブラシレスモータは、単純な構造であるので、生産性が高く、ＳＲモータは前述のように回転子と固定子との磁気抵抗変化を駆動力として、磁石を必要とせず、ロータの回転に必要なトルクが得られることから、産業用および民生用に必須な動力源であるＤＣブラシレスモータにおいて、希土類磁石など希少金属を節約する効果がある。
【００１９】
又、上述のように第１および第２の磁心における突起の数が異なることで、何れかの磁極間で周方向の回転トルクを発生させるにあたって、第１の磁心の突起の数を回転子の突起の数と同数に形成することで、比較的均一な回転トルクを発生させることができる。
【００２０】
しかしながら、その場合、回転子の突起が第２の磁心の突起の中間位置に停止すると、第１の磁心の突起の位置によっては、起動が困難になる。そこで、前記第２の磁心の突起の周囲に誘導コイルをそれぞれ設け、その誘導コイルをループ状の導電体に整流素子を介在して構成し、かつ整流素子による通電方向の制限が、隣り合う磁極毎に反対となるように配置する。これによって、励磁コイルに与えられた起動パルスによって誘導コイルに誘起される電圧は、隣接する誘導コイル間で逆方向となり、一方の誘導コイルでは整流素子がＯＮしてループ電流が流れて励磁磁束を打ち消し（反磁束）、他方の誘導コイルでは整流素子がＯＦＦしてループ電流は流れず、励磁磁束はそのままとなる。
【００２１】
したがって、そのような第２の磁心の突起間に回転子が停止した状況であっても、隣接する第２の磁心の突起間に不均等な磁界を発生させ、磁気抵抗変化が一定とならないようにすることができる。こうして、単一の励磁コイルと固定子との組合わせであっても、自立起動が可能なＳＲモータを実現することができる。
【００２２】
さらにまた、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記第２の磁心の突起は、２つを一対として、対応する第１の磁心の突起を中心として周方向に均等にずれて配置されることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、前述のように第２の磁心の突起の数を第１の磁心の突起の数の倍に形成した場合に、第２の磁心の２つの突起を一対として、対応する第１の磁心の突起を中心として周方向に均等にずれて配置することで、より均一な回転トルクを発生させることができる。
【００２４】
しかしながら、その場合、回転子の突起が第１の磁心の突起に並んで、すなわち前記の対を成す第２の磁心の突起の中間位置に停止すると、前述のように起動が困難になるのに対して、前記第２の磁心に前記のような誘導コイルを設けておくことで、自立起動を可能にすることができる。
【００２５】
また、本発明のＤＣブラシレスモータは、前記回転子の突起の先端による軌跡の円筒面において、該先端の周方向長さが、５０％以上、６５％以下であることを特徴とする。
【００２６】
上記の構成によれば、回転子は、基部から突出した磁極となる複数の突起を有し、該突起の先端による軌跡の円筒面において、該先端の周方向長さ（＝面積）が、５０％以上、６５％以下（すなわち、突起間のギャップが、５０％以下、３５％以上）とすることで、大きなトルクを発生させることができる。
【００２７】
さらにまた、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記励磁コイルは、帯状の導体部材が、その幅方向が該励磁コイルの回転軸方向に沿うように巻回されて成ることを特徴とする。
【００２８】
上記の構成によれば、第１および第２の磁心内を流れる磁束に対して、渦電流の原因となる導体部材で直交する面は、帯の厚みに相当する幅だけであり、前記渦電流を抑制し、発熱を抑えることができる。しかも帯状の導体部材は、隙間無く巻回できるので、円柱状の素線を巻回する場合に比べて、電流密度を大きくすることができるとともに、導体部材内部からの放熱も良好である。
【００２９】
また、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記誘導コイルにおける導電体は、回転軸方向に延び、前記各第２の磁心の突起の両側に配置される支柱と、その支柱の両端にそれぞれ結合されて前記突起の上下に配置される２つのリング体とで構成される一体の籠型構造であり、前記整流素子は、第１および第２の磁心間のリング体に介在され、そのリング体が各磁極の周囲を囲うことを特徴とする。
【００３０】
上記の構成によれば、誘導コイルは一体の籠型構造であるので、一方のリング体を取外した状態で該誘導コイルを第２の磁心に嵌め込んだ後、前記一方のリング体を支柱に接合するだけで、該第２の磁心に誘導コイルを巻回することができ、組立てが容易である。
【００３１】
さらにまた、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記第１および第２の磁心および回転子が、鉄基軟磁性粉末からなる圧紛磁心、フェライト磁心、または軟磁性合金粉末を樹脂中に分散させた軟磁性材料からなる磁心であることを特徴とする。
【００３２】
上記の構成によれば、前記第１および第２の磁心および回転子を、最適で複雑な任意形状に成型することができる。
【００３３】
また、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記固定子を回転軸方向に複数個積層することを特徴とする。
【００３４】
上記の構成によれば、複数個倍、トルクを向上することができる。また、その複数個で、第１および第２の磁心の位相角を均等にずらせておくことで、トルクを均一に近付けることができる。
【００３５】
さらにまた、本発明のＤＣブラシレスモータでは、前記第１および第２の磁心の少なくとも一方の本体は、その周方向断面がＬ字型に形成されていることを特徴とする。
【００３６】
上記の構成によれば、Ｌ字の内側に励磁コイルを嵌め込むだけで、組立てを行なうことができる。
【００３７】
また、本発明のＤＣブラシレスモータの制御方法は、前記のＤＣブラシレスモータの制御方法であって、前記誘導コイルの整流素子がＯＮするのに充分な立ち上がり時間および波高を有し、かつ、目的とする回転方向に対応した極性のパルス状の電流を前記励磁コイルに与えることによって、前記回転子を目標回転方向に起動することを特徴とする。
【００３８】
上記の構成によれば、上述のように回転子の突起が第２の磁心の突起の中間位置に停止していても、確実に起動させることができる。
【００３９】
さらにまた、本発明のＤＣブラシレスモータの制御方法では、回転子の目標回転方向に対して、前記回転子の回転角度位置が、前記固定子と該回転子との間に発生するインダクタンス特性が増加しない位置から回転させる場合は、事前に、前記励磁コイルに対して、前記回転子を、目標回転方向にインダクタンスが増加する角度にまで逆転させるための電流を流し、目標回転方向にインダクタンスが増加する角度に到達してから、前記のパルス状の電流を与えることを特徴とする。
【００４０】
上記の構成によれば、回転子の停止位置が目標回転方向に対して起動トルクが得られない位置であっても、一旦逆方向に駆動して、起動トルクが得られるようになってから、本来の目標回転方向に駆動するので、より確実に起動させることができる。
【００４１】
好ましくは、前記回転子が回転開始後、目標回転方向にインダクタンスが増加する角度領域においてのみ、前記励磁コイルに、回転方向と同符号の電流（正回転時は正の電流。負回転時は負の電流）を流すことによって、前記回転子が目標回転方向に回転速度を維持することを特徴とする。
【００４２】
また好ましくは、前記誘導コイルの整流素子がＯＮされるのに充分な立ち上がり時間と波高とを有し、かつ、目標回転方向に対応した極性の電流を、前記励磁コイルに流すことで、負荷トルクに応じたトルク制御や、軽負荷トルクでの定格回転数を超える高速回転制御が可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
本発明のＤＣブラシレスモータは、以上のように、励磁コイルを有する固定子と、該固定子の内部に同軸で設けられるインナーロータの回転子とを備えて構成され、ＳＲ動作を行なうＤＣブラシレスモータにおいて、前記励磁コイルを単一のコイルで実現するにあたって、回転子については、通常通り、基部と、その基部から半径方向外方側に延びて周方向に等間隔に形成され、磁極となる複数の突起とを備えて構成する一方、固定子については、円環状の励磁コイルを挟んで回転軸方向の両側に配置される第１および第２の磁心において、磁極となる突起の数を、第１の磁心と第２の磁心との間で異なる数とする。
【００４４】
それゆえ、磁極となる突起は、円環状に形成される本体から半径方向内方側に延びた突極であるので、前記磁束の流れは、第１の磁心（第２の磁心）の突起から入り込んだ回転子の同じ側から、第２の磁心（第１の磁心）の突起へ抜けてゆき、ここで前記第１の磁心と第２の磁心とで突起の数が異なることで、回転磁界が発生しない単一の励磁コイルからなるモータであっても、何れかの磁極間で周方向の回転トルクを発生させ、前記単一の例示コイルでの駆動を可能にすることができる。こうして、単一コイルおよびステータから成る小型で単純な構造で、かつ１相励磁による駆動が可能なＤＣブラシレスモータを実現することができる。また、ＳＲ動作を行なうにあたって、前記のように１相励磁であっても、固定子の磁極を突極とすることができ、その突極によって磁束を有効に利用し、高効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の一形態に係るＤＣブラシレスモータの一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図２】前記ＤＣブラシレスモータの軸線方向断面図である。
【図３】前記ＤＣブラシレスモータの第１の磁心の位置における軸直角断面図である。
【図４】前記ＤＣブラシレスモータの第２の磁心の位置における軸直角断面図である。
【図５】前記ＤＣブラシレスモータにおける起動コイルの構造を説明するための斜視図である。
【図６】前記ＤＣブラシレスモータの等価回路図である。
【図７】前記起動コイルに設けられる整流素子の印加電圧と電流との関係を示すグラフである。
【図８】励磁コイルに通電したときの磁束の流れを示す磁界解析結果の図である。
【図９】回転子および第１の磁心の磁極数を４とし、第２の磁心の磁極数を８とし、回転子の磁極の周期に対する磁極幅を５０％とした場合の、回転に伴うインダクタンスの計算結果を示す図である。
【図１０】同上で、回転子の磁極の周期に対する磁極幅を５５％とした場合の、回転に伴うインダクタンスの計算結果を示す図である。
【図１１】同上で、回転子の磁極の周期に対する磁極幅を６０％とした場合の、回転に伴うインダクタンスの計算結果を示す図である。
【図１２】同上で、回転子の磁極の周期に対する磁極幅を６５％とした場合の、回転に伴うインダクタンスの計算結果を示す図である。
【図１３】同上で、回転子の磁極の周期に対する磁極幅を７０％とした場合の、回転に伴うインダクタンスの計算結果を示す図である。
【図１４】同上で、固定子の２つの磁心において、第１の磁心に対する第２の磁心の磁極配置を、±１１．２５°移動させた場合の、回転に伴うインダクタンスの変化を示す図である。
【図１５】同上で、固定子の２つの磁心において、第１の磁心に対する第２の磁心の磁極配置を、±１６．９°移動させた場合の、回転に伴うインダクタンスの変化を示す図である。
【図１６】同上で、固定子の２つの磁心において、第１の磁心に対する第２の磁心の磁極配置を、±２５°移動させた場合の、回転に伴うインダクタンスの変化を示す図である。
【図１７】回転子および第１の磁心の磁極数を２とし、第２の磁心の磁極数を４とした場合の、回転に伴うインダクタンスの変化を示す図である。
【図１８】回転子および第１の磁心の磁極数を３とし、第２の磁心の磁極数を６とした場合の、回転に伴うインダクタンスの変化を示す図である。
【図１９】回転子および第１の磁心の磁極数を５とし、第２の磁心の磁極数を１０とした場合の、回転に伴うインダクタンスの変化を示す図である。
【図２０】回転子および第１の磁心の磁極数を６とし、第２の磁心の磁極数を１２とした場合の、回転に伴うインダクタンスの変化を示す図である。
【図２１】前記ＤＣブラシレスモータの駆動回路の一構成例を示すブロック図である。
【図２２】回転に伴う駆動制御動作を説明するための図である。
【図２３】本発明の実施の一形態の起動方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。
【００４７】
図１は本発明の実施の一形態に係るＤＣブラシレスモータ１の一部を切り欠いて示す斜視図であり、図２はそのＤＣブラシレスモータ１の軸線方向断面図であり、図３はそのＤＣブラシレスモータ１の第１の磁心３１の位置における軸直角断面図であり、図４はそのＤＣブラシレスモータ１の第２の磁心３２の位置における軸直角断面図である。
【００４８】
このＤＣブラシレスモータ１は、大略的に、単一の励磁コイル２を有する固定子３と、該固定子３の内部に同軸で設けられるインナーロータの回転子４と、起動用コイル５（５ａ，５ｂ）とを備えて構成され、前記励磁コイル２の周囲に生じる磁束の流れに対する前記固定子３と回転子４との間の磁気抵抗変化を駆動力とするＳＲ動作を行なうＤＣブラシレスモータである。そして、このＤＣブラシレスモータ１において、前記励磁コイル２を前記単体で実現するにあたって、以下の構成を採用している。
【００４９】
先ず、励磁コイル２が単体で、回転磁界が発生しないと、回転角度によっては静止状態でトルクが得られず、自立起動ができない場合がある。すなわち、ＳＲモータは磁気抵抗変化を駆動力として回転するものであるので、磁気抵抗変化が無い回転角度位置ではトルクを得ることができず、一定速度での回転中ではトルクの無い回転角であっても慣性によって回転することができるが、静止状態でトルクの無い回転角の場合には起動ができなくなる。
【００５０】
このため、ＳＲモータは、固定子と回転子との双方に突極（磁極）を備えているが、このＤＣブラシレスモータ１において、回転子４については、通常通り、基部４１と、その基部４１から半径方向外方側に延びて周方向に等間隔に形成され、磁極となる複数（図１〜４の例では４）の突起４２とを備えて構成される。
【００５１】
一方、固定子３については、円環状の励磁２コイルを挟んで回転軸Ｚ方向の両側に配置される第１および第２の磁心３１，３２において、磁極となる突起３１１，３２１の数を、前記第１の磁心３１と第２の磁心３２との間で異なる数とする（図１〜４の例では、第１の磁心３１は回転子４と同数の４、第２の磁心３２は第１の磁心３２の２倍の８）ことで、前記単一の励磁コイル２での駆動を可能にする。前記第１および第２の磁心３１，３２は、円環状に形成される本体３１２，３２２と、その本体３１２，３２２から半径方向内方側に延びて、周方向に複数形成される前記突起３１１，３２１とを備えて構成される。
【００５２】
したがって、励磁コイル２の回転軸Ｚ方向の両側に配置される２つの磁心３１，３２において、通常のクローティースモータでは、軸方向に延びるクローポールが規則的に交互に入れ込んで配列されて、前記磁束の流れは、回転子を通して、直径方向となるのに対して、本発明では、磁極となる突起３１１，３２１は、円環状に形成される本体３１２，３２２から半径方向内方側に延びた突極であるので、前記磁束の流れは、図２で示すように、第１の磁心３１（第２の磁心３２）の突起３１１（３２１）から入り込んだ回転子４の同じ側から、第２の磁心３２（第１の磁心３１）の突起３２１（３１１）へ抜けてゆく。そして、前記第１の磁心３１と第２の磁心３２とで、突起３１１，３２１の数が異なることで、回転磁界が発生しない単一の励磁コイル２からなるモータ１であっても、何れかの磁極間で周方向の回転トルクを発生させ、前記単一の励磁コイル２での駆動を可能にすることができる。
【００５３】
こうして、単一の励磁コイル２および固定子３から成る小型で単純な構造で、かつ１相励磁による駆動が可能なＤＣブラシレスモータを実現することができる。また、ＳＲ動作を行なうにあたって、前記のように１相励磁であっても、固定子３の磁極を突極とすることができ、その突極によって磁束を有効に利用し、高効率化することができる。さらにまた、本ＤＣブラシレスモータ１は、単純な構造であるので、生産性が高く、ＳＲモータは前述のように回転子４と固定子３との磁気抵抗変化を駆動力として、磁石を必要とせず、回転子４の回転に必要なトルクが得られることから、産業用および民生用に必須な動力源であるＤＣブラシレスモータにおいて、希土類磁石など希少金属を節約する効果がある。
【００５４】
表１には、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１と、従来技術の各タイプのモータとの比較結果を示す。
【００５５】
【表１】
0005581179.tif 000002
【００５６】
すなわち、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１は、永久磁石が不要で、安価な材料で実現できるＳＲモータの動作で、クローティースモータやクローポールモータのように、励磁コイルが１つで済み、コアや巻線構造を簡略化することができる。
【００５７】
また、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１では、上述のように、第１および第２の磁心３１，３２における突起３１１，３２１の数が互いに異なることで、何れかの磁極間で周方向の回転トルクを発生させるにあたって、第１の磁心３１の突起３１１の数を回転子４の突起４２の数と同数に形成することで、比較的均一な回転トルクを発生させることができる。
【００５８】
しかしながら、その場合、回転子４の突起４２が第２の磁心３２の突起３２１の中間位置に停止すると、第１の磁心３１の突起３１１の位置によっては、起動が困難になる。そこで、前記第２の磁心３２の突起３２１の周囲に誘導コイルである起動コイル５をそれぞれ設け、その起動コイル５をループ状の導電体５１に整流素子５２を介在して構成し、かつ整流素子５２による通電方向の制限が、隣り合う磁極毎に反対となるように配置している。
【００５９】
その起動コイル５の様子を、図５に模式的に示す。図５（ａ）は、起動コイル５の基本構成を示すものである。この図５（ａ）から、図５（ｂ）は、各磁極それぞれ独立に巻いた起動コイル５が、梯子形のネットワークの片側の梁に整流素子５２を正逆交互に配置した回路に等価なことを示している。そして、実際の構造としては、図５（ｃ）で示すように、１つの円環状導体５１１と、整流素子５２を正逆交互に数珠つなぎにした閉回路５１２とを向かい合わせて、両円環の間を梯子状に導体柱５１３でつないだ一体の籠型構造でも、同等の効果が得られることを示している。
【００６０】
ただし、前記整流素子５２は、第１および第２の磁心３１，３２間の閉回路５１２に介在される。これは、前記第１および第２の磁心３１，３２間に挟まれる閉回路５１２内には、回転子４の内部を貫く交流磁束が存在することから、該閉回路５１２に誘導起電力が生じるためである。このため、前記整流素子５２を円環状導体５１１側に配置すると、閉回路５１２側に誘導電流が生じてしまい、本発明の意図するモータ駆動力が生じなくなってしまう。
【００６１】
上述のように構成される本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１の等価回路を、図６に示す。後述するモータ制御において、モータ回転開始時のような場合に、励磁コイル２に立ち上がり時間が早い波高の高い電流パルスを流すと、それに応じた磁束線が、固定子３の第１の磁心３１（第２の磁心３２）から回転子４を経由して、第２の磁心３２（第１の磁心３１）に流れ込む。このとき、第２の磁心３２の突極に巻かれた整流素子５２ａ，５２ｂの極性に応じて、２種類の起動コイル５ａ，５ｂの導電体５１ａ，５１ｂには、その磁束線の変化率に応じた誘導起電力が生じる。
【００６２】
ここで、半導体のＰＮ接合を基本とする整流素子５２ａ，５２ｂは、図７のような特性を持つので、誘導起電力の極性が整流素子５２ａ，５２ｂの順方向で、かつ閾値電圧（Ｖｔｈ）より大きい場合は、該整流素子５２ａ，５２ｂがＯＮし、導電体５１ａ，５１ｂに誘導電流が誘起される。極性が整流素子５２ａ，５２ｂの逆方向であれば、或いは該整流素子５２ａ，５２ｂの定格以下ならば、該整流素子５２ａ，５２ｂはＯＦＦを維持したままで、誘導電流は生じない。
【００６３】
したがって、前述のように充分な立ち上がり時間と波高とを有する電流パルスが励磁コイル２に流されると、２種類の起動コイル５ａ，５ｂの片方には誘導電流が流れ、該起動コイル５ａ，５ｂの片方が巻かれた磁極には反磁界が生じ、流れ込んできた磁束線を著しく減衰させる。一方、２種類の起動コイル５ａ，５ｂのもう片方には、誘導電流が流れることなく、流れ込んできた磁束線に影響はない。
【００６４】
ここで、第２の磁心３２の突起３２１の数を第１の磁心３１の突起３１１の数の倍に形成した場合に、特に図３および図４で示すように、第２の磁心３２の突起３２１を、２つを一対として、対応する第１の磁心３１の突起３１１を中心として周方向に均等にずれて配置することで、より均一な回転トルクを発生させることができる。しかしながら、その場合、回転子４の突起４２が第１の磁心３１の突起３１１に並んで、すなわち前記の対を成す第２の磁心３２の突起３２１の中間位置に停止すると、第１の磁心３１の或る磁極から回転子４の突起４２に流れ込んだ磁束線は、該回転子４をほぼ軸方向に経由して、突起４２の軸に対して等間隔に配置される２つの突起３２１に分かれて流れ込み、起動が困難になる。
【００６５】
そこで、前述のような起動コイル５を設けるとともに、充分な立ち上がり時間と波高とを有する電流パルスで励磁することで、整流素子５２がＯＮした起動コイル側の磁極にはループ電流が流れて、誘起された励磁磁束は前記の反磁束で流れ込めず、整流素子５２がＯＦＦのままの起動コイル側の磁極にのみ誘起された励磁磁束が流れ込むことになる。当然ながら、電流パルスの極性を反対にすると、上記の２種の誘導コイルは役割が入れ替わって動作することになり、始動の電流パルスの極性を選ぶことにより、目的とする回転方向に、回転子４の回転を起動させることができる。
【００６６】
このようにして、前述のように第２の磁心３２の突起３２１間に回転子４の突起４２が停止した状況であっても、回転子４と第２の磁心３２の一対の突起３２１との間に不均等な磁界を発生させ、磁気抵抗変化が一定とならないようにすることができる。こうして、単一の励磁コイル２と固定子４との組合わせであっても、自立起動が可能なＳＲモータを実現することができる。また、起動コイル５は、前述のように一体の籠型構造であるので、前記円環状導体５１１と閉回路５１２との２つのリング体の一方を取外した状態で、該起動コイル５を第２の磁心３２に嵌め込んだ後、前記一方のリング体を導体柱５１３に接合するだけで、該第２の磁心３２に起動コイル５を巻回することができ、組立てが容易である。
【００６７】
さらにまた、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１では、図１で示すように、前記励磁コイル２は、帯状の導体部材が、その幅方向が該励磁コイル２の回転軸Ｚ方向に沿うように、フラットワイズに巻回されて成る。ここで、一般的にコイルに通電すると、コイルは導体から構成されているので、磁力線に垂直な面（直交面）に渦電流が発生し、それによって損失（ロス）が発生する。その渦電流の大きさは、磁束密度が同一である場合、磁束線と交差する面積、すなわち磁束線に垂直な連続する面の面積に比例する。磁束線は、コイル内では軸方向に沿っているので、渦電流は、コイルを構成する導体の軸方向に直交する径方向の面の面積に比例することになる。そこで、前記励磁コイル２を構成する帯状の導体部材を、幅Ｗに対する径方向の厚さｔの比ｔ／Ｗが１／１０以下に形成することが望ましい。
【００６８】
このように構成することで、前記渦電流を抑制し、発熱を抑えることができる。しかも帯状の導体部材は、隙間無く巻回できるので、円柱状の素線を巻回する場合に比べて、電流密度を大きくすることができるとともに、導体部材内部からの放熱も良好である。さらに、前記導体部材の前記厚さｔが当該モータに給電される交流電力における周波数に対する表皮厚み以下であれば、さらに渦電流損を低減することができる。
【００６９】
さらに、前記励磁コイル２と前記固定子３の２つの磁心３１，３２との間に生じる間隙には、熱伝導部材が充填されていることが好ましい。このように構成することで、前記励磁コイル２で生じる熱を、前記熱伝導部材を介して、該励磁コイル２を外囲する２つの磁心３１，３２に効果的に伝導することができ、放熱性を改善することができる。
【００７０】
さらにまた、前記回転軸Ｚ方向における該励磁コイル２の一方端部に対向する前記固定子３の第１の磁心３１の内面と、他方端部に対向する第２の磁心３２の内面とは、少なくともそれらの各端部を覆う領域では、平行に形成される。これは、上述のような励磁コイル２に係る条件（フラットワイズ巻線構造であって幅Ｗが厚さｔより大きい）を設定しても、励磁コイル２の上下両端面を覆う第１および第２の磁心３１，３２に傾きがあると、実際に励磁コイル２の内部を通る磁束線（磁力線）が、特に前記上下両端面付近で、回転軸Ｚ方向と略平行にならないからである。
【００７１】
本件発明者は、２つの磁心３１，３２の内壁面の平行度を種々変えつつ磁束線の分布を検証したところ、例えば、前記平行度が１／１００の場合には、励磁コイル２の内部を通る磁束線が回転軸Ｚ方向に平行になる一方、前記平行度が−１／１０や１／１０の場合には、励磁コイル２の内部を通る磁束線が回転軸Ｚ方向に平行にならない。このような検証の下、励磁コイル２の内部を通る磁束線を平行にするためには、前記平行度の絶対値は、１／５０以下であることが好ましい。
【００７２】
ここで懸念されるのが、回転子４と固定子３との隙間が、両者の磁極の有無によって変化することにより磁気回路が幾何的に変形されることであるが、本件発明者が行なった磁場解析によれば、励磁コイル２を貫く磁束線の形態に、大きな変化を及ぼさないこと（帯状導体に平行であることが保障されること）が、図８のように確かめられた。図８は、固定子３の突起３１１，３２１が共に回転子４側に突出して前記隙間が小さい（ａ）を基本形として、一方の隙間が大きくなった場合（ｂ）と、両方が広くなった場合（ｃ）との磁界解析結果を示している。
【００７３】
また、本発明のＤＣブラシレスモータ１では、前記第１および第２の磁心３１，３２および回転子４を、磁気的に等方性を有する鉄基軟磁性粉末からなる圧紛磁心、フェライト磁心、または軟磁性合金粉末を樹脂中に分散させた軟磁性材料からなる磁心で形成する。このように構成することで、前記回転子３および固定子４の２つの磁心について、最適で複雑な任意形状に成型することができるので、所望の磁気特性を比較的容易に得ることができるとともに、比較的容易に所望の形状に形成することができる。
【００７４】
前記軟磁性粉末は、強磁性の金属粉末であり、より具体的には、例えば、純鉄粉、鉄基合金粉末（Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、センダスト、パーマロイ等）およびアモルファス粉末、さらには、表面にリン酸系化成皮膜などの電気絶縁皮膜が形成された鉄粉等が挙げられる。これら軟磁性粉末は、例えば、アトマイズ法等によって微粒子化する方法や、酸化鉄等を微粉砕した後にこれを還元する方法等によって製造することができる。
【００７５】
このような軟磁性粉末は、単体或いは前記樹脂などの非磁性体粉末との混合で用いることができ、混合の場合の比率は比較的容易に調整することができ、該混合比率を適宜に調整することによって、該磁心材の磁気特性を所望の磁気特性に容易に実現することが可能となる。これら固定子３を構成する２つの磁心３１，３２の材料、さらには回転子４の材料も、低コスト化の観点から、同一原料であることが好ましい。
【００７６】
さらにまた、本発明のＤＣブラシレスモータ１では、前記第１および第２の磁心３１，３２の少なくとも一方（図１および図２では３１）の本体３１２は、その周方向断面がＬ字型に形成されている。このように構成することで、Ｌ字の内側に励磁コイル２を嵌め込むだけで、組立てを行なうことができる。
【００７７】
続いて、以下には、固定子３および回転子４の磁極幅、すなわち突起３１１，３２１；４２の先端による軌跡の円筒面において、該先端の周方向長さ（＝面積）の最適範囲について検討する。本発明のモータ構造で生じるトルクＦ・δｘ（＝Ｎ・δθ）は、以下のようにしてモデル磁気回路から近似計算されるインダクタンスＬの、回転子４の回転角θに対する変化率∂Ｌ（θ）／∂θに比例する。
【００７８】
【数１】
0005581179.tif 000003
【００７９】
ここで、固定子４と、回転子３との磁極間の隙間（ｇ）は充分小さく、磁束線は、それら磁極同士の重なりのみを通過するという近似モデルを考える。その時の本モータ構造の等価磁気回路のインダクタンスは、第１の磁心３１と回転子４との間の磁気抵抗と、回転子４と第２の磁心３２との間の磁気抵抗との直列磁気抵抗に反比例することから、次式のような近似見積式が得られる。
【００８０】
【数２】
0005581179.tif 000004
【００８１】
すなわち、磁極の重なり面積がインダクタンスＬになり、トルクの大小は、そのインダクタンスＬの最大Ｌｍａｘと最小Ｌｍｉｎとの差ΔＬで、凡そその大きさが評価できる。
【００８２】
図９〜図１３には、回転子４の磁極幅（割合）がそれぞれ５０％、５５％、６０％、６５％、７０％に対して、起動コイル５が両方ＯＦＦ状態（すなわち定常のＳＲ動作）および片側がＯＮ状態（２極性）における回転子４の回転角に対するインダクタンス（相対値）の変化を図示している。いずれの図も、前述のとおり、回転子４が４極、第１の磁心３１も４極、第２の磁心３２は８極の場合で、第１の磁心３１の磁極幅は５０％、第２の磁心３２の磁極幅も合計５０％で、さらに第２の磁心３２の磁極を、第１の磁心３１から２２．５°シフトさせている。（ａ）が第１の磁心３１の前記軌跡の円筒面の全周（３６０°）の展開を示し、同様に、（ｂ）が回転子４の展開を示し、（ｃ）が第２の磁心３２の展開を示す。（ｄ）は、前記回転子４の回転角に対するインダクタンスの変化を１８０°分示す。前述の図３および図４は、第１および第２の磁心３１，３２の磁極幅は５０％を示し、この場合、中心角は、それぞれ４５°および２２．５°となる。また、回転子４の磁極幅は６０％を示し、この場合、中心角は５４°となる。
【００８３】
トルクを得るには、起動コイル５が両方ＯＦＦの状態でのインダクタンス変化が大きいこと、また、始動時の回転を任意方向に起動するには、インダクタンスの極値付近において、起動コイル５の片側がＯＮ状態におけるインダクタンスが増（減）変化勾配を持つこと（起動トルクが生じること）が必要である。図９で示す５０％の場合には、極大値付近はそうなっているが、極小値付近では起動トルクが得られない。一方、図１３で示す７０％の場合には、極値付近で起動トルクは得られるものの、ＯＦＦ状態でのインダクタンス変化ΔＬが小さくなってしまう。
【００８４】
すなわち、ＳＲ駆動時のインダクタンスには極大と極小との２種類の平衡点があり、それぞれ磁極が対向する「安定点」と、磁極同士が互い違いになった「不安定点」に相当する。余程、変な外力が働かない限り、通常は、静止時に回転子が後者に落ち着くことはあり得ないので、回転子の磁極幅が５０％の条件でも起動に困ることはない。ところが、モータ負荷が特殊で、後者の平衡点に回転子が静止してしまう可能性があっても、第２の磁心３２を適切に使うことで、正逆任意方向に起動できることを５５％、６０％、６５％の計算例は示している。しかしながら、前記磁極幅が大きくなり過ぎると、ＳＲ駆動のトルクも失われてしまう。
【００８５】
結論として、トルクおよび起動回転の制御性からは、回転子４の磁極（突起４２）先端による軌跡の円筒面において、該先端の周方向長さの割合ηが、５０％≦η≦６５％（すなわち、突起４２間のギャップの割合が、５０％以下、３５％以上）であることが望ましい。このように構成することで、大きなトルクを発生させることができるとともに、任意の停止位置からの起動を可能にすることができる。
【００８６】
一方、図１４〜図１６には、回転子４の磁極幅を前述の図１１と同様に６０％に固定し、固定子３の第２の磁心３２の磁極配置を、第１の磁心３１の磁極に対して、±１１．２５°（磁極幅が５０％で、中心角で２２．５°につき、隣接）、±１６．９°、±２５°（等間隔より大）と変化させた結果を示す。図９〜図１３と同様に、（ａ）が第１の磁心３１の前記軌跡の円筒面の全周（３６０°）の展開を示し、（ｂ）が回転子４の展開を示し、（ｃ）が第２の磁心３２の展開を示す。（ｄ）は、前記回転子４の回転角に対するインダクタンスの変化を１８０°分示す。
【００８７】
その結果、一対の第２の磁心３２が隣接してしまっている図１４の場合には、起動コイル５が両方ＯＦＦの状態でのインダクタンス変化が大きいものの、回転子４が該一対の第２の磁心３２の中間付近で停止した状態ではどちらに起動するか不定であり、図１５で示す±１６．９°のずれの場合には、図１１で示す±２２．５°のずれの場合に比べて、起動コイル５の片側がＯＮ状態におけるインダクタンスの増（減）変化勾配が緩く、図１６で示す±２５°のずれの場合には、図１１で示す±２２．５°のずれの場合に比べて、起動コイル５の片側がＯＮ状態において起動トルクの生じない幅が大きい。したがって、これらの図１４〜図１６で示す第２の磁心３２のずれの条件では、図１１の場合より優れたインダクタンス挙動を示すものはなく、±２２．５°のずれが最適条件となる。
【００８８】
さらにまた、図１７〜図２０には、第１の磁心３１：回転子４：第２の磁心３２の磁極数の関係を、上述のように１：１：２に維持して、極数を変化させた場合のインダクタンスの挙動を示す。前記のとおり、第１の磁心３１：回転子４：第２の磁心３２のそれぞれ磁極数として、図１７は２：２：４、図１８は３：３：６、図１９は５：５：１０、図２０は６：６：１２の場合を示す。図１１の場合と同様に、磁極幅は、第１の磁心３１：回転子４：第２の磁心３２（合計）で、５０％：６０％：５０％である。また、それぞれ（ａ）が第１の磁心３１の軌跡の円筒面の全周（３６０°）の展開を示し、（ｂ）が回転子４の展開を示し、（ｃ）が第２の磁心３２の展開を示す。（ｄ）は、前記回転子４の回転角に対するインダクタンスの変化を示す。
【００８９】
図１７〜図２０の結果では、幾何学的に等しいので、どれも大差はない。この近似モデル（磁束線は磁極の重なり面積のみを通過という近似）の解析では、トルクは極数に比例することになるが、実際には、磁極と磁極の凹んだ領域とへの漏れ磁束が存在することから、トルク最適となる極数が存在すると推測されるが、凹み形状や寸法に依存することから、普遍的な法則はない。
【００９０】
図２１は、上述のように構成されるＤＣブラシレスモータ１の駆動回路７１および回生回路７２の一構成例を示すブロック図である。駆動回路７１は、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４およびそのサージ吸収用の逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ４を備えて成るブリッジ回路と、リアクトルＬ１とを備えて構成され、前記励磁コイル２に、後述の起動パルスおよび駆動パルスを出力する。この駆動回路７１は、二次電池７３およびそれに並列に接続された安定用のキャパシタ７４を電源とし、図示しない駆動制御回路によって制御される。前記二次電池７３およびキャパシタ７４からの電源ライン７５，７６間には、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の直列回路およびスイッチング素子Ｔｒ３，Ｔｒ４の直列回路が接続されており、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２；Ｔｒ３，Ｔｒ４の接続点が前記励磁コイル２への出力取出し端となる。前記の出力取出し端の一方と励磁コイル２との間には、リアクトルＬ１が介在されている。
【００９１】
そして、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４をＯＮすることで回転子４を一方方向へ回転させ、スイッチング素子Ｔｒ３，Ｔｒ２をＯＮすることで回転子４を他方方向へ回転させることができる。前記スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４のデューティを制御することで、励磁コイル２に与える駆動パルスの波高値を調整し、励磁電流の波高値を調整することができる。また、スイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４をＯＮすることで、励磁コイル２の両端子を接地することができる。このようなスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４の制御のために、前記ＤＣブラシレスモータ１の回転子４には、図示しないエンコーダが設けられており、前記駆動制御回路は、前記エンコーダで検出された回転角度位置に応じて、後述するように各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４を制御する。前記スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４は、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどのパワートランジスタから成る。なお、リアクトルＬ１と並列にコンデンサを接続してもよい。また、回生を行わない場合、前記リアクトルＬ１は、ＤＣブラシレスモータ１側のインダクタンスＬに含めることも可能である。
【００９２】
回生回路７２は、リアクトルＬ２と、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４から成る全波整流回路とを備えて構成され、キャパシタ７７へ回生電力を出力する。前記リアクトルＬ２は、前記駆動回路７１側のリアクトルＬ１と電流変成器７８を構成する。そして、回転子４が外部からの力で回転させられる際に、或いは停止などのための減速の際に、駆動回路７１から励磁コイル２へ励磁電流を供給することで、リアクトルＬ１に磁場が発生し、その状態で回転子４の回転に伴いインダクタンスが変化すると、前記リアクトルＬ１には逆起電力が生じ、リアクトルＬ２を通して回生電流がキャパシタに貯まる。これが回生の大まかなメカニズムで、実際はスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４によって前記励磁電流はスイッチングされ、そのスイッチングのタイミングを調整することで、励磁コイル２とリアクトルＬ１とが共振状態となり、その共振電流をリアクトルＬ２で取出しダイオードブリッジによって整流して回生電圧を得ることができる。
【００９３】
そして、定常回転状態での前記駆動制御回路による駆動状況は、図２２で示すようになる。図２２（ｂ）は加速時に前記駆動制御回路からスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４；Ｔｒ３，Ｔｒ２に与えられる駆動パルスを示す。また、図２２（ａ）には、そのような駆動時の前記インダクタンスＬの変化を示す。加速時には、前記インダクタンスＬが最小Ｌｍｉｎとなる付近で駆動パルスをＯＮし、最大Ｌｍａｘとなる付近でＯＦＦする。
【００９４】
上述のような駆動回路７１を用いて、図２３を参照して、本発明の実施の一形態の起動方法を説明する。図２３は、インダクタンスの変化を示すものであり、前述の図１１（ｄ）と同様である。すなわち、第１の磁心３１および回転子４が４極、第２の磁心３２は８極で、第１の磁心３１の磁極幅は５０％、回転子４の磁極幅は６０％、第２の磁心３２の磁極幅は合計５０％で、第２の磁心３２の磁極を第１の磁心３１から２２．５°シフトさせている。
【００９５】
前述のように、回転子４の回転角度位置はエンコーダなどによって検出されており、前記駆動制御回路は、回転開始角度の検出結果に応答して、以下の４種類の角度領域Ｗ１〜Ｗ４に応じて、表２で示すように、起動パルスおよび駆動パルスにおける電流制御を行う。図２３は、モータを正転方向（グラフを左から右）に駆動させる場合を想定しており、逆転方向に駆動する場合は、前記の角度領域Ｗ１〜Ｗ４の割付けも逆になる。
【００９６】
【表２】
0005581179.tif 000005
【００９７】
表２は、前記図２３の各インダクタンス特性を有する角度領域から起動することに論点を置いて、起動から加速〜定常回転までの波形を示すものである。この表２で、期間Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３で示す波形と、その極性を反転させた波形とを組合せることで、あらゆる運転パターンに対してのトルク制御および速度制御を実現することができる。ただし、前記の角度領域Ｗ１〜Ｗ４の中でもどの位置から起動するか、或いは、負荷の重さなどに応じて、同じ起動パルスや駆動パルスを入力しても、実際にはそれに対する応答が異なるので、この表２で示す例は、あくまで目安であり、前記駆動制御回路は、前記エンコーダの検出結果に応答して、起動パルス数や駆動パルスの波高値を逐次制御する。表２において、∂Ｌｐ／∂θおよび∂Ｌｍ／∂θは、一対の第２の磁心３２の起動時におけるインダクタンス変化を示すものであり、∂Ｌｐ／∂θは回転方向上流側の磁心（図２３で起動（＋））を示し、∂Ｌｍ／∂θは回転方向下流側の磁心（図２３で起動（−））を示す。
【００９８】
先ず、回転子４の磁極が第１の磁心３１の磁極から比較的離れたＷ２の角度領域においては、回転方向上流側の磁心についてはインダクタンスは増加（正）してゆき、下流側の磁心についてはインダクタンスは減少（負）してゆくので、駆動回路７１は、表２の（３）に示す起動パルスおよび駆動パルスを励磁コイル２に与えることで、回転起動する。すなわち、期間Ｔ１に示す起動パルスを出力することで、一対の起動コイル５の内、回転方向上流側がＯＦＦし、下流側がＯＮして、第２の磁心３２の該上流側の磁極で回転子４を吸引して正転起動する。その後、期間Ｔ２で示すように、一定速度に達するまで、大きな波高値の駆動パルスを出力して加速し、前記一定速度に達すると、定常回転に移って、期間Ｔ３で示すように、駆動パルスの波高値を低くして、該定常回転を維持する。前記Ｗ２の角度領域において、特に回転方向下流側の磁心のインダクタンスがほぼ零になるＷ５の角度領域では、表２の（４）に示すように、前記期間Ｔ１の起動パルスを少なくすることができる。
【００９９】
一方、回転子４の磁極が第１の磁心３１の磁極に比較的近いＷ３の角度領域においては、回転方向上流側の磁心についてはインダクタンスは減少（負）してゆき、下流側の磁心についてはインダクタンスは増加（正）してゆくので、表２の（２）に示す起動パルスおよび駆動パルスを励磁コイル２に与えることで、回転起動する。すなわち、期間Ｔ１’に示す逆極性の起動パルスを出力することで、一対の起動コイル５の内、回転方向下流側がＯＦＦし、上流側がＯＮして、第２の磁心３２の該下流側の磁極で回転子４を吸引して正転起動する。その後、期間Ｔ２からＴ３に示すように、正極性の駆動パルスの波高値を制御して、励磁電流が大きな状態から小さな状態に制御し、定常回転に移って、これを維持する。
【０１００】
これに対して、回転子４の磁極が第１の磁心３１の磁極通り過ぎたＷ４の角度領域から起動する場合には、回転方向上流側の磁心についてはインダクタンスはほぼ零であり、下流側の磁心についてはインダクタンスは減少（負）してゆくので、駆動回路７１は、表２の（１）に示す反転パルス、起動パルスおよび駆動パルスを励磁コイル２に与えることで、回転起動する。すなわち、期間Ｔ０に一対の起動コイル５の内、回転方向上流側をＯＦＦし、下流側をＯＮさせて、第２の磁心３２の該上流側の磁極へ回転子４を吸引して逆転起動し、位置合せを行なう。さらに、期間Ｔ１’に、一対の起動コイル５の内、回転方向下流側をＯＦＦし、上流側をＯＮさせて、第２の磁心３２の該下流側の磁極へ回転子４を吸引して正転起動する。以降、期間Ｔ２，Ｔ３については同様に、励磁電流の制御を行う。
【０１０１】
逆方向に回転させる場合は、上記角度領域Ｗ１〜Ｗ５において、表２の電流波形の極性を逆転した電流で制御する。さらには、上述のような動作を基本として、次のような応用的な電流制御シーケンスによって、多様なニーズに対応することができる。例えば、回転起動時も、極力電力効率を向上させる場合は、起動回路７１は、前記回転子４の角度領域が、図２３のＷ１の角度領域から回転開始する場合に、直接、期間Ｔ２の加速の電流を励磁コイル２に流すことで、回転起動させる。或いは、電力効率は厭わず、回転中に、極力、負荷トルクに対するモータのトルク発生時間を長くしたい場合は、図２３のＷ２の角度領域で、表２の（３）の期間Ｔ１に示すように、起動コイル５の整流素子５２をＯＮさせるパルス電流を励磁コイル２に流し、Ｗ３の角度領域では、表２の（１）の期間Ｔ１’に示すような、起動コイル５の整流素子５２をＯＮさせるパルス電流を励磁コイル２に流すことで、モータのトルク発生時間を長くすることができる。
【０１０２】
以上のように、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１の制御方法によれば、表２の期間Ｔ１，Ｔ１’で示すように、起動コイル５ａ，５ｂの整流素子５２ａ，５２ｂがＯＮするのに充分な立ち上がり時間および波高を有し、かつ、目的とする回転方向に対応した極性のパルス状の電流を前記励磁コイル２に与えることによって、回転子４を目標回転方向に起動するので、前述のように回転子４の突起４２が第２の磁心３２の突起３２１の中間位置に停止していても、確実に起動させることができる。
【０１０３】
また、本実施の形態のＤＣブラシレスモータ１の制御方法では、回転子４の目標回転方向に対して、該回転子４の回転角度位置が、固定子３と該回転子４との間に発生するインダクタンス特性が増加しない位置から回転させる場合は、表２の期間Ｔ０で示すように、事前に、励磁コイル２に対して、前記回転子４を、目標回転方向にインダクタンスが増加する角度にまで逆転させるための電流を流し、目標回転方向にインダクタンスが増加する角度に到達してから、前記の期間Ｔ１，Ｔ１’で示すパルス状の電流を与えるので、回転子４の停止位置が目標回転方向に対して起動トルクが得られない位置であっても、本来の目標回転方向に確実に起動させることができる。
【０１０４】
また、前記回転子４が回転開始後、目標回転方向にインダクタンスが増加する角度領域Ｗ１においてのみ、励磁コイル２に、回転方向と同符号の電流（正回転時は正の電流、負回転時は負の電流）で、かつスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ４のデューティ制御によってその波高値を制御することで、回転子４が目標回転方向に回転速度を維持し、或いは任意の回転速度に制御を行うことができる。
【０１０５】
さらにまた、起動コイル５ａ，５ｂの整流素子５２ａ，５２ｂがＯＮされるのに充分な立ち上がり時間と波高とを有し、かつ、目標回転方向に対応した極性の電流を、前記励磁コイル２に流すことで、負荷トルクに応じたトルク制御や、軽負荷トルクでの定格回転数を超える高速回転制御が可能である。
【０１０６】
好ましくは、前記固定子３を回転軸Ｚ方向に複数個積層することで、その複数個倍、トルクを向上することができる。また、その複数個で、第１および第２の磁心３１，３２の位相角を均等にずらせておくことで、コギングトルクを低減できる。
【０１０７】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ充分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【０１０８】
１    ＤＣブラシレスモータ
２    励磁コイル
３    固定子
３１    第１の磁心
３１１，３２１    突起
３１２，３２２    本体
３２    第２の磁心
４    回転子
４１    基部
４２    突起
５１；５１ａ，５１ｂ    導電体
５１１  円環状導体
５１２  閉回路
５１３  導体柱
５２；５２ａ，５２ｂ    整流素子
７１    駆動回路
７２    回生回路
７３    二次電池
７４，７７    キャパシタ
７８    電流変成器
Ｄ１〜Ｄ４，Ｄ１１〜Ｄ１４    ダイオード
Ｌ１，Ｌ２    リアクトル
Ｔｒ１〜Ｔｒ４    スイッチング素子
【図１】
0005581179.tif 000006
【図２】
0005581179.tif 000007
【図３】
0005581179.tif 000008
【図４】
0005581179.tif 000009
【図５】
0005581179.tif 000010
【図６】
0005581179.tif 000011
【図７】
0005581179.tif 000012
【図９】
0005581179.tif 000013
【図１０】
0005581179.tif 000014
【図１１】
0005581179.tif 000015
【図１２】
0005581179.tif 000016
【図１３】
0005581179.tif 000017
【図１４】
0005581179.tif 000018
【図１５】
0005581179.tif 000019
【図１６】
0005581179.tif 000020
【図１７】
0005581179.tif 000021
【図１８】
0005581179.tif 000022
【図１９】
0005581179.tif 000023
【図２０】
0005581179.tif 000024
【図２１】
0005581179.tif 000025
【図２２】
0005581179.tif 000026
【図２３】
0005581179.tif 000027
【図８】
0005581179.tif 000028