(57)【要約】【課題】どの回転域でも適切にＰＷＭ駆動する。【解決手段】コアレス電気機械装置は、ローター磁石と、コアレス電磁コイルと、ＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭ駆動信号生成回路と、ＰＷＭ駆動信号に基づいてコアレス電磁コイルを駆動する駆動回路と、単位時間当たりのローター磁石の回転数を検出する回転数検出部と、を備え、ＰＷＭ駆動信号生成回路は、第１の周波数を有する基本クロックを発生させる基本クロック発生回路と、基本クロックを１／Ｍ（Ｍは２以上の整数）分周して、第２の周波数を有するＰＷＭクロックを生成する分周回路と、ＰＷＭクロックに同期して第２の周波数を有するＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭ駆動信号生成部と、を備え、ローター磁石の電気角２πの期間中のＰＷＭ駆動信号のパルスの数が所定の範囲内に入るように、第１の周波数と第２の周波数とのうちの少なくとも一方を増減させる。【選択図】図４
2014079132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアレス電気機械装置であって、
ローター磁石と、
コアレス電磁コイルと、
ＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭ駆動信号生成回路と、
前記ＰＷＭ駆動信号に基づいて前記コアレス電磁コイルを駆動する駆動回路と、
単位時間当たりの前記ローター磁石の回転数を検出する回転数検出部と、
を備え、
前記ＰＷＭ駆動信号生成回路は、
第１の周波数を有する基本クロックを発生させる基本クロック発生回路と、
前記基本クロックを１／Ｍ（Ｍは２以上の整数）分周して、第２の周波数を有するＰＷＭクロックを生成する分周回路と、
前記ＰＷＭクロックに同期して前記第２の周波数を有する前記ＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭ駆動信号生成部と、
を備え、
前記ローター磁石の電気角２πの期間中の前記ＰＷＭ駆動信号のパルスの数が予め定められた範囲内に入るように、前記ＰＷＭ駆動信号生成回路は、前記第１の周波数と前記第２の周波数とのうちの少なくとも一方を増減させる、コアレス電気機械装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコアレス電気機械装置において、
前記ＰＷＭ駆動信号生成回路は、前記ローター磁石の回転数が予め定められた回転数以上の時に、前記ローター磁石の電気角２πの期間中の前記ＰＷＭ駆動信号のパルスの数が予め定められた範囲内に入るように、前記第１の周波数と前記第２の周波数とのうちの少なくとも一方を増減させる、コアレス電気機械装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のコアレス電気機械装置において、
前記分周回路は、前記ローター磁石の回転数に応じて前記Ｍの値を増減させる、コアレス電気機械装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置において、
前記基本クロック発生回路は、前記ローター磁石の回転数に応じて前記第１の周波数を増減させる、コアレス電気機械装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置を備える移動体。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のコアレス電気機械装置を備えるロボット。
【請求項７】
ローター磁石と、コアレス電磁コイルとを有するコアレス電気機械装置の駆動方法であって、
前記ローター磁石の回転数を検出する工程と、
前記コアレス電磁コイルを駆動するＰＷＭ駆動信号を生成する工程と、
前記ＰＷＭ駆動信号を用いて前記コアレス電磁コイルを駆動する工程と、
を備え、
前記ＰＷＭ駆動信号を生成する工程は、
第１の周波数を有する基本クロックを発生させる工程と、
前記基本クロックを１／Ｍ（Ｍは２以上の整数）分周して、第２の周波数を有するＰＷＭクロックを生成する工程と、
前記ＰＷＭクロックに同期して前記第２の周波数を有する前記ＰＷＭ駆動信号を生成する工程と、を含み、さらに、
前記ローター磁石の電気角２πの期間中の前記ＰＷＭ駆動信号のパルスの数が予め定められた範囲内に入るように、前記ＰＷＭ駆動信号生成回路は、前記第１の周波数と前記第２の周波数とのうちの少なくとも一方を増減させる工程を備える、コアレス電気機械装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアレス電気機械装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧指令の変調波信号と搬送波とを比較して得られるパルス幅変調により制御されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動インバーター装置が知られている（例えば特許文献１）。このインバーター装置は、変調波上限値演算部と変調波制御部を備え、搬送波の最大値以下でかつ搬送波の最小値より大きな範囲にある上限値を変調波に設ける変調波上限値を変調波上限値演算部において作成し、この変調波上限値を用いて複数相の変調波指令を変調波制御部において修正する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００５／０８８８２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コアレス電気機械装置をＰＷＭ駆動した場合、電磁コイルのインダクタンスＬが小さいため、時定数（Ｒ／Ｌ）が大きくなる。その結果、コアレス電気機械装置をＰＷＭ駆動すると、ＰＷＭ駆動のオンオフ毎の電磁コイルに流れる電流の振幅が大きくなり、この大きな電流変化により電磁コイル周りの磁束の変化も大きくなる。その結果、ローター磁石を貫く磁束も大きく変化し、この磁束の大きな変化により、ローター磁石に大きな渦電流が流れ、渦電流損失が大きくなるという問題があった。特にこの問題は、コアレス電気機械装置を高回転で回転させる場合に顕著に現れた。また、ローター磁石の回転により電磁コイルに生じる誘起電圧フォームとは掛け離れたＰＷＭ駆動電圧フォームにより電流歪みが生じ、適正な回転とは異なった電流が生じる虞もあった。また、コアレス電気機械装置は、低回転から高回転まで使われるため、どの回転域でも適切にＰＷＭ駆動できるコアレス電気機械装置やコアレス電気機械装置の制御方法が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、コアレス電気機械装置が提供される。この形態のコアレス電気機械装置は、ローター磁石と、コアレス電磁コイルと、第１の周波数を有するＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭ駆動信号生成回路と、前記ＰＷＭ駆動信号に基づいて前記コアレス電磁コイルを駆動する駆動回路と、単位時間当たりの前記ローター磁石の回転数を検出する回転数検出部と、を備え、前記ＰＷＭ駆動信号生成回路は、第１の周波数を有する基本クロックを発生させる基本クロック発生回路と、前記基本クロックを１／Ｍ（Ｍは２以上の整数）分周して、第２の周波数を有するＰＷＭクロックを生成する分周回路と、前記ＰＷＭクロックに同期して前記第２の周波数を有する前記ＰＷＭ駆動信号を生成するＰＷＭ駆動信号生成部と、を備え、前記ローター磁石の電気角２πの期間中の前記ＰＷＭ駆動信号のパルスの数が予め定められた範囲内に入るように、前記ＰＷＭ駆動信号生成回路は、前記第１の周波数と前記第２の周波数とのうちの少なくとも一方を増減させる。この形態のコアレス電気機械装置によれば、電気角２πの期間中のＰＷＭ駆動信号のパルスの数を予め定められた範囲内に入れることができるので、ＰＷＭ駆動信号のオンオフに伴う電流の変化を小さくして、渦電流損失の発生を抑制することが可能となる。
【０００７】
（２）上記形態のコアレス電気機械装置において、前記ＰＷＭ駆動信号生成部は、前記ＰＷＭ駆動信号生成回路は、前記ローター磁石の回転数が予め定められた回転数以上の時に、前記ローター磁石の電気角２πの期間中の前記ＰＷＭ駆動信号のパルスの数が予め定められた範囲内に入るように、前記第１の周波数と前記第２の周波数とのうちの少なくとも一方を増減させてもよい。一般に、渦電流損失が問題となるのは、ローター磁石が高回転する場合である。この形態のコアレス電気機械装置によれば、渦電流損失が問題となるローター磁石の回転数が前記第１の回転数を超える場合に、ＰＷＭ駆動信号生成回路は、前記第１の周波数と前記第２の周波数とのうちの少なくとも一方を増減させるので、ローター磁石が高回転する場合の渦電流損失の発生を抑制することが可能となる。
【０００８】
（３）上記形態のコアレス電気機械装置において、前記分周回路は、前記ローター磁石の回転数に応じて前記Ｍの値を増減させてもよい。この形態のコアレス電気機械装置によれば、Ｍの値を増減させることにより第２の周波数を増減させることが出来る。そして、第２の周波数を増減させることにより、電気角２πの期間中のＰＷＭ駆動信号のパルスの数を予め定められた範囲内に収めることができるので、ＰＷＭ駆動信号のオンオフに伴う電流の変化を小さくして、渦電流損失の発生を抑制することが可能となる。
【０００９】
（４）上記形態のコアレス電気機械装置において、前記基本クロック発生回路は、前記ローター磁石の回転数に応じて前記第１の周波数を増減させてもよい。この形態のコアレス電気機械装置によれば、第１の周波数を増減させることが出来る。第１の周波数を増減させることにより、電気角２πの期間中のＰＷＭ駆動信号のパルスの数を予め定められた範囲内に収めることができるので、ＰＷＭ駆動信号のオンオフに伴う電流の変化を小さくして、渦電流損失の発生を抑制することが可能となる。
【００１０】
（５）本発明の一形態によれば、上記形態のコアレス電気機械装置を備える移動体であってもよい。この形態のコアレス電気機械装置は、移動体に適用することができる。
【００１１】
（６）本発明の一形態によれば、上記形態のコアレス電気機械装置を備えるロボットであってもよい。この形態のコアレス電気機械装置は、ロボットに適用することができる。
【００１２】
（７）本発明の一形態によれば、ローター磁石と、コアレス電磁コイルとを有するコアレス電気機械装置の駆動方法が提供される。この形態のコアレス電気機械装置の駆動方法は、前記ローター磁石の回転数を検出する工程と、第１の周波数を有し、前記コアレス電磁コイルを駆動するＰＷＭ駆動信号を生成する工程と、前記ＰＷＭ駆動信号を用いて前記コアレス電磁コイルを駆動する工程と、を備え、前記ＰＷＭ駆動信号を生成する工程は、第１の周波数を有する基本クロックを発生させる工程と、前記基本クロックを１／Ｍ（Ｍは２以上の整数）分周して、前記第２の周波数を有するＰＷＭクロックを生成する工程と、前記ＰＷＭクロックに同期して前記第２の周波数を有する前記ＰＷＭ駆動信号を生成する工程と、を含み、さらに、前記ローター磁石の電気角２πの期間中の前記ＰＷＭ駆動信号のパルスの数が予め定められた範囲内に入るように、前記ＰＷＭ駆動信号生成回路は、前記第１の周波数と前記第２の周波数とのうちの少なくとも一方を増減させる工程を備える。この形態のコアレス電気機械装置の駆動方法によれば、電気角２πの期間中のＰＷＭ駆動信号のパルスの数を予め定められた範囲内に入れることができるので、ＰＷＭ駆動信号のオンオフに伴う電流の変化を小さくして、渦電流損失の発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
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、コアレス電気機械装置の他、コアレス電気機械装置の制御方法等様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】電気機械装置の一実施形態としてコアレスモーターの構成を示す説明図である。
【図１Ｂ】電気機械装置の一実施形態としてコアレスモーターの構成を示す説明図である。
【図１Ｃ】コイルバックヨークの内周に沿って配列された電磁コイルを示す概略斜視図である。
【図２】コアレスモーターを３０００ｒｐｍで回転させたときの電磁コイルに流れる電流を示すグラフである。
【図３】コアレスモーターを９０００ｒｐｍで回転させたときの電磁コイルに流れる電流を示すグラフである。
【図４】電流の振幅を少なくする原理を模式的に示す説明図である。
【図５】本実施例のコアレスモーターの回路の一例を示す説明図である。
【図６】ＰＷＭ駆動信号生成回路の一例を示す説明図である。
【図７】分周回路の構成の一例を示す説明図である。
【図８】選択信号生成部の構成を示す説明図である。
【図９】本実施例で用いたパラメータの値を示す説明図である。
【図１０】比較例と本実施形態の回転数とＰＷＭパルス数の関係を示す説明図である。
【図１１】図１０の結果をグラフに示したものである。
【図１２】第２の実施形態における基本クロック発生回路の構成の一例を示す説明図である。
【図１３】選択信号生成部の構成を示す説明図である。
【図１４】本実施例で用いたパラメータの値を示す説明図である。
【図１５】比較例と本実施形態の回転数とＰＷＭパルス数の関係を示す説明図である。
【図１６】本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。
【図１７】本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。
【図１８】本発明の変形例によるモーターを利用した双腕７軸ロボットの一例を示す説明図である。
【図１９】本発明の変形例によるモーターを利用した垂直多関節ロボットを示す説明図である。
【図２０】本発明の変形例によるモーターを利用した双腕キャスター付ロボットを示す説明図である。
【図２１】本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の実施形態：
図１Ａおよび図１Ｂは、電気機械装置の一実施形態としてコアレスモーター１０の構成を示す説明図である。図１Ａは、コアレスモーター１０を回転軸２３０に平行な面（図１Ｂの１Ａ−１Ａ切断面）で切った断面を模式的に示し、図１Ｂは、コアレスモーター１０を回転軸２３０に垂直な面（図１Ａの１Ｂ−１Ｂ切断面）で切った断面を模式的に示している。
【００１６】
コアレスモーター１０は、略円筒状のステーター１５が外側に配置され、円筒状のローター２０が内側に配置されたインナーローター型モーターである。ステーター１５は、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂと、ケーシング１１０と、コイルバックヨーク１１５と、磁気センサー３００とを備えている。ローター２０は、回転軸２３０と、ローター磁石２００と、磁石バックヨーク２３６と、磁石サイドヨーク２３７，２３８と、軸受け部２４０と、波バネ座金２６０と、を備えている。
【００１７】
ローター２０は、中心に回転軸２３０を有しており、回転軸２３０の外周には、円筒状の磁石バックヨーク２３６が接着剤で固定配置されている。また、磁石バックヨーク２３６の外周には、複数（本例では６個）のローター磁石２００が略円筒状に接着剤で固定配置されている。複数のローター磁石２００には、回転軸２３０の中心から外部に向かう方向（放射方向）に磁化された永久磁石と、外部側から回転軸２３０の中心に向かう方向（中心方向）に磁化された永久磁石と、が用いられる。磁化方向が放射方向のローター磁石２００と、磁化方向が中心方向のローター磁石２００とは、円周方向に沿って交互に配置されている。図１Ｂのローター磁石２００に付した「Ｎ」および「Ｓ」の符号は、ローター磁石２００の外周側の磁極の極性を示している。なお、本実施形態では、ローター磁石２００の着磁方向は、ラジアル方向（放射方向あるいは中心方向）として説明しているが、ラジアル方向ではなくパラレル方向の着磁であってもよい。
【００１８】
回転軸２３０に沿った方向（以下、単に「軸方向」と呼ぶ）のローター磁石２００の両側の端部（側面）には、磁石サイドヨーク２３７，２３８が接着剤で固定配置されている。磁石サイドヨーク２３７，２３８は、軟磁性体材料で形成された略円盤状の部材である。磁束は、空気中よりも軟磁性体材料の中を通りやすいので、ローター磁石２００からでた磁束のうち、回転軸２３０の軸方向に漏れ出た磁束を、磁石サイドヨーク２３７，２３８により抑制する。なお、磁石サイドヨーク２３７，２３８とローター磁石２００とが接する面の具体的な構造については、後で詳述する。
【００１９】
回転軸２３０は、炭素繊維強化プラスチック等の非磁性材で形成されており、貫通孔２３１を有している。回転軸２３０は、軸受け部２４０で支持されてケーシング１１０に取り付けられている。また、本実施形態では、ケーシング１１０の内側に、波バネ座金２６０が設けられている。この波バネ座金２６０は、ローター磁石２００の位置決めを行っている。但し、波バネ座金２６０は省略可能である。
【００２０】
ケーシング１１０は、ステーター１５およびローター２０を収容する筐体である。ケーシング１１０は、軸方向の中央の円筒形部分である第１のケーシング部分１１０ａと、両端の蓋部分である第２および第３のケーシング部分１１０ｂ，１１０ｃと、を備える。第１のケーシング部分１１０ａは、アルミニウムなどの熱伝導性の良い材料で形成されている。
【００２１】
第１のケーシング部分１１０ａの内周側には、コイルバックヨーク１１５が設けられている。コイルバックヨーク１１５の軸方向の長さは、ローター磁石２００の軸方向の長さとほぼ同じである。第１のケーシング部分１１０ａがアルミニウムなどの熱伝導性の良い材料で形成されているのは、コイルバックヨーク１１５に生じた熱を外部に容易に放出するためである。なお、コイルバックヨーク１１５に生じる熱の原因としては、ローター２０のローター磁石２００の回転にともなって生じる渦電流による損失（以下「渦電流損失」と呼ぶ。）があげられる。回転軸２３０からコイルバックヨーク１１５に向かって放射方向に放射線を引いたとき、放射線は、ローター磁石２００をちょうど貫く。すなわち、回転軸２３０から見ると、コイルバックヨーク１１５とローター磁石２００は、重なって見える。
【００２２】
コイルバックヨーク１１５の内周側には、コイルバックヨーク１１５の内周に沿って、二相の電磁コイル１００Ａ，１００Ｂが配列されている。二相の電磁コイル１００Ａ，１００Ｂを区別しない場合、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂを合わせて「電磁コイル１００」とも呼ぶ。なお、図１Ｃは、コイルバックヨークの内周に沿って配列された電磁コイル１００を示す概略斜視図である。電磁コイル１００Ａ，１００Ｂは、それぞれ、複数個あり、回路基板３０５に接続されている。電磁コイル１００Ａ，１００Ｂは、有効コイル領域とコイルエンド領域とを有している。ここで有効コイル領域とは、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂに電流が流れたときに、ローター２０に対して回転方向のローレンツ力を与える領域であり、コイルエンド領域は、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂに電流が流れたときに、ローター２０に対して回転方向と異なる方向（主として回転方向に垂直な方向）のローレンツ力を与える領域である。ただし、コイルエンド領域は、有効コイル領域を挟んで２つあり、それぞれのローレンツ力は、大きさが同じで、向きが反対であるので、互いに打ち消し合う。有効コイル領域においては、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂを構成する導体配線は、回転軸２３０とほぼ平行な方向であり、コイルエンド領域では、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂを構成する導体配線は、回転方向と平行である。また、回転軸２３０からコイルバックヨーク１１５に向かって放射方向に放射線を引いたとき、放射線は、有効コイル領域を貫くが、コイルエンド領域は貫かない。すなわち、回転軸２３０から見ると、有効コイル領域は、ローター磁石２００とコイルバックヨーク１１５の両方と重なって見えるが、コイルエンド領域は、ローター磁石２００とコイルバックヨーク１１５のいずれとも重なって見えない。電磁コイル１００Ａ，１００Ｂは、ローター磁石２００と重なっているが、コイルエンド領域では、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂは、ローター磁石２００と重なっていない。
【００２３】
また、電磁コイル１００Ａ、１００Ｂの有効コイル領域は、ローター磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の円筒領域に配置されている。電磁コイル１００Ａの２つのコイルエンド領域のうち、図１Ｃに示す左側のコイルエンド領域は、有効コイル領域と同様に、ローター磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の円筒領域に配置されているが、右側のコイルエンド領域は、ローター磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の円筒領域よりも内側に曲げられている。逆に、電磁コイル１００Ｂの２つのコイルエンド領域のうち、図１Ｃに示す右側のコイルエンド領域は、有効コイル領域と同様に、ローター磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の円筒領域に配置されているが、左のコイルエンド領域は、ローター磁石２００とコイルバックヨーク１１５との間の円筒領域よりも外側に曲げられている。このように、電磁コイル１００Ａの一方のコイルエンド領域を内側に曲げ、電磁コイル１００Ｂの一方のコイルエンド領域を外側に曲げることにより、電磁コイル１００Ａのコイルエンド領域と、電磁コイル１００Ｂのコイルエンド領域とが交わる部分での電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂの干渉を抑制できる。また、電磁コイル１００Ａと１００Ｂとは、曲げられたコイルエンド領域の形状が若干異なるだけなので、電磁コイル１００Ａと電磁コイル１００Ｂの電気抵抗を同じ値にすることが容易である。また、電磁コイル１００Ａと１００Ｂのインダクタンスの値もほぼ同じ値にすることが可能である。
【００２４】
ステーター１５には、さらに、ローター２０の位相を検出する位置センサーとしての磁気センサー３００が、電磁コイル１００Ａ，１００Ｂの各相に１つずつ配置されている。なお、図１Ａでは、一方の磁気センサー３００のみを表示している。磁気センサー３００は、回路基板３１０の上に固定されており、回路基板３１０は、ケーシング１１０に固定されている。
【００２５】
ここで、上記したように、磁石サイドヨーク２３７，２３８は、ローター磁石２００から軸方向に磁束が漏れ出ることを抑制する目的で配置されるが、磁気センサー３００が配置される側の磁石サイドヨーク２３８は、磁気センサー３００で磁束の変化を感知できる程度の磁束の漏れを許容する必要がある。このため、磁気センサー３００が配置される側の磁石サイドヨーク２３８の軸方向の厚さは、磁気センサー３００が配置される側と反対側の磁石サイドヨーク２３７の軸方向の厚さよりも薄く設定される。なお、外部にエンコーダーを設ける場合には、磁気センサー３００および回路基板３１０を省略することができる。
【００２６】
図２は、コアレスモーター１０を３０００ｒｐｍで回転させたときの電磁コイルに流れる電流を示すグラフである。図３は、コアレスモーター１０を９０００ｒｐｍで回転させたときの電磁コイルに流れる電流を示すグラフである。図２、図３とも、横軸は電気角であり、０〜πまでの目盛りを有している。縦軸は、電磁コイル１００に流れる電流である。なお、図２、３では、電気角の０からπまでを図示しているが、電気角のπから２πまでは、電流の大きさ（絶対値）は電気角の０からπまでと同じ大きさであるが電流の向きが電気角の０からπまでと逆向きである。図２と図３からわかるように、電磁コイルを流れる電流の波形は、上下方向に振幅しながら、略正弦波の形状を有している。ＰＷＭ駆動がオンの時は、時定数Ｒ／Ｌの傾きで電流が増加し、ＰＷＭ駆動がオフの時は、時定数Ｒ／Ｌの傾きで電流が減少する。最も振幅が大きいのは、電気角がπ／２の時である。コアレスモーター１０のローター２０を３０００回転で回転させたときの電気角π／２における電流の振幅をΔＩＬ、コアレスモーター１０のローター２０を９０００回転で回転させたときの電気角π／２における電流の振幅をΔＩＨとすると、ΔＩＨ＞ΔＩＬであり、コアレスモーター１０が高回転した方が電磁コイルを流れる電流の振幅が大きい。
【００２７】
ローター磁石２００を貫く磁束は、電磁コイル１００を流れる電流に依存する。ここで、電磁コイル１００を流れる電流が変化すると、ローター磁石２００を貫く磁束が変化し、この磁束の変化を抑えようと、渦電流が流れる。渦電流が生じると、渦電流損失が生じる。電磁コイル１００を流れる電流が大きく変化するほど渦電流が大きくなり、渦電流損失も大きくなる。コアレスモーター１０では、電磁コイルのインダクタンスＬが小さいため、時定数（Ｒ／Ｌ）の値が大きく、電流の変化が大きいため、渦電流損失が大きくなる。本実施例は、電流の振幅を小さくして、渦電流損失を少なくすることを目的としている。
【００２８】
図４は、電流の振幅を少なくする原理を模式的に示す説明図である。図４（ａ）は、コアレスモーターを駆動する駆動波形を模式的に示す駆動模擬波形を表している。駆動模擬波形は、周期が電気角２πの略正弦波である。この駆動模擬波形の電気角２πを基準とした角周波数はｆ２πである。図４（ｂ）は、コアレスモーター１０を駆動する比較例のＰＷＭ駆動波形を示す。図４（ｂ）に示すＰＷＭ駆動波形をアナログ的に示すと、図４（ａ）に示す駆動模擬波形となる。図４（ｃ）は、図４（ｂ）の比較例のＰＷＭ駆動波形の一部を拡大して示すものである。図４（ｃ）では、Ａ１、Ａ２の２つのパルスを示している。各ＰＷＭ周期の大きさは同じ大きさはＴｐｗｍ１であり、周波数はｆｐｗｍ（１）である。図４（ｄ）は、比較例における電磁コイルに流れる電流波形を示す。図４（ｃ）に示すパルスがオンの期間には、ＰＷＭ電流波形は上昇し、図４（ｃ）に示すパルスがオフの期間には、ＰＷＭ電流波形は下降する。図４において、ＰＷＭ電流が最も下降するのは、パルスＡ１がオフになった後パルスＡ２がオンになるまでの間であり、この期間の電流はΔＩ１少なくなる。一方、ＰＷＭ電流が最も上昇するのは、パルスＡ２がオンになっている期間であり、この期間の電流はΔＩ２多くなる。
【００２９】
図４（ｅ）は、本実施形態のＰＷＭ駆動波形を示す説明図である。本実施形態では、各ＰＷＭ周期の大きさを、比較例のＰＷＭ周期の大きさＴｐｗｍ１の半分のＴｐｗｍ２としている。周波数は、ｆｐｗｍ（２）であり、ｆｐｗｍ（１）の２倍である。図４（ｆ）は、図４（ｅ）の本実施形態のＰＷＭ駆動波形の一部を拡大して示すものである。比較例に比べて各ＰＷＭ周期の大きさが半分になったため、同一期間中のＰＷＭパルスの数は倍になっており、図４（ｆ）では、パルスＢ１〜Ｂ４の４つのパルスが表されている。なお、ＰＷＭパルスの数は、ＰＷＭ周期の数と等しいため、ＰＷＭパルスの数ではなく、ＰＷＭ周期の数としてもよい。
【００３０】
図４（ｇ）は、本実施形態における電磁コイルに流れる電流波形を示す説明図である。図４（ｄ）に示す電流波形と比較すると、図４（ｆ）に示す電流波形は、上下方向の振幅が小さい。例えば、ＰＷＭ電流が最も下降するのは、パルスＢ１がオフになった後、パルスＢ２がオンになるまでの間であり、この期間の電流はΔＩ３少なくなる。このΔＩ３の大きさは、図４（ｄ）のΔＩ１よりも小さい。また、ＰＷＭ電流が最も上昇するのは、パルスＢ３あるいはＢ４がオンになっている期間であり、この期間の電流はΔＩ４多くなる。このΔＩ４の大きさは図４（ｄ）のΔＩ２よりも小さい。すなわち、図４（ｆ）に示す電流波形は、図４（ｄ）に示す電流波形よりも、電磁コイル１００を流れる電流の振幅が小さい。その結果、電磁コイル１００を流れる電流の変化により生じる磁束の変化も小さくなる。磁束は、ローター磁石２００を貫いているので、磁束の変化が小さくなれば、ローター磁石に生じる渦電流が小さくなる。すなわち、渦電流損失を低減することが可能となる。
【００３１】
図５は、本実施例のコアレスモーターの回路の一例を示す説明図である。コアレスモーター１０は、すでに説明した電磁コイル１００Ａ、ローター磁石２００、磁気センサー３００Ａの他に、ＣＰＵ４００と、ＰＷＭ駆動信号生成回路５００と、基本クロック発生回路５１０と、分周回路５２０と、回転数取得部４３０と、駆動回路７００と、レベルシフター回路７１０と、を備える。ＰＷＭ駆動信号生成回路５００は、ＰＷＭ駆動信号生成部５３０を含んでいる。
【００３２】
基本クロック発生回路５１０は、基本クロック信号ＰＣＬ（周波数ｆｃ）を発生させる。分周回路５２０は、基本クロック信号ＰＣＬを１／Ｍ分周してクロック信号ＳＤＣ（周波数ｆｐｗｍ）を生成する。Ｍの値は２K（Ｋは自然数）であることが好ましい。分周回路５２０の詳細構成は後述するが、一般的には、Ｄ−フリッププロップ回路の出力を次段のＤ−フリッププロップ回路のクロック端子ＣＬＫに入力することで、容易に周期を２倍（周波数を半分）にすることができる。すなわち、Ｄ−フリッププロップ回路の数が１個であれば。１／２分周、２個であれば１／４分周、３個であれば１／８分周、Ｋ個であれば１／（２K）分周することが容易にできる。なお、図５では、基本クロック信号ＰＣＬと、センサー信号ＳＳＡとを回転数取得部４３０にも入力するため、別個に記載しているが、ＰＷＭ駆動信号生成回路５００が基本クロック発生回路５１０と分周回路５２０とを備える構成にしてもよい。ＰＷＭ駆動信号生成部５３０は、駆動回路７００を駆動するための駆動信号ｄｒｖＡ１Ｈ、ｄｒｖＡ１Ｌ、ｄｒｖＡ２Ｈ、ｄｒｖＡ２Ｌを生成する。本実施例では、駆動回路７００として、Ｈ型ブリッジ回路を用いている。回転数取得部４３０は、磁気センサー３００Ａからのセンサー信号ＳＳＡと、基本クロック信号ＰＣＬとを用いて、コアレスモーター１０の回転数Ｎを取得する。なお、Ｂ相側についても同様の回路を備えていてもよい。
【００３３】
駆動回路７００は、電磁コイル１００Ａとスイッチング素子Ｔｒ１Ａ〜Ｔｒ４Ａを備えている。電磁コイル１００Ａを挟む対角のスイッチング素子同士、例えばスイッチング素子Ｔｒ１ＡとＴｒ４Ａとがオンし、スイッチング素子Ｔｒ２ＡとＴｒ３Ａとがオフしたときに電磁コイル１００Ａに右向きに電流が流れる。逆に、例えばスイッチング素子Ｔｒ１ＡとＴｒ４Ａとがオフし、スイッチング素子Ｔｒ２ＡとＴｒ３Ａとがオンしたときに電磁コイル１００Ａに左向きに電流が流れる。レベルシフター回路７１０は、電源側のスイッチング素子Ｔｒ１Ａ、Ｔｒ３Ａのゲートに入力されるＰＷＭ駆動信号ＤｒｖＡ１Ｈ、ＤｒｖＡ２Ｈの信号の電位を調整するために用いられる。なお、レベルシフター回路７１０は無くても良い。
【００３４】
図６は、ＰＷＭ駆動信号生成回路の一例を示す説明図である。ＰＷＭ駆動信号生成回路５００は、基本クロック発生回路５１０と、分周回路５２０と、ＰＷＭ駆動信号生成部５３０と、正逆方向指示値レジスター５４０と、乗算器５５０、５５２と、符号化部５６０、５６２と、ＡＤ変換部５７０、５７２と、電圧指令値レジスター５８０と、励磁区間設定部５９０と、を備える。なお、図６では、図５で説明した基本クロック発生回路５１０と、分周回路５２０とをＰＷＭ駆動信号生成回路５００に含めて記載している。
【００３５】
基本クロック発生回路５１０は、所定の周波数を有するクロック信号ＰＣＬを発生する回路であり、例えばＰＬＬ回路で構成される。分周回路５２０は、このクロック信号ＰＣＬの１／Ｍの周波数を有するクロック信号ＳＤＣを発生する。Ｍの値は所定の一定値に設定される。このＭの値は、予めＣＰＵ４００によって分周回路５２０に設定される。ＰＷＭ駆動信号生成部５３０は、クロック信号ＰＣＬ、ＳＤＣと、乗算器５５０、５５２から供給される乗算値Ｍａ、Ｍｂと、正逆方向指示値レジスター５４０から供給される正逆方向指示値ＲＩと、符号化部５６０、５６２から供給される正負符号信号Ｐａ、Ｐｂと、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａ、Ｅｂと、ローター２０の回転数に応じて、ＰＷＭ駆動信号ｄｒｐｗｍｃを生成する。
【００３６】
正逆方向指示値レジスター５４０内には、コアレスモーター１０の回転方向を示す値ＲＩがＣＰＵ４００によって設定される。本実施例では、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルのときにコアレスモーター１０が正転し、Ｈレベルのときに逆転する。
【００３７】
ＰＷＭ駆動信号生成部５３０に供給される他の信号Ｍａ、Ｍｂ、Ｐａ、Ｐｂ、Ｅａ、Ｅｂ、ＳＥＬは以下のように決定される。なお、乗算器５５０と符号化部５６０とＡＤ変換部５７０はＡ相用の回路であり、乗算器５５２と符号化部５６２とＡＤ変換部５７２はＢ相用の回路である。これらの回路群の動作は同じなので、以下ではＡ相用の回路の動作について主に説明する。なお、以下では、Ａ相とＢ相のパラメータ（後述する励磁区間など）は同じ値に設定されるものとして説明するが、Ａ相とＢ相のパラメータを互いに異なる値に設定することも可能である。
【００３８】
なお、本明細書において、Ａ相とＢ相とをまとめて指す場合には、符号の末尾「ａ」「ｂ」（Ａ相とＢ相を示すもの）を省略している。例えば、Ａ相とＢ相の乗算値Ｍａ、Ｍｂを区別する必要が無い場合には、これらを合わせて「乗算値Ｍ」と呼ぶ。他の符号についても同様である。
【００３９】
磁気センサー３００Ａのセンサー信号ＳＳＡは、ＡＤ変換部５７０に供給される。この磁気センサー３００Ａのセンサー信号ＳＳＡのレンジは、例えばＧＮＤ（接地電位）からＶＤＤ（電源電圧）までであり、その中位点（＝ＶＤＤ／２）が出力波形の中位点（正弦波の原点を通る点）である。ＡＤ変換部５７０は、このセンサー信号ＳＳＡをＡＤ変換して、センサー出力のデジタル値を生成する。ＡＤ変換部５７０の出力のレンジは、例えばＦＦｈ〜０ｈ（語尾の”ｈ”は１６進数であることを示す）であり、プラス側の中央値を８０ｈとし、マイナス側の中央値を７Ｆｈとしてそれぞれを波形の中位点に対応させる。
【００４０】
符号化部５６０は、ＡＤ変換後のセンサー出力値のレンジを変換するとともに、センサー出力値の中位点の値を０に設定する。この結果、符号化部５６０で生成されるセンサー出力値Ｘａは、正側の所定の範囲（例えば＋１２７〜０）と負側の所定の範囲（例えば０〜−１２７）の値を取る。但し、符号化部５６０から乗算器５５０に供給されるのは、センサー出力値Ｘａの絶対値であり、その正負符号は正負符号信号ＰａとしてＰＷＭ駆動信号生成部５３０に供給される。
【００４１】
電圧指令値レジスター５８０は、ＣＰＵ４００によって設定された電圧指令値Ｙａを格納する。この電圧指令値Ｙａは、後述する励磁区間信号Ｅａとともに、コアレスモーター１０の印加電圧を設定する値として機能するものである。電圧指令値Ｙａは、典型的には０〜１．０の値を取るが、１．０よりも大きな値を設定可能としても良い。但し、以下では電圧指令値Ｙａが０〜１．０の範囲の値を取るものと仮定する。このとき、仮に、非励磁区間を設けずに全区間を励磁区間とするように励磁区間信号Ｅａを設定した場合には、Ｙａ＝０は印加電圧をゼロとすることを意味し、Ｙａ＝１．０は印加電圧を最大値とすることを意味する。乗算器５５０は、符号化部５６０から出力されたセンサー出力値Ｘａと、電圧指令値Ｙａとを乗算して整数化し、その乗算値ＭａをＰＷＭ駆動信号生成部５３０に供給する。ＰＷＭ駆動信号生成部５３０は、駆動信号ｄｒｖＡ１Ｈ、ｄｒｖＡ１Ｌ、ｄｒｖＡ２Ｈ、ｄｒｖＡ２Ｌを生成する。
【００４２】
図７は、分周回路５２０の構成の一例を示す説明図である。分周回路５２０は、Ｄ−フリップフロップ回路５２２ａ〜５２２ｈと、選択信号生成部５２４と、出力選択部５２７と、を備える。出力選択部５２７は、トランスファーゲート５２７ａ〜５２７ｄを有している。Ｄ−フリップフロップ回路５２２ａのクロック端子ＣＬＫには、基本クロック信号ＰＣＬが入力されている。Ｄ−フリップフロップ回路５２２ａの出力端子Ｑは、次段のＤ−フリップフロップ回路５２２ｂのクロック端子ＣＬＫに接続されている。以下Ｄ−フリップフロップ回路５２２ｈまで、同様に接続されている。本実施形態では、基本クロック信号ＰＣＬとして周波数１２ＭＨｚの基本クロック信号ＰＣＬが入力されている。そして、Ｄ−フリップフロップ回路５２２ｈの出力端子Ｑからは、周波数ｆｐｗｍ（１）（＝４６．８７５ｋＨｚ）のクロック信号ＳＤＣ１が出力され、Ｄ−フリップフロップ回路５２２ｇの出力端子Ｑからは、周波数ｆｐｗｍ（２）（＝９３．７５ｋＨｚ）のクロック信号ＳＤＣ２が出力され、Ｄ−フリップフロップ回路５２２ｆの出力端子Ｑからは、周波数ｆｐｗｍ（３）（＝１８７．５ｋＨｚ）のクロック信号ＳＤＣ３が出力されＤ−フリップフロップ回路５２２ｅの出力端子Ｑからは、周波数ｆｐｗｍ（４）（＝３７５ｋＨｚ）のクロック信号ＳＤＣ４が出力される。
【００４３】
クロック信号ＳＤＣ１〜ＳＤＣ４は、それぞれ、トランスファーゲート５２７ａ〜５２７ｄに入力されている。トランスファーゲート５２７ａ〜５２７ｄの出力は１つにまとめられている。選択信号生成部５２４は、ローター磁石２００の回転数２００を用いて、選択信号Ｓｎ１〜Ｓｎ４を生成する。選択信号Ｓｎ１〜Ｓｎ４は、それぞれ、トランスファーゲート５２７ａ〜５２７ｄのゲートに入力されている。出力選択部５２７のトランスファーゲート５２７ａ〜５２７ｄは、選択信号Ｓｎ１〜Ｓｎ４により、いずれか１つのトランスファーゲートがオンし、他の３つのトランスファーゲートはオフする。その結果、クロック信号ＳＤＣ１〜ＳＤＣ４のうち１つがクロック信号ＳＤＣとして選択される。クロック信号ＳＤＣ１〜ＳＤＣ４のうち１つをクロック信号ＳＤＣとしてトランスファーする際は、ＳＤＣ信号上にサグ（切り替え時の波形ノイズ）を生じさせないように、選択信号生成部５２４でＰＣＬ信号から位相を整えた選択信号Ｓｎ１，Ｓｎ２，Ｓｎ３，Ｓｎ４を生成させることが好ましい。
【００４４】
図８は、選択信号生成部５２４の構成を示す説明図である。選択信号生成部５２４は、レジスター群５２５と、演算部５２６とを備える。レジスター群５２５には、基本クロック周波数レジスター５２５ａと、極数レジスター５２５ｂと、ＰＷＭｍｉｎ数レジスター５２５ｃと、キャリア周波数レジスター５２５ｄと、が含まれる。
【００４５】
基本クロック周波数レジスター５２５ａは、基本クロック信号ＰＣＬの周波数ｆｃを格納する。極数レジスター５２５ｂは、ローター２０のローター磁石２００の極数Ｐを格納する。ＰＷＭｍｉｎ数レジスター５２５ｃは、電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを格納する。キャリア周波数レジスター５２５ｄは、クロック信号ＳＤＣの周波数ｆｐｗｍ（ｎ）を格納する。
【００４６】
演算部５２６は、選択信号Ｓｎ１〜Ｓｎ４を生成するための演算を行う。図８の演算部５２６の中は、演算部５２６で行われる処理の一例を示す説明図である。なお、これらの処理は、ＣＰＵ４００により実行される。ステップＳ８００では、ｎの値を１とする。ｎは、クロック信号ＳＤＣの周波数ｆｐｗｍ（ｎ）のｎを示すものである。最初は、クロック信号ＳＤＣの周波数としてｆｐｗｍ（１）が選択される（ｆｐｗｍ（１）＝４６．８７５ｋＨｚ）。
【００４７】
ステップＳ８１０では、ＣＰＵ４００は、ローター２０の回転数Ｎと、クロック信号ＳＤＣの周波数ｆｐｗｍ（ｎ）とを用いて、ローター２０の回転の角周波数ｆ２πと電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πとを算出する。
【００４８】
ステップＳ８２０では、ＣＰＵ４００は、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回っているか否かを判断する。本実施形態では、Ｎｍｉｎとして２５６を用いた。電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回っている場合には、ＣＰＵ４００は、処理をステップＳ８３０に移行し、ｎの値を１つ大きくする。すなわち、ＣＰＵ４００は、クロック信号ＳＤＣの周波数ｆｐｗｍ（ｎ）を２倍にして、ステップＳ８１０、Ｓ８２０の処理を実行する。クロック信号ＳＤＣの周波数ｆｐｗｍ（ｎ）を２倍にすると、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πも２倍になる。したがって、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回っていても、（ステップＳ８２０→Ｓ８３０→Ｓ８１０→ステップＳ８２０）のループを何回か繰り返されれば、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回らなくなる。電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回らなくなると、ＣＰＵ４００は、処理をステップＳ８４０に移行する。
【００４９】
ステップＳ８４０では、ＣＰＵ４００は、ｎの値により、選択信号Ｓｎ１〜Ｓｎ４のうち１つの信号を活性化（Ｈ）させ、他の信号を非活性化（Ｌ）させる。これにより、クロック信号ＳＤＣ１〜ＳＤＣ４の中から１つのクロック信号を選択することが可能となる。
【００５０】
図９は、本実施例で用いたパラメータの値を示す説明図である。本実施例では、基本クロック信号ＰＣＬの周波数として１２ＭＨｚ（１２０００ｋＨｚ）を用いた。ＰＷＭ駆動のクロック信号ＳＤＣ１〜ＳＤＣ４の周波数は、４６．８７５ＫＨｚ（＝１２ＭＨｚ／２５６）から３７５ｋＨｚ（＝１２ＭＨｚ／３２）とした。また、ローター磁石の極数は、図１から６極である。ＰＷＭパルス数Ｍｉｎ値Ｎｍｉｎは２５６とした。これらの値は、レジスター群５２５に格納されている。
【００５１】
図１０は、比較例と本実施形態の回転数とＰＷＭパルス数の関係を示す説明図である。例えば、コアレスモーター１０のローター２０の回転数Ｎが３０００ｒｐｍのとき、電気角２πの角周波数ｆ２πは、１５０Ｈｚ（＝Ｐ／２×（Ｎ／６０）＝６／２×（３０００／６０））である。比較例のＰＷＭパルス数Ｎ２πは、３１２．５（＝ｆｐｗｍ／ｆ２π＝４６８７５／１５０）であり、本実施形態においてもＰＷＭパルス数Ｎ２πｃは、３１２．５であり、同じ値である。
【００５２】
コアレスモーター１０のローター２０の回転数Ｎが９０００ｒｐｍのとき、電気角２πの角周波数ｆ２πは４５０Ｈｚとなり、比較例のＰＷＭパルス数Ｎ２πは１０４．１６７となる。一方、本実施形態では、ＰＷＭパルス数Ｎ２πｃは、４１６．６６７（＝１０４．１６７×４、ｎ＝３）となる。ＰＷＭパルス数Ｎ２πは１０４．１６７であり、電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎ（＝２５６）を下回っている。まず、ＣＰＵ４００は、ｎ＝２として、ＰＷＭパルス数Ｎ２πを２倍とする。しかし、その状態でもパルス数は、２０８．３３４であり、電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎ（＝２５６）を下回っている。そのため、ＣＰＵ４００は、ｎ＝３として、ＰＷＭパルス数Ｎ２πをさらに２倍（計４倍）する。その結果、ＰＷＭパルス数Ｎ２πｃは、４１６．６６７（＝１０４．１６７×４）となり、電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎ（＝２５６）を下回らなくなる。ＣＰＵ４００は、他の回転数についても同様に計算することで、図１０に示す値を得ることが出来る。
【００５３】
図１１は、図１０の結果をグラフに表したものである。図１１の横軸は、コアレスモーター１０の回転数Ｎであり、縦軸（左）は、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πとＮ２πｃであり、縦軸（右）はｎの値である。回転数Ｎが大きくなると、ＰＷＭパルス数Ｎ２πは小さくなっていく。同様にＮ２πｃも小さくなっていく。ここで、ＰＷＭパルス数Ｎ２πｃが２５６を下回ると、ｎの値が１つ大きくなり、ＰＷＭパルス数Ｎ２πｃは２５６の倍の５１２となる。したがって、本実施形態では、２０００回転以上では、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πｃは、２５６〜５１２の範囲に収めることができる。なお、分周回路５２０中のＤ−フリップフロップ回路の数を多くして、クロック信号ＳＤＣの周波数をさらに下げる構成を採用すれば、２０００回転未満においても、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πｃを、２５６〜５１２の範囲に収めることも可能である。
【００５４】
以上、本実施形態によれば、電気角２π中のＰＷＭパルス数を２５６以上に維持できるのでＰＷＭ駆動信号のパルスのオン、オフに起因する電流の大きな変動を抑え、渦電流損失を少なくすることが可能となる。
【００５５】
なお、本実施形態では、ローター磁石２００の回転数が小さい場合（例えば１０００ｒｐｍ以下）の場合には、電気角２π中のＰＷＭパルス数が大きくなるため、電気角２π中のＰＷＭパルス数の下限のみを規定したが、上限についても規定して良い。例えば、下限を２５６、上限を５１２としてもよい。ローター磁石２００の回転数が小さい場合に、電気角２π中のＰＷＭパルス数が大きくなりすぎないように、上述したように分周回路５２０にＤ−フリップフロップ回路を予め多く搭載しておき、クロック信号ＳＤＣの周波数をさらに下げることができるようにしておくことが好ましい。
【００５６】
第２の実施形態：
第１の実施形態では、分周回路５２０の分周数を変更することにより、クロック信号ＳＤＣの周波数を変更したが、第２の実施形態では、基本クロック信号ＰＣＬの周波数を変更する点が異なる。
【００５７】
図１２は、第２の実施形態における基本クロック発生回路５１０の構成の一例を示す説明図である。基本クロック発生回路５１０は、Ｄ−フリップフロップ回路５１２ａ〜５１２ｃと、選択信号生成部５１４と、出力選択部５１７と、を備える。出力選択部５１７は、トランスファーゲート５１７ａ〜５１７ｄを有している。Ｄ−フリップフロップ回路５１２ａのクロック端子ＣＬＫには、クロック信号ＰＣＬ０（９６ＭＨｚ）が入力されている。Ｄ−フリップフロップ回路５１２ａの出力端子Ｑは、次段のＤ−フリップフロップ回路５１２ｂのクロック端子ＣＬＫに接続されている。以下Ｄ−フリップフロップ回路５１２ｃまで、同様に接続されている。本実施形態では、クロック信号として周波数９６ＭＨｚのクロック信号ＰＣＬ０が入力されている。そして、Ｄ−フリップフロップ回路５１２ｃの出力端子Ｑからは、周波数１２ＭＨｚのクロック信号ＰＣＬ１が出力され、Ｄ−フリップフロップ回路５１２ｂの出力端子Ｑからは、周波数２４ＭＨｚのクロック信号ＰＣＬ２が出力され、Ｄ−フリップフロップ回路５１２ａの出力端子Ｑからは、周波数４８ＭＨｚのクロック信号ＰＣＬ３が出力される。
【００５８】
クロック信号ＰＣＬ１〜３，ＰＣＬ４は、それぞれ、トランスファーゲート５１７ａ〜５１７ｄに入力されている。トランスファーゲート５１７ａ〜５１７ｄの出力は１つにまとめられている。選択信号生成部５１４は、ローター磁石２００の回転数２００を用いて、選択信号Ｓｐｎ１〜Ｓｐｎ４を生成する。選択信号Ｓｐｎ１〜Ｓｐｎ４は、それぞれ、トランスファーゲート５１７ａ〜５１７ｄのゲートに入力されている。出力選択部５１７のトランスファーゲート５１７ａ〜５１７ｄは、選択信号Ｓｐｎ１〜Ｓｐｎ４により、いずれか１つのトランスファーゲートがオンし、他の３つのトランスファーゲートはオフする。その結果、クロック信号ＰＣＬ１〜３，ＰＣＬ４のうち１つが基本クロック信号ＰＣＬとして選択される。クロック信号ＰＣＬ１〜３，ＰＣＬ４のうち１つを基本クロック信号ＰＣＬとしてトランスファーする際は、ＰＣＬ信号上にサグ（切り替え時の波形ノイズ）を生じさせないように、選択信号生成部５１４でＰＣＬ０信号から位相を整えた選択信号Ｓｐｎ１，Ｓｐｎ２，Ｓｐｎ３，Ｓｐｎ４を生成させることが好ましい。
【００５９】
図１３は、選択信号生成部５１４の構成を示す説明図である。選択信号生成部５１４は、レジスター群５１５と、演算部５１６とを備える。レジスター群５１５には、基本クロック周波数レジスター５１５ａと、極数レジスター５１５ｂと、ＰＷＭｍｉｎ数レジスター５１５ｃと、ＰＷＭ分解能レジスター５１５ｄと、が含まれる。
【００６０】
基本クロック周波数レジスター５１５ａは、基本クロック信号ＰＣＬの周波数ｆｃを格納する。極数レジスター５１５ｂは、ローター２０のローター磁石２００の極数Ｐを格納する。ＰＷＭｍｉｎ数レジスター５１５ｃは、電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを格納する。ＰＷＭ分解能レジスター５１５ｄは、ＰＷＭ駆動の分解能（ＰＷＭパルスの一周期に含まれる基本クロック信号ＰＣＬのパルス数）Ｎｐｗｍを格納する。
【００６１】
演算部５１６は、選択信号Ｓｐｎ１〜Ｓｐｎ４を生成するための演算を行う。図１３の演算部５１６の中は、演算部５１６で行われる処理の一例を示す説明図である。なお、これらの処理は、ＣＰＵ４００により実行される。ステップＳ１３００では、ｎの値を１とする。ｎは、クロック信号ＰＣＬｎの添字を示すものである。最初は、クロック信号ＰＣＬ１（周波数ｆｃ（１）＝１２ＭＨｚ）が選択される。
【００６２】
ステップＳ１３１０では、ＣＰＵ４００は、ローター２０の回転数Ｎと、クロック信号ＰＣＬ１とを用いて、ローター２０の回転の角周波数ｆ２πと電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πとを算出する。
【００６３】
ステップＳ１３２０では、ＣＰＵ４００は、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回っているか否かを判断する。本実施形態では、Ｎｍｉｎとして２５６を用いた。電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回っている場合には、ＣＰＵ４００は、処理をステップＳ１３３０に移行し、ｎの値を１つ大きくする。この処理は、クロック信号ＰＣＬ１の周波数ｆｃ（１）を２倍にする。具体的には、基本クロック信号ＰＣＬとして、クロック信号ＰＣＬ２を用いるのと同等である。ＣＰＵ４００は、基本クロック信号ＰＣＬとして、２４ＭＨｚのクロック信号ＰＣＬ２を用いるものとして、ステップＳ１３１０、Ｓ１３２０の処理を実行する。クロック信号ＰＣＬの周波数を２倍にすると、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πも２倍になる。したがって、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回っていても、（ステップＳ１３２０→Ｓ１３３０→Ｓ１３１０→ステップＳ１３２０）のループを何回か繰り返せば、電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回らなくなる。電気角２π中のＰＷＭパルス数Ｎ２πが電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎを下回らなくなると、ＣＰＵ４００は、処理をステップＳ１３４０に移行する。
【００６４】
ステップＳ１３４０では、ＣＰＵ４００は、ｎの値により、選択信号Ｓｐｎ１〜Ｓｐｎ４のうち１つの信号を活性化（Ｈ）させ、他の信号を非活性化（Ｌ）させる。これにより、クロック信号ＰＣＬ１〜ＰＣＬ３、ＰＣＬ０の中から１つのクロック信号を選択することが可能となる。
【００６５】
図１４は、本実施例で用いたパラメータの値を示す説明図である。本実施例では、基本クロックの周波数として１２ＭＨｚ（ＰＣＬ１）、２４ＭＨｚ（ＰＣＬ２）、４８ＭＨｚ（ＰＣＬ３）、９６ＭＨｚ）ＰＣＬ０）を用いた。ＰＣＭ分解能（Ｍ）として２５６を用いた。また、ローター磁石の極数は、図１から６極である。ＰＷＭパルス数Ｍｉｎ値Ｎｍｉｎは２５６とした。これらの値は、レジスター群５１５に格納されている。
【００６６】
図１５は、比較例と本実施形態の回転数とＰＷＭパルス数の関係を示す説明図である。コアレスモーター１０のローター２０の回転数Ｎが９０００ｒｐｍのとき、電気角２πの角周波数ｆ２πは４５０Ｈｚとなり、比較例のＰＷＭパルス数Ｎ２πは１０４．１６７となる。一方、本実施形態では、ＰＷＭパルス数Ｎ２πｃは、４１６．６６７（＝１０４．１６７×４、ｎ＝３）となる。ＰＷＭパルス数Ｎ２πは１０４．１６７であり、電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎ（＝２５６）を下回っている。まず、ＣＰＵ４００は、ｎ＝２として、基本クロック信号ＰＣＬの周波数を２倍とする。しかし、その状態でもパルス数は、２０８．３３４であり、電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎ（＝２５６）を下回っている。そのため、ＣＰＵ４００は、ｎ＝３として、基本クロック信号ＰＣＬの周波数をさらに２倍（計４倍）する。その結果、ＰＷＭパルス数Ｎ２πｃは、４１６．６６７（＝１０４．１６７×４）となり、電気角２π中のＰＷＭパルス数の最低許容値Ｎｍｉｎ（＝２５６）を下回らなくなる。ＣＰＵ４００は、他の回転数についても同様に計算することで、図１０に示す値を得ることが出来る。図１５では、図１０と同様の結果が得られている。なお、図１５のグラフについては、図１１に示すグラフと同一となるため、省略する。
【００６７】
以上、第２の実施形態によれば、ローター２０の回転数が高い場合に、基本クロック信号ＰＣＬの周波数を大きくすることにより、第１の実施形態と同様に、電気角２π中のＰＷＭパルス数を２５６以上に維持できるのでＰＷＭ駆動信号のパルスのオン、オフに起因する電流の大きな変動を抑え、渦電流損失を少なくすることが可能となる。
【００６８】
第１の実施形態では、基本クロック信号ＰＣＬの周波数が変わらないため、ＰＷＭの一周期中の分解能が小さくなるが、第２の実施形態では、基本クロック信号ＰＣＬの周波数を高くすることにより、ＰＷＭの一周期中の分解能を高く維持できる。なお、逆に、低回転側では、電気角２π中のＰＷＭパルス数が大きくなるため、電気角２π中のＰＷＭパルス数が大きくなりすぎないように、基本クロック発生回路５１０においてＤ−フリップフロップ回路を予め多く搭載しておき、低回転側では、さらに分周した信号を基本クロックＰＣＬとして用いることができるようにしておくことが好ましい。
【００６９】
上記実施形態では、Ｄ−フリップフロップを用い回路構成を簡単にするために、分周回路５２０において１／（２K）分周とした例を用いて説明したが、１／１００分周、１／２５０分周など、１／（２K）分周でない分周であってもよい。
【００７０】
図１６は、本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車３３００は、前輪にモーター３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モーター３３１０は、充電池３３３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモーター３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、モーターの駆動と回生とを制御する回路である。このモーター３３１０としては、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することが可能である。
【００７１】
図１７は、本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モーター３４３０とを有している。このモーター３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモーター３４３０としては、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することが可能である。
【００７２】
図１８は、本発明の変形例によるモーターを利用した双腕７軸ロボットの一例を示す説明図である。双腕７軸ロボット３４５０は、関節モーター３４６０と、把持部モーター３４７０と、アーム３４８０と、把持部３４９０と、を備える。関節モーター３４６０は、肩関節、肘関節、手首関節に相当する位置に配置されている。関節モーター３４６０は、アーム３４８０と把持部３４９０とを、３次元的に動作させるため、各関節につき２つのモーターを備えている。また、把持部モーター３４７０は、把持部３４９０を開閉し、把持部３４９０に物を掴ませる。双腕７軸ロボット３４５０において、関節モーター３４６０あるいは把持部モーター３４７０として、上述した各種のコアレスモーターを利用することが可能である。
【００７３】
図１９は、本発明の変形例によるモーターを利用した垂直多関節ロボットを示す説明図である。図１９に示すように、垂直多関節ロボット３６４０は、本体部３６４１、アーム部３６４２およびロボットハンド３６４５等から構成されている。本体部３６４１は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定されている。アーム部３６４２は、本体部３６４１に対して可動に設けられており、本体部３６４１にはアーム部３６４２を回転させるための動力を発生させる駆動部（不図示）や、駆動部を制御する制御部等が内蔵されている。この駆動部として、上述したコアレスモーター１０を用いることが可能である。
【００７４】
アーム部３６４２は、第１フレーム３６４２ａ、第２フレーム３６４２ｂ、第３フレーム３６４２ｃ、第４フレーム３６４２ｄおよび第５フレーム３６４２ｅから構成されている。第１フレーム３６４２ａは、回転屈折軸を介して、本体部３６４１に回転可能または屈折可能に接続されている。第２フレーム３６４２ｂは、回転屈折軸を介して、第１フレーム３６４２ａおよび第３フレーム３６４２ｃに接続されている。第３フレーム３６４２ｃは、回転屈折軸を介して、第２フレーム３６４２ｂおよび第４フレーム３６４２ｄに接続されている。第４フレーム３６４２ｄは、回転屈折軸を介して、第３フレーム３６４２ｃおよび第５フレーム３６４２ｅに接続されている。第５フレーム３６４２ｅは、回転屈折軸を介して、第４フレーム３６４２ｄに接続されている。アーム部３６４２は、制御部（図示せず）の制御によって、各フレーム３６４２ａ〜３６４２ｅが各回転屈折軸を中心に複合的に回転または屈折して動くようになっている。
【００７５】
アーム部３６４２の第５フレーム３６４２ｅのうち第４フレーム３６４２ｄが設けられた側と反対側には、ハンド接続部３６４３が接続されており、このハンド接続部３６４３にロボットハンド３６４５が取り付けられている。
【００７６】
ロボットハンド３６４５は、基部３６４５ａと、基部３６４５ａに接続された指部３６４５ｂと、を備えている。基部３６４５ａには、指部３６４５ｂを動かすためのコアレスモーター１０が組み込まれている。なお、指部３６４５ｂは関節部を有する構成であってもよく、この場合、指部３６４５ｂの関節部には、コアレスモーター１０が組み込まれていてもよい。コアレスモーター１０が駆動することによって、指部３６４５ｂが屈曲し、物体を把持することができる。このコアレスモーター１０は、超小型モーターであって、小型でありながら確実に物体を把持するロボットハンド３６４５を実現することができる。これにより、小型、軽量のロボットハンド３６４５を用いて、複雑な動作が行なえる、汎用性の高い垂直多関節ロボット３６４０を提供することができる。
【００７７】
図２０は、本発明の変形例によるモーターを利用した双腕キャスター付ロボットを示す説明図である。図２０に示すように、双腕キャスター付ロボット３７６２は車体部３７６３を備えている。車体部３７６３は車体本体３７６３ａを備え、車体本体３７６３ａの地面側には４つの車輪３７６３ｂが設置されている。そして、車体本体３７６３ａには車輪３７６３ｂを駆動する回転機構が内蔵されている。さらに、車体本体３７６３ａにはロボット３７６２の姿勢及び動作を制御する制御部３７６４が内蔵されている。
【００７８】
車体本体３７６３ａ上には本体回転部３７６５、本体部３７６６がこの順に重ねて設置されている。本体回転部３７６５には本体部３７６６を回転させる回転機構が設置されている。そして、本体部３７６６は鉛直方向を回転中心として回動する。本体部３７６６上には一対の撮像装置３７６７が設置され、撮像装置３７６７は双腕キャスター付ロボット３７６２の周囲を撮影する。そして、撮影した物と撮像装置３７６７との距離を検出することができる。
【００７９】
本体部３７６６の側面のうち対向する２つの面には左腕部３７６８及び右腕部３７６９が設置されている。左腕部３７６８及び右腕部３７６９はそれぞれ可動部としての上腕部３７７０、下腕部３７７１、ハンド部３７７２を備えている。上腕部３７７０、下腕部３７７１、ハンド部３７７２は回動または屈曲可能に接続されている。そして、本体部３７６６には本体部３７６６に対して上腕部３７７０を回動させる回転機構３７７３が内蔵されている。上腕部３７７０には上腕部３７７０に対して下腕部３７７１を回動させる回転機構３７７３が内蔵されている。下腕部３７７１には下腕部３７７１に対してハンド部３７７２を回動させる回転機構３７７３が内蔵されている。さらに、下腕部３７７１には下腕部３７７１の長手方向を回転軸にして捻る回転機構３７７３が内蔵されている。
【００８０】
ハンド部３７７２はハンド本体３７７２ａとハンド本体３７７２ａの先端に位置する一対の板状の可動部としての把持部３７７２ｂを備えている。ハンド本体３７７２ａには把持部３７７２ｂを移動しての把持部３７７２ｂの間隔を変更させる直動機構３７７４が内蔵されている。ハンド部３７７２は把持部３７７２ｂを開閉して被把持物を把持することができる。
【００８１】
回転機構３７７３及び直動機構３７７４にはコアレスモーター１０及び減速機を備えている。尚、コアレスモーター１０は上述した実施形態にて説明した電気機械装置である。従って、回転機構３７７３は回転方向を反転させるときにもガタツクことなくスムーズに回転方向を転換させることができる。そして、直動機構３７７４は移動方向を反転させるときにもガタツクことなくスムーズに移動方向を転換させることができる。従って、双腕キャスター付ロボット３７６２は左腕部３７６８及び右腕部３７６９を位置精度良く移動することができる。
【００８２】
図２１は、本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、電動モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。この電動モーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、電動モーター３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。この電動モーター３５１０としては、上述した各種のコアレスモーター１０を利用することができる。
【００８３】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００８４】
１０…コアレスモーター
１５…ステーター
２０…ローター
１００、１００Ａ、１００Ｂ…電磁コイル
１１０…ケーシング
１１０ａ…第１のケーシング部分
１１０ｂ…第２のケーシング部分
１１０ｃ…第３のケーシング部分
１１５…コイルバックヨーク
２００…ローター磁石
２３０…回転軸
２３１…貫通孔
２３６…磁石バックヨーク
２３７、２３８…磁石サイドヨーク
２４０…軸受け部
２６０…波バネ座金
３００、３００Ａ、３００Ｂ…磁気センサー
３０５、３１０…回路基板
４００…ＣＰＵ
４３０…回転数取得部
５００…ＰＷＭ駆動信号生成回路
５１０…基本クロック発生回路
５１２ａ〜５１２ｃ…Ｄ−フリップフロップ回路
５１４…選択信号生成部
５１５…レジスター群
５１５ａ…基本クロック周波数レジスター
５１５ｂ…極数レジスター
５１５ｃ…ＰＷＭｍｉｎ数レジスター
５１５ｄ…ＰＷＭ分解能レジスター
５１６…演算部
５１７…出力選択部
５１７ａ〜５１７ｄ…トランスファーゲート
５２０…分周回路
５２２ａ〜５２２ｈ…Ｄ−フリップフロップ回路
５２４…選択信号生成部
５２５…レジスター群
５２５ａ…基本クロック周波数レジスター
５２５ｂ…極数レジスター
５２５ｃ…ＰＷＭｍｉｎ数レジスター
５２５ｄ…キャリア周波数レジスター
５２６…演算部
５２７…出力選択部
５２７ａ〜５２７ｄ…トランスファーゲート
５４０…正逆方向指示値レジスター
５５０…乗算器
５５２…乗算器
５６０…符号化部
５６２…符号化部
５８０…電圧指令値レジスター
５９０…励磁区間設定部
７００…駆動回路
７１０…レベルシフター回路
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３４５０…双腕７軸ロボット
３４６０…関節モーター
３４７０…把持部モーター
３４８０…アーム
３４９０…把持部
３５００…鉄道車両
３５１０…電動モーター
３５２０…車輪
３６４０…垂直多関節ロボット
３６４１…本体部
３６４２…アーム部
３６４２ａ…第１フレーム
３６４２ｂ…第２フレーム
３６４２ｃ…第３フレーム
３６４２ｄ…第４フレーム
３６４２ｅ…第５フレーム
３６４３…ハンド接続部
３６４５…ロボットハンド
３６４５ａ…基部
３６４５ｂ…指部
３７６２…双腕キャスター付ロボット
３７６３…車体部
３７６３ａ…車体本体
３７６３ｂ…車輪
３７６４…制御部
３７６５…本体回転部
３７６６…本体部
３７６７…撮像装置
３７６８…左腕部
３７６９…右腕部
３７７０…上腕部
３７７１…下腕部
３７７２…ハンド部
３７７２ａ…ハンド本体
３７７２ｂ…把持部
３７７３…回転機構
３７７４…直動機構
Ａ１、Ａ２、Ｂ１〜Ｂ４…パルス
ＣＬＫ…クロック端子
ｄｒｖＡ１Ｈ〜ｄｒｖＡ２Ｌ…駆動信号
Ｅａ…励磁区間信号
ｆｃ…周波数
ｆｐｗｍ…周波数
Ｌ…インダクタンス
Ｍ…乗算値
Ｍａ…乗算値
Ｎ…回転数
ｎ…変数
Ｎｍｉｎ…許容値
Ｐ…極数
Ｐａ…正負符号信号
ＰＣＬ…基本クロック信号
ＰＣＬ０〜ＰＣＬ３…クロック信号
Ｑ…出力端子
ＲＩ…正逆方向指示値
ＳＤＣ、ＳＤＣ１〜ＳＤＣ４…クロック信号
Ｓｎ１〜Ｓｎ４…選択信号
Ｓｐｎ１〜Ｓｐｎ４…選択信号
ＳＳＡ…センサー信号
Ｔｒ１Ａ〜Ｔｒ４Ａ…スイッチング素子
Ｘａ…センサー出力値
Ｙａ…電圧指令値
ΔＩ１〜ΔＩ４…電流
【図１Ａ】
2014079132.tif 000003
【図１Ｂ】
2014079132.tif 000004
【図１Ｃ】
2014079132.tif 000005
【図２】
2014079132.tif 000006
【図３】
2014079132.tif 000007
【図４】
2014079132.tif 000008
【図５】
2014079132.tif 000009
【図６】
2014079132.tif 000010
【図７】
2014079132.tif 000011
【図８】
2014079132.tif 000012
【図９】
2014079132.tif 000013
【図１０】
2014079132.tif 000014
【図１１】
2014079132.tif 000015
【図１２】
2014079132.tif 000016
【図１３】
2014079132.tif 000017
【図１４】
2014079132.tif 000018
【図１５】
2014079132.tif 000019
【図１６】
2014079132.tif 000020
【図１７】
2014079132.tif 000021
【図１８】
2014079132.tif 000022
【図１９】
2014079132.tif 000023
【図２０】
2014079132.tif 000024
【図２１】
2014079132.tif 000025