(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の永久磁石をその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させてなるロータと、前記永久磁石の磁極端面に隙間を空けてまたは接触させて磁路を形成する磁性体と、前記永久磁石の磁極端面に隙間を空けて前記磁界の方向およびロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態で、ステータ側に回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に固定させた複数の導電体を有することを特徴とするコイルレスモータ。
【請求項２】
少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸方向に並行し、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させてなるロータと、前記永久磁石の両方の磁極端面に隙間を空けてそれぞれ磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体と、これらの導電体を支持すると共に永久磁石の両方の磁極端面においてそれぞれ磁路を形成するようにステータ側に固定させた固定磁性体とを有することを特徴とするコイルレスモータ。
【請求項３】
少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸方向に並行し、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させると共に、前記永久磁石の一方の磁極端面に間隔を空けてまたは接触させて磁路を形成する回転磁性体を備えてなるロータと、前記永久磁石の他方の磁極端面に隙間を空けて磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体と、これらの導電体を支持すると共に永久磁石の他方の磁極端面において磁路を形成するようにステータ側に固定させた固定磁性体とを有することを特徴とするコイルレスモータ。
【請求項４】
少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸方向に並行し、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させると共に、前記永久磁石の両方の磁極端面にそれぞれ隙間を空けた位置に磁路を形成する回転磁性体を備えてなるロータと、前記永久磁石と両回転磁性体の間の位置において磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ側に固定させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体とを有することを特徴とするコイルレスモータ。
【請求項５】
前記ロータは前記永久磁石をその間に間隙を形成するように回転軸の長手方向に分離して複数備え、前記導電体はこの永久磁石の間に配置される位置においても磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ側に固定させてある請求項１〜請求項４の何れかに記載のコイルレスモータ。
【請求項６】
少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸から放射方向に、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるよう略円筒状に配置させてなるロータと、前記永久磁石の磁極端面に隙間を空けてそれぞれ磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体と、これらの導電体を支持すると共に永久磁石の磁極端面において磁路を形成するようにステータ側に固定させた固定磁性体とを有することを特徴とするコイルレスモータ。
【請求項７】
前記固定磁性体は渦電流が生じ難いと共にヒステリス特性の小さい軟質磁性体であり、かつ、導電体に接することにより熱を容易に発散する程度の熱伝導率を有するものである請求項２，請求項３，請求項６の何れかに記載のコイルレスモータ。
【請求項８】
前記導電体は渦電流を防止可能な導電体プレートを積層してなるものであり、一方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートを流れる電流が、他方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートに流れる電流と逆の方向に流れて、生じるローレンツ力の方向がどの導電体プレートにおいても同じになるように連結して配置してあり、かつ、磁極端面のペアに対して少なくとも各１回路の導電体が配置されるように永久磁石のペア数に合わせてロータの全回転角に略均等に配分して占有すると共に導電体の全体形状が磁極端面の形状に沿う形状である請求項１〜請求項７の何れかに記載のコイルレスモータ。
【請求項９】
前記ステータ側の前記磁極端面に面する位置に取り付けられてロータの回転に伴う磁界の変化を検知する磁束検出器と、この磁束検出器で検出したロータの位置に対応して各導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうスイッチング回路とを備える請求項１〜請求項８の何れかに記載のコイルレスモータ。
【請求項１０】
前記導電体はロータの回転方向に位相を異ならせてループ状に連結してなるもであり、前記磁極端面が占有する回転角を略３等分する位置にそれぞれ設けたタップに対して三相交流を供給可能とするものである請求項１〜請求項８の何れかに記載のコイルレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導特性をできるだけ小さくするためにコイルを排除したコイルレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にモータは誘導特性を有するものであり、この誘導特性によって電流の変動を起こしにくくするものとなっている。また、モータの電源はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調によって１２０度位相が異なる３つの擬似的なサイン波を生成するインバータが用いられており、このインバータによる制御によってモータの回転速度や出力トルクの制御を可能としている。
【０００３】
また、特許文献１、特許文献２に示すように、近年では電機子巻線となるコイルをプリント基板上にエッチングまたは印刷技術で形成した所謂プリントモータが用いられるようになっている。このプリントモータでは回転子がプリント基板で形成されており、鉄心を用いないことにより軽量である為、慣性を低くすることができ、速度制御の応答性の向上を図ることができるだけでなく、扁平な形状に形成できるゆえに注目されるに至っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３１６９２５号公報
【特許文献２】実開平７−３９２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のモータは何れもコイル（巻線）を形成することにより、コイルに電流を流すことによって発生させる磁場によってモータを回転させるものであるから、巻線に流れる電流から磁界を形成するステップと、コイルによって形成された磁界が、他の永久磁石または電磁石に吸引または反発するステップとを経て初めてモータが回転する。また、より少ない電流によって強い磁場を形成できるように、コイルの巻き数を増やすことにより磁束の倍増化を図ることにより、インダクタンスが増加するという問題が発生する。
【０００６】
すなわち、まずコイルに流れる電流を一旦磁界に変換する段階でコイルのインダクタンスによる誘導特性が応答の遅れとなるという問題が発生する。また、コイルによって形成される磁束が他の永久磁石または電磁石と吸引または反発するときにも、ロータにかかるトルクの変動によって滑りが発生するため、負荷トルクの変動に対する応答性の遅れも発生する。
【０００７】
さらに、三相誘導モータなどのようにコイルに擬似的な交流電流を流す場合には、ＰＷＭ変換などのスイッチング素子によるパルス波形による電流制御を行うため、スイッチング素子の切り替わり時点においてインダクタンス分による遅れ電流によって必ず損失が発生するので、スイッチングの素子のキャリア周波数の高さに比例してスイッチング損失が大きくなるという問題もある。
【０００８】
加えて、ＰＷＭ変調によって１２０°位相のずれた電力を供給する場合には、インダクタンスの影響で位相のズレが発生するので、各相の位相差１２０°を維持するための制御が困難となり、高速回転する場合にはさらに位相維持の制御が困難となり、複雑で高速な制御を行なう必要が生じる。さらには、回生動作時においては制御がより複雑になり、これによって全体として制御性が悪くなり、コストアップや効率の低下を招いていた。
【０００９】
加えて、コイルに鉄心（ヨーク）を用いて磁束の集中を行なう場合には、特に磁気飽和が発生することによる損失が発生するという問題も生じる。
【００１０】
とりわけ近年のハイブリッド車や電気自動車の普及に伴って、電気制御によって瞬時に回転トルクを発生させたり、逆に瞬時に回生動作を行なう必要があるが、コイルの誘導特性によってレスポンスの遅れが発生することが効率低下の原因となっていた。
【００１１】
本発明は上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、高速応答の妨げとなり損失増加の原因となるコイルを排除して誘導特性を可及的に抑えたコイルレスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題点を解決するために、第１発明は、少なくとも一対の永久磁石をその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させてなるロータと、前記永久磁石の磁極端面に隙間を空けてまたは接触させて磁路を形成する磁性体と、前記永久磁石の磁極端面に隙間を空けて前記磁界の方向およびロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態で、ステータ側に回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に固定させた複数の導電体を有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。（請求項１）
【００１３】
ロータに配置された永久磁石はその磁極端面が同心円状に異なる位相で配置されているので、この磁極端面に隙間を空けてロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ側に固定させた導電体に電流を流すことにより、磁極端面における磁界の強さと導電体を流れる電流の大きさに比例して導電体にローレンツ力が作用し、その反作用でロータが逆方向に回転する。なお、前記隙間はロータが高速回転したとしても接触しない程度のもので、磁束の漏れを抑えるためにできるだけ狭い間隔が好ましい。なお、前記隙間の寸法は、永久磁石の持つ起磁力と磁路の断面積の大きさによって相対的に決まり、起磁力と磁路の断面積が大きければ飽和磁束密度の限界まで隙間は大きくできる。
【００１４】
すなわち、本発明はローレンツ力を直接的に用いることにより、従来のコイルを用いるものに比べて応答速度を飛躍的に高めることができ、電流制御によって回転力を直接的に制御できる。ここで前記略直交とは、ローレンツ力が電場と磁束密度のクロス積によって加わる力であるため、直角に配置することが最も効率の良い配置になるが、直角からずれていたとしてもローレンツ力が作用することを意味するものである。また、ロータに回転力が加わって回転し、導電体の位置に移動した磁極端面（Ｎ極またはＳ極）の磁界が逆になると、電流も逆方向に流すことにより、回転方向および回転トルクを同じ方向に保つことができる。
【００１５】
加えて、従来のコイルを用いる場合のように、磁界を強くするための鉄心を排除できるので磁器飽和が問題となることがない。すなわち、より強力な永久磁石を用い、より大きな電流を流すことにより、これらに比例してより強力な回転力を得ることができる。
【００１６】
回生動作においても回生させる回転力に比例して導電体に電流が流れるので、回生する電流の制御によって回生トルクの調節を比較的容易に行うことができる。
【００１７】
永久磁石はより強力な磁束を生成するものであればあるほど好ましく、希土類元素のネオジムを用いた希土類磁石を用いることが好ましいが、磁化させた強磁性体を用いてもよい。さらに、電磁石に一定の電流を流して形成したものを永久磁石として用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００１８】
第２発明は、少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸方向に並行し、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させてなるロータと、前記永久磁石の両方の磁極端面に隙間を空けてそれぞれ磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体と、これらの導電体を支持すると共に永久磁石の両方の磁極端面においてそれぞれ磁路を形成するようにステータ側に固定させた固定磁性体とを有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。（請求項２）
【００１９】
ロータに配置された永久磁石の両磁極端面に隙間を空けてステータ側に固定させた両導電体に電流を流すことにより導電体に作用するローレンツ力の反作用を用い、電流制御によってコイルレスモータの回転力を高速に制御できる。永久磁石の一方の磁極端面における磁束は高い透磁率を有する固定磁性体内を通り、他方の磁極端面に面する固定磁性体内を通って流れる。したがって、固定磁性体の外側においては磁束が漏れることがなく、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体は高い磁束密度に曝されることになり、この磁極端面に配置された導電体に電流を流すことにより大きな回転トルクを得ることができる。
【００２０】
また、両磁極端面に隙間を空けて固定磁性体を配置しているので、永久磁石は両方の固定磁性体にほぼ同じ力で引き付けられてバランスを保つことができ、ロータの回転軸に定常的な力を加わえることがなく、それだけコイルレスモータの耐久性を高めることができる。
【００２１】
固定磁性体は導電体を支持するものであるから、導電体に大電流が流れるときに生じる熱をステータ側に逃がして放熱させることができる。さらに、固定磁性体には永久磁石からの磁束が流れるが、ロータの回転に伴って磁束の流れる方向も変動する。従って、固定磁性体は例えば真空に比べて数百倍以上の高い透磁率を有すると共に、磁束の変動に伴う損失が発生しないようにヒステリシスが極力小さく、渦電流の発生が少ない部材を用いる。
【００２２】
ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。
【００２３】
第３発明は、少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸方向に並行し、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させると共に、前記永久磁石の一方の磁極端面に間隔を空けてまたは接触させて磁路を形成する回転磁性体を備えてなるロータと、前記永久磁石の他方の磁極端面に隙間を空けて磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体と、これらの導電体を支持すると共に永久磁石の他方の磁極端面において磁路を形成するようにステータ側に固定させた固定磁性体とを有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。（請求項３）
【００２４】
ロータに配置された永久磁石の磁極端面に隙間を空けてステータ側に固定させた導電体に電流を流すことにより、導電体に作用するローレンツ力の反作用を用い、電流制御によってコイルレスモータの回転力を高速に制御できる。永久磁石の一方の磁極端面における磁束は高い透磁率を有する回転磁性体と固定磁性体内を通り、他方の磁極端面に流れる。したがって、回転磁性体および固定磁性体の外側においては磁束が漏れることがなく、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体は高い磁束密度に曝されることになり、この磁極端面に配置された導電体に電流を流すことにより大きな回転トルクを得ることができる。
【００２５】
固定磁性体は導電体を支持するものであるから、導電体に大電流が流れるときに生じる熱をステータ側に逃がして放熱させることができる。さらに、固定磁性体には永久磁石からの磁束が流れるが、ロータの回転に伴って磁束の流れる方向も変動する。従って、固定磁性体は例えば真空に比べて数百倍以上の高い透磁率を有すると共に、磁束の変動に伴う損失が発生しないようにヒステリシスが極力小さく、渦電流の発生が少ない部材を用いる。
【００２６】
ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。
【００２７】
さらに、永久磁石と回転磁性体の間に間隙を形成し、この間隙に導電体を配置した場合には、この導電体に流した電流に比例してロータにローレンツ力による回転トルクを生じさせることもできる。ロータに設けた回転磁性体は永久磁石と同じロータに固定されるものであるから、永久磁石との相対的な位置関係を固定しているので、回転磁性体内を流れる磁束に大きな変化が発生することはなく、高い透磁率を有するものであればヒステリシス特性を持つものであっても用いることができる。
【００２８】
第４発明は、 少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸方向に並行し、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させると共に、前記永久磁石の両方の磁極端面にそれぞれ隙間を空けた位置に磁路を形成する回転磁性体を備えてなるロータと、前記永久磁石と両回転磁性体の間の位置において磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ側に固定させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体とを有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。（請求項４）
【００２９】
ロータに配置された永久磁石の磁極端面に隙間を空けてステータ側に固定させた導電体に電流を流すことにより、導電体に作用するローレンツ力の反作用を用い、電流制御によってコイルレスモータの回転力を高速に制御できる。永久磁石の一方の磁極端面における磁束は高い透磁率を有する両回転磁性体を介して、他方の磁極端面に流れる。したがって、回転磁性体の外側においては磁束が漏れることがなく、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体は高い磁束密度に曝されることになり、この磁極端面に配置された導電体に電流を流すことにより大きな回転トルクを得ることができる。
【００３０】
ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。
【００３１】
ロータに設けた回転磁性体は永久磁石と同じロータに固定されるものであるから、永久磁石との相対的な位置関係を固定しているので、回転磁性体内を流れる磁束に大きな変化が発生することはなく、高い透磁率を有するものであればヒステリシス特性を持つものであっても用いることができる。
【００３２】
前記ロータは前記永久磁石をその間に間隙を形成するように回転軸の長手方向に分離して複数備え、前記導電体はこの永久磁石の間に配置される位置においても磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ側に固定させてある場合（請求項５）には、永久磁石の間に配置される導電体にも電流を流すことにより、この導電体に流れる電流に比例する回転力を加えることができる。
【００３３】
ロータに形成する永久磁石を多数に分離して形成することにより、それだけ大きな回転力を得ることができる。
【００３４】
第５発明は、少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸から放射方向に、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるよう略円筒状に配置させてなるロータと、前記永久磁石の磁極端面に隙間を空けてそれぞれ磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体と、これらの導電体を支持すると共に永久磁石の磁極端面において磁路を形成するようにステータ側に固定させた固定磁性体とを有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。（請求項６）
【００３５】
ロータに配置された永久磁石の略円筒状の磁極端面に隙間を空けてステータ側に固定させた導電体に電流を流すことにより導電体に作用するローレンツ力の反作用を用い、電流制御によってコイルレスモータの回転力を高速に制御できる。永久磁石の一方の磁極端面における磁束は高い透磁率を有する固定磁性体内を通り、隣接する磁極端面に流れる。したがって、固定磁性体の外側においては磁束が漏れることがなく、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体は高い磁束密度に曝されることになり、この磁極端面に配置された導電体に電流を流すことにより大きな回転トルクを得ることができる。
【００３６】
また、固定磁性体は導電体を支持するものであるから、導電体に大電流が流れるときに生じる熱をステータ側に逃がして放熱させることができる。さらに、固定磁性体には永久磁石からの磁束が流れるが、ロータの回転に伴って磁束の流れる方向も変動する。従って、固定磁性体は例えば真空に比べて数百倍以上の高い透磁率を有すると共に、磁束の変動に伴う損失が発生しないようにヒステリシスが極力小さく、渦電流の発生が少ない部材を用いる。
【００３７】
ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。
【００３８】
前記固定磁性体は渦電流が生じ難いと共にヒステリス特性の小さい軟質磁性体であり、かつ、導電体に接することにより熱を容易に発散する程度の熱伝導率を有するものである場合（請求項７）には、ロータの回転に伴って固定磁性体に流れる磁束の向きが変わる場合にも、渦電流の発生によって渦電流損による発熱が発生したり、磁束の変動を妨げたりすることがなく、また、固定磁性体はヒステリシス特性の小さい材質であるから、磁気ヒステリシスによるヒステリシス損を抑えることができる。また、固定磁性体の熱伝導率が高いことにより、導電体で発生した熱を容易に放熱することができる。
【００３９】
とりわけ、固定磁性体は、軟質磁性体の粉体を有機結合剤（バインダー）によって固めてなる複合軟磁性体であることにより、渦電流の発生をより確実に防止できるとともにヒステリシス特性も最小限に抑えることができ、それだけ、損失を小さくすることができる。
【００４０】
さらに、前記固定磁性体は導電体に当接する圧縮アモルファスと、この圧縮アモルファスに当接する射出アモルファスとを備えるものであることにより、制作容易であり製造コストの引き上げを防ぎながら高い透磁率を得て漏れを抑え、さらに、ヒステリシス損や渦電流損の発生を必要最小限におさえることができ、磁気飽和を避けることができるので、好ましい。
【００４１】
前記導電体は渦電流を防止可能な導電体プレートを積層してなるものであり、一方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートを流れる電流が、他方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートに流れる電流と逆の方向に流れて、生じるローレンツ力の方向がどの導電体プレートにおいても同じになるように連結して配置してあり、かつ、磁極端面のペアに対して少なくとも各１回路の導電体が配置されるように永久磁石のペア数に合わせてロータの全回転角に略均等に配分して占有すると共に導電体の全体形状が磁極端面の形状に沿う形状である場合（請求項８）には、導電体は積層された導電体プレートの数だけ並列回路を形成するので、それだけ大きな電流を流すことができ、これによって回転トルクを強くすることができる。また、導電体プレートは渦電流の発生を防止するものであるから、導電体プレートの断面積を最大限に用いて大電流を流すことができるだけでなく、大電流を流すときにも渦電流損失を防止することができる。
【００４２】
導電体プレートは導電率に優れた部材によって形成されることが好ましく、例えば、銅や銀の薄膜であることが考えられる。また、グラフェンからなるリボンを用いて、さらなる効率の向上を図っても良いことはいうまでもない。
【００４３】
前記導電体が、一方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートを流れる電流が、他方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートに流れる電流と逆の方向に流れて、生じるローレンツ力の方向がどの導電体プレートにおいても同じになるように連結して配置してあり、かつ、磁極端面のペアに対して少なくとも各１回路の導電体が配置されるように永久磁石のペア数に合わせてロータの全周に略均等に配分して占有すると共に導電体の全体形状が磁極端面の形状に沿う形状であることにより、各磁極端面に配置された導電体によって同じ方向の回転力を発生させるように、導電体を配線することができる。
【００４４】
このとき、導電体の形状は各磁極端面の位置に合わせて略矩形波を形成するように略己字状に屈曲させたような形状に配線するものであり、かつ、ロータの一周分の磁極端部に隙間を空けて配線した状態でようやく１回巻きの配線となる程度であるから、導電体における実質的にコイルと言えない程度にインダクタンス分を極端に小さくすることができる。なお、永久磁石の磁極を回転軸方向に並行して設けた場合、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体の全体形状が略円盤状となり、永久磁石の磁極を回転軸から放射方向に設けた場合、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体の全体形状が略円筒状となる。
【００４５】
前記ステータ側の前記磁極端面に面する位置に取り付けられてロータの回転に伴う磁界の変化を検知する磁束検出器と、この磁束検出器で検出したロータの位置に対応して各導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうスイッチング回路とを備える場合（請求項９）には、磁束検出器がロータの回転に伴って変化する磁界の変化を検知し、ロータの回転角に合わせてスイッチング回路が各導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうのでコイルレスモータに対して直流的に電力供給を行なうだけでスイッチング回路によって適宜の方向に切替えられた電流を各導電体に流すことができ、コイルレスモータのロータを所定の方向に回転させることができる。また、回生動作においてもスイッチング回路によって導電体の断続制御が行なわれているので、回生電流を容易に電源側に流すことができる。
【００４６】
なお、磁束検出器はホール効果を利用して磁界を検出するホール素子などの半導体センサであることにより、高速回転する場合にも確実に磁界を検出できるので好ましいが、磁気インピーダンス素子、磁気抵抗素子などの磁気センサを用いてもよい。なお、磁束検出器の代わりにロータリーエンコーダなどの角度検出器を用いてロータの回転角を検出してスイッチング回路の断続制御を行なうことも容易に考えられる程度のものであることはいうまでもない。
【００４７】
前記スイッチング素子は高速に切り替え可能な電界効果トランジスタによって形成されるものであることが好ましいが、バイポーラトランジスタ、フォトカプラ、サイリスタ、ソリッドステートリレーなどを用いたスイッチング素子であってもよい。
【００４８】
前記導電体はロータの回転方向に位相を異ならせてループ状に連結してなるもであり、前記磁極端面が占有する回転角を略３等分する位置にそれぞれ設けたタップに対して三相交流を供給可能とするものである場合（請求項１０）には、ループ状に連結した導電体に三相交流電源を供給することにより、電源周波数によって定まる回転速度でコイルレスモータを回転させることができる。
【発明の効果】
【００４９】
上述したように、本発明によれば、ロータ側に取り付けられた永久磁石によって形成される強い磁界中に、ステータ側に取り付けられた導電体を配置するという極めて簡素化された構成で、導電体に電流を流すことによって発生するローレンツ力によって、ロータを回転させるものであるから、従来はモータに必須と考えられていたコイル（巻線）をモータから排除できる。
【００５０】
コイルのないコイルレスモータは誘導特性による電流の遅れが発生することがなく、それだけ回転力の制御を高いレスポンスで行うことができる。逆に、回生トルクが発生する場合にも導電体に発生する起電力を電源側に戻すだけであるから、複雑な制御が不要である。また、コイルに流す電流も擬似的な正弦波を生成するためのＰＷＭ変調などを用いることなく供給可能であるから、それだけ、損失を少なくすることができる。
【００５１】
すなわち、現在の低燃費車両において内燃機関（エンジン）の出力トルク不足を補ったり、回生トルクを蓄電して再利用するためのモータとして極めて有用である。
【００５２】
永久磁石の磁極をロータの回転軸方向に並行に配置させることにより（請求項２〜請求項４）、磁極端面が略円盤形状の端面において同心円状に異なる位相となるように配置されるので、一つの永久磁石によって少なくとも２か所の磁極端面をロータの長手方向の両端に形成でき、この磁極端面に導電体を配置することができる。また、磁極端面に隙間を空けてステータ側に磁路を形成する固定磁性体を配置させることにより（請求項２、請求項３）、磁極端面の近傍に配置した導電体と固定磁性体をステータに接触させて放熱を十分に行うことができる。他方、磁極端面に接触または隙間を空けて磁路を形成する回転磁性体をロータ側に配置させることにより（請求項３、請求項４）、ロータ内で磁界を収めることができるので、ロータの回転に伴って外部に磁界の変動を発生させることがない。また、磁極端面と回転磁性体の間に間隙を形成して導電体を配置することにより、この位置においても回転力を発生させることが可能である。
【００５３】
さらに、永久磁石の磁極をロータの回転軸方向に並行に配置させ、永久磁石を回転軸の長手方向に分離して複数備え、永久磁石の間隙の磁極端面に隙間を空けて導電体を配置させることにより（請求項５）、永久磁石の間隙に配置させた導電体に流す電流によって回転力を発生させることができ、永久磁石を分離して配置すればするほど多くの導電体を間に介在させて回転力を発生させることが可能となる。
【００５４】
一方、永久磁石の磁極を回転軸から放射方向に配置させることにより（請求項６）、略円筒状の磁極端面を形成できるので、この磁極端面に間隔を開けて配置された導電体の全体形状を円筒状として、広い面積で磁極端面に対峙対面させることが可能となり、それだけ大きな回転力を得ることができる。
【００５５】
固定磁性体が軟質磁性体であることにより（請求項７）、磁束を軟質磁性体内に通すことができ、かつ、ロータの回転に伴って固定磁性体内の磁界の方向が変化するときにもこれに伴う損失を小さく抑えることができる。
【００５６】
前記導電体は導電体プレートを積層して形成し、一方の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートに流れる電流を磁極端面の極によって異なる方向に流れるように連結してあることにより（請求項８）、導電体に大電流を流して強い回転トルクを得ることができる。
【００５７】
ステータ側に設けた磁束検出器を用いて各導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうスイッチング回路を備えることにより（請求項９）、コイルレスモータに直流電力を供給するだけでコイルレスモータを駆動できると共に、回生電流を電源側に流すことも容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るコイルレスモータの導電体と磁極端面の関係を示す図である。
【図２】前記コイルレスモータの縦断面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）はコイルレスモータの導電体の位置を示す図である。
【図４】前記コイルレスモータの回路構成を説明する図である。
【図５】第２実施形態に係るコイルレスモータの構成を説明する図である。
【図６】第３実施形態に係るコイルレスモータの構成を説明する図である。
【図７】第４実施形態に係るコイルレスモータの構成を説明する図である。
【図８】第５実施形態に係るコイルレスモータの分解斜視図である。
【図９】前記コイルレスモータの磁極端面と導電体の関係を示す断面図である。
【図１０】前記コイルレスモータの縦断面図である。
【図１１】前記コイルレスモータの一部構成を拡大して示す図である。
【図１２】前記コイルレスモータのさらに別の部分を取り出して示す図である。
【図１３】前記コイルレスモータの変形例を示す図である。
【図１４】前記コイルレスモータの別の部分の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
以下、本発明の第１実施形態の構成を図１，図２に従って説明する。図１、図２に示すように、本実施形態のコイルレスモータ１は、２分割可能に構成されてステータ２としての役割を果たすハウジング２Ａ，２Ｂと、これらのハウジング２Ａ，２Ｂにそれぞれ軸受３Ａ，３Ｂを介して回動自在に支持される回転軸４と、この回転軸４に支持されるロータ５と、このロータ５に支持される４対の永久磁石６とを備える。
【００６０】
前記４対の永久磁石６はその磁極が回転軸４の長手方向に並行するように、ロータ５に設けた取り付け穴５Ａに挿入した状態で固定されるものであり、かつその磁極端面６Ａ，６Ｂが略同心円状の異なる位相となり磁極が交互に配列するように配置させてある。
【００６１】
また、前記永久磁石６の両方の磁極端面６Ａ，６Ｂに隙間を空けてそれぞれ磁界（Ｎ極、Ｓ極）の方向とロータ５の回転方向Ｒに略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた導電体７Ｎ，７Ｓと、これらの導電体７Ｎ，７Ｓを熱的に結合した状態で支持すると共に永久磁石６の両方の磁極端面６Ａ，６Ｂにできるだけ近づけて磁路を形成するようにステータ２Ａ，２Ｂ側に固定させた略円盤状の一対の固定磁性体８Ａ，８Ｂとを有する。
【００６２】
前記ハウジング２Ａ，２Ｂは交番磁界に対して十分な電磁シールドを形成するように導電率の高いアルミニウムからなり、前記軸受３Ａ，３Ｂは例えば十分な堅牢性を保ち摩擦抵抗を小さく保つことができるベアリングを用いることができる。
【００６３】
前記ロータ５は前記４対の永久磁石６を挿入できるように８つの取り付け穴５Ａを同心円状に等間隔に形成してあり、この取り付け穴５Ａ内に永久磁石６を隣接する永久磁石６の磁極が互い違いになるように挿入することにより、ロータ５を回転させたときに磁極端面に間隔を開けて配置された導電体７Ｎ，７Ｓが交番磁界に曝されるように構成してある。なお、前記隙間はロータ５が高速回転したときにも接触しない程度の隙間であり、できるだけ近づけて配置するものであることが好ましく、以下の説明においてできるだけ近づけて配置する隙間を空けることを近接させるという。
【００６４】
前記永久磁石６は強力に磁化されたものであればあるほど好ましく、例えば、現在のところ最も強力に磁化可能であることで知られるネオジム磁石を用いることが好ましい。
【００６５】
前記導電体７Ｎ，７Ｓはジャンパ部７Ａ，７Ｂによって連結されており、かつ、前記永久磁石のＮ極に近接配置される導電体７Ｎに流れる電流Ｉの方向が、Ｓ極に近接配置される導電体７Ｓに流れる電流Ｉの方向と逆向きになるように連結している。すなわち、導電体７Ａ，７Ｂ，７Ｎ，７Ｓ（以下、これら全体を導電体７という）の全体的な形状は矩形波のような略己字状の屈曲部を形成することにより、すべての磁極端面６Ａ（または６Ｂ）に近接する位置に配置された導電体７Ｎ，７Ｓにおいて、磁界の方向Ｂとロータ５の回転方向Ｒに略直交する方向に電流Ｉを流すことができ、かつ電流Ｉを流したときに発生するローレンツ力が同じ方向に作用するように配置することができる。
【００６６】
前記導電体７はハウジング２Ａ，２Ｂによって挟持固定されており、これらのハウジング２Ａ，２Ｂによって形成されるステータ側に固定されるので，導電体７への電力供給は整流ブラシのような有寿命部材を介することなく行なうことができる。
【００６７】
本実施形態では磁極端面６Ａ、６Ｂに近接する部分において、より多くの電流Ｉを流して大きな回転力を得られるように、導電体７Ｎ，７Ｓを回転方向に少しずつずらしたピッチで配列するように連結して一連の回路となるように構成している。また、前記導電体７の全体的な形状は永久磁石６の磁極端面６Ａ，６Ｂの配置に合わせて薄い略円盤状となるように形成される。なお、７Ｃは磁極端面６Ａ，６Ｂのそれぞれに近接する導電体７同士を連結するジャンパ部の導電体である。
【００６８】
さらに、導電体７は単なるリード線であってもよいが、プリント基板上にパターン整形されたもの、あるいは導電体の薄板を打抜き加工したものであることが好ましい。つまり、磁極端面６Ａ（６Ｂ）と固定磁性体８Ａ，８Ｂの隙間はロータ５の回転によって接触しない程度にできるだけ狭めることが好ましく、これに伴って導電体７はできる限り薄い略円盤状に形成することが好ましい。
【００６９】
前記固定磁性体８Ａ，８Ｂはロータ５が回転することにより発生する交番磁界によっても損失や抵抗を発生させないように、渦電流が生じ難いと共にヒステリシス特性の小さい軟性磁性体を用いて形成されるものであり、かつ、磁極端面６Ａ，６Ｂにおける磁路を形成する程度に高い透磁率を有するものであることが好ましい。また、固定磁性体８Ａ，８Ｂは何れもハウジング２Ａ，２Ｂにネジなどによって螺着されると共に、前記導電体７に熱的に接触するものであることにより導電体７から発生する熱をハウジング２Ａ，２Ｂに放熱できるように構成してある。
【００７０】
このような特性を有する固定磁性体８Ａ，８Ｂは例えば真空に比べて数百倍以上の高い透磁率を有する軟質磁性体の粉体を有機結合剤によって固めてなる複合軟磁性体を用いることが好ましい。
【００７１】
上述のように構成されたコイルレスモータ１に電流Ｉを流すとき、導電体７を流れる電流は、図１においてＮ極に面する導電体７Ｎでは回転軸４に向かって流れ、逆にＳ極に面する導電体７Ｓには回転軸４から放射する方向に流れる。したがって、何れの場合にも導電体７には図示右回りのローレンツ力が作用し、その反作用でロータ５が反時計回りに回動する。
【００７２】
本実施形態ではロータ５を１周する間に磁極端面６Ａ（６Ｂ）が８箇所あり、そのそれぞれに導電体７Ｎ（または７Ｓ）が配置されてそれぞれが回転力を発生させているので８倍の回転力を得ることができ、さらに、一つの磁極端面６Ａ、６Ｂにおいて９本の導電体７が配置されて、それぞれに電流Ｉが流れるように、ロータ５を一周する導電体７の回路の位相を少しずつずらして９回路形成してあるので、導電体７を１回路だけ形成するものに比べて９倍強い回転力を発生させることができる。
【００７３】
次いで、回転力が加わることによりロータ５が回転し、導電体７Ｎ，７Ｓの近接位置に逆の磁極（Ｓ極、Ｎ極）が来た場合には導電体７に流す電流を逆向きに流すことにより、コイルレスモータ１によって発生させる回転力の方向を一定に保つことができる。
【００７４】
また、前記導電体７は従来のモータとは異なり、極力コイルを形成しないように配線されており、本実施形態の場合には多く見積もっても９巻きのコイル分の誘導特性しか生じないように構成してあるので、従来のモータのように誘導特性による損失が発生することを飛躍的に抑えることができ、応答速度の向上を図ることもできる。
【００７５】
したがって、ハイブリッド車のエンジンアシストなど、高速レスポンスを必要とする部分に配置されるモータとして極めて有用である。
【００７６】
図３，図４は前記コイルレスモータ１の変形例を示す図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示すように、本例の導電体７は一つの磁極端面６Ａ（または６Ｂ）に対応する位相角θを３分割して、角度θ／３だけ位相の異なる３相分の導電体７Ｕ，７Ｖ，７Ｗを形成する例を示している。
【００７７】
図４において、１０はロータ５の回転角を磁界の強度によって検知する磁束検出器としてのホール素子、１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは前記各相の導電体７Ｕ，７Ｖ，７Ｗを直流電源１２に接続するためのスイッチング回路、１３は前記ホール素子１０によって検出された磁界の向きや強度を用いてスイッチング回路１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗを適宜切替えることにより、各時点のロータ５の回転角に対応する磁極端面６Ａ（６Ｂ）の配置に合わせた方向の電流Ｉを各導電体７Ｕ，７Ｖ，７Ｗに供給することができる。
【００７８】
なお、本例の場合、永久磁石対数をＮｍ、回路数をＮｃ、１極当り１回路占有数（すなわち相の数）をＮｐとするとき、導体間ピッチ角Ａｐは下記の式（１）で表わすように求めることができる。
Ａｐ＝３６０／（２＊Ｎｍ＊Ｎｃ＊Ｎｐ＋１）        …  式（１）
【００７９】
また、各相の次の相との導体間角度Ａｎは下記の式（２）で表わすように、求めることができる。
Ａｎ＝２＊Ａｐ＊Ｎｐ                              …  式（２）
【００８０】
上記構成のコイルレスモータ１ではスイッチング回路１１によって３相の導電体７Ｕ、７Ｖ、７Ｗを適宜接続できるので、コイルレスモータ１には直流電力を供給するだけでその電流制御によりコイルレスモータから出力される回転力、逆に、コイルレスモータから電源側に回生された電力を戻すための制御を容易に行なうことができる。
【００８１】
上述の実施形態では永久磁石６を４対用いることにより、ロータ５を１回転するときに流す電流の方向を８回切り替えてロータ５を１回転させる例を示しているが、永久磁石６の対数を減少させることにより、それだけ少ない電流の方向切り替えでロータ５を高速回転させることが可能となる。逆に、永久磁石６の対数を増やせば増やすほど、高精度な回転角の制御を行うことが可能となる。
【００８２】
さらに、上述の例では導電体７の位相を３相切り替え可能としているが、本発明のコイルレスモータ１は電流の方向によってロータ５の回転方向が確実に決まるので、導電体７を２相設けるだけでロータ５に切れ目のない回転力を供給することが可能となる。また、極端な場合を考慮すると、導電体７は１相だけ設けるだけであっても、ロータ５への回転力の供給は間欠的に行うことが可能となる。
【００８３】
図５は第２実施形態にかかるコイルレスモータ２０の構成を示す図である。図５において、図１〜図４と同じ符号が付された部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略する。
【００８４】
図５に示すように、永久磁石６の一方の磁極端面６Ａに接触させて磁路を形成する回転磁性体２１を備える。回転磁性体２１は永久磁石６に吸着させると共に、接着するなどして固着することにより、永久磁石の磁極端面６Ａにおける磁束の漏れを防止でき、永久磁石６の回転による交番磁界が発生することがなく、それだけ損失の発生を抑えることができる。
【００８５】
なお、本実施形態では永久磁石６の磁極端面６Ａに回転磁性体２１を当接しているが、この回転磁性体２１と磁極端面６Ａの間に隙間を形成し、この隙間に前記導電体７を介在させることにより回転力を得られるように構成してもよい。
【００８６】
図６は第３実施形態にかかるコイルレスモータ３０の構成を示す図である。図６において、図１〜図５と同じ符号を付された部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略することにより、重複説明を避ける。
【００８７】
図６に示すように、永久磁石６の他方の磁極端面６Ｂにおいても僅かな隙間をあけて回転磁性体３１をロータ５側に固着してある。この場合にも回転磁性体３１はロータ５および永久磁石６と同じ位置関係が固定されているので、磁極端面６Ｂからの交番磁界が外部に漏れることがなく、それだけロータ５の回転による損失の発生を防止することができる。
【００８８】
また、永久磁石６と回転磁性体３１の間に導電体７（７Ｎ，７Ｓ）を介在させているので、この導電体７に電流を流すことによりロータ５に回転力を発生させることができる。
【００８９】
図７は第４実施形態にかかるコイルレスモータ４０の構成を示す図である。図７において図１〜図６と同じ符号を付された部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略することにより、重複説明を避ける。
【００９０】
図７において、永久磁石６は回転軸４の長手方向に分離して形成し、分離した永久磁石６の間に隙間を形成することにより、この隙間に導電体７を配置可能に構成している。本実施形態のように永久磁石６を分離して形成することにより、さらに多くの導電体７を用いて回転力を生成することができるので、それだけ強力な回転力を得ることができる。
【００９１】
なお、永久磁石は２分割のみならず、３分割以上に分割してさらに強力な回転力を得られるようにしてもよいことはいうまでもない。
【００９２】
図８〜図１２は本発明の第５実施形態にかかるコイルレスモータ５０の構成を示す図である。尚、図８〜図１２においても図１〜図７と同一の符号を付した部材は、同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略する。
【００９３】
図８〜図１０に示すように、本実施形態のコイルレスモータ５０は、４対の永久磁石５１をその磁極が回転軸４から放射方向に、かつその磁極端面５１Ａが略同心円状の異なる位相となるように略円筒状に配置させてなるロータ５２と、前記永久磁石５１の磁極端面５１Ａに近接する位置においてそれぞれ磁界Ｂの方向とロータの回転方向Ｒに略直交する方向（すなわち、回転軸４の長手方向に平行な方向）に電荷を移動可能に配置させた導電体５３と、この導電体５３を支持すると共に永久磁石の磁極端面において磁路を形成するようにステータ２側に固定させた固定磁性体５４とを有する。
【００９４】
前記永久磁石５１は回転軸４から放射方向に４５度ずつの角度を占めるように分離して形成されたものであり、４対の永久磁石５１を隣接する磁極が互い違い（Ｎ極Ｓ極交互）になるように組み付けることによりその外周面の磁極端面５１Ａを略円筒状に形成し、かつ、磁極端面５１Ａにはロータ５２の回転方向Ｒに磁極（Ｎ極とＳ極）が交互に形成されるように構成している。また、磁極端面５１Ａにおいては回転軸４の長手方向に広い範囲にわたって同じ極の磁束を放射する。
【００９５】
他方前記導電体５３は、その一部構成を平面状に広げた状態で拡大して示す図１１に図示す通り、磁極端面５１Ａの形状に合わせて略円筒状に配置されて一つの磁極（例えばＮ極）に対応して放射する磁束Ｂとロータ５２の回転方向Ｒに略直交する方向に電流Ｉを流すことができるように配置された導電体５３Ｎと、これに隣接する回転角に対応し別の磁極（例えばＳ極）に対応して放射する磁束Ｂとロータ５２の回転方向Ｒに略直交する方向に電流Ｉを流すことができるように配置された導電体５３Ｓと、両導電体５３Ｎ，５３Ｓを接続して逆方向に電流を流させるジャンパ部５３Ａ，５３Ｂとを備え、前記導電体５３Ｎ，５３Ｓの内側面は前記磁極端面５１Ａに接触しない程度に可能な限り近接する程度の大きさの円筒形状に形成してある。
【００９６】
図１２は前記導電体５３の一本を取り出して示す図である。図１２に示すように、１回路の導電体５３は極めて薄い導電体からなり、前記導電体５３の形状となるようにの状導体プレート５５と絶縁体５６を交互に重ねてなるものであり、状導体プレート５５は例えば銅や銀などの導電性に優れた金属、グラファイトからなることが好ましい。
【００９７】
前記固定磁性体５４は導電体５３の外周に密着可能な内側面を有する円筒形状の筒状部材を回転角９０度ごとに４分割してなる磁性体であり、好ましくは軟質磁性体の粉体を有機結合剤によって固めてなる複合軟磁性体を用いることができる。
【００９８】
前記ステータ２は固定磁性体５４のさらに外側においてこれをカバーする円筒状部分を有するアルミニウムなどの導電性に優れたケースの一部を構成するものであり、これによってロータ５１の回転時に生じる交番磁界が外部に漏れないように遮断する。
【００９９】
図１３，図１４は前記コイルレスモータ５０の変形例を示す図である。図１３に示す固定磁性体５４’は、導電体５３に当接する圧縮アモルファス５４Ａと、この圧縮アモルファスに当接する射出アモルファス５４Ｂの２層構造にしてあり、これによって、制作容易であり製造コストの引き上げを防ぎながら高い透磁率を得て漏れを抑え、さらに、ヒステリシス損や渦電流損の発生を必要最小限におさえることができ、磁気飽和を避けることができる。
【０１００】
また、図１４に示すように、本実施形態のロータ５２は中央部において螺合連結可能に分離して形成された第１回転軸４Ａと第２回転軸４Ｂとからなり、フランジ部４Ｃ，４Ｄの間に永久磁石５１を挟んだ状態で第１回転軸４Ａと第２回転軸４Ｂを螺合連結することにより、永久磁石５１を回転軸４に対して挟持固着することができる。
【０１０１】
なお、永久磁石５１が回転体４またはロータ５２に対してねじの締め付けによって取り付けられるなど、種々の変形も考えられる。
【要約】
【課題】高速応答の妨げとなり損失増加の原因となるコイルを排除して誘導特性を可及的に抑えたコイルレスモータを提供する。
【解決手段】
少なくとも一対の永久磁石６をその磁極端面６Ａ，６Ｂが略同心円状の異なる位相となるように配置させてなるロータ５と、前記永久磁石６の磁極端面６Ａ，６Ｂに隙間を空けてまたは接触させて磁路を形成する磁性体８Ａ，８Ｂと、前記永久磁石６の磁極端面６Ａ、６Ｂに近接する位置において前記磁界Ｂの方向およびロータの回転方向Ｒに略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ２側に固定させた導電体７とを有する。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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