(57)【要約】      （修正有）【課題】  永久磁石式３相ブラシレスＤＣモータは高効率低振動なモータとして広く使用されている。しかし、このモータでダイレクトに負荷を一定回転させる場合、コギングトルクが大きいと、回転ムラや振動が大きくなり高精度の回転が得られなかった。【解決手段】略円環状磁性体から放謝状に均等ピッチで配設された３相巻線を設けた１２個の固定子極と、エアギャップを介して等ピッチでN極S極交互にその合計極が２ｐに磁化された永久磁石式回転子を有した回転電機により、ダイレクトに負荷を一方向に回転駆動することを手段とした回転駆動システム。但し、p は５以上として次式を満たす値とすることで課題を解決できる。１＋2006081281.tif 000015π＝０【選択図】        図１
2006081281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円環状磁性体から放謝状に均等ピッチで配設された３相巻線を設けた１２個の固定子極と、エアギャップを介して等ピッチでN極S極交互にその合計極が２ｐに磁化された永久磁石式回転子を有した回転電機により、ダイレクトに負荷を一方向に回転駆動することを特徴とした回転駆動システム。
但し、ｐは５以上として次式を満たす値とする。
【数１】
2006081281.tif 000012
【請求項２】
略円環状磁性体から放謝状に均等ピッチで配設された３相巻線を設けた９個の固定子極と、エアギャップを介して等ピッチでN極S極交互にその合計極が２ｐに磁化された永久磁石式回転子を有した回転電機により、ダイレクトに負荷を一方向に回転駆動することを特徴とした回転駆動システム。
但し、ｐは７以上として次の2式を満たす値とする。
【数２】
2006081281.tif 000013
【数３】
2006081281.tif 000014
【請求項３】
請求項１または２で負荷がスクロール式コンプレッサーである回転電機駆動システム。
【請求項４】
請求項１または２で負荷がチユービングポンプである回転電機駆動システム。
【請求項５】
請求項１または２で負荷が複写機の転写ドラムある回転電機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低振動低騒音なブラシレスDC回転電機等のダイレクト駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
１）  エアコン用コンプレッサーにはピストン式とロータリー式に大別される。ロータリー式の中では最近、比較的小容量だが低振動なスクロール式が主流となってきた。従来のスクロール式電動コンプレッサーは３相６スロット、4極の永久磁石式回転電機や１２スロット８極または１６極で駆動していた。
２）  医療用のチユービングポンプは血液透析時に使用されるが低振動でスムーズな回転のモータが要求される。
３）  複写機の転写ドラム駆動では駆動モータは低振動低回転ムラが要求され、画質の向上を図る必要があった。
【０００３】
【特許文献１】特公昭４９−８５６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
１）スクロール式コンプレッサーはピストンあるいはレシプロ式コンプレッサーに比べれば低振動低騒音であるが、カーエアコンや屋内一般家庭用では更なる低振動低騒音化の要求が強い。
２）  医療用のチユービングポンプは血液透析時に使用されるが振動が回転に含まれると血小板を破壊したりポンプチューブの寿命を短くしたりする問題があった。
３）  複写機の転写ドラム駆動では駆動モータは振動や回転ムラが回転に含まれると、画質を悪くする問題があった。従来は４から８極程度のブラシレスDCモータを使用して２０００ｒｐｍ程度の回転数からドラムの必要回転数の１００ｒｐｍ程度に機械的な減速機構で減速して使用していた。そのためギヤのバックラッシュがあると、回転ムラや騒音などが発生し易かった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
「手段１」  略円環状磁性体から放謝状に均等ピッチで配設された３相巻線を設けた１２個の固定子極と、エアギャップを介して等ピッチでN極S極交互にその合計極が２ｐに磁化された永久磁石式回転子を有した回転電機により、ダイレクトに負荷を一方向に回転駆動することを手段とした回転駆動システム。
但し、ｐは５以上として次式を満たす値とすることで課題を解決できる。
【数１】
2006081281.tif 000003
「手段２」略円環状磁性体から放謝状に均等ピッチで配設された３相巻線を設けた９個の固定子極と、エアギャップを介して等ピッチでN極S極交互にその合計極が２ｐに磁化された永久磁石式回転子を有した回転電機により、ダイレクトに負荷を一方向に回転駆動することを手段とした回転駆動システム。
但し、ｐは７以上として次の2式を満たす値とすることで課題を解決できる。
【数２】
2006081281.tif 000004
【数３】
2006081281.tif 000005
「手段３」
手段１または２で負荷がスクロール式コンプレッサーである回転電機駆動システム。
「手段４」
手段１または２で負荷がチユービングポンプである回転電機駆動システム。
「手段５」
手段１または２で負荷が複写機の転写ドラムある回転電機駆動システム。
【発明の効果】
【０００６】
１）従来品モータの数倍の脈動数のため、極めて小さい低コギングトルクモータの提供とそれによる高精度のダイレクト駆動システムの提供。
２）クローズドループの３相ブラシレスＤＣモータの他にオープンループの３相永久磁石式ステッピングモータにも活用できる。
３）安価で実現できる。
【実施例１】
【０００７】
本発明を実現するには以下の手段による。
１）  高効率モータにするには、回転子に永久磁石を用いることが知られている。しかし永久磁石のN極とS極の合計の数の極数と固定子スロット数（コイルが巻かれる固定子極数と同じ数となる）で決まる通電しない状態でのコギングトルクが発生し回転磁界によるトルクにこのコギングトルクが重畳されるので、トルク変動が起こり、精密な定速度回転を要求される用途には色々の問題を起こしていた。このコギングトルクを低減させる有力な手段は回転子１回転中のコギングトルクの脈動数を極力多くするようにする。するとトルク波形はほぼ正弦波なので、従って振幅を小さくすることができる。
２）本発明はコギングトルクの６次調波成分を消し、１２次調波または１８次調波成分とし、コギングトルク脈動数を増加させて、メカニカルな減速体を使用しないでダイレクトに駆動する発明である。
３）その手段は前述した固定子スロット数と上述した数式を満たす回転子極数を組み合わせることで実現できる。
【０００８】
上述の如き構成においては、以下の理由で課題が解決できる。
３相永久磁石式モータは低振動低回転ムラであるがその理由はコギングトルクが２相機と比べて一般的に、２相機は４次調波成分で構成されるが、３相機はコギングトルクの４次調波成分は消え、６次調波成分で構成されるためである。しかし、６次成分のコギングトルクでは用途によっては十分ではなく、３相機で更なる低コギングトルクの回転電機の要求が多い。そこで本発明は、コギングトルクの６次成分を消して１２次あるいはそれ以上のコギングトルク成分とするものである。３相機のコギングトルクは６次成分とその正数倍成分の和で構成されていることに着目して、この性質を利用するのが本発明のキーポイントである。６次成分とその正数倍成分の和で構成されていることに関しては、「PCIM2001,INTELLIGENT MOTION 38th Proceeding、pp139-141、June 19-21,2001,Nurnberg,Germany, Cogging Torque Comarison between 2
and 3 phase HB type stepping motor. Masafumi Sakamoto.」に記載があるので、その説明は省略する。即ち６次成分をうまく消せば１２次成分以上で、6次と１２次成分を消せれば１８次成分以上でコギングトルクは構成される。その場合、存在する低次成分（上記では１２次、あるいは１８次）が主な支配的な成分となる。なぜなら次数が高いほどその振幅は小さくなり低次に対し無視可能になるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図２は本発明に関するもの及び従来技術に関する回転電機に共通な図であり、回転軸を含む断面図である。１は固定子鉄心、２は回転子の円筒状永久磁石、３はコイル、４は回転軸であり、図示してない軸受けで回転自在に固定子鉄心１に固定支持されている。２は回転子の円筒状永久磁石であり、一般にこの種類の構造の回転子は表面磁石式回転子と呼ばれている。
【００１０】
図４は従来技術を示すものである。１は固定子で固定子極を形成するコイルを巻く部分（主極と呼ぶことにする）が１２個均等ピッチで配置されている。回転子極（磁極と呼ぶことにする）の数は８極であるので、中央上部の主極と回転子のN極が一致したとき、時計方向に、隣接の主極とそれに最も近い磁極（図ではS極）とのづれた角をδとすれば、同様に、次の主極と次の磁極でとのづれ角は２δとなり、以下順次３δ、４δ、５δ、となり、中央下部の主極で磁極と一致し同様な関係を繰り返すので、磁極から見た主極のパーミアンスの６次成分は以下のようになる。パーミアンス成分がコギングトルク成分と一致することは、例えば、日本電気学会の論文誌D,114巻、１２号、平成６年、「ハイブリッド形ステッピングモータの高調波トルクの低減法、坂本、戸恒」等に記載されているのでその説明は省略する。
δ=4×2π{(1/8)-(1/12)}=π/3 (電気角) より、次式を計算する。
P６=2{cos0+cos6×1(π/3)+ cos6×2(π/3)+ cos6×3(π/3)+ cos6×4(π/3)+cos6×3(π/3)+ cos6×4(π/3)}
【数４】
2006081281.tif 000006
（１）
P６=１２ 
ここでｐは極対数であり、磁極極数が８なのでｐ＝４となり、数４式は０でなく１２となる。P６はパーミアンスの６次成分なので、コギングトルクの６次成分でもある。従ってこの１２主極８極は、コギングトルクは６次成分となりその回転子一回転中の脈動数Nｃは電気角２πに６サイクルでコギングトルクが脈動するので、１回転（機械角、２π）ではそのｐ倍となり、以下となる。
Ｎｃ=６ｐ＝６×４＝２４
（１）  経験的にダイレクト駆動で低回転ムラを得るにはこのＮｃは６０以上が必要であり、この従来技術は不適当となる。
【００１１】
図５も従来技術の例である。
固定子主極数は６で、回転子極数は４である。同様にしてパーミアンスの６次成分を計算すると以下のようになる。
δ=２×2π{(1/４)-(1/６)}=π/3 (電気角) より、次式を計算する。
P6=2{cos0+cos6×1(π/3)+ cos6×2(π/3)}                         
=６
Ｎｃ=２×６＝１２
従って、これも不適当である。
一般的に、固定子主極数が多いほうが、また回転子極数が多いほうがＮｃも多きな値となる。
Ｎｃ=（極対数）×（存在するコギングトルク調波数）
からも理解できる。主極数は３相機では３の倍数であるから、低コギングトルクモータは主極数６は不適当で、９以上となる。しかし、１８以上ではコイルが多すぎるため価格が高くなる。そのため実用的な低コギングトルクモータは、主極数は９または１２となる
【００１２】
図１は本発明による１２主極で回転子極数が２２の例である。数７式によりパーミアンスの６次成分P６を計算すると以下のようになる。
【数５】
2006081281.tif 000007
３相機のコギングトルクの調波数は６の整数倍となるので、パーミアンスの１２調波成分Ｐ12を確認する。
【数６】
2006081281.tif 000008
＝１２
従って、ＮＣ=１２×１１＝１３２
となり、６０を大きく超えているので、低コギングトルクモータとして適したものとなる。このモータで一方向にダイレクトに駆動すれば、極めて低回転ムラなスムーズな負荷駆動が実現する。
【００１３】
次に主極数が９の場合での本発明の例を示す。回転子の極数を１４とした場合は次のように数１０式、数１１式を零とすることで、各々、６次、１２次調波が消えて、１８次調波が存在することになる。
【数７】
2006081281.tif 000009
（２）
【数８】
2006081281.tif 000010
（３）
更にパーミアンスの１８次成分Ｐ１８を計算してみる。
【数９】
2006081281.tif 000011
即ちＰ１８≠0  なので、１８次調波が存在し、Ｎｃ＝１８×７＝１２６
となり、低コギングトルクモータとして適したものとなる。このモータの場合も一方向にダイレクトに駆動すれば、極めて低回転ムラなスムーズな負荷駆動が実現する。
【００１４】
上述したように本発明の３相１２主極数構造の場合は、（１）式を、また９主極の場合は（２）と（３）式を満たす極対数ｐの永久磁石回転子構造として一方向にダイレクトに駆動すれば、極めて低回転ムラなスムーズな負荷駆動が実現する。
駆動方式としてはホール素子等で回転子磁極を検出して最適タイミング（通常はコイル電流軸と回転子磁極軸が直交）で固定子主極を励磁するクローズドループ駆動のブラシレスＤＣモータが最適であるが、オープンループ駆動のステッピングモータとしても良い。上述した他に、１２主極ではｐ＝５で、Ｐ６＝０でＮｃ＝６０が最低の脈動数となる。ホール素子等で回転子磁極を検出するブラシレスＤＣモータの場合はモータのサイズが直径６０ｍｍ程度ではｐが１１即ち２２極程度が限界でそれを超えると、量産ベースでバラツキを少なく磁極検出することが困難となるので、実用的な極対数ｐは自ずと制限が存在することになる。
上記の説明は前述した表面磁石式回転子で説明したが、極対数ｐが（１）式、あるいは（２）、（３）式を満たすｐであれば、図示は省略するが、セグメント式の表面磁石式回転子でも、埋め込み磁石式
でも、同様な効果が得られる。
【００１５】
次に本発明で特に効果の著しい応用分野を述べる。図６はスプロール方式コンプレッサーの断面図正面である。図７はその側面図である。１１がスクロールロータであり、渦巻き状のロータであり、１３なるクランク軸で一方向に偏心を伴い回転し、気体をケース１２とで密閉的に囲み、圧縮、吐出、吸気のサイクルをする。１４は１３の軸受けである。この時、１３を駆動するモータのトルクに振動トルクを含むと、騒音が大きくなる。振動トルクはコギングトルクあるいはコギングトルクと同じ次数成分のパーミアンスの高調波で引き起こされるのでコギングトルクを極小にすることが必要となる。スクロール式エアコンデショナーは電気自動車や屋内リビングロームで使用されるが低騒音低振動が要求される。スクロールの回転数も数千ｒｐｍとなるため、減速体は使用せず、ダイレクト駆動となり、そのため本発明が不可欠になる。
【００１６】
図８は医療用チュービングポンプである。１５が駆動モータ軸、１６がロータピンであり、その両先端は半球状で、血液の入ったフレキシブルチューブ１７をしごき回転する。チューブ１７はその外周を１８なるＣ形ガイドで制約されているので血液を送り出すことになる。このとき、駆動モータが振動や回転変動が大きいと血液の血小板等を破壊する問題や、または患者の近くで使用される場合は騒音が低いものが好まれる。そのためにはバックラッシュがある減速体は使用せず、ダイレクトで駆動軸１５は回転することが要求される。そのため本発明の低コギングモータによるダイレクト駆動が最適となる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
図示は省略するがＯＡ機器である複写機の場合も低回転ムラな転写ドラム駆動の要求がある。画質は白黒からカラー複写となることで、その駆動モータへの低回転ムラが更に一層要求される。しかし、現状では図４や図５の従来モータを減速して使用しているので、その調整や高精度な伝達系で高価を余儀なくされていた。一般的に転写ドラムは１００ｒｐｍ程度で回転するので、回転子極数の多い、そして低コギングトルクモータが最適で、本発明が必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に関する駆動モータの図
【図２】本発明に関する別の駆動モータの図
【図３】本発明と従来モータに関する断面図
【図４】従来技術に関する駆動モータの図
【図５】従来技術に関する別の駆動モータの図
【図６】負荷（スクロール式コンプレッサー）の断面図
【図７】図６の側面図
【図８】負荷（チュービングポンプ）の説明図
【符号の説明】
【００１９】
１：固定子、２：回転子永久磁石、  ３：コイル、４：回転軸、
１１：スクロールロータ、１２：ケース、   １３：クランク軸、１４：軸受け、
１５：駆動モータ軸、１６：ロータピン 、１７：フレキシブルチューブ、１８：Ｃ形ガイド
【図２】
2006081281.tif 000016
【図６】
2006081281.tif 000017
【図８】
2006081281.tif 000018
【図１】
2006081281.tif 000019
【図３】
2006081281.tif 000020
【図４】
2006081281.tif 000021
【図５】
2006081281.tif 000022
【図７】
2006081281.tif 000023