JP2005160285A - 交流モータとその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が単純で生産性を向上させることができ、小型化、高効率化、低コスト化が可能な交流モータとその制御装置を提供すること。
【解決手段】 ブラシレスモータ１００は、周方向に永久磁石１２のＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータ１０と、周方向に複数個配置されたステータ磁極１９、２０、２１をそれぞれが有して互いにこれらのステータ磁極の周方向位置および軸方向位置がずらして配置されたＮ個のステータ磁極群と、複数のステータ磁極群のそれぞれに対して軸方向に沿った隣接位置に配置されて周方向に形成された複数のループ状巻線１５、１６、１７、１８とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車やトラック等に搭載される交流モータとその制御装置に関する。

従来から、ステータ磁極に各層のコイルが集中的に巻回されたブラシレスモータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。図４０および図４１はこのような従来のブラシレスモータの概略的な構成を示す縦断面図および横断面図である。これらの図には、４極６スロット型のブラシレスモータが示されており、ステータの巻線構造はいわゆる集中巻きであって、各ステータ磁極には各相のコイルが集中的に巻回されている。また、図４２にはステータを円周方向に１周展開した状態で、Ｕ、Ｖ、Ｗ等の巻線の配置関係が示されている。横軸は電気角で表現されており、１周で７２０°となっている。ロータ２の表面には、Ｎ極の永久磁石７とＳ極の永久磁石８とが周方向に交互に配置されている。ステータ４では、Ｕ相のステータ磁極ＴＢＵ１、ＴＢＵ２のそれぞれにはＵ相巻線ＷＢＵ１、ＷＢＵ２が巻回されている。同様に、Ｖ相のステータ磁極ＴＢＶ１、ＴＢＶ２のそれぞれにはＶ相巻線ＷＢＶ１、ＷＢＶ２が巻回されている。Ｗ相のステータ磁極ＴＢＷ１、ＴＢＷ２のそれぞれにはＷ相巻線ＷＢＷ１、ＷＢＷ２が巻回されている。このような構造を有するブラシレスモータは、現在、広く産業用、家電用に使用されている。
特開平６−２６１５１３号公報（第３頁、図１−３）

ところで、特許文献１に開示された従来のブラシレスモータは、モータ巻線を各ステータ磁極毎に巻回する必要があるため構造が複雑であり、スロットの奥に配置する必要があるため巻線の巻回に関して生産性が低下するという問題があった。また、このような構造から小型化、高効率化、低コスト化が難しいという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、構造が単純で生産性を向上させることができ、小型化、高効率化、低コスト化が可能な交流モータとその制御装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の交流モータは、周方向にＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータと、周方向に複数個配置されたステータ磁極をそれぞれが有し、互いにステータ磁極の位置がロータ磁極に対して相対的に周方向にずらして配置されたＮ個のステータ磁極群と、複数のステータ磁極群のそれぞれに対して軸方向に沿った隣接位置に配置されて周方向に形成された複数のループ状巻線とを備えている。同一のステータ磁極群に含まれる各ステータ磁極の周囲に巻回された巻線を考えたときに、隣接する２つのステータ磁極に挟まれた巻線には互いに起磁力アンペアターンを相殺するような電流が流れるため、等価的には電流が流れていないときと同じ状態であって、これらのステータ磁極に対して軸方向に沿った隣接位置に配置されたループ状の巻線に代替えすることができる。この結果、従来構造であれば周方向に配置されていた各ステータ磁極の間の巻線を排除することができるので、高効率化、高トルク化が可能となる。また、各ステータ磁極の間に巻線を配置する必要がないため多極化が可能となり、特に巻線構造が簡素であることから、生産性を向上させることができ、低コスト化が可能になる。また、各相に対応した構造は、円周上にほぼ均一に配置した対称構造となっており、ロータとステータ間で発生する吸引力によるステータの変形や、交流モータ各部の歪を小さくすることができるため、これらに起因する振動、騒音を低減することが可能になる。

また、上述したループ状巻線は、Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれの軸方向両側に配置され、ステータ磁極群の軸方向両側に配置された２つのループ状巻線に流れる電流の向きが互いに反対であることが望ましい。これにより、各ステータ磁極に対する２つのループ状巻線による電磁気的作用を同じにすることができるため、各ステータ磁極を通る磁束を効率よく発生させることができる。

また、上述したループ状巻線は、Ｎ個のステータ磁極群の内、軸方向に沿って端部に配置された２つの端部ステータ磁極群については軸方向に沿った反端部側に配置され、それ以外の中間ステータ磁極群については軸方向両側に位置され、中間ステータ磁極群の軸方向両側に配置された２つのループ状巻線に流れる電流の向きが互いに反対であることが望ましい。軸方向に沿って端部に配置された２つの端部ステータ磁極群については、それらの外側に配置されるループ状巻線は、その周囲の磁気抵抗が大きいことから電磁気的作用はほとんどなく、省略しても影響はない。このように、ステータの外部に配置される２つのループ状巻線を省略することにより、使用される銅の量を大幅に低減することができ、さらなる高効率化、高トルク化が可能になるとともに、さらなる巻線構造の簡素化、軽量化、低コスト化を実現することができる。

また、上述したループ状巻線は、Ｎ個のステータ磁極群の間に配置されていることが望ましい。このように、各ステータ磁極群のそれぞれに対応するように軸方向両側にループ状巻線を備える代わりに、各ステータ磁極群の間にループ状巻線を備えることにより、軸方向に沿って隣接する２つのステータ磁極群に挟まれたループ状巻線を一つにまとめることができるため、さらなる構造の簡素化、銅量低減が可能になる。

また、上述したＮ個のステータ磁極群のそれぞれに対応するループ状巻線には、互いに３６０度／Ｎの位相差を有するＮ相交流電圧が引加されることが望ましい。これにより、Ｎ相交流電圧によって交流モータを駆動することが可能になる。

また、上述したロータは、円周方向にＮ極磁極とＳ極磁極の繰り返し間隔に対応して配置された複数の永久磁石を備えることが望ましい。あるいは、上述した複数の永久磁石のそれぞれは、繰り返し間隔に対応させてロータの表面にＮ極とＳ極とが交互に現れるように配置されていることが望ましい。これにより、周方向にＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータ構造を容易に実現することができる。

また、上述したロータは、内周側表面近傍に、ステータ磁極が配置されていない空間に磁性体からなる補極を備えることが望ましい。これにより、ロータの表面から発生する不要で有害な漏洩磁束を吸収することができ、出力トルクを増加させることが可能になる。

また、上述したステータおよびロータの全部あるいは一部を軟磁性粉末金属材料をプレス成型して形成することが望ましい。これにより、どの方向に向かう磁束についても過大な渦電流の発生を防止して、損失の少ない磁気回路を構成することができる。また、金型で最終形状に近い形状にプレス成型することにより、機械による切削加工を排除して、あるいは切削加工を軽減して最終形状のステータ磁気回路、ロータ磁気回路を製作することができるため、３次元形状の磁気回路が構成でき、かつ、複雑形状の製作も比較的容易に製作可能となり、生産コストの低減が可能になる。

また、上述した複数のステータ磁極は、Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれについて互いに電気角で３６０度／Ｎの位相差となるように周方向にずらして配置されていることが望ましい。これにより、各ループ状巻線に交流電圧を印加することにより、ステータからロータに対して回転磁束を供給することができ、ロータを回転させることが可能になる。

また、上述したＮ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角で３６０度／Ｎの位相差を維持するように、Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに対応するステータ磁極の形状を変形することが望ましい。このようにステータ磁極の形状を工夫することにより、各ステータ磁極を通る最大磁束を減らさずに、すなわちトルク平均値を減らさずにトルクリップルを低減したり、外径形状の小型化やステータ磁極間の漏洩磁束の低減が可能になる。

また、低減したいトルクリップルの次数をｍとしたときに、ステータに含まれるＮ個のステータ磁極群のそれぞれについて複数のステータ磁極をｎ組にグループ分けし、各グループに属するステータ磁極の周方向位置を電気角で３６０／（ｍ×ｎ）度の整数倍だけ相対的に変位させることが望ましい。これにより、予め大きいことがわかっている所望の次数のトルクリップルを確実に低減することが可能になる。

また、低減したいトルクリップルの次数をｍとしたときに、ロータに含まれるＮ極磁極とＳ極磁極のそれぞれをｎ組にグループ分けし、各グループに属するＮ極磁極とＳ極磁極の周方向位置を電気角で３６０／（ｍ×ｎ）度の整数倍だけ相対的に変位させることが望ましい。これにより、予め大きいことがわかっている所望の次数のトルクリップルを確実に低減することが可能になる。

また、上述したロータの回転軸の近傍に配置され、複数のループ状巻線の全体に流れる電流によって発生する軸方向起磁力を相殺する起磁力を発生する補助巻線をさらに備えることが望ましい。これにより、ロータ回転時に回転軸に現れる軸方向の起磁力を確実に相殺することができる。

また、本発明の交流モータの制御装置は、各ステータ磁極群の軸方向両側に配置されたループ状巻線に流す電流を制御するものであって、一のステータ磁極群に存在する磁束の回転角度変化率をＥ、このステータ磁極群に対応するループ状巻線の巻回数をＷ、このループ状巻線に流す電流をＩとしたときに、Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに対応してＷ×Ｅ×Ｉで算出されるトルクＴの総和がトルク指令値Ｔａとなるように複数のループ状巻線に流す電流Ｉを制御する。この制御装置を用いることにより、各ループ状巻線に流す電流を制御することより、所望のトルクを発生する交流モータを実現することが可能になる。

また、本発明の交流モータの制御装置は、各ステータ磁極群の間に配置されたループ状巻線に流す電流を制御するものであって、一のステータ磁極群に存在する磁束の回転角度変化率をＥ、このステータ磁極群に隣接して配置されたループ状巻線の巻回数をＷ、このループ状巻線に流す電流をＩとしたときに、（Ｎ−１）個のループ状巻線のそれぞに対応してＷ×Ｅ×Ｉで算出されるトルクＴの総和がトルク指令値Ｔｂとなるようにループ状巻線に流す電流Ｉを制御する。この制御装置を用いることにより、ループ状巻線の数を減らした場合であっても各ループ状巻線に流す電流を制御することにより、所望のトルクを発生する交流モータを実現することが可能になる。

また、上述したステータ磁極のロータに対向した面のロータ軸方向長さが、２つのステータ磁極群の軸方向中心間の距離よりも長いことが望ましい。これにより、Ｎ個のステータ磁極群を構成する各相のステータ磁極をロータ軸方向に重なることなく配置することができるので、円周方向の他相のステータ磁極の形状的干渉が無く、構造的に多極化が容易であり、多極化によるトルクの向上が可能となる。

また、上述したループ状巻線は、ロータ軸方向あるいはロータ径方向にループするように一部が分割されていることが望ましい。これにより、ループ状巻線の製造およびステータへの組み付けの容易化を図ることが可能になる。

また、上述した交流モータを複数個結合するようにしてもよい。これにより、出力トルクやパワーを増加させて大容量化を図ることが容易となる。

以下、本発明の交流モータを適用した一実施形態のブラシレスモータについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、一実施形態のブラシレスモータの縦断面図である。本実施形態のブラシレスモータ１００は、３相交流で動作する８極モータであり、ロータ１０、ロータ軸１１、永久磁石１２、ステータ１４を含んで構成されている。

ロータ１０は、表面に配置された複数の永久磁石１２を備えている。これらの永久磁石１２は、ロータ１０表面に沿って円周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されている。図２は、ロータ１０の円周方向展開図である。横軸は機械角を示しており、機械角で３６０°の位置は電気角で１４４０°となる。

ステータ１４は、それぞれ４個のＵ相ステータ磁極１９、Ｖ相ステータ磁極２０、Ｗ相ステータ磁極２１を備えている。各ステータ磁極１９、２０、２１は、ロータ１０に対して突極状の形状を有している。図３は、ロータ１０側から見たステータ１４の内周側形状の展開図である。４個のＵ相ステータ磁極１９は同一円周上に等間隔に配置されている。同様に、４個のＶ相ステータ磁極２０は同一円周上に等間隔に配置されている。４個のＷ相ステータ磁極２１は同一円周上に等間隔に配置されている。４個のＵ相ステータ磁極１９をＵ相ステータ磁極群、４個のＶ相ステータ磁極２０をＶ相ステータ磁極群、４個のＷ相ステータ磁極２１をＷ相ステータ磁極群と称する。また、これらの各ステータ磁極群の中で、軸方向に沿って端部に配置されたＵ相ステータ磁極群とＷ相ステータ磁極群を端部ステータ磁極群、それ以外のＶ相ステータ磁極群を中間ステータ磁極群と称する。

また、Ｕ相ステータ磁極１９、Ｖ相ステータ磁極２０、Ｗ相ステータ磁極２１のそれぞれは、互いに軸方向位置と周方向位置がずらして配置されている。具体的には、各ステータ磁極群は、相対的に機械角で３０°、電気角で１２０°の位相差となるように互いに円周方向にずらして配置されている。図３に示す破線は、対向するロータ１０の各永久磁石１２を示している。同極のロータ磁極（Ｎ極に永久磁石１２同士あるいはＳ極の永久磁石１２同士）のピッチは電気角で３６０°であり、同相のステータ磁極のピッチも電気角で３６０°である。

ステータ１４のＵ相ステータ磁極１９、Ｖ相ステータ磁極２０、Ｗ相ステータ磁極２１のそれぞれの間には、Ｕ相巻線１５、Ｖ相巻線１６、１７、Ｗ相巻線１８が配置されている。図４は、各相の巻線の円周方向展開図を示す図である。Ｕ相巻線１５は、Ｕ相ステータ磁極１９とＶ相ステータ磁極２０との間に設けられており、周方向に沿ったループ形状を成している。ロータ軸１１側から見て時計回り方向の電流を正とすると（他の相の相巻線についても同様とする）、Ｕ相巻線１５に流れる電流Ｉu は負（−Ｉu ）となる。同様に、Ｖ相巻線１６は、Ｕ相ステータ磁極１９とＶ相ステータ磁極２０との間に設けられており、周方向に沿ってループ形状を成している。Ｖ相巻線１６に流れる電流Ｉv は正（＋Ｉv ）となる。Ｖ相巻線１７は、Ｖ相ステータ磁極２０とＷ相ステータ磁極２１との間に設けられており、周方向に沿ったループ形状を成している。Ｖ相巻線１７に流れる電流Ｉv は負（−Ｉv ）となる。Ｗ相巻線１８は、Ｖ相ステータ磁極２０とＷ相ステータ磁極２１との間に設けられており、周方向に沿ったループ形状を成している。Ｗ相巻線１８に流れる電流Ｉw は正（＋Ｉw ）となる。これら３種類の電流Ｉu 、Ｉv 、Ｉw は、３相交流電流であり、互いに位相が１２０°ずつずれている。

次に、ステータ１４の各相ステータ磁極形状と各相巻線形状の詳細について説明する。図５は、本実施形態のステータ１４の断面箇所を示す図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。図８は、図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。これらの図に示すように、Ｕ相ステータ磁極１９、Ｖ相ステータ磁極２０、Ｗ相ステータ磁極２１のそれぞれは、ロータ１０に対して突極形状を成しており、それぞれが相対的に機械角で３０°、電気角で１２０°の位相差を有するような位置関係となるように配置されている。

図９および図１０は、Ｕ相巻線１５の概略的な形状を示す図である。Ｕ相巻線１５は、巻き始め端子Ｕと巻き終わり端子Ｎを有している。なお、同様に、Ｖ相巻線１６、１７は
巻き始め端子Ｖと巻き終わり端子Ｎを有し、Ｗ相巻線１８は巻き始め端子Ｗと巻き終わり端子Ｎを有している。各相巻線を３相Ｙ結線する場合は、各相巻線１５、１６、１７、１８の巻き終わり端子Ｎが接続される。各相巻線１５、１６、１７、１８に流れる電流Ｉu 、Ｉv 、Ｉw は、各相ステータ磁極１９、２０、２１とロータ１０の永久磁石１２との間でトルクを発生する電流位相に制御される。また、Ｉu ＋Ｉv ＋Ｉw ＝０となるように制御される。

次に、各相電流Ｉu 、Ｉv 、Ｉw とこれらの各相電流により各相ステータ磁極１９、２０、２１に付与される起磁力との関係について説明する。図１１は、エアギャップ面側（ロータ１０側）から見た各相ステータ磁極１９、２０、２１の展開図（図３）に等価的な各相電流巻線を書き加えた図である。

Ｕ相巻線は、４個のＵ相ステータ磁極１９に同一方向で直列に巻回されている。したがって、各Ｕ相ステータ磁極１９は同一方向に起磁力が付与されている。例えば、図１１の左から２番目のＵ相ステータ磁極１９に巻回されているＵ相巻線は、導線（３）、（４）、（５）、（６）によって形成されており、Ｕ相ステータ磁極１９の回りにこの順番でこれらの導線が複数回巻回されている。なお、導線（２）、（７）は隣接するＵ相ステータ磁極１９間の渡り線であり、電磁気的作用はない。

このようなＵ相巻線に流れる電流Ｉu の各部分について詳細に見ると、導線（１）と（３）の電流の大きさは同一で逆方向に流れており、起磁力アンペアターンは相殺されているため、これらの導線は等価的に電流が流れていないときと同じ状態にあるといえる。同様に、導線（５）と（８）の部分の電流についても起磁力アンペアターンは相殺されており、これらの導線は等価的に電流が流れていないときと同じ状態にあるといえる。このように、Ｕ相ステータ磁極１９間に配置される導線に流れる電流は常に相殺されるため、電流を流す必要がなく、その部分の導線は排除することが可能である。その結果、導線（１０）、（６）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＵ相電流Ｉu と、導線（４）、（９）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＵ相電流−Ｉu とが同時に流れている状態と同じと考えることができる。

しかも、上述した導線（１０）、（６）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＵ相電流Ｉu は、ステータコアの外部でループ状に流れる電流であり、ステータコアの外部は空気等であって磁気抵抗が大きいことから、ブラシレスモータ１００への電磁気的作用はほとんどない。このため、省略しても影響はなく、ステータコアの外部に位置するループ状の巻線を排除することができる（なお、本実施形態ではこのループ状の巻線を省略しているが、省略せずに残すようにしてもよい）。結局、図１１に示すＵ相巻線の作用は、図４、図５に示すループ状のＵ相巻線１５と等価であるということができる。

また、図１１に示したＶ相巻線は、Ｕ相巻線と同様に、４個のＶ相ステータ磁極２０を周回するように直列に巻回されている。この中で、導線（１１）と（１３）に流れる電流は大きさが同じで方向が逆であり、起磁力アンペアターンが相殺されるため、この部分は等価的に電流が流れていないときと同じ状態にあるといえる。同様に、導線（１５）、（１８）の電流についても起磁力アンペアターンは相殺されている。その結果、導線（２０）、（１６）に対応するようにステータ１４の円周上に沿ってループ状に流れるＶ相電流Ｉv と、導線（１４）、（１９）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＶ相電流−Ｉv とが同時に流れている状態と同じと考えることができる。結局、図１１に示すＶ相巻線の作用は、図４、図５に示すループ状のＶ相巻線１６、１７と等価であるということができる。

また、図１１に示したＷ相巻線は、Ｕ相巻線と同様に、４個のＷ相ステータ磁極２１を周回するように直列に巻回されている。この中で、導線（２１）と（２３）に流れる電流は大きさが同じで方向が逆であり、起磁力アンペアターンは相殺されるため、この部分は等価的に電流が流れていないときと同じ状態にあるといえる。同様に、導線（２５）、（２８）の電流についても起磁力アンペアターンは相殺されている。その結果、導線（３０）、（２６）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＷ相電流Ｉw と、導線（２４）、（２９）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＷ相電流−Ｉw とが同時に流れている状態と同じと考えることができる。

しかも、上述した導線巻線（２４）、（２９）に対応するようにステータ１４の円周上にループ状に流れるＷ相電流−Ｉw は、ステータコアの外部でループ状に流れる電流であり、ステータコアの外部は空気等であり磁気抵抗が大きいことから、ブラシレスモータ１００への電磁気的作用はほとんどない。このため、省略しても影響はなく、ステータコアの外部に位置するループ状の巻線を排除することができる（なお、Ｕ相巻線の軸方向端部のループ状巻線、Ｖ相巻線の軸方向端部のループ状巻線について説明したように、本実施形態ではこのループ状の巻線を省略しているが、省略せずに残すようにしてもよい）。結局、図１１に示すＷ相巻線の作用は、図４、図５に示すループ状のＷ相巻線１８と等価であるということができる。

以上説明したように、ステータ１４の各相ステータ磁極１９、２０、２１に電磁気的作用を付与する巻線及び電流はループ状の簡素な巻線で代替えすることができ、かつ、ステータ１４の軸方向両端のループ状の巻線を排除することができる。その結果、ブラシレスモータ１００に使われる銅の量を大幅に低減することができるので、高効率化、高トルク化が可能となる。また、同相のステータ磁極間に巻線（導線）を配置する必要がないため、従来構造以上の多極化が可能となり、特に巻線構造が簡素であることから、モータの生産性を向上させることができ、低コスト化が可能となる。

なお、磁気的には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のステータ磁極を通る磁束φu 、φv 、φw がバックヨーク部で合流し、３相交流磁束の総和が零となるφu ＋φv ＋φw ＝０の関係となっている。また、図４１に示した従来構造は、図１１に示した各相突極１９、２０、２１を２個ずつ合計６個を同一円周上に並べた構造であり、個々の突極の電磁気的作用、トルク発生は、本実施形態のブラシレスモータ１００と同じである。但し、従来のブラシレスモータは、その構造上、本実施形態のブラシレスモータ１００のように巻線の一部を排除したり、巻線の簡素化を行うことはできない。

本実施形態のブラシレスモータ１００はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。図１２は、本実施形態のブラシレスモータ１００の電流、電圧、出力トルクのベクトル図である。Ｘ軸が実軸に、Ｙ軸が虚軸にそれぞれ対応している。また、Ｘ軸に対する反時計回り方向の角度をベクトルの位相角とする。

ステータ１４の各相ステータ磁極１９、２０、２１に存在する磁束φu 、φv 、φw の回転角度変化率を単位電圧と称し、Ｅu ＝ｄφu ／ｄθ、Ｅv ＝ｄφv ／ｄθ、Ｅw ＝ｄφw ／ｄθとする。各相ステータ磁極１９、２０、２１のロータ１０（永久磁石１２）に対する相対位置は、図３に示したように、電気角で１２０°ずつシフトしているので、各相巻線１５〜１８の１ターンに誘起される単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw は、図１２に示すような３相交流電圧となる。

いま、一定回転ｄθ／ｄｔ＝Ｓ１で回転し、各相巻線１５〜１８の巻き回数をＷu 、Ｗv 、Ｗw とし、これらの値がＷc に等しいとすると、巻線１５〜１８の各誘起電圧Ｖu 、
Ｖv 、Ｖw は次のように表される。

Ｖu ＝Ｗu ×（−ｄφu ／ｄｔ）
＝−Ｗu ×ｄφu ／ｄθ×dθ／ｄｔ
＝−Ｗu ×Ｅu ×Ｓ１ …（１）
Ｖv ＝Ｗv ×Ｅv ×Ｓ１ …（２）
Ｖw ＝Ｗw ×Ｅw ×Ｓ１ …（３）
ここで、具体的な巻線と電圧の関係は次のようになる。Ｕ相の単位電圧Ｅu は、図１および図４に示されるＵ相巻線１５の逆向きの１ターンに発生する電圧である。Ｕ相電圧Ｖu は、Ｕ相巻線１５の逆向きに発生する電圧である。Ｖ相の単位電圧Ｅu は、Ｖ相巻線１６の１ターンとＶ相巻線１７の逆向きの１ターンとを直列に接続したときに両端に発生す
る電圧である。Ｖ相電圧Ｖv は、Ｖ相巻線１６と逆向きのＶ相巻線１７とを直列に接続したときの両端の電圧である。Ｗ相の単位電圧Ｅw は、図１および図４に示されるＷ相巻線１８の１ターンに発生する電圧である。Ｗ相電圧Ｖw は、Ｗ相巻線１８の逆向きに発生す
る電圧である。

ブラシレスモータ１００のトルクを効率良く発生させようとすると、各相電流Ｉu 、Ｉv 、Ｉw は、各相巻線の単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw と同一位相に通電する必要がある。図１２では、Ｉu 、Ｉv 、Ｉw とＥu 、Ｅv 、Ｅw とがそれぞれ同一位相であるものとし、ベクトル図の簡素化のため、同相の電圧ベクトル、電流ベクトルを同一のベクトル矢で表現している。

ブラシレスモータ１００の出力パワーＰa 、各相のパワーＰu 、Ｐv 、Ｐw は、
Ｐu ＝Ｖu ×（−Ｉu ）＝Ｗu ×Ｅu ×Ｓ１×Ｉu …（４）
Ｐv ＝Ｖv ×Ｉv ＝Ｗv ×Ｅv ×Ｓ１×Ｉv …（５）
Ｐw ＝Ｖw ×Ｉw ＝Ｗw ×Ｅw ×Ｓ１×Ｉw …（６）
Ｐa ＝Ｐu ＋Ｐv ＋Ｐw ＝Ｖu ×Ｉu ＋Ｖv ×Ｉv ＋Ｖw ×Ｉw …（７）
となる。また、ブラシレスモータ１００の出力トルクＴa 、各相のトルクＴu 、Ｔv 、Ｔw は、
Ｔu ＝Ｐu ／Ｓ１＝Ｗu ×Ｅu ×Ｉu …（８）
Ｔv ＝Ｐv ／Ｓ１＝Ｗv ×Ｅv ×Ｉv …（９）
Ｔw ＝Ｐw ／Ｓ１＝Ｗw ×Ｅw ×Ｉw …（１０）
Ｔa ＝Ｔu ＋Ｔv ＋Ｔw
＝Ｗu ×Ｅu ×Ｉu ＋Ｗv ×Ｅv ×Ｉv ＋Ｗw ×Ｅw ×Ｉw
＝Ｗc ×（Ｅu ×Ｉu ＋Ｅv ×Ｉv ＋Ｅw ×Ｉw ） …（１１）となる。なお、本実施形態のブラシレスモータ１００の電圧、電流、トルクに関するベクトル図は、図４０〜図４２に示した従来のブラシレスモータのベクトル図と同じである。

次に、図１および図４に示した各相巻線と電流について、より高効率化する変形手法について説明する。Ｕ相巻線１５とＶ相巻線１６は、Ｕ相ステータ磁極１９とＶ相ステータ磁極２０の間に隣接して配置されたループ状の巻線であり、これらを単一の巻線にまとめることができる。同様に、Ｖ相巻線１７とＷ相巻線１８は、Ｖ相ステータ磁極２０とＷ相ステータ磁極２１の間に隣接して配置されたループ状の巻線であり、これらを単一の巻線にまとめることができる。

図１３は、２つの巻線を単一の巻線にまとめた変形例を示す図である。図１３と図４とを比較すると明らかなように、Ｕ相巻線１５とＶ相巻線１６が単一のＭ相巻線３８に置き換えられ、Ｖ相巻線１７とＷ相巻線１８が単一のＮ相巻線３９に置き換えられている。また、Ｕ相巻線１５の電流（−Ｉu ）とＶ相巻線１６の電流（Ｉv ）とを加算したＭ相電流Ｉm （＝−Ｉu ＋Ｉv ）をＭ相巻線３８に流すことにより、Ｍ相巻線３８によって発生す
る磁束の状態とＵ相巻線１５とＶ相巻線１６のそれぞれによって発生する磁束を合成した状態とが同じになり、電磁気的に等価になる。同様に、Ｖ相巻線１７の電流（−Ｉv ）とＷ相巻線１８の電流（Ｉw ）とを加算したＮ相電流Ｉn （＝−Ｉv ＋Ｉw ）をＮ相巻線３９に流すことにより、Ｎ相巻線３９によって発生する磁束の状態とＶ相巻線１７とＷ相巻線１８のそれぞれによって発生する磁束を合成した状態とが同じになり、電磁気的に等価になる。

図１２にはこれらの状態も示されている。図１２に示されたＭ相巻線３８の単位電圧Ｅm 、Ｎ相巻線３９の単位電圧Ｅn は以下のようになる。

Ｅm ＝−Ｅu ＝−ｄφu ／ｄθ
Ｅn ＝Ｅw ＝ｄφw ／ｄθ
また、各巻線の電圧Ｖ、パワーＰ、トルクＴのベクトル算式は以下のようになる。

Ｖm ＝Ｗc ×Ｅm ×Ｓ１ …（１２）
Ｖn ＝Ｗc ×Ｅn ×Ｓ１ …（１３）
Ｐm ＝Ｖm ×Ｉm ＝Ｗc ×（−Ｅu ）×Ｓ１×（−Ｉu ＋Ｉv ）
＝Ｗc ×Ｅu ×Ｓ１×（−Ｉu ＋Ｉv ） …（１４）
Ｐn ＝Ｖn ×Ｉn ＝Ｗc ×Ｅw ×Ｓ１×（−Ｉv ＋Ｉw ） …（１５）
Ｐb ＝Ｐm ＋Ｐn ＝Ｖu ×（−Ｉu ＋Ｉv ）＋Ｖw ×（−Ｉv ＋Ｉw ） …（１６）
Ｔm ＝Ｐm ／Ｓ１＝Ｗc ×（−Ｅu ）×（−Ｉu ＋Ｉv ） …（１７）
Ｔn ＝Ｐn ／Ｓ１＝Ｗc ×Ｅw ×（−Ｉv ＋Ｉw ） …（１８）
Ｔb ＝Ｔm ＋Ｔn ＝Ｗc ×（（−Ｅu ×Ｉm ）＋Ｅw ×Ｉn ） …（１９）
＝Ｗc ×（−Ｅu ×（−Ｉu ＋Ｉv ）＋Ｅw ×（−Ｉv ＋Ｉw ））
＝Ｗc ×Ｅu ×Ｉu ＋Ｗc ×Ｉv ×（−Ｅu −Ｅw ）＋Ｗc ×Ｅw ×Ｉw
＝Ｗc ×（Ｅu ×Ｉu ＋Ｅv ×Ｉv ＋Ｅw ×Ｉw ） …（２０）
∵ Ｅu ＋Ｅv ＋Ｅw ＝０ …（２１）ここで、（１１）式で示されたトルク式は３相で表現され、（１９）式で示されたトルク式は２相で表現されている。これらのトルク式の表現方法は異なるが、（１９）式を展開すると（２０）式となり、これら両式は数学的に等価であることがわかる。特に、電圧Ｖu 、Ｖv 、Ｖw および電流Ｉu 、Ｉv 、Ｉw が平衡３相交流の場合は（１１）式で示されるトルクＴa の値は一定となる。このとき、（１９）式で示されるトルクＴb は、図１２に示すように、Ｔm とＴn との位相差であるＫmn＝９０°となる正弦波の２乗関数の和として得られ、一定値となる。

また、（１９）式は２相交流モータの表現形態であり、（１１）式と（２１）式は３相交流モータの表現形態であるが、これらの値は同じである。しかし、（１９）式において、（−Ｉu ＋Ｉv ）の電流Ｉm をＭ相巻線３８へ通電する場合と−Ｉu とＩv の電流をそれぞれＵ相巻線１５とＶ相巻線１６へ通電するのとでは、電磁気的には同じでも、銅損は異なる。図１２のベクトル図に示すように、電流Ｉm の実軸成分はＩm にｃｏｓ３０°を乗じた値に減少するため、Ｍ相巻線３８に電流Ｉm を通電する方が銅損が７５％になり、２５％の銅損が低減されるという効果がある。

次に、図１に示したブラシレスモータ１００の特性を改善する手法について説明する。ブラシレスモータ１００の基本原理は、各ステータ磁極１９、２０、２１が永久磁石１２と向き合って対向している部分の永久磁石１２の磁束は各ステータ磁極１９、２０、２１を通過し、その他の部分の永久磁石１２の磁束は各ステータ磁極１９、２０、２１へ作用しない、あるいは、作用の影響は小さいという考え方である。しかし、各ステータ磁極１９、２０、２１と対向していない部分の永久磁石１２はその表面近傍空間に多少の漏洩磁束を発生するように作用するので、その漏洩磁束が各ステータ磁極１９、２０、２１へ悪
い作用をすることになり、ブラシレスモータ１００の出力トルクが低下するという問題がある。

図１４は、漏洩磁束によるトルク低下対策を行ったステータの展開図であり、ロータ１０側から見た状態が示されている。図１４に示すように、ロータ１０の表面近傍で、ステータ１４の各ステータ磁極１９、２０、２１が配置されていないスペースに磁性体の補極６０を配置することにより、ロータ１０の表面に備わった永久磁石１２が発生する不要で有害な漏洩磁束を吸収することが可能となる。また、補極６０により有害な漏洩磁束を低減することにより、ブラシレスモータ１００の出力トルクを増加させることができる。なお、補極６０で吸収される磁束は、補極６０が対向する永久磁石１２のＮ極とＳ極でループさせる方法と、永久磁石１２のバックヨーク側へループさせる方法とがある。

次に、図１に示したブラシレスモータ１００の磁気回路に関する構成技術について説明する。

本実施形態のブラシレスモータ１００では、一の相のステータ磁極群から他の相のステータ磁極群へ向かう磁束が生成されるため、磁束の方向がロータ軸１１の方向へも向く。このため、磁束の方向がロータ軸方向、ラジアル方向、円周方向と３次元の方向へ向くことになる。従来、主に使われている電磁鋼板による積層構造の場合、２次元的な磁路方向を考慮して磁気回路設計を行うことが多く、電磁鋼板の積層方向への磁束は渦電流を低減する為極力少なくすることが望ましい。本実施形態のブラシレスモータ１００では、ステータ１４とロータ１０の全てあるいは一部を軟磁性粉末金属材料をプレス成型した部材で構成すれば、どの方向に向かう磁束についても過大な渦電流の発生を防止して、損失の少ない３次元方向の磁気回路を構成することができる。軟磁性粉末金属材料とは、強磁性体粉末の表面に電気抵抗の大きな皮膜を形成させ、金型等でプレス成型して固体化したものである。表面に形成される電気抵抗の大きな被膜は、金属材料を空気中に放置したときに自然に形成される酸化膜を利用するようにしてもよい。特に、金型で最終形状に近い形状にプレス成型することにより、機械による切削加工を排除して、あるいは切削加工を軽減して最終形状のステータ磁気回路、ロータ磁気回路を製作することができる。したがって、３次元形状の磁気回路が構成でき、かつ、複雑形状の製作も比較的容易に製作可能となり、生産コストの低減が可能になる。

具体的なステータ１４の構成例としては、図５において、ＶＩ−ＶＩ線断面とＶＩＩ−ＶＩＩ線断面との中間のスロットの開口部近傍でロータ軸１１の長手方向に直角な方向へステータ１４を分割してステータコアを製作すれば、ループ状のＵ相巻線１５とＶ相巻線１６とをブラシレスモータ１００の外部で巻回し製作した後に挿入することができ、ステータ１４の製造が容易となる。あるいは、分割されたステータコアへの巻線の直巻きも可能となる。分割されたステータコアは、精密な組み立てが容易となるようにあわせ面を作ったり、あるいは、ピン等の組み合わせ用の部材取り付けを容易とする穴、へこみ、突起などを設けることもできる。同様に、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面とＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面との中間でステータ１４を分割してステータコアを製作することにより、Ｖ相巻線１７やＷ相巻線１８を外部で巻回し製造した後に挿入することや直巻きすることが可能になり、ステータ１４の製造が容易となる。

また、他の具体的なステータコアの構成、組み合わせの例として、ステータ１４の外周部とＵ相ステータ磁極１９とＶ相ステータ磁極２０とＷ相ステータ磁極２１とに分割する方法がある。特に、ステータ１４の磁極形状は、トルク発生を効率良く行うために、やや複雑形状となることが多く、金型を用いて軟磁性粉末金属材料を成型する場合、同相のステータ磁極を同時にロータ軸方向へプレスする方法が有効である。

また、複雑なステータ磁極の形状に対応する方法として、同相のステータ磁極をさらにロータ軸方向に分割した構成とすることも有効である。同相のステータ磁極をロータ軸方向に分割する場合、円周上に配置されるステータ磁極を１個おきに両分割コアに振り分け、この片側の分割コアには隣接するステータ磁極がない状態とすることにより、隣接するステータ磁極の形状を成型する金型の相互干渉を低減する手法が有効である。

他の方法として、上述した軟磁性粉末金属材料と電磁鋼板とを一体成型し、磁気特性と強度の点で両材料の特徴を発揮させる方法が有効である。特に、方向性珪素鋼板の場合、一方向に大きな飽和磁束密度の特性を有し、一方、軟磁性粉末金属材料は３次元方向に磁束を通すことが可能であるという異なる特徴をもっており、組み合わせると双方の利点を兼ね備えたステータを実現することができる。

次に、本実施形態のブラシレスモータ１００のステータ１４の磁極形状の変形例について説明する。ステータ１４の磁極形状は、トルク特性に大きく影響し、かつ、コギングトルクリップル、通電電流により誘起されるトルクリップルに密接に関係する。以下では、各ステータ磁極群に存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角で１２０°の位相差を維持するように、各ステータ磁極群のそれぞれに対応するステータ磁極の形状を変形する具体例について説明する。

図１５は、ステータ磁極の変形例を示す円周方向展開図である。図１５に示した各相のステータ磁極２２、２３、２４は、ロータ軸１１と平行に配置された基本形状を有している。各ステータ磁極は、各相について同一形状であって、相対的に電気角で１２０°の位相差をなすように配置されている。このような形状を有する各ステータ磁極２２、２３、２４を用いた場合にはトルクリップルが大きくなることが懸念される。しかし、各ステータ磁極２２、２３、２４のラジアル方向にかまぼこ形状の凹凸を形成することにより、境界部での電磁気的作用を滑らかにすることができ、トルクリップルの低減が可能になる。また、他の方法として、ロータ１０の永久磁石１２の各極の表面にかまぼこ形状の凹凸を形成することにより、円周方向に正弦波的な磁束分布を実現することができ、これによりトルクリップルを低減するようにしてもよい。なお、図１５の水平軸に付された角度は円周方向に沿った機械角であり、左端から右端までの１周が３６０°である。

図１６は、ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図である。図１６に示した各相のステータ磁極２５、２６、２７は、図１５に示した基本形状に対して、電気角で約６０°スキューした形状（ロータ軸１１と平行な向きに対して円周方向に沿って電気角で６０°傾斜させた形状）を有している。これにより、トルクリップルを低減する効果がある。また、各相のステータ磁極２５、２６、２７の幅が１８０°より狭いので各相のステータ磁極２５、２６、２７を通る最大磁束は減少しないため、トルク平均値の低減は少ないという特徴がある。

ところで、図１５および図１６に示したステータ磁極形状を採用した場合には、ステータ磁極のエアギャップ面形状を実現するためには、各相の巻線１５、１６、１７、１８とエアギャップ部との間にその磁極形状を実現するためのスペースが必要であり、そのスペース確保のためモータ外形形状が大きくなりがちであるという問題がある。

図１７は、ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図であり、この問題を軽減するステータ磁極形状が示されている。ステータ１４のＵ相ステータ磁極２８に存在する磁束φu の回転角度変化率であるＵ相の単位電圧をＥu （＝ｄφu ／ｄθ）、Ｖ相ステータ磁極２９に存在する磁束φv の回転角度変化率であるＶ相の単位電圧をＥv （＝ｄφv ／ｄθ）、Ｗ相ステータ磁極３０に存在する磁束φw の回転角度変化率であるＷ相の単位電圧をＥw （＝ｄφw ／ｄθ）とするとき、各相の単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw が形状、振幅
がほぼ同一で、位相が相互に電気角で１２０°の位相差を保つように各相のステータ磁極２８、２９、３０の形状を変形した例が図１７に示されている。これらのステータ磁極形状の特徴は、各ステータ磁極２８、２９、３０のエアギャップ面の大半がそれぞれのステータ磁極の歯の中間部分に対して距離が短く、ロータ１０からの磁束が各ステータ磁極表面を通り、歯の中間部分を通り、そしてステータ１４のバックヨークへの磁路を介して磁束が容易に通過できる点である。したがって、図１７に示したステータ磁極形状は、図１５や図１６に示したステータ磁極形状に比べて、各相巻線１５、１６、１７、１８とエアギャップ部との間のステータ磁極のスペースを小さくできることになる。その結果、ブラシレスモータ１００の外形形状を小さくすることが可能になる。

図１８は、ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図であり、図１７に示したステータ磁極形状をさらに変形したステータ磁極形状が示されている。図１８に示す例では、ロータ軸１１方向両端のＵ、Ｗ相ステータ磁極３１、３３は、円周方向の磁極幅を電気角で１８０°に広げ、残ったスペースをＶ相のステータ磁極３２とバランスが取れるように分配配置し、Ｕ、Ｗ相ステータ磁極３１、３３のバックヨークから歯の表面までの距離が遠い部分についてはそれぞれの先端部分が細くなってその製作も難しくなることから削除している。そして、各相のステータ磁極形状の表面の回転角度変化率である各相の単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw は、位相は異なるが同一の値となるように変形されている。その結果、比較的大きな有効磁束を通過させることができ、かつ、その製作も比較的容易なステータ磁極形状となっている。

図１９は、ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図である。図１５〜図１８では、原理的なステータ磁極形状の考え方を示すため、ステータ磁極間の漏洩磁束については無視して説明したが、現実にはステータ磁極間の漏洩磁束は力率を低下させるため有害である。この問題を解決するため、図１９に示すステータ磁極３４、３５、３６のように、ステータ磁極間に空きスペースを設けることが望ましい。これにより、ステータ磁極間の漏洩磁束が低減され、トルクを増加させることができる。さらに、ステータ磁極あるいはロータ磁極にスキューを持たせることにより、トルクリップルを低減することができる。

図２０および図２１は、ステータ形状の変形例を示す図であり、図２０には平面図が、図２１にはその縦断面図がそれぞれ示されている。図２０において、図６に示した基本形のステータ磁極形状が破線７２で示されている。破線７２で示された基本形のステータ磁極形状に対して、ステータ磁極の凸型形状７３を根元部に向かって幅が次第に広くなるように変形することにより、ステータ磁極内での磁束密度を下げることが可能となる。また、基本形と磁束密度を同じにする場合にはその分だけ凸型形状７３の軸方向に沿った幅を狭くすることができるため、図２１に示すように、巻線断面形状７４（軸方向に沿った幅ｆ）に対して、ハッチングが付された巻線断面形状７５（軸方向に沿った幅ｇ（＞ｆ））の分だけ巻線断面を広げることができ、モータ電流を増加させて出力トルクを増加させることができる。さらに、ロータ１４の永久磁石１２の磁極から各ステータ磁極を通過する磁束は、ステータバックヨークを通り、ロータ軸１１方向の他の相のステータ磁極を通り、ロータ１４の永久磁石１２の磁極へ戻る構成となっており、より効率良く磁束を通すことができる構造とすることにより、ブラシレスモータのトルク向上および小型化が可能となる。

次に、ロータ１０の具体的な構成例について説明する。図２２〜図２７は、ロータの横断面図である。図２２に示すロータ１０は、図１および図２に示した基本形に対応した構造を有している。このロータ１０は、その表面に円周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に現れるように８個の永久磁石１２が配置されている。

図２３に示すロータ１０Ａは、円周方向に沿って着磁された永久磁石５０がラジアル方向（径方向）に配置され、隣接する永久磁石５０の間に強磁性体の磁極片５１が配置された構造を有している。磁極片５１は、永久磁石５０の磁束を集める効果があり、ロータ１０Ａ表面の磁束密度を大きくすることができる。また、磁極片５１の内部では、磁束がロータ軸方向へも移動容易であるため、ステータ磁極のギャップ面形状が図３や図１８に示したように偏在していても、ロータ１０Ａからステータ磁極へ磁束を効率良く導くことができ、モータトルクを増大させる効果を得ることができる。ロータ１０Ａの内部構造は、磁極片５２とロータ軸１１を非磁性体とすることにより、永久磁石５０の発生する磁束をステータ１４に供給することができる。また、磁極片５２を円周方向に１個おきに図示する方向の永久磁石とすることにより、隣接するロータ磁極への漏れ磁束を低減することができる。さらに、磁極片５２を円周方向に８個の永久磁石極とし、図示するように着磁しておけば、ロータ表面でより大きな磁束密度を得ることができる。

図２４に示すロータ１０Ｂは、永久磁石５３を内部に配置した、いわゆるＩＰＭＳＭと称される構造を有している。永久磁石５３の円周方向両端から外周方向に沿って空間５４が形成されている。あるいは、この空間には非磁性体を充填するようにしてもよい。このロータ１０Ｂの特性としては、永久磁石５３によるトルクと永久磁石でない部分の強磁性体が生成するリラクタンストルクの両方が得られる。同時に、ロータ回転位置とステータ１４の電流位相とを制御することにより、界磁磁束の大きさを制御することが可能であり、いわゆる弱め界磁制御を行って高速回転で界磁の大きさが小さくなるように電流位相制御を行うことにより、定パワー特性を得ることができる。また、空間５４に永久磁石を充填することにより、ロータ表面の磁束密度をより大きくして大きなトルクを得ることもできる。

図２５に示すロータ１０Ｃは、永久磁石５５がロータ内部に配置された構造を有している。ロータ磁極８５の円周方向両端に円周方向の同一方向に着磁された２個の永久磁石５５を１組として８組（１６個）の永久磁石５５が円周方向に沿って等間隔に配置されている。隣接する組の永久磁石５５は互いに反対方向に着磁されており、隣接する組の永久磁石５５の間には空間５６が形成されている。あるいは、この空間５６には非磁性体を充填するようにしてもよい。ロータ磁極８５には、ステータ１４の電流により励磁されることにより界磁磁束が励起され、ステータ１４の起磁力との相対関係でトルクを発生することができる。トルク発生については種々表現が可能であるが、ｄ軸電流成分によりロータ磁極８５に界磁磁束が発生し、ｑ軸電流成分によりトルクが発生し、このとき、永久磁石５５はｑ軸電流によるロータ磁極８５の界磁磁束がｑ軸方向へ向かないように作用すると考えることができる。その結果、ロータ磁極８５に存在する界磁磁束はｑ軸電流の影響を受けにくくなるので、ｄ軸電流によりロータ磁束の大きさを制御する性能が向上し、特に高速回転において界磁の大きさを小さくして巻線に誘起する電圧を低減することによりいわゆる定パワー制御を効果的に実現することができる。

図２６に示すロータ１０Ｄは、突極構造を有しており、リラクタンスモータとして作用させることができる。本実施形態のブラシレスモータでは３相Ｙ結線の巻線について説明しているが、他の結線で異なった特性を得ることも可能であり、特に図２６に示す突極のロータ１０Ｄの場合には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相巻線にそれぞれ独立に電流を通電制御し、より効果的にトルクを発生させることもできる。従来のスイッチトリラクタンスモータの構造においては、ラジアル方向の吸引力が円周方向に偏在して大きく変化するため、ステータのラジアル方向の変形を招き、振動、騒音の原因となることが多かったが、図２６に示すロータ１０Ｄを用いたモータの場合には、ほぼ全周からラジアル方向にバランス良く吸引力が発生し、ステータは円環状の形状を成しており全周からの均一な荷重に対しては高い剛性を示すので、振動、騒音が小さいという特徴を持たせることができる。また、ロータ１０Ｄは、磁性体を所定形状に整形するだけであって非常に簡素な構造で強固であるため、
高速回転での遠心力に耐えることができる。また、ロータ磁極形状、ステータ磁極形状を工夫することによりトルクリップルを小さくすることができ、原理的にいわゆるコギングトルクリップルもなく、高価で組み立て等の製作コストのかかる永久磁石を使用していないので低コストであるなどの特徴を持っている。

図２７に示すロータ１０Ｅは、いわゆるフラックスバリア型構造を有しており、リラクタンスモータとして作用させることができる。ロータ１０Ｅは、空間あるいは非磁性体によって形成されるフラックスバリア５８を有する。このフラックスバリア５８は、周方向に隣接するロータ磁極８６の間であってロータ１０Ｅの表面からほぼ同心状に配置されている。隣接するフラックスバリア５８に囲まれた細い領域によって磁路５９が形成されている。このロータ１０Ｅは、図２６に示したロータ１０Ｄと類似した優れた特性を有している。

図２８は、本実施形態のロータ１０の表面を円周方向に展開した図である。また、図２９は図２８に示したロータ表面の断面図である。図２８に示した横軸の数字は、円周方向に沿った機械角を示している。これらの図に示すように、ロータ１０の表面には、Ｎ極とＳ極とが円周方向に交互になるように永久磁石１２が配置されており、その永久磁石１２のさらに表面には強磁性体の磁極片３７が配置されている。磁極片３７では、軸方向に磁束が自在に移動できるため、ステータ磁極のギャップ面形状が図３や図１８に示すように偏在していても、ロータ１０からステータ磁極へ磁束を効率良く導くことができ、モータトルクを増大させることができる。

なお、この磁極片３７は、隣接する磁極片３７との間で発生する漏洩磁束を低減するために、ある程度の間隔をおいて配置した方が効果的である。また、磁性体３７のギャップ面表面形状についても図示するようにほぼ円弧形状とすることにより、各ロータ磁極表面の磁束分布を正弦波分布に近づけることができ、トルクリップルの低減や、振動および騒音の低減が可能になる。また、図２９に示したロータ表面形状は、図２２〜図２７に示した各ロータについても同様に適用することが可能である。

次に、ステータ構造を工夫してブラシレスモータ１００のトルクリップルを低減する手法について説明する。例えば、ＲＮ１次のトルクリップルを低減する場合、ステータ１４の複数のＵ相ステータ磁極１９をＮ１組にグループ分けし、各グループの回転方向のステータ磁極位置を電気角で３６０°／（ＲＮ１×Ｎ１）の整数倍だけ相対的にシフトし、他の相のステータ磁極２０、２１についてもＵ相ステータ磁極１９と同様に、回転方向にステータ磁極位置のシフトを行うものである。

図３０は、トルクリップル低減のために行われるステータ磁極位置のシフトの具体例を示す図であり、Ｕ相ステータ磁極１９についての具体例が示されている。Ｖ相ステータ磁極２０とＷ相ステータ磁極２１についても同様であるため、詳細な図示は省略する。図３０に示す横軸はステータ１４の円周方向に沿った電気角を示している。例えば、６次（ＲＮ１＝６）のトルクリップル成分を除去することのできるステータ構成について説明する。図３０に示す４個のＵ相ステータ磁極１９をＵ−１、Ｕ−３とＵ−２、Ｕ−４の２組に分類する（Ｎ１＝２）。３６０°／（ＲＮ１×Ｎ１）＝３６０°／（６×２）＝３０°となるので、ステータ磁極Ｕ−２、Ｕ−４の円周方向位置を電気角で３０°だけ図３０に示すように円周方向にシフトすればよい。この結果、２組に分けた各グループのＵ相ステータ磁極１９が発生するトルクの内、６次高調波成分については互いに１８０°の位相差を持っているので、ブラシレスモータ１００としてトータルでは６次高調波成分がキャンセルされるわけである。

この状態からさらに、トルクリップルの５次高調波成分も除去したい場合には、例えば
、ステータ磁極１９をＵ−１、Ｕ−２とＵ−３、Ｕ−４にグループ分けする。３６０°／（ＲＮ１×Ｎ１）＝３６０°／（５×２）＝３６°となるので、ステータ磁極Ｕ−３、Ｕ−４の円周方向位置を電気角で３６°だけ図３０に示す位置からさらに円周方向にシフトすればよい。シフトの方向は、図３０において右方向と左方向とが可能であるが、この場合にはすでに右方向にシフトした部分があるのでトルクの低減の少ない左方向へのシフトが有利である。この結果、ステータ磁極Ｕ−１は図３０の位置で、ステータ磁極Ｕ−２は元の位置から３０°右へシフトし、ステータ磁極Ｕ−３の位置は元の位置から３６°左へシフトし、ステータ磁極Ｕ−４の位置は元の位置から左へ６°（＝３０−３６）シフトしたことになる。このようにしてトルクリップルの５次と６次の各高調波成分を低減することができる。

なお、この手法でトルクリップルを低減する場合、極数の多いブラシレスモータの方がグループ分けが容易である。また、複数のトルクリップル高調波成分を低減する場合、グループ分けの方法によりその効果の優劣が発生するので、複数種類のシフトの効果が干渉し合わないようにする必要がある。例えば、Ｇ１〜Ｇ８の８グループに分類し、３種類のトルクリップル高調波成分を低減する場合、まず、ＲＮ１次の高調波成分を除去するためグループＧ５〜Ｇ８をＲＮ１次の所定角度だけシフトする。このとき、グループＧ１とグループＧ５とがＲＮ１次の高調波成分をキャンセルし合っていると考えることができ、同様にグループＧ２とグループＧ６、グループＧ３とグループＧ７、グループＧ４とグループＧ８のそれぞれがＲＮ１次の高調波成分をキャンセルし合っていると考えることができる。したがって、この状態で、グループＧ３とグループＧ７とグループＧ４とグループＧ８を同時にＲＮ２次の高調波成分をキャンセルできるＲＮ２次の所定角度だけシフトしてもＲＮ１次の高調波成分のキャンセル効果が低減しないと考えることができる。この結果、ＲＮ１次とＲＮ２次のトルクリップル高調波成分を低減できたことになる。さらに、ＲＮ３次の高調波成分を除去する場合は、同様に干渉の関係を考えて、グループＧ２とグループＧ６とグループＧ４とグループＧ８をＲＮ３次の所定角度だけシフトすればよい。結果として、３種類の磁極シフトを行い、相互に干渉しにくい組み合わせとしたので、３種類の高調波成分を効果的に低減することが可能である。

またシフトの方法として、その高調波成分の電気角１８０°の位相差を作り、足し合わせることによりキャンセルする例について具体的に説明したが、３グループに分類し、相対的に１２０°ずつの位相差を各グループに持たせるようにしてもよく、３以上の複数グループの合計で結果的にキャンセルすることができればよい。

次に、ロータ構造を工夫してブラシレスモータ１００のトルクリップルを低減する手法について説明する。例えば、ＲＮ１次のトルクリップルを低減する場合、ロータ１０の永久磁石１２によって実現されるロータ磁極について複数のＮ極とＳ極をＮ１組にグループ分けし、各グループの回転方向のロータ磁極位置を電気角で３６０°／（ＲＮ１×Ｎ１）の整数倍だけ相対的にシフトする。基本的な低減作用自体は、上述したステータ磁極位置をシフトさせる手法と同じであり、ＲＮ１次のトルクリップル高調波成分を各グループでキャンセルすることができる。

図３１は、トルクリップル低減のために行われる永久磁石位置のシフトの具体例を示す図である。表面がＮ極に着磁された４個の永久磁石１２を永久磁石７６、７８、８０、８２としたときに、この中で永久磁石７６、８０と永久磁石７８、８２とにグループ分けを行う。そして、一方のグループに属する永久磁石７８、８２の周方向位置を電気角で３０°シフトさせる。このような周方向位置のシフトは、表面がＳ極に着磁された他の４個の永久磁石７７、７９、８１、８３についても行われる。これにより、ブラシレスモータ１００としてトータルでは６次高調波成分がキャンセルされる。

また、図２２に示したような表面磁石型のロータ１０の場合には、ロータ１０に環状の磁石を取り付け、着磁パターンを最終形状の磁極位置に着磁しても同様の効果を得ることができる。

次に、ブラシレスモータ１００のロータ軸１１に発生する起磁力を低減する方法について説明する。図１等を用いてブラシレスモータ１００について説明したように、２つのＶ相巻線１６、１７のそれぞれに流れる電流の向きは逆方向であり、ロータ軸方向の起磁力はキャンセルされているが、Ｕ相巻線１５とＷ相巻線１８のそれぞれに流れる電流についてはその起磁力がロータ軸１１へ現れる。ロータ軸１１へ現れる起磁力が特に問題とならない用途も多いが、この起磁力が問題となる場合は、ロータ軸１１の全て、あるいは一部をステンレスのような非磁性体とすればよい。あるいは、他の方法として、ステータ１４に巻回された巻線の電流総和が発生する軸方向起磁力を相殺する巻線をロータ軸近傍に配置すればよい。

図３２は、ロータ軸１１方向の起磁力を相殺する巻線を追加したブラシレスモータの変形例を示す縦断面図である。図３２に示すブラシレスモータ１００Ａでは、図１に示したブラシレスモータに対して、Ｕ相巻線１５とＷ相巻線１８に流れる電流を相殺するためにこれらの巻線と同一回数だけ逆方向に巻いた補助巻線９０がロータ軸１１の周囲に追加されている。ロータ軸１１の直径はＵ相巻線１５等に比べて小さいので、補助巻線９０の量は比較的小さい。このように、Ｕ相巻線１５とＷ相巻線１８に流れる電流と反対向きに同じ量の電流を補助巻線９０に流すことにより、ロータ軸１１に現れる起磁力を相殺することができる。

次に、ブラシレスモータ１００の制御装置について説明する。図１等に示したブラシレスモータ１００の出力トルクは、上述した（１１）式で表される。したがって、ブラシレスモータ１００の制御装置は、所望のトルク指令に対して（１１）式を満たすように各相巻線１５〜１８の電流値を決定すればよい。

図３３は、ブラシレスモータ１００の制御装置の具体例を示す図である。図３３に示すように、制御装置２００は、速度制御ブロック（ＶＣ）１０２、電流指令ブロック（ＣＵＲ）１０４、電圧制御ブロック（ＶＯＬ）１０６、電力増幅ブロック（ＰＷＭ ＩＮＶ）１０８、検出回路１１４を含んで構成されている。

検出回路１１４は、ブラシレスモータ１００の回転位置を検出するエンコーダ１１３の出力信号に基づいてブラシレスモータ１００の回転数を検出し、速度検出信号１０１を出力する。速度指令１００からこの速度検出信号１０１を差し引いた速度偏差が速度制御ブロック１０２に入力される。速度制御ブロック１０２は、速度偏差から比例積分制御などを行ってトルク指令１０３を生成する。電流指令ブロック１０４は、トルク指令１０３と、ブラシレスモータ１００の各種パラメータと、検出回路１１４から出力されるブラシレスモータ１００の回転位置信号１１６とに基づいて、各相巻線１５〜１８に対する電流指令１０５を生成する。電圧制御ブロック１０６は、電流指令１０５と、各相巻線１５〜１８の電流検出信号１１０、１１１、１１２と、検出回路１１４から出力されるブラシレスモータ１００の回転位置信号１１５とに基づいて電流制御誤差などを計算し、回転位置信号１１５によるコミュテーション制御を行い各相巻線１５〜１８に対する電圧指令１０７を生成する。電力増幅ブロック１０８は、各相巻線１５〜１８のそれぞれの電圧指令１０７を入力してＰＷＭ変調を行い、３相のトランジスタブリッジ等のインバータで各相巻線１５〜１８の電圧、電流Ｉu 、Ｉv 、Ｉw をブラシレスモータ１００へ出力する。

電流指令ブロック１０４を（１１）式に従って制御する方法は以下のようになる。ステータ１４のＵ、Ｖ、Ｗ相ステータ磁極１９〜２１に存在する磁束φu 、φv 、φw の回転
角度変化率をＥu ＝ｄφu ／ｄθ、Ev ＝ｄφv ／ｄθ、Ｅw ＝ｄφw ／ｄθ、各相巻線
１５〜１８の各巻回数をＷu 、Ｗv 、Ｗw 、各相巻線１５〜１８の各相電流をＩu 、Ｉv

、Ｉw とする。トルク指令Ｔa に対して、Ｔa ＝Ｗu ×Ｅu ×Ｉu ＋Ｗv ×Ｅv ×Ｉv ＋Ｗw ×Ｅw ×Ｉw となるように、各相電流Ｉu 、Ｉv 、Ｉw を制御する。

図１等に示したブラシレスモータ１００の特性は、（１）式〜（１１）式を用いて表現されている。また、ブラシレスモータ１００の回転位置をθm とし、各相の単位電圧Ｅu

、Ｅv 、Ｅw は次式で示される理想的な３相交流モータの特性を有し、各相の係数はＥ１と同じ値であると仮定する。

Ｅu ＝Ｅ１×ｃｏｓ（θm ） …（２２）
Ｅv ＝Ｅ１×ｃｏｓ（θm ＋１２０°） …（２３）
Ｅw ＝Ｅ１×ｃｏｓ（θm ＋２４０°） …（２４）そして、ロータ１０の磁極の方向と制御される電流の位相の差を電流位相角θi とし、各相の電流Ｉu 、Ｉv 、Ｉw が次式で表されると仮定する。

Ｉu ＝Ｉa ×ｃｏｓ（θm ＋θi ） …（２５）
Ｉv ＝Ｉa ×ｃｏｓ（θm1＋１２０°＋θi ） …（２６）
Ｉw ＝Ｉa ×ｃｏｓ（θm ＋２４０°＋θi ） …（２７）（１１）式より、トルクＴa は次式のようになる。

Ｔa ＝Ｔu ＋Ｔv ＋Ｔw ＝Ｗc ×（Ｅu ×Ｉu ＋Ｅv ×Ｉv ＋Ｅw ×Ｉw ）
＝Ｗc ×（Ｅ１×ｃｏｓ（θm ）×Ｉa ×ｃｏｓ（θm ＋θi ）
＋Ｅ１×ｃｏｓ（θm＋１２０°）×Ｉa ×ｃｏｓ（θm＋１２０°＋θi ）
＋Ｅ１×ｃｏｓ（θm＋２４０°）×Ｉa ×ｃｏｓ（θm＋２４０°＋θi ））
＝Ｗc ×Ｉa ×Ｅ１×３／２×ｃｏｓθi …（２８）ここで、Ｗc は各相スタータ巻線のターン数、Ｅ１は各相巻線の鎖交磁束の回転角度変化率の係数であり、モータパラメータとして既知の値であり、電流振幅Ｉa は次式によって求められる。

Ｉa ＝２／３×Ｔa ／（Ｗc ×Ｅ１×ｃｏｓθi ） …（２９）また、特にモータの界磁弱め制御などを行わないときには、通常は電流位相角θi ＝０とするので、結局、この例の場合には、電流指令ブロック１０４の機能は単純に（２９）式の計算をするだけでよい。

しかし、ブラシレスモータ１００の設計上の都合等により、各相巻線のターン数が異なる場合や、各相巻線の単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw が平衡３相ではなく、位相あるいは振幅が異なる場合などにおいては、（１１）式にそれぞれの値を代入して電流振幅Ｉa と電流位相θi を決定することができる。複雑な場合として、各相巻線の単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw が平衡３相ではなく、高調波成分を持っている場合、言い換えるとトルクリップルの要因を含んでいる場合においても、正確な単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw の特性が解っていれば、（１１）式によりブラシレスモータ１００の回転位置θm に応じて適切な電流振幅Ｉa 、電流位相θi を決定することができ、トルクリップルを低減する制御も可能である。

なお、制御装置２００の各ブロックは種々変形が可能である。例えば、エンコーダ１１３、検出回路１１４はいわゆるセンサレス位置検出によりブラシレスモータ１００の電圧、電流などから位置検出信号を得る手段に置き換えることが可能であり、各相巻線の電流
検出方法、モータの電圧、電流の電力増幅等の方法についても図３３で示した以外の方法に置き換えることもできる。また、上述した考え方は４相以上の多相交流モータについても同様に適用することができる。

次に、ブラシレスモータ１００の巻線が図１３に示したように２相化された場合の制御装置について説明する。図３４は、２相化された巻線を備えるブラシレスモータの制御装置２００Ａの構成を示す図である。図３４に示す制御装置２００Ａは図３３に示した制御装置２００と基本的に同じ構成を有しており、電圧制御ブロック（ＶＯＬ）１０６と電力増幅ブロック（ＰＷＭ ＩＮＶ）１０８の制御対象がＵ、Ｖ、Ｗ相巻線１５〜１８からＭ、Ｎ相巻線３８、３９に変更された点が異なっている。

この制御装置２００Ａでは、ステータ１４のＵ、Ｖ、Ｗ相ステータ磁極１９〜２１に存在する磁束φu 、φv 、φw の回転角度変化率をＥu ＝ｄφu ／ｄθ、Ｅw ＝ｄφw ／ｄθ、Ｍ相巻線３８の巻回数をＷm 、Ｎ相巻線３９の巻回数をＷn とし、トルク指令Ｔb に対して、Ｔb ＝Ｗm ×Ｅu ×Ｉm ＋Ｗn ×Ｅw ×Ｉn となるようにＭ相電流Ｉm とＮ相電流Ｉn が制御される。

簡単な例として、ステータ１４のＵ、Ｖ、Ｗ相ステータ磁極１９〜２１に存在する磁束φu 、φv 、φw の回転角度変化率がＥu 、Ｅv 、Ｅw が（２２）式、（２３）式、（２４）式で示され、Ｍ、Ｎ相巻線３８、３９のターン数がＷc であり、２相の電流が、上述したように電流位相と振幅が３相平衡電流を単純に変換した（１４）式と（１５）式で表される場合は、（１９）式より、
Ｔb ＝Ｔm ＋Ｔn ＝Ｗc ×（−Ｅu ×Ｉm ）＋Ｅw ×Ｉn ）
＝Ｗc ×（−Ｅ１×ｃｏｓ（θm ）×１．７３２
×Ｉa ×ｃｏｓ（θm ＋１５０°）
＋Ｅ１×ｃｏｓ（θm ＋２４０°）×１．７３２
×Ｉa ×ｃｏｓ（θm ＋２７０°）
＝Ｗc ×Ｉa ×Ｅ１×３／２ …（３０）
∴Ｉa ＝２／３×Ｔb ／（Ｗc ×Ｅ１） …（３１）
Ｉm ＝１．７３２×Ｉa ×ｃｏｓ（θm ＋１５０°）
Ｉn ＝１．７３２×Ｉa ×ｃｏｓ（θm ＋２７０°）
となり、（３１）式は（２８）式において電流位相角θi ＝０としたときの値となる。結局、この例の場合には、電流指令ブロック１０４の機能は、（２９）式の例と同様に、単純に（３１）式の計算をするだけでよい。

しかし、必要条件としては、（１９）式を満たせばよいわけであるから、Ｍ相電流Ｉm

とＮ相電流Ｉn との組み合わせの自由度はある。さらに、ブラシレスモータの設計上の都合等により各相巻線の巻線ターン数が異なる場合、各相巻線の単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw

が平衡３相ではなく、位相あるいは振幅が異なる場合などにおいては、（１９）式にそれぞれの値を代入して各相電流Ｉm 、Ｉn 電流位相θi を決定することができる。複雑な場合として、各相の単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw が平衡３相ではなく、高調波成分を持っている場合、言い換えるとトルクリップルの要因を含んでいる場合においても、正確な単位電圧Ｅu 、Ｅv 、Ｅw の特性が解っていれば、（１１）式によりブラシレスモータの回転位置θm に応じて適切な各相電流Ｉm 、Ｉn 電流位相θi を決定することができ、トルクリップルを低減する制御も可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、３相のブラシレスモータ１００
について説明したが、Ｎ１相（Ｎ１は４以上）のブラシレスモータについても本発明を適用することができる。すなわち、図１１に示す構造をＮ１相のブラシレスモータについて考えたとき、等価的に各相巻線をループ状巻線に置き換えることができる。その結果、同相のステータ磁極間の巻線部分を排除することが可能になる。また、第１相と第Ｎ１相のループ状の巻線の内、ステータコアの端面側に位置する巻線を排除することができる。このように、４相以上のＮ１相のブラシレスモータにおいても、従来のブラシレスモータに比較して銅量が少なく、簡素なループ状巻線を備えた構造を実現することができる。

図３５、図３６、図３７は４相のブラシレスモータ１００Ｂを示す図であり、３相のブラシレスモータ１００を示す図１、図３、図４のそれぞれに対応する構成が示されている。このブラシレスモータ１００Ｂに含まれるステータ１４Ｂは、Ｕ相ステータ磁極６８、Ｖ相ステータ磁極６９、Ｗ相ステータ磁極７０、Ｘ相ステータ磁極７１、Ｕ相巻線６２、Ｖ相巻線６３、６４、Ｗ相巻線６５、６６、Ｘ相巻線６７が備わっている。Ｕ相巻線６２には負の電流−Ｉu が、Ｖ相巻線６３には正の電流Ｉv が、Ｖ相巻線６４には負の電流−Ｉv が、Ｗ相巻線６５には正の電流Ｉw が、Ｗ相巻線６６には負の電流−Ｉw が、Ｘ相
巻線６７には正の電流Ｉx がそれぞれ流れる。図１に示した３相の交流モータ１００と同様に、ロータ軸方向両端の２つのループ状巻線が省略、削除されている。

また、上述した４相の交流モータ１００Ｂでは、各ステータ磁極に対応してその両側に２個のループ状巻線（軸方向両端のＵ相ステータ磁極とＸ相ステータ磁極については１個のループ状巻線）が形成されているが、軸方向に隣接するステータ磁極の間に配置された２個のループ状巻線（例えば、Ｕ相巻線６２とＶ相巻線６３）を１個のループ状巻線に置き換えるようにしてもよい。異なる２つの相のステータ磁極の間に配置された２個のループ状巻線とそれぞれに通電される２種類の電流を加算して、これら２個のループ状巻線に置き換えられた１個のループ状巻線に流すことにより、電磁気的に等価な構成を実現することができ、構造の簡素化や銅量の低減が可能になる。

また、上述した実施形態では、図１、図３に示すステータ磁極形状において、各相のステータ磁極１９、２０、２１のロータ１０に対向した面のロータ軸方向長さＬasが、モータケース６１、ロータ軸１１を除いたステータの軸方向長さＬamの１／３よりやや短く設定されている。言い換えると、この３相のブラシレスモータ１００の電磁気的な実質軸方向長さの１／３の長さが各相のステータ磁極群の軸方向ピッチ（各相のステータ磁極群に含まれる各ステータ磁極の軸方向中心間の距離）Ｌapであり、各相のステータ磁極１９、２０、２１のロータ軸方向長さＬasが、各相のステータ磁極群の軸方向ピッチＬapより短く設定されている。式で表現すると、Ｌam≒３×Ｌap、Ｌas＜Ｌam／３となっている。このように、各相のステータ磁極１９、２０、２１はロータ軸方向に重なることなく配置されているので、円周方向の他相のステータ磁極の形状的干渉が無く、構造的に多極化が容易であり、多極化によるトルクの向上が可能である。

また、本発明を適用した２相交流モータの場合は、モータの軸方向長さＬamは各相のステータ磁極群の軸方向ピッチＬapの約２倍であり、Ｌam≒２×Ｌap、Ｌas＜Ｌam／２となる。同様に、４相モータでは、Ｌam≒４×Ｌap、Ｌas＜Ｌam／４となる。

一方、図１５から図１９に示す各ステータ磁極のロータ１０に対向した面のロータ軸方向長さＬasは、各ステータ磁極の磁束の回転変化率を大きくするため、各相のステータ磁極群の軸方向ピッチＬapより大きくしており（Ｌas＞Ｌap）、図１５、図１６、図１７では３倍（Ｌas＝３×Ｌap）とし、図１８、図１９では２倍（Ｌas＝２×Ｌap）としている。このように、ステータ磁極の軸方向長さＬasは長い方が作用する磁束が増加し、大きなトルクを発生することができる。特に、Ｌas＞Ｌapとすることにより、ステータ構造はやや複雑になるが、大きなトルクの発生が可能となる。

また、上述した本実施形態のブラシレスモータ１００が特に小型のモータである場合、ステータ１４を構成する軟磁性体が磁性鋼板の打ち抜き、成形加工されたものでも良い。例えば、電磁鋼板をプレス打ち抜き加工で所定形状に加工し、モータ巻線（Ｕ相巻線等）のコイルを組み込み、電磁鋼板の折り曲げ成形を行なってモータを製作することができる。製作工程が簡単であり、安価な小型モータを製作することができる。

また、図１、図９、図１０に示す各相の巻線のコイル形状は、概略円形で示しているが、ステータを構成する磁性体とのスペースの取り合いの適正化を行ない、ラジアル方向あるいはロータ軸方向に凹凸形状をなすことも可能である。具体的には、モータの設計的な都合等で、巻線のコイル概観形状が円環状だけではなく、コイルの一部に凹凸があったり、極端には、四角形形状、三角形形状等に変形されても同一の機能を達成することができる。

また、巻線の他の変形例として、各巻線は、ロータ軸方向あるいはロータ径方向にループするように一部を分割するようにしてもよい。例えば、図４、図５に示すループ状のＶ相巻線１６、１７は、それぞれ図９に示すような形状をなしており、同一の電流で電流の向きが逆方向であることから、図３８に示すように、円形状ではなく半円を折り返した形状のコイルに分割し、変形することもできる。Ｖ相巻線１６は図３８のコイル部１３０、１３１に相当し、Ｖ相巻線１７はコイル部１３２，１３３に相当する。この場合、コイル部１３０、１３１の穴部にＶ相のステータ磁路が配置され、Ｖ相の磁束が通過することになる。同様にさらに分割数を増やすことも可能であり、Ｕ相巻線１５、Ｗ相巻線１８等についても、巻線の量が増加するが、同様の形状に変形が可能である。また、複数個のモータを径方向、ロータ軸方向、側方向に配置する場合には、モータ間相互に接続された巻線であって、電磁気的に等価な作用を得ることが可能であり、そのように巻線を変形した例についても本発明を適用することができる。なお、複数のモータを側方向に配置する場合には、ロータが同一中心線上には無いので、複数のロータ軸をギア、ベルト等で機械的に結合する必要がある。

また、ステータ１４を構成する軟磁性体の形状もモータ巻線のリード線取り出し部のスペース確保のため、軟磁性体の形状に凹凸、あるいは、リード線用の貫通穴が加えられる、あるいは、一部のステータ磁極が欠落している構成でも、その分出力が低減するが、本発明の趣旨を変えることなく実現することができる。

また、本発明のモータの形態は種々の変形実施が可能であるが、例えば、ステータを内径側に配置し、ロータを外形側に配置したいわゆるアウターロータ構造とすることもできる。この場合、巻線が内径側になるので銅量が減少し、モータの銅損が低減される点、ステータ磁気回路がやや複雑であるが、モータの内径側スペースを有効に活用し易い点、エアギャップ半径が大きくなることが多く界磁磁束が増加する点が有利であり、ロータがやや複雑になる点、ロータイナーシャが大きくなる点が不利である。ステータとロータとを相対的に軸方向に配置した構造も可能である。この場合、ロータ軸方向に短いモータでありながら、界磁磁束を大きく取れる特徴がある。ステータとロータとをロータ軸に対して斜め方向に配置することもできる。特に、ステータとロータ間のエアギャップ面をテーパ状に構成した場合、ステータとロータとのロータ軸方向相対位置を他の装置を用いて可変することによりエアギャップ長を可変することができ、界磁磁束の大きさを可変できるため定パワー制御なども可能となる。

また、本発明のモータが発生するロータ軸方向の起磁力を相殺する方法の一つとして、本発明のモータをロータ軸方向に直列に配置する方法がある。ここで、これらの２個のモータは電磁気的に軸方向に逆の構成にすることにより、２個のモータの発生するロータ軸方向起磁力を常に相殺することができる。その具体的な例を図３９に示す。巻線１３７はＵ相巻線１５と直列で逆向きに巻回され、巻線１３６はＶ相巻線１６と直列で逆向きに巻回され、巻線１３５はＶ相巻線１７と直列で逆向きに巻回され、巻線１３４はＷ相巻線１８と直列で逆向きに巻回されている。したがって、各相巻線は、図３９の中央部の一点鎖線に対して対称に配置され、電流の向きは逆となっている。電流の向きが逆なのでロータ軸１１に作用するトータルでの起磁力は零となっている。磁気回路的には、一点差線に対して対象構造となっており、各相のステータ磁極１９、２０、２１に作用する磁束は、それぞれ、ステータ磁極１４０、１３９、１３８に作用する磁束と大きさ、向きともに同じである。また、ステータ磁極２１とステータ磁極１３８とが一体化されていても良い。巻線１３４、１３５、１３６、１３７等を、それぞれ、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の巻線として合成しても良く、種々変形が可能である。

さらには、多数個のモータを組み合わせて（結合して）構成することができる。例えば、２個のモータをロータ軸方向に直列に配置し、それらの境界面に対して電磁気的に面対象にした場合、境界部の２個のモータのステータ磁路、ロータ磁路は接触させる、あるいは、一体化させることも可能である。また、２個のモータを外形側と内径側に同心上に配置することもできる。この場合、例えば、外径側のモータはインナーロータ構造、内径側のモータはアウターロータモータ構造をとれば、２個のロータが近接するので、ロータ同士の接続、一体化などが容易であり、比較的まとまりの良い構成を実現できる。また、複数個のモータを配置し構成すれば、出力トルク、パワーは当然増加するので、大容量化の一方法でもある。

また、ロータの種々形式について図２２から図２７に示したが、巻線励磁による電磁石界磁も可能である。

また、本発明のモータの制御装置は、（２８）、（３０）式等にしたがって制御する方法について説明したが、モータ電流、ロータ回転角等の各条件におけるモータトルクを実測し、所望値に対する誤差を求め、単純に前記誤差分を補正して制御することも可能である。トルクリップルの補正方法として、各相電流の振幅を補正する方法がある。所望トルクより実トルクが小さい回転位置では、各相電流の振幅を均等に、逆比例して大きくすれば良い。所望トルクより実トルクが大きい回転位置では、各相電流の振幅を均等に、逆比例して小さくすれば良い。また、所望の駆動トルク、回転数などに応じて、回転位置に応じた各電流値あるいは誤差量等をメモリにテーブル化して記憶しておいて、制御情報とテーブルデータから適切なモータ電流値を求め、制御するテーブル参照方式は、モータ制御に関わる制御を簡素化する具体的な方法である。いずれの方法も、（２８）、（３０）式等を使用して、電流振幅の計算および記録あるいは制御情報のテーブル化計算を行なうことが可能であり、これらについても本発明に含まれる。

一実施形態のブラシレスモータの縦断面図である。 ロータの円周方向展開図である。 ロータ側から見たステータの内周側形状の展開図である。 各相の巻線の円周方向展開図を示す図である。 本実施形態のステータの断面箇所を示す図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 Ｕ相巻線の概略的な形状を示す図である。 Ｕ相巻線の概略的な形状を示す図である。 エアギャップ面側から見た各相ステータ磁極の展開図に等価的な各相電流巻線を書き加えた図である。 本実施形態のブラシレスモータの電流、電圧、出力トルクのベクトル図である。 ２つの巻線を単一の巻線にまとめた変形例を示す図である。 漏洩磁束によるトルク低下対策を行ったステータの展開図である。 ステータ磁極の変形例を示す円周方向展開図である。 ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図である。 ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図である。 ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図である。 ステータ磁極の他の変形例を示す円周方向展開図である。 ステータ形状の変形例を示す平面図である。 ステータ形状の変形例を示す縦断面図である。 ロータの横断面図である。 ロータの横断面図である。 ロータの横断面図である。 ロータの横断面図である。 ロータの横断面図である。 ロータの横断面図である。 本実施形態のロータの表面を円周方向に展開した図である。 図２８に示したロータ表面の断面図である。 トルクリップル低減のために行われるステータ磁極位置のシフトの具体例を示す図である。 トルクリップル低減のために行われる永久磁石位置のシフトの具体例を示す図である。 ロータ軸方向の起磁力を相殺する巻線を追加したブラシレスモータの変形例を示す縦断面図である。 ブラシレスモータの制御装置の具体例を示す図である。 ２相化された巻線を備えるブラシレスモータの制御装置の構成を示す図である。 ４相のブラシレスモータを示す図である。 ４相のブラシレスモータを示す図である。 ４相のブラシレスモータを示す図である。 分割された巻線の具体的な形状を示す斜視図である。 ２個のモータをロータ軸方向に直列に配置した構造を示す縦断面図である。 従来のブラシレスモータの概略的な構成を示す縦断面図である。 従来のブラシレスモータの概略的な構成を示す横断面図である。 従来のブラシレスモータのステータ磁極と巻線の関係を示すステータの展開図である。

符号の説明

１０ ロータ
１１ ロータ軸
１２ 永久磁石
１４ ステータ
１５ Ｕ相巻線
１６、１７ Ｖ相巻線
１８ Ｗ相巻線
１９ Ｕ相ステータ磁極
２０ Ｖ相ステータ磁極
２１ Ｗ相ステータ磁極
３８ Ｍ相巻線
３９ Ｎ相巻線
１００ ブラシレスモータ

Claims (19)

1. 周方向にＮ極磁極とＳ極磁極とが交互に配置されたロータと、
   周方向に複数個配置されたステータ磁極をそれぞれが有し、互いに前記ステータ磁極の位置が前記ロータ磁極に対して相対的に周方向にずらして配置されたＮ個のステータ磁極群と、
   前記複数のステータ磁極群のそれぞれに対して軸方向に沿った隣接位置に配置されて周方向に形成された複数のループ状巻線と、
   を備えることを特徴とする交流モータ。
2. 請求項１において、
   前記ループ状巻線は、前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれの軸方向両側に配置され、
   前記ステータ磁極群の軸方向両側に配置された２つの前記ループ状巻線に流れる電流の向きが互いに反対であることを特徴とする交流モータ。
3. 請求項１において、
   前記ループ状巻線は、前記Ｎ個のステータ磁極群の内、軸方向に沿って端部に配置された２つの端部ステータ磁極群については軸方向に沿った反端部側に配置され、それ以外の中間ステータ磁極群については軸方向両側に位置され、
   前記中間ステータ磁極群の軸方向両側に配置された２つの前記ループ状巻線に流れる電流の向きが互いに反対であることを特徴とする交流モータ。
4. 請求項１において、
   前記ループ状巻線は、前記Ｎ個のステータ磁極群の間に配置されていることを特徴とする交流モータ。
5. 請求項２〜４のいずれかにおいて、
   前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに対応する前記ループ状巻線には、互いに３６０度／Ｎの位相差を有するＮ相交流電圧が引加されることを特徴とする交流モータ。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記ロータは、円周方向に前記Ｎ極磁極と前記Ｓ極磁極の繰り返し間隔に対応して配置された複数の永久磁石を備えることを特徴とする交流モータ。
7. 請求項６において、
   前記複数の永久磁石のそれぞれは、前記繰り返し間隔に対応させて前記ロータの表面にＮ極とＳ極とが交互に現れるように配置されていることを特徴とする交流モータ。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記ロータは、内周側表面近傍に、前記ステータ磁極が配置されていない空間に磁性体からなる補極を備えることを特徴とする交流モータ。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
   前記ステータおよび前記ロータの全部あるいは一部を軟磁性粉末金属材料をプレス成型して形成することを特徴とする交流モータ。
10. 請求項１〜９のいずれかにおいて、
    前記複数のステータ磁極は、前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれについて互いに電気角で３６０度／Ｎの位相差となるように周方向にずらして配置されていることを特徴とする交流モータ。
11. 請求項１０において、
    前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに存在する磁束の回転角度変化率である単位電圧の形状および振幅がほぼ同一で相互に電気角で３６０度／Ｎの位相差を維持するように、前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに対応する前記ステータ磁極の形状を変形することを特徴とする交流モータ。
12. 請求項１〜１１のいずれかにおいて、
    低減したいトルクリップルの次数をｍとしたときに、前記ステータに含まれる前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれについて複数の前記ステータ磁極をｎ組にグループ分けし、各グループに属する前記ステータ磁極の周方向位置を電気角で３６０／（ｍ×ｎ）度の整数倍だけ相対的に変位させることを特徴とする交流モータ。
13. 請求項１〜１１のいずれかにおいて、
    低減したいトルクリップルの次数をｍとしたときに、前記ロータに含まれる前記Ｎ極磁極と前記Ｓ極磁極のそれぞれをｎ組にグループ分けし、各グループに属する前記Ｎ極磁極と前記Ｓ極磁極の周方向位置を電気角で３６０／（ｍ×ｎ）度の整数倍だけ相対的に変位させることを特徴とする交流モータ。
14. 請求項１〜１３のいずれかにおいて、
    前記ロータの回転軸の近傍に配置され、前記複数のループ状巻線の全体に流れる電流によって発生する軸方向起磁力を相殺する起磁力を発生する補助巻線をさらに備えることを特徴とする交流モータ。
15. 請求項２または３に記載された交流モータの制御装置であって、
    一の前記ステータ磁極群に存在する磁束の回転角度変化率をＥ、このステータ磁極群に対応する前記ループ状巻線の巻回数をＷ、このループ状巻線に流す電流をＩとしたときに、前記Ｎ個のステータ磁極群のそれぞれに対応してＷ×Ｅ×Ｉで算出されるトルクＴの総和がトルク指令値Ｔａとなるように複数の前記ループ状巻線に流す電流Ｉを制御することを特徴とする交流モータの制御装置。
16. 請求項４に記載された交流モータの制御装置であって、
    一の前記ステータ磁極群に存在する磁束の回転角度変化率をＥ、このステータ磁極群に隣接して配置された前記ループ状巻線の巻回数をＷ、このループ状巻線に流す電流をＩとしたときに、（Ｎ−１）個の前記ループ状巻線のそれぞに対応してＷ×Ｅ×Ｉで算出されるトルクＴの総和がトルク指令値Ｔｂとなるように前記ループ状巻線に流す電流Ｉを制御することを特徴する交流モータの制御装置。
17. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
    前記ステータ磁極の前記ロータに対向した面のロータ軸方向長さが、２つの前記ステータ磁極群の軸方向中心間の距離よりも長いことを特徴とする交流モータ。
18. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
    前記ループ状巻線は、ロータ軸方向あるいはロータ径方向にループするように一部が分割されていることを特徴とする交流モータ。
19. 請求項１〜５のいずれかに記載の交流モータを複数個結合することを特徴とする交流モータ。
    

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