JP4039458B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電気モータや発電機などの電動機（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ）に関する。

電動モータには、シンクロナス（同期）モータとインダクション（誘導）モータの２種類がある。また、モータの種類は、ロータの違いにより、永久磁石を使ったマグネット型と、コイルが巻いてある巻線型と、鉄などの強磁性体を使ったリアクタンス型とに分類することも可能である。マグネット型は、ロータの永久磁石がステータの回転磁界に引かれて回転する。
マグネット型のシンクロナスモータとして、例えば、特開平８−５１７４５号公報に記載された小型同期モータが存在する。この小型同期モータは、励磁コイルを巻回したステータコアと、マグネットを含むロータとを備えている。
しかしながら、従来のモータは、発生トルクに比較して重量が嵩み、発生トルクを大きくしようとすると発生トルクと重量の比が大きく悪化してしまうという課題があった。また、更に高磁束密度な磁石を用いた場合には、鉄損失の影響により、始動時に膨大な電流を流さなければ動作しないという問題があった。

この発明は、従来と異なる構造の電動機を提供することを目的とする。
本発明による電動機は、所定の方向に沿って配置された複数のコイルを含む第１のコイル群と、前記第１のコイル群に対面しているとともに、前記第１のコイル群に対して前記所定の方向に沿って相対的に移動可能な磁石群と、を備える。前記第１のコイル群はそれぞれｎ個（ｎは１以上の整数）のコイルで構成されるＭ相（Ｍは２以上の整数）のサブコイル群に分類されているとともに、前記所定の方向に沿って第１相サブコイル群から第Ｍ相サブコイル群までの各サブコイル群のコイルが所定のサブコイル群間隔Ｄｃで１つずつ順番に配列されている。前記磁石群に関して前記所定の方向に沿って電気角でπに相当する距離を磁極ピッチＰｍと定義したとき、前記サブコイル群間隔Ｄｃは前記磁極ピッチＰｍのＫ／Ｍ倍（ＫはＭの整数倍を除く正の整数）の値に設定されている。隣接するサブコイル群同士は、（Ｋ／Ｍ）πの位相差で駆動される。各コイルは磁性体製のコアを実質的に有していないことが好ましい。
この電動機は、磁性体製のコアを実質的に有していないので、コギングが発生せずに安定したなめらかな回転が可能である。また、サブコイル群間隔Ｄｃと磁極ピッチＰｍとの間にはＤｃ＝（Ｋ／Ｍ）Ｐｍの関係があり、隣接するサブコイル群同士は（Ｋ／Ｍ）πの位相差で駆動されるので、コイル群と磁石群との位置関係が中立位置（動作方向に正味の力が働かずに始動できない位置）を取ることが無い。従って、常に所望の動作方向（順方向または逆方向）に電動機を始動することが可能である。
なお、前記整数Ｋと前記整数Ｍは１以外の公倍数を有していないことが好ましい。この理由は、仮に、ＫとＭが１以外の公倍数Ｎを有している場合には、電動機の実質的な相数がＭ／Ｎになると考え得るからである。例えば、Ｋ＝６，Ｍ＝４の場合には４組のサブコイル群を有する４相の電動機として構成されるが、これは実質的にはＫ＝３，Ｍ＝２である２相の電動機と実質的に同じであると考えることができる。
前記第１のコイル群側から前記磁石群を見たとき、前記所定の方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置されていてもよい。このとき、前記Ｎ極とＳ極のピッチは前記磁極ピッチＰｍに等しい。
あるいは、前記第１のコイル群側から前記磁石群を見たとき、前記所定の方向に沿ってＮ極とＳ極とのうちの所定の一方である同極が繰り返し配置されていてもよい。このとき、前記同極同士のピッチは前記磁極ピッチＰｍの２倍に等しい。
上記電動機は、さらに、前記コイル群および前記磁石群を収納するケースを備えており、各コイルは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成された支持材の回りに巻き回されており、前記ケースは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されているものとしてもよい。
この構成によれば、鉄損がほとんど無い電動機を実現することができる。
上記電動機は、回転軸と、軸受け部以外の構造材は、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されているものとしてもよい。
この構成によれば、さらに軽量化が可能であり、また、鉄損をさらに低減することができる。
なお、前記整数Ｋは奇数であり、各サブコイル群のコイル数ｎは２以上であり、同一相のサブコイル群に属する隣り合うコイル同士が常に逆極性に励磁されるように互いに接続されているものとしてもよい。
あるいは、前記整数Ｋは偶数であり、各サブコイル群のコイル数ｎは２以上であり、同一相のサブコイル群に属するすべてのコイルが常に同じ極性に励磁されるように互いに接続されているものとしてもよい。
前記電動機は、さらに、前記磁石群を挟んで前記第１のコイル群と反対側に設けられているとともに、前記第１のコイル群との相対的な位置が固定されている第２のコイル群を備えていていもよい。前記第２のコイル群は、前記第１のコイル群と同一のコイル配置を有しており、前記第１のコイル群の第ｍ相のサブコイル群（ｍは１〜Ｍの整数）と、前記第２のコイル群の第ｍ相のサブコイル群とは、前記磁石群を挟んで対向する位置に配置されているとともに常に同じ極性に励磁されることが好ましい。
この構成によれば、磁石群の両側の磁束を有効に利用できるので、大きなトルクを発生させることができる。また、第１と第２のコイル群の同じｍ番目のサブコイル群同士が対向していて同じ極性に励磁されるので、第１のコイル群と磁石群との間で発生する動作方向と垂直な方向の力と、第２のコイル群と磁石群との間で発生する同様の力とが互いに相殺する。この結果、動作方向と垂直な方向の正味の力が実質的にゼロになるので、このような力に起因する振動や騒音を防止することができる。
上記電動機は、さらに、前記Ｍ相のサブコイル群に供給するＭ個の交流駆動信号を供給するための駆動信号生成回路を備え、前記駆動信号生成回路は、各サブコイル群に属する各コイルの極性が前記磁石群内の磁石の中心と各コイルの中心とが対向するタイミングで切り替わるとともに、同一相のサブコイル群に属する隣り合うコイル同士の間の中央位置が前記磁石群内の磁石の中心と対向するタイミングにおいて当該コイル群における磁束密度が最も大きくなるように、前記Ｍ個の交流駆動信号を生成するようにしてもよい。
この構成によれば、駆動信号に同期して電動機を駆動することができる。
前記駆動信号生成回路は、各サブコイル群の電流方向を逆転させることによって、前記第１のコイル群と前記磁石群の動作方向を逆転させることが可能であることが好ましい。
また、前記駆動信号生成回路は、位相が（Ｋ／Ｍ）πだけ相互にずれたＭ個のＰＷＭ信号をそれぞれ生成するＰＷＭ回路と、前記電動機の出力要求に応じて前記Ｍ個のＰＷＭ信号をマスクすることによって前記Ｍ個の交流駆動信号を生成するマスク回路と、を備えるようにしてもよい。
この構成によれば、マスク回路によってＰＷＭ信号をマスクすることによって、電動機の出力を調節することが可能である。
前記マスク回路は、各交流駆動信号の極性が反転するタイミングを中心とした対称な時間的範囲で各ＰＷＭ信号をマスクするようにしてもよい。
一般に、各交流駆動信号の極性が反転するタイミング付近では、コイルがあまり有効な駆動力を発生せず、交流駆動信号のピーク付近で有効な駆動力を発生するという傾向がある。従って、上記の構成によれば、コイルが有効な駆動力をあまり発生しない期間においてＰＷＭ信号をマスクするので、電動機の効率を向上させることが可能である。
なお、上記電動機は、さらに前記コイル群から電力を回生するための回生回路を備え、前記駆動信号生成回路と前記回生回路は、前記Ｍ相のサブコイル群のうちのすくなくとも１相のサブコイル群から駆動力を発生させつつ、他の少なくとも１相のサブコイル群から電力を回生する運転モードで前記電動機を運転することが可能であることが好ましい。
この構成によれば、必要に応じて、駆動力の発生と電力の回生とを同時に実行しつつ、電動機を動作させることができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、電動機、リニアモータや回転式モータなどの電動モータ、発電機、それらのアクチュエータやモータ、発電機の駆動方法および駆動装置等の態様で実現することができる。

図１（Ａ），１（Ｂ）は、本発明の比較例における電動モータの概略構成と交流駆動信号を示す説明図である。
図２（Ａ），２（Ｂ）は、コイルの結線方法の例を示す図である。
図３（Ａ）〜３（Ｄ）は、比較例の電動モータの動作を示す図である。
図４（Ａ），４（Ｂ）は、本発明の第１実施例における電動モータの概略構成と交流駆動信号を示す説明図である。
図５（Ａ）〜５（Ｄ）は、本発明の第１実施例の電動モータの動作とを示す図である。
図６（Ａ）、６（Ｂ）は、磁石Ｍとコイルの平面配置の例を示す図である。
図７は、駆動回路ユニットの構成を示すブロック図である。
図８は、駆動制御部の構成を示すブロック図である。
図９は、ドライバ回路の構成を示すブロック図である。
図１０は、第１実施例のモータの大トルク発生時の信号波形を示すタイミングチャートである。
図１１は、第１実施例のモータの小トルク発生時の信号波形を示すタイミングチャートである。
図１２は、回生制御部と相対減速用のドライバ回路の内部構成を示す図である。
図１３（Ａ）〜１３（Ｄ）は、２相モータの第１変形例の構成と動作を示す図である。
図１４（Ａ）〜１４（Ｃ）は、２相モータの他の変形例を示す図である。
図１５（Ａ），１５（Ｂ）は、２相モータのさらに他の変形例を示す図である。
図１６は、駆動制御部の第１変形例を示すブロック図である。
図１７は、駆動信号生成部が直接駆動モードで動作する場合の信号波形を示すタイミングチャートである。
図１８は、駆動制御部の第２変形例を示すブロック図である。
図１９は、駆動制御部の第２変形例の信号波形を示すタイミングチャートである。
図２０は、ドライバ回路の変形例を示すブロック図である。
図２１（Ａ），２１（Ｂ）は、２相モータの機械的構成の一例を示す断面図である。
図２２（Ａ），２２（Ｂ）は、ステータとロータの構成を示す断面図である。
図２３（Ａ），２３（Ｂ）は、２相モータの機械的構成の他の例を示す断面図である。
図２４（Ａ），２４（Ｂ）は、２相モータの機械的構成のさらに他の例を示す断面図である。
図２５（Ａ），２５（Ｂ）は、２相モータの機械的構成のさらに他の例を示す断面図である。
図２６（Ａ）〜２６（Ｃ）は、本発明の第２実施例における３相モータの概略構成を示す説明図である。
図２７は、第２実施例における駆動制御部の構成を示すブロック図である。
図２８は、第２実施例におけるドライバ回路の構成を示すブロック図である。
図２９は、第２実施例のセンサ信号と各相のコイルの励磁方向を示すタイミングチャートである。
図３０（Ａ）〜３０（Ｆ）は、第２実施例の６つの期間Ｐ１〜Ｐ６における電流方向を示す説明図である。
図３１（Ａ）〜３１（Ｄ）は、本発明の第３実施例における４相モータの概略構成を示す説明図である。
図３２は、第３実施例のセンサ信号と各相のコイルの励磁方向を示すタイミングチャートである。
図３３（Ａ），３３（Ｂ）は、コイル形状と磁石形状の変形例を示す説明図である。

発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．比較例
Ｂ．第１実施例（２相モータ）
Ｃ．２相モータ構造の変形例
Ｄ．２相モータの回路構成の変形例
Ｅ．２相モータの適用例
Ｆ．第２実施例（３相モータ）
Ｇ．第３実施例（４相モータ）
Ｈ．その他の変形例
Ａ．比較例
本発明の実施例を説明する前に、まず比較例を説明する。
図１（Ａ）は、本発明の比較例における電動モータの概略構成を示す説明図である。この電動モータは、第１のコイル群構造１０Ａと、第２のコイル群構造２０Ｂと、磁石群構造３０Ｍとを有している。
第１のコイル群構造１０Ａは、支持部材１２Ａと、支持部材１２Ａに固定されたＡ相コイル群１４Ａとを有している。このＡ相コイル群１４Ａは、逆方向に励磁される２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。なお、本明細書では、Ａ相コイル群の２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２をまとめて「Ａ相コイル群１４Ａ」と呼ぶ。他のコイル群や磁石群についても同様である。
第２のコイル群構造２０Ｂは、支持部材２２Ｂと、支持部材２２Ｂに固定されたＢ相コイル群２４Ｂとを有している。このＢ相コイル群２４Ｂも、逆方向に励磁される２種類のコイル２４Ｂ１，２４Ｂ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。
磁石群構造３０Ｍは、支持部材３２Ｍと、支持部材３２Ｍに固定された磁石群３４Ｍとを有している。この磁石群３４Ｍの永久磁石３４Ｍ１，３４Ｍ２は、磁化方向が磁石群３４Ｍの配列方向（図１（Ａ）の左右方向）とは垂直な方向に向くようにそれぞれ配置されている。磁石群３４Ｍの磁石は、一定の磁極ピッチＰｍで配置されている。
なお、Ａ相コイル群１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂは、電気角で互いにπ／２だけ異なる位置に配置されている。Ａ相コイル１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂは、位置が異なるだけであり、他の点は実質的に同じ構成を有している。従って、以下では、コイル群に関する説明の際に特に必要な場合を除いてＡ相コイル群についてのみ説明する。
図１（Ｂ）は、Ａ相コイル群１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂに供給される交流駆動信号の波形の一例を示している。Ａ相コイル群１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂには、二相交流信号がそれぞれ供給される。また、Ａ相コイル群１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂの駆動信号の位相はπ／２だけ互いにずれている。図１（Ａ）の状態は、位相ゼロ（又は２π）の状態に相当する。
この比較例の電動モータは、さらに、Ａ相コイル群１４Ａ用の位置センサ１６Ａと、Ｂ相コイル群２４Ｂ用の位置センサ２６Ｂとを有している。これらを以下では「Ａ相センサ」、「Ｂ相センサ」と呼ぶ。Ａ相センサ１６ＡはＡ相コイル群１４Ａの２つのコイルの間の中央の位置に配置されており、Ｂ相センサ２６ＢはＢ相コイル群２４Ｂの２つコイルの間の中央の位置に配置されている。これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂとしては、図１（Ｂ）に示す交流駆動信号と同様な波形を有するアナログ出力を有するものを採用することが好ましく、例えばホール効果を利用したホールＩＣを採用することができる。但し、矩形波状のデジタル出力を有するセンサを採用することも可能である。また、位置センサを省略してセンサレス駆動を行うことも可能である。
図２（Ａ），２（Ｂ）は、Ａ相コイル群１４Ａの２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２の結線方法を示す図である。図２（Ａ）の結線方法では、Ａ相コイル群１４Ａに含まれるすべてのコイルが、駆動制御部１００に対して直列に接続されている。一方、図２（Ｂ）の結線方法では、一対のコイル１４Ａ１，１４Ａ２で構成される直列接続が、複数組並列に接続されている。このいずれの結線方法の場合にも、２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２は、常に逆の極性に磁化される。なお、これら以外の他の結線方法を採用することも可能である。
図３（Ａ）〜３（Ｄ）は、比較例の電動モータの動作を示している。なお、この比較例では、コイル群１４Ａ，２４Ｂがステータとして構成されており、磁石群３４Ｍがロータとして構成されている。従って、図３（Ａ）〜３（Ｄ）では、時間の経過とともに磁石群３４Ｍが移動している。
図３（Ａ）は位相が２πの直前のタイミングの状態を示している。なお、コイルと磁石との間に描かれた実線の矢印は吸引力の方向を示しており、破線の矢印は反発力の方向を示している。この状態では、Ａ相コイル群１４Ａは磁石群３４Ｍに対して動作方向（図の右方向）の駆動力を与えておらず、磁石群３４ＭをＡ相コイル群１４Ａに引きつける方向に磁力が働いている。従って、位相が２πのタイミングでは、Ａ相コイル群１４Ａへの印加電圧をゼロにすることが好ましい。一方、Ｂ相コイル群２４Ｂは、磁石群３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。また、Ｂ相コイル群２４Ｂは磁石群３４Ｍに対して吸引力だけで無く反発力も与えているので、Ｂ相コイル群２４Ｂから磁石群３４Ｍに対する上下方向（磁石群３４Ｍの動作方向と垂直な方向）の正味の力はゼロである。従って、位相が２πのタイミングでは、Ｂ相コイル群２４Ｂへの印加電圧をピーク値にすることが好ましい。
図３（Ｂ）に示されているように、位相が２πのタイミングでＡ相コイル群１４Ａの極性が反転する。図３（Ｂ）は、位相がπ／４の状態であり、Ａ相コイル群１４Ａの極性が図３（Ａ）から反転している。この状態では、Ａ相コイル群１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂが、磁石群３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。図３（Ｃ）は、位相がπ／２直前の状態である。この状態は、図３（Ａ）の状態とは逆に、Ａ相コイル群１４Ａのみが、磁石群３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。位相がπ／２のタイミングではＢ相コイル群２４Ｂの極性が反転し、図３（Ｄ）に示す極性となる。図３（Ｄ）は、位相が３π／４の状態である。この状態では、Ａ相コイル群１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂが、磁石群３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。
図３（Ａ）〜３（Ｄ）から理解できるように、Ａ相コイル群１４Ａの極性は、Ａ相コイル群１４Ａの各コイルが磁石群３４Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。Ｂ相コイル群も同様である。この結果、すべてのコイルからほとんど常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。
なお、位相がπ〜２πの期間は、図３（Ａ）〜３（Ｄ）とほぼ同様なので詳しい説明を省略する。但し、Ａ相コイル群１４Ａの極性は位相がπのタイミングで再び反転し、Ｂ相コイル群２４Ｂの極性は位相が３π／２のタイミングで再び反転する。
上述の説明から理解できるように、比較例の電動モータは、コイル群１４Ａ，２４Ｂと磁石群３４Ｍとの間の吸引力と反発力を利用することによって、磁石群３４Ｍに対する動作方向の駆動力を得ている。
ところで、この比較例の電動モータでは、以下のようないくつかの問題があることが見出された。
第１に、比較例の電動モータでは、動作方向と垂直な方向に力が発生し、この力によって振動や騒音が発生する可能性がある。すなわち、図３（Ａ）、３（Ｃ）の状態では、Ａ相コイル群１４Ａと磁石群３４Ｍとの間に発生する垂直方向の力と、Ｂ相コイル群２４Ｂと磁石群３４Ｍとの間に発生する垂直方向の力の合計がゼロでなく、上向き又は下向きに正味の力が作用する。この結果、この上向き又は下向きの力によって、振動や騒音が発生する可能性がある。
第２に、比較例の構成においてＡ相コイル群１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂのうちの一方を省略することも可能であるが、その場合には電動モータを始動できない中立位置が発生するという問題が生じる。例えば、Ｂ相コイル群２４Ｂを省略した場合には、図３（Ａ）の状態においてＡ相コイル群１４Ａと磁石群３４Ｍとの間に動作方向（左右方向）の力が発生しない。従って、この位置（中立位置）で電動モータが停止している場合には有効な駆動力が発生しないので、電動モータを始動することができない。このように、比較例の構成では、電動モータを常に始動可能にするためには、磁石群３４Ｍの両側に設けられた２つのコイル群１４Ａ，２４Ｂを両方ともに必要とする。
以下で説明する実施例は、比較例におけるこれらの問題の少なくとも一部を解決するように構成したものである。
Ｂ．第１実施例（２相モータ）
Ｂ−１．第１実施例の概略構成
図４（Ａ）は、本発明の第１実施例における電動モータの概略構成を示す説明図である。この電動モータは、第１のコイル群構造４０ＡＢと、第２のコイル群構造５０ＡＢと、磁石群構造３０Ｍとを有している。
第１のコイル群構造４０ＡＢは、支持部材４２と、Ａ相サブコイル群１４Ａと、Ｂ相サブコイル群２４Ｂとを有している。なお、図４（Ａ）では、図示の便宜上、Ａ相サブコイル群のコイルを実線で描き、Ｂ相サブコイル群のコイルを破線で描いている。
Ａ相サブコイル群１４Ａは、逆方向に励磁される２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２が一定のピッチで交互に配置されたものである。Ｂ相サブコイル群２４Ｂも、同様に、逆方向に励磁される２種類のコイル２４Ｂ１，２４Ｂ２が一定のピッチで交互に配置されたものである。Ａ相サブコイル群１４ＡとＢ相サブコイル群２４Ｂは、一定のサブコイル群間隔Ｄｃで交互に配置されている。ここで、サブコイル群間隔Ｄｃとは、コイルの中心間の距離を意味している。Ａ相サブコイル群１４Ａの２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２同士のピッチは、このサブコイル群間隔Ｄｃの２倍である。Ｂ相サブコイル群２４Ｂの２種類のコイル２４Ｂ１，２４Ｂ２同士のピッチも、サブコイル群間隔Ｄｃの２倍である。
第２のコイル群構造５０ＡＢは、支持部材５２と、Ａ相サブコイル群１４Ａと、Ｂ相サブコイル群２４Ｂとを有している。第１のコイル群構造４０ＡＢのＡ相サブコイル群１４Ａと第２のコイル群構造５０ＡＢのＡ相サブコイル群１４Ａとは、磁石群構造３０Ｍを挟んだ対向する位置に配置されている。Ｂ相サブコイル群２４Ｂも同様である。
磁石群構造３０Ｍは、支持部材３２Ｍと、支持部材３２Ｍに固定された磁石群３４Ｍとを有している。この磁石群３４Ｍの永久磁石３４Ｍ１，３４Ｍ２は、磁化方向が磁石群３４Ｍの配列方向（図４（Ａ）の左右方向）とは垂直な方向に向くようにそれぞれ配置されている。なお、支持部材３２Ｍを省略して、複数の磁石３４Ｍ１，３４Ｍ２のみで構成された一体構造の磁石群を作成することも可能である。このような磁石群としては、例えば、上面と下面のそれぞれにおいて凸部と凹部とが繰り返し現れる凹凸状の磁性体を用い、その凸部に磁極を形成した一体構造の磁石群を利用してもよい。
磁石群３４Ｍの磁石は、一定の磁極ピッチＰｍで配置されている。本明細書では、磁極ピッチＰｍは電気角でπに相当する距離を意味する。なお、電気角の２πは、モータの駆動信号の位相が２πだけ変化したときに移動する機械的な角度又は距離に対応づけられる。図４（Ａ）のようにＮ極とＳ極が交互に配置されている場合には、磁極ピッチＰｍは磁石のピッチに等しい。一方、後述するように、Ｎ極のみ又はＳ極のみが配置されている場合には、磁極ピッチＰｍは磁石のピッチの１／２になる。図４（Ａ）の例では、磁極ピッチＰｍとサブコイル群間隔Ｄｃには、Ｄｃ＝３Ｐｍ／２の関係がある。電動モータでは一般に、コイルの駆動信号の位相が２πだけ変化すると、磁極ピッチＰｍの２倍に相当する距離だけ移動する。従って、第１実施例の電動モータでは、コイルの駆動信号の位相が２πだけ変化すると、磁石群構造３０Ｍが２Ｐｍ＝４Ｄｃ／３だけ移動する。
一般には、Ｄｃ＝Ｐｍ（Ｋ／Ｍ）の関係が成立することが好ましい。ここで、Ｍは２以上の整数であり、電動モータの相数を意味している。Ｍが３と４の実施例は後述する。Ｋは、Ｍの整数倍を除く１以上の整数である。ＫがＭの整数倍である場合を除外している理由は、この場合に電動モータが始動できない中立位置が発生するからである。例えば、仮に図４（Ａ）においてＤｃ＝Ｐｍになるようにサブコイル群間隔Ｄｃを小さくすると、各コイルと磁石とが完全に向き合ってしまい、動作方向（左右方向）への駆動力が発生しないので、この位置から始動できなくなる。
さらに、整数ＫとＭは１以外の公倍数を有していないことが好ましい。この理由は、仮に、ＫとＭが１以外の公倍数Ｎを有している場合には、電動モータの実質的な相数がＭ／Ｎになると考え得るからである。例えば、Ｋ＝６，Ｍ＝４の場合には４相の電動モータとして構成されるが、これは実質的にはＫ＝３，Ｍ＝２である２相の電動モータと実質的に同じであると考え得る。
また、電動モータの相数Ｍとしては、２〜５程度が好ましく、特に２〜３が好ましい。この理由は、相数Ｍが多いと、Ｍ組のサブコイル群を駆動するための駆動信号を生成する回路が大規模になるからである。
図４（Ｂ）は、第１実施例においてＡ相コイル群１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂに供給される交流駆動信号の波形の一例を示している。Ａ相コイル群１４ＡとＢ相コイル群２４Ｂの駆動信号の位相は３π／２だけ互いにずれている。この位相差は、サブコイル群間隔Ｄｃ＝３Ｐｍ／２に対応している。一般に、サブコイル群同士の位相差は、サブコイル群間隔Ｄｃに相当する値π（Ｋ／Ｍ）となる。
図４（Ａ）に示されるように、この電動モータにはＡ相センサ１６Ａと第２のコイル群構造５０ＡＢにはＢ相センサ２６Ｂが設けられている。この例ではＡ相センサ１６Ａは第１のコイル構造４０ＡＢに設けられており、Ｂ相センサ２６Ｂは第２のコイル構造５０ＡＢに設けられているが、２つのセンサ１６Ａ，２６Ｂは２つの支持部材４２，５２のいずれに設けられていてもよい。Ａ相センサ１６Ａは、Ａ相サブコイル群１４Ａの各コイルが磁石３４Ｍ１，３４Ｍ２と対向する位置にある状態（図４（Ａ））において、Ａ相センサ１６Ａが磁石のＮ極とＳ極の間の中央の位置に来るように配置されている。一方、Ｂ相センサ２６Ｂは、磁石群構造３０Ｍが移動してＢ相サブコイル群２４Ｂの各コイルが磁石３４Ｍ１，３４Ｍ２と対向する位置にきた状態において、Ｂ相センサ２６Ｂが磁石のＮ極とＳ極の間の中央の位置に来るように配置されている。これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂとしては、図４（Ｂ）に示す交流駆動信号と同様な波形を有するアナログ出力を有するものを採用することができ、また、矩形波状のデジタル出力を有するセンサを採用することも可能である。また、位置センサを省略してセンサレス駆動を行うことも可能である。
各サブコイル群１４Ａ，２４Ｂのコイルの結線方法は、前述した図２（Ａ），２（Ｂ）に示したものと同じものを採用することができる。
支持部材３２Ｍ，４２，５２は、非磁性体材料でそれぞれ形成されていることが好ましい。また、本実施例の電動モータの各種の部材のうちで、コイルやセンサを含む電気配線と、磁石と、回転軸と、その軸受け部以外の部材は、すべて非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。より具体的に言えば、ロータ材やボビン材（コア材）やケース材として、非磁性で非導電性の各種の材料を利用することが可能である。但し、ロータ材（磁石群の支持部材３２Ｍ）としては、強度を考慮してアルミニウムやその合金などの金属材料を用いる場合もある。この場合にも、ボビン材やケース材は、実質的に非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。ここで、「実質的に非磁性で非導電性の材料」とは、わずかな部分が磁性体または導電体であることが許容されることを意味している。例えば、ボビン材が実質的に非磁性で非導電性の材料で形成されているか否かは、モータにコギングが存在するか否かによって判定することができる。また、ケース材が実質的に非導電性の材料で形成されているか否かは、ケース材による鉄損（渦電流損）が所定の値（例えば入力の１％）以下か否かによって判定することができる。
なお、電動モータの構造材の中には、回転軸と軸受け部のように、金属材料で作成することが好ましい部材も存在する。ここで、「構造材」とは、電動モータの形状を支えるために使用される部材を意味しており、小さな部品や固定具などを含まない主要な部材を意味している。ロータ材やケース材も構造材の一種である。本発明の電動モータでは、回転軸と軸受け部以外の主要な構造材は、非磁性で非導電性の材料で形成することが好ましい。
図５（Ａ）〜５（Ｄ）には、第１実施例の電動モータの動作が示されている。なお、第１実施例では、コイル群構造４０ＡＢ，５０ＡＢがステータとして構成されており、磁石群構造３０Ｍがロータとして構成されている。従って、図５（Ａ）〜５（Ｄ）では、時間の経過とともに磁石群構造３０Ｍが移動している。
図５（Ａ）は、位相が２πの直前のタイミングの状態を示している。なお、コイルと磁石との間に描かれた実線の矢印は吸引力の方向を示しており、破線の矢印は反発力の方向を示している。この状態では、Ａ相サブコイル群１４Ａから磁石群３４Ｍに対する正味の力（力の合計）はゼロである。従って、位相が２πのタイミングでは、Ａ相サブコイル群１４Ａへの印加電圧をゼロにすることが好ましい。一方、Ｂ相サブコイル群２４Ｂは、磁石群３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。また、Ｂ相サブコイル群２４Ｂから磁石群３４Ｍに対する上下方向（磁石群３４Ｍの動作方向と垂直な方向）の正味の力はゼロである。従って、位相が２πのタイミングでは、Ｂ相サブコイル群２４Ｂへの印加電圧をピーク値にすることが好ましい。
前述した図４（Ｂ）に示されているように、位相が２πのタイミングでＡ相サブコイル群１４Ａの極性が反転する。図５（Ｂ）は、位相がπ／４の状態であり、Ａ相サブコイル群１４Ａの極性が図５（Ａ）から反転している。この状態では、Ａ相サブコイル群１４ＡとＢ相サブコイル群２４Ｂが、磁石群３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。図５（Ｃ）は、位相がπ／２直前の状態である。この状態は、図５（Ａ）の状態とは逆に、Ａ相サブコイル群１４Ａのみが、磁石群３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。位相がπ／２のタイミングではＢ相サブコイル群２４Ｂの極性が反転し、図５（Ｄ）に示す極性となる。図５（Ｄ）は、位相が３π／４の状態である。この状態では、Ａ相サブコイル群１４ＡとＢ相サブコイル群２４Ｂが、磁石群３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。
図５（Ａ）〜５（Ｄ）から理解できるように、Ａ相サブコイル群１４Ａの極性は、Ａ相サブコイル群１４Ａの各コイルが磁石群３４Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。Ｂ相サブコイル群も同様である。この結果、すべてのコイルからほとんど常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。
なお、位相がπ〜２πの期間は、図５（Ａ）〜５（Ｄ）とほぼ同様なので詳しい説明を省略する。但し、Ａ相サブコイル群１４Ａの極性は位相がπのタイミングで再び反転し、Ｂ相サブコイル群２４Ｂの極性は位相が３π／２のタイミングで再び反転する。
上述の説明から理解できるように、第１実施例の電動モータは、サブコイル群１４Ａ，２４Ｂと磁石群３４Ｍとの間の吸引力と反発力を利用することによって、磁石群３４Ｍに対する動作方向の駆動力を得ている。
図６（Ａ）は、磁石３４Ｍ１，３４Ｍ２とコイル１４Ａ１，１４Ａ２，２４Ｂ１，２４Ｂ２の平面配置の一例を示している。この例では、各コイルの外周の幅が、磁石の外周の幅とほぼ一致している。但し、磁石の寸法を、コイルよりも小さくすることが可能であり、逆にコイルよりも大きくすることも可能である。図６（Ｂ）は、磁石とコイルの平面配置の他の例を示している。この例では、図６（Ａ）の例よりもコイルの縦幅（図中の上下方向の寸法）が大きく設定されている。図６（Ａ）の例では、全体の寸法をやや小さくできるという利点がある。一方、図６（Ｂ）の例では、コイルに対して移動方向以外の方向に掛かる無用な力が小さくなるという利点がある。すなわち、例えばコイル１４Ａ１の中で、磁石３４Ｍ１の外にあるコイル部分１４ｈには移動方向の力が掛かず、移動方向と垂直な方向に力が掛かる。これはフレミングの左手の法則から理解することができる。従って、図６（Ｂ）のように、コイル部分１４ｈを磁石３４Ｍ１の直上又は直下をはずれた位置に配置すれば、このコイル部分１４ｈにおける磁束密度が小さくなるので、このような無駄な力を小さくすることができる。
Ｂ−２．第１実施例の回路構成
図７は、第１実施例における駆動回路ユニットの内部構成を示すブロック図である。この駆動回路ユニット５００は、ＣＰＵ１１０と、駆動制御部１００と、回生制御部２００と、ドライバ回路１５０と、整流回路２５０とを備えている。２つの制御部１００，２００は、バス１０２を介してＣＰＵ１１０と接続されている。駆動制御部１００とドライバ回路１５０は、電動モータに駆動力を発生させる場合の制御を行う回路である。また、回生制御部２００と整流回路２５０は、電動モータから電力を回生する場合の制御を行う回路である。回生制御部２００と整流回路２５０とをまとめて「回生回路」とも呼ぶ。また、駆動制御部１００を「駆動信号生成回路」とも呼ぶ。
図８は、駆動制御部１００の構成を示している。この回路１００は、バス１０２に接続された動作モード信号生成部１０４と、電子可変抵抗器１０６と、ＣＰＵ１１０とを有している。動作モード信号生成部１０４は、動作モード信号Ｓｍｏｄｅを生成する。動作モード信号Ｓｍｏｄｅは、正転と逆転のいずれであるかを示す第１ビットと、ＡＢ相の両方を使用する動作モードとＡ相のみを使用する動作モードのいずれであるかを示す第２ビットとを含んでいる。なお、モータの始動時には、確実に回転方向を決定するためにＡ相とＢ相の２つのサブコイル群が使用される。但し、モータが動作を開始した後は、要求トルクが少ない運転状態では、Ａ相サブコイル群とＢ相サブコイル群の一方だけを使用しても十分に回転を継続することができる。動作モード信号Ｓｍｏｄｅの第２ビットは、このような場合にＡ相サブコイル群のみを駆動することを指示するためのフラグである。
電子可変抵抗器１０６の両端の電圧は、４つの電圧比較器１１１〜１１４の一方の入力端子に与えられている。電圧比較器１１１〜１１４の他方の入力端子には、Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢが供給されている。４つの電圧比較器１１１〜１１４の出力信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢを「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶ。これらの名前の意味については後述する。
マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、マルチプレクサ１２０に入力されている。マルチプレクサ１２０は、動作モード信号Ｓｍｏｄｅに応じてＡ相用のマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの出力端子を切り換え、また、Ｂ相用のマスク信号ＴＰＢ，ＢＴＢの出力端子を切り換えることによってモータを逆転させることができる。マルチプレクサ１２０から出力されたマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、２段ＰＷＭ回路１３０に供給される。
２段ＰＷＭ回路１３０は、Ａ相ＰＷＭ回路１３２と、Ｂ相ＰＷＭ回路１３４と、４つの３ステートバッファ回路１４１〜１４４とを有している。Ａ相ＰＷＭ回路１３２には、Ａ相センサ１６Ａ（図４（Ａ））の出力信号ＳＳＡ（以下、「Ａ相センサ信号」と呼ぶ）と動作モード信号Ｓｍｏｄｅとが供給されている。Ｂ相ＰＷＭ回路１３４には、Ｂ相センサ２６Ｂの出力信号ＳＳＢと動作モード信号Ｓｍｏｄｅとが供給されている。これらの２つのＰＷＭ回路１３２，１３４は、センサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢに応じてＰＷＭ信号ＰＷＭＡ，＃ＰＷＭＡ，ＰＷＭＢ，＃ＰＭＷＭを発生する回路である。なお、信号＃ＰＭＷＡ，＃ＰＭＷＢは、信号ＰＭＷＡ，ＰＭＷＢを反転した信号である。前述したように、センサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢはいずれも正弦波信号であり、ＰＷＭ回路１３２，１３４はこれらの正弦波信号に応じて周知のＰＷＭ動作を実行する。
Ａ相ＰＷＭ回路１３２で生成された信号ＰＷＭＡ，＃ＰＷＭＡは、２つの３ステートバッファ回路１４１，１４２の２つの入力端子にそれぞれ供給される。これらの３ステートバッファ回路１４１，１４２の制御端子には、マルチプレクサ１２０から与えられたＡ相マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡが供給されている。３ステートバッファ回路１４１，１４２の出力信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２は、Ａ相サブコイル群用の駆動信号である（以下「Ａ１駆動信号」及び「Ａ２駆動信号」と呼ぶ）。Ｂ相に関しても同様に、ＰＷＭ回路１３４と３ステートバッファ回路１４３，１４４によってＢ相サブコイル群用の駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２が生成される。
図９は、ドライバ回路１５０（図７）に含まれるＡ相ドライバ回路１２０ＡとＢ相ドライバ回路１３０Ｂの構成を示している。Ａ相ドライバ回路１２０Ａは、Ａ相サブコイル群１４Ａに、交流駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を供給するためのＨ型ブリッジ回路である。なお、駆動信号を示すブロックの端子部分に付されている白丸は、負論理であり信号が反転していることを示している。また、符号ＩＡ１，ＩＡ２が付された矢印は、Ａ１駆動信号ＤＲＶＡ１とＡ２駆動信号ＤＲＶＡ２によって流れる電流方向をそれぞれ示している。Ｂ相ドライバ回路１３０Ｂの構成もＡ相ドライバ回路１２Ａの構成と同じである。
図１０は、第１実施例における各種の信号波形を示すタイミングチャートである。Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢは、位相が３π／２ずれた正弦波である。Ａ相ＰＷＭ回路１３２は、Ａ相センサ信号ＳＳＡのレベルに比例した平均電圧を有する信号ＰＷＭＡ（図１０の上から７番目の信号）を生成する。第１のＡ相マスク信号ＴＰＡは、この信号ＴＰＡがＨレベルの期間では信号ＰＷＭＡをＡ相サブコイル群１４Ａに印加することを許可し、Ｌレベルの期間ではこれを禁止する。同様に、第２のＡ相マスク信号ＢＴＡも、この信号ＢＴＡがＨレベルの期間で信号ＰＷＭＡをＡ相サブコイル群１４Ａに印加することを許可し、Ｌレベルの期間ではこれを禁止する。但し、第１のＡ相マスク信号ＴＰＡは、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡがプラス側にあるときにＨレベルとなり、第２のＡ相マスク信号ＢＴＡはＰＷＭ信号ＰＷＭＡがマイナス側にあるときにＨレベルとなる。この結果、Ａ相サブコイル群１４Ａには、図１０の下から２番目に示すような駆動信号ＤＲＶＡ１＋ＤＲＶＡ２が印加される。この説明から理解できるように、Ａ相マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＢは、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡを、Ａ相サブコイル群１４Ａに印加することを許可する信号と考えることができ、また、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡをマスクしてＡ相サブコイル群１４Ａに供給しないようにする信号と考えることも可能である。Ｂ相についても同様である。
なお、図１０は、大トルクを発生する際の運転状態を示している。このとき、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの両方がＬレベルである期間は小さく、従って、ほとんどの時間においてＡ相サブコイル群１４Ａに電圧が印加されている。なお、Ａ相センサ信号ＳＳＡの波形の右端には、このときのヒステリシスレベルが示されている。ここで、「ヒステリシスレベル」とは、正弦波信号のゼロレベル付近の無効な（すなわち使用されていない）信号レベルの範囲を意味している。大トルク発生時には、ヒステリシスレベルは極めて小さいことが分かる。なお、ヒステリシスレベルは、電子可変抵抗器１０６の抵抗を変化させて、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢのデューティを変化させることによって変更することができる。
図１１は、小さなトルクを発生する際の運転状態を示している。なお、小トルクは高回転であることを意味している。このとき、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢのデューティは図８に比べて小さく設定されており、これに応じて各コイルの駆動信号（ＤＲＶＡ１＋ＤＲＶＡ２），（ＤＲＶＢ１＋ＤＲＶＢ２）のパルス数も減少している。また、ヒステリシスレベルも大きくなっている。
なお、図１０と図１１を比較すれば理解できるように、第１のＡ相マスク信号ＴＰＡのＨレベルの期間は、Ａ相センサ信号ＳＳＡが極大値を示すタイミング（位相のπ／２の時点）を中心にした対称な形状を有している。同様に、第２のＡ相マスク信号ＢＴＡのＨレベルの期間は、Ａ相センサ信号ＳＳＡが極小値を示すタイミング（位相の３π／２の時点）を中心にした対称な形状を有している。このように、これらのマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡがＨレベルである期間は、Ａ相センサ信号ＳＳＡがピーク値を示すタイミングを中心とした対称な形状を有している。換言すれば、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡのマスク期間は、この信号ＰＷＭＡによって模擬される交流駆動信号（図４（Ｂ）に示す波形）の極性が反転するタイミング（π及び２π）を中心とした時間の範囲において信号ＰＷＭＡがマスクされるように設定されていると考えることも可能である。
ところで、図４（Ａ）で説明したように、Ａ相サブコイル群１４Ａは、位相が２π近傍ではあまり有効な駆動力を発生しない。位相がπ近傍のときも同様である。また、Ａ相サブコイル群１４Ａは、位相がπ／２および３π／２の近傍では最も効率良く有効な駆動力を発生させる。上述した図１１に示されているように、本実施例の２段ＰＷＭ回路１３０は、モータの要求出力が小さいときには位相がπ及び２πの近傍でＡ相サブコイル群１４Ａに電圧を印加しない。また、図１０，図１１に示されているように、位相がπ／２および３π／２の近傍を中心としてＡ相サブコイル群１４Ａに電圧を印加している。このように、Ａ相マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡは、Ａ相サブコイル群１４Ａが最も効率良く駆動力を発生させる期間を優先的に使用するようにＰＷＭ信号ＰＷＭＡをマスクしているので、モータの効率を高めることが可能である。これらの事情は、Ｂ相サブコイル群２４Ｂに関しても同じである。図４（Ｂ）に示されているように、Ｂ相サブコイル群２４Ｂは位相がπ／２と３π／２のタイミングで極性が反転するので、Ｂ相サブコイル群２４Ｂには位相がπ／２及び３π／２の近傍で電圧を印加しないようにすることが好ましい。
図１２は、回生制御部２００と整流回路２５０の内部構成を示す図である。回生制御部２００は、バス１０２に接続されたＡ相充電切換部２０２と、Ｂ相充電切換部２０４と、電子可変抵抗器２０６とを有している。２つの充電切換部２０２，２０４の出力信号は、２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。
Ａ相充電切換部２０２は、Ａ相サブコイル群１４Ａからの回生電力を回収する場合には「１」レベルの信号を出力し、回収しない場合には「０」レベルの信号を出力する。Ｂ相充電切換部２０４も同様である。なお、これらの信号レベルの切換えは、ＣＰＵ１１０によって行われる。また、Ａ相サブコイル群１４Ａからの回生の有無と、Ｂ相サブコイル群２４Ｂからの回生の有無とは、独立に設定することができる。従って、例えばＡ相サブコイル群１４Ａを用いてアクチュエータに駆動力を発生させつつ、Ｂ相サブコイル群２４Ｂから電力を回生することも可能である。
なお、駆動制御部１００も、同様に、Ａ相サブコイル群１４Ａを用いて駆動力を発生するか否かと、Ｂ相サブコイル群２４Ｂを用いて駆動力を発生するか否かとを、独立に設定できるように構成してもよい。例えば、図８の動作モード信号生成部１０４から、Ａ相サブコイル群１４Ａの駆動の有無を示す信号と、Ｂ相サブコイル群２４Ｂの駆動の有無を示す信号とを出力できるように動作モード信号生成部１０４を構成すれば良い。このようにすれば、２つサブコイル群１４Ａ，２４Ｂのうちの任意の一方で駆動力を発生させつつ、他方で電力を回生する運転モードで電動モータを運転することが可能である。
電子可変抵抗器２０６の両端の電圧は、４つの電圧比較器２２１〜２２４の２つの入力端子の一方に与えられている。電圧比較器２２１〜２２４の他方の入力端子には、Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢが供給されている。４つの電圧比較器２２１〜２２４の出力信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶことができる。
Ａ相コイル用のマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡはＯＲ回路２３１に入力されており、Ｂ相用のマスク信号ＴＰＢ，ＢＴＢは他のＯＲ回路２３２に入力されている。これらのＯＲ回路２３１，２３２の出力は、上述した２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。これらのＡＮＤ回路２１１，２１２の出力信号ＭＳＫＡ，ＭＳＫＢも、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶ。
ところで、電子可変抵抗器２０６と４つの電圧比較器２２１〜２２４の構成は、図８に示した駆動制御部１００の電子可変抵抗器１０６と４つの電圧比較器１１１〜１１４の構成と同じである。従って、Ａ相コイル用のＯＲ回路２３１の出力信号は、図１０に示したマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの論理和を取ったものに相当する。また、Ａ相充電切換部２０２の出力信号が「１」レベルの場合には、Ａ相コイル用のＡＮＤ回路２１１から出力されるマスク信号ＭＳＫＡはＯＲ回路２３１の出力信号と同じものとなる。これらの動作はＢ相についても同様である。
整流回路２５０は、Ａ相コイル用の回路として、複数のダイオードを含む全波整流回路２５２と、２つのゲートトランジスタ２６１，２６２と、バッファ回路２７１と、インバータ回路２７２（ＮＯＴ回路）とを有している。なお、Ｂ相用にも同じ回路が設けられている。ゲートトランジスタ２６１，２６２は、回生用の電源配線２８０に接続されている。
電力回生時にＡ相サブコイル群１４Ａで発生した交流電力は、全波整流回路２５２で整流される。ゲートトランジスタ２６１，２６２のゲートには、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡとその反転信号が与えられており、これに応じてゲートトランジスタ２６１，２６２がオン／オフ制御される。従って、電圧比較器２２１，２２２から出力されたマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの少なくとも一方がＨレベルの期間では回生電力が電源配線２８０に出力され、一方、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの双方がＬレベルの期間では電力の回生が禁止される。
以上の説明から理解できるように、回生制御部２００と整流回路２５０を用いて、回生電力を回収することが可能である。また、回生制御部２００と整流回路２５０は、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡ及びＢ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＢに応じて、Ａ相サブコイル群１４ＡとＢ相サブコイル群２４Ｂからの回生電力を回収する期間を制限し、これによって回生電力の量を調整することが可能である。但し、回生制御部２００と整流回路２５０を省略してもよい。
以上のように、第１実施例の電動モータでは、磁性体製のコアを全く設けていないので、コギングが発生せず、なめらかで安定した動作を実現することができる。また、磁気回路を構成するためのヨークが設けられていないので、いわゆる鉄損（渦電流損）が極めて少なく、効率の良いモータを実現することができる。さらに、第１実施例では、磁石群３４Ｍを挟んだ両側に２つのコイル群４０ＡＢ，５０ＡＢが配置されているので、磁石群３４Ｍの両側の磁束を駆動力の発生に利用することができる。従って、従来の電動モータのように、磁石群の片側のみを駆動力の発生に利用する場合に比べて磁束の利用効率が高く、効率が良くトルクの大きな電動モータを実現することができる。
また、第１実施例では、２つのコイル群４０ＡＢ，５０ＡＢに同じサブコイル群１４Ａ，２４Ｂをそれぞれ設け、サブコイル群１４Ａ，２４Ｂ同士のサブコイル群間隔Ｄｃを磁極ピッチＰｍの３／２倍に設定したので、有効な駆動力が発生しない中立位置が存在せず、常に所望の動作方向（順方向または逆方向）に電動モータを始動することが可能である。
Ｃ．２相モータ構造の変形例
図１３（Ａ）〜１３（Ｄ）は、２相モータの第１変形例の動作を示している。図１３（Ａ）に示すように、第１のコイル群構造４０ＡＢには、コイル１４Ａ１，２４Ｂ１，１４Ａ２，２４Ｂ２がこの順番で繰り返し配置されており、この点では図４（Ａ）に示した第１実施例と同じである。但し、第１変形例では、サブコイル群間隔Ｄｃが磁極ピッチＰｍ（＝π）の１／２であり、第１実施例のサブコイル群間隔の１／３の値になっている。サブコイル群間隔Ｄｃと磁極ピッチＰｍとの関係式Ｄｃ＝Ｐｍ（Ｋ／Ｍ）において、第１変形例はＫ＝１，Ｍ＝２の場合に相当する。第２のコイル群構造５０ＡＢも第１のコイル群構造４０ＡＢと同じ構成を有している。
図１３（Ａ）〜１３（Ｄ）の動作は、図５（Ａ）〜５（Ｄ）の動作と基本的には同一なので詳細な説明は省略する。この第１変形例の２相モータも、第１実施例と同様な効果を達成することが可能である。
図１４（Ａ）は、２相モータの第２変形例を示している。第２変形例は、第１実施例（図４（Ａ））の構成から磁石３４Ｍ２を省略したものであり、他の点は第１実施例と同じである。すなわち、第２変形例における磁石群構造３０Ｍは、同一方向の極性を有する複数の磁石３４Ｍ１のみで構成されている。この場合には、磁石３４Ｍ１同士のピッチは電気角で２πに相当するので、磁極ピッチＰｍは磁石同士のピッチの１／２になる。この例からも理解できるように、磁極ピッチＰｍは、磁石のピッチでは無く、Ｎ極とＳ極のピッチに相当する値である。この第２変形例の動作も第１実施例の動作と基本的に同一である。
図１４（Ｂ）は、２相モータの第３変形例を示している。第１のコイル群構造４０ＡＢには、１つのＡ相コイル１４Ａ１と１つのＢ相コイル２４Ｂ１のみが配置されている。第２のコイル群構造５０ＡＢも同様である。この第２変形例では、磁石群構造３０Ｍがステータとして機能し、２つのコイル群構造４０ＡＢ，５０ＡＢがスライダとして機能するリニアモータとして構成されている。サブコイル群間隔Ｄｃは磁極ピッチＰｍ（＝π）の３／２であり、第１実施例と同じである。この第３変形例のリニアモータも、第１実施例と同様な効果を達成することが可能である。
図１４（Ｃ）は、２相モータの第４変形例を示している。第４変形例は、第３変形例のサブコイル群間隔Ｄｃを磁極ピッチＰｍ（＝π）の７／２に変更したものであり、他の点は第３変形例と同じである。
第３，第４変形例から理解できるように、Ａ相コイル群とＢ相コイル群とは、それぞれ１つ以上のコイルを含むように構成することができる。また、磁石群も１つ以上の磁石を含むように構成することができる。但し、回転式モータでは、Ａ相サブコイル群とＢ相サブコイル群はそれぞれ複数のコイルを含み、また、磁石群は複数の磁石を含むことが好ましい。また、回転式モータでは、第１のコイル群４０ＡＢの複数のコイルは、回転方向に沿って一定のピッチで等間隔に配置されていることが好ましい。第２のコイル群５０ＡＢも同様である。また、磁石群３４Ｍの複数の磁石も、回転方向に沿って一定のピッチで等間隔に配置されていることが好ましい。
図１５（Ａ）は、２相モータの第５変形例を示している。この第５変形例は、第１実施例から第２のコイル群構造５０ＡＢを省略したものであり、他の構成は第１実施例と同じである。第５変形例は、１つのコイル群構造４０ＡＢが磁石群構造３０Ｍの片側に設けられた片面配置構造を有している。この点は、第１実施例や上述した各種の変形例が、両面配置構造（磁石群の両側にコイル群がそれぞれ設けられている構造）を採用していた点との大きな差異である。また、図１５（Ａ）に示すように、片面配置構造では、磁石群構造３０Ｍの裏側（コイル群とは反対側）に、磁性体で構成されたヨーク材３６を設けるようにしてもよい。このようなヨーク材３６を設けることによって、磁石群構造３０Ｍのコイル群構造４０ＡＢと面した側における磁束密度を高めることができる。なお、両面配置構造ではこのようなヨーク材は不要である。
図１５（Ｂ）は、２相モータの第６変形例を示している。この第６変形例は、第５変形例のサブコイル群間隔Ｄｃを磁極ピッチＰｍ（＝π）の９／２に変更したものであり、他の点は第５変形例と同じである。
これらの多数の変形例からも理解できるように、関係式Ｄｃ＝Ｐｍ（Ｋ／Ｍ）におけるＫの値としては、相数Ｍの整数倍以外の種々の値を採用することが可能である。前述したように、ＫがＭの整数倍である場合を除外している理由は、この場合に電動モータが始動できない中立位置が発生するからである。
Ｄ．２相モータの回路構成の変形例
図１６は、駆動制御部１００（図８）の第１変形例を示すブロック図である。この駆動制御部１００ａは、動作モード信号生成部１０４ａと、駆動信号生成部１６０と、２つのＥＸＯＲ回路１６１，１６２とを備えている。動作モード信号生成部１０４ａは、ユーザの指示に応じて、駆動信号切替信号Ｓ１と回転方向信号Ｓ２とを出力する。駆動切替信号Ｓ１は、直接駆動モード（後述する）と、ＰＷＭ駆動モードとを切り換えるための信号である。回転方向信号Ｓ２は、正転と逆転を切り換える信号である。回転方向信号Ｓ２は、Ａ相センサ信号ＳＳＡとともに第１のＥＸＯＲ回路１６１に入力され、また、Ｂ相センサ信号ＳＳＢとともに第２のＥＸＯＲ回路１６２に入力される。なお、ここではＡ相センサとＢ相センサがデジタル出力を有するものとしている。駆動信号生成部１６０は、ＥＸＯＲ回路１６１，１６２の出力を利用してＡ相駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２と、Ｂ相駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２とを生成する。
図１７は、駆動信号生成部１６０が直接駆動モードで動作する場合の信号波形を示している。Ａ相駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２はＡ相センサ信号ＳＳＡを増幅したものに相当し、Ｂ相駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２はＢ相センサ信号ＳＢを増幅したものに相当する。この例から理解できるように、直接駆動モードでは、センサ信号の波形をそのまま利用して駆動信号を生成する。
ＰＷＭ駆動モードは、前述した図１０及び図１１と同様な駆動信号を生成するモードである。ＰＷＭ駆動モードを実行するための回路構成は、図８に示したものとほぼ同じなので詳細な説明は省略する。
図１８は、駆動制御部の第２変形例を示すブロック図である。この駆動制御部１００ｂは、動作モード信号生成部１０４ｂと、電子可変抵抗器１０６と、４つの電圧比較器１１１〜１１４と、マルチプレクサ１２０とを備えている。動作モード信号生成部１０４ｂは、ユーザの指示に応じて回転方向信号Ｓ２を出力する。電子可変抵抗器１０６と、４つの電圧比較器１１１〜１１４と、マルチプレクサ１２０は、図８に示したこれらの回路と同じであり、これらの回路によって駆動信号生成部を構成している。
図１９は、図１８に示す駆動制御部１００ｂの信号波形を示すタイミングチャートである。この駆動制御部１００ｂの動作は、正弦波を模擬したＰＷＭ信号を用いていない点で図１０及び図１１に示したものと異なるが、他の点は図１０及び図１１とほぼ同じである。また、図１９においても、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２，ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２のデューティは、ヒステリシスレベルに応じて変更することが可能である。
図２０は、図９に示したドライバ回路１５０の変形例を示すブロック図である。このドライバ回路１５０ａは、図９の２つのＨ型ブリッジ回路１２０Ａ，１３０Ｂの右側の２つのトランジスタをＡ相とＢ相で共用することによって、回路構成を簡略化したものである。共用化された２つのトランジスタ１５５，１５６は、図２０では図の下側に描かれている。これらの２つのトランジスタ１５５，１５６のゲートには、ＮＯＲ回路１５１とＯＲ回路１５２の出力がそれぞれ入力されている。ＮＯＲ回路１５１の入力端子には、駆動信号ＤＲＶＡ２，ＤＲＶＢ２が供給されている。ＯＲ回路１５２の入力端子には、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＢ１が供給されている。この回路構成は、図９に示した２つのブリッジ回路１２０Ａ，１３０Ｂを合体したものに相当することが理解できる。なお、２つのトランジスタ１５５，１５６には過電流防止回路１５３，１５４がそれぞれ設けられているが、これらは省略可能である。
図１６〜図２０に示したように、回路構成としては種々の構成を採用することが可能である。また、これら以外の回路構成を採用してもよい。
Ｅ．２相モータの適用例
図２１（Ａ），２１（Ｂ）は、本発明の実施例としての２相モータの機械的構成の一例を示す断面図である。この２相モータは、略円筒状のロータ３０Ｍ（磁石群構造）が、略円筒状の二重構造のステータ４０ＡＢ，５０ＡＢ（コイル群構造）の間に挿入されたインサートロータ構造を有している。すなわち、２つのコイル群構造４０ＡＢ，５０ＡＢは、中空の二重円筒構造を構成する２つの円筒部材を構成しており、磁石群構造３０Ｍはコイル群構造４０ＡＢ，５０ＡＢの間に挿入された他の円筒部材として構成されている。このように、３つの中空円筒部材を同軸状に重ねた構造を、以下、「中空多重円筒構造」とも呼ぶ。
図２２（Ａ），２２（Ｂ）は、ロータとステータとを分離して示している。図２２（Ａ）に示すステータは、２つのコイル群構造４０ＡＢ，５０ＡＢを有している。外側にあるコイル群構造４０ＡＢの支持部材４２は、中空円筒状のケースを構成している。このケース４２の円筒面の外側には、磁気遮蔽部材４３が設けられている。この磁気遮蔽部材４３は、磁気がモータの外部に漏れないようにするためのものであり、極く薄い強磁性材料（例えばパーマロイ）で形成されている。但し、磁気遮蔽部材４３は、磁気回路を構成するためのヨークとしての機能は有していない。なお、モータに使用されている部材がヨークとしての機能を有しているか否かは、磁気遮蔽部材がある場合と無い場合のコイルの表面磁束密度に応じて判定することができる。例えば、磁気遮蔽部材４３を設けたときに、コイルの表面磁束密度が１０％以上増加する場合にはヨークとしての機能を有していると判定し、１０％未満である場合にはヨークとしての機能を有していないと判定することが可能である。なお、この判定基準は、１０％でなく５％としてもよい。
ステータの内部の基板２２０には、駆動回路ユニット５００（図７）が設けられている。駆動回路ユニット５００には、電気配線２１０を介して外部から電源と制御信号とが供給される。
ロータ３０Ｍは、磁石群３４Ｍを有しており、また、中心に軸３７が設けられている。図２２（Ａ）に示すように、ステータの左側の底面には、軸受け部３８が設けられている。また、図２２（Ｂ）に示すように、ロータ３０Ｍの挿入後にケースを閉じるための蓋３９にも、軸受け部３６が設けられている。
なお、図２１（Ｂ）の例では、第１のコイル群構造４０ＡＢと第２のコイル群構造５０ＡＢは、それぞれ４つのコイルを有しており、磁石群３４Ｍは６つの磁石を有している。但し、コイルや磁石の数は他の値に設定することが可能である。この２相モータは中空多重円筒構造を有しているので、ロータの振動が少ないという利点がある。
図２３（Ａ），２３（Ｂ）は、２相モータの機械的構成の他の例を示す断面図である。この２相モータは、図２１（Ａ），２１（Ｂ）の構成から第２のコイル群構造５０ＡＢを省略したものであり、略円筒状のロータ３０Ｍ（磁石群構造）が、略円筒状のステータ４０ＡＢ（第１のコイル群構造）の内側に挿入されたインナーロータ構造を有している。コイルと磁石の配置は、図１５（Ａ），１５（Ｂ）に示した片面配置に相当している。但し、インナーロータ構造を用いて片面配置を実現した場合には、図１５（Ａ），１５（Ｂ）に示したヨーク材３６は省略可能である。
図２４（Ａ），２４（Ｂ）は、２相モータの機械的構成のさらに他の例を示す断面図である。この２相モータは、円盤状のロータ３０Ｍ（磁石群構造）が、円盤状の二重構造のステータ４０ＡＢ，５０ＡＢ（コイル群構造）の間に挿入された扁平ロータ構造を有している。このような扁平ロータ構造を採用すると、モータの厚みを薄くすることが可能である。
図２５（Ａ），２５（Ｂ）は、２相モータの機械的構成のさらに他の例を示す断面図である。この２相モータは、図２４（Ａ），２４（Ｂ）の構成から第２のコイル群構造５０ＡＢを省略したものであり、円盤状のロータ３０Ｍ（磁石群構造）が、円盤状のステータ４０ＡＢ（第１のコイル群構造）とが対向する扁平ロータ構造を有している。ロータ３０Ｍの背面側（図中の右側面）には、ヨーク材３６が配置されている。コイルと磁石の配置は、図１５（Ａ），１５（Ｂ）に示した片面配置に相当している。
以上のように、本発明による電動機は、種々の機械的構成を採用することが可能である。
Ｆ．第２実施例（３相モータ）
図２６（Ａ）〜２６（Ｃ）は、本発明の第２実施例における電動モータの概略構成を示す説明図である。この第３実施例例のモータは、Ａ相とＢ相とＣ相の３つのサブコイル群を有する３相モータである。磁石群構造３０Ｍは、図４（Ａ）に示した第１実施例の磁石群構造と同じ構成を有している。磁石群構造３０Ｍの両側には、第１のコイル群４０ＡＢＣと第２のコイル群５０ＡＢＣが設けられている。第１のコイル群構造４０ＡＢＣは、Ａ相サブコイル群のコイル９１Ａ１と、Ｂ相サブコイル群のコイル９２Ｂ１と、Ｃ相サブコイル群のコイル９３Ｃ１とが繰り返し配置されたものである。なお、図２６（Ａ）〜２６（Ｃ）では、図示の便宜上、Ａ相サブコイル群のコイルを実線で描き、Ｂ相サブコイル群のコイルを点線で、Ｃ相サブコイル群のコイルを破線で描いている。第２のコイル群構造５０ＡＢＣも第１のコイル群構造４０ＡＢＣと同じ構成を有している。また、第１と第２のコイル群構造４０ＡＢＣ，５０ＡＢＣの同じ相のコイルは、互いに対向する位置に配置されている。Ａ相，Ｂ相，Ｃ相の各相のサブコイル群間隔Ｄｃは、磁極ピッチＰｍの２／３倍であり、電気角で２π／３に相当する。すなわち、サブコイル群間隔Ｄｃと磁極ピッチＰｍとの関係式Ｄｃ＝Ｐｍ（Ｋ／Ｍ）において、第２実施例はＫ＝２，Ｍ＝３の場合に相当する。
なお、Ａ相サブコイル群は１種類のコイル９１Ａ１のみで構成されている。Ｂ相及びＣ相も同様である。この点は、第１実施例（図４（Ａ））においてＡ相サブコイル群が互いに逆方向に励磁される２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２で構成されていた点と異なっている。この理由は、第２実施例では、サブコイル群間隔Ｄｃ（＝２Ｐｍ／３＝２π／３）に相数Ｍ（＝３）を乗じた値Ｄｃ×Ｍが、電気角で２πになるからである。Ｄｃ×Ｍの値は、同じ相の隣接するコイル同士の距離に相当する。従って、この距離Ｄｃ×Ｍが２πに等しい場合には、同じ相の隣接するコイル同士は常に同じ極性に励磁される。なお、一般には、整数Ｋの値が偶数の場合には、各相のサブコイル群内のすべてのコイルが常に同じ極性に励磁される。一方、整数Ｋの値が奇数の場合には、各相のサブコイル群内の隣接するコイル同士が常に逆の極性に励磁される。
図２６（Ａ）は、位相が２π直前の状態を示している。位相が２πのタイミングでは、Ａ相サブコイル群９１Ａ１の極性が反転する。図２６（Ｂ）は、位相がπ／３の直前の状態を示している。位相がπ／３のタイミングでは、Ｃ相サブコイル群９３Ｃ１の極性が反転する。図２６（Ｃ）は位相が２π／３の直前の状態を示している。位相が２π／３のタイミングでは、Ｂ相サブコイル群９２Ｂ１の極性が反転する。
この第２実施例の３相モータにおいても、Ａ相サブコイル群９１Ａ１の極性（磁化方向）は、Ａ相サブコイル群９１Ａ１の各コイルが磁石群３０Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。Ｂ相サブコイル群及びＣ相サブコイル群も同様である。この結果、すべてのコイルから常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。
なお、第２実施例の３相モータも、第１実施例と同様に、磁性体のコアを有しておらず、磁気回路を構成するヨークも有していない。また、回転軸と、軸受け部以外の構造材は、すべて非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。
図２７は、第２実施例における駆動制御部の構成を示すブロック図である。この駆動制御部１００ｃは、図８に示した２相モータ用の回路に、Ｃ相のための回路部分（例えば電圧比較器１１５，１１６）を追加し、また、正弦波発生回路１０８を追加したものである。
正弦波発生回路１０８は、３相のセンサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢ，ＳＳＣに応じて、位相が２π／３ずつ順次ずれた３つの正弦波信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを発生する。３つの正弦波信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、電圧比較器１１１〜１１６に入力され、また、２段ＰＷＭ回路１３０ａにも供給される。なお、マルチプレクサ１２０ａ及び２段ＰＷＭ回路１３０ａは、図８に示したこれらの回路を三相用に変更したものである。２段ＰＷＭ回路１３０ａからは、三相の駆動信号対（ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２），（ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２），（ＤＲＶＣ１，ＤＲＶＣ２）が出力される。なお、各駆動信号の波形は、図１０及び図１１に示したものとほぼ同じであり、各相の位相差が２π／３である点だけが異なっている。
図２８は、第２実施例におけるドライバ回路の構成を示すブロック図である。このドライバ回路１５０ｃは、サブコイル群９１Ａ，９２Ｂ，９３Ｃを駆動するための３相ブリッジ回路である。
図２９は、第２実施例のセンサ信号と各相のコイルの励磁方向を示すタイミングチャートである。Ａ，Ｂ，Ｃ相のセンサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢ，ＳＳＣは、電気角でπの長さの期間毎にＨレベルとＬレベルが切り替わるデジタル信号である。また、各相の位相は、２π／３ずつ順次ずれている。図２９の下部には、Ａ，Ｂ，Ｃ相の各サブコイル群の励磁方向が示されている。各サブコイル群の励磁方向は、３つのセンサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢ，ＳＳＣの論理演算で決定されている。
図３０（Ａ）〜３０（Ｆ）は、図２９の６つの期間Ｐ１〜Ｐ６における電流方向を示している。本実施例では、Ａ，Ｂ，Ｃ相のサブコイル群がスター結線されているがデルタ結線してもよい。期間Ｐ１では、Ｂ相サブコイル群からＡ相とＣ相のサブコイル群に電流が流れる。期間Ｐ２では、Ｂ相とＣ相のサブコイル群からＡ相サブコイル群に電流が流れる。このように、Ａ，Ｂ，Ｃ相の各サブコイル群に常に電流が流れるように各サブコイル群を駆動すれば、大きなトルクを発生することができる。
第２実施例の３相モータにおいても、磁石群構造３０Ｍの両側に２つのコイル群構造４０ＡＢＣ，５０ＡＢＣを設け、磁石群構造３０Ｍの両側の磁束を利用して駆動力を発生させているので、大きな駆動力を得ることができる。また、第２実施例の３相モータも、磁性体のコア及びヨークを全く設けない構成としたので、軽量で大きなトルクを得ることができる。また、コギングが無く、極めて低回転数まで安定した回転を維持することができる。但し、２つのコイル群構造４０ＡＢＣ，５０ＡＢＣの一方を省略して片面構造を採用してもよい。この場合には、磁石群構造３０Ｍにヨーク材３６（図１５（Ａ），１５（Ｂ））を設けるようにしてもよい。
なお、３相モータの機械的構造としては、上述したインサートロータ構造や、インナーロータ構造、扁平ロータ構造、リニアモータ構造などの各種の構造を採用することが可能である。また、上述した第１実施例の各種の変形例と同様な変形を、第２実施例の３相モータにも適用することが可能である。
Ｇ．第３実施例（４相モータ）
図３１（Ａ）〜３１（Ｄ）は、本発明の第３実施例における電動モータの概略構成と動作を示す説明図である。この第３実施例例のモータは、Ａ相とＢ相とＣ相とＤ相の４つのサブコイル群を有する４相モータである。磁石群構造３０Ｍは、図４（Ａ）に示した第１実施例の磁石群構造と同じ構成を有している。磁石群構造３０Ｍの両側には、第１のコイル群４０ＡＢＣＤと第２のコイル群５０ＡＢＣＤが設けられている。第１のコイル群構造４０ＡＢＣＤは、Ａ相サブコイル群のコイル９１Ａ１，９１Ａ２と、Ｂ相サブコイル群のコイル９２Ｂ１，９２Ｂ２と、Ｃ相サブコイル群のコイル９３Ｃ１，９３Ｃ１と、Ｄ相サブコイル群のコイル９４Ｄ１，９４Ｄ２が所定の順番で配置されたものである。なお、図３１（Ａ）〜３１（Ｄ）では、図示の便宜上、Ａ相サブコイル群のコイルを実線で描き、Ｂ相サブコイル群のコイルを点線で、Ｃ相サブコイル群のコイルを破線で描き、Ｄ相サブコイル群のコイルを一点鎖線で描いている。第２のコイル群構造５０ＡＢＣＤも第１のコイル群構造４０ＡＢＣＤと同じ構成を有している。また、第１と第２のコイル群構造４０ＡＢＣＤ，５０ＡＢＣＤの同じ相のコイルは、互いに対向する位置に配置されている。Ａ相，Ｂ相，Ｃ相，Ｄ相の各相のサブコイル群間隔Ｄｃは、磁極ピッチＰｍの３／４倍であり、電気角で３π／４に相当する。すなわち、サブコイル群間隔Ｄｃと磁極ピッチＰｍとの関係式Ｄｃ＝Ｐｍ（Ｋ／Ｍ）において、第３実施例はＫ＝３，Ｍ＝４の場合に相当する。
なお、Ａ相サブコイル群は、互いに逆方向に励磁される２種類のコイル９１Ａ１，９１Ａ２で構成されている。他の相も同様である。この理由は、第２実施例で説明したように、サブコイル群間隔Ｄｃと磁極ピッチＰｍとの関係式Ｄｃ＝Ｐｍ（Ｋ／Ｍ）において、整数Ｋが奇数だからである。
図３１（Ａ）は、位相が２π直前の状態を示している。位相が２πのタイミングでは、Ｄ相サブコイル群９４Ｄの極性が反転する。図３１（Ｂ）は、位相がπ／４の直前の状態を示している。位相がπ／４のタイミングでは、Ｃ相サブコイル群９３Ｃの極性が反転する。図３１（Ｃ）は位相がπ／２の直前の状態を示している。位相がπ／２のタイミングでは、Ｂ相サブコイル群９２Ｂの極性が反転する。図３１（Ｄ）は位相が３π／４の直前の状態を示している。位相が３π／４のタイミングでは、Ａ相サブコイル群９１Ａの極性が反転する。
この第３実施例の４相モータにおいても、Ａ相サブコイル群９１Ａの極性（磁化方向）は、Ａ相サブコイル群９１Ａの各コイルが磁石群３０Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。他の相のサブコイル群も同様である。この結果、すべてのコイルから常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。
なお、第３実施例の４相モータも、第１実施例と同様に、磁性体のコアを有しておらず、磁気回路を構成するヨークも有していない。また、回転軸と、軸受け部以外の構造材は、すべて非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。
図３２は、第３実施例のセンサ信号と各相のコイルの励磁方向を示すタイミングチャートである。なお、第３実施例の駆動回路ユニットの構成は、上述した第１実施例（図７，図８）及び第２実施例（図２７）から類推して容易に構成可能なので説明を省略する。図３２において、各相の位相は３π／４ずつ順次ずれている。図３２の下部には、各相のサブコイル群の励磁方向が示されている。各サブコイル群の励磁方向は、４つのセンサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢ，ＳＳＣ，ＳＳＤの論理演算で決定されている。
第３実施例の４相モータにおいても、磁石群構造３０Ｍの両側に２つのコイル群構造４０ＡＢＣＤ，５０ＡＢＣＤを設け、磁石群構造３０Ｍの両側の磁束を利用して駆動力を発生させているので、大きな駆動力を得ることができる。また、第３実施例の４相モータも、磁性体のコア及びヨークを全く設けない構成としたので、軽量で大きなトルクを得ることができる。また、コギングが無く、極めて低回転数まで安定した回転を維持することができる。但し、２つのコイル群構造４０ＡＢＣＤ，５０ＡＢＣＤの一方を省略して片面構造を採用してもよい。この場合には、磁石群構造３０Ｍにヨーク材３６（図１５（Ａ），１５（Ｂ））を設けるようにしてもよい。
なお、４相モータの機械的構造としては、上述したインサートロータ構造や、インナーロータ構造、扁平ロータ構造、リニアモータ構造などの各種の構造を採用することが可能である。また、上述した第１実施例の各種の変形例と同様な変形を、第３実施例の４相モータにも適用することが可能である。
以上の各種の実施例から理解できるように、本発明は、Ｍ組のサブコイル群を有するＭ相のモータとして構成することが可能である。このとき、各サブコイル群は、それぞれ１つ以上のコイルで構成される。また、磁石群も１つ以上の磁石で構成することができる。但し、磁石群が１つの磁石のみで構成されるときには、各サブコイル群は複数のコイルで構成される。一方、各サブコイル群が１つのコイルのみで構成される場合には、磁石群は複数の磁石で構成される。
また、駆動信号生成回路と回生回路は、Ｍ組のサブコイル群のうちのすくなくとも１つのサブコイル群から駆動力を発生させつつ、他の少なくとも１つのサブコイル群から電力を回生する運転モードで電動機を運転することが可能な回路構成を採用することが可能である。
Ｈ．その他の変形例
（１）図３３（Ａ）は、コイル形状と磁石形状の変形例を示す説明図であり、モータの右半分の縦断面図を示している。ロータ３０Ｍは、回転軸３７を中心として回転する。ロータ３０Ｍの外周には、磁石３４Ｍが設けられており、その上下にＡ相のコイル１４Ａ１がそれぞれ配置されている。なお、この図では他の相のコイルは図示が省略されている。磁石３４Ｍは、外周部の中央に凹部を有しており、上下方向に着磁されている。コイル１４Ａ１は、通常の平面的な環状コイルである。
図３３（Ｂ）は、平面的な環状コイル１４Ａ１の代わりに、磁石３４Ｍの外形に沿ってＬ字型に屈曲した環状コイル１４Ａ１ａを用いた構造を示している。このような屈曲環状コイル１４Ａ１ａを用いるようにすれば、磁石３４Ｍの上下にある凸部近傍における磁束を有効に利用することができる。従って、電動機の効率を向上させることが可能である。
（２）上記実施例や変形例では、主として回転式モータについて説明したが、本発明は、回転式モータ以外の種々の電動機に適用することが可能である。また、本発明は、アクチュエータに限らず、発電機にも適用可能である。
（３）上記実施例や変形例では、主として複数のコイル群がステータを構成し、磁石群がロータを構成していたが、逆の構成にすることも可能である。一般に、本発明は、複数のコイル群と磁石群との相対的な位置が変化可能なアクチュエータや発電機に適用することが可能である。
（４）上記実施例や変形例で使用した回路構成は一例であり、これら以外の種々の回路構成を採用することが可能である。

この発明は、回転式モータやリニアモータなどの種々の電動機及び発電機に適用可能である。

Claims (10)

1. 電動機であって、
   所定の方向に沿って配置された複数のコイルを含む第１のコイル群と、
   前記第１のコイル群に対面しているとともに、前記第１のコイル群に対して前記所定の方向に沿って相対的に移動可能な磁石群と、
   を備え、
   前記第１のコイル群はそれぞれｎ個（ｎは１以上の整数）のコイルで構成されるＭ相（Ｍは２以上の整数）のサブコイル群に分類されているとともに、前記所定の方向に沿って第１相サブコイル群から第Ｍ相サブコイル群までの各サブコイル群のコイルが所定のサブコイル群間隔Ｄｃで１つずつ順番に配列されており、
   前記磁石群に関して前記所定の方向に沿って電気角でπに相当する距離を磁極ピッチＰｍと定義したとき、前記サブコイル群間隔Ｄｃは前記磁極ピッチＰｍのＫ／Ｍ倍（ＫはＭの整数倍を除く正の整数）の値に設定されており、
   隣接するサブコイル群同士は、（Ｋ／Ｍ）πの位相差で駆動され、
   前記電動機は、さらに、
   前記Ｍ相のサブコイル群に供給するＭ個の交流駆動信号を供給するための駆動信号生成回路を備え、
   前記駆動信号生成回路は、
   位相が（Ｋ／Ｍ）πだけ相互にずれたＭ個のＰＷＭ信号をそれぞれ生成するＰＷＭ回路と、
   前記電動機の出力要求に応じて前記Ｍ個のＰＷＭ信号をマスクすることによって前記Ｍ個の交流駆動信号を生成するマスク回路と、
   を備え、
   前記駆動信号生成回路は、各サブコイル群に属する各コイルの極性が前記磁石群内の磁石の中心と各コイルの中心とが対向するタイミングで切り替わるとともに、同一相のサブコイル群に属する隣り合うコイル同士の間の中央位置が前記磁石群内の磁石の中心と対向するタイミングにおいて当該サブコイル群における磁束密度が最も大きくなるように、前記Ｍ個の交流駆動信号を生成する、電動機。
2. 請求項１記載の電動機であって、
   各コイルは磁性体製のコアを実質的に有していない、電動機。
3. 請求項１〜２のいずれかに記載の電動機であって、さらに、
   前記第１のコイル群と前記磁石群とを収納するケースを備えており、
   各コイルは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されたコアの回りに巻き回されており、
   前記ケースは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されている、電動機。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電動機であって、
   回転軸と、軸受け部以外の構造材は、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されている、電動機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電動機であって、
   前記整数Ｋは奇数であり、
   各サブコイル群のコイル数ｎは２以上であり、同一相のサブコイル群に属する隣り合うコイル同士が常に逆極性に励磁されるように互いに接続されている、電動機。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の電動機であって、
   前記整数Ｋは偶数であり、
   各サブコイル群のコイル数ｎは２以上であり、同一相のサブコイル群に属するすべてのコイルが常に同じ極性に励磁されるように互いに接続されている、電動機。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の電動機であって、さらに、
   前記磁石群を挟んで前記第１のコイル群と反対側に設けられているとともに、前記第１のコイル群との相対的な位置が固定されている第２のコイル群を備え、
   前記第２のコイル群は、前記第１のコイル群と同一のコイル配置を有しており、
   前記第１のコイル群の第ｍ相のサブコイル群（ｍは１〜Ｍの整数）と、前記第２のコイル群の第ｍ相のサブコイル群とは、前記磁石群を挟んで対向する位置に配置されているとともに、前記第ｍ相のサブコイル群同士の前記磁石群に面する側の磁極が互いに異なる極性になるように励磁される、電動機。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の電動機であって、
   前記駆動信号生成回路は、各サブコイル群の電流方向を逆転させることによって、前記第１のコイル群と前記磁石群の動作方向を逆転させることが可能である、電動機。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の電動機であって、
   前記マスク回路は、各交流駆動信号の極性が反転するタイミングを中心とした対称な時間的範囲で各ＰＷＭ信号をマスクする、電動機。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の電動機であって、さらに、
    前記コイル群から電力を回生するための回生回路を備え、
    前記駆動信号生成回路と前記回生回路は、前記Ｍ相のサブコイル群のうちのすくなくとも１相のサブコイル群から駆動力を発生させつつ、他の少なくとも１相のサブコイル群から電力を回生する運転モードで前記電動機を運転することが可能である、電動機。

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