JP5907813B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

各磁極に異なる磁極を有するブラシレスモータに係り、その低損失、低振動化を図る技術に関するものである。

一般に、３相交流で駆動されるブラシレスモータは、界磁極として機能するロータと電機子として機能するステータとから構成される。また、界磁極は、界磁極鉄心とこの界磁極鉄心に等間隔に固定された複数個の永久磁石とから構成され、その永久磁石は、その磁極がＮ極のものとＳ極のものとが周方向に交互に並べられている。ここで、これら永久磁石には、希土類磁石などが用いられることが多く、モータのコストの中で大きな割合を占めるため、磁石量の削減が課題となっている。しかしながら、磁石量を削減するとモータの回転特性が低下し、所望の性能が得られないといった問題があった。

この問題を解決するために、例えば、特許文献１では、ブラシレスモータに用いるロータとして、ロータコアの周方向に、一方の磁極として永久磁石を複数配置し、更に、各永久磁石の間に、ロータコアと一体に形成された突極を配置して該突極を他方の磁極として機能させることで、モータの回転性能を低下させることなく永久磁石の数を削減できる、としている。

特開平９−３２７１３９号公報

一般的に、Ｎ極、Ｓ極の永久磁石が周方向に交互に並べられているブラシレスモータでは、ロータおよびステータ間の空隙磁束密度波形は、ｎを整数として、周方向電気角１８０＋３６０ｎ°で極性を逆として対称形状であり、空隙磁束密度波形には、奇数次高調波のみが含まれる。しかしながら、ロータコアの周方向に、一方の磁極として永久磁石を複数配置し、更に、各永久磁石の間に、ロータコアと一体に形成された突極を配置して該突極を他方の磁極として機能させると、ロータおよびステータ間の空隙磁束密度波形が、ｎを整数として、周方向電気角１８０＋３６０ｎ°で極性を逆として非対称形状となり、空隙磁束密度波形は、奇数次高調波に加え偶数次高調波が含まれた波形となる。
従って、電機子に鎖交する磁束によって電機子に誘起される電圧に偶数次高調波が発生し、トルク脈動や循環電流の原因となるといった問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、各磁極に異なる磁極を有する場合であっても、電機子に誘起される電圧に偶数次高調波が発生するのを抑制することで、コスト低減とともに、トルク脈動や循環電流の低減が可能となるブラシレスモータを得ることを目的とする。

この発明に係るブラシレスモータは、空隙を介して配置され相対的に周方向に移動可能に構成された界磁極および電機子を備え、界磁極は、界磁極鉄心およびこの界磁極鉄心の空隙との対向面の周方向に等間隔に配置され対をなす第１および第２の磁極を備え、第１および第２の磁極は、交互に配置されその磁束密度が互いに逆極性で大きさが異なるものであり、電機子は、電機子鉄心およびこの電機子鉄心の周方向に等間隔で形成され空隙側に開口する収容部に収容された電機子導体を備え、電機子導体は相毎に複数の単位導体からなるブラシレスモータに係るものである。
そして、１つの対をなす第１および第２の磁極が周方向に占める長さを電気角で３６０°、ｎを整数としたとき、相毎の単位導体であって、電気角（１８０＋３６０ｎ）°の間隔で配置され、互いに収容部への挿入方向を逆にして直列に接続された導体ペアを備え、電機子導体は、導体ペアを直列または並列に接続することにより構成したものである。

以上のように、この発明に係るブラシレスモータの電機子導体は、電気角（１８０＋３６０ｎ）°の間隔で配置され、互いに収容部への挿入方向を逆にして直列に接続された一対の単位導体からなる導体ペアを、直列または並列に接続することにより構成したので、電機子導体に誘起される電圧の偶数次高調波がこの導体ペアでは打ち消され、これに伴い、トルク脈動や循環電流が低減する。

本発明の実施の形態１におけるブラシレスモータの構成を示す断面図である。 図１のブラシレスモータの磁気的空隙に発生する空隙磁束密度の波形とその周波数分析結果を示す図である。 図１のブラシレスモータにおけるコイルＵ１に発生する誘起電圧の波形とその周波数分析結果を示す図である。 実施の形態１におけるコイルの接続方法を説明する図である。 図１のブラシレスモータにおけるコイルＵ１とコイルＵ３（コイルペア）に発生する誘起電圧の和の波形とその周波数分析結果を示す図である。 実施の形態１によるコイルペアにおいて、誘起電圧偶数次成分が打消される理由を説明する図である。 本発明における、図１とは異なるブラシレスモータの一例の構成を示す断面図である。 本発明における、更に異なるブラシレスモータの一例としての、８極４８スロットのブラシレスモータの構成を示す断面図である。 図８のブラシレスモータにおける電機子巻線の接続方法を説明する図である。 図８のブラシレスモータのスロットに収容される電機子導体の巻線方法を説明する図である。 本発明における、図１とは異なるブラシレスモータの一例としての、２０極２４ティースであって、Ｎ極の永久磁石とＳ極の永久磁石とを有するブラシレスモータの構成を示す断面図である。 本発明における、図１とは異なるブラシレスモータの一例としての、２０極２４ティースであって、Ｎ極とＳ極と永久磁石の形状が異なるブラシレスモータの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２におけるブラシレスモータの巻線接続方法を説明する図である。 実施の形態２との比較対象として、図１３とは異なるブラシレスモータの巻線接続方法を説明する図である。 図１３と図１４とのΔ結線に生じる循環電流の高調波成分の比較を説明する図である。 図１３と図１４とのΔ結線に生じる循環電流によって発生するトルク脈動の高調波成分の比較を説明する図である。 本発明の実施の形態３におけるブラシレスモータの巻線接続方法を説明する図である。 実施の形態３との比較対象として、図１７とは異なるブラシレスモータの巻線接続方法を説明する図である。 図１７と図１８とのＹ結線のＵ相→駆動回路→Ｖ相の経路に生じる循環電流の高調波成分の比較を説明する図である。 図１７と図１８とのＹ結線のＵ相→駆動回路→Ｖ相の経路に生じる循環電流によって発生するトルク脈動の高調波成分の比較を説明する図である。 本発明の実施の形態４におけるブラシレスモータの巻線接続方法を説明する図である。 実施の形態４との比較対象として、図２１とは異なるブラシレスモータの巻線接続方法を説明する図である。 図２１と図２２とのＹ結線の各相内に生じる循環電流の高調波成分の比較を説明する図である。 図２１と図２２とのＹ結線の各相内に生じる循環電流によって発生するトルク脈動の高調波成分の比較を説明する図である。 本発明の実施の形態５におけるブラシレスモータの巻線接続方法を説明する図である。 実施の形態５との比較対象として、図２５とは異なるブラシレスモータの巻線接続方法を説明する図である。 図２５と図２６との結線の誘起電圧の周波数分析結果の比較を説明する図である。 図２５のブラシレスモータのコイルに誘起される電圧のベクトル図である。 図２５と図２６との結線に誘起される電圧ベクトルの比較を説明する図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるブラシレスモータの構成を示す断面図である。このブラシレスモータ１００は、固定子となる電機子１と回転子となる界磁極１０とが磁気的な空隙２０を介して径方向に対向して配置されている。
電機子１は、電機子鉄心２と電機子導体である電機子巻線３とからなる。電機子鉄心２は、円筒状のヨーク部４とこのヨーク部４の周方向等間隔の位置に空隙２０側（径方向内方）へ突出して形成されたティース５とから構成されている。

ティース５は、合計２４個設けられ、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）結線される電機子巻線３がこれらのティース５に収容されている。具体的には、各ティース５の外周部分が収容部となりこのティース５に集中巻きにより同一の巻回数で巻回された単位導体であるコイル群Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、…、Ｕ８、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、…、Ｖ８、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、…、Ｗ８から電機子巻線３が構成されている。
ここで、図１の各コイルに付した記号「＋」と記号「−」は、巻回方向、従って、巻極性が互いに逆であることを示している。

界磁極１０は、ベアリング等の保持具により回転自在に取り付けられたシャフト２１に結合された界磁極鉄心１１とこの界磁極鉄心１１の外周面（空隙２０との対向面）の周方向に等間隔に固定配置された合計１０個のＳ極の永久磁石１２（第１の磁極）を設けている。そして、これら各永久磁石１２の間には、界磁極鉄心１１と一体に形成され空隙２０側に突出する合計１０個の突極１３（第２の磁極）を設けている。これら突極１３がＮ極の磁極として機能することで、計２０個の磁極、第１、第２の磁極対として計１０対の磁極を設けている。
ここで、図１の各磁極１２、１３における記号「Ｓ」と記号「Ｎ」は、磁極の極性を示している。

以上のように、本発明のブラシレスモータの界磁極１０は、既述した特許文献１と同様、界磁極鉄心１１の周方向に第１の磁極とする永久磁石１２を複数配置し、更に、各永久磁石１２の間には界磁極鉄心１１と一体に形成された突極１３を配置して該突極１３を第２の磁極として機能させているので、一般的な、Ｎ極、Ｓ極の永久磁石が周方向に交互に並べられたブラシレスモータと比較して、永久磁石の数を削減して低コスト化を実現している。

図２（ａ）は、図１のブラシレスモータ１００の電気角１周期３６０°（１対の第１、第２の磁極１２、１３が周方向に占める長さに相当し、図１では、その上部に点線を付して示す）における空隙に発生する径方向の磁束密度の分布を示す。磁極の磁束密度分布がＮ極とＳ極とで同一のモータでは、磁極の空隙に発生する磁束密度の形状は、電気角０−１８０°と１８０°―３６０°とで同じで正負が反転した形状となるが、本実施の形態１では、磁極の磁束密度分布がＮ極とＳ極とで異なり、空隙に発生する磁束密度の形状は、正負を反転させても電気角０−１８０°と１８０°―３６０°とで異なる。
電気角１８０°で非対称となるものは、周波数分析を行うと偶数次成分を含むものとなるため、同図（ｂ）の磁束密度の周波数分析結果に示す通り、空隙に発生する磁束密度には偶数次成分が重畳されることになる。

次に、電機子鉄心２のティース５に巻回されたコイルＵ１に発生する誘起電圧の波形（ａ）とその周波数分析結果（ｂ）を図３に示す。空隙磁束密度に偶数次成分が重畳されているため、コイルＵ１には偶数次の電圧成分が誘起されている。

図４は、本発明の実施の形態１におけるコイルの接続方法を説明する図である。ここでは、それぞれ電気角９００°（コイル６個の間隔に相当し、また、後述する式（１８０＋３６０ｎ°）の整数ｎに２を代入した値に相当する）の間隔で配置されたコイル、Ｕ１（＋）−Ｕ３（−）、Ｕ２（−）−Ｕ４（＋）、Ｕ５（＋）−Ｕ７（−）、Ｕ６（−）−Ｕ８（＋）、Ｖ１（−）−Ｖ３（＋）、Ｖ２（＋）−Ｖ４（−）、Ｖ５（−）−Ｖ７（＋）、Ｖ６（＋）−Ｖ８（−）、Ｗ１（＋）−Ｗ３（−）、Ｗ２（−）−Ｗ４（＋）、Ｗ５（＋）−Ｗ７（−）、Ｗ６（−）−Ｗ８（＋）が、互いに直列に接続され導体ペアであるコイルペアが構成されている。以上から判るように、いずれのコイルペアも、その巻回方向を互いに逆とした２つのコイルを直列に接続している。

このように、２つのコイルが直列に接続されたときのコイルペアに発生する誘起電圧の一例として、Ｕ１−Ｕ３の端子間に発生する誘起電圧を図５に示す。同図に示すように、誘起電圧には偶数次成分が重畳されないことがわかる。よって、これらのコイルペアを最小単位とし、このコイルペアを適宜直列または並列に接続することによりブラシレスモータの電機子巻線３を構成したとき、ブラシレスモータの３相の端子間には誘起電圧の偶数次成分が発生せず、誘起電圧の偶数次成分に起因するトルク脈動や循環電流を低減することが可能となる。

図６は、以上のコイルペアにおいて、誘起電圧の偶数次成分が打消される理由を説明した図である。同図より、波形１（ａ）を、ｎを整数として電気角（１８０＋３６０ｎ）°ずらした波形２（ｂ）では、誘起電圧の奇数次成分は、波形１に対して反転するが、誘起電圧の偶数次成分は同一となることが分かる。よって、電気角（１８０＋３６０ｎ）°の位置にある同一コイルピッチ、かつ同一の巻回数のコイルを直列接続し、かつ巻回方向を互いに逆とすることで、波形３（ｃ）のように、モータの出力に影響する誘起電圧の奇数次成分をそのままに保ちながら、誘起電圧の偶数次成分を打消すことが可能となる。

以上のように、電気角９００°の間隔に配置された２つのコイルを直列接続した前記コイルペアでは、図５に示すように、その誘起電圧には偶数次成分が重畳されないことがわかる。また、上記の説明から、コイルペアをなす２つのコイルは、完全に同一コイルピッチまたは同一巻回数とならない場合でも、同様の原理により誘起電圧の偶数次成分を低減することができる。

なお、上記の説明においては、図１の２０極２４コイルのブラシレスモータを取り上げたが、この例も含むが、一般に、ｋ、ｍを１以上の整数として、磁極の総数を２ｋ（２ｍ−１）個、コイルの総数を１２ｋ個としたブラシレスモータにおいても、コイル６個の間隔で、電気角として（１８０＋３６０ｎ）°の間隔に配置された一対のコイルをコイルペアとして電機子巻線を構成することで、図１の場合と同様、誘起電圧の偶数次成分が発生せず、誘起電圧の偶数次成分に起因するトルク脈動や循環電流を低減することが可能となるという効果が得られる。

更に、本願発明は、図７に示す、６極１８コイルのモータに代表されるように、ｋ、ｍを１以上の整数として、磁極の総数を２（２ｋ−１）（２ｍ−１）個、コイルの総数を６（２ｋ−１）個としたブラシレスモータにおいても、例えば、コイルＵ１（＋）とコイルＵ２（−）とで示すように、コイル３個の間隔で、電気角として（１８０＋３６０ｎ）°（図７の例では、ｎ＝０を代入した、１８０°となる）の間隔に配置された一対のコイルをコイルペアとして電機子巻線を構成することで、図１の場合と同様、誘起電圧の偶数次成分が発生せず、誘起電圧の偶数次成分に起因するトルク脈動や循環電流を低減することが可能となるという効果が得られる。

また、以上では、電機子巻線３が、電機子鉄心２のティース５に集中巻きで巻回されたコイルで構成される場合について説明したが、図８に示す８極４８スロットモータのように、電機子巻線３が、電機子鉄心２に、空隙２０側に開口して設けられたスロット６を収容部としてこのスロット６に分布して収容された単位導体としての導体片で構成される場合にも、この発明は同様に適用でき同等の効果を奏する。

図９は、図８のブラシレスモータにおける電機子巻線３の接続方法の一例を示す。ここでは、例えば、導体片Ｕ１（＋）と導体片Ｕ３（−）とが、電気角（１８０＋３６０ｎ）°の間隔で配置される導体ペアを構成し、その（＋）と（−）とは、導体片のスロット６への挿入方向が逆であることを示している。そして、電機子巻線３は、この導体ペアを適宜直列または並列に接続され、更に、ΔまたはＹの３相結線されて構成される。

図１０は、図８のブラシレスモータのスロット６に収容される導体片Ｕ１、Ｕ２等の巻線方法を示すもので、同図（ａ）は、波巻、同図（ｂ）は、重ね巻と呼ばれている巻線方式であり、どちらの巻線方式でも上記と同様の効果が得られる。

次に、界磁極１０、特に、その界磁極鉄心１１上に形成する第１の磁極および第２の磁極の変形例について説明する。即ち、先の図１のブラシレスモータでは、第１の磁極として永久磁石１２を使用し、界磁極鉄心１１と一体に形成された突極１３を第２の磁極とした。これに対し、図１１に示す変形例は、両磁極に、磁気特性が異なる永久磁石を使用したものである。具体的には、Ｓ極には、フェライト磁石からなる永久磁石１４を第１の磁極として使用し、Ｎ極には、Ｎｄ―Ｆｅ―Ｂ磁石からなる永久磁石１５を第２の磁極として使用している。これにより、材料としての永久磁石の選択の自由度が増大し、コスト低減の可能性が期待できる。

この場合、Ｓ極とＮ極とで使用する永久磁石の磁気特性が異なり両極における残留磁束密度が異なる結果、既述したと同様の課題が生じるが、以上の本願発明を適用することで、解決することができる。

図１２は、更なる変形例を示すもので、ここでは、互いに形状が異なる永久磁石１６、１７を、それぞれ、Ｓ極の第１の磁極、Ｎ極の第２の磁極としている。これにより、歩留まりの向上等、生産工程上の効果が期待できる可能性がある。
この場合も、結果的に、両極における残留磁束密度が異なることになるが、図１１の場合と同様、本願発明を適用することで、誘起電圧の偶数次成分が発生せず、誘起電圧の偶数次成分に起因するトルク脈動や循環電流を低減することが可能となるという効果が得られる。

なお、以上では、電機子巻線３を３相結線としたが、１相または複数相で結線されている場合にも、本願発明は広く適用でき同等の効果が得られる。
また、以上では、固定子となる電機子１を外側、回転子となる界磁極１０を内側に配置した、いわゆるインナーロータ型とするブラシレスモータに適用した場合について説明したが、これとは逆に、固定子となる電機子１を内側、回転子となる界磁極１０を外側に配置した、いわゆるアウターロータ型とするブラシレスモータ、更には、電機子１と界磁極１０とを空隙２０を介して軸方向に対向して配置するブラシレスモータ等、電機子１と界磁極１０とが相対的に周方向に移動可能に構成された各種のブラシレスモータに、この発明は同様に適用でき、同等の効果を奏する。

このように、この発明の実施の形態１によるブラシレスモータでは、電機子巻線３を、電気角（１８０＋３６０ｎ）°の間隔で配置され巻回方向を逆として直列に接続された一対のコイルをコイルペアとし、このコイルペアを直列または並列に接続することで構成するようにしたので、ブラシレスモータの出力を低下させることなく誘起電圧の偶数次成分を打消すことが可能となり、この誘起電圧に起因するトルク脈動を低減できる。よって、根本的にトルク脈動を低減できる構造を有するため、ブラシレスモータの振動や騒音を低減することができ耐久性も向上する。また、誘起電圧偶数次成分に起因する循環電流の発生を低減できる構造を有するため、ブラシレスモータの低損失化を図ることが可能となる。

実施の形態２．
図１３は、本発明の実施の形態２におけるブラシレスモータの巻線接続方法を示し、先の図１の電機子巻線３の一具体例を示している。図１３に示すように、電機子巻線３は、２つのコイル群１、２で構成され、それぞれのコイル群は、３相Δ結線され、各相の端子が引き出され、共通または独立の駆動回路（図示省略）に接続される。
例示されたＵ相について説明すると、一方のコイル群１は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ１とＵ３、Ｕ５とＵ７が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ１−Ｕ３とＵ５−Ｕ７とが互いに直列に接続されている。

他方のコイル群２は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ２とＵ４、Ｕ６とＵ８が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ２−Ｕ４とＵ６−Ｕ８とが互いに直列に接続されている。
なお、各コイルペアの選び方や、コイルペア間のコイル接続パターンはＵ、Ｖ、Ｗ相で同一である。

図１４は、比較対象として図１３とは異なるブラシレスモータの巻線接続方法を示すものである。図１４では、一方のコイル群１は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ１とＵ２、Ｕ５とＵ６が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ１−Ｕ２とＵ５−Ｕ６とが互いに直列に接続されている。
また、他方のコイル群２は、コイルＵ３とＵ４、Ｕ７とＵ８が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ３−Ｕ４とＵ７−Ｕ８とが互いに直列に接続されている。

図１５は、本願発明を適用した図１３と、その比較対象として設定した図１４との電機子巻線のΔ結線に生じる循環電流の高周波成分を比較したものである。
比較対象の図１４のように結線した場合は、誘起電圧偶数次成分に起因する循環電流偶数次成分が発生しているのに対し、本実施の形態２の図１３のように結線した場合は、循環電流偶数次成分が大幅に低減している。
これは、本実施の形態２では、コイルペアで誘起電圧偶数次成分が打消されており、各相巻線の端子間に循環電流偶数次成分の原因となる誘起電圧偶数次成分が発生していないのに対し、図１４のように結線した場合は、誘起電圧偶数次成分が各相巻線の端子間で発生するためである。

図１６は、本願発明を適用した図１３と、その比較対象として設定した図１４との電機子巻線のΔ結線に生じる循環電流によって発生するトルク脈動の高周波成分を比較したものである。
図１４の場合は、循環電流によりブラシレスモータに偶数次成分のトルク脈動が発生しているのに対し、本実施の形態２の図１３の場合は、誘起電圧偶数次成分に起因する偶数次成分のトルク脈動が低減していることがわかる。

このように、この発明の実施の形態２によるブラシレスモータでは、先の図１に示す電機子巻線３を３相Δ結線で構成することで、誘起電圧偶数次成分に起因する循環電流の発生を低減でき、ブラシレスモータの低損失化を図ることが可能となる。また、誘起電圧に起因するトルク脈動を低減できる。
なお、この実施の形態２は、先の実施の形態１で説明したとおり、図１の２０極２４コイルのブラシレスモータに限られるものではなく、種々の構成構造のブラシレスモータに適用することができ同等の効果を奏する。

実施の形態３．
図１７は、本発明の実施の形態３におけるブラシレスモータの巻線接続方法を示し、先の図１の電機子巻線３の一具体例を示している。図１７に示すように、電機子巻線３は、２つのコイル群１、２で構成され、それぞれのコイル群は、３相Ｙ結線され、各相の端子が引き出され、共通または独立の駆動回路（図示省略）に接続される。
例示されたＵ相について説明すると、一方のコイル群１は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ１とＵ３、Ｕ５とＵ７が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ１−Ｕ３とＵ５−Ｕ７とが互いに直列に接続されている。

他方のコイル群２は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ２とＵ４、Ｕ６とＵ８が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ２−Ｕ４とＵ６−Ｕ８とが互いに直列に接続されている。
なお、各コイルペアの選び方や、コイルペア間のコイル接続パターンはＵ、Ｖ、Ｗ相で同一である。

図１８は、比較対象として図１７とは異なるブラシレスモータの巻線接続方法を示すものである。図１８では、一方のコイル群１は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ１とＵ２、Ｕ５とＵ６が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ１−Ｕ２とＵ５−Ｕ６とが互いに直列に接続されている。
また、他方のコイル群２は、コイルＵ３とＵ４、Ｕ７とＵ８が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ３−Ｕ４とＵ７−Ｕ８とが互いに直列に接続されている。

図１９は、本願発明を適用した図１７と、その比較対象として設定した図１８との電機子巻線のＹ結線のＵ相→駆動回路→Ｖ相の経路に生じる循環電流の高周波成分を比較したものである。この場合、図１７、１８に点線で示すように、駆動回路において、Ｕ相とＶ相の間が接続されている。
比較対象の図１８のように結線した場合は、誘起電圧偶数次成分に起因する循環電流偶数次成分が発生しているのに対し、本実施の形態３の図１７のように結線した場合は、循環電流偶数次成分が大幅に低減している。
これは、本実施の形態３では、コイルペアで誘起電圧偶数次成分が打消されており、各相巻線の端子間に循環電流偶数次成分の原因となる誘起電圧偶数次成分が発生していないのに対し、図１８のように結線した場合は、誘起電圧偶数次成分が各相巻線の端子間で発生するためである。

図２０は、本願発明を適用した図１７と、その比較対象として設定した図１８との電機子巻線のＹ結線に生じる循環電流によって発生するトルク脈動の高周波成分を比較したものである。
図１８の場合は、循環電流によりブラシレスモータに偶数次成分のトルク脈動が発生しているのに対し、本実施の形態３の図１７の場合は、誘起電圧偶数次成分に起因する偶数次成分のトルク脈動が低減していることがわかる。

このように、この発明の実施の形態３によるブラシレスモータでは、先の図１に示す電機子巻線３を３相Ｙ結線で構成することで、誘起電圧偶数次成分に起因する循環電流の発生を低減でき、ブラシレスモータの低損失化を図ることが可能となる。また、誘起電圧に起因するトルク脈動を低減できる。
なお、この実施の形態３は、先の実施の形態１で説明したとおり、図１の２０極２４コイルのブラシレスモータに限られるものではなく、種々の構成構造のブラシレスモータに適用することができ同等の効果を奏する。

実施の形態４．
図２１は、本発明の実施の形態４におけるブラシレスモータの巻線接続方法を示し、先の図１の電機子巻線３の一具体例を示している。図２１に示すように、電機子巻線３は、２つのコイル群１、２で構成され、更に、各コイル群はそれぞれコイル（１）、（２）で構成され、コイル群１、２は、３相Ｙ結線され、各相の端子が引き出され、共通または独立の駆動回路（図示省略）に接続される。
例示されたＵ相について説明すると、一方のコイル群１は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ１とＵ３、Ｕ２とＵ４が互いに接続され最小単位としてのコイルペアとなるそれぞれコイル（１）とコイル（２）を構成し、かつ、このコイル（１）Ｕ１−Ｕ３とコイル（２）Ｕ２−Ｕ４とが互いに並列に接続されている。

他方のコイル群２は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ５とＵ７、Ｕ６とＵ８が互いに接続され最小単位としてのコイルペアとなるそれぞれコイル（１）とコイル（２）を構成し、かつ、このコイル（１）Ｕ５−Ｕ７とコイル（２）Ｕ６−Ｕ８とが互いに並列に接続されている。
なお、各コイルペアの選び方や、コイルペア間のコイル接続パターンはＵ、Ｖ、Ｗ相で同一である。

図２２は、比較対象として図２１とは異なるブラシレスモータの巻線接続方法を示すものである。図２２では、一方のコイル群１は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ１とＵ２、Ｕ３とＵ４が互いに接続され最小単位としてのコイルペアとなるそれぞれコイル（１）とコイル（２）を構成し、かつ、このコイル（１）Ｕ１−Ｕ２とコイル（２）Ｕ３−Ｕ４とが互いに並列に接続されている。

他方のコイル群２は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ５とＵ６、Ｕ７とＵ８が互いに接続され最小単位としてのコイルペアとなるそれぞれコイル（１）とコイル（２）を構成し、かつ、このコイル（１）Ｕ５−Ｕ６とコイル（２）Ｕ７−Ｕ８とが互いに並列に接続されている。

図２３は、本願発明を適用した図２１と、その比較対象として設定した図２２との電機子巻線のＹ結線の各相内の並列回路に生じる循環電流の高周波成分を比較したものである。
比較対象の図２２のように結線した場合は、誘起電圧偶数次成分に起因する循環電流偶数次成分が発生しているのに対し、本実施の形態４の図２１のように結線した場合は、循環電流偶数次成分が大幅に低減している。
これは、本実施の形態４では、コイルペアで誘起電圧偶数次成分が打消されており、各相巻線のコイル（１）とコイル（２）の端子間に循環電流偶数次成分の原因となる誘起電圧偶数次成分が発生していないのに対し、図２２のように結線した場合は、誘起電圧偶数次成分が各相巻線のコイル（１）とコイル（２）の端子間で発生するためである。

図２４は、本願発明を適用した図２１と、その比較対象として設定した図２２との電機子巻線のＹ結線に生じる循環電流によって発生するトルク脈動の高周波成分を比較したものである。
図２２の場合は、循環電流によりブラシレスモータに偶数次成分のトルク脈動が発生しているのに対し、本実施の形態４の図２１の場合は、誘起電圧偶数次成分に起因する偶数次成分のトルク脈動が低減していることがわかる。

このように、この発明の実施の形態４によるブラシレスモータでは、先の図１に示す電機子巻線３をコイルペアのコイル（１）、コイル（２）の並列回路を含む３相Ｙ結線で構成することで、誘起電圧偶数次成分に起因する各相の並列回路における循環電流の発生を低減でき、ブラシレスモータの低損失化を図ることが可能となる。また、誘起電圧に起因するトルク脈動を低減できる。
なお、この実施の形態４は、先の実施の形態１で説明したとおり、図１の２０極２４コイルのブラシレスモータに限られるものではなく、種々の構成構造のブラシレスモータに適用することができ同等の効果を奏する。

実施の形態５．
図２５は、本発明の実施の形態５におけるブラシレスモータの巻線接続方法を示し、先の図１の電機子巻線３の一具体例を示している。図２５に示すように、電機子巻線３は、互いに電気的に絶縁された２つのコイル群１、２で構成され、各コイル群１、２は、３相Δ結線され、各相の端子が引き出され、それぞれ独立の駆動回路１、２に接続される。
例示されたＵ相について説明すると、一方のコイル群１は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ１とＵ３、Ｕ５とＵ７が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ１−Ｕ３とＵ５−Ｕ７とが互いに直列に接続されている。

他方のコイル群２は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ２とＵ４、Ｕ６とＵ８が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ２−Ｕ４とＵ６−Ｕ８とが互いに直列に接続されている。
なお、各コイルペアの選び方や、コイルペア間のコイル接続パターンはＵ、Ｖ、Ｗ相で同一である。

図２６は、比較対象として図２５とは異なるブラシレスモータの巻線接続方法を示すものである。図２６では、一方のコイル群１は、先の実施の形態１の電機子１のティース５に巻回されたコイルＵ１とＵ３、Ｕ２とＵ４が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ１−Ｕ３とＵ２−Ｕ４とが互いに直列に接続されている。
また、他方のコイル群２は、コイルＵ５とＵ７、Ｕ６とＵ８が互いに接続され最小単位としてのコイルペアを構成し、かつ、このコイルペアＵ５−Ｕ７とＵ６−Ｕ８とが互いに直列に接続されている。

図２７は、本願発明を適用した図２５と、その比較対象として設定した図２６との電機子巻線に発生する誘起電圧の周波数分析結果を比較したものである。
本実施の形態５の図２５の結線の場合、比較対象の図２６に示す結線の場合よりもモータ出力に影響する誘起電圧の基本波成分が増大している。

以下、その理由を説明する。図２８は、本願発明を適用した図２５の結線の場合に、コイル群１の直列接続されたコイルＵ１−Ｕ３−Ｕ５−Ｕ７に誘起される電圧のベクトルとコイル群２の直列接続されたコイルＵ２−Ｕ４−Ｕ６−Ｕ８に誘起される電圧のベクトルとを図示したものである。両コイル群１、２が、それぞれ、互いに電気的に絶縁された独立の駆動回路１、２に接続されているので、両コイル群１、２に誘起される電圧は、図２８に示すように、互いに合成されることなく個々に発生する。

コイルＵ１とコイルＵ５とは、電気角で３６０°のｎ倍隔たった位置にあり、従って、互いに同一の位相の電圧を誘起する位置にあり、コイルＵ３とコイルＵ７とは、コイルＵ１、コイルＵ５に対して、（１８０＋３６０ｎ）°隔たった位置にあり、コイルＵ３、コイルＵ７とコイルＵ１、コイルＵ５とは互いに逆位相の電圧を誘起する位置にある。しかし、コイルＵ３、コイルＵ７とコイルＵ１、コイルＵ５とは互いにその巻回方向が逆とされているので、結局、互いに直列に接続される４個のコイルＵ１、Ｕ３、Ｕ５、Ｕ７に誘起される電圧の位相は互いに同一となり、各コイルの誘起電圧の算術和が合成電圧の大きさとなる。

コイルＵ２−Ｕ４−Ｕ６−Ｕ８についても同様であり、各コイルの誘起電圧の算術和が合成電圧の大きさとなる。
そして、コイルＵ１（またはＵ３、Ｕ５，Ｕ７）とコイルＵ２（またはＵ４，Ｕ６，Ｕ８）とは、図１から判るように、互いに隣接して配置されており、これは電気角１５０°（９００／６＝１５０）に相当するが、それぞれその巻回方向が逆であるので、結局、図２８に示すように、コイルＵ１−Ｕ３−Ｕ５−Ｕ７とコイルＵ２−Ｕ４−Ｕ６−Ｕ８との電圧ベクトルは、電気角で３０°の開きがある。

これに対し、比較対象の図２６の結線の場合においては、図２９に示すように、コイル群１のコイルＵ１−Ｕ３−Ｕ２−Ｕ４に誘起される電圧は、コイルＵ１、Ｕ３に誘起される電圧とコイルＵ２、Ｕ４に誘起される電圧とが、互いに電気角３０°の位相差を有するため、４個のコイルの合成電圧が、本願発明になる図２５の結線の場合より小さくなる。
そして、一般的に、トルクは誘起電圧基本波に依存するため、本実施の形態５では、比較対象の図２６の結線の場合よりもトルクを向上させることが可能となる訳である。

このように、この発明の実施の形態５によるブラシレスモータでは、先の図１に示す電機子巻線３を、互いに電気的に絶縁され、それぞれ独立の駆動回路に接続された２個の３相Δ結線で構成することで、誘起電圧偶数次成分に起因する循環電流の発生を低減でき、ブラシレスモータの低損失化を図ることが可能となり、誘起電圧に起因するトルク脈動を低減できるとともに、ブラシレスモータの出力を向上させることが可能となる。

なお、以上では、２個のΔ結線されたコイル群１、２が、それぞれ独立の駆動回路１、２に接続されている場合について説明したが、３個以上のコイル群、駆動回路で構成する場合にも、また、コイル群がＹ結線されている場合にも、この実施の形態５の発明は同様に適用でき同等の効果を奏する。
また、この実施の形態５は、先の実施の形態１で説明したとおり、図１の２０極２４コイルのブラシレスモータに限られるものではなく、種々の構成構造のブラシレスモータに適用することができ同等の効果を奏する。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 電機子、２ 電機子鉄心、３ 電機子巻線、４ ヨーク部、５ ティース、
６ スロット、１０ 界磁極、１１ 界磁極鉄心、１２，１４〜１７ 永久磁石、
１３ 突極、２０ 空隙、２１ シャフト、１００ ブラシレスモータ。

Claims (11)

1. 空隙を介して配置され相対的に周方向に移動可能に構成された界磁極および電機子を備え、
   前記界磁極は、界磁極鉄心およびこの界磁極鉄心の前記空隙との対向面の前記周方向に等間隔に配置され対をなす第１および第２の磁極を備え、前記第１および第２の磁極は、交互に配置されその磁束密度が互いに逆極性で大きさが異なるものであり、
   前記電機子は、電機子鉄心およびこの電機子鉄心の前記周方向に等間隔で形成され前記空隙側に開口する収容部に収容された電機子導体を備え、前記電機子導体は相毎に複数の単位導体からなるブラシレスモータにおいて、
   １つの前記対をなす前記第１および第２の磁極が前記周方向に占める長さを電気角で３６０°、ｎを整数としたとき、
   前記相毎の単位導体であって、電気角（１８０＋３６０ｎ）°の間隔で配置され、互いに前記収容部への挿入方向を逆にして直列に接続された導体ペアを備え、前記電機子導体は、前記導体ペアを直列または並列に接続することにより構成したことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 請求項１において、前記電機子導体は、前記導体ペアを並列に接続することにより構成したことを特徴とするブラシレスモータ。
3. 前記空隙側に突出するティースを前記電機子鉄心の前記周方向に等間隔で設けることにより前記ティースの外周に前記収容部を形成し、前記ティースに集中巻きで巻回されその巻回方向により前記挿入方向を特定するコイルを前記単位導体としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記空隙側に開口するスロットを前記電機子鉄心の前記周方向に等間隔で設けることにより前記スロットを前記収容部とし、前記スロットに収容され分布巻きを構成する導体片を前記単位導体としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブラシレスモータ。
5. 前記電機子導体は、３相結線されており、ｋ、ｍを１以上の整数としたとき、前記磁極の総数を２ｋ（２ｍ−１）個、前記単位導体の総数を１２ｋ個とし、前記導体ペアは、順次配置された前記単位導体６個の間隔で設定したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
6. 前記電機子導体は、３相結線されており、ｋ、ｍを１以上の整数としたとき、前記磁極の総数を２ｋ（２ｍ−１）個、前記単位導体の総数を１２ｋ個とし、前記導体ペアは、順次配置された前記単位導体６個の間隔で設定し、かつ、前記ｋを４とし、前記ｍを１としたことを特徴とする請求項４記載のブラシレスモータ。
7. 前記電機子導体は、３相結線されており、ｋ、ｍを１以上の整数としたとき、前記磁極の総数を２（２ｋ−１）（２ｍ−１）個、前記単位導体の総数を６（２ｋ−１）個とし、前記導体ペアは、順次配置された前記単位導体３個の間隔で設定したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
8. 前記第１の磁極は、前記界磁極鉄心の前記空隙との対向面の前記周方向に等間隔に配置された永久磁石であり、前記第２の磁極は、前記第１の磁極の間に、前記界磁極鉄心と一体に形成され前記空隙側に突出する突極としたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
9. 前記第１の磁極は、前記界磁極鉄心の前記空隙との対向面の前記周方向に等間隔に配置された永久磁石であり、前記第２の磁極は、前記第１の磁極の間に配置され、前記第１の磁極の永久磁石と磁気特性が異なる永久磁石であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
10. 前記第１の磁極は、前記界磁極鉄心の前記空隙との対向面の前記周方向に等間隔に配置された永久磁石であり、前記第２の磁極は、前記第１の磁極の間に配置され、前記第１の磁極の永久磁石と形状が異なる永久磁石であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
11. 前記電機子導体は、それぞれ３相結線され互いに絶縁された複数の３相結線導体からなり、前記各３相結線導体は、それぞれ独立した駆動回路に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。

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