JP2007505258A - 羽根と一体化したロータを備えたモータを用いるファンユニット - Google Patents

Abstract

【解決課題】モータ(回転手段)が流体の流れに対して抵抗とならないようなファン構造を提供する。重量／トルクバランスに優れた小型モータを提供する。
【解決課題】ファンユニットには、ロータ１４およびロータと一体化された羽根構造を有する電動回転機械（すなわち電動モータ）が含まれる。ファンユニットには、ロータを回転させるための回転機構がさらに含まれる。ロータ１４は、その中央部において、流体を流させる方向に開口部を有するように形成されている。羽根構造は、ロータと一体化されるように、開口部の外周部と結合される。外周部は、その中に回転機構を組み込んでいる。
【選択図】 図９

Description

発明の背景
発明の技術分野
本発明は、電気自動車、飛行船、タービンエンジン、タービン発電機、燃料電池、空調機、熱交換器および流体センサを始めとする様々な用途を有するファンユニットに関し、特に、ロータおよびロータ自体に一体化された羽根を備えたモータを有するファンユニットに関する。

関連技術
従来的には、様々なタイプのファンユニットが用いられてきた。ファンユニットの一タイプが、特開平１１−２１８０９８号公報で提案されたが、そこでは、ブラシレスの小型直流モータを備えた小型ファンが説明されている。特に、このファンユニットは、たとえばプリント配線板に直接配置できる程度に小型化されている。このファンユニットの特徴は、ファンホイールを駆動するブラシレス直流モータが、無帰還永久磁石ロータを備えた単相単巻線歯合極式モータとして設けられており、ロータの起動位置に作用する少なくとも１つの位置決め磁石が配置されていることである。

しかしながら、上記の従来型ファンユニットは、ファンユニットが配置される流体用流路の中心にモータを置かなければならないという問題に直面する。したがって、モータが流体の流れに対する抵抗となることが避けられない。

さらに、前述の従来型ファンユニットは流路に駆動部があるために、他の様々な障害がファンユニットにはある。たとえば、流体送出効率が低下し、流体損失が発生し易く、また構造において流路を薄くするのが困難である。さらに、流体は、温度ならびにガスおよび溶剤のタイプにおけるある種の規制を受け易い。駆動部が流体の流れに対する抵抗になり、かつ流体中の汚れが駆動部に付着する場合には、流体の流れ効率は、さらなる低下を被る。

発明の概要
本発明は、前述の従来型ファンユニットが被ってきた欠点を考慮して実現された。本発明の目的は、モータに羽根を回転させるための手段として働かせ、かつモータが流体の流れに対する抵抗になるのを避けるファンユニット構造を提供することである。

上記の目的を実現するために、ロータを有する電動回転機械と、ロータと一体化された羽根構造と、を含むファンユニットが提供される。

羽根構造がロータと一体化されているので、その結果として、モータすなわち羽根構造を回転させるための機構は、流体を通過させるように形成された開口部のまわりに存在することができる。したがって、モータなどの回転機構を開口部の中に配置する必要はない。したがって、回転機構は、開口部を通過する流体の流れに対してほとんど抵抗とならない。

ガスおよび空気などの流体の流れを制御するためにこのファンユニットを適用することによって、より高い効率で流体を送出かつ／または圧縮することが可能になる。

上記の構成の趣旨に含まれるいくつかの実際的な構成は、以下のとおりである。

好ましくは、ファンユニットにはロータを回転させるための回転機構がさらに含まれ、ロータは、その中央部において、流体を流させる方向に開口部を有するように形成され、また羽根構造は、ロータと一体化されるように開口部の外周部と結合され、外周部は、その中に回転機構を組み込んでいる。

好ましくは、電動回転機械には、第１の磁性体と、間にスペースを置いて第１の磁性体に面して配置された第２の磁性体と、第１および第２の磁性体間に配置され、かつスペースにおける所定の方向において、第１および第２の磁性体の両方に対して相対的に移動可能に構成された第３の磁性体と、が含まれ、ここで、第１および第２の磁性体のそれぞれは、電流で励磁可能な複数の電磁コイルであって、第１の磁性体の電磁コイルおよび第２の磁性体の電磁コイルの両方の配列ピッチに相対的な差があるように各磁性体に沿って順番に配置された複数の電磁コイル、を有し、第３の磁性体は、所定の磁極に磁化されかつ第３の磁性体に沿って順番に配置された複数の永久磁石を有し、また第３の磁性体は、ロータとして働くように、羽根構造と一体化されている。

ファンユニットには、第１および第２の磁性体のうちの少なくとも１つにおける電磁コイルに励磁電流を供給するように構成された励磁回路手段をさらに含むことがまた好ましい。

たとえば、励磁回路手段は、第１および第２の磁性体の電磁コイルに励磁電流を供給するように構成され、励磁電流は、第１および第２の磁性体のそれぞれの電磁コイルに、同じ磁極を与えるように設定されている。この場合に、例として、第１の磁性体の電磁コイルに供給される励磁電流は、第２の磁性体の電磁コイルに供給される励磁電流とは位相が異なっている。

好ましい実施形態の詳細な説明
ここで、図１Ａおよび１Ｂ〜図１３Ａおよび１３Ｂを参照し、本発明の実施形態によるファンユニットを説明する。

図１Ａおよび１Ｂは、それぞれがファンユニットの羽根／フレーム部材をそれぞれ示す正面斜視図および背面斜視図である。

「羽根構造」に構造化された羽根／フレーム部材は、ファンユニットに組み込まれたモータ（または発電機）のロータとして働く。全体として円環形状に形成された羽根／フレーム部材は、円環状の外周フレーム１、４枚の羽根２、外周フレーム１の中心に位置するボス３を有し、これらの全てが単一ユニットとして作製されている。

４枚の羽根２は、外周フレーム１および中心のボス３を接続するように形成されている。外周フレーム１をモータ（または発電機）のロータとして働かせるために、複数の永久磁石を外周フレーム１における磁性体の一部として用いて、磁石が、外周フレーム１の円周方向に沿って、交互にＮ／Ｓ極となるような具合に並べられて列を作るようにする。

図２〜５はそれぞれ、本発明によるロータ（単一ユニットとして羽根構造に形成されている）を回転させるための磁性体構造および磁性体の動作原理を示す。この磁性体構造は、第１の磁性体（Ａ相コイル）１０、第２の磁性体（Ｂ相コイル）１２、ならびに第１および第２の磁性体１０および１２間に位置する第３の磁性体１４を有する。実際には、磁性体１０、１２および１４のセットのそれぞれは、円環形状（または円弧形状、円形状）に配置されている。その結果、第３の磁性体または第１および第２の磁性体のいずれかは、ロータとして機能することができる。図１Ａおよび１Ｂに示す構成を考えてみると、第３の磁性体が円環状の外周フレーム１に相当する。

第１の磁性体１０は、交互に異なる磁極に順次的に励磁可能な励磁コイル１６と共に配置される。コイルは、所定の間隔、好ましくは等間隔で、第１の磁性体１０に沿って配列される。この第１の磁性体１０は、図６Ａまたは６Ｂに示される等価回路を有する。図２〜５に関連して後で詳述するように、第１および第２の磁性体１０および１２用の２つの励磁コイルは全て、動作（２π）中に既述した極性に常に励磁されている。したがって、ロータまたはスライダなどの被駆動物体を、より高いトルクで、駆動および回転させることが可能である。

また、第２の磁極１２は、図６Ａまたは６Ｂに示す回路と等価な回路を有する。すなわち、第１および第２の磁性体１０および１２の両方の等価回路自体は同じであるが、しかし連続的にロータを回転させるために、両方の部材１０および１２は、相互に異なるパターンで励磁される。それらの励磁パターンは、後述のように制御される。

図６Ａに示すように、第１の磁性体１０は、励磁回路１８Ａに接続された複数の励磁コイル１６を有する。複数の励磁コイル１６は、それぞれ磁性単位を構成するが、円周方向に等間隔に配列され、かつ互いに直列に接続されている。

励磁回路１８Ａは、励磁コイル１６に接続されて、所定の周波数（励磁パルス信号として働く）を有するパルス電流をコイル１６に供給する。それぞれの励磁コイル１６の巻線は、隣接した励磁コイル１６間で互いに異なる磁極を有するように予め調節される。励磁コイル１６の配列の仕方は、図６Ｂに示すように修正してもよく、その場合、励磁コイル１６のうち、コイル１６の各ペアが互いに直列に接続されて、それぞれ直列に接続されたペアが、互いに並列に接続されている。

所定の間隔で励磁コイル１６の磁極性を切り替えることができる周波数を有するパルス電流が、励磁回路１８Ａから第１の磁性体１０に供給される。パルス電流に応答して、円周方向に配列された励磁コイル１６は、図２〜５に示すように、第３の磁性体１４に面するそれらの極において、Ｎ、Ｓ、Ｎ、・・・のある一定のパターンで変化する磁極性を示す。励磁コイル１６に供給されるパルス電流がその極性を逆にされると、円周方向に配列された励磁コイル１６は、第３の磁性体１４に面するそれらの極において、Ｓ、Ｎ、Ｓ、・・・の逆パターンで変化する磁極性を示す。したがって、第１の磁性体１０が呈する励磁極性パターンは、周期的に変化可能である。

第２の磁性体１２に配列される励磁コイル１８が、第１の磁性体１０の励磁コイル１６と比較して、円周方向に位置をシフトされていることを除いて、第２の磁性体１２は、第１の磁性体１０と同様の方法で構成されている。すなわち、第２の磁性体１２の励磁コイル１８は、第１の磁性体１０の励磁コイル１６とは異なるピッチで配列され、その結果、両方のコイル１６および１８が、円周方向に所定のピッチ差（所定の角度差に対応する）で配列される。

このピッチ差は、第３の磁性体１４（すなわち永久磁石）が、励磁電流の周波数の１周期（２π）中に、励磁コイル１６および１８に対して相対的に動く距離に対応する量に設定されるのが好ましい。換言すれば、この距離は、各ペアのＮおよびＳ極性の合計距離（２π）または合計距離の１／４（すなわちπ／２）のどちらかであるのが好ましい。

ここで、第３の磁性体１４について説明する。図２〜５に示すように、第１および第２の磁性体１０および１２の間に配置された第３の磁性体１４には、図２〜５の黒い長方形で示される複数の永久磁石２０が設けられている。複数の永久磁石２０は、それらの極性が交互に逆になるように、直線形状または円弧形状に、間隔を置いて並べられている。磁石２０は、円周方向に等間隔に配列されるのが好ましい。磁石２０が並べられる円弧形状は、完全な円、楕円およびその他（すなわち閉じたループ）、不特定円環構造、半円、ならびに扇形など様々な形状に変更できる。

第１および第２の磁性体１０および１２は、たとえば、互いに平行（間に等しい距離を置いて）である。第３の磁性体１４は、第１および第２の磁極１０および１２の中間位置に配置されている。第３の磁性体１４の永久磁石２０は、第１および第２の磁性体１０および１２のコイル１６および１８に対して等しいピッチで配列されている。

ここで、図２〜５を参照し、第１、第２および第３の磁性体１０、１２および１４からなる磁性体構造の動作を説明する。

ある瞬間において、前述の励磁回路１８Ａ（図６。後で詳述する）によって、第１および第２の磁性体１０および１２の励磁コイル１６および１８は、図２のチャート（１）に示す励磁極性パターンによる極性を有することが可能になる。

この時に、第１の磁性体１０のそれぞれの励磁コイル１６は、第３の磁性体１４に面するそれらのコイル端部において、Ｓ、Ｎ、Ｓ、Ｎ、・・・、等のパターンに従った磁極を発生する。これと同時に、第２の磁性体１２のそれぞれの励磁コイル１８は、第３の磁性体１４に面するそれらのコイル端部において、Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓ、・・・、等のパターンに従った磁極を発生する。図では、各実線の矢印は引力を示し、各破線の矢印は反力を示す。

次の瞬間に、図２のチャート（２）に示すように、励磁回路１８Ａは、第１の磁性体１０に供給されるパルス電流の極性を反転する。この極性反転によって、第１の磁性体１０の励磁コイル１６の磁極と第３の磁性体１４の永久磁石２０の磁極との間の反力だけでなく、第２の磁性体１２の励磁コイル１８の磁極と第３の磁性体１４の永久磁石２０の磁極との間の引力もまたもたらされる。このような反力および引力によって、第３の磁性体１４は、図２のチャート（２）〜（５）に示すように、図２の場合には右方向に移動することができる。

第２の磁性体１２の励磁コイル１８に供給されるパルス電流は、第１の磁性体１０の励磁コイル１６に供給されるパルス電流と位相が異なっている。したがって、図３のチャート（６）〜（８）に示すように、第２の磁性体１２の励磁コイル１８の磁極は、第３の磁性体１４の永久磁石２０の磁極に反発し、これによって、第３の磁性体１４を右方向にさらに移動させる。

図２および３のチャート（１）〜（８）は、πラジアンに対応する距離に沿った第３の磁性体１４（すなわち永久磁石）の移動を示す。これと同様に、図４および５のチャート（９）〜（１６）は、第２のπラジアンに対応する距離に沿った第３の磁性体１４の別の移動を示す。それ故に、チャート（１）〜（１６）は、第１および第２の磁性体１０および１２の励磁コイル１６および１８に供給されるパルス電流の１周期（２π）に対応する距離にわたって第１および第２の磁性体１０および１２に対して相対的に移動する第３の磁性体１４を示す。

したがって、第１および第２の磁性体１２および１４（位相「Ａ」および「Ｂ」）に異なる位相のパルス電流を供給することによって、第３の磁性体１４は、ロータとして回転できるようになる。

第１〜第３の磁性体１２、１４および１６が円形状である場合には、図１Ａおよび１Ｂに示す羽根／フレーム部材は、電動回転モータとなることができる。永久磁石および励磁コイル以外の、ケースおよびロータなどの様々な構成要素は導体材料から形成してもよいが、しかしこのような構成要素は、非磁性材料として働く樹脂、アルミニウムおよびマグネシウム合金を始めとする軽量材料で形成するのが好ましい。このような軽量材料を用いることは、軽量で、磁気効率が高く、かつ開放磁気回路を提供する回転電動機械につながる。

この磁性体構造では、第３の磁性体１４は、第１および第２の磁性体１０および１２からの、およびそれらに対する磁力に反応して移動可能である。したがって、第３の磁性体のための回転力であるトルク量はより大きくなり、トルク／重量バランスにおいて優れたものとなる。したがって、より高いトルクで駆動可能な小型で軽量の電動モータを提供することが可能になる。

図７は、第１の磁性体１０の励磁コイル１６（Ａ相励磁コイル）および第２の磁性体１２の励磁コイル１８（Ｂ相励磁コイル）の両方へ励磁パルス電流を印加する励磁回路１８Ａの構成を示すブロック図を例示する。

この励磁回路１８Ａは、周波数を制御されたパルス信号が、Ａ相およびＢ相励磁コイル１６および１８の両方にそれぞれ供給されるように構成されている。図７に示すように、この回路１８Ａには、所定の周波数信号を発振する水晶発振器３０、および発振周波数信号を任意の整数Ｍで分周することによって基準パルス信号を生成するＭ−ＰＬＬ（位相ロックループ）回路３１が設けられている。

励磁回路１８Ａにはまた、Ａ相センサ３４ＡおよびＢ相センサ３４Ｂからなるセンサ３４Ａおよび３４Ｂが設けられている。各センサ３４Ａ（３４Ｂ）は、第３の磁性体１４（すなわち、この実施形態におけるロータ）の回転位置（角度）を検出し、第３の磁性体１４の回転に依存する位置パルス信号を発生する。好ましくは、各センサ３４Ａ（３４Ｂ）に組み込まれる検出部品は、ホール素子または光学式素子としてもよい。

永久磁石と数が等しい複数のホール（図示せず）がロータに形成される。各ホールが、各回転中にセンサ３４Ａ（３４Ｂ）のちょうど前に位置すると、センサは、パルス信号を発生することによって、ホールの到来に反応する。なお、センサ３４Ａ（３４Ｂ）として磁気式センサが用いられて、第３の磁性体１４の各永久磁石２０に反応する磁気センサ素子が使用される場合には、このようなホールは不要である。

Ａ相センサ３４Ａは、Ａ相励磁コイル１６用のドライバ回路に供給される位置パルス信号の検出を担当し、Ｂ相センサ３４Ｂは、Ｂ相励磁コイル１８用のドライバ回路に供給される位置パルス信号の検出を担当する。両方のドライバ回路は、図７に示すドライバ３２に組み込まれている。実際には、図示のように、両方のセンサ３４Ａおよび３４Ｂからの位置信号（すなわちパルス信号）は、第１および第２の磁性体１０および１４に励磁電流を供給するためのドライバに伝送される。

さらに、励磁回路１８Ａには、Ｍ−ＰＬＬ回路３１およびドライバ３２を制御するＣＰＵ（中央処理装置）３３が設けられている。

図８はドライバ３２の構成をブロック形式で詳細に示すが、このドライバには、Ａ相極性切替回路３２Ａ、Ｂ相極性切替回路３２Ｂ、Ａ相位相補正回路３２Ｃ、Ｂ相位相補正回路３２Ｄ、Ａ相バッファ３２Ｅ、Ｂ相バッファ３２Ｆ、Ｄ−ＰＬＬ回路３２Ｇおよび回転方向切替回路３２Ｈが含まれる。

水晶発振器３０によって発振される周波数信号をＭ分周することによって生成される基準信号が、Ｍ−ＰＬＬ回路３１からのこのドライバ３２に供給される。この基準信号は、Ａ相極性切替回路３２Ａにおいて極性切替にかけられてから、その位相を制御するためのＡ相位相補正回路３２Ｃに供給される。これと似た方法で、Ｍ−ＰＬＬ回路３１からの基準信号はまた、Ｂ相極性切替回路３２Ｂにおいて極性切替にかけられ、次に、その位相を制御するためのＢ相位相補正回路３２Ｄに供給される。

ＣＰＵ３３からの制御信号を回転方向切替回路３２Ｈに供給して、ロータ（またはスライダ）の正転（または前進移動）および逆転（後進移動）を選択的に切り替えるようにする。この切替回路３２Ｈは、ＣＰＵ３３の制御の下で動作し、正転／逆転のためのＣＰＵが発する命令に従って、Ａ相およびＢ相極性切替回路３２Ａおよび３２Ｂを制御する。

第３の磁性体１４の角度位置をそれぞれ示す、Ａ相およびＢ相センサ３４Ａおよび３４Ｂからの出力は、Ａ相およびＢ相位相補正回路３２Ｃおよび３２Ｄにそれぞれ供給される。さらに、Ａ相およびＢ相極性切替回路３２Ａおよび３２Ｂからの極性を切り替えられた基準信号が、Ａ相およびＢ相位相補正回路３２Ｃおよび３２Ｄにそれぞれ供給される。また、基準信号から生成された信号であって、その周波数がＤ−ＰＬＬ回路３２Ｊにおいて位相ロック後分周率Ｄで逓倍された信号が、位相補正回路３２Ｃおよび３２Ｄのそれぞれに供給される。

ＣＰＵ３３は、ファンユニットをどのように動作させるかに関する情報を、図示していない運転手段から受け取る。次に、ＣＰＵ３３は、このような情報を用いて、実際には第３の磁性体１４であるロータの回転速度（またはスライダの移動速度）を制御する。この制御のために、ＣＰＵ３３は、パラメータＭ用の所望の分周率（Ｍ分周率と呼ばれる）を、複数のＭ分周率が予めマップされた内部メモリから読み出す。読み出したＭ値に基づいて、ＣＰＵ３３は、基準信号の周波数を変化させる。Ｍ値に対する同様の制御は、後で詳述するが、Ｄ−ＰＬＬ回路３２Ｊ用の分周率Ｄの制御に適用される。これらの分周率は、ロータの回転速度（またはスライダの移動速度）など、第３の磁性体１４の所望の動作特性に依存して変更すべきである。このような動作特性は、内部メモリにおけるメモリテーブルに予めマップされたデータに反映される。

位相補正回路３２Ｃおよび３２Ｄは両方とも、互いに他と位相差のある励磁パルス信号を、制御された方法でＡ相およびＢ相励磁コイル１６および１８に供給する役割を果たす。この制御は、第３の磁性体１４の回転（または直線移動）のために必要である。位相補正回路３２Ｃおよび３２Ｄのそれぞれは、Ａ相およびＢ相励磁パルス信号それぞれの位相を、Ａ相およびＢ相センサ３４Ａおよび３４Ｂそれぞれからの位置パルス信号と同期させることによって補正を実行する。

Ａ相バッファ３２Ｅおよび３２Ｆのそれぞれは、Ａ相およびＢ相励磁コイル１６および１８のそれぞれに、位相補正された励磁信号を供給するための回路手段として働く。

ここで、図９Ａ〜９Ｄを参照し、電動モータとして働く前述したファンユニットの機械的構成を詳述する。図９Ａは、分解されたファンユニットの斜視図を示す。図９Ｂは、ロータ（羽根）の平面図である。図９Ｃは、Ａ相励磁コイル（第１の磁性体における）の平面図である。図９Ｄは、Ｂ相励磁コイル（第２の磁性体における）の平面図である。

モータ（すなわちファンユニット）には、モータのステータとして働くペアにされたＡ相（第１の）およびＢ相（第２の）磁性体１０および１２、ならびにロータとして働く第３の磁性体１４が、必要に応じて設けられている。第３の磁性体１４は、Ａ相およびＢ相磁性体１０および１２間に、その間にはさまれるように配置され、第３の磁性体（すなわちロータ）１４は、中心点Ｏを通る中心軸を中心に回転可能である（図９Ｂ〜９Ｄを参照されたい）。

ロータ１４には、６つの永久磁石２０（たとえば図２を参照されたい）が円周方向に沿って等間隔に配置される。６つの永久磁石２０の極性は、隣接したものと交互に反対になっている。これと同様に、６つの励磁コイル１６が、円周方向に沿って等間隔でステータ１０（第１の磁性体）に配置され、６つの励磁コイル１８が、円周方向に沿って等間隔でステータ１２（第２の磁性体）に配置される。コイル１６および１８はまた、たとえば図２で、それらの機能の点から説明した。

また図９Ａおよび９Ｃに示すように、光学式センサへと形成されているＡ相およびＢ相センサ３４Ａおよび３４Ｂは、２つのセンサ３４Ａおよび３４Ｂ間で固定されたπ／２［ｒａｄ］の角度差をもって、第１の磁性体１０用のケースの内壁に配置されている。このπ／２［ｒａｄ］の角度差は、Ａ相およびＢ相励磁コイル１６および１８にそれぞれ供給される２種類の励磁パルス信号間の固定された所定の位相差に依存して決定される。

既述のように、ディスク状のロータ、すなわち第３の磁性体１４の円周端に沿って、複数のホール（ノッチ）３５が、等しい角度間隔で形成されている。この例において、ホール３５の数は６であり、その数は、ロータの円周方向に沿って等間隔に配列された永久磁石２０の数に等しい。各センサ３４Ａ（３４Ｂ）は、光エミッタおよび光レシーバを備えている。各ホール３５は、放射された光ビームを吸収するホールとするかまたは光吸収材料で充填されるように構成されている。したがって、光エミッタから放射された光ビームは、ホール３５以外のロータ（第３の磁性体１４）における部分には反射されるが、しかしホール３５には吸収される。すなわち、各ホール３５が各センサ３４Ａ（３４Ｂ）の前に位置するときには、放射された光ビームは吸収され、光反射は生じない。

したがってロータの各回転中に、各ホール３５が各センサ３４Ａ（３５Ｂ）の前を通過するたびに、センサは、各ホール３５が各センサ３４Ａ（３４Ｂ）のちょうど前にある場合には、検出位置に光反射がないということを利用して、パルス信号を発生する。したがって、各センサ３４Ａ（３４Ｂ）は、ロータの回転速度およびホール３５の数の両方に依存する周波数の、位置パルス信号と呼ばれるパルス信号を発生することができる。

円形の開口部３００がロータ１４ならびにステータ１０および１２それぞれの中心部に形成され、その結果、流体の流れを通過させる。さらに、羽根（ファンを構成している）３０２のセットが、ロータ１４の１構造としてロータ１４に装着されて、ロータ１４の開口部３００を覆うように位置している。したがって、ロータ１４の回転は、流体が開口部３００を通過するための吸引手段として働く羽根３０２の回転に直接つながる。この構成によって、羽根３０２は流体が通過する経路に位置され、所定の方向に沿って開口部３００を通過するように、流体を強制的に吸引することができる。

ロータを回転させるための機構、換言すれば、前述の永久磁石ならびにＡ相およびＢ相励磁コイル１６および１８は、ロータ１４ならびにステータ１０および１２に配置されているが、ロータ１４ならびにステータ１０および１２は、開口部３００の中心軸がロータ１４ならびにステータ１０および１２の共通軸として働くように、開口部３００を固定するものとして組み立てられている。したがって、ロータ１４の回転によって、流体は開口部３００を通って下流に吸引される。開口部３００に電動モータが存在せず、これは、流体の流れに抵抗する障害が経路にはないことを意味する。

図１０は、Ａ相およびＢ相励磁パルス信号を得るための波形パターンを示すが、この処理は、ドライバ３２によって行なわれる。これらの波形パターンにおいて、パターン（１）は基準信号を示し、パターン（２）および（３）は、Ａ相およびＢ相センサ３４Ａおよび３４Ｂからの位置パルス信号をそれぞれ示す。既述のように、Ａ相およびＢ相センサ３４Ａおよび３４Ｂは両方とも、検出される位置パルス信号の位相に特定の差があるようにモータに置かれている。図１０に示す例において、このような位相差はπ／２である。

前述のＡ相位相補正回路３２Ｃは、公知のＰＬＬ制御を実行し、Ａ相センサ３４Ａからの検出された位置パルス信号（波形パターン（２））の位相を、基準パルス信号（波形パターン（１））の位相と同期させる。その結果、パターン（４）に示す、Ａ相励磁コイルｌ６を励磁するパルス信号が生成されて、Ａ相バッファ３２Ｅに伝送される。バッファ３２Ｅは、信号に対してＰＷＭ制御を実行する特定周波数のパルス信号を位相補正回路３２Ｃから受信するスイッチングトランジスタ回路を有する。

Ｂ相位相補正回路３２Ｄは、上記と同じ方法で動作するように構成されている。図１０における波形パターン（５）は、Ｂ相位相補正回路３２Ｄから、Ｂ相励磁コイル１８用のＢ相バッファ３２Ｆに出力される特定周波数のパルス信号を示す。波形パターン（４）と（５）を比較すると、Ａ相およびＢ相励磁コイル１６および１８にそれぞれ供給される励磁パルス信号間には、π／２の相対的な位相差がある。

図１１は、モータの回転（またはスライダの移動）を逆にするのに必要な波形パターンを示すが、この図に示す波形パターン（１）〜（５）は、図１０の波形パターン（１）〜（５）に相当する。図１０および１１における波形パターン間の比較から明らかなように、Ｂ相励磁コイル１８に供給される励磁パルス信号に関してのみ違いがある。具体的には、図１０および１１の波形パターン（５）によって示すように、励磁パルス信号の極性は、互いに逆転されている。励磁パルス信号が、図１０のパターン（５）から図１１のパターン（５）に変化された場合には、制動力が、図１０の波形パターンの制御の下でなされる回転（またはスライディング）に印加される。

図１２は、前述のＡ相およびＢ相バッファ３２Ｅおよび３２Ｆのそれぞれを詳細に示す。このバッファには、スイッチングトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４のセットおよびインバータ３５Ａを含む回路が含まれ、これらのスイッチングトランジスタおよびインバータは、Ａ相およびＢ相励磁コイルのそれぞれに印加される励磁パルス信号を生成する役割を果たす。

論理信号「Ｈ」が、図１２に示すバッファに印加されると仮定する。この信号の印加によって、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３およびＴＲ４が、それぞれ、ターンオフ、ターンオン、ターンオンおよびターンオフされ、Ａ相またはＢ相励磁コイル１６または１８を通る励磁パルス電流Ｉｂ（矢印Ｉｂを指す）が結果としてもたらされる。

これとは異なり、論理信号「Ｌ」が図１２に示すバッファに印加されると、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３およびＴＲ４は、それぞれ、ターンオン、ターンオフ、ターンオフおよびターンオンされる。したがって前述の電流Ｉｂと方向が反対の励磁パルス電流Ｉａ（矢印Ｉａを指す）が、Ａ相またはＢ相励磁コイル１６または１８を通って流れる。結果として、前述のように、Ａ相およびＢ相励磁コイル１６および１８用の励磁パターンは、交互に変化させることができる。

本実施形態において、ロータおよび／またはステータ、すなわち、第３の磁性体１４ならびに／または第１および第２の磁性体１０および１２の形状を、円形の外形として説明した。しかしながら、これは最終的なリストではなく、これらの部材は、円弧状の外形または楕円の外形をしていてもよい。さらに、ホール３５の数もまた、永久磁石の数と等しい値に限定されず、別の値に変更してもよい。例として、ホールの数は１または複数であってもよい。

図１３Ａおよび１３Ｂは、羽根／フレーム構造および回転機構のような前述の様々な構造を用いるファンユニット４００を示すが、しかしファンユニット４００は、単純化して描いてある。図１３Ａは、軸方向に沿ったファンユニットの平面図であり、図１３Ｂは、図１３Ｂにおける線Ａ−Ａに沿った断面図である。これらの図において、符号３０４は、フレーム部（図１Ａおよび１Ｂに示す円環状の外周フレーム１を含む）を示し、符号３０６はガイドを示し、符号３０８はベアリングを示す。フレーム部３０４内では、複数の永久磁石２０が円周方向に沿って配列されているが、これらは図９に示す。フレーム３０４は、ベアリング３０８を用いてガイド３０６に沿って支持されている。

図１４は、ファンユニット４００の実際的な適用例の一例を示す。この例において、ファンユニット４００は、入口３１１と直径をより大きくされた出口３１２とを備えたダクト３１０に付設される。単一のファンユニット４００が、ダクト３１０の途中に配置されている。前述のＡ相およびＢ相励磁パルス信号がファンユニット４００で生成されると、羽根を備えたロータが回転する。これによって、ガスまたは空気などの流体が、入口３１１を通って引き込まれ、出口３１２から強制的に送り出される。

図１５は、ファンユニット４００の実際的な適用例の別の例を示す。この例は、同じ流体経路に沿って複数のファンユニット４００を用い、図１４に示す構成とは異なっている。図１５に示すように、複数のファンユニット４００（たとえば４つのユニット）が、多段階の羽根構造を構成するために、ダクトの経路に沿って連続して並べられている。

図１６は別の例を示す。この例は、複数のファンユニット４００が用いられている点で図１５の例と類似している。しかしながら、この例では、これらのファンユニット４００は、単一のプレートに組み合わされて、多数の並列の羽根の構造を構成する。図１５および１６の両方の構造を互いに組み合わせることができる。

図１７Ａおよび１７Ｂは別の例を示すが、ここで、前述のファンユニットでそれぞれ構成された２つのファンユニット４００が、ダクト６２０のダクト開口部６２０Ａに近接して、ダクト６２０に連続して配置されている。

図１８Ａおよび１８Ｂは別の適用例を示すが、ここで、前述のファンユニット４００は、重量部６３１を有する飛行船６３０に適用される。浮動部として働くファンユニット４００が、重量部６３１の上に配置されている。

前述の実施形態およびその様々な適用例において、Ａ相およびＢ相励磁コイルの両方への励磁パルス電流の供給を停止することによって、動的な制動制御が、ロータの回転により実行される。さらに、ロータが磁力で回転するので、ファンユニットは、爆発性ガスが流れる経路に適用可能である。ロータを回転させるモータの構造は、前述の構造に限定されない。

前述の説明は、目標とする流体の流れを発生する羽根の回転に向けられているが、しかし上記と反対の方法もまた実現できる。換言すれば、入ってくる流体でファンユニット４００を強制駆動させ、それによって、ファンユニット４００が発電機として働けるように構成することができる。さらに、統合した適用もまた可能である。たとえば、Ａ相励磁コイルを発電機として用い、他方でＢ相励磁コイルを回転負荷の制御のために用いる。この構成では、羽根が流体の流れにおける急激な変動に遭遇した場合であっても、Ｂ相励磁コイルによってなされる負荷制御により、ファンユニット４００の一定した回転数が得られ、これによって、安定した電圧が容易に発生される。

図１９は、また、前述のファンユニットを用いることによって、熱交換システムが組み立てられている適用例を示す。この熱交換システムでは、羽根を備えたロータ３１０が回転自在に収容されているハウジング３００が設けられている。ロータ３１０の外周部は、ハウジング３００に形成された凹部に装着されたベアリング３０６によって回転自在に支持され、永久磁石３０４を備えたプレート部で構成されている。永久磁石３０４のアレイである外周部の前側および後側は、ハウジング３００における凹部の両方の内壁に配置されたそれぞれ対向した励磁コイル３０８である。ベアリング３０６はセラミックスで作製され、磁気負荷から除くことができる非磁性体である。

ハウジング３００内のロータ３１０はコンプレッサとして働き、上流セクション３２２において熱交換材（代替フレオン（Ｆｒｅｏｎ）など）を加圧し、加圧材料を隣接する下流セクション３２４へ送る。この下流セクション３２４は、加圧材料に蓄積された熱の放出のために、経路３０１を介して熱交換器３１２に接続されている。熱交換器３１２は、暖房フィン３１４と組み合わされている。熱交換器３１２は、経路３０３を介してさらなる熱交換器３２０に接続されている。この熱交換器３２０は、冷却フィン３１６と組み合わされている。材料が熱交換器３２０を通っている間に、材料は環境熱を吸収して気化し、気化した材料が、経路３０５を介して上流セクション３０２に戻る。この熱交換システムにおいて、ロータ３１０、すなわち羽根は、励磁コイルの２つの対向するアレイ間に回転自在に支持されている。したがって、羽根の支持部および駆動部の両方を１つの構造部材に組み合わせることができ、これによって、羽根およびハウジングの両方を小型にすることができる。この冷却システムがプロジェクタなどの映像装置に付設される場合には、既存の装置と比較して、冷却動作をより効果的にすることができる。

図２０は、冷却用の熱交換器３２０が電子機器の熱源部３５０に付設される点を除いて、図１９の適用例と類似した別の適用例を示す。したがって、光源および半導体回路などの熱源を効果的に冷却することができる。

図２１は、前述のファンユニット６９９がまた用いられている別の適用例を示す。すなわち励磁コイルを備えた相互に対向する２つのステータ７００間で、永久磁石を備えたロータ７０２が、ハウジング７０４に配置されたベアリング７０６によって回転自在に支持されている。大型の羽根７０８が、ロータ７０２に装着されている。開口部７０７が、ロータ７０２の中心部に、ロータ７０２を通って形成されている。羽根７０８を小型にすることが、人体に適用可能な、血液循環用のポンプにつながる。ロータ７０２（すなわち羽根７０８）の回転によって、血液は開口部７０７を通って下流に流れるようにされる。ロータ７０２の回転位置を検出するセンサ７０９が、ハウジング７０４に固定されている。

図２１に示す上記のポンプはまた、図２２に示すように用いることができるが、ここでポンプは、植物用の培養液を吐出するように構成されている。上流側の複数の種類の栄養分ＡおよびＢならびに水分が、ロータ７０２の回転に反応して開口部７０７を通って流される際に共に混合され、混合水が下流に吐出される。

図２３Ａおよび２３Ｂ〜２５Ａおよび２５Ｂは、本実施形態によるファンユニットの他の例を示すが、ここでは、前述のファンユニット４００が、さらに修正されている。より容易に理解するために、図２１および２２で用いた符号を、説明のために再び用いる。

図２３Ａおよび２３Ｂに示すファンユニット７１０の場合、ハウジング７０４は、ほぼ円筒形状および短軸形状に形成され、その中に羽根７０８を収容している。羽根７０８は、ハウジング７０４の放射中心に配置された回転シャフト７１１を中心に回転するように配置されている。回転シャフト７１１は、回転シャフト７１１の両方の軸端部に配置された１ペアのベアリング７１２によって、回転自在に支持されている。ハウジング７０４の両方の軸側部で、各ベアリング７１２は、３つの支持棒７１３によって、ハウジング７０４の円周の外周部に接続されている。残りの構成要素は、構成および動作において、図２１および２２のそれらと同一かまたは類似している。したがって、羽根７０８は、前述と同じ原理に基づいて、中央の回転シャフト７１２を中心に回転することができる。羽根７０８が中央の回転シャフト７１２によって支持されるので、羽根７１２の支持構造は単純化することができる。

図２３Ａおよび２３Ｂにおける構造は、図２４Ａおよび２４Ｂに示すように、さらに修正できる。この構造は、励磁コイル７００を備えた第１および第２の磁性体がファンユニット７２０の軸方向と平行に形成されている以外は、図２３Ａおよび２３Ｂのそれとほぼ類似している。永久磁石７０２を備えた第３の磁性体は、励磁コイル７００を備えた第１および第２の磁性体間に、また軸方向と平行に挿入される。羽根７０８は、Ｌ形接続部７２１を用いて、第３の磁性体と結合される。したがって、このファンユニット７２０は、前述と同じ方法で動作することがまた可能である。

さらに図２５Ａおよび２５Ｂにおける構造はまた、修正されたファンユニット７３０であるが、ここには、ハウジングの軸方向に沿って見ると矩形形状に形成されたハウジング７３１がある。図２４Ａおよび２４Ｂで上記したのと同様に、回転シャフト７３２が中心に配置されているが、しかしただ１つのベアリング７３３が、回転シャフト７３２を支持している。したがって、ベアリング７３３およびハウジング７０４を接続する支持棒は、ハウジング７０４のただ１つの軸側部に配置されている。すなわち、片側ベアリングシステムの支持部が用いられている。励磁コイル７００を備えた第１および第２の磁性体のそれぞれは、図２５Ｂに示すように、４つの角にそれぞれ配置された４つのセクションに分割される。したがって、このファンユニット７２０は、前述と同じ方法で動作することがまた可能である。

本発明は、前述の実施形態に示す構成に限定されるのではなく、当業者は、特許請求の範囲内で適切に変更または変形された様々な構成を生み出すことができる。

本発明の実施形態によるファンユニットの斜視図である。 磁性体の構造的構成と共に、ファンユニットによって用いられる磁性体の動作原理を示す。 磁性体に配置された励磁コイルの電気接続を示す回路である。 励磁コイルにパルス電流を供給する励磁回路の電気的な構成を示すブロック図である。 励磁回路が用いるドライバの電気的な構成を示すブロック図である。 実施形態に従う、分解されたファンユニットを詳細に示す斜視図である。 図９Ａのファンユニットが用いる第３の磁性体（すなわちロータ）を示す平面図である。 図９Ａのファンユニットが用いる第１の磁性体（すなわちステータ）における励磁コイル（Ａ相励磁コイルと呼ばれる）を示す平面図である。 図９Ａのファンユニットが用いる第２の磁性体（すなわちステータ）における励磁コイル（Ｂ相励磁コイルと呼ばれる）を示す平面図である。 励磁コイルを励磁するために必要な処理を示すパルス信号のタイミング図であり、処理はドライバによって行なわれる。 ドライバが用いたバッファの構成を示す電気回路である。 ファンユニットの全体的な配置構成を示すためにファンユニットの輪郭を表わす平面図である。 図１３Ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 実施形態に従ったファンユニットの適用例を示す。 実施形態に従ったファンユニットの他の適用例を示す。 実施形態に従ったファンユニットの別の適用例を示す断面図である。 図１７Ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 実施形態に従ったファンユニットの別の適用例を示す平面図である。 図１８Ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 実施形態に従ったファンユニットの別の適用例をさらに示す。 実施形態に従ったファンユニットの別の適用例を示す平面図である。 図２３Ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 実施形態に従ったファンユニットの別の適用例を示す平面図である。 図２４Ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。 実施形態に従ったファンユニットの別の適用例を示す平面図である。 図２５Ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。

符号の説明

１０：第１磁性体、１２：第２磁性体、１４：第３磁性体（ロータ）、１６,１８：電磁コイル、２０：永久磁石、３００：開口、３０２:羽構造、３１０：流路

Claims (14)

1. ロータおよび前記ロータのための制御回路を有する電動回転機械であって、前記制御回路が、前記ロータの正転および逆転を選択的に切り替える電動回転機械と、
   前記ロータと一体化された羽根構造と、
   を含むファンユニット。
2. 前記ロータを回転させるための回転機構をさらに含むファンユニットであって、
   前記ロータが、その中央部において、流体を流させる方向に開口部を有するように形成され、
   前記羽根構造が、ロータと一体化されるように前記開口部の外周部と結合され、前記外周部が、その中に前記回転機構を組み込んでいる、請求項１に記載のファンユニット。
3. 前記電動回転機械が、第１の磁性体と、間にスペースを置いて前記第１の磁性体に面して配置された第２の磁性体と、前記第１および第２の磁性体間に配置され、かつ前記スペースにおける所定の方向において、前記第１および第２の磁性体の両方に対して相対的に移動可能に構成された第３の磁性体と、を設けられ、
   前記第１および第２の磁性体のそれぞれが、電流で励磁可能な複数の電磁コイルであって、前記第１の磁性体の前記電磁コイルおよび前記第２の磁性体の前記電磁コイルの両方の配列ピッチに相対的な差があるように各磁性体に沿って順番に配置された複数の電磁コイル、を有し、
   前記第３の磁性体が、所定の磁極に磁化されかつ前記第３の磁性体に沿って順番に配置された複数の永久磁石を有し、前記第３の磁性体が、前記ロータとして働くように、前記羽根構造と一体化されている、請求項１または２のいずれか一項に記載のファンユニット。
4. 前記第１および第２の磁性体のうちの少なくとも１つにおける前記電磁コイルに励磁電流を供給するように構成された励磁回路手段をさらに含む、請求項３に記載のファンユニット。
5. 前記励磁回路手段が、前記第１および第２の磁性体の前記電磁コイルに前記励磁電流を供給するように構成され、前記励磁電流が、前記第１および第２の磁性体のそれぞれの前記電磁コイルに、同じ磁極を与えるように設定されている、請求項４に記載のファンユニット。
6. 前記第１の磁性体の前記電磁コイルに供給される前記励磁電流が、前記第２の磁性体の前記電磁コイルに供給される前記励磁電流とは位相が異なっている、請求項５に記載のファンユニット。
7. 前記第１、第２および第３の磁性体のそれぞれが、円形アーチ形状に形成されている、請求項２〜６のいずれか一項に記載のファンユニット。
8. 前記第１および第２の磁性体の両方が、それらの間に等しい空間的距離を維持して配置され、前記第３の磁性体が、前記第１および第２の磁性体の中央位置に位置している、請求項２〜７のいずれか一項に記載のファンユニット。
9. 前記羽根構造が、前記羽根構造の中心にホールを有するように形成されている、請求項２に記載のファンユニット。
10. 前記ロータを回転自在に支持する支持装置をさらに含み、前記支持装置が、前記ロータの回転中心に配置されている、請求項１に記載のファンユニット。
11. 前記ロータを回転自在に支持する支持装置をさらに含み、前記支持装置が、前記ロータの外周部のまわりに配置されている、請求項１に記載のファンユニット。
12. 前記電動回転機械が電動モータである、請求項１に記載のファンユニット。
13. 前記電動回転機械が電動発電機である、請求項１に記載のファンユニット。
14. 熱交換媒体用のコンプレッサを有する熱交換システムであって、前記コンプレッサが、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のファンユニットを含む熱交換システム。

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