JP2010172048A

JP2010172048A - 電動機

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Publication number: JP2010172048A
Application number: JP2009009478A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Okamoto; 哲夫岡本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: US8193671B2; CA2749919A1; BRPI0924216A2; WO2010084530A1; KR20110091823A; TWI362810B; KR101066176B1; CN102326322A; TW201029297A; RU2011134593A; US20110273046A1; EP2381564A1; JP4309962B1

Abstract

【課題】設計及び製作が簡単で、且つ、小電流で動作可能な電動機を提供することにある。
【解決手段】第１の固定永久磁石４５と第２の固定永久磁石５０を有する固定子５５と、巻線部と間隙部とに分割された第１のスイッチング巻線１５を有する第１のリング状コア１０と、巻線部と間隙部とに分割された第２のスイッチング巻線２０を有する第２のリング状コア１２と、互いに駆動軸６０で連結された、第１の回転永久磁石２５を有する第１の回転子３５と、第２の回転永久磁石３０を有する第２の回転子４０とを有し、第１、第２のスイッチング用巻線１５、２０は、それぞれ第１、第２の電源部１２５−１、２と第１、第２のスイッチ部７５−１、２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子及び固定子が共に永久磁石により構成される電動機に係り、詳しくは、回転子及び固定子の間に配備されたスイッチ巻線により、回転子及び固定子間の吸引、反撥を制御して回転力を得る電動機に関する。

特許文献１には、磁極を等角間隔を置いて同一円周上に列設した円筒状磁鉄心のこれら対の磁極のうち一方のみを囲堯して隈取用非鉄金属環を設け、単相交流電源に接続すべき線輪を有する固定子とし、該固定子の磁極群から小空隙離れて可回動的に任意個数の焼結材料の小耐久磁石を設けた回転子からなる同期電動機が記載されている。

図８は、特許文献１の同期電動機の縦断面図である。図８において、線輪２に単相交流を通ずるときは固定子の構造上円筒鉄心１の上方端部５、６の磁極極性は順次移動するが、この際回転子の放射腕３の先端小軸に設けてある小磁石４は、それに最も近く配在してある固定子側の磁極５、６との磁気的吸引及び反撥の関係から若干回動し、次いで回転子側の規定している所定方向へと極めて滑らかに回転を起こし、後爾線輪２に電流を流しておる限り回転を接続することができる。すなわち本モータにおいては、スタートに際し線輪３に電流が流れると共に小磁石体４は小軸のまわりに若干回動して回動力を受ける最も適切な位置を取って始動をなすのであって、この小磁石体４は宛も月が地球の周りを公転するような関係がある。

特許文献２には、同一回転軸に誘導電動機Ａの回転子と同期電動機Ｂの回転子とを設け、該同期電動機の回転子はその固定子側磁極に面する全周面又は極面に凡て同一磁極が現れるよう磁石化し、尚その固定側磁極にそれぞれ捲装の励磁線輪は交互に捲回方向を変えて直到に所定周波数電源に接続し、別に固定子側ヨークから回転子に至る磁路は非磁性体を以って分離し、誘導電動機Ａにより主として回転軸の起動及び回転持続を行なわせ、同期電動機には真空管回路の一定周波数の出力を与えて該回転軸を一定速度を以って回転するよう補整する同期電動装置が記載されている。

図９は、特許文献２の同期電動装置の内部構造を示すための一部縦断面図である。図９において、同期電動機Ｂの回転子をば全周面凡てＮ極又はＳ極にし、且ヨークは内外の２部分８、９に分け両者の間の磁路抵抗を可調整の極めて高い値にとってあるがため、スタートの際は極めて少ない抵抗の下に小型の誘導電動機Ａで間に合うし、且又所定の回転速度に近いスピードに到達させるにも、発電作用に基づく強い抵抗を受けることが無い。

即ち真空管回路から得る出力の周波数で決まる所定の回転速度の（＋）（−）近くに回転軸２を小型誘導電動機Ａにより容易にスタートさせて正常の回転状態に入らせることができ、しかも回転軸７を所定回転速度に保持するため補整さようだけを、真空管回路から得る出力を以って同期電動機Ｂを制御すれば足りるから同期電動機Ｂに要する電力は少なくて事足り機械装置全体の設計は頗る容易且低廉に製作することができる。

このように、特許文献１における発明の同期電動機は、単相交流電源に接続される線輪を有する固定子と、小耐久磁石を設けた回転子とから構成されている。また特許文献２における発明の同期電動装置は、商用交流電力の供給を受ける励磁線輪を有する固定子と籠型回転子とから成る一般形式の誘導電動機Ａと、励磁線輪ａ〜ｈを有する固定子と磁化された硬磁性材の回転子とから成る同期電動機Ｂとから構成されている。すなわち、いずれの構成においても、回転子の永久磁石を覆うように、同心円状に固定子が設けられ、励磁用のコイルに電流を流し、回転磁界を発生させることにより回転力を得ている。この回転力を得るために要する電流は、必要とするトルクを得るために十分な多くの電流を要する。また、固定子と回転子を同心円状に配置するため、固定子と回転子との間隙を精度良く保つ必要があり、高度な設計及び製作技術を必要とする。

特許出願公告昭３３−５０１１号公報特許出願公告昭３３−１９６１号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、設計及び製作が簡単で、且つ、小電流で動作可能な電動機を提供することにある。

本発明の電動機は、一方の側に複数個からなる第１の固定永久磁石を有し、他方の側に前記複数個と同数の第２の固定永久磁石を有し、前記複数個の第１、第２の固定永久磁石の互いに対向する磁極が異極となるよう配備された固定子と、巻線部と間隙部とに分割された分割数が前記複数個と同数に分割されて巻かれた第１のスイッチング巻線を有し、第１の固定永久磁石側に配備されて固定された第１のリング状コアと、巻線部と間隙部とに分割された分割数が前記複数個と同数に分割されて巻かれた第２のスイッチング巻線を有し、第２の固定永久磁石側に配備されて固定された第２のリング状コアと、互いに駆動軸で連結された、第１のスイッチング巻線に対向した前記複数個と同数の第１の回転永久磁石を有する第１の回転子と、第２のスイッチング巻線に対向した第１の回転永久磁石と同極に対向した前記複数個と同数の第２の回転永久磁石を有する第２の回転子と、を有し、第１、第２のスイッチング用巻線は、それぞれ第１、第２の電源部と第１、第２のスイッチ部とを有し、第１、第２の回転子の回転のタイミングを基に第１、第２のスイッチ部が動作することにより第１、第２の電源部から第１、第２のスイッチング用巻線に電流が供給され、第１、第２の回転板による回転が制御されることを特徴とする。

本発明の電動機の第１のスイッチング巻線の巻線部の中央部が複数個の第１の固定永久磁石がそれぞれ互いに接する隣接部に対向して巻かれ、第２のスイッチング巻線の巻線部の中央部が前記複数個の第２の固定永久磁石がそれぞれ互いに接する隣接部に対向して巻かれていることを特徴とする。

本発明の電動機によれば、回転トルクの大きさは各永久磁石の磁界の強さで決まり、この磁界による相互作用を制御するためのスイッチング用巻線の電流は小電流でよいため、電動機に要する電力が少なくて済む。また、固定子と回転子とは、同じ回転軸に所定の間隙を持って容易に配置できるため、高度な設計及び製作技術を必要としない。これにより小電力で動作可能な、簡易な電動機を提供することが可能となる。

本発明の電動機の構成を示す構成図。本発明による固定子の構成を示す固定子構成図。本発明によるスイッチング用巻線の接続構成を示す接続回路図。本発明によるリング状コアと固定子カバーとの組立構成を示す組立図。本発明による回転子の構成を示す回転子構成図。ロータリースイッチと回転軸との接続を示す接続図。電子スイッチによる回路接続図。特許文献１の同期電動機の縦断面図。特許文献２の同期電動装置の内部構造を示すための一部縦断面図。

本発明の実施の形態について、図を参照しながら説明する。図１は、本発明の電動機の構成を示す構成図である。図１において、電動機２００は、一方の側に４個からなる第１の固定永久磁石４５を有し、他方の側に該４個と同数の第２の固定永久磁石５０を有し、第１、第２の固定永久磁石の互いに対向する磁極が異極となるよう配備された固定子板５５を有している。

また、第１の固定永久磁石４５側に配備され、固定された第１のリング状コア１０に巻線部と間隙部とがそれぞれ４つに分割されて巻かれた第１のスイッチング用巻線１５と、第２の固定永久磁石５０側に配備され、固定された第２のリング状コア１２に巻線部と間隙部とがそれぞれ４つに分割されて巻かれた第２のスイッチング用巻線２０とを有している。

さらに、互いに回転軸６０で連結された、第１のリング状コア１０に対向した前記４個と同数の第１の回転永久磁石２５を有する第１の回転子３５と、第２のリング状コア１２に対向した前記４個と同数の第２の回転永久磁石３０を有する第２の回転子４０とを有している。第１の回転永久磁石２５と第２の回転永久磁石３０との対向する磁極は、互いに同極となるように配置されている。なお、固定永久磁石の数及び回転永久磁石の数が共に４の場合について説明しているが、同数であれば、２以上の任意の数であっても良い。

固定子５５と第１のリング状コア１０と第２のリング状コア１２とは、固定子カバー８５により台座９０に固定されている。回転軸６０は、軸受６５、７０により支持され、固定子カバー８５を介して、台座９５に固定されている。第１のスイッチング用巻線１５に接続された第１のスイッチ部８０、及び第２のスイッチング用巻線２０に接続された第２のスイッチ部８５は、それぞれ回転軸６０に固定され、且つ、ブラシ８０−１、８０−２を介し、それぞれの電源部９０−１、９０−２に接続され、回転子３５、４０の回転動作とスイッチ部８０、８５のスイッチ動作とは同期して動作する。次に、電動機２００の詳細な構成について説明する。

図２は、本発明による固定子の構成を示す固定子構成図である。固定子５５の一方の側に４個の第１の固定永久磁石４５を有し、他方の側に同数の４個の第２の固定永久磁石５０を有し、第１、第２の固定永久磁石４５、５０の対向する４個の磁極が互いに異極となるよう配備されている。この固定子５５は、固定子カバー８５を介して台座９０に固定されている。

図３は、本発明によるスイッチング用巻線の接続構成を示す接続回路図である。図３ａにおいて、第１のリング状コア１０には第１のスイッチング用巻線１５が、巻線部と間隙部とがそれぞれ４つに分割されて巻かれている。第１のスイッチング用巻線１５の両端には、第１の電源部１２５−１、第１のスイッチ部７５−１、及び逆流防止用ダイオード１３０−１が直列に接続されて、閉回路を構成している。

図３ｂにおいて、第２のリング状コア１２には第２のスイッチング用巻線２０が、巻線部と間隙部とがそれぞれ４つに分割されて巻かれている。また、第１、第２のスイッチング用巻線１５、２０の巻線部と間隙部とは、互いに対向するように巻かれている。第２のスイッチング用巻線２０の両端には、第２の電源部１２５−２、第２のスイッチ部７５−２、及び逆流防止用ダイオード１３０−２が直列に接続されて、閉回路を構成している。

図４は、本発明によるリング状コアと固定子カバーとの組立構成を示す組立図である。第１のリング状コア１０と第２のリング状コア１２とは、互いに固定子５５（図示されず）を挟んで両側に配置されて同一の固定子カバー８５に固定され、且つ固定子カバー８５は台座９０に固定されている。

図５は、本発明による回転子の構成を示す回転子構成図である。図５において、図４に示される第１のリング状コア１０と第２のリング状コア１２とにそれぞれ対向し、４個の第１の回転永久磁石２５を有する第１の回転子板３５と、４個の第２の回転永久磁石３０を有する第２の回転子板４０とが、互いに回転軸６０で連結されている。また、第１の回転永久磁石２５と第２の回転永久磁石４０は、互いに同極に対向して配置されている。回転軸６０は、図１における軸受６５、７０により支持され、固定子カバー８５を介して、台座９０に固定されている。

図６は、ロータリースイッチと回転軸との接続を示す接続図である。図６ａ、ｂは、第１のスイッチ部７５−１と第２のスイッチ部７５−２とがロータリースイッチで構成され、回転軸６０に接続されている。第１のスイッチ部７５−１と第２のスイッチ部７５−２として機能する各ロータリースイッチは、図３ａ、ｂに示されるように、第１の電源部１２５−１、及び逆流防止用ダイオード１３０−１と直列に接続されて第１のスイッチング用巻線１５と閉回路を構成し、同様に、第２の電源部１２５−２、及び逆流防止用ダイオード１３０−２と直列に接続されて、第２のスイッチング用巻線２０と閉回路を構成している。ロータリースイッチの端子間には、ロータリースイッチに発生するスパークを吸収するスパーク吸収用のコンデンサー９５−１、９５−２がそれぞれ接続されている。このロータリースイッチは、回転軸６０の回転角に応じてオン、オフする。

図７は、電子スイッチによる回路接続図である。図６の機械式スイッチであるロータリースイッチは、電子式スイッチであるパワーＭＯＳ１００−１、１００−２にそれぞれ置き替えられても良い。図７ａ、ｂにおいて、図５に示される第１及び第２の回転子３５、４０の回転角を検出する第１及び第２のホールセンサ（図示せず）の出力が、抵抗１１０−１、１１０−２を介してパワーＭＯＳ１２０−１、１２０−２のゲートにそれぞれ入力され、スイッチング素子として機能する。抵抗１０５−１、１０５−２は、ゲートへのバイアス電圧を生成している。また、パワーＭＯＳ１００−１、１００−２は、第１の電源部１２５−１、第２の電源部１２５−２、及び逆流防止用ダイオード１３０−１，１３０−２とそれぞれ直列に接続されて第１のスイッチング用巻線１５、及び第２のスイッチング用巻線２２と閉回路を構成している。パワーＭＯＳ１２０−１、１２０−２の一端と接地間には、スパーク吸収用コンデンサー１１５−１、１１５−２がそれぞれ接続されている。

次に図１において、電動機２００の動作について説明する前に、図１に示される各々の永久磁石の位置関係において、第１の回転子板３５と第２の回転子板４０と、さらに固定子５５とが、それぞれ独立した回転軸を有するよう構成した場合を説明する。このような構成において、第１のリング状コア１０の第１のスイッチング用巻線１５に電流を流さない状態で、第１の回転子板３５を例えば手動により回転させた場合、固定子５５は静止状態を維持したままである。ところが、第１のスイッチング用巻線１５に電流を流した状態で第１の回転子板３５を回転させた場合は、対向する回転永久磁石２５と固定永久磁石４５の異極同士が引き合うように、固定子５５は第１の回転子板３５の回転に追従して回転を開始する。このように、第１の回転子板３５と固定子５５の磁界による相互作用を、第１のスイッチング用巻線１５の電流で制御できる。

また、第２のリング状コア１２の第２のスイッチング用巻線２０に電流を流さない状態で、第２の回転子板４０を回転させた場合、固定子５５は静止状態を維持したままである。これに対して、第２の回転子板４０、または固定子５５のいずれかを制止させた状態で、第２のスイッチング用巻線２０に電流を流した場合、対向する回転永久磁石３０と固定永久磁石５５の対向したバランスが僅かに崩れると、互いの吸引反撥力により、制止されていない第２の回転子板４０、または固定子５５が回転を開始する。この場合も同様に、第２の回転子板４０と固定子５５の磁界による相互作用を、第２のスイッチング用巻線２０の電流で制御できる。

上記の回転制御動作を基に、図１の構成における回転動作を説明する。第２のスイッチング用巻線２０に電流を流した状態で、対向する回転永久磁石３０と固定永久磁石５５の対向したバランスが僅かに崩れると、互いの吸引反撥力により、第２の回転子板４０が回転を開始する。このとき、対向する第１の回転子板３５の回転永久磁石２５と固定子５５の固定永久磁石４５との異極同士が引き合うことにより回転の制動力とならないように、第１のスイッチング用巻線１５への電流は遮断されている。

この回転により、第１の回転子板３５の回転永久磁石２５と固定子５５の固定永久磁石４５の位置関係と、第２の回転子板４０の回転永久磁石３０と固定子５５の固定永久磁石５０の位置関係とが入れ替わる。この状態で第１のスイッチング用巻線１５に電流を流すと、回転の慣性により対向する回転永久磁石３０と固定永久磁石５５との対向したバランスが僅かに崩れたとき、互いの吸引反撥力により、第１の回転子板３５が回転軸６０の回転を持続するように動作する。このとき同様に、対向する第２の回転子板４０の回転永久磁石３０と固定子５５の固定永久磁石５０との異極同士が引き合うことにより回転の制動力とならないように、第２のスイッチング用巻線２０への電流は遮断される。

このように、第１のスイッチング用巻線１５および第２のスイッチング用巻線２０への電流の供給を、第１のスイッチ部７５−１と第２のスイッチ部７５−２とにより切り換え制御することで、電動機２００は回転を持続する。この第１のスイッチ部７５−１と第２のスイッチ部７５−２の電流切り換え制御は、図６及び図７において説明したとおり、機械式スイッチのロータリースイッチにより、回転軸６０の回転角に応じてオン、オフしても良く、電子式スイッチであるパワーＭＯＳ１００−１、１００−２にそれぞれ置き替えられても良い。

また、第１のスイッチング用巻線１５および第２のスイッチング用巻線２０に供給される電流の方向は、回転方向に対して限定されることは無い。回転トルクの大きさは各永久磁石の磁界の強さで決まり、スイッチング用巻線の電流は、この磁界による相互作用を制御するだけの小電流でよい。このため、図３に示されるように、第１、第２のリング状コア１０、１２には第１、第２のスイッチング用巻線１５、２０が、巻線部と間隙部とがそれぞれ４つに分割されて、互いに対向するように巻かれている。第１、第２のスイッチング用巻線１５、２０の両端には、第１、第２の電源部１２５−１、１２５−２、第１、第２のスイッチ部７５−１、７５−２、及び逆流防止用ダイオード１３０−１、１３０−２が直列に接続されて、閉回路を構成している。

この構成において、第１の回転子板３５および第２の回転子板４０が回転することにより、回転永久磁石２５、３０の各々で形成される磁路が、それぞれ第１のスイッチング用巻線１５および第２のスイッチング用巻線２０の巻線部を貫通し、各巻線部には誘起起電力が発生する。この誘起起電力による各電流と、第１、第２の電源部１２５−１、１２５−２による電流とを加算して流すことにより、各電源部からのスイッチング用巻線の電流を、更に低減することができる。

第１のスイッチング用巻線１５および第２のスイッチング用巻線２０の巻線部に誘起される起電力の電流方向が、各電源部から供給されるスイッチング用巻線の電流方向と異なる場合は、逆電流防止用ダイオード１３０−１、１３０−２により阻止される。この逆方向の電流が流れ出すタイミングと、回転を維持するためスイッチング用巻線の電流をオフするスイッチ部のタイミングとを同期させることにより、ダイオードを省略することも可能である。

また、回転の開始方向を一定にするために、起動用に小型モータを設けても良く、本発明の電動機の２組をカップリング等で直結し、それぞれの回転子の回転永久磁石の配列角度を少しずらすことにより、静止状態から起動しても良い。さらに、第１のスイッチ部７５−１と第２のスイッチ部７５−２の電流切り換えタイミングを制御することにより、回転速度及び駆動力を制御でき、且つ、回転方向を制御することができる。

以上説明したように本発明によると、回転トルクの大きさは各永久磁石の磁界の強さで決まり、この磁界による相互作用を制御するためのスイッチング用巻線の電流は小電流でよいため、電動機に要する電力が少なくて済む。またスイッチング用巻線に誘起される起電力の電流を利用することにより、電源部からの電流供給はさらに小電流とすることができる。固定子と回転子とは、同じ回転軸に所定の間隙を持って容易に配置できるため、高度な設計及び製作技術を必要としない。これにより小電力で動作可能な、簡易な電動機を提供することが可能となる。

１０：第１のリング状コア
１２：第２のリング状コア
１５：第１のスイッチング用巻線
２０：第２のスイッチング用巻線
２５：第１の回転永久磁石
３０：第２の回転永久磁石
３５：第１の回転子
４０：第２の回転子
４２：第２の回転永久磁石
４５：第１の固定永久磁石
５０：第２の固定永久磁石
５５：固定子
６０：回転軸
６５：第１の軸受
７０：第２の軸受
７５−１、２：スイッチ部
８５：固定子カバー
９０：台座
９５−１、２：スパーク吸収用コンデンサー
１００−１、２：パワーＭＯＳ
１０５−１、２：抵抗
１１０−１、２：抵抗
１２５−１：第１の電源部
１２５−２：第２の電源部
１３０−１、２：逆流防止用ダイオード
２００：発電機

１０：第１のリング状コア
１２：第２のリング状コア
１５：第１のスイッチング用巻線
２０：第２のスイッチング用巻線
２５：第１の回転永久磁石
３０：第２の回転永久磁石
３５：第１の回転子板
４０：第２の回転子板
４２：第２の回転永久磁石
４５：第１の固定永久磁石
５０：第２の固定永久磁石
５５：固定子
６０：回転軸
６５：第１の軸受
７０：第２の軸受
７５−１、２：スイッチ部
８５：固定子カバー
９０：台座
９５−１、２：スパーク吸収用コンデンサー
１００−１、２：パワーＭＯＳ
１０５−１、２：抵抗
１１０−１、２：抵抗
１２５−１：第１の電源部
１２５−２：第２の電源部
１３０−１、２：逆流防止用ダイオード
２００：電動機

Claims

一方の側に複数個からなる第１の固定永久磁石を有し、他方の側に前記複数個と同数の第２の固定永久磁石を有し、前記複数個の第１、第２の固定永久磁石の互いに対向する磁極が異極となるよう配備された固定子と、
巻線部と間隙部とに分割された分割数が前記複数個と同数に分割されて巻かれた第１のスイッチング巻線を有し、前記第１の固定永久磁石側に配備されて固定された第１のリング状コアと、
巻線部と間隙部とに分割された分割数が前記複数個と同数に分割されて巻かれた第２のスイッチング巻線を有し、前記第２の固定永久磁石側に配備されて固定された第２のリング状コアと、
互いに駆動軸で連結された、前記第１のスイッチング巻線に対向した前記複数個と同数の第１の回転永久磁石を有する第１の回転子と、前記第２のスイッチング巻線に対向した前記第１の回転永久磁石と同極に対向した前記複数個と同数の第２の回転永久磁石を有する第２の回転子と、を有し、
前記第１、第２のスイッチング用巻線は、それぞれ第１、第２の電源部と第１、第２のスイッチ部とを有し、
前記第１、第２の回転子の回転のタイミングを基に前記第１、第２のスイッチ部が動作することにより前記第１、第２の電源部から前記第１、第２のスイッチング用巻線に電流が供給され、前記第１、第２の回転板による回転が制御されることを特徴とする電動機。
前記第１のスイッチング巻線の前記巻線部の中央部が前記複数個の第１の固定永久磁石がそれぞれ互いに接する隣接部に対向して巻かれ、
前記第２のスイッチング巻線の前記巻線部の中央部が前記複数個の第２の固定永久磁石がそれぞれ互いに接する隣接部に対向して巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。