JP2011024400A - 効率の良い電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 永久磁石を使用した同期電動機に於いて、従来の構造の物では銅線損失や鉄心損失、磁気損失など種々の損失が多く、駆動電力に対する作業出力、つまり効率であるが、これ以上の向上は不可能である。
本発明は、従来の同期電動機より極めて高効率な、電動機を実現するものである。
【解決手段】 電動機の電機子の構造を、従来の様な一体型ではなく、三つに分離して三相それぞれの電機子とし、各相電機子磁極の位置にずれを持たせた事により、界磁極が自然に電機子磁極を吸引する力を有効に利用し駆動電力の減少をはかる。
又、前記構造により銅線損失や鉄心損失、磁気損失が減少し極めて高効率な電動機が実現する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転する鉄製ドラムの内壁に永久磁石を取付け界磁極とし、その内側に固定した電機子を配する電動機の高効率化についてである。

従来からある永久磁石を使用した電動機は、駆動電力に対して作業出力、すなはち効率は８０％〜９０程度であり、それ以上の高効率化は不可能である。
その原因は、従来からある構造の電機子（ステーター）ゃ界磁極（ローター）では、鉄心損失や銅線損失が多く、界磁極からの磁力の利用率も悪い。

従来からある電動機の電機子（ステーター）は、電動機本体の骨格を形成していて、磁極部分以外の体積が大きく、重量も重い。
電機子は、電動機の外形を成す硅素鋼板の内側にコイルを装着するスリットを設け、これを積層して磁極及び電動機本体を形成している。

又、前記の様な電機子は多くがコイルは分布巻きである。
前記スリットにコイルを装着するが、駆動電力が三相の場合、一相目のコイルはスリット二カ所またいで装着し、その跨いだスリットに二相目、三相目のコイルを装着し、同様の形態で全週装着されている。

界磁極（ローター）は、表面磁石型や埋め込み磁石型に於いて、ローターの端から端まで一つの長方形の磁石で界磁極を形成していて、極数は４極〜８極である。

従来からある前記の様な電機子（ステーター）は、磁極以外の部分の体積が大きく、コイルに電流が流れ磁極が磁化する時、磁極以外に磁力が分散し、最も重要な磁極の磁力を低下させている。
これが鉄心損失であり、電動機の効率悪化の一因である。

又、前記の電機子は、全体の体積に対してコイルを装着するスリットのスペースが非常に少ないので、コイルに使用する電線の太さに限界があり、必要電流き゜りぎりの断面積の物を使用するため、銅線損失が増加し効率を悪くしている。
さらに、この電機子は前記の様にコイルは分布巻きであり、界磁極が電機子磁極の定位置にある時、磁極は一番強い磁力を受けるが二本のスリットがあるため、磁力の損失が発生し、高効率化を妨げている。

界磁極（ローター）は、表面磁石型や埋め込み磁石型に於いても、ローターの端から端まで一つの磁石で界磁極を形成している。
電機子のコイルに電流が流れ、磁極が磁化してその吸引により回転力が発生するが、この構造では高効率化は望めない。

課題を解決する為の手段

本発明は、前記構造による電動機の高効率化妨げの解決として次の手段を実行する。 まず、界磁極（ローター）を外側に、電機子（ステーター）を内側に、いわゆるアウターローター型にする。これにより、電機子の鉄心が磁極以外の部分の体積が大きく減少し、鉄心損失の減少につながる。
又、本発明の方式は、界磁極の磁力利用率が高く、セグメント磁石を取付けているヨークが、エディカーレントによって帯熱し易い。従って界磁極（ローター）を外側にすると放熱に有利だからである。

次に、電機子の磁極は、従来の様な一体型でなく、三つに分離して一相目、二相目、三相目それぞれの磁極とする。 これによりコイルは当然集中巻きとなり、分布巻きの欠点を解消する。
又、各相の磁極位置は同一でなく、電機子が一周１２極の場合、１０°ずつずらして固定してある。 それは１２極の場合、磁極間の角度は３０°であり、本方式は三相なので３分割して１０°となる。

さらに、界磁極は、従来の様な構造でなく、各相ごとにセグメント磁石を取付け、単独の界磁極とする。 そして、セグメント磁石の形状は、平面から見て平行四角形ではなく変形四角形である。 セグメント磁石の側面を、電機子の磁極が定位置から遠ざかる面を中心軸の中心線と平行にし、定位置に侵入する面を中心線と交差するような、斜めの角度にしてある。

固定シャフトには、界磁極（ローター）の磁極が、どの相の磁極の定位置にあるかを検出するセンサーを設けてあり、その信号で電機子のコイルに流す電流をコントロールし、回転力を得る。

発明の効果

本発明の電機子（ステーター）や界磁極（ローター））を実現し作動すると、従来の電動機に比べ、遥かに少ない電力で駆動する電動機が実現するが、それは次の理由による。
本発明の電機子は、前記の様に３分割してあり、各相の磁極の位置がずれている。従って、例えば一相目の電機子の磁極が界磁極の定位置にある時、三相目の電機子の磁極には、界磁極の次列の極が非常に近い位置にある。 この状態の時に一相目の電機子コイルに界磁極の極と同極となるパルス電流を流すと、ローターが動き三相目の磁極が界磁極の安定位置になり、三相目のコイルにパルス電流を流すと二相目の磁極が安定位置になる。
この動作を順次続ける事により、僅かな電力で大きな回転力が得られる。

又、電機子は前記のようにローターの内側に位置し、磁極鉄心は磁極以外の部分が可能な限り小さくしてあり、いわゆる鉄心損失を減少させコイルの電流によって磁化する磁力の無駄を省き、効率を高めている。

本発明の、界磁極（ローター）を形成しているセグメント磁石は、前記の様な形状である。 この形状により、界磁極が電機子の磁極の定位置にある時、僅かなパルス電流で定位置から移動する。 これがさらに少ない駆動電力で大きなトルクを得る事に寄与している。

発明を実現する為の最良の形態

以下、本発明の実施の形態を図面に基ずき詳細に説明する。

図１は、本発明の電動機の正面から見た構造図である。 図２は本発明の電動機を側面から見た断面図であり、図３は界磁極を形成する外側ローターと、内側電機子の磁極の位置関係を示す図である。 図４は、セグメント磁石の形状を示す図である。

図１に示す様に、回転する鉄製ドラム１の内壁にセグメント磁石２、３、４を取付け界磁極を形成している。 その内側に固定したシャフト５に取付けた電機子６、７、８を配している。 各電機子の磁極９、１０、１１には、コイル１３、１４、１５が装着してある。

図２は、本発明の電動機を側面から見た断面図である。
電機子は、一相目６、二相目７、三相目８と各相に別れていて、各相の磁極９、１０、１１にはコイル１３、１４、１５を装着している。
又、ローターに発生するトルクは、出力シャフト１６より出力され、ローターの界磁極の位置は、センサーＡ、１７及びセンサーＢ、１８で検出している。

図３は、界磁極を形成するセグメント磁石と、各相電機子磁極の位置関係を示す、外側ドラムを透視した平面図である。゛
各相の界磁極を形成するセグメント磁石２、３、４は、中心軸と同一の一直線に並んでいて、各相の電機子６、７、８の磁極９、１０、１１は１０°ずつずれてある。

図４は、界磁極を形成するセグメント磁石の形状を示す図である。
図に示すように、セグメント磁石の側面は平行四辺形ではなく、定位置に磁極が侵入する側を斜めに、遠ざかる側を中心線と平行になっている。

本発明の実施の形態を示す、正面から見た構造図である。 本発明の実施の形態を示す、側面から見た断面図である。 本発明の実施の形態を示す、内部の位置関係の平面図である。 本発明の実施の形態を示す、セグ・ント磁石の斜視図でぁ。。

１、ドラム（ローター）
２、セグメント磁石（一相目）
３、セグメント磁石（二相目）
４、セグメント磁石（三相目）
５、シャフト
６、電機子（一相目）
７、電機子（二相目）
８、電機子（三相目）
９、磁極（一相目）
１０、磁極（二相目）
１１、磁極（三相目）
１２、ローター回転方向
１３、コイル（一相目）
１４、コイル（二相目）
１５、コイル（三相目）
１６、出力シャフト
１７、センサーＡ
１８、センサーＢ
１９、電機子磁極の侵入方向

Claims (2)

1. 三相同期電動機の電機子に於いて、三相一体でなく三つに分離し各相それぞれの電機子とし、各相電機子磁極の位置にずれを付け、界磁極が自然に電機子磁極を吸引する力をを回転力にする構造。
2. 前記構造の電機子の作動効果を上げるべく、界磁極を形成するセグメント磁石は各相単独とし、その形状は電機子側から見て、平行四辺形でなく一辺が中心線と平行で、反対の辺は中心線と交わる斜線になっている（二等辺台形）の物。

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