JP2019110752A

JP2019110752A - 管状コイルとそれを用いたモータおよび発電機

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Publication number: JP2019110752A
Application number: JP2019024759A
Authority: JP
Inventors: 哲郎吉田; Tetsuo Yoshida
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2019-07-04

Abstract

【課題】電磁誘導の効率を向上させることができる管状コイルとこれを用いたモータ及び発電機を提供する。【解決手段】一定範囲で複数の導体を同じ方向に配した導体群を、交互に逆向きの電流が流れるように配置したコイルユニット３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃに、断面がＣ字型ないしはコ字型となるように成形加工を施して得られる管状コイルの内部に、管状コイルの長さ方向に磁化させた永久磁石を遊嵌させる。これによって、管状コイルによって発生する磁界と、永久磁石の磁化の方向が一致するので、磁力を効率的に利用することが可能となる。管状コイルを環状に配置することで、永久磁石を回転させることが可能となり、高速で回転するモータや、高効率の発電機を提供でき、管状コイルを直線に配置することで、永久磁石を直線で移動させることが可能となり、リニアモーターカーのシステムを提供できる。【選択図】図３

Description

本発明は、モータ及び発電機の回転中枢部として用いるのに好適な管状コイルおよびそれを用いたモータおよび発電機に関する。

近年、省エネルギーの要請からモータや発電機の効率化が要求されるようになってきている。

従来、上記観点に基づく電磁誘導回転装置として、例えば、特許文献１に記載のものがある。

特許文献１には、空芯コイルとマグネットを有して空芯コイルに回転可能に貫通されたリング形のロータとロータの回転を支持するプーリからなる回転支持部材とを備えた電磁誘導回転装置が記載されている。

特許文献１に係る電磁誘導回転装置は発電機の回転中枢部として構成されたもので、マグネットを備えたロータの周囲に、空芯コイルを形成する線材をトンネル形となるように密に集合させる配置とすることで、電磁誘導に高度の効率性を得るとともに機械的な小型軽量性をも得ようとするものである。

実用新案登録第３１３４４０８号公報

特許文献１に開示された電磁誘導回転装置は、円筒状のコイルの内部にロータとしてリング状に永久磁石を配しているが、コイルが円筒状であるために、永久磁石を周動させるための回転軸を配することができない。従ってロータを所定の速度で回転するために、外部から非接触で永久磁石を動かす方法を採用しており、効率性に欠く。さらに、このためにロータの回転機構が複雑となり、小型化も困難という問題がある。また、この構成では、発電機として用いることも困難である。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、電磁誘導の効率を向上させることができる管状コイルとこれを用いたモータ及び発電機を提供することを目的とする。

本発明によれば、複数の導体が同一方向に配されてなる、第一の導体群および第二の導体群と、前記第一の導体群を構成する個々の導体の両端と、前記第二の導体群を構成する個々の導体の両端のそれぞれとが同じ向きの端部と接続されてなる、第一の接続部と第二の接続部とを備え、前記第一の導体群、前記第二の導体群、前記第一の接続部、前記第二の接続部とが一つの導電路を形成してなるコイルユニットを、一層以上積層してなる積層面を、前記第一の接続部と前記第二の接続部とが近接したコ字型またはＣ字型に成形してなることを特徴とする、管状コイルが得られる。

本発明によれば、前記管状コイルを、コ字型またはＣ字型の開口部が連続した、環状または直線状に、電気的に接続された状態で、１以上配してなるステータと、前記管状コイルの内周中空部に遊嵌し、前記ステータの中心に配された回転軸に、前記開口部を挿通するように取り付けられてなる支持部材を介して接合され、前記ステータの周方向に磁化してなる永久磁石を備えたロータと、前記ステータに流れる電流を制御するための電流制御回路を有することを特徴とするモータが得られる。

本発明によれば、前記管状コイルを、コ字型またはＣ字型の開口部が連続した、環状または直線状に、電気的に接続された状態で、１以上配してなるステータと前記管状コイルの内周中空部に遊嵌し、前記ステータの中心に配された回転軸に、前記開口部を挿通するように取り付けられてなる支持部材を介して接合され、前記ステータの周方向に磁化してなる永久磁石を備えたロータとを特徴とする発電機が得られる。

すなわち、本発明に係るステータは、上記構成とすることにより、ステータを構成する管状コイルユニットにおいて、隣接する導体群毎に交互に逆向きの電流が流れる。さらに、断面Ｃ字形状またはコの字形状とすることにより、管状コイルであっても、電流の流れに対して垂直方向にスリットを有し、管状コイルを少なくとも１個以上、環状または直線状に配してステータとする。また、管状コイルを複数層重ねることで、大きな駆動力を得る構成とすることができる。

ロータは管状コイルの開口部によって形成されるスリットを挿通する支持部材に固定された永久磁石で構成し、前記ステータの管状コイルの内周中空部を遊嵌し、ステータの配列方向にロータが動くようにする。管状コイルが環状に配列されたステータの場合は、ロータに回転軸を設ければ高速回転も可能である。また、管状コイルに流れる電流の制御回路を付与することでモータを構成することができる。

管状コイルにスリットを形成していることから、管状コイルの内周部に遊嵌された永久磁石を、回転軸を中心に回転させることができる。さらに、管状コイル内で永久磁石を直線運動させることで、リニアモータとすることもでき、小型のモータおよびリニアモータが実現可能となる。

なお、ロータに外力を加えて、高速回転または高速直線運動させた場合は発電機として用いることもできる。この場合は、管状コイルの電流制御回路に替えて、整流回路等を付加する。

管状コイル内を永久磁石が移動するため永久磁石の移動方向とコイルの間の吸引力および反発力のベクトル方向が一致するので、相互の磁力は効率的に作用する。また鉄心がないためコギングも発生しない。ステータが環状の場合では、ロータの中心に回転軸があるので高速回転と小型化が可能である。

一般的なソレノイドコイルで生じる磁界を示す模式図。管状コイルの構造と電流の流れの一例を示す模式図。発明に用いるコイルユニットの導体の巻き方の例を示す図。本発明の管状コイルの変形過程を示す断面図。本発明の管状コイルに流れる電流の状態の一例を示す模式図。本発明の管状コイルをモータに応用した一例の正面図。図６に示した本発明の管状コイルをモータに応用した一例のＡＡ断面図。電気自動車への実施例を示す図。リニアモーターカーへの実施例を示す図。扇風機への実施例を示す正面図

図１は、一般的なソレノイドコイルで生じる磁界を示す図である。ソレノイドコイル１０１は、図１に示すような磁界を発生し、ソレノイドコイル１０１の内側の磁束が密になっている位置に、永久磁石１０２を配するとソレノイドコイル１０１と永久磁石１０２の間に作用する力は最も効率よく作用する。しかし、ソレノイドコイル内で永久磁石の運動を維持するのは、直線的な往復運動であれば可能であるが、連続的に通過することは構造上無理である。

図２は、隣接する導体の電流が交互に逆向きになるコイルの構造と電流の流れの一例を示す模式図である。連続的にコイル内を、永久磁石が通過するには、図２のようにスリット２０３を備えたコイル２０１の構造が考えられる。しかし、これでは導体２０２を流れる電流の向きが交互に逆向きになるので、発生する磁界は打ち消されてしまう。

磁界が打ち消されないようにするには、磁界の方向と向きが、一定範囲で同じになるような構造とし、連続的にコイル内部に配された永久磁石を動かすには、隣接する範囲の磁界の向きが逆になるようにする必要があると考えられる。図３は本発明に用いるコイルユニットの導体の巻き方の例を示す図である。

ここで、図３（ａ）は渦巻型であり、図３（ｂ）は一定間隔で導体を同じ方向と向きに偏倚させているので、カスケード型と称することにする。また、図３（ｃ）はランダム型である。いずれの型のコイルユニット３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃにおいても、第一の導体群３０２ａ、３０２ｃ、３０２ｅと、第二の導体群３０２ｂ、３０２ｄ、３０２ｆは、第一の接続部３０３ａ、３０３ｃ、３０３ｅと第二の接続部３０３ｂ、３０３ｄ、３０３ｆにより接続され、一つの導電路を構成し、第一の導体群と第二の導体群には相互の逆向きの電流が流れる。

このような構造とすることで、交互に逆向きの個々の導体群の幅に対応する磁界を発生することが可能となる。また、図３に示したコイルユニットを、図を描いた紙面の垂直方向に積層することで、磁界を強めることが可能である。

図４は、本発明の管状コイルの変形過程を示す断面図である。図３のような巻き方をしたコイルユニットを時計方向に９０度回転させて、図４のように上下端から力を加えて、二つの接続部が近接した、Ｃ字型に変形していく様子を示している。コイルユニットにこのような加工を施すことで、スリットを備えた管状コイル４０１が得られる。

図５は本発明の管状コイルに流れる、電流の状態の一例を示す模式図である。このように導体群毎に電流の向きが逆になるので、一定範囲毎に向きが逆で、相互に打ち消されることのない磁界を得ることができる。

図６は、本発明の管状コイルを４個用いて、モータに応用した一例の正面図であり、図７は、図６のＡＡ断面図である。ただし、図７には、図６には示されていない収容体６０８を二点鎖線で表記している。管状コイル６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ、６０１ｄは、環状に配置され、管状コイル６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ、６０１ｄの内周部には、支持材６０３に固定された永久磁石６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄが、９０度の間隔で配置されている。

管状コイル６０１ａ、６０１ｂ、６１０ｃ、６０１ｄによって発生する磁界の方向と向きは矢印６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃ、６０９ｄ、６０９ｅ、６０９ｆ、６０９ｇ、６０９ｈで、永久磁石６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄの磁化の方向と向きは、矢印６１０ａ、６１０ｂ、６１０ｃ、６１０ｄで示している。ここに示したように、各管状コイルにより発生する磁界の向きは、管状コイルの中央部を境界として反対になっている。

４個の管状コイル６０１ａ、６０１ｂ、６１０ｃ、６０１ｄは電気的に直列に接続され、ある方向に電流が流れると矢印６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃ、６０９ｄ、６０９ｅ、６０９ｆ、６０９ｇ、６０９ｈの方向と向きの磁界が発生する。４個の永久磁石６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄは、管状コイル６０１ａ、６０１ｂ、６１０ｃ、６０１ｄの同じ極性の部分には吸引され、管状コイル６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ、６０１ｄの反対の極性の部分には反発する力が発生する。

磁気センサー６０６によって４個の永久磁石６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄの位置を検出することにより、管状コイル６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ、６０１ｄに流れる電流の方向を交互に変えるようにすると、４個の永久磁石６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄを周縁に接合した支持部材を備えた構造のロータは、回転を始める。電流を大きくするほど、吸引と反発の力は大きくなるので、回転速度は大きくなる。また、磁気センサー６０６の信号と電源の周波数制御によってロータの回転数を制御することも可能である。

以上はモータとして使う場合であるが、発電機として使う場合は、磁気センサー６０６は不要となり、直列に接続された管状コイルからの起電力を直流の場合は整流して電力を取り出すことができる。コギングがないため、風力発電の場合は微風でも、水力発電の場合は弱い水流でも発電できるというメリットがある。

本発明で用いる永久磁石の材質は特に限定されないが、大きな回転力や発電量を得るには、現在上市されている永久磁石の中では、最高の磁気特性を備えているネオジム磁石が好ましい。支持部材６０３と永久磁石４個の永久磁石６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄを固定する部分には遠心力が大きく影響するので、固定する部分は一体型にして、空気の抵抗を受けにくい形状にするのが望ましい。

管状コイル支持部材６０７は、内周側から管状コイル６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ、６０１ｄを固定するので、永久磁石６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄに接触しても損傷を受け難い、堅牢な非磁性体を使うようにする。収容体６０８は磁気シールドを兼ねた材質が望ましいかもしれない。

電気自動車への実施例を図８に示す。従来は、誘導モータ等が電気自動車の駆動源として使われているが、その場合、バッテリからの直流を交流に変換して、周波数制御で回転速度を制御している。この場合、モータは一箇所にあるオンボード型とタイヤのホイールの中にモータを持たせたインホイール型がある。

さらにインホイール型には減速機方式とダイレクト駆動方式がある。今回の応用はインホイール型でダイレクト駆動方式としている。車軸８０４から永久磁石８０３までの距離を大きくするほど、トルクは大きくなるのでダイレクト駆動方式にしやすいというメリットがある。

リニアモーターカーへの実施例を図９に示す。管状コイル９０２内の磁界と永久磁石９０３の極性が逆の時に、反発力が作用すると永久磁石９０３を押し出そうとする力と管状コイル９０２の内面から離そうとする力が働く。

低速で車両が移動している場合には、この力はあまり効果はないが、高速で移動している場合は、連続的に管状コイル９０２の内面から永久磁石９０３を離そうとする力が働くので結果的に、車両９０１を浮かせる力が働くことになる。

扇風機への実施例を図１０に示す。上部の外周に環状に配列した管状コイル１００２とその中を通る永久磁石１００４で構成され、その永久磁石１００４に接続されたロータには小さな羽１００３が配置されている。

これによって、外周近くの空気が羽１００３によって前面に送り出すようになる。これはコアンダ効果を利用するもので、外周の空気の動きに伴って、内部の空気も前面に送られるようになる。

モータおよび発電機は、日常生活においてあらゆるところで使われており、これらの効率を上げることは、多大なる社会への貢献になる。本発明は、「コイルは閉じられたもの」という常識を変えるところから生まれた。永久磁石がコイルの中を通れば、電磁誘導の効率が上がることは容易に理解できる。さらに鉄心がないのでそれによる損失やコギングもなく軽量化できる。

以上に説明したように、本発明によれば、従来よりも効率の高いモータおよび発電機を提供することができる。なお、本発明は、前記実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る、各種変形、修正を含む、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。

１０１ソレノイドコイル
１０２，４０２，６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄ，８０３，９０３，１００４永久磁石
２０１コイル
２０２導体
２０３スリット
３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃコイルユニット
３０２ａ，３０２ｃ，３０２ｅ第一の導体群
３０２ｂ，３０２ｄ，３０２ｆ第二の導体群
３０３ａ，３０３ｃ，３０３ｅ第一の接続部
３０３ｂ，３０３ｄ，３０３ｆ第二の接続部
４０４，６０４回転軸
４０１，６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ、６０１ｄ，８０２，９０２，１００２管状コイル
６０３支持部材
６０５軸受
６０６磁気センサー
６０７管状コイル支持部材
６０８収容体
６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃ、６０９ｄ、６０９ｅ、６０９ｆ、６０９ｇ、６０９ｈ、６１０ａ、６１０ｂ、６１０ｃ、６１０ｄ矢印
８０１タイヤ
８０４車軸
８０５ステータ
９０１車両
９０４車輪(低速時、緊急時用)
１００１扇風機
１００３羽

Claims

複数の導体が同一方向に配されてなる、第一の導体群および第二の導体群と、前記第一の導体群を構成する個々の導体の両端と、前記第二の導体群を構成する個々の導体の両端のそれぞれとが同じ向きの端部と接続されてなる、第一の接続部と第二の接続部とを備え、前記第一の導体群、前記第二の導体群、前記第一の接続部、前記第二の接続部とが一つの導電路を形成してなるコイルユニットを、一層以上積層してなる積層面を、前記第一の接続部と前記第二の接続部とが近接したコ字型またはＣ字型に成形してなることを特徴とする、管状コイル。
前記管状コイルを、コ字型またはＣ字型の開口部が連続した、環状または直線状に、電気的に接続された状態で、１以上配してなるステータと、前記管状コイルの内周中空部に遊嵌し、前記ステータの中心に配された回転軸に、前記開口部を挿通するように取り付けられてなる支持部材を介して接合され、前記ステータの周方向に磁化してなる永久磁石を備えたロータと、前記ステータに流れる電流を制御するための電流制御回路を有することを特徴とするモータ。
前記管状コイルを、コ字型またはＣ字型の開口部が連続した、環状または直線状に、電気的に接続された状態で、１以上配してなるステータと、前記管状コイルの内周中空部に遊嵌し、前記ステータの中心に配された回転軸に、前記開口部を挿通するように取り付けられてなる支持部材を介して接合され、前記ステータの周方向に磁化してなる永久磁石を備えたロータとを特徴とする発電機。