JP2023001836A

JP2023001836A - 電圧や電流、周波数などの制御を一切不要とする究極のモータ

Info

Publication number: JP2023001836A
Application number: JP2021124820A
Authority: JP
Inventors: 千津子寺内; Chizuko Terauchi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2023-01-06

Abstract

【課題】モータ規模を拡大せずとも、互いの磁石の吸引力を強めて回転子の回転を速め、トルク出力も大きくする事が可能なモータを提供する。【解決手段】個々の固定子極の先端表面を、回転しながら近づいて来る回転子の方向に傾け、固定子と回転子間での吸引力を増大させ、その結果回転子が自分の固定子極の位置からまだ離れている段階で既に吸引開始を可能にするため、それにより普通のモータに比べてより強い回転を実現し、それでいて回転子極が自分の固定子極の正面に来た時は磁力線の交わり角度が大きくなる為、吸引力は最小になり、それ故コギング・トルクの発生は抑えられ、結果としてモータの回転数や出力トルクを増大させる。【選択図】図４

Description

本発明は、単に磁石の磁力特性を利用するだけで、通常のモータのように回転子の回転速度や回転上の位置およびそれらのタイミングに合わせてコイルに与える電流や電圧、あるいは交流の場合の周波数などを複雑に変えてやる制御を一切せずとも、従ってそれらの制御回路を一切使わずとも、コイルに流す電流を自由にオン・オフさせるそれだけで回転子速度を変え、またトルクをも自由に調整できるようにするモータである。

モータ（電動機）は、その周囲の固定子にコイルを巻き、通電して磁化し、一方モータ内で回転する回転子をも同様にコイルを巻くか永久磁石を使うかあるいは固定子磁石により動的に磁化をし、よって両極の磁石が互いに吸引あるいは反発を行うべくコイルの通電向きを必要ならば適宜変え、制御しながらその吸引力あるいは反発力を利用してモータ内の回転子を連続回転させる事で、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機械である。

従来から種々のモータ・タイプが存在するが、基本的に固定子磁石と回転子磁石の互いの吸引あるいは反発を利用して回転を生じさせるという点は共通である。

特に無し
特に無し特に無し

モータはその固定子磁石とその中で回転する回転子磁石を、互いに吸引あるいは反発をさせながら稼動させる為、互いの磁石がより強力なほどその回転により多く貢献する事は理解出来る。しかしながらその為には普通、各極に巻いたコイルに通電する入力電力をより大きくしてやるとかコイルの巻き数を増やすとか極の金属芯の成分を工夫してより強い磁石を得るなど、いわゆるモータ規模を大きくし、その結果両磁石極同士の吸引や反発をより大きくしてモータ出力を上げてやると言う方法を取っている。それは既知の解決策である。しかしながら、一方でそれらの解決法を取らずに基本的に今あるモータの規模のままで出力を上げてやろうと言うのは簡単には出来ないのが普通である。また、通常のモータでは、両極磁石の吸引あるいは反発の力が常に回転にだけ寄与するのではなく、時には両極が磁石の力により瞬間的にではあっても吸引ではなく「吸着」してしまう、あるいは回転後方の磁極の磁力の影響で後ろ向きの回転力を生じさせてしまい、回転を阻害させる、つまりコギング・トルクが発生してしまう事により回転のマイナス効果を生じさせてしまうことが起こる。そしてそれがモータの振動や騒音を発生させる原因にもなっている。

今、固定子や回転子への入力電力もその金属成分も大きさも磁束密度もコイルの巻き数も何も変えず、つまりモータ規模を拡大せずとも、互いの磁石の吸引力を強めて回転子の回転を速め、トルク出力も大きくする事が可能であり、それが当発明である。

ちなみに当発明では、回転子を回転させるのに吸引力だけを利用し、その為固定子は例えば全てＮ極のみとし、その場合回転子は全てＳ極のみにするという簡単な吸引力だけを利用した形にし、それにより固定子磁石の極をＮからＳ、またはＳからＮへと適宜切り替えていくといったような制御を不要にするという利点をも持ち合わせている。

当発明の説明をする前に先ず図１、図２、図３により磁石の磁力の説明を行う。当発明のモータがなぜ簡単に出力アップが出来るのかの理由が明確になるからである。

先ず図１は、一方がＮ極で他方がＳ極の磁石が近距離で互いに向かい合っている時、互いの磁力線が平行している場合に、またそうなっている磁石箇所、つまり磁石の中央部分であるが、そこが最も吸引力が強く、その両端の互いの磁力線がある角度で交差している箇所では吸引力は弱くなっている事を示しているが、これは既知の事実である。

一方で、図２は、従来の通常のモータにあるように、ある一つの固定子の磁石面が回転面に平行して置かれている場合、それに向かって回転子磁石が近づきながら図の（１）、（２）、（３）の順に徐々に重なっていく場合を示しているが、上記［０００８］の既知の事実を基にすれば、図２が示しているようにそれぞれの場合の磁力線の重なり具合に基づいた吸引力が働くことになる。

次に図３では、各固定子のその極全体を、あるいはその先端磁石面だけを、今近づいて来る回転子磁石方向に傾けた場合を示している。そこではやはり上記［０００８］の既知の事実を基に図示してみると、図２の場合より多くの磁力線本数が重なり合うのが見て取れる。例えば図が示している傾きで見た場合、その傾き角度θの正弦（ｓｉｎθ）を取り磁力線を平行的に交わるようにして見れば単純に磁力線本数は倍増しているのが分かる。ということは図２の（１）、（２）、（３）に対応した図３の（１）、（２）、（３）それぞれの場合で、このような簡単な方法、つまり固定子先端表面を傾け、その傾斜表面を今近づいて来る回転子方向に向けてやるだけで、図２の場合より吸引力を増大させる事が出来るというのが分かる。磁力を増大するには普通、コイルに通電する電流値を強くするとか、コイルの巻き数を増やすとか、磁石の磁束密度を上げるか、その表面積を大きくするなど、モータへの大掛かりな改造が必要になるのだが、固定子先端表面を単に傾けるだけで磁力増大が出来ると言うメリットは大きいし、それが図２と図３を比較してみれば正しいと言う事が理論的にも明らかであるし、実験的にも容易に確認できる。

磁石の表面を平坦にした場合や、湾曲あるいは凸レンズのようにした場合などによりそれぞれの表面から出る磁力線の向きは若干変わるし、それにより吸引力の強弱も変わって来るが、それでもキーとなるのは固定子極全体およびその先端表面を、近づいて来る回転子方向に傾けること、そういう簡単な形のモータを製作するだけ、それだけで互いの吸引力をより強くすることが出来るのでメリットは大きい、と言う事はそれにより固定子磁極は回転子極をより遠くから吸引して回転させる事が出来ると言う事も意味する。

次に以上の応用として、図４に示したように、固定子極並びに回転子極の先端を左右に傾斜させ、特に両極の先端表面を、回転子の回転と共に互いに向かい合う側の表面の傾斜面積をより大きくし、そして左右その反対側斜面の面積をより小さくまたその傾斜勾配をより大きくし、さらに固定子極を図４のように互いに十分に近づけて並べると、各固定子極先端から出る磁力線は常に、近づいて来る回転子極を、その回転子極より遠くの位置にある時から吸引する事が出来、またさらに回転子極先端表面も山型に膨らませるか尖らせると、回転子は回転上どの位置にあっても常に、回転前方の固定子極により強く吸引される為、固定子コイルに電流が流れて固定子極が磁化されている限り、回転子の回転は止まることなく回転を続けることになる。

この場合のさらなるメリットは、回転子の回転を続けさせるべく、固定子コイルへの通電の電圧や電流を、また交流モータの場合その周波数を、固定子の回転位置や速度に合わせて変えてやらなければならないと言う制御が、一切不要になり、従って勿論制御回路も不要になる、と言う大きなメリットもある。

加えて回転子の回転速度やトルクを増大させるには固定子コイルへの通電の電流値を大きくするだけ、それだけで良いし、また通電の電流値を小さくすれば回転速度やトルクを落とす事が出来、そうやって通電をオンにしたりオフにしたりすることも、回転子極の固定子極との位置関係を気にすることなく、どんなタイミングにおいてでもそれを気にせず自由にオン・オフを繰り返す事が出来る、と言うのはその理由は、このモータでは回転子極の位置が回転上どこにあっても回転前方の固定子磁極によって吸引されるのみで、その為どんな場合でも回転子はそのまま回転を続けるだけとなるからである。

上記説明のように、固定子極コイルに通電が為されている限り回転子は吸引され続け、その結果止まらずに回転を続ける、という意味は、固定子極が磁化されている限り回転子は回転を続ける、と言う事でありそれをさらに換言すれば、固定子極はいわゆる電磁石でなくても永久磁石でも良いと言う意味でもあり、いずれにしろその固定子の磁力が続く限り回転子は回転を続けることが出来るという意味で捉える事が出来る。

ただ、固定子極を永久磁石にすると、その磁化の強さを普通の固定子コイルの場合のように通電によりコントロールすることは出来ないので、回転子の回転速度やトルクの大きさを適宜変えてやるといったコントロールは出来ないことになる、が回転子は固定子の永久磁石の磁力が無くならない限りその回転を止めることなく続ける事になる。

最後に、この発明モータでは、回転子極の数と固定子極の数をそれぞれ全く無関係に独立に増減させることが出来るし、また固定子極は等間隔で上記吸引を実現すべく並べておく必要があるが、こと回転子極に関してはその数は幾つ並べてもよく、また等間隔で並べる必要もなく、いわゆる歯抜け状態で並べておくことでも、こと回転子の回転と言う点では全く問題が無いことを付け加えておく。

現在世にあるモータの極数を増やさずとも、入力電力を上げずとも、コイルの巻き数を増やさずとも、また磁石自体の磁束密度を大きくし、磁石表面の面積を広くして磁束を増やしたりせずとも、単に個々の固定子極先端表面を、回転しながら近づいて来る回転子極方向に傾けてやるだけ、それだけでより強い吸引力を発揮させる事が出来ると言う簡略設計モータの実現が可能となる。

固定子極コイルの電圧や電流、さらに交流モータの場合の周波数を変えると言った制御をせずとも、単に固定子極コイルに電流が流れて固定子極が磁化されている限り、回転子は常に回転を続け、その中で単に通電の電流値を、回転子の回転タイミングや位置を一切気にせずに、強くしたり弱くしたりするだけで回転子の回転速度やモータ・トルクの大小をコントロール出来るので、難しいモータの制御回路が一切不要になる。

「磁石のＮ極とＳ極が近距離に向かい合って置かれた場合の磁力効果を示した図」「図１の磁力効果に基づき、一般のモータの固定子設置の場合に如何に回転子を吸引していくか、その大きさを含めて図示したもの」「図１の磁力効果に基づき、固定子極先端表面をこれから回転して近づいて来る回転子側に傾けて設置した場合に如何に回転子を吸引していくか、その大きさを含めて図示したもの」「固定子極の及び回転子極の先端表面を傾け、且つ固定子を十分に近づけて並べるように置くことにより回転子の回転は止まることなく回転を続けることを図示したもの」

本発明は、単に固定子極の先端表面を、近づいて来る回転子方向に傾けてやるだけで吸引力アップを図る事を可能にすると言う事実を基に、固定子極同士を互いに適切十分に近づけて並べて置く形にし、また固定子コイルに通電した時に固定子極が全て同じ磁極になるようにし、一方回転子については、回転子極が磁石の場合は固定子極と反対磁極を、また回転子極が鉄などの磁化金属であればそのままにし、要は両磁極が互いに常に吸引する形を取らせ、その結果回転子極がその回転においてまだ一つ後ろの固定子極の位置にある時に既に自分の固定子磁極側に吸引して引っ張って来ることを可能にせしめ、それ故回転子極は常に回転前方の固定子極に向かって引き寄せられて行くので、回転子は止まることなく回転を継続することが可能になり、結果として通電の際の電圧や電流を回転子の回転のタイミングに合わせて制御すると言う難しい技術を一切不要に出来る非常に簡単機能、簡単設計モータである。

モータ可動の為の複雑な制御回路設計などが不要、且つ簡単なモータの構造で済む為、モータ製作も容易であり、結果的に安価な製造コストになるに加え、回転子の回転速度やモータのトルクを他のどのモータよりも簡単に大きくも小さくも出来る為、大から小までに渡り目的・用途を問わず使用可能になるモータである。

電源からの電力制御要らずの単純機構、安価で高効率、パワフルなモータ実現が可能になるので電気自動車やエレベーター、その他現在使用のモータ全てを置き換えるほどに応用範囲は広いし、それに伴う経済効果も格段に大きくなる。

特に無し

特に無し
【配列表】特に無し

Claims

当発明のモータは、単に個々の固定子極の先端表面を、回転しながら近づいて来る回転子の方向に傾けてやるだけ、と言うごく単純な方法により固定子と回転子間での吸引力を増大させ、その結果回転子が自分の固定子極の位置からまだ離れている段階で既に吸引開始を可能にするため、それにより普通のモータに比べてより強い回転を実現し、それでいて回転子極が自分の固定子極の正面に来た時は磁力線の交わり角度が大きくなる為吸引力は最小になり、それ故コギング・トルクの発生は抑えられ、結果としてモータの回転数や出力トルクを増大させると言う一石二鳥効果を簡単に実現する事を特徴として持つ電動機。
請求項１の形の固定子極を互いに適切十分に近づけて配置してやることによりそれぞれの固定子磁極が、回転しながら近づいて来る反対磁極の回転子極を、回転方向で見て自分の一つ後方の固定子極の位置に来ている時に既に吸引を開始してやることで自分の固定子極位置まで回転移動させ、ということをそれぞれの固定子極が同時に行う為、回転子は固定子極が通電されて磁化されている限り、常に回転前方の固定子極に向かって吸引されて行くので、決して止まることなく回転をし続け、それ故固定子コイルに通電するそのタイミングを見計らって電圧や電流や、交流モータの場合の周波数を変えてやると言った制御をする必要が全く不要となり、回転子の回転速度及び回転トルクを増減させるにも簡単で、固定子極に通電する電流値の大きさを単純に変えてやるだけ、しかもそのタイミングは好きな時に自由に増減してやっても回転子の回転はコイルに通電されている限り止まる事がないので、好きな時に自由に電流値を増減させてやる事が出来ると言う、単純機構で制御不要を特徴として持つ電動機。
請求項２で、固定子極にコイルを巻いて通電させて固定子極を磁化させ、そしてその固定子極が磁化されている限り、回転子の回転は止まることなく回転を続ける、という事実の意味するところは、実際固定子極はいわゆる電磁石でなく永久磁石でも回転子の回転は止まることなく回転を続けるということを意味しているので、固定子極を永久磁石にすることにより、その磁力の強さは時間と共に徐々には弱まるものの、またその磁力の大きさを適宜コントロールは出来ないものの、しかしながらその磁力が無くなるまでは同様の機構の下では回転子は止まることなく回転を続ける事が出来、そしてそれを利用することにより「入力電源すら不要」で、また非常に長時間運転を可能にすることを特徴として持つ電動機。