JPH09289793A

JPH09289793A - 電動装置

Info

Publication number: JPH09289793A
Application number: JP8320988A
Authority: JP
Inventors: Muneaki Takara; 宗明高良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-25
Filing date: 1996-11-16
Publication date: 1997-11-04
Also published as: WO1997023727A1

Abstract

(57)【要約】【技術課題】本発明は電動装置に関し、モータの巻数を
多くして電流を下げる一方、回転数とトルクは下がらな
いようにすることを目的とする。【解決手段】電動機の回転軸と切り離してスイッチ手段
を設け、該スイッチ手段は直流を入力としてそれを転流
または断続させて該電動機の励磁コイルに印加する印加
出力とし、該印加出力の転流または断続の周波数を該電
動機の回転軸の回転位置情報を用いずに電動機の回転状
態とは独立して可変制御するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電動装置に関する。

【０００２】電動機においては、コイルの巻き方が様々
に試行され、今日に至っている。特に、コイルは電圧一
定ならば巻数が大きくなる程に電流値が小さくなる性質
があり、この性質を活用するため直流モータおよび交流
モータにおいては多種多様な試行が成されてきた。特
に、電動機のコイルの巻数を増やすことで大きな出力パ
ワーを取り出す試みがされた。例えばコイルの巻数を２
倍にした場合、２倍巻きした直流モータは、電流が半分になるトルクは同じ回転が半分になるという結果が出た。一方、２倍巻きした交流モータは、電流が半分になるトルクが半分になる回転は同じという結果が出た。以上で、交流モータも直流モータも
巻数を増やしても総合的には出力パワーは同じという結
果となった。そこで、交流モータのほうが形態的にコン
パクトにできるので、モータの主流は交流モータの採用
に流れている。よって、結論として、直流使用のモータ
は開発と製造を中止しているメーカがほとんどである。

【０００３】以上に述べたように、コイルの巻数１に対
して巻数２を巻いたモータは総合的なところでは、直流
も交流も同じであると見なされている概念ができ上がっ
ている。すなわち、直流の使用は、倍巻する、トルクは同じだが、ただし
回転が落ちる交流の使用は、倍巻すると、回転は同じだが、ただし
トルクが落ちる。これは、トルクについては直流と交流は数式にもなって
いて、常識となっているが、回転はなぜそうなるのか追
求が成されていない。ここで、交流と直流の大きな思い
違いに気付くべきである。それは、交流は周波数を持つ
が、直流は持たないという思い違いである。すなわち、
交流は周波数を持たされている人為的な電流であり、直
流は周波数も持たされていない人為的な電流であるとい
うことである。そして交流モータは電圧と電流と周波数
が活用されているが、直流モータは電圧と電流だけが活
用されているのである。

【０００４】以上がなぜ人為的かというと、自然界には
電気があるのであって交流も直流も人が作り出したもの
だからである。人為的である以上、発展すべきものであ
り、停滞し決めつけられることではない。

【０００５】交流はその発生メカニズム上、あくまでも
発電機の回転子の磁極数と、発電取出しコイルの巻きの
方法と回転数で作り出されてくる人為的なものであり、
例えば４極の回転子が１８００ｒｐｍで回転する発電機
から発生する周波数は６０Ｈz である。日本の東と西で
商用周波数に６０Ｈz 、５０Ｈz の違いがあるのは明治
時代に設置された発電機の違いだけなのである。

【０００６】さて、以上のべたように、交流が人為的な
電気振動を持つ電流ならば、同じく人為的な電気振動を
持つ直流の性質を失わないサイクル直流とでも呼ぶべき
電流を作り出すことがこの発明の主眼なのである。つま
り、直流とコイルの本来の性質を失わないサイクル直流
の活用である。この発明は、直流とコイルの関係を、交
流ではなし得ない、電流値を下げてもトルクすなわち電
磁力が落ちない状態を役立てたいための発明である。

【０００７】これは、直流の周波数装置と対象となる回
転体および機器は必然的に別々となるが、組み入れるこ
とはできる。なお、このサイクル直流は交流に似た性質
も持つので、直流と交流を使用対象とした機器は全てこ
の発明の使用対象となるが、この発明では特にモータを
対象としている。

【０００８】この直流のサイクル装置としては、従来か
らある自動車のディストリビュータとイグニッションコ
イル、および直流モータのコミュテータが似ているが、
これらの従来の装置はあくまでも周波数を作り出すもの
としては捉えられておらず、単に回転同調のためのもの
であり、回転の制御を目的としたものではない。なぜな
ら直流モータの回転制御は電圧と電流でなされ、エンジ
ンの回転制御は燃料の送り込みの大小でなされているか
らである。

【０００９】その点、交流モータは回転制御に周波数も
必要条件として取り入れている。交流モータ制御の装置
として、インバータがある。これは一般電源とされてい
る商用交流を直流に変え、この直流を電子素子で再度一
般交流に限りなく近くして、周波数、電圧を制御し、交
流モータを制御する目的のものである。これに対して、
本発明はあくまでも、直流とコイルの性質を失わない直
流のための周波数制御にある。

【００１０】この考えが有効ならば交流モータも回転可
能と推察される。さすれば、この周波数を持たせた直流
の活用は、あえて直流モータ、交流モータと分けて考え
る必要はない。それは、回転子のみならず、固定子も電
磁活用の直流モータは交流でも活用できることが周知だ
からである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上の観点にたって、本
発明においては、電動機の回転軸と切り離してスイッチ
手段を設け、該スイッチ手段は直流を入力としてそれを
転流または断続させて該電動機の励磁コイルに印加する
印加出力とし、該印加出力の転流または断続の周波数を
該電動機の回転軸の回転位置情報を用いずに電動機の回
転状態とは独立して可変制御するように構成した電動装
置が提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電動装置の実
施例を説明する。図１は実施例装置の全体構成を示す図
である。図において、４は回転スイッチ、２は回転スイ
ッチ４を回転させるための補助モータ、３は回転スイッ
チに直流バッテリ、１は回転スイッチ４から作動電流を
供給される３相誘導モータである。

【００１３】ここで、回転スイッチ４は回転軸４１にリ
ングが都合９個固定された形をしており、この回転軸４
１にはプーリ４２が取り付けられていて、補助モータ２
の回転軸２１に取り付けられたプーリ２２との間にベル
トが掛け渡されていて、補助モータ２を回転させること
で、回転スイッチ１の回転軸４１も回転できるようにな
っている。補助モータ２は回転数を任意に設定できる。

【００１４】図３にはこの回転スイッチ４の全体構成
が、また図２には回転軸４１に固定されるリングの電気
接続状態が示される。図３において、回転軸４１上には
都合９個のリングが配列されて取り付けられており、こ
のうち３つのリングＲｂ１〜Ｒｂ３はバッテリー電流入
力用、６つのリングＲｕ１、Ｒｕ２、Ｒｖ１、Ｒｖ２、
Ｒｗ１、Ｒｗ２はモータ１への給電用のものである。バ
ッテリー電流入力用のリングＲｂ１〜Ｒｂ３の各々には
図４に示すようにそれぞれ二つブラシＢｂ、Ｂｂ’が９
０°の間隔をおいて接触するようになっており、それら
の二つのブラシＢｂ、Ｂｂ’はそれぞれバッテリ３の正
極端子（＋）と負極端子（−）に接続される。リングＲ
ｂ１〜Ｒｂ３の各々は図２に示すように４分割された４
分割リングであり、その分割の切込み位置はそれぞれ１
２０°ずつずれている。給電用のリングＲｕ１、Ｒｕ
２、Ｒｖ１、Ｒｖ２、Ｒｗ１、Ｒｗ２は切込みのない環
体であり、リングＲｕ１、Ｒｕ２は後述するモータ１の
ｕ相コイルへの給電用、リングＲｖ１、Ｒｖ２はｖ相コ
イルへの給電用、リングＲｗ１、Ｒｗ２はｗ相コイルへ
の給電用である。バッテリ電流入力用リングＲｂ１〜Ｒ
ｂ３とコイル給電用リングＲｕ１、Ｒｕ２、Ｒｖ１、Ｒ
ｖ２、Ｒｗ１、Ｒｗ２とは図２に示すように電気配線で
接続されている。なお、この配線は実際には回転軸４１
に設けられた溝などを介して行われる。コイル給電用リ
ングＲｕ１、Ｒｕ２、Ｒｖ１、Ｒｖ２、Ｒｗ１、Ｒｗ２
には出力取出し用ブラシＢｕ１、Ｂｕ２、Ｂｖ１、Ｂｖ
２、Ｂｗ１、Ｂｗ２を摺動接触させている。出力取出し
用ブラシＢｕ１、Ｂｕ２は後述するモータ１のｕ相コイ
ルへ、出力取出し用ブラシＢｖ１、Ｂｖ２はｖ相コイル
へ、出力取出し用ブラシＢｗ１、Ｂｗ２はｗ相コイルへ
それぞれ接続される。

【００１５】この回転スイッチ４は、それぞれの４分
割リングが９０°回転する毎に、コイル給電用リングＲ
ｕ１、Ｒｕ２、Ｒｖ１、Ｒｖ２、Ｒｗ１、Ｒｗ２から正
負が転流した電流が取り出せるようになっている。図８
にはｕ相、ｖ相、ｗ相の各コイル給電用リングＲｕ１、
Ｒｕ２、Ｒｖ１、Ｒｖ２、Ｒｗ１、Ｒｗ２の各対から取
り出される電圧波形が示されている。図示するようにｕ
相、ｖ相、ｗ相は互いに位相が１２０°ずれた電圧波形
となる。この回転スイッチ４を小容量のモータ２で回転
させ、モータ２の任意の回転で、モータ１への出力に任
意の周波数を持たすことができる。ちなみに、回転スイ
ッチ４が１８００回転では６０回の転流を生じるので、
交流６０Ｈz に相当すると考えられる。

【００１６】３相誘導モータ１は、具体的には、次の製
品を改造して使用している。製造者：富士電気（株）ＦＶＭＯＴＯＲＩＮＶＥＲＴＡＲＤＲＩＶＥＭＯＴＯＲ２．２ｋＷ４Ｐ型ＭＵＡ６１０７Ａこのモータは、ステータの巻溝の数は３６個であり、ｕ
相、ｖ相、ｗ相の３つのコイルを有しており、これらの
各相のコイルは互いにスター結線されている。各相の巻
線は２本（後述の図７、図８では実線と点線で示す）で
構成されており、この巻線が図７にｕ相について例示す
るように対角線上の対向する二つの位置に巻かれてい
る。このｕ相の巻数は１巻３２ターンで３巻されている
ので計９６ターンとなる。かかる巻線が図６に示すよう
にｕ相、ｖ相、ｗ相の各巻線が１２０°ずつずれてそれ
ぞれ巻き込まれている。

【００１７】このモータ１を本実施例では図５に示すよ
うに改造している。まず、ｕ相、ｖ相、ｗ相が互いにス
ター結線されていたものを、その互いを連結する中央で
の連結を切り、かつ各相の巻線が２本１組となっていた
ものをその巻線の巻初めと巻終りで切離して１本ずつと
し、そのうちの１本の巻始めと巻終りを端子とに接
続し、残り１本の巻始めと巻終りを端子とに接続す
る。これをｕ相、ｖ相、ｗ相のそれぞれについて行う。
よって巻線の数は都合１２本、端子の数も１２個とな
る。それぞれの１本の巻数は９６ターンであり、この２
本を直列接続するとその巻数は倍の１９２ターンとな
る。したがって、ｕ相、ｖ相，ｗ相の巻数は１本時に９
６ターン、２本直列接続時に１９２ターンとなる。この
実施例では１本時の９６ターンの抵抗値は１Ωであるの
で、２本直列接続時の１９２ターンの抵抗値は２Ωとな
る。

【００１８】直流バッテリー３は「ＹＵＡＳＡＭＦ
３８Ｂ２０ＲＰＡＦＥＣＲＴＡ」を２個直列接続して
用いており、自動車の２４Ｖ用オルタネータをモータで
回し、バッテリーチャージしながらこの電動装置の電源
として利用している。

【００１９】この電動装置の運転は、補助モータ２で回
転スイッチ４を回転させることで、バッテリ３の直流出
力を転流させてモータ１の各相のコイルに供給し、モー
タ１を回転させることによる。モータ１の各相のコイル
に供給する電流（電圧）の転流の周波数は補助モータ２
の回転数を任意のものに調整することで制御できる。

【００２０】かかる運転により、モータ１で得られたト
ルクを図１０、図１１に示すようにして計測した。すな
わち、モータ１のプーリ１２に５０ｃｍのＬ鋼材８を溶
接により固定し、そのＬ鋼材８の他端側に、モータ１の
回転力を受けたＬ鋼材８により押圧力を受けるようにし
て静止トルク測定用の静止トルク計（ロードセル）６を
配置した。この静止トルク計は具体的には、「（株）共
和電業製造トルク計名称：ひずみゲージ式ロードセ
ルビーム型型式ＬＵＢ−５ＫＢ」と計装用増幅器ＷＧ
１−３００Ｂである。この静止トルク計６を５０ｃｍの
荷重受けで計測し、ＧＡＩＮ調整は０．６２４でなし
た。また、この電動装置での消費電流を測定するため
に、バッテリ３の負極端子（−）側の配線をクランプ計
測器５を用いてクランプすることで、同配線を流れるＤ
Ｃ電流の大きさを測定した。このバッテリ電電流計測に
使用したクランプ計測器５は「カイセ株式会社製造Ａ
Ｃ／ＤＣディジタルクランプメータＭＯＤＥＬＳＫ
−７７１１」を用いた。モータの回転は、モータ軸にシ
ールを貼り、光センサで計測した。

【００２１】測定は巻線を１本とした９６ターンの場合
と２本直列接続した１９２ターンの場合とのそれぞれに
ついて行った。測定結果は以下のとおりである。

【００２２】計測結果静止トルクは、回転スイッチ４の回転数６０ｒｐｍで出
力２Ｈz 相当で運転して計測した。〔９６ターン時〕バッテリ３の直流出力電圧：ＤＣ２４Ｖバッテリ３の出力電流：３６Ａ静止トルク計で計測したトルク：１．６５〜１．８５ｋ
ｇｍ〔１９２ターン）バッテリ３の直流出力電圧：ＤＣ２４Ｖバッテリ３の出力電流：１６．１Ａ静止トルク計で計測したトルク：１．５５〜１．７５このように、計測結果は、１９２ターン時の電流は９６
ターン時の半分以下で、一方、トルクは近似の値となっ
た。

【００２３】次にモータ１の回転数とバッテリ電流との
関係を計測した。この回転計測は回転スイッチ４の回転
数１６００ｒｐｍで出力５３Ｈz 相当で運転して計測し
た。またバッテリ３にオルタネータよりチャージをしな
がら実施した。バッテリ３の出力電圧はＤＣ２８．４Ｖ
であった。〔９６ターン〕モータ１の回転数：１５６９〜１５７０ｒｐｍバッテリ３の出力電流：ＤＣ１．５〜２．１Ａバッテリ３の直流出力電圧：２８．４Ｖ〔１９２ターン〕モータ１の回転数：１５４３〜１５４７ｒｐｍバッテリ３の出力電流：ＤＣ０．７〜０．９Ａバッテリ３の直流出力電圧：２８．４Ｖ

【００２４】この結果からも分かるように、モータの巻
線を９６ターンから１９２ターンへと２倍巻きしても、
９６ターン時に比べてトルクと回転数がほぼ変わらず、
一方、電力値は半分以下となるという結果となった。よ
ってこのサイクル直流は非常に有益である。

【００２５】なお、上述の実施例ではモータ１のｕ相、
ｖ相、ｗ相のコイルをそれぞればらばらに分離したが、
これらをスター結線させた３相誘導モータであっても、
この３相のサイクル直流で同３相誘導モータを回転させ
ることができる。この場合、３つの３分割Ｒｂ１〜Ｒｂ
３の構成はそのままで、図１２に示されるように、取出
しリングＲｕ１、Ｒｕ２、Ｒｖ１、Ｒｖ２、Ｒｗ１、Ｒ
ｗ２に各相の対のうちの一方だけ（つまり都合３個）を
用いてその電線をモータの各相の端子（３つの端子）に
接続すればよい。また図１３に示されるように、各タイ
ミングにおいて、ｕ相、ｖ相、ｗ相の電圧を加算したも
のは０になるように、各相の出力電圧波形を調整する。
この調整は後述するように回転スイッチを電子回路で構
成してその電子回路で行うようにするとよい。なお、ス
ター結線に代えてデルタ結線したものに対しても本発明
は当然有効であるが、今回は実験はしていない。

【００２６】さらに、３相を４相以上必要な相条件を設
定すれば、より効率は良くなる可能性がある。また今回
実験したモータ１の巻数の設定は、巻数が１：２の比
（すなわち９６ターンと１９２ターン）であるが、巻数
の上限は理論的には無限である。さらにコンデンサーを
回転スイッチとモータの引込み線のそれぞれに適切な線
間に設定することは、能力のより良い方向に働くと思わ
れる。

【００２７】また、本発明は交流モータだけに限られ
ず、通常の直流モータに対しても適用できることは勿論
のことである。すなわち上記回転スイッチ４から取り出
された転流電流または断続電流を直流モータのコイルに
供給すればよいのである。

【００２８】また、回転スイッチ４の形態は上述の実施
例のものに限定されるものではなく、例えば図９に示さ
れるように、ブラシＢｕ、Ｂｕ’、Ｂｖ、Ｂｖ’、Ｂ
ｗ、Ｂｗ’を回転軸に固定し、その外周側に各相の出力
取出し用リングＲｕ、Ｒｖ、ＲｗをブラシＢｕ、Ｂ
ｕ’、Ｂｖ、Ｂｖ’、Ｂｗ、Ｂｗ’に摺動するように設
けてもよい。すなわち、回転軸４１に絶縁体の円柱４３
ｕ、４３ｖ、４３ｗを設けて、それぞれに９０°間隔で
配置された１対のブラシＢｕ、Ｂｕ’、Ｂｖ、Ｂｖ’、
Ｂｗ、Ｂｗ’を固定する。また、バッテリ入力用のリン
グＲｂ１、Ｒｂ２を設け、これにブラシＢｒ１、Ｂｒ２
を介してバッテリ３から直流入力を与える。各ブラシＢ
ｕ、Ｂｕ’、Ｂｖ、Ｂｖ’、Ｂｗ、Ｂｗ’とリングＲｂ
１、Ｒｂ２間の接続は図９に示す。出力取出し用リング
Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗはそれぞれ４分割し、互いに１２０°
ずつ分割位置をずらす。これにより回転スイッチを小型
化できる。

【００２９】また、かかる回転スイッチにおいては、４
分割リングを８、１６、３２と分割して増やしていけ
ば、６０Ｈz を４分割で１８００ｒｐｍなら：８分割で
９００ｒｐｍ、１６分割で４５０ｒｐｍ、３２分割で２
２５ｒｐｍと、分割を許容できる範囲まで小さな回転と
なっていく。必要なサイクルをより小さい回転で取り出
すことができ、これには図９のディストリビュータ方式
が良好である。

【００３０】この回転スイッチ４は機械式のものに限ら
れるものではなく、電子回路で構成することもできる。
すなわち、バッテリからの直流入力を電子素子のオン／
オフで転流または断続させてその出力をモータのコイル
に印加するようにし、その転流または断続出力の周波数
を任意に設定できるように回路を構成すればよい。これ
にはブラシレスＤＣモータの制御回路を転用してその出
力周波数を可変制御できるように改造すればよい。

【００３１】なお、ブラシレスＤＣモータもモータの回
転軸と別体の電子回路により回転を制御しているので、
一見、本願発明に類似しているが、以下に述べるよう
に、ブラシレスＤＣモータはそのロータの回転位置に応
じてコイルにＰＷＭ（パルス幅変調）された出力を印加
しているのに対して、本願発明はロータの回転位置と無
関係にコイルに印加する直流を転流または断続させてそ
の周波数を変えている点で大きく異なっている。

【００３２】すなわち、ブラシレスＤＣモータは回転子
の位置をホール素子等のセンサで検出し、トランジスタ
で各ステータコイルに通電していく。そして印加電圧に
よる速度制御である。Ｆ−Ｖ方式の進んだ方式のＰＬＬ
方式は、速度制御部にマイクロコンピュータを使用し、
ＰＷＭのパワーアンプと組み合わせて機能させている。
これは始動電流をプログラムすることができ、モータの
ロック状態における電流を任意に設定できる。

【００３３】また、センサレスブラシレスＤＣモータの
駆動もトランジスタのＯＮによりステータコイルに通電
を行う。そしてその駆動方法と制御は各コイルの誘起電
圧を比較することにより通電タイミングを作成し、トラ
ンジスタのＯＮにより駆動制御をする。

【００３４】現在のブラシレスＤＣモータの駆動制御は
全て回転子の回転を検出するか、またはステータコイル
の誘起電圧の比較により通電タイミングをとっている。
このことは装置の作動が回転子の回転に準じていること
であり、交流モータのようにステータコイルの回転磁界
に回転子が準じていることとは異なる。

【００３５】以上、現在の電圧と電流による直流での駆
動制御方法では、回転子の動きに準じる限り、ステータ
コイルの巻数を増やせば増やす程に、トルクは落ちない
が回転数は落ちているのである。これは巻数を増やす程
の電圧、電流の遅れのためである。そこで、ステータコ
イルの巻数を増やしても、回転子の回転数を落とさない
状態を維持するためには、常時、回転子の回転を維持す
るための固定子側の磁界の回転振動が必要となり、ステ
ータコイルに回転子を準じさせなければならない。

【００３６】そのためには、本願発明で行っているよう
に、ステータコイルに対しての通電は、直流であっても
周波数を与えて直流における電圧、電流、そして周波数
の活用を組み入れ、直流によるステータコイルの回転磁
界振動を維持する方法を取らねばならない。このことで
初めて直流の特質をモータに最高に活かせるのである。

【００３７】さらに本発明は以下のような特殊な形態の
電動機にも適用できるものである。まず、シリンダ内で
ピストンが電磁力により往復運動することで動力を得る
電磁ピストン式の電動機に適用する場合について説明す
る。まず初めに、この電動機の基本的な構成について説
明する。

【００３８】図１４は電磁ピストン式の電動機の実施例
の横断面図である。また、図１５はこの電動機のシリン
ダとピストン部分の外観図である。図１４において、１
はピストン、２はシリンダ、３は外側シリンダ、４、９
は連結部であり、ともに珪素鋼板で作られている。シリ
ンダ２と外側シリンダ３は頂部が閉じられた形状になっ
ている。シリンダ２の頂部外壁には連結部４が一体成形
されており、シリンダ２は連結部４が外側シリンダ３の
頂部内壁に当接するようにして外側シリンダ３の内部に
収容され、この連結部４が外側シリンダ３の頂部に取付
けネジ１６で固定されている。この連結部４には励磁コ
イル５が巻回される。外側シリンダ３の頂部外側には二
つの電極６が取り付けられ、この二つの電極６は外側シ
リンダ３の内壁側に貫通して励磁コイル５の両端の導線
にそれぞれ接続され、この電極６を通して励磁コイル５
を励磁できるようになっている。

【００３９】ピストン１は、内部が空洞であって先端側
が開口しており、基端側には永久磁石７がＳ極側がピス
トン基端面に向かうようにして固定してある。この永久
磁石７のＮ極側の面には連結部９が固定してあり、さら
にこの連結部９の軸孔９ａにはコンロッド１０が軸支さ
れている。このコンロッド１０の他端の軸孔１０ａは図
示しないクランク機構のクランク軸に軸支される。連結
部９にはブースタ用励磁コイル８（以下、ブースタコイ
ルと称する）が巻回されており、このブースタコイル８
の両端の導線は、ピストンの外壁側面に軸方向に延びる
ように埋め込んだ銅板電極１２にそれぞれ接続される。

【００４０】ピストン１はシリンダ２の内部にベアリン
グ１５により支持されており、シリンダ軸方向に滑らか
に往復運動（上下運動）できるようになっている。ピス
トン１は図中に“Ｌ”で示す距離を往復運動する。ベア
リング１５はシリンダ２の内壁（すなわちピストン１の
外壁）の円周方向に沿って、上下の２つの位置に配置さ
れており、ピストン１とシリンダ２が磁気的に結合しな
いようにセラミックで製造されている。このベアリング
１５に代えていわゆるコロを用いてもよい。

【００４１】シリンダ２にはブラシ電極１４（以下、単
にブラシと称する）が外壁側から内壁側に貫通してお
り、このブラシ１４の先端は前記の銅板電極１２に摺動
接触するようになっている。ブラシ１４の他端はさらに
外側シリンダ３を貫通して外部から電流を流すことがで
きるようになっている。このブラシ１４はカーボンで製
造してもよいし、先端部をいわゆるコロにして摺動によ
る擦り減りを低減させるようにしてもよい。図１６には
ブラシ１４の先端をコロにした場合の構成が示される。
図示のように、先端に円筒形の電極１４ａを回転自在に
取り付け、この円筒電極１４ａが銅板電極１２の面と回
転しながら接触するようにする。

【００４２】なお、ブースタコイル８給電用の接点機構
は、上述の銅板電極１２とブラシ１４による接点機構に
限られるものではなく、例えばコンロッド１０の内側を
空洞にしてそこにブースタコイル８の導線を通し、クラ
ンク軸側にクランク軸円周方向に一回転するリング電極
を取り付け、これと摺動するブラシを設けた摺動接点機
構を設けるなど、種々の接点機構が採用可能である。

【００４３】この電磁式ピストン機関の動作を以下に述
べる。このピストン機関の作動中、ブースタコイル８に
は永久磁石７の磁極の強さを強化する方向に電流を流し
続ける。後述するようにピストン１はシリンダ２内を往
復運動するが、ブースタコイル８への給電は、銅板電極
１２に摺動するブラシ１４を通して電流を供給すること
で行える。これによりピストン１は永久磁石７とブース
タコイル８の磁力により全体がＳ極に磁化される。

【００４４】励磁コイル５の励磁は次のようにして行
う。すなわち、ピストン１が上死点から下死点（図中を
上から下に向かう方向）に向かう期間中は、シリンダ２
がＳ極、外側シリンダ３がＮ極に磁化される方向に電流
を流す。一方、下死点から上死点（図中を下から上に向
かう方向）に向かう期間中は、シリンダ２がＮ極、外側
シリンダ３がＳ極に磁化される方向に電流を流す。この
励磁電流の通電を周期的に繰り返す。

【００４５】上記のようにして励磁コイル５を励磁する
と、ピストン１が下死点から上死点に向かう間は、ピス
トン１のＳ極とシリンダ２のＮ極とが吸引し合い、ピス
トン１はこの吸引力により上死点に向かって上昇する。
ピストン１が上死点に達したら、励磁コイル５の励磁電
流を反転させる。これによりシリンダ２はＳ極に磁化さ
れるので、ピストン１のＳ極とシリンダ２のＳ極は今度
は互いに反発し合い、その反発力によりピストン１は下
方向に押し出され、下死点に向かって下降する。下死点
に達したら、再び励磁コイル５の励磁電流を反転させ
る。これを繰り返すことによりピストン１はシリンダ２
内を往復運動することになり、この往復運動はコンロッ
ド１０を介してクランク軸１１の回転運動に変換され
る。

【００４６】図１７には上述の電動機を複数台用いて電
磁式ピストン機関を構成した場合の実施例が示される。
ここでは便宜上、上述の一つのシリンダと一つのピスト
ンの組合せを一つのアセンブリ（assembly) と称するこ
とにする。この実施例は６連アセンブリの電磁式ピスト
ン機関である。図示されるように、６つのアセンブリを
直列に配置し、各アセンブリの外側シリンダ３を磁気的
に結合させる。便宜上、図面左側から順番に番号を付け
て第１アセンブリ、第２アセンブリ・・・第６アセンブ
リと称することにする。

【００４７】第１〜第６アセンブリの各ピストン１は全
て先端側がＳ極となるように永久磁石７の配置およびブ
ースタコイル８の励磁を行う。第１〜第６アセンブリの
各ピストンは、第１アセンブリを基準（０°）とした
時、それらの上死点がそれぞれ６０°クランク角ごとの
等間隔でクランク軸４０に取り付けられている。ここ
で、第１と第２アセンブリ間、第３と第４アセンブリ間
および第５と第６アセンブリ間はクランク角の位相差が
それぞれ１８０°あるようにする。また、第１と第３ア
センブリ間、および第３と第５アセンブリ間はクランク
角の位相差がそれぞれ１２０°あるようにする。クラン
ク軸４０はエンジン本体にベアリング４１で回転自在に
支持されている。

【００４８】第１〜第６アセンブリの各励磁コイル５に
はインバータ４２から励磁電流を供給する。インバータ
４２はバッテリ４３の直流出力を３相交流出力に変換し
て各励磁コイル５に供給する。この３相交流出力の周波
数は自由に変えることができる。また第１〜第６アセン
ブリの各ブースタコイル８にはブラシ１４を介してバッ
テリ４３から直流電流を供給する。この直流電流はピス
トン１先端がＳ極となる方向に流す。

【００４９】図１８（Ａ）にはインバータ４２から各励
磁コイル５への給電の仕方が示される。図示されるよう
に、第１と第２アセンブリの励磁コイル５には３相交流
のＲ・Ｓ相が互いに逆相で接続され、第３と第４アセン
ブリの励磁コイル５には３相交流のＳ・Ｔ相が互いに逆
相で接続され、第５と第６アセンブリの励磁コイル５に
は３相交流のＴ・Ｒ相が互いに逆相で接続される。図１
８（Ｂ）には、第１アセンブリを基準（０°）とした時
のクランク角に対する第１〜第６アセンブリの各ピスト
ンの位置が示される。また、図１８（Ｃ）には３相交流
とクランク角との関係が示される。

【００５０】上述のように接続すると、各アセンブリで
は、励磁コイル５に、ピストンの往復動の中央位置で最
大となり、ピストンの上死点または下死点で励磁電流の
方向が反転するように電流が流れる。この結果、クラン
ク角０°では、第１、第２アセンブリでは反発力と吸引
力がそれぞれ０近くから働き始め、第３、第４アセンブ
リではピーク値に近い増加中の吸引力と反発力がそれぞ
れ働き、第５、第６アセンブリではピーク値に近い減少
中の反発力と吸引力がそれぞれ働く。またクランク角６
０°では、第１、第２アセンブリではピーク値に近い増
加中の吸引力と反発力がそれぞれ働き、第３、第４アセ
ンブリではピーク値に近い減少中の吸引力と反発力がそ
れぞれ働き、第５、第６アセンブリでは反発力と吸引力
がそれぞれ０近くから働き始める。このように、吸引・
反発の関係がクランク角に応じて第１〜第６アセンブリ
を逐次にシフトしていく。これにより、各アセンブリの
ピストンの往復動の周期は、同期モータの原理と同様に
して、３相交流の周波数にすべりなく同期することにな
る。よって、インバータ４２で発生する３相交流の周波
数を可変制御してやれば、それに応じてこの電磁ピスト
ン式機関の回転数を可変制御することができる。

【００５１】図１９には６連アセンブリによる電磁式ピ
ストン機関の他の例が示される。図２０にはピストン１
の磁極の極性に対し、シリンダ２にＳ極またはＮ極発生
するための励磁コイル５の励磁電流の極性が示される。
この実施例は励磁コイル５への給電に３相交流を用いな
い方法である。第１、第３、第５アセンブリのピストン
を同じ高さにし（すなわちクランク角を同じにし）、第
２、第４、第６アセンブリのピストンを同じ高さにし、
第１、第３、第５アセンブリと第２、第４、第６アセン
ブリのピストン位置は逆相とする。

【００５２】クランク軸に６つのリング状の電極５１〜
５６を取り付ける。電極５１〜５４は分割されていない
リングである。また電極５５、５６は直径方向に２分割
された２分割リングである。２分割リング５５、５６は
ともに同じクランク角位置で分割し、分割片５５ａ、５
５ｂと分割片５６ａ、５６ｂとにそれぞれ分ける

【００５３】リング５１〜５４はそれぞれブラシ（電
極）６１〜６４と摺動接触するようにし、ブラシ６１、
６２はそれぞれ第１、第３、第５アセンブリの励磁コイ
ル５に接続し、ブラシ６３、６４はそれぞれ第２、第
４、第５アセンブリの励磁コイル５に接続する。また２
分割リング５５はブラシ６５、６７に直径線上でそれぞ
れ摺動接触するようにし、２分割リング５６はブラシ電
極６６、６８に直径線上でそれぞれ摺動接触するように
する。ブラシ６５，６８はバッテリのプラス（＋）側端
子に接続し、ブラシ６６、６７はマイナス（−）側端子
に接続する。分割片５５ａ、５６ａをそれぞれリング５
１、５２に接続し、分割片５５ｂ、５６ｂをそれぞれリ
ング５３、５４に接続する。また、第１〜第６アセンブ
リのピストン側ブースタコイル８にはバッテリ４３から
それぞれ並列に直流電流を同じ方向に流すようにする。

【００５４】以上のように接続すると、クランク軸が１
８０°回転する毎に、２分割リング５５、５６での電流
の反転により、第１〜第６アセンブリの励磁コイル５に
流れる励磁電流の方向が反転することになり、シリンダ
２内では吸引力と反発力に交互に切り替わるよう磁場が
反転することになる。

【００５５】次に、図１９の実施例の電磁式ピストン機
関に前述の回転スイッチを適用して本発明の電動装置を
構成する場合について説明す。図２１はかかる実施例の
回転スイッチを示す。この実施例は図１９の実施例にお
けるリング５１〜５４と２分割リング５５、５６の部分
をクランク軸から切り離し、代わりに、回転速度が制御
可能なモータで回転される回転軸に取り付けたものであ
り、これをここでは便宜上、回転スイッチと称する。モ
ータはこの回転スイッチの回転軸にプーリあるいはスプ
ロケットを介して取り付けられる。その他の構成は図１
９の実施例と同じである。すなわち、回転軸６０をケー
ス５７にベアリング５８により回転自在に支持し、この
回転軸６０に前述の２分割リング５５、５６、リング５
１〜６４を取り付ける。ケース５７からブラシ６１〜６
８を各リング５１〜５６に対してスプリング５９で押圧
しつつ突き出す。リング５１〜５４と２分割リング５
５、５６間の電気接続は、図２２に示されるように、そ
れぞれのリングの内側に絶縁体６９を設け、これに適宜
に貫通孔をあけて互いの配線を通せばよい。上述のよう
に構成すると、モータで回転軸の回転速度を自由に制御
することで、それに応じて電磁式ピストン機関の回転速
度も制御できる。モータとしては高いトルクは必要ない
ので、小型のもので足りる。

【００５６】次に、以下のような形態の電動機に本発明
を適用する場合について説明する。まず回転スイッチを
適用しない場合におけるこの電動機の基本的構造につい
て説明する。

【００５７】図２３は係るモータの実施例を示す図であ
る。図２３において、図示しない筺体に回転軸５が回転
可能に支持される。回転軸５には６つの円盤形のロータ
１a、１b 、１c 、１a'、１b'、１c'が軸方向に沿って
間隔を置いて並べられて取り付けられる。各ロータ１a
、１b 、１c 、１a'、１b'、１c'はそれぞれ永久磁石
からなり、円盤を軸方向に中心から二分割した半分がＳ
極、残り半分がＮ極になる。各ロータ１a 、１b 、１c
、１a'、１b'、１c'の隣り合う磁極はＳ極とＮ極が互
い違いになるように配置される。

【００５８】各ロータ１a 、１b 、１c 、１a'、１b'、
１c'の実現方法としては種々の公知の方法が可能であ
り、例えば非磁性体からなる円盤の外側に半円の円弧形
の板磁石を張りつけてもよく、この板磁石は外側面を例
えばＳ極、内側面をＮ極などのように形成する。

【００５９】ロータ１a 、１b 、１c 、１a'、１b'、１
c'の外側にはステータコア２a 、２b 、２c 、２a'、２
b'、２c'が配置される。各ステータコア２a 、２b 、２
c 、２a'、２b'、２c'は珪素鋼板などの磁性材料からな
り、対応する各ロータ１a 、１b 、１c 、１a'、１b'、
１c'を外側から取り囲むことができるようにロータに面
する側が半円形に切り欠かれて両脇に二つの脚部をな
し、この切欠き部分に各ロータ１a 、１b 、１c 、１
a'、１b'、１c'が間隙を持ってそれぞれ嵌合するように
なっている。また各ステータコア２a 、２b 、２c 、２
a'、２b'、２c'の切欠き部のロータ側に突出した２つの
脚部は長さが若干異なるようにしてある。例えば図２中
の各ステータコア２a 、２b 、２c 、２a'、２b'、２c'
の手前の脚部を奥の脚部よりも若干長くしてあり、これ
により磁気的バランスが不平衡になるようにしてある。
なお、図２３では図を見やすくするために、ロータ１a
、１b、１c 、１a'、１b'、１c'とステータコア２a 、
２b 、２c 、２a'、２b'、２c'は離して描いてある。

【００６０】各ステータコア２a 、２b 、２c 、２a'、
２b'、２c'は、ステータコア２a と２a'が連結棒３a
で、スタータ２b と２b'が連結棒３b で、ステータコア
２c と２c'が連結棒３c でそれぞれ連結される。この連
結棒は珪素鋼板などの磁性材料からなり、連結棒の中間
部分はステータコア２a 、２b 、２c 、２a'、２b'、２
c'から離してある。連結棒３a にはコイル４a が、連結
棒３b にはコイル４b が、また連結棒３c にはコイル４
c がそれぞれの中間部分に巻かれる。

【００６１】回転軸５には２分割リング６１、６２とリ
ング６３〜６６が整流子として取り付けられる。リング
６３〜６６は連続したリング状の導体からなり、２分割
リング６１、６２は連続したリング状の導体を半分に２
分割した導体片ａ、ｂからなる。２分割リング６１の導
体片ａはリング６３に、導体片ｂはリング６５に接続さ
れ、２分割リング６２の導体片ａはリング６４に、導体
片ｂはリング６６に接続される。

【００６２】２分割リング６１、６２、リング６４〜６
６にはブラシ７１〜７６がそれぞれ摺接するように配置
されており、ブラシ７１はバッテリ９のプラス端子に、
ブラシ７２はマイナス端子にそれぞれ接続される。ま
た、ブラシ７３と７６は互いに接続されてコイル４a 、
４c の一端（＋）とコイル４b の他端（−）に接続さ
れ、ブラシ７４と７５は互いに接続されてコイル４a 、
４c の他端（−）とコイル４b の一端（＋）に接続され
る。

【００６３】このような接続により、回転軸５の回転に
伴って、２分割リング６１、６２の導体片ａにブラシ７
１、７２が接触するときと導体片b に接触するときで
は、コイル４a 〜４c に流れる電流方向が反転し、また
コイル４a と４c の励磁電流とコイル４b の励磁電流で
は方向が逆であるから、各ステータコア２a 、２b 、２
c 、２a'、２b'、２c'に現れる磁極は空間的に異極が交
互に現れ、かつそれらの磁極が周期的にＳ極とＮ極に反
転する。

【００６４】具体的には、コイル４a 、４c の通電によ
り例えばステータコア２a 、２c がＳ極、ステータコア
２a'、２c'がＮ極に磁化されるときには、コイル４b の
通電によりステータコア２b がＮ極、ステータコア２b'
がＳ極に磁化され、回転軸５に回転に伴って通電方向が
反転すると各ステータコア２a 、２b 、２c 、２a'、２
b'、２c'の各磁極の極性が反転する。このように、各ス
テータコア２a 、２b、２c 、２a'、２b'、２c'には回
転軸方向に交互に逆の磁極（例えば図示のようにＳ、
Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓ、Ｎ）が発生する。

【００６５】この装置の動作を説明する。いま、回転軸
５の回転位置により、２分割リング６１、６２の導体片
ａがブラシ７１、７２に摺接しているとする。このとき
にコイル４a 、４b 、４c に流れる励磁電流により、ス
テータコア２a 、２c 、２b'がＳ極に磁化され、ステー
タコア２b 、２a'、２c'がＮ極に磁化される。これによ
り、ステータコア２a 、２c 、２b'のＳ極とロータ１a
、１c 、１b'のＮ極との間に磁気吸引力が働き、また
ステータコア２b 、２a'、２c'のＮ極とロータ１b 、１
a'、１c'のＳ極との間に磁気吸引力が働き、回転軸５は
図中を手前方向（矢印方向）に回転する。

【００６６】この回転により、やがて回転軸５の回転位
置は、２分割リング６１、６２の導体片b がブラシ７
１、７２に摺接するようになる。このときに励磁コイル
４a 、４b 、４c に流れる励磁電流が反転して、ステー
タコア２a 、２c 、２b'がＮ極に磁化され、ステータコ
ア２b 、２a'、２c'がＳ極に磁化される。これにより、
ステータコア２a 、２c 、２b'のＮ極とロータ１a 、１
c 、１b'のＳ極との間に磁気吸引力が働き、同じくステ
ータコア２b 、２a'、２c'のＳ極とロータ１b 、１a'、
１c'のＮ極との間に磁気吸引力が働き、回転軸５はさら
に図中を手前方向（矢印方向）に回転する。以下、同様
にして回転軸５は回転し続ける。

【００６７】このような構成においては、励磁コイル４
はロータ１またはステータコア２に直接巻かれるのでは
なく連結棒３に巻かれるようになっているので、連結棒
３に巻くコイルの巻数を、モータを大型化させることな
く、非常に多くすることが可能となり、大きな磁力を発
生することができる。

【００６８】次にこの電動機に前述の回転スイッチを適
用して本発明の電動装置を構成する場合について説明す
る。図２４はかかる実施例を示す。この実施例は図２３
の実施例における２分割リング６１、６２とリングリン
グ６３〜６６の部分を回転軸５から切り離し、代わり
に、回転速度が制御可能なモータで回転される回転軸６
０に取り付けたものである。これをここでは便宜上、回
転スイッチと称する。モータはこの回転スイッチの回転
軸にプーリあるいはスプロケットを介して取り付けられ
る。この他の構成は図２３の実施例と同じである。

【００６９】すなわち、回転軸６０をケースに５７にベ
アリング５８により回転自在に指示し、この回転軸６０
に前述の２分割リング６１、６２とリング６３〜６６を
取り付ける。ケース５７からブラシ７１〜７６を各リン
グ６１〜６６に対してスプリング５９で押圧しつつ突き
出す。２分割リング６１、６２とリング６３〜６６の間
の電気接続は、図２５に示されるように、それぞれのリ
ングの内側に絶縁体６９を設け、これに適宜に貫通孔を
あけて互いの配線を通せばよい。上述のように構成する
と、モータで回転軸の回転速度を自由に制御すること
で、それに応じてモータの回転速度も制御できる。モー
タとしては高いトルクは必要ないので、小型のもので足
りる。

【００７０】この回転スイッチを使用する場合には、２
分割リング６１、２６をさらに４分割、８分割と分けて
いけば、ロータの回転速度に対して回転スイッチの回転
軸６０の回転速度を１／２、１／４と下げて使用するこ
とができる。図２６はかかる構成を示す図であり、２分
割リング６１、６２に代えて４分割リング６１’、６
２’を用いている。（イ）はリング６３〜６６側で配線
をまとめる場合、（ロ）は４分割リング６１’、６２’
側で配線をまとめる場合の例である。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
モータの巻数を多くして電流を下げる一方、回転数とト
ルクは下がらないようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電動装置の全体構成の例を示す図であ
る。

【図２】実施例の回転スイッチのリングの接続関係を示
す図である。

【図３】実施例の回転スイッチの横断面図である。

【図４】実施例の回転スイッチのバッテリ入力リング部
分の断面図である。

【図５】実施例のモータのコイル結線を示す図である。

【図６】実施例のモータの一般的なコイル配線を説明す
る図である。

【図７】実施例のモータの一般的なコイル配線を説明す
る図である。

【図８】実施例の回転スイッチからの出力波形を示す図
である。

【図９】回転スイッチの他の実施例を示す図である。

【図１０】実施例の電動装置におけるトルク計測方法を
示す図である。

【図１１】実施例の電動装置におけるトルク計測方法を
示す図である。

【図１２】本発明の他の実施例（３相誘導モータのスタ
ー結線に適用時）を示す図である。

【図１３】図１４の実施例の時の回転スイッチの出力波
形を示す図である。

【図１４】電磁ピストン式の電動機の横断面図である。

【図１５】この電磁ピストン式の電動機のシリンダとピ
ストン部分の外観図である。

【図１６】ブラシの変形例を示す図である。

【図１７】６連アセンブリによる電磁式ピストン機関の
例を示す図である。

【図１８】６連アセンブリによる電磁式ピストン機関を
３相交流電力で駆動する仕方を説明する図である。

【図１９】６連アセンブリによる電磁式ピストン機関を
機械的整流子を用いてバッテリで駆動する仕方を説明す
る図である。

【図２０】図１６実施例における励磁コイルの励磁電流
の方向を説明する図である。

【図２１】６連アセンブリによる電磁式ピストン機関の
回転スイッチを示す図である。

【図２２】回転スイッチにおける各電極の配線態様を示
す図である。

【図２３】本発明を適用する他の形態のモータをを示す
図である。

【図２４】図２３のモータに適用する回転スイッチを示
す図である。

【図２５】回転スイッチの各リング間の接続例を示す図
である。

【図２６】回転スイッチの２分割リングの変形例を示す
図である。

【符号の説明】

図１〜図１３において、１モータ２補助モータ３バッテリ４回転スイッチ５クランプ計測器６ロードセル７トルク計８Ｌ鋼材図１４〜図２２において、１ピストン２シリンダ３外側シリンダ４連結柱５励磁コイル６電極７永久磁石８ブースタコイル９連結棹１０コンロッド１２銅板電極１４ブラシ電極１５ベアリングボール図２３〜図２５において、１a 、１b 、１c 、１a'、１b'、１c' ロータ２a 、２b 、２c 、２a'、２b'、２c' ステータコア３ａ、３ｂ、３ｃ連結棒４ａ、４ｂ、４ｃ励磁コイル５回転軸８バッテリ１０a 、１０b 、１０c 、１０a'、１０b'、１０c' ロ
ータ２０a 、２０b 、２０c 、２０a'、２０b'、２０c' ス
テータコア６１、６２２分割リング６３〜６６リング７１〜７６ブラシ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電動機の回転軸と切り離してスイッチ手段
を設け、該スイッチ手段は直流を入力としてそれを転流
または断続させて該電動機の励磁コイルに印加する印加
出力とし、該印加出力の転流または断続の周波数を該電
動機の回転軸の回転位置情報を用いずに電動機の回転状
態とは独立して可変制御するように構成した電動装置。