(57)【要約】【課題】パルスモーターの大型化を図ること。【解決手段】本発明では、パルスモーター（１）において、ステーター（２）の内周面とローター（４）の外周面のそれぞれに分布巻したコイル（７〜１０、１３〜１６）からなる複数の電磁石を円周方向に均等に配置し、全ての電磁石に単相パルスを印加することでステーター（２）に対してローター（４）を回転させることにした。また、本発明では、前記電磁石は、コイルピッチを円周方向にずらした複数の分布巻したコイル（コイル（７）とコイル（８）、コイル（９）とコイル（１０）、コイル（１３）とコイル（１４）、コイル（１５）とコイル（１６））で構成することにした。【選択図】図１
2020174512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステーターの内周面とローターの外周面のそれぞれに分布巻したコイルからなる複数の電磁石を円周方向に均等に配置し、全ての電磁石に単相パルスを印加することでステーターに対してローターを回転させることを特徴とするパルスモーター。
【請求項２】
前記電磁石は、コイルピッチを円周方向にずらした複数の分布巻したコイルで構成したことを特徴とする請求項１に記載のパルスモーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスモーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のパルスモーターは、ローターの外周面に永久磁石を円周方向に均等に配置するとともに、ステーターの内周面に複数の集中巻したコイルを円周方向に均等に配置した構成となっている（たとえば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−８３９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記従来のパルスモーターでは、永久磁石と集中巻したコイルとの組み合わせであるため、パルスモーターの大型化が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、請求項１に係る本発明では、パルスモーターにおいて、ステーターの内周面とローターの外周面のそれぞれに分布巻したコイルからなる複数の電磁石を円周方向に均等に配置し、全ての電磁石に単相パルスを印加することでステーターに対してローターを回転させることにした。
【０００６】
また、請求項２に係る本発明では、前記請求項１に係る本発明において、前記電磁石は、コイルピッチを円周方向にずらした複数の分布巻したコイルで構成することにした。
【発明の効果】
【０００７】
そして、本発明では、以下に記載する効果を奏する。
【０００８】
すなわち、本発明では、パルスモーターにおいて、ステーターの内周面とローターの外周面のそれぞれに分布巻したコイルからなる複数の電磁石を円周方向に均等に配置し、全ての電磁石に単相パルスを印加することでステーターに対してローターを回転させることにしているために、パルスモーターの大型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係るパルスモーターを示す模式図。
【図２】同結線図。
【図３】同動作説明図（状態１）。
【図４】同動作説明図（状態２）。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［本発明の構成］
以下に、本発明に係るパルスモーターの具体的な構成について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１及び図２に示すように、パルスモーター１は、中空円筒状のステーター２の内側中空部中央に回転軸３を配置するとともに、回転軸３に円筒状のローター４を取付けて、ステーター２の内側中空部に回転軸３及びローター４を回動自在に設けている。
【００１２】
ステーター２は、内周面に内側中心方向へ向けて複数の凸状の外側ティース５を円周方向に向けて均等に形成するとともに、隣り合う外側ティース5,5の間に円周方向に向けて均等に形成される外側スロット６に分布巻したコイル７〜10からなる複数の電磁石を円周方向に向けて均等に配置している。各コイル７〜10は、最初の外側スロット６とそこから５個右側の外側スロット６との間で巻回するとともに、最初の外側スロット６から１個右側の外側スロット６と６個右側の外側スロット６との間で巻回することで、単相巻の分布巻コイルを形成している。また、コイル７とコイル８、及び、コイル９とコイル10とは、コイルピッチを円周方向に半分だけずらしている。
【００１３】
ローター４は、外周面に外側放心方向へ向けて複数の凸状の内側ティース11を円周方向に向けて均等に形成するとともに、隣り合う内側ティース11,11の間に円周方向に向けて均等に形成される内側スロット12に分布巻したコイル13〜16からなる複数の電磁石を円周方向に向けて均等に配置している。各コイル13〜16は、最初の内側スロット12とそこから５個右側の内側スロット12との間で巻回するとともに、最初の内側スロット12から１個右側の内側スロット12と６個右側の内側スロット12との間で巻回することで、単相巻の分布巻コイルを形成している。また、コイル13とコイル14、及び、コイル15とコイル16とは、コイルピッチを円周方向に半分だけずらしている。
【００１４】
これにより、パルスモーター１は、ステーター２の内周面とローター４の外周面のそれぞれに分布巻したコイル７〜10,13〜16からなる複数の電磁石を円周方向に均等に配置し、各電磁石は、コイルピッチを円周方向にずらした複数の分布巻したコイル（コイル７とコイル８、コイル９とコイル10、コイル13とコイル14、コイル15とコイル16）で構成している。
【００１５】
そして、パルスモーター１は、全ての電磁石に単相パルスを印加することでステーター２に対してローター４を回転させることにしている。
【００１６】
［上記発明が解決しようとする課題］
従来のモーターを用いた出力エネルギーは、入力エネルギーに対して出力エネルギーが大きくなる事はなかった。そのため、従来のモーターを用いた発電では入力エネルギーより出力エネルギーの増加を獲得できなかった。本発明はエネルギー保存則を崩さず入力エネルギーより出力エネルギーの総和が増大する機構の提供である。
【００１７】
［上記発明の利用分野］
この発明は、回転の慣性エネルギーを使う事により出力エネルギーの総和の増大を目的とする(詳細な説明は以下の［本発明の理論の説明］を参照)。その事により例えば電気を用いた発電のためのタービンや、回転のためにエネルギーを必要とするモーターにおいて、出力エネルギーの総和の増大の利得を得る事が出来るもので、出力エネルギーの増大に関し新型タービン，新型モーターに繋がるものである。
【００１８】
［上記発明の課題を解決するための手段］
回転体の慣性運動を利用した場合、回転を維持するための入力電力エネルギーより出力される運動エネルギーの総和が大きくなる。ただ回転体として慣性エネルギーを定常に発生させるためには、パルス制御による回転体の定常回転でなければならない(理論は以下の［本発明の理論の説明］を参照)。本機構はその慣性エネルギーの仕事の付加による出力エネルギーの総和の増大を目的とし、そのためより大きい慣性エネルギーを得るためパルス回転体の大型化が必要となってくる。現在パルスモーターは回転軸に磁性体を、そのまわりに電磁石を有しその磁力により回転させている。大型化のためには、より大きな磁力が必要であり、内側と外側両方向に電磁石を配置することにより、大型のパルスモーターを製作するための発明である。
【００１９】
［本発明の機構の挙動］
構成回転体の外のコイルの固定子を固定して説明する。内側と外側のコイルの巻き線方向がお互いに一致しない位置(電磁石の磁性を発生した場合の磁束の向きが同じ位置)から、∠Ａだけずらした位置を状態１とする(図３)。コイルに駆動電流である単相の直流を流すと、磁束が発生し内側コイルと外側コイルの磁束により、∠Ａ方向にずらした方向に磁束の反発と吸着から回転力が発生する。そして内側の回転体の電磁石と外側の電磁石の磁束の向きが反対になる位置(状態２とする図４)の前に駆動電流を切る(パルス電流)。回転体が静止するためには電流から生じた磁束から受けた仕事の作用と同じだけ反対の仕事の作用が必要である。電磁石による残留した磁束があり、回転体の慣性力による運動は減少していくが、残留した磁束の大きさは駆動電流を与え続けた磁束で得た回転の慣性エネルギーより小さいため、慣性による回転運動で速度0にならず状態1まで回転する。そして状態1になった時に再び駆動電流を流す。その繰り返しにより状態1と状態2の間のパルス制御で回転運動するパルス回転体である。本機構は、電流を流し続けると回転は停止するため、回転を続けるためにはパルス電流の制御が必要である。
【００２０】
配線は図２。コイルの印の違いは、巻き方向の違いを示す。コイル７〜10,13〜16のそれぞれのコイルエンドは不記。コイルの丸に×マークが図面の手前から奥に、丸に点マークが図面の奥から手前への巻線方向の違いを示している。コイルは内側ティースのコイルも外側ティースのコイルも分布巻きをとっている。分布巻きとは、スロットをまたいで巻線を巻き、複数のコイルで磁性を構成している巻き方。
【００２１】
機構の入力端子種類は４つあるが、単相の単一のパルス電流で回転させるため、電源からの単一パルスが通過するようにコイルの巻線方向に直列に結線する。
【００２２】
ただ一見すると「モーターを回転させているだけ」のようにみえるが、電力の消費を考察すると、機構の挙動で説明した通り電流は非連続であるため、供給される連続した電力から磁性の吸着反発を発生させる分のパルス電力ΔVAだけ電力を消費する。電力を連続に消費しない。
【００２３】
従来の直流モーターを回転させるだけならば連続に電力を消費しているが、本機構の場合パルス電力分のΔVAだけである。この機構は、１機だけでも出力エネルギーの総和は増大するが、供給される連続した電力から１基分の電力消費量ΔVAの余剰から新たにパルスを生成し、複数の同機構のユニットに流す事でより出力エネルギーの総和が増大の利得がある。
【００２４】
［本発明の理論の説明］
外側の固定子は固定し回転体内側の回転部の運動で考える。また回転部内側のスロット間のコイルを質点として考えるため回転体の翼と呼称する。
【００２５】
回転体が定常状態になり、１基の機構の回転軸が速度ω0で慣性運動している時のエネルギーは、
【数１】
2020174512.tif 000003
Iは回転体の羽の慣性モーメント。
ｍは1基中にある回転翼の羽数。回転翼は質点として考えて計算する。
【００２６】
回転速度ω0で回転している回転体にパルスを印加しなければ、機構は外への仕事によるエネルギー損失により速度は減衰していき回転速度は０となる。この時失ったエネルギーの大きさは（１）式と等価であり、次式で表せられる。
【数２】
2020174512.tif 000004
Ｗlossは、回転速度ω0で何もしなければ速度０まで仕事として失うエネルギー。
【００２７】
１基の機構において、１パルス電力VAでの磁性により吸着または反発またはその両方から、VAが外に仕事をしながら回転体にω0からω1へ加速させた場合、回転体のエネルギー変化と回転体の外へした仕事は次式で表せられる。
【数３】
2020174512.tif 000005
Ｗiは、回転体の外へした仕事
【００２８】
トップスピード到達後は、回転体は外に仕事をするので回転体の速度は減速し、減速速度ω2となる。減速速度ω2が初速度ω0と同じであった場合、その時の仕事は次式で表せられる。
【数４】
2020174512.tif 000006
Ｗiiは減速しながらした仕事
【００２９】
またω2＝ω0である場合、Ｗiiの値は１パルスで得られた慣性エネルギーに等しい。
【００３０】
減速後に速度ω0から速度０までとりだせる仕事量は次式で表せられる。
【数５】
2020174512.tif 000007
【００３１】
初速度ω0で１パルス印加し全体からとりだせる仕事量は、
【数６】
2020174512.tif 000008
である。（３）（４）（５）より、
【数７】
2020174512.tif 000009
【００３２】
（７）式より１パルス分の電力と初速度の回転エネルギーは保存される。
【００３３】
ここで（６）式に１パルス印加し初速度ω0まで減衰したあと、その後パルスを加えず速度０まで減衰する外にした仕事Ｗlossを加えると以下の式が与えられ式変形により次式が導かれる。以下の式は１パルスで得られる仕事量である。
【数８】
2020174512.tif 000010
【００３４】
（８）式の第１項と第２項は外に仕事をしながら回転体は初速度ω0の運動エネルギーを有していることを示し、第３項と第４項は獲得した慣性エネルギーと初速度から０まで損失するエネルギーの差を示している。
【００３５】
（8'）式の第３項は獲得した慣性エネルギーと初速度から０まで損失するエネルギーを表しているので、第３項が０すなわち初速度に対してω1＝√２ω0の時回転体は、外に仕事ＷiをしｍIω02／２のエネルギーを保ちながら定常回転する。
【００３６】
パルス回転体においてパルスの印加による速度の上昇が初速度の√２倍の時、回転体は外の仕事をしながら初速度の運動エネルギーを保ち続け定常回転することができる。
【００３７】
同電圧同電流の電源からエネルギーを獲得する回転体において連続の電力を消費して仕事Ｗをする機構より、パルス電力で仕事Ｗをする機構を考えた時、パルス電力で仕事をする機構の方が消費する電力が小さくて済む。またパルス電力であるため連続した電力よりｎ個のパルスを生成し、別のｎ基の同一機構に印加すれば、ｎ倍の仕事量を得ることができる利点がある。
【００３８】
このことから言えることは、仮に供給する電源を起こすための仕事Ｗsupplyとすると、連続の電力を消費して仕事Ｗをする機構である場合Ｗsupply＞Ｗであるが、パルス電力で消費する回転体でｎパルス生成した場合、ｎ基の機構より仕事Ｗを生産する場合の仕事量の和を考えるとＷsupply＜Ｗ1＋Ｗ2＋Ｗ3＋・・・＋Ｗｎを可能にする。
【００３９】
以上より回転体を考えた時、入力エネルギーより出力エネルギーの総和が増大するためには、慣性運動を生じるパルス回転体の定常運動が必要となる。
【００４０】
上記より課題を解決するためには慣性エネルギーを得るためパルス回転体の大型化が必要であり、回転力を増加させるために本機構の様に内側も電磁石を配置し、より大きな磁力で回転力を得る電磁石の配置が必要となってくる。本機構は、コイルの巻方に分布巻きを用いているのはより大きなトルクを得るためである。
【００４１】
［本機構と従来の直流モーターの比較］
従来の直流モーターと本機構の比較。従来のモーターは定常運動させるためには連続した電力の消費をする。一方パルス回転体であれば、入力エネルギーは連続的な消費ではない。またパルス回転体のような慣性エネルギーの付与という概念を生じない。そのため出力エネルギーの総和が大きくなる事はない。また本機構は、構造上永久磁石を必ずしも必要とはしない。
【００４２】
［本機構と従来の交流モーターの比較］
従来の交流モーターと本機構の比較。本機構のように単相のパルスにて駆動することはできない。また少なくとも三相の違うコイルを有する。本機構は、コイルを単相化できる構造上の違いを有する。
【００４３】
［従来のパルスモーターとの比較］
従来のパルスモーターおよび特開平5-83921号公報に開示されたパルスモーターと本機構の比較。従来のパルスモーターは回転体に磁性体を固定させたものであるが、本機構は回転体に電磁石を有する。また特開平5-83921号公報に開示されたパルスモーターとの違いは、本機構のように回転体側に電磁石が無い点、本機構と磁性を発生させる回転体に対して、周辺のコイルの形状が違いを有する。
【００４４】
［従来のダブルロータモータとの比較］
従来のダブルロータモータおよび特開2018-137896号公報に開示されたダブルロータモータとの比較。従来のダブルロータモータと特開2018-137896号公報に開示されたダブルロータモータともに構造上内側コイルも外側コイルも同じ固定子上に巻かれている。本機構は外側コイルと内側コイルが同一の固定子上にはなく離れているという構造上の違いを有す。またとコイルの巻方として、特開2018-137896号公報に開示されたダブルロータモータは内部は集中巻きであるのに対して、本機構は分布巻きである違いを有する。
【００４５】
［その他の駆動装置］
特開2013-223416号公報に開示された駆動装置と違う点は、磁力を増幅させて駆動する装置とは違い、本機構は電磁石に必ずしも永久磁石を必要としない。また特開2013-223416号公報に開示された駆動装置は内側も外側も磁石を有する。本機構は両方に永久磁石を有すると固有の磁力により、慣性力で回転する際その妨げになる。
【００４６】
［本機構の構造に関して］
本機構はコイルの巻線方向の直列結線により、単相のコイル化でき１相の直流電流のパルスで挙動する。
【００４７】
パルス電流を流し回転させる際、ローター４のコイル13〜16のコイルエンドである部分が捻じれる現象が起こり始めるので、たとえば、ブラシ電極を用いた接続などのように、コイル13〜16のコイルエンドを回転軸３に固定し、コイル13〜16のコイルエンドを入力点と出力点がそれぞれ接するような伝導体の受軸を作成し、コイル13とコイル14、及び、コイル15とコイル16を巻線方向に直列に結線したコイルエンドに対してそれぞれ受軸を作成し個別にタイミングを計りパルスを送ればよい。
【００４８】
［本機構の制御に関して］
本機構の目的は、入力エネルギーVAを与え定常回転し慣性エネルギーを維持する事であり、理論の説明においては、全パルスを一斉に与え全コイルに磁性を与えているが、定常運動するのならば内側外側の磁性を発生させるパルスの入力数は、必要な分だけでまた個別でもよい。コイルエンドの入力端子の選び方により発生する磁性の並びが制御できる。
【００４９】
［本機構の効果］
本機構は、１パルスあたりの入力エネルギーより出力エネルギーの総和が増大する効果がある。その効果より入力エネルギーより出力エネルギーの総和の大きな電気による新規タービンや新規モーターが出来る。
【符号の説明】
【００５０】
１  パルスモーター                ２  ステーター
３  回転軸                        ４  ローター
５  外側ティース                  ６  外側スロット
７〜10  コイル                    11  内側ティース
12  内側スロット                  13〜16  コイル
【図１】
2020174512.tif 000011
【図２】
2020174512.tif 000012
【図３】
2020174512.tif 000013
【図４】
2020174512.tif 000014