(57)【要約】【課題】ロータ部とステータ部とが相対的に回転自在な形態であって、エネルギーロスが少なく、大きいモータトルクが得られ、かつ発電エネルギーの生成出力に適した発電モータを提供する。【解決手段】駆動コイル及び軸受けホルダ２６が固着された配線板２１，２２，２３からなるステータ部２と、ステータ部を挟持するよう面対向に配置される２セットのロータ部３，３と、を備え、各ロータ部は、シャフト４と、シャフトに固着され、マグネット３１が固着されたマグネットヨーク３２と、マグネットヨークを支持するロータホルダ３３を含み、各ロータ部及びシャフトは、軸受けホルダを介してステータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、各ロータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流して回転力を発生させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動コイル及び軸受けホルダが固着された配線板からなるステータ部と、
前記ステータ部を挟持するよう面対向に配置される少なくとも２セットのロータ部と、を備え、
前記各ロータ部は、回転軸心となるシャフトと、前記シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、前記マグネットヨークを支持するロータホルダを含み、
前記各ロータ部及び前記シャフトは、前記軸受けホルダを介して前記ステータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、前記各ロータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、前記駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させることを特徴とする発電モータ。
【請求項２】
前記シャフトの両端側を支柱等の固定パーツの軸受けにより支持し、
前記ステータ部も、前記軸受けホルダを介して回転自在な構造とし、モータ回転時には前記ロータ部と逆方向に前記ステータ部が回転することを特徴とする請求項１記載の発電モータ。
【請求項３】
前記配線板は、複数の前記駆動コイルのパターン、前記駆動コイル間を結線する配線パターン、発電するための発電コイルのパターン、及び前記マグネットの位置を検出するセンサコイルのパターンが形成されたプリント基板で成ることを特徴とする請求項１記載の発電モータ。
【請求項４】
１枚の前記プリント基板に、１つの相の駆動コイル、センサコイル、発電コイルが全周にパターン形成されることにより１相の駆動回路を成し、
モータの相数分の前記プリント基板をその回転位相位置に応じて重ね合わせ固着し、それぞれのプリント基板間を配線することで前記ステータ部を構成していることを特徴とする請求項３記載の発電モータ。
【請求項５】
前記ステータ部に２個の２次電池を回転軸心と対称の位置に配置し、一方の電池でモータを駆動し、他方の電池は前記発電コイルで発生する電力で充電することを特徴とする請求項３または４に記載の発電モータ。
【請求項６】
前記２個の２次電池は、駆動側の電池の電圧が一定レベル以下になると、駆動を他方の電池に切り替え、前記駆動側の電池は充電されるようになり、他方の電池の電圧が一定レベル以下になると駆動の電池を切り替え、交互に充電、放電を繰り返すようにしたことを特徴とする請求項５記載の発電モータ。
【請求項７】
駆動コイル及び軸受けホルダが固着された配線板からなるロータ部と、
前記ロータ部に周対向に配置される少なくとも２セットのステータ部と、を備え、
前記各ステータ部は、回転軸心となるシャフトと、前記シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、前記マグネットヨークを支持するステータホルダを含み、
前記各ステータ部及び前記シャフトは、前記軸受けホルダを介して前記ロータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、前記各ステータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、前記駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させることを特徴とする発電モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電エネルギーの生成出力に適した発電モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から発電エネルギーを生成可能な発電モータとして、モータの回転速度を検出する周波数発電機付きモータが知られている(例えば、特許文献１参照)。
【特許文献１】特開２００１−３２０８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のこの種のモータは、単にモータの回転速度を検出するに過ぎず、発電エネルギーを生成し、エネルギーとして出力可能なものではない。
本発明は、ロータ部とステータ部とが相対的に回転自在な形態であって、比較的少ない入力エネルギーでもって大きいモータトルクが得られ、かつエネルギーロスが少なく、発電エネルギーの生成出力に適した発電モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上記課題を達成するものであり、駆動コイル及び軸受けホルダが固着された配線板からなるステータ部と、前記ステータ部を挟持するよう面対向に配置される少なくとも２セットのロータ部と、を備え、前記各ロータ部は、回転軸心となるシャフトと、前記シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、前記マグネットヨークを支持するロータホルダを含み、前記各ロータ部及び前記シャフトは、前記軸受けホルダを介して前記ステータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、前記各ロータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、前記駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させるものである。
【０００５】
また、本発明は、駆動コイル及び軸受けホルダが固着された配線板からなるロータ部と、前記ロータ部に周対向に配置される少なくとも２セットのステータ部と、を備え、前記各ステータ部は、回転軸心となるシャフトと、前記シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、前記マグネットヨークを支持するステータホルダを含み、前記各ステータ部及び前記シャフトは、前記軸受けホルダを介して前記ロータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、前記各ステータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、前記駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させるものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、駆動コイルを有したステータ部とマグネットを有した２セットのロータ部とは自在に回転でき、負荷がかかっても相対速度が落ちないように動作し、モータトルクの低下を抑制でき、発電エネルギーの生成出力に適したものとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態による発電モータの全体斜視図である。
【図２】同モータの側面図である。
【図３】同モータの側断面図である。
【図４】同モータの回路図である。
【図５】同モータのコイルとマグネットとの位置関係を示す図である。
【図６】図５のＡ部の拡大図である。
【図７】同モータのコイルとマグネットとの相互作用を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による発電モータの側面図である。
【図９】同モータの側断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態による発電モータの側面図である。
【図１１】図１０において右方からロータ部及びステータ部を透視して左方を見た図で正面図である。
【図１２】図１０において左方から支柱６を取り除いて右方を見た背面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態による発電モータについて図１〜図７を参照して説明する。図１〜図３は、第１の実施形態による発電モータの構成を示す。これらの図において、発電モータ１は、ステータ部２と、このステータ部２を挟持するよう面対向に配置される２セットのロータ部３，３とを備える。なお、図１では、２セットのロータ部３，３のうちの１セットは、ステータ部２の後ろ側に隠れて表れていない。ステータ部２と２セットのロータ部３，３とは、互いに相対的に回転自在である。
【０００９】
ステータ部２は、各々駆動コイルが固着された３つの配線板２１，２２，２３と、ステータ基板２４とがネジ等を用いて一体に積層固定されている。配線板２１，２２，２３は、３相駆動コイルを成すように、１２０度角度をずらせて固着されている。配線板２１，２２，２３は、お結び形をしているが、これは、突出している外周部に駆動コイルの通電を制御するための回路を配置するためである。ステータ基板２４には、中心軸部に対して１８０度対称の位置に各々電池２５ａ，２５ｂが固着されている。なお、図示は、電池２５ａ，２５ｂが収まる凹部を示している。ステータ部２は、中心軸部に配線板２１，２２，２３、及びステータ基板２４に固着された軸受けホルダ２６を備え、この軸受けホルダ２６を介してシャフト４に対して回転自在に保持されている。こうして、ステータ部２も、軸受けホルダ２６を介して回転自在な構造とされており、ステータ部２は、モータ回転時にロータ部３，３と逆方向に回転する。
【００１０】
２セットのロータ部３，３の各々は、回転軸心となるシャフト４に固着され、駆動用のマグネット３１が固着されたマグネットヨーク３２と、マグネットヨーク３２を支持するロータホルダ３３を含む。シャフト４は、その両端側を固定パーツとしての支柱５，６に軸受けにより回転自在に支持されている。
【００１１】
各ロータ部３，３及びシャフト４は、軸受けホルダ２６を介してステータ部２に保持されて自在に回転できる構造とも言える。各ロータ部３，３のマグネット３１が引き合う位置で磁気回路を形成し、配線板２１，２２，２３の駆動コイルに制御回路の制御により回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させる。この電流制御は、ロータ部３，３の回転位置を検出した信号を基になされる。マグネット３１は、Ｎ極、Ｓ極を交互に円周上に例えば１８極配置している。
【００１２】
ステータ部２における配線板２１，２２，２３は、複数の駆動コイルのパターン、駆動コイル間を結線する配線パターン、発電するための発電コイルのパターン、及びマグネット３１の位置を検出するセンサコイルのパターンが形成されたプリント基板で成る。そして、１枚のプリント基板に、１つの相の駆動コイル、センサコイル、発電コイルが全周にパターン形成されることにより１相の駆動回路を成している。モータの相数分のプリント基板をその回転位相位置に応じて重ね合わせ固着し、それぞれのプリント基板間を配線することで構成している。なお、回転位置検出にホール素子等を用いれば、センサコイルを省くことができる。
【００１３】
また、本実施形態では、発電するための発電コイルのパターンを備えている場合であって、発電モータと称しているが、発電コイルのパターンを備えていない場合もあり、その場合はモータとなる。請求項に記載の発電モータは、いずれの場合をも含み、発電するための発電コイルのパターンを備えている場合は、発電モータとなる。
【００１４】
図４は、発電モータ１の回路を示す。回路は、ステータ部２の配線板２１，２２，２３に設けられている。回路は、駆動コイル２７、発電コイル２８、及びセンサコイル２９を有する。駆動コイル２７は、３相がスター結線され、電池２５ａ又は２５ｂを電源として各コイルへの通電をセンサコイル２９の検知信号に応じて制御される。センサコイル２９は、回転位相検出用である。３相の発電コイル２８の各々は、一端が開放され、他端が直列ダイオード接続２０１の中点に結線され、３つの直列ダイオード接続２０１は並列接続され、アノード側がドライブ発電出力端２０２とされている。発電コイル２８の一端が開放されているため、電磁波エネルギーをアンテナで受信し、整流して電圧として出力する。そのため、一般には発電したエネルギーを消費すると、モータにブレーキがかかり消費電力が増えるのに対し、本例の場合は、モータにブレーキがかからず、消費電流が増えない特徴を有する。
【００１５】
駆動コイル２７、発電コイル２８、及びセンサコイル２９は、ロータ部３のマグネット３１のＮ極、Ｓ極に対向するように配置され、それぞれのコイル出力が加算されるようにパターン形成され、マグネット磁場変化１サイクルに対し、１２０度位相がずれるように配置され、モータとして動作するようにしている。
【００１６】
図５、図６は、ステータ部２の１枚のプリント基板に設けられた１相のパターンコイル３０とマグネット３１（Ｎ，Ｓ）との位置関係を示す。パターンコイル３０は、駆動コイル２７のパターンの他に、発電コイル２８及びセンサコイル２９の各パターンを備えている。各パターンは、基板の中心軸心の全周囲に、Ｎ，Ｓ極が交互に配置されたマグネット３１の幅にほぼ等しい寸法に対応して、隣り合うコイルに流れる電流の向きが内向きと外向きと異なるように配線されている。
【００１７】
図示では、パターンコイル３０の背面側に対面するマグネット３１の極性を透視して示している。パターンコイル３０にマグネット３１の磁力線が作用して、フレミングの法則により力や発電エネルギーが発生する。パターンコイル３０の電流の向きを矢印で示し、パターンコイル３０に通電されたときのロータ部３の回転の向きは矢印Ｄとなる。
【００１８】
図７は、発電モータ１のコイルとマグネットとの相互作用を断面図により説明するものであり、ステータ部２のパターンコイル３０（駆動コイル）と、これを挟持するよう面対向に配置されたロータ部３，３のマグネット３１との相互作用を示す。一方のロータ部３のマグネット３１と、それにエアギャップＧを介在して対応する他方のロータ部３のマグネット３１とは、互いに吸引し合うＮ極とＳ極とが配置され、各マグネットの極性は、周方向に交互に異なる向きとされている。
【００１９】
パターンコイル３０に通電されるコイル電流の向きは、手前方向を〇で示し、背面方向を×で示している。マグネットの磁力線は矢印Ｍ１となり、コイル電流が流れたときのパターンの磁力線は矢印Ｍ２となり、そのときのパターンコイル３０のトルク方向は、フレミング左手の法則により、矢印Ｔ１のようになり、ロータ部３のトルク方向は矢印Ｔ２なる。パターンコイル３０のトルク方向（Ｔ１）とロータ部３のトルク方向（Ｔ２）とは、逆方向になる。従って、何もしなければ、パターンコイル３０のあるステータ部２とロータ部３とは、相対的に逆方向回転となるが、例えば、ステータ部２の回転を止めれば、ロータ部３は相対速度が先と同じになるように回転速度が上がる。
【００２０】
本実施形態の発電モータ１の動作を説明する。マグネット３１のＮ極、Ｓ極との間での吸引反発力によりパターンコイル３０で電磁力が発生し、モータトルクとなる。ここに、パターンコイル３０がプリント基板全面に配置されていることから、モータトルクは比較的大きなものとなる。そして、通常のモータは負荷をかけると回転速度が落ちるのに対し、本実施形態の発電モータ１においては、マグネット側及びコイル側のいずれもが両方向に自在に回転できる機構となっている。そのため、モータに負荷がかかりマグネット側の回転速度が落ちると、コイル側の回転速度は上がり、相対速度が一定になるように動作する。基板は１相ずつ独立しているため、パターンコイルは基板全面に一筆書きで形成されている。そのため、コイル配線のためのスルーホールが不要となり、パターン構成が簡単になり、コイルのインピーダンス制御が容易であり、配線効率が良くなるという効果がある。
【００２１】
こうして、本実施形態の発電モータ１によれば、ロータ部３及びステータ部２が相対的に回転自在であって、ロータ部３及びステータ部２の一方に負荷がかかって速度が落ちると、他方の相対速度が落ちないように動作し、発電エネルギーはトータルで低下しないものとなる。
【００２２】
また、回転速度が速くなると、摺動部の抵抗が大きくなり、通常、効率が低下するが、マグネット側及びコイル側の両方が回転することで、相対速度が低く、摺動部の抵抗を低く抑えることができる。ステータ部２は、プリント基板で成り、コイル側の磁気回路を形成するヨークが存在しないので、渦電流損が生じない利点もある。
【００２３】
また、ステータ部２のステータ基板２４に固着された２個の電池２５ａ，２５ｂの一方が駆動側の電池となり、他方が充電側の電池となる。その駆動側の電池の電圧が一定レベル以下になると、駆動を他方の電池に切り替え、それまで駆動側であった電池は充電側となる。さらにその後、駆動側の電池の電圧が一定レベル以下になると元の状態に戻す。このように、電池２５ａ，２５ｂは交互に充電、放電を繰り返す。
【００２４】
（第２の実施形態）
図８、図９は、本発明の第２の実施形態による発電モータ１を示す。第２の実施形態による発電モータ１は、駆動と発電とを分担できるように、駆動ブロック１１と発電ブロック１２とを備えたものである。これら駆動ブロック１１及び発電ブロック１２は、いずれも上述した第１の実施形態による発電モータ１と同等な構成を有している。駆動ブロック１１及び発電ブロック１２は、共通の１本のシャフト４で連結され、駆動ブロック１１のロータ部３で生じた回転駆動力が、シャフト４を介して発電ブロック１２のロータ部３に伝達される。各ブロック１１，１２の各ロータホルダ３３は、シャフト４に固定されている。
【００２５】
第２の実施形態による発電モータ１では、発電ブロック１２のステータ部２は、回転を止めて、発電エネルギーを取り出すことを想定している。この場合、駆動ブロック１１には、第１の実施形態と同様に、２個の電池（駆動及び充電）を備え、発電ブロック１２には、電池を備えなくてよい。駆動ブロック１１の回転駆動力がシャフト４を介して発電ブロック１２のロータ部３に伝達され、ロータ部３が回転し、ロータ部３にはマグネット３１が固着されているので、発電ブロック１２のステータ部２が固定されている、つまり回転を止められていると、ステータ部２のコイルに誘導起電力が発生して、発電エネルギーを取り出すことができる。
【００２６】
第２の実施形態における発電ブロック１２の代わりに、オルタネータ等の別の発電機を用いることも可能である。その場合は、発電機をシャフト４にカップリング等を介在して結合させればよい。
【００２７】
（第３の実施形態）
図１０〜図１２は、本発明の第３の実施形態による発電モータ１を示す。第３の実施形態による発電モータ１は、第１の実施形態による発電モータ１に、発電エネルギーを外部に取り出すための構成を付加したものである。そのために、ステータ部２のステータ基板２４の外周に外縁リング２４０を設け、この外縁リング２４０に円周上にＮ極、Ｓ極が交互になるように複数のマグネット２４１を固着している。また、固定側の支柱６に、複数のコイル２４２を円周上に配置したリング状基板２４３を取り付けている。マグネット２４１とコイル２４２とは、シャフト４軸方向に対面して配置される。なお、外縁リング２４０とステータ基板２４は同じもので構わない。コイル２４２とマグネット２４１の構成（位置関係）により、コイル２４２の出力を２相や３相交流として出力することもできる。
【００２８】
この構成により、ステータ部２のマグネット２４１が回転することで、磁界変化が生じ、その磁界変化により固定側のコイル２４２に誘導起電力が発生し、発電エネルギーを取り出すことができる。
【００２９】
（第４の実施形態）
本発明の発電モータ１は、ステータ部２とロータ部３とが逆の関係にあるものであってもよい。これを第４の実施形態という。この場合は、駆動コイル及び軸受けホルダが固着された配線板からなるロータ部と、ロータ部に周対向に配置される少なくとも２セットのステータ部と、を備え、各ステータ部は、回転軸心となるシャフトと、シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、マグネットヨークを支持するステータホルダを含み、各ステータ部及びシャフトは、軸受けホルダを介してロータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、各ステータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させるものとなる。
【００３０】
（変形例）
本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、上記実施形態のように、ロータ部とステータ部とが軸方向において対向する形態でなく、非磁性体で円筒状に形成したコイル基板から成るステータ部を、その外周側と内周側とで周対向するマグネットを有したロータ部で挟持した構造であっても、ロータ部とステータ部とが回転するものとすることができる。また、ロータ部とステータ部とが逆回転するモータは、ブラシレスモータであってもブラシモータであっても、ステータ側に＋電極用の接触子、及び−電極用の接触子を介して電流を供給することで、電池なしで電源供給することが可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  発電モータ
１１  駆動ブロック
１２  発電ブロック
２  ステータ部
２１，２２，２３  配線板
２４  ステータ基板
２４０  外縁リング
２４１  マグネット
２４２  コイル
２４３  リング状基板
２５ａ，２５ｂ  電池
２６  軸受けホルダ
２７  駆動コイル
２８  発電コイル
２９  センサコイル
３  ロータ部
３０  パターンコイル
３１  マグネット（Ｎ，Ｓ）
３２  マグネットヨーク
３３  ロータホルダ
４  シャフト
５，６  支柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020043641.tif 000011
【図１０】
2020043641.tif 000012
【図１１】
2020043641.tif 000013
【図１２】
2020043641.tif 000014