(57)【要約】【課題】回転子の軸受けであるベアリング部以外は、回転によって磨耗するような接触部分が全くないブラシレス直流電動機であり、さらに高度で複雑かつ高価な回転磁界作成制御回路を不要として取り去り、単純明快で安価なブラシレス直流電動機を提供する。【解決手段】回転子側に磁場方向が軸の上下左右のすべての方向でまったく変わらないように永久磁石を配置、取り付けし、固定子に取り付けた駆動コイルのローレンツ力のみで駆動するブラシレス直流電動機を開発する。また、出力を上げるために多重、多段構造にする。【選択図】　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子（＊１）に取り付ける永久磁石の磁場方向が、回転軸に対して平行か、あるいは放射状であり、その磁極が回転軸方向から見て、上下左右の全方向ですべて同じになるように配置し、外側に固定子（＊２）として取り付けた駆動コイルは、回転子の磁石の磁場方向が回転軸に平行な場合には、逆に回転軸から放射状に電流が流れるように配置し、該磁場方向が回転軸から放射状の配列に配置してある場合には、回転軸に平行に電流が流れるように配置し、駆動コイルのローレンツ力から直接駆動力を得ることによって、固定子の回転磁界作成および制御回路を不要とした、ブラシレス直流電動機。
＊１：　ロータ、電機子ともいい、リニアモータでは可動子ともいうが、回転系が主体なので以下、以下の文では英語のロータに対応する回転子を統一して使用。
＊２：　ステータ、日本語では界磁石ともいうが、以下の文では英語のステータに対応する固定子を統一して使用。
【請求項２】
上記、請求項１の構造をとり、かつ駆動出力の向上のため、永久磁石を同一の軸に多数取り付けて、回転円盤を積み重ねたような多重構造にした回転子と、それに対応した多段構造の駆動コイルを固定子に持ち、一つの段を構成する駆動コイルに向かう、永久磁石の磁極がすべて同一の極になるように構成された、ブラシレス直流電動機。
【請求項３】
上記、請求項１、２、に述べられている電動機と同様の構造を持つ直流発電機。
【請求項４】
上記、請求項１、２、に述べられている電動機と同様の構造を持つ直流電動機、あるいは直流発電機を使用した直流回転変流機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電源を接続することにより、機械的駆動力を生ずる電気機械、即ち、直流電動機のうち、ブラシを用いない直流電動機、いわゆるブラシレスＤＣモーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の最も簡単な、ＤＣモーターの構造は、外側の固定子として、回転軸の左右にＮとＳの永久磁石を置き、横にした円筒状の回転子に回転軸と平行に電線を巻き、回転軸に取り付けた整流子より直流電流を電線に供給したものである。
左右の固定子の磁極が異なるため、回転につれて回転子の左右の電流の向きを反転させてやる必要があり、その切り替えのために置かれるのが、整流子であるが、これらが摺動部及びブラシを用いるため、磨耗のために電動機の寿命の短縮と、ノイズの発生の原因となる、という欠点があった。
そこで考えられたのが、ブラシレス直流電動機である。これは従来の直流電動機で固定子側にあった永久磁石を回転子として用い、整流子、即ち摺動部、及びブラシを取り去ったものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のブラシレス直流電動機は、固定子側に置いたコイルによって、回転子の永久磁石を引張り回転させるための回転磁界を、直流から作る必要があり、半導体を用いた高度でかつ高価な回転磁界の発生および制御回路が使われる事となり、これが直流電動機の製造コストを上昇させるという新たな問題を生ずる結果となった。
そこで本発明では、半導体を用いた高度な回転磁界の発生および制御回路を使用する必要のないブラシレス直流電動機を提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
従来のブラシレス直流電動機では、回転子に用いた永久磁石の極性が回転子の回転軸の左右で、ＮあるいはＳの逆極性であった。従って回転磁界を作る以外に、外側から回転子を回転、駆動させる方法はなかったのである。
そこで本発明では、回転子に用いる磁石の磁場方向を、回転軸に対して平行か、あるいは放射状の配列に配置し、外側に固定子として取り付けた駆動コイルは、回転子の磁石の磁場方向が回転軸に平行な場合には、逆に回転軸から放射状に電流が流れるように配置し、該磁場方向が回転軸から放射状の配列に配置してある場合には、回転軸に平行に電流が流れるように配置したものである。
このようにすれば、従来のプラシレス直流電動機のように、回転子に用いた磁石の磁場方向が、回転軸に対して左右、あるいは上下で逆方向になることは無く、外側に固定子として取り付けた駆動コイルから見て、回転子の回転にともない回転子が一周しても、該駆動コイルの、ある点を横切る回転子の磁石の磁場方向は、常に一定方向になるため、回転磁界は不要であり、該駆動コイルに一定方向の直流電流を流すことにより、発生するローレンツ力によって、直接、回転子を回転、駆動させることができると考えられる。
ブラシレス直流電動機に最も適した磁極の配列というものを考え、その条件をあげてみると、
１．回転子と固定子がぶつからずに相対運動を行うためには、回転子と固定子の間に「空間」がなければならない。
２．その「空間」で力のやりとりを行い、なおかつ回転子あるいは固定子のどちらかに、その力のやりとりの片側である導体、すなわち駆動コイルを置くことを考えると、その「空間」は、「磁場空間」でなければならない。
３．直流電動機を作るためには、その「磁場空間」の「磁場」は、「一方向に向いた静磁場」であることが望ましい。
４．駆動コイルに流される電流は、「一方向に向いた静磁場」および、「回転子の回転方向」との両方に対して、常に９０度の角度を保って、同一方向に流されなければならない。
５．「一方向に向いた静磁場」と、駆動コイルの電線の作る面積の広さが、その電動機の出力を左右すると考えられるので、「一方向に向いた静磁場の空間」は、なるべく広いほうがよい。
これらの条件から考えられるもっともよい解は、「回転子に用いる磁石の磁場方向を、回転軸に対して平行か、あるいは放射状の配列に配置し、外側に固定子として取り付けた駆動コイルは、回転子の磁石の磁場方向が回転軸に平行な場合には、逆に回転軸から放射状に電流が流れるように配置し、該磁場方向が回転軸から放射状の配列に配置してある場合には、回転軸に平行に電流が流れるように配置する。」というものである、と考えられる。
この回転子に用いる磁石を、永久磁石でなく電磁石で作ってもかまわないし、あるいはまた、回転子と固定子の立場を逆転させて回転子側に駆動コイルを取り付け、固定子側を永久磁石にすることも可能であるが、ブラシレスが望ましいことや、構造がなるべく簡単な方が、コストがおさえられるであろうことを考えると、「固定子側に駆動コイルを置き、回転子側に強い永久磁石で作られた磁極を取り付ける」のが最も望ましいモデルではないか、と考えられる。
さらに、出力を大きくしたい場合、「永久磁石を同一の軸に多数取り付け、多段構造にした回転子」を用いるのが最もよい案、と考えられるが、この場合、各段の円盤の間に、固定子側の駆動コイルが一段ずつはさまる構造となるので、回転子の駆動方向を統一するため、一段の駆動コイルに向かう永久磁石の磁極は、すべて同一の極で無ければならない。即ち回転子に取り付けられた磁石円盤の磁場方向は、回転軸に平行であると同時に、一段毎に反転するように作られなければならない。また、それにともなって駆動コイルの方も、一段毎に駆動電流の回転方向が反転するように結線してやらねばならない。
（実施例５のモデルを参照）
【０００５】
【発明の実施例】
実施例１．図１〜２は、本発明のうち、回転子に取り付けた永久磁石の磁場方向を回転軸と平行に配置した実施例のなかで、単純なモデルの一つである
このなかで、ローレンツ力を生み出す部分、即ち駆動コイルと永久磁石が対峙する面のコイルの導体は回転軸から放射状に巻かれている。
【０００６】
実施例２．図３〜４は、本発明のうち、回転子に取り付けた永久磁石の磁場方向を回転軸に対して放射状に配置した実施例のなかで、単純なモデルの一つである。
このなかで、ローレンツ力を生み出す部分、即ち駆動コイルと永久磁石が対峙する面のコイルの導体は回転軸と平行に巻かれている。
【０００７】
実施例３．図５は、本発明のうち、回転子に取り付けた永久磁石の磁場方向を回転軸に対して平行、及び放射状に配置した実施例のなかで、単純なモデルであろうと考えられるものの一つである。
これは、実施例１と実施例２の両方のモデルを組み合わせ、複合化したものであるが、単純化するため、製造上困難と思われる実施例２の回転子に取り付けてある外側の永久磁石を取り去り、複合化したモデルになっている。
単純な割には、力が大きいと考えられる。
【０００８】
実施例４．図６は、本発明のうち、実施例３．のモデルの駆動コイルを、四角から円筒（ドーナッツ）型に変更し、永久磁石の配置も、それに合わせて変更したものである。
製造上は、実施例３．のモデルよりも、技術的困難の度合いが増加するかもしれない。
【０００９】
実施例５．図７は、本発明のうち、実施例３．のモデルを多段型に変更したものである。もちろん段の数は、出力に応じて自由に変えることができる。
ここで注意しなければならないのは、回転子の駆動方向を統一するためには、一段の駆動コイルに向かう永久磁石の磁極を、すべて同じにする必要があることである。従って回転子の永久磁石は、円盤一段毎に磁極を反転させてやらねばならず、それにともなって駆動コイルの方も、一段毎に駆動電流の回転方向が反転するように結線してやらねばならない。
実施例１〜４の各モデルについて、すべて同様に他段型にして、出力を大きくすることができ、今と同様の注意が必要である。
しかしながら、実施例５．のモデルが最も単純明快で出力も大きく、コストも安く作れる実用的なモデルではないか、と考えられる。この場合、放射状の駆動コイルをプリント板で作るのは製造上よい方法かも知れない。
【００１１】
【発明の効果】
回転子の軸受けであるベアリング部以外は、回転によって磨耗するような接触部分が全くなく、単純明快な直流電動機が実現でき、従って部品交換の必要もなく、長時間の使用でも故障の少ない安定で安価な直流電動機が得られる。
現在、小型の直流電動機は各方面で使用されており、本発明も広い用途がある
と考えられる。（
【請求項１、２】）
【００１２】
通常、特別な制御回路を用いない直流電動機は、機械駆動系である回転子を回転させてやると、電源を供給すべき駆動コイルの両端に起電力を発生し、発電機となる事は従来からよく知られている事であり、本発明の直流電動機も、直流発電
機として作動すると考えられる。（
【請求項３】）
【００１３】
本発明の直流電動機を二つ用意して両方の回転子を機械的に結合させ、片方を直流発電機として、二次直流電源として使用した場合、これは、直流回転変流機、
即ち「動的直流変圧器」となることは、明らかである。（【請求項４】）
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のモデルを横から見た断面図である。
【図２】実施例１のモデルの概念図である
【図３】実施例２のモデルを横から見た断面図である。
【図４】実施例２のモデルの概念図である。
【図５】実施例３のモデルを横から見た断面図である。
【図６】実施例４のモデルを横から見た断面図である。
【図７】実施例５のモデルを横から見た断面図である。
【符号の説明】
図中の番号１〜５は、図１〜７ではすべて共通となっている。残りは追加部分である。
１　駆動コイル及び固定子（一体）。
２　永久磁石及び回転子（一体）。
３　駆動電流及び、その方向。
４　永久磁石の磁極及び、その磁場方向。
５　ベアリング部。
６　回転子の軸
７　駆動コイル（放射状）
８　回転子の軸
９　駆動コイル（回転軸と平行）
【図１】
2004040991.tif 000003
【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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