(57)【要約】【目的】従来のモータの様に、界磁の中で導体に電流を流す事により生じる電磁力を応用するのでは無く、永久磁石と強磁性体との間に働く、吸引力を最大限利用するものである。高速回転時に速度起電力の発生を抑え、又、高速域でのトルク低下を防ぐと共に、消費電力の低減を図る事を目的とする。【構成】柱状のロータ外周に永久磁石をＮ極、Ｓ極交互に偶数個設ける。又、筒形形状をしたステータの内側に、電磁石をロータの極数と同じ数だけ設ける。各極の電磁石は、１個当たりの巻数を減らした、多数の小さな電磁石を並列に組み合わせて、１つの大きな電磁石を構成する。ステータ側の電磁石は、ロータの永久磁石のＮ極が来た時に、Ｎ極を発生させる様に励磁し、その他の時は非通電となる様にするか、又は、ロータの永久磁石のＳ極が来た時に、Ｓ極を発生させる様に励磁し、その他の時は非通電となる様に構成する。【選択図】図１
2007195388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
▲１▼柱状のロータ外周に永久磁石をＮ極、Ｓ極交互に偶数個設ける。
▲２▼筒形形状をしたステータの内側に、電磁石をロータの極数と同じ数だけ設ける。
各極の電磁石は、多数の小さな電磁石を並列に組み合わせて、１つの大きな電磁石を構成している。
以上の如く構成された永久磁石式モータ
【請求項２】
ステータ側の電磁石は、ロータの永久磁石のＮ極が来た時に、Ｎ極を発生させる様に励磁し、その他の時は非通電となる様にするか、又は、ロータの永久磁石のＳ極が来た時に、Ｓ極を発生させる様に励磁し、その他の時は非通電となる様に構成された「請求項１」の永久磁石式モータ
【請求項３】
▲１▼平面上に２組の電磁石と、１個の強磁性体を、それぞれある距離を離して固定する。各電磁石は、多数の小さな電磁石を並列に組み合わせて、１つの大きな電磁石を構成している。
▲２▼２組の電磁石と、１個の強磁性体の上部には、スライダーに取り付けられた永久磁石と強磁性体とがある距離を離して設置されている。この永久磁石と強磁性体はガイドシャフトにより移動可能な機構となっている。
▲３▼固定された電磁石は、スライダーに取付けられた永久磁石のＮ極が来た時に、Ｎ極を発生させる様に励磁し、その他の時は非通電となる様にするか、又は、スライダーに取付けられた永久磁石のＳ極が来た時に、Ｓ極を発生させる様に励磁し、その他の時は非通電となる様に構成されている。
▲４▼スライダーの先端にクランク機構とフライホイールを設けて、直線運動を回転運動に変換する機構を設ける。
以上の如く構成された永久磁石式回転機構
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】産業全般で利用されているモータの内、直流モータ全般での利用が可能である。
【背景技術】
【０００２】従来のモータは、多種多様な原理の物が製造され、あらゆる分野で利用されている。しかし、パルスモータ等のある特定の機種を除き、回転界磁型や固定界磁型のいずれの場合でも、界磁の中で導体に電流を流す事により生じる、Ｆ＝ＩＢＬ（Ｆ：推力、Ｉ：導体に流れる電流、Ｂ：磁束密度、Ｌ：磁界中の導体の長さ）で示される電磁力を応用している物が大半である。推力Ｆを大きくする為には、電流Ｉや導体長さＬを大きくすれば良いが、消費電力Ｐ＝Ｉ×Ｉ×Ｒ（Ｐ：消費電力、Ｒ：導体抵抗）が大きくなってしまう。又、磁束密度Ｂを大きくすると、以下に述べる様に、大きな速度起電力ｅ＝Ｎ×ｄφ／ｄｔ（Ｎ：コイル巻数、ｄφ：微小時間内での磁束の変化量、ｄｔ：コイルを横切る微小時間）が発生してしまうと言う、大きな問題を抱えている。【０００３】構造的にはモータと発電機は同じである為、モータの回転数を上げていくと、電流を流している導体に、電磁誘導の法則に基ずくｅ＝ＶＢＬ（Ｖ：速度）で示される速度起電力が発生し、供給電圧と同じになると発生トルクが０になってしまう。この為、高速回転が必要なモータは、速度起電力に打ち勝つために電源電圧を高くしたり、弱め界磁制御を実施したり、又は、ロータ径を小さくする事によって、Ｖを小さくし速度起電力の発生を抑えている。しかし、いずれの対応もコスト高や、トルクが小さくなってしまうと言う課題を抱えている。
又、従来方式のモータは、ロータを１回転させる為には、ステータの各励磁コイルを１回転する間、通電しなければならない。このため、消費電力が大きくなると言う問題がある。【０００４】これに対して、特開平１１−３２０６４０号公報に示されている様に、１相のコイルを複数に分割し、それらのコイルを必要に応じて直列に接続するか、並列に接続するかを外部信号によって、リレーを切り替えて接続し、低速・高トルクや高速・低トルクを達成する永久磁石式モータも提案されている。この公報では、モータコイルの巻き方の具体的な説明が無いため分からないが、３相Ｙ結線となっている為、集中巻か分布巻にして、ステータ側に回転磁界を発生させないと、原理的に回転できない。いずれの巻線方式であっても、従来はステータコアのスロットに、３セットのコイルをそれぞれ連続して巻線していたものを、途中で切断し、更に、それらを有接点スイッチや無接点スイッチを使用して、直列接続か並列接続に切り替える構造となっている。以上述べた様に、特開平１１−３２０６４０号公報に示されている「１相のコイルを複数に分割したコイル」は、本発明の重要な構成要素である、鉄心の外周に巻線を施した電磁石を構成するコイルとは、明らかに異なる物である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】高速回転時に速度起電力の発生を抑え、又、高速域でのトルク低下を防ぐと共に、消費電力の低減を図る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
【０００７】速度起電力の発生を抑える手段
従来のモータの各励磁コイルは、各極毎にそれぞれ１個のコイルを設け、巻数を多くすることにより、電流と巻数の積である起磁力を確保し、電磁力を増加させる構造である。本発明のモータは、各極の電磁石の構成を、１個当たりの巻数を減らした多数の小さな電磁石を、並列に接続する事によって、各電磁石コイルとの鎖交磁束数を減らし、速度起電力を抑える構造にしてある。ロータ側の永久磁石を増やすと、全磁束量も増えるが、１個当たりの電磁石コイルとの鎖交磁束数と、必要な回転数から速度起電力を計算して、電磁石の数を決定する。
【０００８】低消費電力を達成する為の手段
ステータの電磁石は、ロータ側の永久磁石のＮ極が来た時に、Ｎ極を発生させる様に励磁し、その他の時は非通電とする。つまり、永久磁石と強磁性体の離脱に必要なときだけ励磁し、その他の時は、本来、永久磁石が持っている強磁性体との間に発生する吸引力を利用する。これにより、従来モータに比べ通電サイクルが１／２となり、大きな省エネ効果がでる。
【０００９】発生トルクを大きくする手段
本発明のモータは、永久磁石と強磁性体との間に働く、吸引力を最大限利用するものである。ロータ側の永久磁石と、ステータ側の電磁石のコアー部の強磁性体の間に働く吸引力は、ロータ側磁石の長さと、ステータ側の電磁石のコアー部長さを長くする程大きくなる。モータの必要トルクに合わせ長さを調整する。
以上の項目を組み合わせる事で、課題を解決する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
【００１１】ここで、用語の定義をする。
電磁石群Ｘ：多数の小さな電磁石から構成されている、各極毎の電磁石
（例：電磁石群７とは、電磁石７−１、７−２、７−３、７−４で構成されている）
ヨーク群Ｘ：多数のヨークを組み合わせて、成り立っているヨーク
（例：：ヨーク群２０とは、２０−１、２０−２、２０−３、２０−４、２０−５で構成されている）
【第１実施例】
【００１２】図１は、本発明モータの側断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。従来の２極モータを改良した物で、極数は４極であるが、２極ずつセットで１／２周期だけ通電する構造にしてある。このモータの通電パターンを図６に示す。
【００１３】図１に示す様に、シャフト１８はベヤリングボックス１２に固定されたベヤリング１３と、ベヤリングボックス１６に固定されたベヤリング１７とで支持され、自由に回転できるようになっている。又、ベヤリング１３はリテーナプレート１４とビス１５により、ベヤリングボックス１２に固定されている。
【００１４】電磁石群７、電磁石群８、電磁石群９、電磁石群１０は、ベヤリングボックス１２と１６の間に、ヨーク群２０に挟まれた形でスルーボルト１９により固定されている。又、ベヤリングボックス１６には、ロータリーエンコーダ２３をビス１５で取り付けた、ロータリーエンコーダ取り付けステー２１がボルト２４で固定されている。シャフト１８とロータリーエンコーダ２３は、カップリング２２を通して接続され、セットビス２５で固定されシャフト１８の回転と共に回転出来る構造となっている。
【００１５】図２に示す様に、ヨーク群２０の内側に４セットの電磁石群７、電磁石群８、電磁石群９、電磁石群１０が取り付けられている。シャフト１８に圧入されたロータ１１の外周に永久磁石３、４、５、６がＮ極、Ｓ極交互に取り付けられている。
【作用】
【００１６】図２で電磁石群７、電磁石群９のコアー部にＮ極を発生させる様に励磁し、電磁石群８、電磁石群１０を非通電にすると、ステータ２０には図３に示すように、電磁誘導により、電磁石群８、電磁石群１０のコアー部にＳ極が誘導される。この為、図２に於いて電磁石群７のコアー部に発生したＮ極と磁石３のＮ極、及び、電磁石群９のコアー部に発生したＮ極と磁石５のＮ極との間には、反発力が発生する。又、電磁石群８のコアー部に誘導されたＳ極と磁石４のＳ極、及び、電磁石群１０のコアー部に誘導されたＳ極と磁石６のＳ極との間にも、反発力が発生する。
【００１７】一方、電磁石群７のコアー部に発生したＮ極と磁石４のＳ極、及び、電磁石群９のコアー部に発生したＮ極と磁石６のＳ極との間には、吸引力が発生する。又、電磁石群８のコアー部に誘導されたＳ極と磁石５のＮ極、及び、電磁石群１０のコアー部に誘導されたＳ極と磁石３のＮ極との間にも、吸引力が発生し、反時計方向への力が発生する。以上の合計の回転力により、ロータは反時計方向へ９０度回転し、図４の位置に来た時に、電磁石群７、電磁石群９の励磁を切ると停止する。通電中のコイルを遮断した場合やロータが回転すると、逆起電力が発生する為、下記の対策を施してある。
【００１８】図７に示す様に、フライホイールダイオードＤ７と電流制限抵抗Ｒ７、フライホイールダイオードＤ８と電流制限抵抗Ｒ８、フライホイールダイオードＤ９と電流制限抵抗Ｒ９、フライホイールダイオードＤ１０と電流制限抵抗がＲ１０が直列に接続されたものが、それぞれ各電磁石群と並列に接続されている。この為、通電中のコイルを遮断した時に発生する逆起電力と、ロータ１１に取付けられた永久磁石の、回転に伴うコイルとの鎖交磁束によって発生する、速度起電力をバイパスさせる様にしてある。速度起電力は、当然、非通電中の電磁石群の各コイルにも発生するため、フライホイールダイオードだけの場合だと、この非通電中の電磁石群の各コイルに大きな電流が流れてしまい、ロータの回転を妨げる方向に磁極ができる。これを防止する為に、電流制限抵抗により電磁石コイルに流れる電流値を抑え、各電磁石に生じる逆極性を小さくなる様にしてある。
【００１９】図４は、図２のロータ１１が反時計方向へ９０度回転したときの平面図である。図４で、電磁石群８、電磁石群１０のコアー部にＮ極を発生させる様に励磁し、電磁石群７、電磁石群９を非通電にすると、ステータ２０には図５に示す様に、電磁誘導により、電磁石群７、電磁石群９のコアー部にＳ極が誘導される。
【００２０】この為、図４に於いて電磁石群８のコアー部に発生したＮ極と磁石５のＮ極、及び、電磁石群１０のコアー部に発生したＮ極と磁石３のＮ極との間には、反発力が発生する。又、電磁石群７のコアー部に誘導されたＳ極と磁石４のＳ極、及び、電磁石群９のコアー部に誘導されたＳ極と磁石６のＳ極との間にも、反発力が発生する。
【００２１】一方、電磁石群８のコアー部に発生したＮ極と磁石６のＳ極、及び、電磁石群１０のコアー部に発生したＮ極と磁石４のＳ極との間には、吸引力が発生する。又、電磁石群７のコアー部に誘導されたＳ極と磁石５のＮ極、及び、電磁石群９のコアー部に誘導されたＳ極と磁石３のＮ極との間にも、吸引力が発生し、反時計方向への力が発生する。以上の合計の回転力により、ロータは反時計方向へ９０度回転し、図２の位置に来た時に電磁石群８、電磁石群１０の励磁を切ると停止する。これの繰り返しにより、連続回転する。
【００２２】以上の説明では、ロータ１１のＮ極が来た時に、ステータ２０の電磁石群にＮ極を発生させる様にしてあるが、ロータ１１のＳ極が来た時に、ステータ２０の電磁石群にＳ極を発生させる様にしても、動作は同じである。
【００２３】次に、第１実施例のモータの速度制御法について説明する。
図７は、第１実施例の制御ブロック図であり、図８は、そのフローチャートである。図７で説明する。モーターの各電磁石群７、電磁石群８、電磁石群９、電磁石群１０は、コンピュータで制御される為、パワーサプライコントロールとプログラマブル直流電源を通して、電圧が供給される。又、モータのスタート時点での、ロータ１１の位置を検出する為に、近接スイッチＰＸ７、８、９、１０が設けられており、どの電磁石群に所定の電流を流すかを決定する。各電磁石と近接スイッチの位置関係は、電磁石群７とＰＸ７、電磁石群８とＰＸ８、電磁石群９とＰＸ９、電磁石群１０とＰＸ１０は同じ位置になるように、取り付けられている。一方、コンピュータへの入力信号は下記の通りである。
▲１▼スタート信号
▲２▼任意の回転数データ
▲３▼各電磁石群へ流れている，電流値データをパワーサプライコントロールより入力
▲４▼ロータの回転数を計測する為に、ロータリーエンコーダ２３よりデータ入力
▲５▼停止信号
【００２４】次に、図８で制御動作を説明する。
▲１▼先ず、回転スタート時は、コンピュータに外部より設定された回転数データと、近接スイッチＰＸ７、ＰＸ８、ＰＸ９、ＰＸ１０によって得られるロータの位置データ及び、電磁石群に流す電流値データを読み込む。
▲２▼モータが回転しだすと、ロータリーエンコーダよりの回転数データと、パワーサプライコントロールより出される、電磁石群に流れている電流値データを取り込む。
▲３▼回転数が規格内かどうかチエックし、回転数がオーバーの場合には、電源電圧を所定量下げ、電磁石群の切り替えを逆にする。つまり、ロータ側磁石のＮ極が来ているステータ側の電磁石群を非通電とし、逆に、ロータ側磁石のＳ極が来ているステータ側の電磁石群を励磁しＮ極を発生させる事によって、制動をかける。
▲４▼回転数が規格以下の場合には、電源電圧を所定量上げて、運転する。
▲５▼回転数が規格内であれば、電磁石群の電流値が規格内か確認し、正常ならば運転を継続する。つまり、ロータ側磁石のＮ極が来ているステータ側の電磁石群を励磁し、Ｎ極を発生させ離脱させる。
▲６▼電磁石群の電流値が規格オーバーの場合には、電源電圧を所定量下げて運転する。この場合、コンピュータのスキャンタイムが短いため、電磁石コイル焼損には至らない。
▲７▼次のループで回転数データが変更されていれば、そのデータに従って回転制御される。
【第２実施例】
【００２５】図９は、第２実施例の平面図であり、図１０は、図９の側面図である。
図９に示す様に、スライダー３５の右中央部には、ロッドピンホルダー３７がボルト５０で固定されており、ロッドピンホルダー３７には、連結リンク３９を支えるロッドピン３８がナット４８で固定されている。連結リンク３９の右端はクランクピン４０でクランク４１に連結されている。クランク４１は、ベヤリングホルダー４２に固定されたベヤリング４３，４４により支持され、カラー４６を通してフライホイール４５をナット４７で固定している。
【００２６】図１０に示す様に、ベース３０の上にサイドプレート３１、３２がボルト４９で固定されている。サイドプレート３１、３２には、２本のガイドバー３３が取り付けられている。スライダー３５には、両サイドにストロークベヤリング３４が取り付けられ、ガイドバー３３を左右に移動できる構造になっている。又、スライダー３５の下部には、永久磁石３と強磁性体３６がある距離を離して接着剤等で固定されている。ベース３０上に、４個ずつの電磁石がセットになった電磁石群７と電磁石群８並びに強磁性体５１が、ある距離を離してボルト４９でそれぞれ固定されている。又、ベース３０上には、ベヤリングホルダー４２が、ボルト４９で固定されている。
【００２７】次に、第２実施例の作用について説明する。図１０の位置にある時に、電磁石群７にＮ極を発生させる様に励磁し、電磁石群８を非通電にすると、図１１に示す様に、磁気誘導により電磁石群８のコアー部と強磁性体５１にＳ極が誘導される。
【００２８】図１０で説明すると、スライダー３５に取り付けられた磁石３のＮ極と、電磁石群７に発生したＮ極との間には、反発力が発生する。又、スライダー３５に取り付けられた強磁性体３６には、磁石３によりＳ極が誘導されているため、強磁性体５１のＳ極との間に、反発力が発生する。
【００２９】一方、スライダー３５に取り付けられた磁石３のＮ極と、電磁石群８のコアー部に誘導されたＳ極との間には、吸引力が発生する。又、スライダー３５に取り付けられた強磁性体３６のＳ極と、電磁石群７に発生したＮ極との間にも吸引力が発生する。以上の４つの力が合計されて、スライダー３５は右側へ移動し、図１２の位置に来て停止する。この時、クランク４１とフライホイール４５は半回転する。
【００３０】図１２の位置に来た時に、電磁石群８にＮ極を発生させる様に励磁し、電磁石群７を非通電にすると、図１３に示す様に、電磁石群７のコアー部には電磁誘導によりＳ極が誘導される。この時、距離が離れている強磁性体５１には、Ｓ極は誘導されない。
【００３１】図１２で作用について説明する。スライダー３５に取り付けられた磁石３のＮ極と電磁石群８に発生したＮ極との間には、反発力が発生する。又、スライダー３５に取り付けられた強磁性体３６のＳ極と、電磁石群７のコアー部に誘導されたＳ極との間にも、反発力が発生する。一方、スライダー３５に取り付けられた磁石３のＮ極と、電磁石群７のコアー部に誘導されたＳ極との間には、吸引力が発生する。又、スライダー３５に取り付けられた強磁性体３６のＳ極と、強磁性体５１との間にも、吸引力が発生する。
以上４つの力が合計されて、スライダー３５は左側へ移動し、図１０の位置へ来て停止する。この時、クランク４１とフライホイール４５は、更に同じ方向へ半回転する。以上の繰り返しにより、クランク４１は連続回転する。
【発明の効果】
【００３２】▲１▼モータの高速回転時の速度起電力の発生が抑えられる為、高速域でも高トルクが得られると共に、高い電圧の電源も不要であり、安価になる。
▲２▼従来のモータに比べ、消費電力が大幅に少なくなる為、大きな省エネルギー効果が生じる。
▲３▼出力が入力の数倍取り出せる為、このモータで発電機を回し、その出力エネルギーの一部を帰還させて、このモータを動かすと、残りのエネルギを外部へ取り出せる。いわゆる、夢の永久機関が出来る可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】は、本発明の第１実施例の側断面図
【図２】は、図１のＡ−Ａ矢視図
【図３】は、電磁石群７と電磁石群９を励磁した時のステータの磁束分布図
【図４】は、図２のロータ１１が、反時計方向に９０度回転したときの平面図
【図５】は、図４の電磁石群８と電磁石群１０を励磁した時のステータの磁束分布図
【図６】は、本発明のモータの通電パターン図
【図７】は、第１実施例の制御ブロック図
【図８】は、第１実施例のフローチャート
【図９】は、本発明の第２実施例の平面図
【図１０】は、図９の側面図
【図１１】は、図１０の電磁石群７を励磁した時のステータの磁束分布図
【図１２】は、図１０のスライダ３５が右へ移動した状態を示す図
【図１３】は、図１２の電磁石群８を励磁した時のステータの磁束分布図
【符号の説明】
３、４、５、６：永久磁石
７−１、７−２、７−３、７−４：電磁石群７
８−１、８−２、８−３、８−４：電磁石群８
９−１、９−２、９−３、９−４：電磁石群９
１０−１、１０−２、１０−３、１０−４：電磁石群１０
１１：ロータ
１２：ベヤリングボックス
１３：ベヤリング
１４：リテーナプレート
１５：ビス
１６：ベヤリングボックス
１７：ベヤリング
１８：シャフト
１９：スルーボルト
２０−１、２０−２、２０−３、２０−４、２０−５：ヨーク群２０
２１：ロータリーエンコーダ取り付けステー
２２：カップリング
２３：ロータリーエンコーダ
２４：ボルト
２５：セットビス
３０：ベース
３１：サイドプレート
３２：サイドプレート
３３：ガイドバー
３４：ストロークベヤリング
３５：スライダー
３６：強磁性体
３７：ロッドピンホルダー
３８：ロッドピン
３９：連結リンク
４０：クランクピン
４１：クランク
４２：ベヤリングホルダー
４３：ベヤリング
４４：ベヤリング
４５：フライホイール
４６：カラー
４７、４８：ナット
４９、５０：ボルト
５１：強磁性体
【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】
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【図１０】
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【図１１】
2007195388.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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