(57)【要約】【課題】  回転数が交流電源角振動数と独立な単相誘導発動機を実現する。【解決手段】  コイルからコイルへの誘導を用いる場合には、共振による電磁誘導を用い、これをスイッチングで制御することにより、電源角振動数の影響が回転子側の共振角振動数のみとなるようにする。  コイルからの誘導電場によってコンデンサを駆動する場合には、コンデンサに生じている電荷の角振動数を誘導電場の角振動数と同じにし、位相差もゼロまたは１８０度とすることで、一方向の回転力を得ると同時に、その回転数が電源の角振動数と独立にすることができる。  コンデンサの電束が時間変化することで生じる誘導磁場で電磁石を駆動する場合には、コンデンサに流れている電流の角振動数を電磁石の磁束の角振動数と同じにし、また、両者の間の位相差も、ゼロ、または１８０度とすることで、一方向の回転力を得ると同時に、その回転数が電源の角振動数と独立にすることができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ；自己インダクタンスＬ１（Ｈ）を持つ、角振動数ωの交流電源に接続されたコイル
Ｒ；回転子
Ｂ；Ｒに取り付けられた、自己インダクタンスＬ２を持つコイル
Ｃ；ω２＝１／ＣＬ２を満たす静電容量Ｃを持つコンデンサ
以上のように定義されたＡ、Ｒ、Ｂ、Ｃについて、Ａからの電磁誘導による反発力を取り出したい位置にＢがあるときにＢとＣの間の電気伝導経路が接続され、逆に、その反発力によってＲが回転してＡとＢの相対的な位置が変化し、Ａとの間の反発力を消したい位置にＢが来たときにＢとＣの間の電気伝導経路が切断されるようにすることで、Ｒを回転させる単相交流誘導発動機。
【請求項２】
Ａ；自己インダクタンスＬ１（Ｈ）を持つ、角振動数ωの交流電源に接続されたコイル
Ｒ；回転子
Ｑ；Ａの両端に掛かっている電圧と同位相、または１８０度の位相差を持つ電荷
Ｃ１；Ｒに取り付けられた、Ｑが保持されている単極のコンデンサ
以上のように定義されたＡ、Ｒ、Ｑ、Ｃについて、Ａにおいて生じている磁束の時間変化によって生じる電場とＣ１の間に作用する静電気力によりＲを回転させる単相交流誘導発動機。
【請求項３】
Ａ；自己インダクタンスＬ１（Ｈ）を持つ、角振動数ωの交流電源に接続されたコイル
Ｒ；回転子
Ｑ；Ａの両端に掛かっている電圧と同位相、または１８０度の位相差を持つ電荷
Ｃ２：定常な電荷が蓄えられている状態で一方向を向く定常な電場中に置かれるとゼロでない大きさの静電気力が一方向に発生するような表面形状に極板が加工された、Ｑが保持されていて、且つＲに取り付けられている双極板コンデンサ
以上のように定義されたＡ、Ｒ、Ｑ、Ｃ２について、Ａにおいて生じている磁束の時間変化によって生じる電場とＣ２の間に作用する静電気力によりＲを回転させる単相交流誘導発動機。
【請求項４】
Ｃ３；静電容量Ｃ３（Ｆ）を持つ、角振動数ωの交流電源に接続されたコンデンサ
Ｒ；回転子
Φ；Ｃ３に流れている電流と同位相、または１８０度の位相差を持つ磁束
Ｂ；Ｒに取り付けられた、Φを保持しているコイル
以上のように定義されたＣ３、Ｒ、Φ、Ｂについて、Ｃ３において生じている電束が時間変化することによって生じる磁束とＢの間に作用する磁力によりＲを回転させる単相交流誘導発動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電磁誘導によって動作する誘導型発動機の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】  請求項１の装置は、変圧器の二次コイルに並列にコンデンサを接続すると、一次コイルに流れる電流の角振動数と、二次コイルとそれに接続されたコンデンサによる並列共振回路の共振角振動数が一致したときに、二次コイル側の受電効率が最大になるという既に公知となっている実験的事実に基づいている。
また、請求項２から４までの装置は、電磁誘導という現象、または、電磁波の伝播という現象の本質である、磁場の時間変化から電場が、逆に電場の時間変化から磁場が誘導されるという物理的事実に基づいている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  従来の誘導モーターは、二相以上の複相交流によって、回転磁場を擬似的に作り出す構造であったのだが、これらの発動機は、回転子の回転数が電源の交流角振動数に同期する必要があり、同期が外れると出力が落ちるといった問題を抱えていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  コイルとコンデンサによるいくつかの組み合わせがあり、それらは、コイルとコイル（請求項１）、コイルとコンデンサ（請求項２及び請求項３）、コンデンサとコイル（請求項４）である。【０００５】  電源の角振動数と独立に回転子の回転数が維持されるようにするために、コイルを誘導の一次側、同様にコイルを誘導の二次側とする請求項１の組み合わせの場合、回転子側の二次コイルとコンデンサの接続のオン・オフによってこれを制御するのが効果的である。
これにより、電源の角振動数は、単に電磁誘導の効率のみに影響するところとなり、回転数とは独立とすることができる。【０００６】  コイルを誘導の一次側、コンデンサを誘導の二次側とする請求項２の場合については、以下の計算に基づく。ここでは、回転子に単極のコンデンサを使用することを想定している。
一次コイルの自己インダクタンスをＬ１（Ｈ）とし、回転子の回転によって単極コンデンサが描く軌道による一回巻きの二次コイルの自己インダクタンスをＬ２（Ｈ）とする。
一次コイルを、単位長さ当たりの巻き数ｎ（／ｍ）、両端聞の距離ｓ（ｍ）、透磁率μ（Ｈ／ｍ）、断面の半径ｒ（ｍ）のｎｓ回巻きコイルとし、二次コイルを、単位長さ当たりの巻き数１／ｓ（／ｍ）、両端間の距離ｓ（ｍ）、透磁率μ（Ｈ／ｍ）、回転子の半径ｒ（ｍ）である１回巻きのコイルとする。
このとき、各自己インダクタンスとそれらの比はそれぞれ以下の値となる。式中、ｋ（ｒ，ｓ）は、ｒ、ｓを変数とする長岡係数で、ここでは、説明を簡単にするため、一次コイルと二次コイルの形状を単位長さ当たりの巻き数以外同じに設定しており、そのため、この長岡係数の値は、Ｌ１、Ｌ２で等しい値になる。
Ｌ１＝πｒ２μｎ２ｓｋ（ｒ，ｓ）
Ｌ２＝πｒ２μｋ（ｒ，ｓ）／ｓ
Ｌ２＝Ｌ１／ｎ２ｓ２
一次コイルと二次コイルの間の磁気エネルギーの共有を百パーセントと仮定し、一次コイルの両端に掛かる電圧Ｖを、交流の角振動数をωとしてＶ＝Ｖ０ｃｏｓωｔとすると、二次コイルに生じる相互誘導起電力Ｖ１は、
Ｖ１＝−Ｖ０ｃｏｓωｔ／ｎｓ
となる。
誘導起電力は、磁場の時間変化により、コイルの導線に沿って電場が生じ、その電場によって電子に静電気力が生じることにより発生する。このモーターの場合、回転子の単極コンデンサがその電子の代わりとなる。
従って、この電位差の生じているＬ２上の電気伝導経路の長さが２πｒであることにより、Ｌ２に生じる電場の強さＥは、
Ｅ＝−Ｖ０ｃｏｓωｔ／２πｒｎｓ
となる。ちなみに、一次コイルに生じている電場の強さは、コイルの巻き数がｎｓであることにより、電気伝導経路の総延長が２πｒｎｓとなることから、やはりこれと同じになる。
コンデンサに蓄えられている電荷は、Ｖと同位相、または１８０度の位相差を持つようにする。これは、１８０度という位相差が、単に極性の反転を意味するるため、結果的に、いずれにおいても電源電圧と同位相であることと同義である。
そこで、コンデンサに蓄えられている電荷Ｑを、Ｑ０を任意の定数（単位はクーロン）として、Ｑ＝Ｑ０ｃｏｓωｔとすると、誘導電場によって単極コンデンサに掛かる静電気力Ｆは、
Ｆ＝ＱＥ＝−Ｑ０Ｖ０ｃｏｓ２ωｔ／２πｒｎｓ
となり、コサインが二乗であることから、この値は常に符号が変わらない。つまり、力が一方向を向くことになる。このことは、回転子の回転が常に一方向であることを示す。
このＦを時間平均した値をｆとすると、その値は、
ｆ＝−Ｑ０Ｖ０／４πｒｎｓ
である。ここで、一次コイルに流れる電流Ｉを、Ｉ０を定数として（単位はアンペア）、Ｉ＝Ｉ０ｓｉｎωｔとすると、一次コイルから伝達される電力の実効値Ｗｒｍｓは、Ｖ０Ｉ０／２となる。
そこで、回転子の回転の角速度をω０とし、回転子に取り付けられた単極コンデンサの速度ｖを、ｖ＝ｒω０とすると、
Ｗｒｍｓ＝ｆｖ＝Ｖ０Ｉ０／２＝−ω０Ｑ０Ｖ０／４πｎｓ
が得られ、これをω０について解くことにより、
ω０＝−２πｎｓＩ０／Ｑ０
が得られる。この式は、電流の大きさが、電源の角振動数を固定した場合電圧のみに依存することから、回転子の回転速度が、電源の角振動数に依存しないことを示している。つまりこの誘導発動機は、単相で動作し、且つ、電源の角振動数に依存しない回転数で回転することができ、また電圧で回転数が制御できるという優れた特性を持つことを示している。【０００７】  請求項３のケースは、単極コンデンサは静電容量が小さいため、小型化するために双極板コンデンサを使用するものである。
双極板コンデンサでは、各極板で電荷の符号が異なる。そのため、普通に一次コイルの電場中に置いても、静電気力が互いに相反する方向に打ち消しあってしまう。
そこで、極板の表面形状を曲面にし、極板の表面積が極板によって異なるようにすることで、一方向を向く電場中に二つの極板が同時に置かれても、静電気力が一方向を向くようにする。【０００８】  コンデンサを一次側とし、コイルを二次側とする請求項４の装置も、単にコイルとコンデンサを入れ替えただけなので、基本的に、コイルを一次側とし、コンデンサを二次側とする請求項２、請求項３の場合と同様の性質を持つ。
【発明の効果】
【０００９】  角振動数の固定された単相交流電源で駆動可能で、回転数が電圧や電流で制御可能であるため、制御が容易で、また特殊な電源を必要としないことから、製造コストも低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】  請求項２から４までのケースでは、回転子側の電荷や磁束を無効電力によって発生させることができる。その場合、磁束では電圧を無効、電流を有効に、電荷では電流を無効、電圧を有効にする。
これにより、回転子側の電荷や磁束の量でトルクや回転数を制御する場合に、供給する電力を無効化できるため、消費電力を抵抗での損失分のみに軽減化できる。
また、請求項１から４までのすべてのケースで、一次コイルや一次コンデンサを共振回路にすることで、トルクと回転数を独立に制御することができるようになる。これは、無効電流や無効電圧による無効な磁束や無効な電荷が有効な磁場や電場と反応しないことを利用したもので、これにより、たとえばコイルが一次側のときにそのコイルにコンデンサを並列に接続したり切断したりすることで、電圧を一定のまま一次コイルに流れ込む有効電流の量だけを減らしたり増やしたりする、といった制御ができる。
これにより、定出力でトルクと回転数を交換するという、旧来のオームの法則による電圧と電流の比例法則とは逆の、定出力に対する電圧と電流の反比例によるトルクと回転数の交換制御が可能になる。
【実施例】
【００１１】  図１に、回転子上にコイルが形成される形の、請求項１の本発明の概念図を示す。
回転子は、それ自体が電気伝導性のある磁性材料で形成され、ブラシによってコンデンサと接続される。ブラシが各極に二つずつあるのは、コンデンサと回転子の接続が常に維持されるようにするためである。
５の電気伝導経路が形成するコイルの自己インダクタンスの値（これをＬとする）と、それがブラシを介して接続されるコンデンサの静電容量（これをＣとする）による並列共振回路の角振動数（ＬＣ）−１／２が、１に発生している磁束の角振動数と一致するようにすることで、Ｌの受電効率を最大にし、反発力だけが都合よく取り出される位置で回転子上の電気伝導経路５とＣの切断・接続が切り替わるようにしている。
これにより、回転子に回転力が与えられる。【００１２】  図２に、回転子上にコイルを配置し、それがコンデンサと順次接続されることで、一次コイルとの間に反発力を生じるようにした、請求項１の本発明の概念図を示す。
２に６が配置・固定され、それらは電磁誘導によって１と反発する。
２が回転し、この反発力を取り出したい位置に６がくると、４と６が３によって接続される。４と６は、４の静電容量をＣ、６の自己インダクタンスをＬ、１に発生する磁束の角振動数をωとして、ω＝（ＬＣ）−１／２を満たすように設定しておく。
３が接触している二つの円形のレールは、２と一体化していて、６と４の間に電気伝導経路を構成するように接続されている。レールの一つは分断されていて、１との位置関係の良い６だけが４に接続されるようにスイッチの切り替えの役割を果たす。
実際には、６と１の距離の変化によって、１の磁性体が６の自己インダクタンスの値に影響を及ぼすため、６に電流が流れる間６の自己インダクタンスが変化しないように、２の回転方向に沿って６の近くに磁性体が存在するようにしておくのが望ましい。【００１３】  図３に、コイルからの電磁誘導によって単極コンデンサの取り付けられた回転子を回転させる、請求項２の本発明の概念図を示す。
２は、磁性体を中心として、それに７が固定された回転子である。
１に生じる角振動数ωの磁束に対し、７には、同じ角振動数で磁束とプラス９０度乃至マイナス９０度の位相のずれを持つ電圧が印加され、それに伴い電荷が蓄えられている。
この時間変動する磁束によって生じる、コイルの導線に沿う方向の誘導電場は、２の磁性体を貫く磁束においても同じように生じ、その誘導電場と単極コンデンサの間に生じる静電気力によって、２が一方向に回転する。
この図では、２は、１の前後に二つ取り付けられているが、これらはそれぞれ１８０度の位相差、つまり、同じ位相で正と負の相反する電位が与えられることで生じる電荷を保持しており、一方から他方を見ると、磁束が逆向きで電荷の符号も逆向きとなるため、結果的にこれら二つの２は、回転方向が一方向で揃うことになる。
２は、８の楕円形の矢印が表す経路に沿って回転する。２は、１に生じる磁束の向きを反転させることで、順逆両方向に回転させることができる。【００１４】  図４に、双極板コンデンサに蓄えられた電荷と一次コイルの誘導電場との間の静電気力によって回転子を回転させる、請求項３の本発明の概念図を示す。
９は、形状が非対称な極板を二つの極板とする積層型の円筒形コンデンサで、極板形状の非対称性により、１０の極板表面と平行な方向の電場、すなわち一次コイルからの誘導電場に対して、１０の電荷は極板表面の電束と誘導電場が９０度をなすことから内積がゼロ、すなわち静電気力の生じない状態となり、反対に、１２の形状では、極板表面の電束における誘導電場と平行な方向の成分がゼロでないため、同様に誘導電場との内積がゼロでないことから静電気力が生じることになり、この誘導電場と１２が保持する電荷の間に生じる一方向を向く静電気力が２を回転させるトルクとして取り出されることになる。
８は、２の回転方向である。これは、図３の場合と同様、１の円周に沿う方向であり、また、こちらも同様に、磁束の向きを反転することで、２の回転方向も反転することができる。
９の内部を拡大したのが、四角い枠の内部である。下から順に、１０、１１、１２、１１、１０、・・・、の繰り返しとなっている。
９は、１０、１１、１２の組み合わせと重ねる順序さえ同じであれば、１０、１１、１２、１１の順に重ねられた長いフィルムを２の中心軸である磁性体に巻きつける構造でも良い。作りやすさとしては、むしろこの方が実用的である。【００１５】  図５に、コンデンサを一次側、電磁石を回転子とする、請求項４の本発明の概念図を示す。
１３は、極板を交互に重ねた積層型なのだが、電束の強さを一方向に偏らせるため、強誘電体と非強誘電体（絶縁体）を電束の向きに応じて交互に重ねる構造にする。
すると、強誘電体に生じる電束のみが取り出され、また、それらは、１３の内部で、ちょうどコイルに生じる磁束と同じように、一方向を向くように極板間における配置をコントロールされている。
この電束が時間変化することによって生じる誘導磁場により、２（この場合は、１３に流れる電流と同じか１８０度の位相差を持つ磁束が生じている電磁石）が一方向に回転する。【００１６】  図６に、共振を用いて制御する場合の本発明の装置の概念図を示す。
２は、回転子なのだが、極板の一方を１０と同じようにし、他方の極板を１２のようにしたコンデンサそのものである。そのため、１の導線に沿った方向に生じる１からの誘導電場との間に働く静電気力が、１２のようにしてある極板上の電荷のみに作用し、８が示す経路に沿って回転する。回転方向は、１に接続される電源の極性を入れ替えることで、順逆入れ替えることができる。
２２は、その静電容量をＣ、１の自己インダクタンスをＬとすると、（２ＬＣ）−１／２＝ωとなるようなコンデンサである。そのため、１７を接続すると、２１から１に供給される有効電流が半減し、１の両端に掛かる電圧は維持したまま、１２に生じるトルクのみ、半減させることができる。これにより、トルクと回転数を独立に制御することが可能である。
より精密な制御を行う場合には、Ｃを小さな値にし、それらを１と並列に接続してスイッチングによって量子的に（段階的に）電流量をコントロールするか、２２そのものを静電容量の可変なものに置き換えるか、いずれかの方法をとる。
２に電圧をかけるのにトランス（磁気的に結合された１８及び１９）を用いる場合には、２と１８の共振回路としての共振周波数が、ωに等しくなるようにする。その上で、２０と１９の並列共振回路としての共振周波数もωに等しくなるようにすると、１９には無効電流しか流れなくなり、その結果、２には、有効な電力を消費することなく有効な交流電圧をかけることができるようになる。
これにより、消費電力の無駄を軽減することができる。
このとき、１８と１９のトランスは、回転子と共に回転軸に固定された１８の外に１９の導線が重ねて巻かれているようにすることで、非接触のブラシと同一にみなすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】  家庭用の低出力用から電気自動車用の高出力用まで、幅広く利用可能である。特に、トルクと回転数が独立に制御可能であるため、電気自動車における発進時と高速運転時のトルクと回転数の交換制御による消費電力の軽減化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】  これは、コイルを一次側とし、回転子上に連続して二次コイルが現れるようにした、請求項１に基づく本発明の概念図である。
【図２】  これは、コイルを一次側とし、回転子上に二次コイルを並べて固定した、請求項１に基づく本発明の概念図である。
【図３】  これは、コイルを一次側とし、回転子に単極コンデンサをトルク発生用として固定した、請求項２に基づく本発明の概念図である。
【図４】  これは、コイルを一次側とし、回転子に双極板コンデンサをトルク発生用として固定した、請求項３に基づく本発明の概念図である。
【図５】  これは、コンデンサを一次側とし、回転子に電磁石をトルク発生用に用いた、請求項４に基づく本発明の概念図である。
【図６】  これは、コイルを一次側とし、コンデンサをトルク発生用に回転子に固定し、共振によって制御・低消費電力化する構造の、本発明の概念図である。
【符号の説明】
【００１９】１    一次コイル
２    回転子
３    ブラシ
４    受電用コンデンサ
５    回転子上に形成される電流の経路
６    回転子側の二次コイル
７    誘電体を伴った単極コンデンサ
８    回転子の回転方向
９    異なる形状の極板による双極板円筒形積層コンデンサ
１０  極板
１１  誘電体フィルム
１２  １０よりも表面積が大きく表面が曲面である、１０と対をなす極板
１３  強誘電体と非強誘電体を組み合わせた一次コンデンサ
１４  平面の極板
１５  強誘電体
１６  非強誘電体（絶縁体）
１７  スイッチ
１８  トランスの二次コイル
１９  トランスの一次コイル
２０  コンデンサ
２１  角振動数ωの単相交流電源
２２  コンデンサ
【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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