(57)【要約】【課題】  界磁に巻き始めと巻き終わりの短絡された界磁コイルの施された磁極と、界磁コイルの施されてない極磁を備え、電機子にブラシを介して電流を与え、界磁と電機子を相対的に回転させる界磁コイル短絡電動機において、始動トルクの高い界磁コイル短絡電動機を提供する。【解決手段】  巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極とコイルを有しない磁極とを具備する回転可能に配設された界磁と、自己に巻装されたコイルにブラシを介して給電する整流子を有し固定に配設された電機子と、ブラシと、該ブラシを保持し前記整流子の周方向に回転可能に配設されるブラシ保持部とを具備し、前記給電は交流電源ある電動機であって、前記界磁は、前記ブラシの電気角を中性軸（電気角0度）より所定角回転させたとき、該回転方向と同方向に回転するように形成する。【選択図】  図１
2007049872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極とコイルを有しない磁極とを具備する回転可能に配設された界磁と、自己に巻装されたコイルにブラシを介して給電する整流子を有し固定に配設された電機子と、ブラシと、該ブラシを保持し前記整流子の周方向に回転可能に配設されるブラシ保持部とを具備し、前記給電は交流電源によることを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極と前記コイルを有しない磁極とは、前記界磁の内周の周方向に交互に配設されることを特徴とする請求項1に記載の電動機。
【請求項３】
前記界磁の巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極の有する該コイルは、前記磁界の前記内周に突起する1個体として形成される前記磁極の周方向に巻回されることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。
【請求項４】
前記界磁は、前記ブラシの電気角を中性軸（電気角0度）より所定角回転させたとき、該回転方向と同方向に回転するように形成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電動機。
【請求項５】
巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極とコイルを有しない磁極とを具備する固定に配設された界磁と、自己に巻装されたコイルにブラシを介して給電する整流子を有し回転可能に配設された電機子と、ブラシと、該ブラシを保持し前記整流子の周方向に回転可能に配設されるブラシ保持部とを具備し、前記給電は交流電源によることを特徴とする電動機。
【請求項６】
前記巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極と前記コイルを有しない磁極とは、前記界磁の内周の周方向に交互に配設されることを特徴とする請求項５に記載の電動機。
【請求項７】
前記界磁の巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極の有する該コイルは、前記磁界の前記内周に突起する1個体として形成される前記磁極の周方向に巻回されることを特徴とする請求項５または６に記載の電動機。
【請求項８】
前記電機子は、前記ブラシの電気角を中性軸（電気角0度）より所定角回転させたとき、該回転方向と逆方向に回転するように形成することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機に係り、特に界磁コイルを短絡した電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動機は電動アシスト自転車等への応用が開発され利用されてきている。特に利用する構造上、電機子側を固定し界磁側を回動するような電動機も提案されてきている（特許文献1参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開2004-140990公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、電機子コイルに高周波電力を供給し、小型、高トルクの電動機を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するために本発明は、巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極とコイルを有しない磁極とを具備する回転可能に配設された界磁と、自己に巻装されたコイルにブラシを介して給電する整流子を有し固定に配設された電機子と、ブラシと、該ブラシを保持し前記整流子の周方向に回転可能に配設されるブラシ保持部とを具備し、前記給電は交流電源により、トルクの高い小型の界磁コイルを短絡した電動機を提供する。
【０００６】
また、前記巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極と前記コイルを有しない磁極とは、前記界磁の内周の周方向に交互に配設される電動機を提供し、また、前記界磁の巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極の有する該コイルは、前記磁界の前記内周に突起する1個体として形成される前記磁極の周方向に巻回される電動機を提供する。
【０００７】
更に、前記界磁は、前記ブラシの電気角を中性軸（電気角0度）より所定角回転させたとき、該回転方向と同方向に回転するように形成する電動機を提供する。
【０００８】
本発明は更に又、巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極とコイルを有しない磁極とを具備する固定に配設された界磁と、自己に巻装されたコイルにブラシを介して給電する整流子を有し回転可能に配設された電機子と、ブラシと、該ブラシを保持し前記整流子の周方向に回転可能に配設されるブラシ保持部とを具備し、前記給電は交流電源により、トルクの高い小型の界磁コイルを短絡した電動機を提供する。
【０００９】
また、前記巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極と前記コイルを有しない磁極とは、前記界磁の内周の周方向に交互に配設される電動機を提供し、また、前記界磁の巻き始めと巻き終わりが短絡されたコイルが巻装された磁極の有する該コイルは、前記磁界の前記内周に突起する1個体として形成される前記磁極の周方向に巻回される電動機を提供する。
【００１０】
更に、前記電機子は、前記ブラシの電気角を中性軸（電気角0度）より所定角回転させたとき、該回転方向と逆方向に回転するように形成する電動機を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反発力と吸引力を効果的に使用し、始動トルクの高い、更に形状の大きくならない界磁コイルを短絡した電動機を提供する。
【００１２】
また、電機子に高周波電力を供給することで、電機子が発生する磁気エネルギーが効率良く界磁コイルに伝達されるため（すなわち、大きな電力を界磁コイルに伝達できる。）、反発トルクを大きくでき、かつ磁気エネルギー伝達効率が良いため、電動機をさらに小型にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の界磁コイルを短絡した電動機の実施例を、図に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【００１４】
図1は本発明を説明するための界磁コイルを短絡した電動機の断面的な構成を示す図である。
【００１５】
本発明の図１〜図３に示す界磁コイルを短絡した電動機の構成並びに動作は以下のようになる。
【００１６】
主たる構成として、図１-３に示す電機子１０１は、従来例で説明した図５の電機子１１と同様である。界磁１０２には、電気的中性軸１０８（電気角0度）と直角の位置に、界磁コイルの施された磁極となる磁性体の突起、磁極Ｃ１０３、並びに磁極Ｄ１０３’が対で設けてあり、それぞれのコイルの巻き始めと巻き終わりは短絡してある。また、電気的中性軸１０８の位置には、巻線の施されてない磁性体の突起、磁極Ａ１０５と，磁極Ｂ１０５’が対で設けてある。
【００１７】
［図１の説明］
図1は、ブラシ１０４-１０４’が電気的中性軸１０８の上にある場合を示している。この状態での本発明の界磁コイルを短絡した電動機の動作を以下説明する
【００１８】
（１）電機子１０１へブラシ１０４-１０４’を介して交流電源（AC）を接続する。交流電源の正の部分がブラシ１０４-１０４’を介して電機子巻線に与えられ、電機子巻線には図1に図示すように電流が流れていると仮定する。
【００１９】
（２）従って、電機子１０１には図1のようにＮ極とＳ極の磁界がそれぞれ左側と右側に生じる。
【００２０】
（３）ここで、ブラシ１０４-１０４’の位置は、電気的中性軸１０８、即ち、電気角０度の位置にあり、電機子１０１に発生する磁極Ｎと磁極Ｓは、それぞれ界磁１０２の磁極Ａ１０５と磁極Ｂ１０５’と吸引関係となる。しかし、磁極Ｃ１０３と磁極Ｄ１０３’は如何なる作用も及ぼさない。
【００２１】
（４）従って、図１では、電機子１０１の磁極であるＮ極とＳ極は、界磁磁極である磁極A１０５と、磁極B１０５’による吸引力により、安定しているので、電機子１０１と界磁１０２の相対的な回転は起こらない。（回転しない）
［図２の説明］
図２は、ブラシ１０４-１０４’の位置が電気的中性軸１０８より電気角θにある場合を示している。この状態での本発明の界磁コイルを短絡した電動機の動作を以下説明する。
【００２２】
（１）電機子１０１へブラシ１０４-１０４’を介して交流電源（ＡＣ）を接続する。交流電源の正の部分がブラシ１０４-１０４’を介して電機子巻線に与えられ、電機子巻線には図２に示すように電流が流れていると仮定する。
【００２３】
（２）ここで、ブラシ１０４-１０４’の位置が電気的中性軸１０８より電気角θ（図では４５度付近）に位置する。
【００２４】
（３）界磁１０２の磁極Ｃ１０３の界磁コイルと、磁極Ｄ１０３’の界磁コイルは、巻始めと巻終りが短絡してあるので、電機子巻線にブラシ１０４-１０４’を介して図２に図示するように流した電流は、磁気誘導により界磁コイルに電流が流れ、磁極Ｃ１０３と、磁極Ｄ１０３’には電機子１０１に向かって、それぞれＮ極とＳ極の磁極が図２のように生じる。
【００２５】
（４）この状態では、電機子１０１のＮ極と界磁１０２の磁極がＮ極となっている磁極Ｄ１０３’との間、並びに電機子１０１のＳ極と界磁１０２の磁極がＳ極となっている磁極Ｃ１０３との間で反発力が働き、電機子１０１にはブラシ１０４-１０４’の電気的中性軸に対して移動させた方向θと逆方向（時計方向）にトルクが働く。即ち、界磁１０２には反時計方向にトルクが働く。
【００２６】
（５）ここで、電機子１０１のＮ極と界磁１０２の磁極A１０５との間、並びに電機子１０１のＳ極と界磁１０２の磁極B１０５’との間では吸引力が働き、吸引力による回転トルク発生する。即ち、電機子１０１と、界磁１０２の間には、反発力により発生するトルクに対して、更に吸引力によるトルクが加算されるように寄与する。
【００２７】
（６）今、図２の状態で、電機子１０１を固定し、界磁１０２を回動可能な構成とすると、界磁１０２が反時計方向に回転する。
【００２８】
（７）界磁１０２が回転した結果、いずれ図１に示すように静止状態に落ち着くことになる。
【００２９】
（８）ここで、ブラシ１０４-１０４’を回動可能な構成とし、界磁１０２を追う方向、即ち図２では反時計方向に外力で回転させると、図２の状態を維持し、反発力並びに吸引力が生じ、界磁１０２の回転を継続することができる。
【００３０】
（９）なお、電機子コイルに流れる電流は、ブラシ１０４-１０４’の電気角が９０度に接近するほど、大電流が流れ、ブラシ１０４-１０４’の電気角が０度に接近するほど、流れる電流が小となる。
【００３１】
［図３の説明］
図３は、ブラシ１０４-１０４’の位置が電気的中性軸１０８より電気角-θにある場合を示している。図３では、電機子１０１と界磁１０２の間に働くトルクが図２で説明した場合と逆になる。
【００３２】
（１）電機子１０１へブラシ１０４-１０４’を介して交流電源（ＡＣ）を接続する。交流電源の正の部分がブラシ１０４-１０４’を介して電機子巻線に与えられ、電機子巻線には図３に示すように電流が流れていると仮定する。
【００３３】
（２）ここで、ブラシ１０４-１０４’の位置が電気的中性軸１０８より電気角-θ（図では-４５度付近）に位置する。
【００３４】
（３）界磁１０２の磁極Ｃ１０３の界磁コイルと、磁極Ｄ１０３’の界磁コイルは、巻始めと巻終りが短絡してあるので、電機子巻線にブラシ１０４-１０４’を介して図３に図示するように流した電流は、磁気誘導により界磁コイルに電流が流れ、磁極Ｃ１０３と、磁極Ｄ１０３’には電機子１０１に向かって、それぞれＮ極とＳ極の磁極が図３のように生じる。
【００３５】
（４）この状態では、電機子１０１のＮ極と界磁１０２の磁極がＮ極となっている磁極Ｃ１０３との間、並びに電機子１０１のＳ極と界磁１０２の磁極がＳ極となっている磁極Ｄ１０３’との間で反発力が働き、電機子１０１にはブラシ１０４-１０４’の電気的中性軸１０８に対して移動させた方向-θと逆方向（反時計方向）にトルクが働く。即ち、界磁１０２には時計方向にトルクが働く。
【００３６】
（５）ここで、電機子１０１のＮ極と界磁１０２の磁極A１０５との間、並びに電機子１０１のＳ極と界磁１０２の磁極B１０５’との間では吸引力が働き、吸引力による回転トルク発生する。即ち、電機子１０１と、界磁１０２の間には、反発力により発生するトルクに対して、更に吸引力によるトルクが加算されるように寄与する。
【００３７】
（６）図２の説明と同様に、図３の状態で、電機子１０１を固定し、界磁１０２を回動可能な構成とすると、界磁１０２が時計方向に回転する。
【００３８】
（７）界磁１０２が回転した結果、いずれ図１に示すように静止状態に落ち着くことになる。
【００３９】
（８）ここで、ブラシ１０４-１０４’を回動可能な構成とし、界磁１０２を追う方向、即ち図３では時計方向に外力で回転させると、図３の状態を維持し、反発力並びに吸引力が生じ、界磁１０２の回転を継続することができる。
【００４０】
（９）なお図３の場合も、電機子コイルに流れる電流は、ブラシ１０４-１０４’の電気角が±９０度に接近するほど、大電流が流れ、ブラシ１０４-１０４’の電気角が±０度に接近するほど、流れる電流が小となる。
【００４１】
［交流電源による駆動に関して］
以上詳細に図１、図２、図３を用いて説明した界磁コイルを短絡した電動機、において、与えた交流電源が負になった場合は、電機子１０１の電機子巻線の電流の方向が逆になる。従って電機子１０１の磁極のＳ極とＮ極が反対となる。また磁気誘導により界磁１０２磁極の巻線に流れる電流も逆になり、界磁１０２の磁極Ｃ１０３、磁極Ｄ１０３’に生じる磁極もＳとＮが逆になる。従って、回転方向は同じとなる。
【００４２】
以上は、電機子が固定され、界磁が回転する動作説明である。
【００４３】
本発明では、界磁が固定され、電機子が回転する動作も可能である。図1〜３において電機子に流す電流、電機子及び界磁に発生する磁極、磁界、電機子および界磁に働くトルクは、この場合でも同様のため、説明は省略する。
【００４４】
図１〜３において、電機子と界磁に働くトルクは相互に相対的なものであるから、界磁を固定した場合、電機子は回転する。この場合、電動機が外部に伝達する回転駆動力の方向は、界磁が回転する場合と逆方向である。
【００４５】
図２において、電機子の回転方向は時計回り、図3において、電機子の回転方向は反時計回りである。
【００４６】
図２および３において、ブラシの電気角は、電機子の所望のトルク／回転速度を維持するためには、所定の電気角を維持し、回転トルク／回転速度を上げるには、ブラシの電気角を９０度に接近させ、回転トルク／回転速度を下げるには、ブラシの電気角を０度に接近させることで実現できる。
【００４７】
また、電機子に高周波電力を供給することで、電機子が発生する磁気エネルギーが効率良く界磁コイルに伝達されるため（すなわち、大きな電力を界磁コイルに伝達できる。）、反発トルクを大きくでき、かつ磁気エネルギー伝達効率が良いため、電動機をさらに小型にすることができることが理解できよう。
【００４８】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、界磁１０２の電気的中性軸１０８と直角の位置に、巻線の施された磁極１０３、並びに１０３’を対で設け、各々の巻線を巻き始めと巻き終わりを短絡しておき、電機子１０１の電機子巻線にブラシ１０４-１０４’を介して交流電源を与えることにより、磁気誘導によって界磁１０２の巻線の施された磁極Ｃ１０３、並びに磁極Ｄ１０３’には電流が流れ、磁極Ｎ並びに磁極Ｓが、図２、又は図３に図示するように生じる。
【００４９】
また、界磁１０２の電気的中性軸１０８の位置には、巻線の施されてない磁極Ａ１０５、磁極Ｂ１０５’を対で設ける。この巻線の施されてない磁極Ａ１０５と，磁極Ｂ１０５’に対して、電機子１０１の発生する最大点の磁極が対向すると、電機子コイルは単なるインダクタンスと作用し、電機子コイルには殆ど電流は流れない。しかし、上述したように、電機子１０１が図１に示す位置に位置する時は、巻線の施されてない磁極Ａ１０５と，磁極Ｂ１０５’電機子１０１のＳ極とＮ極の最大値点に対応する。従って、電機子１０１に生じるＳ極並びにＮ極は、磁極Ａ１０５と，磁極Ｂ１０５’と引き合い、回転を滑らかにする。
【００５０】
本発明によれば、ブラシ１０４-１０４’を、中性点より時計方向又は反時計方向に移動して設定することにより、電機子１０１のS極と界磁１０２の磁極に生じたS極、並びに電機子１０１のＮ極と界磁１０２の磁極に生じたＮ極は反発して、反時計方向又は反時計方向に反発し回転する。
【００５１】
更に、この回転に加わる力は上述の反発力だけではなく、上記電機子１０１のＳ極と界磁１０２の磁極Ｂ、並びに電機子１０１のＮ極と界磁１０２の磁極Ａの吸引力が加わるように生ずる。
【００５２】
以上の詳細な説明からも分かるように、本発明は界磁１０２と電機子１０１とを相対的に動かすための界磁コイルを短絡した電動機を提供するものであり、電機子１０１を固定して、界磁１０２並びにブラシ１０４-１０４’を回動するように構成し、ブラシ１０４-１０４’を整流子（図は省略）上で回転させることにより、界磁１０２が回転することは理解できよう。
【００５３】
また、本実施例では、電機子１０１、界磁１０２の巻線の施されている磁極数、並びに界磁１０２の巻線の施されてない磁極をそれぞれ２極で説明しているが、偶数倍の極数であっても良いことは云うまでもない。
【００５４】
また、本発明の電機子の巻線は、型巻コイルであってもよい。
【００５５】
また、本界磁コイルを短絡した電動機を電池を電源とするアシスト自転車等で交流で作動させるためには、公知の簡単な交番電流を作るインバータなどを備えれば良い。
【００５６】
以上の詳細な説明のように、本発明によれば、反発力と吸引力を効果的に使用し、始動トルクの高い、更に形状の大きくならない界磁コイルを短絡した電動機を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に基づく界磁コイル短絡電動機の静止時を説明するための図
【図２】本発明に基づく界磁コイル短絡電動機の回転を説明するための図
【図３】本発明に基づく界磁コイル短絡電動機の反回転を説明するための図
【符号の説明】
【００５８】
主要図面である図１の符号の説明
１０１            電機子
１０２            界磁
１０３、１０３’  巻線の施された磁極Ｃ、Ｄ
１０４、１０４’  ブラシ
１０５、１０５’  巻線の施されてない磁極Ａ、Ｂ
１０８            電気的中性軸（電気角0度）
【図１】
2007049872.tif 000003
【図２】
2007049872.tif 000004
【図３】
2007049872.tif 000005