(57)【要約】【課題】  同数の巻き線磁極と永久磁石極を持つ電動機は、構造の簡易さ効率の高さが明らかであったが、その難起動性のために実用化が遅れていた。【解決手段】  本発明では、第一の手段として、巻き線磁極または永久磁石磁極間に不均等な部分を設けた。  また、第二の手段として、巻き線磁極の中間または永久磁石磁極の中間の適当な位置に、１個以上の補助永久磁石極または補助巻き線磁極を配置した。  さらに、前記磁極構成に最適な電気回路を採用した。【選択図】図１
2007318977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同数の巻き線磁極と、永久磁石磁極を備え、
前記巻き線磁極、または永久磁石磁極の一方、または両方の、少なくとも１個の磁極の形状、寸法、配置等に不均等な部分を設けた事を特徴とする電動機。
【請求項２】
同数の巻き線磁極と、永久磁石磁極を備え、
前記巻き線磁極、または永久磁石磁極間に、少なくとも１個の補助永久磁石磁極、または補助巻き線磁極を備えている事を特徴とする電動機。
【請求項３】
巻き線磁極に並列に２本の巻き線を施し、夫々を交互に磁束の極性が変化する様に、直列または並列に接続し、一方の巻き線の始端と他方の巻き線の終端を、正電源または負電源に接続し、各巻き線の他の終端及び始端に回転子の回転位置検出センサーからの信号によって動作する、ローサイドスイッチング回路、またはハイサイドスイッチング回路、或るいは両者混合回路を接続して、巻き線を交互に通電し、巻き線磁極の極性を変化させ回転子に回転モーメントを発生させる事を特徴とする、［請求項１］及び［請求項２］に係る電動機。
【請求項４】
巻き線磁極に巻かれた単線の巻き線を交互に磁束の極性が変わる様に、直列または並列に接続し、回転子の回転位置検出センサーからの信号によって動作する、二組のハイサイドスイッチング回路およびローサイドスイッチング回路を、その始端と終端に接続し、それらスイッチング回路により、前記巻き線の通電方向を変え、巻き線の磁性を変化させ、回転子に回転モーメントを発生させる事を特徴とする、［請求項１］および［請求項２］に係る電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、各種機械装置の動力源として、広く用いられている、電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】  電動機は、利用される電力により、直流電動機および交流電動機に大別され、さらに駆動方式により、ブラッシ付き電動機、ブラッシレス電動機および誘導電動機等に分類され、用途に適応した方式の電動機が使用されている。
更に、近年永久磁石の進歩に伴い、永久磁石を一方の磁極に用いる電動機が広く用いられる様になった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  近年、二次電池や電気二重層コンデンサー等の技術の発展に伴い、それらの電池等を電力源とした、直流電動機の使用分野が広まる傾向にある。
そうした直流電動機には、巻き線磁極と永久磁石磁極を組み合わせた方式が主として用いられている。
それら直流電動機では、巻き線磁極数と永久磁石磁極の数が異なる組み合わせが用いられるのが通常である。
その理由は、巻き線磁極の数と永久磁石磁極の数が等しい組み合わせでは、電動機にデッド、ポイント呼ばれる起動トルクの発生しない場所が存在し、実用に当たり、困難を発生すると言う問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  本発明による電動機では、同数の巻き線磁極と永久磁石磁極の組み合わせを用い、その難起動性を解決する手段として、巻き線磁極または、永久磁石磁極の一方、または両方の磁極に不均等な部分を設けた。
また、別の手段として、巻き線磁極または、永久磁石磁極の磁極間に少なくとも１個の補助永久磁石極、または補助巻き線磁極を配置した。
さらに、前記起動機構に加え、第一の回路技術として、各巻き線磁極に並列した２本の巻き線を施し、各巻き線磁極の磁性が交互に変わる様に、直列または並列に接続し、一方の巻き線の始端と他方の巻き線の終端を、電源の正電圧端子または負電圧端子に接続し、各巻き線の他の終端および始端には、回転子の回転位置を検出する回転位置センサーによって駆動されるロウサイドスッチング回路またはハイサイドスイッチング回路を接続し、回転子の適切な回転位置で、前記ロウサイドスッチング回路またはハイサイドスイッチング回路を交互に通電し、巻き線磁極に適切な極性の磁束が発生する様にした。
第二の回路技術として、巻き線磁極に単線の巻き線を施し、各巻き線に発生する磁束の極性が交互に変わる様に直列または並列に接続し、その始端と終端に、回転子の回転位置を検出する、回転位置センサーによって駆動されるハイサイドスイッチング回路とロウサイドスイッチング回路を接続し、回転子の適切な回転位置でハイサイドスイッチング回路またはロウサイドスイッチング回路が通電し、磁極に適切な極性の磁束を発生する様にした。
【発明の効果】
【０００５】  永久磁石磁極を一方の磁極として用いた電動機では、巻き線磁極に発生する磁束と永久磁石磁極に存在する磁束の相互作用により回転モーメントを発生させるのであるが、電動機の回転中には、順方向の回転モーメントと逆方向の回転モーメントが発生する。
従来の巻き線磁極数と永久磁石磁極数が異なる組み合わせでは、逆方向の回転モーメントが発生する機会が多くなる傾向にあった。
一方、同数の巻き線磁極と永久磁石磁極の組み合わせでは、逆方向の回転モーメントが発生する機会が少なくなり、電動機の効率向上が比較的容易である。
しかし、巻き線磁極と永久磁石磁極の数が等しい場合には起動トルクの発生しないデッド、ポイントが存在し、実用上の障害となっていた。
電動機の回転モーメントは巻き線磁極に発生した磁束と永久磁石磁極に存在する磁束とで作られる合成磁束の経路が最も短くなろうとして発生する。
しかし、巻き線磁極と永久磁石磁極の数が同一である場合には、対向する全ての磁極間の磁束が同時に最短経路を形成する点が存在し、その点で回転子が停止した場合には、次の起動時に起動する事が出来なくなる。
しかも、電動機の停止時には、永久磁石磁極の磁力に吸引された回転子は磁束経路の最も短くなるデッド、ポイントで停止する機会が圧倒的に多く、この種電動機の実用化の障害となっていた。
本発明の第一の手段では、巻き線磁極、または永久磁石磁極の一方、または両方に不均等な部分を設けたので、回転子が、どんな位置で停止しても、最短磁束経路を外れた対向磁極が存在し、次の起動時に起動不能となる事は無い。
さらに、本発明の第二の手段として、巻き線磁極または永久磁石磁極の磁極間に少なくとも１個の補助永久磁石磁極、または補助巻き線磁極を配置し、前者では電動機の回転子がデッド、ポイントで停止する事を防止し、後者では起動時に最短磁束経路を外れた磁極対が発生するようにした。
また、前記磁気的機構に加え、電動機が高い特性を発揮できる様に、簡潔で高性能な巻き線方式と駆動回路を設けた。
その結果、従来実用が困難であった、巻き線磁極数と永久磁石磁極数が等しい構造の電動機の実用化を可能にした。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】  発明の実施にあたり、特に大きな制約は無く、各種方式の電動機に適応可能である。
【実施例１】
【０００７】  次に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
［図１］（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）（ｈ）は、本発明の［請求項１］に係る電動機の一実施例の部分断面図である。
図において、符号１ａおよび１ｂは永久磁石磁極を示しており、符号２ａ及び２ｂは巻き線磁極を示し、符号３は永久磁石磁極支持材を示している。
この実施例では永久磁石磁極１ａおよび１ｂが回転子を構成し、巻き線磁極２ａおよび２ｂが固定磁極を構成している場合について説明する。
図では簡単のため巻き線は省略してある。
［図１］（ａ）では、永久磁石極１ｂの長さが、左回転方向側で短くなっている。
従って、巻き線磁極と永久磁石磁極が正対し、且つ、両磁極に同極性の磁束が存在または発生した場合、回転子には右方向への回転モーメントが発生する。
反対に、両磁極に異なった極性の磁束が存在または発生した場合、回転子には左方向の回転モーメントが発生する。
［図１］（ｂ）、（ｃ）、および（ｅ）では、永久磁石磁極の左回転方向側で、磁極に段差または、勾配を設け、磁力を弱める事により、同様な効果を発生させている。
また［図１］（ｄ）、では、永久磁石磁極１ａの左回転方向側に符号１ｄで示す、磁力の弱い部分を設け、同様な効果を発生させている。
この場合、磁力は段階的では無く、勾配を持たせて低減させても同様に作用する。
その他、磁極１ｂの幅を部分的に変化させ、磁力の強さに変化を持たせることによっても同様な機能を持たせる事が可能である。
更に、［図１］（ｆ）および（ｇ）では、巻き線磁極２ａの右回転方向側に段差をまたは勾配を持たせ、［図１］（ｈ）では磁極寸法を短縮する事により、磁極に発生する磁力に偏りを発生させ、回転モーメントを発生させている。
この実施例では、１個の磁極に不均衡部分を設けた場合について説明したが、    ２極以上、またはすべての磁極に同様な措置を講じても、同じ機能を発生させる事が可能である。
その場合、各磁極の不均衡の程度に差異を設ける事も可能である。
【実施例２】
【０００８】    ［図２］は、本発明の第二の手段による電動機の一実施例を示す部分断面図である。
図において、符号１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ，および３は［図１］と同様であり、符号１ｃおよび１ｄは新たな永久磁石磁極を示し、符号２ｃおよび２ｄは同様にあらたな巻き線磁極を示している。
さらに、符号４ａは巻き線磁極２ａおよび２ｂの間に配置された補助永久磁石磁極を示し、符号５は、前記補助永久磁石磁極を保持する支持材を示している。
補助永久磁石磁極が存在する事により、電動機は停止時に、巻き線磁極と永久磁石磁極は、完全に正対する事なく、若干ずれた位置で停止する。
従って、電動機の起動時に、巻き線磁極に電流が流れると、発生する合成磁束には偏りが発生し、回転モーメントが生じ、電動機は起動する。
また、停止時に、正対位置で停止しても、起動時に発生する磁束には、補助永久磁石磁極に存在する磁束により偏りが生じ、同様に回転モーメントが発生する。
この実施例では、補助永久磁石磁極が１個の場合について説明したが、複数の補助永久磁石磁極を使用する事も可能である。
【実施例３】
【０００９】  ［図３］は本発明の［請求項２］に掛かる第二の手段の一実施例を示す、部分断面図である。
符号１ａから符号５までは［図２］と同様である。
符号４ｂは巻き線磁極２ａおよび２ｂの間に設けられた補助巻き線磁極を示している。
巻き線磁極を構成する巻き線は簡単の為図示されていない。
この場合には、電動機の停止時には、永久磁石磁極と巻き線磁極は正対した位置で停止する確率が高くなるが、起動時に補助巻き線磁極に電流が流れる事により、発生磁束に偏りが生じ、その結果磁極間に回転モーメントが発生し、  電動機が起動する事は同様である。
【実施例４】
【００１０】  ［図４］は、本発明による［請求項３］に係る一実施例の電気回路を示す回路図である。
図において、符号１０はフォト、リフレクターを示している。
フォト、リフレクター１０は図示されていない、電動機の回転子に設けられた反射板からの反射光を受け、回転子の回転位置を検出して、符号１１ａで示されるトランジスタのベース電極に駆動電流を供給し、通電状態に移行させる。
トランジスタ１１ａのコレクター電極は符号１２ａで示されるＮチャンネルタイプのＭＯＳ  ＦＥＴのゲート電極に接続されており、ＭＯＳ    ＦＥＴ１２ａのゲート電極の電位を引き下げ、ＯＦＦ状態に移行させる。
同時に、トランジスタ１１ａのコレクター電極は、符号１１ｂで示されるトランジスタのベース電極回路にも接続されており、トランジスタ１１ｂのベース電流を遮断し、ＯＦＦ状態に移行させ、その結果、符合１２ｂで示されるＭＯＳ    ＦＥＴのゲート電極に電圧が印加され、ＭＯＳ  ＦＥＴ１２ｂはＯＮ状態へ移行し、符号１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび１３ｄで示される巻き線に順方向の電流が流れ、符号１５ａ、１５ｂ、１５ｃおよび１５ｄで示される磁極に磁束が発生し、電動機の回転子に回転モーメントが加えられる。
回転子が設定された角度だけ回転すると、回転子上に設けられた反射鏡からの反射光が途切れ、ホトリフレクターからの電流も途切れる事になり、トランジスタ１２ａはＯＦＦ状態に移行し、トランジスタ１２ｂはＯＮ状態に移行する事になる。
その結果、ＭＯＳ  ＦＥＴ１２ａはＯＮ状態に移行し、ＭＯＳ    ＦＥＴ１２ｂはＯＦＦ状態に移行し、巻き線１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄに逆方向の電流が流れ、磁極１５ａ、１５ｂ、１５ｃおよび１５ｄには逆極性の磁束が発生し、回転子に同じ方向の回転モーメントを発生し、回転子は回転を継続する。
即ち、この実施例では、ホトリフレクターの低電圧側に接続されているトランジスタ１１ａ、ＭＯＳ  ＦＥＴ１２ａおよびトランジスタ１１ｂ、ＭＯＳ    ＦＥＴ１２ｂが、巻き線１３ａ１３ｂ、１３ｃおよび１３ｄと巻き線１４ａ、  １４ｂ、１４および１４ｄに対し、２組のローサイドスイッチング回路を構成している事になる。
この実施例では、トランジスタおよびＭＯＳ    ＦＥＴを共にＮ形とし、ホトリフレクターの低電圧側に接続した場合について説明したが、Ｐ形のトランジスタおよびＭＯＳ    ＦＥＴをホトリフレクターの高電圧側に接続し、ハイサイドスイッチング回路とし、巻き線の共通端子を零電圧に接続しても同様に機能させる事が可能である。
また、ホトリフレクターの高電圧側および低電圧側に夫々一組のハイサイドスイッチグ回路およびローサイドスイッチング回路を接続し、各巻き線グループを個々に高電圧側および零電圧側に接続して回路を構成しても同様に機能させる事が可能である。
さらに、この実施例では、巻き線が直列に接続された場合について説明したが、全巻き線を並列に接続しても同様に機能させる事が可能であり、隣接する２個の巻き線を直列に接続してグループを構成し、これらグループを並列に接続しても同様に機能させる事が可能である。
【実施例５】
【００１１】  ［図５］は本発明の［請求項４］に係る電動機の一実施例を示す回路図である。
この実施例では、［実施例４］と同様に、巻き線磁極数および永久磁石磁極数が４個の場合に付いて説明する。
ホトリフレクター１０の低電圧出力電極に接続されている、Ｎ形トランジスタ１１ａ、１１ｂ、ＭＯＳ  ＦＥＴ１２ａおよび１２ｂは、［実施例４］の場合と同様に動作し、ローサイドスイッチング回路として機能する。
この実施例では、さらに、ホトリフレクター１０の高電圧側電極にＰ形トランジスタ１６ａが接続されている。
トランジスタ１６ａは、符号１６ｂで示されるＰ形トランジスタ、符号１７ａおよび１７ｂで示されるＰ形ＭＯＳ    ＦＥＴとハイサイドスイッチング回路を構成する。
また、この実施例では、巻き線磁極の巻き線は単線であり、夫々符号１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび１３ｄで示されている。
ホトリフレクター１０が、図示されていない回転子に取り付けられた反射鏡からの反射光を受けると、内蔵されているホトトランジスタが導通し、出力電極に接続されているトランジスタ１１ａおよび１６ａのベース電極に電流を供給し、それぞれをＯＮ状態に移行させる。
その結果、ＭＯＳ  ＦＥＴ１２ａおよび１７ａはＯＦＦ状態に、ＭＯＳ    ＦＥＴ１２ｂおよび１７ｂはＯＮ状態となり、巻き線１３ａおよび１３ｄに順方向に電流が流れ、磁極１３ｂおよび１３ｄには逆方向に電流が流れ、交互に逆極性に磁化され、回転子に回転モーメントが発生する事になる。
回転子が回転し、反射鏡からの反射光が設定位置で途絶えると、ホトリフレクターの出力電流も途絶え、トランジスタ１１ａおよび１６ａはＯＦＦ状態へ移行する。
その結果、ＭＯＳ  ＦＥＴ１２ａおよび１７ａはＯＮ状態に、１２ｂおよび１７ｂはＯＦＦ状態に移行し、巻き線１３ａおよび１３ｃには逆方向の電流が流れ、磁極１３ａおよび１３ｄに順方向の電流が流れ、各磁極に回転を継続する方向に磁束が発生する。
この実施例では、巻き線が直列に接続された場合に付いて説明したが、全ての巻き線が並列に接続された場合でも、２つの連続する巻き線が直列に接続されグループを形成し、各グループが並列に接続された場合も同様に動作させる事が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００１２】  以上、詳述した様に、本発明によれば、同数の巻き線磁極と永久磁石磁極を持つ電動機が、その最大の欠点である、難起動性を示す事が無くなり、さらに磁極構成に適した電気回路を採用する事により、高い効率と簡易な機構を持つ電動機の実現が可能となり、産業界に広く利用される様になる事は容易に予想される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）、（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）、（ｇ）および（ｈ）は、本発明による、磁極間に不均等な部分を設けた電動機の一実施例を示す部分断面図である。
【図２】は、本発明による、補助永久磁石磁極を用いた電動機の一実施例を示す、部分断面図である。
【図３】は、本発明による、補助巻き線磁極を用いた電動機の一実施例を示す、部分断面図である。
【図４】は、本発明による、各巻き線磁極が、並列に巻かれた、２本の巻き線によって構成された巻き線磁極と、その巻き線磁極を駆動する回路を用いた電動機の一実施例を示す回路図である。
【図５】は、本発明による、巻き線磁が単線の巻き線によって構成された巻き線を駆動する回路を用いた電動機の一実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００１４】１ａ，１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・・・・・・・・永久磁石磁極
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・・・・・・・・巻き線磁極
３、５・・・・・・・・・・・・・・・・・・支持材
４ａ、・・・・・・・・・・・・・・・・・・補助永久磁石磁極
４ｂ、・・・・・・・・・・・・・・、・・・補助巻き線磁極
１０ａ、・・・・・・・・・・・・・・・・・ホトリフレクター
１１ａ、１１ｂ、１６ａ、１６ｂ、・・・・・トランジスタ
１２ａ、１２ｂ、１７ａ、１７ｂ、・・・・・ＭＯＳ    ＦＥＴ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，・・・・・巻き線
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、・・・・・巻き線
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ・・・・・・磁心
１８、・・・・・・・・・・・・・・・・・・電池
【図１】
2007318977.tif 000003
【図２】
2007318977.tif 000004
【図３】
2007318977.tif 000005
【図４】
2007318977.tif 000006
【図５】
2007318977.tif 000007