CN108292885A - 电动机 - Google Patents

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Abstract

提供不增加功耗而能够控制转速的新的电动机。电动机(10)具备：转子，永久磁铁使N极或者S极中的某一方的磁极朝向半径方向外侧而旋转；第一绕组(31)，在永久磁铁旋转的周围，使轴线朝向永久磁铁进行配置；第二绕组(32)，与第一绕组(31)同轴且比第一绕组(32)配置于外周位置；控制电路(40)，对永久磁铁的一方的磁极处于相向位置的第一绕组(31)，通电用于发生与一方的磁极同极的磁场的电流；以及旋转速度调整部(50)，调整来自第二绕组(32)的电流。控制电路(40)在由传感器部(41)探测到一方的磁极时，励磁电路部(42)对第一绕组(31)通电。旋转速度调整部(50)消耗来自第二绕组(32)的电流，而控制永久磁铁的旋转。

Description

电动机
技术领域
本发明涉及取出电力的电动机。
背景技术
作为取出电力的电动机，已知专利文献1记载的例子。
专利文献1记载的磁力发电机利用永久磁铁的磁力来进行发电。该磁力发电机利用通过ON/OFF电源的供给在马达用线圈与永久磁铁之间发挥作用的吸力以及斥力来发生动力，并利用该动力使永久磁铁和发电用线圈相对移动来进行发电，由上述发电用线圈产生的电力能量的至少一部分被用于供给到上述马达用线圈的ON/OFF电源。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-23556号公报
发明内容
但是，在该专利文献1记载的磁力发电机中，仅将从发电用线圈取出的电能作为马达用线圈的动力源对电池电源等充电。
电动机的转速能够通过电动机的电源电压来改变。但是，在使电动机的电源电压上升时，功耗也上升。如果不增加功耗而能够将转速控制在预定的范围，则电动机的用途也能够扩大。
因此，本发明的目的在于提供一种不增加功耗而能够控制转速的新型的电动机。
本发明提供一种电动机，具备：转子，使N极或者S极中的某一方磁极朝向旋转半径方向的外侧而使永久磁铁旋转；第一绕组，在所述永久磁铁旋转的周围，使轴线朝向所述永久磁铁进行配置；第二绕组，与所述第一绕组同轴且比所述第一绕组配置于外周位置；控制电路，对与所述永久磁铁的一方磁极处于相对位置的所述第一绕组接通用于发生与所述一方的磁极同极的磁场的电流；以及调整部，调整来自所述第二绕组的电流来调整所述转子的旋转速度。
在本发明的电动机中，控制电路对与永久磁铁的一方磁极处于相对位置的第一绕组通电，而使第一绕组发生一方磁极，使永久磁铁旋转。将在第二绕组中因永久磁铁的旋转发生的电流输出到调整部。此时，第二绕组与第一绕组同轴且比第一绕组配置于外周位置，所以在第二绕组中发生的磁场以辅助第一绕组的方式发挥作用。因此，能够根据在调整部中流过的电流，调整转子中的永久磁铁的转速。
最好调整部具备与所述第二绕组连接的整流部、和消耗来自所述整流部的电流的消耗部。能够根据消耗部消耗由整流部整流后的直流电流，调整永久磁铁的转速，能够在消耗部中有效活用电流。
最好在所述永久磁铁中，成为与所述一方的磁极相反的磁极的另一方的磁极朝向与所述一方的磁极朝向的方向相反的方向，所述控制电路具备对所述永久磁铁的另一方的磁极处于相向位置的所述第一绕组，通电用于发生与所述另一方的磁极同极的磁场的电流的功能。在控制电路使第一绕组发生一方的磁极时，通过使与第一绕组处于相向位置的另一第一绕组发生另一方的磁极，能够使永久磁铁的旋转加速。
最好使所述永久磁铁在所述转子的旋转轴的轴线位置粗，且朝向旋转半径方向的外侧变细。永久磁铁朝向旋转半径方向的外侧变细，所以能够使来自永久磁铁的磁通朝向半径方向外侧集中。
所述永久磁铁能够形成为从所述轴线位置朝向旋转半径方向的外侧阶段性地变细。
所述消耗部能够从短路状态至开放状态设定电阻值。所述消耗部能够成为电池的充电电路。另外，所述消耗部能够成为照明器具。进而，所述消耗部能够成为其他电动机。
本发明的电动机能够根据在调整部中流过的电流，调整永久磁铁的转速，所以能够成为不增加功耗而能够控制转速的新的电动机。
附图说明
图1是用于说明本发明的实施方式所涉及的电动机的转子以及定子的图。
图2是用于说明图1所示的电动机的传感器部的图。
图3是用于说明图1所示的电动机的控制电路的图。
图4是使图1至图3所示的电动机动作，使消耗电流成为0A时的测定波形的图。
图5是使图1至图3所示的电动机动作，使消耗电流成为16A时的测定波形的图。
图6是在使消耗电流从0A至18A变化而使图1至图3所示的电动机动作时测定向第一绕组的输入电压、输入电流、来自第二绕组的输出电压、输出电流、转速的关系而得到的一览表。
(符号说明)
10：电动机；20：转子；21：永久磁铁；211：第一部分；212：第二部分；213：第三部分；214：第四部分；22：转子本体；30：定子；31：第一绕组；32：第二绕组；33：芯；40：控制电路；41：传感器部；411：第一传感器部；412：第二传感器部；41a：光电断路器；41b：遮蔽板；42：励磁电路部；421a、421b：第一FET；422a、422b：第二FET；423a、423b：第三FET；G：栅极端子；S：源极端子；D：漏极端子；R11、R12、R21、R22、R31、R32、R41、42：电阻；C11、C12：电容器；D11、D12、D21、D22：二极管；50：调整部；51：整流部；52：消耗部；X1、X2：轴线。
具体实施方式
根据附图，说明本发明的实施方式所涉及的电动机。
图1所示的电动机10具备转子20和定子30。
转子20具备永久磁铁21、和保持永久磁铁的转子本体22。
永久磁铁21通过以转子20的旋转轴(未图示)的轴线X1为中心沿着旋转的直径方向配置，一方的磁极(例如N极)朝向旋转半径方向的外侧，并且成为与一方的磁极相反的磁极的另一方的磁极(例如S极)朝向与一方的磁极朝向的方向相反的方向。
永久磁铁21被形成为在位于转子20的轴线X1的第一部分211粗，朝向旋转半径方向的外侧按照第二部分212、第三部分213、第四部分214变细变短。永久磁铁21能够使用磁力比其他磁铁强的钕磁铁。
转子本体22在旋转轴中的轴线位置的上端以及下端形成突起，旋转自如地保持于未图示的框架。
定子30配置于转子20的周围。定子30具备朝向永久磁铁21配置于轴线X2的第一绕组31、与第一绕组31同轴并且比第一绕组31配置于外周位置的第二绕组32、以及配置于第一绕组31和第二绕组32的轴线X2的芯33。
通过以转子20为中心在其周围针对每60度配置第一绕组31，而在未图示的框架上设置6块。第二绕组32也通过与第一绕组31同轴地配置，而设置6块。
在本实施方式中，在转子本体22中埋设有1块永久磁铁21，并在其周围配置有定子30，但永久磁铁21也可以沿着转子本体22的轴线X1以等间隔的旋转角度来配置。例如，在配置2块永久磁铁21的情况下，在与永久磁铁21正交的方向上配置另1块永久磁铁21时，能够针对每90度，朝向第一绕组31配置N极或者S极。在第一绕组31连接有控制电路40。
如图2以及图3所示，控制电路40具备传感器部41和励磁电路部42。图3所示的控制电路40图示有1个第一绕组31以及第二绕组32，对应于第一绕组31以及第二绕组32的每一个，设置有传感器部41和励磁电路部42。
传感器部41具备：第一传感器部411，检测永久磁铁21的N极的位置；以及第二传感器部412，检测永久磁铁21的S极的位置。
第一传感器部411以及第二传感器部412沿着转子的圆周方向被配置于6个部位，如图3所示，具备：由发光二极管和光电二极管构成的透射型的光电断路器41a；以及遮蔽板41b，与转子20一起旋转，通过透射型的光电断路器41a的发光二极管与光电二极管之间。
第一传感器部411以及第二传感器部412的遮蔽板41b具备通过遮蔽板作为挡块通过光电断路器41a，检测永久磁铁21的位置的功能。
对应于永久磁铁21的N极的位置配置第一传感器部411的遮蔽板41b，对应于永久磁铁21的S极的位置配置第二传感器部412的遮蔽板41b。
此外，示出图3的第一传感器部411和第二传感器部412在转子20的旋转半径方向上排列的例子。
励磁电路部42是将位于相同的半径方向的第一传感器部411部和第二传感器部412作为一组，控制向第一绕组31的通电方向的部件。
励磁电路部42通过从第一FET421a、421b至第三FET423a、423b的晶体管，控制向第一绕组31的通电方向。
第一FET421a和第三FET423a是n型FET。第二FET422a、422b是p型FET。
第一FET421a、421b的栅极端子G经由电阻R11、R12与光电断路器41a连接。另外，第一FET421a、421b的源极端子S被接地。
第二FET422a、422b的源极端子S经由二极管D11、D12与电源连接，并且经由电容器C11、C12接地。另外，第二FET422a、422b的栅极端子G经由电阻R21、R22与第一FET421a、421b的漏极端子D连接，并且经由电阻R31、R32与第二FET422a、422b的源极端子S连接。第二FET422a、422b的漏极端子D与二极管D21、D22的阳极端子A连接，经由电容器C11、C12接地，并且与第三FET423a、423b的漏极端子D连接。
第三FET423a、423b的栅极端子G经由电阻R41、R42与光电断路器41a连接。第三FET423a、423b的源极端子S被接地。
第一绕组31的一方的布线与第二FET422a的漏极端子D连接，并且与第三FET423a的漏极端子D连接。
第一绕组31的另一方的布线与第二FET422b的漏极端子D连接，并且与第三FET423b的漏极端子D连接。
对第二绕组32，连接调整转子20的旋转速度的调整部50(旋转速度调整部)。
调整部50具备整流部51和消耗部52。整流部51能够由二极管桥构成。在图3所示的调整部50中，对整流部51一对一连接消耗部52，调整部50对其它第二绕组32也连接整流部51，其他多个整流部51也针对1个消耗部52连接。
消耗部52能够成为可变电阻器，但也可以代替可变电阻器而连接有效利用电能的负载。例如，能够作为电池的充电电路、或者作为照明器具、作为电动机。消耗部52能够从短路状态至开放状态设定电阻值。
根据附图，说明如以上所述构成的本发明的实施方式所涉及的电动机的动作。对图3所示的控制电路40供给电源。
例如，通过使永久磁铁21的N极位于第一绕组31，遮蔽板41b位于传感器部41中的第一传感器部411的光电断路器41a。
通过遮挡光电断路器41a的光的透射，第一传感器部411的光电断路器41a的光电晶体管通电。通过光电晶体管通电，与光电断路器41a经由电阻R11、R41连接的第一FET421a的栅极端子G和第三FET423a的栅极端子G成为第一FET421a和第三FET423a为导通状态的第一电压。
另外，在遮蔽板41b位于第一传感器部411的光电断路器41a时，遮蔽板41b并不位于第二传感器部412的光电断路器41a，所以光电断路器41a处于非通电状态。因此，与第二传感器部412的光电断路器41a经由电阻R12、R42连接的第一FET421b的栅极端子G和第三FET423b的栅极端子G成为第一FET421b和第三FET423b为截止状态的电压比第一电压低的第二电压(0V)。
在第一FET421b是截止状态时，与第一FET421b的漏极端子D经由电阻R21连接的第二FET422a的栅极端子G成为通过与电源Vss连接的电阻R31而第二FET422a为截止状态的第一电压。
在第一FET421a是导通状态时，电阻R22与第一FET421a的漏极端子D连接，所以第二FET422b的栅极端子G成为第二FET422b为导通状态的第二电压。
这样，在第一FET421a、421b～第三FET423a、423b的导通状态和截止状态被决定时，来自电源Vss的电流经由二极管D12流入到第二FET422b的源极端子S，从第二FET422b的漏极端子D流入到第一绕组31。然后，从第一绕组31的相反侧，电流从第三FET423a的漏极端子D流入到源极端子S，从而第一绕组31发生与永久磁铁21的N极相互排斥的同极的磁场。
通过第一绕组31发生的磁场，永久磁铁21的N极产生斥力，而转子20旋转。
另一方面，在永久磁铁21的S极侧，遮蔽板41b位于传感器部41中的第二传感器部412的光电断路器41a。
由于光电断路器41a的光的透射被遮挡，第二传感器部412的光电断路器41a的光电晶体管通电。通过光电晶体管通电，与光电断路器41a经由电阻R12、R42连接的第一FET421b的栅极端子G和第三FET423b的栅极端子G成为第一FET421b和第三FET423b为导通状态的第一电压。
另外，在遮蔽板41b位于第二传感器部412的光电断路器41a时，遮蔽板41b不位于第一传感器部411的光电断路器41a，所以光电断路器41a处于非通电状态。因此，与第一传感器部411的光电断路器41a经由电阻R11、R41连接的第一FET421a的栅极端子G和第三FET423a的栅极端子G成为第一FET421a和第三FET423a为截止状态的第二电压。
在第一FET421a是截止状态时，与第一FET421a的漏极端子D经由电阻R22连接的第二FET422b的栅极端子G成为通过与电源Vss连接的电阻R32而第二FET422b成为截止状态的第一电压。
在第一FET421b是导通状态时，电阻R21与第一FET421b的漏极端子D连接，所以第二FET422a的栅极端子G成为第二FET422a为导通状态的第二电压。
这样，在第一FET421a、421b～第三FET423a、423b的导通状态和截止状态被决定时，来自电源Vss的电流经由二极管D11流入到第二FET422a的源极端子S，从第二FET422a的漏极端子D流入到第一绕组31。然后，从第一绕组31的相反侧，电流从第三FET423b的漏极端子D流入到源极端子S，从而第一绕组31发生与永久磁铁21的S极相互排斥的同极的磁场。
通过第一绕组31发生的磁场，永久磁铁21的S极产生排斥，而转子20旋转。
关于夹着转子20相对的一对第一绕组31，通过对永久磁铁21推斥的磁场进行励磁，转子20被驱动，被励磁(通电)的第一绕组31通过传感器部41在旋转方向上依次切换，从而转子20持续旋转。
这样，在永久磁铁21的N极接近配置于某个位置的第一绕组31时，控制该第一绕组31的励磁电路部42使第一绕组31发生N极，同时，对处于与该第一绕组31相对位置的第一绕组31通电的控制电路40通过对通电方向成为相反的电流进行通电而发生S极，能够使永久磁铁21加速。
通过第一绕组31被通电，而在第二绕组32中发生电力。来自第二绕组32的电流被整流部51全波整流，流入到消耗部52。在消耗部52中，通过设定的电阻值，消耗来自第二绕组32的电力。
永久磁铁21从位于转子20的旋转轴的轴线X1的第一部分211朝向旋转半径方向的外侧，第二部分212、第三部分213、第四部分214朝向旋转半径方向的外侧变细，所以能够使来自永久磁铁21的磁通朝向旋转半径方向的外侧集中，所以能够使针对第一绕组31的磁场成为更强的磁场。另外，永久磁铁21朝向旋转半径方向的外侧阶段性地变细地形成，所以能够连接粗细不同的磁铁来形成永久磁铁21。因此，能够容易并且廉价地制造永久磁铁21。
(实施例)
制作这样动作的本实施方式所涉及的电动机10，测定向第一绕组31的输入电压以及输入电流、来自第二绕组32的输出电压以及输出电流、以及转子20的转速的关系。
第一绕组31使用将铜包层铝线(Φ1.6mm)卷绕1000匝的例子。另外，第二绕组32使用将铜包层铝线(Φ1.6mm)卷绕1000匝的例子。
永久磁铁21使用第一部分211为直径100mm、长度90mm，第二部分212的各个为直径80mm、长度50mm，第三部分213为直径50mm、长度20mm，第四部分214为直径25mm、长度3mm的钕磁铁。
作为向第一绕组31供给的电源VSS，使用菊水电子工业株式会社制的数字可编程直流稳定化电源PVD150-40T。另外，作为向第一传感器部411以及第二传感器部412的电源VEE，使用株式会社高砂制作所制的GP035-10。进而，作为消耗部52，使用株式会社测量技术研究所制的多功能电子负载装置LN-1000C-G7。
作为向励磁电路部42的电源VSS施加120V的电压，作为从消耗部52取出的输出电流，从0A至18A每2A测定一次。另外，对输出电流是0A以及16A时的波形进行观察。
此外，示波器使用横河电机株式会社制的DL-4050，探测器使用横河电机株式会社制的无源探测器701939以及差动探测器700924、和Pico Technology社制的电流探测器TA018。
图4所示的测定波形和图5所示的测定波形的各波形从上开始是第一传感器部411的输出电压、第二传感器部412的输出电压、向第一绕组31的输入电压、向第一绕组31的输入电流、第二绕组32的输出电压、第二绕组32的输出电流。
首先，根据图4示出的测定波形说明消耗部52的消耗电流是0A的情况。此外，在以下的说明中，向第一绕组31的电压表示以一方的布线为基准，对另一方的布线施加的相对的电压。因此，如果相比于一方的布线的电位，另一方的布线的电位更高，则是正电压，相反，记载为负电压。另外，在正电压时，是从第一绕组31的一方的布线通过第一绕组31流向另一方的布线的电流(正电流)，在负电压时，是相反地流过的电流(负电流)。
如图4所示，第一传感器部411检测出N极而输出成为有效，从而对第一绕组31施加负电压(参照符号S101)。在第一绕组31中流过与负电压对应的负电流(参照符号S102)。
在第二绕组32中，通过N极接近，从第一传感器部411检测N极之前发电，而发生负电压(参照符号S103)。
但是，通过在第一绕组31中流过负电流，第二绕组32被电磁感应，而发生正电压(参照符号S104)。使消耗部52的消耗电流成为0A(开放状态)，所以在第二绕组32中未流过电流(参照符号S105)。
在第一传感器部411的输出成为无效时，在第一绕组31中发生反电动势，所以第一绕组31成为正电压(参照符号S106)。另外，第一绕组31的电流逐渐降低而接近0A(参照符号S107)。
在第二传感器部412中，传感器检测出N极而输出成为有效，从而对第一绕组31施加正电压(参照符号S108)。在第一绕组31中流过与正电压对应的正电流(参照符号S109)。
在第二绕组32中，因S极接近，从第二传感器部412检测S极之前发电，而发生正电压(参照符号S110)。
但是，通过在第一绕组31中流过正电流，第二绕组32被电磁感应，发生负电压(参照符号S111)。使消耗部52的消耗电流成为0A，所以在第二绕组32中未流过电流(参照符号S112)。
在第二传感器部412的输出成为无效时，在第一绕组31中发生反电动势，所以第一绕组31成为负电压(参照符号S113)。另外，第一绕组31的电流逐渐降低而接近0A(参照符号S114)。
转子20的永久磁铁21因第一绕组31励磁的磁场而旋转。
接下来，根据图5示出的测定波形，说明消耗部52的消耗电流成为16A的情况。
如图6所示，第一传感器部411检测出N极而输出成为有效，从而对第一绕组31施加负电压(参照符号S121)。在第一绕组31中流过与负电压对应的负电流(参照符号S122)。
在第二绕组32中，因N极接近，从第一传感器部411检测出N极之前发电，而发生负电压，负电流流入到消耗部52(参照符号S123、S124)。
在第一绕组31中流过负电流，第二绕组32被电磁感应，第二绕组32输出负电压以及负电流(参照符号S125、S126)。
在第一传感器部411的输出成为无效时，在第一绕组31中发生反电动势，所以第一绕组31成为正电压(参照符号S127)。另外，第一绕组31的电流逐渐降低而接近0A(参照符号S128)。
此时，在第二绕组32中，因S极接近，从第二传感器部412检测S极之前发电，而发生正电压以及正电流(参照符号S129、130)。
通过第二传感器部412检测S极而输出成为有效，对第一绕组31施加正电压(参照符号S131)。在第一绕组31中流过与正电压对应的正电流(参照符号S132)。
在第一绕组31中流过正电流，第二绕组32被电磁感应，第二绕组32输出正电压以及正电流(参照符号S133、S134)。
在第二传感器部412的输出成为无效时，在第一绕组31中发生反电动势，所以第一绕组31成为负电压(参照符号S135)。另外，第一绕组31的电流逐渐降低而接近0A(参照符号S136)。
这样，在消耗部52的消耗电流变大时，在与第一绕组31同轴地配置的第二绕组32中，相比于由第一绕组31形成的电磁感应，由转子20的永久磁铁21形成的电磁感应的一方更大，因此发生的电流产生辅助第一绕组31的磁场。
在此，图6示出针对0A至18A每2A测定从消耗部52取出的输出电流而得到的结果。
如从图6所示的表也可判明，当向第一绕组31的输入电压恒定，在增大消耗部52从第二绕组32取出的输出电流时，向第一绕组31的输入电流大致恒定，向消耗部52的输出电压降低，但转子20的转速从消耗电流(输出电流)0A至8A降低，然而从10A逐渐变快。
另外，可知在从第二绕组32取出转速最低的10A的输出电流时，输出电力变得最高。
在此，从作为电动线圈的第一绕组31的输入电力减去来自成为发电线圈的第二绕组32的输出电力的差就是电动机10的功耗，但功耗(第一绕组31的输入电力-第二绕组的输出电力)以来自第二绕组32的取出电流(输出电流)为0A时为基准，从2544.4W持续降低至输出电流为14A时的2069.3W。然后，功耗从输出电流14A增加，但在输出电流18A时也只是2345.0W，不超过输出电流为0A时的2544.4W。
通过这样利用电动机10的调整部50调整消耗电流，能够调整转速，所以电动机10能够成为不增加功耗而能够控制转速的新型的电动机。
产业上的可利用性
本发明能够在作为电动机得到旋转输出的同时，通过调整部取出电力，所以适合于使用通过旋转输出实施的机械性的动作、和电气性的动作的领域。

Claims (9)

1.一种电动机，具备：
转子，使N极或者S极中的某一方磁极朝向旋转半径方向的外侧而使永久磁铁旋转；
第一绕组，在所述永久磁铁旋转的周围，使轴线朝向所述永久磁铁进行配置；
第二绕组，与所述第一绕组同轴且比所述第一绕组配置于外周位置；
控制电路，对与所述永久磁铁的一方磁极处于相对位置的所述第一绕组接通用于发生与所述一方的磁极同极的磁场的电流；以及
调整部，调整来自所述第二绕组的电流来调整所述转子的旋转速度。
2.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述调整部具备与所述第二绕组连接的整流部和消耗来自所述整流部的电流的消耗部。
3.根据权利要求1或者2所述的电动机，其中，
在所述永久磁铁中，成为与所述一方磁极相反的磁极的另一方磁极朝向与所述一方磁极朝向的方向相反的方向，
所述控制电路具备对所述永久磁铁的另一方磁极处于相对位置的所述第一绕组接通用于发生与所述另一方磁极同极的磁场的电流的功能。
4.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述永久磁铁在所述转子的旋转轴的轴线位置粗，且朝向旋转半径方向的外侧变细。
5.根据权利要求4所述的电动机，其中，所述永久磁铁被形成为从所述轴线位置朝向旋转半径方向的外侧阶段性地变细。
6.根据权利要求2所述的电动机，其中，所述消耗部能够从短路状态至开放状态设定电阻值。
7.根据权利要求2所述的电动机，其中，所述消耗部是电池的充电电路。
8.根据权利要求2所述的电动机，其中，所述消耗部是照明器具。
9.根据权利要求2所述的电动机，其中，所述消耗部是其他电动机。
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