JP2004166465A - 磁力回転装置及び高効率モータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来より動力源として利用されているモータなどの回転装置を、エネルギー効率の高いものとする磁力回転装置及び高効率モータを提供する。
【解決手段】水平方向に回転する永久磁石の外周に電磁石や軸を中心として垂直方向に回転する永久磁石を配設し、その軸をカム装置や伝動装置を介して水平方向に回転する永久磁石の軸や、又は、ステッピングモータの出力軸に連結する、永久磁石の回転を特徴とする磁力回転装置、及び、コイルをＬ型に配設し、電流の切り替えを行う半導体を備えるコイルの配置を特徴とする高効率モータ。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁力を利用したモータなどの回転装置に関するものであり、回転時に回転子と固定子の間に生じる抵抗となる引力を電機子とする固定子のコイルの配置などで低減し、回転効率を高めるものである。
【０００２】
また、前記固定子を軸を中心として回転する永久磁石に置き換え、その回転磁界により電機子と同様の機能を有するように構成する磁力回転装置及び高効率モータに関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来より使用されているモータには３極ＤＣモータやブラシレスモータ等があり、３極ＤＣモータでは電機子を回転子とし、界磁磁石には永久磁石や電磁石が用いられており、コイルに流れる電流の切り替えをブラシと整流子で行い電機子の界磁を変化させ、それが回転子の回転力となり回転軸から出力を得ている。
ブラシレスモータの場合は、回転子に永久磁石を用いており電流の切り替えは半導体のスイッチで行い電磁石により界磁を変化させ出力を得ている。
また、電源を必要としない磁力回転装置においては幾つかの形態が考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術の３極ＤＣモータでは起動トルクが強いという利点があり、ブラシレスモータにおいては、ブラシがないため回転効率がよく、信頼性も高いという利点がある。
しかし、いずれの３極、或いは、３相モータも回転時に回転子の一部と界磁を構成する固定子との間に回転を妨げる方向に引力が生じるため、これが回転の抵抗となりエネルギー効率の向上を妨げている。
【０００５】
また、前記電源を必要としない磁力回転装置においては、得ることのできる出力が極めて低いと予想されているため実用化が困難である。
【０００６】
本発明は以上の欠点を解決するためになされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による上記課題の解決手段を磁力回転装置について説明すれば、軸を中心に水平に回転する永久磁石の磁極直前に軸を中心に垂直に回転する永久磁石を配置し、水平に回転する永久磁石の軸と垂直に回転する永久磁石の軸を伝動装置を介して連結する。
伝動装置については、歯車伝動装置や巻掛け伝動装置を用いることができ、水平及び垂直方向に回転するそれぞれの磁石の回転速度を等しくするため回転比が１：１となるように組み合わせる。
垂直に回転する永久磁石が垂直のときに、その磁力が水平に回転する永久磁石の回転方向に作用するように、垂直に回転する永久磁石の軸の中心の延長より上側か下側に水平に回転する永久磁石の磁極の中心が位置するよう配置する。
また、伝動の過程にカム装置を取り付けることで、磁力の作用による回転の抵抗が低い位置にあるときに垂直に回転する永久磁石を回転することができる。
さらに、電源が必要となるが、駆動回路を用いてステッピングモータを駆動し垂直に回転する永久磁石を磁力の作用による抵抗の低いときに回転を行い、前記伝動装置やカム装置による摩擦抵抗をなくすことができる。
【０００８】
次にブラシレスモータについて説明すれば、回転子である永久磁石の外周に配置する界磁鉄芯のコイルを配設する部分をＬ型に形成し、その縦の部分と横の部分にそれぞれコイルを配設し、回転子の磁極直前にコイルの巻線側が位置するように配置し、コイルを制御回路に接続し、制御回路に接続するホール素子をコイルより進角４５°と遅角４５°の位置に配置する。
【０００９】
次に３極ＤＣモータについて説明すれば、回転子である電機子の外周に設ける界磁を構成する固定子を永久磁石とし、その磁極の中間が回転子の磁極直前に位置するように配置し、固定子の磁極の中間より進角９０°と遅角９０°の位置を中心として電流が切り替わるようにブラシを配置する。
【００１０】
また、この固定子である永久磁石を電磁石とすることで同期モータとすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態についての説明である。
先ず、本発明の磁力回転装置を図１ないし図３を参照しつつ説明すれば、永久磁石ａ１にかさ歯車ａ４を備え軸受８に軸支される軸ｂ６を取り付ける。軸受８に軸支される軸ａ５にかさ歯車ａ４と平歯車３を取り付け、平歯車３に軸受８に軸支される軸ｃ７を取り付け、軸ｃ７に永久磁石ｂ２を永久磁石ａ１の磁極直前にその磁極の中間が位置するように取り付ける。
図３及び図７に示すように軸ｃ７の中心の延長が永久磁石ａ１の中心より下側に位置するように配置する（請求項１記載）。
【００１２】
次に、本発明の機能について図１ないし図３を参照しつつ説明すれば、水平方向に回転する永久磁石ａ１と垂直方向に回転する永久磁石ｂ２は伝動装置を介して連結しており、その回転は永久磁石ａ１より軸ｂ６、かさ歯車ａ４、軸ａ５、平歯車３、軸ｃ７、永久磁石ｂ２の順で伝動する。
次に、図４ないし図８を参照しつつ説明すれば、図に示す矢印は永久磁石ａ１と永久磁石ｂ２の回転方向を示すものである。
図４に示す磁力線の様子からこの永久磁石ａ１の位置より進角遅角共に概ね４５°の位置まで磁力の引力と反発力が作用し永久磁石ａ１の回転力となる。
また、この図の位置では永久磁石ａ１と永久磁石ｂ２の磁極間の距離が近いため永久磁石ａ１の回転力は強いものとなる。永久磁石ａ１と永久磁石ｂ２の回転速度が等しいため図５及び図６に示すように回転する。図７は図６の側面図でありこの状態でも磁力が永久磁石ａ１の回転力として作用していることを示している。図８は永久磁石ａ１と永久磁石ｂ２が半回転しつつある状態であり磁力が永久磁石ａ１の回転力となっていることを示している。
図４の位置のとき磁力が永久磁石ｂ２に作用する力の向きは回転方向と概ね垂直に異なるため、その回転を妨げる力は弱いものとなる。
さらに、図５ないし図８の間に永久磁石ｂ２の回転を妨げる方向に磁力が作用するが、磁極間の距離が遠いため図４のときに生じる永久磁石ａ１の回転力がそれを上回ることとなる。
従って永久磁石ｂ２の回転に必要な力よりも大きな力で永久磁石ａ１が回転することになる。
【００１３】
また、図１ないし図３に示す構成における永久磁石ｂ２の配置は、永久磁石ａ１の両側２箇所であるが、互いの磁力が干渉しない範囲であれば永久磁石ａ１の回転の外周に幾つか設けることが可能であり、それを伝動装置で連結し回転することで永久磁石ａ１の回転力を高めることができる。
【００１４】
次に、図９に示す構成を説明すれば、これは前記伝動装置にカム装置を取り付けるものであり、軸ｂ６にカム２８を取り付け、カム２８に摺接するロッカアーム２９につめ車３２を取り付け、かさ歯車ｂ３１につめ３３と軸ｄ３０を取り付け、軸ｄ３０をロッカアーム２９に遊挿する。
また、ロッカアーム２９とつめ３３にバネを取り付けそれぞれカム２８とつめ車３２に摺接するようにする（請求項２記載）。
【００１５】
次に、図９及び図１０を参照しつつその機能について説明すれば、軸ｂ６に取り付けたカム２８の回転にロッカアーム２９が従動し、つめ車３２が回転する。ロッカアーム２９の戻り運動の際につめ車３２は逆回転を行うが、つめ３３とかみ合わないためかさ歯車ｂ３１の逆回転を防ぐことができる。
なお、カム２８の大きさと輪郭やつめ車３２の歯たけと歯数、或いはかさ歯車ｂ３１や平歯車３の速度比を調整して永久磁石ａ１の概ね９０°の回転で永久磁石ｂ２が１８０°回転するようにする。この永久磁石ａ１の回転角度については、永久磁石ａ１の回転力となる磁力の強さにより調節するものとし、図４に示す磁力線の様子から求めることができる。
次に、図１１ないし図１３を参照しつつ説明すれば、永久磁石ａ１が図１１の位置のときカム装置と伝動装置の作用で永久磁石ｂ２の回転が始まり、永久磁石ａ１が９０°回転する間に永久磁石ｂ２が１８０°回転する。
永久磁石ａ１の磁極が永久磁石ｂ２を中心として進角４５°遅角４５°間の位置にあるときは永久磁石ｂ２は一回転しないが、前記図４に示す磁力の作用が永久磁石ａ１の回転力となる。
この構成により永久磁石ｂ２は磁力の作用による抵抗の低いときに回転することができる。
【００１６】
なお、伝動装置としては前記の軸や歯車などの歯車伝動装置の他に巻掛け伝動装置を用いることができ、伝動が確実で速度比を一定とすることができればたわみ軸や油圧による伝動を行うことができる（請求項３記載）。
【００１７】
次に、図１４及び図１５に示す構成を説明すれば、これは前記伝動装置とカム装置の代わりにステッピングモータ２０を用いるものであり、永久磁石ｂ２に取り付けた軸ｃ７をステッピングモータ２０の出力軸に取り付け、ホール素子ｃ１９を永久磁石ｂ２から進角４５°の位置に配設する。図１５に示すようにホール素子ｃ１９と制御回路並びに電源そして駆動回路を接続し駆動回路端子ｅ２１と駆動回路端子ｆ２２にステッピングモータ２０を接続する（請求項４記載）。
【００１８】
次に、図１４及び図１５を参照しつつその機能について説明すれば、この構成はホール素子ｃ１９や制御回路で磁気検出とスイッチを行い、駆動回路からステッピングモータ２０が１８０°回転する電流を流すことで前記カム装置と同様の機能を有するものであり、ホール素子ｃ１９の位置に永久磁石ａ１の磁極が位置するときに永久磁石ｂ２の回転が始まり１８０°回転する。
ステッピングモータ２０が回転を始める時期やホール素子ｃ１９の位置については、これも永久磁石ａ１の回転力となる磁力の強さにより調節するものとし、図４に示す磁力線の様子から求めることができる。
従って、永久磁石ｂ２は磁力の作用による抵抗の低いときに回転することになる。
さらに、この構成では電源が必要となるが、前記伝動装置やカム装置による摩擦抵抗をなくすことができ効率よく回転することができる。
【００１９】
図１４に示すようにホール素子ｃ１９上を永久磁石ａ１の異なる磁極が通過することになりホール電圧が反転するという問題があるが、１８０°反対側の位置にもホール素子ｃ１９を設けるか、或いは、制御回路か駆動回路に整流回路を設けることで解決できる。
【００２０】
また、ホール素子は高温環境に弱い等の使用条件があるため、ホール素子ｃ１９を軸ｂ６にカムを備えるカムスイッチに置き換えステッピングモータ２０のスイッチを行うことができる（請求項５記載）。
【００２１】
次に、図１６及び図２０に示す構成を説明すれば、これは前記磁力回転装置の永久磁石ｂ２による回転磁界の代わりに、半導体で電流の切り替えを行う電磁石による界磁を用いるものである。
回転子を永久磁石ａ１としその外周にコイルを配設する部分をＬ型に形成した界磁鉄芯３４を配置し、コイルａ９とコイルｂ１０並びにコイルｃ１１とコイルｄ１２を界磁鉄芯３４に配設し、コイルａ９とコイルｂ１０を駆動回路端子ａ１３と駆動回路端子ｂ１４に接続し、コイルｃ１１とコイルｄ１２を駆動回路端子ｃ１５と駆動回路端子ｄ１６に接続し、コイルａ９の中心より進角４５°遅角４５°の位置にそれぞれホール素子ｂ１８とホール素子ａ１７を配設し、ホール素子ｂ１８とホール素子ａ１７を電源に接続する制御回路と接続し、制御回路を駆動回路に接続する（請求項６記載）。
【００２２】
次に、図１６ないし図２０を参照しつつその機能について説明すれば、永久磁石ａ１のＮ極が図１７の位置のときホール素子ａ１７が磁気を検出し電源からの電流が制御回路や駆動回路を経て駆動回路端子ａ１３からコイルａ９とコイルｂ１０へ流れる。このとき構成する磁界は図４に示すものと同様であり磁力の引力と反発力の作用で永久磁石ａ１が回転方向へ回転する。
永久磁石ａ１が４５°回転し図１８の位置のときは、Ｎ極がホール素子ｂ１８上にあり、そのホール電圧により制御回路で電流の切り替えを行い駆動回路端子ｃ１５からコイルｃ１１とコイルｄ１２へ電流が流れ磁界を構成し磁力の引力と反発力の作用で永久磁石ａ１が回転方向へ回転する。
従って、以上のそれぞれの場合において、回転子である永久磁石ａ１と界磁鉄芯３４との間に回転を妨げる方向に引力が作用することがなく、効率よく回転することができる。
図１９の位置では図１７の場合とは反対に永久磁石ａ１のＳ極がホール素子ａ１７上にありホール電圧が反転し制御回路へ流れる電流も逆方向となるが、回転方向へ作用する磁力を構成するためにコイルへ流す電流の向きも図１７の場合とは逆方向であるため、駆動回路端子ｂ１４からコイルａ９とコイルｂ１０へ電流が流れるように制御回路でスイッチを行うようにする。
【００２３】
次に、図２１に示す構成は、ホール素子ｂ１８を停止したときの永久磁石ａ１の磁極の位置に設けて磁気検出効果を高め、界磁鉄芯３４の形状を変更してコイルｃ１１とコイルｄ１２を回転子の磁極に近い位置に配設し、起動時のトルクを高めるものである。
この場合、ホール素子ｂ１８の位置の変更で電流の切り替え時期が進むことになるが、制御回路の調整により切り替え時期を遅らせ図１８の時期に近づくようにする。
また、この構成のコイルｃ１１とコイルｄ１２の配置による効果を図１９に示すものと比較すると、この構成では電流の切り替え時期にコイルｃ１１とコイルｄ１２が永久磁石ａ１の磁極に近い位置に配置してあるため、永久磁石ａ１の磁力が強く作用し切り替える際の電流の抵抗が大きくなる。
さらに、この構成のコイルｃ１１とコイルｄ１２の回転子に作用する反発力は強いものとなるが、図１９に示すものでは強い引力の作用がある。
従って、起動時に高いトルクを必要とする場合は図２１に示す構成とし、高い回転効率を必要とする場合は図１９に示す構成とする。
【００２４】
次に、図２２及び図２３に示す構成について説明すれば、これは前記磁力回転装置に界磁を構成する電機子を併設するものであり、図２２に示すように回転子永久磁石ａ１の外周に永久磁石ｂ２と界磁鉄芯３４やコイルを配設し、ホール素子をコイルａ９の中心から進角及び遅角４５°の位置に配設しコイルとホール素子を制御回路と駆動回路に接続する。
図２３に示す構成は、伝動装置をステッピングモータ２０に置き換えるものである（請求項７記載）。
【００２５】
次に、機能について説明すれば、電磁石を配置し電流の強さを調節することで、永久磁石ａ１の回転速度を調節することができる。
また、図２３に示す構成では、ホール素子を配設する位置がコイルａ９の中心から進角及び遅角４５°であるためステッピングモータ２０のスイッチとして併用することができる。
さらに、図２２及び図２３に示す構成のホール素子などの半導体をなくし、コイルの誘起電圧による発電を行うことができる。
【００２６】
また、前記の構成においてホール素子をなくして、制御回路及び駆動回路をセンサレスモータ駆動回路とする（請求項８記載）。
【００２７】
この場合は、センサレスモータ駆動回路に設ける起動タイミングロジック信号発生回路の信号により起動を行い、誘起電圧による相出力発生回路からの信号で定常回転を行う。
【００２８】
次に、図２４及び図２５に示す構成について説明すれば、これは従来の技術記載の３極ＤＣモータの永久磁石や電磁石の配置を変更するものである。
整流子２６とコイルｅ３４を備える電機子を回転子２４とし、永久磁石ｃ２３の磁極の中間が回転子２４の磁極直前に位置するように回転子の外周に配設し、整流子２６に摺接するブラシ２５を両側の永久磁石ｃ２３と並列になり、且つ、中間の位置に配設する（請求項９記載）。
また、前記永久磁石ｃ２３を電磁石２７とし、巻線側である磁極の中間が回転子２４の磁極直前に位置するように配設する。
【００２９】
次に、その機能について説明すれば、図２４に示す永久磁石ｃ２３や図２５に示す電磁石２７と回転子２４の構成する界磁の様子は図４に示すものと同様となる。
図２４に示す構成では、ブラシ２５と整流子２６により電流が切り替わる位置は、両側に配設する永久磁石ｃ２３の磁極の中間より進角９０°遅角９０°の位置を中心としているため、界磁から離れた位置で切り替えを行うこととなり、電流の切り替え時の抵抗を低く抑えることができる。
図２５に示す構成では、界磁磁石に電磁石２７を用いるため同期モータとして使用することができる。
この構成により、回転子２４と界磁磁石である永久磁石ａ１や電磁石２７との間に生じる回転の抵抗となる引力を低く抑えることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の磁力回転装置については、永久磁石ａ１の回転力は確実に永久磁石ｂ２の回転に必要な力を上回るため、ステッピングモータ２０等を用いることで実用的なレベルの出力を得ることが可能である。
また、この装置に電磁石を併設することで回転速度の調節が可能となるため、内燃機関やモータなどの従来の回転装置に置き換えて使用することができる。
従って、非常にエネルギー効率のよい動力源とすることができる。
【００３１】
さらに、この発明を従来より使用されているブラシレスモータや３極ＤＣモータに応用した例では、これらのモータの回転効率を高いものとすることが可能であり、エネルギーを効率よく使用するという観点から非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁力回転装置を示す実施形態の斜視図である。
【図２】本発明の磁力回転装置を示す実施形態の平面図である。
【図３】本発明の磁力回転装置を示す実施形態の、一部を断面にした側面図である。
【図４】本発明の磁力回転装置の磁界を示す実施形態の、要部平面図である。
【図５】図４に示す永久磁石が４５°回転した状態を示す、要部平面図である。
【図６】図５に示す永久磁石が４５°回転した状態を示す、要部平面図である。
【図７】図６の、一部を断面にした要部側面図である。
【図８】図６に示す永久磁石が４５°回転した状態を示す、要部平面図である。
【図９】本発明の磁力回転装置におけるカム装置を示す実施形態の、一部を断面にした要部側面図である。
【図１０】本発明の磁力回転装置におけるカム装置を示す実施形態の、一部を断面にした要部平面図である。
【図１１】本発明の磁力回転装置におけるカム装置の回転を示す実施形態の、一部を断面にした要部平面図である。
【図１２】図１１に示すカム装置と永久磁石が２２．５°回転した状態を示す、要部平面図である。
【図１３】図１２に示すカム装置と永久磁石が２２．５°回転した状態を示す、要部平面図である。
【図１４】本発明の磁力回転装置におけるステッピングモータを示す実施形態の、要部平面図である。
【図１５】本発明の磁力回転装置におけるステッピングモータの接続方式を示す図である。
【図１６】本発明のブラシレスモータを示す実施形態の、要部平面図である。
【図１７】本発明のブラシレスモータの回転を示す実施形態の、要部平面図である。
【図１８】図１７に示す回転子が４５°回転した状態を示す、要部平面図である。
【図１９】図１７に示す回転子が１８０°回転した状態を示す、要部平面図である。
【図２０】本発明のブラシレスモータにおける接続方式を示す図である。
【図２１】本発明のブラシレスモータにおける実施形態の変形例を示す、要部平面図である。
【図２２】本発明の磁力回転装置に電磁石を併設した実施形態を示す、要部平面図である。
【図２３】本発明の磁力回転装置に電磁石とステッピングモータを併設した実施形態を示す、要部平面図である。
【図２４】本発明の３極ＤＣモータを示す実施形態の、要部平面図である。
【図２５】本発明の同期モータを示す実施形態の、要部平面図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石ａ
２ 永久磁石ｂ
３ 平歯車
４ かさ歯車ａ
５ 軸ａ
６ 軸ｂ
７ 軸ｃ
８ 軸受
９ コイルａ
１０ コイルｂ
１１ コイルｃ
１２ コイルｄ
１３ 駆動回路端子ａ
１４ 駆動回路端子ｂ
１５ 駆動回路端子ｃ
１６ 駆動回路端子ｄ
１７ ホール素子ａ
１８ ホール素子ｂ
１９ ホール素子ｃ
２０ ステッピングモータ
２１ 駆動回路端子ｅ
２２ 駆動回路端子ｆ
２３ 永久磁石ｃ
２４ 回転子
２５ ブラシ
２６ 整流子
２７ 電磁石
２８ カム
２９ ロッカアーム
３０ 軸ｄ
３１ かさ歯車ｂ
３２ つめ車
３３ つめ
３４ 界磁鉄芯

Claims (9)

1. 軸を中心に水平方向に回転する永久磁石の外周であり、且つ、磁極直前に位置するように軸を中心に垂直に回転する永久磁石を配置し、水平方向に回転する永久磁石の中心より上側か下側に垂直方向に回転する永久磁石の軸の中心の延長が位置するように配置し、水平方向に回転する永久磁石の軸と垂直方向に回転する永久磁石の軸を伝動装置を介して連結する磁力回転装置。
2. 請求項１において、水平方向に回転する永久磁石の軸と垂直方向に回転する永久磁石の軸を伝動装置とカム装置を介して連結する磁力回転装置。
3. 請求項１及び請求項２において、伝動装置に歯車伝動装置や巻掛け伝動装置、或いは、たわみ軸や油圧を用いる磁力回転装置。
4. 請求項１において、伝動装置をステッピングモータに置き換え、その出力軸と垂直に回転する永久磁石の軸を連結し、磁気検出素子を水平方向に回転する永久磁石の回転磁界に配設し、磁気検出素子を電源に接続する制御回路と接続し、制御回路をステッピングモータに接続する駆動回路と接続する磁力回転装置。
5. 請求項４において、磁気検出素子を水平方向に回転する永久磁石の軸に取り付けるカムスイッチと置き換える磁力回転装置。
6. 回転子を永久磁石とし、その外周にコイルを配設する部分をＬ型に形成した界磁鉄芯を配置し、その縦の部分と横の部分にそれぞれコイルを配設し、コイルを駆動回路に接続し、磁気検出素子を回転子の回転磁界に配設し、磁気検出素子を電源に接続する制御回路と接続し、制御回路を駆動回路に接続する高効率モータ。
7. 請求項１ないし請求項５において、水平方向に回転する永久磁石の外周に電磁石を併設し、電磁石を駆動回路と接続し、磁気検出素子を水平方向に回転する永久磁石の回転磁界に配設し、磁気検出素子を電源に接続する制御回路と接続し、制御回路を駆動回路と接続する磁力回転装置。
8. 請求項６及び請求項７において、磁気検出素子をなくして、制御回路及び駆動回路をセンサレスモータ駆動回路と置き換える磁力回転装置及び高効率モータ。
9. 整流子とコイルを備える電機子を回転子とし、回転子の外周であり、且つ、磁極直前に永久磁石の磁極の中間が位置するように配設し、整流子に摺接するブラシを永久磁石と並列になる位置に配設する高効率モータ。

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