JP2010093913A - 直流電動機、直流発電機及び電気エネルギー貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の直流回転機器では、回転に伴って電流の向きを変える整流子が必要で、これが直流回転電気機器を複雑にし、作りにくく、特性を悪くし、しかも高価にしていた。
【解決手段】 従来の直流機器の欠点を、固定子の導線配置と、回転子の固定円筒磁石により、直流機器でありながら、整流子がなく、回転方向に磁場強度が一定で、構造、特性、価額、耐久性の面で優れた直流電動機及び直流発電機及び電気エネルギー貯蔵機器を得ることが出来るようになった。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電動機、直流発電機、電気エネルギー貯蔵機器の構造に関する。

従来の直流電動機、または直流発電機では、電流の向きを固定子の極が変わるごとに切り替える整流子が必要であった。このため、整流子の接触不良、破壊、雑音の発生などによる問題があった。

また、必ずＮ極とＳ極が回転子に影響する固定子側に存在したので、電流、トルクなどが変動し、動作の不安定性、交流分による渦電流損失の発生など避けられない欠点があった。

また、従来の直流電動機の場合には、回転子に必要な電流を導くための整流子が必要のため、機械的電気的接触抵抗の存在、またそれの変動、または整流子の磨耗破損などがあり、該機器のエネルギー損失は避けられず、また磨耗による機器寿命の低下という欠点があった。
「電気機械工学」 電気学会編、尾本義一、他著 （発行：電気学会、１９８７年１２月２５日出版）

従来の直流の電動力応用機器においては、電流の向きを変えるための整流子があり、そのため、電流の脈流、脈流による渦電流損失、雑音があり電気性能が不安定性でかつ機器が壊れやすかった。

本発明は、従来の問題点を解消するため、固定子の外周に近接する回転子の内側の磁極をＮまたはＳの一つの磁極とする。また、固定子（または回転子）の導線を、固定子の表面近くは、回転子の回転軸方向にそろえ、捲き線の戻りは機器の軸の中心近くを通るようにし、固定子の一方の軸近くにある環状電極から固定子の反対側軸近くの環状電極に電流が流れるようにする。

または、固定子一方の軸近くにある環状電極から、固定子反対側の軸近くにある環状電極に、複数の導線を、固定子の円周外部近くを通って回転子の回転軸に対し同一方向になるように配置する。

この方法によって、少なくとも、回転に伴って電流の向きを反転する整流子をなくし、電流、トルクの変動の少ない、機械的電気的損失の少ない、静かな安定した直流電動機または直流発電機または電気エネルギー貯蔵装置を実現する。

該直流電動機は、出力トルク変動がなく、静かで、低雑音で故障が少なく、優れた耐久性を示す。また、該直流発電機は、脈流の少ない直流電流を容易に発生し、しかも、低雑音で故障が少なく、優れた耐久性を示す。

該電気エネルギー貯蔵機器は、貯蔵電気エネルギーの損失が極めて少なく、静かで、低雑音で故障が少なく、優れた耐久性を示す。

図１は、本発明の第一の形態を示す電気エネルギー貯蔵器機の回転軸を通る垂直面で切断した断面図を示す。ここで、１は回転子の固定磁石部分で、円筒状になっており、磁場は円筒の内部と外部に一様な極を持つようになっている。

２は固定子の本体を、３は固定子の軸受け部を、４は回転子の軸受け部を、５は固定子の軸部を、６は環状電極を、７は環状電極への外部導線を、８はハウジングを、８−１は装置固定脚を示す。９は回転子の固定磁石を支持する非磁性体の回転子固定用非磁性体部で、軸受けで回転子を支える。固定子の軸部分には磁気浮上用の磁石を設け、同様に、対応する回転子の部分にも磁石を設けて磁気浮上型軸受けを構成している。これにより、軸受け部分での摩擦によるエネルギー損失が解消する。さらには、ハウジング内部を減圧、又は真空排気して封止することにより、回転中の回転子の気体摩擦を著しく低減できるので、機械的エネルギーの貯蔵効率がより一層向上する。なお、固定子の軸受け部分に設ける磁石を電磁石で構成してもよい。

また、図２は該直流電動機又は直流発電機の、回転子を通る垂直面で切断した断面図で、１〜７、９は図1で説明したものと同じである。ハウジング８の一部に設けた１０は回転子と外部との動力の伝達口である動力伝達用窓を、１１は回転子一部の表面近くに配置された動力伝達するための歯車部である動力伝達用歯車部を示す。

図３、４は該固定子の端面付近の軸に垂直な面で見た該固定子の外見図を示し、２，６は図1と同一で、１２は固定子表面近くの導線で、電流はこの導線のすべてで同一の軸方向に流れる。図３は導線を該固定子のコアに順次捲きつける固定子の端面図を示し、図４は導線が固定子一方の環状電極から固定子外周へ放射状に伸び、固定子反対側の電極へ収束して終端する固定子の端面図を示す。

図５は、固定子の軸と平行な方向から見た固定子の構造図を示し、捲き導線は図４と同じで並列に繋がっており、表面近くに設置された導線が一方の環状電極から固定子反対側の電極に収束終端する構造を示す。５、６は図１で説明したものと同じであり、１２は図３、４で説明したものと同じである。１７は固定子外観を示す。

また、図６は該直流電動機及び直流発電機の固定磁石からなる固定子と回転子の軸受け部分を通常の軸受けとし、固定磁石部分を棒状磁石に変えたものの固定軸を通る断面図で、１３は円筒形の磁性体からなる磁極、１４は棒磁石、１５は回転子の外郭部で外部への動力の授受部である回転子外周部を示す。２〜７は図1で説明したものと同じである。

図７は該固定子の中央付近で軸に垂直な面で切った外部回転子の断面図を固定子の端面図とともに示し、２，５,６は図１と同一で、１３〜１５は図６で説明したものと同じである。

図８〜９は図６の応用例を示すもので、図８の１１は図２の１１と同じ動力伝達用歯車部を、図９の１６は、回転子外周部であり、駆動用車輪に用いた場合のゴムタイヤを示す。１６を金属タイヤとすれば軌道車用に、小さいタイヤをつければ自動ドアの戸車用などとなる。

図１に断面を示す構造の電気エネルギー貯蔵機器を環状のフェライト永久磁石１個用いて作った。電流が導線を直列に流れる直列捲き線型固定子（図３）を用いて、３ボルトの電源に接続したところ、５０００rpmの静かな回転を得ることが出来、約１００Ｗｈの電力を貯蔵することができた。

また、図２に示す構造の電動機を円筒状のフェライト永久磁石１個用いて作った。電流が導線を直列に流れる直列捲き線型固定子（図３）を用いて、３ボルトの電源に接続したところ、４０００rpmの静かな回転を得ることが出来、外部に動力を取り出すことができた。

また、図２に示す構造の発電機を円筒状のフェライト永久磁石１個用いて作った。電流が導線を直列に流れる直列捲き線型固定子（図３）を用いて、３０００rpmで外部から回転させたところ、電圧が約２Vの一定で雑音の少ない直流電流を得ることが出来た。また、電流が放射状に流れる放射導線型回転子（図４）を用いても同様な結果を簡単に得ることが出来た。特に、該回転子の場合は、１V以下の低電圧で安定した直流電流を安定して得ることが出来た。

また、図６に示す構造の電動機を棒状の永久磁石４個用いて作った。電流が導線を直列に流れる直列捲き線型固定子（図３）を用いて、３ボルトの電源に接続したところ、５０００rpmの静かな回転を得ることが出来た。

また、図８に示す構造の発電機を棒状の永久磁石４個用いて作った。電流が導線を直列に流れる直列捲き線型固定子（図３）を用いて、３０００rpmで外部から回転させたところ、電圧が約２Vの一定で雑音の少ない直流電流を得ることが出来た。また、電流が放射状に流れる放射導線型回転子（図４）を用いても同様な結果を簡単に得ることが出来た。

実施例１のものは、大型から小型まで、種々の用途の電気エネルギー貯蔵機器や装置として用いることが出来るほか、高い温度で使用する機器用のコンデンサとして種々の用途に使うことができる。特に安定した変動の少ない電源を必要にする各種機器に使うことが出来る。

実施例２，３のものは、大型から小型まで、種々の用途の電動機、発電機として用いることが出来る。発電機として、特に低電圧で安定した変動の少ない電源を必要にする各種機器に有利に使うことが出来る。

実施例５，６から、外部に容易に動力を授受できる機器が安価できるようになり、大小移動機器の駆動部として、広い分野で応用が可能となった。

実施例７から、本発明の電動機、発電機を容易に安価で創ることができるようになり、従来のこの種分野でも、有利に本発明の特徴を生かして使うことが可能になった。

電気機械、電器力応用機器、電気エネルギー貯蔵機器、可動機器用部品、自動車用部品などに広く利用可能である。

本発明の第一形態を持つ電気エネルギー貯蔵機器の断面構造図 本発明の第二形態を持つ電動機、発電機の断面構造図 帰り導電線が固定子の軸近くを通ることを特徴とする本発明直流電動機または直流発電機または電気エネルギー貯蔵機器の固定子に特有な導線の捲き方を示す図 導線が環状電極から放射状に配置される固定子の捲き線方法を示す図 本発明の第二形態を持つ電動機、発電機用固定子の構造図 本発明の第三形態を持つ電動機、発電機の断面構造図 本発明の第三形態を持つ電動機、発電機で、回転子の回転軸に垂直な断面構造図 本発明の第三形態を持つ動力授受用歯車付電動機、発電機の断面構造図 本発明の第三形態を持つ動力授受用ゴムタイヤ付電動機、発電機の断面構造図

符号の説明

１ 回転子の固定磁石部
２ 固定子の本体
３ 固体子の軸受け部
４ 回転子の軸受け部
５ 固定子の軸部
６ 環状電極
７ 外部導線
８ ハウジング
８−１ 装置固定脚
９ 回転子固定用非磁性体部
１０ 動力伝達用窓
１１ 動力伝達用歯車部
１２ 固定子表面近くの導線
１３ 円筒形の磁性体からなる磁極
１４ 棒磁石
１５ 回転子外周部
１６ 回転子外周部
１７ 固定子外観

Claims (5)

1. 固定子表面のすべての導線に、回転軸の一方向にしか電流が流れない固定子を持ち、固定子の円周外側に固定子を囲むように設置され、固定子に対向する面にＮまたはＳの一つの磁極しか存在しない回転子からなる直流電動機、又は直流発電機、又は電気エネルギー貯蔵装置。
2. 請求項１において、固定子に導線を捲くとき、戻り線を固定子の軸近傍に配置することを特徴とする直流電動機、又は直流発電機、又は電気エネルギー貯蔵装置。
3. 請求項１において、固定子の電源側の軸近くに設置された環状電極から放射状に出た導線が、固定子の表面近傍に設置された導線に並列に接続され、さらに出力側の軸近くに設置された環状電極に終端された固定子を持つことを特徴とする直流電動機、又は直流発電機、又は電気エネルギー貯蔵装置。
4. 請求項１において、回転子が円筒形の固定磁石でできており、該回転子を支える軸受けに磁気浮上軸を持つ構造物からなることを特徴とする直流電動機、又は直流発電機、又は電気エネルギー貯蔵装置。
5. 固定子、回転子、及び磁気浮上形軸受けを密閉型ハウジング内部に収納し、該回転子の回転モーメントを大ならしめるような回転子構造を備え、さらに、該ハウジング内部を減圧または真空密閉封止したことを特徴とする請求項４に記載の直流電動機、又は直流発電機、又は電気エネルギー貯蔵装置。