JP2013132111A

JP2013132111A - 電動モーター

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Inventors: Toshihide Kita; 敏秀北
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Abstract

【課題】
電気自動車の大部分に使用される電動モーターは、レシプロエンジンの脈動のような、回転角度によるトルク変動があまりない。しかし二輪自動車では、トルク変動がタイヤのグリップ力の向上などに大きな影響を持つことがあり、結果、運動性能全体に影響を与えて、無視できない特性である。しかし、電動モーターには回転時のトルク変動少ないものは多くあるが、回転時のトルク変動を多くしたモーターがほぼ発明されていないのが現状である。
【解決手段】
複数のコイルと永久磁石を、回転軸を中心に、その配置を偏せることで、偏せて配置した部分付近でトルクが変動し、偏ったトルクの発生パターンの電動モーターを設計することができる。また複数連結すれば、レシプロエンジンの多気筒に似せた特性を設計することも可能になり、モーター特性の設計の幅を広げることができる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、主として電気自動車用の電動モーターに適した電動モーターであって、特に電気二輪自動車に最適のものである。

現在、各方面での環境保護の面から、ハイブリッドカーや電気自動車の開発が進められ、二輪車についても、現在すでに、小型の電動二輪車が発売されており、将来は自動二輪車の電動モーター駆動の製品も普及して行くと思われる。

現在、電動モーターのほとんどは、その構造から、回転軸が１回転する間に、駆動のために配列されたコイルや永久磁石に起因する何度かのトルクの変動（以後、脈動と呼ぶ）を起こすことが多い。

一般に、ほとんどの分野では、モーターの回転に脈動を含む回転ムラなどがより小さく目立たないほうが高性能とされる場合が多く、特願２００８−２１６８６３号や特願２００９−２３３０２２号などの、脈動を減らす発明が数多く存在するが、脈動を増やす、または利用する発明は、ほとんど進んでいない。

しかし、たとえばレシプロエンジンを用いた二輪自動車においても、かつてはエンジンの脈動が目立たず、出力が高く、高回転特性の良好な４気筒や６気筒などの多気筒エンジンが高性能とされていたが、単気筒や２気筒なども、その体感できる脈動や、そこから発生する振動など、趣味として好んでこれらを求めるユーザーも多い。

また、昨今では、そのエンジンの脈動は、走行中にタイヤが路面で滑ってしまうのを防ぐ効果も確認され、特許公開２００７−８５２８５号や実用新案出願平８−３７１２号のようにのように、多気筒エンジンの爆発を複数同時、または近い間隔で行い、エンジンの脈動をあえて大きく、間隔を広げる発明や考案がなされ、実際にオートバイレース世界選手権などで同種の技術が使用されていたことからも、二輪車におけるエンジンの脈動の大きさや間隔の長さは、二輪車のタイヤのグリップ性能などを向上させる側面を持っていることがわかってきている。

グリップ性能の向上は、加速などの駆動力が脈動により断続的に路面との間に発生するのが影響し、これは、純粋に急な加速時のタイヤのスリップを防ぐ効果も含まれている。この性能は四輪車など、その他の車両にも有効な性能となるため、二輪車以外の多くの電動モーター駆動を備えた自動車やその他の車両に有効な可能性を持つ。

また、このモーターの構造は、回転そのものに脈動を伴う振動を生む構造のため、バイブレーターなどの振動を必要とする器具や、脈動を有効に活かすことが出来る駆動力伝達装置など、他の分野にも利用できる可能性を持つ。

特願２００８−２１６８６３号特願２００９−２３３０２２号特許公開２００７−８５２８５実用新案出願平８−３７１２号特願２００７−２１４２５５号特開２００９−５００９３号

これまで電気自動車に用いられてきた電動モーターは、複数の極数を持つ永久磁石及びコイルを、それぞれが回転軸を中心とした３６０度に均等配置されていることで、スムーズに回転しつつ大きな脈動を感じない回転が可能になっているが、自動二輪車を電動化する際、この脈動を感じにくい電動モーターを使用したのではその脈動間隔の短さと脈動の小ささから、モーターの脈動によるタイヤのグリップ力向上を期待することが難しい。

モーターの脈動の発生方法については、コイルと永久磁石を使ったモーターの場合、その極数を減らすことで脈動の時間的間隔を広げて、体感できる脈動を強調することが考えられるが、通常のモーターでは脈動回数はコイル極数と永久磁石極数によって決まるため、回転部１回転に付き６回や８回などととても多く、まれに脈動が１回転に２回といった電動モーターも存在するが、コイル極数も永久磁石極数もともに２極しかないモーターでは、コイルと永久磁石の数から、回転する力を充分に得るのが難しい。

また、レシプロエンジンで脈動特性には定評のある４サイクル２気筒エンジンの場合が、クランクシャフト２回転中に２回の爆発と考えると、１回転に１回程度の強い脈動を持つモーターを考案することを課題と考える。

しかし、通常では４極以上、特に電気自動車の駆動力としては、強い駆動力を必要とするため、もっと極数の多いモーターが使用されえるのが望ましいところ、極数を極端に減らすことはむつかしい。

そこで、直流モーターを例に、回転角度の１周分３６０度の中で特定の角度のみ強いトルクを発生させるため、多極分の駆動力を使用しつつ、１方向で最大の回転トルクを発生し、回転トルクが最低となる方向とのトルク差が大きいモーターの製作を課題とする。

さらに実際には、単純にトルクの変動が大きければいいというものではなく、二輪車の車体やタイヤ、その他の条件に合わせて、トルク発生のピークと最小値の差やそのほかの、脈動の特性の調整できる設計の自由度が必要となる。

従来、電動モーターは、ほとんどの分野で極数から発生する脈動が少なく、均一なほど高性能とされる分野が多く、回転軸に対して均等な角度で配置された永久磁石、及びコイルは、その配置方法について、メリットになることこそあるが、デメリットになることはあまり無かった。

一部、「特開２００９−５００９３」の「振動モーター」ように、振動を発生させる用途のために、回転のバランスを崩すことを目的として、あえてコイルを偏った配置にした例外的なモーターもあるが、このモーターの場合は永久磁石の配置が均等な角度となるため、回転部の重量バランスからくる振動の発生をねらったもので、トルク変動については、通常モーターと同様に、永久磁石の極数分の回転トルクの変動をもつモーターとなる。

トルクの変動による大きな脈動の発生は、コイルの配置の偏りのみではなく、永久磁石の配置も偏った配置を行うことで可能になる。

従来の一般的なモーターでは、１回転の回転角度である３６０度に対し、コイルの配置には、この３６０度をコイルの極数で割り算した値となる角度の間隔でコイルを配置されている。また、永久磁石についても、同じく３６０度を永久磁石の極数で割り算した値となる角度の間隔で永久磁石を配置するというのが、コイルと永久磁石の配置位置の一般的な基準である。

本発明では、不均一で偏った大きな脈動を発生させる手段として、あえて１部またはすべてのコイル及び永久磁石の配置角度を均等ではない角度とすることで、配置する角度の差に応じた脈動を発生させることが出来る。

この配置を偏らせることで、駆動トルクを偏らせて、脈動を大きくした状態をここでは「偏駆動」と呼び、この構造のモーターを「偏駆動モーター」と呼ぶ。

ここで記述にされる永久磁石とは、一般のモーターに使用される通常の永久磁石と同等か、それより強い磁力をもつ永久磁石を指し、これ以降も「永久磁石」と呼び、永久磁石、弱磁石ともに、働きとして電動モーターが動作中、常に同一の極性を示す磁石であれば、極性を固定した電磁石を代用に使用した場合も永久磁石、弱磁石として使用できる。

ここで記述にされるコイルとは、一般のモーターに使用される通常のコイルと同等か、それより強い通電時の磁力をもつコイルを指し、これ以降も「コイル」と呼ぶ。

「一般のモーターに使用される通常の永久磁石」とは、最低限、モーターが回転する際に必要な磁力の強さを持ったもので、使用するコイルとの組み合わせで最低限、モーターを回転させる能力を有するもの。

「一般のモーターに使用される通常のコイルとは、最低限、通電時にモーターか回転する際に必要な磁力の強さを持ったもので、使用する永久磁石との組み合わせで最低限、モーターを回転させる能力を有するもの。

標準的な磁力の永久磁石より磁力が弱い磁石を「弱磁石」と呼び、通常のコイルより通電時の磁力が弱いコイルを「弱コイル」という名称で説明する。

この「弱磁石」はあくまでも補助的な働きに使われるため、モーターを回転させるだけの能力を持たなくても良い。

また、この「弱コイル」はあくまでも補助的な働きに使われるため、通電時にモーターを回転させるだけの能力を持たなくても良い。

それぞれの特性に合わせた区別を行うため、「永久磁石」と説明される磁石の中に、「弱磁石」は含まず、「コイル」と説明されたコイルの中に「弱コイル」は含まない。

「弱磁石」と「永久磁石」をあわせて称する場合は「全磁石」と呼び、「弱コイル」と「コイル」をあわせて称する場合は「全コイル」と呼ぶ。

コイル及び永久磁石を偏らせて配置させる配置の基準として、基本部分として以下のような方法が考えられる。

弱磁石は磁力を弱くする方法として、コイルとの距離を遠くする方法や、磁石そのものの磁力を材質や製造方法を変えて弱くしたものなどを使用して、磁力の弱さを実現することができる。

弱コイルは、通電時の磁力を弱くする方法として、永久磁石との距離遠くする方法やコアの材質を変えて通電時の磁力を弱くする、またはコイルの巻き数を少なくして通電時の磁力を弱くする。通電させる電圧を低くしたり、電流を少なくすることで、磁力を弱くすることができる。

これらの弱磁石や弱コイルについては、本来、脈動特性の設計に合わせて、磁力の強さを調整して使用することができるが、本発明の説明の記述では、説明上の具体例として、永久磁石とコイルに対して、それぞれ２分の１程度の磁力として説明している。

電動モーターとしての動作を行うために、全コイルの配置位置は、回転軸を中心とした、１平面上の円周上を基準にして配置する。

全磁石の配置位置は、電動モーターの回転力を発生させるため、コイルに充分に磁力の影響を与えることができる距離とし、回転軸を中心とした、１平面上の円周上を基準にして配置する。ただし、全磁石のうちの弱磁石については、前記の磁力の調整の理由で、基準にする前記円周上より、少しコイルより遠い位置に配置することを可能とする。

請求項１は回転軸を中心として、配置される隣りあったコイルどうしの角度それぞれのうち、どちらかの隣に配置されるコイルとの間の角度が１箇所以上異なる角度で配置された複数のコイルと、回転軸を中心として、配置される隣りあった永久磁石どうしの角度それぞれのうちどちらかの隣に配置される永久磁石との間の角度が１箇所以上異なる角度で配置された複数の永久磁石を持つ

請求項２はコイルを配置しない第１ブロックと、複数のコイルを配置する第２ブロックを持ち、且つ永久磁石を配置しない第３ブロックと複数の永久磁石を配置する第４ブロックを持ち、第１ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度を第２ブロックに配置する複数のコイルの極数で割った角度より広い角度の範囲を持つブロックで、第２ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度の範囲から第１ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲で、この範囲に配置したいコイルをすべて、その基準となる中心点を任意の角度で配置して、第３ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度を第４ブロックに配置する複数の永久磁石の極数で割った角度より広い角度の範囲を持つブロックで第４ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度の範囲から第３ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲で、この範囲に配置したい永久磁石をすべて、その基準となる中心点を任意の角度で配置している。

請求項３は弱コイルを任意で配置できる第１ブロックとコイルを配置する第２ブロックを持ち、且つ弱磁石を任意で配置できる第３ブロックと永久磁石を配置する第４ブロックを持ち、第１ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度を第２ブロックに配置する複数のコイルの極数で割った角度より広い角度の範囲を持ち、第２ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度の範囲から第１ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲で、この範囲に配置したいコイルをすべて、その基準となる中心点を任意の角度で配置して、第３ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度を第４ブロックに配置する複数の永久磁石の極数で割った角度より広い角度の範囲を持ち、第４ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度の範囲から第３ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲で、この範囲に配置したい永久磁石をすべて、その基準となる中心点を任意の角度で配置している。

さらにこの請求項３の構造では、上記内容の構造に対して、第２ブロックのコイルが配置された後の空きスペースに、弱コイルを任意に配置することができ、且つ、第４ブロックの永久磁石が配置された後の空きスペースに、弱磁石を任意に配置することができる。

上記にあげた３つの請求項の基本的な配置方法を単独で、または以下にあげる４番乃至６番の３つの配置方法と併せて配置方法とすることができる。

請求項４では第１ブロックか第２ブロック、またはその両方に弱コイルを配置する。

請求項５では第３ブロックか第４ブロック、またはその両方に弱磁石を配置する。

請求項６では第１ブロックか第２ブロック、またはその両方に弱コイルを配置し、第３ブロックか第４ブロック、またはその両方に弱磁石を配置する。

上記の請求項１乃至請求項３の条件、または請求項１及び請求項３に、請求項４乃至請求項６の条件を追加したものをここでは「偏駆動モーターの構造条件」と呼ぶ

さらにここまでのコイルと永久磁石の配置方法を使用したさまざまな種類のモーターが製作できる。例として、上記の「偏駆動モーターの構造条件」を持ち、固定部分に取り付けられた永久磁石と固定部分に取り付けられたブラシと回転部分に取り付けられたコイルと回転部分に取り付けられた整流子を持つブラシ付きＤＣモーターや、上記の「偏駆動モーターの構造条件」を持ち、固定部分に取り付けられたコイルと、固定部分に取り付けたれたホール素子と回転部に取り付けられた永久磁石を持つブラシレスＤＣモーターなどが考えられる。

回転軸を中心としたコイル及び永久磁石の配置角度が均等ではない電動モーターの構造により、モーターの回転による駆動トルクを回転軸の回転角度によって変化する特性を作ることは出来るが、さらに弱コイルと弱磁石を、コイルと永久磁石の配置をあえて均等にならないように配置したモーターの構造に追加することにより、さらにモーターの回転軸の回転角度による駆動トルクの特性について設計変更の自由度を高めることが出来る。

具体的なコイルと永久磁石の配置角度の基準として、コイル、永久磁石ともに、詳細な説明を行っている以下の記述のように配置することにより、モーター回転に不均一な脈動を発生させることが出来る。

請求項１の構造として、隣り合ったコイル同士の回転軸を中心とした角度がすべての組み合わせの中で、通常モーターに場合はすべての角度が同じ角度になるが、脈動を発生させる構造の場合、１組以上、角度の異なる部分ができるように配置する。

これにより、コイルの配置される間隔が「３６０度÷コイルの極数」で計算した角度より広い「コイルが広い範囲で配置されないスペース」が１箇所以上存在することになる。

さらに、永久磁石の配置される間隔が、「３６０度÷永久磁石の極数」で計算した角度より広い「永久磁石が広い範囲で配置されないスペース」が１箇所以上存在することになる。

コイルが存在しないスペースと永久磁石が存在しないスペースがモーターの回転の中でもっとも遠ざかる位置に来たとき、引き合おうとする、または反発しようとするコイルを永久磁石のくみあわせの数が最も少なくなり、回転のための磁力の発生が弱くなり、または無くなり、回転力が落ちる部分が存在することになる。

請求項２の構造として、不均一で偏った大きな脈動を発生させるため、偏ったコイルと永久磁石の配置を行うには、コイルを配置しない第１ブロックと複数のコイルを配置する第２ブロックを持ち、第１ブロックと第２ブロックについては、以下のとおりの構造となる。

この第１ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度を第２ブロックに配置する複数のコイルの極数で割った角度より広い角度の範囲を持つブロック。

そして第２ブロックは。回転軸を中心とした３６０度の範囲から第１ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲で、この範囲に配置したいコイルをすべて、回転軸を基準として、そのコイルの基準となる中心を任意の角度で配置する。

そして永久磁石を配置しない第３ブロックと複数の永久磁石を配置する第４ブロックを持ち、第３ブロックと第４ブロックについては、以下のとおりの構造となる。

第３ブロックは第４ブロックに配置する複数の永久磁石の極数を回転軸を中心として３６０度の範囲に均等に配置する場合の配置間隔より広い角度範囲を持つ範囲を持つブロック。

第４ブロックは回転軸を中心とした１周３６０度の範囲から第３ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲で、この範囲に配置したい永久磁石をすべて、その基準となる中心点を任意の角度で配置する。

コイルを配置しない第１ブロックが「３６０度÷コイルの極数」の値以上の角度で、また永久磁石を配置しない第３ブロックが「３６０度÷永久磁石の極数」の値以上の角度で存在することで、第１ブロックと永久磁石、第３ブロックとコイルの間、第１ブロックと第３ブロックの間で引き合う磁力が無く、モーター回転軸が１回転する間に、回転力が落ちる角度が存在することとなる。

請求項３の構造として、不均一で偏った大きな脈動を持ち、さらにその脈動の強さ等を幅広く設計変更できる状態で発生させるために、偏ったコイルと永久磁石の配置を行うには、請求項２として説明した構造で作られたモーターに、さらにコイルを配置しないとした第１ブロックと、コイルが配置してある第２ブロックの中でさらに弱コイルを配置できる空きスペースのいずれか、またはその双方に、弱コイルを配置し、永久磁石を配置しないとした第３ブロックと、永久磁石が配置してある第４ブロックの中でさらに弱磁石を配置できる空きスペースのいずれか、またはその双方に、弱磁石を配置した構造とすることで、脈動の強さなどを細かく設計できる構造となる。

この請求項３の構造として、不均一で偏った大きな脈動の発生の大きさをコントロールするため、偏ったコイルと永久磁石の配置を行うには、弱コイルを任意で配置できる第１ブロックと複数のコイルと必要に応じて弱コイルを任意で配置できる第２ブロックを持ち、第１ブロックと第２ブロックについては、以下のとおりの構造となる。

そして第２ブロックは。回転軸を中心とした３６０度の範囲から第１ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲で、第２ブロックに配置したいコイルをすべて、任意の角度で配置するブロック。

そして磁力の弱磁石を任意で配置できる第３ブロックと複数の永久磁石と必要に応じて弱磁石を任意で配置できる第４ブロックを持ち、第３ブロックと第４ブロックについては、以下のとおりの構造となる。

第１ブロックが「３６０度÷コイルの極数」の値以上の角度で、また弱磁石のみ配置する第３ブロックが「３６０度÷永久磁石の極数」の値以上の角度で存在することで、第１ブロックと永久磁石、第３ブロックとコイルの間で、回転に必要な磁力が弱い、または無となり、モーター回転軸が１回転する間に、回転力が弱くなる角度が存在することとなる。

このように、磁石やコイルを回転軸に対して均等な角度で配置するのではなく、意図的にずらす事で1回転に対し、1方向のみでトルクを発生するようにして、トルク変動の大きな脈動を発生させることが可能となる。

しかし、脈動が大きすぎる場合にも、たとえば二輪車に使用した場合に、運転操作が困難になる場合があるため、脈動の大きさを設計で調整することが出来ることが望ましい。これを実現するため、脈動の大きさや特性を調整する方法も必要と考えられることから、弱コイルと、弱磁石を利用することで、これを調整する手段とする。

請求項４の構造として、不均一で偏った大きな脈動の発生を変化させるために、請求項１、または請求項３の構造を元として、弱コイルを配置する構造となる。

請求項１の構造を元として請求項４の構造を考えた場合、コイルを配置した領域の空き領域に弱コイルを配置する構造となる。

請求項３の構造を元として請求項４の構造を考えた場合、第１ブロックと、第２ブロックのコイルを配置しているところを避けた空き領域のいずれか、またはその双方に弱コイルを配置する構造となる。

請求項５の構造として、不均一で偏った大きな脈動の発生を変化させるために、請求項１、または請求項３の構造を元として、弱磁石を配置する構造となる。

請求項１の構造を元として請求項５の構造を考えた場合、永久磁石を配置した領域の空き領域に弱磁石を配置する構造となる。

請求項３の構造を元として請求項４の構造を考えた場合、第３ブロックと、第４ブロックの永久磁石を配置しているところを避けた空き領域のいずれか、またはその双方に弱磁石を配置する構造となる。

請求項６の構造として、不均一で偏った大きな脈動の発生をさらに変化させるために、請求項１、または請求項３の構造を元として、弱コイル、及び弱磁石を配置する構造となる。

請求項１の構造を元として請求項４の構造を考えた場合、コイルを配置した領域の空き領域に弱コイルを配置し、さらに永久磁石を配置した領域の空き領域に弱磁石を配置する構造となる。

請求項３の構造を元として請求項４の構造を考えた場合、第１ブロックと、第２ブロックのコイルを配置しているところを避けた空き領域のいずれか、またはその双方に弱コイルを配置し、かつ第３ブロックと、第４ブロックの永久磁石を配置しているところを避けた空き領域のいずれか、またはその双方に弱磁石を配置する構造となる。

コイルや永久磁石の配置や強さの設計により、脈動を持つことができた電動モーターは、二輪車だけではなく、四輪車など二輪車以外の自動車の加速時のグリップ力にも有効と考えられるため、他の自動車への応用や、脈動や回転部のバランスの悪さから発生する振動などは、振動を発生するバイブレーターなどを必要とするゲーム機や携帯電話、など、他の分野でも利用できる可能性を持つ。

請求項１に記載の発明によれば、モーターが１回転する３６０度の角度の中でコイル及び永久磁石の配置の間隔の偏りにより生まれる、１箇所以上の駆動トルクが弱くなる角度を持ち、一般的なコイルや永久磁石が等間隔で配置される通常のモーターと比較して、時間的間隔にムラのある脈動を発生させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、発生する回転トルクの強さの変動が３６０度均等にコイルや永久磁石が配置された通常のモーターの構造を持った電動モーターに比べて、強く且つ時間的に長い間隔で回転トルクに脈動を発生させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２の発明のモーターの特徴に加え、回転トルクのピークと最小値の差を変化させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１または請求項３の脈動の大きい電動モーターの脈動の強さを変化させることができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１または請求項３の脈動の大きい電動モーターの脈動の強さを変化させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１または請求項３の脈動の大きい電動モーターの脈動の強さを請求項４及び請求項５よりもさらに広く変化させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１乃至４で可能となる回転トルクの変動を、ブラシ付きDCモーターで実現することができる。

請求項８に記載の発明によれば、請求項１乃至４で可能となる回転トルクの変動を、ブラシレスDCモーターで実現することができる。

コイル６極、磁極６極の等間隔配置の直流モーター構造図である。請求項２の回転トルクの変動する（以下偏駆動式と呼ぶ）のモーターの図である。図１直流モーターで数えた回転力の合計数グラフである。図２偏駆動式直流モーターで数えた回転力の合計数グラフである。「図3」のグラフ内容の３回転図分のグラフである。「図4」のグラフ内容の３回転図分のグラフである。偏駆動式直流モーターの構造図である。図7のモーターで数えた回転力の合計数グラフである。偏駆動式直流モーターの構造図である。図9のモーターで数えた回転力の合計数グラフである。偏駆動式直流モーターの構造図である。バランサーを装着した場合の装着図である。偏駆動範囲を狭くした図である。図13のモーターで数えた回転力の合計数のグラフである。同軸２モーターの片方の構造図である。同軸２モーターの図１５に対するもう１つの構造図である。同軸２モーター例の側面図である。偏駆動モーターの一例の図である。同軸２モーター側面図である。回転力の合計数グラフの数え方の図である。回転力の合計数グラフの数え方の図である。回転力の合計数グラフの数え方の図である。コイルにかかる電圧のグラフである。コイルにかかる電圧のグラフである。コイルにかかる電圧のグラフである。磁極とコイル数の異なる場合の図である。補助的なコイルと永久磁石を取り付けた場合の図である。整流子を２組付けた場合の図である。

以下、本発明を具体化した形態を図面に基づいて説明する。

図１１に示すように、回転部分に取り付ける極数３極のコイルのうち２つを３６０度に３極均等に配置する場合の角度１２０度より広い２４０度の間隔をあけて配置し、残りの１極のコイルを残っている角度１２０度の範囲の中央である６０度の位置に取り付けたコイルの配置で、さらにモーターの固定部分に配置する永久磁石を３極とし、そのうち２つを３６０度に３極均等に配置する場合の角度１２０度より広い２４０度の間隔をあけて配置し、残りの１極の永久磁石を残っている角度１２０度の範囲の中央である６０度の位置に取り付けた永久磁石の配置を持つ構造の電動モーター。

この構造により、従来のモーターにあった、図４や図６のグラフが示すように、１回転の間に、極数と同じ回数の小さなトルクの脈動ではなく、１回だけの大きな脈動のピークを持つ回転時のトルク特性を実現できる。

この構造を例として、回転する角度によって発生する、回転しようとする力の量をグラフで説明する場合、図１１と図２はほぼ同一の構造である為、図４のグラフが該当する。

モーターが回転する力をグラフにした物について、その力を数で数える方法として、以下のように磁石とコイルが引き合う力と反発する力が発生している組み合わせの数を数えて加算したものである。

このグラフは図２０の状態の時にグラフで表したコイルと永久磁石の引き合う力と反発する力を説明する図である。コイル３４はＮ極、コイル３３とコイル３５はＳ極、現在向かい合っている、または遠ざかって行く永久磁石の組み合わせでは「３０と３３」、「３１と３４」、「３２と３５」の３組が反発し、回転方向に隣の極では、「３０と３４」、「３１と３５」の２組が引き合うため、回転方向に引き合う力と反発する力の数の合計は「５」となる。

そこから反時計回りに３０度回転した図２１の状態のときにグラフで表したコイルと永久磁石の引き合う力と反発する力を説明する図である。コイル３４はＮ極、コイル３３とコイル３５はＳ極、現在向かい合っている、または遠ざかって行く永久磁石の組み合わせでは「３０と３３」、「３１と３４」、「３２と３５」の３組が反発し、回転方向に隣の極では、「３０と３４」、「３１と３５」の２組が引き合うため、回転方向に引き合う力と反発する力の数の合計は「５」となる。

さらにそこから反時計回りに３０度回転した図２２の状態のときにとグラフで表したコイルと永久磁石の引き合う力と反発する力を説明する図である。コイル３４はＳ極、コイル３３とコイル３５はＮ極、現在向かい合っている、または遠ざかって行く永久磁石の組み合わせでは「３０と３４」、「３１と３５」の２組が反発し、回転方向に隣の極では、「３０と３５」、の１組が引き合うため、回転方向に引き合う力と反発する力の数の合計は「３」となる。

図２０を例にの状態を回転角度０度とした場合を例に、整流子の構造を見ると図２３、図２４、図２５のグラフどおりとなる。

図２３は図２２の偏駆動直流モーターの例で、１５Ｖの電圧をかけた時、コイル３３で永久磁石に最も近い部分の磁極が「Ｎ極」となるときの電圧を「＋」（プラス）と考えた場合の、コイル３３にかかる電圧と回転角度の状態をグラフにしたもの。図２２の状態を０（ゼロ）度とする。

図２４は図２２の偏駆動直流モーターの例で、１５Ｖの電圧をかけた時、コイル３４で永久磁石に最も近い部分の磁極が「Ｎ極」となるときの電圧を「＋」（プラス）と考えた場合の、コイル３４にかかる電圧と回転角度の状態をグラフにしたもの。図２２の状態を０（ゼロ）度とする。

図２５は図２２の偏駆動直流モーターの例で、１５Ｖの電圧をかけた時、コイル３５で永久磁石に最も近い部分の磁極が「Ｎ極」となるときの電圧を「＋」（プラス）と考えた場合の、コイル３５にかかる電圧と回転角度の状態をグラフにしたもの。図２２の状態を０（ゼロ）度とする。

実施例１のモーターでは図１１のように故意にコイルを配置していない部分にあたる「２４０度の範囲からコイルの幅の半分を両側分で合計２箇所分を差し引いた範囲」としてこの図１１では１８０度程度となっている範囲に、図７のように他のコイルより巻き数の少ないコイルを任意の位置に取り付けた構造の電動モーター。

この場合、回転角度による脈動の中で、駆動トルクのピーク時とトルクの少ない時のトルクの変動の差を少し少なくする調整が可能となり、さらに、どの回転角度でも多少の駆動力が発生するため、図１の構造では単独でモーターの起動が難しいという特徴を改善できる。

この構造で、標準の巻き数のコイルから発生する磁力の５割の磁力を発生するように巻き数の少ないコイルの巻き数を決定した場合に、回転するための磁力とコイルの回転しようとする力の合計とモーターの回転角度は図８のようになり、実施例１の磁力とコイルの回転しようとする力の合計が図４であったことと最大値と最小値の差が少し小さくなっているが、さらに巻き数の少ないコイルの巻き数を調整することで、脈動の大きさを調整できるという効果がある。

図８のグラフで表されている回転しようとする力の合計の数の数え方については、実施例１で説明されている「モーターが回転する力をグラフにした物について、その力を数で数える方法」と同じ方法で数えられている。

実施例１のモーターでは図１１のように故意に永久磁石を配置していない部分にあたる「２４０度の範囲から永久磁石の幅の半分を両側分で合計２箇所分を差し引いた範囲」がこの図１１では１８０度程度となっている範囲に、図９のように他の永久磁石より磁力の小さい永久磁石を任意の位置に取り付けた構造の電動モーター。図９では実施例２の巻き数の少ないコイルを巻く部分がついているが実施例３ではコイルを巻かないものとしている。

この場合、回転角度による脈動の中でトルクのピークとトルクの少ない時の変動の差を少し少なく設定が可能となり、また、どの回転角度でも多少の駆動力が発生するため、図１の構造では単独でモーターの起動が難しいという特徴を改善できる。

この構造で、標準の永久磁石から発生する磁力の５割の磁力を発生するように巻き数の少ないコイルの巻き数を決定した場合に、回転するための磁力とコイルの回転しようとする力の合計とモーターの回転角度は図１０のようになり、実施例１の磁力とコイルの回転しようとする力の合計が図４であったことと最大値と最小値の差が少し小さくなっているが、さらに巻き数の少ないコイルの巻き数を調整することで、脈動の大きさを少し小さくできるという効果がある。

図１０のグラフで表されている回転しようとする力の合計の数の数え方については、実施例１で説明されている「モーターが回転する力をグラフにした物について、その力を数で数える方法」と同じ方法で数えられている。

実施例１のモーターでは図１１のように故意にコイルを配置していない部分にあたる「２４０度の範囲からコイルの幅の半分を両側分で合計２箇所分を差し引いた範囲」がこの図１１では１８０度程度となっている範囲に、図１２のように、回転時にコイルの重さに対して重さのバランスの偏りを改善するバランサーを取り付けた構造の電動モーター。

この場合、回転時に発生する重さのバランスの崩れから発生する振動や回転ムラの大きさを小さくすることが出来るため、耐久性が向上し、回転性能に大きな影響を与える。

図１３に示すように、回転部分に取り付ける極数３極のコイルのうち２つを、３６０度に３極均等に配置する場合の角度１２０度より広い、３００度の間隔をあけて配置し、残りの１極のコイルを残っている角度６０度の範囲の中央である３０度の位置に取り付けたコイルの配置で、さらにモーターの固定部分に配置する永久磁石を３極とし、そのうち２つを３６０度に３極均等に配置する場合の角度１２０度より広い３００度の間隔をあけて配置し、残りの１極の永久磁石を残っている角度６０度の範囲の中央である３０度の位置に取り付けた永久磁石の配置を持つ構造の電動モーター。

この構造により、従来のモーターにあった、１回転の間に極数と同じ回数の小さなトルクの脈動ではなく、図１４のグラフが示すように、１回だけの大きな脈動のピークを持ち、さらに実施例1よりコイルの配置角度を狭くしたことで、脈動の元となる回転のトルクが最小、または発生しない時間を長く取った特性のトルク特性を実現できる。

図１４のグラフで表されている回転しようとする力の合計の数の数え方については、実施例１で説明されている「モーターが回転する力をグラフにした物について、その力を数で数える方法」と同じ方法で数えられている。

図１５のモーターは実施例５のモーターの仕様と同様なもの。図１６は実施例５のモーターの仕様とほぼ同様で、回転部分を９０度回転させたところで停止させたもの。これら２つの状態のように、永久磁石と回転部分の位置関係が異なる状態の２つの回転部分を図１７の状態に連結した構造の電動モーター。

２組のモーター回転部を連結することにより、レシプロエンジンで例える２気筒エンジンのように、複数の回転特性を加算することができる効果があり、モーターの脈動の元となるトルク特性の調整範囲を広くすることができる。

また、同じ角度状態の複数の回転部分を連結させることで、特性をより強調したり、駆動力をより強力にすることも可能になる。

図１８に示すように、回転部分に取り付ける極数３極のコイルのうち２つを３６０度に３極均等に配置する場合の角度１２０度より広い、３６０度から２１の角度と２２の角度を引いた角度の間隔をあけて配置し、残りの１極のコイルを残っている角度の範囲で、位置としては２時の方向にあるコイルから２２の角度となる位置に取り付けたコイルの配置で、さらにモーターの固定部分に配置する永久磁石を３極とし、そのうち２つを３６０度に３極均等に配置する場合の角度１２０度より広い３６０度から１９の角度と２０の角度を引いた角度の間隔をあけて配置し、、残りの１極の永久磁石を残っている角度の範囲で、位置としては２時の方向にある永久磁石から２０の角度となる位置に取り付けた永久磁石の配置を持つ構造の電動モーター。

実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５、実施例７のモーターに対し、図１のようなモーターを含む、３６０度均等にコイルや永久磁石が配置された通常のモーターの構造を持った回転部分を図１９の状態に連結した構造の電動モーター。または、同様に実施例６のような連結したモーターに対して図１のようなモーターを含む、３６０度均等にコイルや永久磁石が配置された通常のモーターの構造を持った回転部分を連結した構造の電動モーター。

２組のモーター回転部を連結することにより、モーター停止時の回転開始が困難となることを防ぐことや、脈動の元となる回転角度によるトルクのピークとトルクの少ない時の変動の差を少し少なくすることが可能となり、さらにその特性を、２つの回転部分毎のコイルにかかる電圧に差をつけ、その差を調整することにより、さらにその特性をモーターを運転した状態のまま調整することも可能となる。

図１８に示すように回転部分に取り付ける極数３極のコイルの取り付け角度の、角度２２と角度２３の値が異なる状態に配置し、さらに固定部分に取り付ける極数３極の永久磁石の取り付け角度の、角度１９と角度２０の値が異なる状態で配置をもつ構造の電動モーター。

この構造により、３つそれぞれの永久磁石と３つそれぞれのコイルが、回転部分の位置関係により、永久磁石はコイルと、コイルは永久磁石と引き合う力のタイミングがそれぞれ異なることで、回転部が１回転するの間に、複雑な駆動トルクの変動が発生し、これが脈動となる。

図２６に示すように、回転部分に取り付ける極数８極のコイル３とコイル４のうち、２つを回転軸を中心とした３６０度に８極均等に配置する場合の角度４５度より広い１５０度の間隔をあけて配置し、残りの６極のコイル３とコイル４を回転軸を中心として残っている角度２１０度の範囲に均等な角度で配置し、さらにモーターの固定部分に配置する永久磁石１と永久磁石２を７極とし、そのうち２つを回転軸を中心とした３６０度に７極均等に配置する場合の角度約５２度より広い１８０度の間隔をあけて配置し、残りの５極の永久磁石１と永久磁石２を残っている角度１８０度の範囲に均等な角度で取り付けた永久磁石の配置を持つ構造の電動モーター。

この構造により、回転に必要な磁力を発生している永久磁石１と永久磁石２の極数とコイル１とコイル２の極数を増やした構造の電動モーターを設計することができる。また、永久磁石１と永久磁石２とコイル１とコイル２の極数を必ずしも同じ数に合わせる必要も無く、脈動特性を最適に設計するために、自由に設計することができる。

図２７に示すように、回転部分に取り付ける極数７極としたコイル３とコイル４のうちコイル３の２つを、回転軸を中心とした３６０度に７極均等に配置する場合の角度約５２度より広い１８０度の間隔をあけて配置し、残りの５極のコイルを、回転軸を中心として残っている角度１８０度の範囲に均等な角度となる３０度間隔で配置し、さらにモーターの固定部分に配置する永久磁石１と永久磁石２を合わせて７極とし、そのうち永久磁石１の２つを回転軸を中心とした３６０度に７極均等に配置する場合の角度約５２度より広い１８０度の間隔をあけて配置し、残りの５極の永久磁石１と永久磁石２を残っている角度１８０度の範囲に均等な角度となる３０度間隔で配置した偏駆動モーターに以下の内容の構造を追加したブラシ付きＤＣモーターの構造を持つ電動モーター。

前記のとおり３０度間隔で７極を配置したコイル３とコイル４は等間隔配置で１２極モーターのコイルと同等な配置間隔であり、５極分配置されていない状態と同等でであるため、その５極分に、偏駆動モーターとして動作する際には使用しない補助駆動用コイル３８とコイル３９を配置する。

補助駆動用コイル３８と補助駆動用コイル３９には通電時の磁力が偏駆動モーターのコイルと同等のコイルを使用し、図２８を例として、前記偏駆動モーター用のコイル３とコイル４に電源供給を行うための整流子４１とは別に補助駆動用コイルの整流子４２を用意して、偏駆動モーターとしての性能を必要としているときには、補助駆動用コイル３８と補助駆動用コイル３９には電源供給を行わず、必要時のみ、個別に電源供給を行う。

前記の３０度間隔で７極を配置した永久磁石１と永久磁石２は等間隔配置で１２極モーターの永久磁石と同等な配置間隔であり、５極分配置されていない状態と同等でであるため、その５極分に、偏駆動モーターとして動作する際には使用しない補助駆動用磁石３６と補助駆動用磁石３７を配置する。

補助駆動用磁石３６と補助駆動用磁石３７には永久磁石の代用として電磁石を使用する方法で、使用時に通電、未使用時に非通電とする方法などを使用して、偏駆動モーターとしての性能を必要としているときには、磁力を発生しない状態を維持してこの磁石を使用しない。

補助駆動用磁石３６と補助駆動用磁石３７は他にも永久磁石を機械的にコイルから遠ざけて磁力の影響範囲から外す方法なども考えられる。

補助駆動用磁石３６と補助駆動用磁石３７を使用しているときに回転部のコイル及び、補助駆動用コイルに与える磁力の強さは、永久磁石１及び永久磁石２と同等の磁力を持つ。

このように、偏駆動モーターに任意で使用、非使用を切り替えられるコイルと電磁石などを持たせる構造により、通常は偏駆動モーターとして機能し、偏駆動モーターよりも通常の電動モーターとして動作させたいときには通常の電動モーターとして動作する２種類の動作するモーターが設計できる。

例として、もっとも回転のための駆動力が小さい位置で停止している状態からのモーター起動が困難な場合にも、この構造で、容易にモーター起動ができる性能を持つことなどが可能となる。

本発明は電気自動車、特に２輪車の電動モーターに関するものである。

１永久磁石Ｎ極
２永久磁石Ｓ極
３コイルＡ
４コイルＢ
５コイルＣ
６コイルＤ
８弱永久磁石Ｎ極
９弱永久磁石Ｓ極
１０コイルなし
１１バランサー。
１２回転軸。
１３コイル部Ａ
１５コイル部Ｂ
１７コイル部Ａ用整流子。
１８コイル部Ｂ用整流子。
２３モーター回転軸。
２４コイル部Ａ
２６コイル部Ｂ
２８、コイル部Ａ用整流子。
２９、コイル部Ｂ用整流子。
３０、グラフ値説明図、永久磁石１
３１、グラフ値説明図、永久磁石２
３２、グラフ値説明図、永久磁石３
３３、グラフ値説明図、コイル１
３４、グラフ値説明図、コイル２
３５、グラフ値説明図、コイル３
３６補助用電磁石Ｎ極
３７補助用電磁石Ｓ極
３８補助用コイルＡ
３９補助用コイルＢ
４０コイル部
４１偏駆動コイル用整流子
４２補助駆動コイル用整流子

Claims

回転軸を中心として、いずれか一方に隣接して配置されるコイルとの間の角度が１箇所以上異なるように配置された複数のコイルを持ち、前記回転軸を中心として、いずれか一方に隣接して配置される永久磁石との間の角度が１箇所以上異なるように配置された複数の永久磁石を持つことを特徴とした電動モーター。
コイルを配置しない第１ブロックと、複数のコイルを配置する第２ブロックを持ち、且つ永久磁石を配置しない第３ブロックと複数の永久磁石を配置する第４ブロックを持つ、回転部分と固定部分で構成された電動モーターであり、さらに、回転軸を中心とした１周３６０度を第２ブロックに配置する複数のコイルの極数で割った角度より広い角度の範囲を持つ第1ブロックと、回転軸を中心とした１周３６０度の範囲から第１ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲をもつ第２ブロックと、回転軸を中心とした１周３６０度を第４ブロックに配置する複数の永久磁石の極数で割った角度より広い角度の範囲を持つ第３ブロックと、回転軸を中心とした１周３６０度の範囲から第３ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲をもつ第４ブロックと、からなることを特徴とした電動モーター。
弱コイルのみを任意に配置可能な第１ブロックと第１ブロックで複数のコイルを配置する第２ブロックを持ち、且つ弱磁石のみを任意で配置可能な第３ブロックと複数の永久磁石を配置する第４ブロックを持つ、回転部分と固定部分で構成された電動モーターであり、さらに、回転軸を中心とした１周３６０度を第２ブロックに配置する複数のコイルの極数で割った角度より広い角度の範囲を持つ第１ブロックと、回転軸を中心とした１周３６０度の範囲から第１ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲をもつ第２ブロックと、回転軸を中心とした１周３６０度を第４ブロックに配置する複数の永久磁石の極数で割った角度より広い角度の範囲を持つ第３ブロックと、回転軸を中心とした１周３６０度の範囲から第３ブロックの角度範囲を差し引いた残りの角度範囲をもつ第４ブロックと、からなることを特徴とした電動モーター。
第１ブロックのブロック内と第２ブロックのコイルを配置した後の空き領域の範囲のいずれか一方、またはその両方のブロックに弱コイルを配置した請求項１または請求項３の電動モーター。
第３ブロックのブロック内と第４ブロックの永久磁石を配置した後の空き領域のいずれか一方、またはその両方のブロックに弱磁石を配置した請求項１または請求項３の電動モーター。
第１ブロックのブロック内と第２ブロックのコイル配置後の空き領域のいずれか一方、またはその両方に弱コイルを配置し、かつ第３ブロックのブロック内と第４ブロックの永久磁石配置後の空き領域のいずれか一方、またはその両方に弱磁石を配置した請求項１または請求項３の電動モーター。
固定部分に取り付けられたすべての全磁石と固定部分に取り付けられたブラシと回転部分に取り付けられた全コイルと回転部分に取り付けられた整流子を持ち、且つ請求項１乃至６の電動モーターの特徴を持つブラシ付きＤＣモーターの構造を持つ電動モーター。
固定部分に取り付けられた全コイルと、固定部分に取り付けられたホール素子と回転部に取り付けられた全磁石を持ち、且つ請求項１乃至６の電動モーターの特徴を持つブラシレスＤＣモーターの構造を持つ電動モーター。