JP2013511952A

JP2013511952A - 永久磁石の反発力を利用した高効率モーター

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Publication number: JP2013511952A
Application number: JP2012539799A
Authority: JP
Inventors: グァンソクシン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2013-04-04
Also published as: KR20090127116A; GB201208057D0; US20130049509A1; GB2487033A; KR101060108B1; CN102687377A; DE112010003885T5; WO2011062374A2; WO2011062374A3

Abstract

本発明は電気モーターの効率を高めるための方法で、永久磁石の同一極の間に形成される反発力を利用するにおいて、回転磁石と固定磁石の同一極が互いに対向するように配置され、固定磁石側に磁力線制御体を挿入して、回転磁石が固定磁石側に進入する時発生する反発力を最小化するために、反発力減少板と電磁石を挿入して電磁石に電流を流して、進入の時の反発力を相殺し、回転磁石が固定磁石の中心から退却する時は反発力を増加させるために反発力強化板を挿入して回転磁石が固定磁石側に進入の時より退却の時の反発力を極大化し、回転体の永久磁石の数を固定体の永久磁石の数より多く構成し、回転磁石が固定磁石側に進入する時のみ電磁石に瞬間的に電流を制御することができるようにホール素子のような無接点方法を利用して少ない電力の供給で高速回転を可能にしたブラシレス高効率モーターを実現可能にした発明である。
【選択図】図１

Description

本発明は電気モーターを駆動する際に少ないエネルギーを供給して高い出力を得るためのもので、永久磁石の原理である同一磁極同士の互いに反発する力を利用するにおいて、回転磁石が固定磁石方向に進入する時発生する反発力を最小化するために、固定子の永久磁石に磁力線制御体を付着し、進入方向の磁力線方向を水平方向に変換させるために磁力線減少板を挿入し、その上に電磁石を装着して進入の時に瞬間的に反対極性になるようにし、回転磁石が固定磁石から退却する位置では磁力線方向が垂直になるように磁力線強化板を挿入して、回転磁石が固定磁石から退却する時の反発力を最大化し、固定磁石の数より回転磁石の数を多くすることで回転磁石の一つが固定磁石に進入する時、他の二つの回転磁石が反発するように配置し、進入の時の反発力を減少させるための電磁石に電流供給は回転磁石の進入位置を検出するためにホール素子の種類で無接点方式でスイッチングするように構成して高効率の電気モーターを得るようにする方法である。

二つの永久磁石は反対極の間には互いに引力が発生し、同極の間には互いに反発する力が発しし、同極同士に反発する力を利用するにおいて、一つの永久磁石は固定し、他の一つは回転体に付着して、回転体に付着された永久磁石が固定された永久磁石に進入する時発生する反発力と、回転体に付着された永久磁石が固定された永久磁石の中心から離脱する時発生する反発力が同じであるので、進入の時の反発力を減少するための方法で、反磁性体や液体磁石などは室温で磁力線遮蔽効果が少なくて、所望の回転力を得ることが困難であり、磁力線制御体、即ち磁力線減少板と電磁石と磁力線強化板を固定された永久磁石に付着して退却の時の反発力は最大化し、進入の時の反発力を最小化するために回転体の永久磁石位置を検出して電磁石に電流供給を開閉して高効率の電気モーターを具現することができるように発明した。

本発明は高効率電気モーターを具現する方法に関し、さらに詳しくは、永久磁石の同一極の間に発生する反発力を利用する際に、進入の時の反発力を減少し、退却の時の反発力を高める磁力線制御体を挿入して高効率モーターを具現した。

従来の大部分の電気モーターは、鉄心にコイルを巻いてコイルの電流方向を制御して鉄心の磁力線変化を起こして回転子を回転させる際に、ブラシを使用したり波形発生器を利用してコイルの電流方向を制御するので、鉄心とコイルの材質によって熱損失が発生し、ブラシの摩擦抵抗、及び容易に摩耗されるなど、このような損失を減少させるために沢山の工夫を尽くしている。

本発明は高効率電気モーターを具現するにおいて、核心部分である磁力線制御体を挿入する際に、磁力線減少板は進入方向に挿入され、この磁力線減少板は磁力線を水平方向に誘導して進入の時の反発力を減少し、磁力線減少板上に電磁石を挿入して、この電磁石に進入の時のみ電流を供給して、磁力線が逆方向になるようにして、進入の時の反発力を最小化し、磁力線強化板は退却方向に挿入され、この磁力線強化板は磁力線を垂直方向に誘導して、退却の時の反発力を最大化し、回転磁石の進入位置は無接点方式でホール素子を使用して、電磁石の電流を制御してブラシレス高効率モーターを具現することを目的とする。

本発明は高効率電気モーターに関し、供給される電気エネルギーに比べて出力される回転力の効率を高め、ブラシレス方式で半永久で且つ高速回転が可能であり、これを確認するためにテスト用に製作した試製品写真（図１６）のように構成して測定した結果、２．３ワット入力で５０００ｒｐｍ、６ワット入力で７７００ｒｐｍ、１２ワット入力で１００００ｒｐｍを実現し、メカニズム構造を改善して量産品に製作すればさらに効率が高くなり、一般の電気モーターより効率が優れて蓄電池で駆動する電気モーターを使用する電気自動車若しくは高速回転が要求される特殊製品などに適用可能で、エネルギー効率の向上に大きく寄与することと期待される。

本発明の基本的な実施形態を示す図面である。上記実施形態の固定体に挿入される磁力線制御体に対する構成図である。上記実施形態の電磁石電流制御に対する簡略回路図である。本発明の回転を段階的に説明した図面である。本発明の回転を段階的に説明した図面である。本発明の回転を段階的に説明した図面である。本発明の回転を段階的に説明した図面である。本発明の磁力線制御体に磁力線変化を比較した図面である。本発明の磁力線制御体に磁力線変化を比較した図面である。本発明の磁力線制御体に磁力線変化を比較した図面である。永久磁石に電磁石のみ付着した場合の磁力線変化を比較した図面である。永久磁石に電磁石のみ付着した場合の磁力線変化を比較した図面である。永久磁石に電磁石のみ付着した場合の磁力線変化を比較した図面である。本発明の磁力線制御体の各コイルに電流が供給される順序図である。本発明のまた他の実施形態を示す図面である。本発明の基本的な実施形態をテストするために製作した試製品写真である。

本発明の実施形態を添付された図面に基づいて詳しく説明すれば、図１は本発明の基本的な実施形態を示す図面で、固定台１００に固定子磁力線制御体１１０、１２０、１３０と回転軸２０１に連結されたベアリングと回転体の永久磁石位置を検出するためのホール素子１１１、１２１、１３１とコイルに電流を制御する電磁石制御基板１１２、１２２、１３２などを固定してモーターの外部形状を形成し、回転体は回転軸２０１に回転盤２００を固定し、回転盤２００に永久磁石２１１、２１２、２１３、２１４を均等な間隔で同一極（Ｎ極）が固定磁石方向に向けるように固定し、電源を供給すれば回転体は回転表示方向２０２と一緒に回転する。

図２は本発明の核心部分である固定台１００に付着された永久磁石の磁力線方向を制御する磁力線制御体１１０であって、永久磁石１４０の中心から回転磁石が進入する方向に反発力減少板１４２を固定し、回転磁石が退却する方向に反発力強化板１４１を固定し、電磁石コア１４３にコイル１４４を巻いた電磁石を反発力減少板１４２に付着したもので、電磁石コア１４３は磁性体であるフェライト（ferrite）のような材質を使って中間にコイル１４４を巻いてコイル１４４に電流を流すと、電磁石コア１４３は電磁石に磁化される。この時、電磁石の磁極は永久磁石１４０の磁極と反対方向になるようにして永久磁石１４０の磁力線が電磁石コア１４３の方向に流れることを抑制し、反発力減少板１４２はケイ素鋼板を複数重ねて永久磁石１４０の磁力線方向と水平になるように付着して、永久磁石１４０の垂直磁力線方向を水平に誘導して電磁石コア１４３方向に流れる磁力線を減少させ、反発力強化板１４１は複数枚のケイ素鋼板は重ねて永久磁石１４０の磁力線方向と垂直になるように付着して、永久磁石１４０の磁力線が回転磁石方向に流れるのを増加する。

上記のように、磁力線制御体を挿入することで発生する磁力線の変化を図８〜図１０によって説明すれば、図８は永久磁石から所定間隔離間した水平方向の各支点（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ）に対する磁力線の強さをグラフと測定値で表示した。図９は磁力線制御体である永久磁石に磁力線減少板と電磁石コアと磁力線強化板を付着した状態での各支点（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ）に対する磁力線の強さをグラフと測定値で表示したもので、図８と図９のグラフを比較すると磁力線制御体を使用するので回転磁石が退却する方向であるｅ点周辺の磁力線の強さが大きく上昇して、退却の時の反発力が強化され、図１０はコイルに電流を流して電磁石の磁極が永久磁石の磁極と反対になった時、各支点（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ）に対する磁力線の強さをグラフと測定値で表示した。図９及び図１０のグラフを比べると、回転磁石の進入方向であるｂ点の磁力線の強さが弱化して、進入の時の反発力を減少させ、電磁石コアに回転磁石が近くなると、電磁石コアは磁性体であることから、回転磁石を引く力が存在するので進入の時の反発力をさらに弱化させる。

図１１〜図１３は永久磁石に単純に電磁石のみ付着した時の磁力線変化を測定した図面であり、図１１は永久磁石の磁力線強さを測定して表示した図面で、図１２は永久磁石に電磁石コアを付着した状態の磁力線強さを測定して表示した図面で、図１３は電磁石コイルに電流を流して電磁石が永久磁石の磁極と反対になった時の磁力線の強さを測定して表示した図面であり、図１２及び図１３の図面で、ｂ点の磁場の強さを比べるとコイルに平均電力４ワットにあたる電流を供給して磁力線が約１７％減少し、一方、図９及び図１０の図面でｂ点の磁場の強さは比較されたように、磁力線制御体を使ってコイルに平均電力２ワットの電流を供給して約３７％の磁力線が減少した。

図３はコイルに電流を制御する簡略回路図で、ホール素子１１１に抵抗Ｒを通じて電源を供給し、ホール素子１１１に回転磁石２１１が近接する間、ホール素子１１１の電圧変化をＡｍｐを通じて増幅してＦＥＴを動作させて電磁石コイル１４４に電流が流れるようにして電磁石で磁化させ、各電磁石制御基板１１２、１２２、１３２に当たる各ホール素子１１１、１２１、１３１は回転磁石が固定磁石側に進入される方向に付着して進入する度に各対応する磁力線制御体１１０、１２０、１３０の各コイルに電流を供給する。

図４〜図７は本発明の基本的な実施形態の回転を段階的に説明した図面で、図４は回転磁石２１１が固定磁石の磁力線制御体１１０側に進入する前の位置にある時を示し、磁力線制御体１１０周辺の曲線矢印は磁力線方向を示し、永久磁石２１１が磁力線制御体１１０に連結されたホール素子１１１に近接するために磁力線制御体１２０と永久磁石２１３との間の反発力と磁力線制御体１１０と永久磁石２１２との間の反発力で回転する。

図５は回転体が時計周り方向に回転して永久磁石２１１がホール素子１１１に近接すると、電磁石制御基板１１２は電磁石コイル１４４に電流を供給してコア１４３は永久磁石２１１を引く方向に磁化され、同時に磁力線制御体１２０と永久磁石２１３との間の反発力で永久磁石２１１は磁力線制御体１１０の方向に進入する。

図６は永久磁石２１１がホール素子１１１を通ると、電磁石コイル１４４に電流を遮断して電磁石コア１４３は電磁石ではない磁性体になって、永久磁石２１１を点線矢印方向に引く状態になり、同時に永久磁石２１４と磁力線制御体１３０との間の反発力で回転する。

図７は永久磁石２１４と磁力線制御体１３０との間の反発力でさらに回転して永久磁石２１１が磁力線制御体１１０の反発力強化板１４１の位置に置かれるようになって、永久磁石２１１は点線矢印方向に押され、同時に永久磁石２１２は磁力線制御体１２０の方向に進入する。

前述したように、回転体は時計周り方向に回転し続け、磁力線制御体１１０、１２０、１３０内部の各コイルに電源が図１４のように各コイルに順次に供給され、回転体が５０００ｒｐｍの速度で回転すると、１回転区間の時間は１２ｍＳｅｃになり、コイルの瞬間電流供給時間は１ｍＳｅｃになる。

図１５は本発明のまた他の実施形態を示す図面であり、固定体の磁力線制御体は上記のように３つ構成し、回転体の永久磁石は５つ構成して、回転体の永久磁石１つが磁力線制御体方向に進入する時、回転体の他の永久磁石２つが磁力線制御体によって反発力が作用するので、上記の回転体永久磁石が４つであるのに比べて効率が改善される。

図１６は本発明の基本的な実施形態を実際に確認するために、テスト用に製作した試製品の写真であり、上記の説明における各測定値は該試製品で測定したものである。この試製品で２．３ワット入力で５０００ｒｐｍ、６ワット入力で７７００ｒｐｍ、１２ワット入力で１００００ｒｐｍを実現した。

Claims

高効率の電気モーターを構成するにおいて、
永久磁石の同一極同士で発生する反発力を利用するためのもので、固定体の永久磁石と回転体の永久磁石が何れも同一方向になるようにして、固定体の永久磁石と回転体の永久磁石との間に相互反発力が作用するように構成し、回転体の永久磁石が固定体の永久磁石から退却する時は反発力を最大化し、回転体の永久磁石が固定体の永久磁石に進入する時は反発力を最小化しようとする構成で、磁力線制御体（１１０）を固定体の永久磁石に挿入した構造に形成し、回転体の永久磁石が固定磁石の磁力線制御体に進入する位置を検出して、磁力線制御体内部の電磁石を磁化させて、進入の時の反発力を減少させることを特徴とする永久磁石の反発力を利用した高効率モーター。
磁力線制御体（１１０）の構造は永久磁石（１４０）の中心で回転磁石が進入する方向に反発力減少板（１４２）を付着し、回転磁石が退却する方向に反発力強化板（１４１）を付着して、反発力減少板（１４２）に電磁石を構成するコア（１４３）とコイル（１４４）を装着したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石の反発力を利用した高効率モーター。
回転体の永久磁石が固定体の磁力線制御体方向に進入する位置をホール素子（１１１）を付着して回転磁石がホール素子に近接すれば磁力線制御体内部の電磁石を逆方向に磁化させて固定体永久磁石の磁力線の強さを弱化させ、磁力線減少板（１４２）と一緒に作用して、進入の時の反発力を最小化し、回転体の永久磁石が固定体永久磁石の中心から退却する時は磁力線強化板（１４１）によって反発力を最大化するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石の反発力を利用した高効率モーター。
固定体の永久磁石の数量より回転体の永久磁石の数量を多くして、一つの回転体永久磁石が固定体の永久磁石に進入する時、他の固定体の永久磁石が二つ以上の回転体永久磁石に反発力を与えることができるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石の反発力を利用した高効率モーター。