JP2016512945A - Ｂｌｄｃモータにおいて磁気クラッチを使用するためのデバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

ブラシレスＤＣモータのロータと外部の機械的負荷との間で機械動力を連結するための装置が、ａ）２つの同心リングと、ｂ）内側リング及び外側リングに接続された同じ数の磁石と、ｃ）対向する磁石の各組の極の反対配向であって、一方の磁石が内側リング上に位置し、その対向する磁石が外側リング上に位置している反対配向とを有し、２つの同心リングのうちの第１の同心リングは、第２の同心リングによって加えられたものでない力を加えることによって軸線周りで回動可能であり、また、第１の同心リングが回転するとき、第２の同心リングもまた磁力の作用により回転する。

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣ）のロータと、外部の機械的負荷との間で、ギア、車輪、ストリップ又は他の同様の装置のような機械的接続を使用することなく、機械動力を連結させるように設計された磁気クラッチ構造に関する。

多くの一般的なシステムでは、システムの異なる部品間の接続は、機械的コンポーネントによって行われる。そのような接続部品を使用することの大きな欠点は、摩擦によって生じるエネルギー損失である。摩擦によって生じる他の欠点は、部品の接続面の摩耗である。部品間の速さと力が増大するにつれて、その表面に対する摩擦、ひいてはダメージも増大し、ついには正常に機能できなくなる場合も多い。

通常極めて高速で作動するモータのような高速で作動するシステムでは、摩擦とそれによる結果は重大であり、その結果、莫大な時間と金銭を投じなければならない多くの保守サービスと頻繁な部品の交換が必要となる。

本発明は、国際出願番号ＰＣＴ／ＩＬ２０１３／０５０２５３号に記載されたモータなどの、ＢＬＤＣモータで使用されるデバイスに関する。

国際出願番号ＰＣＴ／ＩＬ２０１３／０５０２５３号

本発明の目的は、先行技術の欠点を克服するデバイス及び方法を提供することにある。

本発明のその他の目的及び利点は、説明を進めるに従い明らかになるであろう。

ブラシレスＤＣモータのロータと外部の機械的負荷との間の機械動力を連結する装置が、
ａ）２つの同心リングと、
ｂ）内側リング及び外側リングに接続された同じ数の磁石と、
ｃ）対向する磁石の各組の極の反対配向（状態）であって、一方の磁石が内側リング上に位置し、またそれに対向する磁石が外側リング上に位置している、反対配向（状態）と
を有しており、
２つの同心リングのうちの第１の同心リングが、第２の同心リングによって加えられたものでない力を加えることによって軸線周りで回動可能であり、また、第１の同心リングが回転するとき、第２の同心リングもまた磁力の作用により回転する。

本発明の一実施例では、リングは、平坦なリング形状の板である。本発明の他の一実施例では、各組の対向する磁石は同じ大きさである。

本発明のいくつかの実施例では、２つの対向する磁石の磁気強度が本質的に同じである。本発明の他の一実施例では、内側リング内の各磁石が、外側リング内の対向する磁石を有する。

本発明のいくつかの実施例では、接続手段が、リングのうちの１つと外部システムとを接続している。本発明の他の実施例では、外部システムと接続されていないリングが、外部システムと接続されたリングの回転によって駆動され、駆動されるリングは、２つの連結された磁石間の磁力によって動かされる。

典型的には、装置のコンポーネント間の距離は、所望の力と呼応しており、また本発明のいくつかの実施例では、リング上の２つの隣接する磁石間の距離は、同一のリング上の他の２つの隣接する磁石間の距離と同じではない。

また本発明は、２つの同心リングと、内側リング及び外側リングに接続された同じ数の磁石と、対向する磁石の各対の極の反対配向であって、一方の磁石が内側リング上に位置し、またそれに対向する磁石が外側リング上に位置している、反対配向とを有する、クラッチに連結されたブラシレス・モータであって、２つの同心リングのうちの第１の同心リングが、第２の同心リングにより加えられたものでない力を加えることによって軸線周りで回動可能であり、また、第１の同心リングが回転するとき、第２の同心リングもまた磁力の作用により回転する、ブラシレス・モータを含む。

静的状態にある、本発明の一実施例による磁石を有する２つの同心リングを示す。 動的状態にある、図１の２つのリングを示す。 互いから距離ｄの位置に取り付けられ且つ直線的にシフト（変位）された１つの組の磁石に作用する力の測定値を示す。 本発明の他の一実施例によるデモ・システムでの力の測定値を示す。 本発明の他の一実施例によるＢＬＤＣデモ・システム内のコンポーネントの例示的物理的量を示す。 本発明の他の一実施例による２つの磁石の概略構成を示す。 一方が他方の上に積み上げられた無限小の電流ループの集合からなるものとして図示されるソレノイドを示す。 それぞれが１つの磁石に属している、無限小の厚さの２つのループを示す。

図１は、静止状態の２つの同心回転リング１０１及び１０２を示す。内側リング１０１は、ＢＬＤＣモータ（例えばＰＣＴ／ＩＬ２０１３／０５０２５３（国際公開第２０１３／１４０４００号）のモータであることが可能）のロータからなり、外側リング１０２は機械的負荷に接続されて、これに動力を供給する。ＢＬＤＣモータのロータの磁石と同じ数の多数の永久磁石が外側リング１０２に機械的に固定されており、それらのＳ−Ｎ軸線は、円周に対して接線方向に配向されている。

静止状態において、外側リング１０２上に配置される磁石１０４のそれぞれが、ロータ１０１上に配置された対応する磁石１０３に対向している。外側リング１０２上の各磁石１０４のＳ−Ｎ軸線配向は、ロータ１０１上の対応する（対向する、向かい合う）磁石１０３のＳ−Ｎ軸線配向と反対（向き）である。その結果、外側リング１０２上の磁石１０４は交互の極性となるように配置されている。ロータ１０１と外側リング１０２との間に物理的接続は存在しないことが強調されるべきである。本説明中で後に詳細に説明する理由により、静磁気学の法則に基づいて、外側リング１０２に対するロータ１０１の相対位置は、システムの状態、すなわちシステムが静的状態か動的状態かに依存する。これについては、さらに説明する。

静的状態、すなわちＢＬＣＤロータが静止しているとき、外側リング１０２上の各磁石１０４は、図１に示されるようにロータ１０１上の対応する磁石１０３の真正面に配列される。動的状態では、外側リング１０２が負荷（完全に自由に移動可能ではない）に連結された状態でＢＬＣＤロータ１０１が回転すると、負荷リング１０２上の対応する磁石１０４に対するロータ・リング１０１上の各磁石１０３の相対位置は変化し、新たな状態で安定する。

対応する磁石１０３及び１０４は、もはや完璧に配列されることはないであろう。磁石の相対位置は、リング１０１及び１０２の円周に接線方向に準線形にシフトする。磁石１０３及び１０４は、図２に示すようにオフセットｈに到達し、そこで安定するであろう。オフセットｈは、負荷によって及ぼされる対抗力に依存する。適切な条件下では、ｈはロータ・リング１０１とともに負荷リング１０２を回転させるのに必要な力と正比例して増加する。

関心の領域内では、オフセットｈは、力伝達にほぼ正比例し、また、ｈが過度に大きくない限り、ロータ・リング１０１は、これら２つのリング１０１とリング１０２との間に物理的接触を発生させることなく、負荷リング１０２を「引っ張る」ことが可能であろう。ｈの大きさが磁石１０３と磁石１０４との間の間隙の幅に近付いたとき、伝達される力が低下する。ロータ・リング１０１が負荷リング１０２に加えられる最大力は、永久磁石の強さや形状、磁石の個数及び２つのリング１０１とリング１０２の間の間隙により決まる。

図３は、お互いから距離ｄの位置に取り付けられ且つ直線的にシフト（変位）される一対の磁石の力の測定値を示す。網掛部３０１は、磁石１０３と磁石１０４との間の引張力がオフセットｈにほぼ比例している範囲を示す。

関連する力の大きさの程度を例示するために、正面合わせで２９ｍｍ離間した２つの磁石は、リングに正接する方向におおよそ１４０Ｎ（約１４Ｋｇ）の最大力伝達を与えることができる。

本発明により作製されたＢＬＤＣモータ・デモ・システムは、約３０ｍｍ離間して対向する８つの磁石を備える。デモ・システムは、１４０×８＝１１２０Ｎ（約１１２Ｋｇ）の力を適用することができる。デモ・システム内の外側リング１０２は約４２０ｍｍの半径を有するので、磁気クラッチは、約４７０Ｎ・ｍのトルクを伝達可能であるべきである。

ＢＬＤＣデモ・システムについて行われた測定では、図４に示されるように、発明者らは最大力伝達を実現して測定することは試みなかった。しかし、発明者らは、６００Ｎ程度の力伝達測定値を示した。これは、１つの一対の磁石についての測定によって予想される可能な最大力（１１２０Ｎ）の大きさの程度とよく合致している。さらに、合力が相対オフセットに比例することも示している。

発明者らにより提供されたＢＬＤＣデモ・システムのコンポーネントの物理量を、図５に示す。この図から、システムが８つの磁石を備えること、及びロータ・リング１０１と負荷リング１０２との間の間隔が３０ｍｍであることが分かる。

静磁気計算は、解析的に行うのが最も困難で複雑な作業の一つである。閉形の解析式が見られるときでさえ、得られる式は現象についての十分な理解を提供するには複雑すぎる場合が多い。さらに、場の方程式を数値的に解くことによって得られる、コンピュータ処理されたシミュレーションを行うことができるだけである場合が非常に多い。しかし、数値解は、特定の構成には正確であるが、システムの一般的な挙動についての見識を提供しない。

幸いなことに、検討中の特定の場合では、一般的な結論を比較的シンプルな数学的解析により導出することができる。これが可能であるのは、検討中のシステムでは、磁石は、そのＳ−Ｎ軸線に対して正接する方向に沿ってのみ自由に移動可能で、その他の全ての方向には固定されているからである。したがって、磁石のＳ−Ｎ軸線に平行な方向の力の成分を計算することのみが必要とされる。その結果、重要な数学的単純化がもたらされて、関連する複雑な三次元積分を実際に解く必要なくして、一般的なシステムの特徴に関する結論を導出することが可能となる。

解析されたものが、図６に示す構成である。


及び

は、相互に垂直な単位ベクトルである。２つの立方体磁石６０１及び６０２は、そのＳ−Ｎ軸線が

方向と平行になるように配置されている。そのＳ−Ｎ配向は反対であり、オフセットｈの分だけ

方向に変位されている。磁石６０１及び６０２は、この例示的解析のために立方体とみなされるが、一般的な結論は他の形状についても当てはまる。図３に示す測定値は、類似する構成において行われたものである。

この構成では、オフセットｈが磁石６０１と磁石６０２との間の間隙の物理的寸法に比して小さい限りにおいて、磁石６０１及び６０２のいずれかに対して

方向に作用する力の成分は、オフセットｈに正比例する。おおよそオフセットｈが磁石６０１と６０２との間の間隔の３分の１未満であるとき、ｈの大きさは比較的小さい。オフセットがこれより大きくなるにつれて、力は最大値に接近し、それからｈが増大するとともに減少する。

第１のステップとして、アンペアのモデルを使用することによって、

方向の磁化力Ｍを有する永久磁石が、

に垂直方向の磁石の表面を流れる均一な表面電流密度Ｊ_Ｓの形にモデル化できる。Ｍは、単位体積毎の純磁気双極子モーメントであり、Ｊ_Ｓは単位長さ毎の等価な表面電流である。したがって、図６の各磁石６０１及び６０１を、図７に示す反対方向の等しい電流を有する等価な「ソレノイド」と入れ替えてもよい。

図７に示す各ソレノイド７０１は、一方の上に他方が積み重なった無限小の電流ループの集合よりなるものとして表わされる。このループは、

平面中で反対方向に流れる大きさｄｌ＝Ｊ_Ｓｄｚ及びｄｌ’＝Ｊ_Ｓｄｚ’の電流を伝達している。次に、無限小の厚さのそれぞれが図８に示す磁石の一つに属する、２つのループについて検討する。

垂直位置ｚ’に位置する右側ループＬ’によって、垂直位置ｚに位置する左側ループＬに及ぼされる力は、アンペアの力の法則により直接導出されたものであり、式

により与えられる。ここで、

であり、

であり、

であり、また

及び

は、対応するループ中を流れる電流方向の無限小の長さであり、したがってそれらは、

平面中に存在する。

次に、図８を参照しつつ、予備的な注意事項を指摘する。

１．｜ｙ−ｙ’｜≧ｄは既知であり、さらに

とする。したがって、

となる。

はｚ及びｚ’から独立である。また、

と記述することができる。

２．本構成では、ｄは磁石の大きさと同程度であり、且つ、オフセットはｈ^２≪ｄ^２（例えば

）を満たす程度に小さいと想定している。

３．我々の関心の対象は、

方向の力のみであるので、被積分関数の分子中の

の関連する唯一の構成要素は、

方向のものだけである。磁石は他の方向へ移動できないので、他の力は全て関心の対象外である。したがって、

方向の磁石に作用する力を計算するために、被積分関数の分子中の

を

と入れ替えてもよい。

４．

及び

は、

平面中の増分ベクトルである。より正確には、この正方形状磁石の設定では、内積

は、±ｄｘｄｘ’又は±ｄｙｄｙ’のいずれかである。したがって、ループの経路を積分する際には、ｚ及びｚ’は積算値変数に対して一定である。また、ｄｘ，ｄｘ’は反対の符号を有し、それらの積分の方向も反対である。したがって、対応する積分の端点も反転している。これは、ｄｙ，ｄｙ’についても同様である。その結果、

により定義される様々な下位の積分の範囲の全てについての積分の符号は一定である。したがって、ループ経路の二重積分の符号値は、被積分関数の符号と同一である。

上記理解により、電流ループＬ’により電流ループＬに作用する

方向の力ΔＦ_Ｚは、以下の積分、

と、

と、ｄＩ’＝Ｊ_Ｓｄｚ’と、ｄＩ＝Ｊ_Ｓｄｚの結果となる。

右側の全ての電流ループによって左側の単一の電流ループＬに印加される蓄積力（図８参照）

は、

によって与えられる。

原点に位置する磁石に作用する合力

は、ループにかかる全ての力の合計

である。

積分の順序を変えると、

が得られる。

ｄｚ及びｄｚ’に対する積分を行うときに、

はｚ及びｚ’から独立していること、すなわち一定であることに留意すると、内部の積分を分析的に計算することができ、

が得られる。ここで、

及び、

を用いる。

なので、よって

（例えば

の場合には）、

となり、さらに、一次テーラー級数中の最後の式を以下のように、

と展開してもよい。

なので、その結果、関数ｇ（ｘ，ｘ’，ｙ，ｙ’）は、ｘ，ｘ’，ｙ，ｙ’のある負関数、すなわちｇ（ｘ，ｘ’，ｙ，ｙ’）＝−｜ｇ（ｘ，ｘ’，ｙ，ｙ’）｜である。したがって、ｘ，ｘ’，ｙ，ｙ’の二重積分の符号が被積分関数の符号と同一であること、及び設定

を想起すると、原点の磁石に作用する合力

は、他の磁石のオフセットにより、

と、ｈ^２≪ｄ^２の形をとる。ここで、Ｋはある比例定数である。最後に、Ｍ＝Ｊ_Ｓが

方向の単位体積毎の純磁化力であることを想起しつつ、図６を参照すると、左の磁石に作用する力は、

と、ｈ^２≪ｄ^２である。

このように、いかなるオフセットｈ＜ｄ／３についても、クラッチによって伝達された力は、オフセットｈ及び単位体積毎の正方形の磁化力に正比例する。また、力はオフセット自体の方向を向いている。

上記の説明は全て、図示する目的のために提供されたものであり、いかなる意味においても本発明を制限することを意図していない。上記の計算は、本発明を理解する一助として提供するものであり、本発明をいかなる意味においても制限することを意図していると解釈されるべきではない。

Claims (11)

1. ブラシレスＤＣモータのロータと外部の機械的負荷との間の機械動力を連結するための装置であって、
   ａ）２つの同心リングと、
   ｂ）前記内側リング及び前記外側リングに接続された同じ数の磁石と、
   ｃ）対向する磁石の各組の極の反対配向であって、一方の磁石は前記内側リング上に位置し、それに対向する磁石は前記外側リング上に位置している、前記配向と
   を有する装置において、
   前記２つの同心リングのうちの第１の同心リングが、第２の同心リングによって加えられたものでない力を加えることにより軸線周りで回動可能であり、また、前記第１の同心リングが回転するとき、前記第２の同心リングもまた磁力の作用によって回転する、装置。
2. 前記リングが平坦なリング形状の板である、請求項１に記載の装置。
3. 対向する磁石の各組が同じ大きさである、請求項１に記載の装置。
4. 前記２つの対向する磁石の磁気強度が本質的に同じである、請求項１に記載の装置。
5. 前記内側リング内の各磁石が前記外側リング内の対向する磁石を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記接続手段が、前記リングのうちの１つを外部システムに接続する、請求項１に記載の装置。
7. 前記外部システムに接続されていない前記リングが、前記外部システムに接続されている前記リングの回転によって駆動される、請求項６に記載の装置。
8. 前記駆動されるリングが、２つの連結された磁石間の磁力により動かされる、請求項７に記載の装置。
9. 前記装置のコンポーネント間の距離が、所望の力と呼応している、請求項１に記載の装置。
10. 前記リング上の２つの隣接する磁石間の距離が、同一のリング上の他の２つの隣接する磁石間の距離と同じではない、請求項１に記載の装置。
11. ２つの同心リングと、前記内側リング及び前記外側リングに接続された同じ数の磁石と、対向する磁石の各組の極の反対配向であって、一方の磁石が前記内側リング上に位置し、それに対向する磁石が前記外側リング上に位置している反対配向とを有する、クラッチに連結されたブラシレス・モータであって、
    前記２つの同心リングのうちの第１の同心リングが、第２の同心リングによって加えられたものでない力を加えることによって軸線周りで回動可能であり、また、前記第１の同心リングが回転するとき、前記第２の同心リングもまた磁力の作用によって回転する、ブラシレス・モータ。