JP2018186696A - 相乗トルクを有する直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】単一ステータのトルクの強度より大きい合成トルクを形成することにより発電機を駆動して発電させて、発電機が出力する電力を、安定した大きさで直流モータを回転させる電力として供給して、電力の実質的な増幅及び省エネの目的と効果を達成する相乗トルクを有する直流モータを提供する。【解決手段】直流モータ１は、駆動装置１０、ホール効果のロータ位置検知装置１１、電磁石ステータ及び永久磁石ロータから構成される。モータ同軸回転の誘導磁石とホールセンサ間のホール効果検知ロータ磁極位置信号を利用して、さらに、駆動装置のパワーアンプ１０２のパワー増幅を経て、モータ電磁石のステータ巻線に供給する電力は、電磁石のステータ磁極を、持続的に永久磁石ロータの磁極に伴って、前で退け、後ろで吸い付ける動作を起こし、それに伴って位置を変えて回転させて相乗するトルクを得る。【選択図】図１

Description

本発明は、相乗トルクを有する直流モータに関し、特に、設置が簡単、安全で、ロータ位置信号によって、ステータの磁極に、永久にロータの磁極に伴って、前で退け、後ろで吸引するという動作を行なわせて、それに伴って位置を変え回転して相乗トルクを発生させることで、単一ステータのトルクの強さより大きい合成トルクを形成することにより発電機を駆動して発電させて、発電機が出力する電力を、安定した大きさで直流モータを回転させる電力として供給して、電力の実質的な拡大及び省エネの目的と効果を達成する相乗トルクを有する直流モータに関する。

従来の交流モータは、誘導モータにせよ、同期モータにせよ、いずれもステータ巻線に電流を流した際に回転磁界が発生して、引き寄せたロータの異なる極同士が反発し合うことで、ロータはステータの回転磁界に伴って一緒に回転する。このうち、前記ステータの磁極とロータの磁極は、引き合い、相互に二者の相手の作用力と反作用力を超える力を吸収する。故に、ロータとステータが静止した状態となり、磁界間において反発し合うことがなく、引き合うこともなく、互いに作用力を他方に与えて発生する移動によるトルクが存在しない。すなわち、両磁極間の角度＝０である時、両者は位置を変えず、力Ｆ＝０、合力＝０となる。ロータの機能は、ステータと負荷間における回転軸に等しいだけで、全くトルクが発生せず、モータの動力は、全てステータの電流の単一トルクから来るものである。

従来の直流モータは、通電導体が磁界中で受ける力を利用して回転し、ロータの導体が磁界内で回転する時、磁束を切断するため、電位の誘導（感應電勢、inductive potential、誘導電位）を発生させる。この誘導電位の方向は、外的に加えられた電位の方向と逆であり、常に外的に加えられる電位の加入に抵抗し、逆起電力と呼ばれる。回転速度が高いと逆起電力が大きく、電機子電流が小さく、トルクが小さい。回転速度が低いと、逆起電力が小さく、電機子電流が大きく、トルクが大きい。電機子の磁極とステータの磁極も、相対的な位置の移動が発生して、合成トルクもまた単一電機子のトルクより大きくなるが、トルクが大きくなった時、回転速度がそれに伴って下降し、その出力のＮＴはＶＩに等しいため、いかに改善してもその省エネ効果には限度がある。

また、比較的進化したブラシレスモータは、六個のスイッチの変化によりロータを吸引して６個の定点に到達させることで、モータを回転させる。そのメリットは、ブラシの摩擦による火花やノイズの発生を回避し、メンテナンスの必要がないという点である。効率は直流ブラシ付きモータより高いものの、その入力と出力の関係は依然として大きな変化はなく、省エネを改善するという点では限られている。

したがって、本発明は、上述の従来のモータにおける合成トルクが永久に単一ステータのトルクより小さいという欠点を改善するため、直流モータがロータ位置信号により、ステータの磁極に、永久にロータの磁極に伴って、前で退け、後ろで吸引する（前斥、後吸、ｒｅｐｅｌｌ ａｎｄ ａｔｔｒａｃｔ）という動作を行なわせて、それに伴って位置を変え回転して相乗トルク（ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｄ ｔｏｒｑｕｅ）を発生させることで、合成トルクが単一ステータのトルクより大きくし、さらに、この合成されたトルクにより発電機を駆動して発電させて、発電機が出力する電力が、供給モータ回転に供給する電力より大きいことにより、電力の実質的な拡大と省エネの目的と効果を達成する相乗トルクを有する直流モータを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、直流モータがロータ位置信号により、ステータの磁極に、永久にロータの磁極に伴って、前で退け、後ろで吸引するという動作を行なわせて、それに伴って位置を変え回転して相乗トルクを発生させることで、合成トルクを単一ステータのトルクより大きくし、さらに、この合成されたトルクにより発電機を駆動して発電させて、発電機が出力する電力が、供給モータ回転に供給する電力より大きいことにより、電力の実質的な拡大と省エネの目的と効果を達成する相乗トルクを有する直流モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の相乗トルクを有する直流モータは、駆動装置、ホール（Ｈａｌｌ）効果のロータ位置検知装置、電磁石ステータ及び永久磁石ロータから構成される。このうち、前記駆動装置は、少なくとも一個のロータ位置信号アンプ及び一個のパワーアンプを備える。前記ロータ位置検知装置は、６個のホール（Ｈａｌｌ）センサ及びモータ回転軸に固定設置される誘導磁石（ｉｎｄｕｃｅｄ ｍａｇｎｅｔ、誘起磁石、感知磁石）を備える。前記モータ同軸回転の誘導磁石とホールセンサ間のホール効果検知ロータ磁極位置信号を利用して、さらに、駆動装置のパワーアンプのパワー増幅を経て、モータ電磁石のステータ巻線に供給する電力は、電磁石のステータ磁極を、持続的に永久に磁石ロータの磁極に伴って、前で退け、後ろで吸い付ける動作を起こさせて、それに伴って位置を変えて回転させて相乗するトルクを得て、さらに、この合成されたトルクにより、発電機を駆動して発電させて、発電機が出力する電力を供給モータが回転するために供給される電力より大きくすることを実現して、電力の実質的な拡大と省エネの目的と効果を達成することを特徴とするものである。

本発明は、直流モータがロータ位置信号により、ステータの磁極に、永久にロータの磁極に伴って、前で退け、後ろで吸引するという動作を行なわせて、それに伴って位置を変え回転して相乗トルクを発生させることで、合成トルクを単一ステータのトルクより大きくし、さらに、この合成されたトルクにより発電機を駆動して発電させて、発電機が出力する電力が、供給モータ回転に供給する電力より大きいことにより、電力の実質的な拡大と省エネの目的と効果を達成する。

本発明の実施例におけるシステムのブロック図である。 本発明の実施例における相乗トルクを有する直流モータの構造を示した図である。 本発明の実施例におけるロータ位置検知装置の信号波形を示した図である。 本発明の実施例におけるロータ位置検知装置の各ホールＨａｌｌセンサと誘導磁石の配置図（一）である。 本発明の実施例におけるロータ位置検知装置の各ホールＨａｌｌセンサ及び誘導磁石の配置図（二）である。 本発明の実施例における誘導磁石と永久磁石及びモータ回転軸の配置位置を示した図である。 本発明の実施例における電磁石ステータの各相巻線の機械角の配置図である。 本発明の実施例における電磁石ステータの各相巻線の磁界配置図である。 本発明の実施例における永久磁石ロータを示した図である。 本発明の実施例における電磁石ステータの磁極配列配置図である。 本発明の実施例におけるロータ位置検知装置のホールＨａｌｌセンサ及び電磁石ステータ各磁極位置を示した図である。 本発明の実施例における電磁石ステータの三相磁極配置図である。 本発明の実施例におけるモータの動作分析図である。 本発明の実施例における永久磁石ロータＮ極後縁がＵ相電磁石のステータＮ極極面における１０°の位置に進入した状態を示した図である。 本発明の実施例における誘導磁石末端がＷ相ホールＨａｌｌセンサの中心点の位置を超えた状態を示した図である。 本発明の実施例における永久磁石ロータＮ極後縁がＶ相電磁石ステータＮ極極面における１０°の位置に進入した状態を示した図である。 本発明の実施例における誘導磁石末端がＵ相ホールＨａｌｌセンサの中心点の位置を超えた状態を示した図である。 本発明の実施例における永久磁石ロータＮ極後縁がＷ相電磁石ステータＮ極極面における１０°の位置に進入した状態を示した図である。 本発明の実施例における誘導磁石末端がＶ相ホールＨａｌｌセンサの中心点の位置を超えた状態を示した図である。 本発明の実施例におけるモータ励磁スイッチ角度の配置図である。

図１、図２、図３、図４を参照しながら説明する。本発明の相乗トルクを有する直流モータの直流モータ１（図１、図２に示したとおり）は、駆動装置１０、ホール（Ｈａｌｌ）効果のロータ位置検知装置１１、電磁石ステータ１２及び永久磁石ロータ１３から構成される。

前記駆動装置１０は、図１に示したように、少なくともロータ位置信号アンプ１０１及びパワーアンプ１０２を備える。

前記ロータ位置検知装置１１の構造、動作波形及び角度は、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示したとおり、６個のホールセンサ１１１及びモータ回転軸１４に固定する誘導磁石１１２から構成される。このうち、前記ホールセンサ１１１は、それぞれ機械角６０°の間隔を空けて配置される。前記誘導磁石１１２は、機械夾角７５°の幅で（図３Ｂに示したとおり）モータ回転軸１４上に固定して設置されたモータと同期回転する。前記誘導磁石１１２は、２個のホールセンサ１１１を跨ぐように配置されて、前端においてホールセンサ１１１が、モータ回転軸１４に伴って時計回りに回転する誘導磁石１１２に影響されてＯＮ状態である時、前記後端に隣接するホールセンサ１１１が機械角１５°遅れてＯＦＦになることで、隣り合う両相の磁界（相隣両相磁場、ａｄｊａｃｅｎｔ ｔｗｏ ｐｏｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ、隣り合う両極の磁界）は重なる機械角１５°の範囲を励磁する。すなわち、誘導磁石１１２がモータ回転軸１４に伴って時計回りに回転すると、誘導磁石１１２前縁がホールセンサ１１１のいずれかの面における中心点に達する時、前記ホールセンサ１１１はＯＮの状態になる。そして、前記ホールセンサ１１１に隣接する後端のホールセンサ１１１は、隣り合う前端のホールセンサ１１１と機械角６０°の間隔を置き、誘導磁石１１２の挟まれた角の幅は機械角７５°である。このため、前記隣り合う後端のホールセンサ１１１は、機械角１５°遅れてＯＦＦとなることにより、隣り合う二つの磁界は、重なる機械角１５°の範囲を励磁する。すなわち、前記ホールセンサ１１１のＯＮ、ＯＦＦ動作及び波形は図３Ａに示したように、誘導磁石１１２がモータ回転軸１４に伴って時計回りに回転してＵがＯＮの時、Ｗは機械角１５°遅れてＯＦＦとなり、ＵのみがＯＮとなり、ＶがＯＮの時、Ｕは機械角１５°遅れてＯＦＦとなり、ＶのみがＯＮとなる。ＷがＯＮの時、Ｖは機械角１５°遅れてＯＦＦとなり、ＷのみがＯＮとなる。前記電磁石ステータ１２の三組のコイルは、二組のコイルが導電する。つまり、同一時間における電磁石ステータ１２の三組のコイルは、二組のコイルが機械角１５°重なって導通し励磁すると、一組のコイルだけが導通せず、電磁石ステータ１２の三組のコイルのうち、ただ一組のコイルのみが導通する時、二組のコイルは導通しないということである。前記ホールセンサ１１１はいずれも、それぞれの電磁石ステータ１２の磁極のＮ極極面における中心点左側２６°に配置され（図４Ｆに示したとおり）、その順序は、Ｕ→Ｖ→Ｗ→Ｕ→Ｖ→Ｗである。モータ回転軸１４、誘導磁石１１２及び永久磁石ロータ１３の径の方向に、モータ回転軸を切断した面を観察すると、順に時計回りに、前記永久磁石ロータ１３の両Ｎ極の後縁、誘導磁石１１２の前縁とモータ回転軸１４の中心点は、互いに一直線上に対応するように配置される（図４Ａに示したとおり）。

前記電磁石ステータ１２は、Ｕ、Ｖ、Ｗの三組の巻線に配分され、各巻線の差は機械角６０°（図４Ｂに示したとおり）である。電磁石ステータ１２の三相の巻線は、モータの径の方向に三層に配列される。各相の巻線は互いに重なり、それぞれの巻線は４極で、いずれの極の幅も機械角７１°である。各極の間は、機械角１９°の間隔が空けられる（図４Ｃ、図４Ｅに示したとおり）。それぞれの磁極の配列は、隣り合うように、Ｎ→Ｓ→Ｎの順に配列され、相の順序は、Ｕ→Ｖ→Ｗである。磁界の極の方向は、（図４Ｇに示したとおり）、モータの垂直中心線から機械角４５°左側に配置されて、Ｕ相電磁石ステータ１２のＮ極中心であり、機械角４５°右側は、Ｕ相電磁石ステータ１２のＳ極中心であり、Ｕ相電磁石ステータ１２のＮ極の機械角６０°右側は、Ｖ相電磁石ステータ１２のＮ極中心であり、機械角６０°左側は、Ｗ相電磁石ステータ１２のＮ極中心である。すなわち、前記電磁石ステータ１２の磁界の配列は、モータ軸方向において前記磁界巻線を含めた一径方向に切断すると、円周の一側辺の中間がＶ相で極はＳ極、左辺がＵ相で極はＮ極、右辺がＷ相で極はＮ極である。前記電磁石ステータ１２の各相ステータの配線は、Ｙによって接続される。このうち、Ｙ接点とＹ接点の他端Ｕ、Ｖ、Ｗ端は、直流電源入力端で、単相直流電流入力が形成される。使用する電源が直流電流であるため、順に導通と閉鎖の動作が交互に行なわれ、故に、各相の磁界の極は変化せず、相を変更する必要がない。

前記ロータ１３は、永久磁石から構成され、４極（図４Ｄに示したとおり）を有し、各極の幅は機械角６９°であり、前記永久磁石の外径はアーチ型で、中心点がやや厚く、両側が薄くなっていて、Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓの順序で配列され、各極間は機械角２１°間隔が空けられる。

さらに、図３Ｂ、図３Ｃ、図４Ａ、図４Ｆに示したとおり、前記ロータ位置検知装置１１の６個のホールセンサ１１１は、それぞれ順にＵが１、４、Ｖが２、５、Ｗが３、６の番号がつけられている。さらに、番号の順に、時計回りに配列された時、永久磁石ロータ１３が一周回転すると、前記６個のホールセンサが６個のロータ位置信号を検出する。その順序は、Ｕ１→Ｖ２→Ｗ３→Ｕ４→Ｖ５→Ｗ６で、順にそれぞれがこの６個のホールセンサ１１１が誘導したロータの位置信号により分けられる。前記永久磁石ロータ１３の前半分だけ回転すると、Ｕ１→Ｖ２→Ｗ３、永久磁石ロータ１３が後ろ半分回転した場合は、Ｕ４→Ｖ５→Ｗ６である。電磁石ステータ１２の巻線に供給される電源は直流電流であるため、Ｕ１とＵ４、Ｖ２とＶ５、Ｗ３とＷ６は、各相の電磁石ステータ１２の巻線が重復して入力される電圧の極方向は全て同じである。永久磁石ロータ１３が１周回転すると、全ての相の電磁石ステータ１２のコイルが繰り返し２回励磁され、故に、１、４は、ホールセンサ１１１が検出する位置信号を、駆動装置１０のパワーアンプ１０２を介してパワーが増幅された後、モータのＵ相ステータ電源にのみ供給し、２、５は、ホールセンサ１１１が検出した位置信号を、駆動装置１０のパワーアンプ１０２によってパワーが増幅された後、モータのＶ相のステータ電源にのみ供給し、３、６は、ホールセンサ１１１が検出した位置信号を、駆動装置１０のパワーアンプ１０２によってパワーが増幅された後、モータのＷ相ステータ電源にのみ供給する。

すなわち、上述の構成による本発明を利用して、図５、図６を同時に参照しながら、本発明の動作原理について説明する。

図５に示したように、電源を入れる前に、本発明の直流モータ１の永久磁石ロータ１３の磁極は、いかなる位置に設置されても、前記ロータ位置検知装置１１の６個のホールセンサ１１１は、少なくとも一個の誘導磁石１１２の誘導範囲（誘起範囲）内に位置する。すなわち、電磁石ステータ１２は少なくとも一相の巻線に通電して励磁するということである。Ｕ相から始まる場合を例にすると（図５及び図６Ａ、図６Ｂに示したとおり）、電源を入れると、Ｗ相がロータ位置検知装置１１の誘導磁石１１２の誘導範囲内であるかどうかにかかわらず、永久磁石ロータ１３のＮ極後縁がＵ相電磁石ステータ１２のＮ極極面の機械角１０°の位置に進入して（図５、図６Ａに示したとおり）、永久磁石ロータ１３のＳ極前縁はすでにＵ相電磁石ステータ１２のＳ極極面前縁の機械角８°（図５に示したとおり）の範囲を超えている。前記永久磁石ロータ１３のＮ極とＵ相電磁石ステータ１２のＮ極は、同じ極相であるため反発し合う。すなわち、電磁石ステータ１２の各相の各極の間は、機械角１９°の間隔が空けられる（図４Ｅに示したとおり）。永久磁石ロータ１３の両Ｎ極後縁、ロータ位置検知装置１１の誘導磁石１１２前縁、及びモータ回転軸１４の中心点は、全て一直線上に配置される（図４Ａに示したとおり）。永久磁石ロータ１３のＮ極後縁が、Ｕ相電磁石ステータ１２のＮ極極面の機械角１０°の位置に進入した時（図５に示したとおり）、前記永久磁石ロータ１３のＮ極後縁とＵ相電磁石ステータ１２のＳ極極面前縁は、機械角２９°の差を有する（１０°＋１９°＝２９°）。同時に、永久磁石ロータ１３の各極の間には機械角２１°の間隔が空けられる（図４に示したとおり）。すなわち、前述のように、前記永久磁石ロータ１３のＳ極前縁は、すでにＵ相電磁石ステータ１２のＳ極極面前縁の機械角８°の範囲を超えているということである（２９°−２１°＝８°）。これにより、前記永久磁石ロータ１３のＮ極とＵ相電磁石ステータ１２のＮ極は、同じ極であるため反発し合う。また、ロータ位置検知装置１１の全てのホールセンサ１１１は、機械角６０°の間隔が空けられる（図３に示したとおり）。誘導磁石１１２の誘導範囲は、７５°の機械夾角とされる（図３に示したとおり）。二者は、機械角１５°の大きさの差を有する。つまり、Ｗ相のホールセンサ１１１が誘導磁石１１２の誘導範囲内にある（図６Ａに示したとおり）ことで、Ｗ相電磁石ステータ１２の巻線は、励磁の状態であり（図６Ａに示したとおり）、永久磁石ロータ１３のＳ極とＷ相電磁石ステータ１２のＮ極は、異なる極で引き合う（図６Ｂに示したとおり）。したがって、前記瞬間は、両相（ｔｗｏ ｐｏｌｅ）の磁極が反発し合う、引き合う動作を行なっていて、永久磁石ロータ１３の磁極と電磁石ステータ１２の磁極が、相対に移動し、時計回りに回転する。誘導磁石１１２の末端が、Ｗ相のホールセンサ１１１の中心点を超えた時（図６Ｂに示したとおり）、永久磁石ロータ１３のＳ極がＷ相電磁石ステータ１２のＮ極と引き合うバランス点の機械角６°前に移動した時、前記Ｗ相電磁石ステータ１２の励磁は、自動的に停止されて（図６Ｂに示したとおり）、Ｕ相電磁石ステータ１２のみが引き続き励磁を行い続け、前記永久磁石ロータ１３のＳ極は、Ｕ相の電磁石ステータ１２のＳ極と反発し合って相対に位置を移して、永久磁石ロータ１３は引き続き時計回りに回転する。

さらに、誘導磁石１１２前端がＶ相ホールセンサ１１１に進入した時、図５及び図６Ｃ、図６Ｄに示したように、前述の動作原理に基づき、前記永久磁石ロータ１３のＮ極後縁はすでにＶ相電磁石ステータ１２のＮ極極面の機械角１０°の範囲に進入している（図５、図６Ｃに示したとおり）。永久磁石ロータ１３のＳ極前縁はすでにＶ相電磁石ステータ１２のＳ極極面前縁の機械角８°の範囲を超えている（図５に示したとおり）。永久磁石ロータ１３のＮ極とＶ相電磁石ステータ１２のＮ極は、同じ極で反発し合う。同時に、前記ロータ位置検知装置１１のＵ相ホールセンサ１１１は、誘導磁石１１２の誘導範囲内にある（図６Ｃに示したとおり）。すなわち、前記永久磁石ロータ１３のＳ極とＵ相電磁石ステータ１２のＮ極は、異なる極で引き合う（図６Ｃに示したとおり）。したがって、この瞬間、両相の磁極は、反発し合い、引き合うという動作を行なって、引き続き永久磁石ロータ１３磁極と電磁石ステータ１２磁極は、相互に位置を変えて時計回りに回転する。さらに、永久磁石ロータ１３は引き続き回転し、誘導磁石１１２末端がＵ相ホールセンサ１１１の中心点を超え（図６Ｄに示したとおり）、永久磁石ロータ１３のＳ極がＵ相電磁石ステータ１２のＮ極と相互に引き合うバランス点の機械角６°前に移動した時、前記Ｕ相電磁石ステータ１２は、例示を停止し（図６Ｄに示したとおり）、Ｖ相電磁石ステータ１２のみが引き続き励磁を行う。前記永久磁石ロータ１３のＳ極は、Ｖ相電磁石ステータ１２のＳ極と反発し合って、相対に位置を変えて、永久磁石ロータ１３が引き続き時計回りに回転する。

さらに、誘導磁石１１２前端がＷ相ホールセンサ１１１に進入した時、図５及び図６Ｅ、図６Ｆに示したとおり、前述の動作原理に基づき、前記永久磁石ロータ１３のＮ極後縁はすでにＷ相電磁石ステータ１２のＮ極面の機械角１０°に進入していて（図５、図６Ｅに示したとおり）、永久磁石ロータ１３のＳ極前縁はすでにＷ相電磁石ステータ１２のＳ極極面前縁の機械角８°の範囲を超えている（図５に示したとおり）。永久磁石ロータ１３のＮ極とＷ相電磁石ステータ１２のＮ極は、同じ極で反発し合う。同時に、前記ロータ位置検知装置１１のＶ相ホールセンサ１１１は誘導磁石１１２の誘導範囲内にあることで（図６Ｅに示したとおり）、前記永久磁石ロータ１３のＳ極とＶ相電磁石ステータ１２のＮ極は、異なる極で引き合う（図６Ｅに示したとおり）。これにより、この瞬間、依然として両相の磁極は、反発と引き合う動作を行なって、引き続き永久磁石ロータ１３の磁極と電磁石ステータ１２の磁極は移動して、時計回りに回転する。さらに、永久磁石ロータ１３は引き続き回転する。誘導磁石１１２末端は、Ｖ相ホールセンサ１１１の中心点を超え（図６Ｆに示したとおり）、永久磁石ロータ１３のＳ極が、Ｖ相電磁石ステータ１２のＮ極の相互に引き合うバランス点の機械角６°前に移動した時、前記Ｖ相電磁石ステータ１２は、励磁を停止し（図６Ｆに示したとおり）、Ｗ相電磁石ステータ１２のみが引き続き励磁を行なう。前記永久磁石ロータ１３のＳ極は、引き続きＷ相電磁石ステータ１２のＳ極を反発し合って位置を変えて、永久磁石ロータ１３は引き続き時計回りに回転する。

さらに、図７を参照しながら説明する。上述の動作原理に基づき、Ｕ→Ｖ→Ｗ→Ｕ→Ｖ→Ｗの順序に、永久磁石ロータ１３は引き続き回転する。電磁石ステータ１２の各相の差は、機械角６０°であり、故に、永久磁石ロータ１３が一周回転すると、前記各相電磁石ステータ１２は、ＯＮとＯＦＦをそれぞれ２回行なう。この循環を繰り返し、前記モータと同軸に回転する誘導磁石１１２と６個のホールセンサ１１１の間のホール効果は、永久磁石ロータ１３の磁極の位置信号を検知し、さらに、駆動装置１０が増幅した後モータの電磁石ステータ１２の巻線に電力を供給することで、電磁石ステータ１２の磁極は、引き続き永久磁石ロータ１３の磁極に伴って、反発と引き合う動作を行なって、相対に移動し回転して、相乗トルクが得られる。さらに、合成されたトルクによって発電機を駆動して発電させることが可能で、発電機が出力する電力がモータを回転させる電力より大きくなり、電力の実質的な増幅が可能となり、省エネの目的と効果を達成する。

すなわち、電気工学の分野において、交流モータは、ステータコイルを利用して、交流電流を通電させ回転磁界を発生させて、ロータの異性磁極を引き付けることで、ステータ回転磁界に伴い一緒に回転する。直流モータは、運用通電導体が磁界において力を受ける方向である『フレミングの左手法則』を利用して回転する。周知のように、電磁石にせよ、永久磁石にせよ、いずれも同じ磁極は反発し合い、異なる磁極は引き合うという特性を有する。このため、モータの回転もまた、同じ磁極は反発し合い、異なる磁極は引き合うという方式で回転する。クーロンの磁気力法則により、二つの磁極は相互作用力の大きさは二つの磁極磁界の強さの積に比例し、二つの磁極間の距離の二乗に反比例することがわかっている。Ｋ値及び二つの磁極間の距離がいずれも一定の値である時、いずれか一つの磁極の磁場の強度を増減させた場合、二つの磁極の相互作用のトルクを変更する必要がある。このため、モータの回転は、同じ極が反発し合い、異なる極が引き合うことにより、相互に作用力を他方に加えることになり、発生する相対的に移動して回転する。二つの力の交互作用の結果、その合成されたトルクは、二つの磁極磁界の強さの積に比例し、単一磁極のトルクではないということがわかる。

本発明の相乗トルクを有する直流モータが採用する技術手段は、ステータが電磁石であり、その電源は直流電源である。ロータ位置信号によって増幅された後供給され、ロータは永久磁石を採用している。ロータの磁極位置が変わると、ステータの磁極の電源は、ロータ位置信号の指令に伴い、ＯＮまたはＯＦＦになることで、電磁石のステータと永久磁石のロータが発生する磁界は、いかなる瞬間においても全て相互に垂直を保持する。二つの磁界は、それぞれ磁極間で反発し合い、引き合い、それに伴って位置を変え回転する。ロータ磁極の位置は変わり続け、ステータ磁極はロータ磁極に追随し続けて、ロータ磁極を前で退け、後ろで引き合い、両者は、それに伴って位置を変え続け、ロータはこれにより持続的に回転する。ロータの負荷が大きいほど、ステータの電流が大きくなり、モータのトルクも大きくなる。ステータの磁極の電源は一定の直流であるため、トルクの大きさとロータ角度Θは無関係である。Ｋが定値の時、ロータは永久磁石の磁界も定値である。このため、トルクＴは常にステータの磁界の強さ及びロータの磁界の強さの積に比例する。ステータ電圧をコントロールすることで、モータの回転速度をコントロールすることができる。電磁石に供給される電源は直流であるため、回転速度とモータの極の数は無関係である。ロータの磁極が永久磁石であることで励磁の必要がなく、モータのトルクはステータとロータからの合成されたトルクであるため、両相の磁極の相互作用の合成トルクは、常に単一ステータのトルクより大きい。一定のパワー供給条件下において、回転速度Ｎは、常に一定で変化することがない。トルクＴが増加すると、出力されるパワーＰもまた増加する。

言い換えれば、本発明の相乗トルクを有する直流モータは、直流電源を採用して、ロータ位置信号によりステータ磁極を永久にロータ磁極に伴い、前で退け、後ろで吸引させ、相対に移動させ回転させて、相乗のトルクを得ることで、単一ステータのトルクより大きい合成されたトルクによって、発電機を駆動して発電させ、発電機が出力する電力がモータ回転に供給する電力より大きく、さらに、電力の増幅と省エネの目的と効果を達成する。したがって、本発明の技術を提供することは、機械電力分野の発展とエネルギーの供給に対して大きな革新を遂げるはずである。

したがって、本発明は少なくとも以下の長所を有する。

１、本発明における直流モータは、相乗トルクの効果を有し、ロータが永久磁極を採用して励磁の必要がなく、その合成されるトルクは、単一ステータのトルクより大きく、故に、出力が入力より大きく、発電機を駆動して発電させるのに用いることが可能で、出力される電力は、モータを回転させるのに供給される電力より安定することにより、電力の増幅及び省エネの効果と果和目的が達成される。

２、設置が簡単、安全で、操作が速やかにでき、特殊な技術やスキルを必要としない。

３、発電設備の小型化が可能で、無論 家庭、コミュニティー、ビル、工場にかかわらず、どこでも独立して発電することが可能で、大きな発電所も必要なく、大掛かりな供給、配電設備の建設やメンテナンスの費用を節約できて経済性に優れる。

４、上述のように、配電設備を必要としないため、天災や事故の発生が回避でき、部分的や全面的な停電による損失が回避できる。

５、小さな電力で発電できるため、発電量がこれを基礎として無限に拡大発展させることが可能である。燃焼型燃料の必要がなく、地球上のいかなる資源をも消費することがないため、電力エネルギーが乏しくなるという危惧がない。

６、発電に燃焼型燃料を必要としないため、廃棄ガスを発生させることがなく、運転の際も廃棄物を発生させず、したがって、環境を汚染することもないため、生態に影響を及ぼすこともなく、清潔で経済性に優れたエネルギーである。

以上、本発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更などがあっても、本発明に含まれる。

１ 直流モータ
１０ 駆動装置
１０１ ロータ位置信号アンプ
１０２ パワーアンプ
１１ ロータ位置検知装置
１１１ ホールセンサ
１１２ 誘導磁石
１２ 電磁石ステータ
１３ 永久磁石ロータ
１４ モータ回転軸
Ｕ、Ｖ、Ｗ 電磁石ステータの三相

Claims (10)

1. 駆動装置、ロータ位置検知装置、電磁石ステータ及び永久磁石ロータから構成される相乗トルクを有する直流モータであって、このうち、
   前記駆動装置は、少なくとも一個のロータ位置信号アンプ及び一個のパワーアンプを備えて、
   前記ロータ位置検知装置は、ホールセンサを有するロータ位置検知装置であって、６個のホールセンサとモータ回転軸に固定される誘導磁石とから構成されて、このうち、
   前記ホールセンサは、いずれも機械角６０°の間隔で配置されて、いずれのホールセンサも各相電磁石ステータ磁極のＮ極極面における中心点の左側の設定位置に配置され、その順序は、Ｕ→Ｖ→Ｗ→Ｕ→Ｖ→Ｗであり、前記誘導磁石は、機械夾角の幅で設定されて、モータの回転軸に固定設置されて、モータ回転軸と同期回転し、前記誘導磁石は２個のホールセンサを跨ぐように配置されて、さらに、前端において、ホールセンサが、回転される誘導磁石がＯＮの状態の時、前記隣り合う後端のホールセンサが遅れてＯＦＦとなることで、隣り合う両相の磁界の励磁が重なり、
   前記電磁石ステータは、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相巻線に配置されて、それぞれの巻線機械角度の差は６０°で、電磁石ステータの三相巻線はモータの径の方向において三層に配列され、各相巻線は互いに重なり、各巻線は４極で、全ての極の幅は機械角７１°で、各極間は機械角１９°の間隔が空けられていて、各相磁極は、隣接してＮ→Ｓ→Ｎの順に配列されて、その順序はＵ→Ｖ→Ｗであって、各相ステータの配線は、Ｙによって接続され、このうち、Ｙ接点とＹ接点の他端Ｕ、Ｖ、Ｗ端は直流電源の入力端で、単相直流電源入力を形成して、
   前記永久磁石ロータは、４極で配置され、Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓの順序で配列され、
   前記モータと同軸回転の誘導磁石と６個のホールセンサの間のホール（Ｈａｌｌ）効果を利用して、永久磁石ロータの磁極位置信号を検知して、さらに、駆動装置のパワーアンプによって増幅された後、モータ電磁石ステータ巻線の電力として供給されて、電磁石ステータの磁極に、永久に永久磁石ロータ磁極に伴って、順にＯＮとＯＦＦとなり、永久磁石ロータの磁極と電磁石ステータの磁極に、前で反発し合い、後ろで引き合うことを行なわせて、それに伴って位置を変えて回転することを特徴とする相乗トルクを有する直流モータ。
2. 前記ロータ位置検知装置のいずれのホールセンサも、各相電磁石ステータ磁極のＮ極極面における中心点の機械角２６°左側の位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の相乗トルクを有する直流モータ。
3. 前記ロータ位置検知装置の誘導磁石は、機械夾角７５°の幅でモータ回転軸に固定設置されることを特徴とする請求項１に記載の相乗トルクを有する直流モータ。
4. 前記ロータ位置検知装置の前端において、ホールセンサは回転される誘導磁石が誘導してＯＮの状態である時、前記隣接する後端のホールセンサが機械角１５°遅れてＯＦＦになり、電磁石ステータの隣接し合う両相の磁界の励磁は機械角１５°重なることを特徴とする請求項１に記載の相乗トルクを有する直流モータ。
5. 前記ロータ位置検知装置の誘導磁石の前縁、永久磁石ロータの両Ｎ極後縁及びモータ回転軸の中心点は、相互に一直線上に配置されて対応することを特徴とする請求項１に記載の相乗トルクを有する直流モータ。
6. 前記永久磁石ロータ４極の各極の幅は機械角６９°で、各極間は機械角２１°の間隔を有することを特徴とする請求項１に記載の相乗トルクを有する直流モータ。
7. 前記電磁石ステータの磁界の配列は、モータ軸方向において、前記磁界巻線を含む一径方向で切断すると、円周の一側辺の中間がＶ相で極がＳ極、左辺がＵ相で極がＮ極、右辺がＷ相で極がＮ極であることを特徴とする請求項１に記載の相乗トルクを有する直流モータ。
8. 前記ロータ位置検知装置の６個のホールセンサは、それぞれ順に、Ｕが１、４、Ｖが２、５、Ｗが３、６の番号で、さらに、番号の順に時計回りに配列した時、それぞれ１、４のホールセンサが検知したロータ位置信号は、駆動装置のパワーアンプによって増幅された後モータのＵ相のステータ電源として供給され、２、５のホールセンサが検知したロータ位置信号は、駆動装置のパワーアンプによって増幅された後モータのＶ相のステータ電源として供給され、３、６のホールセンサが検知したロータ位置信号は、 駆動装置のパワーアンプによって増幅された後モータのＷ相のステータ電源として供給されることを特徴とする請求項１に記載の相乗トルクを有する直流モータ。
9. 前記ロータ位置検知装置の前端のホールセンサが、誘導磁石に誘導されて通電した時、前記隣接する後端のホールセンサは機械角１５°遅れてＯＦＦとなることで、永久磁石ロータのＮ極後縁が電磁石ステータのＮ極極面の機械角１０°に進入し、前記相の電磁石ステータのＮ極を駆動して、永久磁石ロータのＮ極と同じ極となり反発し合い、前記後相の電磁石ステータのＮ極を永久磁石ロータのＳ極と異なる極にして引き合うことで、この瞬間、電磁石は２相の磁極がそれぞれ永久磁石ロータの磁極と、前で退け、後ろで引き付けることを行なわせて、永久磁石ロータの磁極に、電磁石ステータの磁極に対して、それに伴う位置の変化を発生させて回転させて、誘導磁石後縁が後端ホールセンサ中心点に進入し、永久磁石ロータのＳ極が位置を変えて、後相電磁石ステータのＮ極と相互に引き合うバランス点の機械角６°前に達すると、前記後相電磁石ステータの励磁によりＯＦＦとなり、前相電磁石ステータのみが引き続き励磁して、永久磁石ロータのＳ極は引き続き前相電磁石ステータのＳ極と反発し合い、それに伴って位置を変えて回転することを特徴とする請求項１に記載の相乗トルクを有する直流モータ。
10. 前記永久磁石ロータの永久磁石の外径はアーチ型であり、中心点が比較的厚く、両端が比較的薄いことを特徴とする請求項１に記載の相乗トルクを有する直流モータ。