JP2019030202A - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電動機10は、複数の永久磁石22がハウジング21に回転円周R1に沿って配置され、永久磁石の磁極が回転軸線L1に沿った方向に向いた回転子20と、回転子20を回転駆動する磁束を励磁する複数の巻線Cから形成され、永久磁石22の磁極が向く方向における回転円周R1に沿って巻線Cが配置された固定子30とを備えている。固定子30は、回転子20が第1巻線31〜第4巻線34による固定子30の端部(一方の端部31T1,32T1,33T1,34T1、他方の端部31T2,32T2,33T2,34T2)に向いたときに、固定子30の端部から固定子30内への磁路Rが、回転子からの主磁束方向F1と交差する方向に形成されている。
【選択図】図1
Description
しかし、ロータ磁石の磁極をステータのコイルに向け、ロータ部のハウジングに回転円周に沿って複数のロータ磁石を収納して回転させるときには、ロータ部が高速回転すると、ハウジングから磁石が、遠心力によりコイルの方向へ飛び出すおそれがある。
発電用巻線は、補助用の巻線と同軸であるため、発電用巻線に発生する磁界が補助用の巻線を助勢するように作用する。従って、回転速度調整部に流れる電流に応じて永久磁石の回転数を調整することができる。
従って、本発明の回転電機は、逆起電力の発生を抑えることにより、高電圧を印加しなくても高回転とすることができ、高回転を長時間続けても回転子の信頼性を維持することができる。
本発明の実施の形態1に係る回転電機について、電動機を例に、図面に基づいて説明する。
なお、図1(A)及び同図(B)は本実施の形態1に係る電動機を説明するための概略図であり、固定子や出力軸を支持したり、センサ部などを支持したりする筐体は図示していない。
図1(A)及び同図(B)に示す電動機10は、出力軸O1と同軸に形成された回転子20と、回転子20を回転駆動する磁束を励磁する固定子30とを備えている。
ハウジング21は、円盤状に形成され、永久磁石22を回転円周R1に沿って等間隔に収納するものである。
永久磁石22は、直方体に形成され、N極またはS極のいずれか一方の磁極を交互に固定子30に向けてハウジング21に配置されている。本実施の形態1では、永久磁石22が90度ごとに4個、ハウジング21に設けられている。
永久磁石22は、磁力が他の磁石より強いネオジム磁石が使用できる。
固定子30は、回転子20が巻線C1の端部(端部31T1,31T2,32T1,32T2,33T1,33T2,34T1,34T2)に向いたときに、巻線C1の端部から巻線内への磁路R(図4参照)が、回転子20からの主磁束方向F1と交差する方向に形成されている。
本実施の形態1では、固定子30は、回転子20の回転軸線L1を中心として、巻線C1が回転円周R1に沿った円弧状に形成されている。
第1巻線31〜第4巻線34の巻線C1は、通電すると、向き合う一方の端部31T1,34T1同士、端部32T1,33T1同士が同極に、他方の端部31T2,32T2同士、端部33T2,34T2同士が同極を発生するように配線が巻かれている。
センサ部41は、一方の端部31T1,34T1と、端部32T1,33T1とをN極とし、他方の端部31T2,32T2と、端部33T2,34T2とをS極とするタイミングを検出したり、反対に、一方の端部31T1,34T1と、端部32T1,33T1とをS極とし、他方の端部31T2,32T2と、端部33T2,34T2とをN極とするタイミングを検出したりするために、第1センサ部411と、第2センサ部412とを備えている。
フォトインタラプタ41aは、第1巻線31と第4巻線34とが向き合う一方の端部31T1,34T1の位置を0度の位置、第2巻線32と第3巻線33が向き合う一方の端部32T1,33T1の位置を180度の位置としたときに、0度と90度の位置に形成されている。
励磁回路部42は、第1センサ部411と第2センサ部412とを一組として、第1FET421a,421bから第3FET423a,423bまでのトランジスタにより、第1巻線31〜第4巻線34への通電方向を制御する。
第1FET421a,421bは、ゲート端子Gが抵抗R11,R12を介してフォトインタラプタ41aに接続されている。また、第1FET421a,421bは、ソース端子Sが接地されている。
第4巻線34の一方の端部34T1からの配線は、第2FET422aのドレイン端子Dに接続されていると共に、第3FET423aのドレイン端子Dに接続されている。
第1巻線31の一方の端部31T1からの配線は、第2FET422bのドレイン端子Dに接続されていると共に、第3FET423bのドレイン端子Dに接続されている。
図1(A)および同図(B)に示す制御回路40に電源が供給される。
例えば、永久磁石22のN極が、第1センサ部411のフォトインタラプタ41aの方向へ向くと、第1センサ部411のフォトインタラプタ41aに遮蔽板41bの円弧状切欠部41cが位置する。
遮蔽板41bの円弧状切欠部41cにより、第1センサ部411のフォトインタラプタ41aの光が透過することで、第1センサ部411のフォトインタラプタ41aのフォトトランジスタが通電する。
従って、図2に示すように、第2センサ部412のフォトインタラプタ41aに、抵抗R12,R42を介して接続された第1FET421bのゲート端子Gと、第3FET423bのゲート端子Gとは、第1FET421bと第3FET423bがオフ状態となる、第1電圧より低電圧の第2電圧(0V)となる。
そして、電流が、第1巻線31から第2巻線32、第3巻線33および第4巻線34へ順次流れ、第4巻線34の一方の端部34T1から第3FET423aのドレイン端子Dへ流れ、第3FET423aのドレイン端子Dからソース端子Sへ流れる。
そうすることで、図3(A)に示すように、第1巻線31の端部31T1,第4巻線34の端部34T1と、第2巻線32の端部32T1,第3巻線33の端部33T1とに、永久磁石22のN極と反発する同極(N極)の磁界が発生し、他方の端部31T2,端部32T2と、端部33T2,端部34T2とに、永久磁石22のS極と反発する同極(S極)の磁界が発生する。
第1巻線31〜第4巻線34が発生した磁界により、永久磁石22の両極が反発して、回転子20が回転する。
遮蔽板41bの円弧状切欠部41cにより、第2センサ部412のフォトインタラプタ41aの光が透過することで、第2センサ部412のフォトインタラプタ41aのフォトトランジスタが通電する。
そして、電流が、第4巻線34から第3巻線33、第2巻線32および第1巻線31へと順次流れ、第1巻線31の一方の端部31T1から第3FET423bのドレイン端子Dへ流れ、第3FET423bのドレイン端子Dからソース端子Sへ流れる。
そうすることで、図3(B)に示すように、第1巻線31の端部31T1,第4巻線34の端部34T1と、第2巻線32の端部32T1,第3巻線33の端部33T1とに、永久磁石22のS極と反発する同極(S極)の磁界が発生し、他方の端部31T2,端部32T2と、端部33T2,端部34T2とに、永久磁石22のN極と反発する同極(N極)の磁界が発生する。
第1巻線31〜第4巻線34が発生した磁界により、永久磁石22の両極が反発して、回転子20が回転する。
このように、固定子30において、図3(A)に示す磁極と図3(B)に示す磁極とが交互に発生することで、回転子20は回転し続けることができる。
そのため、図4に示すように固定子30内の磁路は、巻線(第1巻線31〜第4巻線34)の円弧状に沿ったものとなる。回転子20の永久磁石22の各磁極が第1巻線31〜第4巻線34の端部(図4では第1巻線31の端部31T1,第4巻線34の34T2)を向いて通過するときには、固定子30の端部から固定子30内への磁路が、回転子20からの主磁束方向F1と交差する方向となる。
従って、回転子20からの主磁束は、巻線C1の筒内に真っ直ぐ入るように横切らない。よって、電動機10は、巻線の向きを半径方向に向けた従来の電動機より磁束の変化が小さいので、従来の電動機より逆起電力を小さいものとすることができる。
そのため、ハウジング21に収納された永久磁石22は、遠心力が作用する方向(回転円周R1の半径方向)と、磁極が巻線C1に向く方向とが異なる方向となるので、永久磁石22を巻線C1へ接近させてハウジング21に配置して、回転子20を高速に回転させても、ハウジング21から永久磁石22を飛び出し難くすることができる。
従って、回転子20の高速回転を維持した状態で長時間の運転を可能とすることができる。
本発明の実施の形態2に係る回転電機について、電動機を例に、図面に基づいて説明する。なお、図1(A)及び同図(B)と同様に、図5(A)及び同図(B)においても、固定子や出力軸、センサ部などを支持する筐体は図示していない。また、図5(A)及び同図(B)においては、図1(A)及び同図(B)と同じ構成のものは、同符号を付して説明を省略する。
このように固定子30aの巻線C2の軸線L2が直線状に形成されていても、永久磁石22が巻線C2の端部に向いたときに、巻線C2の端部から巻線C2内への磁路が、永久磁石22からの主磁束方向と交差する方向に、固定子30aの巻線C2が形成されており、そして、永久磁石22の磁極が向く方向における回転円周R1に沿って巻線C2が配置されている。そのため、実施の形態1と同じ作用・効果を得ることができる。
しかし、電動機11では、回転円周R1に沿って配置された巻線C2の上方を、回転子20の永久磁石22が回転するため、永久磁石22の磁極と巻線C2との距離を一定とすることができる。
本発明の実施の形態3に係る回転電機について、電動機を例に、図面に基づいて説明する。図6に示す本実施の形態3に係る電動機12は、図1(A)及び同図(B)に示す実施の形態1に係る電動機10に、補助用の巻線33a〜33dを備えたものである。
なお、図6においては、図1(A)及び同図(B)と同じ構成のものは、同符号を付して説明を省略する。
巻線33aは、端部31T1及び端部34T1と同極となるように、巻線33bは、端部31T2及び端部32T2と同極となるように、また、巻線33cは、端部32T1及び端部32T1と同極となるように、更に、巻線33dは、端部33T2及び端部34T21と同極となるように、制御回路40により制御される。
従って、巻線33a〜33dにより、回転子20の回転駆動力を増強することができる。
本実施の形態3に係る電動機の変形例を、図面に基づいて説明する。
図7に示す本実施の形態3に係る電動機12aは、図6に示す実施の形態3に係る電動機12に対して、補助用の巻線33a〜33dの軸線L3を回転軸線L1に沿って回転子20側に向けたものであり、固定子30aの巻線C2が、直線状の軸線L2に形成されたものである。
なお、図7においては、図5(A)及び同図(B)および図6と同じ構成のものは、同符号を付して説明を省略する。
本発明の実施の形態4に係る回転電機について、電動機を例に、図面に基づいて説明する。図8に示す本実施の形態4に係る電動機13は、図6に示す実施の形態3に係る電動機12に、発電用巻線35a〜35dを備えたものである。
なお、図8においては、図6と同じ構成のものは、同符号を付して説明を省略する。
発電用巻線35a〜35dには、図9に示すように、回転速度調整部50が接続されている。
回転速度調整部50は、整流部51と、消費部52とを備えている。整流部51は、ダイオードブリッジにより構成することができる。
消費部52は、可変抵抗器とすることができるが、可変抵抗器の代わりに電気エネルギーを有効利用する負荷を接続してもよい。例えば、バッテリの充電回路としたり、照明器具としたり、電動機としたりすることができる。消費部52は、短絡状態から開放状態までに抵抗値を設定できるものとすることができる。
回転速度調整部50は、発電用巻線35a〜35dのそれぞれに設けることができ、また、発電用巻線35a〜35dに共通させて設けることもできる。
図8に示す電動機13を動作させ、巻線33a〜33dに通電することで発電用巻線35a〜35dに起電力を発生させることができる。図9に示す発電用巻線35a〜35dからの電流は整流部51により全波整流され、消費部52に流れる。消費部52では、発電用巻線35a〜35dからの電力を、設定された抵抗値によって消費する。
本実施の形態4に係る電動機の変形例を、図面に基づいて説明する。
図10に示す本実施の形態4に係る電動機13aは、図8に示す実施の形態4に係る電動機12に対して、補助用の巻線33a〜33dおよび発電用巻線35a〜35dの軸線L3を回転軸線L1に沿って回転子20側に向けたものであり、固定子30aの巻線C2が、直線状の軸線L2に形成されたものである。
なお、図10においては、図5(A)及び同図(B)および図8と同じ構成のものは、同符号を付して説明を省略する。
本発明の実施の形態5に係る回転電機について、電動機を例に、図面に基づいて説明する。
なお、図11から図16においては、本実施の形態5に係る電動機を説明するための概略図であり、固定子や出力軸を支持したり、センサ部などを支持したりする筐体は図示していない。また、回転子の永久磁石を保持して回転軸線を中心に回転させるハウジングは図示していない。更に、励磁回路部42(図2参照)は、同様のものが使用できるため、説明は省略する。
回転子200は、固定子300を挟んで、上下方向の両側に配置され、出力軸O1に接続されている。本実施の形態5に係る電動機14では、回転子200が上下方向に沿って、上段(第1回転子200a)、中段(第2回転子200b)、下段(第3回転子200c)の3つを備えている。そのため、それぞれの回転子200の間に固定子300が上段(第1固定子300a)及び下段(第2固定子300b)の2つ配置されている。
従って、上段の固定子300(第1固定子300a)は、上段および中段の回転子200(第1回転子200a,第2回転子200b)によって挟まれており、下段の固定子300(第2固定子300b)は、中段及び下段の回転子200(第2回転子200b,第3回転子200c)によって挟まれている。
上段の回転子200(第1回転子200a)は、永久磁石202のN極とS極が交互に下方の固定子300に向くように配置されている。
中段の回転子200(第2回転子200b)における上方を向く磁極(上段の回転子200の永久磁石202と向き合う磁極)は、上段の回転子200と同極になるように配置されている。また、中段の回転子200の下方の向く磁極は、中段の回転子200の上方を向く磁極と反対の磁極である。
下段の回転子200(第3回転子200c)における上方を向く磁極(中段の回転子200の永久磁石202と向き合う磁極)は、中段の回転子200における下方を向く磁極と同極になるように配置されている。
固定子300は、回転子200の回転軸線L1を中心に円周方向に沿って円周を4分割した円弧状の巻線301〜304が、図12に示すコア310に巻き回されて形成されている。
コア310は、金属製とすることもできるが樹脂製とすることもできる。コア310を樹脂製とすれば磁気飽和が生じないので、巻線301〜304に大電流を流すときには好ましい。
固定子300の巻線301〜304は、励磁回路部42により、向き合う端部同士が同極を発生するように配線が巻かれている。
図13及び図14に示すように、まず、初期状態として、上段の回転子200(第1回転子200a)は、永久磁石202が上段の固定子300(第1固定子300a)の巻線301〜304の中央部付近に位置しているが、中段の回転子(第2回転子200b)及び下段の(第3回転子200c)は、永久磁石202が下段の固定子300(第2固定子300b)の巻線301〜304の端部付近に位置している。
また、励磁回路部42は、図13に示すように、下段の固定子300(第2固定子300b)について、巻線301と巻線302とが向き合う端部同士がS極、巻線302と巻線303とが向き合う端部同士がN極、巻線303と巻線304とが向き合う端部同士がS極、巻線304と巻線301とが向き合う端部同士がN極となるように通電する。
回転子200が固定子300に反発して45°回転して、上段及び中段の永久磁石202が巻線301〜304の端部への接近したことをセンサ部が検知すると、励磁回路部42は、上段の固定子300と下段の固定子300の電流の向きを反転させることで、巻線301〜304のそれぞれの磁極が反転する。
そのため、巻線301〜304の端部同士が向き合い、回転子200の永久磁石202の方向を向いていないので、永久磁石202からの主磁束が、巻線301〜304の筒内に真っ直ぐ入るように横切らない。
従って、電動機14は、従来の発電機として動作する電動機より、起電力が小さいので、従来のものより逆起電力を小さくすることができる。よって、電動機14は、同じ回転数であれば、低い電圧で回転駆動させることができ、同じ電圧であれば、高速に回転させることができる。
そのため、ハウジング(図示せず)に収納された永久磁石202は、遠心力が作用する方向と、巻線301〜304に接近させる方向とが異なる方向となるため、永久磁石202を巻線301〜304へ接近させてハウジングに配置して、回転子200を高速に回転させても、ハウジングから永久磁石202が飛び出してしまうことは無い。
従って、回転子200の高速回転を維持した状態で長時間の運転を可能とすることができる。
本発明の実施の形態6に係る回転電機について、電動機を例に、図面に基づいて説明する。なお、図17においては、図5(B)と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図17に示す本実施の形態6に係る電動機15は、回転子20の回転中心となる出力軸O1を中心に取り囲む固定子30bの巻線C2が、実施の形態2の電動機11と同様に、永久磁石22の磁極が向く方向における回転円周R1に沿って配置されており、回転子20の回転円周R1の接線に沿った軸線L2が直線状に形成されている。そして、巻線C2は、平行した2本が回転円周R1の半径方向に並べられた状態で、電気的に並列接続されている。
従って、巻線C2を1本としたときと複数本としたときの方が電流を多く流すことができるため、回転子20の駆動力を増強することができる。
いずれの場合でも、隣接する巻線の端部が同極を発生するように巻方向及び通電方向を制御する。
また、実施の形態4では、図9に示す回転速度調整部50が整流部51を備えているが、発電用巻線35a〜35dからの電力をそのまま消費できるのであれば、消費部52を、発電用巻線35a〜35dに、直接接続してもよい。
また、実施の形態3に係る電動機12の直管状の巻線33a〜33d(図6参照)、実施の形態に4に係る電動機13の直管状の巻線33a〜33d及び発電用巻線35a〜35d(図8参照)は、図2(A)に示す実施の形態2に係る電動機12と、図11に示す実施の形態5に係る電動機14と、図17に示す実施の形態5に係る電動機15と、図18に示す電動機16とに設けることもできる。
更に、本実施の形態5では、永久磁石202が円柱状に形成されているが球状に形成されていてもよい。
また、回転子20は、固定子320を挟んで一対設けられている。
従って、磁力が強くなる巻線C3の軸線L3に接近させて、永久磁石22の磁極を配置することができるため、回転子20の回転力を増加させることができる。
また、巻線は、永久磁石22の磁極を、巻線の軸線に接近させることができればよいので、巻線の断面は、回転軸線L1に沿った方向の長さ(厚み)が、回転円周R1の半径方向の長さ(幅)より、短く形成されていればよい。従って、巻線の断面の厚みが幅より薄い、長方形や菱形、その他の多角形状とすることもできる。
また、図18では、巻線C3の軸線L3が直線状に形成されているが、図1に示す巻線C1が円弧状であっても、この巻線C1を回転軸線L1の方向が潰れた形状とすることもできる。また、図17に示す電動機15のように巻線C1を平行に複数本設けてもよい。
20,200 回転子
200a 第1回転子
200b 第2回転子
200c 第3回転子
21 ハウジング
22,202 永久磁石 30,30a,30b,300,320 固定子
300a 第1固定子
300b 第2固定子
301〜304 巻線
310 コア
311 鍔部
312 芯材
305 接続線
31〜34 第1巻線〜第4巻線
31T1,31T2,32T1,32T2,33T1,33T1,33T2,34T1,34T2 端部
33a〜33d 巻線
35a〜35d 発電用巻線
40 制御回路
41 センサ部
411 第1センサ部
412 第2センサ部
41a フォトインタラプタ
41b 遮蔽板
41c 円弧状切欠部
42 励磁回路部
421a,421b 第1FET
422a,422b 第2FET
423a,423b 第3FET
G ゲート端子
S ソース端子
D ドレイン端子
R11,R12,R21,R22,R31,R32,R41,R42 抵抗
C11,C12 コンデンサ
D11,D12,D21,D22 ダイオード
50 回転速度調整部
51 整流部
52 消費部
C1,C2,C3 巻線
O1 出力軸
R1 回転円周
F1 主磁束方向
L1 回転軸線
L2,L3 軸線
R 磁路
S1 隙間
Claims (11)
- 複数の永久磁石がハウジングに回転円周に沿って配置され、前記永久磁石の磁極が回転軸線に沿った方向に向いた回転子と、
前記回転子を励磁により回転駆動する、回転円周に沿って配置された複数の巻線を有する固定子とを備え、
前記巻線は、前記永久磁石の磁極が前記巻線に向いたときに、前記巻線の端部から巻線内への磁路が、前記永久磁石からの主磁束方向と交差する方向に形成された回転電機。 - 前記回転子は、前記固定子を挟んで両側に配置された請求項1記載の回転電機。
- 前記固定子は、前記回転子の回転円周に沿った円弧状の前記巻線により形成された請求項1又は2記載の回転電機。
- 前記固定子は、前記回転子の回転円周の接線に沿った軸線が直線状の前記巻線により形成された請求項1又は2記載の回転電機。
- 前記固定子は、前記回転子の回転軸線に沿って複数備え、
前記固定子のそれぞれは、前記固定子を形成する巻線同士の隙間が、回転円周方向にずれた位置に配置された請求項1から4のいずれかの項に記載の回転電機。 - 前記固定子は、前記回転子の回転中心を取り囲む巻線が並列接続された複数本により形成された請求項1から5のいずれかの項に記載の回転電機。
- 前記巻線の断面は、回転軸線に沿った方向の長さが、回転円周の半径方向の長さより、短く形成された請求項1から6のいずれかの項に記載の回転電機。
- 前記複数の巻線の端部同士の間に、補助用の巻線が設けられた請求項1から7のいずれかの項に記載の回転電機。
- 前記補助用の巻線と同軸に、発電用巻線が設けられた請求項8記載の回転電機。
- 前記発電用巻線からの電流を調整する回転速度調整部が接続されている請求項9記載の回転電機。
- 前記回転速度調整部は、前記発電用巻線に接続された整流部と、前記整流部からの電流を消費する消費部とを備えた請求項10記載の回転電機。
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