JP2019122218A

JP2019122218A - モーターの高回転および高トルク出力を非常に簡易な方法で実現すると共にコギング・トルクを無くしスムーズで静かなモーター回転を実現する

Info

Publication number: JP2019122218A
Application number: JP2018010050A
Authority: JP
Inventors: 千津子寺内; Chizuko Terauchi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-01-05
Filing date: 2018-01-05
Publication date: 2019-07-22

Abstract

【課題】モーターの高回転および高トルク出力を非常に簡易な方法で実現すると共にコギング・トルクを無くしスムーズで静かなモーターを提供する。【解決手段】単に固定子のコイルを含めたその全体およびその先端表面を、近づいて来る回転子方向に傾けてやるだけで吸引力アップを図る事を可能にすると共に、磁力抵抗を起させないコイルへの通電開始と停止の最も適したタイミングを提供することで、より強力で静かなモーターを、大掛かりで複雑なモーター改造や制御など無しに実現する。【選択図】図４

Description

本発明は、モーターの固定子磁石と回転子磁石の吸引力を、磁石の性質を最大限生かした非常に簡単な方法により可能な限り強くし、結果として回転子の回転速度を可能な限り速めると共に強いトルクを生み出す事をも実現し、さらに同時にその磁石の性質を逆転利用することで固定子および回転子の両極の重なり合いの際の磁力抵抗や逆起電力を最小限に抑える事で、コギング・トルクを生じさせない静かでスムーズなモーター回転を作り出すものである。

モーター（電動機）は、その周囲の固定子にコイルを巻き、通電して磁化し、一方モーター内で回転する回転子をも同様にコイルを巻くか永久磁石を使うかあるいは固定子磁石により動的に磁化をし、よって両極の磁石が互いに吸引あるいは反発を行うべくコイルの通電向きを必要ならば適宜変えながらその吸引力あるいは反発力を利用してモーター内の回転子を連続回転させる事で、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機械である。

従来から種々のモーター・タイプが存在するが、基本的に固定子磁石と回転子磁石の互いの吸引あるいは反発を利用して回転を生じさせるという点は共通である。

特に無し

モーターはその固定子磁石とその中で回転する回転子磁石を、互いに吸引あるいは反発をさせながら稼動させる為、互いの磁石がより強力なほどその回転により多く貢献する事は理解出来る。しかしながらその為には普通、各極に巻いたコイルに通電する入力電力をより大きくしてやるとかコイルの巻き数を増やすとか極の金属芯の成分を工夫してより強い磁石を得るなど、いわゆるモーター規模を大きくし、その結果両磁石極同士の吸引や反発をより大きくしてモーター出力を上げてやると言う方法を取っている。それは既知の解決策である。しかしながら、一方でそれらの解決法を取らずに基本的に今あるモーターの規模のままで出力を上げてやろうと言うのは簡単には出来ないのが普通である。また、通常のモーターでは、両極磁石の吸引あるいは反発の力が常に回転にだけ寄与するのではなく、時には両極が磁石の力により瞬間的にではあっても吸引ではなく「吸着」してしまう、つまり磁力抵抗が発生して回転を阻害する場合が起ってしまう。そしてそれがモーターの振動や騒音を発生させる原因にもなっている。

今、固定子や回転子への入力電力もその金属成分も大きさも磁束密度もコイルの巻き数も何も変えず、つまりモーター規模を拡大せずとも、互いの磁石の吸引力を強めて回転子の回転を速め、トルク出力も大きくする事が可能であり、それが当発明である。

ちなみに当発明では、回転子を回転させるのに吸引力だけを利用し、その為固定子は例えば全てＮ極のみとし、従って回転子は全てＳ極のみにするという簡単な吸引力だけを利用した形にし、それにより固定子磁石の極をＮからＳ、またはＳからＮへと適宜切り替えていくといったような制御を不要にするという利点をも持たせている。

当発明の説明をする前に先ず図１、図２、図３により磁石の磁力の説明を行う。当発明のモーターがなぜ簡単に出力アップが出来るのかの理由が明確になるからである。

先ず図１は、一方がＮ極で他方がＳ極の磁石が近距離で互いに向かい合っている時、互いの磁力線が平行している場合に、またそうなっている磁石箇所、つまり磁石の中央部分であるが、そこが最も吸引力が強く、その両端の互いの磁力線が交差している箇所では吸引力は弱くなっている事を示しているが、これは既知の事実である。

一方で、図２は、従来の通常のモーターにあるように、ある一つの固定子の磁石面が回転面に平行して置かれている場合、それに向かって回転子磁石が近づきながら図の（１）、（２）、（３）の順に徐々に重なっていく場合を示しているが、上記［０００８］の既知の事実を基にすれば、図２が示しているようにそれぞれの場合の磁力線の重なり具合に基づいた吸引力が働くことになる。

次に図３では、固定子のそのコイルを含めた全体および先端磁石面を、今近づいて来る回転子磁石方向に傾けた場合を示している。そこではやはり上記［０００８］の既知の事実を基に図示してみると、図２の場合より多くの磁力線本数が重なり合うのが見て取れる。例えば図が示している傾きで見た場合、その傾き角度θの正弦（ｓｉｎθ）を取り磁力線を平行的に交わるようにして見れば単純に磁力線本数は倍増しているのが分かる。ということは図２の（１）、（２）、（３）に対応した図３の（１）、（２）、（３）それぞれの場合で、このような簡単な方法、つまり固定子全体を傾け、その先端表面を今近づいて来る回転子方向に向けてやるだけで、図２の場合より吸引力を倍増させる事が出来るというのが分かる。磁力を倍増するには普通、コイルの巻き数を２倍に増やすとか、磁石の磁束密度を倍にするか、その表面積を倍にするなど、モーターへの大掛かりな改造が必要になるのだが、固定子を単に傾けるだけで磁力倍増が出来ると言うメリットは大きいし、それが図２と図３を比較してみれば正しいと言う事が理論的にも明らかである。

磁石の表面を平坦にした場合や、湾曲あるいは凸レンズのようにした場合などによりそれぞれの表面から出る磁力線の向きは若干変わるし、それにより吸引力の強弱も変わって来るが、それでもキーとなるのは固定子全体およびその先端表面を、近づいて来る回転子方向に傾けること、そういう簡単な形のモーターを製作するだけ、それだけで互いの吸引力をより強くすることが出来るのでメリットは大きい。

次に、今までの上記の説明、特に図３の（１）、（２）、（３）の順に回転子が固定子に吸引されて回転する場合を見れば分かるように、回転子が固定子磁石に吸引されて図３の（３）の位置になるまでは回転子は回転を継続出来るが、（３）の位置を少しでも過ぎる状態になった時は両極磁石の磁力線の内で互いに平行となる本数がさらに増えてしまい、結果的に両極はその時点で非常に強く吸引され、というより互いが「吸着」されてしまい、回転子の回転はそこで急に遅くなりその結果回転の際に振動を誘発するか、あるいはそこで止まってしまうことにさえもなりかねない。

従来のモーターでは、交流モーターか直流モーターかに関わらず、両極が重なる結果吸引力が回転子の回転に寄与するのではなく「吸着力」となって回転子の回転を阻害する力になってしまうのを防ぐ為、種々複雑な制御をする形で実現実施しているが充分とは言えず振動とか騒音の創出が否めない。それらを無くすのには簡単に言うと「吸着力」が発生する前に少なくともどちらか一方の極の通電を止めれば良いのであるが、しかしながら特に交流モーターでは正弦波を使用しているため通電を止めることは勿論出来ないし、交流の向きを変えるタイミングをいくら制御しても「吸着力」をゼロにすることは不可能である。また、直流モーターにしても「吸着力」が発生する前のタイミング、即ち図２や図３の（３）の位置になる前を考慮してそのタイミングで正確に通電をオフにするモーターは殆ど存在していないと言っても過言ではない。

上記の説明を基にすれば、固定子のコイルを含めその全体を、これから近づいて来る回転子方向に傾けることにより吸引力を出来るだけ強め、それにより回転力を増し、そして両極が「吸着」となって回転子の回転を阻害してしまうのを防ぐには、図４で示しているようなタイミング、それは図２や図３の（３）のタイミングなのであるが、そのタイミングで固定子あるいは回転子一方または両方のコイルの通電を停止するようにすることである。

一方で、回転子磁石を吸引し始めるタイミングは、図４に示されているように回転子が二つの固定子の大体中間点位置に来た時に全コイルに直流通電を開始し、固定子および回転子を共に磁化し、両者を全極で一斉吸引し始め、強い吸引力を創出する。

固定子の先端表面は常に回転子に向けて傾けておく為、回転子が二つの固定子の中間点かあるいはその少し手前の位置くらいに来ていれば、その時点で通電して各極を同時磁化すれば、回転子から見て回転前方から来る固定子の磁力線の方が向きも本数も多い為そのまま前方に吸引されて回転を続ける事が出来、逆回転する事は無い、というのも本発明の利点である。

また、本発明の利点はさらに、固定子の数と回転子の数を同じに出来、しかも例えば固定子は全て同じＮ極に、回転子は全て反対極のＳ極にしてやることで、その結果固定子は常に回転子を吸引する形で回転させる事が出来るし、またそれら極同士は一斉にまた同時に吸引を行えるので、極数が増えると共により強力な吸引を発揮でき、回転数の増大並びに出力トルクの増大にもつなげられる、と言うこともある。

さらに、各極すべてに同時に通電開始と停止が行えるので、極個々に別個にタイミングをずらせて通電したりするステッピング・モーター的な制御も一切不要になるメリットもある。

今あるモーターの極数を増やさずとも、入力電力を上げずとも、コイルの巻き数を増やさずとも、また磁石自体の磁束密度を大きくしたり磁石表面の面積を広くして磁束を増やしたりせずとも、単に個々の固定子を、回転しながら近づいて来る回転子極方向に傾けてやるだけ、それだけでより強い吸引力を発揮させる事が出来ると言う簡略設定が可能であると共に、そういった磁力の性質を鑑み、モーターの全極を同時タイミングで通電開始と停止を行うことを可能にせしめることで極毎への通電の際の特別な制御は特に必要とせず従って製造も容易になり、結果として磁力抵抗やコギング・トルクを殆ど発生させないスムーズな回転子の回転を可能にし、従って振動も少なく静かなモーターの稼動を実現出来る、というのが当発明の最大の特徴であり長所である。

「磁石のＮ極とＳ極が近距離に向かい合って置かれた場合の磁力効果を示した図」「図１の磁力効果に基づき、一般のモーターの固定子設置の場合に如何に回転子を吸引していくか、その大きさを含めて図示したもの」「図１の磁力効果に基づき、固定子を傾けて設置した場合に如何に回転子を吸引していくか、その大きさを含めて図示したもの」「本発明を利用したモーターの場合を固定子および回転子それぞれが６極の場合でどう動作してスムーズな回転が実現できるかを図示したもの」

本発明は、単に固定子のコイルを含めたその全体およびその先端表面を、近づいて来る回転子方向に傾けてやるだけで吸引力アップを図る事を可能にすると共に、磁力抵抗を起させないコイルへの通電開始と停止の最も適したタイミングを提供することで、より強力で静かなモーターを、大掛かりで複雑なモーター改造や制御など無しに実現できる。

モーター可動の為の複雑な制御回路設計などが不要、且つ簡単なモーターの構造変更で済む為、モーター製作も容易であり、結果的に安価な製造コストになるに加え、強力且つ静かなモーターの回転を実現するものである。

安価で高効率、パワフルなモーターであるので電気自動車やエレベーター等々応用範囲は広いし、それに伴う経済効果も大きい。

特に無し

特に無し
【配列表】特に無し

Claims

今使用するモーターの固定子と回転子の極を同数持ち、あるいは回転子の数は固定子の数より少なくしても良いのではあるが、それぞれの極の磁石を例えば固定子を全てＮ極にしたら回転子はその反対のＳ極に統一し、従って全極は特別な制御せずとも同じタイミングで同時に直流を通電する事が出来、その結果全極が同時に吸引の起る形にし、またそれらの大きさや材質や磁力密度やコイルの巻き数やそこに投入する入力電力等々は当発明においては特に変更せずに、当発明のモーターでは単に個々の固定子のコイルを含めたその全体およびその先端表面を、回転しながら近づいて来る回転子の方向に傾けてやるだけ、と言うごく単純な方法により固定子と回転子間での吸引力を増大させ、結果としてモーターの回転数や出力トルクをも増大させると言う、そういう効果を簡単に可能にする事を特徴として持つ電動機。
請求項１の形のモーターにおいて、目標レベルの回転をさせるに必要なだけの直流の入力電力を複数の固定子コイル全部に同時通電するその開始タイミングを、回転子がそれぞれ二つの固定子のほぼ中間点位置前後に達した時と定め、そして次に通電を停止するタイミングを、回転子が回転前方の固定子に重なり始めその結果回転を助ける吸引力より回転を止めてしまう吸着力の方が大きくなるその手前の段階のタイミングで通電停止をするのであるが、その通電開始から停止までの間隔を可能な限り長くするとモーター出力は最大になり、それより小出力にする場合はその間隔を短くする形でモーター出力の大小をコントロールする事が可能にもなるのであるが、その通電停止の際、固定子と回転子が共にコイルを巻いた電磁石となっている場合は両コイル共に同時に通電停止を行うと逆起電力を殆ど引き起こさなく出来るのでそれが好ましいが、どちらか一方だけ通電停止をすることであっても互いの磁石の吸着力、即ち磁力抵抗はいずれにしろ殆ど無くすことが出来るが、しかしながら、もし固定子が電磁石で回転子が永久磁石あるいは電磁石でも通電したままの磁石状態になっていると逆起電力は発生するが、それでも当該請求項１に示したように固定子をそのコイルを含め傾けておくことによりそのコイルの片端側が回転子磁石から見て遠ざかる形になるのに加えその右側と左側の間隔が、コイルが斜めになった結果狭まる事になりその双方の影響により逆起電力を減少させることが出来るという利点も生じ、総じてそう言ったモーター構造において可能な限り最大限の回転促進力を得ることを可能にすると共に磁力抵抗並びにコギング・トルクを最小限に抑え、その結果静かでスムーズなモーター稼動の実現を可能にする事を特徴として持つ電動機。