JP2019511198A - 電動機 - Google Patents

Abstract

電動機において、Ａロータであって、ａ．１同心のシャフト及びディスクと、ａ．２前記ディスク上にリング状の構造で等角度に離間され且つ等半径に配設されている複数の永久磁石と、を備えるロータと、Ｂステータであって、ｂ．１平面視してＵ字形構造及び側面視して両Ｃ字形構造を有する複数のコイルであって、前記コイルは等角度に離間され且つロータの前記ディスクに対して等半径に配設されており、前記Ｃ字形構造の各部分は前記リング状の構造及びディスクが回転移動する際に通過する空洞を有する、複数のコイルと、ｂ．２前記Ｕ字形コイルの各々内にある複数巻線のコイルと、を備えるステータと、を備える、電動機。

Description

本発明は電動機の分野に関する。より具体的には、本発明は、ステータのところに設置されるコイルとディスク型ロータ上に位置する永久磁石とを含む電動機に関する。

回転型の電動機はよく知られており、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換するために、今や長年にわたり広く使用されてきている。典型的な電動機は、ロータとステータとを備えている。

ロータは電動機の可動する部品であり、負荷に回転を伝える回転するシャフトを備える。ロータは通常、中に導体が据えられており、この導体は、ステータの磁場と相互作用してシャフトを回転させる力を生む電流を搬送する。別の代替形態では、ロータは永久磁石を備えており、一方、ステータは導体を保持する。

そしてステータは、電動機の電磁回路の固定された部品であり、通常は巻線又は永久磁石のいずれかを有する。ステータ・ボビンは通常、ラミネーションと呼ばれる多数の薄い金属シートで構成されている。ラミネーションは、中実のボビンを使用した場合に生じるであろうエネルギー損失を低減するために使用される。

電動機はまた、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する逆の機能でも使用され、このような場合、電動機は事実上発電機である。

しかしながら、電動モータが電気エネルギーを機械的エネルギーに変換するように動作している間に、電動モータ内で寄生磁束が生み出され、この結果、所望の機械的エネルギーを生み出す以外に、ＣＥＭＦ（Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｏｔｉｖｅ Ｆｏｒｃｅ、逆起電力）と呼ばれる電気エネルギーが生成されることになる。この寄生電気エネルギーが実際には、電動機から得られる総機械的エネルギーを減少させる。電動機内で生み出される寄生電気エネルギーは、総エネルギーに対して３０００Ｒｐｍで８０％、１０００Ｒｐｍで２０％にまで達する場合がある。典型的な電動機の構造につきものである寄生エネルギーのこの量を除去しようとする取り組みは全て、何らかの限界に達しているが、この寄生エネルギーを完全には排除できなかった。

Ｔａｋｅｕｃｈｉによる米国特許第８，６４３，２２７号は、コイル内で移動する永久磁石を使用する、リニアモータを開示している。

米国特許第８，６４３，２２７号

先行技術の電動機において反転磁束に起因して生じる、電圧生成の形態をとる寄生エネルギーが、実質的に除去される、電動機の新しい構造を提供することが、本発明の目的である。

本発明の更に別の目的は、非常に高い回転速度で動作できる電動機を提供することである。

本発明の更に別の目的は、コイルの各々に低い電流を供給すればよい、より安全な電動モータを提供することである。

本発明の更に別の目的は、単純で安価な構造を有する電動モータを提供することである。

本発明の更に別の目的は、先行技術の電動機と比較して効率の向上した電動モータを提供することである。

説明が進むにつれ、本発明の他の目的及び利点が明らかになるであろう。

説明が進むにつれ、本発明の他の目的及び利点が明らかになるであろう。

電動機において、（Ａ）ロータであって、（ａ．１）同心のシャフト及びディスクと、（ａ．２）前記ディスク上にリング状の構造で等角度に離間され且つ等半径に配設されている複数の永久磁石と、を備えるロータと、（Ｂ）ステータであって、（ｂ．１）平面視してＵ字形構造及び側面視して両Ｃ字形構造を有する複数のコイルであって、前記コイルは等角度に離間され且つロータの前記ディスクに対して等半径に配設されており、前記Ｃ字形構造の各部分は前記リング状の構造及びディスクが回転移動する際に通過する空洞を有する、複数のコイルと、（ｂ．２）前記Ｕ字形コイルの各々内にある複数巻線のコイルと、を備えるステータと、を備える、電動機。

本発明の実施例では、Ｕ字形コイルはステータ基部に取り付けられている。

本発明の実施例では、ロータの任意の２つの隣接する永久磁石の間に強磁性のコアが配設されており、これにより閉リングが形成される。

本発明の実施例では、方向が入れ替わるＤＣ電流がコイルのうちの前記コイルに供給される。

本発明の実施例では、前記コイルの全てが並列に接続されており、この結果これらは単一のＤＣ源から給電されるようになっている。

本発明の実施例では、電動機は、前記コイルに対する前記永久磁石のうちの１つ又は複数の位置をそれぞれ感知するための及びＤＣ電流の方向をいつ変更するべきかについての指示をそれぞれ提供するための、１つ又は複数のセンサを更に備える。

本発明の実施例では、前記センサの各々はホール型センサである。

本発明の実施例では、ＤＣ電流の方向の前記変更は制御装置によって行われ、前記変更は前記１つ又は複数のセンサから受信される信号によって時間設定される。

本発明の実施例では、隣接する永久磁石の極は、同じ極がＳ−Ｓ、Ｎ−Ｎ．．．の配置で互いに対面するように配置されている。

本発明の実施例では、複数のコイルの各々内の巻線は、コイル・ボビンの周囲に繰り返し巻かれている単一の導体によって形成されている。

本発明の実施例では、電動機は比較的低電流且つ比較的高電圧のものである。

本発明の実施例では、前記永久磁石の個数は、前記Ｕ字形コイルの個数の２倍である。

本発明の実施例による電動機の全体的な構造を示す図である。 本発明の実施例による電動機の別の図である。 本発明の電動機のコイルのボビンの各々の周囲にコイルがどのように巻かれるかを説明する図である。

上で指摘したように、先行技術の典型的な電動モータはかなりの寄生磁束を被り、この結果、電動機が生み出そうとしている機械的（回転）エネルギー以外に、反転電気エネルギー（ＣＥＭＦ）が生成されることになる。かかる寄生電気エネルギーの生成は、エネルギーのかなりの損失をもたらす。

本発明の電動機により、比較的低い電流及び比較的高い電圧の供給源を使用しているときに、かかるエネルギーの損失が非常に顕著に低減される。

図１は、本発明の実施例による電動モータ１００の基本構造を示す。電動機１００は、主としてロータ１２０とステータ１３０とを備える。そしてステータ１３０は、それぞれのボビンを覆って各々巻かれている複数のコイル１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、…１３１ｎを備えており（図１の例示的な実施例はかかるコイルを２つ備えている）、これらは等角度に離間されてステータ基部１３２に等半径に固定されている。用語「等半径に」（本明細書では簡潔にするために使用する）は円形のステータ基部１３０を想定しているが、ステータ基部１３０は任意の形状を有することができ、その場合、全てのコイルは基部の中心点から同じ距離に設置される。コイル１３１の各々は、側面視断面において実質的に２つのＣ字形の構造を備え（左Ｃ字形構造１３２Ｌ及び右Ｃ字形構造１３２Ｒ−図２を参照）、これらはそれぞれその頂部及び底部において接続部分１３２ｃによって１つに接続されて、平面視断面において実質的にＵ字形の構造を形成する（簡潔にするために、本明細書ではコイル１３１をＵ字形コイルと呼ぶ）。Ｃ字形構造の各々の開口部は永久磁石１２３のための空洞１３４を形成しており、そしてこの永久磁石１２３はロータのディスク基部１２２の上にリング状の構造で順次配置されており、そしてこのディスク基部１２２はその中心でシャフト１２１に取り付けられている。以下で詳述するが、Ｕ字形コイルは実際には中空であり、複数、典型的には多くの（例えば、数十又はそれ以上の）コイル巻線を包含するようになっている。

より具体的には、ロータ１２０は、シャフト１２１と、ディスク１２２と、その上に設置されている複数の永久磁石１２３（この特定の実施例ではｌ２３ａ〜１２３ｂ）と、を備える。示されているように、複数の永久磁石１２３は、Ｃ字形構造の各々の空洞１３４を通過するように適合されている断面形状を有する。永久磁石１２３は、等角度に離間され且つディスク１２２上にリング状の様式で等半径に設置されて、前記空洞１３４の各々を通過するようになっている。永久磁石１２３はそれぞれ、ロータディスク１２２上に、任意の２つの隣接する磁石の同じ極が互いに対向するように（すなわち、Ｓ極がＳ極に対向する、Ｎ極がＮ極に対向する、等）設置されている。一実施例では、図１の例示的な実施例に示すように、任意の２つの隣接する磁石１２３の間に、強磁性の（例えば鉄製の）コア１２５が配設されている。したがって、全ての永久磁石１２３の組は、隣接する磁石の間にある全ての強磁性のコア１２５（存在する場合）の組とともに、コイル１３１の組の全ての空洞１３４をそれぞれ通過する円形のリング状の構造を形成して、ロータディスク１２２の自由な回転を可能にし、この間、リング状の配置はコイル１３１の前記空洞内で引き続き維持される。

図１〜図３は２つのＵ字形コイルを有する実施例を示しているが、より多くのコイルを使用してもよい。例えば、３つのコイルをディスク１２２上で１２０°の中心角度で離間させてもよく、又は、４つのコイルをディスク１２２上で９０°の中心角度で離間させてもよい。Ｕ字形コイル１３１の各々は実質的に対称であり、その下側部分、すなわちディスク（ｄｉｓｃ）１２２よりも下にある部分は、その上側部分と実質的に同じになっている。図２でその一般原則的な形状を示している、Ｕ字形コイル１３１は、実際には中空であり、多数のコイル巻きを占めるように設計されている。図３は、コイル１３１の巻線がその中空部分内に配置される様式を説明している。まず、ワイヤの正の端部が、端子１４０から始まって、コイルの中空部内へと提供される。巻線は最初に上に、次に部分１３２Ｒの上側中空部に沿って、次に接続部分１３２ｃに沿って、次に部分１３２Ｌの上側中空部に沿って、次に下向きに部分１３２Ｌの下側部へと、次に下側接続部分（図示せず）に沿って進み、部分１３２Ｒの下側部において終了し、再び上向きに進んで同じ巻線コースを繰り返す。この巻線処理を複数回、実際には多数回繰り返して、多数の巻線を形成する。巻線処理が完了したとき、巻線は端子１４０の負のポートにおいて終端する。コイル１３１のかかる構造は、巻回するのに比較的単純であることに留意されたい。コイルの各々のボビンは、典型的にはプラスチック材料で製作されるが、別の非誘導性の材料、例えばセラミック等で製作されてもよい。

一実施例では、任意の２つの隣接する永久磁石１２３の間に、強磁性の（例えば鉄製の）コア１２５が配設されている。より具体的には、図１の実施例では、２つの永久磁石１２３の間に、２つの強磁性の（例えば鉄製の）コア１２５ａ及び１２５ｂがそれぞれ配設されている。したがって、全ての永久磁石１２３の組は、隣接する永久磁石の間にある全ての強磁性のコア１２５の組とともに、コイル１３１の組の全ての空洞１３４をそれぞれ通過する円形のリング型の構造を形成して、ロータディスク１２２の自由な回転を可能にし、この間、リング型の配置はコイル１３１の前記空洞内で引き続き保たれる。永久磁石の各対の間に強磁性のコアを追加することは、この構造が先行技術と比較して寄生ＣＥＭＦの非常に顕著な低減に貢献するので、非常に重要であることが見出されている。

上記の図１、図２、及び図３は、ステータ内の２つのＵ字形コイルを示している。Ｕ字形コイルの個数、並びにロータ上の永久磁石の個数は、それぞれ変更されてもよいことにやはり留意されたい。好ましくは、複数のコイルへの入力部（図３の１４０）は並列に接続され、この結果、全ての正のポートが接続されて１つになっており、全ての負のポートも同様である。ロータの連続的な回転を保証するために、コイルへの入力電流の方向は、それぞれのコイルの隣にある永久磁石の極と同期して周期的に変更される。この同期は、コイル部分１３２のうちの１つ又は複数内に位置付けられている１つ又は複数のセンサ、例えば、図２のホール型センサ１３５を使用して行われる。

指摘したように、本発明の電動機における寄生磁気損失、すなわちＣＥＭＦが、従来の先行技術の電動機と比較して極めて低いことが見出されている。従来の電動機においてはＣＥＭＦのレベルは通常は８０％〜９０％に達するが、本発明の電動機におけるＣＥＭＦのレベルは１０％から１２％までの間であることが見出されている。

実例
本発明による電動機を実装した。以下のパラメータ及び結果値がそれぞれ得られた：
１． Ｕ字形コイルの個数：２、
２． 永久磁石の個数：４、
３． 各コイル内の巻線の個数：２０１、
４． コイル内で使用したワイヤの直径：７ｍｍ、
５． 電圧供給のレベル：８〜２０ＶＤＣ、
６． 電流のレベル：２×２００Ａ＝４００Ａ、
７． 電動機の出力：最大５０ＫＷ、
８． 電流の極性の変化速度：ディスク１回転につき４回、
９． １分あたりの到達回転数：最大３０００ｒｐｍ、
１０． ディスクの直径：４００ｍｍ。
１１． ３０００ｒｐｍの速度におけるＣＥＭＦは１２％以下であることが見出されている。

本発明の一部の実施例について例示により記述したが、多くの修正、変更、及び適合を行って、並びに当業者の能力範囲内にある多数の等価物又は代替の解決法を使用して、本発明の精神から逸脱することなく又は特許請求の範囲の範囲を超えることなく、本発明を実行に移せることが明らかであろう。

Claims (12)

1. 電動機において、
   （Ａ）ロータであって、
   ａ． 同心のシャフト及びディスク、並びに
   ｂ． 前記ディスク上にリング状の構造で等角度に離間され且つ等半径に配設されている複数の永久磁石を備える、ロータと、
   （Ｂ）ステータであって、
   ｃ． 平面視してＵ字形構造及び側面視して両Ｃ字形構造を有する複数のコイルであって、前記コイルは等角度に離間され且つ前記ロータの前記ディスクに対して等半径に配設されており、前記Ｃ字形構造の各部分は前記リング状の構造及びディスクが回転移動する際に通過する空洞を有する、複数のコイルと、
   ｄ． 前記Ｕ字形コイルの各々内にある複数巻線のコイルと、を備えるステータと、を備える、電動機。
2. 前記Ｕ字形コイルはステータ基部に取り付けられている、請求項１に記載の電動機。
3. 前記ロータの任意の２つの隣接する永久磁石の間に強磁性のコアが配設されており、これにより閉リングが形成される、請求項１に記載の電動機。
4. 方向が入れ替わるＤＣ電流が前記コイルのうちの前記コイルに供給される、請求項１に記載の電動機。
5. 前記コイルの全てが並列に接続されており、この結果これらは単一のＤＣ源から給電されるようになっている、請求項４に記載の電動機。
6. 前記コイルに対する前記永久磁石のうちの１つ又は複数の位置をそれぞれ感知するための及びＤＣ電流の方向をいつ変更するべきかについての指示をそれぞれ提供するための、１つ又は複数のセンサを更に備える、請求項４に記載の電動機。
7. 前記センサの各々はホール型センサである、請求項６に記載の電動機。
8. 前記ＤＣ電流の方向の前記変更は制御装置によって行われ、前記変更は前記１つ又は複数のセンサから受信される信号によって時間設定される、請求項５に記載の電動機。
9. 隣接する永久磁石の極は、同じ極がＳ−Ｓ、Ｎ−Ｎ．．．の配置で互いに対面するように配置されている、請求項１に記載の電動機。
10. 前記複数のコイルの各々の巻線は、コイル・ボビンの周囲に繰り返し巻かれている単一の導体によって形成されている、請求項１に記載の電動機。
11. 比較的低電流且つ比較的高電圧のものである、請求項１に記載の電動機。
12. 永久磁石の個数は前記Ｕ字形コイルの個数の２倍である、請求項１に記載の電動機。

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