JP2020043641A - Power generation motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電エネルギーの生成出力に適した発電モータに関する。 The present invention relates to a power generation motor suitable for generating and outputting power generation energy.
従来から発電エネルギーを生成可能な発電モータとして、モータの回転速度を検出する周波数発電機付きモータが知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来のこの種のモータは、単にモータの回転速度を検出するに過ぎず、発電エネルギーを生成し、エネルギーとして出力可能なものではない。
本発明は、ロータ部とステータ部とが相対的に回転自在な形態であって、比較的少ない入力エネルギーでもって大きいモータトルクが得られ、かつエネルギーロスが少なく、発電エネルギーの生成出力に適した発電モータを提供することを目的とする。
However, this type of conventional motor merely detects the rotational speed of the motor, does not generate power generation energy, and cannot output it as energy.
According to the present invention, the rotor and the stator are relatively rotatable, a large motor torque can be obtained with a relatively small input energy, and an energy loss is small, which is suitable for generating and generating power. An object is to provide a generator motor.
本発明は、上記課題を達成するものであり、駆動コイル及び軸受けホルダが固着された配線板からなるステータ部と、前記ステータ部を挟持するよう面対向に配置される少なくとも2セットのロータ部と、を備え、前記各ロータ部は、回転軸心となるシャフトと、前記シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、前記マグネットヨークを支持するロータホルダを含み、前記各ロータ部及び前記シャフトは、前記軸受けホルダを介して前記ステータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、前記各ロータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、前記駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させるものである。 The present invention achieves the above object, and includes a stator portion including a wiring board to which a drive coil and a bearing holder are fixed, and at least two sets of rotor portions disposed to face each other so as to sandwich the stator portion. Wherein each of the rotor portions includes a shaft serving as a rotation axis, a magnet yoke fixed to the shaft and having a driving magnet fixed thereto, and a rotor holder supporting the magnet yoke. And the shaft has a structure that can be freely rotated while being held by the stator portion via the bearing holder, forming a magnetic circuit at a position where the magnets of the rotor portions attract each other, and a rotating magnetic field is applied to the drive coil. A rotational force is generated by passing an electric current so as to generate the torque.
また、本発明は、駆動コイル及び軸受けホルダが固着された配線板からなるロータ部と、前記ロータ部に周対向に配置される少なくとも2セットのステータ部と、を備え、前記各ステータ部は、回転軸心となるシャフトと、前記シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、前記マグネットヨークを支持するステータホルダを含み、前記各ステータ部及び前記シャフトは、前記軸受けホルダを介して前記ロータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、前記各ステータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、前記駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させるものである。 Further, the present invention includes a rotor unit formed of a wiring board to which a drive coil and a bearing holder are fixed, and at least two sets of stator units arranged circumferentially opposite to the rotor unit, wherein each of the stator units includes: A shaft serving as a rotation axis, a magnet yoke fixed to the shaft and having a driving magnet fixed thereto, and a stator holder for supporting the magnet yoke, wherein each of the stator portions and the shaft includes the bearing holder. The structure is such that it can be freely rotated while being held by the rotor part, and a magnetic circuit is formed at a position where the magnets of the respective stator parts attract each other, and the motor is rotated by applying a current so that a rotating magnetic field is generated in the drive coil. It generates force.
本発明によれば、駆動コイルを有したステータ部とマグネットを有した2セットのロータ部とは自在に回転でき、負荷がかかっても相対速度が落ちないように動作し、モータトルクの低下を抑制でき、発電エネルギーの生成出力に適したものとなる。 According to the present invention, the stator unit having the drive coil and the two sets of rotor units having the magnet can rotate freely, operate so that the relative speed does not decrease even when a load is applied, and reduce the motor torque. It can be suppressed and is suitable for the generation output of power generation energy.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態による発電モータについて図1〜図7を参照して説明する。図1〜図3は、第1の実施形態による発電モータの構成を示す。これらの図において、発電モータ1は、ステータ部2と、このステータ部2を挟持するよう面対向に配置される2セットのロータ部3,3とを備える。なお、図1では、2セットのロータ部3,3のうちの1セットは、ステータ部2の後ろ側に隠れて表れていない。ステータ部2と2セットのロータ部3,3とは、互いに相対的に回転自在である。
(First embodiment)
Hereinafter, a generator motor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3 show the configuration of the power generation motor according to the first embodiment. In these drawings, a
ステータ部2は、各々駆動コイルが固着された3つの配線板21,22,23と、ステータ基板24とがネジ等を用いて一体に積層固定されている。配線板21,22,23は、3相駆動コイルを成すように、120度角度をずらせて固着されている。配線板21,22,23は、お結び形をしているが、これは、突出している外周部に駆動コイルの通電を制御するための回路を配置するためである。ステータ基板24には、中心軸部に対して180度対称の位置に各々電池25a,25bが固着されている。なお、図示は、電池25a,25bが収まる凹部を示している。ステータ部2は、中心軸部に配線板21,22,23、及びステータ基板24に固着された軸受けホルダ26を備え、この軸受けホルダ26を介してシャフト4に対して回転自在に保持されている。こうして、ステータ部2も、軸受けホルダ26を介して回転自在な構造とされており、ステータ部2は、モータ回転時にロータ部3,3と逆方向に回転する。
In the
2セットのロータ部3,3の各々は、回転軸心となるシャフト4に固着され、駆動用のマグネット31が固着されたマグネットヨーク32と、マグネットヨーク32を支持するロータホルダ33を含む。シャフト4は、その両端側を固定パーツとしての支柱5,6に軸受けにより回転自在に支持されている。
Each of the two sets of
各ロータ部3,3及びシャフト4は、軸受けホルダ26を介してステータ部2に保持されて自在に回転できる構造とも言える。各ロータ部3,3のマグネット31が引き合う位置で磁気回路を形成し、配線板21,22,23の駆動コイルに制御回路の制御により回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させる。この電流制御は、ロータ部3,3の回転位置を検出した信号を基になされる。マグネット31は、N極、S極を交互に円周上に例えば18極配置している。
It can be said that each of the
ステータ部2における配線板21,22,23は、複数の駆動コイルのパターン、駆動コイル間を結線する配線パターン、発電するための発電コイルのパターン、及びマグネット31の位置を検出するセンサコイルのパターンが形成されたプリント基板で成る。そして、1枚のプリント基板に、1つの相の駆動コイル、センサコイル、発電コイルが全周にパターン形成されることにより1相の駆動回路を成している。モータの相数分のプリント基板をその回転位相位置に応じて重ね合わせ固着し、それぞれのプリント基板間を配線することで構成している。なお、回転位置検出にホール素子等を用いれば、センサコイルを省くことができる。
The
また、本実施形態では、発電するための発電コイルのパターンを備えている場合であって、発電モータと称しているが、発電コイルのパターンを備えていない場合もあり、その場合はモータとなる。請求項に記載の発電モータは、いずれの場合をも含み、発電するための発電コイルのパターンを備えている場合は、発電モータとなる。 Further, in the present embodiment, a case is provided in which a pattern of a generating coil for generating power is provided, and is referred to as a power generating motor.However, in some cases, the pattern of the generating coil is not provided, and in that case, the motor is used. . The power generation motor described in the claims includes any case, and when a power generation coil pattern for generating power is provided, the power generation motor is a power generation motor.
図4は、発電モータ1の回路を示す。回路は、ステータ部2の配線板21,22,23に設けられている。回路は、駆動コイル27、発電コイル28、及びセンサコイル29を有する。駆動コイル27は、3相がスター結線され、電池25a又は25bを電源として各コイルへの通電をセンサコイル29の検知信号に応じて制御される。センサコイル29は、回転位相検出用である。3相の発電コイル28の各々は、一端が開放され、他端が直列ダイオード接続201の中点に結線され、3つの直列ダイオード接続201は並列接続され、アノード側がドライブ発電出力端202とされている。発電コイル28の一端が開放されているため、電磁波エネルギーをアンテナで受信し、整流して電圧として出力する。そのため、一般には発電したエネルギーを消費すると、モータにブレーキがかかり消費電力が増えるのに対し、本例の場合は、モータにブレーキがかからず、消費電流が増えない特徴を有する。
FIG. 4 shows a circuit of the
駆動コイル27、発電コイル28、及びセンサコイル29は、ロータ部3のマグネット31のN極、S極に対向するように配置され、それぞれのコイル出力が加算されるようにパターン形成され、マグネット磁場変化1サイクルに対し、120度位相がずれるように配置され、モータとして動作するようにしている。
The drive coil 27, the
図5、図6は、ステータ部2の1枚のプリント基板に設けられた1相のパターンコイル30とマグネット31(N,S)との位置関係を示す。パターンコイル30は、駆動コイル27のパターンの他に、発電コイル28及びセンサコイル29の各パターンを備えている。各パターンは、基板の中心軸心の全周囲に、N,S極が交互に配置されたマグネット31の幅にほぼ等しい寸法に対応して、隣り合うコイルに流れる電流の向きが内向きと外向きと異なるように配線されている。
FIGS. 5 and 6 show the positional relationship between the one-
図示では、パターンコイル30の背面側に対面するマグネット31の極性を透視して示している。パターンコイル30にマグネット31の磁力線が作用して、フレミングの法則により力や発電エネルギーが発生する。パターンコイル30の電流の向きを矢印で示し、パターンコイル30に通電されたときのロータ部3の回転の向きは矢印Dとなる。
In the drawing, the polarity of the
図7は、発電モータ1のコイルとマグネットとの相互作用を断面図により説明するものであり、ステータ部2のパターンコイル30(駆動コイル)と、これを挟持するよう面対向に配置されたロータ部3,3のマグネット31との相互作用を示す。一方のロータ部3のマグネット31と、それにエアギャップGを介在して対応する他方のロータ部3のマグネット31とは、互いに吸引し合うN極とS極とが配置され、各マグネットの極性は、周方向に交互に異なる向きとされている。
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the interaction between the coil and the magnet of the
パターンコイル30に通電されるコイル電流の向きは、手前方向を〇で示し、背面方向を×で示している。マグネットの磁力線は矢印M1となり、コイル電流が流れたときのパターンの磁力線は矢印M2となり、そのときのパターンコイル30のトルク方向は、フレミング左手の法則により、矢印T1のようになり、ロータ部3のトルク方向は矢印T2なる。パターンコイル30のトルク方向(T1)とロータ部3のトルク方向(T2)とは、逆方向になる。従って、何もしなければ、パターンコイル30のあるステータ部2とロータ部3とは、相対的に逆方向回転となるが、例えば、ステータ部2の回転を止めれば、ロータ部3は相対速度が先と同じになるように回転速度が上がる。
The direction of the coil current supplied to the
本実施形態の発電モータ1の動作を説明する。マグネット31のN極、S極との間での吸引反発力によりパターンコイル30で電磁力が発生し、モータトルクとなる。ここに、パターンコイル30がプリント基板全面に配置されていることから、モータトルクは比較的大きなものとなる。そして、通常のモータは負荷をかけると回転速度が落ちるのに対し、本実施形態の発電モータ1においては、マグネット側及びコイル側のいずれもが両方向に自在に回転できる機構となっている。そのため、モータに負荷がかかりマグネット側の回転速度が落ちると、コイル側の回転速度は上がり、相対速度が一定になるように動作する。基板は1相ずつ独立しているため、パターンコイルは基板全面に一筆書きで形成されている。そのため、コイル配線のためのスルーホールが不要となり、パターン構成が簡単になり、コイルのインピーダンス制御が容易であり、配線効率が良くなるという効果がある。
The operation of the
こうして、本実施形態の発電モータ1によれば、ロータ部3及びステータ部2が相対的に回転自在であって、ロータ部3及びステータ部2の一方に負荷がかかって速度が落ちると、他方の相対速度が落ちないように動作し、発電エネルギーはトータルで低下しないものとなる。
Thus, according to the
また、回転速度が速くなると、摺動部の抵抗が大きくなり、通常、効率が低下するが、マグネット側及びコイル側の両方が回転することで、相対速度が低く、摺動部の抵抗を低く抑えることができる。ステータ部2は、プリント基板で成り、コイル側の磁気回路を形成するヨークが存在しないので、渦電流損が生じない利点もある。
In addition, when the rotation speed increases, the resistance of the sliding portion increases, and the efficiency generally decreases.However, since both the magnet side and the coil side rotate, the relative speed is low, and the resistance of the sliding portion is low. Can be suppressed. Since the
また、ステータ部2のステータ基板24に固着された2個の電池25a,25bの一方が駆動側の電池となり、他方が充電側の電池となる。その駆動側の電池の電圧が一定レベル以下になると、駆動を他方の電池に切り替え、それまで駆動側であった電池は充電側となる。さらにその後、駆動側の電池の電圧が一定レベル以下になると元の状態に戻す。このように、電池25a,25bは交互に充電、放電を繰り返す。
Further, one of the two
(第2の実施形態)
図8、図9は、本発明の第2の実施形態による発電モータ1を示す。第2の実施形態による発電モータ1は、駆動と発電とを分担できるように、駆動ブロック11と発電ブロック12とを備えたものである。これら駆動ブロック11及び発電ブロック12は、いずれも上述した第1の実施形態による発電モータ1と同等な構成を有している。駆動ブロック11及び発電ブロック12は、共通の1本のシャフト4で連結され、駆動ブロック11のロータ部3で生じた回転駆動力が、シャフト4を介して発電ブロック12のロータ部3に伝達される。各ブロック11,12の各ロータホルダ33は、シャフト4に固定されている。
(Second embodiment)
8 and 9 show a
第2の実施形態による発電モータ1では、発電ブロック12のステータ部2は、回転を止めて、発電エネルギーを取り出すことを想定している。この場合、駆動ブロック11には、第1の実施形態と同様に、2個の電池(駆動及び充電)を備え、発電ブロック12には、電池を備えなくてよい。駆動ブロック11の回転駆動力がシャフト4を介して発電ブロック12のロータ部3に伝達され、ロータ部3が回転し、ロータ部3にはマグネット31が固着されているので、発電ブロック12のステータ部2が固定されている、つまり回転を止められていると、ステータ部2のコイルに誘導起電力が発生して、発電エネルギーを取り出すことができる。
In the
第2の実施形態における発電ブロック12の代わりに、オルタネータ等の別の発電機を用いることも可能である。その場合は、発電機をシャフト4にカップリング等を介在して結合させればよい。
Instead of the
(第3の実施形態)
図10〜図12は、本発明の第3の実施形態による発電モータ1を示す。第3の実施形態による発電モータ1は、第1の実施形態による発電モータ1に、発電エネルギーを外部に取り出すための構成を付加したものである。そのために、ステータ部2のステータ基板24の外周に外縁リング240を設け、この外縁リング240に円周上にN極、S極が交互になるように複数のマグネット241を固着している。また、固定側の支柱6に、複数のコイル242を円周上に配置したリング状基板243を取り付けている。マグネット241とコイル242とは、シャフト4軸方向に対面して配置される。なお、外縁リング240とステータ基板24は同じもので構わない。コイル242とマグネット241の構成(位置関係)により、コイル242の出力を2相や3相交流として出力することもできる。
(Third embodiment)
10 to 12 show a
この構成により、ステータ部2のマグネット241が回転することで、磁界変化が生じ、その磁界変化により固定側のコイル242に誘導起電力が発生し、発電エネルギーを取り出すことができる。
With this configuration, when the
(第4の実施形態)
本発明の発電モータ1は、ステータ部2とロータ部3とが逆の関係にあるものであってもよい。これを第4の実施形態という。この場合は、駆動コイル及び軸受けホルダが固着された配線板からなるロータ部と、ロータ部に周対向に配置される少なくとも2セットのステータ部と、を備え、各ステータ部は、回転軸心となるシャフトと、シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、マグネットヨークを支持するステータホルダを含み、各ステータ部及びシャフトは、軸受けホルダを介してロータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、各ステータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させるものとなる。
(Fourth embodiment)
In the
(変形例)
本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、上記実施形態のように、ロータ部とステータ部とが軸方向において対向する形態でなく、非磁性体で円筒状に形成したコイル基板から成るステータ部を、その外周側と内周側とで周対向するマグネットを有したロータ部で挟持した構造であっても、ロータ部とステータ部とが回転するものとすることができる。また、ロータ部とステータ部とが逆回転するモータは、ブラシレスモータであってもブラシモータであっても、ステータ側に+電極用の接触子、及び−電極用の接触子を介して電流を供給することで、電池なしで電源供給することが可能である。
(Modification)
The present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and various modifications are possible. For example, instead of the rotor portion and the stator portion facing each other in the axial direction as in the above-described embodiment, a stator portion formed of a coil substrate formed of a non-magnetic material in a cylindrical shape has an outer peripheral side and an inner peripheral side. However, even if the rotor and the stator have a structure in which the rotor and the stator have a magnet opposed to each other, the rotor and the stator can rotate. Regardless of whether the motor in which the rotor and the stator rotate in the reverse direction is a brushless motor or a brush motor, a current is applied to the stator through a contact for the + electrode and a contact for the-electrode. By supplying power, power can be supplied without a battery.
1 発電モータ
11 駆動ブロック
12 発電ブロック
2 ステータ部
21,22,23 配線板
24 ステータ基板
240 外縁リング
241 マグネット
242 コイル
243 リング状基板
25a,25b 電池
26 軸受けホルダ
27 駆動コイル
28 発電コイル
29 センサコイル
3 ロータ部
30 パターンコイル
31 マグネット(N,S)
32 マグネットヨーク
33 ロータホルダ
4 シャフト
5,6 支柱
REFERENCE SIGNS
32
Claims (7)
前記ステータ部を挟持するよう面対向に配置される少なくとも2セットのロータ部と、を備え、
前記各ロータ部は、回転軸心となるシャフトと、前記シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、前記マグネットヨークを支持するロータホルダを含み、
前記各ロータ部及び前記シャフトは、前記軸受けホルダを介して前記ステータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、前記各ロータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、前記駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させることを特徴とする発電モータ。 A stator portion comprising a wiring board to which the drive coil and the bearing holder are fixed,
And at least two sets of rotor portions arranged face-to-face to sandwich the stator portion,
Each of the rotor units includes a shaft serving as a rotation axis, a magnet yoke fixed to the shaft, and a driving magnet fixed thereto, and a rotor holder supporting the magnet yoke,
The rotor unit and the shaft are configured to be freely rotatable while being held by the stator unit via the bearing holder, and form a magnetic circuit at a position where the magnet of each rotor unit attracts, and the drive coil A power generation motor characterized in that a rotating force is generated by passing a current so that a rotating magnetic field is generated in the motor.
前記ステータ部も、前記軸受けホルダを介して回転自在な構造とし、モータ回転時には前記ロータ部と逆方向に前記ステータ部が回転することを特徴とする請求項1記載の発電モータ。 Both ends of the shaft are supported by bearings of fixed parts such as columns,
The generator motor according to claim 1, wherein the stator portion is also rotatable via the bearing holder, and the stator portion rotates in a direction opposite to the rotor portion when the motor rotates.
モータの相数分の前記プリント基板をその回転位相位置に応じて重ね合わせ固着し、それぞれのプリント基板間を配線することで前記ステータ部を構成していることを特徴とする請求項3記載の発電モータ。 A single-phase drive coil, a sensor coil, and a power generation coil are formed in a pattern on the entire periphery of one printed circuit board to form a single-phase drive circuit,
4. The stator according to claim 3, wherein the printed circuit boards for the number of phases of the motor are overlapped and fixed in accordance with their rotational phase positions, and the printed circuit boards are wired to form the stator portion. Generator motor.
前記ロータ部に周対向に配置される少なくとも2セットのステータ部と、を備え、
前記各ステータ部は、回転軸心となるシャフトと、前記シャフトに固着され、駆動用のマグネットが固着されたマグネットヨークと、前記マグネットヨークを支持するステータホルダを含み、
前記各ステータ部及び前記シャフトは、前記軸受けホルダを介して前記ロータ部に保持されて自在に回転できる構造と成し、前記各ステータ部のマグネットが引き合う位置で磁気回路を形成し、前記駆動コイルに回転磁界が生じるように電流を流すことで回転力を発生させることを特徴とする発電モータ。
A rotor portion comprising a wiring board to which the drive coil and the bearing holder are fixed,
And at least two sets of stator portions arranged circumferentially opposite to the rotor portion,
Each of the stator portions includes a shaft serving as a rotation axis, a magnet yoke fixed to the shaft, and a driving magnet fixed thereto, and a stator holder supporting the magnet yoke,
The stator and the shaft are held by the rotor via the bearing holder and can be freely rotated, and form a magnetic circuit at a position where the magnet of each stator attracts, and the drive coil A power generation motor characterized in that a rotating force is generated by passing a current so that a rotating magnetic field is generated in the motor.
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