JP2022159267A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ効率を大きく低下させることなく、簡単に速度調整が可能な電動機を提供する。
【解決手段】電動機は、複数の永久磁石が出力軸の周囲に等間隔の回転角度ごとに配置された回転子と、回転子への磁界を発生する励磁用巻線３１と、回転子の回転に伴う磁界により発電する発電用巻線３２と、励磁用巻線３１への励磁電流を制御する制御回路４０と、励磁用巻線３１の非励磁期間の一部または全部を含む期間の発電用巻線３２からの出力を調整する調整回路６０とを備えている。
【選択図】図１０

Description

本発明は、永久磁石による回転子と、巻線による固定子とを有する電動機に関するものである。

回転子への磁界を発生する励磁用巻線と、回転子の回転に伴う磁界により発電する発電用巻線とを備えた電動機として、特許文献１と、特許文献２に記載されたものが知られている。

特許文献１に記載の回転電機は、永久磁石が回転する回転子と、永久磁石に軸線を向けて配置された第１巻線と、第１巻線と同軸に配置された第２巻線と、永久磁石の一方の磁極が対向位置にある第１巻線を、一方の磁極と同極の磁界を発生させるための電流を通電する制御回路と、第２巻線からの電流を調整する回転速度調整部とを備え、制御回路は、センサ部にて一方の磁極を検知すると、励磁回路部が第１巻線に通電するというものである。また、特許文献１に記載の電動機は、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ので、消費電力を増加させずに回転数を制御できる。
特許文献２に記載の磁力発電機は、永久磁石の磁力を利用して発電を行うものである。この磁力発電機は、ＯＮ／ＯＦＦ電源の供給によりモータ用コイルと永久磁石との間に働く吸引および反発力を利用して動力を発生させ、その動力を利用して永久磁石と発電用コイルとを相対移動させて発電を行い、上記発電用コイルによって発電された電力エネルギーの少なくとも一部が上記モータ用コイルに供給されるＯＮ／ＯＦＦ電源に使用されるというものである。

特許第５９２０９０５号公報 特開平７－２３５５６号公報

しかし、特許文献１に記載の電動機では、励磁用巻線（第１巻線）と同軸で、励磁用巻線より外周位置に発電用巻線（第２巻線）が配置されている。従って、永久磁石による回転子の向きが励磁用巻線に接近する位置、または対向する位置のときに、永久磁石と励磁用巻線と発電用巻線とがほぼ一列に並び、励磁用巻線が、永久磁石に反発する磁界に切り替わる。
そのため、励磁用巻線からの磁束だけでなく、永久磁石からの反対の磁束が、発電用巻線に影響を与え、発電用巻線からの磁界が励磁用巻線への励磁電流の流れを阻害するような影響を与えてしまい、モータ効率が低下してしまう。
また、特許文献２に記載の回転電機では、磁力発電機は、発電用コイルから取り出した電気エネルギーを、モータ用コイルの動力源としてバッテリ電源などに充電されるだけである。

そこで本発明は、モータ効率を大きく低下させることなく、簡単に速度調整が可能な電動機を提供することを目的とする。

本発明の電動機は、複数の永久磁石が出力軸に設けられた回転子と、前記回転子への磁界を発生する励磁用巻線と、前記回転子の回転に伴う磁界により発電する発電用巻線と、前記励磁用巻線の非励磁期間の一部または全部を含む期間の前記発電用巻線からの出力を調整する調整回路とを備えたことを特徴とする。

前記調整回路は、前記励磁用巻線の非励磁期間の一部または全部を含む期間に、前記発電用巻線からの出力を、短絡させる短絡部または消費する消費部を含むものとすることができる。

前記調整回路は、前記励磁用巻線の励磁期間に電流が流れる期間に発電した前記発電巻線からの電流が流れる負荷を接続するための端子部を含むものとすることができる。

本発明は、磁極検出信号のタイミングの変更により、回転速度を変更することができるので、入力電圧が一定でありながら簡単に速度調整が可能である。

本発明の実施の形態１に係る電動機を示す斜視図である。 図１に示す電動機の制御回路を示す回路図である。 図２に示す電動機における励磁用センサ部の回転を説明するための図である。 （Ａ）から（Ｅ）は、－５°から＋１５°までの励磁用センサ部の回転位置を示す図である。 図４（Ｂ）から同図（Ｅ）に示す励磁用センサ部の回転板を回転した位置と回転数との結果を示す一覧表であり、（Ａ）はトルクを０．３Ｎ／ｍとした場合、（Ｂ）はトルクを０．４Ｎ／ｍとした場合、（Ｃ）はトルクを０．５Ｎ／ｍとした場合である。 図１に示す電動機について電子式で回転速度を調整するための構成図である。 本発明の実施の形態２に係る電動機を示す斜視図である。 図７に示す電動機の回転速度調整部を説明するための図である。 図７および図８に示す電動機の励磁電流を変化させたときの発電用巻線の発電電圧および発電電流と回転数との関係を説明するための一覧表である。 本発明の実施の形態３に係る電動機の調整回路を示す図である。 図１０に示す調整回路の調整用センサ部の配置を説明するための斜視図である。 図１１に示す調整用センサ部が出力する調整指示信号のタイミングを説明するための波形図である。 （Ａ）は電動機の励磁開始角度を変更したときの回転数を示す一覧表、（Ｂ）は、調整回路により非励磁期間に発電機用巻線の出力を調整した状態で、電動機の励磁開始角度を変更したときの回転数を示す一覧表、（Ｃ）は発電機用巻線の出力が短絡状態で、電動機の励磁開始角度を変更したときの回転数を示す一覧表である。 本発明の実施の形態４に係る電動機を示す斜視図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、図１３に示す電動機の磁路を説明するための斜視図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施の形態５に係る電動機の磁路を説明するための斜視図である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る電動機を図面に基づいて説明する。
図１に示す電動機１０は、回転子２０と固定子３０とを備えている。
回転子２０は、永久磁石２１と、永久磁石２１を保持する回転子本体２２とを備えている。

永久磁石２１（第１磁石２１ａ～第４磁石２１ｄ）は、回転子２０の軸線Ｘ１を中心として、一方の磁極（例えば、Ｎ極。）と、一方の磁極と反対の磁極となる他方の磁極（例えば、Ｓ極。）とが、９０度ごとに交互に直径方向に向かって配置されている。永久磁石２１は、回転中心から外側に向かうに従って直径が小さくなる磁石を多段に積み重ねたものである。永久磁石２１は、磁力が他の磁石より強いネオジム磁石が使用できる。
回転子本体２２は、軸線位置に回転軸２３（出力軸）が形成され、図示しないフレームに回転自在に保持される。

固定子３０は、回転子２０の周囲に配置されている。固定子３０は、永久磁石２１に軸線Ｘ２を向け、回転子２０を中心に、その周囲に９０度ごとに４個（第１巻線３１ａ～第４巻線３１ｄ）が配置された、回転子２０への磁界を発生する励磁用巻線３１を備えている。励磁用巻線３１は、図示しないフレームに設けられている。励磁用巻線３１は、対向位置の２個（例えば、第１巻線３１ａと第３巻線３１ｃ、第２巻線３１ｂと第４巻線３１ｄ。）が対であり同極となり、隣合わせは異極となる。

本実施の形態では、回転子本体２２の周囲に永久磁石２１が配置され、その周囲に固定子３０が配置されているが、永久磁石２１は回転子本体２２の軸線Ｘ１に沿って等間隔の回転角度ごとに配置するようにしてもよい。例えば、２個の永久磁石２１を配置する場合には、永久磁石２１を９０度ごとにＮ極とＳ極とを配置する。また、６個の永久磁石２１を配置するときに、Ｎ極とＳ極とを交互に６０度ごとに配置する。励磁用巻線３１には、制御回路４０が接続されている。

図１および図２に示すように、制御回路４０は、励磁用センサ部４１と、励磁回路部４２とを備えている。図２に示す制御回路４０は、同極となる対向する、一方の一対の励磁用巻線３１について図示しており、他方の一対の励磁用巻線３１については、一方の励磁用巻線３１と異極になるような励磁電流を発生している。

励磁用センサ部４１は、永久磁石２１のＮ極の位置を検出する第１センサ部４１１（センサ部）と、永久磁石２１のＳ極の位置を検出する第２センサ部４１２（センサ部）と、回転子２０と共に回転する回転板４１３とを備えている。
励磁用センサ部４１は、第１センサ部４１１およびこの第１センサ部４１１と回転方向に隣接する第２センサ部４１２による一対が、１８０度ずれて、向かい合わせに２組配置されている。

第１センサ部４１１および第２センサ部４１２は、図２に示すように、発光ダイオードとフォトダイオードとによる透過型のフォトインタラプタにより形成されている。
図３に示すように、第１センサ部４１１および第２センサ部４１２は、図示しないフレームにより取り付けられており、回転軸２３を中心に第１センサ部４１１および第２センサ部４１２を回転板４１３に対する回転位置が変更可能に形成されている。この第１センサ部４１１および第２センサ部４１２の回転位置を変更可能とする機構を速度調整手段として機能させている。

回転板４１３は、円盤本体４１３ｄに、円周方向に沿った円弧状のスリットが形成されることで光を透過する透過部４１３ｔと、スリット以外で光を遮蔽する遮光部４１３ｓとが形成される。
透過部４１３ｔは、励磁用巻線３１が一方の磁極または他方の磁極を発生する期間となる範囲に形成された識別部として機能するものであり、遮光部４１３ｓは、透過部４１３ｔの残余の期間であり、非励磁期間となる範囲に形成されている。しかし、第１センサ部４１１が透過部４１３ｔを検出して励磁用巻線３１が一方の磁極を発生した後に、遮光部４１３ｓを検出するときに、第２センサ部４１２が透過部４１３ｔを検出することで、励磁用巻線３１が他方の磁極を発生している。従って、本実施の形態１では、切り替わり期間はあるものの、設計的には全く磁界を発生させない非励磁期間は無いようにしている。

本実施の形態１では、励磁用巻線３１が、９０°ごとに通過する永久磁石２１に合わせて、Ｎ極を発生させたり、Ｓ極を発生させたりしているので、円周方向に沿って９０°の透過部４１３ｔと、透過部４１３ｔに続いて９０°の遮光部４１３ｓと、次に９０°の透過部４１３ｔと、９０°の遮光部４１３ｓとが形成され、第１センサ部４１１と第２センサ部とが９０°ずれて配置されている。

回転板４１３は、励磁用巻線３１が励磁用センサ部４１の第１センサ部４１１（永久磁石２１）と一致した位置、または励磁用巻線３１が第２センサ部４１２（永久磁石２１）と一致した位置を０°とした基準位置として、回転角度がマイナス方向とプラス方向に連続的に回転することで、第１センサ部４１１および第２センサ部４１２（センサ部）による回転板４１３の透過部４１３ｔおよび遮光部４１３ｓ（識別部）の検出位置をずらすことができるので、励磁のタイミングをずらすことが可能である。
例えば、図４（Ａ）は、励磁用センサ部４１の角度が－５°であり、図４（Ｂ）は０°であり、図４（Ｂ）から図４（Ｅ）は、５°ごとに＋１５°まで回転させた状態を示している。

回転角度についてのプラス方向は、回転子２０の永久磁石２１が固定子３０の励磁用巻線３１の位置に回ってくるより前に励磁用センサ部４１が早めに検出する方向であり（図３においては反時計回り）、マイナス方向は、永久磁石２１が励磁用巻線３１の位置より過ぎたときに励磁用センサ部４１が遅く検出する方向である（図３においては時計回り）。

図２に示す励磁回路部４２は、第１センサ部４１１部と第２センサ部４１２とを一組として、励磁用センサ部４１からの磁極検出信号に基づいて、励磁用巻線３１への通電方向を制御するものである。励磁回路部４２は、第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂから第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂまでのトランジスタにより、励磁用巻線３１への通電方向を制御している。
第１ＦＥＴ４２１ａと第３ＦＥＴ４２３ａとはｎ型ＦＥＴである。第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂは、ｐ型ＦＥＴである。

第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂは、ゲート端子Ｇが抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を介して第１センサ部４１１および第２センサ部のフォトインタラプタに接続されている。また、第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂは、ソース端子Ｓが接地されている。

第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂは、ソース端子ＳがダイオードＤ１１，Ｄ１２を介して電源に接続されていると共に、コンデンサＣ１１，Ｃ１２を介して接地されている。また、第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂのゲート端子Ｇは、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２を介して第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂのドレイン端子Ｄに接続されていると共に、抵抗Ｒ３１，Ｒ３２を介して第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂのソース端子Ｓに接続されている。第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂのドレイン端子Ｄは、ダイオードＤ２１，Ｄ２２のアノード端子Ａに接続され、コンデンサＣ１１，Ｃ１２を介して接地されていると共に、第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂのドレイン端子Ｄに接続されている。

第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂは、ゲート端子Ｇが抵抗Ｒ４１，Ｒ４２を介して第１センサ部４１１および第２センサ部のフォトインタラプタに接続されている。第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂのソース端子Ｓは接地されている。
励磁用巻線３１の一方の配線は、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。
励磁用巻線３１の他方の配線は、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。

以上のように構成された本発明の実施の形態１に係る電動機の動作および使用状態を図面に基づいて説明する。まず、第１巻線３１ａと第３巻線３１ｃとの励磁について説明する。図２に示す制御回路４０には電源が供給されているものとする。

例えば、永久磁石２１のＮ極が励磁用巻線３１に位置することで、励磁用センサ部４１のうち、第１センサ部４１１に、回転板４１３の透過部４１３ｔが位置する。
第１センサ部４１１の透過部４１３ｔにて発光ダイオードからの光が透過することで、フォトトランジスタが通電する。フォトトランジスタが通電することで、これが第１センサ部４１１から励磁回路部４２への磁極検出信号となって、第１センサ部４１１に、抵抗Ｒ１１，Ｒ４１を介して接続された第１ＦＥＴ４２１ａのゲート端子Ｇと、第３ＦＥＴ４２３ａのゲート端子Ｇとは、第１ＦＥＴ４２１ａと第３ＦＥＴ４２３ａとがオン状態となる、第１電圧となる。

また、第１センサ部４１１のフォトインタラプタに透過部４１３ｔが位置するときには、第２センサ部４１２には遮光部４１３ｓが位置するので、第２センサ部４１２は非通電状態にある。従って、第２センサ部４１２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。

第１ＦＥＴ４２１ｂがオフ状態であるときには、第１ＦＥＴ４２１ｂのドレイン端子Ｄに抵抗Ｒ２１を介して接続された第２ＦＥＴ４２２ａのゲート端子Ｇは、電源Ｖｓｓに接続された抵抗Ｒ３１により第２ＦＥＴ４２２ａがオフ状態となる第１電圧となる。

第１ＦＥＴ４２１ａがオン状態であるときには、抵抗Ｒ２２が第１ＦＥＴ４２１ａのドレイン端子Ｄに接続されているため、第２ＦＥＴ４２２ｂのゲート端子Ｇは、第２ＦＥＴ４２２ｂがオン状態となる、第２電圧になる。

このようにして、第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂ～第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂのオン状態とオフ状態とが決定されると、電源Ｖｓｓからの電流が、第２ＦＥＴ４２２ｂのソース端子ＳにダイオードＤ１２を介して流れ込み、第２ＦＥＴ４２２ｂのドレイン端子Ｄから励磁用巻線３１（第１巻線３１ａ，第３巻線３１ｃ）へ流れる。そして、第１巻線３１ａ，第３巻線３１ｃの反対側から電流が、第３ＦＥＴ４２３ａのドレイン端子Ｄからソース端子Ｓへ流れことで、第１巻線３１ａ，第３巻線３１ｃは、永久磁石２１のＮ極と反発する同極の磁界を発生する。
第１巻線３１ａ，第３巻線３１ｃが発生した磁界により、永久磁石２１のＮ極が反発して、回転子２０が回転する。

一方、永久磁石２１のＳ極側では、励磁用センサ部４１のうち、第２センサ部４１２に、回転板４１３の透過部４１３ｔが位置する。
第２センサ部４１２の透過部４１３ｔにて、発光ダイオードからの光が透過することで、フォトトランジスタが通電する。フォトトランジスタが通電することで、これが第２センサ部４１２から励磁回路部４２への磁極検出信号となって、フォトトランジスタが通電することで、第２センサ部４１２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とがオン状態となる、第１電圧となる。

また、第２センサ部４１２に透過部４１３ｔが位置するときには、第１センサ部４１１のフォトインタラプタには遮光部４１３ｓが位置するので、第１センサ部４１１は非通電状態にある。従って、第１センサ部４１１に、抵抗Ｒ１１，Ｒ４１を介して接続された第１ＦＥＴ４２１ａのゲート端子Ｇと、第３ＦＥＴ４２３ａのゲート端子Ｇとは、第１ＦＥＴ４２１ａと第３ＦＥＴ４２３ａがオフ状態となる、第２電圧となる。

第１ＦＥＴ４２１ａがオフ状態であるときには、第１ＦＥＴ４２１ａのドレイン端子Ｄに抵抗Ｒ２２を介して接続された第２ＦＥＴ４２２ｂのゲート端子Ｇは、電源Ｖｓｓに接続された抵抗Ｒ３２により第２ＦＥＴ４２２ｂがオフ状態となる第１電圧となる。

第１ＦＥＴ４２１ｂがオン状態であるときには、抵抗Ｒ２１が第１ＦＥＴ４２１ｂのドレイン端子Ｄに接続されているため、第２ＦＥＴ４２２ａのゲート端子Ｇは、第２ＦＥＴ４２２ａがオン状態となる、第２電圧になる。

このようにして、第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂ～第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂのオン状態とオフ状態とが決定されると、電源Ｖｓｓからの電流が、第２ＦＥＴ４２２ａのソース端子ＳにダイオードＤ１１を介して流れ込み、第２ＦＥＴ４２２ａのドレイン端子Ｄから励磁用巻線３１（第１巻線３１ａ，第３巻線３１ｃ）へ流れる。そして、第１巻線３１ａ，第３巻線３１ｃの反対側から電流が、第３ＦＥＴ４２３ｂのドレイン端子Ｄからソース端子Ｓへ流れことで、第１巻線３１ａ，第３巻線３１ｃは、永久磁石２１のＳ極と反発する同極の磁界を発生する。
第２巻線３１ｂ，第４巻線３１ｄが発生した磁界により、永久磁石２１のＳ極が反発して、回転子２０が回転する。

この第１巻線３１ａ，第３巻線３１ｃにより、永久磁石２１が反発する磁界を励磁することで回転子２０が駆動され、回転方向に順次切り替わることで回転子２０が回転し続ける。

（第１実施例）
このように動作する本実施の形態１に係る電動機１０を作製して、電動機１０の出力軸（回転軸を発電機の入力軸に連結し、発電機の出力に電子負荷装置を接続してトルクを調整しながら、励磁用巻線３１への入力電圧および入力電流と、回転子２０の回転数との関係を測定した。

励磁用巻線３１は、銅線（Φ０．７ｍｍ）を４００回巻いたものを使用した。
永久磁石２１は、厚みが３ｍｍの５個の円盤状磁石を積層したものであり、回転子本体２２側から、直径が３０ｍｍ、２５ｍｍ、２０ｍｍ、１５ｍｍ、１０ｍｍのネオジム磁石を使用した。

励磁回路部４２への電源Ｖｓｓとして３０Ｖを印加した。
そして回転板４１３は、図４（Ｂ）に示す角度０°から図４（Ｅ）に示す角度＋１５°まで、５°ごとに回転させて回転軸２３の回転数を測定した。また、電子負荷装置の負荷を調整して、電動機１０のトルクを０．３Ｎ／ｍ，０．４Ｎ／ｍ，０．５Ｎ／ｍと変化させた。

結果を図５（Ａ）～同図（Ｃ）に示す。入力電圧（励磁電圧）が３０Ｖで一定であるが、トルクを増加させると、入力電流（励磁電圧）が増加すると共に、回転数が上昇していることが判る。また、モータ効率は、角度を変化させても大きく低下していないことが判る。

これは、永久磁石２１が励磁用巻線３１に接近して通過するときに、励磁用巻線３１に逆起電力が発生し、励磁用巻線３１の通電を阻害する。また、励磁用巻線３１に通電すると過渡現象により時定数を持って電流が遅延して上昇する。従って、これらのことから、励磁用センサ部４１の第１センサ部４１１と第２センサ部４１２とが励磁用巻線３１に対応する位置に設定されていると、励磁用巻線３１により発生する磁界は、永久磁石２１が励磁用巻線３１を通過した位置から最大となるものと推測される。

しかし、励磁用センサ部４１をプラス方向に移動して早めに透過部４１３ｔを検知させることで、励磁用巻線３１への通電が早まるため、励磁用巻線３１に電流が流れやすくなり、永久磁石２１が励磁用巻線３１に位置したあたりから、励磁用巻線３１による磁界を最大とすることができる。従って、永久磁石２１は、励磁用巻線３１により大きく反発して、回転するので、電動機１０の回転数を上昇させることができる。

このように電動機１０は、入力電圧が一定でありながら簡単に速度調整が可能である。

なお、本実施の形態では、回転子２０の永久磁石２１のＮ極を検出するための第１センサ部４１１と、永久磁石２１のＳ極を検出するための第２センサ部４１２との回転位置をずらすことで、回転数を調整していた。
しかし、手動式で第１センサ部４１１および第２センサ部４１２を回転移動することの他に電子式に調整することも可能である。

例えば、図６に示すように、励磁用センサ部４１からの磁極検出信号（Ｎ極を第１センサ部４１１により検出したことを示す信号であるＮ極検出信号，Ｓ極を第２センサ部４１２により検出したことを示す信号であるＳ極検出信号）がタイミング制御部４３に入力されると、タイミング設定部４４からの指示に基づいて、磁極発生信号（Ｎ極発生信号，Ｓ極発生信号）を磁極励磁部４５に出力する。そして、磁極励磁部４５は、励磁電流を第１，３巻線３１ａ，３１ｃと第２，４巻線３１ｂ，３１ｄとに出力する。

このとき、タイミング設定部４４の設定が基準位置からマイナス方向を指示するものであれば、励磁用センサ部４１からの磁極検出信号をタイミング制御部４３が入力してから、タイミング設定部４４の設定に応じて遅延させて、磁極発生信号を出力する。
また、タイミング設定部４４の設定が基準位置からプラス方向を指示するものであれば、励磁用センサ部４１からの磁極検出信号に基づいて、回転子２０（回転板４１３）の１周の回転時間を算出し、タイミング設定部４４の設定に基づく回転角度と、１周の回転時間から磁極発生信号を出力するタイミングを算出して出力する。
このように、第１センサ部４１１および第２センサ部４１２を手動式で回転させることなく、タイミング設定部４４への設定により電子式で電動機の回転速度を調整することが可能である。

図１に示す電動機１０では、回転板４１３のスリットが形成された位置による透過部４１３ｔと、スリットが無い位置の遮光部４１３ｓとにより永久磁石２１の位置を検出していたが、透過部４１３ｔと遮光部４１３ｓとを反対にしても、励磁回路部により反対の磁極を出力するようにすれば問題は無い。また、回転板４１３にスリットではなく、外周部に切り欠き部を形成するようにしてもよい。

更に、回転板により励磁する期間が識別でき、検出できればよいので、例えば、回転板に識別部として磁石を設け、センサ部としてフォトインタラプタの代わりにホール素子により磁石を検出するようにしてもよいし、他の手段でもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る電動機を図面に基づいて説明する。なお、図７においては、図１と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図７に示す電動機１１は、発電用巻線３２が励磁用巻線３１と同軸で、且つ、励磁用巻線３１より外周位置に配置されたものである。

また、図８に示すように、発電用巻線３２には、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。
図８に示す回転速度調整部５０では、整流部５１に消費部５２が１対１で接続されているが、回転速度調整部５０は、他の発電用巻線３２にも整流部５１が接続され、他の複数の整流部５１も１個の消費部５２に対して接続されている。

励磁用巻線３１が通電されることで発電用巻線３２に電力が発生する。発電用巻線３２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３２からの電力を、設定された抵抗値によって消費する。

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の抵抗値を設定できるものとすることができる。

（第２実施例）
図７および図８に示す電動機１１を作製して、発電用巻線３２に流れる電流を、消費部５２を変更することで調整して、発電電圧および発電電流と、回転子２０の回転数との関係を測定した。
なお、発電用巻線３２として、銅線（Φ０．７ｍｍ）を３２０回巻いたものを使用した。他の条件は、実施例１と同じである。

図９に示すように、励磁用センサ部４１のセンサ角度を１０°に一定、励磁用巻線３１への励磁電圧を３０Ｖに一定とし、消費部５２を開放から短絡まで変更した。
消費部５２を開放としたときには、発電用巻線３２の発電電圧が２２．４５Ｖ、回転数が３，６５０ｒｐｍであった。そして、発電電流を０．５Ａごとに上昇させると、回転数が３，７５０ｒｐｍ、３，９００ｒｐｍ、４，０７０ｒｐｍと徐々に、回転数が上昇する。図５（Ａ）から同図（Ｃ）に示す結果では、センサ角度を０°から＋１５°まで変更することで、回転数が上昇していたことから、図７に示す電動機１１においても、センサ角度を変更しつつ、発電用巻線３２に流れる発電電流を消費部５２の負荷を変更することで、更に回転数を上昇させたり、抑制したりできると推定できる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る電動機を図面に基づいて説明する。

本実施の形態３に係る電動機では、モータ効率を大きく低下させることなく、簡単に速度調整が可能なものとするために、回転子への磁界を発生する励磁用巻線と、前記回転子の回転に伴う磁界により発電する発電用巻線と、前記励磁用巻線の非励磁期間の一部または全部を含む期間の前記発電用巻線からの出力を調整する前記発電用巻線からの出力を調整する調整回路とを備えている。

以下、本実施の形態３に係る電動機を詳述する。
本実施の形態３に係る電動機は、図７に示す実施の形態２に係る電動機１１と同様に、回転子２０の回転に伴う磁界により発電する発電用巻線３２を備えている。発電用巻線３２は、励磁用巻線３１と同軸で、且つ、励磁用巻線３１より外周位置に配置されている。

実施の形態３に係る電動機では、図１０に示すように発電用巻線３２の出力に、電動機の回転を制御するための、短絡部による調整回路６０が接続されている。調整回路６０は、発電用巻線３２から出力を整流する整流部６１と、励磁用巻線３１からの非励磁期間の一部または全部を含む期間に発電用巻線３２からの出力を短絡させる短絡部６２と、負荷Ｌを接続するための端子部６３とを備えている。
なお、図１０では、１セット分を図示しているが、励磁用巻線３１および発電用巻線３２の組み合わせは４組である。そのため、本実施の形態３に係る電動機では、図１０に示す調整回路６０をもう１セット備えている。

整流部６１は、ダイオードブリッジにより構成することができる。
また、短絡部６２は、所定のタイミングで調整指示信号を出力する調整用センサ部６２１と、調整用センサ部６２１からの調整指示信号により整流部６１（発電用巻線３２）の出力を短絡するスイッチ回路６２２とを備えている。
調整用センサ部６２１は、光ダイオードとフォトダイオードとによる透過型のフォトインタラプタにより形成されている。
スイッチ回路６２２は、整流部６１からの出力がドレイン端子に接続され、調整用センサ部６２１からの出力が抵抗を介してゲート端子に接続されたＰ型ＦＥＴとすることができる。

端子部６３は、スイッチ回路６２２（ＦＥＴ）のソース端子に接続されていると共に、グランドに接続され、負荷Ｌが接続される。

ここで、調整用センサ部６２１について、図１１に基づいて説明する。
図１１に示すように、調整用センサ部６２１は、励磁用巻線３１が一方の磁極を発生していない非励磁期間を検出する第１センサ部６２１ａと、励磁用巻線３１が他方の磁極を発生していない非励磁期間を検出する第２センサ部６２１ｂとを備えている。この第１センサ部６２１ａと第２センサ部６２１ｂとが、回転子２０と共に回転する回転板４１３に設けられている。

回転板４１３には、励磁用巻線３１が一方の磁極を発生する期間（磁極検出信号を発生する期間）となる範囲として機能すると共に、磁極を発生する期間が経過した後に、調整指示信号を出力する期間となる範囲（以下、調整範囲と称す。）として機能する透過部４１３ｔであり、回転板４１３の円周方向に沿った、円弧状の透過部４１３ｔが形成されている。

本実施の形態３では、図７に示す第１巻線３１ａと第３巻線３１ｃとが同じ一方の磁極を発生し、第２巻線３１ｂと第４巻線３１ｄとが一方の磁極とは異なる他方の磁極を発生するので、円周方向に沿って４５°の透過部４１３ｔと、透過部４１３ｔに続いて１３５°の遮光部４１３ｓと、次に４５°の透過部４１３ｔと、１３５°の遮光部４１３ｓとが形成されている。

次に、このように配置された第１センサ部６２１ａおよび第２センサ部６２１ｂによる調整指示信号の発生タイミングについて、図１２に基づいて説明する。
まず、図２に示す制御回路４０の第１センサ部４１１（図１２参照）が透過部４１３ｔを検出することで、磁極検出信号が励磁回路部４２（図２参照）に出力され、励磁用巻線３１に励磁電流が流れ、Ｎ極が発生する（Ｓ１０参照）。

回転子２０と励磁用巻線３１とによる磁界により、発電用巻線３２が発電する。
調整用センサ部６２１は遮光部４１３ｓが位置しているため、出力には電流が流れてない状態である。従って、スイッチ回路６２２のゲート端子は、抵抗Ｒ６１，Ｒ６２によりプルアップされるため、整流部６１により整流された発電用巻線３２からの出力は、スイッチ回路６２２から端子部６３を介して負荷Ｌに流れる。

次に、回転板４１３が回転することで透過部４１３ｔから遮光部４１３ｓが第１センサ部４１１により検出されることで、励磁用巻線３１への励磁電流が停止され、非励磁期間となる（Ｓ２０参照）。

そして、図１１に示す第１センサ部６２１ａにより透過部４１３ｔが検出される（Ｓ３０参照）。図１０に示すように、第１センサ部６２１ａにより透過部４１３ｔが検出されると、第１センサ部６２１ａからの出力の電圧が低下する。そうすると、整流部６１により整流された発電用巻線３２からの出力は、第１センサ部６２１ａからグランドに流れるため短絡した状態となる。

次に、図２に示す制御回路４０の第２センサ部４１２（図１２参照）が透過部４１３ｔを検出することで、磁極検出信号が励磁回路部４２（図２参照）に出力され、励磁用巻線３１に励磁電流が流れ、Ｓ極が発生する（Ｓ４０参照）。

回転子２０と励磁用巻線３１とによる磁界により、発電用巻線３２が発電する。
調整用センサ部６２１は遮光部４１３ｓが位置しているため、出力には電流が流れてない状態である。従って、スイッチ回路６２２のゲート端子は、抵抗Ｒ６１，Ｒ６２によりプルアップされるため、整流部６１により整流された発電用巻線３２からの出力は、スイッチ回路６２２から端子部６３を介して負荷Ｌに流れる。

次に、回転板４１３が回転することで透過部４１３ｔから遮光部４１３ｓが第２センサ部４１２により検出されることで、励磁用巻線３１への励磁電流が停止され、非励磁期間となる（Ｓ５０参照）。

そして、図１１に示す第２センサ部６２１ｂにより透過部４１３ｔが検出される（Ｓ６０参照）。図１０に示すように、第２センサ部６２１ｂにより透過部４１３ｔが検出されると、第２センサ部６２１ｂからの出力の電圧が低下する。そうすると、整流部６１により整流された発電用巻線３２からの出力は、第２センサ部６２１ｂからグランドに流れるため短絡した状態となる。

ここで、第２実施例における図７に示す電動機１１に、図１０および図１１に示す調整回路６０を実装して、励磁用センサ部４１の回転板４１３を回転させたときの回転数を測定した。
図１３（Ａ）では、まず、負荷Ｌは接続せず、調整回路６０を動作させない状態（発電用巻線３２の出力が開放状態と等価）で測定した。
次に、図１３（Ｂ）では、図１２に示すタイミングで、励磁用巻線３１が励磁され、非励磁期間に調整回路６０（図１０参照）により短絡される状態を測定した。
更に、図１３（Ｃ）では、常に調整回路６０を短絡させた状態（発電用巻線３２の出力が短絡状態と等価）で測定した。
そして、図１３（Ａ）から同図（Ｃ）では、回転板４１３を、図４（Ａ）に示す角度－５°から図４（Ｅ）に示す角度＋１５°まで、５°ごとに回転させた。

図１３（Ａ）と図１３（Ｂ）とを比較すると、入力電圧一定であるが、回転板４１３の回転角度を－５°から＋１５°に回転させると、図１３（Ａ）に示す発電用巻線３２の出力を開放状態としたときより、図１３（Ｂ）に示す非励磁期間に発電用巻線３２の出力を短絡させた方が、回転数が上がっていることがわかる。
回転数だけを見ると、図１３（Ｃ）に示す発電用巻線３２の出力を短絡状態としたときの方が、図１３（Ｂ）よりも高い。
しかし、図１３（Ｃ）に示す発電用巻線３２の出力を、常時短絡した状態では、大幅にモータ効率が、図１３（Ａ）に示す開放状態より低下してしまう。

従って、図１３（Ａ）に示す開放状態より、図１３（Ｂ）に示すようにモータ効率が、－２．７から１．１までと大幅に低下させることなく、回転数が５０ｒｐｍから９４０ｒｐｍと上昇させることができる。特に、回転板４１３の回転角度が＋１０°、＋１５°のときには、回転数を大幅に上昇させることができ、モータ効率も０．１、１．１と向上させることができた。

これは、励磁用巻線３１の非励磁期間に発電用巻線３２を短絡しない場合、回転子２０の永久磁石２１が励磁用巻線３１に反発して通過して、励磁用巻線３１の励磁期間が過ぎたときに、次の永久磁石２１が励磁用巻線３１に接近するときに、永久磁石２１からの磁界により発電用巻線３２が誘導されることで、励磁用巻線３１に次の励磁電流が流れることを阻害しているものと推定される。従って、非励磁期間に発電用巻線３２を短絡することで、励磁用巻線３１に瞬時に励磁電流を流すことができるので、モータ効率を大幅に低下させることなく回転数を上昇させることができる。

なお、本実施の形態３では、発電用巻線３２の出力を短絡する短絡部としているが、発電用巻線３２の出力を短絡する短絡部の代わりに、負荷による消費部を接続して、非励磁期間に発電用巻線３２の出力を消費するようにすることも可能である。また、調整回路６０では、非励磁期間の全部を短絡状態としているが、非励磁期間の一部とすることができる。負荷は、ダミー負荷だけでなく、発電用巻線３２からの電流により回路を動作させるものでもよい。例えば、負荷は、充電回路によりバッテリを充電するようにしてもよい。

また、本実施の形態３では、第１センサ部４１１，６２１ａによる励磁期間を４５°、非励磁期間（短絡期間）を４５°、第２センサ部４１２，６２１ｂによる励磁期間を４５°、非励磁期間（短絡期間）を４５°としているため、図１１に示す回転板４１３に、透過部４１３ｔが２箇所に形成され、同一円周上の透過部４１３ｔを検知するために、第１センサ部４１１，６２１ａと第２センサ部４１２，６２１ｂとが配置されている。

励磁期間を６０°、非励磁期間（短絡期間）を３０°のように異なる角度とすることもできる。

その場合には、励磁期間を示す透過部４１３ｔと、非励磁期間（短絡期間）を示す透過部４１３ｔとを半径方向にずれた位置に形成して、第１センサ部４１１が通過した透過部４１３ｔの後に遮光部４１３ｓを検出したときに、第１センサ部６２１ａが透過部４１３ｔを検出し、同様に、第２センサ部４１２が通過した透過部４１３ｔの後に遮光部４１３ｓを検出したときに、第２センサ部６２１ｂが透過部４１３ｔを検出するように配置することで可能である。

また、図１０に示す負荷Ｌを、図８に示す回転速度調整部５０の消費部５２のように、抵抗値を可変とすることで、回転速度調整部５０によっても回転数を調整するようにしてもよい。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る電動機を図面に基づいて説明する。
なお、図１４および図１５においては、図１と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図１４および図１５に示す電動機１２は、回転軸２３の軸線に沿って、回転子２０と固定子３０とを一組として、その組み合わせが偶数組の一例である２組配置されたものである。
そして、回転軸２３の軸線方向Ｆ１に並ぶ２個の励磁用巻線３１の軸線位置に配置されたコア（図示せず）同士を連結するヨーク３３が設けられている。

また、軸線方向Ｆ１に並ぶ２個の励磁用巻線３１は、制御回路４０により互いに異極に励磁される。軸線方向Ｆ１に並ぶ回転子２０の永久磁石２１のうち、軸線方向Ｆ１に並ぶ永久磁石２１は、異極になるように配置されている。

このように形成された電動機１２は、ヨーク３３が回転軸２３の軸線方向Ｆ１に並ぶ２個の励磁用巻線３１の軸線位置に配置されたコア同士を連結している。そのため、磁路Ｍ１１が、前後方向の一方の励磁用巻線３１（後方の励磁用巻線３１）からヨーク３３を介して他方の励磁用巻線３１（前方の励磁用巻線３１）に向かうように発生する。また、反対に、磁路Ｍ１２が、他方の励磁用巻線３１（前方の励磁用巻線３１）からヨーク３３を介して一方の励磁用巻線３１（後方の励磁用巻線３１）に向かうように発生する。

例えば、図１に示す電動機１０にヨークを実装する際には、固定子３０の４個の励磁用巻線３１を周回するように形成することが考えられる。従って、回転軸２３の軸線方向Ｆ１に偶数組の固定子３０が配置された、図１４に示す電動機１２であっても、１組の固定子３０の４個の励磁用巻線３１を周回するようにヨークを実装してもよい。
しかし、４個の励磁用巻線３１を周回するようにヨークを実装すると、漏れ磁束が大きくなり、効率の低下が心配される。

本実施の形態では、ヨーク３３が回転軸２３の軸線方向Ｆ１に並ぶ２個の励磁用巻線３１の軸線位置に配置されたコア同士を連結している。そのため、軸線方向Ｆ１に並ぶ励磁用巻線３１を繋いだ部分のみに磁路が形成されるので、漏れ磁束を少なくすることができるため効率を向上させることができる。また、無駄なヨーク部分を減らせることができるので、コストを抑制することができる。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る電動機を図面に基づいて説明する。なお、図１６においては、図７および図１４と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図１６（Ａ）および同図（Ｂ）に示す電動機１３は、図７の電動機１１と同様に、発電用巻線３２が励磁用巻線３１と同軸で、且つ、励磁用巻線３１より外周位置に配置されたものである。この発電用巻線３２には、図８に示す回転速度調整部５０が接続されている。
そして、回転軸２３の軸線方向Ｆ１に並ぶ２個の励磁用巻線３１および２個の発電用巻線３２の軸線位置に配置されたコア（図示せず）同士を連結するヨーク３３が設けられている。

このように形成された電動機１３は、ヨーク３３が回転軸２３の軸線方向Ｆ１に並ぶ２個の励磁用巻線３１および２個の発電用巻線３２の軸線位置に配置されたコア同士を連結している。そのため、磁路Ｍ２１が、前後方向の一方の励磁用巻線３１（後方の励磁用巻線３１）からヨーク３３を介して他方の励磁用巻線３１（前方の励磁用巻線３１）に向かうように発生する。また、反対に、磁路Ｍ２２が、他方の励磁用巻線３１（前方の励磁用巻線３１）からヨーク３３を介して一方の励磁用巻線３１（後方の励磁用巻線３１）に向かうように発生する。

このように、励磁用巻線３１に発電用巻線３２が同軸に連結されていても、軸線方向Ｆ１に並ぶ励磁用巻線３１同士を、発電用巻線３２を介してヨーク３３により連結することで、図１４に示す電動機１２と同様に、漏れ磁束を少なくすることができるため効率を向上させることができる。

本発明は、複数の永久磁石が出力軸に設けられた回転子と、出力軸の回転円周に沿って配置された複数の励磁用巻線を有する固定子とを有する電動機に好適である。

１０，１１，１２，１３ 電動機
２０ 回転子
２１ 永久磁石
２１１ 第１部分
２１２ 第２部分
２１３ 第３部分
２１４ 第４部分
２１５ 第５部分
２２ 回転子本体
２３ 回転軸
３０ 固定子
３１ 励磁用巻線
３１ａ～３１ｄ 第１巻線～第４巻線
３２ 発電用巻線
３３ ヨーク
４０ 制御回路
４１ 励磁用センサ部
４１１ 第１センサ部
４１２ 第２センサ部
４１３ 回転板
４１３ｄ 円盤本体
４１３ｔ 透過部
４１３ｓ 遮光部
４２ 励磁回路部
４２１ａ，４２１ｂ 第１ＦＥＴ
４２２ａ，４２２ｂ 第２ＦＥＴ
４２３ａ，４２３ｂ 第３ＦＥＴ
４３ タイミング制御部
４４ タイミング設定部
４５ 磁極励磁部
可 ５０ 回転速度調整部
５１ 整流部
５２ 消費部
６０ 調整回路
６１ 整流部
６２ 短絡部
６２１ 調整用センサ部
６２１ａ 第１センサ部
６２１ｂ 第２センサ部
６２２ スイッチ回路
６３ 端子部
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
Ｒ６１，Ｒ６２ 抵抗
Ｃ１１，Ｃ１２ コンデンサ
Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２ ダイオード
Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ２１，Ｍ２２ 磁路
Ｆ１ 軸線方向
Ｌ 負荷

Claims (3)

1. 複数の永久磁石が出力軸に設けられた回転子と、
   前記回転子への磁界を発生する励磁用巻線と、
   前記回転子の回転に伴う磁界により発電する発電用巻線と、
   前記励磁用巻線の非励磁期間の一部または全部を含む期間の前記発電用巻線からの出力を調整する調整回路とを備えた電動機。
2. 前記調整回路は、前記励磁用巻線の非励磁期間の一部または全部を含む期間に、前記発電用巻線からの出力を、短絡させる短絡部または消費する消費部を含む請求項１記載の電動機。
3. 前記調整回路は、前記励磁用巻線の励磁期間に電流が流れる期間に発電した前記発電巻線からの電流が流れる負荷を接続するための端子部を含む請求項２記載の電動機。

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