JP4276268B2 - 単一磁界回転子モータ - Google Patents

Description

本発明は、モータトルクを生成するモータの全磁束回路において最小の交流磁束場を生成する単一磁界回転子モータに関する。その結果、固定子部分及び回転子部分の主部分において非反転磁束場が生成されてり、損失を減少させ、モータ作動全体において大きな効率改善をもたらす。

典型的な電気モータ構造及び理論においては、交流磁束場が生成され、モータ回転子の回転が発生するように、それらの磁束場を不均衡にさせるための様々なシステムが利用される。従来の電気モータデバイスにおいては反転磁束場が生成されており、非作動の磁束場に打ち勝つ必要性のために、モータの効率が悪影響を受けている。

長年、この従来の非効率性を克服するために電気モータ技術分野において様々な構造のシステム及び理論システムが生み出されてきたが、これまで、電気モータ効率は向上せず、特に、１馬力未満のモータにおいては、通常良くても５０％以上には届かず、公知の電気モータでは電気的エネルギから機械的エネルギへの変換が非効率であった。

モータ固定子内で交流磁束が使用されている電気モータ内の領域が小さく保たれていれば、効率を増大することが経験上知られている。これは、交流磁束領域に含まれる金属質量がより少なくなるからであり、また、交番する磁束経路がより短くなるからであり、それゆえに、総磁束トルク回路の大きな領域が交番させられるモータの場合よりも芯損失の発生が少なくなるからである。

これらの目的を達成するためには、通常のトルク構成から大きく離れ、固定子部分及び回転子部分における磁束の発生及び操作方法から大きく離れたモータ構成を使用して、極性変化を伴わない回転磁場を生成する必要がある。

単一磁界モータ回転子として記述され、設計された本発明に係るモータは、上述の構成を有する。以下で述べるように、本発明にかかるモータの特有の構成が明らかにされ、回転子及び固定子の飽和を生成し且つ一次トルクパワーを生成するために使用される非交流磁場の特有の形状が明らかされる。そして、実際には交番しなければならない全トルク経路における最小の領域及び質量が達成されて、モータの回転子トルク領域における非交流トルク磁場を回転させる。

本発明にかかる単一磁界回転子モータの非交流磁束の構成は、従来の電気モータとは大きく異なる。まず、モータの回転子トルク領域における一次トルクを生成するために使用される磁束は、回転子トルク領域における固定子磁極間の交差磁場の配置によって生成されるのでもなく、その磁束経路が固定子芯内を半径方向に進んで同じトルク領域における種々の磁極面を通して反対極性になるのを示すように配向された磁場によって生成されるのでもない。そうではなく、本発明のモータにおいてトルクを生成する一次磁束は、このモータのエンドベル又は端部領域（中実の強磁性モータ鋼又は磁束伝導材料の均等物からなる）から軸方向に形成されて、固定子磁束経路の一部となり、可変リラクタンスモータにおいて使用されているものによく似た、積層されて突極化した回転子の両側面と各エンドベルの内面との間の小さな空隙を横切っている。向かい合わせの二つの内側エンドベル表面から出た磁束は、モータの軸に関して反対極性にあり、このことは、各エンドベルの内側に存在し且つ積層された回転子に入る磁束が、共にＮ極であるか共にＳ極であるかのいずれかであり、それゆえ、軸に沿って互いに１８０度位相が異なる、ということを意味する。このエンドベルからの逆位相の磁束が、モータの回転子トルク領域（積層された回転子の芯の中）において出会うと、磁束自体によって生成される自然の結果により、この磁束はモータ軸に対する垂直平面において半径方向に広がる。回転子の積層が軸方向に間隔を置いた配向はまた、同じ効果を強め、磁束は、回転子の各積層によって、回転子の半径方向エッジに向けて外側に曲げられ、回転子の半径方向エッジに突極が積層の外部形状によって形成されている。これによって、回転子の磁極が、その数に関わらず、それらの半径方向面に存在する全てがＮ極又は全てがＳ極のいずれかの、同じ磁極の磁場を有するものとされる。このことは各回転子磁極の半径方向面上に同じ磁束場極性を与えるけれど、各回転子磁極においては、その他の回転子磁極に対して非常にバランスのとれた磁束密度を生成する。この構成により、流入する磁束のための回転子側面上の大きな２つの表面による、磁束集中又は集束の比が優れたものとなる。そして、本発明のプロトタイプ（のモータ）においては、仕事が行われる回転子磁極面の表面の全領域に対する、これら２つの表面領域の比は、略３対１である。これにより良好な飽和特性が得られ、モータが動作中は回転子は極性を決して変えないので、この飽和は、回転子及びその磁極において常時ピークを維持する。

磁束が回転子磁極の半径方向面を出るとき、磁束は、それらの面と積層された固定子磁極の面と間の小さな空隙を横切る。これら積層された固定子磁極は、常に回転子磁極の２倍の数である。これは、回転子の磁極の面が、その回転子の総外径の約５０％に等しく、突極の間のスペースは前記外径の約５０％に等しいからである。この固定子の積層された部分は、その外周面において、中実構造の強磁性又は均等な材料のハウジングの中に嵌合しており、ハウジングは、強磁性エンドベルに連結され、あるいは、エンドベル自体が、ハウジング及びエンドベルの両方を形成するように、モータの中心で合致して連結するよう実際に形成される。

実際の磁束源は、例えば、ドーナツ型磁石のような磁石でよく、その厚さを貫通するように磁化されており、その中心穴を回転子の軸が貫通して、エンドベルの内部に取り付けられてエンドベル／固定子の１部となり、その磁石の内面は、回転子の側面の領域からその突極を差し引いたものに略等しい。そして、エンドベルからのトルク磁束は、実際には、回転子側面に隣接する磁石面の表面から空隙を横切って回転子側面に入る。磁束を生成するための他の選択肢は、各エンドベルが、回転子面の１つの領域に等しい該エンドベルの内側面に、単一磁極を形成するようにすることであり、回転子軸を貫通するドーナツ状の中心孔と各エンドベルの磁極に巻かれた直流（ＤＣ）固定子コイルとを有し、これによって、上述したのと同じ磁束の配向を生成する。

一見したところ、特別の空隙（エンドベル及び回転子側面の間の空隙）がトルク磁束回路の中に加えられているように見えるが、そうではない。この磁束の配向は、従来のモータに含まれるような、磁束回路において固定子磁極／回転子磁極の間に２つの空隙を含むのではなく、ただ１つを含むのみであるので、磁束回路における空隙の数は正確に等しいのである。この種の空隙設計に関して、この構成についての利点が他に２点ある。第一は、既に述べたこの単一磁界回転子モータ構造の空隙の１つ（エンドベル及び回転子側部の間のもの）は、回転子及び固定子磁極の表面上で利用可能なものに比べ、空隙を横切る磁束のために利用可能な３倍の表面を有しているということである。この利点は、この一つの空隙における表面増大が、磁束トルク回路におけるエネルギ損失を低下させるということを意味する。第二の利点は、回転子磁極及び固定子磁極間の空隙と同様に、エンドベル及び回転子側面間の空隙が不変である（決して増大及び減少したりしない）ということである。このことは、磁束トルク回路における２つの空隙のうちの１つが常に最小であり、よって磁束回路の効率をより増大にするということを意味する。また、このことは、位相コイルが最初に固定子磁極の極性を反転させると、回転子磁極のほとんどが、同位相の固定子磁極からずれてしまうということを意味し、磁束回路は二つの回転子／固定子空隙を通る設計であるのでトルク回路において存在する空隙はほぼ半分である、ということを意味する。以上のことは、トルクサイクルにおける臨界点での磁束回路の効率を向上させ、回転子上で作用するより多くの磁束、つまり、より大きなワット当たりのトルクが存在するということを意味する。そして、この設計によって、回転子及び固定子の両方における全ての磁極が、全ての半位相ごとにおけるトルクに貢献することを可能にするので、この利点の達成におけるトルク表面の損失はない。実際に、ほとんどのスイッチド・リラクタンスモータや他の突極モータ設計に比べ、トルク表面が増大する。

本発明にかかるモータの磁束構成は、添付図面の図１及び２によってより深く理解できる。図１は、磁石又はＤＣコイル及び固定子芯のいずれかによって生成される、単一磁界回転子モータ内における１次トルク磁束の構成を示す。図２は、図１に示した磁束回路の端部及び軸方向の図であり、明瞭のために９０度ごとにしか磁束経路を示す矢印を記載していないが、この磁束回路の３６０度の構成を説明する趣旨である。

発明の概念の予備的理解のために、１次トルク磁束のについての磁束構成を図１及び図２に示す。図１は、モータ軸平面に沿って観察される磁束を示し、図２は、モータ軸平面に沿う下方の斜視図であり、この磁束パターンが、常時、軸平面の周り３６０度に存在することを示している（しかし、明瞭のため、９０度ごとの磁束パターンのみを示す）。図３は図１と同種であり、磁石が使用された場合の磁束経路部分であるモータ部の説明を追加している。そして、図４は、固定子上の磁石に代わって示された直流コイルを除いて、図３と同様である。

図１の領域１０１は、永久磁石又は直流コイルのいずれかによってシステムにおいて磁束が生成される領域を示す。マーク領域１０２は、モータの回転子トルク領域であり、マーク領域１０３は、固定子の積層磁極領域であって、モータ動作を生成するために磁束が作用する唯一の領域である。磁束回路１０４の他の全ての領域は、ハウジングやエンドベルといった、固定子の固体モータ鋼の部品である。

上述した磁束構成を有するトルクを生成する方法は、積層固定子磁極上の位相コイル手段による。既に示したように、固定子磁極の数は、常に回転子磁極の数の２倍である。磁石面又は直流コイル面からジャンプする全ての磁束は、軸方向の空隙を横切って回転子側面内に入り、回転子磁極が利用されて、半径方向空隙の中にジャンプして固定子に戻って固定子の積層磁極を通って中実の固体固定子ハウジング及びエンドベルを通ることによって磁気回路を完成するので、トルク磁束と同位相の固定子磁極ごとの組と、前記トルク磁束と異なる位相の他の固定子磁極ごとの他の組とを交互に作ることによって回転子の回転が可能になる。これによって、磁束が絶えず同相の磁極を探してその非交番の磁束回路の完成保たれ、回転子に一定のトルクを生成する一方で、同時に、回転子磁極が、不変の磁極を有するので固定子磁極の異なる位相の組には反発する。

本発明にかかるモータの他の特有な特徴は、積層された突極回転子が、その全外周面上に同じ磁場の極性を持つ半径方向磁石のように分極されることである。このことは、固定子の積層部分上の位相コイルが、回転子磁化の極性に関し同位相から異なる位相へと反転させるので、現実に回転子磁極上に反発力を生成する、ということを意味する。これは、固定子上の全ての磁極及び回転子上の全ての磁極が、正及び負の電気的位相の両方において、回転子のトルクに寄与することを意味する。これは、本来、磁気吸引力によってトルクを生成する積層突極回転子モータとは大きく異なる。そして、この種の積層突極回転子を使用するものの多くにとっては、回転子はそれ自体の極性の組を有していないので、回転子は、固定子磁極の磁気的同位相面の間で単に回転分流器のように振舞うに過ぎない。

明らかに、また、単一磁界回転子モータの極性は不変であり、従って、磁石又は直流コイルのいずれかによってそれに与えられる磁場を維持することが理解されよう。これは、積層突極回転子を使用する、モータとは大きく異なる。なぜなら、同位相の固定子磁極表面の間でこの種の回転分流器としてこれらモータの回転子が作用するとき、常に磁気的に再指向される回転子磁極及び回転子質量を必要とするからである。

本発明に従って構成されたモータの効率は、９０％の高さであり、経済的には、容易に４分の１ＨＰモータサイズ以下のダウンが達成される。全てを単相モータとして、４分の１ＨＰのものよりも大きなものにおいては、９０％以上の効率が達成されるであろう。

（単一磁界モータ回転子のための固定子位相コイル構成の概説）
単一磁界回転子モータの位相コイル部は、三つの異なった方法で巻くことができる。全ての方法は、単純で、略同じ動作特性を与えるが、各方法は、異なる製品需要及び回路要求に対し、より適合する。より伝統的な方法は、それぞれの積層された固定子磁極上にコイルを巻いて、各コイルが、固定子の内部周縁に沿って、そのいずれかの側の位相コイルに関して逆巻きになるようにすることである。これは、単純な、時計回り、反時計回り巻き線パターンである。通常、コイルは電気的に直列に接続され、それら全ては、図１３及び１４に示したような制御回路によって互いに励磁することができる。このことは、他の各磁極はその表面が全てＮ極に帯磁し、介在する磁極はその表面がそれぞれＳ極に帯磁する、ということを意味する。正の半位相及び負の半位相を与える単位相制御回路があれば、二組の磁極の極性は、望みどおりに切り替わる。

その効果は、他の全ての固定子磁極が、固定子磁石又は直流コイルによって生成された１次トルク磁束を伴った、同位相又は異なる位相のいずれかになるということである。これにより、固定子磁極の半数の回転子磁極がもたらされ、これらの回転子は、何れの位置においても一つおきの固定子磁極とのみ整合し、それは、固定子磁石又は直流コイルからの１次トルク磁束の回路経路を伴う、異なる位相であるがゆえに、一組の固定子磁極によって固定子及び回転子磁極の整合位置が反発しうるのであり、同じソースからの１次トルク磁束を伴う同位相であるがゆえに、他の組の固定子によって誘引されるものである。この交番のタイミングを一次的に制御する回路により単純に正及び負の間の位相コイルを交番させることによって、固定子磁極の内側表面上の同位相領域においてスピニングが生成される。そして、それは常に利用可能な固定子磁極面の表面の５０％であり、一つおきの固定子磁極面に対応するものである。この結果、回転子は、これら継続的な回転同位相領域を常に「追跡し」、同じく利用可能な固定子磁極表面の５０％であり、一つおきの固定子磁極表面の他の組に対応する回転異位相領域を常に反発する。

位相コイルを巻く代替的方法の一つは、「Ｚ」コイル巻きと呼ばれるものを使用することである。「Ｚ」コイル巻きは、偶数の磁極で使用され、ジグザグに固定子のスロットを通って巻き線を単に通過させ、各スロットにおいて望みの巻き数に達するまで固定子の周りを巻いていくものである。このことは、もちろん、固定子内部の周縁に配置されたスロット間で前後に編み込まれているコイルは、実際には、たった一本であるということを意味する。このコイルは、一つおきの固定子スロットに関してその向きを反転させるので、この固定子磁極表面上に同じ交流磁束パターンを生成する。「Ｚ」コイル巻きは、各磁極の片側の周りをループするだけなので、全直列位相巻きの全長を効果的に短縮し、全抵抗を低減する。また、要求された巻き数の単一コイルは、「Ｚ」手法で固定子スロットの中に滑らかにすべることが可能な径で巻くことができるので、この種の巻き方は、このモータの生産適用のいくつかの様式については非常に簡単なものとなっている。

位相コイルを巻く第二の代替的方法は、二つの「Ｚ」コイルを使用することであり、同じスロットにおいて互いに１８０度反対に巻き、一つの「Ｚ」コイルの側部ループが、一つおきの固定子磁極の一方の側（全ての磁極と交互になって周囲をループしている側）の周りをループし、同時に、第２の「Ｚ」コイルを、第１の「Ｚ」コイルの側から、一つおきの磁極の反対側の周りに巻くことである。そして、これらを１つの電圧、例えば１１５ボルトで並列に接続することができ、第２の電圧、例えば２３０ボルトで直列に接続することができる。また、位相コイルを巻くこの二重「Ｚ」コイル手法により、互いに関して一方に正極及び他方に負極を伴った直流回路として、二組の別々のコイルに電圧が印加された、バイファイラ型モータ回路の使用が容易となる。これにより、本発明にかかる単一磁界回転子モータは、Ｈブリッジ型制御回路に比較して低廉な、非常に経済的なモータ制御回路を使用することができ、同時に、モータの最低速度から最高速度までの回転を連続的に可変可能な、多様な簡便な速度制御方法を提供できる。

位相コイルを巻く単一「Ｚ」コイル方法を添付図面の図９に示し、同時に、二重「Ｚ」コイル巻きの方法を添付の図１０に示す。

固定子上の位相コイルの三つの巻き方は、全て略同じ作動を与え、製造又は回路要求によって使用される。

（好適な実施形態の説明）
図１に、磁束が永久磁石によって生成されるか、あるいは、直流コイル及び固定子芯によって生成されるかのいずれによるものであるかに関係なく、本発明に基づく単一磁界回転子モータにおける一次トルク磁束の構成及び経路を図式的に示す。点線で描かれ囲まれた領域１０１は、磁石又は直流コイル芯において磁束が発生する領域である。点線枠１０２は、回転子が回転し、磁束の反極性が、どのように反対側から回転子トルク領域に入ってモータ軸に対して垂直な噴射となる要因となるのかを示す、モータの回転子トルク領域である。また、このモータの積層は、この効果を一層奏するこの軸に対して垂直に配置されており、そして、この回転子の積層は、回転子磁極が形成される、回転子の外周に向かって移動する磁束のためのフェライト経路になっている。領域１０３は固定子領域を表しており、ここでは、磁極が積層され位相コイルが巻かれて、磁束がどのように固定子のこの部分を使って固体の中を通って、つまり非積層の固定子部分の中を通るかを示しており、そこでは、矢印１０４が、固定子の非積層部による、本来存在していたところから磁石又は直流コイル芯の反対側への磁束の帰還を表しており、このようにして磁束回路が完成する。そして、観察者に対して遠近感を与えるためのシャフト１０５が、図１に示されている。

図２は、図１に示した磁束回路の端面及び軸の中間図であり、磁束回路の３６０度構成を示しているが、明瞭のために、９０度ごとの磁束経路を示す矢印のみを示す。磁束１０４及びシャフト１０５は、図１に関して遠近感を与えるよう表現されている。

図３に関して、本発明による典型的な単一磁界回転子モータを示すが、図１に記載の作動と同様で、多くのモータ部品を示しており、回転子磁極が形成される外周に磁束が移動するよう積層された、回転子１０７に向かう両方の内面上にＮ極磁場が存在するよう永久磁石１０９が配置されている。磁石１０９からの磁束は、その内部表面とシャフト１０５上に取り付けられた回転子１０９側面との間の不変の最小空隙を横切り、回転子積層に入り、次に、モータ軸に対して垂直に曲がり、回転子外周の全３６０度を、回転子の積層に沿って移動する。次に、回転子磁極に集束して、固定子積層１０８の固定子磁極表面上の２，３千分の１インチ内に伸びる。次に、磁束は、回転子の外側周縁上の回転子磁極表面と、全スロット内に位相コイル１１０が巻かれた部分１０８で示した固定子の積層部分の磁極内側表面との間の空隙を横切る。磁束は、１０８の積層を通って、その外側周縁へ通り抜ける。１０８の外側周縁は、固定子又はエンドベルの、固体及び非積層の強磁性体又はその均等部分である固定子ハウジング１０６の内側周縁の中に圧入されている。磁束は、固体固定子ハウジング１０６を使って磁石１０９のＳ極表面へ帰還し、磁束回路が完成する。

図４は、同じ参照番号を示す部分については既に述べた、図３の回路を利用するモータを説明している。固定子の磁石は直流コイル１１１及びこれらコイルの芯に置き換えられおり、これらは固体固定子ハウジング１０６の一部となっている。

図５は、永久磁石を利用する、本発明にかかる単一磁界モータ回転子の実施形態を示す。固体固定子ハウジング１０６及び結合されたエンドベル１１４は、その内側表面に接着された磁石１０９を有しており、その磁石の内側表面は、回転子１０７の側面に隣接して、最小の空隙を伴って正確に位置決めされている。残りの固体固定子ハウジング／エンドベル１１４は、その中に位相コイル１１０が圧入された固体子積層１０８を有し、固定子磁極表面を正確に回転子の周りに位置付けて、回転子磁極が固定子磁極の内側表面から２，３千の１インチ回転できるようにし、そして、一つおきの固定子磁極と交互に整合するようになっている。回転子１０７は、シャフト１０５上に取り付けられ、ベアリング１１２によって定位置に保たれ、固体固定子ハウジング／エンドベル１０６及び１１４のベアリングハウジングの中に収まっている。

図６は、磁石１０９を、１２１上に示した１１３といった、固体固定子ハウジング／エンドベル１２０及び１２１からの伸張コイル芯によって置き換えた点以外は、図５に示したモータと同様である。そして、直流コイル１１１は、図５の実施形態の永久磁石１０９に代わって、モータのための１次トルク磁束を生成するために、これらの芯に巻かれる。

図７は、本発明による単一磁界回転子モータの断面端面図であり、先に述べたものとは異なる断面からのモータ部分を示している。回転子２０３は、８つの突極２０４を伴って示され、積層固定子２０１の固定子磁極２０２の一つおきの磁極表面と整合が取れるような大きさ及び位置決めがなされている。固定子磁極２０２は１６個あり、それらの間に１６のスロットを伴って、固定子２０１の内側周縁に等しい間隔をおいて割り当てられている。固定子積層２０１は、固体固定子／エンドベル２０５の中に圧入されて示されている。固定子磁極表面は、固定子周縁の全内側表面からスロット開口のみを差し引いたものに等しい。回転子磁極表面は、固定子のいずれか１つの磁極の表面に等しく、一つおきの固定子磁極と全て同時に整合が取れるような間隔が与えられている。

図８Ａ−８Ｄは、本発明による単一磁界回転子モータにおけるトルク発生の方法を示している。図８Ａにおいて、回転子磁極は、固定子の奇数番目の磁極と整合が取れるように示されている。奇数固定子磁極上の矢印は、位相コイル（不図示）に電磁エネルギが加えられていることを示し、それゆえ、その固定子の奇数磁極は回転子磁極のトルク磁束と磁気的に異なる位相となり、矢印で示したように全ての回転子磁極表面はＮ極となり、そしてこれは磁石又は固定子の直流コイルから生じるものであり、同時に、固定子の偶数番目の磁極にも電磁エネルギが加えられて回転子磁極の磁束と磁気的に同位相となる。これにより、回転子磁極は、固定子の奇数番目の磁極から磁気的に反発され、固定子の偶数番目の磁極に向かって誘引される。その結果、回転子磁極は、図８Ｂに示したように偶数番目の磁極と整合性が取れて、磁気的に同位相となる。そして、図８Ｃに示したように、固定子磁極上の矢印の向きの変化により、位相コイルは全てその極性を反転させて、固定子の偶数番目の固定子磁極を、回転子磁極におけるトルク磁束とは磁気的に異なる位相にし、それは磁石又は直流コイルから生じるものであり、同時に、固定子の奇数番目の磁極に電磁エネルギが加えられて回転子磁極の磁束と磁気的に同位相となるのである。これにより、回転子磁極は、固定子の偶数番目の磁極から磁気的に反発され、固定子の奇数番目の磁極に向かって誘引される。その結果、回転子磁極は、図８Ｄに示したように奇数番目の磁極と整合性が取れて磁気的に同位相になる。以上が制御回路により繰り返され、この回転子上のトルクが持続することとなる。

図９は、固定子の積層部のスロットにおける、位相コイルの巻き方の代替的方法を示す。磁気巻き線終端２１０は、固定子磁極スロットを通って交互に編み合わされており、これにより、一つおきの固定子磁極の反対側の周りをループするよう、各固定子磁極の一方のみの周りをループするようになっている。このスロットにおける巻き数は、巻き線が全てのスロットを通って通過を完成させる回数によって決定される。所望の巻き数に達すると、巻き線は終端２１１で終了する。この種の巻き線に単相電流を適用することにより、全ての固定子磁極２１２は、正の半位相におけるその表面上に、Ｎ極及びＳ極を交番させ、負の半位相においてはその逆のパターンとなる。

図１０に示したように、第１の巻き線から、固定子磁極の反対側の周りを巻き線がループするよう反対方向においてのみ、第２巻き線を同様に巻くことによって、本質的に２つの直流回路が交互に作動する非常に簡単な回路によって作動及び制御が可能となる、バイファイラ位相コイル構成が形成され、或いは、より従来的なＨブリッジ型回路を伴った並列又は直列コイルを使用すれば、マルチ電圧オプションが生成される。

図１１は、本来、図６に示したモータの拡大図である。１２０及び１２１は、１１３で示したように、その内側表面に形成されたコイル芯を有する固体固定子／エンドベルである。直流コイル１１１は、モータにおける一次トルク磁束を生成するよう、これら芯にそれぞれ巻かれる。回転子１０７は、回転時に、積層固定子１０８の一つおきの磁極と整合するような間隔で割り当てられた突極を伴って、軟性のモータ鋼から積層された回転子である。固定子１０８の積層部分は、その磁極上に巻かれた位相コイル１１０を伴って示されており、これらは、各磁極の周りに単一コイルが巻かれる従来の形式のものでもよいし、或いは、図９及び１０に示した「Ｚ」形式の巻き方であってもよい。

図１２は、図５の拡大図であり、直流コイルではなく、磁石１０９がモータにおける一次トルク磁束の生成のために使用されているということを除いて、図６及び１１のモータと同様である。従って、固体固体子ハウジング／エンドベル１０６及び１１４は、他のバージョンを具備していることが示されている直流コイル芯なしに組立てられ、その代わりに、芯及び直流コイルに代わって、固体固定子／エンドベルの内側表面に接着された磁石１０９を有することとなる。

図１３に、閉ループ回転子フィードバック回路又は可変周波数発信器手段によるオープン制御のいずれかからの、回路の選択制御を有する本発明のモータと共に使用される、標準Ｈブリッジ回路を示す。その効率は、閉ループ制御で僅かに高いが、多くの適用において、オープン制御は、数パーセントの効率低下を伴うだけで所望の制御特性を得ることができる。閉ループ制御は、選択的な速度制御回路手段によって、速度制御をも可能にする。図１３に示したこの回路には、単一磁界回転子モータの上記した磁石版が使用されている。

図１４に、図１３で示したのと同様の回路を示しているが、ここでは、固定子を、上述したモータのエンドベル内に形成された芯の上に覆われた直流コイルで置き換えた、単一磁界回転子モータ版の固定子エンドベル上の２つの直流コイルを駆動するための、位相コイルに直列されたブリッジ回路が追加されている。

図１５Ａ及び１５Ｂは、単一磁界モータ回転子を駆動するために使用される、第３及び第４の種類の回路を示す。これらは、バイファイラ回路である。従って、二つの同じ線が、同時に位相コイル上に巻かれている。こうして巻かれた巻き線は、共に、閉回路又はオープン制御のいずれかによって交替することのできる二つの分離直流回路を有する、直流コントローラに接続されている。この二つの分離巻き線は、互いに電気的に１８０度反対に接続され、これら反対の半位相の１つを生成するよう、交互に使用される。このように、第１の回路がコントローラによって作動されると、上述したＮ極−Ｓ極パターンが、積層された固定子磁極の内側表面の周囲に生成される。第２の回路が作動すると、各磁極は反転して互い違いのパターンを生成する。これらは、コントローラによって交番し、モータが通常の手法で作動することとなる。このバイファイラ回路は、廉価な回路が必要とされる適用において有益である。これらの回路によって、非常に低廉な速度制御を得ることもできる。

図１５Ａと図１５Ｂとの相違は、図１５Ａが本発明にかかる単一磁界回転子モータの磁石版のためのものであり、図１５Ｂが固定子エンドベル上の磁石に替えて直流コイルを使用する直流コイル版と共に使用するためのものであることである。認識されるように、図１５Ｂは、図１５Ａには図示されていないブリッジ回路及び二つの直流コイルを含んでいる。

以上の説明及び記載から、回転する電気モータを生み出すために、特有の磁束パターン及び固定子力が生成されることが望ましい。本発明の発明の概念は、後述する特許請求の範囲によって定義されるものと理解されるべきであり、当業者にとって明らかな修正及び改善は、後述の特許請求の範囲及び請求されたの文言の範囲内にあるものとみなされるべきである。

本発明による単一磁界回転子モータにおける典型的な磁束構成を説明する図である。 図１の磁束構成の回転軸平面に沿った斜視図である。 磁石が使用された場合の磁束経路の一部であるモータ部を説明する、図１と同種の図である。 固定子上の磁石の代わりに直流（Ｄ．Ｃ．）コイルが示された以外は図３と同種の図である。 永久磁石を使用する本発明の単一磁界モータ回転子の実施形態を説明する図である。 永久磁石がコイル芯に置き換えられた以外は図５に示したモータと同一の図である。 本発明の概念を利用した典型的な単一磁界回転子モータの端面図である。 本発明の単一磁界モータ回転子におけるトルクの適用方法を説明する図である。 本発明の単一磁界モータ回転子におけるトルクの適用方法を説明する図である。 本発明の単一磁界モータ回転子におけるトルクの適用方法を説明する図である。 本発明の単一磁界モータ回転子におけるトルクの適用方法を説明する図である。 固定子積層部スロットにおける位相コイルの代替的な巻き方を説明する図である。 反対方向に第２巻き線が採用された、図９と同種の図である。 図６において図示したモータの分解組立図である。 図５において図示した永久磁石モータの分解組立図である。 本発明の磁石版を使用するための回路を説明する図である。 本発明の直流コイル版を使用するための、図１３と同種の回路を開示する図である。 バイファイラ型駆動の本発明にかかる単一磁界回転子モータを使用可能な回路を示す図である。 バイファイラ型駆動の本発明にかかる単一磁界回転子モータを利用可能な回路を示す図である。

符号の説明

１０１ システムにおける磁束生成領域
１０２ モータの回転子トルク領域
１０３ 固定子の積層磁極領域
１０４ 磁束経路
１０５ シャフト
１０６ 固定子ハウジング
１０７ 回転子
１０８ 固定子積層
１０９ 永久磁石
１１０ 位相コイル
１１１ 直流コイル
１１２ ベアリング
１１４ エンドベル
１２０ 固定子ハウジング
１２１ エンドベル
２０１ 積層固定子
２０２ 固定子磁極
２０３ 回転子
２０４ 突極
２０５ 固体固定子／エンドベル
２１０ 磁気巻き線終端

Claims (11)

1. 単一磁界回転子モータであって、
   軸方向に相互に間隔をおいた端部領域を有する固定子ハウジングと、
   前記端部領域を貫通して回転可能に延びる軸と、
   前記端部領域の間の前記軸に取り付けられており、前記端部領域に隣接して配置された半径方向に広がる側面と、周面に相互に離隔して形成された突起と、周方向に幅がある磁極とを有する、積層された強磁性の回転子と、
   前記固定子ハウジングの端部領域において一定極性の磁場を生成し、全ての周辺回転子磁極が同一かつ不変の磁極性を有するよう、不変の空隙を軸方向に通って前記回転子の側面内に磁束を誘導する磁気手段と、
   前記回転子の周囲を包囲しており、内側の周縁部を有する固定子と、
   前記固定子内側周縁部に形成されて、各々が周方向の幅を有する、複数の固定子磁極と、を備え、
   前記固定子磁極の数は回転子磁極の数の２倍であり、
   前記固定子磁極の周方向幅は、実質的に、前記回転子磁極の周方向幅と、前記回転子及び前記固定子磁極の間に存在する小さな半径方向空隙とに等しくされており、
   前記固定子磁極のそれぞれは、コイルを有し、該固定子コイル内に磁極力を生成するようになっており、
   更に、前記固定子の磁極の極性を交番するように変化させて前記回転子磁極を交互に引きつけ反発させ、同時に前記回転子磁極の極性は一定に保っており、前記回転子の回転を発生させるように、前記固定子のコイルを交互にチャージする、回路手段と、
   の組み合わせからなることを特徴とするモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、前記隣接する回転子磁極間の周方向の間隔が等しいことを特徴とするモータ。
3. 請求項１に記載のモータにおいて、前記隣接する固定子磁極間の内側周縁の間隔は等しいことを特徴とするモータ。
4. 請求項１に記載のモータにおいて、前記隣接回転子磁極間の周方向の間隔は等しく、かつ、前記隣隣接固定子磁極間の内側周縁の間隔は等しいことを特徴とするモータ。
5. 請求項１に記載のモータにおいて、前記ハウジング端部領域で磁場を発生させる前記磁気手段は、永久磁石からなることを特徴とするモータ。
6. 請求項１に記載のモータにおいて、前記ハウジング端部領域で磁場を発生させる前記磁気手段は、フェライト芯の周りに巻かれて直流によって励磁される電気コイルからなり、生成した磁束が、前記固定子ハウジング内の前記磁気手段と前記回転子側面との間の一定で最小である不変の空隙を軸方向に横切って、前記回転子側面の中に誘導されることを特徴とするモータ。
7. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記磁気手段は、前記固定子ハウジング端部領域及び前記回転子側面の間の空隙を横切る前記ハウジング端部領域で磁場を生成しており、
   前記空隙は、常に最小でかつ非膨張であり、かつ、前記回転子及び固定子の磁極表面に比べて、該空隙のいずれか一方の側に、対向するフェライト表面を増大させて、モータ固定子ハウジング及び回転子における磁束回路を完成させることを特徴とするモータ。
8. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記磁気手段は、前記ハウジング端部領域において磁場を生成し、その磁場を前記ハウジング端部領域と前記回転子側面との間の一定で最小の空隙を横切って送っており、前記回転子を回転させたり接触したりする磁束生成部材を持たない前記回転子に磁極を生成していることを特徴とするモータ。
9. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記磁気手段は、前記固定子ハウジングと前記固定子ハウジング端部領域から始まる回転子とに磁束回路を形成するように、前記ハウジング端部領域に磁場を生成し、前記固定子端部領域及び前記回転子側面の間の空隙を軸方向に横切ることによって磁場を前記回転子内に誘導しており、
   前記磁界は前記回転子の積層において半径方向に向かい、前記回転子磁極と前記固定子磁極との間に半径方向にトルクを付与しており、
   前記磁束回路は、前記固定子ハウジングと固定子ハウジング端部領域とを使用して軸方向に形成される、
   ことを特徴とするモータ。
10. 電気モータ内で回転発生力を生成する方法であって、
    周方向に離間配置された複数の磁極を有する回転子を備えた前記電気モータのハウジング内に磁束伝導回転子を提供するステップと、
    各々が内部に固定子コイルを有する離間した固定子磁極を有する、前記ハウジング内側周縁部に取り付けられる固定子を提供するステップと、
    ここにおいて、前記回転子磁極及び前記固定子磁極表面は半径方向に整列可能であって、さらに、
    前記ハウジング端部領域に配置され、軸方向の空隙によって前記回転子から離間した磁気手段を使用して、前記回転子内で単一極性半径方向磁束を生成するステップと、
    隣接した固定子磁極が反対の極性を有し、前記回転子及び前記固定子磁極間に磁力を発生させるよう、前記固定子コイルを励磁するステップと、
    前記固定子磁極の各々の極性を交番させると同時に、前記回転子磁極が一定に保たれたまま前記回転子を回転させるステップと
    を含む方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記磁気的な単一磁極にされた回転子は、前記回転子を回転又は接触させる磁気的磁束生成要素を持っていないことを特徴とする方法。

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