JP4569883B2 - 交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスｄｃモータ、及び、モータシステム - Google Patents

Description

本発明は、交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ、及び、モータシステムに関し、詳しくは、回転体を回転させてモータとして機能させつつ、当該回転体の回転により直接的に発電する交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ、及び、当該ブラシレスＤＣモータを含むモータシステムに関する。

従来、モータを回転させることによって発電を行う場合には、モータと発電機とを機械的に連結していた。ところで、モータも発電機も構造は同じであり、電力を供給して回転体を回転させて駆動力を得る場合にモータと呼ばれ、駆動力によって回転体を回転させて巻線に起電力を発生させる場合に発電機と呼ばれる。そこで、回転体を回転させてモータとして機能させつつ、当該回転体の回転によって発電を行うこと、つまり、同一の回転体を用いてモータの機能と発電機の機能を同時に発揮させることが試行されてきた。このような試行の結果の一例として、特許文献１に記載されている磁力回転式モータ発電機が発明されている。

特許文献１に記載されている磁力回転式モータ発電機は、永久磁石が設けられた回転体と電磁石とにより、モータの機能と発電機の機能とを発揮させている。より具体的には、回転体の永久磁石が電磁石と近接したときに回転モードとなって永久磁石と電磁石との間の磁力の作用及び反作用によって回転体を回転させ、永久磁石が電磁石の近傍を過ぎて隣の電磁石に近接するまでの間に発電モードとなって永久磁石が電磁石の巻線の周囲の磁界を変化させて電磁誘導による起電力を発生する。
特開２００５−２４５０７９号公報

しかし、特許文献１に記載されている磁力回転式モータ発電機では、１つの電磁石を回転モードと発電モードとに切り替えてモータの機能と発電機の機能とを時分割的に実現している。したがって、この磁力回転式モータ発電機では、連続的に起電力を得ることができないという問題がある。

そこで、本発明は、同一の回転体を用いて、連続的な起電力を得ることができる発電機能を発揮できる交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ、及び、当該ブラシレスＤＣモータを含むモータシステムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータは、フレームと、前記フレームに回転自在に取り付けられた円盤と、
前記円盤上に当該円盤の周辺に等間隔で配置され表面及び裏面に磁極が形成された板状の複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石に対応して前記フレームに固定された所定の数の第１の磁性体芯と、前記第１の磁性体芯のそれぞれに巻きつけられ直流電力が供給される第１の巻線とからなり、前記円盤を回転させるモータ用電磁石と、前記フレームに固定された所定の数の第２の磁性体芯と、前記第２の磁性体芯に巻きつけられ電力消費装置に接続される第２の巻線とからなり、前記モータ用電磁石により回転する前記円盤上に形成される前記複数の永久磁石の移動に応じて前記第２の巻線の周囲の磁界が変化することによって電磁誘導により誘導起電力を発生する発電用電磁石と、を備え、前記永久磁石を、円盤の中心と当該永久磁石の中心とを通る直線と、当該永久磁石の磁極面の中心における法線とがなす角度が０°より大きく６０°以下となるように位置させることによって、前記第１の巻線に直流一定電流を連続給電した場合に、当該第１の巻線への非給電時に前記第１の磁性体芯と前記永久磁石との吸引力により発生するディテントトルクが０となる安定平衡動作状態の前記永久磁石に対して前記第１の磁性体芯を基準として測った前記永久磁石の回転角度と、前記第１の巻線の電流と前記永久磁石とによる電磁トルクとの特性曲線において、前記円盤を逆方向に回転させる回転角度範囲が狭くて値が大きい大値狭角度トルクと、前記円盤を正方向に回転させる回転角度範囲が広くて値が小さい小値広角度トルクと、を生じさせ、前記大値狭角度トルクが発生するとき又は前記小値広角度トルクが発生するときのいずれかのみにおいて前記第１の巻線に給電されることを特徴としている。

請求項２に記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータは、請求項１に記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータであって、互いに同軸に固定された前記円盤を２つ備え、一方の前記円盤に配置された永久磁石と他方の前記円盤に配置された永久磁石とは極性が逆となっており、前記第１の磁性体芯は、一方の端部が一方の前記円盤に配置された前記永久磁石に対応し、他方の端部が他方の前記円盤に配置された前記永久磁石に対応するように固定されていることを特徴としている。

請求項３に記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータは、請求項１又は２に記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータであって、前記第１の磁性体芯が偶数個存在し、前記第１の磁性体芯が前記円盤の或る位置およびその位置から１８０°隔たった位置に固定されかつその第１の磁性体芯にまきつけられた対向する２つの第１の巻線には同じ電流が流され、さらに前記第２の磁性体芯が偶数個存在し、前記第２の磁性体芯が前記円盤の或る位置およびその位置から１８０°隔たった位置に固定されかつその第２の磁性体芯にまきつけられた対向する２つの第２の巻線には同じ電流が流されることを特徴としている。

請求項４に記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータは、請求項１乃至３のいずれかに記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータであって、前記フレーム及び前記円盤は非金属の材料によって形成されていることを特徴としている。

請求項５に記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータは、請求項１乃至４のいずれかに記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータであって、前記第１の巻線に電力が供給されず前記円盤がディテントトルクが０の安定平衡点で停止しているときに、前記第１の巻線と前記永久磁石との位置関係が、前記第１の巻線への電力の供給が開始されたときに前記円盤の正方向のトルクまたは逆方向のトルクが前記円盤の所定の回転角度だけ連続して発生する位置関係となるように、前記第２の磁性体芯が前記永久磁石に対して位置していることを特徴としている。

上記目的を達成するために、請求項６に記載のモータシステムは、請求項１乃至４のいずれかに記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータと、前記交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータの正方向のトルクが得られるタイミングで前記第１の巻線に直流電源の電力を供給するとともに、前記交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータの起動時に、前記円盤を一時的に逆方向に回転させ、停止時に逆方向のトルクが発生する逆回転領域に位置する前記永久磁石が正方向のトルクが発生する正回転領域に移動し、そのまま逆回転方向の逆回転領域に達することなく円盤が正回転に転じるように前記第１の巻線に直流電源の電力を供給する給電機構と、を備えることを特徴としている。

請求項７に記載のモータシステムは、請求項６に記載のモータシステムであって、前記交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータは、前記円盤と同軸に回転し、前記円盤の回転角度に対応して給電領域又は非給電領域を定めるマーカーが配置された位置検出円盤と、前記位置検出円盤に配置された前記マーカーを検出するセンサと、をさらに備え、前記給電機構は、前記センサによる前記マーカーの検出結果によって前記第１の巻線に給電するか否かを切り替えるスイッチと、を含むことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、円盤上に設けられた永久磁石に対応するように、円盤を回転させるための第１の磁性体芯と第１の巻線とからなる電磁石と、回転する当該円盤に設けられた永久磁石による磁界の変化から起電力を発生する第２の磁性体芯と第２の巻線とからなる電磁石を備えている。したがって、同一の回転体である円盤を用いて、第１の巻線に電力を供給することにより所定のトルクを得ることができるモータの機能と、第２の巻線に連続的に起電力を得ることができる発電機能とを同時に発揮することができる。

また、電磁トルクの値が大きい大値狭角度トルクと、発生する回転角度の幅が大きい小値広角度トルクとを発生させる。したがって、大値狭角度トルクが発生するタイミングで第１の巻線に電力を供給すれば、小さな電力で大きなトルクが得られる。そして、小値広角度トルクが発生するタイミングで第１の巻線に電力を供給すれば、給電時間を長くすることができるので、第１の磁性体芯と第１の巻線からなる電磁石の自己インダクタンスに起因する第１の巻線に流れる電流の増加及び減少に要する時間が大きくても第１の巻線に流す電流を大きくすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、円盤を２つ備え、一方の円盤に配置された永久磁石と他方の円盤に配置された永久磁石とは極性が逆となっており、第１の磁性体芯は、一方の端部が一方の円盤に配置された永久磁石に対応し、他方の端部が他方の円盤に配置された前記永久磁石に対応するように固定されている。したがって、第１の磁性体芯の２つの端部に発生する電磁力をともに円盤の回転に利用することができるので、電力から動力へのエネルギーの変換効率を向上することができる。

請求項３に記載の発明によれば、第１の磁性体芯および第２の磁性体芯はそれぞれ円盤の１８０°離れた２つの位置に対向するように固定されており、かつ対向する２巻線には同一電流が流れるため径方向の電磁力が相殺されるので、振動を軽減することができ、引いては、騒音を低減することができる。

請求項４に記載の発明によれば、フレーム及び円盤は非金属の材料によって形成されているので、鉄損を低減することができる。

請求項５に記載の発明によれば、第１の巻線に電力が供給されず円盤が停止しているときに、第１の巻線と永久磁石との位置関係が、第１の巻線への電力の供給が開始されたときに円盤の正方向のトルクまたは逆方向のトルクが円盤の所定の回転角度だけ連続して発生する位置関係となるように、第２の磁性体芯が前記永久磁石に対して位置している。したがって、円盤が停止している安定平衡状態において第１の巻線に給電を開始すると、直ちに円盤を正方向または逆方向に回転させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１乃至５のいずれかに記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータと給電機構とを備えるので、交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータを運転し、モータとして機能させるとともに発電機として機能させることができる。

さらに、給電機構は、交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータの起動時に、円盤を一時的に逆方向に回転させ、逆方向のトルクが発生する逆回転領域に位置する永久磁石が正方向のトルクが発生する正回転領域に移動し、そのまま逆回転方向の逆回転領域に達することなく円盤が正回転に転じるように第１の巻線に直流電源の電力を供給する。したがって、非給電時に永久磁石が逆回転領域に位置するにもかかわらず、円盤を正回転させる、つまり、交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータを正回転させることができる。

請求項７に記載の発明によれば、交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータは、円盤と同軸に回転し、円盤上の永久磁石の回転角度に対応して給電領域又は非給電領域を定めるマーカーが配置された位置検出円盤と、位置検出円盤に配置されたマーカーを検出するセンサとをさらに備え、給電機構は、センサによるマーカーの検出結果によって第１の巻線に給電するか否かを切り替えるスイッチとを含む。したがって、簡便な方法によって、請求項６に記載のモータシステムを実現することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ１（以下、“ブラシレスＤＣモータ”と呼ぶ。）について説明する。図１乃至図３に示すように、本発明に係るブラシレスＤＣモータ１は、回転体２と該回転体２を支持するフレーム３とを備えている。回転体２は、回転軸となるシャフト４に２枚の円盤５、５’、１枚の円盤５１、及び、１枚の位置検出円盤８がスペーサ４０を介して所定の間隔で固定された構成となっている。それぞれの円盤５、５’の一方の面には、円盤５、５’の周縁に、等間隔で４個の永久磁石６、６’が設けられている。一方、フレーム３には、２個で１組となる４組の永久磁石６のそれぞれに対応して４個の電磁石７が支持部材３ａによって固定されており、詳しくは後述するが、電磁石７の一方の磁極が一方の円盤５の永久磁石６（２個で１組の永久磁石６の一方）に対応し、電磁石７の他方の磁極が他方の円盤５’の永久磁石６’（２個で１組の永久磁石６の他方）に対応している。

なお、４個の電磁石７のうち回転体２の径方向に互いに対向する位置にある１組の電磁石７（Ａ）は、回転体２を回転させるモータ用として使用され、残りの１組の電磁石７（Ｂ）は、発電のために使用される。なお、電磁石７（Ｂ）は、電磁石として働くものではないが、電磁石７（Ｂ）の構成はモータ用の電磁石７（Ａ）と同一であるので、“電磁石”と呼ぶ。

永久磁石６は、表面及び裏面に磁極が形成された板状のものであり、具体的にはネオジウム系などの希土類磁石である。このように、表面と裏面にＮ極及びＳ極が形成された永久磁石６を用いることにより、各磁極面が広くなり、モータとしての回転体２の回転トルクを向上させることができる。

図２に示すように、永久磁石６は、円盤５に数ｍｍ程度埋め込まれている。永久磁石６の円盤５への固定方法は特に限定されず、適宜に金具などを用いて円盤５に固定してもよい。

また、図３に示すように、各永久磁石６、６’は、円盤５、５’（回転体２）の中心Ｏから永久磁石６、６’の中心６ａを通る直線Ｌ１と、永久磁石６、６’の磁極方向、つまり永久磁石６、６’の表面又は裏面における法線方向の直線Ｌ２とが交わる角度φ_１が、円盤５、５’の中心Ｏから見て、０°＜φ_１≦６０°となるように固定されている。なお、永久磁石６、６’は、円盤５、５’の外側方向の磁極面の極性が、電磁石７（Ａ）の永久磁石６、６’に対向する方の磁極の極性と同じになっている。

円盤５と円盤５’のそれぞれに４個だけ設けられている永久磁石６と永久磁石６’の外側方向（又は内側方向）の磁極面の極性が逆となっている。つまり、一方の円盤５に設けられている永久磁石６はＮ極の磁極面が円盤５の外側を向いており、他方の円盤５’に設けられている永久磁石６’はＳ極の磁極面が円盤５の外側を向いている。これは、電磁石７（Ａ）の２つの磁極の極性が異なっているからである。１つの電磁石７（Ａ）の一方の磁極が一方の円盤５の永久磁石６の外側の磁極面と対向し、当該電磁石７（Ａ）の他方の磁極が他方の円盤５’の永久磁石６’の外側の磁極面と対向する。したがって、１つの電磁石７（Ａ）の一方の磁極に対向する一方の円盤５の永久磁石６の磁極面の極性と、当該電磁石７（Ａ）の他方の磁極に対向する他方の円盤５’の永久磁石６’の磁極面の極性とは異なるのである。２つの円盤５、５’は、それぞれが備える永久磁石６、６’の周方向の位置が同じになるようにスペーサ４０によって重ね合わせて固定されている。したがって、ブラシレスＤＣモータ１の全体としては、２個で１組の永久磁石６、６’を４組、合計で８個の永久磁石６、６’を備えている。一方、電磁石７の数は、ブラシレスＤＣモータ１の全体として４個であり、モータ用の電磁石７（Ａ）が２個で発電機用の電磁石７（Ｂ）が２個である。

上述したように、１個の円盤５、１個の円盤５’と１個の円盤５１とは、ブラシレスＤＣモータ１の軸方向に円盤５、円盤５’、円盤５１の順でスペーサ４０によって固定されている。そして、中央の円盤５’には、位置検出円盤８が同軸となるように固定されている。位置検出円盤８は、永久磁石６、６’の回転位置（回転角度）を検出するためのものである。位置検出円盤８は、円盤５、５’及び円盤５１より若干だけ径が大きくなっており、透明の合成樹脂などによって形成されている。位置検出円盤８の円盤５（Ａ）の周縁から突出した径大部分の所定の領域は、永久磁石６，６’の回転位置を特定するために黒色に着色されたマーカーを備えている。そして、フレーム３には位置検出センサ９が支持部材９ａによって取り付けられており、この位置検出センサ９で位置検出円盤８の当該着色領域（マーカー）を検出することによって、永久磁石６、６’の回転位置（回転角度）が特定される。こうして永久磁石６、６’の回転位置（回転角度）を特定することによって、電磁石７（Ａ）への通電のタイミングが決定される。なお、フレーム３、支持部材３ａ、スペーサ４０、及び、支持部材９ａは非金属の材料で形成されており、例えば、合成樹脂によって形成されている。

円盤５、円盤５’、円盤５１、及び、位置検出円盤８の中心にはシャフト４が貫通されており、これらシャフト４、円盤５、円盤５’、円盤５１、永久磁石６、永久磁石６’ 及び、位置検出円盤８が固定されて、回転体２として一体に回転する。また、図１に示すように、回転体２の周縁部分には、円盤５、円盤５’、円盤５１の周縁部分間の全体に渡るようにフィルム１０が貼り付けられている。このフィルム１０により回転体２の内部の空気が封止される。したがって、回転体２が回転した場合に内部の空気が回転体２とともに回転するので、永久磁石６などが回転による空気抵抗を受けることがない。そのため、回転体２の空気抵抗を減少させてブラシレスＤＣモータ１の回転効率を向上させることができる。なお、フィルム１０は、永久磁石６、６’と電磁石７（Ａ，Ｂ）との電磁力の作用及び反作用に影響しない素材であって、薄手であることが好ましく、例えば、合成樹脂フィルムなどを用いることができる。

電磁石７（Ａ，Ｂ）は、図２及び図３に示すように、およそＵ字状の磁性体芯７０（Ａ，Ｂ）に巻線７１（Ａ，Ｂ）が巻かれた集中巻のものである。モータ用の電磁石７（Ａ）においては、巻線７１（Ａ）に電流が流れることによって磁性体芯７０（Ａ）の両端部にそれぞれ異なる極性の磁極が形成される。そして、発電用の電磁石７（Ｂ）においては、磁性体芯７０（Ｂ）を含む巻線７１（Ｂ）の周囲の磁界が、移動する永久磁石６、６’に応じて変化することによって電磁誘導により巻線７１（Ｂ）の両端に誘導起電力が発生する。したがって、巻線７１（Ｂ）が“交流電圧出力巻線”である。電磁石７（Ａ）の各巻線７１（Ａ）は適宜、直列、並列または直並列に接続されてまとめられ、その２端子には直流電源の電力が供給される。また、電磁石７（Ｂ）の各巻線７１（Ｂ）は適宜、直列、並列または直並列に接続されて単相巻線または多相巻線として構成され、それらは、交流用電灯、交流モータなどの様々な交流電力消費装置に接続される。なお、交流電圧を整流して直流電圧として直流電力消費装置に接続することもできる。

図２及び図３に示すように、モータ用の電磁石７（Ａ）は、その各磁極が２つの円盤５、５’に２段に設けられた２個で１組の永久磁石６、６’に対応するようにして、所定のギャップ長で配置されている。そして、上述したように、モータ用の電磁石７（Ａ）の磁極の極性と、電磁石７（Ａ）の各磁極に対向する永久磁石６の磁極面の極性とは同じになっており、２つの円盤５と円盤５’との間では、円盤５に設けられた永久磁石６の磁極面の極性と円盤５’に設けられた永久磁石６’の極性とが逆になっている。このようにブラシレスＤＣモータ１では、回転体２において、円盤５に固定する永久磁石６と円盤５’に固定する永久磁石６’とを設けて２段の構成とし、電磁石７（Ａ）をＵ字状として２個の磁極のそれぞれを該２段の永久磁石６と永久磁石６’のそれぞれに対応させている。このようにして永久磁石６と永久磁石６’の両方の磁束をともに回転体２を回転させるために利用することにより、ブラシレスＤＣモータ１の電力から動力へのエネルギーの変換効率を向上することができる。

また、電磁石７（Ａ）は、円盤５、５’（回転体２）の中心Ｏから電磁石７（Ａ）の中心を結ぶ直線（不図示）と、電磁石７（Ａ）の磁束中心軸（不図示）とが交わる角度φ_２が円盤５の中心Ｏ方向からみた場合に、０°＜φ_２≦２０°となるようにフレーム３に固定されている。角度φ_２をこのようにすることにより、φ_２＝０とする場合と比較して、後述のθ−トルク特性が変化するという効果が得られる。なお、図１乃至図３では、φ_２＝０の状態を示している。

発電用の電磁石７（Ｂ）は、モータ用の電磁石７（Ａ）と同じ構成であり、Ｕ字形状の鉄心７０（Ｂ）の両端が２個の円盤５、５’に２段に設けられた永久磁石６、６’に対応するようにして、所定のギャップ長で配置されている。

フレーム３は、シャフト４を軸心に回転体２を回転可能に支持するとともに、電磁石７（Ａ，Ｂ）及び位置検出センサ９を固定するものであり、図１に示すように、所定の間隔で対向して互いに連結された２枚のフレーム板３０からなっている。２枚のフレーム板３０は、回転体２の最大の径、つまり、位置検出円盤８の径よりも大きくなっている。また、図示しないが、各フレーム板３０のシャフト４の軸を支持する箇所にはベアリングが設けられている。

上述の位置検出センサ９は、円盤５とともに回転する位置検出円盤８の位置（回転角度）を検出できるものであれば任意のものを使用でき、例えば、フォトインタラプタを使用できる。位置検出センサ９は、直流電源（不図示）からの電力を電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に供給するための回路１１と接続されており、電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に給電するタイミングを回路１１に与える。本実施の形態の位置検出センサ９は、位置検出円盤８の透明領域（着色領域（マーカー）でない部分）を検出している間だけ、透明領域を検出していることを示す検出信号を回路１１に送信する。回路１１は、位置検出センサ９からの検出信号の受信に応じたタイミングで、電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に直流電源の電力を供給する。具体的には、回路１１は、例えば、位置検出センサ９としてのフォトインタラプタが光信号を受信している間はスイッチ（不図示）をオンにして電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）へ給電を行い、光信号を受信していない間はスイッチをオフにして給電を停止する。

上述した着色領域（マーカー）は、円盤５’の周縁から突出した位置検出円盤８のリング状の径大部分に設けられている。この着色領域の位置を調整し、着色領域が位置検出センサ９によって検出されるとき、電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に給電した場合には回転体２（円盤５）の逆回転方向（図３における時計回りの方向）のトルクが発生するようにでき、位置検出センサ９が着色領域（マーカー）を検出して電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）への給電を停止することによって回転体２の逆回転方向へのトルクの発生を防止できる。回路１１については詳細に説明しないが、電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）のエネルギーを抵抗で消費するものではなく、電源に回生するタイプが好ましく、例えば、ＳＲＭ（スイッチトリラクタンスモータ）で一般的に用いられている自己消弧形素子を２個だけ用いた回路とすることができる。

上述したように（図３参照）、永久磁石６、６’は、円盤５、５’（回転体２）の中心Ｏから永久磁石６、６’の中心６ａを通る直線Ｌ１と、永久磁石６、６’の磁極方向、つまり永久磁石６、６’の表面又は裏面における法線方向の直線Ｌ２とが交わる角度φ_１が、円盤５、５’の中心Ｏから見て、０°＜φ_１≦６０°となっている。永久磁石６、６’の傾きをこのようにした場合、電磁石７（Ａ）の中心から回転体２（円盤５、５’）の正回転方向（図３における反時計回りの方向）に測った永久磁石６、６’の中心までの機械角をθとし、電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に給電しない場合に磁性体芯７０（Ａ）と永久磁石６、６’との間の吸引力により生じる正回転方向のトルクであるディテントトルク（コギングトルク）をＴとすると、θ−Ｔ特性は図４に示すようになる。図４からわかるように、θ＝０°が、つまり、電磁石７（Ａ）の中心の正面に永久磁石６の中心が位置する状態で、ディテントトルクが０となり円盤５が停止する安定平衡点である。

一方、電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に、例えば、直流電源を用いて１．９０Ａの直流電流を供給した場合に電磁石７（Ａ）と永久磁石６との間に生じる円盤５の正回転方向の電磁トルクをＴとすると、θ−Ｔ特性は図５に示すようになる。なお、電磁石７（Ａ）に供給する電流を変更した場合、安定平衡点及び不安定平衡点は変化する。なお、安定平衡点と不安定平衡点とは、電磁石７（Ａ）に対する永久磁石６、６’の位置が安定平衡状態にあるひとつの位置（点）と不安定平衡状態にあるひとつの位置（点）とをそれぞれ意味する。安定平衡状態と不安定平衡状態とはいずれも電磁石７（Ａ）と永久磁石６との吸引力と反発力とが均衡した状態である。安定平衡状態では、円盤５がいずれの方向に回転しても電磁石７（Ａ）と永久磁石６との磁力により回転方向と逆向きの力が加わり、再び安定平衡状態に戻る。一方、不安定平衡状態では、円盤５がいずれかの方向に回転すれば、電磁石７（Ａ）と永久磁石６との磁力によりその回転方向への力が加わり、再び不安定平衡状態に戻ることはない。

図５からわかるように、θ＝−２０°，θ＝７０°が安定平衡点であり、θ＝−８０°，θ＝１０°が不安定平衡点である。そして、電磁トルクＴが負となる角度幅は３０°であり、Ｔが正となる角度幅は６０°である。Ｔの平均はゼロとなるので、図５からもわかるように、Ｔが負となる部分では角度幅が狭くＴの絶対値が大きい。そこで、Ｔが負となる部分のＴを“大値狭角度トルク”と呼ぶ。一方、Ｔが正となる部分では角度幅が広くＴの絶対値は小さい。そこで、Ｔが正となる部分の電磁トルクＴを“小値広角度トルク”と呼ぶ。

ここで、小値広角度トルクを利用する場合を考える。図６は、電磁石７（Ａ）への非給電時の安定平衡状態（つまり、ディテントトルクがゼロで円盤５、５’が停止している状態）における永久磁石６、電磁石７（Ａ，Ｂ）、位置検出円盤８の着色領域及び透明領域、及び、位置検出センサ９の位置関係を直線状に示した説明図である。図６において、角度αは、電磁石７（Ａ）の正面を０°とした、フレーム３などの固定子上に印された角度であり、回転体２（円盤５、５’）である回転子の正方向回転を正の向きとしている。また、正回転領域と逆回転領域は、電磁石７（Ａ）に対して固定された、つまり、角度αに関して固定された領域である。正回転領域は、永久磁石６、６’が円盤５、５’の回転に応じて移動して当該領域に位置したときに、円盤５、５’に正回転方向の電磁トルクＴが生じる領域である。つまり、図６の正回転領域は、図５において“小値広角度トルク”が発生するθの角度範囲に対応している。そして、逆回転領域は、永久磁石６、６’が円盤５、５’の回転に応じて移動して当該領域に位置したときに、円盤５、５’に逆回転方向の電磁トルクＴが生じる領域である。つまり、図６の逆回転領域は、図５において“大値狭角度トルク”が発生するθの角度範囲に対応している。図６において、図面の左方向が円盤５の正回転の方向であり、永久磁石６が左に移動すると位置検出円盤８の着色領域及び透明領域も左に移動する。また、正回転領域の角度幅と透明領域の角度幅は同じ６０°であり、逆回転領域の角度幅と着色領域の角度幅は同じ３０°である。そして、正回転領域及び逆回転領域、と、透明領域及び着色領域は連続しており、正回転領域及び透明領域は３０°間隔で存在し、逆回転領域及び着色領域は６０°間隔で存在する。なお、永久磁石６、６’が逆回転領域内に位置する場合に位置検出センサ９は着色領域内にあり、永久磁石６、６’が正回転領域内に位置する場合に位置検出センサ９は透明領域内にあるように、位置検出円盤８と位置検出センサ９を設定する。図６の例では、位置検出センサ９は、α＝５０°の場所に位置している。

図６からわかるように、電磁石７（Ａ）に給電をしない安定平衡状態では、永久磁石６は逆回転領域に位置するので、位置検出円盤８の位置検出センサ９がセンシングする場所は着色領域である。したがって、位置検出センサ９からは検出信号が回路１１に送信されるので、回路１１は、電源からの電力を電磁石７（Ａ）に供給しない。それゆえ、電磁石７（Ａ）に給電されない安定平衡状態から円盤５を回転させてブラシレスＤＣモータ１を起動させるためには、ある種の工夫が必要となる。ブラシレスＤＣモータ１を起動させるための工夫としては、大きく分けて、非給電時の安定平衡点を正回転領域に移動させる第１の方法と、起動時に永久磁石６を一旦強制的に正回転領域に移動させる第２の方法とがある。

非給電時の安定平衡点を正回転領域に移動させる第１の方法とは、電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に電力が供給されず円盤５、５’がディテントトルク０の安定平衡状態で停止しているときの電磁石７（Ａ）と永久磁石６との位置関係が、電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）への電力の供給が開始されたときに円盤５、５’の正方向のトルクが円盤５、５’の所定の回転角度だけ連続して発生する関係となるように、電磁石７（Ｂ）を永久磁石６、６’に対して位置させるものである。つまり、電磁石７（Ｂ）の位置を現在の位置、すなわち、電磁石７（Ａ）から９０°離れた位置から移動させることによって、ディテントトルク（θ−Ｔ特性）を変化させて、安定平衡状態において、永久磁石６、６’が正回転領域に位置するようにする。永久磁石６、６’が正回転領域に位置すれば、位置検出センサ９のセンシング位置は透明領域となるので給電が開始され円盤５、５’、つまり、ブラシレスＤＣモータ１を起動して正回転させることができる。

例えば、ディテントトルク（θ−Ｔ特性）を変化させることによって、安定平衡状態において、電磁石７（Ａ）の近傍の永久磁石６がα＝１１°に位置するようにすると、図６からわかるように、永久磁石６、６’は正回転領域に含まれ、位置検出センサ９のセンシング位置は透明領域に含まれる。円盤５の正回転方向には７０°−１１°＝５９°に渡り正回転領域が存在し続け、同様に、５９°に渡り透明領域が存在し続ける。したがって、円盤５、５’が５９°だけ回転する間だけ電磁石７（Ａ）に給電されて円盤５、５’は正回転する。円盤５、５’の回転角度が６０°に達してα＝７１°となると永久磁石６、６’は逆回転領域に含まれる。しかし、位置検出センサ９のセンシング位置も着色領域に含まれるので電磁石７（Ａ）への給電が停止される。すると、電磁石７（Ａ）による電磁トルクＴはゼロとなり、ディテントトルクＴが現れる。逆回転領域におけるディテントトルクＴは概ね正の値であり、また、円盤５、５’には慣性モーメントが存在するため、円盤５、５’は正回転を続ける。角度幅が３０°の逆回転領域を過ぎると再び永久磁石６、６’は角度幅６０°の正回転領域に入るので円盤５、５’は正回転を続ける。電磁石７（Ａ）に給電しないディテントトルクＴの安定平衡状態で、電磁石７（Ａ）の近傍の永久磁石６、６’をα＝１１°に位置させるためには、２つある電磁石７（Ｂ）をそれぞれ円盤５、５’の正回転方向に２２°だけ移動させればよい。つまり、電磁石７（Ｂ）をα＝９０°の位置からα＝１１２°の位置に移動させればよい。ただし、α＝１１２°が適当であるのは、電磁石７（Ａ）が２つで電磁石７（Ｂ）が２つの場合である。

一方、起動時に永久磁石６を一旦強制的に正回転領域に移動させる第２の方法としては、位置検出センサ９による着色領域の検出にかかわらず電磁石７（Ａ）に一時的に給電する方法（２−１）と、着色領域に幅の狭い透明領域を設ける方法（２−２）がある。

位置検出センサ９による着色領域の検出にかかわらず電磁石７（Ａ）に一時的に給電する方法（２−１）においては、直流電源の電力を電磁石７（Ａ）に供給する前述の回路１１に、例えば、押しボタンＢ（不図示）を押した場合に所定の期間だけ直流電源の電力を電磁石７（Ａ）に供給する回路１１ａ（不図示）を追加することによって実現する。より具体的には、ブラシレスＤＣモータ１の起動時に、押しボタンＢを押すことによって電磁石７（Ａ）に給電して、図６に示す安定平衡状態で停止している円盤５、５’（永久磁石６、６’）を一時的に逆方向に回転させることにより、逆回転領域に位置する永久磁石６、６’が正回転領域に移動し、そのまま逆回転方向の逆回転領域に達することなく、当該正回転領域内で円盤５、５’を正回転に転じさせる。つまり、押しボタンＢを押した場合には、円盤５、５’が逆回転して永久磁石６、６’が正回転領域に達し、当該永久磁石６、６’がその正回転領域内にあるうちに円盤５、５’が正回転に転じるに必要な期間（回転角度分）だけ電磁石７（Ａ）に給電される。

着色領域に幅の狭い透明領域を設ける方法（２−２）では、電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に電力が供給されず円盤５がディテントトルクＴの安定平衡状態で停止している状態における位置検出センサ９のセンシング位置の位置検出円盤８に所定の幅の透明領域を設ける。つまり、図７に示すように、３０°の角度幅の着色領域内に所定の角度幅の透明窓領域Ｒを設ける。透明窓領域Ｒは、位置検出センサ９の中央のセンシング位置から円盤５’（位置検出円盤８）の正回転方向に幅を持っている。このように、位置検出センサ９のセンシング位置に透明窓領域Ｒが位置するので、回路１１を動作させると、直ちに一定の期間（回転角度分）だけ電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に給電される。このようにして電磁石７（Ａ）に給電することにより、円盤５、５’（永久磁石６、６’）を逆方向に回転させ、逆回転領域に位置する永久磁石６、６’が正回転領域に移動し、そのまま逆回転方向の逆回転領域に達することなく、当該正回転領域内で円盤５を正回転に転じさせる。したがって、透明窓領域Ｒの角度幅は、円盤５、５’が逆回転して永久磁石６、６’が正回転領域に達し、当該永久磁石６、６’がその正回転領域内にあるうちに円盤５、５’が正回転に転じるに必要な期間だけ電磁石７（Ａ）に給電される角度幅である。なお、通常の回転時に、位置検出センサ９の過渡特性の悪さにより、透明窓領域Ｒは検出されず、制御動作は生じない。

次に、大値狭角度トルクを利用する場合を考える。この場合、小値広角度トルクを利用する場合の位置検出円盤８と位置検出センサの設定を示す図６において、位置検出円盤８の着色領域を透明領域に、透明領域を着色領域に変更すればよい。この変更を行った様子を示すのが図８である。図８は電磁石７（Ａ）への非給電時の安定平衡状態（つまり、ディテントトルクがゼロで円盤５、５’が停止している状態）を示している。図８からわかるように、永久磁石６、６’は逆回転領域に存在し、位置検出センサ９は透明領域内にあるため、位置検出センサ９から検出信号が回路１１に送信され、回路１１は、電源からの電力を電磁石（Ａ）に給電する。それゆえ、ブラシレスＤＣモータ１は逆回転方向に回転する。このように、大値狭角度トルクを利用する場合には、ブラシレスＤＣモータ１を起動させるための工夫は特に必要ない。ただし、電磁石（Ｂ）の配置を定位置からずらすような場合、非給電時の安定平衡状態において永久磁石６、６’が逆回転領域の外に移動しないように注意すればよい。

このような本発明のブラシレスＤＣモータ１によれば、回転体２（円盤５、５’）を回転させてモータとして機能させつつ、当該回転体２の回転により直接的に発電することができる。また、本発明のブラシレスＤＣモータ１によれば、モータ用の電磁石７（Ａ）による回転体２の回転と、発電用の電磁石７（Ｂ）による発電とを同時に行うので、モータの機能と、連続的な起電力を得ることができる発電機能とを同時に発揮することができる。

なお、本発明の実施の形態は、発明の技術的思想の範囲内で適宜に変更して実施してもよい。例えば、上述の実施の形態では、発電するための手段として磁性体芯７０（Ｂ）と巻線７１（Ｂ）とからなる電磁石７（Ｂ）を用いたが、発電するための手段は巻線７１（Ｂ）のみであってもよい。しかし、発電するための手段として磁性体芯７０（Ｂ）と巻線７１（Ｂ）とからなる電磁石７（Ｂ）を用いるほうが、つまり、巻線７１（Ｂ）に磁性体芯７０（Ｂ）を通したほうが、効率よく発電をすることができる。

また、上述の実施の形態では、モータ用の電磁石７（Ａ）と発電用の電磁石７（Ｂ）とをそれぞれ２つずつとしたが、モータ用の電磁石７（Ａ）の数と発電用の電磁石７（Ｂ）の数は２つに限らず適宜に変更してもよい。しかし、隣り合うモータ用の電磁石７（Ａ）どうし或いは発電用の電磁石７（Ｂ）どうし、またはモータ用の電磁石７（Ａ）と発電用の電磁石７（Ｂ）とが電磁的な結合をしないような間隔になる数であることが好ましい。

また、上述の実施の形態では、４組の永久磁石６に対してモータ用の電磁石７（Ａ）を２個と発電用の電磁石７（Ｂ）を２個備える構成としたが、４組の永久磁石６に対して４個のモータ用の電磁石７（Ａ）を設け、そこに任意の数の発電用の電磁石７（Ｂ）を適宜に設けるようにしてもよい。また例えば、電磁石７（Ｂ）を１個とし、電磁石７（Ａ）を３個としてもよい。或いは電磁石７（Ａ）を１個とし、電磁石７（Ｂ）を３個としてもよい。

また、上述の実施の形態では、永久磁石６を備える円盤５を２つ備える構成としたが、円盤５は１つであってもよい。しかし、ブラシレスＤＣモータ１のモータとしてのエネルギー効率を高めるためには、円盤５を２つ備えることが好ましい。

さらに、上述の実施の形態では、図５において電磁トルクＴが正の値をとるタイミング、つまり、小値広角度トルクが発生するタイミングで電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に給電を行うこととしたが、これに限らず、電磁トルクＴが負の値をとるタイミング、つまり、大値狭角度トルクが発生するタイミングで電磁石７（Ａ）の巻線７１（Ａ）に給電を行うようにしてもよい。

本発明は、例えば、回転体を回転させてモータとして機能させつつ、当該回転体の回転により直接的に発電する交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ、及び、当該ブラシレスＤＣモータを含むモータシステムに適用可能である。

本発明に係るブラシレスＤＣモータ１の外観を示す正面図である。 ブラシレスＤＣモータ１の外観を示す側面図である。 ブラシレスＤＣモータの図２のＡ−Ａ’断線における断面の様子を示す説明図である。 電磁石７（Ａ）に電力を供給しない場合のθ−Ｔ特性を示す説明図である。 電磁石７（Ａ）に直流一定電流を供給した場合のθ−Ｔ特性を示す説明図である。 小値広角度トルクを利用する場合の電磁石７（Ａ）への非給電時の安定平衡動作状態における永久磁石６、電磁石７（Ａ，Ｂ）、位置検出円盤８の着色領域及び透明領域、及び、位置検出センサ９の位置関係を直線状に示した説明図である。 着色領域に設けた透明窓領域Ｒについて説明する説明図である。 大値狭角度トルクを利用する場合の電磁石７（Ａ）への非給電時の安定平衡動作状態における永久磁石６、電磁石７（Ａ，Ｂ）、位置検出円盤８の着色領域及び透明領域、及び、位置検出センサ９の位置関係を直線状に示した説明図である。

符号の説明

１ 交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ
２ 回転体
３ フレーム
６ 永久磁石
８ 位置検出円盤
９ 位置検出センサ
１１ 回路
７０（Ａ） 第１の磁性体芯
７０（Ｂ） 第２の磁性体芯
７１（Ａ） 巻線（第１の巻線）
７１（Ｂ） 巻線（第２の巻線）

Claims (7)

1. フレームと、
   前記フレームに回転自在に取り付けられた円盤と、
   前記円盤上に当該円盤の周辺に等間隔で配置され表面及び裏面に磁極が形成された板状の複数の永久磁石と、
   前記複数の永久磁石に対応して前記フレームに固定された所定の数の第１の磁性体芯と、前記第１の磁性体芯のそれぞれに巻きつけられ直流電力が供給される第１の巻線とからなり、前記円盤を回転させるモータ用電磁石と、
   前記フレームに固定された所定の数の第２の磁性体芯と、前記第２の磁性体芯に巻きつけられ電力消費装置に接続される第２の巻線とからなり、前記モータ用電磁石により回転する前記円盤上に形成される前記複数の永久磁石の移動に応じて前記第２の巻線の周囲の磁界が変化することによって電磁誘導により誘導起電力を発生する発電用電磁石と、を備え、
   前記永久磁石を、円盤の中心と当該永久磁石の中心とを通る直線と、当該永久磁石の磁極面の中心における法線とがなす角度が０°より大きく６０°以下となるように位置させることによって、
   前記第１の巻線に直流一定電流を連続給電した場合に、当該第１の巻線への非給電時に前記第１の磁性体芯と前記永久磁石との吸引力により発生するディテントトルクが０となる安定平衡動作状態の前記永久磁石に対して前記第１の磁性体芯を基準として測った前記永久磁石の回転角度と、前記第１の巻線の電流と前記永久磁石とによる電磁トルクとの特性曲線において、前記円盤を逆方向に回転させる回転角度範囲が狭くて値が大きい大値狭角度トルクと、前記円盤を正方向に回転させる回転角度範囲が広くて値が小さい小値広角度トルクと、を生じさせ、
   前記大値狭角度トルクが発生するとき又は前記小値広角度トルクが発生するときのいずれかのみにおいて前記第１の巻線に給電されることを特徴とする交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ。
2. 互いに同軸に固定された前記円盤を２つ備え、
   一方の前記円盤に配置された永久磁石と他方の前記円盤に配置された永久磁石とは極性が逆となっており、
   前記第１の磁性体芯および前記第２の磁性体芯は、一方の端部が一方の前記円盤に配置された前記永久磁石に対応し、他方の端部が他方の前記円盤に配置された前記永久磁石に対応するように固定されていることを特徴とする請求項１に記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ。
3. 前記第１の磁性体芯が偶数個存在し、前記第１の磁性体芯が前記円盤の或る位置およびその位置から１８０°隔たった位置に固定されかつその第１の磁性体芯にまきつけられた対向する２つの第１の巻線には同じ電流が流され、さらに前記第２の磁性体芯が偶数個存在し、前記第２の磁性体芯が前記円盤の或る位置およびその位置から１８０°隔たった位置に固定されかつその第２の磁性体芯にまきつけられた対向する２つの第２の巻線には同じ電流が流されることを特徴とする請求項１又は２に記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ。
4. 前記フレーム及び前記円盤は非金属の材料によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ。
5. 前記第１の巻線に電力が供給されず前記円盤が停止しているときに、前記第１の巻線と前記永久磁石との位置関係が、前記第１の巻線への電力の供給が開始されたときに前記円盤の正方向のトルクまたは逆方向のトルクが前記円盤の所定の回転角度だけ連続して発生する位置関係となるように、前記第２の磁性体芯が前記永久磁石に対して位置していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータ。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータと、
   前記交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータの正方向のトルクが得られるタイミングで前記第１の巻線に直流電源の電力を供給するとともに、前記交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータの起動時に、前記円盤を一時的に逆方向に回転させ、停止時に逆方向のトルクが発生する逆回転領域に位置する前記永久磁石が正方向のトルクが発生する正回転領域に移動し、そのまま逆回転方向の逆回転領域に達することなく円盤が正回転に転じるように前記第１の巻線に直流電源の電力を供給する給電機構と、を備えることを特徴とするモータシステム。
7. 前記交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータは、前記円盤と同軸に回転し、前記円盤の回転角度に対応して給電領域又は非給電領域を定めるマーカーが配置された位置検出円盤と、前記位置検出円盤に配置された前記マーカーを検出するセンサと、をさらに備え、
   前記給電機構は、前記センサによる前記マーカーの検出結果によって前記第１の巻線に給電するか否かを切り替えるスイッチと、を含むことを特徴とする請求項６に記載のモータシステム。

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