JP5702719B2 - 偏心ロータを備えたモータ - Google Patents

Description

本発明は、偏心ロータを備えた回転電気機械に関する。

ブラシレス電気モータの分野で、偏心ロータを備えたもの開発された。
電気モータへの電力によってステータで発生された電磁エネルギーは、非接触でロータに伝達される。モータの速度は、一般に、モータへの供給電力の周波数によって制御される。
偏心ロータを備えたモータの場合、ロータの主軸は、ステータによって規定される空間内で自由に回転してもよいし、この空間内部で円軌道を形成するように配列されていてもよい。この配列は、いわゆる「衛星ホルダー」配列と言われている。
一般に、ロータは、ステータの空間内部で回転するための手段を備えている。空間周囲のステータのコイルへの連続的な電力供給は、永久磁石の配置により形成される極や電磁石によってロータの引力を生じさせる。

偏心ロータを使用する利点は以下の通りである。
−このモータは一般に、従来の電動機よりコイル数が少ない。これにより、モータの製造コストおよびメンテナンスコストを削減可能である。
−ステータの空間内でのロータの回転は、ロータ極におけるステータのコイルの磁力によって誘引される。また、この磁力は、ロータの径がステータの空間の径に近づくほど増大する。このように、磁力で生じるロータの回転によって、ロータに伝達される力を増大することができる。

−ステータ内におけるロータの回転はステータ周囲の回転磁界の速度に関係しており、主軸周りのロータの回転速度を絶対値として本質的に低減させる。
実際に、ウィリスの式を用いた計算では、主軸周囲のロータの回転速度と、ステータの電磁エネルギの回転速度との比率ｒが得られる。ここで、ステータの電磁エネルギの回転速度とは、極への連続的な供給電力がステータの空間周囲を回転する速度をいう。
ｒは次の式で表される比に相当する。

ここで、ｎｒ＝ロータ極の数、ｎｓ＝ステータ極の数である。

一般的には、ロータ極の数はステータ極の数に近い。例えば、ｎｓ＝ｎｒ＋１である場合、減速比は次のようになる。

このように、回転速度の減速を用いることで、損失を伴う減速ギヤを不要とすることができる。
さらに、この比はトルクに直接影響する。実際に、ロータに伝わる電磁力は、機械的トルクにロータの回転速度を乗じたものに等しい。このとき、ロータの損失は低いものとする。したがって、回転速度の低減は、結果的にトルクの増加につながる。

一般には、偏心ロータを備えたモータは、低速回転であるが十分なトルクを得るために用いられる。関連する技術として、特許文献ＥＰ ０ ５６５ ７４６に、偏心ロータを備えたモータの構成が開示されている。このモータは、閉空間を形成するためにネットワーク状に配置された多数の電磁石、および電流経路を形成するために他の極と直列に配置されたそれぞれの電磁石（極）を有するステータと、永久磁石、および閉経路に沿って回転するように配置された極を有するロータと、さらにまた、永久磁石を引き付けたり反発させたりして回転させるために、電磁石へ選択的に電力を供給する手段とを備える。

また、特許文献ＪＰ １１ １７８ ３１２にも偏心ロータを備えたモータが開示されている。このモータは、空間を形成する閉経路に沿って配置された複数の電磁石を有するステータを備える。
このモータはさらに、多数の磁石を有するロータを備える。磁石には例えば永久磁石が用いられる。この場合、ステータにより電磁石へ連続的に電力供給することで、ロータはステータの閉経路に沿って永久磁石の極を中心に回転する。

機械学的な見地から、ロータおよびステータは回転軌道を含んでいてもよい。この回転軌道では、ロータとステータとが転がり接触するようになっている。
ロータとステータはさらに、ロータの回転が滑らないようにするための噛み合い手段を有している。すなわち、ロータとステータの接点における相対速度が０となる。
ロータの回転を、偏心していない回転軸の出力端に伝達するために、ピンを介した伝達手段を用いることができる。このピンは、出力軸に不可欠であり、ステータと同軸上に取り付けられた要素によって駆動される。孔に一致するように配置されたピンが駆動し、この駆動に伴い出力軸が回転する。

ＥＰ ０ ５６５ ７４６ ＪＰ １１ １７８ ３１２

本発明は、従来技術に示したモータを改良した、偏心ロータを備えたモータの提供を目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る偏心ロータを備えた回転電気機械は、
円筒状の閉空間を規定するために円周上に分配して配置された複数の磁極を有するステータと、
前記閉空間より直径が小さい円筒形状であり、円周上に分配して配置された複数の磁極を有する偏心ロータとを備え、
前記閉空間内で回転する前記偏心ロータは、該偏心ロータの回転要素に依存する軸を有し、
前記磁極を形成する電磁石の影響範囲で前記ステータと前記偏心ロータとが相互作用し、前記影響範囲における前記偏心ロータのロータ極のうち前記ステータのステータ極に対面する対面領域の周方向両端間の長さと前記ロータのカーカスから突出するサイド領域の前記周方向に交差する方向に沿った距離との和が、前記影響範囲における前記ロータ極と対面する前記ステータ極の周方向両端間の長さと同一であることを特徴とする偏心ロータを備えたことを特徴とする。

本発明の好ましい選択的な態様として、以下の特徴の少なくとも一つを有していてもよい。
前記ロータを回転可能な回転軌道を有していてもよい。
前記ステータは、前記ロータの回転軌道を回転可能な少なくとも一つの回転軌道を有し、前記回転軌道は、軸方向の反力を生成する相補的な外形を有していてもよい。

前記ステータ極が巻線を含み、
さらに前記ロータの位置情報に基づいて前記巻線への電力供給を制御するコントローラを備えていてもよい。
前記ロータの位置情報は、角度センサによって検出されるように構成してもよい。
前記ステータ内で前記ロータが滑らずに回転するように前記ロータと前記ステータとをかみ合わせる手段を備えていてもよい。

前記軸は、回り止めピン機構によって前記ロータとともに回転し、
前記回り止めピン機構は、複数の回り止めピンと、該ピンの挿入部位より大きく形成された複数の孔とを含む構成としてもよい。
前記複数の孔は、それぞれ機械軸受を含む構成としてもよい。

前記複数の回り止めピンは、前記機械軸受の荷重を担う位置に対応した軸受け表面に結合する結合部を有していてもよい。
前記軸は、ツインギヤ機構によって前記ロータに連結されて回転する構成としてもよい。
前記ロータの重力中心を前記ステータの軸線近傍に位置させるように形成されたカウンタウェイトを備える構成としてもよい。

前記カウンタウェイトは、三日月形状を有している構成としてもよい。
前記ステータが偶数の極を有し、前記ステータの前記巻線の方向が２つの連続した極の間で反転されているとともに、全ての極が直列に接続されている構成としてもよい。

前記ステータが、前記ロータより一つ多い極を有している構成としてもよい。
前記ロータは、ボアによって長手方向に交差しており、
該ロータは空洞軸と交差し、前記ロータと前記ステータの直径差の分だけ、前記軸の外周の直径が、前記ボアの直径より短い構成としてもよい。

他の特徴において、その目的と効果は後で述べる実施形態に記載する。また、添付の図面は、これに限定されない一例として提供するものである。

本発明の実施形態に係る偏心ロータを備えたモータの縦断面図である。 図１に示したモータの横断面図である。 ステータ極とロータ極とを概略的に示した図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータを備えたモータのカウンタウェイトを示す詳細な図である。 図１および図２ａに示したモータのカバリエ図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータを備えたモータの横断面図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータを備えたモータの縦断面図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータを備えたモータの制御手段を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータを備えたモータの回転軌道を示す詳細な横断面図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータを備えたモータの概略を部分的に示す横断面図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータを備えたモータの概略を部分的に示す横断面図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータの概略を部分的に示す横断面図であり、奇数極のロータを含む図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータの概略を部分的に示す横断面図であり、奇数極のロータを含む図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータの概略を部分的に示す横断面図であり、奇数極のロータを含む図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータの概略を部分的に示す横断面図であり、偶数極のロータを含む図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータの概略を部分的に示す横断面図であり、偶数極のロータを含む図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータの概略を部分的に示す横断面図であり、偶数極のロータを含む図である。 本発明の実施形態に係る偏心ロータの概略を部分的に示す横断面図であり、偶数極のロータを含む図である。

図１および図２ａにおいて、本発明の実施形態に係る偏心ロータを備えたモータは、モータの通気と冷却に有用な翼を有するステータベース１を有する。さらに、ステータは、例えば軟鋼で形成されたカーカス２と、このカーカス２の半径方向に延びる拡張部７ａおよび拡張部７ａの周囲に巻き付けられた巻線３を含む電磁石７とを有する。このような構成において、巻線３へ電力供給すると拡張部７ａにて磁界が生じるようになっている。また、モータの鉄損を制限するために、これらの拡張部は積層構造で且つ回転するようになっている。なお、鉄損にはヒステリシス損と渦電流損とがある。勿論、モータの磁界の生成においては、例えば軸方向の巻線のように、従来技術の他の手段を用いてもよい。
ステータ極は、空間または空洞の円形断面に放射状に位置している。さらに、ステータは、ステータの軸線の長手方向の両側に回転軌道４ａ、５ａを有している。この回転軌道４ａ、５ａは、ステータベース１に設けられたフランジ４、５に組み込まれている。

また、モータは、ステータの空洞の直径より小さい直径を有するロータ６を備えている。
このロータ６は、２つの回転軌道４ｂ、５ｂを有している。この回転軌道４ｂ、５ｂの幅Ｅは、実質的にステータの回転軌道４ａ、５ａの幅Ｅ’と同一であり、ステータの回転軌道４ａ、５ａとそれぞれ位置合わせされている。
また、ロータは、その外周囲に沿って放射状に配置された固定磁石７ｂを有する。これらの磁石は永久磁石であることが好ましい。これらの磁石で形成されるロータ極の数は、ステータ極の数より少ない。またロータ極の数を偶数とし、２つのＮ極の間にＳ極が位置するように交互に配置してもよい。さらにまた、ステータ極の数を３以上２１以下とし、ロータ極の数を２以上２０以下のとしてもよい。

ここで留意すべきは、ステータで３つの極（または３の倍数の極）を用いることは、すなわち、偏心ロータを備えた機械の動力として三相電力の利用が可能であるということである。これは、製造コストおよびメンテナンスコストの削減につながる。さらにまた、電力の周波数を変化させるために三相電力を用いることは、商業目的の観点から有効であり、コスト削減、すなわち、製造コストおよびメンテナンスコストの削減が可能となる。
上記したように、ステータの電磁石への連続的な電力供給は、これらの両極性によりロータの永久磁石を引き付けて、回転軌道上でロータを回転させる力となる。

ステータの巻線の電力制御は、ロータの磁石の引力によって発生したトルクを実質的に一定とするような制御である。巻線の電力制御を行う手段は、ロータの角度位置を検出する角度センサを含む。
モータは出力軸１１を有しており、この出力軸１１には、ケーブルやパイプ、あるいは他の動作を支持するための他の軸等を通すことができる空洞部が形成されていることが好ましい。この空洞部は、出力軸の慣性を低減させることも可能である。この出力軸は、軸受支持部１７、１８に取り付けられた軸受１２、１３によって、ステータに関係した回転に組み込まれる。なお、軸受支持部１７、１８はフランジ４、５に取り付けられている。

この出力軸はステータの空洞を軸方向に貫通し、ロータは出力軸の周囲で回転する。ロータの回転により出力軸１１を回転させるために、ツインギヤ機構を用いてもよい。ツインギヤ機構は、ステータでフランジ５と一体に動くように固定されたギヤ１６を有する。なお、ギヤ１６の歯数はＺ_１６で表す。このギヤ１６は、ロータ６と一体に動くギヤ２５と噛み合い、ギヤ２５を動かす。なお、ギヤ２５の歯数はＺ_２５で表す。ロータは、該ロータと一体に動く第２の端部ギヤ２４を有する。なお、ギヤ２４の歯数はＺ_２４で表す。外側の端部ギヤ２４は、出力軸１１と一体に動くギヤ１５と噛み合う。ここで、ギヤ１５は、出力軸１１と一体の支持体１４に固定されることによって、出力軸１１と一体に動くようになっている。

出力軸１１の回転速度は、ロータ６の回転速度と関係している。出力軸１１の回転速度とロータの回転速度の比ｒ_２を以下に示す。

さらに、出力軸の回転速度とステータの回転磁界の角速度との比ｒ_３は以下のようになる。

また、ロータ６と一体に動くギヤ４ｃと、出力軸１１と一体に動くギヤ４ｄとが互いに噛み合うように設けられている。これらのギヤ４ｃ、４ｄにより、ステータの回転軌道でロータが滑ることなく回転することを可能としている。これにより、極の位置合わせが可能となる。

勿論、ロータの偏心は、モータを振動させるような相当の不均衡さをもたらす。この不均衡さの釣り合いをとるために、本発明の一態様として、ロータとステータの間にカウンタウェイト１９を挿入した構成とする。好ましくは、カウンタウェイト１９は、三日月形状（半月形状を含む）を有しており、その内側にロータの外周面が位置し、外側にステータの内周面が位置するように配置されている。
カウンタウェイト１９は、本体１９ｂと、回転軌道４ａ、５ａ上に選択的に位置する２つの端部１９ｃとを有している。好ましくは、カウンタウェイト１９は、その重量を調整することを目的とした凹部１９ｃを有する。例えば、凹部１９ｃに充填材が充填されているか否かで重量調整することが可能である。

ここで留意すべき点として、カウンタウェイト１９がロータの回転によって流され、ステータの閉経路に沿ってロータの回転とは反対方向に回転すると、この作用により、カウンタウェイト１９が有する二列のローラ２０のうち、一列はステータに接して回転し、もう一列はロータに接して回転する。さらにまた、留意すべき他の点として、カウンタウェイトは物理的なリンクにより機械の部位に固定されていないため、出力軸がステータの一端から他端へ横に広がることを可能とする。

図３は、カウンタウェイト１０の端部をより詳細に示した図である。この端部は、回転軌道４ａ、５ａに沿って、ステータ上およびローラ上でそれぞれ回転する一対のローラ２０を有している。これにより、ステータの閉経路に沿ったロータの回転は、ロータと接触するローラの作用によってカウンタウェイトに反発する性質を有する。後者は他のローラを介してステータ上で回転することによって流される。
ロータ６とカウンタウェイト１９とからなるユニットは、実質的にステータの主軸線上に重力中心が位置し、ともに安定した質量を構成する。

図２ａに戻り、ここで留意すべきことは、ロータ極とステータ極の間の磁力が相互作用する領域では、ロータ極７ｂの突出部の長さとステータ極７ａの突出部の長さとは、実質的に同一であることである。図２ｂを参照すると、ロータ極が曲線ではないことが示されている。ロータ極は、ロータのカーカスから突出したタイプレート８によりロータに固定されて、一般的には長方形状を有する永久磁石７ｂを含んでいる。この場合、ロータ極７ｂの突出部の長さは、ステータ極の突出部の長さと実質的に同一である。

これらの極は、偏心ロータの動作中は対面した状態を保つ。巻線へ通電する電流を交互に切り換えることで、出力軸１１の周囲でロータを回転させる。
これらの極の縮閉線の構成は複数の効果を有する。具体的には、ロータとステータの電磁結合を最適化したり、ステータに関係してロータを滑らせる力の接線成分を最小化したりする。トルクは、例えば高トルクの誘導電動機のようにリラクタンスや極の多さのために精密な極形状に頼ることなく、実質的に一定である。
さらにまた、各極の突出部を実質的に同一長さとすることで、各極の幾何学的な形状を自在に形成することが可能となる。図２ｂに示すように極は必ずしも円筒形状である必要はなく、長方形状であってもよい。

図４および図５を参照して、出力軸１１へのロータの回転の伝達機構は、一組（例えば６個）の回り止めピン３２を用いた回り止めピン機構としてもよい。この場合、ロータは、対応する組の孔３０を含むドライブプレートを有する。それぞれの孔は、円筒形状を有していてもよい。また、ロータは、支持軸受３３を有する。この軸受は、孔の外側のエッジでピンの抵抗を取り消すことができる。このようにしてピンの磨耗を回避している。好ましくは、各回り止めピン３２は、その外部に、結合部の表面を密着させる密着手段を有している。例えば、密着手段としては、ピンの溝にＯリングを嵌め込んだ構成が挙げられる。

この密着手段を設けることにより、軸受に接触する部位にピンをより密着させることができる。さらに、この結合部を用いることにより、減衰作用をもたらすことができる。したがって、回り止めピンと支持軸受との間の機械的な衝撃を回避することが可能となる。なお、機械的な衝撃は実際に部品の破損につながることもある。ここで留意すべきは、このような結合部は、ピンと支持軸受との間の微小なスライドを回避でき、摩擦によるフレッチング腐食等によって破壊することを防止できる。

出力軸１１は、回り止めピン３２を含むピン支持部３４と一体に動く。このピン支持部３４とドライブプレート３１は、ピン支持部３４の各ピン３２がドライブプレート３１の孔の内部に位置するように配置されている。逆に、ピン支持部は、ロータと一体に動くようにし、且つドライブプレートが出力軸と一体に動くように配置されている。
ロータの回転は、プレート３１と孔３０とを回転させ、順に、ピン３２とピン支持部３４とを動作させる。それは出力軸１１の回転を引き起こす。ロータ６の回転軸は回転している間中、位置が変動し、穴はこれらの場所にピンの動作が対応可能なように配置される。より正確には、単に、それぞれのピンの直径が、対応する穴の直径より小さいだけでなく、その上、ロータの偏心に起因して、ピンの直径と穴の直径との差が、ロータとステータの直径の差に一致することに留意すべきである。さらにまた、ピンと穴の相互作用に起因する静止状態を避けるために、ピンの直径と穴の直径との差は、ロータの偏心に起因して、ロータとステータ差よりわずかに大きくする。
支持軸受３３もＯリングで形成される結合部３３ｂも、ドライブピン３２との関わりを向上させる。

図６を参照して、カルダン結合システム７０は、ロータ６の回転を出力軸１１へ伝達するものである。このため、カルダン結合システム７０においては、ロータにリンク７１が設けられている。カルダン結合システムはシャフト７２を有しており、このシャフト７２はリンク７１を媒介として主軸１１を回転させる。
さらにまた、ロータと相互に独立した回転を行うために、偏心した軸受支持部７３を備えるモータを提供することが好ましい。これは、偏心した回転であり、軸受７５（出力軸１１を支持する軸受）と、軸受７４（ロータを支持する軸受）が用いられるステータおよび出力軸１１に関連している。偏心した軸受支持部７３と軸受７４、７５との連携は、出力軸の回転を妨害することなく、ロータを出力軸１１周りに偏心運動させることができる。この出力軸は、軸受７６によりステータ１に関連したピボット接続である。

図７を参照して、ステータの巻線への電力供給の制御は、制御ユニット（コントローラ）８０によって行われる。この制御ユニット８０は、例えば、プロセッサと、作業メモリと、多数の入出力手段（アナログ及び／又はデジタル）とから構成されてもよい。好ましくは、この制御ユニットは、適切なＩ／Ｏ拡張部（例えば、ボード、周辺機器等）を含むマイクロコントローラまたはコンピュータであることが好ましい。

ユニット８０の制御出力は切り換えユニット８１に送信される。切り換えユニット８１は、電力供給線８５によって巻線８４（ここでは、巻線数３）に接続されており、さらに電力源８２に接続されている。切り換えユニット８１は、モータ内もしくはモータの外側に配置することができる。電力源８２には、単相型または多相型（好ましくは三相）の直流または交流の電力を用いることができ、電圧は５０〜４００Ｖとしてもよい。
好ましくは、切り換えユニット８１は、電力源８２が交流の場合においては整流作用を生じさせる手段を含む。この手段は、電圧および制御スイッチの平滑化および調整手段であり、好ましくはトランジスタ、より好ましくはＩＧＢＴタイプのトランジスタを用いることができる。

巻線８４に対する電力供給の制御手段としては、以下の方法を用いることができる。
第１の手段として、ロータの位置を検出するために、ロータ上に配置された一または複数のセンサを用いて巻線への電力供給を制御することが挙げられる。
第２の手段として、ロータの磁石が接近している巻線を検出するために、巻線の循環電流を計測し、電流／電圧の比を分析することが挙げられる。これにより、ステータ内部でのロータの位置を確実に知ることができる。さらに、トルク制御モードでモータを運転することが可能となる。

電磁石への電力供給については、様々な方法を検討することができる。この方法は共通して、ロータとステータとの接点（または挟まれた線）の両側に位置する巻線に異なる電力を供給することである。ここで留意すべきは、「接点」とは、必ずしもロータとステータの物理的な接触のみを意味するものではない。具体的に、ロータとステータがただ回転軌道で物理的に接触している場合、「接点」とはロータとステータとが互いに近づいている点に関するものとなる。なお、このとき、極の材料は保護される。さらに、回転軌道でのロータの物理的な接点とステータの物理的な接点とは、軸方向において一致する。極は、その変動方向において、この接点に極が位置する間ロータに反発し、その後、ロータの極に引き付けられる。接点が２つのステータ極の間にある場合、これらの極は、ロータ極が交互に入れ替わり、その力が反対方向であるような両極性と同様にみなされる。

ロータが運動している時、実行された切り換え、すなわち極での電流変化方向の運動において、接点は最初に出会う極の対称の面を通過する。近接する極は交互に極性が切り換えられる状態となる。一または複数の極は、極数が偶数であるか奇数であるかによって、供給電力を変更する。

最初の解決策は、ステータ極が奇数または偶数の場合における各コイルへの個別の電力供給にある。
もう一つの解決策は、ステータの電磁石の数が偶数である場合に、直列に接続された全てのコイルへ、それぞれのコイルの間に位置する電力供給位置から同時に電力供給することにある。巻線の方向は、隣接した２つの巻線間で反転している。電磁石は、電力供給位置に接続された直流電源を用いて、ステータの閉経路に沿って、ステータの軸線を通過する面の両側にＮ極とＳ極とが連続して形成されるように電力供給してもよい。

次いで、ロータを回転させるために、全ての電磁石を電源供給位置によってオフセットしてもよい。したがって、回転する面に対称的な新規のＮ極とＳ極の連続が形成される。この操作は、ロータをステータ内で回転させるために連続的に更新される。その正反対の反転は、ステータ極近傍で次の極（ロータの回転方向において）の引力によって、ロータ極の回転を引き起こす。取り消しはステータとロータの極を一致させることであり、上述したようなステータとロータの展開長さを同等としたり、前記ギヤシステムによって行われる。このように、直流電源を用いてトルクを実質的に一定とすることができる。

図１０ａから１０ｃには、極への個々の電力供給の例を示している。ここでは、図示されるように、ステータはＡからＩまでの９個の極を有し、ロータはＪからＱまでの８個の極を有する。これらの３つの図では、ステータと、これに対応するステータ極のコイルへの電力供給に関連したロータの連続した３つの位置関係を表わしている。これらの３つの図は、ステータ極（極Ａ）での回転の方向Ｒに沿ったロータの「パス（経路）」を表わしている。これは勿論、ステータ極の全てに適用することができる。

図１０ａは、ロータ６とステータ１の配置を示している。ロータとステータの接点１００は、極Ａの上流側に位置している。極ＡはＳ極であり、Ｎ極のロータの極Ｊを引き付け、極Ｊを極Ａの近傍に位置させるように、全てのステータ極はそれぞれ電力供給される。極Ａの極性により、コイル３は、極がＳ極となるような方向に電力供給される。逆に、極Ｂは、Ｓ極のロータの極Ｋの引力によってＮ極に分極される。同様にして、ステータの極Ｃおよび極Ｄは、Ｓ極およびＮ極となるように電源供給されて、ロータの極Ｌおよび極Ｍそれぞれ引き付ける。ロータの極Ｅは電源供給されず、したがって無極性である。
コイルＦからコイルＩは、それぞれ極Ｎから極Ｑにそれぞれ反発するように電源供給される。このように、接点１００周囲でロータ６の回転が生じるように全ての引力と反力は作用する。

図１０ｂは、ロータとステータの接点１０１が極Ａに位置しているステータに関連したロータの次の位置を示している。極Ｂから極Ｄのコイルは、極Ｋから極Ｍを引き付けるように電源供給される。ロータの極Ｎはステータの極Ｅによって引き付けられるとともに、ステータの極Ｆによって反発されることによって、極Ｅと極Ｆは、それぞれＳ極とＮ極を有するように電源供給される。極Ｇから極Ｉのコイルは、ロータの極Ｏから極Ｑに反発するように電源供給される。このように、接点１０１周囲でロータ６の回転が生じるように全ての引力と反力は作用する。

図１０ｃは、ロータ６とステータ１の接点１０２がコイルＡとコイルＢの間に位置している状態を示している。ステータの極への電源供給は図１０ａに示した構成と同一であるが、一つの極によって、ロータ６の回転方向Ｒの反対方向へオフセットされる。

図１１ａ〜図１１ｃには、極への個々の電源供給の例を示している。ステータは極Ａ〜極Ｉの９つの極および極Ｚを有し、ロータは極Ｊ〜極Ｑの８つの極を有している。これらの３つの図では、ステータと、これに対応するステータ極のコイルへの電源供給に関連したロータの連続した３つの位置関係を示している。これらの３つの図は、ステータ極（極Ａ）での回転の方向Ｒに沿ったロータの「パス」を表わしている。

図１１ａは、ロータ６とステータ１の配置を示している。ロータとステータの接点１１０は、極Ａの上流側に位置している。極ＡはＮ極であり、Ｓ極のロータの極Ｋを引き付け、極Ｋを極Ａの近傍に位置させるように、全てのステータ極はそれぞれ電力供給される。極Ａの極性により、コイル３は、極がＮ極となるような方向に電力供給される。逆に、極Ｂは、Ｎ極のロータの極Ｌの引力によってＳ極に分極される。同様にして、ステータの極Ｃおよび極Ｄは電源供給されて、ロータの極Ｍおよび極Ｎをそれぞれ引き付ける。ロータの極Ｅは、極Ｎ（Ｎ極）を反発するためにＮ極となるように電源供給される。ロータの極Ｆは、極Ｏ（Ｓ極）を引き付けるためにＮ極となるように電源供給される。極Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｚのコイルは、それぞれ極Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｊに反発するように電源供給される。このように、接点１１０周囲でロータ６の回転が生じるように全ての引力と反力は作用する。

図１１ｂは、ロータとステータの接点１１１が極Ａに位置しているステータに関連したロータの次の位置を示している。極Ｂから極Ｄのコイルは、ステータの極Ｌから極Ｎを引き付けるように電源供給される。極Ｅと極Ｇのコイルは、それぞれＮ極とＳ極を有するように電源供給される。極Ｈと極Ｉと極Ｚのコイルは、ロータの極Ｐと極Ｑと極Ｋに反発するように電源供給される。コイルＡとコイルＦは、「直接」、ロータの極Ｋと極Ｏにそれぞれ接触し、その電力供給は、ロータ６の回転が付随するようにＮ極からＳ極に移動可能とするために方向が反転される。
図１１ｃは、ロータ６とステータ１の接点１１２がコイルＡとコイルＢの間に位置している状態を示している。ステータ極への電源供給は図１１ａに示した構成と同一であるが、一つの極によって、ロータ６の回転方向Ｒの反対方向へオフセットされる。

図１２は、ステータが偶数極の場合における本発明の他の実施形態を示す。全ての極は各コイルの間に配置された電源供給位置で直列に接続されている。図１１ａ〜図１１ｃに示したような巻線に関して、留意すべきことは、巻線の方向が２つの連続した巻線間で反転することである。極には次のように電力供給してもよい。すなわち、ステータの閉経路に沿って、ステータの軸線を通る面の両側にＮ極とＳ極が形成されるように、直径方向に対向した電力供給位置１２０、１２２に接続された直流電源から極に電源供給する。

ここで留意すべきことは、電源供給位置１２０、１２２に接続され、直径方向に対向した極は、同電位で短絡して前記極のいずれの極性も無力化する。したがって、ロータを回転させるために、１極分の電力供給をオフセットし、回転する平面上で対称的なＮ極とＳ極の新規な連続を形成するように電力供給を行うことを提案する。この操作は、ステータ内のロータを回転させるために継続して更新される。

図８および本発明の好ましい実施形態によれば、ステータの回転軌道９１およびこれに対応したロータの回転軌道９２は、それぞれの回転面９１２と９２２に、これらの面が実質的に相補するように対応した傾斜部９１４と９２４を有している。
これらの傾斜部は、傾斜した勾配の形状としてもよいし、双曲線や放物線等のように適切な適切な曲率の外径を有する形状としてもよい。
この傾斜面は、軸方向の反力を発生させることができ、回転中にロータの軸方向のずれが生じることを防ぐことができる。

ロータの軸方向のオフセットは、回転軌道の傾斜によって、ロータの回転軌道の回転直径を増加させる。ロータのオフセット側端部は、最初のオフセットの反対方向にロータを移動させる回転軌道で、他の起動よりねじのピッチ分少し速く前進する。微小な傾斜軌道はロータの位置を迅速に一致させ、一組のギヤは十分な補正角度を有している。
このような傾斜部は、ロータの軸方向位置を機械的に調整することができる。この調整は、特に、ロータの摩耗または／および破壊をサポート部材である軸方向荷重の使用を避けることができる。

図９ａおよび図９ｂには、半径ｒｓの内部空間を含むステータを図式的に示している。
この内部空間には、内周半径ｒ_ｒの空洞ロータが配置されている。ロータの回転中に描かれる軌道は、内部空間を半径ｒ_ｄの円形部位９３の空間に制限する。この空間には、出力軸に加えて、ケーブル等のモータの内部または外部の要素が挿通される。これらの要素はこの空間周囲で円運動するロータの動きに支配されないものである。

この空間９３を確実に形成するために、ステータとロータの半径の比は、次の制約のもと選択される。

当然、ロータをステータの空間に挿入可能なように、この比は１より大きい。この比に加えて、３つの半径は以下の関係を有している。

この比は、簡易化されているが、実際には、ロータはある厚さを有しており、そのため、内周半径ｒ_ｒｉと外周半径ｒ_ｒｅによってロータの内周面の起動によって規定される空間により特徴づけられている。
図９ｂに関して、ここで留意すべきは、その空間は、モータの出力軸に用いられるように円筒状に配置可能となっている。この円筒状には、上記で説明したような要素を挿入可能な穴が形成されている。これらの比は以下のようになる。

ステータの内周半径ｒ_ｓと、ロータの内周ｒ_ｉおよび外周半径ｒ_ｅとは、この場合、この空間９３を探し求める半径ｒ_ｄによって選択される。

図９ｂには、さらに特定の事例が示されており、これは出力軸９４が、内部空間の半径ｒ_ｄと実質的に一致する半径を有しており、さらにこの出力軸の内部には、上記で説明したような要素を挿入可能な穴が形成されている。
しかしながら、ロータ極とステータ極の長さが一致すると仮定したとき、ステータ極の数とロータ極の数は、ステータの内周半径とロータの内周半径に実質的に一致する。そのような式は、以下のステータ極の数とロータ極の数との関係から得ることができる。

勿論、本発明は上述した実施形態および図面に限定されるものではなく、また技術に優れた人が、多数の変更や修正を行うことも可能である。
ここで留意すべき点は、本発明の実施形態にかかる電気モータの構成の記載は一般的なものであるが、しかしながら技術に優れた人であれば、その特徴を例えば発電機のような他の回転機械に適用することも可能である。

Claims (12)

1. 円筒状の閉空間を規定するために円周上に分配して配置された複数の磁極を有するステータと、
   前記閉空間より直径が小さい円筒形状であり、円周上に分配して配置された複数の磁極を有する偏心ロータとを備え、
   前記閉空間内で回転する前記偏心ロータは、該偏心ロータの回転要素に依存する軸を有し、
   前記磁極を形成する電磁石の影響範囲で前記ステータと前記偏心ロータとが相互作用し、前記影響範囲における前記偏心ロータのロータ極のうち前記ステータのステータ極に対面する対面領域の周方向両端間の長さと前記ロータのカーカスから突出するサイド領域の前記周方向に交差する方向に沿った距離との和が、前記影響範囲における前記ロータ極と対面する前記ステータ極の周方向両端間の長さと同一であることを特徴とする偏心ロータを備えた回転電気機械。
2. 前記ステータは、前記偏心ロータの回転軌道を回転可能な少なくとも一つの回転軌道を有し、前記ステータの回転軌道は、軸方向の反力を生成する相補的な外形を有していることを特徴とする請求項１に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
3. 前記ステータ極が巻線を含み、
   さらに前記偏心ロータの位置情報に基づいて前記巻線への電力供給を制御するコントローラを備えることを特徴とする請求項１に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
4. 前記偏心ロータの位置情報は、角度センサによって検出されることを特徴とする請求項３に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
5. 前記ステータ内で前記偏心ロータが滑らずに回転するように前記偏心ロータと前記ステータとをかみ合わせる手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
6. 前記軸は、回り止めピン機構によって前記偏心ロータとともに回転し、
   前記回り止めピン機構は、複数の回り止めピンと、該複数の回り止めピンの各々の挿入部位より大きく形成された複数の孔とを含むことを特徴とする請求項１に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
7. 前記複数の孔は、それぞれ機械軸受を含むことを特徴とする請求項６に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
8. 前記複数の回り止めピンは、前記機械軸受の荷重を担う位置に対応した軸受け表面に結合する結合部を有していることを特徴とする請求項７に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
9. 前記軸は、ツインギヤ機構によって前記偏心ロータに連結されて回転することを特徴とする請求項１に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
10. 前記偏心ロータの重力中心を前記ステータの軸線近傍に位置させるように形成されたカウンタウェイトを備えることを特徴とする請求項１に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
11. 前記カウンタウェイトは、三日月形状を有していることを特徴とする請求項１０に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。
12. 前記ステータが偶数の極を有し、前記ステータの巻線の方向が２つの連続した極の間で反転されているとともに、全ての極が直列に接続されていることを請求項１に記載の偏心ロータを備えた回転電気機械。

Images