JP5965527B1 - Coilless motor - Google Patents
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Abstract
【課題】高速応答の妨げとなり損失増加の原因となるコイルを排除して誘導特性を可及的に抑えたコイルレスモータを提供する。【解決手段】少なくとも一対の永久磁石6をその磁極端面6A,6Bが略同心円状の異なる位相となるように配置させてなるロータ5と、前記永久磁石6の磁極端面6A,6Bに隙間を空けてまたは接触させて磁路を形成する磁性体8A,8Bと、前記永久磁石6の磁極端面6A、6Bに近接する位置において前記磁界Bの方向およびロータの回転方向Rに略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ2側に固定させた導電体7とを有する。【選択図】図1A coilless motor that suppresses induction characteristics as much as possible by eliminating a coil that hinders high-speed response and increases loss is provided. At least a pair of permanent magnets 6 are arranged so that their magnetic pole end faces 6A and 6B have different phases of substantially concentric circles, and a gap is provided between the magnetic pole end faces 6A and 6B of the permanent magnet 6. The magnetic bodies 8A and 8B that form a magnetic path by being in contact with each other, and charges in a direction substantially perpendicular to the direction of the magnetic field B and the rotational direction R of the rotor at positions close to the magnetic pole end surfaces 6A and 6B of the permanent magnet 6 And a conductor 7 fixed to the stator 2 side in a state in which it is movably disposed. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、誘導特性をできるだけ小さくするためにコイルを排除したコイルレスモータに関する。 The present invention relates to a coilless motor in which a coil is excluded in order to make an induction characteristic as small as possible.
一般的にモータは誘導特性を有するものであり、この誘導特性によって電流の変動を起こしにくくするものとなっている。また、モータの電源はPWM(Pulse Width Modulation)変調によって120度位相が異なる3つの擬似的なサイン波を生成するインバータが用いられており、このインバータによる制御によってモータの回転速度や出力トルクの制御を可能としている。 In general, a motor has inductive characteristics, and the inductive characteristics make it difficult for fluctuations in current to occur. In addition, the motor power supply uses an inverter that generates three pseudo sine waves that are 120 degrees out of phase by PWM (Pulse Width Modulation) modulation. Control of the motor rotation speed and output torque is controlled by this inverter. Is possible.
また、特許文献1、特許文献2に示すように、近年では電機子巻線となるコイルをプリント基板上にエッチングまたは印刷技術で形成した所謂プリントモータが用いられるようになっている。このプリントモータでは回転子がプリント基板で形成されており、鉄心を用いないことにより軽量である為、慣性を低くすることができ、速度制御の応答性の向上を図ることができるだけでなく、扁平な形状に形成できるゆえに注目されるに至っている。
In addition, as shown in
しかしながら、従来のモータは何れもコイル(巻線)を形成することにより、コイルに電流を流すことによって発生させる磁場によってモータを回転させるものであるから、巻線に流れる電流から磁界を形成するステップと、コイルによって形成された磁界が、他の永久磁石または電磁石に吸引または反発するステップとを経て初めてモータが回転する。また、より少ない電流によって強い磁場を形成できるように、コイルの巻き数を増やすことにより磁束の倍増化を図ることにより、インダクタンスが増加するという問題が発生する。 However, since all conventional motors rotate a motor by forming a coil (winding) and a magnetic field generated by passing a current through the coil, a step of forming a magnetic field from a current flowing through the winding The motor rotates only after the magnetic field formed by the coil is attracted or repelled by another permanent magnet or electromagnet. In addition, a problem arises that inductance is increased by doubling the magnetic flux by increasing the number of turns of the coil so that a strong magnetic field can be formed with a smaller current.
すなわち、まずコイルに流れる電流を一旦磁界に変換する段階でコイルのインダクタンスによる誘導特性が応答の遅れとなるという問題が発生する。また、コイルによって形成される磁束が他の永久磁石または電磁石と吸引または反発するときにも、ロータにかかるトルクの変動によって滑りが発生するため、負荷トルクの変動に対する応答性の遅れも発生する。 That is, there is a problem that the induction characteristic due to the inductance of the coil causes a delay in response at the stage where the current flowing through the coil is once converted into a magnetic field. Further, even when the magnetic flux formed by the coil is attracted or repelled by other permanent magnets or electromagnets, slippage occurs due to fluctuations in the torque applied to the rotor, so that responsiveness to fluctuations in load torque also occurs.
さらに、三相誘導モータなどのようにコイルに擬似的な交流電流を流す場合には、PWM変換などのスイッチング素子によるパルス波形による電流制御を行うため、スイッチング素子の切り替わり時点においてインダクタンス分による遅れ電流によって必ず損失が発生するので、スイッチングの素子のキャリア周波数の高さに比例してスイッチング損失が大きくなるという問題もある。 Furthermore, when a pseudo alternating current is passed through the coil, such as in a three-phase induction motor, current control is performed using a pulse waveform by a switching element such as PWM conversion. Therefore, there is also a problem that the switching loss increases in proportion to the height of the carrier frequency of the switching element.
加えて、PWM変調によって120°位相のずれた電力を供給する場合には、インダクタンスの影響で位相のズレが発生するので、各相の位相差120°を維持するための制御が困難となり、高速回転する場合にはさらに位相維持の制御が困難となり、複雑で高速な制御を行なう必要が生じる。さらには、回生動作時においては制御がより複雑になり、これによって全体として制御性が悪くなり、コストアップや効率の低下を招いていた。 In addition, when power that is 120 ° out of phase is supplied by PWM modulation, a phase shift occurs due to the influence of the inductance, making it difficult to control to maintain a phase difference of 120 ° between the phases. In the case of rotation, it becomes more difficult to control the phase, and it is necessary to perform complicated and high-speed control. Furthermore, the control becomes more complicated during the regenerative operation, which deteriorates the controllability as a whole, leading to an increase in cost and a decrease in efficiency.
加えて、コイルに鉄心(ヨーク)を用いて磁束の集中を行なう場合には、特に磁気飽和が発生することによる損失が発生するという問題も生じる。 In addition, when the magnetic flux is concentrated using an iron core (yoke) for the coil, there is a problem that a loss is generated due to the occurrence of magnetic saturation.
とりわけ近年のハイブリッド車や電気自動車の普及に伴って、電気制御によって瞬時に回転トルクを発生させたり、逆に瞬時に回生動作を行なう必要があるが、コイルの誘導特性によってレスポンスの遅れが発生することが効率低下の原因となっていた。 In particular, with the recent spread of hybrid vehicles and electric vehicles, it is necessary to generate rotational torque instantaneously by electric control, or conversely, to perform instantaneous regenerative operation, but a delay in response occurs due to the induction characteristics of the coil. This was the cause of the efficiency reduction.
本発明は上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、高速応答の妨げとなり損失増加の原因となるコイルを排除して誘導特性を可及的に抑えたコイルレスモータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned matters, and provides a coilless motor that suppresses induction characteristics as much as possible by eliminating coils that hinder high-speed response and cause loss increase. Objective.
上記問題点を解決するために、第1発明は、少なくとも一対の永久磁石をその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させてなるロータと、前記永久磁石の磁極端面に隙間を空けてまたは接触させて磁路を形成する磁性体と、前記永久磁石の磁極端面に隙間を空けて前記磁界の方向およびロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態で、ステータ側に回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に固定させた複数の導電体を有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。(請求項1) In order to solve the above problems, the first invention provides a gap between a rotor in which at least a pair of permanent magnets are arranged so that their magnetic pole end faces are in different phases of substantially concentric circles, and a magnetic pole end face of the permanent magnet. A state in which a magnetic material that forms a magnetic path by being vacated or brought into contact with the magnetic pole end surface of the permanent magnet is disposed so that electric charges can be moved in a direction substantially orthogonal to the direction of the magnetic field and the direction of rotation of the rotor A coilless motor comprising a plurality of conductors arranged at a pitch shifted in the rotation direction on the stator side and fixed within a narrow angle range with respect to a phase angle corresponding to one magnetic pole end face. provide. (Claim 1)
ロータに配置された永久磁石はその磁極端面が同心円状に異なる位相で配置されているので、この磁極端面に隙間を空けてロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ側に固定させた導電体に電流を流すことにより、磁極端面における磁界の強さと導電体を流れる電流の大きさに比例して導電体にローレンツ力が作用し、その反作用でロータが逆方向に回転する。なお、前記隙間はロータが高速回転したとしても接触しない程度のもので、磁束の漏れを抑えるためにできるだけ狭い間隔が好ましい。なお、前記隙間の寸法は、永久磁石の持つ起磁力と磁路の断面積の大きさによって相対的に決まり、起磁力と磁路の断面積が大きければ飽和磁束密度の限界まで隙間は大きくできる。 The permanent magnets arranged on the rotor are arranged so that their magnetic pole end faces are concentrically different in phase, so that a gap is formed on this magnetic pole end face so that electric charges can be moved in a direction substantially perpendicular to the rotation direction of the rotor. By passing a current through a conductor fixed to the stator in the state, Lorentz force acts on the conductor in proportion to the strength of the magnetic field at the magnetic pole end face and the current flowing through the conductor, and the reaction causes the rotor to Rotate in the opposite direction. The gap is such that it does not come into contact even if the rotor rotates at high speed, and is preferably as narrow as possible in order to suppress leakage of magnetic flux. The size of the gap is relatively determined by the magnetomotive force of the permanent magnet and the cross-sectional area of the magnetic path. If the magneto-motive force and the cross-sectional area of the magnetic path are large, the gap can be increased to the limit of the saturation magnetic flux density. .
すなわち、本発明はローレンツ力を直接的に用いることにより、従来のコイルを用いるものに比べて応答速度を飛躍的に高めることができ、電流制御によって回転力を直接的に制御できる。ここで前記略直交とは、ローレンツ力が電場と磁束密度のクロス積によって加わる力であるため、直角に配置することが最も効率の良い配置になるが、直角からずれていたとしてもローレンツ力が作用することを意味するものである。また、ロータに回転力が加わって回転し、導電体の位置に移動した磁極端面(N極またはS極)の磁界が逆になると、電流も逆方向に流すことにより、回転方向および回転トルクを同じ方向に保つことができる。 That is, in the present invention, by directly using the Lorentz force, the response speed can be dramatically increased as compared with the conventional one using a coil, and the rotational force can be directly controlled by current control. Here, the term “substantially orthogonal” means that the Lorentz force is a force applied by the cross product of the electric field and the magnetic flux density. Therefore, the arrangement at right angles is the most efficient arrangement. It means to act. In addition, when the magnetic field of the magnetic pole end face (N pole or S pole) moved to the position of the conductor is reversed due to the rotation force applied to the rotor, the current is also caused to flow in the opposite direction, so that the rotational direction and rotational torque are reduced. Can be kept in the same direction.
加えて、従来のコイルを用いる場合のように、磁界を強くするための鉄心を排除できるので磁器飽和が問題となることがない。すなわち、より強力な永久磁石を用い、より大きな電流を流すことにより、これらに比例してより強力な回転力を得ることができる。 In addition, as in the case of using a conventional coil, the iron core for strengthening the magnetic field can be eliminated, so that porcelain saturation does not become a problem. That is, by using a stronger permanent magnet and flowing a larger current, a stronger rotational force can be obtained in proportion to these.
回生動作においても回生させる回転力に比例して導電体に電流が流れるので、回生する電流の制御によって回生トルクの調節を比較的容易に行うことができる。 Even in the regenerative operation, a current flows through the conductor in proportion to the rotational force to be regenerated. Therefore, the regenerative torque can be adjusted relatively easily by controlling the regenerative current.
永久磁石はより強力な磁束を生成するものであればあるほど好ましく、希土類元素のネオジムを用いた希土類磁石を用いることが好ましいが、磁化させた強磁性体を用いてもよい。さらに、電磁石に一定の電流を流して形成したものを永久磁石として用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。 The permanent magnet is preferably as long as it produces a stronger magnetic flux, and a rare earth magnet using neodymium, a rare earth element, is preferably used, but a magnetized ferromagnetic material may be used. Furthermore, it goes without saying that the same effect can be obtained even if an electromagnet formed by passing a constant current is used as a permanent magnet.
第2発明は、少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸方向に並行し、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させてなるロータと、前記永久磁石の両方の磁極端面に隙間を空けてそれぞれ磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体と、これらの導電体を支持すると共に永久磁石の両方の磁極端面においてそれぞれ磁路を形成するようにステータ側に固定させた固定磁性体とを有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。(請求項2) According to a second aspect of the present invention, there is provided a rotor in which at least a pair of permanent magnets are arranged such that the magnetic poles thereof are parallel to the rotation axis direction and the magnetic pole end faces are in different phases of substantially concentric circles, and both magnetic poles of the permanent magnets A phase angle corresponding to one end face of the magnetic pole by arranging a gap in the end face so that the electric charge can move in a direction substantially orthogonal to the direction of the magnetic field and the rotation direction of the rotor , and arranged at a pitch shifted in the rotation direction. A plurality of conductors arranged within a narrow angle range, and a fixed magnetic body that supports these conductors and is fixed to the stator side so as to form a magnetic path at both pole end faces of the permanent magnet, respectively. A coilless motor is provided. (Claim 2)
ロータに配置された永久磁石の両磁極端面に隙間を空けてステータ側に固定させた両導電体に電流を流すことにより導電体に作用するローレンツ力の反作用を用い、電流制御によってコイルレスモータの回転力を高速に制御できる。永久磁石の一方の磁極端面における磁束は高い透磁率を有する固定磁性体内を通り、他方の磁極端面に面する固定磁性体内を通って流れる。したがって、固定磁性体の外側においては磁束が漏れることがなく、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体は高い磁束密度に曝されることになり、この磁極端面に配置された導電体に電流を流すことにより大きな回転トルクを得ることができる。 Using the reaction of Lorentz force acting on the conductor by passing a current through both conductors fixed on the stator side with a gap between both magnetic pole end faces of the permanent magnet arranged in the rotor, the current control controls the coilless motor. Rotational force can be controlled at high speed. The magnetic flux at one magnetic pole end face of the permanent magnet passes through the fixed magnetic body having a high magnetic permeability and flows through the fixed magnetic body facing the other magnetic pole end face. Therefore, the magnetic flux does not leak outside the fixed magnetic body, and the conductor disposed with a gap in the magnetic pole end face is exposed to a high magnetic flux density. A large rotational torque can be obtained by passing an electric current.
また、両磁極端面に隙間を空けて固定磁性体を配置しているので、永久磁石は両方の固定磁性体にほぼ同じ力で引き付けられてバランスを保つことができ、ロータの回転軸に定常的な力を加わえることがなく、それだけコイルレスモータの耐久性を高めることができる。 In addition, since the fixed magnetic body is arranged with a gap between both magnetic pole end faces, the permanent magnet can be attracted to both fixed magnetic bodies with almost the same force to maintain the balance, and the rotor rotating shaft is stationary. Thus, the durability of the coilless motor can be increased accordingly.
固定磁性体は導電体を支持するものであるから、導電体に大電流が流れるときに生じる熱をステータ側に逃がして放熱させることができる。さらに、固定磁性体には永久磁石からの磁束が流れるが、ロータの回転に伴って磁束の流れる方向も変動する。従って、固定磁性体は例えば真空に比べて数百倍以上の高い透磁率を有すると共に、磁束の変動に伴う損失が発生しないようにヒステリシスが極力小さく、渦電流の発生が少ない部材を用いる。 Since the fixed magnetic body supports the conductor, heat generated when a large current flows through the conductor can be released to the stator side. Furthermore, although the magnetic flux from the permanent magnet flows through the fixed magnetic body, the direction in which the magnetic flux flows varies as the rotor rotates. Therefore, the fixed magnetic body uses, for example, a member having a high permeability of several hundred times or more as compared with a vacuum, and having a hysteresis as small as possible and generating less eddy current so as not to cause a loss due to a change in magnetic flux.
ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。 Since power supply to the conductor fixed on the stator side can be easily performed without using a brush, the configuration of the coilless motor can be simplified as much as possible, and a brush that is a long-life member should be used. It is possible to prevent a decrease in durability due to.
第3発明は、少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸方向に並行し、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させると共に、前記永久磁石の一方の磁極端面に間隔を空けてまたは接触させて磁路を形成する回転磁性体を備えてなるロータと、前記永久磁石の他方の磁極端面に隙間を空けて磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体と、これらの導電体を支持すると共に永久磁石の他方の磁極端面において磁路を形成するようにステータ側に固定させた固定磁性体とを有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。(請求項3) According to a third aspect of the present invention, at least a pair of permanent magnets are arranged such that their magnetic poles are parallel to the rotation axis direction and their magnetic pole end faces are in different phases of substantially concentric circles, and spaced apart from one magnetic pole end face of the permanent magnet. A rotor having a rotating magnetic body that forms a magnetic path by opening or contacting with a rotor, and a charge is generated in a direction substantially perpendicular to the direction of the magnetic field and the direction of rotation of the rotor by leaving a gap in the other magnetic pole end face of the permanent magnet. movably disposed to a and a plurality of electrical conductors is disposed within a narrow range of angles with respect to the phase angle corresponding to one magnetic pole end face and arranged at a pitch shifted in the rotational direction, these conductive There is provided a coilless motor characterized by having a fixed magnetic body fixed to the stator side so as to support the body and form a magnetic path at the other magnetic pole end face of the permanent magnet. (Claim 3)
ロータに配置された永久磁石の磁極端面に隙間を空けてステータ側に固定させた導電体に電流を流すことにより、導電体に作用するローレンツ力の反作用を用い、電流制御によってコイルレスモータの回転力を高速に制御できる。永久磁石の一方の磁極端面における磁束は高い透磁率を有する回転磁性体と固定磁性体内を通り、他方の磁極端面に流れる。したがって、回転磁性体および固定磁性体の外側においては磁束が漏れることがなく、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体は高い磁束密度に曝されることになり、この磁極端面に配置された導電体に電流を流すことにより大きな回転トルクを得ることができる。 The coilless motor is rotated by current control using the reaction of Lorentz force acting on the conductor by passing a current through the conductor fixed on the stator side with a gap in the magnetic pole end face of the permanent magnet arranged in the rotor. Power can be controlled at high speed. The magnetic flux at one magnetic pole end face of the permanent magnet passes through the rotating magnetic body and the fixed magnetic body having high permeability and flows to the other magnetic pole end face. Therefore, the magnetic flux does not leak outside the rotating magnetic body and the fixed magnetic body, and the conductor disposed with a gap in the magnetic pole end face is exposed to a high magnetic flux density. A large rotational torque can be obtained by passing a current through the conductor.
固定磁性体は導電体を支持するものであるから、導電体に大電流が流れるときに生じる熱をステータ側に逃がして放熱させることができる。さらに、固定磁性体には永久磁石からの磁束が流れるが、ロータの回転に伴って磁束の流れる方向も変動する。従って、固定磁性体は例えば真空に比べて数百倍以上の高い透磁率を有すると共に、磁束の変動に伴う損失が発生しないようにヒステリシスが極力小さく、渦電流の発生が少ない部材を用いる。 Since the fixed magnetic body supports the conductor, heat generated when a large current flows through the conductor can be released to the stator side. Furthermore, although the magnetic flux from the permanent magnet flows through the fixed magnetic body, the direction in which the magnetic flux flows varies as the rotor rotates. Therefore, the fixed magnetic body uses, for example, a member having a high permeability of several hundred times or more as compared with a vacuum, and having a hysteresis as small as possible and generating less eddy current so as not to cause a loss due to a change in magnetic flux.
ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。 Since power supply to the conductor fixed on the stator side can be easily performed without using a brush, the configuration of the coilless motor can be simplified as much as possible, and a brush that is a long-life member should be used. It is possible to prevent a decrease in durability due to.
さらに、永久磁石と回転磁性体の間に間隙を形成し、この間隙に導電体を配置した場合には、この導電体に流した電流に比例してロータにローレンツ力による回転トルクを生じさせることもできる。ロータに設けた回転磁性体は永久磁石と同じロータに固定されるものであるから、永久磁石との相対的な位置関係を固定しているので、回転磁性体内を流れる磁束に大きな変化が発生することはなく、高い透磁率を有するものであればヒステリシス特性を持つものであっても用いることができる。 Furthermore, when a gap is formed between the permanent magnet and the rotating magnetic body, and a conductor is disposed in this gap, a rotational torque due to Lorentz force is generated in the rotor in proportion to the current passed through the conductor. You can also. Since the rotating magnetic body provided in the rotor is fixed to the same rotor as the permanent magnet, the relative positional relationship with the permanent magnet is fixed, so that a large change occurs in the magnetic flux flowing through the rotating magnetic body. However, any material having high magnetic permeability can be used even if it has hysteresis characteristics.
第4発明は、 少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸方向に並行し、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるように配置させると共に、前記永久磁石の両方の磁極端面にそれぞれ隙間を空けた位置に磁路を形成する回転磁性体を備えてなるロータと、前記永久磁石と両回転磁性体の間の位置において磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ側に固定させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体とを有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。(請求項4) According to a fourth aspect of the present invention, at least a pair of permanent magnets are arranged so that their magnetic poles are parallel to the rotation axis direction and their magnetic pole end faces are in different phases of substantially concentric circles. A rotor having a rotating magnetic body that forms a magnetic path at a position where a gap is formed, and a charge in a direction substantially perpendicular to the direction of the magnetic field and the rotating direction of the rotor at a position between the permanent magnet and both rotating magnetic bodies. A plurality of conductors fixed to the stator side in a state where they are movable and arranged in a narrow angle range with respect to the phase angle corresponding to one magnetic pole end face, arranged at a pitch shifted in the rotational direction. A coilless motor is provided. (Claim 4)
ロータに配置された永久磁石の磁極端面に隙間を空けてステータ側に固定させた導電体に電流を流すことにより、導電体に作用するローレンツ力の反作用を用い、電流制御によってコイルレスモータの回転力を高速に制御できる。永久磁石の一方の磁極端面における磁束は高い透磁率を有する両回転磁性体を介して、他方の磁極端面に流れる。したがって、回転磁性体の外側においては磁束が漏れることがなく、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体は高い磁束密度に曝されることになり、この磁極端面に配置された導電体に電流を流すことにより大きな回転トルクを得ることができる。 The coilless motor is rotated by current control using the reaction of Lorentz force acting on the conductor by passing a current through the conductor fixed on the stator side with a gap in the magnetic pole end face of the permanent magnet arranged in the rotor. Power can be controlled at high speed. The magnetic flux at one magnetic pole end face of the permanent magnet flows to the other magnetic pole end face via the both rotating magnetic bodies having high permeability. Therefore, the magnetic flux does not leak outside the rotating magnetic body, and the conductor disposed with a gap on the magnetic pole end face is exposed to a high magnetic flux density. A large rotational torque can be obtained by passing an electric current.
ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。 Since power supply to the conductor fixed on the stator side can be easily performed without using a brush, the configuration of the coilless motor can be simplified as much as possible, and a brush that is a long-life member should be used. It is possible to prevent a decrease in durability due to.
ロータに設けた回転磁性体は永久磁石と同じロータに固定されるものであるから、永久磁石との相対的な位置関係を固定しているので、回転磁性体内を流れる磁束に大きな変化が発生することはなく、高い透磁率を有するものであればヒステリシス特性を持つものであっても用いることができる。 Since the rotating magnetic body provided in the rotor is fixed to the same rotor as the permanent magnet, the relative positional relationship with the permanent magnet is fixed, so that a large change occurs in the magnetic flux flowing through the rotating magnetic body. However, any material having high magnetic permeability can be used even if it has hysteresis characteristics.
前記ロータは前記永久磁石をその間に間隙を形成するように回転軸の長手方向に分離して複数備え、前記導電体はこの永久磁石の間に配置される位置においても磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた状態でステータ側に固定させてある場合(請求項5)には、永久磁石の間に配置される導電体にも電流を流すことにより、この導電体に流れる電流に比例する回転力を加えることができる。 The rotor is provided with a plurality of the permanent magnets separated in the longitudinal direction of the rotation shaft so as to form a gap therebetween, and the conductor is arranged in the direction of the magnetic field and the rotation of the rotor even at a position between the permanent magnets. When the electric charge is arranged to be movable in a direction substantially orthogonal to the direction and fixed to the stator side (Claim 5), the electric current is also passed through the conductor arranged between the permanent magnets. A rotational force proportional to the current flowing through the conductor can be applied.
ロータに形成する永久磁石を多数に分離して形成することにより、それだけ大きな回転力を得ることができる。 A large rotational force can be obtained by forming the permanent magnets formed on the rotor in large numbers.
第5発明は、少なくとも一対の永久磁石をその磁極が回転軸から放射方向に、かつその磁極端面が略同心円状の異なる位相となるよう略円筒状に配置させてなるロータと、前記永久磁石の磁極端面に隙間を空けてそれぞれ磁界の方向とロータの回転方向に略直交する方向に電荷を移動可能に配置させ、かつ、回転方向にずらしたピッチで配列して一つの磁極端面に対応する位相角に対して狭い角度範囲内に配置させた複数の導電体と、これらの導電体を支持すると共に永久磁石の磁極端面において磁路を形成するようにステータ側に固定させた固定磁性体とを有することを特徴とするコイルレスモータを提供する。(請求項6) According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a rotor in which at least a pair of permanent magnets are arranged in a substantially cylindrical shape so that the magnetic poles thereof are in a radial direction from the rotation axis and the magnetic pole end faces are in different phases of substantially concentric circles; Phases corresponding to one magnetic pole end face are arranged with a gap in the magnetic pole end face so that electric charges can be moved in a direction substantially perpendicular to the direction of the magnetic field and the rotation direction of the rotor , and arranged at a pitch shifted in the rotational direction. a plurality of electrical conductors is disposed within a narrow range of angles with respect to the corner, the fixed magnetic body is fixed on the stator side so as to form a magnetic path in the magnetic pole end face of the permanent magnet to support the these conductors A coilless motor is provided. (Claim 6)
ロータに配置された永久磁石の略円筒状の磁極端面に隙間を空けてステータ側に固定させた導電体に電流を流すことにより導電体に作用するローレンツ力の反作用を用い、電流制御によってコイルレスモータの回転力を高速に制御できる。永久磁石の一方の磁極端面における磁束は高い透磁率を有する固定磁性体内を通り、隣接する磁極端面に流れる。したがって、固定磁性体の外側においては磁束が漏れることがなく、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体は高い磁束密度に曝されることになり、この磁極端面に配置された導電体に電流を流すことにより大きな回転トルクを得ることができる。 A coilless coil is formed by controlling the current by controlling the Lorentz force acting on the conductor by passing a current through the conductor fixed on the stator side with a gap between the end faces of the substantially cylindrical magnetic poles of the permanent magnet arranged on the rotor. The rotational force of the motor can be controlled at high speed. The magnetic flux at one magnetic pole end face of the permanent magnet passes through the fixed magnetic body having a high permeability and flows to the adjacent magnetic pole end face. Therefore, the magnetic flux does not leak outside the fixed magnetic body, and the conductor disposed with a gap in the magnetic pole end face is exposed to a high magnetic flux density. A large rotational torque can be obtained by passing an electric current.
また、固定磁性体は導電体を支持するものであるから、導電体に大電流が流れるときに生じる熱をステータ側に逃がして放熱させることができる。さらに、固定磁性体には永久磁石からの磁束が流れるが、ロータの回転に伴って磁束の流れる方向も変動する。従って、固定磁性体は例えば真空に比べて数百倍以上の高い透磁率を有すると共に、磁束の変動に伴う損失が発生しないようにヒステリシスが極力小さく、渦電流の発生が少ない部材を用いる。 Further, since the fixed magnetic body supports the conductor, the heat generated when a large current flows through the conductor can be released to the stator side and dissipated. Furthermore, although the magnetic flux from the permanent magnet flows through the fixed magnetic body, the direction in which the magnetic flux flows varies as the rotor rotates. Therefore, the fixed magnetic body uses, for example, a member having a high permeability of several hundred times or more as compared with a vacuum, and having a hysteresis as small as possible and generating less eddy current so as not to cause a loss due to a change in magnetic flux.
ステータ側に固定した導電体への電力供給はブラシを介することなく容易に行なうことができるので、コイルレスモータの構成を可能な限り簡素にすることができ、有寿命部材であるブラシを用いることによる耐久性の低下を防止できる。 Since power supply to the conductor fixed on the stator side can be easily performed without using a brush, the configuration of the coilless motor can be simplified as much as possible, and a brush that is a long-life member should be used. It is possible to prevent a decrease in durability due to.
前記固定磁性体は渦電流が生じ難いと共にヒステリス特性の小さい軟質磁性体であり、かつ、導電体に接することにより熱を容易に発散する程度の熱伝導率を有するものである場合(請求項7)には、ロータの回転に伴って固定磁性体に流れる磁束の向きが変わる場合にも、渦電流の発生によって渦電流損による発熱が発生したり、磁束の変動を妨げたりすることがなく、また、固定磁性体はヒステリシス特性の小さい材質であるから、磁気ヒステリシスによるヒステリシス損を抑えることができる。また、固定磁性体の熱伝導率が高いことにより、導電体で発生した熱を容易に放熱することができる。 The fixed magnetic body is a soft magnetic body that is less likely to generate eddy currents and has a low hysteresis characteristic, and has a thermal conductivity that allows heat to be easily dissipated by contacting the conductor (Claim 7). ), Even when the direction of the magnetic flux flowing through the fixed magnetic body changes with the rotation of the rotor, the generation of eddy currents does not cause heat generation due to eddy current loss or disturb fluctuation of the magnetic flux, In addition, since the fixed magnetic material is a material having small hysteresis characteristics, hysteresis loss due to magnetic hysteresis can be suppressed. Further, since the thermal conductivity of the fixed magnetic body is high, the heat generated in the conductor can be easily dissipated.
とりわけ、固定磁性体は、軟質磁性体の粉体を有機結合剤(バインダー)によって固めてなる複合軟磁性体であることにより、渦電流の発生をより確実に防止できるとともにヒステリシス特性も最小限に抑えることができ、それだけ、損失を小さくすることができる。 In particular, the fixed magnetic material is a composite soft magnetic material in which a soft magnetic material powder is solidified with an organic binder (binder), so that eddy currents can be prevented more reliably and hysteresis characteristics are minimized. Therefore, the loss can be reduced accordingly.
さらに、前記固定磁性体は導電体に当接する圧縮アモルファスと、この圧縮アモルファスに当接する射出アモルファスとを備えるものであることにより、制作容易であり製造コストの引き上げを防ぎながら高い透磁率を得て漏れを抑え、さらに、ヒステリシス損や渦電流損の発生を必要最小限におさえることができ、磁気飽和を避けることができるので、好ましい。 Furthermore, the fixed magnetic body is provided with a compressed amorphous material that contacts the conductive material and an injection amorphous material that contacts the compressed amorphous material. This is preferable because leakage can be suppressed, hysteresis loss and eddy current loss can be minimized, and magnetic saturation can be avoided.
前記導電体は渦電流を防止可能な導電体プレートを積層してなるものであり、一方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートを流れる電流が、他方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートに流れる電流と逆の方向に流れて、生じるローレンツ力の方向がどの導電体プレートにおいても同じになるように連結して配置してあり、かつ、磁極端面のペアに対して少なくとも各1回路の導電体が配置されるように永久磁石のペア数に合わせてロータの全回転角に略均等に配分して占有すると共に導電体の全体形状が磁極端面の形状に沿う形状である場合(請求項8)には、導電体は積層された導電体プレートの数だけ並列回路を形成するので、それだけ大きな電流を流すことができ、これによって回転トルクを強くすることができる。また、導電体プレートは渦電流の発生を防止するものであるから、導電体プレートの断面積を最大限に用いて大電流を流すことができるだけでなく、大電流を流すときにも渦電流損失を防止することができる。 The conductor is formed by laminating conductor plates capable of preventing eddy current, and the current flowing through the conductor plate arranged in the region facing the magnetic pole end face of one pole is the magnetic pole end face of the other pole. Are connected in such a way that the direction of the Lorentz force that flows in the direction opposite to the current flowing in the conductor plate arranged in the region facing the electrode is the same in any conductor plate, and the magnetic pole The conductors of the entire surface of the magnetic pole end face are distributed and occupied substantially evenly over the entire rotation angle of the rotor in accordance with the number of pairs of permanent magnets so that at least one circuit conductor is arranged for each pair of end faces. (Claim 8), the conductors form parallel circuits as many as the number of laminated conductor plates, so that a large current can flow, thereby increasing the rotational torque. Rukoto can. In addition, since the conductor plate prevents the generation of eddy currents, not only can a large current flow using the cross-sectional area of the conductor plate to the maximum, but eddy current loss also occurs when a large current flows. Can be prevented.
導電体プレートは導電率に優れた部材によって形成されることが好ましく、例えば、銅や銀の薄膜であることが考えられる。また、グラフェンからなるリボンを用いて、さらなる効率の向上を図っても良いことはいうまでもない。 The conductor plate is preferably formed of a member having excellent conductivity, for example, a thin film of copper or silver. It goes without saying that further improvement in efficiency may be achieved by using a ribbon made of graphene.
前記導電体が、一方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートを流れる電流が、他方の極の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートに流れる電流と逆の方向に流れて、生じるローレンツ力の方向がどの導電体プレートにおいても同じになるように連結して配置してあり、かつ、磁極端面のペアに対して少なくとも各1回路の導電体が配置されるように永久磁石のペア数に合わせてロータの全周に略均等に配分して占有すると共に導電体の全体形状が磁極端面の形状に沿う形状であることにより、各磁極端面に配置された導電体によって同じ方向の回転力を発生させるように、導電体を配線することができる。 The current flowing through the conductor plate disposed in the region facing the magnetic pole end surface of one pole is opposite to the current flowing through the conductor plate disposed in the region facing the magnetic pole end surface of the other pole. Are connected so that the direction of the generated Lorentz force is the same in any conductor plate, and at least one conductor is arranged for each pair of pole end faces. Thus, according to the number of pairs of permanent magnets, the conductor is distributed and occupied almost evenly around the entire circumference of the rotor, and the entire shape of the conductor conforms to the shape of the magnetic pole end face. The conductor can be wired so that a rotational force in the same direction is generated by the body.
このとき、導電体の形状は各磁極端面の位置に合わせて略矩形波を形成するように略己字状に屈曲させたような形状に配線するものであり、かつ、ロータの一周分の磁極端部に隙間を空けて配線した状態でようやく1回巻きの配線となる程度であるから、導電体における実質的にコイルと言えない程度にインダクタンス分を極端に小さくすることができる。なお、永久磁石の磁極を回転軸方向に並行して設けた場合、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体の全体形状が略円盤状となり、永久磁石の磁極を回転軸から放射方向に設けた場合、磁極端面に隙間を空けて配置された導電体の全体形状が略円筒状となる。 At this time, the shape of the conductor is such that the conductor is bent in a substantially self-shaped shape so as to form a substantially rectangular wave in accordance with the position of each magnetic pole end face, and the magnet for one round of the rotor is provided. Since the wire is finally wound once in a state where a gap is provided in the extreme part, the inductance component can be extremely reduced to such an extent that it cannot be said that the conductor is substantially a coil. When the magnetic poles of the permanent magnets are provided in parallel to the rotation axis direction, the overall shape of the conductor arranged with a gap between the magnetic pole end faces becomes a substantially disk shape, and the magnetic poles of the permanent magnets extend radially from the rotation axis. When provided, the overall shape of the conductor disposed with a gap between the magnetic pole end faces is substantially cylindrical.
前記ステータ側の前記磁極端面に面する位置に取り付けられてロータの回転に伴う磁界の変化を検知する磁束検出器と、この磁束検出器で検出したロータの位置に対応して各導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうスイッチング回路とを備える場合(請求項9)には、磁束検出器がロータの回転に伴って変化する磁界の変化を検知し、ロータの回転角に合わせてスイッチング回路が各導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうのでコイルレスモータに対して直流的に電力供給を行なうだけでスイッチング回路によって適宜の方向に切替えられた電流を各導電体に流すことができ、コイルレスモータのロータを所定の方向に回転させることができる。また、回生動作においてもスイッチング回路によって導電体の断続制御が行なわれているので、回生電流を容易に電源側に流すことができる。 A magnetic flux detector that is attached to a position facing the magnetic pole end face on the stator side and detects a change in the magnetic field accompanying the rotation of the rotor, and flows to each conductor corresponding to the position of the rotor detected by the magnetic flux detector And a switching circuit for performing intermittent control (Claim 9), the magnetic flux detector detects a change in the magnetic field that changes with the rotation of the rotor, and switches the switching circuit in accordance with the rotation angle of the rotor. Controls the direction of current flowing through each conductor and intermittent control, so that the current switched in the appropriate direction by the switching circuit can be passed through each conductor simply by supplying power to the coilless motor in a direct current. The rotor of the coilless motor can be rotated in a predetermined direction. In addition, since the conductor is intermittently controlled by the switching circuit in the regenerative operation, the regenerative current can easily flow to the power supply side.
なお、磁束検出器はホール効果を利用して磁界を検出するホール素子などの半導体センサであることにより、高速回転する場合にも確実に磁界を検出できるので好ましいが、磁気インピーダンス素子、磁気抵抗素子などの磁気センサを用いてもよい。なお、磁束検出器の代わりにロータリーエンコーダなどの角度検出器を用いてロータの回転角を検出してスイッチング回路の断続制御を行なうことも容易に考えられる程度のものであることはいうまでもない。 Note that the magnetic flux detector is preferably a semiconductor sensor such as a Hall element that detects the magnetic field using the Hall effect, so that the magnetic field can be reliably detected even when rotating at high speed. A magnetic sensor such as may be used. It goes without saying that it is possible to easily control the switching circuit intermittently by detecting the rotation angle of the rotor using an angle detector such as a rotary encoder instead of the magnetic flux detector. .
前記スイッチング素子は高速に切り替え可能な電界効果トランジスタによって形成されるものであることが好ましいが、バイポーラトランジスタ、フォトカプラ、サイリスタ、ソリッドステートリレーなどを用いたスイッチング素子であってもよい。 The switching element is preferably formed by a field effect transistor that can be switched at high speed, but may be a switching element using a bipolar transistor, a photocoupler, a thyristor, a solid state relay, or the like.
前記導電体はロータの回転方向に位相を異ならせてループ状に連結してなるもであり、前記磁極端面が占有する回転角を略3等分する位置にそれぞれ設けたタップに対して三相交流を供給可能とするものである場合(請求項10)には、ループ状に連結した導電体に三相交流電源を供給することにより、電源周波数によって定まる回転速度でコイルレスモータを回転させることができる。 The conductor is connected in the form of a loop with different phases in the rotational direction of the rotor, and is three-phased with respect to taps provided at positions that divide the rotation angle occupied by the magnetic pole end face into approximately three equal parts. In the case where AC can be supplied (Claim 10), the coilless motor is rotated at a rotational speed determined by the power frequency by supplying three-phase AC power to the conductors connected in a loop. Can do.
上述したように、本発明によれば、ロータ側に取り付けられた永久磁石によって形成される強い磁界中に、ステータ側に取り付けられた導電体を配置するという極めて簡素化された構成で、導電体に電流を流すことによって発生するローレンツ力によって、ロータを回転させるものであるから、従来はモータに必須と考えられていたコイル(巻線)をモータから排除できる。 As described above, according to the present invention, a conductor with a very simplified configuration in which a conductor attached on the stator side is arranged in a strong magnetic field formed by a permanent magnet attached on the rotor side. Since the rotor is rotated by the Lorentz force generated by passing an electric current through the coil, coils (windings) that were conventionally considered essential for the motor can be eliminated from the motor.
コイルのないコイルレスモータは誘導特性による電流の遅れが発生することがなく、それだけ回転力の制御を高いレスポンスで行うことができる。逆に、回生トルクが発生する場合にも導電体に発生する起電力を電源側に戻すだけであるから、複雑な制御が不要である。また、コイルに流す電流も擬似的な正弦波を生成するためのPWM変調などを用いることなく供給可能であるから、それだけ、損失を少なくすることができる。 A coilless motor without a coil does not cause a current delay due to induction characteristics, and can control the rotational force with a high response. Conversely, even when regenerative torque is generated, the electromotive force generated in the conductor is merely returned to the power supply side, so that complicated control is unnecessary. Further, since the current flowing through the coil can be supplied without using PWM modulation or the like for generating a pseudo sine wave, the loss can be reduced accordingly.
すなわち、現在の低燃費車両において内燃機関(エンジン)の出力トルク不足を補ったり、回生トルクを蓄電して再利用するためのモータとして極めて有用である。 That is, the present invention is extremely useful as a motor for compensating the shortage of the output torque of the internal combustion engine (engine) in the current fuel-efficient vehicle or storing and regenerating the regenerative torque.
永久磁石の磁極をロータの回転軸方向に並行に配置させることにより(請求項2〜請求項4)、磁極端面が略円盤形状の端面において同心円状に異なる位相となるように配置されるので、一つの永久磁石によって少なくとも2か所の磁極端面をロータの長手方向の両端に形成でき、この磁極端面に導電体を配置することができる。また、磁極端面に隙間を空けてステータ側に磁路を形成する固定磁性体を配置させることにより(請求項2、請求項3)、磁極端面の近傍に配置した導電体と固定磁性体をステータに接触させて放熱を十分に行うことができる。他方、磁極端面に接触または隙間を空けて磁路を形成する回転磁性体をロータ側に配置させることにより(請求項3、請求項4)、ロータ内で磁界を収めることができるので、ロータの回転に伴って外部に磁界の変動を発生させることがない。また、磁極端面と回転磁性体の間に間隙を形成して導電体を配置することにより、この位置においても回転力を発生させることが可能である。
By arranging the magnetic poles of the permanent magnets in parallel with the rotation axis direction of the rotor (
さらに、永久磁石の磁極をロータの回転軸方向に並行に配置させ、永久磁石を回転軸の長手方向に分離して複数備え、永久磁石の間隙の磁極端面に隙間を空けて導電体を配置させることにより(請求項5)、永久磁石の間隙に配置させた導電体に流す電流によって回転力を発生させることができ、永久磁石を分離して配置すればするほど多くの導電体を間に介在させて回転力を発生させることが可能となる。 Further, the magnetic poles of the permanent magnet are arranged in parallel with the rotation axis direction of the rotor, a plurality of permanent magnets are provided separately in the longitudinal direction of the rotation axis, and the conductor is arranged with a gap between the magnetic pole end faces of the gap of the permanent magnet. (Claim 5), the rotational force can be generated by the current flowing through the conductors arranged in the gaps between the permanent magnets, and the more the permanent magnets are arranged, the more conductors are interposed. It is possible to generate a rotational force.
一方、永久磁石の磁極を回転軸から放射方向に配置させることにより(請求項6)、略円筒状の磁極端面を形成できるので、この磁極端面に間隔を開けて配置された導電体の全体形状を円筒状として、広い面積で磁極端面に対峙対面させることが可能となり、それだけ大きな回転力を得ることができる。 On the other hand, by arranging the magnetic poles of the permanent magnets in the radial direction from the rotation axis (Claim 6), a substantially cylindrical magnetic pole end face can be formed, so that the entire shape of the conductor arranged at an interval from the magnetic pole end face As a cylindrical shape, it is possible to face the magnetic pole end face with a large area, and a large rotational force can be obtained.
固定磁性体が軟質磁性体であることにより(請求項7)、磁束を軟質磁性体内に通すことができ、かつ、ロータの回転に伴って固定磁性体内の磁界の方向が変化するときにもこれに伴う損失を小さく抑えることができる。 Since the fixed magnetic body is a soft magnetic body (Claim 7), the magnetic flux can be passed through the soft magnetic body, and this also occurs when the direction of the magnetic field in the fixed magnetic body changes as the rotor rotates. The loss accompanying this can be kept small.
前記導電体は導電体プレートを積層して形成し、一方の磁極端面に面する領域に配置された導電体プレートに流れる電流を磁極端面の極によって異なる方向に流れるように連結してあることにより(請求項8)、導電体に大電流を流して強い回転トルクを得ることができる。 The conductor is formed by laminating conductor plates, and the current flowing through the conductor plate arranged in the region facing one of the magnetic pole end faces is connected to flow in different directions depending on the pole of the magnetic pole end face. (Claim 8) A strong rotational torque can be obtained by passing a large current through the conductor.
ステータ側に設けた磁束検出器を用いて各導電体に流す電流の方向および断続制御を行なうスイッチング回路を備えることにより(請求項9)、コイルレスモータに直流電力を供給するだけでコイルレスモータを駆動できると共に、回生電流を電源側に流すことも容易に行なうことができる。 By providing a switching circuit for controlling the direction of current flowing in each conductor and intermittent control using a magnetic flux detector provided on the stator side (Claim 9), the coilless motor can be obtained simply by supplying DC power to the coilless motor. Can be driven, and a regenerative current can be easily passed to the power source side.
以下、本発明の第1実施形態の構成を図1,図2に従って説明する。図1、図2に示すように、本実施形態のコイルレスモータ1は、2分割可能に構成されてステータ2としての役割を果たすハウジング2A,2Bと、これらのハウジング2A,2Bにそれぞれ軸受3A,3Bを介して回動自在に支持される回転軸4と、この回転軸4に支持されるロータ5と、このロータ5に支持される4対の永久磁石6とを備える。
The configuration of the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the
前記4対の永久磁石6はその磁極が回転軸4の長手方向に並行するように、ロータ5に設けた取り付け穴5Aに挿入した状態で固定されるものであり、かつその磁極端面6A,6Bが略同心円状の異なる位相となり磁極が交互に配列するように配置させてある。
The four pairs of
また、前記永久磁石6の両方の磁極端面6A,6Bに隙間を空けてそれぞれ磁界(N極、S極)の方向とロータ5の回転方向Rに略直交する方向に電荷を移動可能に配置させた導電体7N,7Sと、これらの導電体7N,7Sを熱的に結合した状態で支持すると共に永久磁石6の両方の磁極端面6A,6Bにできるだけ近づけて磁路を形成するようにステータ2A,2B側に固定させた略円盤状の一対の固定磁性体8A,8Bとを有する。
Further, the magnetic pole end faces 6A and 6B of the
前記ハウジング2A,2Bは交番磁界に対して十分な電磁シールドを形成するように導電率の高いアルミニウムからなり、前記軸受3A,3Bは例えば十分な堅牢性を保ち摩擦抵抗を小さく保つことができるベアリングを用いることができる。
The
前記ロータ5は前記4対の永久磁石6を挿入できるように8つの取り付け穴5Aを同心円状に等間隔に形成してあり、この取り付け穴5A内に永久磁石6を隣接する永久磁石6の磁極が互い違いになるように挿入することにより、ロータ5を回転させたときに磁極端面に間隔を開けて配置された導電体7N,7Sが交番磁界に曝されるように構成してある。なお、前記隙間はロータ5が高速回転したときにも接触しない程度の隙間であり、できるだけ近づけて配置するものであることが好ましく、以下の説明においてできるだけ近づけて配置する隙間を空けることを近接させるという。
The
前記永久磁石6は強力に磁化されたものであればあるほど好ましく、例えば、現在のところ最も強力に磁化可能であることで知られるネオジム磁石を用いることが好ましい。
It is preferable that the
前記導電体7N,7Sはジャンパ部7A,7Bによって連結されており、かつ、前記永久磁石のN極に近接配置される導電体7Nに流れる電流Iの方向が、S極に近接配置される導電体7Sに流れる電流Iの方向と逆向きになるように連結している。すなわち、導電体7A,7B,7N,7S(以下、これら全体を導電体7という)の全体的な形状は矩形波のような略己字状の屈曲部を形成することにより、すべての磁極端面6A(または6B)に近接する位置に配置された導電体7N,7Sにおいて、磁界の方向Bとロータ5の回転方向Rに略直交する方向に電流Iを流すことができ、かつ電流Iを流したときに発生するローレンツ力が同じ方向に作用するように配置することができる。
The
前記導電体7はハウジング2A,2Bによって挟持固定されており、これらのハウジング2A,2Bによって形成されるステータ側に固定されるので,導電体7への電力供給は整流ブラシのような有寿命部材を介することなく行なうことができる。
The
本実施形態では磁極端面6A、6Bに近接する部分において、より多くの電流Iを流して大きな回転力を得られるように、導電体7N,7Sを回転方向に少しずつずらしたピッチで配列するように連結して一連の回路となるように構成している。また、前記導電体7の全体的な形状は永久磁石6の磁極端面6A,6Bの配置に合わせて薄い略円盤状となるように形成される。なお、7Cは磁極端面6A,6Bのそれぞれに近接する導電体7同士を連結するジャンパ部の導電体である。
In the present embodiment, the
さらに、導電体7は単なるリード線であってもよいが、プリント基板上にパターン整形されたもの、あるいは導電体の薄板を打抜き加工したものであることが好ましい。つまり、磁極端面6A(6B)と固定磁性体8A,8Bの隙間はロータ5の回転によって接触しない程度にできるだけ狭めることが好ましく、これに伴って導電体7はできる限り薄い略円盤状に形成することが好ましい。
Furthermore, the
前記固定磁性体8A,8Bはロータ5が回転することにより発生する交番磁界によっても損失や抵抗を発生させないように、渦電流が生じ難いと共にヒステリシス特性の小さい軟性磁性体を用いて形成されるものであり、かつ、磁極端面6A,6Bにおける磁路を形成する程度に高い透磁率を有するものであることが好ましい。また、固定磁性体8A,8Bは何れもハウジング2A,2Bにネジなどによって螺着されると共に、前記導電体7に熱的に接触するものであることにより導電体7から発生する熱をハウジング2A,2Bに放熱できるように構成してある。
The fixed
このような特性を有する固定磁性体8A,8Bは例えば真空に比べて数百倍以上の高い透磁率を有する軟質磁性体の粉体を有機結合剤によって固めてなる複合軟磁性体を用いることが好ましい。
As the fixed
上述のように構成されたコイルレスモータ1に電流Iを流すとき、導電体7を流れる電流は、図1においてN極に面する導電体7Nでは回転軸4に向かって流れ、逆にS極に面する導電体7Sには回転軸4から放射する方向に流れる。したがって、何れの場合にも導電体7には図示右回りのローレンツ力が作用し、その反作用でロータ5が反時計回りに回動する。
When the current I flows through the
本実施形態ではロータ5を1周する間に磁極端面6A(6B)が8箇所あり、そのそれぞれに導電体7N(または7S)が配置されてそれぞれが回転力を発生させているので8倍の回転力を得ることができ、さらに、一つの磁極端面6A、6Bにおいて9本の導電体7が配置されて、それぞれに電流Iが流れるように、ロータ5を一周する導電体7の回路の位相を少しずつずらして9回路形成してあるので、導電体7を1回路だけ形成するものに比べて9倍強い回転力を発生させることができる。
In this embodiment, there are eight magnetic pole end faces 6A (6B) during one rotation of the
次いで、回転力が加わることによりロータ5が回転し、導電体7N,7Sの近接位置に逆の磁極(S極、N極)が来た場合には導電体7に流す電流を逆向きに流すことにより、コイルレスモータ1によって発生させる回転力の方向を一定に保つことができる。
Next, when the rotational force is applied, the
また、前記導電体7は従来のモータとは異なり、極力コイルを形成しないように配線されており、本実施形態の場合には多く見積もっても9巻きのコイル分の誘導特性しか生じないように構成してあるので、従来のモータのように誘導特性による損失が発生することを飛躍的に抑えることができ、応答速度の向上を図ることもできる。
Further, unlike the conventional motor, the
したがって、ハイブリッド車のエンジンアシストなど、高速レスポンスを必要とする部分に配置されるモータとして極めて有用である。 Therefore, the present invention is extremely useful as a motor disposed in a portion that requires a high-speed response, such as an engine assist of a hybrid vehicle.
図3,図4は前記コイルレスモータ1の変形例を示す図である。図3(A)、図3(B)、図3(C)に示すように、本例の導電体7は一つの磁極端面6A(または6B)に対応する位相角θを3分割して、角度θ/3だけ位相の異なる3相分の導電体7U,7V,7Wを形成する例を示している。
3 and 4 are diagrams showing a modification of the
図4において、10はロータ5の回転角を磁界の強度によって検知する磁束検出器としてのホール素子、11U,11V,11Wは前記各相の導電体7U,7V,7Wを直流電源12に接続するためのスイッチング回路、13は前記ホール素子10によって検出された磁界の向きや強度を用いてスイッチング回路11U,11V,11Wを適宜切替えることにより、各時点のロータ5の回転角に対応する磁極端面6A(6B)の配置に合わせた方向の電流Iを各導電体7U,7V,7Wに供給することができる。
In FIG. 4,
なお、本例の場合、永久磁石対数をNm、回路数をNc、1極当り1回路占有数(すなわち相の数)をNpとするとき、導体間ピッチ角Apは下記の式(1)で表わすように求めることができる。
Ap=360/(2*Nm*Nc*Np+1) … 式(1)
In the case of this example, when the number of permanent magnet pairs is Nm, the number of circuits is Nc, and the number of occupied circuits (ie, the number of phases) per pole is Np, the inter-conductor pitch angle Ap is expressed by the following equation (1). You can ask to represent.
Ap = 360 / (2 * Nm * Nc * Np + 1) (1)
また、各相の次の相との導体間角度Anは下記の式(2)で表わすように、求めることができる。
An=2*Ap*Np … 式(2)
Further, the inter-conductor angle An with the next phase of each phase can be obtained as represented by the following formula (2).
An = 2 * Ap * Np Expression (2)
上記構成のコイルレスモータ1ではスイッチング回路11によって3相の導電体7U、7V、7Wを適宜接続できるので、コイルレスモータ1には直流電力を供給するだけでその電流制御によりコイルレスモータから出力される回転力、逆に、コイルレスモータから電源側に回生された電力を戻すための制御を容易に行なうことができる。
In the
上述の実施形態では永久磁石6を4対用いることにより、ロータ5を1回転するときに流す電流の方向を8回切り替えてロータ5を1回転させる例を示しているが、永久磁石6の対数を減少させることにより、それだけ少ない電流の方向切り替えでロータ5を高速回転させることが可能となる。逆に、永久磁石6の対数を増やせば増やすほど、高精度な回転角の制御を行うことが可能となる。
In the above-described embodiment, an example in which the direction of the current that flows when the
さらに、上述の例では導電体7の位相を3相切り替え可能としているが、本発明のコイルレスモータ1は電流の方向によってロータ5の回転方向が確実に決まるので、導電体7を2相設けるだけでロータ5に切れ目のない回転力を供給することが可能となる。また、極端な場合を考慮すると、導電体7は1相だけ設けるだけであっても、ロータ5への回転力の供給は間欠的に行うことが可能となる。
Furthermore, in the above-described example, the phase of the
図5は第2実施形態にかかるコイルレスモータ20の構成を示す図である。図5において、図1〜図4と同じ符号が付された部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略する。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the
図5に示すように、永久磁石6の一方の磁極端面6Aに接触させて磁路を形成する回転磁性体21を備える。回転磁性体21は永久磁石6に吸着させると共に、接着するなどして固着することにより、永久磁石の磁極端面6Aにおける磁束の漏れを防止でき、永久磁石6の回転による交番磁界が発生することがなく、それだけ損失の発生を抑えることができる。
As shown in FIG. 5, a rotating
なお、本実施形態では永久磁石6の磁極端面6Aに回転磁性体21を当接しているが、この回転磁性体21と磁極端面6Aの間に隙間を形成し、この隙間に前記導電体7を介在させることにより回転力を得られるように構成してもよい。
In this embodiment, the rotating
図6は第3実施形態にかかるコイルレスモータ30の構成を示す図である。図6において、図1〜図5と同じ符号を付された部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略することにより、重複説明を避ける。
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a
図6に示すように、永久磁石6の他方の磁極端面6Bにおいても僅かな隙間をあけて回転磁性体31をロータ5側に固着してある。この場合にも回転磁性体31はロータ5および永久磁石6と同じ位置関係が固定されているので、磁極端面6Bからの交番磁界が外部に漏れることがなく、それだけロータ5の回転による損失の発生を防止することができる。
As shown in FIG. 6, the rotating
また、永久磁石6と回転磁性体31の間に導電体7(7N,7S)を介在させているので、この導電体7に電流を流すことによりロータ5に回転力を発生させることができる。
In addition, since the conductor 7 (7N, 7S) is interposed between the
図7は第4実施形態にかかるコイルレスモータ40の構成を示す図である。図7において図1〜図6と同じ符号を付された部材は同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略することにより、重複説明を避ける。
FIG. 7 is a view showing a configuration of a
図7において、永久磁石6は回転軸4の長手方向に分離して形成し、分離した永久磁石6の間に隙間を形成することにより、この隙間に導電体7を配置可能に構成している。本実施形態のように永久磁石6を分離して形成することにより、さらに多くの導電体7を用いて回転力を生成することができるので、それだけ強力な回転力を得ることができる。
In FIG. 7, the
なお、永久磁石は2分割のみならず、3分割以上に分割してさらに強力な回転力を得られるようにしてもよいことはいうまでもない。 Needless to say, the permanent magnet may be divided not only into two parts but also into three or more parts to obtain a stronger rotational force.
図8〜図12は本発明の第5実施形態にかかるコイルレスモータ50の構成を示す図である。尚、図8〜図12においても図1〜図7と同一の符号を付した部材は、同一または同等の部材であるから、その詳細な説明を省略する。
8-12 is a figure which shows the structure of the
図8〜図10に示すように、本実施形態のコイルレスモータ50は、4対の永久磁石51をその磁極が回転軸4から放射方向に、かつその磁極端面51Aが略同心円状の異なる位相となるように略円筒状に配置させてなるロータ52と、前記永久磁石51の磁極端面51Aに近接する位置においてそれぞれ磁界Bの方向とロータの回転方向Rに略直交する方向(すなわち、回転軸4の長手方向に平行な方向)に電荷を移動可能に配置させた導電体53と、この導電体53を支持すると共に永久磁石の磁極端面において磁路を形成するようにステータ2側に固定させた固定磁性体54とを有する。
As shown in FIGS. 8 to 10, the
前記永久磁石51は回転軸4から放射方向に45度ずつの角度を占めるように分離して形成されたものであり、4対の永久磁石51を隣接する磁極が互い違い(N極S極交互)になるように組み付けることによりその外周面の磁極端面51Aを略円筒状に形成し、かつ、磁極端面51Aにはロータ52の回転方向Rに磁極(N極とS極)が交互に形成されるように構成している。また、磁極端面51Aにおいては回転軸4の長手方向に広い範囲にわたって同じ極の磁束を放射する。
The
他方前記導電体53は、その一部構成を平面状に広げた状態で拡大して示す図11に図示す通り、磁極端面51Aの形状に合わせて略円筒状に配置されて一つの磁極(例えばN極)に対応して放射する磁束Bとロータ52の回転方向Rに略直交する方向に電流Iを流すことができるように配置された導電体53Nと、これに隣接する回転角に対応し別の磁極(例えばS極)に対応して放射する磁束Bとロータ52の回転方向Rに略直交する方向に電流Iを流すことができるように配置された導電体53Sと、両導電体53N,53Sを接続して逆方向に電流を流させるジャンパ部53A,53Bとを備え、前記導電体53N,53Sの内側面は前記磁極端面51Aに接触しない程度に可能な限り近接する程度の大きさの円筒形状に形成してある。
On the other hand, the
図12は前記導電体53の一本を取り出して示す図である。図12に示すように、1回路の導電体53は極めて薄い導電体からなり、前記導電体53の形状となるようにの状導体プレート55と絶縁体56を交互に重ねてなるものであり、状導体プレート55は例えば銅や銀などの導電性に優れた金属、グラファイトからなることが好ましい。
FIG. 12 is a view showing one of the
前記固定磁性体54は導電体53の外周に密着可能な内側面を有する円筒形状の筒状部材を回転角90度ごとに4分割してなる磁性体であり、好ましくは軟質磁性体の粉体を有機結合剤によって固めてなる複合軟磁性体を用いることができる。
The fixed
前記ステータ2は固定磁性体54のさらに外側においてこれをカバーする円筒状部分を有するアルミニウムなどの導電性に優れたケースの一部を構成するものであり、これによってロータ51の回転時に生じる交番磁界が外部に漏れないように遮断する。
The
図13,図14は前記コイルレスモータ50の変形例を示す図である。図13に示す固定磁性体54’は、導電体53に当接する圧縮アモルファス54Aと、この圧縮アモルファスに当接する射出アモルファス54Bの2層構造にしてあり、これによって、制作容易であり製造コストの引き上げを防ぎながら高い透磁率を得て漏れを抑え、さらに、ヒステリシス損や渦電流損の発生を必要最小限におさえることができ、磁気飽和を避けることができる。
13 and 14 are views showing modifications of the
また、図14に示すように、本実施形態のロータ52は中央部において螺合連結可能に分離して形成された第1回転軸4Aと第2回転軸4Bとからなり、フランジ部4C,4Dの間に永久磁石51を挟んだ状態で第1回転軸4Aと第2回転軸4Bを螺合連結することにより、永久磁石51を回転軸4に対して挟持固着することができる。
Further, as shown in FIG. 14, the
なお、永久磁石51が回転体4またはロータ52に対してねじの締め付けによって取り付けられるなど、種々の変形も考えられる。
Various modifications such as attaching the
Claims (10)
A rotor in which at least a pair of permanent magnets are arranged so that their magnetic pole end faces are in different phases of substantially concentric circles, and a magnetic body that forms a magnetic path by leaving a gap between or contacting the magnetic pole end faces of the permanent magnets The magnetic pole end face of the permanent magnet is arranged at a pitch shifted in the rotational direction on the stator side in a state where electric charges can be moved in a direction substantially orthogonal to the direction of the magnetic field and the rotational direction of the rotor with a gap. A coilless motor comprising a plurality of conductors fixed within a narrow angle range with respect to a phase angle corresponding to one magnetic pole end face .
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