JP6085753B1 - 相互結合複合型梅森モータ - Google Patents

Abstract

【課題】希土類磁石を使用しない、トルク、重量比は従来モータの大略１桁向上、電気エネルギ・回転エネルギの効率略９０％のリバーシブル変換の現代社会に適応したモータシステムの提供にある。【解決手段】固定子１は両側面に磁極面をもつ二重リング歯溝鉄心に２相構成を基本に分割多重化してコイル同士相互結合させ上記歯溝鉄心に収納してある。回転子２は両端に磁極面をもつ吸引極を空隙を介して上記二重リング歯溝鉄心の相互鉄心間を両側面から挟む様にして４面空隙対向面を作り上記二重リング歯溝鉄心の周囲に８組を配して保持して回転できる様に構成してある。コイルのスイッチングに伴う磁気エネルギは、コイル分割による低減と相互結合による分散の二重効果で数十分の１に低減できる。トルク・重量比は相互結合による起磁力の一体化によるトルク増大、吸引極の複合構造によるトルク増大、鉄心の軽量化の相乗効果で大略１桁増を達成できる。【選択図】図１

Description

本発明は両側面に磁極面を持った二重リング状歯溝鉄心、相互結合するように重複して巻いたコイル、両端に対向面を持つ吸引極の組み合わせでトルク、重量比略１桁向上を実現した革新的吸引モータに関するものである。

昭和４０年代、パルス巾変調技術を用いて３相疑似正弦波の可変電圧、可変周波インバータが発明され、これと３相同期電動機、３相誘導電動機と組み合わせて広範囲な速度制御が可能なモータシステムが完成し、それ以降、現在迄広く使われてきた。
しかし近年、社会環境が、エネルギ価値の増大、資源価値の増大、ＣＯ_２低減、大気汚染の低減に向けて大きく変わってきた。
地球環境保護のため、化石燃料車から電気自動車、燃料電池電気自動車に短期間にとって代わるべき情勢も生まれてきた。現在あるモータは大きく変わるべき宿命を負わされてしまった。

特開２０１１−１２５１２５

Ｔ．Ｕｍｅｍｏｒｉ，Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＤＣ Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｏｒ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ＰＡＳ．−９８，Ｎｏ．４，Ｊｕｌｙ／Ａｕｇ，１９７９，Ｐ １４５８

梅森 粛、リニアサイリスタモータの開発と鉄道システムへの適用について、電気学会論文誌、Ｂ、９８、昭和５３年１月、Ｐ１０

ｉ） 低速大トルクモータ、ギアレスインホイールモータが実現できること。このため には、モータのトルク、重量比は従来より大略１桁性能向上する必要がある。
ｉｉ） 電気エネルギと回転エネルギは、高い効率でリバーシブルであること。これによ って制動エネルギの再利用が計れる。
ｉｉｉ）資源フリーであること。ネオジ磁石、銅コイルは使わない。これと量産可能な構 造である必要がある。
本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものである。

従来モータの改良ではなく、吸引力方式のモータをベースに複数の新しい構想を導入して構築した革新モータである。即ち本発明のモータは、両側面に貫通して両側面で面仕上げされた歯鉄心と両側面に巻かれたコイルを収納するための溝とを周方向に交互に配置した矩形断面の二重リング状歯溝鉄心に第１重相の転流どうしのＡ相コイルとＢ相コイルを交互に１磁極長間隔で収納して同相どうしを直列に接続し第２重相コイルは上記第１重相コイルと同じ配列で全体を１磁極長を重相数で除した長さずらし第３重相コイル第４重相コイル・・・は順次に累進的にずらして所定の重相数のコイルを重ね合わせて相互結合させて同一リング歯溝鉄心内でコイルの起磁力方向を統一し、もう一方のリング歯溝鉄心内では前者と反対方向に統一して溝に収納し機構的に保持した固定子と両端に１磁極長の巾の対向面を持った吸引極で空隙を介して大小のリング鉄心間を同じ角度位置の両側面で対向して結ぶ循環磁路を構成して４個所で空隙面を形成した複合構造を該歯溝鉄心の周方向に２磁極長間隔で設け吸引極全体を機構的に保持して該固定子の周囲を回転出来る様にした回転子と、交流あるいは直流電源を入力として正負二象限領域で大小変化する負荷起電力に対して設定された値の直流電流を一定方向に出力する様に自体で制御した二象限定電流制御回路と、二象限定電流制御回路の供給電流を第１重相回路のフリップフロップスイッチで角度位置検知器からの信号で固定子のＡ相コイルとＢ相コイルに交互に振り分けて再び回路を合流して第２重相回路のフリップフロップスイッチに供給してこれを繰り返し第３重相回路、第４重相回路…の所定重相回路を直列接続したフリップフロップ回路とで構成した相互結合複合型梅森モータである。

さらに本発明のモータは転流相手のＡ，Ｂ相のコイルを基本にコイルのアンペアターンを分割する様に多重化して互いに（π／重相数）ずつ位相角をずらしながら重ねて重複した部分で相互結合する様にして且つ磁束が一方向に循環する様に起磁力の向きを統一して磁性面に平行に収納した両面磁極或は片面磁極の複数のリング歯溝鉄心で構成した固定子と、両端又は両面に１磁極長の巾の対向面を持つ吸引極を該リング状歯溝鉄心に空隙を介して対向し回転方向に直交して循環する磁略を構成して複数の空隙面を構成した複合機構を回転方向に２磁極長間隔で設け吸引極全体を保持する様にした回転子と、二象限低電流電源制御回路からの定電流をＡ相とＢ相を切換えながら順次に（π／重相数）の位相差で各重相コイルに供給して各重相コイルの超磁力が集中した位置に該吸引極の先端或は後端を置くことで吸引極に生じる回転方向の吸引力、回転方向逆向きの吸引力或は二象限定電流制御回路に回収される電力を利用した相互結合複合型梅森モータ或は相互結合複合型梅森発電機である。

さらに本発明のモータは〔０００８〕において固定子を直線状にした相互結合複合型梅森リニアモータとしても適用できる。

元来、飽和磁束近くに励磁した電磁石と鉄片の吸引力は電気子反作用を考えた磁石と電流によるフレミング力より電磁気学的に大幅に大きいと推察する。これにかかわらず吸引力を利用したパワーモータが普及していないのは鉄心の飽和磁束迄励磁した大型電磁石の電流を高速でオン、オフすることの困難さと吸引動作の行程後に仕事量と同等な磁気エネルギが残留しこれを高効率で回収する適格な技術がないためと考えている。
本発明は、これらの問題点を解決すると供に、更にトルク大巾増大、大巾軽量化の革新を達成したものである。効果の主要点は希土類磁石を使用しない前提の他下記に示す。
（Ａ） ＦＦスイッチ２０のスイッチングに伴う磁気エネルギ授受の値はコイルの分割と相互結合による各相への配分の二重効果で大略数十分の１に低減し、スイッチングに伴う過電圧は大巾に低減できる。
（Ｂ） 二象限定電流制御回路によって磁気エネルギは高効率で回収される。制動エネルギも同様に回収される。
（Ｃ） 相互結合させたコイル構成は相互結合インダクタンスの競合で実効的な吸引力が大巾増大できる。
（Ｄ） 両面に磁極を持つリング状歯溝鉄心、両端或は両面に磁極をもつ吸引極の組み合わせで最小限の鉄心によって対向磁極面積の増加が計られた。（Ｃ）（Ｄ）の効果は合算で（トルク）／（重量）比 大略１桁増加が達成できる。

本発明の第１実施例のギヤレスインホイールモータ 本発明の図１に係る断面図［Ａ］Ｂ−Ｂ’断面図［Ｂ］Ａ−Ａ’断面図 本発明の図１に係るモータの歯溝鉄心［Ａ］Ｂ−Ｂ’鉄心支持の溝構造［Ｂ］Ａ−Ａ’モールド構造の溝構造 ［Ａ］コイル構造［Ｂ］磁束の循環 本発明の図１に係るモータのコイル構造 ［Ａ］本発明の図１に係るモータのコイル電流波形 動作説明用基本構成（１） 動作説明用基本構成（２） 動作説明用基本構成（３） 動作説明用基本構成（４） 駆動時のエネルギの流れ 制動時のエネルギの流れ 二象限定電流電源の各種負荷に対する動作 ＦＦスイッチの基本動作を説明するための図［Ａ］基本回路［Ｂ］電流波形 転流動作 本発明のモータ、先行技術との差別化 本発明の第２実施例

第一実施例として、１６極６重相４面構造のギヤレス インホイールモータについて説明する。

図１は本発明によるインホイールモータのタイヤに装置した断面構造を示す。図１において、１は固定子、２は回転子、３は風冷ダクト、４は保持材、５は支持軸、６は空隙、７は角度位置検知器、８は円錐ベアリング、９は、ホイール、１０はブレーキディスク、１１はブレーキシュー、１２は取り付け版、１３はタイヤである。
固定子１は後述する大小のリング状歯溝鉄心にコイルがまかれ、それぞれの相互間と外面を軽量部材４で保強して円盤状に作り、支持軸５に強固に取り付けている。
ホイール９は、円錐ベアリング８によって軸方向の動きを抑えて支持軸５の周りを回転できる様にしてある。
回転子２は固定子１の外周部分を空隙６を介して包み込む様にしたＵ字断面のリング状に構成し、ホイール９に固定してある。即ち、固定子１は支持軸５によって固定子、回転子２はホイール９に支持されて空隙６を保ちながら固定子１の回りを回転できるようにしてある。また、ホイールの角度位置情報は角度位置検知器７によって検知できるようにしてある，ブレーキディスク１０は、ホイール９に取り付けられ、該ホールと伴に回転する。ブレーキシュー１１は該ブレーキディスク１０に制動作用を与えるためのもので、取り付け板１２によって支持軸５に固定してある。これによりブレーキシュー１１が作動すると、ホイール９に取り付けられたタイヤ１３に制動力が加わる。

図２は本発明の図１に係る断面図である。図２（Ａ）ははＢ−Ｂ’断面図、図２（Ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。図２において１４は大リング状歯溝鉄心、１４’は小リング鉄心、１４−１は歯鉄心、１５−１は溝、１６はコイル、１７−１〜１７−８は吸引極を示す。

固定子１は厚さの同じ強磁性の鋼板で作られた大リング状歯溝鉄心１４と小リング状歯溝鉄心１４’が同心円状に両者同一面に重ねられ、該リング状歯溝鉄心は後述するコイル１６が巻かれ、非磁性の軽量部材４で形成されている。該リング状歯溝鉄心１４、１４’は互の漏れ磁束の影響を考慮して適度な間隔を開けてある。該リング状歯溝鉄心１４、１４’は円周に直交する断面と同じ大きさの歯鉄心１４−１、１４−１’と溝１５を交互に配置して構成する。該歯鉄心は該リング状歯溝鉄心の厚さ方向に磁束を貫通させるためのもの、溝はリング側面に平行に巻かれたコイルを収納するためのものである。大リング状歯溝鉄心は１４−１、小リング状歯溝鉄心１４’は伴に両側面が後述する吸引極１７との対向面を持つ。歯鉄心と溝に収納されたコイルは、該リングの形状を保つために強固な軽量部材４で補強形成される。

風冷ダクト３は熱伝導性の良い材料で作り、該ダクトの外周面が小リング状歯溝鉄心１４’に巻いたコイルの内周面に熱的に接触して支持材５の軸心から冷却風を流し込み該ダクトの内部の冷却フィンで冷却する。

図３は、本発明の図１に係る歯鉄心と溝に収納したコイルの機械的保持に関連した説明図である。図３（Ａ）は、歯鉄心は鉄心全体で保持する構造である。溝内のコイルは通常のワニス処理で良い。各相コイルは溝の両側に対象に収納する必要がある。図３（Ｂ）は必要な相コイルをそのまま収納すれば良いが、歯鉄心、溝コイルは絶縁性の強固な充填剤でモールドする必要がある。

図４は、図２、図３に係るコイル構成を説明するための図である。１６極６重相構成より磁極ピッチ ３６０°／１６極＝２２．５°
歯鉄心ピッチ、溝ピッチは ２２．５°／６重相＝３．７５°、１周の溝数１６［極］ｘ９［重相］＝％
図４［Ａ］は、大リング状歯溝鉄心１４、小リング状歯溝鉄心１４’それぞれの溝１５−１〜１５−９６、１５−１’〜１５−９６’の一部を示してある。回転子２の回転方向は追番の方向を順方向とする。
コイル１６−１Ａは、大リング鉄心１４の溝１５−１と溝１５−６の間の歯鉄心５個分を鉄心に向かって右回りで取り巻くように巻き、該溝と同じ角度の小リング鉄心１４’の溝１５−１’と溝１５−６’を上記とは逆に溝を左回りで取り巻くようにして所定の巻数が巻いてある。図４（Ａ）では表示していないが、上記と同様のことを２磁極ピッチ、即ち１２溝ピッチで以下の通り８個繰り返す。
溝 １５−１、溝 １５−６と溝 １５−１’、溝 １５−６’
溝 １５−１３、溝 １５−１８と溝 １５−１３’、溝 １５−１８’
溝 １５−２５、溝 １５−３０と溝 １５−２５’、溝 １５−３０’
溝 １５−３７、溝 １５−４２と溝 １５−３７’、溝 １５−４２’
溝 １５−４９、溝 １５−５４と溝 １５−４９’、溝 １５−５４’
溝 １５−６１、溝 １５−６６と溝 １５−６１’、溝 １５−６６’
溝 １５−７３、溝 １５−７８と溝 １５−７３’、溝 １５−７３’
溝 １５−８５、溝 １５−９０と溝 １５−８５’、溝 １５−９０’
以上、計８個のコイルは直列接続してコイル１６−１Ａを構成する。

上記コイル１６−１Ａを基準にして１磁極ピッチ、即ち６溝ピッチずらしてコイル１６−１Ｂを構成する。コイル１６−１Ａとコイル１６−１Ｂとの間は１溝ピッチ分間隔を空けてあるが、コイルの転流時間のための余裕時間を設けたものである。

再に上記コイル１６−１Ａ、コイル１６−１Ｂを基準にして、回転方向に１溝ピッチずらしてコイル１６−２Ａ、コイル１６−２Ｂが構成される。
再にまた、最初から見て２溝ピッチずらしてコイル１６−３Ａ、１６−３Ｂ、が３溝ずらしてコイル１６−４Ａ、１６−４Ｂが、４溝ずらしてコイル１６−５Ａ、１６−５Ｂ、５溝ずらしてコイル１６−６Ａ、１６−６Ｂが構成される。

コイル１６の起磁力の向きは大リング状歯溝鉄心１４と小リング状歯溝鉄心１４’のそれぞれの内では統一して、大リング状歯溝鉄心と小リング鉄心の間では逆向きにする。図４（Ａ）では大リング状歯溝鉄心１４の起磁力は鉄心面に向かう方向、小リング状歯溝鉄心１４’の起磁力の向きはその逆にしてある。これによって図４［Ｂ］に示した様に対向した吸引極１７を通じて矢印の点線１９の循環磁束が生じる。吸引極１７が大小リング状歯溝鉄心１４、１４’のどの位置にあっても同じ方向の磁束循環が生じる。

回転子２は１６個の吸引極１７−１〜１７−８、１７−１’〜１７−８’主体で構成される。図２を参照して該吸引極は形状、取付の相対位置を説明する様に表示してある。該吸引極の形状は巾が１磁極ピッチで、両端面がそれぞれ大リング状歯溝鉄心１４と小リング状歯溝鉄心１４’に対向面を持つ様にして、材質は強磁性銅板で作られる。且つ該吸引極は、該大小リング状歯溝鉄心を挟んで同一位置で空隙６を介して対向する様にして、回転子２の周辺に８組を１磁極間隔で、例えばモールド構造体で補強形成する。
対向した吸引極は両極間の強力な吸引力と、片方に寄る偏位力を受けることと、組立に際して構造体の一部を分離することの配慮が必要である。
両側面に磁極面を持つ二重リング鉄心と、両端に対向面を持つ吸引極の組み合わせで、最小限の鉄心部材の付加で固定子と回転子との対向面積が大巾に増大でき、トルク、重量比増大の大きな効果を与えている。

図５は本発明の図１に係るＦＦスイッチとコイルの接続、コイル電流波形を示すための図である。図［Ａ］は、二象限定電流制御回路２２とコイル１６−１Ａ〜１６−６Ａ、コイル１６−１Ｂ〜１６−６Ｂとフリップフロップスイッチ（以下ＦＦスイッチと略称する）２０−１Ａ〜２０−６Ａ、２０−１Ｂ〜２０−６Ｂとの接続を説明するための図である。二象限定電流制御回路２２は設定した定電流Ｉを出力するもので、後述する動作を行う。
転流相手のコイル１６−１Ａとコイル１６−１ＢはＦＦスイッチ２０−１Ａ、２０−１Ｂを介して並列接続されたＦＦスイッチユニットを構成してオンした方のＦＦスイッチを二象限定電流制御回路２２から定電流Ｉが供給される。該転流相手のコイルのいずれか一方を流れた電流は一旦回路は合流して定電流Ｉとして、次のＦＦユニットへ入力しこれを全体で６回くり返す。
尚、ＦＦスイッチ２０は図５では通常のスイッチ記号を使用しているが、じっさい はＩＧＢＴ等の半導体スイッチを用い、コンデンサ等による過電圧制御等の処理が必要である。

同図［Ｂ］はコイル１６−１Ａ、１６−１Ｂ〜コイル１６−６Ａ、１６−６Ｂの電流波形を示す。１２相のコイル電流波形はピーク値がＩの片振巾の台形波で波形相互は順次π／６ずつ位相がずれている。同図［Ｂ］におけるＦＦスイッチ２０の動作は表１の順序で行われる。

図６は、図１、図２に係る動作説明用基本構成（１）である。図１の本発明による第１実施例のギヤレスインホイールモータは、１６極６相、４面構成で吸引極は全体で１６極あるが、図６の基本構成は２極６重相構成で吸引極は１極に単純化して且つ見やすい様に直線化してある。磁路の構成は完結しておらず矢印１９で示した磁路があることを前提にしてある。
図６を参照して吸引極１７の先端Ｐが溝１５−５にある状態では、ＦＦスイッチ２０−１Ａ〜２０−６Ａは総てオン、ＦＦスイッチ２０−１Ｂ〜２０−６Ｂは総てオフで、コイル１６−１Ａ〜１６−６Ａは二象限定電流制御回路２２からの供給電流Ｉ＝４３０Ａが流れる。通流コイルは黒く塗りつぶしてある。吸引極は磁束が増加する矢印１８の方向に力を受ける。
この考え方で下記の諸元を与え、簡潔な条件下で基本特性を検討した。
モータ構成 基本２相ｘ６重相＝１２相
コイル形状、寸法 巾０．０２５［ｍ］、長さ０．０６３３［ｍ］
磁極長 ０．０７６［ｍ］
コイルＡＴ ４３０［ＡＴ］（１ターン構成）、空隙長０．００２［ｍ］
歯鉄心の寸法 長さ０．０２５［ｍ］、巾０．０１２７［ｍ］
吸引極 長さ０．０７６［ｍ］、巾００２５［ｍ］
吸引極移動速度 ２１．５［ｍ／ｓ］
歯鉄心１個の通過時間 ５．９１×１０^−４［Ｓ］
溝の巾、漏れ磁束、磁束拡散は簡潔のため考慮しない。

吸引極１７の対向している空隙の磁束密度は、コイル１個当たり電磁気学一般理論で
４３０［ＡＴ］＝Ｂ・ｇ／μ_０
より、Ｂ＝０．２７［Ｔ］となる。ここにＢは空隙磁束密度［Ｔ］、ｇは空隙長［ｍ］、μ_０＝４πｘ１０^−７である。

吸引極移動による歯鉄心１４−７の磁束変化は、コイル１６−１Ａ〜コイル１６−５Ａの５個のコイルの合算の起磁力による磁束４．２９ｘ１０^−４［ウェーバ］である。吸引極先端のＰの歯鉄心１４−７の通過時間を考慮して起電力は３．６３［Ｖ］になる。歯鉄心１４−７の磁束は５個の起磁力の合算で生じることと、起電力は５個の起電力の合算で生じることは、５個のコイルは総て相互結合した状態にあることが起因している。
尚、６重相構成であるにも関わらず、起磁力、起電力の合算が６個でなく５個のコイルで行われるのは、転流余裕時間を作るため、１磁極長が歯鉄心６個分の長さであるのに対してコイル長は歯鉄心５個分であることに起因している。

二象限定電流制御回路２２は、基本構成では設定値４３０［Ａ］であり、正の負荷起電力３．６３［Ｖ］に対して、１５６０［Ｗ］が自動的に供給される。これによる電源からの供給エネルギは歯鉄心１４−７の通過時間だけ行われ０．９２２［Ｊ］である。歯鉄心１４−８、１４−９…でも同様にくり返されるため事実上連続的に生じる。

図７は、吸引相極の先端Ｐが図６における溝１５−５から溝１５−６に移動したときの動作説明用基本構成（２）である。図７における歯鉄心１４−３、１４−４、１４−５、１４−６は図６における同じ番号の歯鉄心と起磁力、空隙長は全く同じであり、それぞれの空隙磁束密度は全く同じである。歯鉄心は１４−７の空隙のみが状況が異なる。コイルの磁気エネルギは空隙の磁気エネルギと同一のものであり、吸引極１７の移動に伴って歯鉄心の空隙磁気エネルギは図６における０から図７における状態に増加する。空隙磁気エネルギは電磁気学一般理論により

ここに Ｅ_Ｌ： 空隙磁気エネルギ［Ｊ］
Ｂ： 空隙磁気密度［Ｔ］
Ｃ： 空隙体積［ｍ^３］
μ_０： ４π×１０^−７
これより Ｅ_Ｌ＝０．４６１ ［Ｊ］を得る。

前記エネルギＥ_Ｌ＝０．４６１［Ｊ］は、［００２４］で算出した供給電気エネルギの１／２に当たる。供給電気エネルギーの１／２は吸引動作の行程中に力学的仕事のエネルギとして出力し、残り１／２が磁気エネルギとしてコイル或は空隙に残存していることになる。
力学の一般理論より機械的出力を、移動距離で割ると吸引力の値が算出でき、３６．３［Ｎ］が得られる。

図８は、歯鉄心１個分の吸引動作の後、行われる転流動作を説明するための基本構成（３）である。吸引極の先端Ｐが溝１５−６に達した時点で角度位置信号によってＦＦスイッチ２０−１Ａオフ、ＦＦスイッチ２０−１Ｂオンの指令により、コイル１６−１Ａからコイル１６−１Ｂ之の転流が行われる。コイル１６−１Ａの転流に際してはコイル１６−１Ａの自己インダクタンスのもつ磁気エネルギ、コイル１６−１Ａとコイル１６−２Ａ、コイル１６−３Ａ、コイル１６−４Ａ、コイル１６−５Ａそれぞれとの相互インダクタンスの持つ磁気エネルギが転流回路と相互結合を通じて過渡現象時間共通の条件のもとに分かち合って各相コイルを通じて高い効率で電源に回収される。即ち、コイル電流のスイッチングのエネルギ量が大略重相分の１に低減し、これが相互結合の回路構成でさらに大略重相分の１に二重に低減する。
図８におけるコイル１６の通流状態と吸引極１７の位置は図６と対比して絶対位置は歯鉄心１個分進行方向に進んだ関係にあり、両者の相対関係は同じである。これを順次進めていくことで連続的なトルクを生じることが出来る。

図９は、制動動作を説明するための基本構成（４）である。制動モードは、吸引極１７に対するコイル１６の通流モードを溝ピッチ６個分即ち１磁極長ずらすことで生じさせることが出来る。図６における駆動動作では、吸引極の先端Ｐが歯鉄心１４−７で駆動力を生じていたが制動動作では吸引極の後端Ｐ’が歯鉄心１４−７で制動力を生じる。
図６における駆動動作では吸引極１７の先端Ｐが歯鉄心１４−７に入る過程でコイルにファラデ則による正の起電力が生じて電源側から０．９２２［Ｊ］の電気エネルギが供給され、その１／２が駆動力の力学エネルギとして出力し、残り半分は一旦コイルに磁気エネルギとして残留し、図８におけるコイル１６−１Ａからコイル１６−１Ｂの転流に際して電源側に回収される。
図９における制動動作では、吸引極１７の後端Ｐ’が歯鉄心１４−７を抜ける過程でコイルにファラデ則による負の起電力を生じて０．９２２［Ｊ］の電気エネルギが回生され、そのエネルギの１／２が制動動作の力学エネルギ、残りの１／２はコイル１６−１Ａからコイル１６−１Ｂへの転流に際して電源から一時借用した電気的エネルギである。
図１０、図１１は駆動、制動動作における電源側電気エネルギ、駆動制動エネルギ、磁気エネルギの三者間の流れをブロック図で示したもので、三者間の移動は略９０％の高い効率で行われる。

二象限定電流制御回路は、交流或は直流電源を入力として正負の二象限領域で大小変化する負荷起電力に対して設定値に対応した一定の直流電流が一定方向に流れる様にそれ自体で制御する様に構成した回路構成である。負荷側の状況に応じて自動的にエネルギの流れが生じる。
（Ａ） 図１２（Ａ）を参照して、負荷側に＋Ｅ［Ｖ］の起電力があると電力ＥＩ［Ｗ］が負荷側に供給される。Ｉ［Ａ］は二象限定電流制御回路の設定値［Ａ］とする。
（Ｂ） 図１２（Ｂ）を参照して、負荷側に−Ｅ［Ｖ］の起電力があると電力ＥＩ［Ｗ］が電源側に回生される。上記負荷側における負荷起電力がフレミング右手則或はファラデ則による起電力の場合、電源側と負荷側との間で特別な制御なしで電気エネルギと力学エネルギの高効率リバーシブル変換動作が行われる。
（Ｃ） 図１２（Ｃ）を参照して、負荷側にＲ［Ω］の抵抗があると、負荷側に電力Ｉ^２Ｒ［Ｗ］が負荷側に供給され熱に変わる。
（Ｄ） 図１２（Ｄ）を参照して負荷側が抵抗０の導体で短絡されると電流Ｉが流れるが電力の移動は生じない。

ＦＦスイッチ回路２０の動作について説明する。図５を参照してＦＦスイッチ回路は各重相の転流相手のＡ相コイルとＢ相コイルをＦＦスイッチを介して入口側と出口側で両者を並列接続して、入力した定電流Ｉを何れかに流す様にしたＦＦスイッチユニットを重相数直列接続して構成する。
直列接続したＦＦスイッチユニットの総てが入力側と出力側が定電流Ｉであり、転流動作のタイミング以外は何れも動作状態は基本的に同じである。従ってＦＦスイッチ回路の動作はＦＦスイッチ単独の動作について説明しても同じである。

図１３［Ａ］は図８を参照して、コイル１６−１Ａとコイル１６−１Ｂで構成したＦＦスイッチユニットである。同図においてＦＦスイッチ２０−１ＡはＡ相コイル１６−１Ａに定常的に電流を流すためのスイッチである。同様ＦＦスイッチ２０−１ＢはＢ相コイル１６−１Ｂに定常的に電流を流すためのスイッチである。２３は転流コンデンサで、コイル１６−１Ａ、コイル１６−１Ｂの磁気エネルギを一時的に蓄えて転流動作を助けるためのものである。２４−１、２４−２、２４−３、２４−４はダイオードで転流コンデンサ２３の電荷が逃げない様に保持するためのものである。２５は転流リアクトルで微小時間中の電流変動を抑制するためのものである。
図１３［Ｂ］はコイル１６と吸引極１７の相対関係とコイル電流波形を説明するための図である。
吸引極１７の先端Ｐが何れかのコイルの先端を通過するとき、そのコイルの転流信号を与える。例えば、吸引極１７の先端Ｐがコイル１６−１Ａの先端を通過すると、該Ａ相コイルオフとＢ相コイルオンの信号を出す。また吸引極１７の先端Ｐがコイル１６−１Ｂの先端を通過するとき、Ｂ相コイルオフとＡ相コイルオンの信号を出す。
図１４は図１３［Ａ］のＦＦスイッチの転流行程を説明するための図である。同図［Ａ］〜［Ｄ］はＡ相コイルからＢ相コイルへの転流、同図［Ｅ］〜［Ｈ］はＢ相コイルからＡ相コイルへの転流を示す。同図［Ａ］はＡ相コイルが定常的にオン状態、［Ｂ］はＡ相コイルからＢ相コイルへの転流中、［Ｃ］は同じく転流中、［Ｄ］は転流完了状態を示す。同図［Ｅ］はＢ相コイルがオン状態、［Ｆ］はＢ相コイルからＡ相コイルへの転流中、［Ｇ］は同じく転流中、［Ｈ］は転流完了状態を示す。

転流の過波的時間は主として転流コンデンサ２３の容量とコイルのインダクタンスの回路定数によって定まる。
吸引極１７の回転方向長さは、１磁極長即ち歯鉄心６個分、コイルの回転方向長さは歯鉄心５個分の長さにしてあり、これで転流の過渡時間はトルクに悪影響を与えない様に出来る。
コイル電流の立上がり、立下がり波形は概略、転流回路のＬ，Ｃ共振波形の１／２サイクル形状に従うとすれば下記によって転流コンデンサの容量、転流時の過電圧の概略値が算出出来る。即ち

転流コンデンサ容量 より ［Ｆ］

ここに

ｆ_０：転流等価周波数＝Ｍｆ
Ｃ ：転流コンデンサ容量［Ｆ］
Ｌ ：コイルのインダクタンス［Ｈ］
（吸引極が全面対向している１個のコイルのインダクタンス）
ｎ ：最大回転速度［秒速］
Ｐ ：極数
Ｍ ：重相数

図１〜図５における本発明のモータに対応した特性式は下に示す。

ここに
Ｅａ：全起電力［Ｖ］
Ｎ ：コイルターン数
Ｂ ：磁束密度［Ｔ］
Ｓ ：コイル面積［ｍ^２］
Ｔ ：吸引極のコイル移動時間［Ｓ］
Ｐ ：磁極数
Ｍ ：重相数
Ｑ ：磁極面数
Ｋ ：補正係数（略０．８）
μ_０：４π×１０^−７
ｇ ：空隙長［ｍ］
Ｉ ：コイル電流
Ｗ ：出力［ワット］
ｎ ：毎秒回転速度
Ｎ ：コイルターン数

本発明の相互結合複合型梅森モータと［０００３］記載の［特許文献］、非特許文献との差別化について述べる。
図１５を参照して［Ａ］は本発明の相互結合複合型梅森モータシステム、［Ｂ］は上記非特許文献、直流リニアモータシステム、［Ｃ］は上記特許文献、スイッチドリラクタンスモータシステムのブロック図である。何れも、第１ブロックの二象限定電流制御回路、第２ブロックのＦＦスイッチ回路は三者共通である。上記三者の差別化は第３ブロックのモータ部分がポイントである。

（Ａ）と（Ｂ）の差別化について述べる。
（Ａ）のモータにおけるトルクの根源は歯溝鉄心に巻かれたコイルの吸引力であるのに対して、（Ｂ）のモータにおけるトルクの根源は外部磁界とコイル電流のフレミング力である。トルク発生の原理が異なり必要的に性能向上のための開発要素が異なる。
（Ａ）における吸引力は、コイル電流の２乗に比例する。従って（Ａ）における開発は、コイル分割してコイル電流の入り切りを安易にすることと、複数コイルの［ＡＴ］を一体化して吸引力を相大することの相反した構成上の開発が主体である。歯溝鉄心に重複したコイルの組み合わせはその一貫である。
（Ｂ）における、フレミング力は電流の１乗に比例する。従って複数コイル［ＡＴ］そのものの存在だけでよい。コイルは相互結合をもたせるための鉄心は使用する必要がないため、空心コイルはＦＦＰモールドしている。

（Ａ）と（Ｃ）におけるモータの差別化について述べる。（Ｃ）の発明はコイル［ＡＴ］一定のもとに鉄心と伴にコイルを分割して、コイルのリアクタンスを低減してコイル電流の入り、切りをしやすくする改善をしたのがポイントである。これは狙い通りの効果が得られたがコイルの導体使用量が大きく増大し、これに比例してコイル重量、抵抗損失が生じることが分かった。（Ａ）の本発明は相互結合、複合機構の新しい構成によりコイル電流の入り切りしやすさの更なる向上、トルク・重量比の略１桁増大の大きな効果がある。

第２実施例

本発明の相互結合複合型梅森モータは相互結合と複合構造の二つの特徴を持った革新的な吸引モータであり、ここ迄第１実施例として電気自動車用インホイールモータについて述べてきた。しかし本発明のモータはインンホイールモータ以外の分野でも革新性が発揮出来る。ただこの場合は本発明のモータ構造を多少変更した方がよりベターと考えられる。図１６はこのような観点で本発明の第２実施例を表したものである。同図は中心線を含む回転方向垂直断面上半分だけを示した。１は相互結合したコイルを装置したリング状の歯溝鉄心と非磁性軽量部材４を組み合わせた固定子である。２は両端に対向面を持つ吸引極非磁性軽量部材と組み合わせた回転子である。１９は磁束の循環経路を示し周方向に２磁極間隔で配置される。［Ａ−２］は径が小さく、軸方向に長い車軸型吸引モータ、［Ｂ−１］は前記第１実施例、［Ｂ−２］は小型軽量な大容量ギャレス風力発電機、［Ｃ−１］［Ｃ−２］は脱着の容易なモータ構造、［Ａ−１］［Ｃ−１］、［Ｄ］は汎用の吸引モータ構造である。
更に進行方向断面が図に示した構造のリニアモータの実施例でもある。特に［Ｂ−２］リニアモータは、小型で推進力／重量比が従来感覚の２桁増に近いものが得られ、超高層ビル用リニアモータ駆動超高速エレベータを始め、カタパルト用駆動制動用、大型ビルの免振構造、電磁ダンパ機構等革新的応用が期待できる。

産業上の応用

ギヤレスモータとしての応用
電気自動車用インホイールモータ
燃料電池電気自動車用インホイールモータ
大容量ギヤレス風力発電機
エレベータ用ギヤレスモータ
フォークリフト昇降機用モータ
車軸型電車用モータ
リニアモアータとしての応用
超高層ビル用リニアモータエレベータ
カタパルト用推進制動用リニアモータ
ビル用免振機構
電磁ダンパ機構
汎用モータ
エアコンヒートポンプ用モータ

１． 固定子
２． 回転子
３． 風冷ダクト
４． 軽量強度部材
５． 支持軸
６． 空隙
７． 角度位置検出器
７’ 角度入力軸
８． 円すいベアリング
９． ホイール
１０． ブレーキディスク
１１． ブレーキシュー
１２． 取付板
１３． タイヤ
１４． 大リング鉄心
１４’． 小リング鉄心
１４−１，１４−２，１４−３… 歯鉄心
１５−１，１５−２，１５−３… 溝
１６−１，１６−２，１６−３… コイル
１６−１Ａ，１６−２Ａ，１６−３Ａ… 〃
１６−１Ｂ，１６−２Ｂ，１６−３Ｂ… 〃
１７−１，１７−２，１７−３… 吸引極
１８． 進行方向矢印
１９． 磁略
２０． ＦＦスイッチ、ＦＦスイッチユニット
２０−１Ａ，２０−２Ａ，２０−３Ａ… ＦＦスイッチ
２０−１Ｂ，２０−２Ｂ，２０−３Ｂ… 〃
２１． 鉄心支持材
２２． 二象限定電流電源
２３． 転流コンデンサ
２４−１，２４−２，２４−３，２４−４ ダイオード
２５． 転流リアクトル

Claims (3)

1. 両側面に貫通して両側面で面仕上げされた歯鉄心と両側面に巻かれたコイルを収納するための溝を周方向に交互に配置した縒師が矩形断面の二重リング状歯溝鉄心に第１相の転流どうしのＡ相コイルとＢ相コイルを交互に１磁極長間隔で収納して同相どうしを直列に接続し第２重相コイルは上記第１相コイルと同じ配列で全体を１磁極長を重相数で除した長さずらし第３重相コイル第４重相コイル…は順次に累進的にずらして所定の重相数のコイルを重複させて相互結合させて同一リング歯溝鉄心内でコイルの起磁力方向を統一しもう一方のリング歯溝鉄心内では前者と反対方向に統一して溝に収納し機構的に保持した固定子と両端に１磁極長の巾の対向面を持った吸引極で空隙を介して大小のリング鉄心間を同じ角度位置の両側面で対向して結ぶ循環磁路を構成して４個所で空隙面を形成した複合構造を該リング状歯溝鉄心の周方向に２磁極長間隔で設け吸引極全体を機構的に保持して該固定子の周囲を回転出来る様にした回転子と、交流あるいは直流電源を入力として正負二象限領域で大小変化する負荷起電力に対して設定された値の直流電流を一定方向に出力する様に自体で制御した二象限定電流制御回路と二象限限定電流制御回路の供給電流を第１重相回路のフリップフロップスイッチで角度位置検知器からの信号で固定子のＡ相コイルとＢ相コイルを交互に振り分けて再び回路を合流して第２重相回路のフリップフロップスイッチに供給してこれを繰り返し第３重相回路、第４重相回路…の所定重相回路を直列接続したフリップフロップ回路とで構成した相互結合複合型梅森モータ
2. 転流相手のＡ，Ｂ相で構成する２相コイルを基本にコイルアンペアターンを分割する様に多重化してお互いに（π／重相数）ずつ位相角をずらしながら重ね重複した部分が互いに相互結合する様にして且つ磁束が一方向に循環する様にそれぞれの鉄心中で起磁力の向きを統一して磁性面に平行に収納した両面磁性或は片面磁性の複数リング歯溝鉄心で構成した固定子と、両端又は両面に１磁極長の巾の対向面を持つ吸引極を該リング状歯溝鉄心に空隙を介して対向し回転方向に直交して循環する磁路を構成して複数の空隙面を構成した複合機構を回転方向に２磁極長間隔で設け吸引極全体を保持する様にした回転子と二象限定電流電源制御回路からの定電流をＡ相とＢ相とを切換えながら順次に（π／重相数）の位相差で各重相コイルに供給して各重相コイルの起磁力が集中した位置に該吸引極の先端或は後端を置くことで吸引極に生じる回転方向の吸引力、回転方向逆向きの吸引力、或は二象限定電流制御回路に回収される電力を利用した相互結合複合型梅森モータ或は相互結合複合型梅森発電機。
3. 請求項２において固定子を直線状にした相互結合複合型梅森リニアモータ

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