JP6652987B2 - 直流電気モータ - Google Patents

Description

本発明は、直流電気モータに関する。

従来の直流モータ、すなわち直流電流により給電される電気モータは、交互に配向された極により誘導される磁界内に位置づけられた導体における電流整流に基づいて作動する。磁束の極性および導体の動く方向に左右される電流の整流は、コイル間の切り替えを提供する機械装置、つまり整流子により行われる。電流は、カーボンブラシによって整流子に供給される。直流モータ速度は、一般的に電圧およびモータ巻線を流れる電流によって決まり、負荷すなわち制動トルクに影響される。直流モータ速度は、供給電圧を変化させることにより、および／または突き出た極の上の巻線により磁石が提供される際の励起により、容易に制御することができる。整流子の利用が必要なことは、公知の直流機の構造の大きな欠点である。その構造と強い機械的ストレスが原因で、定期的なメンテナンスおよびかなり頻繁なブラシ交換が必要である。ブラシと整流子の表面との間の火花は、エネルギー損失および電磁妨害を引き起こす。パワーエレクトロニクスにおける発展および進歩により、従来の直流機は回転磁界の電子励起を有する機械に徐々に取って替わられた。機械的整流子または電子的手段、どちらによる電流整流も、多くの人材ならびにそれぞれ高い材料費および人件費をも意味する。永久磁石で作られた磁極は製造工程を単純化するが、すべての用途に適してはおらず、非常に多くの場合、変速装置を必要とする。

本発明の目的は、回転方向および回転速度の調節が簡単であること、慣性モーメントが低いことを特徴とし、同時に比較的小さい面積内での設置を可能とする、単純な機械を作り出すことである。また、本発明のさらなる目的は、使用中にメンテナンスの必要がなく長期の作動に関し高い信頼性を有することを特徴とする機械を作り出すことである。

前述の問題は、本発明により設計された直流電気モータであって、磁性導電材料で作られ、単極配向磁石システムを保持する第一の基本要素を備え、磁性非導電材料で作られ、直流電流源への接続用リード線を有する少なくとも一つのコイルを保持する第二の基本要素をさらに備えたモータにより解決される。コイルは、磁性導電材料で作られた、磁石システムに沿って相互に間隔を置いて配置された巻芯上に設置される。第一および第二の部分は相互に可動であり、これは、第一の基本要素が第二の基本要素に対して動く、もしくはその逆、または基本要素各々が他の基本要素に対して動き得る、ということを意味する。好ましい使用例では、磁石は永久磁石で作られる。モータの第一の好ましい実施態様では、第一の基本要素はステータの役割を果たし、旋回座部に設置された第二の部分は少なくとも一つのコイルを支持する巻芯を保持する。モータの第二の好ましい実施態様では、ステータは、第一の基本要素および巻芯を含み、一方、ロータは、旋回座部に位置づけられる、少なくとも一つのコイルを保持する第二の基本要素を含み、コイルは巻芯の周囲に間隔を置いて配置される。

本発明による直流電気モータは、いかなる種類の電流整流をも除外する単純な構造を特徴とし、したがって、有効動作経路全体にわたるロータとステータの相互的な位置に関しては、モータの作動のための物理的条件を満たすセンサ識別を必要としない。磁気回路は固体材料で作られるため、標準的な直流機による積層構造をそのまま使用する必要はない。

モータの設計は、製造コストに関してのみならず、作動中のメンテナンスが除外されるため作動コストが最小限に抑えられることに関して、極めて経済的に有利な実施態様を提供し、摩耗の早い部品がなくなるためモータの耐用年数は極めて長い。本発明によるモータは、周囲の状況、特に埃および湿気に対して耐久性のある極めて頑丈な装置である。本発明の別の特有の特徴によると、モータ速度およびモータモーメントは、必要とされる別の変速装置を有さない駆動装置に適合することができる。

本発明は、添付図面に示された実施例により、さらに図示される。

モータ部品の配置およびそれらの機能の概略図である。 ステータとしての第一の基本要素およびロータの機能の第二の基本要素を有する実施態様の軸方向断面図である。 第二の基本要素が円形タイプの路に沿って逆方向の動きのために配置される、図２による実施態様の変更例である。

図２および３を参照すると、前記電気モータは原則として二つの部分１、２で構成される。磁性導電材料で作られた第一の基本要素１は、単極配向永久磁石システム３を保持する。第二の基本要素２は、磁性非導電材料で作られ、直流電流源の接続用リード線を有する少なくとも一つのコイル４を保持する。コイル４は磁性導電材料で作られた巻芯５上に位置づけられる。巻芯は永久磁石３から間隔を置いて放射状に設けられている。巻芯５および永久磁石３の間隔は、前記モータの磁界の空隙６を提供する。

理論上は、ロータの役割を果たす第二の基本要素２は、ステータである第一の基本要素１に対して動き得る、または両方の部分１、２は反対の機能を有し得る、すなわち、第一の部分１はロータとして作動し、第二の基本要素２はステータである。また、両方の部分１、２が互いに対して動き得る、ということも可能である。図１には、簡略化するために、第一の基本要素１をもっぱら表示する。

前記モータの機能に関する以下の説明では、第一の基本要素は固定されて、ステータの役割を果たし、第二の基本要素はロータとして動作する、と仮定する。

図１による配置でのモータは、空隙内部の磁束密度ベクトルと、コイル４の導体における電流ベクトルとのベクトル積から生じる前方への力７が、巻芯５の外周に沿った磁束密度ベクトルと、コイル４の導体における電流ベクトルとのベクトル積から生じる後方への力８よりかなり大きくなり、後方への力８が前方への力７の作用と反対方向に作用するように、作動する。前方への力７と後方への力８との差は、永久磁石３の閉磁気回路の磁気抵抗の非線形空間分布によるものであり、したがって、コイル４の電流ベクトル９の作用範囲内の磁性導電性の巻芯５の材料からの磁束密度は、空隙６内の磁束密度よりかなり小さい。二つの力７、８の差はモータに牽引力を与える。その動作経路全長にわたり、記載されたモータは単極磁界を使用する。

上記で記載された配置の第一の実施例は、簡略化された形で図２に示された実施態様である。この実施態様により、機械ロータは円形路に沿って旋回する。

図２に表示されたように、モータは、例えばボルト１１によって、モータが組み込まれた装置の構造に取り付けるための、フランジ１０を備える。シャフト１２は、その一方の端部でフランジ１０に取り付けられ、シャフト１２は第一の基本要素１を保持する。上記で述べたように、第一の基本要素１は磁性導電固体材料で作られる。ディスクタイプの形状の第一の基本要素１は、その外周側面に単極配向永久磁石システム３を備える。フランジ１０の位置の反対側の、シャフト１２の肩部にあるベアリング１３に、磁性非導電材料で作られた第二の基本要素２が設置される。平たいディスク形状を有する第二の基本要素２は、上方に突出する取り付けられた巻芯５を保持する。磁性導電材料で作られ、断面四角形の環状の巻芯５は、永久磁石３から間隔を置いて配置される。巻芯５上には、直流電流の入力を提供するスリップリングに接続された巻きコイル４が設置される。図面を簡略化するために、そのような公知のスリップリングは表示しない。コイル４、通常そのうちの三つまたは四つは、環状の巻芯５の外周に沿って規則的に配され、コイル４は永久磁石に対して放射状に配置される。供給電圧および必要な電流に応じて、コイルは直列または並列に接続され得る。コイル４全てにおいて、電流ベクトル９を同じ方向に維持することが重要である。

上記で説明した構造の別の実施態様として、巻芯５は、中央に設置された第一の基本要素１を有するシャフト１２に配置された一組の第二の基本要素２により保持され得る。この設計は、巻芯５の上方に突出する座部よりも機械的に良好な配置を提供するが、前記モータが組み込まれるべき装置内に、より大きな空間を必要とする。同様に、それはシャフト１２の座部にも当てはまる。シャフト１２は両側で支持することもできる。

永久磁石３およびコイル４は、軸方向にも間隔を置いて配置され得る。

基本的な配置の第二の有用な実施例は、簡略化された形で図３に示された実施態様である。この実施態様により、機械ロータは、逆方向の動き、すなわち限定された経路に沿った動き、特に決められた位置への前方向の動きおよび元の位置へと戻る逆方向の動きを行う。この発明の実施態様の原則的な配置は図２と同様である。モータは、適用の装置に取り付けるためのフランジ１０を備える。フランジ１０はシャフト１２の一方の端部を支持し、シャフトの上に第一の基本要素１が固定される。固体材料で作られ、平たいディスクのセクタ形状を有する第一の基本要素１は、その前面側に単極配向永久磁石システム３を保持する。セクタの中心角はロータの動きに不可欠な範囲によって決まるが、常に１８０°よりも小さい。また、この発明の実施態様によると、第一の基本要素１はステータとして作動する。フランジ１０の位置の反対側の、シャフト１２の肩部にあるベアリング１３に、磁性非導電材料で作られた第二の基本要素２が設置される。平たいディスクのセクタ形状を有する第二の基本要素２は、上方に突出する取り付けられた一つのコイル４、または場合によっては複数のコイル４を保持する。ここでは、セクタの中心角は、それぞれ一つのコイル４の寸法または複数のコイル４のセットの寸法に相当する。一つのコイル４または複数のコイル４は、巻芯５に沿って自由に動き得るように、巻芯５をゆるく取り囲む。巻芯５は環状を有し、永久磁石３の表面に沿って間隔を置いて絶えず広がっており、よって永久磁石３の外側表面に沿ったコイル４の動きを可能にする。その両端側で、巻芯５は第一の基本要素１と機械的に接続されており、したがって、図１による第一の実施態様とは全く反対に、巻芯５はステータ２の一部分である。ロータとして機能する第二の基本要素２はモータの力を駆動装置に伝達する。

あるいは、図３による実施態様は、リニアモータとして設計することができる。第一の基本要素１および巻芯はステータとして作動するものとし、コイル４を有する第二の基本要素２はロータの機能を有するものとする。本発明によるリニアモータは、あらかじめ選択された曲線の形状を有する経路、すなわち、完全にまっすぐではない経路に沿って動くように、ロータとともに設計することもできる。

記載された実施態様全てにおいて、基本要素１、２両方の機能を相互に入れ替えることができるであろう、ということは、当業者にとって明らかである。

上記で示された実施態様全てにおいて、永久磁石のみについて記載したが、永久磁石３の代わりに直流電流で給電される巻き磁石を使用した時に同じ結果を達成することができる、ということも明らかである。それでもやはり、永久磁石３の適用は、必要とする空間がかなり小さいため有利である。二種類の磁石のうち一つを適用することに関しては、組み込まれるべきモータのために必要とされる出力および使用可能な空間に対する所与の動作パラメータによって決まる。

速度制御のための条件を、標準的な直流モータによるものと同じにすると、本発明によるモータは、作動中のメンテナンスが必要ない極めて単純な構造を特徴とする。

１ 第一の基本要素
２ 第二の基本要素
３ 永久磁石
４ コイル
５ 巻芯
６ 空隙

Claims (5)

1. 直流電気モータであって、磁性導電材料で作られ、ディスク形状またはディスクのセクタ形状で、その曲がった円周の外側に配向された単一の単極磁石システムを保持する第一の基本要素（１）を備え、磁性非導電材料で作られ、ディスク形状またはディスクのセクタ形状で、第一の基本要素（１）から軸方向に間隔を置いて配置され、直流電流源への接続用のリード線を有する少なくとも一つのコイル（４）を保持する第二の基本要素（２）をさらに備え、一方、第一および第二の基本要素（１、２）が相互に可動であり、コイル（４）が、磁性導電材料で作られた、単極磁石システムの円周の周囲に放射状に間隔を置いて配置された、巻芯（５）上に設置され、空隙内の磁束がモータの回転する軸に対して放射状に向けられ、モータの回転する軸は第一および第二の基本要素（１、２）に対して垂直であり、第一の基本要素の曲率中心を通ることを特徴とする、直流電気モータ。
2. 単極磁石システムが永久磁石（３）であることを特徴とする、請求項１に記載の直流電気モータ。
3. 第一の基本要素（１）がステータの役割を果たし、巻芯（５）および一つまたは複数のコイル（４）を備えた第二の基本要素（２）がロータの役割を果たし、コイルがブラシおよびスリップリングの手段によって、直流電流源に接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の直流電気モータ。
4. 単極磁石システムおよび一つまたは複数のコイル（４）を備えた第一の基本要素（１）がロータの役割を果たし、巻芯（５）を備えた第二の基本要素（２）がステータの役割を果たし、一つまたは複数のコイル（４）が巻芯（５）の周囲に配置され、コイルがブラシおよびスリップリングの手段によって、直流電流源に接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の直流電気モータ。
5. 単極磁石システムを備えた第一の基本要素（１）がロータの役割を果たし、第二の基本要素（２）、巻芯（５）およびコイル（４）がステータの役割を果たすことを特徴とする、請求項１または２に記載の直流電気モータ。

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