JP6860892B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は電気工学、特に電磁装置に関し、電気エネルギーを磁場による回転の機械エネルギーに、また逆に、回転の機械エネルギーを電気エネルギーに変換することを意図している。

クレームされた技術的解決策は、航空および自動車産業、種々の装置の駆動、ならびに工業的および家庭的目的のためのメカニズムにおいて使用することができる。また、自動車、電動自転車、電動オートバイ、クアドロコプター、ヘリコプター、ジェットスキー、産業用及び家庭用器具においてモータ−ジェネレーター（又は、モータ−発電機）として使用することができる。

ＲＵ ２３１６８８１、ＩＰＣ Ｈ０２Ｋ ２３／２８、Ｈ０２Ｋ ２３／０４、出願番号２００５１３１３２１／０９、２００８年２月１０日に開示されている永久磁石付き電気モータは、永久磁石を有する多極固定子として作製された固定子、ならびに、コレクタおよびブラシへの接続を有する、開放または閉鎖巻線を有する回転子を含む。コレクタは互いに絶縁され、互いに入れ子になっている非導電性ベース上の２つの接点システムから成り、ロータ（回転子）がコレクタの１つの接点から別の接点に転じるとき、ロータ巻線内の電流の方向が、上述の２つのシステムの任意のコレクタ接点対に触れることができる２つのブラシを使用して反転されるようになっている。ロータ巻線の始点は１つのコレクタ接点システムに接続され、ロータ巻線の終点は別のコレクタ接点システムに接続され、上記システムの各対の接点間にはロータ巻線に接続されない「スプリアス」接点があり、極性の異なる２つのブラシが１つのブラシによって接触するのを防止し、固定子はエネルギーを必要としない。

この技術的解決策の欠点はその短寿命であり、ブラシの摩擦による摩耗の増加により回転が弱まることである。

ＲＵ２５１０５５９、ＩＰＣＨ０２Ｋ１／１８、Ｈ０２Ｋ１／１４、Ｈ０２Ｋ７／１８、Ｈ０２Ｋ１６／０４、出願番号２０１０３４９２５／０７、２０１４年３月２７日に開示されているモジュール式電磁装置は、固定子と、固定子の表面と間で回転する回転子とを有し、リング状構造で交互に配向して分布する多数の磁石を担持する（又は、ＲＵ２５１０５５９に開示されているモジュール式電磁装置は、固定子と、固定子の表面と軸受との間で回転する回転子とを有し、リング状構造で交互に配向して分布する多数の磁石を有する）。固定子は、回転子の両側に対称に位置する少なくとも１対の磁気ヨークを含む。各ヨークは一対の突出アームを有し、これは、磁石に延び、電磁装置から電気エネルギーを受け取るか、またはそれをその中に供給するための対応するコイルを運ぶ。各ヨークはそれ自体の支持部に個別に取り付けられ、レギュレーターブロック（制御ブロック）が装備されており、これは、反対側の磁石に対するヨークの位置を調整することができるようになっている。ヨークは（コイル、支持体、調節ブロック、ヨークを制御する測定および制御手段と共に）固定子の単位セルを形成し、これは、単相または多相モジュールを形成するためにいくつも反復することができる。

設計の複雑さ、磁気コイルのコアへの磁石の引力、磁気ヨークの正しい制御（調節）の調整の困難さ、大きな質量および全体的な特性は、この設計の欠点である。

当社のブラシレスモータ発電機ＲＵ２５４５５２５のプロトタイプとして、ＩＰＣＨ０２Ｋ２１／２２、Ｈ０２Ｋ２１／３２、Ｈ０２Ｋ２１／３６、出願番号２０１３１４６２７４／０７、２０１５年４月4日を選択した。それは静止固定子の周囲に位置する回転子である回転アンカーを含む。回転ロータとして円上に対称に分布した一群の永久トロイダル磁石が使用され、これらの磁石の磁極はその平坦端面に位置し、この円に沿って間欠的一方向磁束を形成する。静止固定子として、円形断面の円形フレーム上に作られた巻線が使用され、その対称軸は、回転する電機子の対称軸と一致する。

この装置の欠点はトロイダル磁石の接着がそれらの強度を低下させ、電機子（ロータ）のあるターン（又は、回転）でそれらの破壊を引き起こし得るという事実のために、信頼性が低いことである。また、固定子の大径化と磁石の小型化が相まって、電機子の弱い磁界が発生し、トルクの強さに影響を与える。

近年の傾向は、より信頼性が高く、効率的で、騒音の少ない動作を保証するブラシレスＤＣモータ（発電機）への関心を示している。それらは同じ出力のコレクタエンジンに比べて質量が小さいのが特徴である。ＤＣコレクタモータでは、ブラシが時間の経過と共に磨耗し、スパークが発生することがある。従って、コレクタエンジンは、長い耐用年数と信頼性を必要とする作業には使用すべきではない。

概要

本発明の目標はトルクの特性力（又は、特徴的な力）を保持しながら、固定子と回転子の重量とサイズを低減したブラシレスモータ発電機の開発である。

本発明を使用した場合に達成される技術的結果は固定子および回転子の設計によるものであり、電動発電機の信頼性を高め、重量および寸法を低減することを可能にする。

この技術的成果は、永久磁石を有する回転子と固定子を含み、固定子が磁石を覆うブラシレスモータ発電機が、回転対称性を有する形状（球体、楕円体等）で作られていることによって達成される。好ましくは、巻線が丸い断面から作製される。好ましくは、固定子が球形状を有する。固定子の外面には、互いに隔離された層の形態の巻線があり、互いに一様にオフセットされた極を有する１から１２個の固定子コイルを形成する。回転子はその上に固定された永久磁石を有するシャフトの形態で作られ、磁石の磁極の磁界ベクトルはシャフトの回転軸に垂直に配向され、固定子の対称軸はシャフトの回転軸と一致する。

回転子シャフトは例えばロッドの形態の円筒形状を有することができ、誘電体材料でもよいが、磁性材料で作られている。更に、回転子シャフト及び磁石のマウントは、ジュラルミン及びチタンのような常磁性材料で作ることができる。

固定子は非磁性材料で形成することができ、その巻線はテープ状の平角線で作ることができ、絶縁で覆われている。固定子は、磁気的に軟鉄またはパーマロイのような強磁性体で形成することができる。

磁石極の磁界ベクトルがそれに固定された磁石を有するシャフト軸に対して垂直になるようにシャフトに対して配向された永久磁石の形態で回転子の実施は、プロトタイプと比較して全体的な寸法を減少させることに加えて、コイルの磁場の内部に永久磁石を配置することを提供し、これは、永久磁石の全体の磁場とそれらのより効果的な相互作用に必要であり、これは、相互作用力を増加させ、従って、回転子のより円滑な回転を通じて、より大きな信頼性を提供する。

永久磁石を球面固定子（均一に変位させた磁極を有する球形コイルが球面固定子の外面に巻かれる）することは、永久磁石の磁極がコイルの直接の内側に位置することを意味し、同じ出力、トルク技術成果で軽量・小型化の特性にも影響する。クレームされたモータ発電機の構造により、永久磁石はより大きな磁場の影響を受け、したがって、回転子のより滑らかな回転を提供し、これは、高回転で顕著である。

このような一連の利点はクレームされた解決策を既知の類似物から差別化し、固定子コイルの直接内部に永久磁石を有する周知のアプローチからも区別する。

互いに隔離された層の形で固定子の外面上に巻線を配置し、１から１２までの固定子コイルを相互に対して一様にシフトされた極を有するように形成することにより、永久磁石に対するコイルの磁場の一様な効果を作り出すことができ、回転子の一様な回転を保証する。コイルの数は発電機モータの全体寸法に基づいて選択される：小さな発電機モータの場合、コイルの数は最小であるが、永久磁石は技術的結果を損なうことなく、コイルによって生成される磁界内にある。コイルの最小数は１である。同時に、１２を超えるコイルの数の増加は非実用的であり、それはこれが、トルク力を大幅に増加させることなく、装置の重量およびサイズ特性を増加させることになるからである。このような一連の利点はクレームされた解決策を既知の類似物から区別し、また、固定子コイルの直接の内部に永久磁石を有する周知のアプローチとは異なる。

特許請求の範囲に記載された発明は、以下の場合、図面によって説明される：

図１は、固定子コイルの内側に位置する永久磁石を有するブラシレスモータ発電機の概略概略図を示す；

図２は１つのコイルを断面にした装置を示す；

図３は、いくつかのコイルを断面にした装置を示す。原理的にはモータジェネレータは単一のコイルで動作できるが、最大１２までのより多くのコイルを導入すると動作がよりスムーズで効率的になる。

ブラシレスモータ発電機は、回転子１と固定子２とを備えている。回転子１は、永久磁石４が堅固に固定されたシャフト３の形態で作製される。この回転子１は固定子２の内部に回転するように取り付けられており、シャフト３の回転軸が固定子２の対称軸と一致するようになっている。同時に、磁石４の極の磁界ベクトルは、シャフト３の回転軸に垂直である。固定子２は静止しており、回転軸を有し、例えば、回転対称の球または楕円または他の形状である。巻線５は固定子２の外面に形成される。巻線５は固定子２のコイルを形成する。固定子２の少なくとも１つのコイルを配置でき、１２個まで配置できる。これらのコイル数は最適であるが、より多数のコイルが可能である。巻線５は互いに独立して層状に巻かれており、互いに対して均一にオフセットされた極を有して球状の固定子２の表面に沿って位置している。例えば、２つの巻線の場合、２つの電磁コイルが形成され、これらは４つの極を有する。非常に多くのコイルを固定子２の表面上に配置し、極を互いに９０°ずらし（すなわち９０°シフトした極）、３つの分離した巻線を実施得る場合、極は６０°シフトされるべきである。別の実施形態では極はデバイス内の２４層のコイルで３０°だけシフトされる。固定子２は固定子２の内側に完全に位置し、コイルおよびコイルの磁場の内側に位置するように、磁石４を覆う。シャフト３はロッド、ピンなどの円筒形状からなり、非磁性または磁性材料から作ることができる。固定子２は、誘電体又は複合磁性体からなる。固定子２の巻線５は、断面円形の絶縁電線又はテープ状の絶縁平角線からなる。

ブラシレスモータ発電機は、以下のように動作する。固定子２と回転子１は、意図された用途に応じて、例えば軸受（図示せず）を用いて締結され（又は、取り付けられ）、回転子１のシャフト３は軸受の内輪に配置される一方、固定子２は軸受の外輪に配置される。巻線５に電圧が印加されると給電され、固定子コイル２は２極を有する電磁石に変換される。回転子１の回転は、永久磁石４と得られる電磁石（電圧下のコイル）との間の磁場の反対極の相互作用によるものである。回転子１が回転し、次のコイルの極に近づくと、それに電圧が印加され、次のコイルにまた電力が供給され、電磁石となる。さらなるプロセスが全てのコイルについて繰り返される。その後、第１のコイルは逆極性で通電される。この処理が繰り返され、回転子１は回転し続ける。永久磁石４が固定子２の内側に位置するという事実により、永久磁石４と得られる電磁石との間に強い磁気的相互作用が存在し、その極は固定子２の表面に沿って互いに均等に相対的に変位し、それによって、その小さな重量およびサイズのパラメータで装置の信頼性を保証する任意の回転子速度でジャークすることなくトルク安定性を達成する。電磁石の磁場は永久磁石とより効果的に相互作用し、どのような回転子速度においても重要な相互作用する磁場を伴う滑らかな回転子回転を保証する。

例えば、風車、水流、車輪、ローリング、または他の任意の装置および方法による、外部からのシャフト３の機械的回転の場合、このモータは発電機モードに入り、外部源によって蓄積または消費され得る電力を提供する。

本発明は提示された説明および実施例に限定されず、請求の範囲内で拡大することができ、例えば、永久磁石を回転子シャフト上に堅固に取り付けることができると共に、シャフトと一体的に作ることができる。

ブラシレスモータは、同じ電力のコレクタモータよりもはるかに小さい。クレームされた発明は、その実用化において技術的結果を達成する上でその有効性を示した。同時に、公知のブラシレス発電機と比較して、目標を達成するための性能の全体的な単純さおよび操作および使用の容易さを有しながら、クレームされた装置の全体的な寸法および重量は
より小さい。
下記は、本願の出願当初に記載の発明である。
＜請求項１＞
永久磁石（４）を備えた回転子（１）と固定子（２）とを有するブラシレスモータ発電機であって、
前記固定子は、回転対称に形成され、前記磁石（４）を覆い、
前記固定子の外面上の巻線は絶縁した層の形態の巻線であり、少なくとも１つのコイルを形成し、
前記回転子は、永久磁石がその上に堅固に固定されたシャフト（３）の形態に形成され、
前記永久磁石の磁極の磁界ベクトルは前記シャフトの回転軸に対して垂直に配向され、前記固定子の対称軸は前記シャフトの回転軸と一致する、ブラシレスモータ発電機。
＜請求項２＞
前記シャフト（３）は円筒状であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項３＞
前記シャフト（３）は磁性体からなることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項４＞
前記固定子（３）が誘電非磁性体からなることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項５＞
前記固定子は複合磁性体からなることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項６＞
前記固定子の外面上の巻線は、２個から２４個までの互いに均等にシフトした極を有する固定子コイルを形成する絶縁した層の形態の巻線であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項７＞
９０度シフトした極を有する２つの固定子コイルを有することを特徴とする請求項６に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項８＞
６０度シフトした極を有する３つの固定子コイルを有することを特徴とする請求項６に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項９＞
３０度シフトした極を有するコイルを有することを特徴とする請求項６に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項１０＞
前記固定子は球面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項１１＞
前記固定子の巻線は断面が丸みを帯びてなることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ発電機。
＜請求項１２＞
前記固定子の巻線は平角線からなることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ発電機。

Claims (14)

1. 永久磁石を備えた回転子であって、前記永久磁石が前記回転子のシャフトに固定された、前記回転子と、
   前記永久磁石を覆う回転対称の固定子と、
   １つ以上の巻線であって、それぞれの前記巻線は前記固定子の外側に巻かれて前記固定子を取り囲む同心球を形成する、前記巻線
   を有するブラシレスモータであって、
   前記永久磁石の磁極の磁界ベクトルは前記シャフトの回転軸に対して非平行に配向され、前記固定子の回転対称軸は前記シャフトの回転軸と一致し、
   前記１つ以上の巻線のいずれかは、先の前記１つ以上の巻線により形成された先の前記同心球の半径よりも大きい半径を有する後続の同心球を形成することを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記シャフト（３）は円筒状であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記シャフト（３）は磁性体からなることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
4. 前記固定子（３）が誘電非磁性体からなることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
5. 前記固定子は複合磁性体からなることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
6. 前記固定子の外面上の巻線は、２個から２４個までの互いに均等にシフトした極を有する固定子コイルを形成する絶縁した層の形態の巻線であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
7. ２つの巻線を有し、前記２つの巻線のそれぞれが相互に対して９０度シフトした磁極を有することを特徴とする請求項６に記載のブラシレスモータ。
8. ３つの巻線を有し、前記３つの巻線のそれぞれが相互に対して６０度シフトした磁極を有することを特徴とする請求項６に記載のブラシレスモータ。
9. 前記固定子は球面状であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
10. 前記１つ以上の巻線は丸い断面を有することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
11. 前記１つ以上の巻線は平角線を有することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
12. 前記１つ以上の巻線はそれぞれ１つの連続したコイルを有することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
13. 連続したコイルはそれぞれ前記固定子の周囲の球状の螺旋を形成することを特徴とする請求項１２に記載のブラシレスモータ。
14. 前記１つ以上の巻線はそれぞれ前記固定子を完全に取り囲むことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
    
    

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