JP7302109B1

JP7302109B1 - 直流モーターの固定子

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Publication number: JP7302109B1
Application number: JP2023015775A
Authority: JP
Inventors: 貞幸網矢
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-02-06
Filing date: 2023-02-06
Publication date: 2023-07-03
Anticipated expiration: 2043-02-06

Abstract

【課題】従来の２極の直流モーターは、性能が悪かった。そこで、本発明の直流モーターの固定子は、６極に変え、円柱形の磁石（２）は爪（１ｂ）を介在して、平面な磁石（２）面を凹面に変え、効率を上げるものを提供する。【解決手段】本発明の直流モーターの固定子には、ケース（１）と磁石（２）で構成されており、そのケース（１）には多数の孔（１ｅ）が構成されており、その孔（１ｅ）に磁石（２）を貫通して爪（１ｂ）で止まり、その磁石（２）の外側には磁気返し（２ｂ）が構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、円柱形の磁石を使用したとき、磁束の減少を少なく、固定子が造りやすい直流モーターの固定子に関するものである。

従来の直流モーターは２極が殆んどであり、その固定子はコバルト磁石で、瓦型の磁石をモーターケースの内側に、接着剤を使用して貼り付けていた。

特願２０１９－３０２０１特願２０１１－１７２４７３

従来の２極の直流モーターを、多極にすると効率がよくなることは常識であるが、瓦型の磁石は市販されていないので、それができるまでの手段である。

そこで、本発明の直流モーターの固定子は、ケース（１）と磁石（２）で構成されており、そのケース（１）は多数の孔（１ｅ）が構成されており、その孔（１ｅ）には爪（１ｂ）が付いており、その中に円柱型のネオジウム磁石（２）と、円柱型の磁気返し（２ｂ）を、孔（１ｅ）に挿入して、爪（１ｂ）で止まる簡単な直流モーターの固定子を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明の直流モーターの固定子は、ケース（１）と磁石（２）で構成されており、そのケース（１）は内側に内管（１ａ）が構成されており、そのケース（１）と内管（１ａ）には多数の孔（１ｅ）が具備されており、その孔（１ｅ）の底には磁性体の爪（１ｂ）が構成されている。

前記磁石（２）は、ケース（１）と内管（１ａ）に開けた孔（１ｅ）に挿入して、爪（１ｂ）で止まり、その磁石（２）の外側には磁気返し（２ｂ）が構成されていることで目的を達成した。

本発明の直流モーターの固定子は、次のような効果がある。
（イ）爪は、磁石をギャップの位置で固定する。（詳しくは００１２段落を参照）
（ロ）爪は磁石の平面を、凹面に変えるために、隙間に介在する。
（詳しくは００１５段落を参照）
（ハ）爪は磁性体であるため、磁束が空中を飛ぶときの１０００倍の効率がよい。
（詳しくは００１６段落を参照）
（ニ）ギャップ調節部は、内管の厚みが薄いときに調節できる。
（詳しくは００３２段落を参照）
（ホ）本発明は、ボール盤と鑢だけでできるほど簡単である。
（詳しくは００１０段落を参照）

図は、直流モーターで磁石を一部分解した斜視図である。図は、図３のＡ－Ａの断面をあらわした断面図である。図は、図２のＢ－Ｂの断面をあらわした断面図である。図は、図３の拡大図である。図は、磁気返しを外した断面図である。図は、磁石を外した断面図である。図は、爪を外した断面図である。図は、磁束の流れをあらわした模式図である。図は、内管の内径が大きい場合の断面図である。図は、ギャップを調節する爪の斜視図である。図は、爪の孔を四角にした斜視図である。

本発明の直流モーターの固定子は、市販の瓦型磁石が無いため、市販の円柱形のネオジウム磁石を使用して、２極の電動車用モーターを、ボール盤と金切り鋸とヤスリだけで、６極のモーターに改造した。

まず、２極の回転子を６極に改造するためΦ０．８のコイルを撤去し、変わりにΦ０．２のコイルをスロット１個に３００回巻き、１２個のスロットは６極だから３つに分割し、４つのスロット群は、分けた３つのスロットの同じ場所に短絡させる。すると、給電するブラシと、アースのブラシが一直線になり、ブラシの改造はしなくてよい。

そして固定子は、円柱形の磁石（２）が一般的なので、円柱形のネオジウム磁石を使用する。円柱形の磁石（２）を孔（１ｅ）に挿入するため、ケース（１）と内管（１ａ）に孔（１ｅ）を開け、ギャップ面を開けて止まるようにストッパーの爪（１ｂ）を取り付ける。

しかし、ケース（１）の内径と、内管（１ａ）の外径が合わないときは、内管（１ａ）を削り、内管（１ａ）の内径がギャップ面と合わないときは、ギャップ調節部（１ｃ）で爪（１ｂ）の高さを調節する。

ギャップ調節部（１ｃ）は、内管（１ａ）の厚みが１０ミリの物が無い場合、ギャップ面の０．５ミリを守るためには、爪（１ｂ）だけをギャップ面の位置まで下げるのが簡単にできる方法で、そのためギャップ調節部（１ｃ）を取り付けた爪（１ｂ）を取り付ける。

その爪（１ｂ）は、磁性体の鉄でできているため、円柱形の磁石（２）は、ギャップ面の凸面と合わないので、磁石（２）の端を爪（１ｂ）が支える役目と、爪（１ｂ）が磁石（２）で発生した磁束（５）を、爪（１ｂ）の磁性体が伝える役目の２つをしている。

爪（１ｂ）が有るのと無いのでは、磁束（５）の伝わりかたに約１０００倍の効率がよい。例えば、磁石（２）の端が３ミリの隙間があるとして、ギャップ０．５ミリを守っている中央と、端が３ミリでは、空気中では抵抗が２乗に比例するので、６倍の距離は３６分の１になり、殆んど吸着はしなくなる。そこで鉄でできた爪（１ｂ）を挟むと、磁性体は空気中の１０００倍の磁束（５）を伝えるため、殆どのロスが無くなった。

一方磁石（２）の上の面は磁気返し（２ｂ）があり、磁気返し（２ｂ）は磁束（５）を受け取り、横のケース（１）に伝わり、隣の極が異極であるため、そこに磁束（５）が向かうことで、磁石（２）を介して回転子（３ａ）に戻る。そのため回転子（３ａ）を含めた磁束（５）の通路ができあがる。

本発明の直流モーターの固定子を、図面を参照して説明する。
図１は、電動車の６極の直流モーターで、磁石（２）と磁気返し（２ｂ）を一ヶ所分解した斜視図である。そのモーターは、２極で電動車用の消費電力４００ｗのモーターを、６極に改造した物である。その４００ｗのモーターのコイルはΦ０．８で、空回しは１７０ｗであるが、本発明の６極のモーターはコイルがΦ０．２で、空回しは３０ｗである。そして、その２極のブラシは６極にしたので、そのまま使用できる。

そのモーターの直径はΦ８６で、固定子のケース（１）の幅は１１２ミリである。そして、右側の磁気返し（２ｂ）と磁石（２）を取り外したところで、磁石（２）の直径はΦ２３で、磁石（２）の厚みは１０ミリであるので、２ミリの磁石（２）を５枚貼り付けて使用している。したがって、全部で５枚重ねた磁石（２）が全部で１２個である。そして、外した磁気返し（２ｂ）と磁石（２）孔（１ｅ）の奥には、爪（１ｂ）が見えてあり、その爪（１ｂ）の奥には回転子（３ａ）が見えている。そして、ブラケット（４）は両面にあり、ブラケット（４）の中心はベアリングを介して軸（３）がある。

図２は、図３のＢ－Ｂの断面をあらわした断面図であり、固定子を回転子（３ａ）の軸（３）方向に切った図である。その図では、外側に鉄でできたモーターのケース（１）があり、その内側にステンレス性の内管（１ａ）があり、爪（１ｂ）は６本描かれており、固定子全体では１２本である。

そのケース（１）と内管（１ａ）には、全部で１２個の孔（１ｅ）が開いており、６個が図面に描かれている。その孔（１ｅ）に磁石（２）を挿入して、ギャップを守る位置で固定するために爪（１ｂ）が付いている。そして、内管（１ａ）が２つのところを指しているが、上部の場所は爪（１ｂ）と爪（１ｂ）の間に、内管（１ａ）があることを示してあり、磁性体の爪（１ｂ）と磁性体の爪（１ｂ）の間に非磁性体の内管（１ａ）があることで、磁束（５）の縁が切れる。つまり、ギャップが０．５ミリであるから、０．５ミリ以上の非磁性体を挟むと、ギャップ面の方が近いので、爪（１ｂ）から回転子（３ａ）に磁束（５）が流れる。

図３は、図２のＡ－Ａの断面をあらわした断面図であり、固定子の円柱を横に切った図である。外側には鉄性のケース（１）があり、その内側にステンレス性の内管（１ａ）が具備されている。その内管（１ａ）がステンレスでできている理由は、もしも磁性体の鉄でできていれば、爪（１ｂ）まできた磁束（５）がギャップ面を通らず、内管（１ａ）を伝わり、磁束（５）が隣の磁石（２）に伝わるので、ステンレス性の非磁性体にした。そのおり、内管（１ａ）には爪（１ｂ）が付いており、磁石（２）をギャップだけ開けて止める位置の確保の役目と、磁石（２）と回転子のギャップ面の距離が広くなるのを、鉄性の爪（１ｂ）を介在することで、磁束（５）を保護する役目がある。

図４は、図３の拡大図である。ケース（１）と内管（１ａ）をΦ２３で貫通した孔（１ｅ）があり、そこへネオジウム磁石（２）のΦ２３の、厚みが１０ミリの物を孔（１ｅ）に挿入し、磁石（２）の中央が内管（１ａ）の内径と同じΦ５６を守るようになっている。そのため、爪（１ｂ）が具備されており、その爪（１ｂ）は鉄の磁性体でできているため、内管（１ａ）のステンレスとの異材溶接が可能であり、ギャップ面が広くなることと、狭くなることを阻止している。

その爪（１ｂ）は、何も無い空気中を磁束（５）が飛ぶときと、磁性体の鉄を間に介するときの効率は１０００倍違うので、爪（１ｂ）の側面が開いたギャップ面を補う。その磁石（２）の端は３ミリの隙間が開いてあり、３ミリの隙間はギャップ０．５ミリであるので、３ミリの隙間はギャップ０．５ミリの６倍である。したがって、空気中では６倍の距離で、吸着力は２乗に比例するので、６の２乗は３６であるので、３６分の１の吸着力になる。

そこで磁性体の爪（１ｂ）を間に挟むと、磁性体の鉄は空気中の１０００倍の磁束（５）を通すので、殆んど中央と同じく吸着する。一方、磁石（２）の上に取り付けた磁気返し（２ｂ）は、モーターケース（１）が鉄でできているため磁気返し（２ｂ）とケース（１）が接触しているので、ケース（１）から隣の極に磁束（５）が流れる。

図５は、磁気返し（２ｂ）を外した断面図である。外した磁気返し（２ｂ）は円柱形の棒で、磁石（２）から発生した磁束（５）をケース（１）に伝わり、その磁束（５）は隣の極に伝わる。そして、磁気返し（２ｂ）を取り除いた後は、ケース（１）の孔（１ｅ）の底に磁石（２）がある。

図６は、磁石（２）を外した断面図である。外した磁石（２）の底面は、内管（１ａ）と同じく、回転子（３ａ）のギャップ面を維持するための爪（１ｂ）が具備せれている。その爪（１ｂ）は鉄でできており、磁石（２）の端はギャップ面が開いてしまうので、磁性体で作った爪（１ｂ）が介在し、磁束（５）の減少を防ぐことができる。

また、内管（１ａ）がステンレスでできている理由は、隣の極に磁束（５）が流れないために非磁性体を使用したが、非磁性体の銅や真鍮などを使用しない理由は異材溶接にあり、鉄とステンレスではＳＵＳ３０９を用いて溶接できるが、銅や真鍮ではろう付けが必要であり、面倒であった。

図７は、爪（１ｂ）を外した断面図である。内管（１ａ）は磁石（２）の中央にあたる部分はギャップ０．５ミリを守り、端から５ミリのところまでは爪（１ｂ）が付くように、磁石（２）の付いていた面まで削ってある。

図８は、磁束（５）の流れをあらわした模式図である。磁石（２）は磁束（５）を発生して、その磁束（５）は磁石（２）から直接、もしくは爪（１ｂ）を介して回転子（３ａ）に入る。そのとき回転子（３ａ）に電流が流れ電磁石となったおり、左に磁束（５）が傾く。このとき磁束（５）が左に流れて、回転子（３ａ）に伝わるので、矢印の磁束（５）は吸着するので、回転子（３ａ）は右に回転する。

そして、磁気返し（２ｂ）は磁石（２）とケース（１）の間に介在して、磁束（５）をケース（１）から受け取り磁石（２）に流れる。そのケース（１）は、隣の極から磁束（５）を受け取る。したがって、回転子（３ａ）を巻き込んだ磁束（５）の流れが完成する。

図９は、内管（１ａ）の内径が大きい場合の断面図である。内管（１ａ）は、厚みが１０ミリなければならないが、厚み３ミリのパイプが殆んどであるとき、爪（１ｂ）にギャップ調節部（１ｃ）を取り付けてギャップ面を守る方法がある。

その方法は、厚み９ミリの鉄板を幅２３ミリに切断して、ギャップ調節部（１ｃ）を作り、磁石（２）が入る孔（１ｅ）を削り、そのギャップ調節部（１ｃ）を内管（１ａ）の内面に溶接してくっ付ける。

図１０は、ギャップ調節部（１ｃ）の斜視図である。ギャップ調節部（１ｃ）は、３箇所あり、図面の上に描かれている面は内管（１ａ）の内面と接触し、底に描かれている面はギャップ面側で、磁石（２）が入る孔（１ｅ）の底には爪（１ｂ）がある。したがって、この方法では爪（１ｂ）がギャップ調節部（１ｃ）で一体化される。

図１１は、爪（１ｂ）の孔（１ｅ）を四角にした斜視図である。磁石（２）の入る孔（１ｅ）を円形にする必要が無く、四角形で平坦に削ってもよい。四角形なら、鑢で簡単に削れるし、接着剤で固定するので、横から食み出すことは無い。

その他、従来の２極のモーターに使用できる。２極のモーターの固定子は、２個のコバルト磁石で瓦型に具備されていたが、それを図１のようにネオジウム磁石を取り付け、極はＮとＳの２極で、Ｓ極が６個と、Ｎ極が６個の磁石（２）ができる。コバルト磁石とネオジウム磁石とでは、吸着力が違うので効率も上る。

符号の詳しい説明をする。
ケース（１）は、モーターケース（１）のことで、ケーシングとも言う。そのケース（１）にΦ２３の孔（１ｅ）を１２個開けている。孔（１ｅ）は、磁石（２）を挿入するための孔（１ｅ）で、１極に軸（３）方向に２つづつ開けた孔（１ｅ）が、６極で軸（３）方向に対し直角の、円周方向に６ヶ所開けてある。
内管（１ａ）は、有った方がモーターの固定子を作り易いので、採用している。例えば、ケース（１）の内側に爪（１ｂ）を取り付けるとしたら、ケース（１）はパイプで、中の作業は面倒であるが、内管（１ａ）を介在すると、爪（１ｂ）が取り付け易い。また、磁束（５）が爪（１ｂ）を介しギャップ面からケース（１）に伝わり、隣のギャップ面から爪（１ｂ）に伝わることは用意に想像できるので、ギャップ０．５ミリ以上のステンレス性の内管（１ａ）が必要で、磁束（５）の通り道の縁を切る役目をしている。
爪（１ｂ）は、この発明の重要な部分であり、磁石（２）が入り過ぎないように爪（１ｂ）で止める役目と、大きく開いたギャップ面を、ギャップ０．５ミリを守るために、爪（１ｂ）が介在してギャップ０．５ミリを守る役目がある。その爪（１ｂ）は磁性体の鉄でできており、何も無い空気中の１０００倍磁束（５）を伝えるので、磁石（２）がそのままギャップ面の方に近づいたことになる。
ギャップ調節部（１ｃ）は、内管（１ａ）が薄いときにギャップ調節部（１ｃ）の高さを調節して、孔（１ｅ）に挿入した磁石（２）の面が、ギャップ０．５ミリになるように高さを決める。その孔（１ｅ）は、ボール盤で削っているが、爪（１ｂ）の孔（１ｅ）は四角形で、磁石（２）を取り付けるとき、接着剤で固定するので、横から食み出す心配は無い。したがって、鑢で削れるので簡単である。
孔（１ｅ）は、磁石（２）と磁気返し（２ｂ）を、ケース（１）と内管（１ａ）に挿入する孔（１ｅ）で、本発明では全部で１２個付いている。その孔（１ｅ）は、ケース（１）と内管（１ａ）を貫通しており、ケース（１）の孔（１ｅ）と、内管（１ａ）の孔（１ｅ）とは、同じ物である。

磁石（２）は、ネオジウム磁石のことで、このネオジウム磁石が瓦型を作ってくれたなら、この様な発明も不要であるが、今現在無いのだから、円柱形の磁石（２）を瓦型に近い効果を出すために考案した。
磁気返し（２ｂ）は、磁石（２）から発生した磁束（５）をケース（１）に流すために、磁性体の磁気返し（２ｂ）がある。その磁気返し（２ｂ）は円柱形で、ケース（１）と内管（１ａ）に開けた孔（１ｅ）に収まるΦ２３の径である。
軸（３）は、回転子（３ａ）に軸（３）であり、ブラケット（４）の中心で、ベアリングを介して取り付けられている。
回転子（３ａ）は、図１の孔（１ｅ）から見えるのが回転子（３ａ）で、図８は回転子（３ａ）と固定子の磁束（５）の流れをあらわしている。モーターには大切な部品であるが、固定子の発明であるので、説明を省く。
ブラケット（４）は、図１に出てくるケース（１）を両側から挟む部品で、軸（３）を受けている軸受でもある。
磁束（５）は、磁場中に一つの閉曲線を描き、この曲線のつくる曲面下を通過する面に垂直な磁気誘導の成分と面積との積を磁束という。この磁束（５）は図８の矢印によって、あらわしている。

本発明の直流モーターの固定子以外に、円柱形磁石（２）を瓦型に変え、効率をあまり下げない方法は、発電機などにも使用できる。また、円柱形の磁石（２）の他、四角形の磁石（２）を、本発明の爪（１ｂ）を利用してギャップ面を凹面に変えることができる。

１ケース１ａ内管１ｂ爪１ｃギャップ調節部１ｅ孔
２磁石２ａ磁気返し
３軸３ａ回転子
４ブラケット５磁束

Claims

直流モーターの固定子には、ケース（１）と磁石（２）で構成されており、
該ケース（１）は、多数の孔（１ｅ）が構成されており、
該孔（１ｅ）の底には、磁性体の爪（１ｂ）が構成され、
前記磁石（２）は、円柱形の形をしており、
該磁石（２）は、該孔（１ｅ）に挿入して爪（１ｂ）で止まり、
該磁石（２）の外側には磁気返し（２ｂ）が構成されていることを特徴とする直流モーターの固定子。