JPH0446540A - 電動機及び発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は電動機及び発電機に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に電動機は界磁により形成される磁束の中に電機子
を配置し、電機子に電流を流すことによって生ずる磁束
と、上記界磁による磁束との相互作用によって電機子を
回転させ、動力を得るものであるが、従来の電動機の電
機子コイルは第７図に示すように円筒形鉄芯に対し、あ
る円筒の軸方向に走る巻線５１と次の同じく軸方向に走
る巻線５２とが円筒の中心軸から見て、所定角離れた位
置になければならないため、これらの巻線５１゜５２の
両端間をつなぐ部分５１’、５２°は円筒体の側面でか
なりの長さを有することとなり、これに流れる電流によ
る磁束は動力の発生に寄与しないため無駄となり、効率
を悪化させる原因となるという問題があった。また電動
機を発電機として用いる場合、上記巻線５１．５２のつ
なぎ部分５１’、５２’では電圧の誘起が行われず、発
電機の構造としても好ましいものではなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、電機子巻線あるいは界磁巻線の無駄な部分が
なく、軽くて空気抵抗が少なく効率のよい電動機及び発
電機を得ることを目的としている。

〔課題を解決するための手段］ この発明に係る電動機は、例えば３相交流電源と、３相
交漬の供給を各相の約１２０°〜約１８０°の範囲のみ
行うよう制御する位相制御回路と、強磁性体からなる円
筒体の内周に複数個の円筒体の軸方向の溝を形成し、こ
の各溝内に１本または３本の直線導体を挿入し、隣接す
る溝内の該直線導体の一端同志を、上記円筒体の両側面
の順次反対側となる面で接続し、上記円筒体の全周でも
って各々一対の開放端子を有する１本または３本の導体
接続体を構成してなり、上記円筒体の各溝間の凸部に、
上記導体接続体に上記位相制御回路で制御された交流が
通電されるとき、該を流の作る磁束によりＮ極及びＳ極
を順次形成する固定子と、上記固定子の円筒体内に挿入
され、強磁性体からなりその表面に上記固定子のＮ極、
Ｓ極と同一回転角ピッチで永久磁石または電極石により
順次形成されるＮ極及びＳ極を有する回転子とを備え、
上記回転子より動力を取り出すことを特徴としたもので
ある。

この発明に係る発電機は、強磁性体からなる円筒体の内
周に複数個の円筒体の軸方向の溝を形成し、この各溝内
に１本または３本の直線導体を挿入し、隣接する溝内の
該直線導体の一端同志を、上記円筒体の両側面の順次反
対側となる面で接続し、上記円筒体の全周でもって１本
または３本の導体接続体を構成してなる固定子と、上記
固定子の円筒体内に挿入され、強磁性体からなりその表
面に上記固定子のＮ極、Ｓ極と同一回転角ピッチで永久
磁石により順次形成されるＮ極及びＳ極を有する回転子
とを備え、上記回転子の回転による上記直線導体近傍で
の磁束変化により該直線導体に誘導電圧を誘起し、上記
導体接続体の両端より交流電力を取り出すことを特徴と
したものである。

〔作用〕 この発明においては、上記のような構成としたから、従
来の巻線に相当する導体接続体は円筒体の側面の最短距
離を走るのみとなり、電動機としては動力の発生に寄与
しない電流が流れる部分が、また発電機としては電圧が
誘起されない部分が極めて少なくなり、電力のロスが極
めて少なくなり、効率が大幅に向上する。また直線導体
を設ける作業が極めて容易となり、小型、軽量化が可能
でコストダウンが可能となる。また、電動機では、２次
側に供給される電力は３倍周波で鋸歯状のものであるた
め、効率が一層良くなり、さらなる小型。

軽量化及びそれによるさらなるコストダウンが期待でき
る。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例による電動機を示す０図に
おいて、ａ、ｂ、ｃは３相交流電源端子、１００は強磁
性体からなる円筒体１により構成れる固定子で、この円
筒体の内周にはその軸方向に複数個の溝２が形成されて
いる。この溝２の各々には３本の平板状の直線導体５，
６．７が挿入され、隣接する溝２内の直線導体の一端同
士は、上記円筒体１の両側面の順次反対側となる面で側
面導体部８．９を介して接続され、上記円筒体１の全周
を周回すると、その両端が位相制御回路を介して３相交
流電源端子ａ、ｂ、ｃに接続されるべき３本の導体接続
体を構成している。そして、上記固定子１００の各溝２
間の凸部１０ａ、１０ｂ・・・には、上記導体接続体に
位相制御回路４で制御された３相交流が通電されるとき
、該電流の作る磁束により順次Ｎ極及びＳ極が形成され
る。

また、２００は上記固定子１００の円筒体１内に挿入さ
れた回転子で、これは強磁性体からなり、その表面に上
記固定子１００のＮ極、Ｓ極と同一回転角ピッチでＮ極
２０ａ、Ｓ極２０ｂが順次形成されてなるものである。

なお、このＮ極、Ｓ極は永久磁石または電磁石のいずれ
により形成してもよい。

また第２図（ａ）は上記位相制御回路４の詳細を示し、
図中２１ａ、２１ｂ、２１ｃはサイリスタ、２３は３相
交流の各相の正弦波の零クロス点を検出する零クロス点
検出器、２２ａ、２２ｂ、２２Ｃは該零クロス点検出器
２３の出力を受け、各相のサイリスタ２１ａ、２１ｂ、
２１ｃの点弧角を調整する位相調整器である。

また第２図（ｂ）、　（Ｃ）は位相制御回路４により得
られる３相交流の出力波形を示す。

第３図（ａ）は本発明の第２の実施例による平形の電動
機を示し、第３図（ｂ）は本発明の第３の実玩例による
細長形の電動機を示すが、これらの形状。

溝の個数以外の構成は第１の実施例と全て同じである。

第４図はこれら３つの実施例の各溝内の導体が接続され
てなる導体接続体を模式的に示している。

第５図は上記固定子と回転子の関係及び発生する磁束の
向きを説明する図である。

次に動作について説明する。

端子ａ、ｂ、ｃからの３相交流電源は第２図（ａ）に示
す位相制御回路４により各相の交流正弦波形の位相点弧
角が第２図（ｂ）に示すように、１２０゜〜１８０°の
範囲となるように制御され、これが固定子１００の溝２
内に挿入された相互に接続された直線導体５，６．７に
供給される。このとき、各相の電流は各相の正負の半波
の位相角１２０゜〜１８０’の範囲のみ流れるので、各
溝内の３つの導体５，６．７のうち常に１つの導体のみ
に電流が流れていることとなる。しかもこの電流は第２
図（Ｃ）の波形図かられかるように、３相交流の３倍周
波となっており、しかも急峻に立上ったのち、急速に降
下する垂下特性を持つものとなっている。

このような波形の電流が導体接続体に流れると、固定子
と回転子間の磁界の関係は第５図に示すようになり、あ
る溝内の導体５−１とこれに隣接する溝内の導体５−２
に流れる電流の向きは逆となるため、それらの電流が作
る磁束の向きは各溝間で同一方向となり、その結果、図
の場合溝間には左端からＳ、Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓ、Ｎの磁石
が形成されることとなる。

一方、回転子が第５図図示の位置にあるとすると、図示
上側の左端の■と下側の左端の■とが引き合い、かつ上
側の左から２番目の■と下側の１番左の■とが反発しあ
う等によって、回転子２００は図示矢印Ａの方向に回転
することとなり、上側のＳ、Ｎ極が図示の状態と反対と
なったときには、回転子２００が丁度Ｓ、Ｎの一極分に
相当する角度だけ回転していることによって、固定子１
００と回転子２００間には同様に回転子２００をＡ方向
に回転させる力が働き、これが順次継続することによっ
て回転子は永久に回転することとなり、これにより動力
を取り出すことができることとなる。

このようにして本発明によりモータを構成できることが
わかるが、本モータでは溝内の導体と他の溝内の導体と
をつなぐ導体部分８．９が従来のモータと異なり、最短
距離のものとなっているので、この部分を流れる電流の
ロスによる電力ロスが最小限に抑えられ、力率を大きく
向上できる。

しかもこれら導体部分８．９に流れる電流が作る磁束は
第６図（ｂ）に示すように相互に逆向きとなり、互いに
打ち消し合うこととなる。従って第６図（ａ）に示す従
来の亀の子コイルの場合に相当するつなぎ部分５１″、
５２゛に流れる電流が作る磁束が同じ向きとなってかな
りの磁界を生じ、電動機の動作に悪影響を与えるという
ことがない。

また固定子の溝内には３相の各相に対応して直線導体を
３本のみ挿入すればよいので、従来のモータのように巻
線を何回も何回も巻いていた亀の子コイルが不要となり
、このため従来大であった電気抵抗を小さくでき、また
従来大であった重量を小さくでき、かつ従来大であった
空気抵抗をも小さくできる効果が得られ、しかもモータ
の製造作業も極めて容易となる。またモータの固定子巻
線に印加する電流は３相交流の３倍周波、すなわち６０
サイクルに対し１８０サイクルであり、かつ鋸歯状波の
ものであるので効率が極めてよく、小型、軽量化を達成
できるものである。

また、第３図（ａ）に示す第２の実施例の平形モータは
、回転数（速度）は小であるが、大きなトルクが得られ
るものであり、第３図ら）に示す第３の実施例の細長形
モータは回転数は大であるが、トルクは小であるという
特徴をもつものである。

なお、上記説明では、固定子の溝内に挿入した直線導体
が３つである場合を示したが、該直線導体は１つであっ
てもよく、この場合導体接続体も１つとなり、その一端
に位相制御回路の３つの出力端子ａ、ｂ、ｃを共通接続
すればよい。

また、本発明の電動機における直線導体は、平板状のも
のを用いているので、相互間でコンデンサを構成するこ
ととなり、本電動機の等価回路は第８図に示すようにな
り、各巻線のインダクタンス成分が１亥コンデンサＣに
よって打ち消され、いわゆるコンデンサによる進相効果
が得られる。従って電動機の動作上ロスが少なくなり、
効率が良くなる効果がある。

また本発明の電動機では、回転子の真中にスペースがで
きるので、回転子の軸受を太くすれば、回転子内側を他
の機械部品の配設スペースとして利用することが可能と
なる０例えば該回転子の中央部に適当な加工を施し、機
械的出力機構を設けることにより、物流の制御や撚線加
工等に利用できる。

例えば第１２図（ａ）に示す本発明の第８の実施例のよ
うにらせん状の羽［２０１を有する羽根体を回転子２０
０内側に取り付け、固定子１００の両端に配管２０４を
接続すれば、ブロアーやポンプ等のように流体を送り出
す装置として利用することができる。なお２０３は軸受
ベアリングである。

また第１０図に示す本発明の第９の実施例のように、第
２の実施例のようなトルクの大きい平型タイプのモータ
において、回転子２００の中央及びその周囲にワイヤー
等の挿通穴２０２を形成し、各人にワイヤー等を通し、
束ね部材３００を介して引き出すようにすれば、回転子
２００の回転を利用して撚り線を形成する装置を構成す
ることができる。

すなわち従来のモータは、単に動力を発生するだけのも
のであり、これだけでは目的とする仕事を行うことがで
きなかった。このため従来は第１１図に示すようにその
仕事用の機械装置４００を駆動軸６０を介してモータ５
０により駆動するというのが一般的であった。しかるに
この場合はモータ５０と機械装置４００との間に駆動軸
６０等の機械的伝達機構を別途設ける必要があり、また
この伝達機構でのパワーロスも生ずることとなり、これ
は仕事の効率や装置の小型化等の点で好ましいものでは
なかった。これに対し本発明のモータは、回転子の内側
部分に機械力出力機構を設けることにより、モータ自体
を目的とする仕事を行う機械装置とすることができ、大
幅な仕事効率の向上、装置の小型化を図ることができる
。

なお、上記説明では回転子の溝内に１本または３本の直
線導体を配設した場合を示したが、直線導体は多数本を
重ね合わせて溝内に配設してもよく、この場合コンデン
サの進相効果をより増大することができる。また直線導
体の形状は平板状のものに限らず、丸棒状のものでもよ
い。

さらに上記説明では、電源が３相入力で駆動電流が単相
３倍周波鋸歯状波出力である場合について示したが、電
源や駆動電流はこれらに限られるものではなく、低電圧
の直流や単相交流でもよいことは勿論である。

次に電源に直流電源及び単相交流電源を用いた、本発明
の第４．第５の実施例を説明する。

第９図（ａ）は本発明の第４の実施例による電動機を示
しており、図において１００及び２００は上記第１図に
示すモータと同一のものであり、４′は制御回路で、所
定タイミングで電源のオン・オフを行うインバータ等が
用いられている。また、この実施例では直流電源をモー
タに供給しただけではモータが始動しないので、別途始
動用コイル（図示せず）が設けられている。また第９図
（ｂ）は第４実施例の応用例を示す図で、回転子２００
を自動車のタイヤホイールと兼用し、車体側に取り付け
た固定子１００により該タイヤホイル（回転子）を支持
し、上記回転子２００と固定子１００でモータを構成し
て電気自動車を構成したものである。

また第９図（Ｃ）は本発明の第５の実施例を示し、これ
は上記モータに交流電流を供給して駆動する構成とした
ものであり、この場合も上記と同じ理由で始動用コイル
が設けられている。また、この場合位相制御回路４は、
上記第１の実施例のように１２０°〜１８０°での点弧
制御を行い、鋸歯状波の駆動ｉｔ流を供給するようにし
てもよく、あるいはこのような制御を行わず単相交流を
そのままモータに供給するようにしてもよい。

次に本発明の第６の実施例による発電機について説明す
る。

電動機と発電機とは、前者が電気的エネルギーを機械的
エネルギーに変換するもの、後者がその逆の変換を行う
ものである点で異なるのみで、電動機はそのままこれを
発電機として用いることができるものである。そして本
実施例の発ｔ１ａは、第１図に示す電動機の構造をその
まま用いて発電機として動作させたものである。

次に動作について説明する。

回転子２００に回転力が与えられると、該回転子２００
が回転し、固定子１００の直線導体５．６．７近傍での
磁束が変化し、これらの直線導体に誘導電圧が誘起され
る。これにより導体接続体から交流電力を取り出すこと
ができることとなる。

このようにして発電機を構成できる訳であるが、本発電
機では上記電動機の場合と同じように溝内の導体と他の
溝内の導体とをつなぐ導体部分８９が従来のものと異な
り、最短距離のものとなっているので、電圧の誘起に寄
与しない導体部分が最小限に抑えられ、力率を大きく向
上できる。しかもこれら導体部分８，９に流れる１ｉ流
が作る磁束は第６図（ｂ）に示すように相互に逆向きと
なって、互いに打ち消し合うこととなり、発電動作に悪
影響を与えるということがない。

また固定子の溝内には３相の各相に対応して直線導体を
３本のみ挿入すればよいので、従来の発電機のように巻
線を何回も何回も巻いていた亀の子コイルが不要となり
、このため電気抵抗や重量さらに空気抵抗の低減を図る
ことができ、しかも発電機の製造作業も極めて簡単にで
きる。

また本発明の発電機では、回転子の真中の中空スペース
を利用して、回転子を回転させる動力を取り込む機械的
回転入力機構を組み込むことができる。そしてこれによ
り例えば風力や小川の流水から回転力を得て１２Ｖ〜１
５Ｖの電圧を発電することができ、これを蓄電池や乾電
池の充電用電源や簡易な動力装置、安全暖房や夜間照明
等の電源に利用したりすることができる。

かかる機械的回転入力機構を有する本発明の第７の実施
例による発電機の構成を第１２図（ａ）〜（ｄ）を用い
て説明する。

回転子２００の直径を約３０ｃｍ程度に設定し、その永
久磁石の極数を１４４極、固定子を溝数１４４個とし、
回転子２００内部に羽根２０１を付ける。そして、固定
子１００の溝中に１２本の直線導体を収容し、これらを
全部直列接続すると、１４４溝Ｘ１２本で、１７２８個
の発電素子（直線導体）を直列に接続したこととなり、
１素子当たり０．０３Ｖで、全体で５０Ｖの発電電圧と
なる。

また発電素子、つまり直線導体の直並列の切り換えによ
り２４Ｖ、１２Ｖ、６Ｖ、４Ｖ等任意の電圧を得ること
もできる。また設計によって、あるいは流量を調整する
ことにより５００Ｗ〜ｌ０ＫＷ程度の出力は容易に実現
できる。

また大きな河川の流水、大きな風力、波高等を用いた発
電も同じ原理で可能であり、高い電圧が欲しいときは、
磁極数と溝中の導体数を増やせばよく、回転子１周分の
全導体に誘起される電圧を、適当に直並列接続すること
により任意の電圧を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明にかかる電動機によれば、固定子
の溝内に挿入した直線導体を隣接する溝間で次々と接続
し、この導体接続体に１２０°の点弧角に位相制御した
３相交流、あるいは直流、あるいは単相交流を供給し、
固定子円筒体内に、固定子に形成されるＮ極１　Ｓ極と
同じ極数のＮ極。

Ｓ極を配置した回転子を挿入し、この回転子から動力を
取り出すようにしたので、円筒体の側面での巻線の配線
長を極めて短くすることができて非常に効率の良い電動
機が得られる。

また３相交流を位相制御して供給した場合は、−次側か
ら供給される電力は３倍周波で鋸歯状のものとなり、こ
れによっても効率を太き（向上できて装置を小型、軽量
にできる。また巻線作業が極めて容易にできてモータの
製造を極めて簡単にできる効果がある。また直流を供給
する場合は低電圧がよく、電気自動車用モータとして卓
効がある。

またこの発明の発電機は、上記電動機と同一の構造を発
電機として動作させたもので、上記電動機の効率が良い
のと同様、発電効率を大きく向上でき、電動機の場合と
同様装置の小型、軽量化を図ることができる。しかも、
発電機の製造をも極めて簡単にできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例による電動機及び第６
の実施例による発電機を説明する図、第２図は上記電動
機における位相制御回路及びこれによる出力波形を示す
図、第３図はこの発明の第２、第３の実施例による電動
機を示す図、第４図は上記第１図、第３図の３つのモー
タの導体接続体を模式的に示す図、第５図は上記第１図
のモータの固定子と回転子の関係、及び磁界を示す図、
第６図は従来及び本発明の固定子または回転子側面の巻
線（亀の子コイル）の電流が作る磁界を示す図、第７図
は従来の電機子巻線の斜視図、第８図は本発明の第１の
実施例の電動機の等価回路図、第９図は本発明の第４．
第５の実施例による電動機を示す図、第１０図は本発明
の第９の実施例として第２の実施例の電動機を用いて撚
線装置を構成した例を示す図、第１１図は従来の機械装
置とその駆動用モータとの関係を示す図、第１２図は本
発明の第８の実施例による電動機及び第７の実施例によ
る発電機の具体的な構成を示す図である。 図において、ａ、ｂ、ｃは３相交流ｉｉ源端子、１００
は固定子、１は円筒体、２は溝、３は直線導体、４は位
相制御回路、２００は回転子、２０ａはＮ極、２０ｂは
Ｓ極である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）交流あるいは直流電源と、 該電源の供給タイミングを制御する制御回路と、強磁性
   体からなる円筒体の内周に複数個の円筒体の軸方向の溝
   を形成し、この各溝内に１本または多数本の直線導体を
   挿入し、隣接する溝内の該直線導体の一端同志を、上記
   円筒体の両側面の順次反対側となる面で接続し、上記円
   筒体の全周でもって１本または多数本の導体接続体を構
   成してなり、上記円筒体の各溝間の凸部に、上記導体接
   続体に上記制御回路で制御された交流あるいは直流が通
   電されるとき、該電流の作る磁束によりＮ極及びＳ極を
   順次形成する固定子と、 上記固定子の円筒体内に挿入され、強磁性体からなりそ
   の表面に上記固定子のＮ極、Ｓ極と同一回転角ピッチで
   永久磁石または電極石により順次形成されるＮ極及びＳ
   極を有する回転子とを備え、上記回転子より動力を取り
   出すことを特徴とする電動機。
2. （２）請求項１記載の電動機において、 上記回転子は、円筒形状をしており、その内部にその回
   転により所定の仕事を行う機械力出力機構を有するもの
   であることを特徴とする電動機。
3. （３）請求項２記載の電動機において、 上記機械力出力機構は、その回転により流体を送り出す
   らせん状の羽根を有する羽根体であることを特徴とする
   電動機。
4. （４）強磁性体からなる円筒体の内周に複数個の円筒体
   の軸方向の溝を形成し、この各溝内に１本または多数本
   の直線導体を挿入し、隣接する溝内の該直線導体の一端
   同志を、上記円筒体の両側面の順次反対側となる面で接
   続し、上記円筒体の全周でもって１本または多数本の導
   体接続体を構成してなる固定子と、 上記固定子の円筒体内に挿入され、強磁性体からなりそ
   の表面に上記固定子のＮ極、Ｓ極と同一回転角ピッチで
   永久磁石により順次形成されるＮ極及びＳ極を有する回
   転子とを備え、 上記回転子の回転による上記直線導体近傍での磁束変化
   により該直線導体に誘導電圧を誘起し、上記導体接続体
   の両端より交流電力を取り出すことを特徴とする発電機
   。
5. （５）請求項４記載の発電機において、 上記回転子は円筒形状をしており、その内部に、該回転
   子内を流れる流体から受ける力により回転子を回転させ
   る機械力入力機構を有するものであることを特徴とする
   発電機。