JPH07500719A - 逆起電力を利用した直流電動機 - 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】 本発明は回転子上に複数個の永久磁石か搭載され固定子」二に複数個の電磁石が 搭載され回転子の回転により永久磁石が各電磁石と順次協働するように配置され 、かつタイミングのとられたシーケンスで電磁石へ電圧パルスを加えて永久磁石 と電磁石との協働により回転子を回転させる力を生しる手段を含む直流電動機に 関する。

この種の電動機は従来提案されているが、電圧パルスが除去された後で各コイル の崩壊する磁界により生じる整流時の逆起電力が利用されないという欠点がある 。これにより、効率が低下し逆起電力エネルギーは消費されてしまうだけである 。

発明の要約 したがって、逆起電力を利用するように設計されている改良型直流電動機を提供 することが本発明の一つの目的である。本発明は特殊設計の回転子と効率的な設 計の電磁コイルを使用し、それと共に高力永久磁石および非常に低損失の電磁コ イル材料を使用し、かつ固定スイッチおよび制御器が付随されていて逆起電力の 一部もしくは全部を再捕捉する効率的なパルスモータの設計が可能となる。

したがって、本発明により電動機が提供され、それは固定子と、固定子軸周りに 回転するように搭載された回転子と、軸周りの等角間隔位置で固定子上に搭載さ れた第１組の電磁石と、軸周りの等角間隔位置で回転子上に搭載され回転子の回 転により第１組の各電磁石と順次協働する位置へ通されるように配置されその数 は第１組の電磁石とは奇数だけ異っている第１ｍの永久磁石と、電磁石へパルス 電圧を供給して回転子を軸周りに回転させる力を永久磁石に与える手段と、軸周 りの等角間隔位置で固定子上に搭載されている第２組の電磁石と、軸周りの等角 間隔位置で回転子上に搭載され回転子の回転により第２組の各電磁石との協働位 置へ順次通されるように配置されその数は第２組の電磁石とは奇数だけ異ってい る第２組の永久磁石と、各電磁石へパルス電圧を供給して回転子を軸周りに回転 させる力を永久磁石へ与える手段を具備し、第２組は第１組とは間隔をとって配 置されていて第１および第２組の永久磁石はそれぞれ第１および第２組の電磁石 だけと協働し、第１組の永久磁石の磁極は第２組の永久磁石の磁極とは逆とされ て同方向へ回転するようにされており、前記第１組の電磁石へ印加される電圧は 第２組の電磁石へ印加される電圧とは反対極性とされ、第１組の電磁石の数は第 ２組の電磁石の数に等しく第１組の永久磁石の数は第２組の永久磁石の数に等し く、第１組の電磁石は第２組の電磁石から角方向にオフセットされており、さら に一方の組の各電磁石の崩壊磁界により発生する電流を他方の組の各電磁石へ通 して他方の組の各電磁石に前記ノくバス電圧を発生する手段を具備している。

前記した事柄および同業者ならば明細書を読めば明らかとなる本発明の他の利点 を考慮して、発明の一部を形成する添付図を参照しながら本発明の説明を行ｐｓ 、そｔｚには出願人が知る限りにおいて最善の実施態様および本発明の原理の代 表的実施例の説明が含まれる。

図面の説明 第１図は本発明によるモータの略断面図。

第２図は第１図のモータの固定子の略側面図。

第３図は第１ｒＡのモータの回転子の略側面図。

第４図は第１図のモータの電磁コイルへの電圧ノクルスの発生および伝達を制御 する回路の一部を示す略回路図。

第５図は第１図のモータの動作中に発生する波形を示す図。

図中、同し参照文字は異なる図面の対応する部品を示す。

詳細説明 第１図のモータは固定子５のベアリング４（こ搭載された軸２を含む回転子ｌを 具備している。回転子（よ支持円板ＩＡを含み、その上には円板ＩＡの軸方向を 両方向（こ延在して回転子の２つの軸方向に間隔のとられた部分を画定する２つ の円筒部を含む外側円筒本体ＩＢ力（搭載されている。

一方の円筒部には１組の永久磁石７が搭載され他方の円筒部には１組の永久磁石 １０が搭載されている。磁石１０の磁極は磁石７の磁極に対して反転されている 。

固定子の搭載ブラケット６上にはそれぞれ番号３．９で示す２組の電磁石が搭載 されている。３組の電磁石の側面図を図２に示す。３組の電磁石は軸周りに角間 隔をとった位置に配置され電磁石間の間隔は等しくされている。

９組の電磁石も同様に軸周りに等間隔て配置されているが、電磁方間角度の半分 に等しい角度だけ３組の電磁石に対してオフセットされている。３組の電磁石の 数は９組の電磁石の数に等しい。永久磁石７の数はその組の電磁石の数とは奇数 だけ異なる数に等しく、好ましくは永久磁石の数は電磁石の数より一つ少い。

後記するように、−組の電磁石の各々に電圧パルスが印加されて永久磁石と電磁 石の協働および両者の数の違いによる装置の不平衡によって回転子の回転効果を 生しるようにされる。電圧はバス１３を介して３組へ供給されバス１２から９組 へ相対的に供給される。バス１２゜１３は中性バス１４と共に、固定子の一部を 形成し回転子を包囲する円筒壁＋３Ａ上に搭載されている。

各電磁石には複数の回路板１５の各々が付随しており、その詳細を第４図に示す 。

各回路板１５には位置検出センサーが具備され、１個のセンサーは第１図のコイ ル９に対して番号１６に示されもう１個は第１図のコイル３に対して番号１７に 示されている。これらの各位置決め装置は電磁石のコイルへ与えるパルスのタイ ミングを後記するように１ｔｌＪ御できるように永久磁石を位置決めするように 配置されている。

第１図は本発明の主部品の関係を示す代表的断面図である。説明の都合上、電磁 コイル３．９は同し面内に示されているが、実際には全電磁コイルの総数を３６ ０°で除した角度だけ一方の電磁コイルは他方よりも前もしくは後にある。電磁 コイル総数を３６００で除したものより２だけ少い角度だけ一方の永久磁石が他 方よりも前もしくは後にあることを除けば、前記したことは回転子の永久磁石に も当てはまる。

一例において、モータは合計４０個の電磁コイルおよび３８の永久磁石を有し以 後４０／３８モータと呼ぶ。

しかしながら、モータは任意数の電磁コイルおよびそれに比例する数の永久磁石 で構成することがてきる。さまさまな形状、サイズおよび搭載方位の電磁コイル と、さまざまな形状、厚さおよびサイズおよび方位の永久磁石と、さまざまな回 転子形状およびサイズと、前記したようにさまざまな数の回転子／固定子組立体 を使用してさまざまな応用に対するモータを設計することができる。

固定子電磁コイルは回転子層りに等間隔て配置され固定子枠へ締着されている。

４０／３８モータ用電磁コイルは３６０÷４０＝９°の間隔て配置されている。

電磁コイル間隙を介して永久磁石を具備する回転子の周りの各コイル間隙上に２ ０個の電磁コイルが搭載されている。

２０個の各コイルは固定子の一方側（Ａ側）に等間隔（１８°）で配置され他の ２０個の電磁コイルが固定子の他方側（右側）に等間隔て配置されているが、− 左側の電磁コイルの中間に来るように回転されている。各コイルの実際の角度に ついては第２図を参照されたい。以後、電磁コイルはそれが現れる位置の角度で 呼ぶことにする。第１図の固定子を左側から見ると、“Ａ″側の全ての電磁コイ ルは偶数番、すなわち、０．１Ｂ、３６゜５４．７２，９０，１０８，１６２， １８０，１９８゜２１６．２３４，２５２，２７０，２８８，３０６，３２４． ３４２でなければならない。第２図のアイテム１９は電磁コイルの間隙を通る全 永久磁石の軌道を示す。

“Δ”側と“Ｂ”側のコイルを区別するためにこの図面には“Ｂ”側の電磁コイ ルの中心線しか示されていない。

“Ｂ”側の電磁コイルは９，２７，４５．６３，８１゜９９．１１７，１３５， １５３，１７１，１８９，２０７．２２５，２４３，２６１，２７９，２９７， ３１５゜３３３．３５１番である。

モータが吸引モードで作動し“Ａ”側の電磁コイル３に正電圧が供給されて電磁 コイル間隙の外側が磁気的にＮ極となるように接続されると、モータの“Ａ”側 の１９個の永久磁石７は全てＳ極が回転子中心から背くような極性とされる。永 久磁石の間隔は全て３８０°／３８とされている。回転子の′Ｂ”側の電磁コイ ルには負電圧が供給され全ての電磁コイルはその外側間隙がＳ極となるように接 続されモータの“Ｂ”側の１９個の永久磁石は全てＮ極がモータの中心から背く ような極性とされる。

第３図に回転子に搭載された全ての“Ａ”側永久磁石を示す。“Ｂ”側永久磁石 の位置は中心線位置によってのみ識別される。

次に第４図に関して、第１図の符号３に示す左側の一組のコイルは第４図の左側 にコイル０，１８〜３４２として示されている。コイル９．２７〜３５１として 示す右側のコイルは第１図の符号９に示す右側の一組のコイルと同等である。左 側の各コイルはバス１３および中性帰線１４に接続され右側の各コイルはバス１ ２および中性帰線１４に接続されている。各バスからの電圧パルスの通信はスイ ッチを介して制御される。したがって、コイル０に対するスイッチはＳＷＩで示 され、コイル１８に対するスイッチはＳＷ５で示され、コイル３４２に対するス イッチはＳＷ９で示され、コイル９に対するスイッチはＳＷ４て示され、コイル ２７に対するスイッチはＳＷ８て示され、コイル３５１に対するスイッチは５Ｗ Ｉ２で示される。各スイッチは所望により各スイッチＳＷＩ。

ＳＷ５．ＳＷ９．ＳＷ４．ＳＷ８，５Ｗ１２等を制御する信号で発生するマイク ロプロセッサＭの制御下でゲートされる。マイクロプロセッサは“位置信号１／ Ｆ”に示す各位置センサー１６．１７から入力信号を受信する。

さらに、マイクロプロセッサは手動もしくは“速度基準１／Ｆ”に示す独立起動 によりモータの速度を制御する入力制御信号を受信する。

モータか吸引モードで作動しておれば、回転子は第２図に関して時計方向に回転 する。マイクロプロセッサはスイッチを制御して各電磁コイルに対して９°ごと に電力パルスか得られるようにされている。したがって、コイル０に対する位置 検出器によりマイクロプロセッサＭを介してスイッチＳＷＩをゲートすることが できる。グーｌ−イネーブル時間は所与の速度に対して回転子を９゜移動させる のに要する時間よりも短くなければならない。

ＳＷＩの点火期間は速度条件により決定される。

第５図にコイル０および９の１サイクルに対する波形を示す。したがって、コイ ル０の位置検出器およびコイル９の位置検出器とそこからの信号が示されている 。マイクロプロセッサはスイッチＳＷＩおよびＳＷ４を制御してそれぞれコイル ０およびコイル９へ供給される電圧パルスを発生するように作動する。

スイッチＳＷＩが遮断されると、コイル０の磁界が崩壊して電磁力すなわち負パ ルスを発生する。これは、第５図にコイル０からの逆起電力として示されている 。次に、逆起電力を検出するマイクロプロセッサによりスイッチＳＷ２が起動さ れ負電圧パルスからの電流がＳＷ２を介してコイル９へ通される。コイル９は負 電圧パルスを必要とするため、この負電圧はスイッチＳＷ４の電流として示すよ うにＳＷ４により制御されるバス１２からのパルスへ加えられ、次にこのパルス はコイル９へ通すれて必要な負パルスがその内に発生される。

同様に第５図の頂部に示すように、コイル３５１がらの逆起電力はスイッチ１１ を介してコイル０へ通さしＳＷｌを介して発生されるパルスへ加えられる。

対称的に、コイル１８はスイッチＳＷ６と協働し、コイル３４２はスイッチｓｗ ｔｏと協働しコイル２７はスイッチＳＷ７と協働して次の隣接コイルへ逆起電力 を通す。

第４図に示すスイッチはＳＣＲ、トライアック、トランジスタ等の市販の高出力 固体スイッチング装置である。

スイッチを含む回路はスイッチ回路と共に回路板１５上に配置され次の隣接コイ ルからのパルスおよびバスからのパルスを付加することにより得られるエネルギ パルスの整形を行って所望のモータ動作特性を得るコンデンサおよび／もしくは インダクタ構成を含むことかできる。

モータ速度はマイクロプロセッサの制御下でパルスの形状および長さにより制御 される。パルスの極性はシステムの配線を反転させて変えることかでき、モータ は吸引もしくは反発モートで作動することができ電磁石の極性は反転して吸引も しくは反発モートにおいて永久磁石と協働することができる。

回路を修正して電源バッテリを充電するかもしくは発生した電気エネルギを抵抗 負荷へ捨てることによりダイナミンク制動を行うようにすることかできる。これ はマイクロプロセッサによりダイナミック制動に必要な電圧パルスを発生するよ うに制御される。

実質的に前記モータは必要な出力電圧が得られる中央タップ２次変圧器を設けて 標準商業交流電力により作動することができる。

ここに記載する回転子／固定子組立体は１本の共通軸上に搭載することができ、 この構成は別々の軸を設けて分割しさらに電磁コイル搭載空間を利用できるよう にして小径モータとすることもできる。さらにコイルと永久磁石の組合せを設け て１次電源および逆起電力からの同様な電圧パルスに伝達構成によりさらにパワ ーを発生することかできる。

前記したように本発明によるモータは次の利点を有している。

Ｉ、　消勢された電磁コイルからの逆起電力が最大限に利用される。自己ベース 回路により駆動されて飽和する固体スイッチ両端間の小さな電圧降下によっての み僅かな電力が消費される。

２、　崩壊する磁界が同じ巻線およびもう一組の固体回路を使用して崩壊する磁 界からのエネルギを次に駆動されるｒＬ電磁コイル反転損性）へ導くため、逆起 電力の収集は極めて効率的に行われる。独立コイルを使用した発明もあるがこの 種の構成では磁気回路の効率が低下する。

３、　回転子内の永久磁石は整流子を必要とせず摩擦損失や回転子導体内のＩＲ 損が無い。

４、　全ての電磁コイルは同じ駆動方向に作動し逆起電力は残留磁気が既に所望 極性となっている反転極性電磁コイルへ切り替えられ、したがって電磁コイルコ アの磁性材の極性反転によるエネルギ消費がない。

５、　任意の１個もしくは数個の被駆動コイルや固体回路か故障してもモータは 故障ぜず出力が低下するにすぎない。

６、　本発明による電磁コイル電気駆動回路の隣接交番シーケンスにより導体長 が非常に短くなり磁気ピックアップおよび導体］Ｒ損が最少限に抑えられる。

７、　モータは吸引もしくは反発モートで作動することができ双方向とされる。

８、　モータを発電機として作動させかつバッテリを充電するかもしくは抵抗負 荷へエネルギを導くことによりダイナミック制動を可能とする回路を設けること かできる。

９、　広範な応用の条件を満すように容易に設計変更することができる。可調整 パラメータには回転子径、永久磁石および電磁コイルサイズ、永久磁石および電 磁コイル方位、および同軸上の回転子／固定子組立体数か含まれる。

１０、駆動パルス長の制御による速度制御。

１１、同しおよび反対の二重電圧源によりＮＰＮおよびＰＮＰ　ｌ＝ランジスタ 等の固体デバイスを整合させる必要か無くなり、全体的に同しデバイスを使用す ることができる。

＋２．　Ｋ磁石および永久磁石磁界間の相互作用角が適切であるためモータは高 出力トルクとすることかできる。

１３、固定スイッチングデバイスを自己バイアスして逆起電力の人力インピーダ ンスが磁界が崩壊する電磁コイルの出力インピーダンスと同じになるようにする （全電磁コイルが同し構造）ことにより、崩壊磁界により発生する高い逆ピーク 電圧の問題が最少限に抑えられる。

１４、出力インピーダンスが入力インピーダンスに等しいため逆起電力の最大エ ネルギ転送か行われる。

特許請求の精神および範囲内でそこから逸脱することなく前記発明をさまざまな 修正することができ、かつ明らかに相当具なる実施例が考えられるため、明細書 に含まれる事柄は全て説明用であって制約的意味合いを有するものではない。

浄書（内容に変更なし） モータの部分断面図 △側固定子側面図 へ１則回転イ１則面図 ＦＩＧ、　３ 代表的波形 ＦＩＧ、　５ 手続補正書（酸） Ｌ事件の表示 ２、発明の名称 逆起電力を利用した直流電動機 ナピルネイ、ビータ−、マイクル ４、−代理人 ５−、＊ｌｆｌ正命令の８４寸 ６−補正により増加する請求項の数 ７、補正の対象 明細書、請求の範囲及び要約前翻訳文 明細書、請求の範囲及び要約前翻訳文の浄書（内容に変更なし）牛Ｕｎ乍ｒ７’ １３芝宮殿 １、＊件の表示 ２　発明の名称 逆起電力をｆｌ＋川した直流電動機 ３、補正をする者 事＋１との関係　特許出願人 氏名（名称）　ナヒルネイ、ビータ−、マイクル５　補正命令の日ＩＪ　平成６ 年７月２６０ｆｉ、！＋＠＋Ｉにより増！！１する請求項の数７　補正の対象 図面のｇ！ＩＩＲ文 代理ｔＷを証明する書面 国際調査報告　ｏｒｖｚｒｉ　Ｑｌ／ｎｎりｏｎ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．固定子と、固定子軸周りに回転するように搭載された回転子と、軸周りの等 角間隔位置で固定子上に搭載された第１組の電磁石と、軸周りの等角間隔位置で 回転子上に搭載され回転子の回転により第１組の各電磁石と順次協働する位置へ 通されるように配置されその数は第１組の電磁石とは奇数だけ異っている第１組 の永久磁石と、電磁石へパルス電圧を供給して回転子を軸周りに回転させる力を 永久磁石に与える手段と、軸周りの等角間隔位置で固定子上に搭載されている第 ２組の電磁石と、軸周りの等角間隔位置で回転子上に搭載され回転子の回転によ り第２組の各電磁石との協働位置へ順次通されるように配置されその数は第２組 の電磁石とは奇数だけ異っている第２組の永久磁石と、各電磁石へパルス電圧を 供給して回転子を軸周りに回転させる力を永久磁石へ与える手段を具備し第２組 は第１組とは間隔をとって配置されていて第１および第２組の永久磁石はそれぞ れ第１および第２組の電磁石だけと協働し、第１組の永久磁石の磁極は第２組の 永久磁石の磁極とは逆とされて同方向へ回転するようにされており、前記第１組 の電磁石へ印加される電圧は第２組の電磁石へ印加される電圧とは反対極性とさ れ、第１組の電磁石の数は第２組の永久磁石の数に等しく、第１組の電磁石は第 ２組の電磁石から角方向にオフセットされており、さらに一方の組の各電磁石の 崩壊磁界により発生する電流を他方の組の各電磁石へ通して他方の組の各電磁石 に前記パルス電圧を発生する手段を具備するモータ。
2. ２．請求項１記載のモータにおいて、第１組の永久磁石の数は第１組の電磁石よ りも１だけ少いモータ。
3. ３．請求項１記載のモータにおいて、第１および第２組は軸方向に間隔がとられ ているモータ。
4. ４．請求項１記載のモータにおいて、前記電圧パルスを制御して前記エネルギの 伝達を制御するマイクロプロセッサ制御スイッチ手段を含むモータ。
5. ５．請求項４記載のモータにおいて、スイッチ手段は固体であるモータ。
6. ６．請求項１記載のモータにおいて、第１組に対する電圧パルスは直流電圧から 発生され第２組に対する電圧パルスは反対極性の同じ直流電圧から発生されるモ ータ。
7. ７．請求項１記載のモータにおいて、前記伝達手段は各電磁石から角方向でその 次に隣接するもう一組の電磁石へ前記エネルギを伝達するように配置されている モータ。
8. ８．請求項１記載のモータにおいて、電圧パルスの長さを調整する手段を含むモ ータ。
9. ９．請求項１記載のモータにおいて、前記供給手段は前記電磁石へ電圧を印加す るように構成されており、この電圧は正電圧から負電圧へ調整して永久磁石と電 磁石間の協働を反発モードと吸引モード間で変えることができるモータ。
10. １０．請求項１記載のモータにおいて、永久磁石と電磁石間の相対位置を検出し て電圧パルスのタイミングをとる位置決め手段を含むモータ。
11. １１．請求項１０記載のモータにおいて、位置決め手段はホール効果装置を含む モータ。
12. １２．請求項１０記載のモータにおいて、位置決め手段はホトセルを含むモータ 。
13. １３．請求項１記載のモータにおいて、前記供給手段はパルス整形手段を含むモ ータ。