【発明の詳細な説明】
動力及び電力を発生するための回転装置の磁気回路技術分野
本発明は、回転システムの中の磁気回路に関する。より詳しくは、本発明は、
電気的エネルギーを磁気的エネルギーに変換することにより機械的な回転運動を
得ると同時に、一つの磁気回路に加えられた4つの磁束を延期的エネルギー及び
磁気的エネルギーに変換することにより必要とされる電気的機械的エネルギーを
得る回転システム内の磁気回路に関する。なお、4つの磁束とは、動力生成用の
電機子の中の磁束循環用の誘導電磁石から生成された磁束、電力生成用の電機子
の中の磁束循環用の誘導電磁石から生成された磁束、動力生成用の電機子から生
成された磁束、及び界磁石から生成された磁束をいう。技術背景
回転装置は、3つのタイプに分類できる。電気エネルギーを用いて回転力を生
成するモーター、動力を用いて電力を生成する発電器、そして、発電器とモータ
ーとを機械的又は電気的に接続して得られた発電動機(dynamotor)である。
上記回転装置では、多くの場合、単に入力に対する出
力の効率を最大限とすることを目的として装置の構造が改良されている。このよ
うな努力は、リップル現象を排除したということ以外に多くの結果を生んでいな
い。
最大限の効率を得るための努力は常になされてきた。その一つに、本願発明者
による特許(韓国特許90−382号、動力及び電力生成用の回転子の磁気回路
及び電磁誘導の方法)がある。図1に示すように、その発明は、磁場の反発力及
び吸引力により回転する回転界磁石2、回転界磁石の回転をサポートする複数の
コイルが巻かれたスロットから形成された動力生成電機子3、伝導体からなり、
回転界磁石2が回転したときに発生する磁束を受けるように設計された、コイル
が巻かれた電力生成電機子4、回転界磁石2の回転位相にしたがい磁束を制御す
る磁束循環用誘導電磁石5、及び誘導電磁石に誘導された磁束を循環させるため
のサーキュレーションコンダクターを含む磁束循環用誘導手段6から構成されて
いる。したがって、動力生成用電機子及び磁束循環用誘導電磁石の中の電力入力
ライン(p1−p18)に電源が接続された場合には、回転界磁石2の回転力が
生じる。同時に、電力生成用電機子4の中の磁束循環用誘導電磁石5及び動力生
成用電機子の中の磁束循環用誘導電磁石5に誘導された磁束の一部は、回転界磁
石2の回転力を得るために使用される。残りの磁束の一部、動力生成用電機子の
磁極片の反対側で発生した磁束は、最初に、動力生成用電機子の中の誘導磁束循
環用導電磁石5及びサーキ
ュレーションコンダクター(ヨーク)6の中を流れ、次に、電力生成用電機子の
中の磁束循環用誘導電磁石5の中を流れ、そして最後に回転界磁石の運動による
磁束と重ね合わせられ、起電力を生成する。結局、戻ってくるエネルギー量は、
起電力によって生じたエネルギーロスの後に残ったエネルギーの総和に等しい。
ここで、エネルギーリターンと呼ぶのは、ロスのあった後の起電力におけるエネ
ルギーの総和を入力電力の一部として利用するからである。
しかしながら、上記回転システムは、電力生成用電機子にコイルが集中的に巻
かれているために、システムに負荷がかかった場合の発熱量が多い。また、回転
界磁石の断面からの磁束を効率的に利用できない。さらに、機械動力発生用電機
子の断片的な制御によって均一なトルクを得ることができなかった。電力発生用
電機子及び機械電力発生用の磁束循環誘導電磁石の同一面積当たり集中的に巻か
れている面積が縦方向に増大する一方、界磁石の断面は小さくなるので、界磁束
を増大しない。
さらに、モータの中では、速度が増すと、逆起電力が大きくなり、入力電力を
退ける。これにより、動力生成用電機子のコイルに流入する電流が減る。よって
、速度が増すにつれて、トルクが小さくなる。発明の開示
本発明は、上記問題を解決しようとするもので、5つ
の目的を持っている。
第1の目的は、複数の電力生成用電機子を回転界磁石の断面積に対応させる用
にシステムを構成することにより、高い効率の起電力を供給する回転システム用
の磁気回路を提供することである。したがって、このシステムは、回転界磁石の
磁束を効率的に複数の電力生成用電機子に誘導する。
本発明の第2の目的は、動力生成用電機子の中の単一の磁極片を複数に分割す
ることにより均一なトルクを提供する回転システム用の磁気回路を提供すること
である。
第3の目的は、界磁石の磁束の総和を最大限とすることにより高効率の回転シ
ステム用の磁気回路を提供することである。このことは、電力生成用電機子及び
動力生成用電機子の中に磁束循環を誘導する電磁石を適切に、非常にバランスが
とれた領域に、分割するとともに、同時にその電磁石におけるコイルを巻く領域
を最適化することにより達成することができる。
エアーギャップで分離した状態で電力発生用電機子の磁束循環誘導電磁石及び
機械動力発生用電機子の磁束循環誘導電磁石を一緒にそして個別に巻き、回転界
磁石の回転位相にしたがい磁束循環誘導電磁石に電力を供給することで、磁束の
一つは起電力を発生し、残りの磁束は、回転力を生じる。
第5の目的は、回転速度の増大により生じる逆起電力の増大によらず、トルク
を維持又は増大させる回転シス
テム用の磁気回路を提供することである。電力生成用電機子で発生した逆起電力
により生じる電気的負荷により、電力生成用電機子の磁極片の極性が動力生成用
電機子の磁極片の極性と同じものに変化する。これにより、回転速度の増加によ
り生じた逆起電力の増加に拘わらず、機械的な力が増大する。
本発明によれば、以下の手段が提供される。すなわち、軸に固定され磁場内の
反発力及び吸引力により回転する回転手段と、円形状の固定子の中に設けられた
複数の突出部又はスロットからなり、入力電力が供給されたときに、回転界磁石
の回転運動を起こすための磁力を生成する機械動力生成手段と、前記円形状の固
定子の中側に形成され、前記機械動力生成手段と交互に配置され、前記回転界磁
石及び機械動力生成用電機子から磁束を受けることにより電力を生成する電力生
成手段である。
また、回転界磁石の回転位相にしたがい磁束の流れを制御するために、動力及
び電力生成用回転システムの磁気回路が提供されている。この磁気回路では、動
力生成用部分及び電力生成用部分は、エアーギャップで隔離された共通の又は個
別のコイルを巻かれている磁束循環用誘導手段を提供している。さらに、磁束循
環用誘導手段から及び電力生成用手段からの磁束を循環させるためのサーキュレ
ーションコンダクター(ヨーク)が提供されている。
さらに本実施形態では、以下の手段が提供されている。
すなわち、軸に固定され磁場内の反発力及び吸引力により回転する回転手段と、
円形状の固定子の中に設けられた複数の突出部又はスロットからなり、入力電力
が供給されたときに、回転運動を増大させるために回転界磁石に磁力を生成する
機械動力生成手段と、前記円形状の固定子の中側に形成され、前記機械動力生成
手段と交互に配置され、前記回転界磁石及び機械動力生成用電機子及び磁束循環
誘導用電磁石から磁束を受けることにより電力を生成する電力生成手段とである
。
変換手段もまた、電力生成用電機子手段で生じる起電力が、システムに負荷が
かけられたときに、電力生成用電機子の磁極片の極性を変化させることにより、
動力のトルクを増大させる手段である。
回転界磁石の回転位相にしたがい磁束を制御するために、電力生成用の回転シ
ステムにおける磁気回路は、磁束循環用の誘導手段を提供する。この誘導手段は
、動力生成用の部分が電力生成用の部分に、エアーギャップで離隔された状態で
、共通の又は個々のワインディングが巻かれている。また、電力生成用の手段及
び磁束循環用の誘導手段からの磁束を循環させるためのサーキュレーションコン
ダクター(ヨーク)も提供される。図面の簡単な説明
図1は、動力及び電力を生成するための従来の回転システムの磁気回路を示す
図である。
図2A及び図2Bは、本発明の実施形態である電力及び動力を生成するための
回転システムの磁気回路を示す図である。
図2Aは、逆Y型の動力用電機子の実施形態を示す図である。
図2Bは、I型の動力用電機子の実施形態を示す図である。
図3A及び図3Bは、本発明による実施形態である動力及び電力を生成するた
めの回転システムの動作を示す図である。
図4A及び図4Bは、本発明による実施形態である動力及び電力を生成するた
めの回転システムの磁気回路の磁束の流れを示す図である。
図5は、本発明による実施形態である動力及び電力を生成するための回転シス
テムで用いられるスイッチング回路の図である。
図6A及び図6Bは、本発明による他の実施形態である動力及び電力を生成す
るための回転システムの磁気回路を示す図であって、H型電機子を示す図と、逆
Y型の組み合わせである動力生成用電機子を示す図である。
図7A及び7Bは、電力生成用電機子の磁極片に動力が生成された場合の変換
構造の磁気界と及び磁束の流れを示す図である。発明の実施形態
図2A及び図2Bは、本発明による、動力及び電力を生成するための回転装置
における磁気回路を示している。
図2Aに示されるように、軸21には、回転界磁石22が固定されている。ま
た、環状固定子23は、電磁石27を備えている。電磁石27は、I型及び逆Y
型のコア(磁気回路)の足部に磁束循環を生成するためのものである。環状固定
子は、サーキュレーションコンダクター(ヨーク)と組み合わされて磁気回路を
形成している。この磁気回路は、3つの部分からなる。第1の部分は、逆Y型磁
気回路である。これは、その足部の隣の電力生成用電機子の磁束循環生成用電磁
石の一部とともにコイルを巻かれて、動力生成用電機子として作用する。第2の
部分は、M型磁気回路の突出部であり、この突出部は、エアギャップによる間隔
をおいて、逆Y型の磁束循環用電磁石の隣にある。これは、コイルを巻かれてい
ること並びに回転界磁石22からの磁束及び電力生成用電機子の中の磁束循環誘
導用電磁石からの磁束を受ける役割を果たすことから、電力生成用電機子として
作用する。最後の部分は、磁束循環誘導用電磁石27である。これは、逆Y型コ
アとともにコイルを巻かれており、磁束の流れを誘導する。磁気回路を形成する
ために、電力生成用電機子の磁束循環誘導用電磁石27及びサーキュレーション
コンダクター(ヨーク)の間にエアーギャップが設けられている。
図2Bは、逆Y型の代わりにI型の突出部を有する点
で図2Aと異なっている。他の点では相違がないので、図2Bについての説明を
省略する。
次に、図3A及び3Bを用いて、回転界磁石22の回転運動のための磁気回路
の磁極変化について説明する。なお、便宜上、2極単相の場合について説明する
。
図3Aに示されているように回転界磁石22のN極とS極が垂直線上にある場
合には、後述する図4に示されるようなスイッチング電力が供給される。スイッ
チング電力の供給は、軸21に装着された回転界磁石の位相検出センサー(不図
示)により検出される回転界磁石の位相にしたがってなされる。このようなスイ
ッチング電力は、コイルのインプットライン(pi)に、逆Y型の動力発生用電
機子24BにN極を発生させ、逆Y型の動力発生用電機子24AにS極を発生さ
せる。ここで、電機子24Bは、時計回りに回転する回転界磁石22のN極の前
側に位置するものをいう。また、電機子24Aは、回転界磁石22のS極の位置
にあるものをいう。
また、スイッチング電力は、逆Y型の動力生成用電機子24Cの磁極片にN極
を、逆Y型の動力生成用電機子24Dの磁極片にS極を発生させる。電気子24
Cは、0°線より15°下の位置にあるものをいい、電機子24Dは、180°
線より15°上の位置にあるものをいう。これにより、初期回転力を得ることが
できる。
図3Bに示されるように、初期回転力を得た回転界磁石22は、軸に取り付け
た(不図示の)位相検出センサ
ーにより検出した位相にしたがいスイッチング電力を制御するように動力生成用
電機子に電力を再び供給することにより一定の回転力を得ることができる。図2
Bに示した、動力生成用電機子の構造がI型の突出部であるものにも、同じ説明
が適用できるので、I型についての説明は省略する。
磁気回路の磁束流れの図(図4A及び図4B)は、電力が供給されたときに、
動力生成用電機子(24E)から生じる磁束を示すものである。電源を印加した
動力発生用電機子24Eで発生した磁束は、回転界磁石22についてスイッチン
グ回路からコイルに電源が印加された他方の動力発生用電機子24Fに誘導され
、サーキュレーションコンダクター(ヨーク)26について磁気回路を形成する
。
動力生成用電機子24Eの足27Bと電力生成用電機子30の磁束循環誘導用
電磁石27Aとに共通に巻かれているコイルに電力を供給すると、起電力を発生
する磁束が形成される。
他方、磁束は、動力を生じさせる回転からも生じる。磁束循環生成用電磁石2
7とサーキュレーションコンダクター(ヨーク)26との間には、磁気回路を形
成するためにエアーギャップが形成されている。
逆Y型またはI型の動力生成用電機子24Eの足27Bと電力生成用電機子2
5に磁束循環を誘導するための電磁石27Aとに共通に巻かれたコイルに電力を
供給す
ると、求める磁束が形成される。この磁束の一部は回転力を得るのに使用され、
残りは電力を発生するのに使用される。電力生成用電機子に巻かれたコイルから
磁束を遮断することで、起電力が得られる。回転界磁石22からの磁束も、電力
生成用電機子25からの磁束と組合わさりかつ重なり合うので、起電力が増大す
る。
図5は、本発明による、ローテーターにスイッチング電力を供給するスイッチ
ング電力供給回路の一例を示す図である。
図5に見られるように、回路は、回転界磁石の位相の90°毎に極性を変える
。このスイッチングのために、回転界磁石の位相を検出する回転界磁石位相検出
器50が使用されている。リゾルバやエンコーダー等の種々の方法で実現するこ
とができるが、本発明において、回転界磁石位相検出器は、フォトダイオード5
1、フォトトランジスター52、フォトトランジスター52の出力に電気的に接
続されたコンパレーター54、及び、フォトダイオード51とフォトトランジス
ター52との間において回転界磁石22の軸に取り付けられ、回転界磁石の回転
角を検出する位相検出板53A、53Bを備える。
回転界磁石位相検出器50は、スイッチング電源装置回路60に複数のインバ
ーター(54、55、56、57)を介して接続されている。この方法によれば
、スイッチング電源装置60からの異なる2つの出力をモーターに供給できる。
スイッチング電源装置回路60は、回転ユニット80に電力を供給するための
第1、第2、第3及び第4のスイッチング部(61、62、63、64)を備え
る。各スイッチング部は、同一の構成を有するので、以下には、第1スイッチン
グ部61についてのみ説明する。第1スイッチング部は、ダリントン・トランジ
スター(darlington transistor)Q61、Q62、分圧抵抗器R61、R62
及びスイッチング逆電圧防止用のダイオードD61、D62を有する。第1スイ
ッチング部61のトランジスターQ61、Q62と第2スイッチング部62のト
ランジスターQ67、Q68とは、同じ時間に作動される。同じように、第3ス
イッチング部63のトランジスターQ63、Q64と第4スイッチング部64の
トランジスターQ65、Q66も同時に作動される。この結果、回転ユニット8
0は、90°の位相を有するスイッチングパルス電圧を供給される。このように
、スイッチング電源装置ユニット60は、90°毎に回転界磁石22の位相が変
化するときはいつも、動力生成用電機子24のコイルと電力生成用電機子26の
コイルに供給する電流の方向を変える。前述した回転界磁石位相検出器50のコ
ンパレーターCPは、反転入力端子(−)に供給されるレファレンス電圧Vref
と非反転入力端子(+)に供給されるフォトトランジスター52の出力電圧とを
比較する。
フォトトランジスター52の出力は、位相検出板53
A、53Bから位相角を検出したことにより、フォトダイオードの光が伝わった
ときに発生する。結果として、上述のスイッチング電源装置ユニットの出力は、
その極性を交互に変えながら、回転ユニット80内のコイルの入力ラインpaに
供給される。
図6A及び図6Bは、本発明による、電力と動力とを発生する回転システムの
他の実施形態を示す磁気回路図である。図6Aに示されるように、本実施形態と
前述した実施形態との構造的な違いは、動力生成用電機子74A、74Bの構造
の変更にある。この変更には、例えばS極からN極に、N極からN極に及びS極
からS極に極性が変化した場合に、動力生成用電機子及び電力生成用電機子に磁
束を誘導するために、また、回転界磁石を円滑に回転させるために2組またはそ
れ以上の逆Y型を結合したことがある。また、トルクを増大させるために、コイ
ルは、動力生成用電機子74A、74Bの首部に巻かれている。必要な場合には
、電機子上の装置を加えることができる。
図6Bは、動力生成用電機子75A、75Bの構造がH型である点で図6Aと
相違する。H型の動力生成用電機子75A、75Bは、中心に沿ったエアーギャ
ップを有することであってもよい。すなわち、一組のF型の電機子を形成し、動
力を発生させるために使用することであってもよい。上記を除いて、本実施形態
の構造と動作は、前述の実施形態と同じである。図6A及び図6Bの
動作原理もまた図3A及び図3Bと同じである。動作原理がおおよそ同じであり
、また、当業者に自明であるので、動作の説明を省略する。
図7Aには、以下のことが示されている。すなわち、動力生成用電機子74の
首部71及び磁束循環生成用電磁石72の足部72にN極を誘導することにより
、動力生成用電機子74の磁極片75にN極が誘導された場合には、電力生成用
電機子の中の磁極片に機械的な回転力によっては影響されない小さなS極が誘導
される。
図7Bは、以下のことを示している。すなわち、本発明では、磁束循項生成用
電磁石により誘導された磁束及び回転界磁石の回転により誘導された磁束が、電
力生成用電機子に巻かれたコイルに相互に結合されると起電力が発生する。この
起電力が電気的な負荷に接続されると、電力生成用電機子における磁極片の極性
は、起電力及び負荷の程度にしたがい、小さいS(Sa)極からN(Nb)極に
変化する。これが、回転界磁界が高速で回転する場合にも、トルクが維持又は増
大させる現象をもたらす。
この現象は、モータのトルクと回転数の関係を示す式、Eb=Ia・Ra+Ec、
を使って説明することができる。ここで、Ebは入力電力、Iaは入力電力、Ra
はコイル抵抗、そしてEcは逆起電力である。
従来の技術では、回転数が増加すると、逆起電力Ecが増加したが、入力電流
Iaが逆に小さくなっていた。
この結果、機械的なトルクが減少する。しかし、本発明では、システムに負荷が
かかっている場合には、電力生成用電機子における磁極片の極性(Nb)が変化
し、回転界磁界の回転が増大しても、トルクを維持又は増大させる。
以上説明したように、動力と電力とを発生させるための回転システムの磁気回
路は、駆動回路からのスイッチング電力により、動力生成用電機子と電力生成用
電機子に磁束を発生させる。これらの磁束は、回転界磁石の回転力を増大させる
。同時に、磁束循環生成用電磁石及び回転界磁石からの磁束が電力生成用電機子
を通って流れるときに、電力生成用電機子が磁束の流れを横切ることから起電力
が発生する。したがって、このプロセスにより、起電力は、回転システム内の電
力消費の一部として使用され、外部電力の消費の節約効果が得られる。
本発明による回転システムは、2極単相型を例に説明したが、同じ説明を2極
3相又は多極多層の場合にも適用することができる
回転界磁石及び固定子電機子の概念を用いているが、同じ説明は、回転電機子
及び固定子界磁石についても適用できる。
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(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
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MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,R
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