JPS58500584A - 円盤型ブラシレスｄｃモ−タあるいは発電機 - 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】 円盤型ブラシレスＤＣモータあるいは発電機技術分野 本発明は、モータあるいは発電機のような２個の相対回転し得る要素（すなわち ステータおよびロータ）を有する偏平なく円盤型の）ブラシレスＤＣモータ器に 関し、特にステータおよびロータのいずれか１つの要素は時計方向あるいは反時 計方向に電流が各々交互に流される１つおきに並ばれた２組の平板状のコイルを 有し、（モータの場合）これら２組のコイル１．１交互に励磁して、少なくとも １つの永久磁石の他の要素に対して略一定の正の単一方向のトルクが得られる。

また永久磁石あるいは複数の永久磁石は整列したコイル群に対して非対称形に配 列され、面するコイルに対して同じ磁界あるいは磁極を有している。叙事の記述 においては、便宜上、永久磁石からなるロータを有するＤＣモータを説明するが 、本発明はこれのみに限定されるものではない。

背　景　技　術 種々のＤＣブラシレスモータが提案されている。これらのＤＣモータは、通常あ まり好ましくないトルクの変動を有して０る。またロータがある位置にくると、 平衡（死点）が生じてトルクが生じない。それゆえ補助始動手段が必要となる。

更に、（２） これらのモータは所望の組のコイルを励磁するために多数のコイル給電スイッチ 回路を必要とし、また所望の組のコイルに電流を送るために、磁石とコイルとの 相対位置を検知する多数の検出装置も必要としている。この結果、これらのモー タは設計が複雑で、重鎖が重く、価格がかなり高い。

ミツ、ウズカ氏の米国特許第４２１７５０８号に記載されたＤＣモータは、先の ＤＣモータの価格に対する不利益を解決し、変動が少なくまた死点を除去したト ルクを創出するために意図した先行技術である。これも含めて全ての従来のブラ シレスＤＣモータは、各コイルが近接のコイルに流れる電流方向と反対の方向に 流れる電流を有している。この結果、励磁コイルによる磁界は永久磁石に面する 面に各々北極と南極とを有し、また永久磁石もコイルに面する面に各々北極と南 極とを有しているこの型のＤＣモータは、ビデオテープレコーダ、ビデオデスク プレイヤ、オーデオテープレコーダ等の低馬力、定駆動の応用例において有用で ある。特に、これらのモータが高効率で約１〜２馬力より大きい馬力で操作され た時に、永久磁石の消磁が起こるであろう。この消磁は、使用中の熱の影響ある いは磁石の機械振動によって起るだけでなく、コイルによる磁界によっても生ず る。例えば、始動時あるいは高負荷時においてコイルに供給される電流が大きい と、コイルによって生ずる磁界は永久磁石の磁界と反対になってこの磁石を消磁 させる傾向となる。あるいはいくぶん励磁される場合もある。はとんどの従来の モータにおいて、コイルの電流は、少なくともある期間、こ（３） の消磁動作を行なう方向にあり、このような操作時間が増大すると、消磁が生ず るトルクの度合には悪影響を及ぼす。

また、ウズカ氏のモータの他の欠点は、巻かれているコイル上にトロイダル状の ステータコアが用いられていることである。

この配列は、コイルと磁石との間に空隙を有する特定の寸法のモータに使用し得 るコイルの巻数を制限してしまう。トロイダルコアの使用は、同じ回転力を得る のに大きなケースと重も）モータの原因となり、またうず電流およびヒステリシ スロスとなる不利益も有している。これらの損失はモータ内に熱を生じて出力、 効率を制限し、モータの寿命も早めてしまう。

それゆえ本発明の目的は、従来のＤＣモータの問題を解決した安価で軽量な改良 されたＤＣ電気機器を提供することである。

また、別の目的は、消磁問題をなくした励磁コイルの磁界の影響なしに略一定ト ルクの単一方向の正速度を得るＤＣ電気機器を提供することである。

さらに目゛的は、高速動作に好適な、減少した巻線間の摩擦ロス、減少したヒス テリシス特性およびうず電流による熱を制限したブラシレス、コアレスＤＣモー タ器を提供することである。

発　明　の　開　示 本発明によれば、ブラシレス好ましくはコアレスＤＣモータあるいは発電機は、 ステータ要素に対して軸に回転自在に取イ寸けられる円盤型のロータ要素を備え ている。これらの要素の１つは磁石すなわち先端と基部とを有する略三角形の永 久磁石を円状に配列されたものである。他の要素は最初の要素に対して平行に同 軸状に配列され、少なくとも２組の交互に配列されたコイル群であり、各コイル 群に、これらコイルが配列される面と同じ方向に電流を流して永久磁石の磁界と 同じ方向に全て同極の磁界を発生させる。１組のコイル内の電流は他の組のコイ ルに電流が遮断されたと同時に供給され、この結果電流が２組のコイルに交互に 供給される。この配列によって第１、第２のモータ要素は、モータ軸に加えられ る正の単一方向の略一定トルクの特性の相互回転を生じさせる。

本発明の好ましい実施例においては、軸に取付けられたロータが８個の永久磁石 を備え、各永久磁石が回転方向に対して歪んだ形状すなわちロータの軸方向に対 して直角に延びた先端と軸方向に延びた基部とを有する三角形状である。またス テータは１組８個のコイルが交互に配列された１６個のコイルを備え、各コイル は先端が軸方向に向いた［パイを１６分割した形状」であり、またステータの面 と同じ方向に電流が流れるように巻かれて、三角形状の永久磁石の先端が１組の コイルの中央に略一致し、この組のコイルが全て励磁されて永久磁石の磁界と同 じ軸方向に延びた同じ極性の磁界を生じた時に永久磁石に生ずる引力がロータと 軸とにトルクを送出する結果となる。その後日−タすなわち永久磁石は２２．５ 度（３６０度をコイル数で除算した角度）の角度まで動いて、先端が次の組のコ イルの略中央に一致する。この時、この励磁されていないコイル群が励磁され、 励磁されていた最初の組のコイルが消磁される。この（５） 結果ロータが回転し続け、略一定の正の単一方向のトルクが軸で続行される。以 上のサイクルが繰り返されてロータは同一方向に回転し続ける。

本発明によるＤＣモータあるいは発電機は、軽量安価コンパクトで、滑かで略一 定の単一トルクを生じ、高速度回転（約１Ｑ、　ｏｏｏｒｐｉｔ　）時において も低発生熱および長寿命であり、１〜２馬力を送出中に７５〜８５％の＾効率を 有している。更にロータとステータの形状および全てのコイルに逆の磁界を生じ させないことから、永久磁石の消磁問題も避けられる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明による第１実施例のＤＣモータの断面図であり、第２図のＩ−Ｉ 線断面図、 第２図は第１図のＩＩ−ＩＩ線断面図で、モータ軸の軸に直交する面に配置され るステータと２組の交互に整列したコイル群を示す図、 第３図は第１図の■−■線断面図で、回転円盤および永久磁石を示す図、 第４〜７図は異なる相対位置に配置されるロータおよびステータを、点線で示し たロータ円盤上の永久磁石をステータに１ノング状に配置されたコイルに重ねて 示す概略部分図、第８図はロータが第４〜第７図に従って回転した時に発生する トルクの概略図、 （６） 第９図はモータ軸線に直交する面に配置され、２２．５度の角度毎に突出する突 起を有する同期板２２の部分図、第１０図は本発明に有用な電流切換回路を示す 概略回路図、第１１図は始動時の突入電流を減少させる補償回路を接続した電流 切換回路の概略回路図、 第１２図は本発明の第２実施例のＤＣモータの軸方向の断面図、 第１３図は本発明の第３実施例の１個のステータコイルと２個のロータとを示す 部分断面図、 第１４図は本発明のＤＣモータの２個のステータ、１個のロータの角度によるト ルク変化を示す図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図は本発明の実施例の電磁機械の軸方向の断面図を示している。このような 機械はモータあるいは発電機として用いられるが、単純化のため、ここではＤＣ モータのみを記述する。

この機械において、回転軸２はケース６．８の中央に配置される軸受４によって 各々回転自在に支持される。この軸２には金属製のカラー１０がビン１２によっ て固定される。このカラ１０にねじ１４によって固定されるのは、第１の磁性体 回転円盤１６と、この円盤１６に平行に間隔おいて配置される第２の繊体回転円 盤１８と、これら円盤１６．１８間の円筒状の磁性体２０とを有するロータであ る。このロータには同期円盤２２が取付けられる。この第１の円盤１６上には１ 個以上の永久磁（７） 石２４が取付けられる。これら永久磁石２４の数は、偶数あるいは奇数でもよい が、好ましくは、この実施例において８個が用いられる。各永久磁石の外形およ び円盤１６に永久磁石２・４を取付ける方法は第３図を参照して詳述する。

一方リング状のステータ２８はねじ３０（第２図参照）およびスペーサ３２（第 ３図参照）によってケース部６．８のいずれかに取付けられる。このステータリ ング２８は回転円盤１６゜１８間に、第１の円盤１６側の空隙３４と、第２の円 盤１８側の空隙３６とを有して配置される。これらの空隙は１／２５゜０００〜 １１５０，０００インチの幅を有してもよい。

このステータリング２８には２組Ａ、Ｂのコイル２６が形成される。コイル数は 少なくとも永久磁石２４の数の２倍が好ましい。またＡ組のコイル群はＢ組のコ イル群間に交互に挿入され、この結果ステータ２８を一周するコイルの順序は交 互にコイルＡ１コイルＢ、コイルＡ、コイルＢ等である。リング２８を形成する コイル２６の結合方法は第２図を参照して説明する。

各永久磁石２４は、コイルに対面する面が所定の極（Ｓ極）になるように横断方 向に帯磁され、一方回転円盤１６に接触する面が反対の極（Ｎ極）に帯磁される 。すなわち、磁力線の通路が各磁石２４のＳ極面からギャップ３４、ステータリ ング上のコイル２６、第２のギャップ３６を各々通って回転円盤１８に到り、更 にこの回転円盤１８の内部、スペーサおよび回転円Ｗ１６の内部を各々通って磁 石２４のＮ極面まで形成される。

ケース８には、光学素子あるいはホール効果素子のような位装置４０は第１０図 あるいは第１１に示して後述する切換回路４４に接続される。この切換回路４４ もブラケット（プリント基板）４６によってケース８に取付けられる。この感知 装置４０の同期円！１１２２を挾んだ対抗位置には、エネルギー源（光源あるい は磁力源）がブラケット５０によってケース８に取付けられる。この同期円盤２ ２は角度をおいて配置された放射状に突出する突起を有し、後述するように、あ る位置の円盤２２が感知装置４０とエネルギ源４８との間を遮断する。

ステータ２８内の通気孔５２（第２図参照）がケース６．８内を対流冷却するた めに形成される。ケース８の同口にはコイル２６用の電力供給線５４がブツシュ ５５を介して貫通している。

ステータ２８の構造およびコイル２６の配列を第２図を参照して説明する。まず コイル２６は回転軸から等距離の円周上のステータ内２に配列される。この実施 例においては各コイルが略三角形あるいはパイを分割した形状で、真ぐな側部７ ｏ、７２と外側に形成される湾曲部７１と、これら各部間を丸みを持って接続す るコーナとを有し、内側の先端５６が各々ステータ２８と軸２の中心方向に向い ている。またコイル２６の他の特徴は、配列されるコイル数が操作できる数（例 えば偶数）であり、また三角形状のコイルが最大の磁力線通過領域を形成するこ とである。

各コイルは、ステータの平面内あるいは平行なコイルの平面（９） 内に１巻以上の巻数で形成される。好ましくは、コイルが各々重ならないで同じ 巻数の巻線を有し、これらの巻線、が同じ方向（例えば時計方向あるいは反時計 方向）に巻かれる。上述の如くス□テータ２８は、Ａ組、Ｂ組のコイル２６を備 え、各組のコイルが交互に配列されてリング状のステータ２８を形成している。

また各相のコイルは、各コイルが同じ電流になるように直列（並列あるいは直並 列）に接続される。この実施例においては１６個のコイルが用いられ、すなわち Ａ組に８個、Ｂ組に８個のコイルが用いられている。各組のコイルは等間隔に配 列され、Ａ組のコイルの中心線がＢ組のコイルの中心線と３６０度をコイルの合 計数で割算した角度分、離されて配置される。

ステータの組立時に、コイル２６は個々に巻かれ、ステータ２８上の所望位置に 置かれてその位置に最適な方法で永久に固定される。このステータ２８にコイル ２６を固定する最適な方法１よ、コイルを感熱、非電導、非磁性熱硬化接着剤で 覆うことである。この接着剤は加熱時あるいはコイルに通電時に硬化してコイル を互いに固定してステータを形成する。必要なら、薄い円盤（例えば繊維製の） がコイルの支持板として用いられる。

その後、加熱あるいはコイルに通電しても、熱硬化後の接着剤には影響せず、コ イルが所定位置からずれない。このように、コイルには磁性体のコアを用いてい ないので、ヒステリシスおよびうず電流による損失が最少になる。唯一の損失は 、モータの加熱原因となる摩擦損失であり、これは軸受４内のモータ軸２６の回 転によって起こる。それゆえ、このモータは長寿命で（１０） あり、過大な加熱なしに高速度（約１０，０ＯＯｒｐＨ１以上）に耐える口とが できる。

第１の磁性体製の回転円盤１６の構造および永久磁石２４の位置、形状は第３図 に示される。コイル２６の合計数の半分の数と等しい８個の□永久磁石が用いら れる。本発明においては、コイル数が永久磁石数に関連しなくてもよい。゛例え ば１２個の永久磁石ものこのシステムに実際に用いられる。この永久磁石２４は 回転円盤１６上に円周状に配列される。また永久磁石２４は略三角形の形状をし ている。しかし、コイルの形状に対して非対称的な他の形状（台形、卵形あるい は扁円）も用いることがで基る。すなわち、後述する機能のために、非対称の永 久磁石２４の形状がコイル２６の形に対してアンバランスな磁束を生じさせる限 り、永久磁石２４はいかなる不規則な形を有してもよい。後述する如く永久磁石 ２４のアンバランスな磁束の模様は死点のない正の単一方向のトルクを維持する ために有用である。

この永久磁石２４は多数の分極を有する単一の磁性リングより個々の形成される 磁性片（例えば粉末鉄あるいはフェライト）が好ましい。個々の磁性片は、鋭角 な外形を形成でき、より軽量、少ない慣性および磁性リングの場合の欠損問題も なくすことができる。この実施例においては、永久磁石２４が先端６０とベース ６２と、軸線が放射方向に対して略直角な二等辺三角形の形状とを有している。

１つの永久磁石２４の先端６０は近接の永久磁石２４のベース６２と分離してい る。しかし、好ま・（１１） しくないが、各磁石２４の先端６０と次の磁石２４のベース６２とが結合しても よい。分離した形状は、各永久磁石２４が容易に製造でき、また単一の磁性リン グより破′損しにくいので、好ましい。第３図に示すように、各永久磁石の先端 ６０は近傍の永久磁石のベース６２の中心より外側に向けている。これら永久磁 石の先端６０、ベース６２先端６０・・・の配列が回転円盤１６の軸線の回りに 円周上に繰り返される。この永久磁石の形状は正確な二等辺形状あるいは直ぐな 側面を有す必要がなく、例えば先端６０が第３図に示すより細長くあるいは鈍感 に形成して後述の如くトルクパターンを一定にさせてもよい。

また、永久磁石２４は、ベース６２の１つの角が回転円盤１６の外縁に近接する ように回転円盤１６に取付けられてもよい。

このベース６２は図示の如く丸くなっているのが好ましい。この丸くなったベー ス６２は励磁されたコイルの平坦な端部７０゜７２間の領域および永久磁石２４ のベース６２が含まれるように好ましい実施例において通常放射状に向いている 。これは、第４図〜第７図を参照して詳述される。また永久磁石２４の全てのコ ーナは、損傷あるいはひび割れの可能性を減少させるために図示の如く丸くなっ ているのが好ましい。勿論、永久磁石２４と］イル２６との形状は、コイルが磁 石に対して非対称になるように相互に交換してもよい。

第３図′に示すように、全ての磁石２４は第３図の平面図から上方に面した側が Ｎ極になるように同じ極性を有している。全ての磁石のための同一方向に面する 単一の極性（Ｎ極あるいはＳ極）の使用は、本発明の有益な特徴である。全ての コイル１６は同一（時計方向あるいは反時計方向）方向に電流が順次流れて永久 磁石２４の磁界と同じ軸方向の磁界が生ずるので、反対方向の電流で生ずる永久 磁石の泗磁が発生しない。

しかし、好ましくないけれども、全てのコイルに順次反対方向の電流を流して永 久磁石２４の磁界と異なる磁界を発生させ、これらの磁界の発揮力を利用して本 実施例と反対方向に回転させることも可能である。この場合、本発明の利点は得 られない。

このロータの組立において、好ましい形のアルミニウムあるいはアルミニウム合 金のような強い非磁性体の熱的安定材料のシート６３は磁石２４の形と一致する 開口が形成されるように打抜かれる。このシート６３は回転円盤１６に（接着剤 によって）固定され、それらの開口内に永久磁石が挿入されて円盤１６にセメン ト付けされる。このシート６３の外部６４は磁石２４が固定されるのを助け、さ らに円盤１６の高速回転による遠心力に応答して外方にずれるのを防止する。こ のシート６３の厚みは永久磁石２４の厚みより薄いことが好ましい。この非磁性 シート６３と永久磁石２４の回りとには熱硬化性プラスチック樹脂６６が塗布さ れる。このプラスチック樹脂はシート６３の表面から永久磁石２４の頂面にかけ て滑らかに塗布され、永久磁石２４の鋭い端部が埋め込まれる。このプラスチッ クの塗布はこれらの永久磁石をその場に固定することを助長し、ロータを流線形 にして風による摩擦を減少させることを助長する。

第４図〜第７図を参照すると、このモータの機能が容易に理（１３） 解できる。第４図はステータ２８に対して回転円盤１６の１つの位置における永 久磁石２４（点線で示す）とＡ組、８組のコイルとを重ねた図を示している。永 久磁石２４の先端６０はＡ組のコイル２６の中心に略一致している。ここでＡ組 のコイルが励磁されＢ組のコイルが消磁されると、円盤１６に平行な面における Ａ組のコイルに流れる電流は、ステータ２８の面に垂直な方向および永久磁石２ ４の磁界に平行な磁界を生ずる。更に、各コイルの磁界の方向は対応の磁石の磁 界と同じであり、磁石のＳ極が近接のコイルのＮ極と対面する。従って励磁コイ ル２６と永久磁石２４との間には各Ａ組のコイルの磁力軸（各コイルの磁力線の 重心）が永久磁石の磁力軸に一致するように引力が発生して、この結果回転円盤 １６にトルクが発生する。

従って各磁石２４のベース６２が第４図に示す反時計方向に、左側のＡ組のコイ ルの中心方向に引き付けられて点線の矢印Ｗに示す方向に円盤が回転する。

他の観点から考えると、（Ａ組のコイルの側部）右側コイル７２に放射状に流れ る電流は永久磁石２４の磁束（第４図の面に垂直な磁束方向）と相互に作用し否 回転円盤１６を進ませるトルクの原因となる側面力を形成し１．さらに第２の回 転円盤１８および軸２を矢印Ｗ方向に回転させる。この場合Ｂ組のコイ、ル２６ には、電流が供給されていないので磁界が生ぜず、従って永久磁石２４との間に 引力が生じない。

このようにして、回転円盤１６および永久磁石２４は矢印Ｗ方向に回転して第５ 図に示す位置に到る。この位置において、（１４） 永久磁石２４のベースはコイル２６の側部７２と相互に作用して回転トルクが増 加する。しかし、同時に永久磁石２４は、先端６０と（Ａ組のコイルの側部）左 側コイル７０に流れる電流との相互作用によって起因する反対方向の力すなわち 後向きのトルクを受け始める。この後向きのトルクは矢印Ｗ方向の前進トルクに 比べてかなり小さく、この前進トルクが右側コイル７２に係合する永久磁石のベ ース６２の近くの広い領域に比較して、左側コイル７０に係合する先端６０の狭 い領域によって、右側コイル７２と永久磁石２４と相互作用によって生ずる。こ の効果は第８図に示すサイン波のトルク曲線を平坦にさせる。

この第８図において、第４図に示す相対位置に永久磁石がある時、Ａ組のコイル に時刻【。においで電流が流れ始めたと仮定する。トルクは時刻ｔ。から曲線７ ３に示すようになる。時刻ｔ１で、各々の相対位置が第５図に示すようになり、 時刻ｔｏに比べてトルク一時間曲線がより平坦になる。それゆえ、永久磁石２４ およびロータはＷ方向に回転し続ける。

永久磁石の先端が第６図に示す位置に到着すると、右側コイル７２に作用する永 久磁石２４の各部分は第５図に示すのよりわずかに大きくなるが、一方左側コイ ル７０から後向きのトルクを受ける先端領域は第５図に示すのより非常に増加す る。しかし、右側コイル７２に作用する領域は左側コイル７０に作用する領域よ り相当広いので、永久磁石２４および回転円盤１６がＷ方向に回転し続けるが、 トルクは第８図の時刻ｔ２に示すようにわずかに下降する。

（１５） この時点でも、磁石２４と右側コイル７２との相互作用によって生ずる前進トル クは先端６０と左側コイル７ｏと、の相互作用によって生ずる後退トルクより相 当に大きい。第３図に示すように、磁石２４の好ましい実施例においては、磁石 のベース６２が丸くなっている。こ丸くなったベースは時間ｔ　ｏ　−ｔ　３に おいてコイルが励磁された時に右側コイル７２が引っ張られる磁石の部分がある ことを保証させる。もし磁石２４のベースが平坦であること、このベースが右側 コイル７２に直接一致した時に死点が生ずる。この丸くなったベースの存在にか かわらず、励磁された右側コイル７２および磁石２４のベース間の領域は迅速に 減少し、時刻［４で切換えないで連続するならば死点（トルクゼロ）が生じ、そ の後第８図の点線で示すようになる。

第７図に示す位置で、磁石２４は第４図に示す位置から約１８０度の電気的な変 化を受ける。この場合、各磁石２４の先端６０は、第４図に示す前述のＡ組のコ イルと磁石２４との間の相対位置と同じようにＢ組のコイルの中心に略一致する 。この時点で電流がＡ組のコイルからＢ組のコイルに切換えると、ｔｏ〜ｔ３の サイクルが第８図の曲線７５に示すように繰り返される。従って毎１８０度の位 相で電流をＡ組、Ｂ組あるいはＢ組、Ａ組と切換えることによって、死点なしの 略均−なトルクが第８図の実線で示すように得られる。すなわち、この結果はコ イル２６に対する磁石２４の形状によって得られる。従って第８図のトルク曲線 の種々の形は、コイル２６に関連して磁（１６）　１１表表明’８−５００５８ ４　（６）石２４の形を変化させることにより変化させることができる。

Ａ組のコイルからＢ組のコイルあるいは逆の場合の電流の切換は、同期円盤２２ 、感知素子４０およびエネルギー源４８に関連する第１０に示すような切換回路 によってなされる。

第９図に示すように、同期円盤２２には、円周上に等間隔おいて配置され、ギャ ップ７９によって離された多数の放射方向に突出の突起７７が形成される。１つ の突起７７と次のギャップ７９との合計の角度は、３６０度をＡ組あるいはＢ組 のコイルの数で割算した角度に等しい。この実ｔＩＭ′ｆＡにおいては、１６個 のコイル数を有するので、同期円盤２２上の各突起７７および各ギャップ７９は ２２．５度を定めている。

第１図を参照して説明すると、同期円盤２２は感知素子４０およびエネルギー源 ４８間に位置している。この同期円盤２２は、突起７７がエネルギー源４８およ び感知素子間を遮断し、一方ギャップ７９がエネルギー源４８からのエネルギー を感知素子４０に作用させるのを遮断しない。従ってこの実施例において、エネ ルギー源４８は２２．５度遮断され、２２．５度感知素子４０を作用させる。こ の切換動作は磁石２４の先端６゜と同期し、この結果先端６０がＡ組あるいはＢ 組のコイルの中心に略一致した時に同期円盤２２の突起７７あるいはギャップ７ ９がエネルギー源４８を遮断あるいは透過できる位置に到り、この結果感知素子 ４０がＡ組およびＢ組のコイルのいずれかに供給される電流を切換える切っ掛け となる。

エネルギー源４８は、感知素子４０によって検出されるもの（１７） ならいかなるエネルギー源であってもよい。このエネルギー源４８が光源ならば 感知素子４０は光電素子（フォトセル）である。また別の実施例においては、こ のエネルギー源が永久磁石であり、また感知素子４０がスプラーグ社製のＵＧＮ ３０１９Ｔのようなホール素子である。従ってこの場合の同期円盤２２は磁気源 ４８の磁界を感知素子４０に見え隠れさせる磁性体製である。またこの型の感知 素子は主に活性化した時に回路を閉じ非活性化の場合に開く単極の２点スイッチ である。

エネルギー源４８による感知素子４０の活性は、第１０図に示す切換回路４４を 作動させる。この切換回路４４は、（エネルギー源４８と感知素子４０間を遮断 する同期円盤２２に応答する）１つの位置においてＡ組のコイル２６Ａの励磁用 に接続された１組のトランジスタ、好ましくはダーリントン接続型のトランジス タ７４を作動させるホール効果の感知素子４０を備えている。一方（エネルギー 源４８が感知−素子４０を活性化させるために、ギャップ７９がその位置に位置 することに応答する）他の位置において、同類の１組のトランジスタ７４′がＢ 組のコイル２６Ｂを励磁させる。

このようにして、Ａ組、Ｂ組のコイルは交互に励磁される。

各組のコイルが励磁されると、ロータによって運ばれる磁石にトルクが生ずる。

トルクは不適当な値に減少（あるいは死点に近すき始める）前に電源が次の組の コイルに切換わり、従って磁石によるトルクを略一定の値で連続回転する。

本発明の高効率のモータにおいては、始動時の電流が強い開（１８） 始トルクを得るために常速負荷時の電流の５〜１０倍である。

この型のシステムにおいて、このような高始動電流は通常時の電流の約３００〜 ６００％の高電流容量の電力トランジスタの使用を必要としている。しかし現在 供給されている電力トランジスタは、始動時のサージ電流が起こる１〜１０ｉｓ の短い期間耐えられるはせいぜい連続使用時の５０％増しの電流である。

これより大型の電力トランジスタは大型モータ用の特に高価であり、モータケー スの所定の寸法内に収容することが困難である。更にこのトランジスタはモータ の設計による電力比によって制限される。

低電流容量（従って安価な）の電力トランジスタの使用を得るために、第１０図 に示す切換回路を変形して、最大電流が供給される前にモータが回転し、電流を 遅延させることが好ましく発見された。第１１図は上述の困難を克服し、低電力 のトランジスタを上述のシステムに使用できる切換回路を示してしいる。

電力供給路に直列に接続された抵抗８１は、開始時にモータに供給される電圧を 通常の５５〜６０％に制限する。このモータの負荷速度が全速の４５〜５０％に なった時に、遠心スイッチ８２は抵抗８１をショートさせ、また通常要求される のより５５〜ｂ トルクの２倍より上の最適な開始トルクを形成できる。この抵抗と遠心スイッチ とは始動時のラッシュ電流を遅らせるように作用し、過大なサージ電流なしにモ ータを回転させることがで（１９） きる。あるいは第１１図に示す抵抗および遠心スイッチの代りに、１〜５秒の遅 延時間がセットされた制動式、電磁式あるいは熱的遅延リレーが最適な抵抗、可 変抵抗あるいは種々の抵抗を切換えて用いられる。

かくして、本発明の好ましい実施例は、永久磁石２４の磁界とコイル２６に流れ る電流によって生ずる磁界との電磁的な引力の原理上の動作で記述している。も し、コイル２６の全ての電流が第２図における電流と反対方向に流れさせたなら 、あるいは第３図に示す磁石２４がステータ２８に対面して反対の極性で帯磁さ れたならば、これらの磁界で生ずる力はロータ１６と軸２とをＷ方向の反対に回 転駆動させる。従って各組のコイル２６はベース６２が励磁された組のコイルの 中心に略一致した時に励磁される。

第１図〜第９図に示す本発明のモータの一実施例においては、重量が約３．９５ ポンドで従来の誘導モータの約１５ポンドに比べて顕著なパフォーマンス特性と 、動作寿命とを有している。

またモータの価格は重量に比例するので、本発明のモータは従来の対応の誘導モ ータに比べて少なくとも１／３の価格になる。

またこの本発明のモータは５０００〜６０００　ｒｐｍの回転速度で約７０％以 上の効率を有する１２ボルト１／４馬力のモータである。１２ボルトで始動時の 電流は１００アンペアであるが無負荷時では約１〜２アンペアに減少する。さら に開始トルクは全負荷トルクの約８００％であった。ロータおよびステータの寸 法が増加して１馬力以上の出力を形成した場合、効率は７５〜８５％に増加する 。

現在において、本発明のモータの寸法を実際に制限する主な要素は、切換回路４ ４のトランジスタ７４に流され得る電流容量である。このモータの寸法は摩擦熱 によってほとんど制限されない。従ってこのモータは全負荷時に最高温度１５０ 〜１６０℃を有する１０〜３０％の温度上昇になるように設計される。

本発明の機械は、上２の実施例に説明したように８個の磁石と１６個のコイルと に制限されない。１０あるいは１２個の磁石２４も、２０あるいは２４個のコイ ルをステータ２８上に有して、回転円盤１６上に容易に用いることができる。こ の場合、コイル２６および磁石２４も比例して小さくなり、また同期円盤２２の 突起７７およびギャップ７９の角度も、３６０度をコイル数で割算した角度に等 しい近接した２個のコイル２６の角度に対応するように変化させる。

これらＡ組、Ｂ組のコイルは、図示の如く同一平面に配置するのが好ましいが、 近接した面に各々配置してもよい。例えば２組のコイルはコイル支持円盤の両面 に各々配置されてもよい。

これの代りに、２組のコイルは、別々に配置され、その１つが　−ロータの一面 側に配置され、他の１つがロータの他面側に取付けられてもよい。第１２図はこ のような本発明の別の実施例のモータの軸方向の断面図を示している。この図に おいて、モータは単一の回転円盤１６の両側に各々配置される２個のステータ２ ８．２８ａを有している。ステータ２８上のコイル２６は、他のステータ２８ａ のコイル２６ａに流れる電流と同一方向に（２１） 流れる電流を有している。すなわち、ステータ２８上のコイルの側部７２に流れ る電流は、ステータ２８ａ上の一致したコイルの同類の側部７２に流れる電流と 同じ方向である。各ステータ２８あるいは２８ａにおいて、コイル２６は第２図 に示すようにステータ２８のＡ組のコイルがステータ２８ａのＡ組のコイルに一 致するように配置される。この単一の回転円盤１６は第３図に示すように１組の 永久磁石２４を円状に配置している。

しかしこの実施例においては各磁石２４が非磁性体の円盤１６を貫通して磁石２ ４の両面が各々ステータコイルに面している。

従ってロータ１６は第４図〜第７図を参照して説”明した方法でステータ２８上 の励磁されたコイル２６（Ａ組あるいはＢ組）と相互に作用して回転円盤１６に Ｗ方向のトルクを送出する。

また同様にステータ２８ａ上の励磁された２６とも作用して回転円盤１６をＷ方 向に回転させる。ステータ２８．２８ａ上の対応のＡ組のコイル２６は各々直列 あるいは並列で好ましくは各コイルに加えられる電流密度が同じになるように切 換回路４４に接続される。またＢ組のコイル２６についても同様に接続される。

両者のステータ２８，２８８が同じ相対位置に同数のコイルを各々備えているの で、１個ずつの感知素子４０、同期円盤２２およびエネルギー源４８は第１図に 示す実施例を参照して説明した同じ方法で用いることができる。この２重のステ ータ、単１のロータの形態は第１図のより増大したトルクおよび電力のモータを 形成する。この電力は高速用に増大してもよい、従ってロータの速度が２倍にな ると馬力は４倍に増加する。

（２２） 本発明の他の実施例においては、第８図に概略的に示すように２個のロータが単 一のステータの両側に各々位置している。

この場合コイル２６のステータ２８は２個の平行なロータ１６゜１６８間に介挿 される。ステータ２８の片側のロータ１６は主に第１図と同じに配設される。一 方他のロータ１６ａは主にロータ１６を鏡を通して見た像と同じに配設される。

ロータ１６．１６ａは第１図のように磁石２４，２４８が各々配置される。しか し、磁石の極性は、コイル２６に面するロータ１６側の面が第１図に示すのと同 じであり、一方コイル２６に面するロータ１６の側の面が第１図に示すのと反対 である。

従ってロータ１６の磁石２４のＮ極がコイル２６に面した場合、ロータ１６ａの 磁石２４ａはコイル２６に面するＳ極を有している。コイルは第１図に示すのと 同じ方法でステータに取付けられている。この結果Ａ組あるいはＢ組の励磁時に 生ずる磁界　゛は回転円盤１６．１６ａの両者の磁石と前述の如く相互に作用し て回転円盤上に単一方向の前進トルクを生ずる。この場合においても単一の感知 素子４０、エネルギー源４８、同期円盤２２および切換回路４４が第１２図に示 す場合と同様に必要である。

更に本発明の変形例として、第１図に示す１個ずつのロータおよびステータ、第 １２図に示す１個のロータおよび２個のステータあるいは第８図に示す２個のロ ータおよび１個のステータの合成構造は軸２に軸方向に並べて取付けられて、機 械的力を相当に増加させてもよい。この層状のステータ、ロータ、ス（２３） テーク・・・・・・ステータの配列の１つの利点は、コイルと磁石との間のギャ ップを最小にできることである。

本発明の他の変形例として、第１２図に示すような１個のロータおよび２個のス テータの形態を用いて第１４図に示すトルク曲線を得てもよい。この場合、ステ ータ２６のコイルの位置はステータ２６ａのコイル位置より各々１１．２５度ず れている。またコイル２６は下記の順序で励磁される。ステータ２６のコイルＡ ｓ　、ステータ２６ａのコイルＡ２％ステータ２６のコイルＢ＋、ステータ２６ ａのコイルＢ２、以下同様のサイクルを繰り返す。さらにこの場合の同期円盤２ ２は突起とギャップとが１１．２５度毎に繰り返され、また好適の切換回路が上 述のコイルを順次切換ために用いることができる。

以上説明したように、本発明の実施例はブラシレス、コアレス、単一方向の正の 略一定のトルクのＤＣモータを形成し、このＤＣモータは従来のＤＣモータに比 べて相当安価で軽量である。また、このモータは例え小寸法のモータであっても 約７０％以上の効率を有し、ブラシ、コアによるヒステリシス、うず電流および 空気抵抗ロスのないことから熱の発生が減少し、従って従来のモータに比較して 長寿命を有している。回転円盤に磁石を取付ける特殊な方法は、回転時の空気抵 抗を減少させ、また高速回転時の遠心力を受ける磁石の寿命を延長させる。全て の磁石は、ステータコイルに面する面が同じ極性であり、先行技術のブラシレス ＤＣモータに固有の消磁現象をなくすことができる。モータの馬力は、多段のロ ータあるいはステータの（２４）　ＷＡ”ｕ５Ｂ−５６ｆ１５８４　（８）形態 あるいはこのような配列の繰り返しによって増大することができる。また１組の 位置検出用の感知素子、エネルギー源、同期円盤および切換回路の使用は死点な しの略一定の正のトルクを提供することができる。別の切換回路も特に大型のモ ータで用いて、後退トルクを減少でき、また切換回路の小電力のトランジスタを 用いることができる。

説明した関係が成立する限り、磁石はステータに取付けてもよく、またコイルが ロータに取付けてもよい。しかし、この回転中のコイルに電気的に接続する困難 さは、この配列を前述の実施例に比べてあまり経済的にさせない。

以上に、本発明はコアレスモータとして説明したが、コイルからコアを取り除く 特別な利点が不必要ならば、磁性コア（特に低ヒステリシスおよび低損失粉末鉄 ）がコイルの内外部に挿入されてもよい。

本発明は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するモータとして説明したが 、軸を機械的に動作させて巻線から電気工国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロータおよびステラ９要素を備え、前記ロータ要素が軸の回りに回転自在に 取付けられ、前記ステータ要素には複数の組のコイルを有するコイル配列を備え 、 各組のコイルが前記ロータ要素に対面し同心状に配置される円盤状の配列であり 、 １組の各コイルが他相コイルから角度的にずれており、前記全てのコイルが通電 時に同極の磁界を発生する方向に巻回され、 前記ロータ要素は前記ステータ要素に対面する複数の磁極と前記コイルを貫通す る磁界とを有する永久磁石配列を備え、同一方向に面する前記磁極が同一の極性 を有し、前記各磁極は前記ロータ要素が回転した時に順次前記コイルに対面する ように位置し、 前記コイルおよび磁石はその間の電磁的な相互作用度の変化切換配列が前記組の コイルを順次通電させることを特徴とする電気機器。 ２、前記コイルは前記ステータ要素の部分であり、前記永久磁石配列は前記ロー タ要素の部分である請求の範囲第１項記載の電気機器。 （２６） ３、前記複数組のコイルは、略平面状に交互に配列された２組のコイルである請 求の範囲第１項記載の電気機器。 ４、前記コイルは、放射状に延びるコイル側部を有する請求の範囲第３項記載の 電気機器。 ５、前記近接のコイルの側部は誉々当接している請求の範囲第４項記載の電気機 器。 ６、前記各組のコイルは重ならない請求の範囲第１項記載の電気機器。 ７、前記永久磁石配列は個々の永久磁石で形成され、前記永久磁石配列あるいは 前記コイルが放射状の幅が変化する部分を有する請求の範囲第１項記載の電気機 器。 ８、前記コイルあるいは前記永久磁石は周辺が傾斜して狭い先端部を有する請求 の範囲第７項記載の電気機器。 ９、前記切換配列は、各永久磁石の先端が略コイルの中心に対面した瞬間に切換 が起こるように操作される請求の範囲第７項記載の電気機器。 １０、前記切換配列は、前記永久磁石およびコイルの所定の相対位置で前記切換 と同期させるために、同期装置と感知配列とを備えた請求の範囲第１項記載の電 気機器。 １１、前記同期装置は、前記ロータおよびステータ要素の１つに対して固定され 、前記感知配列は前記要素の他に対して固定されるエネルギー源と、このエネル ギー源の感知素子とを備え、前記同期装置が前記各要素の相対位置に対応して前 記エネルギ。 −源と前記感知素子との間を透過あるいは遮断するようになっ（２７） ている請求の範囲第１０項記載の電気機器。 １２、前記コイル数は、前記永久磁石数の２、特許請求の範囲第１項記載の電気 機器。 １３、前記コイル配列の２組のコイルのコイルは略コイルの幅だけずれている請 求の範囲第１項記載の電気機器。 １４、前記コイル配置の２組のコイルは、略コイルの１／２の幅だけずれている 請求の範囲第１舅記載の電気機器。 １５、前記２個のコイル配列間には、前記永久磁石配列を有する第２の類似のコ イル配列を備えた請求の範囲第３項記載の電気機器。 １６、前記２個の永久磁石配列間には、前記コイル配列を有する第２の類似の永 久磁石配列を備えた請求の範囲第３項記載の電気機器。 １７、各コイルは各永久磁石の領域より小さい領域を有する請求の範囲第７項記 載の電気機器。 １８、前記コイルおよび永久磁石はかなり非対称である請求の範囲第７項記載の 電気機器。 １９、始動時に前記コイルのラッシュ電流を制限する回路を備えた請求の範囲第 １項記載の電気機器。 ２０、前記コイルと前記永久磁石の１部分との電磁的相互作用は、前記永久１ａ Ｅｉが前記コイルを通過して通過時に略均−のトルクを形成した時に前記永久磁 石の他の部分から離れている請求の範囲第７項記載の電気機器。 ２１、前記永久磁石は、放射状に延びるベースとこのベースの周囲から狭い先端 へ延びる軸とを有する三角形である請求の範囲第７項記載の電気機器。 ２２、前記コイルはパイ分割形状である請求の範囲第１項記載の電気機器。 ２３、前記永久磁石は略円周状に配置される請求の範囲第７項記載の電気機器。 ２４、各組のコイルは前記永久磁石に対面して略等間隔で円周状に配置される請 求の範囲第１項記載の電気機器。 ２５、所定の外形を有する平坦な少なくとも１つの永久磁石と、この永久磁石の 数に対応する数の開口を有する非磁性円盤とを備え、各開口は前記永久磁石の外 形と同じ内形を有して同永久磁石が収容される電気機器用のロータ。 ２６′、各開口はは前記円盤の厚みを少なくとも部分的に延びている請求の範囲 第２５項記載のロータ。 ２７、前記永久磁石は前記円盤より厚い請求の範囲第２５項記載のロータ。 ２８、前記円盤上の前記永久磁石間には、プラスチック材が加えられて、前記円 盤用の空気抵抗の少ない滑かな面を形成する請求の範囲第２５項記載のロータ。 ２９、前記円盤に並置される磁性板を備えた請求の範囲第２５項記載のロータ。 （１）