JP2021182865A - 電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】電圧発生形式の寄生エネルギーが、大幅に削減されるような電動モータの新しい構造を提供する。【解決手段】ロータが同心のシャフト及びディスク２２と、ディスク２２上に等角度に離間し、かつ等間隔の放射状に設けられる複数の永久磁石２３とを備えるものと、ステータであって、該ステータが等角度に離間し、かつ等間隔の放射状に設けられる複数のソレノイド３１であって、各複数のソレノイド３１は、矩形断面形状と、空洞と、ディスクスロットとを含むソレノイドコア３３を有する、複数のソレノイド３１と、各複数のソレノイド３１の内部にあるコイルとを備えるものとから構成され、ディスク２２は、ディスクスロット内に配置され、永久磁石２３は、ディスク２２を回転させると、これらの永久磁石２３がソレノイドコア３３の空洞内を回転しながら通過することができるように配置される。【選択図】図４ａ

Description

本発明は、電動モータの分野に関するものである。より詳細には、本発明は、ステータに設置されるソレノイドと、ディスク型ロータに設置される永久磁石とを含む電動モータに関するものである。

回転式の電動モータは周知であり、現在では電気エネルギーを機械エネルギーに変換するために長年にわたり幅広く使用されている。通常の電動モータ、ロータ及びステータを備えている。

ロータはモータの可動部であり、ロータは、回転を負荷に伝達する回転シャフトを備える。通常ロータは、ロータの内部に埋め込まれた導体を有し、導体は、ステータの磁場と相互作用する電流を流して、シャフトを回転させる力を発生させる。別の構成では、ロータが永久磁石を備えている一方、ステータは導体を保持している。

ステータは、モータの電磁回路の固定部であり、通常ステータは、巻線または永久磁石のいずれかを有する。ステータコアは一般的に、積層板と呼ばれる多数の薄い金属板から構成される。ソリッドコアを使用するとその結果生じるエネルギー損失を低減させるため、積層板が使用される。

電動モータは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する逆変換機能にも使用され、このような場合、電動モータは、実際には発電機である。

米国特許第８，６４３，２２７号明細書

しかしながら、電動モータが動作して電気エネルギーを機械エネルギーに変換している間に、寄生磁束が電動モータ内に発生し、その結果、所望の機械エネルギーの発生に加え、電気エネルギーが発生する。実際には、この寄生電気エネルギーは、モータから得られる全機械エネルギーを減少させる。モータ内で発生する電気エネルギーは、３０００Ｒｐｍ時に全エネルギーの８０％にまで達し、１００Ｒｐｍ時に２０％にまで達する。一般の電動モータの構造に固有のこの寄生エネルギー量をゼロにしようとするあらゆる試みには、限界があり、この寄生エネルギー量を完全にゼロにするのは不可能かもしれない。

特許文献１には、ソレノイド内を移動する永久磁石を使用するリニアモータが開示されている。

本発明の目的は、磁束の方向が反転することにより従来のモータ内で発生する寄生エネルギーで、電圧発生形式の寄生エネルギーが、大幅に削減されるような電動モータの新しい構造を提供することである。

本発明の別の目的は、非常に高い回転速度で動作可能な電動モータを提供することである。

本発明の更に別の目的は、非常に低い電圧入力で動作可能な、より安全な電動モータを提供することである。

本発明の更に別の目的は、単純かつ安価な構造を有する電動モータを提供することである。

本発明の更に別の目的は、従来のモータに比べ向上した効率を有する電動モータを提供することである。

本発明の他の目的及び利点は、説明が進むにつれて明らかになる。

本発明は電動モータに関するものであり、前記電動モータは、（Ａ）ロータであって、該ロータが（ａ）同心のシャフト及びディスクと、（ｂ）前記ディスク上に等角度に離間し、かつ等間隔の放射状に設けられる複数の永久磁石とを備えるものと、（Ｂ）ステータであって、該ステータが（ｃ）等角度に離間し、かつ等間隔の放射状に設けられる複数のソレノイドで、各前記複数のソレノイドは、矩形断面形状と、空洞と、ディスクスロットとを含むソレノイドコアを有する、前記複数のソレノイドと、（ｄ）各前記複数のソレノイド内部にあるコイルとを備えるものと、から構成される電動モータにおいて、前記ロータディスクは、前記ソレノイドディスクスロット内に配置され、前記永久磁石は、前記ロータディスクを回転させると、これらの永久磁石が前記ソレノイドコアの前記空洞内を回転しながら通過することができるように配置される。

本発明の一実施形態では、前記ソレノイドの前記コイルは、１回巻きコイルである。

本発明の別の実施形態では、前記ソレノイドは、ステータベースに設けられる。

本発明の更に別の実施形態では、強磁性ロッドが、前記ロータの任意の２つの隣接する永久磁石の間に配置されることにより、閉環状体を形成する。

本発明の更に別の実施形態では、交互に方向が反転されるＤＣ電流が、前記ソレノイドの前記コイルに供給される。

本発明の更に別の実施形態では、前記モータは更に、前記ソレノイドそれぞれに対する前記永久磁石のうちの１つ以上の位置を検出し、前記ＤＣ電流の方向を交互にそれぞれ反転させる１つ以上のセンサを備える。

本発明の更に別の実施形態では、前記１つ以上の各センサは、ホールセンサである。

本発明の更に別の実施形態では、前記ＤＣ電流方向の前記交互反転は、コントローラによって行なわれ、前記交互反転の時間は、前記１つ以上のセンサから受信した信号によって決定される。

本発明の一実施形態では、隣接する永久磁石の極は、Ｓ極−Ｓ極、Ｎ極−Ｎ極、Ｓ極−Ｓ極．．．配置で、同じ極が互いに対向するように配置される。

本発明の一実施形態によれば、前記ソレノイドの前記１回巻きコイルは、全ての前記ソレノイドを通過する１本の導体によって形成される。

図１は、本発明の一実施形態による電動モータの基本構造を示す図である。 図２ａは、本発明の一実施形態による複数のステータソレノイドの各々の基本形状を示す図である。 図２ｂは、本発明のソレノイドコアを更に詳細に示した図である。 図３は、本発明のロータの構造を示す図である。 図４ａは、ソレノイドの１回巻きコイルの構造を一般的な形態で示す図である。 図４ｂは、見やすいようにモータの他の構成部品を取り除いて、ソレノイドの１回巻きコイルの構造を一般的な形態で示す図である。 図４ｃは、どのように１本の導体が複数のソレノイドの全てを通過し、複数の１回巻きソレノイドを形成するのかを示す上面図である。 図５は、本発明のモータのコイルシステムで、２次コイルを更に備えているコイルシステムを示す図である。 図６は、本発明のモータのプロトタイプを示す図である。

上記のように、従来の一般的な電動モータは、かなりの寄生磁束を被り問題であり、寄生磁束は、モータが発生するようになっている機械（回転）エネルギーに加え、電気エネルギーの発生をもたらす。このような寄生電気エネルギーの発生は、大きなエネルギー損失を招くことになる。本発明は、このようなエネルギー損失をほぼ完全に排除する。

図１は、本発明の一実施形態による電動モータ１０の基本構造を示す図である。電動モータ１０は、主にロータ２０及びステータ３０を備える。ステータ３０は、複数のソレノイド３１ａ〜３１ｈを備え、これらのソレノイドは、等角度に離間し、かつ等間隔の放射状に、好適な円形ステータベース３２に固定されている。「ｅｑｕｉ−ｒａｄｉａｌｌｙ」（この用語は、本明細書では、簡潔に説明するために用いられる）という用語は、円形のステータベース３０を前提する。しかしながら、ステータベース３０は任意の形状であってもよい。この場合、これらのソレノイドの全ては、中心点から同じ距離に設置される。図２ａは、各ソレノイド３１の基本形状を示す図である。ソレノイドは、略矩形（断面で）のソレノイドコア３３を備え、ソレノイドコア３３は、矩形の空洞３４を有する。更に、ソレノイドコア３３は、比較的狭幅のディスクスロット３５と、コイルスロット３６（図２ｂに示す）とを有する。図３にも図示するように、ロータ２０は、シャフト２１と、ディスク２２と、ディスク２２上に設置された複数の永久磁石２３ａ〜２３ｈとを備える。図示のとおり、複数の永久磁石２３は、ソレノイドコア３３の空洞３４を通過するように構成される断面形状を有する。更に、ディスク２２で、その上には、同様に全ての永久磁石２３が等角度に離間し、かつ等間隔の放射状に配置されている該ディスク２２の深さは、それぞれのソレノイドコア３３の複数のディスクスロット３５（図２ｂ参照）の各々を図１に示すように通過するよう設計されている。

図１に示すように、永久磁石２３は、任意の２つの隣接する磁石のそれぞれの同じ極が互いに対向するようにロータディスク２２上に配置される（すなわち、Ｓ極がＳ極に対向し、Ｎ極−Ｎ極、Ｓ極−Ｓ極．．．のように配置される）。一実施形態では、図３に示すように、強磁性（例えば、鉄）ロッド２５は、任意の隣接する２つの磁石２３の間に設けられる。従って、全ての永久磁石２３のセットは、隣接する磁石の間全ての強磁性ロッド２５のセットと一緒に円環状構造を形成し、この円環状構造が、セットのソレノイド３１の全ての空洞３４のそれぞれを通過することで、環状構造がソレノイド３４の前記空洞内に絶えず保持されている状態で、ロータディスク２２は、自由に回転可能である。

ステータ３０のソレノイド３１は１回巻きソレノイドであり、１回巻きソレノイドでは、１本の導体線が、複数のソレノイドの全てを図４ａ、図４ｂ、及び図４ｃに示すように通過する。図４ａは、どのように導体３７が全てのソレノイド３１を形成するのかを示す上面図であり、図４ｂは、１本の導体３７だけの経路全体を示す図で、残りのモータ構成部品（例えば、ソレノイドコア３３、ステータベース３２、ロータディスク２２など）は、見やすいように図から削除してある。更に詳細には、１本の導体３７の経路は、第１ソレノイド３１ａのコア３３ａのコイルスロット３６内から、当該スロットに沿って上方向に、次にコア３３ａの上方を半径方向内側に向かい、次にスロット３６ａに沿ってディスク２２に向かって下方向に向かい、次にディスク２２の上方を第２ソレノイド３１ｂに向かって進み（当該ディスクに触れないで）、次にスロット３６ｂに沿って上方向に、次にスロット３６ｂに沿って半径方向外側に、次に当該スロットに沿って下方向に、次に半径方向内側に（図４ａには図示しないが、図４ｂに図示している）、次にディスク２２の下方をソレノイド３１ｃに向かって進み、次にスロット３６ｃに沿って半径方向に、次にスロット３６ｃに沿って上方向および半径方向内側に向かう、といった経路である。このように１本の導体の経路は、複数のソレノイドの全てに沿って続いており、当該経路は、第１ソレノイド３１ａで終端する。図４ａ及び図４ｃには図示していないが、１本の導体の経路は、閉ループではなくむしろ開放構造（図４ｂに示すような）を形成し、１本の導体３７の２つの端部３８は、１つのソレノイドに隣接して、例えば、第１ソレノイド３１ａに隣接して設けられる。モータの動作電流は、１本の導体３７の前記２つの端部を介して供給される。導体３７の前記「開ループ」構造（図４ｂに示すとおり）が、実際に、複数の１回巻きソレノイドのそれぞれを形成する。

好適には、「開ループ」の１本の導体３７は、複数のファイバからなるリッツ線導体である。開ループ構造には、ＤＣ電流が供給され、ＤＣ電流の方向は、永久磁石がソレノイドコア３３の空洞３４を通過する（実際には、複数の永久磁石が複数のソレノイド３１のそれぞれの空洞３４を同時に通過する）たびに変化する。１つ以上のホールセンサ３９は、複数のソレノイドのうち１つ以上にそれぞれ配置されて、磁石が空洞３４を通過する時間を検出する一方、各検出信号は、コントローラ（不図示）に伝送され、これにより、永久磁石の中心が空洞３４内をそれぞれ通過するたびに、導体を通るＤＣ電流の方向を切り替える。ＤＣ電流の方向は、正確に適時変更される必要があるが、そうでなければ、モータの回転が停止する、あるいはモータの回転は、不規則または非効率的になる。１回巻きソレノイドにＤＣ電流を供給することにより、実際に、最も近い永久磁石を引き付け、ディスクをソレノイドに向かって回転させ、電流がソレノイドを通過すると、ＤＣ電流の向きが反転されて、永久磁石をソレノイドから更に引き離す。このように、ディスク２２が回転される。

注目すべきは、複数のソレノイドの各コイルを１回巻きとした構成とすることにより、インダクタンスが非常に低くなることである。複数のコイル各々の低インダクタンスにより、コイルは、ＤＣ電流の方向を非常急速に、かつ高い周波数で切り替えることができる。この事実により、モータを非常に高い回転速度で動作させることができる。

更に別の構成では、リッツ線導体の使用に加え、積層型コアを複数のソレノイドの各々の内部で使用してもよい。

図６は、本発明の更に別の実施形態によるモータのコイルシステムを示す図である。図６のコイルシステムは、更に２次コイル５１を備える。

モータの回転を迅速に停止する必要が生じる場合、１次（１回巻き）コイル３７への電流供給が停止される一方、ＤＣ電流が２次コイル５１に供給される。１本の導体３７から形成される１次（１回巻き）コイルとは異なり、２次コイルは、複数の巻線から構成してもよい。

強磁性ロッドをロータディスクの任意の２つの永久磁石の間で使用することにより、寄生電圧の発生を極めて低く抑えられ、これにより、従来のモータと比べ、モータの効率は大幅に向上することが判明している。

図５は、本発明に従って組み立てられたモータのプロトタイプを示す図である。本発明のモータは、非常に低い供給電圧及び高電流で動作可能であることが判明した。この例では、プロトタイプモータは、１５０ｍＡの電流供給で、かつ約２〜５Ｖの入力電圧で、８０００回転／分の速度で回転した。また、本発明のモータにおける寄生電圧の発生は極めて低く、２０ｍＶほどあることが判明している。１００Ａ毎１４Ｎｍのトルクが測定された。

本発明の幾つかの実施形態を実例として説明してきたが、本発明は、本発明の趣旨または特許請求の範囲を逸脱しない限り、様々な修正、変形及び適合加えて実施可能であり、かつ当業者の範囲である多数の均等物または代替案を用いて実施可能であることは明らかであろう。

Claims (10)

1. 電動モータであって：
   （Ａ）ロータであって、該ロータが：
   ａ．同心のシャフト及びディスクと、
   ｂ．前記ディスクの上面に等角度に離間し、かつ等間隔の放射状に設けられる複数の永久磁石とを備えるものと、
   （Ｂ）ステータであって、該ステータが：
   ｃ．等角に離間し、かつ等間隔の放射状に設けられる複数のソレノイドで、各前記複数のソレノイドは、矩形断面形状と、空洞と、ディスクスロットとを含むソレノイドコアを有する、前記複数のソレノイドと、
   ｄ．各前記複数のソレノイドコアの外側表面に位置しているコイルスロットに巻回されたコイルであって、該コイルが前記ディスクの上方及び下方において隣接するソレノイドコアの間を交互に通過する、前記コイルとを備えるもの；
   とから構成される電動モータで、
   前記ディスクは、前記ソレノイドディスクスロット内に設置され、前記永久磁石は、前記ディスクを回転させると、これらの永久磁石が前記ソレノイドコアの前記空洞内を回転しながら通過することができるように配置される、電動モータ。
2. 前記ソレノイドの前記コイルは、１回巻きコイルである、請求項１に記載の電動モータ。
3. 前記ソレノイド、はステータベースに設けられる、請求項１に記載の電動モータ。
4. 強磁性ロッドが、前記ロータの任意の２つの隣接する永久磁石の間に配置されることにより、閉環状体を形成する、請求項１に記載の電動モータ。
5. 交互に方向が反転されるＤＣ電流が、前記ソレノイドの前記コイルに供給される、請求項１に記載の電動モータ。
6. 前記ソレノイドそれぞれに対する前記永久磁石のうちの１つ以上の位置を検出し、前記ＤＣ電流の方向を交互にそれぞれ反転させる１つ以上のセンサを更に備える、請求項５に記載の電動モータ。
7. 前記１つ以上の各センサは、ホールセンサである、請求項６に記載の電動モータ。
8. 前記ＤＣ電流方向の前記交互反転は、コントローラによって行なわれ、前記交互反転の時間は、前記１つ以上のセンサから受信した信号によって決定される、請求項６に記載の電動モータ。
9. 隣接する永久磁石の極は、Ｓ極−Ｓ極、Ｎ極−Ｎ極、Ｓ極−Ｓ極．．．配置で、同じ極が互いに対向するように配置される、請求項６に記載の電動モータ。
10. 前記ソレノイドの前記１回巻きコイルは、全ての前記ソレノイドを通過する１本の導体によって形成される、請求項２に記載の電動モータ。

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