特開 2023-103145 電動機（２）

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023103145

(43)【公開日】2023-07-26

(54)【発明の名称】電動機（２）

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/22 20060101AFI20230719BHJP

【ＦＩ】

H02K21/22 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2022014513

(22)【出願日】2022-01-13

(71)【出願人】

【識別番号】522043758

【氏名又は名称】山崎 嗣人

(72)【発明者】

【氏名】山崎 嗣人

(72)【発明者】

【氏名】衛藤 篤見

【テーマコード（参考）】

5H621

【Ｆターム（参考）】

5H621AA03

5H621BB10

5H621PP02

5H621PP10

(57)【要約】

【課題】永久磁石と電磁石の磁極間間隙を加速性能を担保しつつ、高速航続性能と省エネルギー化を実現する間隙に可変制御することを可能にした電動機を提供する。
【解決手段】回転駆動軸に軸心を連結し内周方向に沿い永久磁石を配列したロータと、前記ロータの内側に前記永久磁石の磁極に対して所定の磁極間間隙で電磁石の磁極を対面可能に配置したステータとを設けた電動機において、前記対面時の磁極間間隙をロータの回転速度に応じて拡縮駆動機構により適正な磁極間間隙値曲線Ｃｎに沿って最少磁極間間隙Ｘｏから最適磁極間間隙Ｘｃに自動位置調節する電動機。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転駆動軸に軸心を連結し内周方向に沿い永久磁石を配列したロータと、前記ロータの内側において前記永久磁石の磁極に対して所定の磁極間間隙で電磁石の磁極を対面可能に配置したステータとを設けた電動機において、前記対面時の磁極間間隙を拡縮駆動機構により拡縮可変可能にし、前記拡縮駆動機構は、前記ステータにおける前記電磁石の基部の両側部に被ガイド腕を設け、前記両被ガイド腕の各々に摺動可能に係合連結し前記被ガイド腕を前記ステータの半径方向に移動可能にする円弧状ガイドを内周面に形成した一対の回転リングを前記ステータ両側に回転可能に設けたことを特徴とする電動機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータやダイナモ（発電機）等の電動機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電気自動車のトルクと回転数の最適化には、図９に示すように、スタート時や登坂には高トルク、高速巡行時には低トルクで高回転数が求められる。
この最適化を実現するために、過去に種々の方法が考案されているが、最も効果的な方法は「可変界磁システム」で、各社研究機関等で、様々な仕組みが発表されている。
因みに主要電気自動車メーカは、モータの製造工程において、構成部品の一部を変更することにより、他の工程に大幅な修正を加えることなく、目的とする最適化、つまり省エネルギー化による航続距離の改善を進めている。

【0003】

而して電気自動車に搭載されるモータは、内燃機関と比較して、加速性能には優れているが、高速航続性能はネックとなり、実用的な移動手段としては限られた範囲に留まっている。

【0004】

而して、モータの駆動特性に求められるのは、稼働運転状況に応じた適切なトルクと回転数、そしてそれぞれに必要なエネルギーの分配である。
同一モータにおいて「高磁力‐低速」と「低磁力‐高速」を、エネルギーの無駄を最小限に抑えて実現することが求められており、同様のことはガソリン車にも異口同音に指摘されている。
共通のポイントとしては、高速走行では、大きなトルクは必要とせず、モータの回転数を上げなければならない。そこでガソリン車のように省エネが実現すれば、燃費は良くなり、航続距離も伸びる。

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明者等は過去にモータ自体の構造変更は最小限に抑えながら、加速性能を担保しつつ、高速航続性能と省エネルギー化を実現する電動機を開発している。

【0006】

本発明は、すでに開発済みの技術を補完し、回転駆動軸に軸心を連結し内周方向に沿い永久磁石を配列したロータと、前記ロータの内側において前記永久磁石の磁極に対して所定の磁極間間隙（エアギャップ）で電磁石の磁極を対面可能に配置したステータとを設けた電動機において、前記磁極間間隙を加速性能を担保しつつ、高速航続性能と省エネルギー化を実現する間隙に可変制御することを可能にした電動機を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を満足させる本発明の電動機における主な技術構成は、次の（１）の通りである。
（１）、回転駆動軸に軸心を連結し内周方向に沿い永久磁石を配列したロータと、前記ロータの内側において前記永久磁石の磁極に対して所定の磁極間間隙で電磁石の磁極を対面可能に配置したステータとを設けた電動機において、前記対面時の磁極間間隙を拡縮駆動機構により拡縮可変可能にし、前記拡縮駆動機構は、前記ステータにおける前記電磁石の基部の両側部に被ガイド腕を設け、前記両被ガイド腕の各々に摺動可能に係合連結し前記被ガイド腕を前記ステータの半径方向に移動可能にする円弧状ガイドを内周面に形成した一対の回転リングを前記ステータ両側に回転可能に設けたことを特徴とする電動機。

【発明の効果】

【0008】

本発明の電動機は、前記ロータの永久磁石（以下ＰＭと称する）が発生する磁束密度によって前記ステータの電磁石の受ける磁気抵抗（：磁気回路における鉄損：渦電流とヒステリシス、及び銅損：逆起電力）の変化を前記拡縮駆動機構による磁極間間隙の調整で制御する。この磁極間間隙の調整制御により、加速時や登坂時には磁束密度の高い磁場と電磁石が作用しあって、低速で高トルクを発生させ、一方、回転数が高くなると、前記拡縮駆動機構によってＰＭ、電磁石、またはその組み合わせが、磁束密度の低い状態に移動し、磁気抵抗が少ない状態で高速回転が実現でき、消費電力も減少する優れた作用効果を呈する。

【0009】

前記拡縮駆動機構を用いる制御では、ロータの回転速度に応じて一対の前記回転リングを回転させて磁極間の間隙の変位度合いを決めることができる。これで低速－高トルクおよび高速－低トルクの最適化された「トルク対回転速度」の状況が自動的に実現できる。つまり低回転時には前記拡縮駆動機構により磁極間間隙を狭くして、磁束密度を高く電磁してその作用で高トルクを発生させる。高速になると前記拡縮駆動機構により磁極間間隙を広くして磁気抵抗を低くすることにより回転数を上げて、低消費電力を維持しながら高速航続を行う。
登坂や減速時には回転数が落ち、それに伴って磁極間間隙を狭めて、高トルクを発生できる状態になる。これらモータ特性の変化は自動的に行われる。

【0010】

本発明は更に電動機の力行（（りっこう）駆動）、惰行走行、回生（制動）を細かく制御するには、磁極間間隙の制御を前記ロータの回転速度に応じて前記拡縮駆動機構により好ましくは自動的に行うのである。つまり本発明はＰＭと電磁石間に発生する磁束密度の変化を磁極間の間隙調整により「トルク対回転速度」を簡単堅牢な前記拡縮駆動機構により最適化させることを可能にしたのである。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は実施例１の電動機の側面図である。

【図2】図１の電動機の左斜めから見た斜視図である。

【図3】図１の電動機の右斜めから見た斜視図である。

【図4】実施例１の電動機の側面から見た分解説明図である。

【図5】図４の分解説明図を左斜めから見た斜視図（１）と、同（１）に示す円Ｂ内の拡大図（２）である。

【図6】図１の矢視Ａ－Ａからの側面説明図である。

【図7】実施例１の電動機における回転リング２０５の内表面図（１）と、同（１）の部分（：円弧状ガイド２０４）の拡大図を示す

【図8】図６の要部を拡大して永久磁石と電磁石の磁極間間隙の変化を示す概略説明図であり、（１）はロータの回転初動時の最少磁極間間隙Ｘｏになっている説明図であり、（２）は高速回転時の最適磁極間間隙Ｘｃになっている説明図である。

【図9】自動車・鉄道で要求されるモータの駆動特性図を示すグラフである。

【図10】図１～図８に示す実施例において検証したロータの永久磁石とステータの電磁石の磁極間間隙とロータの回転数（ＲＰＭ）の関係（実測値）を示すグラフを示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の実施形態に係る装置の実施例１を説明する。

【実施例0013】

図１～図４において、実施例１の電動機は、回転駆動軸１０１に固定した回転軸受１０４に保持枠１０２を介して固定連結し内周方向に沿い永久磁石１０３を配列したロータ１００と、前記ロータ１００の内側において、前記永久磁石１０３の磁極に対して所定の磁極間間隙で電磁石２０１の磁極を対面可能に配置したステータ２００とを設ける。

【0014】

ステータ２００は、電磁石２０１の基部２０１ａの内径部に筒体２０８を設けて固定保持し、筒体２０８は一側部に固定円盤体２０９を連結し、固定円盤体２０９は回転駆動軸１０１にベアーリング２１０を介して装着する。
ステータ２００の内径部の前記電磁石２０１の基部２０１ａの両側面の中心にステータ２００の半径線に対して直角に突設する二本の被ガイド腕２０３を設ける。
前記二本の被ガイド腕２０３はステータ２００の周方向に対しては斜めに傾斜して配列してある。

【0015】

ステータ２００の両側には、図５の（２）、図６、図７の（１）（２）に示すように前記被ガイド腕２０３と同じ方向に傾斜させた円弧状ガイド２０４を対面の円周部に形成し、前記円弧状ガイド２０４で被ガイド腕２０３をステータ２００の半径方向に摺動ガイドする一対のドーナツ型の回転リング２０５、２０６を対面配置する。

【0016】

両方の回転リング２０５、２０６は、前記ステータ２００の筒体２０８内を挿通したリング保持具２０７により連結固定保持する。

【0017】

前記永久磁石１０３の磁極に対して所定の磁極間間隙で電磁石２０１の磁極を対面可能にする拡縮駆動機構は、電磁石２０１の基部２０１ａの前記被ガイド腕２０３と、回転リング２０５、２０６とリング保持具２０７で構成してなる。

【0018】

図８に示すように前記永久磁石１０３と電磁石２０１の磁極対面時の磁極間間隙（エアギャップ）は、前記の拡縮駆動機構の回転リング２０５、２０６の回転により（１）に示す回転初動時の最少磁極間間隙Ｘｏから（２）に示す最高速回転時の最適磁極間間隙Ｘｃに可変される。

【0019】

前記回転リング２０５、２０６は、前記ロータ１００の回転速度測定器からの回転速度測定値に応じてアクチェータなどの駆動機により自動的に所定角度回転する。これで各円弧状ガイド２０３は各被ガイド腕２０３を介して全電磁石２０１をステータ２００の半径方向に移動させて電磁石２０１と永久磁石１０２との対面時の磁極間間隙を図８及び図１０に示すように一律に適正な磁極間間隙値曲線Ｃｎに沿って最少磁極間間隙Ｘｏから最適磁極間間隙Ｘｃに連続的に又は段階的に自動位置調節する。

【0020】

図１０は、本発明における基礎的な新知見であり、図１～図８に示すモデル例におけるロータ１００の永久磁石１０２とステータ２００の電磁石２０１の磁極間間隙（ｍｍ）とロータの回転数（ＲＰＭ）の関係（実測値）の検証実験結果を示すグラフである。図１０において、前記磁極間間隙は、最小距離Ｘ_０を例えば２ｍｍに定め、その間隙における最速ＲＰＭを、磁極間間隙の値を変えながらそれぞれ計測した。

【0021】

因みに、
１．ロータ１００は半径１８ｃｍ、
２．永久磁石１０１の仕様：ネオジム磁石、直径１ｃｍ、長さ２ｃｍの湾曲片、重量 １１．５６ｇ吸引力＝４０６１ｇｆ 表面磁束密度＝５３２７Ｇａｕｓｓ
３．ステータの半径＝１５ｃｍ、重量＝約２８００ｇ
４．電磁石２０１の仕様：全長＝６ｃｍ、０．６ｍｍ径の銅線長７０ｍ、コア径＝１ ．３ｃｍ、ア材質＝軟鉄

【0022】

而してこの検証実験では、始動時のエアギャップ２．０ｍｍ、回転数５５２ｒｐｍ、消費電力４．７Ｗで、回転に伴ってエアギャップが拡がり、最大の４．５ｍｍになった時には、回転数は７２３ｒｐｍ、消費電力２．７Ｗとなった。
つまり、回転数は約３０％増加し、消費電力は約４０％減少した。このことから、モータの高速航行性能は、最大トルク発生時に比べて、概算で（１００＋３０％）／（１００―４０％）または約２倍となる。
ただし、エアコンその他の電気機器による消費など種々の要因があり、状況に応じた算出が必要となることは言うまでもない。

【0023】

効率的なエアギャップの可変距離は、インランナーおよびアウトランナーにおいて、数ミリメートル程度を実験で確認しているが、自在に制御できるこのギャップ可変では、それを超える可変距離であってもよい。走行の目的や条件に応じた、力行、惰行および回生の適切な配分で決まると考えられる。

【産業上の利用可能性】

【0024】

本発明の電動機は、ロータ及びステータの配置は、竪型、横型（水平型）、斜め型等自在配置を自在に可能にして、しかもスリム化を実現し、応用範囲を自転車、自動車、航空機、ドローン等に用いる各種の小型・大型・超小型の駆動モータ、簡易家庭用発電機又は駆動モータ、各種工業用発電機又は駆動モータ等に幅広く利用可能にするなどその用途の汎用性は計り知れず電動機産業に貢献すること多大なものがある。

【符号の説明】

【0025】

１００：ロータ
１０１：回転駆動軸
１０２：保持枠
１０３：永久磁石
１０４：回転軸受
２００：ステータ
２０１：電磁石
２０１ａ：基部
２０２：保持リング
２０３：被ガイド腕
２０４：円弧状ガイド
２０５、２０６：回転リング
２０７、２０８：リング保持具
２０９：回転体
２１０：ベアーリング

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】