(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-05-17
(45)【発行日】2022-05-25
(54)【発明の名称】モータ或は発電機さらにまたリニアモータ〔3〕
(51)【国際特許分類】
H02K 19/10 20060101AFI20220518BHJP
H02K 41/03 20060101ALI20220518BHJP
【FI】
H02K19/10 A
H02K41/03 A
(21)【出願番号】P 2020114455
(22)【出願日】2020-05-26
【審査請求日】2020-11-20
(73)【特許権者】
【識別番号】516032539
【氏名又は名称】株式会社CCUリニアモータ研究所
(72)【発明者】
【氏名】梅森 粛
【審査官】池田 貴俊
(56)【参考文献】
【文献】特開2019-149902(JP,A)
【文献】国際公開第2015/075784(WO,A1)
【文献】特開2010-154717(JP,A)
【文献】特開2012-147653(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 19/10
H02K 41/03
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転子と回転軸と固定子とFFスイッチとを備えるモータ或は発電機さらにまたリニアモータにおいて、該回転子は、吸引極を取り付けた2つの回転子支持部材を備えて、該回転軸と固定されており、該固定子は、該回転子の間に所定の間隔をもって配置され、非磁性金属の円盤状の支持基盤に放射状に等間隔に歯鉄心を備えて、該歯鉄心は幅広部分の外周部分と幅挟部分の内周部分とを有し、該外周部分と内周部分にコイルを互いに逆方向に巻き位相角(π/コイル組数)ずつずらして巻回されており、該外周部分と内周部分との間に細状の空隙部分が設けられ、隣接する空隙部分とコイル部分と歯鉄心と非磁性金属との間にはエポキシ樹脂が充填されており、該FFスイッチは、2象限定電流制御電流をA相、B相に切換え、2相のπ幅片振幅矩形波電流を順に位相差(π/コイル組数)で各コイル組に供給して対応した各外周側歯鉄心と内周側歯鉄心と吸引極との間の同じ方向の循環磁束を生じさせ、各コイルの起磁力が集中した位置に吸引極先端部或は後端部がくるように動作するモータ、或は発電機さらにまたリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は[0002]項記載の特許第6085753号,相互結合複合型梅森モータ,における固定子の構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
昭和40年台疑似正弦波による可変電圧,可変周波インバータが発明されて同期電動機,誘導電動機と組み合わせて良質な速度制御が可能なシステムが完成し,現在迄広く使われてきた。しかし近年地球温暖化の問題が生じて火石燃料車から電気自動車へ短期間に取って代るべき情勢が生まれて現在のモータは制御性だけではなく高効率化,低コスト化への宿命を負わされてしまった。
このような状況のもとで本出願と同一の出願人,発明者によって特許第6085753号,相互結合型梅森モータ,が登録された。該特許は転流相手のA,B相の2相構成のコイル組を複数互いに位相角を(π/コイル組数)ずつずらして重ね両面対向面の複数の歯溝鉄心それぞれに収納して構成した固定子と,両面或は両端に対向面を持つ複数の吸引極で対向面を構成した回転子と,二象限定電流制御回路からの定電流をA相,B相に切り換へながら順次に位相差(π/コイル組数)で各コイル組に供給して,各コイルの超磁力が集中した位置に該吸引極先端部或は後端部がくるように動作するスイッチとで構成したモータ,発電機,リニアモータに関するもので,レアアース磁石なし,重量が概略従来の1/10の超軽量の特徴がある。さらに特許第6481841号,モータ或は発電機さらにまたリニアモータ〔2〕が登録された。該特許は前記特許に関連して歯鉄心とコイルを支持基板にセットしてエポキシモールドする量産化構造に関するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
歯鉄心を金属性の支持基板で保持する構成を考えるとき,歯鉄心を貫通する磁束によって支持基板に有害な循環電流を生じないよう配慮する必要がある。
【0004】
本発明は回転子と回転軸と固定子とFFスイッチとを備えるモータ或は発電機さらにまたリニアモータにおいて、該回転子は、吸引極を取り付けた2つの回転子支持部材を備えて、該回転軸と固定されており、該固定子は、該回転子の間に所定の間隔をもって配置され、非磁性金属の円盤状の支持基盤に放射状に等間隔に歯鉄心を備えて、該歯鉄心は幅広部分の外周部分と幅挟部分の内周部分とを有し、該外周部分と内周部分にコイルを互いに逆方向に巻き位相角(π/コイル組数)ずつずらして巻回されており、該外周部分と内周部分との間に細状の空隙部分が設けられ、隣接する空隙部分とコイル部分と歯鉄心と非磁性金属との間にはエポキシ樹脂が充填されており、該FFスイッチは、2象限定電流制御電流をA相、B相に切換え、2相のπ幅片振幅矩形波電流を順に位相差(π/コイル組数)で各コイル組に供給して対応した各外周側歯鉄心と内周側歯鉄心と吸引極との間の同じ方向の循環磁束を生じさせ、各コイルの起磁力が集中した位置に吸引極先端部或は後端部がくるように動作するモータ、或は発電機さらにまたリニアモータである。
【発明の効果】
【0005】
本発明におけるモータ,発電機の歯鉄心の磁束は同一方向で増減する。これと逆向きに流れ増減する磁束を通す歯鉄心とセットで支持基板に取り付け両者の中間の支持基板部分に間隙を設けることでそれぞれの歯鉄心周囲の循環電流,両者合わせた周囲の循環電流を阻止することができる。通常,熱伝導性の良い材料は電気伝導性が良いが,本発明による間隙の適用は循環電流の阻止と発生熱の有効な集約が両立して行なうことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【
図1】本発明に係る6極4重相4面構成モータの実施例
【
図3】[A]本発明に係るコイル構成 [B]本発明に係る歯鉄心の磁束循環
【
図5】[A]本発明に係るFFスイッチの構成 [B]本発明に係る各相コイル電流
【発明を実施するための形態】
【0007】
図1は,本発明に係る実施例の6極4重相4面構成の横断面構成を示す。図において,1は固定子,2は回転子,3は軸受板,4は回転軸,5はベアリング,6は角度位置検知器,7は支持基板,8は冷却フィン,9はスペーサー,10は歯鉄心,12はコイル,23は固定子支持部材,13は回転子支持部材,14は吸引極,15は固定子ネジ,16は回転子ネジである。固定子は円板状でケース外周でスペーサ9と固定子ネジ15で固定されている。回転子2は回転子要素2-1と回転子要素2-2の二つに分離できる構成にしてあり,組立て行程に際して固定子1を挟むように順序に回転軸4に挿入して回転子ネジ16で回転軸4に固定してある。
【0008】
図2は支持基板7であり,
図1における固定子1の二重リング状歯鉄心10を構成するための骨格をなしている。該支持基板は非磁性,伝熱性の高強度軽金属製例へば硬質アルミ製を用いる。該支持基板は外周部分と内周部分が厚く,両者の間の部分は薄くしてある。厚い部分のつらは下記リング状歯鉄心の対向面のつらと一致するようにしてある。該支持基板の外周側の穴7-1,7-2,‥‥は外周側の歯鉄心10-1,10-2,‥‥が嵌まり,内周側の穴7’-1,7’-2‥‥は内周側の歯鉄心10’-1,10’-2‥‥が嵌まる。歯鉄心の積層は半径方方に重ね磁束は紙面に垂直方向に貫通する。該積層歯鉄心は,
図2では一部だけ表示されているが,実際には総てがそのようになっている。歯鉄心の嵌まる穴は歯鉄心の磁束に垂直な断面の形状と合致するように構成し,歯鉄心の磁束方向の中央部を支持板にきつく固定してある。歯鉄心10,10’の磁束は各歯鉄心の超磁力アンペアターンと各歯鉄心に対向する吸引極14の角度位置に伴いゼロから最大値迄片振巾状に変化する。角度位置が同じ外周側歯鉄心と内周側歯鉄心は同量の磁束が該吸引極を通じて循環する。外周側穴7-1,7-2,‥‥それぞれと内周側穴7’-1,7’-2,‥‥それぞれとの間に半径方向の間隙24-1,24-2,‥‥が設けられている。歯鉄心10-1の磁束が変化するとファラデ則によって該歯鉄心周囲の支持基板に起電力を生じるが間隙24-1のため仮想ループ25-1Aの循環電流は阻止される。同様に歯鉄心10’-1の磁束変化による該鉄心周辺の仮想ループ25-1Bの循環電流も阻止される。かつまた歯鉄心10-1と10’-1を含む仮想ループ25-1Cは該鉄心の磁束変化が相殺されるため循環電流は生じない。このようにして支持基板の外周側の穴と内周側の穴の間に間隙を設けることによって個々の歯鉄心の外周の渦電流と両者を含む外周の渦電流を阻止しながら,各歯鉄心周囲に設置してあるコイル導体の発生熱を有効に集約して冷却できる。
【0009】
図3[A]は固定子1に巻かれたコイルの構成,同図[B]は固定子1の歯鉄心の磁束17の循環の様子を説明するための図である。6極4重相構成より磁極ピッチは,360°/6(極)=60°,歯鉄心のピッチ,溝のピッチは磁極ピッチ60°,重相数4より 60°/4(重相)=15°となる。1周の歯鉄心数と溝数は360°/15°=24である。
図3(A)において,歯鉄心10-1,10-2,10-3……は外周側の歯鉄心,溝11-1,11-2,11-3……は外周側の溝を示す。同様歯鉄心10’-1,10’-2,10’-3‥‥は内周側の歯鉄心,溝11’-1,11’-2,11’-3‥‥は内周側の溝を示す。同図は何れもその一部を示してある。固定子1を挟むように存在する回転子2の回転方向は上記歯鉄心10-1,10-2,10-3‥‥の追い番の方向を順方向とする。
コイル12-1Aは,外周側の溝11-1と溝11-4の間の3個の歯鉄心10-1,10-2,10-3を右回わりで所定巻数を巻いて,同じ角度位置の内周側の溝11’-1と溝11’-4の間の3個の歯鉄心10’-1,10’-2,10’-3を上記とは逆の左回わりで所定の巻数が巻いてある。これによって同図(B)に示す磁束17の循環が生じ,1磁極内で空隙18-1,18-2,18-3,18-4の4面の対向面が構成できる。
該空隙4面は云う迄もなく,モータとしての吸引力,発電機としての起電力を生じる根拠になる。
図3(A)では表示していないが上記と同様のことを2磁極ピッチ即ち8溝ピッチで全部で以下に示す3回繰り返す。
溝11-1,溝11-4と溝11’-1,溝11’-4
溝11-9,溝11-12と溝11’-9,溝11’-12
溝11-17,溝11-20と溝11’-17,溝11’-20
以上,上記3組のコイルは直列接続してコイル12-1Aを構成する。
【0010】
前記コイル12-1Aを基準にして1磁極ピッチ即ち溝ピッチずらして別コイルを設けることでコイル12-1Bを構成する。コイル12-1Aとコイル12-1Bは1溝ピッチ間隔が開けてあるが,コイル電流の転流のための余裕時間を設けたものである。
【0011】
更に上記コイル12-1Aとコイル12-1Bとを基準にしてそれぞれ回転方向に1溝ピッチずらして別コイルを設けることで,コイル12-2A,コイル12-2Bを構成する。更にまた最初の位置から2溝ピッチずらしてコイル12-3A,コイル12-3Bを,3溝ピッチずらしてコイル12-4A,12-4Bを構成する。
【0012】
コイル12の起磁力の向きは外周側のコイルと内周側のコイルそれぞれの間では統一して外周側コイルと内周側コイルとの間では逆向きにすることで,対向した吸引極14が歯溝鉄心のどの位置にあっても同じ向きの循環磁束を生じる。
【0013】
図1を参照して,回転子2は回転子要素2-1と回転子要素2-2の二つに分離できる構造にしてあり,組立て行程に際して固定子1を挟むように順次に回転軸4に挿入して回転子ネジ16で固定する。
図4は回転子要素2-1の構成を説明するための図である。同図(A)は回転子要素2-1の対向面を相手側の固定子1の対向面側から見た図である。14-1,14-2,14-3は吸引極である。吸引極の回転方向巾は6極構造より,(360°/6(極))=60°で,外周側歯鉄心10と内周側歯鉄心10’とのそれぞれと対向する対向面を持ち,両者を磁路で結ぶように構成して,2磁極ピッチ即ち120°ピッチで3組配置して,非磁性,軽量の回転子支持部材13で保持してある。
図1を参照して,回転子要素2-2は,上記回転子要素2-1と鏡面対向する様に構成してある。吸引極14には,面に垂直方向に吸引力が,半径方向に遠心力が加わり,これに対抗するように構成する必要がある。
【0014】
図5は,
図1の固定子1に係るフリップフロップスイッチ(以下FFスイッチと略称する)とコイルの接続,コイル電流波形を示すための図である。
図5[A]において,二象限定電流制御回路22は,交流或は直流電源21を入力として,負荷起電力の正負,大小に関係なく設定した定電流Iを出力するためのものである。転流相手のコイル12-1Aと,コイル12-1BはそれぞれFFスイッチ20-1A,20-1Bを介して並列接続されて,FFスイッチユニットを構成して,オンした方のFFスイッチを二象限定電流制御回路22から定電流Iが供給される。転流相手のいずれか一方を流れた電流は一旦回路は合流して定電流Iとして次のFFスイッチユニットへ入力し,これを全体で4回くり返す。
尚FFスイッチは該図では通常のスイッチ記号を使用しているが,実際はIGBT等の半導体スイッチを用い,コンデンサ等による過電圧抑制等の処理が必要である。
図5[B]は,コイル12-1A,12-1B~コイル12-4A,12-4Bの8相の電流波形を示す。総ての波形は,ピーク値Iで同じ方向に流れる片根巾台形波である。波形は順次π/4の位相差でずれている。表1は,同図におけるFFスイッチの動作順序を示す。表中の○印はFFスイッチオン,×印はFFスイッチオフを示す。動作モードは順方向動作を基準にしており動作モードを4ずらすと制動モードになる。
【表1】
【0015】
図6は,
図1に係る動作を説明するための基本構成である。
図1の実施例は6極4重相4面構成であるため歯鉄心と吸引極の対向面は12面あるが,
図6の基本構成は1面のみに単純化して,且つ見やすいように直線化してある。磁路構成は完結しておらず,図中に矢印17の磁路の存在を前提にしてある。
図6を参照して吸引極14の先端Pが溝11-5にある状態ではFFスイッチ20-1A~20-4Aは総てオン,FFスイッチ20-B~20-4Bは総てオフで,コイル12-1A~12-4Aは二象限定電流制御回路22からの供給電流Iが流れる。
通流コイルは黒く塗りつぶしてある。各歯鉄心の磁束は下記のように生じる。
・歯鉄心10-3の空隙は,コイル12-1Aのコイル1個分の電流による磁束。
・歯鉄心10-4の空隙は,コイル12-1A,12-2Aのコイル2個分の電流による磁束。
・歯鉄心10-5の空隙は,吸引極14の対向した局部だけコイル12-1A,12-2A,12-3Aのコイル3個分の電流による磁束。
吸引極14の先端Pが歯鉄心10-5を横断をする間,歯鉄心10-3,10-4の空隙磁束は変化せず,歯鉄心10-5の磁束だけが直線的に増加する。
結局は,吸引極14が歯鉄心10-5を移動する間の磁気エネルギの増加分は歯鉄心10-5の空隙磁気エネルギと等しく,吸引極1個当り
取得した磁気エネルギと同量の力学的エネルギが出力し,吸引力は移動距離aで割って
ここに
B
m:磁束密度〔T〕
E
m:空隙磁気エネルギ〔J〕
F
m:発生吸引力〔N〕
M
o:4π×10
-7
g:空隙長〔m〕
a:歯鉄心進行方向円弧長〔m〕
b:歯鉄心の半径方向巾〔m〕
多相コイルの各相コイルが独立して吸引力発生の仕事をするのではなく各相コイルの全電流が同じ方向に相互結合して競合して一体化して吸引動作の仕事をする。吸引力は電流の約二乗に比例するため各相コイル電流を相互競合結合で一体化することで実効的重相数倍の吸引力を生じさせている。
【0016】
図7を参照して,吸引極14の先端Pが歯鉄心10-5を横断して溝11-6に達した時点で,コイル12-1Aの電流がコイル12-1Bに転流する。コイル12-1Aは,自身のコイルの自己インダクタンスにもどづく磁気エネルギとコイル12-2A,コイル12-3Aそれぞれとの相互インダクタンスにもとづく磁気エネルギを保持する。
転流に際して,これ迄のコイル12-2A,12-3A,と転流先のコイル12-1Bに再配分されて,一部は負の過電圧を発生して電源側に高効率で回収される。
【0017】
図8を参照して,上記コイル12-1Aからコイル12-1Bへの転流後の状態を示してある。この状態は,
図6における状態と基本的に同じで,吸引極14の先端Pが歯鉄心10-6で駆動を継続できる。
本実施例は4重相の実施例について示したが,6重相,8重相,……についても基本的に同じ考えで実施できる。
【産業上の利用可能性】
【0018】
・本発明によるモータ,発電機,リニアモータは,レアメタル磁石は不要,コイルはアルミ線の適用可能であり資源フリー,
・据置型,軸型,インホイール型,平型,等形状フリー,
・(トルク,出力/重量)従来機器の大略1桁大,
・駆動,制動は特別な制御無しで目途90%効率でリバーシブル
・量産化し易い構造
の特徴をもつ。
さらにまた,本発明のモータ,発電機,リニアモータの特徴を生かした次のような新しい適応が考えられる。
・電気自動車用インホイールモータ,軸型モータ,
・低床式電車用軸型モータ
・ギャレス風力発電機
・ギャレス平型エレベータモータ
・ワイヤレスリニアモータ駆動エレベータ
・フォークリフト昇降リニアモータ
・カタパルト推進,制動用リニアモータ
・ビル用免震機構
・燃料電池船舶用軸型モータ
・電池ダンパ機構
【符号の説明】
【0019】
1.固定子
2.回転子
3,軸受板
4 回転軸
5,ベアリング
6,角度位置検知器
7 支持基板
7-1,7-2,7-3……,7’-1,7’-2,7’-3……くりぬき穴
8,冷却フィン
9,スペーサー
13,回転子支持部材
14 14-1,14-2,14-3 吸引極
15,固定子ネジ
16 回転子ネジ
17,磁束
18,18-1,18-2,18-3,18-4 空隙
21,交流電源或は直流電源
22,二象限定電流制御回路
23,23-1,23-2,23-3,32-4,23-5, 固定子支持部材
24,24-1,24-2, 間隙