JPH05227735A - 直流電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の直流電動機によれば、ブラシモータ
のような電極接触を含まないから電極接触に起因するノ
イズが発生せず、電極損耗が無いので長寿命で信頼性が
高い。また、従来のブラシレスモータのような回転磁界
を形成するための特別な電気回路を必要としない。 【構成】 回転軸に２個の円環型の永久磁石を固定す
る。永久磁石の上面全体はＮ極、下面全体はＳ極であ
る。永久磁石の磁極の対向面間に電流経路部材を配置す
る。電流経路部材には、内周側と外周側を多数回往復す
るジグザグ状の電流経路が形成され、電流経路の往部分
には磁気シールドが装着され、磁気的には電流経路部材
上に存在しなくなる。電流経路の復部分によるフレミン
グの左手則に従った相対力が永久磁石を円環状の対向面
に沿って一方向に加速し、回転軸にトルクを出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久磁石部材の発生す
る磁界と電流経路を流れる直流電流の相互作用で回転力
を発生させる直流電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石を用いる従来の直流電動機は、
界磁に永久磁石を用い、回転軸の一回転３６０度を分割
して設けた回転接点とブラシとの直接接触によるスイッ
チングで回転側の電磁石の磁極を切り替えるものと、永
久磁石を回転側として、周囲に配置した複数のコイル磁
極を外部の半導体スイッチング装置で制御して、永久磁
石の周囲に回転磁界を形成するものとに大別される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】回転接点とブラシでス
イッチングを行なう直流電動機では、高速かつ不安定な
電極接触と磁極反転時の電磁石の誘導電圧によって放電
やノイズが発生し、回転接点とブラシの接触電圧損や磁
極反転に伴う電磁石の鉄損が出力効率を低下させてい
る。また、接触電圧損が不安定なため、０．５Ｖのよう
な低電圧入力では動作が不安定になり、一次電池、蓄電
池等を電源に用いる場合には多数を直列接続して電圧を
高める必要がある。

【０００４】一方、複数のコイル磁極を半導体スイッチ
ング装置で制御して回転磁界を形成する直流電動機、す
なわち、従来のブラシレスモータは、永久磁石の回転位
置を検出するセンサを含む複雑な電気回路を必要とす
る。また、半導体素子のＰＮ接合の順電圧損が電源電圧
から差し引かれるため、０．５Ｖのような低電圧入力で
は出力効率を確保できない。

【０００５】本発明は、回転接点とブラシによる不安定
な電極接触を含まず、回転磁界を形成するための特別な
電気回路を必要としない直流電動機を提供することを目
的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の直流電動機
は、回転軸を中心とする２つの回転面で反対磁極を対向
させた永久磁石部材と、該対向面の内周側と外周側の間
を多数回往復する電流経路を形成した、前記永久磁石部
材に対し相対回転可能な電流経路部材とを有し、該電流
経路部材に、前記電流経路の往部分と復部分とで前記永
久磁石部材による磁束の通り易さを異ならせる磁束制御
手段を設けたものである。

【０００７】請求項２の直流電動機は、請求項１の直流
電動機において、前記永久磁石部材は、前記回転軸に固
定された平行な２つ以上のリング型永久磁石からなり、
該リング型永久磁石の前記対向面の反対側に位置する反
対磁極同士を非接触に連絡する磁気回路部材を設けたも
のである。

【０００８】請求項３の直流電動機は、請求項１、２い
ずれかの直流電動機において、前記磁束制御手段は、前
記永久磁石部材とは逆向きの磁束を発生する永久磁石を
前記電流経路の往部分と復部分の一方に組合わせてなる
ものである。

【０００９】

【作用】本発明の直流電動機は、回転軸のまわりに１方
向の相対力を分布できる永久磁石と電流経路の幾何学的
な配置として、「回転軸を中心とする２つの回転面で反
対磁極を対向させて、対向面を内外周方向に横切る電流
経路に内周側から外周側（逆も可）に向かって１方通行
に直流電流を通じる」解答を提供し、１方通行の直流電
流の還流を可能とする１本の電流経路の幾何学的な形状
として、「対向面を内外周方向に多数回ジグザグ状に往
復する」解答を提供し、ジグザグ状の電流経路の往部分
と復部分で相対力が相殺されないために、「電流経路の
必要な部分と邪魔な部分とで電流経路部材を貫通する磁
束の密度を異ならせる」物理学的な解答を提供してい
る。

【００１０】請求項１の直流電動機では、１つの永久磁
石部材の反対磁極間、または、２つの永久磁石部材の反
対磁極間に形成される磁束の下で、磁束を横切る電流経
路に直流電流を通じ、電流経路と永久磁石部材の間に作
用するフレミングの左手則に従った相対力を回転軸のま
わりに１方向に分布させてトルク出力を取り出す。相対
力に加速されて永久磁石部材と電流経路部材の相対回転
が始まると、電流経路にはフレミングの右手則に従った
直流電源とは逆向きの起電力が発生し、回転速度が増し
て逆向きの起電力が直流電源の電圧に接近すると、電流
経路を流れる直流電流が激減して加速が止まり定速回転
に移行する。一方、外部の動力源に直流電動機を接続し
て、永久磁石部材と磁気回路部材とを強制的に相対回転
させた場合、電流経路の両端から起電力を取り出すこと
ができ、この起電力を用いて電流を流すと、この電流に
よるフレミングの左手則に従った相対力が外部動力の負
荷となる。

【００１１】ここで、永久磁石部材と電流経路部材は、
どちらを固定側としてもよいが、固定された電源を利用
する場合は、電流経路部材を固定側としたほうが結線が
楽である。氷久磁石部材の反対磁極の対向面は、電流経
路部材との相対回転を可能とする間隔を確保して、永久
磁石部材の磁気回路の空気ギャップを最小限にするため
のもので、全体としてほぼ回転面の全部または一部を形
成するが、表面をノコギリ状、凹凸状、波打ち状として
もよい。

【００１２】電流経路部材を貫通する永久磁石部材の磁
束を横切って、対向面の内周側と外周側の間を多数回往
復する電流経路の往部分と復部分は、直流電流を通じた
際にそれぞれ逆向きの相対力を発生するが、磁束制御手
段を設けて、電流経路の往部分と復部分とで磁束の通り
易さを異ならせているため、往部分と復部分では関与す
る磁束密度とともに発生する相対力の絶対値が異なり、
差し引きの相対力で回転軸のまわりにはトルクが残る。
磁束制御手段としては、電流経路部材の一部分で貫通方
向の磁気抵抗を低くして、この一部分に磁束を集中させ
て他の部分の磁束密度を薄める方法や、電流経路の邪魔
な部分を１重または２重に磁気シールドする方法が採用
できる。具体的には、例えば、往部分のみを高透磁率の
材料で裏打ちした基板を用い、この基盤上に電流経路を
固定する。

【００１３】電流経路部材は、永久磁石部材の磁気回路
の空気ギャップを最小限にするために貫通方向の磁気抵
抗が低い材料で形成されるのが好ましく、磁気抵抗を高
めない範囲でなら電流経路を多層に配置してもよく、永
久磁石部材との相対回転を可能とする間隔を最小限に確
保した、永久磁石部材の磁極の２つの回転面の中間に位
置する第３の回転面の全部または一部とするのが好まし
い。

【００１４】請求項２の直流電動機では、例えば、図１
のように複数のリング型永久磁石を直列に配置し、最も
外側に位置する２つのリング型永久磁石の反対磁極を相
対回転可能な空気ギャップを介して磁気回路部材で磁気
的に連絡する。このような配置によれば、リング型永久
磁石の薄型化が容易で、リング型永久磁石の間隔のそれ
ぞれに電流経路部材を配置できるので、Ｕ字形の回転断
面を有する永久磁石部材の対向する磁極間に電流経路部
材を配置したユニットを積み重ねるよりも積み重ね長さ
が短くて済む。

【００１５】請求項３の直流電動機では、電流経路の往
部分と復部分の一方に組合わせた小型の永久磁石が主た
る永久磁石部材とは逆向きの磁束を発生して、電流経路
部材を貫通する永久磁石部材による磁束密度を部分的に
薄めている。この小型の永久磁石は主たる永久磁石部材
と反発するので磁気軸受けとしても利用できる。すなわ
ち、図３のような配置によれば、永久磁石部材と電流経
路部材が接近し過ぎると反力を作用して両者を遠ざけ、
永久磁石部材の対向面が円筒面や円錐面に設定されてい
る場合には、回転軸に向かう反力を作用して回転軸を中
心位置に支持する。

【００１６】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。

【００１７】図１は実施例の直流電動機の軸方向の断面
図、図２は図１の直流電動機の軸垂直方向の断面図であ
る。ここでは、磁気回路部材および電流経路部材を固定
側として、回転軸に固定された５個のリング型永久磁石
全体が回転駆動され、回転軸からトルク出力を取出すこ
とができる。

【００１８】図１、図２において、回転軸Ｊは、底板Ａ
１に取付けたボールベアリングＫ１と底板Ａ２に取付け
たボールベアリングＫ２にとで中心位置に支持され、回
転軸Ｊに固定された円形基板Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、
Ｐ４、Ｐ５には、それぞれ上面全体をＮ極、下面全体を
Ｓ極とした環状の永久磁石Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４Ｍ５
が貼付されている。電流経路部材Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ
４は、底板Ａ１と底板Ａ２を磁気的に接続する縦部材Ｂ
１、Ｂ２に固定され、それぞれ、永久磁石Ｍ１、Ｍ２
間、永久磁石Ｍ２、Ｍ３間、永久磁石Ｍ３、Ｍ４間、永
久磁石Ｍ４、Ｍ５間に位置する。永久磁石Ｍ１、Ｍ２、
Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５の磁気回路は、永久磁石Ｍ１、Ｍ２、
Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、電流経路部材Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ
４を下から上に貫通し、底板Ａ１から縦部材Ｂ１、Ｂ２
を下向きに経て底板Ａ２から永久磁石Ｍ５に戻るように
形成される。

【００１９】電流経路部材Ｃ１に形成された電流経路
は、図２に見られるように、端子Ｓから端子Ｔに電流を
通じた際に内周方向に電流が流れる往経路Ｇと外周方向
に電流が流れる復経路Ｒを交互に配置して１本に接続し
たもので、往経路Ｇには２層の磁性体の筒で覆った２重
の磁気シールドが施され、往経路Ｇに電流が通じられる
と内側の筒にはこの電流による磁束が発生し、外側の筒
には、永久磁石Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５による磁
束が現われる。一方、電流経路部材Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４
は、電流経路部材Ｃ１と同様に形成され、それぞれにお
いて、図示しない往経路Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、復経路Ｒ
２、Ｒ３、Ｒ４、端子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、端子Ｔ２、Ｔ
３、Ｔ４が配置される。

【００２０】このように構成された直流電動機におい
て、電流経路部材Ｃ１の端子Ｓ１と端子Ｔ１に直流電源
を接続して端子Ｓ１から端子Ｔ１に電流を流すと、図２
の紙面を裏から表に貫通する磁束のもとで、電流経路部
材Ｃ１の一周１２本の往経路Ｇ１には、磁束に対して回
転軸Ｊのまわりに左回転しようとする相対力、一方、一
周１２本の復経路Ｒには、磁束に対して回転軸Ｊのまわ
りに右回転しようとする相対力がそれぞれ作用する。と
ころが、２重に磁気シールドされた往経路Ｇには永久磁
石Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５による磁束がほとんど
関与していないため、左回転させようとする相対力は右
回転させようとする相対力に比べて格段に小さく、従っ
て、軸Ｊとともに回転可能に保持された永久磁石Ｍ１、
Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５全体が専ら復経路Ｒに作用する
相対力によって加速されて左回転を始める。

【００２１】永久磁石Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５全
体が回転を始めると、磁束と相対移動する復経路Ｒに
は、フレミングの右手則に従って直流電源による電流を
妨げる向きの逆起電力が発生し、回転速度が増して逆起
電力が直流電源の電圧に接近すると、電流経路に流れる
電流が激減して回転軸Ｊの加速が止まり、一定速度の回
転に移行する。

【００２２】このとき、電流経路Ｃ１の端子Ｔ１を電流
経路Ｃ２の端子Ｓ１に、電流経路Ｃ１の端子Ｔ１を電流
経路Ｃ２の端子Ｓ２に、電流経路Ｃ２の端子Ｔ２を電流
経路Ｃ３の端子Ｓ３に、電流経路Ｃ３の端子Ｔ３を電流
経路Ｃ４の端子Ｓ４に結線して電流経路部材Ｃ１、Ｃ
２、Ｃ３、Ｃ４を直列接続して、電流経路部材Ｃ１の端
子Ｓ１と電流経路部材Ｃ４の端子Ｔ４に直流電源を接続
すれば、電流経路部材Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４による相
対力が加算されて永久磁石Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ
５全体が４倍強く加速されるが、電流経路部材Ｃ１、Ｃ
２、Ｃ３、Ｃ４による起電力も加算されて、最終的な到
達回転数も１／４程度になる。

【００２３】本実施例は、電流経路部材Ｃ１、Ｃ２、Ｃ
３、Ｃ４に直流電源を接続して回転軸Ｊからトルク出力
を取り出す直流電動機であるが、回転軸を外部の動力に
接続して電流経路部材Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４から起電
力を取り出す直流発電機にもそのまま応用可能である。
また、底板Ａ１と永久磁石Ｍ１の間隔や、永久磁石Ｍ５
と底板Ａ２の間隔に電流経路部材を追加してもよく、磁
気回路として必要な断面積が確保されれば、縦部材Ｂ
１、Ｂ２は一方のみでよく、直流電動機の外容器と兼用
してもよい。

【００２４】図３は図１の電流経路の別の構造例の説明
図である。ここでは、往経路と復経路とで永久磁石によ
る磁束の通り易さを異ならせる別の方法が示される。

【００２５】図３において、永久磁石Ｍと磁気回路部材
Ａ、Ｂを貫通する矢印のような磁気回路の磁気抵抗を低
くするために、永久磁石Ｍと電流経路部材Ｃ５、Ｃ６の
間の空気ギャップは相対回転に必要な最小限のものであ
る。電流経路部材Ｃ５、Ｃ６には、交互に往経路Ｇと復
経路Ｒが配置され、往経路Ｇについては永久磁石Ｍによ
る磁束を多く関与させ、復経路Ｒについては永久磁石Ｍ
による磁束を少なく関与させて往経路Ｇと復経路Ｒにお
ける相対力のバランスを崩し、電流経路部材Ｃ５、Ｃ６
と永久磁石Ｍの間に回転駆動力を発生する。

【００２６】電流経路部材Ｃ５は、往経路Ｇに相当する
部分を除去した磁性体板の除去部分にガラスを充填して
上下面を平坦に研磨した基板Ｄ１の上に往経路Ｇと復経
路Ｒを含む１本の電流経路を形成し、これに、往経路Ｇ
に相当する部分を除去した磁性体板の除去部分にガラス
を充填して上下面を平坦に研磨して電流経路に相当する
部分を溝掘りした上板Ｄ２を重ねて接着固定したもので
ある。このように構成された電流経路部材Ｃ５では、往
経路Ｇの周囲を貫通する磁気抵抗が復経路Ｒの周囲を貫
通する磁気抵抗に比較して大きいため、永久磁石Ｍによ
る磁束は復経路Ｒの周囲をより多く貫通して相対力の発
生に関与する。

【００２７】電流経路部材Ｃ６は、薄い基板Ｆ１の上に
往経路Ｇと復経路Ｒを含む１本の電流経路を形成し、こ
れに、往経路Ｇに相当する部分を除去した後に残りの電
流経路に相当する部分を溝掘りした厚い磁性体の上板Ｆ
２を重ねて接着固定し、さらに、永久磁石Ｍとは逆方向
に磁極を設定した棒状磁石Ｅを往経路Ｇの上に接着固定
したものである。このように構成された電流経路部材Ｃ
６では、棒状磁石Ｅが永久磁石Ｍと逆方向の磁束を発生
して永久磁石Ｍの磁束をブロックして往経路Ｇの周囲を
容易に貫通させない。従って、永久磁石Ｍの磁束は復経
路Ｒの周囲をより多く貫通して相対力の発生に関与す
る。

【００２８】電流経路部材Ｃ５、Ｃ６における磁性体
は、磁化容易軸を永久磁石Ｍの磁気回路の方向に一致さ
せ、貫通方向の磁気抵抗を低くし、左右方向の磁気抵抗
を高くしておくことが望ましい。また、往経路Ｇと復経
路Ｒを含む１本の電流経路の形成には、スパッタリング
薄膜形成、流動性材料の塗布、硬化、写真食刻によるパ
ターン形成、シルクスクリーン印刷等の技術を応用で
き、例えば、基板上に形成した絶縁膜上に金属薄膜をス
パッタリング形成し、金属薄膜にパターンを印刷して酸
エッチングした後に、絶縁膜を金属パターン上に形成
し、不必要な絶縁膜を除去する一連のプロセスを採用で
きる。電流経路部材Ｃ５、Ｃ６の磁束を集中させたい部
分については、飽和磁束密度と透磁率が高い、磁気抵抗
の少ない材料を積極的に使用し、永久磁石Ｍの磁気回路
に形成される実質的な空気ギャップ（真空ギャップ）を
最小限にする。

【００２９】以上の実施例においては、複数の永久磁石
に共通な磁気回路を形成したが、各永久磁石に独立した
磁気回路を形成してもよい。例えば、中心軸まわりにＵ
字形の回転断面を回転して得られる回転体形状の一部ま
たは全部として永久磁石部材を形成し、その対向する磁
極間に図２のような電流経路部材を配置して直流電動機
ユニットとし、このユニットを積み重ねる。また、図１
のように複数の永久磁石を回転軸の方向に積み重ねる以
外に、直径方向に永久磁石を貫通させて磁気回路を形成
してもよい。例えば、円盤状の磁気回路部材に多数の円
筒型永久磁石を同心円状に片持ち式に固定し、各円筒型
永久磁石の間隔に円筒型の電流経路部材を配置する。こ
のとき、円筒型永久磁石側を固定側とし、比較的軽い電
流経路側を回転側として、電流経路の往部分または復部
分に小型永久磁石を組み合わせれば、円筒型永久磁石と
小型永久磁石の間の反発力だけで回転側を固定側と非接
触に支持できる。

【００３０】さらに、本願発明は、前述したように、回
転軸のまわりに１方向の相対力を分布できる永久磁石と
電流経路の幾何学的な配置として、「回転軸を中心とす
る２つの回転面で反対磁極を対向させて、対向面を内外
周方向に横切る電流経路に内周側から外周側（逆も可）
に向かって１方通行に直流電流を通じる」解答を提供
し、１方通行の直流電流の還流を可能とする１本の電流
経路の幾何学的な形状として、「対向面を内外周方向に
多数回ジグザグ状に往復する」解答を提供しているが、
後者の解答としては、「電流経路をコイル状に形成し、
このコイルの内側に磁気回路部材を配置して必要な向き
に電流が流れる部分だけを永久磁石と磁気回路部材で挟
み込んだり、位置関係を固定した一対の反対磁極で挟み
込んで選択的に磁束を集中させる」解答も採用できる。
そして、コイル状に形成した電流経路のうち相対力の発
生や発電に関与させたくない不必要な部分については本
願発明のような物理学的な解答、すなわち、「電流経路
の必要な部分と邪魔な部分とで電流経路部材を貫通する
磁束の密度を異ならせる」物理学的な解答を採用すれば
よい。

【００３１】

【発明の効果】本発明の直流電動機によれば、不安定な
電極接触を含まないから、電極接触に起因するノイズが
発生せず、電極損耗が無いので長寿命で信頼性が高く、
回転磁界を形成するための特別な電気回路を必要としな
い。また、電流経路部材を固定側として永久磁石側を回
転させる場合、電気的な接触や半導体スイッチングによ
る電圧損がないため低電圧の直流電源、例えば、単層の
燃料電池セルをそのまま利用でき、出力効率も高い。さ
らに、図１のように多段に積み重ねて出力を加算した場
合にも、積み重ね方向の長さが短くて済むため、磁気回
路部材等の重量物を軽量化でき、直流電動機の出力／重
量比を高くできるから、電気自動車の駆動や飛行機のプ
ロペラの回転駆動にも応用できる。。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の直流電動機の軸方向の断面図である。

【図２】図１の直流電動機の軸垂直方向の断面図であ
る。

【図３】図１の電流経路の別の構造例の説明図である。

【符号の説明】

Ｊ 回転軸 Ａ１ 底板 Ａ２ 底板 Ｂ１ 縦部材 Ｂ２ 縦部材 Ｃ１ 電流経路部材 Ｋ１ ボールベアリング Ｋ２ ボールベアリング Ｍ１ 永久磁石 Ｍ２ 永久磁石

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸を中心とする２つの回転面で反対
   磁極を対向させた永久磁石部材と、該対向面の内周側と
   外周側の間を多数回往復する電流経路を形成した、前記
   永久磁石部材に対し相対回転可能な電流経路部材とを有
   し、該電流経路部材に、前記電流経路の往部分と復部分
   とで前記永久磁石部材による磁束の通り易さを異ならせ
   る磁束制御手段を設けたことを特長とする直流電動機。
2. 【請求項２】 請求項１の直流電動機において、前記永
   久磁石部材は、前記回転軸に固定された平行な２つ以上
   のリング型永久磁石からなり、該リング型永久磁石の前
   記対向面の反対側に位置する反対磁極同士を非接触に連
   絡する磁気回路部材を設けたことを特長とする直流電動
   機。
3. 【請求項３】 請求項１、２いずれかの直流電動機にお
   いて、前記磁束制御手段は、前記永久磁石部材とは逆向
   きの磁束を発生する永久磁石を前記電流経路の往部分と
   復部分の一方に組合わせてなることを特長とする直流電
   動機。