ＢＬＤＣモータにおいて磁気クラッチを使用するためのデバイス及び方法

本発明は、ブラシレスDCモータ(BLDC)のロータと、外部の機械的負荷との間で、ギア、車輪、ストリップ又は他の同様の装置のような機械的接続を使用することなく、機械動力を連結させるように設計された磁気クラッチ構造に関する。

多くの一般的なシステムでは、システムの異なる部品間の接続は、機械的コンポーネントによって行われる。そのような接続部品を使用することの大きな欠点は、摩擦によって生じるエネルギー損失である。摩擦によって生じる他の欠点は、部品の接続面の摩耗である。部品間の速さと力が増大するにつれて、その表面に対する摩擦、ひいてはダメージも増大し、ついには正常に機能できなくなる場合も多い。

通常極めて高速で作動するモータのような高速で作動するシステムでは、摩擦とそれによる結果は重大であり、その結果、莫大な時間と金銭を投じなければならない多くの保守サービスと頻繁な部品の交換が必要となる。

本発明は、国際出願番号PCT/IL2013/050253号に記載されたモータなどの、BLDCモータで使用されるデバイスに関する。

国際出願番号PCT/IL2013/050253号

本発明の目的は、先行技術の欠点を克服するデバイス及び方法を提供することにある。

本発明のその他の目的及び利点は、説明を進めるに従い明らかになるであろう。

ブラシレスDCモータのロータと外部の機械的負荷との間の機械動力を連結する装置が、 a)2つの同心リングと、 b)内側リング及び外側リングに接続された同じ数の磁石と、 c)対向する磁石の各組の極の反対配向(状態)であって、一方の磁石が内側リング上に位置し、またそれに対向する磁石が外側リング上に位置している、反対配向(状態)と を有しており、 2つの同心リングのうちの第1の同心リングが、第2の同心リングによって加えられたものでない力を加えることによって軸線周りで回動可能であり、また、第1の同心リングが回転するとき、第2の同心リングもまた磁力の作用により回転する。

本発明の一実施例では、リングは、平坦なリング形状の板である。本発明の他の一実施例では、各組の対向する磁石は同じ大きさである。

本発明のいくつかの実施例では、2つの対向する磁石の磁気強度が本質的に同じである。本発明の他の一実施例では、内側リング内の各磁石が、外側リング内の対向する磁石を有する。

本発明のいくつかの実施例では、接続手段が、リングのうちの1つと外部システムとを接続している。本発明の他の実施例では、外部システムと接続されていないリングが、外部システムと接続されたリングの回転によって駆動され、駆動されるリングは、2つの連結された磁石間の磁力によって動かされる。

典型的には、装置のコンポーネント間の距離は、所望の力と呼応しており、また本発明のいくつかの実施例では、リング上の2つの隣接する磁石間の距離は、同一のリング上の他の2つの隣接する磁石間の距離と同じではない。

また本発明は、2つの同心リングと、内側リング及び外側リングに接続された同じ数の磁石と、対向する磁石の各対の極の反対配向であって、一方の磁石が内側リング上に位置し、またそれに対向する磁石が外側リング上に位置している、反対配向とを有する、クラッチに連結されたブラシレス・モータであって、2つの同心リングのうちの第1の同心リングが、第2の同心リングにより加えられたものでない力を加えることによって軸線周りで回動可能であり、また、第1の同心リングが回転するとき、第2の同心リングもまた磁力の作用により回転する、ブラシレス・モータを含む。

静的状態にある、本発明の一実施例による磁石を有する2つの同心リングを示す。

動的状態にある、図1の2つのリングを示す。

互いから距離dの位置に取り付けられ且つ直線的にシフト(変位)された1つの組の磁石に作用する力の測定値を示す。

本発明の他の一実施例によるデモ・システムでの力の測定値を示す。

本発明の他の一実施例によるBLDCデモ・システム内のコンポーネントの例示的物理的量を示す。

本発明の他の一実施例による2つの磁石の概略構成を示す。

一方が他方の上に積み上げられた無限小の電流ループの集合からなるものとして図示されるソレノイドを示す。

それぞれが1つの磁石に属している、無限小の厚さの2つのループを示す。

図1は、静止状態の2つの同心回転リング101及び102を示す。内側リング101は、BLDCモータ(例えばPCT/IL2013/050253(国際公開第2013/140400号)のモータであることが可能)のロータからなり、外側リング102は機械的負荷に接続されて、これに動力を供給する。BLDCモータのロータの磁石と同じ数の多数の永久磁石が外側リング102に機械的に固定されており、それらのS−N軸線は、円周に対して接線方向に配向されている。

静止状態において、外側リング102上に配置される磁石104のそれぞれが、ロータ101上に配置された対応する磁石103に対向している。外側リング102上の各磁石104のS−N軸線配向は、ロータ101上の対応する(対向する、向かい合う)磁石103のS−N軸線配向と反対(向き)である。その結果、外側リング102上の磁石104は交互の極性となるように配置されている。ロータ101と外側リング102との間に物理的接続は存在しないことが強調されるべきである。本説明中で後に詳細に説明する理由により、静磁気学の法則に基づいて、外側リング102に対するロータ101の相対位置は、システムの状態、すなわちシステムが静的状態か動的状態かに依存する。これについては、さらに説明する。

静的状態、すなわちBLCDロータが静止しているとき、外側リング102上の各磁石104は、図1に示されるようにロータ101上の対応する磁石103の真正面に配列される。動的状態では、外側リング102が負荷(完全に自由に移動可能ではない)に連結された状態でBLCDロータ101が回転すると、負荷リング102上の対応する磁石104に対するロータ・リング101上の各磁石103の相対位置は変化し、新たな状態で安定する。

対応する磁石103及び104は、もはや完璧に配列されることはないであろう。磁石の相対位置は、リング101及び102の円周に接線方向に準線形にシフトする。磁石103及び104は、図2に示すようにオフセットhに到達し、そこで安定するであろう。オフセットhは、負荷によって及ぼされる対抗力に依存する。適切な条件下では、hはロータ・リング101とともに負荷リング102を回転させるのに必要な力と正比例して増加する。

関心の領域内では、オフセットhは、力伝達にほぼ正比例し、また、hが過度に大きくない限り、ロータ・リング101は、これら2つのリング101とリング102との間に物理的接触を発生させることなく、負荷リング102を「引っ張る」ことが可能であろう。hの大きさが磁石103と磁石104との間の間隙の幅に近付いたとき、伝達される力が低下する。ロータ・リング101が負荷リング102に加えられる最大力は、永久磁石の強さや形状、磁石の個数及び2つのリング101とリング102の間の間隙により決まる。

図3は、お互いから距離dの位置に取り付けられ且つ直線的にシフト(変位)される一対の磁石の力の測定値を示す。網掛部301は、磁石103と磁石104との間の引張力がオフセットhにほぼ比例している範囲を示す。

関連する力の大きさの程度を例示するために、正面合わせで29mm離間した2つの磁石は、リングに正接する方向におおよそ140N(約14Kg)の最大力伝達を与えることができる。

本発明により作製されたBLDCモータ・デモ・システムは、約30mm離間して対向する8つの磁石を備える。デモ・システムは、140×8=1120N(約112Kg)の力を適用することができる。デモ・システム内の外側リング102は約420mmの半径を有するので、磁気クラッチは、約470N・mのトルクを伝達可能であるべきである。

BLDCデモ・システムについて行われた測定では、図4に示されるように、発明者らは最大力伝達を実現して測定することは試みなかった。しかし、発明者らは、600N程度の力伝達測定値を示した。これは、1つの一対の磁石についての測定によって予想される可能な最大力(1120N)の大きさの程度とよく合致している。さらに、合力が相対オフセットに比例することも示している。

発明者らにより提供されたBLDCデモ・システムのコンポーネントの物理量を、図5に示す。この図から、システムが8つの磁石を備えること、及びロータ・リング101と負荷リング102との間の間隔が30mmであることが分かる。

静磁気計算は、解析的に行うのが最も困難で複雑な作業の一つである。閉形の解析式が見られるときでさえ、得られる式は現象についての十分な理解を提供するには複雑すぎる場合が多い。さらに、場の方程式を数値的に解くことによって得られる、コンピュータ処理されたシミュレーションを行うことができるだけである場合が非常に多い。しかし、数値解は、特定の構成には正確であるが、システムの一般的な挙動についての見識を提供しない。

幸いなことに、検討中の特定の場合では、一般的な結論を比較的シンプルな数学的解析により導出することができる。これが可能であるのは、検討中のシステムでは、磁石は、そのS−N軸線に対して正接する方向に沿ってのみ自由に移動可能で、その他の全ての方向には固定されているからである。したがって、磁石のS−N軸線に平行な方向の力の成分を計算することのみが必要とされる。その結果、重要な数学的単純化がもたらされて、関連する複雑な三次元積分を実際に解く必要なくして、一般的なシステムの特徴に関する結論を導出することが可能となる。

解析されたものが、図6に示す構成である。

及び

は、相互に垂直な単位ベクトルである。2つの立方体磁石601及び602は、そのS−N軸線が

方向と平行になるように配置されている。そのS−N配向は反対であり、オフセットhの分だけ

方向に変位されている。磁石601及び602は、この例示的解析のために立方体とみなされるが、一般的な結論は他の形状についても当てはまる。図3に示す測定値は、類似する構成において行われたものである。

この構成では、オフセットhが磁石601と磁石602との間の間隙の物理的寸法に比して小さい限りにおいて、磁石601及び602のいずれかに対して

方向に作用する力の成分は、オフセットhに正比例する。おおよそオフセットhが磁石601と602との間の間隔の3分の1未満であるとき、hの大きさは比較的小さい。オフセットがこれより大きくなるにつれて、力は最大値に接近し、それからhが増大するとともに減少する。

第1のステップとして、アンペアのモデルを使用することによって、

方向の磁化力Mを有する永久磁石が、

に垂直方向の磁石の表面を流れる均一な表面電流密度J_Sの形にモデル化できる。Mは、単位体積毎の純磁気双極子モーメントであり、J_Sは単位長さ毎の等価な表面電流である。したがって、図6の各磁石601及び601を、図7に示す反対方向の等しい電流を有する等価な「ソレノイド」と入れ替えてもよい。

図7に示す各ソレノイド701は、一方の上に他方が積み重なった無限小の電流ループの集合よりなるものとして表わされる。このループは、

平面中で反対方向に流れる大きさdl=J_Sdz及びdl’=J_Sdz’の電流を伝達している。次に、無限小の厚さのそれぞれが図8に示す磁石の一つに属する、2つのループについて検討する。

垂直位置z’に位置する右側ループL’によって、垂直位置zに位置する左側ループLに及ぼされる力は、アンペアの力の法則により直接導出されたものであり、式

により与えられる。ここで、

であり、

であり、

であり、また

及び

は、対応するループ中を流れる電流方向の無限小の長さであり、したがってそれらは、

平面中に存在する。

次に、図8を参照しつつ、予備的な注意事項を指摘する。

1.|y−y’|≧dは既知であり、さらに

とする。したがって、

となる。

はz及びz’から独立である。また、

と記述することができる。

2.本構成では、dは磁石の大きさと同程度であり、且つ、オフセットはh²≪d²(例えば

)を満たす程度に小さいと想定している。

3.我々の関心の対象は、

方向の力のみであるので、被積分関数の分子中の

の関連する唯一の構成要素は、

方向のものだけである。磁石は他の方向へ移動できないので、他の力は全て関心の対象外である。したがって、

方向の磁石に作用する力を計算するために、被積分関数の分子中の

を

と入れ替えてもよい。

4.

及び

は、

平面中の増分ベクトルである。より正確には、この正方形状磁石の設定では、内積

は、±dxdx’又は±dydy’のいずれかである。したがって、ループの経路を積分する際には、z及びz’は積算値変数に対して一定である。また、dx,dx’は反対の符号を有し、それらの積分の方向も反対である。したがって、対応する積分の端点も反転している。これは、dy,dy’についても同様である。その結果、

により定義される様々な下位の積分の範囲の全てについての積分の符号は一定である。したがって、ループ経路の二重積分の符号値は、被積分関数の符号と同一である。

上記理解により、電流ループL’により電流ループLに作用する

方向の力ΔF_Zは、以下の積分、

と、

と、dI’=J_Sdz’と、dI=J_Sdzの結果となる。

右側の全ての電流ループによって左側の単一の電流ループLに印加される蓄積力(図8参照)

は、

によって与えられる。

原点に位置する磁石に作用する合力

は、ループにかかる全ての力の合計

である。

積分の順序を変えると、

が得られる。

dz及びdz’に対する積分を行うときに、

はz及びz’から独立していること、すなわち一定であることに留意すると、内部の積分を分析的に計算することができ、

が得られる。ここで、

及び、

を用いる。

なので、よって

(例えば

の場合には)、

となり、さらに、一次テーラー級数中の最後の式を以下のように、

と展開してもよい。

なので、その結果、関数g(x,x’,y,y’)は、x,x’,y,y’のある負関数、すなわちg(x,x’,y,y’)=−|g(x,x’,y,y’)|である。したがって、x,x’,y,y’の二重積分の符号が被積分関数の符号と同一であること、及び設定

を想起すると、原点の磁石に作用する合力

は、他の磁石のオフセットにより、

と、h²≪d²の形をとる。ここで、Kはある比例定数である。最後に、M=J_Sが

方向の単位体積毎の純磁化力であることを想起しつつ、図6を参照すると、左の磁石に作用する力は、

と、h²≪d²である。

このように、いかなるオフセットh

上記の説明は全て、図示する目的のために提供されたものであり、いかなる意味においても本発明を制限することを意図していない。上記の計算は、本発明を理解する一助として提供するものであり、本発明をいかなる意味においても制限することを意図していると解釈されるべきではない。