Electric motor

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電動モータに関する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】市場で流通しているモータとして、例えば： −交流（ＡＣ）及び直流（ＤＣ）で駆動する整流子モータ、 −幹線ＡＣで駆動する誘導モータ、 −周波数発生器で駆動するＡＣ誘導モータ がある。 しかしこうしたタイプのモータには全て、当業者が認識しているところの欠点及び不都合な特性が存在する。

【０００３】交流整流子モータは通常、ステータ及びロータ上に励磁コイルを備えているが、このことは電波妨害の原因となっており、また整流子ブラシが摩耗するという問題を有しており、さらにはメンテナンスの必要がある。 直流整流子モータは、ステータ上に磁石を、ロータ上に励磁コイルを備えているが、交流整流子モータと同じ問題を抱えている。

【０００４】幹線電流によって駆動する誘導モータは、
回転速度が供給電流の周波数に厳格に依存するので、ある一定の値以上に速度を増加させることができない。 周波数発生器によって駆動する誘導モータは、供給電流の周波数に依拠する上記限界を解消することができる。 しかしこれらのモータは、その駆動が外部から発生させた高周波数に関係しているので作動開始時に大きな問題が発生し得るし、作動が開始しない虞さえある。 さらに作動時に負荷が変化すると、入力周波数と同期しなくなりモータ効率が損なわれてしまう。 例えば、２５０Ｈｚの電源周波数で駆動させた場合、モータは１秒間あたり２
５０回転するが、負荷がかかった場合には１５０回転／
秒にまで落ち込むと推測され、この入力周波数とモータの回転数との１００Ｈｚという差はモータの効率に悪影響を与える。 実際にも、交流又は特別に発生させた周波数で、励磁コイルがステータに磁石がロータに設けられたモータ、又は逆態様で設けられたモータを作動させる場合には、低始動という問題があるので、負荷が低い場合に使用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の整流子及び関連するブラシを除去することによって、上記電動モータに存する問題点及び限界を解消することを目的とする。 本目的は、供給電流の周波数が変化した場合であっても概してこれとは独立して、磁気、光学、誘導、
電気又は機械式センサによって制御された極性を有する反転回路に於ける電流の方向を切り換えることによって達成される。 本発明にかかるモータは、直流誘導タイプとすることができるが、幹線からの交流、及び電源幹線電流の周波数に全く影響されない所望の周波数で発生させることができる極性整流で電力を与えることができる。 言い替えれば電源交流は直流に整流され、特定の極性反転回路が該直流を制御し、常にモータの回転と同期し、且つ所望の回転数に関連させて所望の値を有する方形波又は正弦波を周波数で発生させる。 このような周波数は、モータ自体が実質的に自然発生させる。

【０００６】本発明は、ロータに永久磁石が、ステータに励磁コイルがに設けられたモータ、又はこれと逆態様、即ちロータに励磁コイルが設けられステータに永久磁石が設けられたモータ、及び内部ロータ又は外部ロータが設けられたモータに好適に適用される。 本明細書に於いて提案される適用により、速度超過を抑止するために共通手段を介して電源電流の周波数が調整できる場合であっても、これとは全く独立して信頼の置ける始動を実現でき、回転数の制限という問題を解消することができる。 さらに誘導コイルへの電流極性用整流機構は、経済的且つ小寸法でモータと容易に組み合わすことを可能とする部材により構成することができる。 これらの部材は、モータ寸法及びコストに影響を与えないので、作動性能及び耐久性が改善されたものとして、同種の従来モータ及び上記全てのモータと競合関係にあるあらゆる分野に於いても用いられよう。 さらに前記整流機構は、電動モータの効率の最適化を可能とし、回転時の電気エネルギー消費量の低減を可能とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に従えば、電気的励磁コイルが設けられた少なくとも２つの有極延伸部を有する誘導子と、該誘導子の有極延伸部に対して回転し、且つ駆動シャフトを有する少なくとも二極の磁気ロータとを有するモータに於いて、 −前記ロータに適用され該ロータの極性の位置を表示する少なくとも一つの発信器と、 −該発信器がロータと共に回転通過する場合おいて該発信器の存否を検出するためのセンサ（検出器）と、 −前記誘導子の前記コイルへの電流の方向を反転させ、
電源、前記コイル及び前記センサに接続された回路とを備えており、前記センサは、前記発信器から受信され前記ロータの極性の位置を表示する存在信号に応答して前記回路を制御することにより、前記ロータの回転に同期して方形波又は正弦波を所定の周波数で前記誘導子上のコイルに電力供給することを特徴とする電動モータが提供される。

【０００８】好ましくは、前記発信器は、前記駆動シャフトにキー接続された支持ディスクに適用される磁気式、誘導式、光学式、電子又は機械式の部材である。

【０００９】好ましくは、前記発信器は、ロータに直接適用される磁気式、誘導式、光学式、電子又は機械式の部材である。

【００１０】好ましくは、前記発信器は、モータの有極延伸部の数に対応する数の一連の永久磁石領域から形成されている。

【００１１】好ましくは、前記発信器の存否を確認する前記センサ（検出器）は、磁気式、誘導式、光学式、電子又は機械式等である。

【００１２】好ましくは、前記反転回路は直流で電力が供給され、該直流は、誘導子上のコイルに供給されて、
前記センサによって前記反転回路に供給される極性信号に応答して必要な周波数で反転される。

【００１３】好ましくは、前記反転回路は、幹線交流によって電力が与えられ、該幹線交流は、前記反転回路に設けられた整流器によって直流に整流されて前記極性センサによって前記反転回路に送られた極性信号に応答して必要な周波数で反転された誘導子コイルに供給される。

【００１４】好ましくは、前記誘導子の延伸部の前記励磁コイルは、独立して電力が与えられ、前記制御回路は、前記発信器と相互作用するセンサ（検出器）から送られてくる信号に対応して前記ロータに同期して前記コイルを交互に制御する適切な整流子であり、各コイルは、他方のコイルに整流子回路から来る電流を供給するのと交互に常に同じ正又は負の表示を有する脈動電流が供給されて、ロータの前を通過するロータの極性に対応して誘導子の有極延伸部に極性を与える。

【００１５】本発明に従えばさらに、励磁コイルが設けられた少なくとも２つの有極延伸部を有する誘導子と、
該誘導子の有極延伸部に対して回転し且つ駆動シャフトを有する二極又は複数極のロータとを有するモータに於いて、整流子が電源電流を受け取り該電流を前記ロータの回転と同期して、且つ該ロータの回転数とは独立して前記誘導子の前記励磁コイルに選択的に供給するよう設計されており、前記誘導子は、前記励磁コイルに電気的に接続されて該コイルに電力を供給する接触トラックを有する少なくとも一つの配電支持部と、電気供給用の外部回路に接続され前記支持部の接触トラック上をスライドして、該トラックにそしてこれらのトラックを介して励磁コイルへ電流を供給する接触部を有する少なくとも一つのスイッチブラシとを備えていることを特徴とする電動モータが提供される。

【００１６】好ましくは、前記配電支持部が固定され前記スイッチブラシが回転するようにされており、該支持部はステータ及びモータの他の静止部材に固定され、該ブラシは、駆動シャフトに取り付けられてこれと共に回転する。

【００１７】好ましくは、前記配電支持部は、前記駆動シャフトにキー接続されてこれと共に回転し、前記ブラシは固定されている。

【００１８】好ましくは、前記配電支持部は平坦な形状であり、駆動シャフトに同心円状に配置されており、その一方の面に於いて、前記駆動シャフトに対して同心円状の連続的な第１環状接触トラックを少なくとも一つ備え、該環状トラックに対して同心円状の円周に第２円弧状接触トラックを備え、前記環状トラックと同心円状の円周にあって、前記第２円弧状トラックに対抗する位置にある（in an opposite quadrant）第３円弧状トラックとを備えており、前記スイッチブラシは前記第１環状トラック上をスライドする第１接触部と、前記第２円弧状トラック上をスライドする第２接触部と、前記配電支持部の前記第３円弧状トラック上をスライドする第３接触部を備えており、前記環状トラックには励磁コイル用の共通導体が接続され、前記円弧状トラックには各コイル用の位相分けされた導体が接続されており、前記ブラシの前記第１接触部は、前記電源回路の共通導体に接続されており、前記第２及び第３接触部は前記電源回路の位相分けされた導体に接続されている。

【００１９】好ましくは、前記配電支持部の各円弧状トラックは、該トラックの内帯に半径方向に幅狭な初期領域を有しており、前記ブラシは、回転時に、遠心力によって延伸するので、前記第２及び第３接触部がモータの回転が少ない状態で前記トラックの内側帯状領域に当接してこれに追従し、モータの回転が高くなるとトラックの短い外側帯状領域に当接追従する。

【００２０】好ましくは、前記整流子支持部は、円筒状であり、駆動シャフトにキー接続されてこれと回転し、
前記接触トラックは該円筒状支持部の外面上に円周的に必要とされ、前記トラックは、前記支持部上に軸方向に配置され異なる角度幅を有することができ、他方前記スイッチブラシはどのトラックにも位置決めすることができる

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例につき添付図面を参照しつつ説明する。 図１から図３で例示されるタイプのモータは、ステータ１３'と一体化され励磁コイル１１'
及び１２'が卷回された少なくとも２つの有極延伸部（polar expansions）１１及び１２と、前記有極延伸部１１及び１２の間で回転し、駆動シャフト１４を有する少なくとも二極（Ｎ−Ｓ）の磁気ロータ１３とを備えている。

【００２２】駆動シャフト１４には発信器（exciter）
１５が、ロータ極性表示部材（Ｎ又はＳ）として装着されている。 発信器１５のより簡単な実施例の一つとして、半円弧上に形成された永久磁石や、光学的、機械的、電子的部材等であってロータの極性位置に関係しこれを表示する部材等を備えたものとすることができる。
該発信器１５は、図示されるように駆動シャフト１４を介して回動ディスク１６に装着でき、又はロータに直接取り付けることができる。

【００２３】発信器１５は、モータの回転時に通過する該発信器の存否を検出するよう設計されたセンサ（検出器）１７と組み合わされる。 このセンサ１７は、発信器の種類に応じて磁気式、光学式、誘導式、電子式又は機械式のものとすることができ、有極延伸部１１及び１２
上のコイル１１'及び１２'への電流の方向を反転させる回路１８を制御できるよう設計されている。 該反転回路１８は、直流又は交流で電力が与えることができる。
幹線交流によって電力が与えられ場合には、反転回路は入力交流をコイル１１'及び１２'への出力直流に変換する整流器を備えたものとされる。

【００２４】発信器１５及びセンサ１７の組み合わせは、反転器からの出力直流を制御し、コイル１１'および１２'に電力を供給する。 実際センサ１７は、反転回路１８を制御して方形波又は正弦波の周波数を、モータの速度及びモータの負荷とは関係なくロータの回転と同期して発生させる。

【００２５】実際、モータが静止し、即ち電力が与えられていない場合は、発信器１５は図２及び図３に示された状態をとることがある。 図２の状態に於いてセンサ１
７は、発信器１５の存在を検出しない。 この場合、反転器１８を介してモータに電力を与えると、適当な電流がステータコイルに達し、ロータ１３の極性と同じ極性を有極延伸部に与える。 このようにして同じ極同士が反発し合い、モータは矢符Ｆの方向へ回転し始める。

【００２６】図３のようにロータが（矢符Ｆ方向に）半回転すると、センサが発信器１５の存在を検出し反転回路１８がステータ上の有極延伸部１１及び１２の極性を変換することができる。 この時該有極延伸部は、再びロータの隣接する極性と同じ極性を帯びる。 図示された例に於いては等しい極性が隣接して存在する場合、４分の１回転の間反発が生じ、次の４分の１回転の間で異なる極性による引力が生じる。 発信器１５がセンサの反対側に位置しないとき、センサは励起されずステータ上のコイルへの電源電流の極性に影響を及ぼさないが、発信器１５の一部がセンサの反対側に来るとすぐに反転回路を再び制御するので、電源電流の周波数とは全く独立にモータ回転の均一性を確保することができる。

【００２７】図４は、有極延伸部及び関連する励磁コイル２２を有する内部ステータ誘導子２１と外部磁気ロータ２３とを備えたモータを示す。

【００２８】この場合に於いても、発信器１５はロータに取り付けられており、反転回路１８を制御するセンサ１７はステータに装着されており、図１から図３のモータに関して説明したのと同じ機能を有する。

【００２９】内部又は外部ロータを有し、前述のようにステータータ上又はロータ上に励磁コイルを有するあらゆる他の種類の誘導モータを使用しても、また２以上の有極延伸部を有するステータ及びロータを備えたモータ（この場合、発信器は有極延伸部の数に対応する領域に分割されており、センサは該発信器の各領域の存在を検出するようにされている）を使用した場合でも同様の効果を確保することができる。

【００３０】同じ原理が図５に示されるように直線運動を行うモータにも適用することができ、該モータは基本的にステータ誘導子４１と内部磁気カーソル４２を備えている。

【００３１】この場合も同様、磁気カーソルの極性によって励起されたセンサ１５が反転回路１８を制御して所望の周波数によってステータの極性を変換する。

【００３２】本発明は、また、図６に示すような機構、
即ち極性センサ５０が直接磁気ロータ５１の極性Ｎ−Ｓ
を検出し、反転回路５２を介して該センサが電流、したがってロータと相互作用する誘導子５３の極性を変換する。

【００３３】図７に示される変更態様に於いては、誘導子の有極延伸部１１１及び１１２上の２つのコイル１１
１'及び１１２'は独立しており、反転器の代わりに回路１１８が整流子とされており、該回路はロータに同期して、しかし前述した種類の発信器１１５と相互作用するセンサ−検出器１１７によって供給される信号と常に同期させてコイルを交互に制御する。 この場合、各コイル１１１'及び１１２'は、常に正又は常に負の脈動電流によって機能し、一方のコイルに電力が供給されないときには、他方のコイルに電力が供給されるので、該２
つのコイルの脈動電流の総量は整流子回路１１８からの直流電源電流に対応している。

【００３４】再び本発明に従えば、図８に示すように励磁コイル１１'及び１２'は整流偏移機構（commutatio
n-deviation system）２１６を介して電力が供給され、
ロータと同期して制御することができる。 整流偏移機構２１６は、少なくとも一つの配電支持部（distribution
support）２１７と、少なくとも一つのスイッチブラシ２１８とを本質的に備えている。

【００３５】好適には支持部２１７は固定されブラシ２
１８が回転するよう構成されるが、支持部の方が回転してブラシが固定される構造としても同様の結果が得られる。 図８から図１０及び以下の説明では、支持部が固定されブラシが回転する実施例について説明する。

【００３６】支持部２１７の固定は、駆動シャフト１４
を中心に同心円状にステータ２１３'又はモータの他の静止部材に対して行われる。 他方ブラシ２１８は、駆動シャフトに取り付けられてこれと共に回転するので、ロータと常にそして完全に同期する。

【００３７】ブラシ２１８は、支持部２１７の前面部に対し平行な状態で回転移動し、本明細書にて例示される簡略化された構成の場合には、支持部２１７はこの前面部に、連続的で駆動シャフトに対して同心円を形成する第１環状接触トラック２１９と；該環状トラック２１９
に対して同心の円周に配置された円弧状の第２接触トラック２２０と；前記環状トラックに対して同心の円周上にはあるが、第２円弧状トラック２２０の位置に対して対向する(in an opposite quadrant）位置にある円弧状の第３接触トラック２２１とを具有する。

【００３８】各トラック２２０及び２２１の角度幅は、
例えばロータの極性数等に応じて適宜選択される。

【００３９】第１環状接触トラック２１９は、ステータ上の励磁コイル１１'及び１２'用の通常の導体に接続されており、他方各円弧状接触トラック２２０及び２２
１は、各励磁コイル１１'及び１２'用の位相分けされた導体に接続されている。 ブラシ２１８は、第１環状接触トラック２１９上をスライドする第１接触部２２２
と、第２円弧状トラック２２０上をスライドする第２接触部と、支持部２１７の第３接触トラック２２１上をスライドする第３接触部２２４とを備えている。 第１接触部２２２は、通常の導体を介して電源回路に接続されており、他方第２接触部２２３及び第３接触部は各々この電源回路の位相分けされた導体に接続されている。

【００４０】従って、接触トラック２１９、２２０及び２２１を有する支持部２１７の存在により、ロータ１３
の回転はスイッチブラシ２１８の回転に常に一致している。 該ブラシの第１接触部は、支持部２１７の環状トラックと常に接触したままの状態にある。 他方、ブラシ２
１８の第２及び第３接触部２２３及び２２４は、前記支持部の第２円弧状トラック２２０と第３円弧状トラック２２１と連続的、且つロータの回転毎に夫々接触状態となるので、ロータの回転に同期して、且つロータ自身の回転数とは独立して誘導子のコイルの電源電流を整流化することができる。

【００４１】好適には、支持部２１７上の円弧状トラック２２０及び２２１が夫々初期領域２２０'及び２２
１'を有し、該初期領域はトラックの残りの部分に比べ半径方向に幅狭となっており、トラックの内側に位置している。 第２及び第３接触部２２３及び２２４を少なくとも一部分に備えた前記ブラシは、テレスコーピック形状、即ちスライダの形状を有しており（図１１参照）、
ロータと共に回転する時に生ずる遠心力で延伸する。 該テレスコーピック型又はスライダ型ブラシの延伸を、バネ２又は２２５によって調節することができる。 モータの始動時であって、ロータの回転数が所定の少ない状態にある間は、ブラシ２１８は短尺状態を維持しており、
接触部２２２及び２２３は各トラック２２０及び２２１
の幅狭領域に直接当接することができ、最大長さである内側トラックに追随することができる。 次いでモータはエネルギーを供給され対応する電源により所定の回転数にモータが達するよう加速することができる。 そしてモータのスピードが増すと、ブラシは遠心力で延伸し、接触部２２０及び２２１がブラシの外側領域上を摺動する。 該外側領域は、各々のトラック全長より短く、領域に対応するより少ない電力しか供給されず、ブラシの接触部２２０及び２２１はより短い時間だけ支持部の各トラックに接触することとなる。 エネルギー吸収をより少なくさせる接触位置の変更は、整流された電力の供給の変更を生じ、速度及びブラシが受ける遠心力によって基本的には機械的に制御される。

【００４２】ブラシが固定され接触トラックを有する支持部が回転するときにはこの条件は明らかに達成することはできない。

【００４３】図１２に示す他の実施例に於いては、整流トラックは、駆動シャフトにキー接続されこれと共に回転する円筒状スイッチ２３０の外面に卷回されて延びている。 この場合共通の環状トラック２３１が、電力を供給されるべき励磁コイルを含む第１接触部用に、またコイル自身の電流を整流化するために、前記スイッチの回転時に、各コイルの同期接触部と連続的に接触する少なくとも一つの円弧状トラック２３２用に設けることができる。

【００４４】最後に図１３は、円筒状スイッチ２３３
が、連続して配置され、しかも異なる角度幅を有する２
以上のトラックと、どのトラックにも好適な状態で位置決めできる接触ブラシ２３６とを支持する実施例を示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる内部ロータ上に磁石を有する誘導モータの模式的な側面図である。

【図２】回転状態にある図１のモータの模式的な正面図である。

【図３】回転状態にあり、図２とは異なる状態にある図１のモータを模式的に示す正面図である。

【図４】ステータに磁石を有し、内部ロータにコイルを有するモータの模式的な側面図である。

【図５】本発明が組み込まれており、直線運動を行うモータの模式的側面図である。

【図６】本発明の変更態様を示す正面図である。

【図７】本発明の他の例の正面図である。

【図８】本発明にかかる他の整流システムを組み込んだ図１に示すモータの側面図である。

【図９】第１の状態にある図８のモータの模式的な正面図である。

【図１０】第２の状態にある図８のモータの類似する模式的な正面図である。

【図１１】図３の整流子の好適な実施例を示す断面図である。

【図１２】本発明の異なる実施例を示す模式的な側面図である。

【図１３】本発明にかかる他の実施例の一部を示す側面図である。

【符号の説明】

１１' 励磁コイル １２' 励磁コイル １３' ステータ １１ 有極延伸部 １２ 有極延伸部 １３ ロータ １４ 駆動シャフト １５ 発信器 １６ 回動ディスク １７ センサ １８ 反転回路