JP3172206U - 高効率及び高出力密度の電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】効率及び所与の物理的寸法に対する機械的出力を最大にする電動機を提供する。【解決手段】電動機の効率及び機械的出力密度の両方を増大させつつ機械的エネルギを発生するように構成された電動機であり、主縦軸を有する複数のディスク表面であって、各々がオフセットされた磁石の列に結合しており、該磁石が整合磁気ペアとして該整合磁気ペア間に複数の磁界を形成するように２つの隣接する前記ディスク表面上に配列されており、前記磁界が前記主縦軸に関して角度Ａで傾斜している、複数のディスク表面と、各々が、前記整合磁気ペアの各々の中間に位置する電磁コイルの列を有しており、前記電磁コイルに電圧が印加された際に軸方向の磁界を提供するように構成されており、前記電磁コイルの列の各々が前記主縦軸に関して前記角度Ａで傾斜している、複数の固定の支持構造と、前記ディスク表面に固着された回転軸とを備えている。【選択図】図２

Description

本考案は、概して、電動機を用いて発生した回転力により機械的な力を発生することに関する。特に、本考案は、回転子上の複数の永久磁石デバイスの磁界と、固定子上の複数の電磁コイルの平行磁界との相互作用によって得られる力を利用する電動機に関する。

全世界にわたり多くの装置で広く使用されている電動機は、種々の寸法及び動作モード区分を有している。電動機の昔の分類は、ＤＣ型対ＡＣ型というものであった。典型的なＡＣ型電動機は、回転磁界を発生するためにＡＣ電流が供給されるコイルを有した外側の静止した固定子と、回転軸に取り付けられ、回転磁界によってトルクを発生する内側の回転子とからなっている。

最近の駆動回路が電動機構造から整流子を不要としているように、電子制御へと進行している流れは、その特徴点を混乱させている。このような新しいタイプの電動機について、駆動回路は、正弦波ＡＣ駆動電流又は他の所望波形の駆動電流の発生を当てにしている。２つの最良の例として、共に外部電子制御を必要とする多相ＡＣ電動機である、ブラシレスＤＣ電動機及びステッピング電動機がある。

電動機による電磁誘導力を利用した電気エネルギの機械エネルギへの変換は、機械的エネルギを電気的エネルギに変換する発電機の動作に反転される。電動機及び発電機が機械的及び電気的エネルギの変換を互いにやりとりするため、物理的原理によれば、電動機の動作と発電機の動作との間にはかなりの相関が存在する。

電気的から機械的へのエネルギ変換と機械的から電気的への逆エネルギ変換との間の相互関係により、電動機の開発者は、長年にわたり、発電機としての動作にも適応できる構成を備えた電動機を設計するように導かれてきた。

特許文献１は、回転子配列及び固定子配列を含む電動機、発電機又は再生電動機等のデバイスを開示している。固定子配列は、誘電体電磁筐体と、全体がアモルファス金属の磁気コアを含む少なくとも１つの付勢可能な電磁アセンブリとを有している。この全体がアモルファス金属の磁気コアは、複数の別個に形成されたアモルファス金属コア片で形成されている。誘電体電磁筐体は、別個に形成されたアモルファス金属コア片を互いに隣合う位置に保持して全体がアモルファス金属の磁気コアを構成させるために、この電磁筐体に形成された複数のコア片開口を有している。このデバイスは、さらに、デバイスの速度、効率、トルク及び出力を制御するために複数の活性化及び非活性化パラメータの組み合わせを使用して電磁石の活性化及び非活性化を自由に制御可能とする制御構造を含んでいる。

特許文献２は、回転子配列及び固定子配列を含む電動機、発電機又は再生電動機等のデバイスを開示している。固定子配列は、誘電体電磁筐体と、全体がアモルファス金属の磁気コアを含む少なくとも１つの付勢可能な電磁アセンブリとを有している。この全体がアモルファス金属の磁気コアは、複数の別個に形成されたアモルファス金属コア片で形成されている。誘電体電磁筐体は、別個に形成されたアモルファス金属コア片を互いに隣合う位置に保持して全体がアモルファス金属の磁気コアを構成させるために、この電磁筐体に形成された複数のコア片開口を有している。このデバイスは、さらに、デバイスの速度、効率、トルク及び出力を制御するために複数の活性化及び非活性化パラメータの組み合わせを使用して電磁石の活性化及び非活性化を自由に制御可能とする制御構造を含んでいる。

特許文献３は、複数の周方向に伸長した固定子磁極群として配置された固定子磁極を備えた固定子を有する同期式ＡＣ電動機を開示している。各固定子磁極群は、対応して周方向に伸長し各側で隣合って配置されたペアのループ状固定子巻線、又は一方の側で隣合って配置された個々のこの種の巻線を有している。隣合う固定子磁極群は、特定の電気位相角に対応する一定量だけ相互に周方向にずらされている。多相ＡＣ電圧を巻線にそれぞれ印加することにより、互いに反対方向に電流が各ペア内を流れ、回転磁界が発生する。

米国特許第５９０３０８２号明細書 米国特許第６２５９２３３号明細書 米国特許第７１０５９７４号明細書

高効率の電動機について、同様の発電機の構成を利用することにより、与えられた物理的な寸法に対して機械的な出力を最大にするという、長年にわたる切実な要求は未だに存在している。

従って、本考案の基本的構成は、固定子に固着された傾斜した電磁コイルの列に電圧を印加することにより動作可能な電動機を提供することにある。傾斜したコイルの磁界と、磁気デバイス列の整合ペア間の対応する傾斜磁界との相互作用により、電動機の回転子に回転モーメントを与える接線方向成分を有する傾斜したベクトル力が発生する。これにより、垂直の磁界及び垂直のコイル構成を有する発電機構成は、各デバイスペアの磁界を傾斜させると共に対応するコイルを傾斜させることによって、そのまま電動機となる。

高い磁束密度を有し、強力な、明確に異なるかつ均一な複数の磁界と、電動機の容積の大部分を利用する整合傾斜コイルとの構成は、電動機の効率及び電動機の所与の物理的寸法に対する機械的出力を最大にする適応性を備えている。

電動機は、
（ｉ）各表面に固着された磁石の列を備えており、任意の隣接する２つの表面上に位置する互いに対向するオフセットされた磁気デバイスのペア間で複数の傾斜した磁界を提供する複数のディスク表面と、
（ｉｉ）各々が電磁コイルの列を支持しており、各コイルが各整合磁気ペア間に配置されている、複数の固定の支持構造と、
（ｉｉｉ）前記表面に固着された回転軸と
を備えている。

コイルに印加された電圧は、各コイル内において軸方向の磁界を発生させる。コイルの磁界と対応する磁気デバイスペアの磁界との相互作用によって、回転軸に固着された磁気列表面に働く回転モーメント成分を有する傾斜磁界と共に軸方向のベクトル力を発生する。

この電動機は、強力な、他とは異なる、均一な複数の磁界及び整合コイルを構成することにより、効率及び電力密度を最大にするべく適用できる。

本考案の一態様によれば、電動機の効率及び機械的出力密度の両方を増大させつつ機械的エネルギを発生するように構成された電動機であって、
（ｉ）主縦軸を有する複数のディスク表面であって、各々がオフセットされた磁石の列に結合しており、該磁石が整合磁気ペアとして該整合磁気ペア間に複数の磁界を形成するように２つの隣接する前記ディスク表面上に配列されており、前記磁界が前記主縦軸に関して角度Ａで傾斜している、複数のディスク表面と、
（ｉｉ）各々が、前記整合磁気ペアの各々の中間に位置する電磁コイルの列を有しており、前記電磁コイルに電圧が印加された際に軸方向の磁界を提供するように構成されており、前記電磁コイルの列の各々が前記主縦軸に関して前記角度Ａで傾斜している、複数の固定の支持構造と、
（ｉｉｉ）前記ディスク表面に固着された回転軸と
を備えた電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記角度Ａが、約０°より大きく、約１８０°より小さい電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、電力発生効率をＩＥＣ６００３４−３０による約９０％まで増大させるように構成されている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、電力発生効率をＥｄｉｃｔ５５３／２００５による約９０％まで増大させるように構成されている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記磁石の形状が、円形形状又は多角形形状からなる群から選択される電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、種々の磁気デバイス寸法を備えている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記磁石が、サマリウム又はネオジムのようなレアアース材料から形成される磁界源である電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記磁石が、鉄部品である電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、磁界損を減少させるために前記磁石と前記コイルとの空隙が最小となるように構成されている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記整合磁気ペアの各々の間の前記磁界が区別され隔離されるように、前記ディスク表面が非磁性層を有している電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記コイル列を支持する複数の前記コイル支持構造を備えている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、電動機の効率を最適化するために、一方向又は反対方向に巻回され前記列に配列されたコイルを備えている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記磁気デバイスの列が、前記ディスク表面上に設けられている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記ディスク表面上の全ての前記磁石が、同一の磁気極性方向を有している電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記整合磁気ペアの向かい合う磁極が、引付力の磁界を発生する電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、頂部ディスクの頂面及び底部ディスクの底面が電動機筐体の鉄材料による壁に接触しており、磁界の低損失媒体通路を提供している電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、２つの隣接する放射方向ライン上の前記磁石が、ジグザグ配列となっている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記磁石が、前記ディスクの中央から該ディスクの端縁まで、任意形状の曲線ライン上に配置されている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記磁石が、前記ディスクの中央から該ディスクの端縁まで、螺旋状ライン上に配置されている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記整合磁気ペアの各々及び前記コイルの傾斜した角度が、電動機全体にわたって等しい電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記傾斜した角度が、前記ディスク表面上の種々の同心環について異なっている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、当該電動機がボール構造に構成されており、第１のボールの内側に位置する第１の表面と、前記第１のボール内に位置している第２のボールの外側に位置する第２の表面とを備えている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、当該電動機が楕円に構成されており、第１の楕円の内側に位置する第１の表面と、前記第１の楕円内に位置している第２の楕円の外側に位置する第２の表面とを備えている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、内側に位置する第１の波形形状表面と、外側に位置する第２の波形形状表面とを備えている電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記第１の表面及び前記第２の表面が、鉄材料による前記回転軸に接触しており、閉鎖磁界の低損失媒体通路を提供している電動機が提供される。

本考案の一態様によれば、前記固定の電動機コイルの各々が、磁石ペア間で発生する磁界によって規定される方向に配置されている電動機が提供される。

本考案に関連する、電動機の効率及び機械的出力密度を増大させる方法は、特に、
（ａ）主縦軸を有する複数のディスク表面を提供するステップと、
（ｂ）オフセットされた磁石の複数の列を提供するステップと、
（ｃ）前記主縦軸に関して角度Ａで傾斜した複数の磁界が整合磁気ペア間に発生するように２つの隣接するディスク表面上にこれら整合磁気ペアが得られるように前記磁石の列を前記ディスク表面の各々に結合するステップと、
（ｄ）前記整合磁気ペアの各々の中間に配列された電磁コイルを各々が有する複数の固定の支持構造を配置するステップと、
（ｅ）回転軸を前記ディスク表面に固着するステップと、
（ｆ）磁界損を最小化し、前記電動機の効率及び機械的出力密度を増大させるために前記磁石と前記コイルとの空隙を最小化させるステップと
を備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、電動機の効率をＩＥＣ６００３４−３０による約９０％まで増大させる。

本考案に関連する方法の一態様によれば、電力発生効率をＥｄｉｃｔ５５３／２００５による約９０％まで増大させる。

本考案に関連する方法の一態様によれば、前記角度Ａを、約０°より大きく、約１８０°より小さい角度に選択するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、前記磁石の形状が、円形形状又は多角形形状からなる群から選択するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、磁界損を減少させるために前記磁石と前記コイルとの空隙が最小となるように構成するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、前記整合磁気ペアの各々の間の前記磁界が区別され隔離されるように、前記ディスク表面に非磁性層を被覆するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、前記磁気デバイスの列を前記ディスク表面上に設けるステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、前記ディスク表面上の全ての前記磁石が同一の磁気極性方向を有するように調整するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、前記整合磁気ペアの向かい合う磁極が引付力の磁界を発生するように調整するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、頂部ディスクの頂面及び底部ディスクの底面が電動機筐体の鉄材料による壁に接触しており、磁界の低損失媒体通路を提供するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、前記磁石を、前記ディスクの中央から該ディスクの端縁まで、任意形状の曲線ライン上に配置するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、前記磁石を、前記ディスクの中央から該ディスクの端縁まで、螺旋状ライン上に配置するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、当該電動機をボール構造に構成するステップを付加的に備えている。

本考案に関連する方法の一態様によれば、当該電動機を楕円に構成するステップを付加的に備えている。

本考案の一実施形態として、電動機及びこの電動機を駆動するＡＣ又はＤＣ電圧源の概略ブロック図である。 本考案の一実施形態として、電動機の回転子の２つの隣接する表面上に配置された整合磁気ペアの列と、各整合磁気ペア間で電動機の固定子上に配置された傾斜したコイルの列との不定縮尺比の断面図である。 本考案の一実施形態として、２つの異なる傾斜磁界用の２つの同心の領域からなる電動機ディスクの不定縮尺比の頂面図である。 本考案の一実施形態として、互いに対向した異なるデバイスの４つの異なるペアを含む２つ隣接する表面の不定縮尺比の断面図である。 本考案の一実施形態として、磁気デバイスの列が固着された４つの表面を備えた３つのディスクと、複数の電磁コイルを支持するために用いられる、各隣接ディスク間の支持構造とを有する円筒形形状の電動機の不定縮尺比の断面図である。 本考案の一実施形態として、内側表面に固着された磁気デバイスの列を有する第２のボール内で外側表面に固着された磁気デバイスの列を有する第１のボールと、表面間に配置され複数の電磁コイルを支持する支持構造として構成された電動機の不定縮尺比の頂面図である。 本考案の一実施形態として、内側表面に固着された磁気デバイスの列を有する第２の楕円内で外側表面に固着された磁気デバイスの列を有する第１の楕円と、表面間に配置され複数の電磁コイルを支持する支持構造として構成された電動機の不定縮尺比の頂面図である。 本考案の一実施形態として、内側表面に固着された磁気デバイスの列を有する第２の波状表面内で外側表面に固着された磁気デバイスの列を有する第１の波状表面と、表面間に配置され複数の電磁コイルを支持する支持構造として構成された電動機の不定縮尺比の頂面図である。 本考案の一実施形態として、中心から縁端に向かい放射方向ラインに沿って配列されディスク表面に固着された同一寸法の磁気デバイスの列を有するディスク表面の不定縮尺比の頂面図である。 本考案の一実施形態として、中心から縁端に向かって寸法が増大するように放射方向ラインに沿って配列されディスク表面に固着された磁気デバイスの列を有するディスク表面の不定縮尺比の頂面図である。 本考案の一実施形態として、中心から縁端に向かい曲線ラインに沿って配列されディスク表面に固着された同一寸法の磁気デバイスの列を有するディスク表面の不定縮尺比の頂面図である。 本考案の一実施形態として、中心から縁端に向かい螺旋状ラインに沿って配列されディスク表面に固着された同一寸法の磁気デバイスの列を有するディスク表面の不定縮尺比の頂面図である。

実施形態に関連して本考案をより理解するために、参照符号が明細書全体にわたって対応する要素を示している添付の図面を以下参照する。

本考案の全章と以下の記載は、全ての当業者が本考案を使用できるようにすると共に、本考案を実施する考案者によって考えられた最良の形態を提示するものである。しかしながら、本考案の一般的な原理が電動機を提供することと特に規定されているので、当業者は種々の変更態様を容易に想到することが可能である。

以下の詳細な説明において、数々の特定の詳細は、本考案の実施形態を完全に理解するために説明するものである。しかしながら、当業者は、特定の詳細無しにこれら実施形態を実施できると理解するであろう。本明細書全体にわたって参照している「１つの実施形態」又は「一実施形態」は、その実施形態に関連して記載した特定の特徴、構造又は特性が本考案の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。従って、本明細書全体の種々の箇所に現れる「１つの実施形態において」又は「一実施形態において」なる語句は、同一の実施形態又は考案を必ずしも全て参照はしない。さらに、特定の特徴、構造又は特性は、１つ又はそれ以上の実施形態において、任意の適切な方法で組合わせることができる。

図面は本考案の好ましい実施形態を説明している。ここで述べる本考案の実施形態は、本考案の特徴の範囲において種々の変更態様が成し遂げられると理解されるにもかかわらず、本考案を実施する考案者によって商業的環境下で考えられた最良の形態である。

用語「電気電動機」又は「電動機」は、非限定的な用法で、電圧を回転機械力に変換する機械であると以下参照する。

用語「回転子」は、非限定的な用法で、電動機軸の回りを回転する、電動機の回転部分であると以下参照する。

用語「固定子」は、非限定的な用法で、回転子に磁界を印加する、電動機の固定部分であると以下参照する。

用語「電磁コイル」又は「コイル」は、非限定的な用法で、強磁性体コアに巻回された複数の導体線によって構成される要素であると以下参照する。

用語「コイル支持構造」又は「支持構造」は、非限定的な用法で、コイル列の支持に使用可能な電動機固定子構造であると以下参照する。

用語「強磁性体コア」は、非限定的な用法で、極めて高い透磁率、特性飽和点及び磁気ヒステリシスを示す、鉄、ニッケル若しくはコバルト及び種々の合金等の材料構造物質であると以下参照する。

用語「永久磁界源」は、非限定的な用法で、長期間にわたってそれ自体が磁界を発生する特別な材料で形成されたデバイスであると以下参照する。

用語「磁気デバイス」又は「磁石」は、非限定的な用法で、永久磁界源又は整合鉄部であると以下参照する。磁界は、互いに対向する任意の磁石のペア間で発生する。

用語「非磁性材料」は、非限定的な用法で、ランダムに配列された個別原子の、従って相殺される傾向の、磁界を有する材料であると以下参照する。

用語「約」は、基準値に対してその２５％下か又は上の範囲であると以下参照する。

用語「国際電気標準会議（ＩＥＣ）６００３４−３０」は、ＩＥＣによって設定された新たな標準「ＩＥＣ６００３４−３０、単一速度かご型三相誘導電動機の効率分野」であると以下参照する。

この標準の目的は、単一速度かご型三相誘導電動機のエネルギ効率分野を分類する性能ラベルの全体的整合規格を提供することにある。ここで対象となる電動機の範囲は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのかご型三相誘導電動機であって：
０．７５ｋＷ及び２００ｋＷの範囲の定格電力を有し、
１０００Ｖまでの定格電圧を有し、
−Ｓ１の定格連続デューティを有し、
定格ＩＰ４ｘ又はそれ以上で保護されるものである。

用語「Ｅｄｉｃｔ５５３／２００５」は、２００５年末から更新された規則であると以下参照する。電動機用の「エネルギ効率法」の最初の規則は、２００２年に発足し、（強制的な）「標準」及び（自発的な）「高効率」の電動機の最小効率性能標準（ＭＥＰＳ）の２つの規格を制定している。エジェナー ゴメス ピント ガルシア、アレクサンダー エス． スクローア シャフェーラ、マイケル エー． マックネイル、「ブラジル工業における電動機のエネルギ効率標準」、エネルギポリシー、３５巻、６刊、２００７年６月、ページ３４２４〜３４３９を参照のこと。

本考案は、固定子に固着された傾斜した電磁コイルの列に電圧を印加することにより動作可能な電動機を提供する。傾斜したコイルの磁界と、磁気デバイス列の整合ペア間の対応する傾斜磁界との相互作用により、電動機の回転子に回転モーメントを与える接線方向成分を有する傾斜したベクトル力が発生する。これにより、垂直の磁界及び垂直のコイル構成を有する等価的な発電機構成は、全ての整合磁気ペア間に傾斜した磁界を具現化すると共にそれらの間に傾斜したコイルを配置することによって、電動機となる。

高い磁束密度を有し、強力な、明確に異なるかつ均一な複数の磁界と、電動機の容積の大部分を利用する整合傾斜コイルとの構成は、電動機の効率及び電動機の所与の物理的寸法に対する機械的出力を最大にする適応性を備えている。

以下、電動機システム１０の概略的なブロック図である図１を参照する。本考案の一実施形態である電動機１４は、ＡＣ電圧によって駆動されるＡＣ電動機である。ＡＣ電圧源１１が得られる場合、電動機１４はＡＣ電圧によって直接的に駆動される。また、ＤＣ電圧源１２が駆動電圧源である場合、この技術分野で一般に知られているＤＣ／ＡＣ電子変換器１３がＤＣ電圧１２をＡＣ電圧に変換する。電動機１４の回転子は、互いに対向する隣接する表面上に固着された磁石のペア列（整合磁気ペア）からなる。電動機１４の固定子は、対応する整合磁気ペア間に配置された整合電磁コイルの列からなる。ＡＣ電圧がコイルに印加されると、回転子に印加される水平ベクトル力成分が、回転軸を中心としてこの回転子を回転させる。

以下、本考案の一実施形態における円筒形形状電動機の不定縮尺比の断面の部分図である図２を参照する。ディスク２００に固着された磁石２０１、２０２、２０３、２０４及び２０５は、磁石の２次元列を示している。同様に、ディスク２２０に固着された磁石２２１、２２２、２２３、２２４及び２２５は、磁石の２次元列を示している。ディスク２００に固着された磁石２０１は、ディスク２２０に固着された磁石２２１とペア（整合磁気ペア）を構成している。

ディスク２００に固着された各磁石は、ディスク２２０に固着された各磁石と整合磁気ペアをなしている。これら磁石のペアは互いにオフセットしている。その結果、各整合磁気ペアは傾斜した磁界を発生する。整合磁気ペア間の全てのオフセットは、それらの間に傾斜した磁界を発生する。ディスク面上のオフセットの投射が放射方向ラインに沿っていない場合に、接線力がディスク上に発生する。例えば、整合磁気ペア２０１及び２２１、磁石２０２及び磁石２２２、磁石２０３及び磁石２２３、磁石２０４及び磁石２２４、並びに磁石２０５及び磁石２２５が同一方向にかつ同一量だけ互いにオフセットしている場合、これらの間の磁界は同様に傾斜する。ディスクの主縦軸に対する傾斜角度は、０°より大きく１８０°より小さい任意の値をとり得る。

図示されている電動機は４つの磁気列表面を有する３つのディスクを含んでいるが、使用されるディスクの数がいかなる値であってもそれは本考案の範囲に含まれる。

固定子支持構造２１０内に配置された電磁コイル２１１、２１２、２１３、２１４及び２１５は、整合磁気ペア間の磁界と同様に傾斜しており、同じ物理的寸法を有している。

固定子コイルの列に電圧が印加された場合、全整合磁気ペアの傾斜した磁界と、コイルに印加された電圧によって生じる電磁界との相互作用は、各整合磁気ペア及び対応するコイル間に同じ傾斜角方向のベクトル力が発生させる。これらベクトル力は、垂直成分及び水平成分を有している。ベクトル力の水平成分は、電動機の回転子に回転モーメント与える。

ディスクの主縦軸に対して、任意の方向にかつ０°より大きく１８０°より小さい任意の値をとり得る傾斜角度は、電動機の動作及び効率を最適化するために、電動機内の種々の位置において異なるかも知れない。

磁石は、多角形形状又は円形形状を有するかもしれず、サマリウム、ネオジム等のレアアース材料から一般的に製造される磁界源から構成されるか又は一部が鉄から構成される。その構造は、損失を最小にしつつ磁力線を近接させるために用いられる、低磁気損失の鉄製壁の筐体内に設けられている。

ディスクは、各ペアの磁界に対して低磁気抵抗の通路を提供するために、磁性材料で作製されており、鉄製の電動機軸及び鉄製の電動機筐体に接触している。この配置によるコイル及び対応する整合磁気ペア間の空隙は、それらによる磁界損を最小にするために最小化されている。

複数の整合磁気ペアによって得られる高磁束密度、整合磁気ペア及び整合電動機コイルの高密度構造、並びにコイル及び磁界損を最小にするための磁石間の空隙の最小寸法化は、本考案において、高効率及び高密度の電動機を提供するために適応可能である。

以下、ディスクの頂面図である図３ａを参照する。部分３６の全ての磁石は、それらの整合磁気ペアと共に、第１の磁界傾斜角を形成する。同様に、部分３７の全ての磁石は、それらの整合磁気ペアと共に、第２の磁界傾斜角を形成する。その結果、電動機の動作を最適化するために使用できる、異なる力がこれら２つの部分において与えられる。

電磁コイルが２つの反対方向に巻回されることにより、反対方向の磁界が発生し、その結果、反対方向のベクトル力が発生する。一実施形態において、コイルの列は、電動機の効率を最適化するために、逆方向に巻回されたコイルを含むかもしれない。

以下、空間的にオフセットされた磁石ペアとして配列され互いに対向した磁石ペアが固着された２つの隣接するディスクの断面図である図３ｂを参照する。ディスク３０ａに固着された磁石３５ａとディスク３０ｂに固着された磁石３５ｂとは、永久磁界源ペアである。永久磁気源３５ｂは上方に向いたＮ極を有し、オフセットされた永久磁気源３５ａは下方に向いたＳ極を有している。その結果、このペア間の磁界は、傾斜した引付力を発生する。

磁石３４ａ及び磁石３４ｂは、共通してＮ極を有し、互いにオフセットしている永久磁石である。その結果、このペア間の磁界は、傾斜した反発力を発生する。

磁石３３ａは鉄部品であり磁石３３ｂは任意の極性の永久磁界源である。鉄部品３３ａが永久磁界源３３ｂによって磁化されることにより、この磁石ペア間に傾斜した磁界が発生する。

磁石３２ａは永久磁界源であり磁石３２ｂは鉄部品である。従って、この磁石ペアは、磁石ペア３３ａ及び３３ｂとは反対に配列されておりかつ同様に傾斜した磁界を有している。

整合磁気ペア間に配置され電圧が印加される電磁コイルの磁界は、これらペアの傾斜した磁界と相互に作用する。磁石ペア間のオフセットはディスクの放射方向ラインとは一致しない。その結果、整合磁気ペアの磁界と、関連するコイルの磁界との相互作用は、電動機の回転子に回転モーメントを働かせる、ディスクの接線成分を有するベクトル力を発生する。

異なる整合磁気ペア及び傾斜の組み合わせに関して最適化設計を行うことにより好ましいシステム性能を得ることができる。

以下、円筒形形状の電動機４０の断面図である図４を参照する。電動機４０の回転子は、回転軸４４に固着されたディスク４１ａ、４１ｂ及び４１ｃからなる。磁石の列がディスク４１ａの第１の表面に固着されている。磁石の第１の列がディスク４１ｂの第１の表面に固着されており、磁石の第２の列がディスク４１ｂの第２の表面に固着されている。磁石の列がディスク４１ｃに固着されている。ディスク４１ａに固着された磁石の列はディスク４１ｂの第１の列に対向しており、これら互いに対向するデバイスは間に磁界を有する整合磁気ペアを構成する。同様に、ディスク４１ｂの第２の表面に固着された磁石の第２の列はディスク４１ｃの列に対向しており、これら互いに対向するデバイスは間に磁界を有する整合磁気ペアを構成する。整合磁気ペアが互いにオフセットされているため、整合磁気ペア間の磁界はディスクの主縦軸に対して傾斜している。電動機の固定子は、コイル支持構造４２ａ及び４２ｂを備えている。コイル支持構造４２ａは、複数の電磁コイルを支持する。各コイルは、対応する磁石ペア間の磁界に応じて傾斜している。同様に、コイル支持構造４２ｂは、複数の電磁コイルを支持する。各コイルは、対応する磁石ペア間の磁界に応じて傾斜している。

全てのコイルに電圧が印加されると、各コイル内に磁界が発生する。複数の整合磁気ペアの磁界と対応する電磁コイルの磁界との相互作用により、電動機の回転子に回転モーメントを与える接線方向成分を有する複数のベクトル力が発生する。

この構成は、電動機容積を効率的に利用することによる高い機械出力密度を伴い、低損失に起因する高い電気機械変換効率を提供する。

以下、ボール形状の電動機の断面図である図５ａを参照する。電動機の回転子は、ボールの外表面５１及びボールの内表面５２を備えている。磁石の列が内表面５２に固着されている。同様に、磁石の列が外表面５１に固着されている。外表面５１上の各磁石は対になる磁石を内表面５２上に有しており、互いに対向するこれら対になる磁気デバイスは整合磁石を構成している。磁石の任意のペア間の磁界は、放射方向ラインに対して同じ方向に傾斜している。電動機の固定子は、電磁コイルの列を支持するコイル支持構造５３を含んでいる。整合磁気ペアに対応する各コイルは、対応するペアの磁界と同一方向に傾斜している。コイルに電圧が印加されると、整合磁気ペアの磁界と対応するコイルの磁界との相互作用により、磁界と平行なベクトル力が発生する。このベクトル力は、電動機の回転子を電動機軸軸に関して回転させる回転モーメントを与える接線方向成分を有している。

以下、楕円形形状の電動機の断面図である図５ｂを参照する。楕円形形状は、図５ａに示すボール形状の電動機の変更例である。磁石の第１の列が、電動機の回転子の一部である内表面５５に固着されている。磁石の第２の列が、電動機の回転子の一部である外表面５４に固着されている。第１の列の各磁石は第２の列に整合磁気ペアを有している。全ての整合磁気ペアは図５ｂの平面から外れた方向に傾斜しており、各ペアの磁界は同様に傾斜している。

コイル支持構造５５は、整合磁気ペアの列と相互に関連する電磁コイルの列を支持している。各コイルは、対応する整合磁気ペア間の磁界の方向に傾斜している。即ち、コイルは図５ｂの平面から外れた方向に傾斜している。

コイルに電圧が印加されると、電磁コイルは、軸方向の磁界を発生する。整合磁気ペアの磁界と対応するコイルの磁界との相互作用により、軸方向のベクトル力が発生する。このベクトル力は、電動機の回転子を電動機軸５０に関して回転させる回転モーメントを与える接線方向成分を有している。

以下、１対の任意の波形形状表面によって構成された電動機の断面図である図５ｃを参照する。磁石の第１の列が、電動機の回転子の一部である内表面５８に固着されている。磁石の第２の列が、電動機の回転子の一部である外表面５７に固着されている。第１の列の各磁石は第２の列に整合磁気ペアを有している。全ての整合磁気ペアは図５ｂの平面から外れた方向に傾斜しており、各ペアの磁界は同様に傾斜している。

コイル支持構造５９は、整合磁気ペアの列と相互に関連する電磁コイルの列を支持している。各コイルは、対応する整合磁気ペア間の磁界の方向に傾斜している。即ち、コイルは図５ｂの平面から外れた方向に傾斜している。

コイルに電圧が印加されると、電磁コイルは、コイルの方向の磁界を発生する。整合磁気ペアの磁界と対応するコイルの磁界との相互作用により、軸方向のベクトル力が発生する。このベクトル力は、電動機の回転子を電動機軸５０に関して回転させる回転モーメントを与える接線方向成分を有している。

以下、電動機のディスク６０における磁石構成の実施形態を示す、図４の円筒形形状電動機のディスクの頂面図である図６ａを参照する。磁石列は、ディスクの隣接する放射方向ラインに沿ってジグザグに配列できる。例えば、円形形状磁石６１のラインは、放射方向ラインに沿って配列されており、磁石の隣接するラインがこの放射方向ライン６１に関してジグザグ配置となっている。同様に、六角形形状磁石６６のラインは、放射方向ラインに沿って配列することができる。これに隣接する六角形形状の放射方向ラインは、隣接する放射方向ラインと並んで良好に適合されることによって、ジグザグ配置されるべきではない。

ディスクは、磁石の磁界に低磁界抵抗を与えるために磁性材料で形成されている。ディスクの表面は、磁石間の磁界隔離に適応するために非磁性材料で被覆されている。磁気ディスクは、整合磁気ペアに低磁界抵抗を与えるために鉄製の電動機軸及び鉄製の電動機筐体に接触している。

以下、電動機のディスク６０における磁石構成の実施形態を示す、図４の円筒形形状電動機のディスクの頂面図である図６ｂを参照する。磁石列は、ディスクの放射方向ラインに沿って配列できる。例えば、円形形状磁石６２のラインは、放射方向ラインに沿って配列されている。放射方向ラインに沿って配列された磁石は、徐々にその寸法が増大している。これは、隣接する放射方向ラインに沿った磁石の配列を容易にする。

ディスクは、磁石の磁界に低磁界抵抗を与えるために磁性材料で形成されている。ディスクの表面は、磁石間の磁気的隔離に適応するために非磁性材料で被覆されている。磁気ディスクは、整合磁気ペアに低磁界抵抗を与えるために鉄製の電動機筐体に接触している。

以下、電動機のディスク６０における他の磁石構成を示す、図４の円筒形形状電動機の頂面図である図６ｃを参照する。磁石列６４は、前述した図のように直線状の放射方向ラインに沿ってではなく、曲線である放射方向ラインに沿ってディスクの中心からディスクの端縁に向かって配列されている。

ディスクは、磁石の磁界に低磁界抵抗を与えるために磁性材料で形成されている。ディスクの表面は、磁石間の磁気的隔離に適応するために非磁性材料で被覆されている。磁気ディスクは、整合磁気ペアに低磁界抵抗を与えるために鉄製の電動機筐体に接触している。

以下、電動機のディスク６０における他の磁石構成を示す、図４の円筒形形状電動機の頂面図である図６ｄを参照する。磁石列６５は、螺旋状ラインに沿って、ディスクの中心から始まりディスクの端縁に向かう全ての方向へ伸長して配列されている。

ディスクは、磁石の磁界に低磁界抵抗を与えるために磁性材料で形成されている。ディスクの表面は、磁石間の磁気的隔離に適応するために非磁性材料で被覆されている。磁気ディスクは、整合磁気ペアに低磁界抵抗を与えるために鉄製の電動機筐体に接触している。

本考案の範囲である磁石構成の実施形態は、磁石列として種々に配列することができる、複数のデバイス寸法及び形状を含んでいる。

整合磁気ペアにおける磁界の種々の傾斜の実施形態は、本考案の範囲である。

前述した方法は、ステップ（手順）の順序を変えること及び／又は複数のステップを同時に実行することを含む種々の方法に変更することができる。

また、前述した方法及び装置は、方法を実施する装置並びに装置を用いた方法を含むものと解釈するべきである。

本考案の主たる実施形態について、具体的に特定してはいるもののこれは関連性を有しており、形式及び型の特別の選択は重要ではない。本考案についてその実施形態の詳細な説明により記載しているが、これらは例として提供するものであり本考案の範囲を限定するものではない。一般的、又は「かもしれない」、「すべきである」、「好ましくは」、「ねばらならない」等の単語、若しくは重要性や動機の度合を示す他の用語による非限定的記載は、実用新案登録請求の範囲の文言による限定がこれら請求の範囲に表現されている場合を除いて、請求の範囲又はその均等の範囲における限定であると考えるべきである。１つの実施形態に関して記載された特徴及びステップは他の実施形態において使用されるかもしれず、本考案の全てではない実施形態は実施形態の１つに関して記載され又は特定の図において示された全ての特徴及び／又はステップを有していると理解すべきである。即ち、開示は、各要素の他の実施形態の各々に関連して（さらに、もちろん、同一の要素の変更態様における両立できる実施の種々の組み合わせに）記載されていると考えられる各要素の各実施形態との組み合わせの観点から完全であると考えるべきである。当業者は、記載されている実施形態の変更態様を発生させるであろう。さらに、用語「備える」、「含む」、「有する」及びそれらの同根語は、請求の範囲に使用した場合、「必ずしもこれに限定されないが含んでいる」ことを意味するであろう。請求の範囲に現れる単数の各要素は、請求の範囲に記載されたように１つ又はそれ以上の要素を意味するであろう。１つ又はそれ以上の群について選択肢が用意されている場合、請求の範囲は、種々の選択肢から選択されたただ１つの群を必要とし、各選択肢の１つは必要としないと解釈されるであろう。要約は、本願の範囲又は請求の範囲を限定すると解釈されないであろう。

上述した実施形態のいくつかは本考案者等によって熟考された最良の形態を開示しており、従って、本考案に必須なものではなく例として記載されている、構造、動作、又は構造及び動作の詳細を含むであろうことが分かる。ここで記載した構造及び動作は、構造又は動作が異なるものであっても、この技術分野において知られている同一の機能を発揮する等価物で置き換えられる。従って、本考案の範囲は、請求の範囲で用いられている要素及び限定によってのみ規定されるものである。

１０ 電動機システム
１１ ＡＣ電圧源
１２ ＤＣ電圧源
１３ ＤＣ／ＡＣ変換器
１４ ＡＣ電動機
３０ａ、３０ｂ、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、６０、２００、２２０ ディスク
３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ、６２、６４、６５、６６、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５ 磁石
３６、３７ 部分
４０ 電動機
４２ａ、４２ｂ、５３、５５、５９ コイル支持構造
４４ 回転軸
５１、５４、５７ 外表面
５２、５５、５８ 内表面
５０ 電動機軸
６１ 放射方向ライン
２１０ 固定子支持構造
２１１、２１２、２１３、２１４、２１５ 電磁コイル

Claims (26)

1. 電動機の効率及び機械的出力密度の両方を増大させつつ機械的エネルギを発生するように構成された電動機であって、
   （ａ）主縦軸を有する複数のディスク表面であって、各々がオフセットされた磁石の列に結合しており、該磁石が整合磁気ペアとして該整合磁気ペア間に複数の磁界を形成するように２つの隣接する前記ディスク表面上に配列されており、前記磁界が前記主縦軸に関して角度Ａで傾斜している、複数のディスク表面と、
   （ｂ）各々が、前記整合磁気ペアの各々の中間に位置する電磁コイルの列を有しており、前記電磁コイルに電圧が印加された際に軸方向の磁界を提供するように構成されており、前記電磁コイルの列の各々が前記主縦軸に関して前記角度Ａで傾斜している、複数の固定の支持構造と、
   （ｃ）前記ディスク表面に固着された回転軸と
   を備えたことを特徴とする電動機。
2. 前記角度Ａが、約０°より大きく、約１８０°より小さいことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 電力発生効率をＩＥＣ６００３４−３０による約９０％まで増大させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
4. 電力発生効率をＥｄｉｃｔ５５３／２００５による約９０％まで増大させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
5. 前記磁石の形状が、円形形状又は多角形形状からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
6. 種々の磁気デバイス寸法を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
7. 前記磁石が、サマリウム又はネオジムのようなレアアース材料から形成される磁界源であることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
8. 前記磁石が、鉄部品であることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
9. 磁界損を減少させるために前記磁石と前記コイルとの空隙が最小となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
10. 前記整合磁気ペアの各々の間の前記磁界が区別され隔離されるように、前記ディスク表面が非磁性層を有していることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
11. 前記コイル列を支持する複数の前記コイル支持構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
12. 電動機の効率を最適化するために、一方向又は反対方向に巻回され前記列に配列されたコイルを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
13. 前記磁気デバイスの列が、前記ディスク表面上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
14. 前記ディスク表面上の全ての前記磁石が、同一の磁気極性方向を有していることを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
15. 前記整合磁気ペアの向かい合う磁極が、引付力の磁界を発生することを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
16. 頂部ディスクの頂面及び底部ディスクの底面が電動機筐体の鉄材料による壁に接触しており、磁界の低損失媒体通路を提供していることを特徴とする請求項１５に電動機。
17. ２つの隣接する放射方向ライン上の前記磁石が、ジグザグ配列となっていることを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
18. 前記磁石が、前記ディスクの中央から該ディスクの端縁まで、任意形状の曲線ライン上に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
19. 前記磁石が、前記ディスクの中央から該ディスクの端縁まで、螺旋状ライン上に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
20. 前記整合磁気ペアの各々及び前記コイルの傾斜した角度が、電動機全体にわたって等しいことを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
21. 前記傾斜した角度が、前記ディスク表面上の種々の同心環について異なっていることを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
22. 当該電動機がボール構造に構成されており、第１のボールの内側に位置する第１の表面と、前記第１のボール内に位置している第２のボールの外側に位置する第２の表面とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
23. 当該電動機が楕円に構成されており、第１の楕円の内側に位置する第１の表面と、前記第１の楕円内に位置している第２の楕円の外側に位置する第２の表面とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
24. 内側に位置する第１の波形形状表面と、外側に位置する第２の波形形状表面とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
25. 前記第１の表面及び前記第２の表面が、鉄材料による前記回転軸に接触しており、閉鎖磁界の低損失媒体通路を提供していることを特徴とする請求項２２から２４のいずれか１項に記載の電動機。
26. 前記固定の電動機コイルの各々が、磁石ペア間で発生する磁界によって規定される方向に配置されていることを特徴とする請求項２２から２４のいずれか１項に記載の電動機。

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