JP2004040991A - Brushless direct-current motor without requiring rotation magnetic field - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電源を接続することにより、機械的駆動力を生ずる電気機械、即ち、直流電動機のうち、ブラシを用いない直流電動機、いわゆるブラシレスDCモーターに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の最も簡単な、DCモーターの構造は、外側の固定子として、回転軸の左右にNとSの永久磁石を置き、横にした円筒状の回転子に回転軸と平行に電線を巻き、回転軸に取り付けた整流子より直流電流を電線に供給したものである。
左右の固定子の磁極が異なるため、回転につれて回転子の左右の電流の向きを反転させてやる必要があり、その切り替えのために置かれるのが、整流子であるが、これらが摺動部及びブラシを用いるため、磨耗のために電動機の寿命の短縮と、ノイズの発生の原因となる、という欠点があった。
そこで考えられたのが、ブラシレス直流電動機である。これは従来の直流電動機で固定子側にあった永久磁石を回転子として用い、整流子、即ち摺動部、及びブラシを取り去ったものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来のブラシレス直流電動機は、固定子側に置いたコイルによって、回転子の永久磁石を引張り回転させるための回転磁界を、直流から作る必要があり、半導体を用いた高度でかつ高価な回転磁界の発生および制御回路が使われる事となり、これが直流電動機の製造コストを上昇させるという新たな問題を生ずる結果となった。
そこで本発明では、半導体を用いた高度な回転磁界の発生および制御回路を使用する必要のないブラシレス直流電動機を提供しようとするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
従来のブラシレス直流電動機では、回転子に用いた永久磁石の極性が回転子の回転軸の左右で、NあるいはSの逆極性であった。従って回転磁界を作る以外に、外側から回転子を回転、駆動させる方法はなかったのである。
そこで本発明では、回転子に用いる磁石の磁場方向を、回転軸に対して平行か、あるいは放射状の配列に配置し、外側に固定子として取り付けた駆動コイルは、回転子の磁石の磁場方向が回転軸に平行な場合には、逆に回転軸から放射状に電流が流れるように配置し、該磁場方向が回転軸から放射状の配列に配置してある場合には、回転軸に平行に電流が流れるように配置したものである。
このようにすれば、従来のプラシレス直流電動機のように、回転子に用いた磁石の磁場方向が、回転軸に対して左右、あるいは上下で逆方向になることは無く、外側に固定子として取り付けた駆動コイルから見て、回転子の回転にともない回転子が一周しても、該駆動コイルの、ある点を横切る回転子の磁石の磁場方向は、常に一定方向になるため、回転磁界は不要であり、該駆動コイルに一定方向の直流電流を流すことにより、発生するローレンツ力によって、直接、回転子を回転、駆動させることができると考えられる。
ブラシレス直流電動機に最も適した磁極の配列というものを考え、その条件をあげてみると、
1.回転子と固定子がぶつからずに相対運動を行うためには、回転子と固定子の間に「空間」がなければならない。
2.その「空間」で力のやりとりを行い、なおかつ回転子あるいは固定子のどちらかに、その力のやりとりの片側である導体、すなわち駆動コイルを置くことを考えると、その「空間」は、「磁場空間」でなければならない。
3.直流電動機を作るためには、その「磁場空間」の「磁場」は、「一方向に向いた静磁場」であることが望ましい。
4.駆動コイルに流される電流は、「一方向に向いた静磁場」および、「回転子の回転方向」との両方に対して、常に90度の角度を保って、同一方向に流されなければならない。
5.「一方向に向いた静磁場」と、駆動コイルの電線の作る面積の広さが、その電動機の出力を左右すると考えられるので、「一方向に向いた静磁場の空間」は、なるべく広いほうがよい。
これらの条件から考えられるもっともよい解は、「回転子に用いる磁石の磁場方向を、回転軸に対して平行か、あるいは放射状の配列に配置し、外側に固定子として取り付けた駆動コイルは、回転子の磁石の磁場方向が回転軸に平行な場合には、逆に回転軸から放射状に電流が流れるように配置し、該磁場方向が回転軸から放射状の配列に配置してある場合には、回転軸に平行に電流が流れるように配置する。」というものである、と考えられる。
この回転子に用いる磁石を、永久磁石でなく電磁石で作ってもかまわないし、あるいはまた、回転子と固定子の立場を逆転させて回転子側に駆動コイルを取り付け、固定子側を永久磁石にすることも可能であるが、ブラシレスが望ましいことや、構造がなるべく簡単な方が、コストがおさえられるであろうことを考えると、「固定子側に駆動コイルを置き、回転子側に強い永久磁石で作られた磁極を取り付ける」のが最も望ましいモデルではないか、と考えられる。
さらに、出力を大きくしたい場合、「永久磁石を同一の軸に多数取り付け、多段構造にした回転子」を用いるのが最もよい案、と考えられるが、この場合、各段の円盤の間に、固定子側の駆動コイルが一段ずつはさまる構造となるので、回転子の駆動方向を統一するため、一段の駆動コイルに向かう永久磁石の磁極は、すべて同一の極で無ければならない。即ち回転子に取り付けられた磁石円盤の磁場方向は、回転軸に平行であると同時に、一段毎に反転するように作られなければならない。また、それにともなって駆動コイルの方も、一段毎に駆動電流の回転方向が反転するように結線してやらねばならない。
(実施例5のモデルを参照)
【0005】
【発明の実施例】
実施例1.図1〜2は、本発明のうち、回転子に取り付けた永久磁石の磁場方向を回転軸と平行に配置した実施例のなかで、単純なモデルの一つである
このなかで、ローレンツ力を生み出す部分、即ち駆動コイルと永久磁石が対峙する面のコイルの導体は回転軸から放射状に巻かれている。
【0006】
実施例2.図3〜4は、本発明のうち、回転子に取り付けた永久磁石の磁場方向を回転軸に対して放射状に配置した実施例のなかで、単純なモデルの一つである。
このなかで、ローレンツ力を生み出す部分、即ち駆動コイルと永久磁石が対峙する面のコイルの導体は回転軸と平行に巻かれている。
【0007】
実施例3.図5は、本発明のうち、回転子に取り付けた永久磁石の磁場方向を回転軸に対して平行、及び放射状に配置した実施例のなかで、単純なモデルであろうと考えられるものの一つである。
これは、実施例1と実施例2の両方のモデルを組み合わせ、複合化したものであるが、単純化するため、製造上困難と思われる実施例2の回転子に取り付けてある外側の永久磁石を取り去り、複合化したモデルになっている。
単純な割には、力が大きいと考えられる。
【0008】
実施例4.図6は、本発明のうち、実施例3.のモデルの駆動コイルを、四角から円筒(ドーナッツ)型に変更し、永久磁石の配置も、それに合わせて変更したものである。
製造上は、実施例3.のモデルよりも、技術的困難の度合いが増加するかもしれない。
【0009】
実施例5.図7は、本発明のうち、実施例3.のモデルを多段型に変更したものである。もちろん段の数は、出力に応じて自由に変えることができる。
ここで注意しなければならないのは、回転子の駆動方向を統一するためには、一段の駆動コイルに向かう永久磁石の磁極を、すべて同じにする必要があることである。従って回転子の永久磁石は、円盤一段毎に磁極を反転させてやらねばならず、それにともなって駆動コイルの方も、一段毎に駆動電流の回転方向が反転するように結線してやらねばならない。
実施例1〜4の各モデルについて、すべて同様に他段型にして、出力を大きくすることができ、今と同様の注意が必要である。
しかしながら、実施例5.のモデルが最も単純明快で出力も大きく、コストも安く作れる実用的なモデルではないか、と考えられる。この場合、放射状の駆動コイルをプリント板で作るのは製造上よい方法かも知れない。
【0011】
【発明の効果】
回転子の軸受けであるベアリング部以外は、回転によって磨耗するような接触部分が全くなく、単純明快な直流電動機が実現でき、従って部品交換の必要もなく、長時間の使用でも故障の少ない安定で安価な直流電動機が得られる。
現在、小型の直流電動機は各方面で使用されており、本発明も広い用途がある
と考えられる。(
【請求項1、2】)
【0012】
通常、特別な制御回路を用いない直流電動機は、機械駆動系である回転子を回転させてやると、電源を供給すべき駆動コイルの両端に起電力を発生し、発電機となる事は従来からよく知られている事であり、本発明の直流電動機も、直流発電
機として作動すると考えられる。(
【請求項3】)
【0013】
本発明の直流電動機を二つ用意して両方の回転子を機械的に結合させ、片方を直流発電機として、二次直流電源として使用した場合、これは、直流回転変流機、
即ち「動的直流変圧器」となることは、明らかである。(【請求項4】)
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のモデルを横から見た断面図である。
【図2】実施例1のモデルの概念図である
【図3】実施例2のモデルを横から見た断面図である。
【図4】実施例2のモデルの概念図である。
【図5】実施例3のモデルを横から見た断面図である。
【図6】実施例4のモデルを横から見た断面図である。
【図7】実施例5のモデルを横から見た断面図である。
【符号の説明】
図中の番号1〜5は、図1〜7ではすべて共通となっている。残りは追加部分である。
1 駆動コイル及び固定子(一体)。
2 永久磁石及び回転子(一体)。
3 駆動電流及び、その方向。
4 永久磁石の磁極及び、その磁場方向。
5 ベアリング部。
6 回転子の軸
7 駆動コイル(放射状)
8 回転子の軸
9 駆動コイル(回転軸と平行)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric machine that generates a mechanical driving force by connecting a DC power supply, that is, a DC motor that does not use a brush, that is, a brushless DC motor among DC motors.
[0002]
[Prior art]
The simplest DC motor structure in the past is to place N and S permanent magnets on the left and right sides of the rotating shaft as outer stators, and wind electric wires around the rotating cylindrical rotor in parallel with the rotating shaft. A direct current is supplied to the electric wire from a commutator attached to the rotating shaft.
Since the magnetic poles of the left and right stators are different, it is necessary to reverse the direction of the current on the left and right of the rotor as the rotor rotates, and the commutator is placed for switching, and these are the sliding parts. In addition, the use of brushes has the disadvantage that the life of the motor is shortened due to wear and noise is generated.
The idea was brushless DC motors. This is a conventional DC motor using a permanent magnet on the stator side as a rotor and removing the commutator, that is, the sliding portion and the brush.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In conventional brushless DC motors, it is necessary to create a rotating magnetic field for pulling and rotating a permanent magnet of a rotor from a direct current by a coil placed on a stator side. The use of generation and control circuits has resulted in a new problem of increasing the manufacturing costs of DC motors.
In view of the above, an object of the present invention is to provide a brushless DC motor that does not require the use of a control circuit for generating a high-level rotating magnetic field using a semiconductor.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In the conventional brushless DC motor, the polarity of the permanent magnet used for the rotor is opposite to N or S on the left and right sides of the rotation axis of the rotor. Therefore, there was no way to rotate and drive the rotor from the outside, other than to create a rotating magnetic field.
Therefore, in the present invention, the magnetic field direction of the magnet used for the rotor is arranged in a parallel or radial array with respect to the rotation axis, and the drive coil mounted as a stator on the outside has the magnetic field direction of the magnet of the rotor. When the magnetic field direction is arranged in a radial array from the rotation axis, the current is arranged parallel to the rotation axis. They are arranged to flow.
In this way, unlike a conventional brushless DC motor, the direction of the magnetic field of the magnet used for the rotor does not become opposite to the left and right or up and down with respect to the rotation axis, but is attached as a stator outside. When viewed from the viewpoint of the drive coil, even when the rotor makes one rotation with the rotation of the rotor, the direction of the magnetic field of the rotor magnet that crosses a certain point of the drive coil is always in a fixed direction, so that a rotating magnetic field is unnecessary. It is considered that the rotor can be directly rotated and driven by the generated Lorentz force by flowing a direct current in a certain direction through the drive coil.
Considering the most suitable arrangement of magnetic poles for brushless DC motors and raising the conditions,
1. In order for the rotor and the stator to move relative to each other without collision, there must be "space" between the rotor and the stator.
2. Considering that a force is exchanged in the "space" and a conductor, that is, a drive coil, which is one side of the exchange of the force, is placed on either the rotor or the stator, the "space" is defined as a "magnetic field". It must be space.
3. In order to make a DC motor, the “magnetic field” of the “magnetic field space” is preferably a “static magnetic field oriented in one direction”.
4. The current flowing through the drive coil must always be flowed in the same direction, maintaining an angle of 90 degrees with respect to both the "static magnetic field in one direction" and the "rotation direction of the rotor". .
5. It is considered that the “unidirectionally oriented static magnetic field” and the size of the area of the electric wire of the drive coil will affect the output of the motor, so the “unidirectionally oriented static magnetic field space” should be as large as possible. Good.
The best solution that can be considered from these conditions is that the magnetic field direction of the magnet used for the rotor is arranged parallel or radial to the rotation axis, and the drive coil mounted as a stator on the outside When the magnetic field direction of the child magnet is parallel to the rotation axis, on the contrary, it is arranged so that current flows radially from the rotation axis, and when the magnetic field direction is arranged in a radial array from the rotation axis, It is arranged so that a current flows parallel to the rotation axis. "
The magnet used for this rotor may be made of an electromagnet instead of a permanent magnet, or, alternatively, the driving coil may be mounted on the rotor by reversing the positions of the rotor and the stator, and the stator may be replaced with a permanent magnet. However, considering that brushless is desirable and that the simpler the structure is, the lower the cost will be, `` Place a drive coil on the stator side and place a strong permanent Attach a magnetic pole made of a magnet "is probably the most desirable model.
Furthermore, when it is desired to increase the output, it is considered that it is best to use "a rotor having a multi-stage structure in which a large number of permanent magnets are mounted on the same shaft". In this case, between the disks in each stage, Since the drive coils on the stator side have a structure in which the drive coils are inserted one by one, all the magnetic poles of the permanent magnet toward the one-stage drive coil must be the same in order to unify the driving directions of the rotor. That is, the direction of the magnetic field of the magnet disk attached to the rotor must be made to be parallel to the rotation axis and to be reversed step by step. Accordingly, the drive coils must also be connected such that the rotation direction of the drive current is reversed for each stage.
(See the model of Example 5)
[0005]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
[0006]
Among them, the portion that generates the Lorentz force, that is, the coil conductor on the surface where the drive coil and the permanent magnet face each other, is wound in parallel with the rotation axis.
[0007]
This is a combination of the models of the first embodiment and the second embodiment, which are combined. However, for the sake of simplicity, the outer permanent magnet attached to the rotor of the second embodiment, which is considered difficult to manufacture. Has been removed to create a composite model.
It is thought that power is great for simple.
[0008]
For the production, Example 3. May be more technically difficult than the previous model.
[0009]
It should be noted here that in order to unify the driving directions of the rotor, all the magnetic poles of the permanent magnets directed to the one-stage drive coil need to be the same. Therefore, the permanent magnets of the rotor must have their magnetic poles inverted for each stage of the disk, and accordingly, the drive coils must also be connected such that the direction of rotation of the drive current is inverted for each stage.
All the models of the first to fourth embodiments can be similarly formed in other stages to increase the output, and require the same attention as in the present case.
However, Example 5. It is thought that this model is the most practical model that is simplest, has a large output, and can be manufactured at low cost. In this case, manufacturing the radial drive coil on a printed board may be a good manufacturing method.
[0011]
【The invention's effect】
Except for the bearings, which are the bearings of the rotor, there are no contact parts that are worn by rotation, and a simple and clear DC motor can be realized. An inexpensive DC motor can be obtained.
At present, small DC motors are used in various fields, and it is considered that the present invention also has wide applications. (
[
[0012]
Normally, a DC motor that does not use a special control circuit generates an electromotive force at both ends of a drive coil to be supplied with power when a rotor that is a mechanical drive system is rotated, so that it can be used as a generator. It is well known that the DC motor of the present invention also operates as a DC generator. (
(3)
[0013]
When two DC motors of the present invention are prepared and both rotors are mechanically coupled, and one is used as a DC generator and used as a secondary DC power supply, this is a DC rotary current transformer,
That is, it is clear that the dynamic DC transformer is used. ([Claim 4])
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a model of a first embodiment as viewed from the side.
FIG. 2 is a conceptual diagram of a model according to a first embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view of the model according to the second embodiment as viewed from the side.
FIG. 4 is a conceptual diagram of a model according to a second embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a model of Example 3 as viewed from the side.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a model of Example 4 as viewed from the side.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a model of Example 5 as viewed from the side.
[Explanation of symbols]
1 Drive coil and stator (integral).
2 Permanent magnet and rotor (integral).
3 Drive current and its direction.
4. The magnetic poles of the permanent magnet and the direction of the magnetic field.
5 Bearing part.
6
8
Claims (4)
*1: ロータ、電機子ともいい、リニアモータでは可動子ともいうが、回転系が主体なので以下、以下の文では英語のロータに対応する回転子を統一して使用。
*2: ステータ、日本語では界磁石ともいうが、以下の文では英語のステータに対応する固定子を統一して使用。The direction of the magnetic field of the permanent magnet attached to the rotor (* 1) is parallel or radial to the rotation axis, and the magnetic poles are the same in all directions, up, down, left, and right, when viewed from the direction of the rotation axis. The drive coil arranged and mounted as a stator (* 2) on the outside is arranged such that when the magnetic field direction of the magnet of the rotor is parallel to the rotation axis, the current flows in the radial direction from the rotation axis. When the direction of the magnetic field is radially arranged from the rotation axis, the stator is arranged so that current flows in parallel with the rotation axis and the driving force is directly obtained from the Lorentz force of the driving coil to rotate the stator. A brushless DC motor that does not require a magnetic field generation and control circuit.
* 1: It is also called a rotor or an armature, and a linear motor is also called a mover, but since it mainly uses a rotating system, the following text uses the rotor corresponding to the English rotor in a unified manner.
* 2: Stator, which is also called field magnet in Japanese, is used in the following sentence for the stator corresponding to the English stator.
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