JP2008199691A - 動力変換装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固定部に対する回転部の位置関係にかかわらず高い回転駆動力を得ることができ、高効率に回転駆動できる動力変換装置の駆動方法を提供を提供する。
【解決手段】動力変換装置は、回転軸３１と複数の内部磁気手段３３および複数の外部磁気手段５０とを有する。ここで、内部磁気手段３３は、回転軸３１と一体に接続されるているとともに、円軌道２０１に沿って設けられ、各々におけるＮ極とＳ極とを結ぶ直線が各箇所における円軌道２０１の接線と互いの方向が略合致する状態に構成されている。また、外部磁気手段５０は、２０１円軌道の外周を囲む状態に設けられ、外部からの電力供給を受けることにより磁化されるものであり、磁化されたときのＮ極とＳ極とを結ぶ直線が該設置箇所での円軌道２０１の接線と互いの方向が略合致し、且つ、内部磁気手段３３に対し吸引力または反発力を生ずる状態に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、動力変換装置の駆動方法に関し、特に電気を回転駆動力に変換する動力変換装置での駆動方法に関する。

従来技術に係る直流モータの構成について、図４を用い説明する。
図４に示すように、直流モータは、固定部分であるステータとして互いに対向する一対の異方性磁石４１２を有するとともに、回転部分であるロータとして回転子４１４を有する。なお、一対の異方性磁石４１２は、ヨーク４２０に取り付けられている。
回転子４１４は、複数のコア４１６を有しており、この複数のコア４１６の各々にコイル４１８が巻回されている。直流モータの駆動時においては、このコイル４１８に一定周期に正負が変わる電流が供給され、当該電流の供給を受けた複数のコア４１６は極性が切り替わる電磁石となる。そして、複数のコア４１６の各々は、その磁性が切り替わるのに伴ない、同じ極性を有する異方性磁石４１２との間に反発力を発生し、これにより、回転子４１４は、異方性磁石４１２が作る磁界の中を回転する。直流モータでは、上述のようなメカニズムをもって電気を回転駆動力に変換する。
特開平０５−１７６５０９号公報

しかし、上記特許文献１を含む従来技術に係る直流モータでは、ロータとステータとの互いの位置関係により、その間に作用する反発力が大きく変動し、高効率に回転駆動力を得ることはできない。即ち、ステータとロータの間に作用する反発力は、ロータが切線方向に沿ってステータに接近し、互いの磁力線の方向が向き合っている場合に最も強くなるが、この時の反発力の作用方向は法線方向となり、ロータの回転方向とは一致しないためトルクが最少となる。

一方、ロータの磁極が既にステータの対応磁極から離れた場合には、反発力の作用方向がロータの回転方向と一致するが、ロータとステータとの互いの磁力線方向が略直交する径方向になるため、反発力が既にゼロ近くに低下する。以上のように、従来の直流モータにおいては、高効率に回転駆動力を得ることはできない。
本発明は、上記問題を解決しようとなされたものであって、固定部に対する回転部の位置関係にかかわらず高い回転駆動力を得ることができ、高効率に回転駆動できる動力変換装置の駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る動力変換装置の駆動方法は、回転軸と、当該回転軸に接続されるとともに、回転軸を中心とする円軌道に沿って設けられてなる複数の内部磁気手段と、円軌道の外周を囲む状態に設けられた外部磁気手段とを有する動力変換装置を駆動する方法である。そして、複数の内部磁気手段は、各々におけるＮ極とＳ極とを結ぶ直線が円軌道の接線と互いの方向が略合致する状態に構成されており、また、外部磁気手段は、電力の供給を受けてＮ極とＳ極とを結ぶ直線が円軌道の接線と互いの方向が略合致する状態に磁化され、当該磁化された状態で複数の内部磁気手段との間で吸引力または反発力が生じるものである。

本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、外部磁気手段に対して電力供給を間歇的に実行し、内部磁気手段は、外部磁気手段が磁化されたときに生ずる吸引力または反発力の作用と、外部磁気手段への電力供給が停止されたときの慣性作用との両作用を交互に受けて回転軸回りに回転される。
上記本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、次のようなバリエーションを採ることができる。

上記本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、動力変換装置における外部磁気手段が、円軌道の外周を囲む領域に、互いに間隔をあけて複数設けられており、複数の外部磁気手段の各々が、円軌道の軌道軸に対し直交する断面において、内部磁気手段を囲み、且つ、回転軸の側に開口する状態のＣ字形状を有する電磁コイルを備えるものであり、電磁コイルに対し直流電流を間歇的に供給する、という方法を採用することができる。

また、上記本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、動力変換装置における複数の電磁コイルが、円軌道の外周を囲む状態に設けられたハウジングに保持・収納されている、という構成を採用することができる。
また、上記本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、ハウジングにおける電磁コイルの各間に、内部磁気手段の位置を検知する感知手段を設けておき、電磁コイルに対する間歇的な直流電流の供給を、感知手段における内部磁気手段の位置に関する感知結果に基づき実行する、という方法を採用することができる。

また、上記本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、内部磁気手段を偶数個設けておき、その各々が永久磁石である構成を採用し、また、偶数個の永久磁石を、円軌道の周方向に隣り合う各間において、同一極性どうしが対向する関係を満足する状態で配する、という構成を採用することができる。
また、上記本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、内部磁気手段と前記外部磁気手段とを同数設けておく、という構成を採用することができる。

上記のように、本発明に係る駆動方法が対象とする動力変換装置では、各内部磁気手段のＮ極とＳ極とを結ぶ直線（各内部磁気手段の運動方向）および外部磁気手段のＮ極とＳ極とを結ぶ直線が、それぞれの箇所における回転軸を中心とする円軌道の切線と互いの方向が略一致するように、内部磁気手段および外部磁気手段が設けられている。そして、本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、外部磁気手段に対し間歇的に電力の供給を行い、電力供給を行っているときの内部磁気手段に対する吸引力または反発力の作用と、電力供給が停止されているときの内部磁気手段に働く慣性作用の両作用を及ぼすことで内部磁気手段を回転軸回りに回転させる。

本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、上記特許文献１に係る直流モータのように、固定部と回転部との相互の位置関係で回転駆動力が大きく変化することがなく、高効率に回転駆動力を得ることができる。
従って、本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、上記従来の直流モータに対して体積およびパーツ数を増やすことなく、より高効率に回転駆動力に変換でき、より強い出力を得ることができる。また、本発明に係る動力変換装置の駆動方法では、上記従来の直流モータと同等の出力を得ようとする場合、従来技術に係る直流モータよりも小型化および軽量化が可能となる。

以下では、図示を参照しながら、本発明に係る動力変換装置の一例について詳しく説明する。
１．動力変換装置の概略構造
実施の形態に係る動力変換装置の概略構造について、図１を用い説明する。図１は、本実施の形態に係る動力変換装置の構造を示す部分断面図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る動力変換装置は、回転部３０と固定部１とを主な要素として構成されている。回転部３０は、回転軸３１を軸心として回転する６つの内部磁気手段３３を備えている。

回転軸３１からは、その軸と直交する平面において、ハブを介して放射状に延伸する６本のスポーク３２が接合されており、各先端には、内部磁気手段３３が取り付けられている。放射状に延伸する６本のスポーク３２は、互いに６０［°］の角度をなして設けられている。
６つの内部磁気手段３３は、回転軸３１を中心とする同一円周（円軌道２０１）上に配されており、それぞれが円軌道２０１と同一の曲率半径を以って円弧状に形成されている。そして、内部磁気手段３３は、具体的に、永久磁石であり、そのＮ極とＳ極とを結ぶ直線を考えるとき、その方向が各箇所で円軌道２０１の切線方向と合致するように構成されている。６つの内部磁気手段３３は、回転軸３１を中心とする環状の円軌道２０１を、一体に回転することができる。

一方、固定部１は、６つの外部磁気手段５０と３つの磁気感知手段６０とを備える構成を有する。具体的に、６つの外部磁気手段５０および磁気感知手段６０は、内部磁気手段３３が回転する円軌道２０１を囲む外周部分に設けられたハウジング２０に対し取り付けられている。
６つの外部磁気手段５０の各々は、鉄などの磁性シートよりなるコア５１と、電流の供給を以ってコア５１を磁化させる多数のコイル５２とを備えている。外部磁気手段５０の具体的構造については、後述する。

３つの磁気感知手段６０の各々は、近接した内部磁気手段３３を感知し、ＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４（図１では、図示を省略。図２を参照。）に対し信号を出力する。具体的な磁気感知手段６０としては、例えば、ホールＩＣや検知コイルなど採用することができる。
２．外部磁気手段５０およびハウジング２０の構造
固定部１における外部磁気手段５０およびハウジング２０の詳しい構造について、図２を参酌しながら説明する。図２は、主要部の構成を示す模式断面図である。

図２に示すように、ハウジング２０は、第１のシェル部材２１と第２のシェル部材２２が組み合わされた構造となっている。そして、第１のシェル部材２１と第２のシェル部材２２とは、円軌道２０１が形成する平面上で接合されており、円軌道２０１上を回転する内部磁気手段３３の周囲を囲む略Ｃ字の断面形状を有する。ハウジング２０における開口部２３１は、各内部磁気手段３３に接合されたスポーク３２に干渉しないように設けられている。ハウジング２０は、図２に示す断面形状を以って、図１に示すように円軌道２０１の外周を囲むドーナッツ形状を有する。

なお、ハウジング２０については、必ずしも本実施の形態のような第１のシェル部材２１と第２のシェル部材２２との２分割構成を採用しなくてもよいが、製造時における作業の容易さなどの観点から、２分割構成とすることが望ましい。
次に、ハウジング２０に取り付けられた外部磁気手段５０は、上述のように、コア５１とコイル５２との組み合わせを以って構成されており、図２に示すように、円軌道２０１を回転する内部磁気手段３３の外側に近接した状態で配されている。また、外部磁気手段５０は、内部磁気手段３３と同数設けられており、ドーナッツ状のハウジング２０に対し、等間隔に取り付けられている。

外部磁気手段５０におけるコア５１は、その断面がハウシング２０よりも一回り小さいＣ字形状となっている。コア５１は、開口部２３１の近傍でハウジング２０に対して取り付けられており、ハウジング２０と同様にスポーク３２に干渉しないように開口されている。
図２に示すように、コイル５２は、各々がコア５１の外壁に沿ってＣ字状に成形された複数コイル要素から構成されている。コイル５２を構成する複数のコイル要素は、電源２０３に対して並列接続されている。

磁気感知手段６０は、図１に示すようにハウシング２０の内周面の円軌道２０１に臨むよう等間隔を空けて３つ配置されている。
この構成によれば、すべてのコイル５２に同じ方向の電気を供給する場合、軸心線が円軌道２０１上にある外部磁気手段５０はそのＮ極とＳ極とを結ぶ直線が各設置箇所における円軌道２０１の接線方向と略合致する。

ハウジング２０に取り付けられた磁気感知手段６０は、内部磁気手段３３を感知した場合に、ＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４に対し信号を出力する。図２に示すように、ＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４は、電源２０３とコイル５２との接続経路の一方に挿設されており、磁気感知手段６０から入力された感知信号に基づき、電流流通経路のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。ＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４が実行する具体的な制御については、後述する。

電源２０３は、コイル５２の各コイル要素に対して直流電流を供給する。そして、上述のように、電源２０３からの直流電流は、ＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４によるＯＮ／ＯＦＦ制御によりパルス状となり、当該パルス状の電流がコイル５２に供給されることにより、外部磁気手段５０は間歇的に磁化されることになる。コイル５２に電流が供給された際の外部磁気手段５０の磁極は、図１に示すように、円軌道２０１に沿った方向に隣り合う外部磁気手段５０どうしの間で同一極性（Ｎ極とＮ極、Ｓ極とＳ極）が対向するようになっている。

なお、本実施の形態に係る動力変換装置では、図１における左回りに内部磁気手段３３が回転する。
３．本実施の形態に係る動力変換装置の駆動方法
次に、上記構成を有する本実施の形態に係る動力変換装置の駆動方法について、図１と図３とを併用して説明する。図３は、内部磁気手段３３が外部磁気手段５０を通過する状態を示す模式断面図である。

（ａ）起動
先ず、図１に示す状態で停止している動力変換装置の駆動を開始する。図１に示す状態では、磁気感知手段６０が内部磁気手段３３を感知した状態にあるので、ＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４に感知信号を出力する（図２を参照）。磁気感知手段６０から感知信号の入力を受け付けたＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４は、電源２０３とコイル５２との回路をＯＮにする。上述のように、コイル５２に電流が供給された場合には、図１に示すような極性で外部磁気手段５０が磁化される。

図１に示すように、外部磁気手段５０が磁化されると、６つの内部磁気手段３３の各々は、隣接する外部磁気手段５０との間で、回転方向（左回り）前方では異なる極性となって引き合う力（吸引力）が発生し、回転方向後方では同じ極性となって反発力が発生することになる。そして、この外部磁気手段５０との間での吸引力／反発力により、６つの内部磁気手段３３は、左回り（反時計回り）に回転を始める。このようにして本実施の形態に係る動力変換装置は、起動される。

（ｂ）起動後
上記のように起動された動力変換装置では、内部磁気手段３３が左回りに回転し、図３に示すような、各内部磁気手段３３がそれぞれ外部磁気手段５０の中に対峙する位置にくる直前に、ＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４がコイル５２への電流の供給を停止する。コイル５２への電流供給が停止され、外部磁気手段５０の磁力が消失した場合、各内部磁気手段３３は、外部磁気手段５０との間の磁力による相互作用がなくなり、慣性に従ってそのまま外部磁気手段５０を通過する。

慣性に従って回転する内部磁気手段３３が再び図１に示す位置に達すると、磁気感知手段６０がＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４に対して再び感知信号を出力する。そして、ＯＮ／ＯＦＦ制御部２０４が電源２０３とコイル５２との回路をＯＮとすることで、外部磁気手段５０が磁化され、内部磁気手段３３が回転力を得る。
本実施の形態に係る動力変換装置では、電源２０３のメインスイッチがＯＦＦとされるまで回転を続ける。

４．優位性
上述のように、本実施の形態に係る動力変換装置では、各内部磁気手段３３が、そのＮ極とＳ極とを結ぶ直線が円軌道２０１の切線方向に略合致するように構成され、各外部磁気手段５０も、電流供給時にＮ極とＳ極とを結ぶ直線が円軌道２０１における各配設箇所での切線方向と略合致するよう磁化されることになるので、接近する互いの磁極どうしは常に円軌道２０１に沿った方向で対向するため、それぞれの吸引力または反発力により高効率に回転駆動される。従って、本実施の形態に係る動力変換装置の駆動方法では、従来の直流モータに比べて、高効率に回転駆動力を得ることができる。

なお、本実施の形態に係る動力変換装置の駆動方法では、図３の状態で停止している場合、起動をすることが困難となる場合も考えられるが、このような事態は極稀である。ただし、次のような対策を講じておくことが望ましい。即ち、エンコーダなどの付加により、必ず図１の状態で停止するように構成したり、あるいは、起動を補助する別手段を付加しておくというような対策を講じることが望ましい。

５．その他の事項
上記実施の形態に係る動力変換装置は、本発明の構成および作用・効果を分かりやすく説明するために一例として採用するものであって、これに限定を受けるものではない。例えば、上記実施の形態では、内部磁気手段３３の位置を検出するのに、ハウジング２０に設けた磁気感知手段６０を採用することとしたが、このような手段以外にも、例えば、エンコーダにより内部磁気手段３３の位置を検出することができる。

また、上記実施の形態では、内部磁気手段３３および外部磁気手段５０をそれぞれ６つずつ有する構成を採用したが、内部磁気手段３３および外部磁気手段５０の構成数については、これに限らない。また、上記実施の形態では、内部磁気手段３３の数と外部磁気手段５０の数が一致することとしたが、互いの数を必ずしも一致させる必要はない。
また、上記実施の形態では、製造の容易性確保という観点から、第１のシェル部材２１と第２のシェル部材２２との組み合わせからなる構造のハウジング２０を採用したが、必ずしも分割構造を採用する必要もないし、より多くの分割構成とすることもできる。

本発明は、電動工具や電化製品、さらにはハイブリッド自動車や電気自動車などの幅広い用途に用いられるモータを実現するのに有用である。

実施の形態に係る動力変換装置において、回転軸３１に対し直交する平面に沿って切断した模式断面図である。 実施の形態に係る動力変換装置において、主要部の構成を示す模式断面図である。 実施の形態に係る動力変換装置において、各内部磁気手段３３が外部磁気手段５０を通過する状態を示す模式断面図である。 従来技術に係る直流モータの構成を示す模式断面図である。

符号の説明

１．固定部
２０．ハウジング
２１．第１のシェル部材
２２．第２のシェル部材
３０．回転部
３１．回転軸
３２．スポーク
３３．内部磁気手段
５０．外部磁気手段
５１．コア
５２．コイル
６０．磁気感知手段
２０１．回転軌道
２０３．電源
２０４．ＯＮ／ＯＦＦ制御部
２３１．開口部

Claims (6)

1. 回転軸と、当該回転軸に接続されるとともに、前記回転軸を中心とする円軌道に沿って設けられてなる複数の内部磁気手段と、前記円軌道の外周を囲む状態に設けられた外部磁気手段とを有する動力変換装置を駆動する方法であって、
   前記複数の内部磁気手段は、各々におけるＮ極とＳ極とを結ぶ直線が前記円軌道の接線と互いの方向が略合致する状態に構成されており、
   前記外部磁気手段は、電力の供給を受けてＮ極とＳ極とを結ぶ直線が前記円軌道の接線と互いの方向が略合致する状態に磁化され、当該磁化された状態で前記複数の内部磁気手段との間で吸引力または反発力が生じるものであり、
   前記外部磁気手段に対する電力供給は間歇的になされ、
   前記内部磁気手段は、前記外部磁気手段が磁化されたときに生ずる吸引力または反発力の作用と、前記外部磁気手段への電力供給が停止されたときの慣性作用との両作用を交互に受けて前記回転軸回りに回転される
   ことを特徴とする動力変換装置の駆動方法。
2. 前記動力変換装置における前記外部磁気手段は、前記円軌道の外周を囲む領域に、互いに間隔をあけて複数設けられており、
   前記複数の外部磁気手段の各々は、前記円軌道の軌道軸に対し直交する断面において、前記内部磁気手段を囲み、且つ、前記回転軸の側に開口する状態のＣ字形状を有する電磁コイルを備えるものであり、
   前記電磁コイルに対し直流電流を間歇的に供給する
   ことを特徴とする請求項１に記載の動力変換装置の駆動方法。
3. 前記動力変換装置における前記複数の電磁コイルは、前記円軌道の外周を囲む状態に設けられたハウジングに保持・収納されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の動力変換装置の駆動方法。
4. 前記ハウジングにおける前記電磁コイルの各間には、前記内部磁気手段の位置を検知する感知手段が設けられており、
   前記電磁コイルへは、前記感知手段における前記位置の感知結果に基づき間歇的に直流電流が供給される
   ことを特徴とする請求項３に記載の動力変換装置の駆動方法。
5. 前記内部磁気手段は、偶数個設けられているとともに、その各々が永久磁石であり、
   前記偶数個の永久磁石は、前記円軌道の周方向に隣り合う各間において、同一極性どうしが対向する関係を満足する状態で配されている
   ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の動力変換装置の駆動方法。
6. 前記内部磁気手段と前記外部磁気手段とは、同数設けられている
   ことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の動力変換装置の駆動方法。

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