(57)【要約】【課題】極めて簡単なスリム化した構造により最適化調整のための電子回路や駆動装置を必要とせず、回転に伴う永久磁石の遠心力を利用して電磁石と永久磁石との磁極間間隙をローターの回転速度が最速となる最適磁極間間隙に自動的に成形保持する回転装置を提供する【解決手段】回転駆動軸に軸心を連結し内周方向に沿い永久磁石を配列したローターと、前記ローターの永久磁石に対して所定の磁極間間隙で電磁石を対面配置したステーターとを設けた回転装置において、前記永久磁石は粘弾性物体を介して前記ローターの内周面に装着してなることを特徴とする回転装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動軸に軸心を連結し内周方向に沿い永久磁石を配列したローターと、前記ローターの永久磁石に対して所定の磁極間間隙で電磁石を対面配置したステーターとを設けた回転装置において、前記永久磁石は粘弾性物体を介して前記ローターの内周面に装着してなることを特徴とする回転装置。
【請求項２】
前記粘弾性物体は、前記ローターの全内周面に沿って一体的に配設してなることを特徴とする請求項１に記載の回転装置。
【請求項３】
前記粘弾性物体は、前記ローターの内周面に沿って各永久磁石単位に分割して配設してなることを特徴とする請求項１に記載の回転装置。
【請求項４】
前記各永久磁石間に位置する前記粘弾性物体に弾性変形応力の逃がし溝を形成してなることを特徴とする請求項２に記載の回転装置。
【請求項５】
前記各永久磁石の外周磁極面と対面する粘弾性物体の厚み方向中央部に空洞を形成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の回転装置。
【請求項６】
前記ローターの半径方向線上で前記粘弾性物体を貫通し当該永久磁石の変位をガイドするストレート突起をローター内周面に設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の回転装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、極めて簡単な構造により効率よく回転させる発電用又は回転駆動用に最適な回転装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  基本的なモーターや発電機は、回転子（ローター）と固定子（ステーター）で構成される。ローターとステーターのギャップを間隙（または空隙）と呼び、その空間を磁力線が伝わって、電磁誘導による回転運動や発電を行う。
間隙は小さいほど、つまりローターとステーターが近づくほど、モーターは強い力を出し、発電機は大きな電力を生む。ただ、間隙を小さくしすぎると、ローターまたはステーター上に配置された磁石により磁力の不均一な脈動が発生し、回転運動の抵抗となる。回転が高速になるとこの脈動は運動エネルギーの損失となるので、回転速度に応じて最適な間隙の距離に調整することが望ましい。
回転速度に応じた間隙距離の調整には様々な方法が考えられる。回転数を電子的に検出して間隙を調整できるようなソレノイドやギア／モーターのような構造もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  本発明は最適化調整のための電子回路や駆動装置を必要とせず、回転に伴う永久磁石の遠心力を利用して電磁石と永久磁石との磁極間間隙をローターの回転速度が最速となる最適磁極間間隙に自動的に成形保持する回転装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  上記課題を満足させる本発明の回転装置における主な技術構成は、次の（１）〜（６）の通りである。【０００５】（１）、回転駆動軸に軸心を連結し内周方向に沿い永久磁石を配列したローターと、前記ローターの永久磁石に対して所定の磁極間間隙で電磁石を対面配置したステーターとを設けた回転装置において、前記永久磁石は粘弾性物体を介して前記ローターの内周面に装着してなることを特徴とする回転装置。【０００６】（２）、前記粘弾性物体は、前記ローターの全内周面に沿って一体的に配設してなることを特徴とする前記（１）に記載の回転装置。【０００７】（３）、前記粘弾性物体は、前記ローターの内周面に沿って各永久磁石単位に分割して配設してなることを特徴とする前記（１）に記載の回転装置。【０００８】（４）、前記各永久磁石間に位置する前記粘弾性物体に弾性変形応力の逃がし溝を形成してなることを特徴とする前記（２）に記載の回転装置。【０００９】（５）、前記各永久磁石の外周磁極面と対面する粘弾性物体の厚み方向中央部に空洞を形成したことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の回転装置。【００１０】（６）、前記ローター２００の半径方向線上で前記粘弾性物体を貫通し当該永久磁石の変位を遊嵌ガイドするストレート突起をローター２００内周面に設けたことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の回転装置。【００１１】＜本発明における前記特徴とする技術条件の定義を次に説明する＞
本発明において、前記粘弾性物体は永久磁石の台座としてローターの内周面に配置する。而して、前記粘弾性物体は固体的な弾性変形と液体的な粘性流動とを同時に併せ持ち示す物質であり、一般に合成ゴム等の粘弾性樹脂物質と言われる公知物質がある。力を加えて変形させ、その応力（力÷面積）を一定に保つとひずみ（変形長さ÷元の長さ）は徐々に大きくなる。このとき、ひずみ速度（ひずみ÷時間）は時間経過に伴い大きくなる。言い換えれば、ひずみを一定に維持しようとするとき、必要な応力は加速度的に小さくなる。完全弾性体では応力とひずみは比例関係にあり、応力を一定に保つとひずみは変化しない。完全粘性体に力を加えるとエネルギーは熱となり失われる。ひずみが一定のとき、応力は無くなる（０になる）。
粘弾性は動的弾性率で表現できる。応力を周期的に与え、応力と時間の関数が正弦波を示すようにすると、完全弾性体ではひずみ一時間関数の挙動は応力−時間関数の挙動と一致する。応力がゼロ点と極値（極大値と極小値）をとる時間はひずみと同じとなる。完全粘性体のひずみ−時間関数は応力−時間関数とπ／２の位相差を持つ。応力がゼロ点となるときひずみは極値を取り、応力が極値となるときひずみはゼロ点を示す。粘弾性物体では、ひずみ−時間関数と応力−時間関数との位相差は−π／２からπ／２の間に存在する。【００１２】  本発明はこの粘弾性物体により、ローターの回転速度とともに前記永久磁石に作用する電磁石からの吸引・反発力を粘性で吸収しながら永久磁石の遠心力により圧縮弾性変形して永久磁石と電磁石の磁極間間隙を自動的に拡縮変化させるものである。
つまり、前記粘弾性物体は永久磁石と電磁石の磁極間間隙の拡縮変化に必要な粘性（η）と弾性（Ｅ）を指定すれば、容易に形成が可能なのである【００１３】  本発明において前記ローター及びステーターの配置型は水平型、竪型、斜め型等に拘らず自在配置である。【００１４】  本発明において、ローターにおける永久磁石の配置は、前記電磁石と共に同一回転角度間隔で配列し、且つローターの回転によりその半径方向線上で前記電磁石に対する磁極間間隙を、自己の遠心力で粘弾性物体を介して変位可能に支持するため、電磁石は前記永久磁石の円形通過路の内周側とするものであるが、この際、永久磁石はローター外周側をＮ極又はＳ極の同極配置としローター内周側を反対のＳ極又はＮ極の同極配置とし、その形状は湾曲板状、円盤状、円筒形・多角筒形等の形状にし、該ローターには該永久磁石をローター半径方向に移動可能に適宜なガイドを形成配置してもよい。
【発明の効果】
【００１５】＜本発明の前記特徴とする技術条件による作用効果を次に説明する＞
本発明の回転装置は、前記した極めて簡単な構造により効率よく回転させる発電用又は回転駆動用に最適な回転装置であり、ローターの回転運動による永久磁石の遠心力と、永久磁石の遠心力で作用する粘弾性物体の粘性及び弾性変形力により初動時の僅少の磁極間間隙をローターの回転速度が最速となる最適磁極間間隙に自動的に成形保持し、且つこの後のローター回転停止時には元の初動時の僅少の磁極間間隙に復元することを可能にした画期的な発明である。【００１６】  更に、本発明の回転装置は、前記粘弾性物体による電磁石からの吸引・反発力を吸収して微振動の抑制作用」を利用して、永久磁石に対する電磁石からの吸引・反発力作用による永久磁石の脈動を前記粘弾性物体により打消して永久磁石の微振動を防ぎ回転抵抗を減退しながら前記磁極間間隙をローターの回転速度が最速となる最適磁極間間隙に瞬時に自動的に確実に安定成形保持するものである。【００１７】  本発明において、ローター及びステーターの配置は、竪型、横型（水平型）、斜め型等自在配置を自在に可能にして、発電用及び駆動用等の回転装置のスリム化を実現し、応用範囲を自転車、自動車、航空機、ドローン等に用いる電源又は各種の小型・大型・超小型の駆動モーター、簡易家庭用発電機又は駆動モーター、各種工業用発電機又は駆動モーター等に幅広く利用可能にするなどその用途の汎用性は計り知れず回転装置産業に貢献すること多大なものがある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】最適回転数を実現するための回転装置の斜視説明図である。
【図２】図１に示す回転装置の分解部品を組み立てた例を示す斜視説明図である。
【図３】図２に示す図からカバー８００を削除してローターと粘弾性物体とステーターと永久磁石と電磁石との関係及び永久磁石の磁極との磁極との磁極間間隙Ｘを示す拡大説明図である。
【図４】磁極間間隙と最大回転数の関係例を示すグラフ。
【図５】粘弾性物体４００の変形例（１）〜（５）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】  発明を実施するための形態を図１〜図４に示す実施例により詳細に説明する。
【実施例】
【００２０】  図１〜図３に示す本実施例の回転装置は、回転駆動軸１００に軸心を連結したローター２００と、ローター２００の内周面に装着した粘弾性物体４００と、粘弾性物体４００の内周面に等回転角度間隔で配列した永久磁石３００と、回転駆動軸１００の軸受け６００にカバー８００を介して固定され前記永久磁石３００と同じ等回転角度間隔で配列し且つ前記永久磁石３００の円形通過路の内周側において通過する永久磁石３００の磁極３０１に対して電磁石５００の磁極５０１を対面配置固定したステーター７００とからなる。
前記永久磁石３００電磁石５００との磁極間間隙は、初動間隙をローター２００の初動に必要な回転トルクが得られる僅少の磁極間間隙Ｘ０とし、ローター２００の回転開始後の間隙を永久磁石３００の遠心力による粘弾性物体４００の粘弾性変形によりローター２００の半径方向線上で拡張変位して、ローター２００の最高回転速度が得られる磁極間間隙Ｘｃを自動的に形成する。
そして前記粘弾性物体４００の粘弾性変形作用は、永久磁石３００が電磁石５００から受ける吸引・反発力を打ち消して、永久磁石３００の微振動を防止するため、ローター２００の回転抵抗を減衰しながら前記磁極間間隙をローターの回転速度が最速となる最適磁極間間隙に瞬時に自動的に確実に安定成形保持する。【００２１】  この基本的な構成・作用効果は以下に示す新規な発見に基づくものである。
図３は、図１〜図２に示すモーターのモデル例におけるローター２００の永久磁石３００とステーター７００の電磁石５００の磁極間間隙（ギャップ）Ｘとローター２００の回転数（ＲＰＭ）の関係（実測値）を示すグラフである。
前記磁極間間隙の最小距離を２ｍｍに定め、その間隙における最速ＲＰＭを、磁極間間隙の値を変えながらそれぞれ計測した。
因みに、
１．ローター２００は半径１８ｃｍ、
２．永久磁石３００の仕様：
ネオジム磁石、直径１ｃｍ、長さ２ｃｍの湾曲片、重量１１．５６ｇ
吸引力＝４０６１ｇｆ
表面磁束密度＝５３２７Ｇａｕｓｓ
３．ステーターの半径＝１５ｃｍ、重量＝約２８００ｇ
４．電磁石５００の仕様：
全長＝６ｃｍ、０．６ｍｍ径の銅線７，０００ｃｍ長、コア径＝１．３ｃｍ、コア材質＝軟鉄
５．粘弾性物体４００の性状：
６．永久磁石３００の遠心力：
質量（ｍ）１１．５６ｇの永久磁石３００が、半径（ｒ）１８ｃｍで毎分７２０回転（ｒｐｍ）の円運動をする場合、遠心力（Ｆｃ）はＦｃ＝１１．８３Ｎ（ニュートン）となる。
これによる粘弾性物体４００の粘弾性係数Ｅは、数１で求められる。【００２２】
【数１】
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ここで、Ｐは粘弾性物体４００にかかる重量（Ｎ）で近似的に遠心力による荷重（Ｐ≒Ｆｃ）、ｌは粘弾性物体４００が永久磁石３００を支持する面の周方向端から荷重中心点までの距離（ｍｍ）、ｂとｈはそれぞれ粘弾性物体４００が永久磁石３００を支持する面の幅と厚み（ｍｍ）、そしてνはポアソン比で一般的に約０．３の値となる。
ゆえに粘弾性物体４００の弾性係数Ｅ＝１８４×１０３Ｎ／ｍｍ２となる。また粘性ηは、硬度１５、適正使用荷重２〜１０Ｋｇ、防振周波数２４．４Ｈｚ以上をそれぞれ満足するものを用いた。ここではδ＝３ｍｍ、ｂ＝４０ｍｍ、ｈ＝１ｍｍ、そしてｌ＝８０ｍｍの値を用いた。
ローター２００が停止中の或いは回転初動時の該磁極間間隙の必要最小値を２ｍｍとすると、最大の磁束密度のため強力なトルクを持つが、前述の脈動抵抗のため最大回転数は低い領域となる。
磁極間間隙をその距離における最大回転数を確認しながら広げていくと、最大回転数はほぼ線形に増加し、磁極間間隙が約４．５ｍｍのところで回転数が最大値７２０ＲＰＭを示し、さらに磁極間間隙を広げると該最大値から回転数は低下する。
このことは、電磁石５００の磁極が永久磁石３００から遠ざかり、磁束密度が高くなることでの現象であることが判明した。【００２３】  前記の「磁極間間隙と最大回転数」の関係から、ローター２００の回転始動時には磁極間間隙を狭く取り、磁束密度を最大限に利用して大きなトルク（または発電の場合には発電量）が得られるようにし、回転数が増加するにつれて粘弾性物体４００の粘弾変形により磁極間間隙を徐々に広げ、永久磁石３００及び電磁石５００による反発吸引の脈動の力学的損失を軽減して回転を効率化させ、最大回転数が得られる。【００２４】  このようにステーター１００の周りをローター２００が囲み、永久磁石３００はローター２００内周面に沿って装着された粘弾性物体４００を介して装着されるので、ロータ２００の回転速度が増すと永久磁石３００の遠心力により永久磁石３００の磁極３０１と電磁コイル５００の磁極５０１との磁極間間隙Ｘは拡張変化するが、
（１）初動時には最大トルクとなる磁極間間隙Ｘ０
（２）高速回転時には脈動による損失が最小の磁極間間隙Ｘｃ、
となり回転の最適化が実現できる。【００２５】ロータ２００の回転の初動では、磁極間間隙は最小値のＸ０で、磁束密度が最大の状態となり、最大のトルクを生み出す。
ローターの回転速度が上がるにつれ、永久磁石３００の遠心力Ｆｃは数２で算出できる。【００２６】
【数２】
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（ここで、ｍは永久磁石３００の質量、ｒはローター２００の回転半径、ωはローター２００の回転速度。）
永久磁石３００の遠心力Ｆｃが粘弾性物体４００の変位（Ｘｃ−Ｘ０）に釣り合うように該磁極間間隙が広がる。ただし、永久磁石３００と電磁石５００の吸引・反発の影響で、多少該間隙変位の値は修正する必要はある。
この磁極間間隙の変位が、前記ローター２００の最大回転数と磁極間間隙の関係を満たすように、粘弾性物体４００の粘弾係数や永久磁石３００と電磁石５００の磁力の修正を行うと、回転装置は外部からの制御機構なしに自己最適化を行うことができる。
本発明における前記実施例１では粘弾性物体４００として一体的に成形した簡易構造の例を示したが他の例として図４の（１）〜（６）に示す各種形態の粘弾性物体においても同様な前記以上の作用効果が享受された。【００２７】  図５において（１）に示す粘弾性物体４００−１の例は、前記ローターの内周面に沿って各永久磁石単位に分割して配設したものであり、隣接合う粘弾性物体分割片からの干渉を極力防止して、前記最速磁極間隙を精度よく形成維持させる。【００２８】図５において（２）に示す例の粘弾性物体４００−２は、各永久磁石間に位置する部分に逃がし溝ａを形成して、これも隣接合う粘弾性物体分割片からの干渉を極力防止して、前記最速磁極間隙を精度よく形成維持させる。【００２９】図５において（３）に示す例は各永久磁石の外周磁極面と対面する粘弾性物体４００−３の厚み方向中央部に空洞ｂを形成してエアークッション部とし粘弾性物体の粘弾性機能を補完するものである。【００３０】図５において（４）に示す例は粘弾性物体４００−４の内周面に凹部ｃを形成してこれに各永久磁石の厚み方向の一部を嵌めこみ装着して永久磁石のローター半径方向線上での変位を安定化可能にした例である。【００３１】図５において（５）に示す例はローター２００の半径方向線上で粘弾性物体４００−５を貫通し当該永久磁石の変位を遊嵌ガイドするストレート突起ｄをローター２００内周面に設けたものである。これも永久磁石のローター半径方向線上での変位を安定化可能にした例である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】  本発明は、前述の優れた作用効果を呈して応用範囲を自転車、自動車、航空機、ドローン等に用いる電源又は各種の小型・大型・超小型の駆動モーター、簡易家庭用発電機又は駆動モーター、各種工業用発電機又は駆動モーター等に幅広く利用可能にするなどその用途の汎用性は計り知れず回転装置産業に寄与と発展に貢献すること多大なものがある。
【符号の説明】
【００３３】１００：回転駆動軸
７００：ステーター
２００：ローター
３００：永久磁石
３０１：永久磁石の磁極
４００、４００−１，４００−２，４００−３，４００−４、４００−５：粘弾性物体
５００：電磁石
５０１：電磁石の磁極
６００：軸受け
８００：ステーターのカバー
Ｘ０：初動時には最大
トルクとなる最少磁極間間隙
Ｘｃ：最高速回転時には脈動による損失が最小となる最適磁極間間隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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