(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構造を有する直流回転機を提供する。【解決手段】回転子４が、軸線方向に間隔をあけて回転軸に同軸に固定された一対の円板状の回転子側磁性部材６と、回転子側磁性部材を磁気的に結合する回転子側結合部７とを備え、各回転子側磁性部材が、全周にわたって径方向外方を同一磁極とする一以上の永久磁石１０を備えるとともに、一対の回転子側磁性部材の径方向外方の磁極が異なり、固定子３が、回転子側磁性部材の径方向外方に隙間をあけて対向する一対の固定子側磁性部材１１と、固定子側磁性部材を磁気的に結合する固定子側結合部と、固定子側磁性部材に周方向に間隔をあけた複数個所に巻き付けられたトロイダル状のコイル１３とを備え、コイルが、各回転子側磁性部材の外周面に対向する位置において軸線方向に沿って延びる第１部分１７を備え、一対のコイルの第１部分には、回転子を回転させる際に、逆方向に直流電流が流れる直流回転機１である。【選択図】図４
2020156193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、該固定子内において回転させられる回転子とを備え、
該回転子が、回転軸と、該回転軸の軸線方向に間隔をあけて該回転軸に同軸に固定された磁性材料からなる一対の円板状の回転子側磁性部材と、一対の該回転子側磁性部材を径方向内側において前記軸線方向に磁気的に結合する回転子側結合部とを備え、
各前記回転子側磁性部材が、全周にわたって径方向外方を同一磁極とする一以上の永久磁石を備えるとともに、一対の前記回転子側磁性部材の径方向外方の磁極が異なり、
前記固定子が、一対の前記回転子側磁性部材の外周面に対し、それぞれ径方向に隙間をあけて対向する磁性材料からなる一対の固定子側磁性部材と、一対の該固定子側磁性部材を径方向外側において前記軸線方向に磁気的に結合する固定子側結合部と、各前記固定子側磁性部材に周方向に間隔をあけた複数個所に巻き付けられたトロイダル状のコイルとを備え、
該コイルが、各前記回転子側磁性部材の前記外周面に対向する位置において前記軸線方向に沿って延びる第１部分を備え、一対の前記回転子側磁性部材に対応する前記コイルの前記第１部分には、前記固定子に対して前記回転子を回転させる際に、逆方向に直流電流が流れる直流回転機。
【請求項２】
前記回転子側磁性部材、前記固定子側磁性部材および前記コイルを、前記軸線方向に間隔をあけて２対以上備える請求項１に記載の直流回転機。
【請求項３】
前記永久磁石が周方向に複数並んで配置され、
各前記回転子側磁性部材に対向する前記コイルの数と前記永久磁石の数とが互いに素である請求項１または請求項２に記載の直流回転機。
【請求項４】
前記コイルが、前記第１部分の両端に接続する第２部分を備え、
該第２部分が、前記軸線および前記第１部分を含む平面に交差する方向に延びている請求項１から請求項３のいずれかに記載の直流回転機。
【請求項５】
前記固定子側磁性部材が周方向に配列された複数の分割片を備え、周方向に隣接する各該分割片間に、非磁性材料からなる区画部材または空隙が配置されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の直流回転機。
【請求項６】
前記分割片の内周面および前記区画部材の外周面に、前記軸線方向に延びるスロットが設けられ、前記コイルが、これらの前記スロットを通過して巻き付けられている請求項５に記載の直流回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、直流回転機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
整流子を除去した直流電動機および直流発電機（以下、直流回転機という。）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この直流回転機は、外周面をＮ，Ｓ磁極とする第１、第２の回転子の外周面に対向して外筐に固定された第１、第２の電機子コイルを配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１５２６０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の直流回転機は、回転子の外周面をＮ，Ｓ磁極とするために、軸方向に磁化される円柱状の磁心を備えた電磁石の磁心を軸方向に挟んだ両側に円板状の第１、第２の回転子を配置している。しかしながら、回転子を電磁石により磁化するには、電力が必要となって効率的ではない。また、この場合には励磁コイルは回転子に設けることができないため、外筐に固定する必要があり、励磁コイルと磁心とが相対回転するので、構造が複雑になる。したがって、整流子を除去しつつ、簡易な構造を有する直流回転機が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様は、固定子と、該固定子内において回転させられる回転子とを備え、該回転子が、回転軸と、該回転軸の軸線方向に間隔をあけて該回転軸に同軸に固定された磁性材料からなる一対の円板状の回転子側磁性部材と、一対の該回転子側磁性部材を径方向内側において前記軸線方向に磁気的に結合する回転子側結合部とを備え、各前記回転子側磁性部材が、全周にわたって径方向外方を同一磁極とする一以上の永久磁石を備えるとともに、一対の前記回転子側磁性部材の径方向外方の磁極が異なり、前記固定子が、一対の前記回転子側磁性部材の外周面に対し、それぞれ径方向に隙間をあけて対向する磁性材料からなる一対の固定子側磁性部材と、一対の該固定子側磁性部材を径方向外側において前記軸線方向に磁気的に結合する固定子側結合部と、各前記固定子側磁性部材に周方向に間隔をあけた複数個所に巻き付けられたトロイダル状のコイルとを備え、該コイルが、各前記回転子側磁性部材の前記外周面に対向する位置において前記軸線方向に沿って延びる第１部分を備え、一対の前記回転子側磁性部材に対応する前記コイルの前記第１部分には、前記固定子に対して前記回転子を回転させる際に、逆方向に直流電流が流れる直流回転機である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の一実施形態に係る直流回転機を示す斜視図である。
【図２】図１の直流回転機の平面図である。
【図３】図２の直流回転機の切断線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図である。
【図４】図１の直流回転機における磁気回路、電流方向および駆動力方向を説明する模式的な縦断面図である。
【図５】図４の直流回転機の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本開示の一実施形態に係る直流回転機１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る直流回転機１は、直流電動機である。
直流回転機１は、図１および図２に示されるように、円形横断面の中央孔２を備える環状の固定子３と、中央孔２内に、中央孔２の中心軸線回りに回転可能に支持された回転子４とを備えている。
【０００８】
回転子４は、図３に示されるように、丸棒状のシャフト（回転軸）５と、シャフト５に固定された２個一対の円板状の回転子側磁性部材６、シャフト５に固定された円柱状の回転子側結合部７とを備えている。回転子側磁性部材６および回転子側結合部７は、それぞれ中心軸に沿ってシャフト５を貫通させる貫通孔８，９を備え、磁性材料により構成されている。
【０００９】
一対の回転子側磁性部材６は、間に回転子側結合部７を挟んだ状態で貫通孔８にシャフト５を貫通させている。これにより、一対の回転子側磁性部材６が、軸線方向に間隔をあけて同軸にシャフト５に固定されるとともに、回転子側結合部７によって、径方向内側において軸線方向に磁気的に結合される。
【００１０】
各回転子側磁性部材６には、図１および図２に示されるように、４枚の平板状の永久磁石１０が周方向に等間隔に埋め込まれている。各永久磁石１０は板厚方向の両側にＮ磁極とＳ磁極とを有する状態に着磁されている。
【００１１】
図４および図５に示されるように、一方の回転子側磁性部材６においては、４枚全ての永久磁石１０が、径方向外方にＮ磁極、径方向内方にＳ磁極を向けて埋め込まれている。他方の回転子側磁性部材６においては、４枚全ての永久磁石１０が径方向外方にＳ磁極、径方向内方にＮ磁極を向けて埋め込まれている。
【００１２】
固定子３は、各回転子側磁性部材６の外周面に対し、それぞれ径方向に隙間をあけて対向する平板状の一対の固定子側磁性部材１１と、これらの固定子側磁性部材１１を径方向外側において、軸線方向に磁気的に結合する平板状の固定子側結合部１２とを備えている。また、固定子３は、各固定子側磁性部材１１に周方向に間隔をあけた複数個所に巻き付けられたトロイダル状のコイル１３を備えている。
【００１３】
固定子側磁性部材１１および固定子側結合部１２は、中央孔２の内面を周方向に４等分した１／４内面の幅寸法を有する４つの磁性材料からなる分割片１４により構成されている。隣接する分割片１４の各固定子側磁性部材１１に対応する領域は、非磁性材料からなる三角柱状の区画部材１５によりそれぞれ埋められている。
【００１４】
各分割片１４を構成している固定子側磁性部材１１の円筒内面には、図１および図２に示されるように、軸線方向に沿って２本の平行なスロット１６がそれぞれ形成されている。また、分割片１４の間を埋める位置に配置されたときに外側面となる区画部材１５の表面にも、軸線方向に沿って、２本の平行なスロット１６がそれぞれ形成されている。
【００１５】
コイル１３は、分割片１４の円筒内面に形成されたスロット１６および区画部材１５の外面に形成されたスロット１６を通過する経路で複数回巻き付けられている。
これにより、コイル１３は、図４に示されるように、分割片１４の円筒内面に形成されたスロット１６を通過する第１部分１７が、回転子４の外周面に近接する位置に軸線方向に延びて配置される。また、各コイル１３は、第１部分１７の両端に隣接する第２部分１８が、分割片１４のスロット１６と区画部材１５のスロット１６とを結ぶ直線の方向に沿って配置される。その結果、第２部分１８は、回転子４の軸線と分割片１４のスロット１６とを含む平面に交差する方向に配置される。
【００１６】
このように構成された本実施形態に係る直流回転機１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る直流回転機１によれば、軸線方向に間隔をあけた２つの回転子側磁性部材６に、径方向に逆方向に着磁された永久磁石１０が埋め込まれているので、回転子４および固定子３には、図４に示されるように、縦断面内において循環する磁路が形成される。
【００１７】
すなわち、一方の回転子側磁性部材６に埋め込まれている永久磁石１０のＮ磁極から径方向外方に向かう磁束は、回転子４と固定子３との隙間を径方向外方に貫通して、対向している一方の固定子側磁性部材１１内に入る。その後、一対の固定子側磁性部材１１を磁気的に結合している固定子側結合部１２を軸線方向に通過して他方の固定子側磁性部材１１内に入り、回転子４と固定子３との間の隙間を径方向内方に貫通して他方の回転子側磁性部材６の永久磁石１０のＳ磁極に入る。
【００１８】
また、この他方の回転子側磁性部材６の永久磁石１０のＮ磁極から径方向内方に向かう磁束は、一対の回転子側磁性部材６を磁気的に結合している回転子側結合部７を軸方向に貫通して一方の固定子側磁性部材１１内の永久磁石１０のＳ磁極に入る。
これにより、一対の永久磁石１０が作り出す磁束は、複雑に屈曲することなく、最短経路の磁路を通過することができる。そして、この磁路においては横断面積を十分に大きく確保することができ、漏れ磁束の発生を抑制することができる。
【００１９】
この場合において、固定子３に備えられているコイル１３に直流電流を流すと、回転子４は、直流電流が磁束を横切ることによるローレンツ力の反力を受ける。
すなわち、本実施形態においては、図４に示されるように、一方の固定子側磁性部材１１の内面の全てのスロット１６を通過している部分（第１部分）１７のコイル１３と、他方の固定子側磁性部材１１の内面の全てのスロット１６を通過している部分（第１部分）１７のコイル１３とに逆方向に直流電流を流す。
【００２０】
これにより、図５に示されるように、全てのコイル１３の第１部分１７に対して、回転子４の各永久磁石１０に同一の接線方向に反力を与えることができ、回転子４を一方向に回転させるトルクを発生させることができる。
すなわち、本実施形態に係る直流回転機１によれば、回転子４に電磁石を用いることなく永久磁石１０を埋め込むことにより、各回転子側磁性部材６の全周にわたって径方向外方に同一磁極を配置した回転子を簡易に構成することができるという利点がある。
【００２１】
また、本実施形態によれば、コイル１３の第１部分１７の両側に接続する第２部分１８については、シャフト５の軸線と第１部分１７とを含む平面に対して交差する方向に延ばすことにより、第２部分１８の位置において発生する逆方向のローレンツ力を低減することができる。
【００２２】
さらに、径方向の外側に位置するコイル１３については非磁性材料からなる区画部材１５の外面のスロット１６を通過させることにより、磁束を横切ることを防止して、ローレンツ力の発生を抑えることができる。
また、各固定子側磁性部材１１を周方向に分割し、非磁性材料からなる区画部材１５によって区画することによって、インダクタンスの増大を防止することができるという利点がある。
【００２３】
なお、本実施形態においては、上述したように、異なる固定子側磁性部材１１の内面に配置される第１部分１７のコイル１３に逆方向に直流電流を流すことができれば、コイル１３の巻き方向、各箇所のコイル１３の接続方法（直列または並列）は任意でよい。
【００２４】
また、本実施形態においては、直流回転機１として、固定子３に備えられたコイル１３に直流電流を流すことにより、回転子４を回転させる直流電動機について説明したが、これに代えて、タービン等によって回転子４を回転駆動することにより、固定子３のコイル１３に直流電流を発生させる直流発電機に適用してもよい。
【００２５】
また、本実施形態においては、回転子４を構成する回転子側磁性部材６の内部に永久磁石１０を埋め込んだものを例示したが、これに限定されるものではなく、回転子４の外周面に円弧板状の永久磁石１０を張り付けることにしてもよい。永久磁石１０の数は、周方向に４個である場合に限られず、任意の数でよい。また、永久磁石１０どうしの周方向の隙間についてはあってもなくてもよい。
【００２６】
また、本実施形態においては、周方向に間隔をあけた８箇所にコイル１３を巻き付けたが、これに限定されるものではなく、コイル１３の巻き付け箇所の数は任意である。
ただし、周方向に配列される永久磁石１０の数と、周方向に配列されるコイル１３の配列箇所の数とは互いに素であることが好ましい。これにより、永久磁石１０の数により周方向に強度が変動する磁束に対し、回転子４の回転位置に応じた駆動力の大きさの変動を小さく抑制することができる。
【００２７】
また、本実施形態においては、２個一対の回転子側磁性部材６を回転子側結合部７により軸方向に連結し、２個一対の固定子側磁性部材１１を固定子側結合部１２により軸方向に連結した。これに代えて、シャフト５の軸方向に、複数対の回転子側磁性部材６をそれぞれ回転子側結合部７により軸方向に連結したものを配列してもよい。
【００２８】
また、本実施形態においては、分割片１４を構成している固定子側磁性部材１１および区画部材１５にスロット１６を設けたが、スロット１６を設けることなく、分割片１４の内面および区画部材１５の外面にコイル１３を巻き付けてもよい。
【００２９】
また、本実施形態においては、直流回転機１として、区画部材１５を備え、分割片１４を構成している固定子側磁性部材１１の内側面および区画部材１５の外側面のスロット１６を通過する経路でコイル１３を巻き付けるものを例示したが、これに代えて、区画部材１５を備えず、空隙であるものを採用してもよい。この場合、固定子側磁性部材１１の内側面側においてはコイル１３がスロット１６を通過する経路で分割片１４に巻き付けられ、分割片１４の外側面側においてはコイル１３が空隙を通過する。
【符号の説明】
【００３０】
１  直流回転機
３  固定子
４  回転子
５  シャフト（回転軸）
６  回転子側磁性部材
７  回転子側結合部
１０  永久磁石
１１  固定子側磁性部材
１２  固定子側結合部
１３  コイル
１４  分割片
１５  区画部材
１６  スロット
１７  第１部分
１８  第２部分
【図１】
2020156193.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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