(57)【要約】【課題】製造コストの低減を図ることができるハルバッハ配列界磁を備えた回転機を提供する。【解決手段】モータや発電機などを構成する回転機１は、回転軸に垂直な断面が長方形の永久磁石４１，５１をそれぞれリング状に配列してなるデユアルハルバッハ配列界磁を具備する。長方形断面の永久磁石４１，５１は、それぞれ等角度間隔でリング状に配列されている。隣接する磁石間には楔状の隙間があくため、この隙間を埋める部材を介在させることが好ましい。このような部材は、例えば非磁性・非導電性材料で構成する。回転軸に垂直な断面が長方形の永久磁石を用いることで、永久磁石の調達コストを抑えることができ、低コストでの回転機製造が可能になる。また、そのような永久磁石を用いることで磁石使用量が減るので、省資源化に貢献できる。また、隣接する永久磁石間に部材を介在させることで、永久磁石の位置決めが容易になり、界磁の強度や製作性が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に垂直な断面が長方形の永久磁石をリング状に配列してなるハルバッハ配列界磁を具備する回転機。
【請求項２】
隣接する永久磁石間の隙間に介在するように設けられた部材を具備することを特徴とする請求項１に記載の回転機。
【請求項３】
隣接する永久磁石間の隙間に介在する前記部材は、非磁性材料で構成されることを特徴とする請求項２に記載の回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアレスモータやコアレス発電機などの回転機に関するものであり、具体的には、永久磁石をリング状に配列してなるハルバッハ配列界磁を具備する回転機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のモータや発電機では、永久磁石をＮ極とＳ極とが交互になるように配列するが、そのような配列構造だと、磁場が磁石配列の表側と裏側の両方に発生してしまい、磁場を有効に利用できない。そこで、モータや発電機の磁場を高める手段として、「ハルバッハ配列」という永久磁石の配列構造が提案されている。
【０００３】
ハルバッハ配列では、永久磁石の磁極を９０°ずつ回転させながら配列しているので、磁石配列の一方の側の磁場が弱まり、その磁石配列の他方の側では、その分磁場が強くなって、永久磁石の配列の片側に強い磁場を発生させることができる。そこで、図１０に示すように、それぞれハルバッハ配列された２列の永久磁石配列（デュアルハルバッハ配列）の間に電機子コイルを配置した永久磁石回転機が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０１３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
永久磁石デュアルハルバッハ配列界磁を用いた回転機、すなわちコアレスモータやコアレス発電機では、界磁をリング状に構成するために、図１０に示すような台形断面をもつ永久磁石が一般的に使用されている。しかしながら、台形断面の永久磁石は長方形断面の永久磁石よりも高価であり、永久磁石の調達コストが高くつくため、回転機の作製に多大のコストが発生するといった問題があった。
【０００６】
そこで、上述した問題点に鑑み、本発明の目的は、製造コストの低減を図ることができるとともに簡単に製造できるハルバッハ配列界磁を備えた回転機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的は、回転軸に垂直な断面が長方形の永久磁石をリング状に配列してなるハルバッハ配列界磁を具備する回転機によって達成される。長方形断面の永久磁石をリング状に配列すると、隣接する磁石間には必然的に楔状の隙間が生じるので、この隙間を埋める部材を介在させることが好ましい。このような介在部材の構成材料は特に限定されないが、好ましくは非磁性材料で構成するのがよく、より好ましくは非磁性・非導電性材料で構成するのがよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の回転機では、ハルバッハ配列界磁の構成部材として、回転軸に垂直な断面が長方形の永久磁石を用いる。長方形断面の永久磁石は、一般的に大量生産され廉価で提供されており、そのため、台形断面の永久磁石を用いる場合に比べて、永久磁石の調達コストを大幅に抑えることができる。したがって本発明によれば、台形断面の永久磁石を用いる従来品に比べて、低コストでの回転機の製造が可能になる。また、永久磁石を低コストで調達できるようになるので、少量多品種の回転機を低価格で提供できるようになる。また、長方形断面の永久磁石を用いることで、永久磁石の断面積が減少して、その分、磁石使用量が減るので、省資源化に貢献できる。
【０００９】
また本発明では、回転軸に垂直な断面が長方形の永久磁石をリング状に配列してハルバッハ配列界磁を構成するため、永久磁石間には楔形状の隙間が生じるが、この隙間には好ましくは間詰部材を介在させるようになっている。このように、隣接する永久磁石間に間詰部材を介在させることで、永久磁石の位置決めが容易になるので、界磁の製作性が向上する。また、永久磁石間の隙間を間詰部材で埋めることで、永久磁石のグラつきを防止でき、界磁の強度が向上する。したがって、台形断面の永久磁石の替わりに長方形断面の永久磁石を用いても、回転機の強度や製作性は損なわれない。
【００１０】
なお、永久磁石を電動機や発電機の界磁に用いる場合、通常、永久磁石は強磁性材料に接触した形で使用される。そのため、長方形断面の永久磁石でリング状界磁を構成する場合、磁石間の隙間に強磁性材料を介在させ、主磁束の磁気抵抗を下げることを想起しがちであるが、デュアルハルバッハ配列界磁では比透磁率が１に近い材料を介在させた方がギャップ中の磁束が低減しない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の回転機を示す径方向の概略断面図（回転機の回転軸に垂直な方向の断面図）である。
【図２】単層界磁回転機を示す軸方向断面図であって、図１のＶ−Ｖ線に沿った概略断面図である。
【図３】多層界磁回転機を示す軸方向断面図である。
【図４】実施例１の測定結果を示すグラフである。
【図５】実施例１の測定結果を示すグラフである。
【図６】実施例２の測定結果を示すグラフである。
【図７】実施例２の測定結果を示すグラフである。
【図８】比較例の測定結果を示すグラフである。
【図９】比較例の測定結果を示すグラフである。
【図１０】従来の回転機を示す径方向断面図（回転機の回転軸に垂直な方向の断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、ハルバッハ配列の永久磁石を用いたコアレスモータやコアレス発電機などの回転機（永久磁石回転電機）に関するものである。以下、図１及び図２に基づいて、本発明に係る回転機の実施形態について説明する。
【００１３】
回転機１は、回転子３と固定子７を備えている。回転子３にシャフトを取り付けて、このシャフトを回転させるようにすれば、発電機を構成できる。回転子３は、デュアルハルバッハ配列界磁を構成する永久磁石配列４，５を備えている。固定子７は、コイル配列８を備えている。
【００１４】
永久磁石配列４，５はそれぞれリング状に構成され、コイル配列８もリング状に構成されている。永久磁石配列４は、永久磁石配列５の内側に設けられている。永久磁石配列４，５およびコイル配列８は同心円状に配列されている。
【００１５】
デュアルハルバッハ配列界磁を構成する永久磁石配列４，５は、図１に示すように、それぞれ、永久磁石の磁極を周方向に略９０°ずつ回転してリング状に配列した「ハルバッハ配列」となっている。永久磁石配列４と永久磁石配列５の磁石数は同じである。永久磁石配列４を構成する永久磁石４１，４１…は、その着磁方向に平行な断面（回転機の回転軸に垂直な断面）において、ともに断面形状が長方形である。永久磁石配列５を構成する永久磁石５１，５１…も同様に、断面形状が長方形である。
【００１６】
このような長方形断面をもつ同形状の永久磁石４１を等角度間隔でリング状に配列しているため、隣接する永久磁石４１，４１の間には、楔形状の隙間があいている。これらの楔状の隙間には、この隙間を埋める楔形状の間詰部材４３が介在している。同様に、隣接する永久磁石５１，５１の間にも、楔形状の隙間があいており、これらの楔状の隙間には、この隙間を埋める楔形状の間詰部材５３が介在している。
【００１７】
なお本発明では、長方形断面永久磁石間の隙間に間詰部材を配置せず、空気を介在させる態様も採用可能であるが、好ましくは、上述したように間詰部材を介在させるのがよい。間詰部材４３，５３の材質は特に限定されず、例えば、アルミニウムなどの非磁性材料で構成することができ、好ましくは、樹脂などの非磁性・非導電性材料で構成するのがよい。
【００１８】
永久磁石間の隙間に間詰部材を介在させる方法は特に限定されず、回転機の完成状態で永久磁石間の隙間に何らかの部材が介在するものであれば、いかなる手法でも採用可能である。例えば、永久磁石をリング状に配列した後に、隣接する永久磁石間の隙間に何らかの材料（磁石とは別体の部材）を挿入又は充填するようにしてもよい。或いは、予め等角度間隔に配置固定した間詰部材の間に永久磁石を挿し込むように配置してもよい。
【００１９】
上述した永久磁石配列４の永久磁石４１のうち径方向に着磁した永久磁石の磁極方向と、永久磁石配列５の永久磁石５１のうち径方向に着磁した永久磁石の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は同じである。また、永久磁石配列４の永久磁石４１のうち周方向に着磁した永久磁石の磁極方向と、永久磁石配列５の永久磁石５１のうち周方向に着磁した永久磁石の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は反対である。
【００２０】
内側の永久磁石配列４では、永久磁石４１の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながらリング状に配列しているので、そのリング状配列の内側の磁場が弱まる一方で、外側ではその分磁場が強くなって、永久磁石配列４の外側に強い磁場を発生させることができる。また、外側の永久磁石配列５では、永久磁石５１の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながらリング状に配列しているので、そのリング状配列の外側の磁場が弱まる一方で、内側ではその分磁場が強くなって、永久磁石配列５の内側に強い磁場を発生させることができる。
【００２１】
このように永久磁石配列４，５を構成しているので、両磁石配列４，５の間の空間の磁場は強くなり、その一方で、永久磁石配列４の内側と永久磁石配列５の外側には、磁場は殆ど漏れなくなる。そして、この永久磁石配列４，５の間にコイル配列８を同心円状に配置しているので、高い電圧を発生することができる。このように、コイル配列８が配置される領域の磁場が強くなるので、コイル配列を構成するコイルに鉄心を使用しなくても、高い電圧を発生することができるようになる。そして、鉄心を使用しないので、コギングを無くすことができる。
【００２２】
なお、上述した実施形態は一例であって、特許請求の範囲に記載の本発明には、種々の変形例が含まれる。例えば、本発明の適用範囲は、図２に示すような一層の界磁に限定されず、図３に示すような多層界磁を具備する回転機にも本発明を適用可能である。また、このような単層界磁または多層界磁を複数段具備する、多段式界磁の回転機にも本発明を適用可能である。
【実施例】
【００２３】
（実施例１）
図１に示すような長方形断面をもつ永久磁石を用いて、リング状デュアルハルバッハ界磁を図３に示すように３層に構成した。永久磁石間の楔状隙間には何も挿入せず、空気を介在させた。１層目，３層目のギャップ中央周方向磁束密度分布を図４，図５に示す。
【００２４】
（実施例２）
図１に示すような長方形断面をもつ永久磁石を用いて、リング状デュアルハルバッハ界磁を図３に示すように３層に構成した。永久磁石間の楔状隙間には、この隙間を埋める楔形状の鉄を挿入した。１層目，３層目のギャップ中央周方向磁束密度分布を図６，図７に示す。
【００２５】
（比較例）
図１０に示すような台形断面をもつ永久磁石を用いて、リング状デュアルハルバッハ界磁を図３に示すように３層に構成した。１層目および３層目のギャップ中央の周方向の磁束密度分布を図８，図９に示す。
【００２６】
（評価）
図４〜図９に示す結果から明らかなように、回転軸に垂直な断面が長方形の永久磁石を用いてデュアルハルバッハ配列界磁を構成した場合において、磁石一個当たりを見込む角度が５°程度であれば、磁石間の空隙に非磁性・非導電性の部材を挿入しても、界磁ギャップ中央の磁束密度は３％程度の減少にとどまることがわかる。また、磁束密度分布もきれいな正弦波が得られており、永久磁石断面の形状変更による差異は認められない。
【００２７】
一方、長方形断面の永久磁石間の楔状隙間に鉄を挿入して介在させると、磁気回路的には磁気抵抗が減るため、磁束密度の増加が期待されるが、実際は界磁ギャップ中の磁束が鉄に集中してしまうために、磁束密度の低下を招くことがわかる。
【００２８】
上述のように、回転軸に垂直な断面が長方形の永久磁石でデュアルハルバッハ界磁を構成する際に、隙間に相当する位置にあらかじめ非磁性・非導電性の部材を設置・固定させておけば、界磁組立時の永久磁石の位置決めが容易に行えることになる。また、非磁性・非導電性の部材を使用するため、界磁ギャップ中の磁束密度が減少することが回避できるとともに電機子コイルの作る磁束変動に起因する渦電流の発生もない。したがって、装置のエネルギー効率低下も回避できる。
【符号の説明】
【００２９】
１      回転機（永久磁石回転電機）
３      回転子
４      永久磁石配列（内側磁石配列）
５      永久磁石配列（外側磁石配列）
７      固定子
８      コイル配列
４１    永久磁石
４３    間詰部材（介在部材）
５１    永久磁石
５３    間詰部材（介在部材）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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