(57)【要約】【課題】  コギング力を抑えた電動装置及び発電装置を提供する。【解決手段】  円板状非磁性体物の外周に沿って周方向に磁化方向を合わせて配置された少なくとも１個以上の開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材を持つ回転子と、該回転子の周囲に該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の磁化方向にコイル軸方向を合わせて配置された少なくとも１個以上のコイルを持つ固定子からなり、該固定子の該コイルに電流を流し励磁し、該コイルが該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材に力を作用させ回転する。【選択図】図１
2014057503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板状非磁性体物の外周に沿って周方向に磁化方向を合わせて配置された少なくとも１個以上の開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材を持つ回転子と、該回転子の周囲に該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の磁化方向にコイル軸方向を合わせて配置された少なくとも１個以上のコイルを持つ固定子からなり、該固定子の該コイルに電流を流し励磁し、該コイルが該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材に力を作用させ回転する電動装置。
【請求項２】
円板状非磁性体物の外周に沿って周方向にコイル軸方向を合わせて配置された少なくとも１個以上のコイルを持つ回転子と、該回転子の周囲に該コイルのコイル軸方向に磁化方向を合わせて配置された少なくとも１個以上の開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材を持つ固定子からなり、該回転子の該コイルに電流を流し励磁し、該コイルが該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材に力を作用させ回転する電動装置。
【請求項３】
該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材のまわりを非磁性体の部材で補強した請求項１から２記載の装置においていずれか一つの電動装置。
【請求項４】
該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材が同極対向に配置された請求項１から３の記載の装置においていずれか一つの電動装置。
【請求項５】
該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の両側を、表面に該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の中心線上で外側に中心を配置した球曲面形状か回転楕円体形状の凹形状を施した強磁性体で挟んだ請求項１から４の記載の装置においていずれか一つの電動装置。
【請求項６】
該コイルのコイル軸と該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の磁軸とに周方向に回転半径と同じ曲がりがある請求項１から５の記載の装置においていずれか一つの電動装置。
【請求項７】
該コイルのコイル軸と該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の磁軸とに周方向に回転半径と同じ曲がりがあり回転軸方向からみて扇型である請求項１から６の記載の装置においていずれか一つの発電装置。
【請求項８】
該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材が電磁石である請求項１から７の記載の装置においていずれか一つの電動装置。
【請求項９】
前記構成が回転子の回転軸方向に複数連なる請求項１から８の記載の装置においていずれか一つの電動装置。
【請求項１０】
該コイルの中心軸に強磁性体のコアを有する請求項１から９の記載の装置においていずれか一つの電動装置。
【請求項１１】
円板状非磁性体物の外周に沿って周方向に磁化方向を合わせて配置された少なくとも１個以上の開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材を持つ回転子と、該回転子の周囲に該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の磁化方向にコイル軸方向を合わせて配置された少なくとも１個以上の中心軸に強磁性体のコアを有するコイルを持つ固定子からなり、該回転子が該固定子に対し回転し、該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材が該コイルを通過することによって該コイルに発電させる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は電動装置及び発電装置に係り、特に電磁誘導による電動装置及び発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来の電動機の例として、図２に示すように固定子の内側に回転子が回転できるようになっている。固定子は、積層された電磁鋼板などの鉄芯と鉄芯に巻かれたコイルを備えており、回転子は永久磁石などを備えている。このような永久磁石型電動機は、固定子のコイルが作る磁界と回転子の永久磁石が作る磁界との相互の作用で回転する。【０００３】  このような永久磁石型電動機は、回転子の永久磁石と固定子の鉄芯との間で、吸引によるコギング力が発生しエネルギー損失を生じ、振動騒音などの原因となることがある。（特許文献１を参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許公開２００４−１７３４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  永久磁石型電動機は、出力を高めるために強力な磁石を用いられることが多く、永久磁石の磁力と固定子の鉄芯との相互作用によって、無負荷時や負荷時に関係なく脈動トルクが発生する。この脈動トルクいわゆるコギング力が、エネルギーを損失させ振動騒音などの原因となることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  電磁誘導ではフレミングの左手の法則によると、磁界の方向に対し直角に位置した導線に電流を流すと導線に力が働き動く。磁界の方向と電流の方向と運動の方向は互いに直角になっている。従って、磁力線の方向とコイルの巻線方向、磁石の移動方向が夫々直角になった時に運動効率が最も良い。本発明は、フレミングの左手の法則に従い、磁石の磁力線がコイルの巻線方向にほぼ直角に横切るような構造にすることにより鉄芯の影響を少なくし、コギング力を抑えた電動機である。【０００７】  電動機の原理は、下記の数式１に示されるファラデーの電磁誘導の法則を利用している。【０００８】
【数式１】
Ｖ＝−ｎ（ｄφ／ｄｔ）＝−ｎＳ（ｄＢ／ｄｔ）
上記の数式において、ｎはコイルの巻数（回）、φは磁束（Ｗｂ）、Ｓはコイルの断面積（ｍ２）、Ｂは磁界の磁束密度（Ｔ）、ｔは時間（ｓ）である。このｎ・Ｓは材料条件で決定してしまう値であり、手段により良い状態が得られる。これらは起電力に比例しているが、時間は反比例している。したがって、変位時間を小さくすれば良い結果につながる。これは、磁石がコイルを通過する時間を短くすることである。
【０００９】  請求項１について説明すると、磁石の磁力線がコイルの巻線方向にほぼ直角に横切るような構成としては、図３のようにコイルの外周をリング状磁石が通過する配置にし、コイル軸とリング状磁石の磁化方向が同一になるようにする。図４のようにコイルにコイル保持部を設け、リング状磁石にその通過する間隙分をスリット加工し開口部を設ける。これは、リング状磁石のＮ極から発してリングの内側を通ってＳ極へ入る磁力線を利用し、コイルの巻線にほぼ直角になるようにしている。
【００１０】  また、リング状磁石の内側の磁力線を利用するため、内側に磁力線が十分存在しなくてはならない。図５（ａ）のように厚みが薄いと異極が近いため十分に磁力線が得られるが、図５（ｂ）のように厚いと異極が遠く、同極の排斥により内側を通過する磁力線は少ない。よって、リング状磁石の厚みは、図１１（ｂ）指示のコイル回転直径の円周の１／１０以下になっている。
【００１１】  一方、コイルに電流を流し励磁して磁石との力の相互作用を調べる代わりに、発電においてリング状磁石とコイルの位置関係を調べると図６のようになり、リング状磁石がコイルを通過する過程で、リング状磁石の中心がコイルの端面にきた時に最大の電圧となり、リング状磁石の中心がコイルのものと重なった時に電圧はほぼ０となる。さらに移動しリング状磁石の中心がコイルのもう１つの端面にきた時に負に最大の電圧となる。最大電圧が生じた所は、リング状磁石の磁界がコイルに最大に影響しているので、電動機では図６の波形のように励磁電流を流すと力の作用が効率よく働く。
また、コイルの長さがリング状磁石より厚いと逆極性の磁束領域にコイルの一部が入り逆の電圧を生じ全体の電圧を引き下げてしまう。これは、発電機ではコイルに生じた磁力が分散しロスが発生する。また、リング状磁石がコイルを通過する時間が大きくなってしまう。長いコイルを用いるより、短いコイルを多数分散することが良い。よって、本構成においてはコイルの長さはリング状磁石の厚みの１，５倍以下になっている。
【００１２】  請求項２について説明すると、請求項１の構成は回転子が開口部を持つリング状磁石で固定子がコイルである。リング状磁石はコイルの外側を通過することから、コイルより大型で質量も大きく回転子の慣性モーメントが大きくなり、回転しづらくなる。請求項２では回転子にコイルを固定子に開口部を持つリング状磁石の構成にし、回転子のコイルに電流を供給するブラシなどを追加することで、回転子の慣性モーメントを小さくし回転しやすくしている。
【００１３】  請求項３について説明すると、リング状磁石単品にスリット加工を施すと、磁化力と材質の強度のバランスで自己破壊し磁力の損失をすることがある。この解決方法として図７（ａ）のように、リング状磁石３１の厚み半分が収まる掘り込み加工した非磁性体のホルダー３２をリング状磁石３１の両側から挟みこんで接着後、コイル保持部が通過する間隙をスリット加工する。
【００１４】  請求項４について説明すると、リング状磁石の同極同士を対向させることにより、効率よく磁力線の密度を増加することができる。互いに対向する極から発せられた磁力線は、交差することなく斥けあって自身の異極に向かう。対向する距離が小さいほど磁力線の密度が増加し、作用力増加に貢献する。また、従来の回転式電動機に比べ、磁石の配置を密にすることができる。図８に示すように、一つの例として直径１５ｍｍ・厚み５ｍｍの磁石を図８（ａ）のように横にして配置した場合と本発明と同じく図８（ｂ）のように縦にして配置した場合を比較すると、縦にして配置した場合が多くなり配置の構成の利点がある。磁石の数を多く配置できることは、磁石がコイルを通過する時間を短くすることが可能になり、出力の増加になる。また、本構成においてはコイルの長さはリング状磁石の取り付けピッチ以下にしている。
【００１５】  請求項５について説明すると、内側の磁力線を充実させる手段として、図９（ａ）のようにリング状磁石３１の両側にコイル通過孔が開いた強磁性体３３を接着させたものが好適である。磁石から発した磁力線は、鉄などの強磁性体の内部を通過し、表面の曲面形状に直角の向きで空気中に出ていき、周りの磁力線の応力を受けながら最寄りの異極に向かう。リング状磁石の磁力線は通常では外側と内側は、互いに応力を及ぼしながらバランスのとれた状態でＮ極からＳ極に向かうが、表面にリング状磁石の中心線上で外側に中心を配置した球曲面形状か回転楕円体形状で凹形状にした強磁性体を装着することで、内側に回り込む磁力線増加させることが可能になる。製作方法としては、図７に示した例と同様であり、リング状磁石３１の両側を強磁性体３３ではさみこむ構成となる。強磁性体の鉄などをＮＣ旋盤で前述曲面加工後、コイル保持板が通過する間隙を機械加工し、リング状磁石３１を挟み込み接着後、リング状磁石３１にスリット加工し開口部を設ける。前記非磁性体で補強したものに比べ小型化することが可能で、リング状磁石３１の両側に強磁性体３３が接着されているため同極の排斥力による自己破壊も防止できる。また、表面が平らなプレートを使用しても磁力線の集中効果は薄れるが、コンパクト化が可能になり同極の排斥力による自己破壊も防止できる。
【００１６】  請求項６について説明すると、リング状磁石とコイルは互いに回転運動をするため、周方向に直線形状であると、回転による干渉を避けるため双方の間隙を大きくする必要がある。この改善として、回転半径に相当する曲がりをリング状磁石の磁軸とコイルのコイル軸に設けることによって、間隙を小さくでき性能向上につながる。
【００１７】  請求項７について説明すると、リング状磁石とコイルの外形が直線形状であると、内径と外径差によるスペースの無駄が生じてしまう。この改善として、回転軸方向の平面上で外形を扇形にすることによって、無駄な空間を小さくできコンパクト化につながる。
【００１８】  請求項８について説明すると、リング状の磁気を帯びた部材の例には、フェライト磁石・ネオジム磁石・サマリウムコバルト磁石などがあるが、保磁力が夫々ほぼ一定のため出力の制御は固定子のコイルに流す電流によるものになる。これに代わって電磁石を用いると磁力の増減ができ、電動機の出力を詳細に制御することが可能となる。図１０（ｂ）に示すように、鉄芯に巻線を施した電磁石３４を複数並べカバー３６で覆い、両側にプレート３５で接着し、図１０（ａ）のように組立てた電磁石ユニット３７をリング状磁石の代わりに使用する。界磁電流は、ブラシにより外部電源から得て、夫々の電磁石に供給される。界磁電流の強さを変えると電磁石の強さが変わり、出力の制御をすることができる。
【００１９】  請求項９について説明すると、以上述べた単位を回転子の回転軸方向に複数連動することにより出力を上げることが可能である。
【００２０】  請求項１０について説明すると、リング状磁石の磁力線を効果的にコイルに導く手段として、コイルの中に強磁性体のコアを備えるのが良い。騒音振動などの発生状況を考慮しコアの仕様を決定する。
【００２１】  請求項１１について説明すると、請求項１の構成を発電機として扱い、コイルの中に強磁性体のコアを備えている。発電量とコギングトルクの発生状況のバランスでコアの仕様を決定する。
【００２２】
【発明の効果】
【００２３】  磁石の磁力線がコイルの巻線方向にほぼ直角に横切るような構造にすることにより鉄芯の影響を少なくし、コギング力を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）本発明の代表的な例の斜視図を示す。（ｂ）図１（ａ）内のＡ−Ａの断面図を示す。
【図２】従来の永久磁石型電動機と断面の模式図を示す。
【図３】本発明のイメージを示す。
【図４】本発明の基本構成を示す。
【図５】（ａ）薄いリング状磁石の磁力線イメージ図を示す。（ｂ）厚いリング状磁石の磁力線イメージ図を示す。
【図６】コイルとリング状磁石の位置と電圧の関係を示す。
【図７】（ａ）リング状磁石の補強の組み合わせ図を示す。（ｂ）リング状磁石の補強の組み合わせ加工後の底面図を示す。
【図８】（ａ）磁石を横にして配置した例を示す。（ｂ）磁石を縦にして配置した例を示す。
【図９】（ａ）リング状磁石と強磁性体の複合体の斜視図を示す。（ｂ）図９（ａ）内のＡ−Ａの断面図を示す。
【図１０】（ａ）電磁石ユニットの組み合わせ図を示す。（ｂ）電磁石ユニットの詳細図を示す。
【図１１】（ａ）実施例１の斜視図を示す。（ｂ）図１１（ａ）内のＡ−Ａの断面図を示す。
【図１２】実施例１の固定子の斜視図を示す。
【図１３】実施例１の組立て仕様を示す。
【図１４】実施例２の断面図を示す。
【図１５】実施例３の断面図を示す。
【図１６】実施例４のコイルとリング状磁石の位置関係を示す。
【図１７】実施例５のリング状磁石と強磁性体の複合体を示す。
【図１８】（ａ）実施例６のコイルの斜視図を示す。（ｂ）実施例６のコイルとリング状磁石の断面図を示す。
【図１９】（ａ）実施例７の平面図の一部を示す。（ｂ）実施例７の扇型リング状磁石の斜視図を示す。（ｃ）実施例７の扇型リング状磁石の詳細図を示す。
【図２０】（ａ）実施例８の電磁石ユニットの組み合わせ図を示す。（ｂ）実施例８の電磁石ユニットの詳細図を示す。（ｃ）実施例８の断面図を示す。
【図２１】実施例９の使用例を示す。
【図２２】実施例１０のコイルとコアを示す。
【図２３】実施例１１の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】  以下、本発明を図の具体例を用いて説明する。
【実施例１】
【００２６】  請求項１の実施例で図１１（ｂ）を参照しながら説明すると、１は回転軸に装着した回転子、２・３は夫々軸受けを有する一対の側板、５・６は固定子４を支持し側板２・３を繋ぐ枠板、７は回転子コア大、８は回転子コア小、９はリング状磁石３１の支持材１９を固定する蓋、１１・１２は入力端子である。
固定子４を図１２に参照して説明すると、コイル保持板２２の周方向にコイル２０の軸を合わせるように装着する。この例では、コイル２０にコイル軸２１を設けコイル保持板２２に溝を加工しこれに嵌合している。取り付ける間隔および配線は、生成したい出力により決定される。図示２３は、組付けの際の支持材１９の挿入の逃がしである。支持材１９は、リング状磁石３１単品では位置を決めにくいので補助するものである。取り付けに関して図１３を参照し説明する。回転子コア大７を回転軸に取り付け後，固定子４を枠板５に固定し、回転子コア小８を回転軸に挿入し回転子コア大７と合わせて両者を固定する。この時点で、回転子コア大７・小８は、枠板５と固定子４に対し回転軸を中心に回転できる状態になっている。回転子コア大７と回転子コア小８は、固定子４の通る固定子通過空間２４が設けられている。また、支持材１９の挿入可能な空間が両者に施されており、回転子コア大７には支持材挿入袋状空間２５、回転子コア小８には支持材挿入貫通空間２６があり、リング状磁石３１を含む支持材１９は、支持材挿入逃がし部２３と支持材挿入袋状空間２５と支持材挿入貫通空間２６を合わせて挿入し、回転子コアに固定する。回転子コアを１ピッチ回転させ、同様にリング状磁石３１を含む支持材１９を挿入し固定する。この取り付ける間隔は、異極を対向するように装着する場合は直近の異極と引き合わないような距離をとる必要がある。リング状磁石３１を含む支持材１９をすべて挿入後、蓋９を取り付ける。
よって、図１１（ｂ）で入力端子１１・１２から励磁電流を流し、コイル２０が励磁しリング状磁石３１と相互作用が働き、回転子１が回転する。
【実施例２】
【００２７】  請求項２の実施例で図１４を参照しながら説明すると、実施例１と異なりリング状磁石３１が固定子に、コイル２０が回転子に装着している。入力端子１１・１２から励磁電流を受け、給電ブラシ１３・１４で回転子に備えられた接触板１５・１６に伝わり、導線１７・１８でコイル２０に供給される。コイル２０が励磁しリング状磁石３１と相互作用が働き、回転子１が回転する。
【実施例３】
【００２８】  請求項３の実施例で図１５を参照しながら説明すると、リング状磁石３１に非磁性体のホルダー３２で補強したものを使用している。
【実施例４】
【００２９】  請求項４の実施例で図１６を参照しながら説明すると、図１６は実施例１のリング状磁石とコイルについて特記している。リング状磁石３１は同極を対向して装着し、固定子のコイル２０は滑らかに回転するように配置・接続される。同極同士対向しているため、磁力線の密度を高められ高い出力になる。図示の例では、リング状磁石４８個とコイル３６個で３相の入力電流としている。
【実施例５】
【００３０】  請求項５の実施例で図１７を参照しながら説明すると、図１７は実施例１の回転子を簡略化し一部を示している。リング状磁石３１が強磁性体３３に挟み込まれている構造で、強磁性体には鉄などが用いられていて、その表面には中央の孔に磁力線を集めるために球曲面形状か回転楕円体形状が施されている。内側の磁束密度が増加するとともに回転子のコンパクト化につながる。
【実施例６】
【００３１】  請求項６の実施例で図１８を参照しながら説明すると、図１８（ａ）で図１１（ｂ）内のコイル回転直径と同一直径の環状に銅線を巻きコイルを作ることにより、コイル２０の外形がコイル回転直径に準ずる曲率を持ち、図１８（ｂ）のようにリング状磁石３１にも同じ処置を施すことにより、コイルとリング状磁石の間隙を小さくでき、性能が向上する。
【実施例７】
【００３２】  請求項７の実施例で図１９を参照しながら説明すると、図１９（ｂ）は実施例１の回転子を簡略化し一部を示している。図１９（ｂ）のように扇型リング状磁石４１を両側から扇型用プレート４２で挟み込んだ構造となっている。図１９（ｃ）でリング状磁石を図１９（ａ）のように扇形に加工後、扇型用プレート４２を両側から接着し、スリット加工し開口部を設ける。コイルも図１９（ａ）のように扇形にする。円周方向は実施例６で述べたようなコイル回転直径に準ずる曲率を持っているが、条件によっては直線でも良い。周方向にスペースを無駄なく使用でき、コンパクト化につながる。
【実施例８】
【００３３】  請求項８の実施例で図２０を参照しながら説明すると、図２０（ａ）（ｂ）は実施例１の回転子を簡略化し一部を示している。図２０（ｂ）に示すように、鉄芯に巻線を施した電磁石３４を複数並べカバー３６で覆い、両側にプレート３５で接着し、図２０（ａ）のように組立てた電磁石ユニット３７をリング状磁石の代わりに使用する。図２０（ｃ）のように界磁電流は、外部電源からブラシ３８を通過し、夫々の電磁石に供給される。界磁電流の強さを変えると電磁石の強さが変わり、出力の制御をすることができる。
【実施例９】
【００３４】  請求項９の実施例で図２１を参照しながら説明すると、図２１は本発明のユニットを５台連続してつなげたものでパワーアップを図り動力源として使用される。
【実施例１０】
【００３５】  請求項１０の実施例で図２２を参照しながら説明すると、図２２は実施例１の固定子を簡略化しコイル保持板とコイルの一部を示している。リング状磁石３１の磁力線を効果的にコイルに導く手段として、コイル２０の中心軸に強磁性体のコア３９を備えるのが良い。コア３９の仕様は、騒音振動などの発生状況で決定する。
【実施例１１】
【００３６】  請求項１１の実施例で図２３を参照しながら説明すると、コイル２０の中心軸にコア３９が挿入されている。リング状磁石３１の磁力線を効果的にコイル２０に導く手段として、コイル２０の中に強磁性体のコア３９を備えるのが良い。コア３９の仕様は、発電量とコギングトルクの発生状況のバランスで決定される。回転子１が回転し、リング状磁石３１がコイル２０を通過することで発電する。
【産業上の利用可能性】
【００３７】  電気エネルギーは他のエネルギーに比べ効率の良い伝送が容易なため、社会では広く利用されており、本発明は電気エネルギーを効率よく運動エネルギーに変換するものであり、ポンプや圧縮機の機器、運搬機械など産業上の幅広い分野で利用される可能性を有する。
【符号の説明】
【００３８】  １          回転子
２、３      側板
４          固定子
５、６      枠板
７          回転子コア大
８          回転子コア小
９          蓋
１１、１２  入力端子
１３、１４  給電ブラシ
１５、１６  接触板
１７、１８  導線
１９        支持材
２０        コイル
２１        コイル軸
２２        コイル保持板
２３        支持材挿入逃がし部
２４        固定子通過空間
２５        支持材挿入袋状空間
２６        支持材挿入貫通空間
３１        リング状磁石
３２        ホルダー
３３        形状付き強磁性体
３４        電磁石
３５        プレート
３６        カバー
３７        電磁石ユニット
３８        ブラシ
３９        コア
４０        扇型コイル
４１        扇型リング状磁石
４２        扇型用プレート
【図１】
2014057503.tif 000003
【図２】
2014057503.tif 000004
【図３】
2014057503.tif 000005
【図４】
2014057503.tif 000006
【図５】
2014057503.tif 000007
【図６】
2014057503.tif 000008
【図７】
2014057503.tif 000009
【図８】
2014057503.tif 000010
【図９】
2014057503.tif 000011
【図１０】
2014057503.tif 000012
【図１１】
2014057503.tif 000013
【図１２】
2014057503.tif 000014
【図１３】
2014057503.tif 000015
【図１４】
2014057503.tif 000016
【図１５】
2014057503.tif 000017
【図１６】
2014057503.tif 000018
【図１７】
2014057503.tif 000019
【図１８】
2014057503.tif 000020
【図１９】
2014057503.tif 000021
【図２０】
2014057503.tif 000022
【図２１】
2014057503.tif 000023
【図２２】
2014057503.tif 000024
【図２３】
2014057503.tif 000025