(57)【要約】【課題】界磁用の永久磁石の磁束を有効に活用し、小型で、効率を向上させた回転電機を提供する。【解決手段】回転子軸１に組み付けられた整流子２と、回転子軸１と一体となって回転可能であり、整流子２に両端を接続されて回転子軸１の軸方向断面矩形状に周回して巻き回され周方向に隙間なく配置された電機子コイル４と、電機子コイル４のコイル内周側に磁束作用面が配置された第１永久磁石１１と、コイル線を挟んでコイル外周側に磁束作用面が配置された第２永久磁石１２とが対向配置された磁束作用部と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子軸に一体に組み付けられた整流子と、
前記回転子軸と一体となって回転可能であり、前記整流子に両端を接続されて前記回転子軸の軸方向断面矩形状に周回して巻き回され周方向に隙間なく配置された電機子コイルと、
前記電機子コイルのコイル内側に磁束作用面が配置された第１永久磁石と、コイル線を挟んでコイル外側に磁束作用面が配置された第２永久磁石とが対向配置された磁束作用部と、を具備し、
前記第１永久磁石は前記回転子軸に対して回転自在に軸支されており、前記第２永久磁石はケース内壁に対向して固定されていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記電機子コイルは、前記回転子軸に対して軸方向に設けられた一対の絶縁板の外面をガイドとしてコアレスで矩形状に巻き回されている請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記第１永久磁石は、前記回転子軸に対して回転可能に支持された磁性板に同極どうしが向き合うよう吸着固定されており、前記第２永久磁石とは軸方向で異極面どうしがコイル線を介して対向配置されるように設けられている請求項１又は請求項２記載の回転電機。
【請求項４】
前記第１永久磁石は、前記回転子軸に対して回転可能に支持されており、前記第２永久磁石とは径方向で異極面どうしがコイル線を介して対向配置されている請求項１又は請求項２記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電動機、発電機等に用いられる回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で効率の良い電動機として様々なものが開発され、提案されている。中でもコアレスモータであって、回転子として回転子軸に設けられた円板に扇型で偏平に巻かれた電機子コイルが配置されて樹脂モールドされている回転子と、回転子を収納する固定子側ケースに電機子コイルと対向して永久磁石が対向して配置された３相直流電動機が提案されている。（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１６８２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した回転子においては、回転板に扇型状に形成された電機子コイルが配置さえてモールドされるため、偏平に形成される分コイルの巻き数が稼げないうえに、固定子側ケースに対向配置された界磁用の永久磁石から発生した磁束をコイル線が横切らない、即ち回転トルクが作用しない（磁力線と導体が鎖交しない）無効な配線部分が発生してしまうため、効率が悪くなり、無駄な電力を消費してしまうおそれがある。
【０００５】
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、界磁用の永久磁石の磁束を有効に活用し、小型で、効率を向上させた回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記課題を解決するため、以下の構成を備えたことを特徴とする。
回転子軸に一体に組み付けられた整流子と、前記回転子軸と一体となって回転可能であり、前記整流子に両端を接続されて前記回転子軸の軸方向断面矩形状に周回して巻き回され周方向に隙間なく配置された電機子コイルと、前記電機子コイルのコイル内側に磁束作用面が配置された第１永久磁石と、コイル線を挟んでコイル外側に磁束作用面が配置された第２永久磁石とが対向配置された磁束作用部と、を具備し、前記第１永久磁石は前記回転子軸に対して回転自在に軸支されており、前記第２永久磁石はケース内壁に対向して固定されていることを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、回転子軸の軸方向断面矩形状に周回して巻き回された電機子コイルは、コイル内側に配置された第１永久磁石と、コイル外側に配置された第２永久磁石との間をコイル線が通過しているため、第１，第２永久磁石と対向するコイル線の長さを長くして鎖交する磁束を増やし、磁束と鎖交しないコイル線を可及的に短くすることで、無効となるコイル線長が短く界磁用の永久磁石から生じた磁束を有効に活用して、電動機においては高い回転トルクが得られ、発電機においては高い誘導起電力が得られ、効率を上げることが期待される。
【０００８】
前記電機子コイルは、前記回転子軸に対して軸方向に設けられた一対の絶縁板の外面をガイドとしてコアレスで径方向に周回して巻き回されていることが好ましい。
電機子コイルはコアレスで周回して巻き回されているため、一対の絶縁板の外面をガイドとして巻きやすく、回転子としての保形性を高めることができる。
【０００９】
前記第１永久磁石は、前記回転子軸に対して回転可能に支持された磁性板に同極どうしが向き合うよう吸着固定されており、前記第２永久磁石とは軸方向で異極面どうしがコイル線を介して対向配置されるように設けられていること、或いは前記第１永久磁石は、前記回転子軸に対して回転可能に支持されており、前記第２永久磁石とは径方向で異極面どうしがコイル線を介して対向配置されていることが望ましい。
これにより、第１永久磁石は、コイル線に囲まれた中空部分に配置され、コイル線を介して対向する第２永久磁石を可能な限り近づけて配置することにより、小型で偏平若しくは小径な回転電機を提供することができる。
【発明の効果】
【００１０】
上述した回転電機を用いれば、界磁用の永久磁石の磁束を有効に活用し、小型で、高回転トルクが得られ、効率を向上させることができる回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第一実施例に係る回転電機の断面図である。
【図２】回転電機の動作原理を示す説明図である。
【図３】回転子軸に組み付けられた第１永久磁石の説明図である。
【図４】巻線と整流子の位置関係を示す説明図である。
【図５】一対の絶縁板に巻き付けられた電機子コイルの平面図及び正面図である。
【図６】第二実施例に係る回転電機の断面図及び平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る回転電機の一例について、添付図面を参照しながら説明する。尚、回転電機は、電動機としても発電機としてもいずれでも使用可能な構成をいうものとする。
【００１３】
[第一実施例]
図１に回転電機の断面説明図を示す。
回転子軸１の一端には後述する電機子コイル４が接続する整流子２が組み付けられている。この整流子２の外周面には、ブラシ３が摺動可能に当接している。
電機子コイル４は、回転子軸１と一体となって回転可能であり、整流子２に両端を接続されて回転子軸１の軸方向断面矩形状に周回して巻き回され周方向に隙間なく配置されている。回転子軸１には一対の絶縁板５が、ストッパー１ａとスペーサ１ｂとの間に各々挟み込まれて軸方向に固定されている。絶縁板５は、例えば円板形状のベークライト板若しくはプラスチック板が好適に用いられる。一対の絶縁板５は回転子軸１と一体となって回転する。
【００１４】
電機子コイル４は、絶縁板５の外側面をガイドとしてコアレスで径方向に周回して巻き回されている。図５（ａ）は、回転子６を軸方向から見た平面図である。電機子コイル４は三相分巻かれており、径方向にＡ→ａ，Ｂ→ｂ，Ｃ→ｃ，Ｄ→ｄ，Ｅ→ｅ，Ｆ→ｆの順に巻かれている。図５(ｂ)に示すように、電機子コイル４は、回転子６の周方向に高密度で巻かれている。電機子コイル４はコアレスで周回して巻き回されているため、絶縁板５の外面をガイドとして巻きやすく、回転子６としての保形性を高めることができる。
【００１５】
回転子軸１はケース７内に設けられた一対のベアリング８により回転可能に軸支されている。ケース７は磁性体よりなり、バックヨークを兼用している。
【００１６】
次に磁束作用部の構成について説明する。
図１において、回転子軸１に固定された一対の絶縁板５間には磁石固定板９（磁性板）がベアリング１０を介して回転可能に支持されている。即ち磁石固定板９は電機子コイル４の内周側に設けられている。この磁石固定板９には平板状の第１永久磁石１１が磁束作用面(磁極面)を軸方向に向けて吸着固定されている。第１永久磁石１１は板厚方向（軸方向と平行方向）にＮ極・Ｓ極となるように着磁されている。第１永久磁石１１は、磁石固定板９の両面に同極どうしが向き合うように吸着固定されている。例えば図１では、上側はＮ極どうしが向き合い下側はＳ極どうしが向き合うように貼り付けられている。尚、Ｎ極とＳ極は入れ替わっていてもよい。また、第１永久磁石１１とコイル線４ａ，４ｆ、コイル線４ｃ，４ｄを挟んでコイル外周側に平板状の第２永久磁石１２が各々対向配置されている。第２永久磁石１２は、バックヨークであるケース７の内壁に磁気的に吸着固定され、磁束作用面(磁極面)を軸方向と平行方向に向けて対向配置されている。第２永久磁石１２の磁極と異なる磁極の第１永久磁石１１が磁気的に吸引されて対向配置される。
このように、第１永久磁石１１は、コイル線に囲まれた中空部分に配置された磁石固定板９に同極どうしが向き合うように吸着固定され、対向する第２永久磁石１２を軸方向に近づけて配置することにより、小型で偏平な回転電機を提供することができる。
【００１７】
図３（ａ）（ｂ）に第１永久磁石１１（第２永久磁石１２）の形状を例示する。第１永久磁石１１（第２永久磁石１２）は一対の扇型の磁石固定板９の両面に各々吸着固定されている。第１永久磁石１１の一方の磁極をＳ極とすると他方はＮ極となる。図３（ｂ）において、第１永久磁石１１は磁石固定板９が回転子軸１に対してベアリング１０を介して回転自在であるため、第２永久磁石１２の磁極に吸引する位置で停止するようになっている。
【００１８】
図４に、電機子コイル４への通電と整流子との配置を示す。一例として電機子コイル４はＵ相（例えばコイルＡ→ａ，コイルＢ→ｂ），Ｖ相（例えばコイルＣ→ｃ，コイルＤ→ｄ），Ｗ相（例えばコイルＥ→ｅ，コイルＦ→ｆ）に応じて１２０°の角度範囲で巻き付けられている。ブラシ３は、整流子２に対して、１８０°位相が異なる位置で対向して当接している。
【００１９】
ここで、図２を参照して、回転電機の動作原理について説明する。一例として図１の回転電機が電動機として動作する場合について説明する。
図２は、ブラシ３及び整流子２を通じて電機子コイル４に通電する場合を例示している。このとき、コイル線４ａ，コイル線４ｂ，コイル線４ｃ，コイル線４ｄ，コイル線４ｅ，コイル線４ｆを周回して図の矢印に示す向き電流Ｉが流れるものとする。また、コイル線を挟んで対向する第１永久磁石１１と第２永久磁石１２の磁極間には図のような磁界Ｈが発生しているものとする。
【００２０】
このとき、フレミングの左手の法則より、コイル線４ａ，コイル線４ｃ，コイル線４ｄ，コイル線４ｆには図の矢印Ｆに示す電磁力が作用し、電機子コイル４を含む回転子が図の矢印方向（時計回り方向）に回転する。
尚、コイル線４ｂ及びコイル線４ｅは鎖交磁束が必ずしも得られないが、上記コイル線に比べて長さが十分短いため、効率が大きく低下することはない。
このようにして、三相分の電機子コイル４に所定の位相差で通電することにより、電機子コイル４を含む回転子６が、回転方向に付勢されて回転する。
また、発電機の場合には、回転子６を回転させるとフレミングの右手の法則より、コイル線４ａ，コイル線４ｃ，コイル線４ｄ，コイル線４ｆにおいて誘導起電力が生じ、整流子２、ブラシ３を通じて取り出すことができる。
【００２１】
このように、電動機の回転子６にコアが存在しないので鉄損を低減することができ、電動機の効率を向上させることができる。
実験によれば、φ０．２ｍｍの銅線を用いて電機子コイル４を２０１Ｔ(ターン)巻き付けた場合、ＤＣ１００Ｖで０．６Ａの電流を流した場合、出力６０Ｗ程度の負荷を回転させることができることが判明している。
【００２２】
[実施例２]
次に図６に回転電機の他例について説明する。
図１の回転電機と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとし、異なる構成を中心に説明する。
図６（ａ）において、回転子６を構成する電機子コイル４のコイル形状が、回転子軸１の軸方向に長く径方向に短く巻かれている。電機子コイル４は、回転子軸１に固定された一対の絶縁板５に沿って巻かれているのは図１と同様である。尚、図６（ｂ）において、電機子コイル４は二相分巻かれている。
【００２３】
また、コイル線の内外に対向配置される第１永久磁石１１と第２永久磁石１２は平板状ではなく円弧状に形成されている。第１永久磁石１１は、回転子軸１に嵌め込まれた一対のベアリング１３を介して軸方向両側が回転自在に支持されている。第１永久磁石１１の着磁方向は径方向であり、コイル線を介して対向配置された第２永久磁石１２の着磁方向も径方向である。第２永久磁石１２はケース７に内壁に吸着保持されている点は同様である。
【００２４】
第１永久磁石１１の一方の対向面の磁極をＳ極とすると他方の対向面はＮ極となる。また、第１永久磁石１１は回転子軸１に対してベアリング１３を介して回転自在であるため、対向する第２永久磁石１２の磁極に吸引する位置で停止するようになっている点は同様である。
【００２５】
図６（ｂ）は、回転電機が電動機として用いる場合の動作を示している。ブラシ３及び整流子２を通じて電機子コイル４に通電する場合を例示している。このとき、図６（ａ）においてコイル線４ｆ，コイル線４ｅ，コイル線４ｄ，コイル線４ｃ，コイル線４ｂ，コイル線４ａを周回して電流Ｉが流れるものとする。また、コイル線を挟んで対向する第１永久磁石１１と第２永久磁石１２の磁極間には図のような磁界Ｈが発生しているものとする。このとき、フレミングの左手の法則より、コイル線４ｂ及びコイル線４ｅには図の矢印Ｆに示す電磁力が発生し、電機子コイル４を含む回転子が図の矢印方向（反時計回り方向）に回転する。
【００２６】
上記構成によれば、第１永久磁石１１は、コイル線に囲まれた中空部分に配置され、コイル線を介して対向する第２永久磁石１２を可能な限り近づけて配置することにより、小型で小径な回転電機を提供することができる。
【００２７】
尚、発電機の場合には、回転子６を回転させるとフレミングの右手の法則より、コイル線４ｂ及びコイル線４ｅにおいて誘導起電力が生じ、整流子２、ブラシ３を通じて取り出すことができる。
また、上述した第１永久磁石１１及び第２永久磁石１２は、フェライト磁石を用いても良いし、ネオジボンド磁石やネオジウム焼結磁石等を用いてもよい。
【００２８】
本発明は上述したように、回転子軸１の軸方向断面矩形状に周回して巻き回された電機子コイル４は、コイル内側に配置された第１永久磁石１１と、コイル外側に配置された第２永久磁石１２との間をコイル線が通過しているため、第１，第２永久磁石１１，１２と対向するコイル線の長さを長くして鎖交する磁束を増やし、磁束と鎖交しないコイル線を可及的に短くすることで、無効となるコイル線長が短く界磁用の永久磁石から生じた磁束を有効に活用して、電動機においては高い回転トルクが得られ、発電機においては高い誘導起電力が得られ、効率を上げることが期待される。
【符号の説明】
【００２９】
１  回転子軸  １ａ  ストッパー  １ｂ  スペーサ  ２  整流子  ３  ブラシ  ４  電機子コイル  ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ  コイル線  ５  絶縁板  ６  回転子  ７  ケース  ８，１０，１３  ベアリング  ９  磁石固定板  １１  第１永久磁石  １２  第２永久磁石  Ｈ  磁界の大きさ  Ｉ  電流  Ｆ  電磁力
【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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