(57)【要約】 【目的】   本発明の目的は、回転性能を高めるために磁性体固定子と磁性体回転子との空隙を狭くした場合において，両者の摩擦による回転不能問題が生じない回転機を提供すること及び磁気回路の磁気抵抗を低くすることである。【構成】  電磁石を装着した円板磁性体固定子と永久磁石または短絡導体を装着した円板磁性体回転子を同心状に配置し，かつ，上記両円板間の空隙を狭くすることにより磁気抵抗が低くなるように構成した円板磁性体回転子を用いる回転機。【選択図】図１
2006296139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の電磁石を装着した円板磁性体固定子と円板磁性体回転子を同心状に対向させ，かつ，上記両円板間の空隙を小さくすることにより円板磁性体固定子と円板磁性体回転子との間に磁気抵抗の低い磁気回路を形成することを特徴とする円板磁性体回転子を用いる回転機。
【請求項２】
複数個の短絡２次巻線を埋め込んだ円板磁性体回転子と円板磁性体固定子とよりなる請求項１記載の円板磁性体回転子を用いる回転機。
【請求項３】
円板磁性体回転子内の外周に沿って複数対の永久磁石を交互に極性が反転するように配置し，上記永久磁石からの磁束を対向する円板磁性体固定子に作用させるようにした請求項１記載の円板磁性体回転子を用いる回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する電動機，また，運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を対象とするもので，円板磁性体回転子を用いる回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機には多くの種類・形式があり，広い分野で利用されている。電動機の中には直流電動機のように発電機としても使用できるものがある。電動機と発電機は回転機として取り扱われ，近年，回転機のエネルギー変換効率を高めることが重要となってきている。これはエネルギーの節減を通して地球環境を守る視点からである。従来，回転機には円筒型回転子とこの円筒型回転子を装着するための円筒状空間を備えた円筒型固定子とを組み合わせたものが主流である。この理由はエネルギー変換効率がある程度高く，信頼性が確立されているからである。しかし，円筒型固定子と円筒型回転子との間の空隙は機械加工精度，円筒型固定子と円筒型回転子の熱的形状変形，軸受けの磨耗を考慮して決められるものであるので，空隙縮小には限界がある。このため円筒型固定子，円筒型回転子および円筒型固定子と円筒型回転子との空隙に関する磁気抵抗が低くならないので，回転性能は向上しない。従って，上記空隙を小さくして磁気抵抗を低くすることが最優先の課題である。説明を容易にするために，一般の電動機20を示す図5を参照すると，電動機20はＮ極永久磁石２１，Ｓ極永久磁石２２，回転子２４より構成され，さらに，回転子２４は軸２５に装着された３個の電磁石２６，整流子２７から構成される。図５には回転子が３極の場合を示しているが，一般には極数が多いので，回転子は円筒形状となっており，この回転子と組み合わされる固定子の中空部分も円筒形状となっている。従って，図５は円筒形状ではないが，円筒形状と看做して動作原理を説明すると，図５において，磁極２３-１をＳ極になるように設計すると，磁極２３−１はＳ極永久磁石２２から反発力を受け，同時にＮ極永久磁石２１から吸引力を受けて回転子は時計方向に回転する。この回転により磁極２３−２がＮ極永久磁石２１を通り過ぎる時点で磁極２３−２をＮ極に磁化すると磁極２３−２はＮ極永久磁石２１からの反発力とＳ極永久磁石２２からの吸引力を得て時計方向に回転を持続する。磁極２３−２が回転力を得る時点で磁極２３−１の磁化状態を解消する。このような動作が繰り返されて磁極２３−２の磁化状態が解消されるが，磁極２３−２がＳ極永久磁石２２を通り過ぎる時点で今度はＳ極に磁化されて前述の動作が継続して行われる。
【０００３】
次に，図５において，磁極２３と永久磁石２１および２２との間の空隙は温度変化による形状伸縮，軸受けの磨耗，機械加工精度等に対して十分な余裕が必要であるため磁極２３と永久磁石２１および２２との間の空隙は十分小さくできない。さらに磁極２３と永久磁石２１および２２との間に異物が混入した場合には重大な故障を招くことが考えられる。そのため軸受けの磨耗検査，回転子および固定子の寸法確認等の保守のための負担が増大する結果となる
【０００４】
従来，内部円筒型固定子と円筒型回転子との空隙を小さくすることが困難であった。この理由は回転子の形状伸縮が固定子に直接影響を及ぼし，結果として回転子が固定子に接触する危険があるからである。この改善策として，円筒型回転子および円筒型固定子の代わりに円板型固定子および円板型回転子を使用することである。円板型回転子の円板の直径方向の伸縮があっても円板型回転子が円板型固定子に接触して回転を阻害することがないからである。また，円板型回転子の厚み方向の形状伸縮を軸の遊びにより吸収することができるので，円板型固定子と円板型回転子の空隙を極めて小さくできる。この結果，磁気回路の抵抗が低くなり回転性能が向上すると共に回転子が固定子に接触するような危険がないので安全性の面でも優位である。
【特許文献１】特開２００２−０７８３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする問題点は、円筒型回転子と円筒型固定子との空隙を極めて小さな値にすることができないため，磁気回路の抵抗が低くならないので，回転性能は向上しない。従って、発明が解決しようとする課題は回転子および固定子との空隙を小さくすると共に固定子および回転子の温度変化による形状伸縮によって回転性能に影響が及ばないようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために，本発明の回転機は，円板磁性体固定子と円板磁性体回転子を同心状態で対向させて，円板磁性体固定子と円板磁性体回転子との空隙を極めて小さくする。この結果，円板磁性体固定子と円板磁性体回転子とにより形成される磁気回路の磁気抵抗が低くなると共に固定子と回転子の接触によって回転不能になることが回避される。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成された本発明の回転機は，磁気抵抗が低くなることにより低消費電力において高い回転性能が得られる。さらに，温度変化による固定子および回転子の形状が伸縮しても回転機性能に影響することはないので，高い信頼性が得られる。従って，軸受けの磨耗検査，回転子および固定子の寸法確認等の保守のための負担が低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
円板磁性体固定子と円板磁性体回転子との空隙を狭くしても円板磁性体回転子の回転に支障とならないように両円板の平行度を良好に保つようにすることである。 円板磁性体回転子の回転力がその取り付け軸に十分伝達される条件の下で，その取り付け軸との間にある程度の遊びを持たせることが機械加工精度および軸受けの磨耗の条件を緩和する上で好ましい実施形態である。また，磁気回路の磁気抵抗を低くするためには円板磁性体固定子と円板磁性体回転子との空隙を狭くしなければならないが，回転速度を考慮すると円板近傍の空隙は円板中心部の空隙より広くすると総合的に磁気抵抗が低くなる。また，円板磁性体回転子に組み込まれた複数の永久磁石または短絡導体と円板磁性体固定子からの磁束との相互作用が最大となるように上記永久磁石および短絡導体を配置することである。    
【実施例１】
【０００９】
実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明による円板磁性体回転子を用いる回転機を示す図で，軸６に装着された円板磁性体回転子１，複数個の電磁石３および磁性体４を装着した円板磁性体固定子２，ブランケット５より構成される。軸受け７および８はそれぞれブランケット５および円板磁性体固定子２の中心に設けられている。ここで磁気回路９について述べると，矢印点線で示すように，電磁石３が発生する磁束は電磁石磁極10，円板磁性体回転子１，磁性体4および円板磁性体固定子２を経て電磁石3に戻る。磁気回路９を通る磁束を増やすと回転性能が高まる。磁束を増やすためには，磁気回路９の磁気抵抗を下げればよい。このためには円板磁性体回転子１と電磁石磁極10および磁性体４との空隙を狭くするのが効果的である。また，上記空隙を一定に保つためにはボ−ル11を電磁石磁極10と円板磁性体回転子1の間に挿入することもできる。さらに，温度変化による円板磁性体回転子１および円板磁性体固定子２の厚み方向の形状伸縮を吸収するため，軸６に遊び12を設ける。
【００１０】
次に図２を参照して動作原理を説明すると，図２(a)および(b)はそれぞれ図１のI―I線矢視断面図およびII-II線矢視断面図である。図１と図２において同じ部品および部材のところには同じ参照数字が用いられる。  図２(a)において，ｎ１ーｎ１，ｎ２ーｎ２，ｎ３ーｎ３の3組の電磁石３が円板磁性体固定子２に装着されており，組単位で順次駆動される。駆動された電磁石３の磁極10はとN極に磁化される。一方，円板磁性体回転子１には4個の永久磁石13（それぞれをN１，N２，S１，S２とし磁化状態をも示すものとする）が組み込まれている。図２の状態において，ｎ２ーｎ２を駆動すると両ｎ２はN極に磁化されるので，N１，N２は隣り合ったｎ２から反発力を受ける。一方，S１，S２は隣り合ったｎ２から吸引力を受けて円板磁性体回転子１はN１からS１の方向に回転する。S１，S２がｎ２の近傍まで移動した時点でｎ２ーｎ２の駆動を停止し，引き続いてｎ３ーｎ３を駆動するとS１，S２がｎ３に吸引される。次にｎ３ーｎ３の駆動を停止した後，ｎ１ーｎ１を駆動すれば円板磁性体回転子１は半回転することになる。この動作を繰り返すことにより円板磁性体回転子１は回転を継続する。永久磁石13を円板磁性体回転子１に組み込んだ場合について説明したが，フェライトのような磁性体を図2(b)のように部分磁化した円板磁性体を用いることもできる。以上の説明を補足すると，磁性体４は磁束通過の距離を短縮するために用いられているが，磁束通路として隣り合う電磁石を利用できるので必要不可欠の部材ではない。しかし，磁性体４と円板磁性体回転子１の空隙に関わる面積を大きくして磁気抵抗を低減しうる利点が生ずるので，用途により磁性体4装着の可否を決めることになる。また，従来の円筒型の場合には固定子と回転子との空隙を狭くすることが困難であることは前述した通りであり，さらに，この空隙に混入した異物は遠心力を受けて固定子に張り付き外部に追い出すことが困難である。一方，円板型では異物への遠心力は異物を外部に追い出すように作用するので，故障確率は低くなる。なお，図1の回転機を電動機として用いる場合は永久磁石13の代わりに電磁石を用いることが可能である。
【実施例２】
【００１１】
次に他の実施例について図３，図４を参照して説明する。円板固定子および円板回転子を使用しているので，図1と共通の目的，作用を有するところには同じ参照数字を用いることにする。図３は本発明による円板磁性体回転子を用いる誘導電動機を示す図で，軸６に装着された円板磁性体回転子１，複数個の電磁石３および磁性体４を装着した円板磁性体固定子２，ブランケット５より構成される。軸受け７および８はそれぞれブランケット５および円板磁性体固定子２の中心に設けられている。図３においてはボール12および遊び12は省略しているが用途により，これらの適用を決めることになる。ただし，図1の回転機は永久磁石を活用するもので電動機および発電機として使用できるが，図3は電動機としてのみの使用に限定されるので，回転子の構造および作用が大きく異なる。図４(a)および(b)はそれぞれ図３のIII―III線矢視断面図およびIV-IV線矢視断面図である。図４(a)は図２(a)と同一であるが，3組の電磁石（ｎ１ーｎ１，ｎ２ーｎ２，ｎ３ーｎ３）を３相交流電源により駆動して，円板磁性体回転子14に埋め込まれた短絡導体に作用させるものである。この原理は従来の誘導電動機と同じであるが，固定子および回転子を円筒型から円板型に変更することにより，固定子と回転子との空隙を狭くし，磁気抵抗を下げることができる。結果として，回転性能の向上，消費電力の低減，保守作業の負担低減の利点が生ずる。さて，電磁石（ｎ１ーｎ１，ｎ２ーｎ２，ｎ３ーｎ３）に３相交流電力を供給すると回転磁界が生じて，図２(b)に示す円板磁性体回転子14に埋め込まれた短絡導体15に誘起電流が生ずる結果，この誘起電流と上記回転磁界との相互作用により，円板磁性体回転子14に回転磁界の方向に回転力が生ずる。回転力は円板磁性体回転子14の回転速度が回転磁界の速さと同じになるとゼロになるので，回転磁界より若干遅い相度で回転する。以上の説明および図３および図4から明らかなように固定子と回転子の空隙が狭くなれば磁束密度が高くなり，円板磁性体回転子14に埋め込まれた短絡導体を鎖交する磁束が増大する。このことから図１の場合と同じ利点が生ずることが分かる。    
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例による円板磁性体回転子を用いる回転機を示す図である。
【図２】図２の(a)は、図１のI−I線矢視断面図を示し、図２の(b)は、図１のII−II線矢視断面図である。
【図３】本発明の他の実施例による円板磁性体回転子を用いる回転機を示す図である。
【図４】図４の(a)は図３のIII−III線矢視断面図、図４の（b）は図３のIV−IV線矢視断面図である。
【図５】従来の電動機を示す図である。
【符号の説明】
【００１３】
１は円板磁性体回転子
２は円板磁性体固定子
３は電磁石
４は磁性体
５はブランケット
６は軸
７および８は軸受
９は磁気回路
10は電磁石磁極
11はボール
12は遊び
13は永久磁石
14は円板磁性体回転子
15は短絡導体
20は従来の電動機
21はN極永久磁石
22はS極永久磁石
23(23-1,23-2,23-3)は電磁石磁極
24は回転子
25は軸
26は電磁石
27は整流子
【図１】
2006296139.tif 000003
【図２】
2006296139.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006296139.tif 000006
【図５】
2006296139.tif 000007